JP3720005B2

JP3720005B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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Publication number: JP3720005B2
Application number: JP2002228209A
Authority: JP
Inventors: 仁田村; 成一渡辺
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP2003332320A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直径２００ｍｍから３００ｍｍ程度またはこれを越える直径を持つ被処理基板に均一にプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として特開平１１−２６０５９４号公報に開示されたエッチング装置がある。この従来技術では円盤状アンテナおよびここに設けたスロットアンテナにより処理室内の電磁界分布を調整することで均一性のよいプラズマ分布を実現する。円盤状アンテナは誘電体窓を介してプラズマ処理室に電磁波を供給する構造となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決しようとする課題として、前記従来技術では中心付近でプラズマ発生用に投入した電磁波の電界集中が起き、処理条件によってはプラズマ密度分布の均一性が悪化する場合があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は中心付近に電界が集中しないモードで電磁波を処理室に投入することで解決できる。前記、従来技術では円形導波管のＴＭ０１、ＴＭ０２、ＴＭ０３等のモードが誘電体窓中に励振され、これらのモードが主体でプラズマを形成すると考えられる。これらのモードは中心付近に導波管管軸方向の電界を持ち、これが中心付近の電界集中をもたらす。一方、ＴＭ２１、ＴＭ３１、ＴＭ４１等のモードは導波管中心軸上で電界を持たないため、中心軸付近で電界集中を起こしにくい。またＴＭ１１等のモードは中心付近で導波管間軸方向の電界成分を持たないため、同様の問題を生じることがない。これらのモードを用いることで上記課題は解決できる。
【０００５】
円形導波管のＴＭ２１、ＴＭ３１、ＴＭ４１等のモードは円形導波管の中心軸上で電界を持たず、中心への電界集中が原理的に発生しない。またＴＭ１１等のモードは導波管間軸方向の電界成分を中心軸上で持たない。このため装置中心軸上で特異な現象が起きず、均一性の良いプラズマを発生することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
図１から図４を用いて本発明の一実施例を説明する。図１に本発明を用いたエッチング装置を示す。周波数４５０ＭＨｚの高周波電源０１０１による電磁波は自動整合機０１０２を介して同軸線路０１０３で位相調整回路０１０４に伝送される。位相調整回路０１０４には円盤状のアンテナ０１１３およびアンテナ０１１４が接続され、誘電体窓０１０５、シャワープレート０１０６を介して処理室０１１２に電磁波を放射している。放射された電磁波により処理室０１１２内にプラズマを発生させる。処理室０１１２内には被処理基板０１０８を設置するための基板電極０１０９が設けられ、さらに基板電極０１０９には整合機０１１０を介して高周波バイアス電源０１１１が接続されている。高周波バイアス電源０１１１により被処理基板０１０８にバイアス電位を与え、プラズマ中のイオンを被処理基板０１０８に引き込むことでエッチング処理の高速化、形状制御などを行うことができる。処理室０１１２には図示しない真空排気系、ガス導入系が接続され、処理室内をエッチング処理に適した圧力、雰囲気に保持している。ガスはシャワープレート０１０６と誘電体窓０１０５の間に設けた間隙を介して、シャワープレート０１０６に多数設けたガス導入口から処理室０１１２に導入される。誘電体窓、シャワープレートの材質として、電磁波に対して損失が小さく、プラズマ処理に悪影響を与えない材質、例えば石英、アルミナセラミック等を用いることができる。本実施例では石英を誘電体窓、シャワープレートの材質として用いた。また、本実施例は高周波バイアス電源により被処理基板にバイアス電位を与え、エッチング処理する事例で説明したが、本願発明はこれに限定されるものではない、つまり、ＣＶＤ装置等ではバイアス電源による被処理基板へのバイアス電位は不要である。
【０００７】
位相調整回路０１０４付近の詳細構造を図２、図３に示す。図２は図１の拡大図、図３は図２に示す線ＡＡでの断面図を示す。同軸線路０１０３は金属板０２０１に接続している。金属板０２０１は誘電体０１１５の上に配置され、アンテナ０１１３、アンテナ０１１４に４５０ＭＨｚ電磁波を分岐して伝送する。アンテナ０１１３、アンテナ０１１４はそれぞれ同軸線路の内部導体を構成している。アンテナ０１１４と同軸線路０１０３の内部導体間の距離ｄ１、アンテナ０１１３と同軸線路０１０３の内部導体間の距離ｄ２の差が金属板０２０１を伝わる４５０ＭＨｚ電磁波の半波長となるよう調整されている。従って同軸線路０１０３から伝わった電磁波は分岐された後、半波長の経路差を持ってアンテナ０１１３、アンテナ０１１４を励振する。そのため両アンテナは互いに１８０度の位相差を持って励振される。
【０００８】
図４に誘電体０１１５、金属板０２０１等で構成される導波路の断面形状を示す。一般にマイクロストリップ線路と呼ばれる構造である。導電率の高い金属で構成された断面が長方形の外部導体内部に誘電体０１１５が装荷されている。金属板０２０１が内部導体として動作する。誘電体０１１５をアルミナセラミック（比誘電率９．８）とし、各部のサイズを図４に示す様に定め、図４に示す空気層厚さに対し、本導波路中を伝播する４５０ＭＨｚの電磁波の波長を計算した結果を図５に示す。ただし空気層部分の比誘電率を１とした。例えば空気層厚さ１０ｍｍの時、管内波長は２９１ｍｍとなり、この場合、半波長の経路差はその１／２の１４６ｍｍとなる事が分かる。空気層厚さを変化させることで管内波長が変化するため、管内波長が計算で求めた値と真の値が異なる場合、空気層厚さで微調整することができる。管内波長が計算値と異なる要因として計算誤差、比誘電率の違い等があげられる。図４に示すサイズで空気層厚さを１０ｍｍに設定した場合、図２に示すｄ１、ｄ２の差を１４６ｍｍとすればよいことがわかる。同様にｄ１、ｄ２の差を設定することで位相差を任意に調整することができる。
【０００９】
本実施例では位相差調整用導波路としてマイクロストリップ線路を用いたが、本願発明はこれに限定されるものではない、つまり、マイクロストリップ線路は比較的小型で構造も単純であり製作上有利であるが、他の線路として例えば同軸線路等を用いてもよい。
【００１０】
図６に円形導波管断面ＴＭ１１モード電界ベクトルを示す。円形導波管断面の２点から放射状に電界が出たような分布となっている。図１に示す誘電体窓０１０５内部にこのような分布の電磁界を励振するには放射状に電界を発生させるアンテナを２個用意し、これらを互いに逆位相で励振し、ＴＭ１１モードの電界が放射状に発生した位置付近に、２つのアンテナを配置すればよい。アンテナ間の距離を３００ｍｍとした場合、図２におけるｄ１、ｄ２は両者の差が１４６ｍｍ、両者の和が３００ｍｍとなるのでそれぞれｄ１を２２３ｍｍ、ｄ２を７７ｍｍとすればよいことがわかる。同様に管内波長と両アンテナ間の距離が決まれば図２のｄ１、ｄ２が定まり、同様の方法で各部のサイズを決定することができる。
【００１１】
図７にシャワープレートとプラズマ界面での電界分布をシミュレーションした結果を示す。処理室内に均一なプラズマがあるとした場合の電界分布を計算した。計算量削減のため、１／２モデルで計算した。円形導波管のＴＭ１１モードと同様の分布がプラズマに投入されることがわかった。
【００１２】
図８にアンテナ０１１３、０１１４に置き換えて使用できる各種アンテナを示す。図８（ａ）では図７に示す実施例で用いた円盤状アンテナを示す。円盤の中心に給電している。図８（ｂ）に示す例では円盤状アンテナに偏心して給電しており、アンテナの配置に自由度が増す、アンテナから放射される電磁界分布が中心給電のものと比べ異なるなどの効果がある。また同図（ｃ）に示すように円盤状アンテナの個数は２個に限らず、さらに多くても良い。またアンテナの形状は円盤に限らず、楕円、線状、円弧状等他の形状であってもよい。（ｃ）では２点の給電線をそれぞれ２個に分岐する回路を設け、４個のアンテナを励振している。（ｄ）ではさらに分岐点からアンテナまでの距離に経路差を設け、各アンテナを励振する位相を調整している。４つのアンテナを９０度づつ異なる位相で給電することで、４つのアンテナ全体から放射される電磁界が回転する円偏波を発生することができる。静磁界を加えたプラズマ中で運動する電子は静磁界に垂直方向のローレンツ力を受け、磁力線に巻き付くようなサイクロトロン運動を行う。このサイクロトロン運動を加速する方向に回転する円偏波をプラズマに投入すると、プラズマに対する電磁波の吸収特性を改善できるほか、軸対称性が良いプラズマ密度分布を得ることができる。また（ａ）〜（ｄ）の例は複数個のアンテナを励振しているが、例えば（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）に示すように１個のアンテナでも良い。（ｅ）は円盤、（ｆ）は中心に穴を設けた円盤、（ｇ）は楕円である。（ｆ）、（ｇ）ではそれぞれ楕円の穴、楕円の円盤とすることで、ＴＭ１１モードの持つ非軸対称性を緩和することができる。また円盤を基本とした形態を説明したが、アンテナ形状は円盤に限らず、（ｈ）、（ｉ）に示すように線状のアンテナや平板、螺旋など種々の形状を用いることができる。
【００１３】
本実施例では２つの給電点に１８０度の位相差を与えるために、長さの異なる導波路を用いたが、位相差を与える他の方法として、コンデンサ、コイルなどの受動電気回路素子を用いてもよい。図１５に回路図を示す。高周波電源１５０１にインピーダンスがそれぞれＲ_ａ１＋ｊＸ_ａ１Ω、Ｒ_ａ２＋ｊＸ_ａ２Ωのアンテナが、それぞれインピーダンスがＲ_１＋ｊＸ_１Ω、Ｒ_２＋ｊＸ_２Ωの受動回路素子１５０２、１５０３を介して接続されているものとする。各アンテナに発生する電圧Ｖ_ａ１、Ｖ_ａ２はオームの法則により
Ｖ_ａ１＝（Ｒ_ａ１＋ｊＸ_ａ１）／（Ｒ_１＋ｊＸ_１＋Ｒ_ａ１＋ｊＸ_ａ１）Ｖ
Ｖ_ａ２＝（Ｒ_ａ２＋ｊＸ_ａ２）／（Ｒ_２＋ｊＸ_２＋Ｒ_ａ２＋ｊＸ_ａ２）Ｖ
となる。仮にＸ_ａ１＝Ｘ_ａ２＝０、Ｒ_１＝Ｒ_２＝０とすると高周波電源１４０１との位相差はそれぞれ
―ｔａｎ^−１（Ｘ_１／Ｒ_ａ１）
―ｔａｎ^−１（Ｘ_２／Ｒ_ａ２）
となり、受動回路素子１５０２、１５０３を調整することでアンテナに供給する位相差を調整することが可能となる。また位相制御された複数の高周波電源を用いても、同様に位相調整が可能であり、これらを用いることもできる。
【００１４】
本実施例ではプラズマ発生用電磁波の周波数として４５０ＭＨｚを用いた。一般に閉じた空間内での電磁波の電磁界分布は、周波数を高めると様々な分布をとりうるようになり、逆に周波数を下げるととりうる分布は限られてくる。プラズマ処理装置の場合、周波数が高くとりうる電磁界分布のパターンが多いと、プラズマ密度等のパラメータ変動により電磁界分布が変化し、生成されるプラズマ処理特性が大きく変化することにつながる。従ってプラズマ処理の均一性を広いプロセス条件範囲で保つことが難しくなる傾向がある。一方、周波数が低すぎるとパラメータ変動に対する安定性は高まるが、プラズマの制御性が乏しくなり、プラズマ処理特性の制御が困難となる。上記観点からプラズマ発生用電磁波の周波数に最適範囲があると考える。
【００１５】
均一なプラズマ処理を行うには被処理基板直上のプラズマを概略均一に生成する必要がある。電磁波は概略波長のオーダーで変化するパターンを空間内で取る傾向にあり、変化するパターンがプラズマ分布の不均一となり現われやすい。この観点から均一なプラズマを得るには被処理基板のサイズと同程度以上の波長を持つ電磁波を使用するか、あるいは被処理基板のサイズに比べ波長の極端に短い電磁波を使用するかのどちらかが望ましい。超ＬＳＩなどの半導体装置製造において直径３００ｍｍの被処理基板が今後の主流となる。波長が３００ｍｍの電磁波の周波数は１ＧＨｚとなる。例えば２．４５ＧＨｚの周波数で発生したプラズマは比較的プロセスパラメータに敏感であり、先のプラズマ制御性の議論において高い周波数に相当すると考える。プラズマの制御性、プラズマの均一性両面から考えてプラズマ発生用周波数として１ＧＨｚ以下が適していると考える。
【００１６】
また位相制御の観点から波長が非常に長いと実質的に装置内のどの場所も同一の位相で励振される傾向にあることから、装置内で位相差を設けることが困難となる。周波数１０ＭＨｚ以上で位相制御の効果が現われると考える。
【００１７】
〔実施例２〕
図９、１０に９０度づつ位相の異なる４つのアンテナを給電する本発明の他の実施例を示す。図８（ｄ）に示す例では位相制御のための導波路構造とアンテナ部の電磁的な分離が十分でなく、プラズマ発生条件により位相差を４つのアンテナに明確に与えることができない場合があるが、この点に改良を加えたものである。アンテナ部以外の部分は図１に示す実施例と同様であるため、共通する部分の説明を省略する。図９（ａ）は、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ装置の断面図であり、図９（ａ）は図９（ｃ）のＡＡ断面を、図９（ｂ）は図９（ｃ）のＢＢ断面を、図９（ｃ）は図９（ａ）、（ｂ）のＣＣ断面をそれぞれ示す。位相調整回路以外の部分については図１に示す実施例と同一であるので、説明を省略する。電磁波の導入ポート０９０１から投入された４５０ＭＨｚの電磁波は第１の分岐部０９０２で分岐され、それぞれ相対的にプラス９０度、マイナス９０度の位相で、さらに分岐部０９０３ａ、０９０３ｂに電磁波が供給される。分岐部０９０３ａ、０９０３ｂはそれぞれ相対的にプラス４５度、マイナス４５度の位相で電磁波を分岐し、それぞれ給電部０９０４ａ、０９０４ｂ、０９０４ｃ、０９０４ｄに電磁波を伝送する。最終的にそれぞれ隣り合う各給電部は９０度位相の異なる電磁波で励振される。各給電部にはそれぞれアンテナ０９０５が接続され、それぞれ９０度異なる位相で電磁波をプラズマ処理室に放射する。これにより円偏波を発生し、プラズマ分布の均一性を高める。さらに前述のように静磁界と組み合わせた場合に、電界の回転方向を電子のサイクロトロン運動を加速する方向にすることで、電磁波のプラズマに対する吸収を効率よく行うことができる等の効果がある。
【００１８】
本実施例ではアンテナ０９０５が４つの部分に分割された例を示したが１つの部品であってもよい。
【００１９】
図９に示す実施例では分岐部０９０２と０９０３ａ、０９０３ｂは同じ構造を用いており、１段目の分岐と２段目の分岐で２層の構造となっている。これを分岐部０９０３ａ、０９０３ｂをいわゆるＴ型の分岐とし、１層の構造とすることもでき、図１０にこの方法で簡略化した装置の断面図を示す。図１０（ａ）は図１０（ｂ）のＡＡ断面を、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢＢ断面を示す。１層構造とすることで装置の小型化、部品点数の削減ができる。
【００２０】
〔実施例３〕
図１１に回転電界を実現する本発明の他の実施例を示す。実施例２で示した例は長さの異なる導波路を用いることで位相差を与えたが、図１１の実施例では共振条件に摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）を与えたアンテナを用いることで位相差を与え、回転電界を実現する。
【００２１】
図１に示す実施例とアンテナ部分のみが異なるので共通する部分の説明を省略する。１８０度の位相差で励振された２点の給電点で給電されたアンテナ板１１０１が設置され、アンテナ板１１０１上にアルミナセラミックなどの誘電体が装荷されたスロットアンテナ１１０２がある。アンテナ板１１０１、スロットアンテナ１１０２の詳細を図１２に示す。
【００２２】
アンテナ板１１０１の中央付近にアルミナセラミックが装荷された２つのスロット１２０２、１２０３が配置されている。スロット１２０３は共振長さに対し長め、スロット１２０２は短めの長さとなっている。給電点１２０１（ａ）、１２０２（ｂ）は互いに１８０度の位相差を持って励振された電磁波が供給されている。スロット１２０２と１２０３は互いに直行する。さらに給電点１２０１（ａ）、１２０１（ｂ）とスロット１２０２、１２０３はスロット１２０２、１２０３のそれぞれの長軸と給電点１２０１（ａ）と１２０１（ｂ）を結ぶ線が互いに４５度の角度を持って交差する関係にある。
【００２３】
スロット１２０２と１２０３はそれぞれスロットアンテナとして動作する。スロットアンテナはその長さが電磁波の半波長、およびその整数倍となったとき共振し、効率よく電磁波を放射する。スロット内に装荷する誘電体の比誘電率を調整することにより、共振するスロット長さを調整することができる。本実施例ではアルミナセラミックにより、スロットアンテナを小型化している。スロット長さを共振する長さから若干長く、または短くした場合、スロットから放射される電磁波の位相がずれる。互いに直行するスロットからは互いに直行する方向の電界が放射されるが、これらの電磁波に位相差を与えると回転する成分を生じさせることができる。直行する電界を放射する２つのスロットで同電力の電磁波を放射する場合、９０度の位相差で効率よく回転する電磁波を励振することができる。この効果を用いて回転する電界成分を持つ電磁波を放射することができ、実施例２と同様の効果を上げることができる。
【００２４】
本実施例では互いに直行する１組のスロットアンテナで説明したが、同様の効果はスロットアンテナの個数をさらに増やしても得られる。給電点、スロットアンテナの角度関係も本実施例にあげた数値に限定されるものでなく、各スロットアンテナから放射される電力、給電点の位相差などに応じて調整してもよい。また本実施例は９０度の位相差を持ち、互いに電界の角度が９０度となる２つの電磁波の合成で回転する電磁波を作る方法を説明したが、同様に例えば互いに６０度の位相差、電界の角度が互いに６０度となる３つの電磁波の合成でも回転する電磁界を作ることができる。
【００２５】
図１３にアンテナ板１１０１に置き換えて使用できる他のアンテナ例を示す。概略円形の導体板に切りかき１３０１（ａ）、１３０１（ｂ）を設けている。これにより切りかきのある方向とこれに直行する方向で共振点をずらし、図１２に示すスロットと同様の効果を与えることができる。
【００２６】
〔実施例４〕
実施例１，２，３ではいずれもアンテナ部分が誘電体窓の大気側に設置されていたが、アンテナ部をプラズマ処理室側に配置することもできる。装置構造が複雑になるが、誘電体窓等を介さず直接プラズマに電磁波を供給できるため、プラズマの制御性が増す、プラズマ密度の増大が容易になる、等の利点がある。図１４にアンテナをプラズマ処理室側に配置した本発明の他の実施例を示す。図１１に示す実施例とはアンテナ付近の構造が異なるのみであるので、共通する部分の説明を省略する。図１４に示す実施例ではアンテナ板１４０１にほぼ接するようにシリコンなどのプラズマ処理に悪影響を与えない材質で構成されたシャワープレート１４０２が設けられている。アンテナ板１３０１は図８または図１２または図１３に示す構造を用いることができる。シャワープレート１４０２からは図示しないガス供給系により供給された処理ガスをプラズマ処理室に供給する。アンテナ板１４０１により中心軸付近に静磁界と垂直方向の電界成分を発生でき、中心付近での密度向上や、プラズマ密度均一化に利点がある。また回転電界を発生させることでさらにプラズマ均一性の向上を図ることができる。またアンテナ板を介してシャワープレート１４０２に例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス電源を接続し、バイアス電位を与えることもできる。これにより例えば過剰に発生したプラズマ中の活性種をシャワープレート１４０２表面で反応させ、活性種の量を調整する等の効果を上げることができる。
【００２７】
図１４に示す実施例では回転電界をスロットアンテナ等で発生させる例を示したが、同様に実施例１，２，３で示した経路差を用いた方法を使用することもできる。
【００２８】
〔実施例５〕
図１６から図１９を用いて本発明の他の実施例を説明する。図１６に本発明を用いたエッチング装置を示す。本実施例は図１に示す第１の実施例とＵＨＦの分岐回路部および分岐回路に接続されたアンテナの構造が異なり、処理室に投入するＵＨＦのモードが異なる以外は同一であるので共通する部分の説明を省略する。４５０ＭＨｚのＵＨＦ電力が自動整合機、同軸線路を介して位相調整回路１６０１に伝送される。位相調整回路１６０１は図１７で説明するように同軸線路から入力された電磁波を４つの出力ポートに出力する。４つの出力ポートにはそれぞれ円盤状のアンテナ１６０２、１６０３、１６０４、１６０５が接続され、誘電体窓、シャワープレートを介して処理室に電磁波を放射している。放射された電磁波により処理室内にプラズマを発生させ、これにより処理室内に設置された被処理基板にエッチング処理を行う。
【００２９】
位相調整回路１６０１付近の詳細構造を図１７に示す。図１７は位相調整回路１６０１を図１６に示す方向と直角の方向から見た図である。位相調整回路は主に図４に示すいわゆるマイクロストリップ線路と呼ばれる導波路とこれを用いた分岐回路で構成されており、１つの入力ポートから最終的に４つの出力ポートに電磁波を決まった位相差で分岐する働きをする。
【００３０】
装置中心軸上に配置された同軸線路１７０１はマイクロストリップ線路で構成された第１の分岐部１７０７に接続され、マイクロストリップ線路に変換するとともに２方向に電磁波を分岐する。それぞれ分岐されたマイクロストリップ線路は第２の分岐部１７０２ａ、１７０２ｂでさらにそれぞれ２方向に分岐される。最終的に同軸線路１７０１から入力された電磁波は４つの出力ポート１７０３、１７０４、１７０５、１７０６に分岐される。分岐部１７０２ａから出力ポート１７０３、１７０４への距離Ｄ１、Ｄ２はその径路差の絶対値｜Ｄ２−Ｄ１｜がマイクロストリップ線路内での電磁波の波長λに対し、λ／２となるように調整されている。そのため出力ポート１７０３と１７０４に出力される電磁波の位相差は１８０度となる。出力ポート１７０５、１７０６についても同様の構造となっており、出力される電磁波の位相差は１８０度となる。そこで最終的に出力ポート１７０３と１７０５には同位相の電磁波が出力され、１７０４と１７０６にはこれと１８０度位相の異なる電磁波が出力される。また各出力ポート１７０３、１７０４、１７０５、１７０６はそれぞれの中心位置が正方形の頂点になるよう配置されている。各出力ポート１７０３、１７０４、１７０５、１７０６には円盤状アンテナ１６０２、１６０３、１６０４、１６０５が接続されている。
【００３１】
一般に導波路内を伝播する電磁波について導波路にインピーダンスの不整合部があるとその場所で反射波が生じる。図１７に示す位相調整回路の内部では分岐部等でＵＨＦ電力の反射波が生じる。反射波が生じると投入した電力が有効にプラズマ処理室まで伝送されなくなる。そこで分岐部等での反射を防止するために位相調整回路内にインピーダンス整合部を設けてもよい。構造として、例えばマイクロストリップ線路内部導体の幅や高さを変えた構造、外部導体の高さ、幅を変えた構造等が使用できる。
【００３２】
マイクロストリップ線路は実施例１で用いた導波路と同一の構造であり説明を省略する。本実施例でも実施例１と同様に位相調整用導波路としてはマイクロストリップ線路に限定されるものではなく、他の導波路たとえば同軸線路等を用いてもよい。また経路差を持った導波路でなく、インダクタ、キャパシタ等の回路素子を用いた位相調整回路を用いてもよい。
【００３３】
図１８に円形導波管ＴＭ２１モードの電界ベクトルを模式的に示す。円形導波管内の２点から放射状に電界が出て、他の２点に吸い込まれるような分布となっている。前述の位相調整回路１６０１を用いて、互いに隣り合う２点間に１８０度位相の異なる電磁波を供給することで図１８に示すＴＭ２１モードを励振することができる。
【００３４】
上記の実施例では位相調整回路１６０１の４つの出力ポート１７０３、１７０４、１７０５、１７０６にそれぞれ円盤状のアンテナ１６０２、１６０３、１６０４、１６０５を接続してＵＨＦ電力を放射した。しかし、出力ポートに接続するアンテナの形状は円盤状に限定されるものではなく、他の形状であっても良い。図１９に出力ポートに接続できるアンテナ形状を示す。図１９（ａ）は４つの円盤状アンテナの中心にそれぞれ出力ポートの内部導体を接続して給電した場合であり、（ｂ）は各円盤状アンテナの給電点を中心から偏芯した位置に接続した例である。（ｂ）に示すアンテナにより出力ポートの位置を変えないで円盤状アンテナ間の距離を近づけることができ、アンテナ配置に自由度が増す効果がある。（ｃ）は（ｂ）の円盤状アンテナを方形アンテナに変形した例である。各アンテナ間の中心位置をある程度以上に近づけるには、円盤状アンテナでは各円盤アンテナの直径を小さくする必要がある。アンテナのＵＨＦ導入窓への投影面積が小さいとプラズマの着火性が悪化する場合があるが、方形アンテナ形状では前記投影面積をある程度確保できるため、着火性の悪化を防止することができる等の効果がある。（ｄ）は各出力ポートの内部導体に２つの棒状アンテナを接続した例であり、さらに（ｅ）は２つの棒状アンテナに至る経路に差を与えた例である。（ｄ）では合計８つの励振点でＵＨＦ電力を供給するため、プラズマの分布をなだらかにする効果がある。さらに（ｅ）では各出力ポートに接続された２つの棒状アンテナに至る経路に経路差を与えており、この経路差を位相差で９０度付近になるよう調整することで、電界分布を回転させることができる。電界分布が回転により平均化されるため、さらにプラズマ分布を平坦にすることができる。（ｆ）、（ｇ）は各出力ポートの内部導体に円弧状アンテナを接続した例である。（ｆ）は各円弧の中央で給電した場合、（ｇ）は円弧の端で給電した場合である。円弧状アンテナとすることで円弧に沿ってＵＨＦが伝播しながらプラズマに吸収されるため発生するプラズマの分布を平準化する効果がある。また（ｈ）は（ｆ）、（ｇ）に示す円弧をつないでリング状とした場合である。リング状とすることで（ｆ）、（ｇ）に示す円弧の場合よりプラズマと相互作用する面積またはＵＨＦ導入窓への投影面積を大きくし、プラズマの着火性等を改善する効果がある。
【００３５】
一般に図１７に示すような径路差を用いた位相調整回路では、負荷と出力ポートの接合面で反射波が生じると、この反射波の影響で位相調整回路内に定在波が生じるため、負荷に所望の位相差で電磁波を供給することができなくなる場合がある。そこで負荷と出力ポートの間にインピーダンス整合回路を設けてインピーダンス整合をとることで、反射波を防止する場合が多い。しかし図１６に示す構成で誘電体窓内にＴＭ２１モードを励振する場合には誘電体窓自身がこのモードの電磁界分布を取り易い性質を持つため、反射波防止用のインピーダンス整合回路を必ずしも設ける必要が無い。同様に位相調整回路０１０４内で設ける径路差Ｄ１−Ｄ２を正確に半波長にする必要がなく、径路差に多少のずれが生じてもＴＭ２１モードを誘電体窓内に励振することができる。このように誘電体窓自身をモードの選択に用いることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により従来技術で起きた中心付近への電界集中を防止することができ、均一なプラズマ処理をより容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたエッチング装置を示す断面図。
【図２】位相調整部の断面図。
【図３】位相調整部の断面図。
【図４】位相調整導波路の断面図。
【図５】位相調整導波路の管内波長を示すグラフ。
【図６】円形導波管内のＴＭ１１モードの電界分布を示す図。
【図７】本発明を用いたエッチング装置により励振される高周波電界分布を示す図。
【図８】使用可能なアンテナ構造図。
【図９】本発明を用いたエッチング装置を示す断面図。
【図１０】本発明を用いたエッチング装置を示す断面図。
【図１１】本発明を用いたエッチング装置を示す断面図。
【図１２】アンテナ部の詳細断面図。
【図１３】アンテナ部の詳細断面図。
【図１４】本発明を用いたエッチング装置を示す断面図。
【図１５】受動回路素子を用いた位相制御を説明する回路図。
【図１６】本発明を用いたエッチング装置を示す断面図。
【図１７】位相調整回路の構造説明図。
【図１８】電界分布を示す模式図。
【図１９】アンテナ構造図。
【符号の説明】
０１０１高周波電源
０１０２自動整合機
０１０３同軸線路
０１０４位相調整回路
０１０５誘電体窓
０１０６シャワープレート
０１０８被処理基板
０１０９基板電極
０１１０整合機
０１１１バイアス電源
０１１２処理室
０１１３アンテナ
０１１４アンテナ
０１１５誘電体
０２０１金属板
１４０１高周波電源
１４０２受動回路素子
１４０３受動回路素子
１４０４アンテナ
１４０５アンテナ
０９０１電磁波の導入ポート
０９０２分岐部
０９０３ａ分岐部
０９０３ｂ分岐部
０９０４ａ給電部
０９０４ｂ給電部
０９０４ｃ給電部
０９０４ｄ給電部
０９０５アンテナ
１１０１アンテナ板
１１０２スロットアンテナ
１２０１（ａ）給電点
１２０１（ｂ）給電点
１２０２スロット
１２０３スロット
１３０１（ａ）切りかき
１３０１（ｂ）切りかき
１４０１アンテナ板
１４０２シャワープレート
１５０１高周波電源
１５０２受動回路素子
１５０３受動回路素子
１５０４アンテナ
１５０５アンテナ
１６０１位相調整回路
１６０２円盤状アンテナ
１６０３円盤状アンテナ
１６０４円盤状アンテナ
１６０５円盤状アンテナ
１７０１同軸線路
１７０７分岐部
１７０２ａ分岐部
１７０２ｂ分岐部
１７０３出力ポート
１７０４出力ポート
１７０５出力ポート
１７０６出力ポート

Claims

電磁波によりプラズマを発生するプラズマ処理装置において、
プラズマ発生に使用する電磁波の周波数が１ＧＨｚ以下、１０ＭＨｚ以上であるプラズマ発生用電磁波の発生装置と、
プラズマ処理室と、
プラズマ処理室に電磁波を投入するための電磁波放射機構と、
プラズマ処理室に電磁波を投入するための誘電体窓と、
該プラズマ処理室内に被処理基板を戴置するための基板電極と、
プラズマ処理室を所定の圧力、ガス雰囲気に制御するための真空排気系およびガス導入系と、
を備え、
前記電磁波放射機構は、プラズマ発生用電磁波が4つの出力ポートから出力され、前記出力ポートが略正方形状に配置され、該正方形の中心軸とプラズマ処理室の中心軸が略同心に配置され、互いに隣り合う出力ポートから出力される電磁波の位相差が１８０度であり、該正方形の中心軸に対し互いに対称な位置にある出力ポートから同位相で電磁波が出力され、前記出力ポートに接続された略平板状アンテナからなり、
前記略平板状アンテナを用いて前記プラズマ発生用電磁波をプラズマ処理室に投入するように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
電磁波によりプラズマを発生し該発生したプラズマにより被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、
プラズマの発生に使用する電磁波の周波数が１ＧＨｚ以下、１０ＭＨｚ以上であり、プラズマ発生用電磁波をプラズマ処理室の中心軸と同軸に、かつ略正方形状に配置された４つの出力ポートから出力する工程と、
互いに隣り合う出力ポートから出力される電磁波の位相差を略１８０度とし、プラズマ処理室の中心軸に対し互いに対称な位置にある出力ポートから同位相で電磁波が出力される工程と、
前記出力ポートに接続されたアンテナを用いて前記プラズマ発生用電磁波をプラズマ処理室に投入する工程とを有し、
被処理基板を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。