WO2004064460A1 - 高周波電力供給装置およびプラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

本発明の高周波電力供給装置およびそれを用いたプラズマ発生装置は、２つ以上の、誘導性のアンテナ(1) と、各アンテナ(1) に対して電力を供給するための高周波電源(2, 4)と、各アンテナ(1)が高周波電力の印加によりプラズマを発生するように取り付けられた真空容器(6)とを有し、高周波電源(2, 4)が、それに対応するアンテナ(1)に近接してそれぞれ設けられている。各アンテナ(1)にそれぞれ発生する高周波電圧のバラツキを低減できて、プラズマ発生部の大口径化あるいは大容積化を図っても、より均一なプラズマを発生でき、上記プラズマによる薄膜形成や、プラズマイオン注入を安定化できる。

Description

明 細 書 高周波電力供給装置およびプラズマ発生装置 技術分野

本発明は、 特に大面積基板の薄膜形成処理やプラズマイオン注入法に おける長尺部材のイオン注入処理に適する、 高周波電力供給装置および プラズマ発生装置に関するものである。 背景技術

高周波電力を用いた誘導結合方式のプラズマ発生装置は、 高密度のプ ラズマを発生できることから高いスループッ トを実現でき、 基板の薄膜 形成処理やプラズマィオン注入処理に使用されるようになつてきた。

高周波電力を用いた誘導結合方式のプラズマ発生装置では、 少なく と も 1つのアンテナに印加される高周波電圧の対地振幅が大きくなると異 常放電を生じ易く なると共にプラズマの電位変動が大きく なつてプラズ マダメージを生じることから、 アンテナに発生する高周波電圧を低減す ることが求められている。

このため、 従来では、 図 2 5に示すように、 高周波電源 5 1からの高 周波電力を高周波電力伝送用分布定数線路 （ 5 0 Ω ) 5 2およびイ ンピ 一ダンス整合器 ₅ 3を介して、 複数の負荷と してのアンテナ 5 4に供給 するようになつている。 また、 高周波電源 5 1においては、 発振器 5 5 からの高周波信号を複数の増幅器 5 6でそれぞれ増幅してそれぞれ高周 波電力とし、 それら高周波電力を位相整合器 5 7にて合わせて出力する ようになっている。

このようなアンテナ 5 4への高周波電力の供給方式において、 2っ以 上のアンテナ 5 4を用いる誘導結合方式のプラズマ発生装置では、 図 2 6に示すようにアンテナ 5 4の各々への高周波電力を配線部 5 8によ り 直列ではなく並列にて供給する方式が用いられていた （特開 2 0 0 1 — 3 5 6 9 7号公報） 。

これは、 有限のインダクタンスを有する 2つ以上のアンテナ 5 4の各 々へ高周波電力を直列に供給した場合と並列に供給した場合を比較する と、 各々のアンテナ 5 4の端子間に発生する高周波電圧は各々のアンテ ナ 5 4のィンダクタンスと高周波電流の積に比例する点では両者とも同 じであるが、 合成ィンダクタンスは直列に高周波電力を供給する場合に 比べて並列に高周波電力を供給する方が低減可能であるためである。

(特許文献 1 )

特開 2 0 0 1 — 3 5 6 9 7号公報 （公開日 ： 2 0 0 1年 2月 9 日） しかしながら、 誘導結合方式のプラズマ発生装置において、 2つ以上 のアンテナ 5 4に高周波電力を並列に供給する従来の方式では、 プラズ マ発生部を大口径化あるいは大容積化しよう とすれば、 大面積あるいは 大^積にわたって均一なプラズマ生成を行うために、 各々のアンテナ 5 4は、 プラズマ発生室 5 9に局在しないよ うに配置され、 結果的に、 ィ ンピーダンス整合器 5 3 と、 配線部 5 8を介した一つのアンテナ 5 4 と の距離、 およびそれ以外のアンテナ 5 4 との距離との差が増大する。

このため、 上記従来においては、 直列に供給される場合に比べれば合 成インダクタンスが低減するものの、 各々のアンテナ 5 4へ高周波電力 を並列に供給するのに要する配線部 5 8でのインダクタンスがプラズマ 発生部の大口径化あるいは大容積化に伴って増大してしまう。 このため 、 単体のアンテナ 5 4端子間に発生する高周波電圧に比べて大きい高周 波電圧が端部に接続されたアンテナ 5 4に発生するという問題を生じて いる。

さらに、 2つ以上のアンテナ 5 4に並列に高周波電流を供給する図 2 6に示す従来の高周波電力供給方式を用いたプラズマ発生装置では、 各 々のアンテナ 5 4に流れる高周波電流は、 ィンピーダンス整合器 5 3 と 負荷であるアンテナ 5 4 との間において高周波電流を受動回路により分 流している。 このため、 分流回路に寄生するイ ンピーダンスの不均一性 により不均一な電流分布となるばかりではなく、 上記電流分布を能動的 に制御することができない。

これにより、 上記従来では、 プラズマのローデイング抵抗ならびに分 流回路に寄生するイ ンピーダンスの不均一性ならびに発生する熱による 時間的な変化による影響で、 アンテナ 5 4間に流れる高周波電流が不均 一となつた場合でも、 上記高周波電流を制御できず、 プラズマ生成が不 均一、 不安定になり、 上記プラズマを用いた薄膜形成等が不安定になる という問題があった。

さらに、 2つ以上のアンテナ 5 4に並列に高周波電流を供給する、 図 2 6に示す従来の高周波電力供給方式を用いたプラズマ発生装置では、 並列に接続された複数のアンテナ 5 4の合成ィンピーダンスに対するィ ンピーダンス整合は可能であるものの、 それぞれのアンテナ 5 に供給 される高周波電流に対するィンピーダンス整合の状態を独立に制御でき ず、 プラズマ生成が不均一、 不安定になり、 上記プラズマを用いた薄膜 形成等が不安定になるという、 前記と同様な問題があった。 さらに、 上記従来の構成では、 生成するプラズマのシース部の領域に 印加される高周波電圧に起因する、 ァンテナに対するスパッタリングが 生じて、 上記アンテナの減耗が大きく、 プラズマ生成が不均一、 不安定 になり、 上記プラズマを用いた薄膜形成等が不安定になるという、 前記 と同様な問題があり、 かつ、 上記スパッタ リ ングによる不純物を生じる 問題点もあった。 発明の開示

本発明の高周波電力供給装置は、 以上の課題を解決するために、 容量 性または誘導性の負荷を 2つ以上設けた高周波電力供給装置において、 負荷に対して電力を供給するための高周波電源が、 対応する負荷に近接 してそれぞれ設けられている構成である。

それゆえ、 上記構成は、 各々の負荷へ高周波電流を並列または直列に 供給する必要を省けるから、 各負荷にそれぞれ発生する高周波電圧のバ ラツキを低減できる。

本発明のプラズマ発生装置は、 前記の課題を解決するために、 上記に 記載の高周波電力供給装置と、 上記高周波電力供給装置の負荷が高周波 電力の印加によりプラズマを発生するように取り付けられた真空容器と を備えた構成である。

それゆえ、 上記構成は、 各々の負荷へ高周波電流を並列または直列に 供給する必要を省けるから、 各負荷にそれぞれ発生する高周波電圧のパ ラツキを低減できて、 プラズマ発生部の大口径化あるいは大容積化を図 つても、 より均一なプラズマを発生できて、 上記プラズマによる薄膜形 成や、 プラズマィオン注入を安定化できる。 本発明のさらに他の目的、 特徴、 および優れた点は、 以下に示す記載 によって十分わかるであろう。 また、 本発明の利益は、 添付図面を参照 した次の説明で明白になるであろう。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の高周波電力供給装置の回路プロック図である。

図 2は、 本発明のプラズマ発生装置の構成図であり、 本発明の高周波 電力供給装置に複数個の誘導結合型のアンテナを接続したプラズマ発生 装置の断面構造を示す。

図 3は、 上記高周波電力供給装置の高周波発振制御器の回路プロック 図である。

図 4は、 上記プラズマ発生装置の要部を示す増幅器 （高周波増幅器一 体型ュニッ ト） の回路ブロック図である。

図 5 ( a ) および （b ) は、 上記プラズマ発生装置における、 複数の アンテナ導体に供給される高周波電流の位相を変化させた際の概略図を 示し、 図 5 ( a ) は一方向に位相を変化させる場合を示し、 図 5 ( b ) は互いに反対方向に位相を変化させる場合を示す。

図 6は、 上記プラズマ発生装置における、 矩形の真空容器の各側面に 4本ずつのアンテナ導体をそれぞれ配置した誘導結合型の実施例であり 、 その概略斜視図を示す。

図 7 ( a ) ないし （ c ) は、 図 6に示した本発明のプラズマ発生装置 において、 アンテナ導体に供給される高周波電力を変化させた際におけ る、 真空容器内でのプラズマ均一性の変化を示すグラフであって、 図 7 ( a ) は、 各面の 4本全てに同じ電力を供給した場合を示し、 図 7 ( b ) は、 各面の両端部のアンテナ導体に供給する高周波電力を残り 2本よ り も 2 0 %減じた場合を示し、 図 7 ( c ) は、 各面の両端部のアンテナ 導体に供給する高周波電力を残り 2本より も 4 0 %減じた場合を示す。

図 8 ( a ) および （b ) は、 誘導性負荷であるアンテナ導体に高周波 電流を供給した場合の対地振幅を示すグラフであって、 図 8 ( a ) はァ ンテナ導体の一方を接地した際を示し、 図 8 ( b ) はブロッキングコン デンサ等により浮遊電位となっている際を示す。

図 9は、 従来のプラズマ発生装置における、 各部位での電圧を示すた めのブロック図である。

図 1 0は、 本発明に係る実施の第二形態のプラズマ発生装置における 各部位での電圧を示すためのブロック図である。

図 1 1は、 本発明に係る実施の第三形態のプラズマ発生装置における 各部位での電圧を示すためのプロック図である。

図 1 2は、 上記の実施の第二おょぴ第三形態のプラズマ発生装置にお けるァンテナ周辺構造の断面図である。

図 1 3は、 上記の実施の第二おょぴ第三形態のプラズマ発生装置にお けるアンテナ周辺構造の一変形例の断面図である。

図 1 4は、 本発明に係る実施の第四形態におけるプラズマ発生装置に おけるァンテナ周辺構造の断面図である。

図 1 5は、 上記実施の第四形態におけるプラズマ発生装置におけるァ ンテナ周辺構造の一変形例の断面図である。

図 1 6 ( a ) ないし （ c ) は、 本実施の第四形態における接地電極の 形状を示し、 図 1 6 ( a ) は平面図、 図 1 6 ( b ) は正面図、 図 1 6 ( c ) は斜視図を示す。

図 1 7は、 本実施の第四形態での、 接地電極の有無によるプラズマの 浮遊電位の違いを示すダラフである。

図 1 8 ( a ) および （ b ) は、 本発明に係る実施の第六形態における プラズマ発生装置のセンサーを示し、 図 1 8 ( a ) は断面図であり、 図 1 8 ( b ) は斜視図である。

図 1 9は、 上記センサーと検出部とを示す概略構成図である。

図 2 0は、 アンテナ導体からの高周波誘導磁場の減衰特性を示すダラ フである。

図 2 1 ( a ) ないし （ c ) は、 従来の誘導結合負荷のパルス運転に伴 う、 プラズマ状態の時間変化を示すグラフであって、 図 2 1 ( a ) はプ ラズマ密度、 図 2 1 ( b ) は電子温度、 図 2 1 ( c ) はプラズマ電位を それぞれ上記プラズマ状態と して示す。

図 2 2は、 誘導結合負荷における、 定常状態での電子温度の値に対す る、 パルス〇 N時における電子温度の増加率の、 パルス ON直前のプラ ズマ密度依存性を示すグラフである。

図 2 3は、 誘導結合負荷における、 定常状態でのプラズマ電位の値に 対する、 パルス O N時におけるプラズマ電位の増加率の、 パルス〇 N直 前のプラズマ密度依存性を示すグラフである。

図 2 4 ( a ) ないし （ c ) は、 本発明に係る実施の第六形態における 誘導結合負荷のパルス運転に伴う、 プラズマ状態の時間変化を示すグラ フであって、 図 2 4 ( a ) はプラズマ密度、 図 2 4 ( b ) は電子温度、 図 2 4 ( c ) はプラズマ電位をそれぞれ上記プラズマ状態として示す。

図 2 5は、 従来の高周波電力供給装置の回路プロック図である。 図 2 6は、 従来のプラズマ発生装置構成図であり、 従来の高周波電力 供給装置に複数個の誘導結合型アンテナ導体を並列に接続したプラズマ 発生装置の断面構造を示す。 発明を実施するための最良の形態

以下、 実施の各形態により、 本発明をさらに詳細に説明するが、 本発 明はこれらにより何ら限定されるものではない。

本発明の実施の各形態について図 1ないし図 2 5に基づいて説明すれ ば、 以下の通りである。

(実施の第一形態）

本発明の実施の第一形態に係る高周波電力供給装置は、 図 1に示すよ うに、 負荷と してのアンテナ 1を複数備え、 上記各アンテナ 1に高周波 電力を供給するための高周波発振制御器 （電力制御部、 プラズマ制御部 ) 2 と、 上記高周波電力のための高周波信号を各アンテナ 1に供給する ための、 高周波信号伝送用の分布定数線路 3 とを有している。 分布定数 線路 3の特性ィンピーダンスは、 5 0 Ωに設定されている。

そして、 上記高周波電力供給装置においては、 高周波信号を増幅して 高周波電力をアンテナ 1に供給するための増幅器 4が、 各アンテナ 1に それぞれ近接して個別に設けられている。 これにより、 2以上の多数の アンテナ 1 を設けても、 それらアンテナ 1に供給される高周波電力によ り発生する電圧を均一化できて、 上記各アンテナ 1の誘導結合によるプ ラズマ発生を安定化できる。

なお、 上記では、 アンテナ 1は、 誘導性負荷となるように設定されて いるが、 容量性負荷となるように設定されていてもよい。 アンテナ 1の 形状と しては、'誘導性負荷または容量性負荷となってプラズマ発生でき るものであればよいが、 誘導性負荷の場合では、 低インダクタンス化を 図るために、 1 ターン （卷数） 以下、 より好ましくは 1ターン未満で、 半円状や略コの字状が挙げられる。

本発明のプラズマ発生装置は、 図 2に示すように、 上記高周波電力供 給装置を有し、 基板ステージ 5を底内面上に備えた、 プラズマ発生のた めの真空容器 6内に各アンテナ 1が、 基板ステージ 5を囲むよ うに、 か つ、 真空容器 6の内壁面より内方に向かって突出するように互いに隣り 合って設けられている。

なお、 真空容器 6の形状は、 薄膜形成等の処理の対象となる基板に応 じた形状であれば特に限定されないが、 直方体形状あるいは円柱状に設 定されている。 また、 真空容器 6には、 図示しないが、 プラズマ発生用 の気体取り入れ口や、 真空容器 6内の圧力を制御するための排気口が設 けられ、 さらに、 気体供給部や真空ポンプが取り付けられている。 その 上、 真空容器 6内には、 スパッタ リ ング用等のターゲッ ト取り付け部が 設けられていてもよい。

高周波発振制御器 2は、 図 3に示すよ うに、 統合制御系 2 1、 高周波 回路系 2 2、 直流電源系 2 3 とを備えている。 高周波回路系 2 2は、 1 ) 一つの主発振器 （発振周波数 ： f 0 ) 2 2 aに接続された、 位相変調 器 （位相制御部） 2 2 b、 周波数変調器 （周波数制御部） 2 2 c、 信号 増幅器 2 2 d とを、 複数、 有している。 2 ) 出力される高周波信号は、 各々の高周波回路系 2 2に接続された高周波出力端子から出力され、 分 布定数線路 3の高周波線路 3 aを介して直結された増幅器 4に入力され る 3 ) 高周波回路系 2 2から出力される高周波信号は、 高周波回路系 2 2 を構成する位相変調器 2 2 b、 周波数変調器 2 2 c、 信号増幅器 2 2 d によって、 出力される高周波信号の電力、 周波数および位相が各々独立 に制御可能なものとなっている。

直流電源系 2 3は、 1 ) 複数の直流電源 2 3 aを備え、 2 ) 直流電源 系 2 3から出力される各直流電力は、 各々の直流電源 2 3 aに接続され た直流出力端子から出力され、 分布定数線路 3の直流線路 3 bを介して 直結された増幅器 4に入力される。 3 ) 各々の直流電源 2 3 aから出力 される直流電力は、 各々独立に制御可能である。

統合制御系 2 1 には、 各ユニッ トで負荷と してのアンテナ 1に供給さ れる高周波電圧、 電流、 電力の測定信号および各ユニッ トに備えられた 負荷近傍のプラズマの生成状態 （プラズマ密度、 電子温度、 プラズマポ テンシャル等) を測定して診断する測定回路 （測定部） からの測定信号 ( Prf_l〜Prf - n、 Vrf - l〜Vrf - n、 Irf- l ~ Irf-n PL-l ~ PL-n) 入力 信号と して入力される。

統合制御系 2 1は、 各増幅器 4から統合制御系 2 1 に入力される高周 波電圧、 電流、 電力おょぴプラズマ状態を示す信号を制御信号と し X用 レ、、 高周波回路系 2 2および直流電源系 2 3の出力を、 所望のプロセス 条件を満たすようにブイ一ドバック制御するための、 位相変調制御信号 発生器 2 1 a、 周波数変調制御信号発生器 2 1 b、 信号増幅率制御信号 発生器 2 1 c、 および直流出力制御信号発生器 2 1 dをそれぞれ有して いる。

位相変調制御信号発生器 2 1 aは、 各位相変調器 2 2 bをそれぞれ制 御できるようになつている。 周波数変調制御信号発生器 2 1 bは、 各周 波数変調器 2 2 cを個々に制御するためのものである。 信号増幅率制御 信号発生器 2 1 cは、 各信号増幅器 2 2 dを別々に制御するものである 。 直流出力制御信号発生器 2 1 dは、 各直流電源 2 3 aをそれぞれ制御 できるようになつている。

統合制御系 2 1は、 上記のフィードバック制御により、 プロセス装置 内の状態を安定かつ再現性のよい状態に保つことが可能となる。

4 ) プラズマ発生装置においては、 プラズマの均一性の制御、 プロセス の安定性ならぴに再現性をはかり、 プロセス状態の一つであるプラズマ 状態を現すモニターに出力する。

さらに、 アンテナ 1のアンテナ導体に流れる高周波電力、 電圧、 電流 とプラズマ状態の比較 （強度比、 位相差） を行う ことにより、 アンテナ

1の周囲に対する付着物の度合いを予測することが可能となる。

具体的には、 付着物による高周波磁場の吸収 ·遮蔽の割合が増加する に従って、 Irfに対する高周波磁場強度の比は減少する。 このため、 こ の Irfに対するプラズマ状態をモニタ一することにより、 アンテナ 1周 辺への付着物の程度を予測することが可能となり、 適切なエッチングガ スによるアンテナ 1の周辺のク リーニングあるいは新品のアンテナ 1へ の '交換—時期を確実に知ることができるよ うになる。

このようにモニターは、 統合制御系 2 1へのフィ一ドバック入力信号 (アンテナに供給される高周波電圧、 高周波電流、 位相、 高周波磁場強 度の各信号と前記の各測定部からの各信号） を処理することにより、 プ ラズマ状態ならびにアンテナ周辺のシールドの状態を外部へ出力してモ 二ターするためのものである。

一方、 従来技術においては、 試行錯誤による経験則によってク リー- ングあるいは新品への交換を行わざるを得ず、 アンテナの動作が不安定 となることがあった。

前記の増幅器 4は、 図 4に示すように、 高周波電力増幅素子 （M O S F E T ) を水冷 C uベース上に実装した高周波電力増幅器 4 1 を備えて いる。 高周波電力増幅器 4 1は、 低インピーダンスのアンテナ 1に真空 フランジおよび高周波フィー ドスルー （絶縁体） 6 aを介して接続され ていることによって、 増幅器 4は高周波増幅器一体型ュニッ トとなって いる。 アンテナ 1は、 誘導結合型のアンテナ導体 l a と、 セラミ ック等 の電気絶縁体およぶ低誘電体からなりアンテナ導体 1 aを覆うアンテナ 鞘部 1 b とを有している。

増幅器 4には、 アンテナ導体 1 aに供給される高周波電力 （Prf- n) 、 電圧 （Vrf- n) 、 電流 （Irf-n) をそれぞれ測定する各測定回路 （測定 部） 4 2、 4 3、 4 4 とアンテナ導体 1 a近傍のプラズマ状態 （PL-n) を測定するための測定プローブ （測定部） 4 5およびその測定回路 （測 定部） 4 6を備えている。 測定プローブ 4 5は、 棒状であり、 その先端 部が真空容器 6内に突出するようになっている。 上記のプラズマ状態の 測定には、 ァンテナ周辺の高周波磁場強度を測定する高周波磁場プロ一 ブ、 ラングミユアプローブ、 イオンコレクター、 プラズマ吸収プローブ 、 発光分光プローブを用いることができる。

高周波発振制御器 2から入力される最大電力 1 0 Wの高周波信号は、 増幅器 4において C級増幅回路に入力され、 直流電源 2 3 aから前記 M 〇 S F E Tへの駆動電力の供給により電力増幅されて高周波電力となる 。 高周波電力の出力を低インピーダンスの誘導結合アンテナ導体 1 aに 直結し、 アンテナ導体 1 a と増幅器 4の間でのインピーダンス整合は受 3

動回路により構成されている。

アンテナ導体 1 aに供給される高周波電力は、 高周波発振制御器 2か ら供給される高周波信号と、 増幅器 4の増幅率の積で与えられる。 増幅 率は、 入力される高周波信号、 その周波数および増幅器 4に供給される 直流電力に依存している。

このため、 アンテナ導体 1 a に供給される高周波電力は、 高周波発振 制御器 2から増幅器 4に供給される高周波信号とその周波数ならびに直 流電力により制御される。

増幅器 4の仕様は以下の通りである。

• 増幅回路 ： プッシュ · プル式高周波電力増幅回路

•増幅器コス ト = US $ 0. 25 /W

•増幅周波数帯域 = 2 〜 5 0 M H z

. 直流入力電圧 = 5 0 V

• 直流入力電流 = 4 0 A 〜 5 0 A

- 高周波入力電力-最大 1 0 W

• 高周波出力電力 = l k W ( l 0 W入力時）

本願発明の効果について以下に説明する。

1 ) '高周波発振制御器 2から増幅器 4 へ供給される高周波信号の電力と 周波数、 位相および直流電力を制御することにより、 高周波電力が独立 に各アンテナ導体 1 aに対し、 それぞれ供給され、 かつ周波数、 電力お よび位相と共にそれぞれの負荷に対するインピーダンス整合状態を能動 的に制御することが可能である。

(周波数、 電力、 位相の独立制御可）

2 ) 従来方式において必要な、 インピーダンス整合器とアンテナ （負荷 ) との間で高周波電流を受動回路により分流するための分流回路が、 本 願発明では不要となり、 分流回路に寄生するイ ンピーダンスの不均一性 による不均一な電流分布を回避することが可能となる。

3 ) 大面積ないし大容積のプラズマ生成において、 インピーダンス整合 器から負荷への配線の長大化によるイ ンダクタンスの増大を伴うことな く負荷と してのアンテナ 1 を増設可能となる。

(配線部のィンダクタンスによる R F高電圧の発生が回避される）

4 ) 高周波電力増幅器 4 1の出力部からアンテナ 1へは互いに低インピ 一ダンスの集中定数回路を通じて直結可能 （従来の 5 0 Ω伝送線路との マッチング回路が不要） である。

5 ) 複数実装によ り高出力化を低コス トかつ容易に実現可能 （従来の 1 / 3以下） 、 特に、 マルチアンテナ型 I C P生成における新しい方式の R F電力の供給が可能となる。

位相制御効果

図 5 ( a ) および図 5 ( b ) に示すように、 各々の I C Pモジュール に供給される入力 R F信号の位相制御を行う ことにより、 隣接するュ- ッ ト間での位相関係で決まる実効的な電子の加速ポテンシャルが変化し 、 電子の加速ポテンシャルを変化させることにより電子エネルギー分布 を制御できる。

特に、 プラズマ C V Dならびにプラズマエッチングで用いられるプロ セス気体の解離過程、 電離過程、 励起過程は、 プラズマ中の電子とプロ セス気体との衝突により支配され、 プラズマ中の電子エネルギー分布を 制御することにより、 中性ラジカル、 イオン種の割合と励起状態が制御 される。 さらに、 これら中性ラジカル、 イオン種の割合と励起状態によ り表面反応および気相反応が支配され、 プラズマ C V Dならびにプラズ マエッチング等の加工プロセスを所望の状態に制御することが可能とな る。

分布制御の一例

分布制御について、 図 6に示す、 内壁面が略直方体形状の真空容器 6 を有するプラズマ発生装置を用いた、 本実施の第一形態を以下に示す。

• 平面形状 ： 水平方向の断面が矩形 （長方形）

•長辺 ： 1 2 3 cm、 短辺 ： 1 0 3 cm、 高さ ： 3 8 cm

•真空容器 6の内側壁の各々よりアンテナ 1を内部に配置。

' アンテナ 1 を 2つの長辺から 4本ずつ ： （Al， A2, A3, A4)と （Cl， C2, C3, C4)

' アンテナ 1を 2つの短辺から 4本ずつ ： （B l， B2, B3, B4)と （D1 , D2, D3, D4)

•真空容器 6の高さ方向に z軸、 平面に X軸および y軸をとる。

• z軸の原点は高さ方向の中心位置。

. X y面の原点は平面の中心位置。

• アンテナ導体 1 a の位置 ： Z = 1 . 5 cm

プラズマ分布のシミ ュ レーショ ン結果

• y = 5 2 cmにおけるプラズマ密度の x分布を図 7に示す。

• シミ ュ レーショ ンの拘束条件 （高周波電力供給） 各面の両端 2 ·本に 供給する電力は全て同じであり、 各面の残りの 2本に供給する電力は全 て同じである。

• 各面の 4本全てに同じ電力を供給した場合は、 図 7 ( a ) に示すよ うに、 隣り合う面との重なりあわせのために各面の両端部での密度が髙 く なりすぎることを特徴とする不均一な分布となる。

• 各面の両端部のアンテナ導体に供給する高周波電力を残り 2本より も 2 0 %減じることによ り、 図 7 ( b ) に示すように、 良好な一様性を 有する分布が得られる。

• 各面の両端部のアンテナ導体に供給する高周波電力を残り 2本より も 4 0 %減じることにより、 図 7 ( c ) に示すように、 各面の両端部で の密度が低くなりすぎることを特徴とする不均一な分布となる。

本実施の第一形態では、 各アンテナ 1における略コの字状のアンテナ 導体 l aは、 それらの先端部 （真空容器 6の内壁面と略平行な部分） を 結ぶ仮想線が閉曲線となり、 上記閉曲線が、 対象となる基板の表面形状 (例えば長方形） より大きな、 上記表面形状と相似形で略平行に設定さ れ、 互いに隣り合う各アンテナ導体 1 aの上記仮想線上での距離がほぼ 等間隔に設定されている。

このような本実施の第一形態では、 各アンテナ導体 1 aに対して供給 される高周波電力を独立にそれぞれ制御することによ り、 真空容器 6に て発生させるプラズマの分布を任意に制御することが可能である。

さらに、 アンテナ 1 を真空容器の側壁に配置した上記の実施の第一形 態以外に、 天板に複数のアンテナ 1 を配置する場合においても、 互いに 隣り合う各アンテナ導体に対して供給される高周波電力を独立にそれぞ れ制御することにより、 真空容器にて発生させるプラズマの分布を容易 に制御することが可能である。

(実施の第二形態）

誘導性負荷であるアンテナ導体 1 aに高周波電流を供給した場合、 ァ ンテナ導体 1 _aの一方を接地すると、 図 8 ( a ) に示すように、 給電側 は高周波電源の角周波数 （ω ) 、 アンテナ 1のイ ンダクタンス （L) お ょぴ高周波電流の振幅 （ I rf) の積で決まる対地振幅で振動し、 ブロッ キングコンデンサ等により浮遊電位とすると、 図 8 ( b ) に示すように

、 対極に対して同等の高周波電圧を示す上記対地振幅で振動する。

何れの場合でも、 アンテナ導体 1 aの端部の何れかが高い対地振幅を 示すことになる。 この高周波電圧がプラズマのシース部にかかることに より、 プラズマとの容量性結合に伴ってプラズマ電位の異常な振動を招 くばかりでなく、 プラズマ中のイオンがシース部に印加される高周波電 圧でアンテナ導体 1 aの側へ加速されて入射し、 スパッタ リ ング等の現 象を生じることにより不純物を生成する等の問題を生じる。

アンテナの内部表面を絶縁体によ り密着させて覆った従来のプラズマ 発生装置の場合、 図 9の等価回路に示すように、 プラズマのシース部 1 4の領域に印加される電圧 （V s ) は、 アンテナ導体 l aに発生する電 圧 （V a ) と絶縁体 1 2における電位降下分 （V i ) を用いて次式 （ 1 ) のよ うに表すことができる。

V s =V a -V i =V a · Z s / (Z i + Z s ) … （ 1 )

ここで、 Z i 、 Z s は、 各々、 絶縁体 1 2およびシース部 1 4の領域 のインピーダンスを示す。 このよ う にァンテナ導体 1 aの表面を絶縁体 1 2で密に被覆することにより、 アンテナ 1 とプラズマとの静電結合成 分が抑制される （特開 2 0 0 1 _ 3 5 6 9 7号公報を参照） 。

しかし、 被覆材である絶縁体 1 2あるいは誘電体のスパッタリ ングに よる不純物を生じる問題点があった。

この問題点を技術的に解決するため、 シース部 1 4の領域に印加され る電圧をさらに低減することを目的として、 本発明に係る実施の第二形 態のプラズマ発生装置では、 図 1 0の等価回路に示すように、 アンテナ 導体 1 aの真空容器 6内部に存在する部分 （より好ましくは全ての部分 ) の周囲に、 真空領域 （空間領域） 1 8を隔てて絶縁体 1 2が配置され ている。 上記真空領域 1 8の真空度は、 プラズマを発生させるための、 真空容器 6内にて設定された程度のものでよい。

真空領域 1 8の比誘電率は、 ほぼ 1であり、 何れの誘電体材料に比べ ても低い値を示すため、 高いイ ンピーダンスを確保することが可能とな る。 よって、 プラズマのシース部 1 4の領域に印加される電圧 （V s ) は、 アンテナ導体 1 aに発生する電圧 （V a ) 、 真空領域 1 8における 電位降下分 （V v ) および絶縁体 1 2における電位降下分 （V i ) を用 いて次式 （ 2 ) のように表すことができる。

V s =V a -V v -V i =V a · Z s / (Z v + Z i + Z s ) … （ 2 ) これにより、 生成するプラズマのシース部 1 4の領域に印加される高 周波電圧を、 真空領域 1 8を隔てた絶縁体 1 2の配置によって、 効果的 にかつ従来より もさらに低減することが可能となり、 前記の問題点を軽 減できる。 上記の式 （ 2 ) では、 Z Vは真空領域 1 8のインピーダンス を示す。

(実施の第三形態）

さらに、 図 8 ( a ) およぴ図 8 ( b ) のアンテナ導体 l aにおける電 圧振動にも示めされるように、 アンテナ導体 1 aが接地されている場合 と浮遊電位となっている場合の何れの場合においても、 高周波電圧が高 い対地振幅となる場所はアンテナ導体 1 aの端部である。

このため、 本発明に係る実施の第三形態のプラズマ発生装置において は、 図 1 1に示すように、 アンテナ導体 1 aの真空容器 6内部に存在す る部分 （より好ましくは全ての部分） の.周囲に、 第一の真空領域 1 8 a (前記の真空領域 1 8に相当） を介して配置される第一の絶縁体 1 2 a (前記の絶縁体 1 2に相当） の周囲に、 さらに、 第二の真空領域 1 8 b を隔てて第二の絶縁体 1 2 bが第一の絶縁体 1 2 aを覆う ように配置さ れている。

これによ り、 第二の絶縁体 1 2 bのスパッタリ ングゃプラズマ電位の 異常振動の原因となるアンテナ導体 1 aの端部近傍における、 シース部 1 4の領域に印加される高周波電圧を、 効果的に、 かつ従来より もさら に低減することが可能となる。 上記の第二の絶縁体 1 2 bの望ましい形 状と しては、 保護管または保護板が挙げられる。

前記第一の絶縁体 1 2 aの周囲に、 第二の真空領域 1 8 bを隔てて第 二の絶縁体 1 2 bを配置する場合における等価回路を図 1 1に示すよ う になり、 プラズマのシース部 1 4の領域に印加される電圧 （V s ) は、 アンテナ導体 1 _aに発生する電圧 （ V a ) 、 第一の真空領域 1 8 aにお ける電位降下分 （V v l ) および第一の絶縁体 1 2 aにおける電位降下 分 （ V i 1 ) 、 第二の真空領域 1 8 bにおける電位降下分 （ V V 2 ) お よび第二の絶縁体 1 2 bにおける電位降下分 （V i 2 ) を用いて次式 （ 3 ) のように表すことができる。

V s =V a -V v l -V i 1 -V v 2 -V i 2 =V a · Z s / ( Z v 1 + Z i l + Z v 2 + Z i 2 + Z s ) ··· ( 3 )

このように本実施の第三形態では、 ァンテナ導体 1 aの端部でのシー ス部 1 4の領域に印加される高周波電圧を効果的に、 かつさらに低減す ることが可能となる。

式 （ 3 ) では、 Z V 1および Z i 1は各々第一の真空領域 1 8 aおよ ぴ第一の絶縁体 1 2 aのイ ンピーダンスを、 Z v 2および Z i 2は各々 第二の真空領域 1 8 bおよび第二の絶縁体 1 2 bのイ ンピーダンスを示 す。

(実施の第四形態）

さらに、 本発明に係る実施の第四形態のプラズマ発生装置では、 図 1 4ないし図 1 6に示すように、 アンテナ導体 l a の端部である真空容器 6の壁に近接した部分において、 円筒状で、 断面がジグザグ構造を有す る接地電極 1 5が、 前記第一の絶縁体 1 2 aを同軸構造にて囲むように 設けられている。

断面がジグザグ構造とは、 アンテナ導体 1 aの通電方向 （長軸方向） に対し直交し、 かつ、 互いに背向する各方向に上記通電方向に沿って交 互に突出するようにジグザクに折れ曲がった構造である。

上記接地電極 1 5の設置により、 上記のアンテナ導体 1 aの端部に発 生する高周波電圧がプラズマのシース部 1 4 の領域に印加されることを 遮断することが可能である。

さらに、 上記接地電極 1 5の周囲に前記第二の絶縁体 1 2 bが配置さ れていると、 上記接地電極 1 5 と上記第二の絶縁体 1 2 b とにより、 上 記のアンテナ導体 1 aの端部に発生する高周波電圧がプラズマのシース 部 1 4の領域に印加されることをより、 完全に遮断することが可能であ る。

ここで、 上記接地電極 1 5をジグザグ構造とすることによって、 アン テナ導入部に発生する高周波電圧による静電結合を効果的に遮断すると 共に、 接地電極 1 5において誘導電界に対する電流パスを長く とること ができ、 接地電極 1 5に誘導される発熱を抑制すると共に、 電力損失を 軽減することが可能である。

以下に、 本実施の第二および第三形態におけるアンテナ 1の実施例に ついて、 図 1 2および図 1 3に基づいて説明する。 まず、 図 1 2に示す ように、 アンテナ 1は、 印加された高周波電力により誘導電界を発生さ せるアンテナ導体 1 aが、 真空容器 6内の真空フランジである高周波フ イードスルー 6 aあるいはチャンパ一壁に装着されて設置され、 かつァ ンテナ導体 1 aが金属製パイプまたは金属板により構成され、 さらにァ ンテナ導体 1 _aにおける、 真空容器 6内部に存在する， 好ましくは全て の部分の周囲に、 筒状の絶縁体 1 2が真空領域 1 8を隔てて配置され、 プラズマとアンテナ導体 1 a との接触を完全に遮断する構造を有する。 本実施例では、 絶縁体 1 2は、 筒状の本体部 1 2 c と保持用絶縁体 1 2 d とを備えている。 上記本体部 1 2 cがアンテナ導体 1 aに対して真 空領域 1 8を隔てて配置されるために、 上記保持用絶縁体 1 2 dは、 本 体部 1 2 cの内壁から内方に延びるリブ形状にて、 アンテナ導体 1 aを 保持するように本体部 1 2 c内部に揷入されている。 これにより、 絶縁 体 1 2は、 真空領域 1 8を隔ててアンテナ導体 1 aの周囲に安定に配置 されている。

また、 アンテナ導体 1 aの真空容器 6内部に存在する部分と真空容器 6の壁とで囲まれるループの面積は、 アンテナ導体 1 a のインダクタン スを低減するため、 アンテナ導体 1 aの存在する平面における、 真空容 器 6の断面積 （投射面積） の 1 / 2以下であることが好ましい。

インダクタンスの大きさ Lは、 誘導アンテナで囲まれるループの面積 を S、 巻数を Nとすると、 概ね S X N ²に比例し大きくなる。 このため 、 卷数を 1以下と してインダクタンスを低減したアンテナ導体 1 aのィ ンダクタンスをさらに低減するためには、 真空容器 6の壁との間で囲ま れるループの面積を小さくすることが効果的である。

このよ うにアンテナ系であるアンテナ導体 1 aのインダクタ ンスが低 い構造を有することによ り、 ァンテナ導体 1 aに発生する高周波電圧を 抑，できる構造となっている。 さらに、 アンテナ導体 1 a の真空容器 6 内部に存在する全ての部分の周囲に配置される絶縁体 1 2が継ぎ目のな い構造を有し、 プラズマとアンテナ導体 1 a との接触を完全に遮断する 構造を有する。

さらに、 前記絶縁体 1 2の周囲には、 真空領域 1 8 bを隔てて第二の 絶縁体 1 2 bが配置されていてもよい。 第二の絶縁体 1 2 bの形状と し ては、 保護管または保護板が挙げられる。 このときには、 前記の絶縁体 1 2は、 第一の絶縁体 1 2 a となる。 これにより、 アンテナ導体 1 aの 端部に発生する高周波電圧がプラズマに結合することを抑制して絶縁体 1 2のスパッタリ ングによる不純物発生の低減とプラズマ電位の変動を 抑制する効果を奏する。

また、 この第二の絶縁体 1 2 bを設けることにより、 導電性材料の成 膜プロセスにおいて、 アンテナ導体 1 _aの周囲に配置した第一の絶縁体

1 2 aが成膜物質で完全に被覆されることを防止し、 高周波誘導電界が 遮蔽されることを抑制して、 導電性材料の成膜プロセスにおいても安定 なプラズマ生成を可能とする効果を有する。

また、 図 1 3に示す実施例は、 本発明に係る実施の第二および第三形 態の別の実施例である。 本実施の第二および第三形態では、 アンテナ導 体 1 a の周辺に配置する絶縁体 1 2 の湾曲部を接続により形成する接続 部 1 2 eが設けられていてもよい。 直線形状である各本体部 1 2 cは接 続部 1 2 e を介して互いに接続されて構成されている。

接続部 1 2 eは、 セラミ ック、 ガラス、 金属等の、 耐熱性を有し、 湾 曲形状に加工が可能な材質であればよく、 パイプ形状で直線形状の絶縁 体である各本体部 1 2 c との組み合わせにより、 第一の絶縁体 1 2 a を 容易に実現できるものとなっている。

次に、 本実施の第四形態の実施例について説明すると、 図 1 4および 図 1 5に示すように、 アンテナ導体 l aの高周波導入部に発生する高電 圧を効果的にシールドして、 静電結合を抑制する効果を有する、 筒状の 接地電極 1 5が、 アンテナ導体 1 aを外方から覆う ように、 かつアンテ ナ導体 1 _aに対して同軸状となるように設けられている。 図 1 4では、 接地電極 1 5は、 アンテナ導体 1 a と第一の絶縁体 1 2 a との間に設け られている。 図 1 5においては、 接地電極 1 5は、 第一の絶縁体 1 2 a と第二の絶縁体 1 2 b との間に設けられている。 その際に用いられる金 属製の接地電極 1 5は、 図 1 6に示すように、 前述した、 断面がジグザ グ構造を有する。

これにより、 ァンテナ導体 1 aの導入部に発生する高周波電圧による 静電結合を効果的に遮断すると共に、 接地電極 1 5を誘導電界に対する 電流パスをジグザク構造によ り長く とることができ、 接地電極 1 5に誘 導される発熱を抑制すると共に電力損失を削減することが可能である。

さらに、 図 1 7には、 図 1 2 (接地電極無し） と図 1 5 (接地電極有 り） の実施例のアンテナ 1を各々 1つずつ用いて生成した水素プラズマ (放電圧力は 2 P a ) における浮遊電位をラングミユアプローブにより 測定した結果をそれぞれ示す。 接地電極有りの場合は、 接地電極無しの 場合に比べて、 効果的にプラズマの電位低減が図られていることを図 1 7の結果は示している。

これらの結果から、 アンテナ導体 1 aの端部において発生する高周波 電圧がプラズマのシース部 1 4に印加されるのを抑制するためのシール ド、 例えば接地電極 1 5を設けることは、 プラズマの浮遊電位低減を可 能にし、 安定でかつ良好なプラズマの発生が可能となる。

(実施の第五形態）

本発明では、 真空容器 6内にて、 アンテナ導体 1 aから放射される高 周波誘導磁場強度を測定するセンサー （図示せず） が設けられているこ とが望ましい。 上記センサーと しては、 後述する実施の第六形態に記載 のセンサー 3 0を用いることができる。

上記センサーにて測定する物理量と しては、 アンテナ導体 l aから放 射される高周波磁場強度好ましくはアンテナ電流に対する方位角方向が 挙げられる。 その測定方法と しては、 絶縁保護管内に設置した高周波電 流測定子 (ピックアップコイル、 ループコイル等) を用いることが挙げ られる。

上記センサーの設置場所は、 アンテナ 1の設置電位に近い場所、 好ま しくは、 アンテナ 1 'の誘電体 （絶縁体） シールドから、 5 0 mm以内の距 離 （シールド表面から高周波磁場が 1 / 1 0に減衰する位置まで） であ る。

上記測定量の物理的解釈 · 効果は、 アンテナ 1から放射される高周波 磁場は、 アンテナ 1に流れる高周波電流により誘起され、 主と してアン テナ電流に対する方位角方向の成分を有している。 このため、 この高周 波磁場強度を測定して、 アンテナ 1に流れる高周波電流との比較 （強度 比、 位相差） を行う ことにより、 以下の情報を得ることが可能である。 4 000258

2 5

1 ) プラズマ中で誘導結合放電を駆動している高周波磁場強度を直接 測定することが可能となる。 その効果は、 上記の測定がプラズマ生成に おける駆動源を直接モニターすることに相当するため、 プラズマを安定 に生成する上においては、 この測定量が一定となるよ う にフィー ドバッ ク制御をかければ、 プラズマの生成状態をよ り一定に保つことが可能な ことである。

従来技術では、 プロセス毎の傾向から経験則と して制御すること しか できず、 プラズマの生成状態を一定に保つことが困難となることがあつ た。

また、 誘導結合型プラズマでは、 a ) アンテナに高周波電流 I rfを流 すことによ り、 電流 I rfに比例した高周波磁場 Bが電流の方位角方向に 発生し、 b ) ファラデーの誘導法則によ り、 高周波電源周波数で時間変 動する高周波磁場 Bによって、 高周波電流 I rfと周波数に比例する強度 をもつ誘導電場 Eが発生し、 [ファラデーの誘導法則 ： rot E = — δ B / δ t ] ： E oc B ( e I rf) X周波数、 c ) 誘導電場 Eによ りプラズマ 中の電子が加速されることよ り駆動されている。

本発明では、 真空容器 6内でアンテナ導体 1 aから放射される高周波 誘導磁場強度を直接測定するセンサーを設けることによ り、 誘導結合プ ラズマを駆動する高周波磁界を直接測定することができ、 プラズマ生成 の結果であるプラズマ密度や電子温度ではなく 、 プラズマ生成状態 （駆 動源） そのものを測定することが可能となる。

2 ) アンテナ 1 に流れる高周波電流との比較 （強度比、 位相差） を行 う ことによ り、 アンテナ 1 の周囲に配置されている誘電体シールドの表 面への付着物の度合いを予測することが可能である。 その予測の効果は、 具体的には、 付着物による高周波磁場の吸収 '遮 蔽の割合が増加するに従って、 I rfに対する高周波磁場強度の比は減少 するため、 この I rfに対する高周波磁場強度の比をモニターすることに より、 アンテナ 1ならぴに誘電体シールドへの付着物の程度を予測する ことが可能となり、 適切なエッチングガスによるク リーニングあるいは 新品への交換時期を確実に知ることができるようになる。

一方、 従来技術では、 試行錯誤による経験則によってク リ ーニングあ るいは新品への交換を行わざるを得ず、 ク リーニングあるいは新品への 交換時期が不確実となって、 プラズマを用いた成膜等のプロセスが不安 定となることがあった。

(実施の第六形態）

本発明のプラズマ発生装置の実施の第六形態は、 図 1 8に示すように 、 高周波磁場強度を測定するセンサー （磁場強度検出部） 3 0を、 真空 容器 6内において、 ァンテナ 1からの距離が相異なる 2点以上の各場所 (図示せず） にそれぞれ設置して、 それぞれの地点での高周波磁場強度 と共に、 アンテナ電流を測定するものである。

上記センサー 3 0 と しては、 絶縁保護管 3 2 と、 絶縁保護管 3 2内に 設置したループコイル 3 4 とを備えたものが挙げられる。 前述の図 4に 示すプラズマ状態の測定プローブ 4 5に上記センサー 3 0を用いてもよ レ、。

上記絶縁保護管 3 2は、 ループコイル 3 4を離間して覆う誘電体シー ルド （第一シールド） 3 2 a と、 誘電体シールド 3 2 a の外側を離間し て覆う付着物シール ド （第二シール ド） 3 2 b とを有している。

誘電体シール ド 3 2 aは、 石英やアルミナといった絶縁体製であり 、 上記センサー 3 0における真空容器 6内部に存在する部分の周囲に、 プ ラズマとセンサー 3 0 との直接的な接触を遮断するよ うに配置されてい る。 誘電体シールド 3 2 aは後述する静電シールドと しても機能するも のである。

付着物シールド 3 2 bは、 誘電体シールド 3 2 aの周囲において、 誘 電体シールド 3 2 aの表面の全てがプラズマからの付着物で覆われるこ とを防止するように、 かつ、 ループコイル 3 4に対する高周波誘導磁場 の遮蔽を回避する構造を有するよ うに配置されている。

上記ループコイル 3 4は、 コイル導体 3 4 a と、 それを覆う静電シ一 ルド 3 4 b とを備えている。 センサー 3 0は、 静電シールド 3 4 bによ りプラズマの静電的な電位変動の影響が抑制されている。 なお、 センサ 一 3 0の更なる詳細については後述する。

このようなループコイル 3 4は、 図 1 9に示すように、 セミ リジッ ド ケーブル 3 6 (同軸ケーブル、 特性インピーダンス = 5 0 Ω ) により外 部の検出部 3 8に接続されている。 検出部 3 8は、 ループコイル 3 4の ループ部 3 4 cに発生する高周波電圧を検出することにより、 上記ルー プ部 3 4 cでの高周波磁場強度 （B ) を測定できるものである。 検出部 3 8は、 前述の測定回路 4 6であってもよい。

このような高周波磁場強度 （B ) の測定を、 真空容器 6内のアンテナ 1近傍の複数点にてそれぞれ行う ことによって、 以下の各効果 [ 1 ] 〜 [ 3 ] をそれぞれ得ることができる。

[ 1 ] アンテナ導体 1 aから放射される高周波誘導磁場強度の、 プラズ マ中での減衰特性が測定され、 これによりアンテナ周辺 （磁気プローブ であるセンサー 3 0を設置した場所近傍） でのプラズマ密度を予測する ことができる'。

[ 2 ] 該絶縁体 1 2の表面付近の高周波誘導磁場強度の大きさを予測す ることができる。

[ 3 ] 該絶縁体 1 2の表面への付着物の度合いを予測することが可能で ある。

高周波アンテナ等からプラズマへ放射された電磁波 （周波数 f ₀) は 、 プラズマの電子密度 （ne) で決まる遮断周波数 f peに対して、 f 。く f peとなる高密度の条件では、 表皮効果によりプラズマへの高周波電力 が供給されているプラズマに接する境界表面からの距離 rに対して指数 関数的に電磁波の強度が減衰し、 表皮深さ δ ρ (強度がプラズマ中で 1 Z eに減衰する長さ ： eは自然対数の底） 程度しかプラズマ中に侵入で きない。

図 2 0に示す配置で、 誘電体シール ド （絶縁体 1 2 ) で囲まれたアン テナ導体 1 _aに高周波電流を流すことにより生じる高周波磁場のアンテ ナ 1に垂直な成分の、 上記プラズマ中での距離 rの地点における強度 B _e(r，t)は、 以下の式 （4 ) に示すよ うに、

Be (r, t) = B _pexp (-r/ δ _p) sin ( 2 π f 。t) … （4 )

で表され、 B _pは該絶縁体とプラズマが接する境界のブラズャ側の表面 における高周波磁場のアンテナ 1 に垂直な成分の高周波磁場強度の振幅 である。 ここで、 表皮深さ δ ρは、 放電ガスの種類、 圧力、 高周波の周 波数、 プラズマの電子エネルギー分布、 プラズマ密度により決まるが、 プラズマ生成を行う際は、 放電ガスの種類、 圧力および高周波の周波数 は既知であり、 結局のところプラズマの生成状態 （電子温度およぴプラ ズマ密度） のみに依存する。 また、 図 2 0中においては、 プラズマ密度 が 1 0 ^{1 1} cm— ³、 電子温度が 3電子ボルトのアルゴンプラズマ中での高 周波磁場の減衰特性に関する計算結果を示している。

プロセス条件 （放電ガス種、 圧力、 高周波電力等） により、 該絶縁体 1 2のプラズマ側の表面へ付着物 4 0が形成された場合、 該絶縁体 1 2 のプラズマ側の表面における高周波磁場強度 B _pは、 該付着物 4 0への 高周波電力の吸収 ·遮蔽により一般に減じられ、 該絶縁体 1 2の該付着 物 4 0の内側の表面における高周波磁場強度を B。とすると、

B _ρ = ( 1- η d ) Β 0 … （ 5 )

で表される。 ここで、 77 dは該絶縁体 1 2表面の付着物 4 0の内側での 高周波磁場強度が該付着物 4 0による吸収 ·遮蔽のために減じられる割 合を表しており、 付着物 4 0が全く無い状態では 77 d = 0であり、 付着 物 4 0により高周波磁場が完全に遮蔽されている状態では 77 d = 1 とな る。

さらに、 該絶縁体 1 2の該付着物 4 0における内側の表面における高 周波磁場強度 B。は、 アンテナ 1に流れている高周波電流 I rfに比例し ているため、 比例係数を k。とし、 B。 = k。 I rfで表すと、 上記距離 r の地点における高周波磁場強度 B _e (r, t)は、

B _θ (r, t) = (1- 77 d) k o I rf exp (-r/ δ p) s in ( 2 π f ₀ t) … （ 6 ) で与えられる。 こ こで、 式 （ 6 ) のパラメータのうち、 高周波の周波数 f 。は既知であり、 比例係数 k。は該絶縁体 1 2の構造おょぴ材質で決 まる定数であるため、 結局のところ、 プラズマの生成状態の指標である 表皮深さ δ ρと該付着物 4 0による吸収 ·遮蔽の割合を示す η dの 2つが 未知数である。 このため、 プラズマ中で該絶縁体 1 2の表面からの距離 が異なる少なく とも 2点での該高周波磁場強度計測と共にアンテナ電流 258

I rfの測定を行うことにより、 これらの未知数を決定することが可能で ある。

このよ うに決定された各未知数から、 真空容器 6内のプラズマ状態や 、 アンテナ 1 を覆う絶縁体 1 2への付着物 4 0の程度を検出できて、 そ の検出結果に基づき、 前述の高周波発振制御器 2により、 各アンテナ 1 への駆動を、 電力量、 周波数おょぴ位相の少なく との一つにて制御する ことで、 真空容器 6内のプラズマ状態を制御できる。

プラズマ中で該絶縁体 1 2の表面からの距離が異なる r = r 1および r = r 2 ( r 1> r 2) の 2つの位置で該高周波磁場強度 B _θ (r， t)を測定 した例では、 該高周波磁場強度は、 各々 Be(rl, t)および Be(r2， と 測定され、 これらの測定値を用いて上記の未知数である表皮深さ δ と 該付着物 4 0による吸収 ·遮蔽の割合 77 d は、 アンテナ電流 I rfを同時 に測定することによ り、 以下のように求められる。

δ p =(rl-r2)/ln[ | B _e(r2, t) | / | B e(rl， t) 门 … （ 7 )

7] d=l- I B e(rl, t) I / [k o I rf exp(- rl/ δ p) ] … （ 8 ) これら式 （ 7 ) およぴ式 （ 8 ) では、 I B _θ (rl， t) Iおよび i B _e(r2，t) | は、 各々 Be(rl，t)および Be(r2, t)の振幅を表し、 Inは自然 対数である。

実用的には、 付着物 4 0による吸収 ·遮蔽の割合 77 dは、 付着物 4 0 が全くついていない新品のアンテナシールドの状態 （ 77 d=0 ) において 、 上記式 （ 7 ) および式 （ 8 ) から比例係数 k。を較正することにより 、 絶対値を測定することができる。

高周波磁場のセンサー 3 0を設置する位置は、 好ましくは該絶縁体 1 2の表面から 1 0 mmなレ、し 7 0 mmの距離にある、 互いに異なる 2点で、 互いの間の距離ができる限り長いほど上記の測定において高い精度が得 られる。 また、 センサー 3 0のループ部 3 4 cの向きについては、 ノレ一 プ部 3 4 cにて検出される高周波磁場が最も大きくなるよ うに設定され ていればよいが、 通常は、 ループ部 3 4 cを含む仮想平面が、 上記ルー プ部 3 4 cに最も近いアンテナ導体 1 aの微小区間を含むように設定さ れている。

なお、 上記の例では、 プラズマ中で該絶縁体 1 2の表面からの距離が 異なる 2点に該センサー 3 0を設置した例を示したが、 設置場所は 2点 のみに限られなく、 それ以上の互いに異なる場所に該センサーを設置す ることにより、 測定精度が向上することは明らかである。

続いて、 高周波誘導磁場強度の測定用の、 前記センサー 3 0に関する さらなる詳細について説明する。 センサー 3 0は、 プラズマの静電的な 電位変動に対する静電シールド 3 4 bおよび誘電体シールド 3 2 aを具 備し、 プラズマに接する領域がプラズマからの付着物 4 0で全て覆われ ないようにするための付着物シール ド 3 2 bが、 該誘電体シールド 3 2 aの外側に設けられている構造を有していることを特徴と している。 高周波磁場強度は、 コィル導体 3 4 aをループ状に結線したコイルを 貫く磁束の時間変化 d B Z d tの電磁誘導により コイルの両端に発生す る電圧 V b と して計測される。 コイルを貫く磁束の時間変化 d B Z d t は、 ファラデーの電磁誘導の法則▽ X E i =— d B / d tにより導線に 沿った電場 E i が誘導され、 電場 E i の導線に沿った積分値と してコィ ルの両端には電圧 V bが発生する。 従って、 該高周波の周波数を と すると、 V bは

V b ^ 2 π f 。 1 B i · ·· ( 9 ) と式 （ 9 ) にて表される。 このため、 高周波磁場の計測に当たっては、 プラズマ中の静電的な電位変動に対する静電シールドをセンサー 3 0に 設けることが、 測定精度を高める上で好ましい。 また、 上記のループコ ィル 3 4を用いる方法以外にも半導体ホール素子を磁場強度検出器と し て用いることも可能であるが、 この場合も、 プラズマ中の静電的な電位 変動により素子に誘起されるノイズを抑制して測定精度を高めるために 、 静電シールドを設けることが望ましい。

さらに、 このループコイル 3 4を、 成膜やエッチングなどのプロセス によりプラズマに曝されている面への付着物 4 0を形成させるプロセス に用いて、 前記のプラズマの生成状態および該絶縁体 1 2への付着物 4 0による高周波の吸収 ·遮蔽の割合の測定に用いる場合には、 該ループ コイル 3 4がプラズマに曝されている面にも形成される付着物 4 0によ つて、 測定地点での高周波磁場強度が同様に吸収 '遮蔽されて、 測定精 度が劣化するという不都合があった。

このため、 本発明のセンサー 3 0においては、'下記の各構成 [ 1 ] な いし [ 3 ] の少なく とも一つを採用することで、 上記の不都合を解決し ている。

[ 1 ] プラズマ中の静電的な電位変動に対する静電シールド 3 4 bを設 ける。 これにより、 高周波磁場の測定精度を高めることができる。

[ 2 ] 高周波磁場強度を検出するためのコイル導体 3 4 aにおける真空 容器 6内部に存在する部分の周囲に、 絶縁体製の誘電体シールド 3 2 a を、 プラズマとコイル導体 3 4 a との接触を遮断するように配置する。

[ 3 ] 誘電体シールド 3 2 aの周囲に、 誘電体シールド 3 2 aの表面の 全てがプラズマからの付着物で覆われないように、 かつ、 アンテナ 1か らの高周波誘導磁場が遮蔽されない構造を有する付着物シールド 3 2 b を配置する。

以下に、 高周波磁場検出用の、 センサー 3 0の具体例を図 1 8で説明 する。 図 1 8 ( a ) はセンサー 3 0の断面構造を示しており、 図 1 8 ( b ) にセンサー 3 0の斜視図を示す。 この具体例では、 特性インピーダ ンスが 5 0 Ωのセミ リジッ ドケーブル （同軸ケーブル） 3 6を用いてい る。 セミ リジッ ドケーブル 3 6は、 外部導体と して銅パイプを被膜無に て用い、 その銅パイプ内に中心導体と しての銅線を、 フッ素樹脂製等の 電気絶縁体を介して内蔵するものである。

この具体例においては、 センサー 3 0のループコイル 3 4を形成する ために、 セミ リジッ ドケーブル 3 6の一端部を直径 1 0 mmで 1卷きのル ープ状 （円形や四角形や三角形） に加工し、 そのループ状の先端部にお ける中心導体であるコィル導体 3 4 aを、 ループ状の基端部の外部導体 と電気的に接続している。 ループ状の先端部におけるコイル導体 3 4 a を、 ループ状の基端部の外部導体と接続するとき、 その接続部では、 基 端部の外部導体と先端部の外部導体とを互いに電気的に接触しないよう に例えば 1 mm程度の間隙が上記両者間に設けられている。 このような作 製方法により、 該ループコイル 3 4を形成している。

上霄己セミ リジッ ドケーブル 3 6を用いてこのよ うなループコィル 3 4 の構造を形成することによって、 該ループコイル 3 4の付近に静電的な 電位変動あっても、 外部導体が静電シールド 3 4 b と して有効に作用し 、 静電的な電位変動を遮蔽して、 ループ状のコイル導体 3 4 aにて囲ま れる内部空間を貫く高周波磁場の強度を測定することが可能となる。

さらに、 この具体例では、 高周波磁場強度検出器である上記ループコ ィル 3 4における、 真空容器 6内部に存在する部分の周囲に、 絶縁体製 の誘電体シールド 3 2 aを配置することにより、 プラズマとループコィ ル 3 4 との接触を完全に遮断することが可能となる。 これによつて、 上 記のループコィル 3 4の接続部に設けられた間隙に露出した内部導体が プラズマに接触してプラズマの電位変動による信号が混入するのを防止 している。

本具体例では、 この絶縁体製の誘電体シール ド 3 2 aには厚さ l mmの 石英を用いているが、 用いることが可能な絶縁体の材質は、 アルミナや 窒化アルミニウム等の低誘電率で高抵抗率を有し、 かつ耐熱性に優れた セラミ ックス誘電体郡の材料を用いることができる。 また、 厚さは、 プ ラズマとの電気的な遮蔽を完全に行う ことができれば問題なく、 好まし くは 1 mm程度の厚さであればよい。

さらに、 上記の誘電体シールド 3 2 aの周囲には、 誘電体シールド 3 2 aの表面の全てがプラズマからの付着物で覆われないよ うに、 かつ高 周波誘導磁場が遮蔽されない構造を有する付着物シールド 3 2 bが配置 されている。 誘電体シール ド 3 2 aが付着物で完全に覆われないように するのは、 誘電体シールド 3 2 aへの付着物 （導電体） において、 高周 波磁場により発生する、 うず電流によって高周波磁場が遮蔽されるのを 防ぐためである。

上記付着物シールド 3 2 bは、 上記の誘電体シールド 3 2 aが付着物 で完全に覆われるの防ぎ、 かつ付着物シールド 3 2 bで高周波誘導磁場 が遮蔽されないよ うにするため、 図 1 8 ( b ) に示すよ うに、 誘電体シ ールド 3 2 aを完全に覆うのではなく、 スリ ツ ト状の間隙部 3 2 cを設 けて配置されている。 間隙部 3 2 cは、 ループコィル 3 4に対し高周波誘導磁場が達するよ うに形成されればよいが、 間隙部 3 2 cの長手方向の一部が、 ループコ ィル 3 4のループ部 3 4 cにて囲まれて形成される平面方向に対し平行 に設定されていることが好ましい。

また、 間隙部 3 2 cは、 その形成を容易化できるため、 間隙部 3 2 c の長手方向が、 真空容器 6に取り付けられる内壁表面に対し垂直方向に 誘電体シールド 3 2 aを縦断する方向に形成されているが、 内壁表面に 平行な誘電体シールド 3 2 a を横断する方向に形成されていてもよい。 本具体例では、 この付着物シール ド 3 2 bは、 厚さ 0 . 5 mmのアルミ ニゥム製の二つの部材が、 幅 1 mmの間隙部 3 2 cを設け、 かつ誘電体シ 一ル ド 3 2 aを覆う ように配置して形成されている。 ここで、 上記付着 物シール ド 3 2 bに用いられる材質は、 金属の他にセラミ ックス誘電体 郡の材料を用いることができる。 また、 好ましくは、 耐熱性に優れたセ ラミ ックス誘電体群の材料の方が良い。 また、 高周波磁場の遮蔽を防ぐ ための間隙部 3 2 cにおけるのス リ ッ ト幅は、 1 mm程度でよい。

さらに、 上記付着物シールド 3 2 bへの付着物の形成をより効果的に 抑制するには、 付着物シールド 3 2 bを加熱保持することが好ましい。 このため、 付着物シールド 3 2 bにヒーターを具備した構造と してもよ レヽ

図 1 8の構成による本具体例では、 高周波用のアンテナ導体 1 aの周 囲に設けた絶縁体 1 2の表面からの距離が r = 6 0 mmの位置にループコ ィル 3 4を配置し、 上記誘電体シールド 3 2 aおよぴ付着物シールド 3 2 bを配置して、 高周波磁場による信号を計測した。 アルゴン圧力 1 1 mTorrにて、 周波数 1 3 . 5 6 MHzの高周波電力をアンテナ 1に印加して プラズマを生成し、 高周波電力 5 0 6 Wにおいて、 高周波磁場信号'強度 を、 上記ループコイル 3 4に接続された 5 0 Ω終端のオシロスコープで 計測したところ、 振幅 2 3 mVの正弦波が観測されたことにより、 上記ル ープコイル 3 4において高周波誘導磁場を測定できることが分かる。

(実施の第七形態）

まず、 従来のプラズマ源 （複数の負荷を直列接続あるいは並列接続に より高周波電源に接続して高周波電力を供給することによりプラズマを 発生する） において、 放電をパルス化する （高周波電力を供給する時間 と供給を停止する時間とを周期的にかつ排他的に設ける） 場合に関する 問題点について説明する。

上記場合、 高周波電力が供給されている空間的なパターンを自在に変 化させることができず、 プラズマ源全体が点滅する方式となっていた。 図 2 1 ( a ) ないし （ c ) に示すよ うに、 高周波電力が供給されている 時間 （パルス O N時間） に生成したプラズマは、 高周波電力の供給が停 止している間 （パルス O F F時間） に、 壁への拡散と再結合によりプラ ズマ密度の急激な減少 （図 2 1 ( a ) ) に伴って、 電子温度 （図 2 1 ( b ) ) ならびにプラズマ電位 （図 2 1 ( c ) ) が減少する。

パルス O F F時間における電子温度の減少は負イオン生成等に利用さ れてきた。 プラズマ電位の減少は時間平均的なプラズマ電位の低減によ るプラズマダメージ抑制の手段と して利用されてきた。

しかしながら、 上記従来の場合では、 パルス〇 F Fからパルス O Nに 転ずる初期の時間において、 図 2 1 ( c ) に示すように、 プラズマ電位 が定常状態におけるプラズマ電位に比べて異常に高くなり、 プラズマダ メージの原因となるという問題点を生じている。 この問題点の原因は以下のものと想定された。 パルス O F F時間でプ ラズマ密度の減少のために、 パルス〇 Nに転ずる時点では定常状態に比 ベて少ない電子密度の状態であるにも関わらず、 定常状態と同じ高周波 電力が供給されるため、 電子 1個辺りの高周波電力密度が定常状態よ り も高い状態となる。 このため、 定常状態に比べて電子が余分に加熱され て電子温度の上昇を招き、 壁でのシースを介してプラズマ電位の異常な 上昇が結果的に生じる。

ところで、 図 2 2および図 2 3に示すように、 各々電子温度ならぴに プラズマ電位の定常状態における値に対する増加率のパルス O N直前の プラズマ密度依存性のグラフによれば、 これらは、 いずれもパルス O N 直前のプラズマ密度が低いほど、 上述の電子加熱のために電子温度なら ぴにプラズマ電位の増加率が高くなることを示している。

上記の問題点は、 プラズマ源に供給される高周波電力の O N— O F F 動作が、 プラズマ源全体にわたって同時に行われることに起因している 。 これは、 従来の高周波電力供給方式のプラズマ発生装置では避けられ ない問題点であった。

そこで、 本発明の実施の第七形態では、 上記問題点を解決するために 、 プラズマ電位の異常上昇を抑制したパルス放電 （プラズマダメージ抑 制） のために、 各々の負荷に供給される高周波電力のパターン （空間分 布） を、 各々の負荷に対応した個々の電源で独立かつ周期的に変動させ てプラズマを発生することにより 、 パルス O Nに転ずる時点でのプラズ マ密度を制御して、 電子温度ならびにプラズマ電位の異常上昇を抑制し ている。

すなわち、 互いに隣り合う複数のアンテナ 1を 2つ以上の、 互いに隣 り合うグループに分けて、 各々のグループを個別の、 互いに独立したタ ィ ミ ングでそれぞれパルス動作させ、 一つのグループの負荷がパノレス〇 F Fの状態にある時でも、 それと隣り合う他のグループのアンテナ 1は パルス O Nの状態となるように、 パルス動作のタイ ミングを互いに排他 的にずらすことにより、 パルス O Nに転ずるグループに属するアンテナ 1 の近傍の電子密度を制御して、 電子温度ならびにプラズマ電位の異常 上昇を抑制できる。

上記排他的とは、 互いの隣り合う各グループの双方がそれぞれ O N状 態となるときがあることを回避することを意味する。 ただし、 上記排他 的は、 互いの隣り合う各グループの双方がそれぞれ O F F状態となると きがあってもよい。

次に、 本実施の第七形態に係る誘導結合負荷を用いた実施例を示す。 • 高周波の周波数 ： 1 3. 5 6 MH z

• 高周波電力 ： 3 0 0 W

· ノ ルス周期 ： 1 0 k H z

• パルス O N時間 ： 4 0 / s

• パルス〇 F F時間 ： 6 0 μ s

• 放電ガス ： A r

• ガス圧力 ： 2 0 mT o r r

本実施例における、 プラズマ密度、 電子温度、 プラズマ電位のシミュ レーシヨン結果 (図 2 4 ( a ) 〜 ( c ) ) を以下に示す。 本実施例にお いては、 隣接する他の誘導結合負荷により生成したプラズマを拡散させ ることにより、 該負荷がパルス O Nとなる直前においても、 上記の誘導 結合負荷の近傍の密度を定常状態におけるプラズマ密度の 4 0 %を維持 できる。

その結果、 本実施例では、 パルス O N直後の電子温度ならびにプラズ マ電位のピーク値は、 各々 4電子ボルトならびに 3 0 V程度となった。 これは、 隣接負荷による該負荷近傍のプラズマ密度制御を行わなかった 場合 （図 2 1 ( a ) ないし （ c ) ) では、 プラズマ電位が 5 0 V程度ま で上昇したのと比べると、 本実施例においては、 顕著な抑制効果を示し ていることが分かる。

なお、 上記の実施の第一ないし第七形態では、 それぞれの各形態を独 立して記載したが、 それら各形態を複数どのように組み合わせてもよく 、 それらの効果がそれぞれ各組み合わせにおいても得られることは明ら かである。 また、 上記の実施の第一ないし第七形態においては、 本実施 の何れかの形態に記載と同様な機能を有する部材については、 他の形態 においては同一の部材番号を付与して、 それらの説明を省いた。

ところで、 従来のプラズマプロセス技術は、 （1) 処理基板の不純物除 去を行うク リーニング工程、 （2) レジス ト除去を行うアツシング工程、 (3) ナノ構造制御が要求される薄膜形成工程、 （4) 微細加工を表面に施 すエツチング工程といった各工程に用いられている。

—このようなプラズマプロセス技術においては、 （a) 従来のプラズマ源 に比べて 1 0〜 1 0 0倍の高密度化 （髙スループッ ト化） 、 （b) プラズ マから基板に供給される粒子による損傷を御制すること （低プラズマダ メージ） 、 （ 大面積化 （特に、 平面ディスプレーの製造分野では処理 基板サイズのメ一トル級大型化） が要求されている。

従来方式のプラズマ源の単なるスケールアツブゃプロセスの改善のみ では解決が困難な問題 （不均一性、 プラズマダメージ増大） であった。 つまり、 プラズマ源の大型化に伴い、 プラズマ生成用電極の大きさが、 電極上を伝搬する高周波電力の波長に対して無視できない程度 （ 1 Z 4 波長以上） になると、 結果的に高周波電力が波と して電極上を伝搬する 状態が無視できなくなり、 電極上での電圧あるいは電流分布の不均一性

(定在波の発生） が顕在化している （Pl asma Sources Sc i . Technol . Vo l . 9 (2000) p545 - 561を参照下さい） 。

一方、 本発明のプラズマ発生装置や、 プラズマプロセスは、 低イ ンダ ク タ ンスのアンテナ 1 を複数設け、 それらを互いに独立に能動的に駆動 ' 制御することにより、 図 7に示すようにブラズマ分布を制御して、 プ ラズマ源の大面積化、 高密度化、 低電位化を図りながら、 低プラズマダ メージ、 かつ定在波による問題を回避できるものとなっている。

本発明の高周波電力供給装置は、 以上のように、 容量性または誘導性 の負荷を 2つ以上設けた高周波電力供給装置において、 負荷に対して電 力を供給するための高周波電源が、 対応する負荷に近接してそれぞれ設 けられていることを特徴としている。

上記高周波電力供給装置においては、 各高周波電源は、 それぞれ対応 する負荷に近接した高周波電力増幅器を備えていることが好ましい。 上記高周波電力供給装置では、 各々の負荷に供給される高周波電流の 周波数をそれぞれ制御するための周波数変調制御部が、 各々の負荷に取 り付けられた個々の高周波電源で独立に、 かつ 1種類以上の周波数の高 周波電流が 2つ以上の負荷に同時に供給されると共に、 それぞれの負荷 に供給される高周波電流の周波数変調によ りそれぞれの負荷に対するィ ンピーダンス整合が図られるように設けられていてもよい。

上記高周波電力供給装置においては、 各々の負荷に供給される高周波 電流の位相を、 それぞれ制御するための位相変調制御部が 各々の負荷 に取り付けられた個々の高周波電源で独立に、 かつ同位相または位相の 異なる高周波電流が 2つ以上の負荷に同時に供給されるように設けられ ていてもよい。

上記高周波電力供給装置では、 各々の負荷に供給される高周波電力を 、 それぞれ制御するための電力制御部が、 各々の負荷に対応した個々の 電源で独立に、 かつ 1種類以上の高周波電力が 2つ以上の負荷に同時に 供給されるように設けられていてもよい。

本発明のプラズマ発生装置は、 以上のように、 上記の何れかに記載の 高周波電力供給装置と、 上記高周波電力供給装置の負荷が高周波電力の 印加によりプラズマを発生するように取り付けられた真空容器とを備え たことを特徴と している。

上記プラズマ発生装置においては、 各々の負荷に供給される高周波電 流、 高周波電圧、 位相およ.ぴ負荷近傍のプラズマ生成状態の測定部を備 えていてもよレヽ。

上記プラズマ発生装置では、 各々の負荷に流れる高周波電力の信号か ら制御信号を生成する負帰還回路と、 上記制御信号に基づく 自己発振に より高周波電力を供給するための制御系とを備えていてもよい。 一 上記プラズマ発生装置においては、 2つ以上の負荷が互いに隣り合つ て取り付けられ、 それら隣り合う負荷に供給される高周波電流の位相お よび周波数を独立に設定して、 それら隣り合う負荷に発生する高周波電 界によりプラズマ中の電子の受ける実効的な加速ポテンシャルを制御す るプラズマ制御部が設けられていることが好ましい。

上記プラズマ発生装置では、 高周波電力の高周波電流、 高周波電圧、 位相おょぴ負荷近傍のプラズマ状態 （例えばプラズマ密度） の逐次測定 値をフィードパックし、 位相変調、 周波数変調、 ないし振幅変調の何れ かにより 2つ以上の負荷に供給する高周波電力を独立かつ能動的に制御 することによつてそれぞれの負荷に対するィンピーダンス整合の制御と 、 真空容器内のプラズマの均一性および再現性の制御とを行う制御シス テムが設けられ、 プラズマ状態を現すモニターが設けられていることが 望ましい。

本発明に係る、 高周波電力供給装置ならびにそれを利用したプラズマ 発生装置では、 各々のアンテナ等の負荷に対して、 独立に単体の高周波 電源を対応する負荷に近接して備え、 各々の負荷を、 それに対応した独 立の高周波電源によりそれぞれ駆動することによって、 各々の負荷へ高 周波電流を並列または直列に供給する必要をなく している。 . さらに、 本発明の上記構成においては、 それぞれの負荷に供給される 高周波電流に対して周波数変調をかけることができるため、 容量性の負 荷および回路素子のインピーダンスが周波数の逆数に比例し、 誘導性の 負荷および回路素子のインピーダンスが周波数に比例することを利用し て、 それぞれの負荷に対するィンピーダンス整合を独立かつ能動的に図 ることができる。

これにより、 本発明の上記構成では、 各負荷にそれぞれ発生する高周 波電圧のバラツキを低減できて、 プラズマ発生部の大口径化あるいは大 容積化を図っても、 より均一なプラズマを発生できて、 上記プラズマに よる薄膜形成や、 プラズマイオン注入を安定化できる。

その上、 本発明による高周波電力供給装置およびプラズマ発生装置は 、 2つ以上の負荷を用いる場合、 各々の負荷に供給される高周波電力の 周波数、 位相および電力の独立制御が可能であると共に、 各々の負荷に 印加された高周波電流、 高周波電圧、 位相およびアンテナ導体近傍のプ ラズマ状態の測定やモニターにより、 測定信号のフィ ードバック制御に よってプラズマの均一性および再現性の制御を行う制御システムを備え ることができて、 上記プラズマによる薄膜形成や、 プラズマイオン注入 をさらに安定化できる。

本発明の他のプラズマ発生装置は、 以上のよ うに、 プラズマを発生さ せるための真空容器が設けられ、 高周波電力が印加されて誘導電界を発 生させるアンテナ導体が、 真空容器内に少なく とも 1つ設置され、 アン テナ導体における、 真空容器内部に存在する部分の周囲に、 第一絶縁体 力 s、 プラズマとアンテナ導体との接触を遮断するように第一空間領域を 隔てて配- されていることを特徴と している。

上記構成では、 生成するプラズマのシース部の領域に印加される高周 波電圧を、 第一の空間領域を隔てた第一絶縁体の配置によって、 効果的 にかつ従来より もさらに低減することが可能となり、 シース部の領域に 印加される高周波電圧に起因する、 被覆材である第一絶縁体のスパッタ リ ングによる不純物を生じる問題点や、 アンテナ導体、 第一絶縁体への スパッタリ ングを軽減できて、 上記アンテナ導体おょぴ第一絶縁体の減 耗に起因する、 プラズマ生成の不均一、 不安定化を抑制でき、 上記ブラ ズマを用いた薄膜形成等が不安定化という問題を軽減することが可能と なる。

上記プラズマ発生装置では、 前記第一の絶縁体の周囲に、 第二空間镇 域を隔てて第二の絶縁体が配置されていることが好ましい。

上記構成によれば、 第二の絶縁体の配置により、 さらにシース部の領 域に印加される高周波電圧を、 効果的に低減することが可能となる。 上記プラズマ発生装置においては、 前記アンテナ導体の真空容器の内 壁に近接したアンテナ導入部にて、 前記第一の絶縁体の周囲を囲む接地 電極が設けられ、 上記接地電極の周囲に、 前記第二の絶縁体がプラズマ と接地電極との接触を抑制するように配置されていることが望ましい。 上記構成では、 接地電極の設置により、 上記アンテナ導体の端部に発 生する高周波電圧がプラズマのシース部の領域に印加されることを遮断 することが可能である。

上記プラズマ発生装置では、 接地電極は、 アンテナ導体の通電方向に 対し直交する方向に上記通電方向に沿って交互に突出するジグザグ構造 を有していることが好ましい。

上記構成では、 接地電極をジグザグ構造とすることによって、 アンテ ナ導入部に発生する高周波電圧による静電結合を効果的に遮断すると共 に、 接地電極において誘導電界に対する電流パスを長く とることができ 、 接地電極に誘導される発熱を抑制すると共に電力損失を軽減すること が可能である。

上記プラズマ発生装置では、 真空容器内にて、 負荷としてのアンテナ 導体から放射される高周波誘導磁場強度を測定するセンサーを設けても よい。

上記プラズマ発生装置においては、 センサーを、 複数、 アンテナ導体 からの距離が相違する位置にそれぞれ設けてもよい。

上記プラズマ発生装置では、 各センサーからの各測定結果と、 アンテ ナ導体に流れる高周波電流値とから、 真空容器内のプラズマ状態を算出 して、 アンテナ導体の駆動を制御するプラズマ制御部を有していてもよ い

上記プラズマ発生装置においては、 センサーは、 磁場強度検出部と、 磁場強度検出部を覆う第一シールドとを有していてもよい。

上記プラズマ発生装置では、 センサーは、 さらに、 第一シールド上へ の付着物の形成を抑制すると共に、 磁場強度検出部への高周波誘導磁場 の遮断を回避する第二シールドを有していてもよい。

上記プラズマ発生装置においては、 第二シールドは、 磁場強度検出部 への高周波誘導磁場の遮断を回避するためにスリ ッ ト部を有することが 好ましい。

上記構成によれば、 アンテナ導体から放射される高周波磁場は、 アン テナ導体に流れる高周波電流によ り誘起され、 主としてアンテナ電流に 対する方位角方向の成分を有している。 このため、 この高周波磁場強度 を測定して、 アンテナ導体に流れる高周波電流との比較 （強度比、 位相 差） を行う ことにより、 プラズマ中で誘導結合放電を駆動している高周 波磁場強度を直接測定することができる。

よって、 上記構成では、 上記の測定がプラズマ生成における駆動源を 直接モニターすることに相当し、 プラズマを生成する際に、 この測定量 が一定となるようにフィードバック制御をかければ、 プラズマの生成状 態をより一定に保つことが可能となる。

上記プラズマ発生装置においては、 それぞれの負荷に供給されるパル ス状の高周波電力に基づき発生する各プラズマの空間分布パターンを互 いに変化させるよ うに各高周波電源をそれぞれ制御する電源制御部が設 けられていてもよレ、。

上記プラズマ発生装置では、 上記電源制御部は、 各プラズマの空間分 布パターンを周期的に変化させるものであってもよい。

上記プラズマ発生装置においては、 上記電源制御部は、 各プラズマの 空間分布パターンを互いに独立に変化させるものであってもよい。

上記プラズマ発生装置では、 真空容器内にて、 負荷から放射される高 周波誘導磁場強度を測定するセンサーを設けてもよい。 尚、 発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実 施態様または実施例は、 あくまでも、 本発明の技術内容を明らかにする ものであって、 そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべき ものではなく、 本発明の精神と次に記载する特許請求の範囲内で、 いろ いろと変更して実施することができるものである。 産業上の利用の可能性

本発明の高周波電力供給装置およびプラズマ発生装置は、 各々の負荷 へ高周波電流を並列または直列に供給する必要を省けるから、 各負荷に それぞれ発生する高周波電圧のパラツキを低減できる。

この結果、 上記構成は、 プラズマ発生部の大口径化あるいは大容積化 を図っても、 より均一なプラズマを発生できて、 上記プラズマによる薄 膜形成や、 プラズマイオン注入を安定化できて、 ポリ シリ コン等の半導 体用薄膜の形成に好適に利用できる。

Claims

請求の範囲

1 . 容量性または誘導性の負荷を 2つ以上設けた高周波電力供給装置 において、

負荷に対して電力を供給するための高周波電源が、 対応する負荷に近 接してそれぞれ設けられていることを特徴とする高周波電力供給装置。

2 . 請求の範囲第 1項に記載の高周波電力供給装置において、 各高周波電源は、 それぞれ対応する負荷に近接した高周波電力増幅器 を備えている高周波電力供給装置。

3 . 請求の範囲第 1項に記載の高周波電力供給装置において、 各々の負荷に供給される高周波電流の周波数をそれぞれ制御するため の周波数変調制御部が、 各々の負荷に取り付けられた個々の高周波電源 で独立に、 かつ 1種類以上の周波数の高周波電流が 2つ以上の負荷に同 時に供給されると共に、 それぞれの負荷に供給される高周波電流の周波 数変調によ りそれぞれの負荷に対するィンピーダンス整合が図られるよ うに設けられている高周波電力供給装置。

4 . 請求の範囲第 1項に記載の高周波電力供給装置において、 各々の負荷に供給される高周波電流の位相を、 それぞれ制御するため の位相変調制御部が、 各々の負荷に取り付けられた個々の高周波電源で 独立に、 かつ同位相または位相の異なる高周波電流が 2つ以上の負荷に 同時に供給されるように設けられている高周波電力供給装置。

5 . 請求の範囲第 1項に記載の高周波電力供給装置において、 各々の負荷に供給される高周波電力を、 それぞれ制御するための電力 制御部が、 各々の負荷に対応した個々の電源で独立に、 かつ 1種類以上 の高周波電力が 2つ以上の負荷に同時に供給されるように設けられてい る高周波電力供給装置。

6 . 請求の範囲第 1項ないし第 5項の何れか 1項に記載の高周波電力 供給装置と、 上記高周波電力供給装置の負荷が高周波電力の印加により プラズマを発生するよ うに取り付けられた真空容器とを備えたプラズマ 発生装置。

7 . 請求の範囲第 6項に記載のプラズマ発生装置において、 各々の負 荷に供給される高周波電流、 高周波電圧、 位相および負荷近傍のプラズ マ生成状態の測定部を備えたプラズマ発生装置。

8 . 請求の範囲第 6項に記載のプラズマ発生装置において、 各々の負 荷に流れる高周波電力の信号から制御信号を生成する負帰還回路と、 上 記制御信号に基づく 自己発振により高周波電力を供給するための制御系 とを備えたプラズマ発生装置。

9 . 請求の範囲第 6項に記載のプラズマ発生装置において、 2つ以上 の負荷が互いに隣り合って取り付けられ、 それら隣り合う負荷に供給さ れる高周波電流の位相および周波数を独立に設定して、 それら隣り合う 負荷に発生する高周波電界によりプラズマ中の電子の受ける実効的な加 速ポテンシャルを制御するプラズマ制御部が設けられているプラズマ発 生装置。

1 0 . 請求の範囲第 6項に記載のプラズマ発生装置において、 高周波電 力の高周波電流、 高周波電圧、 位相および負荷近傍のプラズマ状態の逐 次測定値をフィードパックし、 位相変調、 周波数変調、 ないし振幅変調 の何れかにより 2つ以上の負荷に供給する高周波電力を独立かつ能動的 に制御することによつてそれぞれの負荷に対するィンピーダンス整合の 制御と、 真空容器内のプラズマの均一性および再現性の制御とを行う制 御システムが設けられ、

プラズマ状態を現すモニターが設けられているプラズマ発生装置。

1 1 . プラズマを発生させるための真空容器が設けられ、

高周波電力が印加されて誘導電界を発生させるアンテナ導体が、 真空 容器內に少なく とも 1つ設置され、

アンテナ導体における、 真空容器内部に存在する部分の周囲に、 第一 絶縁体が、 プラズマとアンテナ導体との接触を遮断するように、 第一空 間領域を隔てて配置されていることを特徴とする高周波放電による誘導 結合方式のプラズマ発生装置。

1 2 . 請求の範囲第 1 1項に記載のプラズマ発生装置において、

さらに、 前記第一の絶縁体の周囲に、 第二空間領域を隔てて第二の絶 縁体が配置されているプラズマ発生装置。

1 3 . 請求の範囲第 1 2項に記載のプラズマ発生装置において、

前記アンテナ導体の真空容器の内壁に近接したアンテナ導入部にて、 前記第一の絶縁体の周囲を囲む接地電極が設けられ、

上記接地電極の周囲に、 前記第二の絶縁体が、 プラズマと接地電極と の接触を抑制するよ うに配置されているプラズマ発生装置。

1 4 . 請求の範囲第 1 3項に記載のプラズマ発生装置において、

前記接地電極は、 アンテナ導体の通電方向に対し直交する方向に上記 通電方向に沿って交互に突出するジグザグ構造を有しているプラズマ発 生装置。

1 5 . 請求の範囲第 6項に記載のプラズマ発生装置において、 真空容器 内にて、 負荷から放射される高周波誘導磁場強度を測定するセンサーを 設けたプラズマ発生装置。

1 6 . 請求の範囲第 1 1項に記載のプラズマ発生装置において、 真空容器内にて、 ァンテナ導体から放射される高周波誘導磁場強度を 測定するセンサーを設けたプラズマ発生装置。

1 7 . 請求の範囲第 1 6項に記載のプラズマ発生装置において、

センサーを、 複数、 アンテナ導体からの距離が相違する位置にそれぞ れ設けたプラズマ発生装置。

1 8 . 請求の範囲第 1 7項に記載のプラズマ発生装置において、

各センサーからの各測定結果と、 アンテナ導体に流れる高周波電流値 とから、 真空容器内のプラズマ状態を算出して、 アンテナ導体の駆動を 制御するプラズマ制御部を有するプラズマ発生装置。

1 9 . 請求の範囲第 1 6項に記載のプラズマ発生装置において、

センサーは、 磁場強度検出部と、 磁場強度検出部を覆う第一シール ド とを有するプラズマ発生装置。

2 0 . 請求の範囲第 1 9項に記載のプラズマ発生装置において、

センサーは、 さらに、 第一シールド上への付着物の形成を抑制すると 共に、 磁場強度検出部への高周波誘導磁場の遮断を回避する第二シール ドを有するプラズマ発生装置。

2 1 . 請求の範囲第≥ 0項に記載のプラズマ発生装置において、

第二シールドは、 磁場強度検出部への高周波誘導磁場の遮断を回避す るためにス リ ッ ト部を有するプラズマ発生装置。

2 2 . 請求の範囲第 6項に記載のプラズマ発生装置において、 それぞれ の負荷に供給されるパルス状の高周波電力に基づき癸生する各プラズマ の空間分布パターンを互いに変化させるよ うに各高周波電源をそれぞれ 制御する電源制御部が設けられていることを特徴とするプラズマ発生装 置。

2 3 . 請求の範囲第 2 2項に記載のプラズマ発生装置において、

上記電源制御部は、 各プラズマの空間分布パターンを周期的に変化さ せるものであるプラズマ発生装置。

2 4 . 請求の範囲第 2 2項に記載のプラズマ発生装置において、

上記電源制御部.は、 各プラズマの空間分布パターンを互いに独立に変 化させるものであるプラズマ発生装置。

2 5 . 請求の範囲第 2 2項に記載のプラズマ発生装置において、

各負荷を互いに隣り合う複数のグループに分け、

上記電源制御部は、 隣り合う各グループ間でのパルス動作をずらすよ うになっているプラズマ発生装置。

2 6 . 請求の範囲第 2 5項に記載のプラズマ発生装置において、

上記電源制御部は、 隣り合う各グループ間でのパルスの O N Z〇 F F 動作を互いに排他的にずらすようになつているプラズマ発生装置。

2 7 . 請求の範囲第 2 2項に記載のプラズマ発生装置において、

真空容器内にて、 負荷から放射される高周波誘導磁場強度を測定する センサーを設けたプラズマ発生装置。