JP2008251660A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理ガス導入部の効率化を図り、プラズマ密度分布の均一性ないし制御性に優れた高密度・低電子温度のプラズマ生成を可能とすること。
【解決手段】マイクロ波発生器６０より出力されたマイクロ波は、導波管６２、導波管−同軸管変換器６４および同軸管６６を有するマイクロ波伝送線路５８を伝播して、遅延板５６を通ってラジアルラインスロットアンテナ５４に給電され、アンテナ５４の各スロットからチャンバ１０内に向けて放射され、マイクロ波のパワーで処理ガスのプラズマが生成される。処理ガス供給源８２より送出された処理ガスは、第１ガス供給管８４および同軸管６６のガス流路８０を通って上部中心ガス吐出口８６から吐出され、チャンバ１０内で軸対称・放射状に拡散する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマプロセスにマイクロ波を利用するマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特に電磁波結合によって処理容器内のプラズマにマイクロ波電力を供給する方式のプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスや液晶ディスプレイ等を製造するためのプラズマプロセスにおいては、真空の処理容器内で処理ガスを放電または電離させるために、高周波（ＲＦ）やマイクロ波が使用される。ＲＦ放電方式は、処理容器内に一対の電極を適当なギャップを隔てて平行に配置し、一方の電極を接地して他方の電極にコンデンサを介して高周波を印加する容量結合形が主流になっている。しかしながら、ＲＦ放電方式は、低圧下で高密度のプラズマを生成するのが難しいうえ、電子温度が高いために基板表面の素子にダメージを与えやすいなどの問題を有している。その点、マイクロ波放電方式は、低圧下で電子温度の低い高密度のプラズマを生成できるという利点があり、平板状のマイクロ波導入窓構造を採ることにより、広い圧力範囲で大口径プラズマを効率的に生成できるうえ、磁場を必要としないためプラズマ処理装置の簡略化をはかれるという長所を有している（たとえば、特許文献１の図１(A)、図２参照）。
国際公開ＷＯ２００５／０４５９１３

上記のような平板状マイクロ波導入窓を用いる従来のマイクロ波プラズマ処理装置は、処理容器内に処理ガスを導入する方法として、基板保持台（サセプタ）と対向する天井面の誘電体窓をシャワープレートに構成して、このシャワープレートに均一な分布で形成されている多数のガス吐出口から処理ガスを垂直下方に流し込む第１の方式か、あるいは処理容器の側壁に１つまたは複数のガス吐出口を設け、それら容器側壁のガス吐出口から処理ガスをプラズマ生成空間の中心部に向けて水平に流し込む第２の方式のいずれかを採用している。

上記第１の方式は、基板保持台の上方に均一な密度分布でプラズマを形成するのに有利である反面、シャワープレートがマイクロ波（電磁波）の通り道であるため、プラズマ密度の減少を招いて非効率であるうえ、エッチングレートの均一性低下の原因となり、さらにはコンタミネーションの原因になる等の問題がある。他方、上記第２の方式は、容器側壁のガス吐出口がマイクロ波の通り道から外れているため異常放電を起こすことがない代わりに、基板保持台の上方で処理ガスを半径方向で一様に拡散させるのが難しく、プラズマ密度分布が不均一になりやすいという問題がある。特に、枚葉式のプラズマ処理装置は、基板保持台と容器壁との間の環状空間が容器底の排気口に通じる排気路になっているので、この排気路の上方を横断して導入される処理ガスは排気流の影響を受けて不均一な流れになりやすい。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、マイクロ波の伝送ないし放射経路で異常放電を起こすことなくプラズマ密度分布の均一性ないし制御性に優れた高密度・低電子温度のプラズマ生成を可能とし、マイクロ波プラズマプロセスの有用性ないし実用性を向上させるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、マイクロ波プラズマの生成と同時にプラズマプロセスのモニタリングを簡易な構成で効率的に行えるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波発生器より出力された前記マイクロ波を前記処理容器に向けて伝送するための導波管と、前記導波管の終端に接続された導波管−同軸管変換器と、前記導波管−同軸管変換器から前記処理容器まで前記マイクロ波を伝送するための線路を形成し、その内部導体に中空部を有する同軸管と、前記同軸管の前記内部導体の中空部を介して前記処理容器に処理ガスを供給する処理ガス供給部とを有し、前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施す構成としている。

上記の構成においては、マイクロ波発生器より出力されたマイクロ波が導波管、導波管−同軸管変換器および同軸管を有するマイクロ波伝送線路を通って処理容器の中に導入されると同時に、処理ガス供給部からの処理ガスが同軸管の内部導体の中空部を通って（つまりマイクロ波の通り道を避けて）処理容器の中に導入され、処理容器内でマイクロ波のパワーにより処理ガスのガス粒子が電離して、プラズマが生成され、このプラズマの下で被処理基板に所望のプラズマ処理が施される。

本発明のプラズマ処理装置においては、好適な一態様として、処理容器内に基板を載置して保持するための保持台が設置され、処理容器の保持台と対向する天井面にマイクロ波を導入するための誘電体からなる窓が設けられる。この誘電体窓には、同軸管の内部導体の中空部と連通するガス吐出孔が形成され、このガス吐出孔から処理容器内のプラズマ生成空間に処理ガスが吐出される。かかる構成においては、誘電体窓の表面に沿って伝播する表面波を通じてマイクロ波のパワーがプラズマに供給される。

また、好適な一態様によれば、誘電体窓が、同軸管の終端に電磁的に結合されたアンテナを構成する。このアンテナは、高密度のプラズマを効率よく生成するために、好ましくはスロットアンテナとして構成され、大面積または大口径のプラズマを生成するために、さらに好ましくはラジアルラインスロットアンテナとして構成される。この誘電体窓のアンテナは、同軸管の内部導体の周囲に設けられるのが好ましい。

また、好適な一態様によれば、導波管−同軸管変換器は、導波管の基本モードを同軸管のＴＥＭモードに変換する。好ましくは、導波管が方形導波管であり、導波管−同軸管変換器内で同軸管から導波管の中に突き出ている内部導体の一端部が逆テーパ状に太くなる構成が採られる。また、同軸管の内部導体の中空部は、好ましくは内部導体を貫通し、内部導体の逆テーパ状端部に形成されている入口から処理ガスを導入し、処理容器内の空間に臨む出口から処理ガスを吐出する。同軸管の内部導体に冷媒を流すための冷媒流路を設ける構成も可能である。

また、好適な一態様によれば、処理ガス供給部が、同軸管の内部導体の中空部を含む第１ガス導入部とは別の経路で処理容器内に処理ガスを導入するための第２ガス導入部を有する。この第２ガス導入部は、好ましくは、処理容器の側壁から容器中心部に向かって処理ガスを吐出する側壁部ガス吐出口を有する。この場合、第１および第２ガス導入部より処理容器内にそれぞれ導入する処理ガスの流量を個別に制御するための流量制御部を備えるのが好ましく、両系統の流量比を制御することより処理ガス濃度分布ないしプラズマ密度分布の一層の均一化をはかることができる。

また、好適な一態様として、保持台に自己バイアス電圧を発生させるための高周波電源を備える構成や、処理容器内でプラズマに電子サイクロトロン共鳴を起こさせるための磁界形成部を備える構成なども可能である。

本発明の別の観点におけるプラズマ処理装置は、真空排気可能な処理容器内に被処理基板を収容し、前記処理容器内に処理ガスとマイクロ波のパワーを供給して前記処理ガスのプラズマを生成し、前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、マイクロ波発生器からのマイクロ波を前記処理容器まで伝送するためのマイクロ波伝送線路においてその終端部を含む所定の区間を同軸管で構成するとともに、前記同軸管の内部導体を中空管に構成し、前記中空管を介して前記処理容器内のプロセスまたはプロセス条件の状態をモニタリングするモニタ部を有する。

上記の構成においては、マイクロ波発生器より出力されたマイクロ波がマイクロ波伝送線路を伝播して処理容器の中に導入され、このマイクロ波のパワーにより処理ガスのガス粒子が電離して、プラズマが生成され、このプラズマの下で被処理基板に所望のプラズマ処理が施される。そして、処理容器内でプラズマ処理が行われている最中に、マイクロ波伝送線路の少なくとも終端部または終端区間を構成する同軸管の内部導体の中空管を介してモニタ部が処理容器内のプラズマプロセスまたはプロセス条件の状態をin-situでモニタリングする。

このモニタ部は、好ましい一態様として、処理容器内のプラズマからの発光を分光して計測するプラズマ発光計測部、保持台に保持されている基板上の所定の膜の膜厚を光学的に測定するための光学式膜厚測定部、あるいは処理容器内の温度を測定するための温度センサを有する。

本発明のプラズマ処理装置は、上記のような構成および作用により、マイクロ波の伝送ないし放射経路で異常放電を起こすことなくプラズマ密度分布の均一性ないし制御性に優れた高密度・低電子温度のプラズマ生成を可能とし、マイクロ波プラズマプロセスの有用性ないし実用性を向上させることができる。さらには、マイクロ波プラズマの生成と同時にプラズマプロセスのモニタリングを簡易な構成で効率的に行うことも可能である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるマイクロ波プラズマエッチング装置の構成を示す。このマイクロ波プラズマエッチング装置は、磁場を必要としない平板状ＳＷＰ型プラズマ処理装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

先ず、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係しない各部の構成を説明する。

チャンバ１０内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が高周波電極を兼ねる基板保持台として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。

筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部１６とチャンバ１０の内壁との間に環状の排気路１８が形成され、この排気路１８の上部または入口に環状のバッフル板２０が取り付けられるとともに、底部に排気ポート２２が設けられている。チャンバ１０内のガスの流れをサセプタ１２上の半導体ウエハＷに対して軸対象に均一にするためには、排気ポート２０を円周方向に等間隔で複数設ける構成が好ましい。各排気ポート２０には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁の外には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。

サセプタ１２には、ＲＦバイアス用の高周波電源３０がマッチングユニット３２および給電棒３４を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、半導体ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した比較的低い周波数たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波を所定のパワーで出力する。マッチングユニット３２は、高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容しており、この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。

サセプタ１２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック３６が設けられ、静電チャック３６の半径方向外側に半導体ウエハＷの周囲を環状に囲むフォーカスリング３８が設けられる。静電チャック３６は導電膜からなる電極３６ａを一対の絶縁膜３６ｂ，３６ｃの間に挟み込んだものであり、電極３６ａには直流電源４０がスイッチ４２を介して電気的に接続されている。直流電源４０より印加される直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷを静電チャック３６上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室４４が設けられている。この冷媒室４４には、チラーユニット（図示せず）より配管４６，４８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック３６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５０を介して静電チャック３６の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。また、半導体ウエハＷのローディング／アンローディングのためにサセプタ１２を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構（図示せず）等も設けられている。

次に、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。

チャンバ１０のサセプタ１２と対向する天井面には、マイクロ波導入用の誘電体板として円形の石英板５２が気密に取り付けられている。この石英板５２の上面には平板型のスロットアンテナとして同心円状に分布する多数のスロットを有する円板形のラジアルラインスロットアンテナ５４が設置されている。このラジアルラインスロットアンテナ５４は、たとえば石英等の誘電体からなる遅延板５６を介してマイクロ波伝送線路５８に電磁的に結合されている。

マイクロ波伝送線路５８は、マイクロ波発生器６０より出力されるマイクロ波をアンテナ５４まで伝送する線路であり、導波管６２と導波管−同軸管変換器６４と同軸管６６とを有している。導波管６２は、たとえば方形導波管であり、ＴＥモードを伝送モードとしてマイクロ波発生器６０からのマイクロ波をチャンバ１０に向けて導波管−同軸管変換器６４まで伝送する。

導波管−同軸管変換器６４は、方形導波管６２と同軸管６６とを結合し、方形導波管６２の伝送モードを同軸管６６の伝送モードに変換するものであり、大出力のマイクロ波パワーを伝送する場合に電界集中を防止するために、同軸管６６の内部導体６８の上端部６８ａを図示のような逆テーパ状に太くする構成(いわゆるドアノブ形の構成)を採るのが好ましい。

同軸管６６は、導波管−同軸管変換器６４からチャンバ１０の上面中心部まで垂直下方に延びて、その同軸線路の終端または下端が遅延板５６を介してアンナ５４に結合されている。同軸管６６の外部導体７０は方形導波管６２と一体形成された円筒体からなり、マイクロ波は内部導体６８と外部導体７０の間の空間をＴＥＭモードで伝播する。

マイクロ波発生器６０より出力されたマイクロ波は、上記のような導波管６２、導波管−同軸管変換器６４および同軸管６６からなるマイクロ波伝送線路５８を伝播して、遅延板５６を通ってアンテナ５４に給電される。そして、ア遅延板５６で半径方向に広げられたマイクロ波はアンテナの各スロットからチャンバ１０内に向けて放射され、石英板５２の表面に沿って伝播する表面波から放射されるマイクロ波電力によって付近のガスが電離して、プラズマが生成されるようになっている。

遅延板５６の上には、アンテナ後面板７２がチャンバ１０の上面を覆うように設けられている。このアンテナ後面板７２は、たとえばアルミニウムからなり、石英板５２で発生する熱を吸収（放熱）する冷却ジャケットを兼ねており、内部に形成されている流路７４にはチラーユニット（図示せず）より配管７６，７８を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給されるようになっている。

この実施形態においては、図２に明示するように、同軸管６６の内部導体６８に、その中を貫通する中空のガス流路８０が設けられている。そして、このガス流路８０の上端開口８０ａには処理ガス供給源８２に通じる第１ガス供給管８４が接続されており、石英板５２の中心部には同軸管６６のガス流路８０の下端開口８０ｂと連続または連通する上部中心ガス吐出口８６が形成されている。かかる構成の第１処理ガス導入部８８において、処理ガス供給源８２より送出された処理ガスは、第１ガス供給管８４および同軸管６６のガス流路８０を通って上部中心ガス吐出口８６から真下のサセプタ１２に向けて吐出され、サセプタ１２を囲む環状の排気路１８側へ引かれるようにして軸対象に半径方向外側へ拡散するようになっている。なお、第１ガス供給管８４の途中には、ＭＦＣ（マス・フロー・コントローラ）９０および開閉弁９２が設けられている。

この実施形態においては、チャンバ１０内に処理ガスを導入するために、上記第１処理ガス導入部８８とは別系統の第２処理ガス導入部９４も備えている。この第２処理ガス導入部９４は、石英板５２より幾らか低い位置でチャンバ１０の側壁の中に環状に形成されたバッファ室９６と、円周方向に等間隔でバッファ室９６からプラズマ生成空間に臨む多数の側部ガス吐出孔９８と、処理ガス供給源８２からバッファ室９６まで延びるガス供給管１００とを有している。ガス供給管１００の途中にはＭＦＣ１０２および開閉弁１０４が設けられている。

この第２処理ガス導入部８８において、処理ガス供給源８２より送出された処理ガスは、第２ガス供給管１００を通ってチャンバ１０側壁内のバッファ室９６に導入され、バッファ室９６内で周回方向の圧力を均一化してから各側部ガス吐出口９８よりチャンバ１０の中心に向かって略水平に吐出され、プラズマ処理空間へ拡散する。その際、各側部ガス吐出口９８より吐出された処理ガスは、環状排気路１８の上方を横切る際に排気口２２側へ引かれるため半導体ウエハＷ上に均一に供給され難い面がある。この実施形態では、上記のように第１処理ガス導入部８８の上部中心ガス吐出口８６より導入される処理ガスが中心部から軸対象に放射状に拡散するので、第２処理ガス導入部８８より導入される処理ガスの不安定または不定な拡散を補い、半導体ウエハＷの直上で生成されるプラズマの密度を均一化させることができる。

なお、第１処理ガス導入部８８および第２処理ガス導入部９４よりチャンバ１０内にそれぞれ導入する処理ガスは、通常は同種のガスでよいが、別種類のガスであってもよく、各ＭＦＣ９０，１０２を通じて各々独立した流量で、あるいは任意の流量比で導入し、半径方向におけるガス密度ひいてはプラズマ密度の均一性を向上させることができる。

図２に、この実施形態における導波管−同軸管変換器６４および同軸管６６の詳細な構成を示す。同軸管６６の内部導体６８は、たとえばアルミニウムからなり、その内部に中心軸に沿って貫通孔のガス流路８０が形成されるとともに、ガス流路８０と平行して冷媒流路１０６も形成されている。冷媒流路１０６は、垂直隔壁（図示せず）を介して往路１０６ａと復路１０６ｂに分かれており、逆テーパ部６８ａの上端に図示しないチラーユニットに通じる配管１０８，１１０が接続されている。供給配管１０８より冷媒流路１０６に導入された冷媒たとえば冷却水は、冷媒流路１０６において往路１０６ａを垂直下方に流れて同軸管６６の下端部に行き着き、そこから折り返して復路１０６ｂを垂直上方に流れて排出配管１１０に抜け出るようになっている。

図２に示すように、アンテナ５４は、その中心部に同軸管６６の内部導体６８を通す開口５４ａを有しており、スロット板が内部導体６８の周り（半径方向外側）に延在している。内部導体６８のガス流路８０と同軸上で連続する石英板５２の上部中心ガス吐出口８６は、アンテナ５４より放射される電磁波（マイクロ波）の通り道から外れており、異常放電は起こらないようになっている。なお、半径方向の限定された範囲内で上部中心ガス吐出口８６を複数の吐出口に分岐または分割することも可能である。

図３に、この実施形態におけるラジアルラインスロットアンテナ５４のスロットパターン構造を示す。図示のように、アンテナ５４のスロット板には同心円状に多数のスロットが形成されている。より詳細には、互いに向きが直交する２種類のスロット５４ｂ，５４ｃが交互に同心円状に配列され、半径方向では遅延板５６で伝送されてくるマイクロ波の波長に応じた間隔で配置されている。かかるスロットパターン構造においては、マイクロ波は２つの直交する偏波成分を含む円偏波の略平面波となってスロット板から放射される。このタイプのスロットアンテナは、スロット板の略全面からマイクロ波を均一に放射するのに優れており、均一で安定なプラズマの生成に適している。

このマイクロ波プラズマエッチング装置においては、上述した各部たとえば排気装置２６、高周波電源３０、直流電源４０のスイッチ４２、マイクロ波発生器６０、各処理ガス導入部８８，９４、各チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の個々の動作および装置全体の動作が、たとえばマイクロコンピュータからなる制御部（図示せず）によって制御される。

このマイクロ波プラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック３６の上に載置する。そして、第１および第２処理ガス導入部８８，９４よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値に減圧する。さらに、高周波電源３０をオンにして所定のパワーで高周波を出力させ、この高周波を整合器３４および給電棒３４を介してサセプタ１２に印加する。また、スイッチ４２をオンにして直流電源４４より直流電圧を静電チャック３６の電極３６ａに印加して、静電チャック３６の静電吸着力により半導体ウエハＷを静電チャック３６上に固定する。そして、マイクロ波発生器６０をオンにし、マイクロ波発生器６０より出力されるマイクロ波をマイクロ波伝送線路５８を介してアンテナ５４に給電し、アンテナ５４から放射されるマイクロ波を石英板５２を介してチャンバ１０内に導入する。

第１処理ガス導入部８８の上部中心ガス吐出口８６および第２処理ガス導入部９４の側部ガス吐出口９８よりチャンバ１０内に導入されたエッチングガスは石英板５２の下で拡散し、石英板５２の下面（プラズマと対向する面）に沿って伝播する表面波から放射されるマイクロ波電力によってガス粒子が電離し、表面励起のプラズマが生成される。こうして、石英板５２の下で生成されたプラズマは下方に拡散し、半導体ウエハＷの主面の被加工膜に対してプラズマ中のラジカルによる等方性エッチングおよびイオン照射による垂直エッチングが行われる。

このマイクロ波プラズマエッチング装置においては、高密度プラズマを表面波励起で生成するので、半導体ウエハＷ付近の電子温度はたとえば０．７〜１．５ｅＶ程度と非常に低く、これによってイオン照射のエネルギーを抑制し、被加工膜に対するダメージを防ぐことができる。また、ラジアルラインスロットアンテナ５４を使用してマイクロ波電力を大面積で均一にチャンバ１０内に注入するので、ウエハの大口径化にも容易に対応することができる。そして、マイクロ波伝送線路５８の最終区間を構成する同軸管６６の内部導体６８に貫通孔のガス流路８０を設け、このガス流路８０を通してチャンバ天井（石英板５２）中心部のガス吐出口８６からチャンバ１０内に処理ガスを導入するので、プラズマ密度の均一性の向上、ひいてはエッチング加工の面内均一性の向上をはかれると同時に、アンテナ性能への悪影響はなく、異常放電を起こすおそれもない。

加えて、このマイクロ波プラズマエッチング装置は、無磁場でマイクロ波プラズマを生成するので、チャンバ１０の周りに永久磁石や電子コイル等の磁界形成機構を設ける必要がなく、簡易な装置構成となっている。もっとも、本発明は、図４に示すように、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）を利用するプラズマ処理装置にも適用可能である。

図４のＥＣＲプラズマ処理装置は、チャンバ１０の周囲に永久磁石または電子コイルからなる磁界形成機構１１２を設け、この磁界形成機構１１２によりチャンバ１０内のプラズマ生成空間に外部磁場を印加し、プラズマ生成空間内のある場所でマイクロ波の周波数が電子サイクロトロン周波数に等しくなるような磁界（２．４５ＧＨｚの場合は８７５ガウス）を形成し、高密度のプラズマを生成することができる。

なお、図４に示すように、チャンバ１０の上部天板中心から処理ガスを導入する第１処理ガス導入部８８のみを設け、チャンバ側壁から処理ガスを導入する第２処理ガス導入部９４（図１）を省くことも可能である。

さらに、本発明の別の実施形態として、図５に示すように、同軸管６６の内部導体６８の中に形成される中空部をガス流路に代えて、モニタリング用の光学測定ラインに利用することも可能である。たとえば、プラズマエッチングの終点検出を行う場合は、同軸管内部導体６８の中空部の中に光ファイバプローブ（図示せず）を挿入して、チャンバ１０の上部天板中心の位置でプラズマからの発光を採光し、モニタ部１１４で分光して特定の反応種に起因する発光スペクトルの増減からエッチング終点を検出することができる。また、同軸管内部導体６８の中空部をレーザ光路に用いて、半導体ウエハＷ上の反射防止膜やレジスト膜等の膜厚測定を行うことも可能である。さらには、先端に熱電対等を取り付けた温度センサのラインを同軸管内部導体６８の中空部に通してチャンバ１０内の上部天板中心付近の温度を測定することも可能である。

本発明においては、同軸管６６の内部導体６８の中空部の構成または機能については他にも種々の変形が可能である。たとえば、図示省略するが、同軸管の内部導体６８の中空部をたとえば２重管等の複数管構造に形成し、各管を独立したライン（ガス供給系ライン、測定系ライン）に用いることもできる。チャンバ１０内に処理ガスを導入するために、第１および第２処理ガス導入部８８，９４とは別系統の第３の処理ガス導入部を内部導体６８の中に設けることも可能である。

また、上記した実施形態における各部の構成や機能も種々変形可能である。たとえば、ラジアルスロットラインアンテナ５４に代えて他の形式のスロットアンテナを用いることも可能であり、特に大口径のプラズマを必要としない場合はアンテナを用いないマイクロ波注入方式も可能である。マイクロ波伝送線路５８においても、マイクロ波発生器６０と方形導波管６２との間に他の伝送線路を挿入したり、方形導波管６２をたとえば円形導波管に代えたり、導波管−同軸管変換器６４においてインピーダンス変換部６４ａをドアノブ形に代えてリッジガイド形に構成することも可能である。さらには、導波管−同軸管変換器を用いずに円形導波管の終端をチャンバに電磁的に結合する構成も可能である。

本発明は、上記実施形態におけるマイクロ波プラズマエッチング装置に限定されるものではなく、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリング等の処理装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

本発明の一実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。 図１のマイクロ波プラズマ処理装置における要部の構成を示す縦断面図である。 図１のマイクロ波プラズマ処理装置で用いられるアンテナのスロットパターン構造を示す平面図である。 本発明の別の実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。 本発明の別の実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ チャンバ
１２ サセプタ（基板保持台）
２６ 排気装置
３０ 高周波電源
５２ 石英板（誘電体窓）
５４ ラジアルラインスロットアンテナ
５８ マイクロ波伝送線路
６０ マイクロ波発生器
６２ 導波管
６４ 導波管−同軸管変換器
６６ 同軸管
６８ 内部導体
７０ 外部導体
８２ 処理ガス供給源
８４ 第１ガス供給管
８６ 上部中央ガス吐出孔
８８ 第１処理ガス導入部
９４ 第２処理ガス導入部
９８ 側部ガス吐出孔
１００ 第２ガス供給管
１１２ 磁界形成部
１１４ モニタ部

Claims (22)

1. 被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
   プラズマ励起用のマイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
   前記マイクロ波発生器より出力された前記マイクロ波を前記処理容器に向けて伝送するための導波管と、
   前記導波管の終端に接続された導波管−同軸管変換器と、
   前記導波管−同軸管変換器から前記処理容器まで前記マイクロ波を伝送するための線路を形成し、その内部導体に中空部を有する同軸管と、
   前記同軸管の前記内部導体の中空部を介して前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と
   を有し、前記処理容器内で前記マイクロ波のパワーにより前記処理ガスのプラズマを生成して、前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置。
2. 前記処理容器内に前記基板を載置して保持するための保持台が設置され、前記処理容器の前記保持台と対向する天井面に前記マイクロ波を導入するための誘電体からなる窓が設けられている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記誘電体窓に、前記同軸管の内部導体の中空部と連通するガス吐出孔が形成されている請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記誘電体窓が平板形アンテナを構成する請求項２または請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記アンテナは、前記同軸管の終端に電磁的に結合されている請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記アンテナは、スロットアンテナである請求項４または請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記スロットアンテナは、ラジアルラインスロットアンテナである請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記アンテナは、前記同軸管の内部導体の周りに設けられる請求項４〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記導波管−同軸管変換器は、前記導波管の伝送モードを前記同軸管のＴＥＭモードに変換する請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記導波管は方形導波管であり、前記導波管−同軸管変換器内で前記同軸管から前記導波管の中に突き出ている前記内部導体の一端部が逆テーパ状に太くなっている請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記同軸管の内部導体の中空部は、前記内部導体を貫通し、前記逆テーパ状端部に形成されている入口より処理ガスを導入し、前記処理容器内の空間に臨む出口より処理ガスを吐出する請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記同軸管の内部導体が、冷媒を流す冷媒流路を有する請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記処理ガス供給部が、前記同軸管の内部導体の中空部を含む第１ガス導入部とは別の経路で前記処理容器内に処理ガスを導入するための第２ガス導入部を有する請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記第２ガス導入部が、前記処理容器の側壁から容器中心部に向かって処理ガスを吐出する側壁吐出口を有する請求項１３に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記処理ガス供給部が、前記処理容器内に前記第１および第２ガス導入部よりそれぞれ導入する処理ガスの流量を個別に制御するための流量制御部を有する請求項１３または請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記保持台に自己バイアス電圧を発生させるための高周波を前記保持台に印加する高周波電源を有する請求項２〜１５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記処理容器内でプラズマに電子サイクロトロン共鳴を起こさせるための磁界を形成する磁界形成部を処理容器の周りに設ける請求項１〜１６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
18. 真空排気可能な処理容器内に被処理基板を収容し、前記処理容器内に処理ガスとマイクロ波のパワーを供給して前記処理ガスのプラズマを生成し、前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
    マイクロ波発生器より出力されたマイクロ波を前記処理容器まで伝送するためのマイクロ波伝送線路においてその終端部を含む所定の区間を同軸線路で構成するとともに、前記同軸線路の内部導体を中空管に構成して、前記中空管を介して前記処理ガスを前記処理容器内に導入するプラズマ処理装置。
19. 真空排気可能な処理容器内に被処理基板を収容し、前記処理容器内に処理ガスとマイクロ波のパワーを供給して前記処理ガスのプラズマを生成し、前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
    マイクロ波発生器からのマイクロ波を前記処理容器まで伝送するためのマイクロ波伝送線路においてその終端部を含む所定の区間を同軸線路で構成するとともに、前記同軸線路の内部導体を中空管に構成し、前記中空管を介して前記処理容器内のプロセスまたはプロセス条件の状態をモニタリングするモニタ部を有するプラズマ処理装置。
20. 前記モニタ部は、前記処理容器内のプラズマからの発光を分光して計測するプラズマ発光計測部を有する請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
21. 前記モニタ部は、前記保持台に保持されている前記基板上の所定の膜の膜厚を光学的に測定するための光学式膜厚測定部を有する請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
22. 前記モニタ部は、前記処理容器内の温度を測定するための温度センサを有する請求項１９に記載のプラズマ処理装置。

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