JP6144902B2

JP6144902B2 - マイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置

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Publication number: JP6144902B2
Application number: JP2012269227A
Authority: JP
Inventors: 池田　太郎; 太郎池田; 智仁小松; 河西　繁; 河西　　繁; 大幸宮下; 長田　勇輝; 勇輝長田; 聡谷原; 藤野　豊; 豊藤野
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Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2017-06-07
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Description

本発明は、マイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。

ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、生成されるプラズマの電子温度が高いため微細素子にプラズマダメージを生じてしまい、また、プラズマ密度の高い領域が限定されるため、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。

そこで、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。

ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、表面波プラズマを発生させるためのマイクロ波を放射するマイクロ波放射アンテナとしてチャンバの上部に所定のパターンで複数のスロットが形成された平面スロットアンテナであるラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna）を設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、アンテナのスロットから放射させるとともに、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過板を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、このマイクロ波電界によりチャンバ内で表面波プラズマを生成し、これにより半導体ウエハ等の被処理体を処理するものである。

ところで、特許文献１に記載された処理装置では、マイクロ波はチャンバの天壁から導入されるのに対し、処理ガスはチャンバの側壁に設けられたガス導入口から供給されている。しかしながら、この場合にはガスの流れを制御することが難しく、プラズマの均一性が不十分になる可能性がある。

これに対して、特許文献２には、ラジアルラインスロットアンテナの下の誘電体部材を多数のガス放出孔を有するシャワープレートとして構成して、このシャワープレートを介して処理ガスをチャンバ内に導入する技術が開示されている。これによりシャワープレート直下の空間に処理ガスを均一に供給することができ、均一なプラズマが形成されるとしている。

しかし、特許文献２の技術では、シャワープレートのガス空間でガスがプラズマ化してマイクロ波パワーが損失したり異常放電が生じたりするという問題点が生じる可能性がある。

そこで、特許文献３には、マイクロ波アンテナと誘電体製のシャワープレートとの間にシャワープレートよりも比誘電率の低い誘電体からなるカバープレートを設けた構造が開示されている。これによりシャワープレートのガス空間を介した比誘電率の変化率を少なくして、シャワープレート内のガス空間でのパワー損失や異常放電を防止できるとしている。

特開２０００−２９４５５０号公報特開２００２−２９９３３０号公報特開２００５−１９６９９４号公報

しかしながら、特許文献３の技術を用いても、シャワープレートは誘電体であるため、マイクロ波が透過し、シャワープレートに設けられたガス孔内でガスがプラズマ化することまでは完全に防止することができず、依然としてパワー損失や異常放電の問題が残存し、このような問題を抑制しつつ均一なプラズマを形成する技術は未だ実現されていない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、マイクロ波のパワー損失や異常放電を抑制しつつ均一なプラズマを形成することができるマイクロ波放射アンテナ、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、真空に保持されたチャンバ内に表面波プラズマを形成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波生成機構で生成され、マイクロ波伝送路を伝送されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナであって、マイクロ波放射面を有し、導電体からなるアンテナ本体と、前記アンテナ本体に処理ガスを導入するための処理ガス導入口と、前記アンテナ本体内で、導入された前記処理ガスを拡散させるためのガス拡散空間と、前記アンテナ本体に設けられ、前記ガス拡散空間で拡散された処理ガスを前記チャンバ内へ吐出するための複数のガス吐出孔と、前記アンテナ本体に前記ガス拡散空間および前記ガス吐出孔とは分離した状態で、前記マイクロ波伝送路に対応して複数設けられ、前記マイクロ波放射面側の端部からマイクロ波を放射するスロットと、前記アンテナ本体の前記マイクロ波放射面側に、前記スロットが形成されたスロット形成領域を包含するように環状に設けられた環状誘電体部材とを有し、前記スロットおよび前記環状誘電体部材を通って放射されたマイクロ波により、前記マイクロ波放射面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、前記環状誘電体部材と前記アンテナ本体の前記スロットとの間はシールされ、前記環状誘電体部材と前記アンテナ本体の前記スロットとの間のシールは真空シールであり、この真空シールにより前記チャンバ内の真空雰囲気の領域と、前記スロットを含む大気雰囲気の領域とが区画されており、前記アンテナ本体は、平板状をなし、その中央部に前記マイクロ波伝送路が接続され、上部壁と前記マイクロ波放射面を有する下部壁とを有し、前記スロットに対応する部分に前記下部壁から前記上部壁に至る突出部が形成されて前記スロットは前記突出部内に形成され、前記上部壁と前記下部壁との間の前記吐出部以外の領域に前記ガス拡散空間が形成され、前記複数のガス吐出孔は、前記下部壁の前記ガス拡散空間に対応した領域に設けられていることを特徴とするマイクロ波放射アンテナを提供する。

上記第１の観点において、前記複数のガス吐出孔は、アンテナ本体のマイクロ波放射面における、前記環状誘電体部材の外側の領域および内側の領域の両方に形成されていることが好ましい。

さらに、前記環状誘電体部材は、前記アンテナ本体の前記マイクロ波放射面に形成された凹部に嵌め込まれている構成とすることができる。

本発明の第２の観点では、プラズマ処理装置のチャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送し前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波供給部とを具備し、前記マイクロ波供給部は、上記第１の観点のマイクロ波放射アンテナを備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ源を提供する。

上記第２の観点において、前記マイクロ波供給部は、前記マイクロ波放射アンテナに接続された、それぞれマイクロ波伝送路を有する複数のマイクロ波放射部を有し、前記マイクロ波放射アンテナは、前記複数のマイクロ波放射部に対応してそれぞれ複数のスロットを有する構成とすることができる。

本発明の第３の観点では、被処理基板を収容するチャンバと、処理ガスを供給するガス供給機構と、上記第２の観点のマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記マイクロ波プラズマ源のマイクロ波放射アンテナから前記チャンバ内に供給されたマイクロ波により前記マイクロ波放射アンテナの表面に金属表面波が形成され、前記金属表面波により、前記ガス供給機構から供給されたガスによる表面波プラズマを生成し、前記チャンバ内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明によれば、マイクロ波放射アンテナのアンテナ本体を導電体で構成するとともに、ガス拡散空間およびガス吐出孔とマイクロ波を放射するスロットとを分離した状態で設け、さらに、アンテナ本体のマイクロ波放射面側に、スロットが形成されたスロット形成領域を包含するように環状誘電体部材を設けたので、マイクロ波のパワー損失や異常放電を抑制しつつ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マイクロ波放射アンテナ以外の構成を示す構成図である。マイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図である。図１のプラズマ処理装置に用いられる、マイクロ波放射部およびマイクロ波放射アンテナを示す縦断面図である。マイクロ波放射部の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図である。チューナにおけるスラグと滑り部材を示す図４のＢＢ′線による横断面図である。マイクロ波放射アンテナのスロットの形状および配置の一例を示す平面図である。マイクロ波放射アンテナのマイクロ波放射面を示す底面図である。（ａ）環状誘電体部材を設けずにアンテナ本体のマイクロ波放射面までスロットを設けた場合と、（ｂ）環状誘電体部材を設けた場合について、マイクロ波の電界分布を比較して示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜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マイクロ波放射アンテナ以外の構成を示す構成図、図３はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図である。

プラズマ処理装置１００は、ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源２はこの開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。

チャンバ１内には被処理体である半導体ウエハＷ（以下ウエハＷと記述する）を水平に支持するためのサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウムや、ＡｌＮなどのセラミックス等が例示される。

また、図示はしていないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内を所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

マイクロ波プラズマ源２は、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。マイクロ波供給部４０は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９に気密にシールされた状態で設けられた、マイクロ波の放射とガスの導入が可能なマイクロ波放射アンテナ４５を有している。このマイクロ波放射アンテナ４５はチャンバ１の天壁として構成されている。また、マイクロ波プラズマ源２は、プラズマを生成するためのプラズマ生成ガスや、成膜処理やエッチング処理を行うための処理ガスを供給するガス供給源１１０を有している。

プラズマ生成ガスとしては、Ａｒガス等の希ガスを好適に用いることができる。また、処理ガスとしては、成膜処理やエッチング処理等、処理の内容に応じて種々のものを採用することができる。

図２に示すように、マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、９１５ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、９１５ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚから３ＧＨｚを用いることができる。

マイクロ波供給部４０は、マイクロ波放射アンテナ４５（図２では図示せず）の他、分配器３４にて分配されたマイクロ波をチャンバ１内へ導く複数のアンテナモジュール４１を有している。各アンテナモジュール４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部４２と、マイクロ波放射部４３とを有している。図３に示すように、マイクロ波供給部４０は、アンテナモジュール４１を７個有しており、各アンテナモジュール４１のマイクロ波放射部４３が、円周状に６個およびその中心に１個、円形をなすマイクロ波放射アンテナ４５の上に配置されている。

マイクロ波放射アンテナ４５は、後述するように、上述した複数のマイクロ波放射部４３が接続され、プラズマ生成ガスや処理ガスを吐出するシャワー構造となっており、ガス供給源１１０から延びるガス配管１１１がマイクロ波放射アンテナ４５に接続されている。そして、マイクロ波放射アンテナ４５からチャンバ１内に導入されたプラズマ生成ガスは、マイクロ波放射アンテナ４５から放射されたマイクロ波によりプラズマ化され、このプラズマにより、同じくマイクロ波放射アンテナ４５からチャンバ１内に導入された処理ガスが励起され、処理ガスのプラズマが生成される。

アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うアンテナモジュールにおいて９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度調整するためのアンプである。可変ゲインアンプ４７を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。

アイソレータ４９は、マイクロ波放射アンテナ４５で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、マイクロ波放射アンテナ４５で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

次に、図４〜８を参照して、マイクロ波放射部４３およびマイクロ波放射アンテナ４５について詳細に説明する。図４はマイクロ波放射部４３およびマイクロ波放射アンテナ４５を示す断面図、図５はマイクロ波放射部４３の給電機構を示す図４のＡＡ′線による横断面図、図６はマイクロ波放射部４３のチューナ６０におけるスラグと滑り部材を示す図４のＢＢ′線による横断面図、図７はマイクロ波放射アンテナ４５のスロットの形状および配置の一例を示す平面図、図８はマイクロ波放射アンテナ４５のマイクロ波放射面を示す底面図である。

図４に示すように、マイクロ波放射部４３は、マイクロ波を伝送する同軸構造のマイクロ波伝送路（導波路）４４と、マイクロ波伝送路４４に設けられたチューナ６０とを有している。そして、マイクロ波放射部４３の導波路４４を経て、各マイクロ波放射部４３に対応してマイクロ波放射アンテナ４５に設けられたスロット（後述）からチャンバ１内にマイクロ波が放射され、そのマイクロ波によりチャンバ１内で表面波プラズマを形成するようになっている。

マイクロ波伝送路４４は、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されており、マイクロ波伝送路４４の先端にマイクロ波放射アンテナ４５が設けられている。マイクロ波伝送路４４においては、内側導体５３に給電され、外側導体５２が接地されている。外側導体５２および内側導体５３の上端には反射板５８が設けられている。

マイクロ波伝送路４４の基端側にはマイクロ波（電磁波）を給電する給電機構５４が設けられている。給電機構５４は、マイクロ波伝送路４４（外側導体５２）の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート５５を有している。マイクロ波電力導入ポート５５には、アンプ部４２から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸線路５６が接続されている。そして、同軸線路５６の内側導体５６ａの先端には、外側導体５２の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ９０が接続されている。

給電アンテナ９０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン（登録商標）等の誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５ＧＨｚ等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ９０から反射板５８までの距離を最適化し、給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造のマイクロ波伝送路４４内に伝送させる。

給電アンテナ９０は、図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を有するアンテナ体９１と、アンテナ体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マイクロ波放射アンテナ４５に向かって伝播する。

チューナ６０は、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものであり、外側導体５２と内側導体５３との間のマイクロ波伝送路４４を上下に移動する２つのスラグ６１ａ，６１ｂと、反射板５８の外側（上側）に設けられたスラグ駆動部７０とを有している。

これらスラグのうち、スラグ６１ａはスラグ駆動部７０側に設けられ、スラグ６１ｂはマイクロ波放射アンテナ４５側に設けられている。また、内側導体５３の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の２本のスラグ移動軸６４ａ，６４ｂが設けられている。

図６に示すように、スラグ６１ａは、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材６３が嵌め込まれている。滑り部材６３にはスラグ移動軸６４ａが螺合するねじ穴６５ａとスラグ移動軸６４ｂが挿通される通し穴６５ｂが設けられている。一方、スラグ６１ｂは、スラグ６１ａと同様、ねじ穴６５ａと通し穴６５ｂとを有しているが、スラグ６１ａとは逆に、ねじ穴６５ａはスラグ移動軸６４ｂに螺合され、通し穴６５ｂにはスラグ移動軸６４ａが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸６４ａを回転させることによりスラグ６１ａが昇降移動し、スラグ移動軸６４ｂを回転させることによりスラグ６１ｂが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと滑り部材６３とからなるねじ機構によりスラグ６１ａ，６１ｂが昇降移動される。

内側導体５３には長手方向に沿って等間隔に３つのスリット５３ａが形成されている。一方、滑り部材６３は、これらスリット５３ａに対応するように３つの突出部６３ａが等間隔に設けられている。そして、これら突出部６３ａがスラグ６１ａ，６１ｂの内周に当接した状態で滑り部材６３がスラグ６１ａ，６１ｂの内部に嵌め込まれる。滑り部材６３の外周面は、内側導体５３の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂが回転されることにより、滑り部材６３が内側導体５３を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体５３の内周面がスラグ６１ａ，６１ｂの滑りガイドとして機能する。

滑り部材６３を構成する樹脂材料としては、良好な滑り性を有し、加工が比較的容易な樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を好適なものとして挙げることができる。

上記スラグ移動軸６４ａ，６４ｂは、反射板５８を貫通してスラグ駆動部７０に延びている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと反射板５８との間にはベアリング（図示せず）が設けられている。また、内側導体５３の下端には、導体からなる底板６７が設けられている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端は、駆動時の振動を吸収するために、通常は開放端となっており、これらスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端から２〜５ｍｍ程度離隔して底板６７が設けられている。なお、この底板６７を軸受け部としてスラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端をこの軸受け部にて軸支させてもよい。

スラグ駆動部７０は筐体７１を有し、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂは筐体７１内に延びており、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂの上端には、それぞれ歯車７２ａおよび７２ｂが取り付けられている。また、スラグ駆動部７０には、スラグ移動軸６４ａを回転させるモータ７３ａと、スラグ移動軸６４ｂを回転させるモータ７３ｂが設けられている。モータ７３ａの軸には歯車７４ａが取り付けられ、モータ７３ｂの軸には歯車７４ｂが取り付けられており、歯車７４ａが歯車７２ａに噛合し、歯車７４ｂが歯車７２ｂに噛合するようになっている。したがって、モータ７３ａにより歯車７４ａおよび７２ａを介してスラグ移動軸６４ａが回転され、モータ７３ｂにより歯車７４ｂおよび７２ｂを介してスラグ移動軸６４ｂが回転される。なお、モータ７３ａ，７３ｂは例えばステッピングモータである。

なお、スラグ移動軸６４ｂはスラグ移動軸６４ａよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車７２ａおよび７２ｂの位置が上下にオフセットしており、モータ７３ａおよび７３ｂも上下にオフセットしているので、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースが小さく、筐体７１が外側導体５２と同じ径となっている。

モータ７３ａおよび７３ｂの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ６１ａおよび６１ｂの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ７５ａおよび７５ｂが設けられている。

スラグ６１ａおよび６１ｂの位置は、スラグコントローラ６８により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ７５ａおよび７５ｂにより検知されたスラグ６１ａおよび６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ６８がモータ７３ａおよび７３ｂに制御信号を送り、スラグ６１ａおよび６１ｂの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ６８は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

マイクロ波伝送路４４の先端部には、マイクロ波放射アンテナ４５に接するように遅波材８２が設けられている。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通しており、この円柱部材８２ａが底板６７とマイクロ波放射アンテナ４５とを接続している。したがって、内側導体５３が底板６７および円柱部材８２ａを介してマイクロ波放射アンテナ４５に接続されている。なお、外側導体５２の下端はマイクロ波放射アンテナ４５まで延びており、遅波材８２の周囲は外側導体５２で覆われている。

遅波材８２は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、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、マイクロ波放射アンテナ４５の表面（マイクロ波放射面）が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、マイクロ波の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

マイクロ波放射アンテナ４５は、平面状をなしスロットを有する平面スロットアンテナとして構成されており、円板状をなし、その下面がマイクロ波放射面となるアンテナ本体１２１と、アンテナ本体１２１に形成された、各マイクロ波放射部４３のマイクロ波伝送路４４を伝送されてきたマイクロ波をチャンバ内に放射するための複数のスロット１２２と、アンテナ本体１２１の内部に形成された、処理ガスを拡散するためのガス拡散空間１２３と、ガス拡散空間１２３にプラズマ生成ガスや処理ガスを導入するガス導入口１２４と、ガス拡散空間１２３からチャンバ１に臨むように延びる複数のガス吐出孔１２５と、アンテナ本体１２１のマイクロ波放射面側に、各マイクロ波放射部４３のスロット１２２に対応するように環状に設けられた環状誘電体部材１２６とを有する。

アンテナ本体１２１は導電体、典型的には金属で形成されている。アンテナ本体１２１を構成する導電体としてはアルミニウムや銅のような電気伝導率の高い金属が好ましい。アンテナ本体１２１は、上部壁１２１ａと、シャワープレートとして構成される下部壁１２１ｂとを有している。

上記ガス導入口１２４は、上部壁１２１ａに設けられており、ガス供給源１１０から延びるガス配管１１１が接続され、ガス供給源１１０から供給されたＡｒ等のプラズマ生成ガスや、炭化フッ素ガス（例えばＣ_４Ｆ_８）等の処理ガスが、ガス導入口１２４を介してガス拡散空間１２３に導入される。ガス吐出孔１２５は、下部壁１２１ｂに形成され、ガス拡散空間１２３に導入されたガスをチャンバ１内に吐出するようになっている。

スロット１２２は、上部壁１２１ａからガス拡散空間１２３を経て下部壁１２１ｂを貫通して形成されている。ガス拡散空間１２３においてスロット１２２は、下部壁１２１ｂから突出する突出部１２７の内部に形成されている。これにより、スロット１２２を通過するマイクロ波とガス拡散空間１２３を流れるガスとが分離され、マイクロ波放射アンテナ４５の内部でプラズマが生成されることが回避される。突出部１２７の上端には上部壁１２１ａとの間をガスシールするシール部材１２７ａが設けられている。

スロット１２２内には誘電体が充填されていてもよい。スロット１２２に誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロット全体の厚さ（アンテナ本体１２１の厚さ）を薄くすることができる。スロット１２２に充填する誘電体としては、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を用いることができる。

各マイクロ波放射部４３からのマイクロ波の放射特性を決定するマイクロ波放射面でのスロット１２２の形状は、マイクロ波放射部４３毎に、例えば、図７に示すようになっている。具体的には、４個のスロット１２２が全体形状が円周状になるように均等に形成されている。これらスロット１２２は全て同じ形状であり、円周に沿って細長い形状に形成されている。これらスロット１２２は、アンテナ本体１２１のマイクロ波放射面におけるマイクロ波放射部４３の中心軸に対応する点Ｏに対して対称に配置されている。

スロット１２２の円周方向の長さは（λｇ／２）−δであり、スロット１２２の中心位置にマイクロ波電界強度のピークがくるように設計されている。ただし、λｇはマイクロ波の実効波長であり、δは円周方向（角度方向）に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分（０を含む）である。λｇは、
λｇ＝λ／ε_ｓ ^１／２
と表すことができる。ただし、ε_ｓはスロットに充填される誘電体の誘電率であり、λは真空中のマイクロ波の波長である。なお、スロット１２２の長さは約λｇ／２に限らず、λｇ／２の整数倍から微調整成分（０を含む）を引いたものであればよい。

４個のスロット１２２のうち隣接するもの同士の継ぎ目部分は、一方のスロット１２２の端部と他方のスロット１２２の端部とが径方向に所定間隔をおいて内外で重なるように構成されている。これにより、周方向にスロットが存在しない部分がないようにされ周方向の放射特性が均一になるように設計されている。スロット１２２は、円周方向に沿って中央部１２２ａと左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃの３つの部分に分かれており、左側端部１２２ｂおよび右側端部１２２ｃが略扇形（円弧状）をなし、これらがそれぞれ外周側および内周側に配置され、中央部１２２ａは、これらを繋ぐ直線状となっている。そして、左側端部１２２ｂと隣接するスロットの右側端部とが、左側端部１２２ｂが外側になるように配置され、右側端部１２２ｃと隣接するスロットの左側端部とが、右側端部１２２ｃが内側になるように配置される。中央部１２２ａと左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃとは、略均等の長さを有している。すなわち、中央部１２２ａが（λｇ／６）−δ_１、その両側の左側端部１２２ｂおよび右側端部１２２ｃがそれぞれ（λｇ／６）−δ_２および（λｇ／６）−δ_３の長さとなる。ただし、δ_１，δ_２、δ_３は円周方向（角度方向）に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分（０を含む）である。隣接するスロットがオーバーラップする部分の長さは等しいほうが好ましいので、δ_２＝δ_３であることが好ましい。

スロット１２２は、その内周が、アンテナ本体１２１の点Ｏから（λｇ／４）±δ′の位置になるように形成される。ただし、δ′は径方向の電界強度分布を均一にするために微調整する微調整成分（０を含む）である。なお、中心からスロット内周までの長さは約λｇ／４に限らず、λｇ／４の整数倍に微調整成分（０を含む）を加えたものであればよい。

このようなマイクロ波放射アンテナ４５は、各マイクロ波放射部４３において、電界強度が低いスロットの端部を重ねて配置することにより、その部分の電界強度を高くすることができ、結果的に、周方向（角度方向）の電界強度分布を均一にすることができる。

なお、各マイクロ波放射部４３に対応するスロットの数は４個に限らず、３個であっても５個以上であっても同様の効果を得ることができる。また、スロット形状は図７のものに限らず、例えば複数の円弧状のスロットが円周上に均等に形成されたもの等他のものであってもよい。

また、スロット１２２は左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃのオーバーラップ部分の間隔が狭いので、その間隔のままとなるようにガス拡散空間１２３に突出部１２７を形成すると、ガス拡散空間１２３におけるガスコンダクタンスが小さくなってガス流速の均一性が小さくなるおそれがある。そのような場合には、スロット１２２の突出部１２７および上部壁１２１ａに対応する部分において、スロット１２２は左側端部１２２ｂと右側端部１２２ｃのオーバーラップ部分の間隔を広くしてもよい。その場合には、スロット１２２の突出部１２７および上部壁１２１ａに対応する部分と、下部壁１２１ｂに対応する部分とで段差が生じることとなる。

アンテナ本体１２１の下部壁１２１ｂのマイクロ波放射面側には、スロット１２２に対応する部分に環状をなす凹部１２８を有しており、この凹部１２８に環状誘電体部材１２６が嵌め込まれている。凹部１２８には段差１２８ａが形成されており、環状誘電体部材１２６はこの段差１２８ａに対応するフランジ部１２６ａを有している。これにより環状誘電体部材１２６が下部壁１２１ｂに支持されている。環状誘電体部材１２６は、アンテナ本体１２１のマイクロ波放射面側に、各マイクロ波放射部４３のスロット１２２が形成された領域であるスロット形成領域を包含する（覆う）ように設けられている（図８のアンテナ本体１２１の底面図参照）。また、下部壁１２１ｂの凹部１２８に臨む環状誘電体部材１２６に対応する部分には、スロット１２２の内側部分および外側部分にシール部材１２８ｂが設けられており、環状誘電体部材１２６がスロット１２２を密閉するようになっている。シール部材１２８ｂは真空シールとして機能し、それより下の真空領域と、それより上の大気領域とを区画している。

環状誘電体部材１２６を構成する誘電体としては、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を用いることができる。

なお、図８に示すように環状誘電体部材１２６は円環状に設けられているが、三角環状、四角環状等の多角環状であってもよい。

図４および図８に示すように、アンテナ本体１２１に形成されたガス吐出孔１２５は、マイクロ波放射面における環状誘電体部材１２６の外側領域および内側領域の両方に設けられている。

マイクロ波放射アンテナ４５には、直流電圧を印加するようにすることもできる。これにより、マイクロ波電力を印加した場合に、マイクロ波放射アンテナ４５の表面に形成される金属表面波を伝播するシースの厚さを制御することができる。これにより、プラズマの電子密度分布、イオン密度分布、ラジカル密度分布を最適化することができる。

本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、マイクロ波放射アンテナ４５とは近接配置している。そして、チューナ６０とマイクロ波放射アンテナ４５とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつマイクロ波放射アンテナ４５、遅波材８２は合成抵抗が５０Ωに設定されているので、チューナ６０はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。

プラズマ処理装置１００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部１４０により制御されるようになっている。制御部１４０はプラズマ処理装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。

＜プラズマ処理装置の動作＞
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００における動作について説明する。

まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、ガス供給源１１０からガス配管１１１を介してプラズマ生成ガス、例えばＡｒガスをマイクロ波放射アンテナ４５のガス拡散空間１２３に導入し、ガス吐出孔１２５から吐出しつつ、マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０から、マイクロ波供給部４０の各アンテナモジュール４１のアンプ部４２およびマイクロ波放射部４３を伝送されてきたマイクロ波をマイクロ波放射アンテナ４５のスロット１２２および環状誘電体部材１２６を介してチャンバ１内に放射させ、マイクロ波放射アンテナ４５の表面に金属表面波を形成し、表面波プラズマを生成する。また、同じくガス供給源１１０からガス配管１１１を介してプラズマ生成ガスおよび処理ガスをマイクロ波放射アンテナ４５に供給する。これらのガスはアンテナ本体１２１内のガス拡散空間１２３を経てガス吐出孔１２５からチャンバ１内に吐出される。そして、これらのガスは表面波プラズマにより励起されてプラズマ化し、処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。

上記表面波プラズマを生成するに際し、マイクロ波プラズマ源２では、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振されたマイクロ波電力はアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部４０へ導かれる。マイクロ波供給部４０においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力が、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８で個別に増幅され、マイクロ波放射部４３のマイクロ波伝送路４４に給電され、マイクロ波伝送路４４を伝送され、遅波材８２を透過し、マイクロ波放射アンテナ４５のスロット１２２および環状誘電体部材１２６を介してチャンバ１内へ放射される。そして、マイクロ波放射アンテナ４５表面に形成されるシース中に金属表面波が形成され、この表面波によりチャンバ１内の空間に表面波プラズマを生成する。

本実施形態では、マイクロ波もガスもチャンバ１の天壁を構成するマイクロ波放射アンテナ４５からチャンバ１内に導入されるので、ガスの流れの制御性を良好にすることができ、またマイクロ波の放射方向とガスの流れ方向が重なり、ガスを効率的にプラズマ化することができる。

このとき、マイクロ波が通過するスロット１２２とガス拡散空間１２３が突出部１２７で分離され、ガス吐出孔１２５もスロット１２２と分離されており、かつマイクロ波放射アンテナ４５は導体（金属）であってマイクロ波は透過しない。このため、ガスがガス拡散空間１２３およびガス吐出孔１２５を通過する際にガスはプラズマ化せず、本質的に、ガスがプラズマ化して生じるパワー損失や異常放電等の不都合は生じない。また、従来、マイクロ波放射アンテナの先端側に設けられていた誘電体部材（マイクロ波透過窓）にシャワー構造を形成しようとすると、異常放電等の問題に加えて、加工が難しいという問題点もあるが、本実施形態のように金属製のマイクロ波放射アンテナ４５には比較的容易にガス吐出孔１２５を形成することができる。

さらに、アンテナ本体１２１のマイクロ波放射面側に、各マイクロ波放射部４３のスロット形成領域を包含する（覆う）ように環状誘電体部材１２６が設けられているのでマイクロ波が均一に供給され、より均一なプラズマ処理を行うことができる。すなわち、スロット１２２から直接マイクロ波が放射される場合には、スロット１２２に対応する部分のマイクロ波が強くなる傾向があり、マイクロ波が必ずしも均一に供給されないが、環状誘電体部材１２６を設けることにより、スロット１２２を通過したマイクロ波は環状誘電体部材１２６を透過してチャンバ１内に放射されるため、マイクロ波が面内方向に均されてより均一にマイクロ波を供給することができる。このため、表面波プラズマを均一に形成することができ、均一なプラズマ処理を行うことができる。

さらにまた、マイクロ波放射面の環状誘電体部材１２６の外側領域および内側領域の両方にガス吐出孔１２５が形成されているので、マイクロ波放射面において環状誘電体部材１２６が形成された領域以外にはガス吐出孔１２５が形成されていることとなり、処理ガスを均一にチャンバ１内に供給することができる。このため、上記のようにマイクロ波が均一に供給されることと相俟って、表面波プラズマをより均一に形成することができる。

図９は、（ａ）環状誘電体部材１２６を設けずにアンテナ本体１２１のマイクロ波放射面までスロット１２２を設けた場合と、（ｂ）環状誘電体部材１２６を設けた場合について、マイクロ波の電界分布を比較して示す図である。この図から環状誘電体部材１２６を設けることにより、マイクロ波の電界分布が均一になることが確認された。

さらにまた、環状誘電体部材１２６を設けない場合には、スロットの内部がチャンバ内と同じ真空雰囲気となり、プラズマ中の電子がスロット内に入り込んで異常放電を生じるおそれがあるが、本実施形態では、下部壁１２１ｂの凹部１２８に臨む環状誘電体部材１２６に対応する部分に真空シールとしてのシール部材１２８ｂを設け、環状誘電体部材１２６がスロット１２２を密閉する構成としたのでこのような不都合は生じない。すなわち、シール部材１２８ｂによって環状誘電体部材１２６がスロット１２２を真空シールすることにより、スロット１２２の内部は真空雰囲気のチャンバ１とは遮断されて大気雰囲気となり、プラズマ中の電子がスロット１２２内に入り込むことがないため、スロット１２２内で異常放電が生じることを確実に防止することができる。

＜他の適用＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、マイクロ波出力部３０やマイクロ波供給部４０の構成等は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、アンテナから放射されるマイクロ波の指向性制御を行ったり円偏波にしたりする必要がない場合には、位相器は不要である。また、マイクロ波放射部４３において、遅波材８２は必須ではない。

また、上記実施形態では複数のマイクロ波放射部を設けた例について示したが、マイクロ波放射部は一個であってもよい。

さらに、上記実施形態においては、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸化処理および窒化処理を含む酸窒化膜形成処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。さらに、被処理基板は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１；チャンバ
２；マイクロ波プラズマ源
１１；サセプタ
１２；支持部材
１５；排気管
１６；排気装置
１７；搬入出口
３０；マイクロ波出力部
３１；マイクロ波電源
３２；マイクロ波発振器
４０；マイクロ波供給部
４１；アンテナモジュール
４２；アンプ部
４３；マイクロ波放射部
４４；導波路
４５；マイクロ波放射アンテナ
５２；外側導体
５３；内側導体
５４；給電機構
５５；マイクロ波電力導入ポート
６０；チューナ
８２；遅波材
１００；プラズマ処理装置
１１０；ガス供給源
１１１；ガス配管
１２１；アンテナ本体
１２２；スロット
１２３；ガス拡散空間
１２５；ガス吐出孔
１２６；環状誘電体部材
１４０；制御部
Ｗ；半導体ウエハ

Claims

真空に保持されたチャンバ内に表面波プラズマを形成してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、マイクロ波生成機構で生成され、マイクロ波伝送路を伝送されたマイクロ波をチャンバ内に放射するマイクロ波放射アンテナであって、
マイクロ波放射面を有し、導電体からなるアンテナ本体と、
前記アンテナ本体に処理ガスを導入するための処理ガス導入口と、
前記アンテナ本体内で、導入された前記処理ガスを拡散させるためのガス拡散空間と、
前記アンテナ本体に設けられ、前記ガス拡散空間で拡散された処理ガスを前記チャンバ内へ吐出するための複数のガス吐出孔と、
前記アンテナ本体に前記ガス拡散空間および前記ガス吐出孔とは分離した状態で、前記マイクロ波伝送路に対応して複数設けられ、前記マイクロ波放射面側の端部からマイクロ波を放射するスロットと、
前記アンテナ本体の前記マイクロ波放射面側に、前記スロットが形成されたスロット形成領域を包含するように環状に設けられた環状誘電体部材と
を有し、
前記スロットおよび前記環状誘電体部材を通って放射されたマイクロ波により、前記マイクロ波放射面に金属表面波が形成されて、この金属表面波により表面波プラズマが生成され、
前記環状誘電体部材と前記アンテナ本体の前記スロットとの間はシールされ、
前記環状誘電体部材と前記アンテナ本体の前記スロットとの間のシールは真空シールであり、この真空シールにより前記チャンバ内の真空雰囲気の領域と、前記スロットを含む大気雰囲気の領域とが区画されており、
前記アンテナ本体は、平板状をなし、その中央部に前記マイクロ波伝送路が接続され、上部壁と前記マイクロ波放射面を有する下部壁とを有し、前記スロットに対応する部分に前記下部壁から前記上部壁に至る突出部が形成されて前記スロットは前記突出部内に形成され、前記上部壁と前記下部壁との間の前記吐出部以外の領域に前記ガス拡散空間が形成され、
前記複数のガス吐出孔は、前記下部壁の前記ガス拡散空間に対応した領域に設けられていることを特徴とするマイクロ波放射アンテナ。
前記複数のガス吐出孔は、アンテナ本体のマイクロ波放射面における、前記環状誘電体部材の外側の領域および内側の領域の両方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波放射アンテナ。
前記環状誘電体部材は、前記アンテナ本体の前記マイクロ波放射面に形成された凹部に嵌め込まれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波放射アンテナ。
プラズマ処理装置のチャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源であって、
マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送し前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波供給部とを具備し、
前記マイクロ波供給部は、請求項１から請求項３のいずれかのマイクロ波放射アンテナを備えることを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
前記マイクロ波供給部は、前記マイクロ波放射アンテナに接続された、それぞれマイクロ波伝送路を有する複数のマイクロ波放射部を有し、前記マイクロ波放射アンテナは、前記複数のマイクロ波放射部に対応してそれぞれ複数のスロットを有することを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波プラズマ源。
被処理基板を収容するチャンバと、
処理ガスを供給するガス供給機構と、
請求項４または請求項５に記載のマイクロ波プラズマ源と
を具備し、
前記マイクロ波プラズマ源のマイクロ波放射アンテナから前記チャンバ内に供給されたマイクロ波により前記マイクロ波放射アンテナの表面に金属表面波が形成され、前記金属表面波により、前記ガス供給機構から供給されたガスによる表面波プラズマを生成し、前記チャンバ内の被処理基板に対してプラズマにより処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置。