JP2004128385A

JP2004128385A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2004128385A
Application number: JP2002293529A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kasai; 河西　繁; Isateru Osada; 長田　勇輝; Takashi Ogino; 荻野　貴史
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: CN101320679A; CN1692476A; WO2004032219A1; JP4159845B2; CN100416772C; CN101320679B; KR20050050116A; KR100719639B1

Abstract

【課題】伝送損失の少ないマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマエッチング装置１は、ウエハＷを収容するチャンバ１１と、チャンバ１１内に処理ガスを供給するガス供給装置２７と、チャンバ１１内にプラズマ生成用のマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置５０を具備し、マイクロ波導入装置５０は、マイクロ波発振器３０と、アンテナ１３ａ〜１３ｄからなるアンテナ部１３とを有する。マイクロ波発振器３０は所定電力のマイクロ波を出力する４つアンプ部３３を有し、各アンプ部３３から各アンテナ１３ａ〜１３ｄに所定電力のマイクロ波が伝送される。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理基板に対してエッチング等のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、半導体ウエハやガラス基板といった被処理基板にエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施すために、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置等のプラズマ処理装置が用いられる。
【０００３】
プラズマ処理装置におけるプラズマの発生方法としては、平行平板電極が配置されたチャンバ内に処理ガスを供給し、この平行平板電極に所定の電力を供給して、電極間の容量結合によってプラズマを発生させる方法や、マイクロ波によって発生する電場とチャンバ外に配置された磁場発生装置によって発生した磁場とによって電子を加速し、この電子が処理ガスの中性分子と衝突して中性分子を電離させることによってプラズマを発生させる方法等が知られている。
【０００４】
後者のマイクロ波による電場と磁場発生装置による磁場のマグネトロン効果を利用する方法の場合には、所定電力のマイクロ波を導波管／同軸管を通してチャンバ内に配置されたアンテナに供給し、アンテナからマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射させている。
【０００５】
図８は従来の一般的なマイクロ波導入装置の概略構成を示す説明図である。マイクロ波導入装置９０は、大略的に、所定電力に調整されたマイクロ波を出力するマグネトロン９１ａおよびマグネトロン９１ａに所定周波数のアノード電流を供給するマイクロ波発生電源９１ｂを有するマイクロ波発振器９１と、マイクロ波発振器９１から出力されたマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射するアンテナ９４と、アンテナ９４からマイクロ波発振器９１へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータ９２と、反射マイクロ波の電力が小さくなるようにアンテナ９４に対する整合を行うチューナーを備え、導波管から同軸管への変換を行うマッチャー９３と、を有している（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７２２０７０号公報
【特許文献２】
特開平８−３０６３１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マグネトロン９１ａを用いたマイクロ波発振器９１では、マグネトロン９１ａの寿命は約半年と短いために、装置コストおよびメンテナンスコストが嵩むという問題がある。また、マグネトロン９１ａの発信安定性は約１％あり、しかも出力安定性が３％程度とばらつきが大きいために、安定したマイクロ波を発信することが困難であった。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、長寿命なマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。また本発明は、マイクロ波を安定して供給することができるマイクロ波発振器を備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決する手段として、本発明者らは先に半導体増幅素子を用いてマイクロ波を所定の出力に増幅するプラズマ処理装置を提案し、特許出願した（特願２００２−２８８７６９号．以下「先行出願」という）。図７は、その先行出願に係る半導体増幅素子を用いたマイクロ波発振器を備えたマイクロ波導入装置の概略構成を示す説明図である。
【００１０】
マイクロ波導入装置８０は、所定電力のマイクロ波を発振するマイクロ波発振器８０ａと、マイクロ波発振器８０ａから出力されたマイクロ波のうちマイクロ波発振器８０ａへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータ８５と、チャンバ内に設けられ、アイソレータ８５を通して出力されるマイクロ波をチャンバの処理空間に向けて発振するアンテナ８７と、アンテナ８７からの反射マイクロ波を低減するようにアンテナ８７に対する整合を行うマッチャー８６と、を有している。
【００１１】
また、マイクロ波発振器８０ａは、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生器８１と、マイクロ波発生器８１から出力されたマイクロ波を複数（図７には４経路に分配させた場合を示す）のマイクロ波に分配する分配器８２と、分配器８２から出力された４経路の各マイクロ波を個別に所定の電力に増幅する４台のソリッドステートアンプ８３と、各ソリッドステートアンプ８３において増幅されたマイクロ波を合成する合成器８４と、を有している。
【００１２】
マイクロ波発生器８１は、所定周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源（ジェネレータ）８１ａと、マイクロ波発生源８１ａで発生させたマイクロ波の電力を所定レベルに減衰させる可変アッテネータ８１ｂと、を有している。ソリッドステートアンプ８３は、入力されたマイクロ波をさらに複数のマイクロ波に分配する副分配器８３ａ（図７には４系統に分配した場合を示す）と、各副分配器８３ａから出力されたマイクロ波を所定の電力に増幅する半導体増幅素子８３ｂと、各半導体増幅素子８３ｂから出力された増幅されたマイクロ波を合成する副合成器８３ｃと、を有している。
【００１３】
このようなマイクロ波導入装置によれば、半導体増幅素子８３ｂによる電力増幅を行うために、装置寿命は半永久的となり、また出力の安定したマイクロ波をチャンバ内へ放射することができるようになる。
【００１４】
しかしながら、このようなマイクロ波導入装置８０では、ソリッドステートアンプ８３内におけるインピーダンス整合に加えて、分配器８２および合成器８４におけるインピーダンス整合を行う必要があるために、特性インピーダンスの不整合によって電力損失が大きくなる問題がある。また、プラズマ処理装置においては、例えば、アンテナ８７に２〜３ｋＷのマイクロ波を伝送する必要があり、マイクロ波導入装置８０では、このような大電力のマイクロ波が合成器８４で合成される。このために特に合成器８４では、マイクロ波の電力損失を抑制するために、より精密なインピーダンス整合が求められる。
【００１５】
さらに、合成器８４から出力された大電力がマイクロ波がアイソレータ８５に伝送されるために、アイソレータ８５としても数キロワット級の大型のものが必要となり、接地場所の自由度が少なくなる問題や、装置自体が高価になるといった問題が発生する。さらにまた、アンテナ８７へは合成されたマイクロ波が１本の同軸管により伝送されるために、アンテナ８７の面内でマイクロ波の出力分布を調整することはできない。
【００１６】
本発明は前記先行出願において新たに生ずるこれらの問題、すなわち、伝送損失の増大の問題と、マイクロ波を供給する装置の大型化の問題と、放射するマイクロ波の電力分布の調整不能の問題と、をも解決するものである。
【００１７】
本発明によれば、被処理基板を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給装置と、
前記チャンバ内にプラズマ生成用のマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、
を具備し、
前記マイクロ波導入装置は、
複数の所定出力のマイクロ波を出力するマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器から発振された複数のマイクロ波のそれぞれが伝送されるアンテナを複数有するアンテナ部と、
を有することを特徴とするプラズマ処理装置、が提供される。
【００１８】
このような本発明のプラズマ処理装置によれば、マグネトロンを用いずに半導体増幅素子を用いたアンプ部によって低電力のマイクロ波を電力増幅するために、アンプ部の寿命を半永久的とすることができる。これにより、設備コストやメンテナンスコストが低く抑えられる。また、半導体増幅素子は出力安定性に優れるために、安定した特性を有するマイクロ波をチャンバ内に放射することが可能となる。これによりプラズマの発生状態を良好に保持して、基板の処理品質を高めることができる。さらに、アンプ部では、出力調整範囲が０％〜１００％と広く、調整も容易である。
【００１９】
さらに、マイクロ波はアンテナ部を構成する複数のアンテナに伝送されるために、アンテナ部へ至るまでの伝送線路において大電力のマイクロ波を合成する必要がない。こうして合成器が不用となるため、合成器による電力損失の発生を回避することができる。また、アンテナ部に伝送する個々のマイクロ波の出力を小さくすることができるために、大電力用のアイソレータを用いる必要がなく、これによりマイクロ波発振器の大型化を回避することができる。さらに、アンテナ部を構成する複数のアンテナには、それぞれ電力の異なるマイクロ波を供給することができ、これによってアンテナ部から放射されるマイクロ波の出力に分布を持たせることもできる。
【００２０】
このようなプラズマ処理装置において、マイクロ波発振器を、低電力のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、このマイクロ波発生器から出力されたマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する分配器と、この分配器から出力された各マイクロ波を所定の電力に増幅する複数のアンプ部から構成すると、複数のアンプ部から出力される各マイクロ波をアンテナ部を構成する各アンテナへ伝送することができる。
【００２１】
この場合において、複数のアンプ部がそれぞれ、分配器から出力されたマイクロ波を所定のレベルに減衰させる可変アッテネータと、可変アッテネータから出力されたマイクロ波を所定の電力に増幅するソリッドステートアンプと、ソリッドステートアンプからアンテナへ出力されたマイクロ波の内、ソリッドステートアンプに戻ろうとする反射マイクロ波を分離するアイソレータと、反射マイクロ波の電力を調整するマッチャーと、を具備する構成とすると、各可変アッテネータでの減衰率を調整することによって、複数のアンテナにそれぞれ異なる電力のマイクロ波を供給することができ、これによりチャンバ内に発生するプラズマに分布を生じさせることができる。
【００２２】
アイソレータは、反射マイクロ波を熱に変換するダミーロードと、ソリッドステートアンプから出力されたマイクロ波をアンテナへ導き、アンテナからの反射マイクロ波をダミーロードに導くサーキュレータと、を有する。１台のソリッドステートアンプから出力されるマイクロ波の電力は極端に大きなものではないために、小型のアイソレータが使用でき、また、装置コストも安価に抑えることができる。
【００２３】
ソリッドステートアンプは、入力されるマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する副分配器と、副分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ所定の電力に増幅する複数の半導体増幅素子と、複数の半導体増幅素子によって電力増幅されたマイクロ波を合成する合成器と、を有する。この半導体増幅素子としては、パワーＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓＦＥＴまたはＧｅＳｉトランジスタ等が好適に用いられる。
【００２４】
前記アンテナ部としては、中心に設けられた円形アンテナと、この円形アンテナの外側を囲う複数の略扇形アンテナと、これら円形アンテナと略扇形アンテナとを分離する分離板と、から構成されるものを用いることができる。各アンテナは、遅波板と、冷却板と、スロット板とを有する。なお、分離板は金属部材であって、かつ、接地されていることが好ましい。
【００２５】
この場合において、円形アンテナのスロット板には、円形アンテナの外周からλｇ／４内側の円周上に所定長さの第１スロットを設け、この第１スロットからλｇ／２ずつ内側の同心円上に所定長さの第２スロットを設けることが好ましい。また、略扇形アンテナのスロット板にはそれぞれ、略扇形アンテナどうしの境界からλｇ／４内側に所定長さの第３スロットを設け、第３スロットからλｇ／２ずつ内側に所定長さの第４スロットを設けることが好ましい。これによりマイクロ波を効率よくチャンバ内へ放射することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、プラズマ処理装置の一例であるプラズマエッチング装置１の概略構成を示す断面図であり、図２はプラズマエッチング装置１に備えられているマイクロ波導入装置５０のより詳細な構成を示す説明図である。なお、プラズマエッチング装置１の被処理基板を半導体ウエハＷとする。
【００２７】
プラズマエッチング装置１は、ウエハＷを収容するチャンバ１１と、チャンバ１１に設けられたガス導入口２６を通してチャンバ１１の内部にプラズマ生成用の処理ガス（例えば、塩素（Ｃｌ_２））を供給するガス供給装置２７と、チャンバ１１に設けられた排気口２４を通してチャンバ１１の内部を排気する排気装置２５と、チャンバ１１内においてウエハＷを保持する基板保持ステージ２３と、チャンバ１１内部の処理空間２０に磁場を発生させる空心コイル２１と、チャンバ１１内にマイクロ波を供給するマイクロ波導入装置５０と、を有している。
【００２８】
マイクロ波導入装置５０は、複数（図１および図２には４経路の場合を示す）の所定出力のマイクロ波を出力するマイクロ波発振器３０と、マイクロ波発振器３０から出力されたマイクロ波が別々に給電されるアンテナ１３ａ・１３ｂ・１３ｃ・１３ｄ（図１には１３ｄを図示せず）から構成されるアンテナ部１３と、を有している。
【００２９】
マイクロ波発振器３０は、低電力のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器３１と、マイクロ波発生器３１から出力されたマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する分配器３２（図２には４分配した場合を示す）と、分配器３２から出力された各マイクロ波を所定の電力に増幅する複数のアンプ部３３（図２には４つのアンプ部３３を示す）とを具備している。これら４つのアンプ部３３から出力される各マイクロ波はアンテナ１３ａ〜１３ｄにそれぞれ設けられた給電ポイント６０ａ・６０ｂ・６０ｃ・６０ｄへそれぞれ伝送される。
【００３０】
マイクロ波発生器３１は、所定周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を発生させる。分配器３２では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらマイクロ波の分配が行われる。
【００３１】
アンプ部３３はそれぞれ、分配器３２から出力されたマイクロ波を所定のレベルに減衰させる可変アッテネータ４１と、可変アッテネータ４１から出力されたマイクロ波を所定の電力に増幅するソリッドステートアンプ４２と、ソリッドステートアンプ４２からアンテナ部１３を構成する各アンテナ１３ａ〜１３ｄへ出力されたマイクロ波の内、ソリッドステートアンプ４２に戻ろうとする反射マイクロ波を分離するアイソレータ４３と、反射マイクロ波の電力を調整するマッチャー４４と、を有している。
【００３２】
可変アッテネータ４１は、ソリッドステートアンプ４２へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整する。したがって、可変アッテネータ４１における減衰レベルを調整することによって、ソリッドステートアンプ４２から出力されるマイクロ波の電力を設定することができる。４つのアンプ部３３には個々に可変アッテネータ４１が装着されているために、これら可変アッテネータ４１の減衰率を個別に変えることによって、４つのアンプ部３３から出力されるマイクロ波の電力を個々に異ならせることができる。つまり、マイクロ波発振器３０においては、アンテナ１３ａ〜１３ｄにそれぞれ異なる電力のマイクロ波を供給することができ、これによってチャンバ１１内に均一なプラズマを発生させたり、逆に、発生するプラズマに分布を生じさせることができる。
【００３３】
ソリッドステートアンプ４２は、入力されたマイクロ波をさらに複数のマイクロ波に分配する副分配器４２ａ（図２には４系統に分配した場合を示す）と、副分配器４２ａから出力された各マイクロ波を所定の電力に増幅する半導体増幅素子４２ｂと、各半導体増幅素子４２ｂから出力された増幅されたマイクロ波を合成する合成器４２ｃと、を有している。
【００３４】
副分配器４２ａは分配器３２と同じ構成を有する。半導体増幅素子４２ｂとしては、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴが用いられる。１個の半導体増幅素子４２ｂから出力されるマイクロ波の最大電力は、例えば、１００Ｗ〜１５０Ｗである。これに対して、アンテナ部１３に供給しなければならないマイクロ波の全電力は、一般的に１０００〜３０００Ｗであるから、アンテナ１３ａ〜１３ｄに平均で２５０Ｗ〜７５０Ｗのマイクロ波が伝送されるように、各アンプ部３３の可変アッテネータ４１の減衰率を調整すればよい。
【００３５】
合成器４２ｃでは、インピーダンス整合を取りながら、各半導体増幅素子４２ｂから出力されたマイクロ波の合成が行われる。この際、整合回路としては、ウィルキンソン型、ブランチライン型、ソータバラン型等を用いることができる。
【００３６】
ソリッドステートアンプ４２から出力されたマイクロ波は、アイソレータ４３とマッチャー４４とを通してアンテナ部１３を構成するアンテナ１３ａ〜１３ｄに送られる。このときアンテナ１３ａ〜１３ｄから一部のマイクロ波がソリッドステートアンプ４２に戻るように反射してくる。アイソレータ４３は、サーキュレータ４３ａとダミーロード（同軸終端器）４３ｂとを有しており、サーキュレータ４３ａは、アンテナ１３ａ〜１３ｄからソリッドステートアンプ４２へ向けて逆行しようとする反射マイクロ波をダミーロード４３ｂへ導く。ダミーロード４３ｂはサーキュレータ４３ａによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。
【００３７】
先に図７に示したように、ソリッドステートアンプ８３によって所定の電力に増幅されたマイクロ波を合成してアイソレータ８４に通す場合には、アイソレータ８４は、数キロワットの電力に耐えるものが必要となり、アイソレータ８４自体が大型化し、かつ、高価なものとなる。しかし、マイクロ波発振器３０のように、ソリッドステートアンプ４２によって所定電力に増幅されたマイクロ波を合成することなく、そのままアイソレータ４３に通す場合には、１台のソリッドステートアンプ４２から出力されるマイクロ波の電力は極端に大きなものではないために、アイソレータ４３として小型のものを使用することができ、装置コストも安価に抑えられる。
【００３８】
マッチャー４４は、アンテナ１３ａ〜１３ｄから反射されてダミーロード４３ｂに導かれるマイクロ波が少なくなるように、アンテナ１３ａ〜１３ｄに対して整合を取るチューナーを有している。マイクロ波は、マッチャー４４からアンテナ１３ａ〜１３ｄに設けられた給電ポイント６０ａ〜６０ｄへ、同軸管外導体１６ａと同軸管内導体１６ｂを通して伝送される。同軸管内導体１６ｂのアンテナ１３ａ〜１３ｄ側の端部には、マイクロ波の反射を抑制／低減するためのテーパー部２２が設けられている。
【００３９】
図３にアンテナ部１３の構造を平面的に示す説明図を示す。円盤状のアンテナ部１３は、中心に設けられた円形のアンテナ１３ａと、アンテナ１３ａの外側を囲う３つの略扇形のアンテナ１３ｂ〜１３ｄと、これらのアンテナ１３ａ〜１３ｄを分離する分離板１９から構成されている。換言すれば、アンテナ部１３は、従来の円盤形アンテナを分離板１９によって４つのアンテナ１３ａ〜１３ｄに分割した構造を有する。なお、給電ポイント６０ａ〜６０ｄ、つまり同軸管外導体１６ａと同軸管内導体１６ｂの取り付け部は、アンテナ１３ａ〜１３ｄに１箇所ずつ設けられている。
【００４０】
図１に示されるように、アンテナ１３ａは、所定位置にマイクロ波を放射するスロット（図１に示さず）が形成された金属からなるスロット板１４ａと、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる遅波板１７ａを有している。同様に、アンテナ１３ｂ〜１３ｄはそれぞれ、スロット（図１に示さず）が形成されたスロット板１４ｂと、遅波板１７ｂを有している。なお、遅波板１７ａ・１７ｂはそれぞれ冷却板の役割をも果たす。また、アンテナ部１３は、スロット板１４ａ・１４ｂと処理空間２０に発生するプラズマとの直接接触を防止するマイクロ波透過絶縁板１５を有している。
【００４１】
分離板１９は金属部材であって、かつ、接地されていることが好ましい。給電ポイント６０ａ〜６０ｄを通してアンテナ１３ａ〜１３ｄに供給されたマイクロ波は、分離板１９で位相が１８０度回転して全反射する。つまり、アンテナ１３ａ〜１３ｄ間でのマイクロ波の移動はなく、それぞれが独立してマイクロ波を処理空間２０に放射する。分離板１９によるこのようなマイクロ波の反射形態を考慮すれば、遅波板１７ａ・１７ｂには定在波が立つので、スロット板１４ａ・１４ｂのこの定在波の腹の部分に対応する位置に、定在波の進行方向と垂直な細長いスロットを形成すると、これらのスロットから効率的にマイクロ波を処理空間２０に放射することができる。
【００４２】
図３には、アンテナ１３ａのスロット板１４ａに設けられるスロット６１ａ・６１ｂおよびアンテナ１３ｂ〜１３ｄのスロット板１４ｂに設けられるスロット６１ｃ・６１ｄの位置を並記している。なお、図３ではスロット６１ａ〜６１ｄを実線で示しているが、これはスロット６１ａ〜６１ｄの位置および概略形状を便宜的に示すためのものであって、スロット６１ａ〜６１ｄは実際には所定の幅を有する孔部である。
【００４３】
図３に示されるように、円形のアンテナ１３ａにおいては、マイクロ波の波長をλ_１とし、遅波板１７ａ・１７ｂの比誘電率をεｒとし、λｇをλ_１／εｒ^１／２と定義したときに、アンテナ１３ａの外周から略λｇ／４だけ内側の円周上に所定長さのスロット６１ａを設け、このスロット６１ａから略λｇ／２ずつ内側の同心円上に所定長さのスロット６１ｂを設けるとよい。また、略扇形のアンテナ１３ｂ〜１３ｄにおいては、アンテナ１３ｂ〜１３ｄどうしの境界から略λｇ／４だけ内側に所定長さのスロット６１ｃを設け、このスロット６１ｃから略λｇ／２ずつ内側に所定長さのスロット６１ｄを設ければよい。これらのスロット６１ａ〜６１ｄの形成位置が前述した定在波の腹の位置とほぼ一致する。
【００４４】
スロット板１４ａ・１４ｂに形成されたスロット６１ａ〜６１ｄから放射されたマイクロ波は、マイクロ波透過絶縁板１５を通過して処理空間２０に達し、処理空間２０にマイクロ波の電場を形成する。これと同時に、空心コイル２１を作動させて処理空間に磁場を発生させると、マグネトロン効果によって、効率的にプラズマを発生させることができる。但し、この空心コイル２１は、必ずしも必要ではなく、アンテナ部１３から放射されるマイクロ波のみによっても、プラズマを発生させることができる。
【００４５】
プラズマエッチング装置１においては、マイクロ波導入装置５０によって処理空間２０に電力の安定したマイクロ波が供給されるために、処理空間２０に安定してプラズマを発生させることができ、これによってウエハＷの処理品質が高められる。また、放射されるマイクロ波の電力に分布を設けることによって、発生するプラズマに分布を形成し、例えば、中心部と外周部とで異なるプラズマ密度での処理を行うことができる。
【００４６】
ところで、アンテナ部１３全体の外径やアンテナ１３ａ〜１３ｄのそれぞれの形状、スロットの形成位置については、一般的な円盤形のアンテナを設計する際の手法を援用することができる。そこで以下に、円盤形アンテナについての形状設計方法について簡単に説明する。図４は円盤形アンテナ７０の概略断面図であり、円盤形アンテナ７０を、スロット板７１と、遅波板７２と、冷却板７３と同軸管７４と、から構成している。冷却板７３は遅波板７２の外周を覆っており、遅波板７２の周縁に到達したマイクロ波を内側へ反射させる。
【００４７】
遅波板７２は、内径が２×ｒ、外径が２×Ｒ、厚さｈの平リング状の形状を有する。マイクロ波の波長をλ_１とし、遅波板７２の比誘電率をεｒとしたときに、λｇ（＝λ_１／εｒ^１／２）と定義すると、遅波板７２の幅Ｌ（＝Ｒ−ｒ）は、λｇの略整数倍とすることが好ましい。これにより、遅波板７２の周縁が定在波の節となり、遅波板７２の周縁からλｇ／４だけ内側の円上、およびこの円からλｇ／２ずつ内側の同心円上が定在波の腹の位置となる。スロット板７１におけるスロットの形成位置は、この定在波の腹の位置の合わせる。これによって、もし同軸管７４と遅波板７２の特性インピーダンスが不一致となっても、アンテナ７０からマッチャーへ戻る反射マイクロ波の電力を小さく抑制することができる。
【００４８】
遅波板７２の厚さｈは次のようにして求める。例えば、同軸管７４としてＷＸ−３９Ｄを使用すると、遅波板７２の内径２ｒ＝３８．８ｍｍとなる。同軸管７４の特性インピーダンスは、通常、５０Ωであるから、平行板線路の特性インピーダンスＺ_０は、下式（１）で与えられ、この（１）式から遅波板７２の厚さｈは下式（２）のように求めることができる。なお、εは窒化アルミニウムの平均的な誘電率であり、μは窒化アルミニウムの透磁率である。ここで、窒化アルミニウムは誘電材（絶縁材）であるため、比透磁率（μｒ）は１としている。
【００４９】
【数１】

【００５０】
次にアンテナ７０におけるインピーダンス整合の方法について説明する。図５に示す回路において、電源電圧をＶｇ、線路の特性インピーダンスをＺ_０、負荷インピーダンスをＺｅとすると、負荷点の電圧Ｖ_０は下式（３）で示され、反射係数Γは下式（４）で与えられる。
【００５１】
【数２】

【００５２】
負荷で有効に伝送されたマイクロ波のエネルギーを消費させるには、Ｚｅ＝Ｚ０として、負荷とマッチャーの合成インピーダンスを伝送線路の特性インピーダンスに一致させる必要がある。ところがプラズマを点火するためには、Ｐａｓｃｈｅｎの法則より、点火電圧Ｖｓは、圧力Ｐとギャップ（放電距離）Ｌの関数式である下式（５）で表される。
【００５３】
【数３】

【００５４】
式（５）より、ギャップＬが定まれば一義的に点火電圧は決定される。例えば、プロセス時間を短縮するためには、点火時には式（３）より、Ｚｅ＞Ｚ_０の条件にすると負荷点の電圧Ｖ_０を高くすることができるから、図６のスミスチャートに示すように、プラズマ点火時には適当な誘導的反射を持つようにインピーダンスを点Ａから誘導的領域を通って中心点Ｏへ移動させ、プラズマ点火後のプロセス時には中心点Ｏ（インピーダンス整合位置）で保持するとよい。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、マイクロ波発振器３０の回路構成やソリッドステートアンプ４２の回路構成は、図２に示す構成に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００５６】
一例としては、アンテナ部１３から放射されるマイクロ波に分布を設ける必要がない場合には、アンテナ１３ａ〜１３ｄのマイクロ波放射面積を等しくして、アンプ部３３には可変アッテネータ４１を設けずに、マイクロ波発生器３１と分配器３２の間に可変アッテネータを設けた構成とすることができる。これにより可変アッテネータの部品点数を減らすことができる。
【００５７】
また、アンテナ１３ａ〜１３ｄに異なる電力のマイクロ波を伝送する場合には、半導体増幅素子装着数の異なるソリッドステートアンプを有するアンプ部を用いることも可能である。例えば、アンテナ１３ａには６００Ｗのマイクロ波を伝送するために、半導体増幅素子を４個有するソリッドステートアンプを備えたアンプ部を用い、アンテナ１３ｂ〜１３ｄには３００Ｗのマイクロ波を伝送するために、半導体増幅素子４２を２個有するソリッドステートアンプを備えたアンプ部を用いることができる。
【００５８】
アンテナ部１３は、４つのアンテナ１３ａ〜１３ｄから構成される形態に限定されず、より多くのアンテナまたはより少ないアンテナから構成してもよい。また、アンテナの形状は、図３に示すような円形や略扇形に限定されるものではない。より多くのアンテナからアンテナ部を構成した場合には、アンプ部の数を増やす必要があるが、それぞれのアンプ部から出力するマイクロ波の電力を小さくしてアンプ部を小型化することができる。
【００５９】
上記説明においては、プラズマ処理としてエッチング処理を取り上げたが、本発明のプラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤ処理（成膜処理、酸窒化膜の膜改質）やアッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。この場合には、処理目的に応じて適切な処理ガスをチャンバ１１内に供給すればよい。また、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミックス基板等であってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
上述の通り、本発明によれば、マグネトロンを用いずに半導体増幅素子を用いたアンプ部によって低電力のマイクロ波を電力増幅するために、アンプ部の寿命を半永久的とすることができる。これにより、設備コストやメンテナンスコストが低く抑えられる。また、半導体増幅素子は出力安定性に優れるために、安定した特性を有するマイクロ波をチャンバ内に放射することが可能となる。これによりプラズマの発生状態を良好に保持して、基板の処理品質を高めることができる。さらに、アンプ部では、出力調整範囲が０％〜１００％と広く、調整も容易である。
【００６１】
また、最終的なマイクロ波の合成がアンテナにおいて行われるために、大電力のマイクロ波を合成する合成器が不用となり、この合成器における電力損失の発生を回避することができる。また、アンテナに伝送する個々のマイクロ波の出力を小さくすることができるために、大電力用のアイソレータを用いる必要がなく、これによりマイクロ波発振器の大型化を回避することができる。さらに、複数のアンテナからなるアンテナ部を用い、各アンテナに電力の異なるマイクロ波を供給することができるために、各アンテナから放射されるマイクロ波の出力に分布を持たせることができ、これによって多用な処理に対応することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図。
【図２】プラズマエッチング装置に備えられたマイクロ波導入装置の構成を示す説明図。
【図３】アンテナの構造を平面的に示す説明図。
【図４】円盤形アンテナの構造を示す概略断面図。
【図５】インピーダンス整合に用いられる等価回路の一例。
【図６】プラズマ点火およびプロセス時のインピーダンス変化を示す説明図（スミスチャート）。
【図７】半導体増幅素子を用いたマイクロ波発振器を備えたマイクロ波導入装置の概略構成を示す説明図。
【図８】従来のマイクロ波導入装置の構成を示す説明図。
【符号の説明】
１；プラズマエッチング装置
１１；チャンバ
１３；アンテナ部
１３ａ〜１３ｄ；アンテナ
１４ａ・１４ｂ；スロット板
１７ａ・１７ｂ；遅波板
１９；分離板
２０；処理空間
２１；空心コイル
２７；ガス供給装置
３０；マイクロ波発振器
３１；マイクロ波発生器
３２；分配器
３３；アンプ部
４１；可変アッテネータ
４２；ソリッドステートアンプ
４２ａ；副分配器
４２ｂ；半導体増幅素子
４２ｃ；合成器
４３；アイソレータ
４３ａ；サーキュレータ
４３ｂ；ダミーロード
４４；マッチャー
６０ａ〜６０ｄ；給電ポイント
６１ａ〜６１ｄ；スロット

Claims

被処理基板を収容するチャンバと、
前記チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給装置と、
前記チャンバ内にプラズマ生成用のマイクロ波を導入するマイクロ波導入装置と、
を具備し、
前記マイクロ波導入装置は、
複数の所定出力のマイクロ波を出力するマイクロ波発振器と、
前記マイクロ波発振器から発振された複数のマイクロ波のそれぞれが伝送されるアンテナを複数有するアンテナ部と、
を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
前記マイクロ波発振器は、
低電力のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
前記マイクロ波発生器から出力されたマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する分配器と、
前記分配器から出力された各マイクロ波を所定の電力に増幅する複数のアンプ部と、
を具備し、
前記複数のアンプ部から出力される各マイクロ波が前記複数のアンテナへ伝送されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記複数のアンプ部はそれぞれ、
前記分配器から出力されたマイクロ波を所定のレベルに減衰させる可変アッテネータと、
前記可変アッテネータから出力されたマイクロ波を所定の電力に増幅するソリッドステートアンプと、
前記ソリッドステートアンプから前記アンテナへ出力されたマイクロ波の内、前記ソリッドステートアンプに戻ろうとする反射マイクロ波を分離するアイソレータと、
前記反射マイクロ波の電力を調整するマッチャーと、
を具備することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記アイソレータは、
前記反射マイクロ波を熱に変換するダミーロードと、
前記ソリッドステートアンプから出力されたマイクロ波を前記アンテナへ導き、前記アンテナからの反射マイクロ波を前記ダミーロードに導くサーキュレータと、
を具備することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
前記ソリッドステートアンプは、
入力されるマイクロ波を複数のマイクロ波に分配する副分配器と、
前記副分配器から出力された複数のマイクロ波をそれぞれ所定の電力に増幅する複数の半導体増幅素子と、
前記複数の半導体増幅素子によって電力増幅されたマイクロ波を合成する合成器と、
を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のプラズマ処理装置。
前記半導体増幅素子はパワーＭＯＳＦＥＴまたはＧａＡｓＦＥＴまたはＧｅＳｉトランジスタであることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
前記複数のアンテナはそれぞれ、遅波板と、冷却板と、スロット板とを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記アンテナ部は、
中心に設けられた円形アンテナと、
前記円形アンテナの外側に前記円形アンテナを囲う複数の略扇形アンテナと、
前記円形アンテナと前記複数の略扇形アンテナとを分離する分離板と、
を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記分離板は金属部材であって、かつ、接地されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
前記マイクロ波の波長をλ_１とし、前記遅波板の比誘電率をεｒとし、λｇをλ_１／εｒ^１／２と定義した場合において、
前記円形アンテナのスロット板には、前記円形アンテナの外周からλｇ／４内側の円周上に所定長さの第１スロットが設けられ、前記第１スロットからλｇ／２ずつ内側の同心円上に所定長さの第２スロットが設けられ、
前記略扇形アンテナのスロット板にはそれぞれ、前記扇形アンテナどうしの境界からλｇ／４内側に所定長さの第３スロットが設けられ、前記第３スロットからλｇ／２ずつ内側に所定長さの第４スロットが設けられていることを特徴とする請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記チャンバ内に磁場を発生させる磁場発生装置をさらに具備し、
前記チャンバ内に放射されるマイクロ波によって発生する電場と、前記磁場発生装置によって発生する磁場とによって、マグネトロン効果を生じさせることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。