JP2011176146A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を用いたプラズマ処理装置において、広いプラズマ処理条件に対してマイクロ波の円偏波化が達成され、軸対称性の良いプラズマ処理特性を得ることのできるプラズマ処理装置の実現と処理方法を提供する。
【解決手段】反射波が有っても、マイクロ波の円偏波化が行える円偏波発生器を用いてプラズマ処理の軸対称性を高めるため、円矩形変換器４０２の円形導波管４０５側にスタブ４０３および４０４を設け、スタブ４０３および４０４は円柱状で先端部は半球状とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関する。

半導体メモリやロジックＬＳＩ等の半導体装置の製造に用いられる基板は、生産性向上等のために大径化する傾向にあり、最先端の半導体メモリ等の半導体装置では直径３００ｍｍのシリコン基板を用いることが主流となっている。さらに直径４５０ｍｍと巨大なシリコン基板が必要との意見もあり、基板大径化の傾向は続くと考えられる。これらの半導体装置の製造工程でプラズマ処理装置が用いられるが、被処理基板上に均一なプラズマ処理を施す必要があり、被処理基板の大径化に伴う技術的な難易度は増す傾向にある。

被処理基板上で均一なプラズマ処理を施すには、当然ながら被処理基板付近でのプラズマの密度や温度などのプラズマ特性の分布が重要であり、プラズマ分布をプラズマ処理均一化の観点から最適化する技術が重要となっている。

マイクロ波電力によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置は低圧力下でも高密度のプラズマを生成できる、静磁界との併用でプラズマの分布を静磁界分布調整で容易に制御できる等の特徴を持ち、前記半導体装置の製造等に広く用いられている。前述の基板大径化の傾向に対応してマイクロ波プラズマ処理装置においても、プラズマ分布の制御が重要である。しかしマイクロ波は波長が数ｃｍから十数ｃｍ程度と短く波長と同等オーダーの寸法でマイクロ波の分布が変わりやすく、広い範囲で均一なプラズマ処理を得るべくマイクロ波の分布を最適化することが困難となる傾向にある。

マイクロ波を用いてプラズマを発生させるプラズマ源において、円偏波化したマイクロ波を用いる例えば下記の特許文献１，２がある。

円偏波化したマイクロ波によりプラズマを発生することで以下の効果が知られている。
（１）静磁界との併用による場合、電子サイクロトロン共鳴現象を、円偏波を用いない場合に比べて効率的に起こすことができ、高密度化できる。
（２）プラズマ分布の軸対称性が向上することにより、均一なプラズマ処理を得ることができる。

また、方形導波管内のマイクロ波電磁界分布については明らかとなっており、例えば下記の非特許文献１に詳しく記載されている。

特開平２−１６７３２号公報 特開平２−１３９９００号公報

中島将光著、「マイクロ波工学」、森北出版

上述の従来技術の円偏波化したマイクロ波によりプラズマを発生させることでプラズマの軸対称性が向上して、プラズマ処理の軸対称性を向上させることが期待される。しかし、プラズマ処理特性最適化のためにプラズマ発生条件を変更すること等の場合に、期待通りにマイクロ波が円偏波化せず、軸対称性改善効果が得にくい場合があることがわかった。本発明の解決しようとする課題は、広いプラズマ処理条件に対してマイクロ波の円偏波化が達成され、軸対称性の良いプラズマ処理特性を得ることのできるプラズマ処理装置の実現と処理方法を提供することである。

本発明者は円偏波化したマイクロ波によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、マイクロ波の円偏波化を阻害する原因を検討した。その結果、装置各部で発生する反射波の影響でマイクロ波の円偏波化が阻害されることが判明した。各部からの反射があってもこれに対応して効率よく円偏波を発生させる円偏波発生器を考案した。

従来技術ではマイクロ波の円偏波化が阻害される反射波の大きい条件下でも本発明によりマイクロ波の円偏波化が達成され、プラズマ処理の均一性が向上する、マイクロ波電力の使用効率が向上する等の効果がある。

図１は従来例のマイクロ波を用いたエッチング装置の構成を説明する概略図である。 図２は従来例の円偏波発生器の断面図である。 図３は従来例の円偏波発生器と円矩形変換器の接続関係を示す説明図の上面図である。 図４は従来例の円偏波発生器と円矩形変換器の接続関係を示す説明図の側面図である。 図５は本発明の円偏波発生器の概略図の斜視図である。 図６は本発明の円偏波発生器の概略図の上面図である。 図７は本発明の円偏波発生器の概略図の側面図である。 図８は方形導波管ＴＥ１０モードの電界分布を示す図である。 図９は円形導波管ＴＥ１１モードを示す図である。 図１０は円形導波管で９０度中心軸に対して回転させた電界分布となるモードを示す図である。 図１１はスタブを装荷した円形導波管の解析モデルを示す斜視図である。 図１２はスタブ挿入長と散乱行列要素の大きさの関係を示す図である。 図１３はスタブ挿入長と散乱行列要素の大きさの関係を示す図である。 図１４はスタブ挿入長と円偏波真円度の関係を示す図である。 図１５はスタブの配置と真円度最大値の関係を示す図である。 図１６は本発明円偏波発生器により得られる円偏波真円度のプラズマ負荷の反射係数依存性である。

図１から図１６を用いて、本発明にかかる一実施例として本発明を用いたプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法を説明する。

図１にマイクロ波を用いたプラズマエッチング装置の概略図を示す。マイクロ波源１０１から発振されたマイクロ波は方形導波管１０３を用いて伝送され、円矩形変換器１０４により、円形導波管１０５に接続される。自動整合機１０２により負荷インピーダンスを調整して反射波を自動的に抑制することができる。マイクロ波源としては発振周波数２．４５ＧＨｚのマグネトロンを用いた。マイクロ波源保護のためにアイソレータ１１９を用いた。円形導波管１０５は空洞部１０６に接続される。空洞部１０６はマイクロ波電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを持つ。空洞部１０６の下部にはマイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８を介してプラズマ処理室１１０がある。

シャワープレート１０８はプラズマ処理室１１０に発生するプラズマに直接曝されるため、プラズマ耐性が高く、プラズマ処理に悪影響を及ぼさない材質が望ましい。マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８の材質としてはマイクロ波を効率よく透過し、プラズマ処理室を気密に保持する材料として石英を用いた。マイクロ波導入窓１０７とシャワープレート１０８の間には図示しない微小な間隙が設けられており、プラズマ処理に用いる処理ガスの供給系１０９より供給されるガスが供給される。シャワープレート１０８には図示しない微細なガス供給孔が複数設けられ、処理ガスをプラズマ処理室１１０にシャワー状に供給する。

プラズマ処理室１１０内には被処理基板１１１を戴置するための基板電極１１２が設置されている。基板電極１１２には被処理基板１１１にバイアス電力を供給するために自動整合機１１３を介してバイアス電源１１４が接続されている。バイアス電源の周波数として４００ｋＨｚのものを用いた。

プラズマ処理室１１０の周囲には静磁界発生装置１１５が設けられ、プラズマ処理室１１０内に静磁界を加えることができる。電子サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数が一致した場合にマイクロ波の電力が電子に共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を用いると、通常はプラズマの発生が困難な高真空領域でもプラズマの発生が可能となり、プラズマ処理可能な領域が拡大する効果がある。また静磁界をプラズマ処理室に加えることでプラズマの損失を抑制しプラズマの着火性を高めたり、静磁界の分布を調整することでプラズマの発生領域や拡散を制御してプラズマの分布を制御することができる。

プラズマ分布の制御により、被処理基板１１１に施すプラズマ処理の均一性を制御することができる。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、電子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の大きさは０．０８７５テスラとなる。この場合、電子サイクロトロン共鳴現象を活用するにはプラズマ処理室内に０．０８７５テスラの静磁界を発生させる必要があり、処理室内の任意の場所にこの大きさの静磁界を発生させることができる静磁界発生装置を用いることが望ましい。静磁界の発生装置として多段の電磁石を用いた。多段の電磁石を用いることにより静磁界分布と大きさの調整が電磁石に流す電流により容易に制御できる効果がある。

プラズマ処理室１１０はバルブ１１６、コンダクタンス可変バルブ１１７を介して接続された真空排気ポンプ１１８が接続され、排気されている。真空排気ポンプ１１８として排気側をロータリーポンプにより排気したターボ分子ポンプを用いた。プラズマ処理室１１０の圧力は圧力計１２０によりモニタしている。処理ガスの供給系１０９により供給されるガスやエッチング処理時に発生するガス等のガスを排気する排気速度をコンダクタンス可変バルブにより自動的に制御して、一定の圧力を保持する機構を設けた。

円偏波について簡単に説明する。最初に偏波面とは電磁波の進行方向と電界ベクトルの方向からなる面を指す。以下、偏波面に関して電界ベクトルは円形導波管の中心軸上で定義するものとする。円偏波とは偏波面が時間的に回転する電磁波を指す。一方、偏波面が回転しない電磁波を直線偏波と呼ぶ。

円偏波では電界ベクトルの終点がなす軌跡が円となり、直線偏波の場合は直線となる。楕円となる場合を楕円偏波と呼ぶ場合がある。円偏波は例えば偏波面が直行する２つの等振幅の直線偏波を位相を９０°ずらして重ね合わせることで生成出来ることが知られている。円偏波発生のために２つの直線偏波を重ね合わせる場合、偏波面が直交することは必ずしも必須でなく、他の角度であっても振幅と位相を調整することで円偏波を発生させることができる。

図２に従来技術における円偏波発生器の構造を示す。以下に簡単に従来技術による円偏波発生の原理を説明する。円形導波管の直径は最低次モードである円形導波管ＴＥ１１モードのみが伝播する寸法とした。円形導波管の中に誘電体板２０２を装荷した構造となっている。誘電体板２０２の材質として石英を用いた。入射側円形導波管２０１の中心軸上のマイクロ波電界ベクトル２０４は誘電体板２０２の表面に対する法線方向の電界成分２０５と誘電体板表面の接線方向成分２０６の重ね合わせで表現できる。

入射側の円形導波管中心軸上にてマイクロ波の偏波面が誘電体板２０２の表面に対して４５度の角度で入射するように配置している。マイクロ波の入射波の電界は上述の通り誘電体板２０２表面に平行な成分と垂直な成分の重ね合わせとして表現でき、互いに直行する２つの直線偏波の重ね合わせとみなすことが出来る。

偏波面が誘電体板２０２表面と平行な直線偏波は、誘電体板２０２の影響を受けやすく波長が短縮しやすい傾向がある。一方、偏波面が誘電体板２０２と垂直な直線偏波は誘電体の影響を相対的にうけにくく、波長の短縮効果は小さい。両者で波長が異なる結果となるため、誘電体板２０２の出力側位置にて、２つの直線偏波の位相に差が生じる。誘電体板２０２の長さを調整することで、位相差が９０度となるように調整することが出来る。この結果、２つの直線偏波の重ねあわせにより、誘電体板２０２の出力側、すなわち出力側円形導波管２０３にて円偏波を生成することが出来る。

最初に図２に示す円偏波発生器を図１に示すエッチング装置に適用した。円偏波発生器は円形導波管１０５を置き換える形で、円矩形変換器１０４と空洞部１０６の間に設置した。円矩形変換器１０４は入力側が方形導波管、出力側が円形導波管となっている。さらに図に示すようにマイクロ波の進行方向を９０°曲げるコーナの機能も持たせており、装置の小型化を図っている。

図３，図４に円矩形変換器１０４と円偏波発生器の位置関係の説明図を示す。図３が上面図、図４が側面図である。図３に示すように円矩形変換器の中心軸（一点鎖線で表示）と誘電体の中心軸（一点鎖線で表示）は互いに４５°になるように配置した。方形導波管部から入射したマイクロ波の電界は円形導波管部に伝送され図４の円矩形変換器の中心軸方向を向くためである。

図２に示す公知の円偏波発生器を図１に示すエッチング装置に適用してプラズマ発生実験を行い、円偏波発生器を用いない場合と比較した。基板電極上のプラズマ密度分布を評価したところ、概ね円偏波発生器の使用により、軸対称性に改善が見られたが、一部の条件では改善されなかった。改善が見られなかった場合について、円偏波の発生が阻害されたと考え、その原因について考察した。

円矩形変換器の円形導波管部から円偏波発生器側に入射するマイクロ波は、円偏波発生器や空洞共振部など各部で反射波を生じ、円矩形変換器の方形導波管側に一部が戻ることになる。円偏波発生器を通過して戻る反射波は誘電体板の効果により円偏波として円矩形変換器の方形導波管側に戻る。反射波として戻った円偏波は偏波面が直交する２つの直線偏波の重ねあわせとみなせる。方形導波管ＴＥ１０モードと偏波面が一致する直線偏波は円矩形変換器を透過できるが、これと直交する偏波面を持つ直線偏波は円矩形変換器の方形導波管部を透過できず、再び入射波と重なり合って円偏波発生器側に入射する。この影響で偏波面がずれて円偏波が発生できなかったものと推定した。

マイクロ波の反射波が大きい場合にも対応できる円偏波発生器を立案した。異なる偏波面を持つ複数のモードが同時に伝播できる導波路内に各モードの位相や振幅を調整可能な機構を設けることで、反射波による円偏波化の阻害を保障する構造を検討した。

マイクロ波の伝送には矩形や円形の断面を持つ中空の導波管を用いることが多い。伝送特性が明らかとなっており、電力損失も小さいためである。異なる偏波面を持つ複数のモードが伝播可能な導波路は種々存在するが、軸対称なプラズマ処理を考慮すると、断面が正方形等の正多角形や円形の導波管を用いることが望ましい。

導波管中を伝播するモードの位相や振幅を調整可能な機構として、種々の公知の機構が存在する。例えばスタブと呼ばれる挿入長可変の導体棒を導波管中に挿入する方法、導波管を分岐し一端を短絡した長さ可変の導波管を接続した構造、導波管中に移動可能な誘電体板を装荷する方法等がある。

検討の結果得た最終的な構造を図５〜図７に模式的に示す。図５が斜視図、図６が上面図、図７が側面図である。円矩形変換器４０２の円形導波管４０５側にスタブ４０３および４０４を設けた。スタブ４０３および４０４は円柱状で先端部は半球状とした。一般に導体表面の角部等、曲率の大きい部分にはマイクロ波電界が集中しやすく高電力の印加により異常放電を起こす危険性が高くなる。先端部を半球状とすることで導体表面の曲率を抑え異常放電リスクを低下させる効果がある。異常放電のリスクが小さい場合には必ずしもスタブの先端部を半球状とする必要は無い。

２本のスタブ４０３および４０４の挿入位置は図６に示すように、円矩形変換器の方形導波管部４０１の軸方向（ｘ軸と表示）に対し、それぞれ４５度の角度で円形導波管部４０５の中心に向けて設置した。即ち一方のスタブの位置を基準にして他方のスタブは９０度の位置に設けた。スタブ４０３および４０４はそれぞれ各スタブの中心軸方向に円形導波管部への挿入長を可変できる構造とした。後述のように各スタブの挿入長を調整することにより負荷変動があっても常に円偏波の度合いを高く保つことが可能であるが、負荷変動が小さい場合など特性を可変とする必要が無い場合には挿入長を固定としても良い。

図５の円形導波管に接続する負荷インピーダンスの異方性に応じて、負荷からの反射波の偏波面は入射波の偏波面に対し回転する。負荷インピーダンスの異方性が全く無い等方性の場合には円形導波管部での偏波面は図６においてｘ軸と平行となる。本実施例の場合、円形導波管に接続する負荷は図１に示すように基本的に円形導波管の中心軸に対し同軸に配置された円を基本とする形状となっており、部品形状に起因する異方性はほとんどない。

しかし処理室１１０内に発生するプラズマは磁化プラズマであり、異方性を持つ。実験的に処理室の反射係数を測定したところ、大きさが０．１程度と小さいことがわかった。反射波の偏波面は負荷の異方性に応じて回転するが、反射係数が小さいため偏波面回転の影響は小さい。

図６に示すようにスタブ４０３とスタブ４０４は互いの中心軸が直交するように配置した。後述の様に円形導波管ＴＥ１１モードの偏波面とスタブの位置関係によりスタブの影響が大きく異なる。図６において、例えば円形導波管部での偏波面がｘ軸と平行な場合、スタブ４０３、スタブ４０４の位置で円形導波管ＴＥ１１モードの電界は同程度の強度であり、両スタブとも同程度の影響を円形導波管ＴＥ１１モードに対して与える。各スタブ中心軸と平行に偏波面を持つ２つの円形導波管ＴＥ１１モードに分離した場合に、２つの円形導波管ＴＥ１１モードに位相差を与えやすく、円偏波を発生させやすいものと考えた。

図５〜図７ではスタブを２本持つ構造としたが、スタブを３本以上に増やしても良い。構造は複雑となるが、円偏波発生の自由度が増す効果がある。

図８の方形導波管部のマイクロ波の電磁界分布について説明する。方形導波管部４０１として１０９．２ｍｍ×５４．６ｍｍの矩形断面を持つ方形導波管を用いた。この断面の方形導波管はＷＲＪ−２という名称で規格化されており一般的に用いられている。方形導波管内のマイクロ波電磁界分布については明らかとなっており、例えば上記の非特許文献１に詳しく記載されている。

方形導波管部４０１中の周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は方形導波管のＴＥ１０モードと呼ばれるモードで伝播することが知られている。図８に方形導波管のＴＥ１０モードの電界分布を模式的に示す。矢印で電界ベクトルの方向を示し、破線の密度で電界ベクトルの大きさを示している。電界は導波管断面の長辺に垂直な成分のみを持ち、短辺の表面で電界の大きさはゼロ、中央で最大となる。

図９に円形導波管の最低次モードである円形導波管ＴＥ１１モードの電界分布を模式的に示す。円形導波管の中心から縦にＹ軸、横にＸ軸を取り、中心で電界がＹ軸方向を向く場合を示す。図９において導波管壁内面での電界の大きさはＸ軸上でゼロとなり±９０度離れたＹ軸上で最大値を取る。

一般に金属など導電率の高い物質の表面で電界の接線成分は小さく、完全導体の場合には電界の接線成分はゼロ即ち完全導体表面に電界は直行することが知られている。導波管の内壁材料としては損失低減のために導電率の高い材質が用いられることが多く、完全導体として扱われることが多い。本実施例では導波管の内壁は導電率の高いアルミニウム製としており、導波管内壁表面で電界の接線成分がゼロとなるものと考えてよい。図８に示す方形導波管のＴＥ１０モードの導波管断面形状を内壁表面に電界が直行する境界条件を保持して徐々に円形に変形させた場合を考えると、図９に示す円形導波管ＴＥ１１モードとなることが定性的に理解しやすい。

図９では中心軸上で電界がＹ軸方向を向く場合を示したが、円形導波管では電界が任意の方向を向くモードも全く同様に存在できる。例えば図１０に示すように９０度中心軸に対して回転させた電界分布となるモードも存在できる。偏波面が任意の方向を向く場合は、電界がＹ軸を向くモードとＸ軸を向くモードの重み付き重ねあわせで表現することが出来る。

図５においても方形導波管部では図８に示す方形導波管ＴＥ１０モードとなり、図６の上面図において方形導波管部の電界は紙面に垂直な成分のみを持つ。さらに円矩形変換器の形状遷移部４０２では方形導波管ＴＥ１０モードの電磁界分布は形状変化に伴い変形を受け、遷移部４０２出口の円形導波管部では最終的に図９に示す円形導波管ＴＥ１１モードになる。遷移部４０２出口の円形導波管部での電界の方向は図６においてｘ軸と平行となる。

図９において例えばスタブをＸ軸上に設けたとすると、電界の小さい箇所に設けたことになり、円形導波管ＴＥ１１モードに与える影響は小さい。一方、スタブをＹ軸上に設けたとすると、電界が大きい箇所に設けたことになり、円形導波管ＴＥ１１モードに与える影響は大きくなる。即ち偏波面とスタブ中心軸のなす角度により円形導波管ＴＥ１１モードに与える影響が異なることが定性的に予想できる。さらにスタブはその挿入長の大小により特性が変化し、挿入長を可変とすることにより、円形導波管ＴＥ１１モードに与える影響を可変とすることが出来る。

円形導波管に装荷したスタブの影響を定量的に評価するため、図１１に示すように円形導波管にスタブを設けたモデルを解析した。円形導波管の中心軸にＺ軸を取り、スタブの中心軸をＸ軸に取った。スタブ先端の半球の中心と円形導波管内面の距離をスタブ挿入長とし、種々のスタブ挿入長について解析した。解析はマイクロ波電磁界の基本方程式であるマックスウェルの方程式を有限要素法により解くことで実施した。

また円形導波管の上面にポート１、下面にポート２を設け、各ポートに偏波面がスタブの中心軸と直交する円形導波管ＴＥ１１モード（モード１）と平行なモード（モード２）を考え、各ポートの各モードに対する散乱行列を求めた。

ポート１は図１１に示す座標でＺ＝１５０ｍｍ、ポート２はＺ＝−１５０ｍｍの位置に設けた。各ポートの各モードを図１１に矢印で示した。矢印の方向は各モードの電界ベクトルの方向とした。また各ポートから図１１の原点に向かう波を入射波、逆に各ポートで原点から離れる向きに向かう波を反射波とした。

ここで、散乱行列とはマイクロ波などの高周波回路解析に一般的に用いられる行列で、前述の非特許文献１等に記載されている。透過係数や反射係数の概念を複数のポートや複数の伝播モードを持つ高周波回路に拡張したと解釈でき、各ポート、各モード間の波の進行、透過、反射を定量的に扱うことができる。図１１に示すモデルの場合、散乱行列は４×４の行列となり（式１）に示すように各ポート各モード間の関係を示すことが出来る。

散乱行列を求めた結果の一部を図１２に示す。図１２にＳ１１、Ｓ２１、Ｓ３１、Ｓ４１の大きさを示す。これらの各パラメータはポート１にモード１を入射させた場合の各ポート各モードに現れる波をあらわす。Ｓ１１はポート１での反射係数に相当する。Ｓ１１の大きさはスタブ挿入長を変化させてもそれほど大きくならないことがわかる。モード１の電界はスタブの挿入位置で小さいため、影響が小さいためと解釈できる。

Ｓ３１はポート２に現れる透過波を示し透過係数に相当する。Ｓ３１の大きさは、ほぼ１となりポート１モード１の入射波はそのままポート２にモード１として伝播することが分かる。またＳ２１、Ｓ４１は、それぞれポート１モード２の反射波、ポート２モード２の透過波を示す。Ｓ２１、Ｓ４１の大きさは共にほぼゼロとなり、モード１を入射させてもモード２はほとんど現れないことを示す。

同様に図１３にＳ１２、Ｓ２２、Ｓ３２、Ｓ４２の大きさを示す。これらの各パラメータはポート１にモード２を入射させた場合の各ポート各モードに現れる波をあらわす。Ｓ２２はポート１での反射波を現し、Ｓ４２はポート２に現れる透過波をあらわす。Ｓ１２、Ｓ２２の大きさはスタブ挿入長に対応して大きく変化することがわかる。モード２の電界はスタブ挿入位置で大きく影響が大きいためと考えられる。Ｓ１２、Ｓ３２の大きさは、ほぼゼロとなりモード２の入射に対してモード１が発生しないことがわかる。

前述の通り、偏波面が任意の位置にある円形導波管ＴＥ１１モードは電界または偏波面が異なる２つの円形導波管ＴＥ１１モードの重み付き重畳により表現することが出来る。このため図１１のモデルにおいて円形導波管の中心軸に対し任意の角度だけ回転したモデルの散乱行列を数値的に算出することが出来る。またポートの位置を変化させると、これに対応して散乱行列が変化するが、これは各ポート各モードの伝播に応じて位相が変化することに対応し、散乱行列を容易に算出出来ることが、前述の非特許文献１に記載されている。

図５に示す構造の円矩形変換器４０２についても同様に、円矩形変換器４０２の円形導波管側には偏波面が直交する２つの円形導波管ＴＥ１１モードを設定し、方形導波管側には方形導波管ＴＥ１０モードを設定して、有限要素法による電磁界解析で散乱行列を算出した。

上記の手順で算出した円矩形変換器およびスタブを装荷した円形導波管の散乱行列を用いて図５に示す構造について円偏波の度合い（真円度）を最適化した。ここで円偏波の度合いは円形導波管の中心軸上で評価することにした。また円偏波において電界ベクトルの終点の軌跡は楕円を描くが、該楕円の長軸に対する短軸の長さの比を真円度と称することにして定量化した。真円度１が完全な円偏波を示し、ゼロが完全な直線偏波を示す。

図５に示すモデルを直接、電磁界解析して散乱行列を算出してもよいが計算時間を低減するために以下の手順で計算した。最初に図５に示すモデルの円矩形変換器部分、一つ目のスタブを装荷した円形導波管部、２つ目のスタブを装荷した円形導波管部の３つの部分に分割し、各部にポートの移動や円形導波管中心軸まわりの回転の変形を加え、散乱行列を算出し合成した。さらにプラズマ負荷をある反射係数を持つポートが１個の素子としてモデル化し、前記合成した散乱行列の負荷として接続した。プラズマ負荷のポート上での円偏波真円度を算出して定量化した。

計算の結果を図１４に示す。図１４においてｘ軸のＬ１は図４のスタブ４０３の挿入長、ｙ軸のＬ２はスタブ４０４の挿入長を示す。ｚ軸は円偏波の真円度を示す。プラズマ負荷の反射係数は絶対値が０．６、位相が０度の場合を示した。２本のスタブの挿入長を調整することで円偏波の度合いを高い値に調整できることがわかる。

図６においてスタブ４０３、スタブ４０４の中心軸をｘ軸に対し±４５度の位置に配置したが、他の角度に配置した方が高い真円度に調整できる可能性もある。図１５にスタブの中心軸の配置を決めるにあたり計算した結果を示す。スタブ４０３とスタブ４０４の中心軸は図６の様にｚ軸に対して投影した図において互いに直交するものとし、ｘ軸の位置を角度ゼロ度、反時計回りに角度を取った。図１５の縦軸には各スタブ挿入長を調整して得られる真円度の最大値を表示した。各スタブ挿入長はゼロから７２．５ｍｍまで２．５ｍｍピッチで調整したものとした。プラズマ負荷の反射係数の絶対値は０．２、位相は０度とした。

スタブ４０３中心軸の角度が０度と９０度において顕著に低い以外は０．８以上の値に調整できていることがわかる。０度と９０度で真円度の最大値が低い理由は下記の様に考えられる。０度と９０度では各スタブの中心軸は図６においてｘ軸、ｙ軸と平行となる。

スタブが無い場合には偏波面はｘ軸方向となる。そのためスタブの一方は円形導波管ＴＥ１１モードの電界の弱い位置に配置したことになり、円形導波管ＴＥ１１モードに与える影響が小さくなる。また各スタブ中心軸と偏波面は直交および平行となるため、元の円形導波管ＴＥ１１モードを偏波面の異なる２つのモードに分離する効果はない。これらの理由により０度と９０度にて円偏波真円度が低くなったと考えられる。例えば３本以上のスタブを円周上に等間隔で配置すると、このような特定の角度で円偏波真円度が低下する問題を避けることができる。

様々なプラズマ負荷の反射係数について同様の計算を行い、各プラズマ負荷の反射係数についてスタブの調整により得られる円偏波真円度の最大値を求めた。結果を図１６に示す。スタブ挿入長は２．５ｍｍ間隔で調整したデータを用いた。プラズマ負荷の反射係数絶対値が大きくなると高い円偏波真円度が得られる領域が狭くなる傾向があるため、スタブ調整により得られる最大の真円度は小さくなる傾向にある。実際のプラズマ負荷の反射係数を実測すると、絶対値は概ね０．１程度と小さくなっており図１６から高い真円度に調整可能なことが判る。

本発明は図１に示すプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他のプラズマ発生方法によるプラズマエッチング装置にも適用可能である。

１０１ マイクロ波源
１０２ 自動整合機
１０３ 方形導波管
１０４ 円矩形変換器
１０５ 円形導波管
１０６ 空洞共振部
１０７ マイクロ波導入窓
１０８ シャワープレート
１０９ 処理ガスの供給系
１１０ プラズマ処理室
１１１ 被処理基板
１１２ 基板電極
１１３ 自動整合機
１１４ バイアス電源
１１５ 静磁界発生装置
１１６ バルブ
１１７ コンダクタンス可変バルブ
１１８ 真空排気ポンプ
１１９ アイソレータ
１２０ 圧力計
２０２ 誘電体板
２０１ 入射側円形導波管
２０４ マイクロ波電界ベクトル
２０５ 誘電体板２０２の表面に対する法線方向の電界成分
２０６ 誘電体板表面の接線方向成分
４０１ 方形導波管部
４０２ 整合用導波管
４０３、４０４ スタブ
４０５ 円形導波管

Claims (9)

1. 電磁波によりプラズマを発生し、
   該電磁波を円偏波化する機能を有し、
   円偏波化された電磁波により軸対称性の良いプラズマを発生させ、
   被処理基板に対して軸対称性の良いプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
   該電磁波の円偏波化阻害要因の抑制を保障する機能を有する該電磁波の円偏波化機構を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   該電磁波の円偏波化阻害要因がプラズマ処理室の負荷変動であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
   該円偏波化阻害要因の抑制を保障する機能が複数のモードで導波路中を伝播する電磁波の伝播特性調整機能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
   電磁波の伝播特性調整機能がスタブであることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   複数のスタブが互いの中心軸が直交するように配置されて円形導波管内の中心に向けて挿入されることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   前記複数のスタブはそれぞれ円柱状で先端部は半球状であることを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   前記複数のスタブの前記円形導波管内への挿入長が調整可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   円形導波管内の中心に向けて挿入される複数のスタブの中心軸の角度が調整可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項４記載のプラズマ処理装置において、
   円形導波管内の中心に向けて挿入される３本以上のスタブが円周上に等間隔で配置されることを特徴とするプラズマ処理装置。

Images