WO2014010317A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2014010317A1
WO2014010317A1 PCT/JP2013/064350 JP2013064350W WO2014010317A1 WO 2014010317 A1 WO2014010317 A1 WO 2014010317A1 JP 2013064350 W JP2013064350 W JP 2013064350W WO 2014010317 A1 WO2014010317 A1 WO 2014010317A1
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WO
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microwave
dielectric
plasma
chamber
dielectric plate
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Application number
PCT/JP2013/064350
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English (en)
French (fr)
Inventor
池田　太郎
Original Assignee
東京エレクトロン株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/511—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using microwave discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45563—Gas nozzles
    • C23C16/45574—Nozzles for more than one gas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32238—Windows
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/463—Microwave discharges using antennas or applicators

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus for performing processing by surface wave plasma using microwaves.
  • 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.
  • the RLSA TM microwave plasma processing apparatus is provided with a radial line slot antenna, which is a planar slot antenna having a plurality of slots formed in a predetermined pattern at the top of a chamber as an antenna for generating surface wave plasma,
  • the microwave guided from the microwave source is radiated from the slot of the antenna and radiated into a vacuum chamber through a microwave transmission plate made of a dielectric material provided below the microwave.
  • a surface wave plasma is generated in the chamber by a wave electric field, thereby processing an object to be processed such as a semiconductor wafer.
  • Patent Document 2 discloses a microwave plasma source that distributes microwaves into a plurality of wavelengths, radiates microwaves into the chamber via a plurality of microwave radiating units, and synthesizes the microwaves in the chamber space. It is disclosed.
  • the plasma distribution is adjusted by independently controlling the phase and intensity of the microwaves radiated from the antenna of each microwave radiation unit. be able to.
  • Patent Document 2 a microwave transmission window made of a dielectric is provided for each microwave radiation portion on the top wall of the chamber, and microwaves are radiated into the chamber through the microwave transmission window.
  • the plasma does not spread sufficiently and the uniformity of the plasma may be insufficient.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and when generating surface wave plasma by radiating microwaves from a plurality of microwave radiating units, the spread of the plasma is ensured and uniform surface wave plasma is generated. It is an object to provide a plasma processing apparatus that can be formed.
  • the present invention is provided so as to constitute a part of a top wall of the chamber, a chamber for accommodating a substrate to be processed, a gas supply mechanism for supplying gas into the chamber, and the chamber.
  • a plasma processing apparatus comprising: a dielectric plate provided so as to cover the top wall including the arrangement region of the microwave radiation portion; and an exhaust mechanism for exhausting the inside of the chamber.
  • the top wall may include a dielectric member of the microwave radiating portion and a metal member into which the dielectric member is fitted.
  • the dielectric plate may be configured as a single plate that covers the entire arrangement region of the plurality of microwave radiating portions, or a lower surface of the dielectric member at a position corresponding to the dielectric member.
  • a dielectric member insertion hole may be formed so as to be exposed to the chamber.
  • the distance between the centers of the microwave radiating portions is an integral multiple of ⁇ g / 2, and the center of the microwave radiating portion and the dielectric It is preferable that the distance from the end of the plate is ⁇ g / 2 or more.
  • the microwave radiating portion is at a position where the distance between the centers is an integral multiple of ⁇ g / 2, and the microwave radiation is
  • the distance between the center of the portion near the end of the dielectric plate and the end of the dielectric plate is smaller than ⁇ g / 2
  • the micro Of the wave radiating portion a portion near the end of the dielectric plate may be bent to form a bent portion that is bent downward so that the distance from the center is ⁇ g / 2 or more.
  • the thickness of the dielectric plate is preferably ⁇ g / 200 to ⁇ g / 20.
  • the ceiling wall includes a plurality of microwave radiating portion arrangement regions having a dielectric member functioning as a microwave transmission window provided so as to constitute a part of the ceiling wall of the chamber. Since the dielectric plate is provided so as to cover the surface wave plasma, the surface wave plasma can be spread to a region corresponding to the metal portion of the top wall, and uniform plasma can be formed.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which shows schematic structure of the plasma processing apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • BB 'line of FIG. 4 shows the slag and sliding member in a tuner.
  • FIG. 7 is a diagram showing arrangements P1 to P7 of microwave radiation mechanisms for explaining a simulation using electromagnetic wave analysis for grasping the presence or absence of interference.
  • P1 in the case of using a dielectric plate having such a size that the distance between adjacent microwave radiation mechanisms and the distance between the center of the microwave radiation mechanism and the end of the dielectric plate are not n ⁇ ⁇ g / 2 at the same time. It is a figure explaining distance Xmm between the center of A and P7. P1 and P7 of the distance X between the centers
  • FIG. 11B is a diagram illustrating an enlarged radius ⁇ L 1 (mm) when the dielectric plate shown in FIG. 11A is enlarged. [Delta] L 1 and
  • is a diagram showing the relationship between the values
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example in which a bent portion is formed on a dielectric plate 111.
  • FIG. 11B is a diagram showing the relationship between the length ⁇ L 2 (mm) of the bent portion and the values of
  • FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a microwave plasma source used in the plasma processing apparatus of FIG. Is a plan view schematically showing a microwave supply section in the microwave plasma source
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a microwave radiation mechanism in the microwave plasma source
  • FIG. 5 is a power supply mechanism of the microwave radiation mechanism in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA ′
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 4 showing the slag and sliding member in the tuner.
  • the surface wave plasma processing apparatus 100 performs plasma processing, for example, plasma etching processing on a wafer.
  • Other examples of the plasma treatment include plasma oxidation treatment, plasma nitridation treatment, plasma CVD, and modification treatment.
  • the surface wave plasma processing apparatus 100 includes a grounded chamber 1 made of a metal material such as aluminum or stainless steel, which is hermetically configured, and a microwave plasma for forming microwave plasma in the chamber 1.
  • Source 2. An opening 1 a is formed in the upper part of the chamber 1, and a microwave plasma source 2 is provided in the opening 1 a so as to face the inside of the chamber 1 through a disc-like lid body 10.
  • the lid 10 is made of a metal such as aluminum, and is supported by a support ring 29 provided on the upper portion of the chamber 1. The space between the support ring 29 and the lid 10 is airtight by a seal ring (not shown). Is sealed.
  • 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. Then, by operating the exhaust device 16, 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. Further, on the side wall of the chamber 1, 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.
  • 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.
  • the shower plate 20, the pipe 24, and the processing The gas supply source 25 constitutes a gas supply mechanism for processing gas.
  • 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.
  • the plasma gas introduction member 26, the pipe 28, and the plasma gas supply source 27 are for plasma gas.
  • a gas supply mechanism is configured. 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.
  • the plasma gas and the processing gas may be supplied by the same supply member. Further, the processing gas may have a plasma gas function.
  • the microwave plasma source 2 is divided into a plurality of paths and outputs a microwave output unit 30 that outputs a microwave, and a microwave output from the microwave output unit 30 is transmitted into 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 includes a plurality of amplifier units 42 that mainly amplify the microwaves distributed by the distributor 34, and a plurality of microwaves that respectively guide the microwaves amplified by the amplifier units 42 into the chamber 1. And a radiation mechanism 41.
  • the microwave radiation mechanism 41 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 from the antenna unit 45 of each microwave radiation mechanism 41 into the chamber 1.
  • the amplifier unit 42 of the microwave supply unit 40 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 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.
  • a hole 10 a is formed in a portion corresponding to the microwave radiation mechanism 41 of the lid body 10, and microwaves that form a part of the microwave radiation mechanism 41 are transmitted through the hole 10 a.
  • a dielectric member 110 functioning as a microwave transmitting window is fitted. Therefore, the top wall 112 of the chamber 1 is formed by the lid 10 and the dielectric member 110.
  • a thin dielectric plate 111 is provided on the lower surface of the top wall 112 so as to cover the top wall 112 so as to cover the area where the microwave radiation mechanism 41 is disposed.
  • the dielectric plate 111 is configured as a single plate that covers both the dielectric member 110 and the lid 10.
  • the microwave supply unit 40 includes seven amplifier units 42 and seven microwave radiation mechanisms 41.
  • the microwave radiation mechanism 41 includes the disc-shaped lid 10.
  • six are arranged circumferentially and one is arranged at the center.
  • the microwave radiation mechanism 41 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.
  • the microwaves radiated into the chamber 1 from the plurality of microwave radiation mechanisms 41 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.
  • 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 has a planar slot antenna 81 that functions as a microwave radiation antenna and has a slot 131, and a slow wave member 82 provided on the upper surface of the planar slot antenna 81.
  • a dielectric member 110 serving as a microwave transmission window is provided on the front end side of the planar slot antenna 81.
  • 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 microwave is radiated from the slot 131 of the planar slot antenna 81.
  • the shape, number, and arrangement of the slots 131 are set so that microwaves are uniformly emitted.
  • the slot 131 may be a space or may be filled with a dielectric having a dielectric constant greater than that of the vacuum. 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.
  • the slow wave member 82 and the dielectric member 110 are provided so as to be in contact with the surface of the planar slot antenna 81 and are made of a material having a dielectric constant larger than vacuum, for example, a fluorine resin such as quartz, ceramics, polytetrafluoroethylene Since the microwave wavelength is increased in vacuum, it has a function of shortening the microwave wavelength to reduce the antenna.
  • the slow wave material 82 can adjust the phase of the microwave depending on the thickness thereof, and the thickness thereof is such that the junction between the dielectric member 110 and the planar slot antenna 81 becomes an “antinode” of the standing wave. Adjust the height. Thereby, reflection can be minimized and the radiation energy of the planar slot antenna 81 can be maximized.
  • the dielectric member 110 is fitted into the hole 10 a of the lid body 10, but the hole 10 a has a stepped shape, and a flange portion 110 a is formed on the top of the dielectric member 110.
  • the flange portion 110a is supported by the step portion 10b.
  • the microwave amplified by the main amplifier 48 and reaching through the waveguide 44 between the peripheral walls of the inner conductor 53 and the outer conductor 52 passes through the slow wave material 82 as a surface wave, and is planar slot. It is transmitted through the slot 131 of the antenna 81, further passes through the dielectric member 110, further passes through the dielectric plate 111, and is transmitted through the surface of the dielectric plate 111 in contact with the plasma. Surface wave plasma is generated.
  • 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 planar slot antenna 81, the slow wave material 82, the dielectric member 110, and the dielectric plate 111 are combined. Since the resistance is set to 50 ⁇ , the tuner 60 is directly tuned with respect to the plasma load, and can efficiently transmit energy to the plasma.
  • the dielectric plate 111 is provided so as to cover the top wall 112 as described above, and is made of a dielectric having good plasma resistance, such as quartz.
  • the dielectric plate 111 has a function of transmitting the microwave transmitted through the dielectric member 110, transmitting the surface thereof, and spreading the surface wave. Thereby, the surface wave plasma spreads uniformly.
  • a plurality of microwave radiation mechanisms 41 are arranged to equalize the plasma.
  • the metal lid 10 is exposed and is in contact with the plasma, it is flat.
  • the surface wave plasma generated by the microwave radiated from the slot 131 of the slot antenna 81 and transmitted through the dielectric member 110 is less likely to spread in the lid 10 portion.
  • the dielectric plate 111 is provided so as to cover the top wall 112 including the arrangement region of the microwave radiation mechanism 41 on the lower surface of the top wall 112 to spread the plasma. Secure.
  • the dielectric plate 111 is formed as a thin plate, and its thickness is preferably in the range of ⁇ g / 200 to ⁇ g / 20, where ⁇ g is the effective wavelength of the irradiated microwave. If the thickness of the dielectric plate 111 is smaller than ⁇ g / 200, the effect of spreading the plasma may be insufficient. On the other hand, if it exceeds ⁇ g / 20, the number of plasma modes increases, which is not preferable.
  • the dielectric plate 111 is provided so as to include the arrangement region of the plurality of microwave radiation mechanisms 41 in this way, the microwaves radiated from the plurality of microwave radiation mechanisms 41 are shared by the common dielectric plate 111. These may interfere with each other because surface waves are formed on the surface, and the independent controllability of the phase and intensity of the microwaves from each microwave radiation mechanism 41 may be reduced, leading to deterioration in plasma stability. Such interference tends to become more prominent as the dielectric plate 111 becomes thicker. Therefore, in this embodiment, in order to eliminate such a problem of interference, the distance between the centers of adjacent microwave radiation mechanisms 41 (centers of the planar slot antenna 81) is set to n ⁇ ⁇ g / 2 (where ⁇ g is a dielectric).
  • the effective wavelength of the microwave in the body plate 111, n is a positive integer), and the distance between the center of the microwave radiation mechanism 41 and the end of the dielectric plate 111 is ⁇ g / 2 or more. Note that there is always an error when parts are processed, and processing is performed with an accuracy within a tolerance of about 0.5 mm. However, such processing errors are included in n ⁇ ⁇ g / 2.
  • 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 supply unit 40 the microwave power distributed in plural is individually amplified by the main amplifier 48 constituting the solid state amplifier, and is supplied to the waveguide 44 of the microwave radiation mechanism 41 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, and further transmitted through the dielectric member 110 and the dielectric plate 111, which are dielectric transmission windows.
  • the surface of the dielectric plate 111 in contact with the plasma is transmitted, and surface wave plasma is generated in the space in the chamber 1 by this surface wave.
  • the dielectric plate 111 is not used, and the metal lid 10 is exposed and comes into direct contact with the plasma. Since the plasma sheath is thinner on the metal surface than the dielectric surface, when the metal lid 10 is in contact with the plasma in this way, it radiates from the slot 131 of the planar slot antenna 81 and passes through the dielectric member 110. The surface wave plasma generated by the microwaves is less likely to spread in the lid 10 portion. That is, as shown in FIG. 7A, since the dielectric member 110 is a dielectric and has a floating potential, the potential difference between the dielectric member 110 and the plasma becomes large, and the thickness of the sheath depends on the plasma state.
  • the dielectric plate 111 is provided so as to cover the top wall 112 including the arrangement region of the microwave radiation mechanism 41 so that the entire surface in contact with the plasma has a floating potential with respect to the plasma. To do.
  • the sheath of the portion corresponding to the lid 10 is also thickened, and the plasma can be spread in the radial direction to improve the uniformity of the plasma in the radial direction.
  • the dielectric plate 111 is provided so as to include the arrangement region of the plurality of microwave radiation mechanisms 41 in this way, the microwaves radiated from the plurality of microwave radiation mechanisms 41 are shared by the common dielectric plate 111. These may interfere with each other because surface waves are formed on the surface.
  • the interference of the microwave occurs, the reflected wave radiated from the planar slot antenna 81 of one microwave radiation mechanism 41 and reflected by the plasma enters the adjacent microwave radiation mechanism 41, and the adjacent microwave Since it is difficult to adjust the reflected wave from the radiation mechanism 41, there is a possibility that the independent controllability of the phase and intensity of the microwave from each microwave radiation mechanism 41 is deteriorated and the stability of the plasma is deteriorated.
  • Such interference is closely related to the arrangement of the microwave radiation mechanism 41. That is, in this embodiment, since the microwave is branched from one microwave power source 31, the phase is completely synchronized, so that the distance D1 between the centers of adjacent microwave radiation mechanisms 41 is n ⁇ ⁇ g. / 2 (n is a positive integer), the microwave peaks emitted from one of the adjacent microwave radiation mechanisms 41 overlap with the microwave valleys emitted from the other, and the microwaves weaken each other. It will be. Conversely, if ⁇ g / 4 + n ⁇ ⁇ g / 2, the microwaves will strengthen each other.
  • the interference becomes maximum when D1 is ⁇ g / 4 + n ⁇ ⁇ g / 2, and no interference occurs when D1 is n ⁇ ⁇ g / 2. Further, interference occurs even when D1 is between n ⁇ ⁇ g / 2 and ⁇ g / 4 + n ⁇ ⁇ g / 2. Therefore, in order to prevent interference, the distance D1 between the adjacent microwave radiation mechanisms 41 needs to be n ⁇ ⁇ g / 2. Further, if the distance D2 between the center of the microwave radiation mechanism 41 and the end of the dielectric plate 111 is ⁇ g / 2 or more, no interference occurs, but interference occurs in a range smaller than ⁇ g / 2. .
  • the distance D1 between the centers of adjacent microwave radiation mechanisms 41 is n ⁇ ⁇ g / 2
  • the microwave radiation mechanism 41 The distance D2 between the center and the end of the dielectric plate 111 is set to D2 ⁇ ⁇ g / 2.
  • the distance D1 between the centers of the microwave radiation mechanisms 41 is an integer multiple of 89.4 mm, and the distance D2 between the center of the microwave radiation mechanisms 41 and the end of the dielectric plate 111 is 89.4 mm. Or larger than that.
  • the presence or absence of interference can be grasped by using S parameters in a simulation using electromagnetic wave analysis using a finite element method.
  • these equations are expressed using a matrix, It becomes.
  • the input wave vector and output wave vector are The input power and output power are defined as It is expressed as
  • a matrix having S 11 ... S 77 as elements is a scattering matrix, and these elements S 11 ... S 77 are S parameters.
  • S mn is a signal of an output port and m is a signal of an input port.
  • S 12 is a ratio (transmission coefficient) of a microwave that is transmitted to P 1 when a microwave is emitted from P 2. Represents. Therefore, the larger the value, the greater the interference.
  • the transmission coefficient absolute value of the S parameter
  • the transmission coefficient absolute value of the S parameter
  • the center shows the interference between the wave radiation mechanism P1 and the surrounding microwave radiation mechanism P2 ⁇ P7, for example, S 12, S 13 ⁇ S 17 , S 21, S 31, ⁇ S 71 also, the ambient
  • S 23 , S 34 , and S 45 indicating interference between the microwave radiation mechanisms P2 to P7 were confirmed to have absolute values smaller than 0.10.
  • both the distance D1 between the adjacent microwave radiation mechanisms 41 and the distance D2 between the center of the microwave radiation mechanism 41 and the end of the dielectric plate 111 may be n ⁇ ⁇ g /
  • the radius of the dielectric plate 111 is 242 mm
  • the distance between the centers of P1 and P7 is Xmm as shown in FIG.
  • are not smaller than 0.10, and are 0.10 or more in any range. Therefore, even if the arrangement of the microwave radiation mechanism is changed. Interference cannot be eliminated.
  • Such a case can be dealt with by enlarging the size of the dielectric plate 111.
  • the radius of the dielectric plate 111 is 242 + ⁇ L 1 (mm) as shown in FIG. 12A, and the distance between the centers of P1 and P7 is 2 ⁇ ⁇ g.
  • ⁇ L 1 19 mm or more, both
  • the dielectric plate 111 cannot be enlarged. In such a case, as shown in FIG. 13, the end portion of the dielectric plate 111 is bent and the bent portion 111a is formed. By forming, the same effect as that obtained by enlarging the dielectric plate 111 can be obtained.
  • the radius of the dielectric plate is 242 mm
  • the length of the bent portion 111a is ⁇ L 2 (mm)
  • the dielectric plate 111 configured as a single plate covering the dielectric member 110 and the lid 10 of the microwave radiation mechanism 41 is used, but in this example, as shown in FIG. A dielectric plate 111 ′ having a hole 111 b in a portion corresponding to 110 is used.
  • the single dielectric plate 111 is provided.
  • the dielectric member 110 and the dielectric plate 111 overlap with each other, and a gap is inevitably generated between them. May cause abnormal discharge. Therefore, a dielectric plate 111 ′ having a hole 111 b for inserting the dielectric member 110 is used instead of the dielectric plate 111 so that the lower surface of the dielectric member 110 is exposed in the chamber 1. Even in this case, the dielectric member 110 and the dielectric plate 111 ′ are in contact with the plasma, and since both are dielectrics, a floating potential is generated with respect to the plasma. The same effect as when it is provided. Further, the height of the lower surface of the dielectric member 110 and the lower surface of the dielectric plate 111 are matched so that the surface wave spreads uniformly.
  • the dielectric plate 111 ′ protrudes from the lid 10 toward the dielectric member 110 so that plasma does not enter between them and cause abnormal discharge.
  • the protruding portion 111c is formed, and a stepped portion 110b that overlaps the protruding portion 111c is formed on the peripheral edge of the dielectric member 110.
  • the lower surface position of the stepped portion 110b is lower than the lower surface position of the lid body 10 (see reference numeral 130 in FIG. 15). Thereby, the risk of abnormal discharge in this part can be reduced.
  • 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-described embodiment.
  • the microwave output from the microwave output unit 30 is amplified by the amplifier unit 42.
  • the microwave radiation mechanism 41 radiates from the seven microwave radiation mechanisms 41 including the tuner 60 and the antenna section 45 having the planar slot antenna 81.
  • the structure of the microwave radiation section is limited to such a microwave radiation mechanism 41. It is not a thing, and the number is not limited to seven.
  • the etching processing apparatus is exemplified as the plasma processing apparatus.
  • the present invention is not limited to this, and as described above, other processes such as plasma oxidation processing, plasma nitridation processing, plasma CVD, modification processing, etc. It can be applied to various plasma treatments.
  • 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 an LCD (liquid crystal display) substrate or a ceramic substrate.

Abstract

　プラズマ処理装置は、被処理基板を収容するチャンバ（１）と、チャンバ（１）内にガスを供給するガス供給機構（２５、２７）と、チャンバ（１）内へマイクロ波を放射する複数のマイクロ波放射部（４１）とを備える。複数のマイクロ波放射部（４１）は、それぞれ、チャンバ（１）の天壁（１１２）の一部を構成するように設けられたマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材（１１０）を有し、誘電体部材（１１０）を透過してチャンバ（１）内へマイクロ波を放射する。さらに、チャンバ（１）の天壁（１１２）の下面側には、誘電体板（１１１）が、複数のマイクロ波放射部（４１）の配置領域を包含して天壁（１１２）を覆うように設けられている。

Description

プラズマ処理装置
　本発明は、マイクロ波による表面波プラズマにより処理を行う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が生じてしまい、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ＲＬＳＡＴＭ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）。
　ＲＬＳＡＴＭ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。
　しかし、このようなＲＬＳＡＴＭマイクロ波プラズマ装置において、プラズマ分布を調整する場合、スロット形状およびパターン等が異なる複数のアンテナを用意しておき、アンテナを交換する必要があり、極めて煩雑である。
　これに対し、特許文献２には、マイクロ波を複数に分配し、複数のマイクロ波放射部を介してマイクロ波をチャンバ内に放射し、チャンバ内空間でマイクロ波を合成するマイクロ波プラズマ源が開示されている。
　このように複数のマイクロ波放射部を用いてマイクロ波を空間合成することにより、各マイクロ波放射部のアンテナから放射されるマイクロ波の位相や強度を独立して制御してプラズマ分布を調整することができる。
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２では、チャンバの天壁に各マイクロ波放射部毎に誘電体からなるマイクロ波透過窓を設け、このマイクロ波透過窓を介してチャンバ内にマイクロ波を放射しているが、このような構成の場合、プラズマが十分に広がらず、プラズマの均一性が不十分になる可能性があることが判明した。
　本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、複数のマイクロ波放射部からマイクロ波を放射して表面波プラズマを生成する際に、プラズマの広がりを確保して均一な表面波プラズマを形成することができるプラズマ処理装置を提供することを課題とする。
　上記課題を解決するため、本発明は、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、それぞれ、前記チャンバの天壁の一部を構成するように設けられたマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材を有し、該誘電体部材を透過して前記チャンバ内へマイクロ波を放射する複数のマイクロ波放射部と、前記天壁の下面側に、前記複数のマイクロ波放射部の配置領域を包含して前記天壁を覆うように設けられた誘電体板と、前記チャンバ内を排気する排気機構とを具備するプラズマ処理装置を提供する。
　本発明において、前記天壁は、前記マイクロ波放射部の誘電体部材と、誘電体部材が嵌め込まれる金属部材とを有する構成とすることができる。また、前記誘電体板は、前記複数のマイクロ波放射部の配置領域の全体を覆う一枚板として構成されていてもよいし、前記誘電体部材に対応する位置に、前記誘電体部材の下面が前記チャンバに露出するように誘電体部材挿入孔が形成されていてもよい。
　また、前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたとき、前記マイクロ波放射部の中心どうしの間隔がλｇ／２の整数倍であり、前記マイクロ波放射部の中心と前記誘電体板の端部との距離がλｇ／２またはそれ以上である構成とすることが好ましい。また、前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたとき、前記マイクロ波放射部が、それらの中心どうしの間隔がλｇ／２の整数倍の位置にあり、かつ、前記マイクロ波放射部のうち前記誘電体板の端部近傍にあるものの中心と前記誘電体板の端部との距離がλｇ／２より小さい場合に、前記誘電体板の端部に、その下端と、前記マイクロ波放射部のうち前記誘電体板の端部近傍にあるものの中心との距離がλｇ／２またはそれ以上となるように下方へ折り曲げてなる折り曲げ部を形成する構成とすることができる。
　さらに、前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたとき、前記誘電体板の厚さは、λｇ／２００～λｇ／２０であることが好ましい。
　本発明によれば、チャンバの天壁の一部を構成するように設けられたマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材を有する複数のマイクロ波放射部の配置領域を包含して前記天壁を覆うように誘電体板を設けるので、天壁の金属部分に相当する領域へも表面波プラズマを広げることができ、均一なプラズマを形成することができる。
本発明の一実施形態に係る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。 マイクロ波プラズマ源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。 誘電体部材と蓋体（金属）とでのプラズマのシース厚さの違いを示す図である。 誘電体部材と蓋体（金属）とでのプラズマのシース厚さの違いを示す図である。 蓋体の対応部分に誘電体板を設けた場合のプラズマのシース厚を示す図である。 干渉を生じないマイクロ波放射機構の配置を示す図である。 干渉の有無を把握するための電磁波解析を用いたシミュレーションを説明するためのマイクロ波放射機構の配置Ｐ１～Ｐ７を示す図である。 隣接するマイクロ波放射機構どうしの距離およびマイクロ波放射機構の中心と誘電体板の端部との距離の両方が同時にはｎ×λｇ／２とならない大きさの誘電体板を用いた場合のＰ１とＰ７の中心間の距離Ｘｍｍを説明する図である。 Ｐ１とＰ７の中心間の距離Ｘと｜Ｓ２１｜、｜Ｓ２３｜の値との関係を示す図である。 図１１Ａに示す誘電体板を拡大した場合の拡大した半径ΔＬ１（ｍｍ）を説明する図である。 ΔＬ１と｜Ｓ２１｜、｜Ｓ２３｜の値との関係を示す図である。 誘電体板１１１に折り曲げ部を形成した例を示す断面図である。 図１１Ａの誘電体板に折り曲げ部を形成した場合の折り曲げ部の長さΔＬ２（ｍｍ）と｜Ｓ２１｜、｜Ｓ２３｜の値との関係を示す図である。 誘電体板の他の例を示す拡大断面図である。
　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機構を示す断面図、図５は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、図６は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。
　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、例えばプラズマエッチング処理を施すものである。プラズマ処理としては他に、プラズマ酸化処理やプラズマ窒化処理、さらにはプラズマＣＶＤや改質処理を挙げることができる。
　表面波プラズマ処理装置１００は、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をなす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、この開口部１ａには円板状をなす蓋体１０を介してチャンバ１の内部に臨むようにマイクロ波プラズマ源２が設けられている。蓋体１０は、アルミニウム等の金属製であり、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持されており、支持リング２９と蓋体１０との間はシールリング（図示せず）により気密にシールされている。
　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内が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。
　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が接続されており、シャワープレート２０、配管２４、および処理ガス供給源２５は処理ガス用のガス供給機構を構成している。
　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おり、プラズマガス導入部材２６、配管２８、およびプラズマガス供給源２７はプラズマガス用のガス供給機構を構成している。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。また、処理ガスにプラズマガスの機能をもたせてもよい。
　マイクロ波プラズマ源２は、図２に示すように、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主に増幅する複数のアンプ部４２と、各アンプ部４２で増幅されたマイクロ波をそれぞれチャンバ１内へ導く複数のマイクロ波放射機構４１とを有している。また、マイクロ波放射機構４１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、各マイクロ波放射機構４１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。
　マイクロ波供給部４０のアンプ部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。
　図１に示すように、蓋体１０のマイクロ波放射機構４１に対応する部分には孔１０ａが形成されており、孔１０ａには、マイクロ波放射機構４１の一部をなす、マイクロ波を透過させるマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材１１０が嵌め込まれている。したがって、蓋体１０および誘電体部材１１０によりチャンバ１の天壁１１２が形成されている。また、天壁１１２の下面には、マイクロ波放射機構４１の配置領域を包含し天壁１１２を覆うように薄い誘電体板１１１が設けられている。誘電体板１１１は誘電体部材１１０および蓋体１０の両方を覆う一枚板として構成されている。
　本例では、マイクロ波供給部４０は、アンプ部４２およびマイクロ波放射機構４１を７個ずつ有しており、図３に示すように、マイクロ波放射機構４１は、円板状の蓋体１０に対し、円周状に６個および中心に１個配置されている。
　次に、マイクロ波放射機構４１について説明する。
　図４に示すように、マイクロ波放射機構４１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、複数のマイクロ波放射機構４１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(slug)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。
　図４に示すように、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マイクロ波透過窓となる誘電体部材１１０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。マイクロ波は平面スロットアンテナ８１のスロット１３１から放射される。スロット１３１は、マイクロ波が均一に放射されるように、その形状、個数および配置が設定される。スロット１３１は空間であってもよいし、真空より大きい誘電率を有する誘電体が充填されていてもよい。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。
　遅波材８２および誘電体部材１１０は、平面スロットアンテナ８１の面に接するように設けられ、真空よりも大きい誘電率を有する材料、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、誘電体部材１１０と平面スロットアンテナ８１の接合部が定在波の「はら（antinode）」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。
　上述したように、誘電体部材１１０は蓋体１０の孔１０ａに嵌め込まれるが、孔１０ａは段付き形状となっており、誘電体部材１１０の上部にはフランジ部１１０ａが形成されていて、誘電体部材１１０が孔１０ａに嵌め込まれた際に、フランジ部１１０ａが段部１０ｂに支持されるようになっている。
　このようなアンテナ部４５では、メインアンプ４８で増幅され内側導体５３と外側導体５２の周壁の間の導波路４４を通って到達した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、さらに誘電体部材１１０を透過し、さらに誘電体板１１１を透過して、プラズマに接する誘電体板１１１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。
　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１１０、誘電体板１１１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。
　上記誘電体板１１１は、上述したように天壁１１２を覆うように設けられており、耐プラズマ性の良好な誘電体、例えば石英で構成されている。この誘電体板１１１は、誘電体部材１１０を透過してきたマイクロ波を透過し、その表面を伝送させて、表面波を広げる機能を有する。これにより表面波プラズマが均一に広がる。
　本実施形態では、マイクロ波放射機構４１を複数（本例では７本）配置してプラズマの均一化を図っているが、金属製の蓋体１０が露出してプラズマと接していると、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１から放射して誘電体部材１１０を透過したマイクロ波によって生成される表面波プラズマが蓋体１０の部分では広がりにくくなる。このため、より高いプラズマの均一性を確保するために、天壁１１２下面のマイクロ波放射機構４１の配置領域を包含して天壁１１２を覆うように誘電体板１１１を設けてプラズマの広がりを確保する。
　誘電体板１１１は薄板として形成され、その厚さは、照射されるマイクロ波のその中での実効波長をλｇとすると、λｇ／２００～λｇ／２０の範囲であることが好ましい。誘電体板１１１の厚さがλｇ／２００より小さいとプラズマを広げる効果が不十分になるおそれがあり、一方、λｇ／２０を超えるとプラズマのモードが多くなりすぎて好ましくない。
　また、このように誘電体板１１１を、複数のマイクロ波放射機構４１の配置領域を包含するように設けると、複数のマイクロ波放射機構４１から放射されたマイクロ波は、共通の誘電体板１１１の表面に表面波を形成するためこれらが干渉する場合があり、各マイクロ波放射機構４１からのマイクロ波の位相や強度の独立制御性が低下してプラズマの安定性が悪化するおそれがある。そして、このような干渉は、誘電体板１１１が厚くなるほど顕著になる傾向にある。したがって、本実施形態では、このような干渉の問題を解消するため、隣接するマイクロ波放射機構４１の中心（平面スロットアンテナ８１の中心）間の距離をｎ×λｇ／２（ただし、λｇは誘電体板１１１内のマイクロ波の実効波長、ｎは正の整数である）とし、マイクロ波放射機構４１の中心と誘電体板１１１の端部との距離をλｇ／２またはそれ以上とする。なお、部品加工の際には必ず誤差が存在し、０．５ｍｍ程度の公差内の精度で加工されるが、上記ｎ×λｇ／２にはこのような加工誤差は含まれるものとする。
　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、マイクロ波放射機構４１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、さらに誘電体透過窓である誘電体部材１１０、誘電体板１１１を透過し、プラズマに接する誘電体板１１１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。
　従来は、誘電体板１１１を用いておらず、金属製の蓋体１０が露出して直接プラズマと接するようになっていた。金属表面では誘電体表面に比較してプラズマシースが薄いため、このように金属製の蓋体１０がプラズマと接していると、平面スロットアンテナ８１のスロット１３１から放射して誘電体部材１１０を透過したマイクロ波によって生成される表面波プラズマが蓋体１０の部分では広がりにくくなる。すなわち、図７Ａに示すように、誘電体部材１１０は誘電体であり、浮遊電位となるため、誘電体部材１１０と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）となるが、図７Ｂに示すように、蓋体１０は金属であり、接地されているため、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。このため金属製の蓋体１０の表面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。したがって、誘電体板１１１を設けない場合には、蓋体１０の直下位置への表面波プラズマの広がりが不十分になる可能性がある。
　そこで、本実施形態では、マイクロ波放射機構４１の配置領域を包含して天壁１１２を覆うように誘電体板１１１を設け、プラズマと接する面の全面をプラズマに対して浮遊電位となるようにする。これにより、図８に示すように、蓋体１０に対応する部分のシースも厚くなり、プラズマを径方向に広げてプラズマの径方向の均一性を高めることができる。
　ところで、このように誘電体板１１１を、複数のマイクロ波放射機構４１の配置領域を包含するように設けると、複数のマイクロ波放射機構４１から放射されたマイクロ波は、共通の誘電体板１１１の表面に表面波を形成するためこれらが干渉する場合がある。マイクロ波の干渉が生じると、一つのマイクロ波放射機構４１の平面スロットアンテナ８１から放射されてプラズマで反射された反射波が、隣接するマイクロ波放射機構４１にも入ることとなり、隣接するマイクロ波放射機構４１からの反射波は調整することが困難であるため、各マイクロ波放射機構４１からのマイクロ波の位相や強度の独立制御性が低下してプラズマの安定性が悪化するおそれがある。
　このような干渉は、マイクロ波放射機構４１の配置と密接に関係している。すなわち、本実施形態では一つのマイクロ波電源３１からマイクロ波を分岐していることから、位相は完全に同期しているため、隣接するマイクロ波放射機構４１の中心どうしの距離Ｄ１がｎ×λｇ／２（ｎは正の整数）であれば、隣接するマイクロ波放射機構４１の一方から放射されたマイクロ波の山と、他方から放射されたマイクロ波の谷とが重なってマイクロ波は弱め合うことになる。逆に、λｇ／４＋ｎ×λｇ／２であればマイクロ波は強め合うことになる。すなわち、Ｄ１がλｇ／４＋ｎ×λｇ／２のときに干渉が最大となり、Ｄ１がｎ×λｇ／２のときに干渉が起こらないことになる。また、Ｄ１がｎ×λｇ／２とλｇ／４＋ｎ×λｇ／２の間でも干渉が生じる。したがって、干渉が起こらないようにするためには、隣接するマイクロ波放射機構４１どうしの距離Ｄ１をｎ×λｇ／２とする必要がある。また、マイクロ波放射機構４１の中心と誘電体板１１１の端部との距離Ｄ２については、λｇ／２またはそれ以上であれば干渉が起こらないが、λｇ／２よりも小さい範囲では干渉が起こる。
　このため、本実施形態では、図９に示すように、隣接するマイクロ波放射機構４１の中心（平面スロットアンテナ８１の中心）間の距離Ｄ１をｎ×λｇ／２とし、マイクロ波放射機構４１の中心と誘電体板１１１の端部との距離Ｄ２をＤ２≧λｇ／２とする。このように距離を設定することにより、各マイクロ波放射機構４１から放射されたマイクロ波が弱め合い、干渉を実質的になくすことができる。
　例えば、誘電体板１１１として石英を用い、マイクロ波の周波数を８６０ＭＨｚとすると、真空中のマイクロ波の波長λは３４８．６ｍｍであり、石英の誘電率εは３．８であるから、誘電体板１１１中でのマイクロ波の実効波長λｇは、λｇ＝λ／εｓ １／２＝１７８．８ｍｍとなり、λｇ／２は８９．４ｍｍとなる。したがって、この場合には、マイクロ波放射機構４１の中心間の距離Ｄ１を８９．４ｍｍの整数倍とし、マイクロ波放射機構４１の中心と誘電体板１１１の端部との距離Ｄ２を８９．４ｍｍまたはそれよりも大きくすればよい。
　干渉の有無は、有限要素法を用いた電磁波解析を用いたシミュレーションにおいて、Ｓパラメータを用いることにより把握することができる。具体的には、図１０に示すように、中央のマイクロ波放射機構をＰ１とし、その周囲のマイクロ波放射機構をＰ２～Ｐ７としたとき、Ｐ１～Ｐ７に入力する電力の電力波ベクトルをそれぞれａ１，ａ２，・・・ａ７とし、出力する電力の出力波ベクトルをｂ１，ｂ２，・・・ｂ７とすると、
　　ｂ１＝Ｓ１１ａ１＋Ｓ１２ａ２・・・Ｓ１７ａ７
　　ｂ２＝Ｓ２１ａ１＋Ｓ２２ａ２・・・Ｓ２７ａ７
　　・　　　　　　　　　　・
　　・　　　　　　　　　　・
　　・　　　　　　　　　　・
　　ｂ７＝Ｓ７１ａ１＋Ｓ７２ａ２・・・Ｓ７７ａ７
となり、これらの式を行列を用いて表すと、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 となる。
　なお、入力波ベクトル、出力波ベクトルは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 のように定義され、入力電力、出力電力は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 のように表される。
　このＳ１１・・・Ｓ７７を要素とする行列が散乱行列であり、これら要素Ｓ１１・・・Ｓ７７がＳパラメータである。ここで、Ｓｍｎは、ｍが出力ポートの信号、ｎが入力ポートの信号であり、例えばＳ１２は、Ｐ２からマイクロ波を放射した場合に、Ｐ１へ透過するマイクロ波の割合（透過係数）を表す。したがって、この値が大きいほど干渉が大きいことになり、ここでは、透過係数（Ｓパラメータの値の絶対値）が０．１０以上のときに干渉が生じているとする。逆に透過係数（Ｓパラメータの値の絶対値）が０．１０より小さいときには干渉が生じていないとする。
　実際に、隣接するマイクロ波放射機構４１どうしの距離Ｄ１およびマイクロ波放射機構４１の中心と誘電体板１１１の端部との距離Ｄ２がいずれもｎ×λｇ／２の場合には、中心のマイクロ波放射機構Ｐ１と周囲のマイクロ波放射機構Ｐ２～Ｐ７との間の干渉を示す、例えばＳ１２，Ｓ１３・・・Ｓ１７や、Ｓ２１，Ｓ３１，・・・Ｓ７１も、周囲のマイクロ波放射機構Ｐ２～Ｐ７間の干渉を示す、例えばＳ２３，Ｓ３４、Ｓ４５等も、絶対値はいずれも０．１０よりも小さいことが確認された。
　誘電体板１１１の大きさによっては、隣接するマイクロ波放射機構４１どうしの距離Ｄ１およびマイクロ波放射機構４１の中心と誘電体板１１１の端部との距離Ｄ２の両方が同時にはｎ×λｇ／２とならない場合があるが、この場合には、全てのマイクロ波放射機構の間で干渉がなくなるマイクロ波放射機構の配置が存在しないこととなる。例えば、マイクロ波の周波数を８６０ＭＨｚ（λｇ＝１７８．８ｍｍ）で、図１１Ａに示すように誘電体板１１１の半径を２４２ｍｍ、Ｐ１とＰ７の中心間の距離をＸｍｍとした場合には、図１１Ｂに示すように｜Ｓ２１｜、｜Ｓ２３｜の値がともに０．１０より小さくなることはなく、どの範囲でも０．１０以上となっているため、マイクロ波放射機構の配置を変えても干渉をなくすことができない。
　このような場合には、誘電体板１１１の大きさを拡大することにより、対応することが可能である。例えば、マイクロ波の周波数を８６０ＭＨｚ（λｇ＝１７８．８ｍｍ）の場合、図１２Ａに示すように誘電体板１１１の半径を２４２＋ΔＬ１（ｍｍ）とし、Ｐ１とＰ７の中心間の距離を２×λｇ／２≒１７５ｍｍとすると、図１２Ｂに示すように、ΔＬ１＝１９ｍｍ以上で｜Ｓ２１｜、｜Ｓ２３｜のいずれもが０．１０より小さくなり、干渉をなくすことが可能である。
　チャンバ１の大きさに制限がある場合には誘電体板１１１を拡大できないが、そのような場合には、図１３に示すように、誘電体板１１１の端部を折り曲げて、折り曲げ部１１１ａを形成することにより誘電体板１１１を拡大させたのと同じ効果を得ることができる。
　例えば、マイクロ波の周波数を８６０ＭＨｚ（λｇ＝１７８．８ｍｍ）、誘電体板の半径を２４２ｍｍ、折り曲げ部１１１ａの長さをΔＬ２（ｍｍ）、隣接するマイクロ波放射機構４１の中心間の距離を２×λｇ／２≒１７５ｍｍとすると、図１４のように、ΔＬ２＝１７．５ｍｍ以上で｜Ｓ２１｜、｜Ｓ２３｜のいずれもが０．１０より小さくなり、干渉をなくすことが可能である。
　＜誘電体板の他の例＞
　次に、誘電体板の他の例について説明する。
　上記実施形態ではマイクロ波放射機構４１の誘電体部材１１０および蓋体１０を覆う一枚板として構成される誘電体板１１１を用いたが、本例では、図１５に示すように、誘電体部材１１０に対応する部分に孔１１１ｂを有する誘電体板１１１′を用いる。
　上記例では、一枚板の誘電体板１１１を設けたが、その場合には、誘電体部材１１０と誘電体板１１１が重なり、これらの間には不可避的に隙間が生じるため、これらの間で異常放電が生じる可能性がある。そこで、誘電体板１１１の代わりに誘電体部材１１０を挿入する孔１１１ｂを有する誘電体板１１１′を用い、誘電体部材１１０の下面をチャンバ１内に露出するようにしている。このようにしても、プラズマに接触するのが誘電体部材１１０および誘電体板１１１′であり、いずれも誘電体であるため、プラズマに対して浮遊電位となり、一枚板の誘電体板１１１を設けた場合と同じ効果を奏する。また、表面波が均一に広がるように誘電体部材１１０の下面と誘電体板１１１の下面の高さを一致させている。
　蓋体１０と誘電体部材１１０との間の電界は高いため、これらの間にプラズマが入り込んで異常放電を生じさせないように、誘電体板１１１′に蓋体１０から誘電体部材１１０側に突出する突出部１１１ｃを形成し、誘電体部材１１０の周縁部に突出部１１１ｃとオーバーラップする段部１１０ｂを形成する。このとき、蓋体１０の下面と段部１１０ｂの下面との高さが一致すると、その部分で電界が高くなって異常放電のリスクが高まるので、図１５に示すように、突出部１１１ｃを段差形状とし、段部１１０ｂの下面位置を蓋体１０の下面位置よりも低い位置になるようにしている（図１５中の参照符号１３０参照）。これにより、この部分での異常放電のリスクを低下させることができる。
　＜本発明の他の適用＞
　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、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を、アンプ部４２で増幅し、チューナ６０と平面スロットアンテナ８１を有するアンテナ部４５とを備えた７本のマイクロ波放射機構４１から放射するようにしたが、マイクロ波放射部の構造はこのようなマイクロ波放射機構４１に限るものではなく、また、その数も７本に限定されるものではない。
　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、上述したように、プラズマ酸化処理やプラズマ窒化処理、さらにはプラズマＣＶＤや改質処理等、他の種々のプラズマ処理に適用することができる。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、１０；蓋体、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；マイクロ波放射機構、４２；アンプ部、４４；導波路、４５；アンテナ部、６０；チューナ、８１；平面スロットアンテナ、８２；遅波材、１００；プラズマ処理装置、１１０；誘電体部材、１１１、１１１′；誘電体板、１１１ａ；折り曲げ部、１２０；制御部、１３１；スロット、Ｗ；半導体ウエハ

Claims (7)

  1. 　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、
    　それぞれ、前記チャンバの天壁の一部を構成するように設けられたマイクロ波透過窓として機能する誘電体部材を有し、該誘電体部材を透過して前記チャンバ内へマイクロ波を放射する複数のマイクロ波放射部と、
    　前記天壁の下面側に、前記複数のマイクロ波放射部の配置領域を包含して前記天壁を覆うように設けられた誘電体板と、
    　前記チャンバ内を排気する排気機構と
    を具備するプラズマ処理装置。
  2. 　前記天壁は、前記マイクロ波放射部の誘電体部材と、誘電体部材が嵌め込まれる金属部材とを有する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  3. 　前記誘電体板は、前記複数のマイクロ波放射部の配置領域の全体を覆う一枚板として構成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  4. 　前記誘電体板は、前記誘電体部材に対応する位置に、前記誘電体部材の下面が前記チャンバに露出するように誘電体部材挿入孔が形成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  5. 　前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたとき、前記マイクロ波放射部の中心どうしの間隔がλｇ／２の整数倍であり、前記マイクロ波放射部の中心と前記誘電体板の端部との距離がλｇ／２またはそれ以上である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  6. 　前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたとき、前記マイクロ波放射部が、それらの中心どうしの間隔がλｇ／２の整数倍の位置にあり、かつ、前記マイクロ波放射部のうち前記誘電体板の端部近傍にあるものの中心と前記誘電体板の端部との距離がλｇ／２より小さい場合に、前記誘電体板の端部に、その下端と、前記マイクロ波放射部のうち前記誘電体板の端部近傍にあるものの中心との距離がλｇ／２またはそれ以上となるように下方へ折り曲げてなる折り曲げ部を形成する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
  7. 　前記誘電体板内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたとき、前記誘電体板の厚さは、λｇ／２００～λｇ／２０である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
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