JP2006179477A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波により一様なプラズマを発生させることで均一な処理ができるようにする。
【解決手段】マイクロ波供給装置に接続された矩形導波管２０１と円筒導波管２０７との間に円形矩形変換器２０５が設けられる。円形矩形変換器２０５と円偏波変換器２０９との間の円筒導波管２０７にダミーロード２１５が接続される。ダミーロード２１５は、端部にマイクロ波吸収体を有した筒状をなす。円筒導波管２０７と円形矩形変換器２０５との間の導波管内に、マイクロ波の反射体２２５が設けられる。ダミーロード２１５の軸線は、反射体２２５で反射される定在波の管内波長の１／４波長Ｌだけ、反射体２２５から円偏波変換器２０９の方向へ向かって離れている。これにより、ラジアル導波箱２１１から反射してきたマイクロ波を、ダミーロード２１５により効果的に吸収できる。
【選択図】図１２

Description

本発明は、マイクロ波を用いたプラズマ処理装置に関するものである。

従来、平面アンテナを有するプラズマ処理装置としては、図１８に示すようなものが知られている。

このプラズマ処理装置７１は、全体が有底筒状に成形された処理容器７３と、この処理容器７３の天井部に気密に設けられた石英板７５とを有し、処理容器７３内部に密閉された処理空間Ｓを形成している。この処理容器７３内には、上面に半導体ウエハＷを載置する載置台７７が収容されている。この載置台７７は、給電線を介してバイアス用高周波電源７９に接続されている。また、この処理容器７３の側壁には、容器内に処理ガスを導入するためのガス供給ノズル８１が設けられ、このノズル８１は処理ガス源８３に接続されている。さらに、処理容器７３底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口８５が設けられている。

一方、処理容器７３の上部を密閉する石英板７５の上部には、平面アンテナ部材８７が設けられている。この平面アンテナ部材８７は、高さが低く円盤状の中空円筒状容器からなるラジアル導波箱８９の底板として構成され、石英板７５の上面に取り付けられている。円盤状のラジアル導波箱８９の上面中心部には、他端がマイクロ波発生器９１に接続された同軸導波管９３の外管９３Ａが接続されている。また、この同軸導波管９３内部の内側ケーブル９３Ｂは円板状アンテナ部材８７の中心部に接続されている。

上記円板状アンテナ部材８７は、銅板よりなり、この銅板には多数のスリット９５が形成されている。また、ラジアル導波箱８９内には、マイクロ波の波長を短くして波長の短い管内波長とするために所定の誘電率の誘電体９７が収容されている。

このような構成において、マイクロ波発生器９１で発生されたマイクロ波は、同軸導波管９３内を伝搬し、ラジアル導波箱８９内で半径方向に拡がり、アンテナ部材８７のスロット９５から下方に放出され処理容器７３内でプラズマを形成する。

しかしながら、上記処理装置７１にあっては、同軸導波管の内側ケーブルが発熱しやすく、加熱しすぎると異常放電がおきることもある。これを防止するには、冷却機構を細い内側ケーブル内に設ける必要があるが、構造が複雑になりコストがかかり過ぎる。また、内側ケーブルの支持構造が必要となり、それに伴うインピーダンスの調整に手間がかかるという問題点があった。

また、平面アンテナ部材８７下方に形成される電界に不均一が生じ、このため、ウエハＷに対する処理にむらが生ずるという問題点があった。即ち、平面アンテナ部材８７のスリット９５から下方に放出された電界が、処理容器７３の内側壁で反射し、処理容器内の電界が不均一になる。このため、ウエハ、特に大口径ウエハの処理にむらが生じてしまう。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであって、同軸導波管の内側ケーブルの発熱を防止することができるとともに、処理容器内に均一な電磁界を形成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の特徴は、有底筒状に形成され、その内部に被処理体を載置する載置台を有する処理容器と、この処理容器の上部開口を気密に覆う誘電体からなる蓋体と、マイクロ波を供給するマイクロ波供給装置と、一端側がこのマイクロ波供給装置に接続され、このマイクロ波供給装置から前記蓋体に向かって延在し、内部に導波空間を有する円筒導波管と、この円筒導波管の他端に接続され、この円筒導波管の他端から半径方向外方にフランジ状に拡張した後、蓋体に向かって下方へ側壁として延出し、その内部に導波空間を有するラジアル導波箱と、このラジアル導波箱の下端開口を覆い、複数のスロットを有し、蓋体に沿って配設されたスロットアンテナとを有することである。

このようにすることによって、同軸導波管内の内側ケーブルの発熱を考慮する必要がなくなるとともに、処理容器内に均一な電磁界を形成することが可能になる。

本発明の第２の特徴は、ラジアル導波箱内部において、スロットアンテナの円筒導波管の他端開口に対向する部分には、円筒導波管に向かって突出する導体からなるバンプが設けられていることである。

このようにすることによって、円筒導波管からラジアル導波箱へのマイクロ波の導入伝搬を効率よく行うことができる。

本発明の第３の特徴は、バンプが略円錐形であることである。

本発明の第４の特徴は、マイクロ波供給装置から円筒導波管を通ってラジアル導波箱に伝搬されるマイクロ波はＴＭ０１モードであることである。

本発明の第５の特徴は、マイクロ波供給装置から円筒導波管を通ってラジアル導波箱に伝搬されるマイクロ波はＴＥ１１モードであることである。

本発明の第６の特徴は、マイクロ波供給装置とラジアル導波箱との間の円筒導波管に設けられ、マイクロ波供給装置から供給されたＴＥ１１モードのマイクロ波を円筒導波管の軸線回りに回転させ円偏波としてラジアル導波箱へ送る円偏波変換器をさらに備えたことである。このようにすることによって、処理容器内の電磁界を均一にし、プラズマの生成むらを防止することができる。

本発明の第７の特徴は、スロットアンテナは放射型のアンテナであることである。

本発明の第８の特徴は、スロットアンテナのスロットは同心円状に配置されていることである。

本発明の第９の特徴は、スロットアンテナのスロットは渦巻き状に配置されていることである。

本発明の第１０の特徴は、スロットアンテナがリーク型のアンテナであることである。

本発明の第１１の特徴は、スロットアンテナのスロットが同心円状に配置されていることである。

本発明の第１２の特徴は、スロットアンテナのスロットが渦巻き状に配置されていることである。

本発明の第１３の特徴は、スロットアンテナのスロットが多角形の周上に配置されていることである。

本発明の第１４の特徴は、スロットアンテナのスロットが放射線上に配置されていることである。

本発明の第１５の特徴は、スロットアンテナと処理容器との間の周辺部に高周波を吸収する吸収材を配置したことである。

本発明の第１６の特徴は、スロットアンテナを誘電体からなる柱で支持することである。このようにすることによって、均一なプラズマを生成することができる。

本発明の第１７の特徴は、ラジアル導波箱内部が誘電体で充填されていることである。このようにすることによって、スロットアンテナの変形を防止することができる。

本発明の第１８の特徴は、ラジアル導波箱内部で、その外周縁部に高周波を吸収する吸収材を配置したことである。

本発明の第１９の特徴は、前記マイクロ波供給装置と前記円筒導波管との間に、前記マイクロ波供給装置から延びる矩形導波管と、この矩形導波管と前記円筒導波管との間に設けられた円形矩形変換器とを備え、この円形矩形変換器と前記円偏波変換器との間の前記円筒導波管に他端にマイクロ波吸収体を有する筒状のダミーロードを接続したことである。

本発明の第２０の特徴は、前記ダミーロードの前記円筒導波管への接続部には、前記円筒導波管の内部と前記ダミーロードの内部とを仕切る隔壁が設けられ、この隔壁には、前記円筒導波管の軸方向と平行なスリットが形成されていることである。

本発明の第２１の特徴は、前記円筒導波管と前記円形矩形変換器との間の導波管内には、前記円筒導波管の軸線に略直交し前記ダミーロードの延出方向に略直交する方向に掛け渡された導体からなる棒状の反射体が設けられていることである。

本発明の第２２の特徴は、前記反射体は、前記円筒導波管の軸線を含む平面に沿う板状体であることである。

本発明の第２３の特徴は、前記ダミーロードの軸線は、この円筒導波管内での波長の１／４波長だけ前記反射体から前記円偏波変換器の方向へ向かって離れた位置に位置していることである。

本発明の第２４の特徴は、前記円偏波変換器と前記ラジアル導波箱との間の前記円筒導波管には、導波管内のインピーダンスを調整することによって、前記ラジアル導波箱側から反射して帰ってくるマイクロ波をラジアル導波箱側へ反射するチューナが設けられていることである。

本発明の第２５の特徴は、前記チューナは、前記円筒導波管の内周壁から半径方向内方に突出量調整可能に設けられた複数のスタブと、このスタブを半径方向に駆動するスタブ駆動装置とを有し、前記スタブと前記円偏波変換器との間の前記円筒導波管の内側に設けられ、前記円筒導波管内のマイクロ波の電磁界強度を測定する検波器と、この検波器によって測定されたマイクロ波の電磁界強度を基に、前記スタブ駆動装置を駆動して前記スタブの半径方向位置を変化させてインピーダンスを調整し、前記ラジアル導波箱側から帰ってくるマイクロ波を前記ラジアル導波箱側に反射させるように制御する制御装置とを更に備えていることである。

本発明の第２６の特徴は、前記スタブは、前記円筒導波管の内周面に周方向に等間隔に４個、軸方向に３個、計１２個設けられていることである。

以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面図、図２は図１中II−II線に沿う円偏波変換器の断面を示す図である。

本実施例においてはプラズマ処理装置をプラズマエッチング装置に適用した場合について説明するが、これに限定されないことは勿論である。このプラズマエッチング装置２は、側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が有底筒体状に形成された処理容器４を有している。この処理容器４の天井部は、開放されてこの部分にはＯリング等のシール部材６を介して真空圧に耐え得る厚みを有する石英板８が気密に設けられ、容器内部に密閉された処理空間Ｓを形成している。

この処理容器４内には、上面に被処理体としての半導体ウエハＷを載置する載置台１０が収容される。この載置台１０は、アルマイト処理したアルミニウムにより中央部が凸状に平坦になされた略円柱状に形成されている。この載置台１０の下部は、同じくアルミニウムにより円柱状になされた支持台１２により支持されると共に、この支持台１２は処理容器４内の底部に絶縁材１４を介して設置されている。

上記載置台１０の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャックやクランプ機構（図示せず）が設けられ、この載置台１０は給電線１６を介してマッチングボックス１８及びバイアス用高周波電源２０に接続されている。載置台１０を支持する支持台１２には、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水を流す冷却ジャケット２２が設けられる。

上記処理容器４の側壁には、容器内に処理ガスとしてのエッチングガスを導入するための石英パイプ製のガス供給ノズル２４が設けられている。このノズル２４は、ガス供給路２６によりマスフローコントローラ２８及び開閉弁３０を介して処理ガス源３２に接続されている。

また、処理容器４の側壁の外周には、その周方向に沿って電磁コイルや永久磁石等の磁界発生手段３４が設けられており、処理空間Ｓ内に磁界を発生させ、生成しているプラズマを閉じ込めるようになっている。尚、この磁界発生手段３４はプラズマ発生のためには必ずしも必要ではなく、これを省略してもよい。

処理容器４の底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口３６が設けられており、必要に応じて処理容器４内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。

このような処理容器４の石英板８の上方には、マイクロ波発生装置５０が設けられている。このマイクロ波発生装置５０には、円筒導波管５２が接続されており、マイクロ波発生装置５０で発生されたマイクロ波を伝搬するようになっている。ここで、マイクロ波としては、ＴＭ０１モード、ＴＥ１１モードが使用され、特に、プラズマの生成むらを抑えるためには円偏波のＴＥ１１モードを使用するのが好ましい。以下、この円偏波のＴＥ１１モードを使用する場合について説明する。

上記円筒導波管５２には、ラジアル導波箱５４が接続されている。このラジアル導波箱５４と、マイクロ波発生装置５０との間には、円偏波変換器５６が設けられている。円偏波変換器には各種の方式があるが、一例として図２に示すように、円筒導波管の内壁に対向する２つの金属製の円柱状突起５８を、軸方向に１組ないし複数個設けたものが用いられている。これらの円柱状突起５８は、マイクロ波発生装置から伝搬してきたＴＥ１１モードのマイクロ波の電界の主方向に対して４５度をなす方向に配置されている。そして、この円偏波変換器は、マイクロ波発生装置５０からのＴＥ１１モードのマイクロ波を、その電界の主方向が円筒導波管の軸線を中心にして回転させる。

円筒導波管５２の下端に接続されたラジアル導波箱５４は、円筒導波箱３４下端から、半径方向外方に向かって拡張したフランジ部５７と、このフランジ部５６の外周縁から石英板８に向かって下方へ延出した壁部５８とを有している。このラジアル導波箱５４の下端開口には、この開口を覆うように円盤状の銅板製のスロットアンテナ６０が設けられており、その内部に導波空間を形成している。このスロットアンテナ６０は、前記フランジ部５６から下方に突出した誘電体からなる柱１３０で支持され、変形を防止している。

この円盤状のスロットアンテナ６０は、放射型アンテナであり、通信に用いられるマイクロ波用平板アンテナと同様の構成になされ、アンテナ板から放射されたマイクロ波によってプラズマを生成する。このスロットアンテナ６０のスロット間隔は、マイクロ波の放射に効率の良いλｇ/２あるいはλｇ（λｇは管内波長）に設定されており、図３に示すように、ハの字状に配置された一対のスロット１０１が同心円上に配置されている。なお、放射型のスロットアンテナとしては、図４に示すように、ハの字状に配置された一対のスロット１０３が螺旋状に配置されているスロットアンテナ１０５でもよい。

また、この装置に使用されるスロットアンテナとしては、アンテナから漏れ出たマイクロ波によってプラズマを生成するリーク型アンテナであってもよい。このリーク型アンテナは、そのスロット間隔が放射型アンテナより狭く、通常λ／３からλ／４０くらいであり、図５に示すスロットアンテナ１０７のように多数のスロット１０９が同心円状に配置されている。なお、リーク型スロットアンテナとしては、図６に示すスロットアンテナ１１１のように、多数のスロット１１３が螺旋状に配置されているもの、図７に示すスロットアンテナ１１５のように、多数のスロット１１７が六角形状に配置されているもの、図８に示すスロットアンテナ１１９のように、多数のスロット１２１が放射状に配置されているものがある。

ラジアル導波箱５４の内部において、円盤状アンテナ部材６０の中心には、金属製のバンプ６４が設けられている。このバンプ６４は、円筒導波管５２の下端開口に向かって突出する円錐状に形成されており、その先端は球面状にまるめられている。このバンプ６４によって、円筒導波管５２を伝搬してきた電磁界を良好にラジアル導波箱５４内へ導波，伝搬させることができる。

また、このラジアル導波箱５４と円盤状アンテナ部材６０とによって画成される空間には誘電体６６が充填されている。さらに、スロットアンテナ６０と処理容器４との間の周辺部には、高周波を吸収する吸収材６８が配置され、電磁界の反射を防止するようになっている。この様な吸収材は、ラジアル導波箱５４内の外周縁部に配置してもよい。

次に、以上のように構成された本実施例の動作について説明する。まず、図示しないゲートバルブを介して半導体ウエハＷを搬送アームにより処理容器４内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台１０の上面の載置面に載置する。そして、処理容器４内を所定のプロセス圧力に維持しつつ、ガス供給ノズル２４からエッチングガスを流量制御しつつ供給する。同時に、マイクロ波発生器５０からのマイクロ波を処理空間Ｓに導入してプラズマを発生させ、エッチング処理を行う。またこの場合、載置台１０にバイアス高周波電力を印加しておくことにより、載置台１０に負の電位を発生させることができ、プラズマからのイオンの引出しを効率的に行うことができる。なお、処理容器４の側壁に設けた磁界発生手段３４は、プラズマ閉じ込め用の磁界を発生させるためのものであり、これを配置しなくても、円盤状アンテナ部材６０からのマイクロ波によりプラズマを生成することができる。

このような構成において、マイクロ波発生装置５０にて発生したＴＥ１１モードのマイクロ波は、円筒導波管５２を通って円偏波変換器５６に到達する。ここで、ＴＥ１１モードのマイクロ波は、円筒導波管５２の軸線回りに回転せしめられ、ラジアル導波箱５４との接続部に到達する。この接続部において、ＴＥモードマイクロ波の水平方向の電界Ｅは、図９に示すように、バンプ６４によって左右に分割され、その電界の方向を垂直方向に変化させながらラジアル導波箱の周縁方向に伝搬していく。ここで、その電界はバンプ６４の両側で１８０度ずれることになる。そして、この周辺方向へ伝搬していくマイクロ波は円盤状のスロットアンテナ６０を介してその下方の処理空間に電磁界を発生させ、この電磁界によってプラズマを生成する。

ここで、円筒導波管５２を伝搬してくるマイクロ波はＴＥモードであるため、図１０に示すように、円盤状スロットアンテナ６０を介して処理容器４内に発生する電界Ｆは、円筒導波管５２内の電界Ｅの方向に強く偏在したものとなる。しかしながら、円筒導波管５２を伝搬してくるマイクロ波は、円筒導波管の軸線回りに回転しているため、電界の強い部分Ｆも回転する。従って、円盤状スロットアンテナ６０の下方の処理空間Ｓにおける電磁界の強度は平均化され、従って広範囲にわたってプラズマを一様かつ均一に生成することができる。従って、大口径ウエハであっても、その面内において一様な処理を施すことができる。

以上説明したように、このプラズマ処理装置にあっては、有底円筒状に形成され、その内部にウエハＷを載置する載置台１０を有する処理容器４と、この処理容器４の上部開口を気密に覆う石英板８と、ＴＥ１１モードのマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段５０と、一端側がこのマイクロ波供給手段５０に接続され石英板８に向かって延在し、内部に導波空間を有する円筒導波管５２と、この円筒導波管５２の他端に接続され、この円筒導波管５２の他端から半径方向外方にフランジ状に拡張した後、前記蓋体に向かって下方へ側壁として延出し、その内部に導波空間を有するラジアル導波箱５４と、このラジアル導波箱５４の下端開口を覆い、複数のスロット１０１を有し、石英板８に沿って配設された円盤状スロットアンテナ６０と、マイクロ波供給手段５０とラジアル導波箱５４との間の前記円筒導波管５２に設けられ、マイクロ波供給手段５０から供給されたＴＥ１１モードのマイクロ波を円筒導波管５２の軸線回りに回転させてラジアル導波箱５４へ送る円偏波変換器５６とを備えているから、円筒導波管５２を伝搬してくるＴＥ１１モードのマイクロ波を円筒導波管５２の軸線回りに回転させることができるとともに、このマイクロ波をその位相を反転してラジアル導波箱５４の周縁部に向かって伝搬することができる。従って、円盤状スロットアンテナ６０の下方の処理空間Ｓにおいて、広範囲にわたってプラズマ密度を一様かつ均一にすることができ、従って大口径ウエハであっても、その面内において一様な処理を施すことができる。また、同軸導波管を使用した場合に生ずる内側ケーブルの発熱を防止することができる。

上記のように、このプラズマ処理装置によれば、処理空間に均一なプラズマを発生させることができるが、さらに精密な測定によると、プラズマの分布には僅かな不均一が見られた。これは以下のような理由によるものと思われる。

すなわち、図１１に示すように、上部円筒導波管１５１中を下降するＴＥ１１モードの進行波１５５は、円偏波変換器５６で時計回りに回転せしめられ、符号１５７に示すように回転しながら下部円筒導波管１５３中を下降する。このマイクロ波１５７は、バンプ６４によって左右に分割され、ラジアル導波箱５４を周辺方向へ向かい円盤状のスロットアンテナ６０から処理空間に伝搬する。しかし、このマイクロ波のごく一部は、スロットアンテナ６０、処理容器内で反射し、上記ルートを逆に辿って下部円筒導波管１５３中を符号１５９に示すように上方に伝搬する。このマイクロ波は、円偏波変換器５６を通過して、上部円筒導波管１５１に至ると、符号１６１に示すように回転しないＴＥ１１モードのマイクロ波となる。このマイクロ波は、矩形導波管１７１との接続部１７３で反射して位相が反転し、符号１６３に示すように進行波として、円筒導波管１５１中を下降する。このマイクロ波は、再度円偏波変換器５６を通過して回転し、符号１６５で示すように下部円筒導波管１５３中を下降する。ここで、このマイクロ波１６５は、進行波１５５と比較して、編波面が９０°異なっているため、符号１５７で示す場合とは逆の反時計回りに回転することになる。このようにして、この反時計回りのマイクロ波１６５が、本来の時計回りのマイクロ波１５７に干渉し、マイクロ波の分布が不均一になるものと思われる。

このような欠点を改善するものとして、考え出されたのが図１２ないし図１４に示す第２の実施の形態であるプラズマ処理装置２００である。

図１２において、符号２０１は、矩形導波管を示している。この矩形導波管２０１は、図示しないマイクロ波発生器に接続されている。この矩形導波管２０１は、コーナー部２０３で９０°屈曲し、円形矩形変換器２０５に接続している。この円形矩形変換器２０５には、円筒導波管２０７が接続されている。この円筒導波管２０７の下部には、円偏波変換器２０９が設けられており、ＴＥ１１モードのマイクロ波を軸線回りに回転させるようになっている。円筒導波管２０７の円偏波変換器２０９の下方にはフランジ状のラジアル導波箱２１１が接続され、このラジアル導波箱２１１の下面に設けられたスロットアンテナから処理容器中にマイクロ波を伝搬するようになっている。

このようなプラズマ処理装置において、円筒導波管２０７の上部で、円形矩形変換器２０５との接続部２１３の近傍には、矩形筒状のダミーロード２１５が設けられている。このダミーロード２１５は、円筒導波管２０７と円形矩形変換器２０５との接続部から距離Ｌだけ離れた位置から円筒導波管２０７の軸線に対して垂直方向に延びている。ここで、この距離Ｌは、円筒導波管２０７内を逆方向に伝搬してきたマイクロ波が接続部２１３で反射して定在波を形成したとき、その定在波の１／４波長に等しくなるようにし、定材波の腹の部分にダミーロード２１５の軸線が位置するようにするのが望ましい。このダミーロード２１５の端部には、マイクロ波吸収材２１７が設けられている。このマイクロ波吸収材２１７は、例えば図１４に示すように、水を貯留したコーン形状のものでもよく、この部分で伝搬してきたマイクロ波を吸収することになっている。また、ダミーロード２１５の円筒導波管２０７寄りの部分には、シャッター２１９が設けられており、ダミーロード２１５によるマイクロ波の吸収を任意に遮断できるようになっている。また、ダミーロード２１５の円筒導波管２０７への接続部には、遮蔽板２２１が設けられており、この遮蔽板２２１には、円筒導波管２０７の軸線に平行なスリット２２３が形成されている。このスリット２２３は、例えば、長さ５０〜１２０ｍｍ、幅２〜２０ｍｍに形成されている。さらに、接続部２１３には、円筒導波管２０７の軸線に直交しかつダミーロード２１５の突出方向に直交する方向に延びる棒状の反射板２２５が設けられている。この反射板２２５は、導体からなり、円筒導波管２０７の軸線を含む平面に沿う方向の板状に形成されている。

このような構成において、ラジアル導波箱２１１から逆方向に伝搬してきたマイクロ波は、円偏波変換器２０９を通過して円筒導波管２０７と円形矩形変換器２０５との接続部２１３に至ると、矩形導波管２０１に侵入することができずに反射する。特にこのプラズマ処理装置２００にあっては、接続部２１３に反射板２２５が設けられているため、図１４に示すように、この部分でマイクロ波が反射し、この反射体２２５を節として定在波Ｃが形成される。ここで、ダミーロード２１５の軸線すなわちスリットの中心部は、接続部２１３から定在波の１／４波長だけ離れた位置にあるので、発生した定在波Ｃの腹の部分がスリット２２３の中心にくることになる。そして、この定在波は、スリット２２３からダミーロード内に伝搬し、吸収体２１７によって吸収される。

このようにして、ラジアル導波箱２１１から反射してきたマイクロ波は、ダミーロードにより吸収されるから、再度ラジアル導波箱２１１の方向へ伝搬することがなく、従って、ラジアル導波箱２１１から処理容器内に伝搬されるマイクロ波の均一性を乱すことがなく、処理容器内のプラズマの均一性を高いレベルで維持することができる。

図１５、図１６は、上記の効果を示す実験結果を示す図である。これらの図は、載置台上におけるイオン飽和電流の強度を測定したものである。測定は、載置台の中心部Ｒ１から半径Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４（最も外周側）の円周上において、周方向にそれぞれの角度位置において行われ、その結果をグラフに表したものである。

これらの図において、図１５は、ダミーロード２１５のシャッタ２１９を閉鎖した状態、すなわちダミーロード２１５を機能させていない状態におけるイオン飽和電流値を測定したものである。この図からもわかるように、ダミーロード２１５が機能していない状態では、載置台上のイオン飽和電流に周方向にばらつきがあり、特に外周部でこの傾向が強いことがわかる。

これに対して、図１６は、シャッタ２１９を開いた状態、すなわちダミーロード２１５を機能させた場合を示している。この図からわかるように、載置台上のイオン飽和電流は周方向、半径方向のいずれにおいても一定値を示しており、マイクロ波の反射による影響が極めて少なくなっていることを示している。

次に、上記第２の実施の形態と同様の効果を奏する第３の実施の形態であるプラズマ処理装置３００について図１７を参照して説明する。

この図において、図１２と同様に、符号２０１は矩形導波管，符号２０３はコーナー部，符号２０５は円形矩形変換器，符号２０７は円筒導波管、符号２０９は円偏波変換器、符号２１１はラジアル導波箱を示している。

円筒導波管２０７の下部には、チューナ３１１が設けられている。このチューナ３１１は、複数のスタブ３１３を有しており、円筒導波管２０７の下部内周面に、半径方向内方に向かって突出して設けられている。このスタブ３１３は、円筒導波管２０７内に突出させることによってインピーダンスを変化させ、ラジアル導波箱２１１から反射してくるマイクロ波をラジアル導波箱２１１に向かって追い返すためのものである。これらスタブ３１３は、周方向に９０°の角度離間して４個ずつ、円筒導波管の軸方向に等間隔に離間して３組の計１２個設けられている。これら、スタブ３１３には、これらスタブ３１３を半径方向に駆動するスタブ駆動装置３１５がそれぞれ設けられている。

これらスタブ３１３と円偏波変換器２０９との間の円筒導波管２０７の内周面には、検波器３１７が設けられている。この検波器３１７は、ラジアル導波箱２１１から反射してくるマイクロ波を検知するためのものであって、周方向に９０度ずつ離間して４個、軸方向にλｇ/８間隔で３組の計１２個配置されている。

そして、この検波器３１７によって測定されたマイクロ波の電磁界強度を基に、前記スタブ駆動装置３１５を駆動して前記スタブ３１３の半径方向位置を変化させてインピーダンスを調整してチューニングする制御装置３１９が設けられている。

このような構成において、ラジアル導波箱２１１から逆方向に伝搬してきたマイクロ波は、検波器３１７によって測定され、その結果は制御装置３１９へ送られる、この制御装置３１９では、検波器３１７によって測定されたマイクロ波の電磁界強度を基に、ラジアル導波箱２１１側から帰ってくるマイクロ波をラジアル導波箱２１１側に反射させるために必要なスタブ３１３の半径方向位置を計算する。そして、この制御装置３１９は、スタブ駆動装置３１５に対して、スタブ３１３を駆動する駆動指令を出力する。この駆動指令にしたがい、スタブ駆動装置３１５は、スタブ３１３の半径方向位置を変化させインピーダンスを調整してチューニングし、帰ってくるマイクロ波をラジアル導波箱２１１側に反射させる。

このように、このプラズマ処理装置３００にあっては、ラジアル導波箱からの反射波を円偏波変換器２０９を通すことなくその手前でチューニングして反射するから、円偏波の回転方向が逆転することがない。従って、スロットアンテナから均一なマイクロ波を伝搬することができ、均一なプラズマ処理を行うことができる。

次に、このチューナによる円偏波のマッチングについて説明する。

円形導波管のＴＥ１１モードの円偏波において、矩形導波管より円形導波管に変換し、円形導波管部に位相板等を設けた円偏波発生器によりＴＥ１１モード円偏波を発生させる。

円形導波管の負荷よりの反射波は、進行方向が進行波に対して逆になり、回転方向は同一である。

従って、反射波によってできる定在波は、円形導波管部分においては、ある一定の角度位置を決めて、導波管軸方向にはＴＥ１１の（円偏波でないもの）定在波と同一となる。

角度方向に対しては円周に対しても定在波が発生するから、この方向での検出も可能である。

定在波の検出は管内波長のλｇ／８間隔に３本〜５本の探針を設け、これにより検出したマイクロ波を検波器で検出する。（円周方向においては４５°角度で３本〜５本）
例えば、４本検出の場合は、電圧の絶対値は

となり、検出器１，２，３，４の各々の電圧は二乗検波すれば

となる。ここで、

この信号は負荷の反射係数｜Γ｜と位相θの情報を含んでいるので、
４Ｋ｜Ｖｉ｜^２でノーマライズすれば、

が計算され、負荷インピーダンスが計算できる。

また、３本検出の場合は、

となり、｜Γ｜cosθ,｜Γ｜sinθが計算され、負荷インピーダンスが計算できる。

なお、円形導波管の軸方向に検出器を設けずに、円形導波管の円周方向に４５°間隔で３本以上検出端子を設けても同一である。

従って、軸方向に３〜４個か、円周方向に４個使用することによって、オートマッチングが実現できる。

負荷のインピーダンスより（λｇ/８）〜（λｇ/４）（推奨）間隔に配置された３本のスタブをマイクロコンピュータで計算して調整してやれば、整合が取れる。

スタブは円周方向に４本等の複数個配置してやれば、円偏波に対する円周方向へのバランスが良くなり、より大きな負荷反射に対してオートマッチングが可能となる。

なお、上記実施の形態では、ダミーロード２１５を備えたプラズマ処理装置２００とチューナ３１１を備えたプラズマ処理装置３００を別々に説明しているが、両者をともに備えたプラズマ処理装置であってもよいのは勿論である。

また、本実施の形態では、プラズマ処理装置をプラズマエッチング装置に適用した場合について説明したが、これに限る必要はなく、成膜処理や、膜改質等の処理に適用してもよい。

本発明にあっては、有底筒状に形成され、その内部に被処理体を載置する載置台を有する処理容器と、この処理容器の上部開口を気密に覆う誘電体からなる蓋体と、マイクロ波を供給するマイクロ波供給手段と、一端側がこのマイクロ波供給手段に接続され、このマイクロ波供給手段から前記蓋体に向かって延在し、内部に導波空間を有する円筒導波管と、この円筒導波管の他端に接続され、この円筒導波管の他端から半径方向外方にフランジ状に拡張した後、前記蓋体に向かって下方へ側壁として延出し、その内部に導波空間を有するラジアル導波箱と、このラジアル導波箱の下端開口を覆い、複数のスロットを有し、前記蓋体に沿って配設されたスロットアンテナとを備えているから、同軸導波管を使用した場合に生ずる内側ケーブルの発熱を防止することができるとともに、処理容器内に一様なプラズマを発生させることができ、従って大口径のウエハであっても、一様な処理をおこなうことができる。

本発明の第１の実施の形態のプラズマ処理装置を示す縦断面図。 図１中II−IIに沿う断面を示す図。 放射型スロットアンテナの一例を示す図。 放射型スロットアンテナの他の一例を示す図。 リーク型スロットアンテナの一例を示す図。 リーク型スロットアンテナの他の一例を示す図。 リーク型スロットアンテナのさらに他の一例を示す図。 リーク型スロットアンテナのもう一つの一例を示す図。 円筒導波管と円盤状ラジアル導波箱との接続部におけるＴＥモードのマイクロ波の伝搬の状態を示す断面図。 ＴＥモードマイクロ波が伝搬していく状態を示す平面図。 本発明の第２の実施の形態考えるに至った問題点を示す図。 本発明の第２の実施の形態のプラズマ処理装置を示す一部切欠き正面図。 第２の実施の形態のプラズマ処理装置を示す一部切欠き側面図。 図１２に示すプラズマ処理装置のダミーロードの機能を示す図。 図１２に示すプラズマ処理装置において、ダミーロードを機能させない状態におけるイオン飽和電流の分布を示す図。 図１２に示すプラズマ処理装置において、ダミーロードを機能させた状態におけるイオン飽和電流の分布を示す図。 本発明の第３の実施の形態のプラズマ処理装置を示す一部切欠き正面図。 従来のプラズマ処理装置を示す縦断面図。

符号の説明

Ｗ ウエハ（被処理体）
Ｃ 定在波
４ 処理容器
１０ 載置台
５０ マイクロ波発生装置（マイクロ波供給装置）
５２，１５１，１５３，２０７ 円筒導波管
５４，２１１ ラジアル導波箱
５６，２０９ 円偏波変換器
６０ スロットアンテナ
６４ バンプ
１７１，２０１ 矩形導波管
２０５ 円形矩形変換器
２１３ 接続部
２１５ ダミーロード
２１７ マイクロ波吸収材（マイクロ波吸収体）
２１９ シャッター
２２１ 遮蔽板
２２３ スリット
２２５ 反射体（反射板）
３１１ チューナ
３１３ スタブ
３１５ スタブ駆動装置
３１７ 検波器
３１９ 制御装置

Claims (34)

1. 有底筒状に形成され、その内部に被処理体を載置する載置台を有する処理容器と、
   この処理容器の上部開口を気密に覆う誘電体からなる蓋体と、
   マイクロ波を供給するマイクロ波供給装置と、
   一端側がこのマイクロ波供給装置に接続され、このマイクロ波供給装置から前記蓋体に向かって延在し、内部に導波空間を有する円筒導波管と、
   この円筒導波管の他端に接続され、この円筒導波管の他端から半径方向外方にフランジ状に拡張した後、前記蓋体に向かって下方へ側壁として延出し、その内部に導波空間を有するラジアル導波箱と、
   このラジアル導波箱の下端開口を覆い、複数のスロットを有し、前記蓋体に沿って配設されたスロットアンテナと、
   前記ラジアル導波箱内部において、前記スロットアンテナの前記円筒導波管の他端開口に対向する部分に、前記円筒導波管に向かって突出して設けられた導体からなる略円錐形のバンプと、
   前記マイクロ波供給装置と前記ラジアル導波箱との間の前記円筒導波管に設けられ、前記マイクロ波供給装置から供給されたマイクロ波を前記円筒導波管の軸線回りに回転させ円偏波として前記ラジアル導波箱へ送る円偏波変換器と、
   前記マイクロ波供給装置と前記円筒導波管との間に、前記マイクロ波供給装置から延びる矩形導波管と、
   この矩形導波管と前記円筒導波管との間に設けられた円形矩形変換器と、
   この円形矩形変換器と前記円偏波変換器との間の前記円筒導波管に接続され、端部にマイクロ波吸収体を有する筒状のダミーロードと、
   前記円筒導波管と前記円形矩形変換器との間の導波管内に設けられた、マイクロ波を反射する反射体と、
   を備え、
   前記ダミーロードの軸線は、前記反射体で反射される定在波の管内波長の１／４波長だけ前記反射体から前記円偏波変換器の方向へ向かって離れた位置に位置していることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記ダミーロードの前記円筒導波管への接続部には、前記円筒導波管の内部と前記ダミーロードの内部とを仕切る隔壁が設けられ、この隔壁には、前記円筒導波管の軸方向と平行なスリットが形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記反射体は、前記円筒導波管の軸線に略直交し前記ダミーロードの延出方向に略直交する方向に掛け渡された棒状体であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記反射体は、前記円筒導波管の軸線を含む平面に沿う板状体であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記マイクロ波供給装置から前記円筒導波管を通って前記ラジアル導波箱に伝搬されるマイクロ波は、ＴＭ０１モードであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記マイクロ波供給装置から前記円筒導波管を通って前記ラジアル導波箱に伝搬されるマイクロ波は、ＴＥ１１モードであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
7. 前記スロットアンテナは、放射型のアンテナであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
8. 前記スロットアンテナのスロットは、同心円状に配置されていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記スロットアンテナのスロットは、渦巻き状に配置されていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記スロットアンテナは、リーク型のアンテナであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
11. 前記スロットアンテナのスロットは、同心円状に配置されていることを特徴とする請求項の範囲第１０項に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記スロットアンテナのスロットは、渦巻き状に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記スロットアンテナのスロットは、多角形の周上に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記スロットアンテナのスロットは、放射線上に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記スロットアンテナと前記処理容器との間の周辺部に高周波を吸収する吸収材を配置したことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１４項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
16. 前記スロットアンテナは、誘電体からなる柱で支持されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１５項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
17. 前記ラジアル導波箱内部は、誘電体が充填されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１６項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
18. 前記ラジアル導波箱内部の外周縁部に高周波を吸収する吸収材を配置したことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１７項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
19. 有底筒状に形成され、その内部に被処理体を載置する載置台を有する処理容器と、
    この処理容器の上部開口を気密に覆う誘電体からなる蓋体と、
    マイクロ波を供給するマイクロ波供給装置と、
    一端側がこのマイクロ波供給装置に接続され、このマイクロ波供給装置から前記蓋体に向かって延在し、内部に導波空間を有する円筒導波管と、
    この円筒導波管の他端に接続され、この円筒導波管の他端から半径方向外方にフランジ状に拡張した後、前記蓋体に向かって下方へ側壁として延出し、その内部に導波空間を有するラジアル導波箱と、
    このラジアル導波箱の下端開口を覆い、複数のスロットを有し、前記蓋体に沿って配設されたスロットアンテナと、
    前記ラジアル導波箱内部において、前記スロットアンテナの前記円筒導波管の他端開口に対向する部分に、前記円筒導波管に向かって突出して設けられた導体からなる略円錐形のバンプと、
    前記マイクロ波供給装置と前記ラジアル導波箱との間の前記円筒導波管に設けられ、前記マイクロ波供給装置から供給されたマイクロ波を前記円筒導波管の軸線回りに回転させ円偏波として前記ラジアル導波箱へ送る円偏波変換器と、
    この円偏波変換器と前記ラジアル導波箱との間の前記円筒導波管の内周壁から半径方向内方に突出量調整可能に設けられた複数のスタブと、このスタブを半径方向に駆動するスタブ駆動装置とを有し、当該導波管内のインピーダンスを調整するチューナと、
    このチューナのスタブと前記円偏波変換器との間の前記円筒導波管の内側に設けられ、前記円筒導波管内のマイクロ波の電磁界強度を測定する検波器と、
    この検波器によって測定されたマイクロ波の電磁界強度を基に、前記チューナのスタブ駆動装置を駆動して前記スタブの半径方向位置を変化させてインピーダンスを調整し、前記ラジアル導波箱側から帰ってくるマイクロ波を前記ラジアル導波箱側に反射するように制御する制御装置と、
    を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
20. 前記スタブは、前記円筒導波管の内周面に周方向に等間隔に４個、軸方向に３個、計１２個設けられていることを特徴とする請求の範囲第１９項に記載のプラズマ処理装置。
21. 前記マイクロ波供給装置から前記円筒導波管を通って前記ラジアル導波箱に伝搬されるマイクロ波は、ＴＭ０１モードであることを特徴とする請求の範囲第１９項または第２０項に記載のプラズマ処理装置。
22. 前記マイクロ波供給装置から前記円筒導波管を通って前記ラジアル導波箱に伝搬されるマイクロ波は、ＴＥ１１モードであることを特徴とする請求の範囲第１９項または第２０項に記載のプラズマ処理装置。
23. 前記スロットアンテナは、放射型のアンテナであることを特徴とする請求の範囲第１９項ないし第２２項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
24. 前記スロットアンテナのスロットは、同心円状に配置されていることを特徴とする請求の範囲第２３項に記載のプラズマ処理装置。
25. 前記スロットアンテナのスロットは、渦巻き状に配置されていることを特徴とする請求の範囲第２３項に記載のプラズマ処理装置。
26. 前記スロットアンテナは、リーク型のアンテナであることを特徴とする請求の範囲第１９項ないし第２２項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
27. 前記スロットアンテナのスロットは、同心円状に配置されていることを特徴とする請求項の範囲第２６項に記載のプラズマ処理装置。
28. 前記スロットアンテナのスロットは、渦巻き状に配置されていることを特徴とする請求の範囲第２６項に記載のプラズマ処理装置。
29. 前記スロットアンテナのスロットは、多角形の周上に配置されていることを特徴とする請求の範囲第２６項に記載のプラズマ処理装置。
30. 前記スロットアンテナのスロットは、放射線上に配置されていることを特徴とする請求の範囲第２６項に記載のプラズマ処理装置。
31. 前記スロットアンテナと前記処理容器との間の周辺部に高周波を吸収する吸収材を配置したことを特徴とする請求の範囲第１９項ないし第３０項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
32. 前記スロットアンテナは、誘電体からなる柱で支持されていることを特徴とする請求の範囲第１９項ないし第３１項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
33. 前記ラジアル導波箱内部は、誘電体が充填されていることを特徴とする請求の範囲第１９項ないし第３２項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
34. 前記ラジアル導波箱内部の外周縁部に高周波を吸収する吸収材を配置したことを特徴とする請求の範囲第１９項ないし第３３項のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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