JP2010277969A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の給電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】矩形導波管を用いてマイクロ波を処理室に供給するプラズマ処理装置の電極構成及びその電極を用いた電磁波の給電方法を提供する。
【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置100は、マイクロ波を出力するマイクロ波源40と、マイクロ波を伝送させる矩形導波管31と、2以上のスロットを含むスロット群32agが矩形導波管31を伝送するマイクロ波の管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に形成された金属のスロットアンテナ32と、を有し、矩形導波管31を伝送したマイクロ波を前記等間隔に形成されたスロット群32agから処理室内に供給し、前記処理室の内壁を形成するスロットアンテナ32の金属面に沿って伝搬させる。これにより、マイクロ波のエネルギーによってガスを励起させてプラズマを生成し、処理室内にて基板Gにプラズマ処理を施す。
【選択図】図6
【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置100は、マイクロ波を出力するマイクロ波源40と、マイクロ波を伝送させる矩形導波管31と、2以上のスロットを含むスロット群32agが矩形導波管31を伝送するマイクロ波の管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に形成された金属のスロットアンテナ32と、を有し、矩形導波管31を伝送したマイクロ波を前記等間隔に形成されたスロット群32agから処理室内に供給し、前記処理室の内壁を形成するスロットアンテナ32の金属面に沿って伝搬させる。これにより、マイクロ波のエネルギーによってガスを励起させてプラズマを生成し、処理室内にて基板Gにプラズマ処理を施す。
【選択図】図6
Description
本発明は、ガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置の電極構成及びその電極を用いた給電方法に関する。
マイクロ波プラズマ処理装置の外部には、マイクロ波源に連結され、マイクロ波源から出力されたマイクロ波を伝送させる伝送線路が組み立てられる。マイクロ波は、伝送線路を伝送され、マイクロ波プラズマ処理装置に設けられた電極から処理室内に供給される。供給されたマイクロ波は、表面波となって処理室の内面とプラズマとの境界を伝搬し、伝搬中にそのエネルギーの一部がプラズマの生成に使われる。
伝送線路を構成する導波管としては、同軸導波管と矩形導波管とに大別される。同軸導波管線路の場合、矩形導波管線路に比べて製造寸法の設計が伝送性能に大きく影響する。たとえば、特許文献1では、伝送線路として同軸導波管が使用されているが、同軸導波管線路に基板サイズに応じた分岐回路を設計する必要があり、設計公差が伝送性能に与える影響が大きい。
一方、矩形導波管では、マイクロ波は導波管内部を伝送するため、同軸導波管線路のように複雑な設計は不要であり、設計公差も伝送性能にほとんど影響を及ぼさない。また、矩形導波管では、伝送線路全体の構成がシンプルなため、製造、組立のみならずメンテナンスにおいても手間とコストを省くことができる。
また、矩形導波管では、マイクロ波を処理室内に供給するための電極をシンプルに構成することができる。さらに、電極の形状及び位置を適正化することにより、マイクロ波の電界強度の均一性を高め、処理室内に均一にエネルギーを供給することができる。
上記課題を解消するために、本発明は、矩形導波管を用いて電磁波を処理室に供給するプラズマ処理装置の電極構成及びその電極を用いた電磁波の給電方法を提供する。
すなわち、上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電磁波のエネルギーによりガスを励起させてプラズマを生成し、処理室内にて被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、電磁波を出力する電磁波源と、前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる矩形導波管と、前記矩形導波管に隣接して設けられ、2以上のスロットを含むスロット群が前記矩形導波管を伝送する電磁波の管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に形成された金属のスロットアンテナと、を備え、前記矩形導波管を伝送した電磁波を前記等間隔に形成されたスロット群から前記処理室内に供給し、前記処理室の内壁を形成する前記スロットアンテナの金属面に沿って伝搬させるプラズマ処理装置が提供される。
かかる構成によれば、伝送線路を矩形導波管のみで構成し、同軸導波管線路を伝送線路に使用しない。よって、電磁波は矩形導波管の内部空間のみを伝送することになる。そのため、必要な回路設計は矩形導波管の内部空間のみとなり、マイクロ波を処理室内に供給するための電極部分をシンプルに構成することができる。
ここで、金属のスロットアンテナの電極部分では、2以上のスロットを含むスロット群が管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に複数形成される。これによれば、各スロット群の各スロットの位置では、矩形導波管の内部空間に形成される定在波の振幅の絶対値が等しい。これにより、各スロットから入り込み、処理室内に供給される電磁波の振幅の絶対値は等しくなる。この結果、各スロット群から処理室内に均等なエネルギーのマイクロ波を供給することができる。その結果、シンプルな電極構成でありながらマイクロ波のエネルギー配分を適正化し、均一なプラズマを生成することができる。
なお、以下では、金属面とプラズマとの境界面に沿って伝搬する表面波を、金属表面波(Metal Surface Wave)とも称呼する。一般に、プラズマの電子密度neがカットオフ密度ncより大きい場合、マイクロ波は、プラズマ表面付近で反射され、処理室の内面を表面波として伝搬する。カットオフ密度ncは、表面波の周波数の2乗に比例する。よって、915MHzの周波数のマイクロ波を用いた場合には、2.45GHzの周波数のマイクロ波を用いた場合に対して電子密度neが1/7程度でも安定したプラズマが得られる。たとえば915MHzの周波数では、表面付近の電子密度が1×1011cm−3程度の低密度プラズマでも金属表面波が処理室の内面の金属面を長く伝搬することがわかっている。これにより、プロセスウィンドウを飛躍的に広げることができ、各種プロセスを低ダメージでプラズマ処理することが可能となる。
前記スロットアンテナは、前記矩形導波管の長辺側の面に設けられていてもよい。
前記スロットアンテナには、2n(n=1,2,3)個のスロットを含むスロット群が前記管内波長λg/2の整数倍のピッチで形成されていてもよい。
前記スロット群では、スロットが点対称に配置されていてもよい。
前記スロット群では、スロットが2つずつ対向して配置されていてもよい。
前記複数のスロット群の各スロットの長手方向は、前記矩形導波管の長手方向に対して平行又は垂直であってもよい。
前記複数のスロット群の各スロットの長手方向は、前記矩形導波管の長手方向に対して任意の角度だけ傾けて形成されていてもよい。
前記スロット群では、対向するスロット間の距離がすべて等しくてもよい。
前記スロット群では、隣り合うスロット間の距離がすべて等しくてもよい。
前記スロット群の各スロットの内部をそれぞれ閉塞する2以上のスロット内誘電部材をさらに有していてもよい。
前記スロット内誘電部材の一端は、前記スロットアンテナの金属面より前記処理室側に突出していてもよい。
前記スロット内誘電部材の突出部分は、面取りされていてもよい。
前記スロット内誘電部材の突出部分は、少なくとも前記処理室の外側に向けて面取りされている部分と前記処理室の内側に向けて面取りされている部分とを有していてもよい。
前記処理室の外側に向けて面取りされている部分の面積は、前記処理室の内側に向けて面取りされている部分の面積より大きくてもよい。
上記課題を解決するために、本発明の他の観点によれば、プラズマ処理が施される処理室に電磁波を供給するプラズマ処理装置の給電方法であって、電磁波源から電磁波を出力するステップと、前記出力された電磁波を矩形導波管に伝送させるステップと、金属のスロットアンテナにおいて前記矩形導波管を伝送する電磁波の管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に形成された2以上のスロットを含むスロット群から前記矩形導波管を伝送した電磁波を処理室内に入射するステップと、前記入射した電磁波を前記処理室の内壁を形成する前記スロットアンテナの金属面に沿って伝搬させるステップと、を含むプラズマ処理装置の給電方法が提供される。
以上説明したように、本発明によれば、2以上のスロットを含むスロット群を、矩形導波管を伝送する電磁波の管内波長λg/2の整数倍毎のピッチで配置することにより、シンプルな電極構成でありながらマイクロ波のエネルギー配分を適正化し、均一なプラズマを生成することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
まず、本発明の一実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置について、図1及び図2を参酌しながら説明する。図1は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図(図2の2−2断面)である。図2は、マイクロ波プラズマ処理装置の天井面を示した図(図1の1−1断面)である。
本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置100は、電磁波のエネルギーによりガスを励起させてプラズマを生成し、処理室内にて被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の一例である。プラズマ処理には、成膜処理やエッチング処理等、プラズマの作用により基板Gを微細加工する処理が含まれる。
(マイクロ波プラズマ処理装置の構成)
マイクロ波プラズマ処理装置100は、処理容器10と蓋体20とを備えている。処理容器10は、その上部が開口された有底立方体形状を有している。処理室Uは、処理容器10と蓋体20とにより画成されている。処理容器10と蓋体20との接面にはOリング21が設けられ。これにより処理室Uの気密が保持されている。処理容器10および蓋体20は、たとえば、アルミニウム等の金属からなり、電気的に接地されている。
マイクロ波プラズマ処理装置100は、処理容器10と蓋体20とを備えている。処理容器10は、その上部が開口された有底立方体形状を有している。処理室Uは、処理容器10と蓋体20とにより画成されている。処理容器10と蓋体20との接面にはOリング21が設けられ。これにより処理室Uの気密が保持されている。処理容器10および蓋体20は、たとえば、アルミニウム等の金属からなり、電気的に接地されている。
処理容器10の中央にはサセプタ11(載置台)が設けられていて、サセプタ11に基板Gを載置するようになっている。サセプタ11は、たとえば窒化アルミニウムからなり、その内部には、給電部11aおよびヒータ11bが設けられている。
給電部11aには、整合器12a(たとえば、コンデンサ)を介して高周波電源12bが接続されている。また、給電部11aには、コイル13aを介して高圧直流電源13bが接続されている。整合器12a、高周波電源12b、コイル13aおよび高圧直流電源13bは、処理容器10の外部に設けられている。また、高周波電源12bおよび高圧直流電源13bは、接地されている。
給電部11aは、高周波電源12bから出力された高周波電力により処理容器10の内部に所定のバイアス電圧を印加するようになっている。また、給電部11aは、高圧直流電源13bから出力された直流電圧により基板Gを静電吸着するようになっている。
ヒータ11bには、処理容器10の外部に設けられた交流電源14が接続されていて、交流電源14から出力された交流電圧により基板Gを所定の温度に保持するようになっている。
処理容器10の底面は筒状に開口され、その外部周縁にはベローズ15の一端が装着されている。また、ベローズ15の他端は昇降プレート16に固着されている。このようにして、処理容器10底面の開口部分は、ベローズ15および昇降プレート16により密閉されている。
サセプタ11は、昇降プレート16上に設置された筒体17に支持されていて、昇降プレート16および筒体17と一体となって昇降し、これにより、サセプタ11を処理プロセスに応じた高さに調整するようになっている。サセプタ11の周囲には、処理室Uのガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板18が設けられている。
処理容器10の底部には、処理容器10の外部に設けられた真空ポンプ(図示せず)が備えられている。真空ポンプは、ガス排出管19を介して処理容器10内のガスを排出することにより、処理室Uを所望の真空度まで減圧する。
蓋体20には、6本の矩形導波管31及びスロットアンテナ32が設けられている。図2に示されているように、矩形導波管31は蓋体20の内部に平行に6本、並べて設けられている。矩形導波管31はマイクロ波源40から出力されたマイクロ波を伝送させる伝送線路である。本実施形態では、電磁波源から出力された電磁波を伝送させる伝送線路には、矩形導波管のみが用いられ、同軸導波管は用いられない。
図1に戻って、矩形導波管31の内部は、フッ素樹脂(たとえばテフロン(登録商標))、アルミナ(Al2O3)、石英等の誘電部材33で充填されている。誘電部材33により、λg1=λc/(ε1)1/2の式に従って各矩形導波管31を伝送するマイクロ波の管内波長λg1が制御される。ここで、λcは自由空間の波長、ε1は誘電部材33の誘電率である。
各矩形導波管31は、上部にて開口し、その開口には、可動部34が昇降自在に挿入されている。可動部34は、アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料から形成されている。蓋体20の外部であって各可動部34の上面には、昇降機構35がそれぞれ設けられていて、可動部34を昇降移動させる。かかる構成により、矩形導波管31は、誘電部材33の上面までを限度として可動部34を昇降移動させるにより、その高さを変更可能になっている。
スロットアンテナ32は、矩形導波管31の下部にて蓋体20と一体となって構成されている。スロットアンテナ32は、アルミニウムなどの非磁性体である金属から形成されている。スロットアンテナ32には、各矩形導波管31の下面にて、図2に示した4つのスロット32a(開口)からなるスロット群32agが、たとえば、各矩形導波管31を伝送するマイクロ波の管内波長λg1/2の整数倍の長さ毎に等間隔に設けられている。
図1に示したように、各スロット32aの内部は、フッ素樹脂、アルミナ(Al2O3)、石英などの誘電体で形成されたスロット内誘電部材36により充填され、これによりスロット32aは閉塞されている。
製造時、スロット内誘電部材36とスロットアンテナ32とは、所定の温度で一体焼成される。これによれば、一体焼成により、スロット内誘電部材36とスロットアンテナ32とが隙間なく密着される。この結果、大気と連通した矩形導波管31等と真空状態にある処理室内部とを遮断することができる。
図2に示したように、3つのマイクロ波源40は、Y分岐管41(Y分岐した矩形導波管)を介してそれぞれ2本の矩形導波管31に連結されている。このようにして、3つのマイクロ波源40から出力されたマイクロ波は、Y分岐管41にてY分岐しながら蓋体20内の6つの矩形導波管31に伝送される。矩形導波管31を伝送されたマイクロ波は、スロット32aから入射され、複数のスロット内誘電部材36を透過して処理室内に供給される。その際、スロット内誘電部材36により、λg2=λc/(ε2)1/2の式に従って各スロット32aの管内波長λg2が制御される。ここで、ε2はスロット内誘電部材36の誘電率である。スロット32aの形状及び位置については後程詳述する。
本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置100では、スロットアンテナ32の下面にマイクロ波の表面波を伝搬させるための誘電体が設けられていない。よって、図2に示した本装置の天井面では、スロットアンテナ32の金属面が露出した状態である。スロット内誘電部材36の端部は、スロット32aより処理室側に1mm〜5mm程度突出している。これにより、マイクロ波がスロット内誘電部材36から放出されやすいようになっている。
図1に示したガス供給源42は、ガスラインLinと連結している。ガスラインLinは、図2の天井面に示したように、等間隔に設けられた複数のガス導入管43に連結している。ガス供給源42から供給されたガスは、ガスラインLinを介してそれぞれのガス導入管43に分流しながら、処理室内に導入される。
冷却水配管44は、蓋体20に埋設されていて、本装置の外部に配置された冷媒供給源45に連結されている。冷媒供給源45から供給された冷却水は、冷却水配管44内を循環して冷媒供給源45に戻ることにより、蓋体20は、所望の温度に保たれるようになっている。
以上に説明した構成により、ガス供給源42から供給されたガスは、入射されたマイクロ波の電界エネルギーにより励起し、これにより基板Gの上方にプラズマが生成され、基板G上にプラズマ処理が施される。
(スロットの形状及び位置)
次に、図2〜図5を参照しながら、スロットの形状及び位置について説明する。図2及び図3には、前述したように、4つのスロット32a1〜32a4からなるスロット群32agが、管内波長λg1/2毎に等間隔に設けられている。
次に、図2〜図5を参照しながら、スロットの形状及び位置について説明する。図2及び図3には、前述したように、4つのスロット32a1〜32a4からなるスロット群32agが、管内波長λg1/2毎に等間隔に設けられている。
スロットアンテナ32は、図3に示したように矩形導波管31の長辺側の面に設けられる。このように矩形導波管31の長辺側の面にスロット群32agを形成することにより、矩形導波管31の本数を少なくすることができる。
矩形導波管の各面に発生する電界E及び磁界Hの分布について図4を参照しながら簡単に説明する。本実施形態では、矩形導波管31の短辺側の面は天井面に垂直に設置される。矩形導波管31の短辺側の面では、矩形導波管31の長手方向に垂直に電界Eが生じ、電界Eに沿って電流が流れる。
一方、矩形導波管31の長辺側の面は天井面に平行に設置される。矩形導波管の長辺側の面では、管内波長λg/2毎に環状の磁界パターンが発生し、環状の磁界パターンの外側から内側又は内側から外側に電界Eが生じ、電界Eに沿って電流が流れる。
以上に示した矩形導波管31の長辺側の面の電界E及び磁界Hの分布に対して、スロット32a1〜32a4は、電界Eに対して垂直な位置に形成される。たとえば、図4では、磁場Hの同一輪状にてスロットの長手方向が電界Eに垂直になるように4つのスロット32a1〜32a4が形成される。
スロット群32agは、スロット32a1とスロット32a3、スロット32a2とスロット32a4が、2つずつ互いに対向した状態で口型に形成されている。スロット32a1とスロット32a3の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して垂直に形成され、スロット32a2とスロット32a4の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して平行に形成される。
各スロット群32agは、スロット32a1〜32a4の4つのスロットから形成され、管内波長λg1/2のピッチで等間隔に配置されている。スロット32a1〜32a4は、隣り合うスロット間の距離がすべて等しい。また、1つのスロット群32agに含まれる4つのスロット32a1〜32a4は点対称に配置される。
図5の上部図は、図2の3−3断面を示している。図5に示したように、各スロット32a1,スロット32a3の位置では、矩形導波管31の内部空間に形成されるマイクロ波の定在波の振幅の絶対値が等しい。図5に示されていないスロット32a2,スロット32a4も同様である。これにより、矩形導波管31を伝送したマイクロ波のうち、各スロット32a1〜32a4から処理室内に供給されるマイクロ波の振幅の絶対値は等しくなる。よって、各スロット32a1〜32a4から供給されたマイクロ波の電界強度はほぼ同じ状態で、金属表面波MSW(Metal Surface Wave)となってスロットアンテナ32の金属面とプラズマとの境界面を伝搬する。伝搬中、均等に配分された電界エネルギーにより均一なプラズマを生成することができる。
(スロット内誘電部材の突出)
図5の上部図に示したスロット内誘電部材36の突出部分Exを図5の下部図に拡大して示したように、本実施形態では、スロット内誘電部材36の一端は、スロットアンテナ32の下面(すなわち、処理室側に露出したスロットアンテナ32の金属面)より処理室側に1mm〜5mm程度突出している。これにより、マイクロ波がスロット内誘電部材36から放出されやすいようになっている。
図5の上部図に示したスロット内誘電部材36の突出部分Exを図5の下部図に拡大して示したように、本実施形態では、スロット内誘電部材36の一端は、スロットアンテナ32の下面(すなわち、処理室側に露出したスロットアンテナ32の金属面)より処理室側に1mm〜5mm程度突出している。これにより、マイクロ波がスロット内誘電部材36から放出されやすいようになっている。
(誘電体部材の面取り)
特に、スロット内誘電部材36の突出部分は面取りされている。その面取り(C面:chamfer)は、スロット内誘電部材36の長手方向に沿って形成されている。C面は、少なくとも処理室の外側に向けて面取りされている部分OCと処理室の内側に向けて面取りされている部分ICとを有する。処理室の外側に向けて面取りされている部分OCの面積は、処理室の内側に向けて面取りされている部分ICの面積より大きく、内側の面取り部ICの短手方向の幅0.2mmに対して外側の面取り部OCの短手方向の幅は5mmである。面取り幅を前記の比率にすることにより、外側の面取り部分OCから出力されるマイクロ波のエネルギーを、内側の面取り部分ICから出力されるマイクロ波のエネルギーの約2倍に分配することができる。そして、以上の寸法に設計すれば、プラズマ密度分布の均一性を図ることができ、均一なプラズマを生成することができる。ことが、発明者の行ったシミュレーション結果によりわかっている。
特に、スロット内誘電部材36の突出部分は面取りされている。その面取り(C面:chamfer)は、スロット内誘電部材36の長手方向に沿って形成されている。C面は、少なくとも処理室の外側に向けて面取りされている部分OCと処理室の内側に向けて面取りされている部分ICとを有する。処理室の外側に向けて面取りされている部分OCの面積は、処理室の内側に向けて面取りされている部分ICの面積より大きく、内側の面取り部ICの短手方向の幅0.2mmに対して外側の面取り部OCの短手方向の幅は5mmである。面取り幅を前記の比率にすることにより、外側の面取り部分OCから出力されるマイクロ波のエネルギーを、内側の面取り部分ICから出力されるマイクロ波のエネルギーの約2倍に分配することができる。そして、以上の寸法に設計すれば、プラズマ密度分布の均一性を図ることができ、均一なプラズマを生成することができる。ことが、発明者の行ったシミュレーション結果によりわかっている。
以上に説明したように、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置100によれば、伝送線路を矩形導波管31のみで構成し、同軸導波管線路を伝送線路に使用しない。よって、マイクロ波は矩形導波管31の内部空間のみを伝送する。これにより、必要な回路設計は矩形導波管31の内部空間のみとなり、設計公差が伝送性能に大きく影響せず、また、電極周りをシンプルに構成することができるため、伝送線路の製造、組み立て、メンテナンスにおいて利点がある。また、シンプルな電極構成でありながらマイクロ波のエネルギー配分を適正化し、均一なプラズマを生成することができる。
(マイクロ波の伝搬)
本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置100では、スロットアンテナ32の下面に誘電体はなく、スロットアンテナ32の金属面が天井面に露出している。この場合、矩形導波管31を伝送されたマイクロ波は、天井面に露出したスロットアンテナ32の金属表面とプラズマ境界面に沿って伝搬する。伝搬中、マイクロ波の一部は、エバネッセント波としてプラズマに吸収され、プラズマの維持に使われる。
(金属表面波の伝搬と周波数との関係)
プラズマの誘電率は、εr′−jεr″で表わされる。プラズマの誘電率には損失成分もあるため、プラズマの誘電率は複素数で表現される。プラズマの誘電率の絶対値εr′は通常−1よりも小さい。プラズマの誘電率は、次式(1)で表される。
プラズマの誘電率は、εr′−jεr″で表わされる。プラズマの誘電率には損失成分もあるため、プラズマの誘電率は複素数で表現される。プラズマの誘電率の絶対値εr′は通常−1よりも小さい。プラズマの誘電率は、次式(1)で表される。
電子密度neが次式(2)で表されるカットオフ密度ncより大きい場合、マイクロ波はプラズマ中を伝搬することができず、プラズマに入射されたマイクロ波は急速に減衰する。換言すれば、電子密度neがカットオフ密度ncより大きい場合、マイクロ波は、プラズマ表面付近で反射され、処理室の内面を表面波として伝搬する。
nc = ε0 me ω2/e2・・・(2)
ここで、ωは金属表面波の周波数、νcは電子衝突周波数、ωpeは次式(3)で表される電子プラズマ周波数である。
nc = ε0 me ω2/e2・・・(2)
ここで、ωは金属表面波の周波数、νcは電子衝突周波数、ωpeは次式(3)で表される電子プラズマ周波数である。
式(2)によれば、カットオフ密度ncは、金属表面波の周波数の2乗に比例する。これは、915MHzの周波数のマイクロ波を用いた場合には、2.45GHzの周波数のマイクロ波を用いた場合に対して電子密度neが1/7程度でも安定したプラズマが得られることを示す。これにより、低エネルギーでもプラズマが生成され、ダメージの非常に小さいプロセスが可能になり、プロセスウィンドウを広くすることができる。たとえば915MHzの周波数では、表面付近の電子密度が1×1011cm−3程度の低密度プラズマでも金属表面波MSWが処理室の内面を長く伝搬する。
式(1)によれば、周波数を下げるとプラズマの誘電率の実部εr′が負に大きくなり、プラズマインピーダンスが小さくなる。従って、プラズマにかかるマイクロ波電界がシースにかかるマイクロ波電界と比較して弱くなり、プラズマ中におけるマイクロ波の損失が小さくなるため、金属表面波MSWの減衰量が減少する。従って、金属表面波MSWの減衰量が少ない1〜2GHz以下のマイクロ波を供給するとより好ましい。
ただし、各スロット32a1〜32a4から放出されたマイクロ波が処理容器10の内壁(スロットアンテナ32の金属面及び処理容器10の金属側壁)に沿って基板Gの周辺まで伝搬してしまうと、処理容器10内に生成されるプラズマが不均一になりプロセスの均一性が悪化したり、処理容器10内に基板Gを搬入出させる際に開閉されるゲートバルブや、基板Gを載置させるサセプタ11が劣化する等の弊害が生じる。
そこで、天井面を形成するスロットアンテナ32の外周近傍の金属面には、略矩形状に溝50が形成されている。溝50は、処理容器10の側壁近傍に該側壁から等間隔離れて設けられ、天井面に形成されたスロット32aとガス導入管36の孔とを取り囲んでいる。これにより、溝50は、金属表面波MSWの伝搬を抑制する。なお、溝50は、スロットアンテナ32の外周近傍の金属面以外の処理容器10の内面に設けられていてもよい。また、溝50の替わりに金属の突出を形成することにより金属表面波MSWの伝搬を抑制してもよいし、誘電体部材の突出を形成することにより金属表面波MSWの伝搬を抑制してもよい。
(変形例1)
次に、上記実施形態の変形例1について図6を参照しながら説明する。変形例1では、スロット32a1〜32a4の配置のみが上記実施形態と異なり、その他の構成は同じである。よって、ここでは、本変形例1に係る各スロットの配置について主に説明し、その他の構成については省略する。
次に、上記実施形態の変形例1について図6を参照しながら説明する。変形例1では、スロット32a1〜32a4の配置のみが上記実施形態と異なり、その他の構成は同じである。よって、ここでは、本変形例1に係る各スロットの配置について主に説明し、その他の構成については省略する。
図6に示したように、本変形例1では、複数のスロット32a1〜32a4の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して45度傾けた位置にて、スロット32a1とスロット32a3、スロット32a2とスロット32a4が、それぞれ互いに対向して口型に形成されている。スロット32a1とスロット32a3の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して反時計回りに45度傾けた位置に形成され、スロット32a2とスロット32a4の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して時計回りに45度傾けた位置に形成される。
スロット32a1及びスロット32a3間の距離と、スロット32a2及びスロット32a4間の距離はすべて等しい。また、スロット32a1〜32a4は、隣り合うスロット間の距離がすべて等しい。1つのスロット群32agに含まれる4つのスロット32a1〜32a4は、点対称に配置される。スロット群32agは、管内波長λg/2のピッチで形成される。
本変形例1では、スロット32a1〜32a4を矩形導波管31の長手方向に対して45度傾けて配置したことにより、各スロット32a1〜32a4から処理室内に供給されるマイクロ波は、円偏波しながら処理室に供給される。円偏波の場合、発生する電磁界は回転しながらスロット32a1〜32a4から漏れ、処理容器10の内部に伝わる。
これに加えて、本変形例1では、スロット32a1〜32a4は、矩形導波管31の長手方向に対して45度傾けて配置される。これにより、天井面を伝搬する金属表面波MSWは、矩形導波管31の長手方向に対して斜め45度の方向に向けて放射状に伝搬する。この結果、この結果、上記スロット内誘電部材36の面取りの効果も併せて、処理室の天井面の角方向にも金属表面波MSWが伝搬しやすいため、より均一なプラズマを生成することができる。したがって、均一なプラズマを生成するためには、スロット32a1〜32a4を矩形導波管31の長手方向に対して45度傾けた方が、スロット32a1〜32a4を矩形導波管31の長手方向に対して平行及び垂直に配置するより好ましい。
なお、矩形導波管31の長手方向に対する複数のスロット32a1〜32a4の傾斜角は、45度でなくてもよく、スロット32a1とスロット32a3の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して反時計回りにα度(0<α<90)傾けた位置に形成され、スロット32a2とスロット32a4の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して時計回りにα度(0<α<90)傾けた位置に形成されていればよい。
この場合にも、スロット32a1〜32a4を矩形導波管31の長手方向に対して任意の角度だけ傾けて配置されているので、各スロット32a1〜32a4から処理室内に供給されるマイクロ波は、円偏波しながら処理室に供給される。
(変形例2)
次に、上記実施形態の変形例2について図7を参照しながら説明する。変形例2では、スロット32aの形状及び位置のみが上記実施形態と異なり、その他の構成は同じである。よって、ここでは、本変形例2に係る各スロットの配置について主に説明し、その他の構成については省略する。
次に、上記実施形態の変形例2について図7を参照しながら説明する。変形例2では、スロット32aの形状及び位置のみが上記実施形態と異なり、その他の構成は同じである。よって、ここでは、本変形例2に係る各スロットの配置について主に説明し、その他の構成については省略する。
本変形例2では、変形例1と同様に複数のスロット32a1〜32a4の長手方向は、矩形導波管31の長手方向に対して45度傾けて形成されている。これに加えて、変形例2では、スロット32a1とスロット32a4との間、スロット32a2とスロット32a3との間に矩形導波管31の長手方向に対して垂直にスロット32a5、32a6が形成されている。また、スロット32a1とスロット32a2との間、スロット32a3とスロット32a4との間に矩形導波管31の長手方向に対して平行にスロット32a7、32a8が形成されている。
かかる構成により、本変形例2では、各スロット32a1〜32a8から処理室内に供給されるマイクロ波は、金属表面波MSWとなって、矩形導波管31の長手方向に対して斜め45度方向、平行方向、垂直方向に放射状に伝搬する。この結果、処理室の天井面の多方向に向かって金属表面波MSWが伝搬することにより、より均一なプラズマを生成することができる。
(変形例3)
導波管の長辺側の面(H面)にスロット群を形成する替わりに、導波管の短辺側の面(E面)に長方形のスロットを複数形成する。スロットの間隔は管内波長λg/2の整数倍の長さになる。
導波管の長辺側の面(H面)にスロット群を形成する替わりに、導波管の短辺側の面(E面)に長方形のスロットを複数形成する。スロットの間隔は管内波長λg/2の整数倍の長さになる。
以上に説明したように、上記実施形態及び各変形例に係るマイクロ波プラズマ処理装置100によれば、2以上のスロットからなるスロット群32agを管内波長λg/2のピッチで点対称に配置することにより、シンプルな電極構成でありながらマイクロ波のエネルギー配分を適正化し、均一なプラズマを生成することができる。
上記実施形態において、各部の動作は互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作及び一連の処理として置き換えることができる。これにより、プラズマ処理装置の実施形態を、プラズマ処理装置の給電方法の実施形態とすることができる。
これにより、プラズマ処理が施される処理室に電磁波を供給するプラズマ処理装置の給電方法であって、電磁波源から電磁波を出力するステップと、前記出力された電磁波を矩形導波管に伝送させるステップと、金属のスロットアンテナにおいて前記矩形導波管を伝送する電磁波の管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に形成された2以上のスロット群から前記矩形導波管を伝送した電磁波を入射するステップと、前記入射した電磁波を前記処理室の内壁を形成する前記スロットアンテナの金属面に沿って伝搬させるステップと、を含むプラズマ処理装置の給電方法を提供することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
たとえば、上記実施形態及び上記変形例では、4つ又は8つのスロットを含むスロット群の配置を例に挙げて説明したが、本発明に係るプラズマ処理装置に設けられるスロットアンテナには、2n(nは=1,2,3)個のスロットが管内波長λg/2の整数倍のピッチで形成されていてもよい。この場合、前記2n(n=1,2,3)個のスロットは、2つずつ対向して形成される。
また、スロット群32agの管内波長λg/2のピッチはこれに限られず、管内波長λg/2の整数倍であればよい。特に、スロット群32agのピッチをλgの整数倍とすることにより、各スロットから放出されるマイクロ波の位相と振幅を合わせることができ、各スロットから供給されるマイクロ波の電界エネルギーをより均等に配分することができる。
本発明に係るマイクロ波源40から出力されるマイクロ波は、896MHz、915MHz、922MHz、2.45GHz等であってもよい。また、マイクロ波源40は、プラズマを励起するための電磁波を出力する電磁波源の一例であり、100MHz以上の電磁波を出力する電磁波源であれば、マグネトロンや高周波電源も含まれる。
上記実施形態では、スロット内誘電部材の突出部分をC面に面取りしたり、傾斜面を設けたり、段差や凹凸を形成したりしたが、本発明に係るスロット内誘電部材の突出部分の形状は、これらの任意の組合せであってもよい。また、これらの組合せに加えて、本発明に係るスロット内誘電部材の突出部分に曲面を設けたり、シリンダ状に穴を設けたり、溝を設けたりしてもよい。また、本発明に係るスロット内郵電部材の突出部分の面取りは、処理室の外側に向かう角部及び処理室の内側に向かう角部だけでなく、その他の角部が面取りされていてもよい。
また、本発明に係るスロット内誘電部材とスロットアンテナは、スロット内誘電部材とスロットアンテナとを一体焼成する替わりに、スロット内誘電部材とスロットアンテナとの接触面にOリング等の封止材を設けることにより、処理室内の気密を保持するようにしてもよい。
さらに、本発明では、スロット内部にスロット内誘電部材を設けた方が、マイクロ波の電界強度をコントロールできて好ましいが、必ずしもスロット内部にスロット内誘電部材を設けなくてもよい。
本発明に係るプラズマ処理装置は、上記実施形態に示した矩形状のマイクロ波プラズマ処理装置に限られず、スロットを用いて給電するプラズマ処理装置に用いることができる。たとえば、円筒状のRLSAプラズマ処理装置の場合、天井面に円盤状の誘電体窓を設ける必要はなく、誘電体窓のないラジアルラインスロットアンテナ(Radial Line Slot Antenna)を伝送したマイクロ波は、金属表面波となって天井の内壁を形成する金属面を伝搬する。
なお、基板G(ガラス基板)のサイズは、720mm×720mm以上であればよく、たとえば、G3基板サイズで720mm×720mm(チャンバ内の寸法:400mm×500mm)、G4.5基板サイズで730mm×920mm(チャンバ内の寸法:1000mm×1190mm)、G5基板サイズで1100mm×1300mm(チャンバ内の寸法:1470mm×1590mm)である。上記大きさの処理室内に1〜8W/cm2のパワーのマイクロ波が供給される。
100 マイクロ波プラズマ処理装置
10 処理容器
20 蓋体
31 矩形導波管
32 スロットアンテナ
32a,32a1〜32a8 スロット
36 スロット内誘電部材
40 マイクロ波源
43 ガス導入管
50 溝
MSW 金属表面波
10 処理容器
20 蓋体
31 矩形導波管
32 スロットアンテナ
32a,32a1〜32a8 スロット
36 スロット内誘電部材
40 マイクロ波源
43 ガス導入管
50 溝
MSW 金属表面波
Claims (15)
- 電磁波のエネルギーによりガスを励起させてプラズマを生成し、処理室内にて被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
電磁波を出力する電磁波源と、
前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる矩形導波管と、
前記矩形導波管に隣接して設けられ、2以上のスロットを含むスロット群が前記矩形導波管を伝送する電磁波の管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に形成された金属のスロットアンテナと、を備え、
前記矩形導波管を伝送した電磁波を前記等間隔に形成されたスロット群から前記処理室内に供給し、前記処理室の内壁を形成する前記スロットアンテナの金属面に沿って伝搬させるプラズマ処理装置。 - 前記スロットアンテナは、前記矩形導波管の長辺側の面に設けられる請求項1に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロットアンテナには、2n(n=1,2,3)個のスロットを含むスロット群が前記管内波長λg/2の整数倍のピッチで形成される請求項2に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット群では、スロットが点対称に配置される請求項3に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット群では、スロットが2つずつ対向して配置される請求項3又は請求項4のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- 前記複数のスロット群の各スロットの長手方向は、前記矩形導波管の長手方向に対して平行又は垂直である請求項1〜5のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記複数のスロット群の各スロットの長手方向は、前記矩形導波管の長手方向に対して任意の角度だけ傾けて形成される請求項1〜5のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット群では、対向するスロット間の距離がすべて等しい請求項5〜7のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット群では、隣り合うスロット間の距離がすべて等しい請求項3〜8のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット群の各スロットの内部をそれぞれ閉塞する2以上のスロット内誘電部材をさらに備える請求項1〜9のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット内誘電部材の一端は、前記スロットアンテナの金属面より前記処理室側に突出している請求項10に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット内誘電部材の突出部分は、面取りされている請求項11に記載のプラズマ処理装置。
- 前記スロット内誘電部材の突出部分は、少なくとも前記処理室の外側に向けて面取りされている部分と前記処理室の内側に向けて面取りされている部分とを有する請求項12に記載のプラズマ処理装置。
- 前記処理室の外側に向けて面取りされている部分の面積は、前記処理室の内側に向けて面取りされている部分の面積より大きい請求項13に記載のプラズマ処理装置。
プラズマ処理装置。 - プラズマ処理が施される処理室に電磁波を供給するプラズマ処理装置の給電方法であって、
電磁波源から電磁波を出力するステップと、
前記出力された電磁波を矩形導波管に伝送させるステップと、
金属のスロットアンテナにおいて前記矩形導波管を伝送する電磁波の管内波長λg/2の整数倍毎に等間隔に形成された2以上のスロットを含むスロット群から前記矩形導波管を伝送した電磁波を入射するステップと、
前記入射した電磁波を前記処理室の内壁を形成する前記スロットアンテナの金属面に沿って伝搬させるステップと、を含むプラズマ処理装置の給電方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009132314A JP2010277969A (ja) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の給電方法 |
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JP2009132314A Withdrawn JP2010277969A (ja) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の給電方法 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150194290A1 (en) * | 2012-07-25 | 2015-07-09 | Tokyo Electron Limited | Plasma processing apparatus |
KR101781290B1 (ko) * | 2016-02-29 | 2017-09-22 | 부산대학교 산학협력단 | 대면적 표면파 플라즈마 장치 및 이를 이용하여 전기전도성 다이아몬드 코팅방법 |
CN107454732A (zh) * | 2016-05-16 | 2017-12-08 | 三星电子株式会社 | 天线、包括天线的微波等离子体源、和等离子体处理装置 |
CN108243550A (zh) * | 2016-12-23 | 2018-07-03 | 韩国基础科学支援研究院 | 线性电磁波等离子体源及使用其的等离子体处理装置 |
-
2009
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