JP2012089334A - マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理容器内でのマイクロ波の定在波による影響を極力抑制し、チャンバ内でのプラズマ密度の均一性を高くすることができるマイクロ波プラズマ源およびそれを用いたプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】マイクロ波プラズマ源２はマイクロ波供給部４０を有し、マイクロ波供給部４０は、マイクロ波を処理容器内に導入する複数のマイクロ波導入機構４３と、複数のマイクロ波導入機構４３のそれぞれに入力されるマイクロ波の位相を調整する複数の位相器４６とを有し、複数のマイクロ波導入機構４３のうち隣接するものについて、一方のマイクロ波の入力位相を固定し、他方のマイクロ波の入力位相を周期的な波形によって変化させるように、複数の位相器４６により複数のマイクロ波導入機構４３に入力されるマイクロ波の位相を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ源およびそれを用いたプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスや液晶表示装置の製造工程においては、半導体ウエハやガラス基板といった被処理基板にエ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、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ成膜装置等のプラズマ処理装置が用いられる。

近時、このようなプラズマ処理装置としては、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１）。

ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバ（処理容器）の上部に所定のパターンでスロットが形成された平面アンテナ（Radial Line Slot Antenna）を設け、マイクロ波発生源から同軸構造の導波路を通って導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットからチャンバ内に放射し、マイクロ波電界によりチャンバ内に導入されたガスをプラズマ化し、半導体ウエハ等の被処理体をプラズマ処理するものである。

このようなＲＬＳＡマイクロ波プラズマ装置において、プラズマ分布を調整する場合、スロット形状およびパターン等が異なる複数のアンテナを用意しておき、アンテナを交換する必要があり、極めて煩雑である。

これに対し、特許文献２には、マイクロ波を複数に分配し、複数のアンテナモジュールを介してマイクロ波をチャンバ内に放射し、チャンバ内空間でマイクロ波を合成するマイクロ波プラズマ源が開示されている。

このように複数のアンテナモジュールを用いてマイクロ波を空間合成することにより、各アンテナモジュールのアンテナから放射されるマイクロ波の位相や強度を調整してプラズマ分布を調整することができる。

特開２０００−２９４５５０号公報 国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット

しかし、このように複数のアンテナモジュールを用いてマイクロ波をチャンバ内に放射してプラズマを形成する場合には、マイクロ波がチャンバ内に放射された際に発生する定在波の腹と節が顕在化し、それがプラズマ中の電子密度分布の局在化を招き、プラズマ密度分布の均一性を悪化させるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、処理容器内でのマイクロ波の定在波の腹と節の位置が固定化されることを極力抑制し、チャンバ内でのプラズマ密度の均一性を高くすることができるマイクロ波プラズマ源およびそれを用いたプラズマ処理装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の観点では、プラズマ処理を行う処理容器内にマイクロ波を導入して、前記処理容器内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ源であって、マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構と、生成されたマイクロ波を前記処理容器内に供給するマイクロ波供給部とを具備し、前記マイクロ波供給部は、マイクロ波を前記処理容器内に導入する複数のマイクロ波導入機構と、前記複数のマイクロ波導入機構のそれぞれに入力されるマイクロ波の位相を調整する複数の位相器とを有し、複数のマイクロ波導入機構のうち隣接するものについて、一方のマイクロ波の入力位相を固定し、他方のマイクロ波の入力位相を周期的な波形によって変化させるか、または、隣接するマイクロ波導入機構の両方のマイクロ波の入力位相を相互に重ならない周期的な波形によって変化させるように、前記複数の位相器により前記複数のマイクロ波導入機構に入力されるマイクロ波の位相を調整することを特徴とするマイクロ波プラズマ源を提供する。

上記第１の観点において、前記周期的な波形としては、サイン波、三角波、台形波、およびサイン波状波形のうちのいずれかを用いることができる。

また、前記処理容器の上壁を構成し、前記複数のマイクロ波導入機構から放射されたマイクロ波を透過する天板が、前記複数のマイクロ波導入機構に対応する位置に設けられた複数の誘電体部材と、誘電体部材を支持する金属製のフレームとを有する構造であって、前記フレームはハニカム状構造を有しているものとすることができる。この場合に、前記フレームを、ガス流路と、複数のガス吐出孔とを有するものとして、プラズマ処理に必要なガスを前記ガス吐出孔から前記処理容器に向けて吐出するようにすることができる。

本発明の第２の観点では、被処理基板を収容する処理容器と、前記処理容器内で被処理基板が載置される載置台と、前記処理容器内にガスを供給するガス供給機構と、上記第１の観点のマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記マイクロ波プラズマ源から前記処理容器内に導入されたマイクロ波によりプラズマを生成し、そのプラズマにより被処理基板に対して処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明によれば、複数のマイクロ波導入機構のうち隣接するものについて、一方のマイクロ波の入力位相を固定し、他方のマイクロ波の入力位相を周期的な波形によって変化させるか、または、隣接するマイクロ波導入機構の両方のマイクロ波の入力位相を相互に重ならない周期的な波形によって変化させるように、前記複数の位相器により前記複数のマイクロ波導入機構に入力されるマイクロ波の位相を調整するので、処理容器内に放射されたマイクロ波における定在波の節と腹の位置が連続的に変化して電界強度が平均化され、電界強度の面内均一性を高めることができる。そのため、処理容器内での電子密度、すなわちプラズマ密度を均一にして均一なプラズマ処理を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波プラズマ源を有する表面波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 マイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図である。 マイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図である。 マイクロ波プラズマ源におけるアンテナモジュールに用いられるメインアンプの回路構成の例を示す図である。 マイクロ波プラズマ源におけるアンテナモジュールに用いられるマイクロ波導入機構を示す断面図である。 マイクロ波導入機構の給電機構を示す図５のＡＡ′線による横断面図である。 チューナにおけるスラグと滑り部材を示す図５のＢＢ′線による横断面図である。 マイクロ波プラズマ源に搭載された７本のマイクロ波導入機構のうちマイクロ波の入力位相を周期的な波形によって変化させたものを説明するための模式図である。 隣接するマイクロ波導入機構の一方の位相を０°に固定し、他方の入力位相をサイン波にしたときの入力位相の時間的変化を示す図である。 周期的波形のサイン波以外の例を示す図である。 図３のような７つのマイクロ波導入機構を配置したプラズマ源を用いて、全てのマイクロ波導入機構のマイクロ波の入力位相を０°にした場合と、外周の３つマイクロ波導入機構の入力位相を１８０°に変えた場合とでチャンバ内の電界分布を把握した結果を示すチャートである。 本発明の第２の実施形態におけるプラズマ源のマイクロ波供給部と天板を模式的に示す平面図である。 図１２のＣＣ′線による断面図である。 天板の構造の変形例を模式的に示す平面図である。 天板の構造の他の変形例を示す底面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波プラズマ源を有する表面波プラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２はマイクロ波プラズマ源の構成を示す構成図であり、図３はマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波供給部を模式的に示す平面図、図４はマイクロ波プラズマ源におけるアンテナモジュールに用いられるメインアンプの回路構成の例を示す図、図５はマイクロ波プラズマ源におけるアンテナモジュールに用いられるマイクロ波導入機構を示す断面図、図６はマイクロ波導入機構の給電機構を示す図５のＡＡ′線による横断面図、図７はチューナにおけるスラグと滑り部材を示す図５のＢＢ′線による横断面図である。

表面波プラズマ処理装置１００は、ウエハに対してプラズマ処理として例えばエッチング処理を施すプラズマエッチング装置として構成されており、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内にマイクロ波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源２はこの開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。

チャンバ１内には被処理体であるウエハＷを水平に支持するためのサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａ介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。

また、図示はしていないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が必要に応じて設けられている。さらに、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内が所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

チャンバ１内のサセプタ１１の上方位置には、プラズマエッチングのための処理ガスをウエハＷに向けて吐出するシャワープレート２０が水平に設けられている。このシャワープレート２０は、格子状に形成されたガス流路２１と、このガス流路２１に形成された多数のガス吐出孔２２とを有しており、格子状のガス流路２１の間は空間部２３となっている。このシャワープレート２０のガス流路２１にはチャンバ１の外側に延びる配管２４が接続されており、この配管２４には処理ガス供給源２５が接続されている。

一方、チャンバ１のシャワープレート２０の上方位置には、リング状のプラズマガス導入部材２６がチャンバ壁に沿って設けられており、このプラズマガス導入部材２６には内周に多数のガス吐出孔が設けられている。このプラズマガス導入部材２６には、プラズマガスを供給するプラズマガス供給源２７が配管２８を介して接続されている。プラズマガスとしてはＡｒガス等の希ガスが好適に用いられる。

プラズマガス導入部材２６からチャンバ１内に導入されたプラズマガスは、マイクロ波プラズマ源２からチャンバ１内に導入されたマイクロ波によりプラズマ化され、このプラズマがシャワープレート２０の空間部２３を通過しシャワープレート２０のガス吐出孔２２から吐出された処理ガスを励起し、処理ガスのプラズマを形成する。

マイクロ波プラズマ源２は、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持された天板１１０上に設けられている。支持リング２９と天板１１０との間は気密にシールされている。図２に示すように、マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波をチャンバ１に導き、チャンバ１内に放射するためのマイクロ波供給部４０とを有している。

マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、２．４５ＧＨｚの他に、８．３５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ等を用いることができる。

マイクロ波供給部４０は、分配器３４で分配されたマイクロ波をチャンバ１内へ導く複数のアンテナモジュール４１を有している。各アンテナモジュール４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部４２と、マイクロ波導入機構４３とを有している。また、マイクロ波導入機構４３は、インピーダンスを整合させるためのチューナ６０と、増幅されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４５とを有している。そして、各アンテナモジュール４１におけるマイクロ波導入機構４３のアンテナ部４５からチャンバ１内へマイクロ波が放射されるようになっている。図３に示すように、マイクロ波供給部４０は、アンテナモジュール４１を７個有しており、各アンテナモジュール４１のマイクロ波導入機構４３が、円周状に６個およびその中心に１個、円形をなす天板１１０の上に配置されている。天板１１０は、真空シールおよびマイクロ波透過板として機能し、金属製のフレーム１１０ａと、マイクロ波導入機構４３が配置されている部分に嵌め込まれた石英等の誘電体からなる誘電体部材１１０ｂとを有している。

アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、各アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。本実施形態では、後述するように、所定のアンテナモジュールの位相を固定し、それに隣接するアンテナモジュールの位相を連続的に変化させることによりマイクロ波の定在波を抑制する。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ４７を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、図４に示すように、入力整合回路１３１と、半導体増幅素子１３２と、出力整合回路１３３と、高Ｑ共振回路１３４とを有する構成とすることができる。

アイソレータ４９は、アンテナ部４５で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ部４５で反射した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って導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

次に、マイクロ波導入機構４３について説明する。
図５、６に示すように、マイクロ波導入機構４３は、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路４４と、導波路４４を伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するアンテナ部４５とを有している。そして、マイクロ波導入機構４３からチャンバ１内に放射されたマイクロ波がチャンバ１内の空間で合成され、チャンバ１内で表面波プラズマが形成されるようになっている。

導波路４４は、筒状の外側導体５２およびその中心に設けられた棒状の内側導体５３が同軸状に配置されて構成されており、導波路４４の先端にアンテナ部４５が設けられている。導波路４４は、内側導体５３が給電側、外側導体５２が接地側となっている。外側導体５２および内側導体５３の上端は反射板５８となっている。

導波路４４の基端側にはマイクロ波（電磁波）を給電する給電機構５４が設けられている。給電機構５４は、導波路４４（外側導体５２）の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート５５を有している。マイクロ波電力導入ポート５５には、アンプ部４２から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸線路５６が接続されている。そして、同軸線路５６の内側導体５６ａの先端には、外側導体５２の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ９０が接続されている。

給電アンテナ９０は、例えば、プリント基板であるＰＣＢ基板上にマイクロストリップラインとして形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン（登録商標）等の誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５Ｇ等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造の導波路４４内に電送させる。その場合、給電アンテナ９０から反射板５８までの距離を約λｇ／４の半波長倍に設定する。

給電アンテナ９０は、図６に示すように、マイクロ波電力導入ポート５５において同軸線路５６の内側導体５６ａに接続され、電磁波が供給される第１の極９２および供給された電磁波を放射する第２の極９３を有するアンテナ本体９１と、アンテナ本体９１の両側から、内側導体５３の外側に沿って延び、リング状をなす反射部９４とを有し、アンテナ本体９１に入射された電磁波と反射部９４で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。アンテナ本体９１の第２の極９３は内側導体５３に接触している。

給電アンテナ９０がマイクロ波（電磁波）を放射することにより、外側導体５２と内側導体５３との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構５４に供給されたマイクロ波電力がアンテナ部４５に向かって伝播する。

また、導波路４４にはチューナ６０が設けられている。チューナ６０は、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させるものであり、外側導体５２と内側導体５３との間を上下に移動する２つのスラグ６１ａ，６１ｂと、反射板５８の外側（上側）に設けられたスラグ駆動部７０とを有している。

これらスラグのうち、スラグ６１ａはスラグ駆動部７０側に設けられ、スラグ６１ｂはアンテナ部４５側に設けられている。また、内側導体５３の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の２本のスラグ移動軸６４ａ，６４ｂが設けられている。

図７に示すように、スラグ６１ａは、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材６３が嵌め込まれている。滑り部材６３にはスラグ移動軸６４ａが螺合するねじ穴６５ａとスラグ移動軸６４ｂが挿通される通し穴６５ｂが設けられている。一方、スラグ６１ｂは、スラグ６１ａと同様、ねじ穴６５ａと通し穴６５ｂとを有しているが、スラグ６１ａとは逆に、ねじ穴６５ａはスラグ移動軸６４ｂに螺合され、通し穴６５ｂにはスラグ移動軸６４ａが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸６４ａを回転させることによりスラグ６１ａが昇降移動し、スラグ移動軸６４ｂを回転させることによりスラグ６１ｂが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと滑り部材６３とからなるねじ機構によりスラグ６１ａ，６１ｂが昇降移動される。

内側導体５３には長手方向に沿って等間隔に３つのスリット５３ａが形成されている。一方、滑り部材６３は、これらスリット５３ａに対応するように３つの突出部６３ａが等間隔に設けられている。そして、これら突出部６３ａがスラグ６１ａ，６１ｂの内周に当接した状態で滑り部材６３がスラグ６１ａ，６１ｂの内部に嵌め込まれる。滑り部材６３の外周面は、内側導体５３の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂが回転されることにより、滑り部材６３が内側導体５３を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体５３の内周面がスラグ６１ａ，６１ｂの滑りガイドとして機能する。なお、スリット５３ａの幅は５ｍｍ以下とすることが好ましい。これにより、後述するように内側導体５３の内部へ漏洩するマイクロ波電力を実質的になくすことができ、マイクロ波電力の放射効率を高く維持することができる。

滑り部材６３を構成する樹脂材料としては、良好な滑り性を有し、加工が比較的容易な樹脂、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂（商品名：ベアリーＡＳ５０００（ＮＴＮ株式会社製））を好適なものとして挙げることができる。

上記スラグ移動軸６４ａ，６４ｂは、反射板５８を貫通してスラグ駆動部７０に延びている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと反射板５８との間にはベアリング（図示せず）が設けられている。また、内側導体５３の下端には、導体からなる軸受け部６７が設けられており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂの下端はこの軸受け部６７に軸支されている。

スラグ駆動部７０は筐体７１を有し、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂは筐体７１内に延びており、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂの上端には、それぞれ歯車７２ａおよび７２ｂが取り付けられている。また、スラグ駆動部７０には、スラグ移動軸６４ａを回転させるモータ７３ａと、スラグ移動軸６４ｂを回転させるモータ７３ｂが設けられている。モータ７３ａの軸には歯車７４ａが取り付けられ、モータ７３ｂの軸には歯車７４ｂが取り付けられており、歯車７４ａが歯車７２ａに噛合し、歯車７４ｂが歯車７２ｂに噛合するようになっている。したがって、モータ７３ａにより歯車７４ａおよび７２ａを介してスラグ移動軸６４ａが回転され、モータ７３ｂにより歯車７４ｂおよび７２ｂを介してスラグ移動軸６４ｂが回転される。なお、モータ７３ａ，７３ｂは例えばステッピングモータである。

なお、スラグ移動軸６４ｂはスラグ移動軸６４ａよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車７２ａおよび７２ｂの位置が上下にオフセットしており、モータ７３ａおよび７３ｂも上下にオフセットしている。これにより、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースを小さくすることができ、これらを収容する筐体７１を外側導体５２と同じ径にすることが可能となる。

モータ７３ａおよび７３ｂの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ６１ａおよび６１ｂの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ７５ａおよび７５ｂが設けられている。

スラグ６１ａおよび６１ｂの位置は、スラグコントローラ６８により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ７５ａおよび７５ｂにより検知されたスラグ６１ａおよび６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ６８がモータ７３ａおよび７３ｂに制御信号を送り、スラグ６１ａおよび６１ｂの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ６８は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

アンテナ部４５は、マイクロ波放射アンテナとして機能する、平面状をなしスロット８１ａを有する平面スロットアンテナ８１を有している。アンテナ部４５は、平面スロットアンテナ８１の上面に設けられた遅波材８２を有している。遅波材８２の中心には導体からなる円柱部材８２ａが貫通して軸受け部６７と平面スロットアンテナ８１とを接続している。したがって、内側導体５３が軸受け部６７および円柱部材８２ａを介して平面スロットアンテナ８１に接続されている。平面スロットアンテナ８１の先端側には遅波材８３が配置されている。なお、外側導体５２の下端は平面スロットアンテナ８１まで延びており、遅波材８２の周囲は外側導体５２で覆われている。また、平面スロットアンテナ８１および遅波材８３の周囲は被覆導体８４で覆われている。

遅波材８２、８３は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。遅波材８２、８３は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、平面スロットアンテナ８１が定在波の「はら」になるようにその厚さを調整する。これにより、反射が最小で、平面スロットアンテナ８１の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

遅波材８３は、天板１１０のフレーム１１０ａに嵌め込まれた誘電体部材１１０ｂに接するように設けられている。そして、メインアンプ４８で増幅されたマイクロ波が内側導体５３と外側導体５２の周壁の間を通って平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａから遅波材８３および天板１１０の誘電体部材１１０ｂを透過してチャンバ１内の空間に放射される。

本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、平面スロットアンテナ８１とは近接配置している。そして、チューナ６０と平面スロットアンテナ８１とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつ平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、８３は合成抵抗が５０Ωに設定されているので、チューナ６０はプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。

表面波プラズマ処理装置１００における各構成部は、マイクロプロセッサを備えた制御部１２０により制御されるようになっている。制御部１２０は表面波プラズマ処理装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従ってプラズマ処理装置を制御するようになっている。

次に、以上のように構成される表面波プラズマ処理装置１００における動作について説明する。
まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、プラズマガス供給源２７から配管２８およびプラズマガス導入部材２６を介してチャンバ１内にプラズマガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、マイクロ波プラズマ源２からマイクロ波をチャンバ１内に導入して表面波プラズマを生成する。

このようにして表面波プラズマを生成した後、処理ガス、例えばＣｌ_２ガス等のエッチングガスが処理ガス供給源２５から配管２４およびシャワープレート２０を介してチャンバ１内に吐出される。吐出された処理ガスは、シャワープレート２０の空間部２３を通過してきたプラズマにより励起されてプラズマ化し、この処理ガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えばエッチング処理が施される。

上記表面波プラズマを生成するに際し、マイクロ波プラズマ源２では、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振されたマイクロ波電力はアンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、分配されたマイクロ波電力はマイクロ波供給部４０へ導かれる。マイクロ波供給部４０においては、このように複数に分配されたマイクロ波電力は、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８で個別に増幅され、マイクロ波導入機構４３の導波路４４に給電され、チューナ６０でインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態で、アンテナ部４５の遅波材８２、平面スロットアンテナ８１、遅波材８３、および天板１１０の誘電体部材１１０ｂを介してチャンバ１内に放射されて空間合成される。

このとき、複数のマイクロ波導入機構４３へ入力されるマイクロ波の入力位相が全て例えば０°で固定されている場合には、マイクロ波がチャンバ１内に放射された際に発生する定在波の腹と節の位置が固定化するため、それがプラズマの電子密度の局在化を招き、プラズマ密度分布の均一性を悪化させる。

そのため、本実施形態では、複数のマイクロ波導入機構４３のうち隣接するものについて、一方のマイクロ波の入力位相を固定し、他方のマイクロ波の入力位相をサイン波等の周期的な波形によって変化させる。または、隣接するマイクロ波導入機構４３の両方のマイクロ波の入力位相を相互に重ならない周期的な波形によって変化させる。

例えば、図８の斜線で示した３つのマイクロ波導入機構４３について、マイクロ波の入力位相を周期的な波形によって変化させ、残りの白抜きのマイクロ波導入機構４３については入力位相を０°で固定する。したがって、その際の隣接するマイクロ波導入機構４３におけるマイクロ波の入力位相は、周期的な波形をサイン波とすると、図９に示すようになる。そして、隣り合うマイクロ波導入機構４３のマイクロ波の入力位相がともに０°のときに定在波の腹になっていた部分は、一方の入力位相が１８０°ずれたときには節になり、節になっていた部分は腹になる。したがって、このように周期的に入力位相を変化させることにより、定在波の節と腹の位置が連続的に変化して電界強度が平均化され、電界強度の面内均一性を高めることができる。そのため、チャンバ１内での電子密度、すなわちプラズマ密度を均一にして均一なプラズマ処理を行うことができる。

この際の、各マイクロ波導入機構４３へ入力されるマイクロ波の位相は、各アンテナモジュール４１の位相器４６により調整される。各位相器４６は制御部１２０により制御される。

周期的な波形としてはサイン波に限らず用いることができ、図１０（ａ）に示す三角波、（ｂ）に示す台形波等種々のものを用いることができる。また、完全なサイン波に限らず、たとえば位相が１８０°付近の時間を長くしたい場合には、（ｃ）に示すように、サイン波を位相１８０°付近で扁平にしたようなサイン波に準じた波形（サイン波状波形）とすることもできる。矩形波も適用が可能ではあるが、微分値が無限大になる部分があるので好ましくない。

実際に図３のような７つのマイクロ波導入機構を配置したプラズマ源を用いて、全てのマイクロ波導入機構のマイクロ波の入力位相を０°にした場合と、外周の６のマイクロ波導入機構のうち３つの入力位相を１８０°に変えた場合とでチャンバ内の電界分布を把握した。ここでは、チャンバ内の圧力：０．５Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワー：２００Ｗとした。その結果を図１１に示す。図１１の（ａ）は全てのマイクロ波導入機構のマイクロ波の入力位相を０°にした場合の電界分布を示すものであり、（ｂ）は外周の３つのマイクロ波導入機構のマイクロ波の入力位相を１８０°に変えた場合の電界分布を示すものである。図１１は、実際には電界強度の大小を色の違いで表しているものをモノクロで表しており、（ａ）中の薄い円環状の部分がアンテナモジュールにおけるマイクロ波導入機構の周囲の電界強度が高い部分であり定在波の腹に相当する。その中の濃い部分がさらに電界強度の高い部分である。また、隣接するマイクロ波導入機構の間の部分は電界強度が低くなっており、定在波の節に相当する。破線で囲まれた領域は定在波の節に相当する部分である。３つのマイクロ波導入機構の入力位相を１８０°に変更することにより、（ｂ）に示すように電界分布が大きく変化していることがわかる。（ａ）において定在波の節に相当する部分であった破線で囲まれた部分は、（ｂ）ではその部分を挟む２つのマイクロ波導入機構のうち一方がマイクロ波の入力位相を１８０°にした影響で電界強度が強くなっており、定在波の腹に変化している。つまり、全ての入力位相が０°のときには、隣接するマイクロ波導入機構４３の間の部分が定在波の節となるが、外周の３つのマイクロ波導入機構４３の入力位相を１８０°に変更することにより、それらの部分が定在波の腹に変わる。このことから、入力位相を周期的に変化させれば、定在波の腹と節の位置が連続的に移動され、電界強度が平均化されることが理解される。したがって、電界によって得られるプラズマの密度も均一化される。

本実施形態においては、複数のマイクロ波導入機構４３のうち隣接するものについて、一方のマイクロ波の入力位相を固定し、他方のマイクロ波の入力位相をサイン波等の周期的な波形によって変化させる、または隣接するマイクロ波導入機構４３両方のマイクロ波の入力位相を相互に重ならない周期的な波形によって変化させるが、隣接するもの全てがこのような関係を満たす必要はなく、隣接するマイクロ波導入機構４３の組み合わせのうち一部の組み合わせのみこのような関係を満たすようにしてもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態では、マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置の基本構成は第１の実施形態と同様であるが、天板の構成が異なっている。

図１２は本実施形態におけるプラズマ源のマイクロ波供給部と天板を模式的に示す平面図、図１３は図１２のＣＣ′線による断面図である。これらの図に示すように、本実施形態において、円形をなす天板１１０は、マイクロ波をチャンバ１内に放射するための複数のマイクロ波導入機構４３が配置される部分に嵌め込まれた石英等の誘電体からなる誘電体部材１１０ｂが六角形をなしており、隣接する誘電体部材１１０ｂ同士は、その六角形の１辺が対向するように近接して設けられている。したがって、誘電体部材１１０ｂを支持する金属製のフレーム１１０ａは、隣接する誘電体部材１１０ｂの間の部分が細い直線状をなしており、ハニカム構造を有している。フレーム１１０ａは誘電体部材１１０ｂを支持する支持部１１０ｃを有している。

天板１１０は、上述したようにマイクロ波を透過する機能を有しており、効率良くマイクロ波を透過する観点からは全て誘電体で形成されていることが好ましい。しかし、本実施形態のプラズマ源のように、複数のマイクロ波導入機構４３からマイクロ波を放射する場合には、天板が全て石英等の誘電体で形成されていると、マイクロ波導入機構４３から放射されたマイクロ波の全てがチャンバ１内に放射されるのではなく、一部は天板１１０を通って、他のマイクロ波導入機構４３に至る可能性がある。このような場合、マイクロ波導入機構４３から放射されたマイクロ波と他のマイクロ波導入機構４３から放射されたマイクロ波が干渉してしまう。また、このように天板が全て誘電体で形成されていると、プラズマのモードジャンプが生じやすくなるといった問題や、誘電体部材の強度がもたない等の不都合がある。

このため、第１の実施形態のように、天板１１０においては、アンテナモジュール４１のマイクロ波導入機構４３を配置する部分のみに誘電体部材を設け、他の部分は誘電体部材を支持するように設けられた金属製フレームとしている。そして、誘電体部材としては、第１の実施形態のように円形とするか、または、長方形もしくは正方形とすることができる。

しかしながら、誘電体部材が円形の場合には、隣接する誘電体部材の間のフレーム部分の面積が広くならざるを得ず、誘電体部材の占有面積が小さくなり、マイクロ波放射領域が狭くなって効率良くプラズマを生成することが困難となる。また誘電体部材が長方形や正方形の場合、天板の強度が小さいものとなってしまう。

これに対し、本実施形態のように、天板１１０のフレーム１１０ａをハニカム構造とし、誘電体部材を六角状とすることにより、天板１１０に占める誘電体部材１１０ｂの面積を最大化することができるので、マイクロ波照射領域を広くして効率良くプラズマを生成することができる。また、このようにフレーム１１０ａをハニカム構造とすることにより、天板１１０の強度を確保することもできる。

図１２はフレーム１１０ａがハニカム構造をなす場合について示したが、必ずしも完全なハニカム構造となっていなくてもハニカム構造に準じた構造であればよく、例えば、図１４に示すように、外側のマイクロ波導入機構４３に対応する誘電体部材１１０ｂの外周部分が外側へ張り出すような構造にすることができる。このような構造の場合には、誘電体部材１１０ｂの面積をより大きくすることができ、好ましい。このように本実施形態では、フレーム１１０ａがハニカム構造およびハニカム構造に準じた構造を含むハニカム状構造をなしていればよい。

図１５に示すように、天板１１０のフレーム１１０ａに複数のガス吐出口１１２を設けて、Ａｒ等のプラズマガスをシャワー状に供給するようにすることもできる。この場合には、天板１１０のフレーム１１０ａの内部にガス流路を形成し、そのガス流路に例えば配管２８を介してプラズマガス供給源２７を接続し、Ａｒガス等のプラズマガスをガス吐出口１１２から均一に吐出させる。これにより、Ａｒガスを速やかにプラズマ化して均一なプラズマを生成することが可能となる。

なお、本実施形態は、第１の実施形態と組み合わせることにより、より大きな効果を発揮するが、もちろん第１の実施形態を前提にしなくても上記効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。例えば、マイクロ波出力部の回路構成やマイクロ波供給部、メインアンプの回路構成等は、上記実施形態に限定されるものではない。また、マイクロ波導入機構も上記実施形態の構造に限定されるものではなく、マイクロ波をチャンバ内に適切に放射できる構造であればよい。さらに、マイクロ波導入機構の数や配置についても上記実施形態に限定されるものではない。

さらに、上記実施形態においては、プラズマ処理装置としてエッチング処理装置を例示したが、これに限らず、成膜処理、酸窒化膜処理、アッ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、被処理基板は半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１；チャンバ
２；マイクロ波プラズマ源
１１；サセプタ
１２；支持部材
１６；排気装置
２０；シャワープレート
３０；マイクロ波出力部
４０；マイクロ波供給部
４１；アンテナモジュール
４３；マイクロ波導入機構
４５；アンテナ部
４６；位相器
５２；外側導体
５３；内側導体
５４；給電機構
６０；チューナ
８１；平面スロットアンテナ
１００；表面波プラズマ処理装置
１１０；天板
１１０ａ；フレーム
１１０ｂ；誘電体部材
１２０；制御部
Ｗ；ウエハ

Claims (5)

1. プラズマ処理を行う処理容器内にマイクロ波を導入して、前記処理容器内に供給されたガスをプラズマ化するプラズマ源であって、
   マイクロ波を生成するマイクロ波生成機構と、
   生成されたマイクロ波を前記処理容器内に供給するマイクロ波供給部と
   を具備し、
   前記マイクロ波供給部は、マイクロ波を前記処理容器内に導入する複数のマイクロ波導入機構と、前記複数のマイクロ波導入機構のそれぞれに入力されるマイクロ波の位相を調整する複数の位相器とを有し、
   複数のマイクロ波導入機構のうち隣接するものについて、一方のマイクロ波の入力位相を固定し、他方のマイクロ波の入力位相を周期的な波形によって変化させるか、または、隣接するマイクロ波導入機構の両方のマイクロ波の入力位相を相互に重ならない周期的な波形によって変化させるように、前記複数の位相器により前記複数のマイクロ波導入機構に入力されるマイクロ波の位相を調整することを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
2. 前記周期的な波形は、サイン波、三角波、台形波、およびサイン波状波形のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ源。
3. 前記処理容器の上壁を構成し、前記複数のマイクロ波導入機構から放射されたマイクロ波を透過する天板をさらに具備し、前記天板は、前記複数のマイクロ波導入機構に対応する位置に設けられた複数の誘電体部材と、誘電体部材を支持する金属製のフレームとを有し、前記フレームはハニカム状構造を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波プラズマ源。
4. 前記フレームは、ガス流路と、複数のガス吐出孔とを有し、プラズマ処理に必要なガスが前記ガス吐出孔から前記処理容器に向けて吐出されることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波プラズマ源。
5. 被処理基板を収容する処理容器と、
   前記処理容器内で被処理基板が載置される載置台と、
   前記処理容器内にガスを供給するガス供給機構と、
   請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ源と
   を具備し、
   前記マイクロ波プラズマ源から前記処理容器内に導入されたマイクロ波によりプラズマを生成し、そのプラズマにより被処理基板に対して処理を施すことを特徴とするプラズマ処理装置。