JP4441038B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナから導入されたマイクロ波によって処理容器内でプラズマを生成するように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特にアンテナ部分の導波構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５には、従来のマイクロ波プラズマ処理装置の例が示されている。図５に示すマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波を透過可能な透過窓１０を有した処理容器１を備えている。この処理容器１の透過窓１０上には、マイクロ波アンテナ１０２が取り付けられている。
【０００３】
アンテナ１０２は、薄い円筒状の導波路をなしており、その底面に複数のスロット１０６が適当な分布で形成されている。また、アンテナ１０２の中央部には、同軸管１０４が接続されている。この同軸管１０４は、管内導体１０４ａと管外導体１０４ｂとから構成されている。そして、この同軸管１０４を通じて、図示しないマイクロ波供給手段からアンテナ１０２にマイクロ波が供給されるようになっている。
【０００４】
同軸管１０４を通じてアンテナ１０２へ供給されたマイクロ波は、アンテナ１０２の中央部から半径方向外側へ伝播しつつ、スロット１０６から下方へ放射される。なお、マイクロ波がアンテナ１０２の外周部で反射されて戻ってくる場合は、半径方向の外側と内側へそれぞれ進行するマイクロ波同士が干渉し合って、定在波が生成される。
【０００５】
また、図５に示すマイクロ波プラズマ処理装置は、処理容器１の底部上に設けられた載置台１２を備えている。この載置台１２の周囲に対応した処理容器１底部には、当該処理容器１内を真空引きするための排気口１３が形成されている。また、処理容器１上部の適当な位置に、処理ガス等を導入するための導入管１４が設けられている。
【０００６】
そして、このマイクロ波プラズマ処理装置は、所定の真空度にされた処理容器１内において、アンテナ１０２（のスロット１０６）から導入されたマイクロ波によって、処理ガスのプラズマを生成するように構成されている。そして、生成されたプラズマによって、載置台１２上の被処理体Ｗ（例えば半導体ウエハやＬＣＤ基板等）に対して、成膜処理やエッチング処理等の目的に応じた種々のプラズマ処理を行えるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなマイクロ波プラズマ処理装置には、以下のような問題点がある。すなわち、アンテナ１０２内をマイクロ波が半径方向に伝播する構造上、アンテナ１０２から処理容器１内に導入されるマイクロ波の半径方向の分布が一定になりにくい。このため、処理容器１内での被処理体Ｗに対するプラズマ処理の均一性が低下するという問題がある。
【０００８】
しかも、処理条件等によっては、単純にアンテナ１０２における半径方向のマイクロ波強度を均一にしようとすることが、被処理体Ｗに対するプラズマ処理の均一性を向上させる上で最良ではない場合もあり得る。そのような場合は、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定できるようにすることが必要となる。
【０００９】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定できるようなマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の手段は、処理容器と、この処理容器内にマイクロ波を導入するためのアンテナと、このアンテナにマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段と、このマイクロ波供給手段と前記アンテナとを連結する連結導波路とを備え、前記処理容器内において、前記アンテナから導入されたマイクロ波によってプラズマを生成するように構成されると共に、前記アンテナは、略同心状に配置された２つの略環状のアンテナ導波路を有し、各アンテナ導波路は、一面に複数のスロットが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、基端部および終端部を有し、その基端部が前記連結導波路に接続され、その終端部がマイクロ波吸収体によって塞がれ、前記連結導波路からのマイクロ波は、各アンテナ導波路毎に分配して供給され、前記２つのアンテナ導波路のうち、一方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って一方の方向に伝播し、他方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って前記一方のアンテナ導波路内のマイクロ波と逆の他方の方向に伝播する、ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置である。
【００１１】
第２の手段は、マイクロ波を透過可能な上面を有する処理容器と、この処理容器の上面上に取り付けられたアンテナと、このアンテナにマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段と、このマイクロ波供給手段と前記アンテナとを連結する連結導波路とを備え、前記処理容器内において、前記アンテナから導入されたマイクロ波によってプラズマを生成するように構成されると共に、前記アンテナは、略同心状に配置された２つの略環状のアンテナ導波路を有し、各アンテナ導波路は、底面に複数のスロットが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、基端部および終端部を有し、その基端部が前記連結導波路に接続され、その終端部がマイクロ波吸収体によって塞がれ、前記連結導波路からのマイクロ波は、各アンテナ導波路毎に分配して供給され、前記２つのアンテナ導波路のうち、一方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って一方の方向に伝播し、他方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って前記一方のアンテナ導波路内のマイクロ波と逆の他方の方向に伝播する、ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置である。
【００１２】
これらの第１および第２の手段によれば、各アンテナ導波路毎に、断面寸法やスロットの寸法・間隔を調節することで、マイクロ波の強度を変えることができる。従って、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定することが可能となる。
【００１３】
第３の手段は、第１又は第２の手段において、前記アンテナにおける少なくとも一部の前記アンテナ導波路は、その基端部に開口寸法を変化させるための開口可変手段が設けられているものである。
【００１４】
この第３の手段によれば、第１又は第２の手段において、開口可変手段によって対応するアンテナ導波路の基端部の開口寸法を変化させることで、当該アンテナ導波路に分配されるマイクロ波の強度を調節することができる。従って、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等の変化に応じて自由に変更することが可能となる。
【００１５】
第４の手段は、第１乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記アンテナにおいて、各アンテナ導波路の終端部は導電体によって塞がれているものである。
【００１６】
第５の手段は、第１乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記アンテナにおいて、各アンテナ導波路の終端部はマイクロ波吸収体によって塞がれているものである。
【００１７】
第６の手段は、第１乃至第５の手段のいずれかにおいて、前記連結導波路は、各アンテナ導波路に対して略半径方向に、最も内側の前記アンテナ導波路の基端部まで延びているものである。
【００１８】
第７の手段は、第６の手段において、前記連結導波路の終端部は導電体によって塞がれているものである。
【００１９】
第８の手段は、第６の手段において、前記連結導波路の終端部はマイクロ波吸収体によって塞がれているものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図４は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の実施形態を示す図である。なお、図１乃至図４に示す本発明の実施形態において、図５に示す従来例と同一の構成部分には同一符号を付して説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
まず、図１及び図２により、本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第１の実施形態について説明する。
【００２２】
〈構 成〉
図１（ｂ）において、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置は、略円筒形の金属製の処理容器１を備えている。この処理容器１の上面には、マイクロ波を透過可能な、例えば石英ガラス等の誘電体からなる透過窓１０が設けられている。また、処理容器１の透過窓１０上には、マイクロ波アンテナ２が取り付けられている。
【００２３】
また、このプラズマ処理装置は、アンテナ２にマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段３と、このマイクロ波供給手段３とアンテナ２とを連結する連結導波路４とを備えている。マイクロ波供給手段３は例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するマイクロ波発振器等によって構成されている。また、連結導波路４は例えば、１本の矩形導波管によって構成されている。
【００２４】
上記アンテナ２は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、略同心状に配置された２つの環状のアンテナ導波路５ａ，５ｂを有している。なお、以下の実施形態において、このような２つの略環状のアンテナ導波路を略同心状に配置した２重構造のアンテナを用いる場合について説明するが、これに限らず、３つ以上の略環状のアンテナ導波路を略同心状に配置した多重構造のアンテナを用いてもよい（以下、アンテナ導波路が３つ以上の場合の記述を※印で表す）。
【００２５】
各アンテナ導波路５ａ，５ｂは、底面（Ｈ面）に複数のスロット６ａ，６ｂが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、その基端部７ａ，７ｂが連結導波路４に接続されている。この場合、連結導波路４は、各アンテナ導波路５ａ，５ｂに対して略半径方向に、最も内側のアンテナ導波路５ａの基端部７ａまで延びている。この連結導波路４の終端部４ａは、マイクロ波吸収体によって塞がれている。
【００２６】
なお、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの終端部８ａ，８ｂも、連結導波路４の側面部分において、それぞれマイクロ波吸収体によって塞がれている。また、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの基端部７ａ，７ｂには、開口寸法可変の制御ゲート（開口可変手段）９ａ，９ｂが設けられている。
【００２７】
また、図１（ｂ）に示すように、このプラズマ処理装置は、処理容器１の底部上に設けられた載置台１２を備えている。この載置台１２の周囲に対応した処理容器１底部には、当該処理容器１内を真空引きするための排気口１３が形成されている。また、処理容器１上部の適当な位置に、処理ガス等を導入するための導入管１４が設けられている。
【００２８】
ここで、マイクロ波供給手段３から連結導波管４を通じてアンテナ２へ供給されたマイクロ波は、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの基端部７ａ，７ｂから制御ゲート９ａ，９ｂの開口を通じて導入される。導入されたマイクロ波は、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ内をそれぞれ（時計回りと反時計回りで）周方向に伝播しつつ、各スロット６ａ，６ｂから下方へ放射される（又はエバネッセント電界として漏出する）。
【００２９】
そして、このマイクロ波プラズマ処理装置は、所定の真空度にされた処理容器１内において、アンテナ２（のスロット６ａ，６ｂ）から導入されたマイクロ波によって、処理ガスのプラズマを生成するように構成されている。そして、生成されたプラズマによって、載置台１２上の被処理体（例えば半導体ウエハ）Ｗに対して、成膜処理やエッチング処理等の目的に応じた種々のプラズマ処理を行えるようになっている。
【００３０】
ここで、アンテナ２を構成する各アンテナ導波路５ａ，５ｂにおけるスロット６ａ，６ｂの寸法関係について説明する。図２において、まず各スロット６ａ，６ｂの幅Ｌは一般に、マイクロ波の管内波長をλとして、その半波長（λ／２）以下の長さに設定される。また、周方向に隣接したスロット６ａ，６ｂ同士の間隔Ｄは、管内波長λ以下の範囲内で任意に設定することができる。
【００３１】
このスロット間隔Ｄの設定は、（厳密には管内波長と真空中波長とで決まるが）おおよそ次の（１）〜（３）のように分類できる。
【００３２】
（１）スロット間隔Ｄを管内波長λに等しい長さに設定する。この場合は、マイクロ波が電磁波としてアンテナ２（各アンテナ導波路５ａ，５ｂ）の底面に垂直な方向へ放射される。
【００３３】
（２）スロット間隔Ｄを、管内波長λ未満で管内半波長（λ／２）より長い範囲に設定する。この場合は、マイクロ波が電磁波として主に、その進行方向と反対向きに、アンテナ２（各アンテナ導波路５ａ，５ｂ）の底面に対して鋭角の方向へ放射される。
【００３４】
（３）スロット間隔Ｄを管内半波長（λ／２）以下の長さに設定する。この場合は、マイクロ波は電磁波として放射されずに、エバネッセント電界を形成する。
【００３５】
〈作用効果〉
次に、このような構成よりなる本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態によれば、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ毎に、断面寸法やスロット６ａ，６ｂの寸法・間隔を調節することで、マイクロ波の強度を変えることができる。従って、アンテナ２から処理容器１内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定することが可能となる。このことにより、例えば処理容器１内でのプラズマ処理の均一性を著しく向上させることができる。
【００３６】
また、制御ゲート９ａ，９ｂによって対応するアンテナ導波路５ａ，５ｂの基端部７ａ，７ｂの開口寸法を変化させることで、当該アンテナ導波路５ａ，５ｂに分配されるマイクロ波の強度を調節することができる。従って、アンテナ２から処理容器１内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等の変化に応じて自由に変更することが可能となる。
【００３７】
なお、内側と外側の各アンテナ導波路５ａ，５ｂに分配されるマイクロ波の強度は、例えば５０：５０〜２５：７５のように、互いに同等ないしは外側の方が大きくなるように配分されるのが一般的である。これは、処理容器１内において、半径方向の単位長さに対する断面積が外側に行くほど大きくなることに対応させたものである。
【００３８】
〈変形例〉
本実施形態において、連結導波路４の終端部４ａがマイクロ波吸収体によって塞がれている場合について説明したが、当該終端部４ａを導電体で塞ぐようにしてもよい。その場合、連結導波路４内のマイクロ波は終端部４ａで反射して定在波を形成する。そこで、各アンテナ導波路に対して連結導波路４内でのマイクロ波の位相を調整するために、以下のような寸法の設定を行う。
【００３９】
すなわち、内側のアンテナ導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）における基端部７ａの中心位置（ゲート位置）を、連結導波路４の終端部４ａの中心位置から半径方向に〔管内半波長（λ／２）のｎ倍＋同４分の１波長（λ／４）；但しｎは０又は自然数（以下同様）〕とする。また、外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路）における基端部７ｂの中心位置を、内側のアンテナ導波路５ａの基端部７ａの中心位置から半径方向に〔管内半波長（λ／２）の自然数倍〕とする。
【００４０】
また、本実施形態において、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの終端部８ａ，８ｂが、それぞれマイクロ波吸収体によって塞がれている場合について説明したが、当該終端部８ａ，８ｂを、それぞれ導電体で塞ぐようにしてもよい。その場合、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ内のマイクロ波は、それぞれ終端部８ａ，８ｂで反射して定在波を形成する。そこで、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの長さを〔管内半波長（λ／２）のｎ倍＋同４分の１波長（λ／４）〕として、マイクロ波の位相を調整する。
【００４１】
［第２の実施形態］
次に、本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態において内側導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）の制御ゲート９ａを省略したものであり、その他の構成は図１及び図２に示す上記第１の実施形態と同様である。このため、本実施形態については図示を省略し、以下、図１（ａ）を参照して説明する。
【００４２】
本実施形態においても、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの終端部８ａ，８ｂは、それぞれマイクロ波吸収体で塞ぐ他、導電体で塞ぐこともできる。後者の場合、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ内のマイクロ波は、それぞれ終端部８ａ，８ｂで反射して定在波を形成する。そこで、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの長さを〔管内半波長（λ／２）のｎ倍＋同４分の１波長（λ／４）〕として、マイクロ波の位相を調整する。
【００４３】
また後者（導電体）の場合、外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目のアンテナ導波路）における基端部７ｂの中心位置（ゲート位置）を、内側のアンテナ導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）における基端部７ａの中心位置（ゲート位置）から半径方向に〔管内半波長（λ／２）の自然数倍〕とする。（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路について、隣接したアンテナ導波路同士における基端部の中心間距離（ゲート間距離）は、〔管内半波長（λ／２）の自然数倍）〕とする。）
本実施形態においては、制御ゲート９ｂによって外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路）の基端部７ｂの開口寸法を変化させることで、各アンテナ導波路５ａ，５ｂに分配されるマイクロ波の強度を調節することができる。この場合、内側のアンテナ導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）には、外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路）への分配分を引いた残りの強度のマイクロ波が分配される。
【００４４】
［第３の実施形態］
次に、図３により、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態のアンテナ２に代えて、図３に示すようなアンテナ２’を備えたものであり、その他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。
【００４５】
図３に示す本実施形態のアンテナ２’は、水平断面における輪郭が略四角形をなす（略環状の）アンテナ導波路５ａ’，５ｂ’を有したものである。そして、当該アンテナ２’のその他の構成も、上記第１の実施形態のアンテナ２と同様である。
【００４６】
なお、各アンテナ導波路５ａ’，５ｂ’の角部は、図３に示すような円弧形状に限らず、面取り状の直線形状であってもよい（その場合は、全体の輪郭は八角形に近くなる）。また、各アンテナ導波路の基本的な輪郭形状は、全体として略環状をなしていればよく、上記のような四角形に限らず、五角形以上の多角形であってもよい。
【００４７】
［第４の実施形態］
次に、図４により、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態のアンテナ２に代えて、図４に示すようなアンテナ２"を備えたものであり、その他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。
【００４８】
図４に示すように、本実施形態のアンテナ２"においては、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの上部に連結導波路４’が設けられている。この場合、連結導波路４’の底面（Ｅ面）に、各アンテナ導波路５ａ，５ｂに対応したスロット４０ａ，４０ｂがそれぞれ設けられている。そして、連結導波路４’から各スロット４０ａ，４０ｂを通じて、対応するアンテナ導波路５ａ，５ｂへマイクロ波が供給されるようになっている。なお、当該アンテナ２"のその他の構成は、上記第１の実施形態のアンテナ２と同様である。
【００４９】
［その他の実施形態］
以上の実施形態において、略同心状に配置されたアンテナ導波路同士の間が、導波管の壁面を介して直接隣接している場合について説明したが、当該アンテナ導波路同士の間に略同心状の空間を介在させるように構成してもよい。また、各アンテナ導波路内に導入されるマイクロ波の進行方向は、任意に定めることができ、上述した例に限られるものではない。
【００５０】
また、上記実施形態の全てにおいて、各アンテナ導波路に対応して複数のマイクロ波供給手段を設け、各々の供給手段から矩形導波管等を各アンテナ導波路に接続し、各々独立に電力を供給する構造としてもよい。
【００５１】
また、以上の実施形態において、載置台１２（図１（ｂ）参照）にＲＦバイアス印加手段を連結して、ＲＦバイアス電力を印加するように構成してもよい。また、処理容器１（図１（ｂ）参照）の周囲に磁界発生手段を設けて、マイクロ波電界と磁界との相互作用によるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）でプラズマを生成するように構成してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定することが可能となる。このことにより、例えば処理容器内でのプラズマ処理の均一性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第１の実施形態を模式的に示す図であって、（ａ）は同装置におけるアンテナ部分の水平断面図、（ｂ）は装置全体の縦断面図。
【図２】 図１（ｂ）に示すアンテナにおけるスロット部分を拡大して示す図。
【図３】 本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第３の実施形態を模式的に示す、アンテナ部分の水平断面図。
【図４】 本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第４の実施形態を模式的に示す図であって、（ａ）は連結導波路部分の水平断面図、（ｂ）はアンテナ部分の要部縦断面図。
【図５】 従来のマイクロ波プラズマ処理装置を示す模式的縦断面図。
【符号の説明】
１ 処理容器
２，２’，２" アンテナ
３ マイクロ波供給手段
４，４’ 連結導波路
４ａ 終端部
４０ａ，４０ｂ スロット
５ａ，５ａ’ 内側のアンテナ導波路
５ｂ，５ｂ’ 外側のアンテナ導波路
６ａ，６ｂ スロット
７ａ，７ｂ 基端部
８ａ，８ｂ 終端部
９ａ，９ｂ 制御ゲート（開口可変手段）
１０ マイクロ波透過窓
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナから導入されたマイクロ波によって処理容器内でプラズマを生成するように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置に係り、特にアンテナ部分の導波構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５には、従来のマイクロ波プラズマ処理装置の例が示されている。図５に示すマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波を透過可能な透過窓１０を有した処理容器１を備えている。この処理容器１の透過窓１０上には、マイクロ波アンテナ１０２が取り付けられている。
【０００３】
アンテナ１０２は、薄い円筒状の導波路をなしており、その底面に複数のスロット１０６が適当な分布で形成されている。また、アンテナ１０２の中央部には、同軸管１０４が接続されている。この同軸管１０４は、管内導体１０４ａと管外導体１０４ｂとから構成されている。そして、この同軸管１０４を通じて、図示しないマイクロ波供給手段からアンテナ１０２にマイクロ波が供給されるようになっている。
【０００４】
同軸管１０４を通じてアンテナ１０２へ供給されたマイクロ波は、アンテナ１０２の中央部から半径方向外側へ伝播しつつ、スロット１０６から下方へ放射される。なお、マイクロ波がアンテナ１０２の外周部で反射されて戻ってくる場合は、半径方向の外側と内側へそれぞれ進行するマイクロ波同士が干渉し合って、定在波が生成される。
【０００５】
また、図５に示すマイクロ波プラズマ処理装置は、処理容器１の底部上に設けられた載置台１２を備えている。この載置台１２の周囲に対応した処理容器１底部には、当該処理容器１内を真空引きするための排気口１３が形成されている。また、処理容器１上部の適当な位置に、処理ガス等を導入するための導入管１４が設けられている。
【０００６】
そして、このマイクロ波プラズマ処理装置は、所定の真空度にされた処理容器１内において、アンテナ１０２（のスロット１０６）から導入されたマイクロ波によって、処理ガスのプラズマを生成するように構成されている。そして、生成されたプラズマによって、載置台１２上の被処理体Ｗ（例えば半導体ウエハやＬＣＤ基板等）に対して、成膜処理やエッチング処理等の目的に応じた種々のプラズマ処理を行えるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなマイクロ波プラズマ処理装置には、以下のような問題点がある。すなわち、アンテナ１０２内をマイクロ波が半径方向に伝播する構造上、アンテナ１０２から処理容器１内に導入されるマイクロ波の半径方向の分布が一定になりにくい。このため、処理容器１内での被処理体Ｗに対するプラズマ処理の均一性が低下するという問題がある。
【０００８】
しかも、処理条件等によっては、単純にアンテナ１０２における半径方向のマイクロ波強度を均一にしようとすることが、被処理体Ｗに対するプラズマ処理の均一性を向上させる上で最良ではない場合もあり得る。そのような場合は、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定できるようにすることが必要となる。
【０００９】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定できるようなマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の手段は、処理容器と、この処理容器内にマイクロ波を導入するためのアンテナと、このアンテナにマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段と、このマイクロ波供給手段と前記アンテナとを連結する連結導波路とを備え、前記処理容器内において、前記アンテナから導入されたマイクロ波によってプラズマを生成するように構成されると共に、前記アンテナは、略同心状に配置された２つの略環状のアンテナ導波路を有し、各アンテナ導波路は、一面に複数のスロットが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、基端部および終端部を有し、その基端部が前記連結導波路に接続され、その終端部がマイクロ波吸収体によって塞がれ、前記連結導波路からのマイクロ波は、各アンテナ導波路毎に分配して供給され、前記２つのアンテナ導波路のうち、一方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って一方の方向に伝播し、他方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って前記一方のアンテナ導波路内のマイクロ波と逆の他方の方向に伝播する、ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置である。
【００１１】
第２の手段は、マイクロ波を透過可能な上面を有する処理容器と、この処理容器の上面上に取り付けられたアンテナと、このアンテナにマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段と、このマイクロ波供給手段と前記アンテナとを連結する連結導波路とを備え、前記処理容器内において、前記アンテナから導入されたマイクロ波によってプラズマを生成するように構成されると共に、前記アンテナは、略同心状に配置された２つの略環状のアンテナ導波路を有し、各アンテナ導波路は、底面に複数のスロットが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、基端部および終端部を有し、その基端部が前記連結導波路に接続され、その終端部がマイクロ波吸収体によって塞がれ、前記連結導波路からのマイクロ波は、各アンテナ導波路毎に分配して供給され、前記２つのアンテナ導波路のうち、一方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って一方の方向に伝播し、他方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って前記一方のアンテナ導波路内のマイクロ波と逆の他方の方向に伝播する、ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置である。
【００１２】
これらの第１および第２の手段によれば、各アンテナ導波路毎に、断面寸法やスロットの寸法・間隔を調節することで、マイクロ波の強度を変えることができる。従って、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定することが可能となる。
【００１３】
第３の手段は、第１又は第２の手段において、前記アンテナにおける少なくとも一部の前記アンテナ導波路は、その基端部に開口寸法を変化させるための開口可変手段が設けられているものである。
【００１４】
この第３の手段によれば、第１又は第２の手段において、開口可変手段によって対応するアンテナ導波路の基端部の開口寸法を変化させることで、当該アンテナ導波路に分配されるマイクロ波の強度を調節することができる。従って、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等の変化に応じて自由に変更することが可能となる。
【００１５】
第４の手段は、第１乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記アンテナにおいて、各アンテナ導波路の終端部は導電体によって塞がれているものである。
【００１６】
第５の手段は、第１乃至第３の手段のいずれかにおいて、前記アンテナにおいて、各アンテナ導波路の終端部はマイクロ波吸収体によって塞がれているものである。
【００１７】
第６の手段は、第１乃至第５の手段のいずれかにおいて、前記連結導波路は、各アンテナ導波路に対して略半径方向に、最も内側の前記アンテナ導波路の基端部まで延びているものである。
【００１８】
第７の手段は、第６の手段において、前記連結導波路の終端部は導電体によって塞がれているものである。
【００１９】
第８の手段は、第６の手段において、前記連結導波路の終端部はマイクロ波吸収体によって塞がれているものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図４は本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の実施形態を示す図である。なお、図１乃至図４に示す本発明の実施形態において、図５に示す従来例と同一の構成部分には同一符号を付して説明する。
【００２１】
［第１の実施形態］
まず、図１及び図２により、本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第１の実施形態について説明する。
【００２２】
〈構 成〉
図１（ｂ）において、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置は、略円筒形の金属製の処理容器１を備えている。この処理容器１の上面には、マイクロ波を透過可能な、例えば石英ガラス等の誘電体からなる透過窓１０が設けられている。また、処理容器１の透過窓１０上には、マイクロ波アンテナ２が取り付けられている。
【００２３】
また、このプラズマ処理装置は、アンテナ２にマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段３と、このマイクロ波供給手段３とアンテナ２とを連結する連結導波路４とを備えている。マイクロ波供給手段３は例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するマイクロ波発振器等によって構成されている。また、連結導波路４は例えば、１本の矩形導波管によって構成されている。
【００２４】
上記アンテナ２は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、略同心状に配置された２つの環状のアンテナ導波路５ａ，５ｂを有している。なお、以下の実施形態において、このような２つの略環状のアンテナ導波路を略同心状に配置した２重構造のアンテナを用いる場合について説明するが、これに限らず、３つ以上の略環状のアンテナ導波路を略同心状に配置した多重構造のアンテナを用いてもよい（以下、アンテナ導波路が３つ以上の場合の記述を※印で表す）。
【００２５】
各アンテナ導波路５ａ，５ｂは、底面（Ｈ面）に複数のスロット６ａ，６ｂが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、その基端部７ａ，７ｂが連結導波路４に接続されている。この場合、連結導波路４は、各アンテナ導波路５ａ，５ｂに対して略半径方向に、最も内側のアンテナ導波路５ａの基端部７ａまで延びている。この連結導波路４の終端部４ａは、マイクロ波吸収体によって塞がれている。
【００２６】
なお、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの終端部８ａ，８ｂも、連結導波路４の側面部分において、それぞれマイクロ波吸収体によって塞がれている。また、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの基端部７ａ，７ｂには、開口寸法可変の制御ゲート（開口可変手段）９ａ，９ｂが設けられている。
【００２７】
また、図１（ｂ）に示すように、このプラズマ処理装置は、処理容器１の底部上に設けられた載置台１２を備えている。この載置台１２の周囲に対応した処理容器１底部には、当該処理容器１内を真空引きするための排気口１３が形成されている。また、処理容器１上部の適当な位置に、処理ガス等を導入するための導入管１４が設けられている。
【００２８】
ここで、マイクロ波供給手段３から連結導波管４を通じてアンテナ２へ供給されたマイクロ波は、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの基端部７ａ，７ｂから制御ゲート９ａ，９ｂの開口を通じて導入される。導入されたマイクロ波は、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ内をそれぞれ（時計回りと反時計回りで）周方向に伝播しつつ、各スロット６ａ，６ｂから下方へ放射される（又はエバネッセント電界として漏出する）。
【００２９】
そして、このマイクロ波プラズマ処理装置は、所定の真空度にされた処理容器１内において、アンテナ２（のスロット６ａ，６ｂ）から導入されたマイクロ波によって、処理ガスのプラズマを生成するように構成されている。そして、生成されたプラズマによって、載置台１２上の被処理体（例えば半導体ウエハ）Ｗに対して、成膜処理やエッチング処理等の目的に応じた種々のプラズマ処理を行えるようになっている。
【００３０】
ここで、アンテナ２を構成する各アンテナ導波路５ａ，５ｂにおけるスロット６ａ，６ｂの寸法関係について説明する。図２において、まず各スロット６ａ，６ｂの幅Ｌは一般に、マイクロ波の管内波長をλとして、その半波長（λ／２）以下の長さに設定される。また、周方向に隣接したスロット６ａ，６ｂ同士の間隔Ｄは、管内波長λ以下の範囲内で任意に設定することができる。
【００３１】
このスロット間隔Ｄの設定は、（厳密には管内波長と真空中波長とで決まるが）おおよそ次の（１）〜（３）のように分類できる。
【００３２】
（１）スロット間隔Ｄを管内波長λに等しい長さに設定する。この場合は、マイクロ波が電磁波としてアンテナ２（各アンテナ導波路５ａ，５ｂ）の底面に垂直な方向へ放射される。
【００３３】
（２）スロット間隔Ｄを、管内波長λ未満で管内半波長（λ／２）より長い範囲に設定する。この場合は、マイクロ波が電磁波として主に、その進行方向と反対向きに、アンテナ２（各アンテナ導波路５ａ，５ｂ）の底面に対して鋭角の方向へ放射される。
【００３４】
（３）スロット間隔Ｄを管内半波長（λ／２）以下の長さに設定する。この場合は、マイクロ波は電磁波として放射されずに、エバネッセント電界を形成する。
【００３５】
〈作用効果〉
次に、このような構成よりなる本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態によれば、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ毎に、断面寸法やスロット６ａ，６ｂの寸法・間隔を調節することで、マイクロ波の強度を変えることができる。従って、アンテナ２から処理容器１内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定することが可能となる。このことにより、例えば処理容器１内でのプラズマ処理の均一性を著しく向上させることができる。
【００３６】
また、制御ゲート９ａ，９ｂによって対応するアンテナ導波路５ａ，５ｂの基端部７ａ，７ｂの開口寸法を変化させることで、当該アンテナ導波路５ａ，５ｂに分配されるマイクロ波の強度を調節することができる。従って、アンテナ２から処理容器１内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等の変化に応じて自由に変更することが可能となる。
【００３７】
なお、内側と外側の各アンテナ導波路５ａ，５ｂに分配されるマイクロ波の強度は、例えば５０：５０〜２５：７５のように、互いに同等ないしは外側の方が大きくなるように配分されるのが一般的である。これは、処理容器１内において、半径方向の単位長さに対する断面積が外側に行くほど大きくなることに対応させたものである。
【００３８】
〈変形例〉
本実施形態において、連結導波路４の終端部４ａがマイクロ波吸収体によって塞がれている場合について説明したが、当該終端部４ａを導電体で塞ぐようにしてもよい。その場合、連結導波路４内のマイクロ波は終端部４ａで反射して定在波を形成する。そこで、各アンテナ導波路に対して連結導波路４内でのマイクロ波の位相を調整するために、以下のような寸法の設定を行う。
【００３９】
すなわち、内側のアンテナ導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）における基端部７ａの中心位置（ゲート位置）を、連結導波路４の終端部４ａの中心位置から半径方向に〔管内半波長（λ／２）のｎ倍＋同４分の１波長（λ／４）；但しｎは０又は自然数（以下同様）〕とする。また、外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路）における基端部７ｂの中心位置を、内側のアンテナ導波路５ａの基端部７ａの中心位置から半径方向に〔管内半波長（λ／２）の自然数倍〕とする。
【００４０】
また、本実施形態において、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの終端部８ａ，８ｂが、それぞれマイクロ波吸収体によって塞がれている場合について説明したが、当該終端部８ａ，８ｂを、それぞれ導電体で塞ぐようにしてもよい。その場合、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ内のマイクロ波は、それぞれ終端部８ａ，８ｂで反射して定在波を形成する。そこで、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの長さを〔管内半波長（λ／２）のｎ倍＋同４分の１波長（λ／４）〕として、マイクロ波の位相を調整する。
【００４１】
［第２の実施形態］
次に、本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態において内側導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）の制御ゲート９ａを省略したものであり、その他の構成は図１及び図２に示す上記第１の実施形態と同様である。このため、本実施形態については図示を省略し、以下、図１（ａ）を参照して説明する。
【００４２】
本実施形態においても、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの終端部８ａ，８ｂは、それぞれマイクロ波吸収体で塞ぐ他、導電体で塞ぐこともできる。後者の場合、各アンテナ導波路５ａ，５ｂ内のマイクロ波は、それぞれ終端部８ａ，８ｂで反射して定在波を形成する。そこで、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの長さを〔管内半波長（λ／２）のｎ倍＋同４分の１波長（λ／４）〕として、マイクロ波の位相を調整する。
【００４３】
また後者（導電体）の場合、外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目のアンテナ導波路）における基端部７ｂの中心位置（ゲート位置）を、内側のアンテナ導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）における基端部７ａの中心位置（ゲート位置）から半径方向に〔管内半波長（λ／２）の自然数倍〕とする。（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路について、隣接したアンテナ導波路同士における基端部の中心間距離（ゲート間距離）は、〔管内半波長（λ／２）の自然数倍）〕とする。）
本実施形態においては、制御ゲート９ｂによって外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路）の基端部７ｂの開口寸法を変化させることで、各アンテナ導波路５ａ，５ｂに分配されるマイクロ波の強度を調節することができる。この場合、内側のアンテナ導波路５ａ（※最も内側のアンテナ導波路）には、外側のアンテナ導波路５ｂ（※内側から２つ目以降のアンテナ導波路）への分配分を引いた残りの強度のマイクロ波が分配される。
【００４４】
［第３の実施形態］
次に、図３により、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態のアンテナ２に代えて、図３に示すようなアンテナ２’を備えたものであり、その他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。
【００４５】
図３に示す本実施形態のアンテナ２’は、水平断面における輪郭が略四角形をなす（略環状の）アンテナ導波路５ａ’，５ｂ’を有したものである。そして、当該アンテナ２’のその他の構成も、上記第１の実施形態のアンテナ２と同様である。
【００４６】
なお、各アンテナ導波路５ａ’，５ｂ’の角部は、図３に示すような円弧形状に限らず、面取り状の直線形状であってもよい（その場合は、全体の輪郭は八角形に近くなる）。また、各アンテナ導波路の基本的な輪郭形状は、全体として略環状をなしていればよく、上記のような四角形に限らず、五角形以上の多角形であってもよい。
【００４７】
［第４の実施形態］
次に、図４により、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１の実施形態のアンテナ２に代えて、図４に示すようなアンテナ２"を備えたものであり、その他の構成は、上記第１の実施形態と同様である。
【００４８】
図４に示すように、本実施形態のアンテナ２"においては、各アンテナ導波路５ａ，５ｂの上部に連結導波路４’が設けられている。この場合、連結導波路４’の底面（Ｅ面）に、各アンテナ導波路５ａ，５ｂに対応したスロット４０ａ，４０ｂがそれぞれ設けられている。そして、連結導波路４’から各スロット４０ａ，４０ｂを通じて、対応するアンテナ導波路５ａ，５ｂへマイクロ波が供給されるようになっている。なお、当該アンテナ２"のその他の構成は、上記第１の実施形態のアンテナ２と同様である。
【００４９】
［その他の実施形態］
以上の実施形態において、略同心状に配置されたアンテナ導波路同士の間が、導波管の壁面を介して直接隣接している場合について説明したが、当該アンテナ導波路同士の間に略同心状の空間を介在させるように構成してもよい。また、各アンテナ導波路内に導入されるマイクロ波の進行方向は、任意に定めることができ、上述した例に限られるものではない。
【００５０】
また、上記実施形態の全てにおいて、各アンテナ導波路に対応して複数のマイクロ波供給手段を設け、各々の供給手段から矩形導波管等を各アンテナ導波路に接続し、各々独立に電力を供給する構造としてもよい。
【００５１】
また、以上の実施形態において、載置台１２（図１（ｂ）参照）にＲＦバイアス印加手段を連結して、ＲＦバイアス電力を印加するように構成してもよい。また、処理容器１（図１（ｂ）参照）の周囲に磁界発生手段を設けて、マイクロ波電界と磁界との相互作用によるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）でプラズマを生成するように構成してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アンテナから処理容器内に導入されるマイクロ波の径方向の分布を、処理条件等に応じて最適に設定することが可能となる。このことにより、例えば処理容器内でのプラズマ処理の均一性を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第１の実施形態を模式的に示す図であって、（ａ）は同装置におけるアンテナ部分の水平断面図、（ｂ）は装置全体の縦断面図。
【図２】 図１（ｂ）に示すアンテナにおけるスロット部分を拡大して示す図。
【図３】 本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第３の実施形態を模式的に示す、アンテナ部分の水平断面図。
【図４】 本発明によるマイクロ波プラズマ処理装置の第４の実施形態を模式的に示す図であって、（ａ）は連結導波路部分の水平断面図、（ｂ）はアンテナ部分の要部縦断面図。
【図５】 従来のマイクロ波プラズマ処理装置を示す模式的縦断面図。
【符号の説明】
１ 処理容器
２，２’，２" アンテナ
３ マイクロ波供給手段
４，４’ 連結導波路
４ａ 終端部
４０ａ，４０ｂ スロット
５ａ，５ａ’ 内側のアンテナ導波路
５ｂ，５ｂ’ 外側のアンテナ導波路
６ａ，６ｂ スロット
７ａ，７ｂ 基端部
８ａ，８ｂ 終端部
９ａ，９ｂ 制御ゲート（開口可変手段）
１０ マイクロ波透過窓
Claims (6)
- 処理容器と、
この処理容器内にマイクロ波を導入するためのアンテナと、
このアンテナにマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段と、
このマイクロ波供給手段と前記アンテナとを連結する連結導波路と
を備え、前記処理容器内において、前記アンテナから導入されたマイクロ波によってプラズマを生成するように構成されると共に、
前記アンテナは、略同心状に配置された２つの略環状のアンテナ導波路を有し、
各アンテナ導波路は、一面に複数のスロットが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、基端部および終端部を有し、その基端部が前記連結導波路に接続され、その終端部がマイクロ波吸収体によって塞がれ、
前記連結導波路からのマイクロ波は、各アンテナ導波路毎に分配して供給され、前記２つのアンテナ導波路のうち、一方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って一方の方向に伝播し、他方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って前記一方のアンテナ導波路内のマイクロ波と逆の他方の方向に伝播する、ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - マイクロ波を透過可能な上面を有する処理容器と、
この処理容器の上面上に取り付けられたアンテナと、
このアンテナにマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段と、
このマイクロ波供給手段と前記アンテナとを連結する連結導波路と
を備え、前記処理容器内において、前記アンテナから導入されたマイクロ波によってプラズマを生成するように構成されると共に、
前記アンテナは、略同心状に配置された２つの略環状のアンテナ導波路を有し、
各アンテナ導波路は、底面に複数のスロットが間隔を置いて形成された矩形導波管によって構成されると共に、基端部および終端部を有し、その基端部が前記連結導波路に接続され、その終端部がマイクロ波吸収体によって塞がれ、
前記連結導波路からのマイクロ波は、各アンテナ導波路毎に分配して供給され、前記２つのアンテナ導波路のうち、一方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って一方の方向に伝播し、他方のアンテナ導波路に分配されたマイクロ波は、当該アンテナ導波路の基端部から終端部に向けて周方向に沿って前記一方のアンテナ導波路内のマイクロ波と逆の他方の方向に伝播する、ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記アンテナにおける少なくとも一部の前記アンテナ導波路は、その基端部に開口寸法を変化させるための開口可変手段が設けられている、ことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 前記連結導波路は、各アンテナ導波路に対して略半径方向に、最も内側の前記アンテナ導波路の基端部まで延びている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 前記２つのアンテナ導波路のうち、外側のアンテナ導波路に分配されるマイクロ波の強度は、内側のアンテナ導波路に分配されるマイクロ波の強度と互いに同等ないしは大きくなるように配分される、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 内側のアンテナ導波路に分配されるマイクロ波の強度と外側のアンテナ導波路に分配されるマイクロ波の強度は、５０：５０〜２５：７５の比率で配分される、ことを特徴とする請求項５記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
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