JP7035277B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関する。

半導体集積回路素子の生産にプラズマ処理装置が用いられている。電磁波によりプラズマを発生するプラズマ処理装置において、静磁界をプラズマ処理室に加えた装置が広く用いられている。静磁界によりプラズマの損失を抑制することができるほか、プラズマ分布の制御も可能となる利点があるためである。さらに電磁波と静磁界の相互作用を用いることで、通常はプラズマ発生が困難な運転条件でも発生可能とできる効果がある。

特にプラズマ発生用電磁波としてマイクロ波を用い、電子のサイクロトロン運動の周期とマイクロ波の周波数を一致させる静磁界を用いると、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance、以下ECRと称する）現象が起きることが知られている。ECRが起きる領域で主にプラズマが発生することから、静磁界の分布を調節することでプラズマ発生領域の制御が可能となるほか、ECR現象によりプラズマ生成可能な条件が広く確保できる効果がある。

プラズマ処理中の被処理基板に高周波を印加し、プラズマ中のイオンを被処理基板表面に引き込むことでプラズマ処理の高速化や処理品質の向上を図るRFバイアス技術が用いられている。例えばプラズマエッチング処理の場合、被処理基板の被処理面に垂直にイオンが入射するため、エッチングが被処理基板の垂直方向にのみ進む異方性の加工が達成される。

特許文献１には、処理室の中心軸と同心に設置されたプラズマ発生用電磁波導入経路と、電磁波を複数の出力ポートに分配する分岐回路と、分岐回路の出力ポートに接続され、前記プラズマ発生用電磁波の導入経路と同心に設置されたリング状空洞共振器とを備えたプラズマ処理装置において、プラズマ発生用電磁波導入経路が円形導波管により構成することにより、リング状空洞共振器内に進行波を励振することで、定在波に起因するプラズマ密度の空間的な変動を防止でき、均一なプラズマ処理を可能とすることが記載されている。

プラズマ発生用電力としてマイクロ波を用いる場合、マイクロ波電力を伝達するのに導波管が用いられるが、一般に導波管の寸法がマイクロ波の波長に比べて小さい場合に、マイクロ波が伝送できなくなることが知られており、カットオフと呼ばれる。非特許文献１には、円形導波管の場合について円形導波管の寸法とカットオフ周波数との関係について記載されている。

特開２０１２－１９０８９９号公報

中島将光著、マイクロ波工学、森北出版株式会社

一般にプラズマはプラズマ処理室壁面で損失することが多く、壁面付近では密度が低く、壁面から離れた中心付近で密度が高くなる傾向がある。こういったプラズマ密度分布の不均一に起因する処理の不均一が問題となることがある。静磁界を用いたプラズマ処理装置では、プラズマ生成条件によってはプラズマ処理室の中心付近で密度が高くなる場合がある。これに対応し被処理基板上のプラズマ密度が凸分布となりやすい傾向があり、プラズマ処理の均一性が問題となることがある。

プラズマは磁力線に沿う方向には拡散しやすいが、磁力線と垂直方向には拡散が抑制される性質がある。さらに静磁界の分布を調整することで、ECR面などの位置を調整してプラズマ発生領域の制御が可能である。このように静磁界の分布を調整することでプラズマの分布を調整することができる。

しかし静磁界によるプラズマ密度分布の調整手段のみでは所望の調整幅が得られない場合があり、さらに追加の調整手段が望まれている。

例えばエッチング処理の場合、加工する膜厚が成膜装置の特性に応じて、例えば処理基板の中央で厚く外周側で薄い場合、逆に中央で薄く外周側で厚い場合、があり得る。これらの成膜装置起因の不均一をエッチング処理で補正して、全体で均一な加工を施したい場合がある。このように被処理基板上でのプラズマ密度分布を所望の分布に調整することが望まれる場合がある。

一般にエッチング速度が均一であれば、反応生成物は被処理基板各部から均一に生成し放出される。その結果、被処理基板の中心部では反応生成物密度が高く、外周部では密度が低くなる。反応生成物が被処理基板に再付着すると、エッチングが阻害されてエッチング速度が低下する。反応生成物が被処理基板に再付着する確率は、被処理基板の温度や処理室の圧力、被処理基板の表面状態等、多くのパラメータに影響される。そのため被処理基板の面内で均一なエッチング処理を得るためには、被処理基板上のプラズマ密度分布を中高、あるいは外高に調整しなければならない場合がある。

上記に示すように被処理基板上でのプラズマ密度分布を容易に制御できるようにするプラズマ処理装置の構成として、特許文献１において、リング状空洞共振器内の電磁界は定在波を形成する。例えば、電界の定在波が形成される場合、電界強度の強い腹部、電界強度の弱い節部が存在する。これらの腹節の位置は固定されており、プラズマ処理室内にも空洞共振器内の電界強度腹節に対応した電界強度の強弱が発生する場合がある。

この電界強度の強弱により、処理室内に発生するプラズマも不均一となる場合がある。この不均一により真空処理室を気密に保持しつつマイクロ波を透過させる誘電体窓部のプラズマによる削れが局所的に大きくなる、被処理基板に施すプラズマ処理の均一性に悪影響を与える、等の不具合が生じる場合がある。

本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、被処理基板上でのプラズマ密度分布を容易に制御できるプラズマ処理装置を提供するものである。

上記した課題を解決するために、本発明では、プラズマ処理装置を、試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を導波路を介して供給する高周波電源と、処理室の内部に磁場を形成する磁場形成機構と、カットオフ周波数を制御するカットオフ周波数制御機構とを備えて構成し、導波路は、円形導波管と、この円形導波管の外側に配置され円形導波管と同軸上に配置された同軸導波管と、を具備し、
カットオフ周波数制御機構は、円形導波管のカットオフ周波数を制御するようにした。

本発明によれば、被処理基板上でのプラズマ密度分布を容易に制御できるプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の原理を説明するためにマイクロ波プラズマエッチング装置の側面断面図である。 本発明の実施例に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の側面断面図である。 本発明の実施例に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の図２におけるA‐A断面矢視図である。 本発明の実施例に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の図２におけるB‐B断面矢視図である。 本発明の実施例に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の円偏波発生器付近の断面図である。 本発明の実施例に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の誘電体部品の側面断面図である。 本発明の実施例に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の誘電体部品の側面断面図である。

本発明では、高品質なプラズマ処理を可能とするプラズマ処理装置を提供するものである。本発明では、プラズマ処理装置において、特にマイクロ波電力の分布を調整することで処理室内に生成するプラズマの分布を制御できるようにしたプラズマ処理装置に関するものである。

本発明の原理を説明するために、ECRを用いたプラズマ処理装置の例として、図1にエッチング装置１００を示す。本発明の原理を説明するためのエッチング装置１００は、略円筒状のプラズマ処理室１０４を備えている。プラズマ処理室１０４の内部には、被処理基板１０６を載置する基板電極１２０、プラズマ処理室１０４と基板電極１２０との間を電気的に絶縁する誘電体ブロック１２１が設置されている。更に、プラズマ処理室１０４の内部には、RFバイアスのアースとして動作するアース電極１０５が設けられている。

一方、プラズマ処理室１０４の上部には、空洞部１０２が形成されており、プラズマ処理室１０４と空洞部１０２との間には、マイクロ波導入窓１０３と、ガス分散板１１１が接地されている。マイクロ波導入窓１０３とガス分散板１１１との間には、ガス供給部１４０から処理ガスや不活性ガスなどが供給され、ガス分散板１１１の図示していない多数の微細な穴からプラズマ処理室１０４の内部にガスを供給する。

ガス供給部１４０は、ガスボンベ１４３、ガスの供給と停止を切り替える切換えバルブ１４２、切換えバルブ１４２とプラズマ処理室１０４との間を接続するガス供給管１４１を備えている。

プラズマ処理室１０４の内部は、排気系１５０により真空に排気される。排気系１５０は、プラズマ処理室１０４に接続された排気管１５１、開閉可能なバタフライバルブ１５２、真空ポンプ１５３を備えている。これにより、ガス供給部１４０からプラズマ処理室１０４の内部に供給されたガスも、排気系１５０によりプラズマ処理室１０４から排気される。

プラズマ処理室１０４の周囲には、電磁石１０１が設置されている。電磁石１０１は、上側コイル１０１１、下側コイル１０１２，１０１３を備え、これら上側コイル１０１１、下側コイル１０１２，１０１３の外周には外部に漏洩する磁場の抑制とプラズマ処理室に効率よく磁場を集中させるためのヨーク１０１４が設けられている。

空洞部１０２には、中心軸に沿って円形導波管１１０が接続され、円形導波管１１０は円矩形変換器１３５を介して矩形導波管１３４と接続されている。矩形導波管１３４にはマイクロ波発生源１３１、アイソレータ１３２、自動整合器１３３が接続されている。

上記したような構成を備えた本発明の原理を説明するためのエッチング装置１００においては、略円筒状のプラズマ処理室１０４の周囲に設置された電磁石１０１により、プラズマ処理室１０４の内部にECRを起こすための静磁界を加えることができる。電磁石１０１を構成する多段のコイル１０１１，１０１２，１０１３により発生する磁場の強さを調整することで、プラズマ処理室１０４内の静磁界分布を制御できる。

マイクロ波発生源１３１で発生してアイソレータ１３２、自動整合器１３３を通ったマイクロ波は、プラズマ処理室１０４の中心軸に沿って設置された円形導波管１１０により、プラズマ処理室１０４の基板電極１２０上に載置された被処理基板１０６と対向する面からプラズマ処理室１０４に投入される。発振周波数２.４５GHzのマグネトロンをマイクロ波発生源１３１として用いた。

マイクロ波発生源１３１の出力側に接続した自動整合器１３３は、発生源保護用のアイソレータ１３２とインピーダンス不整合による反射波を抑制するためのものである。マイクロ波発生源１３１から自動整合器１３３までは矩形導波管１３４を用いて接続した。円形導波管１１０との接続には円矩形変換器１３５を用いた。

円形導波管１１０は最低次モードであるTE11モードで動作し、この最低次モードのみが伝搬できる直径とすることで、高次モードの発生を抑制して、動作の安定化を図っている。円形導波管１１０には円偏波発生器１０９が設けられ、TE11モードのマイクロ波を円偏波化している。

TE11モードは円形導波管の中心軸に対して方位角方向に電磁界が変化するが、円偏波発生器１０９により円偏波化することで、マイクロ波の1周期で方位角方向の不均一が平滑化され、軸対称性を確保できる効果がある。そのほか静磁界を印加したプラズマに円偏波化したマイクロ波を投入すると後述の電子サイクロトロン共鳴現象が効率よく起きることが知られており、プラズマへのマイクロ波電力の吸収効率を高める効果もある。

円形導波管１１０から投入されたマイクロ波は空洞部１０２で電磁界分布を整形され、マイクロ波導入窓１０３とその処理室側に設けられたガス分散板１１１を介してプラズマ処理室１０４に投入される。マイクロ波導入窓１０３、ガス分散板１１１はマイクロ波を透過し、プラズマ処理に悪影響を与えにくい材質として石英を用いることが多い。またプラズマ処理室１０４の内面は石英等の内筒で保護することで、プラズマによる損傷を防止することが多い。

直径３００mmのシリコン基板を被処理基板１０６として用いた。被処理基板１０６を載置する基板電極１２０には、自動整合器（マッチングボックス）１０７を介してRF（Radio Frequency）電源１０８が接続され、前述のRFバイアスが印加される。RF電源１０８として周波数４００kHzのものを用いた。

プラズマ処理室１０４の内部に処理ガスや不活性ガスなどを供給するガス供給部１４０から出たガスは、バルブ１４２を介してガス供給管１４１によりプラズマ処理室１０４内でマイクロ波導入窓１０３とガス分散板１１１の間に供給され、ガス分散板１１１に設けた図示していない微細な穴を通してプラズマ処理室１０４の内部にシャワー状に供給される。ガス分散板１１１の穴の配置により、ガス供給の分布を調整することができる。

前述のRFバイアス技術を適用するには、被処理基板１０６からプラズマを介してアースにいたる経路のインピーダンスが重要となる。すなわち被処理基板１０６とプラズマの間に形成されるシースは非線形性のインピーダンスを持つことが知られており、このシース領域をRFバイアス電流が流れることで、被処理基板１０６のDC電位が下がり、プラズマ中のイオンを引き込むことができる。RFバイアス電流を効率よく流すために、プラズマ処理室１０４の内部にアース電極１０５が設けられている。

電磁石１０１による静磁界はマイクロ波の投入方向と概ね平行に設定されることが多い。マイクロ波によるECRはマイクロ波の進行方向と平行な静磁界により効率よく起きることが知られているためである。図1の例ではプラズマ処理室の中心軸に沿った方向に静磁界を加える構成としている。

磁化プラズマ中マイクロ波の伝播特性は理論的にある程度解明されており、静磁界に沿う方向に伝播するR波と呼ばれる円偏波は、ECR条件の静磁界を越える強磁場領域でプラズマの密度に関係なくプラズマ中を伝播できることが知られている。また前述のECR条件を満たす箇所でマイクロ波の電力は電子にきわめて効率よく吸収されることが知られている。そのためECR条件を満たす箇所にマイクロ波電力を効率よく伝播させるために、強磁場域からマイクロ波を投入し、プラズマ中を伝播させることが行われる。

図1に示す例ではプラズマ処理室１０４の上部に強い静磁界、下部に弱い静磁界とし中間にECR条件を満足する磁束密度（マイクロ波の周波数が２.４５GHzの場合０.０８７５テスラ）となるよう設定して、上側からマイクロ波を投入している。電磁石１０１の中心軸に沿って上側から単調に静磁界が弱くなる静磁界（発散磁場と称する）を発生させやすい設定としている。すなわち電磁石１０１はその構成として上側コイル１０１１が強く、下側コイル１０１２，１０１３で相対的に弱い静磁界を発生させやすい様に、上側コイル１０１１の起磁力を下側コイル１０１２，１０１３に比べ相対的に大きくしている。

電磁石１０１の外周には外部に漏洩する磁場の抑制とプラズマ処理室に効率よく磁場を集中させるためのヨーク１０１４が設けられることが多い。ヨーク１０１４は飽和磁束密度の高い材質で作ることが望ましく、価格や入手のしやすさから、純鉄が用いられることが多い。プラズマ処理室１０４内に効率よく静磁界を加えるため、ヨーク１０１４はプラズマ処理室１０４の全体を覆うように配置される。ヨーク１０１４の下端１０１５は被処理基板１０６の存在する面の近くにまで延伸されている。

図１で説明した本発明の原理を説明する構成に対して、本発明においては、マイクロ波電力を伝送する導波路を複数分割し、各導波路の処理室側にそれぞれマイクロ波の放射手段を設け、さらに各導波路を伝搬するマイクロ波の電力を調整する手段を設けることで、処理室内のマイクロ波電磁界の分布を調整し、生成するプラズマの分布を制御するようにした。

これらの構造はすべて同心状に構成されており、マイクロ波、プラズマに非軸対称性が生じることを防止する。すなわちマイクロ波を伝送する導波路は円形導波管とこの円形導波管の中心軸と共通の中心軸を有する同軸導波管の組み合わせで構成した。以下に、本発明の原理について説明する。

マイクロ波電力の調整には導波管のカットオフと呼ばれる現象を用いることができる。一般に導波管の寸法がマイクロ波の波長に比べて小さい場合に、マイクロ波が伝送できなくなることが知られており、カットオフと呼ばれる。また導波管内に比誘電率が大きな誘電体を装荷することで波長短縮効果によりカットオフとなる寸法が小さくできることが知られている。

円形導波管の場合、非特許文献１に記載のように式（数１）で示されることが知られている。

さらにカットオフ波数は式（数２）となる。

すなわち円形導波管内の媒質が空気の場合、半径３５.９mm以下で２.４５GHzのマイクロ波がカットオフとなり、媒質が石英の場合、半径１７.９mm以上の径で２.４５GHzのマイクロ波が伝送できることがわかる。

以上よりマイクロ波の周波数が２.４５GHzの場合、導波管半径を１７.９mm以上３５.９mm未満とすることで、導波管内の媒質が空気であればカットオフ、石英を装荷すればマイクロ波電力を伝送することができる。

さらにカットオフ状態にある導波管では、マイクロ波の入力端から指数関数的にマイクロ波電界が減少することが知られている。すなわちカットオフ状態にある導波管の長さを調整することで、出力端に漏れ出るマイクロ波の大きさを調整することができる。

円形導波管内に同軸上に円筒を装荷し、該円筒の内側に誘電体を装荷した場合マイクロ波を伝送可能とし、誘電体を装荷しない場合にカットオフとする。該誘電体を抜き差し自在に構成することで、カットオフとしたり、伝送可能としたり調整することができる。さらに該円筒の外側を同軸導波管として動作させることができ、マイクロ波電力を内側の円形導波管と外側の同軸導波管に分割し、内側の円形導波管の伝送電力を制御することで、マイクロ波電力の分割比を制御することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。

ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

本発明を用いたプラズマ処理装置の例として、図２乃至図７を用いてマイクロ波プラズマエッチング装置２００を説明する。

本発明者らは、本発明の原理を説明した図1に示すエッチング装置１００を基に、処理室内のマイクロ波電磁界分布を調整することで、生成されるプラズマの密度分布を制御する方法を検討した。その結果、図２に示す構造を得た。図１に示した本発明の原理を説明したエッチング装置１００と共通する部分には同じ番号を付してある。この同じ番号を含む図１で説明したものと同じ部分の説明は省略し主に相違点について説明する。

図２に示したマイクロ波プラズマエッチング装置２００の構成は、主として図1に示した本発明の原理を示すエッチング装置１００の円形導波管１１０と空洞部１０２の内部構造を変えたものである。

マイクロ波プラズマエッチング装置２００は、マイクロ波発生源１３１、アイソレータ１３２、自動整合器１３３を備え、プラズマ処理室１０４の周囲に、上側コイル１０１１、下側コイル１０１２，１０１３を備えて外周にヨーク１０１４が設けられた電磁石１０１が設置されている点、及び、プラズマ処理室１０４にガス供給部１４０と排気系１５０とが接続されている点、また、基板電極１２０に、自動整合器１０７を介してRF電源１０８が接続されている点は、図1に示した本発明の原理を示すエッチング装置１００の構成と同様である。

図２に示したマイクロ波プラズマエッチング装置２００の構成においては、図１で説明したエッチング装置１００の円形導波管１１０に替えて、第１円形導波管２０１が接続されており、第１円形導波管２０１の内部に第２円形導波管２０２とその出力側にやや径が拡大した第３円形導波管２０４が配置されている。

円矩形変換器１３５に接続する円形導波管２０１１の内部には円偏波発生器２０８が内蔵されている。円偏波発生器２０８の出力端に相当する円形導波管２０１１の下部には、径を拡大した第１円形導波管２０１が接続されている。第１円形導波管２０１の内部には、第２円形導波管２０２とその出力側にやや径が拡大した第３円形導波管２０４が配置されている。第２円形導波管２０２の内には、電力分割と調整の機構の役割を持つ誘電体２０３が装荷されている。

円形導波管２０１１、第１円形導波管２０１、第２円形導波管２０２、及び第３円形導波管２０４は、中心軸を共有している。

誘電体２０３には誘電体製のロッド２０９が接続されている。ロッド２０９は第１円形導波管２０１の中心軸上に配置されており、円偏波発生器２０８の中心を突き抜けて円矩形変換器１３５に設けたガイド部１３６から外部に突き出している。

このガイド部１３６から外部に突き出している部分を円矩形変換器１３５の外部から抜き差し（出し入れ）することで、誘電体２０３の第２円形導波管２０２への挿入量を調整することができる。誘電体２０３はマイクロ波に対して損失が小さく温度変化などに対しても安定な材質が望ましく、本実施例では石英を用いた。

第２円形導波管２０２の内部の半径（内半径）は、内部に誘電体２０３を装荷せず内部が空気で充満している場合にはマイクロ波がカットオフとなり、内部に誘電体２０３を装荷した場合にはマイクロ波を伝送できるような径としている。本実施例では半径３０mmとした。誘電体２０３は、第２円形導波管２０２に対して、カットオフ周波数制御機構の役割を果たす。

第３円形導波管２０４は、内部の媒質が空気の場合においてマイクロ波の伝送を可能にするには、前述の通り内部の半径３５.９mm以上とする必要があり本実施例では半径４０mmとした。第３円形導波管２０４に誘電体を装荷して、小型化することも可能である。

第１円形導波管２０１の内側で第３円形導波管２０４の外側の部分は同軸導波管２０５として動作する。一般に同軸導波管はTEMモードで動作する場合は、周波数がゼロとみなせる直流から伝送できてカットオフが無いが、高次のTEモードで動作する場合はカットオフが存在する。本実施例では同軸導波管２０５は高次のTE₁₁モードで動作する。

円形導波管と異なり単純な式でカットオフ周波数等を求めることはできないが、同軸導波管のTE₁₁モードでは近似的にカットオフ周波数が式（数３）で求められることが知られている。

式（数３）を考慮して同軸導波管２０５のTE11モードがカットオフとならない寸法としている。

第３円形導波管２０４の出力端側の外部にはフランジ部２０４１が形成されており、このフランジ部２０４１と円管２０４３とで形成される空間が内側アンテナ２０６として作用する。本実施例では円管２０４３の径を大きくしてマイクロ波導入窓１０３の側を開放した。この円柱空洞型の内側アンテナ２０６により、プラズマ処理室１０４内に被処理基板１０６上で凸分布となるプラズマを生成することができる。

図２におけるA‐A断面矢視図を図３に、B‐B断面矢視図を図４に示す。同軸導波管２０５の空洞部２１２の内部への出口である出力端２０５１には、空洞部２１２とフランジ部２０４１とで挟まれる空間に導波路形成部２０４４により導波路２１０が形成される。

一方、円管２０４３と、円管２０４３よりも外側のフランジ部２０４２と空洞部２１２と、空洞部２１２に接続している円板２１２０とで囲まれる空間は、フランジ部２０４２と空洞部２１２との間の隙間２０４５を通じて導波路２１０につながる外側アンテナ２０７を形成する。

本実施例における外側アンテナ２０７は、リング状の空洞共振器を形成するが、被処理基板１０６上で外高分布を得られるアンテナであれば他の構造を用いてもよい。リング状の空洞共振器構造の外側アンテナ２０７は、導波路２１０との接続に方位角方向に延伸したスロット２１０１を用いてもよい。またプラズマ処理室１０４へのマイクロ波の放射には、円管２０４３と円板２１２０との間の隙間２２２による円環状のスロットを用いたが、放射方向のスロット等、他の構造を用いてもよい。

内側アンテナ２０６と外側アンテナ２０７と石英製のマイクロ波導入窓１０３の間には空間２１１が設けられている。空間２１１の高さを調整してマイクロ波の不整合を緩和することができる。

ガイド部１３６の側からロッド２０９を引き上げて誘電体２０３を第２円形導波管２０２から引き抜くと、第２円形導波管２０２はマイクロ波に対してカットオフの状態になり、内側アンテナ２０６へのマイクロ波供給が絶たれる。その結果、内側アンテナ２０６からのプラズマ処理室１０４へのマイクロ波の放射は無く、外側アンテナ２０７のみからプラズマ処理室１０４の内部に放射される。

逆に、ガイド部１３６の側からロッド２０９を押し下げて誘電体２０３を第２円形導波管２０２に挿入すると、誘電体２０３が第２円形導波管２０２に装荷されて伝送可能な状態になる。この状態で、マイクロ波が第３円形導波管２０４から内側アンテナ２０６に供給され、内側アンテナ２０６および外側アンテナ２０７の両者からマイクロ波がプラズマ処理室１０４の内部に供給される。

またガイド部１３６の側からのロッド２０９の押し下げ量又は引き上げ量を調整してロッド２０９の先端部分に取り付けられた誘電体２０３の位置を変化させることで、内側アンテナ２０６と外側アンテナ２０７へ供給するマイクロ波電力比を変えることができる。内側アンテナ２０６と外側アンテナ２０７により生成するプラズマの分布が異なるため、誘電体２０３の位置を変えて内側アンテナ２０６と外側アンテナ２０７とへ供給するマイクロ波電力比を調整することで、プラズマ処理室１０４でのプラズマ分布を制御することができる。

図２に示す誘電体２０３は単純な円筒形であるが、図６に断面を示すよう
に誘電体６０１の先端部６０１１を尖らせたり（誘電体６０１）、又は図７
に断面を示すように誘電体７０１の先端部分７０１１をテーパ状の空洞部を
追加して（誘電体７０１）もよい。

第２円形導波管２０２内に誘電体６０１または誘電体７０１の先端部６０１１又は７０１１が装荷されると、等価的な比誘電率の変化が緩やかとなるため、誘電体６０１又は７０１の第２円形導波管２０２内への挿入量に対するマイクロ波電力透過率の変化を穏やかにすることができる。これによりマイクロ波電力制御の精度を高める効果がある。

円偏波発生器２０８として図５に示す構造を用いた。図５は円形導波管２０１１の中心軸に対して垂直方向の断面図である。円偏波発生器２０８として円形導波管２０１１のTE11モードの電界方向に対して４５度傾斜して配置した誘電体板からなる公知の構造を用いた。誘電体として石英を用いた。

図に示すようにロッド２０９を通過させるための穴２０８１を円偏波発生器２０８に設けている。ロッド２０９の材質も円偏波発生器２０８と同じ石英としている。穴付きの誘電体板では穴部の比誘電率が下がるため、板全体の等価的な誘電率が低下し、円偏波発生の効率が低下する。しかしロッド２０９の材質を揃えて穴の径とロッドの径をほぼ同一とすることで等価的な誘電率の低下を防止し、円偏波発生効率の低下を防止している。

エッチング中のプラズマ発光を測定することでエッチング状態のモニタリングが可能である。例えばプラズマ発光中に被処理基板上の被エッチング材や反応生成物に起因する発光を測定し、その変化からエッチングの進行状態をモニタ出来る。またエッチング中の被処理基板表面の光の反射率から膜厚等の変化をモニタすることができる。これらの技術を活用するにはプラズマ発光等を外部とやり取りするのに透光性材料を用いる必要がある。ロッド２０９や誘電体２０３の材質を透光性の材料とすることで、モニタ用のポートを兼ねることができる。

上述のようにロッド２０９および誘電体２０３の位置により内外アンテナへ供給するマイクロ波電力の比を調整し、これにより処理室に生成するプラズマの分布を制御することができる。内外アンテナに供給する電力比を頻繁に調整する必要がない場合は、ロッド２０９を省略し、誘電体２０３の位置を半固定として運用してもよい。プラズマ分布制御の容易さは損なわれるが、ロッド等の駆動機構を省略でき、構造を簡単化することができる利点がある。

一般的に、マイクロ波と静磁界の相互作用を用いてプラズマを生成するプラズマ処理装置において、特に処理室圧力が高めの条件で被処理基板上のプラズマ密度分布が凸傾向にあり、平坦な分布を得にくい課題があるが、本実施例で説明したような構成を備えたプラズマ処理装置を採用することにより、プラズマ密度の平坦な分布を得やすくなり、この課題を解決することができる。

以上に説明したように、本実施例によれば、複数のアンテナから放射される各マイクロ波電力の大きさを調整することにより、各アンテナで処理室内に生成されるプラズマの密度の分布を調整することができる。例えば、内側導波路に接続した内側アンテナと外側導波路に接続した外側アンテナを備え、内側アンテナで中高分布、外側アンテナで外高分布のプラズマを生成する場合に、内外アンテナに供給するマイクロ波電力を調整して、プラズマの外高、中高分布の程度を制御することができる。

また、本実施例によれば、処理室内に生成されるプラズマの密度の分布を調整することができるので、真空処理室を気密に保持しつつマイクロ波を透過させる誘電体窓部のプラズマによる局所的な削れを抑えることができ、本実施例のような構成を採用しない場合と比べて被処理基板に施すプラズマ処理の均一性を向上させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１ 電磁石
１０２ 空洞部
１０３ マイクロ波導入窓
１０４ プラズマ処理室
１０５ アース電極
１０６ 被処理基板
１０７ 自動整合器
１０８ RF電源
１０９ 円偏波発生器
１１０ 円形導波管
２０１ 第1円形導波管
２０２ 第2円形導波管
２０３ 誘電体
２０４ 第3円形導波管
２０５ 同軸導波管
２０６ 内側アンテナ
２０７ 外側アンテナ
２０８ 円偏波発生器
２０９ ロッド
２１０ 導波路
２１１ 空間
４０１ 誘電体
５０１ 誘電体

Claims (12)

1. 試料がプラズマ処理される処理室と、
   プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を導波路を介して供給する高周波電源と、
   前記処理室の内部に磁場を形成する磁場形成機構と、
   カットオフ周波数を制御するカットオフ周波数制御機構と
   を備え、
   前記導波路は、円形導波管と、前記円形導波管の外側に配置され前記円形導波管と同軸上に配置された同軸導波管と、を具備し、
   前記カットオフ周波数制御機構は、前記円形導波管のカットオフ周波数を制御す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、
   前記カットオフ周波数制御機構は、誘電体を具備す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、
   前記誘電体は、前記円形導波管の内部に配置され、前記円形導波管に対して前記誘電体を抜き差し自在に構成され、前記円形導波管が前記マイクロ波の高周波電力をカットオフすることと伝送可能にすることを切り替えることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記カットオフ周波数制御機構は、前記円形導波管に対する前記誘電体の挿入量を制御する挿入量制御機構をさらに具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 試料がプラズマ処理される処理室と、
   円形導波管と前記円形導波管の外側に同軸上に配置された同軸導波管を具備する導波路を介してプラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、
   前記処理室の内部に磁場を形成する磁場形成機構と、
   前記円形導波管を介して供給される前記高周波電力と前記同軸導波管を介して供給される前記高周波電力との割合を所望の割合に制御する
   電力割合制御機構と
   を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
   前記電力割合制御機構は、誘電体を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、
   前記電力割合制御機構は、前記円形導波管に対する前記誘電体の挿入量を制御する挿入量制御機構をさらに具備することを特徴とするプラ
   ズマ処理装置。
8. 試料がプラズマ処理される処理室と、
   プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を導波路を介して供給する高周波電源と、
   前記処理室の内部に磁場を形成する磁場形成機構と、
   カットオフ周波数を制御するカットオフ周波数制御機構と
   を備え、
   前記導波路は、第一のアンテナと、前記第一のアンテナの外側に配置され前記第一のアンテナと同軸上に配置された第二のアンテナと、
   を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 請求項８に記載のプラズマ処理装置において、
   前記第一のアンテナに接続された第一の導波管と前記第二のアンテナに接続された第二の導波管とが同軸上に配置されていることを特徴と
   するプラズマ処理装置。
10. 請求項９に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第一の導波管に供給される高周波電力と前記第二の導波管に供給される高周波電力との割合を所望の割合に制御する電力割合制御機構
    をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
11. 請求項１０に記載のプラズマ処理装置において、
    前記電力割合制御機構は、誘電体を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 請求項１１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記電力割合制御機構は、前記第一の導波管に対する前記誘電体の挿入量を制御する挿入量制御機構をさらに具備することを特徴とするプ
    ラズマ処理装置。

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