JP2004140363A - 蛇行コイルアンテナを具備した誘導結合プラズマ発生装置 - Google Patents

蛇行コイルアンテナを具備した誘導結合プラズマ発生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】　アンテナのインダクタンスが低くなり、容量結合による影響が最小化し、プラズマの均一度を向上させることができ、ＬＣ共鳴現象を利用して効率的なプラズマの放電及び維持が可能になる誘導結合プラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】　内部が真空状態に維持される反応チャンバと、反応チャンバの上部に設置されて反応チャンバ内部に注入された反応ガスをイオン化してプラズマを生成する電場を誘導するアンテナと、アンテナに連結されてアンテナにＲＦパワーを供給するＲＦ電源と、を具備し、アンテナは円周方向に沿ってジグザグ形態に巻かれた少なくとも１つの蛇行コイルを含む相異なる半径を有する複数のコイルよりなる誘導結合プラズマ発生装置。
【選択図】　図６

Description

　本発明は誘導結合プラズマ発生装置に係り、より詳細にはプラズマの均一度を向上させる構造を有するアンテナを具備した誘導結合プラズマ発生装置に関する。
　現在、半導体素子や平板ディスプレイ装置の製造のための基板の微細加工工程にはプラズマを応用した技術が多く利用されている。すなわち、プラズマは半導体素子製造用ウェーハやＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）製造用基板の表面をエッチングしたりその表面上に所定の物質膜を蒸着するのに広く使われている。特に、高集積度の半導体素子の製造のための基板のエッチングまたは薄膜蒸着工程中にプラズマを利用する装置が次第に増えつつある。これにより、エッチング工程、蒸着工程またはその他の工程に適したプラズマ発生装置の開発は、半導体製造工程及び装置の開発において核心的な要素になっている。最近の半導体製造工程用プラズマ装置の開発において最も大きい主眼点は、収率の向上のための基板の大面積化に応じること及び高集積化工程の遂行能力である。特に、既存の２００ｍｍウェーハから最近の３００ｍｍウェーハへの大面積化によるウェーハ処理工程の均一度向上と共に高いプラズマ密度の維持は最優先的に解決されねばならない重要な要素技術である。
　いままで半導体製造工程に使われてきたプラズマ装置には大きくＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、ヘリコン、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などがあり、これらの２つ以上を結合した複合タイプもある。このうち、ＩＣＰ型の装置は他の装置に比べて高密度／高均一度のプラズマを容易に得られる長所があり、特にその構造が簡単で３００ｍｍ大面積ウェーハのための次世代装置として注目されている。しかし、既存の２００ｍｍウェーハ用ＩＣＰ装置の単純な大きさ拡大によっては、３００ｍｍウェーハ用ＩＣＰ装置は、容易ではなく、ＩＣＰ放電の基本となるアンテナ設計の難しさにより多くの制約を受けている。
　図１は、従来のＩＣＰ発生装置の概略的な構成を示した図面である。図１に図示されたように、ＩＣＰ発生装置はその内部にプラズマ形成空間を備える反応チャンバ１０を具備する。前記反応チャンバ１０の内部下方には、基板、例えば、ウェーハＷを支持する静電チャック１２が設けられており、反応チャンバ１０の上部カバー１１には誘電体ウィンドウ１６が設けられている。反応チャンバ１０の側壁には反応ガスを反応チャンバ１０内部に注入するためのガス注入口１４が形成されており、反応チャンバ１０の内部にはガス注入口１４と連結される多数のガス分配口１５が設けられている。反応チャンバ１０の底壁には真空ポンプ１９に連結される真空吸入口１８が形成されており、これを通じて反応チャンバ１０内部を真空状態にする。そして、前記誘電体ウィンドウ１６上部には反応チャンバ１０内部にプラズマを生成するためのコイルアンテナ２０が設置されている。
　前記コイルアンテナ２０は、ＲＦ電流を供給する電源（図示せず）が連結されている。コイルアンテナ２０にＲＦ電流が流れると、コイルアンテナ２０の周囲に磁場が発生し、この磁場の経時的な変化により反応チャンバ１０内部に電場が誘導される。これと同時に、反応ガスがガス分配口１５を通じて反応チャンバ１０内部に流入され、誘導電場により加速された電子は衝突過程を通じて反応ガスをイオン化させて反応チャンバ１０内にプラズマを生成する。生成されたプラズマは、ウェーハＷ表面との化学反応過程を通じてウェーハＷを所望通りに処理、例えば、エッチングする。一方、プラズマから離脱してウェーハＷに衝突するイオンのエネルギーを増加させるためのバイアス電圧を加えるためにもう一つのＲＦ電源が一般的に静電チャック１２に連結される。
　図２は、従来の螺旋形コイルアンテナの一例を図示し、図３Ａ及び図３Ｂは図２に図示された螺旋形コイルアンテナによって反応チャンバ内部に形成される誘導電場の分布及びプラズマの密度分布を示している。
　図２に図示されたように、現在最も一般的に使われる螺旋形コイルアンテナ３０は螺旋形に巻かれた単一の伝導体コイルで構成されている。このような螺旋形コイルアンテナ３０は、誘導される電場強度が均一でない短所がある。すなわち、図３Ａに図示されたように、アンテナの縁部では誘導電場の強度が比較的弱くて、その中心部で誘導電場の強度が比較的強く現れる。これにより、図３Ｂに図示されたように、反応チャンバの縁部でプラズマの生成密度が最も低くなる。このように反応チャンバの中心部で最も濃密に発生したプラズマは、反応チャンバの下方に載置されたウェーハに向かって拡散する。その結果、プラズマとウェーハとが反応するウェーハ表面付近でもその中心部におけるプラズマ密度が高くなり、ウェーハの縁部ではプラズマ密度が低くなる。
　このようにプラズマ密度分布が非均一になれば、基板のエッチング深さや蒸着される物質膜の厚さが位置によって不均一となり差が出る問題点が発生する。特に、大面積ウェーに対応するために反応チャンバの直径が大きくなるにつれてこの不均一性の問題はさらに深刻になる。
　そして、反応チャンバ内のプラズマ密度を充分に高く維持するためには、ＩＣＰ装置の大型化につれてアンテナ３０の半径及びコイルの巻かれるターン数を増加させなければならないが、これにより、アンテナ３０の自己インダクタンスが増加し、プラズマの放電効率が低下する問題点がある。アンテナ３０の自己インダクタンスが増加すれば、アンテナ３０に印加される電圧が高まって容量結合が容易に起こる。このような容量結合はイオンの運動エネルギーを過多に増加させるので工程の精密な制御が困難になり、さらに、高い運動エネルギーを有するイオンが反応チャンバの内壁に強く衝突して、好ましくないパーチクルが内壁から分離されて生成される問題点がある。また、容量結合によりプラズマ放電効率が低くなる問題点もある。
　図４Ａ及び図４Ｂは、従来の円形コイルアンテナで生成される磁場の半径方向成分の分布を示す。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、左側の写真画像はアンテナの構造及びこのアンテナにより生成される磁場の半径方向成分Ｂrの分布を示し、右側のグラフはアンテナの中心からの距離による磁場の半径方向成分Ｂrの強度を示すグラフである。右側グラフは、アンテナコイル断面の中心から下方に５ｃｍ離れた地点に形成された磁場の半径方向成分Ｂrの分布を電磁場解釈ソフトウェアであるベクトルフィールド（Ｖｅｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄｓ）を使用してシミュレーションした結果を示したものであり、この時、アンテナを構成する各コイルに流れる電流はコイルの断面全体にわたって均一に分布して流れると仮定した。
　図４Ａに図示されたアンテナは半径が各々７ｃｍ、１４ｃｍ及び２１ｃｍである３つの円形コイルが同心円上に配置されてなるアンテナであって、各コイルは幅及び高さが各々６ｍｍである正四角形断面を有しており、各コイルを流れる電流の方向が同一になっている。
　このように、各コイルに流れる電流の方向が同一である場合には、アンテナの中心部近くで強い磁場を示す。磁場の強度が大きい部位で主に生成されるプラズマは拡散過程を通じて反応チャンバ全体に広まるが、前記のような磁場の分布を有する場合には反応チャンバの中心部から縁部へ行くほどプラズマ密度が低くなる分布を示す。
　図４Ｂに図示されたアンテナは図４Ａに図示されたアンテナとその構造は同一であるが、相互に隣接したコイルに流れる電流は、相互に反対方向に流れるようになっている。図４Ｂに示すように相互に隣接したコイルに流れる電流の方向が相互に反対である場合には、図１３に図示されたように、そのアンテナのインダクタンスは、図４Ａに図示されたアンテナのインダクタンスに比べて約５０％程度減少するが、図４Ｂのアンテナの中心近くに生じる磁場強度のピークによって、プラズマ密度の均一性の向上を期待し難い。
　図５Ａないし図５Ｄには、前記従来のコイルアンテナが有している問題点を解消するために提案された各種の形態のアンテナが図示されている。図５Ａに図示されたアンテナ４０は、特許文献１に開示されたものであって、反応チャンバ４２の上部カバー４４をドーム形状とし、その上部カバー４４の周囲に螺旋形コイルをドーム形状に巻いたものである。このようなドーム形状のアンテナ４０はその幾何学的な特性のために高いプラズマ均一度を得られる長所がある。
　しかし、ドーム形状の上部カバー４４は、その製作が難しく、アンテナ４０による熱膨張応力の問題がある。また、上部カバー４４の上端部から下端部まで円形に巻かれたコイルが非常に長くなるにつれてアンテナ４０のインダクタンスが大きくなって、低いＲＦ周波数を使用しなければならない問題がある。特に、３００ｍｍウェーハ用で装置が大きくなるにつれてアンテナ４０のターン数及び半径が共に大きくなり、これにより前記のような問題がさらに深刻になる。
　図５Ｂに図示されたアンテナ５０は特許文献２に開示されたものであって、反応チャンバ５２の上面に螺旋形コイルアンテナ５０ａと、反応チャンバ５２の側壁外側の周囲に巻装されたソレノイド型のアンテナ５０ｂとを有するものである。図５Ｂのアンテナ５０は、既存の螺旋形コイルアンテナが有している問題点である反応チャンバ５２の縁部の低いプラズマ密度を補償することができる。しかし、この図５Ｂのアンテナ５０は、従来の螺旋形アンテナが有する問題点をそのまま有しており、また２つの独立したＲＦ電源を使用するために外部で調節しなければならない工程変数が多いという短所がある。実際に前記図５Ａ及び図５Ｂに図示されたアンテナを備える誘導結合プラズマ発生装置は、標準周波数である１３．５６ＭＨｚ比べてかなり低いＲＦ周波数を使用している。
　図５Ｃに図示されたアンテナ６０は、特許文献３に開示されたものであって、このアンテナ６０は並列に分岐する多数の螺旋形コイル６２、６４、６６を備える。このような図５ｃに示す多重並列型アンテナ６０は、分岐されるコイル６２、６４、６６の数が増加するにつれてアンテナ６０の自己インダクタンスが低くなる長所を有している。しかし、プラズマの均一度を確保できる確実な特徴は有しておらず、プラズマの均一度が満足するほどではないと報告されている。
　図５Ｄに図示されたアンテナ７０は、特許文献４に開示されたものであって、並列に分岐された多数の円形コイル７１、７２、７３、７４と、それらの円形コイルに連結された可変キャパシタ７６とを有し、可変キャパシタ７６は、アンテナコイル７１、７２、７３、７４間にＬＣ共鳴を誘導する。図５Ｄに示すアンテナは、電流の大きさ及び位相の調節が可能であるため高いプラズマ均一度を確保でき、並列構造によってアンテナのインダクタンスが低いという長所を有する。この図５Ｄに示すアンテナは、現在まで開発された円形コイルよりなるアンテナのうち最も進歩した概念のアンテナであるといえる。しかし、並列に分岐されたアンテナコイル７１、７２、７３、７４間にＬＣ共鳴現象がおきる場合、最外郭コイル７４に過多の電流が流れて並列に分岐される地点７５でアークが発生する問題点がある。
　このように、従来のアンテナは、前記問題点のために、工程条件の変化に適切に対処してプラズマの高い均一度を確保し難い短所を有している。特に、ウェーハの大型化につれて、従来のアンテナ構造ではウェーハ縁部付近でのプラズマ密度分布の均一度を維持するのが段々難しくなり、これにより半導体素子の品質や収率が顕著に落ちる。
米国特許第５，３４６，５７８号明細書 米国特許第５，４０１，３５０号明細書 米国特許第６，２９１，７９３号明細書 米国特許第６，２８８，４９３号明細書
　本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために創出されたものであって、その目的はプラズマ均一性を向上させ、アンテナのインダクタンスを減少させることができて、容量結合を抑制できる構造を有する蛇行コイルアンテナを具備した誘導結合プラズマ発生装置を提供するところにある。
　そして、本発明の他の目的は、ＬＣ共鳴現象を利用して初期プラズマ放電を容易にし、かつ高いプラズマ均一性を確保できる構造を有するアンテナを具備した誘導結合プラズマ発生装置を提供するところにある。
　前記目的を達成するために本発明は、内部が真空状態に維持される反応チャンバと、前記反応チャンバの上部に設置されて前記反応チャンバ内部に注入された反応ガスをイオン化してプラズマを生成する電場を誘導するアンテナと、前記アンテナに連結されて前記アンテナにＲＦパワーを供給するＲＦ電源と、を具備し、前記アンテナは相異なる半径を有する複数のコイルよりなり、前記複数のコイルのうち少なくとも一つは円周方向に沿ってジグザグ形態に巻かれた蛇行コイルであることを特徴とする誘導結合プラズマ発生装置を提供する。
　本発明の望ましい第１実施形態によれば、前記アンテナはその中心部に配置される円形コイルと、前記円形コイルの外側に配置されて前記円形コイルと連結される蛇行コイルよりなる。
　本発明の望ましい第２実施形態によれば、前記アンテナはその中心部に配置される第１円形コイルと、前記第１円形コイルの外側に配置されて前記第１円形コイルと連結される蛇行コイルと、前記蛇行コイルの外側に配置されて前記蛇行コイルと連結される第２円形コイルと、よりなる。
　本発明の望ましい第３実施形態によれば、前記アンテナはその中心部に配置される円形コイルと、前記円形コイルの外側に配置されて前記円形コイルと連結される第１蛇行コイルと、前記第１蛇行コイルの外側に配置されて前記第１蛇行コイルと連結される第２蛇行コイルと、よりなる。
　前記実施形態において、前記円形コイルと前記蛇行コイルの間の互いに隣接して対向する部分の面積を狭めるために前記円形コイルの半径は比較的小さく形成されることが望ましい。
　そして、前記蛇行コイルのジグザグ形態は円周方向に沿って等間隔に多数回反復されることが望ましい。
　また、前記蛇行コイルは放射状に伸びた多数の外側部分と、中心部側に曲がり込んだ多数の内側部分と、を有する。前記内側部分は、磁場成分の緩慢な増加のために前記反応チャンバの中心部近くに配置されることが望ましい。一方、前記外側部分で発生した磁場成分は外側に行きながら速く減少するために、前記外側部分は前記反応チャンバ内の縁部に対応する位置に配置されることが望ましい。
　また、前記複数のコイル間の連結は連結コイルにより行われ、前記連結コイルは、その影響を最小にするために、前記複数のコイルが置かれている平面より垂直方向に高い位置に配置されることが望ましい。
　また、プラズマとの容量結合による影響を最小化させるために、前記複数のコイルそれぞれは幅が高さより狭い直四角形断面を有することが望ましい。
　一方、前記複数のコイルそれぞれは円形断面を有することもある。これは、前記複数のコイルそれぞれの表面に沿って流れる電流の不均一な分布による抵抗の増加を防止するのに望ましい。そして、前記複数のコイルそれぞれの内部に冷却水通路が形成される場合に、前記冷却水通路を通る冷却水の流れを円滑にするためにも前記複数のコイルそれぞれは円形断面を有することが望ましい。
　一方、本発明の望ましい第４実施形態によれば、前記反応チャンバの外部には円周方向に沿って多数の永久磁石が配置される。
　前記実施形態において、前記多数の永久磁石は前記アンテナにより形成される磁場の強度が相対的に弱い部位に配置されることが望ましい。
　そして、前記多数の永久磁石は、その配置の最適化のために前記反応チャンバの中心軸を中心に回転自在に設置されて前記アンテナにより形成される磁場の強度分布によって位置を調節できるようになっていることが望ましい。
　このような構成によれば、アンテナのインダクタンスが低くなり、容量結合を抑制し、かつプラズマの均一度を向上させることができる。
　そして、本発明は、その内部が真空状態に維持される反応チャンバと、前記反応チャンバの上部に設置されて前記反応チャンバ内部に注入された反応ガスをイオン化してプラズマを生成する電場を誘導するアンテナと、前記アンテナに連結されて前記アンテナにＲＦパワーを供給するＲＦ電源と、前記ＲＦ電源と前記アンテナとのマッチングネットワークと、前記マッチングネットワークとアンテナ間を連結し、前記アンテナと並列に設置されるキャパシタと、を具備することを特徴とする誘導結合プラズマ発生装置を提供する。
　本発明の望ましい第５実施形態によれば、前記アンテナをなす複数のコイルは前記ＲＦ電源に直列に連結される。
　一方、前記アンテナをなす複数のコイルのうち少なくとも一つのコイルは前記ＲＦ電源に並列に連結されていてもよい。
　このような構成によれば、キャパシタによるＬＣ共鳴現象を利用して効率的なプラズマの放電及び維持が可能になる。
　本発明による誘導結合プラズマ発生装置によれば、次のような効果がある。
　第１に、蛇行コイルの外側半径と内側半径との差及びジグザグ形態の反復周期などの最適化過程を通じて反応チャンバ内に形成される磁場の分布を調節することによってプラズマの均一度を向上させることができる。そして、コイルの断面形状及びコイルに流れる電流の方向を必要に応じて調節することによってアンテナインダクタンスを効率的に減らすことができ、これにより高い周波数を利用した効率的なプラズマ放電が可能になる。また、容量結合による影響も最小化できる。
　第２に、反応チャンバの外部に多数の永久磁石を配置することによって、多重極閉じ込め効果（multi-pole　confinement effect）を利用してプラズマ均一度の向上及び反応チャンバの縁部で高いプラズマ密度を確保できる。また、蛇行コイルアンテナの構造によって永久磁石の位置を調節することによってプラズマ特性の最適化も可能である。
　第３に、アンテナとＬタイプマッチングネットワーク間に並列にキャパシタを連結してＬＣ共鳴現象を誘導することによって、初期プラズマの放電が容易で誘導結合プラズマを利用した工程の安定性を確保できる。
　以下、添付した図６〜図１７を参照して本発明による誘導結合プラズマ発生装置の望ましい実施形態を詳細に説明する。
　図６は本発明の第１実施形態による蛇行コイルアンテナを具備した誘導結合プラズマ発生装置の構成を切り欠いて示す斜視図であり、図７は図６に図示された蛇行コイルアンテナを拡大して示す斜視図である。
　図６の誘導結合プラズマ発生装置は、アンテナ１２０により生成されるプラズマを利用して基板、例えば、ウェーハＷの表面をエッチングしたりその表面上に所定の物質膜を蒸着する等の微細加工を行うための半導体製造装置である。
　図６を参照すれば、誘導結合プラズマ発生装置は、その内部にプラズマ形成空間を有する反応チャンバ１１０を具備する。反応チャンバ１１０の内部は真空状態に維持され、このために反応チャンバ１１０の底壁には真空ポンプ１１９に連結される真空吸入口１１８が設けられている。反応チャンバ１１０の内部下方には、基板、例えば、ウェーハＷを支持する静電チャック１１２が設けられ、この静電チャック１１２にはＲＦ電源１３４が連結されて反応チャンバ１１０内に生成されたプラズマから離脱したイオンがウェーハＷの表面に十分に高いエネルギーを有して衝突できるようにバイアス電圧が印加される。反応チャンバ１１０の上部カバー１１１にはＲＦパワーが透過できるように誘電体ウィンドウ１１６が設置される。反応チャンバ１１０の側壁には反応ガスを反応チャンバ１１０内部に注入するためのガス注入口１１４が形成され、このガス注入口１１４と連結される多数のガス分配口１１５が反応チャンバ１１０の内部に設けられることもある。
　そして、前記反応チャンバ１１０の上部、すなわち、誘電体ウィンドウ１１６の上部には反応チャンバ１１０内部に注入された反応ガスをイオン化させてプラズマを生成する電場を誘導するアンテナ１２０が設けられる。このアンテナ１２０にはＲＦパワーを供給するためのＲＦ電源１３２が連結される。アンテナ１２０を構成する各コイルにはＲＦ電流が流れ、これによりアンペアの右ねじの法則により磁場が発生し、この磁場の経時的な変化により反応チャンバ１１０内部にはファラデーの電磁誘導法則によって電場が誘導される。誘導された電場は電子を加速させ、加速された電子はガス分配口１１５を通じて反応チャンバ１１０内部に流入された反応ガスをイオン化させてプラズマを生成する。
　前記アンテナ１２０は、図７に図示されたように、その中心部に配置される円形コイル１２２と、前記円形コイル１２２の外側に配置される蛇行コイル１２４と、よりなる。前記蛇行コイル１２４は、円周方向に沿ってジグザグ形態に巻かれ、ジグザグ形態は円周方向に沿って等間隔に多数回反復される。ジグザグ形態の反復回数はアンテナ１２０の半径に依存するが、図７に示されたように６回である場合もあるが、アンテナ１２０の半径が大きい場合には８回またはそれ以上でもあり、アンテナ１２０の半径が小さな場合には６回より少ないこともある。蛇行コイル１２４は放射状に伸びた多数の外側部分１２４ａ及び中心部の円形コイル１２２側に曲がり込んだ多数の内側部分１２４ｂを有する。蛇行コイル１２４の内側部分１２４ｂは、円形コイル１２２に隣接して配置され、磁場成分の強度を徐々に増加させる。そして、蛇行コイル１２４の外側部分１２４ａで発生した磁場成分は外側へ行きながら早く減少する。外側部分１２４ａは、反応チャンバ１１０内のウェーハＷの縁部に対応する位置に配置される。このような蛇行コイル１２４は、同じ長さの従来の円形コイルに比べて取り囲む面積が狭まるために、蛇行コイル１２４を備えるアンテナ１２０のインダクタンスが従来の円形コイルに比べて低くなる長所がある。
　一方、図６及び図７には蛇行コイル１２４の曲がった角部分が角をなして形成されていることが図示されているが、製作の容易性のためにその曲がった角部分が丸く形成されていてもよい。このような設計変更は以下の図面に図示された実施形態に係るアンテナのいずれにも同様に適用可能である。
　そして、円形コイル１２２の半径と蛇行コイル１２４の内側半径及び外側半径は、反応チャンバ１１０の大きさによって適切に調節できる。特に、容量結合による影響を減らすためには円形コイル１２２の半径及び蛇行コイル１２４の内側半径はなるべく小さいことが望ましい。これは、円形コイル１２２と隣接して対向する蛇行コイル１２４の内側部分１２４ｂの面積が小さくなって、アンテナ１２０のキャパシタンスが減るからである。ただし、円形コイル１２２の半径及び蛇行コイル１２４の内側半径が小さ過ぎれば、後述するように、コイル１２２、１２４の内部に冷却水の通路を形成することが困難であり、電気的抵抗が大きくなるので、このような点を考慮して円形コイル１２２の半径及び蛇行コイル１２４の内側半径を定めねばならない。
　一方、コイル１２２、１２４内部に冷却水通路（図示せず）を形成する場合には、冷却水通路を通る冷却水の流れを円滑にするためにコイル１２２、１２４のそれぞれの断面を円形にすることができる。また、コイル１２２、１２４の断面が円形になっている場合にはコイル１２２、１２４それぞれの表面に沿って流れる電流の不均一な分布による抵抗の増加が防止される長所がある。
　そして、前記構造を有する蛇行アンテナ１２０において、円形コイル１２２の半径、蛇行コイル１２４の外側半径と内側半径との差及びジグザグ形態の反復周期などを最適にすることによって反応チャンバ１１０内に形成される磁場の分布を調節できる。磁場の分布は反応チャンバ１１０内に生成されるプラズマの均一度に直接的に影響を及ぼすために、磁場の分布の調節を通じてプラズマの均一度を向上させることができる。これについては後述する。
　一方、前記円形コイル１２２の一端は接地され、蛇行コイル１２４の一端は前記ＲＦ電源１３２に連結される。また、前記円形コイル１２２の一端にＲＦ電源１３２が連結され、蛇行コイル１２４の一端が接地されてもよい。そして、円形コイル１２２の他端と蛇行コイル１２４の他端とは連結コイル１２８により連結される。前記連結コイル１２８は円形コイル１２２及び蛇行コイル１２４が置かれている平面より垂直方向に十分に高い位置に配置される。この場合には、連結コイル１２８がプラズマ生成に及ぼす影響は無視できる。
　そして、前記円形コイル１２２及び蛇行コイル１２４のそれぞれは、断面積が一定に定められた場合に幅が高さに比べて狭い直四角形断面形状を有することが望ましい。このように幅の狭い断面を有するコイル１２２、１２４によれば、アンテナ１２０のインダクタンスが減少する長所がある。このことを図８を参照して詳細に説明する。
　図８は、コイルの断面形状によるアンテナインダクタンスＬの変化を示すグラフである。図８に図示されたグラフは、半径が各々７ｃｍ、１４ｃｍ及び２１ｃｍである３つの円形コイルよりなるアンテナにおいて、各コイルの断面の幅及び高さを変化させつつアンテナのインダクタンスＬを計算した結果を示したものである。この時、電流は各コイルの表面に沿って均一に流れると仮定した。
　図８から明らかなように、コイル断面の幅が広くなったりコイル断面の高さが高くなってコイルの断面積が大きくなるほどアンテナのインダクタンスは低くなるということがわかる。一方、コイルの断面積を一定に固定させた場合には、コイルの断面の幅が狭くて高さが高い場合のアンテナインダクタンスが、コイルの断面幅が広くて高さの低い場合のアンテナインダクタンスより低いということが分かる。例えば、コイルの断面積は３６ｍｍ2で同一であるが、幅が１ｍｍで高さが３６ｍｍの断面を有するコイルのインダクタンスＬ1が、幅及び高さが各々６ｍｍの断面を有するコイルのインダクタンスＬ2に比べて低くなる。
　また、図７を参照すれば、前記円形コイル１２２及び蛇行コイル１２４は相互に反対方向に巻かれている。したがって、円形コイル１２２及び蛇行コイル１２４に流れる電流の方向が反対になってアンテナ１２０のインダクタンスがさらに低くなる長所がある。このことを図９を参照して詳細に説明する。しかし、必要に応じて前記円形コイル１２２及び蛇行コイル１２４は同じ方向に巻かれていていもよい。
　図９は、コイルの数とその断面形状及び各コイルに流れる電流の方向によるアンテナインダクタンスＬの変化を示したグラフである。図９で、（１）のグラフは半径がそれぞれ５．２５ｃｍ、１０．５ｃｍ、１５．７５ｃｍ及び２１ｃｍである４つの円形コイルよりなるアンテナで各コイルに流れる電流の方向が同じ場合にインダクタンスを計算した結果を示したものであり、（２）のグラフは半径が各々７ｃｍ、１４ｃｍ及び２１ｃｍである３つの円形コイルよりなるアンテナで各コイルに流れる電流の方向が同じ場合にインダクタンスを計算した結果を示したものである。そして、（３）のグラフは、グラフ（１）と同じ前記４つの円形コイルよりなるアンテナで相互隣接したコイルに流れる電流の方向が反対である場合にインダクタンスを計算した結果を示したものであり、（４）のグラフは、グラフ（２）と同じ前記３つの円形コイルよりなるアンテナにおいて、相互に隣接したコイルに流れる電流の方向が反対である場合にインダクタンスを計算した結果を示したものである。
　図９から明らかなとおり、のグラフを参照すれば、コイルの数が少ないアンテナ（グラフ２およびグラフ４）は、隣接したコイルに流れる電流の方向が反対である場合にアンテナインダクタンスが低い。特に、コイルの数によるアンテナインダクタンスの増減より電流の方向によるアンテナインダクタンスの増減がはるかに大きいということが分かる。したがって、コイルの数が増えても隣接コイルに流れる電流の方向を反対にすればアンテナインダクタンスをかなり減らすことができる。
　前記の第１実施形態で説明したように、本発明の第１実施形態によれば、コイルの断面形状及びコイルに流れる電流の方向を調節することによってアンテナのインダクタンスを効率的に減らすことができ、これによりアンテナに高い周波数のＲＦパワーを印加できる。
　図１０は、本発明の第２実施形態による誘導結合プラズマ発生装置に備えられた蛇行コイルアンテナを示す平面図である。
　図１０に図示されたアンテナ２２０は、その中心部に配置される第１円形コイル２２２と、前記第１円形コイル２２２を周りの外側に配置される蛇行コイル２２４と、前記蛇行コイル２２４の周りの外側に配置される第２円形コイル２２６と、よりなる。すなわち、図１０のアンテナ２２０は、図７に図示されたアンテナ１２０のコイル配置に付加して最外郭にさらに一つの円形コイル２２６が配置された構造を有する。したがって、前記蛇行コイル２２４の形状と作用及びそれによる効果は前述した第１実施形態と同一なので重複する説明は省略する。第２円形コイル２２６は蛇行コイル２２４の外側部分と隣接して配置される。例えば、第２円形コイル２２６と蛇行コイル２２４の外側部分の間の間隔は約１ｃｍ程度である。図１０のアンテナ２２０においては、最外郭の第２円形コイル２２６の存在によって、アンテナ２２０の縁部で生成されるプラズマの密度が、前述の図７に示すアンテナ１２０（第１実施形態）よりもさらに高くなり、磁場のピークを半径方向及び円周方向に広めることができる。これについても後述する。
　一方、前記第１円形コイル２２２の一端は接地され、第２円形コイル２２６の一端はＲＦ電源２３２に連結される。そして、第１円形コイル２２２の他端と蛇行コイル２２４の一端及び蛇行コイル２２４の他端と第２円形コイル２２６の他端とは各々連結コイル２２８ａ、２２８ｂにより連結される。前記連結コイル２２８ａ、２２８ｂは、プラズマ生成に及ぼす影響を最小化させるために、第１円形コイル２２２及び第２円形コイル２２６並びに蛇行コイル２２４が置かれた平面から十分に高い位置に配置される。
　そして、前記第１円形コイル２２２、蛇行コイル２２４及び第２円形コイル２２６のそれぞれは、第１実施形態のように幅が高さに比べて狭い直四角形断面形状を有していてもよく、必要に応じて円形断面形状を有していてもよい。また、相互に隣接したコイルは互いに反対方向に巻かれてこれを通じて流れる電流の方向が反対となる。このような構造を有する図１０に示すアンテナ２２０は、図７のアンテナ１２０について前述したように、インダクタンスが減少する。
　図１１は、本発明の第３実施形態による誘導結合プラズマ発生装置における蛇行コイルアンテナを示す平面図である。
　図１１に図示されたアンテナ３２０は、その中心部に配置される円形コイル３２２と、前記円形コイル３２２の周りの外側に配置される第１蛇行コイル３２４と、前記第１蛇行コイル３２４の周りの外側に配置される第２蛇行コイル３２６と、よりなる。すなわち、図１１のアンテナ３２０は図７に図示されたアンテナ１２０のコイル配置に付加して最外郭にさらに一つの蛇行コイル３２６が配置された構造を有する。さらに説明すれば、図１１のアンテナ３２０は、図１０に図示されたアンテナ２２０の最外郭の第２円形コイル２２６が第２蛇行コイル３２６に取り替えられた構造を有する。前記第１蛇行コイル３２４は図７に図示されたアンテナ１２０の蛇行コイル１２４と同一である。前記第２蛇行コイル３２６は、前記第１蛇行コイル３２４と同様に、円周方向に沿ってジグザグ形態に巻かれるが、ジグザグ形態は円周方向に沿って等間隔に多数回反復される。第２蛇行コイル３２６のジグザグ形態の反復回数は第１蛇行コイル３２４と同一であってもよい。そして、第２蛇行コイル３２６の内側部分（溝部）の半径（以下、内側半径という）は、第１蛇行コイル３２４の外側部分（縁部）の半径（以下、外側半径という）より小さくてもよい。すなわち、第２蛇行コイル３２６の内側部分が第１蛇行コイル３２４の外側部分の間に入るように配置されていてもよい。
　このような構造を有するアンテナ３２０においては、最外郭の第２蛇行コイル３２６によって反応チャンバの縁部に形成される磁場強度の分布を容易に調節できる。すなわち、最外郭の第２蛇行コイル３２６のジグザグ形態を適切な配置によってプラズマ密度の均一性を最適に調節できるようになる。
　図１３に図示されたように、最外郭の蛇行コイルを適切なジグザグ形態に配置すれば、図１２Ｇの３ターンコイルアンテナのように最外郭の蛇行コイルの付加によるコイルターン数の増加にもかかわらず、図１２Ｅの２ターンコイルアンテナのように最外郭の蛇行コイルがない場合よりアンテナのインダクタンスはさらに減少する。
　また、図１１を参照すれば、前記円形コイル３２２の一端は接地され、第２蛇行コイル３２６の一端はＲＦ電源３３２に連結される。そして、円形コイル３２２と第１蛇行コイル３２４及び第２蛇行コイル３２６との間の連結と、連結コイル３２８ａ、３２８ｂの配置形態も前述した実施形態と同一である。また、前記コイル３２２、３２４、３２６のそれぞれの断面形状と巻かれた方向及び電流の方向も前述した実施形態と同一であり、これによる効果も前述した実施形態と同一である。
　以下、図１２Ａないし図１２Ｇ及び図１３を参照して蛇行コイルアンテナのいろいろな例とそのそれぞれのアンテナで生成される磁場の半径方向成分Ｂrの分布及びそれぞれのアンテナのインダクタンスについて説明する。
　図１２Ａないし図１２Ｇにおいて、左側は蛇行コイルアンテナの構造及びこのアンテナにより生成される磁場の半径方向成分Ｂrの分布を示した図面であり、右側はアンテナの中心からの距離による磁場の半径方向成分Ｂrの強度を示したグラフである。右側グラフは、アンテナの中心をすぎる任意の３つの半径方向線に沿ってアンテナから下方に５ｃｍ離れた地点に形成された磁場の半径方向成分Ｂrの分布を電磁場解釈ソフトウェアであるベクトルフィールドを使用してシミュレーションした結果を示したものである。この時、アンテナを構成する各コイルに流れる電流はコイルの断面全体にわたって均一に分布されて流れると仮定した。
　そして、図１３は、図４Ａ及び図４Ｂに図示された円形コイルアンテナと図１２Ａないし図１２Ｇに図示された蛇行コイルアンテナとのインダクタンスＬを計算した結果を示したグラフである。
　図１２Ａに図示されたアンテナは、その中心部に配置された半径が７ｃｍの円形コイルと、前記円形コイルの外側に配置された平均半径が各々１４ｃｍ及び２１ｃｍである２つの蛇行コイルと、よりなる。平均半径が１４ｃｍである蛇行コイルは円周方向に沿って等間隔に４回反復してジグザグ形態に巻かれて外側半径と内側半径との差が２ｃｍになるように形成される。平均半径が２１ｃｍである蛇行コイルは円周方向に沿って等間隔に１２回反復してジグザグ形態に巻かれて外側半径と内側半径との差が６ｃｍになるように形成される。そして、各コイルは幅及び高さが各々６ｍｍの正四角形断面を有しており、相互に隣接したコイルに流れる電流の方向は反対である。
　図１２Ａに図示されたアンテナは、その中心部の円形コイルは一定の半径を有し、外郭のコイルは、外側半径と内側半径との差が大きくなり、そのジグザグ形態の反復周期は短くなる構造を有している。このような構造のアンテナのインダクタンスは図１３のグラフに示したように比較的低い値を示す。そして、図１２Ａの右側の磁場強度の分布を示したグラフにおいて、最外郭の磁場強度のピークは、図４Ｂに図示されたアンテナに比べてその幅が広くなってさらに外郭に少し移動する長所がある。しかし、かえって外側のピークの高さは低くなり、さらに中心部近くに生じたピークの高さには特別な変化がないのでプラズマ均一度の向上を期待し難い。
　図１２Ｂに図示されたアンテナは、中心部から１番目及び３番目に配置され、その半径が各々７ｃｍ及び１６．１ｃｍである２つの円形コイルと、２番目及び４番目に配置され、その平均半径が各々１０．３ｃｍ及び２１ｃｍである２つの蛇行コイルと、よりなる。平均半径が１０．３ｃｍである蛇行コイルは円周方向に沿って等間隔に８回反復してジグザグ形態に巻かれて外側半径と内側半径との差が５．４ｃｍになるように形成される。平均半径が２１ｃｍである蛇行コイルは円周方向に沿って等間隔に８回反復してジグザグ形態に巻かれて外側半径と内側半径との差が８ｃｍになるように形成される。そして、各コイルは幅及び高さが各々６ｍｍの正四角形断面を有し、相互に隣接したコイルに流れる電流の方向は反対である。
　図１２Ｂに図示されたアンテナにおいて、コイルの数が増加したにもかかわらずアンテナのインダクタンスは図１３のグラフに図示されたように低い値を維持し続ける。また、最外郭の磁場ピークの幅が広くなり、中心部近くに生じたピークの高さがかなり低くなる長所がある。したがって、このような図１２Ｂに示す構造のアンテナではプラズマの均一度向上を予測できる。
　図１２Ｃに図示されたアンテナは、半径が１６．１ｃｍである円形コイルと、この円形コイルの外側に配置されて平均半径が２１ｃｍである蛇行コイルと、よりなる。蛇行コイルは円周方向に沿って等間隔に８回反復してジグザグ形態に巻かれて外側半径と内側半径との差が８ｃｍになるように形成される。そして、各コイルは幅及び高さが各々６ｍｍの正四角形断面を有しており、２つのコイルに流れる電流の方向は反対である。
　図１２Ｃに図示されたアンテナは、図１２Ｂに図示されたアンテナ構造の長所を採択しながら構造を単純化させたアンテナである。この図１２Ｃのアンテナのインダクタンスは図１３のグラフに図示されたようにかなり低い値を有する。また、アンテナの中心部から遠く離れて２つの磁場強度のピークが形成される。したがって、このような構造の図１２Ｃに示すアンテナではプラズマ均一度の相当な向上が予測できる。
　図１２Ｄに図示されたアンテナは、中心部に配置されて半径が３ｃｍである円形コイルと、円形コイルの外側に配置されて平均半径が１４．３ｃｍである蛇行コイルと、よりなる。蛇行コイルは円周方向に沿って等間隔に８回反復してジグザグ形態に巻かれて外側半径と内側半径との差が２２ｃｍになるように形成される。そして、各コイルは幅及び高さが各々６ｍｍの正四角形断面を有しており、２つのコイルに流れる電流の方向は反対である。
　図１２Ｄに図示されたアンテナは図１２Ｃに図示されたアンテナと同じ構造を有するが、中心部に配置される円形コイルはその半径がさらに小さく形成されている。このような構造の図１２Ｄのアンテナにおいては、図１３のグラフに図示されたように、図１２Ｃに図示されたアンテナに比べてアンテナインダクタンスが多少増加するが、図４Ａに図示された従来の単純な円形コイルアンテナに比べては相変らず低い値を示している。また、図１２Ｄに図示されたアンテナは円形コイルと蛇行コイル間に相互に隣接して対向する部分の面積が図１２Ｃのアンテナよりも小さくなるので、アンテナのキャパシタンスが減少し、これにより容量結合による影響も減少すると予測される。そして、図１２Ｄに示す磁場強度の分布から、中心部の円形コイルの半径と蛇行コイルの外側半径と内側半径との差及びジグザグ形態の反復周期の最適化過程を通じて単純な円形コイルアンテナ及び螺旋形コイルアンテナに比べてプラズマ均一度を多く向上させ得ることが分かる。
　図１２Ｅに図示されたアンテナは、前述した図６及び図７に図示された本発明の望ましい第１実施形態に採択された基本的な構造を有する蛇行アンテナである。このアンテナは図１２Ｄのアンテナと同じコイル配置を有しており、２つのコイルに流れる電流の方向が反対である点も図１２Ｄのアンテナと同じである。ただし、直四角形断面を有するコイルが及ぼす効果を調べるために、図１２Ｅのアンテナは、各コイルが幅１ｍｍで高さ３６ｍｍの直四角形断面を有するという点で図１２Ｄのアンテナとは異なる。
　このような図１２Ｅの構造を有するアンテナにおいては、図１３のグラフに示したように、アンテナのインダクタンスが図１２Ｄに図示されたアンテナに比べてかなり低くなり、図１２Ｄに図示されたアンテナと類似しているが、図１２Ｄのアンテナに比べて縁部へ行くほどさらに緩慢に増加する磁場強度の分布を示す。したがって、図１２Ｅに図示されたアンテナは前述した図１２Ｄのアンテナが有している長所と共に、アンテナイのンダクタンスが低いため高い周波数で誘導結合プラズマ放電が可能な長所がある。
　図１２Ｆに図示されたアンテナは、前述した図１０に図示された本発明の望ましい第２実施形態に採択されたアンテナと同じタイプのものである。この図１２Ｆのアンテナは、図１２Ｅに図示されたアンテナの基本的なコイル配置に付加して最外郭に円形コイルがさらに配置された形態を有する。そして、最外郭の円形コイルとその内側の蛇行コイル間の間隔は１ｃｍであり、各コイルは前述したように直四角形断面を有しており、相互に隣接したコイルに流れる電流の方向は反対である。
　このような図１２Ｆの構造を有するアンテナにおいては、図１３に図示されたように低いアンテナのインダクタンスを維持でき、最外郭に配置された円形コイルによって内側の円形コイル及び蛇行コイルにより生じた磁場強度のピークが、図１２Ｅのアンテナについて図示された磁場強度のピークに比べてさらに外郭に移動する。したがって、アンテナの縁部で生成されるプラズマの密度がさらに高まる。
　図１２Ｇに図示されたアンテナは、前述した図１１に図示された本発明の望ましい第３実施形態に採択されたアンテナと同じタイプのものである。この図１２Ｇのアンテナは、図１２Ｅに図示されたアンテナのコイル配置に付加して最外郭に蛇行コイルがさらに配置された形態を有する。すなわち、このアンテナは図１２Ｆに図示されたアンテナの最外郭円形コイルが蛇行コイルに取り替えられた形態を有する。そして、このアンテナの各コイルも前述したように直四角形断面を有しており、相互に隣接したコイルに流れる電流の方向は反対である。
　このような図１２Ｆの構造を有するアンテナにおいては、図１３に図示されたように低いアンテナのインダクタンスを維持でき、最外郭の蛇行コイルを利用して最外郭の磁場強度の分布を半径方向及び円周方向に調節できる。したがって、最外郭の蛇行コイルのジグザグ形態の適切な配置を通じて最適のプラズマ均一度に調節できることが予測できる。
　一方、誘導結合プラズマ放電の場合、アンテナに高い電圧が印加すると、容量結合によって高いプラズマポテンシャルが誘発され、プラズマの発生効率及び均一度が減少する。したがって、アンテナのデザインにおいては、必ず容量結合による影響が最小になるように考慮しなければならない。また、プラズマの誘導結合能力を向上させて低い圧力での放電が可能であり、高い密度及び低い電子温度を有するプラズマを得るために周波数を高める場合に、効率的なインピダンスマッチングのために低いインダクタンスを有するアンテナが必要になる。前述したように、本発明によるアンテナはコイルの全体長さに比べて取り囲む面積が小さな蛇行コイルを具備し、また相互に隣接したコイルに流れる電流の方向が反対であり、各コイルが幅よりも高さの高い断面を有することにより、かなり低いインダクタンスを有する。このように、低いインダクタンスを有するアンテナの場合には、高いＲＦ周波数を使用してもインピダンスを十分に低く維持できて、アンテナの両端にかかる電位差が低くなって容量結合による影響を減らすことができ、イオンが誘電体ウィンドウに衝突して発生するパーチクルによる汚染を防止できる。さらに、中心部に配置された円形コイルの半径を減らせばコイル間に相互に隣接して対向する部分の面積が小さくなるので、アンテナのキャパシタンスが減少し、コイルの幅を狭める場合に誘電体ウィンドウと対向する面積が減ってアンテナとプラズマ間の容量結合による影響を最小化させることができる。
　図１４は、本発明の第４実施形態による誘導結合プラズマ発生装置に備えられた蛇行コイルアンテナ及び永久磁石の配置を示した平面図である。
　図１４を参照すれば、反応チャンバ４１０の上部には蛇行コイルアンテナ４２０が設置され、反応チャンバ４１０の外部には円周方向に沿って多数の永久磁石４４０が配置される。多数の永久磁石４４０は反応チャンバ４１０の円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交差するように配置される。
　前記蛇行コイルアンテナ４２０は、中心部に配置された円形コイル４２２と、円形コイル４２２の外側に配置された第１蛇行コイル４２４及び第２蛇行コイル４２６よりなる。蛇行コイルアンテナ４２０は、前述した第３実施形態での図１１に示す蛇行コイルアンテナと同じ構造であるため、これについてのさらなる説明は省略する。一方、前記蛇行コイルアンテナ４２０は、前述した第１実施形態または第２実施形態での蛇行コイルアンテナに取り替えられる。
　前記多数の永久磁石４４０は、アンテナ４２０により形成される磁場の強度が相対的に弱い部位に配置されることが望ましい。アンテナ４２０の場合には、図１２Ｇに図示されたように、２つの第１蛇行コイル４２４及び第２蛇行コイル４２６の外側部分が隣接した部位での磁場の強度が相対的に弱いので、永久磁石４４０は２つの第１蛇行コイル４２４及び第２蛇行コイル４２６の外側部分と対向する位置に配置される。
　一方、アンテナ４２０の構造が変われば、磁場の強度分布も変わるので永久磁石４４０の位置も変更されることが望ましい。このために、永久磁石４４０はその位置を移動できるように回転自在に設置されることが望ましい。
　前記のように、本発明の第４実施形態では、蛇行コイルアンテナ４２０で生じる局所的な分極効果を相殺するように多数の永久磁石４４０を反応チャンバ４１０の外側に配置する。このように配置された永久磁石４４０はその磁場によりプラズマを閉じ込める効果があるが、これを多重極閉じ込め効果（multi-pole　confinement effect）という。すなわち、永久磁石４４０のＮ極とＳ極とを反応チャンバ４１０の周囲に沿って交差するように配置すれば、反応チャンバ４１０の内壁付近にマグネチックミラー効果（magnetic　mirror　effect）が誘導され、これにより荷電粒子の壁体損失（wall　loss）が減って反応チャンバ４１０の内壁付近でのプラズマ密度が増加し、かつプラズマの均一度も向上する。一方、永久磁石４４０によって生成される磁場は、反応チャンバ４１０の内壁付近に集中して、反応チャンバ４１０に内部に生成される大部分のプラズマは永久磁石４４０による磁場の影響を受けなくなる。そして、蛇行コイルアンテナ４２０の場合には円周方向に沿って磁場の強度が相対的に弱い部分が生じるが、この部分に永久磁石４４０を配置することによって多重極閉じ込め効果をより効率的に利用できる。
　このように図１４に示す本発明の第４実施形態によれば、多重極閉じ込め効果によって電子等の壁体損失を減らし、反応チャンバ内のプラズマの密度を向上させると同時に反応チャンバの縁部で電子密度を高めて高いプラズマ均一度を確保できる。また、蛇行コイルアンテナの構造によって永久磁石の位置を調節可能に製作することによって、工程条件の変化に応じてプラズマ特性の最適化が可能である。
　図１５は、本発明の第５実施形態による誘導結合プラズマ発生装置に備えられた蛇行コイルアンテナとマッチングネットワーク及びキャパシタの配置を示した平面図である。
　図１５を参照すれば、マッチングネットワーク５３０は、ＲＦ電源５３２と蛇行コイルアンテナ５２０とを連結し、キャパシタ５３４は、蛇行コイルアンテナ５２０と並列にマッチングネットワーク５３０に連結されている。
　前記蛇行コイルアンテナ５２０は、中心部に配置された円形コイル５２２と、円形コイル５２２の外側に配置された第１蛇行コイル５２４及び第２蛇行コイル５２６よりなる。図示された蛇行コイルアンテナ５２０は、前述した第３実施形態での図１１に示す蛇行コイルアンテナと同じ構造であるため、これについての説明は省略する。一方、前記蛇行コイルアンテナ５２０は、前述した第１実施形態または第２実施形態での蛇行コイルアンテナに置き換えてもよい。また、前記蛇行コイルアンテナ５２０は、従来の円形コイルアンテナまたは螺旋形コイルアンテナに取り替えられることもある。すなわち、本発明の第５実施形態はいかなる構造を有するアンテナにも適用できる。
　そして、前記蛇行コイルアンテナ５２０をなす円形コイル５２２、第１蛇行コイル５２４および第２蛇行コイル５２６は、図示されたようにＲＦ電源５３２に直列に連結され得る。一方、図示されなかったが、前記コイル５２２、５２４、５２６のうち一部のコイルまたは全てのコイルはＲＦ電源５３２に並列に連結されることもある。すなわち、前記キャパシタ５３４はアンテナ５２０と並列に連結されるが、アンテナ５２０を構成するコイル５２２、５２４、５２６自体は、ＲＦ電源５３２に並列または直列に連結される。このように、必要に応じてコイル５２２、５２４、５２６をＲＦ電源５３２に並列または直列に連結することによってアンテナ５２０のインダクタンスを適切に調節できる。
　前記のように、図１５に図示された本発明の第５実施形態では、蛇行コイルアンテナ５２０とマッチングネットワーク５３０の間に並列にキャパシタ５３４を連結することによって、ＬＣ共鳴現象を利用して初期プラズマの放電を容易にし、誘導結合プラズマを利用した工程の安定性を確保することができる。
　前述したようにＩＣＰ放電の場合、初期の高いアンテナ電圧による容量結合を通じて初期放電過程を経た後、アンテナコイルに流れる交流電流によって誘導される誘導電場により誘導結合放電が行われる。このような初期容量結合が起きるために必要な臨界放電電圧は、工程圧力や使用するガスに影響される。しかし、隣接したコイルが互いに反対方向に巻かれたアンテナのようにアンテナのインダクタンスが低い場合には、非常に高いＲＦパワーを使用しなければアンテナの電位差が十分に大きくなくて、大きい電位差を必要とする容量結合を通じた初期プラズマ放電が難しくなる。しかし、マッチングネットワークを適切に設定することによって誘導されるＬＣ共鳴現象を利用する場合、低いインダクタンスを有するアンテナの場合にも大きい電位差を誘導できて容量結合を通じた初期放電が可能になる。以下、これについて図１６と図１７Ａないし図１７Ｄを通じて説明する。
　図１６は、ＩＣＰアンテナに連結された代表的なＬタイプのマッチングネットワークの回路図であり、図１７Ａないし図１７Ｄは、図１５に図示された第５実施形態でキャパシタのリアクタンスの変化によるＬＣ共鳴現象を説明するためのグラフである。
　図１６を参照すれば、ＲＦ電源５３２とアンテナ５２０とを連結するマッチングネットワーク５３０は、２つの可変キャパシタＣ1、Ｃ2を含む。そして、マッチングネットワーク５３０とアンテナ５２０間には、前述した図１５におけるキャパシタ５３４に該当するキャパシタＣ3が並列に連結されている。このような図１６の等価回路に表示された抵抗Ｒ1はマッチングネットワーク５３０内の抵抗損失を考慮するものである。
　図１７Ａは、アンテナインピダンスＺの共鳴現象を説明する、リアクタンスに対するインピーダンスを示すグラフであり、図１７Ｂは図１７Ａの初期設定点部位を拡大して示すグラフである。図１７Ａ及び図１７Ｂにおいて、ＲｅＺはアンテナインピダンスＺの実数部を示す。
　図１７Ａ及び図１７Ｂに図示されたように、アンテナと並列に連結されたキャパシタＣ3はアンテナの入力インピダンスＺを変化させる。例えば、１３．５６ＭＨｚのＲＦ周波数を使用し、アンテナ５２０のインダクタンスＬaを３００ｎＨ、アンテナ５２０の抵抗Ｒ0を０．１Ωとする場合、キャパシタＣ3のリアクタンスＸｃが２５．６５Ω（Ｃ＝４５８ｐＦ）でＬＣ共鳴が生じる。プラズマが発生する前にはＩＣＰアンテナのＱ因子がプラズマが発生した後に比べて高いため、共鳴ピークの幅が非常に狭く現れる。このような共鳴点では与えられたＲＦパワーに対してアンテナのインピダンスＺが非常に増加してアンテナの電圧差が非常に大きくなり、アンテナをＲＦ電源とマッチングさせることが非常に難しくなる。マッチング条件が満足されなければ、アンテナから相当なＲＦパワーの反射が生じてプラズマ放電が効率的になされない。
　このような問題を解決するために、マッチングネットワークの初期設定点を正確な共鳴点からすこし外れた地点に選択する。すなわち、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すように、キャパシタＣ3のキャパシタンスが３５５ｐＦでリアクタンスＸｃが３３Ωの点に設定した。このような条件では、リアクタンスＸｃがマッチングに十分な大きい値であり、さらにマッチングネットワークに連結されたアンテナの電気的な特性がインダクタの特性を有して、２つの可変キャパシタＣ1、Ｃ2だけから構成される簡単なＬタイプマッチングネットワークを利用してマッチング条件を満足できるようになる。図１６に示す抵抗Ｒ1及びＲ2を各々０．０５Ωと仮定して長さ３ｍの５０Ωケーブルを使用する場合、マッチングのために要求される２つのキャパシタＣ1、Ｃ2それぞれのキャパシタンスは１，０００ｐＦ及び１１５ｐＦと計算される。このようなキャパシタンスは大部分のマッチングネットワークで容易に得られる範囲にある値である。
　もし、プラズマ放電がおきる前にマッチングネットワークの初期設定点が前記計算結果を満足するように設定されており、入力ＲＦパワーとして５００ワットを使用する場合、ＩＣＰアンテナに流れる電流及び電圧はキャパシタＣ3によるリアクタンスＸｃの変化によって図１７Ｃ及び図１７Ｄに図示されたような共鳴特性を示す。すなわち、共鳴条件のキャパシタＣ3のキャパシタンスが３５５ｐＦである場合、アンテナ電圧は約１．６００ボルトでプラズマ初期放電を起こすのに十分なだけ増加する。プラズマが発生すれば、アンテナの抵抗が増加してアンテナの電圧及び電流が減少する。例えば、プラズマ発生前に０．１Ωであった図１６のアンテナの抵抗Ｒ0がプラズマ発生後に１．０Ωに増加する場合、プラズマ放電前は図１７Ｃ及び図１７Ｄに表示された曲線１のような共鳴現象を示したアンテナの電気的特性が、プラズマ発生後には曲線２のような特性を示す。プラズマ発生後、マッチングネットワークは、自動的にマッチング条件を満足させる。このように曲線１から曲線２に転換する過程でアンテナに流れる多くの電流は、容量結合性放電特性から誘導結合性放電特性への転換を円滑にしてプラズマ特性を安定的に維持可能にする。
　前記で得た共鳴条件を満足させる２つのキャパシタＣ1、Ｃ2のそれぞれのキャパシタンスは、実験を通じて得られる共鳴条件とは差があり得る。しかし、共鳴条件を探すために最初からマッチングネットワークの初期設定点を正確に選択する必要はない。チャンバ内にプラズマ放電が起きないように圧力をｍＴｏｒｒ程度に十分に低めた後、近似的に初期設定点を選定し、マッチングネットワークを自動モードに選択した状態でＲＦパワーを印加することによってプラズマ放電が起きる前の正確な共鳴条件を探すことができる。
　前記のようにアンテナとキャパシタの間のＬＣ共鳴現象を利用すれば、初期プラズマの生成が容易になり、高い密度のプラズマを安定的に維持できる長所がある。特に、このような構造はアンテナと誘電体ウィンドウの間にファラデーシールドを設置する場合にも有用に応用できる。また、前述したように、蛇行コイルアンテナを構成する各コイルを並列または直列に連結することによって、必要に応じて最適のプラズマ放電のためにアンテナのインダクタンスを調節することもできる。
　本発明は開示された実施形態を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であればこれより多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲により定められねばならない。
　本発明は大面積の基板を処理できる高密度かつ均一な誘導結合プラズマ発生装置に利用できる。
従来の誘導結合プラズマ発生装置の概略的な構成を示す図面である。 従来の螺旋形コイルアンテナの一例を示す図面である。 図２に図示された螺旋形コイルアンテナによって図１に示す反応チャンバの内部に生成される誘導電場を示す図面である。 図２に図示された螺旋形コイルアンテナによって図１に示す反応チャンバ内部に生成されるプラズマ密度の分布を示す図面である。 従来の円形コイルアンテナで生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 従来の円形コイルアンテナで生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 従来のコイルアンテナの他の例を示す図面である。 従来のコイルアンテナの他の例を示す図面である。 従来のコイルアンテナの他の例を示す図面である。 従来のコイルアンテナの他の例を示す図面である。 本発明の第１実施形態による蛇行コイルアンテナを具備した誘導結合プラズマ発生装置の構成を示す切り欠き斜視図である。 図６に図示された蛇行コイルアンテナを拡大して示す斜視図である。 異なる断面形状を有するコイルの高さによるアンテナのインダクタンスの変化を示すグラフである。 コイルの数とその断面形状及び各コイルに流れる電流の方向によるアンテナのインダクタンスの変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による誘導結合プラズマ発生装置に備えられた蛇行コイルアンテナを示す平面図である。 本発明の第３実施形態による誘導結合プラズマ発生装置に備えられた蛇行コイルアンテナを示す平面図である。 蛇行コイルアンテナ及びそのアンテナによって生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 蛇行コイルアンテナ及びそのアンテナによって生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 蛇行コイルアンテナ及びそのアンテナによって生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 蛇行コイルアンテナ及びそのアンテナによって生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 蛇行コイルアンテナ及びそのアンテナによって生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 蛇行コイルアンテナ及びそのアンテナによって生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 蛇行コイルアンテナ及びそのアンテナによって生成される磁場の半径方向成分の分布を示す図面である。 図４Ａ及び図４Ｂに図示された円形コイルアンテナと図１２Ａないし図１２Ｇに図示された蛇行コイルアンテナとのインダクタンスを計算した結果を示すグラフである。 本発明の第４実施形態による誘導結合プラズマ発生装置に備えられた蛇行コイルアンテナ及び永久磁石の配置を示す平面図である。 本発明の第５実施形態による誘導結合プラズマ発生装置に備えられた蛇行コイルアンテナとマッチングネットワーク、及びＬＣ共鳴現状の誘導のためにそれらに並列に連結されたキャパシタの配置を示した平面図である。 アンテナに連結されたＬタイプマッチングネットワークを示す回路図である。 図１５に図示された第５実施形態でキャパシタによるリアクタンスの変化によるＬＣ共鳴現象を説明するためのグラフである。 図１５に図示された第５実施形態でキャパシタによるリアクタンスの変化によるＬＣ共鳴現象を説明するためのグラフである。 図１５に図示された第５実施形態でキャパシタによるリアクタンスの変化によるＬＣ共鳴現象を説明するためのグラフである。 図１５に図示された第５実施形態でキャパシタによるリアクタンスの変化によるＬＣ共鳴現象を説明するためのグラフである。
符号の説明
　１１０　　　反応チャンバ
　１１１　　　上部カバー
　１１２　　　静電チャック
　１１４　　　ガス注入口
　１１５　　　ガス分配口
　１１６　　　誘電体ウィンドウ
　１１８　　　真空吸入口
　１１９　　　真空ポンプ
　１２０　　　アンテナ
　１３２　　　ＲＦ電源
　１３４　　　ＲＦ電源
　Ｗ　　　　　ウェーハ

Claims (24)

  1. 　内部が真空状態に維持される反応チャンバと、
    　前記反応チャンバの上部に設置されて前記反応チャンバ内部に注入された反応ガスをイオン化してプラズマを生成する電場を誘導するアンテナと、
    　前記アンテナに連結されて前記アンテナにＲＦパワーを供給するＲＦ電源と、を具備し、
    　前記アンテナは相異なる半径を有する複数のコイルよりなり、前記複数のコイルのうち少なくとも一つは円周方向に沿ってジグザグ形態に巻かれた蛇行コイルであることを特徴とする誘導結合プラズマ発生装置。
  2. 　前記アンテナはその中心部に配置される円形コイルと、前記円形コイルの外側に配置されて前記円形コイルと連結される蛇行コイルよりなることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  3. 　前記円形コイルと前記蛇行コイルの間の互いに隣接して対向する部分の面積を減らすために前記円形コイルの半径は比較的小さく形成されることを特徴とする請求項２に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  4. 　前記アンテナはその中心部に配置される第１円形コイルと、前記第１円形コイルの外側に配置されて前記第１円形コイルと連結される蛇行コイルと、前記蛇行コイルの外側に配置されて前記蛇行コイルと連結される第２円形コイルと、よりなることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  5. 　前記第２円形コイルは、前記蛇行コイルの外側部分と隣接して配置されることを特徴とする請求項４に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  6. 　前記アンテナはその中心部に配置される円形コイルと、前記円形コイルの外側に配置されて前記円形コイルと連結される第１蛇行コイルと、前記第１蛇行コイルの外側に配置されて前記第１蛇行コイルと連結される第２蛇行コイルと、よりなることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  7. 　前記第１蛇行コイル及び第２蛇行コイルのジグザグ形態の反復回数は同じであることを特徴とする請求項６に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  8. 　前記第２蛇行コイルの内側半径は前記第１蛇行コイルの外側半径より小さいことを特徴とする請求項６に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  9. 　前記蛇行コイルのジグザグ形態は円周方向に沿って等間隔に多数回反復されることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  10. 　前記蛇行コイルは放射状に伸びた多数の外側部分と、中心部側に曲がり込んだ多数の内側部分と、を有することを特徴とする請求項９に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  11. 　前記蛇行コイルの内側部分は前記反応チャンバの中心部近くに配置され、前記外側部分は前記反応チャンバ内の縁部に対応する位置に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  12. 　前記複数のコイル間の連結は連結コイルにより行われ、前記連結コイルは前記複数のコイルが置かれている平面より垂直方向に高い位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  13. 　前記複数のコイルのそれぞれは、幅が高さより小さな直四角形断面を有することを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  14. 　前記複数のコイルそれぞれは円形断面を有することを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  15. 　前記反応チャンバの外部には円周方向に沿って複数の永久磁石が配置されることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  16. 　前記複数の永久磁石は円周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交差するように配置されることを特徴とする請求項１５に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  17. 　前記複数の永久磁石は前記アンテナにより形成される磁場の強度が相対的に弱い部位に配置されることを特徴とする請求項１５に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  18. 　前記複数の永久磁石は前記反応チャンバの中心軸を中心に回転自在に設置されて前記アンテナにより形成される磁場の強度分布によって位置を調節できるようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  19. 　前記ＲＦ電源と前記アンテナを連結するマッチングネットワークと、前記マッチングネットワークと前記アンテナの間に前記アンテナと並列に連結されたキャパシタと、が設置されることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  20. 　前記アンテナを構成する前記複数のコイルは前記ＲＦ電源に直列に連結されることを特徴とする請求項１９に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  21. 　前記アンテナを構成する前記複数のコイルのうち少なくとも一部のコイルは前記ＲＦ電源に並列に連結されることを特徴とする請求項１９に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  22. 　その内部が真空状態に維持される反応チャンバと、
    　前記反応チャンバの上部に設置されて前記反応チャンバ内部に注入された反応ガスをイオン化してプラズマを生成する電場を誘導するアンテナと、
    　前記アンテナに連結されて前記アンテナにＲＦパワーを供給するＲＦ電源と、
    　前記ＲＦ電源と前記アンテナの間を連結するマッチングネットワークと、
    　前記アンテナと前記マッチングネットワークの間に連結され、前記アンテナと並列に設置されるキャパシタと、を具備することを特徴とする誘導結合プラズマ発生装置。
  23. 　前記アンテナを構成する複数のコイルは前記ＲＦ電源に直列に連結されることを特徴とする請求項２２に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
  24. 　前記アンテナを構成する複数のコイルのうち少なくとも一部のコイルは前記ＲＦ電源に並列に連結されることを特徴とする請求項２２に記載の誘導結合プラズマ発生装置。
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