JP6442242B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空容器内部の処理室内に配置した半導体ウエハ等の基板状の試料を当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置に係り、真空容器の上方に配置された導波管内を伝播した電界を処理室内に導入して前記プラズマを形成するプラズマ処理装置に関する。

半導体ウエハ等の基板状の試料から半導体集積回路素子（半導体デバイス）を生産する装置として、上記プラズマ処理装置が従来から用いられている。このような半導体ウエハの製造の工程では、素子の性能の向上やコストの低減等の要求を達成するため素子の微細化が進展してきた。」

従来の半導体デバイスの微細化はデバイスの回路の構造を２次元的に微細化することにより、半導体ウエハ１枚当りで製造できる素子の数を増加させて素子１個を製造するに要するコストを低下させると共に、配線長を短縮してデバイスの演算、信号の入出力の単位時間当たりの量や消費電力の低減等の性能の向上も図れてきた。しかし、このような２次元的なデバイスの回路の構造の微細化は限界が近づいているといわれており、近年では新材料や３次元的な素子構造を適用する等の別の技術の開発が為されている。一方で、このような材料や回路の構造の変更により、半導体デバイスの製造の難易度は増し、製造コストの増大が深刻な問題となっている。

そこで、製造コストの低減を図るためデバイスの製造に用いられる半導体ウエハの直径を３００ｍｍから４５０ｍｍに拡大することが考えられている。直径４５０ｍｍのウエハは３００ｍｍに比べてその面積が２．２５倍となるので一枚あたりのデバイスの製造コストが同等とするとより多くの素子が製造できるので結果としてデバイス一個辺りの製造のコストを低減することができる。

このようなより大面積の半導体ウエハを用いたデバイスの製造を実現する上では、プラズマ処理装置には従来より大きな範囲で半導体ウエハの均一な処理する実現する技術が求められる。特に、より大径の半導体ウエハを収納するために大きくされるであろう処理室内に形成されるプラズマの径方向あるいは周方向についての不均一さを低減することが求められる。

このような処理室内のプラズマの密度や強度の分布の不均一さを低減するためにプラズマを形成する電界として円偏波を用いる技術が従来より知られていた。このような従来技術の例としては、特開２０１１−７７２９２号公報（特許文献１）、特開２０１１−１７６１４６号公報（特許文献２）に開示のものが知られていた。

これらの従来技術では、処理室内に形成される負荷としての誘電体であるプラズマの密度や強度或いは電圧が変動したことにより特性が変化したプラズマからの反射波が円偏波発生器に戻っても、その変動に対応して円偏波の軸比を最適に調整することのできる円偏波発生器が開示されている。ここで、円偏波の軸比を特定周波数の当該円偏波の一周期の間に回転する円偏波の電界の最大値に対する最小値の比と呼称する。また、特許文献１は、円偏波の軸比を検出するモニタ手段を備え、モニタ手段からの出力に応じて円偏波の軸比を最適に調整することが開示されている。

また、特開２００３−１１０３１２号公報（特許文献３）には、円偏波発生器と処理室と間の導波経路（導波管）上に整合器を配置して、導波管の端部から放出された後処理室の側で反射されて導波管に戻り円偏波発生器に反射波が入射することを防止するものが開示され、当該整合器が反射波を防止することによって円偏波の軸比の悪化が防止できることが開示されている。

さらに、特開平２−２３０７２８号公報（特許文献４）には、円形導波管の内部に挿入長を可変に調節可能な導体製の棒状部材を複数の配置し、これらの棒状部材の挿入長さを適切に調節することで処理室内の電界の分布を調節し試料のエッチング速度の分布の不均一を低減するものが開示されている。特に、本従来技術は、円形導波管の軸方向についてマイクロ波の進行方向に対して異なる複数の箇所に挿入された導体棒を備えて、導波管から処理室に向う電界が処理室の側で反射されることを抑制することで処理の均一性を改善できる点が開示されている。

特開２０１１−７７２９２号公報 特開２０１１−１７６１４６号公報 特開２００３−１１０３１２号公報 特開平２−２３０７２８号公報

上記の従来技術では、次の点について考慮が不十分であったため、問題が生じていた。すなわち、特許文献１，２に開示された円偏波発生器は、特性の調整幅が大きく幅広い処理条件に対応して円偏波を発生できる特徴を持つ。しかし、文献１の発明では寸法が大きくなってしまう。さらに、特許文献３においても、円偏波発生器のプラズマ処理室側に整合器を配置する技術では、マイクロ波の進行方向に複数の整合素子を配置して整合器を構成する必要があるため、装置が大きくなってしまうという問題があった。

また、発明者らが、導波管内で形成された円偏波の進行方向に垂直な２つの方向軸についての電界の強度の比率（軸比）を測定した結果、処理室内での試料を処理する条件の変更に伴う軸比の変化は相対的に小さく、このことから処理の不均一を低減するためには高精度に円偏波の軸比を調整する必要があることが分かった。そして、特許文献１，２は調整を可能とする範囲が大きい反面、処理室上方の真空容器の天井部材を構成して処理室内に導波管端部からの電界が供給される電界が透過する誘電体板の位置、または導波管上に配置され当該導波管内に挿入される導体製スタブの挿入量に対して円偏波の軸比が大きく変化するため、高い精度で最適な軸比に調整することが困難となってしまう問題があった。

さらに、特許文献３は、円偏波発生器の処理室側に配置された整合器は、複数のスタブや分岐導波管等を備え、処理室内の誘電体であるプラズマから反射され円偏波発生器の方向に戻る反射波を抑制するものであり、この整合器の作用によって円偏波発生器の出力ポートと該整合器の入力ポートの間での軸比が改善される。しかし、整合器の例えば各スタブの突出量により、該整合器出力側での円偏波軸比が悪化する可能性がある。

すなわち、円偏波発生器と整合器との間で軸比の高い円偏波を発生しても、整合器の出力側での軸比が悪化する可能性がある。この場合、軸比が悪化した円偏波をプラズマ処理室に投入することになり、本来の均一性改善の目的が果たせなくなる。また、整合器の出力側での円偏波軸比をモニタする手段がないため、上記のように軸比が悪化しても検知することができないという課題がある。

特許文献４記載の従来技術は、導波管内に挿入する長さを可変に調節可能な導体製の棒状部材によりマイクロ波の電界の分布を調整することで、当該電界が導入されて処理室内に形成されるプラズマを用いたエッチング処理の均一性を改善しようとするものである。しかしながら、この従来技術の記載では、棒状部材の挿入長さとエッチング均一性との因果関係が明確でなく、特に所望のプラズマ或いは処理結果を得るための複数の棒状部材の調整の最適な量や調整の基準について考慮されておらず、半導体デバイスの製造の工程においてウエハ上の回路の構造の所期の加工形状を得ることのできる棒状部材の挿入長さの調節に手間と時間とが掛かったり、処理対象のウエハの膜構造等の仕様の変更に適宜対応してこれを得ることができないという問題が生じていた。

このため、半導体デバイスの製造においてウエハ等の試料の所望の加工形状が得られず、処理の歩留まりが損なわれる虞があった。このような問題について、上記従来技術では考慮されていなかった。

本発明の目的は、処理室内のプラズマの分布の不均一を低減して処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、真空容器と連結されプラズマ形成用の電界が内部を伝播する導波管と、この導波管を構成し断面が円形を有して内部を前記電界の円偏波が伝播する円形導波管と、この円形導波管の下方で前記真空容器内に配置され内側に前記電界が供給されて前記プラズマが形成される処理室と、前記導波管内に配置された円偏波発生器と、前記円偏波発生器の下方の前記円形導波管に連結されて配置され前記円形導波管内の前記円偏波の分布を調節する円偏波補正器と、この円偏波補正器の下方において当該円形導波管内の前記円偏波の分布を検出する円偏波検出器と、この円偏波検出器からの出力に応じて前記円偏波補正器の動作を調節する制御器とを備え、前記円偏波補正器が前記円形導波管の内部に突出させる誘電体製のスタブの長さを前記制御器からの信号に基づいて調節するプラズマ処理装置により達成される。

円偏波の軸比を最適値の周辺で高精度に制御できるため、プラズマ処理の均一性を容易に確保できる効果がある。また装置が小型であるため、既存のプラズマ処理装置への実装が容易となる効果がある。

また、処理の条件が変更された場合にも変化した条件に応じて円偏波の軸比が所望の結果が得られるものとなるように調節されるため、広い処理条件で高い均一性を確保できる効果がある。さらに、プラズマを処理室内に形成するための電界の電力に対して処理室の内部側から反射波があっても、円偏波の軸比を最適に制御して高い均一性を得ることができる。円偏波の分布を検出する手段を備えて、完全な円偏波との偏差を検出することができ、偏差をゼロにすべく、円偏波補正器により、プラズマ処理室に安定して完全な円偏波に調整されたマイクロ波を供給することができる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例の円形導波管の中心軸に沿った構成を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例の円形導波管の中心軸の方向に沿って上方から見た場合の当該円形導波管の構成を模式的に示す横断面図である。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置１００の円形導波管１０５に配置された円偏波検出器２０６の構成の概略を模式的に示す横断面図である。 本発明の従来技術の処理室内部における中心軸回りの電界のパラメータの分布の一例を示すグラフである。 従来技術においてプラズマ形成用の電界を形成する電力の大きさを変化させた場合の電力により形成される電界の円偏波の軸比の変化を示すグラフである。 スタブを円形導波管の円筒の中心軸に対し垂直に挿入した場合の内部に突出した長さの変化に対する円形導波管内部での電界の反射係数、透過係数の変化を示すグラフである。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置のプロセス条件の変化に対するプラズマ負荷の反射係数Γldの大きさの変化を示すグラフである。 図１に示す実施例のプラズマ処理装置において、プラズマの反射係数が０の場合の誘電体スタブの挿入長さの変化に対する円偏波の軸比とプラズマの反射係数の変化を示すグラフである。 図１に示す実施例のプラズマ処理装置において、プラズマの反射係数が０．２の場合の誘電体スタブの挿入長さをパラメータとする負荷の反射係数の位相の変化に対する円偏波の軸比の変化を示すグラフである。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置のマイクロ波の伝播経路の機能的な構成を模式的に示すブロック図である。

本発明の実施の形態を、図面を用いて以下に説明する。

以下、本発明の実施例を図１乃至１０を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本実施例では、プラズマ処理装置の例として、プラズマを形成するための電界としてマイクロ波のものを用いて、処理室内に配置された半導体ウエハ等の試料を、当該プラズマを用いてエッチングするプラズマエッチング装置について説明する。

図１に示すプラズマ処理装置１００は、大きく分けて、その内部に試料である半導体ウエハ（以下、ウエハ）１１１が配置されてプラズマが形成される空間である処理室１２０を有した真空容器１１０と、その上方に配置されてプラズマを形成する電界が内部を伝播する導波管を含むプラズマ形成装置と、真空容器の下方にこれと連結され処理室内部と連通し処理室内を排気して減圧する真空ポンプ１１７を有した排気装置とを備えている。

本実施例の真空容器１１０はその内部に気密に区画された円筒形状を有した処理室１２０を備え、この処理室１２０の外周を囲む真空容器１１０の側壁部材も円筒形状またはこれと見做せる程度に近似した形状を備えている。真空容器１１０の円筒形の側壁の上端は、真空容器１１０の上部を構成して内部と外部とを区画する蓋として機能する石英等誘電体製で円板形状を有した窓部材１０７と接して、上記上端と窓部材１０７の外周縁部の側壁または下面との間にＯリング等の図示していないシール部材が挟まれて内外が気密に仕切られている。

真空容器１１０の仕切られた内部の空間は、プラズマが形成されその内側に配置されたウエハ１１１が当該プラズマを用いて処理される処理室１２０となっており、当該処理室１２０の下部には、ウエハ１１１がその上に載せられて静電気により吸着されて保持される円筒形状を有した試料台１１２が配置されている。また、試料台１１２上面の下方であって処理室１２０の底面には、真空ポンプ１１７の入り口と連通して処理室１２０内部のガスや粒子が排出される開口である排気口が配置されている。

試料台１１２の上面上方に位置する処理室１２０の内部には、円筒形を有した処理室１２０の外周を囲んだ真空容器１１０の側壁の処理室１２０側で当該側壁を覆って配置され、当該処理室１２０の円筒形部分と同心またはこれと見做せる程度に近似した位置にその中心の軸が位置するように円筒形を有した石英製の部材であって、中心軸に垂直な方向の断面がリング形状を有した内筒部材１２１が備えられている。内筒部材１２１はその内壁面の内側であって試料台１１２上面上方の処理室１２０の円筒形状の空間である放電室に形成されるプラズマから処理室１２０の側壁の内側表面を覆って保護する目的で配置されている。

内筒部材１２１の下端部は処理室１２０の内壁を構成して、真空容器１１０に取り付けられた金属製のアース部材１２２上に載せられて高さ方向の所定の位置に保持されている。本実施例のアース部材１２２は、高さ方向について少なくともその上部の一部が試料台１１２上面の上方に位置し、当該試料台１１２の外周側を囲んでリング状に配置された部材である。

本実施例では、その上端部の外周側の箇所は内周側の箇所より上面が凹まされて凹み部を構成し、この凹み部はリング状の形状の全周またはこれと見做せる程度に近似した位置の上端部の外周側に配置される。当該凹み部の内部には、上記内筒部材１２１が真空容器１１０内に装着され処理室１２０の内壁を構成した状態で、下端部が内部に収納され、アース部材１２２の上端部が内筒１２１の下端部をプラズマから覆う構成となっている。

試料台１１２の内部には円板または円筒形状の金属製の部材であって、自動整合器１１３を介してＲＦバイアス電源１１４と電気的に接続された基材が配置されている。基材の円板形の上面には図示しないアルミナあるいはイットリア等のセラミクス等の誘電体から構成された膜が当該上面を覆って配置され、円板またはこれと見做せる程度に近似した形状の誘電体膜の上面にウエハ１１１が載せられる。

窓部材１０７の下方であって処理室１２０の上方には、処理室１２０の天井面を構成する円板形状の部材であってその中央部にウエハ１１１を処理するための処理ガスが処理室１２０内部に導入される複数の貫通孔であるガス導入孔が配置された石英等誘電体製のシャワープレート１０８が配置されている。当該シャワープレート１０８とこの上方に配置された窓部材１０７との間に配置されたすき間は、ガス源と連結された管路であって内部を処理ガスが通流する供給経路及びこの供給経路上に配置され処理ガスの流量、速度を調節する流量調節器を含む処理ガスの供給系１０９と連結されている。

円板形状を有した窓部材１０７の上方であって処理室１２０の上方には、プラズマ形成装置を構成して、窓部材１０７の円形の上面を底面とする円筒形またはこれと見做せる形状を有した空間を囲む金属製の空洞部１０６が配置されている。空洞部１０６の外形も円筒形を備え、上面の中央部において断面が円形で中心の軸が上下方向に延びる円筒形を有した円形導波管１０５と接続されている。

円形導波管１０５の中心軸は、空洞部１０６内部の円筒形の空洞（空間）の中心と同心またはこれと見做せる程度に近似した位置に配置されている。このため、円形導波管１０５及び空洞部１０６の内部の空間の中心軸は処理室１２０の円筒形状部及び試料台１１２の中心軸と同心またはこれと見做せる程度に近似した位置に配置されている。

円形導波管１０５はその上端部で、中心軸が水平方向に延びて当該軸に垂直な断面が方形または矩形状を有した方形導波管１０３の一端部と連結されている。方形導波管１０３は水平方向に延在しその他端部にマイクロ波源１０１が配置されており、方形導波管１０３の一端部とマイクロ波源１０１との間の途中に自動整合器１０２が配置されている。

方形導波管１０３の一端部と円形導波管１０５の上端部との間には、これらを連結する方形円形導波管変換器１０４が配置されている。方形円形導波管変換器１０４は導波管の軸の方向を９０度曲げるコーナーも兼ねることでプラズマ処理装置１００の小型化を図っている。

本実施例の円形導波管１０５の断面の円形は、内部を伝播するマイクロ波の電界の最低次のモードであるＴＥ１１モードのみが伝搬できる直径にされている。このことにより、円形導波管１０５内の電界には他の伝播モードが混ざらないので、マイクロ波の電界の強度の分布を安定させることが出来る。また、本実施例の円形導波管１０５には、後述する円偏波発生器、円偏波補正器及び円偏波検出器が備えられている。

空洞部１０６上方であって円形導波管１０５の外周側及び空洞部１０６と真空容器１１０の円筒形部分の側壁の外周側には、空洞部及び処理室１２０の上方または側方を囲んで配置されたソレノイドコイル１１９が配置されている。ソレノイドコイル１１９は多段の電磁石と磁性材料で構成され図示しない電源からの直流電力が供給され静磁界を発生させる。ソレノイドコイル１１９生起された静磁界は、処理室１２０内に供給され並行して処理室１２０内に供給されたマイクロ波の電界と相互作用を生起し処理ガスの原子または分子を励起させる。なお、マイクロ波源１０１、自動整合器１０２、方形導波管１０３、方形円形導波管変換器１０４、円形導波管１０５及びこれに配置された円偏波発生器等の装置、空洞部１０６、ソレノイドコイル１１９はプラズマ形成装置を構成する。

処理室１２０の試料台１１２下方であって真空容器１１０の底部にこれを貫通して配置された排気口と連結された排気装置は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ１１７を有している。さらに、真空ポンプ１１７の入り口と排気口との間を連結する排気管路上に配置され管路内の流路を開閉するバルブ１１５及びこのバルブ１１５の下方で管路内の流路を横切る軸周りに回転して流路の断面積を増減する板状の複数のフラップを備えて処理室１２０からの排気の流量または速度を調節し延いては処理室１２０内の圧力を調節する圧力調節機構１１６を備えている。さらに処理室１２０内の圧力を測定するための図示しない圧力計が真空容器１１０に配置されている。

なお、本実施例では、真空容器１１０の上部を構成する円筒形の部分の下方の側壁において、図示していない別の真空容器であって減圧された内部の室内をウエハ１１１がロボットアーム（図示せず）の先端に載せられて搬送される真空搬送容器と連結され、真空搬送容器の内部の搬送室と処理室１２０との間にはこれらを連通してウエハ１１１が搬送される通路を構成するゲートが備えられている。真空搬送室の内部または真空容器１１０と真空搬送容器との間には、ゲートを開放し、気密に閉塞するゲートバルブが配置されている。

図示しないゲートバルブが開放された状態で、図示しないロボットアームのアームが伸長してその先端のハンド上面に載せられた処理前のウエハ１１１が処理室１２０内に搬入され、試料台１１２上方において試料台１１２に受け渡される。

ウエハ１１１は、図示していないが試料台１１２内に収納された上下方向に移動可能な複数のピンが試料台１１２上面上方に移動する途中で複数ピンの先端に載せられてロボットアームのアーム上面のさらに上方に持ち上げられる。その後、ロボットアームが収縮し試料台１１２上方から移動すると複数ピンが下方に移動して試料台１１２内に格納されるとともにウエハ１１１が試料台１１２上面に載せられる。ロボットアームが処理室１２０内から外に退出するとゲートバルブが閉塞されて処理室１２０内部が密封される。

ウエハ１１１が試料台１１２上面を構成する誘電体膜の上面上方に載せられた後この誘電体膜内に配置された図示しない膜状の電極に直流電力が供給されて形成された静電気力により誘電体膜に静電吸着されて当該膜上で保持された状態で、シャワープレート１０８のガス導入孔を通して処理ガス供給系から供給された処理ガスが、流量調節器によって流量、速度が調節されつつ処理室１２０の内部に上方から導入される。また、この処理ガスの導入と並行して排気ポンプ１１７の動作により処理室１２０の底面に配置された排気口を通して処理室１２０内部のガスや粒子が排出される。

ガス導入孔からの処理ガスの導入と排気口からの排気との流量または速度のバランスにより処理室１２０内部の圧力が処理に適した範囲内の値に調節される。排気の流量、速度は排気装置を構成する圧力制御機構のフラップの軸回りの回転の角度の変化による排気管路の流路断面積の増減により調節される。

マグネトロン等のマイクロ波源１０１によって発振されて形成されたマイクロ波の電界が、方形導波管１０３内を一端部側に向って伝播して、方形円形導波管変換器１０４に到達する。マイクロ波源１０１により生起されて方形導波管１０３を通り水平（図上右側から左側に向う）方向に伝送されたマイクロ波の電界は、方形円形導波管変換器１０４において、伝播の向きを下方に変えられて円形導波管１０５内に伝達される。

円形導波管１０５内部をその軸方向に沿って下方に伝播した電界は、円形導波管１０５の下端部に接続された空洞部１０６内部の円筒形の空洞内部に導入され、電界は例えば共振することにより、空洞内において電界の特定のモード及び分布が形成される。本実施例の空洞部１０６は電界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを持つ。

空洞部１０６内部で特定の分布にされたマイクロ波の電界は、空洞の底面を構成する窓部材１０７及びその下方のシャワープレート１０８を透過して処理室１２０内に導入される。さらに、ソレノイドコイル１１９から供給された静磁界とマイクロ波の電界との相互作用により、静磁界中を運動する電子にローレンツ力を作用させサイクロトロン運動を生起させる。マイクロ波の電界の周波数とサイクロトロン運動の周波数を一致させることで、マイクロ波の電力が電子に共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を生起して処理ガスを励起させ、試料台１１２上方の処理室１２０内にプラズマが形成される。

処理室１２０の天井面を構成するシャワープレート１０８はプラズマに直接曝されてこれから作用を直接的に受けることになるため、材料としてプラズマ耐性が高くプラズマ処理に悪影響を及ぼさないもので構成されることが望ましい。また、導入窓１０７及びシャワープレート１０８の材質は、マイクロ波の電界を効率よく透過させる材料が望ましいことから、本実施例ではこれらに石英が材料として用いられている。

処理室１２０内にプラズマが形成されると、ＲＦバイアス電源１１４からの高周波電力が自動整合器１１３を介して試料台１１２内の電極である基板に供給され、その上方の誘電体膜上に吸着、保持されたウエハ１１１上面上方にバイアス電位が形成されてウエハ１１１の処理が開始される。プラズマ中の荷電粒子はバイアス電位とプラズマの電位との差に応じてウエハ１１１上面の方向に誘引されウエハ１１１上面に予め形成された複数の膜層を有する膜構造の表面と衝突する結果、処理対象の膜の上記電位方向の異方性の処理が進行する。

図示しない判定器により処理の終点が検出されると、ＲＦバイアス電源１１４から試料台１１２への高周波電力の供給が停止され、処理が停止されプラズマが消火される。その後、処理ガスの供給が停止されて代わりに希ガスが処理室１２０内に供給される。さらに、ウエハ１１１の静電吸着が除去されてウエハ１１１が試料台１１２上方に持ち上げられ、処理の開始前と同様に処理室１２０内に進入したロボットアームのアームにウエハ１１１が受け渡されると、アームの退出によってウエハ１１１が処理室１２０外に搬出される。

本実施例では、ＲＦバイアス電源が出力する電力の周波数として４００ｋＨｚのものが用いられる。また、ウエハ１１１は直径４５０ｍｍのものが用いられる。

また、本実施例ではソレノイドコイル１１９に磁性材料を用いて外部への不要な磁場が漏洩することを防止するとともに、リング状または円筒形状に配置されたソレノイドコイル１１９が囲んでいる内側の処理室１２０に磁力線を集中させることができ、このことにより処理室１２０内に効率よく磁場を供給できる。また、ソレノイドコイル１１９に多段の電磁石を用いて各電磁石に流す直流の電流を調節することで、処理室１２０内の静磁界の分布を所望のものに調整している。特に、本実施例の静磁界は、処理室１２０の中心軸の回りに不均一を低減できるようにその等磁場面は当該軸回りの角度方向に均一となるように、また軸方向に平行に近い形状となるように調整される。

マイクロ波源１０１により形成されるマイクロ波の電界の周波数が２．４５ＧＨｚの場合は、ソレノイドコイル１１９が０．０８７５テスラの静磁界を形成することによりＥＣＲを発生させることができる。このようなＥＣＲにより、通常はプラズマが発生しにくい低い圧力でもプラズマを発生し易くできる効果がある。

また、このように供給された磁場によって処理室１２０の試料台１１２上方の空間で面上に分布するＥＣＲが生起する箇所とその近傍にガスの原子、分子が集中的に励起されることになりプラズマが発生するため、静磁界の調節によりプラズマが発生する領域を制御することができる。さらに、磁場によって電子の運動が制約されることから磁場に垂直な方向へのプラズマの拡散が抑制されることになるため、このような処理室１２０内の磁場の強度やその位置の分布を調節することでプラズマの分布を所望のものに制御できる。

本実施例のプラズマ処理装置１００は、円形導波管１０５に円偏波発生器、円偏波補正器及び円偏波検出器が備えられている。図２，３を用いて本実施例の円偏波補正器の構成を説明する。

図２は、図１に示す実施例の円形導波管１０５の中心軸に沿った構成を模式的に示す縦断面図、図３は、図１に示す実施例の円形導波管１０５の中心軸の方向に沿って上方から見た場合の当該円形導波管１０５の構成を模式的に示す横断面図である。図３では、円偏波発生器２０１の上方から見た場合のものを示している。

これらの図に示すように、本実施例の円形導波管１０５の円筒形の部分には円偏波発生器２０１と円偏波補正器２０５とが配置され、これら一部分、特に端部が電界の伝播路である円形導波管１０５の円筒の内部に突出またはその円筒の軸または電界の伝播の方向を横切るように配置されている。本実施例の円偏波補正器２０５は円柱状の誘電体スタブ２０３、導体製の管２０２、誘電体スタブ２０３の駆動装置２０４を備えて構成されている。

円偏波補正器２０５は、円形導波管１０５の中心軸に対して異なる位相で、つまり円形導波管１０５の軸の上方または下方から見て円柱状または棒状の誘電体スタブ２０３の軸の方向が中心軸から放射状に円形導波管１０５の軸回りについて異なる角度の位置に設置されている。本実施例では、２個の円偏波補正器２０５はその誘電体スタブ２０３の軸が互いに直交するように、且つ円形導波管２０５の円筒の軸に沿った上下方向について異なる高さで当該円筒に取り付けられている。

上記円筒または棒状の誘電体スタブ２０３は、円形導波管１０５の円筒内部へ突出している部分の長さを、アクチュエータを含んだ駆動装置２０４により増減させることができる。誘電体スタブ２０３としては、マイクロ波に対する損失が小さい誘電体を用いることが望ましく、本実施例では高純度のアルミナセラミックが用いられる。

円偏波を導波管の内部に発生させる手段としては、種々のものが従来から知られており、本実施例でもこれを用いることができる。特に、図１のプラズマ処理装置は誘電体製の平板状の部材がその面を円形導波管１０５の軸方向に並行となるように配置された円偏波発生器２０１を用いている。円偏波発生器２０１の平板状の部材の材料としてはマイクロ波に対して損失の小さい誘電体を用いることが望ましく、本実施例では石英が用いられる。

図３に示すように、本実施例において、一方の円偏波補正器２０５の誘電体スタブ２０３は、その軸が円偏波発生器２０１の平板状部材の面に対し平行となるように、他方の円偏波補正器２０５の誘電体スタブ２０３は軸が当該面に垂直な方向に配置されている。なお、本実施例では複数の円偏波補正器２０５は各誘電体スタブ２０３が円形導波管１０５の円筒内に突出した部分同士が接触したり動作を阻害したりして互いに干渉しないように軸方向について異なる高さ位置に取り付けられているが、これに限らず誘電体スタブ２０３が同じ高さ位置に取り付けられていても良い。

上述のように、本実施例の円偏波補正器２０５は、その誘電体スタブ２０３が駆動装置２０４と円形導波管１０５の金属製の円筒との間を連結する導体製の管２０２の内部に軸を合わせて挿入され、その一方の端部は駆動装置２０４と連結されて当該駆動装置２０４の動作により誘電体スタブ２０３の軸または管２０２の軸の方向に沿って内部を移動して管２０２と相対的に位置を変化させる。また、誘電体スタブ２０３の他方の端部は円形導波管１０５の円筒の部材に配置された孔を貫通して当該円筒の内部に突出するように配置されている。この構成により、誘電体スタブ２０３の管２０２内での移動に伴なって他端側の先端を含む円形導波管１０５の円筒内に突出した部分がこの円筒の内部をその軸と垂直な軸方向に沿って移動し誘電体スタブ２０３が円形導波管１０５の円筒内に突出した部分の長さを変化させることができる。

なお、導体製の管２０２は円形導波管としても動作し得るが、本実施例において用いられる周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は以下のように遮断され管２０２内部を伝播できない。そのため、導体製の管２０２の長さを所定の値以上のものとすることにより、マイクロ波の電界が管２０２を通して漏洩することが抑制される。本実施例では、導体製の管２０２の長さを５０ｍｍとしている。

例えば、比誘電率９．７の誘電体が内部に挿入され稠密にされた直径１０ｍｍの円形導波管では、ＴＥ１１モードの遮断周波数は５．６４〔ＧＨｚ〕となり、電界の減衰量は３．３２×１０２〔ｎｅｐ／ｍ〕となる。このことから当該円形導波管の長さが５０ｍｍの場合の電界が減衰する量は６．２８×１０−６〔％〕となる。このことから、本実施例の管２０２内部を伝播するマイクロ波の電界は実質的に無いか無視出来る程度に小さいものと見做すことができると判断した。

このような円形導波管１０５の内部に挿入されるスタブとして導体製の部材を用いた場合には、導体製の管２０２と当該導体製のスタブの電気的な接触が不十分であるとこれが同軸線路として動作する場合がある。同軸線路では誘電体の材料によるもののような電界の伝播が十分に遮断されず、マイクロ波の電界が管２０２を通して伝播してしまい電界が漏洩してしまう虞が大きくなる。

これを抑制するためには管２０２と導体製のスタブとの電気的な接触を十分に確保する必要がある。一方で、誘電体製のスタブを用いた場合は、管２０２の長さを十分な電界の強度の減衰が得られる所定の値以上にすることでマイクロ波の電界の漏洩を抑制でき構造が簡単化されるという利点がある。

図４を用いて本実施例の円形導波管１０５に配置された円偏波検出器２０６について説明する。図４は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置１００の円形導波管１０５に配置された円偏波検出器２０６の構成の概略を模式的に示す横断面図である。本図は、円形導波管１０５の方向について誘電体スタブ２０３の下方で円偏波検出器２０６の上方の位置から見た図である。

本実施例の円形導波管１０５の円筒部の外側の周囲には、円筒の周方向について均等かまたはこれと見做せる程度に近似した値の角度位置に配置された複数の電界検出器を有する円偏波検出器２０６を備えている。これら電界検出器の各々は、円筒形または断面が多角形の形状を有した筒状の部材であって、その先端が円偏波補正器である誘電体スタブ２０３の処理室１１０の側であって円形導波管１０５の中心軸に対し垂直な面内に円筒を貫通して配置された孔の内部に挿入され、内部の電界に面して配置されている。円偏波検出器２０６と処理室１１０とは、これらの間に配置された伝播経路である円形導波管１０５及び空洞部１０６によって接続されている。

このように配置された電界検出器の各々で検知された出力からこれらが配置された円形導波管１０５の軸に垂直な面内での各位置での電界強度が検出され、その結果から円偏波の程度が定量化される。図４では円形導波管１０５の軸回りの１８０度の範囲に３０度間隔で７個の電界検出器を設けた例が示されているが、電界の強度の検出と円偏波の定量化をする上では上記面内において３個以上を異なる周方向の位置に配置することが必要であり、発明は本実施例の個数と配置の位置に限定されるものではない。

本実施例の処理室１１０は空洞部１０６にシャワープレート１０８、マイクロ波導入窓１０７を挟んで接続される円筒形状の部分を上部に有しており、当該円筒形の部分は円形導波管１０５の円筒の中心軸についてその軸を一致させるかこれと見做せる程度に近似した位置にその中心軸が配置されている。円形導波管１０５の上部で形成され下方の円偏波発生器２０１と円偏波補正器２０５とで補正された円偏波は円偏波検出器２０６によりその電界の強度が検知されそれらの出力が用いられて円偏波の軸比が検出される。

この検出結果を用いて図示しない制御部により円偏波補正器２０５の動作が調節され、電界の分布が調節された円偏波がシャワープレート１０８、マイクロ波導入窓１０７を透過して処理室１１０内に導入される。処理室１１０の円筒形状の部分に導入された円偏波の軸比は、当該円筒形の部分において悪化する要因は最小限に抑えられる。

図５、図６を用いて、本発明の円偏波を補正する構成による作用・効果を説明する。まず、図５に円偏波補正器を用いずに、特性を固定した円偏波発生器のみを用いたプラズマ処理装置の従来技術における電界の特性を示すパラメータの値の分布を示す。

図５は、本発明の従来技術の処理室内部における中心軸回りの電界のパラメータの分布の一例を示すグラフである。
特に、特性を固定した円偏波発生器の取り付け位置を最適化して、円偏波の軸比を検出したものである。

本例では、円偏波検出器２０６の電界検出器のうち、軸周りについて任意に定めた基準角度位置からの角度Φ＝３０°，６０°，９０°の位置に相当する電界検出器３つからの出力を用いたものである。本図では、各電界検出器の実測値を◆で、各部電界を推定した結果を実線で示している。

本従来技術における例においては、円偏波は完全に電界の強度が周方向に一定のものに最適化されたものにされておらず、円偏波の軸比は０．８７となった。なお、円偏波の軸比＝１のものが完全な円偏波を示し、軸比＝０のものが直線偏波を示す。

次に、図５におけるプラズマを発生する条件からマイクロ波電界の電力を変化させ円偏波の軸比を検出し、当該円偏波の軸比とマイクロ波の電力との相関を検出した。図６にこの結果を示す。図６は、従来技術においてプラズマ形成用の電界を形成する電力の大きさを変化させた場合の電力により形成される電界の円偏波の軸比の変化を示すグラフである。

本図に示すように、電界を形成する電力を変更した際の円偏波の軸比は図５に示した例における円偏波の軸比＝０．８７から悪化してしまう結果となった。このことから、任意のプラズマを発生する条件に対応して高い円偏波の軸比を保つには、特性を固定した円偏波の発生器では不十分であって、特性の調整が必要であると判定した。ただし、本従来技術の例において、当該軸比は最も悪化した場合でも０．５以上の値であり、ある程度の円偏波は発生できていることが確認できた。また、図６の例において検出した結果から、円偏波の特性を調整の幅は０．５を１．０付近まで調整できる程度で良いことが分かった。

次に、円偏波補正器２０５のスタブとして誘電体及び導体を比較し検討した結果を図７に示す。図７は、スタブとして直径１０ｍｍの円柱を円形導波管１０５の円筒の中心軸に対し垂直に挿入した場合の内部に突出した長さの変化に対する円形導波管１０５内部での電界の反射係数、透過係数の変化を示すグラフである。

本例においては、円柱の材質は完全導体とアルミナセラミック（比誘電率９．７）とについて比較した結果を示している。なお、マイクロ波の電界は円形導波管１０５の中心軸上で当該円柱の挿入方向に平行となるものと仮定した。また、電界の検出は有限要素法によりマックスウェルの方程式を解くことで行った。

図７において示されるアルミナセラミックと完全導体との各々の変化を比較すると、完全導体の場合は、挿入量に対する透過率、反射率の変化がアルミナセラミックの場合のものより大きく変化も複雑であることが判る。例えば、アルミナセラミックの場合（図２でアルミナと表記）は、計算の範囲内で変化は単調であり相対的に変化量も小さいことが示されている。図７の結果から、発明者らは、挿入長に対し特性が複雑または急峻に変化すると制御が困難となることから、本発明において単調で穏やかな変化をするアルミナセラミックを用いた構成を検討することにした。

一般に、金属など導電率の高い物質の内部に電界や磁界は侵入できず表面で反射されることが知られている。一方で、誘電体においては、周囲の媒質との比誘電率の違いによって反射の度合いが異なるものの、電界の一部はその内部に侵入できることが知られている。発明者らは、このことから、図７においてスタブの材質として誘電体を用いた場合には、特性が穏やかで急激な変化を示さない結果が得られたと考えた。

さらに、図２に示す本実施例の円偏波補正器２０５を用いた場合における円形導波管１０５内の円偏波の軸比を検出した結果を示す。本例では、図１に示す実施例の方形円形導波管変換器１０４、特性を固定した円偏波発生器２０１及び誘電体スタブ２０３を備えた円偏波補正器２０５について、有限要素法による計算モデルを作成しマックスウェルの方程式を解いて散乱行列を算出した。

さらに、負荷としてのプラズマの反射係数を仮定し、各散乱行列を合成して全体の散乱行列を算出した。得られた全体の散乱行列から円偏波の軸比および反射係数を求めた。

まず、プラズマを形成する電界を供給する電力と静磁界との大きさを変化させた場合の負荷としてのプラズマからの電力の反射計数を検出した。図８は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置のプロセス条件の変化に対するプラズマ負荷の反射係数Γldの大きさの変化を示すグラフである。マイクロ波の電力と静磁界を変化させた場合に変化した値を示している。

本図に示すように、マイクロ波の電力、静磁界を変化させることによりプラズマ負荷の反射係数Γldは変化するが、大きさが０．２を超えることは無かった。同様に、処理室１１０内の圧力値や、使用するガス種も変えてプラズマ負荷の反射係数Γldを算出したが、大きさが０．２を超えることは無く、変動の幅はたかだか０．２程度であることが判った。

上述のように、プロセス条件の変動に対し、プラズマ負荷の反射係数Γldは０〜０．２程度の範囲内に収まることが判った。そこで、次にこの範囲における円偏波補正器２０５の特性を検出した。

先ず、最初にプラズマ負荷の反射係数０（反射なし）の場合において円偏波補正器２０５の誘電体スタブ２０３の突出（挿入）長さの変化に対する円偏波の軸比と反射計数の変化を検出した。本例では、２本の誘電体スタブ２０３の挿入長をそれぞれ独立に２ｍｍ〜４５ｍｍの範囲で変化させた場合の円偏波の軸比の変化と反射係数の変化とを図９に示した。

図９は、図１に示す実施例のプラズマ処理装置において、プラズマの反射係数が０の場合の誘電体スタブ２０３の挿入長さの変化に対する円偏波の軸比とプラズマの反射係数の変化を示すグラフである。図９（ａ）は、誘電体スタブ（スタブ１）の挿入長が２５ｍｍの場合を、（ｂ）は他方の誘電体スタブ（スタブ２）の挿入長が２５ｍｍの場合を示している。

本図において、一方の誘電体スタブ（スタブ１）の挿入長が２５ｍｍ、他方の誘電体スタブ（スタブ２）の挿入長が２５ｍｍの場合に、円偏波の軸比が最大値０．９７となるように調整でき、完全な円偏波に十分に近似した軸比の値を得られることが判った。また、この際の反射係数も最大で０．２以下になり、それほど大きくならないことが判った。

次にプラズマ負荷の反射係数Γldの大きさが０．２の場合においてを計算した。計算は同様に散乱行列を合成してモデル化し、円偏波軸比と反射係数を評価した。

負荷の反射係数Γldは複素数であり、大きさと位相を持つので、横軸を位相とし、各誘電体スタブを挿入しない場合（スタブ調整なしと表記）と誘電体スタブを調整して最大の軸比を得た場合（スタブ調整ありと表記）を比較した。結果を図１０に示す。

図１０は、図１に示す実施例のプラズマ処理装置において、プラズマの反射係数が０．２の場合の誘電体スタブ２０３の挿入長さをパラメータとする負荷の反射係数の位相の変化に対する円偏波の軸比の変化を示すグラフである。図１０（ａ）は、円偏波の軸比の変化を、（ｂ）は反射係数の変化を示している。

本図に示されるように、スタブ調整ありの場合において、反射係数の全ての位相の範囲で概ね０．９程度の円偏波軸比に調整できることが判った。また、反射係数も最大で０．３程度とそれほど大きくならず、実用上問題ないことが分かった。

以上、プロセス条件の変化に対応して、プラズマ負荷の反射係数の大きさがゼロと０．２の場合について、誘電体スタブ挿入量の調整により、概ね０．９程度と高い円偏波軸比に調整できることが分かった。このようにプラズマ負荷側からの反射波があっても、円偏波の軸比を最適に調整できるので、プロセス条件変更などの場合にも高い均一性を保持できる。

図１１に、本実施例のプラズマ処理装置のマイクロ波の伝播経路の機能的な構成を模式的に示す。本図に示されるように、本実施例の円形導波管１０５上に配置された円偏波補正器２０５と処理室１１０（または空洞部１０６)との間に円偏波検出器２０６が配置され、マイクロ波の電界が伝播する方向の下流側の円偏波検出器２０６の検出結果が制御器に伝達され、制御器は伝達された出力とＲＡＭ，ＲＯＭ等の内部の記憶装置やＣＤ−ＲＯＭ等の外部の記憶装置に記録されたソフトウエアに記載されたアルゴリズムを用いて制御器内部の演算器が所望の円筒内の円偏波の周方向の分布を得ることが出来る円偏波補正器２０６の誘電体スタブ２０３の円形導波管１０５内部に突出する長さ（挿入長さ）を算出し、この長さとなるように円偏波補正器２０５に対して指令信号を発信する。

このような構成により、本実施例では、マイクロ波源１０１で発振されて発生したマイクロ波の電界が自動整合器１０２を介して断面方形の方形導波管１０３及び方形円形導波管変換器１０４を介して円形導波管１０５内を伝播し、円形導波管１０５上部において特性が固定された円偏波発生器にもたらされ、下方において円偏波が発生する。さらに、円偏波の電界は、円偏波補正器２０５を通過してその特性が調整され円偏波の軸比が所望の値となるように、例えば、軸比＝１となる円偏波との周方向の角度位置あるいは位相の値毎の円偏波の強度の比の値が１となる、或いは両者の値が一致するような複数の誘電体スタブ２０３各々の挿入長さが制御部の演算器により算出され当該長さが実現されるように発信された制御部からの指令信号に応じた駆動装置の動作によって円偏波の電界の周方向の強度の分布が補正される。

補正された円偏波の電界は、さらに下方の円偏波検出器２０６において円筒の軸回りについて電界の強度が検出され、この結果から円偏波の軸比が定量化され、円偏波検出器２０６と通信手段を介して接続された制御器に信号として伝達される。制御器は、当該信号を用いて算出した指令信号を円偏波補正器２０５に発信してその誘電体スタブ２０３の挿入長を調節し円偏波の軸比を所望の値となるように制御する。円偏波補正器２０５は当該信号に従い誘電体スタブ２０３の駆動装置２０４を動作させ誘電体スタブ２０３を上記所望の値を実現させる位置に移動させる。

本実施例のようなプラズマ処理装置では、時間的に複数の条件（ステップ）を切り替えて処理対象の試料上の処理対象の膜を処理することが多くなっている。例えば、シリコン膜をエッチング処理する場合、被エッチング膜であるシリコン膜の表面はごく薄い自然酸化膜で覆われているため、このような膜の処理では、最初は自然酸化膜のエッチングに適した条件のステップが実施される。

上記自然酸化膜除去が終了するとシリコンの原子が露出するので、このエッチングに適した条件の処理ステップに切り替えてエッチング処理が行われる。さらに、シリコン膜の処理が進行してその一部で下地層が露出し始めると、マスク材や下地層を必要以上に削らないようにするため、これらの材料に対して選択比の高い条件の処理ステップに切り替える。

エッチング処理に用いるガスやマイクロ波電界の電力などの条件と被エッチング膜の材料や形状により、円偏波の軸比が処理の均一性に顕著に影響を与える場合と、与えない場合がある。円偏波の軸比が処理の均一性に与える影響に応じて、運用方法を変えても良い。

例えば、あらかじめ円偏波の軸比を円偏波補正器２０５で最適に調整しておき、以降は調整せず、半固定として運用しても良い。この場合、円偏波検出器は調整時にのみ用いて、半固定で運用する時点では省略しても良い。

また、ステップ毎にあらかじめ円偏波補正器２０５の最適条件を求めておき、ステップ切り替え時に該最適条件を適用しても良い。また、実時間で円偏波軸比を測定し、円偏波補正器２０５で常に軸比を最適に制御しても良い。

１００…プラズマ処理装置
１０１…マイクロ波源
１０２…自動整合器
１０３…方形導波管
１０４…方形円形導波管変換器
１０５…円形導波管
１０６…空洞部
１０７…マイクロ波導入窓
１０８…シャワープレート
１０９…処理ガスの供給系
１１０…処理室
１１１…ウエハ
１１２…試料台
１１３…自動整合器
１１４…ＲＦバイアス電源
１１５…バルブ
１１６…圧力制御機構
１１７…真空ポンプ
１１８…アイソレータ
１１９…ソレノイドコイル
１２０…処理室
２０１…円偏波発生器
２０２…管
２０３…誘電体スタブ
２０４…駆動装置
２０５…円偏波補正器
２０６…円偏波検出器。

Claims (4)

1. 真空容器と連結されプラズマ形成用の電界が内部を伝播する導波管と、この導波管を構成し断面が円形を有して内部を前記電界の円偏波が伝播する円形導波管と、この円形導波管の下方で前記真空容器内に配置され内側に前記電界が供給されて前記プラズマが形成される処理室と、前記導波管内に配置された円偏波発生器と、前記円偏波発生器の下方の前記円形導波管に連結されて配置され前記円形導波管内の前記円偏波の分布を調節する円偏波補正器と、この円偏波補正器の下方において当該円形導波管内の前記円偏波の分布を検出する円偏波検出器と、この円偏波検出器からの出力に応じて前記円偏波補正器の動作を調節する制御器とを備え、
   前記円偏波補正器が前記円形導波管の内部に突出させる誘電体製のスタブの長さを前記制御器からの信号に基づいて調節するプラズマ処理装置。
   
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導波管上の前記円偏波補正器と前記電界の発生器との間に配置され整合器を備えたプラズマ処理装置
   
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記円偏波補正器が前記円形導波管の軸に垂直な方向に挿入された複数の前記誘電体のスタブを備えたプラズマ処理装置。
   
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
   前記導波管が前記円形導波管の上方に配置されて水平方向に延在する軸方向の一端部に前記電界の発生器が連結され他端部が前記円形導波管と連結された水平方向の導波管を備え、この水平方向の導波管と前記円形導波管との連結部の下方であって前記円偏波補正器との間に前記円偏波発生器を備えたプラズマ処理装置。