JP4183934B2 - マイクロ波プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理方法及びマイクロ波給電装置 - Google Patents
マイクロ波プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理方法及びマイクロ波給電装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特にマイクロ波によりプラズマを発生させて半導体ウェハ等にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い、半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用されている。特に、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置は、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを発生させることができる。このため、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
【０００３】
マイクロ波プラズマ処理装置では、一般的に、真空引き可能になされた処理容器の天井部にマイクロ波を透過する誘電体板が設けられ、誘電体板の上に円板状の平坦なアンテナ部材（マイクロ波放射部材）が取り付けられている。
【０００４】
また、アンテナ部材の上には、遅波板が取り付けられる。遅波板は所定の誘電率を有しており、マイクロ波発生器から供給されるマイクロ波の波長を所定の率で短縮する。アンテナ部材には多数の貫通孔（スロット）が形成されており、アンテナ部材にその中心から供給されて放射方向に伝播するマイクロ波を、スロットを介して処理容器内に導入する。遅波板によりアンテナ部材に供給するマイクロ波の波長を短縮することにより、アンテナ部材に形成するスロットを小さくでき、その結果、より多くのスロットをアンテナ部材に配置してプラズマ密度の均一性を向上させることができる。
【０００５】
以上のような構成のマイクロ波プラズマ処理装置において、アンテナ部材から誘電体板を介して処理容器内に導入されたマイクロ波により処理ガスのプラズマが生成され、処理容器内に載置された半導体ウェハに対してプラズマ処理が施される。
【０００６】
遅波板及びアンテナ部材を介して処理容器に導入するマイクロ波は、マグネトロン等のマイクロ波発生器から供給される。マイクロ波発生器により発生したマイクロ波は、導波管を通じて遅波板あるいはアンテナ部材に供給される。導波管により伝播したマイクロ波は、遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給され、中央部分から放射方向に伝播しながら最終的に処理容器の処理空間に均一に放射されることが好ましい。
このように、マイクロ波を遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給するには、一般的に同軸導波管が用いられる。すなわち、マイクロ波発生器により発生したマイクロ波は、まず、例えば矩形断面を有する導波管に供給されて遅波板あるいはアンテナ部材の中央付近まで伝播され、内導体及び外導体よりなる同軸導波管を介して遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロ波を遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給する同軸導波管は、例えば内導体及び外導体よりなり、内導体は直径１７ｍｍ程度の細い管である。同軸導波管を介してアンテナ部材に大電力を投入する場合、同軸導波管の内導体近傍に非常に強い電界が発生し、内導体内は加熱され高温となる。すなわち、マイクロ波の一部が熱になるため、供給するマイクロ波の損失（導体損失）が増大し、電力供給効率が悪化するという問題がある。また、同軸導波管を冷却装置で覆って冷却する必要があるため、装置が大型化し装置の製造コストが上昇する。
【０００８】
また、内導体近傍に非常に強い電界が発生するため、内導体近傍で異常放電が発生するおそれがある。異常放電が発生すると、内導体近傍の遅波板が破損してしまうこともある。
【０００９】
例えば、同軸導波管の内導体は、アンテナ部材の中央に密着した状態で接続する必要があり、内導体の端面にネジ穴を形成しておき、内導体の端面がアンテナ部材に接触した状態で、遅波板を貫通したネジを内導体のネジ穴にねじ込むことにより、内導体をアンテナ部材に接続している。しかし、このようなネジ止めによる接続では、内導体の端面をアンテナ部材の表面に完全に密着することは難しく、僅かな間隙があるとその部分で異常放電が発生してしまう。
【００１０】
また、上述のようなネジ止め接続では、誘電体板とアンテナ部材（スロットアンテナ）との接合部分にネジ頭が存在する。このため、例えば、アンテナ部材の表面から突出したネジ頭を収容する凹部を誘電体板の中央部分に形成する必要がある。したがって、遅波板とアンテナ部材とをその中央部分で密着することが難しく、この凹部付近で異常放電が発生するという問題がある。
【００１１】
また、アンテナ部材又は遅波板と誘電体よりなる天板との間に、熱伝導を高めるためにヘリウム（Ｈｅ）ガスを封入する場合がある。この場合、同軸導波管の内導体の外周にＯリングを設けて誘電体天板とのでシールを行うが、Ｏリングが強いマイクロ波に曝されて劣化し損傷してしまうという問題もある。
【００１２】
ここで、導波管とアンテナ部材との間に空胴共振器を設け、空胴共振器からマイクロ波を処理容器に導入することが提案されている。特許第２５６９０１９号公報は、導波管に空胴共振器を設けてマイクロ波を増幅し、空胴共振器の底面に形成されたスロットから増幅したマイクロ波を処理容器に導入する技術を開示している。この特許公報に開示された空洞共振器は、処理容器に面した底面全体からマイクロ波を放射するように、底面全体に多数のスロットが形成される。したがって、マイクロ波を中央部分から放射状に伝播してから処理容器の処理空間に対して放射するものではない。また、各スロットの長さは供給されるマイクロ波の波長に従って決められ、たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合はスロットの長さをマイクロ波の１／２波長である６０ｍｍ以上とすることが好ましい。したがって、マイクロ波を中央部分から放射状に伝播し、多数の小さなスロットから処理空間に向かって均一に放射するという効果は得られない。このように、特許第２５６９０１９号公報に開示された空洞共振器を有するマイクロ波供給機構（給電機構）は、多数の小さなスロットを介してマイクロ波を処理容器に均一に供給するアンテナ部材（スロットアンテナ）に適用することはできなかった。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、マイクロ波発生器から供給されるマイクロ波を、導波管からアンテナ部材に効率よく供給することができるマイクロ波プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理方法及びマイクロ波給電装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１記載の発明は、被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、該被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、該マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を伝播する第１の導波管と、該導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなりマイクロ波を前記処理容器内の空間に放射するマイクロ波放射部材とを有し、前記第１の導波管は、前記マイクロ波放射部材の中央部分に相当する位置に、マイクロ波出力用の単一の第１のマイクロ波射出開口を有することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管は矩形状の断面を有する矩形導波管であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記矩形導波管の断面の長辺の長さは、前記矩形導波管内におけるマイクロ波波長の１／２であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記矩形導波管の前記第１のマイクロ波射出開口は、前記矩形導波管の断面の長辺に相当する面に形成されることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項５記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして対称に延在することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波が供給され、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波が導入されることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項７記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第２の導波管は円形断面を有する円形導波管であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項９記載の発明は、請求項８記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記円形導波管の長さは前記第１の導波管におけるマイクロ波波長のｎ／２倍（ｎは整数）であり、前記円形導波管は円筒空洞共振器を形成することを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記スロットアンテナは、厚み方向に貫通し、その平面形状が中央が膨らんだ長い楕円形である多数のスロットを有することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、螺旋状又は複数の円周状に配列されたことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、Ｔ字状に配置された２つのスロットよりなるスロット対を構成することを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１３記載の発明は、被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理方法であって、該被処理基体を処理容器内の載置台に載置し、マイクロ波発生器によりマイクロ波を発生し、該マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を第１の導波管により伝播し、該第１の導波管から供給されるマイクロ波を、該第１の導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなるマイクロ波放射部材の中央部分に相当する部分に形成された単一の第１のマイクロ波射出開口から射出し、該第１の導波管から射出されたマイクロ波を、前記遅波板中を放射方向に伝播させながら、該マイクロ波放射部材により前記処理容器内の空間に放射し、放射されたマイクロ波によりプラズマを生成して、前記被処理基体にプラズマ処理を施すことを特徴とするものである。
【００２９】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在し、前記第１のマイクロ波射出開口に対して同位相のマイクロ波を複数の方向から伝播することを特徴とするものである。
【００３０】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして両側から同位相のマイクロ波を供給することを特徴とするものである。
【００３１】
請求項１６記載の発明は、請求項１３乃至１５のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波を供給し、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を導入することを特徴とするものである。
【００３２】
請求項１７記載の発明は、請求項１６記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第２の導波管を空洞共振器として形成し、前記第１のマイクロ波射出開口から供給されたマイクロ波を全て前記第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材に導入することを特徴とするものである。
【００３３】
請求項１８記載の発明は、マイクロ波を処理チャンバに供給するためのマイクロ波給電装置であって、マイクロ波発生器からのマイクロ波を伝播し、該マイクロ波を射出する第１のマイクロ波射出開口を有する中空の第１の導波管と、該第１の導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなり、該第１のマイクロ波射出開口から供給されたマイクロ波を、その供給方向とは垂直の放射方向に伝播し、前記スロットアンテナ部材に形成された複数のスロットを介して前記処理チャンバに導入するマイクロ波放射部材とを有し、前記第１のマイクロ波射出開口は、該マイクロ波放射部材の中央部分に相当する部分に形成された単一の開口であることを特徴とするものである。
【００３４】
請求項１９記載の発明は、請求項１８記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管は矩形状の断面を有する矩形導波管であることを特徴とするものである。
【００３５】
請求項２０記載の発明は、請求項１９記載のマイクロ波給電装置であって、前記矩形導波管の断面の長辺の長さは、前記矩形導波管内におけるマイクロ波波長の１／２であることを特徴とするものである。
【００３６】
請求項２１記載の発明は、請求項１９又は２０記載のマイクロ波給電装置であって、前記矩形導波管の前記第１のマイクロ波射出開口は、前記矩形導波管の断面の長辺に相当する面に形成されることを特徴とするものである。
【００３７】
請求項２２記載の発明は、請求項１８乃至２１のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在することを特徴とするものである。
【００３８】
請求項２３記載の発明は、請求項２２記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして対称に延在することを特徴とするものである。
【００３９】
請求項２４記載の発明は、請求項１８乃至２３のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波が供給され、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波が導入されることを特徴とするものである。
【００４０】
請求項２５記載の発明は、請求項２４記載のマイクロ波給電装置であって、前記第２の導波管は円形断面を有する円形導波管であることを特徴とするものである。
【００４１】
請求項２６記載の発明は、請求項２５記載のマイクロ波給電装置であって、前記円形導波管の長さは前記第１の導波管におけるマイクロ波波長のｎ／２倍（ｎは整数）であり、前記円形導波管は円筒空洞共振器を形成することを特徴とするものである。
【００４２】
請求項２７記載の発明は、請求項１８乃至２７のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材は、供給されるマイクロ波の波長を短縮する遅波板を含むことを特徴とするものである。
【００４３】
請求項２８記載の発明は、請求項１８乃至２７のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材は、厚み方向に貫通した多数のスロットを有することを特徴とするものである。
【００４４】
請求項２９記載の発明は、請求項２８記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、螺旋状又は複数の円周状に配列されたことを特徴とするものである。
【００４５】
請求項３０記載の発明は、請求項２８記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、Ｔ字状に配置された２つのスロットよりなるスロット対を構成することを特徴とするものである。
【００４６】
上述の発明によれば、第１の導波管に設けられた単一の第１のマイクロ波放射開口を介してマイクロ波がマイクロ波放射部材の中央部分から供給されため、マイクロ波放射部材の中央部分からマイクロ波を放射状に伝播することができる。したがって、マイクロ波放射部材に形成された多数のスロットにより効率的にマイクロ波を処理容器に均一に放射することができ、均一なプラズマを生成することができる。したがって、上述の発明によれば、同軸導波管を用いないでマイクロ波放射部材にマイクロ波を供給することができるため、同軸導波管の内導体における電力損失がなく、電力供給効率を向上することができる。また、マイクロ波が集中する可能性のある部分が少なくなり、給電部分において不要な放電が起こり難く、大きな電力をマイクロ波放射部材に供給することができる。さらに、同軸導波管の内導体を接続するためのネジ接続部が不要となるため、マイクロ波放射部材の形状が簡素化され、容易に製造することができる。さらに、マイクロ波放射部材の形状が簡素化されることにより、導電ガスとしてヘリウム等を封入する機構を容易に構成することができる。
【００４７】
また、第１の導波管とマイクロ波放射部材との間に第２の導波管を設けて空洞共振器を構成した場合、空洞共振器に供給されるマイクロ波の反射が防止されマイクロ波のほとんど全てが第２のマイクロ波射出開口からマイクロ波放射部材に導入される。したがって、同軸導波管による電力供給のように接続部において放電が発生するおそれがなく、また発熱による電力損失を伴わずに、効率的に大電力を供給することができる。
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明の第１実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【００４８】
本発明の第１実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置は、図１に示すように、処理容器１２内において半導体ウェハＷにプラズマＣＶＤ処理を施すプラズマＣＶＤ装置１０である。なお、本発明はプラズマＣＶＤ処理に限ることなく、プラズマアッシング、プラズマエッチング、プラズマ酸化・酸窒化・窒化等のプラズマ処理を行う装置にも適用することができる。
【００４９】
被処理基体である半導体ウェハＷは、処理容器１２内の載置台１４上に載置される。処理容器１２には、ガス源（図示せず）から供給管１６を通じてプラズマ処理用ガスが供給される。一方、処理容器１２の底部には真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口１２ａが設けら、処理容器内を所定の真空圧力に維持するように構成されている。
【００５０】
次に、図１に加えて図２も参照しながら、処理容器１２にマイクロ波を導入するためのマイクロ波給電装置の構成について説明する。図２は図１に示すプラズマＣＶＤ装置１０において処理容器１２にマイクロ波を導入する部分であるマイクロ波給電装置２０を示す断面斜視図である。
【００５１】
処理容器１２の天井部は開口されており、マイクロ波放射部材としてのアンテナ部材（スロット板）１７と遅波板１８とよりなるマイクロ波放射部材１９が誘電体板１５を介して開口に気密に取り付けられる。遅波板１８は、アンテナ部材１７に供給するマイクロ波の波長を短縮する部材であり、アンテナ部材１７に形成されるスロットの長さ及び間隔を減少するために設けられる。
【００５２】
遅波板１８の上には、矩形状の断面を有する矩形導波管（第１の導波管）２２が設けられる。矩形導波管２２の一端には、マグネトロン等よりなるマイクロ波発生器２４が設けられる。マイクロ波発生器２４により発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、矩形導波管２２内を伝播し、導矩形波管２２の他端側に形成されたマイクロ波射出開口２２ａからマイクロ波放射部材１９に供給される。本実施例において、マイクロ波射出開口２２ａは、矩形導波管２２の断面の長辺に相当する管壁２２ｂに設けられた円形の開口であり、その下に位置するアンテナ部材１８の中央に相当する位置に配置される。
【００５３】
図３はアンテナ部材１７の一例を示す平面図である。図３に示すアンテナ部材１７には、スロット３０Ａと３０Ｂとよりなる多数のスロット対３０が形成されている。図３に示す例では、スロット対３０は複数の同心円に沿って配列されているが、螺旋状に配置したり、非同心円状に配置することとしてもよい。
【００５４】
図４は図３に示すスロット対の構成を示す図である。スロット３０Ａ及び３０Ｂの各々は、中央部が膨らんだ細長い楕円形状である。スロット３０Ｂの長手方向はスロット３０Ａの長手方向と９０度の角度をなし、スロット３０Ｂの一端がスロット３０Ａの中央に近接してＴ字状となるように配置される。スロット３０Ｂの中央とアンテナ部材１７の中心Ｏとを結ぶ線は、スロット３０Ｂの長手方向に対して４５度の角度をなす。また、スロット３０Ａの中央からアンテナ部材１７の中心Ｏまでの距離ＬＡと、スロット３０Ｂの中央からアンテナ部材１７の中心Ｏまでの距離ＬＢとの差（ＬＡ−ＬＢ）は、遅波板２０により短縮されたマイクロ波の波長λの四分の一である（（ＬＡ−ＬＢ）＝λ／４）。
【００５５】
以上のような構成のスロット対３０を有するアンテナ部材１７に対して、その中央からマイクロ波が放射状に伝播すると、スロット対３０により円偏波の電界が生じ、マイクロ波は効率よく処理容器１２の処理空間に向かって均一に放射される。
【００５６】
なお、アンテナ部材１７に形成するスロットは、必ずしもスロット対を構成する必要はない。また、スロットの各々は細長い楕円形状に限ることなく、例えば円形、三角形、正方形、長方形、あるいはその他の多角形であってもよい。ただし、多角形の場合は角部に滑らかな丸みを持たせることにより、電界の集中を防止して異常放電を防止することが好ましい。
【００５７】
上述のようにマイクロ波を放射状に伝播するアンテナ部材１７において、マイクロ波は、図５に示すように、ラジアル線路内で同心円状の磁界分布を有するＴＥＭモードに従って伝播する。したがって、矩形導波管２２からアンテナ部材１７（遅波板１８）に供給するマイクロ波の磁界分布をなるべく同心円状の磁界分布とすることが好ましい。
【００５８】
そこで、本実施例では、矩形導波管２２内を伝播するマイクロ波の磁界がなるべく円形に近い磁界分布となるように矩形導波管２２の各寸法を調整している。
【００５９】
図６は、矩形導波管２２にけるマイクロ波の伝播モードを示す図である。図６（ａ）は矩形導波管２２のマイクロ波の進行方向に垂直な断面における電気力線を示し、図６（ｂ）は矩形導波管２２のマイクロ波の進行方向に平行な断面における電気力線を示す。また、図６（ｃ）は電気力線に垂直な面内に発生する磁力線を示す。なお、図６（ａ）に示す断面において、長辺の長さをａとし、短辺の長さをｂとする。
【００６０】
図６に示す矩形導波管におけるマイクロ波の伝播モードはＴＥ１０モードであり、図６（ｃ）に示すように、矩形導波管の断面の長辺ａと管内波長λｇの１／２の寸法で画成される領域内で形成される磁界がマイクロ波の進行方向（ｘ方向）に進むこととなる。図６（ｃ）に示す磁界分布を、図５に示す磁界分布に近似させるには、図７に示すように、λｇ／２を長辺ａに等しくして（すなわちλｇ＝２ａとする）正方形の領域に磁界を形成すればよいことがわかる。
【００６１】
管内波長λｇは、自由空間内のマイクロ波の波長をλとすると、
λｇ＝λ／［１−（λ／２ａ）２］１／２
で表すことができる。したがって、この式にλｇ＝２ａを代入して最適な長辺ａの長さを求めることができる。このようにして、波長２.４５ＧＨｚのマイクロ波に対する最適な長辺ａの長さを計算するとａ＝８６．６ｍｍとなる。
【００６２】
図８は矩形導波管２２とマイクロ波射出開口２２ａの各寸法の最適値を計算した結果を示す図である。導波管２２の断面の長辺ａは上述のように８６．６ｍｍとし、短辺ｂは４０ｍｍとした。また、マイクロ波射出開口２２ａの直径Ｄを６４ｍｍとした。
【００６３】
遅波板１８と導波管２２の内部との距離ｈは６ｍｍとし、遅波板１８の一部はマイクロ波射出開口２２ａ内に突出するものとし、遅波板１８の直径は１８０ｍｍ、厚みは４ｍｍとした。なお、遅波板１８の直径は１８０ｍｍ以上であっても、以下に示す結果は変わらない。また、遅波板１８の誘電率εｒは１０．１とした。ここで、マイクロ波射出開口２２ａの中心から矩形導波管２２の端部からの距離ｌを変化させてマイクロ波射出開口２２ａから投入されるマイクロ波の反射特性について調査した。
【００６４】
図９は距離ｌを変化させた場合のマイクロ波の反射率をシミュレーションした結果を示すグラフである。図９のグラフから、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合には、距離ｌが４９ｍｍのときに反射率が最小となることが分かる。
【００６５】
以上の如く、マイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚとした場合の導波管２２の各部の寸法は、断面の長辺ａが８６．６ｍｍ、短辺ｂが４０ｍｍ、マイクロ波放射開口２２ａの直径Ｄが６４ｍｍ、マイクロ波放射開口２２ａの厚さ（長さ）ｈが６ｍｍのときには、給電部の反射率は−２０ｄＢ以下であり、給電部におけるマイクロ波の反射は１％以内に抑えることができる。したがって、効率的にマイクロ波を矩形導波管２２からマイクロ波放射部材１９に効率的に導入することができる。
【００６６】
以上のような構成のプラズマＣＶＤ装置１０において、マイクロ波発生器２４により発生したマイクロ波は、導波管２２内を伝播し、マイクロ波射出開口２２ａを介して遅波板１８に導入される。遅波板１８の中央部分に導入されたマイクロ波は、遅波板１８により波長が短縮されながら、放射方向に伝播し、アンテナ部材１７に設けられた多数のスロット対３０により処理容器１２内の処理空間に向けて放射される。したがって、処理空間において均一なプラズマが生成され、半導体ウェハＷに均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００６７】
以上のように、本実施例によるプラズマＣＶＤ装置１０では、同軸導波管を用いないで、矩形導波管２２から直接マイクロ波射出開口２２ａを介してマイクロ波放射部材１９に大電力を投入することができる。したがって、同軸導波管の内導体によるマイクロ波の損失（導体損失）が無く、電力供給効率が悪化することは無い。したがって、装置を大型化することなく、装置の製造コストを低減することができる。
【００６８】
また、同軸導波管の内導体が不要なため、内導体近傍で異常放電が発生するおそれがある異常放電を防止することができる。したがって、例えば遅波板を介してアンテナ部材にマイクロ波を供給していた場合、異常放電の衝撃による遅波板の破損を防止することができる。
【００６９】
また、同軸導波管の内導体を接続するためのネジ接続が不要なため、ネジ接続に伴う構造が不要となり、内導体とアンテナ部材との間に生じる間隙を排除することができる。したがって、このような間隙で生じる異常放電を防止することができる。
【００７０】
また、従来の同軸導波管を用いた場合、上述のようなネジ止め接続では、遅波板とアンテナ部材（スロットアンテナ）との接合部分にネジ頭を収容する凹部をアンテナ部材の中央部分に形成する必要はなくなる。したがって、遅波板とアンテナ部材とを全面にわたって密着することができ、遅波板とアンテナ部材との間で異常放電が発生するという問題が解消される。
【００７１】
さらに、アンテナ部材又は遅波板と誘電体よりなる天板との間に、熱伝導を高めるためにヘリウム（Ｈｅ）ガスを封入する場合がある。この場合、本実施例では同軸導波管を用いないので、同軸導波管を用いた場合のように内導体の外周にＯリングを設けてシールを行う必要はなく、マイクロ波によるＯリングの劣化といたった問題が発生することはない。
【００７２】
次に、本発明の第２実施例について説明する。本発明の第２実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置は、図１に示すプラズマＣＶＤ装置と基本構造は同じであり、マイクロ波給電装置のみ異なるため、ここでは、マイクロ波給電装置についてのみ説明する。
【００７３】
まず、上述の第１実施例によるプラズマＣＶＤ装置のマイクロ波給電装置２０によりマイクロ波放射部材に導入されるマイクロ波の対称性について説明する。
【００７４】
マイクロ波給電装置２０では、マイクロ波射出開口２２ａの片側から伝播してきたマイクロ波は、マイクロ波射出開口２２ａにおいてその伝播方向が垂直方向に変えられ、遅波板１８に向けて射出される。この際、マイクロ波射出開口２２ａにおいて、マイクロ波が伝播してくる方向の電界強度が、反対側における電界強度より高くなり、マイクロ波のパワーが偏って不均一になる。
【００７５】
図１０はマイクロ波射出開口２２ａの円周方向の電界強度分布を示すグラフであり、縦軸は電界強度を表し、横軸は方位角を表す。図１０のグラフにおいて、図８（ａ）に示すように、方位角０．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの端部（入射側）がマイクロ波の進行方向に一致し、マイクロ波発生器２４に一番近い位置となる。また、方位角１．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの端部（終端側）がマイクロ波の進行方向に一致し、マイクロ波発生器２４から一番遠い位置となる。図１０から分かるように、方位角０．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの入射側端部付近において電界強度は大きくなり、一方、方位角１．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの終端側端部付近において電界強度が小さくなる。
【００７６】
このようにマイクロ波射出開口２２ａにおける電界強度に偏り（非対称性）が発生すると、アンテナ部材１７中を放射方向に伝播するマイクロ波も同様に強度に偏りが発生し、処理チャンバに向けて放射するマイクロ波の強度が一様ではなくなってしまう。
【００７７】
そこで、本実施例では、このようなマイクロ波の非対称性を解消するために、矩形導波管の形状をマイクロ波射出開口に関して対称として、マイクロ波射出開口の両側からマイクロ波を供給することとしたものである。
【００７８】
図１１は本発明の第２実施例によるプラズマＣＶＤ装置におけるマイクロ波給電装置４０を示す断面斜視図である。図１１に示すように、マイクロ波給電装置４０における矩形導波管４２は、その管壁４２ｂに単一のマイクロ波射出開口４２ａが形成されており、マイクロ波射出開口４２ａからマイクロ波放射部材１９に対してマイクロ波が射出される。矩形導波管４２は、マイクロ波射出開口４２ａの両側に延在しており、マイクロ波射出開口４２ａに関して対称な形状となっている。
【００７９】
以上のような構成のマイクロ波給電装置４０において、矩形導波管４２の両端からマイクロ波を伝播して、マイクロ波射出開口４２ａから射出する。すなわち、マイクロ波は、マイクロ波射出開口４２ａの両側から伝播してマイクロ波射出開口４２ａに到達する。この際、マイクロ波射出開口４２ａの位置において両側から伝播してくるマイクロ波の位相が同一となるように伝播するマイクロ波の位相を制御する。例えば、同一のマイクロ波発生装置から射出されるマイクロ波を分岐管で分岐し、左右対称な経路を通ってマイクロ波射出開口４２ａに到達するように導波管を構成すれば、同位相のマイクロ波を左右両側からマイクロ波射出開口４２ａに供給することができる。
【００８０】
したがって、図１１において、右側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける入射側の電界強度と、左側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける終端側の電界強度とは相殺され、同様に右側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける終端側の電界強度と、左側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける入射側の電界強度とは相殺される。これにより、マイクロ波射出開口４２ａから射出されるマイクロ波の電界強度は方位角に依存せずに均一となり、対称な電界のマイクロ波をマイクロ波放射部材１９に対して射出することができる。
【００８１】
上述の実施例では、マイクロ波射出開口４２ａの左右２方向に対して直線的に矩形導波管４２が延在する構成であるが、マイクロ波射出開口４２ａを中心として互いに垂直な４方向に延在するような十字型の矩形導波管とすることもできる。また、マイクロ波射出開口４２ａに関して複数の方向からマイクロ波を供給することにより、意識的にマイクロ波の強度分布を変化させることもできる。
【００８２】
また、本実施例ではマイクロ波射出開口に対してマイクロ波を複数の方向から供給することにより、マイクロ波射出開口から射出されるマイクロ波の電界の非対称性を補正することとしたが、上述の第１実施例におけるマイクロ波給電装置２０のように一方からのみマイクロ波を供給した場合、マイクロ波射出開口を円形ではなく、例えば楕円形や卵型の楕円形とすることにより、マイクロ波の偏りを無くすことができる。
【００８３】
次に、本発明の第３実施例について説明する。本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置は、図１に示すプラズマＣＶＤ装置と基本構造は同じであり、マイクロ波給電装置のみ異なるため、ここでは、マイクロ波給電装置についてのみ説明する。
【００８４】
上述の第２実施例においては、マイクロ波を左右２方向から供給してマイクロ波の強度分布の偏りを防止しているが、本実施例においては、矩形導波管（第１の導波管）とマイクロ波放射部材との間に断面円形の円形導波管（第２の導波管）を設けることにより、電界強度分布に偏りのないマイクロ波をマイクロ波放射部材に供給する。
【００８５】
図１２は本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波給電装置５０を示す断面斜視図である。
【００８６】
図１２に示すように、本実施例によるマイクロ波給電装置５０は、矩形導波管５２とマイクロ波放射部材１９との間に円形導波管５４が設けられている。矩形導波管５２の間壁５２には、マイクロ波射出開口（第１のマイクロ波射出開口）５２ａが形成されており、矩形導波管５２内を伝播してきたマイクロ波は、マイクロ波射出開口５２ａを介して円形導波管５４に導入される。そして、マイクロ波は円形導波管の底部５４ｂに形成されたマイクロ波射出開口（第２のマイクロ波射出開口）５４ａからマイクロ波放射部材１９へと射出される。このように、本実施例では、矩形導波管５２の軸方向（マイクロ波の進行方向）と円形導波管５４の軸方向（マイクロ波の進行方向）は垂直である。
【００８７】
ここで、円形導波管内におけるマイクロ波の伝播モードは、図１３に示すように矩形導波管内の磁力線の形が近いＴＭ０１モードである。すなわち、図１３（ａ）における磁気力線は同心円状であり、図５に示すマイクロ波放射部材１９におけるマイクロ波の伝播モードであるＴＥＭモードに近く、円形導波管の円形断面内で一様な分布となっている。したがって、円形導波管５４から円形のマイクロ波射出開口５４ａを介してマイクロ波放射部材１９へとマイクロ波を供給すれば、一様な電界分布でマイクロ波を供給することができ、マイクロ波放射部材１９からマイクロ波を均一に処理チャンバに放射することができる。
【００８８】
ここで、円形導波管５４の長さ、すなわち、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの出口からマイクロ波射出開口５４ａまでの距離を、管内波長λｇのｎ／２倍とすることにより、円形導波管５４は空洞共振器として作用する。プラズマ処理装置の寸法や伝播損失を考慮すると、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの出口からマイクロ波射出開口５４ａまでの距離は、管内波長λｇの１／２倍とすることが好ましいい。この場合、円形導波管５４からの反射を低減することができるので、効率的にマイクロ波をアンテナ部材１９に供給することができる。
【００８９】
図１４は円形導波管５４を空洞共振器とした場合の、図１２に示すマイクロ波給電装置５０の各部の最適寸法を計算した結果を示す図である。図１４（ａ）は矩形導波管５２の平面図であり、図１４（ｂ）はマイクロ波給電装置５０の側面図である。
【００９０】
本実施例では、矩形導波管５２の矩形断面の長辺の寸法は、上述の第１実施例と同様に８６．６ｍｍとし、短辺の寸法は２５ｍｍとした。また、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの直径Ｄ０は８４ｍｍとした。また、本実施例における遅波板１８の寸法は、上述の第１実施例における遅波板１８の寸法と同様に、厚みを４ｍｍとし、外形を１８０ｍｍとした。なお、外形を１８０ｍｍ以上にしても以下に示す結果は変わらない。さらに、円形導波管５４と遅波板１８との接続部分の寸法は、上述の第１実施例における矩形導波管２２と遅波板１８との接続部分の寸法と同じように設定した。すなわち、円形導波管５４のマイクロ波射出開口５４ａの直径Ｄ１は６４ｍｍ、マイクロ波射出開口５４ａの高さ（長さ）ｈ１は６ｍｍとした。
【００９１】
以上の寸法に基づいて計算した結果、円形導波管５４の直径を１５０ｍｍとし、円形導波管の長さを７８．４ｍｍとし、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの中心から矩形導波管５２の端面までの距離ｌを５７ｍｍとすることにより低反射率で効率のよいマイクロ波給電を達成することができた。
【００９２】
図１５は本実施例によるマイクロ波給電装置の各寸法を上述の寸法に設定して、マイクロ波の電界分布を計算した結果を示すグラフである。図１５のグラフから、マイクロ波の電界強度はどの方位でも略一様になっていることがわかる。
【００９３】
したがって、本実施例によるマイクロ波給電装置によれば、一様な電界強度のマイクロ波をマイクロ波放射部材１９に供給することができ、その結果一様な強度のマイクロ波を処理容器１２に放射することができる。これにより、処理容器内のウェハＷの全面に渡って一様なプラズマ処理を施すことができ、高品質のプラズマ処理を達成することができる。
【００９４】
また、マイクロ波放射部材１９に対して同軸導波管を用いないでマイクロ波を供給することができるため、上述の第１及び第２実施例と同様に電力損失の少ない効率的なマイクロ波の供給を達成することができる。
【００９５】
なお、図１２に示す矩形導波管５２の内部には、仕切り板５６が設けられている。仕切り板５６は、マイクロ波射出開口５２ａから戻ってきた反射波を再度マイクロ波射出開口５２ａにもどすためにて設けられるものである。
【００９６】
また、矩形導波管から円形導波管にマイクロ波を導入するための変換器あるいそのような構造は、周知のものを用いることができ、上述の実施例の構造に限定されるものではない。
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、同軸導波管を用いないでマイクロ波放射部材にマイクロ波を供給することができる。このため、同軸導波管の内導体における電力損失がなく、電力供給効率を向上することができる。また、マイクロ波が集中する可能性のある部分が少なくなり、給電部分において不要な放電が起こり難く、大きな電力をマイクロ波放射部材に供給することができる。さらに、同軸導波管の内導体を接続するためのネジ接続部が不要となるため、マイクロ波放射部材の形状が簡素化され、容易に製造することができる。さらに、マイクロ波放射部材の形状が簡素化されることにより、導電ガスとしてヘリウム等を封入する機構を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置において処理容器にマイクロ波を導入する部分であるマイクロ波給電装置を示す断面斜視図である。
【図３】図３は図２に示すアンテナ部材の一例を示す平面図である。
【図４】図３に示すスロット対の構成を示す図である。
【図５】マイクロ波放射部材におけるマイクロ波の伝播モードを示す図である。
【図６】矩形導波管にけるマイクロ波の伝播モードを示す図である。
【図７】矩形導波管内を伝播するマイクロ波による磁界を示す図である。
【図８】矩形導波管とマイクロ波射出開口の各部の最適寸法を計算した結果を示す図である。
【図９】マイクロ波射出開口におけるマイクロ波の反射率をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図１０】マイクロ波射出開口の円周方向の電界強度分布を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波給電装置を示す断面斜視図である。
【図１２】本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波給電装置を示す断面斜視図である。
【図１３】円形導波管におけるマイクロ波の伝播モードを説明するための図である。
【図１４】円形導波管を空洞共振器とした場合の、図１２に示すマイクロ波給電装置の各部の最適寸法を計算した結果を示す図である。
【図１５】本は発明の第３実施例におけるマイクロ波射出開口の円周方向の電界強度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ プラズマＣＶＤ装置
１２ 処理容器
１２ａ 排気口
１４ 載置台
１５ 誘電体板
１６ 供給管
１７ アンテナ部材
１８ 遅波板
１９ マイクロ波放射部材
２０，４０，５０ マイクロ波給電装置
２２，４２，５２ 矩形導波管
２２ａ，４２ａ，５２ａ，５４ａ マイクロ波射出開口
２２ｂ，４２ｂ，５２ｂ 管壁
２４ マイクロ波発生器
３０ スロット対
３０Ａ，３０Ｂ スロット
５４ 円形導波管
５４ａ 底部
５６ 仕切り板
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に係り、特にマイクロ波によりプラズマを発生させて半導体ウェハ等にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い、半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用されている。特に、マイクロ波を用いてプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置は、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを発生させることができる。このため、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
【０００３】
マイクロ波プラズマ処理装置では、一般的に、真空引き可能になされた処理容器の天井部にマイクロ波を透過する誘電体板が設けられ、誘電体板の上に円板状の平坦なアンテナ部材（マイクロ波放射部材）が取り付けられている。
【０００４】
また、アンテナ部材の上には、遅波板が取り付けられる。遅波板は所定の誘電率を有しており、マイクロ波発生器から供給されるマイクロ波の波長を所定の率で短縮する。アンテナ部材には多数の貫通孔（スロット）が形成されており、アンテナ部材にその中心から供給されて放射方向に伝播するマイクロ波を、スロットを介して処理容器内に導入する。遅波板によりアンテナ部材に供給するマイクロ波の波長を短縮することにより、アンテナ部材に形成するスロットを小さくでき、その結果、より多くのスロットをアンテナ部材に配置してプラズマ密度の均一性を向上させることができる。
【０００５】
以上のような構成のマイクロ波プラズマ処理装置において、アンテナ部材から誘電体板を介して処理容器内に導入されたマイクロ波により処理ガスのプラズマが生成され、処理容器内に載置された半導体ウェハに対してプラズマ処理が施される。
【０００６】
遅波板及びアンテナ部材を介して処理容器に導入するマイクロ波は、マグネトロン等のマイクロ波発生器から供給される。マイクロ波発生器により発生したマイクロ波は、導波管を通じて遅波板あるいはアンテナ部材に供給される。導波管により伝播したマイクロ波は、遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給され、中央部分から放射方向に伝播しながら最終的に処理容器の処理空間に均一に放射されることが好ましい。
このように、マイクロ波を遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給するには、一般的に同軸導波管が用いられる。すなわち、マイクロ波発生器により発生したマイクロ波は、まず、例えば矩形断面を有する導波管に供給されて遅波板あるいはアンテナ部材の中央付近まで伝播され、内導体及び外導体よりなる同軸導波管を介して遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロ波を遅波板あるいはアンテナ部材の中央部分に供給する同軸導波管は、例えば内導体及び外導体よりなり、内導体は直径１７ｍｍ程度の細い管である。同軸導波管を介してアンテナ部材に大電力を投入する場合、同軸導波管の内導体近傍に非常に強い電界が発生し、内導体内は加熱され高温となる。すなわち、マイクロ波の一部が熱になるため、供給するマイクロ波の損失（導体損失）が増大し、電力供給効率が悪化するという問題がある。また、同軸導波管を冷却装置で覆って冷却する必要があるため、装置が大型化し装置の製造コストが上昇する。
【０００８】
また、内導体近傍に非常に強い電界が発生するため、内導体近傍で異常放電が発生するおそれがある。異常放電が発生すると、内導体近傍の遅波板が破損してしまうこともある。
【０００９】
例えば、同軸導波管の内導体は、アンテナ部材の中央に密着した状態で接続する必要があり、内導体の端面にネジ穴を形成しておき、内導体の端面がアンテナ部材に接触した状態で、遅波板を貫通したネジを内導体のネジ穴にねじ込むことにより、内導体をアンテナ部材に接続している。しかし、このようなネジ止めによる接続では、内導体の端面をアンテナ部材の表面に完全に密着することは難しく、僅かな間隙があるとその部分で異常放電が発生してしまう。
【００１０】
また、上述のようなネジ止め接続では、誘電体板とアンテナ部材（スロットアンテナ）との接合部分にネジ頭が存在する。このため、例えば、アンテナ部材の表面から突出したネジ頭を収容する凹部を誘電体板の中央部分に形成する必要がある。したがって、遅波板とアンテナ部材とをその中央部分で密着することが難しく、この凹部付近で異常放電が発生するという問題がある。
【００１１】
また、アンテナ部材又は遅波板と誘電体よりなる天板との間に、熱伝導を高めるためにヘリウム（Ｈｅ）ガスを封入する場合がある。この場合、同軸導波管の内導体の外周にＯリングを設けて誘電体天板とのでシールを行うが、Ｏリングが強いマイクロ波に曝されて劣化し損傷してしまうという問題もある。
【００１２】
ここで、導波管とアンテナ部材との間に空胴共振器を設け、空胴共振器からマイクロ波を処理容器に導入することが提案されている。特許第２５６９０１９号公報は、導波管に空胴共振器を設けてマイクロ波を増幅し、空胴共振器の底面に形成されたスロットから増幅したマイクロ波を処理容器に導入する技術を開示している。この特許公報に開示された空洞共振器は、処理容器に面した底面全体からマイクロ波を放射するように、底面全体に多数のスロットが形成される。したがって、マイクロ波を中央部分から放射状に伝播してから処理容器の処理空間に対して放射するものではない。また、各スロットの長さは供給されるマイクロ波の波長に従って決められ、たとえば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合はスロットの長さをマイクロ波の１／２波長である６０ｍｍ以上とすることが好ましい。したがって、マイクロ波を中央部分から放射状に伝播し、多数の小さなスロットから処理空間に向かって均一に放射するという効果は得られない。このように、特許第２５６９０１９号公報に開示された空洞共振器を有するマイクロ波供給機構（給電機構）は、多数の小さなスロットを介してマイクロ波を処理容器に均一に供給するアンテナ部材（スロットアンテナ）に適用することはできなかった。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、マイクロ波発生器から供給されるマイクロ波を、導波管からアンテナ部材に効率よく供給することができるマイクロ波プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理方法及びマイクロ波給電装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１記載の発明は、被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、該被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、該マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を伝播する第１の導波管と、該導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなりマイクロ波を前記処理容器内の空間に放射するマイクロ波放射部材とを有し、前記第１の導波管は、前記マイクロ波放射部材の中央部分に相当する位置に、マイクロ波出力用の単一の第１のマイクロ波射出開口を有することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管は矩形状の断面を有する矩形導波管であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記矩形導波管の断面の長辺の長さは、前記矩形導波管内におけるマイクロ波波長の１／２であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記矩形導波管の前記第１のマイクロ波射出開口は、前記矩形導波管の断面の長辺に相当する面に形成されることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項５記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして対称に延在することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波が供給され、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波が導入されることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項８記載の発明は、請求項７記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記第２の導波管は円形断面を有する円形導波管であることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項９記載の発明は、請求項８記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記円形導波管の長さは前記第１の導波管におけるマイクロ波波長のｎ／２倍（ｎは整数）であり、前記円形導波管は円筒空洞共振器を形成することを特徴とするものである。
【００２５】
請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記スロットアンテナは、厚み方向に貫通し、その平面形状が中央が膨らんだ長い楕円形である多数のスロットを有することを特徴とするものである。
【００２６】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、螺旋状又は複数の円周状に配列されたことを特徴とするものである。
【００２７】
請求項１２記載の発明は、請求項１１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、Ｔ字状に配置された２つのスロットよりなるスロット対を構成することを特徴とするものである。
【００２８】
請求項１３記載の発明は、被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理方法であって、該被処理基体を処理容器内の載置台に載置し、マイクロ波発生器によりマイクロ波を発生し、該マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を第１の導波管により伝播し、該第１の導波管から供給されるマイクロ波を、該第１の導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなるマイクロ波放射部材の中央部分に相当する部分に形成された単一の第１のマイクロ波射出開口から射出し、該第１の導波管から射出されたマイクロ波を、前記遅波板中を放射方向に伝播させながら、該マイクロ波放射部材により前記処理容器内の空間に放射し、放射されたマイクロ波によりプラズマを生成して、前記被処理基体にプラズマ処理を施すことを特徴とするものである。
【００２９】
請求項１４記載の発明は、請求項１３記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在し、前記第１のマイクロ波射出開口に対して同位相のマイクロ波を複数の方向から伝播することを特徴とするものである。
【００３０】
請求項１５記載の発明は、請求項１４記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして両側から同位相のマイクロ波を供給することを特徴とするものである。
【００３１】
請求項１６記載の発明は、請求項１３乃至１５のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波を供給し、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を導入することを特徴とするものである。
【００３２】
請求項１７記載の発明は、請求項１６記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、前記第２の導波管を空洞共振器として形成し、前記第１のマイクロ波射出開口から供給されたマイクロ波を全て前記第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材に導入することを特徴とするものである。
【００３３】
請求項１８記載の発明は、マイクロ波を処理チャンバに供給するためのマイクロ波給電装置であって、マイクロ波発生器からのマイクロ波を伝播し、該マイクロ波を射出する第１のマイクロ波射出開口を有する中空の第１の導波管と、該第１の導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなり、該第１のマイクロ波射出開口から供給されたマイクロ波を、その供給方向とは垂直の放射方向に伝播し、前記スロットアンテナ部材に形成された複数のスロットを介して前記処理チャンバに導入するマイクロ波放射部材とを有し、前記第１のマイクロ波射出開口は、該マイクロ波放射部材の中央部分に相当する部分に形成された単一の開口であることを特徴とするものである。
【００３４】
請求項１９記載の発明は、請求項１８記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管は矩形状の断面を有する矩形導波管であることを特徴とするものである。
【００３５】
請求項２０記載の発明は、請求項１９記載のマイクロ波給電装置であって、前記矩形導波管の断面の長辺の長さは、前記矩形導波管内におけるマイクロ波波長の１／２であることを特徴とするものである。
【００３６】
請求項２１記載の発明は、請求項１９又は２０記載のマイクロ波給電装置であって、前記矩形導波管の前記第１のマイクロ波射出開口は、前記矩形導波管の断面の長辺に相当する面に形成されることを特徴とするものである。
【００３７】
請求項２２記載の発明は、請求項１８乃至２１のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在することを特徴とするものである。
【００３８】
請求項２３記載の発明は、請求項２２記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして対称に延在することを特徴とするものである。
【００３９】
請求項２４記載の発明は、請求項１８乃至２３のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波が供給され、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波が導入されることを特徴とするものである。
【００４０】
請求項２５記載の発明は、請求項２４記載のマイクロ波給電装置であって、前記第２の導波管は円形断面を有する円形導波管であることを特徴とするものである。
【００４１】
請求項２６記載の発明は、請求項２５記載のマイクロ波給電装置であって、前記円形導波管の長さは前記第１の導波管におけるマイクロ波波長のｎ／２倍（ｎは整数）であり、前記円形導波管は円筒空洞共振器を形成することを特徴とするものである。
【００４２】
請求項２７記載の発明は、請求項１８乃至２７のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材は、供給されるマイクロ波の波長を短縮する遅波板を含むことを特徴とするものである。
【００４３】
請求項２８記載の発明は、請求項１８乃至２７のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材は、厚み方向に貫通した多数のスロットを有することを特徴とするものである。
【００４４】
請求項２９記載の発明は、請求項２８記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、螺旋状又は複数の円周状に配列されたことを特徴とするものである。
【００４５】
請求項３０記載の発明は、請求項２８記載のマイクロ波給電装置であって、前記マイクロ波放射部材のスロットは、Ｔ字状に配置された２つのスロットよりなるスロット対を構成することを特徴とするものである。
【００４６】
上述の発明によれば、第１の導波管に設けられた単一の第１のマイクロ波放射開口を介してマイクロ波がマイクロ波放射部材の中央部分から供給されため、マイクロ波放射部材の中央部分からマイクロ波を放射状に伝播することができる。したがって、マイクロ波放射部材に形成された多数のスロットにより効率的にマイクロ波を処理容器に均一に放射することができ、均一なプラズマを生成することができる。したがって、上述の発明によれば、同軸導波管を用いないでマイクロ波放射部材にマイクロ波を供給することができるため、同軸導波管の内導体における電力損失がなく、電力供給効率を向上することができる。また、マイクロ波が集中する可能性のある部分が少なくなり、給電部分において不要な放電が起こり難く、大きな電力をマイクロ波放射部材に供給することができる。さらに、同軸導波管の内導体を接続するためのネジ接続部が不要となるため、マイクロ波放射部材の形状が簡素化され、容易に製造することができる。さらに、マイクロ波放射部材の形状が簡素化されることにより、導電ガスとしてヘリウム等を封入する機構を容易に構成することができる。
【００４７】
また、第１の導波管とマイクロ波放射部材との間に第２の導波管を設けて空洞共振器を構成した場合、空洞共振器に供給されるマイクロ波の反射が防止されマイクロ波のほとんど全てが第２のマイクロ波射出開口からマイクロ波放射部材に導入される。したがって、同軸導波管による電力供給のように接続部において放電が発生するおそれがなく、また発熱による電力損失を伴わずに、効率的に大電力を供給することができる。
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明の第１実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【００４８】
本発明の第１実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置は、図１に示すように、処理容器１２内において半導体ウェハＷにプラズマＣＶＤ処理を施すプラズマＣＶＤ装置１０である。なお、本発明はプラズマＣＶＤ処理に限ることなく、プラズマアッシング、プラズマエッチング、プラズマ酸化・酸窒化・窒化等のプラズマ処理を行う装置にも適用することができる。
【００４９】
被処理基体である半導体ウェハＷは、処理容器１２内の載置台１４上に載置される。処理容器１２には、ガス源（図示せず）から供給管１６を通じてプラズマ処理用ガスが供給される。一方、処理容器１２の底部には真空ポンプ（図示せず）に接続された排気口１２ａが設けら、処理容器内を所定の真空圧力に維持するように構成されている。
【００５０】
次に、図１に加えて図２も参照しながら、処理容器１２にマイクロ波を導入するためのマイクロ波給電装置の構成について説明する。図２は図１に示すプラズマＣＶＤ装置１０において処理容器１２にマイクロ波を導入する部分であるマイクロ波給電装置２０を示す断面斜視図である。
【００５１】
処理容器１２の天井部は開口されており、マイクロ波放射部材としてのアンテナ部材（スロット板）１７と遅波板１８とよりなるマイクロ波放射部材１９が誘電体板１５を介して開口に気密に取り付けられる。遅波板１８は、アンテナ部材１７に供給するマイクロ波の波長を短縮する部材であり、アンテナ部材１７に形成されるスロットの長さ及び間隔を減少するために設けられる。
【００５２】
遅波板１８の上には、矩形状の断面を有する矩形導波管（第１の導波管）２２が設けられる。矩形導波管２２の一端には、マグネトロン等よりなるマイクロ波発生器２４が設けられる。マイクロ波発生器２４により発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、矩形導波管２２内を伝播し、導矩形波管２２の他端側に形成されたマイクロ波射出開口２２ａからマイクロ波放射部材１９に供給される。本実施例において、マイクロ波射出開口２２ａは、矩形導波管２２の断面の長辺に相当する管壁２２ｂに設けられた円形の開口であり、その下に位置するアンテナ部材１８の中央に相当する位置に配置される。
【００５３】
図３はアンテナ部材１７の一例を示す平面図である。図３に示すアンテナ部材１７には、スロット３０Ａと３０Ｂとよりなる多数のスロット対３０が形成されている。図３に示す例では、スロット対３０は複数の同心円に沿って配列されているが、螺旋状に配置したり、非同心円状に配置することとしてもよい。
【００５４】
図４は図３に示すスロット対の構成を示す図である。スロット３０Ａ及び３０Ｂの各々は、中央部が膨らんだ細長い楕円形状である。スロット３０Ｂの長手方向はスロット３０Ａの長手方向と９０度の角度をなし、スロット３０Ｂの一端がスロット３０Ａの中央に近接してＴ字状となるように配置される。スロット３０Ｂの中央とアンテナ部材１７の中心Ｏとを結ぶ線は、スロット３０Ｂの長手方向に対して４５度の角度をなす。また、スロット３０Ａの中央からアンテナ部材１７の中心Ｏまでの距離ＬＡと、スロット３０Ｂの中央からアンテナ部材１７の中心Ｏまでの距離ＬＢとの差（ＬＡ−ＬＢ）は、遅波板２０により短縮されたマイクロ波の波長λの四分の一である（（ＬＡ−ＬＢ）＝λ／４）。
【００５５】
以上のような構成のスロット対３０を有するアンテナ部材１７に対して、その中央からマイクロ波が放射状に伝播すると、スロット対３０により円偏波の電界が生じ、マイクロ波は効率よく処理容器１２の処理空間に向かって均一に放射される。
【００５６】
なお、アンテナ部材１７に形成するスロットは、必ずしもスロット対を構成する必要はない。また、スロットの各々は細長い楕円形状に限ることなく、例えば円形、三角形、正方形、長方形、あるいはその他の多角形であってもよい。ただし、多角形の場合は角部に滑らかな丸みを持たせることにより、電界の集中を防止して異常放電を防止することが好ましい。
【００５７】
上述のようにマイクロ波を放射状に伝播するアンテナ部材１７において、マイクロ波は、図５に示すように、ラジアル線路内で同心円状の磁界分布を有するＴＥＭモードに従って伝播する。したがって、矩形導波管２２からアンテナ部材１７（遅波板１８）に供給するマイクロ波の磁界分布をなるべく同心円状の磁界分布とすることが好ましい。
【００５８】
そこで、本実施例では、矩形導波管２２内を伝播するマイクロ波の磁界がなるべく円形に近い磁界分布となるように矩形導波管２２の各寸法を調整している。
【００５９】
図６は、矩形導波管２２にけるマイクロ波の伝播モードを示す図である。図６（ａ）は矩形導波管２２のマイクロ波の進行方向に垂直な断面における電気力線を示し、図６（ｂ）は矩形導波管２２のマイクロ波の進行方向に平行な断面における電気力線を示す。また、図６（ｃ）は電気力線に垂直な面内に発生する磁力線を示す。なお、図６（ａ）に示す断面において、長辺の長さをａとし、短辺の長さをｂとする。
【００６０】
図６に示す矩形導波管におけるマイクロ波の伝播モードはＴＥ１０モードであり、図６（ｃ）に示すように、矩形導波管の断面の長辺ａと管内波長λｇの１／２の寸法で画成される領域内で形成される磁界がマイクロ波の進行方向（ｘ方向）に進むこととなる。図６（ｃ）に示す磁界分布を、図５に示す磁界分布に近似させるには、図７に示すように、λｇ／２を長辺ａに等しくして（すなわちλｇ＝２ａとする）正方形の領域に磁界を形成すればよいことがわかる。
【００６１】
管内波長λｇは、自由空間内のマイクロ波の波長をλとすると、
λｇ＝λ／［１−（λ／２ａ）２］１／２
で表すことができる。したがって、この式にλｇ＝２ａを代入して最適な長辺ａの長さを求めることができる。このようにして、波長２.４５ＧＨｚのマイクロ波に対する最適な長辺ａの長さを計算するとａ＝８６．６ｍｍとなる。
【００６２】
図８は矩形導波管２２とマイクロ波射出開口２２ａの各寸法の最適値を計算した結果を示す図である。導波管２２の断面の長辺ａは上述のように８６．６ｍｍとし、短辺ｂは４０ｍｍとした。また、マイクロ波射出開口２２ａの直径Ｄを６４ｍｍとした。
【００６３】
遅波板１８と導波管２２の内部との距離ｈは６ｍｍとし、遅波板１８の一部はマイクロ波射出開口２２ａ内に突出するものとし、遅波板１８の直径は１８０ｍｍ、厚みは４ｍｍとした。なお、遅波板１８の直径は１８０ｍｍ以上であっても、以下に示す結果は変わらない。また、遅波板１８の誘電率εｒは１０．１とした。ここで、マイクロ波射出開口２２ａの中心から矩形導波管２２の端部からの距離ｌを変化させてマイクロ波射出開口２２ａから投入されるマイクロ波の反射特性について調査した。
【００６４】
図９は距離ｌを変化させた場合のマイクロ波の反射率をシミュレーションした結果を示すグラフである。図９のグラフから、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合には、距離ｌが４９ｍｍのときに反射率が最小となることが分かる。
【００６５】
以上の如く、マイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚとした場合の導波管２２の各部の寸法は、断面の長辺ａが８６．６ｍｍ、短辺ｂが４０ｍｍ、マイクロ波放射開口２２ａの直径Ｄが６４ｍｍ、マイクロ波放射開口２２ａの厚さ（長さ）ｈが６ｍｍのときには、給電部の反射率は−２０ｄＢ以下であり、給電部におけるマイクロ波の反射は１％以内に抑えることができる。したがって、効率的にマイクロ波を矩形導波管２２からマイクロ波放射部材１９に効率的に導入することができる。
【００６６】
以上のような構成のプラズマＣＶＤ装置１０において、マイクロ波発生器２４により発生したマイクロ波は、導波管２２内を伝播し、マイクロ波射出開口２２ａを介して遅波板１８に導入される。遅波板１８の中央部分に導入されたマイクロ波は、遅波板１８により波長が短縮されながら、放射方向に伝播し、アンテナ部材１７に設けられた多数のスロット対３０により処理容器１２内の処理空間に向けて放射される。したがって、処理空間において均一なプラズマが生成され、半導体ウェハＷに均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００６７】
以上のように、本実施例によるプラズマＣＶＤ装置１０では、同軸導波管を用いないで、矩形導波管２２から直接マイクロ波射出開口２２ａを介してマイクロ波放射部材１９に大電力を投入することができる。したがって、同軸導波管の内導体によるマイクロ波の損失（導体損失）が無く、電力供給効率が悪化することは無い。したがって、装置を大型化することなく、装置の製造コストを低減することができる。
【００６８】
また、同軸導波管の内導体が不要なため、内導体近傍で異常放電が発生するおそれがある異常放電を防止することができる。したがって、例えば遅波板を介してアンテナ部材にマイクロ波を供給していた場合、異常放電の衝撃による遅波板の破損を防止することができる。
【００６９】
また、同軸導波管の内導体を接続するためのネジ接続が不要なため、ネジ接続に伴う構造が不要となり、内導体とアンテナ部材との間に生じる間隙を排除することができる。したがって、このような間隙で生じる異常放電を防止することができる。
【００７０】
また、従来の同軸導波管を用いた場合、上述のようなネジ止め接続では、遅波板とアンテナ部材（スロットアンテナ）との接合部分にネジ頭を収容する凹部をアンテナ部材の中央部分に形成する必要はなくなる。したがって、遅波板とアンテナ部材とを全面にわたって密着することができ、遅波板とアンテナ部材との間で異常放電が発生するという問題が解消される。
【００７１】
さらに、アンテナ部材又は遅波板と誘電体よりなる天板との間に、熱伝導を高めるためにヘリウム（Ｈｅ）ガスを封入する場合がある。この場合、本実施例では同軸導波管を用いないので、同軸導波管を用いた場合のように内導体の外周にＯリングを設けてシールを行う必要はなく、マイクロ波によるＯリングの劣化といたった問題が発生することはない。
【００７２】
次に、本発明の第２実施例について説明する。本発明の第２実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置は、図１に示すプラズマＣＶＤ装置と基本構造は同じであり、マイクロ波給電装置のみ異なるため、ここでは、マイクロ波給電装置についてのみ説明する。
【００７３】
まず、上述の第１実施例によるプラズマＣＶＤ装置のマイクロ波給電装置２０によりマイクロ波放射部材に導入されるマイクロ波の対称性について説明する。
【００７４】
マイクロ波給電装置２０では、マイクロ波射出開口２２ａの片側から伝播してきたマイクロ波は、マイクロ波射出開口２２ａにおいてその伝播方向が垂直方向に変えられ、遅波板１８に向けて射出される。この際、マイクロ波射出開口２２ａにおいて、マイクロ波が伝播してくる方向の電界強度が、反対側における電界強度より高くなり、マイクロ波のパワーが偏って不均一になる。
【００７５】
図１０はマイクロ波射出開口２２ａの円周方向の電界強度分布を示すグラフであり、縦軸は電界強度を表し、横軸は方位角を表す。図１０のグラフにおいて、図８（ａ）に示すように、方位角０．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの端部（入射側）がマイクロ波の進行方向に一致し、マイクロ波発生器２４に一番近い位置となる。また、方位角１．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの端部（終端側）がマイクロ波の進行方向に一致し、マイクロ波発生器２４から一番遠い位置となる。図１０から分かるように、方位角０．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの入射側端部付近において電界強度は大きくなり、一方、方位角１．５πにおけるマイクロ波射出開口２２ａの終端側端部付近において電界強度が小さくなる。
【００７６】
このようにマイクロ波射出開口２２ａにおける電界強度に偏り（非対称性）が発生すると、アンテナ部材１７中を放射方向に伝播するマイクロ波も同様に強度に偏りが発生し、処理チャンバに向けて放射するマイクロ波の強度が一様ではなくなってしまう。
【００７７】
そこで、本実施例では、このようなマイクロ波の非対称性を解消するために、矩形導波管の形状をマイクロ波射出開口に関して対称として、マイクロ波射出開口の両側からマイクロ波を供給することとしたものである。
【００７８】
図１１は本発明の第２実施例によるプラズマＣＶＤ装置におけるマイクロ波給電装置４０を示す断面斜視図である。図１１に示すように、マイクロ波給電装置４０における矩形導波管４２は、その管壁４２ｂに単一のマイクロ波射出開口４２ａが形成されており、マイクロ波射出開口４２ａからマイクロ波放射部材１９に対してマイクロ波が射出される。矩形導波管４２は、マイクロ波射出開口４２ａの両側に延在しており、マイクロ波射出開口４２ａに関して対称な形状となっている。
【００７９】
以上のような構成のマイクロ波給電装置４０において、矩形導波管４２の両端からマイクロ波を伝播して、マイクロ波射出開口４２ａから射出する。すなわち、マイクロ波は、マイクロ波射出開口４２ａの両側から伝播してマイクロ波射出開口４２ａに到達する。この際、マイクロ波射出開口４２ａの位置において両側から伝播してくるマイクロ波の位相が同一となるように伝播するマイクロ波の位相を制御する。例えば、同一のマイクロ波発生装置から射出されるマイクロ波を分岐管で分岐し、左右対称な経路を通ってマイクロ波射出開口４２ａに到達するように導波管を構成すれば、同位相のマイクロ波を左右両側からマイクロ波射出開口４２ａに供給することができる。
【００８０】
したがって、図１１において、右側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける入射側の電界強度と、左側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける終端側の電界強度とは相殺され、同様に右側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける終端側の電界強度と、左側から伝播してきたマイクロ波のマイクロ波射出開口４２ａにおける入射側の電界強度とは相殺される。これにより、マイクロ波射出開口４２ａから射出されるマイクロ波の電界強度は方位角に依存せずに均一となり、対称な電界のマイクロ波をマイクロ波放射部材１９に対して射出することができる。
【００８１】
上述の実施例では、マイクロ波射出開口４２ａの左右２方向に対して直線的に矩形導波管４２が延在する構成であるが、マイクロ波射出開口４２ａを中心として互いに垂直な４方向に延在するような十字型の矩形導波管とすることもできる。また、マイクロ波射出開口４２ａに関して複数の方向からマイクロ波を供給することにより、意識的にマイクロ波の強度分布を変化させることもできる。
【００８２】
また、本実施例ではマイクロ波射出開口に対してマイクロ波を複数の方向から供給することにより、マイクロ波射出開口から射出されるマイクロ波の電界の非対称性を補正することとしたが、上述の第１実施例におけるマイクロ波給電装置２０のように一方からのみマイクロ波を供給した場合、マイクロ波射出開口を円形ではなく、例えば楕円形や卵型の楕円形とすることにより、マイクロ波の偏りを無くすことができる。
【００８３】
次に、本発明の第３実施例について説明する。本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置は、図１に示すプラズマＣＶＤ装置と基本構造は同じであり、マイクロ波給電装置のみ異なるため、ここでは、マイクロ波給電装置についてのみ説明する。
【００８４】
上述の第２実施例においては、マイクロ波を左右２方向から供給してマイクロ波の強度分布の偏りを防止しているが、本実施例においては、矩形導波管（第１の導波管）とマイクロ波放射部材との間に断面円形の円形導波管（第２の導波管）を設けることにより、電界強度分布に偏りのないマイクロ波をマイクロ波放射部材に供給する。
【００８５】
図１２は本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波給電装置５０を示す断面斜視図である。
【００８６】
図１２に示すように、本実施例によるマイクロ波給電装置５０は、矩形導波管５２とマイクロ波放射部材１９との間に円形導波管５４が設けられている。矩形導波管５２の間壁５２には、マイクロ波射出開口（第１のマイクロ波射出開口）５２ａが形成されており、矩形導波管５２内を伝播してきたマイクロ波は、マイクロ波射出開口５２ａを介して円形導波管５４に導入される。そして、マイクロ波は円形導波管の底部５４ｂに形成されたマイクロ波射出開口（第２のマイクロ波射出開口）５４ａからマイクロ波放射部材１９へと射出される。このように、本実施例では、矩形導波管５２の軸方向（マイクロ波の進行方向）と円形導波管５４の軸方向（マイクロ波の進行方向）は垂直である。
【００８７】
ここで、円形導波管内におけるマイクロ波の伝播モードは、図１３に示すように矩形導波管内の磁力線の形が近いＴＭ０１モードである。すなわち、図１３（ａ）における磁気力線は同心円状であり、図５に示すマイクロ波放射部材１９におけるマイクロ波の伝播モードであるＴＥＭモードに近く、円形導波管の円形断面内で一様な分布となっている。したがって、円形導波管５４から円形のマイクロ波射出開口５４ａを介してマイクロ波放射部材１９へとマイクロ波を供給すれば、一様な電界分布でマイクロ波を供給することができ、マイクロ波放射部材１９からマイクロ波を均一に処理チャンバに放射することができる。
【００８８】
ここで、円形導波管５４の長さ、すなわち、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの出口からマイクロ波射出開口５４ａまでの距離を、管内波長λｇのｎ／２倍とすることにより、円形導波管５４は空洞共振器として作用する。プラズマ処理装置の寸法や伝播損失を考慮すると、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの出口からマイクロ波射出開口５４ａまでの距離は、管内波長λｇの１／２倍とすることが好ましいい。この場合、円形導波管５４からの反射を低減することができるので、効率的にマイクロ波をアンテナ部材１９に供給することができる。
【００８９】
図１４は円形導波管５４を空洞共振器とした場合の、図１２に示すマイクロ波給電装置５０の各部の最適寸法を計算した結果を示す図である。図１４（ａ）は矩形導波管５２の平面図であり、図１４（ｂ）はマイクロ波給電装置５０の側面図である。
【００９０】
本実施例では、矩形導波管５２の矩形断面の長辺の寸法は、上述の第１実施例と同様に８６．６ｍｍとし、短辺の寸法は２５ｍｍとした。また、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの直径Ｄ０は８４ｍｍとした。また、本実施例における遅波板１８の寸法は、上述の第１実施例における遅波板１８の寸法と同様に、厚みを４ｍｍとし、外形を１８０ｍｍとした。なお、外形を１８０ｍｍ以上にしても以下に示す結果は変わらない。さらに、円形導波管５４と遅波板１８との接続部分の寸法は、上述の第１実施例における矩形導波管２２と遅波板１８との接続部分の寸法と同じように設定した。すなわち、円形導波管５４のマイクロ波射出開口５４ａの直径Ｄ１は６４ｍｍ、マイクロ波射出開口５４ａの高さ（長さ）ｈ１は６ｍｍとした。
【００９１】
以上の寸法に基づいて計算した結果、円形導波管５４の直径を１５０ｍｍとし、円形導波管の長さを７８．４ｍｍとし、矩形導波管５２のマイクロ波射出開口５２ａの中心から矩形導波管５２の端面までの距離ｌを５７ｍｍとすることにより低反射率で効率のよいマイクロ波給電を達成することができた。
【００９２】
図１５は本実施例によるマイクロ波給電装置の各寸法を上述の寸法に設定して、マイクロ波の電界分布を計算した結果を示すグラフである。図１５のグラフから、マイクロ波の電界強度はどの方位でも略一様になっていることがわかる。
【００９３】
したがって、本実施例によるマイクロ波給電装置によれば、一様な電界強度のマイクロ波をマイクロ波放射部材１９に供給することができ、その結果一様な強度のマイクロ波を処理容器１２に放射することができる。これにより、処理容器内のウェハＷの全面に渡って一様なプラズマ処理を施すことができ、高品質のプラズマ処理を達成することができる。
【００９４】
また、マイクロ波放射部材１９に対して同軸導波管を用いないでマイクロ波を供給することができるため、上述の第１及び第２実施例と同様に電力損失の少ない効率的なマイクロ波の供給を達成することができる。
【００９５】
なお、図１２に示す矩形導波管５２の内部には、仕切り板５６が設けられている。仕切り板５６は、マイクロ波射出開口５２ａから戻ってきた反射波を再度マイクロ波射出開口５２ａにもどすためにて設けられるものである。
【００９６】
また、矩形導波管から円形導波管にマイクロ波を導入するための変換器あるいそのような構造は、周知のものを用いることができ、上述の実施例の構造に限定されるものではない。
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、同軸導波管を用いないでマイクロ波放射部材にマイクロ波を供給することができる。このため、同軸導波管の内導体における電力損失がなく、電力供給効率を向上することができる。また、マイクロ波が集中する可能性のある部分が少なくなり、給電部分において不要な放電が起こり難く、大きな電力をマイクロ波放射部材に供給することができる。さらに、同軸導波管の内導体を接続するためのネジ接続部が不要となるため、マイクロ波放射部材の形状が簡素化され、容易に製造することができる。さらに、マイクロ波放射部材の形状が簡素化されることにより、導電ガスとしてヘリウム等を封入する機構を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すマイクロ波プラズマ処理装置において処理容器にマイクロ波を導入する部分であるマイクロ波給電装置を示す断面斜視図である。
【図３】図３は図２に示すアンテナ部材の一例を示す平面図である。
【図４】図３に示すスロット対の構成を示す図である。
【図５】マイクロ波放射部材におけるマイクロ波の伝播モードを示す図である。
【図６】矩形導波管にけるマイクロ波の伝播モードを示す図である。
【図７】矩形導波管内を伝播するマイクロ波による磁界を示す図である。
【図８】矩形導波管とマイクロ波射出開口の各部の最適寸法を計算した結果を示す図である。
【図９】マイクロ波射出開口におけるマイクロ波の反射率をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図１０】マイクロ波射出開口の円周方向の電界強度分布を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波給電装置を示す断面斜視図である。
【図１２】本発明の第３実施例によるマイクロ波プラズマ処理装置におけるマイクロ波給電装置を示す断面斜視図である。
【図１３】円形導波管におけるマイクロ波の伝播モードを説明するための図である。
【図１４】円形導波管を空洞共振器とした場合の、図１２に示すマイクロ波給電装置の各部の最適寸法を計算した結果を示す図である。
【図１５】本は発明の第３実施例におけるマイクロ波射出開口の円周方向の電界強度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ プラズマＣＶＤ装置
１２ 処理容器
１２ａ 排気口
１４ 載置台
１５ 誘電体板
１６ 供給管
１７ アンテナ部材
１８ 遅波板
１９ マイクロ波放射部材
２０，４０，５０ マイクロ波給電装置
２２，４２，５２ 矩形導波管
２２ａ，４２ａ，５２ａ，５４ａ マイクロ波射出開口
２２ｂ，４２ｂ，５２ｂ 管壁
２４ マイクロ波発生器
３０ スロット対
３０Ａ，３０Ｂ スロット
５４ 円形導波管
５４ａ 底部
５６ 仕切り板
Claims (30)
- 被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置であって、
該被処理基体が載置される載置台が内部に設けられた処理容器と、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、
該マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を伝播する第１の導波管と、
該導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなりマイクロ波を前記処理容器内の空間に放射するマイクロ波放射部材と
を有し、
前記第１の導波管は、前記マイクロ波放射部材の中央部分に相当する位置に、マイクロ波出力用の単一の第１のマイクロ波射出開口を有することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記第１の導波管は矩形状の断面を有する矩形導波管であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記矩形導波管の断面の長辺の長さは、前記矩形導波管内におけるマイクロ波波長の１／２であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項２又は３記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記矩形導波管の前記第１のマイクロ波射出開口は、前記矩形導波管の断面の長辺に相当する面に形成されることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項５記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして対称に延在することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１乃至６のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、
前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波が供給され、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波が導入されることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項７記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記第２の導波管は円形断面を有する円形導波管であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項８記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記円形導波管の長さは前記第１の導波管におけるマイクロ波波長のｎ／２倍（ｎは整数）であり、前記円形導波管は円筒空洞共振器を形成することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記スロットアンテナは、厚み方向に貫通し、その平面形状が中央部分が膨らんだ長い楕円形である多数のスロットを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１０記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波放射部材のスロットは、螺旋状又は複数の円周状に配列されたことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１１記載のマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記マイクロ波放射部材のスロットは、Ｔ字状に配置された２つのスロットよりなるスロット対を構成することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 被処理基体にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理方法であって、
該被処理基体を処理容器内の載置台に載置し、
マイクロ波発生器によりマイクロ波を発生し、
該マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を第１の導波管により伝播し、
該第１の導波管から供給されるマイクロ波を、該第１の導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなるマイクロ波放射部材の中央部分に相当する部分に形成された単一の第１のマイクロ波射出開口から射出し、
該第１の導波管から射出されたマイクロ波を、前記遅波板中を放射方向に伝播させながら、該マイクロ波放射部材により前記処理容器内の空間に放射し、
放射されたマイクロ波によりプラズマを生成して、前記被処理基体にプラズマ処理を施す
ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。 - 請求項１３記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、
前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在し、前記第１のマイクロ波射出開口に対して同位相のマイクロ波を複数の方向から伝播することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。 - 請求項１４記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、
前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして両側から同位相のマイクロ波を供給することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。 - 請求項１３乃至１５のうちいずれか一項記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、
前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、
前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波を供給し、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を導入することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。 - 請求項１６記載のマイクロ波プラズマ処理方法であって、
前記第２の導波管を空洞共振器として形成し、前記第１のマイクロ波射出開口から供給されたマイクロ波を前記第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材に導入することを特徴とするマイクロ波プラズマ処理方法。 - マイクロ波を処理チャンバに供給するためのマイクロ波給電装置であって、
マイクロ波発生器からのマイクロ波を伝播し、該マイクロ波を射出する第１のマイクロ波射出開口を有する中空の第１の導波管と、
該第１の導波管側に配された遅波板と該処理容器側に配されたスロットアンテナ部材とからなり、該第１のマイクロ波射出開口から供給されたマイクロ波を、その供給方向とは垂直の放射方向に伝播し、前記スロットアンテナ部材に形成された複数のスロットを介して前記処理チャンバに導入するマイクロ波放射部材とを有し、前記第１のマイクロ波射出開口は、該マイクロ波放射部材の中央部分に相当する部分に形成された単一の開口であることを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項１８記載のマイクロ波給電装置であって、
前記第１の導波管は矩形状の断面を有する矩形導波管であることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 請求項１９記載のマイクロ波給電装置であって、
前記矩形導波管の断面の長辺の長さは、前記矩形導波管内におけるマイクロ波波長の１／２であることを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項１９又は２０記載のマイクロ波給電装置であって、
前記矩形導波管の前記第１のマイクロ波射出開口は、前記矩形導波管の断面の長辺に相当する面に形成されることを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項１８乃至２１のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、
前記第１の導波管は前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして複数の方向に延在することを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項２２記載のマイクロ波給電装置であって、
前記第１の導波管は直線状であり、前記第１のマイクロ波射出開口を中心にして対称に延在することを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項１８乃至２３のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、
前記第１の導波管と前記マイクロ波放射部材との間に第２の導波管が設けられ、前記第２の導波管の軸方向は前記第１の導波管の軸方向に対して垂直であり、
前記第１のマイクロ波射出開口を介して前記第１の導波管から前記第２の導波管にマイクロ波が供給され、前記第２の導波管の底部に設けられた単一の第２のマイクロ波射出開口から前記マイクロ波放射部材にマイクロ波が導入されることを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項２４記載のマイクロ波給電装置であって、
前記第２の導波管は円形断面を有する円形導波管であることを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項２５記載のマイクロ波給電装置であって、
前記円形導波管の長さは前記第１の導波管におけるマイクロ波波長のｎ／２倍（ｎは整数）であり、前記円形導波管は円筒空洞共振器を形成することを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項１８乃至２６のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、
前記マイクロ波放射部材は、供給されるマイクロ波の波長を短縮する遅波板を含むことを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項１８乃至２７のうちいずれか一項記載のマイクロ波給電装置であって、
前記マイクロ波放射部材は、厚み方向に貫通した多数のスロットを有することを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項２８記載のマイクロ波給電装置であって、
前記マイクロ波放射部材のスロットは、螺旋状又は複数の円周状に配列されたことを特徴とするマイクロ波給電装置。 - 請求項２８記載のマイクロ波給電装置であって、
前記マイクロ波放射部材のスロットは、Ｔ字状に配置された２つのスロットよりなるスロット対を構成することを特徴とするマイクロ波給電装置。
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