JP2006221852A - 誘導結合型プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 真空窓の外側の２以上の高周波アンテナに流れる高周波電流の比率を適切に制御し、プラズマ密度の不均一性を改善できる誘導結合型プラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】 この誘導結合型プラズマ発生装置は、プラズマ２６を生成して基板２１を処理するための真空容器１１、真空容器壁部に設けられる真空窓１２、真空窓の外側に配置される２以上のアンテナ部分から成る高周波アンテナ１３、高周波アンテナに高周波を供給する高周波電源１４、基板ホルダ２２を備える。さらに２以上のアンテナ部分は直列に接続された結線構造を有し、少なくとも１つのアンテナ部分に対して並列にコンデンサ３１Ａ，３１Ｂを接続する。コンデンサの容量値は、上記の２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率が最適に調整するように設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は誘導結合型プラズマ発生装置に関し、特に、電磁波エネルギを誘導結合によって供給して高密度プラズマを生成しかつ当該プラズマの均一性を改善し、化学的または物理的な作用に基づき対象物の表面処理を行うのに好適な誘導結合型プラズマ発生装置に関する。

プラズマを利用して表面処理を行うため、従来から、誘導結合型プラズマ発生装置が利用されている。この種のプラズマ発生装置の代表的な応用例としては、被処理基板の表面のエッチングを行う反応性イオンエッチング装置、被処理基板の表面に成膜を行う化学的気相成長（ＣＶＤ）装置、被処理基板の表面に酸化、窒化等の処理を行う新たな機能を与える表面処理装置等が知られている。いずれの応用においても誘導結合型プラズマ発生装置の基本的構造は共通している。

誘導結合型プラズマ発生装置を装着したプラズマ処理装置は、基本的に、プラズマ処理を行うための真空容器の例えば上壁に誘電体製の真空窓を設け、この真空窓の大気側に、真空容器内にプラズマを生成するためのアンテナが配置された構造を有する。このアンテナには電源から整合器を経由して高周波電流が供給される。かかるプラズマ処理装置が例えば反応性イオンエッチング装置に適用されると仮定する。このような反応性イオンエッチング装置では、真空容器の内部を所定の真空状態になるように減圧排気し、その後にプロセスガスを所定流量で導入し、さらにアンテナを介して高周波電力を供給すると、真空容器内で放電が生じ、プラズマが生成される。生成されたプラズマによって上記プロセスガスでは種々の電離、解離等の反応が起き、真空容器内に配置された基板の表面に対してエッチングや薄膜形成等の処理が行われる。

上記構造を有するプラズマ処理装置において、上記アンテナには、例えば、螺旋状の高周波アンテナ、リング状の高周波アンテナが提案されている。いずれのアンテナも、アンテナに高周波電流が流れると、真空容器内に振動磁場が誘起され、プラズマが励起・生成される。

ドライエッチングやプラズマＣＶＤ等のプラズマ処理装置では、被処理基板の表面の全面に渡って均一な処理を行うことが要求される。そのためには被処理基板の表面の全面でプラズマ密度が均一になることが必要である。被処理基板としては直径が２００〜３００ｍｍのシリコンウェハを想定すると、直径３５０〜４００ｍｍの範囲でプラズマ密度の不均一性を極小とすることが必要である。許容される不均一性の範囲は処理内容によって異なるが、一般的には±５％以内である。

プラズマ密度の分布については、上記螺旋状の高周波アンテナを用いた構成によれば、真空容器の中心部付近のプラズマ密度が周辺部のプラズマ密度よりも高くなる傾向がある（特許文献１の従来技術の説明の箇所）。またリング状の高周波アンテナを用いた構成によれば、プラズマ密度の分布は放電圧力に依存して変化する。数Ｐａ程度以下の圧力では真空容器の中心部付近のプラズマ密度が高くなり、１０Ｐａ程度以上の圧力ではアンテナ付近のプラズマ密度が高くなる傾向がある。さらに、一般的に、ガス種、ガス圧力、高周波電力（放電電力）、真空窓に対する基板電極の位置等のプロセス条件を変化させると、被処理基板の表面のプラズマ密度の均一性は変化する。このため、或る特定のプロセス条件に対しては、アンテナの形状を最適化することが必要とされた。さらには、磁石による静磁界の利用、螺旋状高周波アンテナの一部分を真空窓から機械的に引き離すこと等によるプラズマ密度分布の改善が試みられている。

上記において、一般的に、アンテナ形状を最適化する手法では均一性に優れたプラズママ密度分布が得られるプロセス条件の範囲が狭いという不具合がある。またアンテナの最適形状の決定は試行錯誤的に行う必要がある等の欠点がある。またアンテナ形状を機械的に制御する手法はアンテナ可動構造のために大掛かりな機構が必要となる。

上記の問題を解決するため、さらに従来では、真空窓の外側に２以上の複数の高周波アンテナを設け、これらの高周波アンテナのそれぞれに流れる高周波電流を制御することにより、真空容器内の隣接するプラズマ領域への高周波電力結合を制御してプラズマ密度の分布の均一化を図るという装置構成が提案されている。

さらに装置の製作コストを下げかつ小型化を図るため、１台の高周波電源から並列に接続した複数の高周波アンテナに高周波を供給し、アンテナに直列に固定容量または可変容量のコンデンサを接続し、当該コンデンサの容量値を適宜に調整することにより２以上の高周波アンテナに流れる高周波電流の比率を調整するという装置構成も提案されている（特許文献２）。
米国特許第５４０１３５０号公報 特表２００２−５１９８６１号公報

前述のごとく、アンテナに高周波電流が流れて真空容器内にプラズマを生成する場合、プラズマの密度が変化すると、プラズマと電磁的に結合するアンテナのインピーダンスが変化する。高周波電源からアンテナには高周波電力一定の条件で高周波電流が供給されているので、アンテナのインピーダンスが変化すると、アンテナに流れる高周波電流が変化する。

真空窓の外側に配置されるアンテナが内側と外側の２以上のアンテナである場合、これらのアンテナに流れる高周波電流により生成される誘導結合プラズマでは、それぞれのアンテナに流れる高周波電流の値が等しいとき、内側アンテナ直下のプラズマ密度がより大きくなる傾向がある。このため、従来、内側アンテナの高周波電流値を外側アンテナの高周波電流値よりも小さくして、プラズマの均一化を図ることが考えられている。

具体的に、従来では、１台の高周波電源から内側アンテナと外側アンテナに対して並列接続の構成に基づいて並列的に高周波電力を供給し、さらに内側アンテナと外側アンテナのそれぞれに対して直列に可変容量コンデンサを接続していた。この接続構成によれば、可変容量コンデンサを調整し、それにより内側アンテナと外側アンテナの各高周波電流値を独立に変化させる。その結果、内側アンテナと外側アンテナを流れる高周波電流の値の比率が変化し、各アンテナの直下に生成するプラズマの密度を変化させることができる。しかし、この構成においては、アンテナを流れる高周波電流値が変化することにより、誘導結合するプラズマの状態が変化し、それによって再びアンテナのインピーダンスが変化するといった不安定な循環が起きる。よって、従来の可変容量コンデンサを調整する方法は、プラズマ密度を均一化するには極めて困難な方法であった。さらに、内側アンテナと外側アンテナのそれぞれと結合されるプラズマは、プラズマ空間内で結合しているため、不安定の様態は複雑である。その結果、各アンテナを流れる電流の不均衡が増大したり、電流が振動したりする問題が生じていた。

本発明の目的は、上記の問題に鑑み、真空窓の外側に配置された内側アンテナおよび外側アンテナ等のごとき２以上のアンテナに対して１台の高周波電源から高周波電力を供給し、かつ高周波電流の経路を単一にすることによって電流の不安定な循環を抑制し、２以上のアンテナのそれぞれに流れる高周波電流の制御性を向上させ、かつ各アンテナの高周波電流値の変動を低減し、高周波電流の値の比率が安定した一定の状態に維持されるように適切に制御し、これにより被処理基板の表面のプラズマ密度の不均一性を改善することができる誘導結合型プラズマ発生装置を提供することにある。

本発明に係る誘導結合型プラズマ発生装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項１に対応）は、プラズマを内部で生成して基板を処理するための真空容器と、この真空容器の壁部に設けられる誘電体製の真空窓と、この真空窓の外側に配置される２以上のアンテナ部分から成る高周波アンテナと、この高周波アンテナに高周波を供給する高周波電源と、真空容器内で被処理基板を保持する基板ホルダとを備えている。上記の構成において、２以上のアンテナ部分は直列に接続された結線構造を有し、これらの２以上のアンテナ部分の少なくとも１つのアンテナ部分に対して並列にコンデンサを接続している。このコンデンサの容量値は、上記の２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率が最適に調整するように設定されている。

上記の構成を有する誘導結合型プラズマ発生装置では、高周波アンテナに所要の電力を供給して得られる高周波電流によって、真空窓を通して真空容器内に高周波、振動磁場を誘起し、そのエネルギを用いてプラズマを生成させる。このプラズマの生成において、高周波電源に対して直列に接続された２以上のアンテナ部分のそれぞれに流れる高周波電流を、各アンテナに並列に接続されたバイパス用コンデンサの容量値を適切に調整することにより調整する。このため、可変容量のコンデンサの容量値を調整して内側アンテナおよび外側アンテナを流れる高周波電流をそれぞれ独立に変化させることができる。その結果、それぞれのアンテナの直下に生成されるプラズマの密度を、互いに独立に変化させることができ、全体的なプラズマ密度の均一性を向上させることができる。さらに供給する高周波の電力を変化させた場合にも、各アンテナに流れる高周波電流の値の変化は相対的にほとんど等しく、その結果、各アンテナを流れる高周波電流値の比率の変化も小さく、安定して一定値に保持される。このように各アンテナを流れる高周波電流値の比率の変化を抑制し最適に保持することにより、真空容器内の中心部と周縁部とでプラズマの密度の分布の不均一性を小さくすることが可能となる。

第２の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、２以上のアンテナ部分は、一部が開いたループ状の１つまたは複数の内側アンテナと、一部が開いたループ状の１つまたは複数の外側アンテナであることで特徴づけられる。

第３の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記の２以上のアンテナ部分は、一部が欠如した略円形の内側アンテナと、一部が欠如した略円形の外側アンテナであり、内側アンテナと外側アンテナは同心円の位置関係で配置されることを特徴とする。この構成では、好ましくは、内側アンテナは、真空容器の中心部に対応して配置され、外側アンテナは内側アンテナの周囲に配置される。なお内側アンテナと外側アンテナの位置関係を同心円的位置関係以外にすることもできる。

第４の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、内側アンテナと外側アンテナは共に矩形であることを特徴とする。

第５の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、内側アンテナに流れる電流の方向と外側アンテナに流れる電流の方向とが逆方向になるように、内側アンテナと外側アンテナは接続されることを特徴とする。

第６の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは、内側アンテナに流れる電流の方向と前記外側アンテナに流れる電流の方向とが同じ方向になるように、内側アンテナと外側アンテナは接続されることを特徴とする。

第７の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、コンデンサは可変容量コンデンサであり、２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率を最適に調整するようにその容量値が設定されることを特徴とする。

第８の誘導結合型プラズマ発生装置（請求項８に対応）は、上記の構成において、好ましくは、コンデンサは、２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率を調整するように予めその容量値が決定された固定容量コンデンサであることを特徴とする。

本発明によれば、高周波アンテナを２以上の内外のアンテナ部分で構成し、かつ高周波電源に対して２以上のアンテナ部分を直列に接続し、かつ少なくとも１つのアンテナ部分に対して所望の容量値のコンデンサを並列に接続し、当該コンデンサの容量値を変えることにより高周波電流を変化させるようにしたため、２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率が変化せずほぼ一定値に維持されるように調整でき、さらに高周波電流の値の変動も小さく抑えられ、プラズマ状態の変動も小さく抑えられ、不安定な循環をなくし、誘導結合型プラズマ発生装置のプラズマ密度分布の不均一性を顕著に改善することができる。またプラズマ密度を均一化するための可変容量コンデンサの調整を非常に容易に行うことができる。さらに本発明によれば、従来方式では十分な均一性が得られなかったプロセス条件、または限定されたプロセス条件においてのみ実現可能であった表面処理、クリーニング、エッチング等のプロセスを、より優れたプラズマ均一性をもって実効することができ、工業的に有効である。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明による誘導結合型プラズマ発生装置の基本的アンテナ構成を有する第１実施形態を示し、基板を処理する真空容器１１を上側から見た図である。図２は真空容器１１の内部構造を示す縦断面図である。

図１および図２に示したプラズマ生成装置の構造は、真空容器１１の天井部１１ａに設置された真空窓１２の大気側に誘導結合型の高周波アンテナ１３を設置している。真空窓１２は誘電体で形成されている。高周波アンテナ１３に対しては、１台の高周波電源１４から整合回路１５を経由して高周波電力が供給されている。

図２に示すごとく、真空容器１１の内部には、被処理基板２１を配置するための基板ホルダ２２が設けられる。真空容器１１の内部には、ガス導入部２３を通して所定のプロセスガスが導入される。また真空容器１１の排気ポート２４には排気装置２５が接続されている。排気装置２５は、真空容器１１の内部を真空に保つため真空排気を行う。上記真空窓１２は、真空容器１１の天井部１１ａに設けられ、誘電体製の真空窓である。

上記高周波アンテナ１３は、その使用目的、動作方法は基本的に従来の装置と同じであるが、高周波アンテナの構造に特徴を有している。

この高周波アンテナ１３の構造によれば、図１に示すごとく、電流経路が２以上の部分（この実施形態では代表的に２つの部分１３Ａ，１３Ｂに分割されて形成されており、かつ、それぞれの電流経路１３Ａ，１３Ｂと並列に電流バイパス用の可変容量コンデンサ３１Ａ，３１Ｂが接続されており、さらに単独の高周波電源１４を用いて高周波アンテナ１３に高周波電力を供給している。高周波アンテナ１３の２つの電流経路部分１３Ａ，１３Ｂをそれぞれ内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂと呼ぶことにする。高周波電源１４に対して外側アンテナ１３Ｂと内側アンテナ１３Ａは直列に接続されている。なお、高周波アンテナ１３の電流経路の分割数は２に限定されず、２以上の任意の複数個に分割することが可能である。

図３に、高周波アンテナ１３の平面図と、当該高周波アンテナ１３に関連する高周波回路の部分のみを示す。図３に示した構造を有する高周波アンテナ１３は第１実施形態を示している。図３等に示すごとく、高周波アンテナ１３は、径の小さいの内側アンテナ１３Ａと、径の大きい外側アンテナ１３Ｂによって構成されている。内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂは、それぞれ、その一部を切断した形状を有しており、完全な円形となっていない。従って、内側アンテナ１３Ａは両端１３Ａ−１，１３Ａ−２を有し、外側アンテナ１３Ｂは両端１３Ｂ−１，１３Ｂ−２を有している。内側アンテナ１３Ａはこれらの両端の間に切欠き部（欠如部）１３Ａ−３を有し、外側アンテナ１３Ｂはこれらの両端の間に切欠き部（欠如部）１３Ｂ−３を有する。内側アンテナ１３Ａの切欠き部１３Ａ−３と外側アンテナ１３Ｂの切欠き部１３Ｂ−３の位置は、好ましくは、円周方向で実質的にほぼ同一位置である。内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂのいずれも真空窓１２の大気側に設置されている。

上記高周波アンテナ１３において、真空容器１１内にプラズマを生成するため高周波電源１４から与えられる高周波電力は、外側アンテナ１３Ｂの一端部１３Ｂ−１に供給される。外側アンテナ１３Ｂのもう一方の端部１３Ｂ−２は内側アンテナ１３Ａの一端部１３Ａ−１に接続されている。また、内側アンテナ１３Ａのもう一方の端部１３Ａ−２は接地部３２に接地されている。

図１に示した高周波アンテナ１３の構造および作用の特徴を図３を参照して説明する。図３に示すごとく、高周波回路の部分として、内側アンテナ１３Ａの両端１３Ａ−１，１３Ａ−２の間において内側アンテナ１３Ａに対して並列に内側アンテナ用の可変容量コンデンサ３１Ａが接続され、さらに外側アンテナ１３Ｂの両端１３Ｂ−１，１３Ｂ−２の間において外側アンテナ１３Ｂに並列に外側アンテナ用の可変容量コンデンサ３１Ｂが接続されている。

高周波電源１４によって発生された高周波電力は整合回路１５を通して外側アンテナ１３Ｂの一端部１３Ｂ−１に供給される。外側アンテナ１３Ｂの他の端部１３Ｂ−２は内側アンテナ１３Ａの一端部１３Ａ−１に接続され、さらに内側アンテナ１３Ａの他端部１３Ａ−２は接地部３２に接続されている。高周波電源１４から接地部３２に至る通電路において外側アンテナ１３Ｂと内側アンテナ１３Ａは直列に接続されている。

高周波電力の周波数として通常用いられる数０．１〜３０ＭＨｚの範囲の周波数においては、その波長は内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂの長さよりも充分に長い。また内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂとの間の浮遊容量は非常に小さく、接地電位にある真空容器１１との間の浮遊容量も小さい。従って、高周波電流の位相は内側アンテナ１３Ａおよび外側アンテナ１３Ｂにおいて同位相にあると考えてよいので、内側アンテナ１３Ａに流れる高周波電流Ａ１と外側アンテナ１３Ｂに流れる高周波電流Ａ２とは互いに逆方向となる。

ここで、上記の２つの可変容量コンデンサ３１Ａ，３１Ｂがない場合の高周波アンテナ１３の動作について考察する。

高周波電源１４から高周波アンテナ１３に供給される高周波電力は、外側アンテナ１３Ｂ、内側アンテナ１３Ａを経て接地部３２に流れる。このアンテナ構造によれば、高周波アンテナ１３と接地部３２との間の浮遊容量は小さいため電流経路としては高周波アンテナのみを考えればよい。電流経路となる内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂは直列に接続されているので、高周波アンテナ１３に流れる高周波電流の値は、アンテナのどの部分においてもほぼ同一である。従って真空容器１１内に誘起される高周波振動磁界の強度も、内側アンテナ１３Ａの直下と外側アンテナ１３Ｂの直下とで同一強度となる。このような高周波アンテナ１３を用いて真空容器１１内に誘導結合型プラズマを発生させると、プラズマの生成割合は内外の２つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂにおいて同一となる。

しかしながら、プラズマは高周波アンテナ１３の存在領域から遠ざかる方向に拡散して消滅するという現象を生じるため、生成と消滅のバランスで決定されるプラズマ密度は均一にはならない。比較的低いガス圧力での放電でプラズマを生成した場合、プラズマ密度は真空容器１１の中心軸付近が高く、周辺部に向かって低くなる分布を示す。この時の比較的低いガス圧力とは、プラズマ中の電子の平均自由行程が真空容器１１の代表的な寸法の１／１０程度以上になる圧力を意味する。

上記のようなプラズマ生成装置においてプラズマ密度の分布を改善するには、外側アンテナ１３Ｂの直下でのプラズマ生成割合を、内側アンテナ１３Ａの直下でのプラズマ生成割合よりも大きくする必要がある。この目的を達成するため、本実施形態では、バイパス用可変容量コンデンサの作用を用いて内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂに流れる高周波電流の比率を制御し、外側アンテナ１３Ｂに流れる高周波電流を内側アンテナ１３Ａに流れる高周波電流より大きくすることができるように構成されている。

図３において、外側アンテナ１３Ｂに流れる高周波電流を内側アンテナ１３Ａに流れる高周波電流より大きくするには、内側アンテナ１３Ａに並列に接続された可変容量コンデンサ３１Ａの容量を大きくし、可変容量コンデンサ３１Ａに流れる高周波電流を大きくする。この時、内側アンテナ１３Ａに流れる高周波電流の値は可変容量コンデンサ３１Ａにバイパスされた分だけ小さくなり、内側アンテナ１３Ａの直下のプラズマ生成割合も低下する。その結果として、プラズマ密度分布は真空容器１１の中心部に偏った分布形状からより均一性に優れた分布形状に変化する。

さらに詳述する。高周波アンテナ１３に高周波電力が供給されて高周波電流が流れると、誘電体製の真空窓１２を介して真空容器１１内に振動磁場が誘起され、プラズマ２６が生成される。高周波アンテナ１３による供給電力で真空容器１１内にプラズマ２６が生成されると、それによってプラズマと結合する外側アンテナ１３Ｂと内側アンテナ１３Ａのインピーダンスが変化する。高周波は、高周波電力一定の条件で高周波電源１４から供給されるので、高周波アンテナ１３のインピーダンスが変化することによって、高周波アンテナ１３に流れる高周波電流は変化する。

次に、内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂに流れる高周波電流が等しい場合には、内側アンテナ１３Ａの直下の誘導結合プラズマのプラズマ密度がより大きくなる傾向がある。このため、内側アンテナ１３Ａを流れる電流値を外側アンテナ１３Ｂを流れる電流値よりも小さくすることにより、プラズマ密度の均一化を図る。

本実施形態によれば、前述の構造としたので、代表的に可変容量コンデンサ３１Ａを調整して内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂのそれぞれに流れる高周波電流を変化させ、それぞれのアンテナ直下のプラズマ密度を変化させ、それぞれのアンテナインピーダンスが変化しても、それぞれのアンテナを流れる高周波電流値は相対的にはほとんど変化しない。従って、内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂにおける高周波電流の変動も従来の構造のものに比較して小さく抑えられ、結合するプラズマの状態の変動も小さく抑えられ、さらに、それによって再び高周波アンテナ１３のインピーダンスが変化するという不安定な循環もほとんど起こらない。これにより、プラズマ密度を均一化するための可変容量コンデンサ３１Ａの調整が非常に容易になった。

既に述べたように真空容器１１内でのプラズマの密度の分布はガス圧力によって変化する。しかし、可変容量コンデンサ３１Ａの容量を調整することによってプラズマ密度分布を最適形状に制御することができる。従って、同一の真空容器１１を用いて異なるガス圧力のプロセスを連続的に行う場合にも、それぞれのプロセスに対して最適化されたプラズマ密度の分布を実現することができる。

本実施形態では、さらに、外側アンテナ１３Ｂにもバイパス用可変容量コンデンサ３１Ｂを設置し、その容量を調整することができるように構成されている。これにより、外側アンテナ１３Ｂの電流を内側アンテナ１３Ａのそれよりも大きくすることができる。その結果、より広い放電圧力範囲においてプラズマ密度の分布を改善することができる。

なお内側アンテナ１３Ａのバイパス用可変容量コンデンサ３１Ａのみを設置した場合には、内側アンテナ１３Ａに流れる高周波電流の値は外側アンテナ１３Ｂのそれよりも常に小さいと値となる。

なお、プロセスを行うガス圧力が固定されている、または変化範囲が小さい場合には、可変容量コンデンサ３１Ａ，３１Ｂを半固定コンデンサまたは固定コンデンサに置き換えることができる。この構成によれば、装置調整を簡略化し、かつ装置コストを下げることができる。

またプロセスを行う際のガス圧力が比較的高い場合にも、ここに示した調整方法は有効である。この時の「比較的高いガス圧力」とは、プラズマ中の電子の平均自由行程が真空容器１１の代表的な寸法よりも十分短くなる圧力を意味する。この比較的高い圧力でプラズマ生成をする場合には、拡散によるプラズマのロスは主として気相中のガス分子との衝突によって決定される。このため、高周波アンテナ１３と真空容器１１の壁部との距離がプラズマ密度の分布に及ぼす影響は小さくなり、プラズマ生成部分の生成レートのバランスによってのみ決定される。

次に、上記実施形態と同様の効果を得ることのできる高周波アンテナ１３の他の実施形態を説明する。

図４は、本発明の第２実施形態を示し、第１実施形態の図３に対応する図である。第２実施形態では、高周波アンテナ１３において、内側アンテナ１３Ａのみにバイパス用可変コンデンサ３１Ａを設けた点に特徴がある。その他の構成は第１実施形態の構成と同じであり、図３中、上記実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。第２実施形態の構成によれば、比較的低いガス圧力を用いた場合のプラズマ密度分布の改善に有効である。

図５は、本発明の第３実施形態を示し、第１実施形態の図３に対応する図である。第３実施形態は第２実施形態の変形例である。第３実施形態では、電流（Ａ１，Ａ２）の方向が内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂとで同じ方向となるように結線されている。その他の構成は、第２実施形態の構成と同じである。第３実施形態の構成によれば、コンピュータシュミレーションに従えば、電流方向が同方向の場合の方が生成されるプラズマ密度が若干高くなる傾向があるが、プラズマ分布に関してはほぼ同等となる。第２実施形態の構造か、第３実施形態の構造かを選ぶことについては、アンテナの構造設計の容易性によって判断することが望ましい。

図６は本発明の第４実施形態を示し、図７は本発明の第５実施形態を示し、それぞれ上記の図３に対応する図である。第４および第５の実施形態は、共に、第２実施形態の変形例である。図６に示す第４実施形態、および図７に示す第５実施形態について、その特徴は、高周波電源１４から供給される高周波電力の供給点が内側アンテナ１３Ａの端部１３Ａ−２である点である。

さらに第４実施形態の場合には、内側アンテナ１３Ａの端部１３Ａ−１が外側アンテナ１３Ｂの端部１３Ｂ−２に接続され、内側アンテナ１３Ａに流れる電流Ａ１と外側アンテナ１３Ｂに流れる電流Ａ２が反対の方向を向いている。また第５実施形態の場合には、内側アンテナ１３Ａの端部１３Ａ−１が外側アンテナ１３Ｂの端部１３Ｂ−１に結線され、内側アンテナ１３Ａに流れる電流Ａ１と外側アンテナ１３Ｂに流れる電流Ａ２が同じ方向を向いている。その他の構成については、第２実施形態で説明した構成と同じである。高周波アンテナ１３において、内側アンテナ１３Ａと外側アンテナ１３Ｂのうちのどちらの側のアンテナ部分から高周波電流を供給しても、電流経路とそのインピーダンスは同じであるため、アンテナ電流は同一となる。従って、この場合も、どちらのアンテナ構造を選ぶかは、高周波アンテナの構造設計の容易性によって判断すればよい。

図８は本発明の第６実施形態を示し、図３に対応する図である。第６実施形態においては、ほぼ円形形状をした外側アンテナ１３Ｂをほぼ半周で分割して第１外側アンテナ１３Ｂ−Ｈ１と第２外側アンテナ１３Ｂ−Ｈ２とし、２つの外側アンテナの中間に内側アンテナ１３Ａを直列に接続しかつ内側アンテナ１３Ａの切欠き部（欠如部）１３Ａ−３に可変容量コンデンサ３１Ａを接続した構造を有している。従って高周波アンテナ１３自体で見てみると、３つの部分に分割されていることになる。その他の構成は上記の第２実施形態の構成と同じであり、同一要素には同一の符号を付している。この実施形態によれば、内側アンテナ１３Ａに流れる電流の方向Ａ１と、２つの外側アンテナのそれぞれに流れる電流の方向Ａ２とが反対になるように、内側アンテナ１３Ａと２つの外側アンテナ１３Ｂ−Ｈ１，１３Ｂ−Ｈ２との間に結線構造が形成される。第６実施形態のアンテナ構造を有する誘導結合型プラズマ発生装置でも上記の各実施形態と同じ作用効果を発揮する。

なお高周波アンテナ１３の分割数として、２分割と３分割のどちらの構造を選ぶかは、アンテナの構造設計の容易性によって判断することが望ましい。

図９は本発明の第７実施形態を示し、図３に対応する図である。第７実施形態は第６実施形態の変形例である。第７実施形態においても、外側アンテナ１３Ｂをほぼ半周で分割して第１外側アンテナ１３Ｂ−Ｈ１と第２外側アンテナ１３Ｂ−Ｈ２とし、２つの外側アンテナの中間に内側アンテナ１３Ａを直列に接続している。ただし、第６実施形態の結線構造に比較して、本実施形態によれば、内側アンテナ１３Ａに流れる電流の方向Ａ１と、２つの外側アンテナのそれぞれに流れる電流の方向とが同じになるように、内側アンテナ１３Ａと２つの外側アンテナ１３Ｂ−Ｈ１，１３Ｂ−Ｈ２のそれぞれとの間に結線構造が形成される。その他の構成は上記の第６実施形態等の構成と同じである。第７実施形態のアンテナ構造を有する誘導結合型プラズマ発生装置でも上記の各実施形態と同じ作用効果を発揮する。

本発明の特徴については、単一の高周波電源１４を用いた誘導結合型プラズマ発生装置において、さらに他の変形例を考えることができる。例えば、プラズマの面積をさらに大きくする場合には、高周波アンテナ１３における直列な接続構造の分割数をさらに増やすことができる。

図１０は第８実施形態を示し、前述した第１実施形態の図１に対応する図である。第８実施形態によれば、第１実施形態の構成において、外側アンテナ１３Ｂの外側にさらに径の大きなアンテナ１３Ｃを配置し、高周波アンテナ１３を三重にした構成例を示している。その他の構成は第１実施形態の構成と同じであり、実質的に同一要素には同一の符号を付している。３つのアンテナ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは直列に接続され、アンテナ１３Ａ、アンテナ１３Ｂのそれぞれにはバイパス用の可変容量コンデンサ３１Ａ，３１Ｂが接続されている。

本実施形態においても、可変容量コンデンサ３１Ａ，３１Ｂの容量を調整することによって均一性の優れた誘導結合型プラズマを生成することができる。また、可変容量コンデンサの個数、電流の方向、高周波電力の供給点等に関しては、前述した各種の変形例を適用することができる。

図１１は第９実施形態を示し、前述した第１実施形態の図１に対応する図である。第９実施形態によれば、第１実施形態の構成を基本とし、内側アンテナ１１３Ａと外側アンテナ１１３Ｂを共に矩形に形成し、さらにこの例では特に内側および外側の矩形のアンテナ１１３Ａ，１１３Ｂを一本のアンテナ線材を図示の形状に折り曲げるようにして形成している。矩形の内側アンテナ１１３Ａと外側アンテナ１１３Ｂは、好ましくは、対応する各辺が平行になる位置関係にて配置されている。なお内側アンテナ１１３Ａと外側アンテナ１１３Ｂにおける対応する各辺が平行になること必須ではなく、辺の位置関係は任意に変更することができる。バイパス用の可変容量コンデンサ３１Ａ，３１Ｂの接続構成等のその他の構成については第１実施形態等と同じである。なおこの実施形態では、真空容器１１および真空窓１２は、それぞれ、直方体および矩形板として形成されている。

本実施形態においても、可変容量コンデンサ３１Ａ，３１Ｂの容量を調整することによって均一性の優れた誘導結合型プラズマを生成することができる。また、可変容量コンデンサの個数、電流の方向、高周波電力の供給点等に関しては、前述した各種の変形例を適用することができる。

上記の各実施形態で説明した、内側アンテナと外側アンテナを用いた場合に考えられる高周波アンテナの構造例について、まとめて以下の表１に示す。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、基板を処理する真空容器内に均一性のよいプラズマを生成する高周波アンテナを用いたプラズマ源により、表面処理、クリーニング、エッチング等の基板処理プロセスに利用される。

本発明に係る誘導結合型プラズマ発生装置の基本的アンテナ構成を有する第１実施形態を示す外観斜視図である。 第１実施形態に係る真空容器の内部構造を示す縦断面図である。 第１実施形態における高周波アンテナの平面図である。 本発明の第２実施形態における高周波アンテナの平面図である。 本発明の第３実施形態における高周波アンテナの平面図である。 本発明の第４実施形態における高周波アンテナの平面図である。 本発明の第５実施形態における高周波アンテナの平面図である。 本発明の第６実施形態における高周波アンテナの平面図である。 本発明の第７実施形態における高周波アンテナの平面図である。 本発明に係る誘導結合型プラズマ発生装置の第８実施形態を示す外観斜視図である。 本発明に係る誘導結合型プラズマ発生装置の第９実施形態を示す外観斜視図である。

符号の説明

１１ 真空容器
１２ 真空窓
１３ 高周波アンテナ
１３Ａ 内側アンテナ
１３Ｂ 外側アンテナ
１３Ｃ アンテナ
１４ 高周波電源
１５ 整合回路
２１ 被処理基板
２２ 基板ホルダ
２５ 排気装置
２６ プラズマ

Claims (8)

1. 真空容器と、この真空容器の壁部に設けられる真空窓と、この真空窓の外側に配置される２以上のアンテナ部分から成る高周波アンテナと、この高周波アンテナに高周波を供給する高周波電源と、前記真空容器内で被処理基板を保持する基板ホルダとを備える誘導結合型プラズマ発生装置において、
   前記２以上のアンテナ部分は直列に接続され、
   前記２以上のアンテナ部分の少なくとも１つのアンテナ部分に対して並列にコンデンサを接続し、
   前記コンデンサの容量値を、前記２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率を調整するように設定した、
   ことを特徴とする誘導結合型プラズマ発生装置。
2. 前記２以上のアンテナ部分は、一部が開いたループ状の１つまたは複数の内側アンテナと、一部が開いたループ状の１つまたは複数の外側アンテナであることを特徴とする請求項１記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
3. 前記内側アンテナと前記外側アンテナは共に略円形であり、前記内側アンテナと前記外側アンテナは同心円の位置関係で配置されることを特徴とする請求項２記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
4. 前記内側アンテナと前記外側アンテナは共に矩形であることを特徴とする請求項２記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
5. 前記内側アンテナに流れる電流の方向と前記外側アンテナに流れる電流の方向とが逆方向になるように、前記内側アンテナと前記外側アンテナは接続されることを特徴とする請求項２記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
6. 前記内側アンテナに流れる電流の方向と前記外側アンテナに流れる電流の方向とが同じ方向になるように、前記内側アンテナと前記外側アンテナは接続されることを特徴とする請求項２記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
7. 前記コンデンサは可変容量コンデンサであり、前記２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率を調整するようにその容量値が設定されることを特徴とする請求項１記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
8. 前記コンデンサは、前記２以上のアンテナ部分に流れる高周波電流の比率を調整するように予めその容量値が決定された固定容量コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の誘導結合型プラズマ発生装置。
   

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