JP2017091934A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な処理を実現できるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】プラズマが形成される処理室が内部に配置された真空容器上部を構成して前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の窓部材と、この窓部材の上方に配置され前記電界が内側を伝播する第１の導波管と、この第１の導波管と前記窓部材との間に配置され当該第１の導波管からの前記電界が内部に導入されて前記窓部材に供給される第２の導波管とを備え、前記第２の導波管が、前記窓部材の中心部上方に配置された中心側の導波管と当該中心側導波管の外周側でこれを囲んで配置された複数の外周側の導波管と、前記中心側及び外周側の導波管から前記窓部材に導入される前記電界に所定の位相差を形成する手段と、前記導入される前記電界の透過率を異ならせる手段とを備えたプラズマ処理装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、真空容器内部に配置された処理室内に供給された処理用のガスを当該処理室内に供給された電界を用いてプラズマを形成し、この処理室内に配置された半導体ウエハ等の処理対象である基板状の試料を処理するプラズマ処理装置に係り、特に、プラズマを形成するための電界を処理室外部に配置された導波路を通して伝播させ処理室に供給するプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスを製造する工程では、一般にプラズマを用いて半導体ウエハ上面上に予め配置されたマスクを含む複数の膜層をエッチングするドライエッチングが行われている。このようなドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置は、一般に、真空容器及びこれの内部に配置された処理室と、真空容器に接続され処理室内に処理用のガスを供給するガス供給装置、処理室内の圧力を排気するターボ分子ポンプ等の真空ポンプ、処理室内に配置されその上面に基板が載置される試料台、処理室内に前記処理用のガスを励起してプラズマを発生させるための電界を処理室内に供給するプラズマ発生装置等を備えて構成されている。

近年の半導体デバイスの製造工程においては、光リソグラフィーによるデバイスを構成する回路の微細化は限界に近づいており、更に大きなデバイスの集積度を実現するために、多重露光やスペーサパターニング等のプロセスが主流になりつつある。このような多重露光やＳＡＤＰ（Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）に代表されるスペーサパターニングプロセスでは、従来の技術よりも上記膜層をドライエッチングする工程の数が増加している。

一方で、このようなエッチングの工程の増加により、工程において生じる基板の面内方向についての僅かなエッチング性能の均一性の低下が積算されて大きな均一性の低下とて顕在化してしまうという問題が生じていた。このため、基板の面内方向いついて許容される均一性の低下の量が小さくなり、所期の結果を歩留まり良く達成することが難しくなってきている。このことから、最先端ロジックを代表とする半導体デバイスを製造する工程、特にＦＥＯＬ（Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ Ｏｆ Ｌｉｎｅ）工程では、基板をその面内方向についてより高い均一性で処理することが求められている。

従来のプラズマ処理装置においては、基板の面内方向についての均一性を実現する手法として、処理室内部および当該内部のガスやプラズマ等の粒子の排気の流れを軸対称化する技術や、形成するプラズマの密度や強度を軸対称化する技術が用いられてきた。特に、処理室内に供給されたガスの粒子を励起してプラズマを形成する電界としてマイクロ波等の高周波電力によるものを用いるものにおいて、高周波電力による電界の強度の分布は直接的にプラズマの密度や強度の分布に影響を与えることから、この電界の分布を所望なものに調節する技術が開発されてきた。

例えば、プラズマを形成するための電界としてマイクロ波によるものを用いるプラズマ処理装置では、真空容器を構成して当該マイクロ波の電界は、これが透過できる誘電体製の部材を通してその下方に位置する処理室内に供給されるものが一般的である。このような構成では板状の誘電体製の部材の下方でプラズマが生成されるため、誘電体製の部材下方におけるマイクロ波の電界の強度が高い箇所ではプラズマの密度も高くなり、当該電界強度が低い箇所ではプラズマの密度は低くなる。

このような分布が生じてしまうプラズマの密度や強度を軸対称化する技術としては、マイクロ波の円偏波を形成することによりマイクロ波の電界の強度をその進行方向について周期的に変化させて、強度を電界の進行方向に沿った円偏波の軸周りに時間的に平坦化させるものが、従来より知られている。この従来技術を用いることにより、電界の円偏波の中心と基板の中心とを合致または近接させて配置することで基板上面に軸対称なエッチング処理を施すことを図っている。

また、基板の半径方向についてのエッチング処理の均一性を向上させるための技術として、伝播される電界の強度や密度を処理室または基板の中心部とその外周部とで異ならせて伝播する導波管の構成を備えたものが知られている。このような従来の技術の例は、特開平７−２９６９９０号公報（特許文献１）に記載されている。

本従来技術は、円筒形の容器内部の処理室と、その上方に配置されマイクロ波の電界の円偏波が内部を伝播する導波管と、処理室と導波管との間に配置されたバッファ室内において処理室の中心軸あるいは処理室内に配置される半導体ウエハの中心軸の上方に配置された二次導波管とを備え、二次導波管の内部に回転する角度によって当該二次導波管を伝播するマイクロ波の電界の透過率が変化する手段を配置したプラズマ処理装置が開示されている。このプラズマ処理装置では、二次導波管内を通って処理室内に供給される電界の強度または密度と二次導波管外部のバッファ室内部を通って処理室内に供給する電界の強度または密度とが、二次導波管内の電界の透過率を調節する手段によって所期の異なるにされることで、処理室内での電界またはプラズマの密度や強度が所期の分布を有するものに調節される。

特開平７−２９６９９０号公報

上記の従来技術では、次の点について考慮が不十分であったため、問題が生じていた。

すなわち、上記の従来技術は、処理室上方に配置されて真空容器を構成する誘電体製の板状の部材であってマイクロ波の電界が透過する窓部材の上方にマイクロ波の電界の分布を処理室または窓部材の中央部と外周部とで異なるものに調節する構成を有している。しかしながら、このような構成においては、ある条件下で誘電体製の窓部材内部をマイクロ波が進行する際に、当該窓部材を囲むリアクタ壁との境界でマイクロ波の一部が反射して誘電体窓の中心側へ向かって進行してもともとの中心部のマイクロ波の電界と合成されることで、窓部材の外周部に対して中心部のマイクロ波の電界の強度が高くってしまう。

このために処理室の内部においても処理室の外周側部分に対して中心部の電界の強度及びプラズマ密度が高くなり、ウエハに対して均一な処理ができなくなるという問題が生じていた。このような問題点について上記従来技術では考慮されていなかった。

本発明の目的は、均一な処理を実現できるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供することにある。

上記目的は、その内側が減圧されてプラズマが形成される処理室が内部に配置された真空容器と、この真空容器上部を構成して前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の窓部材と、この窓部材の上方に配置され前記電界が内側を伝播する第１の導波管と、この第１の導波管と前記窓部材との間に配置され当該第１の導波管からの前記電界が内部に導入されて前記窓部材に供給される第２の導波管と、処理室内部に配置され処理対象のウエハが載置される試料台とを備え、前記第２の導波管が、前記窓部材の中心部上方に配置された中心側の導波管と当該中心側導波管の外周側でこれを囲んで配置された複数の外周側の導波管と、前記中心側及び外周側の導波管から前記窓部材に導入される前記電界に所定の位相差を形成する手段と、前記導入される前記電界の透過率を異ならせる手段とを備えたプラズマ処理装置により達成される。

また、真空容器内部に配置されその内側が減圧される処理室内に配置された試料台上に処理対象のウエハを載置し、前記真空容器上部を構成して前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の窓部材の上方に配置された第１の導波管及びこの第１の導波管と前記窓部材との間に配置された第２の導波管を通して電界を前記窓部材に供給して、当該窓部材を透過した前記電界を用いて前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハを処理するプラズマ処理方法であって、前記第２の導波管が、前記窓部材の中心部上方に配置された中心側の導波管と当該中心側導波管の外周側でこれを囲んで配置された複数の外周側の導波管とを備え、前記中心側及び外周側の導波管の間でこれら導波管から前記窓部材に所定の位相差を形成するとともに透過率を異ならせて前記電界を供給することにより達成される。

本発明によれば、誘電体製の窓部材の内部で電界がその中心部に集中する程度を調節して下方の処理室に伝播される電界とこれにより形成されるプラズマの窓部材または処理室あるいはウエハ等試料の半径方向または周方向についての分布を所望のものに実現することができ、試料表面のプラズマによる処理の量やその特性と処理結果としての形状の寸法の分布を所望のものに近付けることができる。

上記した以外の構成および効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例に係る電界の分布を調節する構成の概略を模式的に示す斜視図である。 図２に示す電界の分布を調節する構成の概略を模式的に示す上面図及び縦断面図である。 図３に示す中心部の導波路の一例の構成の概略を模式的に示す横断面図及び縦断面図である。 図３に示す実施例に係る電界の分布を調節する構成の別の例の概略を模式的に示す横断面図及び縦断面図である。 図２に示す実施例に係る電界の分布を調節する構成において導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの変化に対するマイクロ波の電界の透過率の変化を示すグラフである。 図２に示す電界の分布を調節する構成において中心部の導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの複数の値における電界の振幅の時間変化の例を示すグラフである。 図７に示す電界の分布を調節する構成において中心部の導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの複数の値におけるウエハの半径方向についてのプラズマの密度及びエッチング速度の分布を模式的に示すグラフである。 図１に示す本発明の実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図９に示す変形例に係るプラズマ処理装置の空洞部内に配置された第２の導波管を構成する中心部の導波管の構成の概略を模式的に示す斜視図である。 図９に示す変形例に係るプラズマ処理装置の空洞部内に配置された第２の導波管を構成する中心部の導波路の構成の概略を模式的に示す上面図、縦断面図及び横断面図である。 図１１に示す変形例に係るプラズマ処理装置における中心部の導波路における電界の透過率を調節する構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例において、中心部の導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの変化に対するウエハの中心部のエッチング速度と外周部のエッチング速度との比の変化を示すグラフである。 図９に示す変形例においてウエハの処理中に調節されるエッチング深さの差の時間変化を模式的に示すグラフである。 図１４に示すエッチング深さの差を調節する動作の流れの例を示すフローチャートである。 本発明の実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の電界の分布を調節する構成の概略を模式的に示す斜視図である。

本発明の実施の形態を図面を用いて以下説明する。

以下、本発明の実施例を図１乃至１５を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

本実施例に係るプラズマ処理装置は、真空容器内部に配置された処理室内にプラズマを形成するために当該処理室内に供給される電界としてマイクロ波の電界を用いて処理室内に供給された処理用ガスの原子または分子等の粒子を励起してプラズマ化して、処理室内に配置された半導体ウエハ等基板状の試料上面に予め形成されたマスクと処理対象の膜層とを含む膜構造をエッチングするものである。特には、電界と共に処理室内に磁界を供給して、これら電界と磁界との間で特定の共振（ＥＣＲ＝Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）を相互作用を生起させてプラズマを形成する、所謂、マイクロ波ＥＣＲ型のプラズマエッチング処理装置である。

図１に示されるプラズマ処理装置１００は、円筒形を有して内部に処理対象の基板状の試料である半導体製のウエハ１０７が配置されてプラズマが形成される空間である処理室１１５を有した真空容器１０４と、その外側上方に配置されて処理室１１５内にマイクロ波の電界および当該マイクロ波の周波数に合わせた強度の磁界とを供給してプラズマを形成するプラズマ形成装置とを備えて構成されている。また、真空容器１０４の下方には図示されていない真空ポンプと排気用管路とが真空容器１０４の底面に連結されて配置されている。

真空容器１０４の上部は、円板形状を有して円筒形の側壁の上端上方に、当該円板の外周縁下面と真空容器１０４の側壁との間にＯリング等のシール部材を挟んで載せられる石英等の誘電体製の窓部材１０５が配置され、シール部材により窓部材１０５の内外が気密に封止されて真空容器１０４が構成されている。窓部材１０５の上方には、マイクロ波の電界が処理室１１５に向けて内部を伝播する第１の導波管１０３と、窓部材１０５の上面と第１の導波管１０３の下端部との間に配置され第１の導波管１０３より径が大きく窓部材１０５上方に載せられた円筒形の空洞部１１６とが配置されている。

第１の導波管１０３は、下端部から上下方向にその軸が延在する断面が円形を有した円筒部と、この円筒部の上端部にその一端部が連結され当該上端部から水平方向にその軸が延在する断面が矩形（方形）の方形部と、これら円筒部と方形部との間でこれらを接続する変換部と、方形部の他端側に配置されマイクロ波の電界を発振して形成するマグネトロン等のマイクロ波電源１０１とを備えている。さらに、空洞部１１６及び真空容器１０４の外周と空洞部１１６上方の第１の導波管１０３の外周を囲んで配置されて直流電力が供給されて上記磁界を形成する複数段のコイル（ソレノイドコイル）１０６及びこれを囲んで配置されたヨークとが配置されている。

なお、本実施例では、第１の導波管１０３の円筒部の途中に、内部を伝播するマイクロ波の電界を円偏波化する円偏波器１０２が配置されている。また、空洞部１１６の下面を構成する窓部材１０５の上面上方には、円形の金属等導電体製の導体板１１４とその中心部及びその外周部の上方に配置され円筒形を有した金属製の複数の第２の導波管１１３が配置されている。

真空容器１０４内部の窓部材１０５下方の処理室１１５は、円筒形状を有し気密に区画された空間である。処理室１１５内の下部には、ウエハ１０７がその上方に裁置される円形の上面を有し円筒形状を備えた試料台１０８が配置されている。

試料台１０８は円筒または円板形状を有した金属製の基材を備え、基材の上部に配置され平坦な上面を有した凸部の当該上面は、アルミナ或いはイットリア等のセラミクスの材料から構成された図示しない誘電体製の膜により覆われてウエハ１０７がその上に載せられる載置面を構成する。基材の内部には、円板または円筒の中心軸の周りに多重の円弧状あるいは螺旋状に冷媒流路が配置されている。この冷媒流路には、その入口及び出口と管路を介して連結された図示しない真空容器１０４外部の冷凍サイクルを有したチラーユニット等冷媒温度調節器において温度が所定の範囲内の値に調節された冷媒が冷媒流路内に導入されて熱交換した後に流出して冷媒温度調節器に戻り温度調節されて再度供給されて循環する。

基材の円筒形の凸部上面を覆って配置された誘電体製の膜内部には処理室１１５内にプラズマが形成されて実施されるウエハ１０７の処理中に静電気力によりウエハ１０７を膜上面に静電吸着するための直流電力が供給されると共に、プラズマの電位との電位差に応じてプラズマ中のイオン等の荷電粒子をウエハ１０７上面に誘引するためのバイアス電位をウエハ１０７上面上方に形成するための高周波電力が供給される膜状の電極が複数配置されている。本実施例においてこの電極は、真空容器１０４外部に配置された直流電源１０９及び高周波電源１１０の各々とローパスフィルタである高周波フィルタ回路１１１およびマッチング回路１１２を介して電気的に接続されている。なお、本実施例の誘電体膜内の複数の電極の各々は、直流電源１０９の異なる極性の端子と電気的に接続されて異なる極性が付与される。

試料台１０８の上面上方でこれに対向して配置された窓部材１０５の平坦な下面の下方には、窓部材１０５下面と隙間を開けて配置され処理室１１５の天井面を構成して試料台１０８上面に面した板状の部材であって中央部に処理用ガスが内部を通って処理室１１５内に導入される複数のガス供給孔が配置された石英等の誘電体製のシャワープレートが配置されている。シャワープレートと窓部材１０５との間の隙間は図示しない処理用ガスのタンク等の貯留部と管路及びその上に配置されたガスの流量または速度の調節器を介して連通されている。

また、図示していないが、真空容器１０４の底部には排気用の管路を介して上記ターボ分子ポンプの入口と試料台１０８下方の処理室１１５の下部とを連通する排気口が配置されている。さらに、本実施例では、排気口とターボ分子ポンプの入口との間の排気用の管路上に、管路の内側の流路を横切る方向の軸周りに回転可能に配置された複数枚の板状部材であるフラップの回転の角度により流路の断面積を増減して調節する排気調節バルブが配置され、真空ポンプの動作により排気口から外に流出する処理室１１５内のガスや粒子の流量あるいは速度を調節可能に構成されている。

上記の構成を備えたプラズマ処理装置１００において、上面に予め形成されたマスク及び処理対象の膜層を含む複数の膜層を有する膜構造が未処理のウエハ１０７は、真空容器１０４の外側の側壁と連結された別の真空容器である真空搬送容器の内部の減圧された搬送室を、この搬送室内に配置されたロボットアーム等のウエハ搬送機の伸縮するアーム先端部のウエハ載置部に載せられて保持されて搬送される。次に、真空容器１０４内の処理室１１５と真空搬送容器内部の真空搬送室との間で上下に移動可能に配置されこれらの間の連通を開放または気密に閉塞するゲートバルブが開放された状態で、ロボットアームのアームが図示しない制御装置からの指令信号に基づいて伸長させ、ウエハ１０７を載せた状態で先端部に配置されたウエハ載置部を処理室１１５内部に進入させる。

ウエハ１０７を載せたウエハ載置部が試料台１０８の上面上方に到達した状態でアームの伸長が停止され、ウエハ１０７が試料台１０８上面に受け渡される。具体的には、図示していない試料台１０８内部に収納されていた複数本のピンが試料台１０８上面上方に移動して先端を突出させてウエハ１０８裏面に当接させさらにアームのウエハ載置部から上方まで持ち上げて離間させた状態にした後、ロボットのアームが制御部からの指令に基づいて収縮して試料台１０８の上面から移動し、ピンが降下して再度試料台１０８内部に収納されると、ウエハ１０７が試料台１０８上面に載置される。

ロボットのアームが収縮して処理室１１５内部から退出し真空容器１０４外部の搬送室内に戻り収納された後、ゲートバルブが移動して真空容器１０４の側壁に配置され処理室１１５と搬送室との間を連通してロボットのアームがその内側を通りウエハ１０７が処理室１１５に対して搬入および搬出されるゲートの開口を気密に閉塞して、処理室１１５内部が搬送室に対して密閉される。この状態で、ガス貯留部からの単一のまたは複数の種類の物質のガスが混合された処理用ガスは、ガスの管路を通りこの管路上に配置された流量調節器により流量が調節されて窓部材１０５とシャワープレートとの間の隙間に流入した後、この隙間内で拡散して、所定の流量、速度でガス供給孔から処理室１１５内に上方から流入する。

制御部からの指令信号に基づいた真空ポンプ及び排気調節バルブの動作により、処理室１１５から排気口を通した排気の流量、速度が調節され、シャワープレートのガス導入孔から供給される処理用ガスの流量、速度と排気口からの排気の流量、速度とのバランスにより、処理室１１５内の圧力がウエハ１０７の処理に適した範囲内の圧力に調節される。さらにまた、試料台１０８上面に載せられたウエハ１０７は直流電源１０９からの直流電力が試料台１０８の誘電体製の膜内部の膜状の電極に供給されて当該膜に形成された静電気力によって膜上面に吸着され、膜の上面とウエハ１０７の裏面との間にＨｅ等の熱伝達性を有したガスが供給されることで、ウエハ１０７と試料台１０８内部の冷媒流路を流れる所定の温度の冷媒との間の熱伝達が促進される。

この状態で、処理室１１５内にプラズマを形成するための電界と磁界とが供給される。マイクロ波電源１０１において発振され形成されたマイクロ波の電界は、第１の導波管１０３の方形部内部を所定のモードを形成して水平方向に伝播され方形部の一端側の部分に配置された変換部において方向が変えられて方形部と異なるモードが形成され円筒部を下向きに伝播して円筒部の上下端部の間に配置された円偏波器１０２に到達する。マイクロ波の電界は円偏波器１０２において円偏波化され、円筒部の上下方向の軸の周りについて回転することにより電界の軸対称性を向上させて、円筒部の下端から空洞部１１６に導入された後、窓部材１０５を透過して処理室１１６内に上方から供給される。

第１の導波管１０３の下端部から空洞部１１６に導入されたマイクロ波の電界は、空洞部１１６内で複数の第２の導波管１１３の内部を通る電界とて分岐され、第２の導波管１１３内から窓部材１０５内部伝播した後、シャワープレートを透過して処理室１１６上方からに導入される。さらに、複数段または複数巻のソレノイドコイル１０６が真空容器１０４及び空洞部１１６の周囲でこれらを囲んで配置され、マイクロ波の周波数に合わせてソレノイドコイル１０６が発生し処理室１１５内に供給される磁界とマイクロ波の電界とにより生起するＥＣＲ効果により、処理室１１５内の処理用ガスの原子または分子が励起されて処理室１１５内にプラズマが形成される。

プラズマが形成されると、高周波電源１１０から高周波電力が試料台１０８の誘電体製の膜内の電極に供給され、ウエハ１０７上面上方に、プラズマの電位に応じたバイアス電位が形成される。プラズマの電位とバイアス電位との電位差に応じてプラズマ中のイオン等の荷電粒子がウエハ１０７の表面の方向に誘引されウエハ１０７上面に衝突することにより、予めウエハ１０７表面に形成された膜構造の処理対象の膜層とプラズマ中のラジカル等活性を有した反応性の粒子との相互作用が促進されてエッチング処理が進行する。

真空容器１０４外部に配置され処理室１１５内の処理の進行や膜厚さ等を検出する図示しない検出器により、所望の処理の終点が検出された場合に、制御部から指令信号が発信され高周波電源１１０からの高周波電力の誘電体膜内の電極への供給が停止され、プラズマが消火されて処理が停止する。さらに、制御部からの指令信号に基づいて、処理室１１５内部の処理用ガスの排気後ウエハ１０７の静電気力による静電吸着が解除された後、試料台１０８内のピンが上昇してウエハ１０７を試料台１０８上面上方に離間させて持ち上げて保持した状態で、ゲートバルブの動作によりゲートが開放されてロボットアームのアームが伸長して処理室１１５内の試料台１０８上方までアーム先端部のウエハ載置部を移動させウエハ１０７がウエハ載置部に受け渡される。

その後、制御部からの指令に応じてロボットアームのアームが収縮してウエハ１０７をゲートを通して搬送室に搬出すると、次の処理対象のウエハ１０７が有れば、上記の手順と同様に当該ウエハ１０７がゲートを通して処理室１１５内に搬送されて試料台１０８に載置されて処理が施される。次の処理対象のウエハ１０７が無いと制御部において判断された場合には、ゲートバルブによりゲートが閉塞されて次の処理対象のウエハ１０７が搬入されるまで処理室１１５での処理が終了する。

図２乃至８を用いて、本実施例において処理室１１５内に導入される電界の分布を調節する構成を説明する。図２は、図１に示す実施例に係る電界の分布を調節する構成の概略を模式的に示す斜視図である。

図３は、図２に示す電界の分布を調節する構成の概略を模式的に示す上面図及び縦断面図である。図３（ａ）は、図２に示す第２の導波管１１３を中心部上方から見た上面図及び図３（ｂ）は、図３（ａ）の破線Ｘ−Ｘ’で示す線に沿った縦断面を示す図である。

図４は、図３に示す中心部の導波路の一例の構成の概略を模式的に示す横断面図及び縦断面図である。図４（ａ）は、図３（ａ）に示す第２の導波管１１３の中央部の導波管２０１の構成の概略を模式的に示す横断面図であり、図４（ｂ）は当該導波管２０１の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図４（ｃ）は、図４（ａ），（ｂ）に示す導波管２０１の別の例の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

これらの図において、処理室１１５またはウエハ１０７の半径方向について、マイクロ波の電界に所望の分布を形成する構成は、空洞部１１６内に配置され、上下面が平坦または平滑な形状を備えた円板形状を有する窓部材１０５と同径を有してこの上面上方でこれを覆って配置された円板形状を有する導体板１１４と、導体板１１４の上面上方で円板の外周部に配置された複数の円筒形を有した導波管２０２と中心部に配置された円筒形を有した導波管２０１を備えている。本例において、導波管２０１，２０２は同じ径でその軸方向が等しくされた円筒形の外形及び内部の空間を有しているが、これら第２の導波管は内部の空間を所定のモードで電界が下方に向けて伝播できる導波路を構成していれば良く、形状は矩形その他任意の形状であっても良い。

さらに、導波路を構成するために管を用いずに任意の形状の部材に配置された貫通孔を用いても良い。本実施例では、所期の効果を十分に得るうえで導波路内を単一のモードの電界が下方に伝播可能な円筒形の形状および寸法の導波管が空洞部１１６内部の窓部材１０５上方であって第１の導波管１０３下端部下方の円筒形の空洞内に備えられている。

本例では、導波管２０１及び全ての導波管２０２は、内部に同径の円筒形の導波路としての空間を有し、各々の導波路内に第１の導波管１０３から導入されたマイクロ波の電界がその最低次モードであるＴＥ１１モードのみ伝播する直径９０ｍｍの円筒形の空間を備えている。また、外周部の導波管２０２は、その下端から窓部材１０５及びシャワープレートを通して処理室１１５内に伝播する電界の窓部材１０５または処理室１１５あるいは試料台１０８もしくはウエハ１０７の中心の軸周りについての不均一を低減するために、当該中心に対応する導体板１１４上の箇所からの所定の半径方向の距離（半径位置）に各導波管２０２内部の導波路の中心が当該軸周りに等しいかこれと見做せる程度に近似した角度毎に複数個配置され、その個数は可能な限り多く配置されている。

なお、導波管２０１，２０２の独立性を保つために、各導波管２０２の外周側壁は導波管２０１の外周側壁との間で５０ｍｍ以上、各々の導波管２０２同士の間で１０ｍｍ以上の間隔が開けられて配置されている。本例の導波管２０１の上下方向の長さはＬ１、同様に導波管２０２の長さはＬ２とする。

また、中心部の導波管２０１の内部の円筒形の導波路内には、全長Ｌ１を有した誘電率εrの誘電体３０１が配置され導波路が当該誘電体３０１により稠密に充填されている。さらに、導波管２０１には、導波管２０１内で励振されるマイクロ波の電界のモードが取りうる励振の軸方向のうちで電界の進行方向（通常は、上下に延在する導波管２０１の中心軸に対して垂直な平面の面内の方向）において、任意の２つ方向にその軸が延在する２本の導体棒３０２，３０３が配置されている。

このような構成を備えた本実施例では、導波管２０１，２０２の内部を伝播したマイクロ波の電界は、各導波管の出口においてその位相が１８０°異なるもの、即ち反転したものとなるように何れかの導波管が位相差を形成する手段を備えている。この構成においては、誘電体３０１の全長Ｌ１および導波管２０２の全長Ｌ２は式１で関連付けられるため、何れか一方が定められると他方は式１を用いて一意に定まることになる。

ここでλｃは円形導波管におけるカットオフ波長であり、円形導波管の半径ａを用いて式２で表される。

このように導体板１１４または空洞部１１６内の空間の中央側と外周側とで位相を異ならせた電界は、導体板１１４の下方の誘電体製の窓部材１０５にその上面から進入する。そして、導波管２０２内を伝播したマイクロ波の電界は窓部材１０５の内部または表面を外周側領域から中心部に向かって窓部材１０５の面内方向または空洞部１１６の半径方向に進行すると共に、導波管２０１内を伝播したマイクロ波の電界は中心部領域から外周に向かって面内方向または半径方向に進行し、互いに位相が反転しているこれらの電界が窓部材１０５の表面または内部で合成された結果、導波管２０１，２０２の下方の空洞部１１６の中心部と外周部との間で窓部材１０５内部または表面のマイクロ波の電界は相互にその振幅を低減させ打ち消し合う。

さらに、本実施例においては、導波管２０１，２０２の間で内部を伝播するマイクロ波の電界の透過率を異ならせ或いは可変に調節することにより、窓部材１０５の中心部及びその外周側部分に導入されるマイクロ波の電界の量を増減させ窓部材１０５の内部または表面での上記打ち消し合いまたは相殺の程度が調節されている。このような導波管２０１，２０２での電界の透過率の量の増減は、導体棒３０２，３０３を用いて行われる。

例えば、任意の導波管においてその内部でその軸方向を横切って配置される導体棒が１本で且つ当該導波管内部の導波路を伝播するマイクロ波の電界が直線偏波である場合では、導体棒がその軸方向をマイクロ波の電界の励振軸の方向に対して平行に配置されると電界は全て反射されて導波路内を電界が伝播しないことになり透過率は０%となる。一方で、導体棒の軸方向が上記励振軸に対して垂直に配置されると電界は導体棒の影響を受けずに全ての量が透過することになり透過率は１００％となる。

ここで、マイクロ波の電界が円偏波である場合には、電界が励振される方向は１方向ではなく電界の進行方向の周りに周期的に回転するため、任意の時間において励振される方向は円筒形を有した導波管２０１または導波管２０２の中心の軸に垂直な面内において任意の方向を向いている。このため、導体棒が上記導波管内で軸を横切る方向に１本だけ配置された場合は、当該導体棒が上記面内でどの方向を向いていても、所定の期間で平均すると一定の透過率になってしまうことから、透過率の大きさを導体棒の方向を変化させても透過率を増減させることはできないことになる。

一方で、任意の導波管内の空間の中心軸方向に垂直な面内において、互いに直交する２つのベクトルを仮想的に設定した場合、円偏波マイクロ波の励振軸はいずれの瞬間においても必ずこの２つのベクトルの重ね合わせで記述される。例えば、図４（ａ）に示すように、この２つのベクトルに各々が平行な２つの方向に１本ずつ導体棒３０１，３０２が配置され、且つこれら導体棒３０１，３０２の軸方向が角度θ（以下単にθと称する）を成しているとする。

θが９０°である場合には、導波管の内部に進入した円偏波のマイクロ波の電界はこれら導体棒の箇所において全て反射され導体棒の下方の領域には伝播しないことになり、当該導波管の電界の透過率は０％となる。発明者らの検討によれば、上記角度θを９０°よりも小さくした場合には反射の程度もそれに伴って小さくなり（透過率は増大し）、θ＝０°の場合には透過率は最大（１００％）になる。発明者らは、このように導波管の内部に配置された複数の導体棒の成す角度θを増減する構成により、円偏波の電界であっても導波管を伝播する電界の透過率を増減できるという知見を得て、本実施例を想起したものである。

なお、図３（ｂ）及び図４（ｂ）において、本実施例の２本の導体棒３０２，３０３は円筒形状を有した導波管２０１の内部の導波路において円筒の軸に垂直な１つの平面上に配置されているが、導体棒３０２，３０３は当該導波路内において電界の進行方向に垂直な平面上に配置されていれば良く、各々が上下方向に延在する導波路の軸方向について異なる高さ位置の平面上に配置されていても良い。

図４（ｃ）は、このような構成を備えた導波管２０１の例を示している。本図に示される実施例において、中心部の導波管２０１は上下方向に高さが異なる同径の複数個の円筒を備えて構成されている。

導波管２０１の最上部の円筒４０１の内部の空間は、その円筒の長さの寸法がＬ３を有した誘電率がεr１である誘電体４０５により稠密に充填されている。さらに、最下部の円筒４０５の内部の空間は、円筒の長さの寸法がＬ６で誘電率εｒ２の誘電体４０６により稠密に充填されている。これらの円筒の間には、導体棒３０２，３０３の各々が内部に配置され、上下方向の長さがＬ４およびＬ５である円筒形の導波管４０２及びその下方の導波管４０３が配置されている。この構成において、寸法Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６は次の式３を満たすものとする。

また、上記の例では導体板１１４中央部上方の導波管２０１の内部にのみ誘電体３０１を配置しているが、式４を満たすものであれば、外周側部分に配置された導波管２０２内部に石英等の電界が透過する誘電体製の円筒または円板形の部材を管の半径方向に稠密に配置しても良い。内部の誘電体製の部材は導波管２０１，２０２の上下方向に延在する中心軸方向の長さと同じ長さを有しているもの（つまり、内部の円筒形の空間と同じ形状でこの全体を満たす形状）である必要はなく、導波管の軸方向の一部のみが充填される、つまり軸方向長さより短い長さの円筒または円板形の誘電体製の部材が当該導波管の内部で半径方向について稠密に配置された構成であっても良い。

このような導波管２０１及び導波管２０２を備えた構成を図５を用いて説明する。図５は、図３に示す実施例に係る電界の分布を調節する構成の別の例の概略を模式的に示す横断面図及び縦断面図である。図５（ａ）は、別の例の構成の横断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の破線Ｘ−Ｘ’に沿った縦断面を示す断面図である。

本図に示される例において、導体板１１４の外周側部分の上面に配置された円筒形を有した導波管５０１はその内部部に誘電率ε１で中心軸の方向の長さがＭ１の円筒形を有した誘電体５０３が配置されている。誘電体５０３は、その円筒の半径が導波管５０１内の円筒形の導波路のものと等しくされ、中心軸方向の長さＭ１が導波路のものより小さくされ、底面は導波路の下端であって導波管５０１の底面と等しくされている。

また、導波管５０１と導体板１１４の中心から同じ半径位置にその管の中心軸が配置された円筒形の別の導波管５０２の内部には、誘電率ε２で中心軸の方向の長さがＭ２の誘電体５０４が配置されている。この誘電体５０４も円筒の半径が導波管５０２内の円筒形の導波路のものと等しくされている。

これと同様に、他の導体板１１４の外周側の領域上方に配置された円筒形の外周側導波管の内部に、所定の誘電率と長さを備えて各々の導波管内の円筒形の導波路と半径と等しい円筒形または円板形の誘電体が配置されている。各々の外周側の導波管内を伝播した電界の位相は、各導波管の下端であって窓部材１０５の上面で中央部の導波管２０１の下端または窓部材１０５の上面での電界の位相と反転したものにされ、これを実現できるように各導波管内に配置された各々の誘電体の誘電率は同一でなくても良い。

外周側部分に配置された複数の導波管において、これらの内部の導波路の底部に配置された誘電体の導波路の軸方向の長さを各々Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…Ｍｉ，…ＭＮ（Ｎは導体板１１４の外周側部分に配置された導波管の個数を示す自然数）とし、導波路内でこれら誘電体がない部分の長さをＮ１，Ｎ２，Ｎ３…Ｎｉ，…ＮＮと表す。さらに、導体板１１４の中心部の導波管２０１内の底部に配置された円筒形の誘電体５０５の軸方向の長さをＬ７、誘電体がない部分の長さＬ８とすると、式４は次のように表される。

本実施例のように、円筒形を有した空洞部１１６の内部に導入された円偏波の電界を、空洞部１１６下部に同心状に配置された複数の導波管２０１，２０２を通して、下方の処理室１１５へ伝播する電界の伝播の量を半径方向または周方向について調節して所期の分布を実現しようとするプラズマ処理装置において、図３，４に示すように導波管２０１の内部に所定の角度θを成すようにその軸方向を異ならせて配置された２本の導体棒３０２，３０３により円偏波マイクロ波の電界の透過率を調節しようとすると、導波管２０１における電界の透過率を最大（θ＝０°）にした場合でも、導波管２０１内部を振幅の方向を周期的に回転させて導波管２０１の軸方向下向きに伝播する電界は、振幅の方向が導体棒３０２，３０３と平行になる方向において反射される。すなわち、導波管２０１内のマイクロ波の電界の透過率は１００％にはならず、これ以下の値に成らざるを得ない。

このため、上記の実施例においては、導体板１１４または空洞部１１６の中央部の導波管２０１内を伝播したマイクロ波の電界の強度は、外周側部に配置された導波管２０２内を伝播した電界の強度を必ず下回ることになる。そこで、本実施例では、図３に示すように、中心部に配置された導波管２０１内を伝播して窓部材１０５に進入したマイクロ波の電界の強度と外周側部に配置された導波管２０２内を伝播して窓部材１０５において中心部に向かって進行してきたマイクロ波の電界の強度とが整合するように、導波管２０２内にも１方向にのみ指向性を持った導体棒２０３を配置している。

本実施例において導体棒２０３の軸方向は、電界の円偏波の形成を阻害しないように、各々の円筒形の導波路の中心軸が導体板１１４の中心からの所定の半径位置の円周上に位置する円筒形を有する導波管２０２の導波路の所定の上下（高さ）方向の位置で当該導波路の中心軸を通る上記円周の水平な接線に合致するかこれと見做せる程度に近似した向きにされている。このような導体棒２０３を配置することにより、外周部の導波管２０２内の導体棒２０３の軸の向きは、進行の方向の軸周りに回転する円偏波のマイクロ波の電界の励振軸または振幅の方向がどの向きであっても、常にこれに垂直になり当該円偏波の形成や伝播が阻害されることが抑制され、導波管２０１内の導体棒３０１，３０２の軸方向の成す角度θを０°とした場合の当該導波管２０１を伝播して窓部材１０５に導入されるマイクロ波の電界の強度と外周部の導波管２０２を伝播して窓部材１０５内を中央側に向けて進行するマイクロ波の電界の強度とを整合させ、同一または所期の差のものとすることができる。

上記本実施例における導波管内に配置した２本の導体棒の軸の成す角度θとこの導波管内を伝播するマイクロ波の電界の透過率との関係について図６を用いて説明する。図６は、図２に示す実施例に係る電界の分布を調節する構成において導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの変化に対するマイクロ波の電界の透過率の変化を示すグラフである。

図６において、横軸は制御パラメータとしての角度θの値を、縦軸は導体板１１４または空洞部１１６の中心部に配置された導波管２０１におけるマイクロ波の電界の透過率の値を示している。本図に示すように、θが増大するに伴って透過率の値は単調に増大する。このことから、θの値をパラメータとして０°乃至９０°の間の任意の範囲内で調節して増減させることで、導波管２０１内を伝播して下端から窓部材１０５に導入されるマイクロ波の電界の量またはその導体棒の設置された箇所を通って透過する率を所期のものに変化させることが可能となることが判る。

次に、上記本実施例により得られる作用・効果について図７，８を用いて説明する。図７は、図２に示す電界の分布を調節する構成において中心部の導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの複数の値における電界の振幅の時間変化の例を示すグラフである。図８は、図７に示す電界の分布を調節する構成において中心部の導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの複数の値におけるウエハの半径方向についてのプラズマの密度及びエッチング速度の分布を模式的に示すグラフである。

図７（ａ）は、図２乃至４に示した実施の例において、導波管２０１の軸方向から見て、導波管２０１内に配置された２本の導体棒３０１，３０２の軸方向の成す角度θ＝０°にした場合の導波管２０１の下端と接した導体板１１４下方の窓部材１０５の中心部におけるマイクロ波の電界の振幅の時間変化に対する変化を示すグラフである。この場合、導波管２０１内を伝播するマイクロ波の電界の透過率は１００％にされていると想定される。

図７（ａ）において、一点鎖線は中心部の導波管２０１を伝播して窓部材１０５の中心部に導入されたマイクロ波の電界の強度７０１を、破線は外周部の導波管２０２を伝播して誘窓部材１０５に導入されて窓部材１０５の中心部に向かって進行してきたマイクロ波の電界の強度７０２を、実線は上記の２つのマイクロ波の電界が合成された電界の強度７０３を示している。後述する図７（ｂ）、図７（ｃ）の各々においても同様である。

上記のように、導波管２０１内を伝播して窓部材１０５に導入されたマイクロ波の電界と、導波管２０２内を伝播して窓部材１０５に導入されたマイクロ波電界とは、各々の内部に配置され所定の誘電率や寸法を有した誘電体３０１，４０５，４０６，５０３，５０４等の作用により１８０°の位相差を有し位相が反転している。そのため、図７（ａ）に示されるように、導波管２０１を伝播して窓部材１０５の中心部に導入された電界の強度７０１の時間に対する変化と、外周部の導波管２０２を伝播して窓部材１０５に導入されその中心部に向かって進行してきた電界の強度７０２の時間に対する変化も位相が反転している。

さらに、図３に示すように、導体棒２０３の作用によって、導波管２０１を伝播して窓部材１０５の中心部に導入された電界の強度７０１の時間変化の振幅は、導波管２０２を伝播して窓部材１０５に導入されその中心部に向かって進行してきた電界の強度８０２の時間変化の振幅と合致するかまたは同一と見做せる程度に近似した値に調節される。したがって、窓部材１０５に導入された上記２つの電界が窓部材１０５の中心部において合成され形成された電界８０３は、当該２つの電界が互いに相殺するため、実線で示したようにその時間に対する変化は振幅が０になり、この結果、窓部材１０５の下方に配置された円筒形の処理室１１５の径方向の中央部における電界の強度も０になる。

この条件で、処理室１１５内に形成されたプラズマの処理室１１５またはウエハ１０７の径方向の密度の分布、及び当該プラズマによりエッチング処理されるウエハ１０７のエッチング速度（エッチングレート）の処理室１１５またはウエハ１０７の分布を図８（ａ）に示す。プラズマの密度の値は試料台１０８上面上方の所定の高さでの水平な面内での中心から任意の半径位置における値をシミュレーション等で検出したものである。

本図に示すように、導波管２０１の電界の透過率が１００％にされた図７（ａ）の条件では、プラズマの密度の分布は処理室１１５またはウエハ１０７の外周側の箇所での値よりも中心側の箇所での値が低くなるものとなる。それに対応して、ウエハ１０７上面の処理対象膜のエッチングレートの分布も、処理室１１５またはウエハ１０７の外周側の箇所での値よりも中心側の箇所での値が低くなるものとなる。

図７（ｂ）を用いて、電界の透過率を別の値に設定した条件での窓部材１０５での電界について説明する。本例では、導波管２０１の軸方向から見て、導波管２０１内の導体棒３０１，３０２の成す角度θ＝９０°にされた場合について説明する。この条件では、導波管２０１内を伝播して導体棒３０１，３０２を通るマイクロ波の電界の透過率は０％になると想定される。

この条件では、導波管２０１内のマイクロ波の電界は、導体棒３０１，３０２を通って下端から窓部材１０５に進入できない。このため、図７（ｂ）に示すように、導波管２０１を伝播して誘電体窓１０５の中心部に導入された電界の強度７０１は０になる。

したがって、導波管２０１内を伝播して窓部材１０５の中心部に導入された電界と、導波管２０２内を伝播して窓部材１０５に導入されてその中心部に向かって進行してきた電界とが窓部材１０５の中心部において合成された電界の強度７０３は、図７（ｂ）の実線に示すように、導波管２０２内から伝播してきた電界の強度７０２と等しいものとなり、その振幅の大きさは最大値をとる。

この条件で、処理室１１５内に形成されたプラズマの処理室１１５またはウエハ１０７の径方向の密度の分布、及び当該プラズマによりエッチング処理されるウエハ１０７のエッチング速度（エッチングレート）の処理室１１５またはウエハ１０７の分布を図８（ｂ）に示す。本条件では、プラズマの密度の分布は処理室１１５またはウエハ１０７の中心側の箇所の値より対して外周側の箇所の値が低くなるものとなり、それに対応してウエハ１０７表面の面内方向についてエッチングレートの分布も中心側の箇所より外周側の箇所の値が低くなるものとなる。

次に、図７（ｃ）を用いて、電界の透過率を別の値に設定した条件での窓部材１０５での電界について説明する。本例では、導波管２０１の軸方向から見て、導波管２０１内の導体棒３０１，３０２の成す角度θ＝２０°にされた場合について説明する。この条件では、導波管２０１内を伝播して導体棒３０１，３０２を通るマイクロ波の電界の透過率は５０％になると想定される。

この条件では、導波管２０１内を伝播して窓部材１０５に導入されたマイクロ波の電界の強度７０１は、時間に対する変化の振幅が導波管２０２を伝播して誘電体窓１０５に導入され中心部に向かって進行してきた電界の強度７０２の時間に対する変化の振幅の半分程度になる。したがって、導波管２０１内を伝播して窓部材１０５の中心部に導入された電界と導波管２０２内を伝播して窓１０５に導入されその中心部に向かって進行してきた電界とが当該中心部において合成された電界の強度７０３は、これら２つの電界の位相は反転していることから、導波管２０２内を伝播して窓１０５に導入されその中心部に向かって進行してきた電界の強度が半分程度低減されることになり、図７（ｃ）において実線で示すように、電界の強度７０３の時間に対する変化の振幅は、図７（ｂ）における電界の強度７０３のものの半分程度となる。

この条件で、処理室１１５内に形成されたプラズマの処理室１１５またはウエハ１０７の径方向の密度の分布、及び当該プラズマによりエッチング処理されるウエハ１０７のエッチング速度（エッチングレート）の処理室１１５またはウエハ１０７の分布を図８（ｃ）に示す。本条件では、プラズマの密度の分布は、プラズマの密度は処理室１１５またはウエハ１０７の中心側の箇所の値と外周側の箇所の値とが図８（ａ），（ｂ）と比較して同程度に近くなり、それに対応してウエハ１０７表面の面内方向についてマエッチングレートの分布もウエハ１０７の中心側の箇所の値と外周側の箇所の値とが図８（ａ），（ｂ）と比較して同程度に近くなる。

このような作用・効果を有する実施例において、ウエハ１０７表面に配置された膜構造の処理対象の膜層のエッチング処理の速度等特性や処理後の形状の寸法の当該ウエハ１０７表面の面内方向についてのバラつきを抑制する手順について説明する。例として、ウエハ１０７表面の面内方向についてのエッチングレートの分布が、図８（ｂ）に示すように中心側の箇所の値より外周側の箇所の値より低くなってしまう、所謂中央部が高い分布となる処理において、分布の値のバラつきを低減する手順を考える。

このような場合には、導波管２０１内に導体棒３０１，３０２を導波管２０１の軸方向上方から見て導体棒３０１，３０２の成す角θが２０°程度となるように配置して、図８（ｃ）に示すようなプラズマの密度の分布を実現することで、エッチング処理のバラつきを低減することができる。また、上記ウエハ１０７表面の面内方向についてのエッチングレートのバラつきがプラズマの密度のバラつきではなくウエハ１０７表面上方でのガス流れの量や速度の分布、ウエハ１０７表面の膜構造の開口率等の別の機械的要因によってエッチングレートの分布が外周の箇所での値より中央側の箇所での値が大きくなるものであると判定された場合には、角度θが０°程度となるように導波管２０１内の導体棒３０１，３０２を配置して、図８（ａ）に示すように外周側の箇所のプラズマの密度が中央側の箇所のものより高くできるような電界の分布にすることで、機械的な要因によるエッチングレートのバラつきをプラズマの密度の分布により補正して、ウエハ１０７表面の面内方向についての加工後の形状、寸法の不均一を低減することができる。

逆に、何らかの機械的な要因によりウエハ１０７表面でのエッチングレートの分布が上記とは逆に中心側の箇所の値より外周側の箇所での値が高くなっている場合には、角度θが９０°程度となるように導体棒３０１，３０２を配置して図８（ｂ）のように中心側の箇所のプラズマの密度を外周側の箇所の値より高い分布を実現することで、機械的な要因によるエッチング速度のバラつきをプラズマの密度の分布により補正して、ウエハ１０７の面内方向についてエッチング処理の不均一を低減することができる。

上記の通り、上記実施例は、プラズマを形成するために供給されるマイクロ波の電界が処理室１１５の上方に窓部材１０５を挟んで配置された空洞部１１６内で処理室の半径方向あるいは周方向について異なる位置に配置された第２の導波管１１３について、これを構成する複数の導波管２０１，２０２の少なくとも何れかの内部に配置された導体棒３０２、３０３のなす角θを、半径方向あるいは周方向に異なる値に調節してこれらの導波管内を伝播する透過率を試料の半径方向あるいは周方向について所望の値に調節する構成を備えている。これによりウエハ１０７を処理する条件に応じてこれに適した所望の電界の強度の分布が処理室１１５内に実現され、ウエハ１０７上面の面内方向について膜構造の処理対象の膜層の処理の所望の分布が実現される。

また、上記の実施例では、マイクロ波の電界は円偏波として第１の導波管空洞部１１６及び処理室１１５に供給されることでウエハ１０７の周方向について電界またはプラズマの強度とこれによるウエハ１０７の処理の特性及びその結果のバラつきをより抑制する作用・効果を奏しているが、円偏波にされた電界でなくとも上記電界の分布を調節する構成を用いることでウエハ１０７または処理室１１５の半径または周方向に強度の分布を実現することが出来る。

〔変形例〕
上記実施例の構成の一部を異なるものにした例について以下説明する。

上記実施例では、ウエハ１０７を処理する条件に応じて、導体板１１４または空洞部１１６の中心部に配置された導波管２０１の軸方向上方から見て導波管２０１内部に配置された２本の導体棒３０２，３０３の軸方向のなす角θを設定し導波管２０１を伝播する電界の所望の透過率を得る構成の例が示されている。このような導体棒３０２，３０３の成す角度θを所望の値に変化させて電界の透過率を任意に変動させるように、何れか一方または両方の導体棒３０２，３０３を導波管２０１の軸に周りに回転可能な構成を備えてもよい。このような構成を備えたプラズマ処理装置を図９乃至１５を用いて説明する。

図９は、図１に示す本発明の実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。図１０は、図９に示す変形例に係るプラズマ処理装置の空洞部内に配置された第２の導波管を構成する中心部の導波管の構成の概略を模式的に示す斜視図である。
図１１は、図９に示す変形例に係るプラズマ処理装置の空洞部内に配置された第２の導波管を構成する中心部の導波管の構成の概略を模式的に示す上面図、縦断面図及び横断面図である。図１１（ａ）は、図１０に示す中心部の導波管２０１の中心軸上方から見た上面図、図１１（ｂ）は導波管２０１の中心軸を含む縦断面図、図１１（ｃ）は導波管２０１内に配置された導体棒３０３の水平方向に延在する軸を含む水平面に沿った横断面図である。図１２は、図１１に示す変形例に係るプラズマ処理装置における中心部の導波路における電界の透過率を調節する構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

図９に示すプラズマ処理装置１００は、図１に示した実施例と同様に、マイクロ波の電界とともにソレノイドコイルで形成された磁場を処理室内に供給してこれらの相互作用としてのＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いてプラズマを形成して半導体ウエハ等の基板状の試料をエッチング処理するプラズマ処理装置である。以下、本図で図１の実施例と同じ符号が引用されたものについては、特に必要の無い限り説明を省略している。

本図に示すプラズマ処理装置１００において、空洞部１１６の内部で電界の分布を調節するために導体板１１４と複数の導波管２０１，２０２を含む第２の導波管１２３とを備えた構成は実施例１のものと同様である。そして、本例では、図１０，１１に示すように、第２の導波管１１３を構成し導体板１１４の中央部上方に配置された円筒形の導波管２０１は上下方向に複数（本例では２個）の同径の円筒形状の導波管１００１，１００２に分けられて配置されている。

そして、これら上下に分けられた導波管１００１，１００２の円筒部分のうち導体棒３０２を含む上段の導波管１００１は、導波管２０１の中心軸の周りに回転可能に構成されている。一方、下段の導波管１００２は導波管２０１の中心軸に対して回転しないよう固定されており、上段の導波管１００１を回転させる量を図示しない制御部からの指令信号により調節することで、当該中心軸の上方から見て各々の導波管１００１，１００２が備える導体棒３０１，３０２の軸方向が成す角度θを可変に調節可能に構成されている。

本実施例は、このように配置された上段の導波管１００１を中心軸の周りで回転させるため、導波管１００１の回転角度を調節するモータ９０１を備え、モータ９０１からの駆動力が上段の導波管１００１に伝達される構成を備えている。なお、本例でも導波管２０１を構成する円筒形を有した上段の導波管１００１、下段の導波管１００２内部に、その内部の円筒と同径の円筒形の誘電体が配置されて、内部の空間は径方向及び上下方向について石英等の材料による誘電体により稠密に充填されている。

図１２に、図９に示す電界の透過率を可変に調節する構成を拡大して示す。上記の通り、本例では、上段の導波管１００１を下段の導波管１００２およびこれが接続されて固定された導体板１１４に対して、これら導波管または導波管２０１の上下方向に延在する中心軸の周りに角度自在に回転可能に構成されている。そして、上段の導波管１００１の下端部にはモータ９０１が発生する駆動力が伝達される。

本例の下段の導波管１００２は、上部の円筒形状の部分とその下端部を構成して円筒の外周側で半径方向に延在するフランジ部とを備えた縦断面が凸上の形状を有し、凸形状の中心部に配置された上部の円筒形状の上端面から導体板１１４の上面と対向して配置されるフランジ部の平坦な下面の中心部までを貫通する円筒形の貫通孔が導波路として配置されている。フランジ部は下方の導体板１１４に対して位置が固定されている。

下段の導波管１００２の上方には、円筒形状部分の上方に載せられて円筒の上端面と外側面とを覆って配置された上段の導波管１００１が配置されている。上段の導波管１００１は、上部の円筒形状部分がその上下方向の中心軸を下段の導波管の円筒形状部分またはその内側に配置された貫通孔の導波路の上下方向の中心軸と合致またはこれと見做せる程度に近似した位置にされて配置されている。

さらに、上部の円筒形状部分の外周側部分の下端部は下方に延在しており、上段の導波管１００１が下段の導波管１００２上に中心軸を合わせて載せられた状態で、上段の導波管１００１の当該下方に延在した外周側部分が下段の導波管１００２上部の円筒形状の部分の外側壁を覆っている。また、下段の導波管１００２と同様に、上段の導波管１００１は、その上部の円筒形部分の上端面に開口を有した円筒形の貫通孔が内部に配置され、当該貫通孔は半径を下段の導波管１００２の中心軸と合致またはこれと見做せる程度に近似させた値にされ、且つ上部の導波管１００１が下部の導波管１００２の上方に載せられた状態で、その中心軸を下段の導波管１００２の中心軸と合致またはこれと見做せる程度に近似させた位置に配置されて、導波管２０１内部で段差を小さくされた導波路を構成している。

さらに、上段の導波管１００１の円筒形の下端部の外周縁は、モータ９０１の回転力が伝達される端部とギア１３０２を介して連結されて、モータ９０１から供給される当該回転のトルクが伝達される構成を備えている。図示しない制御部は、モータ９０１に指令信号を発信し、これに基づいて、所定のトルクと回転数とで駆動されたモータ９０１からの駆動力が伝達された上部の導波管１００１が、下段の導波管１００２の上部の円筒形状部分の上方でその外周側壁に沿って両者の上下方向の中心軸周りに所望の角度だけ回転する。

これにより、本変形例に係るプラズマ処理装置１００は、運転中の任意の時刻、例えばウエハ１０７の処理の開始前やウエハ１０７の処理中の任意の時刻或いは（例えプラズマが形成されていても）複数の工程で実施されるウエハ１０７のエッチング処理の当該工程の間の任意の時刻において、導波管２０１の中心軸上方から見て上段の導波管１００１内に配置された導体棒３０１と下段の導波管１００２内に配置された導体棒３０２の各々軸方向の成す角度θが所望のものとなるように調節することができる。このような回転による角度θの増減の調節を容易にするため、図４に示すように、導波管２０１が長さＬ３およびＬ６の誘電体３０１が充填された導波管４０１，４０４と、導体棒３０２，３０３を含む各々長さＬ４，Ｌ５の導波管４０２，４０３とで複数段に分割された構成を備えても良い。

さらに、このような角度θの値を任意の時刻で可変に調節し導波管２０１内を伝播する電界の透過率を増減させて、ウエハ１０７上面の面内方向についてエッチング処理により形成される溝や孔構造の深さのバラつきを抑制してより均一に近づけた処理の結果を実現するために、ウエハ１０７上面の中心部および外周側部における上記膜構造の処理対象膜の残り膜厚さを膜厚モニタを用いて光学的に検出した結果を用いて、予め実験や試験用のウエハ１０７の処理等を実施して得られたデータを用いて作成したデータベースや評価関数に基づいて所望の処理の結果を得られる角度θを算出し、これに基づいて制御部から指令信号をモータ９０１に発信するようにしても良い。

本例では、上記のように導波管２０１を構成する上下２段の導波管の各々に配置された導体棒３０２，３０３のうち、上段側に配置した導体棒３０２を導波管２０１の円筒形の導波路の中心軸に対して回転させる構成を備えている。図１３乃至１５を用いて、本例が角度θの値を調節して導波管２０１内を伝播する電界の透過率を増減させてウエハ１０７上面の面内方向についてのエッチングレートのバラつきを低減する動作の流れについて説明する。

図１３は、図１に示す実施例において、中心部の導波路の軸方向から見て２つの導体棒のなす角度θの変化に対するウエハの中心部のエッチング速度と外周部のエッチング速度との比の変化を示すグラフである。図１４は、図９に示す変形例においてウエハの処理中に調節されるエッチング深さの差の時間変化を模式的に示すグラフである。

図１５は、図１に示す実施例が実施する図１４に示すエッチング深さの差の調節の動作の流れの例を示すフローチャートである。

図１３に示すように、図１に示す実施例および図９に示す変形例において、ウエハ１０７上面の半径方向についてのエッチングレートの値の差は、角度θが９０°に近づくほど大きくなる。すなわち、ウエハ１０７上面の中心部のエッチングレート（エッチング速度）と外周側の箇所におけるエッチングレートとの比率は、角度θが増大して９０°に近付くにつれて増大し（中心部のエッチング速度が相対的に高くなり）、角度θが減少して０°に近付くにつれて比率が減少する（中心部のエッチング速度が相対的に小さくなる）。

この例において、パラメータとして調節する角度θの初期値として中心部と外周部のエッチング速度が等しくなる角度（本実施例では２０°）として、十分小さいステップ幅１３０１でθを増減して中心部と外周部のエッチング速度の差を所望の値にして、所望のエッチング処理の結果の分布を得ることができる。

図１４を用いて膜厚モニタによりウエハ１０７上面の膜構造の残り膜厚さを検出した結果を用いて角度θを調節して、ウエハ１０７の面内方向についてのエッチング形状の分布を調節する動作の流れを示す。本図の動作では、ウエハ１０７の中心部と外周側部分とでのエッチングによる溝または孔の深さ或いは残り膜厚さの差の絶対値が予め定められた許容値（１４０１）以上になったことが制御部により検出された場合に、角度θを変化させてエッチング深さや残り膜厚さの差を低減させ、ウエハ１０７上面の面内方向についてのエッチング結果として得られる形状の寸法のバラつきを低減して処理後の形状を均一に近付ける。

例えば、エッチング処理を実施している期間中にウエハ１０７の中心部と外周側部分のエッチング量の差の絶対値が予め設定された許容値（１４０１）を超えたことが図示されない制御部に検出された場合、制御部が内部に配置されたＲＯＭ或いはＲＡＭ，ＨＤＤ等の記憶装置に記憶されたアルゴリズムとデータとを用いて演算器によって算出した十分小さいステップ幅１４０２だけ角度θを変化させる指令信号をモータ９０１に発信し、モータ９０１の回転動作により伝達された駆動力に応じて、図９の第２の導波管１２３の中央部の導波管２０１を構成する上段の導波管１００１が下段の導波管１００２と合致した上下方向の中心軸周りに回転し導波管２０１内の導波路を横切って配置された導体棒３０２の軸方向を導体棒３０３の軸方向に対して変化させ、第２の導波管１２３を構成する導波管２０１，２０２内を伝播した電界であってこれらの導波管の下方に位置した処理室１１５における電界のうち、エッチング速度が大きな方の強度を低くする。

本例では、外周側部分に対して中心部のエッチング速度が高い場合には、導波管２０１内に配置した導体棒３０２，３０３のなす角度θは、予め定められたステップ幅１４０２で０°以上２０°未満の範囲内で小さくされ、導波管２０１におけるマイクロ波の電界の透過率がステップ幅１４０２に対応した値の分だけ高くされる。このような調節が、所定の許容値以下となったことが検出されるまで、少なくとも１回以上繰り返される。

このような調節により、処理室１１５内の試料台１０８上方のプラズマの生成領域において、その中心部に対して外周側部分の電界の強度が相対的に高くされプラズマの密度も外周部が相対的に高くされる。一方、中心部に対して外周部のエッチング速度が高いことが検出された場合には、角度θがステップ幅１４０２で２０°以上９０°以下の範囲内で大きくされ、処理室１１５内のプラズマ生成領域において、その外周側部分の値に対して中心部の電界の強度が相対的に高くされプラズマの密度も相対的に高くされる。

このような調節の動作の流れを図１５を用いて説明する。ウエハ１０７上面の膜構造の処理対象の膜層のエッチング処理が開始された（ＳＴＡＲＴ）後、処理の終点が検出される或いは予め定められた処理を実行する時間が終了したことが検出される（ステップ１５０２）まで、予め定められた時間間隔でウエハ１０７上面の中心部と外周側部分との各々の所定の箇所でエッチングの量、例えばエッチング深さまたは残り膜厚さが検出されてモニタリングされ、是等の差の値が図示しない制御部により検出される（ステップ１５０１）。

ステップ１５０２において処理の終了が検出されず、処理が継続された状態でウエハ１０７中心部と外周側部分のエッチング深さの差が所定の許容値を超えたと制御部において判定された場合（ステップ１５０３）、ステップ１５０４に移行して外周側部分に対して中心部のエッチング速度の方が高い場合には角度θを２０°より大きく、中心部に対して外周側部分のエッチング速度の方が高い場合はθを２０°以下とするように、ステップ幅１４０２毎に角度θを変化させるように導体棒３０２を有する上段の導波管１００１を下段の導波管１００２または導体板１１４に対してその軸回りに回転させる（ステップ１５０５）。

この後、エッチング深さの差の時間に対する変化の大きさ（エッチング深さの差の時間変化の傾き）が上記の時間間隔で検出され（ステップ１５０６）、当該エッチング深さの時間変化の傾きが、０になってウエハ１０７上面の面内方向についてのエッチング速度が等しくなったかこれと見做せる程度に十分小さい値（図１４上１４０５）以下になったことが検出される（ステップ１５０７）まで、ステップ幅１４０２毎にθを変化させて（ステップ１５０８）、ステップ１５０５からステップ１５０７の動作が繰り返される。

角度θをステップ１４０２毎に変化させ続けた結果、エッチング深さ差の傾きが所定の値（１４０４）以下になってウエハ１０７上面の中心部と外周側部分のエッチング速度が等しくなったと見做せると制御部に判定された場合には、現在の角度θの値が制御部内の記憶装置に記憶され（ステップ１５０９）た後、一旦エッチング深さの差を解消するために当初エッチング速度が高かった側の電界の強度が制御範囲内における最小値にされエッチング速度が最小限にする制御が行われる（ステップ１５１０）。この動作におけるエッチング速度の変化が図１４上１４０３に示されている。

例えば、当初ウエハ１０７上面の外周側部分に対して中心部のエッチング速度が高かった場合には、角度θが０°に、；逆に当初は外周側部分に対して中心部のエッチング速度が低かった場合にはθを９０°に調節される。その後、所定の時間間隔でエッチング深さの差が検出され（ステップ１５１１）てその値が導体棒３０２を回転させる動作のタイムラグを考慮して予め定められた緩衝範囲（１５０４）内になったか否かが判定される（ステップ１５１２）。

制御部においてエッチング深さの差が緩衝範囲（１５０４）内になったことが検出されるとエッチング深さ差が解消された判定され、ステップ１５０９において記憶されたθの値が読み出され（ステップ１５１３）、制御部からの指令信号に応じて当該角度θの値となるように導体棒３０１または上部の導波管１００１の回転が行なわれる。この後、ステップ１５０１に移行して、この角度θに応じた透過率で伝播された強度の分布を有する電界を用いてプラズマが形成され、ウエハ１０７上面の面内方向について所望のエッチング速度の分布でエッチング処理が続行され、処理の終点まで実行される。

以上のように、本例に係るプラズマ処理装置１００では、適用する処理条件に応じてマイクロ波の電界の透過率を任意に制御するため導体棒３０２、３０３のどちらか一方、もしくは両方を導波管の中心軸に対して回転可能に構成され、かつ処理中にウエハ１０７上面の中心部と外周におけるエッチング量の分布が所期のものに近づくように、導体棒３０２，３０３の軸間のなす角θが調節され、ウエハ１０７上面の面内方向においてエッチング量またはその特性の所期のものからのズレが低減され、所望の処理結果が実現される。

上記の実施例では、導波管２０１内に配置された導体棒３０２，３０３を用いて透過率を調節する構成を説明した。一方で、このような導体棒を配置したことによる電界の円偏波の阻害を抑制するために、外周側の導波管２０２においてのみ電界の透過率を調節しても良い。このような構成を図１６を用いて説明する。

図１６は、本発明の別の実施例の係るプラズマ処理装置の電界の分布を調節する構成の概略を模式的に示す斜視図である。図１６（ａ）は、本例の第２の導波管１１３を中心部上方から見た上面図及び図１６（ｂ）は、図１６（ａ）の破線Ｘ−Ｘ’で示す線に沿った縦断面を示す図である。

本例では、中心部の導波管２０１内に導体棒は配置されておらず、外周部の導波管２０２の各々に２本の導体棒２０３，６０１が配置されている。このうち導体棒２０３の方向は、図３に示す実施例１の導体棒２０３と同じものである。

一方、本例の複数の導波管２０２内に配置された導体棒６０１は、各々が導体棒２０３との間で上方から見て所定の角θを成して配置されている。当該角度θは、全ての導波管２０２において等しくされている。

さらに、導体棒２０３を基準として導体棒６０１のなす角θの符号を時計回り方向を正、反時計回り方向を負とすると、全ての外周部の導波管２０２においてθの正負も等しいものにされている。尚、本実施例においても、導波管２０１，２０２及び導体板１１４の相対的な位置の構成は、実施例１と同等のものにされている。このような構成の本実施例では、導体棒６０１の方向は各導波管２０２において空洞部１１６または処理室１１５あるいは試料台１０８とその上方のウエハ１０７の中心周りの方向について、対称性を有している。

このような角度θで導体棒２０３，６０１を配置することにより、全ての外周部の導波管２０２では円偏波の電界は全ての励振軸方向について平均した透過率が等しくされる。このことにより、円偏波の電界が阻害されることが抑制され透過率の調節の精度を向上させることが可能となる。

このような構成において、中心の導波管２０１の長さＬ１と外周部の導波管２０２の長さＬ２、およびそれぞれに充填する誘電体の誘電率εｒｘ，εｒｙの関係は式５で表される。

実施例１では外周側部分に配置された導波管２０２の各々の長さは異なっても良いが、本実施例では円偏波の全ての励振軸方向についての透過率を平均して等しくするうえでは、全ての導波管２０２においてその中心軸の方向の長さの寸法Ｌ２は等しいことが望ましい。

このような本実施例においては、実施例１と同様に、中心部の導波管２０１に対して外周部の導波管２０２の電界の透過率が調節されていることにより、処理室１１５内においてウエハ１０７上面の面内方向についての電界の強度、プラズマの密度の分布を所望のものに調節される。このことにより、ウエハ１０７上面の面内方向について所望のエッチング速度等のエッチング量の分布が実現できる。

以上の通り、上記の実施例により、適用する処理条件に応じてマイクロ波の電界の透過率が任意に制御され、ウエハ１０７上面の面内方向においてエッチング処理のバラつきが低減され処理の結果が均一に近付けられる。これにより、均一な処理を実現できるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法が提供できる。

１００…プラズマ処理装置、
１０１…マイクロ波発生用電源、
１０２…円偏波器、
１０３…第１の導波管、
１０４…真空容器、
１０５…窓部材、
１０６…コイル、
１０７…被処理基板、
１０８…試料台、
１０９…高周波電源、
１１０…直流電源、
１１１…高周波フィルタ、
１１２…マッチング回路、
１１３…第２の導波管、
１１４…導体板、
２０１…導波管、
２０２…導波管、
２０３…導体棒、
３０１…誘電体、
３０２…導体棒、
３０３…導体棒、
４０１，４０２，４０３，４０４…導波管、
４０５，４０６…誘電体、
５０１，５０２…導波管、
５０３，５０４…誘電体、
９０１…モータ、
１００１…上段の導波管、
１００２…下段の導波管、
１６０１…導体棒。

Claims (10)

1. その内側が減圧されてプラズマが形成される処理室が内部に配置された真空容器と、この真空容器上部を構成して前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の窓部材と、この窓部材の上方に配置され前記電界が内側を伝播する第１の導波管と、この第１の導波管と前記窓部材との間に配置され当該第１の導波管からの前記電界が内部に導入されて前記窓部材に供給される第２の導波管と、処理室内部に配置され処理対象のウエハが載置される試料台とを備え、
   前記第２の導波管が、前記窓部材の中心部上方に配置された中心側の導波管と当該中心側導波管の外周側でこれを囲んで配置された複数の外周側の導波管と、前記中心側及び外周側の導波管から前記窓部材に導入される前記電界に所定の位相差を形成する手段と、前記導入される前記電界の透過率を異ならせる手段とを備えたプラズマ処理装置。
   
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記電界の透過率を異ならせる手段が、前記第２の導波管の前記中心側の導波管または前記外周側の複数の導波管各々の導波管内にその軸方向を異ならせて配置された複数の導体製の棒状の部材であるプラズマ処理装置。
   
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記位相差を形成する手段が、前記中心側の導波管及び外周側の導波管の内部に配置され厚さまたは材料が異なる誘電体製の部材を備えたプラズマ処理装置。
   
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記第２の導波管が、前記窓部材の上方に隙間をあけて配置された金属製の板部材に配置された円筒形の空間であるプラズマ処理装置。
   
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記第１の導波管から前記第２の導波管に供給される電界が円偏波であるプラズマ処理装置。
   
6. 真空容器内部に配置されその内側が減圧される処理室内に配置された試料台上に処理対象のウエハを載置し、前記真空容器上部を構成して前記プラズマを形成するための電界が透過する誘電体製の窓部材の上方に配置された第１の導波管及びこの第１の導波管と前記窓部材との間に配置された第２の導波管を通して電界を前記窓部材に供給して、当該窓部材を透過した前記電界を用いて前記処理室内にプラズマを形成して前記ウエハを処理するプラズマ処理方法であって、
   前記第２の導波管が、前記窓部材の中心部上方に配置された中心側の導波管と当該中心側導波管の外周側でこれを囲んで配置された複数の外周側の導波管とを備え、前記中心側及び外周側の導波管の間でこれら導波管から前記窓部材に所定の位相差を形成するとともに透過率を異ならせて前記電界を供給するプラズマ処理方法。
   
7. 請求項６に記載のプラズマ処理方法であって、
   前記第２の導波管の前記中心側の導波管または前記外周側の複数の導波管各々の導波管内にその軸方向を異ならせて配置された複数の導体製の棒状の部材によって前記電界の透過率を異ならせるプラズマ処理方法。
   
8. 請求項６または７に記載のプラズマ処理方法であって、
   前記中心側の導波管及び外周側の導波管の内部に配置され厚さまたは材料が異なる誘電体製の部材を備えて前記位相差が形成されるプラズマ処理方法。
   
9. 請求項６乃至８の何れかに記載のプラズマ処理方法であって、
   前記第２の導波管が、前記窓部材の上方に隙間をあけて配置された金属製の板部材に配置された円筒形の空間であるプラズマ処理方法。
   
10. 請求項６乃至９の何れかに記載のプラズマ処理方法であって、
    前記第１の導波管から前記第２の導波管に円偏波の前記電界を供給するプラズマ処理方法。

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