JP5161086B2 - マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ源およびそれを用いた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といった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る。

プラズマ処理装置におけるプラズマの発生方法としては、平行平板電極が配置されたチャンバ内に処理ガスを供給し、この平行平板電極に所定の電力を供給して、電極間の容量結合によってプラズマを発生させる方法や、マイクロ波によって発生する電場とチャンバ外に配置された磁場発生装置によって発生した磁場とによって電子を加速し、この電子が処理ガスの中性分子と衝突して中性分子を電離させることによってプラズマを発生させる方法等が知られている。

後者のマイクロ波による電場と磁場発生装置による磁場のマグネトロン効果を利用する方法の場合には、所定電力のマイクロ波を導波管／同軸管を通してチャンバ内に配置されたアンテナに供給し、アンテナからマイクロ波をチャンバ内の処理空間に放射させている。

従来の一般的なマイクロ波導入装置は、所定電力に調整されたマイクロ波を出力するマグネトロンおよびマグネトロンに直流のアノード電流を供給するマイクロ波発生電源を有するマイクロ波発振器を備え、このマイクロ波発振器から出力されたマイクロ波をアンテナを介してチャンバ内の処理空間に放射するように構成されていた。

しかしながら、マグネトロンの寿命は約半年と短いために、このようなマグネトロンを用いたマイクロ波導入装置では、装置コストおよびメンテナンスコストが高いという問題がある。また、マグネトロンの発振安定性は約１％あり、しかも出力安定性が３％程度とばらつきが大きいために、安定したマイクロ波を発振することが困難であった。

そこで、半導体増幅素子を用いたアンプ、いわゆるソリッドステートアンプで低電力のマイクロ波を増幅して必要な大電力のマイクロ波を生成し、装置寿命が長く、出力の安定したマイクロ波を得る技術が特開２００４−１２８１４１号公報に記載されている。この技術は、マイクロ波を分配器で分配した後、分配器から出力されたマイクロ波をソリッドステートアンプで増幅し、各ソリッドステートアンプにおいて増幅されたマイクロ波を合成器で合成するものである。

また、特開２００４−１２８１４１号公報の技術では、合成器で精密なインピーダンス整合が求められること、合成器から出力された大電力のマイクロ波がアイソレータに伝送されるため、アイソレータとして大型なものが必要となること、アンテナの面内でマイクロ波の出力分布を調整することができないことから、このような点を解決する技術として、特開２００４−１２８３８５号公報には、マイクロ波を分配器で複数に分配した後にアンプで増幅し、その後合成器で合成せずに複数のアンテナからマイクロ波を放射し、空間で合成する技術が提案されている。

しかしながら、このような技術では、分配された各チャンネルに２つ以上の大がかりなスタブチューナを組み込んで、不整合部のチューニングを行う必要があるため、装置が複雑なものとならざるを得ない。また、必ずしも不整合部のインピーダンス調整を高精度で行うことができないという問題もある。

本発明の目的は、装置の大型化および複雑化を回避することができ、高精度でインピーダンスを整合させることができるマイクロ波プラズマ源を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのようなマイクロ波プラズマ源を用いたプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明の第１の観点によれば、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を出力するためのマイクロ波出力部と、マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナとを具備し、前記チューナは、前記アンテナ部と共通の筐体内に配置されて一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、前記アンプは、前記筐体の上面に直接実装されているマイクロ波プラズマ源が提供される。

本発明の第２の観点によれば、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を出力するためのマイクロ波出力部と、マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部とを具備し、前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、前記給電励起部材は、誘電体に形成されたオープンスタブからなるマイクロストリップラインと、前記マイクロストリップラインに前記アンプから給電するためのコネクタと、前記マイクロストリップラインからのマイクロ波電力を透過し、共振器として機能する誘電体部材と、誘電体部材を透過したマイクロ波を前記チューナへ放射するためのスロットアンテナとを有する、マイクロ波プラズマ源が提供される。

上記第２の観点において、前記コネクタおよび前記マイクロストリップラインを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各マイクロストリップラインを経て空間合成される構成とすることができる。

本発明の第３の観点によれば、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を出力するためのマイクロ波出力部と、マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部とを具備し、前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、前記給電励起部材は、誘電体に形成されたパッチアンテナと、前記パッチアンテナに前記アンプから給電するコネクタと、前記パッチアンテナから放射されたマイクロ波電力を透過して前記チューナへ放射する誘電体部材とを有する、マイクロ波プラズマ源が提供される。

上記第３の観点において、前記コネクタおよび前記パッチアンテナを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各パッチアンテナを経て空間合成される構成とすることができる。

上記第２、第３の観点において、前記給電励起部材は、そのマイクロ波電力放射面と反対側の面に設けられたマイクロ波電力を反射する反射板をさらに有する構成とすることができる。

上記第１から第３の観点において、前記アンテナ部は、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなる天板と、前記アンテナの天板とは反対側に設けられ、前記アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする誘電体からなる遅波材とを有する構成とすることができる。また、前記チューナとして、誘電体からなる２つのスラグを有するスラグチューナを用いることができる。さらに、前記アンプ部は、前記アンプから前記アンテナへ出力されたマイクロ波の内、反射マイクロ波を分離するアイソレータをさらに有するものとすることができる。

本発明の第４の観点によれば、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を複数に分配された状態で出力するマイクロ波出力部と、複数に分配された状態で出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導く複数のアンテナモジュールとを具備し、前記各アンテナモジュールは、マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナとを具備し、前記チューナは、前記アンテナ部と共通の筐体内に配置されて一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、前記アンプは、前記筐体の上面に直接実装されている、マイクロ波プラズマ源が提供される。

本発明の第５の観点によれば、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を複数に分配された状態で出力するマイクロ波出力部と、複数に分配された状態で出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導く複数のアンテナモジュールとを具備し、前記各アンテナモジュールは、マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部とを具備し、前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、前記給電励起部材は、誘電体に形成されたオープンスタブからなるマイクロストリップラインと、前記マイクロストリップラインに前記アンプから給電するためのコネクタと、前記マイクロストリップラインからのマイクロ波電力を透過し、共振器として機能する誘電体部材と、誘電体部材を透過したマイクロ波を前記チューナへ放射するためのスロットアンテナとを有する、マイクロ波プラズマ源が提供される。

上記第５の観点において、前記コネクタおよび前記マイクロストリップラインを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各マイクロストリップラインを経て空間合成される構成とすることができる。

本発明の第６の観点によれば、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を複数に分配された状態で出力するマイクロ波出力部と、複数に分配された状態で出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導く複数のアンテナモジュールとを具備し、前記各アンテナモジュールは、マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部とを具備し、前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、前記給電励起部材は、誘電体に形成されたパッチアンテナと、前記パッチアンテナに前記アンプから給電するコネクタと、前記パッチアンテナから放射されたマイクロ波電力を透過して前記チューナへ放射する誘電体部材とを有する、マイクロ波プラズマ源が提供される。
上記第６の観点において、前記コネクタおよび前記パッチアンテナを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各パッチアンテナを経て空間合成される構成とすることができる。

上記第５、第６の観点において、前記給電励起部材は、そのマイクロ波電力放射面と反対側の面に設けられたマイクロ波電力を反射する反射板をさらに有する構成とすることができる。

上記第４から第６の観点において、前記各アンテナモジュールを介して前記チャンバ内に導かれたマイクロ波は前記チャンバ内の空間で合成されるように構成することができる。また、前記アンプ部は、マイクロ波の位相を調整する位相器を有してもよい。さらに、前記複数のアンテナモジュールを、隣接するアンテナモジュール間でスロットが９０°ずれるように配置するとともに、前記位相器により隣接するアンテナモジュール間で位相が９０°ずれるようにするようにしてもよい。

本発明の第７の観点によれば、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、前記チャンバ内に供給されたガスをマイクロ波によりプラズマ化する、上記第１から第６の観点のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ源とを具備する、プラズマ処理装置が提供される。

本発明によれば、チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源において、チューナをアンテナ部と一体的に設けたので、これらが別体の場合よりも大幅にコンパクト化することができ、マイクロ波プラズマ源自体を著しくコンパクト化することができる。また、アンプ、チューナおよびアンテナを近接して設けることにより、インピーダンス不整合が存在するアンテナ取り付け部分においてチューナにより高精度でチューニングすることができ、反射の影響を確実に解消することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ源が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図。 本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ源の概略構成を説明するためのブロック図。 メインアンプの回路構成の例を示す図。 図１の装置におけるチューナおよびアンテナ部を示す断面図。 平面スロットアンテナの好ましい形態を示す平面図。 四角状の天板を有するアンテナ部を示す斜視図。 四角状の天板を仕切り板で２分割した状態のアンテナ部を示す斜視図。 円偏波を発生する際の複数のアンテナモジュールの配置例を説明するためのアンテナユニットの一部分を示す底面図。 メインアンプからチューナへ給電する際の給電変換部の他の例としての給電励起板を示す断面図。 図９の給電励起板のプリント配線基板の裏面を示す図。 図９の給電励起板の誘電体部材の裏面を示す図。 図９の給電励起板のスロットアンテナを示す底面図。 メインアンプからチューナへ給電する際の給電変換部のさらに他の例としての他の給電励起板を示す断面図。 図１３の給電励起板を示す平面図。 図１３の給電励起板のプリント配線基板の裏面を示す図。 シミュレーションに用いたアンテナ部およびチューナ部の構成を説明するための図。 シミュレーション結果を示す図。 シミュレーション結果を示す図。 シミュレーション結果を示す図。 シミュレーション結果を示す図。 シミュレーション結果を示す図。 平面スロットアンテナの他の好ましい形態を示す平面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ源が搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２は本実施形態に係るマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図である。

プラズマ処理装置１００は、ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源２はこの開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。

チャンバ１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａ介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。

また、図示はしていないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にイオンが引き込まれる。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

チャンバ１内のサセプタ１１の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハＷに向けて吐出するシャワープレート２０が水平に設けられている。このシャワープレート２０は、格子状に形成されたガス流路２１と、このガス流路２１に形成された多数のガス吐出孔２２とを有しており、格子状のガス流路２１の間は空間部２３となっている。このシャワープレート２０のガス流路２１にはチャンバ１の外側に延びる配管２４が接続されており、この配管２４には処理ガス供給源２５が接続されている。

一方、チャンバ１のシャワープレート２０の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材２６がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材２６には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材２６には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源２７が配管２８を介して接続されている。プラズマガスとしてはＡｒガスが好適に用いられる。

プラズマガス導入部材２６からチャンバ１内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源２からチャンバ１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このＡｒプラズマがシャワープレート２０の空間部２３を通過しシャワープレート２０のガス吐出孔２２から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。

マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持されており、これらの間は気密にシールされている。図２に示すように、マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波をチャンバ１に導き、チャンバ１内に放射するためのアンテナユニット４０とを有している。

マイクロ波出力部３０は、電源部３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、２．４５ＧＨｚの他に、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることができる。

アンテナユニット４０は、分配器３４で分配されたマイクロ波を導く複数のアンテナモジュール４１を有している。各アンテナモジュール４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部４２と、インピーダンスを整合させるためのチューナ４３と、増幅されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４４とを有している。そして、このように複数のアンテナモジュール４１のアンテナ部４４からチャンバ１内にマイクロ波を放射してチャンバ内空間でマイクロ波を合成するようになっている。

アンプ部４２は、位相器４５と、可変ゲインアンプ４６と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７と、アイソレータ４８とを有している。

位相器４５は、スラグチューナによりマイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることや、後述するように隣り合うアンテナモジュールにおいて９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。ただし、このような放射特性の変調が不要な場合には位相器４５は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４６は、メインアンプ４７へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ４６を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７は、例えば、図３に示すように、入力整合回路６１と、半導体増幅素子６２と、出力整合回路６３と、高Ｑ共振回路６４とを有する構成とすることができる。半導体増幅素子６２としては、Ｅ級動作が可能となる、ＧａＡｓＨＥＭＴ、ＧａＮＨＥＭＴ、ＬＤ−ＭＯＳを用いることができる。特に、半導体増幅素子６２として、ＧａＮＨＥＭＴを用いた場合には、可変ゲインアンプは一定値になり、Ｅ級動作アンプの電源電圧を可変とし、パワー制御を行う。

アイソレータ４８は、アンテナ部４４で反射してメインアンプ４７に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ部４４で反射した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反射マイクロ波を熱に変換する。

本実施形態では、複数のアンテナモジュール４１を設け、各アンテナモジュールのアンテナ部４４から放射したマイクロ波を空間合成するので、アイソレータ４８は小型のものでよく、メインアンプ４７に隣接して設けることが可能である。

チューナ４３とアンテナ部４４とは、図４に示すように、一体的なユニットとして構成されており、共通の筐体５０を有している。そして、筐体５０の下部にアンテナ部４４が配置され、上部にチューナ４３が配置される。筐体５０は金属製であり円筒状をなしており、同軸管の外側導体を構成している。

アンテナ部４４は、平面状をなしスロット５１ａを有する平面スロットアンテナ５１を有しており、この平面スロットアンテナ５１から上方に向けて同軸管の内側導体をなす金属棒５２が垂直に延びている。

筐体５０の上端には、給電変換部５３が取り付けられており、給電変換部５３の上端には同軸コネクタ（Ｎ形コネクタ）６５が取り付けられている。そして、上記メインアンプ４７はこの同軸コネクタ６５に同軸ケーブル６６を介して接続されている。同軸ケーブル６６の途中にはアイソレータ４８が介在されている。メインアンプ４７はパワーアンプであって大電力を取り扱うので、Ｅ級等高効率の動作をするが、その熱は数十〜数百ｋＷに相当するため放熱の観点からアンテナ部４４に直列に装着する。給電変換部５３は、マイクロ波を伝送するために、同軸コネクタ６５から筐体５０に至るまで、伝送路が徐々に大きくなるように形成されている。

筐体５０の上面は接地のため金属面となっているが、マイクロ波の伝送方式を工夫することで、筐体５０の上面に直接メインアンプ４７を実装することもできる。これにより、よりコンパクトでかつ放熱特性が良好なアンテナモジュールを構築することができる。

なお、アイソレータ４８は、メインアンプ４７に隣接して設けられている。また、給電変換部５３の上端の金属棒５２と接触する部分には絶縁部材５４が設けられている。

アンテナ部４４は、平面スロットアンテナ５１の上面に設けられた遅波材５５を有している。遅波材５５は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。遅波材５５は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面スロットアンテナ５１が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ５１の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

また、平面スロットアンテナ５１の下面には、真空シールのための誘電体部材、例えば石英やセラミックス等からなる天板５６が配置されている。そして、メインアンプ４７で増幅されたマイクロ波が金属棒５２と筐体５０の周壁の間を通って平面スロットアンテナ５１のスロット５１ａから天板５６を透過してチャンバ１内の空間に放射される。

このときのスロット５１ａは、図５に示すように扇形のものが好ましく、図示している２個、または４個設けることが好ましい。また、天板５６は、図６に示すように、四角い形状（直方体）であることが好ましい。これにより、マイクロ波をＴＥモードで効率的に伝達させることができる。さらに、図７のように四角い天板を仕切り板５７で２分割することがより好ましい。これにより天板５６中を疑似ＴＥ波が伝達できるため、より同調範囲を広げることができる。

チューナ４３は、筐体５０のアンテナ部４４より上の部分に、２つのスラグ５８を有し、スラグチューナを構成している。スラグ５８は誘電体からなる板状体として構成されており、金属棒５２と筐体５０の外壁の間に円環状に設けられている。そして、コントローラ６０からの指令に基づいて駆動部５９によりこれらスラグ５８を上下動させることによりインピーダンスを調整するようになっている。コントローラ６０は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス調整を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

本実施形態において、メインアンプ４７と、チューナ４３と、平面スロットアンテナ５１とは近接配置している。そして、チューナ４３と平面スロットアンテナ５１とは一波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつこれらは共振器として機能する。

プラズマ処理装置１００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部７０により制御されるようになっている。制御部７０はプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。

次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置における動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、プラズマガス供給源２７から配管２８およびプラズマガス導入部材２６を介してチャンバ１内にプラズマガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源２からマイクロ波をチャンバ１内に導入してプラズマを形成する。

次いで、処理ガス、例えばＣｌ_２ガス等のエッチングガスが処理ガス供給源２５から配管２４およびシャワープレート２０を介してチャンバ１内に吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート２０の空間部２３を通過してきたプラズマにより励起されてプラズマ化し、このように形成された処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。

この場合に、マイクロ波プラズマ源２では、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振されたマイクロ波はアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波はアンテナユニット４０において複数のアンテナモジュール４１に導かれる。アンテナモジュール４１においては、このように複数に分配されたマイクロ波を、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４７で個別に増幅し、平面スロットアンテナ５１を用いて個別に放射した後に空間で合成するので、大型のアイソレータや合成器が不要となる。また、アンテナ部４４とチューナ４３とが同一筐体内に一体となって設けられているので極めてコンパクトになる。このため、マイクロ波プラズマ源２自体が従来に比べて著しくコンパクト化することができる。さらに、メインアンプ４７、チューナ４３および平面スロットアンテナ５１が近接して設けられ、特にチューナ４３と平面スロットアンテナ５１とは集中定数回路を構成し、かつ共振器として機能することにより、インピーダンス不整合が存在する平面スロットアンテナ取り付け部分においてチューナ４３により高精度でチューニングすることができ、反射の影響を確実に解消することができる。

さらに、このようにチューナ４３と平面スロットアンテナ５１とが近接し、集中定数回路を構成してかつ共振器として機能することにより、平面スロットアンテナ５１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができるので、チューナ４３により高精度のプラズマ制御が可能となる。さらに平面スロットアンテナ５１に装着する天板５６を四角状にすることにより、マイクロ波をＴＥ波として高効率で放射することができ、さらに、四角状の天板５６を仕切り板５７で２分割することにより天板５６中を疑似ＴＥ波が伝達できるため、より同調範囲を広げることができ、プラズマの制御性がさらに良好になる。

さらにまた、位相器により、各アンテナモジュールの位相を変化させることにより、マイクロ波の指向性制御を行うことができ、プラズマ等の分布の調整を容易に行うことができる。また、図８に示すように、複数のアンテナモジュール４１を、隣接するアンテナモジュール間でスロット５１ａが９０°ずれるように配置するとともに、位相器４５により隣接するアンテナモジュール間で位相が９０°ずれるようにすることにより、円偏波を実現することができる。なお、図８はアンテナユニット４０の一部分を示すものである。

次に、メインアンプ４７からチューナ４３へマイクロ波電力を伝送する方式の他の例について説明する。
上記実施形態においては、メインアンプ４７からチューナ４３へのマイクロ波電力の伝送（給電）を同軸コネクタ６５を介して同軸構造の給電変換部５３を用いて行ったが、この場合には、給電変換部５３の伝送路を徐々に大きくする必要があるため、装置の小型化を十分に図ることができない。また、上記実施形態では、チューナ４３へ１個のアンプが接続された形態となっているが、これでは十分な出力が得られない場合が生じる。

このような点を改良するために、図９に示すように、給電変換部として、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起板８０を用いることができる。給電励起板８０は、メインアンプ４７から伝送されたマイクロ波電力をチューナ４３へ放射供給するものであり、誘電体ボード７５にマイクロストリップライン７６が形成されてなるプリント配線基板（ＰＣＢ）７１と、ＰＣＢ７１の下に誘電結合するように設けられた誘電体部材７２と、誘電体部材７２の下面に設けられたスロットアンテナ７３と、プリント配線基板（ＰＣＢ）７１の上面に設けられた反射板７４とを有している。なお、図９において、図４と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

ＰＣＢ７１は、図１０に示すように、誘電体ボード７５の裏面に、Ｃｕ等の導体からなるマイクロストリップライン７６が形成されており、誘電体ボード７５の周面のマイクロストリップライン７６に対応する部分にコネクタ７８が取り付けられている。マイクロストリップライン７６はオープンスタブとして形成されており、そのスロットアンテナとの位置関係は電流密度最大値がスロット中心になるように設計する。コネクタ７８およびマイクロストリップライン７６は、２つずつ設けられており、２つのアンプが接続可能となっている。これら２つのコネクタ７８から給電された場合には、共振部分で電力合成（空間合成）されチューナ４３に放射供給される。なお、コネクタ７８およびマイクロストリップライン７６は１個でも３個以上でもよく、３個以上のときも２個の場合と同様、供給されたマイクロ波が空間合成される。

誘電体部材７２は、例えば石英で構成され、スロットアンテナ７３とともに共振器として機能するものであり、図１１に示すように、その中心にはスロットアンテナ７３に至る中心導体７７が貫通している。

スロットアンテナ７３は、例えばＣｕからなり、図１２に示すように、誘電体部材７２の裏面に例えばめっきにより形成されたものであり、例えば扇形のスロット７３ａが形成されている。スロット７３ａは、図示するように２つ設けられており、その長さは約１／２×λｇとなっている。なお、スロットは他の形状でもよい。また、スロットは２つに限らず例えば４つ設けてもよい。さらにスロットアンテナ７３を削除して、波長が１／４×λｇのモノポールアンテナとして電力供給を行うこともできる。

反射板７４は例えばＣｕからなり、ＰＣＢ７１の上面に例えばめっきにより形成されており、マイクロ波電力を反射させてマイクロ波電力が輻射により漏出することを防止する。

このように構成された給電励起板８０においては、メインアンプ４７からのマイクロ波は、コネクタ７８を介してＰＣＢ７１のマイクロストリップライン７６へ供給され、誘電体部材７２を介してスロットアンテナ７３に至り、そこに形成されたスロット７３ａからチューナ４３へ放射供給される。

この場合の給電方式は、従来のような同軸ケーブルを用いたものとは異なり、誘電体およびアンテナを介した非接触給電であり、誘電体を共振器として用いるので給電変化部である給電励起板８０を小型化することができる。また、コネクタ７８およびマイクロストリップライン７６を２個以上設けることにより、複数のメインアンプから給電することができ、共振部分で電力合成されてチューナ４３へ放射供給されるが、この場合の合成は空間合成であり、基板上で合成する場合と比較して合成容量を大きくとることができ、給電変換部５３を非常にコンパクトにすることができる。また、コネクタ７８とマイクロストリップライン７６を複数設けるだけで電力合成することができるので極めて簡易な構造でよい。

図９のマイクロ波プラズマ源においては、チューナまでの回路のインピーダンスは、例えば５０Ωとなる。また、チューナとアンテナ間の電気長は１／２波長以内となり、その間でマッチングを取るので集中定数回路とみなされ、定在波の発生が最小になる。

メインアンプ４７からチューナ４３へマイクロ波電力を伝送するさらに他の方法としては、図１３に示すパッチアンテナを利用した給電励起板を用いたものを挙げることができる。図１３の給電励起板９０は、上記給電励起板８０と同様、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行うものであり、メインアンプ４７から伝送されたマイクロ波をチューナ４３へ放射供給する。この給電励起板９０は、誘電体ボード８４にパッチアンテナ８５が形成されてなるプリント配線基板（ＰＣＢ）８１と、ＰＣＢ８１の下に誘電結合するように設けられた誘電体部材８２と、ＰＣＢ８１の上面に設けられた反射板８３とを有している。なお、図１３において、図４と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

ＰＣＢ８１の上面には給電のための２つのコネクタ８７が取り付けられており、図１４に示すように、ＰＣＢ８１の上面のコネクタ８７以外の部分は反射板８３で覆われている。図１５に示すように、ＰＣＢ８１の裏面の２つのコネクタ８７に対応する位置に、それぞれ扇状のパッチアンテナ８５が誘電体ボード８４から突出して設けられており、コネクタ８７を介してパッチアンテナ８５へ給電されるようになっている。パッチアンテナ８５への給電点８５ａは中心位置からずれた位置となっている。２つのコネクタ８７には、それぞれメインアンプが接続可能であり、メインアンプからコネクタ８７を介して各パッチアンテナ８５へ給電されるようになっている。なお、コネクタ８７およびパッチアンテナ８５は１個でも３個以上でもよい。

誘電体部材８２は、例えば石英で構成され、パッチアンテナ８５から放射された電力を透過してチューナ４３へ放射する機能を有している。この際にマイクロ波の波長は誘電体部材８２の比誘電率εｒによりλｇ＝λ／εｒ^１／２と短縮される。その中心には金属棒５２に至る中心導体８６が貫通している。

反射板８３は例えばＣｕからなり、ＰＣＢ８１の上面に例えばめっきにより形成されており、マイクロ波電力を反射させてマイクロ波電力が輻射により漏出することを防止する。

このように構成された給電励起板９０においては、メインアンプ４７からのマイクロ波電力は、コネクタ８７を介してＰＣＢ８１のパッチアンテナ８５へ供給され、パッチアンテナ８５で共振し、誘電体部材８２を経由してチューナ４３へ放射供給される。

この場合の給電方式は、従来のような同軸ケーブルを用いたものとは異なり、誘電体およびアンテナを介した非接触給電であり、パッチアンテナ８５および誘電体を共振器として用いるので給電変換部である給電励起板９０を小型化することができる。また、誘電体部材８２において、マイクロ波の波長はλｇ＝λ／εｒ^１／２と短縮されるのでパッチアンテナ８５を小さくすることができる。さらに、コネクタ８７およびパッチアンテナ８５を２個以上設けることにより、複数のメインアンプから給電することができ、共振部分で電力合成されてチューナ４３へ放射供給されるが、この場合の合成は空間合成であり、基板上で合成する場合と比較して合成容量を大きくとることができ、非常にコンパクトにすることができる。また、コネクタ８７とパッチアンテナ８５を複数設けるだけで電力合成することができるので極めて簡易な構造でよい。

次に、シミュレーション結果について説明する。
ここでは、図１６に示すように、平面スロットアンテナ５１に２つの扇形のスロット５１ａを設け、チューナ４３の２つのスラグ５８により距離Ｌ１，Ｌ２を可変とし、図中のＡ〜Ｆを最適化し、さらに四角状の天板を設けた場合についてシミュレーションを行った。なお、Ａは給電点からスロット５１ａまでの距離、Ｂはスロット５１ａの角度、Ｃはスロット５１ａからアンテナ端までの距離、Ｄはアンテナ５１の外径寸法、Ｅはアンテナ５１から内側導体の端部までの距離、Ｆはスラグ５８の厚さである。例えば、Ａ＝１５ｍｍ、Ｂ＝７８度、Ｃ＝２０ｍｍ、Ｄ＝９０ｍｍ、Ｅ＝１７２ｍｍ、Ｆ＝１５ｍｍとした。

その結果を図１７に示す。図１７において、横軸は天板５６の幅であり、縦軸はＳ_１１（反射係数）の最大有能電力利得（ＭＡＧ：Maximum Available Power Gain）である。図１７より、Ｓ_１１の最大有能電力利得が０．２ｄＢ付近まで低下して、電磁波が効率的に放射され、天板寸法に対して安定であり、ＴＥ１０モードを安定して伝達できることが確認された。ただし、天板を四角状にしただけでは、同調範囲が必ずしも十分ではないため、図７に示すように、天板５６の中央に仕切り板を入れて同様にシミュレーションした結果、スラグ５８の一方のみを移動させた場合のポーラーチャートおよびスミスチャートは図１８Ａ、図１８Ｂに示すようになり、両方を移動させた場合のポーラーチャートおよびスミスチャートは図１９Ａおよび図１９Ｂに示すようになって、ＳＷＷＲが２０レベルまでチューニングすることが可能であることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、マイクロ波出力部３０の回路構成やアンテナユニット４０、メインアンプ４７の回路構成等は、上記実施形態に限定されるものではない。具体的には、平面スロットアンテナから放射されるマイクロ波の指向性制御を行ったり円偏波にしたりする必要がない場合には、位相器は不要である。また、アンテナユニット４０は、必ずしも複数のアンテナモジュール４１で構成する必要はなく、リモートプラズマ等、小さいプラズマ源で十分な場合には１個のアンテナモジュールで十分である。さらに、メインアンプ４７においては、半導体増幅素子の個数は複数であってもよい。

平面スロットアンテナ５１に形成されるスロットは、それ自体の長さを低減できコンパクト化できることから扇形が好ましいが、これに限るものではない。また、スロットの数も上記実施形態に限るものではない。例えば、図２０に示すように４つのスロット５１ｂを設けた平面スロットアンテナ５１′を好適に用いることができる。この図では各スロット５１ｂが直線状であるが、もちろん扇形であってもよい。

さらに、上記実施形態においては、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸窒化膜処理、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、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

Claims (19)

1. チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、
   マイクロ波を出力するためのマイクロ波出力部と、
   マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、
   増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、
   マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと
   を具備し、
   前記チューナは、前記アンテナ部と共通の筐体内に配置されて一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、
   前記アンプは、前記筐体の上面に直接実装されている、マイクロ波プラズマ源。
2. チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、
   マイクロ波を出力するためのマイクロ波出力部と、
   マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、
   増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、
   マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、
   前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部と
   を具備し、
   前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、
   前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、
   前記給電励起部材は、誘電体に形成されたオープンスタブからなるマイクロストリップラインと、前記マイクロストリップラインに前記アンプから給電するためのコネクタと、前記マイクロストリップラインからのマイクロ波電力を透過し、共振器として機能する誘電体部材と、誘電体部材を透過したマイクロ波を前記チューナへ放射するためのスロットアンテナとを有する、マイクロ波プラズマ源。
3. 前記コネクタおよび前記マイクロストリップラインを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各マイクロストリップラインを経て空間合成される、請求項２に記載のマイクロ波プラズマ源。
4. チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、
   マイクロ波を出力するためのマイクロ波出力部と、
   マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、
   増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、
   マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、
   前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部と
   を具備し、
   前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、
   前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、
   前記給電励起部材は、誘電体に形成されたパッチアンテナと、前記パッチアンテナに前記アンプから給電するコネクタと、前記パッチアンテナから放射されたマイクロ波電力を透過して前記チューナへ放射する誘電体部材とを有する、マイクロ波プラズマ源。
5. 前記コネクタおよび前記パッチアンテナを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各パッチアンテナを経て空間合成される、請求項４に記載のマイクロ波プラズマ源。
6. 前記給電励起部材は、そのマイクロ波電力放射面と反対側の面に設けられたマイクロ波電力を反射する反射板をさらに有する、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
7. 前記アンテナ部は、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなる天板と、前記アンテナの天板とは反対側に設けられ、前記アンテナに到達するマイクロ波の波長を短くする誘電体からなる遅波材とを有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
8. 前記チューナは、誘電体からなる２つのスラグを有するスラグチューナである、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
9. 前記アンプ部は、前記アンプから前記アンテナへ出力されたマイクロ波の内、反射マイクロ波を分離するアイソレータをさらに有す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項に記載のマイクロ波プラズマ源。
10. チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、
    マイクロ波を複数に分配された状態で出力するマイクロ波出力部と、
    複数に分配された状態で出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導く複数のアンテナモジュールと
    を具備し、
    前記各アンテナモジュールは、
    マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、
    増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、
    マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと
    を具備し、
    前記チューナは、前記アンテナ部と共通の筐体内に配置されて一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、
    前記アンプは、前記筐体の上面に直接実装されている、マイクロ波プラズマ源。
11. チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、
    マイクロ波を複数に分配された状態で出力するマイクロ波出力部と、
    複数に分配された状態で出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導く複数のアンテナモジュールと
    を具備し、
    前記各アンテナモジュールは、
    マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、
    増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、
    マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、
    前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部と
    を具備し、
    前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、
    前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、
    前記給電励起部材は、誘電体に形成されたオープンスタブからなるマイクロストリップラインと、前記マイクロストリップラインに前記アンプから給電するためのコネクタと、前記マイクロストリップラインからのマイクロ波電力を透過し、共振器として機能する誘電体部材と、誘電体部材を透過したマイクロ波を前記チューナへ放射するためのスロットアンテナとを有する、マイクロ波プラズマ源。
12. 前記コネクタおよび前記マイクロストリップラインを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各マイクロストリップラインを経て空間合成される、請求項１１に記載のマイクロ波プラズマ源。
13. チャンバ内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源であって、
    マイクロ波を複数に分配された状態で出力するマイクロ波出力部と、
    複数に分配された状態で出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に導く複数のアンテナモジュールと
    を具備し、
    前記各アンテナモジュールは、
    マイクロ波を増幅するアンプを有するアンプ部と、
    増幅されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナを有するアンテナ部と、
    マイクロ波の伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、
    前記アンプから前記チューナへマイクロ波電力を適切に給電するための給電変換部と
    を具備し、
    前記チューナは、前記アンテナ部と一体的に設けられ、前記アンプに近接して設けられており、
    前記給電変換部は、誘電体およびアンテナを介した非接触給電を行う給電励起部材を有し、
    前記給電励起部材は、誘電体に形成されたパッチアンテナと、前記パッチアンテナに前記アンプから給電するコネクタと、前記パッチアンテナから放射されたマイクロ波電力を透過して前記チューナへ放射する誘電体部材とを有する、マイクロ波プラズマ源。
14. 前記コネクタおよび前記パッチアンテナを複数有し、各コネクタにアンプが接続され、これらアンプからのマイクロ波電力が各パッチアンテナを経て空間合成される、請求項１３に記載のマイクロ波プラズマ源。
15. 前記給電励起部材は、そのマイクロ波電力放射面と反対側の面に設けられたマイクロ波電力を反射する反射板をさらに有する、請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
16. 前記各アンテナモジュールを介して前記チャンバ内に導かれたマイクロ波は前記チャンバ内の空間で合成される、請求項１０、請求項１１または請求項１３に記載のマイクロ波プラズマ源。
17. 前記アンプ部は、マイクロ波の位相を調整する位相器を有する、請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
18. 前記複数のアンテナモジュールを、隣接するアンテナモジュール間でスロットが９０°ずれるように配置するとともに、前記位相器により隣接するアンテナモジュール間で位相が９０°ずれるようにする、請求項１７に記載のマイクロ波プラズマ源。
19. 被処理基板を収容するチャンバと、
    前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、
    前記チャンバ内に供給されたガスをマイクロ波によりプラズマ化する、請求項１から請求項１８のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ源と
    を具備する、プラズマ処理装置。

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