JP2020202333A - マイクロ波供給機構、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

マイクロ波供給機構、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】マイクロ波を発生する電源部からアンテナを介してマイクロ波を負荷側に導入する際に、インピーダンス整合とアンテナからの出力電圧の調整の両方を行うことができるマイクロ波供給機構、プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】マイクロ波を発生する電源部からのマイクロ波を負荷に供給するマイクロ波供給機構は、電源部からのマイクロ波を伝送する同軸構造を有するマイクロ波伝送路と、マイクロ波伝送路の先端に設けられ、マイクロ波を放射して負荷に供給するアンテナと、マイクロ波伝送路に設けられ、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるインピーダンス整合部と、インピーダンス整合部とアンテナとの間に設けられ、インピーダンスを調整することによりアンテナにおけるマイクロ波の出力電圧を調整する出力電圧調整部とを有する。【選択図】 図４

Description

本開示は、マイクロ波供給機構、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
半導体デバイスの製造工程においては、半導体基板にエッチング処理や成膜処理等にはプラズマ処理が多用されている。近時、このようなプラズマ処理を行うプラズマ処理装置としては、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
マイクロ波プラズマ処理装置としては、平面アンテナを有するマイクロ波供給機構から放射されたマイクロ波をチャンバ内に導きマイクロ波プラズマ処理を行うものが知られている（例えば特許文献１）。このようなマイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波供給機構のマイクロ波伝送路にスラグチューナを設けてインピーダンスの調整を行い、プラズマ負荷のインピーダンスを電源側のインピーダンスに整合させている。
国際公開第２００８／０１３１１２号
本開示は、マイクロ波を発生する電源部からアンテナを介してマイクロ波を負荷側に導入する際に、インピーダンス整合とアンテナの出力電圧（出力電界）の調整の両方を行うことができるマイクロ波供給機構、プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法を提供する。
本開示の一態様に係るマイクロ波供給機構は、マイクロ波を発生する電源部からのマイクロ波を負荷に供給するマイクロ波供給機構であって、前記電源部からのマイクロ波を伝送する同軸構造を有するマイクロ波伝送路と、前記マイクロ波伝送路の先端に設けられ、前記マイクロ波を放射して前記負荷に供給するアンテナと、前記マイクロ波伝送路に設けられ、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるインピーダンス整合部と、前記インピーダンス整合部と前記アンテナとの間に設けられ、インピーダンスを調整することにより前記アンテナにおけるマイクロ波出力電圧を調整する出力電圧調整部と、を有する.
本開示によれば、マイクロ波を発生する電源部からアンテナを介してマイクロ波を負荷側に導入する際に、インピーダンス整合とアンテナの出力電圧（出力電界）の調整の両方を行うことができるマイクロ波供給機構、プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法が提供される。
一実施形態に係るマイクロ波供給機構が搭載されたマイクロ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のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図である。 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。 一実施形態に係るマイクロ波供給機構を示す断面図である。 マイクロ波供給機構の給電機構を示す横断面図である。 インピーダンス整合を説明するためのスミスチャートを示す図である。 他の実施形態に係るマイクロ波供給機構を示す断面図である。 一実施形態に係るマイクロ波供給機構の回路構成を説明するための回路図である。 従来のマイクロ波供給機構の回路構成を説明するための回路図である。
以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。
＜マイクロ波プラズマ処理装置の構成＞
図１は、一実施形態に係るマイクロ波供給機構が搭載されたマイクロ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のマイクロ波プラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図、図３は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は一実施形態に係るマイクロ波供給機構を示す断面図、図５はマイクロ波供給機構の給電機構を示す横断面図である。
マイクロ波プラズマ処理装置１００は、基板としての半導体ウエハＷ（以下ウエハＷと記述する）に対してプラズマ処理、例えばエッチング処理を施すものであり、表面波プラズマによるプラズマ処理を行う。マイクロ波プラズマ処理装置１００は、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内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するためのプラズマ源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、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内にはウエハＷを水平に支持する支持部材であるサセプタ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内のガスが排出され、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の上部には、リング状のガス導入部材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。このガス導入部材２６には、プラズマ生成ガスや処理ガス等のガスを供給するガス供給源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ガス等の希ガスを好適に用いることができる。また、処理ガスとしては、通常エッチング処理に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。
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生成ガスは、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る。その後ガス導入部材２６から処理ガスを導入すると、プラズマ生成ガスのプラズマにより、処理ガスが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にプラズマ処理が施される。
＜プラズマ源＞
次に、プラズマ源２について説明する。
プラズマ源２は、チャンバ１内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するためのものであり、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持された円形をなす天板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。天板１１０は、チャンバ１の上壁としても機能する。図２に示すように、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内に供給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、８６０ＭＨｚ）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、８６０ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の所望の周波数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供給機構４１とを有している。
マイクロ波供給機構４１は、例えば図３に示すように、天板１１０上に、円周状に６個およびその中心に１個、合計７個配置されている。マイクロ波供給機構４１については、後で詳細に説明する。
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、マイクロ波供給機構４１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マイクロ波透過窓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、各アンプ部４２の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、隣り合うアンプ部４２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をアンプ部４２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、マイクロ波供給機構４１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、後述するマイクロ波供給機構４１のアンテナ部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。
マイクロ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２００により制御されるようになっている。制御部２００はマイクロ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。
＜マイクロ波供給機構＞
マイクロ波供給機構４１は、アンプ部４２から供給されたマイクロ波をチャンバ１内のプラズマに供給するものである。マイクロ波供給機構４１は、図４に示すように、同軸構造のマイクロ波伝送路４４と、インピーダンス整合部６１と、出力電圧調整部６２と、マイクロ波を放射する平面スロットアンテナ８１を有するアンテナ部４５とを有している。
マイクロ波伝送路４４は、アンプ部４２から供給されたマイクロ波を伝送するものであり、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた筒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されている。マイクロ波伝送路４４の先端にアンテナ部４５が設けられている。マイクロ波伝送路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。マイクロ波伝送路４４の上端は反射板５８となっている。
マイクロ波伝送路４４の基端側には、マイクロ波（電磁波）をマイクロ波伝送路４４内に給電する給電ポート５４が設けられている。給電ポート５４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、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。給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８により反射させることで、最大の電磁波を同軸構造のマイクロ波伝送路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ことが好ましい。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５に示すように、給電ポート５４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、給電ポート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。
インピーダンス整合部６１は、マイクロ波伝送路４４に設けられ、電源側（伝送ケーブル）のインピーダンスと、負荷側（プラズマ等）のインピーダンスを整合させるものである。すなわち、電源側は通常５０Ωの純抵抗出力になるように設計されるため、インピーダンス整合部６１は、インピーダンス整合部６１も含めた負荷側のインピーダンスが５０Ωになるように調整する。これにより、反射がなく効率の良い電力供給を行うことができる。
インピーダンス整合部６１は、ＬＣネットワーク（ＬＣ回路）からなる整合回路を構成している。具体的には、インピーダンス整合部６１は、２つのスラグ７１および７２と、スラグ７１および７２をそれぞれ独立に駆動するためのモータ７３および７４と、スラグ７１および７２の位置を制御するための第１コントローラ７５とを有している。スラグ７１および７２は、マイクロ波伝送路４４の外側導体５２と内側導体５３との間に設けられており、これらを移動させることによりインピーダンスが調整される。モータ７３および７４は、反射板５８の外側（上側）に設けられている。
スラグ７１および７２は、誘電体、例えばアルミナ等で構成される。スラグ７１および７２を構成する誘電体としては、インピーダンスの調整範囲等に応じて適切な誘電率を有するものを用いればよい。また、スラグ７１および７２の厚さや抵抗についても適宜設定可能である。厚さとしては、例えば、マイクロ波の波長をλとした場合にλ／４を挙げることができる。また、抵抗としては、例えば１５Ωのものを用いることができる。
スラグ７１および７２の上下動は、例えば、内側導体５３の内部空間に長手方向に延びるように螺棒からなる２本のスラグ移動軸（図示せず）を設け、モータ７３および７４により各スラグ移動軸を独立して回転させることにより行うことができる。
スラグ７１および７２の位置は、インピーダンス検出器（図示せず）により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ等により検出されるスラグ７１および７２の位置情報に基づいて、第１コントローラ７５がモータ７３および７４に制御信号を送ることにより制御される。これにより、インピーダンスが調整される。このときの負荷側のインピーダンスは、スミスチャートのいずれかの位置に存在する。スミスチャートは、図６に示すような、複素インピーダンスを表す円形の図であり、横軸がインピーダンスの実数（抵抗）成分、縦軸がインピーダンスの虚数（リアクタンス）成分を示す。図の中心（原点）は、負荷側のインピーダンスが電源側のインピーダンスに整合された場合に対応する。図６のＺLOADが負荷側のインピーダンスの位置である。図６に示すように、インピーダンスは、両方のスラグを同時に動かすと位相のみが回転し、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く。したがって、スラグ７１および７２を移動させることにより、例えば図６のように、ＺLOADの位相を回転させて虚数成分を０にしてから、整合点である原点に到達させるようにすることができる。なお、スミスチャートの全範囲に対応するためには、スラグ７１および７２の移動範囲は例えばそれぞれλ／２とされる。
出力電圧調整部６２は、インピーダンスを調整して平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を調整するものであり、インピーダンス整合部６１とアンテナ部４５の間に設けられる。出力電圧調整部６２は、ＬＣネットワーク（ＬＣ回路）からなる調整回路を構成している。具体的には、出力電圧調整部６２は、スラグ７６と、スラグ７６を駆動するためのモータ７７と、スラグ７６の位置を制御するための第２コントローラ７８とを有している。スラグ７６は、マイクロ波伝送路４４の外側導体５２と内側導体５３との間に設けられており、これを移動させることによりインピーダンスが調整される。モータ７７は、反射板５８の外側（上側）に設けられている。スラグ７６の上下動は、例えば、内側導体５３の内部空間に、上述のスラグ７１，７２のスラグ移動軸と平行に長手方向に延びるように、螺棒からなるスラグ７６用のスラグ移動軸（図示せず）を設け、モータ７７によりスラグ移動軸を回転させることにより行うことができる。スラグ７６を上下動させることにより、プラズマにマイクロ波を入力する入力側のインピーダンスをスミスチャート上で変化させて、平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を調整することができる。なお、スラグ７６は、スラグ７１および７２と同様、誘電体、例えばアルミナ等で構成される。スラグ７６を構成する誘電体も、インピーダンスの調整範囲等に応じて適切な誘電率を有するものを用いればよい。スラグ７６の厚さおよび抵抗についても、スラグ７１および７２と同様、それぞれ例えばλ／４、１５Ωのものを用いることができるが、適宜設定可能である。
図４では、出力電圧調整部６２として、１つのスラグ７６を有する例を示しているが、図７に示すように、スラグ７６の他にスラグ７９を有してもよい。２つのスラグを設けることにより、入力側のインピーダンスをスミスチャート上の任意の位置に合わせることができ、アンテナ電圧の調整の自由度を高めることができる。ただし、スラグを増加させると、スラグを移動させるために必要なスペースが増加し、マイクロ波供給機構４１の長さが長くなってしまうので、調整の自由度とスペースのいずれを優先させるかにより、スラグの個数を決定することが好ましい。
なお、第１コントローラ７５および第２コントローラ７８は、制御部２００により制御される。
図８は、以上のような本実施形態に係るマイクロ波供給機構４１の回路構成を説明するための回路図である。この図に示すように、マイクロ波供給機構４１は、いずれもＬＣネットワークからなるインピーダンス整合部６１および出力電圧調整部６２を有するものである。したがって、インピーダンス整合部６１でのインピーダンス整合に先立って、出力電圧調整部６２のインピーダンスを調整して平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を調整することができる。このように出力電圧を調整した後に、インピーダンス整合部６１のＬＣネットワークによりインピーダンス整合を行うことができる。
アンテナ部４５は、マイクロ波伝送路４４の先端部に配置されており、平面スロットアンテナ８１と、遅波材８２とを有している。平面スロットアンテナ８１は、平面状をなし、マイクロ波を放射するスロット８１ａを有する。遅波材８２は誘電体からなり、平面スロットアンテナ８１の裏面（上面）に設けられている。遅波材８２の中心には内側導体５３に接続された導体からなる円柱部材８２ａが貫通し、円柱部材８２ａは平面スロットアンテナ８１に接続されている。平面スロットアンテナ８１は、マイクロ波伝送路４４の外側導体５２よりも大径の円板状をなしている。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およびスロットアンテナ８１の周囲は外側導体５２で覆われている。
平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａからは、マイクロ波伝送路４４を伝送されたマイクロ波が放射される。スロット８１ａの個数、配置、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。スロット８１ａには誘電体が挿入されていてもよい。
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いる。遅波材８２は、マイクロ波の波長を真空中よりも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、平面スロットアンテナ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、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。
平面スロットアンテナ８１のさらに先端側には、天板１１０のマイクロ波透過窓１１０ｂが配置されている。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からマイクロ波透過窓１１０ｂを透過してチャンバ１内の空間に放射される。なお、マイクロ波透過窓１１０ｂは、遅波材８２と同様の誘電体で構成することができる。
＜プラズマ処理装置の動作＞
次に、以上のように構成されるマイクロ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、ガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材２６を介してチャンバ１内にプラズマ生成ガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、プラズマ源２からマイクロ波をチャンバ１内に導入してマイクロ波プラズマを形成する。
プラズマが形成された後、処理ガス、例えばＣｌ２ガス等のエッチングガスをガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材２６を介してチャンバ１内に吐出する。吐出された処理ガスは、プラズマ生成ガスの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。
上記プラズマを生成するに際し、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、マイクロ波供給機構４１に給電される。そして、マイクロ波供給機構４１に給電されたマイクロ波は平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａおよびマイクロ波透過窓１１０ｂを介してチャンバ１内に放射されて空間合成される。チャンバ１内に供給されたマイクロ波によりプラズマを生成した後、平面スロットアンテナ８１から放射されたマイクロ波は継続的にプラズマに供給される。
マイクロ波供給機構４１へのマイクロ波の給電は、同軸線路５６を介してマイクロ波伝送路４４の側面から行われる。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）は、マイクロ波伝送路４４の側面に設けられた給電ポート５４からマイクロ波伝送路４４に給電される。マイクロ波（電磁波）が給電アンテナ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から放射される。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が発生する。この定在波により内側導体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ので、これらの連鎖作用により、マイクロ波（電磁波）がマイクロ波伝送路４４内を伝播し、アンテナ部４５（平面スロットアンテナ８１）へ導かれる。
このとき、インピーダンス整合部６１において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、マイクロ波がチャンバ１内のプラズマに供給される。すなわち、マイクロ波電源３１からのマイクロ波電力を、電力反射が実質的に存在しない状態で、効率良くチャンバ１内のプラズマへ供給するため、インピーダンス整合部６１により、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させる。
このようなインピーダンス整合は従来から行われていたが、従来は、インピーダンス整合を行った後、アンテナにおけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）は、マイクロ波パワーに対する負荷（プラズマ）状態で決まった値になる。パワーは電流と電圧の２つの要素で決まるので、パワーが同じでもアンテナにおけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を変化させることによりプラズマ状態を調整することができるが、従来は出力電圧を変化させる手段は提案されていない。したがって、従来はマイクロ波のパワーが一定の場合に、積極的にプラズマ状態を調整することが困難であった。
従来は、マイクロ波伝送路４４にインピーダンス整合部６１しか設けられておらず、その回路図は図９に示すようなものであり、インピーダンス整合部６１を構成するＬＣネットワーク（ＬＣ回路）が負荷（プラズマ）に接続されていた。この回路構成でアンテナ電圧（出力電圧）を変化させるには、インピーダンス整合部６１において整合点をずらすことが考えられるが、整合点をずらすと、電力反射によりマイクロ波パワーを負荷側に効率良く供給することができない。
そこで、本実施形態では、インピーダンス整合部６１とアンテナ部４５との間にＬＣネットワークからなる出力電圧調整部６２を設けた（図８参照）。これにより、インピーダンス整合部６１によるインピーダンス整合に影響を与えず平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）の調整を可能とした。
すなわち、インピーダンス整合部６１とは別個に、ＬＣネットワークからなる出力電圧調整部６２を設けたことにより、入力側のインピーダンスを調整することができるので、平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を調整することができる。インピーダンス整合は、出力電圧調整後に、上流側のインピーダンス整合部６１により行うことができる。
このように、出力電圧調整部６２により平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を調整できるので、同一のマイクロ波パワーでも、プラズマ状態を変化させることができる。つまり、電源側から出力電圧（出力電界）を調整してプラズマ状態を変化させることができる。例えば、出力電圧調整部６２を低インピーダンスにすることにより出力電圧が低くなり、相対的に密度が高くエネルギーが低いプラズマ状態となる。逆に、出力電圧調整部６２を高インピーダンスにすることにより、出力電圧が高くなり、相対的に密度が低くエネルギーが高いプラズマ状態となる。
また、本実施形態では、複数本のマイクロ波供給機構４１についてそれぞれ出力電圧調整部６２でインピーダンスを調整して平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を調整することができる。これにより、マルチゾーンのプラズマコントロールを行うことができる。例えば、複数本のマイクロ波供給機構４１について平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧（出力電界）を調整することにより、プラズマの均一性を高める制御も、逆に、所望のプラズマ分布を形成する制御も行うことができる。
さらに、マイクロ波供給機構４１のインピーダンス整合部６１は、マイクロ波伝送路４４を移動するスラグによりインピーダンスを調整する立体回路であることから、組み立て誤差が機差となる。これに対し、本実施形態では、マイクロ波伝送路４４に、インピーダンス整合器６１とは別個のインピーダンス調整タブである出力電圧調整部６２を設けたので、機差の調整も行うことができる。
［出力電圧調整部の調整手法］
次に、出力電圧調整部６２の具体的な調整手法について説明する。
出力電圧調整部６２は、上述したようにＬＣネットワーク（ＬＣ回路）からなる調整回路を構成するものであり、スラグ７６またはスラグ７６および７９によりインピーダンスを調整するものであるから、例えば、以下のような調整手法をとることができる。
（１）スラグの位置を逐次変化させてプロセスを実施し、平面スロットアンテナ８１におけるマイクロ波の出力電圧が、最良のプロセス結果が得られる値となるインピーダンスポイント（スラグポジション）を見つける。
（２）出力電圧調整部６２を構成するＬＣネットワークのインピーダンスの値（スミスチャート上の位置）とマイクロ波パワー（電力）が既知なので、それらからアンテナ電圧を求めて、必要なアンテナ電圧と位相位置になるようにスラグポジションを動かす。
（３）平面スロットアンテナ８１の近傍の電磁界を測定し、その値からアンテナ電圧を導き出して、必要な出力電圧と位相位置になるようにスラグポジションを動かす。
このような出力電圧の調整は、制御部２００および第２コントローラ７８で行うことができる。このときの出力電圧の調整は、プラズマ処理を行う前に予め行ってもよいし、調整時間が確保できればプラズマ処理中に行ってもよい。プラズマ処理中に調整を行う際には、出力電圧の調整を優先し、その後にインピーダンス整合部６１によるインピーダンス整合を行えばよい。ただし、インピーダンス整合を行った際に、出力電圧が調整値からずれる場合があり、その場合は再度出力電圧の調整を行い、さらにインピーダンス整合を行えばよい。
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態では、出力電圧調整部およびインピーダンス整合部において、スラグを用いてインピーダンスを調整する例を示したが、これに限るものではなく、既存のインピーダンス調整手段であれば適用可能である。
また、上記実施形態では、複数のマイクロ波供給機構を設けた例を示したが、マイクロ波供給機構が一つの場合であってもよい。
上記実施形態では、アンテナとしてマイクロ波を放射するスロットを有するスロットアンテナを用いた例を示したが、これに限るものではない。
さらに、上記実施形態では、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であってもよい。さらにまた、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；プラズマ源
４１；マイクロ波供給機構
４４；マイクロ波伝送路
４５；アンテナ部
６１；インピーダンス整合部
６２；出力電圧調整部
７１，７２，７６，７９；スラグ
７３，７４，７７；モータ
７５；第１コントローラ
７８；第２コントローラ
８１；平面スロットアンテナ
８１ａ；スロット
８２；遅波材
１００；マイクロ波プラズマ処理装置
１１０；天板
１１０ｂ；マイクロ波透過窓
Ｗ；半導体ウエハ（基板）

Claims (20)

  1. マイクロ波を発生する電源部からのマイクロ波を負荷に供給するマイクロ波供給機構であって、
    前記電源部からのマイクロ波を伝送する同軸構造を有するマイクロ波伝送路と、
    前記マイクロ波伝送路の先端に設けられ、前記マイクロ波を放射して前記負荷に供給するアンテナと、
    前記マイクロ波伝送路に設けられ、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるインピーダンス整合部と、
    前記インピーダンス整合部と前記アンテナとの間に設けられ、インピーダンスを調整することにより前記アンテナにおけるマイクロ波の出力電圧を調整する出力電圧調整部と、
    を有する、マイクロ波供給機構。
  2. 前記インピーダンス整合部および前記出力電圧調整部は、いずれもＬＣ回路を構成する、請求項１に記載のマイクロ波供給機構。
  3. 前記インピーダンス整合部は、前記マイクロ波伝送路を移動可能に設けられた誘電体からなる２つのスラグを有する、請求項２に記載のマイクロ波供給機構。
  4. 前記出力電圧調整部は、前記マイクロ波伝送路を移動可能に設けられた誘電体からなる１つまたは２つのスラグを有する、請求項２または請求項３に記載のマイクロ波供給機構。
  5. 前記負荷は、前記マイクロ波によってチャンバ内に生成されるプラズマである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のマイクロ波供給機構。
  6. 前記アンテナはマイクロ波を放射するスロットを有するスロットアンテナである、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマイクロ波供給機構。
  7. 基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    基板を収容するとともに、プラズマが生成されるチャンバと、
    前記チャンバ内に前記プラズマを生成および維持するためのマイクロ波を発生させる電源部と、
    前記チャンバ内に前記プラズマを生成するためのガスを供給するガス供給部と、
    前記電源部からのマイクロ波を前記チャンバ内に生成された前記プラズマに供給するマイクロ波供給機構と、
    を有し、
    前記マイクロ波供給機構は、
    前記電源部からのマイクロ波を伝送する同軸構造を有するマイクロ波伝送路と、
    前記マイクロ波伝送路の先端に設けられ、前記マイクロ波を放射して前記チャンバ内に生成された前記プラズマに供給するアンテナと、
    前記マイクロ波伝送路に設けられ、電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させるインピーダンス整合部と、
    前記インピーダンス整合部と前記アンテナとの間に設けられ、インピーダンスを調整することにより前記アンテナにおけるマイクロ波の出力電圧を調整する出力電圧調整部と、
    を有する、プラズマ処理装置。
  8. 前記インピーダンス整合部および前記出力電圧調整部は、いずれもＬＣ回路を構成する、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記インピーダンス整合部は、前記マイクロ波伝送路を移動可能に設けられた誘電体からなる２つのスラグを有する、請求項８に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記出力電圧調整部は、前記マイクロ波伝送路を移動可能に設けられた誘電体からなる１つまたは２つのスラグを有する、請求項８または請求項９に記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記アンテナはマイクロ波を放射するスロットを有するスロットアンテナである、請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  12. さらに、制御部を有し、
    前記制御部は、前記プラズマ処理に先立って、予め前記出力電圧調整部にインピーダンスの調整を行わせて、前記アンテナからの出力電圧を調整させる、請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  13. さらに、制御部を有し、
    前記制御部は、前記プラズマ処理中に、前記出力電圧調整部にインピーダンスの調整を行わせて、前記アンテナからの出力電圧を調整させ、その後、前記インピーダンス整合部でインピーダンス整合を行わせる、請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  14. 前記マイクロ波供給機構を複数有し、前記複数のマイクロ波供給機構から前記チャンバ内の前記プラズマにマイクロ波を供給する、請求項７から請求項１３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  15. マイクロ波電源からマイクロ波を供給してチャンバ内にプラズマを生成し、前記プラズマにより前記チャンバ内に配置された基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理方法であって、
    前記マイクロ波電源からのマイクロ波を、同軸構造を有するマイクロ波伝送路に伝送させる工程と、
    前記マイクロ波伝送路の先端に設けられたアンテナから前記マイクロ波を放射し、前記チャンバ内に生成されたプラズマにマイクロ波を供給する工程と、
    前記マイクロ波伝送路の前記アンテナ側で、出力電圧調整部によりインピーダンスを調整して前記アンテナにおけるマイクロ波の出力電圧を調整する工程と、
    前記マイクロ波伝送路の前記出力電圧調整部よりも前記マイクロ波電源側でインピーダンス整合部により電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させる工程と、
    を有する、プラズマ処理方法。
  16. 前記インピーダンス整合部および前記出力電圧調整部は、いずれもＬＣ回路を構成する、請求項１５に記載のプラズマ処理方法。
  17. 前記インピーダンス整合部は、前記マイクロ波伝送路を移動可能に設けられた誘電体からなる２つのスラグを有する、請求項１６に記載のプラズマ処理方法。
  18. 前記出力電圧調整部は、前記マイクロ波伝送路を移動可能に設けられた誘電体からなる１つまたは２つのスラグを有する、請求項１６または請求項１７に記載のプラズマ処理方法。
  19. 前記出力電圧を調整する工程は、前記プラズマ処理に先立って行われる、請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
  20. 前記出力電圧を調整する工程は、前記プラズマ処理中に行われ、その後、前記電源側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとを整合させる工程が行われる、請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
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