JP2002093780A - プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマの分布を改善する。 【解決手段】 処理容器１１内に高周波を放射するアン
テナ３０は、共振器を構成する導体板３２と地板３１と
を有し、アンテナ３０の導体板３２は、放射される高周
波が円偏波となるように給電される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波によりプラ
ズマを生成して所定の処理を行うプラズマ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造において、酸化膜の形
成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシング
などの処理を行うために、プラズマ装置が多用されてい
る。これらのプラズマ装置の中に、アンテナより処理容
器内へ高周波を導入して高密度プラズマを発生させる高
周波プラズマ装置がある。この高周波プラズマ装置は、
プラズマガスの圧力が比較的低くても安定してプラズマ
を生成することができるので、用途が広いという特色が
ある。

【０００３】最近、この高周波プラズマ装置において、
処理容器内へ高周波を供給するアンテナとして、パッチ
アンテナの使用が研究されている。図１０は、この高周
波プラズマ装置に使用される従来のパッチアンテナの一
構成例を示す図である。ここで、図１０（ａ）はパッチ
アンテナを放射面側からみたときの平面図、図１０
（ｂ）は図１０（ａ）に示したＸIIｂ−ＸIIｂ′線方向
の断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）に対応する座標
系を示す図である。

【０００４】このパッチアンテナは、図１０（ｂ）に示
すように、接地された導体板からなる地板５３１と、共
振器を構成する導体板５３２とを有している。地板５３
１及び導体板５３２は誘電体板５３４の対向する二面に
形成されており、誘電体板５３４を貫通する導体線５３
３によって導体板５３２の中心Ｏが地板５３１に接続さ
れている。導体板５３２の平面形状は、図１０（ａ）に
示すよう、長辺の長さがＬ１、短辺の長さがＬ２の長方
形をしている。パッチアンテナ内の電磁界の波長をλg
とすると、長辺の長さＬ１はＬ１〜λg/２、短辺の長さ
Ｌ２はＬ２＜Ｌ１に設定されている。ここで、導体板５
３２の中心Ｏが座標系の原点にあり、導体板５３２の長
辺がｘ軸に、短辺がｙ軸に平行であるとする。

【０００５】このパッチアンテナは、図１０（ｂ）に示
すように、同軸線路５４１を介して高周波電源５４５に
接続されている。ここで、同軸線路５４１の外部導体５
４２は、地板５３１に接続されている。また、同軸線路
５４１の内部導体５４３は、地板５４２の開口部及び誘
電体板５３４を貫通して、導体板５３２におけるｘ軸上
の一点PPに接続されている。

【０００６】図１１は、このパッチアンテナによる電磁
波の放射原理を説明するための図である。ここで、図１
１（ａ）は導体板５３２を示す図、図１１（ｂ）は導体
板５３２におけるｘ軸方向の電流分布（点線）及び電圧
分布（実線）を示す図である。導体板５３２の長辺の長
さＬ１がおよそλg/２であるので、高周波電源５４５よ
り導体板５３２に供給された電流はｘ軸方向で共振して
定在波となり、その電流分布は図１１（ｂ）の点線で示
すように正弦波状となる。このように共振して定在波の
電流となるとき、図１１（ｂ）の実線で示すように、電
圧の波形は電流の波形に対して位相が９０゜だけずれ
る。

【０００７】図１１（ｂ）に示した状態では、導体板５
３２の左端の電圧は正であるので、電気力線は導体板５
３２より地板５３１へ向かう。これに対して、導体板５
３２の右端の電圧は負であるので、電気力線は地板５３
１より導体板５３２へ向かう。電気力線の方向は変位電
流の方向と同じであるので、磁流は図１１（ａ）に示す
ようにｙ軸に平行に流れる。この磁流を波源としてパッ
チアンテナより電磁波が放射される。この電磁波はｘ軸
に平行な直線偏波となる。

【０００８】図１２は、このパッチアンテナが構成する
電界分布の概念図であり、図１２（ａ）はｘｚ面におけ
る電界分布、図１２（ｂ）はｙｚ面における電界分布を
示している。上述したように、このパッチアンテナはｘ
軸に平行な直線偏波を放射するので、その電界分布は図
１２に示すようになる。すなわち、ｘｚ面では図１２
（ａ）に示すように比較的均一であるが、ｙｚ面では図
１２（ｂ）に示すように大きな偏りが発生する。ｙｚ面
における電界分布は、導体板５３２の中心Ｏにおける電
界が最大であり、中心Ｏから離れるにしたがって電界が
急激に弱まっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな空間分布をもつ電磁界でプラズマを生成すると、ｘ
軸における電界が大きいので、ｘ軸の下部領域のプラズ
マ密度がその周囲よりも高くなってしまう。したがっ
て、例えばこのようなパッチアンテナを用いた従来のプ
ラズマ装置でエッチング装置を構成した場合には、プラ
ズマ密度が高くなっている下の領域ほどエッチング処理
が速く進行するといったように、処理速度に偏りが生ず
るという問題があった。本発明はこのような課題を解決
するためになされたものであり、その目的は、パッチア
ンテナを用いたプラズマ装置が生成するプラズマの分布
を改善することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明のプラズマ装置は、処理容器内に高周
波を放射するアンテナが、処理容器内に配置された載置
台に対向配置され共振器を構成する導体板と、この導体
板における載置台と反対側に対向配置された地板とを有
し、アンテナの導体板は、放射される高周波が円偏波と
なるように給電されることを特徴とする。このようにア
ンテナから放射される高周波を円偏波とすることによ
り、処理容器内における電磁界の空間分布を従来より均
一にすることができる。ただし、アンテナから放射され
る高周波は完全な円偏波でなくてもよく、偏波率が少な
くとも５０％以上、好ましくは７０％以上の円偏波であ
ればよい。

【００１１】ここで、導電板への給電に２つの給電線を
用いてもよい。つまり、２点給電により円偏波を生成し
てもよい。この場合、２つの給電線のそれぞれは、振幅
が等しく、位相が互いに９０゜異なり、空間的に直交す
る２つの直線偏波が放射されるように給電してもよい。
これにより、アンテナから放射される高周波は円偏波と
なるので、処理容器内における電磁界の空間分布は更に
均一になる。また、導体板の平面形状が９０゜回転対称
形状である場合、２つの給電線が、導体板の中心から略
等距離にありかつ中心からみて直交する２方向にある導
体板上の２点にそれぞれ接続され、等振幅かつ互いに９
０゜異なる位相で給電するようにしてもよい。

【００１２】また、上述したプラズマ装置では、アンテ
ナの導電板への給電に１つの給電線を用いてもよい。つ
まり、一点給電により円偏波を生成してもよい。この場
合、導体板の平面形状をその中心からみた直交する２方
向の長さが異なる形状とし、導体板上における２方向に
挟まれた方向にある一点に給電線を接続すればよい。こ
の場合、導体板の平面形状は、円の周縁領域の一部を切
り欠いた形状であってもよいし、楕円形又は矩形であっ
てもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。ここでは、本発明による
プラズマ装置をエッチング装置に適用した場合を例に説
明する。 （第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態であるエッチング装置の構成を示す図である。この図
１には、一部構成について断面構造が示されている。

【００１４】図１に示したエッチング装置は、上部が開
口した円筒形状の処理容器１１を有している。この処理
容器１１は、アルミニウムなどの導電部材で形成されて
いる。処理容器１１の上部開口には、厚さ２０〜３０ｍ
ｍ程度の石英ガラス又は（Ａｌ₂ Ｏ₃ やＡｌＮなどの）
セラミックなどからなる誘電板１２が配置されている。
処理容器１１と誘電板１２との接合部はＯリングなどの
シール部材１３を介在させており、これにより処理容器
１１内部の気密性を確保している。

【００１５】処理容器１１の底部には、セラミックなど
からなる絶縁板１４が設けられている。また、この絶縁
板１４及び処理容器１１底部を貫通する排気口１５が設
けられており、この排気口１５に連通する真空ポンプ
（図示せず）により、処理容器１１内を所望の真空度に
することができる。また、処理容器１１の側壁には、処
理容器１１内にＡｒなどのプラズマガスを導入するため
のプラズマガス供給ノズル１６と、エッチングガスを導
入するための処理ガス供給ノズル１７とが上下に設けら
れている。これらのノズル１６，１７は石英パイプなど
で形成される。

【００１６】処理容器１１内には、エッチング対象の基
板（被処理体）２１が上面に載置される載置台２２が収
容されている。この載置台２２は、処理容器１１の底部
を遊貫する昇降軸２３によって支持されており、上下動
自在となっている。載置台２２はまた、マッチングボッ
クス２５を介してバイアス用の高周波電源２６に接続さ
れている。なお、処理容器１１内の気密性を確保するた
め、載置台２２と絶縁板１４との間に、昇降軸２３を囲
むようにベローズ２４が設けられている。また、誘電板
１２の上部には、この誘電板１２を介して処理容器１１
内に高周波を供給するパッチアンテナ３０が配置されて
いる。このパッチアンテナ３０は、誘電板１２により処
理容器１１から隔離されており、処理容器１１内で生成
されるプラズマから保護されている。また、誘電板１２
及びパッチアンテナ３０の周囲はシールド材１８によっ
て覆われている。

【００１７】パッチアンテナ３０は、接地された導体板
からなる地板３１と、共振器を構成する導体板３２とを
有している。この導体板３２は地板３１に対して所定の
間隔をもって対向配置され、その間隔はそれぞれの中心
を接続する導体柱３３により保持されている。以上の地
板３１、導体板３２及び導体柱３３は、銅又はアルミニ
ウムなどにより形成される。このような構成のパッチア
ンテナ３０は、導体板３２側が下となり誘電板１２と対
向するように配置されている。

【００１８】図２は、導体板３２の一構成例を示す図で
あり、図２（ａ）は図１におけるII−II′線方向から見
たときの平面図、図２（ｂ）は座標系を示す図である。
導体板３２の平面形状は、一辺がおよそλg/２の正方形
をしている。λg はパッチアンテナ３０内の電磁界の波
長を意味している。ここで、導体板３２の中心Ｏが座標
系の原点にあり、導体板３２の各辺はそれぞれｘ軸，ｙ
軸に平行であるとする。この場合、導体板３２の２つの
給電点Ｐ，Ｑは、それぞれｘ軸，ｙ軸上にあり、かつ中
心Ｏから略等距離にある２点に設けられている。

【００１９】図１に示すように、パッチアンテナ３０の
給電には２本の同軸線路４１Ａ，４１Ｂが用いられる。
同軸線路４１Ａ，４１Ｂの外部導体４２Ａ，４２Ｂは、
地板３１に接続され、同軸線路４１Ａ，４１Ｂの内部導
体（給電線）４３Ａ，４３Ｂは、地板４２の開口部を貫
通して導体板３２上の給電点Ｐ，Ｑにそれぞれ接続され
ている。ただし、ここでは同軸線路４１Ｂは、同軸線路
４１Ａよりも電気長が９０°だけ長いものとする。これ
らの同軸線路４１Ａ，４１Ｂは、それぞれマッチングボ
ックス４４Ａ，４４Ｂを介して、給電用の高周波電源４
５に接続されている。この高周波電源４５からは、周波
数が１００ＭＨｚ〜８ＧＨｚの高周波が出力される。ま
た、マッチングボックス４４によってインピーダンスの
マッチングを図ることにより、電力の使用効率を向上さ
せることができる。

【００２０】次に、図１に示したエッチング装置の動作
を説明する。基板２１を載置台２２の上面に載置した状
態で、処理容器１１内を例えば０．０１〜１０Ｐａ程度
の真空度にする。次に、この真空度を維持しつつ、プラ
ズマガス供給ノズル１６からプラズマガスとしてＡｒを
供給し、処理ガス供給ノズル１７からＣＦ₄ などのエッ
チングガスを流量制御して供給する。処理容器１１内に
プラズマガス及びエッチングガスが供給された状態で、
パッチアンテナ３０の導体板３２上の２つの給電点Ｐ，
Ｑに等振幅の電圧で給電する。このとき、同軸線路４１
Ｂの電気長が同軸線路４１Ａよりも９０°だけ長いの
で、給電点Ｑにおける給電位相は給電点Ｐよりも９０°
だけ遅れることになる。

【００２１】給電点Ｐに供給された電流はｘ軸方向で共
振し、図１１を用いて説明したのと同じ原理で、ｘ軸に
平行な直線偏波の高周波を放射する。一方、給電点Ｑに
供給された電流はｙ軸方向で共振し、同じくｙ軸に平行
な直線偏波の高周波を放射する。ただし、このｙ軸に平
行な直線偏波は、ｘ軸に平行な直線偏波よりも位相が９
０°遅れている。これら２つの直線偏波は、振幅が等し
く、空間的に直交しており、しかも位相が９０゜異なっ
ているので、円偏波となる。なお、図２（ｂ）に示すｚ
軸の正方向へは右旋円偏波となる。

【００２２】このように、パッチアンテナ３０から放射
された高周波は円偏波となり、誘電板１２を透過して処
理容器１１内に導入される。この高周波は、処理容器１
１内に電界を形成してＡｒを電離させることにより、処
理対象の基板２１の上部空間Ａにプラズマを生成する。
このエッチング装置では、載置台２２に負電位がバイア
スされているので、生成されたプラズマからイオンが引
き出されて、基板２１に対してエッチング処理が行われ
る。

【００２３】図３は、パッチアンテナ３０が構成する時
間平均をとった電界分布の概念図であり、図３（ａ）は
ｘｚ面における電界分布、図３（ｂ）はｙｚ面における
電界分布を示している。上述したように、このパッチア
ンテナ３０が放射する高周波は円偏波となるので、その
電界分布は図３（ａ），（ｂ）に示すようにｘｚ面及び
ｙｚ面で同様のほぼ均一な分布となる。図１２に示した
従来のパッチアンテナが構成する電界分布と比較すれ
ば、電界分布が改善されていることが分かる。このよう
な空間分布をもつ電磁界でプラズマを生成することによ
り、プラズマの分布も均一化されるので、基板２１の全
域で均一な速度でエッチング処理を行うことができる。

【００２４】なお、導体板３２の平面形状は、図２に示
した正方形の他、円形などの９０°回転対称形状（導体
板３２の中心軸の周りに９０゜回転させたときに重なる
形状）であってもよい。ただし、円形の場合には、直径
をおよそ1.17λg/２とするとよい。さらに言えば、導体
板３２の平面形状は、長方形など、その中心Ｏからみた
直交する２方向の長さが異なる形状であってもよい。こ
の場合、２つの給電点Ｐ，Ｑにおける給電位相の差を９
０°とはせず、上記２方向の長さによって調整する。

【００２５】また、図１に示したエッチング装置では図
２（ｂ）に示すｚ軸の正方向に右旋円偏波を放射するよ
うにしたが、左旋円偏波を放射するには逆に同軸線路４
１Ａの電気長を同軸線路４１Ｂよりも９０°だけ長くす
ればよい。また、パッチアンテナを構成する地板３１及
び導体板３２を、図４に示すように、セラミックなどか
らなる誘電体板３４の対向する二面に形成するようにし
てもよい。これにより、パッチアンテナを小型化するこ
とができる。また、パッチアンテナが放射する高周波は
完全な円偏波でなくてもよい。図５に示すような長軸の
長さが２ａ、短軸の長さが２ｂである円偏波の偏波率を
ｂ／ａ（×１００）％と定義すると、偏波率が５０％以
上、好ましくは７０％以上の円偏波を生成することによ
り、プラズマの分布を改善することができる。

【００２６】ここで、円偏波の偏波率の調整方法につい
て簡単に説明する。まず、互いに直交する２つの直線偏
波の位相差が９０゜であるが、振幅値が互いに異なる場
合、２つの直線偏波をａsin(ωt＋π/2)，ｂsin(ωt)と
表せば、偏波率は単に振幅値比ｂ／ａ（×１００）％で
求められる。したがって、７０％以上の偏波率を得るに
は、振幅値比を７０％以上にしておけばよい。また、互
いに直交する２つの直線偏波の振幅値が等しいが、位相
差が９０゜でない場合、２つの直線偏波をsin(ωt−
θ)，sin(ωt)と表せば、位相差θが９０゜付近の値を
とるときの偏波率の位相差依存性は図６に示すようにな
る。したがって、７０％以上の偏波率を得るには、位相
差θをおよそ７０゜〜１１０゜程度に調整すればよい。

【００２７】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態を説明する。第１の実施の形態では、パッ
チアンテナ３０の２点に給電して円偏波を放射するよう
にしたが、１点のみの給電で円偏波を放射させることも
できる。図７は、本発明の第２の実施の形態であるエッ
チング装置の構成を示す図である。この図において、図
１と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を
省略する。図７に示すパッチアンテナ２３０は、地板２
３１と、共振器を構成する導体板２３２と、この導体板
２３２の中心Ｏを地板２３１に接続する導体柱２３３と
を有している。

【００２８】図８は、導体板２３２の一構成例を示す平
面図であり、図７におけるＸ−Ｘ′線方向から見たとき
の平面形状を示している。この図において、図２と同一
部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略す
る。この導体板２３２の平面形状は、円２３２Ａの周縁
領域の一部を切り欠いた形状をしている。より詳しく言
うと、円周とｙ軸とが交差する付近の２領域を矩形状に
切り欠いた形状をしている。切り欠き面積は円２３２Ａ
の面積の３％程度とするとよい。なお、導体板２３２の
ｘ軸方向の長さを1.17×λg/２とし、ｙ軸方向の長さを
1.17×λg/２−２ｄとする。給電点Ｖは、ｘ軸，ｙ軸と
４５゜の角度で交差する直線上の一点に設けられる。こ
の給電点Ｖには、図７に示すように、高周波電源４５に
接続された同軸線路４１の内部導体４３が接続されてい
る。

【００２９】高周波電源４５より導体板２３２の給電点
Ｖに供給された電流は、ｘ軸方向及びｙ軸方向にそれぞ
れ独立に流れる。このとき、ｙ軸方向の長さは1.17×λ
g/２よりも２ｄだけ短いので、電磁界がみた誘電率が大
きくなり、ｙ軸方向を流れる電流の位相が遅れる。この
位相遅れが９０゜となるように２ｄの値と切り欠き部の
長さを設定することにより、導体板２３２のｘ軸方向及
びｙ軸方向に９０゜の位相差で電流を流すことができる
ので、パッチアンテナ２３０より円偏波を放射させるこ
とができる。

【００３０】なお、給電点Ｖは、ｘ軸，ｙ軸と４５゜の
角度で交差する直線上の一点に設けられるとしたが、完
全な円偏波でなくてもよければｘ軸方向とｙ軸方向とに
挟まれた方向にある一点に給電点Ｖを設けてもよい。ま
た、導体板２３２の平面形状は図８に示した形状に限ら
れるものではなく、少なくとも導体板２３２の中心Ｏか
らみた直交する２方向の長さが異なる形状であればよ
い。したがって、例えば図９（ａ）に示すような楕円形
であってもよい。また、図９（ｂ）に示すような、長辺
の長さＬ１がおよそλg/２であり、短辺の長さＬ２がお
よそλg/２未満である矩形であってもよい。

【００３１】また、第１の実施の形態のように、地板２
３１と導体板２３２との間に、図４と同様にセラミック
などからなる誘電体板を配置してもよい。これにより、
パッチアンテナを小型化することができる。以上では本
発明のプラズマ装置をエッチング装置に適用した場合を
例に説明したが、例えばプラズマＣＶＤ装置などの他の
プラズマ装置に適用してもよいことは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のプラズマ
装置は、共振器を構成する導体板とこの導体板に対向配
置された地板とを有するアンテナを用い、このアンテナ
から放射される高周波を円偏波とする。これにより、処
理容器内における電磁界の空間分布が従来より均一にな
るので、プラズマの分布を従来よりも均一化することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態であるエッチング
装置の構成を示す図である。

【図２】 図１に示したパッチアンテナの導体板の一構
成例を示す平面図である。

【図３】 図１に示したパッチアンテナが構成する時間
平均をとった電界分布の概念図である。

【図４】 図１に示したパッチアンテナの変形例を示す
断面図である。

【図５】 円偏波の偏波率を説明するための図である。

【図６】 円偏波の偏波率の位相差依存性を示す図であ
る。

【図７】 本発明の第２の実施の形態であるエッチング
装置の構成を示す図である。

【図８】 図７に示したパッチアンテナの導体板の一構
成例を示す平面図である。

【図９】 図７に示したパッチアンテナの導体板の他の
構成例を示す平面図である。

【図１０】 高周波プラズマ装置に使用される従来のパ
ッチアンテナの一構成例を示す図である。

【図１１】 図１０に示したパッチアンテナによる電磁
波の放射原理を説明するための図である。

【図１２】 図１０に示した従来のパッチアンテナが構
成する電界分布の概念図である。

【符号の説明】

１１…処理容器、１２…誘電板、１３…シール部材、２
１…基板、２２…載置台、３０，１３０，２３０…パッ
チアンテナ、３１，１３１，２３１…地板、３２，１３
２，２３２…導体板、４１，４１Ａ，４１Ｂ，１４１
Ａ，１４１Ｂ，１４１Ｃ，１４１Ｄ…同軸線路、４２，
４２Ａ，４２Ｂ，１４２Ａ，１４２Ｂ，１４２Ｃ，１４
２Ｄ…外部導体、４３，４３Ａ，４３Ｂ，１４３Ａ，１
４３Ｂ，１４３Ｃ，１４３Ｄ…内部導体、４５…高周波
電源、Ｏ…導体板の中心、Ｐ〜Ｖ…給電点。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気密な処理容器内に配置され被処理体を
   載置する載置台と、この載置台に対向配置され前記処理
   容器内に高周波を供給するアンテナとを備えたプラズマ
   装置において、 前記アンテナは、前記載置台に対向配置され共振器を構
   成する導体板と、この導体板の前記載置台と反対側に対
   向配置された地板とを有し、 前記導体板は、前記高周波が円偏波となるように給電さ
   れることを特徴とするプラズマ装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のプラズマ装置において、 前記導体板は、前記高周波が偏波率５０％以上の円偏波
   となるように給電されることを特徴とするプラズマ装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のプラズマ装置にお
   いて、 さらに、前記導体板に給電する２つの給電線を有するこ
   とを特徴とするプラズマ装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載のプラズマ装置において、 前記２つの給電線のそれぞれは、振幅が等しく、位相が
   互いに９０゜異なり、空間的に直交する２つの直線偏波
   が放射されるように給電することを特徴とするプラズマ
   装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載のプラズマ装置において、 前記導体板の平面形状は、９０゜回転対称形状であり、 前記２つの給電線は、前記導体板の中心から略等距離に
   ありかつ前記中心からみて直交する２方向にある前記導
   体板上の２点にそれぞれ接続され、等振幅かつ互いに９
   ０゜異なる位相で給電することを特徴とするプラズマ装
   置。
6. 【請求項６】 請求項１又は２記載のプラズマ装置にお
   いて、 前記導体板の平面形状は、前記導体板の中心からみた直
   交する２方向の長さが異なる形状であり、 さらに、前記導体板上における前記２方向に挟まれた方
   向にある一点に接続され、前記導体板に給電する給電線
   を有することを特徴とするプラズマ装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載のプラズマ装置において、 前記導体板の平面形状は、円の周縁領域の一部を切り欠
   いた形状であることを特徴とするプラズマ装置。
8. 【請求項８】 請求項６記載のプラズマ装置において、 前記導体板の平面形状は、楕円形又は矩形であることを
   特徴とするプラズマ装置。