JP4588329B2

JP4588329B2 - プラズマ発生装置およびリモートプラズマ処理装置

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Publication number: JP4588329B2
Application number: JP2004018012A
Authority: JP
Inventors: 河西　　繁
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: WO2004073363A1; JP2004266268A

Description

本発明は、マイクロ波によって所定の処理ガスを励起するプラズマ発生装置および励起された処理ガスによって被処理体を処理するリモートプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、半導体ウエハやガラス基板等の被処理基板にエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施すために、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置等のプラズマ処理装置が用いられている。

リモートプラズマ処理装置におけるプラズマの発生方法として、内部に処理ガスが流れる誘電体材料からなるプラズマチューブと、このプラズマチューブと直交するように配置された導波管と、前記プラズマチューブのうち導波管の内部にあってマイクロ波に曝される部分（以下「ガス励起部」という）にスパイラル状に巻き付けられたクーラントチューブと、を有するリモートプラズマアプリケータが知られている（例えば、特許文献１参照）。このリモートプラズマアプリケータにおいては、プラズマチューブのガス励起部が発熱するために、クーラントチューブに冷媒（クーラント）を循環させている。

しかし、このようなリモートプラズマアプリケータにおいては、処理ガスの励起がプラズマチューブ内の一部でしか行われず、しかも、ガス励起部に取り付けるクーラントチューブがマイクロ波のプラズマチューブ内への導波を妨げるために、プラズマの励起効率を高めることが難しいという問題がある。ここで、ガス励起部におけるクーラントチューブの巻き数を少なくすると、プラズマの励起効率は高められるが、ガス励起部を十分に冷却することができずにクーラントチューブが破損する問題を生ずる。

また、このようなリモートプラズマアプリケータは、プラズマチューブと導波管とを直交させる構造となっているために、スペース効率が悪く、装置全体が大型化する問題がある。
特開平９−２１９２９５号公報（第１図、第１１〜２５段落）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、プラズマの励起効率が高いプラズマ発生装置を提供することを目的とする。また本発明はスペース効率の高い小型化されたプラズマ発生装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、このようなプラズマ発生装置を備えたリモートプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を放射するアンテナと、
内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端に前記アンテナが取り付けられ、前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、
誘電体材料からなり、その一方の面から前記アンテナが挿入されて前記アンテナを保持し、前記アンテナから放射されたマイクロ波による定在波が形成されるとともに、前記一方の面に対向する他方の面からマイクロ波が放射され、前記一方の面と前記他方の面とで厚さが規定される共振器と、
前記共振器が配置される開口面を有し、前記アンテナから前記共振器を通して放射されたマイクロ波が導かれ、かつ所定の処理ガスが供給され、前記マイクロ波によって前記処理ガスが励起されるプラズマ励起用のチャンバと、
を具備し、
前記アンテナは、モノポールアンテナであり、かつその長さ方向を前記共振器の厚さ方向に一致させた状態で前記共振器に埋設され、
前記マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長をλａ、前記共振器の比誘電率をεｒ、前記波長λａを前記比誘電率εｒの平方根で除して得られる前記共振器内のマイクロ波の波長をλｇ（＝λａ／εｒ^１／２）としたときに、
前記モノポールアンテナの前記共振器に埋設された長さは、前記波長λｇの２３％〜２６％であり、かつ、前記共振器は前記波長λｇの５０％〜７０％の厚さを有することを特徴とするプラズマ発生装置、が提供される。

アンテナが１本の場合には、マイクロ波発生装置として、マイクロ波電源と、このマイクロ波電源から出力されたマイクロ波の出力を調整するアンプと、アンプから出力された後にアンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータと、を有するものが好適に用いられる。これに対し、プラズマ発生装置に同軸導波管とアンテナを複数組設けてもよい。この場合には、マイクロ波発生装置として、マイクロ波電源と、このマイクロ波電源で発生させたマイクロ波をこの同軸導波管とアンテナの組数に分配する分配器と、分配器から出力された各マイクロ波の出力を調整する複数のアンプと、これら複数のアンプから出力された各マイクロ波のうち複数のアンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収する複数のアイソレータと、を有しているものを用いることが好ましい。

共振器としては、石英系材料、単結晶アルミナ系材料、多結晶アルミナ系材料、窒化アルミニウム系材料が好適に用いられる。チャンバの内面には、チャンバの腐食を防止するために、石英系材料または単結晶アルミナ系材料または多結晶アルミナ系材料からなる腐食防止部材を装着することが好ましい。

チャンバは、チャンバを構成する部材の内部に冷媒を流すことによって冷却可能なジャケット構造とすることが好ましい。これによりチャンバの冷却を容易に行うことができる。また、チャンバとしては、その一端面が前記開口面となっている有底筒状部材が好適に用いられる。この場合において、有底筒状部材の底壁にマイクロ波によって励起されたガスをチャンバから外部へ放出する排気口を形成し、有底筒状部材の側壁の開口面側近傍に処理ガスを内部空間に放出するガス放出口を形成すると、処理ガスを効率よくマイクロ波によって励起することができる。

ところで、プラズマ発生装置においては、プラズマが着火する前はインピーダンスが大きいためにマイクロ波の全反射が起こることがある。このため、複数のアンテナを備えたプラズマ発生装置の場合には、全てのアンテナからマイクロ波を放射させてプラズマを発生させようとすると、複数のアンテナから放射されたマイクロ波が合成された高出力のマイクロ波が個々のアンテナに戻ってくることとなる。そこで、個々のアンテナにはこのような高出力マイクロ波からアンプを保護するためにアイソレータを構成するサーキュレータとダミーロードを大型化する必要があるという新たな問題が生ずる。

また、本発明によれば、所定の処理ガスをマイクロ波によって励起するプラズマ発生装置と、
基板を収容し、前記プラズマ発生装置において前記処理ガスを励起させることにより発生させた励起ガスにより、前記基板に所定の処理を施す基板処理チャンバと、
を具備し、
前記プラズマ発生装置は、
所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を放射するアンテナと、
内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端に前記アンテナが取り付けられ、前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、
誘電体材料からなり、その一方の面から前記アンテナが挿入されて前記アンテナを保持し、前記アンテナから放射されたマイクロ波による定在波が形成されるとともに、前記一方の面に対向する他方の面からマイクロ波が放射され、前記一方の面と前記他方の面とで厚さが規定される共振器と、
前記共振器が配置される開口面を有し、前記アンテナから前記共振器を通して放射されたマイクロ波が導かれ、かつ所定の処理ガスが供給され、前記マイクロ波によって前記処理ガスが励起されるプラズマ励起用のチャンバと、
を有し、
前記アンテナはモノポールアンテナであり、かつその長さ方向を前記共振器の厚さ方向に一致させた状態で前記共振器に埋設され、
前記マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長をλａ、前記共振器の比誘電率をεｒ、前記波長λａを前記比誘電率εｒの平方根で除して得られる前記共振器内のマイクロ波の波長をλｇ（＝λａ／εｒ^１／２）としたときに、
前記モノポールアンテナの前記共振器に埋設された長さは、前記波長λｇの２３％〜２６％であり、かつ、前記共振器は前記波長λｇの５０％〜７０％の厚さを有することを特徴とするリモートプラズマ処理装置、が提供される。

本発明のプラズマ発生装置では、マイクロ波の伝達効率と放射効率が高く、共振器から放射されたマイクロ波は障害物を通過することなくチャンバの内部空間の全体で処理ガスを励起することができるために、処理ガスの励起効率を高めることができる。これにより、プラズマ発生装置全体を小型化することができる。また、このような高効率化により、使用する処理ガスの量を低減することができるため、ランニングコストを低下させることができる。さらに、アンテナと共振器の寸法設定を適切に行うことによって共振器に定在波が立ちやすくなり、これによってマイクロ波を共振器からチャンバに均一に放射させて安定したプラズマを発生させることができる。

また、アンテナを複数具備する場合には、アンプ等として小型のものを使用することができる利点があり、一部のアンテナを用いてプラズマ着火を行うことにより、反射マイクロ波によるアンプの損傷を小型のアイソレータで防止することができる。さらに本発明のリモートプラズマ処理装置では、プラズマ発生装置が小型化されることによってリモートプラズマ処理装置のスペースユーティリティの自由度が高められるために、リモートプラズマ処理装置全体を小さくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、プラズマ発生装置１００の概略構造を示す断面図である。プラズマ発生装置１００は、大略的に、マイクロ波発生装置１０と、内管２０ａと外管２０ｂとからなる同軸導波管２０と、内管２０ａの先端に取り付けられたモノポールアンテナ２１と、共振器２２と、チャンバ２３とを有している。

マイクロ波発生装置１０は、例えば、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波電源１１と、マイクロ波電源１１において発生させたマイクロ波を所定の出力に調整するアンプ１２と、アンプ１２から出力されたマイクロ波のうちアンプ１２へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータ１３と、同軸導波管２０に取り付けられたスラグチューナ１４ａ・１４ｂと、を有している。同軸導波管２０の一端はアイソレータ１３に取り付けられている。

アイソレータ１３は、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有しており、サーキュレータは、モノポールアンテナ２１からアンプ１２へ向けて逆行しようとするマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれたマイクロ波を熱に変換する。

同軸導波管２０の外管２０ｂには長さ方向にスリット３１ａ・３１ｂが形成されている。スラグチューナ１４ａはスリット３１ａに嵌挿されたレバー３２ａと接続され、レバー３２ａはプーリー３３ａとモータ３４ａとの間に懸架されたベルト３５ａの一部に固定されている。同様に、スラグチューナ１４ｂはスリット３１ｂに嵌挿されたレバー３２ｂと接続され、レバー３２ｂはプーリー３３ｂとモータ３４ｂとの間に懸架されたベルト３５ｂの一部に固定されている。

モータ３４ａを駆動することによってスラグチューナ１４ａを同軸導波管２０の長さ方向にスライドさせることができ、モータ３４ｂを駆動することによってスラグチューナ１４ｂを同軸導波管２０の長さ方向にスライドさせることができる。このようにスラグチューナ１４ａ・１４ｂの位置を独立して調節することによって、モノポールアンテナ２１に対するインピーダンス整合を行うことができ、これによってモノポールアンテナ２１で反射されるマイクロ波を少なくすることができる。スリット３１ａ・３１ｂからマイクロ波が漏れないように、スリット３１ａ・３１ｂは図示しないベルトシール機構等によってシールされている。

なお、スラグチューナ１４ａ・１４ｂの厚さは、マイクロ波発生装置１０で発生するマイクロ波の波長をλａ、スラグチューナ１４ａ・１４ｂを構成する材料の比誘電率をεｒ_１、波長λａを比誘電率εｒ_１の平方根（εｒ_１ ^１／２）で除して得られる波長λｇ_１（＝λａ／εｒ_１ ^１／２、つまりスラグチューナ１４ａ・１４ｂ内でのマイクロ波の波長）としたときに、波長λｇ_１の約２５％（１／４波長）となるようにする。

内管２０ａの一端に取り付けられたモノポールアンテナ２１は、ロッド形状（柱状）を有し、このモノポールアンテナ２１は共振器２２に埋設されて保持されている。共振器２２はカバー２４に保持されており、後述するように、カバー２４をチャンバ２３に取り付けた際にチャンバ２３の開口面（上面）を閉塞する。

モノポールアンテナ２１から放射されたマイクロ波によって共振器２２に定在波を立たせる。これにより、チャンバ２３に均一にマイクロ波が放射されるようになる。同軸導波管２０の外管２０ｂと接続され、共振器２２の上面および側面を覆うカバー２４は金属材料で構成されており、共振器２２の上面および側面から外部にマイクロ波が放射されることを防止する。なお、共振器２２は、その内部に定在波が立つことによって発熱する。そこで共振器２２の温度上昇を抑えるために、カバー２４には冷媒（例えば、冷却水）を循環させる冷媒流路２５が設けられている。なお、冷媒は図示しない冷却循環装置を用いて循環させて使用することができる。

共振器２２には誘電体材料が用いられ、チャンバ２３において生成する励起ガスに対する耐食性に優れた材料が好適に用いられる。例えば、石英系材料（石英、溶融石英、石英ガラス等）、単結晶アルミナ系材料（サファイア、アルミナガラス等）、多結晶アルミナ系材料、窒化アルミニウム系材料が挙げられる。

マイクロ波発生装置１０で発生するマイクロ波の波長をλａ、共振器２２の比誘電率をεｒ_２、波長λａを比誘電率εｒ_２の平方根（εｒ_２ ^１／２）で除して得られる波長λｇ_２（＝λａ／εｒ_２ ^１／２、つまり共振器２２内でのマイクロ波の波長）としたときに、共振器２２にマイクロ波の定在波が立ち易くなるように、モノポールアンテナ２１の長さ（高さ）Ｈは、波長λｇ_２の２５％（１／４波長）とし、かつ、共振器２２の厚さ（Ｄ１）をこの波長λｇ_２の５０％（１／２波長）とする。

これは、概略、以下の理由による。つまり、モノポールアンテナ２１の長さがλｇ_２／４の場合にはモノポールアンテナ２１の先端に最大強度の電界が発生する。このとき共振器２２の厚さをλｇ_２／２とすると、共振器２２の下面（チャンバ２３側の面）とチャンバ２３との境界で電界強度がゼロ（０）となり、共振器２２の誘電率と真空の誘電率とが異なっていても、マイクロ波の反射が起こらない。一方、磁界強度がこの境界面において最大となるが、共振器２２の透磁率が真空の透磁率と同じであれば、やはりマイクロ波の反射は起こらない。ここで、共振器２２に用いられる石英系材料、単結晶アルミナ材料、多結晶アルミナ材料、窒化アルミニウム系材料は非磁性体であるので、その比透磁率はほぼ１．０となり、真空の透磁率と同じである。これによって、マイクロ波を効率よくチャンバ２３に放射することができる。

チャンバ２３は有底円筒型の形状を有しており、通常、ステンレス、アルミニウム等の金属材料から構成される。カバー２４をチャンバ２３の上面に取り付けることによって、チャンバ２３の上面開口部は共振器２２によって閉塞される。なお、図１中の符号２９はシールリングである。チャンバ２３の側壁の上面近傍には、図示しないガス供給装置から送られてくる所定の処理ガス（例えば、Ｎ_２、Ａｒ、ＮＦ_３等）をチャンバ２３の内部空間に放出するためのガス放出口２６が形成されている。

ガス放出口２６からチャンバ２３の内部空間に放出された処理ガスは、モノポールアンテナ２１から共振器２２を通してチャンバ２３の内部空間に放射されたマイクロ波によって励起され、プラズマが発生する。こうして発生した励起ガスは、チャンバ２３の底壁に設けられた排気口２３ａから外部（例えば、基板が収容された処理チャンバ等）へ放出される。

処理ガスがマイクロ波によって励起される際の発熱によってチャンバ２３の温度が上昇することを抑制するために、チャンバ２３はカバー２４と同様に、内部に冷媒を流す冷媒流路２８が形成され、冷却可能なジャケット構造となっている。チャンバ２３の内面には、励起ガスによる腐食を防止するために、石英系材料または単結晶アルミナ系材料または多結晶アルミナ系材料からなる腐食防止部材２７が装着されている。

このような構成を有するプラズマ発生装置１００では、最初に、カバー２４とチャンバ２３に冷却水を流して、共振器２２やチャンバ２３が過度に温度上昇しないようにする。次に、マイクロ波発生装置１０を駆動して、所定の周波数のマイクロ波をマイクロ波電源１１で発生させた後に、アンプ１２でこのマイクロ波を所定の出力に増幅する。アンプ１２によって所定の出力に調整されたマイクロ波は、アイソレータ１３と同軸導波管２０を通してモノポールアンテナ２１に送られる。このとき、スラグチューナ１４ａ・１４ｂを駆動して、モノポールアンテナ２１からの反射マイクロ波が少なくなるように、インピーダンスの整合を行う。

モノポールアンテナ２１から放射されたマイクロ波によって共振器２２の内部に定在波が立つ。これによって共振器２２からチャンバ２３の内部に均一にマイクロ波が放射される。この状態においてチャンバ２３に処理ガスを供給すると、処理ガスがマイクロ波によって励起されてプラズマが生ずる。こうして生成した励起ガスは、排気口２３ａから、例えば基板等の被処理体が収容されたチャンバ（図示せず）に送られる。

図２は、共振器２２の厚さ（Ｄ）とプラズマの発生状態との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。ここで、マイクロ波発生装置１０において発生させるマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚ（つまり波長λａは約１２２ｍｍ）としている。また、共振器２２として水晶からなるものを用いるものとする。水晶の比誘電率εｒは約３．７５であるから、共振器２２内でのマイクロ波の波長λｇ_２は、約６３．００ｍｍとなる。モノポールアンテナ２１の長さは約λｇ_２／４（＝１５．７５ｍｍ）とした。

図２（ｃ）は共振器２２の厚さＤを約λｇ_２／２にした場合である。無限の平行平板では共振器２２の厚さがλｇ_２／２のときに最も効率がよいと考えられるが、現実的な大きさと形状を考えると、共振器２２の厚さがλｇ_２／２の場合には、約５８％の反射があるために効率は高くない。そこで、図２（ｂ）から図２（ａ）へと共振器２２の厚さを厚くしていくと、共振器２２の厚さが３５．６ｍｍのとき（図２（ｂ）の場合）に反射が約２２％となり、共振器２２の厚さが３９．６ｍｍのとき（図２（ａ）の場合）に反射が約６％となり、効率が上がる。このように実際のアンテナ設計においては共振器２２の厚さを理論値よりも厚くするとよい結果を得ることができる。

このように、実際の装置において高い効率が得られる共振器２２の厚さが理論値と異なるのは、共振器２２が無限の平行平板ではないからである。共振器２２の最適厚さはシミュレーションによって確認すればよく、モノポールアンテナ２１の長さ（高さ）Ｈは波長λｇ_２の２３〜２６％、共振器２２の厚さ（Ｄ１）は波長λｇ_２の５０〜７０％とするとよい。

このように、プラズマ発生装置１００においては、チャンバ２３の内部空間全体においてプラズマを均一に発生させることができ、処理ガスを効率よく励起させることができる。また、従来のプラズマ発生装置のように処理ガスの供給路とマイクロ波の導波路とを交差させる必要がないために、プラズマ発生装置１００自体を小型化することができる。

次に、プラズマ発生装置の別の実施の形態について説明する。図３はプラズマ発生装置１００ａの概略構造を示す断面図である。プラズマ発生装置１００ａと先に説明した図１記載のプラズマ発生装置１００との相違点は、同軸導波管２０の内管２０ａの先端に螺旋状のヘリカルアンテナ２１ａが取り付けられ、このヘリカルアンテナ２１ａが共振器２２に埋設されている点である。

ヘリカルアンテナ２１ａを用いる場合には、ヘリカルアンテナ２１ａの全長を波長λｇ_２の２５％（１／４波長）とする。これにより、ヘリカルアンテナ２１ａの先端に最大強度の電界が発生する。そして、ヘリカルアンテナ２１ａの先端から共振器２２の下面までの共振器２２の厚さ（Ｄ２）は、波長λｇ_２の２５％（１／４波長）とする。これにより、共振器２２の下面とチャンバ２３との境界で電界強度がゼロ（０）となり、共振器２２の誘電率と真空の誘電率とが異なっていても、マイクロ波の反射が起こらない。一方、磁界強度がこの境界面において最大となるが、共振器２２の透磁率が真空の透磁率と同じであれば、やはりマイクロ波の反射は起こらない。

ヘリカルアンテナ２１ａを用いた場合には、ヘリカルアンテナ２１ａの直線的な長さ（高さ）ｈは、その全長よりも短くなる。したがって、共振器２２の全体の厚さはｈ＋約λｇ_２／４となり、モノポールアンテナ２１を用いた場合と比較すると、共振器２２の厚さを薄くすることができる。なお、この場合においても、実際の装置において高い効率が得られる共振器２２の厚さは理論値と異なる。これは共振器２２が無限の平行平板ではないからである。共振器２２の最適厚さはシミュレーションによって確認すればよく、ヘリカルアンテナ２１ａの長さは波長λｇ_２の２３〜２６％、共振器２２の厚さ（Ｄ２）は波長λｇ_２の２５〜４５％とするとよい。

図４は、プラズマ発生装置１００ｂの概略構造を示す断面図である。プラズマ発生装置１００ｂと先に説明した図１記載のプラズマ発生装置１００との相違点は、同軸導波管２０の内管２０ａの先端にスロットアンテナ２１ｂが取り付けられ、このスロットアンテナ２１ｂが共振器２２に埋設されて保持されている点である。

スロットアンテナ２１ｂは、例えば、金属円板に同心円状に一定幅の弧型のスロット（孔）が設けられた構造を有する。スロットアンテナ２１ｂを用いる場合には、共振器２２の厚さ（スロットアンテナ２１ｂの下面から共振器２２の下面までの厚さをいう）Ｄ３を波長λｇ_２の２５％（１／４波長）とする。スロットアンテナ２１ｂを用いた場合には、スロットアンテナ２１ｂの下面で最大強度の電界が発生する。また、共振器２２の下面とチャンバ２３との境界で電界強度がゼロ（０）となり、共振器２２の誘電率と真空の誘電率とが異なっていても、マイクロ波の反射が起こらない。一方、磁界強度がこの境界面において最大となるが、共振器２２の透磁率が真空の透磁率と同じであれば、やはりマイクロ波の反射は起こらない。なお、この場合においても、実際の装置において高い効率が得られる共振器２２の厚さは理論値と異なる。これは共振器２２が無限の平行平板ではないからである。共振器２２の最適厚さはシミュレーションによって確認すればよく、スロットアンテナ２１ｂを用いる場合には、共振器２２の厚さ（Ｄ３）は波長λｇ_２の２５〜４５％とするとよい。

スロットアンテナ２１ｂを薄く構成すれば、スロットアンテナ２１ｂと共振器２２の合計の厚さを、モノポールアンテナ２１やヘリカルアンテナ２１ａを用いた場合よりも、薄くすることができる。なお、モノポールアンテナ２１を用いた場合には、ヘリカルアンテナ２１ａやスロットアンテナ２１ｂを用いる場合と比較すると、共振器２２の厚さは厚くなるが、構造が簡単であり低コストであることや、プラズマの励起効率が高い等の利点がある。

以上においてはアンテナが１本である場合について説明したが、プラズマ発生装置１００を備えたリモートプラズマ処理装置においては、マイクロ波の出力電力が５００Ｗ程度以上のものが要求されることがある。この場合には、図１に示されるアンプ１２として複数の小型アンプを備えたものを用い、これら小型アンプの出力を合成することによって高出力を実現させる。そこで図５〜図７に示すプラズマ発生装置１００ｃ〜１００ｅのように、小型アンプの数に対応させてアンテナを複数本設け、各小型アンプから各アンテナに同軸導波管を用いてマイクロ波を伝送してもよい。

図５（ａ）はプラズマ発生装置１００ｃの概略断面図であり、図５（ｂ）は共振器２２へのモノポールアンテナ１７ａ〜１７ｄの配設位置を示す平面図である。マイクロ波電源１１から出力されたマイクロ波が分配器１１ａによって複数（図５では４分配した場合を示す）に分配される。分配器１１ａから出力された各マイクロ波は小型アンプ１２ａ〜１２ｄに入力され、そこで所定の電力に増幅される。各小型アンプ１２ａ〜１２ｄから出力されたマイクロ波は、アイソレータ１３ａ〜１３ｄ（アイソレータ１３ｂ・１３ｄはそれぞれアイソレータ１３ａ・１３ｃの背面に位置しているために図示せず）と同軸導波管４０ａ〜４０ｄ（同軸導波管４０ｂ・４０ｄはそれぞれ同軸導波管４０ａ・４０ｃの背面に位置しているために図示せず）を通して共振器２２に設けられたモノポールアンテナ１７ａ〜１７ｄに送られる。各モノポールアンテナ１７ａ〜１７ｄから放射されたマイクロ波によって共振器２２の内部に定在波が立ち、共振器２２からチャンバ２３の内部にマイクロ波が放射される。なお、同軸導波管４０ａ〜４０ｄはそれぞれ同軸導波管２０と同等の構造を有する。

図６（ａ）はプラズマ発生装置１００ｄの概略断面図であり、図６（ｂ）は共振器２２へのヘリカルアンテナ１８ａ〜１８ｄの配設位置を示す平面図である。プラズマ発生装置１００ｄは、図５に示したプラズマ発生装置１００ｃが具備するモノポールアンテナ１７ａ〜１７ｄをヘリカルアンテナ１８ｄ〜１８ｄに置き換えたものであり、その他の部分の構成はプラズマ発生装置１００ｃと同じである。

図７（ａ）はプラズマ発生装置１００ｅの概略断面図であり、図７（ｂ）はスロットアンテナ１９の分割形態を示す平面図である。プラズマ発生装置１００ｅが具備するスロットアンテナ１９は金属板によって４個のブロック１９ａ〜１９ｄに分けられており、ブロック１９ａ〜１９ｄのそれぞれに同軸導波管４０ａ〜４０ｄ（同軸導波管４０ｄは同軸導波管４０ａの背面に位置するために図示せず）を取り付けるための給電ポイント３８ａ〜３８ｄが設けられている。各ブロック１９ａ〜１９ｄには各給電ポイント３８ａ〜３８ｄが設けられている位置に対応して所定のパターンでスロット（孔部）３９が形成されている。

このようなプラズマ発生装置１００ｃ〜１００ｅによれば、アンプのコストを低く抑えることができるとともに、プラズマの発生効率がさらに高められ、プラズマの均一性を向上させることができる。

ところで、上記プラズマ発生装置１００・１００ａ〜１００ｅにおいては、プラズマが着火する前はインピーダンスが大きく、プラズマが着火した後にインピーダンスは小さくなって安定する。プラズマ着火前には、高いインピーダンスに起因して、アンテナから放射されたマイクロ波の全反射が起こることがある。

プラズマ発生装置１００ではアンテナ２１は１本だけであるから、アイソレータ１３としてアンテナ２１から放射することができるマイクロ波の出力に応じたものを用いればよく、このことはプラズマ発生装置１００ａ・１００ｂについても同様である。

しかしながら、複数のアンテナを備えたプラズマ発生装置１００ｃでは、４本の全てのアンテナ１７ａ〜１７ｄからマイクロ波を放射させてプラズマを発生させようとすると、これら４本のアンテナ１７ａ〜１７ｄから放射されたマイクロ波が合成された高出力のマイクロ波が小型アンプ１２ａ〜１２ｄそれぞれに戻ってくることとなる。このため、小型アンプ１２ａ〜１２ｄをこのような高出力マイクロ波から保護するために、アイソレータ１３ａ〜１３ｄを構成するサーキュレータとダミーロードを大型化したのでは、装置コストや装置の小型化の観点から不利である。この問題はプラズマ発生装置１００ｄ・１００ｅについても同様である。

そこで、アイソレータ１３ａ〜１３ｄを大型化することを抑制し、小型アンプ１２ａ〜１２ｄを保護する方法として、アンテナ１７ａ〜１７ｄの一部から共振器２２を通してチャンバ２３の内部に放射されるマイクロ波によって処理ガスを励起し、プラズマ発生後は全てのアンテナ１７ａ〜１７ｄから共振器２２を通してチャンバ２３の内部にマイクロ波を放射することによってプラズマを安定させるようにマイクロ波発生装置１０を制御するプラズマ制御装置を用いる方法が挙げられる。

具体的には、図８に示すように、少なくとも分配器１１ａの分配数と小型アンプ１２ａ〜１２ｄの駆動数の少なくとも一方を制御することができるプラズマ制御装置９０が挙げられる。例えば、プラズマ制御装置９０は、マイクロ波電源１１から出力されたマイクロ波を、分配器１１ａにおいて４分配して小型アンプ１２ａ〜１２ｄにそれぞれ入力させるが、小型アンプ１２ａのみを駆動し、その他の小型アンプ１２ｂ〜１２ｄではマイクロ波の増幅が行われないようにする。これにより、プラズマ着火前には実質的にアンテナ１７ａからのみマイクロ波を放射させることができる。また、プラズマが着火した後にはプラズマ制御装置９０は、全ての小型アンプ１２ａ〜１２ｄを駆動して全てのアンテナ１７ａ〜１７ｄからマイクロ波を放射させる。これにより、プラズマを安定させることができる。

また、プラズマ制御装置９０は、マイクロ波電源１１から出力されたマイクロ波を分配器１１ａにおいて分配することなく小型アンプ１２ａに入力させ、小型アンプ１２ａに入力されたマイクロ波を所定の増幅率で増幅させて出力させる。これにより、プラズマ着火前にはアンテナ１７ａのみからマイクロ波を放射させることができる。これによりプラズマが着火した後には、プラズマ制御装置９０は、全ての小型アンプ１２ａ〜１２ｄにマイクロ波が入力されるように、分配器１１ａにおけるマイクロ波の分配を行い、かつ、全ての小型アンプ１２ａ〜１２ｄを駆動させる。これにより、全てのアンテナ１７ａ〜１７ｄからマイクロ波を放射させて、プラズマを安定させることができる。

なお、プラズマ着火のためにマイクロ波を放射させるアンテナの数は１個に限定されるものではなく、アイソレータを構成するサーキュレータとダミーロードの大型化が許容される範囲であれば、２個以上であってもよい。

次に、上述したプラズマ発生装置１００を備えた基板処理装置として、半導体ウエハに対してエッチング処理を行うプラズマエッチング装置について説明する。図９はプラズマエッチング装置１の概略構造を示す断面図である。プラズマエッチング装置１は、プラズマ発生装置１００と、ウエハＷを収容するウエハ処理チャンバ４１と、チャンバ２３とウエハ処理チャンバ４１とを接続し、チャンバ２３で発生させた励起ガスをウエハ処理チャンバ４１へ送るガス管４２と、を有している。

ウエハ処理チャンバ４１の内部には、ウエハＷを載置するステージ４３が設けられている。ウエハ処理チャンバ４１は、ウエハＷの搬入出を行うための開閉自在な開口部（図示せず）を有しており、図示しないウエハ搬送手段によってウエハＷがウエハ処理チャンバ４１内に搬入され、逆に、プラズマエッチング処理が終了したウエハＷがウエハ処理チャンバ４１から搬出される。プラズマ発生装置１００で生成した励起ガスは、ガス管４２からウエハ処理チャンバ４１に供給されてウエハＷを処理した後に、ウエハ処理チャンバ４１に設けられた排気口４１ａから排気される。

このようなプラズマエッチング装置１では、プラズマ発生装置１００を小さくすることができるために、ウエハ処理チャンバ４１の上方のスペースユーティリティが高められる。これを有効に利用して、各種の配管や配線、制御装置等を配置することができるため、プラズマエッチング装置１全体をコンパクトに構成することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、同軸導波管２０に変えて、同軸線を用いてもよい。また、プラズマ処理としてエッチング処理を取り上げたが、本発明は、プラズマＣＶＤ処理（成膜処理）やアッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。また、プラズマ処理に供される被処理基板は半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミックス基板等であってもよい。

本発明は、プラズマを用いた種々の処理装置、例えば、エッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、アッシング装置等に好適である。

プラズマ発生装置の概略構造を示す断面図。共振器の厚さとプラズマの発生状態との関係をシミュレーションした結果を示す説明図。別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図。さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図。さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図。さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図。さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図。マイクロ波発生装置を制御するプラズマ制御装置の制御形態を示す説明図。プラズマエッチング装置の概略構造を示す断面図。

符号の説明

１；プラズマエッチング装置
１０；マイクロ波発生装置
１１；マイクロ波電源
１２；アンプ
１３；アイソレータ
１４ａ・１４ｂ；スラグチューナ
２０；同軸導波管
２０ａ；内管
２０ｂ；外管
２１；モノポールアンテナ
２１ａ；ヘリカルアンテナ
２１ｂ；スロットアンテナ
２２；共振器
２３；チャンバ
２４；カバー
２７；腐食防止部材
４１；ウエハ処理チャンバ
４３；ステージ
９０：プラズマ制御装置

Claims

所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を放射するアンテナと、
内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端に前記アンテナが取り付けられ、前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、
誘電体材料からなり、その一方の面から前記アンテナが挿入されて前記アンテナを保持し、前記アンテナから放射されたマイクロ波による定在波が形成されるとともに、前記一方の面に対向する他方の面からマイクロ波が放射され、前記一方の面と前記他方の面とで厚さが規定される共振器と、
前記共振器が配置される開口面を有し、前記アンテナから前記共振器を通して放射されたマイクロ波が導かれ、かつ所定の処理ガスが供給され、前記マイクロ波によって前記処理ガスが励起されるプラズマ励起用のチャンバと、
を具備し、
前記アンテナは、モノポールアンテナであり、かつその長さ方向を前記共振器の厚さ方向に一致させた状態で前記共振器に埋設され、
前記マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長をλａ、前記共振器の比誘電率をεｒ、前記波長λａを前記比誘電率εｒの平方根で除して得られる前記共振器内のマイクロ波の波長をλｇ（＝λａ／εｒ^１／２）としたときに、
前記モノポールアンテナの前記共振器に埋設された長さは、前記波長λｇの２３％〜２６％であり、かつ、前記共振器は前記波長λｇの５０％〜７０％の厚さを有することを特徴とするプラズマ発生装置。
前記マイクロ波発生装置は、マイクロ波電源と、前記マイクロ波電源から出力されたマイクロ波の出力を調整するアンプと、前記アンプから出力された後に前記アンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータと、を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
前記同軸導波管と前記アンテナを複数組具備し、
前記マイクロ波発生装置は、マイクロ波電源と、マイクロ波電源で発生させたマイクロ波を前記同軸導波管と前記アンテナの組数に分配する分配器と、前記分配器から出力された各マイクロ波の出力を調整する複数のアンプと、前記複数のアンプから出力された後に前記複数のアンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収する複数のアイソレータと、を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ発生装置。
前記複数のアンテナの一部から前記共振器を通して前記チャンバの内部に放射されるマイクロ波によって前記処理ガスを励起させ、プラズマ発生後は前記複数の全てのアンテナから前記共振器を通して前記チャンバの内部にマイクロ波が放射されるように、前記マイクロ波発生装置を制御するプラズマ制御装置をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生装置。
前記共振器は、石英系材料、単結晶アルミナ系材料、多結晶アルミナ系材料、窒化アルミニウム系材料のいずれかからなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記チャンバの内面に、前記チャンバの腐食を防止するために、石英系材料または単結晶アルミナ系材料または多結晶アルミナ系材料からなる腐食防止部材が装着されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記チャンバは、前記チャンバを構成する部材の内部に冷媒を流すことによって冷却可能なジャケット構造を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記チャンバは、その一端面が前記開口面となっている有底筒状部材であり、
前記有底筒状部材は、その底壁にマイクロ波によって励起されたガスを前記チャンバから外部へ放出する排気口を有し、その側壁の前記開口面側近傍に前記処理ガスを内部空間に放出するガス放出口を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
前記同軸導波管に、前記同軸導波管の長さ方向にスライド自在であり、前記アンテナに対するインピーダンス整合を行うスラグチューナが取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のプラズマ発生装置。
所定の処理ガスをマイクロ波によって励起するプラズマ発生装置と、
基板を収容し、前記プラズマ発生装置において前記処理ガスを励起させることにより発生させた励起ガスにより、前記基板に所定の処理を施す基板処理チャンバと、
を具備し、
前記プラズマ発生装置は、
所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を放射するアンテナと、
内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端に前記アンテナが取り付けられ、前記マイクロ波発生装置で発生されたマイクロ波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、
誘電体材料からなり、その一方の面から前記アンテナが挿入されて前記アンテナを保持し、前記アンテナから放射されたマイクロ波による定在波が形成されるとともに、前記一方の面に対向する他方の面からマイクロ波が放射され、前記一方の面と前記他方の面とで厚さが規定される共振器と、
前記共振器が配置される開口面を有し、前記アンテナから前記共振器を通して放射されたマイクロ波が導かれ、かつ所定の処理ガスが供給され、前記マイクロ波によって前記処理ガスが励起されるプラズマ励起用のチャンバと、
を有し、
前記アンテナはモノポールアンテナであり、かつその長さ方向を前記共振器の厚さ方向に一致させた状態で前記共振器に埋設され、
前記マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長をλａ、前記共振器の比誘電率をεｒ、前記波長λａを前記比誘電率εｒの平方根で除して得られる前記共振器内のマイクロ波の波長をλｇ（＝λａ／εｒ^１／２）としたときに、
前記モノポールアンテナの前記共振器に埋設された長さは、前記波長λｇの２３％〜２６％であり、かつ、前記共振器は前記波長λｇの５０％〜７０％の厚さを有することを特徴とするリモートプラズマ処理装置。