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Cl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Cl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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