JP3591642B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、ガス種、ガス圧力、高周波電力等の各種パラメータの広範囲な設定に対して、高密度で、高均一性のプラズマを発生させ、被処理物のプラズマ処理を良好に実施することを可能にしたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超高密度集積回路（ＵＬＳＩ）においては、各部の構成要素の微細化、これらの構成要素の高集積回路化が急速に進み、０．１３μｍ程度の微細構造のものが開発されるようになった。また、このような超高密度集積回路を形成する半導体ウエハにおいては、径が３００ｍｍ程度の大口径のものが出現しており、ＤＲＡＭ（ダイナミックＲＡＭ）やフラッシュメモリだけでなく、システム高密度集積回路（ＬＳＩ）に対して、エッチング技術においても、高精度のエッチングが可能な処理装置や大口径ウエハの処理が可能な処理装置が求められている。
【０００３】
このような求めに応じて、プラズマ処理においては、大処理面積を高均一に処理できるだけでなく、高度な制御特性を有するものが必要になる。すなわち、プラズマ処理装置においては、プラズマ処理部が微細化され、かつ、加工寸法に対する規格が厳蜜になってきている。例えば、プラズマ処理によるエッチングにおいては、微細パターンの底部に正電荷が蓄積することによって起こる「ノッチ」という形状異常の発生を防ぐ必要がある。ところで、エッチングに使用されるＣｌ２ 、ＢＣｌ３ 、ＳＦ６ 等の負性ガスでは、エッチング処理時に負イオンが形成されるが、形成された負イオンが微細パターンの底部に蓄積された正電荷を中和する働きがある。この負イオンは、電子温度が低いほど形成され易くなるので、低電子温度プラズマの実現が求められており、この低電子温度プラズマはＶＨＦまたはＵＨＦ帯の高周波を用いたプラズマ処理装置によって実現される。
【０００４】
プラズマ処理装置に供給される高周波は、その周波数に着目した場合、周波数が１０ＭＨｚ以下であれば、アンテナや対向電極とプラズマとが容量結合することによりプラズマが生成される。このとき、高周波の波長は、アンテナの径に比べて十分長く、アンテナに電位分布が生じないため、プラズマはアンテナ前面にわたってほぼ均一に生成される。
【０００５】
これに対し、プラズマ処理装置に供給される高周波の周波数がＶＨＦ帯以上の周波数になると、高周波の波長が短くなり、アンテナの径に比べて長くなくなるので、アンテナ前面におけるプラズマ分布の均一性が損なわれるようになる。
【０００６】
ここで、図１２は、ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置の要部構成の一例を示す断面図である。
【０００７】
図１２において、５０は筐体、５１は真空容器、５２は処理室、５３は支持台（電極）、５４は被処理物（ウエハ）、５５はガス導入路、５６は排気路、５７は第１高周波発生源、５８は高周波導波路、５９は整合器、６０はシールド体、６１はディスク状アンテナ、６２は誘電材料、６３は磁場形成部、６４は導入窓、６５はガス分散板、６６は第２高周波発生源である。
【０００８】
そして、筐体５０は、内部に真空容器５１が配置される。真空容器５１は、内側に処理室５２が形成され、下部に真空排気を行う排気路５６が結合される。処理室５２は、内部に被処理物５４を載置した支持台５３が配置され、広口開口部にガス分散板６５を介して導入窓６４が設けられ、広口開口部を封止している。ガス導入路５５は、ガス分散板６５に結合され、ガス分散板６５を通してガスを処理室５２内に供給する。ディスク状アンテナ６１は、導入窓６４上に配置され、誘電材料６２とともにシールド体６０によって覆われる。高周波導波路５８は、シールド体６０及び筐体５０の貫通孔を通してディスク状アンテナ６１と外部の第１高周波発生源５７とを接続するもので、一端がディスク状アンテナ６１に結合され、他端が整合器５９を通して第１高周波発生源５７に接続され、第１高周波発生源５７が発生するＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波をディスク状アンテナ６１に供給する。磁場形成部６３は、筐体５０内部に配置され、処理室５２内に磁場を供給する。第２高周波発生源６６は、支持台５３に接続され、第２高周波発生源６６が発生するＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波を支持台５３に供給する。
【０００９】
前記構成によるプラズマ処理装置において、ガス導入路５５からガスを処理室５２内に供給し、第１高周波発生源５７からディスク状アンテナ６１に高周波を供給するとともに、第２高周波発生源６６から支持台５３に高周波を供給し、磁場形成部６３から処理室５２に磁場を供給すると、処理室５２内にプラズマが発生する。このプラズマは、被処理物５４に照射され、被処理物５４の表面領域をプラズマ処理する。
【００１０】
この場合、高周波がＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）のものであるため、高周波は、電磁波の様相を呈し、プラズマ密度とカットオフ周波数との関係からプラズマ表面領域のみを伝播し、吸収されるようになる。そして、高周波は、単にディスク状アンテナ６１から放射されるだけでなく、プラズマ領域表面のシース部分や高周波導波路５８内に定在波を形成し、プラズマ領域表面の大きさやその形状に依存した電界分布を示す。かかる高周波の電界を所望の分布、例えば被処理物５４の長さ（径）方向に平坦な分布になるようにするには、ディスク状アンテナ６１の下部領域だけでなく、被処理物５４の周辺領域の電界にも注意しなければならない。これは、被処理物５４の周辺領域に生じる高周波の電界は、大きくなり易い性質を有しており、周辺領域に一旦プラズマが生成されると、高周波がそのプラズマ生成領域に集中するようになるため、プラズマ密度が益々大きくなるからである。
【００１１】
図１３（ａ）乃至（ｄ）は、かかる高周波の電界の発生状況の一例を示す説明図であって、（ａ）はプラズマ処理装置の一部分の断面構成図、（ｂ）はその部分における電界強度の発生状態、（ｃ）はディスク状アンテナ６１の径方向における電界の状態、（ｄ）はディスク状アンテナ６１の径方向における吸収パワーの状態をそれぞれ示すものであり、高周波周波数ｆが４５０ＭＨｚで、導入窓６４が石英（比誘電率３．５）によって形成されているときのものである。
【００１２】
図１３（ａ）において、６７はシース領域であり、その他、図１２に図示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。また、図１３（ｃ）において、横軸はｍで表した被処理物５４の中心からの距離であり、縦軸は中心部の電界Ｅｃｅｎｔｅｒに対する任意の位置の電界Ｅｅｄｇｅとの比であり、図１３（ｄ）において、横軸はｍで表した被処理物５４の中心からの距離であり、縦軸は電磁波からプラズマに伝達されるパワー（吸収パワー）である。
【００１３】
図１３（ｂ）に示されるように、ＵＨＦ帯の高周波は、導入窓６４とシース領域（プラズマ表面領域）６４を伝播する。このとき、図１３（ｃ）に示されるように、導入窓６４の直下の電界は、中心からの距離１１０ｍｍのところで節を持った分布となり（ＴＭ０１モード）、被処理物５４の周辺部分にも電界Ｅｅｄｇｅが存在し、かつ、プラズマ密度が上昇変化する特性になると、ＵＨＦ帯の高周波がその部分に集中し、その部分のプラズマ密度が上昇し、それによりＵＨＦ帯の高周波は益々集中するようになる。その結果、図１３（ｄ）に示されるような特性になり、高周波パワー（密度）を変化させたときに、高周波のプラズマへの吸収パワー、プラズマ密度分布が変化する特性になる。
【００１４】
このように、ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置は、アンテナ前面におけるプラズマ分布の均一性が損なわれるだけでなく、高周波パワー（密度）が変化することにより、プラズマ密度分布が変化するようになる。
【００１５】
この他に、ＶＨＦまたはＵＨＦ帯の高周波を用いたプラズマ処理装置には、プラズマ発生状態を一部分に改良したものがいくつか知られている。その中の第１のものは、特開２０００−１９５８４３号に開示のプラズマ処理装置であって、被処理物であるウエハと対向した位置に誘電材料を介してディスク状対向電極を配置しているものであり、その中の第２のものは、特開平７−３０７２００号に開示のプラズマ処理装置であって、高周波を供給するアンテナ構造を、中心から外周方向に放射状に延びる複数のアンテナと外周の中心方向に延びる複数のアンテナとが互いに食い違うように構成しているものであり、その中の第３のものは、特開平１０−１２３９６号に開示のプラズマ処理装置であって、被処理物に供給されるプラズマの均一性を解決するために、アンテナ構造を、内側アンテナ導体と外側アンテナ導体との高さ方向の位置や長さを変えた共振器構造にしているものであり、その中の第４のものは、特開２０００−１９５８４３号に開示のプラズマ処理装置であって、被処理物に供給されるプラズマの均一性を解決するために、被処理物であるウエハと対向した位置にあるディスク状対向電極（アンテナ）に、環状かつ溝状のプラズマトラップを設け、ウエハ上のプラズマ分布を制御するようにしているものである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前記第１のプラズマ処理装置は、アンテナと対向電極との間に誘電材料を配置し、対向電極における高周波の電位分布を緩和しようとするものであるが、高周波の電位分布に依存した容量結合によるプラズマの生成によって、対向電極の表面を伝播する電磁波によるプラズマ生成が支配的になり、対向電極における高周波の電位分布を緩和の効果は比較的小さいものである。
【００１７】
前記第２のプラズマ処理装置は、放射状のアンテナを用いているため、アンテナの外周方向に向かうに従ってアンテナ導体の間隔が広くなり、その部分の電界が弱くなるだけでなく、アンテナ導体が存在する箇所と存在しない箇所では、電磁波の境界条件が異なっているので、電界はアンテナの周方向に対して一定にならないものである。
【００１８】
前記第３のプラズマ処理装置は、要求される共振器構造が形成されたとき、アンテナから放射された強い電磁波がシース領域内を伝播するため、アンテナ放射パターンとシース領域内の電界パターンとは異なるものになり、必ずしもプラズマ分布を均一にすることができるとは限らないものである。
【００１９】
前記第４のプラズマ処理装置は、対向電極に設けたプラズマトラップがプラズマ発生領域に形成されているもので、対向電極から放射された電磁波がプラズマトラップで強められ、プラズマトラップ周辺のプラズマ密度が高くなり、その領域の高密度のプラズマが被処理物の周辺部分に拡散し、プラズマトラップを設けていないものに比べ、被処理物全体にわたり均一なプラズマが得られるものであるが、プラズマがプラズマトラップの溝内に侵入するため、より均一なプラズマを得ることが難しいものである。
【００２０】
このように、ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置は、被処理物の配置範囲内に均一なプラズマを生成させることが難しいだけでなく、被処理物の周辺部分のプラズマが各種パラメータの変化によって変動しないようにする配慮を欠いているものである。
【００２１】
本発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたもので、その目的は、ＶＨＦまたはＵＨＦ帯の高周波を用いてプラズマを生成する場合、各種パラメータの広範囲の変化に対応して、被処理物全体にわたり高密度、高均一性を持ったプラズマを実現することを可能にしたプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるプラズマ処理装置は、真空容器と、真空容器の内部に形成された処理室と、処理室にガスを供給するガス供給路と、処理室内にあって被処理物を支持する支持電極と、処理室内にＵＨＦまたはＶＨＦ帯の高周波を導出するディスク状アンテナと、ディスク状アンテナに高周波を供給する高周波導波路と、処理室とディスク状アンテナとの間を仕切る誘電材料の導入窓と、ディスク状アンテナと導入窓との間にあってディスク状アンテナ周縁部に側面を接触状態にして配置したリング状導体とを備えるものであって、導入窓は、第１の誘電材料の導入窓と第２の誘電材料の導入窓とが重なり合うように配置したもので、２つの導入窓における第１の誘電材料と第２の誘電材料とが異なる誘電率を有しており、リング状導体は、そのリング内径がリング内部を伝播する高周波波長の２分の１の整数倍の±１０％の範囲内に設定されている手段を具備する。
【００２３】
前記手段によれば、ディスク状アンテナに側面が接触するようにリング状導体を配置し、リング状導体のリング内に高周波の定在波を発生させるようにしたもので、それによりリング内の電界強度が強くなり、周辺部分の電界強度が相対的に低下するので、高周波パワー（密度）が変化したとしても、プラズマへの吸収パワーの変動、すなわちプラズマ分布の変動を小さくすることができる。
【００２４】
そして、前記手段においては、導入窓として、第１の誘電材料の導入窓と第２の誘電材料の導入窓とが重なり合うように配置したもので、導入窓における第１の誘電材料と第２の誘電材料とが異なる誘電率を有している構成にしたので、ディスク状アンテナ直下の高周波の定在波が強まり、プラズマ表面領域の定在波を強めることができ、前記手段の機能を増大させることができる。
【００２６】
さらに、前記手段において、ディスク状アンテナに、ディスク状アンテナと導入窓との間隔またはディスク状アンテナと導入窓及び第２導入窓との間隔を調整可能なアンテナ昇降手段を結合した構成にすることができる。
【００２７】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナ直下の高周波の定在波の節の位置をディスク状アンテナの径方向に移動させることができ、それによりプラズマ分布の状態を自由に変化させ、ガス種や加工膜種に応じたプラズマ分布を実現することができる。
【００２８】
また、前記手段においては、リング状導体のリング内径を、そのリング内部を伝播する高周波波長の２分の１の整数倍の±１０％の範囲内に設定している構成にしたので、ディスク状アンテナ直下の高周波の定在波を強めることができ、その位置におけるプラズマの生成が容易になる。
【００３０】
さらに、前記手段において、ディスク状アンテナの中央部分におけるリング状導体のリングで囲まれた領域内に、リング状導体の高さに等しい高さを有する突起状または円柱状導体を配置した構成にすることができる。
【００３１】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナの中央部分の高周波の電界を強めることができ、被処理物の中央部分の処理速度を高めることができる。
【００３２】
また、前記手段において、導入窓の中央部分におけるリング状導体のリングで囲まれた領域内に、リング状導体の高さに近接した高さを有するリング状または円柱状誘電材料を配置した構成にすることができる。
【００３３】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナの中央部分の高周波の電界の窪みをなくすことができ、中央部分の高周波の電界の均一化を図ることができる。
【００３４】
さらに、前記手段において、ディスク状アンテナ及び高周波導波路を、ディスク状アンテナの半径をａ、高周波導波路の実効半径をＲｄとしたとき、ａ／Ｒｄが０．４以下または０．６以上になるような寸法に設定することができる。
【００３５】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナの周辺部分の高周波の電界を低減させ、その部分のプラズマ分布を低減することにより、各種パラメータの広範囲の変化にも係わらず、被処理物全体にわたり高密度、高均一性を持ったプラズマを安定に生成させることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は、本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施の形態に係わるもので、その要部構成を示す断面図である。
【００３８】
図１において、１は真空容器、２は処理室、３は支持台（支持電極）、４は被処理物、５はガス導入路、６は排気路、７は第１高周波発生源、８は高周波導波路、９は整合器、１０はシールド体、１１はディスク状アンテナ、１２は誘電材料、１３はリング状導体、１４は導入窓、１５はガス分散板、１６は第２高周波発生源、１７は充填材料、１８は磁場形成部、１９は筐体である。
【００３９】
そして、この実施の形態によるプラズマ処理装置は、筐体１９を有し、筐体１９内に真空容器１が配置される。真空容器１は、内側に処理室２が形成され、下部に真空排気を行う排気路６が結合される。処理室２は、内部に被処理物４を載置した支持台３が配置され、広口開口部にガス分散板１５を介して導入窓１４が設けられ、それにより広口開口部が封止されている。ガス導入路５は、ガス分散板１５に結合され、ガス分散板１５を通してガスを処理室２内に供給する。ディスク状アンテナ１１は、リング状導体１３を介して導入窓１４上に配置され、周辺に誘電材料１２が配置され、誘電材料１２とともにシールド体１０によって覆われている。リング状導体１３は、一方の側面がディスク状アンテナ１１の周辺部分に接触し、他方の側面が導入窓１４に接触しており、リング内に充填材料１７が充填されている。高周波導波路８は、シールド体１０及び筐体１９の貫通孔（図番なし）を通してディスク状アンテナ１１と外部にある第１高周波発生源７とを接続するもので、一端がディスク状アンテナ１１の中心部に結合され、他端が整合器９を通して第１高周波発生源７に接続される。第１高周波発生源７は、ＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波を発生し、高周波導波路８を通してディスク状アンテナ１１に供給する。磁場形成部１８は、筐体１９の内部に配置され、処理室２内に磁場を供給する。外部にある第２高周波発生源１６は、支持台３に接続される。第２高周波発生源１６は、ＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波を発生し、支持台３に供給する。
【００４０】
前記構成による第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の基本的な動作は、図１２に図示された既知のプラズマ処理装置の動作と殆ど同じで、ガス導入路５に導入された処理ガスをガス分散板１５を通して処理室２内に供給し、第１高周波発生源７から出力されたＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波、例えば周波数４５０ＭＨｚの高周波を整合器９及び高周波導波路８を通してディスク状アンテナ１１に供給してディスク状アンテナ１１の下側部分に高周波電界を発生させ、同時に、第２高周波発生源１６から出力されたＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波、例えば周波数４５０ＭＨｚの高周波を支持台３に供給し、磁場形成部１８から処理室２に磁場を供給すると、処理室２内にプラズマが生成される。このプラズマは、被処理物４に照射され、被処理物４の表面領域がプラズマ処理されるものである。
【００４１】
この場合、ディスク状アンテナ１１の周辺部分に側面が接触するようにリング状導体１３を配置するようにしたので、そのリング内に高周波の定在波が形成され、リング内の電界を強めることができ、相対的にリング状導体１１の周辺部の電界を弱めることができる。
【００４２】
ここで、図８（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の電界分布及び吸収パワーの状態を示す特性図であって、（ａ）は電界分布、（ｂ）は吸収パワーを表しているものである。
【００４３】
図８（ａ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１における中心からの距離、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界Ｅ０ （Ｅｃｅｎｔｅｒ）で規格化した各部の電界Ｅ１ （Ｅｅｄｇｅ）、Ｅ１ ／Ｅ０ である。また、図８（ｂ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１における中心からの距離、縦軸は高周波からプラズマに移行される吸収パワーを示す。
【００４４】
第１の実施の形態によるプラズマ処理装置は、図８（ａ）に示されるように、電界分布が、ディスク状アンテナ１１の中心が最も高く、中心から周辺に行くに従って順次低くなり、最外周部分でほぼゼロになっており、また、図８（ｂ）に示されるように、吸収パワーが、中心付近で比較的大きく、周辺に行くに従って順次小さくなり、最外周部分に近い部分から外でほぼゼロになっている。そして、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の吸収パワーは、図１２に図示のリング状導体１１を有しないプラズマ処理装置における同じく図１３（ｄ）に図示の吸収パワーに比べて周辺部分の吸収パワーが大幅に低下した特性になっているので、高周波パワー（密度）を変化したとしても、吸収パワー、すなわちプラズマ分布の変化が小さくなり、プロセスパラメータに依存するプラズマ分布の変化を少なくすることができる。
【００４５】
次に、図２は、本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００４６】
図２において、２０は第２導入窓であり、その他、図１に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００４７】
第２の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の導入窓１４とリング状導体１３との間に第２導入窓２０を配置し、第２導入窓２０を構成する誘電材料の誘電率を、導入窓１４を構成する誘電材料の誘電率と異ならせているものであり、その他の構成は第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。なお、第２導入窓２０は、誘電材料によって形成するものの他に、空隙によって形成すものであってもよい。
【００４８】
第２導入窓２０は、空隙によって形成した場合、この空隙が２つの役割を果たしている。その１つの役割は、ディスク状アンテナ１１の下側に強い電界を形成することであり、もう１つの役割は、プラズマ側から見て、導入窓１４の誘電率が実質的に低く見えるようにしていることである。
【００４９】
既に述べたように、ＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波は、プラズマ表面に形成されるシース領域中を伝播する。このシース領域の比誘電率εは、シース領域内のプラズマ密度をｎｅｓ、素電荷をｅ、真空中の誘電率をε０ 、電子の質量をｍｅ 、高周波の角周波数をωとしたとき、ε＝１−ｎｅｓｅ２ ／ε０ ｍｅ ω２ になり、１以下の値となる。このため、ディスク状アンテナ１１とプラズマ表面との間には、空気もしくは真空層からなる第２導入窓２０（ε＝１）と、石英からなる導入窓１４（ε＝３．５）と、シース領域（ε＜１）とからなる３層構造が設けられる。このような３層構造を設けることにより、ディスク状アンテナ１１の直下領域における高周波の定在波が強くなり、それによりプラズマ表面の定在波が強くなって、その領域のプラズマ密度を高めることができる。
【００５０】
このとき、リング状導体１３のリング内に充填されている誘電材料１２中の高周波波長λは、誘電材料１２の比誘電率をεｒ 、真空中の高周波波長をλ０ としたとき、λ＝λ０ ／εｒ １／２ になり、また、導入窓１４の厚さをｄ１、導入窓１４の比誘電率をεｒ１、空隙または第２導入窓２０の厚さをｄ２、その比誘電率をεｒ２としたとき、総合した導入窓１４、２０の誘電率εは、実質的に、ε＝εｒ１ １／２ ×｛ｄ１／（εｒ１ １／２ ｄ１＋εｒ２ １／２ ｄ２）｝×εｒ１になる。
【００５１】
ここで、図９（ａ）乃至（ｃ）は、第２の実施の形態のプラズマ処理装置における高周波電界の発生状況の一例を示す説明図であって、（ａ）はプラズマ処理装置の一部分の断面構成図、（ｂ）は空隙または第２誘電体２０の厚さｄ２に依存するシース領域内における電界の発生状態、（ｃ）は空隙または第２誘電体２０の厚さｄ２に依存するディスク状アンテナ１１の径方向の電界の状態である。
【００５２】
図９（ａ）において、２’はシース領域であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００５３】
図９（ｂ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１の中心からの距離であり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜と、各部の電界｜Ｅ｜との比、すなわち｜Ｅ｜／｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜であって、シース領域２’内の電界の径方向成分Ｅｒと高さ方向成分Ｅｚを表しているものである。そして、上段は空隙または第２導電窓２０がない（ｄ２＝０）場合、下段は空隙または第２導電窓２０の厚さが２０ｍｍ（ｄ２＝２０）の場合の特性図である。
【００５４】
図９（ｃ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１の中心からの距離であり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜で規格化した各部の電界、すなわちディスク状アンテナ１１の中心の電界Ｅ０ （Ｅｃｅｎｔｅｒ）で規格化した各部の電界Ｅ１ （Ｅｅｄｇｅ）、すなわち｜Ｅ｜（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）である。り、空隙または第２導電窓２０がない（ｄ２＝０）場合と、空隙または第２導電窓２０の厚さが１０ｍｍ（ｄ２＝１０）、２０ｍｍ（ｄ２＝２０）、３０ｍｍ（ｄ２＝３０）である場合の特性図である。
【００５５】
図９（ｂ）に示されるＥｒ成分とＥｚ成分は、プラズマ中の波長をβ、０次のベッセル関数をＪ０ 、１次のベッセル関数をＪ１ としたとき、Ｅｒ成分はＪ１ （βｒ）に依存し、、Ｅｚ成分はＪ０ （βｒ）に依存するもので、ＴＭ０１モードと同じになる。いま、高周波の周波数を４５０ＭＨｚにした場合、真空中における高周波の１／４波長は１６６ｍｍになり、石英中における高周波の１／４波長は８８ｍｍになる。この場合、図９（ｂ）に示されるように、空隙または第２導電窓２０の厚さｄ２を増やすにつれて、Ｅｚ成分はその節の位置が外側方向に移動し、実効的に高周波の波長が伸びているのが判る。例えば、高周波の周波数が４５０ＭＨｚにした場合、導入窓１４として厚さｄ２＝３５ｍｍのものを用いたとすると、図９（ｃ）に示されるように、空隙または第２導電窓２０がない場合（ｄ２＝０）のときに、ｒ＝１５０ｍｍ点の電界強度が低下しているが、空隙または第２導電窓２０として厚さｄ２＝１０ｍｍ以上のもの設けると、｜Ｅ｜（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）が比較的均一な特性になる。
【００５６】
これまでの例では、導入窓１１の比誘電率εｒ１と、第２導入窓２０の比誘電率εｒ２との間で、εｒ１＞εｒ２を満たす場合を挙げて説明したが、このような関係は使用される高周波周波数や導入窓１１の比誘電率εｒ１、第２導入窓２０の比誘電率εｒ２等によって変わるもので、以下のように一般化される。
【００５７】
すなわち、導入窓１１及び第２導入窓２０における比誘電率εｒ１、εｒ２の大きさ及びその厚さｄ２は、使用される高周波の波長と加工する被処理物４の大きさ（半径Ｒ）によって次のように一般化される。この場合、被処理物４の半径Ｒは、シース領域２’内における高周波の実効的な波長の１／４程度になるようにすればよく、前述の記号を用いれば、次のように表される。
【００５８】
（１−１／１０）Ｒ＜（λ０ ／４／εｒ１ １／２ ）×｛εｒ１ １／２ ×ｄ１／（εｒ１ １／２ ｄ１＋εｒ２ １／２ ｄ２）｝＜（１＋１／１０）Ｒ
例えば、ＵＨＦより波長の長いＶＨＦ帯の高周波を用い、導入窓１１として石英（比誘電率＝３．５）を用いたとき、直径３００φの均一なプラズマを実現するためには、第２導入窓２０として前の場合と反対に比誘電率の高いアルミナ（比誘電率＝９．６）を用いることができる。
【００５９】
次いで、図３は、本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００６０】
図３において、２１は空隙部、２２は調整可能なアンテナ昇降手段であり、その他に、図１に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００６１】
第３の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の導入窓１４とリング状導体１３との間に空隙部２１を設けており、シールド体１０を通してディスク状アンテナ１１に達する調整可能なアンテナ昇降手段２２が結合配置しているものであり、その他の構成は第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００６２】
第３の実施の形態によるプラズマ処理装置は、アンテナ昇降手段２２を設けているもので、アンテナ昇降手段２２がシールド体１０に螺合されている。そして、アンテナ昇降手段２２の回動によってディスク状アンテナ１１が昇降し、ディスク状アンテナ１１及びリング状導体１３と導入窓１４との配置間隔が可変にされ、その間に空隙部２１を設けられる。アンテナ昇降手段２２の調整によりディスク状アンテナ１１が昇降すると、ディスク状アンテナ１１と導入窓１４との間に空隙２１が形成され、その空隙２１の厚さはアンテナ昇降手段２２の調整により変化する。
【００６３】
第２の実施の形態の説明で述べたように、空隙２１の厚さが増すと、プラズマ側から見た導入窓１４の実効的な誘電率が低下するので、プラズマ表面に形成される高周波の電界分布の節が周辺方向に移動する。周辺部分のプラズマ密度を上昇させたいときは、空隙２１の厚さを増大する方向にディスク状アンテナ１１を移動させればよい。一方、周辺部分のプラズマ密度を低下させたいときまたはプラズマ密度を径方向に凸状の分布にしたいときは、空隙２１の厚さが低減する方向にディスク状アンテナ１１を移動させればよい。
【００６４】
ここで、磁場形成部１８が発生する外部磁場Ｂの役割について説明する。
【００６５】
高周波がプラズマに供給するパワー（吸収パワーと呼ばれる）の密度ｐは、導電率をσ、Ｅの共役複素ベクトルをＥ＊ としたとき、ｐ＝σＥＥ＊ で表わされ、ｐ〜｜Ｅ｜２ ＋α｜Ｅ×Ｂ｜の形になる。高周波としてＵＨＦ帯のものを用いた場合、ＴＭ０１モードになるので、円柱座標で表現したとき、角度成分θがなく、Ｅ＝（Ｅｒ、０、Ｅｚ）になる。外部磁場Ｂとして、Ｂ＝（Ｂｒ、０、Ｂｚ）を用いたとき、中心部分（ｒ＝０）のプラズマ分布付近を強めようとすると、Ｂｒの強い磁場分布を用いればよく、また、中間部分を強めようとすると、Ｅｒの山の位置においてＢｚが強くなる磁場分布を用いればよい。
【００６６】
第３の実施の形態によるプラズマ処理装置においては、アンテナ昇降手段２２の調整により電界分布が所望の分布になるように調整し、さらに、外部磁場Ｂの強度とその分布の調整により、｜Ｅ×Ｂ｜を変え、吸収パワー分布、すなわちプラズマ分布を凸状、平坦状、凹状になるように自由に変えることができる。これらの調整機能によって、種々のガス種や加工膜種に適したプラズマ分布を実現することが可能になる。
【００６７】
続く、図４は、本発明によるプラズマ処理装置の第４の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００６８】
図４において、１３Ｒはリング状導体１３のリング部内径であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００６９】
第４の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第２の実施の形態によるプラズマ処理装置のリング状導体１３のリング部内径１３Ｒを、充填材料１７内の高周波波長の１／２の整数倍程度に選んでいるものであり、その他の構成は第２の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００７０】
第４の実施の形態によるプラズマ処理装置は、リング状導体１３のリング部内径１３Ｒを充填材料１７内の高周波波長の１／２の整数倍程度に選択しているもので、このような選択を行った場合、リング状導体１３のリングで囲まれた領域に形成される高周波の定在波の強度を、それ以外の領域に形成される高周波の定在波の強度よりも強めることにより、ディスク状アンテナ１１の下部領域のプラズマ分布の大きさを他の領域のプラズマ分布よりも大きくすることができる。
【００７１】
続いて、図５は、本発明によるプラズマ処理装置の第５の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００７２】
図５において、２３は突起状または円柱状導体であり、その他、図１に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００７３】
第５の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置のディスク状アンテナ１１の中央部に、リング状導体１３のリング部の高さに略等しい高さを有する突起状または円柱状導体２３を設けているものであり、その他の構成は第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００７４】
また、図１０は、第５の実施の形態のプラズマ処理装置によるディスク状アンテナ１１の径方向の電界分布の変化状態を示す特性図である。
【００７５】
図１０において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１の中心からの距離であり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜と、各部の電界｜Ｅｅｄｇｅ｜との比、すなわち｜Ｅｅｄｇｅ｜／｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜であって、突起状または円柱状導体２３の高さｈを、０から３４．５ｍｍの範囲内で変化させたときの特性図である。
【００７６】
第５の実施の形態のプラズマ処理装置は、ディスク状アンテナ１１の中央部におけるリング状導体１３のリング内に、突起状または円柱状導体２３を設けているもので、突起状または円柱状導体２３を設けたことにより、ディスク状アンテナ１１の下部領域における高周波の電界分布は、突起状または円柱状導体２３の高さｈに応じて、図１０に示されるような分布になる。図１０に示される特性図から判るように、突起状または円柱状導体２３がない場合（ｈ＝０）よりもある場合の方が、突起状または円柱状導体２３がある場合でも、突起状または円柱状導体２３の高さが高くなるに従ってディスク状アンテナ１１の中央部の電界強度が上昇している。例えば、メタルのエッチング処理の場合のように、ＢＣｌ３ のような解離や電離し難いガスや反応生成物が多く放出されるような処理工程においては、ディスク状アンテナ１１の中央部のプラズマ密度が低下し、処理結果も中央部で窪みが形成され易くなる。このとき、第５の実施の形態のように、ディスク状アンテナ１１の中央部に適宜選択した高さの突起状または円柱状導体２３を設ければ、中央部の処理速度が調整され、その加工形状を改善することができる。この場合、突起状または円柱状導体２３は、第２導入窓２０の内部、さらには第２導入窓２０及び導入窓１４の中まで達するように形成すれば、より中央部の電界を向上させることができる。
【００７７】
次に、図６は、本発明によるプラズマ処理装置の第６の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００７８】
図６において、２４は円柱状またはリング状の誘電材料であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００７９】
第６の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第２の実施の形態によるプラズマ処理装置のリング状導体１３のリング内の充填材料１７を除去して空隙にし、ディスク状アンテナ１１の中央部に、第２導電窓２０からリング内に向かって立設された円柱状またはリング状の誘電材料２４を設けているものであり、その他の構成は第２の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００８０】
第６の実施の形態によるプラズマ処理装置は、ディスク状アンテナ１１の中央部におけるリング状導体１３のリング内に、第２導電窓２０側から円柱状またはリング状の誘電材料２４を設けているものである。この円柱状またはリング状の誘電材料２４は、ディスク状アンテナ１１の中央部の電界を高めるために、その高さが高い方が望ましいが、ディスク状アンテナ１１に接するまでの高さを必要としない。
【００８１】
この場合、円柱状またはリング状の誘電材料２４は、円柱の半径またはリングの半径ｄｓとして、高周波の径方向電界成分Ｅｒのピーク値を示す位置の半分程度、すなわちシース領域２’中の高周波波長の１／４の半分程度の長さに選択すればよい。具体的には、真空中の高周波波長をλ０ 、導入窓１４の誘電率をεｓとすれば、近似的に、ｄｓ＝εｓ１／２／（１＋εｓ１／２）λ０ ／４／２にすればよい。さらに、誘電材料２４としてリング状のものを用いれば、より効果的にディスク状アンテナ１１の中央部の電界の窪みをなくすことができる。なお、誘電材料２４は、その誘電率が導入窓１４の誘電率よりも大きいことが望ましいもので、使用される高周波の周波数を４５０ＭＨｚにし、導入窓１４として石英（ε＝３．５）を用いた場合、誘電材料２４の材質としては、アルミナが好適であって、半径ｄｓとして５４ｍｍ程度の長さを選択すればよい。
【００８２】
次いで、図７は、本発明によるプラズマ処理装置の第７の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００８３】
図７において、１０Ｒはシールド体１０の内部半径（導波路半径）、１１Ｒはディスク状アンテナ１１の半径であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００８４】
第７の実施の形態のプラズマ処理装置は、シールド体１０の内部半径１０Ｒとディスク状アンテナ１１の半径１１Ｒとの間で、ディスク状アンテナ１１の半径１１Ｒをａ、シールド体１０の内部半径１０Ｒをｂとし、ディスク状アンテナ１１とシールド体１０の側壁との間に充填された誘電材料（図番なし）の比誘電率をεｓとしたとき、ディスク状アンテナ１１の半径ａと実効導波路径ｃとの比γ（γ＝ａ／ｃ）が、０．４以下あるいは０．６以上になるように選択しているものである。ここで、実効導波路径ｃは、ｃ＝｛ａ＋εｓ１／２（ｂ−ａ）｝で定義される。
【００８５】
ここで、図１１は、第７の実施の形態のプラズマ処理装置において、ディスク状アンテナ１１の半径ａと実効導波路径ｃとの比γを変化させたときの高周波電界の状況の変化を示す特性図である。
【００８６】
図１１において、横軸は比γであり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜と、各部の電界｜Ｅｅｄｇｅ｜との比、すなわち｜Ｅｅｄｇｅ／Ｅｃｅｎｔｅｒ｜であって、ディスク状アンテナ１１の側面領域に充填された誘電材料として、空気、アルミナ、石英を選択したときの特性図である。
【００８７】
図１１に示された特性図を用いて、ディスク状アンテナ１１の半径ａと実効導波路径ｃとの比γが高周波電界分布ひいてはプラズマ分布の決定因子になることを説明する。
【００８８】
ディスク状アンテナ１１の半径ａを変えれば、ディスク状アンテナ１１よりも外側方向の電界強度が変化する。図１１に示されるように、横軸に比γ（＝ａ／ｃ）をとり、縦軸に｜Ｅｅｄｇｅ／Ｅｃｅｎｔｅｒ｜をとったとき、ディスク状アンテナ１１の側面領域に充填された誘電材料の誘電率、誘電材料が変化した場合であっても、ほぼ同様な曲線を描いている。この場合、比γとして、０．４以下あるいは０．６以上の範囲を選んだとすると、電界分布が低下している領域であることが判る。例えば、導波路径として２２０ｍｍのものを用いると、ディスク状アンテナ１１の半径ａは８８ｍｍ以下または１３２ｍｍ以上のものであればよい。一方、高周波の周波数ｆを変化させた場合については、アンテナ半径／実効導波路径をγ＊ ＝γ＊（ｆ／ｆ０ ）と定義すれば、前記範囲と同じ指数の範囲が周辺電界と中心電界との比についても当てはまる。ここで、ｆ０ は基準周波数で、４５０ＭＨｚを選択している。なお、実効導波路径ｂは、それを用いる変わりにチャンバー径によって代用してもよい。
【００８９】
このように、ディスク状アンテナ１１の外周部分の電界を低下させることは、ディスク状アンテナ１１の外周部分のプラズマ分布を低下させることになり、高周波パワーや、ガス圧及びガス種の変化に対するＵＨＦ、ＶＨＦ帯の高周波の電界分布の変化を抑制することになる。その結果、高周波パワーや、ガス圧及びガス種を広い範囲で変化させたとしても、常時、安定したプラズマを生成することができる。
【００９０】
このように、第１乃至第７の実施の形態によれば、ディスク状アンテナ１１の半径ａの選択したことにより、ディスク状アンテナ１１の周縁部の下側にあるリング状導体１３を配置したことにより、リング状導体１３と導入窓１４との間に第２導入窓２０または空隙を設けたことにより、ＵＨＦ、ＶＨＦ帯の高周波電界分布について、第１に、被処理物４の配置範囲内の電界分布を強めること、また所望の電界分布、例えば、平坦状または若干の凹状の電界分布にすること、第２に、ディスク状アンテナ１１の外周部分における高周波の伝播を低減させること、第３に、アンテナ昇降手段２２の設置によってディスク状アンテナ１１と導入窓１４との実効距離を変え、プラズマ側から見た実効誘電率を変えること、等の各手段によって、高周波の電界分布がガス種に対応した所望のものになるように調整することができるものである。
【００９１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ディスク状アンテナに側面が接触するようにリング状導体を配置し、リング状導体のリング内に高周波の定在波を発生させるようにしているもので、そのような定在波の発生によってリング内の電界強度が強くなり、周辺部分の電界強度が相対的に低下するので、高周波パワー（密度）や、ガス圧やガス種が変化したとしても、プラズマへの吸収パワーの変動、すなわちプラズマ分布の変動を小さくすることができ、その結果、広範囲のプロセスパラメータに対して高均一のプラズマを生成させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施の形態に係わるもので、その要部構成を示す断面図である。
【図２】本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図３】本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施の形態に係わるもので、その要部構成を示す断面図である。
【図４】本発明によるプラズマ処理装置の第４の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図５】本発明によるプラズマ処理装置の第５の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図６】本発明によるプラズマ処理装置の第６の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図７】本発明によるプラズマ処理装置の第７の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図８】第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の電界分布及び吸収パワーの状態を示す特性図である。
【図９】第２の実施の形態によるプラズマ処理装置の電界分布及び吸収パワーの状態を示す特性図である。
【図１０】第５の実施の形態のプラズマ処理装置によるディスク状アンテナの径方向の電界分布の変化状態を示す特性図である。
【図１１】第７の実施の形態のプラズマ処理装置において、ディスク状アンテナの半径と実効導波路径との比を変化させたときの高周波電界の状況の変化を示す特性図である。
【図１２】ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置の要部構成の一例を示す断面図である。
【図１３】高周波の電界の発生状況の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 真空容器
２ 処理室
２’ シース領域
３ 支持台（電極）
４ 被処理物
５ ガス導入路
６ 排気路
７ 第１高周波発生源
８ 高周波導波路
９ 整合器
１０ シールド体
１１ ディスク状アンテナ
１２ 誘電材料
１３ リング状導体
１４ 導入窓
１５ ガス分散板
１６ 第２高周波発生源
１７ 充填材料
１８ 磁場形成部
１９ 筐体
２０ 第２導入窓
２１ 空隙部
２２ アンテナ昇降手段
２３ 突起状またはリング状導体
２４ 円柱状またはリング状誘電体
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、ガス種、ガス圧力、高周波電力等の各種パラメータの広範囲な設定に対して、高密度で、高均一性のプラズマを発生させ、被処理物のプラズマ処理を良好に実施することを可能にしたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超高密度集積回路（ＵＬＳＩ）においては、各部の構成要素の微細化、これらの構成要素の高集積回路化が急速に進み、０．１３μｍ程度の微細構造のものが開発されるようになった。また、このような超高密度集積回路を形成する半導体ウエハにおいては、径が３００ｍｍ程度の大口径のものが出現しており、ＤＲＡＭ（ダイナミックＲＡＭ）やフラッシュメモリだけでなく、システム高密度集積回路（ＬＳＩ）に対して、エッチング技術においても、高精度のエッチングが可能な処理装置や大口径ウエハの処理が可能な処理装置が求められている。
【０００３】
このような求めに応じて、プラズマ処理においては、大処理面積を高均一に処理できるだけでなく、高度な制御特性を有するものが必要になる。すなわち、プラズマ処理装置においては、プラズマ処理部が微細化され、かつ、加工寸法に対する規格が厳蜜になってきている。例えば、プラズマ処理によるエッチングにおいては、微細パターンの底部に正電荷が蓄積することによって起こる「ノッチ」という形状異常の発生を防ぐ必要がある。ところで、エッチングに使用されるＣｌ２ 、ＢＣｌ３ 、ＳＦ６ 等の負性ガスでは、エッチング処理時に負イオンが形成されるが、形成された負イオンが微細パターンの底部に蓄積された正電荷を中和する働きがある。この負イオンは、電子温度が低いほど形成され易くなるので、低電子温度プラズマの実現が求められており、この低電子温度プラズマはＶＨＦまたはＵＨＦ帯の高周波を用いたプラズマ処理装置によって実現される。
【０００４】
プラズマ処理装置に供給される高周波は、その周波数に着目した場合、周波数が１０ＭＨｚ以下であれば、アンテナや対向電極とプラズマとが容量結合することによりプラズマが生成される。このとき、高周波の波長は、アンテナの径に比べて十分長く、アンテナに電位分布が生じないため、プラズマはアンテナ前面にわたってほぼ均一に生成される。
【０００５】
これに対し、プラズマ処理装置に供給される高周波の周波数がＶＨＦ帯以上の周波数になると、高周波の波長が短くなり、アンテナの径に比べて長くなくなるので、アンテナ前面におけるプラズマ分布の均一性が損なわれるようになる。
【０００６】
ここで、図１２は、ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置の要部構成の一例を示す断面図である。
【０００７】
図１２において、５０は筐体、５１は真空容器、５２は処理室、５３は支持台（電極）、５４は被処理物（ウエハ）、５５はガス導入路、５６は排気路、５７は第１高周波発生源、５８は高周波導波路、５９は整合器、６０はシールド体、６１はディスク状アンテナ、６２は誘電材料、６３は磁場形成部、６４は導入窓、６５はガス分散板、６６は第２高周波発生源である。
【０００８】
そして、筐体５０は、内部に真空容器５１が配置される。真空容器５１は、内側に処理室５２が形成され、下部に真空排気を行う排気路５６が結合される。処理室５２は、内部に被処理物５４を載置した支持台５３が配置され、広口開口部にガス分散板６５を介して導入窓６４が設けられ、広口開口部を封止している。ガス導入路５５は、ガス分散板６５に結合され、ガス分散板６５を通してガスを処理室５２内に供給する。ディスク状アンテナ６１は、導入窓６４上に配置され、誘電材料６２とともにシールド体６０によって覆われる。高周波導波路５８は、シールド体６０及び筐体５０の貫通孔を通してディスク状アンテナ６１と外部の第１高周波発生源５７とを接続するもので、一端がディスク状アンテナ６１に結合され、他端が整合器５９を通して第１高周波発生源５７に接続され、第１高周波発生源５７が発生するＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波をディスク状アンテナ６１に供給する。磁場形成部６３は、筐体５０内部に配置され、処理室５２内に磁場を供給する。第２高周波発生源６６は、支持台５３に接続され、第２高周波発生源６６が発生するＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波を支持台５３に供給する。
【０００９】
前記構成によるプラズマ処理装置において、ガス導入路５５からガスを処理室５２内に供給し、第１高周波発生源５７からディスク状アンテナ６１に高周波を供給するとともに、第２高周波発生源６６から支持台５３に高周波を供給し、磁場形成部６３から処理室５２に磁場を供給すると、処理室５２内にプラズマが発生する。このプラズマは、被処理物５４に照射され、被処理物５４の表面領域をプラズマ処理する。
【００１０】
この場合、高周波がＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）のものであるため、高周波は、電磁波の様相を呈し、プラズマ密度とカットオフ周波数との関係からプラズマ表面領域のみを伝播し、吸収されるようになる。そして、高周波は、単にディスク状アンテナ６１から放射されるだけでなく、プラズマ領域表面のシース部分や高周波導波路５８内に定在波を形成し、プラズマ領域表面の大きさやその形状に依存した電界分布を示す。かかる高周波の電界を所望の分布、例えば被処理物５４の長さ（径）方向に平坦な分布になるようにするには、ディスク状アンテナ６１の下部領域だけでなく、被処理物５４の周辺領域の電界にも注意しなければならない。これは、被処理物５４の周辺領域に生じる高周波の電界は、大きくなり易い性質を有しており、周辺領域に一旦プラズマが生成されると、高周波がそのプラズマ生成領域に集中するようになるため、プラズマ密度が益々大きくなるからである。
【００１１】
図１３（ａ）乃至（ｄ）は、かかる高周波の電界の発生状況の一例を示す説明図であって、（ａ）はプラズマ処理装置の一部分の断面構成図、（ｂ）はその部分における電界強度の発生状態、（ｃ）はディスク状アンテナ６１の径方向における電界の状態、（ｄ）はディスク状アンテナ６１の径方向における吸収パワーの状態をそれぞれ示すものであり、高周波周波数ｆが４５０ＭＨｚで、導入窓６４が石英（比誘電率３．５）によって形成されているときのものである。
【００１２】
図１３（ａ）において、６７はシース領域であり、その他、図１２に図示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。また、図１３（ｃ）において、横軸はｍで表した被処理物５４の中心からの距離であり、縦軸は中心部の電界Ｅｃｅｎｔｅｒに対する任意の位置の電界Ｅｅｄｇｅとの比であり、図１３（ｄ）において、横軸はｍで表した被処理物５４の中心からの距離であり、縦軸は電磁波からプラズマに伝達されるパワー（吸収パワー）である。
【００１３】
図１３（ｂ）に示されるように、ＵＨＦ帯の高周波は、導入窓６４とシース領域（プラズマ表面領域）６４を伝播する。このとき、図１３（ｃ）に示されるように、導入窓６４の直下の電界は、中心からの距離１１０ｍｍのところで節を持った分布となり（ＴＭ０１モード）、被処理物５４の周辺部分にも電界Ｅｅｄｇｅが存在し、かつ、プラズマ密度が上昇変化する特性になると、ＵＨＦ帯の高周波がその部分に集中し、その部分のプラズマ密度が上昇し、それによりＵＨＦ帯の高周波は益々集中するようになる。その結果、図１３（ｄ）に示されるような特性になり、高周波パワー（密度）を変化させたときに、高周波のプラズマへの吸収パワー、プラズマ密度分布が変化する特性になる。
【００１４】
このように、ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置は、アンテナ前面におけるプラズマ分布の均一性が損なわれるだけでなく、高周波パワー（密度）が変化することにより、プラズマ密度分布が変化するようになる。
【００１５】
この他に、ＶＨＦまたはＵＨＦ帯の高周波を用いたプラズマ処理装置には、プラズマ発生状態を一部分に改良したものがいくつか知られている。その中の第１のものは、特開２０００−１９５８４３号に開示のプラズマ処理装置であって、被処理物であるウエハと対向した位置に誘電材料を介してディスク状対向電極を配置しているものであり、その中の第２のものは、特開平７−３０７２００号に開示のプラズマ処理装置であって、高周波を供給するアンテナ構造を、中心から外周方向に放射状に延びる複数のアンテナと外周の中心方向に延びる複数のアンテナとが互いに食い違うように構成しているものであり、その中の第３のものは、特開平１０−１２３９６号に開示のプラズマ処理装置であって、被処理物に供給されるプラズマの均一性を解決するために、アンテナ構造を、内側アンテナ導体と外側アンテナ導体との高さ方向の位置や長さを変えた共振器構造にしているものであり、その中の第４のものは、特開２０００−１９５８４３号に開示のプラズマ処理装置であって、被処理物に供給されるプラズマの均一性を解決するために、被処理物であるウエハと対向した位置にあるディスク状対向電極（アンテナ）に、環状かつ溝状のプラズマトラップを設け、ウエハ上のプラズマ分布を制御するようにしているものである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前記第１のプラズマ処理装置は、アンテナと対向電極との間に誘電材料を配置し、対向電極における高周波の電位分布を緩和しようとするものであるが、高周波の電位分布に依存した容量結合によるプラズマの生成によって、対向電極の表面を伝播する電磁波によるプラズマ生成が支配的になり、対向電極における高周波の電位分布を緩和の効果は比較的小さいものである。
【００１７】
前記第２のプラズマ処理装置は、放射状のアンテナを用いているため、アンテナの外周方向に向かうに従ってアンテナ導体の間隔が広くなり、その部分の電界が弱くなるだけでなく、アンテナ導体が存在する箇所と存在しない箇所では、電磁波の境界条件が異なっているので、電界はアンテナの周方向に対して一定にならないものである。
【００１８】
前記第３のプラズマ処理装置は、要求される共振器構造が形成されたとき、アンテナから放射された強い電磁波がシース領域内を伝播するため、アンテナ放射パターンとシース領域内の電界パターンとは異なるものになり、必ずしもプラズマ分布を均一にすることができるとは限らないものである。
【００１９】
前記第４のプラズマ処理装置は、対向電極に設けたプラズマトラップがプラズマ発生領域に形成されているもので、対向電極から放射された電磁波がプラズマトラップで強められ、プラズマトラップ周辺のプラズマ密度が高くなり、その領域の高密度のプラズマが被処理物の周辺部分に拡散し、プラズマトラップを設けていないものに比べ、被処理物全体にわたり均一なプラズマが得られるものであるが、プラズマがプラズマトラップの溝内に侵入するため、より均一なプラズマを得ることが難しいものである。
【００２０】
このように、ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置は、被処理物の配置範囲内に均一なプラズマを生成させることが難しいだけでなく、被処理物の周辺部分のプラズマが各種パラメータの変化によって変動しないようにする配慮を欠いているものである。
【００２１】
本発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたもので、その目的は、ＶＨＦまたはＵＨＦ帯の高周波を用いてプラズマを生成する場合、各種パラメータの広範囲の変化に対応して、被処理物全体にわたり高密度、高均一性を持ったプラズマを実現することを可能にしたプラズマ処理装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によるプラズマ処理装置は、真空容器と、真空容器の内部に形成された処理室と、処理室にガスを供給するガス供給路と、処理室内にあって被処理物を支持する支持電極と、処理室内にＵＨＦまたはＶＨＦ帯の高周波を導出するディスク状アンテナと、ディスク状アンテナに高周波を供給する高周波導波路と、処理室とディスク状アンテナとの間を仕切る誘電材料の導入窓と、ディスク状アンテナと導入窓との間にあってディスク状アンテナ周縁部に側面を接触状態にして配置したリング状導体とを備えるものであって、導入窓は、第１の誘電材料の導入窓と第２の誘電材料の導入窓とが重なり合うように配置したもので、２つの導入窓における第１の誘電材料と第２の誘電材料とが異なる誘電率を有しており、リング状導体は、そのリング内径がリング内部を伝播する高周波波長の２分の１の整数倍の±１０％の範囲内に設定されている手段を具備する。
【００２３】
前記手段によれば、ディスク状アンテナに側面が接触するようにリング状導体を配置し、リング状導体のリング内に高周波の定在波を発生させるようにしたもので、それによりリング内の電界強度が強くなり、周辺部分の電界強度が相対的に低下するので、高周波パワー（密度）が変化したとしても、プラズマへの吸収パワーの変動、すなわちプラズマ分布の変動を小さくすることができる。
【００２４】
そして、前記手段においては、導入窓として、第１の誘電材料の導入窓と第２の誘電材料の導入窓とが重なり合うように配置したもので、導入窓における第１の誘電材料と第２の誘電材料とが異なる誘電率を有している構成にしたので、ディスク状アンテナ直下の高周波の定在波が強まり、プラズマ表面領域の定在波を強めることができ、前記手段の機能を増大させることができる。
【００２６】
さらに、前記手段において、ディスク状アンテナに、ディスク状アンテナと導入窓との間隔またはディスク状アンテナと導入窓及び第２導入窓との間隔を調整可能なアンテナ昇降手段を結合した構成にすることができる。
【００２７】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナ直下の高周波の定在波の節の位置をディスク状アンテナの径方向に移動させることができ、それによりプラズマ分布の状態を自由に変化させ、ガス種や加工膜種に応じたプラズマ分布を実現することができる。
【００２８】
また、前記手段においては、リング状導体のリング内径を、そのリング内部を伝播する高周波波長の２分の１の整数倍の±１０％の範囲内に設定している構成にしたので、ディスク状アンテナ直下の高周波の定在波を強めることができ、その位置におけるプラズマの生成が容易になる。
【００３０】
さらに、前記手段において、ディスク状アンテナの中央部分におけるリング状導体のリングで囲まれた領域内に、リング状導体の高さに等しい高さを有する突起状または円柱状導体を配置した構成にすることができる。
【００３１】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナの中央部分の高周波の電界を強めることができ、被処理物の中央部分の処理速度を高めることができる。
【００３２】
また、前記手段において、導入窓の中央部分におけるリング状導体のリングで囲まれた領域内に、リング状導体の高さに近接した高さを有するリング状または円柱状誘電材料を配置した構成にすることができる。
【００３３】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナの中央部分の高周波の電界の窪みをなくすことができ、中央部分の高周波の電界の均一化を図ることができる。
【００３４】
さらに、前記手段において、ディスク状アンテナ及び高周波導波路を、ディスク状アンテナの半径をａ、高周波導波路の実効半径をＲｄとしたとき、ａ／Ｒｄが０．４以下または０．６以上になるような寸法に設定することができる。
【００３５】
このような手段を採用すれば、ディスク状アンテナの周辺部分の高周波の電界を低減させ、その部分のプラズマ分布を低減することにより、各種パラメータの広範囲の変化にも係わらず、被処理物全体にわたり高密度、高均一性を持ったプラズマを安定に生成させることができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３７】
図１は、本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施の形態に係わるもので、その要部構成を示す断面図である。
【００３８】
図１において、１は真空容器、２は処理室、３は支持台（支持電極）、４は被処理物、５はガス導入路、６は排気路、７は第１高周波発生源、８は高周波導波路、９は整合器、１０はシールド体、１１はディスク状アンテナ、１２は誘電材料、１３はリング状導体、１４は導入窓、１５はガス分散板、１６は第２高周波発生源、１７は充填材料、１８は磁場形成部、１９は筐体である。
【００３９】
そして、この実施の形態によるプラズマ処理装置は、筐体１９を有し、筐体１９内に真空容器１が配置される。真空容器１は、内側に処理室２が形成され、下部に真空排気を行う排気路６が結合される。処理室２は、内部に被処理物４を載置した支持台３が配置され、広口開口部にガス分散板１５を介して導入窓１４が設けられ、それにより広口開口部が封止されている。ガス導入路５は、ガス分散板１５に結合され、ガス分散板１５を通してガスを処理室２内に供給する。ディスク状アンテナ１１は、リング状導体１３を介して導入窓１４上に配置され、周辺に誘電材料１２が配置され、誘電材料１２とともにシールド体１０によって覆われている。リング状導体１３は、一方の側面がディスク状アンテナ１１の周辺部分に接触し、他方の側面が導入窓１４に接触しており、リング内に充填材料１７が充填されている。高周波導波路８は、シールド体１０及び筐体１９の貫通孔（図番なし）を通してディスク状アンテナ１１と外部にある第１高周波発生源７とを接続するもので、一端がディスク状アンテナ１１の中心部に結合され、他端が整合器９を通して第１高周波発生源７に接続される。第１高周波発生源７は、ＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波を発生し、高周波導波路８を通してディスク状アンテナ１１に供給する。磁場形成部１８は、筐体１９の内部に配置され、処理室２内に磁場を供給する。外部にある第２高周波発生源１６は、支持台３に接続される。第２高周波発生源１６は、ＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波を発生し、支持台３に供給する。
【００４０】
前記構成による第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の基本的な動作は、図１２に図示された既知のプラズマ処理装置の動作と殆ど同じで、ガス導入路５に導入された処理ガスをガス分散板１５を通して処理室２内に供給し、第１高周波発生源７から出力されたＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波、例えば周波数４５０ＭＨｚの高周波を整合器９及び高周波導波路８を通してディスク状アンテナ１１に供給してディスク状アンテナ１１の下側部分に高周波電界を発生させ、同時に、第２高周波発生源１６から出力されたＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波、例えば周波数４５０ＭＨｚの高周波を支持台３に供給し、磁場形成部１８から処理室２に磁場を供給すると、処理室２内にプラズマが生成される。このプラズマは、被処理物４に照射され、被処理物４の表面領域がプラズマ処理されるものである。
【００４１】
この場合、ディスク状アンテナ１１の周辺部分に側面が接触するようにリング状導体１３を配置するようにしたので、そのリング内に高周波の定在波が形成され、リング内の電界を強めることができ、相対的にリング状導体１１の周辺部の電界を弱めることができる。
【００４２】
ここで、図８（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の電界分布及び吸収パワーの状態を示す特性図であって、（ａ）は電界分布、（ｂ）は吸収パワーを表しているものである。
【００４３】
図８（ａ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１における中心からの距離、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界Ｅ０ （Ｅｃｅｎｔｅｒ）で規格化した各部の電界Ｅ１ （Ｅｅｄｇｅ）、Ｅ１ ／Ｅ０ である。また、図８（ｂ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１における中心からの距離、縦軸は高周波からプラズマに移行される吸収パワーを示す。
【００４４】
第１の実施の形態によるプラズマ処理装置は、図８（ａ）に示されるように、電界分布が、ディスク状アンテナ１１の中心が最も高く、中心から周辺に行くに従って順次低くなり、最外周部分でほぼゼロになっており、また、図８（ｂ）に示されるように、吸収パワーが、中心付近で比較的大きく、周辺に行くに従って順次小さくなり、最外周部分に近い部分から外でほぼゼロになっている。そして、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の吸収パワーは、図１２に図示のリング状導体１１を有しないプラズマ処理装置における同じく図１３（ｄ）に図示の吸収パワーに比べて周辺部分の吸収パワーが大幅に低下した特性になっているので、高周波パワー（密度）を変化したとしても、吸収パワー、すなわちプラズマ分布の変化が小さくなり、プロセスパラメータに依存するプラズマ分布の変化を少なくすることができる。
【００４５】
次に、図２は、本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００４６】
図２において、２０は第２導入窓であり、その他、図１に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００４７】
第２の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の導入窓１４とリング状導体１３との間に第２導入窓２０を配置し、第２導入窓２０を構成する誘電材料の誘電率を、導入窓１４を構成する誘電材料の誘電率と異ならせているものであり、その他の構成は第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。なお、第２導入窓２０は、誘電材料によって形成するものの他に、空隙によって形成すものであってもよい。
【００４８】
第２導入窓２０は、空隙によって形成した場合、この空隙が２つの役割を果たしている。その１つの役割は、ディスク状アンテナ１１の下側に強い電界を形成することであり、もう１つの役割は、プラズマ側から見て、導入窓１４の誘電率が実質的に低く見えるようにしていることである。
【００４９】
既に述べたように、ＵＨＦ帯（またはＶＨＦ帯）の高周波は、プラズマ表面に形成されるシース領域中を伝播する。このシース領域の比誘電率εは、シース領域内のプラズマ密度をｎｅｓ、素電荷をｅ、真空中の誘電率をε０ 、電子の質量をｍｅ 、高周波の角周波数をωとしたとき、ε＝１−ｎｅｓｅ２ ／ε０ ｍｅ ω２ になり、１以下の値となる。このため、ディスク状アンテナ１１とプラズマ表面との間には、空気もしくは真空層からなる第２導入窓２０（ε＝１）と、石英からなる導入窓１４（ε＝３．５）と、シース領域（ε＜１）とからなる３層構造が設けられる。このような３層構造を設けることにより、ディスク状アンテナ１１の直下領域における高周波の定在波が強くなり、それによりプラズマ表面の定在波が強くなって、その領域のプラズマ密度を高めることができる。
【００５０】
このとき、リング状導体１３のリング内に充填されている誘電材料１２中の高周波波長λは、誘電材料１２の比誘電率をεｒ 、真空中の高周波波長をλ０ としたとき、λ＝λ０ ／εｒ １／２ になり、また、導入窓１４の厚さをｄ１、導入窓１４の比誘電率をεｒ１、空隙または第２導入窓２０の厚さをｄ２、その比誘電率をεｒ２としたとき、総合した導入窓１４、２０の誘電率εは、実質的に、ε＝εｒ１ １／２ ×｛ｄ１／（εｒ１ １／２ ｄ１＋εｒ２ １／２ ｄ２）｝×εｒ１になる。
【００５１】
ここで、図９（ａ）乃至（ｃ）は、第２の実施の形態のプラズマ処理装置における高周波電界の発生状況の一例を示す説明図であって、（ａ）はプラズマ処理装置の一部分の断面構成図、（ｂ）は空隙または第２誘電体２０の厚さｄ２に依存するシース領域内における電界の発生状態、（ｃ）は空隙または第２誘電体２０の厚さｄ２に依存するディスク状アンテナ１１の径方向の電界の状態である。
【００５２】
図９（ａ）において、２’はシース領域であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００５３】
図９（ｂ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１の中心からの距離であり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜と、各部の電界｜Ｅ｜との比、すなわち｜Ｅ｜／｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜であって、シース領域２’内の電界の径方向成分Ｅｒと高さ方向成分Ｅｚを表しているものである。そして、上段は空隙または第２導電窓２０がない（ｄ２＝０）場合、下段は空隙または第２導電窓２０の厚さが２０ｍｍ（ｄ２＝２０）の場合の特性図である。
【００５４】
図９（ｃ）において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１の中心からの距離であり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜で規格化した各部の電界、すなわちディスク状アンテナ１１の中心の電界Ｅ０ （Ｅｃｅｎｔｅｒ）で規格化した各部の電界Ｅ１ （Ｅｅｄｇｅ）、すなわち｜Ｅ｜（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）である。り、空隙または第２導電窓２０がない（ｄ２＝０）場合と、空隙または第２導電窓２０の厚さが１０ｍｍ（ｄ２＝１０）、２０ｍｍ（ｄ２＝２０）、３０ｍｍ（ｄ２＝３０）である場合の特性図である。
【００５５】
図９（ｂ）に示されるＥｒ成分とＥｚ成分は、プラズマ中の波長をβ、０次のベッセル関数をＪ０ 、１次のベッセル関数をＪ１ としたとき、Ｅｒ成分はＪ１ （βｒ）に依存し、、Ｅｚ成分はＪ０ （βｒ）に依存するもので、ＴＭ０１モードと同じになる。いま、高周波の周波数を４５０ＭＨｚにした場合、真空中における高周波の１／４波長は１６６ｍｍになり、石英中における高周波の１／４波長は８８ｍｍになる。この場合、図９（ｂ）に示されるように、空隙または第２導電窓２０の厚さｄ２を増やすにつれて、Ｅｚ成分はその節の位置が外側方向に移動し、実効的に高周波の波長が伸びているのが判る。例えば、高周波の周波数が４５０ＭＨｚにした場合、導入窓１４として厚さｄ２＝３５ｍｍのものを用いたとすると、図９（ｃ）に示されるように、空隙または第２導電窓２０がない場合（ｄ２＝０）のときに、ｒ＝１５０ｍｍ点の電界強度が低下しているが、空隙または第２導電窓２０として厚さｄ２＝１０ｍｍ以上のもの設けると、｜Ｅ｜（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ）が比較的均一な特性になる。
【００５６】
これまでの例では、導入窓１１の比誘電率εｒ１と、第２導入窓２０の比誘電率εｒ２との間で、εｒ１＞εｒ２を満たす場合を挙げて説明したが、このような関係は使用される高周波周波数や導入窓１１の比誘電率εｒ１、第２導入窓２０の比誘電率εｒ２等によって変わるもので、以下のように一般化される。
【００５７】
すなわち、導入窓１１及び第２導入窓２０における比誘電率εｒ１、εｒ２の大きさ及びその厚さｄ２は、使用される高周波の波長と加工する被処理物４の大きさ（半径Ｒ）によって次のように一般化される。この場合、被処理物４の半径Ｒは、シース領域２’内における高周波の実効的な波長の１／４程度になるようにすればよく、前述の記号を用いれば、次のように表される。
【００５８】
（１−１／１０）Ｒ＜（λ０ ／４／εｒ１ １／２ ）×｛εｒ１ １／２ ×ｄ１／（εｒ１ １／２ ｄ１＋εｒ２ １／２ ｄ２）｝＜（１＋１／１０）Ｒ
例えば、ＵＨＦより波長の長いＶＨＦ帯の高周波を用い、導入窓１１として石英（比誘電率＝３．５）を用いたとき、直径３００φの均一なプラズマを実現するためには、第２導入窓２０として前の場合と反対に比誘電率の高いアルミナ（比誘電率＝９．６）を用いることができる。
【００５９】
次いで、図３は、本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００６０】
図３において、２１は空隙部、２２は調整可能なアンテナ昇降手段であり、その他に、図１に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００６１】
第３の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の導入窓１４とリング状導体１３との間に空隙部２１を設けており、シールド体１０を通してディスク状アンテナ１１に達する調整可能なアンテナ昇降手段２２が結合配置しているものであり、その他の構成は第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００６２】
第３の実施の形態によるプラズマ処理装置は、アンテナ昇降手段２２を設けているもので、アンテナ昇降手段２２がシールド体１０に螺合されている。そして、アンテナ昇降手段２２の回動によってディスク状アンテナ１１が昇降し、ディスク状アンテナ１１及びリング状導体１３と導入窓１４との配置間隔が可変にされ、その間に空隙部２１を設けられる。アンテナ昇降手段２２の調整によりディスク状アンテナ１１が昇降すると、ディスク状アンテナ１１と導入窓１４との間に空隙２１が形成され、その空隙２１の厚さはアンテナ昇降手段２２の調整により変化する。
【００６３】
第２の実施の形態の説明で述べたように、空隙２１の厚さが増すと、プラズマ側から見た導入窓１４の実効的な誘電率が低下するので、プラズマ表面に形成される高周波の電界分布の節が周辺方向に移動する。周辺部分のプラズマ密度を上昇させたいときは、空隙２１の厚さを増大する方向にディスク状アンテナ１１を移動させればよい。一方、周辺部分のプラズマ密度を低下させたいときまたはプラズマ密度を径方向に凸状の分布にしたいときは、空隙２１の厚さが低減する方向にディスク状アンテナ１１を移動させればよい。
【００６４】
ここで、磁場形成部１８が発生する外部磁場Ｂの役割について説明する。
【００６５】
高周波がプラズマに供給するパワー（吸収パワーと呼ばれる）の密度ｐは、導電率をσ、Ｅの共役複素ベクトルをＥ＊ としたとき、ｐ＝σＥＥ＊ で表わされ、ｐ〜｜Ｅ｜２ ＋α｜Ｅ×Ｂ｜の形になる。高周波としてＵＨＦ帯のものを用いた場合、ＴＭ０１モードになるので、円柱座標で表現したとき、角度成分θがなく、Ｅ＝（Ｅｒ、０、Ｅｚ）になる。外部磁場Ｂとして、Ｂ＝（Ｂｒ、０、Ｂｚ）を用いたとき、中心部分（ｒ＝０）のプラズマ分布付近を強めようとすると、Ｂｒの強い磁場分布を用いればよく、また、中間部分を強めようとすると、Ｅｒの山の位置においてＢｚが強くなる磁場分布を用いればよい。
【００６６】
第３の実施の形態によるプラズマ処理装置においては、アンテナ昇降手段２２の調整により電界分布が所望の分布になるように調整し、さらに、外部磁場Ｂの強度とその分布の調整により、｜Ｅ×Ｂ｜を変え、吸収パワー分布、すなわちプラズマ分布を凸状、平坦状、凹状になるように自由に変えることができる。これらの調整機能によって、種々のガス種や加工膜種に適したプラズマ分布を実現することが可能になる。
【００６７】
続く、図４は、本発明によるプラズマ処理装置の第４の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００６８】
図４において、１３Ｒはリング状導体１３のリング部内径であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００６９】
第４の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第２の実施の形態によるプラズマ処理装置のリング状導体１３のリング部内径１３Ｒを、充填材料１７内の高周波波長の１／２の整数倍程度に選んでいるものであり、その他の構成は第２の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００７０】
第４の実施の形態によるプラズマ処理装置は、リング状導体１３のリング部内径１３Ｒを充填材料１７内の高周波波長の１／２の整数倍程度に選択しているもので、このような選択を行った場合、リング状導体１３のリングで囲まれた領域に形成される高周波の定在波の強度を、それ以外の領域に形成される高周波の定在波の強度よりも強めることにより、ディスク状アンテナ１１の下部領域のプラズマ分布の大きさを他の領域のプラズマ分布よりも大きくすることができる。
【００７１】
続いて、図５は、本発明によるプラズマ処理装置の第５の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００７２】
図５において、２３は突起状または円柱状導体であり、その他、図１に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００７３】
第５の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第１の実施の形態によるプラズマ処理装置のディスク状アンテナ１１の中央部に、リング状導体１３のリング部の高さに略等しい高さを有する突起状または円柱状導体２３を設けているものであり、その他の構成は第１の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００７４】
また、図１０は、第５の実施の形態のプラズマ処理装置によるディスク状アンテナ１１の径方向の電界分布の変化状態を示す特性図である。
【００７５】
図１０において、横軸はｍで表したディスク状アンテナ１１の中心からの距離であり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜と、各部の電界｜Ｅｅｄｇｅ｜との比、すなわち｜Ｅｅｄｇｅ｜／｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜であって、突起状または円柱状導体２３の高さｈを、０から３４．５ｍｍの範囲内で変化させたときの特性図である。
【００７６】
第５の実施の形態のプラズマ処理装置は、ディスク状アンテナ１１の中央部におけるリング状導体１３のリング内に、突起状または円柱状導体２３を設けているもので、突起状または円柱状導体２３を設けたことにより、ディスク状アンテナ１１の下部領域における高周波の電界分布は、突起状または円柱状導体２３の高さｈに応じて、図１０に示されるような分布になる。図１０に示される特性図から判るように、突起状または円柱状導体２３がない場合（ｈ＝０）よりもある場合の方が、突起状または円柱状導体２３がある場合でも、突起状または円柱状導体２３の高さが高くなるに従ってディスク状アンテナ１１の中央部の電界強度が上昇している。例えば、メタルのエッチング処理の場合のように、ＢＣｌ３ のような解離や電離し難いガスや反応生成物が多く放出されるような処理工程においては、ディスク状アンテナ１１の中央部のプラズマ密度が低下し、処理結果も中央部で窪みが形成され易くなる。このとき、第５の実施の形態のように、ディスク状アンテナ１１の中央部に適宜選択した高さの突起状または円柱状導体２３を設ければ、中央部の処理速度が調整され、その加工形状を改善することができる。この場合、突起状または円柱状導体２３は、第２導入窓２０の内部、さらには第２導入窓２０及び導入窓１４の中まで達するように形成すれば、より中央部の電界を向上させることができる。
【００７７】
次に、図６は、本発明によるプラズマ処理装置の第６の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００７８】
図６において、２４は円柱状またはリング状の誘電材料であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００７９】
第６の実施の形態によるプラズマ処理装置は、第２の実施の形態によるプラズマ処理装置のリング状導体１３のリング内の充填材料１７を除去して空隙にし、ディスク状アンテナ１１の中央部に、第２導電窓２０からリング内に向かって立設された円柱状またはリング状の誘電材料２４を設けているものであり、その他の構成は第２の実施の形態によるプラズマ処理装置と同じである。
【００８０】
第６の実施の形態によるプラズマ処理装置は、ディスク状アンテナ１１の中央部におけるリング状導体１３のリング内に、第２導電窓２０側から円柱状またはリング状の誘電材料２４を設けているものである。この円柱状またはリング状の誘電材料２４は、ディスク状アンテナ１１の中央部の電界を高めるために、その高さが高い方が望ましいが、ディスク状アンテナ１１に接するまでの高さを必要としない。
【００８１】
この場合、円柱状またはリング状の誘電材料２４は、円柱の半径またはリングの半径ｄｓとして、高周波の径方向電界成分Ｅｒのピーク値を示す位置の半分程度、すなわちシース領域２’中の高周波波長の１／４の半分程度の長さに選択すればよい。具体的には、真空中の高周波波長をλ０ 、導入窓１４の誘電率をεｓとすれば、近似的に、ｄｓ＝εｓ１／２／（１＋εｓ１／２）λ０ ／４／２にすればよい。さらに、誘電材料２４としてリング状のものを用いれば、より効果的にディスク状アンテナ１１の中央部の電界の窪みをなくすことができる。なお、誘電材料２４は、その誘電率が導入窓１４の誘電率よりも大きいことが望ましいもので、使用される高周波の周波数を４５０ＭＨｚにし、導入窓１４として石英（ε＝３．５）を用いた場合、誘電材料２４の材質としては、アルミナが好適であって、半径ｄｓとして５４ｍｍ程度の長さを選択すればよい。
【００８２】
次いで、図７は、本発明によるプラズマ処理装置の第７の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナ１１の配置部分の要部構成を示す断面図である。
【００８３】
図７において、１０Ｒはシールド体１０の内部半径（導波路半径）、１１Ｒはディスク状アンテナ１１の半径であり、その他、図２に示された構成要素と同じ構成要素については同じ符号をつけている。
【００８４】
第７の実施の形態のプラズマ処理装置は、シールド体１０の内部半径１０Ｒとディスク状アンテナ１１の半径１１Ｒとの間で、ディスク状アンテナ１１の半径１１Ｒをａ、シールド体１０の内部半径１０Ｒをｂとし、ディスク状アンテナ１１とシールド体１０の側壁との間に充填された誘電材料（図番なし）の比誘電率をεｓとしたとき、ディスク状アンテナ１１の半径ａと実効導波路径ｃとの比γ（γ＝ａ／ｃ）が、０．４以下あるいは０．６以上になるように選択しているものである。ここで、実効導波路径ｃは、ｃ＝｛ａ＋εｓ１／２（ｂ−ａ）｝で定義される。
【００８５】
ここで、図１１は、第７の実施の形態のプラズマ処理装置において、ディスク状アンテナ１１の半径ａと実効導波路径ｃとの比γを変化させたときの高周波電界の状況の変化を示す特性図である。
【００８６】
図１１において、横軸は比γであり、縦軸はディスク状アンテナ１１の中心の電界｜Ｅｃｅｎｔｅｒ｜と、各部の電界｜Ｅｅｄｇｅ｜との比、すなわち｜Ｅｅｄｇｅ／Ｅｃｅｎｔｅｒ｜であって、ディスク状アンテナ１１の側面領域に充填された誘電材料として、空気、アルミナ、石英を選択したときの特性図である。
【００８７】
図１１に示された特性図を用いて、ディスク状アンテナ１１の半径ａと実効導波路径ｃとの比γが高周波電界分布ひいてはプラズマ分布の決定因子になることを説明する。
【００８８】
ディスク状アンテナ１１の半径ａを変えれば、ディスク状アンテナ１１よりも外側方向の電界強度が変化する。図１１に示されるように、横軸に比γ（＝ａ／ｃ）をとり、縦軸に｜Ｅｅｄｇｅ／Ｅｃｅｎｔｅｒ｜をとったとき、ディスク状アンテナ１１の側面領域に充填された誘電材料の誘電率、誘電材料が変化した場合であっても、ほぼ同様な曲線を描いている。この場合、比γとして、０．４以下あるいは０．６以上の範囲を選んだとすると、電界分布が低下している領域であることが判る。例えば、導波路径として２２０ｍｍのものを用いると、ディスク状アンテナ１１の半径ａは８８ｍｍ以下または１３２ｍｍ以上のものであればよい。一方、高周波の周波数ｆを変化させた場合については、アンテナ半径／実効導波路径をγ＊ ＝γ＊（ｆ／ｆ０ ）と定義すれば、前記範囲と同じ指数の範囲が周辺電界と中心電界との比についても当てはまる。ここで、ｆ０ は基準周波数で、４５０ＭＨｚを選択している。なお、実効導波路径ｂは、それを用いる変わりにチャンバー径によって代用してもよい。
【００８９】
このように、ディスク状アンテナ１１の外周部分の電界を低下させることは、ディスク状アンテナ１１の外周部分のプラズマ分布を低下させることになり、高周波パワーや、ガス圧及びガス種の変化に対するＵＨＦ、ＶＨＦ帯の高周波の電界分布の変化を抑制することになる。その結果、高周波パワーや、ガス圧及びガス種を広い範囲で変化させたとしても、常時、安定したプラズマを生成することができる。
【００９０】
このように、第１乃至第７の実施の形態によれば、ディスク状アンテナ１１の半径ａの選択したことにより、ディスク状アンテナ１１の周縁部の下側にあるリング状導体１３を配置したことにより、リング状導体１３と導入窓１４との間に第２導入窓２０または空隙を設けたことにより、ＵＨＦ、ＶＨＦ帯の高周波電界分布について、第１に、被処理物４の配置範囲内の電界分布を強めること、また所望の電界分布、例えば、平坦状または若干の凹状の電界分布にすること、第２に、ディスク状アンテナ１１の外周部分における高周波の伝播を低減させること、第３に、アンテナ昇降手段２２の設置によってディスク状アンテナ１１と導入窓１４との実効距離を変え、プラズマ側から見た実効誘電率を変えること、等の各手段によって、高周波の電界分布がガス種に対応した所望のものになるように調整することができるものである。
【００９１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ディスク状アンテナに側面が接触するようにリング状導体を配置し、リング状導体のリング内に高周波の定在波を発生させるようにしているもので、そのような定在波の発生によってリング内の電界強度が強くなり、周辺部分の電界強度が相対的に低下するので、高周波パワー（密度）や、ガス圧やガス種が変化したとしても、プラズマへの吸収パワーの変動、すなわちプラズマ分布の変動を小さくすることができ、その結果、広範囲のプロセスパラメータに対して高均一のプラズマを生成させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の第１の実施の形態に係わるもので、その要部構成を示す断面図である。
【図２】本発明によるプラズマ処理装置の第２の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図３】本発明によるプラズマ処理装置の第３の実施の形態に係わるもので、その要部構成を示す断面図である。
【図４】本発明によるプラズマ処理装置の第４の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図５】本発明によるプラズマ処理装置の第５の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図６】本発明によるプラズマ処理装置の第６の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図７】本発明によるプラズマ処理装置の第７の実施の形態に係わるもので、ディスク状アンテナの配置部分の要部構成を示す断面図である。
【図８】第１の実施の形態によるプラズマ処理装置の電界分布及び吸収パワーの状態を示す特性図である。
【図９】第２の実施の形態によるプラズマ処理装置の電界分布及び吸収パワーの状態を示す特性図である。
【図１０】第５の実施の形態のプラズマ処理装置によるディスク状アンテナの径方向の電界分布の変化状態を示す特性図である。
【図１１】第７の実施の形態のプラズマ処理装置において、ディスク状アンテナの半径と実効導波路径との比を変化させたときの高周波電界の状況の変化を示す特性図である。
【図１２】ＶＨＦやＵＨＦ帯の高周波を用いた既知のプラズマ処理装置の要部構成の一例を示す断面図である。
【図１３】高周波の電界の発生状況の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 真空容器
２ 処理室
２’ シース領域
３ 支持台（電極）
４ 被処理物
５ ガス導入路
６ 排気路
７ 第１高周波発生源
８ 高周波導波路
９ 整合器
１０ シールド体
１１ ディスク状アンテナ
１２ 誘電材料
１３ リング状導体
１４ 導入窓
１５ ガス分散板
１６ 第２高周波発生源
１７ 充填材料
１８ 磁場形成部
１９ 筐体
２０ 第２導入窓
２１ 空隙部
２２ アンテナ昇降手段
２３ 突起状またはリング状導体
２４ 円柱状またはリング状誘電体
Claims (1)
- 真空容器と、前記真空容器の内部に形成された処理室と、前記処理室にガスを供給するガス供給路と、前記処理室内にあって被処理物を支持する支持電極と、前記処理室内にＵＨＦまたはＶＨＦ帯の高周波を導出するディスク状アンテナと、前記ディスク状アンテナに前記高周波を供給する高周波導波路と、前記処理室と前記ディスク状アンテナとの間を仕切る誘電材料の導入窓と、前記ディスク状アンテナと前記導入窓との間にあって前記ディスク状アンテナ周縁部に側面を接触状態にして配置したリング状導体とを備えるプラズマ処理装置において、前記導入窓は、第１の誘電材料の導入窓と第２の誘電材料の導入窓とが重なり合うように配置したもので、前記２つの導入窓における第１の誘電材料と第２の誘電材料とが異なる誘電率を有しており、前記リング状導体は、そのリング内径がリング内部を伝播する高周波波長の２分の１の整数倍の±１０％の範囲内に設定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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