WO2004073363A1

WO2004073363A1 - プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法ならびにリモートプラズマ処理装置

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Publication number: WO2004073363A1
Application number: PCT/JP2004/001533
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Inventors: Shigeru Kasai
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
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Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2004-08-26
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Abstract

プラズマ励起効率の高い小型のプラズマ発生装置を提供する。プラズマ発生装置１００は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生装置１０と、内管２０ａと外管２０ｂからなる同軸構造を有し、前記内管２０ａの一端にモノポールアンテナ２１が取り付けられ、マイクロ波発生装置１０で発生させたマイクロ波をモノポールアンテナ２１へ導く同軸導波管２０と、誘電体材料からなり、モノポールアンテナ２１を保持する共振器２２と、所定の処理ガスが供給されるプラズマ励起用のチャンバ２３とを具備する。チャンバ２３は開口面を有し、この開口面に共振器２２が配置され、モノポールアンテナ２１から共振器２２を通してチャンバ２３の内部に放射されるマイクロ波によって処理ガスを励起し、プラズマを発生させる。

Description

明細書プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法ならぴにリモートプラズマ処理装置技術分野

本発明は、マイクロ波によって所定の処理ガスを励起するプラズマ発生装置およぴプラズマ発生方法、ならびに励起された処理ガスによつて被処理体を処理するリモートプラズマ処理装置に関する。背景技術

半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、半導体ウェハやガラス基板等の被処理基板にェッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施すために

、プラズマエツチング装置やブラズマ C V D成膜装置等のブラズマ処理装置が用いられている。

リモートプラズマ処理装置におけるプラズマの発生方法として、内部に処理ガスが流れる誘電体材料からなるブラズマチューブと、このプラズマチューブと直交するように配置された導波管と、前記プラズマチューブのうち導波管の内部にあってマイクロ波に曝される部分（以下「ガス励起部」という）にスパイラル状に巻き付けられたクーラントチューブと、を有するリモートプラズマアプリケータが知られている（例えば、曰本国特許出願公開公報特開平 9一 2 1 9 2 9 5号参照）。このリモートプラズマアプリケータにおいては、プラズマチューブのガス励起部が発熱するために、クーラントチューブに冷媒（クーラント）を循環させている。

しかし、このようなリモートプラズマアプリケータにおいては、処理ガスの励起がプラズマチューブ内の一部でしか行われず、しかも、ガス励起部に取り付けるクーラントチューブがマイクロ波のプラズマチューブ内への導波を妨げるために、プラズマの励起効率を高めることが難しいという問題がある。ここで、ガス励起部におけるクーラントチューブの卷き数を少なくすると、プラズマの励起効は高められるが、ガス励起部を十分に冷却することができずにクーラントチュープが破損する問題を生ずる。

また、このようなリモートプラズマアプリケータは、プラズマチューブと導波管とを直交させる構造となっているために、スペース効率が悪く、装置全体が大型化する問題がある。発明の開示

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、プラズマの励起効率が高いプラズマ発生装置を提供することを目的とする。また本発明はスペース効率の高い小型化されたプラズマ発生装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、このようなプラズマ発生装置を備えたリモートプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端にアンテナが取り付けられ、前記マイク口波発生装置で発生させたマイク口波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、誘電体材料からなり、前記アンテナを保持する共振器と、所定の処理ガスが供給されるプラズマ励起用のチャンバと、を具備し、前記チャンバは開口面を有し、前記開口面に前記共振器が配置され、前記アンテナから前記共振器を通して前記チャンバの内部に放射されるマイクロ波によって前記処理ガスが励起されることを特徴とするプラズマ発生装置、が提供される。

同軸導波管におけるインピーダンス整合は、同軸導波管の長さ方向にスライド自在に設けられたスラグチューナによって行われる。アンテナとしては、モノポ一ルアンテナ、ヘリカルアンテナ、スロットアンテナ等の各種のアンテナを用いることができる。ここで、マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長を; a、共振器の比誘電率を ε r、波長； I aを比誘電率 ε rの平方根で除して得られる共振器内のマイクロ波の波長を L g ( = λ a / ε r ^{1 / 2} ) とすると、モノポールアンテナを用いる場合には、その長さを波長; I gの約 2 5 %とし、かつ、共振器の厚さを波長 λ gの約 5 0 %の厚さとすることが好ましい。また、ヘリカルァンテナを用いる場合には、ヘリカルアンテナの先端から共振器のチャンバ側の表面までの共振器の厚さを波長； gの約 2 5 %の厚さとすることが好ましい。さらに、スロットアンテナを用いる場合には、共振器の厚さを波長; L gの約 2 5 %の厚さとすることが好ましい。

アンテナが 1本の場合には、マイクロ波発生装置として、マイクロ波電源と、このマイクロ波電源から出力されたマイク口波の出力を調整するアンプと、アンプから出力された後にアンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータと、を有するものが好適に用いられる。これに対し、プラズマ発生装置に同軸導波管とアンテナを複数組設けてもよい。この場合には、マイクロ波発生装置として、マイクロ波電源と、このマイクロ波電源で発生させたマイクロ波をこの同軸導波管とアンテナの組数に分配する分配器と、分配器から出力された各マイク口波の出力を調整する複数のアンプと、これら複数のアンプから出力された各マイクロ波のうち複数のアンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収する複数のアイソレータと、を有しているものを用いることが好ましい。

共振器としては、石英系材料、単結晶アルミナ系材料、多結晶アルミナ系材料、窒化アルミニウム系材料が好適に用いられる。チャンバの内面には、チャンパの腐食を防止するために、石英系材料または単結晶アルミナ系材料または多結晶アルミナ系材料からなる腐食防止部材を装着することが好ましい。

チャンバは、チヤンバを構成する部材の内部に冷媒を流すことによつて冷却可能なジャケット構造とすることが好ましい。これによりチャンバの冷却を容易に行うことができる。また、チャンパとしては、その一端面が前記開口面となっている有底筒状部材が好適に用いられる。この場合において、有底筒状部材の底壁にマイクロ波によって励起されたガスをチャンパから外部へ放出する排気口を形成し、有底筒状部材の側壁の開口面側近傍に処理ガスを内部空間に放出するガス放出口を形成すると、処理ガスを効率よくマイクロ波によって励起することができる。

ところで、プラズマ発生装置においては、プラズマが着火する前はインピーダンスが大きいためにマイクロ波の全反射が起こることがある。このため、複数のアンテナを備えたプラズマ発生装置の場合には、全てのアンテナからマイクロ波を放射させてプラズマを発生させようとすると、複数のアンテナから放射されたマイクロ波が合成された高出力のマイクロ波が個々のアンテナに戻ってくることとなる。そこで、個々のアンテナにはこのような高出力マイクロ波からアンプを保護するためにアイソレータを構成するサ一キュレータとダミーロードを大型化する必要があるという新たな問題が生ずる。

この新たな問題を解決するために、本発明によれば、処理ガスが供給されるプラズマ励起用のチャンパへ所定出力のマイクロ波を放射する複数のアンテナを備えたプラズマ発生装置におけるプラズマ発生方法であって、前記複数のアンテナの一部から前記チヤンバの内部にマイクロ波を放射して前記処理ガスを励起させ、プラズマを発生させる工程と、プラズマ発生後に、前記複数の全てのアンテナから前記チャンパの內部にマイク口波を放射して、プラズマを安定化させる工程と、を有することを特徴とするプラズマ発生方法、が提供される。

複数のアンテナを備えたプラズマ発生装置において、このようにしてプラズマを発生させるためには、複数のアンテナの一部から共振器を通してチャンパの內部に放射されるマイクロ波によつて処理ガスを励起させ、プラズマ発生後は複数の全てのアンテナから共振器を通してチャンバの内部にマイクロ波が放射されるように、マイクロ波発生装置を制御するプラズマ制御装置を用いればよい。さらに本発明によれば、上記プラズマ発生装置を備えたリモートプラズマ処理装置が提供される。すなわち、所定の処理ガスをマイクロ波によって励起するプラズマ発生装置と、基板を収容し、前記プラズマ発生装置において前記処理ガスを励起させることにより発生させた励起ガスにより、前記基板に所定の処理を施す基板処理チャンバと、を具備し、前記プラズマ発生装置は、所定波長のマイク口波を発生するマイクロ波発生装置と、内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端にアンテナが取り付けられ、前記マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、誘電体材料からなり、前記アンテナを保持する共振器と、所定の処理ガスが供給され、前記アンテナから前記共振器を通して放射されるマイクロ波によって前記処理ガスが励起されるプラズマ励起用チャンバと、を有することを特徴とするリモートプラズマ処理装置、が提供される。

本発明のプラズマ発生装置では、マイクロ波の伝達効率と放射効率が高く、共振器から放射されたマイク口波は障害物を通過することなくチャンパの内部空間の全体で処理ガスを励起することができるために、処理ガスの励起効率を高めることができる。これにより、プラズマ発生装置全体を小型化することができる。また、このような高効率化により、使用する処理ガスの量を低減することができるため、ランニングコストを低下させることができる。さらに、アンテナと共振器の寸法設定を適切に行うことによって共振器に定常波が立ちやすくなり、これによってマイクロ波を共振器からチャンバに均一に放射させて安定したプラズマを発生させることができる。

また、アンテナを複数具備する場合には、アンプ等として小型のものを使用することができる利点があり、一部のァンテナを用いてプラズマ着火を行うことにより、反射マイクロ波によるアンプの損傷を小型のアイソレータで防止することができる。さらに本発明のリモートプラズマ処理装置では、プラズマ発生装置が小型化されることによってリモートプラズマ処理装置のスペースユーティリティの自由度が高められるために、リモートプラズマ処理装置全体を小さくすることができる。図面の簡単な説明

図 1は、プラズマ発生装置の概略構造を示す断面図である。

図 2 Aは、共振器の厚さ Dを図 2 Bに比してさらに厚くした場合のプラズマの発生状態をシミュレーションした結果を示す説明図である。

図 2 Bは、共振器の厚さ Dを図 2 Cに比してさらに厚くした場合のプラズマの発生状態をシミュレーションした結果を示す説明図である。

図 2 Cは、共振器の厚さ Dを約 λ g ₂/ 2にした場合のプラズマの発生状態をシミュレーシヨンした結果を示す説明図である。

図 3は、別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図である。

図 4は、さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図である。

図 5 Aは、さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図である。図 5 Bは、図 5 Aに示すプラズマ発生装置の共振器へのモノポールァンテナの配設位置を示す平面図である。

図 6 Aは、さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図である。図 6 Bは、図 6 Aに示すプラズマ発生装置の共振器へのヘリカルアンテナの配設位置を示す平面図である。

図 7 Aは、さらに別のプラズマ発生装置の概略構造を示す断面図である。図 7 Bは、図 7 Aに示すスロットアンテナの分割形態を示す平面図である。図 8は、マイクロ波発生装置を制御するプラズマ制御装置の制御形態を示す説明図である。

図 9は、プラズマエッチング装置の概略構造を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図 1 は、プラズマ発生装置 1 0 0の概略構造を示す断面図である。プラズマ発生装置 1 0 0は、大略的に、マイクロ波発生装置 1 0と、内管 2 0 aと外管 2 0 bとからなる同軸導波管 2 0と、内管 2 0 aの先端に取り付けられたモノポールアンテナ 2 1と、共振器 2 2と、チャンバ 2 3とを有している。

マイクロ波発生装置 1 0は、例えば、周波数 2 . 4 5 G H _Zのマイクロ波を発生するマグネトロン等のマイクロ波電源 1 1と、マイクロ波電源 1 1において発生させたマイクロ波を所定の出力に調整するアンプ 1 2と、アンプ 1 2力ら出力されたマイクロ波のうちアンプ 1 2へ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するァイソレータ 1 3と、同軸導波管 2 0に取り付けられたスラグチューナ 1 4 a · 1 4 bと、を有している。同軸導波管 2 0の一端はアイソレータ 1 3に取り付けられている。

アイソレータ 1 3は、サーキユレータとダミーロード（同軸終端器）とを有しており、サーキユレータは、モノポールアンテナ 2 1からアンプ 1 2へ向けて逆行しょうとするマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによつて導かれたマイク口波を熱に変換する。

同軸導波管 2 0の外管 2 0 bには長さ方向にスリット 3 1 a · 3 1 bが形成されている。スラグチューナ 1 4 aはスリット 3 1 aに嵌挿されたレバー 3 2 aと接続され、レバー 3 2 aはプーリー 3 3 aとモータ 3 4 aとの間に懸架されたべノレト 3 5 aの一部に固定されている。同様に、スラグチューナ 1 4 bはスリット 3 1 bに嵌揷されたレバー 3 2 bと接続され、レバー 3 2 bはプーリー 3 3 bとモータ 3 4 bとの間に懸架されたベルト 3 5 bの一部に固定されている。

モータ 3 4 aを駆動することによってスラグチューナ 1 4 aを同軸導波管 2 0 の長さ方向にスライドさせることができ、モータ 3 4 bを駆動することによってスラグチューナ 1 4 bを同軸導波管 2 0の長さ方向にスライドさせることができる。このようにスラグチューナ 1 4 a · 1 4 bの位置を独立して調節することによって、モノポールアンテナ 2 1に対するインピーダンス整合を行うことができ、これによつてモノポールアンテナ 2 1で反射されるマイクロ波を少なくすることができる。スリット 3 1 a · 3 1 bからマイクロ波が漏れないように、スリット 3 1 a ■ 3 1 bは図示しないベルトシール機構等によってシールされている。なお、スラグチューナ 1 4 a · 1 4 bの厚さは、マイクロ波発生装置 1 0で発生するマイクロ波の波長をえ a、スラグチューナ 1 4 a ' 1 4 bを構成する材料の比誘電率を ε r ₁ 波長え aを比誘電率 ε r の平方根 ( ε r _χ ^1/2) で除して得られる波長; I g _χ (= λ a/ ε r ₁ ¹ノ ²、つまりスラグチューナ 1 4 a ■ 1 4 b 内でのマイクロ波の波長）としたときに、波長ぇ _{§ 1}の約2 5 % (1Z4波長）となるようにする。

内管 2 0 aの一端に取り付けられたモノポールアンテナ 2 1は、ロッド形状（柱状）を有し、このモノボールアンテナ 2 1は共振器 2 2に埋設されて保持されている。共振器 2 2は力パー 24に保持されており、後述するように、カバー 2 4をチャンバ 2 3に取り付けた際にチャンパ 2 3の開口面（上面）を閉塞する。モノポールアンテナ 2 1から放射されたマイクロ波によって共振器 2 2に定在波を立たせる。これにより、チャンバ 2 3に均一にマイクロ波が放射されるようになる。同軸導波管 2 0の外管 2 0 bと接続され、共振器 2 2の上面おょぴ側面を覆うカバー 2 4は金属材料で構成されており、共振器 2 2の上面およぴ側面から外部にマイクロ波が放射されることを防止する。なお、共振器 2 2は、その内部に定在波が立つことによって発熱する。そこで共振器 2 2の温度上昇を抑えるために、カバー 24には冷媒（例えば、冷却水）を循環させる冷媒流路 2 5が設けられている。なお、冷媒は図示しない冷却循環装置を用いて循環させて使用することができる。共振器 22には誘電体材料が用いられ、チャンバ 23において生成する励起ガスに対する耐食性に優れた材料が好適に用いられる。例えば、石英系材料（石英、溶融石英、石英ガラス等）、単結晶アルミナ系材料（サファイア、アルミナガラス等）、多結晶アルミナ系材料、窒化アルミニウム系材料が挙げられる。マイクロ波発生装置 10で発生するマイクロ波の波長を λ a、共振器 22の比誘電率を _{ε r 2}、波長; I _aを比誘電率 _ε r ₂の平方根

r ₂ ^1/2) で除して得られる波長え g ₂ (=λ a H r ₂ ^1/2、つまり共振器 22内でのマイクロ波の波長 ) としたときに、共振器 22にマイクロ波の定在波が立ち易くなるように、モノポールアンテナ 21の長さ（高さ） Hは、波長え g₂の 25% (1 4波長）とし、かつ、共振器 22の厚さ（D 1) をこの波長； l g₂の 50% (1ノ 2波長）とする。

これは、概略、以下の理由による。つまり、モノポールアンテナ 21の長さが λ g₂/4の場合にはモノポールアンテナ 21の先端に最大強度の電界が発生する。このとき共振器 22の厚さを； I g₂Z2とすると、共振器 22の下面（チヤンバ 23側の面）とチャンバ 23との境界で電界強度がゼロ（0) となり、共振器 22の誘電率と真空の誘電率とが異なっていても、マイクロ波の反射が起こらない。一方、磁界強度がこの境界面において最大となるが、共振器 22の透磁率が真空の透磁率と同じであれば、やはりマイクロ波の反射は起こらない。ここで、共振器 22に用いられる石英系材料、単結晶アルミナ材料、多結晶アルミナ材料、窒化アルミニウム系材料は非磁性体であるので、その比透磁率はほぼ 1. 0 となり、真空の透磁率と同じである。これによつて、マイクロ波を効率よくチヤンバ 23に放射することができる。

チャンバ 23は有底円筒型の形状を有しており、通常、ステンレス、アルミ- ゥム等の金属材料から構成される。カバー 24をチャンバ 23の上面に取り付けることによって、チャンバ 23の上面開口部は共振器 22によって閉塞される。なお、図 1中の符号 29はシールリングである。チャンバ 23の側壁の上面近傍には、図示しないガス供給装置から送られてくる所定の処理ガス（例えば、 N₂ 、 Ar、 NF₃等）をチャンバ 23の内部空間に放出するためのガス放出口 26 が形成されている。ガス放出口 ² 6からチャンバ 2 3の内部空間に放出された処理ガスは、モノポ一ルアンテナ² 1から共振器^{2 2}を通してチャンバ 2 3の内部空間に放射されたマイクロ波によって励起され、プラズマが発生する。こうして発生した励起ガスは、チャンバ 2 3の底壁に設けられた排気口 2 3 aから外部（例えば、基板が収容された処理チャンパ等）へ放出される。

処理ガスがマイクロ波によって励起される際の発熱によってチャンパ 2 3の温度が上昇することを抑制するために、チャンバ 2 3はカバー 2 4と同様に、内部に冷媒を流す冷媒流路 2 8が形成され、冷却可能なジャケット構造となっている。チャンバ 2 3の内面には、励起ガスによる腐食を防止するために、石英系材料または単結晶アルミナ系材料または多結晶アルミナ系材料からなる腐食防止部材 2 7が装着されている。

このような構成を有するプラズマ発生装置 1 0 0では、最初に、カバー 2 4とチャンバ 2 3に冷却水を流して、共振器 2 2やチャンバ 2 3が過度に温度上昇しないようにする。次に、マイクロ波発生装置 1 0を駆動して、所定の周波数のマイク口波をマイクロ波電源 1 1で発生させた後に、アンプ 1 2でこのマイクロ波を所定の出力に増幅する。アンプ 1 2によって所定の出力に調整されたマイクロ波は、アイソレータ 1 3と同軸導波管 2 0を通してモノポールアンテナ 2 1に送られる。このとき、スラグチューナ 1 4 a · 1 4 bを駆動して、モノポールアンテナ 2 1からの反射マイクロ波が少なくなるように、インピーダンスの整合を行モノポールアンテナ 2 1から放射されたマイクロ波によって共振器 2 2の內部に定在波が立つ。これによつて共振器 2 2からチャンバ 2 3の内部に均一にマイクロ波が放射される。この状態においてチャンバ 2 3に処理ガスを供給すると、処理ガスがマイクロ波によって励起されてプラズマが生ずる。こうして生成した励起ガスは、排気口 2 3 aから、例えば基板等の被処理体が収容されたチャンパ (図示せず）に送られる。

図 2は、共振器 2 2の厚さ（D ) とプラズマの発生状態との関係をシミュレ一シヨンした結果を示す説明図である。ここで、マイクロ波発生装置 1 0において発生させるマイクロ波の周波数は 2 . 4 5 G H z (つまり波長； L aは約 1 2 2 m m) としている。また、共振器 22として水晶からなるものを用いるものとする。水晶の比誘電率 ε rは約 3. 75であるから、共振器 22内でのマイクロ波の波長： g₂は、約 6 3. 00 mmとなる。モノポールアンテナ 21の長さは約 λ g ₂/4 (= 1 5. 75mm) とした。

図 2 Cは共振器 22の厚さ Dを約 λ g ₂/ 2にした場合である。無限の平行平 '板では共振器 22の厚さが； I g_2//2のときに最も効率がよいと考えられるが、現実的な大きさと形状を考えると、共振器 22の厚さが； I g ₂Z2の場合には、約 58%の反射があるために効率は高くない。そこで、図 2 Bから図 2 Aへと共振器 2 2の厚さを厚くしていくと、共振器 22の厚さが 3 5. 6mmのとき（図 2 Bの場合）に反射が約 22 %となり、共振器 2 2の厚さが 3 9. 6 mmのとき (図 2 Aの場合）に反射が約 6%となり、効率が上がる。このように実際のアンテナ設計においては共振器 22の厚さを理論値よりも厚くするとよい結果を得ることができる。 .

このように、実際の装置において高い効率が得られる共振器 22の厚さが理論値と異なるのは、共振器 22が無限の平行平板ではないからである。共振器 22 の最適厚さはシミュレーションによって確認すればよく、モノポールアンテナ 2 1の長さ（高さ） Hは波長 λ g₂の 23〜26%、共振器 22の厚さ（D 1) は波長； g₂の 50〜70%とするとよい。

このように、プラズマ発生装置 100においては、チャンバ 23の内部空間全体においてプラズマを均一に発生させることができ、処理ガスを効率よく励起させることができる。また、従来のプラズマ発生装置のように処理ガスの供給路とマイクロ波の導波路とを交差させる必要がないために、プラズマ発生装置 100 自体を小型化することができる。

次に、プラズマ発生装置の別の実施の形態について説明する。図 3はプラズマ発生装置 1 00 aの概略構造を示す断面図である。プラズマ発生装置 1 00 aと先に説明した図 1記載のプラズマ発生装置 100との相違点は、同軸導波管 20 の内管 20 aの先端に螺旋状のへリカルアンテナ 2 1 aが取り付けられ、このへリカルアンテナ 21 aが共振器 22に埋設されている点である。

ヘリカルアンテナ 2 1 aを用いる場合には、ヘリカルアンテナ 2 1 aの全長を波長 λ _{§ 2}の 25% (1/4波長）とする。これにより、ヘリカルアンテナ 21 aの先端に最大強度の電界が発生する。そして、ヘリカルアンテナ 21 aの先端から共振器 22の下面までの共振器 22の厚さ（D 2) は、波長ぇ _{§ 2}の25% (1/4波長）とする。これにより、共振器 22の下面とチャンバ 23との境界で電界強度がゼロ（0) となり、共振器 22の誘電率と真空の誘電率とが異なつていても、マイクロ波の反射が起こらない。一方、磁界強度がこの境界面において最大となるが、共振器 22の透磁率が真空の透磁率と同じであれば、やはりマイク口波の反射は起こらない。

ヘリカルアンテナ 21 aを用いた場合には、ヘリカルアンテナ 21 aの直線的な長さ（高さ） hは、その全長よりも短くなる。したがって、共振器 22の全体の厚さは h+約； g₂Z4となり、モノポールアンテナ 21を用いた場合と比較すると、共振器 22の厚さを薄くすることができる。なお、この場合においても、実際の装置において高い効率が得られる共振器 22の厚さは理論値と異なる。これは共振器 22が無限の平行平板ではないからである。共振器 22の最適厚さはシミュレーションによって確認すればよく、ヘリカルアンテナ 21 aの長さは波長 L g ₂の 23〜26%、共振器 22の厚さ（D 2) は波長； L g ₂の 25〜4 5 %とするとよい。

図 4は、プラズマ発生装置 100 bの概略構造を示す断面図である。プラズマ発生装置 100 bと先に説明した図 1記載のプラズマ発生装置 10.0との相違点は、同軸導波管 20の內管 20 aの先端にスロットアンテナ 21 bが取り付けられ、このスロットアンテナ 2 1 bが共振器 22に埋設されて保持されている点である。

スロットアンテナ 21 bは、例えば、金属円板に同心円状に一定幅の弧型のスロット（孔）が設けられた構造を有する。スロットアンテナ 21 bを用いる場合には、共振器 22の厚さ（スロットアンテナ 21 bの下面から共振器 22の下面までの厚さをいう） D 3を波長； I g ₂の 25 % (1Z4波長）とする。スロットアンテナ 21 bを用いた場合には、スロットアンテナ 21 bの下面で最大強度の電界が発生する。また、共振器 22の下面とチャンバ 23との境界で電界強度がゼロ（0) となり、共振器 22の誘電率と真空の誘電率とが異なっていても、マイク口波の反射が起こらない。一方、磁界強度がこの境界面において最大となるが、共振器 2 2の透磁率が真空の透磁率と同じであれば、やはりマイクロ波の反射は起こらない。なお、この場合においても、実際の装置において高い効率が得られる共振器 2 2の厚さは理論値と異なる。これは共振器 2 2が無限の平行平板ではないからである。共振器 2 2の最適厚さはシミュレーションによって確認すればよく、スロットアンテナ 2 1 bを用いる場合には、共振器 2 2の厚さ（D 3 ) は波長 I g ₂の 2 5〜4 5 %とするとよい。

スロットアンテナ 2 1 bを薄く構成すれば、スロットアンテナ 2 1 bと共振器 2 2の合計の厚さを、モノポールアンテナ 2 1やヘリカルアンテナ 2 1 aを用いた場合よりも、薄くすることができる。なお、モノポールアンテナ 2 1を用いた場合には、ヘリカルアンテナ 2 1 aやスロットアンテナ 2 1 bを用いる場合と比較すると、共振器 2 2の厚さは厚くなるが、構造が簡単であり低コストであることや、プラズマの励起効率が高い等の利点がある。

以上においてはアンテナが 1本である場合について説明したが、プラズマ発生装置 1 0 0を備えたリモートブラズマ処理装置においては、マイク口波の出力電力が 5 0 0 W程度以上のものが要求されることがある。この場合には、図 1に示されるアンプ 1 2として複数の小型アンプを備えたものを用い、これら小型アンプの出力を合成することによって高出力を実現させる。そこで図 5〜図 7に示すプラズマ発生装置 1 O O c〜1 0 0 eのように、小型アンプの数に対応させてァンテナを複数本設け、各小型アンプから各アンテナに同軸導波管を用いてマイク口波を伝送してもよい。

図 5 Aはプラズマ発生装置 1 0 0 cの概略断面図であり、図 5 Bは共振器 2 2 へのモノポールアンテナ 1 7 a〜 1 7 dの配設位置を示す平面図である。マイク口波電源 1 1から出力されたマイクロ波が分配器 1 1 aによって複数（図 5 A, 5 Bでは 4分配した場合を示す）に分配される。分配器 1 1 aから出力された各マイクロ波は小型アンプ 1 2 a〜l 2 dに入力され、そこで所定の電力に増幅される。各小型アンプ 1 2 a〜 1 2 dから出力されたマイクロ波は、アイソレータ 1 3 a〜 1 3 d (アイソレータ 1 3 b . 1 3 dはそれぞれアイソレータ 1 3 a - 1 3 cの背面に位置しているために図示せず）と同軸導波管 4 0 a ~ 4 0 d (同軸導波管 4 0 b · 4 0 dはそれぞれ同軸導波管 4 0 a - 0 cの背面に位置しているために図示せず）を通して共振器 2 2に設けられたモノポールアンテナ 1 Ί a〜l 7 dに送られる。各モノポールアンテナ 1 7 a〜l 7 dから放射されたマイク口波によって共振器 2 2の内部に定在波が立ち、共振器 2 2からチャンバ 2 3の内部にマイクロ波が放射される。なお、同軸導波管 4 0 a〜4 0 dはそれぞれ同軸導波管 2 0と同等の構造を有する。

図 6 Aはプラズマ発生装置 1 0 0 dの概略断面図であり、図 6 Bは共振器 2 2 へのへリカルアンテナ 1 8 a〜l 8 dの配設位置を示す平面図である。プラズマ発生装置 1 0 0 dは、図 5 A， 5 Bに示したプラズマ発生装置 1 0 0 cが具備するモノポールアンテナ 1 7 a〜 1 7 dをへリカルアンテナ 1 8 d〜 1 8 dに置き換えたものであり、その他の部分の構成はプラズマ発生装置 1 0 0 cと同じである。

図 7 Aはプラズマ発生装置 1 0 0 eの概略断面図であり、図 7 Bはスロットァンテナ 1 9の分割形態を示す平面図である。プラズマ発生装置 1 0 0 eが具備するスロットアンテナ 1 9は金属板によって 4個のブロック 1 9 a〜1 9 dに分けられており、ブロック 1 9 a〜1 9 dのそれぞれに同軸導波管 4 0 a〜4 0 d ( 同軸導波管 4 0 dは同軸導波管 4 0 aの背面に位置するために図示せず）を取り付けるための給電ポイント 3 8 a〜3 8 dが設けられている。各ブロック 1 9 a 〜1 9 dには各給電ポイント 3 8 a〜3 8 dが設けられている位置に対応して所定のパターンでスロット（孔部） 3 9が形成されている。

このようなプラズマ発生装置 1 0 0 c〜l 0 0 eによれば、アンプのコストを低く抑えることができるとともに、プラズマの発生効率がさらに高められ、ブラズマの均一性を向上させることができる。

ところで、上記プラズマ発生装置 1 0 0 ■ 1 0 0 a〜 1 0 0 eにおいては、プラズマが着火する前はインピーダンスが大きく、プラズマが着火した後にィンピ一ダンスは小さくなつて安定する。プラズマ着火前には、高いインピーダンスに起因して、アンテナから放射されたマイクロ波の全反射が起こることがある。プラズマ発生装置 1 0 0ではアンテナ 2 0は 1本だけであるから、アイソレータ 1 3としてアンテナ 2 0から放射することができるマイクロ波の出力に応じたものを用いればよく、このことはプラズマ発生装置 1 00 a · 1 0 0 bについても同様である。

しかしながら、複数のアンテナを備えたプラズマ発生装置 1 0 0 cでは、 4本の全てのアンテナ 1 7 a ~1 7 dからマイクロ波を放射させてプラズマを発生させようとすると、これら 4本のアンテナ 1 7 a〜 l 7 dから放射されたマイクロ波が合成された高出力のマイクロ波が小型アンプ 1 2 a〜l 2 dそれぞれに戻つてくることとなる。このため、小型アンプ 1 2 a〜1 2 dをこのような高出力マイク口波から保護するために、アイソレータ 1 3 a〜l 3 dを構成するサーキュレータとダミーロードを大型化したのでは、装置コストゃ装置の小型化の観点から不利である。この問題はプラズマ発生装置 1 0 O d ■ 1 0 0 eについても同様である。

そこで、アイソレータ 1 3 a ~ l 3 dを大型化することを抑制し、小型アンプ 1 2 a〜l 2 dを保護する方法として、アンテナ 1 7 a〜l 7 dの一部から共振器 2 2を通してチャンバ 2 3の内部に放射されるマイクロ波によって処理ガスを励起し、プラズマ発生後は全てのアンテナ 1 7 a〜 1 7 dから共振器 2 2を通してチヤンバ 2 3の内部にマイク口波を放射することによつてプラズマを安定させるようにマイク口波発生装置 1 0を制御するプラズマ制御装置を用いる方法が挙げられる。

具体的には、図 8に示すように、少なくとも分配器 1 1 aの分配数と小型アンプ 1 2 a〜1 2 dの駆動数の少なくとも一方を制御することができるプラズマ制御装置 9 0が挙げられる。例えば、プラズマ制御装置 9 0は、マイクロ波電源 1 1から出力されたマイクロ波を、分配器 1 1 aにおいて 4分配して小型アンプ 1 2 a〜 1 2 dにそれぞれ入力させるが、小型アンプ 1 2 aのみを駆動し、その他の小型アンプ 1 2 b〜 1 2 dではマイクロ波の増幅が行われないようにする。これにより、プラズマ着火前には実質的にアンテナ 1 7 aからのみマイク口波を放射させることができる。また、プラズマが着火した後にはプラズマ制御装置 90 は、全ての小型アンプ 1 2 a〜 1 2 dを駆動して全てのアンテナ 1 7 a〜1 7 d からマイクロ波を放射させる。これにより、プラズマを安定させることができるまた、プラズマ制御装置 9 0は、マイクロ波電源 1 1から出力されたマイクロ波を分配器 1 1 aにおいて分配することなく小型アンプ 1 2 aに入力させ、小型アンプ 1 2 aに入力されたマイクロ波を所定の増幅率で増幅させて出力させる。これにより、プラズマ着火前にはアンテナ 1 7 aのみからマイクロ波を放射させることができる。これによりプラズマが着火した後には、プラズマ制御装置 9 0 は、全ての小型アンプ 1 2 a〜1 2 dにマイクロ波が入力されるように、分配器 1 1 aにおけるマイクロ波の分配を行い、かつ、全ての小型アンプ 1 2 a〜l 2 dを駆動させる。これにより、全てのアンテナ 1 7 a〜l 7 dからマイクロ波を放射させて、プラズマを安定させることができる。

なお、プラズマ着火のためにマイクロ波を放射させるアンテナの数は 1個に限定されるものではなく、アイソレータを構成するサーキュレータとダミーロードの大型化が許容される範囲であれば、 2個以上であってもよい。

次に、上述したプラズマ発生装置 1 0 0を備えた基板処理装置として、半導体ウェハに対してエッチング処理を行うプラズマエッチング装置について説明する

。図 9はプラズマエッチング装置 1の概略構造を示す断面図である。プラズマェツチング装置 1は、プラズマ発生装置 1 0 0と、ウェハ Wを収容するウェハ処理チヤンバ 4 1と、チヤンバ 2 3とウェハ処理チヤンパ 4 1とを接続し、チャンバ 2 3で発生させた励起ガスをウェハ処理チャンバ 4 1へ送るガス管 4 2と、を有している。

ウェハ処理チャンパ 4 1の内部には、ウェハ Wを载置するステージ 4 3が設けられている。ウェハ処理チャンバ 4 1は、ウェハ Wの搬入出を行うための開閉自在な開口部（図示せず）を有しており、.図示しないウェハ搬送手段によってゥェハ Wがウェハ処理チャンバ 4 1内に搬入され、逆に、プラズマエッチング処理が終了したウェハ Wがウェハ処理チャンバ 4 1から搬出される。プラズマ発生装置 1 0 0で生成した励起ガスは、ガス管 4 2からウェハ処理チャンバ 4 1に供給されてウェハ Wを処理した後に、ウェハ処理チャンバ 4 1に設けられた排気口 4 1 aから排気される。

このようなプラズマエッチング装置 1では、プラズマ発生装置 1 0 0を小さくすることができるために、ウェハ処理チャンパ 4 1の上方のスペースユーティリティが高められる。これを有効に利用して、各種の配管や配線、制御装置等を配置することができるため、プラズマエッチング装置 1全体をコンパクトに構成することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではない。例えば、同軸導波管 2 0に変えて、同軸線を用いてもよい。また、プラズマ処理としてエッチング処理を取り上げたが、本発明は、プラズマ C V D処理（成膜処理）やアツシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。また、プラズマ処理に供される被処理基板は半導体ゥェハに限定されず、 L C D基板、ガラス基板、セラミックス基板等であってもよい。

産業上の利用可能性

本発明は、プラズマを用いた種々の処理装置、例えば、エッチング装置、プラズマ C V D装置、アツシング装置等に好適である。

Claims

請求の範囲

1. 所定波長のマイクロ波を発生するマイク口波発生装置と、

内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端にアンテナが取り付けられ、前記マイクロ波発生装置で発生させたマイクロ波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、

誘電体材料からなり、前記アンテナを保持する共振器と、

所定の処理ガスが供給されるプラズマ励起用のチャンバと、

を具備し、

前記チヤンバは開口面を有し、前記開口面に前記共振器が配置され、前記アンテナから前記共振器を通して前記チャンバの内部に放射されるマイク口波によつて前記処理ガスが励起されることを特徴とするブラズマ発生装置。

2. 前記アンテナはモノポールアンテナであることを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

3. 前記マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長を a、前記共振器の比誘電率を ε r、前記波長; I aを前記比誘電率 ε rの平方根で除して得られる前記共振器内のマイクロ波の波長を; L g (= λ a/ ε r ^1/2) としたときに、前記モノポールアンテナは前記波長； L gの 2 3 %〜2 6 %の長さを有し、かつ、前記共振器は前記波長； L gの 5 0%〜7 0 %の厚さを有することを特徴とする請求項 2に記載のプラズマ発生装置。

4. 前記アンテナはヘリカルアンテナであることを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

5. 前記マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長を λ a、前記共振器の比誘電率を ε r、前記波長; I aを前記比誘電率 £ rの平方根で除して得られる前記共振器内のマイクロ波の波長を; L g (= λ a / ε r ^1/2) としたときに、前記へリカルアンテナの先端から前記共振器の前記チャンバ側の表面までの前記共振器の厚さは、前記波長； L gの 2 5 %〜 4 5 %であることを特徴とする請求項 4に記載のプラズマ発生装置。

6. 前記アンテナはスロットアンテナであることを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

7 . 前記マイクロ波発生装置で発生するマイクロ波の波長を λ a、前記共振器の比誘電率を ε r、前記波長; L aを前記比誘電率 ε rの平方根で除して得られる前記共振器内のマイクロ波の波長を,； I g (= 1 a / _£ r ^{1 / 2} ) としたときに、前記共振器は前記波長 λ gの 2 5 %〜4 5 %の厚さを有することを特徴とする請求項 6に記載のプラズマ発生装置。

8 . 前記マイクロ波発生装置は、マイクロ波電源と、前記マイクロ波電源から出力されたマイクロ波の出力を調整するアンプと、前記アンプから出力された後に前記アンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収するアイソレータと、を有することを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

9 . 前記同軸導波管と前記アンテナを複数組具備し、

前記マイクロ波発生装置は、マイクロ波電源と、マイクロ波電源で発生させたマイクロ波を前記同軸導波管と前記アンテナの組数に分配する分配器と、前記分配器から出力された各マイクロ波の出力を調整する複数のアンプと、前記複数のアンプから出力された後に前記複数のアンプへ戻ろうとする反射マイクロ波を吸収する複数のアイソレータと、を有することを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

1 0 . 前記複数のアンテナの一部から前記共振器を通して前記チャンバの内部に放射されるマイクロ波によって前記処理ガスを励起させ、プラズマ発生後は前記複数の全てのアンテナから前記共振器を通して前記チャンバの内部にマイク口波が放射されるように、前記マイクロ波発生装置を制御するプラズマ制御装置をさらに具備することを特徴とする請求項 9に記載のブラズマ発生装置。

1 1 . 前記共振器は、石英系材料、単結晶アルミナ系材料、多結晶アルミナ系材料、窒化アルミ二ゥム系材料のいずれかからなることを特徴とする請求項 1 に記載のプラズマ発生装置。

1 2 . 前記チャンパの内面に、前記チャンバの腐食を防止するために、石英系材料または単結晶アルミナ系材料または多結晶アルミナ系材料からなる腐食防止部材が装着されていることを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

1 3 . 前記チャンバは、前記チャンバを構成する部材の内部に冷媒を流すことによって冷却可能なジャケット構造を有することを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

1 4 . 前記チャンバは、その一端面が前記開口面となっている有底筒状部材であり、

前記有底筒状部材は、その底壁にマイクロ波によって励起されたガスを前記チヤンバから外部へ放出する排気口を有し、その側壁の前記開口面側近傍に前記処理ガスを内部空間に放出するガス放出口を有することを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

1 5 . 前記同軸導波管に、前記同軸導波管の長さ方向にスライド自在であり、前記ァンテナに対するィンビーダンス整合を行ぅスラグチューナが取り付けられていることを特徴とする請求項 1に記載のプラズマ発生装置。

1 6 . 処理ガスが供給されるプラズマ励起用のチャンバへ所定出力のマイク口波を^射する複数のァンテナを備えたプラズマ発生装置におけるブラズマ発生方法であって、

前記複数のアンテナの一部から前記チャンバの内部にマイクロ波を放射して前記処理ガスを励起させ、プラズマを発生させる工程と、

プラズマ発生後に、前記複数の全てのアンテナから前記チャンバの内部にマイクロ波を放射して、プラズマを安定化させる工程と、

を有することを特徴とするブラズマ発生方法。

1 7 . 所定の処理ガスをマイクロ波によって励起するプラズマ発生装置と、基板を収容し、前記プラズマ発生装置において前記処理ガスを励起させることにより発生させた励起ガスにより、前記基板に所定の処理を施す基板処理チャンバと、

を具備し、

前記プラズマ発生装置は、

所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、

内管と外管からなる同軸構造を有し、前記内管の一端にアンテナが取り付けられ、前記マイク口波発生装置で発生させたマイクロ波を前記アンテナへ導く同軸導波管と、誘電体材料からなり、前記アンテナを保持する共振器と、

所定の処理ガスが供給され、前記アンテナから前記共振器を通して放射されるマイクロ波によって前記処理ガスが励起されるプラズマ励起用チャンバと、を有することを特徴とするリモートプラズマ処理装置。