JP4694130B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は一般にプラズマ処理装置に係わり、特にマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理工程およびプラズマ処理装置は、近年のいわゆるディープサブミクロン素子あるいはディープサブクォーターミクロン素子と呼ばれる０．１μｍに近い、あるいはそれ以下のゲート長を有する超微細化半導体装置の製造や、液晶表示装置を含む高解像度平面表示装置の製造にとって、不可欠の技術である。

このような半導体装置や液晶表示装置の製造に使われるプラズマ処理装置として、直流磁場を用いずにマイクロ波電界により励起された高密度プラズマを使うマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。例えば、均一なマイクロ波を発生するように配列された多数のスロットを有する平面状のアンテナ（ラジアルラインスロットアンテナ）から処理容器内にマイクロ波を放射し、このマイクロ波電界により真空容器内のガスを電離してプラズマを励起させる構成のプラズマ処理装置が提案されている。

このような手法で励起されたマイクロ波プラズマではアンテナ直下の広い領域にわたって高いプラズマ密度を実現でき、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかもかかる手法で形成されたマイクロ波プラズマではマイクロ波によりプラズマを励起するため電子温度が低く、被処理基板のダメージや金属汚染を回避することができる。さらに大面積基板上にも均一なプラズマを容易に励起できるため、大口径半導体基板を使った半導体装置の製造工程や大型液晶表示装置の製造にも容易に対応できる。

図１は、従来の基板処理装置であるプラズマ処理装置５００の構成を示す。

図１を参照するに、前記プラズマ処理装置５００は内部に空間１０１ａを画成する処理容器１０１と、前記処理容器１０１内に設けられ、被処理基板１０２を静電チャックにより保持する保持台１０３とを有する。

前記処理容器１０１内の空間１０１ａは排気ポート１０１ｂを介して真空ポンプなどの排気手段により、排気・減圧される。

前記処理容器１０１の外壁のうち前記被処理基板１０２に対応する部分にはマイクロ波を透過するマイクロ波透過窓１０７が設置され、また前記マイクロ波透過窓１０７と前記処理容器１０１の間には、前記処理容器１０１内にプラズマガスを導入するプラズマガス導入リング１１０が挿入されて、それぞれ前記処理容器１０１の外壁を画成している。

前記マイクロ波透過窓１０７はその周縁部に段差形状を有し、当該段差形状部が前記プラズマガス導入リング１１０に設けられた段差形状と係合し、さらにシールリング１０６Ａによって前記処理空間１０１内の気密が保持される構造となっている。

前記プラズマガス導入リング１１０にはプラズマガス導入口１１０Ａよりプラズマガスが導入され、略環状に形成されたガス溝１１０Ｂ中を拡散して、複数のプラズマガス穴１１０Ｃから前記空間１０１ａに供給される。

前記マイクロ波透過窓１０７上には、前記マイクロ波透過窓１０７に密接し、多数のスロットを形成されたディスク状のスロット板２０２と、前記スロット板２０２をその開口部に保持するディスク状のアンテナ本体２０１と、前記スロット板２０２と前記アンテナ本体２０１との間に挟持されたＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂あるいはＳｉ₃Ｎ₄の低損失誘電体材料よりなる遅波板２０３を有するラジアルラインスロットアンテナ２００が設けられている。また、前記ラジアルラインスロットアンテナ２００と前記マイクロ波透過窓１０７の係合部では、シールドリング１０６Ｂによって気密が保たれる構造になっている。

前記ラジアルスロットラインアンテナ２００は前記処理容器１０１上に前記プラズマガス導入リング１１０を介して装着されており、前記ラジアルラインスロットアンテナ２００には、同軸導波管２０４を介してマイクロ波供給部３００より、マイクロ波が供給される。前記同軸導波管２０４のうち、外側の導波管２０４Ａは前記ディスク状のアンテナ本体２１に接続され、中心導体２０４Ｂは、前記遅波板２０３に形成された開口部を介して前記スロット板２０２に接続されている。そこで前記同軸導波管２０４に供給されたマイクロ波は、前記アンテナ本体２０１とスロット板２０２との間を径方向に進行しながら、前記スロットより放射される。

図２は前記スロット板２０２上に形成されたスロット２０２ａ，２０２ｂを示す。

図２を参照するに、前記スロット２０２ａは同心円状に配列されており、各々のスロット２０２ａに対応して、これに直行するスロット２０２ｂが同じく同心円状に形成されている。前記スロット２０２ａ，２０２ｂは、前記スロット板２０２の半径方向に、前記遅波板２０３により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で形成されており、その結果マイクロ波は前記スロット板２０２から略平面波となって放射される。その際、前記スロット２０２ａおよび２０２ｂを相互の直交する関係で形成している。そのため、このようにして放射されたマイクロ波は、二つの直交する偏波成分を含む円偏波を形成し、さらに前記マイクロ波透過窓１０７を介して処理容器１０１内にマイクロ波が導入される。

そこで、前記マイクロ波透過窓１０７直下の空間１０１ａにおいて、前記プラズマガス導入リング１１０から供給されたプラズマガス中にプラズマを励起する。

前記プラズマ処理装置５００では、例えばプラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマ酸窒化処理、プラズマＣＶＤ処理を行うことが可能であり、また、前記保持台１０３に高周波電源１０３Ａから高周波電圧を印加することにより、前記被処理基板１０２に対して反応性イオンエッチングを行うことも可能である。

次に、前記ラジアルラインスロットアンテナ２００にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部３００についてみると、当該マイクロ波供給部３００は、前記同軸導波管２０４に接続部２００Ａで接続された導波管３０１、および当該同軸導波管３０１にアイソレータ３０４を介して接続された発振部（マグネトロン）３０３、および前記発振部３０３に配線部３０７によって電力を供給する電源３０２を有している。

前記ラジアルラインスロットアンテナ２００にマイクロ波を供給する場合には、まず前記電源３０２から電力を発振部３０３に供給し、当該発振部３０３においてマイクロ波が形成され、当該マイクロ波が前記アイソレータ３０４を介して前記導波管３０１から前記ラジアルラインスロットアンテナ２００に導入される。前記アイソレータ３０４は、マイクロ波の反射波から、発振部および電源を保護する機能を果たしている。

前記導波管３０１には、マイクロ波の進行波、すなわち進行電力を検出する方向性結合器からなる検出手段３０８Ａと、マイクロ波の反射波、すなわち反射電力を検出する方向性結合器からなる検出手段３０８Ｂが設けられており、検出される当該進行電力および当該反射電力は、それぞれ配線部３０８ａおよび配線部３０８ｂを介して前記電源３０２にフィードバックされる。

前記電源３０２では、前記進行波電力が、電源で設定された電力と同じになるように前記発振部３０３に投入する電力である投入電力を制御する。また、前記反射電力が所定の値以上となると、電源または発振部保護のために電力の供給を停止する機構を有している。

また、前記導波管３０１には、マイクロ波の反射が最小となるように、インピーダンスを調整する整合部３０５が設置されている。前記整合部３０５は、前記導波管３０１内のマイクロ波の定在波を検出する検出部３０６の検出値に基づき、マイクロ波の反射波が最小となるように、可変短絡器を制御してインピーダンスを調整する機構を有している。

また、このような電源３０２の電力の設定などの電源３０２の制御、発振部３０３、アイソレータ３０４、および整合部３０５の制御や監視、また処理容器１００にプラズマガスを導入する際の導入経路（図示せず）の制御や、処理容器の排気などの処理容器１００側での制御などは、制御装置５００Ａによって行われている。
特開２００２−２９９３３１号公報

しかし、前記プラズマ処理装置５００の場合、前記検出手段３０８Ａおよび３０８Ｂによって検出されるマイクロ波や、前記検出手段３０６によって検出されるマイクロ波は前記導波管３０１内でのマイクロ波の状態を捉えるものであり、基板処理に直接影響する前記ラジアルラインスロットアンテナ２００から導入されるマイクロ波の状態とは必ずしも一致しない場合がある。

例えば、前記プラズマ処理装置５００の場合、前記電源３０２や発振部３０３の設置場所を変更する場合に、前記導波管３０１の形状や長さを変更する必要が生じる場合がある。そこで、当該導波管３０１の変更後に、前記検出手段３０８Ａおよび３０８Ｂによって検出されるマイクロ波や、前記検出手段３０６によって検出されるマイクロ波の状態に基づいて、前記ラジアルラインスロットアンテナ２００にマイクロ波を導入して基板処理を行っても前記導波管３０１の変更前と同一の基板処理の結果が得られない場合がある。

これは、導波管３０１を変更することで、実際にラジアルラインスロットアンテナ２００に供給されるマイクロ波の状態が変わっているためと考えられ、導波管３０１の状態を捉えて、マイクロ波の供給状態を制御する場合に生じる問題である。

また、例えば前記プラズマ処理装置５００を量産する場合を考えると、電源や発振部の設置位置を装置ごとに必要に応じて変更した場合に、前記導波管３０１を含むマイクロ波供給部３００の装置間における差が、前記ラジアルラインスロットアンテナ２００に導入されるマイクロ波の状態の装置間における差となり、装置によって基板処理の結果にばらつきが生じてしまう問題や、マイクロ波を正常に導入することが困難となって、基板処理が不安定となる問題が懸念される。

そこで、本発明では上記の問題を解決した、新規で有用なプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

本発明の具体的な課題は、基板処理に用いられるマイクロ波の状態を安定させることによって、安定した基板処理を可能とするプラズマ処理装置を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、
請求項１に記載したように、
被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するようにして設けられたマイクロ波透過窓と、
同軸導波管により給電され、開口部を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体上に前記開口部を覆うように設けられ複数のスロットを有するマイクロ波放射面と、前記アンテナ本体と前記マイクロ波放射面との間に設けられた誘電体板とを有し、前記処理容器上に、前記マイクロ波透過窓に対応して設けられた、前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波アンテナと、
前記マイクロ波アンテナに接続されたマイクロ波電源とを有するプラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波アンテナより供給されるマイクロ波の電界強度を測定する電界測定手段を有し、当該電界測定手段によって測定された電界に応じて前記マイクロ波電源を制御する制御手段を備え、
前記電界測定手段は、前記マイクロ波によって前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の腹の位置に設置されることを特徴とするプラズマ処理装置により、また、
請求項２に記載したように、
前記マイクロ波アンテナは、ラジアルラインスロットアンテナであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項３に記載したように、
前記電界測定手段は、電界測定プローブを含むことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項４に記載したように、
前記電界測定プローブは、絶縁物からなる略円筒状の外容器に、導電材料からなるネジ部と測定端子が挿入され、前記ネジ部と前記測定端子が半導体材料により電気的に接続された構造になっていることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項５に記載したように、
前記半導体材料はダイオードであることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項６に記載したように、
前記外容器に形成された開口部からは絶縁材料が充填されていることを特徴とする請求項４または５記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項７に記載したように、
前記電界測定手段は、前記マイクロ波透過窓の表面の電圧を測定することを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項８に記載したように、
前記電界測定手段は、前記マイクロ波アンテナに取り付けられることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項９に記載したように、
前記電界測定手段は複数設けられ、
複数の前記電界測定手段のうちの一つは、前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の腹の位置に設置されることを特徴とする請求項１〜８のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項１０に記載したように、
複数の前記電界測定手段は、ディスク状の前記アンテナ本体の半径方向に対応した直線方向に設置され、
複数の前記電界測定手段のうちの一つは、前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の腹の位置に設置されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項１１に記載したように、
複数の前記電界測定手段のうちの他の一つは、前記マイクロ波透過窓に形成された定在波の節の位置に設置されることを特徴とする請求項９または１０記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項１２に記載したように、
前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の波長をλとした場合に、複数設けられた電界測定手段の間隔が、λ／４の奇数倍となることを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置により、また、
請求項１３に記載したように、
前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の波長をλとした場合に、複数設けられた電界測定手段の間隔が、λ／４の偶数倍となることを特徴とする請求項９または１０記載のプラズマ処理装置により、解決する。

本発明によれば、基板処理に用いるマイクロ波の状態を安定させることによって、安定した基板処理を可能とするプラズマ処理装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面に基づき、以下に説明する。

図３は、本発明の第１実施例によるプラズマ処理装置５０の構成を示す。

図３を参照するに、前記プラズマ処理装置５０は、内部に空間１１ａを画成する処理容器１１と、前記処理容器１１内に設けられ、被処理基板１２を静電チャックにより保持する保持台１３とを備えた基板処理部１０を有する。

前記処理容器１１内の空間１１ａは、前記保持台１３を囲むように等間隔に、すなわち前記保持台１３上の被処理基板１２に対して略軸対称な関係で少なくとも二箇所、好ましくは三箇所以上に形成された排気ポート１１ｂを介して真空ポンプなどの排気手段により、排気・減圧される。

前記処理容器１１の外壁のうち前記被処理基板１２に対応する部分にはマイクロ波を透過するマイクロ波透過窓１７が設置され、また前記マイクロ波透過窓１７と前記処理容器１１の間には、前記処理容器１１内にプラズマガスを導入するプラズマガス導入リング１８が挿入されて、それぞれ前記処理容器１１の外壁を画成している。

前記マイクロ波透過窓１７はその周縁部に段差形状を有し、当該段差形状部が前記プラズマガス導入リング１８に設けられた段差形状と係合し、さらにシールリング１６Ａによって前記処理空間１１内の気密が保持される構造となっている。

前記プラズマガス導入リング１８にはプラズマガス導入口１８Ａよりプラズマガスが導入され、略環状に形成されたガス溝１８Ｂ中を拡散する。前記ガス溝１８Ｂ中のプラズマガスは、前記ガス溝１８Ｂに連通する複数のプラズマガス穴１８Ｃから前記空間１１ａに供給される。

前記マイクロ波透過窓１７上には、前記マイクロ波透過窓１７に密接し、多数のスロットを形成されたディスク状のスロット板２２と、前記スロット板２２をその開口部に保持するディスク状のアンテナ本体２１と、前記スロット板２２と前記アンテナ本体２１との間に挟持されたＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂あるいはＳｉ₃Ｎ₄の低損失誘電体材料よりなる遅波板２３を有するラジアルラインスロットアンテナ２０が設けられている。また、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０と前記マイクロ波透過窓１７の係合部では、シールドリング１６Ｂによってマイクロ波の気密が保たれる構造になっている。

前記ラジアルスロットラインアンテナ２０は前記処理容器１１上に前記プラズマガス導入リング１８を介して装着されており、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０には、同軸導波管２４を介してマイクロ波供給部３０より、マイクロ波が供給される。前記同軸導波管２４のうち、外側の導波管２４Ａは前記ディスク状のアンテナ本体２１に接続され、中心導体２４Ｂは、前記遅波板２３に形成された開口部を介して前記スロット板２２に接続されている。そこで前記同軸導波管２４に供給されたマイクロ波は、前記アンテナ本体２１とスロット板２２との間を径方向に進行しながら、前記スロットより放射される。

図４は前記スロット板２２上に形成されたスロット２２ａ，２２ｂを示す。

図４を参照するに、前記スロット２２ａは同心円状に配列されており、各々のスロット２２ａに対応して、これに直行するスロット２２ｂが同じく同心円状に形成されている。前記スロット２２ａ，２２ｂは、前記スロット板２２の半径方向に、前記遅波板２３により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で形成されており、その結果マイクロ波は前記スロット板２２から略平面波となって放射される。その際、前記スロット２２ａおよび２２ｂを相互の直交する関係で形成している。そのため、このようにして放射されたマイクロ波は、二つの直交する偏波成分を含む円偏波を形成し、さらに前記マイクロ波透過窓１７を介して処理容器１１内にマイクロ波が導入される。

そこで、前記マイクロ波透過窓１７直下の空間１１ａにおいて、前記プラズマガス導入リング１８から供給されたプラズマガス中にプラズマを励起する。

前記プラズマ処理装置５０では、例えばプラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマ酸窒化処理、プラズマＣＶＤ処理を行うことが可能であり、また、前記保持台１３に高周波電源１３Ａから高周波電圧を印加することにより、前記被処理基板１２に対して反応性イオンエッチングを行うことも可能である。

次に、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０にマイクロ波を供給するマイクロ波供給部３０についてみると、当該マイクロ波供給部３０は、前記同軸導波管２４に接合部２０Ａで接続された導波管３１、および当該導波管３１にアイソレータ３４を介して接続された発振部（マグネトロン）３３、および前記発振部３３に配線部３７によって電力を供給する電源３２を有している。

前記ラジアルラインスロットアンテナ２０にマイクロ波を供給する場合には、まず前記電源３２から電力を発振部３３に供給し、当該発振部３３においてマイクロ波が形成され、当該マイクロ波が、前記アイソレータ３４を介して前記導波管３１よりマイクロ波を前記ラジアルラインスロットアンテナ２０に導入される。前記アイソレータ３４は、マイクロ波の反射波から、発振部および電源を保護する機能を果たしている。

本実施例では、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から前記処理容器１１に導入されるマイクロ波の状態を捕捉し、また当該マイクロ波の状態が前記マイクロ波供給部３０にフィードバックされる構造となっている。そのために前記ラジアルラインスロットアンテナ２０に、マイクロ波の電界強度を測定する電界測定手段２５および２６が設置されている。

前記電界測定手段２５および２６にはそれぞれ配線部２５ａおよび２６ａが接続され、当該電界測定手段２５および２６によって測定された電界強度の値は、前記電源３２にフィードバックされる構造になっている。

前記電源３２は、その内部に制御手段３２ａを有し、当該制御手段３２ａによって当該電界強度の値が基板処理に必要とされる適切な値になるように、当該電源３２から投入される電力が制御される。例えば、前記基板処理部１０において、表面酸化、表面窒化、表面酸窒化、成膜、エッチングなどが行われる場合に、それぞれの基板処理の条件に応じて、マイクロ波の電界強度が適切な値になるように、当該電源３２から投入される電力が制御される。

また、このような電源の電力の制御は、前記プラズマ処理装置５０の制御を行う制御装置５０Ａを介して行うようにしてもよい。例えば、前記電界測定手段２５および２６によって測定される電界強度の測定値が、前記制御装置５０Ａに送られ、当該制御装置５０Ａによって当該電界強度の値が基板処理に適切な値となるように、投入される電力が制御されるようにすることも可能である。なお、前記制御装置５０Ａの電気配線は図示を省略している。

また、前記制御装置５０Ａでは、このような電源３２の電力の設定や、電源３２から投入される電力の制御、または発振部３３、アイソレータ３４の制御や監視などマイクロ波供給部３０の制御、また処理容器１１にプラズマガスを導入する際の導入経路（図示せず）の制御や、処理容器１１の排気など基板処理に必要な基板処理部１０の制御が行われる。

このように、本実施例においては、基板処理、例えば、表面酸化、表面窒化、表面酸窒化、成膜、エッチングなどの処理状態と直接的に相関関係にある、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から導入されるマイクロ波の電界強度を捕捉することが可能となるため、基板処理の状態の捕捉を正確に行う事が可能となる。

さらに、基板の処理状態と直接的に相関関係にある、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から導入されるマイクロ波の電界強度が適切な値となるように、前記電源３２から投入される電力を制御しているため、安定した基板処理を行う事が可能となっている。

例えば、従来は前記導波管３１のマイクロ波の状態を捕捉して、電源から投入される電力を決定し、また導波管中のインピーダンスを調整するなど、マイクロ波導入部側での測定と当該測定による制御を行っていた。そのため、実際にラジアルラインスロットアンテナから処理容器に導入されるマイクロ波の状態が安定しないために基板処理の状態が安定しない場合や、基板処理の再現性が悪いなどの問題が生じる場合があった。

本実施例では、ラジアルラインスロットアンテナから処理容器に導入されるマイクロ波の電界強度を測定し、当該電界強度の値が基板処理、例えば表面酸化、表面窒化、表面酸窒化、成膜、エッチングなどの条件に必要な値となるように、電源から投入される電力が制御される構造としている。そのため、実際に処理容器に導入されるマイクロ波の状態が安定するために、プラズマ処理装置の基板処理が安定し、基板処理の再現性が良好となる効果を奏する。

また、例えば前記プラズマ処理装置５０の量産を考えた場合、前記電源３２や発振部３３は大型となるため、複数製造されるプラズマ処理装置において、設置場所が異なる場合があり、前記導波管３１の形状や長さが必ずしも装置間で同一とできるとは限らない場合が生じる。

その場合、従来のように前記導波管３１のマイクロ波の状態を捕捉して、電源から投入される電力を決定し、また導波管中のインピーダンスを調整するなど、マイクロ波導入部側での測定と当該測定による制御を行うと、導波管の形状や長さが異なるために、複数の装置間でアンテナから導入されるマイクロ波が異なり、装置間で基板処理のばらつきが生じる懸念があった。

本実施例では、ラジアルラインスロットアンテナから処理容器に導入されるマイクロ波の電界強度を測定して、当該測定に基づいて電源から投入される電力が制御される構造としている。そのため、前記マイクロ波供給部側で変更があった場合や、または装置間で差があった場合にも、実際に処理容器に導入されるマイクロ波の電界強度を略同一にすることが可能となるため、装置間での基板処理の状態の差を小さくし、複数の装置で略同一の処理を行う事が可能となっている。

また、例えば複数の処理容器を有するプラズマ処理装置、例えばクラスターツール型のプラズマ処理装置の場合には、複数の処理容器に対して用いる導波管の形状を全く同一にするのが困難な場合がある。そこで、本実施例を適用すると、導波管の形状が異なる場合でも実際にアンテナから導入されるマイクロ波の電界強度が制御されるため、複数の処理容器の間で基板処理の状態の差を小さくして、複数の処理容器で略同一の基板処理を、安定に行う事が可能となる。

次に、前記電界測定手段２５および２６について、図面に基づき、説明する。

図５（Ａ）は、前記プラズマ処理装置５０に設置された前記電界測定手段２５の拡大断面図である。なお、前記電界測定手段２６は、前記電界測定手段２５と同一の構造であるため、説明を省略する。

図５（Ａ）を参照するに、前記電界測定手段２５は、例えば、全長ｈが２０ｍｍ程度の電界強度測定プローブよりなり、絶縁物、例えばセラミック材料からなる略円筒状の外容器２５ａに、導電材料かなるネジ部２５ｂと測定端子２５ｅが挿入された構造になっている。当該ネジ部２５ｂと測定端子２５ｅは、ダイオードからなる半導体材料２５ｃにより電気的に接続され、ダイオードの半波整流により、測定端子２５ｅによって測定される電界強度（電圧）を取り出す構造になっている。

図５（Ｂ）には、前記ネジ部２５ｂと前記測定端子２５ｅにより挟み込むように形成される、ダイオードからなる前記半導体材料２５ｃを示すが、当該半導体材料２５は、径ｄが１ｍｍ、高さｈが３ｍｍの形状を有している。

また、開口部２５ｆからは絶縁材料が充填され、前記電界測定手段２５の特性が安定する構造としている。

次に、前記電界測定手段２５および２６の設置方法について説明する。

図６は、前記プラズマ処理装置５０に用いるラジアルラインスロットアンテナ２０の斜視図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

図６を参照するに、前記電界測定手段２５および２６は、例えば、前記アンテナ本体２１に設けられた開口部に挿入される。その場合、前記電界測定手段２５および２６は、ディスク状のアンテナ本体２１の半径方向に対応した直線方向に設置されることが好ましい。

次に、前記電界測定手段２５および２６の設置の詳細と、測定されるマイクロ波の電界に関して説明する。

図７（ａ）は、前記プラズマ処理装置５０の処理容器１１に導入されるマイクロ波によって形成される定在波を模式的に示したものであり、図７（ｂ）〜（ｄ）は、電界測定手段をラジアルラインスロットアンテナに取り付けた例を模式的に示した例の断面図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。

まず、図７（ａ）を参照するに、図７（ａ）にはマイクロ波によって形成される定在波を模式的に示している。前記プラズマ処理装置５０の場合、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０より前記処理容器１１内にマイクロ波が供給される場合に、前記マイクロ波透過窓１７に、図７（ａ）に示す、マイクロ波による定在波が形成され、そこから前記処理容器１１内にマイクロ波が供給される。

そのため、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０から前記処理容器１１内に供給されるマイクロ波の電界強度を測定する方法の一例として、例えば当該マイクロ波透過窓１７に形成される定在波の電圧を測定する方法がある。

例えば、マイクロ波透過窓に形成される定在波の波長λ_gは、以下のようにして求めることができる。

まず、マイクロ波の空気中での伝播速度Ｖを３×１０¹⁰ｃｍ／ｓとすると、空気中でのマイクロ波の波長λ₀は、マイクロ波の周波数をｆ（＝２．４５ＧＨｚ）とすると、

となる。

また、マイクロ波透過窓１７に用いられるセラミックの誘電率εを９．７、透磁率μを１とすると、マイクロ波窓１７中でのマイクロ波の波長λ_gは、

となる。

そこで、図７（ｂ）に示すように、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０に、前記電界測定手段２５および２６を設置して、前記マイクロ波透過窓１７に形成される定在波の電圧を測定する。

図７（ｂ）は、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０と、前記マイクロ波透過窓１７の断面図の一部であり、前記マイクロ波透過窓１７に形成される定在波を模式的に示したものである。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。（以下図７（ｃ）、（ｄ）において同じ）。

図７（ｂ）を参照するに、例えば前記測定手段２５を、定在波の腹（電圧が最も高い部分）に設置し、前記測定手段２６を定在波の節（電圧が最も低くなる部分）に設置すれば、定在波の大きさを測定することが可能となる。例えばこの場合、前記測定手段２５および２６は、前記アンテナ本体２１、前記遅波板２３およびスロット板２２に形成された開口部に挿入されるように設置され、図５に示した前記測定端子２５ｅが前記マイクロ波透過窓１７の表面に触れるように設置される。この場合、前記測定端子２５ｅによって、前記マイクロ波透過窓１７の表面の電圧が測定される。また、例えば前記測定手段２５と、前記測定手段２６の距離は、λ_g／４とする。

また、図７（ｂ）に示した設置方法は、図７（ｃ）に示すように変更することも可能である。

図７（ｃ）を参照するに、本図に示す場合は、前記測定手段２５と前記測定手段２６の設置位置の距離を、３λ_g／４としている。このように、前記測定手段２５と前記測定手段２６の設置位置の距離は、λ_g／４の奇数倍とすることが可能である。

また、図７（ｂ）に示した設置方法は、図７（ｄ）に示すように変更することも可能である。

図７（ｄ）を参照するに、本図に示す場合には、定在波の節の位置の電圧測定を省略し、定在波の腹の電圧を測定している。これは、定在波の節の位置の電圧を略０であると概算し、定在波の節の位置の測定手段を省略しているためである。このため、測定手段の個数を減じる、例えば最小で１個にすることが可能であり、この場合には構造を単純にしてプラズマ処理装置のコストを削減する効果を奏する。一方、図７（ｂ）や図７（ｃ）に示すように、電界測定手段を複数個用いて、定在波の腹の部分と定在波の節の部分の双方の電圧を測定する場合には、例えば基板処理条件を大きく変更した場合や、または装置に異常が発生した場合等に、定在波の状態に変化が起こった場合に検知が可能となる効果を奏する。

また、本図に示す例では前記測定手段２５と前記測定手段２６の設置位置の距離を、λ_gとし、さらに当該測定手段２６からλg離れた位置に、測定手段２７を設置している。

このため、例えば前記マイクロ波透過窓１７の面内でのマイクロ波の均一性を確認することが可能となる。また、装置に異常が発生した場合や、基板処理条件を大きく変更した場合に、定在波の状態がマイクロ波透過窓１７の面内で著しく変化した場合に検知することが可能となる。また、この場合、複数の測定手段の設置距離は、λ_g／４の偶数倍とすればよい。

このように、プラズマ処理装置において、マイクロ波が供給される側、例えばマイクロ波アンテナにマイクロ波の電界強度を測定する測定手段を設けることは、大量の被処理基板を処理する基板処理の工程において、基板処理の異常検知を行ったり、基板処理の履歴を確認する必要がある場合に有効である。例えば、大量の基板処理を行う場合に、上記の電界測定手段の測定結果を、例えば前記制御装置５０Ａによって、デジタルのデータに変換して記録しておくことにより、基板処理の履歴を調べることが容易となり、装置の故障や、マイクロ波の導入経路の異常の発生の検知が容易となる効果を奏し、大量の基板処理を行う場合の製造工程の管理に有用となる。

なお、前記ラジアルラインスロットアンテナ２０で定在波を発生させることが困難な場合には、当該ラジアルラインスロットアンテナ２０と、前記アイソレータ３４の間の導波管３１に、整合器を設置するようにしてもよい。

図８には、当該整合器を追加したプラズマ処理装置５０Aの例を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図８を参照するに、本図に示すプラズマ処理装置では、当該ラジアルラインスロットアンテナ２０と、前記アイソレータ３４の間の導波管３１に、整合器Mが設置されている。

このため、整合器Mによってマイクロ波の定在波を形成することが可能となる。また、当該整合器Mと前記ラジアルラインスロットアンテナ２０による効果を組み合わせることで、マイクロ波の定在波を形成することも可能である。

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。

本発明によれば、基板処理に用いるマイクロ波の状態を安定させることによって、安定した基板処理を可能とするプラズマ処理装置を提供することができる。

従来のプラズマ処理装置の概略を模式的に示した図である。 図１のプラズマ処理装置に用いるスロット板の平面図である。 本発明の実施例１によるプラズマ処理装置の概略を模式的に示した図である。 図３のプラズマ処理装置に用いるスロット板の平面図である。 （Ａ）は、図３のプラズマ処理装置に用いる電界測定手段の断面図であり、（Ｂ）は、図５（Ａ）の電界測定手段に用いるダイオードの拡大図である。 図５の電界測定手段を設置位置を示す斜視図である。 （ａ）は、マイクロ波が形成する定在波を模式的に示した図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、図６の電界測定手段を設置する設置方法を示す例である。 図３のプラズマ処理装置の変更例を示した図である。

符号の説明

５０，５００ プラズマ処理装置
１１，１０１ 処理容器
１１ａ、１０１ａ 処理空間
１１ｂ，１０１ｂ 排気ポート
１２，１０２ 被処理基板
１３，１０３ 保持台
１６Ａ，１６Ｂ，１０６Ａ，１０６Ｂ シールリング
１７，１０７ マイクロ波透過窓
１８，１１０ プラズマガスリング
１８Ａ，１１０Ａ プラズマガス導入口
１８Ｂ，１１０Ｂ ガス溝
１８Ｃ，１１０Ｃ ガス穴
２０ ラジアルラインスロットアンテナ
２０Ａ，２００Ａ 接合部
２１ アンテナ本体
２２，２０２ スロット板
２２ａ，２２ｂ，２０２ａ，２０２ｂ スロット開口部
２３ 遅波板
２４，２０４， 同軸導波管
２５，２６，２７ 電界測定手段
２５ａ，２５ｂ，３０８ａ，３０８ｂ 配線部
３０，３００ マイクロ波供給部
３１，３０１ 導波管
３２，３０２ 電源
３２ａ制御手段
３３，３０３ 発振部
３４，３０４ アイソレータ
３０５ 整合器
３０６，３０８Ａ，３０８Ｂ 検出手段
５０Ａ，５００Ａ 制御装置
M 整合器

Claims (13)

1. 被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
   前記処理容器上に、前記保持台上の被処理基板に対面するようにして設けられたマイクロ波透過窓と、
   同軸導波管により給電され、開口部を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体上に前記開口部を覆うように設けられ複数のスロットを有するマイクロ波放射面と、前記アンテナ本体と前記マイクロ波放射面との間に設けられた誘電体板とを有し、前記処理容器上に、前記マイクロ波透過窓に対応して設けられた、前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波アンテナと、
   前記マイクロ波アンテナに接続されたマイクロ波電源とを有するプラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波アンテナより供給されるマイクロ波の電界強度を測定する電界測定手段を有し、当該電界測定手段によって測定された電界に応じて前記マイクロ波電源を制御する制御手段を備え、
   前記電界測定手段は、前記マイクロ波によって前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の腹の位置に設置されることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波アンテナは、ラジアルラインスロットアンテナであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記電界測定手段は、電界測定プローブを含むことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記電界測定プローブは、絶縁物からなる略円筒状の外容器に、導電材料からなるネジ部と測定端子が挿入され、前記ネジ部と前記測定端子が半導体材料により電気的に接続された構造になっていることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記半導体材料はダイオードであることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
6. 前記外容器に形成された開口部からは絶縁材料が充填されていることを特徴とする請求項４または５記載のプラズマ処理装置。
7. 前記電界測定手段は、前記マイクロ波透過窓の表面の電圧を測定することを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置。
8. 前記電界測定手段は、前記マイクロ波アンテナに取り付けられることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置。
9. 前記電界測定手段は複数設けられ、
   複数の前記電界測定手段のうちの一つは、前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の腹の位置に設置されることを特徴とする請求項１〜８のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置。
10. 前記電界測定手段は、ディスク状の前記アンテナ本体の半径方向に対応した直線方向に複数設置され、
    複数の前記電界測定手段のうちの一つは、前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の腹の位置に設置されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
11. 複数の前記電界測定手段のうちの他の一つは、前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の節の位置に設置されることを特徴とする請求項９または１０記載のプラズマ処理装置。
12. 前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の波長をλとした場合に、複数設けられた電界測定手段の間隔が、λ／４の奇数倍となることを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずれか１項記載のプラズマ処理装置。
13. 前記マイクロ波透過窓に形成される定在波の波長をλとした場合に、複数設けられた電界測定手段の間隔が、λ／４の偶数倍となることを特徴とする請求項９または１０記載のプラズマ処理装置。

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