JP3249193B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

Plasma processing equipment

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JP3249193B2
JP3249193B2 JP24039892A JP24039892A JP3249193B2 JP 3249193 B2 JP3249193 B2 JP 3249193B2 JP 24039892 A JP24039892 A JP 24039892A JP 24039892 A JP24039892 A JP 24039892A JP 3249193 B2 JP3249193 B2 JP 3249193B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリコン波で励起され
たいわゆるヘリコンプラズマを用いて例えばウエハなど
の試料に対して、半導体デバイスを形成するための所定
の処理を行うプラズマ処理装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma processing apparatus for performing a predetermined process for forming a semiconductor device on a sample such as a wafer using a so-called helicon plasma excited by a helicon wave.

【0002】[0002]

【従来の技術】図18に、例えば米国特許4,990,
229号において開示された従来例のヘリコンプラズマ
処理装置を示す。
2. Description of the Related Art FIG. 18 shows, for example, U.S. Pat.
229 shows a conventional helicon plasma processing apparatus disclosed in Japanese Patent Publication No. 229/229.

【0003】図18に示すように、内部が真空状態に設
定され電気絶縁材料にてなる円筒状のプラズマ発生室2
30と、中心部に試料300が載置される円筒状の処理
室231が縦続に接続され、プラズマ発生室230の上
部に反応ガス流入パイプ232が連結される一方、処理
室231の下部に排気パイプ233が連結される。ま
た、プラズマ発生室230の外周部に高周波結合用アン
テナ240が固定されて設けられるとともに、当該アン
テナ240の外周部に、プラズマ発生室230の軸方向
に直流磁界Bを発生するための磁界発生用ソレノイドコ
イル250が設けられる。上記アンテナ240は、円形
状の上リング部241と、円形状の下リング部242と
から構成される。
As shown in FIG. 18, a cylindrical plasma generating chamber 2 is set in a vacuum state and made of an electrically insulating material.
30 and a cylindrical processing chamber 231 in which the sample 300 is placed at the center thereof are connected in cascade. The pipe 233 is connected. A high-frequency coupling antenna 240 is fixedly provided on an outer peripheral portion of the plasma generation chamber 230, and a magnetic field generator for generating a DC magnetic field B in the axial direction of the plasma generation chamber 230 is provided on the outer peripheral portion of the antenna 240. A solenoid coil 250 is provided. The antenna 240 includes a circular upper ring portion 241 and a circular lower ring portion 242.

【0004】ここで、上リング部241と下リング部2
42に対して互いに逆相で励起するように上記上リング
部241の両端と下リング部242の両端に、高周波電
源210から出力される高周波信号がインピーダンス整
合器211と同軸ケーブル212とを介して入力され
て、上記アンテナ240が励振される。このとき、高周
波信号はプラズマ発生室230内部で発生するプラズマ
と結合しかつ浸透して、これによって、高周波の電磁波
が、ヘリコン波(ホイッスラー波)として、発生された
プラズマの内部を軸方向の磁界Bに沿ってホイッスラー
モードで伝搬してランダウ減衰させることにより電子に
エネルギーを与えて電離現象を促進することによって、
高密度なプラズマを発生している。
Here, the upper ring portion 241 and the lower ring portion 2
A high-frequency signal output from the high-frequency power supply 210 is applied to both ends of the upper ring portion 241 and both ends of the lower ring portion 242 via the impedance matching unit 211 and the coaxial cable 212 so as to be excited in opposite phases to each other. Upon input, the antenna 240 is excited. At this time, the high-frequency signal is combined with and penetrates the plasma generated inside the plasma generation chamber 230, whereby the high-frequency electromagnetic wave is converted into a helicon wave (Whistler wave) by the magnetic field in the axial direction inside the generated plasma. By propagating energy in electrons by propagating in Whistler mode along B and attenuating Landau to promote ionization,
Generates high-density plasma.

【0005】当該ヘリコンプラズマ処理装置において発
生されるプラズマの密度ne[cm-3]は、(a)高周
波信号の角周波数ωがイオンサイクロトロン角周波数ω
ciよりも十分に高く、かつ電子サイクロトロン角周波
数ωceよりも十分に低いという第1の近似条件と、
(b)発生するプラズマの直径が比較的小さいという第
2の近似条件のもとでの近似式を用いて、公知の通り、
次の数1で表すことができる。
The density ne e [cm -3 ] of the plasma generated in the helicon plasma processing apparatus is as follows: (a) The angular frequency ω of the high-frequency signal is the ion cyclotron angular frequency ω
a first approximation condition that is sufficiently higher than ci and sufficiently lower than the electron cyclotron angular frequency ωce;
(B) As is well known, using an approximate expression under the second approximate condition that the diameter of the generated plasma is relatively small,
It can be expressed by the following equation 1.

【0006】[0006]

【数1】 ne=(190・B0)×1014/(ra・f・λ)[cm-3] ここで、B0:直流磁界の磁束密度[kG]、ra:円筒
状のプラズマの半径に対応するプラズマ発生室230の
半径[cm]、f:高周波信号の周波数[MHz]、
λ:ヘリコン波の波長[cm]である。
[Number 1] n e = (190 · B 0 ) × 10 14 / (r a · f · λ) [cm -3] Here, B 0: magnetic flux density of the DC magnetic field [kG], r a: cylindrical Radius of the plasma generation chamber 230 corresponding to the radius of the plasma [cm], f: frequency of high frequency signal [MHz],
λ: wavelength of helicon wave [cm].

【0007】従って、励起すべきヘリコン波の波長λ
は、数1から次の数2によって表される。
Accordingly, the wavelength λ of the helicon wave to be excited is
Is expressed by Equation 2 from Equation 1 below.

【数2】 λ=(190・B0)/(ra・f・ne×10-14)[cm][Number 2] λ = (190 · B 0) / (r a · f · n e × 10 -14) [cm]

【0008】上記数2で与えられた励振波長λを有する
アンテナ240を作成することにより、プラズマを発生
させることができる。また、上記数1から明らかなよう
に、発生されるプラズマの密度は、印加される直流磁界
の磁束密度B0と、プラズマ発生室230の半径raと、
印加される高周波信号の周波数fと、アンテナ240の
アンテナ長に対応するヘリコン波の波長λとによって決
定されるので、当該プラズマ処理装置の全体の大きさが
決定されると、上記発生されるプラズマの密度を容易に
高くすることができない。また、これらのパラメータB
0,ra,f,λの値が固定されるとき、上記発生される
プラズマの密度を実行すべき処理の種類に応じて変更さ
せることができないという問題点があった。
By forming the antenna 240 having the excitation wavelength λ given by the above equation 2, it is possible to generate plasma. Further, as is apparent from Equation 1, the density of the generated plasma is determined by the magnetic flux density B 0 of the applied DC magnetic field, the radius r a of the plasma generation chamber 230,
Since the frequency is determined by the frequency f of the applied high-frequency signal and the wavelength λ of the helicon wave corresponding to the antenna length of the antenna 240, when the overall size of the plasma processing apparatus is determined, the generated plasma Cannot easily be increased in density. In addition, these parameters B
0, when r a, f, the value of λ is fixed, there is a problem that can not be changed according to the type of processing to be executed a density of the plasma being the generation.

【0009】また、当該従来例のヘリコンプラズマ処理
装置において、例えばプロセスの種類を変更するために
反応ガスの種類を変更したときに、プロセスのためのプ
ラズマの密度が変化し、これによって上記ヘリコン波の
波長が変化する。一方、高周波結合用アンテナ240が
固定されて設けられているので、発生されたプラズマと
高周波との結合度が低下し、この結果、高周波の電力が
効率良くプラズマに吸収されず、発生されるプラズマの
安定度が低下するという問題点があった。
In the conventional helicon plasma processing apparatus, when the type of the reaction gas is changed, for example, to change the type of the process, the density of the plasma for the process changes. Changes in wavelength. On the other hand, since the high-frequency coupling antenna 240 is fixedly provided, the degree of coupling between the generated plasma and the high frequency is reduced. As a result, the high-frequency power is not efficiently absorbed by the plasma, and the generated plasma is not absorbed. However, there is a problem that the stability of the resin is reduced.

【0010】さらに、当該従来例のヘリコンプラズマ処
理装置において、上記数2で計算された波長λの1/2
の長さの間隔で2つのリングアンテナを保持する必要が
あるため、当該装置が大型になるという問題点があっ
た。
Further, in the conventional helicon plasma processing apparatus, a half of the wavelength λ calculated by the above equation (2) is used.
Since it is necessary to hold two ring antennas at an interval of the length, there is a problem that the device becomes large.

【0011】本発明の第1の目的は以上の問題点を解決
し、処理すべき試料の表面に対して従来例に比較して均
一にかつ安定に高い密度のプラズマを発生することがで
きるヘリコンプラズマ処理装置を提供することにある。
A first object of the present invention is to solve the above problems, and to generate a high-density plasma more uniformly and stably on the surface of a sample to be treated as compared with the conventional example. An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus.

【0012】また、本発明の第2の目的は、従来例に比
較して小型・軽量化することができるヘリコンプラズマ
処理装置を提供することにある。
A second object of the present invention is to provide a helicon plasma processing apparatus which can be reduced in size and weight as compared with the conventional example.

【0013】さらに、本発明の第3の目的は、処理すべ
き試料の表面に対して従来例に比較して均一にかつ安定
に高い密度のプラズマを発生することができ、しかも発
生されるプラズマの密度を所定値に制御することができ
るヘリコンプラズマ処理装置を提供することにある。
Further, a third object of the present invention is to generate a high-density plasma uniformly and stably on the surface of a sample to be treated, as compared with the conventional example, and to generate a plasma. It is an object of the present invention to provide a helicon plasma processing apparatus capable of controlling the density of a helicon plasma to a predetermined value.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来例のヘ
リコンプラズマ処理装置において、そのアンテナ240
が上述の形状を有しているため、各リング部241,2
42に流された高周波信号によってレンツの法則によ
り、円筒形状のプラズマ発生室230の軸を中心として
その底面に平行な面上で角度が変化して回転する角度回
転方向(θ方向:以下、角度回転方向という。)の電界
しか発生しないことに着目した。しかしながら、実際に
は、電界振幅の表現で表されたベッセル関数に対応する
値mが0である基本モードのときのヘリコン波の電界パ
ターンが図示された図19(例えば、中野ほか「ヘリコ
ン波で励起されたプラズマ(Helicon wave
excited plasmas)」応用物理,第6
1巻,第7号,pp711−717,1992年7月の
第1図参照)に示すように、上記回転軸方向だけでなく
プラズマ発生室230の軸から側面に向かう半径方向
(ra方向:以下、半径方向という。)にも電界成分を
有しており、アンテナ240に入力される高周波信号に
よって誘起される電界とはかなり異なっている。すなわ
ち、誘起される電界とプラズマ中を伝搬するヘリコン波
の電界との差異が発生されるプラズマが不安定である原
因の1つであると考えられる。
The inventor of the present invention has proposed an antenna 240 for a conventional helicon plasma processing apparatus.
Has the above-described shape, so that each of the ring portions 241,
In accordance with Lenz's law, a high-frequency signal passed through 42 rotates the angle of rotation around the axis of the cylindrical plasma generating chamber 230 on a plane parallel to the bottom surface of the cylindrical plasma generating chamber 230 (θ direction: hereafter referred to as the angle). It is noted that only an electric field (rotational direction) is generated. However, in practice, the electric field pattern of the helicon wave in the fundamental mode in which the value m corresponding to the Bessel function represented by the electric field amplitude is 0 is shown in FIG. Excited plasma (Helicon wave)
Excited Plasmas) "Applied Physics, 6th
Vol. 7, No. 7, pp 711-717, see FIG. 1 of July 1992), not only the rotation axis direction but also a radial direction from the axis of the plasma generation chamber 230 to the side surface (ra direction: hereinafter). , Radial direction) also has an electric field component, which is considerably different from an electric field induced by a high-frequency signal input to the antenna 240. That is, it is considered that the difference between the induced electric field and the electric field of the helicon wave propagating in the plasma is one of the causes of the instability of the generated plasma.

【0015】以上に着目して、本発明者は以下のヘリコ
ンプラズマ処理装置を発明した。
In view of the above, the present inventor has invented the following helicon plasma processing apparatus.

【0016】本発明に係るプラズマ処理装置は、内部が
真空状態に設定された筒形状のプラズマ処理室内でヘリ
コンプラズマを発生させて試料に対して所定の処理を行
うプラズマ処理装置において、上記プラズマ処理室の内
部で上記試料に向かう方向に直流磁界を発生する磁界発
生手段と、上記プラズマ処理室の筒形状の軸中心からそ
の筒の外周に向かう方向を有する第1の高周波電界を、
第1の高周波信号を用いて発生するとともに、上記プラ
ズマ処理室の筒形状の軸中心を中心としてその筒の底面
に平行な面上で角度が変化して回転する角度回転方向を
有する第2の高周波電界を、上記第1の高周波信号に対
して所定の位相差を有する第2の高周波信号を用いて発
生することによって、ヘリコン波の電界に実質的に等し
い電界を発生する電界発生手段とを備え、上記電界発生
手段は、上記プラズマ処理室の筒形状の軸中心と同心と
なりかつ互いに所定の間隔だけ離れて設けられる少なく
とも3個のループアンテナと、上記第1と第2の高周波
信号を発生する信号発生手段と、上記信号発生手段によ
って発生された第1の高周波信号を上記少なくとも3個
のループアンテナのうち両端に位置する2個のループア
ンテナの間に印加する一方、上記信号発生手段によって
発生された第2の高周波信号を上記少なくとも3個のル
ープアンテナのうち中央に位置する1個のループアンテ
ナの両端に印加する信号印加手段とを備えたことを特徴
とする。
The plasma processing apparatus according to the present invention is directed to a plasma processing apparatus for performing a predetermined process on a sample by generating helicon plasma in a cylindrical plasma processing chamber whose inside is set to a vacuum state. Magnetic field generating means for generating a DC magnetic field in a direction toward the sample inside the chamber, and a first high-frequency electric field having a direction from the center of the cylindrical shape of the plasma processing chamber toward the outer periphery of the cylinder,
A second rotation direction generated using the first high-frequency signal and having an angular rotation direction in which the angle changes and rotates on a plane parallel to the bottom surface of the cylinder around the axis of the cylinder of the plasma processing chamber. Electric field generating means for generating a high-frequency electric field by using a second high-frequency signal having a predetermined phase difference with respect to the first high-frequency signal, thereby generating an electric field substantially equal to the electric field of the helicon wave; And an electric field generating means for generating at least three loop antennas which are concentric with the center of the cylindrical axis of the plasma processing chamber and are provided at a predetermined distance from each other, and generate the first and second high-frequency signals. And a first high-frequency signal generated by the signal generating means is applied between two loop antennas located at both ends of the at least three loop antennas. On the other hand, signal applying means for applying the second high-frequency signal generated by the signal generating means to both ends of one of the at least three loop antennas located at the center is provided. And

【0017】[0017]

【0018】[0018]

【0019】[0019]

【0020】[0020]

【0021】[0021]

【0022】[0022]

【0023】[0023]

【0024】[0024]

【作用】本発明に係るプラズマ処理装置においては、例
えば半導体デバイスを形成するために所定のプロセスを
行うために必要な反応ガスが、上記プラズマ処理室内に
流入される一方、上記プラズマ処理室の内部が所定の真
空状態に設定される。ここで、上記磁界発生手段は、上
記プラズマ処理室の内部で上記試料に向かう方向に直流
磁界を発生する一方、上記電界発生手段は、上記プラズ
マ処理室の筒形状の軸中心からその筒の外周に向かう方
向を有する第1の高周波電界を、第1の高周波信号を用
いて発生するとともに、上記プラズマ処理室の筒形状の
軸中心を中心としてその筒の底面に平行な面上で角度が
変化して回転する角度回転方向を有する第2の高周波電
界を、上記第1の高周波信号に対して所定の位相差を有
する第2の高周波信号を用いて発生することによって、
ヘリコン波の電界に実質的に等しい電界を発生する。
In the plasma processing apparatus according to the present invention, for example, a reaction gas necessary for performing a predetermined process for forming a semiconductor device flows into the plasma processing chamber, while a reaction gas necessary for performing a predetermined process is formed inside the plasma processing chamber. Is set to a predetermined vacuum state. Here, the magnetic field generating means generates a DC magnetic field in a direction toward the sample inside the plasma processing chamber, while the electric field generating means moves from the center of the cylindrical shape of the plasma processing chamber to the outer periphery of the cylindrical shape. A first high-frequency electric field having a direction toward the plasma processing chamber is generated using the first high-frequency signal, and the angle changes on a plane parallel to the bottom surface of the cylinder around the axis of the cylinder of the plasma processing chamber. By generating a second high-frequency electric field having an angular rotation direction that rotates by using a second high-frequency signal having a predetermined phase difference with respect to the first high-frequency signal,
An electric field substantially equal to the electric field of the helicon wave is generated.

【0025】ここで、上記磁界発生手段によって発生さ
れる直流磁界によって、上記プラズマ処理室内に存在す
る気体分子の熱運動による衝突分離現象や、例えば光や
宇宙線の照射によって生じる電離現象によって初期電子
や初期イオンが発生された後、上記プラズマ処理室内の
磁界内に存在する電子及びイオンはそれぞれ、磁力線の
周囲を右回り及び左回りで旋回するいわゆるラーマー運
動と呼ばれる回旋運動を行う。また、上記発生された磁
界に対して、上記プラズマ処理室の筒形状の軸中心から
その筒の外周に向かう方向を有する第1の高周波電界
と、上記プラズマ処理室の筒形状の軸中心を中心として
その筒の底面に平行な面上で角度が変化して回転する角
度回転方向を有する第2の高周波電界とが発生される。
従って、電子及びイオンはE×Bドリフト効果によって
上記電界と磁界の両方に対して垂直な方向に、すなわち
上記第1の高周波電界であれば上記角度回転方向に、ま
た、上記第2の高周波電界であれば上記プラズマ処理室
の筒形状の軸中心からその筒の外周に向かう方向に、回
旋運動をしながら移動する。
Here, the direct current magnetic field generated by the magnetic field generating means causes a collision separation phenomenon due to a thermal motion of gas molecules existing in the plasma processing chamber and an ionization phenomenon caused by, for example, irradiation of light or cosmic rays. After the initial ions are generated, the electrons and ions existing in the magnetic field in the plasma processing chamber perform a so-called Larmor motion, which rotates clockwise and counterclockwise around the magnetic field lines, respectively. Further, for the generated magnetic field, a first high-frequency electric field having a direction from the center of the cylindrical shape of the plasma processing chamber toward the outer periphery of the cylindrical shape, and the center of the first high-frequency electric field having the center of the cylindrical shape of the plasma processing chamber. And a second high-frequency electric field having an angular rotation direction in which the angle changes and rotates on a plane parallel to the bottom surface of the cylinder.
Therefore, electrons and ions are caused by the E × B drift effect in a direction perpendicular to both the electric field and the magnetic field, that is, in the first high-frequency electric field, in the angular rotation direction, and in the second high-frequency electric field. If so, the plasma processing chamber moves while rotating in a direction from the center of the cylindrical axis of the plasma processing chamber toward the outer periphery of the cylinder.

【0026】この結果、電子のα作用による衝突電離
と、上記複数の電界発生手段に対してイオンが入射する
ことによって発生するγ作用による2次電子放出が繰り
返され、プラズマ状態に進展する。ここで、上記発生さ
れる回転電界の角速度に対応する周波数が高い場合、γ
作用が生じなくても電離現象が促進される。従って、初
期電子が上述のように回旋運動をしながら移動するため
に、上記初期電子が中性粒子と衝突する確率が増大する
ので、衝突電離現象が起こり易くなる。この結果、例え
ば10-3Torr程度の低気圧の状態においても、プラ
ズマの生成及び維持が容易となる。
As a result, impact ionization due to the α action of the electrons and secondary electron emission due to the γ action generated by the incidence of ions on the plurality of electric field generating means are repeated, and the plasma state is developed. Here, when the frequency corresponding to the angular velocity of the generated rotating electric field is high, γ
Even if no action occurs, the ionization phenomenon is promoted. Therefore, since the initial electrons move while rotating as described above, the probability of the initial electrons colliding with the neutral particles increases, so that the collision ionization phenomenon easily occurs. As a result, generation and maintenance of plasma are facilitated even in a low pressure state of, for example, about 10 −3 Torr.

【0027】上記電界発生手段によって発生された電界
を含む電磁波は、上記直流磁界が存在しているとき、プ
ラズマ表面において遮蔽されることなく、プラズマ中を
伝搬することができる。言い換えれば、上記電磁波はプ
ラズマ中に浸透し、さらに上記磁界と平行な方向に伝搬
して、電子にエネルギーを与えつつランダウ減衰する。
また、従来技術の項で述べたヘリコン波は基本的に磁界
の方向に対して電磁界を右回りで旋回する右旋偏波の電
磁波である。従って、本願発明においては、上記直流磁
界の方向で、すなわち上記試料に向かう方向で、上記プ
ラズマ発生室内で励起されるヘリコン波の電界モードに
実質的に等しい電界を発生することができ、これによっ
て、上記発生されるプラズマ中においてヘリコン波を有
効的に励起することができる。従って、当該ヘリコン波
がランダウ減衰することによって、プラズマ中の電子に
エネルギーを与え、これによって、高密度のプラズマを
発生することができる。すなわち、プラズマ中の電子は
プラズマ中を伝搬してきたヘリコン波の伝搬方向の電界
によってエネルギーを吸収し、さらに、電離現象に対し
て寄与するので、従来例の装置よりもプラズマの密度を
高くすることができる。
The electromagnetic wave including the electric field generated by the electric field generating means can propagate in the plasma without being shielded on the plasma surface when the DC magnetic field exists. In other words, the electromagnetic wave penetrates into the plasma, propagates in a direction parallel to the magnetic field, and attenuates Landau while giving energy to electrons.
The helicon wave described in the section of the related art is basically a right-handed polarized electromagnetic wave that turns an electromagnetic field clockwise with respect to the direction of a magnetic field. Therefore, in the present invention, it is possible to generate an electric field substantially equal to the electric field mode of the helicon wave excited in the plasma generation chamber in the direction of the DC magnetic field, that is, in the direction toward the sample. The helicon wave can be effectively excited in the generated plasma. Therefore, the Helicon wave gives energy to the electrons in the plasma by Landau damping, whereby a high-density plasma can be generated. In other words, the electrons in the plasma absorb energy by the electric field in the direction of propagation of the helicon wave propagating in the plasma, and further contribute to the ionization phenomenon. Therefore, the density of the plasma must be higher than that of the conventional device. Can be.

【0028】上述のように上記磁界と上記第1と第2の
高周波電界からなる電界によって発生されたプラズマは
上記磁界の磁力線の方向で搬送された後、上記試料の表
面に対して概ね垂直な方向で入射する。
As described above, the plasma generated by the electric field consisting of the magnetic field and the first and second high-frequency electric fields is transported in the direction of the magnetic field lines of the magnetic field, and then is substantially perpendicular to the surface of the sample. Incident in the direction.

【0029】[0029]

【0030】[0030]

【0031】さらに、本発明に係るプラズマ処理装置に
おいては、上記電界発生手段は、上記プラズマ処理室の
筒形状の軸中心と同心となりかつ互いに所定の間隔だけ
離れて設けられる少なくとも3個のループアンテナと、
上記第1と第2の高周波信号を発生する信号発生手段
と、上記信号発生手段によって発生された第1の高周波
信号を上記少なくとも3個のループアンテナのうち両端
に位置する2個のループアンテナの間に印加する一方、
上記信号発生手段によって発生された第2の高周波信号
を上記少なくとも3個のループアンテナのうち中央に位
置する1個のループアンテナの両端に印加する信号印加
手段とを備える。これによって、上記電界発生手段は、
上記プラズマ処理室の筒形状の軸中心からその筒の外周
に向かう方向を有する第1の高周波電界と、上記プラズ
マ処理室の筒形状の軸中心を中心としてその筒の底面に
平行な面上で角度が変化して回転する角度回転方向を有
する第2の高周波電界とをそれぞれ、互いに所定の位相
差を有する第1と第2の高周波信号を用いて発生するこ
とによって、ヘリコン波の電界に実質的に等しい電界を
発生する。
Further, in the plasma processing apparatus according to the present invention, the electric field generating means may include at least three loop antennas which are concentric with the center of the cylindrical axis of the plasma processing chamber and are provided at a predetermined distance from each other. When,
A signal generating means for generating the first and second high-frequency signals, and a first high-frequency signal generated by the signal generating means, the signal being generated by two loop antennas located at both ends of the at least three loop antennas. While applying
Signal applying means for applying the second high-frequency signal generated by the signal generating means to both ends of one of the at least three loop antennas located at the center. Thus, the electric field generating means
A first high-frequency electric field having a direction from the axial center of the cylindrical shape of the plasma processing chamber toward the outer periphery of the cylindrical shape; and a first high-frequency electric field having a direction centered on the axial center of the cylindrical shape of the plasma processing chamber. By generating a second high-frequency electric field having an angular rotation direction in which the angle changes and rotating using a first and a second high-frequency signal having a predetermined phase difference with each other, the electric field of the helicon wave is substantially reduced. And generate a substantially equal electric field.

【0032】[0032]

【0033】[0033]

【0034】[0034]

【0035】[0035]

【0036】[0036]

【実施例】以下、図面を参照して本発明に係る実施例に
ついて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0037】<第1の実施例>図1は本発明に係る第1
の実施例であるヘリコンプラズマ処理装置の斜視図であ
り、図2は図1のプラズマ処理装置のA−A’線につい
ての縦断面図である。なお、磁界発生用ソレノイドコイ
ル21はプラズマ発生室10の外周部の360°にわた
って設けられているが、図1においては、他の装置を明
確に図示するため、180°の部分のみ図示している。
このことは、以下の図7、図8、図12及び図16にお
いても同様である。
<First Embodiment> FIG. 1 shows a first embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line AA ′ of the plasma processing apparatus of FIG. In addition, although the solenoid coil 21 for magnetic field generation is provided over 360 degrees of the outer peripheral part of the plasma generation chamber 10, in FIG. 1, only a 180 ° portion is shown in order to clearly illustrate other devices. .
This is the same in FIGS. 7, 8, 12 and 16 below.

【0038】本実施例のプラズマ処理装置は、内部が真
空状態に設定された円筒形状のプラズマ発生室10の外
周部に、円形リング形状のループアンテナLAをプラズ
マ発生室10の外周部を取り囲むように設け、実質的に
π/2に等しい位相差φを有する2つの高周波信号の信
号電圧のうち第1の信号電圧V1を上記ループアンテナ
LAの両端に印加しかつ第2の信号電圧V2を上記ルー
プアンテナLAと接地電位との間との間に印加すること
によって、ヘリコン波を有効的に励振させるように図1
9に図示されたm=0のモードのときのヘリコン波の電
界に実質的に等しい電界を発生させるとともに、上記ル
ープアンテナLAの外周部に磁界発生用ソレノイドコイ
ル21を設けて当該ソレノイドコイル21に所定の直流
電圧を印加することによってプラズマ発生室10の軸方
向(以下、Z軸方向という。)に平行であって試料30
0に向かう方向で直流磁界Bを発生させ、これによっ
て、ヘリコン波によって励起されてプラズマを発生さ
せ、プラズマを発生室10に続くプラズマ処理室11内
に載置された試料300の上表面に対して照射すること
を特徴とする。
In the plasma processing apparatus of this embodiment, a circular ring-shaped loop antenna LA is provided on the outer peripheral portion of the cylindrical plasma generating chamber 10 whose inside is set to a vacuum state so as to surround the outer peripheral portion of the plasma generating chamber 10. Of the two high-frequency signals having a phase difference φ substantially equal to π / 2, a first signal voltage V1 is applied to both ends of the loop antenna LA, and a second signal voltage V2 is FIG. 1 shows that the helicon wave is effectively excited by applying the voltage between the loop antenna LA and the ground potential.
In addition to generating an electric field substantially equal to the electric field of the helicon wave in the mode of m = 0 shown in FIG. 9, a solenoid coil 21 for generating a magnetic field is provided on the outer peripheral portion of the loop antenna LA, and By applying a predetermined DC voltage, the sample 30 is parallel to the axial direction of the plasma generation chamber 10 (hereinafter, referred to as the Z-axis direction).
A DC magnetic field B is generated in a direction toward zero, thereby generating plasma by being excited by the helicon wave, and causing the plasma to be applied to the upper surface of the sample 300 placed in the plasma processing chamber 11 following the generation chamber 10. Irradiation.

【0039】また、本実施例のヘリコンプラズマ処理装
置においては、プラズマ発生室10の外周部であって、
ループアンテナLAとプラズマ処理室11との間のZ軸
方向の位置に、送信用ホーンアンテナAN1から放射さ
れるマイクロ波信号がプラズマ発生室10の中心軸を通
過しかつ互いに対向するように送信用ホーンアンテナA
N1と受信用ホーンアンテナAN2とが設けられ、受信
用ホーンアンテナAN2によって受信されたマイクロ波
信号に基づいてマイクロ波干渉計の方法を用いて、発生
されるプラズマの密度を計算し、計算されたプラズマの
密度に基づいてヘリコン波を有効的に励起するように上
記位相差φを変化することを特徴としている。
In the helicon plasma processing apparatus of this embodiment, the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 10 is
At the position in the Z-axis direction between the loop antenna LA and the plasma processing chamber 11, the microwave signal radiated from the transmitting horn antenna AN 1 passes through the center axis of the plasma generating chamber 10 and faces the transmitting side so as to face each other. Horn antenna A
N1 and a receiving horn antenna AN2 are provided, and the density of the generated plasma is calculated using the method of the microwave interferometer based on the microwave signal received by the receiving horn antenna AN2. It is characterized in that the phase difference φ is changed so as to effectively excite the helicon wave based on the density of the plasma.

【0040】図1及び図2に示すように、例えばアルミ
ナ又は石英ガラスなどの電気絶縁材料にてなり円筒形状
のプラズマ発生室10の底面に通気可能に縦続して、プ
ラズマ発生室10と同様の電気絶縁材料にてなりかつプ
ラズマ発生室10よりも大きな直径を有するプラズマ処
理室11が連結される。当該プラズマ処理室11の底面
に、電気絶縁材料にてなる試料支持台30が固定され、
当該試料支持台30上にバイアス電圧印加用電極31が
形成され、そして当該電極31上に例えば半導体デバイ
スのウエハである試料300がその表面がZ軸と垂直と
なるように載置される。ここで、一方の出力端子が接地
された高周波バイアス信号発生器33はキャパシタ32
を介して電極31に対して、高周波信号などのバイアス
交流信号を印加しその信号の電圧を制御することによっ
て、発生されるプラズマ中のイオンが試料300に入射
する量及びエネルギーが制御される。これによって、例
えば半導体デバイスを形成するときに、より精密な処理
を行うことができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, for example, an electrically insulating material such as alumina or quartz glass is connected to the bottom of a cylindrical plasma generating chamber 10 so as to allow air to flow therethrough. A plasma processing chamber 11 made of an electrically insulating material and having a larger diameter than the plasma generation chamber 10 is connected. A sample support 30 made of an electrically insulating material is fixed to a bottom surface of the plasma processing chamber 11,
A bias voltage application electrode 31 is formed on the sample support table 30, and a sample 300, for example, a wafer of a semiconductor device, is mounted on the electrode 31 so that the surface thereof is perpendicular to the Z axis. Here, the high-frequency bias signal generator 33 whose one output terminal is grounded is connected to the capacitor 32.
By applying a bias AC signal, such as a high-frequency signal, to the electrode 31 via the electrode and controlling the voltage of the signal, the amount and energy of the ions in the generated plasma incident on the sample 300 are controlled. Thereby, for example, when a semiconductor device is formed, more precise processing can be performed.

【0041】さらに、プラズマ発生室10の上面には、
反応ガス輸送パイプ12a、バルブ15、バリアブルリ
ーク14a,14bを介して、それぞれ所定の反応ガス
を貯蔵するガスボンベ13a,13bが連結される一
方、プラズマ発生室10の底面には、排気パイプ12b
及び圧力調整バルブ16を介して真空ポンプ17に連結
される。
Further, on the upper surface of the plasma generation chamber 10,
Gas cylinders 13a and 13b for storing a predetermined reaction gas are connected via a reaction gas transport pipe 12a, a valve 15, and variable leaks 14a and 14b, respectively.
And a vacuum adjusting valve 16 via a pressure adjusting valve 16.

【0042】プラズマ発生室10の外周部の図1及び図
2の図上上側に、それぞれプラズマ発生室10の外周部
に沿って、円形リング形状のループアンテナLAをプラ
ズマ発生室10の外周部を取り囲み、ループアンテナL
Aの中心がプラズマ発生室10の軸中心と同心となりか
つループアンテナLAの面がプラズマ発生室10の底面
に対して平行となるように設けられる。
1 and FIG. 2 on the outer periphery of the plasma generation chamber 10, a circular ring-shaped loop antenna LA is provided along the outer periphery of the plasma generation chamber 10. Surround, loop antenna L
The center of A is provided so as to be concentric with the axial center of the plasma generation chamber 10 and the surface of the loop antenna LA is parallel to the bottom surface of the plasma generation chamber 10.

【0043】また、図1及び図2に示すように、プラズ
マ発生室10の外周部であって、ループアンテナLAと
プラズマ処理室11との間のZ軸方向の位置に、送信用
ホーンアンテナAN1から放射されるマイクロ波信号が
プラズマ発生室10の中心軸を通過しかつ互いに対向す
るように送信用ホーンアンテナAN1と受信用ホーンア
ンテナAN2とが設けられる。さらに、磁界発生用ソレ
ノイドコイル21が、ループアンテナLAの外周部に、
プラズマ発生室10の外周部を取り囲むように設けられ
る。当該ソレノイドコイル21に、ループアンテナLA
に印加する高周波信号の周波数と等しい電子サイクロト
ロン周波数になる磁界の磁束密度よりも大きな磁束密度
を有する直流磁界をZ軸方向に発生させるために必要な
所定の直流電圧を印加することによって、プラズマ発生
室10及びプラズマ処理室11内で、Z軸に平行であっ
て試料300に向かう方向で直流磁界Bが発生される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the transmitting horn antenna AN1 is located at the outer peripheral portion of the plasma generating chamber 10 in the Z-axis direction between the loop antenna LA and the plasma processing chamber 11. A transmitting horn antenna AN1 and a receiving horn antenna AN2 are provided such that microwave signals radiated from the antenna pass through the center axis of the plasma generation chamber 10 and face each other. Further, a solenoid coil 21 for generating a magnetic field is provided on an outer peripheral portion of the loop antenna LA.
It is provided so as to surround the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 10. A loop antenna LA is attached to the solenoid coil 21.
By applying a predetermined DC voltage necessary to generate a DC magnetic field having a magnetic flux density greater than the magnetic flux density of the magnetic field at which the electron cyclotron frequency is equal to the frequency of the high-frequency signal applied in the Z-axis direction, the plasma is generated. In the chamber 10 and the plasma processing chamber 11, a DC magnetic field B is generated in a direction parallel to the Z axis and toward the sample 300.

【0044】さらに、プラズマ発生室10においてヘリ
コン波を有効的に励振して図19に図示されたm=0の
モードのときのヘリコン波に近い電界を発生させるため
に、上記ループアンテナLAに、互いにπ/2近傍だけ
異なる位相差φを有する2つの高周波信号の和の信号
を、以下に説明する電源回路600から印加する。
Further, in order to effectively excite the helicon wave in the plasma generation chamber 10 and generate an electric field close to the helicon wave in the mode of m = 0 shown in FIG. A signal of the sum of two high-frequency signals having a phase difference φ different from each other by approximately π / 2 is applied from a power supply circuit 600 described below.

【0045】図3は図1及び図2のヘリコンプラズマ処
理装置の電源回路600の回路図である。図3に示すよ
うに、基準高周波信号発生器50によって発生された、
例えば周波数13.56MHzの正弦波の基準高周波信
号は、高周波トランスT1の一次側に印加されるととも
に、高周波トランスT2の一次側に印加される。高周波
トランスT2の二次側の一端は、コントローラ100に
よって移相量φが制御される可変移相器61及び、可変
移相器61と高周波トランスT1との間のインピーダン
ス整合を行うためのインピーダンス整合器52を介して
高周波トランスT1の二次側のセンタータップに接続さ
れ、高周波トランスT2の二次側の他端は接地される。
さらに、高周波トランスT1の二次側の両端は、高周波
トランスT1とループアンテナLAとの間のインピーダ
ンス整合を行うためのインピーダンス整合器51を介し
てループアンテナLAの両端に接続される。本実施例に
おいて、高周波トランスT1,T2はそれぞれ1対1の
電圧比を有し、インピーダンス整合器51,52におい
ても電圧が変化しないものと仮定する。
FIG. 3 is a circuit diagram of the power supply circuit 600 of the helicon plasma processing apparatus shown in FIGS. As shown in FIG. 3, generated by the reference high-frequency signal generator 50,
For example, a sine-wave reference high-frequency signal having a frequency of 13.56 MHz is applied to the primary side of the high-frequency transformer T2 while being applied to the primary side of the high-frequency transformer T1. One end on the secondary side of the high-frequency transformer T2 is provided with a variable phase shifter 61 in which the phase shift amount φ is controlled by the controller 100, and impedance matching for performing impedance matching between the variable phase shifter 61 and the high-frequency transformer T1. Is connected to the center tap on the secondary side of the high-frequency transformer T1 via the switch 52, and the other end on the secondary side of the high-frequency transformer T2 is grounded.
Further, both ends on the secondary side of the high frequency transformer T1 are connected to both ends of the loop antenna LA via an impedance matching device 51 for performing impedance matching between the high frequency transformer T1 and the loop antenna LA. In this embodiment, it is assumed that the high-frequency transformers T1 and T2 each have a voltage ratio of 1: 1 and that the voltage does not change even in the impedance matching devices 51 and 52.

【0046】以上のように構成された電源回路600に
おいて、上記基準高周波信号の信号電圧をV1とし、イ
ンピーダンス整合器52の出力端における信号電圧をV
2とすると、高周波トランスT1の二次側からインピー
ダンス整合器51を介して出力される高周波信号の信号
電圧は、上記信号電圧V1に信号電圧V2が接地電位を
基準として重畳された信号電圧となる。ここで、各信号
電圧V1,V2は初期状態において、図4及び次の数
3,数4に示すように、互いにπ/2に等しい位相差φ
を有するように制御され、さらに、この位相差φは詳細
後述するように発生されるプラズマの密度に基づいてコ
ントローラ100によって制御される。
In the power supply circuit 600 configured as described above, the signal voltage of the reference high-frequency signal is set to V1, and the signal voltage at the output terminal of the impedance matching unit 52 is set to V1.
Assuming that the signal voltage is 2, the signal voltage of the high-frequency signal output from the secondary side of the high-frequency transformer T1 via the impedance matching device 51 is a signal voltage in which the signal voltage V2 is superimposed on the signal voltage V1 with reference to the ground potential. . Here, in the initial state, the signal voltages V1 and V2 have a phase difference φ equal to π / 2, as shown in FIG.
Further, the phase difference φ is controlled by the controller 100 based on the density of the generated plasma as described later in detail.

【数3】V1=sin(ωt+π/2)V1 = sin (ωt + π / 2)

【数4】V2=sin(ωt)## EQU4 ## V2 = sin (ωt)

【0047】当該電源回路600においては、上記2つ
の信号電圧V1,V2のうち第1の信号電圧V1を上記
ループアンテナLAの両端に印加しかつ第2の信号電圧
V2を信号電圧V1が0であるとき信号電圧V2が最大
又は最小となるように上記ループアンテナLAと接地電
位との間に印加して、図19に図示されたm=0のモー
ドのときのヘリコン波の電界に実質的に等しい電界を発
生させ、これによって、ヘリコン波を有効的に励振させ
る。すなわち、信号電圧V1を印加することによってル
ープアンテナLAに流された高周波信号によってレンツ
の法則により、円筒形状のプラズマ発生室10の軸を中
心としてその底面に平行な面上で角度が変化して回転す
る角度回転方向(θ方向)を有しかつ高周波信号の角周
波数ωで変化する電界E1を発生する一方、信号電圧V
2を印加することによってループアンテナLAと接地電
位との間に励振された高周波信号によって、プラズマ発
生室10の軸から側面に向かう半径方向(r方向)を有
しかつ高周波信号の角周波数ωで変化する電界E2を発
生する。
In the power supply circuit 600, of the two signal voltages V1 and V2, the first signal voltage V1 is applied to both ends of the loop antenna LA, and the second signal voltage V2 is applied when the signal voltage V1 is zero. At some point, the signal voltage V2 is applied between the loop antenna LA and the ground potential so that the signal voltage V2 becomes maximum or minimum, and the electric field of the helicon wave in the mode of m = 0 shown in FIG. 19 is substantially reduced. An equal electric field is generated, which effectively excites the helicon wave. That is, the angle changes on a plane parallel to the bottom surface of the cylindrical plasma generation chamber 10 around the axis of the cylindrical plasma generation chamber 10 according to Lenz's law by the high frequency signal applied to the loop antenna LA by applying the signal voltage V1. While generating an electric field E1 having a rotating angular rotation direction (θ direction) and changing at the angular frequency ω of the high-frequency signal, the signal voltage V
2 has a radial direction (r direction) from the axis of the plasma generation chamber 10 to the side surface and has an angular frequency ω of the high-frequency signal due to the high-frequency signal excited between the loop antenna LA and the ground potential by applying A changing electric field E2 is generated.

【0048】例えばωt=0,πのとき、図4に示すよ
うに信号電圧V1の絶対値が最大となる一方、信号電圧
V2が0となるので、図5の(a),(e)に示すよう
に電界E1の絶対値が最大となる一方、電界E2が0と
なる。このとき、合成電界Eは角度回転方向の電界のみ
が生じ、直流磁界Bに平行なZ軸方向及びr方向に合成
電界Eは生じない。
For example, when ωt = 0, π, the absolute value of the signal voltage V1 becomes maximum while the signal voltage V2 becomes 0, as shown in FIG. 4, so that (a) and (e) of FIG. As shown, the absolute value of the electric field E1 is maximum, while the electric field E2 is zero. At this time, only the combined electric field E is generated in the direction of the angle rotation, and the combined electric field E is not generated in the Z-axis direction and the r direction parallel to the DC magnetic field B.

【0049】また、ωt=π/2,3π/2のとき、図
4に示すように信号電圧V2の絶対値が最大となる一
方、信号電圧V1が0となるので、図5の(c),
(g)に示すように電界E2の絶対値が最大となる一
方、電界E1が0となる。このとき、電界EはZ軸方向
及びr方向の電界のみが生じ、角度回転方向の合成電界
Eは生じない。
When ωt = π / 2, 3π / 2, the absolute value of the signal voltage V2 becomes the maximum while the signal voltage V1 becomes 0 as shown in FIG. 4, so that (c) of FIG. ,
As shown in (g), while the absolute value of the electric field E2 becomes maximum, the electric field E1 becomes zero. At this time, as the electric field E, only the electric field in the Z axis direction and the r direction is generated, and the combined electric field E in the angle rotation direction is not generated.

【0050】さらに、ωt=π/4,3π/4,5π/
4,7π/4のときに、図4に示すように両方の信号電
圧V1,V2が所定の値となるので、図5の(b),
(d),(f),(h)に示すように、角度回転方向の
電界E1とZ軸方向及びr方向の電界E2との合成電界
となる。
Further, ωt = π / 4, 3π / 4, 5π /
At 4,7π / 4, both signal voltages V1 and V2 have predetermined values as shown in FIG.
As shown in (d), (f), and (h), a combined electric field of the electric field E1 in the angular rotation direction and the electric field E2 in the Z-axis direction and the r direction is obtained.

【0051】このように、ループアンテナLAの面にお
けるこれらの電界E1とE2の合成電界Eは、図5に示
すように、m=0のモードのときのヘリコン波の電界に
実質的に等しい電界であり、この合成電界Eを発生する
ことにより、プラズマ発生室10内のヘリコン波を有効
的に励振することができる。
Thus, the combined electric field E of these electric fields E1 and E2 on the plane of the loop antenna LA is, as shown in FIG. 5, an electric field substantially equal to the electric field of the helicon wave in the mode of m = 0. By generating the combined electric field E, the helicon wave in the plasma generation chamber 10 can be effectively excited.

【0052】図6は本実施例のヘリコンプラズマ処理装
置のマイクロ波干渉計部及び制御部を示すブロック図で
ある。本実施例においては、マイクロ波干渉計の方法を
用いて発生されるプラズマの密度を計算し、計算された
プラズマの密度に基づいてヘリコン波を、高周波信号に
よって発生される合成電界Eと同期させて有効的に励起
するように、図3の可変移相器61の移相量である信号
電圧V1とV2の上記位相差φを変化させている。
FIG. 6 is a block diagram showing a microwave interferometer section and a control section of the helicon plasma processing apparatus of this embodiment. In this embodiment, the density of the plasma generated using the method of the microwave interferometer is calculated, and the helicon wave is synchronized with the composite electric field E generated by the high-frequency signal based on the calculated density of the plasma. The phase difference φ between the signal voltages V1 and V2, which is the phase shift amount of the variable phase shifter 61 in FIG.

【0053】図6に示すように、マイクロ波信号発生器
80は、上記高周波信号の周波数よりも十分に高い、例
えば34GHzの周波数を有するマイクロ波信号を発生
し、当該マイクロ波信号を可変減衰器81と、主伝送線
路82aとそれに電磁波的に結合した副伝送線路82b
とを備えた方向性結合器82の主伝送線路82aとを介
して送信用ホーンアンテナAN1に出力する。ここで、
方向性結合器82の副伝送線路82bは、主伝送線路8
2aに伝送されるマイクロ波信号の一部を検出して、検
出したマイクロ波信号を可変減衰器84と可変移相器8
5と可変減衰器86とを介して、主伝送線路87aと副
伝送線路87bを備えた方向性結合器87の副伝送線路
87bに出力する。送信用ホーンアンテナAN1は入力
されるマイクロ波信号を、矢印MAで示すように、プラ
ズマ発生室10内で発生するプラズマを通過して、当該
ホーンアンテナAN1と対向して設けられる受信用ホー
ンアンテナAN2に放射させる。受信用ホーンアンテナ
AN2は受信したマイクロ波信号を可変減衰器83を介
して、方向性結合器87の主伝送線路87aに出力す
る。さらに、方向性結合器87は副伝送線路87bに入
力されるマイクロ波信号の一部を検出して、検出したマ
イクロ波信号の一部と、主伝送線路87aに入力される
マイクロ波信号とを混合して各信号の電磁波間で干渉を
生じさせ、混合したマイクロ波信号をダイオード検出器
88に出力する。さらに、ダイオード検波器88は入力
されるマイクロ波信号を検波し、検波電流を電流検出器
89に出力し、これに応答して電流検出器89は検出し
た電流値に比例するアナログ電圧信号を発生して、アナ
ログ/デジタル変換器(A/D変換器)90を介して、
デジタル電圧信号としてコントローラ100に出力す
る。
As shown in FIG. 6, the microwave signal generator 80 generates a microwave signal having a frequency sufficiently higher than the frequency of the high-frequency signal, for example, a frequency of 34 GHz, and converts the microwave signal into a variable attenuator. 81, a main transmission line 82a and an auxiliary transmission line 82b electromagnetically coupled to the main transmission line 82a.
To the transmission horn antenna AN1 via the main transmission line 82a of the directional coupler 82 having here,
The sub transmission line 82b of the directional coupler 82 is connected to the main transmission line 8
2a, a part of the microwave signal transmitted to the variable attenuator 84 and the variable phase shifter 8 are detected.
5 and a variable attenuator 86 to output the signal to a sub transmission line 87b of a directional coupler 87 having a main transmission line 87a and a sub transmission line 87b. The transmitting horn antenna AN1 passes the input microwave signal through the plasma generated in the plasma generating chamber 10 as indicated by an arrow MA, and receives the horn antenna AN2 provided opposite to the horn antenna AN1. Radiate. The receiving horn antenna AN2 outputs the received microwave signal to the main transmission line 87a of the directional coupler 87 via the variable attenuator 83. Further, the directional coupler 87 detects a part of the microwave signal input to the sub transmission line 87b, and converts the detected part of the microwave signal and the microwave signal input to the main transmission line 87a. The mixing causes interference between the electromagnetic waves of the respective signals, and outputs the mixed microwave signal to the diode detector 88. Further, the diode detector 88 detects the input microwave signal and outputs a detection current to the current detector 89. In response, the current detector 89 generates an analog voltage signal proportional to the detected current value. Then, via an analog / digital converter (A / D converter) 90,
It outputs to the controller 100 as a digital voltage signal.

【0054】なお、プラズマ発生室10内においてプラ
ズマを発生させないときに、主伝送線路87aに入力さ
れるマイクロ波信号と、副伝送線路87bに入力される
マイクロ波信号とが、方向性結合器87の主伝送線路8
7aの出力端において、同相となるように可変移相器8
5を用いてその移相量が調整される。次いで、プラズマ
発生室10内においてプラズマを発生させたときに、上
記方向性結合器87において、プラズマを通過したマイ
クロ波信号とプラズマを通過しない基準信号となるマイ
クロ波信号とを混合して、各マイクロ波信号の2つの電
磁波間で干渉を生じさせ、混合後の直流成分の量を位相
差Δθとして検出する。当該位相差Δθ[rad]は公
知の通りマイクロ波の経路中に含まれるプラズマの密度
を積分した値に比例している。従って、発生されるプラ
ズマの密度ne[cm-3]は、当該プラズマの密度ne
カットオフ密度nceよりも十分に小さいという範囲でプ
ラズマの屈折率が電子の密度に比例するという近似条件
のもとで、公知の通り、次の数5で表すことができる。
When the plasma is not generated in the plasma generation chamber 10, the microwave signal input to the main transmission line 87a and the microwave signal input to the sub transmission line 87b are converted by the directional coupler 87. Main transmission line 8
At the output end of 7a, a variable phase shifter 8
5, the phase shift amount is adjusted. Next, when the plasma is generated in the plasma generation chamber 10, the directional coupler 87 mixes the microwave signal that has passed through the plasma with the microwave signal that is a reference signal that does not pass through the plasma. Interference is generated between two electromagnetic waves of the microwave signal, and the amount of the DC component after mixing is detected as a phase difference Δθ. As is well known, the phase difference Δθ [rad] is proportional to a value obtained by integrating the density of the plasma included in the microwave path. Therefore, the density n e of the generated plasma [cm -3], the approximation that the refractive index of the plasma in the range of density n e of the plasma is sufficiently smaller than the cut-off density n ce is proportional to the density of electrons Under the conditions, it can be expressed by the following equation 5, as is known.

【0055】[0055]

【数5】ne=118・(ωm/2π)・Δθ/2ra ここで、ωm:マイクロ波信号発生器80で発生される
マイクロ波信号の角周波数[Hz]、2ra:マイクロ
波信号が通過するプラズマの厚さ、すなわち、プラズマ
発生室10の円筒の直径[cm]である。また、マイク
ロ波信号発生器80で発生されるマイクロ波信号の周波
数は、好ましくは、測定するプラズマの電子の密度に対
応するカットオフ周波数の少なくとも3倍以上の十分に
高い周波数に設定される。なお、上記数5から得られる
電子の密度は、時間及び空間について平均した平均値の
量である。
N e = 118 · (ωm / 2π) · Δθ / 2r a where ωm: angular frequency [Hz] of the microwave signal generated by the microwave signal generator 80, 2r a : microwave signal Is the thickness of the plasma passing therethrough, that is, the diameter [cm] of the cylinder of the plasma generation chamber 10. Further, the frequency of the microwave signal generated by the microwave signal generator 80 is preferably set to a sufficiently high frequency of at least three times the cutoff frequency corresponding to the electron density of the plasma to be measured. Note that the electron density obtained from Equation 5 is the amount of an average value averaged over time and space.

【0056】上記数5から位相差Δθが大きくなると、
プラズマの密度neは大きくなる。当該プラズマの密度
eが所定の設定値nesよりも大きければ、上記数1よ
りヘリコン波の波長λを長くすればよく、従って、上記
位相差Δθを小さくすれば当該プラズマの密度neを上
記設定値nesに近づけることができる。この原理を用
いて、コントローラ100は以下のように制御処理を行
う。
From the above equation (5), when the phase difference Δθ increases,
The plasma density ne increases. If the density n e of the plasma is greater than the predetermined set value n e s, may be longer wavelength λ of helicon waves than the number 1, therefore, the plasma density n e is made smaller the phase difference Δθ the can be made closer to the set value n e s. Using this principle, the controller 100 performs control processing as follows.

【0057】コントローラ100は、入力されるデジタ
ル電圧信号の電圧に基づいて所定の換算式を用いて位相
差Δθを計算した後、計算した位相差Δθに基づいて数
5を用いてプラズマの密度neを計算する。一方、操作
者は設定すべきプラズマの密度nesを、キーボード1
01を用いてコントローラ100に入力する。次いで、
コントローラ100は、計算されたプラズマの密度ne
が設定すべきプラズマの密度nesよりも大きければ可
変移相器61の位相差φを小さくし、一方、計算された
プラズマの密度neが設定すべきプラズマの密度nesよ
りも小さければ可変移相器61の位相差φを大きくする
ように、可変移相器61を制御する。これによって、プ
ラズマ発生室10内で発生されるプラズマの密度を、操
作者によって入力されたプラズマの密度nesに設定す
るように制御することができる。また、上記の制御によ
ってヘリコン波の波動と高周波信号による電界との結合
が最適な状態となるように制御でき、これによって従来
例に比較してより高い密度でかつより安定にプラズマを
発生することができる。従って、上記発生されたプラズ
マを半導体デバイスなどの所定の処理に用いる場合、当
該処理をより安定に行うことができるという利点があ
る。
The controller 100 calculates the phase difference Δθ using a predetermined conversion equation based on the voltage of the input digital voltage signal, and then uses the equation 5 to calculate the plasma density n based on the calculated phase difference Δθ. Calculate e . On the other hand, the operator sets the density n es of the plasma to be set on the keyboard 1.
01 to the controller 100. Then
The controller 100 calculates the calculated plasma density ne.
Smaller but larger than the density n e s of to be set plasma to reduce the phase difference φ of the variable phase shifter 61, whereas, than the density n e s of to be set calculated plasma density n e is plasma For example, the variable phase shifter 61 is controlled so that the phase difference φ of the variable phase shifter 61 is increased. Thereby, the density of the plasma generated in the plasma generation chamber 10 can be controlled to be set to the density n es of the plasma input by the operator. In addition, the above control can control the coupling between the wave of the helicon wave and the electric field by the high-frequency signal to be in an optimum state, thereby generating a plasma with higher density and more stability than the conventional example. Can be. Therefore, when the generated plasma is used for predetermined processing of a semiconductor device or the like, there is an advantage that the processing can be performed more stably.

【0058】以上のように構成されたプラズマ処理装置
において、例えば半導体デバイスを形成するために所定
のプロセスを行うために必要な反応ガスが、ガスボンベ
13a,13bからバリアブルリーク14a,14bを
介して所定の成分及び所定の混合比で混合されて生成さ
れた後、生成後の混合ガス500がバルブ15及び反応
ガス輸送パイプ12aを介してプラズマ発生室10及び
プラズマ処理室11内に流入される。一方、ポンプ17
を駆動したとき、プラズマ発生室10及びプラズマ処理
室11内のガス510は排気パイプ12b及び圧力調整
バルブ16を介してポンプ17に排気され、圧力調整バ
ルブ16を用いることによって、プラズマ発生室10及
びプラズマ処理室11内が所定の真空状態に設定され
る。本実施例においては、好ましくは、10-3Torr
以下の状態に設定される。
In the plasma processing apparatus configured as described above, for example, a reaction gas necessary for performing a predetermined process for forming a semiconductor device is supplied from the gas cylinders 13a and 13b through the variable leaks 14a and 14b. Is mixed and generated at a predetermined mixing ratio, and the generated mixed gas 500 flows into the plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11 via the valve 15 and the reaction gas transport pipe 12a. On the other hand, pump 17
Is driven, the gas 510 in the plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11 is exhausted to the pump 17 through the exhaust pipe 12 b and the pressure adjustment valve 16, and by using the pressure adjustment valve 16, The inside of the plasma processing chamber 11 is set to a predetermined vacuum state. In the present embodiment, preferably, 10 −3 Torr
The following states are set.

【0059】また、上記発生される合成電界Eによっ
て、上記プラズマ発生室10内に存在する気体分子の熱
運動による衝突分離現象や、例えば光や宇宙線の照射に
よって生じる電離現象によって初期電子や初期イオンが
発生された後、プラズマ発生室10内のヘリコン波励起
用合成電界E内に存在する電子及びイオンは合成電界E
の方向に角周波数ωで振動し、捕捉現象を生じ、電子は
プラズマ発生室10内を往復する間にα作用を繰り返す
ので、ループアンテナLAをプラズマ発生室10の外側
に載置しても、またループアンテナLAを電気絶縁物で
被覆しても放電現象が生じる。好ましくは、本実施例の
ようにループアンテナLAをプラズマ発生室10の外側
に載置することによって、ループアンテナLAの構成物
質の混入の無い、すなわち不純物の全く無いプラズマを
発生することができる。
The generated combined electric field E causes initial electrons and initial electrons due to a collision separation phenomenon due to thermal motion of gas molecules existing in the plasma generation chamber 10 and an ionization phenomenon caused by, for example, irradiation of light or cosmic rays. After the ions are generated, electrons and ions existing in the combined electric field E for helicon wave excitation in the plasma generation chamber 10 are combined with the combined electric field E.
Vibrates at an angular frequency ω in the direction of, and a trapping phenomenon occurs, and electrons repeat the α action while reciprocating in the plasma generation chamber 10. Therefore, even if the loop antenna LA is placed outside the plasma generation chamber 10, Even when the loop antenna LA is covered with an electrical insulator, a discharge phenomenon occurs. Preferably, by mounting the loop antenna LA outside the plasma generation chamber 10 as in the present embodiment, it is possible to generate plasma free from contamination of the loop antenna LA with the constituent materials, that is, completely free of impurities.

【0060】図1及び図2に示すように、プラズマ発生
室10の円筒の軸方向と平行であるZ軸方向に直流磁界
Bが発生されるので、電子及びイオンはそれぞれ、磁力
線の周囲を右回り及び左回りでいわゆるラーマー運動と
呼ばれる螺旋運動を行う。また、上述のように、ヘリコ
ン波を有効的に励起する高周波の合成電界Eが発生され
るので、初期電子は、上記E×Bドリフト効果によって
印加合成電界Eと磁界Bの両方に対して垂直な方向で回
旋運動しながら移動する。この結果、初期電子が中性粒
子と衝突する確率が増大するので、衝突電離現象が起こ
りやすくなる。この結果、例えば10-3Torr程度の
低気圧の状態においても、プラズマの生成及び維持が容
易となる。
As shown in FIGS. 1 and 2, a DC magnetic field B is generated in the Z-axis direction which is parallel to the axial direction of the cylinder of the plasma generation chamber 10, so that electrons and ions respectively move right and left around the magnetic field lines. A helical motion called a so-called Larmor motion is performed in the clockwise and counterclockwise directions. Further, as described above, since the high-frequency combined electric field E that effectively excites the helicon wave is generated, the initial electrons are perpendicular to both the applied combined electric field E and the magnetic field B by the E × B drift effect. Move while rotating in different directions. As a result, the probability that the initial electrons collide with the neutral particles increases, so that the impact ionization phenomenon is likely to occur. As a result, generation and maintenance of plasma are facilitated even in a low pressure state of, for example, about 10 −3 Torr.

【0061】例えば直流磁界Bが全く無い状態でプラズ
マに対して高周波の合成電界Eを印加した場合に、合成
電界の高周波の角周波数ωが電子プラズマ周波数ωpe
(≒104(ne1/2Hz(ここで、neは電子の密度で
ある。))以下のときに、当該高周波の合成電界Eはプ
ラズマの表面で電子の集団運動によって遮蔽され、合成
電界Eはプラズマ内部に浸透することができない。しか
しながら、ソレノイドコイル21によってプラズマに直
流磁界Bが印加されると、電子の運動が束縛されるの
で、周波数の低い電磁波もプラズマ中を伝搬することが
可能となる。例えば4.9Gs以上の磁界Bを印加した
場合、印加される高周波信号の角周波数ωが電子サイク
ロトロン角周波数ωceよりも十分に低くかつイオンサ
イクロトロン角周波数ωciよりも十分に高いという従
来技術の項で述べた第1の近似条件を満足する、例えば
角周波数ωの周波数が13.56MHzであるとき、高
周波信号の電磁波はプラズマ中を伝搬することができ
る。言い換えれば、4.9Gs以上の磁界BがZ軸方向
に印加されているとき、印加される13.56MHzの
周波数を有する高周波信号の電磁波はプラズマ中に浸透
し直流磁界Bと平行な方向に伝搬して、電子にエネルギ
ーを与えつつランダウ減衰する。従って、プラズマ中の
電子はプラズマ中を伝搬してきた電磁波の電界によって
エネルギーを吸収し、さらに、電離現象に対して寄与す
るので、例えば従来例のヘリコンプラズマ処理装置より
もプラズマの密度を高くすることができる。
For example, when a high-frequency combined electric field E is applied to plasma in the absence of any DC magnetic field B, the high-frequency angular frequency ω of the combined electric field becomes equal to the electron plasma frequency ωpe
When (≒ 10 4 ( ne ) 1/2 Hz (where ne is the density of electrons)) or less, the high-frequency synthetic electric field E is shielded by the collective motion of electrons on the surface of the plasma. The combined electric field E cannot penetrate into the plasma. However, when a DC magnetic field B is applied to the plasma by the solenoid coil 21, the movement of the electrons is restricted, so that an electromagnetic wave having a low frequency can also propagate in the plasma. For example, when a magnetic field B of 4.9 Gs or more is applied, the angular frequency ω of the applied high frequency signal is sufficiently lower than the electron cyclotron angular frequency ωce and sufficiently higher than the ion cyclotron angular frequency ωci. When the first approximation condition described above is satisfied, for example, when the frequency of the angular frequency ω is 13.56 MHz, the electromagnetic wave of the high-frequency signal can propagate in the plasma. In other words, when a magnetic field B of 4.9 Gs or more is applied in the Z-axis direction, the applied high frequency signal electromagnetic wave having a frequency of 13.56 MHz penetrates the plasma and propagates in a direction parallel to the DC magnetic field B. Then, Landau damps while giving energy to the electrons. Therefore, the electrons in the plasma absorb energy by the electric field of the electromagnetic wave propagating in the plasma, and further contribute to the ionization phenomenon. For example, the density of the plasma should be higher than that of the conventional helicon plasma processing apparatus. Can be.

【0062】本実施例においては、上記ヘリコン波の波
動を有効的に励起するために、プラズマ発生室10内に
発生するヘリコン波の電界のモード(本実施例において
は、m=0の基本モードを用いる)に近く、実質的に同
一である電界構造に設定する。実際には、プラズマ発生
室10の外周壁である放電管という境界が存在するため
に、純粋な横波(電磁波)として伝搬せず、直流磁界B
に沿った方向に電界成分を有するハイブリッドな波動と
なる。従って、当該ヘリコン波がランダウ減衰すること
によって、プラズマ中の電子にエネルギーを与え、これ
によって、高密度のプラズマを発生することができる。
In this embodiment, in order to effectively excite the helicon wave, the mode of the electric field of the helicon wave generated in the plasma generation chamber 10 (in this embodiment, the basic mode of m = 0) ), And the electric field structure is set to be substantially the same. Actually, since there is a boundary of a discharge tube, which is an outer peripheral wall of the plasma generation chamber 10, it does not propagate as a pure transverse wave (electromagnetic wave), and the DC magnetic field B
Is a hybrid wave having an electric field component in the direction along. Therefore, the Helicon wave gives energy to the electrons in the plasma by Landau damping, whereby a high-density plasma can be generated.

【0063】上述のように、直流磁界Bと、上記高周波
の合成電界Eによって発生されたプラズマは、直流磁界
Bの磁力線の方向すなわちZ軸方向で搬送された後、試
料300の上表面に対して概ね垂直な方向で入射する。
As described above, the DC magnetic field B and the plasma generated by the high-frequency combined electric field E are transported in the direction of the lines of magnetic force of the DC magnetic field B, that is, in the Z-axis direction. Incident in a substantially perpendicular direction.

【0064】本実施例においては、従来のマグネトロン
プラズマ処理装置のように、プラズマの閉じ込めを行わ
なわず、上記発生された磁界Bによってプラズマを輸送
するので、プラズマを均一に試料300に照射すること
ができる。
In this embodiment, unlike the conventional magnetron plasma processing apparatus, the plasma is transported by the generated magnetic field B without confining the plasma, so that the plasma is uniformly applied to the sample 300. Can be.

【0065】本実施例においては、プラズマ発生室10
内に誘起された電界は、従来例のヘリコンプラズマ処理
装置のように角度回転方向のみの電界を印加した場合に
比較して、実際にプラズマ中を伝搬するヘリコン波に近
いため、プラズマを有効的に励起することができ、より
安定したヘリコンプラズマを得ることができる。これに
よって、半導体デバイスを形成するための処理などをよ
り安定的に行うことができる。
In this embodiment, the plasma generation chamber 10
The electric field induced inside is closer to the helicon wave actually propagating in the plasma than in the case of applying an electric field only in the angular rotation direction as in the conventional helicon plasma processing apparatus, so that the plasma is effectively And more stable helicon plasma can be obtained. Thereby, processing for forming a semiconductor device and the like can be performed more stably.

【0066】また、本実施例のループアンテナLAは1
つのみで構成されているので、2つのリング部241,
242を備える従来例のヘリコンプラズマ処理装置に比
較して小型化することができる。さらに、ループアンテ
ナLAが1つであるので、プラズマ密度の変化によるア
ンテナ間距離とヘリコン波の波長との不整合状態が発生
しない。従って、印加高周波信号を低い電力から高い電
力まで変化しても、従来例に比較して高い密度のプラズ
マをより安定して発生することができる。
The loop antenna LA of the present embodiment has one
The two ring portions 241,
242 can be miniaturized as compared with the conventional helicon plasma processing apparatus. Furthermore, since there is one loop antenna LA, a mismatch between the antenna distance and the wavelength of the helicon wave due to a change in plasma density does not occur. Therefore, even if the applied high-frequency signal changes from low power to high power, a plasma having a higher density can be generated more stably as compared with the conventional example.

【0067】また、本実施例においては、プラズマ発生
室10内で発生されるプラズマの密度を図6で示すマイ
クロ波干渉計部によって測定し、測定されたプラズマの
密度に基づいて高周波信号の位相差φを制御することに
よって、プラズマ中のヘリコン波の波動との結合が最適
な状態となるように制御してプラズマの密度を所定値に
制御することができる。
In this embodiment, the density of the plasma generated in the plasma generation chamber 10 is measured by the microwave interferometer shown in FIG. 6, and the level of the high-frequency signal is determined based on the measured density of the plasma. By controlling the phase difference φ, the density of the plasma can be controlled to a predetermined value by controlling the coupling with the wave of the helicon wave in the plasma to an optimum state.

【0068】図7は本発明に係る第1の実施例の変形例
であるヘリコンプラズマ処理装置の斜視図であり、図7
において図1及び図2と同一のものについては同一の符
号を付している。
FIG. 7 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus which is a modification of the first embodiment according to the present invention.
, The same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

【0069】図7に示すように、第1の実施例に比較し
て、互いに近接したZ軸方向の距離L0の間隔で2つの
ループアンテナLA1,LA2をプラズマ発生室10の
外周部に設け、ループアンテナLA1の両端を電源回路
600によって発生される高周波信号の信号電圧V1を
印加する一方、ループアンテナLA2の一端と接地電位
との間に信号電圧V2を印加してもよい。ここで、距離
L0は好ましくは0に十分に等しい長さの距離である。
以上のように構成することによって、当該変形例の装置
は第1の実施例と同様の作用効果を有する。
As shown in FIG. 7, two loop antennas LA1 and LA2 are provided on the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 10 at intervals of a distance L0 in the Z-axis direction which are close to each other, as compared with the first embodiment. The signal voltage V1 of the high-frequency signal generated by the power supply circuit 600 may be applied to both ends of the loop antenna LA1, while the signal voltage V2 may be applied between one end of the loop antenna LA2 and the ground potential. Here, the distance L0 is preferably a distance having a length sufficiently equal to zero.
With the above-described configuration, the device according to the modification has the same operation and effect as the first embodiment.

【0070】<第2の実施例>図8は本発明に係る第2
の実施例であるヘリコンプラズマ処理装置の斜視図であ
り、図8において図1、図2及び図7と同一のものにつ
いては同一の符号を付している。
<Second Embodiment> FIG. 8 shows a second embodiment according to the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 8, the same components as those in FIGS. 1, 2 and 7 are denoted by the same reference numerals.

【0071】この第2の実施例のヘリコンプラズマ処理
装置は、第1の実施例に比較して以下の点が異なる。 (a)プラズマ発生室10の外周部に、円形リング形状
の3個のループアンテナLA1,LA2,LA3をZ軸
方向でLA1,LA3,LA2の順序でかつループアン
テナLA1とLA3との間のZ軸方向の間隔L1とルー
プアンテナLA3とLA2との間のZ軸方向の間隔L2
がそれぞれλ/8(ここで、λは所定の条件におけるヘ
リコン波の波長である。)となり、プラズマ発生室10
の外周部を取り囲みかつプラズマ発生室10の軸中心と
同心となるように設け、後述する電源回路610によっ
て発生される、実質的にπ/2に等しい位相差φを有す
る2つの高周波信号の信号電圧V1,V2のうち第1の
信号電圧V1を、それぞれ電気的に閉回路とされたルー
プアンテナLA1とループアンテナLA2との間に印加
しかつ第2の信号電圧V2をループアンテナLA3の両
端に印加することによって、ヘリコン波を有効的に励振
させるように図19に図示されたm=0のモードのとき
のヘリコン波の電界に実質的に等しい電界を発生させる
こと。 (b)上記ループアンテナLA1,LA2,LA3の外
周部に2個の磁界発生用ソレノイドコイル21,22を
設けて当該ソレノイドコイル21,22に所定の直流電
圧を印加することによってプラズマ発生室10のZ軸方
向に平行であって試料300に向かう方向で直流磁界B
を発生させること。
The helicon plasma processing apparatus according to the second embodiment differs from the first embodiment in the following points. (A) Three circular ring-shaped loop antennas LA1, LA2, and LA3 are arranged on the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 10 in the Z-axis direction in the order of LA1, LA3, and LA2 and between the loop antennas LA1 and LA3. An axial distance L1 and a Z-axis distance L2 between the loop antennas LA3 and LA2.
Are λ / 8 (where λ is the wavelength of the helicon wave under predetermined conditions), and the plasma generation chamber 10
And two high-frequency signals having a phase difference φ substantially equal to π / 2 generated by a power supply circuit 610 to be described later. The first signal voltage V1 of the voltages V1 and V2 is applied between the loop antenna LA1 and the loop antenna LA2, each of which is electrically closed, and the second signal voltage V2 is applied to both ends of the loop antenna LA3. Generating an electric field that is substantially equal to the electric field of the helicon wave in the m = 0 mode illustrated in FIG. 19 so that the application effectively excites the helicon wave. (B) Two solenoid coils 21 and 22 for generating a magnetic field are provided on the outer peripheral portions of the loop antennas LA1, LA2 and LA3, and a predetermined DC voltage is applied to the solenoid coils 21 and 22 to form the plasma generating chamber 10. DC magnetic field B in a direction parallel to the Z-axis direction and
To generate.

【0072】図9は図8のヘリコンプラズマ処理装置の
電源回路610の回路図であり、図9において図3と同
一のものについては同一の符号を付している。
FIG. 9 is a circuit diagram of the power supply circuit 610 of the helicon plasma processing apparatus of FIG. 8, and in FIG. 9, the same components as those of FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.

【0073】図9に示すように、基準高周波信号発生器
50によって発生された、例えば周波数13.56MH
zの正弦波の基準高周波信号は、高周波トランスT1の
一次側に印加されるとともに、高周波トランスT2の一
次側に印加される。高周波トランスT1の二次側の両端
はそれぞれ、高周波トランスT1とループアンテナLA
1,LA2との間のインピーダンス整合を行うためのイ
ンピーダンス整合器51を介して、それぞれ閉じられた
ループアンテナLA1,LA2に接続される。高周波ト
ランスT2の二次側の一端は、コントローラ100によ
って移相量φが制御される可変移相器61を介して高周
波トランスT3の一次側の一端に接続され、高周波トラ
ンスT2の二次側の他端と高周波トランスT3の一次側
の他端は接地される。さらに、高周波トランスT3の二
次側は、高周波トランスT3とループアンテナLA3と
の間のインピーダンス整合を行うためのインピーダンス
整合器52を介してループアンテナLA3の両端に接続
される。本実施例において、高周波トランスT1,T
2,T3はそれぞれ1対1の電圧比を有し、インピーダ
ンス整合器51,52においても電圧が変化しないもの
と仮定する。
As shown in FIG. 9, for example, a frequency of 13.56 MH generated by the reference high-frequency signal generator 50.
The reference high-frequency signal of the sine wave of z is applied to the primary side of the high-frequency transformer T1 and to the primary side of the high-frequency transformer T2. Both ends on the secondary side of the high-frequency transformer T1 are connected to the high-frequency transformer T1 and the loop antenna LA, respectively.
1 and LA2 are connected to closed loop antennas LA1 and LA2, respectively, via an impedance matching unit 51 for performing impedance matching between the loop antennas LA1 and LA2. One end on the secondary side of the high-frequency transformer T2 is connected to one end on the primary side of the high-frequency transformer T3 via a variable phase shifter 61 whose phase shift amount is controlled by the controller 100. The other end and the other end on the primary side of the high-frequency transformer T3 are grounded. Further, the secondary side of the high-frequency transformer T3 is connected to both ends of the loop antenna LA3 via an impedance matching device 52 for performing impedance matching between the high-frequency transformer T3 and the loop antenna LA3. In this embodiment, the high-frequency transformers T1, T
2 and T3 each have a one-to-one voltage ratio, and it is assumed that the voltage does not change even in the impedance matching devices 51 and 52.

【0074】ここで、各信号電圧V1,V2は初期状態
において、次の数6,数7に示すように、互いにπ/2
に等しい位相差φを有するように制御され、さらに、こ
の位相差φは詳細後述するように発生されるプラズマの
密度に基づいてコントローラ100によって制御され
る。なお、この各信号電圧V1,V2の初期状態の設定
は、説明の便宜上、第1の実施例における信号電圧V1
とV2を入れ替えた設定にしている。
Here, in the initial state, the respective signal voltages V1 and V2 are mutually π / 2 as shown in the following equations (6) and (7).
, And the phase difference φ is controlled by the controller 100 based on the density of the generated plasma, as described in detail below. The setting of the initial state of each of the signal voltages V1 and V2 is performed in the same manner as the signal voltage V1 in the first embodiment for convenience of explanation.
And V2 are switched.

【数6】V1=sin(ωt)V1 = sin (ωt)

【数7】V2=sin(ωt+π/2)V2 = sin (ωt + π / 2)

【0075】当該電源回路610においては、上記2つ
の信号電圧V1,V2のうち第1の信号電圧V1をそれ
ぞれ閉じられたループアンテナLA1,LA2に印加し
かつ信号電圧V2をループアンテナLA3の両端に印加
して、図19に図示されたm=0のモードのときのヘリ
コン波の電界に実質的に等しい電界を発生させ、これに
よって、ヘリコン波を有効的に励振させる。すなわち、
ループアンテナLA1,LA2間に信号電圧V1を印加
することによって、ループアンテナLA1付近において
半径方向を有し(図8において電界E1で表す。)、ル
ープアンテナLA3付近においてZ軸方向に平行な方向
を有し、ループアンテナLA2付近において半径方向を
有し(図8において電界E2で表す。)、かつ高周波信
号の角周波数ωで変化する電界を発生する一方、ループ
アンテナLA3の両端に信号電圧V2を印加することに
よって、ループアンテナLAに流された高周波信号によ
ってレンツの法則により、円筒形状のプラズマ発生室1
0の軸を中心としてその底面に平行な面上で角度が変化
して回転する角度回転方向(θ方向)を有しかつ高周波
信号の角周波数ωで変化する電界E3を発生する。
In the power supply circuit 610, the first signal voltage V1 of the two signal voltages V1 and V2 is applied to the closed loop antennas LA1 and LA2, respectively, and the signal voltage V2 is applied to both ends of the loop antenna LA3. When applied, an electric field is generated which is substantially equal to the electric field of the helicon wave in the mode of m = 0 shown in FIG. 19, thereby effectively exciting the helicon wave. That is,
By applying the signal voltage V1 between the loop antennas LA1 and LA2, the antenna has a radial direction near the loop antenna LA1 (represented by an electric field E1 in FIG. 8) and a direction parallel to the Z-axis direction near the loop antenna LA3. While having a radial direction near the loop antenna LA2 (represented by an electric field E2 in FIG. 8) and generating an electric field that changes at the angular frequency ω of the high-frequency signal, the signal voltage V2 is applied to both ends of the loop antenna LA3. When the voltage is applied, the cylindrical plasma generating chamber 1 is formed according to Lenz's law by a high-frequency signal flowing through the loop antenna LA.
An electric field E3 having an angular rotation direction (θ direction) in which the angle changes and rotates on a plane parallel to the bottom surface around the 0 axis and changing at the angular frequency ω of the high-frequency signal is generated.

【0076】例えばωt=0,πのとき、信号電圧V2
の絶対値が最大となる一方、信号電圧V1が0となるの
で、図10の(a)及び図11の(a)に示すように電
界E3の絶対値が最大となる一方、電界E1,E2が0
となる。このとき、ループアンテナLA3付近における
電界E3が誘起され、上記誘起された電界E3によって
ループアンテナLA1,LA2において電界E3よりも
弱い角度回転方向を有する電界が誘起される。従って、
これらの電界の合成電界Eは角度回転方向のみの電界の
みが生じ、直流磁界Bに平行なZ軸方向に合成電界Eは
生じない。
For example, when ωt = 0, π, the signal voltage V2
Of the electric field E3, while the absolute value of the electric field E3 becomes the maximum and the absolute value of the electric field E3 becomes the maximum as shown in FIGS. 10A and 11A. Is 0
Becomes At this time, an electric field E3 in the vicinity of the loop antenna LA3 is induced, and the electric field E3 induces an electric field in the loop antennas LA1 and LA2 having a smaller angle of rotation than the electric field E3. Therefore,
As a composite electric field E of these electric fields, only an electric field in the angle rotation direction is generated, and no composite electric field E is generated in the Z-axis direction parallel to the DC magnetic field B.

【0077】また、ωt=π/2,3π/2のとき、信
号電圧V1の絶対値が最大となる一方、信号電圧V2が
0となるので、図10の(c)及び図11の(c)に示
すように電界E1,E2の絶対値が最大となる一方、電
界E3が0となる。このとき、電界Eはループアンテナ
LA1からループアンテナLA3を介してループアンテ
ナLA2に向かう方向又はその逆の方向のZ軸方向の電
界のみが生じる。
When ωt = π / 2, 3π / 2, the absolute value of the signal voltage V1 becomes maximum while the signal voltage V2 becomes 0, so that (c) of FIG. 10 and (c) of FIG. ), The absolute values of the electric fields E1 and E2 are maximized, while the electric field E3 is 0. At this time, an electric field E is generated only in the Z-axis direction in the direction from the loop antenna LA1 to the loop antenna LA2 via the loop antenna LA3 or in the opposite direction.

【0078】さらに、ωt=π/4,3π/4,5π/
4,7π/4のときに、両方の信号電圧V1,V2が所
定の値となるので、図10の(b),(d)及び図11
の(b),(d)に示すように、角度回転方向の電界E
1とZ軸方向の電界E2との合成電界となる。
Further, ωt = π / 4, 3π / 4, 5π /
In the case of 4,7π / 4, both signal voltages V1 and V2 have predetermined values, so that (b), (d) in FIG.
As shown in (b) and (d) of FIG.
1 and a combined electric field of the electric field E2 in the Z-axis direction.

【0079】このように、これらの電界E1とE2の合
成電界Eは、図10及び図11に示すように、m=0の
モードのときのヘリコン波の電界に実質的に等しい電界
であり、この合成電界Eを発生することにより、プラズ
マ発生室10内のヘリコン波を有効的に励振することが
できる。なお、第2の実施例において発生される合成電
界Eは、ループアンテナLA1付近において第1の実施
例と同一の形状を有し、ループアンテナLA2付近にお
いて形状は同一であるが形成される順序は逆になるが故
にループアンテナLA1付近の電磁波は直流磁界Bと同
一の方向へ伝搬するする一方、ループアンテナLA2付
近の電磁波は直流磁界Bと逆方向へ伝搬する。従って、
第1の実施例に比較してプラズマ発生室10の中央部に
おけるループアンテナLA3付近のプラズマをより高密
度化することができ、より有効的にヘリコン波を励起す
ることができる。
Thus, the combined electric field E of these electric fields E1 and E2 is an electric field substantially equal to the electric field of the helicon wave in the mode of m = 0, as shown in FIGS. By generating the combined electric field E, the helicon wave in the plasma generation chamber 10 can be effectively excited. Note that the combined electric field E generated in the second embodiment has the same shape near the loop antenna LA1 as in the first embodiment, and has the same shape near the loop antenna LA2, but is formed in the same order. Because of the opposite, the electromagnetic wave near the loop antenna LA1 propagates in the same direction as the DC magnetic field B, while the electromagnetic wave near the loop antenna LA2 propagates in the opposite direction to the DC magnetic field B. Therefore,
Compared to the first embodiment, the density of the plasma near the loop antenna LA3 in the center of the plasma generation chamber 10 can be increased, and the helicon wave can be more effectively excited.

【0080】以上のように構成された第2の実施例のヘ
リコンプラズマ処理装置は、第1の実施例の装置と同様
の作用効果を有し、さらに、上述のように第1の実施例
に比較してより高い密度のプラズマを安定に発生するこ
とができる。
The helicon plasma processing apparatus of the second embodiment configured as described above has the same functions and effects as the apparatus of the first embodiment, and further has the same effects as those of the first embodiment. Compared to this, a plasma having a higher density can be stably generated.

【0081】以上の第2の実施例において、3個のルー
プアンテナLA1乃至LA3を用いているが、本発明は
これに限らず、ループアンテナLA1とループアンテナ
LA3との間に少なくとも1個のループアンテナを設け
るとともに、ループアンテナLA3とループアンテナL
A2との間に少なくとも1個のループアンテナを設け
て、m=0のモードのヘリコン波の電界に近くなるよう
に、各ループアンテナにそれぞれ所定値の信号電圧を印
加してもよい。さらに、ループアンテナLA1の上側又
はループアンテナLA2の下側に、ループアンテナを設
け、上記第2の実施例のアンテナ構成を多段に設けた構
造とし、ヘリコン波の電界に実質的に等しい電界を発生
させてヘリコン波を有効的に励起するための所定値の信
号電圧を当該各アンテナに印加してもよい。
In the second embodiment, three loop antennas LA1 to LA3 are used. However, the present invention is not limited to this, and at least one loop antenna is provided between the loop antenna LA1 and the loop antenna LA3. An antenna is provided, and the loop antenna LA3 and the loop antenna L
At least one loop antenna may be provided between the antenna and A2, and a predetermined signal voltage may be applied to each of the loop antennas so as to be close to the electric field of the helicon wave in the mode of m = 0. Further, a loop antenna is provided above the loop antenna LA1 or below the loop antenna LA2, and the antenna configuration of the second embodiment is provided in multiple stages, and an electric field substantially equal to the electric field of the helicon wave is generated. Then, a signal voltage of a predetermined value for effectively exciting the helicon wave may be applied to each antenna.

【0082】<第3の実施例>図12は本発明に係る第
3の実施例であるヘリコンプラズマ処理装置の斜視図で
あり、図12において、図1、図2、図7及び図8と同
一のものについては同一の符号を付している。
<Third Embodiment> FIG. 12 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 12, FIG. 12, FIG. 7, FIG. The same components are denoted by the same reference numerals.

【0083】この第3の実施例のヘリコンプラズマ処理
装置は、第1の実施例に比較して以下の点が異なる。 (a)プラズマ発生室10の外周部に、円形リング形状
の2個のループアンテナLA1,LA2をZ軸方向で、
それらの間隔L10がλ/4(ここで、λは所定の条件
におけるヘリコン波の波長である。)となり、プラズマ
発生室10の外周部を取り囲みかつプラズマ発生室10
の軸中心と同心となるように設け、後述する電源回路6
20によって発生される、実質的にπ/2に等しい位相
差φを有する2つの高周波信号の信号電圧V1,V2の
うち第1の信号電圧V1をループアンテナLA1の両端
に印加しかつ第2の信号電圧V2をループアンテナLA
2の両端に印加することによって、ヘリコン波を有効的
に励振させるように、ループアンテナLA1,LA2付
近において角度回転方向の電界Eを発生させること。 (b)上記ループアンテナLA1,LA2の外周部に2
個の磁界発生用ソレノイドコイル21,22を設けて当
該ソレノイドコイル21,22に所定の直流電圧を印加
することによってプラズマ発生室10のZ軸方向に平行
であって試料300に向かう方向で直流磁界Bを発生さ
せること。
The helicon plasma processing apparatus according to the third embodiment differs from the first embodiment in the following points. (A) Two circular ring-shaped loop antennas LA1 and LA2 are provided on the outer periphery of the plasma generation chamber 10 in the Z-axis direction.
The interval L10 is λ / 4 (where λ is the wavelength of the helicon wave under predetermined conditions), and surrounds the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 10 and is
And a power supply circuit 6 described later.
A first signal voltage V1 of two high-frequency signals having a phase difference .phi. Substantially equal to .pi. / 2, which is generated by the first signal voltage V1, and applied to both ends of the loop antenna LA1; Apply signal voltage V2 to loop antenna LA
2 to generate an electric field E in the direction of angular rotation in the vicinity of the loop antennas LA1 and LA2 so as to effectively excite the helicon wave by being applied to both ends of the loop antenna 2. (B) The outer circumference of the loop antennas LA1 and LA2 is
By providing a predetermined magnetic field generating solenoid coils 21 and 22 and applying a predetermined DC voltage to the solenoid coils 21 and 22, a DC magnetic field is generated in a direction parallel to the Z-axis direction of the plasma generation chamber 10 and toward the sample 300. Generating B.

【0084】図13は図12のヘリコンプラズマ処理装
置の電源回路620の回路図であり、図13において図
3及び図9と同一のものについては同一の符号を付して
いる。
FIG. 13 is a circuit diagram of a power supply circuit 620 of the helicon plasma processing apparatus shown in FIG. 12. In FIG. 13, the same components as those in FIGS. 3 and 9 are denoted by the same reference numerals.

【0085】第3の実施例の電源回路620は、図9に
図示された電源回路610に比較して以下の点が異な
る。 (a)インピーダンス整合器51から出力される信号電
圧V1はループアンテナLA1の両端に印加されるこ
と。 (b)インピーダンス整合器52から出力される信号電
圧V2はループアンテナLA2の両端に印加されるこ
と。
The power supply circuit 620 of the third embodiment differs from the power supply circuit 610 shown in FIG. 9 in the following point. (A) The signal voltage V1 output from the impedance matching device 51 is applied to both ends of the loop antenna LA1. (B) The signal voltage V2 output from the impedance matching device 52 is applied to both ends of the loop antenna LA2.

【0086】ここで、各信号電圧V1,V2は初期状態
において、次の数8,数9に示すように、互いにπ/2
に等しい位相差φを有するように制御され、さらに、こ
の位相差φは詳細後述するように発生されるプラズマの
密度に基づいてコントローラ100によって制御され
る。なお、この各信号電圧V1,V2の初期状態の設定
は、説明の便宜上、第1の実施例と第2の実施例と異な
った設定にしている。
Here, in the initial state, the signal voltages V1 and V2 are mutually π / 2 as shown in the following equations (8) and (9).
, And the phase difference φ is controlled by the controller 100 based on the density of the generated plasma, as described in detail below. The initial settings of the signal voltages V1 and V2 are set differently from those of the first and second embodiments for convenience of explanation.

【数8】V1=sin(ωt−π/4)V1 = sin (ωt−π / 4)

【数9】V2=sin(ωt−3π/4)V2 = sin (ωt−3π / 4)

【0087】当該電源回路620においては、上記2つ
の信号電圧V1,V2のうち第1の信号電圧V1をルー
プアンテナLA1の両端に印加しかつ信号電圧V2をル
ープアンテナLA2の両端に印加することによって、ヘ
リコン波の電界に近い電界を発生させ、これによって、
ヘリコン波を有効的に励振させる。すなわち、ループア
ンテナLA1の両端に信号電圧V1を印加することによ
ってレンツの法則により、ループアンテナLA1付近に
おいて角度回転方向を有しかつ高周波信号の角周波数ω
で変化する電界E1を発生する一方、ループアンテナL
A2の両端に信号電圧V2を印加することによってレン
ツの法則により、ループアンテナLA2付近において角
度回転方向を有しかつ高周波信号の角周波数ωで変化す
る電界E2を発生する。
In the power supply circuit 620, the first signal voltage V1 of the two signal voltages V1 and V2 is applied to both ends of the loop antenna LA1, and the signal voltage V2 is applied to both ends of the loop antenna LA2. Generates an electric field close to the electric field of the helicon wave,
Effectively excites helicon waves. That is, by applying the signal voltage V1 to both ends of the loop antenna LA1, the antenna has an angular rotation direction near the loop antenna LA1 and the angular frequency ω of the high-frequency signal according to Lenz's law.
Generates an electric field E1 that varies with
By applying a signal voltage V2 to both ends of A2, an electric field E2 having an angular rotation direction near the loop antenna LA2 and changing at an angular frequency ω of a high-frequency signal is generated according to Lenz's law.

【0088】例えばωt=π/4,5π/4のとき、信
号電圧V1の絶対値が最大となる一方、信号電圧V2が
0となるので、図14の(b)及び図15の(b)に示
すように電界E1の絶対値が最大となる一方、電界E2
が0となる。このとき、ループアンテナLA1付近にお
いて角度回転方向の電界E1のみが発生する。
For example, when ωt = π / 4, 5π / 4, the absolute value of the signal voltage V1 becomes maximum while the signal voltage V2 becomes 0, so that FIG. 14 (b) and FIG. 15 (b) As shown in the figure, while the absolute value of the electric field E1 is maximum, the electric field E2
Becomes 0. At this time, only the electric field E1 in the angle rotation direction is generated near the loop antenna LA1.

【0089】また、ωt=3π/4,7π/4のとき、
信号電圧V2の絶対値が最大となる一方、信号電圧V1
が0となるので、図14の(d)及び図15の(d)に
示すように電界E2の絶対値が最大となる一方、電界E
1が0となる。このとき、ループアンテナLA2付近に
おいて角度回転方向の電界E2のみが発生する。
When ωt = 3π / 4, 7π / 4,
While the absolute value of the signal voltage V2 is maximized, the signal voltage V1 is
Becomes 0, so that the absolute value of the electric field E2 becomes maximum as shown in FIG. 14 (d) and FIG.
1 becomes 0. At this time, only the electric field E2 in the angular rotation direction is generated near the loop antenna LA2.

【0090】さらに、ωt=0,π/2,π,3π/2
πのときに、両方の信号電圧V1,V2が所定の値とな
るので、図14の(a),(c)及び図15の(a),
(c)に示すように、各ループアンテナLA1,LA2
において角度回転方向の電界E1,E2が発生する。
Further, ωt = 0, π / 2, π, 3π / 2
At the time of π, both signal voltages V1 and V2 have a predetermined value, so that FIGS. 14 (a) and (c) and FIGS.
As shown in (c), each loop antenna LA1, LA2
, Electric fields E1 and E2 in the angle rotation direction are generated.

【0091】ここで、信号電圧V1と信号電圧V2との
間の位相差φを、第1の実施例と同様に、プラズマ発生
室10内で発生されるプラズマの密度を、操作者によっ
て入力されたプラズマの密度nesに設定するように制
御することができる。また、上記の制御によってヘリコ
ン波の波動と高周波信号による電界との結合が最適な状
態となるように制御でき、これによって従来例に比較し
てより高い密度でかつより安定にプラズマを発生するこ
とができる。従って、上記発生されたプラズマを半導体
デバイスなどの所定の処理に用いる場合、当該処理をよ
り安定に行うことができるという利点がある。
Here, the phase difference φ between the signal voltage V1 and the signal voltage V2 is determined by the operator by inputting the density of the plasma generated in the plasma generation chamber 10 as in the first embodiment. It was can be controlled so as to set the plasma density n e s. In addition, the above control can control the coupling between the wave of the helicon wave and the electric field by the high-frequency signal to be in an optimum state, thereby generating a plasma with higher density and more stability than the conventional example. Can be. Therefore, when the generated plasma is used for predetermined processing of a semiconductor device or the like, there is an advantage that the processing can be performed more stably.

【0092】図16は本発明に係る第3の実施例の変形
例であるヘリコンプラズマ処理装置の斜視図であり、図
16において図1、図2、図7、図8、及び図12と同
一のものについては同一の符号を付している。また、図
17は図16のヘリコンプラズマ処理装置の電源回路6
30の回路図であり、図17において図3、図9及び図
13と同一のものについては同一の符号を付している。
FIG. 16 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus which is a modification of the third embodiment according to the present invention, and is the same as FIG. 1, FIG. 2, FIG. 7, FIG. 8, and FIG. Are given the same reference numerals. FIG. 17 shows the power supply circuit 6 of the helicon plasma processing apparatus shown in FIG.
30 is the circuit diagram of FIG. 17, and in FIG. 17, the same components as those in FIGS. 3, 9, and 13 are denoted by the same reference numerals.

【0093】この第3の実施例の変形例は、第3の実施
例に比較して、電源回路620とは異なる電源回路63
0から供給される信号電圧V1,V2を用いて各ループ
アンテナLA1,LA2を励振することを特徴としてい
る。
The modification of the third embodiment is different from the third embodiment in that the power supply circuit 63 differs from the power supply circuit 620.
It is characterized in that each of the loop antennas LA1, LA2 is excited using the signal voltages V1, V2 supplied from 0.

【0094】電源回路630は以下のように構成され
る。図17に示すように、基準高周波信号発生器50に
よって発生された、例えば周波数13.56MHzの正
弦波の基準高周波信号は、高周波トランスT1,T2,
T4の各一次側に印加される。また、高周波トランスT
2の二次側の一端は、コントローラ100aによって移
相量φ1が制御される可変移相器62を介して高周波ト
ランスT3の一次側の一端に接続され、高周波トランス
T2の二次側の他端及び高周波トランスT3の一次側の
他端はともに接地される。さらに、高周波トランスT4
の二次側の一端は、コントローラ100aによって移相
量φ2が制御される可変移相器63を介して高周波トラ
ンスT5の一次側の一端に接続され、高周波トランスT
4の二次側の他端及び高周波トランスT5の一次側の他
端はともに接地される。
Power supply circuit 630 is configured as follows. As shown in FIG. 17, for example, a sine-wave reference high-frequency signal having a frequency of 13.56 MHz generated by the reference high-frequency signal generator 50 includes high-frequency transformers T1, T2,
Applied to each primary side of T4. In addition, high-frequency transformer T
2 is connected to one end on the primary side of the high-frequency transformer T3 via a variable phase shifter 62 whose phase shift amount φ1 is controlled by the controller 100a, and is connected to the other end on the secondary side of the high-frequency transformer T2. The other end of the primary side of the high-frequency transformer T3 is grounded. Furthermore, a high-frequency transformer T4
Is connected to one end on the primary side of the high-frequency transformer T5 via a variable phase shifter 63 whose phase shift amount φ2 is controlled by the controller 100a.
4 and the other end of the high-frequency transformer T5 on the primary side are both grounded.

【0095】高周波トランスT5の二次側の一端は高周
波トランスT1の二次側のセンタータップに接続され、
高周波トランスT5の二次側の他端は高周波トランスT
3の二次側のセンタータップに接続される。さらに、高
周波トランスT1の二次側の両端は、高周波トランスT
1とループアンテナLA1との間のインピーダンス整合
を行うためのインピーダンス整合器51を介してループ
アンテナLA1の両端に接続され、高周波トランスT3
の二次側の両端は、高周波トランスT3とループアンテ
ナLA2との間のインピーダンス整合を行うためのイン
ピーダンス整合器52を介してループアンテナLA2の
両端に接続される。
One end on the secondary side of the high-frequency transformer T5 is connected to the center tap on the secondary side of the high-frequency transformer T1,
The other end on the secondary side of the high-frequency transformer T5 is a high-frequency transformer T
3 is connected to the center tap on the secondary side. Further, both ends on the secondary side of the high frequency transformer T1 are connected to the high frequency transformer T1.
1 is connected to both ends of the loop antenna LA1 via an impedance matching unit 51 for performing impedance matching between the loop antenna LA1 and the high-frequency transformer T3.
Are connected to both ends of the loop antenna LA2 via an impedance matching unit 52 for performing impedance matching between the high-frequency transformer T3 and the loop antenna LA2.

【0096】ここで、インピーダンス整合器51から出
力される信号電圧V1はループアンテナLA1に印加さ
れる一方、インピーダンス整合器52から出力される信
号電圧V2はループアンテナLA2に印加される。コン
トローラ100aは、信号電圧V1とV2の位相差が第
1の実施例又は第2の実施例の位相差φと同様に制御さ
れるように、可変移相器62,63の各移相量φ1,φ
2を制御する。
Here, the signal voltage V1 output from the impedance matching device 51 is applied to the loop antenna LA1, while the signal voltage V2 output from the impedance matching device 52 is applied to the loop antenna LA2. The controller 100a controls each phase shift amount φ1 of the variable phase shifters 62 and 63 so that the phase difference between the signal voltages V1 and V2 is controlled similarly to the phase difference φ of the first embodiment or the second embodiment. , Φ
2 is controlled.

【0097】以上のように構成された第3の実施例の変
形例のヘリコンプラズマ処理装置は、第3の実施例の装
置と同様の作用効果を有するとともに、第3の実施例の
装置に比較して、直流磁界Bに平行な電界を発生し、発
生される合成電界はヘリコン波の電界により等価とな
り、より有効的にヘリコン波を励起することができる。
The helicon plasma processing apparatus according to the modification of the third embodiment configured as described above has the same operation and effect as the apparatus according to the third embodiment, and is different from the apparatus according to the third embodiment. Then, an electric field parallel to the DC magnetic field B is generated, and the generated combined electric field becomes equivalent to the electric field of the helicon wave, so that the helicon wave can be more effectively excited.

【0098】<他の実施例>以上の実施例においてルー
プアンテナを用いているが、本発明はこれに限らず、ル
ープアンテナとして、プラズマ発生室10の外周部に導
体板又は導体膜を貼りつけ又は形成するようにしてもよ
い。また、円筒形状のプラズマ発生室10とプラズマ処
理室11を用いているが、これに限らず、矩形筒形状な
どの他の筒形状を用いてもよい。
<Other Embodiments> Although a loop antenna is used in the above embodiments, the present invention is not limited to this, and a conductor plate or a conductive film is attached to the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 10 as a loop antenna. Alternatively, it may be formed. Further, although the cylindrical plasma generation chamber 10 and the plasma processing chamber 11 are used, the present invention is not limited to this, and another cylindrical shape such as a rectangular cylindrical shape may be used.

【0099】以上の実施例においては、測定されたプラ
ズマの密度neに基づいて、高周波信号の位相差φを制
御することによってプラズマの密度を制御しているが、
本発明はこれに限らず、数1から明らかなように、測定
されたプラズマの密度neに基づいて、上記位相差φ、
高周波信号の周波数f又は角周波数ω、及び印加する直
流磁界Bの磁束密度のうちの少なくとも1つを変化する
ことによってプラズマの密度neを制御してもよい。
[0099] In the above embodiments, based on the measured plasma density n e, but by controlling the density of the plasma by controlling the phase difference φ of the high-frequency signal,
The present invention is not limited to this, as the number 1 is clear, based on the measured plasma density n e, the phase difference phi,
Frequency f or the angular frequency ω of the RF signals, and may control the plasma density n e by varying at least one of the magnetic flux density of the DC magnetic field B applied.

【0100】また、プラズマ処理室11の下側であって
発生される直流磁界Bの外周部に、別のソレノイドコイ
ルを設け、当該別のソレノイドコイルにソレノイドコイ
ル21,22と同一の極性を有する直流電圧を同一の電
流値で印加する。これによって、ソレノイドコイル2
1,22だけでは発散していた磁束を当該ソレノイドコ
イル25によって集束することによって、いわゆるミラ
ー磁界を発生させる。これによって、試料300の上表
面に入射するプラズマの入射角度が試料300の概ね全
体にわたって垂直となり、当該プラズマ処理装置を異方
性エッチング処理に適用することができる。
Further, another solenoid coil is provided on the outer peripheral portion of the DC magnetic field B generated below the plasma processing chamber 11 and the other solenoid coil has the same polarity as the solenoid coils 21 and 22. DC voltage is applied at the same current value. Thereby, the solenoid coil 2
The so-called mirror magnetic field is generated by converging the magnetic flux that has been diverged by only the solenoid coils 1 and 22 by the solenoid coil 25. Thereby, the incident angle of the plasma incident on the upper surface of the sample 300 becomes vertical over substantially the whole of the sample 300, and the plasma processing apparatus can be applied to the anisotropic etching process.

【0101】さらに、ソレノイドコイル21,22に印
加する電流値を制御することによってミラー磁界が形成
されるように設定してもよい。
Further, it may be set so that a mirror magnetic field is formed by controlling a current value applied to the solenoid coils 21 and 22.

【0102】以上の実施例において、高周波信号を用い
ているが、本発明はこれに限らず、低周波信号を含む交
流信号であってもよい。
In the above embodiments, a high-frequency signal is used, but the present invention is not limited to this, and an AC signal including a low-frequency signal may be used.

【0103】以上の実施例において、電極31及びバイ
アス信号発生器33を設けているが、本発明はこれに限
らず、電極31及びバイアス信号発生器33を設けなく
てもよい。
In the above embodiments, the electrode 31 and the bias signal generator 33 are provided, but the present invention is not limited to this, and the electrode 31 and the bias signal generator 33 may not be provided.

【0104】以上の実施例において、マイクロ波干渉計
の方法を用いて発生されるプラズマの密度を検出してい
るが、本発明はこれに限らず、プラズマ発生室10内に
静電プローブを挿入して発生されるプラズマの密度を測
定する公知の静電プローブ法を用いてもよい。
In the above embodiment, the density of the plasma generated is detected by using the method of the microwave interferometer. However, the present invention is not limited to this, and the electrostatic probe is inserted into the plasma generation chamber 10. A known electrostatic probe method for measuring the density of plasma generated by the above method may be used.

【0105】以上の実施例において、ループアンテナL
A,LA1乃至LA3をプラズマ発生室10の外周部に
設けているが、本発明はこれに限らず、プラズマ発生室
10内に設けてもよい。また、磁界発生用ソレノイドコ
イル21,22をプラズマ発生室10内に設けてもよ
い。さらに、本実施例においては、プラズマ発生室10
とプラズマ処理室11とを分けているが、本発明はこれ
に限らず、各室10,11を1個の室で構成してもよ
い。
In the above embodiment, the loop antenna L
Although A and LA1 to LA3 are provided on the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 10, the present invention is not limited to this, and may be provided in the plasma generation chamber 10. Also, the magnetic field generating solenoid coils 21 and 22 may be provided in the plasma generation chamber 10. Further, in the present embodiment, the plasma generation chamber 10
And the plasma processing chamber 11 are separated, but the present invention is not limited to this, and each of the chambers 10 and 11 may be configured by one chamber.

【0106】以上の実施例において、プラズマ処理室1
1を電気絶縁体で形成しているが、金属などの導電性材
料により形成してもよい。この場合において、好ましく
は、ソレノイドコイル21,22によって発生される直
流磁界に影響を及ぼさない、例えばアルミニウムのよう
な非磁性金属を用いる。
In the above embodiment, the plasma processing chamber 1
Although 1 is formed of an electrical insulator, it may be formed of a conductive material such as a metal. In this case, preferably, a non-magnetic metal such as aluminum, which does not affect the DC magnetic field generated by the solenoid coils 21 and 22, is used.

【0107】[0107]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係るプラ
ズマ処理装置によれば、内部が真空状態に設定された筒
形状のプラズマ処理室内でヘリコンプラズマを発生させ
て試料に対して所定の処理を行うプラズマ処理装置にお
いて、上記プラズマ処理室の内部で上記試料に向かう方
向に直流磁界を発生する磁界発生手段と、上記プラズマ
処理室の筒形状の軸中心からその筒の外周に向かう方向
を有する第1の高周波電界を、第1の高周波信号を用い
て発生するとともに、上記プラズマ処理室の筒形状の軸
中心を中心としてその筒の底面に平行な面上で角度が変
化して回転する角度回転方向を有する第2の高周波電界
を、上記第1の高周波信号に対して所定の位相差を有す
る第2の高周波信号を用いて発生することによって、ヘ
リコン波の電界に実質的に等しい電界を発生する電界発
生手段とを備える。ここで、上記電界発生手段は、上記
プラズマ処理室の筒形状の軸中心と同心となりかつ互い
に所定の間隔だけ離れて設けられる少なくとも3個のル
ープアンテナと、上記第1と第2の高周波信号を発生す
る信号発生手段と、上記信号発生手段によって発生され
た第1の高周波信号を上記少なくとも3個のループアン
テナのうち両端に位置する2個のループアンテナの間に
印加する一方、上記信号発生手段によって発生された第
2の高周波信号を上記少なくとも3個のループアンテナ
のうち中央に位置する1個のループアンテナの両端に印
加する信号印加手段とを備える。
As described above in detail, according to the plasma processing apparatus of the present invention, a helicon plasma is generated in a cylindrical plasma processing chamber in which the inside is set to a vacuum state, and a predetermined amount is applied to the sample. In a plasma processing apparatus for performing processing, a magnetic field generating means for generating a DC magnetic field in a direction toward the sample inside the plasma processing chamber, and a direction from an axial center of a cylindrical shape of the plasma processing chamber to an outer periphery of the cylinder. Generating a first high-frequency electric field using the first high-frequency signal, and rotating the plasma processing chamber with its angle changed on a plane parallel to the bottom surface of the cylinder around the axis of the cylinder of the plasma processing chamber. By generating a second high-frequency electric field having an angular rotation direction using a second high-frequency signal having a predetermined phase difference with respect to the first high-frequency signal, a helicon wave electric field is generated. And a field generation means for generating a qualitatively same field. Here, the electric field generating means includes at least three loop antennas that are concentric with the center of the cylindrical axis of the plasma processing chamber and that are provided at a predetermined distance from each other, and that the first and second high-frequency signals are connected to each other. A signal generating means for generating the signal, and applying the first high-frequency signal generated by the signal generating means between two loop antennas located at both ends of the at least three loop antennas; Signal applying means for applying the second high-frequency signal generated by the above to both ends of one of the at least three loop antennas located at the center.

【0108】従って、上記電界発生手段によって発生さ
れる上記直流磁界の方向に対してプラズマ処理室内に励
起されるヘリコン波の電界モードに近い電界によってヘ
リコン波を有効的に励起して、上記ヘリコン波を上記磁
界によってプラズマの内部に伝搬させるので、第1の従
来例に比較してより真空度を高くし、すなわちプラズマ
処理室内のガス圧が低くくしながらも、プラズマの密度
を大幅に高くすることができる。また、例えば従来のマ
グネトロン高周波プラズマ処理装置のようにプラズマの
閉じ込めを行わなわず、上記発生されたプラズマを上記
磁界によって輸送するので、上記試料の表面に対して均
一にプラズマを照射することができる。ここで、例えば
上記磁界の方向を試料の表面に垂直な方向にとれば、上
記試料に対して正確に垂直な方向でプラズマを照射する
ことができる。これによって、上記発生されたプラズマ
を半導体デバイスなどの所定の処理に用いる場合、当該
処理をより安定に行うことができるという利点がある。
Therefore, the helicon wave is effectively excited by an electric field close to the electric field mode of the helicon wave excited in the plasma processing chamber with respect to the direction of the DC magnetic field generated by the electric field generating means. Is propagated into the plasma by the magnetic field, so that the degree of vacuum is higher than that of the first conventional example, that is, the density of the plasma is significantly increased while the gas pressure in the plasma processing chamber is lowered. Can be. Further, for example, since the generated plasma is transported by the magnetic field without confining the plasma as in a conventional magnetron high-frequency plasma processing apparatus, the surface of the sample can be uniformly irradiated with the plasma. . Here, for example, if the direction of the magnetic field is set in a direction perpendicular to the surface of the sample, the sample can be irradiated with plasma in a direction exactly perpendicular to the sample. Accordingly, when the generated plasma is used for a predetermined process of a semiconductor device or the like, there is an advantage that the process can be performed more stably.

【0109】[0109]

【0110】[0110]

【0111】[0111]

【0112】[0112]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る第1の実施例であるヘリコンプ
ラズマ処理装置の斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1のヘリコンプラズマ処理装置のA−A’
線についての縦断面図である。
FIG. 2 is an AA ′ of the helicon plasma processing apparatus of FIG. 1;
It is a longitudinal cross-sectional view about a line.

【図3】 図1及び図2のヘリコンプラズマ処理装置の
電源回路の回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram of a power supply circuit of the helicon plasma processing apparatus of FIGS. 1 and 2;

【図4】 図1及び図2のヘリコンプラズマ処理装置の
ループアンテナに印加される2つの信号電圧V1,V2
の波形を示すグラフである。
FIG. 4 shows two signal voltages V1 and V2 applied to a loop antenna of the helicon plasma processing apparatus of FIGS. 1 and 2;
6 is a graph showing the waveform of FIG.

【図5】 図1及び図2のヘリコンプラズマ処理装置の
ループアンテナ内において信号電圧の各位相(ωt=0
〜7π/4)で生じる電界Eを示す斜視図である。
FIG. 5 shows each phase of the signal voltage (ωt = 0) in the loop antenna of the helicon plasma processing apparatus of FIGS. 1 and 2;
FIG. 7 is a perspective view showing an electric field E generated at 77π / 4).

【図6】 図1及び図2のヘリコンプラズマ処理装置の
マイクロ波干渉計部及び制御部を示すブロック図であ
る。
FIG. 6 is a block diagram showing a microwave interferometer unit and a control unit of the helicon plasma processing apparatus shown in FIGS. 1 and 2;

【図7】 本発明に係る第1の実施例の変形例であるヘ
リコンプラズマ処理装置の斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus which is a modification of the first embodiment according to the present invention.

【図8】 本発明に係る第2の実施例であるヘリコンプ
ラズマ処理装置の斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図9】 図8のヘリコンプラズマ処理装置の電源回路
の回路図である。
9 is a circuit diagram of a power supply circuit of the helicon plasma processing apparatus of FIG.

【図10】 図8のヘリコンプラズマ処理装置の各ルー
プアンテナ内において信号電圧の各位相(ωt=0〜3
π/4)で生じる電界Eを示す斜視図である。
10 shows each phase (ωt = 0 to 3) of a signal voltage in each loop antenna of the helicon plasma processing apparatus of FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing an electric field E generated at (π / 4).

【図11】 図8のヘリコンプラズマ処理装置の各ルー
プアンテナ内において信号電圧の各位相(ωt=π〜7
π/4)で生じる電界Eを示す斜視図である。
11 shows each phase (ωt = π to 7) of a signal voltage in each loop antenna of the helicon plasma processing apparatus of FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing an electric field E generated at (π / 4).

【図12】 本発明に係る第3の実施例であるヘリコン
プラズマ処理装置の斜視図である。
FIG. 12 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図13】 図12のヘリコンプラズマ処理装置の電源
回路の回路図である。
13 is a circuit diagram of a power supply circuit of the helicon plasma processing apparatus of FIG.

【図14】 図12のヘリコンプラズマ処理装置の各ル
ープアンテナ内において信号電圧の各位相(ωt=0〜
3π/4)で生じる電界Eを示す斜視図である。
14 shows each phase (ωt = 0 to ωt = 0) of a signal voltage in each loop antenna of the helicon plasma processing apparatus of FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing an electric field E generated at 3π / 4).

【図15】 図12のヘリコンプラズマ処理装置の各ル
ープアンテナ内において信号電圧の各位相(ωt=π〜
7π/4)で生じる電界Eを示す斜視図である。
FIG. 15 shows each phase of the signal voltage (ωt = π〜) in each loop antenna of the helicon plasma processing apparatus of FIG. 12;
FIG. 7 is a perspective view showing an electric field E generated at 7π / 4).

【図16】 本発明に係る第3の実施例の変形例である
ヘリコンプラズマ処理装置の斜視図である。
FIG. 16 is a perspective view of a helicon plasma processing apparatus which is a modification of the third embodiment according to the present invention.

【図17】 図16のヘリコンプラズマ処理装置の電源
回路の回路図である。
17 is a circuit diagram of a power supply circuit of the helicon plasma processing apparatus of FIG.

【図18】 従来例のヘリコンプラズマ処理装置の縦断
面図である。
FIG. 18 is a longitudinal sectional view of a conventional helicon plasma processing apparatus.

【図19】 図18のプラズマ処理装置のループアンテ
ナ内において信号電圧の各位相(ωt=−π/2,0,
π/2)で生じる電界Eを示す斜視図である。
19 shows each phase (ωt = −π / 2, 0, ωt) of the signal voltage in the loop antenna of the plasma processing apparatus of FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing an electric field E generated at (π / 2).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…プラズマ発生室、 11…プラズマ処理室、 12a…反応ガス輸送パイプ、 12b…排気パイプ、 21,22…磁界発生用ソレノイドコイル、 30…試料支持台、 33…高周波バイアス信号発生器、 50…基準高周波信号発生器、 61,62,63…可変移相器、 80…制御用マイクロ波信号発生器、 82,87…方向性結合器、 85…可変移相器、 88…ダイオード検波器、 89…電流検出器、 100,100a…コントローラ、 300…試料、 600,610,620,630…電源回路、 LA,LA1,LA2,LA3…ループアンテナ、 T1,T2,T3,T4,T5…高周波トランス、 E,E1,E2…電界、 B…直流磁界、 AN1,AN2…ホーンアンテナ。 Reference Signs List 10: plasma generation chamber, 11: plasma processing chamber, 12a: reaction gas transport pipe, 12b: exhaust pipe, 21, 22: solenoid coil for generating magnetic field, 30: sample support table, 33: high frequency bias signal generator, 50: Reference high frequency signal generator, 61, 62, 63: variable phase shifter, 80: control microwave signal generator, 82, 87: directional coupler, 85: variable phase shifter, 88: diode detector, 89 ... current detector, 100, 100a ... controller, 300 ... sample, 600, 610, 620, 630 ... power supply circuit, LA, LA1, LA2, LA3 ... loop antenna, T1, T2, T3, T4, T5 ... high frequency transformer, E, E1, E2: electric field, B: DC magnetic field, AN1, AN2: horn antenna.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−185825(JP,A) 特開 平3−64897(JP,A) 特開 平4−167400(JP,A) 特開 平3−68773(JP,A) 特開 平4−160162(JP,A) 国際公開92/142558(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 H05H 1/46 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-3-185825 (JP, A) JP-A-3-64897 (JP, A) JP-A-4-167400 (JP, A) JP-A-3-167 68773 (JP, A) JP-A-4-160162 (JP, A) WO 92/142558 (WO, A1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/3065 H05H 1 / 46

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 内部が真空状態に設定された筒形状のプ
ラズマ処理室内でヘリコンプラズマを発生させて試料に
対して所定の処理を行うプラズマ処理装置において、 上記プラズマ処理室の内部で上記試料に向かう方向に直
流磁界を発生する磁界発生手段と、 上記プラズマ処理室の筒形状の軸中心からその筒の外周
に向かう方向を有する第1の高周波電界を、第1の高周
波信号を用いて発生するとともに、上記プラズマ処理室
の筒形状の軸中心を中心としてその筒の底面に平行な面
上で角度が変化して回転する角度回転方向を有する第2
の高周波電界を、上記第1の高周波信号に対して所定の
位相差を有する第2の高周波信号を用いて発生すること
によって、ヘリコン波の電界に実質的に等しい電界を発
生する電界発生手段とを備え、 上記電界発生手段は、 上記プラズマ処理室の筒形状の軸中心と同心となりかつ
互いに所定の間隔だけ離れて設けられる少なくとも3個
のループアンテナと、 上記第1と第2の高周波信号を発生する信号発生手段
と、 上記信号発生手段によって発生された第1の高周波信号
を上記少なくとも3個のループアンテナのうち両端に位
置する2個のループアンテナの間に印加する一方、上記
信号発生手段によって発生された第2の高周波信号を上
記少なくとも3個のループアンテナのうち中央に位置す
る1個のループアンテナの両端に印加する信号印加手段
とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
1. A plasma processing apparatus for performing a predetermined process on a sample by generating helicon plasma in a cylindrical plasma processing chamber whose interior is set to a vacuum state, wherein said sample is processed inside said plasma processing chamber. Magnetic field generating means for generating a DC magnetic field in a direction toward the first direction, and a first high-frequency electric field having a direction from the axial center of the cylindrical shape of the plasma processing chamber toward the outer periphery of the cylindrical shape is generated using the first high-frequency signal. And a second rotation direction having an angle of rotation in which the angle changes and rotates on a plane parallel to the bottom surface of the cylinder around the axis of the cylinder of the plasma processing chamber.
Electric field generating means for generating an electric field substantially equal to the electric field of the helicon wave by generating the high-frequency electric field using a second high-frequency signal having a predetermined phase difference with respect to the first high-frequency signal. Wherein the electric field generating means comprises: at least three loop antennas which are concentric with the center of the cylindrical axis of the plasma processing chamber and are provided at a predetermined distance from each other; A signal generating means for generating the signal; and applying the first high-frequency signal generated by the signal generating means between two loop antennas located at both ends of the at least three loop antennas. For applying the second high-frequency signal generated by the above to both ends of one of the at least three loop antennas located at the center. And a plasma processing apparatus.
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