JP7139528B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置に関する。
半導体集積回路素子の生産にプラズマ処理装置が用いられている。素子の性能向上とコスト低減のため、素子の微細化が進展してきた。従来は素子の２次元的な微細化により、１枚の被処理基板より製造できる素子数が増加して素子１個あたりの製造コストが下がると同時に、配線長短縮などの効果で性能向上も図れてきた。しかし半導体素子の寸法が原子の寸法に近いナノメートルオーダーとなると、２次元的な微細化の難易度が著しく高まり、新材料や３次元的な素子構造の適用など、対応が為されている。これらの構造変更により、製造の難易度は増し、製造コストの増大が深刻な問題となっている。
製造途中の半導体集積回路素子に微小な異物や汚染物質が付着すると、致命的な欠陥となることが多いため、半導体集積回路素子は異物や汚染物質を排除し温度や湿度を最適に制御したクリーンルーム内で製造されることが多い。素子の微細化に伴い、製造に必要なクリーンルームの清浄度は高くなり、クリーンルームの建設や維持運用に莫大な費用が必要となる。そのため、クリーンルーム空間を効率よく利用して生産することが求められる。この観点から、半導体製造装置は小型化と低コスト化が厳しく求められている。
電磁波によりプラズマを発生するプラズマ処理装置において、静磁界をプラズマ処理室に加えた装置が広く用いられている。静磁界によりプラズマの損失を抑制することができるほか、プラズマ分布の制御も可能となる利点があるためである。さらに電磁波と静磁界の相互作用を用いることで、通常はプラズマ発生が困難な運転条件でも発生可能とできる効果がある。特にプラズマ発生用電磁波としてマイクロ波を用い、電子のサイクロトロン運動の周期とマイクロ波の周波数を一致させる静磁界を用いると、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance、以下ＥＣＲと称する）現象が起きることが知られている。ＥＣＲが起きる領域で主にプラズマが発生することから、静磁界の分布を調節することでプラズマ発生領域の制御が可能となるほか、ＥＣＲ現象によりプラズマ生成可能な条件が広く確保できる効果がある。
プラズマ処理中の被処理基板に高周波を印加し、プラズマ中のイオンを被処理基板表面に引き込むことでプラズマ処理の高速化や処理品質の向上を図るＲＦバイアス技術が用いられている。例えばプラズマエッチング処理の場合、被処理基板の被処理面に垂直にイオンが入射するため、エッチングが被処理基板の垂直方向にのみ進む異方性の加工が達成される。
上記の課題や技術動向に対応した従来例として、特許文献1に記載されているプラズマ処理装置では、処理室周囲に静磁界を加えるための電磁石を備えており、処理室内に静磁界を加えることができる。さらに該電磁石は多段の電磁石で構成されており、各電磁石に供給する電流値を調整することで、処理室内の静磁界分布を調整することができる。
特許文献1では、プラズマ発生用の電磁波として周波数2.45GHzのマイクロ波を用いており、これを円偏波発生器により、円偏波化して装置の中心軸上に配置した円形導波管を用いて、装置に供給している。該円形導波管の出力端は分岐回路に接続され、該分岐回路は均等な角度で配置された複数の導波路で構成されている。実施例では分岐回路として９０度毎に均等な角度で4分岐された方形導波管を用いている。さらに分岐回路の複数の導波路でリング共振器を励振している。リング共振器の処理室側にはスロットアンテナが設けられ、リング共振器内では共振モードに成形された電磁界に応じて、該スロットアンテナから処理室にマイクロ波が放射される。
特許文献1の処理室内の静磁界は前記の電磁石で所望の分布に制御され、投入されるマイクロ波と相互作用して、処理室内にプラズマを生成する。この電磁石により、ＥＣＲを起こす静磁界を処理室内に生成すると共に、分布を調整してプラズマの拡散を制御することができる。
前述したように、特許文献1の円形導波管内には円偏波化されたマイクロ波が投入されており、これにより、リング共振器内には進行波が励振される。このリング共振器内には方位角方向に１周で複数波長の電磁波が励振されるが、定在波が励振された場合には、定在波の腹、節に対応した方位角方向の不均一が固定された位置に存在することになる。共振器内に進行波を励振することで、時間的に方位角方向に均一な電磁波が励振されることになる。
特開２０１２－１９０８９９号公報
一般にプラズマはプラズマ処理室壁面で損失することが多く、壁面付近では密度が低く、壁面から離れた中心付近で密度が高くなる傾向がある。その結果、被処理基板上のプラズマ密度が凸分布となりやすい傾向があり、プラズマ処理の均一性が問題となることがある。
プラズマは磁力線に沿う方向には拡散しやすいが、磁力線と垂直方向には拡散が抑制される性質がある。さらにＥＣＲ面などの位置を調整してプラズマ発生領域の制御が可能である。このように静磁界によりプラズマの拡散と生成領域を調整することでプラズマの分布を調整することができる。
しかし静磁界によるプラズマ密度分布の調整手段のみでは所望の調整幅が得られない場合があり、さらに追加の調整手段が望まれている。
例えばエッチング処理の場合、加工する膜厚が成膜装置の特性に応じて、例えば処理基板の中央で厚く外周側で薄い場合、逆に中央で薄く外周側で厚い場合、があり得る。これらの成膜装置起因の不均一をエッチング処理で補正して、全体で均一な加工を施したい場合がある。このように被処理基板上でのプラズマ密度分布を所望の分布に調整することが望まれる場合がある。
一般にエッチング速度が均一であれば、反応生成物は被処理基板各部から均一に生成し放出される。その結果、被処理基板の中心部では反応生成物密度が高く、外周部では密度が低くなる。反応生成物が被処理基板に再付着すると、エッチングが阻害されてエッチング速度が低下する。反応生成物が被処理基板に再付着する確率は、被処理基板の温度や処理室の圧力、被処理基板の表面状態等、多くのパラメータに影響される。そのため被処理基板の面内で均一なエッチング処理を得るためには、被処理基板上のプラズマ密度分布をあえて不均一に調整しなければならない場合がある。
上記に示すように被処理基板上でのプラズマ密度分布を容易に制御できるプラズマ処理装置が望まれている。
リング共振器を用いることで、中心付近で低く外周付近で高い電磁界分布を得ることができ、さらにこれにより中心で低く外周部で高いプラズマ密度分布を得ることができる。プラズマが拡散して中心付近で高めの密度分布になりやすい性質を考慮すると、被処理基板上で均一なプラズマとするには、プラズマ生成領域では中心で低く外周部で高い密度分布に調整することが必須となる。
特許文献１ではリング共振器を４つの方位角方向に均等に配置した導波管で励振している。しかしこの場合、４か所ある導波管の接続部に起因するリング共振器内電磁界の不均一が生じ、これによるプラズマ分布の不均一が顕在化する場合があった。また分岐などの構造が複雑であるため、製造のコストや装置間差等が問題となる場合があり、シンプルな励振構造が望ましい。
本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、リング共振器を単純な構造で均一に励振することを可能にするプラズマ処理装置を提供するものである。
上記した課題を解決するために、本発明では、試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、ｍを２以上の整数とした場合、断面が円形である円形導波管を介して伝搬されたマイクロ波のモードがｍ個の波長分のマイクロ波を方位角方向に持つモードとなるように伝搬されたマイクロ波を共振するリング共振器と、処理室の上方に配置され、伝搬されたマイクロ波を処理室へ透過させる誘電体窓とを備えるプラズマ処理装置において、円形導波管は、平行平板線路部を介してマイクロ波をリング共振器に伝搬し、平行平板線路部は、上面および下面が円形であり、リング共振器へ伝搬するマイクロ波の位相を所定の位相にする位相調整器を具備し、リング共振器は、円周方向に沿って配置された複数枚の導体板を具備して構成した。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、ｍを２以上の整数とした場合、断面が円形である円形導波管を介して伝搬されたマイクロ波のモードがｍ個の波長分のマイクロ波を方位角方向に持つモードとなるように伝搬されたマイクロ波を共振するリング共振器と、処理室の上方に配置され、伝搬されたマイクロ波を処理室へ透過させる誘電体窓とを備えるプラズマ処理装置において、円形導波管は、平行平板線路部を介してマイクロ波をリング共振器に伝搬し、平行平板線路部は、上面および下面が円形であり、リング共振器へ伝搬するマイクロ波の位相を所定の位相にする位相調整器を具備し、リング共振器は、ｍ個の波長分のマイクロ波を方位角方向に持つモードの電界に対して表面が垂直となるよう配置された複数の板を具備し、この板の材料は、所定の導電率の材料であるように構成した。
本発明によれば、単純な構造でリング共振器内の電磁界分布を所望の共振モードに精度よく調整でき、プラズマ分布の偏りの原因となる不要な電磁界分布を抑制できるため、均一性の良いプラズマ処理を被処理基板上に施すことができる。
実施例１に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の概略の構成を説明する側面の断面図である。 実施例１に係るマイクロ波プラズマエッチング装置の図１におけるＡ－Ａ断面矢視図である。 実施例１に係るマイクロ波プラズマエッチング装置における平行平板線路の変形例を示す図１におけるＡ－Ａ断面矢視図に相当する断面図である。 実施例１に係るマイクロ波プラズマエッチング装置における平行平板線路の別の変形例を示す図１におけるＡ－Ａ断面矢視図に相当する断面図である。 実施例２のマイクロ波プラズマエッチング装置の平行平板線路付近の横断面図である。 実施例３のマイクロ波プラズマエッチング装置の平行平板線路付近の横断面図である。 実施例４のマイクロ波プラズマエッチング装置の概略の構成を示す側面の断面図である。 実施例４のマイクロ波プラズマエッチング装置の図６ＡにおけるＢ－Ｂ断面矢視図である。 実施例４変形例を示すマイクロ波プラズマエッチング装置の円形導波管付近の縦断面図である。 実施例４のマイクロ波プラズマエッチング装置の図６ＡのＢ-Ｂ断面矢視図に相当する本実施例の変形例に係るリング共振器の導体板の平面図である。
本発明は、電磁波によりプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、マイクロ波電力の分布を調整することで、処理室内に生成するプラズマの分布を制御できるようにして、高品質なプラズマ処理を可能にしたものである。
本件発明は、マイクロ波ＥＣＲプラズマ処理装置において、ｍ個の波長分の電磁波を方位角方向に持つモードで共振するリング共振器と、リング共振器の中心軸と同軸に配置された導波管と、この導波管から伝搬された電磁波をリング共振器に伝搬する平行平板線路を備えたことにより、励振点を増加させてリング共振器内を均等に励振できるようにして、生成するプラズマの軸対称性を向上させるとともに、マイクロ波電力損失を低減することを可能にしたものである。さらに構造を単純化したことにより、装置間差(機差)も低減できるようにしたものである。
リング共振器を用いることで処理室内に励振する電磁界分布は中心で低く、外周部で高いリング状の分布に調整することができる。そのため処理室内でリング状にプラズマを生成しやすい。一方、上述のように処理室壁面でのプラズマ損失の効果およびプラズマ拡散の効果により、壁面付近のプラズマ密度が低下して中心付近で高い密度分布を取りやすい傾向もある。
これに対して本発明では、処理室壁面とリング共振器によるリング状プラズマ生成分布の位置関係を調整して、ウェハ上で均一なプラズマ分布を得ることができるようにした。
また、本発明は、略軸対称なプラズマ処理装置の中心軸上に配置された断面が円形の円形導波管、被処理基板がプラズマ処理されるプラズマ処理室、円形導波管の出力端に接続された平行平板線路、この平行平板線路内のマイクロ波伝搬方向が中心軸に垂直で方位角方向に複数波長で共振するリング共振器、このリング共振器のプラズマ処理室側にリング共振器内の電磁波をプラズマ処理室に放射するためのアンテナを備え、平行平板線路の出力端が該リング共振器と接続され、平行平板線路とリング共振器の接続面で均等にリング共振器を励振することで、ウェハ上で均一なプラズマ分布を得ることができるようにしたものである。
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は原則として省略する。
ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
本発明を用いたプラズマ処理装置の例として図1によりマイクロ波プラズマエッチング装置１００を説明する。
図1はマイクロ波プラズマエッチング装置１００全体の縦断面図を示す。図１に示した構成において、１０１はマイクロ波の発振器（マイクロ波電源）、１０２はアイソレータ、１０３は自動整合器、１０４１は矩形導波管、１０４は円矩形変換器、１０５は円偏波発生器、１０６は円形導波管、１０７は整合用ブロック、１０８は平行平板線路、１０９は位相調整手段、１１０はリング共振器、１１１はスロットアンテナ、１１２は空洞部、１２１は内側空洞部、１２６は内側空洞部１２１を形成する内側空洞形成部、１２２は内側空洞形成部１２６の上面部、１２３は内側空洞形成部１２６の側面部、１２４は内側空洞形成部１２６の内側縁部、１２５は内側空洞形成部１２６の外側縁部である。
１１３は静磁界発生装置、１１４はマイクロ波導入窓、１１５はシャワープレート、１１６はプラズマ処理室、１１７は被処理基板、１１８は基板電極、１１９は自動整合器、１２０はＲＦバイアス電源、１３０は真空チャンバである。
図１に示した構成では、プラズマ処理室１１６にガスを供給するガス供給系、プラズマ処理室１１６の内部を真空に排気する真空排気手段、マイクロ波の発振器１０１や自動整合器１０３、静磁界発生装置１１３、ＲＦバイアス電源１２０等を制御する制御部の図示を省略している。
上記した構成において、マイクロ波の発振器１０１より出力された周波数２.４５GHzのマイクロ波はアイソレータ１０２、自動整合器１０３を介して円矩形変換器１０４に矩形導波管１０４１により伝搬される。マイクロ波の発振器１０１としてマグネトロンを用いた。円矩形変換器１０４はマイクロ波の進行方向を９０度曲げるコーナも兼ねて、装置全体の小型化を図っている。
円矩形変換器１０４の下部には円偏波発生器１０５が接続され、直線偏波で入射したマイクロ波を円偏波に変換している。さらに円偏波発生器１０５のプラズマ処理室１１６の側には、プラズマ処理室１１６を構成する真空チャンバ１３０の略中心軸上に設けられた円形導波管１０６があり、円偏波化されたマイクロ波が伝搬される。
円形導波管１０６の終端部には整合用ブロック１０７を介して、内側空洞形成部１２６の上面部１２２と真空チャンバ１３０の上面である上側導体１３１とで挟まれて形成された平行平板線路１０８が接続されている。円形導波管１０６と平行平板線路１０８は直交しており、円形導波管１０６から平行平板線路１０８に伝搬されたマイクロ波電力は、その進行方向を変化させる。
整合用ブロック１０７は、円形導波管１０６と平行平板線路１０８の接続部でのマイクロ波電力の反射を抑える機能を持つ導電率の高い金属製のブロックであり、本実施例では円錐形とした。
平行平板線路１０８は、真空チャンバ１３０の上部側面で、内側空洞形成部１２６の側面部１２３と、内側縁部１２４、および外側縁部１２５とで挟まれた空間により形成されるリング共振器１１０に接続されており、円形導波管１０６から伝搬されたマイクロ波電力をリング共振器１１０内に供給する。
平行平板線路１０８内には、リング共振器１１０との境界部付近に、位相調整手段１０９が装荷されている。この位相調整手段１０９は、リング共振器１１０と平行平板線路１０８の接続面でのマイクロ波電磁界分布の不整合を低減する働きをする。位相調整手段１０９により、リング共振器１１０と平行平板線路１０８の接続面でのマイクロ波電磁界分布の不整合を低減することで、リング共振器１１０内に所望の共振モードを励振させることができる。
本実施例では位相調整手段１０９として誘電体製のブロックを用いた。位相調整手段１０９はこれに限られるものではなく、他の構造、例えば平行平板線路１０８の内面に突起を設けたスタブ、溝や線状の突起部を設けた構造を用いてもよい。
リング共振器１１０の下部にはマイクロ波放射手段としてスロットアンテナ１１１が設けられており、スロットアンテナ１１１の下部には空洞部１１２がある。スロットアンテナ１１１は、内側空洞形成部１２６の内側縁部１２４の外周面と、外側縁部１２５の内周面とで挟まれた空間により形成される。
リング共振器１１０の内部で所望の共振モードで励振されて電磁界分布を有するマイクロ波を、このスロットアンテナ１１１から下部の空洞部１１２に放射する。リング共振器１１０の内側には内側空洞形成部１２６の上面部１２２と側面部１２３とで形成される内側空洞部１２１が設けられており、空洞部１１２とともにスロットアンテナ１１１より放射されるマイクロ波の電磁界分布を調整する働きを持つ。
空洞部１１２の下部は、マイクロ波導入窓１１４とシャワープレート１１５とでプラズマ処理室１１６と仕切られている。マイクロ波導入窓１１４、シャワープレート１１５はマイクロ波の損失が小さく、異物発生等プラズマ処理に悪影響を及ぼしにくい材質として石英を用いた。
リング共振器１１０の内側の内側空洞部１２１は、空洞部１１２とともにスロットアンテナ１１１より放射されるマイクロ波の電磁界分布を調整する働きを持つ。シャワープレート１１５の下部にはプラズマ処理室１１６があり、放射されたマイクロ波電力によりプラズマを生成する。
プラズマ処理室１１６には図示していないガス供給系、及び図示していない真空排気系が接続され、プラズマ処理に適したガス雰囲気、圧力に制御されている。プラズマ処理室１１６と空洞部１１２との間はマイクロ波導入窓１１４で仕切られて、空洞部１１２の側は大気圧の状態で、プラズマ処理室１１６の側は内部が排気されて、真空の状態が維持される。
処理ガスは、マイクロ波導入窓１１４とシャワープレート１１５の間の図示しない微細な間隙に図示していないガス供給系から供給され、シャワープレート１１５に設けられた図示しない微細な複数の供給孔を介して、プラズマ処理室１１６の内部に供給される。
プラズマ処理室１１６の内部には、被処理基板１１７を戴置するための基板電極１１８がプラズマ処理室１１６と電気的に絶縁された状態で設置されている。基板電極１１８にはＲＦバイアス電源１２０が自動整合器１１９を介して接続され、被処理基板１１７にＲＦバイアスを印加することができる。
プラズマ処理室１１６の周囲には静磁界を印加するための静磁界発生装置１１３が設けられている。本実施例では静磁界発生装置１１３は多段のソレノイドコイルで構成されており、図示しない複数の直流電源で供給される直流電流を調整することにより、プラズマ処理室１１６内に印加する静磁界の分布を調整することができる。静磁界発生装置１１３に替えて、又は、静磁界発生装置１１３と一緒に静磁界を発生する手段として、永久磁石や磁性体を併用しても良い。
図２に、図１におけるＡ－Ａ断面矢視図、すなわち平行平板線路１０８付近の横断面図を示す。上述の通り、平行平板線路１０８内には位相調整手段１０９として、誘電体製のブロックが装荷されている。特許文献１では４つの方形導波管でリング共振器を励振しているが、本実施例では図２に示すように、位相調整手段１０９を備えた平行平板線路１０８で励振している。図２に示した構成においては、４つの位相調整手段１０９は等間隔に配置され、４つの位相調整手段１０９のそれぞれの円周方向の幅は、隣接する位相調整手段１０９の間隔の幅と同じ寸法に形成されている。
リング共振器１１０内の電磁界は、特許文献１に記載されているのと同様に方位角方向に５波長分で共振するモード（以下、ＴＭ５１モードと称する）を用いている。また中心軸上の円形導波管１０６も特許文献１に記載されているのと同様に、最低次モードのＴＥ１１モードを用いている。ＴＥ１１モードは方位角方向の１周、３６０度で位相が３６０度変化し、リング共振器のＴＭ５１モードでは方位角方向の1周３６０度で位相が３６０度×５波長分変化する。従って、特許文献１の図５に記載されている様に９０度毎の４か所で、ＴＥ１１モードとＴＭ５１モードの電磁波の位相が一致しており、これら４箇所を用いてリング共振器を励振している。
これに対して本実施例では、位相調整手段１０９を含まない４か所の接続部（図２の隣接する位相調整手段１０９で挟まれた領域２０１、２０２、２０３、２０４）でＴＥ１１モードとＴＭ５１モードの位相が一致する。
一方、位相調整手段１０９として４個の誘電体ブロックを用いているが、一般に屈折率ｎの物質内で電磁波の波長は、真空中または大気中に比べ、1/ｎの長さに短縮されることが知られている。本実施例では位相調整手段１０９として４個の誘電体ブロックの材質として石英を用いた。石英の屈折率は２程度であることが知られており、石英中の電磁波の波長はおよそ半分に短縮される。
平行平板線路１０８内を伝搬するマイクロ波についても位相調整手段１０９としての誘電体ブロック内で波長が短縮され、誘電体ブロックを通過しないマイクロ波に比べ、位相が変化する。位相の変化量を、リング共振器１１０と平行平板線路１０８の接続面(図２において、内側空洞形成部１２６の側面部１２３の上部)においてＴＭ５１モードとＴＥ１１モードの電磁波が概ね一致するように調整することで、リング共振器のＴＭ５１モードを精度よく励振することができる。この場合、前述の位相調整手段１０９を含まない４か所の接続部に加え、位相調整手段１０９を含む箇所の接続部４か所を加えた８箇所でＴＥ１１モードとＴＭ５１モードの位相を合わせたことに相当する。
特許文献１記載の導波管で同様の８か所で位相を合わせようとすると、８分岐した導波管でそれぞれ位相を調整する必要があり、構造が複雑となる欠点がある。また特許文献１の４か所の導波管により励振する方法では、前述のように導波管接続部に起因する不均一が生じて所望のＴＭ５１モードからの偏差が大きくなる欠点がある。
これに対して、図２を用いて説明した本実施例では、方位角方向に円環状のスロットアンテナ１１１を形成した例を説明したが、円環状のスロットアンテナ１１１に替えて、図３Ａに示すような、内側空洞形成部１２６の内側縁部１２４と外側縁部１２５とに相当する縁部１２７に放射状に多数形成されたスロットアンテナ３０１、または、図３Ｂに示すような内側空洞形成部１２６の内側縁部１２４と外側縁部１２５とに相当する縁部１２８に複数の同心円上に円弧状の複数のスロットアンテナ３０２等、他の形状のアンテナを用いてもよい。
本実施例によれば、励振点を増加させたことにより、リング共振器１１０の内部をより均等に共振できるようにしたので、生成するプラズマの軸対称性を向上させることができるようになった。
また、本実施例によれば、特許文献１に記載された複数導波路への分岐構造を平行平板線路１０８に単純化することでマイクロ波電力の損失を低減することができるとともに、製造コストや装置間差を低減できるようになった。
また、本実施例によれば、平行平板線路１０８とリング共振器１１０の接続面で均等にリング共振器１１０が励振されるようにしたことにより、リング共振器１１０内の電磁界分布の均一な励振がなされるようになった。
さらに本実施例によれば、平行平板線路１０８内に位相調整手段１０９を設けることで、リング共振器１１０内の共振電磁界と平行平板線路１０８との接続面での電磁界をより精度よく一致させることを可能にし、リング共振器１１０の均一な励振がなされるようになった。
さらに本実施例によれば、円偏波発生器１０５を用いて円形導波管１０６に円偏波を投入することで、リング共振器１１０内に進行波を励振して、このリング共振器１１０内の定在波発生を抑制し、均一なプラズマ生成を行うことができるようになった。
さらに本実施例によれば、位相調整手段による位相調整を詳細に行うことによって円形導波管に直線偏波が投入された場合でもリング共振器内に進行波を励振することができるようになった。
第２の実施例として、図１におけるＡ－Ａ断面矢視図に相当する図４として、位相調整手段１０９に加えリッジ４０１を加えた場合の平行平板線路１０８付近の横断面図を示す。平行平板線路１０８付近を除く装置構成は図１に示す第１の実施例と同様であるので相違点のみを図４を用いて説明する。
図４に示した本実施例に係る平行平板線路１０８付近の構成において、各位相調整手段１０９に隣接してリッジ４０１を加えている。リッジ４０１は平行平板線路１０８を形成する内側空洞形成部１２６の上面部１２２と真空チャンバ１３０の上面である上側導体１３１とを接続する導電性の柱で構成されている。
スロットアンテナとして図２に示すような、内側空洞形成部１２６の内側縁部１２４と内側空洞形成部１２６の外側縁部１２５との間に形成された円環状のスロットアンテナ１１１を用いると、スロットアンテナ１１１の内側導体板である内側空洞形成部１２６の内側縁部１２４と外側導体板である外側縁部１２５が接触せず、平行平板線路１０８の下側導体である上面部１２２が位相調整手段１０９のみにより上側導体と固定される構造となる。リッジ４０１を用いることで平行平板線路１０８の上下導体板を安定に保持することができる。
一般に、導波路内で行路長差が１/４波長の位置を位相差９０度で励振することで、進行波を励振することができる。この方法を用いて、例えば方位角方向に５波長分のモードで共振するリング共振器内に進行波を、リング共振器の中心軸上に設けたＴＥ１１モードの円形導波管によって励振する場合を考える。
リング共振器内の１/４波長に相当する方位角差は１８度となる。円形導波管のＴＥ１１モードは導波管断面で方位角方向に１波長分の３６０度位相変化を示すモードであるので、方位角差１８度に対し、円形導波管のＴＥ１１モードの位相差は１８度となる。位相差１８度の励振源で９０度の位相差を持たせるためには、差し引きの位相差７２度を与えればよい。この７２度の位相差を与えるのに波長短縮効果を持つ誘電体を用いることができる。方位角１８度の増加毎に７２度の位相差を与えることで、リング共振器内に進行波を励振できることがわかる。
本実施例によれば、実施例１で説明した効果に加えて、平行平板線路１０８内に導体板間を短絡するリッジ４０１を用いた構造を設けることで、平行平板線路１０８を安定に保持し均一にリング共振器１１０を励振することができるようになった。
第３の実施例として、図５に、図１におけるＡ－Ａ断面矢視図に相当する平行平板線路１０８付近の横断面図のみを示す。図１、２に示す第１の実施例との相違点のみを図５を用いて説明する。
上述のように、リング共振器１１０の複数の位置を所定の位相差で励振することで、リング共振器１１０内に進行波を励振することができる。第１の実施例、第２の実施例では、位相調整手段１０９が４個の誘電体ブロックで構成されていた。これに対して、本実施例では位相調整手段５１０として図５に示すように、内側に特殊な形状の開口部５０１を持つ円盤状の誘電体を用いている。
前述したように、誘電体中を伝搬する電磁波は屈折率に応じて波長が短縮し、行路長に応じて位相が変化する。本実施例に係る位相調整手段５１０は、方位角０度以上９０度未満で方位角の増加に伴い、端面が５１１で示されるような、中心からの半径が単調に増加するような穴形状とする。同様に９０度以上１８０度未満、端面が５１２で示されるような、１８０度以上２７０度未満、２７０度以上３６０度未満も方位角の増加に伴い、それぞれ端面が５１２，５１３，５１４で示されるような、中心からの半径が同様に単調減少する穴形状とする。また方位角が９０度離れた位置の半径が同じになるように、端面５１１、５１２，５１３，５１４が形成されている。
円形導波管１０６のＴＥ１１モードで励振されて平行平板線路１０８の各方位角方向に伝搬したマイクロ波は、前記形状の位相調整手段５１０により位相が制御されて、リング共振器１１０との接続面に達する。半径の単調減少の度合いを調整することで接続面での位相を精度よくリング共振器１１０のＴＭ５１モードに対応した進行波に近似させることができる。これにより、リング共振器１１０内に進行波を励振することができる。この場合、円形導波管１０６内に装荷した円偏波発生器１０５を省略することができる。また、円偏波発生器１０５を省略せずに併用することで、進行波の発生をより広いプラズマ発生条件範囲で行うことができる。
本実施例によれば、実施例１で説明したのと同様な効果を得ることができる。
以上、方位角方向に５波長分のモードで共振するリング共振器を例に説明したが、他の共振モードで共振するリング共振器を用いてもよい。
第４の実施例として、リング共振器１１０の内部に、不要なモードの電界を除去するための導体板を挿入した構成を有するマイクロ波プラズマエッチング装置６００の例について、図６Ａ乃至図８を用いて、図１、２で説明した第１の実施例との相違点のみを説明する。
本実施例に係る図６Ａ乃至図８に示したマイクロ波プラズマエッチング装置６００において、実施例１で図１乃至図３Ｂを用いて説明したマイクロ波プラズマエッチング装置１００の構成と同じものには同じ番号を付して、説明を省略する。なお、図６Ａに示したマイクロ波プラズマエッチング装置６００においては、図１のマイクロ波プラズマエッチング装置１００と同様に、排気系の表示を省略している。
第1の実施例で説明した構成のマイクロ波プラズマエッチング装置１００を用いて圧力やマイクロ波電力等のプラズマ生成条件を変えて実験を行うと、ウェハ上のエッチング速度分布に非軸対称性が現れる場合があった。その原因を検討すると、リング共振器内の電磁界分布に所望のモード以外に不要なモードが混入していることが分かった。
そこで不要なモードを抑制する構造を検討し、その結果得た構造を図６Ａ、図６Ｂに示す。図６Ａは本実施例に係るマイクロ波プラズマエッチング装置６００の概略の構成を示す側面の断面図、図６Ｂは図６ＡのＢ－Ｂ断面矢視図を示す。
本実施例におけるマイクロ波プラズマエッチング装置６００では、実施例１で説明した図１のマイクロ波プラズマエッチング装置１００のリング共振器１１０内に不要なモードの電界を除去するための導体板で形成した板６０１を複数枚、等間隔で放射状に装荷した構成を特徴とする。図６Ａに示すように、導体板としての板６０１により、リング共振器１１０が上下に上部共振室１１０１と下部共振室１１０２とに２分割されている。
図６Ａの高さ方向を板６０１の厚みとする。図６Ｂに示すように、板６０１をリング共振器１１０の中心軸に対し放射状に等間隔に配置し、隣接する板６０１の間は、上部共振室１１０１と下部共振室１１０２とが連通している。
また、導体板である板６０１はマイクロ波に対し損失の小さい高導電率材料としてアルミニウム製のものを用いた。さらに表面を導電率の高い銀や金でメッキ処理を施すことでさらに損失を低減することができる。
一般に電磁界中に完全導体を装荷すると、完全導体面に対し電界成分が垂直となることが知られている。すなわち元の電界分布に対し、完全導体面を垂直に装荷した場合は元の電界分布に影響を与えない。一方、完全導体面に対し平行な電界成分が存在する場合、完全導体の表面で電界成分が短絡して表面に平行な電界成分がゼロとなるため、元の電界分布を変化させることになる。
この性質を利用して、所望の電磁界分布に対し電界に垂直に完全導体板を装荷すれば、所望の電磁界分布に影響を与えることなく、完全導体板に平行な電界成分を持つモードを抑制することができる。
本実施例の場合、リング共振器１１０の内部における所望のモードの電界は図６Ａにて縦方向の成分のみを持つ電界である。従って、これと垂直な表面を持つ完全導体板をリング共振器１１０の内部に装荷すれば、所望のモードに影響を与えず、該完全導体板の表面に平行な成分を持つモードを抑制(低減)することができる。完全導体板は高導電率材料で模擬する。導電率の高い材料を用いるほど所望のモードに対する電力損失は低減できる。
なおマイクロ波等の高周波では、導電率の高い材質の内部に電磁界が侵入できず、表面のみに電磁界が存在することが知られており、表皮効果と呼ばれる。そのため導体板としての板６０１の表面の導電率が重要であり、板６０１の表面にのみ高導電率の材料で被覆する等の手段を用いてもよい。
すなわち、本変形例では、図６Ａに示したマイクロ波プラズマエッチング装置６００における導体板としての板６０１をアルミニウム製の高導電率の材料で形成して、図６Ｂに示すように等間隔で複数枚配置した構成とした。このような構成とすることにより、リング共振器１１０の下部のスロットアンテナ１１１から空洞部１１２放射されるマイクロ波を所望のモードとすることを可能にした。これにより、プラズマ処理室１１６の内部に所望に分布を有するプラズマを発生させて、被処理基板１１７に対するプラズマ処理の均一性を向上できるようにした。
マイクロ波プラズマエッチング装置６００を本実施例に示したような構成とすることにより、マイクロ波電源１０１で発振され、平行平板線路１０８を伝搬してリング共振器１１０に供給されたマイクロ波電力は、リング共振器１１０の上部共振室１１０１と下部共振室１１０２の間で共振するときに、板６０１の表面に対して平行な成分を有する電界成分が板６０１の表面で短絡して消滅する。その結果、リング共振器１１０の内部で共振されるマイクロ波は、主に板６０１に垂直な電界成分を有する所望のモードになる。
リング共振器１１０でこのような所望のモードの電界を形成した状態で、リング共振器１１０の下部に形成した円環状のスロットアンテナ１１１から、実施例１で説明したように、マイクロ波を空洞部１１２に放射する。
なお、リング共振器１１０のスロットアンテナ１１１に替えて、図３Ａに示したスロットアンテナ３０１又は図３Ｂに示したスロットアンテナ３０２を用いてもよい。
また、平行平板線路１０８の構成として、実施例２で説明した図４に示したような位相調整手段１０９にリッジ４０１を追加した構成、又は、位相調整手段１０９を実施例３で図５を用いて説明した位相調整手段５１０と置き換えた構成としてもよい。
ここで、一般にマイクロ波の伝送経路中に不連続部があると、その場所で反射波が生じて伝送される電力が低下する。本実施例によるマイクロ波プラズマエッチング装置６００において、理想的には、マイクロ波電源１０１から負荷であるプラズマ発生領域が形成されるプラズマ処理室１１６までのマイクロ波電力の伝送経路において不連続部を極力なくしてマイクロ波電力を伝送することが望ましい。
しかし、リング共振器１１０の内部に装荷した板６０１の様に、電磁界分布を制御すること等を目的に不連続部を作らなければならない場合がある。マイクロ波伝送経路中にこのような不連続部を設けた場合、この不連続部に起因する伝送電力の低下が懸念される。特に本実施例のように複雑な構造の場合には、反射波の抑制が重要となる。
反射波の抑制には、反射波に対し振幅が同じで位相が反転した波を重畳することで反射波を打ち消す方法が有効であり、様々な構造が実用化されている。例えば方形導波管系での反射波抑制に３スタブ整合器が使われることが多い。方形導波管内に３本のスタブと呼ばれる挿入長可変の導体棒を設け、各スタブの挿入長を調整し、元の反射波を打ち消すことができる。
本実施例において、リング共振器１１０の内部に板６０１を装荷することで反射波の増大が懸念される場合、この反射波を打ち消すための不連続部を導波路内に設けることで、実効的に反射波を抑制することができる。図7には、円形導波管１０６の途中に不連続部７０１を設けた例を示す。
実施例1で示したように、円形導波管１０６内を伝搬する電磁波は円偏波発生器１０５により、円偏波化されている。本実施例に係る不連続部７０１は、円形導波管１０６の途中に設けられており、円形導波管１０６よりも内径を拡大した円形導波管で構成した。
円形導波管で構成した不連続部７０１の内径と長さ、円形導波管１０６との接続位置を調整することで、不連続部７０１により生じる反射波の大きさと位相を調整し、板６０１に起因する反射波を打ち消すことができる。また板６０１以外の構造に起因する反射波（例えば、位相調整手段１０９による発生する反射波）を含めて打ち消すようにしても良い。
不連続部７０１は、円形導波管１０６の内部を伝搬する円偏波を阻害しないように非軸対称性を持たない構造とする必要があり、本実施例では円形導波管１０６よりも内径を拡大した円形導波管とした。他の構造として円形導波管１０６よりも内径を縮小した円形導波管を用いてもよい。
図８に、本実施例におけるマイクロ波プラズマエッチング装置の図６ＡのＢ-Ｂ断面矢視図に相当するリング共振器の導体板の変形例の平面図を示す。図６Ａ及び図６Ｂで説明した構成と同じものについては同じ部品番号を付して説明を省略する。本変形例においても図６Ｂで説明した導体板の板６０１を複数備えているが、図８においては、複数のスリット６１１と６１２との構成をわかりやすくするために、図６Ｂで説明した導体板の板６０１の表示を省略している。
図８に示した本変形例では、図６Ｂで説明したリング共振器１１０の内側空洞形成部１２６の内側縁部１２４と外側縁部１２５とに替えて下面部６１０を備えて構成した。本変形例では、この下面部６１０に図６Ｂで説明したリング共振器１１０の下部に形成した円環状のスロットアンテナ１１１を、複数の内側スリット６１１と外側スリット６１２とで形成した。
このように、図６Ｂで説明した円環状のスロットアンテナ１１１に替えて、図８に示したような複数の内側スリット６１１と外側スリット６１２とを設けるようにしてもよい。
本実施例によれば、所望のモードの電界で形成されたマイクロ波をスロットアンテナ１１１から空洞部１１２に放射できるようにしたので、プラズマ処理室１１６の内部に、軸対称なプラズマを発生させることができ、リング共振器１１０の内部に複数の板６０１を装荷しない場合と比較して、被処理基板１１７の処理の均一性を向上させることができる。
また、平行平板線路１０８と接続する円形導波管１０６に不連続部７０１を設けて板６０１に起因する反射波を低減する構成としたことにより、反射波により伝送電力が低減されることを防止して、リング共振器１１０の内部に板６０１を装荷することによりエネルギ効率が低下するのを防止することができる。
なお、本実施例で説明した不連続部７０１は、実施例1で説明した図1のマイクロ波プラズマエッチング装置１００にも適用することが可能である。この場合、図１に示した構成において、円形導波管１０６の中間部分に不連続部７０１を取付ける。これにより、位相調整手段１０９などにより発生する反射波を低減することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１００ マイクロ波プラズマエッチング装置
１０１ マイクロ波の発振器
１０２ アイソレータ
１０３ 自動整合器
１０４ 円矩形変換器
１０５ 円偏波発生器
１０６ 円形導波管
１０７ 整合用ブロック
１０８ 平行平板線路
１０９ 位相調整手段
１１０ リング共振器
１１１ スロットアンテナ
１１２ 空洞部
１１３ 静磁界発生装置
１１４ マイクロ波導入窓
１１５ シャワープレート
１１６ プラズマ処理室
１１７ 被処理基板
１１８ 基板電極
１２１ 内側空洞部
１３０ 真空チャンバ
３０１ 放射状のスロットアンテナ
３０２ 円弧状のスロットアンテナ
４０１ リッジ
５１０ 位相調整手段
６０１ 板
７０１ 不連続部

Claims (13)

  1. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、ｍを２以上の整数とした場合、断面が円形である円形導波管を介して伝搬された前記マイクロ波のモードが前記ｍ個の波長分のマイクロ波を方位角方向に持つモードとなるように前記伝搬されたマイクロ波を共振するリング共振器と、前記処理室の上方に配置され、前記伝搬されたマイクロ波を前記処理室へ透過させる誘電体窓とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記円形導波管は、平行平板線路部を介して前記マイクロ波を前記リング共振器に伝搬し、
    前記平行平板線路部は、上面および下面が円形であり、前記リング共振器へ伝搬する前記マイクロ波の位相を所定の位相にする位相調整器を具備し、
    前記リング共振器は、円周方向に沿って配置された複数枚の導体板を具備する
    ことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、ｍを２以上の整数とした場合、断面が円形である円形導波管を介して伝搬された前記マイクロ波のモードが前記ｍ個の波長分のマイクロ波を方位角方向に持つモードとなるように前記伝搬されたマイクロ波を共振するリング共振器と、前記処理室の上方に配置され、前記伝搬されたマイクロ波を前記処理室へ透過させる誘電体窓とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記円形導波管は、平行平板線路部を介して前記マイクロ波を前記リング共振器に伝搬し、
    前記平行平板線路部は、上面および下面が円形であり、前記リング共振器へ伝搬する前記マイクロ波の位相を所定の位相にする位相調整器を具備し、
    前記リング共振器は、前記ｍ個の波長分のマイクロ波を方位角方向に持つモードの電界に対して表面が垂直となるよう配置された複数の板を具備し、
    前記板の材料は、所定の導電率の材料であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記平行平板線路部は、一つであり、
    前記位相調整器は、誘電体により形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記位相調整器は、前記平行平板線路部と前記リング共振器との接続箇所に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
    前記位相調整器の個数は、４つであることを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記平行平板線路部は、前記円形導波管から伝搬された前記マイクロ波の反射を抑制する金属製の整合用部材を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記リング共振器により共振された前記マイクロ波を放射する開口部を有するスロットアンテナが前記リング共振器に形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
    前記開口部は、円環状の開口部であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
    前記開口部は、放射状に配置された複数の開口部であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  10. 請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
    前記開口部は、円周方向に配置された複数の円弧状の開口部であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  11. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記平行平板線路部の上面と前記平行平板線路部の下面を短絡する導電性の柱が前記位相調整器の隣に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  12. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記所定の位相は、前記リング共振器と前記平行平板線路部の接続面における前記マイクロ波の電磁界分布の不整合を低減させる位相であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  13. 請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
    前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
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