JP2001176857A - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
理装置で、所定の厚みを有しかつ電磁波放射部を備えた
円盤状導電体を備えるアンテナの構造に改良を加え、高
周波伝搬経路で定在波が生じるのを防止し、大電力の供
給による高密度プラズマの生成を行って大面積基板を処
理できるようにする。 【解決手段】 基板14を配置しかつ基板の前面空間に
プラズマが生成される真空容器12と、真空容器に装備
されたアンテナ10と、アンテナに高周波電力を供給す
る高周波電源31とが備えられる。アンテナは高周波電
力を放射し、真空容器内にプラズマを生成し、プラズマ
によって基板表面を処理する。プラズマ処理装置は、さ
らに上記アンテナが、所定の厚みを有する円盤状導体板
19を有し、円盤状導体板の周囲には、同軸型でかつ折
返し部を有する導波路24が形成され、導波路の折返し
部にインピーダンス整合を行う短絡3dB方向性結合器
を設けている。
Description
関し、特に、大電力を損失を生じることなく供給して高
密度プラズマの生成に有用なアンテナ、およびこのアン
テナを備え、高密度プラズマを効率よく生成し、この高
密度プラズマを利用して半導体基板等の基板の表面に所
定処理を施すプラズマ処理装置に関する。
晶基板等(以下「基板」という)の表面に所定の処理を
施す装置は、プラズマCVD(化学的気相成長)装置や
プラズマエッチング装置等として広く知られている。こ
のようなプラズマ処理装置では、処理速度を高める等の
要請から高密度プラズマを生成する必要があり、しかも
不純物の混入を防止する等の観点から、より低い圧力で
高密度プラズマを形成することが要求されている。
成には、高密度プラズマを高効率で得る観点から、主に
高周波電力により生じさせた気体放電を使用する方式が
採用されている。本発明の発明者等は、同軸型高周波電
力供給系に接続された放射状のスロットアンテナに2.
45GHzの高周波電力を供給しプラズマを発生させる
形式のプラズマ処理装置をすでに提案し(特許第8−2
534219号)、良好なプラズマ処理が可能であるこ
とを確認している(文献例として、例えば、N.Sato et.
al., "Uniform plasma produced by a plane slotted
antenna withmagnets for electron cyclotron resonan
ce" : Appl. Phys. Lett., 62 (1993)1469.)。
アンテナを適用したプラズマ処理装置の構成を示す概略
図である。このプラズマ処理装置は、排気機構101を
備えかつ内部に放電を発生しプラズマを生成させる真空
容器102と、この真空容器102の上側に設けられ
た、スロットアンテナ103を備えるアンテナ装置10
4と、スロットアンテナ103に高周波電力を供給する
高周波電力供給系105と、真空容器102内に放電用
ガスを導入する放電用ガス導入機構106と、真空容器
102内で下方位置に設けられた基板ホルダ107とを
備えている。基板ホルダ107には処理対象である基板
108が配置されている。スロットアンテナ103に形
成されるスロット(またはスリット)の形状に関しては
前述の特許公報あるいは文献に詳しく記載されている。
スロットアンテナ103には、実際には電磁波放射部1
03aの近傍に磁場を生成するための永久磁石等による
磁気回路が付設されるが、図9ではその図示が省略され
ている。また磁気回路が付設される結果、本来なら円盤
形導体板として作られるスロットアンテナ103は、実
際には磁気回路を内蔵し得る程度の所定の厚みを有した
導体部として作られている。しかしながら、図9では説
明の便宜上板材として示されている。高周波電力を供給
する高周波電力供給系105は、高周波電源111、ス
タブチューナ112、同軸導波管変換器113、同軸線
路114、および同軸型真空窓115から構成されてい
る。
8は、スロットアンテナ103における電磁波放射部1
03aに対向して配置されている。
機構101によって排気された真空容器102内に放電
用ガス導入機構106によって放電用ガスが導入され、
高周波電力供給系105によってスロットアンテナ10
3に対して所定の高周波電力が供給される。導入された
放電用ガスは、スロットアンテナ103の電磁波放射部
103aから放射された高周波によって放電を開始し、
真空容器102内の基板108の前面空間でプラズマを
生成する。そして、生成されたプラズマの物理的または
化学的な作用によって、基板108の表面に所定の処理
が施される。例えば放電用ガスとしてエッチング作用を
有するガスを導入すれば、基板108の表面に対しエッ
チング処理が行われる。
として工業用周波数である2.45GHzが採用されて
いる。また、これに対応して磁気回路によってアンテナ
近傍に作られる磁界の磁束密度は、電子サイクロトロン
周波数が2.45GHzと等しいおよそ875ガウスよ
りも大きくなるように設定される。
を伝送する一般的なアンテナ技術の分野において、従
来、特開平9−199901号で提案される折返し導波
管が知られている。この折返し導波管は、特開平9−1
99901号公報の図14に示された従来の折返し導波
管の問題点、すなわち、折返し端の上部と下部に45°
カットの反射面を形成し、さらに当該反射面に反射波を
打ち消すための調整ネジを装着する必要があるので、構
成が複雑となり、高い寸法精度が要求され、高コストで
量産できず、周波数特性が狭帯域となり、その調整作業
が面倒であるという問題点を解決すべく提案されたもの
である。このため特開平9−199901号で提案され
る折返し導波管は、例えば、その請求項1あるいは請求
項2で定義されるように、180°折返し部の開口窓の
寸法a×h(図1に示される)においてhが所定条件を
満たす値に設定されることに特徴がある。
理装置によって処理される基板は、近年、大型化される
傾向にある。シリコン基板の処理によりLSIを製造す
る工程では、1枚の基板から多くのデバイスを製作する
必要から、基板サイズが大きくなる傾向にある。そのた
め、前述のプラズマ処理装置では、プラズマ生成領域の
面積(基板に平行な平面での面積)を大きくすること、
および処理速度の高速化を図るべくプラズマ密度をさら
に高くすること、という理由から、供給する高周波の電
力をさらに大きくすることが要求されている。
からなるアンテナ装置104は、1kW程度の高周波電
力を供給して生成した密度1011cm-3程度のプラズマ
を用いて直径200mm程度の基板を処理することを前
提として構成されている。従ってそのような前提から外
れる大電力高周波を供給することができず、そのため大
面積基板の処理に適した高密度プラズマを生成すること
ができない。大電力高周波を供給することができない理
由は、スロットアンテナ103で作られる高周波伝搬経
路(導波路)でインピーダンスの不整合による定在波が
発生し、これによって局所的に強い電界が生じ、絶縁破
壊を引き起こすことにある。また定在波によってスロッ
トアンテナ103内に誘起される電界が大きくなり、ス
ロットアンテナ103の表面がジュール加熱されること
による電力の損失もプラズマの高密度化を阻害する要因
となる。かかるスロットアンテナでは、高周波伝搬経路
の形状が不連続であることに起因するインピーダンスの
不整合は一般的に避けることができない。
号公報に開示された伝送路技術によれば、マイクロ波〜
ミリ波の帯域の電磁波の低損失伝送路の折返し導波管に
ついて無調整でインピーダンスの整合をとって反射波を
なくし、それにより定在波をなくすことを可能にしてい
る。しかしながら、この技術は、方形波導波管の広域面
をほぼ180°折返して構成される折返し導波管に限定
された技術であり、広域面幅をa、狭い壁面幅をbとす
るときに、これらの寸法a,bを利用して定在波をなく
す条件を与えている。従って、この技術は主に方形導波
管の折返し部の構造に関するものであり、アンテナ構造
に関するものではない。さらに上記公報では、折返し導
波管の変形例として、その第8実施形態(図12および
段落0049等)および請求項12,13に折返しラジ
アル導波路(円形導波路)が言及されている。この場合
には、広域面幅aに相当するものとして2πr(rはラ
ジアル導波路61の中心から折返し導波管64の開口部
の中心位置までの距離)が使用される。この折返しラジ
アル導波路を利用して平面アレーアンテナを実現するこ
ともできるが、あくまでも所定条件を満たす折返し導波
管の変形例にすぎない。
れるアンテナでは、プラズマ生成空間に所定分布の磁場
を形成するための磁気回路を備えることから、実際に
は、前述のごとく磁気回路を収容するスペースを備えて
所定の厚みを有する円盤状導体部が使用される。このよ
うな厚みを有する円盤状導体部によるアンテナを用いて
基板処理用の真空容器内に高周波電力を供給すること
は、整合をとることが非常に困難であった。かかるアン
テナを用いて、インピーダンス整合をとって定在波を生
じさせることなく高周波伝搬を効率的に行うためには、
アンテナの形態および構造に応じた新しいアンテナ設計
思想が要求される。
にあり、所定の厚みを有しかつ電磁波放射部を備えた円
盤状導電部を主要部として備えてなるプラズマ生成用ア
ンテナについて、独創性のあるアンテナ設計手法を提案
しつつ、アンテナの構造に改良を加え、高周波伝搬経路
で定在波が生じるのを防止し、大電力の供給による高密
度プラズマの生成を行うことができるアンテナを提供
し、さらにこのアンテナを備え、大電力の高周波で高密
度プラズマを生成し、大面積基板に対し高速な表面処理
を行えるプラズマ処理装置を提供することにある。
プラズマ処理装置は、上記目的を達成するため、次のよ
うに構成される。本発明に係るプラズマ処理装置は、前
提として、内部に処理すべき基板を配置しかつ基板の前
面の空間にプラズマを生成するように構成された真空容
器と、この真空容器に装備されたプラズマ生成用アンテ
ナと、このアンテナに高周波電力を供給する高周波電源
を備え、高周波電源から高周波電力を供給されたアンテ
ナは高周波電力を放射し、真空容器内の空間にプラズマ
を生成し、このプラズマによって基板の表面に所定処理
を行うように構成されている。さらにこのプラズマ処理
装置は、特徴的構成として、上記アンテナが、所定の厚
みを有する円盤状導体部を有すると共に基板に対向する
電磁波放射領域を有しており、さらに同軸線路によって
高周波電源に接続され、円盤状導体部は、その中心点で
同軸線路の内側導体に接続され、円盤状導体部の周囲に
は、中心点に関して中心対称的に配置された同軸型でか
つ同軸線路から電磁波放射領域に至る折返し部を有する
導波路が形成され、導波路の折返し部にインピーダンス
整合を行うための短絡3dB方向性結合器の構造が与え
られるように構成されている。上記のプラズマ処理装置
によれば、磁気回路を内蔵すること等によって所定厚み
を有する円盤状導体部を含みかつその周囲に折返し部を
含むラジアル導波路を有し、円盤状導体部の上側から供
給される高周波電力をラジアル導波路を経由して下面側
の電磁波放射部に伝送し、この電磁波放射部から真空容
器内の空間に放射するように構成されたアンテナに関
し、当該導波路に短絡3dB方向性結合器の構造を与
え、これによりインピーダンス整合を行い、定在波の発
生を防止するようにしている。プラズマ処理装置に利用
される高周波電力供給用のアンテナとして所定の厚みを
有する円盤状導体部を有するものにおいて、そのインピ
ーダンス整合を行い得るアンテナは従来にはなく、新し
いアンテナ設計手法に基づいてインピーダンス整合が可
能な構造が実現される。本発明に係るプラズマ処理装置
は、上記の構成において、好ましくは、上記短絡3dB
方向性結合器としての構造は、円盤状導体部の上面と下
面の両方またはいずれか一方に段差を形成することによ
り与えられる。立体的な形態を有する円盤状導体部は、
外部容器との間に導波路を形成しており、かかるアンテ
ナは処理チャンバとしての真空容器の例えば上部に設け
られている。上記段差を形成することにより折返し部を
有する導波路の高周波伝搬条件が変更される。円盤状導
体部の立体的形態について所定条件を満たす段差を設け
ることによって短絡3方向性結合器の構造が実現され、
導波路でインピーダンス整合がとられる。さらに上記の
各構成において、短絡3dB方向性結合器としての構造
は、円盤状導体部の周囲に形成される導波路の領域に例
えば領域を別けて複数の誘電体材料を備え、誘電体材料
の高さや誘電率を所定条件を満たすように調整すること
で、与えられる。さらに上記の各構成において、アンテ
ナで、短絡3dB方向性結合器としての構造をを構成す
る複数の要素のうちの任意の要素の変量(各部の寸法、
誘電率等)が、アンテナの反射係数ГA に対して、散乱
行列表示においてS22=ГA * (ただし「*」は共役複
素数である)となるように決定されることを特徴とす
る。この条件が上記所定条件の一例である。上記複数の
要素には、散乱行列を定める各種の要素がある。さらに
同じくアンテナで、短絡3dB方向性結合器としての構
造を構成する複数の要素のうちの任意の要素の変量が、
上記の散乱行列表示においてS22=0となるように決定
されていることを特徴とする。この条件が上記所定条件
の他の例であり、かつ実用性の高い基本的条件である。
本発明に係るプラズマ処理装置は、好ましくは、円盤状
導体部の内部に空間に磁場を発生させるための磁気回路
を設けている。この磁気回路を備えることによって円盤
状導体部は所定の厚みを有し、円盤状導体部がかかる所
定厚みを有することから、その周囲にインピーダンス整
合のための新しい固有のアンテナ設計手法が行われる。
上記の各構成において、真空容器内の上記の空間におけ
る円盤状導体部に近接した領域に磁気回路によって発生
する磁場の磁束密度は、この磁束密度に対応する電子サ
イクロトロン周波数が高周波電力の周波数よりも大きく
なるように、設定されていることが好ましい。さらに上
記の構成において、高周波電力の周波数は0.5〜10
GHzであることが好ましい。本発明に係るプラズマ処
理装置では、アンテナに接続される上記同軸線路に同軸
型のインピーダンス整合機構を設けるように構成するこ
ともできる。なお上記の説明では新しい高周波給電用ア
ンテナを備えるプラズマ処理装置として、プラズマ処理
装置に観点をおいて説明したが、アンテナそのものも技
術的価値の高いものである。
を添付図面に基づいて説明する。
に、ドライエッチング装置、プラズマCVD装置等に使
用される。以下の実施形態の説明ではLSI製造用のド
ライエッチングプロセスを想定しているが、本発明は、
アンテナを含むプラズマ生成機構そのものの改良にあ
り、応用目的はドライエッチングプロセスに限定される
ものではない。
発明の特徴部であるアンテナを備えたプラズマ処理装置
を示す。10はプラズマ生成用のアンテナである。本発
明に係るプラズマ処理装置ではアンテナ10の改良構造
に特徴があり、従ってこの実施形態によれば、図を参照
して主にアンテナ10の構造と作用が説明される。プラ
ズマ処理装置の全体的な構造は概略的に描かれている。
間11を内部に有する真空容器12の上部側に設けられ
ている。真空容器12の内部の下方には、アンテナ10
に対向するような配置で基板ホルダ13が設けられる。
基板ホルダ13の上面には処理対象の基板14が搭載さ
れている。この基板14は例えば300mmの直径を有
する大面積の大型基板である。基板14は、被処理面が
図中水平になるように保持されている。基板14の被処
理面は空間に臨んでいる。アンテナ10と基板ホルダ1
3の間の上記空間11はプラズマが生成される領域であ
り、基板14の上面は空間11を介在させてアンテナ1
0に対向している。
て、真空容器12の円筒形の周囲側壁部にはガス導入管
15が設けられ、このガス導入管15はバルブ等を介し
て放電用ガス導入機構16に接続され、ガス導入管15
を通して放電用ガスが真空容器12内の空間11に導入
されるようになっている。真空容器12の下部の基板ホ
ルダ13の下側には排気口17が形成され、排気口17
は排気機構18に接続される。排気機構18によって真
空容器12の内部は所要の減圧状態に保持される。この
状態で真空容器12の放電用ガスに電力が供給される
と、放電が開始され、プラズマが生成される。アンテナ
10には、そのほぼ中央位置に、図中水平な状態で円盤
状導体板19が配置されている。プラズマを生成するた
めの電力は円盤状導体板19の下面側に設けられる電磁
波放射部20から高周波電力として供給される。アンテ
ナ10の円盤状導体板19には高周波電力供給系30か
ら高周波電力が供給される。円盤状導体板19は、その
電磁波放射部20の近くに磁気回路を内蔵するので、所
定の厚みを有している。従って円盤状導体板19は実際
には内部容積を有する円盤状導体部として形成される。
円盤状導体板19の厚みは内蔵される磁気回路の大きさ
等に応じて決定される。
板19は、真空封止を兼ねた誘電体製のリング21を介
して、放電用真空容器12の天井部12aの開口12b
の外側箇所にて、これを塞ぐごとく取り付けられる。円
盤状導体板19の下面において、開口12bによって形
成される孔の部分から真空容器12内の空間11を臨む
部分が、前述の電磁波放射部20となっている。また円
盤状導体板19の下面には、さらに薄い誘電体板22が
付設されている。さらに円盤状導体板19の上側、側
方、および下側の各周囲領域には、高周波伝搬経路すな
わち導波路を形成する部分24(以下「導波路24」と
いう)が形成される。この導波路24は、円盤状導体板
19の周囲であって当該導体板19と外側容器24aの
間において、同軸型の高周波伝送路として、かつ折返し
部を有するように形成されている。また円盤状導体板1
9の上側周縁部の周囲には、導波路24の内部に誘電体
製のリング23が設けられる。導波路24を内側部分を
形成する円盤状導体板19の周縁部の外部形態、あるい
は誘電体製リング21,23のごとき誘電体材料を利用
して形成される導波路24の構造、およびその設計手法
が、本発明において最も重要な点となる。
波電源31、スタブチューナ32、同軸導波管変換器3
3、同軸線路34から構成されている。スタブチューナ
32は3本の同軸型整合器が用意され、導波管に設けら
れている。また同軸線路34は、内部導体34aと管状
の外部導体34bから構成される。同軸線路34の内部
導体34aは円盤状導体板19の上面中心部に接続さ
れ、同軸線路34の外部導体34bの下端は上記の導波
路24の外側部分に接続されている。同軸線路34の下
端は上記の導波路24の上部側につながっている。また
導波路24の上記折返し部は、同軸線路34の下端から
円盤状導体板19の下側の電磁波放射部20に至る部分
として形成される。
く、プラズマの生成効率を向上する目的で、磁気回路を
内蔵し、あるいは付設し、あるいは組み込まれている。
しかしながら、磁気回路の構成自体は本発明の要旨では
ないので、図1では、図解の簡易化を考慮して、その図
示を省略している。ただし、前述のごとく、磁気回路を
備えた円盤状導体板19は図1において所定の厚みを有
するように斜線表示で描かれている。
生成用アンテナ10の構造と作用にある。アンテナ10
は、放電処理用の真空容器12の上部に設置され、高周
波電力を真空容器12の内部空間に放射する目的で使用
される。そこで実施形態の説明では、アンテナ10の構
造と作用が主題になる。本発明の主要部分であるプラズ
マ生成用アンテナ10の設計において、高周波電力供給
系30における高周波電源31の発振周波数の設定が重
要な要件となる。本実施形態は、前掲の文献と同様に
2.45GHzのマイクロ波を発生できる高周波電源が
使用される。高周波電源31の出力電力は例えば200
0W程度である。
の構造と作用を詳述する。図2はアンテナ10の基本的
な構造を概念的に示し、図3は短絡3dB方向性結合器
の動作概念を例えば矩形導波管の構造例で図解し、図4
はインピーダンス整合の機能を有する本発明に係るアン
テナ10を概念的に示し、図5は円盤状導体板のみの外
観の斜視図を示し、図6はアンテナ10を1つの給電系
としてみなしたときの散乱行列(S行列)表示を示して
いる。
して導入される高周波電力は同軸線路34で導かれ、ア
ンテナ10の円盤状導体板19の周囲に形成された同軸
型伝送路である導波路24を経由して裏面の電磁波放射
部20から真空容器12の内部の空間11に放射され
る。この図では、アンテナ10の円盤状導体板は符号1
9Aで示される部分であり、前述の導体板19とは異な
る形状で示されている。すなわち導体板19Aは、実質
的に前述の所定の厚みを有しておらず、円盤状のほぼ平
板形状で概念的に描かれている。また図2で電磁波放射
部20は下壁の開口部を指している。上記高周波電力
は、空間11に供給されている放電用ガスを放電させ、
プラズマを生成するためのエネルギである。アンテナ1
0では、矢印41(エネルギ流を意味する)で示すごと
く、高周波電力が円盤状導体板19Aの周囲縁部19A
−1をまわって電磁波放射部20に供給される。この構
成において、エネルギ流41に示されるごとく高周波電
力を効率よく伝搬させるために、本実施形態では、円盤
状導体板19Aの周囲領域である導波路24において短
絡3dB方向性結合器としての構造を与えるようにし、
この短絡3dB方向性結合器の特殊な性質(作用)を利
用してインピーダンス整合を行い、伝搬効率を高めてい
る。本実施形態では、上記のアンテナ10の導波路24
で短絡3dB方向性結合器の構造を与えるためのアンテ
ナ設計手法、および当該構造を有するアンテナ10に特
徴を有する。短絡3dB方向性結合器の性質については
以下に詳述される。
部分である導波路24を便宜的に3種の領域(A),
(B),(C)に分けて示している。すなわち、円盤状
導体板19Aの周囲の高周波電力を伝搬する導波路24
は、3つの異なる領域(A),(B),(C)として示
された誘電体材料が設けられている。この例では誘電体
材料を利用して後述のごとく短絡3dB方向性結合器の
構造を与えている。
殊な性質を図3の(1)〜(4)を用いて説明する。図
3では、短絡3dB方向性結合器は、左側の2つのポー
ト42a,42bと右側の2つのポート42c,42d
を備えるブロック回路42として表現されている。短絡
3dB方向性結合器としての作用を有するブロック回路
42の図中左上側は入射端となっている。短絡3dB方
向性結合器42では、左側のポート42a,42bは開
放されており、右側のポート42c,42dは短絡さ
れ、短絡端42Aとして形成されている。
2の左上側のポート42aに単位振幅の電磁波が入射し
た場合の図である。入射波は、短絡3dB方向性結合器
42の作用によって振幅が1/√2の波に二分され、短
絡端42Aに現れる。この際、結合器の一般的性質によ
って、右上側のポート42cでは振幅が1/√2にな
り、右下側のポート42dでは位相が90°異なり、そ
のため複素振幅はj(1/√2)となる。
うにポート42aに入射波が入った場合には、短絡端4
2Aでは反射が起こり、図3の(2),(3)に示すよ
うに反射波は再び短絡3dB方向性結合器42を通過す
る。図3の(2)はポート42cの振幅1/√2の電磁
波が反射した場合の図であり、この結果、2つのポート
42a,42bの各々に複素振幅1/2およびj(1/
2)の電磁波となって現れる。一方、図3の(3)はポ
ート42dの複素振幅j(1/√2)の電磁波が反射し
た場合の図であり、ポート42a,42bの各々には複
素振幅−1/2およびj(1/2)の電磁波となって現
れる。全体としての現象は図3における(2)と(3)
を重ね合わせたものであるから、結局のところ短絡3d
B方向性結合器42を通過してその短絡端42Aで反射
された電磁波は、図3の(4)に示すように、左下側の
ポート42bに複素振幅jとなって現れる。要するに、
短絡3dB方向性結合器42の作用によれば、入射端で
あるポート42aから入射した電磁波は、左側のポート
42bにおいて、振幅は不変で位相が90°異なった電
磁波として出力される。つまり、ポート42aに入射さ
れた電磁波は、定在波を生じることなく、位相が90°
シフトしただけの電磁波としてポート42bへ伝送され
る。
を矩形導波管で構成すると、電磁波が入射されるポート
42aが入射側導波路、かつ電磁波が出力されるポート
42bが出射側導波路となり、入射側導波路から出射側
導波路への導波路部分は、短絡用金属板部分を設けるこ
とによって折返し部として形成される。このように、矩
形導波管の構造を利用して折返し部を有する短絡3dB
方向性結合器を構成すると、入射側導波路から入った高
周波電力は出射側導波路から、定在波を生じさせること
なく、出てくることなる。
性結合器の議論は、図2に示した円盤状導体板19Aと
その周囲に形成される導波路24からなるアンテナ1
0、すなわち折返し部を含むラジアル導波路を有するア
ンテナ10に拡張して援用することができる。矩形導波
管を用いた構造例に関して前述した短絡3dB方向性結
合器42の基本的な動作原理は、本実施形態に示す形状
のアンテナ10においても同じである。つまり、アンテ
ナ10において、円盤状導体板19Aの周囲領域である
導波路24に短絡3dB方向性結合器を構造的に設ける
(構造的に実現する)ことによって定在波の発生をなく
すようにすれば、円盤状導体板19Aの上側の入射部に
導入された高周波(マイクロ波)の電力は、エネルギ流
41に示されるように損失を生じることなく効率よく伝
送され、円盤状導体板19Aの下側の電磁波放射部20
から出射される。図2のアンテナ10の例では、平板の
円盤状導体板19Aの周囲に形成される導波路24に、
所定条件を満たすように、領域(A)〜(C)の誘電体
材料を設けることにより短絡3dB方向性結合器を実現
している。ここで「所定条件」とは、アンテナ10の導
波路24について全体構造としての1つの散乱行列Sを
求め、領域(A)〜(C)の各誘電体材料の誘電率等を
変化させ、散乱行列の反射係数S22が0になるようにす
ることである。換言すると、散乱行列の反射係数S22が
0になるように各誘電体材料の誘電率等を決定すると、
当該誘電率を有する領域(A)〜(C)の誘電体材料の
構造によって短絡3dB方向性結合器が導波路24に設
けられることになる。
造では実用上の各種の要求があるため、上記のような理
想的な構造をそのまま採用することはできない。実際
に、電磁波放射部20の近くに永久磁石を利用した磁気
回路を設けるため、この磁気回路を円盤状導体板19に
内蔵する場合には、図1に示すごとく円盤状導体板19
には内蔵される磁気回路に応じて所定の厚みを有するこ
とが要求される。
射部20と円盤状導体板19との間隔は数mmとする場
合が多く、円盤状導体板19の上側の隙間と比較して極
端に小さくせざるを得ない場合が多い。ところが、この
ような形状によれば、円盤状導体板19の上下の面にお
けるインピーダンスが大きく異なることになり、そのた
めマイクロ波の反射が発生する。
て、図2に示した平板状の円盤状導体板19Aとは異な
り、図4に示すような構造を採用する。図4に示した円
盤状導体板は、所定の厚みを与えかつ外部形態に変更を
加えることによって、マイクロ波の反射が生じないよう
にインピーダンス整合の機能を有するように形成されて
いる。図4に示した円盤状導体板の外部形態は、図1に
示した円盤状導体板19の外部形態と同じである。そこ
で図4に示された円盤状導体板にも符号19を付してい
る。この構造によれば、図4および図5に示されるごと
く、例えば円盤状導体板19の上面および下面の周縁部
に段差19a,19bを形成し、かつ後述するアンテナ
設計法に従ってその寸法を適正に設計することによって
インピーダンス整合を行っている。この例では、所定条
件で円盤状導体板19の上面および下面に段差19a,
19bを設けることにより、図3で動作原理を説明した
短絡3dB方向性結合器42と同等の高周波電力の伝搬
特性を実現している。すなわち、アンテナ10の円盤状
導体板19の上面および下面に所定条件の段差19a,
19bを設けることによって短絡3dB方向性結合器の
構造を実現している。ここで「所定条件」とは、前述と
したものと実質的に同様に、アンテナ10の導波路24
について全体構造としての1つの散乱行列Sを求め、段
差19a,19bの高さ等の寸法を変化させ、散乱行列
の反射係数S22が0になるようにすることである。換言
すると、散乱行列の反射係数S22が0になるように各段
差の高さ等を決定すると、当該段差の構造によって短絡
3dB方向性結合器が導波路24に与えられることにな
る。このように例えば円盤状導体板19の上面および下
面に所定条件の段差19a,19bを設けることで、イ
ンピーダンス整合がとられ、マイクロ波の反射の発生を
防止し、マイクロ波を高率よく伝送し、電磁波放射部2
0からマイクロ波を効率よく放射することが可能とな
る。
有する円盤状導体板19を備えてなるアンテナ10を実
用に供するためには、円盤状導体板19の外形変更と共
に、円盤状導体板の周囲に設けられる誘電体材料の選
定、真空封止の設計等を考慮しなければならない。すな
わちアンテナ10を具体的に設計するには、上記したよ
うな円盤状導体板19の外形変更によるマイクロ波伝搬
経路の設計と共に、通常、周囲の誘電体材料の選定、さ
らに真空封止の設計等が必要になる。従って図1で説明
したように円盤状導体板19の周囲には誘電体製リング
21,23が設けられている。誘電体製リング21,2
3は、導波路24を形成すると共に真空封止部を兼ねて
いる。図1で示した構成のアンテナ10の設計の場合で
は、円盤状導体板19の段差による外形変更、導波路2
4に設けた誘電体材料(21,22,23)の選択をす
べて含めて全体構造としての1つの上記散乱行列Sを求
め、当該構造の或る部分を変化させて当該散乱行列の反
射係数S22が0になるようにアンテナ設計を行い、もっ
てアンテナの導波路24に短絡3dB方向性結合器の構
造を実現するようにしている。
設計方法を詳述する。ここでは、プラズマによる表面処
理装置に使用可能な材料を用い、機械的な強度を考慮し
て得られた基本構造に対して、マイクロ波を無反射で伝
搬させるための導波路を実現するための計算プロセスを
示す。
本動作を説明するため図であり、当該アンテナ10を1
つの給電系とみなして得られる1つの散乱行列(S行
列)の表示を示している。散乱行列Sは、反射係数
S11,S22、透過係数S12,S21から成っている。図6
において、アンテナ10の反射係数をΓA とし、給電系
とみなしたときのアンテナ10の散乱行列を下記の式
(1)とすれば、アンテナ10の給電点での反射係数Γ
F は下記の式(2)で表される。
し、またφ=arg(S11)…(3)である。簡単化のた
め、図6の散乱行列表示において、基準面をφ=0とな
る位置T−T′まで移動させる。
の場合には、S22=ΓA * …(4)となるように上記給
電系を設計すれば、ΓF =0…(5)となり、完全な整
合が可能となる。
ΓA 、すなわち電磁波放射部20での反射係数ΓA は、
一般的に未知であり、上記の計算方法は適用できない。
そこで、式(2)においてS22=0…(6)を満足する
ように設計する。S22=0となれば、ΓF =ΓA …
(7)が成り立ち、アンテナ10の反射係数と、給電点
での反射係数は等しくなる。つまり、アンテナ10を形
成する構造の或る部分を変化させながらS22=0となる
条件を満たすようにすれば、当該変化状態が、短絡3d
B方向性結合器の構造を与えた状態となり、インピーダ
ンス整合がとられた状態となる。
マ生成用アンテナ10について、式(1)の散乱行列の
各要素を求める方法を示す。このとき解析を容易に行う
ために内径Rの円筒の内部(導波路24)を図2に示す
ごとく三種類の領域(A),(B),(C)に分け、そ
れぞれの領域について高さをh1 ,h2 ,h3 、誘電率
をεγ (1) ,εγ (2) ,εγ (3) とする。励振はT
M波とし、電磁界はφ方向に一様であるとする。このと
きに電界成分Ezは式(8)で示される円筒座標系にお
ける波動方程式の解として得られ、磁界成分Hφは式
(9)により求められる。
領域(C)における電磁界はそれぞれ次の式(10)〜
(16)で与えられる。
位相定数、Zn (i) は特性インピーダンス、nはモード
番号を表す。また式(10),(11)の右辺第一項は
入射波に、第二項以降は反射波に、式(12),(1
3)は透過波に対応する。これらはρ=γにおける境界
条件(下記の式(17),(18),(19))を満足
しなければならない。
に代入し、(数6)で表される下式を掛けて境界条件の
成立する範囲で積分すると、式(20)〜(22)を得
る。
ルを表す。ただし、[Sn ]のように要素番号が一個の
ものは対角行列である。なおそれぞれの要素は次式(2
3)〜(28)で与えられる。
すると、下記の式(30)を得る。
結果を式(21),(22)に代入することによりAm
(1) ,Am (2) が求められる。結局、散乱行列の各要素
S11,S12およびS21は次式(31),(32)で与え
られる。
3)によって得られる。
のS22が0もなるように複数の変量(高さh1 ,h2 ,
h3 、誘電率εγ (1) ,εγ (2) ,εγ (3) 等)の
或る部分を適宜に変化させることによって、アンテナ1
0に短絡3dB方向性結合器の構造を設けることができ
る。このようにして図2に示すプラズマ生成用アンテナ
10に関して散乱行列の各要素を得ることができ、その
うちの反射係数S22を利用してインピーダンス整合を行
い得るアンテナ10の各部の寸法や誘電率等を正確に求
めることできる。
bが形成された円盤状導体板19を有するアンテナ10
の設計についても、前述と同様な設計方法で解析を行っ
て散乱行列の各要素を求めることができる。つまり、円
盤状導体板の周縁部と外部容器との間隔、各段差の高
さ、円盤状導体板の周縁部と段差立壁との間隔、段差床
面と外部容器との間隔等を変量として多変量解析による
上記のアンテナ設計が行われる。こうして図4などに示
すプラズマ生成用アンテナ10に関しても、散乱行列の
反射係数S22を利用してインピーダンス整合を行い得る
アンテナ10の段差の寸法等を正確に求めることでき
る。
るプラズマ生成用アンテナ10について、上記のように
して設計された円盤状導体板19の周縁部の周囲の折返
し部の一例が、図7に示される。図7に示すアンテナ1
0では、給電系とみなされたアンテナ10の給電点での
反射係数ΓF が、アンテナ10の電磁波放射部での反射
係数ΓA と一致するように設計されている。図7におい
て、19はアンテナ10の円盤状導体板、24aは導電
性の外側容器である。円盤状導体板19の上面には段差
19aが形成され、下面には段差19bが形成されてい
る。外側容器24aと、その内側に位置する円盤状導体
板19により、それらの間に前述の導波路24が形成さ
れる。アンテナ10の各部の寸法は次の通りである。外
側容器24aの高さは8cmである。円盤状導体板19
の厚み方向の中央に位置する最大径部(周縁部)と、外
側容器24aの円筒形側壁部との間の間隔は5cmであ
る。段差19aの径方向の幅の寸法は3cmであり、段
差19aにおける面(床面)19a−1から外側容器2
4aの上壁までの寸法は2cmである。段差19bの径
方向の幅の寸法は3cmであり、段差19bにおける面
(床面)19b−1から外側容器24aの下壁までの寸
法は1.5cmである。
ΓF と反射係数ΓA と一致するように設計されたアンテ
ナ10によれば、前述の同軸線路34に三本のスタブチ
ューナを挿入するように構成することによって、さらに
整合を容易にとることができる。なおその際、同軸導波
管変換器33は、使用周波数である2.45GHzでほ
ぼ完全な整合をとることができるように設計されている
必要がある。
とが明確になった場合は、その値を式(4)に与えてプ
ラズマ生成用アンテナを再度設計すればよい。この手法
をプラズマ生成用アンテナの設計に適用することによっ
て、従来問題であったアンテナ給電系内の電磁波伝送効
率を改善し、従来にない利点を持つプラズマ処理装置を
構成することができる。その利点は次の1〜3である。
放射が可能となり、従来にない高密度プラズマが生成可
能なプラズマ処理装置を提供できる。
同程度の密度のプラズマを生成できるため、プラズマ処
理装置の電源の小型化、省エネルギが実現できる。また
大面積基板の処理に伴うプラズマ生成領域の大面積化に
対応するための電力増加率を抑制できる。
は、電磁波伝送路の構造を規定するものであり、目的と
するプロセスに合わせた任意の形状および材質を前提と
した最適設計が可能である。
算結果の一例であり、同等の計算を用いて他の有効な構
造を計算することが可能であることは勿論である。以上
に述べた理由により、上記実施形態によるプラズマ生成
用アンテナ10によれば、プラズマ生成用アンテナの内
部における電力損失を最小とすることができ、従来にな
い高効率のプラズマ生成装置を実現できる。
を用いて基板14の表面処理を行う場合の手順および特
徴を概説する。表面処理の内容は、例えば、シリコンウ
ェーハ上のシリコン酸化膜のドライエッチングプロセス
である。
は、放電用ガス導入機構16からガス導入管15を介し
て真空容器12内へ放電用ガスが供給される。シリコン
酸化膜のドライエッチングプロセスに用いる放電用ガス
としては、フロンガスを主とし、アルゴン、酸素、水素
等を添加した混合ガスが一般に用いられている。一方、
真空容器12に付設された排気機構18は油回転ポンプ
やターボ分子ポンプ等の真空ポンプを備え、真空容器1
2の内部は排気口17を介して排気され、例えば10-4
Pa程度の到達圧力まで排気される。なお、真空容器1
2には基板14の出入り用のゲートバルブおよびゲート
バルブを通して基板14を搬入・搬出するための搬送系
が設けられているが、図1ではその図示が省略されてい
る。
する。まず図示しない搬送系により基板14を真空容器
12内に搬入し、基板ホルダ13上に配置する。排気機
構18を動作させて真空容器12内を10-4Pa程度ま
で排気し、その後に放電用ガス導入機構16が放電用ガ
スを真空容器12内に導入する。真空容器12内のガス
の圧力は、ガスの導入流量と排気機構18の排気速度に
より定まる。本実施形態のプラズマ処理装置における典
型的なガス圧力は1Pa程度である。所定のガス流量に
おいて所定の放電圧力を維持するために、排気機構18
に排気速度を制御する機構を設けることが一般的に行わ
れている。
器12内への高周波電力の給電動作を行う。すなわち、
高周波電源31から発生した高周波電力は、導波管によ
ってスタブチューナ32に導かれ、ここでインピーダン
ス整合を行った後に、同軸導波管変換器33によって変
換され、さらに同軸線路34を経てプラズマ生成用アン
テナ10に供給される。アンテナ10に供給された高周
波電力は、アンテナ10の作用に従って電磁波放射部2
0から空間11へ放射され、空間11において放電用ガ
スを電離して放電を生じさせ、この放電によって真空容
器12の内部の空間11でプラズマが生成される。この
プラズマによって、基板ホルダ13上の基板14の表面
に所定の処理が施される。
0の特徴を利用して、従来例では不可能であった高密度
のプラズマ生成が可能となった。プラズマの均一性は直
径300mmの範囲で±3%以内であり、現状のシリコ
ン基板を用いるプラズマ処理装置には十分な値である。
またプラズマ生成用アンテナ10の特徴から、さらに大
面積で均一なプラズマを生成することは容易に可能であ
り、将来のφ400mm、φ450mmといった大型基
板の処理装置にも適用可能である。
1と同様な図である。図8において、図1で説明した要
素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説
明を省略する。特に、この実施形態におけるプラズマ生
成用アンテナ10の短絡3dB方向性結合器を装備した
構造に関しては、第1実施形態で説明したもの実質的に
同一である。本実施形態では、同軸線路34において同
軸型スタブ整合器51を設けることにより、さらに理想
に近い整合を実現することができる。
アンテナ10では、設計の基本として、電磁波放射部の
反射係数が、十分小さいこと、または既知であることを
前提としている。しかしながら、生成されたプラズマの
インピーダンスは投入電力、ガス圧力等により若干変化
するため、上記反射係数も、プラズマのインピーダンス
に従って若干変化する。第1実施形態で示したプラズマ
源は、前述のごとくアンテナ10の円盤状導体板19で
磁気回路を装備し、磁場を利用したECRプラズマ源で
あり、この場合、上記インピーダンスの変化は小さい
が、磁場を利用せずにプラズマを生成する形式のプラズ
マ源に本発明を適用する際には、反射係数の変化が問題
となる場合がある。そこで、プラズマのインピーダンス
の変化に起因してアンテナ10内の導波路に発生する反
射波を取り除くために、アンテナ10に高周波電力を供
給するための同軸線路34に同軸型スタブ整合器51を
付設することとした。この構成を付加することによっ
て、反射係数の変化により発生する反射波を、同軸型ス
タブ整合器51によって発生する定在波により相殺し、
プロセス条件の変化に依存せずに完全な整合状態を実現
することができる。
るプラズマ生成用アンテナ10の構造は、上記の実施形
態に限定されるものではなく、前述した短絡3dB方向
性結合器に関して要求される条件を満たしていれば、誘
電体製のリングおよびブロックの形状および材質、円盤
状導体板の外径、厚み、段差の形状等の寸法の増減を自
由に行うことができる。ただし、本発明の方式により設
計されるプラズマ生成用アンテナの利用用途が半導体製
造装置用のプラズマ源であることから、電磁波の波長と
の関連により使用周波数は0.5〜10GHzの範囲に
設定することが望ましい。さらには、工業用周波数とし
て使用が許可されている0.915GHzあるいは2.
45GHzの周波数の使用を前提として設計することに
より、もっとも実用的なプラズマ生成用アンテナを実現
することができる。
ズマ処理装置をドライエッチングに応用した例を示した
が、本発明の目的は、既に述べたように高周波を用いて
効率よく、均一性の良好なプラズマを発生させることに
ある。従って、例えばプラズマCVD、プラズマ酸化、
プラズマ重合等のプラズマを利用するあらゆる表面処理
を目的としたプラズマ処理装置に応用しても、実施形態
において説明したと同様の効果を得ることができる。
れば、次の効果を奏する。高周波電力を真空容器内に供
給し、放電を生じさせてプラズマを生成し、基板表面を
処理するようにしたプラズマ処理装置において、真空容
器の上部に設けられた高周波電力を供給するアンテナの
円盤状導体板が所定の厚みを有する場合に、当該円盤状
導体板の周囲導波路に短絡3dB方向性結合器の構造を
与えるようにしたため、定在波の発生を防止し、高周波
電力の伝送を効率よく行い、プラズマ発生の効率を改善
することができる。これによって大電力の高周波を給電
でき、高密度のプラズマを生成することができ、直径3
00mm以上の基板の表面処理を行うことができる。ま
た本発明によれば、周波数が0.5〜10GHz程度の
領域にある高周波電力による放電を用いて大面積にわた
る均一性の良好なプラズマを生成する場合にその効果が
顕著であり、高周波放電により大面積基板を処理する場
合にプラズマ処理装置の実用性を高めることができる。
態を示す縦断面図である。
造の説明を補足する基本構造の縦断面図である。
めの図である。
造の説明を補足する実用構造の縦断面図である。
盤状導体板の外観図である。
なしたときの散乱行列を表示する図である。
設計手法を適用して設計したプラズマ生成用アンテナの
要部縦断面図である。
態を示す縦断面図である。
面図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 内部に処理すべき基板を配置しかつ前記
基板の前面の空間にプラズマを生成するように構成され
た真空容器と、この真空容器に装備されたプラズマ生成
用アンテナと、このアンテナに高周波電力を供給する高
周波電源を備え、前記高周波電源から高周波電力を供給
された前記アンテナは前記高周波電力を放射し、前記真
空容器内の前記空間に前記プラズマを生成し、このプラ
ズマによって前記基板の表面に所定処理を行うプラズマ
処理装置において、 前記アンテナは、所定の厚みを有する円盤状導体部を有
すると共に前記基板に対向する電磁波放射領域を有し、
さらに同軸線路によって前記高周波電源に接続され、 前記円盤状導体部は、その中心点で前記同軸線路の内側
導体に接続され、 前記円盤状導体部の周囲には、前記中心点に関して中心
対称的に配置された同軸型でありかつ前記同軸線路から
前記電磁波放射領域に至る折返し部を備えた導波路が形
成され、 前記導波路の前記折返し部にインピーダンス整合を行う
短絡3dB方向性結合器としての構造を与えたことを特
徴とするプラズマ処理装置。 - 【請求項2】 前記短絡3dB方向性結合器としての構
造は、前記円盤状導体部の上面と下面の両方またはいず
れか一方に段差を形成することで与えられることを特徴
とする請求項1記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項3】 前記短絡3dB方向性結合器としての構
造は、前記円盤状導体部の周囲の前記導波路に誘電体材
料を設けることで与えられることを特徴とする請求項1
または2記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項4】 前記アンテナで、前記短絡3dB方向性
結合器としての構造を構成する複数の要素のうち任意の
要素の変量が、アンテナの反射係数ГA に対して、散乱
行列表示においてS22=ГA * (ただし「*」は共役複
素数である)となるように決定されていることを特徴と
する請求項1〜3のいずれか1項に記載のプラズマ処理
装置。 - 【請求項5】 前記アンテナで、前記短絡3dB方向性
結合器としての構造を構成する複数の要素のうちの任意
の要素の変量が、散乱行列表示においてS22=0となる
ように決定されていることを特徴とする請求項1〜3の
いずれか1項に記載のプラズマ処理装置。 - 【請求項6】 前記円盤状導体部に対して前記空間に磁
場を発生させるための磁気回路を設けたことを特徴とす
る請求項1〜3のいずれか1項に記載のプラズマ処理装
置。 - 【請求項7】 前記空間における前記円盤状導体部に近
接した領域に前記磁気回路によって発生する磁場の磁束
密度は、この磁束密度に対応する電子サイクロトロン周
波数が前記高周波電力の周波数よりも大きくなるよう
に、設定されていることを特徴とする請求項6記載のプ
ラズマ処理装置。 - 【請求項8】 前記高周波電力の周波数は0.5〜10
GHzであることを特徴とする請求項1記載のプラズマ
処理装置。 - 【請求項9】 前記同軸線路に同軸型のインピーダンス
整合機構を設けたことを特徴とする請求項1記載のプラ
ズマ処理装置。
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