WO2013111474A1 - マイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源および表面波プラズマ処理装置 - Google Patents

マイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源および表面波プラズマ処理装置 Download PDF

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WO2013111474A1
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池田　太郎
大幸 宮下
長田　勇輝
藤野　豊
智仁 小松
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東京エレクトロン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a microwave radiation mechanism, a microwave plasma source, and a surface wave plasma processing apparatus.
  • Plasma processing is an indispensable technology for the manufacture of semiconductor devices. Recently, the design rules of semiconductor elements constituting LSIs have been increasingly miniaturized due to the demand for higher integration and higher speed of LSIs, and semiconductor wafers Along with this, there is a demand for plasma processing apparatuses that can cope with such miniaturization and enlargement.
  • an RLSA Random Line Slot Antenna microwave plasma processing apparatus that can uniformly form high-density, low-electron-temperature surface wave plasma has attracted attention (for example, Patent Document 1).
  • the RLSA microwave plasma processing apparatus is provided with a radial line slot antenna (Radial Line Slot Antenna) which is a planar slot antenna having a plurality of slots formed in a predetermined pattern at the top of the chamber as an antenna for generating surface wave plasma.
  • a microwave guided from a wave generation source is radiated from a slot of the antenna, and is radiated into a chamber held in a vacuum through a microwave transmission plate made of a dielectric provided below the microwave.
  • Surface wave plasma is generated in the chamber by an electric field, thereby processing an object to be processed such as a semiconductor wafer.
  • an object of the present invention is to provide a microwave radiation mechanism, a microwave plasma source, and a surface wave plasma processing apparatus capable of increasing the plasma density (electron density) increase rate when the input power is increased. is there.
  • the microwave radiation mechanism that radiates the microwave generated by the microwave generation mechanism into the chamber
  • a transmission line having a cylindrical outer conductor and an inner conductor provided coaxially therein, and transmitting the microwave, and the microwave transmitted through the microwave transmission path is placed in the chamber
  • An antenna portion that radiates in, and the antenna portion has an antenna formed with a slot that radiates microwaves, and transmits microwaves radiated from the antenna, and surface waves are formed on the surface thereof.
  • the antenna portion has an antenna formed with a slot that radiates microwaves, and transmits microwaves radiated from the antenna, and surface waves are formed on the surface thereof.
  • the length of the closed circuit, when the wavelength of the microwave and ⁇ 0, n ⁇ 0 ⁇ ⁇ ( n is a positive integer, [delta] is the fine adjustment component (0 is the containing)) to be a A microwave radiation mechanism is provided.
  • the slot thickness is defined so that the length of the closed circuit is n ⁇ 0 ⁇ ⁇ . Further, the slot can be filled with a dielectric. Furthermore, it is preferable that the thickness of the slot is relatively increased so that the length of the closed circuit becomes n ⁇ 0 ⁇ ⁇ while the thickness of the dielectric member is maintained relatively thin.
  • a microwave generation mechanism for generating a microwave and a microwave radiation mechanism for radiating the generated microwave into the chamber are provided, and the microwave is radiated into the chamber.
  • a microwave plasma source for generating surface wave plasma by gas supplied into the chamber, wherein the microwave radiation mechanism includes a cylindrical outer conductor and an inner conductor provided coaxially therein.
  • a dielectric member that transmits a microwave radiated from the antenna and has a surface wave formed on the surface thereof, and at least the spacer.
  • Tsu DOO inner wall and the surface and the interior of said dielectric member has a closed circuit in which the surface current and the displacement current flows, the length of the closed circuit, the wavelength of the microwave in the case of the lambda 0, n [lambda 0
  • a microwave plasma source is provided that is ⁇ ⁇ (where n is a positive integer and ⁇ is a fine tuning component (including 0)).
  • a chamber that accommodates a substrate to be processed, a gas supply mechanism that supplies a gas into the chamber, a microwave generation mechanism that generates a microwave, and a generated microwave are A microwave radiation source that emits microwaves into the chamber, and radiates microwaves into the chamber to generate surface wave plasma by the gas supplied into the chamber.
  • the microwave radiation mechanism includes a cylindrical outer conductor and an inner conductor provided coaxially therein.
  • the antenna unit includes an antenna in which a slot for radiating microwaves is formed, a dielectric member that transmits the microwave radiated from the antenna and has a surface wave formed on the surface thereof, and at least the A closed circuit including a slot inner wall and the surface and the inside of the dielectric member through which a surface current and a displacement current flow, and the length of the closed circuit is n ⁇ 0 ⁇ when the wavelength of the microwave is ⁇ 0
  • a surface wave plasma processing apparatus is provided in which ⁇ (n is a positive integer and ⁇ is a fine adjustment component (including 0)).
  • the microwave plasma source of the second aspect and the surface wave plasma processing apparatus of the third aspect may have a plurality of the microwave radiation mechanisms.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows schematic structure of the surface wave plasma processing apparatus provided with the microwave radiation mechanism which concerns on one Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the structure of the microwave plasma source used for the surface wave plasma processing apparatus of FIG. It is a top view which shows typically the microwave supply part in a microwave plasma source.
  • It is a longitudinal cross-sectional view which shows the microwave radiation mechanism used for the surface wave plasma processing apparatus of FIG.
  • It is a cross-sectional view by the AA 'line of FIG. 4 which shows the electric power feeding mechanism of a microwave radiation mechanism.
  • BB 'line of FIG. 4 shows the slag and sliding member in a tuner.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a surface wave plasma processing apparatus having a microwave radiation mechanism according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a microwave plasma used in the surface wave plasma processing apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing a microwave supply unit in the microwave plasma source.
  • the surface wave plasma processing apparatus 100 is configured as a plasma etching apparatus that performs, for example, an etching process as a plasma process on a wafer, and is grounded in a substantially cylindrical shape made of an airtight metal material such as aluminum or stainless steel.
  • An opening 1 a is formed in the upper part of the chamber 1, and the microwave plasma source 2 is provided so as to face the inside of the chamber 1 from the opening 1 a.
  • a susceptor 11 for horizontally supporting a semiconductor wafer W (hereinafter, referred to as a wafer W), which is an object to be processed, is erected at the center of the bottom of the chamber 1 via an insulating member 12a. It is provided in a state supported by the support member 12.
  • Examples of the material constituting the susceptor 11 and the support member 12 include aluminum whose surface is anodized (anodized).
  • the susceptor 11 includes an electrostatic chuck for electrostatically attracting the wafer W, a temperature control mechanism, a gas flow path for supplying heat transfer gas to the back surface of the wafer W, and the wafer.
  • a high frequency bias power supply 14 is electrically connected to the susceptor 11 via a matching unit 13. By supplying high frequency power from the high frequency bias power source 14 to the susceptor 11, ions in the plasma are attracted to the wafer W side.
  • An exhaust pipe 15 is connected to the bottom of the chamber 1, and an exhaust device 16 including a vacuum pump is connected to the exhaust pipe 15.
  • an exhaust device 16 including a vacuum pump is connected to the exhaust pipe 15.
  • the inside of the chamber 1 is exhausted, and the inside of the chamber 1 can be depressurized at a high speed to a predetermined degree of vacuum.
  • a loading / unloading port 17 for loading / unloading the wafer W and a gate valve 18 for opening / closing the loading / unloading port 17 are provided on the side wall of the chamber 1.
  • a shower plate 20 that discharges a processing gas for plasma etching toward the wafer W is provided horizontally.
  • the shower plate 20 has a gas flow path 21 formed in a lattice shape and a large number of gas discharge holes 22 formed in the gas flow path 21. It is a space part 23.
  • a pipe 24 extending outside the chamber 1 is connected to the gas flow path 21 of the shower plate 20, and a processing gas supply source 25 is connected to the pipe 24.
  • a ring-shaped plasma gas introduction member 26 is provided along the chamber wall above the shower plate 20 of the chamber 1, and the plasma gas introduction member 26 has a number of gas discharge holes on the inner periphery. Is provided.
  • a plasma gas supply source 27 for supplying plasma gas is connected to the plasma gas introduction member 26 via a pipe 28.
  • Ar gas or the like is preferably used as the plasma generating gas.
  • a commonly used etching gas such as Cl 2 gas can be used.
  • the plasma gas introduced into the chamber 1 from the plasma gas introduction member 26 is turned into plasma by the microwave introduced into the chamber 1 from the microwave plasma source 2, and this plasma passes through the space 23 of the shower plate 20.
  • the processing gas discharged from the gas discharge hole 22 of the shower plate 20 is excited to form plasma of the processing gas. Note that the plasma gas and the processing gas may be supplied by the same supply member.
  • the microwave plasma source 2 has a top plate 110 supported by a support ring 29 provided at the top of the chamber 1, and the space between the support ring 29 and the top plate 110 is hermetically sealed. As shown in FIG. 2, the microwave plasma source 2 includes a microwave output unit 30 that distributes the microwaves to a plurality of paths and outputs microwaves, and transmits the microwaves output from the microwave output unit 30 to enter the chamber 1. And a microwave supply unit 40 for radiating.
  • the microwave output unit 30 includes a microwave power source 31, a microwave oscillator 32, an amplifier 33 that amplifies the oscillated microwave, and a distributor 34 that distributes the amplified microwave into a plurality of parts. .
  • the microwave oscillator 32 causes, for example, a PLL oscillation of a microwave having a predetermined frequency (for example, 915 MHz).
  • the distributor 34 distributes the microwave amplified by the amplifier 33 while matching the impedance between the input side and the output side so that the loss of the microwave does not occur as much as possible.
  • the microwave frequency 700 MHz to 3 GHz can be used in addition to 915 MHz.
  • the microwave supply unit 40 has a plurality of antenna modules 41 that guide the microwaves distributed by the distributor 34 into the chamber 1.
  • Each antenna module 41 includes an amplifier unit 42 that mainly amplifies the distributed microwave and a microwave radiation mechanism 43.
  • the microwave radiation mechanism 43 includes a tuner 60 for matching impedance and an antenna unit 45 that radiates the amplified microwave into the chamber 1.
  • a microwave is radiated into the chamber 1 from the antenna unit 45 of the microwave radiation mechanism 43 in each antenna module 41.
  • the microwave supply unit 40 has seven antenna modules 41, and six microwave radiation mechanisms 43 of each antenna module 41 have a circumferential shape and one at the center thereof. It arrange
  • the top plate 110 functions as a vacuum seal and a microwave transmission plate, and is fitted to the metal frame 110a and the portion where the microwave radiation mechanism 43 is disposed, and is fitted to the frame 110a.
  • a dielectric member 110b made of a dielectric material.
  • the amplifier unit 42 includes a phase shifter 46, a variable gain amplifier 47, a main amplifier 48 constituting a solid state amplifier, and an isolator 49.
  • the phase shifter 46 is configured to change the phase of the microwave, and by adjusting this, the radiation characteristic can be modulated.
  • the plasma distribution can be changed by controlling the directivity by adjusting the phase for each antenna module.
  • circularly polarized waves can be obtained by shifting the phase by 90 ° between adjacent antenna modules.
  • the phase shifter 46 can be used for the purpose of spatial synthesis in the tuner by adjusting the delay characteristics between components in the amplifier. However, the phase shifter 46 need not be provided when such modulation of the radiation characteristics and adjustment of the delay characteristics between the components in the amplifier are not required.
  • the variable gain amplifier 47 is an amplifier for adjusting the power level of the microwave input to the main amplifier 48 and adjusting the plasma intensity. By changing the variable gain amplifier 47 for each antenna module, the generated plasma can be distributed.
  • the main amplifier 48 constituting the solid state amplifier can be configured to include, for example, an input matching circuit, a semiconductor amplifying element, an output matching circuit, and a high Q resonance circuit.
  • the isolator 49 separates the reflected microwaves reflected by the antenna unit 45 and directed to the main amplifier 48, and includes a circulator and a dummy load (coaxial terminator).
  • the circulator guides the microwave reflected by the antenna unit 45 to the dummy load, and the dummy load converts the reflected microwave guided by the circulator into heat.
  • FIGS. 4 is a cross-sectional view showing the microwave radiating portion 43 and the microwave radiating antenna 45
  • FIG. 5 is a transverse cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4 showing the power feeding mechanism of the microwave radiating portion 43
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line BB ′ in FIG. 4 showing slag and sliding members in the tuner 60
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a closed circuit in which surface current and displacement current flow in the antenna section
  • FIG. 8 is a planar slot antenna. It is a top view which shows an example of the slot shape of.
  • the microwave radiation mechanism 43 includes a coaxial waveguide (microwave transmission path) 44 that transmits a microwave, and an antenna that radiates the microwave transmitted through the waveguide 44 into the chamber 1. Part 45. Then, the microwaves radiated from the microwave radiation mechanism 43 into the chamber 1 are combined in the space in the chamber 1, and surface wave plasma is formed in the chamber 1.
  • a coaxial waveguide (microwave transmission path) 44 that transmits a microwave
  • an antenna that radiates the microwave transmitted through the waveguide 44 into the chamber 1. Part 45. Then, the microwaves radiated from the microwave radiation mechanism 43 into the chamber 1 are combined in the space in the chamber 1, and surface wave plasma is formed in the chamber 1.
  • the waveguide 44 is configured by coaxially arranging a cylindrical outer conductor 52 and a rod-shaped inner conductor 53 provided at the center thereof, and an antenna portion 45 is provided at the tip of the waveguide 44.
  • the inner conductor 53 is a power supply side
  • the outer conductor 52 is a ground side.
  • the upper end of the outer conductor 52 and the inner conductor 53 is a reflection plate 58.
  • a feeding mechanism 54 that feeds microwaves (electromagnetic waves) is provided on the proximal end side of the waveguide 44.
  • the power feeding mechanism 54 has a microwave power introduction port 55 for introducing microwave power provided on a side surface of the waveguide 44 (outer conductor 52).
  • a coaxial line 56 including an inner conductor 56 a and an outer conductor 56 b is connected to the microwave power introduction port 55 as a feed line for supplying the microwave amplified from the amplifier unit 42.
  • a feeding antenna 90 extending horizontally toward the inside of the outer conductor 52 is connected to the tip of the inner conductor 56 a of the coaxial line 56.
  • the feed antenna 90 is formed by, for example, cutting a metal plate such as aluminum and then fitting it into a dielectric member such as Teflon (registered trademark).
  • a slow wave material 59 made of a dielectric material such as Teflon (registered trademark) for shortening the effective wavelength of the reflected wave is provided between the reflector 58 and the feeding antenna 90. Note that when a microwave with a high frequency such as 2.45 GHz is used, the slow wave material 59 may not be provided.
  • the distance from the feeding antenna 90 to the reflecting plate 58 is optimized, and the electromagnetic wave radiated from the feeding antenna 90 is reflected by the reflecting plate 58 so that the maximum electromagnetic wave is transmitted into the waveguide 44 having the coaxial structure.
  • the feeding antenna 90 is connected to the inner conductor 56a of the coaxial line 56 at the microwave power introduction port 55, and the first pole 92 to which the electromagnetic wave is supplied and the second electromagnetic wave to radiate the supplied electromagnetic wave.
  • the antenna main body 91 having the pole 93 and the reflection part 94 extending from both sides of the antenna main body 91 along the outside of the inner conductor 53 to form a ring shape, and the electromagnetic wave incident on the antenna main body 91 and the reflection part A standing wave is formed by the electromagnetic wave reflected at 94.
  • the second pole 93 of the antenna body 91 is in contact with the inner conductor 53.
  • the microwave power is fed into the space between the outer conductor 52 and the inner conductor 53 by the feed antenna 90 radiating microwaves (electromagnetic waves). Then, the microwave power supplied to the power feeding mechanism 54 propagates toward the antenna unit 45.
  • a tuner 60 is provided in the waveguide 44.
  • the tuner 60 matches the impedance of the load (plasma) in the chamber 1 with the characteristic impedance of the microwave power source in the microwave output unit 30, and moves up and down between the outer conductor 52 and the inner conductor 53 2.
  • Two slags 61a and 61b, and a slag driving unit 70 provided on the outer side (upper side) of the reflection plate 58.
  • the slag 61a is provided on the slag drive unit 70 side, and the slag 61b is provided on the antenna unit 45 side. Further, in the inner space of the inner conductor 53, two slag moving shafts 64a and 64b for slag movement are provided along a longitudinal direction of the inner conductor 53.
  • the slag moving shafts 64a and 64b are formed by screw rods having trapezoidal screws, for example.
  • the slag 61a has an annular shape made of a dielectric, and a sliding member 63 made of a resin having slipperiness is fitted inside the slag 61a.
  • the sliding member 63 is provided with a screw hole 65a into which the slag moving shaft 64a is screwed and a through hole 65b into which the slag moving shaft 64b is inserted.
  • the slag 61b has a screw hole 65a and a through hole 65b as in the case of the slag 61a.
  • the screw hole 65a is screwed to the slag moving shaft 64b and is connected to the through hole 65b. The slag moving shaft 64a is inserted.
  • the slag 61a moves up and down by rotating the slag movement shaft 64a
  • the slag 61b moves up and down by rotating the slag movement shaft 64b. That is, the slugs 61a and 61b are moved up and down by a screw mechanism including the slug moving shafts 64a and 64b and the sliding member 63.
  • the sliding member 63 is provided with three protrusions 63a at equal intervals so as to correspond to the slits 53a. Then, the sliding member 63 is fitted into the slags 61a and 61b in a state where the protruding portions 63a are in contact with the inner circumferences of the slags 61a and 61b.
  • the outer peripheral surface of the sliding member 63 comes into contact with the inner peripheral surface of the inner conductor 53 without play, and the sliding member 63 slides up and down the inner conductor 53 by rotating the slug movement shafts 64a and 64b. It is supposed to be. That is, the inner peripheral surface of the inner conductor 53 functions as a sliding guide for the slugs 61a and 61b.
  • a resin material constituting the sliding member 63 a resin having good sliding property and relatively easy to process, for example, a polyphenylene sulfide (PPS) resin can be mentioned as a suitable material.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the slag moving shafts 64 a and 64 b extend through the reflecting plate 58 to the slag driving unit 70.
  • a bearing (not shown) is provided between the slug moving shafts 64a and 64b and the reflection plate 58.
  • a bottom plate 67 made of a conductor is provided at the lower end of the inner conductor 53.
  • the lower ends of the slag moving shafts 64a and 64b are normally open ends to absorb vibration during driving, and a bottom plate 67 is provided at a distance of about 2 to 5 mm from the lower ends of the slag moving shafts 64a and 64b. It has been.
  • the bottom plate 67 may be used as a bearing portion, and the lower ends of the slag moving shafts 64a and 64b may be supported by the bearing portion.
  • the slag drive unit 70 has a casing 71, slag moving shafts 64a and 64b extend into the casing 71, and gears 72a and 72b are attached to the upper ends of the slag moving shafts 64a and 64b, respectively.
  • the slag drive unit 70 is provided with a motor 73a that rotates the slag movement shaft 64a and a motor 73b that rotates the slag movement shaft 64b.
  • a gear 74a is attached to the shaft of the motor 73a, and a gear 74b is attached to the shaft of the motor 73b.
  • the gear 74a meshes with the gear 72a, and the gear 74b meshes with the gear 72b.
  • the slag movement shaft 64a is rotated by the motor 73a via the gears 74a and 72a
  • the slag movement shaft 64b is rotated by the motor 73b via the gears 74b and 72b.
  • the motors 73a and 73b are, for example, stepping motors.
  • the slag moving shaft 64b is longer than the slag moving shaft 64a and reaches the upper side. Therefore, the positions of the gears 72a and 72b are offset vertically, and the motors 73a and 73b are also offset vertically.
  • the space for the power transmission mechanism such as the motor and gears is small, and the casing 71 has the same diameter as the outer conductor 52.
  • increment type encoders 75a and 75b for detecting the positions of the slugs 61a and 61b are provided so as to be directly connected to these output shafts.
  • the positions of the slags 61a and 61b are controlled by the slag controller 68.
  • the slag controller 68 controls the motors 73a and 73b based on the impedance value of the input end detected by an impedance detector (not shown) and the positional information of the slags 61a and 61b detected by the encoders 75a and 75b.
  • the impedance is adjusted by sending a signal and controlling the positions of the slugs 61a and 61b.
  • the slug controller 68 performs impedance matching so that the termination is, for example, 50 ⁇ . When only one of the two slugs is moved, a trajectory passing through the origin of the Smith chart is drawn, and when both are moved simultaneously, only the phase rotates.
  • the antenna unit 45 is a planar slot antenna 81 that functions as a microwave radiation antenna and has a slot 131, a slow wave member 82 provided on the upper surface of the planar slot antenna 81, and the distal end side of the planar slot antenna 81 And a dielectric member 110b of the top plate 110 provided on the top plate 110.
  • a cylindrical member 82 a made of a conductor passes through the center of the slow wave member 82, and connects the bottom plate 67 and the planar slot antenna 81. Therefore, the inner conductor 53 is connected to the planar slot antenna 81 via the bottom plate 67 and the cylindrical member 82a.
  • the lower end of the outer conductor 52 extends to the planar slot antenna 81, and the periphery of the slow wave material 82 is covered with the outer conductor 52.
  • the periphery of the planar slot antenna 81 is covered with a covered conductor 84.
  • the slow wave material 82 and the dielectric member 110b have a dielectric constant larger than that of vacuum, and are made of, for example, fluorine resin or polyimide resin such as quartz, ceramics, polytetrafluoroethylene, etc.
  • the antenna since the wavelength of the microwave becomes longer, the antenna has a function of shortening the wavelength of the microwave to make the antenna smaller.
  • the slow wave material 82 can adjust the phase of the microwave depending on the thickness thereof, and the thickness thereof is adjusted so that the junction between the top plate 110 and the planar slot antenna 81 becomes a “wave” of standing waves. . Thereby, reflection can be minimized and the radiation energy of the planar slot antenna 81 can be maximized.
  • the top plate 110 is configured by fitting a dielectric member 110 b into the frame 110 a, and the dielectric member 110 b is provided in contact with the planar slot antenna 81.
  • the microwave amplified by the main amplifier 48 reaches the antenna unit 45 through the waveguide 44 between the peripheral walls of the inner conductor 53 and the outer conductor 52.
  • the microwave is transmitted as a surface wave through the slow wave member 82, transmitted through the slot 131 of the planar slot antenna 81, further transmitted through the dielectric member 110 b of the top plate 110, and the dielectric member 110 b in contact with the plasma.
  • the surface wave is transmitted, and surface wave plasma is generated in the space in the chamber 1 by this surface wave.
  • Planar slot antenna 81 a closed circuit length of C flowing surface current and the displacement current of the antenna unit 45 shown in FIG. 7, the wavelength of the microwave when the ⁇ 0, n ⁇ 0 ⁇ ⁇ ( n is a positive
  • the thickness (the thickness of the slot 131) is defined so that an integer, ⁇ is a fine adjustment component (including 0).
  • the planar slot antenna 81 is formed in a disc shape (planar shape) as a whole, and six slots 131 are formed in a circumferential shape. All of these slots 131 have the same shape and are formed in an elongated shape along the circumference.
  • the joint portion between adjacent ones of the slots 131 is configured such that the end of one slot 131 and the end of the other slot 131 overlap each other. That is, the center portion of the slot 131 is in a state where one end portion on the outer side and the other end portion on the inner side are connected, and an annular region 132 indicated by a two-dot chain line including six slots 131 is included.
  • the slot 131 has a length of ( ⁇ g / 2) ⁇ ′.
  • ⁇ g is the effective wavelength of the microwave
  • ⁇ ′ is a fine adjustment component (including 0) that is finely adjusted so that the uniformity of the electric field strength is increased in the circumferential direction (angular direction).
  • the length of the slot 131 is not limited to about ⁇ g / 2, but may be any length obtained by subtracting a fine adjustment component (including 0) from an integral multiple of ⁇ g / 2.
  • the slot 131 has a substantially equal length at the center, and one end and the other end (overlap portion) on both sides thereof.
  • the central portion has a length of ( ⁇ g / 6) ⁇ 1
  • the end portions on both sides thereof have lengths of ( ⁇ g / 6) ⁇ 2 and ( ⁇ g / 6) ⁇ 3 , respectively.
  • the length of one slot 131 is about ⁇ g / 2, and since there are six, the total length is about 3 ⁇ g.
  • the antenna has a conventional configuration in which four slots having a length of about ⁇ g / 2 are arranged circumferentially. It is almost equivalent to the antenna.
  • the slot 131 is formed so that the inner circumference thereof is at a position of ( ⁇ g / 4) ⁇ ⁇ ′′ from the center of the planar slot antenna 81.
  • ⁇ ′′ is used to make the electric field strength distribution in the radial direction uniform.
  • the length from the center to the inner periphery of the slot is not limited to about ⁇ g / 4, and may be any length obtained by adding a fine adjustment component (including 0) to an integral multiple of ⁇ g / 4.
  • Such a planar slot antenna 81 can avoid the electromagnetic wave intensity from being weakened at the joint portion between the slots, and can improve the plasma uniformity in the circumferential direction (angular direction).
  • the number of slots is not limited to six, and the same effect can be obtained even if the number is, for example, three to five, or seven or more.
  • the slot shape of the planar slot antenna 81 is not limited to that shown in FIG. 8, and for example, a plurality of arc-shaped slots may be formed uniformly on the circumference.
  • the main amplifier 48, the tuner 60, and the planar slot antenna 81 are arranged close to each other.
  • the tuner 60 and the planar slot antenna 81 constitute a lumped constant circuit existing within a half wavelength, and the combined resistance of the planar slot antenna 81, the slow wave material 82, and the dielectric member 110b is set to 50 ⁇ . Therefore, the tuner 60 is directly tuned with respect to the plasma load, and can efficiently transmit energy to the plasma.
  • the slot 131 may be filled with a dielectric. By filling the slot 131 with a dielectric, the effective wavelength of the microwave is shortened, and the thickness of the entire slot (thickness of the planar slot antenna 81) can be reduced.
  • Each component in the surface wave plasma processing apparatus 100 is controlled by a control unit 120 including a microprocessor.
  • the control unit 120 includes a storage unit that stores a process sequence of the surface wave plasma processing apparatus 100 and a process recipe that is a control parameter, an input unit, a display, and the like, and controls the plasma processing apparatus in accordance with the selected process recipe. It has become.
  • the operation in the surface wave plasma processing apparatus 100 configured as described above will be described.
  • the wafer W is loaded into the chamber 1 and placed on the susceptor 11.
  • a microwave is transmitted from the microwave plasma source 2 into the chamber 1 while introducing a plasma gas, for example, Ar gas, into the chamber 1 from the plasma gas supply source 27 through the pipe 28 and the plasma gas introduction member 26.
  • a plasma gas for example, Ar gas
  • a processing gas for example, an etching gas such as Cl 2 gas is discharged from the processing gas supply source 25 into the chamber 1 through the pipe 24 and the shower plate 20.
  • the discharged processing gas is excited by plasma that has passed through the space 23 of the shower plate 20 to be converted into plasma, and plasma processing, for example, etching processing is performed on the wafer W by the plasma of the processing gas.
  • the microwave power oscillated from the microwave oscillator 32 of the microwave output unit 30 is amplified by the amplifier 33 and then distributed to a plurality by the distributor 34.
  • the distributed microwave power is guided to the microwave supply unit 40.
  • the microwave power distributed in this way is individually amplified by the main amplifier 48 constituting the solid state amplifier, and is fed to the waveguide 44 of the microwave radiation mechanism 43 to be guided. It reaches the antenna section through the waveguide 44.
  • the microwave is transmitted as a surface wave through the slow wave member 82, transmitted through the slot 131 of the planar slot antenna 81, further transmitted through the dielectric member 110 b of the top plate 110, and the dielectric member 110 b in contact with the plasma.
  • the surface wave is transmitted, and surface wave plasma is generated in the space in the chamber 1 by this surface wave.
  • a slot antenna is known as a microwave radiation means.
  • the length of a longitudinal slot is set to an integral multiple of a half wavelength of the effective wavelength of the microwave + ⁇ ′ ( ⁇ It is known that when ′ is a fine adjustment component (including 0), the radiation efficiency is maximized.
  • the slot length will be shorter than the cutoff wavelength, and increasing the slot antenna will attenuate the microwave, so it is important to make it as thin as possible It is.
  • the slot length is 30.5 mm (half wavelength of effective wavelength in 2.45 GHz microwave)
  • TE10 waves are transmitted in the slot.
  • the cut-off wavelength is 61 mm, and the 2.45 GHz microwave cannot be transmitted and is attenuated.
  • FIG. 9 shows a result of simulating electromagnetic field characteristics in the microwave radiation into the plasma and the microwave radiation into the dielectric.
  • the dielectric constant of plasma can be approximately expressed by the following equation.
  • ⁇ is the frequency of the microwave
  • ⁇ pe is the vibration frequency of the electrons in the plasma.
  • Electromagnetic wave number in the plasma so is represented by the following formula, when the kappa p takes a negative value, the electromagnetic wave can not be propagated in the plasma, i.e. it can be seen that is totally reflected.
  • plasma heating is caused by resonance between an electron plasma wave generated in the vicinity of the total reflection surface and an electromagnetic wave radiated from the slot.
  • the electrons in the plasma can have greater thermal energy.
  • This wave has an electric field in a component parallel to the traveling direction (longitudinal wave), which is called an electron plasma wave. Since it resonates with the electromagnetic wave radiated from the slot, the electron plasma wave can absorb power with maximum efficiency.
  • the energy of the electron plasma wave is converted as electron energy by Landau attenuation, and the electrons can efficiently obtain energy.
  • the energy transmission of the radiated electromagnetic waves to the electrons is performed by an evanescent wave into the plasma due to dielectric loss. Since there is a plasma dielectric loss, that is, a resistance component at the interface between the plasma and the dielectric member 110b, there is an electric field component at the interface even though it is small. It becomes.
  • the surface current at the interface between the plasma and the dielectric member 110b flows in the radial direction, unlike the case where it radiates into the dielectric, and closes at the entrance of the slot 131 (including the slow wave material 82). A circuit will be formed.
  • the current flowing in the closed circuit consists of a surface current and a displacement current.
  • the current passes through the slow wave member 82 and reaches the slot 131 of the planar slot antenna 81, passes through the inner wall of the slot 131, passes through the dielectric member 110b, and is plasma and dielectric. Flows from the outside toward the center of the interface with the body member 110b (the surface of the dielectric member 110b), passes through the dielectric member 110b from the center, and then passes through the interface between the dielectric member 110b and the planar slot antenna 81. A closed circuit C is reached, reaching 131 and passing through the slow wave material 82 through the inner wall of the slot 131.
  • the inside of the slot acts not as a transmission line but as a part of the antenna. Therefore, it is not necessary to make the slot as thin as possible as in the case of radiating microwaves to a dielectric such as in the air.
  • this closed circuit since this closed circuit includes the plasma surface, it greatly contributes to energy transfer to the plasma. Therefore, it is important to flow as much surface current as possible in this closed circuit in order to increase the energy transfer efficiency to the plasma.
  • the surface current of the closed circuit becomes maximum when the total length is approximately an integral multiple of the microwave wavelength ⁇ 0 (resonance condition).
  • the length of the closed circuit is n ⁇ 0 ⁇ ⁇ (n)
  • ⁇ is a positive integer
  • ⁇ is a fine adjustment component (including 0).
  • the value of ⁇ is determined so as to obtain a sufficient surface current, and is about 25 mm or less. For example, when the frequency f is 860 MHz, ⁇ 0 ⁇ 349 mm.
  • the central value of the length of the closed circuit C is about 350 mm, and the preferable length of the closed circuit C is 350 mm ⁇ 25 mm.
  • the thickness of the slot 131 is about 30 mm.
  • the input microwave power is separated into that absorbed by the plasma and the others absorbed by the other (wall surface of chamber 1, surface of planar slot antenna 81, dielectric).
  • the surface current can be increased, the energy transfer efficiency is high, that is, the plasma absorption efficiency is high, the electron generation efficiency is high, and the electron density increase rate when the input power is increased. Can be high. This can also reduce the power absorbed by other than the plasma, and suppress the temperature rise of the planar slot antenna 81 and the chamber 1.
  • the length of the closed circuit is not limited by the conventional common sense that the thickness of the slot 131 (that is, the thickness of the slot antenna) should be thin, regardless of the thickness of the slot 131.
  • n ⁇ 0 ⁇ ⁇ it is possible to increase the plasma density increase rate when the input power is increased.
  • the slow wave member 82 and the dielectric member 110b made of a dielectric material such as quartz are thickened, various modes are generated and the plasma becomes unstable or plasma ignition becomes difficult to generate the plasma itself.
  • the thickness of the slot 131 is relatively increased while the retardation member 82 and the dielectric member 110b are relatively thin so as not to cause such inconvenience.
  • the length of the closed circuit can be set to n ⁇ 0 ⁇ ⁇ .
  • the result is shown in FIG.
  • the one having a slot thickness of 1 mm is a conventional example, and the length of the closed circuit C is about 294 mm.
  • the length of the closed circuit C is about 332 mm
  • the length of the closed circuit C is about 352 mm.
  • FIG. 11 shows the relationship between the dielectric constant ( ⁇ p) of the plasma corresponding to the electron density and the microwave radiation efficiency.
  • FIG. 11 shows an increase in the absolute value of the relative dielectric constant of the plasma, that is, an increase in the electron density.
  • the radiation efficiency is slightly reduced when the slot thickness is 1 mm, whereas the radiation efficiency increases when the slot thickness is 20 mm, and the electron density increases when the slot thickness is 30 mm. It can be seen that the radiation efficiency is further increased.
  • the antenna unit includes an antenna in which slots for radiating microwaves are formed, and a dielectric member that transmits microwaves radiated from the antennas and forms surface waves on the surface thereof. And a closed circuit through which surface current and displacement current flow, including the slot inner wall and the surface and inside of the dielectric member, and the length of the closed circuit is ⁇ 0 as the wavelength of the microwave And n ⁇ 0 ⁇ ⁇ (where n is a positive integer and ⁇ is a fine adjustment component (including 0)). For this reason, the surface current in the antenna portion can be increased regardless of the thickness of the slot. Further, since the plasma absorption efficiency is high, the rate of increase in electron density when the input power is increased can be increased.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the idea of the present invention.
  • the configuration of the microwave output unit 30 and the microwave supply unit 40 is not limited to the above embodiment, and for example, directivity control of microwaves radiated from an antenna is performed or circular polarization is performed. If it is not necessary to do so, the phaser is not necessary.
  • the microwave radiation mechanism 43 the slow wave material 82 is not essential.
  • microwave radiation mechanism In the above embodiment, an example in which a plurality of microwave radiation mechanisms are provided has been described. However, one microwave radiation mechanism may be provided.
  • the etching processing apparatus is exemplified as the plasma processing apparatus.
  • the present invention is not limited to this and can be used for other plasma processing such as film formation processing, oxynitride film processing, and ashing processing.
  • the substrate to be processed is not limited to the semiconductor wafer W, and may be another substrate such as an FPD (flat panel display) substrate typified by a substrate for LCD (liquid crystal display) or a ceramic substrate.

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Abstract

　マイクロ波放射機構（４３）は、マイクロ波を伝送する伝送路（４４）と、マイクロ波伝送路（４４）を伝送されてきたマイクロ波をチャンバ（１）内に放射するアンテナ部（４５）とを有し、アンテナ部（４５）は、マイクロ波を放射するスロット（１３１）が形成されたアンテナ（８１）と、アンテナ（８１）から放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材（１１０ｂ）とを有し、かつ、少なくともスロット（１３１）内壁および誘電体部材（１１０ｂ）の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路（Ｃ）を有し、閉回路（Ｃ）の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする。

Description

マイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源および表面波プラズマ処理装置
　本発明は、マイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源および表面波プラズマ処理装置に関する。
　プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。
　ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、生成されるプラズマの電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。
　そこで、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial　Line　Slot　Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。
　ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、表面波プラズマ発生用のアンテナとしてチャンバの上部に所定のパターンで複数のスロットが形成された平面スロットアンテナであるラジアルラインスロットアンテナ（Radial　Line　Slot　Antenna）を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバ内で表面波プラズマを生成し、これにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。
　また、マイクロ波を複数に分配し、上記のような平面スロットアンテナを有するマイクロ波放射機構を複数設け、それらから放射されたマイクロ波をチャンバ内に導きチャンバ内でマイクロ波を空間合成してプラズマを生成するプラズマ処理装置も提案されている（特許文献２）。
特開２０００－２９４５５０号公報 国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット
　ところで、このようなマイクロ波を放射して表面波プラズマを生成するプラズマ処理装置では、投入電力を増加させた場合のプラズマ密度（電子密度）の増加率が低くなることが判明した。つまり、プラズマ密度（電子密度）を上昇させようとして投入電力を増加させても電子密度が十分に増加しないことが判明した。
　したがって、本発明の目的は、投入電力を増加させた場合のプラズマ密度（電子密度）増加率を高くすることができるマイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源および表面波プラズマ処理装置を提供することにある。
　本発明の第１の観点によれば、チャンバ内に表面波プラズマを形成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波生成機構で生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射機構であって、筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナ部とを具備し、前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする、マイクロ波放射機構が提供される。
　この場合に、前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように前記スロットの厚さが規定されることが好ましい。また、前記スロットに誘電体を充填することができる。さらに、前記誘電体部材の厚さを相対的に薄く維持したまま、前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように、前記スロットの厚さが相対的に厚くされることが好ましい。
　本発明の第２の観点によれば、マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源であって、前記マイクロ波放射機構は、筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナ部とを具備し、前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする、マイクロ波プラズマ源が提供される。
　本発明の第３の観点によれば、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記チャンバ内の被処理基板に対して前記表面波プラズマにより処理を施す表面波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射機構は、筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナ部とを具備し、前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする、表面波プラズマ処理装置が提供される。
　上記第２の観点のマイクロ波プラズマ源および上記第３の観点の表面波プラズマ処理装置は、複数の前記マイクロ波放射機構を有するものとすることができる。
本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射機構を備えた表面波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１の表面波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図である。 マイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図である。 図１の表面波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波放射機構を示す縦断面図である。 マイクロ波放射機構の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図である。 チューナにおけるスラグと滑り部材を示す図４のＢＢ′線による横断面図である。 アンテナ部における表面電流および変位電流が流れる閉回路を説明するための図である。 平面スロットアンテナのスロット形状の一例を示す平面図である。 プラズマ中へのマイクロ波の放射と誘電体中へのマイクロ波の放射における電磁界特性をシミュレーションした結果を示す図である。 平面スロットアンテナのスロット厚さをそれぞれ３０ｍｍ、２０ｍｍ、１ｍｍとした場合のマイクロ波電力と電子密度との関係を示す図である。 平面スロットアンテナのスロット厚さをそれぞれ３０ｍｍ、２０ｍｍ、１ｍｍとした場合のプラズマの誘電率とマイクロ波の放射効率との関係を示す図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　＜表面波プラズマ処理装置の構成＞
　図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ波放射機構を有する表面波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２は図１の表面波プラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図、図３はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図である。
　表面波プラズマ処理装置１００は、ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源２はこの開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。
　チャンバ１内には被処理体である半導体ウエハＷ（以下ウエハＷと記述する）を水平に支持するためのサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。
　また、図示はしていないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。
　チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内を所定の真空度まで高速に減圧させることが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。
　チャンバ１内のサセプタ１１の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハＷに向けて吐出するシャワープレート２０が水平に設けられている。このシャワープレート２０は、格子状に形成されたガス流路２１と、このガス流路２１に形成された多数のガス吐出孔２２とを有しており、格子状のガス流路２１の間は空間部２３となっている。このシャワープレート２０のガス流路２１にはチャンバ１の外側に延びる配管２４が接続されており、この配管２４には処理ガス供給源２５が接続されている。
　一方、チャンバ１のシャワープレート２０の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材２６がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材２６には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材２６には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源２７が配管２８を介して接続されている。プラズマ生成ガスとしてはＡｒガスなどが好適に用いられる。処理ガスとしては、通常用いられるエッチングガス、例えばＣｌ２ガス等を用いることができる。
　プラズマガス導入部材２６からチャンバ１内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源２からチャンバ１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このプラズマがシャワープレート２０の空間部２３を通過しシャワープレート２０のガス吐出孔２２から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。なお、プラズマガスと処理ガスとを同一の供給部材で供給してもよい。
　マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持された天板１１０を有しており、支持リング２９と天板１１０との間は気密にシールされている。図２に示すように、マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送しチャンバ１内に放射するためのマイクロ波供給部４０とを有している。
　マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。
　マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、９１５ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、９１５ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚから３ＧＨｚを用いることができる。
　マイクロ波供給部４０は、分配器３４にて分配されたマイクロ波をチャンバ１内へ導く複数のアンテナモジュール４１を有している。各アンテナモジュール４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部４２と、マイクロ波放射機構４３とを有している。また、マイクロ波放射機構４３は、インピーダンスを整合させるためのチューナ６０と、増幅されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４５とを有している。そして、各アンテナモジュール４１におけるマイクロ波放射機構４３のアンテナ部４５からチャンバ１内へマイクロ波が放射されるようになっている。図３に示すように、マイクロ波供給部４０は、アンテナモジュール４１を７個有しており、各アンテナモジュール４１のマイクロ波放射機構４３が、円周状に６個およびその中心に１個、円形をなす天板１１０の上に配置されている。
　天板１１０は、真空シールおよびマイクロ波透過板として機能し、金属製のフレーム１１０ａと、そのフレーム１１０ａに嵌め込まれ、マイクロ波放射機構４３が配置されている部分に対応するように設けられた石英等の誘電体からなる誘電体部材１１０ｂとを有している。
　アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。
　位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うアンテナモジュールにおいて９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設ける必要はない。
　可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度調整するためのアンプである。可変ゲインアンプ４７を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。
　ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。
　アイソレータ４９は、アンテナ部４５で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ部４５で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。
　次に、図４～８を参照して、マイクロ波放射機構４３について説明する。図４はマイクロ波放射部４３およびマイクロ波放射アンテナ４５を示す断面図、図５はマイクロ波放射部４３の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図、図６はマイクロ波放射部４３のチューナ６０におけるスラグと滑り部材を示す図４のＢＢ′線による横断面図、図７はアンテナ部における表面電流および変位電流が流れる閉回路を説明するための図、図８は平面スロットアンテナのスロット形状の一例を示す平面図である。
　図４に示すように、マイクロ波放射機構４３は、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路（マイクロ波伝送路）４４と、導波路４４を伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４５とを有している。そして、マイクロ波放射機構４３からチャンバ１内に放射されたマイクロ波がチャンバ１内の空間で合成され、チャンバ１内で表面波プラズマが形成されるようになっている。
　導波路４４は、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されており、導波路４４の先端にアンテナ部４５が設けられている。導波路４４は、内側導体５３が給電側、外側導体５２が接地側となっている。外側導体５２および内側導体５３の上端は反射板５８となっている。
　導波路４４の基端側にはマイクロ波（電磁波）を給電する給電機構５４が設けられている。給電機構５４は、導波路４４（外側導体５２）の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート５５を有している。マイクロ波電力導入ポート５５には、アンプ部４２から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸線路５６が接続されている。そして、同軸線路５６の内側導体５６ａの先端には、外側導体５２の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ９０が接続されている。
　給電アンテナ９０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン（登録商標）等の誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５ＧＨｚ等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ９０から反射板５８までの距離を最適化し、給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造の導波路４４内に伝送させる。
　給電アンテナ９０は、図５に示すように、マイクロ波電力導入ポート５５において同軸線路５６の内側導体５６ａに接続され、電磁波が供給される第１の極９２および供給された電磁波を放射する第２の極９３を有するアンテナ本体９１と、アンテナ本体９１の両側から、内側導体５３の外側に沿って延び、リング状をなす反射部９４とを有し、アンテナ本体９１に入射された電磁波と反射部９４で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。アンテナ本体９１の第２の極９３は内側導体５３に接触している。
　給電アンテナ９０がマイクロ波（電磁波）を放射することにより、外側導体５２と内側導体５３との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構５４に供給されたマイクロ波電力がアンテナ部４５に向かって伝播する。
　また、導波路４４にはチューナ６０が設けられている。チューナ６０は、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものであり、外側導体５２と内側導体５３との間を上下に移動する２つのスラグ６１ａ，６１ｂと、反射板５８の外側（上側）に設けられたスラグ駆動部７０とを有している。
　これらスラグのうち、スラグ６１ａはスラグ駆動部７０側に設けられ、スラグ６１ｂはアンテナ部４５側に設けられている。また、内側導体５３の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の２本のスラグ移動軸６４ａ，６４ｂが設けられている。
　図６に示すように、スラグ６１ａは、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材６３が嵌め込まれている。滑り部材６３にはスラグ移動軸６４ａが螺合するねじ穴６５ａとスラグ移動軸６４ｂが挿通される通し穴６５ｂが設けられている。一方、スラグ６１ｂは、スラグ６１ａと同様、ねじ穴６５ａと通し穴６５ｂとを有しているが、スラグ６１ａとは逆に、ねじ穴６５ａはスラグ移動軸６４ｂに螺合され、通し穴６５ｂにはスラグ移動軸６４ａが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸６４ａを回転させることによりスラグ６１ａが昇降移動し、スラグ移動軸６４ｂを回転させることによりスラグ６１ｂが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと滑り部材６３とからなるねじ機構によりスラグ６１ａ，６１ｂが昇降移動される。
　内側導体５３には長手方向に沿って等間隔に３つのスリット５３ａが形成されている。一方、滑り部材６３は、これらスリット５３ａに対応するように３つの突出部６３ａが等間隔に設けられている。そして、これら突出部６３ａがスラグ６１ａ，６１ｂの内周に当接した状態で滑り部材６３がスラグ６１ａ，６１ｂの内部に嵌め込まれる。滑り部材６３の外周面は、内側導体５３の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂが回転されることにより、滑り部材６３が内側導体５３を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体５３の内周面がスラグ６１ａ，６１ｂの滑りガイドとして機能する。
　滑り部材６３を構成する樹脂材料としては、良好な滑り性を有し、加工が比較的容易な樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を好適なものとして挙げることができる。
　上記スラグ移動軸６４ａ，６４ｂは、反射板５８を貫通してスラグ駆動部７０に延びている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと反射板５８との間にはベアリング（図示せず）が設けられている。また、内側導体５３の下端には、導体からなる底板６７が設けられている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端は、駆動時の振動を吸収するために、通常は開放端となっており、これらスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端から２～５ｍｍ程度離隔して底板６７が設けられている。なお、この底板６７を軸受け部としてスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端をこの軸受け部にて軸支させてもよい。
　スラグ駆動部７０は筐体７１を有し、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂは筐体７１内に延びており、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂの上端には、それぞれ歯車７２ａおよび７２ｂが取り付けられている。また、スラグ駆動部７０には、スラグ移動軸６４ａを回転させるモータ７３ａと、スラグ移動軸６４ｂを回転させるモータ７３ｂが設けられている。モータ７３ａの軸には歯車７４ａが取り付けられ、モータ７３ｂの軸には歯車７４ｂが取り付けられており、歯車７４ａが歯車７２ａに噛合し、歯車７４ｂが歯車７２ｂに噛合するようになっている。したがって、モータ７３ａにより歯車７４ａおよび７２ａを介してスラグ移動軸６４ａが回転され、モータ７３ｂにより歯車７４ｂおよび７２ｂを介してスラグ移動軸６４ｂが回転される。なお、モータ７３ａ，７３ｂは例えばステッピングモータである。
　なお、スラグ移動軸６４ｂはスラグ移動軸６４ａよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車７２ａおよび７２ｂの位置が上下にオフセットしており、モータ７３ａおよび７３ｂも上下にオフセットしているので、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースが小さく、筐体７１が外側導体５２と同じ径となっている。
　モータ７３ａおよび７３ｂの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ６１ａおよび６１ｂの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ７５ａおよび７５ｂが設けられている。
　スラグ６１ａおよび６１ｂの位置は、スラグコントローラ６８により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ７５ａおよび７５ｂにより検知されたスラグ６１ａおよび６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ６８がモータ７３ａおよび７３ｂに制御信号を送り、スラグ６１ａおよび６１ｂの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ６８は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。
　アンテナ部４５は、マイクロ波放射アンテナとして機能する、平面状をなしスロット１３１を有する平面スロットアンテナ８１と、平面スロットアンテナ８１の上面に設けられた遅波材８２と、平面スロットアンテナ８１の先端側に設けられた天板１１０の誘電体部材１１０ｂとを有している。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通しており、底板６７と平面スロットアンテナ８１とを接続している。したがって、内側導体５３が底板６７および円柱部材８２ａを介して平面スロットアンテナ８１に接続されている。なお、外側導体５２の下端は平面スロットアンテナ８１まで延びており、遅波材８２の周囲は外側導体５２で覆われている。また、平面スロットアンテナ８１の周囲は被覆導体８４により覆われている。
　遅波材８２および誘電体部材１１０ｂは、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材８２は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、天板１１０と平面スロットアンテナ８１の接合部が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ８１の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。
　天板１１０は誘電体部材１１０ｂがフレーム１１０ａに嵌め込まれて構成されており、誘電体部材１１０ｂは平面スロットアンテナ８１に接するように設けられている。そして、メインアンプ４８で増幅されたマイクロ波が内側導体５３と外側導体５２の周壁の間の導波路４４を通ってアンテナ部４５に至る。アンテナ部４５では、マイクロ波が表面波として遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１を伝送され、さらに天板１１０の誘電体部材１１０ｂを透過し、プラズマに接する誘電体部材１１０ｂの表面を伝送され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。
　平面スロットアンテナ８１は、図７に示すアンテナ部４５の表面電流および変位電流が流れる閉回路Ｃの長さが、マイクロ波の波長をλ０としたときに、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるように、その厚さ（スロット１３１の厚さ）が規定される。δの値は、十分な表面電流が得られるように決定され、２５ｍｍ以下程度である。例えば、周波数ｆ＝８６０ＭＨｚの場合、λ０≒３４９ｍｍであるから、ｎ＝１とすると、閉回路Ｃの長さの中心値は約３５０ｍｍとなり、スロット１３１の厚さの最適値はこの長さから決定される。
　また、平面スロットアンテナ８１は、例えば図８に示すように、全体が円板状（平面状）をなすとともに、６個のスロット１３１が全体形状が円周状になるように形成されている。これらスロット１３１は全て同じ形状であり、円周に沿って細長い形状に形成されている。これらスロット１３１のうち隣接するもの同士の継ぎ目部分は、一方のスロット１３１の端部と他方のスロット１３１の端部とが内外で重なるように構成されている。すなわち、スロット１３１の中央部は、外側にある一方の端部と内側にある他方の端部を繋いだ状態となっており、６個のスロット１３１を内包する二点鎖線で示す円環領域１３２において外周と一致する一方の端部と内周と一致する他方の端部の間を斜めに結ぶようになっており、円周方向に隣接するスロットとスロットとの継ぎ目部分が、スロットに覆われるように構成され、周方向にスロットのない部分が存在しないようにしている。
　スロット１３１は、（λｇ／２）－δ′の長さを有する。ただし、λｇはマイクロ波の実効波長であり、δ′は円周方向（角度方向）に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分（０を含む）である。なお、スロット１３１の長さは約λｇ／２に限らず、λｇ／２の整数倍から微調整成分（０を含む）を引いたものであればよい。スロット１３１は、中央部と、その両側の一方の端部および他方の端部（オーバーラップ部分）とがほぼ均等な長さを有している。すなわち、中央部が（λｇ／６）－δ１、その両側の端部がそれぞれ（λｇ／６）－δ２および（λｇ／６）－δ３の長さとなる。ただし、δ１，δ２、δ３は円周方向（角度方向）に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分（０を含む）である。隣接するスロットがオーバーラップする部分の長さは等しいほうが好ましいので、δ２＝δ３であることが好ましい。本実施形態の場合、一つのスロット１３１の長さが約λｇ／２であり、それが６個であるから合計の長さが約３λｇである。そのうちオーバーラップ部分は（λｇ／６）×６＝λｇであり、全体の長さは２λｇとなるから、アンテナとしては、長さが約λｇ／２のスロットを円周状に４つ配置した従来のアンテナとほぼ等価なものとなる。スロット１３１は、その内周が、平面スロットアンテナ８１の中心から（λｇ／４）±δ″の位置になるように形成される。ただし、δ″は径方向の電界強度分布を均一にするために微調整する微調整成分（０を含む）である。なお、中心からスロット内周までの長さは約λｇ／４に限らず、λｇ／４の整数倍に微調整成分（０を含む）を加えたものであればよい。
　このような平面スロットアンテナ８１は、スロットとスロットの継ぎ目部分で電磁波強度が弱くなることを回避することができ、周方向（角度方向）のプラズマ均一性を良好にすることができる。
　ただし、スロットの数は６個に限らず、例えば３個から５個、また７個以上であっても同様の効果を得ることができる。また、平面スロットアンテナ８１のスロット形状は図８のものに限らず、例えば複数の円弧状のスロットが円周上に均等に形成されたものであってもよい。
　本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、平面スロットアンテナ８１とは近接配置している。そして、チューナ６０と平面スロットアンテナ８１とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつ平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、誘電体部材１１０ｂは合成抵抗が５０Ωに設定されているので、チューナ６０はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。
　スロット１３１には誘電体を充填してもよい。スロット１３１に誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロット全体の厚さ（平面スロットアンテナ８１の厚さ）を薄くすることができる。
　表面波プラズマ処理装置１００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部１２０により制御されるようになっている。制御部１２０は表面波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。
　＜表面波プラズマ処理装置の動作＞
　次に、以上のように構成される表面波プラズマ処理装置１００における動作について説明する。
　まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、プラズマガス供給源２７から配管２８およびプラズマガス導入部材２６を介してチャンバ１内にプラズマガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源２からマイクロ波をチャンバ１内に伝送して表面波プラズマを生成する。
　そして、処理ガス供給源２５から配管２４およびシャワープレート２０を介してチャンバ１内に処理ガス、例えばＣｌ２ガス等のエッチングガスが吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート２０の空間部２３を通過してきたプラズマにより励起されてプラズマ化し、この処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。
　上記表面波プラズマを生成するに際し、マイクロ波プラズマ源２では、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振されたマイクロ波電力がアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部４０へ導かれる。マイクロ波供給部４０においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力が、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８で個別に増幅され、マイクロ波放射機構４３の導波路４４に給電され、導波路４４を通ってアンテナ部に至る。アンテナ部４５では、マイクロ波が表面波として遅波材８２を透過し、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１を伝送され、さらに天板１１０の誘電体部材１１０ｂを透過し、プラズマに接する誘電体部材１１０ｂの表面を伝送され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。
　一般的に、スロットアンテナはマイクロ波放射手段として知られており、スロットアンテナの基本的な放射方法として、長手方向のスロットの長さをマイクロ波の実効波長の半波長の整数倍＋δ′（δ′は微調整成分（０を含む）である）にすると放射効率が最大となることが知られている。一方、マイクロ波を空気中に放射する場合、アンテナ構造によってはカットオフ波長よりもスロット長さが短くなり、スロットアンテナを厚くすると、マイクロ波を減衰させてしまうので、できる限り薄くすることが重要である。例えば、石英で挟まれた平面スロットアンテナを用い、そのスロット長さを３０．５ｍｍ（２．４５ＧＨのマイクロ波における実効波長の半波長）にした場合、スロット内ではＴＥ１０波が伝送するので、このスロットを導波管と見立てた場合のカットオフ波長は６１ｍｍとなり、２．４５ＧＨｚのマイクロ波は伝送できずに減衰する。この減衰を最小限にするため、導波路であるスロットの厚さを薄くすることが重要となるのである。したがって、本実施形態のような平面スロットアンテナ８１の場合にも、従来は厚さを１ｍｍ程度に薄くしていた。
　しかし、プラズマ中へマイクロ波を放射する場合には、空気のような誘電体中に放射する場合とは様相が異なる。プラズマ中へのマイクロ波の放射と誘電体中へのマイクロ波の放射における電磁界特性をシミュレーションした結果を図９に示す。外部固定磁場が無く、駆動周波数が中性粒子と電子の衝突周波数よりも大きい場合、プラズマの誘電率は、以下の式で近似的に表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　ここで、ωはマイクロ波の周波数であり、ωｐｅはプラズマ中の電子の振動周波数である。
　プラズマ中の電磁波の波数は、以下の式で表されるので、κｐが負の値をとるときは、電磁波はプラズマ中を伝播することができなくなる、すなわち全反射されることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　プラズマの加熱（電力吸収）はこの全反射面の近傍に生じる電子プラズマ波とスロットから放射される電磁波の共振によると考えられている。電磁波放射位置に極めて近く、電界の強い領域では、プラズマ中の電子はより大きな熱エネルギーを持つことができる。その状況において、熱エネルギーと電界エネルギーのエネルギー交換による波が存在することができる。この波は進行方向に平行な成分に電界を持ち（縦波であり）、これが電子プラズマ波と呼ばれるものである。それが、スロットから放射される電磁波と共振することで、電子プラズマ波は最大効率で電力を吸収することができる。その電子プラズマ波のエネルギーはランダウ減衰により電子のエネルギーとして転化され、電子は効率的にエネルギーを得ることができる。一方、駆動周波数が中性粒子と電子の衝突周波数よりも小さい場合は、放射電磁波の電子へのエネルギー伝達は、誘電損失によるプラズマ中へのエバネッセント波によって行われる。プラズマと誘電体部材１１０ｂとの界面では、プラズマ誘電損失、つまり抵抗成分があるので、界面にも小さいながら電界成分は存在するが、マイクロ波回路上ではショート終端に近くなるので、垂直成分が主となる。また、プラズマと誘電体部材１１０ｂとの界面での表面電流は、誘電体中へ放射する場合とは異なり、径方向に流れることになり、スロット１３１の入り口（遅波材８２を含む）と閉回路を形成することとなる。閉回路に流れる電流は、表面電流と変位電流からなる。金属表面を流れる場合が、表面電流であり、誘電体中を流れる場合は変位電流となる。具体的には、電流は、図７に示すように、遅波材８２を透過して平面スロットアンテナ８１のスロット１３１に至り、スロット１３１内壁を通って誘電体部材１１０ｂを透過し、プラズマと誘電体部材１１０ｂとの界面（誘電体部材１１０ｂの表面）を外側から中心に向けて流れ、中心から誘電体部材１１０ｂを透過した後、誘電体部材１１０ｂと平面スロットアンテナ８１との界面を通ってスロット１３１に至り、スロット１３１内壁を通って遅波材８２を透過するといった閉回路Ｃとなる。つまり、プラズマ中へマイクロ波を放射する場合、スロット内部は伝送路としてではなく、アンテナの一部として作用するのである。したがって、空気中のような誘電体にマイクロ波を放射する場合のように、スロットをできるだけ薄くする必要はない。一方、この閉回路にはプラズマ表面も含まれるため、プラズマへのエネルギー伝達に大きく寄与する。したがって、この閉回路に表面電流をできるだけ多く流すことがプラズマへのエネルギー伝達効率を高める上で重要となる。この閉回路の表面電流が最大となるのは、その全長がおよそマイクロ波の波長λ０の整数倍のとき（共振条件）である。ただし、この閉回路の全長がマイクロ波の波長λ０の整数倍から多少ずれていても表面電流を多くすることができることから、本実施形態では上記閉回路の長さがｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるように、スロット１３１の厚さ（すなわち平面スロットアンテナ８１の厚さ）を規定する。上述したように、δの値は、十分な表面電流が得られるように決定され、２５ｍｍ以下程度である。例えば、周波数ｆ＝８６０ＭＨｚの場合、λ０≒３４９ｍｍであるから、ｎ＝１とすると、閉回路Ｃの長さの中心値は約３５０ｍｍであり、好ましい閉回路Ｃの長さは３５０ｍｍ±２５ｍｍとなり、中心値である３５０ｍｍの場合のスロット１３１の厚さは約３０ｍｍとなる。上述したように、プラズマ中にマイクロ波を放射する場合には、スロット１３１の厚さがこのように厚くても問題はない。
　プラズマ着火後、インピーダンスが整合した状態において、投入されるマイクロ波電力はプラズマへ吸収されるものとそれ以外（チャンバ１の壁面、平面スロットアンテナ８１の表面、誘電体）で吸収されるものに分別することができ、プラズマへ吸収されるものの比率を上げることが電子生成効率を向上させる上で重要である。本実施形態では上述したように表面電流を大きくすることができ、エネルギー伝達効率が高い、つまりプラズマの吸収効率が高いので、電子生成効率が高く、投入電力を増加させた場合の電子密度増加率を高くすることができる。また、これにより、プラズマ以外で吸収される電力を減少させることができ、平面スロットアンテナ８１やチャンバ１の温度上昇を抑えることができる。
　このように、本実施形態では、スロット１３１の厚さ（すなわちスロットアンテナの厚さ）は薄いほうがよいという従来の常識にとらわれることなく、スロット１３１の厚さに拘わらず、閉回路の長さがｎλ０±δとなるようにすることにより、投入電力を増加させた場合のプラズマ密度増加率を高くすることができる。石英のような誘電体材料からなる遅波材８２および誘電体部材１１０ｂが厚くなると、種々のモードが発生し、プラズマが不安定となってしまうか、またはプラズマ着火が難しくなり、プラズマ自体を生成できなくなってしまうが、本実施形態では、このような不都合が生じないように遅波材８２および誘電体部材１１０ｂを相対的に薄くしたまま、スロット１３１の厚さを相対的に厚くすることで、閉回路の長さをｎλ０±δとすることができる。
　次に、平面スロットアンテナのスロットの厚さをそれぞれ１ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍとしたマイクロ波放射機構を用い、マイクロ波の周波数を８６０ＭＨｚとし、マイクロ波電力を変化させてプラズマを生成した場合の電子密度を測定した。その結果を図１０に示す。これらのうちスロット厚さが１ｍｍのものは従来例であり、閉回路Ｃの長さが約２９４ｍｍである。また、スロットの厚さが２０ｍｍでは閉回路Ｃの長さが約３３２ｍｍであり、スロットの厚さが３０ｍｍでは閉回路Ｃの長さが約３５２ｍｍとなる。周波数ｆ＝８６０ＭＨｚでは、λ０≒３４９ｍｍであるから、スロット厚さが２０ｍｍのものもスロット厚さが３０ｍｍのものも閉回路Ｃの長さがλ０±δを満たし、スロット厚さが３０ｍｍのほうがより共振条件（閉回路Ｃの長さ＝λ０）に近づく。このため、この図に示すように、スロット厚が１ｍｍの場合よりも閉回路Ｃの長さがｎλ０±δを満たすスロット厚が２０ｍｍおよび３０ｍｍの場合のほうが電子密度の増加率を高くすることができ、スロット厚が３０ｍｍのほうが２０ｍｍの場合よりも電子密度の増加率を高くすることができる。
　また、図１１に、これらについて、電子密度に相当するプラズマの誘電率（κｐ）とマイクロ波放射効率との関係を示すが、プラズマの比誘電率の絶対値の増大、つまり電子密度の増大にともない、スロット厚が１ｍｍの場合には放射効率がやや低下しているのに対し、スロット厚が２０ｍｍの場合には放射効率が増大し、スロット厚が３０ｍｍの場合には電子密度の増大にともなって放射効率が一層増大することがわかる。
　以上のように、本実施形態では、アンテナ部を、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、かつ、スロット内壁および誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにした。このため、スロットの厚さにかかわらず、アンテナ部における表面電流を大きくすることができる。また、プラズマの吸収効率が高いので、投入電力を増加した場合の電子密度増加率を高くすることができる。
　＜他の適用＞
　なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、マイクロ波出力部３０やマイクロ波供給部４０の構成等は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、アンテナから放射されるマイクロ波の指向性制御を行ったり円偏波にしたりする必要がない場合には、位相器は不要である。また、マイクロ波放射機構４３において、遅波材８２は必須ではない。
　また、上記実施形態では複数のマイクロ波放射機構を設けた例について示したが、マイクロ波放射機構は一個であってもよい。
　さらに、上記実施形態においては、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸窒化膜処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。さらに、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。
　１；チャンバ、２；マイクロ波プラズマ源、１１；サセプタ、１２；支持部材、１５；排気管、１６；排気装置、１７；搬入出口、２０；シャワープレート、３０；マイクロ波出力部、３１；マイクロ波電源、３２；マイクロ波発振器、４０；マイクロ波供給部、４１；アンテナモジュール、４２；アンプ部、４３；マイクロ波放射機構、４４；導波路、４５；アンテナ部、５２；外側導体、５３；内側導体、５４；給電機構、５５；マイクロ波電力導入ポート、５６；同軸線路、５８；反射板、６０；チューナ、８１；平面スロットアンテナ、８２；遅波材、１００；表面波プラズマ処理装置、１１０；天板、１１０ｂ；誘電体部材、１２０；制御部、１３１；スロット、Ｃ；閉回路、Ｗ；半導体ウエハ

Claims (14)

  1. 　チャンバ内に表面波プラズマを形成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波生成機構で生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射機構であって、
    　筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、
    　前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナ部と
    を具備し、
    　前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする、マイクロ波放射機構。
  2. 　前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように前記スロットの厚さが規定される、請求項１に記載のマイクロ波放射機構。
  3. 　前記スロットには誘電体が充填されている、請求項１に記載のマイクロ波放射機構。
  4. 　前記誘電体部材の厚さを相対的に薄く維持したまま、前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように、前記スロットの厚さが相対的に厚くされる、請求項１に記載のマイクロ波放射機構。
  5. 　マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源であって、
    　前記マイクロ波放射機構は、
    　筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、
    　前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナ部と
    を具備し、
    　前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする、マイクロ波プラズマ源。
  6. 　複数の前記マイクロ波放射機構を有する、請求項５に記載のマイクロ波プラズマ源。
  7. 　前記マイクロ波放射機構は、前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように前記スロットの厚さが規定される、請求項５に記載のマイクロ波プラズマ源。
  8. 　前記マイクロ波放射機構の前記スロットには誘電体が充填されている、請求項５に記載のマイクロ波プラズマ源。
  9. 　前記マイクロ波放射機構において、前記誘電体部材の厚さを相対的に薄く維持したまま、前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように、前記スロットの厚さが相対的に厚くされる、請求項５に記載のマイクロ波プラズマ源。
  10. 　被処理基板を収容するチャンバと、
    　前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、
    　マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構および生成されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するマイクロ波放射機構を有し、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して前記チャンバ内に供給されたガスによる表面波プラズマを生成するマイクロ波プラズマ源と
    を具備し、
    　前記チャンバ内の被処理基板に対して前記表面波プラズマにより処理を施す表面波プラズマ処理装置であって、
    　前記マイクロ波放射機構は、
    　筒状をなす外側導体とその中に同軸的に設けられた内側導体とを有しマイクロ波を伝送する伝送路と、
    　前記マイクロ波伝送路を伝送されてきたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するアンテナ部と
    を具備し、
    　前記アンテナ部は、マイクロ波を放射するスロットが形成されたアンテナと、前記アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、その表面に表面波が形成される誘電体部材とを有し、かつ、少なくとも前記スロット内壁および前記誘電体部材の表面および内部を含む、表面電流および変位電流が流れる閉回路を有し、前記閉回路の長さが、マイクロ波の波長をλ０とした場合に、ｎλ０±δ（ｎは正の整数、δは微調整成分（０を含む）である）となるようにする、表面波プラズマ処理装置。
  11. 　前記マイクロ波プラズマ源は、複数の前記マイクロ波放射機構を有する、請求項１０に記載の表面波プラズマ処理装置。
  12. 　前記マイクロ波放射機構は、前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように前記スロットの厚さが規定される、請求項１０に記載の表面波プラズマ処理装置。
  13. 　前記マイクロ波放射機構の前記スロットには誘電体が充填されている、請求項１０に記載の表面波プラズマ処理装置。
  14. 　前記マイクロ波放射機構において、前記誘電体部材の厚さを相対的に薄く維持したまま、前記閉回路の長さがｎλ０±δとなるように、前記スロットの厚さが相対的に厚くされる、請求項１０に記載の表面波プラズマ処理装置。
     
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