JP5522887B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマプロセスにマイクロ波を利用するマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特に電磁波結合によって処理容器内のプラズマにマイクロ波電力を供給する方式のプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスや液晶ディスプレイ等を製造するためのプラズマプロセスにおいては、真空の処理容器内で処理ガスを放電または電離させるために、高周波（ＲＦ）やマイクロ波が使用される。ＲＦ放電方式は、処理容器内に一対の電極を適当なギャップを隔てて平行に配置し、一方の電極を接地して他方の電極にコンデンサを介して高周波を印加する容量結合形が主流になっている。しかしながら、ＲＦ放電方式は、低圧下で高密度のプラズマを生成するのが難しいうえ、電子温度が高いために基板表面の素子にダメージを与えやすいなどの問題を有している。その点、マイクロ波放電方式は、低圧下で電子温度の低い高密度のプラズマを生成できるという利点があり、平板状のマイクロ波導入窓構造を採ることにより、広い圧力範囲で大口径プラズマを効率的に生成できるうえ、磁場を必要としないためプラズマ処理装置の簡略化をはかれるという長所を有している（たとえば、特許文献１の図１(A)、図２参照）。
国際公開ＷＯ２００５／０４５９１３

マイクロ波プラズマ処理装置においては、処理容器内にマイクロ波と処理ガスを導入して処理ガスのマイクロ波プラズマを生成するため、マイクロ波導入部とガス導入部との構造的・作用的な関係がプラズマ特性や装置性能を決定する重要なファクタとなる。

従来のマイクロ波プラズマ処理装置は、概して、基板保持台（サセプタ）と対向する天井面の誘電体窓にガス流路およびガス吐出口を形成（穿孔）し、ガス供給源より所定の圧力で送られてくるガスを該ガス流路に通して該ガス吐出口から容器内に導入している。

しかしながら、誘電体窓は、マイクロ波導入窓でもあり、つまり一定の伝播モードを有するマイクロ波伝播路であり、内部には一定の電界分布が存在している。その中を、つまりマイクロ波電界に晒されながら、一定の圧力を有するガスが流れるため、誘電体窓のガス流路内あるいはガス吐出口付近でガスが電離して異常放電を起こすおそれがある。このような異常放電は、誘電体窓の劣化・損傷を著しく早めるだけでなく、プラズマ生成効率やプラズマ密度分布等に悪い影響を及ぼし、プロセス性能を下げる原因にもなる。

本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するものであり、誘電体窓内で異常放電を起こさずに、さらにはガス吐出口付近でガスの電離または異常放電を起こさずに、効率よくマイクロ波とガスを処理容器内に導入することにより、特性の安定したプラズマを生成し、プロセス性能および装置性能を向上させるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記処理容器内に前記マイクロ波のパワーを導入するための誘電体窓と、前記マイクロ波発生器からの前記マイクロ波を前記誘電体窓まで伝送するためのマイクロ波伝送線路と、前記処理容器内に処理ガスを供給するために、前記誘電体窓の複数箇所に軸対象に形成された貫通孔の中に設けられ、かつ接地されたガス流路導体を含む処理ガス供給部とを有し、前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施す。

上記の構成においては、処理ガス供給部のガス供給源より送出された処理ガスが接地されたガス流路導体の中を流れて誘電体窓を通り抜けて処理容器内へ導入されるため、誘電体窓内部のマイクロ波電界に晒されることはなく、誘電体窓内部で異常放電するおそれはない。また、貫通孔が誘電体窓の複数箇所に軸対象に設けられているので、ガス拡散の軸対称性がはかられている。

本発明の第２の観点におけるプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記処理容器内に前記マイクロ波のパワーを導入するための誘電体窓と、前記マイクロ波発生器からの前記マイクロ波を前記誘電体窓まで伝送するためのマイクロ波伝送線路と、前記処理容器内に処理ガスを供給するために、前記誘電体窓に形成された貫通孔の中に設けられ、かつ接地されたガス流路導体を含む処理ガス供給部とを有し、前記誘電体窓の外側面に前記貫通孔と連続するざぐり穴が形成され、前記処理容器の外側から、前記ガス流路導体の先端の第１の部分が前記誘電体窓の前記貫通孔に挿入されるとともに、前記ガス流路導体の前記第１の部分よりも太くて前記第１の部分と連続する第２の部分が前記誘電体窓の前記ざぐり穴に嵌め込まれ、前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施す。

本発明の好適な一態様によれば、ガス流路導体の第２の部分と誘電体窓のざぐり穴との間に真空封止用のシール部材が設けられる。

別の好適な一態様によれば、処理容器内に基板を載置して保持するための保持台が設置され、処理容器の保持台と対向する天井面に誘電体窓が設けられる。この場合、マイクロ波プラズマのイオンを基板に引き込むために、高周波電源より所定周波数の高周波を保持台に印加して自己バイアス電圧を発生させてもよい。

別の好適な一態様によれば、誘電体窓が大口径プラズマの生成に有利な平板形アンテナたとえばラジアルラインスロットアンテナを構成する。好ましくは、マイクロ波伝送線路の少なくとも最終区間を同軸管で構成して、この同軸管の終端部をアンテナに接続してよい。

この場合、好適な一態様として、ガス流路導体が同軸管の内部導体と一体に形成または接続され、内部導体の中にはその中心軸に沿って延びるガス流路用の中空部が形成され、ガス流路導体が内部導体の中空部と連通し、誘電体窓の貫通孔を通って処理容器内に臨む。かかる構成においては、最短のルートで誘電体窓の中心部に接地されたガス流路導体の吐出部を通し、ガス導入機構の効率化・簡素化を図ることができる。

別の好適な一態様においては、マイクロ波伝送線路が、始端部がマイクロ波発生器に接続される導波管と、この導波管の終端部と同軸管の始端部とを結合して導波管の伝送モードを同軸管の伝送モードに変換する導波管−同軸管変換器とを有する。この構成においては、マイクロ波発生器より出力されたマイクロ波が導波管、導波管−同軸管変換器および同軸管を通って処理容器の中に導入されると同時に、処理ガス供給部からの処理ガスが同軸管の内部導体の中空部を含む接地されたガス流路導体を通って（つまりマイクロ波の電界を避けて）処理容器の中に導入される。

本発明の第３の観点におけるプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記処理容器内に前記マイクロ波のパワーを導入するための誘電体窓と、前記マイクロ波発生器からの前記マイクロ波を前記誘電体窓まで伝送するためのマイクロ波伝送線路と、前記処理容器内に処理ガスを供給するために、前記誘電体窓に形成された貫通孔の中に設けられ、かつ接地されたガス流路導体を含む処理ガス供給部とを有し、前記処理ガス供給部が、前記ガス流路導体を含む第１のガス導入部とは別の経路で前記処理容器内に処理ガスを導入するための第２のガス導入部を有し、前記第１および第２のガス導入部が、共通の処理ガス供給源より送出される同一の処理ガスを前記処理容器内に導入し、前記処理ガス供給部が、前記第１および第２のガス導入部の間で前記処理ガスの流量比を制御し、前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施す。

上記の構成においては、処理ガス供給部が、ガス流路導体を含む第１のガス導入部とは別の経路で処理容器内に処理ガスを導入するための第２のガス導入部を有し、それら第１および第２のガス導入部により共通の処理ガス供給源より送出される同一の処理ガスを処理容器内に導入し、第１および第２のガス導入部の間で処理ガスの流量比を制御するので、処理ガス濃度分布ないしプラズマ密度分布の均一化をはかることができる。

本発明の好適な一態様においては、第２のガス導入部が、処理容器の側壁から容器中心部に向かって処理ガスを吐出する側壁吐出口を有する。さらには、処理ガス供給部が、処理容器内に第１および第２のガス導入部よりそれぞれ導入する処理ガスの流量を個別に制御するための流量制御部を有する。

本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、誘電体窓内で異常放電を起こさずに、さらには処理容器内のガス吐出口でガスの電離または異常放電を起こさずに、効率よくガスをマイクロ波と一緒に処理容器内に導入することができる。これにより、特性の安定したプラズマを生成し、プロセス性能および装置性能を向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるマイクロ波プラズマエッチング装置の構成を示す。このマイクロ波プラズマエッチング装置は、平板状ＳＷＰ型プラズマ処理装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

先ず、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係しない各部の構成を説明する。

チャンバ１０内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が高周波電極を兼ねる基板保持台として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。

筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成され、この排気路１８の上部または入口に環状のバッフル板２０が取り付けられるとともに、底部に排気ポート２２が設けられている。チャンバ１０内のガスの流れをサセプタ１２上の半導体ウエハＷに対して軸対象に均一にするためには、排気ポート２２を円周方向に等間隔で複数設ける構成が好ましい。各排気ポート２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁の外には、半導体ウエハＷの搬入出口２７を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。

サセプタ１２には、ＲＦバイアス用の高周波電源３０がマッチングユニット３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、半導体ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波を所定のパワーで出力する。マッチングユニット３２は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。

サセプタ１２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック３６が設けられ、静電チャック３６の半径方向外側に半導体ウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられる。静電チャック３６は導電膜からなる電極３６ａを一対の絶縁膜３６ｂ，３６ｃの間に挟み込んだものであり、電極３６ａには高圧の直流電源４０がスイッチ４２および被覆線４３を介して電気的に接続されている。直流電源４０より印加される直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷを静電チャック３６上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット（図示せず）より配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック３６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５０を介して静電チャック３６の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。また、半導体ウエハＷのローディング／アンローディングのためにサセプタ１２を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構（図示せず）等も設けられている。

次に、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。

チャンバ１０のサセプタ１２と対向する天井面には、マイクロ波導入用の誘電体窓として円形の石英板５２が気密に取り付けられている。この石英板５２は、その上面に貼付または配置された導体の放射板５４と一体に結合して平板型のスロットアンテナ、たとえば同心円状に分布する多数のスロットを有する円板形のラジアルラインスロットアンテナ５５を構成している。このラジアルラインスロットアンテナ５５は、たとえば石英等の誘電体からなる遅延板５６を介してマイクロ波伝送線路５８に電磁的に結合されている。

マイクロ波伝送線路５８は、マイクロ波発生器６０より出力されるマイクロ波をアンテナ５５まで伝送する線路であり、導波管６２と導波管−同軸管変換器６４と同軸管６６とを有している。導波管６２は、たとえば方形導波管であり、ＴＥモードを伝送モードとしてマイクロ波発生器６０からのマイクロ波をチャンバ１０に向けて導波管−同軸管変換器６４まで伝送する。

導波管−同軸管変換器６４は、方形導波管６２の終端部と同軸管６６の始端部とを結合し、方形導波管６２の伝送モードを同軸管６６の伝送モードに変換するものであり、大出力のマイクロ波パワーを伝送する場合に電界集中を防止するために、同軸管６６の内部導体６８の上端部６８ａを図示のような逆テーパ状に太くする構成(いわゆるドアノブ形の構成)を採るのが好ましい。

同軸管６６は、導波管−同軸管変換器６４からチャンバ１０の上面中心部まで垂直下方に延びて、その同軸線路の終端または下端が遅延板５６を介してアンテナ５５に結合されている。同軸管６６の外部導体７０は方形導波管６２と一体形成された円筒体からなり、マイクロ波は内部導体６８と外部導体７０の間の空間をＴＥＭモードで伝播する。

マイクロ波発生器６０より出力されたマイクロ波は、上記のような導波管６２、導波管−同軸管変換器６４および同軸管６６からなるマイクロ波伝送線路５８を伝播して、遅延板５６を通ってアンテナ５５に給電される。そして、遅延板５６で半径方向に広げられたマイクロ波はアンテナの各スロットからチャンバ１０内に向けて放射され、石英板５２の表面に沿って伝播する表面波から放射されるマイクロ波電力によって付近のガスが電離して、プラズマが生成されるようになっている。

遅延板５６の上には、アンテナ後面板７２がチャンバ１０の上面を覆うように設けられている。このアンテナ後面板７２は、たとえばアルミニウムからなり、石英板５２で発生する熱を吸収（放熱）する冷却ジャケットを兼ねており、内部に形成されている流路７４にはチラーユニット（図示せず）より配管７６，７８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給されるようになっている。

この実施形態においては、同軸管６６の内部導体６８に、その中を軸方向に貫通する中空のガス流路８０が設けられている。そして、内部導体６８の上端には処理ガス供給源８２からの第１ガス供給管８４が接続され、第１ガス供給管８４のガス流路と同軸管６６のガス流路８０は連通している。また、内部導体６８の下端には石英板５２を貫通する導体のインジェクタ部１１０が接続され、同軸管６６のガス流路８０とインジェクタ部１１０のガス流路は連通している。インジェクタ部１１０はチャンバ１０内で天井面の石英板５２から適度に突出しており、その先端の吐出口１１０ａから処理ガスが吐出されるようになっている。

かかる構成の第１処理ガス導入部８８において、処理ガス供給源８２より所定の圧力で送出された処理ガスは、第１ガス供給管８４、同軸管６６およびインジェクタ部１１０の各ガス流路を順に流れてインジェクタ部１１０先端の吐出口１１０ａから吐出され、チャンバ１０内のプラズマ生成空間へ拡散するようになっている。なお、第１ガス供給管８４の途中には、ＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）９０および開閉弁９２が設けられている。

この実施形態においては、チャンバ１０内に処理ガスを導入するために、上記第１処理ガス導入部８８とは別系統の第２処理ガス導入部９４も備えている。この第２処理ガス導入部９４は、石英板５２より幾らか低い位置でチャンバ１０の側壁の中に環状に形成されたバッファ室９６と、円周方向に等間隔でバッファ室９６からプラズマ生成空間に臨む多数の側壁ガス吐出孔９８と、処理ガス供給源８２からバッファ室９６まで延びるガス供給管１００とを有している。ガス供給管１００の途中にはＭＦＣ１０２および開閉弁１０４が設けられている。

この第２処理ガス導入部９４において、処理ガス供給源８２より所定の圧力で送出された処理ガスは、第２ガス供給管１００を通ってチャンバ１０側壁内のバッファ室９６に導入され、バッファ室９６内で周回方向の圧力を均一化してから各側壁ガス吐出口９８よりチャンバ１０の中心に向かって略水平に吐出され、プラズマ処理空間へ拡散するようになっている。

なお、第１処理ガス導入部８８および第２処理ガス導入部９４よりチャンバ１０内にそれぞれ導入する処理ガスは、通常は同種のガスでよいが、別種類のガスであってもよく、各ＭＦＣ９０，１０２を通じて各々独立した流量で、あるいは任意の流量比で導入することができる。

図２に、この実施形態における同軸管６６およびインジェクタ部１１０回りの詳細な構成を示す。同軸管６６の内部導体６８は、たとえばアルミニウムからなり、その内部に中心軸に沿って貫通するガス流路８０が形成されている。インジェクタ部１１０も導体たとえばアルミニウムからなり、その内部に同軸管６６のガス流路８０と連続するガス流路１１２が中心軸に沿って形成されている。なお、ガス供給管８４の材質は、金属（導体）または樹脂（絶縁体）のいずれでもよい。

インジェクタ部１１０の胴体は、太径の上半部１１４と細径の下半部１１６とで構成されている。そして、太径上半部１１４が石英板５２の上面に形成された凹所またはざぐり穴１１８に嵌め込まれ、細径下半部１１６が石英板５２のざぐり穴１１８の底面中心部から下面へ抜ける貫通孔１２０に挿入されている。インジェクタ部１１０の太径上半部１１４とざぐり穴１１８との間には、真空封止用のシール部材たとえば０リング１２２が介挿されている。なお、同軸管６６およびインジェクタ部１１０は、好ましくは軸対象の中心点つまりアンテナ５５の中心（チャンバ１０およびサセプタ１２の中心）を通る法線上に配置されてよい。

図２に示すように、インジェクタ部１１０の側面または上面にアンテナ放射板５４の開口縁部５４ａが接続されている。インジェクタ部１１０は、このアンテナ放射板５４→チャンバ１０を介して、あるいは同軸管６６の内部導体６８→外部導体７０→アンテナ後面板７２→チャンバ１０を介して接地されている。また、インジェクタ部１１０の細径下半部１１６は石英板５２の貫通孔１２０からチャンバ１０の中に突き出ている。このノズル突出量（吐出口１１０ａと石英板５２との距離間隔）ｄは、後述する理由から１０ｍｍ以上に設定されてよい。

図３に、この実施形態におけるラジアルラインスロットアンテナ５５のスロットパターン構造を上面図で示す。図示のように、アンテナ放射板５４には同心円状に多数のスロットが形成されている。より詳細には、互いに向きが直交する２種類のスロット５４ｂ，５４ｃが交互に同心円状に配列され、半径方向では遅延板５６で伝送されてくるマイクロ波の波長に応じた間隔で配置されている。かかるスロットパターン構造においては、マイクロ波は２つの直交する偏波成分を含む円偏波の略平面波となってスロット板から放射される。このタイプのスロットアンテナは、スロット板の略全面からマイクロ波を均一に放射するのに優れており、均一で安定なプラズマの生成に適している。

このマイクロ波プラズマエッチング装置においては、上述した各部たとえば排気装置２６、高周波電源３０、直流電源４０のスイッチ４２、マイクロ波発生器６０、各処理ガス導入部８８，９４、各チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の個々の動作および装置全体の動作が、たとえばマイクロコンピュータからなる制御部（図示せず）によって制御される。

このマイクロ波プラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック３６の上に載置する。そして、第１および第２処理ガス導入部８８，９４よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値に減圧する。さらに、高周波電源３０をオンにして所定のパワーで高周波を出力させ、この高周波をマッチングユニット３２および給電棒３４を介してサセプタ１２に印加する。また、スイッチ４２をオンにして直流電源４０より直流電圧を静電チャック３６の電極３６ａに印加して、静電チャック３６の静電吸着力により半導体ウエハＷを静電チャック３６上に固定する。そして、マイクロ波発生器６０をオンにし、マイクロ波発生器６０より出力されるマイクロ波をマイクロ波伝送線路５８を介してアンテナ５５に給電し、アンテナ５５から放射されるマイクロ波をチャンバ１０内に導入する。

第１処理ガス導入部８８の上部中心ガス吐出口１１０ａおよび第２処理ガス導入部９４の側壁ガス吐出口９８よりチャンバ１０内に導入されたエッチングガスは石英板５２の下で拡散し、石英板５２の下面（プラズマと対向する面）に沿って伝播する表面波から放射されるマイクロ波電力によってガス粒子が電離し、表面励起のプラズマが生成される。こうして、石英板５２の下で生成されたプラズマは下方に拡散し、半導体ウエハＷの主面の被加工膜に対してプラズマ中のラジカルによる等方性エッチングおよびイオン照射による垂直エッチングが行われる。

このマイクロ波プラズマエッチング装置においては、高密度プラズマを表面波励起で生成するので、半導体ウエハＷ付近の電子温度はたとえば０．７〜１．５ｅＶ程度と非常に低く、これによってイオン照射のエネルギーを抑制し、被加工膜に対するダメージを防ぐことができる。また、ラジアルラインスロットアンテナ５５を使用してマイクロ波電力を大面積で均一にチャンバ１０内に注入するので、ウエハの大口径化にも容易に対応することができる。

そして、マイクロ波伝送線路５８の最終区間を構成する同軸管６６の内部導体６８の中に貫通孔のガス流路８０を設けるとともに、内部導体６８の下端に該ガス流路８０と連通する導体のインジェクタ部１１０を一体接続して接地し、このインジェクタ部１１０をアンテナ５５（特に石英板５２）に貫通して、吐出口１１０ａをチャンバ１０内に臨ませている。かかるガス導入機構によれば、処理ガス供給源８２からの処理ガスは、接地された内部導体６８およびインジェクタ部（導体）１１０内のガス流路を流れてマイクロ波伝送線路５８およびアンテナ５５（特に石英板５２）を通過するので、吐出口１１０ａに辿り着くまでマイクロ波電界に晒されることはなく、ガス流路内で不所望な電離（異常放電）を起こすおそれはない。特に、石英板５２内部の電界はインジェクタ部（導体）１１０により電磁的に遮蔽され、インジェクタ内のガス流路１１２には及ばないので、石英板５２内部で異常放電を生じることはない。このことにより、プラズマ生成効率やプラズマ密度分布等のプラズマ特性を安定・良好に保ち、プロセス性能を改善することができる。また、石英板５２の劣化・損傷を抑制し、部品寿命を延ばすことができる。

また、この実施形態においては、チャンバ１０内でインジェクタ部１１０を石英板５２から適度に突出させることで、吐出口１１０ａでガスが放電するのを効果的に抑制できるようにしている。すなわち、チャンバ１０内では、上記のように石英板５２の下面（プラズマと対向する面）に沿って伝播する表面波から放射されるマイクロ波電力によってその付近のガス粒子が電離し、石英板５２近傍で表面励起プラズマの大部分が生成される。しかし、石英板５２から少し離れると表面波エネルギーが及ばなくなって、プラズマ生成は激減し、その場所は実質的にプラズマが拡散するだけの領域になる。したがって、インジェクタ部１１０の吐出口１１０ａの位置をプラズマ生成領域（放電領域）から外れた拡散領域内に設定することにより、吐出口１１０ａでガスが電離するのを効果的に防止ないし抑制することができる。

図４および図５に、この実施形態のマイクロ波プラズマエッチング装置における典型的な鉛直（Ｚ）方向のプラズマ密度分布特性および電子温度分布特性（実験データ）を示す。これらの特性から、誘電体窓（石英板５２）から約１０ｍｍ以上離れると、プラズマ生成領域を抜けてプラズマ拡散領域に入ることがわかる。したがって、この実施形態では、インジェクタ部１１０の突出量ｄを１０ｍｍ以上に設定するようにしている。もっとも、インジェクタ突出量ｄが大きすぎると、インジェクタ吐出口１１０ａから噴出したガスが上方（石英板５２側）へ拡散し難くなり、現実的にはハードウェア上の制約からインジェクタ突出量ｄを３０ｍｍ以内に設定するのが好ましい。また、ウエハ搬送に影響を与えないこと、マイクロ波やＲＦバイアス（ひいてはエッチングレート）に影響を与えないこと、ガスが十分拡散する距離を確保する（所定のガス分布が得られる）こと等を考慮すると、インジェクタ部１１０の吐出口１１０ａをサセプタ１２上の半導体ウエハＷから２０ｍｍ以上離した位置に設定するのが望ましい。

なお、インジェクタ吐出口１１０ａよりガスが水平方向または半径方向に放射状に噴出する吐出構造も好適に採用することができる。また、同軸管６６の内部導体６８の中空部をたとえば２重管等の複数管構造に形成し、各管を独立したライン（ガス供給ライン、測定系ライン）に用いることもできる。

上記した実施形態では、第１処理ガス導入部８８において、チャンバ１０内に石英板（天井板）５２を通って処理ガスを導入するために、同軸管６６の内部導体６８にガス流路８０を形成して、これをガス供給ラインの一部に利用するので、ガス供給ライン（特にインジェクタ部１１０）を通す石英板５２の貫通孔を最短又は最小限にすることができる。

もっとも、第１処理ガス導入部８８におけるガス供給ラインを同軸管６６の内部導体６８を経由しない構造に変形することは可能である。たとえば、図６に示すように、処理ガス供給源８２からの第１ガス供給管８４をチャンバ１０の壁を介して石英板５２の中に側面より挿入して、石英板５２の中心部でガス供給管８４の先端部またはインジェクタ部１１０をチャンバ１０内に臨ませる構成も可能である。この場合、第１ガス供給管８４の少なくともチャンバ１０に挿入される部分を導体で構成して、チャンバ１０の壁を介して接地してよい。

別の変形例として、図示省略するが、処理ガス供給源８２からの第１ガス供給管８４をチャンバ１０の上方から鉛直下方にアンテナ後面板７２、遅延板５６およびアンテナ５５（放射板５４、石英板５２）を貫通させて、第１ガス供給管８４の先端部またはインジェクタ部１１０をチャンバ１０内に臨ませる構成も可能である。この場合は、インジェクタ部１１０を軸対称にたとえば環状に複数設ける構成も好ましい。なお、ガス供給管８４の少なくともチャンバ１０に挿入される部分は導体で構成して、アンテナ後面板７２あるいは放射板５４を介して接地してよい。

また、他の変形例として、第１および第２処理ガス導入部８８，９４とは別系統の第３の処理ガス導入部を備える装置構成も可能であり、あるいは第２処理ガス導入部９４を省いて、第１処理ガス導入部８８のみを備える装置構成も可能である。

また、上記した実施形態における各部の構成や機能も種々変形可能である。たとえば、ラジアルスロットラインアンテナ５４に代えて他の形式のスロットアンテナを用いることも可能であり、特に大口径のプラズマを必要としない場合はアンテナを用いないマイクロ波注入方式も可能である。マイクロ波伝送線路５８においても、マイクロ波発生器６０と方形導波管６２との間に他の伝送線路を挿入したり、方形導波管６２をたとえば円形導波管に代えたり、導波管−同軸管変換器６４においてインピーダンス変換部６４ａをドアノブ形に代えてリッジガイド形に構成することも可能である。さらには、導波管−同軸管変換器を用いずに円形導波管の終端をチャンバに電磁的に結合する構成も可能である。

上記実施形態におけるマイクロ波プラズマエッチング装置は、無磁場でマイクロ波プラズマを生成するので、チャンバ１０の周りに永久磁石や電子コイル等の磁界形成機構を設ける必要がなく、そのぶん簡易な装置構成となっている。もっとも、本発明は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）を利用するプラズマ処理装置にも適用可能である。

本発明は、上記実施形態におけるマイクロ波プラズマエッチング装置に限定されるものではなく、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリング等の処理装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

本発明の一実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。 図１のマイクロ波プラズマ処理装置における要部の構成を示す縦断面図である。 図１のマイクロ波プラズマ処理装置で用いられるアンテナのスロットパターン構造を示す平面図である。 実施形態における電子密度分布特性（実験データ）を示す図である。 実施形態における電子温度分布特性（実験データ）を示す図である。 実施形態の一変形例におけるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ チャンバ
１２ サセプタ（基板保持台）
２６ 排気装置
３０ 高周波電源
５２ 石英板（誘電体窓）
５４ 放射板
５５ ラジアルラインスロットアンテナ
５８ マイクロ波伝送線路
６０ マイクロ波発生器
６２ 導波管
６４ 導波管−同軸管変換器
６６ 同軸管
６８ 内部導体
７０ 外部導体
８０ 中空部（ガス流路）
８２ 処理ガス供給源
８４ 第１ガス供給管
１１０ インジェクタ部
１１０ａ 吐出口
１１２ ガス流路
１２０ 貫通孔

Claims (14)

1. 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
   プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
   前記処理容器内に前記マイクロ波のパワーを導入するための誘電体窓と、
   前記マイクロ波発生器からの前記マイクロ波を前記誘電体窓まで伝送するためのマイクロ波伝送線路と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給するために、前記誘電体窓の複数箇所に軸対象に形成された貫通孔の中に設けられ、かつ接地されたガス流路導体を含む処理ガス供給部と
   を有し、
   前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置。
2. 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
   プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
   前記処理容器内に前記マイクロ波のパワーを導入するための誘電体窓と、
   前記マイクロ波発生器からの前記マイクロ波を前記誘電体窓まで伝送するためのマイクロ波伝送線路と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給するために、前記誘電体窓に形成された貫通孔の中に設けられ、かつ接地されたガス流路導体を含む処理ガス供給部と
   を有し、
   前記誘電体窓の外側面に前記貫通孔と連続するざぐり穴が形成され、
   前記処理容器の外側から、前記ガス流路導体の先端の第１の部分が前記誘電体窓の前記貫通孔に挿入されるとともに、前記ガス流路導体の前記第１の部分よりも太くて前記第１の部分と連続する第２の部分が前記誘電体窓の前記ざぐり穴に嵌め込まれ、
   前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置。
3. 前記ガス流路導体の前記第２の部分と前記誘電体窓の前記ざぐり穴との間に真空封止用のシール部材が設けられる、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記処理容器内で前記誘電体と対向して前記基板を載置して保持する保持台と、
   前記保持台に自己バイアス電圧を発生させるための高周波を印加する高周波電源と
   を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記誘電体窓の外側面に、平板形アンテナが設けられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記アンテナは、ラジアルラインスロットアンテナである、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記マイクロ波伝送線路が、終端部が前記アンテナに接続される同軸管を有する、請求項５または請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記ガス流路導体が、前記同軸管の内部導体と一体に形成または接続されている、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記内部導体が、その中心軸に沿って延びるガス流路用の中空部を有する、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記ガス流路導体が、前記内部導体の中空部と連通し、前記誘電体窓の貫通孔を通って前記処理容器の中まで延びる、請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記マイクロ波伝送線路が、
    始端部が前記マイクロ波発生器に接続される導波管と、
    前記導波管の終端部と前記同軸管の始端部とを結合して前記導波管の伝送モードを前記同軸管の伝送モードに変換する導波管−同軸管変換器と
    を有する、請求項５〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
12. 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
    プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
    前記処理容器内に前記マイクロ波のパワーを導入するための誘電体窓と、
    前記マイクロ波発生器からの前記マイクロ波を前記誘電体窓まで伝送するためのマイクロ波伝送線路と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するために、前記誘電体窓に形成された貫通孔の中に設けられ、かつ接地されたガス流路導体を含む処理ガス供給部と
    を有し、
    前記処理ガス供給部が、前記ガス流路導体を含む第１のガス導入部とは別の経路で前記処理容器内に処理ガスを導入するための第２のガス導入部を有し、
    前記第１および第２のガス導入部が、共通の処理ガス供給源より送出される同一の処理ガスを前記処理容器内に導入し、
    前記処理ガス供給部が、前記第１および第２のガス導入部の間で前記処理ガスの流量比を制御し、
    前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置。
13. 前記第２のガス導入部が、前記処理容器の側壁から容器中心部に向かって処理ガスを吐出する側壁吐出口を有する、請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記処理ガス供給部が、前記処理容器内に前記第１および第２のガス導入部よりそれぞれ導入する処理ガスの流量を個別に制御するための流量制御部を有する、請求項１２または請求項１３に記載のプラズマ処理装置。

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