JP2007149878A - マイクロ波導入装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器79と、発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器72と、所定の空間に向けて設けられた平面アンテナ部材56と、モード変換器と平面アンテナ部材とを連結してマイクロ波を伝播する同軸導波管64とを有するマイクロ波導入装置54において、同軸導波管の中心導体を中空にして内径D1が第1の所定値以上の中空路84を形成し、同軸導波管の筒状の外側導体の内径の半径r1と前記中心導体の外径の半径r2との比”r1/r2”を第2の所定値に維持しつつ外側導体の内径D2を第3の所定値以下となるように設定する。
【選択図】図1
Description
このようなプラズマ処理装置は、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図7を参照して概略的に説明する。図7は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。
そして、この天板8の上面に厚さ数mm程度の円板状の平面アンテナ部材10と、この平面アンテナ部材10の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材12を設置している。そして、平面アンテナ部材10には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔14が形成されている。このマイクロ波放射孔14は一般的には、同心円状に配置されたり、或いは渦巻状に配置されている。
しかしながら、上記モード変換器22及びこれに接続される同軸導波管16の各設計寸法は、これに伝播されるマイクロ波に対して最適化された寸法であり、僅かに各寸法を変えただけでもマイクロ波中に不要な振動モードが混在したり、或いはマイクロ波の反射率が大きく変動してしまう。
また本発明の他の目的は、上記中心導体に形成した中空路内に膜厚測定器からのレーザ光を挿通させることによって被処理体の表面の膜厚をリアルタイムで測定することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
また例えば請求項3に規定するように、前記所定の振動モードは、TEMモードである。
また例えば請求項4に規定するように、前記第1の所定値は16mmである。
また例えば請求項5に規定するように、前記第2の所定値はe2/3 〜e(e=2.718…)の範囲内の一定値である。
また例えば請求項6に規定するように、前記比”r1/r2”に基づいて求められる特性インピーダンスは40〜60Ωの範囲内である。
また例えば請求項8に規定するように、前記モード変換器と前記同軸導波管とを含む全体の長さを、前記マイクロ波の大気中の波長λoの1/4波長の奇数倍に設定する。
また例えば請求項9に規定するように、前記中心導体の基端部は前記モード変換器の区画壁に円錐形状に成形された接合部を介して取り付けられており、前記モード変換器に入るマイクロ波の進行方向とは反対側に位置する端面と前記円錐形状の接合部の斜面の中間点との間の距離は、前記マイクロ波の大気圧中の波長λoの1/2波長の整数倍の長さに設定されている。
また例えば請求項11に規定するように、前記マイクロ波の周波数は2.45GHzである。
また例えば請求項12に規定するように、前記平面アンテナ部材の上面側には遅波材が設けられている。
このように、膜厚測定器を設けて同軸導波管の中心導体に形成した中空路に沿ってレーザ光を射出するようにしたので、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ被処理体の表面における薄膜の厚さを測定することができる。
マイクロ波を伝播する同軸導波管の中心導体を中空にして内径D1が第1の所定値以上の中空路を形成し、前記同軸導波管の筒状の外側導体の内径や半径r1と前記中心導体の外径の半径r2との比”r1/r2”を第2の所定値に維持しつつ前記外側導体の内径D2を第3の所定値以下となるように設定するようにしたので、マイクロ波の伝播に関する基本的な性能を維持しつつ同軸導波管の中心導体内に内径が大きな中空路を形成することができる。
図1は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図、図2は図1に示すプラズマ処理装置の平面アンテナ部材を示す平面図、図3は図1中のマイクロ波導入装置の一部を示す拡大断面図、図4は図3中のA−A線矢視断面図、図5はモード変換器の部分を示す平面図である。ここではプラズマ処理装置として例えばエッチングを行うエッチング装置を例にとって説明する。
上記載置台36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或いはクランプ機構(図示せず)が設けられる。尚、この載置台36を例えば13.56MHzのバイアス用高周波電源に接続する場合もある。また必要に応じてこの載置台36中に加熱用ヒータを設けてもよい。
そして、処理容器34の天井部は開口されて、ここに例えば石英やセラミック材等よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する天板50がOリング等のシール部材52を介して気密に設けられる。この天板50の厚さは耐圧性を考慮して例えば20mm程度に設定される。
そして、この平面アンテナ部材56の中心部には、所定の大きさの貫通孔60が形成されており、後述するようにこの貫通孔60を介して膜厚測定用のレーザ光を通し得るようになっている。
この導波箱62及び平面アンテナ部材56の周辺部は共に接地される。そして、この導波箱62に本発明の特徴とする同軸導波管64が接続される。この同軸導波管64は中心導体66と、この中心導体66の周囲を所定間隔だけ離間して囲むようにして設けられた例えば断面円形の筒状の外側導体68とよりなる。これらの中心導体66や外側導体68は、例えばステンレススチールや銅等の導体よりなる。上記導波箱62の上部の中心には、上記同軸導波管64の筒状の外側導体68が接続され、内部の中心導体66は、上記遅波材57の中心に形成した孔70を通って上記平面アンテナ部材56の中心部に接続される。
第1の基準としては、上記外側導体68の内径の半径r1と、上記中心導体66の外径の半径r2との比”r1/r2”を第2の所定値に維持しつつ上記外側導体68の内径D2(=2・r1)を第3の所定値以下とする。この場合、下記式1と上記比”r1/r2”に基づいて求められる特性インピーダンスZoが例えば40〜60Ωの範囲内に入るように設定する。具体的には、このような特性インピーダンス値を満たす第2の所定値は、e2/3 〜e(e=2.718…)の範囲内の一定値である。
h:電波インピーダンス(電界と磁界の比)
ln:自然対数
ここで”40≦Zo≦60”とすると、上記比”r1/r2”の範囲が定まる。
尚、同軸線路における特性インピーダンスの求め方及びTEMモードに限定した伝播については、文献「マイクロ波工学」(森北電気工学シリーズ3、マイクロ波光学−基礎と原理−著者:中島 将光、発光所:森北出版、1998年12月18日発行)の「同軸線路」(67−70頁)に示される。
D2≦λo(0.59−0.1) … 式2
この条件を満たすことにより、モード変換後の同軸導波管64内を伝播するマイクロ波の振動モードをTEMモードのみとし、他の振動モードが混在しない状態にすることができる。
fc=1.841/2πr√(με)
ここで上記fc、r、μ、εは各々、遮断周波数、円形導波管の半径、大気中の透磁率、大気中の誘電率である。
これを変形すると、r=0.295λo(λo:マイクロ波の大気中での波長)となり、円形導波管の直径:2r=0.59λoとなる。
ここで、上記λoより波長の長いマイクロ波を用いればTEMモードのみが伝播することになり、また円形導波管を同軸導波管と見立てて、”2r≒2r1=D2≦0.59λo”の条件下でTEMモードのみが伝播することになる。更に、経験的な安全係数を考慮すると、”D2≦(0.59−0.1)λo”となり、上記式2が導き出される。
この結果、外側導体68の内径D2:(2×r1)を最大60mmにでき、また、中心導体66の外径(2×r2)を30mm程度にでき、中心導体66の厚みを2mmとすると、その内径D1を26mmとすることができる。
H1=1/4・λo・(2n−1) … 式3
n:正の整数
上記高さH1は、具体的には、上記モード変換器72の天井の区画壁80Aと上記導波箱62の天井板との間の距離である。この第2の基準を満たすことにより、この同軸導波管64内を進行する進行波と、平面アンテナ部材56側からの反射波とを効率的に打ち消し合うようにすることができる。
H3=1/2・λo・n … 式4
n:正の整数
ここで上記円錐状の接合部82の斜面の中間点の位置は、上記同軸導波管64の筒状の外側導体68の延長線上に位置するように対応している。
以上のように、上記第1の基準を満たすことにより、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ中心導体に形成される中空路84の内径を拡大することができ、更に上記第2及び第3の基準を満たすことにより、上記作用効果を一層向上させることができる。
そして、図1に戻って、上記モード変換器72の上端部には、レーザ光を用いてウエハ表面の膜厚を測定するための膜厚測定器86が設けられており、上記中心導体66に設けた中空路84に沿って膜厚検査用のレーザ光を射出できるようになっている。そして、ウエハからの反射光を受光することにより、膜厚を測定できるようになっている。
まず、ゲートバルブ44を介して半導体ウエハWを搬送アーム(図示せず)により処理容器34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36の上面の載置面に載置する。
そして、処理容器34内を所定のプロセス圧力、例えば0.01〜数Paの範囲内に維持して、ガス導入手段40のプラズマガス供給ノズル40Aから例えばアルゴンガスを流量制御しつつ供給すると共に処理ガス供給ノズル40Bから例えばエッチングガスを流量制御しつつ供給する。同時にマイクロ波導入装置54のマイクロ波発生器79にて発生したTEモードのマイクロ波を導波管74に伝播させ、更にモード変換器72にて、この振動モードをTEMモードに変換した後に同軸導波管64を伝播させて平面アンテナ部材56に供給し、これにより処理空間Sに遅波材57によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、処理空間Sにプラズマを発生させて所定のエッチング処理を行う。
第1の基準としては、上記外側導体68の内径の半径r1と、上記中心導体66の外径の半径r2との比”r1/r2”を第2の所定値に維持しつつ上記外側導体68の内径D2(=2・r1)を第3の所定値以下とする。この場合、前記式1と上記比”r1/r2”に基づいて求められる特性インピーダンスZoが例えば40〜60Ωの範囲内に入るように設定する。具体的には、このような特性インピーダンス値を満たす第2の所定値は、e2/3 〜e(e=2.718…)の範囲内の一定値である。
前記式2の条件を満たすことにより、モード変換後の同軸導波管64内を伝播するマイクロ波の振動モードをTEMモードのみとし、他の振動モードが混在しない状態にすることができる。すなわち、前記式2により、TEMモード以外の高次モード、例えばTEモード、TMモードを発生させずに、これらのモードを遮断することができる。前記式2の条件を満たさない場合には、高次モードが混在し、平面アンテナ部材56より放射されるマイクロ波が不均一分布となって好ましくない。この結果、外側導体68の内径D2:(2×r1)を最大60mmにでき、また、中心導体66の外径(2×r2)を30mm程度にでき、中心導体66の厚みを2mmとすると、その内径D1を26mmとすることができる。
前述したように、上記高さH1は、具体的には、上記モード変換器72の天井の区画壁8Aと上記導波箱62の天井板との間の距離である。この第2の基準を満たすことにより、この同軸導波管64内を進行する進行波と、平面アンテナ部材56側からの反射波とを効率的に打ち消し合うようにすることができる。
この結果、プラズマ発生のためのマイクロ波の効率を高く維持することができる。また、前記式3の条件を満たさない場合には、反射波を相殺することができないのでマイクロ波の効率を低下させてしまう。
ここで前述したように上記円錐状の接合部82の斜面の中間点の位置は、上記同軸導波管64の筒状の外側導体68の延長線上に位置するように対応している。
尚、上記第1〜第3の基準において説明した各部の寸法の公差は、第1の基準においては±λo/20程度、第2及び第3の基準においては±λo/10(λo:マイクロ波の大気中における波長)程度あっても、TEMモードを伝播する同軸導波管としての性能にはほとんど影響を及ぼさない。
図6は本発明に係るマイクロ波導入装置と基準を満たさないマイクロ波導入装置のシミュレーションによる電界の分布を示す写真であり、理解を容易にするために模式図を併記してある。
ここで図6(A)は第1〜第3の基準を満たす本発明のマイクロ波導入装置の場合であり、電界の分布が中心導体66を中心軸として左右対称になっており、良好な電界分布を生じていることが確認できた。ここで図6(A)の各寸法は、r1=30mm、r2=15mm、H1=100mm、H3=50mmである。
この場合には、電界の分布が、中心導体66を中心軸として左右対称になっておらずに偏りが生じており、電界分布が不均一になってしまって良好でないことが確認できた。
また上記実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、LCD基板、ガラス基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
34 処理容器
36 載置台
40 ガス導入手段
50 天板
54 マイクロ波導入装置
56 平面アンテナ部材
58 マイクロ波放射孔
60 貫通孔
64 同軸導波管
66 中心導体
68 外側導体
72 モード変換器
78 マッチング
79 マイクロ波発生器
82 接合部
84 中空路
86 膜厚測定器
W 半導体ウエハ(被処理体)
Claims (14)
- 所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器と、
前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、
前記所定の空間に向けて設けられた平面アンテナ部材と、
前記モード変換器と前記平面アンテナ部材とを連結して前記マイクロ波を伝播する同軸導波管とを有するマイクロ波導入装置において、
前記同軸導波管の中心導体を中空にして内径D1が第1の所定値以上の中空路を形成し、前記同軸導波管の筒状の外側導体の内径の半径r1と前記中心導体の外径の半径r2との比”r1/r2”を第2の所定値に維持しつつ前記外側導体の内径D2を第3の所定値以下となるように設定するように構成したことを特徴とするマイクロ波導入装置。 - 前記アンテナ部材の中心部には、前記中空路に連通される貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項1記載のマイクロ波導入装置。
- 前記所定の振動モードは、TEMモードであることを特徴とする請求項1または2記載のマイクロ波導入装置。
- 前記第1の所定値は16mmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 前記第2の所定値はe2/3 〜e(e=2.718…)の範囲内の一定値であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 前記比”r1/r2”に基づいて求められる特性インピーダンスは40〜60Ωの範囲内であることを特徴とする請求項5記載のマイクロ波導入装置。
- 前記第3の所定値は、前記マイクロ波の大気圧中の波長λoの”0.59−0.1”波長であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 前記モード変換器と前記同軸導波管とを含む全体の長さを、前記マイクロ波の大気中の波長λoの1/4波長の奇数倍に設定することを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 前記中心導体の基端部は前記モード変換器の区画壁に円錐形状に成形された接合部を介して取り付けられており、前記モード変換器に入るマイクロ波の進行方向とは反対側に位置する端面と前記円錐形状の接合部の斜面の中間点との間の距離は、前記マイクロ波の大気圧中の波長λoの1/2波長の整数倍の長さに設定されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 前記中心導体の前記中空路の直径は18mm以上に設定されることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 前記マイクロ波の周波数は2.45GHzであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 前記平面アンテナ部材の上面側には遅波材が設けられていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載のマイクロ波導入装置。
- 天井部が開口されて内部が真空引き可能になされた処理容器と、
被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、
前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなる天板と、
前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、
前記処理容器内にマイクロ波によるプラズマを発生させるために前記天板上に設けられた請求項1乃至11のいずれかに記載のマイクロ波導入装置と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記マイクロ波導入装置には、該マイクロ波導入装置の同軸導波管の中心導体に形成された中空路に沿ってレーザ光を射出することによって前記被処理体の表面における薄膜の厚さを測定する膜厚測定器が設けられることを特徴とする請求項13記載のプラズマ処理装置。
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