JP2007059403A - マイクロ波共鳴プラズマ発生装置、該装置を備えるプラズマ処理システム、及びプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマの生成効率が高いだけではなく、構造が簡単で製造コストが削減できるマイクロ波共鳴プラズマ発生装置、該装置を備えるプラズマ処理システム、及びプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法を提供する。
【解決手段】マイクロ波共鳴プラズマの発生装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部１０２と、マイクロ波発生部１０２にて発生されたマイクロ波エネルギーを用いて、高エネルギー電子及び光子を生成するプラズマ生成部１０５と、を含み、プラズマ生成部１０５は、マイクロ波発生部１０２と隣接して設置された内部電極１０７、マイクロ波発生部１０２と結合され、内部電極１０７より短い長さを有し、内部電極１０７の一部を同軸で取り囲む外部電極１１０、及び内部電極１０７と外部電極１１０との間に配置され、内部電極１０７と外部電極１１０との間を絶縁する誘電体管１０８を備える同軸ウェーブガイド１０６を含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、プラズマ発生装置に関し、より詳しくは、基板から薄膜をエッチングして除去するか基板に薄膜を蒸着する半導体基板の処理工程に使われるマイクロ波共鳴プラズマ発生装置、該装置を備えるプラズマ処理システム、及びプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法に関する。

最近、高速のマイクロプロセッサ及び高記録密度のメモリーへの要求が高まっており、一つの半導体チップ上に多くの素子が搭載できる超大規模の集積回路（Ｕｌｔｒａ−Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ−Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ；ＵＬＳＩ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）の研究が盛んに進められている。こうした次世代ＵＬＳＩ回路は、製造の際に０．１μｍ以下の設計基準を有する３０ｃｍウエハの処理を要求するため、５０ｍＴｏｒｒ以下の低圧で４０ｃｍ以上の大直径及び１０^１１ｃｍ^−３以上の高密度プラズマを必要とする。特に、フラットパネルディスプレイ（Ｆｌａｔ ｐａｎｅｌ ｄｉｓｐｌａｙ）及びソーラーセル（Ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌｓ）のような巨大電子装置は少なくとも直径１ｍの大きいプラズマを必要とする。

しかし、こうしたＵＬＳＩ回路の技術を実現するためには、半導体チップの製造工程時に、高性能の蒸着及び／又はエッチング装置が求められる。こうした蒸着及び／又はエッチング装置としては、プラズマエッチャー（Ｐｌａｓｍａ ｅｔｃｈｅｒ）、プラズマスパッタリングシステム（Ｐｌａｓｍａ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）、プラズマ化学気相蒸着システム（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ＰＥＣＶＤ ｓｙｓｔｅｍ）などが良く知られている。

図１は、プラズマエッチャー、プラズマスパッタリングシステム、又はＰＥＣＶＤシステムに使われるマイクロ波共鳴（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）現象を用いる電子サイクロトロン共鳴（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）プラズマ処理装置１０を示す。

該ＥＣＲプラズマ処理装置１０は、マグネトロン１１、ウェーブガイド（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）１３、ホーン（ｈｏｒｎ）アンテナ１４、共鳴チャネル１５、及び電磁石１６を備える。

ウェーブガイド１３は、マグネトロン１１にて発生したマイクロ波をホーンアンテナ１４に伝播し、ホーンアンテナ１４は、ウェーブガイド１３を介して伝わったマイクロ波を、共鳴チャネル１５の内部にて共振モードを形成することができるように共鳴チャネル１５の内部へ伝播する。

電磁石１６は、共鳴チャネル１５の外周に配置され、マイクロ波の伝播方向と平行した方向、即ちＺ方向に磁場を形成する。

共鳴チャネル１５の内部へ移動したマイクロ波は、電磁石１６によって共鳴チャネル１５内に生成された磁場を中心にジャイロモーション（Ｇｙｒｏ−ｍｏｔｉｏｎ）を行う電子にエネルギーを伝達する。エネルギーを得た電子は、共鳴チャネル１５内のガスと衝突し、ガスをイオン化させることでプラズマを生成する。

こうしたＥＣＲプラズマ発生装置１０は、２．４５ＧＨｚの高周波数を有するマイクロ波を用いて、低い圧力で高密度のプラズマが得られる長所があるが、８７５Ｇａｕｓｓの磁場を要するので、相当の電力を消費する電磁石１６が必要になる。しかも、プラズマの均一性が良くない。

また、装置１０の効率を極大化するためには最適なＥＣＲの条件を設計する必要があるため、工程条件選択の自由度が落ちる。

また、マグネトロン１１にて発生したマイクロ波を共鳴チャネル１５へ伝播するためには、ウェーブガイド１３、ホーンアンテナ１４、電磁石１５などの複数の部品を使う必要があるため、装置１０の構造が複雑でサイズが大きくなるだけではなく、製造コストが上昇する問題点がある。

こうした問題を解決するために、図２に示すように、複数のスロットが内側面に形成された環状のウェーブガイド５３を使う表面波励起（ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｖｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）マイクロ波プラズマ処理装置５０が提案された。該装置５０は特許文献５に開示されている。

該マイクロ波プラズマ処理装置５０は、マグネトロンのようなマイクロ波発生部（図示せず）、ウェーブガイド５３、及びプラズマ発生チャンバー５１を備える。

図３及び図５に示すように、マイクロ波発生部にて発生したマイクロ波７３はウェーブガイド５３内に伝播され、分配ブロック７１によって左右に分配され、自由空間より長い管内の波長として伝播される。

マイクロ波７３はマイクロ波の管内波長の１／２または１／４の間隔に提供されるスロット７２及び誘電体５２を介して漏れ波７５としてプラズマ発生チャンバー５１内に伝播される。漏れ波７５は、スロット７２の付近でプラズマ７７を発生させる。

また、誘電体５２の表面に垂直である直線に対してブリュースター（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ）角以上の角度で入射したマイクロ波は、誘電体５２の表面で全反射され、誘電体５２の内部を表面波７６として伝播する。プラズマ７７’は表面波７６の濡れ電場によっても発生される。

ガス注入管６５を介して工程チャンバー６１内に供給されたガスは、発生されたプラズマ７７によって励起され、励起されたガスは基板ホルダー６３上に配置された基板６２の表面を処理する。

このような従来のマイクロ波プラズマ処理装置５０は、ＥＣＲプラズマ発生装置１０に比べ、装置のサイズ及び製造コストが上がる電磁石などを使わない、比較的簡単な構成でありながらも高密度のプラズマが得られる長所がある。

しかし、従来のマイクロ波プラズマ処理装置５０は、マイクロ波発生部においてマイクロ波７３が環状のウェーブガイド５３に沿ってスロット７２を介してプラズマ発生チャンバー５１の内部へ伝播されるため、波の減衰特性によりスロット７２の位置に応じてプラズマ発生チャンバー５１の内部へ伝播されるマイクロ波の勢いが異なる。そのため、プラズマが均一に形成できず、プラズマの生成効率が相対的に低い問題点がある。

従って、装置のサイズ及び製造コストを増加させることのない比較的簡単な構造でありながらもプラズマの生成効率が高いマイクロ波プラズマ処理装置が求められている。
韓国特許出願公開第２００１−０９１２５０号明細書 特開昭６１−２８４０３３号公報 特開２００４−０５５６１４号公報 米国特許第６１７５１８３号明細書 米国特許第５４８７８７５号明細書

本発明は上記の問題点を解決するために提出されたもので、本発明の目的は、プラズマの生成効率が高いだけではなく、構造が簡単で製造コストも削減できるマイクロ波共鳴プラズマ発生装置、該装置を備えるプラズマ処理システム、及びプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法を提供することにある。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、マイクロ波を発生するアンテナを備えるマイクロ波発生部と、マイクロ波発生部にて発生されたマイクロ波エネルギーを用いて、高エネルギー電子及び光子を生成するプラズマ生成部と、を含み、プラズマ生成部は、アンテナと隣接して設置された内部電極、マイクロ波発生部に結合され、内部電極より短い長さを有し、内部電極の一部を同軸で取り囲む外部電極、及び内部電極と外部電極との間に配置され、内部電極と外部電極との間を絶縁する誘電体管を備える同軸ウェーブガイドを含むことを特徴とする。

マイクロ波発生部は、マグネトロンからなる。特に、マグネトロンは、約２．４５ＧＨｚの周波数において約１ＫＷ以下の電力で稼動され、水のような熱交換物質を循環させることによって冷却されることが好ましい。

外部電極は、少なくともマイクロ波発生部から離れている端部の先端が、前記誘電体管にしっかりと接触するように固定される。特に、外部電極は、マイクロ波発生部から離れている端部が一定の角度に傾き先端が鋭いエッジを有する切頭円錐状、全体が誘電体管と密着された一の字円筒状、マイクロ波発生部から離れている端部が垂直に折り曲げられ先端が誘電体管と接触された円筒状、及び全体が一定の角度にテーパーされマイクロ波発生部から離れている端部の先端が誘電体管と接触された切頭円錐状に形成することができる。

また、外部電極は、少なくともマイクロ波発生部から離れている端部の先端が、次の式を満たすように決められた内径（Ｄ）を有することが好ましい。
Ｄ＜１．８４１×ｃ／πｆ
ここで、ｃは光の速度、ｆはマイクロ波の周波数。

選択的に、本発明のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、マイクロ波発生部と同軸ウェーブガイドとの間に配置され、マイクロ波を効率的に伝播するためにインピーダンス整合する共振部を更に含むことができる。

共振部は、マイクロ波発生部に結合され、同軸ウェーブガイドの内部電極の一部を収容して密閉する共振キャビディを含むことができる。

この時、内部電極は、一端部が閉鎖した第１円筒管と、第１円筒管の内部に配置された第２円筒管と、及び流体ソースから第２円筒管及び第１円筒管と第２円筒管との間の空間を循環する流体からなる。流体は、水のような熱交換物質からなることが好ましい。

また、共振キャビティに収容された内部電極の一部は、インピーダンス整合を通じて最大のマイクロ波が伝達されるようにループ状に形成されたことが好ましい。

本発明の他の実施形態に係るプラズマ処理システムは、基板を固定する基板ホルダーを備える工程チャンバーと、工程チャンバー内にガスを供給する第１ガス供給部と、工程チャンバーの外側に固定され、マイクロ波を発生するアンテナを備えるマイクロ波発生部、及び工程チャンバーに設置され、前記マイクロ波発生部にて発生されたマイクロ波エネルギーを用いて、高エネルギーの電子及び光子を生成するプラズマ生成部を備える少なくとも一つのプラズマ発生装置と、を含み、プラズマ生成部は、アンテナと隣接して設置され、工程チャンバーの内部へ伸びている内部電極、マイクロ波発生部と結合され、内部電極より短い長さを有し、工程チャンバー内で内部電極の一部を同軸で取り囲む外部電極、及び内部電極と外部電極との間に配置され、内部電極と外部電極との間を絶縁する誘電体管を備える同軸ウェーブガイドを含むことを特徴とする。

工程チャンバーの内部圧力（ｐ）は、０．００１≦ｐ≦２Ｔｏｒｒの範囲を有するように調節される。

マイクロ波発生部は、マグネトロンからなる。特に、マグネトロンは、約２．４５ＧＨｚの周波数において約１ＫＷ以下の電力で稼動され、水のような熱交換物質を循環させることによって冷却されることが好ましい。

外部電極は、少なくとも工程チャンバーの内部へ伸びている外部電極の端部の先端が誘電体管にしっかりと接触される。特に、外部電極は、工程チャンバー内に位置した端部が一定の角度に傾き先端が鋭いエッジを有する切頭円錐状、全体が誘電体管と密着された一の字円筒状、工程チャンバー内に位置した端部が垂直に折り曲げられ先端が誘電体管と接触された円筒状、及び全体が一定の角度にテーパーされ工程チャンバー内に位置した端部の先端が誘電体管と接触された切頭円錐状に形成することができる。

また、外部電極は、少なくとも工程チャンバーの内部へ伸びている外部電極の端部の先端が、次の式を満たすように決められた内径（Ｄ）を有することが好ましい。
Ｄ＜１．８４１×ｃ／πｆ
ここで、ｃは光の速度、ｆはマイクロ波の周波数である。

選択的に、マイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、マイクロ波発生部と同軸ウェーブガイドとの間に配置され、マイクロ波を効率的に伝達するためにインピーダンス整合する共振部を更に含むことができる。

共振部は、工程チャンバーの外側でマイクロ波発生部に結合され、同軸ウェーブガイドの内部電極の一部を収容して密閉する共振キャビディからなる。

この時、内部電極は、工程チャンバーの内部へ伸びている端部が閉鎖した第１円筒管と、第１円筒管の内部に配置された第２円筒管と、及び流体ソースから第２円筒管及び第１円筒管と第２円筒管との間の空間を循環する流体からなる。流体は、水のような熱交換物質からなることが好ましい。

また、共振キャビティに収容された内部電極の一部は、インピーダンス整合によって最大のマイクロ波が伝達されるようにループ状に形成されることが好ましい。

本発明のプラズマ処理システムは、工程チャンバーに工程ガスを追加供給する第２ガス供給部を更に含むことができる。

実施形態において、マイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、縦に配置された一つ以上のプラズマ発生装置からなる。選択的に、マイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、横に配置された一つ以上のプラズマ発生装置からなることもできる。

また、本発明のプラズマ処理システムは、基板ホルダーにバイアス電圧が印加されるプラズマエッチャーであることがある。選択的に、本発明のプラズマ処理システムは、基板ホルダーの下側に配置され、一定のバイアス電圧が印加されるスパッタターゲットを更に含むプラズマスパッタリングシステム、又は基板ホルダーにバイアス電圧が印加されないプラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）システムであることがある。

本発明に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置、該装置を備えるプラズマ処理システム、及びプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法は、「同軸ウェーブガイドの切断電極」の原理と「ラングミュアの共鳴現象」とを用いる電磁波吸収及び電子加速共鳴メカニズムを有する内部電極と外部電極とを備えた簡単な構造の同軸ウェーブガイドを使うため、プラズマを効率的に発生させるたげではなく、サイズの大きいウェーブガイド、ホーンアンテナ及び電磁石を使う従来のＥＣＲ装置に比べ、構造が簡単で製造コストも削減できる。

また、本発明に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置を備えるプラズマ処理システムは、処理する対象物の形態、サイズ及び数に応じてプラズマ発生装置の数を増減したり配置を変更することができるため、プラズマ密度及びその分布が制御しやすく、様々な形態とサイズを有するプラズマ処理システムに自由自在に適用することができる。

また、本発明に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置を備えるプラズマ処理システムは、多様な工程ガスを用いて０．００１≦ｐ≦２Ｔｏｒｒ、好ましくは０．０１≦ｐ≦０．１Ｔｏｒｒの広い圧力範囲内で使うことができるため、多様な工程ガスと圧力範囲を必要とするプラズマ処理システムに適用することができる。

以下、添付した図面に基づいて本発明の好適な実施形態を詳述する。

（実施形態１）
図６は、本発明の第一実施形態に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置を備えるプラズマ処理システム１００を概略的に示す。

本発明の第一実施形態のプラズマ処理システム１００は、イオン化された高密度のプラズマと反応性中性粒子又はラジカル（ｒａｄｉｃａｌ）を用いて、基板１８５に塗布されたフォトレジストなどのような薄膜を気化又は灰化して除去することで、基板１８５上に選択的なエッチングパターンを形成するプラズマエッチャーである。

図６によると、第１実施形態のプラズマ処理システム１００は、工程チャンバー１７０、プラズマ発生装置１０１、及び第１ガス供給部１２０を備える。

工程チャンバー１７０にはプラズマ発生装置１０１によって生成されたプラズマが供給される。

工程チャンバー１７０の内部中央には、エッチングされるフォトレジストなどのような薄膜が塗布された基板１８５を固定する基板ホルダー１８０が配置されている。該基板ホルダー１８０は加熱／冷却回路（図示せず）によって加熱又は冷却されるブロックからなる。

基板ホルダー１８０には、バイアス電圧制御部１９８の制御によって第１パワーサプライ１９９から一定のバイアス電圧が印加される。

プラズマ発生装置１０１は、マイクロ波発生部１０２とプラズマ生成部１０５とを備える。

マイクロ波発生部１０２は、マイクロ波を発生するアンテナ１０４を供えるマグネトロン１０３からなる。マグネトロン１０３は、工程チャンバー１７０の上部壁の上方に設置される。

マグネトロン１０３は、例えば、約２．４５ＧＨｚの周波数において、第２パワーサプライ１４０から供給される約１ＫＷ以下の電力で稼動される普通に購入可能な一般マグネトロンを使うことができる。

また、マグネトロン１０３は、安定した駆動と、寿命を増加させるために、水のような熱交換流体を循環させる熱交換管を備える循環冷却装置（図示せず）によって冷却されるように構成することができる。

プラズマ生成部１０５は、工程チャンバー１７０の上部壁１１６に設置される。該プラズマ生成部１０５は、マグネトロン１０３にて発生されたマイクロ波を、高エネルギー電子と光子を生成するプラズマに転換し、転換された高エネルギーの電子及び光子を後述する第１ガス供給部１２０を介して工程チャンバー１７０内に供給されるガスに衝突させ、電子とイオンからなるプラズマを工程チャンバー１７０の全体領域にわたって生成する。

プラズマ生成部１０５は、内部電極１０７、外部電極１１０、及び誘電体管１０８を備える同軸ウェーブガイド１０６からなる。

内部電極１０７は、伝導性のある棒状の金属からなり、第１端部１０７ａは工程チャンバーの内部へ伸びており、第２端部１０７ｂはマグネトロン１０３のアンテナ１０４と一定の間隙を置いて設置される。

誘電体管１０８は円筒状であり、ガスケット１１４と外部電極１１０の第２端部１１０ｂの先端１１０ｃに保持され、内部電極１０７を所定間隔を隔てて取り囲む。ガスケット１１４は誘電体管１０８を保持するだけではなく、誘電体管１０８と外部電極１１０との間を密封し、工程チャンバー１７０を後述する所定の内部圧力（ｐ）で維持する役割を担う。

誘電体管１０８は内部電極１０７と外部電極１１０との間を絶縁するように、石英（Ｑｕａｒｔｚ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化アルミニウム（ＡｌＣ）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような非導電性物質で形成される。

外部電極１１０は円筒状の伝導性のある金属からなる。外部電極１１０の第１端部１１０ａはマグネトロン１０３に接続して接地されており、第２端部１１０ｂは工程チャンバー１７０の上部壁１１６の保持ホール１１６ａを介して工程チャンバー１７０の内部に突出し、誘電体管１０８及び内部電極１０７を同軸で取り囲む。

また、外部電極１１０は、マグネトロン１０３から伝播されたマイクロ波が「同軸ウェーブガイドの切断電極（ｃｕｔ ｏｒ ｔｒｕｎｃａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｏｆ ｃｏａｘｉａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）」の原理によりプラズマが形成できるようにするため、内部電極１０７より短い長さを有する。ここで、「同軸ウェーブガイドの切断電極」の原理とは、長さが異なる２つの電極を備える同軸ウェーブガイドがマイクロ波放射（Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）を伝播する際、短い電極は長さの長い電極に従って十分高い密度のプラズマ層を形成し、導体のような役割を担いつつ切断された電極を復元しようとする現象を意味する。

工程チャンバー１７０内に位置した外部電極１１０の第２端部１１０ｂは、先端１１０ｃが誘電体管１０８の接触表面１０８ａにしっかりと接触するように固定される。特に、外部電極１１０の第２端部１１０ｂは、図７に示すように、一定の角度に傾いた形態、例えばマイクロ波の伝播が先端１１０ｃまで順調に伝わりつつプラズマの放電が円滑に行われるように、先端１１０ｃの鋭いエッジを有する切頭円錐状で形成されることが好ましい。

選択的に、図９Ａないし図９Ｃに示すように、外部電極１１０’、１１０’’、１１０’’’は、全体が誘電体管１０８と密着した一の字円筒状１１０’、工程チャンバー１７０内に位置した第２端部１１０ｂ’が垂直に折り曲げられ先端１１０ｃ’が誘電体管１０８と接触した円筒状１１０’’、又は全体が一定の角度にテーパーされ第２端部１１０ｂ’’の先端１１０ｃ’’が誘電体管１０８と接触した切頭円錐状１１０’’’に形成することができる。

また、工程チャンバー１７０の内部へ伸びている外部電極１１０の第２端部１１０ｂの先端１１０ｃは、次の式（１）を満たすように決められた内径（Ｄ）を有することが好ましい。
Ｄ＜１．８４１×ｃ／πｆ （１）
ここで、数値１．８４１は、円筒状のウェーブガイド内において伝播するマイクロ波の特性を示すベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）関数（Ｊｎ）の一次微分（Ｊ’（ｎ））におけるＪ_１’（Ｘ_１１）＝０の解（Ｘ_１１）であり（この値は、文献「Ｃｌａｓｓｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｂｙ Ｊａｃｋｓｏｎ Ｄ．Ｊａｃｋｓｏｎ，２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ，３５６ｐ， Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ」に開示されている）、ｃは光の速度、ｆはマイクロ波の周波数である。

従って、マグネトロン１０２のマイクロ波の周波数（ｆ）が、例えば２．４５ＧＨｚ（２．４５×１０^９Ｈｚ）の時、ｃは約３×１０^１０ｃｍ／ｓｅｃであるので、内径（Ｄ）は約７．１７ｃｍ以下になることが好ましい。

上記のように外部電極１１０の第２端部１１０ｂの先端１１０ｃの内径（Ｄ）を上式（１）に基づいて決定する理由は、内径（Ｄ）が上式（１）を満たさないと、外部電極１１０を内部電極１０７より短く形成したとしても、マグネトロン１０３から伝播されたマイクロ波が、「同軸ウェーブガイドの切断電極」の原理によってプラズマ層を形成せず、外部電極１１０より長く延長された第１端部１０７ａを介して工程チャンバー１７０の内部へ流れてしまうからである。

逆に、内径（Ｄ）が上式（１）を満たすと、下記の詳細説明のように、マグネトロン１０３から伝播されたマイクロ波が、第２端部１１０ｂの先端１１０ｃと接触する誘電体管１０８の接触表面１０８ａにて反射され、反射されたマイクロ波は誘電体管１０８の接触表面１０８ａにて強いパルス型の電場を形成し、その結果、誘電体管１０８の接触表面１０８ａにてプラズマ放電が発生し、「同軸ウェーブガイドの切断電極」の原理によって誘電体管１０８の表面に沿って十分高密度のプラズマ層が形成される。

プラズマ生成部１０５によってプラズマが形成される電磁波吸収及び電子加速共鳴メカニズムについて下記に詳述する。

図７に示すように、マグネトロン１０３から外部電極１１０の第２端部１１０ｂを介して誘電体管１０８の表面付近に伝播されるマイクロ波放射は、「同軸ウェーブガイドの切断電極原理」によって臨界密度より高い密度を有する１次プラズマ層１１２を生成する。１次プラズマ層１１２は、高エネルギーの電子及び紫外線（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ：ＵＶ）放射を発生するソースとして作用する。

つまり、誘電体管１０８に沿って伝播されるマイクロ波は、第２端部１１０ｂの先端１１０ｃと接触して金属−誘電体接触点（Ｍｅｔａｌ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ）の役割を担う誘電体管１０８の接触表面１０８ａに集束され、局所的に強いパルス型の電場を形成しつつプラズマの放電を発生し、過臨界プラズマを発生する。金属管と誘電体管の接触表面に集中マイクロ波ビーム又はフレアー（ｆｌａｒｅ）が照射される時、真空で過臨界プラズマが生成される現象は、文献「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｗａｖｅｓ ａｎｄ ｑｕａｓｉｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｉｎ ｐｌａｓｍａｓ．Ｅｄ．ｂｙ Ｌ．Ｍ．Ｋｏｖｉｒｚｈｎｙｋｈ，Ｔｒｕｄｙ ＩＯＦＡＮ，ｖ．１６，Ｍｏｓｃｏｗ：Ｎａｕｋａ，１９８８，１６６ｐ」に詳細が記載されている。

外部電極１１０と誘電体管１０８が相互接触する地点の付近に発生する過臨界プラズマは、誘電体管１０８に沿って伝播され１次プラズマ層１１２を形成する。こうしたプラズマの拡張メカニズムは、表面に沿って伝播する電磁波によって維持され、文献「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｓ ｂｙ Ｃａｒｌｏｓ Ｍ．Ｆｅｒｒｅｉｓ ａｎｄ Ｍｉｃｈｅｌ Ｍｏｉｓａｎ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ，１９９３」に開示されている従来の「サーファトロン（ｓｕｒｆａｔｒｏｎ）」プラズマの発生装置とほぼ同一である。

続いて、１次プラズマ層１１２は、高エネルギー電子及びＵＶ放射を発生するソースとして作用し、工程チャンバー１７０内部に更に大きい容積を有するイオン化された媒体を生成する。

この時、マイクロ波は誘電体管１０８の表面に接した１次プラズマ層１１２の電子密度の勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ）と同一方向の電場成分を有し、共鳴現象を通してマイクロ波エネルギーを電子及び光子エネルギーに効率よく転換する時に有利に作用する。

同軸ウェーブガイド１０６は、電子プラズマの周波数（ω_ｐ）がプラズマに入射するマイクロ波放射の角周波数（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（ω）と一致し、マイクロ波の電場成分が１次プラズマ層の電子密度の勾配と平行した条件で発生する「ラングミュアの共鳴（Ｌａｎｇｍｕｉｒ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）」効果によって動作される。図８に示すように、共鳴を発生する共鳴層１１４の周りの狭い共鳴領域において、マイクロ波放射は効率よく吸収され、マイクロ波エネルギーはプラズマの電子及び高ＵＶ放射のエネルギーに転換される。プラズマの電子及びＵＶ放射は、周りのガス領域へ放出されガス媒体をイオン化し、これにより、初期の１次プラズマ層１１２の容積を実質的に超過する容積の、低エネルギー電子を有する２次プラズマ層１１３が生成される。このように、ウェーブガイド１０６の１次作用は、マイクロ波と直接的に相互作用する共鳴領域を含む、小容積の過臨界プラズマの１次プラズマ層１１２を生成することである。該１次プラズマ層１１２は、マイクロ波を吸収する領域をはるかに超過する容積で、低エネルギーの電子からなる２次プラズマ層１１３を生成する高エネルギー電子及び光子などの流動ソースになる。

１次プラズマ層１１２は、誘電体管１０８の表面の周りで１〜２ｃｍの厚さを有する領域内に集中され、後述する臨界プラズマ密度（ｎ_ｅｃｒ）より高いプラズマ密度（ｎ_ｅ）を有する高密度プラズマ（ｎ_ｅ＞ｎ_ｅｃｒ）から構成され、２次プラズマ層１１３は、ほぼ工程チャンバー１７０の容積全体を占め、臨界プラズマ密度（ｎ_ｅｃｒ）より低いプラズマ密度（ｎ_ｅ）を有する低密度（ｎ_ｅ＜ｎ_ｅｃｒ）プラズマから構成される。２次プラズマ層１１３の期待密度（ｎ_ｅ）は１０^１１ｃｍ^−３である。

図１０は、プラズマ生成部１０５の同軸ウェーブガイド１０６によって工程チャンバー１７０内で発生するプラズマ密度 （ｎ_ｅ）及びマイクロ波の電場（Ｅ_ｍｉｃ）について、誘電体管１０８の長さ方向に対して垂直方向に、誘電体管１０８の表面からの距離（Ｚ）に応じて示したプラズマ密度曲線（ｎ）とマイクロ波の電場曲線（Ｅ）を示す。

同図に示すように、プラズマ密度（ｎ_ｅ）は、誘電体管１０８の表面からの距離（Ｚ）に応じて減少し、最大プラズマ密度（ｎ_ｍａｘ）が形成される地点（０）から一定の距離（Ｚ_ｃｒ）において、次の式（２）で示すことができる臨界プラズマ密度（ｎ_ｅｃｒ）になる。
ｎ_ｅｃｒ＝ｍ（ω^２＋γ_ｅｆｆ ^２）／４πｅ^２ （２）
ここで、ｍは電子質量、γ_ｅｆｆは有効電子‐中性粒子衝突周波数（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｎｅｕｔｒａｌ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）である。

また、マイクロ波電場（Ｅ_ｍｉｃ）は、臨界プラズマ密度（ｎ_ｅｃｒ）が形成される地点において急増する現象が表れる。こうした現象は、有効電子‐中性粒子衝突周波数（γ_ｅｆｆ）がマイクロ波の角周波数（ω）より低い条件（γ_ｅｆｆ＜ω ）で著しく表れる。つまり、γ_ｅｆｆ＜ωの条件を満たす極めて低い圧力条件では、電子のプラズマ周波数（ω_ｐ）がマイクロ波の角周波数（ω）と同一になる条件で強い共鳴現象が発生する。

工程チャンバー１７０内のガスは、過臨界プラズマ層、即ち１次プラズマ層１１２において電磁波と不均一の過臨界プラズマとの強い非線形的な相互作用によって増幅された電場により、高エネルギーを得た超熱電子（ｓｕｐｅｒ−ｔｈｅｒｍａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）と衝突してイオン化が促進される。また、高エネルギーの電子が誘電体管１０８の表面と衝突して急速に減速する時、電子の運動エネルギーは強いＵＶとして放出され、該ＵＶはガスをイオン化させるのに用いられる。こうした電磁波と不均一の過臨界プラズマとの強い非線形相互作用のための条件中の一つは、電場成分が電子密度の勾配と平行した成分を有することである。本発明はウェーブガイド１０６において、外部電極１１０は誘電体管１０８の外側に隣接して位置され、放電は誘電体管１０８の外側から始まる。該放電は、表面波の主成分が縦向きの電場成分であるため、主に磁気的横波（ｔｒｎａｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ：ＴＭ波）を励起する。これは表面電磁波の電場が、常に内部電極１０７を取り囲む誘電体管１０８の付近に形成された放射状の不均一なプラズマ層を横切る成分を有することを意味する。

上記の条件において、狭い１次プラズマ層１１２内の共鳴領域で電磁波の電場は増幅され、これによりガスと衝突してイオン化させ、強いＵＶを放出する超熱電子が生成される。１次プラズマ層１１２の電子エネルギー分布関数（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＥＥＤＦ）と電子エネルギーとの間の相関関係を示す図１１のグラフのように、電子エネルギー分布に共鳴現象により超熱電子が生成される超熱テール（ｓｕｐｅｒ−ｔｈｅｒｍａｌ ｔａｉｌ）が発生することが分かる。

要約すると、本発明のプラズマ生成部１０５の同軸ウェーブガイド１０６は、（１）切断された外部電極１１０と誘電体管１０８との接点付近において過臨界プラズマが生成され、（２）過臨界プラズマが表面電磁波により維持されつつ誘電体管１０８に沿って伝播していくことで、内部電極１０７を取り囲む誘電体管１０８に沿って１次プラズマ層１１２が形成され、（３）それと同時に、表面電磁波が１次プラズマ層１１２によって発生された過臨界プラズマと非線形相互作用し、（４）１次プラズマ層１１２から超熱電子及びＵＶ放射が放出され、工程チャンバー１７０内のガスをイオン化させることで、工程チャンバー１７０の全領域にわたって電子とイオンから成る２次プラズマ層１１３が形成される。

このように、本発明のプラズマ生成部１０５は、プラズマ共鳴領域でのマイクロ波と発生したプラズマとの非線形相互作用、及びそれに後続するマイクロ波エネルギーの高エネルギー電子及び光子への転換を含む２つの概念に基づいて設計される。この時、高エネルギー電子及び光子エネルギーは、工程チャンバー１７０内において広い圧力範囲にわたってガス媒体を照射（ｉｒｒａｄｉａｔｉｎｇ）し、比較的に均等質であり、プラズマの密度が十分高い２次プラズマ層１１３を生成する。

以上、本発明のプラズマ発生装置１０１が、工程チャンバー１７０の上部壁１１６に垂直方向で１個設置された場合について説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、図１３に示すように、複数又は大面積の基板を処理するためのプラズマ処理システム１００’の場合は複数のプラズマ発生装置、例えば３つのプラズマ発生装置１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが垂直及び一定角度をなして設置されるように構成することができ、図１４に示すように、フラットパネルディスプレイ用のプラズマ処理システム１００’’の場合は、複数のプラズマ発生装置１０１ａ’、１０１ｂ’が１つ又はその以上の基板上で互いにジグザグ式で水平平面又は他の平面に設置されるように構成することができる。

また、図６によると、第１ガス供給部１２０は、プラズマ生成部１０５の同軸ウェーブガイド１０６によってイオン化されるガスを、工程チャンバー１７０の内部へ供給し、工程チャンバー１７０の側壁１１７の上部一側に配置されている。

第１ガス供給部１２０は、下部へガスを噴射する噴射開口１２７を備える円筒状１２６に構成された第１ガス注入部１２５を備える。

第１ガス注入部１２５は、第１連結管１２３を介して第１ガスソース１２１と結合されている。第１ガスソース１２１は、Ａｒ、ＣＦ_４、Ｏ_２、ＳｉＨ_４、ＳＦ_６、Ｃｌ_２又はＨＢｒのような工程ガスを保存する。
本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理システム１００は、工程効率を向上させるためにガスを工程チャンバー１７０の内部へ追加供給する第２ガス供給部１９０を更に含むことができる。

第２ガス供給部１９０は、工程チャンバー１７０の側壁１１７の下部一側に配置され、ガスを工程チャンバー１７０の内部へ供給する第２ガス注入部１９７を備える。

第２ガス注入部１９７は、第２連結管１９６を介して第２ガスソース１９５と結合されている。第２ガスソース１９５は第１ガスソース１２１と同じく、Ａｒ、ＣＦ_４、Ｏ_２、ＳｉＨ_４、ＳＦ_６、Ｃｌ_２又はＨＢｒのような工程ガスを保存する。

このように、ガスが供給される工程チャンバー１７０の内部圧力（ｐ）は、０．００１≦ｐ≦２Ｔｏｒｒ、好ましくは０．０１≦ｐ≦０．１Ｔｏｒｒの範囲で維持されることが良い。

より詳細には、内部圧力（ｐ）の上限は、前記の本発明に係る電磁波吸収及び電子加速の共鳴メカニズムをこれ以上適用できない時の圧力値と制限される。つまり、上述の誘電体管１０８の接触表面１０８ａが集中マイクロ波により照射される時、真空で過臨界プラズマが生成される現象に関する理論によると、有効電子‐中性粒子の衝突周波数（γ_ｅｆｆ）は、ガス媒体から過臨界プラズマの１次プラズマ層１１２を形成するための主要媒介変数であって、「ラングミュアの共鳴現象」が起こるようにするためには、次の式（３）の放電条件を満たさなければならない。
γ_ｅｆｆ／ω＜１ （３）
ここで、ωはプラズマに入射するマイクロ波放射の角周波数である。

従って、内部圧力（ｐ）の上限は近似的にγ_ｅｆｆ／ω＝１の条件より決定することができる。つまり、γ_ｅｆｆ／ω＝１において、有効電子‐中性粒子の衝突周波数（Ｖ_ｅｆｆ）が、約５×１０^９ｐ（ｐは圧力に表示される）に近似され（文献「Ｐｈｙｓｃｉｃｓ ｏｆ ｇａｓ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ， ｂｙ Ｙｕ． Ｐ． Ｒａｉｚｅｒ， Ｍｏｓｃｏｗ：Ｎａｕｋａ， １９８７， ５９２ｐ」に開示されている）、円周端数（ω）は約１０^１０ｓ^−１であるので、最大ガス圧力（ｐ_ｍａｘ）は約２Ｔｏｒｒになる。

また、内部圧力（ｐ）の下限は、電子及び光子のイオン化平均自由行程がチャンバーの容積と一致する圧力値と制限される。この最小圧力（ｐ_ｍｉｎ）は略０．００１Ｔｏｒｒと推定される。

以上、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理システム１００は、基板１８５上に選択的なエッチングパターンを形成するプラズマエッチャーを挙げて説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではない。

例えば、図１５に示すように、本発明のプラズマ処理システムは、同一の構成と原理により基板に薄膜を蒸着するプラズマスパッタリングシステム１００’’’に形成することもできる。この場合、同図に示すように、プラズマスパッタリングシステム１００’’’は、バイアス電圧制御部１９８’の制御により第１パワーサプライ１９９’から一定のバイアス電圧が印加されるスパッタターゲット１８６を更に含む。基板１８５’は基板ホルダー１８０’に固定され、スパッタターゲット１８６の上側に位置する。基板ホルダー１８０’は、スパッタターゲット１８６でスパッタされた物質を基板１８５’に均一に蒸着するために、固定軸（図示せず）を中心に回転する。また、基板ホルダー１８０’は、プラズマ生成部１０５にて生成されるプラズマがスパッタターゲット１８６まで誘導されるように円形開口１８０ａ’を備える。第２ガス注入部１９７の上側には基板１８５’付近のガス圧力を制御する水平バッフル１９３が配置されている。

また、他の例として、本発明のプラズマ処理システムは、図６に示したプラズマ処理ステムに１００において、第１パワーサプライ１９９、及び基板ホルダー１８０にバイアス電圧を印加するバイアス電圧制御部１９８を削除したＰＥＣＶＤシステムにも構成することができる。

以上の説明のように、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理システム１００は、「同軸ウェーブガイドの切断電極」の原理と「ラングミュアの共鳴現象」を用いる電磁波吸収及び電子加速の共鳴メカニズムに基づいて構成されるため、高密度のプラズマを効率よく形成することができる。つまり、図１２に示すように、本発明の第１実施形態のプラズマ処理システム１００において、工程チャンバー１７０の内部圧力（ｐ）を０．０１≦ｐ≦１Ｔｏｒｒの範囲に維持し、Ａｒガス、またはＡｒとフレオンを８対２の比率で含む混合ガスを使い、約２．４５ＧＨｚの周波数のマグネトロン１０２を８００Ｗの電力で稼動した状態で、同軸ウェーブガイド１０６から５ｃｍ離れた距離でマイクロ波干渉観測機（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定した実験によると、プラズマ密度は０．０３≦ｐ≦１Ｔｏｒｒの内部圧力（ｐ）において一定値以上になることが分かる。

特に、プラズマ密度は、Ａｒガスの場合、０．０３Ｔｏｒｒ（３０ｍＴｏｒｒ）から０．１Ｔｏｒｒ（１００ｍＴｏｒｒ）の間の低圧で１×１０^１１ｃｍ^−３以上の良好な値を示し、Ａｒ及びフレオンを含む混合ガスの場合、０．０３Ｔｏｒｒ（３０ｍＴｏｒｒ）から０．０７５Ｔｏｒｒ（７５ｍＴｏｒｒ）の間の低圧で１×１０^１１ｃｍ^−３以上の良好な値を示している。

また、本発明の第１実施形態のプラズマ処理システム１００は、内部電極１０７と外部電極１１０とを備える簡単な構造の同軸ウェーブガイド１０６を使うため、体積の大きいウェーブガイド１３、ホーンアンテナ１４及び電磁石１６を使う従来のＥＣＲプラズマ発生装置１０に比べ、構造が簡単で、製造コストも削減することができる。

また、本発明の第１実施形態のプラズマ処理システム１００は、処理する対象物の形態、サイズもしくは数に応じてプラズマ発生装置１０１の数を増減したり配置を変えることができるため、プラズマ密度及びその分布が制御しやすいだけではなく、多様な形態とサイズを有するプラズマ処理システムに自由自在に適用することができる。

また、本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理システム１００は、多様なガスから成る複合ガスに対し０．００１≦ｐ≦２Ｔｏｒｒ、好ましくは０．０１≦ｐ≦０．１Ｔｏｒｒの範囲の広い内部圧力（Ｐ）で使うことができるため、様々な工程ガスと圧力範囲を必要とする多様なプラズマ処理システムに適用することができる。

このように構成された本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理システム１００の動作について、図６ないし図８に基づいて説明すると次の通りである。

まず、工程ガスが、第１ガスソース１２１から第１ガス注入部１２５を介して、０．００１≦ｐ≦２Ｔｏｒｒ、好ましくは０．０１≦ｐ≦０．１Ｔｏｒｒの内部圧力（ｐ）で維持された工程チャンバー１７０へ供給される。

工程チャンバー１７０へ供給されたガスは、例えば約２．４５ＧＨｚの周波数において約１ｋＷ以下の電力で稼動されるマグネトロン１０３から同軸ウェーブガイド１０６に印加されたマイクロ波エネルギーによって発生する高エネルギー電子及びＵＶ放射と衝突してイオン化され、その結果、電子とイオンから構成されたプラズマが発生する。

工程チャンバー１７０内部には約１０^１１ｃｍ^−３の密度のプラズマが形成され、工程チャンバー１７０の基板ホルダー１８０に固定された基板１８５と反応する。

また、工程ガスは第２ガスソース１９５から第２ガス注入口１９７を介して工程チャンバー１７０に供給することができる。その結果、プラズマは工程ガスと衝突し、方向性有り又は方向性無しのエッチングイオン又は原子になる。従って、工程チャンバー１７０内において、プラズマチャネル１１０の中心から下側に配置される基板１８５のフォトレジストなどのような薄膜は、エッチングイオン又は原子によって気化又は炭化してエッチングされる。

（第２実施形態）
図１６は、本発明の好適な第２実施形態に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置を備えるプラズマ処理システム２００を概略的に示す。

本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理システム２００は、第１実施形態と同じく、基板１８５上に選択的なエッチングパターンを形成するプラズマエッチャーである。

同図によると、プラズマ処理システム２００は、工程チャンバー１７０、プラズマ発生装置２０１、及び第１ガス供給部１２０を備える。

工程チャンバー１７０の内部にはプラズマ発生装置２０１によってプラズマが形成される。工程チャンバー１７０は、第１実施形態のプラズマ処理システム１００と同じく、０．００１≦ｐ≦２Ｔｏｒｒ、好ましくは０．０１≦ｐ≦０．１Ｔｏｒｒの内部圧力（ｐ）で維持される。

工程チャンバー１７０の内部中央にはエッチングされるフォトレジストなどのような薄膜が塗布された基板１８５を固定する基板ホルダー１８０が配置されている。

基板ホルダー１８０は加熱／冷却回路（図示せず）によって加熱又は冷却される金属ブロックからなる。

基板ホルダー１８０にはバイアス電圧制御部１９８の制御により第１パワーサプライ１９９から一定のバイアス電圧が印加される。

プラズマ発生装置２０１は、マイクロ波発生部１０２、共振部２４０、及びプラズマ生成部２０５を備える。共振部２４０とプラズマ生成部２０５を除いたマイクロ波発生部１０２の構成は、第１実施形態のプラズマ処理システム１００のプラズマ発生装置１０１と同一であるので、詳細説明は省略する。

図１６に示すように、共振部２４０は、工程チャンバー１７０の上部壁１１６の上側に、マイクロ波発生部１０２のマグネトロン１０３とプラズマ生成部２０５との間に配置された直六面体又は正六面体の形の共振キャビディ２４１から構成される。

共振キャビティ２４１は、マグネトロン１０３にて発生されたマイクロ波エネルギーがインピーダンス整合をとって最も効率よくプラズマ生成部２０５に伝達できるようにし、またマグネトロン１０３がプラズマ生成部２０５から反射されるマイクロ波放射によって加熱又は損傷することを防止する作用をする。

共振キャビディ２４１の一側壁２４２には、マイクロ波の発生源としてアンテナ１０４を備えるマグネトロン１０３が、マイクロ波を共振キャビディ２４１の内部に発振するように設置される。一側壁２４２は、接地されたマグネトロン１０２と等電位を図るようにマグネトロンのケースと電気的に接続されている。

共振キャビディ２４１の下部壁２４３にはプラズマ生成部２０５が結合されている。プラズマ生成部２０５は、外部電極２１０、誘電体管２０８及び内部電極２０７を備える同軸ウェーブガイド２０６から構成される。

同軸ウェーブガイド２０６の外部電極２１０は、円筒状の伝導性のある金属で形成される。外部電極２１０の第１端部２１０ａは、共振キャビティ２４１の下部壁２４３に等電位を図るように接続され、第２端部２１０ｂは、工程チャンバー１７０の上部壁１１６の保持ホール１１６ａを介して工程チャンバー１７０の内部へ突出し、内部電極２０７及び誘電体管２０８を同軸で取り囲んでいる。

外部電極２１０は、マグネトロン１０３から伝播されたマイクロ波が「同軸ウェーブガイドの切断電極」の原理によってプラズマを形成することができるようにするため内部電極２０７より短い長さを有する。

工程チャンバー１７０内に位置した外部電極２１０の第２端部２１０ｂは、先端２１０ｃが誘電体管２０８の接触表面にしっかりと接触するように固定される。特に、外部電極２１０の第２端部２１０ｂは、一定の角度に傾いた形態、例えば鋭いエッジを有する切頭円錐状で形成されることが好ましい。

選択的に、外部電極２１０は、図９Ａないし図９Ｃに基づいて説明した第１実施形態の外部電極１１０の一の字円筒状１１０’、円筒状１１０’’、又は切頭円錐状１１０’’’と同様の形態に形成することができる。

また、工程チャンバ１７０の内部へ伸びている外部電極２１０の第２端部２１０ｂの先端２１０ｃは、第１実施形態の外部電極１１０と同じく、式（１）を満たすように決められた内径（Ｄ）を有する。

誘電体管２０８は、一端部２０８ａが外部電極２１０の第２端部２１０ｂの内部において第２端部２１０ｂの先端２１０ｃと接続されると同時に、ガスケット２０９によって第２端部２１０ｂに固定及び保持される。ガスケット２０９は誘電体管２０８を固定及び保持する役割の以外に、外部電極２１０の第２端部２１０ｂと誘電体管２０８との間を密封して工程チャンバー１７０を所定の内部圧力（ｐ）で維持する役割を担う。

誘電体管２０８は、内部電極２０７と外部電極２１０との間を絶縁するように、石英、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化アルミニウム（ＡｌＣ）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような非導電性物質から構成される。

ここで、誘電体管２０８の一端部２０８ａは、ガスケット２０９まで延長されているように示されているが、共振キャビディ２４１の下部壁２４３まで延長されるように構成することもできる。

内部電極２０７は、流体ソース２８５から共振キャビティ２４１を介して外部電極２１０及び誘電体管２０８と一定間隔を隔てて工程チャンバー１７０の内部へ伸びている。

共振キャビティ２４１に位置した内部電極２０７の部分２０７ａは、インピーダンス整合によって最大のマイクロ波エネルギーが伝達されるようにループ状で形成される。

また、内部電極２０７の部分２０７ａは、下部壁２４３の第１貫通ホール２４３ａとは絶縁体なしで直接接続され、第２貫通ホール２４３ｂとは絶縁体２４５を介して保持されている。従って、マイクロ波は内部電極２０７によって同軸ウェーブガイド２０６に誘導される。

また、内部電極２０７は過熱されることを防止するために熱交換物質によって冷却できるような構造に形成されている。

つまり、内部電極２０７は、伝導性のある金属からなる外部円筒管２７１と内部円筒管２７５とを備える。

外部円筒管２７１は、工程チャンバー１７０の内部へ伸びている第１端部２７１ａ、及び流体ソース２８５に結合された第２端部２７１ｂを備える。第１端部２７１ａは先端が閉鎖しており、第２端部２７１ｂは先端が開放されている。

内部円筒管２７５は、外部円筒管２７１と一定間隔を隔てて外部円筒管２７１の内部に配置され、外部円筒管２７１と同じく、工程チャンバー１７０の内部へ伸びている第１端部２７５ａ、及び流体ソース２８５に結合された第２端部２７５ｂを備える。第１端部２７５ａと第２端部２７５ｂは、両方とも先端が開放されている。

内部円筒管２７５と内部及び外部円筒管２７５、２７１の間の空間には、流体ソース２８５から供給される流体２８０が埋め込まれている。流体２８０は、流体ソース２８５のポンプ（図示せず）により、内部円筒管１７５を介して外部円筒管２７１と内部円筒管２７５との間の空間に矢印方向（図１６）に向かって循環される。この時、流体２８０は、水のような熱交換物質からなることが好ましい。

第１ガス供給部１２０は、プラズマ生成部２０５の同軸ウェーブガイド２０６によりイオン化されるガスを、工程チャンバー１７０の内部へ供給するものであって、工程チャンバー１７０の側壁１１７の上部一側に配置されている。第１ガス供給部１２０の構成は、第１実施形態のプラズマ処理システム１００の第１ガス供給部と同一である。

本発明の第２実施形態のプラズマ処理システム２００は、工程効率を上げるために、工程ガスを工程チャンバー１７０の内部へ追加供給する第２ガス供給部１９０を更に含むことができる。第２ガス供給部１９０の構成も、第１実施形態のプラズマ処理システム１００の第２ガス供給部と同一であるので、詳細説明は省略する。

前記のように構成された第２実施形態に係るプラズマ処理システム２００は、第１実施形態のプラズマ処理システム１００よりマグネトロン１０２とプラズマ生成部２０５の同軸ウェーブガイド２０６を最適状態にカップリングする共振部２４０を更に備えることから、同一条件での第１実施形態のプラズマ処理システム１００より更に高いプラズマの生成効率が得られ、安定した駆動が可能である。

以上、本発明に係る第２実施形態のプラズマ処理システム２００は、プラズマ発生装置２０５が、工程チャンバー１７０の上部壁１１６に垂直方向で１個設置されたことを挙げて説明したが、図１３及び図１４に基づいて説明した第１実施形態のプラズマ処理システム１００’、１００’’のように、複数又は大面積の基板を処理するためのプラズマ処理システム（図示せず）の場合は、複数のプラズマ発生装置（図示せず）が垂直及び一定角度をなして設置されるように構成することができ、また、フラットパネルディスプレイ用のプラズマ処理システム（図示せず）の場合は、複数のプラズマ発生装置（図示せず）が１つ又はその以上の基板上で互いにジグザグ式で水平平面又は他の平面に設置されるように構成することができる。

また、本発明の第２実施形態のプラズマ処理システム２００は、基板１８５上に選択的なエッチングパターンを形成するプラズマエッチャーを挙げて説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、図１５に基づいて説明した第１実施形態のプラズマスパッタリングシステム１００’’’と同様の構成と原理を用いて基板に薄膜を蒸着するプラズマスパッタリングシステム（図示せず）、又はＰＥＣＶＤシステム（図示せず）にも構成することができる。

このように構成された本発明に係る第２実施形態のプラズマ処理システム２００の動作は、マグネトロン１０３にて発生したマイクロ波エネルギーが共振キャビティ２４１においてインピーダンス整合によって最も効率よく内部電極２０７と外部電極２１０へ伝播され、内部電極２０７が流体ソース２８５のポンプによって内部円筒管２７５及び内部円筒管２７５と外部円筒管２７１の間の空間に循環される流体２８０により冷却されることを除いては、図６に基づいて説明した第１実施形態のプラズマ処理システム１００の動作と実質的に同一であるので、詳細説明は省略する。

以上、図面に基づいて本発明の好適な実施形態を図示及び説明してきたが本発明の保護範囲は、前述の実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物にまで及ぶものである。

本発明に係るマイクロ波共鳴プラズマの発生装置、該装置を備えるプラズマ処理システム、及びプラズマ処理システムの共鳴プラズマの発生方法は、基板から薄膜をエッチングして除去するか基板に薄膜を蒸着する半導体基板の処理工程に適用され、プラズマの生成効率が上げられるだけではなく、処理システムの構造が簡単になり、製造コストも削減できる。

従来のプラズマ処理装置の概略的な断面図である。 従来の他のプラズマ処理装置の概略的な断面図である。 図２に示したプラズマ処理装置のプラズマ発生メカニズムを示す部分断面図である。 図２に示したプラズマ処理装置のウェーブガイドの概略的な斜視図である。 図４に示したプラズマ処理装置のウェーブガイドの概略的な平面図である。 本発明の第１実施形態に係るマイクロ波共鳴プラズマの発生装置を備えるプラズマエッチャーの概略的な断面図である。 図６に示したプラズマエッチャーのマイクロ波共鳴プラズマ発生装置のプラズマ生成部の断面図である。 図７に示したプラズマ生成部の動作を説明する部分断面図である。 図７に示したプラズマ生成部の外部電極の変形例を示す断面図である。 図７に示したプラズマ生成部の外部電極の変形例を示す断面図である。 図７に示したプラズマ生成部の外部電極の変形例を示す断面図である。 図７に示したプラズマ生成部の同軸ウェーブガイドによって工程チャンバー内において発生するプラズマ密度（ｎ_ｅ）及びマイクロ波電場（Ｅ_ｍｉｃ）と、誘電体管の表面からの距離（Ｚ）との間の相関関係を示すグラフである。 図７に示したプラズマ生成部の同軸ウェーブガイドに発生する１次プラズマ層において、電子エネルギー分布関数（ＥＥＤＦ）と電子エネルギー（Ｅ_ｅｎｅ）との間の相関関係を示すグラフである。 図６に示したプラズマエッチャーにて測定したプラズマ密度と工程チャンバーの内部圧力との間の相関関係を示すグラフである。 図６に示したプラズマエッチャーの変形例を示す部分断面図である。 図６に示したプラズマエッチャーの変形例を示す部分断面図である。 本発明の第１実施形態に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置を備えたプラズマスパッタリングシステムの概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態に係るマイクロ波共鳴プラズマ発生装置を備えたプラズマスパッタリングシステムの概略的な断面図である。

符号の説明

１００、１００’、１００’’、１００’’’、２００ プラズマ処理システム
１０１、２０１ プラズマ発生装置
１０２ マイクロ波発生部
１０３ マグネトロン
１０５、２０５ プラズマ生成部
１０６、２０６ 同軸ウェーブガイド
１０７、２０７ 内部電極
１０８、２０８ 誘電体管
１１０、２１０ 外部電極
１１２、１１３ プラズマ層
１２０、１９０ ガス供給部
１７０ 工程チャンバー
１８０ 基板ホルダー
１８５ 基板
２４０ 共振部
２４１ 共振キャビティ
２７１、２７５ 円筒管
２８０ 流体

Claims (38)

1. マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
   前記マイクロ波発生部にて発生されたマイクロ波エネルギーを用いて、高エネルギー電子及び光子を生成するプラズマ生成部と、を含み、
   前記プラズマ生成部は、前記マイクロ波発生部と隣接して設置された内部電極、前記マイクロ波発生部に結合され、前記内部電極より短い長さを有し、前記内部電極の一部を同軸で取り囲む外部電極、及び前記内部電極と前記外部電極との間に配置され、前記内部電極と前記外部電極との間を絶縁する誘電体管を備える同軸ウェーブガイドを含むことを特徴とするマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
2. 前記マイクロ波発生部は、マグネトロンを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
3. 前記マグネトロンは、約２．４５ＧＨｚの周波数において１ＫＷ以下の電力で稼動されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
4. 前記マグネトロンは、熱交換物質を循環させることによって冷却されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
5. 前記マイクロ波発生部は、前記内部電極と隣接して配置され、マイクロ波を伝播するアンテナを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
6. 前記外部電極は、少なくとも前記マイクロ波発生部から離れている端部の先端が、前記誘電体管にしっかりと接触されたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
7. 前記外部電極は、前記端部が一定の角度に傾き前記先端が鋭いエッジを有する切頭円錐状、全体が前記誘電体管と密着された一の字円筒状、前記端部が垂直に折り曲げられ前記先端が前記誘電体管と接触された円筒状、及び全体が一定の角度にテーパーされ前記端部の先端が前記誘電体管と接触された切頭円錐状のうちいずれか一つに形成されたことを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
8. 前記外部電極は、少なくとも前記マイクロ波発生部から離れている端部の先端が、次の式を満たすように決められた内径（Ｄ）を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
   Ｄ＜１．８４１×ｃ／πｆ
   ここで、ｃは光の速度、ｆはマイクロ波の周波数である。
9. 前記マイクロ波発生部と前記プラズマ生成部の前記ウェーブガイドとの間に配置され、マイクロ波をインピーダンス整合する共振部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
10. 前記共振部は、前記マイクロ波発生部に結合され、前記同軸ウェーブガイドの前記内部電極の一部を収容して密閉する共振キャビディを含むことを特徴とする請求項９に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
11. 前記内部電極は、
    一端部が閉鎖した第１円筒管と、
    第１円筒管の内部に配置された第２円筒管と、
    流体ソースから前記第２円筒管及び前記第１円筒管と前記第２円筒管との間の空間を循環する流体と、を含むことを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
12. 前記流体は、熱交換物質を含むことを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
13. 前記共振キャビティに収容された前記内部電極の前記一部は、インピーダンス整合を通じて最大のマイクロ波が伝達されるようにループ状に形成されたことを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ波共鳴プラズマ発生装置。
14. 基板を固定する基板ホルダーを備える工程チャンバーと、
    前記工程チャンバー内にガスを供給する第１ガス供給部と、
    前記工程チャンバーの外側に固定され、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部、及び前記工程チャンバーに設置され、前記マイクロ波発生部にて発生されたマイクロ波エネルギーを用いて、高エネルギーの電子及び光子を生成するプラズマ生成部を備える少なくとも一つのマイクロ波共鳴プラズマ発生装置と、を含み、
    前記プラズマ生成部は、前記マイクロ波発生部と隣接して設置され、前記工程チャンバーの内部へ伸びている内部電極、前記マイクロ波発生部と結合され、前記内部電極より短い長さを有し、前記工程チャンバー内で前記内部電極の一部を同軸で取り囲む外部電極、及び前記内部電極と前記外部電極との間に配置され、前記内部電極と前記外部電極との間を絶縁する誘電体管を備える同軸ウェーブガイドを含むことを特徴とするプラズマ処理システム。
15. 前記工程チャンバーの内部圧力（ｐ）は、０．００１≦ｐ≦２Ｔｏｒｒの範囲を有することを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
16. 前記マイクロ波発生部は、マグネトロンを含むことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
17. 前記マグネトロンは、約２．４５ＧＨｚの周波数において１ＫＷ以下の電力で稼動されることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ処理システム。
18. 前記マグネトロンは、熱交換物質を循環させることによって冷却されることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ処理システム。
19. 前記マイクロ波発生部は、前記内部電極と隣接して配置され、マイクロ波を伝播するアンテナを含むことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
20. 前記外部電極は、少なくとも前記工程チャンバーの内部へ伸びている端部の先端が、前記誘電体管にしっかりと接触されたことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
21. 前記外部電極は、前記端部が一定の角度に傾き前記先端が鋭いエッジを有する切頭円錐状、全体が前記誘電体管と密着された一の字円筒状、前記端部が垂直に折り曲げられ前記先端が前記誘電体管と接触された円筒状、及び全体が一定の角度にテーパーされ前記端部の前記先端が前記誘電体管と接触された切頭円錐状のうちいずれか一つに形成されたことを特徴とする請求項２０に記載のプラズマ処理システム。
22. 前記外部電極は、少なくとも前記工程チャンバーの内部へ伸びている端部の先端が、次の式を満たすように決められた内径（Ｄ）を有することを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
    Ｄ＜１．８４１×ｃ／πｆ
    ここで、ｃは光の速度、ｆはマイクロ波の周波数である。
23. 前記マイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、前記マイクロ波発生部と前記プラズマ生成部の前記同軸ウェーブガイドとの間に配置され、マイクロ波をインピーダンス整合する共振部を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
24. 前記共振部は、前記工程チャンバーの外側で前記マイクロ波発生部に結合され、前記同軸ウェーブガイドの前記内部電極の一部を収容して密閉する共振キャビディを含むことを特徴とする請求項２３に記載のプラズマ処理システム。
25. 前記内部電極は、
    前記工程チャンバーの内部へ伸びている端部が閉鎖した第１円筒管と、
    前記第１円筒管の内部に配置された第２円筒管と、
    流体ソースから前記第２円筒管及び前記第１円筒管と前記第２円筒管との間の空間を循環する流体と、を含むことを特徴とする請求項２４に記載のプラズマ処理システム。
26. 前記流体は、熱交換物質を含むことを特徴とする請求項２５に記載のプラズマ処理システム。
27. 前記共振キャビティに収容された前記内部電極の前記一部は、インピーダンス整合によって最も効率よくマイクロ波が伝達されるようにループ状に形成されたことを特徴とする請求項２４に記載のプラズマ処理システム。
28. 前記工程チャンバーに工程ガスを追加供給する第２ガス供給部を更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
29. 前記マイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、縦に配置された一つ以上のプラズマ発生装置を含むことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
30. 前記マイクロ波共鳴プラズマ発生装置は、横に配置された一つ以上のプラズマ発生装置を含むことを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
31. 前記プラズマ処理システムは、前記基板ホルダーにバイアス電圧が印加されるプラズマエッチャーであることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
32. 前記プラズマ処理システムは、前記基板ホルダーの下側に配置され、バイアス電圧が印加されるスパッタターゲットを更に含むプラズマスパッタリングシステムであることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
33. 前記プラズマ処理システムは、前記基板ホルダーにバイアス電圧が印加されないプラズマ化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）システムであることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理システム。
34. 工程チャンバー、ガス供給部、マイクロ波発生部、内部電極、外部電極及び誘電体管を含むプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法において、
    マイクロ波発生部を用いてマイクロ波を発生する段階と、
    マイクロ波を用いて前記誘電体管と前記外部電極との間に過臨界プラズマを発生する段階と、
    前記誘電体管に沿って形成された電磁波を用いて前記過臨界プラズマを前記誘電体管に沿って伝播させ、１次プラズマ層を形成する段階と、
    前記電磁波と前記過臨界プラズマとを非線形的に相互接触させる段階と、
    前記１次プラズマが超熱電子とＵＶ放射とを放出するようにすることで、前記ガス供給部によって供給された供給ガスをイオン化させ、２次プラズマ層を発生する段階と、を含み、
    前記内部電極は前記マイクロ波発生部に隣接して配置され、前記外部電極は前記マイクロ波発生部に結合され、前記内部電極より短く、前記内部電極の一部を同軸的に取り囲むように配置され、前記誘電体管は前記内部電極と前記外部電極との間に配置されその間を絶縁し、
    前記１次プラズマ層のプラズマ密度は前記２次プラズマ層より高いことを特徴とするプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法。
35. 前記誘電体の表面上の前記１次プラズマ層の厚さは、約１〜２ｃｍの間であることを特徴とする請求項３４に記載のプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法。
36. 前記２次プラズマの密度は、約１０^１１ｃｍ^−３であることを特徴とする請求項３４に記載のプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法。
37. 前記プラズマ密度は、誘電体管の表面に対して垂直距離に従って減少し、
    前記プラズマ密度は最大プラズマ密度が形成される誘電体管の表面から先決された距離において、臨界プラズマ密度（ｎ_ｅｃｒ）に到達し、
    前記臨界プラズマ密度（ｎ_ｅｃｒ）は、次の式によって示されることを特徴とする請求項３４に記載のプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法。
    ｎ_ｅｃｒ＝ｍ（ω^２＋γ_ｅｆｆ ^２）／４πｅ^２
    ここで、ｍは電子質量、γ_ｅｆｆは有効電子‐中性粒子の衝突周波数、ωはマイクロ波の角周波数、ｅは電子の電荷値である。
38. 前記マイクロ波のエネルギーは、過臨界プラズマの発生時に使われるようにインピーダンス整合されることを特徴とする請求項３４に記載のプラズマ処理システムのマイクロ波共鳴プラズマの発生方法。
    

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