JP2013175430A - マイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源および表面波プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投入電力を増加させた場合のプラズマ密度（電子密度）増加率を高くすることができるマイクロ波放射機構を提供すること。
【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チャンバ１内に放射するアンテナ部４５とを有し、アンテナ部４５は、マイクロ波を放射するスロット１３１が形成されたアンテナ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とを有し、かつ、少なくともスロット１３１内壁および誘電体部材１１０ｂの表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路Ｃを有し、閉回路Ｃの長さが、マイクロ波の波長をλ_０とした場合に、ｎλ_０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする。
【選択図】図７

Description

本発明は、マイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源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の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スロットアンテナである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、上記のような平面スロット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）。

特開２０００−２９４５５０号公報 国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット

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、投入電力を増加させた場合のプラズマ密度（電子密度）の増加率が低くなることが判明した。つまり、プラズマ密度（電子密度）を上昇させようとして投入電力を増加させても電子密度が十分に増加しないことが判明した。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、投入電力を増加させた場合のプラズマ密度（電子密度）増加率を高くすることができるマイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源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前記チャンバ内に放射するアンテナ部とを具備し、前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、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、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ_０とした場合に、ｎλ_０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにすることを特徴とするマイクロ波放射機構を提供する。

この場合に、前記閉回路の長さがｎλ_０±δとなるように前記スロットの厚さを規定することが好ましい。また、前記スロットに誘電体を充填することができる。さらに、前記誘電体部材の厚さを相対的に薄く維持したまま、前記閉回路の長さがｎλ_０±δとなるように、前記スロットの厚さを相対的に厚くすることが好ましい。

本発明の第２の観点では、マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および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を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源であって、前記マイクロ波放射機構として、上記第１の観点のものを用いることを特徴とするマイクロ波プラズマ源を提供する。

本発明の第３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および生成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記チャンバ内の被処理基板に対して前記表面波プラズマにより処理を施す表面波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射機構として、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。

上記第２および第３において、複数の前記マイクロ波放射機構を有するものとすることができる。

本発明によれば、アンテナ部を、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、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、かつ、スロット内壁および誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ_０とした場合に、ｎλ_０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにしたので、スロットの厚さにかかわらず、アンテナ部における表面電流を大きくすることができ、プラズマの吸収効率が高いので、投入電力を増加した場合の電子密度増加率を高くすることができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射機構を備えた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。 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放射機構を示す縦断面図である。 マイクロ波放射機構の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図である。 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。 アンテナ部における表面電流および変位電流が流れる閉回路を説明するための図である。 平面スロットアンテナのスロット形状の一例を示す平面図である。 プラズマ中へのマイクロ波の放射と誘電体中へのマイクロ波の放射における電磁界特性をシミュレーションした結果を示す図である。 平面スロットアンテナのスロット厚さをそれぞれ３０ｍｍ、２０ｍｍ、１ｍｍとした場合のマイクロ波電力と電子密度との関係を示す図である。 平面スロットアンテナのスロット厚さをそれぞれ３０ｍｍ、２０ｍｍ、１ｍｍとした場合のプラズマの誘電率とマイクロ波の放射効率との関係を示す図である。

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内を所定の真空度まで高速に減圧させ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Ｃｌ_２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。

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内に伝送させる。

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１３１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。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通しており、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。また、平面スロットアンテナ８１の周囲は被覆導体８４により覆われている。

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は誘電体部材１１０ｂがフレーム１１０ａに嵌め込まれて構成されており、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の周壁の間の導波路４４を通ってアンテナ部４５に至る。アンテナ部４５では、マイクロ波が表面波として遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１を伝送され、さらに天板１１０の誘電体部材１１０ｂを透過し、プラズマに接する誘電体部材１１０ｂの表面を伝送され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。

平面スロットアンテナ８１は、図７に示すアンテナ部４５の表面電流および変位電流が流れる閉回路Ｃの長さが、マイクロ波の波長をλ_０としたときに、ｎλ_０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるように、その厚さ（スロット１３１の厚さ）が規定される。δの値は、十分な表面電流が得られるように決定され、２５ｍｍ以下程度である。例えば、周波数ｆ＝８６０ＭＨｚの場合、λ_０≒３４９ｍｍであるから、ｎ＝１とすると、閉回路Ｃの長さの中心値は約３５０ｍｍとなり、スロット１３１の厚さの最適値はこの長さから決定される。

また、平面スロットアンテナ８１は、例えば図８に示すように、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の端部とが内外で重なるように構成されている。すなわち、スロット１３１の中央部は、外側にある一方の端部と内側にある他方の端部を繋いだ状態となっており、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一方の端部と内周と一致する他方の端部の間を斜めに結ぶようになっており、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。

スロット１３１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。スロット１３１は、中央部と、その両側の一方の端部および他方の端部（オーバーラップ部分）とがほぼ均等な長さを有している。すなわち、中央部が（λｇ／６）−δ_１、その両側の端部がそれぞれ（λｇ／６）−δ_２および（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１３１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。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、その内周が、平面スロットアンテナ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。

このような平面スロットアンテナ８１は、スロットとスロットの継ぎ目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、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。

ただし、スロットの数は６個に限らず、例えば５個や４個、また７個以上であっても同様の効果を得ることができる。また、平面スロットアンテナ８１のスロット形状は図８のものに限らず、例えば複数の円弧状のスロットが円周上に均等に形成されたものであってもよい。

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、誘電体部材１１０ｂ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。

スロット１３１には誘電体を充填してもよい。スロット１３１に誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロット全体の厚さ（平面スロットアンテナ８１の厚さ）を薄くすることができる。

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内に伝送して表面波プラズマを生成する。

そして、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内に処理ガス、例えばＣｌ_２ガス等のエッチングガスが吐出される。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がアンプ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が、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、導波路４４を通ってアンテナ部に至る。アンテナ部４５では、マイクロ波が表面波として遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１を伝送され、さらに天板１１０の誘電体部材１１０ｂを透過し、プラズマに接する誘電体部材１１０ｂの表面を伝送され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。

一般的に、スロットアンテナはマイクロ波放射手段として知られており、スロットアンテナの基本的な放射方法として、長手方向のスロットの長さをマイクロ波の実効波長の半波長の整数倍＋δ′（δ′は微調整成分（０を含む）である）にすると放射効率が最大となることが知られている。一方、マイクロ波を空気中に放射する場合、アンテナ構造によってはカットオフ波長よりもスロット長さが短くなり、スロットアンテナを厚くすると、マイクロ波を減衰させてしまうので、できる限り薄くすることが重要である。例えば、石英で挟まれた平面スロットアンテナを用い、そのスロット長さを３０．５ｍｍ（２．４５ＧＨのマイクロ波における実効波長の半波長）にした場合、スロット内ではＴＥ１０波が伝送するので、このスロットを導波管と見立てた場合のカットオフ波長は６１ｍｍとなり、２．４５ＧＨｚのマイクロ波は伝送できずに減衰する。この減衰を最小限にするため、導波路であるスロットの厚さを薄くすることが重要となるのである。したがって、本実施形態のような平面スロットアンテナ８１の場合にも、従来は厚さを１ｍｍ程度に薄くしていた。

しかし、プラズマ中へマイクロ波を放射する場合には、空気のような誘電体中に放射する場合とは様相が異なる。プラズマ中へのマイクロ波の放射と誘電体中へのマイクロ波の放射における電磁界特性をシミュレーションした結果を図９に示す。外部固定磁場が無く、駆動周波数が中性粒子と電子の衝突周波数よりも大きい場合、プラズマの誘電率は、以下の式で近似的に表すことができる。

ここで、ωはマイクロ波の周波数であり、ω_ｐｅはプラズマ中の電子の振動周波数である。

プラズマ中の電磁波の波数は、以下の式で表されるので、κ_ｐが負の値をとるときは、電磁波はプラズマ中を伝播することができなくなる、すなわち全反射されることがわかる。

プラズマの加熱（電力吸収）はこの全反射面の近傍に生じる電子プラズマ波とスロットから放射される電磁波の共振によると考えられている。電磁波放射位置に極めて近く、電界の強い領域では、プラズマ中の電子はより大きな熱エネルギーを持つことができる。その状況において、熱エネルギーと電界エネルギーのエネルギー交換による波が存在することができる。この波は進行方向に平行な成分に電界を持ち（縦波であり）、これが電子プラズマ波と呼ばれるものである。それが、スロットから放射される電磁波と共振することで、電子プラズマ波は最大効率で電力を吸収することができる。その電子プラズマ波のエネルギーはランダウ減衰により電子のエネルギーとして転化され、電子は効率的にエネルギーを得ることができる。一方、駆動周波数が中性粒子と電子の衝突周波数よりも小さい場合は、放射電磁波の電子へのエネルギー伝達は、誘電損失によるプラズマ中へのエバネッセント波によって行われる。プラズマと誘電体部材１１０ｂとの界面では、プラズマ誘電損失、つまり抵抗成分があるので、界面にも小さいながら電界成分は存在するが、マイクロ波回路上ではショート終端に近くなるので、垂直成分が主となる。また、プラズマと誘電体部材１１０ｂとの界面での表面電流は、誘電体中へ放射する場合とは異なり、径方向に流れることになり、スロット１３１の入り口（遅波材８２を含む）と閉回路を形成することとなる。閉回路に流れる電流は、表面電流と変位電流からなる。金属表面を流れる場合が、表面電流であり、誘電体中を流れる場合は変位電流となる。具体的には、電流は、図７に示すように、遅波材８２を透過して平面スロットアンテナ８１のスロット１３１に至り、スロット１３１内壁を通って誘電体部材１１０ｂを透過し、プラズマと誘電体部材１１０ｂとの界面（誘電体部材１１０ｂの表面）を外側から中心に向けて流れ、中心から誘電体部材１１０ｂを透過した後、誘電体部材１１０ｂと平面スロットアンテナ８１との界面を通ってスロット１３１に至り、スロット１３１内壁を通って遅波材８２を透過するといった閉回路Ｃとなる。つまり、プラズマ中へマイクロ波を放射する場合、スロット内部は伝送路としてではなく、アンテナの一部として作用するのである。したがって、空気中のような誘電体にマイクロ波を放射する場合のように、スロットをできるだけ薄くする必要はない。一方、この閉回路にはプラズマ表面も含まれるため、プラズマへのエネルギー伝達に大きく寄与する。したがって、この閉回路に表面電流をできるだけ多く流すことがプラズマへのエネルギー伝達効率を高める上で重要となる。この閉回路の表面電流が最大となるのは、その全長がおよそマイクロ波の波長λ_０の整数倍のとき（共振条件）である。ただし、この閉回路の全長がマイクロ波の波長λ_０の整数倍から多少ずれていても表面電流を多くすることができることから、本実施形態では上記閉回路の長さがｎλ_０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるように、スロット１３１の厚さ（すなわち平面スロットアンテナ８１の厚さ）を規定する。上述したように、δの値は、十分な表面電流が得られるように決定され、２５ｍｍ以下程度である。例えば、周波数ｆ＝８６０ＭＨｚの場合、λ_０≒３４９ｍｍであるから、ｎ＝１とすると、閉回路Ｃの長さの中心値は約３５０ｍｍであり、好ましい閉回路Ｃの長さは３５０ｍｍ±２５ｍｍとなり、中心値である３５０ｍｍの場合のスロット１３１の厚さは約３０ｍｍとなる。上述したように、プラズマ中にマイクロ波を放射する場合には、スロット１３１の厚さがこのように厚くても問題はない。

プラズマ着火後、インピーダンスが整合した状態において、投入されるマイクロ波電力はプラズマへ吸収されるものとそれ以外（チャンバ１の壁面、平面スロットアンテナ８１の表面、誘電体）で吸収されるものに分別することができ、プラズマへ吸収されるものの比率を上げることが電子生成効率を向上させる上で重要である。本実施形態では上述したように表面電流を大きくすることができ、エネルギー伝達効率が高い、つまりプラズマの吸収効率が高いので、電子生成効率が高く、投入電力を増加させた場合の電子密度増加率を高くすることができる。また、これにより、プラズマ以外で吸収される電力を減少させることができ、平面スロットアンテナ８１やチャンバ１の温度上昇を抑えることができる。

このように、本実施形態では、スロット１３１の厚さ（すなわちスロットアンテナの厚さ）は薄いほうがよいという従来の常識にとらわれることなく、スロット１３１の厚さに拘わらず、閉回路の長さがｎλ_０±δとなるようにすることにより、投入電力を増加させた場合のプラズマ密度増加率を高くすることができる。石英のような誘電体材料からなる遅波材８２および誘電体部材１１０ｂが厚くなると、種々のモードが発生し、プラズマが不安定となってしまうか、またはプラズマ着火が難しくなり、プラズマ自体を生成できなくなってしまうが、本実施形態では、このような不都合が生じないように遅波材８２および誘電体部材１１０ｂを相対的に薄くしたまま、スロット１３１の厚さを相対的に厚くすることで、閉回路の長さをｎλ_０±δとすることができる。

次に、平面スロットアンテナのスロットの厚さをそれぞれ１ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍとしたマイクロ波放射機構を用い、マイクロ波の周波数を８６０ＭＨｚとし、マイクロ波電力を変化させてプラズマを生成した場合の電子密度を測定した。その結果を図１０に示す。これらのうちスロット厚さが１ｍｍのものは従来例であり、閉回路Ｃの長さが約２９４ｍｍである。また、スロットの厚さが２０ｍｍでは閉回路Ｃの長さが約３３２ｍｍであり、スロットの厚さが３０ｍｍでは閉回路Ｃの長さが約３５２ｍｍとなる。周波数ｆ＝８６０ＭＨｚでは、λ_０≒３４９ｍｍであるから、スロット厚さが２０ｍｍのものもスロット厚さが３０ｍｍのものも閉回路Ｃの長さがλ_０±δを満たし、スロット厚さが３０ｍｍのほうがより共振条件（閉回路Ｃの長さ＝λ_０）に近づく。このため、この図に示すように、スロット厚が１ｍｍの場合よりも閉回路Ｃの長さがｎλ_０±δを満たすスロット厚が２０ｍｍおよび３０ｍｍの場合のほうが電子密度の増加率を高くすることができ、スロット厚が３０ｍｍのほうが２０ｍｍの場合よりも電子密度の増加率を高くすることができる。

また、図１１に、これらについて、電子密度に相当するプラズマの誘電率（κｐ）とマイクロ波放射効率との関係を示すが、プラズマの比誘電率の絶対値の増大、つまり電子密度の増大にともない、スロット厚が１ｍｍの場合には放射効率がやや低下しているのに対し、スロット厚が２０ｍｍの場合には放射効率が増大し、スロット厚が３０ｍｍの場合には電子密度の増大にともなって放射効率が一層増大することがわかる。

＜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、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、マイクロ波放射機構４３において、遅波材８２は必須ではない。

また、上記実施形態では複数のマイクロ波放射機構を設けた例について示したが、マイクロ波放射機構は一個であってもよい。

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。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
１２０；制御部
１３１；スロット
Ｃ；閉回路
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (8)

1. 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前記チャンバ内に放射するアンテナ部と
   を具備し、
   前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、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、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ_０とした場合に、ｎλ_０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにすることを特徴とするマイクロ波放射機構。
2. 前記閉回路の長さがｎλ_０±δとなるように前記スロットの厚さを規定す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。
3. 前記スロットには誘電体が充填されてい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。
4. 前記誘電体部材の厚さを相対的に薄く維持したまま、前記閉回路の長さがｎλ_０±δとなるように、前記スロットの厚さを相対的に厚く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。
5. マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および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を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源であって、
   前記マイクロ波放射機構として、請求項１から請求項４のいずれかに記載のものを用いることを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
6. 複数の前記マイクロ波放射機構を有することを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波プラズマ源。
7. 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および生成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源と
   を具備し、
   前記チャンバ内の被処理基板に対して前記表面波プラズマにより処理を施す表面波プラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波放射機構として、請求項１から請求項４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。
8. 前記マイクロ波プラズマ源は、複数の前記マイクロ波放射機構を有することを特徴とする請求項７に記載の表面波プラズマ処理装置。