JP5391209B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導結合プラズマを用いたプラズマ処理装置に関し、特にその高周波誘導アンテナの構造およびプラズマ生成装置に関する。

半導体デバイスの微細化に対応して、プラズマプロセスにおいては、ウェハ面内で均一な処理結果が実現できるプロセス条件（プロセスウインドウ）が年々狭くなってきており、これからのプラズマ処理装置には、より完全なプロセス状態の制御が求められている。これを実現するためには、プラズマの分布やプロセスガスの解離やリアクタ内の表面反応を極めて高精度に制御できる装置が必要になる。

現在、これらのプラズマ処理装置に用いられる代表的なプラズマ源として高周波誘導結合プラズマ源（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma：以下、ＩＣＰと略称する）がある。ＩＣＰでは、まず、高周波誘導アンテナに流れる高周波電流Ｉがアンテナの周囲に誘導磁場Ｈを発生させ、この誘導磁場Ｈが誘導電場Ｅを形成する。この時、プラズマを発生させたい空間に電子が存在すると、その電子は誘導電場Ｅによって駆動され、ガス原子（分子）を電離してイオンと電子の対を発生させる。このようにして発生した電子は、元の電子と共に再び誘導電場Ｅによって駆動され、さらに電離が生じる。最終的に、この電離現象が雪崩的に生じることでプラズマが発生する。プラズマの密度が最も高くなる領域は、プラズマを発生させる空間のうち誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）が最も強い空間、つまり、アンテナに最も近い空間である。また、これらの誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の強度は、高周波誘導アンテナに流れる電流Ｉの線路を中心として距離の２乗で減衰するという特性を持つ。したがって、これらの誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の強度分布、ひいてはプラズマの分布は、アンテナの形状によって制御できる。

以上のようにＩＣＰは、高周波誘導アンテナを流れる高周波電流Ｉによってプラズマを発生させる。一般に高周波誘導アンテナのターン数（巻き数）を大きくすると、インダクタンスが増大して電流は下がるが、電圧は上がる。ターン数を下げると、逆に電圧は下がるが電流が上がる。ＩＣＰの設計において、どの程度の電流および電圧が好ましいのかは、プラズマの均一性や安定性ならびに発生効率等の観点だけでなく、機械・電気工学的見地からの様々な理由によって決定される。例えば、電流が増大することは、発熱の問題やそれによる電力ロスの問題、整合回路に使用する可変コンデンサの耐電流特性の問題がある。一方、電圧が増大することは、異常放電や、高周波誘導アンテナとプラズマの間の容量結合の影響、可変コンデンサの耐絶縁特性の問題等がある。そこで、ＩＣＰの設計者は、整合回路に使用する可変コンデンサ等の電気素子の耐電流特性及び耐絶縁特性や、高周波誘導アンテナ冷却や異常放電の問題等を加味しながら、高周波誘導アンテナの形状やターン数を決定する。

このようなＩＣＰは、高周波誘導アンテナの巻き方や形状によってアンテナの作る誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の強度分布、つまりプラズマの分布を制御できるという利点がある。これに基づき、ＩＣＰでは種々の工夫が進められてきた。

この実用例として、ＩＣＰを利用して基板電極上の基板を処理するプラズマ処理装置がある。このプラズマ処理装置に関して、高周波誘導アンテナを、一部または全部が多重渦巻き型のアンテナにて構成し、より均一なプラズマを得るとともに、高周波誘導アンテナ用マッチング回路のマッチング用並列コイルによる電力効率の低下を小さくし、温度上昇を小さくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、全く同じ複数の高周波誘導アンテナを、一定角度ごとに並列して設置する構造が提案されている。例えば、３系統の高周波誘導アンテナを、１２０°おきに設置することにより、周方向の均一性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この高周波誘導アンテナは、縦に巻かれたり、あるいは平面に巻かれたり、あるいはドームに沿って巻かれたりしている。特許文献２のように、まったく同じ複数のアンテナ要素を、電気回路内に並列に接続すると、複数のアンテナ要素からなる高周波誘導アンテナのトータルインダクタンスが低減されるという利点もある。

さらに、高周波誘導アンテナを２つ以上の同一形状のアンテナ要素を電気回路内に並列に接続して構成するとともに、アンテナ要素の中心を被処理物の中心と一致するように同心円状、あるいは放射状に配置し、各アンテナ要素の入力端を、３６０°を各アンテナ要素の数で割った角度おきに配置し、かつアンテナ要素が径方向と高さ方向に立体的な構造を持つように構成することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

ＩＣＰに対し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ源は、電子による電磁波の共鳴吸収を利用したプラズマ発生装置であり、電磁エネルギーの吸収効率が高く、プラズマの着火が容易であり、高密度プラズマが得られるという特徴がある。現在、μ波（２．４５ＧＨｚ）やＵＨＦ、ＶＨＦ帯の電磁波を用いたものが考案されている。放電空間への電磁波の放射は、μ波（２．４５ＧＨｚ）では導波管などを用いた無電極放電が、ＵＨＦ、ＶＨＦでは電磁波を放射する電極とプラズマ間の容量結合を用いた平行平板型容量結合放電が使われる場合が多い。

高周波誘導アンテナを用い、ＥＣＲ現象を利用したプラズマ源もある。これは、ホイスラー波と呼ばれる一種のＥＣＲ現象に伴う波によってプラズマを生成するものである。ホイスラー波はヘリコン波とも呼ばれ、これを利用したプラズマ源はヘリコンプラズマ源とも呼ばれる。このヘリコンプラズマ源の構成は、例えば、円柱状の真空容器の側面に高周波誘導アンテナを巻きつけ、これに比較的低い周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し、さらに磁場を印加する。この時、高周波誘導アンテナは、１３．５６ＭＨｚの一周期のうち半周期では右回りに回転する電子を生成し、残りの半周期では左回りに回転する電子を生成する。この二種類の電子のうち、右回りの電子と磁場の相互作用でＥＣＲ現象が生じる。ただし、このヘリコンプラズマ源では、ＥＣＲ現象が生じる時間は高周波の半周期に限られること、また、ＥＣＲの発生する場所が分散し電磁波の吸収長が長いために長い円柱状の真空容器が必要となりプラズマの均一性が平坦でなく、長い真空容器に加えてプラズマ特性がステップ状に変化する為適切なプラズマ特性（密度とその分布、電子温度やガスの解離など）に制御し難いこと、等いくつかの問題があり、産業用にはあまり適さない。

特開平８−８３６９６号公報 特開平８−３２１４９０号公報 特開２００５−３０３０５３号公報

L. Sansonnens et al., Plasma Sources Sci.Technol. 15, 2006, pp302 J. Hoopwood et al., J. Vac. Sci. Technol.,A11, 1993, pp147

ＩＣＰでは、高周波電流Ｉが高周波誘導アンテナを周回するうちに、浮遊容量を介してプラズマやアースに流れ込み損失を生じる。これが原因となり、誘導磁場Ｈが周方向で強弱の分布を持ち、結果として周方向のプラズマの均一性が損なわれる現象が顕著になる場合がある。この現象は、高周波誘導アンテナ周囲の空間の誘電率だけでなく透磁率にも影響を受け、反射波効果や表皮深さ効果などとして現れてくる波長短縮現象である。この現象は、同軸ケーブルのような通常の高周波伝送ケーブルでも発生する一般的現象であるが、高周波誘導アンテナがプラズマと誘導結合していることでその波長短縮効果がより顕著に現れるというものである。また、ＩＣＰだけではなく、ＥＣＲプラズマ源や平行平板型容量結合プラズマ源のような一般的なプラズマ源では、高周波を放射するアンテナやその周辺の空間に、アンテナや真空容器内部に向う進行波と返ってくる反射波が重なって定在波が発生する。これは、アンテナ端部やプラズマ、さらに高周波が放射される真空容器内の多くの部分から反射波が帰ってくるためである。この定在波も、波長短縮効果に大きく関与する。これらの状況下では、ＩＣＰの場合、例えＲＦ周波数として波長が約２２ｍと長い１３．５６ＭＨｚを使っていても、高周波誘導アンテナ長が２．５ｍ程度を超えると、アンテナループ内に波長短縮効果を伴う定在波が発生する。したがって、アンテナループ内での電流分布が不均一となって、プラズマ密度分布が不均一になるという問題が発生する。

ＩＣＰにおいて、アンテナに流れる高周波電流Ｉは、周期的に位相つまり流れる方向が逆転し、これに従って、誘導磁場Ｈ（誘導電場Ｅ）の向き、つまり電子の駆動方向が逆転するという問題がある。つまり、印加する高周波の半周期毎に、電子は一旦停止し、逆方向に加速されることを繰り返す。このような状態において、高周波のある半周期において電子の雪崩現象による電離が不十分な場合、電子が一旦停止した時点で十分に高い密度のプラズマが得られ難いという問題となる。電子が減速されて一旦停止する間、プラズマの生成効率が落ちるからである。一般に、ＩＣＰは、ＥＣＲプラズマ源や容量結合型平行平板型プラズマ源よりもプラズマの着火性が悪いが、これには上記のような原因がある。高周波の半周期毎にプラズマの生成効率が悪くなるのは、ヘリコンプラズマ源も同じである。

以上述べたように、ＩＣＰでは、プラズマの均一性を向上させる工夫が種々見られるが、いずれも工夫を凝らすほど高周波誘導アンテナの構造が複雑になり、産業用装置としては成立し難くなるという問題が発生する。また、従来では、良好なプラズマ均一性を維持しながらプラズマの着火性を飛躍的に向上させることは、意図されておらず、着火性の悪さは解消されていない。

他方、ＥＣＲプラズマ源は、波長が短いため装置内に複雑な電場分布を生じやすく、均一なプラズマを得ることが難しいという問題がある。

すなわち、μ波（２．４５ＧＨｚ）の波長は短いため、大口径ＥＣＲプラズマ源ではμ波が放電空間内に種々の高次伝播モードで伝播する。これにより、プラズマ放電空間内のいたる所で局所的に電場が集中し、その部分で高密度のプラズマが発生する。また、入射するμ波の高次伝播モードによる電場分布に、プラズマ装置内部から反射して戻ってくるμ波が重なって定在波が発生するため、装置内の電場分布はさらに複雑になり易い。以上の二つの理由により、一般的に大口径にわたって均一なプラズマ特性を得ることは難しい。しかも、一旦このような複雑な電場分布が発生すると、その電場分布を制御してプロセスに良好な電場分布に変化させることは事実上困難である。なぜなら、高次伝播モードが発生しないように、あるいは、装置内から反射して戻ってくる反射波が複雑な電場分布を形成しないように、装置構造の変更が必要となるからである。種々の放電条件に最適な装置構造が、単一装置構造であることはほとんどない。さらに、μ波（２．４５ＧＨｚ）でＥＣＲ放電を生じさせるためには、８７５ガウスという強い磁場が必要となり、これを発生させるコイルが消費する電力やヨークを含めた構造が極めて大きくなるという欠点がある。

また、これらの問題のうち磁場強度に関しては、ＵＨＦ、ＶＨＦでは比較的弱い磁場ですむため、問題の大きさは緩和される。しかし、波長の比較的長いＵＨＦ、ＶＨＦでも定在波の問題は深刻で、放電空間内に電場に分布が生じ、発生するプラズマ密度分布が平坦ではなく、プロセス均一性に問題が生じることが分かっている。これに関しては、現在でも理論的実験的な研究が続けられている（例えば、非特許文献１参照）。

以上述べたように、従来のＩＣＰでは、均一性の良いプラズマを発生させることは検討されているが、アンテナの構造が複雑にならざるを得ず、また、プラズマの着火性が悪いという問題がある。一方、ＥＣＲプラズマ源は、着火性が良いものの、電磁波の高次伝播モードや定在波によるプラズマ均一性が悪いという問題がある。

本発明は、上記問題にかんがみて行われたもので、大口径のプラズマ処理装置においても、着火性の良い均一なプラズマ源を提供することを目的とする。

本発明は、ＩＣＰを用いたプラズマ処理装置においてＥＣＲ放電現象を利用可能とするものである。これにより、アンテナ構造を最小限の工夫で最適化してプラズマの均一性を良好にすることと同時に、プラズマの着火性を飛躍的に改善することができる。

上記課題を解決するための第１ステップとして、本発明では、試料を収容し得る真空処理室を構成する真空容器と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室外に設けられた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場形成用コイルに直流電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記高周波誘導アンテナをｎ（ｎ≧３の整数）個の高周波誘導アンテナ要素に分割し、該分割されたそれぞれの高周波誘導アンテナ要素を円周上に縦列に並べ、縦列に配置された各高周波誘導アンテナ要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を前記磁場コイルに電力を供給して形成した磁力線方向に対して右回りに順に遅らせて流し、前記磁場の磁力線方向に対して常に右回りの一定方向に回転する誘導電場を形成してプラズマを発生させて前記試料をプラズマ処理するようにする。これにより、プラズマ生成領域に磁力線方向に対して右回転する誘導電場を形成し、この誘導電場によりプラズマ中の電子を右回転させることにより、上記課題は達成される。

上記課題を解決するための第２ステップは、上記右回りに回転する電子に、さらに磁場Ｈを印加し、電子にＬａｒｍｏｒ（ラーマー）運動を起こさせることである。Ｌａｒｍｏｒ運動は、Ｅ×Ｂドリフトに基づく右回転の運動であり、この運動が起こるためには、上記誘導電場Ｅと磁束密度Ｂとの間に、Ｅ×Ｂ≠０の関係が必要である。この磁束密度Ｂの印加方向は、この磁束密度Ｂの磁力線方向に対して、前記誘導電場Ｅの回転方向が右回りになる方向である。これらを満たす時、誘導電場Ｅによる右回転の回転方向とＬａｒｍｏｒ運動の回転方向が一致する。さらにこの磁束密度Ｂの変化は、その変動周波数ｆ_Ｂが、Ｌａｒｍｏｒ運動の回転周波数（電子サイクロトロン周波数ω_ｃ）との間に、２πｆ_Ｂ＜＜ω_ｃの関係を満たす必要がある。この磁束密度Ｂ印加に加え、その磁束密度の電子サイクロトロン周波数ω_ｃと回転する誘導電場Ｅの回転周波数ｆを一致させることにより、電子サイクロトロン共鳴現象を発生させることにより、上記課題は達成される。

上記課題を解決するために、本発明では、試料を収容しうる真空処理室を構成する真空容器と、該真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室の外に設けた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場形成用コイルに直流電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して被処理試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記高周波誘導アンテナをｎ（ｎ≧３の整数）個の高周波誘導アンテナ要素に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導アンテナ要素を円周上に縦列に並べ、縦列に配置された各高周波誘導アンテナ要素に順次λ（高周波電源の波長）／ｎずつ遅延させた高周波電流を給電するとともに、前記磁場形成用コイルに直流電力を供給して磁場を形成し、プラズマを発生させ、前記試料をプラズマ処理することにより、上記課題は達成される。

次に、本発明では、上記試料を収容しうる真空処理室を構成する真空容器と、該真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室の外に設けた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場形成用コイルに直流電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して被処理試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記高周波誘導アンテナにより生成される誘導電場Ｅと前記磁束密度Ｂの間に、Ｅ×Ｂ≠０の関係を満たすように、前記高周波誘導アンテナと前記磁場形成用コイルを構成することによって、上記課題は達成される。

さらに、本発明では、上記試料を収容しうる真空処理室を構成する真空容器と、該真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室の外に設けた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場コイルに直流電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して被処理試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、回転する誘導電場Ｅの回転周波数ｆと磁場Ｈによる電子サイクロトロン周波数ω_ｃを一致させる。これにより、電子に、電子サイクロトロン共鳴による高周波電力を吸収させることによって、上記課題は達成される。

次に、本発明では、上記試料を収容しうる真空処理室を構成する真空容器と、該真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室の外に設けた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場形成用コイルに直流電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して被処理試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記高周波誘導アンテナにより生成される誘導電場Ｅの回転方向が、前記磁場形成用コイルが形成する磁場Ｈの磁力線に対して右回転するように、前記高周波誘導アンテナと前記磁場形成用コイルを構成することによって、上記課題は達成される。

さらに、本発明は、プラズマ生成装置を、真空処理室と、該真空処理室外に設けられ高周波が流れる複数の高周波誘導アンテナを有し、該複数の高周波誘導アンテナが真空処理室中に形成する誘導電場分布が、有限の値を持つ磁場中で、一定方向に回転するように構成した。

本発明は、プラズマ生成装置を、真空処理室と、該真空処理室外に設けられ高周波が流れる複数の高周波誘導アンテナを有し、該複数の高周波誘導アンテナが軸対称に配置され、かつ、磁場分布が軸対称の分布であると同時に、前記複数の高周波誘導アンテナの軸と前記磁場分布の軸が一致し、真空処理室中に形成される誘導電場分布が一定方向に回転するように構成した。

本発明は、上記プラズマ生成装置において、前記一定方向に回転する前記誘導電場分布の回転方向が、前記磁場分布の磁力線の方向に対して右回転であるように構成した。

本発明は、上記プラズマ生成装置において、前記複数の高周波誘導アンテナにより形成される誘導電場Ｅと前記磁束密度Ｂの間にＥ×Ｂ≠０の関係が満たされるように、前記複数の高周波誘導アンテナと前記磁場形成用コイルとを構成した。

本発明は、上記プラズマ生成装置において、前記複数の高周波誘導アンテナにより形成される前記回転する誘導電場Ｅの回転周波数ｆと前記磁場Ｈによる電子サイクロトロン周波数を一致させるように構成した。

さらに、本発明では、上記プラズマ処理装置において、磁場Ｈは静磁場であっても良いし、変動磁場であっても良いが、変動磁場の場合、その変動周波数ｆ_Ｂが、Ｌａｒｍｏｒ運動の回転周波数（電子サイクロトロン周波数ω_ｃ）との間に、２πｆ_Ｂ＜＜ω_ｃの関係を満たすことによって、上記課題は達成される。

図１は、本発明が適用されるプラズマ処理装置の構成の概要を説明する縦断面図である。 図２は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。 図３は、本発明における電場態様によりプラズマの生成態様を説明する図である。 図４は、従来のアンテナによって生成される誘導電場強度の分布を説明する図である。 図５は、本発明のアンテナによって生成される誘導電場強度の分布を説明する図である。 図６は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。 図７は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。 図８は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。 図９は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。 図１０は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。 図１１は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。 図１２は、本発明にかかる高周波誘導アンテナ要素への給電方法を説明する図である。

本発明にかかるプラズマ処理装置は、半導体デバイスの製造の分野にのみその使用が限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、各種材料の成膜、表面処理等のプラズマ処理の各分野に適用することが可能である。ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置を例にとって、実施例を示すことにする。

図１を用いて、本発明が適用されるプラズマ処理装置の構成の概要を説明する。高周波誘導結合型プラズマ処理装置は、内部を真空に維持された真空処理室１を有する真空容器１１と、真空処理室の蓋であり高周波によって生じた電場を真空処理室内に導入する絶縁材１２と、真空処理室１内を真空に維持する例えば真空ポンプに結合された真空排気手段１３と、被処理体（半導体ウェハ）Ｗが載置される電極（試料台）１４と、被処理体である半導体ウェハＷを外部と真空処理室内との間で搬送するゲートバルブ２１を備えた搬送システム２と、処理ガスを導入するガス導入口３と、半導体ウェハＷにバイアス電圧を供給するバイアス用高周波電源４１と、バイアス用整合器４２と、プラズマ生成用高周波電源５１と、プラズマ生成用整合器５２と、複数の遅延手段６−２、６−３（図示せず）、６−４と、真空処理室１の周辺部上に配置され、高周波誘導アンテナ７を構成する複数に分割され円周上に縦列配置された高周波誘導アンテナ要素７−１（図示せず）、７−２、７−３（図示せず）、７−４と、磁場を印加するための上磁場コイル８１と下磁場コイル８２を構成する電磁石と、磁場の分布を制御する磁性体で作られたヨーク８３と、前記高周波誘導アンテナ要素７−１（図示せず）、７−２、７−３（図示せず）、７−４がプラズマと容量結合するのを制御するファラデーシールド９を有して構成される。

真空容器１１は、例えば、表面をアルマイト処理したアルミニウム製かステンレス製の真空容器であり、電気的に接地されている。また、表面処理としてアルマイトだけではなく、他の耐プラズマ性の高い物質（例えばイットリア：Ｙ_２Ｏ_３）を使うこともできる。真空処理室１には、真空排気手段１３、および被処理物である半導体ウェハＷを搬入出するためのゲートバルブ２１を有する搬送システム２を備える。真空処理室１中には、半導体ウェハＷを載置するための電極１４が設置される。搬送システム２により、真空処理室中に搬入されたウェハＷは、電極１４上に運ばれ、電極１４上に保持される。電極１４には、プラズマ処理中に半導体ウェハＷに入射するイオンのエネルギーを制御する目的で、バイアス用整合器４２を介して、バイアス用高周波電源４１が接続される。エッチング処理用のガスが、ガス導入口３より、真空処理室１内に導入される。

一方、半導体ウェハＷと対向する位置には、高周波誘導アンテナ要素７−１（図示せず）、７−２、７−３（図示せず）、７−４が、石英やアルミナセラミック等の絶縁材１２を介して大気側で、半導体ウェハＷの対向面に設置される。高周波誘導アンテナ要素…、７−２、…、７−４は、その中心が半導体ウェハＷの中心と一致するように同心円上に配置される。高周波誘導アンテナ要素…、７−２、…、７−４は、図１には明示されていないが、複数の同一形状を持つアンテナ要素からなる。複数のアンテナ要素の給電端Ａはプラズマ生成用整合器５２を介してプラズマ生成用高周波電源５１に接続され、接地端Ｂは接地電位に、いずれも全く同じように接続される。

高周波誘導アンテナ要素…、７−２、…、７−４とプラズマ生成用整合器５２との間には、各高周波誘導アンテナ要素…、７−２、…、７−４に流れる電流の位相を遅延させる遅延手段６−２、６−３（図示せず）、６−４が設けられる。

絶縁材１２には、図示を省略した冷却用の冷媒流路が設けられ、この冷媒流路に、水、フロリナート、空気、窒素などの流体を流すことによって冷却される。アンテナ、真空容器１１、ウェハ搭載台１４も冷却・温調の対象となる。

図２を用いて、本発明にかかるプラズマ処理装置の第１の実施例を説明する。この実施例では、図１の上から見た図２の（Ａ）に示すように、高周波誘導アンテナ７を１つの円周上で４（ｎ≧２の整数）個の高周波誘導アンテナ要素７−１〜７−４に分割する。それぞれの高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２、７−３、７−４の給電端Ａまたは接地端Ｂは、時計回転方向に３６０°／４（３６０°／ｎ）ずつ離れて配置され、それぞれの高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２、７−３、７−４にプラズマ生成用高周波電源５１からプラズマ生成用整合器５２を介し、給電点５３から各給電端Ａを介して高周波電流を供給する。この実施例では、各高周波誘導アンテナ要素７−１〜７−４は、それぞれ同一円周上の右回りに給電端Ａ側から約λ／４離れて接地端Ｂ側が配置される。各高周波誘導アンテナ要素７−１〜７−４の長さはλ／４である必要は無いが、発生している定在波のλ／４以下であることが望ましい。給電点５３と高周波誘導アンテナ要素７−２、７−３、７−４の給電端Ａ間には、それぞれλ／４遅延回路６−２、λ／２遅延回路６−３、３λ／４遅延回路６−４が挿入される。これにより、各誘導アンテナ要素７−１〜７−４に流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４は、図２の（Ｂ）に示すように順にλ／４（λ／ｎ）ずつ位相が遅れることになる。電流Ｉ_１で駆動された、プラズマ中の電子は、電流Ｉ_２で続いて駆動される。また、電流Ｉ_３で駆動されたプラズマ中の電子は、電流Ｉ_４で続いて駆動される。

図３を用いて、図２に示した高周波誘導アンテナを用いた場合のプラズマ中の電子の駆動形態を説明する。図３において、高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２、７−３、７−４の給電端Ａと接地端Ｂの構成は図２と同じである。また、各誘導アンテナ要素に流れる電流Ｉ_１−Ｉ_４の方向は、全て給電端Ａから接地端Ｂに向かうと表記している。各高周波誘導アンテナ要素に流れる電流は、図２と同じように、Ｉ_１−Ｉ_４の位相がそれぞれ９０°ずれている。位相を９０°ずらしているのは、高周波電流の１周期（３６０°）を４つの高周波誘導アンテナ要素に割り振るためで、３６０°／４＝９０°の関係を持っている。ここでいう、電流Ｉおよび誘導電場Ｅは誘導磁場Ｈを用いて、下記（１）式および（２）式で示されるマックスウェルの方程式で関係付けられる。下記（１）式および（２）式で、Ｅ、ＨとＩは、高周波誘導アンテナとプラズマの全ての電界（電場）および磁界（磁場）および電流のベクトルであり、μは透磁率、εは誘電率である。

図３の（Ａ）の右側には、電流の位相関係を示している。ここに示したある時間（ｔ＝ｔ１）における誘導電場Ｅの、高周波誘導アンテナに囲まれた領域における向きを、図３の（Ａ）の左側に点線と矢印で示している。この向きから分かるように、誘導電場Ｅの分布は線対称になる。この図３の（Ａ）より電流の位相がさらに９０°進んだとき（ｔ＝ｔ２）の誘導電場Ｅの向きを図３の（Ｂ）に示す。誘導電場Ｅの向きは９０°時計回りに回転している。この図３より、本発明における高周波誘導アンテナは、時間とともに右回転、すなわち時計方向に回転する誘導電場Ｅを作り出すことが分かる。この右回転する誘導電場Ｅの中に電子が存在する場合、電子も誘導電場Ｅに駆動されて右回転する。この場合、電子の回転周期は、高周波電流の周波数に一致する。ただし、工学的工夫により、高周波電流の周波数と異なる回転周期を持つ誘導電場Ｅを作ることは可能であり、この時、電子は高周波電流の周波数ではなく誘導電場Ｅの回転周期と同じ周期で回転する。このように、通常のＩＣＰと同じように、本発明でも誘導電場Ｅで電子が駆動される。しかし、高周波誘導アンテナの電流Ｉの位相とは関係なく一定方向（この図では右回り）に電子を駆動すること、またこの回転が停止する瞬間がないことが、本発明が通常のＩＣＰやヘリコンプラズマ源と異なる点である。

ここで、本発明の高周波誘導アンテナがプラズマ中にどのような誘導電場Ｅを生成させるかについて説明する。ここでは誘導電場Ｅで説明するが、（１）式が示すように、誘導電場Ｅと誘導磁場Ｈは互いに変換可能な物理量であり、等価である。まず、図４は従来のＩＣＰが作り出す誘導電場Ｅの分布を模式的に表している。従来のＩＣＰでは、アンテナが一周しており円を描いていようと、アンテナが分割されていようと、アンテナには同相の電流が流れるため、アンテナが作り出す誘導電場Ｅは周方向で同一になる。つまり、図４に示したように、アンテナ直下に誘導電場Ｅの最大値が現れ、アンテナの中心とアンテナ周囲に対して減衰するドーナツ状の電場分布を作る。この分布はＸ−Ｙ平面において中心点Ｏに対する点対称である。理論上、アンテナの中心点Ｏにおける誘導電場ＥはＥ＝０である。このドーナツ状の電場分布が、電流の向き（半周期）に従い右に回ったり左に回ったりする。誘導電場Ｅの回転方向が変わるときは、電流がゼロになるときであり、誘導電場Ｅは一旦全領域でＥ＝０になる。このような誘導電場Ｅは、既に誘導磁場Ｈとして測定されており、確認されている（例えば、非特許文献２参照）。

次に、本発明のアンテナが作る誘導電場Ｅを説明する。まず、図３の（Ａ）と同じ電流状態を考える。つまり、Ｉ_４に正のピーク電流が流れ、Ｉ_２に逆向きのピーク電流が流れる。これに対し、Ｉ_１とＩ_３は小さいという状況である。この場合、誘導電場Ｅの最大値は、Ｉ_４が流れるアンテナ要素７−４とＩ_２が流れるアンテナ要素７−２の下に現れる。また、電流がほとんど流れないアンテナ要素７−１と７−３の下には強い誘導電場Ｅは現れない。これを模式的に示したのが、図５である。ここでは、Ｘ−Ｙ平面状のＸ軸上に二つのピークが現れる様子を示した。図５に明らかなように、本発明の誘導電場Ｅは、アンテナ周上に二つの大きなピークを持ち、かつＸ−Ｙ平面において軸対称（この図の場合Ｙ軸対称）である。そして、Ｙ軸上にはなだらかなピークを持つ分布が現れる。このなだらかな分布のピーク高さは低く、その位置は中心座標Ｏに現れる。つまり、アンテナの中心点Ｏにおける誘導電場はＥ＝０ではない。このように、本発明による図２の構成では、従来のＩＣＰやヘリコンプラズマ源とは全く異なる誘導電場Ｅを作り出すし、しかも、それが高周波誘導アンテナの電流Ｉの位相とは関係なく一定方向（この図では右回り）に回転する。また、図３より明らかなように、全ての高周波誘導アンテナ要素に流れる電流Ｉが同時にＩ＝０になる瞬間は無い。したがって、回転する誘導電場ＥがＥ＝０となる瞬間は存在しないことも本発明の特徴である。

本発明では、このように局所的なピークを持つ誘導電場分布を生成するが、このことは発生させるプラズマの均一性を悪化させることにはならない。まず、図５のＸ軸上の誘導電場分布は、アンテナが発生する誘導磁場分布によって決まる。つまり、同じ電流が流れる場合、図４のＸ軸上の誘導電場分布と図５のＸ軸上の誘導電場の分布は等しい。さらに本発明の誘導電場は、アンテナに流れる高周波電流と同じ周波数で回転するので、高周波電流の一周期で平均すれば、Ｘ−Ｙ平面において中心点Ｏに対する点対称な誘導電場分布を発生することになる。つまり、本発明では、全く異なる誘導電場分布を作り出すが、従来のＩＣＰの持つ良い特徴、つまり、アンテナの構造で誘導電場分布が決まることと、点対称で周方向に均一なプラズマを発生させることができるという特徴をそのまま保持している。

ここで、図１に示した上下の磁場コイル８１、８２とヨーク８３を用いることにより、この誘導電場Ｅの回転面に対して垂直な磁場成分を持つ磁場Ｈを印加することができる。本発明では、この磁場Ｈが満たすべき条件は二つある。一つ目は、前記の回転する誘導電場Ｅの回転方向が、磁場Ｈの磁力線の方向に対して常に右回転となるような磁場Ｈを印加することである。例えば、図２の構成では、これまで説明してきたように、誘導電場Ｅは紙面に対して時計回りの方向、つまり右回転する。この場合、磁力線の向きには、紙面の表から裏面に向かう方向の成分が必要である。これにより誘導電場Ｅの回転方向とＬａｒｍｏｒ運動の回転方向が一致する。また、この一つ目の条件は、誘導電場Ｅの回転方向とＬａｒｍｏｒ運動の回転方向が一致するような磁場Ｈを印加するという表現もできる。

残りの条件は、誘導電場Ｅに対して、Ｅ×Ｂ≠０となる磁束密度Ｂを印加することである。ただし、このＥ×Ｂ≠０という条件は、プラズマを発生させたい空間のどこかでは必要であるが、プラズマを発生させたい全ての空間において必要なわけではない。磁束密度を印加する方法は種々あるが、局所的に複雑な構造を持つ磁場を用いない限り、この“Ｅ×Ｂ≠０”という条件は前述の一つ目の条件に含まれる。この“Ｅ×Ｂ≠０”という条件により、電子は磁力線を中心（Ｇｕｉｄｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ）とするＬａｒｍｏｒ運動と呼ばれる回転運動を行う。このＬａｒｍｏｒ運動は、前述した回転誘導電場による回転運動ではなく、電子サイクロトロン運動と呼ばれているものである。その回転周波数は電子サイクロトロン周波数ω_ｃと呼ばれ、下記（３）式で表される。下記（３）式で、ｑは電子の素電荷、Ｂは磁束密度、ｍ_ｅは電子の質量である。この電子サイクロトロン運動の特徴は、その周波数が磁束密度のみにより定まることである。

ここで、回転する誘導電場Ｅの回転周波数ｆをこのサイクロトロン周波数ω_ｃに一致させると、電子サイクロトロン共鳴が生じ、高周波誘導アンテナに流れる高周波電力は、共鳴的に電子に吸収され、高密度プラズマを発生させることができる。ただし、“誘導電場Ｅの回転周波数ｆをこのサイクロトロン周波数ω_ｃに一致させる”という条件は、プラズマを発生させたい空間のどこかでは必要であるが、プラズマを発生させたい全ての空間において必要なわけではない。このＥＣＲの発生条件は、下記（４）式で表される。

また、ここで印加する磁場Ｈは静磁場であっても良いし、変動磁場であっても良い。ただし、変動磁場の場合、その変動周波数ｆ_Ｂが、Ｌａｒｍｏｒ運動の回転周波数（電子サイクロトロン周波数ω_ｃ）との間に、２πｆ_Ｂ＜＜ω_ｃの関係を満たさなければならない。この関係が意味することは、電子サイクロトロン運動をする電子の一周期から見れば、変動磁場の変化は十分小さく、静磁場とみなせるということである。

以上により、電子サイクロトロン（ＥＣＲ）加熱というプラズマ加熱方法を利用し、電子のプラズマ生成能力を飛躍的にあげることができる。ただし、産業上の応用において、所望するプラズマ特性を得ることを考えると、アンテナ構造を最適化して誘導電場Ｅの強さとその分布を制御するとともに、上記磁場Ｈの強度分布を可変制御することにより、必要なところに必要なだけ上記磁場Ｈや周波数の条件を満たす空間を形成し、プラズマ生成とその拡散を制御する事が望ましい。図１は、このことを考慮した一実施例である。

また、本発明で述べた高周波誘導結合型プラズマ源においてＥＣＲ放電を可能にする方法は、用いる高周波の周波数や磁場強度に依存せず、常に、これまで述べてきた条件を満たせば利用可能である。もちろん、工学的な応用に関しては、発生させるプラズマの容器をどのような大きさにするか等の現実的な制限により、用いることのできる周波数や磁場強度には制限が発生する。例えば、次式で示すＬａｒｍｏｒ運動の半径ｒＬが、プラズマを閉じ込める容器より大きい場合、電子は周回運動することなく容器壁に衝突するので、ＥＣＲ現象は起こらない。（５）式で、νは、図３に示した電場の平面に水平な方向の電子の速度である。

この場合、当然、用いる高周波の周波数を高くし、ＥＣＲ現象が発生するように磁場強度も高くする必要がある。しかしながら、この周波数と磁場強度の選択は、工学設計の範疇であり、本発明が示した原理自体は何も損なわれるものではない。

ここで、本発明が示したＩＣＰにおいてＥＣＲ放電を可能にする原理の必要十分条件をまとめると、以下の４点になる。１点目は、プラズマを生成する空間に印加する磁場Ｈの磁力線の方向に対して常に右回転する誘導電場Ｅの分布を形成することである。２点目は、この磁場Ｈとその磁力線の方向に対して右回転する誘導電場Ｅの分布に対して、Ｅ×Ｂ≠０を満たす磁場Ｈを印加することである。３点目は、回転する誘導電場Ｅの回転周波数ｆと磁場Ｈによる電子サイクロトロン周波数ω_ｃを一致させることである。４点目は、電子サイクロトロン運動をする電子の一周期から見れば、磁場Ｈの変化は十分小さく、静磁場とみなせるということである。以上の４点を満たす実施例が図１であるが、図１の実施例を変形しても前記必要十分条件を満たすならば、いかなる変形を行ってもＩＣＰにおいてＥＣＲ放電は可能になる。つまり、図１の装置構成を如何に変形させようとも、前記必要十分条件を満たせば本発明の一実施例となることに注意しなければならない。その変形は単に工学的な設計の問題であり、本発明が示す物理的な原理を変更するものではない。以下に、図１の変形例について簡単にまとめる。

図１においては、絶縁材１２が平板状であり、その上に高周波誘導アンテナ７が構成されている。この構成が意味するのは、プラズマを生成したい空間、つまり絶縁材１２と被処理体Ｗに挟まれた空間に、磁場Ｈの磁力線の方向に対して常に右回転する誘導電場Ｅの分布を形成できることである。前記必要十分条件の１点目の内容である。したがって、絶縁体１２が平板状であることも、高周波誘導アンテナ７が絶縁体１２の上に構成されていることも、本発明にとっては必須の構成ではない。例えば、絶縁体１２は、台形状や球体のベルジャであってもかまわず、ベルジャと被処理体Ｗに挟まれた空間に、前記必要十分条件の１点目の内容を実現できれば、高周波誘導アンテナはベルジャに対してどのような位置にあっても構わない。このことは、円柱状の絶縁体１２の横に高周波誘導アンテナ７が構成されていても同じで、円柱状の絶縁体１２と被処理体Ｗに挟まれた空間に、前記必要十分条件の１点目の内容を実現できれば、本発明の一実施例である。

図１（図２）では、４分割された高周波誘導アンテナ７が、一つの円周上に配置されている。この“一つの円周上”という構成も、前記必要十分条件の１点目の内容を実現するための必須構成ではない。例えば、大小二つの円周を考え、平板状絶縁体１２の内周と外周、あるいは上下や斜めにも４分割された高周波誘導アンテナが配置されたとしても、前記必要十分条件の１点目の内容を実現できる。つまり、前記必要十分条件の１点目の内容を実現できるならば、円周の数やそれらの配置は自由に構成できる。平板状絶縁体１２と同じように、台形状や球体のベルジャの場合や円筒形の絶縁体１２でも、内周外周に配置することも、上下や斜めに配置することも可能である。さらに、二つの円周を考えるだけでなく、三つ以上の円周上に、それぞれ分割されたアンテナを配置することも可能である。

図１（図２）では、４分割された円弧状の高周波誘導アンテナ７が、一つの円周上に配置されている。この“４分割”という構成も、前記必要十分条件の１点目の内容を実現するための必須構成ではない。高周波誘導アンテナの分割数は、ｎ≧２を満たす整数ｎを考えればよい。ｎ本の円弧状アンテナを用いて一つの円周の高周波誘導アンテナ７を構成することもできる。さらに、図１では、高周波に流れる電流の位相制御により、磁力線方向に対して右回転する誘導電場Ｅを形成する方法を示したが、これは、ｎ≧３では確実に形成できる。ｎ＝２の場合は特殊であり、例えば、２個の半円状のアンテナを用いて一つの円周を形成し、それぞれに（３６０°）／（２個のアンテナ）＝（１８０°）の位相差をつけて電流を流すことを意味する。この場合、単に電流を流すだけでは、誘導電場Ｅは右回転も左回転もすることができ、前記必要十分条件の１点目の内容を満たさないように見える。しかしながら、本発明の必要十分条件を満たす磁場を印加すると、電子はＬａｒｍｏｒ運動により自発的に右回転を行うため、結果として誘導電場Ｅも右回転する。したがって、本発明における高周波誘導アンテナの分割数は、前記のとおり、ｎ≧２を満たす整数ｎを考えればよい。

図１（図２）では、４分割された円弧状の高周波誘導アンテナ７が、一つの円周上に配置されている。この“円周上の配置”も、前記必要十分条件の１点目の内容を実現するための必須構成ではない。例えば、直線状の４本のアンテナを用い矩形に配置しても、前記必要十分条件の１点目の内容を実現できる。当然、ｎ≧２を満たすｎ本の直線状アンテナを用いてｎ角形（ｎ＝２の場合は、ある程度距離を離して対向させればよい）の高周波誘導アンテナ７を構成することもできる。

図１（図２）では、４分割された円弧状の高周波誘導アンテナの給電端Ａと接地端Ｂが、一つの円周上にＡＢＡＢＡＢＡＢと点対称になるように配置されている。この“給電端と接地端が点対称になるように配置すること”も、前記必要十分条件の１点目の内容を実現するための必須構成ではない。給電端Ａと接地端Ｂは、自由に配置できる。図２と対応するこの実施例を図６に示す。図６では、一例として、高周波誘導アンテナ要素７−１の給電端Ａと接地端Ｂの位置を反転させ、高周波電流Ｉ_１の向きを反転させたものである。しかしながら、この場合では、高周波誘導アンテナ要素７−１に流れる高周波電流Ｉ_１の位相を図２に示した位相から反転させる（例えば、３λ／２遅延させる）ことにより、図５に示した回転する誘導電場Ｅを作り出すことができる。このことから判るのは、給電端Ａと接地端Ｂの位置を反転させることは、位相を反転：つまりλ／２遅延させることと等しいことである。

これを利用すると、図２の構成はさらに簡略化でき、これを図７に示す。図７の構成は、図２においてＩ_１とＩ_３、Ｉ_２とＩ_４がそれぞれλ／２遅延：つまり反転していることを利用したもので、Ｉ_１とＩ_３、Ｉ_２とＩ_４にそれぞれ同相の電流を流すが、Ｉ_３とＩ_４の給電端Ａと接地端Ｂを反転させた構成である。しかもＩ_１とＩ_３、Ｉ_２とＩ_４の間にλ／４遅延６−２を入れているので、図２と同じ回転する誘導電場Ｅ（図５に示したもの）を形成できる。以上のように、高周波誘導アンテナの構成と位相制御を組み合わせると、多くのバリエーションを作ることができる。しかし、これらのバリエーションは工学的設計に過ぎず、前記必要十分条件の一点目の内容を満たすように構成した場合、全て本発明の一実施例となる。

図１では、電源出力部にある整合器と高周波誘導アンテナ要素７−１〜７−４の間に位相遅延回路が設けられている。この“整合器と高周波誘導アンテナ要素７−１〜７−４の間に位相遅延回路が設けられていること”も、前記必要十分条件の１点目の内容を実現するための必須構成ではない。前記必要十分条件の１点目の内容を満たすためには、高周波誘導アンテナに、図５に示した回転する誘導電場Ｅを形成するように電流を流すことだけである。ここで、図２と同じように図５に示した回転する誘導電場Ｅを形成するが、異なる構成の実施例を図８に示す。図８の構成は、高周波誘導アンテナ要素７−１〜７−４と同じ数の高周波電源５１−１〜５１−４により、高周波誘導アンテナ要素７−１〜７−４に電流を流すものだが、一つの発信器５４の出力に、遅延手段なしおよびλ／４遅延手段６−２およびλ／２遅延手段６−３ならびに３λ／４遅延手段６−４をそれぞれ介して高周波電源５１−１〜５１−４、整合器５２−１〜５２−４を接続し、それぞれ必要な位相遅延を行うというものである。このように高周波電源５１を増やすことで、整合回路５３が増えるが、高周波電源単体の電力量を小さくでき、高周波電源の信頼性を上げることが可能になる。また、各アンテナに供給する電力を微調整することにより、周方向のプラズマの均一性を制御することができる。

このような電源構成と高周波誘導アンテナ構成のバリエーションはこれ一つに限らない。例えば、図２と図８に示した構成を応用すると、図２と同じように図５に示した回転する誘導電場Ｅを形成するが、さらに異なる構成を作ることができる。この一実施例を図９に示す。図９の実施例は、発信器５４に接続された高周波電源５１−１とλ／２遅延手段６−３を介して接続された高周波電源５１−２の二台の高周波電源から互いにλ／２遅延した高周波を給電点５３−１、５３−２に出力し、これらの出力と高周波誘導アンテナ要素７−２、７−４の間でさらにλ／４遅延手段６−２を介して必要な遅延を行うものである。

次の実施例は、図９と図７の実施例を組み合わせたもので、これを図１０に示す。図１０では、図９と同じ発信器５４に接続された二台の高周波電源５１−１、５１−２を用いるが、その位相は発信器５４の出力部で一方の高周波電源５１−２側にλ／４遅延手段６−２を挿入して位相をλ／４ずらすとともに、高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２は給電端Ａと接地端Ｂを図９と同様に設定し、高周波誘導アンテナ要素７−３、７−４は給電端Ａと接地端Ｂを図７と同様に高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２と逆方向に（反転させて）設定したものである。この出力の位相の基準をＩ_１の位相とすると、Ｉ_１とＩ_３は同相の電流となるが、Ｉ_３の向き（給電端Ａと接地端Ｂ）が図２と比べて反転しているため、Ｉ_１とＩ_３が形成する誘導電場Ｅは図２と同じになる。また、Ｉ_２とＩ_４はＩ_１と比べて位相がλ／４遅れており、Ｉ_２とＩ_４も同相の電流となるが、Ｉ_４の向き（給電端Ａと接地端Ｂ）が図２と比べて反転しているため、Ｉ_２とＩ_４が形成する誘導電場Ｅは図２と同じになる。結果として、図１０に示した実施例は、図２とは構成が異なるが、図２と同じ誘導電場Ｅを形成する。

すなわち、この実施例は、試料を収容し得る真空処理室を構成する真空容器と、前記真空処理室に処理ガスを導入するガス導入口と、前記真空処理室外に設けられた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電流を供給するプラズマ生成用高周波電源と、前記磁場コイルに電力を供給する電源とを備え、前記高周波誘導アンテナに前記高周波電源から高周波電流を供給し、真空処理室内に供給されるガスをプラズマ化して試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、特に、前記高周波誘導アンテナをｍ（ｍは正の偶数）個の高周波誘導アンテナ要素に分割し、分割されたそれぞれの高周波誘導アンテナ要素を円周上に縦列に並べ、縦列に配置された前記高周波誘導アンテナ要素に、ｍ／２個の各高周波電源よりあらかじめλ（高周波電源の波長）／ｍずつ遅延させた高周波電流を、１番目の高周波誘導アンテナ要素からｍ／２番目までの高周波誘導アンテナ要素まで順次高周波誘導アンテナ要素に供給し、さらに、ｍ／２＋１番目の高周波誘導アンテナ要素からｍ番目までの高周波誘導アンテナ要素までは順次その高周波誘導アンテナ要素が対向する１番目からｍ／２番目までの高周波誘導アンテナ要素と同じ位相の高周波電流を供給するが、前記高周波誘導アンテナ要素を流れる電流の向きが逆になるように該高周波誘導アンテナ要素を構成し、一定方向に回転する電場を形成して試料をプラズマ処理するように構成することにより、前記磁場コイルに電力を供給して形成した磁場の磁力線方向に対して右回りに順に遅らせて流し、特定方向に回転する電場を形成してプラズマを発生させて試料をプラズマ処理するように構成したものである。

以上より、図２、図６、図７、図８、図９、図１０は全て構成が異なっているが、図５に示したように、磁力線方向に対して右回転する同じ誘導電場分布Ｅを形成する。全て、前述の必要十分条件の１点目の内容を満たすバリエーションである。

前述したように、高周波誘導アンテナの分割数ｎがｎ＝２の場合、前述の必要十分条件の２点目の内容を満たす磁場Ｈを印加することにより、高周波誘導アンテナが形成する誘導電場Ｅは磁力線の方向に対して右回転する。この実施例では、二つの高周波誘導アンテナ要素には、λ／２位相がずれた高周波を給電する。この実施例の基本構成を図１１に示す。図１１の構成では、アンテナ要素７−１の給電端Ａと接地端Ｂとアンテナ要素７−２の給電端Ａと接地端ＢとがＡＢＡＢと周方向に点対称で並ぶように構成されるとともに、発信器５４の二つの出力は、一方が高周波電源５１−１および整合器５２−１を介して、高周波誘導アンテナ要素７−１の給電端Ａの給電点５３−１に接続され、他方がλ／２遅延手段６−３と高周波電源５１−２および整合器５２−２を介して、高周波誘導アンテナ要素７−２の給電端Ａの給電点５３−２に接続されている。

したがって、図１１に書いたように、各高周波誘導アンテナ要素の電流の方向はＩ_１とＩ_２に矢印で示した方向である。ところが、各高周波誘導アンテナの要素７−１と７−２には、位相が逆転した（λ／２位相がずれた）電流が流れるため、結果として、各高周波誘導アンテナ要素７−１、７−２に流れる高周波電流は図面に対して、位相の半周期毎に、上向きまたは下向きのどちらかになる。したがって、図１１の形成する誘導電場Ｅは、図５と同じ二つのピークをもつことになる。ただこれだけでは、誘導電場Ｅに駆動された電子は、右回転も左回転も可能になる。しかし、これに前記必要十分条件を満たす磁場Ｈ（紙面の表面から裏面へ向かう磁力線の磁場）を印加すると、右回りの電子はＥＣＲ現象により共鳴的に高周波のエネルギーを受け取って高効率に雪崩的電離を起こすが、左回りの電子は共鳴的に高周波のエネルギーを受け取れないので電離効率は悪いものとなる。結果として、プラズマの発生は右回りの電子によって主体的に行われるようになり、効率よく高周波のエネルギーを受け取って高速度まで加速された電子が残ることになる。この時、プラズマの中を流れる電流成分は低速の左回りの電子と、高速の右回りの電子が主な成分になるが、当然、高速に達した右回りの電子による電流が支配的になり、（１）式および（２）式から判るように誘導電場Ｅは右に回る。この事は、μ波やＵＨＦ，ＶＨＦを用いた従来のＥＣＲプラズマ源において、特に電界を特定方向に回転させなくてもＥＣＲ放電が生じることと同じである。

この図１１に対して、図６（あるいは、図７、図１０）の効果を入れると、図１２のように、簡単な構成でＥＣＲ現象を起こすことができる。図１２では、位相を反転させた高周波を供給せず、それぞれの高周波誘導アンテナ要素に同相の高周波を供給するが、それぞれの高周波誘導アンテナ要素の給電端Ａと接地端Ｂを同じにすることで電流の向きが反転するため、図１１と同じ効果を得ることができる。ただし、高周波誘導アンテナの分割数ｎがｎ＝２の場合、二つの高周波誘導アンテナ要素に流れる電流が同時にゼロになる場合が存在するため、例外的に誘導電場ＥがＥ＝０となる瞬間が存在する。高周波誘導アンテナの分割数ｎがｎ≧３の場合、それぞれの場合に応じた図３と同じ図を作成すれば明らかなように、常に二つ以上の高周波誘導アンテナ要素に電流が流れるため、誘導電場ＥがＥ＝０となる瞬間は存在しない。

図１においては、磁場の構成要件として、二つの電磁石である上磁場コイル８１と下磁場コイル８２およびヨーク８３を示している。しかし、本発明にとって必須であることは、前記必要十分条件を満たす磁場を実現することだけであり、ヨーク８３も、二個の電磁石も必須の構成ではない。例えば、上磁場コイル８１（あるいは下磁場コイル８２）だけであっても、前記必要十分条件を満たせばよい。磁場の発生手段としては、電磁石でも固定磁石も良く、さらに、電磁石と固定磁石の組み合わせでも良い。

図１においては、ファラデーシールド９を示している。このファラデーシールドは本来高周波を放射するアンテナとプラズマの間の容量結合を抑制する機能があるため、容量結合型のＥＣＲプラズマ源では用いることはできない。本発明では、通常のＩＣＰと同様、ファラデーシールドを用いることができる。しかし、本発明にとって“ファラデーシールド”は必須の構成ではない。前記必要十分条件とは関係ないからである。ただし、通常のＩＣＰと同様、産業での利用上、ファラデーシールドは効果がある。ファラデーシールドは、アンテナから放射される誘導磁場Ｈ（すなわち、誘導電場Ｅ）にはほとんど影響を与えず、アンテナとプラズマの容量結合を遮断する働きがあるからである。この遮断をより完全にするためには、ファラデーシールドは接地されるべきである。通常、ＩＣＰでは、上記容量結合を遮断するとプラズマの着火性が更に悪くなる。しかし、本発明では、誘導結合で生じた誘導電場Ｅによる高効率なＥＣＲ加熱を利用するため、上記容量結合を完全に遮断しても良好な着火性が得られる。しかし、種々の理由により、このファラデーシールドに電気回路を接続し、ファラデーシールドに発生する高周波電圧を０Ｖもしくは０Ｖ以上に制御することも可能である。

図１には、これまで述べた構成要素以外にも、ガス導入口３、ゲートバルブ２１、ウェハバイアス（バイアス電源４１および整合器４２）を示しているが、これらも、前記必要十分条件とは関係いため、本発明にとっては必須の構成ではない。ガス導入口は、プラズマを生成するためには必要であるが、その位置は真空容器１１の壁面にあっても良いし、ウェハＷを搭載する電極１４にあっても良い。また、ガスの噴出し方も、面状に噴出しても良いし、点状に噴出しても良い。ゲートバルブ２１は、産業上の利用において、ウェハを搬送することを目的にその構成を示してあるだけである。さらに、産業上のプラズマ処理装置の利用において、必ずしもウェハバイアス（バイアス電源４１および整合器４２）は必要とされておらず、本発明の産業上の利用に当たって、必須のものではない。

本発明では、高周波誘導アンテナによって形成された誘導電場Ｅは、磁場の磁力線の方向に対して右回転する。回転面の形状は高周波誘導アンテナの構造によって決まり、円形や楕円形などになる。したがって、回転の中心軸は必ず存在する。産業上の応用において、このような中心軸が存在するのは他にも、磁場Ｈ、被処理体（円形のウェハや矩形のガラス基盤など）、真空容器、ガス噴出し口、被処理体を搭載する電極や真空排気口などがある。本発明にとって、これらの中心軸が一致する必要は全くなく、必須の構成要件ではない。前記必要十分条件とは関係ないからである。しかしながら、被処理体表面の処理の均一性（エッチングレートやデポレート、あるいは、形状など）が問題となる場合、これらの中心軸は一致することが望ましい。

以上のように、本発明によれば、常に処理室内に電流を駆動する高周波誘導磁場が形成されているため、プラズマの着火性能をあげ、高密度のプラズマが得られる。また、本発明によれば、高周波誘導アンテナの長さを制御することができ、どのような大口径化の要求にも対応することができ、また、周方向のプラズマ均一性を上げることができる。

１ 真空処理室
１１ 真空容器
１２ 絶縁材
１３ 真空排気手段
１４ 電極（試料台）
２ 搬送システム
２１ ゲートバルブ
３ ガス導入口
４１ バイアス用高周波電源
４２ バイアス用整合器
５１ プラズマ生成用高周波電源
５２ プラズマ生成用整合器
５３ 給電点
５４ 発信器
６ 遅延手段
７ 高周波誘導アンテナ
７−１〜７−４ 高周波誘導アンテナ要素
７８ 給電線
７９ 接地線
８１ 上磁場コイル
８２ 下磁場コイル
８３ ヨーク
９ ファラデーシールド
Ａ 給電端
Ｂ 接地端
Ｗ 被処理体（半導体ウェハ）

Claims (5)

1. 試料をプラズマ処理する真空処理室と、前記真空処理室の上部に設けられ前記真空処理室を気密に封止する真空処理室蓋と、前記真空処理室蓋の上方に設けられた高周波誘導アンテナと、前記真空処理室内に磁場を形成する磁場形成用コイルと、前記高周波誘導アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、前記磁場形成用コイルに電力を供給する電源とを備えるプラズマ処理装置において、
   ｎを２以上の自然数としたとき、前記高周波誘導アンテナは、ｎ個の高周波誘導アンテナ要素に分割され、前記高周波誘導アンテナの各要素は、それぞれ前記真空処理室蓋の上方の前記真空処理室蓋と略平行の平面上に周回するように配置されるとともに、
   λを前記高周波電源の波長としたとき、前記高周波誘導アンテナ要素のそれぞれに流れる高周波電流の位相を順次λ／ｎずつ遅延させる遅延手段を備える
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波電流は、前記磁場の磁力線方向に対して右回りの一定方向に回転する誘導電場を形成可能な向きに流される
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波誘導アンテナにより形成される誘導電場であるＥの回転周波数を前記Ｅの回転周波数と前記磁場の磁束密度であるＢによる電子サイクロトロン周波数と一致させる
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
   前記磁束密度Ｂの変動周波数であるｆ_Ｂが、前記電子サイクロトロン周波数をω_ｃとしたとき、２πｆ_Ｂ＜＜ω_ｃの関係を満たすような周波数である
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波電源の個数は、ｎ個である
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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