JP4817923B2 - プラズマ生成装置及びプラズマ生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体、液晶表示装置、太陽電池等を作製する際に用いるＣＶＤ、エッチング又はスパッタリング等の処理に用いられるプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法に関する。

プラズマを用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置をはじめとする半導体製造装置では、プラズマ生成のためにアンテナ素子を用いた電磁波結合型の装置が用いられている。
一方、液晶表示装置やアモルファス型の太陽電池の大型化に伴って、プラズマを用いて各処理を行う半導体製造装置についても、大面積の基板を処理する大型の装置が望まれている。

このような大型の半導体製造装置において使用する高周波信号の周波数は１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚと高いため、アンテナ素子から放射される電磁波の波長が短い。このため、成膜等の処理の均一性に影響を与えるプラズマの密度分布が均一になるように制御することが一層重要となっている。

このような状況下、特許文献１に示すプラズマＣＶＤ装置において、大面積プラズマ生成用アンテナを用いることが提案されている。
具体的には、誘電体で表面が覆われた棒状のアンテナ素子を複数個平面状に配置してアレイ化したアレイアンテナを用いて、電磁波の空間分布を一様にして大面積のプラズマ生成に用いるものである。
特開２００３−８６５８１号公報

このようなアンテナアレイを構成する複数のアンテナ素子それぞれは、容量や抵抗など、インピーダンス整合状態に影響を与える特性パラメータが、高周波電力を給電した際の反射電力が０％になるよう（インピーダンス整合状態が最良となるよう）設計・作製されている。

しかし、アンテナ素子を構成する棒状の導体や、表面を覆う導体（例えば石英）、インピーダンス整合状態の調整のためのマッチング回路の配線状態など、機械的な製造誤差は、必ずといっていいほど生じるものである。当初の設計に基づいて構成された各アンテナアレイを用いてプラズマを生成しても、このような誤差に起因して、各アンテナ素子のインピーダンス整合状態は、設計値どおり同一とはならない（各アンテナ素子全てで、反射電力が０％にはならない）場合も多い。このため、アンテナ素子それぞれ毎に、インピーダンス整合状態を予め調整する必要がある。このようなインピーダンス整合状態の調整は、アレイアンテナを用いたプラズマ生成装置に限らず、その他の構成のプラズマ生成装置を用いた場合でも必要なことである。

特許文献１に示されるプラズマＣＶＤ装置では、アンテナ素子の電磁波の放射によって生成したプラズマの影響を受けて、アレイアンテナの複数のアンテナ素子それぞれが相互に影響し合い、各アンテナ素子の負荷が相互に変化し、各アンテナ素子のインピーダンス整合がそれぞれ変化するといった特徴がある。

例えば、隣接する２つのアンテナ素子である、第１のアンテナ素子および第２のアンテナ素子それぞれについて、交互にインピーダンス整合を調整するとする。まず、第１のアンテナ素子についてインピーダンス整合状態を調整することにより、第１のアンテナ素子からの電力反射が１０％から０％に改善されたとする。すると、第１のアンテナ周辺のプラズマ密度は高くなる方向に変化する。この変化は、隣接する第２のアンテナ素子周辺のプラズマインピーダンス（負荷）を変化させる。この場合、第２のアンテナ素子からの電力反射は、例えば、元々０％であったものが１０％になるなど、必ず増える方向に変化する。すなわち、第１のアンテナ素子のインピーダンス整合状態を変化（改善）させると、第２のアンテナ素子のインピーダンス整合状態も変化（悪化）する。今度は逆に第２のアンテナ素子のインピーダンス整合状態を変化させて、第２のアンテナ素子からの電力反射を低減させる（例えば、１０％から０％へと変化させる）と、当然、第１のアンテナ素子の電力反射が増加する。

従来は、このように、複数のアンテナ素子それぞれのインピーダンス整合状態を、同時に調整することが難しく、各アンテナ素子でのインピーダンス整合状態がばらつくことで、各アンテナ素子からの電磁波の放射が不均一となり、生成されるプラズマの密度分布が一様でなくなることもあった。この結果、生成するプラズマ分布が不均一となり、ＣＶＤ等による成膜が不均一となるといった問題が生じることもあった。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成した複数のアンテナ素子を、平行かつ平面状に配したアレイアンテナを用いてプラズマを生成させる際、プラズマが均一となるように、インピーダンス整合を高精度に、さらに迅速かつ容易に行うことができる、簡易な装置構成のプラズマ生成装置及びそのようなプラズマ生成を実現するプラズマ生成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が平面状に複数配列されてなるアンテナアレイを用いたプラズマ生成装置であって、
前記アンテナアレイの各アンテナ素子に給電する高周波信号を生成する高周波電源と、
インピーダンス整合のための特性パラメータが可変な基本素子と、前記特性パラメータが可変な補助素子とを備え、前記基本素子の前記特性パラメータと前記補助素子の前記特性パラメータとが合成された合成特性パラメータを変化させることで、各アンテナ素子のインピーダンス整合状態を変化させるインピーダンス整合器と、
各インピーダンス整合器の前記合成特性パラメータの大きさをそれぞれ調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンス整合を行う制御器と、を有し、
前記制御器は、各アンテナ素子毎に前記基本素子の前記特性パラメータが一定に維持されつつ前記補助素子の前記特性パラメータが調整されて、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された調整状態で、各アンテナ素子の前記補助素子の前記特性パラメータを一定に維持しつつ前記基本素子の前記特性パラメータをそれぞれ同期させて調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することを特徴とするプラズマ生成装置を提供する。

なお、前記制御器は、前記調整状態で、各アンテナ素子の前記基本素子の前記特性パラメータの大きさを、それぞれ同一の大きさだけ増加または減少させて、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することが好ましい。

また、前記調整状態は、各アンテナ素子全ての前記基本素子の前記特性パラメータが、それぞれ同一の大きさに固定されて、各アンテナ素子毎に前記補助素子の前記特性パラメータが調整されることで、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された状態であり、前記制御器は、各アンテナ素子全ての前記基本素子の前記特性パラメータを、それぞれ同一の大きさに調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することが好ましい。

また、前記アンテナ素子毎に設けられた前記インピーダンス整合器それぞれは、前記給電線と接続された第１のパラメータ調整手段と、前記アンテナ素子と接合された第２のパラメータ調整手段とを有して構成され、前記基本素子および前記補助素子は、前記第１のパラメータ調整手段および前記第２のパラメータ調整手段のいずれにも、それぞれ設けられていることが好ましい。

また、前記第１のパラメータ調整手段では、前記基本素子の前記給電線が接続された側と反対側の端子と、前記補助素子の前記給電線が接続された側と反対側の端子はいずれも、各アンテナ素子のインピーダンス整合のために設けられた、接地されたスタブと接続されており、前記第２のパラメータ調整手段では、前記基本素子の前記アンテナ素子が接続された側と反対側の端子と、前記補助素子の前記アンテナ素子が接続された側と反対側の端子とが、いずれも前記スタブと接続されていることが好ましい。

また、前記特性パラメータは、インピーダンス整合のための容量パラメータであり、前記基本素子および前記補助素子は、いずれも前記容量パラメータが可変な容量素子であることが好ましい。また、前記基本素子および前記補助素子は、インダクタンス素子（誘導素子）であっても構わない。

本発明は、また、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が平面状に複数配列されてなるアンテナアレイと、インピーダンス整合のための特性パラメータが可変な基本素子と、前記特性パラメータが可変な補助素子とを備え、前記基本素子の前記特性パラメータと前記補助素子の前記特性パラメータとが合成された合成特性パラメータを変化させることで、各アンテナ素子のインピーダンス整合状態を変化させるインピーダンス整合器と、を用いてプラズマを生成する際、
各アンテナ素子の前記基本素子の前記特性パラメータがそれぞれ一定に維持されつつ、各アンテナ素子毎に前記補助素子の前記特性パラメータが調整されることで、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された調整状態で、
前記アンテナアレイの各アンテナ素子に高周波信号を給電して前記アンテナ素子から電磁波を放射してプラズマを生成させ、
各アンテナ素子の前記補助素子の前記特性パラメータを一定に維持しつつ、前記基本素子の前記特性パラメータをそれぞれ同期させて調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することを特徴とするプラズマ生成方法を、併せて提供する。

なお、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合する際、前記調整状態で、各アンテナ素子の前記基本素子の前記特性パラメータの大きさを、それぞれ同一の大きさだけ増加または減少させて、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することが好ましい。

なお、前記プラズマの生成に先がけ、各アンテナ素子全ての前記基本素子の前記特性パラメータを、それぞれ同一の大きさに固定して、この固定状態でプラズマを生成し、高周波電力の反射がそれぞれゼロになるよう、各アンテナ素子毎に前記補助素子の前記特性パラメータを調整し、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された前記調整状態を設定することが好ましい。

本発明は、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子それぞれに、インピーダンス整合のための特性パラメータが可変な基本素子と、同じく特性パラメータが可変な補助素子とを備えるインピーダンス整合器を設けた。そして、各アンテナ素子毎に、基本素子の特性パラメータをそれぞれ固定して補助素子の特性パラメータを調整することで、各アンテナそれぞれのインピーダンス整合を個別に調整した調整状態とし、この調整状態で、基本素子の特性パラメータのみを、各アンテナ素子の全てについて同期させて調整することで、アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合している。このため、本発明では、補助素子の特性パラメータを調整して、アンテナの加工精度等に起因する、各アンテナ素子毎の特性パラメータのばらつきを補正しておくことができ、その結果、各アンテナ素子の全てについて、基本素子の特性パラメータのみを同期させて調整するだけで、アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合させることができる。すなわち、本発明では、インピーダンス整合を高精度に、さらに迅速かつ容易に行うことができる。

以下、本発明のプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法について詳細に説明する。
図１は、本発明のプラズマ生成装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置１０の構成を説明する概略構成図である。図２は、ＣＶＤ装置１０のアンテナ素子の配置を説明する図である。図２においては、高周波信号を伝送する給電線を図示し、後述するインピーダンス整合を行うための制御器及び制御線は図示されていない。

ＣＶＤ装置１０は、ガラス基板やシリコンウエハ等の処理基板１２にプラズマＣＶＤを用いて成膜処理を行う装置である。
ＣＶＤ装置１０は、反応容器１４、処理基板１２を載置する基板台１６、反応容器１４の壁面に設けられ、原料ガスを導入する導入口１８、反応容器１４の壁面に設けられ、減圧のために原料ガス等を排気する排気口２０、反応容器１４に設けられ、原料ガスを反応室に放出するガス放射板２４、反応容器１４内に設けられた複数のアンテナ素子２２、反応容器１４の外側に設けられるインピーダンス整合器４０、アンテナ素子２２に給電する高周波電源２８、高周波電源２８及びインピーダンス整合器２６を制御する制御器３０、アンテナ素子２２に給電される高周波信号の電流及び電圧を検出する第１電流・電圧センサ３２、インピーダンス整合器２６を個別に調整するために電流及び電圧を検出する第２電流・電圧センサ３４、第１電流・電圧センサ３２と第２電流・電圧センサ３４との間に設けられる分配器３３を有する。

反応容器１４は、金属製の容器であり、反応容器１４の壁面は接地されている。
基板台１６は、処理基板１２がアンテナ素子２２に対向するように、処理基板１２を載置する台であり、基板台１２の内部には処理基板１２を加熱する図示されない発熱体が設けられ、さらに接地された図示されない電極板が設けられている。この電極板はバイアス電源に接続されて、バイアス電圧が印加されてもよい。

導入口１８は、反応容器１４の上面側に設けられ、原料ガスを供給する供給管１９と接続されている。供給管１９は、図示されない原料ガス源と接続されている。導入口１８から供給される原料ガスは、成膜の種類によって変わるが、例えば、低温ポリシリコンＴＦＴ液晶の場合、シリコン膜の作製に際してはシランガスが、またゲート絶縁膜の作製に際してはＴＥＯＳが好適に用いられる。

反応容器１４の上側には、原料ガス分散室２３が、ガス放射板２４によって下側の反応室２５と仕切られて構成される。
ガス放射板２４は、導電性材料（例えば、アルマイト処理されたアルミニウムなど）からなる板状部材に０．５ｍｍ程度の貫通穴が複数あけられ、原料ガスが下側の反応室２５に一定の流速で放射するようになっている。なお、ガス放射板２４は、セラミック材で構成されてもよいし、ＣＶＤにより成膜された板状部材であってもよく、この場合、ガス放射板２４には金属膜が形成されており接地されている。
排気口２０は、反応容器１４内を所定の圧力に減圧した原料ガスの雰囲気とするために、図示されない真空ポンプと接続した排気管２１に接続されている。

ガス放射板２４下側の反応室２５の上側部分には、ガス放射板２４に対向するように、アレイ状に設けられた複数のアンテナ素子２２が設けられている。
複数のアンテナ素子２２は、図２に示すように、互いに平行にかつ平面状に配置されて、モノポールアンテナからなるアレイアンテナを形成する。このアレイアンテナは、ガス放射板２４及び基板台１６に載置される処理基板１２に対して平行に設けられる。
モノポールアンテナであるアンテナ素子２２は、図２に示すように隣接するアンテナ素子２２と互いに逆方向に反応容器１４内の壁面から突出しており、給電方向が逆向きとなっている。これらのアンテナ素子２２は、それぞれマッチングボックスであるインピーダンス整合器４０と接続されている。

各アンテナ素子２２は、電気伝導率の高い導体からなる棒状（パイプであってもよい）を成し、使用する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数である）の長さをモノポールアンテナであるアンテナ素子の放射長さとする。各アンテナ素子２２の表面は、石英チューブ等の誘電体で被覆されている。棒状の導体を誘電体で被覆することで、アンテナ素子２２としての容量とインダクタンスが調整されており、これにより、アンテナ素子２２の突出方向に沿って高周波電流を効率よく伝播させることができ、電磁波を効率よく放射させることができる。
このように誘電体で覆われたアンテナ素子２２は、反応容器１４の内壁に開けた開口に電気的に絶縁して取り付けられており、アンテナ素子２２の高周波電流供給端の側が、インピーダンス整合器４０に接続されている。

アンテナ素子２２は、ガス放射板２４の近傍に設けられるので、アンテナ素子２２から放射される電磁波は、隣接するアンテナ素子２２間で電磁波が相互に影響を及ぼし合うことなく、ガス放射板２４の接地されている金属膜の作用によって鏡像関係に形成される電磁波と作用して、アンテナ素子毎に所定の電磁波を形成する。さらに、アレイアンテナを構成するアンテナ素子２２は、隣接するアンテナ素子２２と給電方向が逆向きとなっているので、反応室２５において電磁波は均一に形成される。

インピーダンス整合器４０は、給電線２７と接続された第１の容量調整手段４２と、アンテナ素子２２と接合された第２の容量調整手段４４とを有して構成されている。第１の容量調整手段４２は、第１基本素子５２ａ、第１補助素子５２ｂ、第１基本モータ６２ａ、第１補助モータ６２ｂとを有して構成されている。また、第２の容量調整手段４４は、第２基本素子５４ａ、第２補助素子５４ｂ、第２基本モータ６４ａ、第２補助モータ６４ｂとを有して構成されている。インピーダンス整合器４０には、アンテナ素子のインピーダンス整合のためのスタブ６９が設けられている。インピーダンス整合器４０の筐体は、接地された反応容器１４と接続（電気的に接続）している。スタブ６９は、このインピーダンス整合器４０の筐体と接続して接地されている。

第１の容量調整手段４２に備えられた、第１基本素子５２ａおよび第１補助素子５２ｂは、いずれも一方の側が給電線２７と接続され、他方の側はお互いスタブ６９と接続されて接地している。第１基本素子５２ａおよび第１補助素子５２ｂは、いずれも、容量素子を構成する電極間が可変に構成され、容量（特性パラメータ）が自在に調整できるようになっている。この容量の調整は、電極を移動させる第１基本モータ６２ａおよび第１補助モータ６２ｂそれぞれによって行なわれる。第１の容量調整手段４２では、第１基本モータ６２ａおよび第１補助モータ６２ｂそれぞれによって、第１基本素子５２ａおよび第１補助素子５２ｂの容量がそれぞれ個別に調整されて、第１本素子５２ａと第１補助素子５２ｂの合成容量が調整される。以降、第１基本素子５２ａと第１補助素子５２ｂの合成容量のことを、給電線側合成容量という。

同様に、第２の容量調整手段４４に備えられた、第２基本素子５４ａおよび第１補助素子５４ｂは、いずれも一方の側がアンテナ素子２２（の導体）と接続され、他方の側はお互いスタブ６９と接続されて接地している。第２基本素子５４ａおよび第２補助素子５４ｂは、いずれも、容量素子を構成する電極間が可変に構成され、容量（特性パラメータ）が自在に調整できるようになっている。この容量の調整は、電極を移動させる第２基本モータ６４ａおよび第２補助モータ６４ｂそれぞれによって行なわれる。第２の容量調整手段４４では、第２基本モータ６４ａおよび第２補助モータ６４ｂそれぞれによって、第２基本素子５４ａおよび第２補助素子５４ｂの容量がそれぞれ個別に調整されて、第２基本素子５４ａと第２補助素子５４ｂの合成容量が調整される。以降、第２本素子５４ａと第２補助素子５４ｂの合成容量のことを、アンテナ素子側合成容量という。

なお、スタブ６９は、いわゆるスタブ整合（ｓｔｕｂ ｍａｔｃｈｉｎｇ）のための公知のスタブであり、アンテナ素子２２に接続してアンテナ素子２２のインピーダンス整合に寄与する、アンテナ素子２２を含んだ高周波電流の伝送線路の短い端部である。スタブ６９は、使用する高周波の波長λの１／４λの約３０％の長さ（波長λの７．５％前後の長さ）となっており、インピーダンス整合器４０の筐体と接続されて接地している。

上記給電線側合成容量の調整、およびアンテナ線側合成容量の調整は、プラズマの生成中にアンテナ素子２２の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正するために行なわれる。後述するように、プラズマによって基板を処理するに先がけて（実際のプロセスに先がけて）、各アンテナ素子毎のインピーダンス不整合を是正する（インピーダンス整合状態を調整する）際は、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量は固定したまま、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂの容量をそれぞれ個別に調整することで、給電線側合成容量およびアンテナ線側合成容量を調整する（調整状態とする）。そして、実際に、プラズマによって基板を処理する際（実際のプロセスの際）は、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂの容量は、この調整状態から変化させず、各アンテナ素子の第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量を、各アンテナ素子２２全てについて同期させて調整することで、アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合する。

高周波電源２８は、図示されない高周波発振回路及び増幅器により構成され、制御器３０からの信号に応じて、発振周波数が可変となるように構成されている。
制御器３０は、後述する第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４の検知信号に応じて、高周波電源２８の発振周波数の変更及びインピーダンス整合器２６の調整を行う制御部分である。高周波発信回路の発振周波数は、基板に対して行なうプロセスの違いに応じて変更することができる。また、後述する各種インピーダンスの整合動作においては、インピーダンス整合状態を微調整するために、高周波発信回路の発振周波数を微調整してもよい。なお、発振周波数の変更や微調整の必要がないプロセスに用いる場合など、高周波電源２８の発信周波数は、可変でなくともよい。

第１電流・電圧センサ３２は、高周波電源２８からの高周波信号がアンテナ素子２２にインピーダンスの整合された状態で給電されているか否かを検知するために、高周波電源２８の出力端近傍で電流及び電圧を検知する部分である。第１電流・電圧センサ３２は、分配器３３を介してインピーダンス整合器４０と接続されている。第２電流・電圧センサ３４は、各インピーダンス整合器４０の入力端近傍に個別に設けられ、各インピーダンス整合器４０の調整を行うために、電流及び電圧を検知する部分である。インピーダンス整合がなされていない場合、給電線２７とアンテナ素子２２の接続部分で高周波信号の反射波が発生し、これによって電流と電圧間に位相差が生じる。このため、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４において電流、電圧を検知することで、各アンテナ素子毎に、インピーダンス整合の状態か、不整合の状態かを検知することができる。第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４の検知信号は、制御器３０に供給される。

制御器３０は、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４からの検知信号に基づいて、各アンテナ素子毎に、インピーダンス整合の状態か否かを判断し、判断の結果に応じて、インピーダンス整合器４０における容量の調整動作を制御する制御信号を生成して、第１基本モータ６２ａ、第１補助モータ６２ｂ、第２基本モータ６４ａ、および第２補助モータ６４ｂに供給する部分である。制御器３０は、実際のプロセスに先がけて、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合状態を調整する際は、第１補助モータ６２ｂおよび第２補助モータ６４ｂに制御信号を個別に供給して、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂの容量をそれぞれ個別に調整し、給電線側合成容量およびアンテナ線側合成容量を調整する。

そして、実際のプロセスの際は、各アンテナ素子２２の第１基本モータ６２ａそれぞれについて同時に、各アンテナ素子の第１基本モータ６２ａをそれぞれ同一量だけ駆動して、各アンテナ素子の第１基本素子５２ａの容量をそれぞれ同一量だけ変化させる制御信号を送る。また、同時に、各アンテナ素子２２の第２基本モータ６４ａそれぞれについても、各アンテナ素子２２の第２基本モータ６４ａをそれぞれ同一量だけ駆動して、各アンテナ素子の第２基本素子６４ａの容量をそれぞれ同一量だけ変化させる制御信号を送る。これにより、各アンテナ素子の第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量を、各アンテナ素子２２全てについて同期させて調整することで、アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合させる。
なお、本実施形態では、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４の双方を設けた構成であるが、本発明では、いずれか一方の電流・電圧センサを設ければよい。しかし、より正確な制御を行うには、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４の双方を設けた構成とすることが好ましい。

このようなＣＶＤ装置１０では、反応容器１４内に導入口１８から原料ガスを送り込み、一方、排出口２０に接続した図示されない真空ポンプを作動させて通常１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。この状態でアンテナ素子２２に高周波信号を給電することで、アンテナ素子２２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内でプラズマが発生するとともに、ガス放射板２４から放射された原料ガスが励起されてラジカルをつくる。その際、発生したプラズマは導電性を有するので、アンテナ素子２２から放射された電磁波はプラズマで反射され易い。このため、電磁波はアンテナ素子２２周辺の局部領域に局在化する。
これにより、プラズマはアンテナ素子２２の近傍に局在化して形成される。

このとき、電磁波の放射するアンテナ素子２２の周辺には、局在化したプラズマが発生しているので、アンテナ素子２２の負荷も変化する。このため、それぞれのアンテナ素子等の製造誤差等にも起因して、アンテナ素子２２は、インピーダンス整合の状態から不整合の状態に変化し、高周波電源２８から供給される高周波信号の、アンテナ素子２２との接続部分における反射率は高くなり、給電が十分に行われなくなる。その際、各アンテナ素子２２の負荷変動も異なるため、各アンテナ素子２２における不整合の状態も異なる。このため、アンテナ素子２２から放射される電磁波も分布を持ち、その結果、発生するプラズマの密度分布も空間で変動することとなる。

このようなプラズマの密度分布の空間変動は、処理基板１２の成膜処理等にとって好ましくない。このため、各アンテナ素子２２からの電磁波の放射が一定になり、均一なプラズマが生成されるように、各アンテナ素子２２毎にインピーダンス整合が行われている必要がある。ここで、上述のような製造誤差等起因した特性パラメータの誤差成分の、各アンテナ素子毎の違いは、特性パラメータの実際の設計値の大きさに比べて小さいものである。各アンテナ素子毎に、このような誤差成分の違いを解消しておけば、各アンテナ素子は設計値どおりの特性パラメータを有することになる。この状態では、各アンテナ素子に共通して給電する高周波電圧の周波数や、各アンテナ素子における、誤差成分以外の特性パラメータの成分を調整するだけで、各アンテナ素子２２の負荷変動も極端に少なくなり、各アンテナ素子２２における不整合の状態も極端に小さくなる。

本発明は、このような点に本願発明者が着目してなされたものであり、製造誤差等起因した特性パラメータの誤差成分を解消した状態で、各アンテナ素子の基本的な特性パラメータ成分のみを、全てのアンテナについて同期して調整することを特徴とする。以下、装置１０を用いて行なう本発明のプラズマ生成方法の一例について述べる。

図３は、ＣＶＤ装置１０を用いて行なわれる、本発明のプラズマ生成方法の一例のフローチャート図である。まず、反応容器１４内でプラズマが発生し、プラズマがアンテナ素子２２の近傍に局在化して形成された状態で、各アンテナ素子２２の調整状態を確認する（ステップＳ１０２）。具体的には、各アンテナ素子２２それぞれについて、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４で検知された電流、電圧の情報が検知信号として制御器３０に供給され、制御器３０において、全てのアンテナ素子２２について、供給される高周波信号の電流と電圧の位相差が所定の条件を満たしているか（例えば、ゼロとなっているか）判断される（ステップＳ１０６）。

ステップＳ１０６における判定がＮＯの場合、すなわち、複数のアンテナ素子２２のいずれかにおいて、インピーダンスの不整合が認められた場合、各アンテナ素子２２それぞれについて、インピーダンス整合が行なわれる（ステップＳ１０８）。

図４は、ステップＳ１０８における、各アンテナ素子２２それぞれのインピーダンス整合について、さらに詳細に示すフローチャート図である。まず、各アンテナ素子に設けられたインピーダンス整合器４０それぞれついて、第１の容量調整手段４２の第１基本素子５２ａおよび、第２の容量調整手段４４の第２基本素子５４ａの容量が設定される（ステップＳ２０２）。このとき設定される容量としては、例えば、与えられる高周波電圧の周波数に応じて予め設定されている容量（設計値の容量）を設定しておくのが好ましい。なお、これに限らず、例えば、各アンテナ素子２２毎に、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａのみの容量を個別に変更して、各アンテナ素子２２毎にインピーダンス整合を行うことで、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａそれぞれの容量を設定してもよい。この場合、各アンテナ素子２２毎に、インピーダンス整合が最も良好となった（高周波信号の電流と電圧の位相差が、最もゼロに近づいた）際の、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａそれぞれの容量を設定してもよい。

そして、各アンテナ素子２２毎の、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量が一定の値に設定されている状態で、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量は固定したまま、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂの容量をそれぞれ個別に調整することで、給電線側合成容量およびアンテナ線側合成容量を調整して、各アンテナ素子２２それぞれについて、インピーダンス整合を行なう。

アンテナ素子２２のインピーダンス整合は、具体的には、供給される高周波信号の電流と電圧の位相差がゼロとなり、かつアンテナ素子２２のインピーダンスと給電線２７のインピーダンス(例えば５０オーム)が、第１の容量調整手段４２、第２の容量調整手段４４を介して一致するように、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂの容量をそれぞれ個別に調整する。このような調整では、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４で検知された電流、電圧の情報が検知信号として制御器３０に供給される。制御器３０では、検知信号に基づいて、給電線側合成容量やアンテナ線側合成容量が設定され、第１補助モータ６２ｂおよび第２補助モータ６４ｂを制御する制御信号が生成される。こうして、制御信号が第１補助モータ６２ｂおよび第２補助モータ６４ｂに供給されて、アンテナ素子２２と信号線２７との間のインピーダンス整合が行われる。

このような、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂをそれぞれ個別に調整して行なうインピーダンス整合は、アレイアンテナを構成する全てのアンテナ素子２２について実行されるまで繰り返される（ステップＳ２０６〜ステップＳ２０８〜ステップＳ２０４）。全てのアンテナ素子２２について、インピーダンス整合状態が調整されると、ステップＳ１０２の調整状態の確認が行なわれる。この場合、ステップＳ１０６の確認はＯＫとなり、アンテナアレイ全体のインピーダンス整合が行なわれる（ステップＳ１１０）。

ステップＳ１１０では、各アンテナ素子の第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量を、各アンテナ素子２２全てについて同期させて調整することで、アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合する。アンテナアレイ全体のインピーダンス整合は、具体的には、供給される高周波信号の反射電力が各アンテナ素子２２でゼロとなり、結果、アンテナアレイ全体に供給される高周波信号の反射電力がゼロとなるように、各アンテナ素子の第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量を、各アンテナ素子２２全てについて同期させて調整する。

このような調整では、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４で検知された電流、電圧の情報が検知信号として制御器３０に供給される。制御器３０では、検知信号に基づいて、各アンテナ素子の第１基本モータ６２ａをそれぞれ同一量だけ駆動して、各アンテナ素子の第１基本素子５２ａの容量をそれぞれ同一量だけ変化させる制御信号を送る。また、同時に、各アンテナ素子２２の第２基本モータ６４ａそれぞれについても、各アンテナ素子２２の第２基本モータ６４ａをそれぞれ同一量だけ駆動して、各アンテナ素子の第２基本素子６４ａの容量をそれぞれ同一量だけ変化させる制御信号を送る。これにより、各アンテナ素子の第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａの容量を、各アンテナ素子２２全てについて同期させて調整することで、アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合させる。このような、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａを同期させて調整するインピーダンス整合は、アンテナアレイ全体のインピーダンスが整合されるまで、繰り返される。

このように、本発明では、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂをそれぞれ個別に調整し、製造誤差等に起因した特性パラメータの誤差成分の、各アンテナ素子毎の違いを解消しておくことができる。その結果、各アンテナ素子の全てについて、第１基本素子５２ａおよび第２基本素子５４ａのみを、同期させて調整するだけで、アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合させることができる。すなわち、本発明では、インピーダンス整合を高精度に、さらに迅速かつ容易に行うことができる。

図５（ａ）は、図１に示すＣＶＤ装置１０のインピーダンス整合器４０における、第１の容量調整手段４２および第２の容量調整手段４４と、第１基本素子５２ａおよび第１補助素子５２ｂ、第２基本素子５４ａおよび第２補助素子５４ｂ、の接続関係を示す図である。図５（ｂ）および図６（ａ）および（ｂ）は、各手段および素子の接続関係の他の例を示す図である。第１の容量調整手段４２および第２の容量調整手段４４は、図５（ａ）および（ｂ）に示す例のように、並列に接続されるのみでなく、図６（ａ）および（ｂ）に示す例のように、直列に接続されていてもよい。また、第１の容量調整手段４２の第１基本素子５２ａと第１補助素子５２ｂ、および第２の容量調整手段４４の第２基本素子５４ａと第２補助素子５４ｂそれぞれも、図５（ａ）および図６（ａ）に示す例のように、それぞれ並列に接続されるのみでなく、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示す例のように、それぞれ直列に接続されていてもよい。いずれの場合においても、各素子の容量を制御することにより、アンテナ素子２２と信号線２７のインピーダンス整合を行うことができる。

なお、本実施形態では、アンテナ素子２２のインピーダンス整合のために容量素子（キャパシタ）を用いたが、誘導素子（インダクタ）を用いて、インダクタンス（特性パラメータ）を制御してもよい。

また、第１補助素子５２ｂおよび第２補助素子５４ｂの容量をそれぞれ個別に調整することで、各アンテナ素子２２それぞれについてインピーダンス整合を行なう際、各アンテナ素子２２の１本１本に個別に高周波電力を供給して、各アンテナ１つずつ同じ条件（圧力、ガス種、ガス流量、ＲＦ電力、ＲＦの周波数等）でプラズマを放電させながら、アンテナ素子２２それぞれについてインピーダンスの整合を行なってもよい。ただし、実際のプロセスにおいて、なるべく高精度にインピーダンス整合された状態に設定する場合は、上記実施形態のように、複数のアンテナ素子３２で構成されたアンテナアレイ全体に高周波電力を供給した状態で、各アンテナ素子毎にインピーダンス整合を行なうことが好ましい。この際、圧力が比較的高い状態（例えば１３０Ｐａ）でプラズマを生成し、プラズマがよりアンテナに局在化して、アンテナ間の干渉が比較的小さい状態で調整を行なうことが好ましい。

また、上記実施形態では、容量素子のみの容量を制御したが、本発明においては、インピーダンス整合を正確に行うための、容量素子の容量に加えて高周波信号の周波数を微調整してもよい。

以上、本発明のプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。例えば、本発明のプラズマ生成装置は、ＣＶＤ装置の他にエッチング装置にも好適に用いることができる。

本発明のプラズマ反応処理装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する概略断面図である。 図１に示すＣＶＤ装置におけるアンテナ素子の配置について説明する概略上面図である。 図１に示すＣＶＤ装置を用いて行なわれる、本発明のプラズマ生成方法の一例のフローチャート図である。 図１に示すＣＶＤ装置において行なわれる、各アンテナ素子それぞれのインピーダンス整合について、さらに詳細に示すフローチャート図である。 図１に示すＣＶＤ装置における、第１の容量調整手段および第２の容量調整手段との接続関係、第１基本素子および第１補助素、第２基本素子および第２補助素子の接続関係の一例を示す図である。 図１に示すＣＶＤ装置における、第１の容量調整手段および第２の容量調整手段との接続関係、第１基本素子および第１補助素、第２基本素子および第２補助素子の接続関係の他の例を示す図である。

符号の説明

１０ ＣＶＤ装置
１２ 処理基板
１４ 反応容器
１６ 基板台
１８ 導入口
１９ 供給管
２０ 排気口
２２ アンテナ素子
２３ 原料ガス分散室
２４ ガス放射板
２５ 反応室
２６ インピーダンス整合器
２７ 給電線
２８ 高周波電源
３０ 制御器
３２ 第１電流・電圧センサ
３４ 第２電流・電圧センサ
４０ インピーダンス整合器
４２ 第１の容量調整手段
４４ 第２の容量調整手段
５２ａ 第１基本素子
５２ｂ 第１補助素子
５４ａ 第２基本素子
５４ｂ 第２補助素子
６２ａ 第１基本モータ
６２ｂ 第１補助モータ
６４ａ 第２基本モータ
６４ｂ 第２補助モータ

Claims (9)

1. 誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が平面状に複数配列されてなるアンテナアレイを用いたプラズマ生成装置であって、
   前記アンテナアレイの各アンテナ素子に給電する高周波信号を生成する高周波電源と、
   インピーダンス整合のための特性パラメータが可変な基本素子と、前記特性パラメータが可変な補助素子とを備え、前記基本素子の前記特性パラメータと前記補助素子の前記特性パラメータとが合成された合成特性パラメータを変化させることで、各アンテナ素子のインピーダンス整合状態を変化させるインピーダンス整合器と、
   各インピーダンス整合器の前記合成特性パラメータの大きさをそれぞれ調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンス整合を行う制御器と、を有し、
   前記制御器は、各アンテナ素子毎に前記基本素子の前記特性パラメータが一定に維持されつつ前記補助素子の前記特性パラメータが調整されて、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された調整状態で、各アンテナ素子の前記補助素子の前記特性パラメータを一定に維持しつつ前記基本素子の前記特性パラメータをそれぞれ同期させて調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 前記制御器は、前記調整状態で、各アンテナ素子の前記基本素子の前記特性パラメータの大きさを、それぞれ同一の大きさだけ増加または減少させて、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することを特徴とする請求項１記載のプラズマ生成装置。
3. 前記調整状態は、各アンテナ素子全ての前記基本素子の前記特性パラメータが、それぞれ同一の大きさに固定されて、各アンテナ素子毎に前記補助素子の前記特性パラメータが調整されることで、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された状態であり、
   前記制御器は、各アンテナ素子全ての前記基本素子の前記特性パラメータを、それぞれ同一の大きさに調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ生成装置。
4. 前記アンテナ素子毎に設けられた前記インピーダンス整合器それぞれは、前記給電線と接続された第１のパラメータ調整手段と、前記アンテナ素子と接合された第２のパラメータ調整手段とを有して構成され、
   前記基本素子および前記補助素子は、前記第１のパラメータ調整手段および前記第２のパラメータ調整手段のいずれにも、それぞれ設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
5. 前記第１のパラメータ調整手段では、前記基本素子の前記給電線が接続された側と反対側の端子と、前記補助素子の前記給電線が接続された側と反対側の端子はいずれも、各アンテナ素子のインピーダンス整合のために設けられた、接地されたスタブと接続されており、
   前記第２のパラメータ調整手段では、前記基本素子の前記アンテナ素子が接続された側と反対側の端子と、前記補助素子の前記アンテナ素子が接続された側と反対側の端子とが、いずれも前記スタブと接続されていることを特徴とする請求項４記載のプラズマ生成装置。
6. 前記特性パラメータは、インピーダンス整合のための容量パラメータであり、
   前記基本素子および前記補助素子は、いずれも前記容量パラメータが可変な容量素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ生成装置。
7. 誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が平面状に複数配列されてなるアンテナアレイと、インピーダンス整合のための特性パラメータが可変な基本素子と、前記特性パラメータが可変な補助素子とを備え、前記基本素子の前記特性パラメータと前記補助素子の前記特性パラメータとが合成された合成特性パラメータを変化させることで、各アンテナ素子のインピーダンス整合状態を変化させるインピーダンス整合器と、を用いてプラズマを生成する際、
   各アンテナ素子の前記基本素子の前記特性パラメータがそれぞれ一定に維持されつつ、各アンテナ素子毎に前記補助素子の前記特性パラメータが調整されることで、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された調整状態で、
   前記アンテナアレイの各アンテナ素子に高周波信号を給電して前記アンテナ素子から電磁波を放射してプラズマを生成させ、
   各アンテナ素子の前記補助素子の前記特性パラメータを一定に維持しつつ、前記基本素子の前記特性パラメータをそれぞれ同期させて調整することで、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することを特徴とするプラズマ生成方法。
8. 前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合する際、前記調整状態で、各アンテナ素子の前記基本素子の前記特性パラメータの大きさを、それぞれ同一の大きさだけ増加または減少させて、前記アンテナアレイ全体のインピーダンスを整合することを特徴とする請求項７記載のプラズマ生成方法。
9. 前記プラズマの生成に先がけ、各アンテナ素子全ての前記基本素子の前記特性パラメータを、それぞれ同一の大きさに固定して、この固定状態でプラズマを生成し、高周波電力の反射がそれぞれゼロになるよう、各アンテナ素子毎に前記補助素子の前記特性パラメータを調整し、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合が調整された前記調整状態を設定することを特徴とする請求項７または８記載のプラズマ生成方法。

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