WO2013145916A1 - マイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置 - Google Patents

マイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置 Download PDF

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WO2013145916A1
WO2013145916A1 PCT/JP2013/053583 JP2013053583W WO2013145916A1 WO 2013145916 A1 WO2013145916 A1 WO 2013145916A1 JP 2013053583 W JP2013053583 W JP 2013053583W WO 2013145916 A1 WO2013145916 A1 WO 2013145916A1
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WO
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microwave
antenna
plasma
chamber
surface wave
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PCT/JP2013/053583
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池田　太郎
智仁 小松
河西　繁
淳 中込
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東京エレクトロン株式会社
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    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
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    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/463—Microwave discharges using antennas or applicators

Definitions

  • the present invention relates to a microwave radiation antenna, a microwave plasma source, and a 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 Slot Antenna microwave plasma processing apparatus that can uniformly form a high-density, low electron temperature surface wave plasma has attracted attention (for example, Patent Document 1).
  • the RLSA microwave plasma processing apparatus is a radial line slot antenna that is a planar slot antenna in which a plurality of slots are formed in a predetermined pattern on the upper part of a chamber as a microwave radiation antenna that radiates microwaves for generating surface wave plasma (Radial Line Slot Antenna) is provided, and the microwave guided from the microwave generation source is radiated from the slot of the antenna, and is held in a vacuum through a microwave transmission plate made of a dielectric material provided below the antenna slot.
  • the surface wave plasma is generated in the chamber by this microwave electric field, and the object to be processed such as a semiconductor wafer is processed thereby.
  • a plurality of microwave radiating portions having a planar slot antenna, which is a microwave radiating antenna as described above, are provided, and the microwave radiated from the planar slot antenna is guided into the chamber.
  • a plasma processing apparatus that generates plasma by spatially synthesizing microwaves has also been proposed (Patent Document 2).
  • the microwave is introduced from the top wall of the chamber, whereas the processing gas is supplied from the side wall of the chamber or a shower plate provided in the chamber.
  • the shower plate must be made of plasma-resistant quartz, but since microwaves pass through the quartz, the gas becomes plasma in the gas holes of the shower plate, resulting in loss of microwave power and abnormal discharge. There is an inconvenience.
  • a microwave radiation antenna made of metal (conductor) is used as a shower structure having gas holes, and the microwave and gas are introduced from the same portion.
  • the gas is radiated from the metal microwave radiation antenna, the gas is discharged without being influenced by the microwave due to the presence of the shower plate, and the metal surface wave plasma is applied to the surface of the planar slot antenna. Can be formed.
  • an object of the present invention is to provide a microwave radiation antenna, a microwave plasma source, and a plasma capable of supplying a microwave and a processing gas from the microwave radiation antenna to form a highly uniform surface wave plasma on the surface thereof. It is to provide a processing apparatus.
  • a microwave radiating antenna that radiates the inside of a chamber, wherein an antenna body made of a conductor, a plurality of slots that radiate microwaves provided in the antenna body, and a processing gas provided in the antenna body A plurality of gas discharge holes for discharging into the chamber, a metal surface wave is formed on the surface by the microwave, surface wave plasma is generated by the metal surface wave, and at least the metal surface of the antenna body
  • a microwave radiating antenna is provided that is configured to be partially galvanically isolated from the surface wave plasma.
  • At least a part of the surface of the antenna body can be insulated by covering it with a dielectric layer having a thickness capable of maintaining a metal surface wave.
  • the thickness of the dielectric layer is preferably ⁇ / 7 or less, where ⁇ is the wavelength of the microwave in vacuum.
  • the dielectric layer may be a film formed by a film forming technique, or may be formed of a dielectric thin plate.
  • the dielectric thin plate has a metal film having a pattern excluding the slots and the gas discharge holes on a part of the surface facing the antenna body.
  • the plurality of slots are arranged circumferentially on the surface of the antenna body, and the metal film is located within a range corresponding to the outer diameter of the slot from the center of the dielectric thin plate. It is preferable to be provided.
  • the antenna main body may be galvanically insulated from the chamber.
  • a microwave plasma source that generates surface wave plasma by radiating microwaves into a chamber of a plasma processing apparatus, and generates and outputs a microwave.
  • a microwave supply unit for supplying the microwave output from the microwave output unit into the chamber, wherein the microwave supply unit receives the microwave output from the microwave output unit.
  • the microwave radiation antenna includes an antenna main body made of a conductor, and a plurality of microwave radiators provided on the antenna main body. And a plurality of gas discharge holes provided in the antenna body for discharging a processing gas into the chamber.
  • a metal surface wave is formed on the surface, and a surface wave plasma is generated by the metal surface wave, and at least a part of the metal surface of the antenna body is galvanically insulated from the surface wave plasma.
  • a microwave plasma source is provided.
  • a microwave plasma source that forms a surface wave plasma by radiating a microwave into the chamber for accommodating a substrate to be processed, a gas supply mechanism for supplying a processing gas, and the chamber.
  • the microwave plasma source includes a microwave output unit that generates and outputs a microwave, and a microwave supply unit that supplies the microwave output from the microwave output unit into the chamber
  • the microwave supply section includes a transmission path for transmitting the microwave output from the microwave output section, and a microwave radiation antenna for radiating the microwave into the chamber, and the microwave radiation antenna.
  • a plasma processing apparatus that generates surface wave plasma by a gas supplied from the gas supply mechanism by using a metal surface wave and performs processing on the substrate to be processed in the chamber by plasma.
  • the microwave supply unit may include a plurality of the microwave radiating antennas.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. It is a cross-sectional view by the BB 'line of FIG. 4 which shows the slag and sliding member in a tuner. It is a cross-sectional view by CC 'line of FIG.
  • FIG. 4 which shows the inside of a microwave radiation antenna. It is a top view which shows an example of the shape and arrangement
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus including a microwave plasma source having a microwave radiation antenna according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is used for the plasma processing apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing a microwave supply unit in the microwave plasma source
  • FIG. 4 is a diagram showing a microwave radiation unit including a microwave radiation antenna in the microwave plasma source.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4 showing the power feeding mechanism of the microwave radiating unit
  • FIG. 6 is taken along the line BB ′ of FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line CC ′ of FIG. 4 showing the microwave irradiation antenna of the microwave radiating portion.
  • the plasma processing apparatus 100 is configured as a plasma etching apparatus that performs, for example, an etching process on a wafer, and is a substantially cylindrical grounded chamber made of a metal material such as aluminum or stainless steel that is hermetically configured. 1 and a microwave plasma source 2 for forming microwave plasma in the chamber 1. 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.
  • the material constituting the susceptor 11 and the support member 12 include aluminum whose surface is anodized (anodized), ceramics such as AlN, and the like.
  • 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. Note that the high-frequency bias power source 14 may not be provided depending on the characteristics of the plasma processing.
  • 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 decompressed 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.
  • the microwave plasma source 2 is provided on a top plate 85 supported by a support ring 29 provided at the top of the chamber 1. A space between the support ring 29 and the top plate 85 is hermetically sealed.
  • the microwave plasma source 2 includes a microwave output unit 30 that distributes a plurality of paths and outputs a microwave, and a microwave supply that transmits the microwave output from the microwave output unit 30 and radiates the microwave into the chamber 1. Part 40. Further, the microwave plasma source 2 includes a gas supply source 110 that supplies a plasma generation gas for generating plasma and a processing gas for performing a film forming process and an etching process.
  • a rare gas such as Ar gas can be suitably used.
  • Various processing gases such as a film forming process and an etching process can be adopted depending on the processing contents.
  • the microwave output unit 30 includes a microwave power supply 31, a microwave oscillator 32, an amplifier 33 that amplifies the oscillated microwave, and a distributor that distributes the amplified microwave into a plurality of parts. 34.
  • 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 radiating unit 43.
  • the microwave radiating unit 43 includes a microwave transmission path 44 provided with a tuner 60 for matching impedance, and an antenna 45 that radiates the amplified microwave into the chamber 1. is doing.
  • a microwave is radiated into the chamber 1 from the antenna 45 of the microwave radiating unit 43 in each antenna module 41.
  • the microwave supply unit 40 includes seven antenna modules 41, and six microwave radiating units 43 of each antenna module 41 are arranged circumferentially and one at the center thereof. It arrange
  • the antenna 45 has a shower structure for discharging a plasma generation gas and a processing gas, and a gas pipe 111 extending from the gas supply source 110 is connected to the antenna 45.
  • the plasma generation gas introduced from the antenna 45 into the chamber 1 is turned into plasma by the microwave radiated from the antenna 45, and the processing gas introduced into the chamber 1 from the antenna 45 is also excited by this plasma. A plasma of the processing gas is generated.
  • 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, adjusting the variation of individual antenna modules, or 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 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 45 to the dummy load, and the dummy load converts the reflected microwave guided by the circulator into heat.
  • the microwave radiating unit 43 radiates the microwave transmitted through the microwave transmission path 44 into the chamber 1 and a coaxial waveguide (microwave transmission path) 44 that transmits the microwave. And an antenna 45.
  • the microwaves radiated from the antenna 45 into the chamber 1 are combined in the space in the chamber 1, and surface wave plasma is formed in the chamber 1.
  • the microwave transmission path 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 45 is provided at the tip of the microwave transmission path 44. ing.
  • power is supplied to the inner conductor 53, and the outer conductor 52 is grounded.
  • a reflection plate 58 is provided at the upper ends of the outer conductor 52 and the inner conductor 53.
  • a power feeding mechanism 54 that feeds microwaves (electromagnetic waves) is provided on the base end side of the microwave transmission path 44.
  • the power feeding mechanism 54 has a microwave power introduction port 55 for introducing microwave power provided on a side surface of the microwave transmission path 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 to transmit the maximum electromagnetic wave into the microwave transmission path 44 having the coaxial structure.
  • the feed antenna 90 is connected to the inner conductor 56a of the coaxial line 56 at the microwave power introduction port 55 as shown in FIG. 5 which is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the antenna main body 91 has a second pole 93 that radiates the supplied electromagnetic wave, and a reflecting portion 94 that extends from both sides of the antenna main body 91 along the outside of the inner conductor 53 and forms a ring shape.
  • a standing wave is formed by the electromagnetic wave incident on 91 and the electromagnetic wave reflected by the reflecting portion 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 45.
  • a tuner 60 is provided in the microwave transmission path 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 the microwave transmission path 44 between the outer conductor 52 and the inner conductor 53.
  • the slag 61a is provided on the slag driving unit 70 side, and the slag 61b is provided on the antenna 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 45 which is a microwave radiation antenna, is configured as a planar slot antenna having a planar shape and a slot.
  • a slow wave material 82 is provided on the upper surface of the antenna 45.
  • a cylindrical member 82 a made of a conductor passes through the center of the slow wave member 82, and the cylindrical member 82 a connects the bottom plate 67 and the antenna 45. Therefore, the inner conductor 53 is connected to the antenna 45 via the bottom plate 67 and the cylindrical member 82a.
  • the lower end of the outer conductor 52 extends to the antenna 45, and the periphery of the slow wave material 82 is covered with the outer conductor 52.
  • the slow wave material 82 has a dielectric constant larger than that of vacuum, and is made of, for example, a fluorine resin such as quartz, ceramics, polytetrafluoroethylene, or a polyimide resin. This is because the wavelength of the microwave becomes longer in vacuum, so that the antenna becomes smaller by shortening the wavelength of the microwave.
  • 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 surface (microwave radiation surface) of the antenna 45 becomes a “wave” of the standing wave. Thereby, reflection can be minimized and the radiation energy of the microwave can be maximized.
  • the antenna 45 radiates the microwave transmitted through the microwave transmission path 44 formed in the antenna main body 121 and the antenna main body 121 into the chamber 1.
  • It has a plurality of gas discharge holes 125 extending so as to face each other, and a dielectric layer 126 formed on the microwave radiation surface of the antenna body 121.
  • An O-ring (not shown) is interposed between the slow wave material 82 and the antenna body 121.
  • the antenna body 121 is formed of a conductor.
  • the conductor constituting the antenna body 121 is preferably a metal having high electrical conductivity such as aluminum or copper.
  • the antenna main body 121 includes an upper wall 121a, a side wall 121b, and a bottom wall 121c.
  • the gas inlet 124 is provided on the outer peripheral side of the slot 122 of the upper wall 121a, is connected to a gas pipe 111 extending from the gas supply source 110, and Ar or the like supplied with the gas pipe 111 from the gas supply source 110.
  • a processing gas such as a plasma generation gas or a fluorine carbide gas such as C 4 F 8 is introduced into the gas diffusion space 123 through the gas inlet 124.
  • the gas discharge hole 125 is formed in the bottom wall 121 c and discharges the gas introduced into the gas diffusion space 123 into the chamber 1.
  • the slot 122 has an upper part 122A formed through the gas diffusion space 123 from the upper wall 121a and a lower part 122B formed through the bottom wall 121c.
  • a partition portion 127 that partitions the gas diffusion space 123 is formed.
  • the slot 122 may be filled with a dielectric.
  • the effective wavelength of the microwave is shortened, and the thickness of the entire slot (the thickness of the antenna body 121) can be reduced.
  • the shape of the slot 122 on the microwave radiation surface that determines the radiation characteristic of the slot 122 is, for example, as shown in FIG. Specifically, the four slots 122 are uniformly formed so that the overall shape is a circle. All of these slots 122 have the same shape, and are formed in an elongated shape along the circumference. These slots 122 are arranged symmetrically with respect to the center O of the microwave radiation surface of the antenna body 121.
  • the length of the slot 122 in the circumferential direction is ( ⁇ g / 2) ⁇ , and it is designed so that the peak of the microwave electric field strength comes to the center position of the slot 122.
  • ⁇ 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).
  • ⁇ s is the dielectric constant of the slot and ⁇ is the wavelength of the microwave in vacuum.
  • the length of the slot 122 is not limited to about ⁇ g / 2, and may be any length obtained by subtracting a fine adjustment component (including 0) from an integral multiple of ⁇ g / 2.
  • the joint portion between adjacent ones of the slots 122 is configured such that the end of one slot 122 and the end of the other slot 122 overlap each other at a predetermined interval in the radial direction.
  • the slot 122 is divided into three parts, a central part 122a, a left end part 122b, and a right end part 122c, along the circumferential direction, and the left end part 122b and the right end part 122c are substantially fan-shaped (arc-shaped). These are arranged on the outer peripheral side and the inner peripheral side, respectively, and the central portion 122a has a linear shape connecting them.
  • the left end 122b and the right end of the adjacent slot are arranged so that the left end 122b is on the upper side, and the right end 122c and the left end of the adjacent slot are the right end 122c. It is arranged so that it is on the bottom.
  • the central portion 122a, the left end portion 122b, and the right end portion 122c have substantially equal lengths. That is, the central portion 122a has a length of ( ⁇ g / 6) ⁇ 1 , and the left end portion 122b and the right end portion 122c on both sides thereof have lengths of ( ⁇ g / 6) ⁇ 2 and ( ⁇ g / 6) ⁇ 3 , respectively. .
  • the slot 122 is formed such that its inner circumference is at a position of ( ⁇ g / 4) ⁇ ⁇ ′ from the center of the microwave radiation surface of the antenna body 121.
  • ⁇ ′ is a fine adjustment component (including 0) for fine adjustment to make the electric field intensity 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 an antenna 45 can increase the electric field strength of the slot by overlapping the end portions of the slots with low electric field strength. As a result, the electric field strength distribution in the circumferential direction (angular direction) can be increased. It can be made uniform.
  • the number of slots is not limited to four, and the same effect can be obtained even when the number of slots is, for example, five or more.
  • the slot shape is not limited to that shown in FIG. 8, but may be other ones such as a plurality of arc-shaped slots formed uniformly on the circumference.
  • the interval between the overlapping portions of the left end portion 122b and the right end portion 122c is wider than the interval between the lower portion 122B, and therefore a step is formed between the upper portion 122A and the lower portion 122B. Yes.
  • the gas conductance in the gas diffusion space 123 can be increased and the uniformity of the gas flow rate can be improved.
  • the dielectric layer 126 is made of a dielectric material such as quartz, and is provided to make the surface of the antenna 45 have a floating potential with respect to plasma. That is, the dielectric layer 126 insulates the metal (conductor) surface of the antenna body 121 from the plasma in a direct current manner. Further, from the viewpoint of preventing abnormal discharge, the entire antenna 45 may be set to a floating potential without being grounded. For example, by insulating between the outer conductor 52 and the antenna 45 and between the top plate 85 and the antenna 45, the antenna 45 is insulated from the grounded outer conductor 52 and the chamber 1, and the whole is set to a floating potential. can do.
  • the dielectric layer 126 has a thickness of ⁇ / 7 or less so that a metal surface wave is formed on the surface of the antenna 45 ( ⁇ is the wavelength of the microwave in vacuum).
  • the dielectric layer 126 may be a film formed by a film formation technique such as thermal spraying, or may be a plate shape.
  • a direct current voltage can also be applied to the antenna 45.
  • the thickness of the sheath that propagates the metal surface wave formed on the surface of the antenna 45 can be controlled.
  • the electron density distribution, ion density distribution, and radical density distribution of the plasma can be optimized.
  • the main amplifier 48, the tuner 60, and the antenna 45 are arranged close to each other.
  • the tuner 60 and the antenna 45 constitute a lumped constant circuit existing within a half wavelength, and the combined resistance of the antenna 45 and the slow wave material 82 is set to 50 ⁇ . Since the load is directly tuned, energy can be efficiently transmitted to the plasma.
  • Each component in the plasma processing apparatus 100 is controlled by a control unit 140 including a microprocessor.
  • the control unit 140 includes a storage unit storing a process sequence of the 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 according to the selected process recipe. ing.
  • the wafer W is loaded into the chamber 1 and placed on the susceptor 11.
  • a plasma generation gas for example, Ar gas
  • Ar gas is introduced from the gas supply source 110 through the gas pipe 111 into the gas diffusion space 123 of the antenna 45 and discharged from the gas discharge hole 125 while the microwave output of the microwave plasma source 2 is output.
  • the microwave transmitted from the unit 30 to the amplifier unit 42 and the microwave radiating unit 43 of each antenna module 41 of the microwave supply unit 40 is radiated into the chamber 1 from the slot 122 of the antenna 45, and the surface of the antenna 45 A metal surface wave is formed on the surface to generate a surface wave plasma.
  • the processing gas introduced into the gas diffusion space 123 from the gas supply source 110 through the gas pipe 111 is discharged into the chamber 1 from the gas discharge hole 125 and is excited by surface wave plasma to be converted into plasma.
  • the wafer W is subjected to plasma processing, for example, etching processing by the plasma.
  • 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 supplied to the microwave transmission path 44 of the microwave radiating unit 43.
  • the wave is transmitted through the microwave transmission path 44, passes through the slow wave material 82, and is radiated through the slot 122 of the antenna 45.
  • a metal surface wave is formed in the sheath formed on the surface of the antenna 45, and surface wave plasma is generated in the space in the chamber 1 by this surface wave.
  • the antenna 45 is made of metal (conductor), microwaves are not transmitted, and power loss and abnormal discharge caused by the gas becoming plasma when the gas passes through the gas diffusion chamber 123 and the gas discharge hole 125 are caused. There is no inconvenience. Furthermore, when trying to form a shower structure on a relatively thick dielectric member (microwave transmission window) that has been provided on the tip side of the antenna 45 in the past, the problem is that processing is difficult in addition to problems such as abnormal discharge. However, the gas discharge holes 125 can be formed in the metal antenna 45 relatively easily as in the present embodiment.
  • the cause was that the sheath thickness was different between the slot portion and the portion other than the slot.
  • the slot portion is a dielectric and has a floating potential, as shown in (a), the potential difference from the plasma becomes large, and the thickness of the sheath depends on the plasma state (1/1 of the self-bias voltage Vdc). Proportional to the square).
  • the portion other than the slot portion is metal and grounded, as shown in (b), the potential difference from the plasma becomes small and the sheath becomes thin. In the region where the sheath is thin like this, the reflection and attenuation of the microwave occur, and the surface wave is blocked. For this reason, surface wave plasma is not sufficiently generated in that portion, and light emission is weakened. That is, the surface wave plasma does not spread sufficiently in the portion other than the slot portion.
  • the dielectric layer 126 is provided on the surface of the antenna 45 that is a microwave radiation antenna so that portions other than the slot portion also have a floating potential with respect to the plasma. That is, the dielectric layer 126 galvanically insulates the metal (conductor) surface of the antenna main body 121 and the plasma so that not only the slot portion but also the portions other than the slot portion have a floating potential.
  • the sheath of the portion other than the slot portion on the surface of the antenna 45 in (b) becomes thick, and becomes the same thickness as the sheath thickness in the slot portion in (a).
  • the surface wave plasma is sufficiently generated without being interrupted. For this reason, the surface wave plasma is sufficiently spread also in the portion other than the slot portion, and the surface wave plasma uniform in the radial direction can be generated. Further, since the dielectric layer 126 may be thin, the gas discharge holes and slots can be easily processed.
  • the sheath of the insulated part can be thickened, The metal surface wave is not blocked, the surface wave plasma is sufficiently spread, and the surface wave plasma with high uniformity can be generated on the surface.
  • the dielectric layer 126 is not necessarily formed on the entire surface of the antenna body 121, and may be formed at least partially.
  • the dielectric layer 126 is formed as a film
  • Ar gas is used as a plasma generation gas
  • plasma is used under the conditions of pressure: 0.5 Torr, microwave power: 400 W, pressure: 1 Torr, microwave power: 100 W, 125 W. Was generated.
  • FIG. 11 shows a plasma emission state.
  • the surface wave plasma is not sufficiently spread as shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing the electron density distribution with the radial distance on the horizontal axis and the electron density on the vertical axis
  • FIG. 13 shows the electron density at the position where the radial distance is 0 in FIG. This shows the distribution of electron density normalized by. From these figures, it can be seen that by providing the dielectric layer 126, the surface wave plasma spreads and a more uniform electron density distribution can be obtained.
  • a metal film is coated on a part of the surface of the dielectric thin plate 126 facing the antenna body 121.
  • the metal film 131 is coated on a part of the surface of the dielectric thin plate 126 facing the antenna body 121, preferably in the range from the center to the outer diameter of the slot 122. Thereby, abnormal discharge of the gap 130 between the antenna body 121 and the dielectric thin plate 126 can be suppressed.
  • the method for forming the metal film 131 is not particularly limited as long as it is a film forming technique, but it is preferable to use thermal spraying.
  • the thickness of the metal film 131 is preferably 5 to 150 ⁇ m.
  • 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. Further, in the microwave radiation portion 43, the slow wave material 82 is not essential.
  • the etching processing apparatus is exemplified as the plasma processing apparatus. Can also be used.
  • 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

　マイクロ波伝送路を伝送されたマイクロ波をチャンバ内に放射し、表面波プラズマを生成するためのマイクロ波放射アンテナ（４５）は、導体からなるアンテナ本体（１２１）と、アンテナ本体（１２１）に設けられた、マイクロ波を放射する複数のスロット（１２２）と、アンテナ本体（１２１）に設けられた、処理ガスをチャンバ内に吐出する複数のガス吐出孔（１２５）とを有し、マイクロ波により表面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、アンテナ本体（１２１）の金属表面の少なくとも一部が表面波プラズマから直流的に絶縁されるように誘電体層（１２６）が設けられている。

Description

マイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置
　本発明は、マイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源および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、表面波プラズマを発生させるためのマイクロ波を放射するマイクロ波放射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、上記のようなマイクロ波放射アンテナである平面スロットアンテナを有するマイクロ波放射部を複数設け、平面スロットアンテナ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、特許文献１、２に記載された処理装置では、マイクロ波はチャンバの天壁から導入されるのに対し、処理ガスはチャンバの側壁またはチャンバ内に設けられたシャワープレートから供給されている。しかしながら、これらの場合にはガスの流れを制御することが難しい。また、シャワープレートはプラズマ耐性のある石英で形成せざるを得ないが、マイクロ波は石英を透過するため、シャワープレートのガス孔でガスがプラズマ化してマイクロ波パワーが損失したり異常放電が生じたりするという不都合がある。
　このような不都合を防止するために、金属（導体）製のマイクロ波放射アンテナをガス孔を有するシャワー構造として、マイクロ波とガスを同じ部分から導入することが考えられる。この場合には、ガスは金属製のマイクロ波放射アンテナから放射されるため、ガスはシャワープレートが介在することによるマイクロ波の影響を受けずに吐出され、平面スロットアンテナの表面に金属表面波プラズマを形成することができる。
　しかしながら、このようにマイクロ波を放射する面が金属の場合には、プラズマがスロット周辺に集中して発光し、径方向の均一性が乱れてしまうことが判明した。
　したがって、本発明の目的は、マイクロ波放射アンテナからマイクロ波および処理ガスを供給して、その表面に均一性の高い表面波プラズマを形成することができるマイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置を提供することにある。
　すなわち、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、マイクロ波出力部から出力され、マイクロ波伝送路を伝送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アンテナであって、導体からなるアンテナ本体と、前記アンテナ本体に設けられた、マイクロ波を放射する複数のスロットと、前記アンテナ本体に設けられた、処理ガスを前記チャンバ内に吐出する複数のガス吐出孔とを有し、前記マイクロ波により表面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、前記アンテナ本体の金属表面の少なくとも一部が前記表面波プラズマから直流的に絶縁されるように構成されている、マイクロ波放射アンテナが提供される。
　上記第１の観点において、前記アンテナ本体の表面の少なくとも一部を、金属表面波を維持可能な厚さの誘電体層で覆うことにより絶縁することができる。この場合に、前記誘電体層の厚さは、真空中のマイクロ波の波長をλとしたときに、λ／７以下であることが好ましい。
　前記誘電体層は、膜形成技術により形成された膜であってもよいし、また、誘電体薄板で形成されていてもよい。誘電体薄板を用いる場合には、誘電体薄板は、前記アンテナ本体との対向面の一部に、前記スロットおよび前記ガス吐出孔を除いたパターンを有する金属膜を有するものであることが好ましい。この場合に、前記複数のスロットは、前記アンテナ本体の表面において、円周状に配置されており、前記金属膜は、前記誘電体薄板の中心から前記スロットの外径に対応する位置の範囲に設けられていることが好ましい。また、前記アンテナ本体は、前記チャンバから直流的に絶縁してもよい。
　本発明の第２の観点によれば、プラズマ処理装置のチャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に供給するためのマイクロ波供給部とを具備し、前記マイクロ波供給部は、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を電送する伝送路と、マイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナとを備え、前記マイクロ波放射アンテナは、導体からなるアンテナ本体と、前記アンテナ本体に設けられた、マイクロ波を放射する複数のスロットと、前記アンテナ本体に設けられた、処理ガスを前記チャンバ内に吐出する複数のガス吐出孔とを有し、前記マイクロ波により表面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、前記アンテナ本体の金属表面の少なくとも一部が前記表面波プラズマから直流的に絶縁されるように構成されている、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、処理ガスを供給するガス供給機構と、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記マイクロ波プラズマ源は、マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に供給するためのマイクロ波供給部とを備え、前記マイクロ波供給部は、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を電送する伝送路と、マイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナとを備え、前記マイクロ波放射アンテナは、導体からなるアンテナ本体と、前記アンテナ本体に設けられた、マイクロ波を放射する複数のスロットと、前記アンテナ本体に設けられた、処理ガスを前記チャンバ内に吐出する複数のガス吐出孔とを有し、前記マイクロ波により表面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、前記アンテナ本体の金属表面の少なくとも一部が前記表面波プラズマから直流的に絶縁されるように構成され、前記マイクロ波プラズマ源から前記チャンバ内に供給されたマイクロ波によって前記マイクロ波放射アンテナの表面に形成される金属表面波により、前記ガス供給機構から供給されたガスによる表面波プラズマを生成し、前記チャンバ内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施す、プラズマ処理装置が提供される。
　上記第２および第３の観点において、前記マイクロ波供給部は、前記マイクロ波放射アンテナを複数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アンテナを有するマイクロ波プラズマ源を備えた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のプラズマ処理装置に用いられる、マイクロ波放射アンテナを含むマイクロ波放射部を示す縦断面図である。 マイクロ波放射部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。 マイクロ波放射アンテナの内部を示す図４のＣＣ′線による横断面図である。 マイクロ波放射アンテナのスロットの形状および配置の一例を示す平面図である。 マイクロ波放射アンテナの表面が金属（導体）の場合のスロット部分とスロット以外の部分とでのシース厚さの違いを示す図である。 マイクロ波放射アンテナの表面に誘電体層を設けた場合のスロット部分とスロット以外の部分とでのシース厚を示す図である。 マイクロ波放射アンテナのアンテナ本体に誘電体層を形成しない場合と形成した場合における表面波プラズマの状態を示す図である。 マイクロ波放射アンテナのアンテナ本体に誘電体層を形成しない場合と形成した場合における電子密度分布を示す図である。 図１２の径方向の距離が０の位置の電子密度で規格化した電子密度の分布を示す図である。 誘電体層として誘電体薄板を用いた場合に、アンテナ本体と誘電体薄板との隙間で異常放電が生じるメカニズムを説明するための図である。 電磁界シミュレーションにより求めたアンテナ本体と誘電体薄板との隙間における電界部分布を示す図である。 誘電体薄板のアンテナ本体との対向面の全面に金属膜をコーティングした場合の電磁界シミュレーションにより求めたアンテナ本体と誘電体薄板との隙間における電界部分布を示す図である。 誘電体薄板に形成した金属膜を、誘電体薄板のスロットの内側領域にした場合の状態を模式的に示す図である。 図１７の状態で金属膜を形成した誘電体薄板を用いた場合の電磁界シミュレーションにより求めたアンテナ本体と誘電体薄板との隙間における電界部分布を示す図である。 誘電体薄板に形成した金属膜を、誘電体薄板のスロットの内側領域でかつ最外周をスロットの外径に合わせた状態を模式的に示す図である。 図１９の状態で金属膜を形成した誘電体薄板を用いた場合の電磁界シミュレーションにより求めたアンテナ本体と誘電体薄板との隙間における電界部分布を示す図である。 誘電体薄板を設けた場合の好ましいマイクロ波放射アンテナの例を示す断面図である。
　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。
　＜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アンテナを有するマイクロ波プラズマ源を備えた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、図４はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射アンテナを含むマイクロ波放射部を示す断面図、図５はマイクロ波放射部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の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、図７はマイクロ波放射部のマイクロ波照射アンテナを示す図４のＣＣ′線による横断面図である。
　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）したアルミニウムや、ＡｌＮなどのセラミックス等が例示される。
　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。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。
　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す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。
　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８５上に設けられている。支持リング２９と天板８５との間は気密にシールされている。
　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。また、マイクロ波プラズマ源２は、プラズマを生成するためのプラズマ生成ガスや、成膜処理やエッチング処理を行うための処理ガスを供給するガス供給源１１０を有している。
　プラズマ生成ガスとしては、Ａｒガス等の希ガスを好適に用いることができる。また、処理ガスとしては、成膜処理やエッチング処理等、処理の内容に応じて種々のものを採用することができる。
　図２に示すように、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、マイクロ波放射部４３とを有している。また、マイクロ波放射部４３は、後述するように、インピーダンスを整合させるためのチューナ６０が設けられたマイクロ波伝送路４４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部４３のアンテナ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のマイクロ波放射部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８５に配置されている。
　アンテナ４５は、後述するように、プラズマ生成ガスや処理ガスを吐出するシャワー構造となっており、ガス供給源１１０から延びるガス配管１１１がアンテナ４５に接続されている。そして、アンテナ４５からチャンバ１内に導入されたプラズマ生成ガスは、アンテナ４５から放射されたマイクロ波によりプラズマ化され、このプラズマにより、同じくアンテナ４５からチャンバ１内に導入された処理ガスが励起され、処理ガスのプラズマが生成される。
　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、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整の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４～７を参照して、マイクロ波放射部４３について詳細に説明する。
　図４に示すように、マイクロ波放射部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、マイクロ波伝送路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４５とを有している。そして、アンテナ４５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。
　マイクロ波伝送路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、マイクロ波伝送路４４の先端にアンテナ４５が設けられている。マイクロ波伝送路４４においては、内側導体５３に給電され、外側導体５２が接地されている。外側導体５２および内側導体５３の上端には反射板５８が設けられている。
　マイクロ波伝送路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、マイクロ波伝送路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マイクロ波伝送路４４内に伝送させる。
　給電アンテナ９０は、図４のＡＡ′断面図である図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４５に向かって伝播する。
　また、マイクロ波伝送路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との間のマイクロ波伝送路４４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４のＢＢ′断面図である図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。
　マイクロ波放射アンテナであるアンテナ４５は、平面状をなしスロットを有する平面スロットアンテナとして構成される。アンテナ４５の上面には遅波材８２が設けられている。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、この円柱部材８２ａが底板６７とアンテナ４５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を介してアンテナ４５に接続されている。なお、外側導体５２の下端はアンテナ４５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。
　遅波材８２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いる。これは、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ためである。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、アンテナ４５の表面（マイクロ波放射面）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、マイクロ波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。
　アンテナ４５は、図４に示すように、中空円板状をなすアンテナ本体１２１と、アンテナ本体１２１に形成された、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内に放射するための複数のスロット１２２と、アンテナ本体１２１の内部に形成されたガス拡散空間１２３と、ガス拡散空間１２３にプラズマ生成ガスや処理ガスを導入するガス導入口１２４と、ガス拡散空間１２３からチャンバ１に臨むように延びる複数のガス吐出孔１２５と、アンテナ本体１２１のマイクロ波放射面に形成された誘電体層１２６とを有する。遅波材８２とアンテナ本体１２１との間にはＯリング（図示せず）が介在されている。
　アンテナ本体１２１は導電体で形成されている。アンテナ本体１２１を構成する導電体としてはアルミニウムや銅のような電気伝導率の高い金属が好ましい。アンテナ本体１２１は、上部壁１２１ａと、側壁１２１ｂと、底壁１２１ｃとを有している。
　上記ガス導入口１２４は、上部壁１２１ａのスロット１２２の外周側に設けられており、ガス供給源１１０から延びるガス配管１１１が接続され、ガス供給源１１０からガス配管１１１を供給されてきたＡｒ等のプラズマ生成ガスや、Ｃ４Ｆ８のような炭化フッ素ガス等の処理ガスが、ガス導入口１２４を介してガス拡散空間１２３に導入される。ガス吐出孔１２５は、底壁１２１ｃに形成され、ガス拡散空間１２３に導入されたガスをチャンバ１内に吐出するようになっている。
　スロット１２２は、上部壁１２１ａからガス拡散空間１２３を貫通して形成された上部１２２Ａと、底壁１２１ｃを貫通して形成された下部１２２Ｂとを有している。スロット１２２の上部１２２Ａにおけるガス拡散空間１２３に対応する部分には、図４のＣＣ′断面図である図７に示すように、ガス拡散空間１２３とを仕切る仕切り部１２７が形成されている。これにより、スロット１２２を通過するマイクロ波とガス拡散空間１２３を流れるガスとが分離され、アンテナ４５の内部でプラズマが生成されることが回避される。
　上部１２２Ａと下部１２２Ｂとの間には、後述する段差が形成されている。スロット１２２内には誘電体が充填されていてもよい。スロット１２２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（アンテナ本体１２１の厚さ）を薄くすることができる。
　スロット１２２の放射特性を決定するマイクロ波放射面でのスロット１２２の形状は、例えば、図８に示すようになっている。具体的には、４個のスロット１２２が全体形状が円周状になるように均等に形成されている。これらスロット１２２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１２２は、アンテナ本体１２１のマイクロ波放射面の中心Ｏに対して対称に配置されている。
　スロット１２２の円周方向の長さは（λｇ／２）－δであり、スロット１２２の中心位置にマイクロ波電界強度のピークがくるように設計されている。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。λｇは、
　　λｇ＝λ／εｓ １／２
と表すことができる。ただし、εｓはスロットの誘電率であり、λは真空中のマイクロ波の波長である。なお、スロット１２２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１２２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１２２の端部と他方のスロット１２２の端部とが径方向に所定間隔をおいて内外で重なるように構成されている。これにより、周方向にスロットが存在しない部分がないようにされ周方向の放射特性が均一になるように設計されている。スロット１２２は、円周方向に沿って中央部１２２ａと左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃの３つの部分に分かれており、左側端部１２２ｂおよび右側端部１２２ｃが略扇形（円弧状）をなし、これらがそれぞれ外周側および内周側に配置され、中央部１２２ａは、これらを繋ぐ直線状となっている。そして、左側端部１２２ｂと隣接するスロットの右側端部とが、左側端部１２２ｂが上になるように配置され、右側端部１２２ｃと隣接するスロットの左側端部とが、右側端部１２２ｃが下になるように配置される。中央部１２２ａと左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃとは、略均等の長さを有している。すなわち、中央部１２２ａが（λｇ／６）－δ１、その両側の左側端部１２２ｂおよび右側端部１２２ｃ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。
　スロット１２２は、その内周が、アンテナ本体１２１のマイクロ波放射面の中心から（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。
　このようなアンテナ４５は、電界強度が低いスロットの端部を重ねて配置することにより、その部分の電界強度を高くすることができ、結果的に、周方向（角度方向）の電界強度分布を均一にすることができる。
　なお、スロットの数は４個に限らず、例えば５個以上であっても同様の効果を得ることができる。また、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等他のものであってもよい。
　スロット１２２の上部１２２Ａでは、左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃのオーバーラップ部分の間隔が下部１２２Ｂでの間隔より広くなっており、そのため、上部１２２Ａと下部１２２Ｂとの間に段差が形成されている。このように上部１２２Ａにおいて左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃのオーバーラップ部分の間隔を広くすることにより、ガス拡散空間１２３におけるガスのコンダクタンスを大きくしてガス流速の均一性を高めることができる。
　誘電体層１２６は、石英等の誘電体からなり、アンテナ４５の表面をプラズマに対して浮遊電位にするために設けられる。すなわち、誘電体層１２６により、アンテナ本体１２１の金属（導体）表面とプラズマとを直流的に絶縁する。また、異常放電を防止する観点から、アンテナ４５の全体を接地せずに浮遊電位としてもよい。例えば、外側導体５２とアンテナ４５との間、および天板８５とアンテナ４５との間を絶縁することにより、アンテナ４５を接地されている外側導体５２およびチャンバ１と絶縁して全体を浮遊電位とすることができる。
　誘電体層１２６は、アンテナ４５の表面に金属表面波が形成されるように、λ／７以下の厚さとなるようにする（λは真空中のマイクロ波の波長）。誘電体層１２６は、溶射等の膜形成技術により形成された膜であってもよいし、板状であってもよい。
　アンテナ４５には、直流電圧を印加するようにすることもできる。これにより、マイクロ波電力を印加した場合に、アンテナ４５の表面に形成される金属表面波を伝播するシースの厚さを制御することができる。これにより、プラズマの電子密度分布、イオン密度分布、ラジカル密度分布を最適化することができる。
　本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、アンテナ４５とは近接配置している。そして、チューナ６０とアンテナ４５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、かつアンテナ４５、遅波材８２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。
　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１４０により制御されるようになっている。制御部１４０はプラズマ処理装置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。
　＜プラズマ処理装置の動作＞
　次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置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、ガス供給源１１０からガス配管１１１を介してプラズマ生成ガス、例えばＡｒガスをアンテナ４５のガス拡散空間１２３に導入し、ガス吐出孔１２５から吐出しつつ、マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０から、マイクロ波供給部４０の各アンテナモジュール４１のアンプ部４２およびマイクロ波放射部４３を伝送されてきたマイクロ波をアンテナ４５のスロット１２２からチャンバ１内に放射して、アンテナ４５の表面に金属表面波を形成し、表面波プラズマを生成する。また、同じくガス供給源１１０からガス配管１１１を介してガス拡散空間１２３に導入された処理ガスがガス吐出孔１２５からチャンバ１内に吐出し、表面波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はアンプ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、マイクロ波放射部４３のマイクロ波伝送路４４に給電され、マイクロ波伝送路４４を伝送され、遅波材８２を透過し、アンテナ４５のスロット１２２を介して放射される。そして、アンテナ４５表面に形成されるシース中に金属表面波が形成され、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。
　本実施形態では、マイクロ波もガスも天板８５に設けられたアンテナ４５からチャンバ１内に導入されるので、ガスの流れの制御性を良好にすることができ、またマイクロ波の放射方向とガスの流れ方向が重なり、ガスを効率的にプラズマ化することができる。
　また、アンテナ４５は金属（導体）製であるから、マイクロ波は透過せず、ガスがガス拡散室１２３およびガス吐出孔１２５を通過する際にガスがプラズマ化して生じるパワー損失や異常放電等の不都合は生じない。さらに、従来、アンテナ４５の先端側に設けられていた比較的厚い誘電体部材（マイクロ波透過窓）にシャワー構造を形成しようとすると、異常放電等の問題に加えて、加工が難しいという問題点もあるが、本実施形態のように金属製のアンテナ４５には比較的容易にガス吐出孔１２５を形成することができる。
　しかしながら、このように金属製のマイクロ波放射アンテナの表面に表面波プラズマを形成した場合には、プラズマがスロット１２２周辺に集中して発光（発生）し、径方向の均一性が乱れてしまうことが判明した。
　この原因を検討した結果、スロット部分とスロット以外の部分とでシース厚さが異なることが原因であることが判明した。このことを図９に示す。スロット部分は誘電体であり、浮遊電位となるため、（ａ）に示すように、プラズマとの電位差は大きくなり、シースの厚さはプラズマ状態に応じた厚さ（自己バイアス電圧Ｖｄｃの１／２乗に比例）となる。これに対し、スロット部分以外の部分は金属であり、接地されているため、（ｂ）に示すように、プラズマとの電位差が小さくなり、シースが薄くなる。このようにシースが薄くなった領域では、マイクロ波の反射および減衰が生じ、表面波は遮断される。このためその部分では表面波プラズマが十分に生成されず発光が弱くなる。すなわち、スロット部分以外の部分に表面波プラズマが十分に広がらない。
　そこで、本実施形態では、マイクロ波放射アンテナであるアンテナ４５の表面に誘電体層１２６を設け、スロット部分以外の部分もプラズマに対して浮遊電位となるようにする。すなわち、誘電体層１２６により、アンテナ本体１２１の金属（導体）表面とプラズマとを直流的に絶縁することにより、スロット部分のみならず、スロット部分以外も浮遊電位とする。その結果、図１０に示すように、（ｂ）のアンテナ４５の表面のスロット部分以外の部分のシースが厚くなり、（ａ）のスロット部分のシース厚と同程度になるため、金属表面波が遮断されずに、表面波プラズマが十分に生成されるようになる。このため、スロット部分以外の部分にも表面波プラズマが十分に広がり、径方向に均一な表面波プラズマを生成することができる。また、誘電体層１２６は薄くてよいことから、ガス吐出孔やスロットの加工は容易である。
　このように、本実施形態によれば、アンテナ本体の金属表面の少なくとも一部が表面波プラズマから直流的に絶縁されるように構成したので、絶縁された部分のシースを厚くすることができ、金属表面波が遮断されることがなく、表面波プラズマが十分に広がり、表面に均一性の高い表面波プラズマを生成することができる。
　なお、誘電体層１２６は、必ずしもアンテナ本体１２１の全面に形成する必要はなく、少なくとも一部に形成すればよい。
　実際に、誘電体層１２６を形成しない場合と、形成した場合とでプラズマ生成実験を行った。ここでは、誘電体層１２６は膜として形成し、プラズマ生成ガスとしてＡｒガスを用い、圧力：０．５Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワー：４００Ｗ、および圧力：１Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワー：１００Ｗ，１２５Ｗの条件でプラズマを生成した。
　その結果を図１１～図１３に示す。図１１はプラズマの発光状態を示すものであり、誘電体層１２６を形成しない場合には、（ａ）に示すように、表面波プラズマが十分に広がっていないのに対し、誘電体層１２６を形成した場合には、（ｂ）に示すように、表面波プラズマが十分に広がっていることがわかる。また、図１２は横軸に径方向の距離をとり、縦軸に電子密度をとって、電子密度分布を示す図であり、図１３は図１２の径方向の距離が０の位置の電子密度で規格化した電子密度の分布を示すものである。これらの図から、誘電体層１２６を設けることにより、表面波プラズマが広がり、より均一な電子密度分布が得られることがわかる。
　ところで、金属に石英等の誘電体を溶射等により膜形成することは必ずしも容易ではない。これに対し、誘電体層１２６として、誘電体薄板を用いることは比較的容易である。したがって、誘電体層１２６として誘電体薄板を用いることが製造上好ましい。
　しかし、誘電体層１２６として誘電体薄板を用いる場合には、アンテナ本体１２１と誘電体薄板との間にわずかな隙間（０．３～０．５ｍｍ程度）が不可避的に生じ、その隙間で異常放電が生じることが判明した。異常放電が生じるとプラズマへの電力伝達効率が著しく低下するため好ましくない。
　このような異常放電の原因を解明するために、誘電体薄板設置時の電磁界シミュレーション解析を行った。その結果、誘電体層１２６としてこのような誘電体薄板を用いると、マイクロ波電力を供給した場合に、図１４に示すように、アンテナ本体１２１と誘電体薄板１２６との隙間１３０にＴＥ１０波が伝播し、図１５に示すように、特に複数のスロット１２２の内側領域で電界が強くなり、異常放電が生じやすくなることが判明した。
　このようなＴＥ１０波を減衰させるためには、誘電体薄板のアンテナ本体１２１との対向面に金属膜をコーティングすることが考えられる。
　ただし、誘電体薄板のスロット１２２およびガス吐出孔１２５を除いた全面にこのような金属膜をコーティングした場合、電磁界シミュレーション解析によれば、図１６に示すように、アンテナ本体１２１と誘電体薄板１２６との隙間の電界がむしろ高くなってしまう。これは、全面に金属膜をコーティングすると、マイクロ波の反射の影響が大きくなるためと考えられる。
　そこで、誘電体層１２６として誘電体薄板を用いる場合には、誘電体薄板１２６のアンテナ本体１２１との対向面の一部に金属膜をコーティングする。
　次に、金属膜をコーティングする際のパターンについて検討した。
　図１７に示すように、誘電体薄板１２６の中央部（スロット１２２の内側領域）に金属膜をコーティングした場合について、電磁界シミュレーション解析を行った結果、図１８に示すように、アンテナ本体１２１と誘電体薄板１２６との隙間の電界が低くなることが確認された。ただし、図１７の場合には、スロット１２２のマイクロ波放射部分である下部１２２Ｂの外径よりも大きい上部１２２Ａの外径付近の位置まで金属膜が存在しているため、スロット部の電界が高くなり、スロット部での異常放電が懸念される。
　そこで、次に、図１９に示すように、金属膜コーティングのパターンをスロット１２２のマイクロ波放射部分である下部１２２Ｂの外径に合わせて最適化した場合について、電磁界シミュレーション解析を行った結果、図２０に示すように、スロット部の電界が緩和され、異常放電の可能性が低くなる。
　したがって、図２１に示すように、誘電体薄板１２６のアンテナ本体１２１との対向面の一部、好ましくは、中心からスロット１２２の外径に至る範囲に金属膜１３１をコーティングする。これにより、アンテナ本体１２１と誘電体薄板１２６との隙間１３０の異常放電を抑制することができる。
　このとき、金属膜１３１の形成方法は、膜形成技術であれば特に限定されないが、溶射を用いることが好ましい。また、金属膜１３１の厚さは、５～１５０μｍであることが好ましい。
　＜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、マイクロ波放射部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部を設け、それにともなってマイクロ波放射アンテナを複数設けた例について示したが、マイクロ波放射部およびマイクロ波放射アンテナ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、酸化処理および窒化処理を含む酸窒化膜処理、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、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；マイクロ波放射部、４４；導波路、４５；マイクロ波放射アンテナ、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、６０；チューナ、８２；遅波材、８５；天板、１００；プラズマ処理装置、１１０；ガス供給源、１１１；ガス配管、１２１；アンテナ本体、１２２；スロット、１２３；ガス拡散空間、１２５；ガス吐出孔、１２６；誘電体層（誘電体薄板）、１３０；隙間、１３１；金属膜、１４０；制御部、Ｗ；半導体ウエハ

Claims (12)

  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、マイクロ波出力部から出力され、マイクロ波伝送路を伝送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アンテナであって、
    　導体からなるアンテナ本体と、
    　前記アンテナ本体に設けられた、マイクロ波を放射する複数のスロットと、
    　前記アンテナ本体に設けられた、処理ガスを前記チャンバ内に吐出する複数のガス吐出孔と
    を有し、
    　前記マイクロ波により表面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、
    　前記アンテナ本体の金属表面の少なくとも一部が前記表面波プラズマから直流的に絶縁されるように構成されている、マイクロ波放射アンテナ。
  2. 　前記アンテナ本体の表面の少なくとも一部が、金属表面波を維持可能な厚さの誘電体層で覆うことにより絶縁されている、請求項１に記載のマイクロ波放射アンテナ。
  3. 　前記誘電体層の厚さは、真空中のマイクロ波の波長をλとしたときに、λ／７以下である、請求項２に記載のマイクロ波放射アンテナ。
  4. 　前記誘電体層は、膜形成技術により形成された膜である、請求項２に記載のマイクロ波放射アンテナ。
  5. 　前記誘電体層は、誘電体薄板で形成されている、請求項２に記載のマイクロ波放射アンテナ。
  6. 　前記誘電体薄板は、前記アンテナ本体との対向面の一部に、前記スロットおよび前記ガス吐出孔を除いたパターンを有する金属膜を有する、請求項５に記載のマイクロ波放射アンテナ。
  7. 　前記複数のスロットは、前記アンテナ本体の表面において、円周状に配置されており、前記金属膜は、前記誘電体薄板の中心から前記スロットの外径に対応する位置の範囲に設けられている、請求項６に記載のマイクロ波放射アンテナ。
  8. 　前記アンテナ本体は、前記チャンバから直流的に絶縁されている、請求項１に記載のマイクロ波放射アンテナ。
  9. 　プラズマ処理装置のチャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源であって、
    　マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、
    　前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に供給するためのマイクロ波供給部とを具備し、
    　前記マイクロ波供給部は、
    　前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を電送する伝送路と、
    　マイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナとを備え、
    　前記マイクロ波放射アンテナは、
    　導体からなるアンテナ本体と、
    　前記アンテナ本体に設けられた、マイクロ波を放射する複数のスロットと、
    　前記アンテナ本体に設けられた、処理ガスを前記チャンバ内に吐出する複数のガス吐出孔と
    を有し、
    　前記マイクロ波により表面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、前記アンテナ本体の金属表面の少なくとも一部が前記表面波プラズマから直流的に絶縁されるように構成されている、マイクロ波プラズマ源。
  10. 　前記マイクロ波供給部は、前記マイクロ波放射アンテナを複数有する、請求項９に記載のマイクロ波プラズマ源。
  11. 　被処理基板を収容するチャンバと、
    　処理ガスを供給するガス供給機構と、
    　前記チャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源と
    を具備し、
    　前記マイクロ波プラズマ源は、
    　マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、
    　前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を前記チャンバ内に供給するためのマイクロ波供給部とを備え、
    　前記マイクロ波供給部は、
    　前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を電送する伝送路と、
    　マイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナとを備え、
    　前記マイクロ波放射アンテナは、
    　導体からなるアンテナ本体と、
    　前記アンテナ本体に設けられた、マイクロ波を放射する複数のスロットと、
    　前記アンテナ本体に設けられた、処理ガスを前記チャンバ内に吐出する複数のガス吐出孔と
    を有し、
    　前記マイクロ波により表面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、前記アンテナ本体の金属表面の少なくとも一部が前記表面波プラズマから直流的に絶縁されるように構成され、
    　前記マイクロ波プラズマ源から前記チャンバ内に供給されたマイクロ波によって前記マイクロ波放射アンテナの表面に形成される金属表面波により、前記ガス供給機構から供給されたガスによる表面波プラズマを生成し、前記チャンバ内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施す、プラズマ処理装置。
  12. 　前記マイクロ波供給部は、前記マイクロ波放射アンテナを複数有する、請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
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