JP2013157520A - マイクロ波放射機構および表面波プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】マイクロ波の投入電力が低い場合や、圧力が高い場合であっても、所望の表面波プラズマの径を確保することができるマイクロ波放射機構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】マイクロ波放射機構４３は、マイクロ波を伝送する伝送路４４と、マイクロ波伝送路４４を伝送されてきたマイクロ波を、スロット８１ａを介してチャンバ１内に放射するアンテナ８１と、アンテナ８１から放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材１１０ｂと、表面波によって表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する直流電圧印加部材１１２とを具備し、直流電圧印加部材１１２は、表面波プラズマが広がるように前記プラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する。
【選択図】図４
【解決手段】マイクロ波放射機構４３は、マイクロ波を伝送する伝送路４４と、マイクロ波伝送路４４を伝送されてきたマイクロ波を、スロット８１ａを介してチャンバ１内に放射するアンテナ８１と、アンテナ８１から放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材１１０ｂと、表面波によって表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する直流電圧印加部材１１２とを具備し、直流電圧印加部材１１２は、表面波プラズマが広がるように前記プラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する。
【選択図】図４
Description
本発明は、マイクロ波放射機構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ラジアルラインスロットアンテナ（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、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。
また、マイクロ波を複数に分配し、上記のような表面波プラズマ発生用アンテナを有するマイクロ波放射機構を複数設け、それらから放射されたマイクロ波をチャンバ内に導きチャンバ内でマイクロ波を空間合成してプラズマを生成するプラズマ処理装置も提案されている（特許文献２）。
ところで、このようなマイクロ波を放射して表面波プラズマを生成するプラズマ処理装置では、表面波プラズマの生成範囲は、マイクロ波の投入電力またはチャンバ内の圧力により規定されるが、電力が低い条件や圧力が高い条件では表面波プラズマの径が小さくなり、プラズマ密度の均一性が低下してしまう。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波の投入電力が低い場合や、圧力が高い場合であっても、所望の表面波プラズマの径を確保することができるマイクロ波放射機構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、チャンバ内に表面波プラズマを形成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波生成機構で生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射機構であって、筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を、スロットを介して前記チャンバ内に放射するアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材と、前記表面波によって表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する直流電圧印加部材とを具備し、前記直流電圧印加部材は、前記表面波プラズマが広がるように前記プラズマ生成領域に正の直流電圧を印加することを特徴とするマイクロ波放射機構を提供する。
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、マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構と、前記マイクロ波生成機構で生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射する複数のマイクロ波放射機構とを具備し、前記マイクロ波放射機構は、筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を、スロットを介して前記チャンバ内に放射するアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、前記複数のマイクロ波放射機構から放射されたマイクロ波により前記チャンバ内に表面波プラズマを生成して被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記複数のマイクロ波放射機構の少なくとも一つは、前記表面波によって表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する直流電圧印加部材を有し、前記直流電圧印加部材は、前記表面波プラズマが広がるように前記プラズマ生成領域に正の直流電圧を印加す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。
上記第１の観点および第２の観点において、前記直流電圧印加部材としては、前記プラズマ生成領域に挿入される直流電圧印加プローブを好適に用いることができる。また、前記直流電圧印加部材に印加される直流電圧を制御することにより、前記表面波プラズマの広がりを制御することができる。
上記第１の観点において、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生成機構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、前記チューナは、前記マイクロ波伝送路の前記外側導体と前記内側導体の間に設けられ、前記内側導体の長手方向に沿って移動可能な、誘電体からなるスラグと、前記スラグを移動させる駆動機構とを有することが好ましい。
上記第２の観点において、前記直流電圧印加部材は、前記マイクロ波放射機構の２以上にそれぞれ設けられており、前記直流電圧印加部材はそれぞれ独立して電圧が印加されて、独立して表面波プラズマの広がりが制御されることが好ましい。
本発明によれば、直流電圧印加部材から表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に正の直流電圧を印加することにより、マイクロ波放射機構により生成された表面波プラズマを広げることができ、プラズマ密度の均一性を向上させることができる。
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、本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射機構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、図３はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図、図４はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す断面図、図５はマイクロ波放射機構の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図、図６はチューナにおけるスラグと滑り部材を示す図４のＢＢ′線による横断面図である。
図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射機構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、図３はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図、図４はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す断面図、図５はマイクロ波放射機構の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図、図６はチューナにおけるスラグと滑り部材を示す図４のＢＢ′線による横断面図である。
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半導体ウエハＷ（以下ウエハＷと記述する）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。処理ガスとしては、通常用いられるエッチングガス、例えばＣｌ２ガス等を用いることができる。
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。なお、プラズマガスと処理ガスとを同一の供給部材で供給してもよい。
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により支持された天板１１０を有しており、支持リング２９と天板１１０と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にて分配されたマイクロ波をチャンバ１内へ導く複数のアンテナモジュール４１を有している。各アンテナモジュール４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部４２と、マイクロ波放射機構４３とを有している。また、マイクロ波放射機構４３は、インピーダンスを整合させるためのチューナ６０と、増幅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４５とを有している。そして、各アンテナモジュール４１におけるマイクロ波放射機構４３のアンテナ部４５からチャンバ１内へマイクロ波が放射されるようになっている。図３に示すように、マイクロ波供給部４０は、アンテナモジュール４１を７個有しており、各アンテナモジュール４１のマイクロ波放射機構４３が、円周状に６個およびその中心に１個、円形をなす天板１１０の上に配置されている。
天板１１０は、真空シールおよびマイクロ波透過板として機能し、金属製のフレーム１１０ａと、そのフレーム１１０ａに嵌め込まれ、マイクロ波放射機構４３が配置されている部分に対応するように設けられた石英等の誘電体からなる誘電体部材１１０ｂとを有している。
アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。
位相器４６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ができる。また、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４６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４６は設ける必要はない。
可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８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４７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４８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４９は、アンテナ部４５で反射してメインアンプ４８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、アンテナ部４５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。
次に、マイクロ波放射機構４３について説明する。
図４、５に示すように、マイクロ波放射機構４３は、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路（マイクロ波伝送路）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４５とを有している。そして、マイクロ波放射機構４３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。
図４、５に示すように、マイクロ波放射機構４３は、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路（マイクロ波伝送路）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４５とを有している。そして、マイクロ波放射機構４３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４５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から反射板５８までの距離を最適化し、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内に電送させる。
給電アンテナ９０は、図５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４５に向かって伝播する。
また、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４５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。
図６に示すように、スラグ６１ａは、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。
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。
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、導体からなる底板６７が設けられている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端は、駆動時の振動を吸収するために、通常は開放端となっており、これらスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端から２〜５ｍｍ程度離隔して底板６７が設けられている。なお、この底板６７を軸受け部としてスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端をこの軸受け部にて軸支させてもよい。
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ので、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースが小さく、筐体７１が外側導体５２と同じ径となっている。
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４５は、マイクロ波放射アンテナとして機能する、平面状をなしスロット８１ａを有する平面スロットアンテナ８１と、平面スロットアンテナ８１の上面に設けられた遅波材８２と、平面スロットアンテナ８１の先端側に設けられた天板１１０の誘電体部材１１０ｂとを有している。スロット８１ａの形状は、マイクロ波が効率良く放射されるように適宜設定される。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通して底板６７と平面スロットアンテナ８１とを接続している。したがって、内側導体５３が底板６７および円柱部材８２ａを介して平面スロットアンテナ８１に接続されている。なお、外側導体５２の下端は平面スロットアンテナ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。
遅波材８２および誘電体部材１１０ｂ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、天板１１０と平面スロットアンテナ８１の接合部が定在波の「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、平面スロットアンテナ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。
天板１１０の誘電体部材１１０ｂは平面スロットアンテナ８１に接するように設けられている。そして、メインアンプ４８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平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａから天板１１０の誘電体部材１１０ｂを透過してチャンバ１内の空間に放射され、表面波プラズマが形成される。
また、マイクロ波放射機構４３は、天板１１０のフレーム１１０ａを貫通してチャンバ１内の表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に達するように設けられた直流電圧印加部材としてのＤＣプローブ１１２を有している。ＤＣプローブ１１２にはフィルター１１３を介して直流電源１１４が接続されている。そして、ＤＣプローブ１１２に直流電源１１４からプラズマ生成領域に直流電圧を印加することにより、後述するように、マイクロ波放射機構４３から放射されたマイクロ波によってチャンバ１内に形成されたプラズマを広げることができる。直流電源１１４は正極がプラズマ側に接続されており、かつ電圧可変となっている。
本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、平面スロットアンテナ８１とは近接配置している。そして、チューナ６０と平面スロットアンテナ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、かつ平面スロットアンテナ８１、遅波材８２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１２０により制御されるようになっている。制御部１２０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。
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Ｃｌ２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４８で個別に増幅され、マイクロ波放射機構４３の導波路４４に給電され、チューナ６０により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４５の平面スロットアンテナ８１および誘電体部材１１０ｂを介してチャンバ１内に放射されて空間合成される。
マイクロ波放射機構４３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４５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。
マイクロ波放射機構４３は、アンテナ部４５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４８、チューナ６０および平面スロットアンテナ８１が近接して設けられ、特にチューナ６０と平面スロットアンテナ８１とは集中定数回路として構成することができ、かつ平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、誘電体部材１１０ｂ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を移動することにより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と平面スロットアンテナ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、平面スロットアンテナ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、マイクロ波放射機構４３を小型化することができる。
ところで、本実施形態のようにプラズマを生成するために電磁波（マイクロ波）をアンテナより放射して表面波プラズマを生成する場合、表面波プラズマの生成範囲は、通常、マイクロ波の投入電力またはチャンバ内の圧力により規定される。このため、電力が低い条件や圧力が高い条件では表面波プラズマの径が小さくなり、プラズマ密度の均一性が低下してしまう。
そこで、本実施形態では、マイクロ波放射機構４３に天板１１０のフレーム１１０ａを貫通してチャンバ１内のプラズマ生成領域に達するように、直流電圧印加部材としてのＤＣプローブ１１２を設け、ＤＣプローブ１１２に正の電圧を印加する。これにより表面波プラズマが広がり、プラズマ密度の均一性を向上させることができる。
このようにＤＣプローブ１１２による直流電圧印加によってプラズマが広がるのは、ＤＣプローブ１１２から正の直流電圧を印加することによりプラズマシースをコントロールできるからである。すなわち、直流電圧印加部材としてＤＣプローブ１１２を用いた場合には、ＤＣプローブ１１２に印加する電圧を上げるとＤＣプローブ１１２とプラズマとの間にＤＣ放電が生じるようになり、それによってその部分のプラズマシースが破壊され、プラズマに直接電圧をかけることが可能となる。これにより、図７に示すように、プラズマの電位が上昇し、接地された箇所のプラズマ電位との電位差が大きくなり、それにともないプラズマシースが厚くなる。プラズマシースが厚くなることで、プラズマシース内を伝播するＴＥ基本波の減衰定数が小さくなり、ＴＥ基本波の終端距離が長くなる。すなわち、マイクロ波が伝播しやすくなる。そのため、励起表面波であるＴＥ基本波により生成される表面波プラズマの広がりが大きくなり、図８に示すように、表面波プラズマの直径が大きくなるのである。そして、表面波プラズマの径とプラズマ密度とは互いに単調増加の関係であるため、表面波プラズマが広がるほどプラズマのパワー吸収が上昇し効率が上がる。
実際に、ＤＣプローブ１１２により印加する電圧を変化させたときの、直流電流値と実際のプラズマの状態とを図９に示す。また、印加する電圧とプラズマ直径との関係を図１０に示す。これらに示すように、ＤＣプローブ１１２からプラズマに印加する電圧の値とプラズマの径はほぼ比例することがわかる。
次に、直流電圧を印加した際のプラズマを広げる効果を確認した実験について説明する。ここでは、直流電圧を印加せずにマイクロ波放射機構から５０Ｗのマイクロ波を放射して表面波プラズマを生成した場合（基準条件）と、基準条件に対し、５８Ｖの直流電圧を印加した場合（直流電流：５００ｍＡ、トータル電力：約８０Ｗ）と、マイクロ波パワーを８０Ｗに上昇させて直流電圧を印加しない場合とについて実際のプラズマ状態を把握した。そのときのプラズマの状態の写真を図１１に示す。この図に示すように、（ａ）の基準条件（マイクロ波５０Ｗ）に対して、直流電圧でパワーを加えた場合（ｂ）と、マイクロ波のパワーを上昇させた場合（ｃ）では、ほぼ同じパワーの増加であるのにもかかわらず、直流電圧を印加した場合のほうがプラズマを広げる効果が高いことが確認された。
このように、直流電圧印加部材であるＤＣプローブ１１２から表面波プラズマ生成領域に正の直流電圧を印加することにより、マイクロ波放射機構４３により生成された表面波プラズマを広げることができ、プラズマ密度の均一性を向上させることができる。また、印加する直流電圧を制御することにより、表面波プラズマの広がりを制御することができ、プラズマ密度の均一性を制御することができる。
この場合に、全てのマイクロ波放射機構４３にＤＣプローブ１１２を設けてもよいが、必ずしも全てのマイクロ波放射機構４３にＤＣプローブ１１２を設ける必要はなく、少なくとも１つのマイクロ波放射機構４３に対して設ければよい。例えば、中央に設けたマイクロ波放射機構４３のみにＤＣプローブ１１２からの直流電圧を印加した場合でも、中央の表面波プラズマを広げることができ、周囲のマイクロ波放射機構４３で生成された表面波プラズマとの間のプラズマ密度の低い部分にプラズマを広げることができ、プラズマの均一性を向上させることができる。
２以上のマイクロ波放射機構４３にＤＣプローブ１１２を設けた場合には、それらマイクロ波放射機構４３によって生成される表面波プラズマについて、ＤＣプローブ１１２から印加される直流電圧を個別的に制御することにより、各マイクロ波放射機構４３によるプラズマの広がりを個別的に制御することができ、プラズマの制御性を極めて高いものとすることができる。
＜他の適用＞
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、上記実施形態では、直流電圧印加部材としてＤＣプローブを用いた例を示したが、これに限らず、ブロック状のものや、マイクロ波放射機構と同心的なリング状のもの等、他の形状であってもよい。またマイクロ波出力部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く、例えば、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。
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、上記実施形態では、直流電圧印加部材としてＤＣプローブを用いた例を示したが、これに限らず、ブロック状のものや、マイクロ波放射機構と同心的なリング状のもの等、他の形状であってもよい。またマイクロ波出力部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く、例えば、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。さらに、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；アンテナモジュール
４２；アンプ部
４３；マイクロ波放射機構
４４；導波路
４５；アンテナ部
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
６０；チューナ
８１；平面スロットアンテナ
８２；遅波材
１００；表面波プラズマ処理装置
１１０；天板
１１０ｂ；誘電体部材
１１２；ＤＣプローブ
１１４；直流電源
１２０；制御部
Ｗ；半導体ウエハ
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；アンテナモジュール
４２；アンプ部
４３；マイクロ波放射機構
４４；導波路
４５；アンテナ部
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
６０；チューナ
８１；平面スロットアンテナ
８２；遅波材
１００；表面波プラズマ処理装置
１１０；天板
１１０ｂ；誘電体部材
１１２；ＤＣプローブ
１１４；直流電源
１２０；制御部
Ｗ；半導体ウエハ
Claims (8)
- チャンバ内に表面波プラズマを形成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波生成機構で生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射機構であって、
筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、
前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を、スロットを介して前記チャンバ内に放射するアンテナと、
前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材と、
前記表面波によって表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する直流電圧印加部材と
を具備し、
前記直流電圧印加部材は、前記表面波プラズマが広がるように前記プラズマ生成領域に正の直流電圧を印加することを特徴とするマイクロ波放射機構。 - 前記直流電圧印加部材は、前記プラズマ生成領域に挿入される直流電圧印加プローブであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波放射機構。
- 前記直流電圧印加部材に印加される直流電圧を制御することにより、前記表面波プラズマの広がりを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波放射機構。
- 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生成機構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、前記チューナは、前記マイクロ波伝送路の前記外側導体と前記内側導体の間に設けられ、前記内側導体の長手方向に沿って移動可能な、誘電体からなるスラグと、前記スラグを移動させる駆動機構とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ波放射機構。
- 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、
マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構と、
前記マイクロ波生成機構で生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射する複数のマイクロ波放射機構と
を具備し、
前記マイクロ波放射機構は、
筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、
前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を、スロットを介して前記チャンバ内に放射するアンテナと、
前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、
前記複数のマイクロ波放射機構から放射されたマイクロ波により前記チャンバ内に表面波プラズマを生成して被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記複数のマイクロ波放射機構の少なくとも一つは、
前記表面波によって表面波プラズマが生成されるプラズマ生成領域に正の直流電圧を印加する直流電圧印加部材を有し、
前記直流電圧印加部材は、前記表面波プラズマが広がるように前記プラズマ生成領域に正の直流電圧を印加することを特徴とする表面波プラズマ処理装置。 - 前記直流電圧印加部材は、前記プラズマ生成領域に挿入される直流電圧印加プローブであることを特徴とする請求項５に記載の表面波プラズマ処理装置。
- 前記直流電圧印加部材に印加される直流電圧を制御することにより、前記表面波プラズマの広がりを制御することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の表面波プラズマ処理装置。
- 前記直流電圧印加部材は、前記マイクロ波放射機構の２以上にそれぞれ設けられており、前記直流電圧印加部材はそれぞれ独立して電圧が印加されて、独立して表面波プラズマの広がりが制御されることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の表面波プラズマ処理装置。
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