JP3872650B2 - プラズマ処理装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波の電磁界によりプラズマを生成して所定の処理を行うプラズマ処理装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が多用されている。これらのプラズマ処理装置の中に、アンテナから処理容器内へ高周波の電磁界を導入して高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ処理装置がある。この高周波プラズマ処理装置は、プラズマガスの圧力が比較的低くても安定してプラズマを生成することができるので、用途が広いという特色がある。
【０００３】
図２０は、従来の高周波プラズマ処理装置を用いたエッチング装置の構成を示す図である。この図２０では、一部構成について断面構造が示されている。
円筒形状の処理容器１１１の上部開口に、誘電体板１１３が水平配置されている。これらの接合部にシール部材１１２を介在させることにより、処理容器１１１内部の気密性を確保している。処理容器１１１の底部には真空排気用の排気口１１４が設けられ、また処理容器１１１の側壁にはガス供給用のノズル１１６が設けられている。処理容器１１１内には、エッチング対象の基板１２１を置くための載置台１２２が収容されている。この載置台１２２はバイアス用の高周波電源１２６に接続されている。
【０００４】
また、誘電体板１１３上部にはラジアルアンテナ１３０が配設されている。誘電体板１１３及びラジアルアンテナ１３０の周囲はシールド材１１７によって覆われている。
ラジアルアンテナ１３０は、ラジアル導波路１３６を形成する互いに平行な２枚の導体板１３１，１３２と、これらの導体板１３１，１３２の外周部を接続するリング部材１３３とから構成される。放射面を構成する導体板１３１には、スロット１３４が多数形成されている。ラジアル導波路１３６内を伝搬する電磁界の波長（以下、管内波長という）がλg であるとき、径方向における隣接スロット間のピッチｐ２は管内波長と同じλg に設定される。また、導体板１３２の中央部には、ラジアル導波路１３６内に電磁界を導入する導入口１３５が形成されている。この導入口１３５には導波路１４１を介して高周波発生器１４５が接続されている。
【０００５】
次に、このエッチング装置の動作を説明する。
まず、処理容器１１１内を所定の真空度にした後、ノズル１１６から例えばＣＦ4 とＡｒとの混合ガスを流量制御して供給する。この状態で、高周波発生器１４５から導波路１４１を介して、高周波の電磁界をラジアルアンテナ１３０に供給する。
ラジアルアンテナ１３０に供給された電磁界はラジアル導波路１３６の内部を伝搬しつつ、導体板１３１に形成された多数のスロット１３４から放射される。径方向における隣接スロット間のピッチｐ２がλg に設定されているので、この電磁界は導体板１３１（放射面）に対してほぼ垂直方向に放射される。そして、誘電体板１１３を透過して、処理容器１１１内に導入される。
【０００６】
処理容器１１１内に導入された電磁界の電界は、処理容器１１１内のガスを電離させて、処理対象の基板１２１の上部空間Ｓ１にプラズマを生成する。このとき、処理容器１１１内に導入された電磁界のすべてが直接プラズマ生成によって吸収されるわけではない。吸収されずに残った電磁界は、処理容器１１１内で反射を繰り返して、ラジアルアンテナ１３０とプラズマ生成空間Ｓ１との間の空間Ｓ２に定在波を形成する。この定在波の電界もプラズマ生成に関与することが分かっている。
このようにして生成されたプラズマのイオンは、載置台１２２の負電位によって引き出されて、エッチング処理に利用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図２０に示した従来のエッチング装置では、空間Ｓ２に形成された定在波がプラズマ生成に与える影響が大きい。この定在波の電界分布を制御することは困難であるので、従来のエッチング装置ではプラズマを均一に生成することができなかった。例えば、このエッチング装置で処理容器１１１内に生成されたプラズマを観察したところ、後掲する図１０（ａ）に示されるように、プラズマ発生領域１６０の中央付近に、プラズマが高密度に発生する部分１６１Ａ，１６１Ｂが確認された。
このため、従来では、処理対象の基板１２１で、プラズマが高密度になっている下の領域ほど、エッチング処理が速く進行するという問題が発生していた。このような処理量に斑が生じるという問題は、図２０に示したエッチング装置だけでなく、従来のプラズマ処理装置に共通する問題であった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、高周波の電磁界により生成されたプラズマの分布を改善することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、放射面に形成された複数のスロットより処理容器内に電磁界を放射するスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置であって、スロットアンテナが、放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するように、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向における隣接スロット間のピッチが調整され、スロットアンテナ内部の比誘電率ε v とスロットアンテナ外部の比誘電率ε a との比ε v / ε a をε r 、スロットアンテナ内部を伝搬する電磁界の波長をλ g 、隣接スロット間のピッチをｐ＝α・λ g （α＞０）とし、Ｎを０以上の整数とすると、
−１≦ε r 1/2 ( Ｎ / α−１ ) ≦１
かつ Ｎが１以上の場合に、Ｎ≠α
を満たすようにε r ，Ｎ，αが設定されていることを特徴とする。
誘電体板がアンテナ放射面に平行に配置されている場合、電磁界は誘電体板の法線方向に対して傾斜する方向に放射される。また、処理容器内において誘電体板と対向するプラズマ面はこの誘電体板に沿った形状となるので、スロットアンテナから誘電体板を介して処理容器内のプラズマに直接入射する電磁界は、このプラズマ面の法線方向に対して傾斜する方向に入射することになる。
プラズマと誘電体板との境界からプラズマ密度がカットオフ密度となる地点に至るまでの電磁界の電界変化を簡単に説明すると、プラズマ面に平行な方向成分の強度はほぼ一定値を維持するが、プラズマ面の法線方向成分の強度は単調に大きくなって行く。したがって、電磁界をプラズマ面の法線方向に対して傾斜する方向に入射させることにより、プラズマ面の法線方向に入射させた場合と比較して、両成分を合成した電界強度を大きくさせることができる。これにより、スロットアンテナから直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成効率を向上させることができる。
これにより、スロットアンテナから処理容器内に直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成への寄与が大きくなるので、処理容器内に形成される定在波の電界によるプラズマ生成への関与が相対的に低くなる。前者は後者よりも制御が容易であるので、プラズマの分布を従来よりも改善することができる。
【００１０】
ここで、前記隣接スロット間のピッチは、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向で変化していてもよい。これにより、電磁界の放射方向に分布をもたせて、プラズマの分布を調整することができる。
【００１１】
また、スロットアンテナと載置台の載置面とを隔離するように配置され、スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する誘電体部材を更に有するようにしてもよい。ここで、誘電体部材は、ドーム状をしていてもよい。また、誘電体部材は、処理容器の内面の少なくとも一部を載置台の載置面から隔離するものであってもよい。
あるいは、スロットアンテナと載置台の載置面とを隔離するように配置されスロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する第１の誘電体部材と、この第１の誘電体部材に対して載置台と異なる側に配置され第１の誘電体部材と共に密閉空間を形成する第２の誘電体部材と、この密閉空間に流体を流通させて第１の誘電体部材の温度を調整する流通手段とを更に有するようにしてもよい。ここで、第２の誘電体部材は、第１の誘電体部材とスロットアンテナとの間に配置されてもよいし、スロットアンテナの給電線途中に配置されてもよい。
【００１２】
また、スロットアンテナとして、互いに離間して対向配置された第１及び第２の導体板と、外周部で第１の導体板と第２の導体板との間をシールドするリング部材とを備え、第１の導体板に複数のスロットが形成され、第１の導体板と第２の導体板との間に電磁界を導入する導入口が第２の導体板の中央部に形成されたラジアルアンテナを使用してもよい。また、スロットアンテナとして、矩形導波路の一面に複数のスロットが形成された矩形導波路アンテナを使用してもよい。
【００１３】
また、本発明のプラズマ処理方法は、スロットアンテナ内部の比誘電率ε v とスロットアンテナ外部の比誘電率ε a との比ε v / ε a をε r 、スロットアンテナ内部を伝搬する電磁界の波長をλ g 、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向における隣接スロット間のピッチをｐ＝α・λ g （α＞０）とし、Ｎを０以上の整数とすると、
−１≦ε r 1/2 ( Ｎ / α−１ ) ≦１
かつ Ｎが１以上の場合に、Ｎ≠α
を満たすようにε r ，Ｎ，αを設定することにより、隣接スロット間のピッチを調整し、スロットアンテナが放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射して処理容器内に電磁界を供給し、この電磁界で生成されたプラズマにより被処理体に対して所定の処理を行うことを特徴とする。これにより、プラズマの分布を従来よりも改善することができる。
ここで、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向で隣接スロット間のピッチを変えて、この方向で電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整するようにしてもよい。
【００１４】
また、スロットアンテナと被処理体とを隔離する誘電体部材からスロットアンテナまでの距離を変えて、電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整するようにしてもよい。
また、スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有しスロットアンテナと被処理体とを隔離する誘電体部材を配置するようにしてもよい。ここで、この誘電体部材をドーム状に形成してもよい。また、誘電体部材で処理容器の内面の少なくとも一部を被処理体から隔離するようにしてもよい。
あるいは、スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する第１の誘電体部材でスロットアンテナと被処理体とを隔離し、この第１の誘電体部材に対して被処理体と異なる側に第２の誘電体部材を配置して第１及び第２の誘電体部材により密閉空間を形成し、この密閉空間に流体を流通させて第１の誘電体部材の温度を調整するようにしてもよい。ここで、第２の誘電体部材を、第１の誘電体部材とスロットアンテナとの間に配置してもよいし、スロットアンテナの給電線途中に配置してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明をエッチング装置に適用した例を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。この図１では、一部構成について断面構造が示されている。また、説明の都合上、垂直方向をＺ軸方向と定義する。
【００１６】
図１に示したエッチング装置は、上部が開口している円筒形状の処理容器１１を有している。この処理容器１１は、アルミニウムなどの導体部材で形成されている。処理容器１１の上部開口には、平板状に成形された誘電体板１３が水平に配置されている。この誘電体板１３には、厚さ２０〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又は（Ａｌ2 Ｏ3 又はＡｌＮ等の）セラミックなどが用いられる。処理容器１１と誘電体板１３との接合部はＯリングなどのシール部材１２を介在させており、これにより処理容器１１内部の気密性を確保している。
【００１７】
処理容器１１の底部には、真空ポンプ（図示せず）に連通する排気口１４が設けられており、処理容器１１内部を所望の真空度にすることができる。
また、処理容器１１の側壁には、処理容器１１内にＡｒなどのプラズマガスを導入するためのプラズマガス供給ノズル１５と、ＣＦ4 などのエッチングガスを導入するための処理ガス供給ノズル１６とが上下に設けられている。これらのノズル１５，１６は石英パイプなどで構成されている。
処理容器１１内には、エッチング対象の基板（被処理体）２１を配置する載置面を有する載置台２２が収容されている。この載置台２２は、処理容器１１の底部に絶縁板２４を介して固設された支持台２３上に固定されている。また、載置台２２はマッチングボックス２５を介して、バイアス用の高周波電源２６に接続されている。この高周波電源２６は、例えば２〜１３．５６ＭＨｚの高周波を発生する。
【００１８】
また、誘電体板１３上部には、スロットアンテナの１つであるラジアルアンテナ３０が、放射面（後述する導体板３１）を下にして配設されている。このラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３を介して処理容器１１内に高周波の電磁界を放射するものである。ラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３により処理容器１１から隔離されており、処理容器１１内で生成されるプラズマから保護されている。
また、誘電体板１３及びラジアルアンテナ３０の周囲は、円筒形状のシールド部材１７によって覆われている。このシールド部材１７は、例えばアルミニウムなどの金属で形成されている。ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界は、このシールド部材１７により遮蔽されるので、エッチング装置の外部に漏れることはない。
【００１９】
ラジアルアンテナ３０は、同軸線路４１、矩形・同軸変換器４２及び矩形導波管４３を介して、高周波発生器４５に接続されている。この高周波発生器４５は、例えば２．４５ＧＨｚの高周波を発生するものである。なお、高周波発生器４５の出力周波数は１ＧＨｚ〜１０数ＧＨｚの範囲内であればよい。また、矩形導波管４３の途中にインピーダンスのマッチングを行うマッチング回路４４を設けることにより、電力の使用効率を向上させることができる。
【００２０】
次に、ラジアルアンテナ３０の構成について、さらに説明する。
図１に示すように、ラジアルアンテナ３０は、放射面を構成する第１の導体板３１と、この導体板３１に対して上方位置に対向配置された第２の導体板３２と、導体板３１，３２の外周部を接続して導体板３１，３２間をシールドするリング部材３３とから構成されている。
アンテナ上面をなす導体板３２の中央部には、２枚の導体板３１，３２により構成されるラジアル導波路３６内に高周波発生器４５からの高周波の電磁界を導入する導入口３５が形成されている。また、アンテナ下面をなす導体板３１には、多数のスロット３４が形成されている。この導体板３１は誘電体板１３に平行に配置されている。
【００２１】
ラジアル導波路３６内を伝搬する電磁界の波長（以下、管内波長という）がλg であるとき、２枚の導体板３１，３２の間隔はλg/２未満に設定される。例えば周波数が２．４５ＧＨｚの高周波を使用する場合、ラジアル導波路３６内の比誘電率εv が１であれば、導体板３１，３２の間隔は６ｃｍ未満となる。λg/２未満とすることにより、導体板３１，３２間に定在波が形成されることを防止することができる。ただし、２枚の導体板３１，３２間の放電を防止するため、導体板３１，３２間の間隔を０．５／(εv)1/2ｃｍ以上とすることが望ましい。
【００２２】
以上の導体板３１，３２及びリング部材３３は、銅又はアルミニウムなどの導体により形成される。なお、導体板３１，３２の間すなわちラジアル導波路３６内に、図１に示すようにセラミックなどの誘電体部材（比誘電率εv ＞１）３９を配置してもよい。
上述したように、ラジアルアンテナ３０には、高周波発生器４５に接続された同軸線路４１が接続されている。この同軸線路４１の外部導体４１Ａは、導体板３２の導入口３５周縁に接続されている。また、同軸線路４１の内部導体４１Ｂの先端は円錐状に成形され、この円錐の底部が導体板３１の中心に接続されている。
【００２３】
図２は、ラジアルアンテナ３０の放射面をなす導体板３１の一構成例を示す図である。ここで、図２（ａ）は、導体板３１全体の平面図、図２（ｂ）は、導体板３１の径方向において隣り合う２つのスロット３４の拡大図である。
図２（ａ）に示すように導体板３１には、略周方向に延びるスロット３４が、導体板３１の中心の周りに同心円状に多数形成されている。この同心円の半径は等差数列的に増えている。この同心円の半径の増加分を、径方向（すなわち、ラジアル導波路３６内における電磁界の伝搬方向）における隣接スロット間のピッチｐと定義する。この径方向における隣接スロット間のピッチｐは、導体板３１の法線方向すなわち垂直方向に対して傾斜する方向に電磁界が放射されるように設定される。
【００２４】
以下に、ピッチｐの設計方法を説明する。ただし、誘電体板１３はラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）から十分離れて配置され、ラジアルアンテナ３０外部の等価比誘電率εa は１に近似できるものとする。この条件下では、ラジアルアンテナ３０内部（すなわちラジアル導波路３６）の比誘電率εv の値は、εv とεa との比εr （＝εv／εa）と等しくなる。
【００２５】
図３は、径方向における隣接スロット間のピッチｐの設計方法の説明図である。電磁界の放射方向とは、放射された電磁界が強め合う方向である。電磁界の強め合いは、図３を用いて言えば、Ａ点から放射される電磁界５１Ａと、Ａ点からＢ点を経由してＣ点に達する電磁界５１Ｂとが同じ位相となったときに起こる。その条件は（１）式に示すようになる。
ｐ/λg＋(ｐ・cosθ)/λ＝Ｎ ・・・（１）
ここで、θは放射角度（導体板３１に平行な方向と電磁界５１Ａ，５１Ｂの放射方向とのなす角度）、λは真空中における電磁界５１Ａ，５１Ｂの波長、Ｎは自然数である。
【００２６】
いま、ピッチｐを（２）式のように定義する。
ｐ＝α・λg （α＞０） ・・・（２）
また、比誘電率がεv であるラジアル導波路３６内を伝搬する電磁界の波長λg は、
λg＝λ/εv 1/2＝λ/εr 1/2 ・・・（３）
で表されるので、（２）式及び（３）式を（１）式に代入して整理すると、（４）式が得られる。
cosθ＝εr 1/2[(Ｎ/α)−１] ・・・（４）
【００２７】
（４）式より、εr ，Ｎ，αは
−１≦εr 1/2[(Ｎ/α)−１]≦１ ・・・（５）
の関係を満たす必要がある。このとき、角度θが
θ＝cos-1[εr 1/2[(Ｎ/α)−１]] ・・・（６）
となる方向で電磁界５１Ａ，５１Ｂの位相がそろい、この方向に電磁界が放射されることになる。
しかし、（４）式においてＮ＝αのとき、 cosθ＝０すなわちθ＝（２Ｍ−１）π／２（Ｍは自然数）となり、垂直方向に電磁界５１Ａ，５１Ｂが放射されることになる。したがって、径方向における隣接スロット間のピッチｐを、（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計することにより、垂直方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射させることができる。
【００２８】
以下、具体例を示す。まず、ラジアル導波路３６内にＡｌ2Ｏ3（εv ＝εr ≒９）からなる誘電体部材３９が配置されている場合を示す。
（５）式を変形すると、
Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)]≦α≦Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（７）
となるので、εr ＝９のとき、Ｎとαとの関係は
３/４×Ｎ≦α≦３/２×Ｎ ・・・（８）
で表される。図４は、（８）式により規定されるＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。ただし、上述したようにＮ＝αのとき垂直放射となるので、図４ではＮ＝αの点を白丸で示し、除外している。
【００２９】
図４では、α＜Ｎ（各棒グラフにおける白丸の左側）で放射角度θが鋭角になり、α＞Ｎ（各棒グラフにおける白丸の右側）で放射角度θが鈍角になる。したがって、各棒グラフが相互に重なる部分（網目を付した部分）では、鋭角及び鈍角の両方向に電磁界が放射されることになる。なお、各棒グラフの左端は放射角度θ＝０゜、右端は放射角度θ＝１８０゜となり、放射された電磁界は導体板３１に沿った伝搬となる。
αが大きくなると、（２）式よりスロット間のピッチｐが大きくなり、それに応じて導体板３１に形成できるスロット３４の数が少なくなり、電磁界の放射効率が低くなる。このため実用上は、Ｎ＝１、０．７５≦α≦１．５、α≠１とするのが望ましい。図５は、この条件下における放射角度θのスロットピッチｐ依存性を示す図である。横軸は隣接スロット間のピッチｐ［ｃｍ］、縦軸は放射角度θ［゜］である。ただし、管内波長λg ＝４［ｃｍ］とした。
【００３０】
次に、ラジアル導波路３６内に誘電体部材３９が配置されていない場合、すなわちラジアル導波路３６内が空気（εv ＝εr ≒１）である場合を示す。εr ≒１のとき、（５）式は
−１≦(Ｎ/α)−１≦１ ・・・（９）
すなわち、
α≧Ｎ/２ ・・・（１０）
となる。図６は、（１０）式により規定されるＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。ただし、上述したようにＮ＝αのとき垂直放射となるので、図６ではＮ＝αの点を白丸で示し、除外している。
【００３１】
図６では、α＜Ｎ（各棒グラフにおける白丸の左側）で放射角度θが鋭角になり、α＞Ｎ（各棒グラフにおける白丸の右側）で放射角度θが鈍角になる。また、各棒グラフが相互に重なる部分（網目を付した部分）では、複数の方向に電磁界が放射されることになる。なお、各棒グラフの左端は放射角度θ＝０゜、右端（図示せず）は放射角度θ＝１８０゜となり、放射された電磁界は導体板３１に沿った伝搬となる。
上述した例と同じ理由から、実用上は、Ｎ＝１、０．５≦α≦２、α≠１とするのが望ましい。図７は、この条件下における放射角度θのスロットピッチｐ依存性を示す図である。横軸は隣接スロット間のピッチｐ［ｃｍ］、縦軸は放射角度θ［゜］である。ただし、管内波長λg ＝１２［ｃｍ］とした。
【００３２】
なお、ラジアルアンテナ３０の放射面をなす導体板３１には、図８（ａ）に示すように、対をなすスロット３４Ａ，３４Ｂをハの字形をなすように形成してもよい。ここで、図８（ｂ）に示すように、導体板３１の中心をＯ、略径方向に隣り合う２つのスロット３４Ａの中心をそれぞれ３４Ａ１，３４Ａ２、略径方向に隣り合う２つのスロット３４Ｂの中心をそれぞれ３４Ｂ１，３４Ｂ２とすると、Ｏ−３４Ａ１間距離とＯ−３４Ｂ１間距離との差を略λg/４とする。３４Ａ２，３４Ｂ２についても同様とする。また、上述した径方向における隣接スロット間のピッチｐは、Ｏ−３４Ａ１間距離とＯ−３４Ａ２間距離との差又はＯ−３４Ｂ１間距離とＯ−３４Ｂ２間距離との差により定義され、このように定義されたピッチｐを上述した（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計することにより、導体板３１の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射させることができる。この際、図８（ａ）に示すように、スロット３４Ａ，３４Ｂの対を螺旋状に形成してもよい。
【００３３】
次に、図１に示したエッチング装置の動作を説明する。
基板２１を載置台２２の上面に置いた状態で、処理容器１１内を例えば０．０１〜１０Ｐａ程度の真空度にする。この真空度を維持しつつ、プラズマガス供給ノズル１５からプラズマガスとしてＡｒを供給し、処理ガス供給ノズル１６からＣＦ4 などのエッチングガスを流量制御して供給する。
処理容器１１内にプラズマガス及びエッチングガスが供給された状態で、高周波発生器４５からの高周波の電磁界を矩形導波管４３、矩形・同軸変換器４２及び同軸線路４１を介してラジアルアンテナ３０に供給する。
【００３４】
ラジアルアンテナ３０に供給された電磁界は、導体板３１，３２によって構成されるラジアル導波路３６の中央部から外周部に向かって放射状に伝搬してゆき、導体板３１に形成された多数のスロット３４から少しずつ放射される。導体板３１の径方向における隣接スロット間のピッチｐは、上述した（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計されているので、導体板３１の法線方向（図１ではＺ軸方向）に対して傾斜する方向に電磁界が放射される。導体板３１は誘電体板１３に平行に配置されているので、電磁界は誘電体板１３の法線方向（図１ではＺ軸方向）に対して傾斜する方向に放射されることになる。
この高周波の電磁界は、誘電体板１３を透過して処理容器１１内に導入され、処理容器１１に電界を形成してＡｒを電離させることにより、処理対象の基板２１の上部空間Ｓ１にプラズマを生成する。
このエッチング装置では、載置台２２に負電位をバイアスすることにより、生成されたプラズマからイオンが引き出されて、基板２１に対してエッチング処理が行われる。
【００３５】
次に、図１に示したエッチング装置の効果を、図２０に示した従来のエッチング装置と対比して説明する。ここでは図１，図２０に示したエッチング装置で生成されたプラズマの分布を調べるために、これらのプラズマの写真撮影を行った。図９は、この写真撮影に使用した装置の説明図である。ここで、図９（ａ）は図２０に示したエッチング装置のラジアルアンテナ１３０の寸法を示す断面図、図９（ｂ）は図１に示したエッチング装置のラジアルアンテナ３０の寸法を示す断面図、図９（ｃ）はＣＣＤカメラの配置図である。
【００３６】
プラズマの写真撮影は、図９（ｃ）に示すように、基板２１，１２１が置かれていない載置台２２，１２２の中央部にＣＣＤカメラ２９を配置し、管内波長λg がおよそ４ｃｍである電磁界を処理容器１１，１１１内に放射したときのプラズマ生成空間Ｓ１を撮影することにより行った。このとき、従来のエッチング装置に関しては、図９（ａ）に示すような寸法のラジアルアンテナ１３０を使用した。すなわち、導体板１３１の直径を４８ｃｍ、厚みを０．０３ｃｍ、径方向における隣接スロット間のピッチｐ２を４ｃｍ（＝λg ）とし、リング部材１３３の高さを０．５ｃｍとした。また、図１に示したエッチング装置に関しては、図９（ｂ）に示すような寸法のラジアルアンテナ３０を使用した。すなわち、導体板３１の直径と厚み、リング部材３３の高さを上記ラジアルアンテナ１３０と同寸法とし、導体板３１の径方向における隣接スロット間のピッチｐを３．５ｃｍ（＝０．８７５λg ）とした。
【００３７】
図１０は、このような条件の下でプラズマを写真撮影したときに得られた像の模式図であり、図１０（ａ）は図２０に示したエッチング装置で得られた像、図１０（ｂ）は図１に示したエッチング装置で得られた像を示している。図１０（ａ）に示されているように、隣接スロット間のピッチｐ２＝λg であるラジアルアンテナ１３０を使用した従来のエッチング装置では、プラズマ発生領域１６０の中央付近に、プラズマが高密度に発生する部分１６１Ａ，１６１Ｂが観測された。これに対して、隣接スロット間のピッチｐ＝０．８７５λg であるラジアルアンテナ３０を使用した図１に示したエッチング装置では、図１０（ｂ）に示すように、プラズマ発生領域６０にプラズマが高密度に発生する部分１６１Ａ，１６１Ｂはなく、均一に分布するプラズマが観測された。
このように図１に示したエッチング装置では、従来のエッチング装置と比較して均一に分布するプラズマを生成できるので、基板２１に対するエッチングの斑を抑制できるという効果が得られる。
【００３８】
次に、図１に示したような構造を有するラジアルアンテナ３０を使用することで、プラズマの分布を改善できた理由を説明する。
ラジアルアンテナ３０から処理容器１１に導入された電磁界の一部がプラズマ生成においても吸収されず、ラジアルアンテナ３０とプラズマ生成空間Ｓ１との間の空間Ｓ２に定在波を形成し、この定在波の電界がプラズマ生成に関わっていることは、従来のエッチング装置と同様である。したがって、図１に示したエッチング装置でも、ラジアルアンテナ３０からプラズマへ直接入射した電磁界の電界と、処理容器１１内に形成された定在波の電界の両方がプラズマ生成に関与していると言える。
【００３９】
図１１は、Ｚ軸方向（図１では垂直方向）に対して垂直なプラズマ面を有するプラズマの密度変化及びこのプラズマに入射した電磁界の電界強度変化を示す概念図である。図１１（ａ）において、横軸はプラズマと誘電体板１３との境界面からＺ軸方向の距離であり、縦軸はプラズマ密度及び電界強度である。また、Ｚ軸に垂直にＸ軸を設けると、実線は電磁界の電界ＥのＸ軸方向成分（すなわち、プラズマ面に平行な方向成分）ＥX の強度、点線は電磁界の電界ＥのＺ軸方向成分（すなわち、プラズマ面の法線方向の成分）ＥZ の強度、一点鎖線はプラズマ密度をそれぞれ示している。
プラズマ面がＺ軸に対して垂直なプラズマの密度は、プラズマと誘電体板１３との境界面からＺ軸方向に離れるにしたがって、図１１（ａ）の一点鎖線で示すように上昇してゆく。ここで、ある周波数に対してプラズマの誘電率がゼロになる密度を、その周波数におけるカットオフ密度という。
【００４０】
このようなプラズマに対して、図１１（ｂ）に示すように電磁界をＺ軸方向に対して傾斜する方向に入射させた場合、電界のＸ軸方向成分ＥX の強度は図１１（ａ）の実線で示すように、プラズマ密度がカットオフ密度となる地点Ｚ１までほぼ一定値を維持するが、この地点Ｚ１をこえると指数関数的に低下する。これに対して、電界のＺ方向成分ＥZ の強度は図１１（ａ）の点線で示すように、プラズマに入射した直後から上昇し、地点Ｚ１で極大を示してから下降に転ずる。この原理は「R.B.White,F.F.Chen,Amplification and Absorption of Electromagnetic Waves in Overdense Plasmas,Plasma Physics,vol.16,pp565-587」に記載されている。
Ｚ軸方向（すなわちプラズマ面の法線方向）に対して傾斜する方向に電磁界を入射させれば、電界のＺ方向成分ＥZ ができるので、Ｚ軸方向に入射させた場合と比較して、両成分ＥX，ＥZを合成した電界強度を大きくすることができる。
【００４１】
図１に示したエッチング装置では、ラジアルアンテナ３０からの電磁界は垂直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜する方向に放射され、水平配置された誘電体板１３の法線方向（Ｚ軸方向）に対して所定の角度をもって入射する。一方、処理容器１１内のプラズマ生成空間Ｓ１は誘電体板１３により制約されるので、誘電体板１３と対向するプラズマ面はこの誘電体板１３に沿った形状となり水平面となる。したがって、ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界は、誘電体板１３と対向するプラズマ面の法線方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜する方向に入射することになる。
【００４２】
したがって、上述した原理にしたがえば、ラジアルアンテナ３０を使用することにより、プラズマ生成空間Ｓ１に従来よりも大きな電界を形成できるので、ラジアルアンテナ３０から直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成効率を向上させることができる。これにより、ラジアルアンテナ３０から直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成への寄与が大きくなり、処理容器１１内の空間Ｓ２に形成される定在波の電界によるプラズマ生成への関与が相対的に低くなる。
【００４３】
ラジアルアンテナ３０からプラズマへ直接入射した電磁界の電界によるプラズマの生成は、比較的容易に制御できる。例えば、放射面（導体板３１）に形成される各スロットの長さを径方向で調整して、各スロットから放射される電界の強度を適当に調整することで、プラズマの生成を制御できる。これに対して、定在波の電界によるプラズマの生成は制御が困難である。図１に示したエッチング装置では、上述したように、直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成を、定在波の電界によるプラズマ生成よりも優勢にすることができるので、所望のプラズマ分布となるようにプラズマの生成を制御することができる。よって、図１０（ｂ）に示したような均一なプラズマ分布を得ることができた。
【００４４】
図１２は、電磁界の吸収係数の角度依存性を示す図である。横軸は電磁界の放射角度θ（図３参照）の余弦であり、縦軸は吸収係数ηである。この図から、プラズマ中の電子密度ｎe にもよるが、放射角度θがおよそ３０゜〜５０゜において吸収係数が最大となることが分かる。したがって、このような角度θで電磁界を放射することにより、ラジアルアンテナ３０から直接入射した電磁界によるプラズマ生成が支配的になるので、プラズマ分布の制御を正確に行うことができる。
なお、隣接スロット間のピッチｐは、径方向（すなわち、ラジアル導波路３６内における電磁界の伝搬方向）で一定であってもよいし、変化していてもよい。径方向で隣接スロット間のピッチｐに変化をつけると、この径方向で電磁界の放射方向が変化する。図１２から分かるように、電磁界の放射方向が変化すれば電磁界の吸収係数も変化するので、径方向でプラズマの生成効率を制御してプラズマ分布を調整することができる。
【００４５】
以上ではラジアルアンテナ３０を用いた例を説明したが、これに限定されるものではなく、他のスロットアンテナ、例えば矩形導波路アンテナを用いても同様の効果を得られる。図１３は、本発明に使用可能な矩形導波路アンテナアレーの構成を示す斜視図である。
このアンテナアレーは、矩形導波路の一面に複数のスロット７４が形成された矩形導波路アンテナ７０を、その短め方向に連続配置したものである。ここで、矩形導波路アンテナ７０のスロット７４は、矩形導波路内における電磁界の伝搬方向に等間隔に形成され、隣接スロット間のピッチｐは、上述した（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計されている。なお、スロットを図８に示したようにハの字形に形成してもよい。また、隣接スロット間のピッチｐを、矩形導波路内における電磁界の伝搬方向で変化をつけてもよい。図１３において、８１は高周波発生器（図示せず）に接続された電磁界分配用の矩形導波路である。
【００４６】
（第２の実施の形態）
ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に多数形成されるスロット３４のピッチｐの設計方法に関し、第１の実施の形態では、アンテナ３０外部の等価比誘電率εa を１に近似したときの設計方法について説明したが、ここではそれを一般論に拡張して説明する。
図３において、Ａ点から放射される電磁界５１Ａと、Ａ点からＢ点を経由してＣ点に達する電磁界５１Ｂとが同じ位相となる条件は、（１１）式に示すようになる。
ｐ/λg＋(ｐ・cosθ)/λa＝Ｎ ・・・（１１）
ここで、λa はアンテナ３０の外部を伝搬する電磁界５１Ａ，５１Ｂの波長、Ｎは０以上の整数である。
【００４７】
真空中における電磁界の波長をλとすると、
λg＝λ/εv 1/2，λa＝λ/εa 1/2 ・・・（１２）
で表されるので、この（１２）と、（２）式で定義したｐ＝α・λgとを（１１）式に代入して整理すると、
cosθ＝(εv/εa)1/2・[(Ｎ/α)−１] ・・・（１３）
となる。εv/εa＝εrとすると、（１３）式は、
cosθ＝εr 1/2[(Ｎ/α)−１] ・・・（１４）
となる。
【００４８】
この（１４）式より、εr ，Ｎ，αは
−１≦εr 1/2[(Ｎ/α)−１]≦１ ・・・（１５）
の関係を満たす必要がある。このとき、角度θが
θ＝cos-1[εr 1/2[(Ｎ/α)−１]] ・・・（１６）
となる方向で電磁界５１Ａ，５１Ｂの位相がそろい、この方向に電磁界が放射されることになる。
したがって、電磁界の放射に関して、以下の事項が導き出される。
【００４９】
１．Ｎ＝０の場合：
θ＝cos-1(−εr 1/2) であるから、
▲１▼ εr ＞１の場合、解がなく、電磁界は放射されない。
▲２▼ εr ＝１の場合、θ＝１８０゜となり、水平方向に電磁界５１Ａ，５１Ｂが放射される。
▲３▼ εr ＜１の場合、電磁界はεr に依存した角度θに放射される。
【００５０】
２．Ｎが１以上で、Ｎ＝αの場合：
cosθ ＝０すなわちθ＝（２Ｍ−１）π／２（Ｍは自然数）となり、垂直方向に電磁界５１Ａ，５１Ｂが放射されることになる。
【００５１】
３．Ｎが１以上で、Ｎ≠αの場合：
（１５）式を変形すると、次の２式が得られる。
Ｎ≧α・[１−(１/εr 1/2)] ・・・（１７）
Ｎ≦α・[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（１８）
▲１▼ εr ＞１の場合
（１７）式から、α≦Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（１９）
（１８）式から、α≧Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（２０）
したがって、Ｎとαとの関係は、
Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)]≦α≦Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（２１）
となる。
【００５２】
▲２▼ εr ＜１の場合
（１７）式から、α≧Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（２２）
ただし、（２）式より、α＞０
（１８）式から、α≦Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（２３）
したがって、Ｎとαとの関係は、
０≦α≦Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（２４）
となる。
【００５３】
▲３▼ εr ＝１の場合
（１５）式より
−１≦(Ｎ/α)−１≦１ ・・・（２５）
となるので、Ｎとαとの関係は、
α≧Ｎ/２ ・・・（２６）
となる。
【００５４】
以上より、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に形成されるピッチｐの設計に関して、次のように言える。すなわち、径方向における隣接スロット間のピッチｐを（１５）式を満たすように設計することにより、所定の角度θに電磁界を放射させることができる。この放射角度θは、ラジアルアンテナ３０の内外の比誘電率の比εr によって決定される。ただし、Ｎが１以上でＮ＝α（＝ｐ/λg）の場合には、放射面に対して垂直方向に電磁界が放射されるので、Ｎが１以上の場合にはＮ≠αとなるようにピッチｐを設計することにより、垂直方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射させることができる。
以上説明したように、プラズマ処理装置の使用状況に応じて変化するラジアルアンテナ３０外部の等価誘電率εa を考慮し、アンテナ３０の内外の比誘電率の比εr に基づいてピッチｐを設計することにより、適切なスロット配置を得られる。
【００５５】
（第３の実施の形態）
図１４は、図１に示したラジアルアンテナ３０から誘電体板１３に至る一部構成を拡大して示す断面図である。誘電体板１３の厚みと比誘電率をそれぞれｄ1 ，ε1 、この誘電体板１３とラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）との間の距離と比誘電率をそれぞれｄ2 ，ε2 とし、ｄ1＋ｄ2＝ｄとする。この場合、ラジアルアンテナ３０外部の等価比誘電率εa は、
εa＝ε1・ε2/[ε1・(１−β)＋ε2・β] ・・・（２７）
で求められる。ここで、
β＝ｄ1/ｄ ・・・（２８）
である。
【００５６】
いま、図１５に示すように、誘電体板１３とラジアルアンテナ３０の放射面との距離をｄ2 からΔｄだけ小さくすると、ｄもΔｄだけ小さくなるので（２８）式よりβが大きくなり、ε1≠ε2の場合にはεa が変化する。一方、（１６）式から分かるように、放射角度θはラジアルアンテナ３０の内外の比誘電率の比εr＝εv/εaで決定されるので、εa が変化すれば放射角度θも変化する。したがって、ラジアルアンテナ３０を上下に動かして、誘電体板１３からラジアルアンテナ３０の放射面までの距離を変えることにより、放射角度θを制御することができる。
【００５７】
図１６は、ラジアルアンテナ３０を上下に動かしたときのプラズマ分布の変化を示す概念図である。横軸は処理容器１１の中心軸（Ｏ）から半径方向への距離であり、縦軸はプラズマ密度である。この図から分かるように、誘電体板１３からラジアルアンテナ３０の放射面までの距離をｄ2 −Δｄ，ｄ2 ，ｄ2 ＋Δｄ（Δｄは数ｍｍ程度）と変化させることにより、それに応じてプラズマ分布が変化する。
以上より、誘電体板１３からラジアルアンテナ３０の放射面までの距離を変えて、電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整できると言える。
【００５８】
（第４の実施の形態）
図１７は、本発明の第４の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。この図において、図１と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
このエッチング装置では、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に対向配置される誘電体板１３Ａが、ドーム状をしている。したがって、この誘電体板１３Ａは、ラジアルアンテナ３０の放射面に対して傾斜する面を有している。なお、誘電体板１３Ａは、載置台２２の載置面に対して垂直な中心軸に対して、対称な形状をしている。
【００５９】
処理容器１１内のプラズマ生成空間Ｓ１は誘電体板１３Ａにより制約されるので、誘電体板１３Ａと対向するプラズマ面はこの誘電体板１３Ａに沿った曲面となる。このプラズマ面の法線方向は、中心軸付近を除き、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜しているので、仮に電磁界を鉛直方向（Ｚ軸方向）に放射しても、その電磁界はプラズマ面の法線方向に対して傾斜する方向に入射することになる。このように、ドーム状の誘電体板１３Ａを用いることにより、図１に示したエッチング装置と同様の条件を作り出すことが可能である。
【００６０】
しかし、３〜３０ｍｍという比較的薄い誘電体板をドーム状に成形すると、曲率が必要以上に大きくなり、所望の曲率に成形することができない場合がある。一方、比較的厚い誘電体板を用いれば曲率を小さくすることは可能であるが、電磁界の損失が大きくなってしまう。そこで、誘電体板１３Ａの曲率が必要以上に大きい場合には、放射面（導体板３１）の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するラジアルアンテナ３０を用いて、誘電体板１３Ａへの電磁界の入射角を小さくするとよい。このようにして処理容器１１内における電界強度の分布を調整することにより、プラズマの分布を改善することができる。ここで、径方向で隣接スロット間のピッチｐに変化をつけて、この方向で電磁界の放射方向に分布をもたせることにより、プラズマの分布を調整してもよい。
なお、誘電体板１３Ａは、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に対して傾斜する面を有していればよいので、上又は下に凸の円錐面状など、他の凸形状であってもよい。
【００６１】
（第５の実施の形態）
図１８は、本発明の第５の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。この図において、図１及び図１７と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
このエッチング装置は、ドーム状の誘電体板１３Ａに代えて、処理位置にある基板２１の周囲を覆う半球状又はドーム状のベルジャー１８を有している。具体的には、半球状又はドーム状のベルジャー１８の開口部を下側にして処理位置上方からかぶせ、処理位置下方の処理容器１１側壁にベルジャー１８の開口部を固定した構造となっている。したがって、プラズマが比較的高密度で存在する空間に近接する処理容器１１Ａの側壁は、ベルジャー１８により載置台２２Ａから隔離される。このベルジャー１８は、厚さ３〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又は（Ａｌ2 Ｏ3 又はＡｌＮ等の）セラミックなどの誘電体で形成されている。また、処理容器１１とベルジャー１８との接合部には、Ｏリングなどのシール部材１２Ａを介在させている。
【００６２】
基板２１が配置される載置台２２Ａは、処理容器１１Ａの底部を遊貫する昇降軸２８によって支持され、上下動自在となっている。基板を搬入搬出口１９から搬入又は搬出するときは、載置台２２Ａを下に降ろし、エッチング処理を行うときは、載置台２２Ａを上げて基板２１を処理位置に配置することができる。
処理容器１１の底部には、セラミックなどからなる絶縁板２４Ａが設けられている。また、処理容器１１Ａとベルジャー１８とで形成された処理室の気密性を確保するため、載置台２２Ａと絶縁板２４Ａとの間に、昇降軸２８を囲むようにベローズ２９が設けられている。
さらに、処理容器１１Ａの底部には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口１４Ａが設けら、処理容器１１Ａの側壁には、処理室内にプラズマガス及びエッチングガスを導入するためのノズル１５Ａが設けられている。このノズル１５Ａは基板１２の処理位置の上側までのびており、ガスが載置台２２Ａの上部空間に放出されるようになっている。
【００６３】
上述したように、ベルジャー１８は半球状又はドーム状をしており、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に対して傾斜する面を有している。したがって、図１７に示したエッチング装置と同様に、放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するラジアルアンテナ３０を用いて、処理室における電界強度の分布を調整することにより、プラズマの分布を改善することができる。また、プラズマ生成空間Ｓ１を含むプラズマが比較的高密度で存在する空間に近接する領域では、処理容器１１Ａの側壁がベルジャー１８でカバーされているので、生成されたプラズマが処理容器１１Ａの側壁に接触して表面をスパッターすることによって起こる処理室内の汚染を抑制することができる。
なお、半球状又はドーム状のベルジャーが載置台２２Ａの載置面に乗る構造にして、載置台２２Ａとベルジャーとにより処理室が形成されるようにしてもよい。
【００６４】
（第６の実施の形態）
以上では、本発明をエッチング装置に適用した例を説明してきたが、例えばプラズマＣＶＤ（chemical vaper deposition ）装置などの他のプラズマ処理装置に本発明を適用してもよい。そこで次に、本発明をＣＶＤ装置に適用した例を説明する。図１９は、本発明の第６の実施の形態であるＣＶＤ装置の構成を示す図である。この図において、図１及び図１８と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
このＣＶＤ装置は、基板２１を加熱するヒーター９１や、処理室内にＳｉＨ4 とＨ2 との混合ガスなどを導入するガス供給ノズル９２など、ＣＶＤ装置に必要な構成を有するほか、放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するラジアルアンテナ３０と、処理位置にある基板２１の周囲を覆う半球状又はドーム状のベルジャー（第１の誘電体部材）１８とを備え、図１９に示したエッチング装置と同様の特徴を有している。
【００６５】
また、このＣＶＤ装置では、処理容器１１Ａの上部開口が誘電体板（第２の誘電体部材）１３で密閉されている。また、ベルジャー１８と誘電体板１３と処理容器１１Ａとによって囲まれた密閉空間に所定温度のガスを流通させてベルジャー１８を温度調整するために、流通手段としてノズル９３と排気口９４とが処理容器１１Ａの側壁に設けられている。ノズル９３から導入されるガスには、高周波電磁界を吸収しにくいガスとして例えばＮ2 が用いられる。このガスの温度は、ベルジャー１８よりも高い温度に設定され、その上限は６００℃とする。
【００６６】
図１９に示したＣＶＤ装置の動作を説明する。
まず、ヒーター９１を１５０℃程度にして基板２１を加熱した状態で、ガス供給ノズル９２から処理室内にＳｉＨ4 とＨ2 との混合ガスを導入する。ラジアルアンテナ３０から処理室内に電磁界を供給すると、ＳｉＨ4 が解離してＳｉＨx （ｘ＝１，２，３，４）となり、このＳｉＨx が基板２１の表面で反応してアモルファスＳｉ（以下、ａ−Ｓｉと略記する）が成膜される。このとき、ベルジャー１８が常温であれば、ベルジャー１８の内面にＳｉＨx が付着し、ａ−Ｓｉが成膜される。このａ−Ｓｉによってラジアルアンテナ３０からの電磁界の導入が阻害されることになる。しかし、ベルジャー１８と誘電体板１３との間の空間に６００℃以下の温度、例えば１５０℃〜３００℃のＮ2 を流通させてベルジャー１８を加温することによりＳｉＨx が付着しにくくなるので、ベルジャー１８内面におけるａ−Ｓｉの成膜を低減できる。したがって、ベルジャー１８を介して処理室内に導入される電磁界の損失を低減し、効率よくプラズマを生成して成膜を行うことができる。
【００６７】
なお、ベルジャー１８と誘電体板１３と処理容器１１Ａとによって囲まれた密閉空間に流通させる流体は、ガスに限らず、液体であってもよい。この場合、例えばガルデン（パーフルオロポリエーテル）又はフロリケートなど、高周波電磁界を吸収しにくい液体を用いることが好ましい。
また、上記の温度より低温の流体を密閉空間に流通させて、ベルジャー１８を冷却するようにしてもよい。電磁界の作用によってベルジャー１８の温度が高くなりすぎると、ベルジャー１８が破損する原因となる。また、図１８に示したエッチング装置では、ベルジャー１８の輻射熱で基板２１上のレジストが焼け、所望のパターンにエッチンできないことがある。しかし、このようにしてベルジャー１８を冷却することにより、上記の問題を回避することができる。
また、ベルジャー１８と共に密閉空間を形成する第２の誘電体部材は、ベルジャー１８に対して載置台２２Ａ又は基板２１と異なる側に配置されればよい。したがって、ラジアルアンテナ３０の給電線である同軸線路４１の途中に第２の誘電体部材を詰めて密閉空間を形成してもよい。この場合、ラジアルアンテナ３０の内部にも流体が流通することになる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、スロットアンテナから処理容器内に電磁界を放射する際に、アンテナ放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するものである。これにより、スロットアンテナから直接入射する電磁界によるプラズマ生成を、処理容器内で形成される定在波の電界によるプラズマ生成よりも優勢にすることができる。前者は後者よりも制御が容易であるので、プラズマの分布を従来よりも改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図２】 ラジアルアンテナの放射面をなす第１の導体板の一構成例を示す図である。
【図３】 第１の導体板の径方向における隣接スロット間のピッチｐの設計方法の説明図である。
【図４】 比誘電率εr ≒９のときのＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。
【図５】 比誘電率εr ≒９のときにおける放射角度θのスロットピッチｐ依存性の一例を示す図である。
【図６】 比誘電率εr ≒１のときのＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。
【図７】 比誘電率εr ≒１のときにおける放射角度θのスロットピッチｐ依存性の一例を示す図である。
【図８】 ラジアルアンテナの放射面をなす第１の導体板の他の構成例を示す図である。
【図９】 プラズマの写真撮影に使用した装置の説明図である。
【図１０】 プラズマを写真撮影したときに得られた像の模式図である。
【図１１】 Ｚ軸方向に対して垂直なプラズマ面を有するプラズマの密度変化及びこのプラズマに入射した高周波の電界強度変化を示す概念図である。
【図１２】 電磁界の吸収係数の角度依存性を示す図である。
【図１３】 本発明に使用可能な矩形導波路アンテナアレーの構成を示す斜視図である。
【図１４】 図１に示したラジアルアンテナから誘電体板に至る一部構成を拡大して示す断面図である。
【図１５】 図１４に示した誘電体板とラジアルアンテナの放射面との距離を狭めたときの断面図である。
【図１６】 ラジアルアンテナを上下に動かしたときのプラズマ分布の変化を示す概念図である。
【図１７】 本発明の第４の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図１８】 本発明の第５の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図１９】 本発明の第６の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図２０】 従来の高周波プラズマ処理装置を用いたエッチング装置の構成図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、１３…誘電体板、２１…基板、２２…載置台、３０…ラジアルアンテナ、３１，３２…導体板、３４，３４Ａ，３４Ｂ，７４…スロット、３５…導入口、７０…矩形導波路アンテナ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波の電磁界によりプラズマを生成して所定の処理を行うプラズマ処理装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が多用されている。これらのプラズマ処理装置の中に、アンテナから処理容器内へ高周波の電磁界を導入して高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ処理装置がある。この高周波プラズマ処理装置は、プラズマガスの圧力が比較的低くても安定してプラズマを生成することができるので、用途が広いという特色がある。
【０００３】
図２０は、従来の高周波プラズマ処理装置を用いたエッチング装置の構成を示す図である。この図２０では、一部構成について断面構造が示されている。
円筒形状の処理容器１１１の上部開口に、誘電体板１１３が水平配置されている。これらの接合部にシール部材１１２を介在させることにより、処理容器１１１内部の気密性を確保している。処理容器１１１の底部には真空排気用の排気口１１４が設けられ、また処理容器１１１の側壁にはガス供給用のノズル１１６が設けられている。処理容器１１１内には、エッチング対象の基板１２１を置くための載置台１２２が収容されている。この載置台１２２はバイアス用の高周波電源１２６に接続されている。
【０００４】
また、誘電体板１１３上部にはラジアルアンテナ１３０が配設されている。誘電体板１１３及びラジアルアンテナ１３０の周囲はシールド材１１７によって覆われている。
ラジアルアンテナ１３０は、ラジアル導波路１３６を形成する互いに平行な２枚の導体板１３１，１３２と、これらの導体板１３１，１３２の外周部を接続するリング部材１３３とから構成される。放射面を構成する導体板１３１には、スロット１３４が多数形成されている。ラジアル導波路１３６内を伝搬する電磁界の波長（以下、管内波長という）がλg であるとき、径方向における隣接スロット間のピッチｐ２は管内波長と同じλg に設定される。また、導体板１３２の中央部には、ラジアル導波路１３６内に電磁界を導入する導入口１３５が形成されている。この導入口１３５には導波路１４１を介して高周波発生器１４５が接続されている。
【０００５】
次に、このエッチング装置の動作を説明する。
まず、処理容器１１１内を所定の真空度にした後、ノズル１１６から例えばＣＦ4 とＡｒとの混合ガスを流量制御して供給する。この状態で、高周波発生器１４５から導波路１４１を介して、高周波の電磁界をラジアルアンテナ１３０に供給する。
ラジアルアンテナ１３０に供給された電磁界はラジアル導波路１３６の内部を伝搬しつつ、導体板１３１に形成された多数のスロット１３４から放射される。径方向における隣接スロット間のピッチｐ２がλg に設定されているので、この電磁界は導体板１３１（放射面）に対してほぼ垂直方向に放射される。そして、誘電体板１１３を透過して、処理容器１１１内に導入される。
【０００６】
処理容器１１１内に導入された電磁界の電界は、処理容器１１１内のガスを電離させて、処理対象の基板１２１の上部空間Ｓ１にプラズマを生成する。このとき、処理容器１１１内に導入された電磁界のすべてが直接プラズマ生成によって吸収されるわけではない。吸収されずに残った電磁界は、処理容器１１１内で反射を繰り返して、ラジアルアンテナ１３０とプラズマ生成空間Ｓ１との間の空間Ｓ２に定在波を形成する。この定在波の電界もプラズマ生成に関与することが分かっている。
このようにして生成されたプラズマのイオンは、載置台１２２の負電位によって引き出されて、エッチング処理に利用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図２０に示した従来のエッチング装置では、空間Ｓ２に形成された定在波がプラズマ生成に与える影響が大きい。この定在波の電界分布を制御することは困難であるので、従来のエッチング装置ではプラズマを均一に生成することができなかった。例えば、このエッチング装置で処理容器１１１内に生成されたプラズマを観察したところ、後掲する図１０（ａ）に示されるように、プラズマ発生領域１６０の中央付近に、プラズマが高密度に発生する部分１６１Ａ，１６１Ｂが確認された。
このため、従来では、処理対象の基板１２１で、プラズマが高密度になっている下の領域ほど、エッチング処理が速く進行するという問題が発生していた。このような処理量に斑が生じるという問題は、図２０に示したエッチング装置だけでなく、従来のプラズマ処理装置に共通する問題であった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、高周波の電磁界により生成されたプラズマの分布を改善することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、放射面に形成された複数のスロットより処理容器内に電磁界を放射するスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置であって、スロットアンテナが、放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するように、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向における隣接スロット間のピッチが調整され、スロットアンテナ内部の比誘電率ε v とスロットアンテナ外部の比誘電率ε a との比ε v / ε a をε r 、スロットアンテナ内部を伝搬する電磁界の波長をλ g 、隣接スロット間のピッチをｐ＝α・λ g （α＞０）とし、Ｎを０以上の整数とすると、
−１≦ε r 1/2 ( Ｎ / α−１ ) ≦１
かつ Ｎが１以上の場合に、Ｎ≠α
を満たすようにε r ，Ｎ，αが設定されていることを特徴とする。
誘電体板がアンテナ放射面に平行に配置されている場合、電磁界は誘電体板の法線方向に対して傾斜する方向に放射される。また、処理容器内において誘電体板と対向するプラズマ面はこの誘電体板に沿った形状となるので、スロットアンテナから誘電体板を介して処理容器内のプラズマに直接入射する電磁界は、このプラズマ面の法線方向に対して傾斜する方向に入射することになる。
プラズマと誘電体板との境界からプラズマ密度がカットオフ密度となる地点に至るまでの電磁界の電界変化を簡単に説明すると、プラズマ面に平行な方向成分の強度はほぼ一定値を維持するが、プラズマ面の法線方向成分の強度は単調に大きくなって行く。したがって、電磁界をプラズマ面の法線方向に対して傾斜する方向に入射させることにより、プラズマ面の法線方向に入射させた場合と比較して、両成分を合成した電界強度を大きくさせることができる。これにより、スロットアンテナから直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成効率を向上させることができる。
これにより、スロットアンテナから処理容器内に直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成への寄与が大きくなるので、処理容器内に形成される定在波の電界によるプラズマ生成への関与が相対的に低くなる。前者は後者よりも制御が容易であるので、プラズマの分布を従来よりも改善することができる。
【００１０】
ここで、前記隣接スロット間のピッチは、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向で変化していてもよい。これにより、電磁界の放射方向に分布をもたせて、プラズマの分布を調整することができる。
【００１１】
また、スロットアンテナと載置台の載置面とを隔離するように配置され、スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する誘電体部材を更に有するようにしてもよい。ここで、誘電体部材は、ドーム状をしていてもよい。また、誘電体部材は、処理容器の内面の少なくとも一部を載置台の載置面から隔離するものであってもよい。
あるいは、スロットアンテナと載置台の載置面とを隔離するように配置されスロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する第１の誘電体部材と、この第１の誘電体部材に対して載置台と異なる側に配置され第１の誘電体部材と共に密閉空間を形成する第２の誘電体部材と、この密閉空間に流体を流通させて第１の誘電体部材の温度を調整する流通手段とを更に有するようにしてもよい。ここで、第２の誘電体部材は、第１の誘電体部材とスロットアンテナとの間に配置されてもよいし、スロットアンテナの給電線途中に配置されてもよい。
【００１２】
また、スロットアンテナとして、互いに離間して対向配置された第１及び第２の導体板と、外周部で第１の導体板と第２の導体板との間をシールドするリング部材とを備え、第１の導体板に複数のスロットが形成され、第１の導体板と第２の導体板との間に電磁界を導入する導入口が第２の導体板の中央部に形成されたラジアルアンテナを使用してもよい。また、スロットアンテナとして、矩形導波路の一面に複数のスロットが形成された矩形導波路アンテナを使用してもよい。
【００１３】
また、本発明のプラズマ処理方法は、スロットアンテナ内部の比誘電率ε v とスロットアンテナ外部の比誘電率ε a との比ε v / ε a をε r 、スロットアンテナ内部を伝搬する電磁界の波長をλ g 、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向における隣接スロット間のピッチをｐ＝α・λ g （α＞０）とし、Ｎを０以上の整数とすると、
−１≦ε r 1/2 ( Ｎ / α−１ ) ≦１
かつ Ｎが１以上の場合に、Ｎ≠α
を満たすようにε r ，Ｎ，αを設定することにより、隣接スロット間のピッチを調整し、スロットアンテナが放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射して処理容器内に電磁界を供給し、この電磁界で生成されたプラズマにより被処理体に対して所定の処理を行うことを特徴とする。これにより、プラズマの分布を従来よりも改善することができる。
ここで、スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向で隣接スロット間のピッチを変えて、この方向で電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整するようにしてもよい。
【００１４】
また、スロットアンテナと被処理体とを隔離する誘電体部材からスロットアンテナまでの距離を変えて、電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整するようにしてもよい。
また、スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有しスロットアンテナと被処理体とを隔離する誘電体部材を配置するようにしてもよい。ここで、この誘電体部材をドーム状に形成してもよい。また、誘電体部材で処理容器の内面の少なくとも一部を被処理体から隔離するようにしてもよい。
あるいは、スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する第１の誘電体部材でスロットアンテナと被処理体とを隔離し、この第１の誘電体部材に対して被処理体と異なる側に第２の誘電体部材を配置して第１及び第２の誘電体部材により密閉空間を形成し、この密閉空間に流体を流通させて第１の誘電体部材の温度を調整するようにしてもよい。ここで、第２の誘電体部材を、第１の誘電体部材とスロットアンテナとの間に配置してもよいし、スロットアンテナの給電線途中に配置してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明をエッチング装置に適用した例を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。この図１では、一部構成について断面構造が示されている。また、説明の都合上、垂直方向をＺ軸方向と定義する。
【００１６】
図１に示したエッチング装置は、上部が開口している円筒形状の処理容器１１を有している。この処理容器１１は、アルミニウムなどの導体部材で形成されている。処理容器１１の上部開口には、平板状に成形された誘電体板１３が水平に配置されている。この誘電体板１３には、厚さ２０〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又は（Ａｌ2 Ｏ3 又はＡｌＮ等の）セラミックなどが用いられる。処理容器１１と誘電体板１３との接合部はＯリングなどのシール部材１２を介在させており、これにより処理容器１１内部の気密性を確保している。
【００１７】
処理容器１１の底部には、真空ポンプ（図示せず）に連通する排気口１４が設けられており、処理容器１１内部を所望の真空度にすることができる。
また、処理容器１１の側壁には、処理容器１１内にＡｒなどのプラズマガスを導入するためのプラズマガス供給ノズル１５と、ＣＦ4 などのエッチングガスを導入するための処理ガス供給ノズル１６とが上下に設けられている。これらのノズル１５，１６は石英パイプなどで構成されている。
処理容器１１内には、エッチング対象の基板（被処理体）２１を配置する載置面を有する載置台２２が収容されている。この載置台２２は、処理容器１１の底部に絶縁板２４を介して固設された支持台２３上に固定されている。また、載置台２２はマッチングボックス２５を介して、バイアス用の高周波電源２６に接続されている。この高周波電源２６は、例えば２〜１３．５６ＭＨｚの高周波を発生する。
【００１８】
また、誘電体板１３上部には、スロットアンテナの１つであるラジアルアンテナ３０が、放射面（後述する導体板３１）を下にして配設されている。このラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３を介して処理容器１１内に高周波の電磁界を放射するものである。ラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３により処理容器１１から隔離されており、処理容器１１内で生成されるプラズマから保護されている。
また、誘電体板１３及びラジアルアンテナ３０の周囲は、円筒形状のシールド部材１７によって覆われている。このシールド部材１７は、例えばアルミニウムなどの金属で形成されている。ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界は、このシールド部材１７により遮蔽されるので、エッチング装置の外部に漏れることはない。
【００１９】
ラジアルアンテナ３０は、同軸線路４１、矩形・同軸変換器４２及び矩形導波管４３を介して、高周波発生器４５に接続されている。この高周波発生器４５は、例えば２．４５ＧＨｚの高周波を発生するものである。なお、高周波発生器４５の出力周波数は１ＧＨｚ〜１０数ＧＨｚの範囲内であればよい。また、矩形導波管４３の途中にインピーダンスのマッチングを行うマッチング回路４４を設けることにより、電力の使用効率を向上させることができる。
【００２０】
次に、ラジアルアンテナ３０の構成について、さらに説明する。
図１に示すように、ラジアルアンテナ３０は、放射面を構成する第１の導体板３１と、この導体板３１に対して上方位置に対向配置された第２の導体板３２と、導体板３１，３２の外周部を接続して導体板３１，３２間をシールドするリング部材３３とから構成されている。
アンテナ上面をなす導体板３２の中央部には、２枚の導体板３１，３２により構成されるラジアル導波路３６内に高周波発生器４５からの高周波の電磁界を導入する導入口３５が形成されている。また、アンテナ下面をなす導体板３１には、多数のスロット３４が形成されている。この導体板３１は誘電体板１３に平行に配置されている。
【００２１】
ラジアル導波路３６内を伝搬する電磁界の波長（以下、管内波長という）がλg であるとき、２枚の導体板３１，３２の間隔はλg/２未満に設定される。例えば周波数が２．４５ＧＨｚの高周波を使用する場合、ラジアル導波路３６内の比誘電率εv が１であれば、導体板３１，３２の間隔は６ｃｍ未満となる。λg/２未満とすることにより、導体板３１，３２間に定在波が形成されることを防止することができる。ただし、２枚の導体板３１，３２間の放電を防止するため、導体板３１，３２間の間隔を０．５／(εv)1/2ｃｍ以上とすることが望ましい。
【００２２】
以上の導体板３１，３２及びリング部材３３は、銅又はアルミニウムなどの導体により形成される。なお、導体板３１，３２の間すなわちラジアル導波路３６内に、図１に示すようにセラミックなどの誘電体部材（比誘電率εv ＞１）３９を配置してもよい。
上述したように、ラジアルアンテナ３０には、高周波発生器４５に接続された同軸線路４１が接続されている。この同軸線路４１の外部導体４１Ａは、導体板３２の導入口３５周縁に接続されている。また、同軸線路４１の内部導体４１Ｂの先端は円錐状に成形され、この円錐の底部が導体板３１の中心に接続されている。
【００２３】
図２は、ラジアルアンテナ３０の放射面をなす導体板３１の一構成例を示す図である。ここで、図２（ａ）は、導体板３１全体の平面図、図２（ｂ）は、導体板３１の径方向において隣り合う２つのスロット３４の拡大図である。
図２（ａ）に示すように導体板３１には、略周方向に延びるスロット３４が、導体板３１の中心の周りに同心円状に多数形成されている。この同心円の半径は等差数列的に増えている。この同心円の半径の増加分を、径方向（すなわち、ラジアル導波路３６内における電磁界の伝搬方向）における隣接スロット間のピッチｐと定義する。この径方向における隣接スロット間のピッチｐは、導体板３１の法線方向すなわち垂直方向に対して傾斜する方向に電磁界が放射されるように設定される。
【００２４】
以下に、ピッチｐの設計方法を説明する。ただし、誘電体板１３はラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）から十分離れて配置され、ラジアルアンテナ３０外部の等価比誘電率εa は１に近似できるものとする。この条件下では、ラジアルアンテナ３０内部（すなわちラジアル導波路３６）の比誘電率εv の値は、εv とεa との比εr （＝εv／εa）と等しくなる。
【００２５】
図３は、径方向における隣接スロット間のピッチｐの設計方法の説明図である。電磁界の放射方向とは、放射された電磁界が強め合う方向である。電磁界の強め合いは、図３を用いて言えば、Ａ点から放射される電磁界５１Ａと、Ａ点からＢ点を経由してＣ点に達する電磁界５１Ｂとが同じ位相となったときに起こる。その条件は（１）式に示すようになる。
ｐ/λg＋(ｐ・cosθ)/λ＝Ｎ ・・・（１）
ここで、θは放射角度（導体板３１に平行な方向と電磁界５１Ａ，５１Ｂの放射方向とのなす角度）、λは真空中における電磁界５１Ａ，５１Ｂの波長、Ｎは自然数である。
【００２６】
いま、ピッチｐを（２）式のように定義する。
ｐ＝α・λg （α＞０） ・・・（２）
また、比誘電率がεv であるラジアル導波路３６内を伝搬する電磁界の波長λg は、
λg＝λ/εv 1/2＝λ/εr 1/2 ・・・（３）
で表されるので、（２）式及び（３）式を（１）式に代入して整理すると、（４）式が得られる。
cosθ＝εr 1/2[(Ｎ/α)−１] ・・・（４）
【００２７】
（４）式より、εr ，Ｎ，αは
−１≦εr 1/2[(Ｎ/α)−１]≦１ ・・・（５）
の関係を満たす必要がある。このとき、角度θが
θ＝cos-1[εr 1/2[(Ｎ/α)−１]] ・・・（６）
となる方向で電磁界５１Ａ，５１Ｂの位相がそろい、この方向に電磁界が放射されることになる。
しかし、（４）式においてＮ＝αのとき、 cosθ＝０すなわちθ＝（２Ｍ−１）π／２（Ｍは自然数）となり、垂直方向に電磁界５１Ａ，５１Ｂが放射されることになる。したがって、径方向における隣接スロット間のピッチｐを、（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計することにより、垂直方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射させることができる。
【００２８】
以下、具体例を示す。まず、ラジアル導波路３６内にＡｌ2Ｏ3（εv ＝εr ≒９）からなる誘電体部材３９が配置されている場合を示す。
（５）式を変形すると、
Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)]≦α≦Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（７）
となるので、εr ＝９のとき、Ｎとαとの関係は
３/４×Ｎ≦α≦３/２×Ｎ ・・・（８）
で表される。図４は、（８）式により規定されるＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。ただし、上述したようにＮ＝αのとき垂直放射となるので、図４ではＮ＝αの点を白丸で示し、除外している。
【００２９】
図４では、α＜Ｎ（各棒グラフにおける白丸の左側）で放射角度θが鋭角になり、α＞Ｎ（各棒グラフにおける白丸の右側）で放射角度θが鈍角になる。したがって、各棒グラフが相互に重なる部分（網目を付した部分）では、鋭角及び鈍角の両方向に電磁界が放射されることになる。なお、各棒グラフの左端は放射角度θ＝０゜、右端は放射角度θ＝１８０゜となり、放射された電磁界は導体板３１に沿った伝搬となる。
αが大きくなると、（２）式よりスロット間のピッチｐが大きくなり、それに応じて導体板３１に形成できるスロット３４の数が少なくなり、電磁界の放射効率が低くなる。このため実用上は、Ｎ＝１、０．７５≦α≦１．５、α≠１とするのが望ましい。図５は、この条件下における放射角度θのスロットピッチｐ依存性を示す図である。横軸は隣接スロット間のピッチｐ［ｃｍ］、縦軸は放射角度θ［゜］である。ただし、管内波長λg ＝４［ｃｍ］とした。
【００３０】
次に、ラジアル導波路３６内に誘電体部材３９が配置されていない場合、すなわちラジアル導波路３６内が空気（εv ＝εr ≒１）である場合を示す。εr ≒１のとき、（５）式は
−１≦(Ｎ/α)−１≦１ ・・・（９）
すなわち、
α≧Ｎ/２ ・・・（１０）
となる。図６は、（１０）式により規定されるＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。ただし、上述したようにＮ＝αのとき垂直放射となるので、図６ではＮ＝αの点を白丸で示し、除外している。
【００３１】
図６では、α＜Ｎ（各棒グラフにおける白丸の左側）で放射角度θが鋭角になり、α＞Ｎ（各棒グラフにおける白丸の右側）で放射角度θが鈍角になる。また、各棒グラフが相互に重なる部分（網目を付した部分）では、複数の方向に電磁界が放射されることになる。なお、各棒グラフの左端は放射角度θ＝０゜、右端（図示せず）は放射角度θ＝１８０゜となり、放射された電磁界は導体板３１に沿った伝搬となる。
上述した例と同じ理由から、実用上は、Ｎ＝１、０．５≦α≦２、α≠１とするのが望ましい。図７は、この条件下における放射角度θのスロットピッチｐ依存性を示す図である。横軸は隣接スロット間のピッチｐ［ｃｍ］、縦軸は放射角度θ［゜］である。ただし、管内波長λg ＝１２［ｃｍ］とした。
【００３２】
なお、ラジアルアンテナ３０の放射面をなす導体板３１には、図８（ａ）に示すように、対をなすスロット３４Ａ，３４Ｂをハの字形をなすように形成してもよい。ここで、図８（ｂ）に示すように、導体板３１の中心をＯ、略径方向に隣り合う２つのスロット３４Ａの中心をそれぞれ３４Ａ１，３４Ａ２、略径方向に隣り合う２つのスロット３４Ｂの中心をそれぞれ３４Ｂ１，３４Ｂ２とすると、Ｏ−３４Ａ１間距離とＯ−３４Ｂ１間距離との差を略λg/４とする。３４Ａ２，３４Ｂ２についても同様とする。また、上述した径方向における隣接スロット間のピッチｐは、Ｏ−３４Ａ１間距離とＯ−３４Ａ２間距離との差又はＯ−３４Ｂ１間距離とＯ−３４Ｂ２間距離との差により定義され、このように定義されたピッチｐを上述した（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計することにより、導体板３１の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射させることができる。この際、図８（ａ）に示すように、スロット３４Ａ，３４Ｂの対を螺旋状に形成してもよい。
【００３３】
次に、図１に示したエッチング装置の動作を説明する。
基板２１を載置台２２の上面に置いた状態で、処理容器１１内を例えば０．０１〜１０Ｐａ程度の真空度にする。この真空度を維持しつつ、プラズマガス供給ノズル１５からプラズマガスとしてＡｒを供給し、処理ガス供給ノズル１６からＣＦ4 などのエッチングガスを流量制御して供給する。
処理容器１１内にプラズマガス及びエッチングガスが供給された状態で、高周波発生器４５からの高周波の電磁界を矩形導波管４３、矩形・同軸変換器４２及び同軸線路４１を介してラジアルアンテナ３０に供給する。
【００３４】
ラジアルアンテナ３０に供給された電磁界は、導体板３１，３２によって構成されるラジアル導波路３６の中央部から外周部に向かって放射状に伝搬してゆき、導体板３１に形成された多数のスロット３４から少しずつ放射される。導体板３１の径方向における隣接スロット間のピッチｐは、上述した（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計されているので、導体板３１の法線方向（図１ではＺ軸方向）に対して傾斜する方向に電磁界が放射される。導体板３１は誘電体板１３に平行に配置されているので、電磁界は誘電体板１３の法線方向（図１ではＺ軸方向）に対して傾斜する方向に放射されることになる。
この高周波の電磁界は、誘電体板１３を透過して処理容器１１内に導入され、処理容器１１に電界を形成してＡｒを電離させることにより、処理対象の基板２１の上部空間Ｓ１にプラズマを生成する。
このエッチング装置では、載置台２２に負電位をバイアスすることにより、生成されたプラズマからイオンが引き出されて、基板２１に対してエッチング処理が行われる。
【００３５】
次に、図１に示したエッチング装置の効果を、図２０に示した従来のエッチング装置と対比して説明する。ここでは図１，図２０に示したエッチング装置で生成されたプラズマの分布を調べるために、これらのプラズマの写真撮影を行った。図９は、この写真撮影に使用した装置の説明図である。ここで、図９（ａ）は図２０に示したエッチング装置のラジアルアンテナ１３０の寸法を示す断面図、図９（ｂ）は図１に示したエッチング装置のラジアルアンテナ３０の寸法を示す断面図、図９（ｃ）はＣＣＤカメラの配置図である。
【００３６】
プラズマの写真撮影は、図９（ｃ）に示すように、基板２１，１２１が置かれていない載置台２２，１２２の中央部にＣＣＤカメラ２９を配置し、管内波長λg がおよそ４ｃｍである電磁界を処理容器１１，１１１内に放射したときのプラズマ生成空間Ｓ１を撮影することにより行った。このとき、従来のエッチング装置に関しては、図９（ａ）に示すような寸法のラジアルアンテナ１３０を使用した。すなわち、導体板１３１の直径を４８ｃｍ、厚みを０．０３ｃｍ、径方向における隣接スロット間のピッチｐ２を４ｃｍ（＝λg ）とし、リング部材１３３の高さを０．５ｃｍとした。また、図１に示したエッチング装置に関しては、図９（ｂ）に示すような寸法のラジアルアンテナ３０を使用した。すなわち、導体板３１の直径と厚み、リング部材３３の高さを上記ラジアルアンテナ１３０と同寸法とし、導体板３１の径方向における隣接スロット間のピッチｐを３．５ｃｍ（＝０．８７５λg ）とした。
【００３７】
図１０は、このような条件の下でプラズマを写真撮影したときに得られた像の模式図であり、図１０（ａ）は図２０に示したエッチング装置で得られた像、図１０（ｂ）は図１に示したエッチング装置で得られた像を示している。図１０（ａ）に示されているように、隣接スロット間のピッチｐ２＝λg であるラジアルアンテナ１３０を使用した従来のエッチング装置では、プラズマ発生領域１６０の中央付近に、プラズマが高密度に発生する部分１６１Ａ，１６１Ｂが観測された。これに対して、隣接スロット間のピッチｐ＝０．８７５λg であるラジアルアンテナ３０を使用した図１に示したエッチング装置では、図１０（ｂ）に示すように、プラズマ発生領域６０にプラズマが高密度に発生する部分１６１Ａ，１６１Ｂはなく、均一に分布するプラズマが観測された。
このように図１に示したエッチング装置では、従来のエッチング装置と比較して均一に分布するプラズマを生成できるので、基板２１に対するエッチングの斑を抑制できるという効果が得られる。
【００３８】
次に、図１に示したような構造を有するラジアルアンテナ３０を使用することで、プラズマの分布を改善できた理由を説明する。
ラジアルアンテナ３０から処理容器１１に導入された電磁界の一部がプラズマ生成においても吸収されず、ラジアルアンテナ３０とプラズマ生成空間Ｓ１との間の空間Ｓ２に定在波を形成し、この定在波の電界がプラズマ生成に関わっていることは、従来のエッチング装置と同様である。したがって、図１に示したエッチング装置でも、ラジアルアンテナ３０からプラズマへ直接入射した電磁界の電界と、処理容器１１内に形成された定在波の電界の両方がプラズマ生成に関与していると言える。
【００３９】
図１１は、Ｚ軸方向（図１では垂直方向）に対して垂直なプラズマ面を有するプラズマの密度変化及びこのプラズマに入射した電磁界の電界強度変化を示す概念図である。図１１（ａ）において、横軸はプラズマと誘電体板１３との境界面からＺ軸方向の距離であり、縦軸はプラズマ密度及び電界強度である。また、Ｚ軸に垂直にＸ軸を設けると、実線は電磁界の電界ＥのＸ軸方向成分（すなわち、プラズマ面に平行な方向成分）ＥX の強度、点線は電磁界の電界ＥのＺ軸方向成分（すなわち、プラズマ面の法線方向の成分）ＥZ の強度、一点鎖線はプラズマ密度をそれぞれ示している。
プラズマ面がＺ軸に対して垂直なプラズマの密度は、プラズマと誘電体板１３との境界面からＺ軸方向に離れるにしたがって、図１１（ａ）の一点鎖線で示すように上昇してゆく。ここで、ある周波数に対してプラズマの誘電率がゼロになる密度を、その周波数におけるカットオフ密度という。
【００４０】
このようなプラズマに対して、図１１（ｂ）に示すように電磁界をＺ軸方向に対して傾斜する方向に入射させた場合、電界のＸ軸方向成分ＥX の強度は図１１（ａ）の実線で示すように、プラズマ密度がカットオフ密度となる地点Ｚ１までほぼ一定値を維持するが、この地点Ｚ１をこえると指数関数的に低下する。これに対して、電界のＺ方向成分ＥZ の強度は図１１（ａ）の点線で示すように、プラズマに入射した直後から上昇し、地点Ｚ１で極大を示してから下降に転ずる。この原理は「R.B.White,F.F.Chen,Amplification and Absorption of Electromagnetic Waves in Overdense Plasmas,Plasma Physics,vol.16,pp565-587」に記載されている。
Ｚ軸方向（すなわちプラズマ面の法線方向）に対して傾斜する方向に電磁界を入射させれば、電界のＺ方向成分ＥZ ができるので、Ｚ軸方向に入射させた場合と比較して、両成分ＥX，ＥZを合成した電界強度を大きくすることができる。
【００４１】
図１に示したエッチング装置では、ラジアルアンテナ３０からの電磁界は垂直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜する方向に放射され、水平配置された誘電体板１３の法線方向（Ｚ軸方向）に対して所定の角度をもって入射する。一方、処理容器１１内のプラズマ生成空間Ｓ１は誘電体板１３により制約されるので、誘電体板１３と対向するプラズマ面はこの誘電体板１３に沿った形状となり水平面となる。したがって、ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界は、誘電体板１３と対向するプラズマ面の法線方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜する方向に入射することになる。
【００４２】
したがって、上述した原理にしたがえば、ラジアルアンテナ３０を使用することにより、プラズマ生成空間Ｓ１に従来よりも大きな電界を形成できるので、ラジアルアンテナ３０から直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成効率を向上させることができる。これにより、ラジアルアンテナ３０から直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成への寄与が大きくなり、処理容器１１内の空間Ｓ２に形成される定在波の電界によるプラズマ生成への関与が相対的に低くなる。
【００４３】
ラジアルアンテナ３０からプラズマへ直接入射した電磁界の電界によるプラズマの生成は、比較的容易に制御できる。例えば、放射面（導体板３１）に形成される各スロットの長さを径方向で調整して、各スロットから放射される電界の強度を適当に調整することで、プラズマの生成を制御できる。これに対して、定在波の電界によるプラズマの生成は制御が困難である。図１に示したエッチング装置では、上述したように、直接入射した電磁界の電界によるプラズマ生成を、定在波の電界によるプラズマ生成よりも優勢にすることができるので、所望のプラズマ分布となるようにプラズマの生成を制御することができる。よって、図１０（ｂ）に示したような均一なプラズマ分布を得ることができた。
【００４４】
図１２は、電磁界の吸収係数の角度依存性を示す図である。横軸は電磁界の放射角度θ（図３参照）の余弦であり、縦軸は吸収係数ηである。この図から、プラズマ中の電子密度ｎe にもよるが、放射角度θがおよそ３０゜〜５０゜において吸収係数が最大となることが分かる。したがって、このような角度θで電磁界を放射することにより、ラジアルアンテナ３０から直接入射した電磁界によるプラズマ生成が支配的になるので、プラズマ分布の制御を正確に行うことができる。
なお、隣接スロット間のピッチｐは、径方向（すなわち、ラジアル導波路３６内における電磁界の伝搬方向）で一定であってもよいし、変化していてもよい。径方向で隣接スロット間のピッチｐに変化をつけると、この径方向で電磁界の放射方向が変化する。図１２から分かるように、電磁界の放射方向が変化すれば電磁界の吸収係数も変化するので、径方向でプラズマの生成効率を制御してプラズマ分布を調整することができる。
【００４５】
以上ではラジアルアンテナ３０を用いた例を説明したが、これに限定されるものではなく、他のスロットアンテナ、例えば矩形導波路アンテナを用いても同様の効果を得られる。図１３は、本発明に使用可能な矩形導波路アンテナアレーの構成を示す斜視図である。
このアンテナアレーは、矩形導波路の一面に複数のスロット７４が形成された矩形導波路アンテナ７０を、その短め方向に連続配置したものである。ここで、矩形導波路アンテナ７０のスロット７４は、矩形導波路内における電磁界の伝搬方向に等間隔に形成され、隣接スロット間のピッチｐは、上述した（５）式を満たすと共にＮ≠αとなるように設計されている。なお、スロットを図８に示したようにハの字形に形成してもよい。また、隣接スロット間のピッチｐを、矩形導波路内における電磁界の伝搬方向で変化をつけてもよい。図１３において、８１は高周波発生器（図示せず）に接続された電磁界分配用の矩形導波路である。
【００４６】
（第２の実施の形態）
ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に多数形成されるスロット３４のピッチｐの設計方法に関し、第１の実施の形態では、アンテナ３０外部の等価比誘電率εa を１に近似したときの設計方法について説明したが、ここではそれを一般論に拡張して説明する。
図３において、Ａ点から放射される電磁界５１Ａと、Ａ点からＢ点を経由してＣ点に達する電磁界５１Ｂとが同じ位相となる条件は、（１１）式に示すようになる。
ｐ/λg＋(ｐ・cosθ)/λa＝Ｎ ・・・（１１）
ここで、λa はアンテナ３０の外部を伝搬する電磁界５１Ａ，５１Ｂの波長、Ｎは０以上の整数である。
【００４７】
真空中における電磁界の波長をλとすると、
λg＝λ/εv 1/2，λa＝λ/εa 1/2 ・・・（１２）
で表されるので、この（１２）と、（２）式で定義したｐ＝α・λgとを（１１）式に代入して整理すると、
cosθ＝(εv/εa)1/2・[(Ｎ/α)−１] ・・・（１３）
となる。εv/εa＝εrとすると、（１３）式は、
cosθ＝εr 1/2[(Ｎ/α)−１] ・・・（１４）
となる。
【００４８】
この（１４）式より、εr ，Ｎ，αは
−１≦εr 1/2[(Ｎ/α)−１]≦１ ・・・（１５）
の関係を満たす必要がある。このとき、角度θが
θ＝cos-1[εr 1/2[(Ｎ/α)−１]] ・・・（１６）
となる方向で電磁界５１Ａ，５１Ｂの位相がそろい、この方向に電磁界が放射されることになる。
したがって、電磁界の放射に関して、以下の事項が導き出される。
【００４９】
１．Ｎ＝０の場合：
θ＝cos-1(−εr 1/2) であるから、
▲１▼ εr ＞１の場合、解がなく、電磁界は放射されない。
▲２▼ εr ＝１の場合、θ＝１８０゜となり、水平方向に電磁界５１Ａ，５１Ｂが放射される。
▲３▼ εr ＜１の場合、電磁界はεr に依存した角度θに放射される。
【００５０】
２．Ｎが１以上で、Ｎ＝αの場合：
cosθ ＝０すなわちθ＝（２Ｍ−１）π／２（Ｍは自然数）となり、垂直方向に電磁界５１Ａ，５１Ｂが放射されることになる。
【００５１】
３．Ｎが１以上で、Ｎ≠αの場合：
（１５）式を変形すると、次の２式が得られる。
Ｎ≧α・[１−(１/εr 1/2)] ・・・（１７）
Ｎ≦α・[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（１８）
▲１▼ εr ＞１の場合
（１７）式から、α≦Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（１９）
（１８）式から、α≧Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（２０）
したがって、Ｎとαとの関係は、
Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)]≦α≦Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（２１）
となる。
【００５２】
▲２▼ εr ＜１の場合
（１７）式から、α≧Ｎ/[１−(１/εr 1/2)] ・・・（２２）
ただし、（２）式より、α＞０
（１８）式から、α≦Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（２３）
したがって、Ｎとαとの関係は、
０≦α≦Ｎ/[１＋(１/εr 1/2)] ・・・（２４）
となる。
【００５３】
▲３▼ εr ＝１の場合
（１５）式より
−１≦(Ｎ/α)−１≦１ ・・・（２５）
となるので、Ｎとαとの関係は、
α≧Ｎ/２ ・・・（２６）
となる。
【００５４】
以上より、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に形成されるピッチｐの設計に関して、次のように言える。すなわち、径方向における隣接スロット間のピッチｐを（１５）式を満たすように設計することにより、所定の角度θに電磁界を放射させることができる。この放射角度θは、ラジアルアンテナ３０の内外の比誘電率の比εr によって決定される。ただし、Ｎが１以上でＮ＝α（＝ｐ/λg）の場合には、放射面に対して垂直方向に電磁界が放射されるので、Ｎが１以上の場合にはＮ≠αとなるようにピッチｐを設計することにより、垂直方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射させることができる。
以上説明したように、プラズマ処理装置の使用状況に応じて変化するラジアルアンテナ３０外部の等価誘電率εa を考慮し、アンテナ３０の内外の比誘電率の比εr に基づいてピッチｐを設計することにより、適切なスロット配置を得られる。
【００５５】
（第３の実施の形態）
図１４は、図１に示したラジアルアンテナ３０から誘電体板１３に至る一部構成を拡大して示す断面図である。誘電体板１３の厚みと比誘電率をそれぞれｄ1 ，ε1 、この誘電体板１３とラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）との間の距離と比誘電率をそれぞれｄ2 ，ε2 とし、ｄ1＋ｄ2＝ｄとする。この場合、ラジアルアンテナ３０外部の等価比誘電率εa は、
εa＝ε1・ε2/[ε1・(１−β)＋ε2・β] ・・・（２７）
で求められる。ここで、
β＝ｄ1/ｄ ・・・（２８）
である。
【００５６】
いま、図１５に示すように、誘電体板１３とラジアルアンテナ３０の放射面との距離をｄ2 からΔｄだけ小さくすると、ｄもΔｄだけ小さくなるので（２８）式よりβが大きくなり、ε1≠ε2の場合にはεa が変化する。一方、（１６）式から分かるように、放射角度θはラジアルアンテナ３０の内外の比誘電率の比εr＝εv/εaで決定されるので、εa が変化すれば放射角度θも変化する。したがって、ラジアルアンテナ３０を上下に動かして、誘電体板１３からラジアルアンテナ３０の放射面までの距離を変えることにより、放射角度θを制御することができる。
【００５７】
図１６は、ラジアルアンテナ３０を上下に動かしたときのプラズマ分布の変化を示す概念図である。横軸は処理容器１１の中心軸（Ｏ）から半径方向への距離であり、縦軸はプラズマ密度である。この図から分かるように、誘電体板１３からラジアルアンテナ３０の放射面までの距離をｄ2 −Δｄ，ｄ2 ，ｄ2 ＋Δｄ（Δｄは数ｍｍ程度）と変化させることにより、それに応じてプラズマ分布が変化する。
以上より、誘電体板１３からラジアルアンテナ３０の放射面までの距離を変えて、電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整できると言える。
【００５８】
（第４の実施の形態）
図１７は、本発明の第４の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。この図において、図１と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
このエッチング装置では、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に対向配置される誘電体板１３Ａが、ドーム状をしている。したがって、この誘電体板１３Ａは、ラジアルアンテナ３０の放射面に対して傾斜する面を有している。なお、誘電体板１３Ａは、載置台２２の載置面に対して垂直な中心軸に対して、対称な形状をしている。
【００５９】
処理容器１１内のプラズマ生成空間Ｓ１は誘電体板１３Ａにより制約されるので、誘電体板１３Ａと対向するプラズマ面はこの誘電体板１３Ａに沿った曲面となる。このプラズマ面の法線方向は、中心軸付近を除き、鉛直方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜しているので、仮に電磁界を鉛直方向（Ｚ軸方向）に放射しても、その電磁界はプラズマ面の法線方向に対して傾斜する方向に入射することになる。このように、ドーム状の誘電体板１３Ａを用いることにより、図１に示したエッチング装置と同様の条件を作り出すことが可能である。
【００６０】
しかし、３〜３０ｍｍという比較的薄い誘電体板をドーム状に成形すると、曲率が必要以上に大きくなり、所望の曲率に成形することができない場合がある。一方、比較的厚い誘電体板を用いれば曲率を小さくすることは可能であるが、電磁界の損失が大きくなってしまう。そこで、誘電体板１３Ａの曲率が必要以上に大きい場合には、放射面（導体板３１）の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するラジアルアンテナ３０を用いて、誘電体板１３Ａへの電磁界の入射角を小さくするとよい。このようにして処理容器１１内における電界強度の分布を調整することにより、プラズマの分布を改善することができる。ここで、径方向で隣接スロット間のピッチｐに変化をつけて、この方向で電磁界の放射方向に分布をもたせることにより、プラズマの分布を調整してもよい。
なお、誘電体板１３Ａは、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に対して傾斜する面を有していればよいので、上又は下に凸の円錐面状など、他の凸形状であってもよい。
【００６１】
（第５の実施の形態）
図１８は、本発明の第５の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。この図において、図１及び図１７と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
このエッチング装置は、ドーム状の誘電体板１３Ａに代えて、処理位置にある基板２１の周囲を覆う半球状又はドーム状のベルジャー１８を有している。具体的には、半球状又はドーム状のベルジャー１８の開口部を下側にして処理位置上方からかぶせ、処理位置下方の処理容器１１側壁にベルジャー１８の開口部を固定した構造となっている。したがって、プラズマが比較的高密度で存在する空間に近接する処理容器１１Ａの側壁は、ベルジャー１８により載置台２２Ａから隔離される。このベルジャー１８は、厚さ３〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又は（Ａｌ2 Ｏ3 又はＡｌＮ等の）セラミックなどの誘電体で形成されている。また、処理容器１１とベルジャー１８との接合部には、Ｏリングなどのシール部材１２Ａを介在させている。
【００６２】
基板２１が配置される載置台２２Ａは、処理容器１１Ａの底部を遊貫する昇降軸２８によって支持され、上下動自在となっている。基板を搬入搬出口１９から搬入又は搬出するときは、載置台２２Ａを下に降ろし、エッチング処理を行うときは、載置台２２Ａを上げて基板２１を処理位置に配置することができる。
処理容器１１の底部には、セラミックなどからなる絶縁板２４Ａが設けられている。また、処理容器１１Ａとベルジャー１８とで形成された処理室の気密性を確保するため、載置台２２Ａと絶縁板２４Ａとの間に、昇降軸２８を囲むようにベローズ２９が設けられている。
さらに、処理容器１１Ａの底部には、真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口１４Ａが設けら、処理容器１１Ａの側壁には、処理室内にプラズマガス及びエッチングガスを導入するためのノズル１５Ａが設けられている。このノズル１５Ａは基板１２の処理位置の上側までのびており、ガスが載置台２２Ａの上部空間に放出されるようになっている。
【００６３】
上述したように、ベルジャー１８は半球状又はドーム状をしており、ラジアルアンテナ３０の放射面（導体板３１）に対して傾斜する面を有している。したがって、図１７に示したエッチング装置と同様に、放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するラジアルアンテナ３０を用いて、処理室における電界強度の分布を調整することにより、プラズマの分布を改善することができる。また、プラズマ生成空間Ｓ１を含むプラズマが比較的高密度で存在する空間に近接する領域では、処理容器１１Ａの側壁がベルジャー１８でカバーされているので、生成されたプラズマが処理容器１１Ａの側壁に接触して表面をスパッターすることによって起こる処理室内の汚染を抑制することができる。
なお、半球状又はドーム状のベルジャーが載置台２２Ａの載置面に乗る構造にして、載置台２２Ａとベルジャーとにより処理室が形成されるようにしてもよい。
【００６４】
（第６の実施の形態）
以上では、本発明をエッチング装置に適用した例を説明してきたが、例えばプラズマＣＶＤ（chemical vaper deposition ）装置などの他のプラズマ処理装置に本発明を適用してもよい。そこで次に、本発明をＣＶＤ装置に適用した例を説明する。図１９は、本発明の第６の実施の形態であるＣＶＤ装置の構成を示す図である。この図において、図１及び図１８と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
このＣＶＤ装置は、基板２１を加熱するヒーター９１や、処理室内にＳｉＨ4 とＨ2 との混合ガスなどを導入するガス供給ノズル９２など、ＣＶＤ装置に必要な構成を有するほか、放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するラジアルアンテナ３０と、処理位置にある基板２１の周囲を覆う半球状又はドーム状のベルジャー（第１の誘電体部材）１８とを備え、図１９に示したエッチング装置と同様の特徴を有している。
【００６５】
また、このＣＶＤ装置では、処理容器１１Ａの上部開口が誘電体板（第２の誘電体部材）１３で密閉されている。また、ベルジャー１８と誘電体板１３と処理容器１１Ａとによって囲まれた密閉空間に所定温度のガスを流通させてベルジャー１８を温度調整するために、流通手段としてノズル９３と排気口９４とが処理容器１１Ａの側壁に設けられている。ノズル９３から導入されるガスには、高周波電磁界を吸収しにくいガスとして例えばＮ2 が用いられる。このガスの温度は、ベルジャー１８よりも高い温度に設定され、その上限は６００℃とする。
【００６６】
図１９に示したＣＶＤ装置の動作を説明する。
まず、ヒーター９１を１５０℃程度にして基板２１を加熱した状態で、ガス供給ノズル９２から処理室内にＳｉＨ4 とＨ2 との混合ガスを導入する。ラジアルアンテナ３０から処理室内に電磁界を供給すると、ＳｉＨ4 が解離してＳｉＨx （ｘ＝１，２，３，４）となり、このＳｉＨx が基板２１の表面で反応してアモルファスＳｉ（以下、ａ−Ｓｉと略記する）が成膜される。このとき、ベルジャー１８が常温であれば、ベルジャー１８の内面にＳｉＨx が付着し、ａ−Ｓｉが成膜される。このａ−Ｓｉによってラジアルアンテナ３０からの電磁界の導入が阻害されることになる。しかし、ベルジャー１８と誘電体板１３との間の空間に６００℃以下の温度、例えば１５０℃〜３００℃のＮ2 を流通させてベルジャー１８を加温することによりＳｉＨx が付着しにくくなるので、ベルジャー１８内面におけるａ−Ｓｉの成膜を低減できる。したがって、ベルジャー１８を介して処理室内に導入される電磁界の損失を低減し、効率よくプラズマを生成して成膜を行うことができる。
【００６７】
なお、ベルジャー１８と誘電体板１３と処理容器１１Ａとによって囲まれた密閉空間に流通させる流体は、ガスに限らず、液体であってもよい。この場合、例えばガルデン（パーフルオロポリエーテル）又はフロリケートなど、高周波電磁界を吸収しにくい液体を用いることが好ましい。
また、上記の温度より低温の流体を密閉空間に流通させて、ベルジャー１８を冷却するようにしてもよい。電磁界の作用によってベルジャー１８の温度が高くなりすぎると、ベルジャー１８が破損する原因となる。また、図１８に示したエッチング装置では、ベルジャー１８の輻射熱で基板２１上のレジストが焼け、所望のパターンにエッチンできないことがある。しかし、このようにしてベルジャー１８を冷却することにより、上記の問題を回避することができる。
また、ベルジャー１８と共に密閉空間を形成する第２の誘電体部材は、ベルジャー１８に対して載置台２２Ａ又は基板２１と異なる側に配置されればよい。したがって、ラジアルアンテナ３０の給電線である同軸線路４１の途中に第２の誘電体部材を詰めて密閉空間を形成してもよい。この場合、ラジアルアンテナ３０の内部にも流体が流通することになる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、スロットアンテナから処理容器内に電磁界を放射する際に、アンテナ放射面の法線方向に対して傾斜する方向に電磁界を放射するものである。これにより、スロットアンテナから直接入射する電磁界によるプラズマ生成を、処理容器内で形成される定在波の電界によるプラズマ生成よりも優勢にすることができる。前者は後者よりも制御が容易であるので、プラズマの分布を従来よりも改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図２】 ラジアルアンテナの放射面をなす第１の導体板の一構成例を示す図である。
【図３】 第１の導体板の径方向における隣接スロット間のピッチｐの設計方法の説明図である。
【図４】 比誘電率εr ≒９のときのＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。
【図５】 比誘電率εr ≒９のときにおける放射角度θのスロットピッチｐ依存性の一例を示す図である。
【図６】 比誘電率εr ≒１のときのＮとαとの関係を棒グラフで表した図である。
【図７】 比誘電率εr ≒１のときにおける放射角度θのスロットピッチｐ依存性の一例を示す図である。
【図８】 ラジアルアンテナの放射面をなす第１の導体板の他の構成例を示す図である。
【図９】 プラズマの写真撮影に使用した装置の説明図である。
【図１０】 プラズマを写真撮影したときに得られた像の模式図である。
【図１１】 Ｚ軸方向に対して垂直なプラズマ面を有するプラズマの密度変化及びこのプラズマに入射した高周波の電界強度変化を示す概念図である。
【図１２】 電磁界の吸収係数の角度依存性を示す図である。
【図１３】 本発明に使用可能な矩形導波路アンテナアレーの構成を示す斜視図である。
【図１４】 図１に示したラジアルアンテナから誘電体板に至る一部構成を拡大して示す断面図である。
【図１５】 図１４に示した誘電体板とラジアルアンテナの放射面との距離を狭めたときの断面図である。
【図１６】 ラジアルアンテナを上下に動かしたときのプラズマ分布の変化を示す概念図である。
【図１７】 本発明の第４の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図１８】 本発明の第５の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図１９】 本発明の第６の実施の形態であるエッチング装置の構成を示す図である。
【図２０】 従来の高周波プラズマ処理装置を用いたエッチング装置の構成図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、１３…誘電体板、２１…基板、２２…載置台、３０…ラジアルアンテナ、３１，３２…導体板、３４，３４Ａ，３４Ｂ，７４…スロット、３５…導入口、７０…矩形導波路アンテナ。
Claims (15)
- 処理容器内に収容され被処理体を配置する載置面を有する載置台と、この載置台の載置面に対向配置され放射面に形成された複数のスロットより前記処理容器内に電磁界を放射するスロットアンテナとを備えたプラズマ処理装置において、
前記スロットアンテナは、前記放射面の法線方向に対して傾斜する方向に前記電磁界を放射するように、前記スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向における隣接スロット間のピッチが調整され、
前記スロットアンテナ内部の比誘電率ε v と前記スロットアンテナ外部の比誘電率ε a との比ε v / ε a をε r 、前記スロットアンテナ内部を伝搬する電磁界の波長をλ g 、前記隣接スロット間のピッチをｐ＝α・λ g （α＞０）とし、Ｎを０以上の整数とすると、
−１≦ε r 1/2 ( Ｎ / α−１ ) ≦１
かつ Ｎが１以上の場合に、Ｎ≠α
を満たすようにε r ，Ｎ，αが設定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記隣接スロット間のピッチは、前記スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向で変化していることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
前記スロットアンテナと前記載置台の載置面とを隔離するように配置され前記スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する誘電体部材を更に有することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
前記誘電体部材は、ドーム状をしていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
前記誘電体部材は、処理容器の内面の少なくとも一部を前記載置台の載置面から隔離することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
前記スロットアンテナと前記載置台の載置面とを隔離するように配置され前記スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する第１の誘電体部材と、
この第１の誘電体部材に対して前記載置台と異なる側に配置され前記第１の誘電体部材と共に密閉空間を形成する第２の誘電体部材と、
前記密閉空間に流体を流通させて前記第１の誘電体部材の温度調整をする流通手段とを更に有することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１〜６何れか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記スロットアンテナは、互いに離間して対向配置された第１及び第２の導体板と、外周部で前記第１の導体板と前記第２の導体板との間をシールドするリング部材とを備え、前記第１の導体板に前記複数のスロットが形成され、前記第１の導体板と前記第２の導体板との間に電磁界を導入する導入口が前記第２の導体板の中央部に形成されたラジアルアンテナであることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１〜６何れか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記スロットアンテナは、矩形導波路の一面に前記複数のスロットが形成された矩形導波路アンテナであることを特徴とするプラズマ処理装置。 - スロットアンテナの放射面より処理容器内に電磁界を放射し、この電磁界で生成されたプラズマにより被処理体に対して所定の処理を行うプラズマ処理方法において、
前記スロットアンテナ内部の比誘電率ε v と前記スロットアンテナ外部の比誘電率ε a との比ε v / ε a をε r 、前記スロットアンテナ内部を伝搬する電磁界の波長をλ g 、前記スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向における隣接スロット間のピッチをｐ＝α・λ g （α＞０）とし、Ｎを０以上の整数とすると、
−１≦ε r 1/2 ( Ｎ / α−１ ) ≦１
かつ Ｎが１以上の場合に、Ｎ≠α
を満たすようにε r ，Ｎ，αを設定することにより、前記隣接スロット間のピッチを調整し、前記スロットアンテナが前記放射面の法線方向に対して傾斜する方向に前記電磁界を放射することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項９記載のプラズマ処理方法において、
前記スロットアンテナ内部での電磁界の伝搬方向で前記隣接スロット間のピッチを変えて、この方向で電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項９記載のプラズマ処理方法において、
前記スロットアンテナと前記被処理体とを隔離する誘電体部材から前記スロットアンテナまでの距離を変えて、電磁界の放射方向を変えることにより、プラズマの分布を調整することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項９または１０記載のプラズマ処理方法において、
前記スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有し前記スロットアンテナと前記被処理体とを隔離する誘電体部材を配置することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項１２記載のプラズマ処理方法において、
前記誘電体部材をドーム状に形成することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項１２記載のプラズマ処理方法において、
前記誘電体部材で処理容器の内面の少なくとも一部を前記被処理体から隔離することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項９または１０記載のプラズマ処理方法において、
前記スロットアンテナの放射面に対して傾斜する面を有する第１の誘電体部材で前記スロットアンテナと前記被処理体とを隔離し、
この第１の誘電体部材に対して前記被処理体と異なる側に第２の誘電体部材を配置して前記第１及び第２の誘電体部材により密閉空間を形成し、
前記密閉空間に流体を流通させて前記第１の誘電体部材の温度を調整することを特徴とするプラズマ処理方法。
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