JP5010781B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にプラズマ処理装置に係わり、特にマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
プラズマ処理工程およびプラズマ処理装置は、近年のいわゆるディープサブミクロン素子あるいはディープサブクォーターミクロン素子と呼ばれる０．１μｍに近い、あるいはそれ以下のゲート長を有する超微細化半導体装置の製造や、液晶表示装置を含む高解像度平面表示装置の製造にとって、不可欠の技術である。
【０００３】
半導体装置や液晶表示装置の製造に使われるプラズマ処理装置としては、従来より様々なプラズマの励起方式が使われているが、特に平行平板型高周波励起プラズマ処理装置あるいは誘導結合型プラズマ処理装置が一般的である。しかしこれら従来のプラズマ処理装置は、プラズマ形成が不均一であり、電子密度の高い領域が限定されているため大きな処理速度すなわちスループットで被処理基板全面にわたり均一なプロセスを行うのが困難である問題点を有している。この問題は、特に大径の基板を処理する場合に深刻になる。しかもこれら従来のプラズマ処理装置では、電子温度が高いため被処理基板上に形成される半導体素子にダメージが生じ、また処理室壁のスパッタリングによる金属汚染が大きいなど、いくつかの本質的な問題を有している。このため、従来のプラズマ処理装置では、半導体装置や液晶表示装置のさらなる微細化およびさらなる生産性の向上に対する厳しい要求を満たすことが困難になりつつある。
【０００４】
一方、従来より直流磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理容器内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により真空容器内のガスを電離してプラズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されている。（例えば特開平９−６３７９３公報を参照。）このような手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型液晶表示装置の製造にも容易に対応できる。
【０００５】
【従来の技術】
図１（Ａ），（Ｂ）は、かかるラジアルラインスロットアンテナを使った従来のマイクロ波プラズマ処理装置１００の構成を示す。ただし図１（Ａ）はマイクロ波プラズマ処理装置１００の断面図を、また図１（Ｂ）はラジアルラインスロットアンテナの構成を示す図である。
【０００６】
図１（Ａ）を参照するに、マイクロ波プラズマ処理装置１００は複数の排気ポート１１６から排気される処理室１０１を有し、前記処理室１０１中には被処理基板１１４を保持する保持台１１５が形成されている。前記処理室１０１の均一な排気を実現するため、前記保持台１１５の周囲にはリング状に空間１０１Ａが形成されており、前記複数の排気ポート１１６を前記空間１０１Ａに連通するように等間隔で、すなわち被処理基板に対して軸対称に形成することにより、前記処理室１０１を前記空間１０１Ａおよび排気ポート１１６を介して均一に排気することができる。
【０００７】
前記処理室１０１上には、前記保持台１１５上の被処理基板１１４に対応する位置に、前記処理室１０１の外壁の一部として、低損失誘電体よりなり多数の開口部１０７を形成された板状のシャワープレート１０３がシールリング１０９を介して形成されており、さらに前記シャワープレート１０３の外側に同じく低損失誘電体よりなるカバープレート１０２が、別のシールリング１０８を介して設けられている。
【０００８】
前記シャワープレート１０３にはその上面にプラズマガスの通路１０４が形成されており、前記複数の開口部１０７の各々は前記プラズマガス通路１０４に連通するように形成されている。さらに、前記シャワープレート１０３の内部には、前記処理容器１０１の外壁に設けられたプラズマガス供給ポート１０５に連通するプラズマガスの供給通路１０６が形成されており、前記プラズマガス供給ポート１０５に供給されたＡｒやＫｒ等のプラズマガスは、前記供給通路１０６から前記通路１０４を介して前記開口部１０７に供給され、前記開口部１０７から前記処理容器１０１内部の前記シャワープレート１０３直下の空間１０１Ｂに、実質的に一様な濃度で放出される。
【０００９】
前記処理容器１０１上には、さらに前記カバープレート１０２の外側に、前記カバープレート１０２から４〜５ｍｍ離間して、図１（Ｂ）に示す放射面を有するラジアルラインスロットアンテナ１１０が設けられている。前記ラジアルラインスロットアンテナ１１０は外部のマイクロ波源（図示せず）に同軸導波管１１０Ａを介して接続されており、前記マイクロ波源からのマイクロ波により、前記空間１０１Ｂに放出されたプラズマガスを励起する。前記カバープレート１０２とラジアルラインスロットアンテナ１１０の放射面との間の隙間は大気により充填されている。
【００１０】
前記ラジアルラインスロットアンテナ１１０は、前記同軸導波管１１０Ａの外側導波管に接続された平坦なディスク状のアンテナ本体１１０Ｂと、前記アンテナ本体１１０Ｂの開口部に形成された、図１（Ｂ）に示す多数のスロット１１０ａおよびこれに直交する多数のスロット１１０ｂを形成された放射板１１０Ｃとよりなり、前記アンテナ本体１１０Ｂと前記放射板１１０Ｃとの間には、厚さが一定の誘電体膜よりなる遅相板１１０Ｄが挿入されている。
【００１１】
かかる構成のラジアルラインスロットアンテナ１１０では、前記同軸導波管１１０から給電されたマイクロ波は、前記ディスク状のアンテナ本体１１０Ｂと放射板１１０Ｃとの間を、半径方向に広がりながら進行するが、その際に前記遅相板１１０Ｄの作用により波長が圧縮される。そこで、このようにして半径方向に進行するマイクロ波の波長に対応して前記スロット１１０ａおよび１１０ｂを同心円状に、かつ相互に直交するように形成しておくことにより、円偏波を有する平面波を前記放射板１１０Ｃに実質的に垂直な方向に放射することができる。
【００１２】
かかるラジアルラインスロットアンテナ１１０を使うことにより、前記シャワープレート１０３直下の空間１０１Ｂに均一な高密度プラズマが形成される。このようにして形成された高密度プラズマは電子温度が低く、そのため被処理基板１１４にダメージが生じることがなく、また処理容器１０１の器壁のスパッタリングに起因する金属汚染が生じることもない。
【００１３】
図１のプラズマ処理装置１００では、さらに前記処理容器１０１中、前記シャワープレート１０３と被処理基板１１４との間に、外部の処理ガス源（図示せず）から前記処理容器１０１中に形成された処理ガス通路１１２を介して処理ガスを供給する多数のノズル１１３を形成された導体構造物１１１が形成されており、前記ノズル１１３の各々は、供給された処理ガスを、前記導体構造物１１１と被処理基板１１４との間の空間１０１Ｃに放出する。前記導体構造物１１１には、前記隣接するノズル１１３と１１３との間に、前記空間１０１Ｂにおいて形成されたプラズマを前記空間１０１Ｂから前記空間１０１Ｃに拡散により、効率よく通過させるような大きさの開口部が形成されている。
【００１４】
そこで、このように前記導体構造物１１１から前記ノズル１１３を介して処理ガスを前記空間１０１Ｃに放出した場合、放出された処理ガスは前記空間１０１Ｂにおいて形成された高密度プラズマにより励起され、前記被処理基板１１４上に、一様なプラズマ処理が、効率的かつ高速に、しかも基板および基板上の素子構造を損傷させることなく、また基板を汚染することなく行われる。一方前記ラジアルラインスロットアンテナ１１０から放射されたマイクロ波は、かかる導体構造物１１１により阻止され、被処理基板１１４を損傷させることはない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなラジアルラインスロットアンテナ１１０を使ったプラズマ処理装置１００では、前記空間１０１Ｂに形成されるプラズマの密度が１０¹²／ｃｍ³のオーダーに達するため、シャワープレート１０３は前記高密度プラズマを構成する大量のイオンおよび電子に曝されることになり、これらのイオンおよび電子による加熱が生じる。かかるイオンおよび電子に起因する熱フラックスは１〜２Ｗ／ｃｍ²にも達する。しかも、前記プラズマ処理装置１００では処理室１０１への堆積物の付着を抑制するために、処理室１０１の器壁を１５０°Ｃ程度の温度に保持して運転されることが多いが、このような処理室１０１の加熱の結果、誘電体材料よりなる前記シャワープレート１０３およびカバープレート１０２中には熱が蓄積してしまい、非常に大きな温度分布が生じてしまう。
【００１６】
図２は、前記処理室１０１の器壁温度を１５０°Ｃとし、前記空間１０１Ｂにおいて形成された高密度プラズマから熱が１Ｗ／ｃｍ²のフラックスで前記シャワープレート１０３に流入した場合の、前記シャワープレート１０３中に形成される温度分布を示す。シャワープレート１０３の厚さは２５ｍｍとしている。
【００１７】
図２を参照するに、前記シャワープレート１０３として熱伝導率が１．４Ｗ／ｍ・Ｋの石英ガラスを使った場合には、シャワープレート中心の温度は６００°Ｃをはるかに超えており、温度差に伴う熱歪を考えると、かかるシャワープレートは実用に耐えないことがわかる。また、熱伝導率が１．５Ｗ／ｍ・ＫのＡｌ₂Ｏ₃により形成したシャワープレート、あるいは熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋの熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）により形成したＡｌ₂Ｏ₃シャワープレートの場合でも、シャワープレート中心部の温度は４５０°Ｃ以上、あるいは３００°Ｃ以上であり、非常に大きな熱歪が前記シャワープレート１０３に加わることがわかる。また、このように高い温度では、プラズマガスとして分解温度の低いガスを使おうとしても、分解してしまうために使うことができない問題が生じる。
【００１８】
これに対し、前記シャワープレート１０３としてＡｌＮを使った場合には、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋと非常に大きいため、熱が前記シャワープレート１０３中を半径方向に効率的に散逸し、熱の蓄積によるシャワープレート１０３中心部の温度上昇がわずかであることがわかる。
【００１９】
このような理由で、従来より図１のラジアルラインスロットアンテナを使ったプラズマ処理装置１００においては前記シャワープレート１０３およびカバープレートとしてＡｌＮが使われていた。
【００２０】
しかしＡｌＮは誘電損失の大きい材料であり、ｔａｎδで表す誘電損失の値が３×１０^-3程度であるため、ＡｌＮを使ってシャワープレート１０３およびカバープレート１０２を形成した場合、アンテナ１１０から放射されるマイクロ波に実質的な損失が生じてしまい、プラズマを効率的に励起することができなくなる。すなわち、図１に示す従来のプラズマ処理装置１００では、シャワープレート１０３およびカバープレート１０２へのＡｌＮの使用に伴い、プラズマの励起効率が十分でないという問題があった。このため従来のプラズマ処理装置１００では大出力のマイクロ波源が必要で、またプラズマの着火が困難である問題が生じていた。
【００２１】
そこで本発明は、上述の課題を解決した新規で有用なプラズマプロセス装置を提供することを目的とする。
【００２２】
本発明のより具体的な課題は、ラジアルラインスロットアンテナを使ってプラズマを励起するプラズマ処理装置において、冷却効率を向上させ、同時にプラズマの励起効率を向上させることにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するように、前記外壁の一部として設けられ、プラズマガス通路と前記プラズマガス通路に連通する複数の開口部とを有し第１の側において前記保持台上の被処理基板と対面するシャワープレートと、前記シャワープレートの前記第１の側に対向する第２の側に設けられたカバープレートとよりなるプラズマガス供給部と、前記処理容器上に、前記プラズマガス供給部に対応して、前記カバープレートに密接するように設けられたマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源とよりなり、前記マイクロ波アンテナは、前記プラズマガス供給部のカバープレートに接触しマイクロ波の放射面を形成する第１の外表面と、前記第１の外表面に対向する第２の外表面とにより画成され、前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置により、または
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するように、前記外壁の一部として設けられ、プラズマガス通路と前記プラズマガス通路に連通する複数の開口部とを有し第１の側において前記保持台上の被処理基板と対面するシャワープレートと、前記シャワープレートの前記第１の側に対向する第２の側に設けられたカバープレートとよりなるプラズマガス供給部と、前記処理容器上に、前記プラズマガス供給部に対応して、前記カバープレートを挟んで反対側に設けられたマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源とよりなり、前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の隙間はシール部材により封止され、前記隙間には伝熱性ガスが封入されることを特徴とするプラズマ処理装置により、または
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するように、前記外壁の一部として設けられ、プラズマガス通路と前記プラズマガス通路に連通する複数の開口部とを有し第１の側において前記保持台上の被処理基板と対面するシャワープレートと、前記シャワープレートの前記第１の側に対向する第２の側に設けられたカバープレートとよりなるプラズマガス供給部と、前記処理容器上に、前記プラズマガス供給部に対応して、前記カバープレートに密接するように設けられたマイクロ波アンテナと、前記アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源と、前記シャワープレートと前記保持台上の被処理基板との間に配設され、前記シャワープレート直下に形成されたプラズマを前記保持台上の被処理基板の方向へ通過させる開口部を形成する処理ガス供給部と、前記マイクロ波アンテナは、前記プラズマガス供給部のカバープレートに接触しマイクロ波の放射面を形成する第１の外表面と、前記第１の外表面に対向する第２の外表面とにより画成され、前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置により、または
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するように、前記外壁の一部として設けられ、プラズマガス通路と前記プラズマガス通路に連通する複数の開口部とを有し第１の側において前記保持台上の被処理基板と対面するシャワープレートと、前記シャワープレートの前記第１の側に対向する第２の側に設けられたカバープレートとよりなるプラズマガス供給部と、前記処理容器上に、前記プラズマガス供給部に対応して、前記カバープレートを挟んで反対側に設けられたマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源と、前記シャワープレートと前記保持台上の被処理基板との間に配設され、前記シャワープレート直下に形成されたプラズマを前記保持台上の被処理基板の方向へ通過させる開口部を形成する処理ガス供給部とよりなり、前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の隙間はシール部材により封止され、前記隙間には伝熱性ガスが封入されることを特徴とするプラズマ処理装置により、または
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器の外壁の一部に、前記保持台上の被処理基板に対面するように形成されたマイクロ波透過窓と、前記処理容器中にプラズマガスを供給するプラズマガス導入部と、前記処理容器の外側において、前記マイクロ波透過窓と結合されたマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源とよりなり、前記マイクロ波アンテナはマイクロ波放射面を有し、前記マイクロ波透過窓上に、前記マイクロ波放射面が接触するように設けられており、前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置により、または
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器の外壁の一部に、前記保持台上の被処理基板に対面するように形成されたマイクロ波透過窓と、前記処理容器中にプラズマガスを供給するプラズマガス導入部と、前記処理容器の外側において、前記マイクロ波透過窓と結合されたマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源とよりなり、前記マイクロ波アンテナのマイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の隙間はシール部材により封止され、前記隙間には伝熱性ガスが封入されることを特徴とするプラズマ処理装置により、または
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器の外壁の一部に、前記保持台上の被処理基板に対面するように形成されたマイクロ波透過窓と、前記処理容器中にプラズマガスを供給するプラズマガス導入部と、前記処理容器の外側において、前記マイクロ波透過窓と結合されたマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源と、前記マイクロ波透過窓と前記保持台上の被処理基板との間に配設され、前記マイクロ波透過窓近傍に形成されたプラズマを前記保持台上の被処理基板の方向へ通過させる開口部を形成する処理ガス供給部とよりなり、前記マイクロ波アンテナはマイクロ波放射面を有し、前記マイクロ波透過窓上に、前記マイクロ波放射面が接触するように設けられており、前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置により、または
外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、前記処理容器に結合された排気系と、前記処理容器の外壁の一部に、前記保持台上の被処理基板に対面するように形成されたマイクロ波透過窓と、前記処理容器中にプラズマガスを供給するプラズマガス導入部と、前記処理容器の外側において、前記マイクロ波透過窓と結合されたマイクロ波アンテナと、前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源と、
前記マイクロ波透過窓と前記保持台上の被処理基板との間に配設され、前記マイクロ波透過窓近傍に形成されたプラズマを前記保持台上の被処理基板の方向へ通過させる開口部を形成する処理ガス供給部とよりなり、前記マイクロ波アンテナのマイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の隙間はシール部材により封止され、前記隙間には伝熱性ガスが封入されることを特徴とするプラズマ処理装置により、解決する。
【００２４】
前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間には、前記スロット板中のスロットに対応して、また誘電体であるカバープレートの表面に存在する微細な凹凸の存在などの理由により隙間が生じることがあるが、本発明ではかかる隙間に伝熱性ガスを封入することにより、かかる隙間における熱輸送を促進することができ、局所的な過熱等の問題を回避することができる。すなわち、本発明は、前記マイクロ波アンテナとマイクロ波透過窓を構成するカバープレートとが密接していない構成においても、有効である。その際、前記伝熱性ガスを大気圧よりも低い圧力で封入することにより、前記マイクロ波アンテナを前記プラズマガス供給部に、大気圧を使って確実に押圧することが可能で、その結果前記マイクロ波アンテナを前記プラズマガス供給部に、確実に密接させることが可能になる。前記伝熱性ガスとしては、さらに前記スロット板中のスロット部における放電を効果的に抑止できることから、イオン化エネルギが大きいＨｅを使うのが好ましい。前記伝熱性ガスとしてＨｅを使う場合には、約０．８ａｔｍの圧力で封入するのが好ましい。
【００２５】
さらに本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記シャワープレートと前記保持台上の被処理基板との間に、前記シャワープレート直下に形成されたプラズマを前記保持台上の被処理基板の方向へ通過させる開口部を形成する処理ガス供給部を設けるのが好ましい。かかる処理ガス供給部より、前記プラズマガスとは別の処理ガスを供給することにより、前記被処理基板表面において均一なプラズマＣＶＤプロセスを大きなプロセス速度で効率的に実行することが可能になる。さらに前記保持台に電気的に結合された高周波電源を設け、かかる高周波電源を駆動し、同時に前記処理ガス供給部よりエッチングガスを供給することにより、プラズマエッチングを行うことが可能になる。
【００２６】
本発明において、処理室中にプラズマガスを導入するのに必ずしも前記シャワープレートを使う必要はなく、処理室の外壁の一部に、処理室内の被処理基板に対面するようにマイクロ波透過窓を形成し、これにマイクロ波アンテナを密接して結合させてもよい。すなわち、かかる構成においても、前記マイクロ波透過窓に励起プラズマから入射する熱を、マイクロ波アンテナにより、効率的に取り除くことが可能になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置１０の構成を示す。
【００２８】
図３（Ａ）を参照するに、前記マイクロ波プラズマ処理装置１０は処理容器１１と、前記処理容器１１内に設けられ、被処理基板１２を静電チャックにより保持する好ましくは熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）により形成されたＡｌＮもしくはＡｌ₂Ｏ₃よりなる保持台１３とを含み、前記処理容器１１内には前記保持台１３を囲む空間１１Ａに等間隔に、すなわち前記保持台１３上の被処理基板１２に対して略軸対称な関係で少なくとも二箇所、好ましくは三箇所以上に排気ポート１１ａが形成されている。前記処理容器１１は、かかる排気ポート１１ａを介して後ほど説明する不等ピッチ不等傾角スクリューポンプにより、排気・減圧される。
【００２９】
前記処理容器１１は好ましくはＡｌを含有するオーステナイトステンレス鋼よりなり、内壁面には酸化処理により酸化アルミニウムよりなる保護膜が形成されている。また前記処理容器１１の外壁のうち前記被処理基板１２に対応する部分には、ＨＩＰ法により形成された緻密なＡｌ₂Ｏ₃よりなり多数のノズル開口部１４Ａを形成されたディスク状のシャワープレート１４が、前記外壁の一部として形成される。かかるＨＩＰ法により形成されたＡｌ₂Ｏ₃シャワープレート１４はＹ₂Ｏ₃を焼結助剤として使って形成され、気孔率が０．０３％以下で実質的に気孔やピンホールを含んでおらず、３０Ｗ／ｍ・Ｋに達する、ＡｌＮには及ばないものの、セラミックとしては非常に大きな熱伝導率を有する。
【００３０】
前記シャワープレート１４は前記処理容器１１上にシールリング１１ｓを介して装着され、さらに前記シャワープレート１４上には同様なＨＩＰ処理により形成された緻密なＡｌ₂Ｏ₃よりなるカバープレート１５が、シールリング１１ｔを介して設けられている。前記シャワープレート１４の前記カバープレート１５と接する側には前記ノズル開口部１４Ａの各々に連通しプラズマガス流路となる凹部１４Ｂが形成されており、前記凹部１４Ｂは前記シャワープレート１４の内部に形成され、前記処理容器１１の外壁に形成されたプラズマガス入口１１ｐに連通する別のプラズマガス流路１４Ｃに連通している。
【００３１】
前記シャワープレート１４は前記処理容器１１の内壁に形成された張り出し部１１ｂにより保持されており、前記張り出し部１１ｂのうち、前記シャワープレート１４を保持する部分には異常放電を抑制するために丸みが形成されている。
【００３２】
そこで、前記プラズマガス入口１１ｐに供給されたＡｒやＫｒ等のプラズマガスは前記シャワープレート１４内部の流路１４Ｃおよび１４Ｂを順次通過した後、前記開口部１４Ａを介して前記シャワープレート１４直下の空間１１Ｂ中に一様に供給される。
【００３３】
前記カバープレート１５上には、前記カバープレート１５に密接し図３（Ｂ）に示す多数のスロット１６ａ，１６ｂを形成されたディスク状のスロット板１６と、前記スロット板１６を保持するディスク状のアンテナ本体１７と、前記スロット板１６と前記アンテナ本体１７との間に挟持されたＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂あるいはＳｉ₃Ｎ₄の低損失誘電体材料よりなる遅相板１８とにより構成されたラジアルラインスロットアンテナ２０が設けられている。前記ラジアルスロットラインアンテナ２０は前記処理容器１１上にシールリング１１ｕを介して装着されており、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０には同軸導波管２１を介して外部のマイクロ波源（図示せず）より周波数が２．４５ＧＨｚあるいは８．３ＧＨｚのマイクロ波が供給される。供給されたマイクロ波は前記スロット板１６上のスロット１６ａ，１６ｂから前記カバープレート１５およびシャワープレート１４を介して前記処理容器１１中に放射され、前記シャワープレート１４直下の空間１１Ｂにおいて、前記開口部１４Ａから供給されたプラズマガス中にプラズマを励起する。その際、前記カバープレート１５およびシャワープレート１４はＡｌ₂Ｏ₃により形成されており、効率的なマイクロ波透過窓として作用する。その際、前記プラズマガス流路１４Ａ〜１４Ｃにおいてプラズマが励起されるのを回避するため、前記プラズマガスは、前記流路１４Ａ〜１４Ｃにおいて約６６６６Ｐａ〜１３３３２Ｐａ（約５０〜１００Ｔｏｒｒ）の圧力に保持される。
【００３４】
前記ラジアルラインスロットアンテナ２０と前記カバープレート１５との密着性を向上させるため、本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１０では前記スロット板１６に係合する前記処理容器１１の上面の一部にリング状の溝１１ｇが形成されており、かかる溝１１ｇを、これに連通した排気ポート１１Ｇを介して排気することにより、前記スロット板１６とカバープレート１５との間に形成された隙間を減圧し、大気圧により、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０を前記カバープレート１５にしっかりと押し付けることが可能になる。かかる隙間には、前記スロット板１６に形成されたスロット１６ａ，１６ｂが含まれるが、それ以外にも様々な理由により隙間が形成されることがある。かかる隙間は、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０と処理容器１１との間のシールリング１１ｕにより封止されている。
【００３５】
さらに前記排気ポート１１Ｇおよび溝１５ｇを介して前記スロット板１６と前記カバープレート１５との間の隙間に分子量の小さい不活性気体を充填することにより、前記カバープレート１５から前記スロット板１６への熱の輸送を促進することができる。かかる不活性気体としては、熱伝導率が大きくしかもイオン化エネルギの高いＨｅを使うのが好ましい。前記隙間にＨｅを充填する場合には、０．８気圧程度の圧力に設定するのが好ましい。図３の構成では、前記溝１５ｇの排気および溝１５ｇへの不活性気体の充填のため、前記排気ポート１１Ｇにバルブ１１Ｖが接続されている。
【００３６】
前記同軸導波管２１Ａのうち、外側の導波管２１Ａは前記ディスク状のアンテナ本体１７に接続され、中心導体２１Ｂは、前記遅波板１８に形成された開口部を介して前記スロット板１６に接続されている。そこで前記同軸導波管２１Ａに供給されたマイクロ波は、前記アンテナ本体１７とスロット板１６との間を径方向に進行しながら、前記スロット１６ａ，１６ｂより放射される。
【００３７】
図３（Ｂ）は前記スロット板１６上に形成されたスロット１６ａ，１６ｂを示す。
【００３８】
図３（Ｂ）を参照するに、前記スロット１６ａは同心円状に配列されており、各々のスロット１６ａに対応して、これに直行するスロット１６ｂが同じく同心円状に形成されている。前記スロット１６ａ，１６ｂは、前記スロット板１６の半径方向に、前記遅相板１８により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で形成されており、その結果マイクロ波は前記スロット板１６から略平面波となって放射される。その際、前記スロット１６ａおよび１６ｂを相互の直交する関係で形成しているため、このようにして放射されたマイクロ波は、二つの直交する偏波成分を含む円偏波を形成する。
【００３９】
さらに図３（Ａ）のプラズマ処理装置１０では、前記アンテナ本体１７上に、冷却水通路１９Ａを形成された冷却ブロック１９が形成されており、前記冷却ブロック１９を前記冷却水通路１９Ａ中の冷却水により冷却することにより、前記シャワープレート１４に蓄積された熱を、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０を介して吸収する。前記冷却水通路１９Ａは前記冷却ブロック１９上においてスパイラル状に形成されており、好ましくはＨ₂ガスをバブリングすることで溶存酸素を排除して且つ酸化還元電位を制御した冷却水が通される。
【００４０】
また、図３（Ａ）のマイクロ波プラズマ処理装置１０では、前記処理容器１１中、前記シャワープレート１４と前記保持台１３上の被処理基板１２との間に、前記処理容器１１の外壁に設けられた処理ガス注入口１１ｒから処理ガスを供給されこれを多数の処理ガスノズル開口部３１Ｂ（図４参照）から放出する格子状の処理ガス通路３１Ａを有する処理ガス供給構造３１が設けられ、前記処理ガス供給構造３１と前記被処理基板１２との間の空間１１Ｃにおいて、所望の均一な基板処理がなされる。かかる基板処理には、プラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマ酸窒化処理、プラズマＣＶＤ処理等が含まれる。また、前記処理ガス供給構造３１から前記空間１１ＣにＣ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８またはＣ_４Ｆ_６などの解離しやすいフルオロカーボンガスや、Ｆ系あるいはＣｌ系等のエッチングガスを供給し、前記保持台１３に高周波電源１３Ａから高周波電圧を印加することにより、前記被処理基板１２に対して反応性イオンエッチングを行うことが可能である。
【００４１】
本実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置１０では、前記処理容器１１の外壁は１５０°Ｃ程度の温度に加熱しておくことにより、処理容器内壁への反応副生成物等の付着が回避され、一日に一回程度のドライクリーニング行うことで、定常的に、安定して運転することが可能である。
【００４２】
図４は、図３（Ａ）の処理ガス供給構造３１の構成を示す底面図である。
【００４３】
図４を参照するに、前記処理ガス供給構造３１は例えばＭｇを含んだＡｌ合金やＡｌ添加ステンレススチール等の導電体より構成されており、前記格子状処理ガス通路３１Ａは前記処理ガス注入口１１ｒに処理ガス供給ポート３１Ｒにおいて接続され、下面形成された多数の処理ガスノズル開口部３１Ｂから処理ガスを前記空間１１Ｃに均一に放出する。また、前記処理ガス供給構造３１には、隣接する処理ガス通路３１Ａの間にプラズマやプラズマ中に含まれる処理ガスを通過させる開口部３１Ｃを形成されている。前記処理ガス供給構造３１をＭｇ含有Ａｌ合金により形成する場合には、表面に弗化物膜を形成しておくのが好ましい。また前記処理ガス供給構造３１をＡｌ添加ステンレススチールにより形成する場合には、表面に酸化アルミニウムの不動態膜を形成しておくのが望ましい。本発明によるプラズマ処理装置１０では、励起される励起されるプラズマ中の電子温度が低いためプラズマの入射エネルギが小さく、かかる処理ガス供給構造３１がスパッタリングされて被処理基板１２に金属汚染が生じる問題が回避される。前記処理ガス供給構造３１は、アルミナ等のセラミックスにより形成することも可能である。
【００４４】
前記格子状処理ガス通路３１Ａおよび処理ガスノズル開口部３１Ｂは図４に破線で示した被処理基板１２よりもやや大きい領域をカバーするように設けられている。かかる処理ガス供給構造３１を前記シャワープレート１４と被処理基板１２との間に設けることにより、前記処理ガスをプラズマ励起し、かかるプラズマ励起された処理ガスにより、均一に処理することが可能になる。
【００４５】
前記処理ガス供給構造３１を金属等の導体により形成する場合には、前記格子状処理ガス通路３１Ａ相互の間隔を前記マイクロ波の波長よりも短く設定することにより、前記処理ガス供給構造３１はマイクロ波の短絡面を形成する。この場合にはプラズマのマイクロ波励起は前記空間１１Ｂ中においてのみ生じ、前記被処理基板１２の表面を含む空間１１Ｃにおいては前記励起空間１１Ｂから拡散してきたプラズマにより、処理ガスが活性化される。また、プラズマ着火時に前記被処理基板１２が直接マイクロ波に曝されるのを防ぐことが出来るので、マイクロ波による基板の損傷も防ぐことが出来る。
【００４６】
本実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置１０では、処理ガス供給構造３１を使うことにより処理ガスの供給が一様に制御されるため、処理ガスの被処理基板１２表面における過剰解離の問題を解消することができ、被処理基板１２の表面にアスペクト比の大きい構造が形成されている場合でも、所望の基板処理を、かかる高アスペクト構造の奥にまで実施することが可能である。すなわち、マイクロ波プラズマ処理装置１０は、設計ルールの異なる多数の世代の半導体装置の製造に有効である。
【００４７】
図５は図３（Ａ）のプラズマ処理装置１０のうち、前記シャワープレート１４、カバープレート１５、およびラジアルラインスロットアンテナ２０を含む部分の構成を示す図である。
【００４８】
図５を参照するに、前記シャワープレート１４の下面と前記処理ガス供給構造３１との間隔は、前記シャワープレート１４直下の領域において効率的なプラズマ励起を実現するためには、マイクロ波の短絡面として作用する前記処理ガス供給構造３１と前記シャワープレート１４の下面との間に形成される定在波の腹が前記シャワープレート１４直下の領域に位置するように、マイクロ波波長の１／４の整数倍になるように設定するのが好ましい。
【００４９】
一方、前記スロット１６ａ，１６ｂにおける放電を回避するためには、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から放射されるマイクロ波の節が前記スロット１６ａ，１６ｂに位置するのが好ましく、また前記シャワーノズル開口部１４Ａ内における放電を回避するには前記シャワープレート１４の下面にも節が形成されるのが好ましい。このような理由で、前記シャワープレート１４とカバープレート１５とを合わせた厚さは供給されるマイクロ波の波長の１／２に設定するのが好ましい。
【００５０】
特に、前記シャワープレート１４およびカバープレート１５の厚さをマイクロ波波長の１／４に設定しておくと、前記シャワープレート１４とカバープレート１５との界面近傍にマイクロ波の節を位置させることができ、かかる界面に沿って形成されたプラズマガス通路１４Ｂ中における放電を効果的に抑制することができる。
【００５１】
図６は、図３（Ａ）に示す同軸導波管２１に接続されるマイクロ波源の概略的構成を示す。
【００５２】
図６を参照するに、前記同軸導波管は、２．４５ＧＨｚあるいは８．３ＧＨｚで発振するマグネトロン２５Ａを有する発振部２５から延在する導波管の端部に、前記発振部２５から順にアイソレータ２４，パワーモニタ２３およびチューナ２２を介して接続されており、前記発振器２５で形成されたマイクロ波を前記ラジアルラインスロットアンテナ２０に供給すると同時に、プラズマ処理装置１０中に形成された高密度プラズマから反射したマイクロ波を、前記チューナ２２においてインピーダンス調整を行うことにより、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０へと戻している。また、前記アイソレータ２４は方向性を有する要素で、前記発振部２５中のマグネトロン２５Ａを反射波から保護するように作用する。
【００５３】
本実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置１０では、プラズマに起因する熱フラックスに曝されるシャワープレート１４と冷却部との距離が、図１（Ａ），（Ｂ）に示す従来のマイクロ波プラズマ処理装置に比べて大幅に短縮されており、その結果、誘電損失の大きいＡｌＮの代わりにＡｌ₂Ｏ₃のような、マイクロ波透過窓として好適な、誘電損失は小さいが熱伝導率も小さい材料をシャワープレートおよびカバープレートに使うことが可能になり、シャワープレートの昇温を抑制しつつ、同時にプラズマ処理の効率、従って処理速度を向上させることができる。
【００５４】
また本実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置１０では前記シャワープレート１４とこれに対向する被処理基板１２との間の間隔が狭いため、前記空間１１Ｃで基板処理反応の結果生じた反応生成物を含むガスは、前記外周部の空間１１Ａへと流れる安定な流れを形成し、その結果前記反応生成物は前記空間１１Ｃから速やかに除去される。その際、前記処理容器１１の外壁を１５０°Ｃ程度の温度に保持しておくことにより、前記反応生成物の処理容器１１内壁への付着を実質的に完全に除去することが可能になり、前記処理装置１０は次の処理を速やかに行うことが可能になる。
【００５５】
なお、本実施例において、前記マイクロ波アンテナ２０は必ずしもラジアルラインスロットアンテナに限定されるものではなく、例えば図７の変形例に示すように、ホーン型のマイクロ波アンテナ２０Ｂを使うことも可能である。特に前記被処理基板１２が大径の基板である場合には、図８の変形例に示すように、前記処理容器１１上に複数のホーンアンテナ２０Ｂを配列することにより、プラズマ形成の一様性を確保しつつ、前記カバープレート１５およびシャワープレート１４を、前記ホーンアンテナ２０Ｂを介して冷却することが可能になる。このために、前記ホーンアンテナ２０Ｂ上に図７あるいは８に示すように冷却機構２０ｂを設けることも可能である。
【００５６】
さらに、図９の変形例に示すように、前記冷却部１９，１９Ａの代わりに空冷冷却機構１９Ｂを使うことも可能である。
［第２実施例］
図１０は、本発明の第２実施例によるプラズマ処理装置１０Ａの構成を示す。ただし図１中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５７】
図２を参照するに、プラズマ処理装置１０Ａは図３（Ａ），（Ｂ）のプラズマ処理装置１０と類似した構成を有するが、前記シャワープレート１４が撤去されており、前記ガス導入ポート１１ｐから延在するガス導入口１１Ｐが前記処理容器１１中の空間１１Ｂ中に延在する。
【００５８】
かかる構成においても、前記ガス導入口１１Ｐから導入されたプラズマガスを前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から供給されるマイクロ波で励起することにより、前記空間１１Ｂ中において高密度プラズマを形成することが可能である。
【００５９】
このようにして形成された高密度プラズマは、シャワープレート１４を使った場合に得られる高密度プラズマよりは均一性に劣るが、プラズマ処理装置１０Ａの構成は先のプラズマ処理装置１０よりも実質的に簡素化される。本実施例においても、前記カバープレート１５に入射する熱流は、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０を介して冷却部１７により効率的に吸収される。
【００６０】
なお、図７のプラズマ処理装置１０Ａにおいては、可能な限り均一なプラズマ形成を実現するために、前記ガス導入口１１Ｐを複数箇所、前記被処理基板に対して対称的に設けるのが好ましい。
［第３実施例］
図１１は、本発明の第２実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置１０Ｂの構成を示す。ただし図１１中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図１１を参照するに、本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１０Ｂは先の実施例のマイクロ波プラズマ装置１０と類似した構成を有するが、本実施例のマイクロ波プラズマ処理装置１０Ｂでは前記処理ガス供給構造３１が除去されている。また、前記処理容器１１の張り出し部１１ｂは、下面にも丸みが形成されており、放電を回避している。
【００６２】
かかる構成のプラズマ処理装置１０Ｂでは、前記シャワープレート１４直下に形成されるプラズマがマイクロ波を反射し、その結果、被処理基板１２の表面にまでマイクロ波が到達したり、かかる表面近傍の領域においてプラズマが励起されるような問題は生じない。また、プラズマ着火時に一時的に処理容器内の圧力を高く、例えば１３３Ｐａ（約１Ｔｏｒｒ）に設定した状態でマイクロ波を照射し、プラズマの着火を確実にすることで、プラズマ着火時の被処理基板へのマイクロ波の照射による損傷を防ぐことが出来る。プラズマが着火した後は、処理容器内の圧力は速やかにプロセス圧力、例えば１３．３Ｐａ（約０．１Ｔｏｒｒ）へと調節される。
【００６３】
前記プラズマ処理装置１０Ｂでは、処理ガス供給機構３０を除去しているため、処理ガスは前記プラズマガス供給ポート１１ｐからプラズマガスとともに、供給する必要があるが、かかる構成により、被処理基板１２の表面に酸化処理、窒化処理あるいは酸窒化処理等の処理を行うことが可能である。
［第４実施例］
図１２は、図３（Ａ），（Ｂ）のマイクロ波プラズマ処理装置１０を含む本発明の第４実施例による半導体製造装置４０の全体構成を示す断面図である。
【００６４】
図１２を参照するに、半導体製造装置４０は搬送アーム４１５を備えたロボット４０５が設けられた真空トランスファ室４０１を含み、前記マイクロ波プラズマ処理装置１１は、かかる真空トランスファ室４０１の上面に形成されている。その際、前記保持台１３は、ベローズ４１０で囲まれた昇降シリンダ４０６により昇降自在に形成されている。前記保持台１３が下がりきった状態で被処理基板１２が前記搬送アーム４１５により着脱され、上がりきった状態で前記真空トランスファ室４０１からシール４１０Ａにより遮断され、所望の基板処理が行われる。
【００６５】
また前記真空トランスファ室４０１上にはその上面の別の個所に、被処理基板のスタック４０４を保持する昇降ステージ４１８を備えたロードロック室４０２が設けられており、前記ロードロック室４０２は前記昇降ステージ４１８が上がりきった状態でシール４１７により真空トランスファ室４０１から遮断されている。一方、前記昇降ステージ４１８が下降した状態では、前記被処理基板スタック４０４は真空トランスファ室４０１中に下降し、前記搬送アーム４１５が前記被処理基板スタック４０４から基板をピックアップし、あるいはこれに処理済みの基板を戻す。
【００６６】
かかる構成の半導体製造装置４０ではマイクロ波プラズマ処理装置１０への被処理基板の出し入れが側壁面を介さず上下方向になされるため、処理容器１１内においてプラズマが軸対称に形成され、また処理容器の排気も軸対称に配設された複数の排気ポートから複数のポンプにより実行されるため、均一なプラズマ処理が保証される。
【００６７】
図１３は前記処理ユニットＡの排気系の構成を示す。
【００６８】
図１３を参照するに、前記処理ユニットＡにおいては処理容器１１の各々の排気ポート１１ａはダクトＤ₁に接続され、前記ダクトＤ₁に設けられた、各々図１４（Ａ），（Ｂ）に示す構成を有するネジ溝分子ポンプＰ₁，Ｐ₂により排気される。前記ネジ溝分子ポンプＰ₁，Ｐ₂の排気側は、前記半導体製造装置４０中の他の処理ユニットＢ，Ｃと共通に設けられている排気ラインＤ₂に接続され、さらに前記排気ラインＤ₂は中間ブースターポンプＰ₃を介して、他の同様な半導体製造装置と共通に接続されている排気ラインＤ₃に接続される。
【００６９】
図１４（Ａ）は、前記ネジ溝分子ポンプＰ₁，Ｐ₂の構成を示す。
【００７０】
図１４（Ａ）を参照するに、ネジ溝分子ポンプは円筒形状の本体５１を有し、前記本体５１の一端にポンプ入口が、また前記本体５１の底面近傍の側壁面上にはポンプ出口が形成されている。本体５１中には図１４（Ｂ）に示すロータ５２が設けられており、前記ロータ５２上には不等ピッチ不等傾角スクリュー５２Ａが形成されている。不等ピッチ不等傾角スクリュー５２Ａは、ポンプ入口側でピッチが大きく出口側に向ってピッチが減少する構成を有しており、またこれに応じてスクリューの傾角も入口側から出口側に向って徐々に減少している。またポンプ室の体積も、入口側から出口側に向って徐々に減少している。
【００７１】
図１４（Ａ）のネジ溝分子ポンプはさらに前記ロータ５２内に配設されたモータ５３と、前記ロータ５２の角位置を検出する角位置検出器５４と、前記角位置検出器５４に協働するマグネット５５とを含んでおり、電磁石機構５６により、前記ロータ５２が出口側に付勢される。
【００７２】
かかるネジ溝分子ポンプは簡単な構成を有し、大気圧から数ｍＴｏｒｒまでの広い圧力範囲において動作し、消費電力が小さく、従来のターボ分子ポンプよりも大きな３２０ｍＬ／ｍｉｎに達するポンプ速度を得ることができる。
【００７３】
図１５は、図１３の構成において前記ネジ溝分子ポンプＰ₁，Ｐ₂を排気する中間ブースターポンプＰ₃として使われる不等ピッチ不等傾角スクリューポンプ（ＧＬＳＰ）６０の構成を示す。
【００７４】
図１５を参照するに、前記不等ピッチ不等傾角スクリューポンプでは、一端に入口６１Ａが、また他端に出口６３Ａ，６３Ｂ形成されたポンプ本体６１中に、各々が図１４（Ｂ）に示したような、スクリューピッチを入口側から出口側に向って徐々に変化させる一対のスクリューロータ６２Ａ，６２Ｂが、それぞれのスクリューが互いにかみ合うような関係に設けられており、ロータ６２Ａ，６２Ｂは、モータ６４により、歯車６３Ａ，６３Ｂを介して駆動される。
【００７５】
かかる構成の不等ピッチ不等傾角スクリューポンプ６０は常圧から１０^-4Ｔｏｒｒに至る低圧までの広い圧力範囲において動作可能であり、２５００Ｌ／ｍｉｎに達する非常に大きな流量を実現することができる。
【００７６】
また図１３の構成では、他の半導体製造装置からの排気を、かかる中間ブースターポンプＰ₃を介して共通のバックポンプＰ₄で排気することにより、前記バックポンプＰ₄を最も効率的な動作圧力範囲で動作させることができ、消費電力を大きく低減することができる。
【００７７】
図１６は、図７（Ａ），（Ｂ）の半導体製造装置４０において、各々の処理ユニットＡ〜Ｃに協働するガス供給系の構成を示す。
【００７８】
先にも説明したように、前記半導体製造装置４０ではマイクロ波プラズマ処理装置１０の処理容器１１を１５０°Ｃ程度の温度に保持することで、基板処理に伴い生じた反応生成物の付着を抑制している。すなわち、図８の処理ユニットは、特別なクリーニング処理をせずとも前の処理工程の記憶ないし履歴を完全に消去できる特徴を有している。
【００７９】
このため、図１３の処理ユニットを使って、プラズマガスおよび／または処理ガスを切替ながら、異なった基板処理工程を次々と実行することが可能であるが、このためには、迅速に処理ガスを切替できる構成のガス供給系が必要になる。
【００８０】
図１６を参照するに、Ｎ₂，Ｋｒ，Ａｒ，Ｈ₂，ＮＦ₃，Ｃ₄Ｆ₈，ＣＨＦ₃，Ｏ₂，ＣＯ，ＨＢｒ，ＳｉＣｌ₄等より選ばれた一または二のガスが、第１および／または第２の流量制御装置ＦＣＳ１およびＦＳＣ２を通って前記処理容器１１上に設けられ前記シャワープレート１４に連通するプラズマガス供給ポート１１ｐに供給され、一方、前記Ｎ₂，Ｋｒ，Ａｒ，Ｈ₂，ＮＦ₃，Ｃ₄Ｆ₈，ＣＨＦ₃，Ｏ₂，ＣＯ，ＨＢｒ，ＳｉＣｌ₄等より選ばれた一または複数のガスが、第３〜第７の流量制御装置ＦＣＳ３〜ＦＣＳ７を通って、前記処理ガス供給構造３０に連通した前記処理ガス供給ポート１１ｒに供給される。
【００８１】
その際、図１７に示す、制御弁７１と圧力計７２とストップバルブ７３とオリフィス７４とを直線状の配管７０に順次形成した構成の流量制御装置を使い、前記オリフィス７４下流側の圧力Ｐ₂が前記ストップバルブ７３上流側の圧力Ｐ₁の半分以下になるように（Ｐ₁≧２Ｐ₂）制御弁７１を前記圧力計７２により制御することにより、処理ガスを所定の流量で瞬時に供給することが可能になる。これは、この流量制御装置内に流量制御不能なデッドスペースが存在しないためである。
【００８２】
そこで、図１６のガス供給系において図１７の流量制御装置を使うことにより、プラズマガスあるいは処理ガスを、前記処理ユニット中での基板処理の種類に応じて瞬時に切替えることが可能になる。
【００８３】
なお、前記半導体製造装置４０においては、先に説明したプラズマ処理装置１０のみならずその変形例によるプラズマ処理装置、あるいは他の実施例によるプラズマ処理装置１０Ａ，１０Ｂを使うことも可能である。
【００８４】
本発明は上記特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロ波アンテナを処理容器外壁の一部に形成されたマイクロ波透過窓に密着させることにより、および／またはマイクロ波アンテナとマイクロ波透過窓の間に熱伝導性の気体を封入することにより、前記マイクロ波透過窓を構成するシャワープレートおよびカバープレートなどを、厚さ方向への熱伝導により冷却することが可能になり、マイクロ波プラズマ処理装置の冷却効率が大きく向上する。かかる冷却効率の向上の結果、プラズマによる前記マイクロ波透過窓への熱の蓄積が実質的に軽減され、その結果、前記マイクロ波透過窓として誘電損失の小さいＡｌ_２Ｏ_３等の材料を使っても温度が過大に上昇することがなくなる。すなわち、本発明はマイクロ波アンテナを使ったマイクロ波プラズマ処理装置において、マイクロ波透過窓として誘電損失の小さい材料を使うことにより、高い冷却効率の要求と高いプラズマ励起効率の要求とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ），（Ｂ）は、従来のラジアルラインスロットアンテナを使ったマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。
【図２】図１のマイクロ波プラズマ処理装置において生じる問題点を説明する図である。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施例によ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４】図３（Ａ）のマイクロ波プラズマ処理装置の処理ガス供給機構の構成を示す図である。
【図５】図３（Ａ）のマイクロ波プラズマ処理装置のラジアルラインスロットアンテナと処理容器との接合部近傍を詳細に示す図である。
【図６】図３（Ａ）のマイクロ波プラズマ処理装置に結合されるマイクロ波電源の構成を示す図である。
【図７】本発明の一変形例によ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８】本発明の別の変形例によ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９】本発明のさらに別の変形例によ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１０】本発明の第２実施例によ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１１】本発明の第３実施例によ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１２】図３（Ａ），（Ｂ）のマイクロ波プラズマ処理装置を使った本発明の第４実施例による半導体製造装置の構成を示す図である。
【図１３】図１２の半導体製造装置の排気系の構成を示す図である。
【図１４】図１３の排気系で使われるネジ溝分子ポンプの構成を示す図である。
【図１５】図１３の排気系で使われる不等ピッチ不等傾角スクリューポンプの構成を示す図である。
【図１６】図１３の処理ユニットにおいて使われるガス供給系の構成を示す図である。
【図１７】図１６のガス供給系で使われる流量制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１００ プラズマ処理装置
１１ 処理容器
１１ａ 排気ポート
１１ｂ 張り出し部
１１ｐ プラズマガス供給ポート
１１ｒ 処理ガス供給ポート
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 空間
１１Ｇ 減圧およびＨｅ供給ポート
１２ 被処理基板
１３ 保持台
１３Ａ 高周波電源
１４ シャワープレート
１４Ａ プラズマガスノズル開口部
１４Ｂ，１４Ｃ プラズマガス通路
１５ カバープレート
１６ スロット板
１６ａ，１６ｂ スロット開口部
１７ アンテナ本体
１８ 遅波板
１９ 冷却ブロック
１９Ａ 冷却水通路
１９Ｂ 空冷冷却機構
２０ ラジアルラインアンテナ
２０Ｂ ホーンアンテナ
２０ｂ ホーンアンテナ冷却装置
２１ 同軸導波管
２１Ａ 外側導波管
２１Ｂ 内側給電線
２２ チューナ
２３ パワーモニタ
２４ アイソレータ
２５ 発振部
２５Ａ マグネトロン
３０ 処理ガス供給構造
３１Ａ 処理ガス通路
３１Ｂ 処理ガスノズル
３１Ｃ プラズマ拡散通路
３１Ｒ 処理ガス供給ポート
４０ 半導体製造装置
４０１ 真空搬送室
４０２ ロードロック室
４０２Ａ 被処理基板ロードロック室
４０２Ｂ 処理済基板ロードロック室
４０４ 被処理基板スタック
４０５ 搬送ロボット
４０６ 昇降シリンダ
４１０Ａ，４１７ シール
４１５ 搬送アーム
４１０ ベローズ
４１８ 昇降ステージ
５０ ネジ溝分子ポンプ
５１ ポンプ本体
５２ ロータ
５２Ａ スクリュー
５３ モータ
５４ 角位置検出部
５５ マグネット
５６ 電磁付勢部
６０ 不等ピッチ不等傾角スクリューポンプ
６１ ポンプ本体
６１Ａ ポンプ入口
６１Ｂ ポンプ出口
６２Ａ，６２Ｂ ロータ
６３Ａ，６３Ｂ 歯車
６４ モータ
７０ 流量制御装置
７１ 制御弁
７２ 圧力計
７３ ストップバルブ
７４ オリフィス
Ａ〜Ｃ 処理ユニット
Ｄ₁〜Ｄ₃ ダクト
Ｐ₁〜Ｐ₄ ポンプ

Claims (43)

1. 外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
   前記処理容器に結合された排気系と、
   前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するように、前記外壁の一部として設けられ、プラズマガス通路と前記プラズマガス通路に連通する複数の開口部とを有し第１の側において前記保持台上の被処理基板と対面するシャワープレートと、前記シャワープレートの前記第１の側に対向する第２の側に設けられたカバープレートとよりなるプラズマガス供給部と、
   前記処理容器上に、前記プラズマガス供給部に対応して、前記カバープレートに密接するように設けられたマイクロ波アンテナと、
   前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源とよりなり、
   前記マイクロ波アンテナは、前記プラズマガス供給部のカバープレートに接触しマイクロ波の放射面を形成する第１の外表面と、前記第１の外表面に対向する第２の外表面とにより画成され、
   前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記接触面はシール部材により封止されており、前記接触面には圧力調整弁が接続されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の接触面には、伝熱性ガスが封入されることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記伝熱性ガスはＨｅよりなることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記接触面は大気圧よりも低い圧力で維持されることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
6. 前記接触面は、０．８〜０．９ａｔｍの圧力で維持されることを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理装置。
7. さらに前記マイクロ波アンテナに設けられた冷却部を備え、前記冷却部は前記マイクロ波アンテナのうち、前記第２の外表面上に設けられることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
8. 前記冷却部は、冷却水通路を有することを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。
9. 前記冷却部は空冷冷却機構よりなることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。
10. 前記シャワープレートおよび前記カバープレートはＡｌ_２Ｏ_３よりなることを特徴とする請求項１〜９のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
11. 前記マイクロ波アンテナ中には、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４よりなる遅波板が設けられたことを特徴とする請求項１〜１０のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
12. さらに、前記保持台に接続された高周波電源を含むことを特徴とする請求項１〜１１のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
13. 外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
    前記処理容器に結合された排気系と、
    前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するように、前記外壁の一部として設けられ、プラズマガス通路と前記プラズマガス通路に連通する複数の開口部とを有し第１の側において前記保持台上の被処理基板と対面するシャワープレートと、前記シャワープレートの前記第１の側に対向する第２の側に設けられたカバープレートとよりなるプラズマガス供給部と、
    前記処理容器上に、前記プラズマガス供給部に対応して、前記カバープレートに密接するように設けられたマイクロ波アンテナと、
    前記アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源と、
    前記シャワープレートと前記保持台上の被処理基板との間に配設され、前記シャワープレート直下に形成されたプラズマを前記保持台上の被処理基板の方向へ通過させる開口部を形成する処理ガス供給部と、
    前記マイクロ波アンテナは、前記プラズマガス供給部のカバープレートに接触しマイクロ波の放射面を形成する第１の外表面と、前記第１の外表面に対向する第２の外表面とにより画成され、
    前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
14. 前記接触面はシール部材により封止され、前記接触面には圧力調整弁が接続されていることを特徴とする請求項１３記載のプラズマ処理装置。
15. 前記マイクロ波アンテナと前記プラズマガス供給部のカバープレートとの間の接触面には、伝熱性ガスが封入されることを特徴とする請求項１３または１４記載のプラズマ処理装置。
16. 前記伝熱性ガスはＨｅよりなることを特徴とする請求項１５記載のプラズマ処理装置。
17. 前記接触面は大気圧よりも低い圧力で維持されることを特徴とする請求項１３〜１６のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
18. 前記接触面は、０．８〜０．９ａｔｍの圧力で維持されることを特徴とする請求項１７記載のプラズマ処理装置。
19. さらに前記マイクロ波アンテナに設けられた冷却部を備え、前記冷却部は前記マイクロ波アンテナのうち、前記第２の外表面上に設けられたことを特徴とする請求項１３〜１８のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
20. 前記冷却部は、冷却水通路を有することを特徴とする請求項１９記載のプラズマ処理装置。
21. 前記冷却部は空冷冷却機構よりなることを特徴とする請求項１９記載のプラズマ処理装置。
22. 前記シャワープレートおよび前記カバープレートはＡｌ_２Ｏ_３よりなることを特徴とする請求項１３〜２１のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
23. 前記マイクロ波アンテナはＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４よりなる遅波板を含むことを特徴とする請求項１３〜２２のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
24. さらに、前記保持台に接続された高周波電源を含むことを特徴とする請求項１３〜２３のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
25. 外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
    前記処理容器に結合された排気系と、
    前記処理容器の外壁の一部に、前記保持台上の被処理基板に対面するように形成されたマイクロ波透過窓と、
    前記処理容器中にプラズマガスを供給するプラズマガス導入部と、
    前記処理容器の外側において、前記マイクロ波透過窓と結合されたマイクロ波アンテナと、
    前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源とよりなり、
    前記マイクロ波アンテナはマイクロ波放射面を有し、前記マイクロ波透過窓上に、前記マイクロ波放射面が接触するように設けられており、
    前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
26. 前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との接触面はシール部材により封止され、さらに前記処理室には、前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面を圧力調節可能な圧力調節弁が設けられていることを特徴とする請求項２５記載のプラズマ処理装置。
27. 前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面には、伝熱性ガスが封入されていることを特徴とする請求項２５または２６記載のプラズマ処理装置。
28. 前記伝熱性ガスは、Ｈｅよりなることを特徴とする請求項２７記載のプラズマ処理装置。
29. 前記接触面は大気圧よりも低い圧力で維持されることを特徴とする請求項２５〜２８のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
30. 前記接触面は、０．８〜０．９ａｔｍの圧力で維持されることを特徴とする請求項２９記載のプラズマ処理装置。
31. さらに前記マイクロ波アンテナに設けられた冷却部を備え、前記冷却部は前記マイクロ波アンテナのうち、前記マイクロ波放射面に対向する表面上に設けられたことを特徴とする請求項２５〜３０のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
32. 前記冷却部は、冷却水通路を有することを特徴とする請求項３１記載のプラズマ処理装置。
33. 前記冷却部は空冷冷却機構よりなることを特徴とする請求項３１記載のプラズマ処理装置。
34. 外壁により画成され、被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
    前記処理容器に結合された排気系と、
    前記処理容器の外壁の一部に、前記保持台上の被処理基板に対面するように形成されたマイクロ波透過窓と、
    前記処理容器中にプラズマガスを供給するプラズマガス導入部と、
    前記処理容器の外側において、前記マイクロ波透過窓と結合されたマイクロ波アンテナと、
    前記マイクロ波アンテナに電気的に結合されたマイクロ波電源と、
    前記マイクロ波透過窓と前記保持台上の被処理基板との間に配設され、前記マイクロ波透過窓近傍に形成されたプラズマを前記保持台上の被処理基板の方向へ通過させる開口部を形成する処理ガス供給部とよりなり、
    前記マイクロ波アンテナはマイクロ波放射面を有し、前記マイクロ波透過窓上に、前記マイクロ波放射面が接触するように設けられており、
    前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面は、圧力調節可能に封止されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
35. 前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との接触面はシール部材により封止され、さらに前記処理室には、前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面を圧力調節可能な圧力調節弁が設けられていることを特徴とする請求項３４記載のプラズマ処理装置。
36. 前記マイクロ波放射面とマイクロ波透過窓との間の接触面には、伝熱性ガスが封入されていることを特徴とする請求項３４または３５記載のプラズマ処理装置。
37. 前記伝熱性ガスは、Ｈｅよりなることを特徴とする請求項３６記載のプラズマ処理装置。
38. 前記接触面は大気圧よりも低い圧力で維持されることを特徴とする請求項３４〜３７のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
39. 前記接触面は、０．８〜０．９ａｔｍの圧力で維持されることを特徴とする請求項３８記載のプラズマ処理装置。
40. さらに前記マイクロ波アンテナに設けられた冷却部を備え、前記冷却部は前記マイクロ波アンテナのうち、前記マイクロ波放射面に対向する表面上に設けられたことを特徴とする請求項３４〜３９のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。
41. 前記冷却部は、冷却水通路を有することを特徴とする請求項４０記載のプラズマ処理装置。
42. 前記冷却部は空冷冷却機構よりなることを特徴とする請求項４０記載のプラズマ処理装置。
43. さらに前記保持台に電気的に結合された高周波電源を含むことを特徴とする請求項３４〜４２のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理装置。

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