WO2022157883A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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WO2022157883A1
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rectangular waveguide
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processing apparatus
rectangular
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チェンピン スー
仁 田村
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Hitachi High Tech Corp
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    • H01J37/32311—Circuits specially adapted for controlling the microwave discharge

Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing apparatus that generates plasma using electromagnetic waves.
  • ECR electron cyclotron resonance
  • FIG. 1 shows the configuration of an ECR plasma etching processing apparatus 100r according to a comparative example.
  • a 2.45 GHz microwave emitted from a magnetron which is a single microwave source, propagates through a rectangular waveguide 14, a circular-rectangular converter 141 and a circular waveguide 142, and an electromagnetic coil 12 is installed outside. It is introduced into the processing chamber 13 through a quartz window 15 in the upper part of the processing chamber 13 where it is located. Electron cyclotron motion is caused by the electric field generated by microwaves and the magnetic field formed perpendicularly thereto.
  • the microwave frequency is 2.45 GHz
  • electrons perpendicular to the magnetic field are bent by the Lorentz force, so that the electrons gradually move around.
  • the operating pressure is around 1 Pa, and a density plasma of 10 11 cm -3 or more can be obtained in this pressure range.
  • plasma formation and independent ion energy can be controlled by the RF power source 17 applied to the lower electrode 16, precise shape control is possible.
  • a circularly polarized wave is injected into the processing chamber 13 using a circularly polarized wave generator 19 made of a dielectric material.
  • a circularly polarized wave is formed also inside the processing chamber 13, and a more uniform plasma distribution can be obtained.
  • the plasma density on the wall surface of the processing chamber of a plasma processing apparatus is lower than that in the center of the processing chamber due to the reaction loss on the solid surface.
  • the non-uniformity of the plasma density distribution makes the etching rate on the substrate to be processed non-uniform.
  • Patent Document 1 in order to improve the non-uniformity of plasma distribution in a processing chamber for large-diameter substrates, a single microwave source is introduced into the processing chamber using a rectangular waveguide branched into two. No countermeasures against annihilation of ions and radicals due to solid surface reactions on the walls of the wall have been taken yet.
  • Patent Document 2 in order to improve the etching rate distribution on the processing substrate, two rectangular waveguides are arranged orthogonally and the length of the two orthogonal rectangular waveguides is adjusted.
  • the phase of the generated microwave is manipulated to form a circularly polarized wave and then introduced into the processing chamber, it is not possible for the processing chamber to deal with the annihilation of ions and radicals on the wall of the processing chamber, which is a problem of conventional equipment.
  • the etching rate of the substrate to be processed does not necessarily depend on the plasma density. Therefore, if priority is given to process conditions such as heat distribution, for example, in order to obtain uniformity, it is necessary to adjust the plasma density in the order of peripheral height, center height, and uniformity within one process cycle. Etching in-plane uniformity on the substrate can be obtained.
  • the film thickness formed on the substrate to be processed may become uneven due to characteristics such as the exhaust conductance of the film forming apparatus and the symmetry of the processing chamber.
  • the film thickness has a convex distribution such as from high at the center to low at the periphery, a large amount of microwave power is required to be applied to the center of the substrate to be processed.
  • the film thickness has a concave distribution such as from low at the center to high at the periphery, it is necessary to reduce the microwave input power on the center of the substrate to be processed.
  • an etching apparatus using plasma is required to control plasma density distribution with a high degree of freedom.
  • a circularly polarized wave generator 19 made of a dielectric block is provided inside the apparatus 100r.
  • the circularly polarized wave generator 19 is covered with the electromagnetic coil 12, there is a problem that it is difficult to adjust its position.
  • a plasma processing apparatus includes a processing chamber in which a sample is plasma-processed, a high-frequency power source that supplies microwave high-frequency power for generating plasma, a rectangular waveguide that transmits microwaves, A plasma processing apparatus comprising a circular waveguide connected to the rectangular waveguide for transmitting microwaves to a processing chamber, and a sample stage on which a sample is placed, wherein the rectangular waveguide is vertically partitioned It comprises an upper rectangular waveguide and a lower rectangular waveguide formed, and a cutoff section in which a dielectric is arranged to cut off high frequency power of microwaves supplied from a high frequency power supply.
  • the circular waveguide comprises an inner waveguide connected to the upper rectangular waveguide and formed therein, and an outer waveguide connected to the lower rectangular waveguide and formed outside the inner waveguide. do.
  • the width of the blocking portion is narrower than the width of the rectangular waveguide other than the blocking portion.
  • non-uniformity of the plasma distribution in the processing chamber can be reduced, and the plasma distribution in the processing chamber can be adjusted to medium-high, peripheral high, or flat distribution in accordance with a desired etching process.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an ECR plasma etching processing apparatus according to a comparative example.
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing the overall construction of an ECR plasma etching processing apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a top view of a waveguide configuration for adjusting microwave power of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the waveguide configuration along line AA of FIG. 5A is a top view illustrating the outline of the power gate of FIG. 3.
  • FIG. FIG. 5B is a top view explaining the outline of the power gate according to the modification.
  • FIG. 6 is a structural schematic diagram of the power gate driving mechanism of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing simulation results of the finite element method (HFSS) of the present invention.
  • HFSS finite element method
  • FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view showing the overall configuration of the ECR plasma etching apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a top view of a waveguide configuration for adjusting microwave power of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the waveguide configuration along line AA of FIG.
  • FIG. 5A shows a top view of the power gate of FIG.
  • FIG. 5B is a top view of a modified power gate.
  • the microwave plasma etching apparatus 100 supplies microwave power of 2.45 GHz from a single microwave source (high frequency power supply) 101, a magnetron, to the upper part of the processing chamber 23. It has a microwave power splitter 21 that introduces microwaves to a circular inner waveguide 29a and a circular outer waveguide 29b, respectively.
  • the circular inner waveguide 29a and the circular outer waveguide 29b can be referred to as circular waveguides.
  • the inner waveguide 29a is connected to the inner radiating portion 217.
  • the outer waveguide 29b is connected to the ring-shaped outer radiating section 218.
  • a magnetron which is a microwave source (high frequency power source) 101, supplies microwave high frequency power for generating plasma.
  • a quartz window 25 is provided between the processing chamber 23 and the secondary radiation sections 217 and 218 .
  • the outer circumference of the processing chamber 23 is covered with an electromagnetic coil 22 .
  • a lower electrode 26 serving as a sample table for placing a substrate (sample) 20 to be processed such as a semiconductor wafer is provided on the central bottom surface of the processing chamber 23 .
  • Lower electrode 26 is connected to RF power source 27 for accelerating ions in the plasma. Ions of the processing gas ionized in the plasma are accelerated toward the substrate 20 to be processed by the voltage fluctuation of the RF power source 27, and the thin film on the substrate 20 to be processed can be removed.
  • Circularly polarized waves are introduced into the inner waveguide 29a and the outer waveguide 29b by the microwave power splitter 21, respectively, and pass through the inner radiating section 217 and the ring-shaped outer radiating section 218 to the processing chamber 23.
  • the microwave power is turned on.
  • the TEM mode is mixed at the output end of the outer waveguide 29b (coaxial portion), and the axial ratio of the circularly polarized wave is reduced at the radiation end of the outer waveguide 29b. This effect is used to remove mixed TEM mode microwaves. Therefore, since the TEM mode of the outer waveguide 29b can be removed by the ring-shaped outer radiation portion 218, the axial ratio of the outer waveguide 29b is evaluated using the TE11 mode S parameter.
  • the inner radiating portion 217 shown here is a cylindrical space, but it may be a rectangular parallelepiped, a polygon such as a hexahedron or an octahedron, and any shape that allows a higher mode than the TE11 mode to stand.
  • FIG. 3 A top view of the microwave power splitter 21 of FIG. 2 is shown in FIG.
  • the microwave power splitter 21 consists of a long rectangular waveguide a (first rectangular waveguide) 33 and a short rectangular waveguide perpendicular to (or crossing) the long rectangular waveguide a (or first rectangular waveguide) 33 in top or plan view. and a wave tube b (second rectangular waveguide) 34 .
  • Both the rectangular waveguide a33 and the rectangular waveguide b34 can be constructed using an EIAJ standard WRI-22 waveguide (width 109.2 mm, height 54.6 mm).
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view along line AA in FIG. As shown in FIG.
  • the rectangular waveguide a 33 and the rectangular waveguide b 34 are divided into an upper rectangular waveguide 42 and a lower rectangular waveguide 43 by a partition plate 49 in a cross-sectional view. That is, the microwave power splitter 21 consists of rectangular waveguides (33, 34) connected to a single microwave source 101 and circular waveguides (29a) connected to the rectangular waveguides (33, 34). , 29b) and radiating portions (217, 218) connected between the circular waveguides (29a, 29b) and the processing chamber 23.
  • the microwave power from the magnetron 101 is split by the partition plate 49 into the upper rectangular waveguide 42 and the lower rectangular waveguide 43 .
  • a pair of trapezoidal constrictions 30 are provided on the side walls of the upper rectangular waveguide 42 so as to face each other in order to cut off the power passing through the upper rectangular waveguide 42 .
  • the pair of constricted portions 30 can be said to be blocking portions for blocking power passing through the upper rectangular waveguide 42 .
  • the width between the pair of constricted portions 30, which are blocking portions, is configured to be narrower than the width of the rectangular waveguide (33) other than the pair of constricted portions 30 in plan view or top view.
  • the microwaves blocked by the constricted portions 30 of the upper rectangular waveguide 42 can pass.
  • the microwave power entering the circular inner waveguide 29a from the upper rectangular waveguide 42 can be adjusted.
  • the constricted portion 30 is basically characterized by oblique sides 301 and 302 on both sides being asymmetrical. As a result, reflection to the microwave source 101 can be reduced, and circularly polarized waves are synthesized by the orthogonal rectangular waveguide a33 and rectangular waveguide b34, so that the impedance can be smoothly changed. .
  • a cylindrical dielectric waveguide 36 is formed between an upper rectangular waveguide 42 and an inner waveguide, as shown in FIGS. It is provided between the tubes 29a.
  • a dielectric waveguide 36 is arranged in an upper rectangular waveguide 42 .
  • the dielectric waveguide 36 can be made of quartz glass.
  • the central axis of the dielectric waveguide 36 is configured such that the central axis of the rectangular waveguide a33 and the central axis of the rectangular waveguide b34 do not match (shifted configuration). As shown in FIG.
  • a gap 47 of constant distance is provided for adjusting the reactance.
  • the TE11 mode is Circularly polarized waves can be synthesized.
  • ⁇ d is 2.45 GHz and 148 mm for a WRI-22 standard rectangular waveguide.
  • the length L1 indicates the length between the center axis of the dielectric waveguide 36 and the first side wall 34a of the rectangular waveguide b34.
  • the length L2 indicates the length between the center axis of the dielectric waveguide 36 and the second side wall 34b facing the first side wall 34a of the rectangular waveguide b34.
  • a length L3 indicates the length between the central axis of the dielectric waveguide 36 and the first side wall 33a of the rectangular waveguide a33.
  • a length L4 indicates the length between the center axis of the dielectric waveguide 36 and the end portion 33b of the rectangular waveguide a33 facing the first side wall 33a.
  • the length of the short rectangular waveguide b34 (L1+L2) ⁇ the length of the long rectangular waveguide a33 (L3+L4).
  • the first side wall 34a and the second side wall 34b of the rectangular waveguide b34 are a pair of side walls in the longitudinal direction of the rectangular waveguide b34. Longitudinal sidewalls and ends of tube a33.
  • the microwave power passing through the upper rectangular waveguide 42 can be adjusted by the length 700 of inserting the power gate 31 into the constricted portion 30 of the upper rectangular waveguide 42 . Furthermore, circularly polarized waves are synthesized by the crossing portion 35 of the rectangular waveguides a 33 and the rectangular waveguides b 34 arranged orthogonally, and the circularly polarized microwaves having different power ratios inside and outside the processing chamber 23 are generated. You can throw in waves.
  • the plasma density distribution in the processing chamber 23 can be continuously controlled to have a central height, a peripheral height, and a flat distribution depending on the different internal and external power ratios of the microwaves.
  • the power gate 31 has a trapezoidal trapezoidal portion 57 including an upper base 57a and a lower base 57b, and a rectangular insert 58 connected to the upper base 57a of the trapezoidal portion 57. As shown in FIG. .
  • the insert portion 58 is configured to be inserted into the constricted portion 30 of the upper rectangular waveguide 42 .
  • the trapezoidal portion 57 has an end face 58b that is horizontal or parallel to the upper base 57a or the lower base 57b.
  • the power gate 31a includes a trapezoidal trapezoidal portion 57 including an upper base 57a and a lower base 57b, and an insertion portion 58a connected to the upper base 57a of the trapezoidal portion 57.
  • the insert portion 58a has an end surface 58c that has a constant angle 59 with respect to the upper base 57a or the lower base 57b of the trapezoidal portion 57.
  • the end face 58c has the effect of reducing the reflection of microwaves to the microwave source 101.
  • FIG. 7 is a diagram showing simulation results of the finite element method (HFSS) of the present invention.
  • FIG. 7 shows the finite element method simulation results when the microwave power divider 21 receives 2.45 GHz microwaves from the microwave source 101 and the insertion length 700 of the power gate 31 is varied.
  • FIG. 7 shows a graph 71 showing changes in the axial ratio of circularly polarized waves radiated from the inner waveguide 29a, a graph 72 showing the axial ratio of circularly polarized waves radiated from the outer waveguide 29b, and a microwave source 101. and a graph 74 showing the internal/external power ratio of the inner waveguide 29a and the outer waveguide 29b.
  • the inside/outside power ratio can be controlled within a linear range of 0.18 to 0.078, and the axial ratio between the inner waveguide 29a and the outer waveguide 29b should be 0.9 or more. It was confirmed that the reflection was 0.2 or less while maintaining the reflection.
  • the ECR plasma etching apparatus 100 of the present invention has the following configuration.
  • the microwave power splitter 21 has the function of a circularly polarized wave generator, and the waveguide configuration for forming circularly polarized waves by the circularly polarized wave generator 19 of the comparative example is ECR plasma etched. It is mounted outside the device 100 as a waveguide for the microwave introduction portion of the device 100 . This makes it possible to flexibly cope with changes in the plasma density distribution in the processing chamber 23 due to process conditions.
  • the microwave power splitter 21 consists of a long rectangular waveguide 33 connected to a single microwave source 101, the magnetron, and a short rectangular waveguide 33 orthogonal (or crossed) with the long rectangular waveguide 33. It is configured using a tube 34 .
  • a circularly polarized wave is formed inside each of the connected inner waveguide 29a and outer waveguide 29b.
  • the rectangular waveguides 33 and 34 arranged orthogonally are provided with a partition plate 49 to vertically divide the rectangular waveguides 33 and 34 so that the power of the single microwave source 101 can be divided into two.
  • the rectangular waveguide divided vertically by the partition plate 49 has an upper rectangular waveguide 42 and a lower rectangular waveguide 43 . Also, by changing the height of the partition plate 49, the microwave power ratio divided into two can be adjusted.
  • An upper rectangular waveguide 42 and a lower rectangular waveguide 43 vertically divided by a partition plate 49 form a double waveguide structure connected to a circular inner waveguide 29a and a circular outer waveguide 29b, respectively. Due to the increased diameter of this dual waveguide structure, a cylindrical dielectric waveguide 36, e.g. By loading the waveguide 36, there is an advantage that the wavelength of the microwave can be compressed and the diameter of the double waveguide portion can be designed small. Further, by slightly shifting the central axis of the dielectric waveguide 36 as the quartz waveguide from the central axis of the rectangular waveguides 33 and 34, it is possible to reduce the reflection to the microwave source 101. Circularly polarized waves can also be formed in the circular outer waveguide 29b.
  • designing the radius a of the inner waveguide 29a according to formula (1) allows the microwaves to pass through or be blocked.
  • a (1.841C)/(2 ⁇ fc)[m] (1)
  • fc is the microwave frequency of 2.45 GHz and C is the speed of light in vacuum of 2.99 ⁇ 10 8 m/s.
  • the radius of the inner waveguide 29a is 0.0375 m.
  • the material of the dielectric waveguide 36 in the inner waveguide 29a is quartz and its relative dielectric constant ⁇ r is 3.78, the propagation speed of the microwave is reduced to 1/ ⁇ r, so the equation According to (1), the radius of the inner waveguide 29a is 0.018 m.
  • the outer waveguide 29b is configured to be coaxial with the inner waveguide 29a. Also, the central axis of the dielectric waveguide 36 is configured to be coaxial with the outer waveguide 29b and the inner waveguide 29a. Therefore, the outer waveguide 29b propagates microwaves as a coaxial waveguide with the inner waveguide 29a.
  • the TEM mode which is the fundamental mode
  • the radius b of the outer waveguide 29b when the higher-order mode, TE11, is shielded can be determined using the following equation (2). can be done.
  • kc is the cutoff wave number [rad/m]
  • a is the radius [m] of the inner waveguide 29a
  • b is the radius [m] of the outer waveguide 29b.
  • circularly polarized waves are supplied to the inner waveguide 29a and the outer waveguide 29b, which are double waveguides formed by the partition plate 49, respectively. can be formed. Since the outer waveguide 29b is a coaxial waveguide, the lowest order mode is the TEM mode.
  • the parameters were used to evaluate the axial ratios of the circularly polarized waves formed by the inner waveguide 29a and the outer waveguide 29b, respectively (see graphs 71 and 72 in FIG. 7).
  • a circularly polarized wave with an axial ratio of 1 indicates perfect circular polarization, and an axial ratio of 0 indicates a linearly polarized wave.
  • Microwave in upper rectangular waveguide 42 connected to inner waveguide 29a to adjust microwave power radiated from inner waveguide (circular portion) 29a and outer waveguide (coaxial portion) 29b.
  • a pair of constrictions 30 capable of blocking microwaves are provided in the incident wave direction.
  • the width of the upper rectangular waveguide 42 is narrowed by the pair of constricted portions 30, the microwave from the microwave source 101 is cut off, and power cannot be transmitted.
  • a slidable quartz block (power gate) 31 is provided. By moving the power gate 31 back and forth, the microwave power passing through the upper rectangular waveguide 42 can be adjusted.
  • the power of the inner waveguide 29a is introduced into the processing chamber 23 from the inner radiation section 217, while the power of the outer waveguide 29b is once introduced into a cavity such as the ring-shaped outer radiation section 218 and then radiated into the processing chamber 23. be.
  • the outer waveguide 29b is a coaxial waveguide, its lowest order mode is the TEM mode. Therefore, the TEM mode is mixed at the output end of the outer waveguide (coaxial portion) 29b, and the axial ratio of the circularly polarized wave is reduced at the radiation end of the outer waveguide 29b.
  • the cavity resonance effect is used to remove the mixed TEM mode microwaves. Therefore, since the TEM mode of the outer waveguide 29b can be removed by the ring-shaped outer radiation portion 218, the axial ratio of the outer waveguide 29b is evaluated using the TE11 mode S parameter.
  • this inner radiation part 217 by making the space larger in diameter than the inner waveguide 29a, this inner radiation part 217 can also raise modes other than TE11. Since this electric field can be rotated in time, the influence of the wave reflected as the TE11 mode can be reduced.
  • the example of the inner radiating portion 217 shown here is a cylindrical space, but it may be a rectangular parallelepiped, a polygon such as a hexahedron or an octahedron, and any shape that allows a higher mode than the TE11 mode to stand.
  • the microwave power is divided into two when introduced into the processing chamber 23 , and the power of the inner waveguide 29 a is controlled by the insertion length 700 of the power gate 31 . Therefore, during the semiconductor device etching process, the insertion length 700 of the power gate 31 can be adjusted to match the plasma distribution in the processing chamber 23 to the desired etching rate. Therefore, the non-uniformity of the plasma distribution in the processing chamber 23 of the plasma processing apparatus 100 is reduced, and the plasma density distribution in the processing chamber 23 is adjusted to center high, peripheral high, or flat distribution according to a desired etching process. becomes possible.
  • the power gate 31 of Example 1 shown in FIGS. 3 and 4 is a configuration example made of silica glass in accordance with the microwave source 101 of 2.45 GHz.
  • the material and shape of power gate 31 may be changed to match the frequency.
  • alumina, MC nylon resin, fluorine resin, or the like may be used.
  • the power gate 31 and the constricted portion 30 are provided in the upper rectangular waveguide 42 in the first embodiment, the example configuration has been described, but the present invention is not limited to this.
  • the power gate 31 and constriction 30 can be provided only in the lower rectangular waveguide 43, not in the upper rectangular waveguide 42.
  • a gap 47 shown in FIG. 4 is provided to adjust the axial ratio of the circularly polarized wave by the power of the reflected wave according to the plasma density in the processing chamber 23 .
  • the interval or size of the gap 47 can be adjusted.
  • the impedance changes due to the plasma density in the processing chamber 23 in FIG. Axial ratio of waves may be reduced. Therefore, metal or dielectric cylinders or projections with a diameter of 3 to 5 mm and a length of 5 to 18 mm are installed at appropriate locations on the upper and lower rectangular waveguides 42 and 43 at one or more locations. By matching the impedance, the axial ratio of the circularly polarized waves of the upper rectangular waveguide 42 and the lower rectangular waveguide 43 can be finely adjusted.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the configuration of the power gate driving mechanism of the present invention.
  • Power gate 31 is preferably slidably positioned within upper rectangular waveguide 42, i.e., between waist 30 of FIG. Therefore, as shown in FIG. 6, it is preferable to provide an actuator 627 as a moving mechanism for sliding the power gate 31 between the constricted portions 30 .
  • Actuator 627 is connected to a process control PC (personal computer, not shown) or WS (work station, not shown) and configured to move power gate 31 between waist 30 .
  • PC personal computer, not shown
  • WS work station, not shown
  • a plasma processing apparatus (100) includes a processing chamber (23) in which a sample (20) is plasma-processed, a high-frequency power source (101) for supplying high-frequency power of microwaves for generating plasma, and , circular waveguides (29a, 29b) connected to the rectangular waveguides and transmitting microwaves to the processing chamber, and a sample on which the sample is placed a base (26).
  • the rectangular waveguides (33, 34) are composed of an upper rectangular waveguide (42) and a lower rectangular waveguide (43) which are vertically partitioned, and a microwave high frequency wave supplied from the high frequency power supply.
  • Said circular waveguides (29a, 29b) are connected to said upper rectangular waveguide (42) and internally formed inner waveguide (29a) and said lower rectangular waveguide (43). and an outer waveguide (29b) formed outside the inner waveguide.
  • the width of the blocking portion (30) is narrower than the width of the rectangular waveguide (33) other than the blocking portion (30).
  • the rectangular waveguides (33, 34) include a first rectangular waveguide (33) and a second rectangular waveguide ( 34) and
  • the inner waveguide (29a) has a dielectric waveguide (36).
  • the central axis of the dielectric waveguide (36) in the plan view is the same as the central axis of the first rectangular waveguide (33) in the plan view and the second rectangular waveguide It does not coincide with the central axis of (34).
  • the dielectric (31) is arranged in the upper rectangular waveguide.
  • the dielectric (31) is arranged in the upper rectangular waveguide.
  • a moving mechanism (627) for moving the dielectric (31) is further provided.
  • Microwave power divider 22 Electromagnetic coil 23: Processing chamber 25: Quartz window 26: Lower electrode 27: RF power supply 101: Magnetron (microwave source, high frequency power supply) 217: inner radiating portion 218: ring-shaped outer radiating portion 29a: circular inner waveguide 29b: circular outer waveguide 30: constricted portion 31: quartz gate (power gate) 33: Rectangular waveguide a 34: Rectangular waveguide b 36: Dielectric waveguide 42: Upper rectangular waveguide 43: Lower rectangular waveguide 47: Gap 49: Partition plate 57: Trapezoidal portion 58: Insertion portion 627: Actuator (moving mechanism) 700: insertion length

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Abstract

処理室内のプラズマの分布の不均一を低減し、所望のエッチングプロセスに合わせて処理室内のプラズマ分布を中高、周囲高または平坦分布に調節できるプラズマ処理装置を提供する。試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、マイクロ波を伝送する矩形導波管と、矩形導波管に接続され処理室へマイクロ波を伝送する円形導波管と、試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、矩形導波管は、上下に仕切られて形成された上部矩形導波管および下部矩形導波管と、高周波電源から供給されたマイクロ波の高周波電力を遮断し誘電体が配置された遮断部とを具備する。円形導波管は、上部矩形導波管に接続され内部に形成された内側導波管と、下部矩形導波管に接続され内側導波管の外側に形成された外側導波管とを具備する。遮断部の幅は、遮断部以外の矩形導波管の幅より狭い。

Description

プラズマ処理装置
　本発明は、電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関する。
　半導体デバイスの高集積度化により、高アスペクト比のエッチング加工技術の開発が進められてきた。半導体分野の微細化エッチング技術の一つはドライエッチング技術であり、その中に特にプラズマを用いたドライエッチング加工がよく使われている。プラズマは電子及び処理ガスの分子または原子との衝突を利用して処理ガスの分子または原子を励起し、イオンおよびラジカルを生成する。プラズマエッチング処理装置（以下、プラズマ処理装置ともいう）はイオンによって異方性エッチング、ラジカルによって等方性エッチングを実現している。プラズマ源としては、電子サイクロトロン共鳴ＥＣＲ（ＥＣＲ: Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）がある。ＥＣＲは高密度プラズマを生成できるため、半導体デバイスのＤＲＡＭの耐電圧を上げたり、高容量コンデンサの作成したりなどに用いられている。
　図１に比較例に係るＥＣＲプラズマエッチング処理装置１００ｒの構成を示す。単一のマイクロ波源であるマグネトロンから発せられた２．４５ＧＨｚのマイクロ波は矩形導波管１４、円矩形変換機１４１及び円形導波管１４２内を伝播し、外側に電磁コイル１２が設置されている処理室１３の上部にある石英窓１５を通して処理室１３に導入される。マイクロ波による電界とそれに対して垂直方向に形成されている磁界により、電子サイクロトロン運動を行うようになる。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、磁場に垂直する電子がローレンツ力による進行方向が曲げられるため、次第に電子が周回運動を行うようになる。その時の磁束密度Ｂは式ｆｃ=ｅＢ/２πｍｅ（ｅは電子電荷量１．６×１０－１９Ｃ、ｍｅは電子質量９．１×１０－３１Ｋｇ、ｆｃは２．４５ＧＨｚ）により、８７５Ｇとすると電子サイクロトロン共鳴が起こり、電子と処理室内のガス分子の衝突確率が増えるため、低圧力下でも高密度なプラズマを生成することができる。動作圧力は１Ｐａ前後であり、この圧力領域で１０１１ｃｍ－３以上の密度プラズマが得られる。また下部電極１６に印加するＲＦ電源１７によりプラズマ形成と独立イオンエネルギーを制御できるようになっているため、精密な形状制御が可能である。更に被処理基板１１の面内均一性を高めるため、誘電体材料で構成された円偏波発生器１９を用いて、処理室１３内に円偏波を投入している。これにより、処理室１３の内部にも円偏波が形成され、より均一なプラズマ分布が得られる。
特開平１－１３４９２６号公報 特開２００５－０５０７７６号公報
　プラズマ処理装置の処理室壁面のプラズマ密度は固体表面の反応の損失によって処理室の中心部よりも低くなっていることが一般的に知られている。このようなプラズマ密度分布の不均一性によって被処理基板上のエッチングレートが不均一になっている。
　特許文献１においては、大口径基板用の処理室のプラズマ分布の不均一性を改善するために、単一マイクロ波源を２分岐した矩形導波管を用いて処理室に導入するが、処理室内の壁面の固体表面反応によるイオン及びラジカルの消滅への対策は依然と施していない。
　特許文献２においては、処理基板上のエッチングレート分布をよくするために、２つの矩形導波管を直交に配置し、直交している２つの矩形導波管の長さを調節することで投入されたマイクロ波の位相を操作し、円偏波を形成してから処理室に導入するものの、処理室にとって従来装置が抱えている処理室壁面のイオンおよびラジカルの消滅を対処できず、必然的に処理室中央のプラズマ密度が高くなる課題が残されている。
　そして半導体素子の製造プロセス工程においては、被処理基板のエッチングレートは必ずしもプラズマ密度に依存しているとは限らない。そのため、例えば熱分布のようなプロセス条件を優先にした場合、均一性を得るためには一つのプロセスサイクルの中でプラズマ密度を周囲高、中心高、均一といった順番に調整できれば最終的に被処理基板上のエッチング面内均一性が得られる。
　また、半導体素子の薄膜のエッチング処理の場合は、被処理基板上の薄膜分布が成膜装置の排気コンダクタンス、処理室の対称性等の特性によって、形成された膜厚が不均一になることが多い。例えば膜厚が中心高から周囲低のような凸分布の場合、被処理基板の中心上のマイクロ波の投入電力を多く求められる。一方で、膜厚が中心低から周囲高のような凹分布の場合、被処理基板の中心上のマイクロ波投入電力を減らす必要がある。上記に示したように、面内均一性を得るためにはさまざまな要因があるため、プラズマを用いたエッチング装置には自由度の高いプラズマ密度分布制御が求められている。
　図１のＥＣＲプラズマエッチング処理装置１００ｒにおいて、誘電体ブロックからなる円偏波発生器１９を装置１００ｒの内部に備えている。ＥＣＲプラズマエッチング装置１００ｒの処理室１３内のプラズマ密度をプロセス条件によって変化させる際、インピーダンスを整合するため、円偏波発生器１９の位置を調節する必要がある。しかしながら、円偏波発生器１９は電磁コイル１２に覆われているため、その位置の調整が困難であるという課題がある。
　本発明の課題は、処理室内のプラズマの分布の不均一を低減し、所望のエッチングプロセスに合わせて処理室内のプラズマ分布を中高、周囲高または平坦分布に調節できるプラズマ処理装置を提供することにある。
　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
　本発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
　一実施の形態に係るプラズマ処理装置は、試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、マイクロ波を伝送する矩形導波管と、矩形導波管に接続され処理室へマイクロ波を伝送する円形導波管と、試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置であって、矩形導波管は、上下に仕切られて形成された上部矩形導波管および下部矩形導波管と、高周波電源から供給されたマイクロ波の高周波電力を遮断し誘電体が配置された遮断部とを具備する。円形導波管は、上部矩形導波管に接続され内部に形成された内側導波管と、下部矩形導波管に接続され内側導波管の外側に形成された外側導波管とを具備する。遮断部の幅は、遮断部以外の矩形導波管の幅より狭い。
　一実施の形態に係るプラズマ処理装置によれば、処理室内のプラズマの分布の不均一を低減し、所望のエッチングプロセスに合わせて処理室内のプラズマ分布を中高、周囲高または平坦分布に調節できる。
図１は比較例に係るＥＣＲプラズマエッチング処理装置の概略縦断面図である。 図２は本発明に係るＥＣＲプラズマエッチング処理装置の全体構成を示す概略縦断面図である。 図３は本発明のマイクロ波電力を調節するための導波管構成の上面図である。 図４は図３のＡ－Ａ線に沿う導波管構成の断面図である。 図５Ａは図３の電力ゲートの外形を説明する上面図である。 図５Ｂは変形例に係る電力ゲートの外形を説明する上面図である。 図６は本発明の電力ゲート駆動機構の構成概要図である。 図７は本発明の有限要素法（ＨＦＳＳ）のシミュレーション結果を示す図である。
　以下、実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
　以下、図面を用いて本発明に係るマイクロ波プラズマエッチング処理装置を説明する。図２は、本発明に係るＥＣＲプラズマエッチング装置の全体構成を示す概略縦断面図である。図３は、本発明のマイクロ波電力を調節するための導波管構成の上面図である。図４は、図３のＡ－Ａ線に沿う導波管構成の断面図である。図５Ａは、図３の電力ゲートの上面図を示す。図５Ｂは、変形例に係る電力ゲートの上面図である。
　図２に示すように、本発明に係るマイクロ波プラズマエッチング処理装置１００は、処理室２３の上部に、単一のマイクロ波源（高周波電源）１０１であるマグネトロンからの２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を円形の内側導波管２９ａ、円形の外側導波管２９ｂにそれぞれマイクロ波を導入するマイクロ波電力分割器２１を有する。円形の内側導波管２９ａと円形の外側導波管２９ｂとは円形導波管ということができる。内側導波管２９ａは内側放射部２１７に接続している。外側導波管２９ｂはリング状外側放射部２１８に接続している。マイクロ波源（高周波電源）１０１であるマグネトロンは、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する。
　処理室２３と二放射部２１７、２１８の間に石英窓２５が設けられる。処理室２３の外周は電磁コイル２２に覆われている。処理室２３の中心底面には、半導体ウエハなどの被処理基板（試料）２０を置くための試料台とされる下部電極２６が設けられる。下部電極２６はプラズマ中のイオンを加速させるためのＲＦ電源２７と接続している。ＲＦ電源２７の電圧変動により、プラズマ中に電離されている処理ガスのイオンが被処理基板２０に向かって加速され、被処理基板上２０の薄膜を除去できる。
　マイクロ波電力分割器２１によって、内側導波管２９a及び外側導波管２９ｂにそれぞれ円偏波が導入され、内側放射部２１７およびリング状外側放射部２１８を経由し、処理室２３に円偏波となったマイクロ波電力を投入する。外側導波管２９ｂ（同軸部）の出力端においてはＴＥＭモードが混入し、外側導波管２９ｂの放射端において、円偏波の軸比が低下するが、リング状外側放射部２１８の空洞共振効果を利用して混入したＴＥＭモードのマイクロ波を除去している。従って外側導波管２９ｂのＴＥＭモードはリング状外側放射部２１８で除去可能なため、外側導波管２９ｂの軸比をＴＥ１１モードのＳパラメータを用いて評価している。
　内側放射部２１７に関しては内側導波管２９ａより径の大きい空間にすることで、この中ではＴＥ１１以外のモードを立てることができる。この電界は時間的に回転させることができるので、ＴＥ１１モードとして反射してくる波の影響を小さくすることができる。ここに示した内側放射部２１７の例は円筒状空間とするが、直方体でも六面体、八面体のような多角形でもよく、ＴＥ１１モードより高次モードが立てられる形状であればよい。続いて図３及び図４を用いてマイクロ波電力分割器２１の詳細を説明する。
　図３には、図２のマイクロ波電力分割器２１の上面図が示される。図３に示すように、マイクロ波電力分割器２１は、上面視または平面視において、長矩形導波管a（第１の矩形導波管）３３とそれと直交（または、交差）する短矩形導波管ｂ（第２の矩形導波管）３４とを含む。矩形導波管a３３と矩形導波管ｂ３４は共にＥＩＡＪ規格のＷＲＩ－２２導波管（幅１０９．２ｍｍ、高５４．６ｍｍ）を使用して構成することができる。図４には、図３のＡ－Ａ線に沿う断面図が示される。図４に示すように、断面視において、矩形導波管a３３と矩形導波管ｂ３４とは仕切板４９によって上部矩形導波管４２及び下部矩形導波管４３に分割されている。つまり、マイクロ波電力分割器２１は、単一のマイクロ波源１０１と接続された矩形導波管（３３，３４）と、矩形導波管（３３、３４）に接続された円形導波管（２９ａ、２９ｂ）と、円形導波管（２９ａ、２９ｂ）と処理室２３との間に接続された放射部（２１７、２１８）と、を備えている。矩形導波管a３３は第１矩形導波管と、矩形導波管ｂ３４は第２矩形導波管ということもできる。
　マグネトロン１０１からのマイクロ波電力は仕切板４９によって上部矩形導波管４２及び下部矩形導波管４３に分割される。上部矩形導波管４２には、さらに、上部矩形導波管４２を通過するマイクロ波電力を調節するための誘電体からなる電力ゲート３１を有する。誘電体の比誘電率が４前後のものが良いため、本実施例において、電力ゲート３１は石英ガラス（比誘電率εr＝３．７８）のものを使用する。上部矩形導波管４２の通過電力を遮断するため、図３に示すように、台形からなる一対のくびれ部３０が対向配置するように、上部矩形導波管４２の側壁に設けられている。一対のくびれ部３０は、上部矩形導波管４２の通過電力を遮断するための遮断部ということができる。遮断部である一対のくびれ部３０の間の幅は、平面視または上面視において、一対のくびれ部３０以外の矩形導波管（３３）の幅より狭い構成とされている。
　電力ゲート３１が一対のくびれ部３０の間に挿入されると、上部矩形導波管４２のくびれ部３０にて遮断されたマイクロ波が通過できるようになる。電力ゲート３１の挿入長さ７００を調節することで、上部矩形導波管４２から円形内側導波管２９ａに入るマイクロ波電力を調節できる。図３に示すように、くびれ部３０は基本的に両側の斜辺３０１、３０２が非対称になっている特徴を有する。これにより、マイクロ波源１０１への反射を低減できること、および、直交する矩形導波管a３３と矩形導波管ｂ３４にて円偏波を合成するため、インピーダンスを滑らかに変化させられる効果を持っている。
　円偏波の軸比を高めるため及びマイクロ波源１０１への反射を低減させるため、図３、図４に示すように、円柱状の誘電体導波路３６が上部矩形導波管４２と内側導波管２９ａの間に設けられている。誘電体導波路３６は、上部矩形導波管４２に配置されている。誘電体導波路３６は、石英ガラスで構成することができる。図３に示すように、誘電体導波路３６の中心軸は矩形導波管ａ３３の中心軸及び矩形導波管ｂ３４の中心軸の一致しない構成（ずらされている構成）とされており、さらに、図４に示すように、誘電体導波路３６の上面と上部矩形導波管４２の上面との間に、リアクタンス調節するための一定距離の隙間４７が設けられている。図３に示した長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ０．５λｄ、１．１２５λｄ、１．０λｄとすれば、お互いに直交する矩形導波管a３３と矩形導波管ｂ３４とによって、ＴＥ１１モードの円偏波を合成できる。λｄは２．４５ＧＨｚ、ＷＲＩ－２２規格矩形導波管の場合は１４８ｍｍとなる。長さＬ１は誘電体導波路３６の中心軸と矩形導波管ｂ３４の第１側壁３４ａとの間の長さを示す。長さＬ２は誘電体導波路３６の中心軸と矩形導波管ｂ３４の第１側壁３４ａと対向する第２側壁３４ｂとの間の長さを示す。長さＬ３は誘電体導波路３６の中心軸と矩形導波管ａ３３の第１側壁３３ａとの間の長さを示す。長さＬ４は誘電体導波路３６の中心軸と矩形導波管ａ３３の第１側壁３３ａと対向する端部３３ｂとの間の長さを示す。この例では、短矩形導波管ｂ３４の長さ（Ｌ１＋Ｌ２）＜長矩形導波管a３３の長さ（Ｌ３＋Ｌ４）の関係にある。矩形導波管ｂ３４の第１側壁３４ａと第２側壁３４ｂとは矩形導波管ｂ３４の長手方向の一対の側壁であり、矩形導波管ａ３３の第１側壁３３ａと端部３３ｂは矩形導波管ａ３３の長手方向の側壁及び端部である。
　電力ゲート３１を上部矩形導波管４２のくびれ部３０に挿入する長さ７００によって、上部矩形導波管４２を通過するマイクロ波電力を調節できる。さらに、直交配置している矩形導波管a３３と矩形導波管ｂ３４との交差部３５によって円偏波が合成され、処理室２３内の内側と外側とに電力比が異なるマイクロ波の円偏波を投入できる。処理室２３内のプラズマ密度分布はこの異なるマイクロ波の内外電力比によって、中央高、周囲高、平坦分布に連続的に制御することができる。
　図５Ａに示すように、電力ゲート３１は、上底５７ａと下底５７ｂとを含む台形形状の台形部５７と、台形部５７の上底５７ａに接続された矩形形状の挿入部５８とを有する。挿入部５８は、上部矩形導波管４２のくびれ部３０に挿入されるように構成されている。台形部５７の上底５７ａまたは下底５７ｂに対して水平なまたは平行な端面５８ｂを有する。
　図５Ｂに示すように、変形例に係る電力ゲート３１ａは、上底５７ａと下底５７ｂとを含む台形形状の台形部５７と、台形部５７の上底５７ａに接続された挿入部５８ａとを有する。挿入部５８ａは、台形部５７の上底５７ａまたは下底５７ｂに対して一定の角度５９を有する端面５８ｃを有する。端面５８ｃによって、マイクロ波源１０１へマイクロ波の反射を低減できる効果を有する。
　図７は、本発明の有限要素法（ＨＦＳＳ）のシミュレーション結果を示す図である。図７には、マイクロ波電力分割器２１が２．４５ＧＨｚマイクロ波をマイクロ波源１０１から入力される場合であり、電力ゲート３１の挿入長さ７００を変化させた場合における有限要素法シミュレーション結果が示される。図７には、内側導波管２９ａから放射される円偏波の軸比変化を示すグラフ７１、外側導波管２９ｂから放射される円偏波の軸比を示すグラフ７２、マイクロ波源１０１への反射を示すグラフ７３、内側導波管２９aおよび外側導波管２９ｂの内外電力比を示すグラフ７４が示される。電力ゲート３１の挿入長さ７００によって、内外電力比を０．１８～０．０７８の線形範囲内で制御できる上、内側導波管２９ａと外側導波管２９ｂの軸比は０．９以上を維持できながら、反射も０．２以下を達成していることを確認できた。
　本発明のＥＣＲプラズマエッチング装置１００は、以下の構成とされている。
　図２に示すように、マイクロ波電力分割器２１は円偏波発生器の機能を備えながら、比較例の円偏波発生器１９による円偏波を形成させられる導波管構成をＥＣＲプラズマエッチング装置１００のマイクロ波導入部の導波管として装置１００外部に実装されている。これにより、柔軟にプロセス条件による処理室２３内のプラズマ密度分布変化に対応できる。
　マイクロ波電力分割器２１は、単一のマイクロ波源１０１であるマグネトロンに接続している長矩形導波管３３と、長矩形導波管３３と直交配置(または交差配置)された短矩形導波管３４とを用いて構成される。この２つの矩形導波管３３、３４の長さを調節し、矩形導波管３３、３４に進入するＴＥ０１モードのマイクロ波の位相を操作することで、矩形導波管３３、３４と垂直に接続している内側導波管２９ａと外側導波管２９ｂそれぞれの内部に円偏波を形成する。更に、２つの直交配置された矩形導波管３３、３４に仕切板４９を設けてあり、矩形導波管３３、３４が上下分割され、単一のマイクロ波源１０１の電力を２分割できる。仕切板４９によって上下に分割された矩形導波管の上の部分を上部矩形導波管４２とし、下の部分を下部矩形導波管４３とする。また、仕切板４９の高さを変更すれば、２分割されたマイクロ波電力比を調節可能である。
　仕切板４９によって上下に分割された上部矩形導波管４２と下部矩形導波管４３はそれぞれ円形内側導波管２９ａ、円形外側導波管２９ｂに接続する二重導波管構造になる。この二重導波管構造の直径が大きくなるため、上部矩形導波管４２と円形内側導波管２９ａの間に円柱状の誘電体導波路３６、例としては、石英ガラスで構成された誘電体導波路３６を装荷することで、マイクロ波の波長を圧縮でき、二重導波管部の直径を小さく設計できるメリットがある。また、石英導波路としての誘電体導波路３６の中心軸を矩形導波管３３、３４の中心軸線上から少しずらすことで、マイクロ波源１０１への反射を低減できる効果をもたらすこともできると共に、円形外側導波管２９ｂにも円偏波を形成することができる。
　内側導波管２９ａのマイクロ波の伝播を制限するときには、内側導波管２９ａの半径ａを式（１）によって設計すれば、マイクロ波を通過または遮断できるようになる。
　ａ＝（１．８４１Ｃ）／（２πｆｃ）［ｍ］・・・（１）
　ここで、ｆｃはマイクロ波周波数２．４５ＧＨｚ、Ｃは真空中光速度２．９９×１０８ｍ/ｓである。
　例えばＴＥ１１モードのマイクロ波の伝播において、媒質が空気または真空の場合は、その比誘電率εrの値が１になるため、式（１）によると内側導波管２９ａの半径が０．０３７５ｍになる。内側導波管２９ａ内の誘電体導波路３６の材質を石英とし、その比誘電率εrの値が３．７８の場合は、マイクロ波の伝播速度が１/√εr分に遅くなるため、式（１）によると内側導波管２９ａの半径が０．０１８ｍになる。
　外側導波管２９ｂは内側導波管２９ａと同軸となるように構成されている。また、誘電体導波路３６の中心軸は、外側導波管２９ｂ及び内側導波管２９ａと同軸となるように構成されている。このため、外側導波管２９ｂは内側導波管２９ａとは同軸導波管としてマイクロ波を伝播する。同軸導波管は基本モードであるＴＥＭモードには遮蔽が存在しないが、その高次モードであるＴＥ１１の遮蔽時の外側導波管２９ｂの半径ｂは下記の式（２）を用いて決めることができる。
　ｋｃ≒２／（ａ＋ｂ）・・・（２）
　ここで、ｋｃは遮断波数[rad/m]、ａは内側導波管２９ａの半径[ｍ]、ｂは外側導波管２９ｂの半径[ｍ]である。
　２つの直交配置している矩形導波管３３、３４の長さによる位相操作により、仕切板４９によって二重導波管となった内側導波管２９ａと外側導波管２９ｂにそれぞれ円偏波を形成できる。外側導波管２９ｂは同軸導波管のため、最低次モードはＴＥＭモードであるが、外側導波管２９ｂと接続しているリング状放射部２１８によってＴＥＭモードを除去できるため、ＴＥ１１モードのＳパラメータを用いて内側導波管２９ａ及び外側導波管２９ｂにてそれぞれ形成された円偏波の軸比を評価した（図７のグラフ７１、７２を参照）。なお、円偏波の軸比＝１のものが完全な円偏波を示し、軸比＝０のものが直線偏波を示す。
　内側導波管（円形部）２９ａと外側導波管（同軸部）２９ｂから放射されるマイクロ波電力を調節するため、内側導波管２９ａに接続している上部矩形導波管４２のマイクロ波入射波方面にマイクロ波を遮断できる一対のくびれ部３０を設ける。一対のくびれ部３０により上部矩形導波管４２の幅が狭くなり、マイクロ波源１０１からのマイクロ波が遮断され、電力を伝送できなくなるが、この一対のくびれ部３０の間に、さらに、前後にスライド移動できる石英ブロック（電力ゲート）３１を設ける。この電力ゲート３１が前後移動することで、上部矩形導波管４２を通過するマイクロ波電力を調節できる。
　本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
　電力ゲート３１を水平に前後にスライド移動させることによって、上部矩形導波管４２を通過する電力を調節することができ、さらに、２つの矩形導波管３３、３４が直交配置されているため、２つの矩形導波管３３、３４の長さを調節することで、矩形導波管３３、３４に接続されている内側導波管２９aおよび外側導波管２９ｂに円偏波を形成できる。
　内側導波管２９aの電力は内側放射部２１７から処理室２３に導入される一方、外側導波管２９ｂの電力は一旦リング状外側放射部２１８といった空洞に導入されてから処理室内２３に放射される。外側導波管２９ｂは同軸導波管のため、その最低次モードはＴＥＭモードである。そのため、外側導波管（同軸部）２９ｂの出力端においてはＴＥＭモードの混入し、外側導波管２９ｂの放射端において、円偏波の軸比が低下するが、リング状外側放射部２１８の空洞共振効果を利用して混入したＴＥＭモードのマイクロ波を除去している。従って、外側導波管２９ｂのＴＥＭモードはリング状外側放射部２１８で除去可能なため、外側導波管２９ｂの軸比をＴＥ１１モードのＳパラメータを用いて評価している。
　内側放射部２１７に関しては、内側導波管２９ａより径の大きい空間にすることで、この内側放射部２１７も中ではＴＥ１１以外のモードを立てることができる。この電界は時間的に回転させることができるので、ＴＥ１１モードとして反射してくる波の影響を小さくすることができる。ここに示した内側放射部２１７の例は円筒状空間とするが、直方体でも六面体、八面体のような多角形でもよく、ＴＥ１１モードより高次モードが立てられる形状であればよい。
　以上の構成により、単一のマイクロ波源１０１でも処理室２３に導入する際にマイクロ波電力が２分割され、さらに、内側導波管２９ａの電力は電力ゲート３１の挿入長７００によって制御される。このため、半導体デバイスのエッチングプロセス中には電力ゲート３１の挿入長７００の調整によって、処理室内２３のプラズマ分布を所望のエッチングレートに合わせることができる。したがって、プラズマ処理装置１００の処理室２３内のプラズマの分布の不均一を低減し、所望のエッチングプロセスに合わせて処理室２３内のプラズマ密度分布を中央高、周囲高、または平坦分布に調節することが可能になる。
　図３、図４に示す実施例１の電力ゲート３１は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波源１０１に合わせて、石英ガラスから構成する構成例である。異なる周波数のマイクロ波源１０１であれば、その周波数に合わせて電力ゲート３１の材料および形状を変更しても良い。２．４５ＧＨｚマイクロ波の場合、電力ゲート３１の比誘電率（εｒ）が４前後のものであれば、アルミナ、ＭＣナイロン樹脂、フッ素樹脂等を利用しても良い。
　実施例１では、電力ゲート３１およびくびれ部３０を上部矩形導波管４２に設け例構成例を説明したが、これに限定されない。電力ゲート３１およびくびれ部３０は、上部矩形導波管４２ではなく、下部矩形導波管４３のみに設けることができる。また、上部矩形導波管４２および下部矩形導波管４３の双方に電力ゲート３１およびくびれ部３０を設けることも可能である。
　図４に示す隙間４７は、処理室２３内のプラズマ密度によって反射波の電力による円偏波の軸比を調節するために設けられている。隙間４７は、誘電体導波路３６の高さ位置を変更することで、隙間４７の間隔または大きさを調節可能とすることもできる。
　図４に示した上部矩形導波管４２および下部矩形導波管４３において、図２の処理室２３のプラズマ密度によるインピーダンス変化によって、上部および下部矩形導波管（４２，４３）内の円偏波の軸比が低下する場合がある。そのため、上部および下部矩形導波管４２、４３の適切な箇所に直径φ３～５ｍｍ、長さ５～１８ｍｍの金属製または誘電体製の円柱または突起部を1か所または複数か所に設置し、インピーダンス整合を取ることで、上部矩形導波管４２と下部矩形導波管４３の円偏波の軸比を微調整することができる。
　図６は、本発明の電力ゲート駆動機構の構成概要図である。電力ゲート３１の位置を上部矩形導波管４２内、すなわち、図３のくびれ部３０の間にスライド移動させるのが好ましい。このため、図６に示すように、電力ゲート３１をくびれ部３０の間にスライド移動させる移動機構としてのアクチュエータ６２７を設けるのが好ましいい。アクチュエータ６２７をプロセス制御用ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、図示無し）乃至ＷＳ（ｗｏｒｋ　ｓｔａｔｉｏｎ、図示無し）に接続し、アクチュエータ６２７が電力ゲート３１をくびれ部３０の間に移動させるように構成する。これにより、電力ゲート３１が図３のくびれ部３０に挿入する長さ７００が所望に変更できるので、処理室２３内に電力が異なる所望のマイクロ波を投入できる。その結果、ＥＣＲプラズマ処理装置１００の処理室２３内のプラズマ密度分布を所望に調節することが可能である。
　実施例のプラズマ処理装置の好ましい態様は以下のようにまとめることができる。
　１）プラズマ処理装置（１００）は、試料（２０）がプラズマ処理される処理室（２３）と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源（１０１）と、前記マイクロ波を伝送する矩形導波管（３３、３４）と、前記矩形導波管に接続され前記処理室へマイクロ波を伝送する円形導波管（２９ａ、２９ｂ）と、前記試料が載置される試料台（２６）とを備える。  
　前記矩形導波管（３３，３４）は、上下に仕切られて形成された上部矩形導波管（４２）および下部矩形導波管（４３）と、前記高周波電源から供給されたマイクロ波の高周波電力を遮断し誘電体（３１）が配置された遮断部（３０）とを具備する。  
　前記円形導波管（２９ａ、２９ｂ）は、前記上部矩形導波管（４２）に接続され内部に形成された内側導波管（２９ａ）と、前記下部矩形導波管（４３）に接続され前記内側導波管の外側に形成された外側導波管（２９ｂ）とを具備する。  
　前記遮断部（３０）の幅は、前記遮断部（３０）以外の前記矩形導波管（３３）の幅より狭い。
　２）上記１）において、前記矩形導波管（３３、３４）は、第１の矩形導波管（３３）と、前記第１の矩形導波管と直交する第２の矩形導波管（３４）と、を具備する。
　３）上記２）において、前記内側導波管（２９ａ）は、誘電体導波路（３６）を有する。
　４）上記３）において、平面図における前記誘電体導波路（３６）の中心軸は、前記平面図における前記第１の矩形導波管（３３）の中心軸および前記第２の矩形導波管（３４）の中心軸と一致しない。
　５）上記１）において、前記誘電体（３１）は、前記上部矩形導波管に配置されている。
　６）上記３）において、前記誘電体（３１）は、前記上部矩形導波管に配置されている。
　７）上記１）において、前記誘電体（３１）を移動させる移動機構（６２７）をさらに備える。
　以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
２０：被処理基板
２１：マイクロ波電力分割器
２２：電磁コイル
２３：処理室
２５：石英窓
２６：下部電極
２７：RF電源
１０１：マグネトロン（マイクロ波源、高周波電源）
２１７：内側放射部
２１８：リング状外側放射部
２９ａ：円形内側導波管
２９ｂ：円形外側導波管
３０：くびれ部
３１：石英ゲート(電力ゲート)
３３：矩形導波管a
３４：矩形導波管ｂ
３６：誘電体導波路
４２：上部矩形導波管
４３：下部矩形導波管
４７：隙間
４９：仕切板
５７：台形部
５８：挿入部
６２７：アクチュエータ（移動機構）
７００：挿入長

Claims (7)

  1. 　試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記マイクロ波を伝送する矩形導波管と、前記矩形導波管に接続され前記処理室へマイクロ波を伝送する円形導波管と、前記試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、
    　前記矩形導波管は、上下に仕切られて形成された上部矩形導波管および下部矩形導波管と、前記高周波電源から供給されたマイクロ波の高周波電力を遮断し誘電体が配置された遮断部とを具備し、
    　前記円形導波管は、前記上部矩形導波管に接続され内部に形成された内側導波管と、前記下部矩形導波管に接続され前記内側導波管の外側に形成された外側導波管とを具備し、
    　前記遮断部の幅は、前記遮断部以外の前記矩形導波管の幅より狭いことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 　請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記矩形導波管は、第１の矩形導波管と、前記第１の矩形導波管と直交する第２の矩形導波管と、を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 　請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記内側導波管は、誘電体導波路を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 　請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
    　平面図における前記誘電体導波路の中心軸は、前記平面図における前記第１の矩形導波管の中心軸および前記第２の矩形導波管の中心軸と一致しないことを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 　請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記誘電体は、前記上部矩形導波管に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 　請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記誘電体は、前記上部矩形導波管に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 　請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記誘電体を移動させる移動機構をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
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