JP2012182076A - 表面波プラズマ発生用アンテナおよび表面波プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な表面波プラズマを形成することが可能な表面波プラズマ発生用アンテナおよび表面波プラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】 マイクロ波出力部から、外側導体と内側導体とからなる同軸状の導波路を介して伝送されたマイクロ波をチャンバ内に放射して、チャンバ内に表面波プラズマを発生させるための、表面波プラズマ発生用アンテナであって、平面状をなすとともに複数のスロットが円周状に形成され、かつ、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分において、これらスロットが径方向に重なっており、その継ぎ目部分がスロットに覆われた状態となっている。
【選択図】図７

Description

本発明は、表面波プラズマ発生用アンテナおよび表面波プラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。

ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、生成されるプラズマの電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。

そこで、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。

ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、表面波プラズマ発生用アンテナとしてチャンバの上部に所定のパターンで複数のスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバ内で表面波プラズマを生成し、これにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。

表面波プラズマ発生用アンテナとして用いられる平面アンテナとしては、特許文献２に開示されているように、円弧状のスロットが複数、例えば４個円周状に均等に形成されたものが知られている。

特開２０００−２９４５５０号公報 特開２００９−２２４４９３号公報

しかしながら、引用文献２に開示されているような複数の円弧状のスロットが円周状に均等に形成された平面アンテナを用いた場合、スロットとスロットとの間の開口部のない部分で電磁波強度が弱くなり、プラズマ密度がその部分だけ減少し、結果として周方向（角度方向）のプラズマ均一性が悪化するという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、均一な表面波プラズマを形成することが可能な表面波プラズマ発生用アンテナおよび表面波プラズマ処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、マイクロ波出力部から、外側導体と内側導体とからなる同軸状の導波路を介して伝送されたマイクロ波をチャンバ内に放射して、チャンバ内に表面波プラズマを発生させるための、表面波プラズマ発生用アンテナであって、平面状をなすとともに複数のスロットが円周状に形成され、かつ、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分がスロットに覆われるように構成されていることを特徴とする表面波プラズマ発生用アンテナを提供する。

前記隣接するスロットとスロットとは、その継ぎ目部分において、径方向に重なっている構成とすることができる。このとき、前記スロットは、中央部とそこから両側に延びる第１の端部および第２の端部を有しており、隣接するスロットのうち一方の第１の端部と他方の第２の端部とが径方向に重なっているように構成することができる。前記中央部、前記第１の端部、および前記第２の端部は、実質的に同じ長さを有していることが好ましい。

この場合に、前記スロットの前記中央部は所定幅を有し、前記第１の端部および前記第２の端部は前記中央部の幅の半分以下の幅を有し、前記第１の端部と前記第２の端部とが重なる部分は、前記中央部と同じ幅を有し、前記複数のスロットの存在領域が円環状をなすように形成することができる。また、前記スロットは細長い形状に形成されており、前記複数のスロットは、円環領域に内包するように設けられ、前記第１の端部が隣接するスロットの第２の端部の外側に形成され、前記第２の端部が隣接するスロットの第１の端部の内側に形成され、前記中央部は、外側の第１の端部から内側の第２の端部に向けて、前記円環領域の外側部分から内側部分を斜めに横切るように設けることもできる。

前記複数のスロットは、円周状に複数形成された外側円弧状スロットと、その内側に円周状に複数形成された内側円弧状スロットとで構成され、前記外側円弧状スロット同士の継ぎ目部分と前記内側円弧状スロット同士の継ぎ目部分が径方向に重ならないように設けるように構成することもできる。

本発明の第２の観点では、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、マイクロ波電源を有し、マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部、および出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導入するマイクロ波導入機構を備え、前記チャンバ内にマイクロ波を導入して前記チャンバ内に供給されたガスの表面波プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記マイクロ波導入機構は、外側導体と内側導体とからなる同軸状の導波路と、導波路を介して伝送されたマイクロ波を、チャンバ内に放射するための、表面波プラズマ発生用アンテナとを有し、前記表面波プラズマ発生用アンテナとして、上記第１の観点のものを用いることを特徴とする表面波プラズマ処理装置を提供する。

前記マイクロ波導入機構は、前記導波路に設けられた、前記チャンバ内の負荷のインピーダンスを前記マイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるチューナをさらに有してもよい。また、前記マイクロ波導入機構を複数有してもよい。

本発明によれば、複数のスロットが円周状に形成され、かつ、円周方向に隣接するスロットとスロットの継ぎ目部分がスロットに覆われるように構成したので、スロットの継ぎ目部分のスロットが存在しない部分で電磁波強度が弱くなることを回避することができる。このため、周方向（角度方向）のプラズマ均一性を良好にすることができる。

本発明の実施形態に係る表面波プラズマ発生用アンテナを有する表面波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１の表面波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図である。 図１の表面波プラズマ処理装置におけるマイクロ波導入機構を示す縦断面図である。 マイクロ波導入機構の給電機構を示す横断面図である。 チューナの本体におけるスラグと滑り部材を示す平面図である。 チューナの本体における内側導体を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る表面波プラズマ発生用アンテナの平面図である。 第２の実施形態に係る表面波プラズマ発生用アンテナの平面図である。 第３の実施形態に係る表面波プラズマ発生用アンテナの平面図である。 従来の表面波プラズマ発生用アンテナにおけるプラズマ密度測定位置を示す平面図である。 図１０のアンテナを用いた場合のスロットの中央位置、スロット中央とビームとの間の位置、ビーム位置の直下におけるプラズマ密度を示す図である。 従来の表面波プラズマ発生用アンテナにおける周方向の電界強度をシミュレーションしたサークル１およびサークル２を示す図である。 図１２のアンテナを用いた場合のサークル１およびサークル２における周方向の電界強度分布を示す図である。 図７の第１の実施形態の表面波プラズマ発生用アンテナを用いた場合のサークル１およびサークル２における周方向の電界強度分布を示す図である。 図８の第２の実施形態の表面波プラズマ発生用アンテナを用いた場合のサークル１およびサークル２における周方向の電界強度分布を示す図である。 図９の第３の実施形態の表面波プラズマ発生用アンテナを用いた場合のサークル１およびサークル２における周方向の電界強度分布を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜表面波プラズマ処理装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る表面波プラズマ発生用アンテナを有する表面波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２は図１の表面波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図である。

表面波プラズマ処理装置１００は、ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源２はこの開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。

チャンバ１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。

また、図示はしていないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

チャンバ１内のサセプタ１１の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハＷに向けて吐出するシャワープレート２０が水平に設けられている。このシャワープレート２０は、格子状に形成されたガス流路２１と、このガス流路２１に形成された多数のガス吐出孔２２とを有しており、格子状のガス流路２１の間は空間部２３となっている。このシャワープレート２０のガス流路２１にはチャンバ１の外側に延びる配管２４が接続されており、この配管２４には処理ガス供給源２５が接続されている。

一方、チャンバ１のシャワープレート２０の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材２６がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材２６には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材２６には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源２７が配管２８を介して接続されている。プラズマ生成ガスとしてはＡｒガスなどが好適に用いられる。

プラズマガス導入部材２６からチャンバ１内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源２からチャンバ１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このプラズマがシャワープレート２０の空間部２３を通過しシャワープレート２０のガス吐出孔２２から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。

マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持されており、これらの間は気密にシールされている。図２に示すように、マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送しチャンバ１内に放射するためのマイクロ波供給部４０とを有している。

マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、９１５ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、９１５ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚから３ＧＨｚを用いることができる。

マイクロ波供給部４０は、分配器３４で分配されたマイクロ波を主に増幅する複数のアンプ部４２と、複数のアンプ部４２のそれぞれに接続されたマイクロ波導入機構４１とを有している。

アンプ部４２は、位相器４５と、可変ゲインアンプ４６と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７と、アイソレータ４８とを有している。

位相器４５は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることや、後述するように隣り合うアンテナモジュールにおいて９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４５は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４５は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４６は、メインアンプ４７へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ４６を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。

アイソレータ４８は、マイクロ波導入機構４１で反射してメインアンプ４７に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、後述するマイクロ波導入機構４１のアンテナ部４３で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

マイクロ波導入機構４１は、図３の縦断面図、図４の横断面図に示すように、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路４４と、導波路４４を伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４３とを有している。そして、マイクロ波導入機構４１からチャンバ１内に放射されたマイクロ波がチャンバ１内の空間で合成され、チャンバ１内で表面波プラズマが形成されるようになっている。

導波路４４は、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されており、導波路４４の先端にアンテナ部４３が設けられている。導波路４４は、内側導体５３が給電側、外側導体５２が接地側となっている。外側導体５２および内側導体５３の上端は反射板５８となっている。

導波路４４の基端側にはマイクロ波（電磁波）を給電する給電機構５４が設けられている。給電機構５４は、導波路４４（外側導体５２）の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート５５を有している。マイクロ波電力導入ポート５５には、アンプ部４２から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸線路５６が接続されている。そして、同軸線路５６の内側導体５６ａの先端には、外側導体５２の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ９０が接続されている。

給電アンテナ９０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン（登録商標）等の誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５ＧＨｚ等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造の導波路４４内に伝送させる。その場合、給電アンテナ９０から反射板５８までの距離を約λｇ／４の半波長倍に設定する。ただし、周波数の低いマイクロ波では、径方向の制約のため、これに当てはまらない場合もある。その場合には、給電アンテナ９０より発生させる電磁波の腹を給電アンテナ９０ではなく、給電アンテナ９０の下方に誘起させるように、給電アンテナの形状を最適化することが好ましい。

給電アンテナ９０は、図４に示すように、マイクロ波電力導入ポート５５において同軸線路５６の内側導体５６ａに接続され、電磁波が供給される第１の極９２および供給された電磁波を放射する第２の極９３を有するアンテナ本体９１と、アンテナ本体９１の両側から、内側導体５３の外側に沿って延び、リング状をなす反射部９４とを有し、アンテナ本体９１に入射された電磁波と反射部９４で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。アンテナ本体９１の第２の極９３は内側導体５３に接触している。

給電アンテナ９０がマイクロ波（電磁波）を放射することにより、外側導体５２と内側導体５３との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構５４に供給されたマイクロ波電力がアンテナ部４３に向かって伝播する。

導波路４４にはチューナ６０が設けられている。チューナ６０は、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものであり、外側導体５２と内側導体５３との間を上下に移動する２つのスラグ６１ａ，６１ｂと、反射板５８の外側（上側）に設けられたスラグ駆動部７０とを有している。

これらスラグのうち、スラグ６１ａはスラグ駆動部７０側に設けられ、スラグ６１ｂはアンテナ部４３側に設けられている。また、内側導体５３の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の２本のスラグ移動軸６４ａ，６４ｂが設けられている。

スラグ６１ａは、図５に示すように、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材６３が嵌め込まれている。滑り部材６３にはスラグ移動軸６４ａが螺合するねじ穴６５ａとスラグ移動軸６４ｂが挿通される通し穴６５ｂが設けられている。一方、スラグ６１ｂは、スラグ６１ａと同様、ねじ穴６５ａと通し穴６５ｂとを有しているが、スラグ６１ａとは逆に、ねじ穴６５ａはスラグ移動軸６４ｂに螺合され、通し穴６５ｂにはスラグ移動軸６４ａが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸６４ａを回転させることによりスラグ６１ａが昇降移動し、スラグ移動軸６４ｂを回転させることによりスラグ６１ｂが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと滑り部材６３とからなるねじ機構によりスラグ６１ａ，６１ｂが昇降移動される。

図６に示すように、内側導体５３には長手方向に沿って等間隔に３つのスリット５３ａが形成されている。一方、滑り部材６３は、これらスリット５３ａに対応するように３つの突出部６３ａが等間隔に設けられている。そして、これら突出部６３ａがスラグ６１ａ，６１ｂの内周に当接した状態で滑り部材６３がスラグ６１ａ，６１ｂの内部に嵌め込まれる。滑り部材６３の外周面は、内側導体５３の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂが回転されることにより、滑り部材６３が内側導体５３を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体５３の内周面がスラグ６１ａ，６１ｂの滑りガイドとして機能する。なお、スリット５３ａの幅は５ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、後述するように内側導体５３の内部へ漏洩するマイクロ波電力を実質的になくすことができ、マイクロ波電力の放射効率を高く維持することができる。

滑り部材６３を構成する樹脂材料としては、良好な滑り性を有し、加工が比較的容易な樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を好適なものとして挙げることができる。

上記スラグ移動軸６４ａ，６４ｂは、反射板５８を貫通してスラグ駆動部７０に延びている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと反射板５８との間にはベアリング（図示せず）が設けられている。また、内側導体５３の下端には、導体からなる軸受け部６７が設けられており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端はこの軸受け部６７に軸支されている。

スラグ駆動部７０は筐体７１を有し、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂは筐体７１内に延びており、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂの上端には、それぞれ歯車７２ａおよび７２ｂが取り付けられている。また、スラグ駆動部７０には、スラグ移動軸６４ａを回転させるモータ７３ａと、スラグ移動軸６４ｂを回転させるモータ７３ｂが設けられている。モータ７３ａの軸には歯車７４ａが取り付けられ、モータ７３ｂの軸には歯車７４ｂが取り付けられており、歯車７４ａが歯車７２ａに噛合し、歯車７４ｂが歯車７２ｂに噛合するようになっている。したがって、モータ７３ａにより歯車７４ａおよび７２ａを介してスラグ移動軸６４ａが回転され、モータ７３ｂにより歯車７４ｂおよび７２ｂを介してスラグ移動軸６４ｂが回転される。なお、モータ７３ａ，７３ｂは例えばステッピングモータである。

なお、スラグ移動軸６４ｂはスラグ移動軸６４ａよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車７２ａおよび７２ｂの位置が上下にオフセットしており、モータ７３ａおよび７３ｂも上下にオフセットしている。これにより、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースを小さくすることができ、これらを収容する筐体７１を外側導体５２と同じ径にすることが可能となる。

モータ７３ａおよび７３ｂの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ６１ａおよび６１ｂの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ７５ａおよび７５ｂが設けられている。

スラグ６１ａおよび６１ｂの位置は、スラグコントローラ６８により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ７５ａおよび７５ｂにより検知されたスラグ６１ａおよび６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ６８がモータ７３ａおよび７３ｂに制御信号を送り、スラグ６１ａおよび６１ｂの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ６８は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

アンテナ部４３は、マイクロ波を放射するスロットを有し平面状をなす、表面波プラズマを発生するための表面波プラズマ発生用アンテナ８１を有している。表面波プラズマ発生用アンテナ８１の詳細は後述する。

アンテナ部４３は、表面波プラズマ発生用アンテナ８１の上面に設けられた遅波材８２を有している。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通して軸受け部６７と表面波プラズマ発生用アンテナ８１とを接続している。したがって、内側導体５３が軸受け部６７および円柱部材８２ａを介して表面波プラズマ発生用アンテナ８１に接続されている。なお、外側導体５２の下端は表面波プラズマ発生用アンテナ８１まで延びており、遅波材８２の周囲は外側導体５２で覆われている。また、表面波プラズマ発生用アンテナ８１および後述する天板８３の周囲は被覆導体８４で覆われている。

遅波材８２は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材８２は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、表面波プラズマ発生用アンテナ８１が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、表面波プラズマ発生用アンテナ８１の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

また、表面波プラズマ発生用アンテナ８１のさらに先端側には、真空シールのための誘電体部材、例えば石英やセラミックス等からなる天板８３が配置されている。そして、メインアンプ４７で増幅されたマイクロ波が内側導体５３と外側導体５２の周壁の間を通って表面波プラズマ発生用アンテナ８１から天板８３を透過してチャンバ１内の空間に放射される。

本実施形態において、メインアンプ４７と、チューナ６０と、表面波プラズマ発生用アンテナ８１とは近接配置している。そして、チューナ６０と表面波プラズマ発生用アンテナ８１とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつ表面波プラズマ発生用アンテナ８１、遅波材８２、天板８３は合成抵抗が５０Ωに設定されているので、チューナ６０はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。

表面波プラズマ処理装置１００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部１１０により制御されるようになっている。制御部１１０は表面波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。

＜表面波プラズマ発生用アンテナの構成＞
次に、上記表面波プラズマ発生用アンテナ８１の構成について説明する。

［表面波プラズマ発生用アンテナの第１の実施形態］
図７は、表面波プラズマ発生用アンテナの第１の実施形態を示す平面図である。本実施形態では、表面波プラズマ発生用アンテナ８１は、全体が円板状（平面状）をなすとともに６個のスロット１２１が円周状に形成されている。これらスロット１２１は全て同じ形状の円弧状をなしており、いずれも太い円弧状をなす中央部１２１ａと、中央部１２１ａの円周方向端部の両側から円弧状に延びる第１の端部１２１ｂおよび第２の端部１２１ｃとを有している。そして、これらスロット１２１のうち隣接するもの同士の継ぎ目部分は、一方のスロット１２１の第１の端部１２１ｂが他方のスロット１２１の第２の端部１２１ｃと径方向に重なるように構成されている。すなわち、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分が、スロットに覆われるように構成され、周方向にスロットのない部分が存在しないようにしている。第１の端部１２１ｂおよび第２の端部１２１ｃの径方向の幅は、中央部１２１ａの径方向の幅の半分以下となっており、第１の端部１２１ｂは中央部１２１ａの一方の円周方向端部の外側（外周側）から円周方向に延び、第２の端部１２１ｃは中央部１２１ａの他方の円周方向端部の内側（内周側）から円周方向に延びている。そして、第１の端部１２１ｂの外周は中央部１２１ａの外周に連続しており、第２の端部１２１ｃの内周は中央部１２１ａの内周に連続している。このため、隣接するスロット１２１の継ぎ目部分において、第１の端部１２１ｂが外側に、第２の端部１２１ｃが内側になるように重なっており、６個のスロット１２１は、全体的に中央部１２１ａと第１の端部１２１ｂの外周を結んだ線を外周とし中央部１２１ａと第２の端部１２１ｃの内周を結んだ線を内周とする同じ幅の円環領域を形成するように設けられている。

スロット１２１は、（λｇ／２）−δの長さを有する。ただし、λｇはマイクロ波の実効波長であり、δは円周方向（角度方向）に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分（０を含む）である。なお、スロット１２１の長さは約λｇ／２に限らず、λｇ／２の整数倍から微調整成分（０を含む）を引いたものであればよい。中央部１２１ａ、第１の端部１２１ｂ、第２の端部１２１ｃはほぼ均等な長さを有している。すなわち、スロット１２１の長さが（λｇ／２）−δのときには、それぞれ中央部１２１ａ、第１の端部１２１ｂ、第２の端部１２１ｃは、それぞれ（λｇ／６）−δ_１、（λｇ／６）−δ_２、（λｇ／６）−δ_３の長さとなる。ただし、δ_１，δ_２、δ_３は円周方向（角度方向）に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分（０を含む）である。隣接するスロットがオーバーラップする部分の長さは等しいほうが好ましいので、δ_２＝δ_３であることが好ましい。本実施形態の場合、一つのスロット１２１の長さが約λｇ／２であり、それが６個であるから合計の長さが約３λｇであるが、そのうちオーバーラップ部分は（λｇ／６）×６＝λｇであり、全体の長さは２λｇとなるから、アンテナとしては、長さが約λｇ／２のスロットを円周状に４つ配置した従来のアンテナとほぼ等価なものとなる。

スロット１２１は、その内周が、表面波プラズマ発生用アンテナ８１の中心から（λｇ／４）＋δ′の位置になるように形成される。ただし、δ′は径方向の電界強度分布を均一にするために微調整する微調整成分（０を含む）である。なお、中心からスロット内周までの長さは約λｇ／４に限らず、λｇ／４の整数倍に微調整成分（０を含む）を加えたものであればよい。

［表面波プラズマ発生用アンテナの第２の実施形態］
図８は、表面波プラズマ発生用アンテナの第２の実施形態を示す平面図である。本実施形態では、表面波プラズマ発生用アンテナ８１は、全体が円板状（平面状）をなすとともに、６個のスロット１３１が全体形状が円周状になるように形成されている。これらスロット１３１は全て同じ形状であり、円周に沿って細長い形状に形成されている。これらスロット１３１のうち隣接するもの同士の継ぎ目部分は、一方のスロット１３１の端部と他方のスロット１３１の端部とが重なるように構成されている。すなわち、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分が、スロットに覆われるように構成され、周方向にスロットのない部分が存在しないようにしている。具体的には、スロット１３１の両端にそれぞれ隣接するスロット１３１と重なる第１の端部１３１ｂおよび第２の端部１３１ｃを有しており、第１の端部１３１ｂと第２の端部１３１ｃとの間の重なりのない部分が中央部１３１ａとなっている。そして、隣接するスロット１３１のうち、一方の第１の端部１３１ｂと他方の第２の端部１３１ｃが、第１の端部１３１ｂが外側に第２の端部１３１ｃが内側になるように重なっている。中央部１３１ａは、外側にある第１の端部１３１ｂと内側にある第２の端部１３１ｃとを繋いでいるため、図８に示す６個のスロット１３１を内包する二点鎖線で示す円環領域１３２において外周と一致する第１の端部１３１ｂと内周と一致する第２の端部１３１ｃの間を斜めに結ぶようになっている。

スロット１３１は、第１の実施形態のスロット１２１と同様、（λｇ／２）−δの長さを有する。δは第１の実施形態と同様である。この実施形態においても、スロット１３１の長さは約λｇ／２に限らず、λｇ／２の整数倍から微調整成分（０を含む）を引いたものであればよい。中央部１３１ａ、第１の端部１３１ｂ、第２の端部１３１ｃは、第１の実施形態の中央部１２１ａ、第１の端部１２１ｂ、第２の端部１２１ｃと同様、ほぼ均等な長さを有している。すなわち、スロット１３１の長さが（λｇ／２）−δのときには、それぞれ中央部１３１ａ、第１の端部１３１ｂ、第２の端部１３１ｃは、それぞれ（λｇ／６）−δ_１、（λｇ／６）−δ_２、（λｇ／６）−δ_３の長さとなる。δ_１，δ_２、δ_３は第１の実施形態と同様である。また、隣接するスロットがオーバーラップする部分の長さは等しいほうが好ましいので、δ_２＝δ_３であることが好ましい。本実施形態の一つのスロット１３１の長さは、第１の実施形態のスロット１２１と同様、約λｇ／２であり、それが６個であるから合計の長さが約３λｇであるが、そのうちオーバーラップ部分は（λｇ／６）×６＝λｇであり、全体の長さは２λｇとなるから、アンテナとしては、長さが約λｇ／２のスロットを円周状に４つ配置した従来のアンテナとほぼ等価なものとなる。

スロット１３１は、その内周（上記円環領域１３２の内周）が、第１の実施形態のスロット１２１と同様、表面波プラズマ発生用アンテナ８１の中心から（λｇ／４）＋δ′の位置になるように形成される。なお、中心からスロット内周までの長さは約λｇ／４に限らず、λｇ／４の整数倍に微調整成分（０を含む）を加えたものであればよい。

［表面波プラズマ発生用アンテナの第３の実施形態］
図９は、表面波プラズマ発生用アンテナの第３の実施形態を示す平面図である。本実施形態では、表面波プラズマ発生用アンテナ８１は、全体が円板状（平面状）をなすとともに、４個の円弧状のスロット１４１が所定間隔をおいて円周状に形成され、その内側に４個の円弧状のスロット１４２が所定間隔をおいて円周状に形成されている。そして、外側のスロット１４１の外周から内側のスロット１４２の内周までの長さＬは、４個のスロットを円周状に配置した従来のスロットの幅とほぼ同等とされ、外側のスロット１４１の間のフレーム部分１４１ａ（継ぎ目部分）と内側のスロット１４２の間のフレーム部分１４２ａ（継ぎ目部分）が径方向で重ならないようになっている。すなわち、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分が、スロットに覆われるように構成され、周方向に外側のスロット１４１および内側のスロット１４２の少なくとも一方が必ず存在するようにしている。図９では、外側のスロット１４１の間のフレーム部分１４１ａが内側のスロット１４２の中央に位置し、内側のスロット１４２の間のフレーム部分１４２ａが外側のスロット１４１の中央に位置している。

スロット１４１は（λｇ／２）−δ_４の長さを有し、スロット１４２は（λｇ／２）−δ_５の長さを有する。δ_４、δ_５は、円周方向（角度方向）に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分（０を含む）である。なお、スロット１４１、１４２の長さは約λｇ／２に限らず、λｇ／２の整数倍から微調整成分（０を含む）を引いたものであればよい。

スロット１４１，１４２は、内側のスロット１４２の内周が、第１の実施形態のスロット１２１と同様、表面波プラズマ発生用アンテナ８１の中心から（λｇ／４）＋δ′の位置になるように形成される。なお、中心からスロット内周までの長さは約λｇ／４に限らず、λｇ／４の整数倍に微調整成分（０を含む）を加えたものであればよい。

＜表面波プラズマ処理装置の動作＞
次に、以上のように構成される表面波プラズマ処理装置１００における動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、プラズマガス供給源２７から配管２８およびプラズマガス導入部材２６を介してチャンバ１内にプラズマガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源２からマイクロ波をチャンバ１内に導入して表面波プラズマを生成する。

このようにして表面波プラズマを生成した後、処理ガス、例えばＣｌ_２ガス等のエッチングガスが処理ガス供給源２５から配管２４およびシャワープレート２０を介してチャンバ１内に吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート２０の空間部２３を通過してきたプラズマにより励起されてプラズマ化し、この処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。

上記表面波プラズマを生成するに際し、マイクロ波プラズマ源２では、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振されたマイクロ波電力はアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部４０へ導かれる。マイクロ波供給部４０においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力は、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７で個別に増幅され、マイクロ波導入機構４１の導波路４４に給電され、チューナ６０でインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、アンテナ部４３の表面波プラズマ発生用アンテナ８１および天板８３を介してチャンバ１内に放射されて空間合成される。

マイクロ波導入機構４１の導波路４４への給電は、同軸構造の導波路４４の軸の延長線上にスラグ駆動部７０が設けられているため、側面から行われる。すなわち、同軸線路５６から伝播してきたマイクロ波（電磁波）が、導波路４４の側面に設けられたマイクロ波電力導入ポート５５において給電アンテナ９０の第１の極９２に到達すると、アンテナ本体９１に沿ってマイクロ波（電磁波）が伝播して行き、アンテナ本体９１の先端の第２の極９３からマイクロ波（電磁波）を放射する。また、アンテナ本体９１を伝播するマイクロ波（電磁波）が反射部９４で反射し、それが入射波と合成されることにより定在波を発生させる。給電アンテナ９０の配置位置で定在波が発生すると、内側導体５３の外壁に沿って誘導磁界が生じ、それに誘導されて誘導電界が発生する。これらの連鎖作用により、マイクロ波（電磁波）が導波路４４内を伝播し、アンテナ部４３へ導かれる。

このとき、導波路４４において、給電アンテナ９０から放射されるマイクロ波（電磁波）を反射板５８で反射させることで最大のマイクロ波（電磁波）電力を同軸構造の導波路４４に伝送することができるが、その場合、反射波との合成を効果的に行うために給電アンテナ９０から反射板５８までの距離が約λｇ／４の半波長倍になるようにすることが好ましい。

このように複数に分配されたマイクロ波を、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７で個別に増幅し、表面波プラズマ発生用アンテナ８１を用いて個別に放射した後にチャンバ１内で合成するので、大型のアイソレータや合成器が不要となる。

また、マイクロ波導入機構４１は、アンテナ部４３とチューナ６０とが一体となっているので、極めてコンパクトである。このため、マイクロ波プラズマ源２自体をコンパクト化することができる。さらに、メインアンプ４７、チューナ６０および表面波プラズマ発生用アンテナ８１が近接して設けられ、特にチューナ６０と表面波プラズマ発生用アンテナ８１とは集中定数回路として構成することができ、かつ表面波プラズマ発生用アンテナ８１、遅波材８２、天板８３の合成抵抗を５０Ωに設計することにより、チューナ６０により高精度でプラズマ負荷をチューニングすることができる。また、チューナ６０は２つのスラグ６１ａ，６１ｂを移動するだけでインピーダンス整合を行うことができるスラグチューナを構成しているのでコンパクトで低損失である。さらに、このようにチューナ６０と表面波プラズマ発生用アンテナ８１とが近接し、集中定数回路を構成してかつ共振器として機能することにより、表面波プラズマ発生用アンテナ８１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができるので、チューナ６０により高精度のプラズマ制御が可能となる。

さらにまた、スラグを駆動ささせるための駆動伝達部、駆動ガイド部、保持部に相当するものを内側導体５３の内部に設けたので、スラグ６１ａ，６１ｂの駆動機構を小型化することができ、マイクロ波導入機構４１を小型化することができる。

ところで、上述したように、マイクロ波導入機構４１の導波路４４に給電されたマイクロ波は、アンテナ部４３の表面波プラズマ発生用アンテナ８１および天板８３を介してチャンバ１内に放射されるが、表面波プラズマ発生用アンテナ８１に、従来のように、複数の円弧状のスロットが円周状に均等に形成されている場合には、スロットとスロットとの継ぎ目の開口部のない部分（ビーム部分）で電磁波強度が弱くなり、プラズマ密度がその部分だけ減少する。

例えば図１０に示すような、４個の円弧状のスロット８１ａが円周状に均等に形成された従来の表面波プラズマ発生用アンテナ８１′の場合には、スロット８１ａの中央位置Ａ、スロット中央とビームとの間の位置Ｂ、ビーム位置Ｃにおける電磁波強度が異なるため、その直下位置の電界が弱くなってプラズマ密度が図１１に示すようにばらついてしまう。なお、図１１の横軸は石英天板の端部からの径方向の距離を示している。

このときの図１２に示すサークル１およびサークル２における電磁界シミュレーションによる電界強度を図１３に示す。図１２のサークル１はスロット８１ａの外周位置を周方向（角度方向）にたどったものであり、サークル２はスロット８１ａの内周よりも内側部分を周方向（角度方向）にたどったものである。図１３は横軸にサークル１およびサークル２の基準位置からの長さをとり、縦軸に電磁界シミュレーションによる電界強度をとっている。図１３に示すように、スロットとスロットとの間のビーム位置において電界強度が低下しており、その影響がスロットの内側にも現れているのがわかる。

そこで、表面波プラズマ発生用アンテナ８１を、上述した図７〜９に示す第１〜第３の実施形態のようなものとし、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分が、スロットに覆われるように構成し、周方向にスロットのない部分が存在しないようにした。これにより、スロットとスロットとの継ぎ目部分においてスロットが存在しないことによる電磁波強度が弱くなることが防止され、周方向（角度方向）の電界強度が均一なものとなる。このため均一なプラズマ密度を得ることができる。

上記図７〜９に示す第１〜第３の実施形態の表面波プラズマ発生用アンテナを用いた場合の電磁界シミュレーションによる周方向（角度方向）の電界強度分布を図１４〜１６に示す。これらの図では、上記図１２に示すサークル１およびサークル２の位置における電界強度を示すものである。これらの図に示すように、上記第１〜第３の実施形態の表面波プラズマ用アンテナを用いた場合には、周方向（角度方向）の電界強度が均一になることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、マイクロ波出力部３０やマイクロ波供給部４０の構成等は、上記実施形態に限定されるものではない。具体的には、アンテナから放射されるマイクロ波の指向性制御を行ったり円偏波にしたりする必要がない場合には、位相器は不要である。

また、上記表面波プラズマ発生用アンテナのスロットの形状、数および配置は例示に過ぎず、円周状に複数のスロットが配置され、隣接するスロット間の継ぎ目部分がスロットで覆われる構成をとる限り、スロットの数、形状および配置は限定されるものではない。特に、スロットの数は２以上の自然数の中から任意に選択することができる。

さらに、上記実施形態においては、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸窒化膜処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。また、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１；チャンバ
２；マイクロ波プラズマ源
１１；サセプタ
１２；支持部材
１５；排気管
１６；排気装置
１７；搬入出口
２０；シャワープレート
３０；マイクロ波出力部
３１；マイクロ波電源
３２；マイクロ波発振器
４０；マイクロ波供給部
４１；マイクロ波導入機構
４３；アンテナ部
４４；導波路
５２；外側導体
５３；内側導体
５４；給電機構
５５；マイクロ波電力導入ポート
５６；同軸線路
５８；反射板
５９；遅波材
６０；チューナ
８１；表面波プラズマ発生用アンテナ
９０；給電アンテナ
１００；表面波プラズマ処理装置
１１０；制御部
１２１，１３１，１４１，１４２；スロット
１２１ａ，１３１ａ；中央部
１２１ｂ，１３１ｂ；第１の端部
１２１ｃ，１３１ｃ；第２の端部
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (10)

1. マイクロ波出力部から、外側導体と内側導体とからなる同軸状の導波路を介して伝送されたマイクロ波をチャンバ内に放射して、チャンバ内に表面波プラズマを発生させるための、表面波プラズマ発生用アンテナであって、
   平面状をなすとともに複数のスロットが円周状に形成され、かつ、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分がスロットに覆われるように構成されていることを特徴とする表面波プラズマ発生用アンテナ。
2. 前記隣接するスロットとスロットとは、その継ぎ目部分において、径方向に重なっていることを特徴とする請求項１に記載の表面波プラズマ発生用アンテナ。
3. 前記スロットは、中央部とそこから両側に延びる第１の端部および第２の端部を有しており、隣接するスロットのうち一方の第１の端部と他方の第２の端部とが径方向に重なっていることを特徴とする請求項２に記載の表面波プラズマ発生用アンテナ。
4. 前記中央部、前記第１の端部、および前記第２の端部は、実質的に同じ長さを有していることを特徴とする請求項３に記載の表面波プラズマ発生用アンテナ。
5. 前記スロットの前記中央部は所定幅を有し、前記第１の端部および前記第２の端部は前記中央部の幅の半分以下の幅を有し、前記第１の端部と前記第２の端部とが重なる部分は、前記中央部と同じ幅を有し、前記複数のスロットの存在領域が円環状をなしていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の表面波プラズマ発生用アンテナ。
6. 前記スロットは細長い形状に形成されており、前記複数のスロットは、円環領域に内包するように設けられ、前記第１の端部が隣接するスロットの第２の端部の外側に形成され、前記第２の端部が隣接するスロットの第１の端部の内側に形成され、前記中央部は、外側の第１の端部から内側の第２の端部に向けて、前記円環領域の外側部分から内側部分を斜めに横切るように設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の表面波プラズマ発生用アンテナ。
7. 前記複数のスロットは、円周状に複数形成された外側円弧状スロットと、その内側に円周状に複数形成された内側円弧状スロットとで構成され、前記外側円弧状スロット同士の継ぎ目部分と前記内側円弧状スロット同士の継ぎ目部分が径方向に重ならないように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面波プラズマ発生用アンテナ。
8. 被処理基板を収容するチャンバと、
   前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、
   マイクロ波電源を有し、マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部、および出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導入するマイクロ波導入機構を備え、前記チャンバ内にマイクロ波を導入して前記チャンバ内に供給されたガスの表面波プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ源と
   を具備し、
   前記マイクロ波導入機構は、外側導体と内側導体とからなる同軸状の導波路と、導波路を介して伝送されたマイクロ波を、チャンバ内に放射するための、表面波プラズマ発生用アンテナとを有し、前記表面波プラズマ発生用アンテナとして、請求項１から請求項７のいずれかに記載のものを用いることを特徴とする表面波プラズマ処理装置。
9. 前記マイクロ波導入機構は、前記導波路に設けられた、前記チャンバ内の負荷のインピーダンスを前記マイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるチューナをさらに有することを特徴とする請求項８に記載の表面波プラズマ処理装置。
10. 前記マイクロ波導入機構を複数有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の表面波プラズマ処理装置。

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