JP5376816B2 - マイクロ波導入機構、マイクロ波プラズマ源およびマイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理を行うチャンバ内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構、そのようなマイクロ波導入機構を用いたマイクロ波プラズマ源、およびマイクロ波プラズマ源を用いたマイクロ波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許文献１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、特許文献１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、特許文献２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。

このような問題点を解決する技術として、特許文献３には、マイクロ波を複数に分配し、複数のアンテナモジュールを介してマイクロ波をチャンバ内に導くマイクロ波プラズマ源であって、各アンテナモジュールにおいて、平面状のスロットアンテナとスラグチューナを一体的に設けるとともにアンプを近接して設けたマイクロ波プラズマ源が開示されている。

このようにアンテナとチューナを一体的に設けることにより、マイクロ波プラズマ源自体を著しくコンパクト化でき、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。
特開２００４−１２８１４１号公報 特開２００４−１２８３８５号公報 国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット

しかしながら、特許文献３に開示された技術においては、スラグチューナの整合子として樹脂や石英等の誘電体からなる２つのスラグを用い、これらを移動させてインピーダンスを調整するが、スミスチャートの全域に亘って調整可能とするために、これらの可動範囲をマイクロ波の１／２波長とし、かつ２つのスラグの間を１／２波長の範囲で移動可能としており、また、スラグの厚さはマイクロ波の実効波長λｇとするとλｇ／４であるが、材料によってはλｇが大きくスラグを厚く形成する必要があり、さらに、アンテナの直近の１／４波長の部分は不整合領域となるため、インピーダンス調整には使えず、スラグの可動範囲にさらに１／４波長加えた長さが必要となる。このため、アンテナとチューナとを一体的に構成したマイクロ波導入機構の本体容器の全体の長さが結局長いものとならざるを得ず、マイクロ波プラズマ源のコンパクト化に限界がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波プラズマ源のさらなるコンパクト化を達成することができるマイクロ波導入機構、それを用いたマイクロ波プラズマ源および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。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、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用いるマイクロ波導入機構であって、筒状をなす本体容器と、前記本体容器内に同軸的に設けられ、前記本体容器との間にマイクロ波伝送路を形成する筒状または棒状をなす内側導体と、前記マイクロ波伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、前記マイクロ波伝送路を伝送されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナを有するアンテナ部とを具備し、前記チューナは、前記内側導体に沿って移動可能な一対の誘電体からなるスラグと、これらスラグを移動させるアクチュエータと、スラグの移動を制御するコントローラとを有し、前記コントローラは、前記一対のスラグを同間隔に保ったままマイクロ波の１／２波長の長さ範囲内で移動させ、かつ前記一対のスラグの何れか一方を他方に対して１／４波長の長さ範囲内で移動させるように前記アクチュエータを制御することを特徴とするマイクロ波導入機構を提供する。

上記第１の観点において、前記一対のスラグは、高純度アルミナで構成されていることが好ましい。また、前記マイクロ波放射アンテナは、マイクロ波を放射するスロットが形成された平面状のスロットアンテナであることが好ましい。

上記第１の観点において、前記スロットは分割された円弧の形状を有することが好ましい。また、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ことが好ましい。さらに、前記チューナと前記アンテナとは集中定数回路を構成していることが好ましい。さらにまた、前記チューナと前記アンテナとは共振器として機能することが好ましい。

本発明の第２の観点では、マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波をチャンバ内に導入するマイクロ波導入機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を導入して前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマ源であって、前記マイクロ波導入機構として、上記第１の観点のマイクロ波導入機構を用いることを特徴とするマイクロ波プラズマ源を提供する。

本発明の第３の観点では、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、マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波を前記チャンバ内に導入するマイクロ波導入機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を導入して前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記チャンバ内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波導入機構として、上記第１の観点のマイクロ波導入機構を用いることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。

本発明によれば、スラグチューナとして、本体容器との間にマイクロ波伝送路を形成する内側導体に沿って移動可能な一対の誘電体からなるスラグと、これらスラグを移動させるアクチュエータと、スラグの移動を制御するコントローラとを有するものを用い、コントローラが、前記一対のスラグを同間隔に保ったままマイクロ波の１／２波長の長さ範囲内で移動させ、かつ前記一対のスラグの何れか一方を他方に対して１／４波長の長さ範囲内で移動させるように前記アクチュエータを制御するようにしたので、スラグの移動範囲を従来よりも１／４波長短くすることができ、その分マイクロ波導入機構を小型化することができ、マイクロ波プラズマ源のコンパクト化に寄与する。

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導入機構を有す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は図１の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ガス等の希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、マイクロ波導入機構４３とを有している。また、マイクロ波導入機構４３は、インピーダンスを整合させるためのチューナ４４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４５とを有している。そして、このようにマイクロ波導入機構４３のアンテナ部４５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４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６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４６は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８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４７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４８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（Laterally Diffused）−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４７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４９は、アンテナ部４５で反射してメインアンプ４８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４５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マイクロ波導入機構４３からチャンバ１内に導入したマイクロ波を空間合成するので、アイソレータ４９は小型のものでよく、メインアンプ４８に隣接して設けることが可能である。

次に、マイクロ波導入機構４３について、図４を参照しながら詳細に説明する。図４に示すように、このマイクロ波導入機構４３は、本体容器５０を有している。そして、本体容器５０の先端部にアンテナ部４５が配置され、本体容器５０のアンテナ部４５よりも基端側の部分がチューナ４４によるインピーダンス調整範囲となっている。本体容器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。また、本体容器５０内には同軸管の内側導体５２が垂直に延びている。この内側導体５２は棒状または筒状に形成されている。そして、本体容器５０と内側導体５２との間にマイクロ波伝送路が形成される。

アンテナ部４５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、上記内側導体５２はこの平面スロットアンテナ５１の中心部に接続されている。

本体容器５０の基端側には図示しない給電変換部が取り付けられており、給電変換部は同軸ケーブルを介してメインアンプ４８に接続されており、同軸ケーブルの途中にはアイソレータ４９が介在されている。メインアンプ４８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Ｗに相当するため放熱の観点からアンテナ部４５に直列に装着する。

アンテナ部４５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、真空中におけるマイクロ波の波長よりもそ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４８で増幅されたマイクロ波が内側導体５２と本体容器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。

本実施形態では、スロット５１ａは、図５に示すように分割された円弧の形状で４個均等に形成されている。これにより、円周方向にほぼ均一なスロット５１ａが形成されるので、伝搬してきたマイクロ波が平面スロットアンテナ５１にて反射されることが抑制され、後述するように不整合領域を減少させるまたは実質的になくすことができる。このスロット５１ａ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のものが好ましい。また、天板５６は、図６に示すように、四角い形状（直方体）、あるいは本体容器５０よりも径の大きな丸い形状（円柱）であることが好ましい。これにより、マイクロ波をＴＥモードで効率的に放射させることができる。

図４に示すように、チューナ４４は、本体容器５０のアンテナ部４５より基端側の部分に、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、内側導体５２と本体容器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アクチュエータ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５８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円の軌跡を描き、両方同時に動かすと反射係数の位相のみが回転する。本実施形態では、後述のようにコントローラ６０のアルゴリズムによりスラグ５８の動作を制御することにより、マイクロ波の管内波長をλとした場合に、一対のスラグを同時に移動させる範囲をλ／２とし、一方を固定して他方を移動させる範囲をλ／４とすることにより、全ての領域においてインピーダンス調整を行うようにすることができる。これにより、後述するように一対のスラグ５８のトータルの移動範囲を（３／４）λとすることができ、従来よりもスラグ５８の移動範囲をλ／４小さくすることができる。

本実施形態では、スラグ５８を構成する誘電体として高純度アルミナを用いている。高純度アルミナは、比誘電率が１０であり、従来から使用されている石英の３．８８やテフロン（登録商標）の２．０３よりも遙かに高いため、より薄いものとすることができ、整合範囲を拡げることができる。また、高純度アルミナは石英やテフロン（登録商標）に比べてｔａｎδが小さく損失を小さくすることができ、歪みも小さいという利点が得られる。さらに、高純度アルミナは熱に強いという利点もある。高純度アルミナとしては、純度９９．９％以上のアルミナ焼結体であることが好ましく。具体的な商品名としては、ＳＡＰＰＨＡＬ（コバレントマテリアル株式会社製）を挙げることができる。単結晶アルミナ（サファイア）であってもよい。

本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ４４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４４と平面スロットアンテナ５１とは１／２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４８で個別に増幅し、マイクロ波導入機構４３のマイクロ波伝送路５３を通って平面スロットアンテナ５１から個別に放射し、チャンバ１内に導入した後、これらを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、マイクロ波導入機構４３は、アンテナ部４５とチューナ４４とが一体となって設けられているのでコンパクトである。さらに、メインアンプ４８、チューナ４４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４４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４４によりプラズマを含めて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４４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４４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を四角状または円柱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る。

ところで、マイクロ波導入機構４３は、チューナ４４のスラグ５８を移動してインピーダンス調整を行う関係上、スラグ５８の移動マージン分の長さを確保する必要がある。従来は、マイクロ波の管内波長をλとした場合に、一対のスラグ５８を同時にλ／２の範囲内で移動させることにより、図７で示すように例えばスミスチャート上のＡ点の反射係数の位相を３６０°変化させることができ（破線で示す円Ｂの軌跡）、また、一方のスラグ５８のみを他方に対してλ／２の範囲内で移動させることにより、原点およびＡ点を通る円Ｃを描かせることができるので、これらの組み合わせにより全ての点におけるインピーダンス調整を行っていた。したがって、図８に示すように、一対のスラグ５８の可動範囲はλ／２＋λ／２＝λとなる。

これに対して、本実施形態では、一方のスラグ５８に対するもう一方のスラグ５８の可動範囲をλ／４と半分にする。具体的には、例えば図７の円Ｃの可動範囲を図９の斜線に示す範囲とする。この場合に、Ａ点は円Ｃの可動範囲外にあるから、例えばコントローラ６０はＡ点と原点を通る円としてＣ′の円を選択するように動作する。このようにすればＡ点は円Ｃ′の可動範囲に沿って原点まで移動可能であり、λ／４の可動範囲でインピーダンス調整することができる。したがって、図１０に示すように、一対のスラグ５８の可動範囲はλ／２＋λ／４＝（３／４）λとなり、従来よりもλ／４だけスラグ５８の可動範囲を短くすることができる。このため、その分マイクロ波導入機構４３の本体容器５０の長さを短くすることができ、これにより、マイクロ波プラズマ源２のさらなるコンパクト化を達成することができる。

また、本実施形態では、スラグ５８を構成する誘電体として誘電率の高い高純度アルミナを用いているので、スラグ５８をより薄いものとすることができる。すなわち、スラグ５８の厚さｄはマイクロ波の実効波長（スラグ５８中でのマイクロ波の波長）をλｇとするとｄ＝λｇ／４であるが、空気中のマイクロ波の波長をλ、スラグの比誘電率をε_ｒとするとλｇ＝λ／ε_ｒ ^１／２であるから、スラグ５８は比誘電率が高いほど薄くすることができるが、高純度アルミナは、比誘電率が１０であり、従来から使用されている石英の３．８８やテフロン（登録商標）の２．０３よりも遙かに高いため、薄いものとすることができ、従来の石英製のスラグの２／３程度の厚さとすることができる。具体的には石英製スラグでは厚さが１６ｍｍであったものを１０ｍｍとすることができる。このため、結果としてマイクロ波導入機構４３の本体容器５０の長さを１２ｍｍ程度短くすることができ、その分マイクロ波プラズマ源２をコンパクト化することができる。

また、このように誘電率の高い材料を用いることにより、整合範囲を拡げることができる。図１１は分布定数回路の計算手法で計算した各材料のスラグを用いた場合の負荷整合範囲を示すスミスチャートであるが、高純度アルミナを用いた場合に、石英やテフロン（登録商標）を用いた場合よりも負荷整合範囲が大きくなり、調整マージンを広げることができる。

スラグ５８の誘電率が大きくなると減衰定数が大きくなるので、損失が大きくなる懸念があるが、スラグの厚さ自体を薄くすることができるので、これにより損失が相殺される。しかも、高純度アルミナはｔａｎδが小さいので、全体として見れば、石英やテフロン（登録商標）よりも損失を小さくすることができる。具体的には、従来の石英製のスラグの場合、マッチング可能な定在波比（ＶＳＷＲ）が最大２０程度であるのに対し、スラグに高純度アルミナを用いることにより７０程度に上昇させることが可能となる。

また、高純度アルミナは石英やテフロン（登録商標）に比べて熱に強いという利点もあり、１５００℃という高温でも変形等が生じない。

さらに、本実施形態においては、スロットアンテナ５１のスロット５１ａが４個均等に形成されているので、マイクロ波をより均等に放射することができ、結果としてアンテナ部４５直近の不整合領域を減少させるまたはなくすことができる。すなわち、２つのスロットを設けた場合には、平面スロットアンテナ５１からのマイクロ波の放射均一性が必ずしも高くなく、図１２に示すように、本体容器５０のアンテナ部４５の直近のλ／４の領域は不整合領域となり、この不整合領域はスラグ５８によるインピーダンス調整には用いることができなかったが、スロット５１ａを４個均等に形成することにより、この不整合領域を減少させるまたはなくすことができ、その領域をスラグ５８によるインピーダンス調整に用いることができる。したがって、マイクロ波導入機構４３の本体容器５０の長さをさらに最大λ／４短くすることができ、その分マイクロ波プラズマ源２をコンパクト化することができる。

以上のように、スラグ５８の移動をコントローラ６０のアルゴリズムで制御することにより、マイクロ波導入機構４３の本体容器５０の長さをλ／４短くすることができ、また、スラグ５８を構成する材料を高純度アルミナとすることにより、従来の石英製のスラグを用いた場合よりも本体容器５０の長さを１２ｍｍ程度短くすることができ、さらに、平面スロットアンテナ５１のスロット５１ａを４個均等に設けることにより、本体容器５０の長さを最大λ／４短くすることができるので、これらのうちの単独でマイクロ波プラズマ源２のコンパクト化を図ることができることはもちろんのこと、これらのいずれか２つまたは３つ全部を組み合わせることにより、これらの効果の組み合わせで、マイクロ波プラズマ源２をよりコンパクト化することができる。特に、これら３つを組み合わせた場合には、λが１２．２ｃｍであるから、本体容器５０の長さを最大７．３ｃｍ短くすることができる。

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４８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、上記実施形態では、スラグ５８の移動をコントローラ６０で制御することによる本体容器５０の長さの短縮、スラグ５８を構成する材料を高純度アルミナとすることによる本体容器５０の長さの短縮、平面スロットアンテナ５１のスロット５１ａを４個均等に設けたことによる本体容器５０の長さの短縮を全て行っているが、これらのうちの単独またはこれらのいずれか２つを行うようにしてもよい。これらの場合は、残余の要件は従来と同様とすることができる。

また、上記実施形態ではアンテナ５１のスロット５１ａを４個均等に設けた場合について示したが、５個以上均等に設けてもよいし、効率は若干低下するが１〜３個設けてもよい。また、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。

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。

本発明の一実施形態に係るマイクロ波導入機構を有す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。 図１のマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図。 メインアンプの回路構成の例を示す図。 図１のマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波導入機構を示す断面図。 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。 従来のスラグによるインピーダンス調整の際のスラグの可動範囲を説明するためのスミスチャート。 従来のスラグによるインピーダンス調整の際のスラグの可動範囲を示す図。 本発明におけるスラグによるインピーダンス調整の際のスラグの可動範囲を説明するためのスミスチャート。 本発明における、スラグによるインピーダンス調整の際のスラグの可動範囲を示す図。 スラグの材質による整合範囲を示すスミスチャート。 従来のマイクロ波導入機構におけるアンテナ部直近の不整合領域を示す図。

符号の説明

１；チャンバ
２；マイクロ波プラズマ源
１１；サセプタ
１２；支持部材
１５；排気管
１６；排気装置
１７；搬入出口
２０；シャワープレート
２１；ガス流路
２２；ガス吐出孔
２３；空間部
２５；処理ガス供給源
２６；プラズマガス導入部材
２７；プラズマガス供給源
３０；マイクロ波出力部
３２；マイクロ波発振器
３４；分配器
４０；アンテナユニット
４１；アンテナモジュール
４２；アンプ部
４３；マイクロ波導入機構
４４；チューナ
４５；アンテナ部
４６；位相器
４７；可変ゲインアンプ
４８；メインアンプ
４９；アイソレータ
５０；本体容器
５１；平面スロットアンテナ
５１ａ；スロット
５２；内側導体
５５；遅波材
５６；天板
５８；スラグ
５９；アクチュエータ
６０；コントローラ
６２；半導体増幅素子
７０；制御部
１００；プラズマ処理装置
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (9)

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に用いるマイクロ波導入機構であって、
   筒状をなす本体容器と、
   前記本体容器内に同軸的に設けられ、前記本体容器との間にマイクロ波伝送路を形成する筒状または棒状をなす内側導体と、
   前記マイクロ波伝送路におけるインピーダンス調整を行うチューナと、
   前記マイクロ波伝送路を伝送されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナを有するアンテナ部と
   を具備し、
   前記チューナは、前記内側導体に沿って移動可能な一対の誘電体からなるスラグと、これらスラグを移動させるアクチュエータと、スラグの移動を制御するコントローラとを有し、
   前記コントローラは、前記一対のスラグを同間隔に保ったままマイクロ波の１／２波長の長さ範囲内で移動させ、かつ前記一対のスラグの何れか一方を他方に対して１／４波長の長さ範囲内で移動させるように前記アクチュエータを制御することを特徴とするマイクロ波導入機構。
2. 前記一対のスラグは、高純度アルミナで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波導入機構。
3. 前記マイクロ波放射アンテナは、マイクロ波を放射するスロットが形成された平面状のスロットアンテナであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波導入機構。
4. 前記スロットは分割された円弧の形状を有することを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波導入機構。
5. 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項に記載のマイクロ波導入機構。
6. 前記チューナと前記アンテナとは集中定数回路を構成し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項に記載のマイクロ波導入機構。
7. 前記チューナと前記アンテナとは共振器として機能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項に記載のマイクロ波導入機構。
8. マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波をチャンバ内に導入するマイクロ波導入機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を導入して前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマ源であって、
   前記マイクロ波導入機構として、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導入機構を用いることを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
9. 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、
   マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波を前記チャンバ内に導入するマイクロ波導入機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を導入して前記チャンバ内に供給されたガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマ源と
   を具備し、
   前記チャンバ内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波導入機構として、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導入機構を用いることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。

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