(57)【要約】      （修正有）【課題】チャンバ内のプラズマの異常放電を未然に防止することができるプラズマ電界モニタ、ならびに、それを用いたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】プラズマ電界モニタ３は、基板を収容するチャンバ１内に、表面に波を有し該波が前記チャンバ１の内壁面近傍に存在するプラズマを形成して、該プラズマにより基板の処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマ表面の波の電界強度をモニタするプラズマ電界モニタ３であって、チャンバ１の壁部から前記チャンバ１内に、チャンバ１の壁面に垂直に突出して設けられ、プラズマの表面に形成される波を受信する少なくとも１つのモノポールアンテナ１４０と、モノポールアンテナ１４０で受信した波の電界強度の信号を取り出す同軸線路１４１とを有する。【選択図】図６
2020202052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を収容するチャンバ内に、表面に波を有し該波が前記チャンバの内壁面近傍に存在するプラズマを形成して、該プラズマにより基板の処理を行うプラズマ処理装置において、前記波の電界強度をモニタするプラズマ電界モニタであって、
前記チャンバの壁部から前記チャンバ内に向けて延びるように、かつ前記チャンバの内壁面に対して垂直に設けられ、前記プラズマの表面に形成される波を受信する少なくとも１つのモノポールアンテナと、
前記モノポールアンテナで受信した前記波の電界強度の信号を取り出す同軸線路と、
を有する、プラズマ電界モニタ。
【請求項２】
前記モノポールアンテナは、前記プラズマの表面に形成された波の波長をλとした場合、（２ｎ−１）×λ／４（ただし、ｎは１以上の自然数）の長さになるように設定される、請求項１に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項３】
前記モノポールアンテナを複数有し、
前記プラズマの表面に形成される波の波長は、前記プラズマのプラズマ密度に応じて変化し、前記プラズマ処理に用いられる前記プラズマ密度の範囲内で前記複数のモノポールアンテナの長さが前記（２ｎ−１）×λ／４になるように、前記複数のモノポールアンテナの長さを異ならせる、請求項２に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項４】
前記複数のモノポールアンテナの長さをλ／４にするとき、前記複数のモノポールアンテナの長さが０．５〜１ｍｍの範囲である、請求項３に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項５】
前記モノポールアンテナは、前記チャンバの内壁の主面に設けられた凹部の底面から垂直に突出し、前記チャンバの内壁の主面から突出しないように設けられる、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項６】
前記凹部には誘電体が埋め込まれている、請求項５に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項７】
前記モノポールアンテナは、誘電体に覆われている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項８】
前記プラズマは、マイクロ波を平面スロットアンテナのスロット、および誘電体からなるマイクロ波透過窓を介して前記チャンバに導くことにより形成される表面波プラズマであり、
前記波は前記表面波プラズマの表面に形成される表面波であり、
前記モノポールアンテナは前記表面波を受信し、その電界強度をモニタする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項９】
前記プラズマは、平行平板電極の間に周波数が１００ＭＨｚ以上の高周波電力を印加した際に形成される容量結合プラズマであり、
前記波は、前記容量結合プラズマの表面のプラズマシースに形成されるシース波であり、
前記モノポールアンテナは前記シース波を受信し、その電界強度をモニタする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ電界モニタ。
【請求項１０】
基板に対してプラズマにより処理を施すプラズマ処理装置であって、
基板を収容するチャンバと、
マイクロ波を出力するマイクロ波出力部と、
前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送するマイクロ波伝送路に設けられ、マイクロ波を放射するスロットを有するスロットアンテナ、および前記スロットから放射されたマイクロ波を透過する誘電体からなるマイクロ波透過窓を有するマイクロ波放射機構と、
前記マイクロ波放射機構から放射されたマイクロ波により前記チャンバ内に形成されるプラズマの表面であって、前記チャンバの内壁近傍に存在する表面波の電界強度をモニタするプラズマ電界モニタと、
を有し、
前記プラズマ電界モニタは、
前記チャンバの壁部から前記チャンバ内に、前記チャンバの壁面に垂直に突出して設けられ、前記プラズマの表面に形成される表面波を受信する少なくとも１つのモノポールアンテナと、
前記モノポールアンテナで受信した前記表面波の電界強度の信号を取り出す同軸線路と、
を有する、プラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記モノポールアンテナは、前記プラズマの表面に形成された波の波長をλとした場合、（２ｎ−１）×λ／４（ただし、ｎは１以上の自然数）の長さになるように設定される、請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記モノポールアンテナを複数有し、
前記プラズマの表面に形成される波の波長は、前記プラズマのプラズマ密度に応じて変化し、前記プラズマ処理に用いられる前記プラズマ密度の範囲内で前記複数のモノポールアンテナの長さが前記（２ｎ−１）×λ／４になるように、前記複数のモノポールアンテナの長さを異ならせる、請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
基板を収容するチャンバ内に、表面に波を有し該波が前記チャンバの内壁面近傍に存在するプラズマを形成して、該プラズマにより基板の処理を行うプラズマ処理方法であって、
前記チャンバの壁部から前記チャンバ内に向けて延びるように、かつ前記チャンバの内壁面に対して垂直に少なくとも１つのモノポールアンテナを設け、前記モノポールアンテナで受信した前記波の電界強度の信号を取り出す同軸線路を設けることと、
あらかじめ、前記チャンバ内で異常放電が発生する前記波の電界強度を把握し、それに基づいて異常放電が発生する可能性がある閾値を設定することと、
前記チャンバ内でプラズマ処理を行うことと、
前記プラズマ処理の際に、前記モノポールアンテナで受信した前記波の電界強度の信号を同軸線路を介して取り出し、モニタすることと、
前記モニタした電界強度の信号が前記閾値を超えるか否かを判定することと、
前記電界強度の信号が前記閾値を超えたと判定された場合に、異常放電を回避する制御を行うことと、
を有するプラズマ処理方法。
【請求項１４】
前記異常放電を回避する制御は、前記プラズマ処理のプロセス条件を変更すること、警報を発すること、および前記プラズマ処理を行うプラズマ処理装置を停止することのいずれかである、請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１５】
前記モノポールアンテナは、前記プラズマの表面に形成された波の波長をλとした場合、（２ｎ−１）×λ／４（ただし、ｎは１以上の自然数）の長さになるように設定される、請求項１３または請求項１４に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１６】
前記モノポールアンテナを複数有し、
前記プラズマの表面に形成される波の波長は、前記プラズマのプラズマ密度に応じて変化し、前記プラズマ処理に用いられる前記プラズマ密度の範囲内で前記複数のモノポールアンテナの長さが前記（２ｎ−１）×λ／４になるように、前記複数のモノポールアンテナの長さを異ならせる、請求項１５に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１７】
前記プラズマは、マイクロ波を平面スロットアンテナのスロット、および誘電体からなるマイクロ波透過窓を介して前記チャンバに導くことにより形成される表面波プラズマであり、
前記波は前記表面波プラズマの表面に形成される表面波であり、
前記モノポールアンテナは前記表面波を受信し、その電界強度をモニタする、請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１８】
前記プラズマは、平行平板電極の間に周波数が１００ＭＨｚ以上の高周波電力を印加した際に形成される容量結合プラズマであり、
前記波は、前記容量結合プラズマの表面のプラズマシースに形成されるシース波であり、
前記モノポールアンテナは前記シース波を受信し、その電界強度をモニタする、請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、プラズマ電界モニタ、プラズマ処理装置、およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程においては、半導体基板にエッチング処理や成膜処理等にはプラズマ処理が多用されている。近時、このようなプラズマ処理を行うプラズマ処理装置としては、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。
【０００３】
特許文献１には、マイクロ波処理装置としてＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置が記載されている。ＲＬＳＡ（登録商標）マイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバの上部に所定のパターンで多数のスロットが形成された平面スロットアンテナを設け、マイクロ波発生源から導かれたマイクロ波を、平面アンテナのスロットから放射させる。そして、放射されたマイクロ波を、その下に設けられた誘電体からなるマイクロ波透過窓を介して真空に保持されたチャンバ内に放射し、そのマイクロ波電界によりチャンバ内に導入されたガスにより表面波プラズマを形成して半導体ウエハを処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２９４５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、チャンバ内のプラズマの異常放電を未然に防止することができるプラズマ電界モニタ、ならびに、それを用いたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係るプラズマ電界モニタは、基板を収容するチャンバ内に、表面に波を有し該波が前記チャンバの内壁面近傍に存在するプラズマを形成して、該プラズマにより基板の処理を行うプラズマ処理装置において、前記波の電界強度をモニタするプラズマ電界モニタであって、前記チャンバの壁部から前記チャンバ内に向けて延びるように、かつ前記チャンバの内壁面に対して垂直に設けられ、前記プラズマの表面に形成される波を受信する少なくとも１つのモノポールアンテナと、前記モノポールアンテナで受信した前記波の電界強度の信号を取り出す同軸線路と、を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、チャンバ内のプラズマの異常放電を未然に防止することができるプラズマ電界モニタ、ならびに、それを用いたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態のプラズマ電界モニタが搭載された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のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図である。
【図３】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。
【図４】プラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す縦断面図である。
【図５】マイクロ波放射機構の給電機構を示す横断面図である。
【図６】プラズマ電界モニタの概略構成を示す断面図である。
【図７】モノポールアンテナがプラズマの表面波を受信する様子を示す模式図である。
【図８】プラズマ密度（電子密度）と表面波の波長との関係を示す図である。
【図９】チャンバ壁部に凹部を設け、その凹部から突出してノポールアンテナを設置した例を示す断面図である。
【図１０】複数のモノポールアンテナに一括して誘電体カバーを設けた例を示す断面図である。
【図１１】各モノポールアンテナに誘電体キャップを設けた例を示す断面図である。
【図１２】チャンバ壁部に凹部を設け、その凹部から突出してノポールアンテナを設置し、凹部に誘電体部材で埋め込んだ例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して実施形態について具体的に説明する。
【００１０】
＜プラズマ処理装置の構成＞
図１は、一実施形態のプラズマ電界モニタが搭載されたプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２は図１のプラズマ処理装置に用いられるプラズマ源の構成を示すブロック図、図３は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はプラズマ源におけるマイクロ波放射機構を示す断面図、図５はマイクロ波放射機構の給電機構を示す横断面図である。
【００１１】
プラズマ処理装置１００は、基板である半導体ウエハＷ（以下ウエハＷと記述する）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、表面波プラズマによるプラズマ処理を行う。プラズマ処理装置１００は、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内に表面波プラズマを形成するためのプラズマ源２と、プラズマ電界モニタ３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、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。
【００１２】
チャンバ１内にはウエハＷを水平に支持する支持部材であるサセプタ１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを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、表面を陽極酸化処理したアルミニウム等が例示される。
【００１３】
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。
【００１４】
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内のガスが排出され、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。
【００１５】
チャンバ１の上部には、リング状のガス導入部材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。このガス導入部材２６には、プラズマ生成ガスや処理ガス等のガスを供給するガス供給源２７が配管２８を介して接続されている。プラズマ生成ガスとしてはＡｒガス等の希ガスを好適に用いることができる。また、処理ガスとしては、通常エッチング処理に用いられるエッチングガス、例えばＣｌ２ガス等を用いることができる。
【００１６】
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生成ガスは、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る。その後ガス導入部材２６から処理ガスを導入すると、プラズマ生成ガスのプラズマにより、処理ガスが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にプラズマ処理が施される。
【００１７】
＜プラズマ源＞
次に、プラズマ源２について説明する。
プラズマ源２は、チャンバ１内に表面波プラズマを形成するためのものであり、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９により支持された円形をなす天板１１０を有しており、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、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伝送しチャンバ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。
【００１８】
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。
【００１９】
マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、９１５ＭＨｚ）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、９１５ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の所望の周波数を用いることができる。
【００２０】
マイクロ波供給部４０は、分配器３４にて分配されたマイクロ波を主に増幅する複数のアンプ部４２と、複数のアンプ部４２のそれぞれに接続されたマイクロ波放射機構４１とを有している。
【００２１】
マイクロ波放射機構４１は、例えば図３に示すように、天板１１０上に、円周状に６個およびその中心に１個、合計７個配置されている。
【００２２】
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、そのフレーム１１０ａに嵌め込まれ、マイクロ波放射機構４１が配置されている部分に対応するように設けられた石英等の誘電体からなるマイクロ波透過窓１１０ｂとを有している。
【００２３】
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。
【００２４】
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、各アンプ部４２の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や、隣り合うアンプ部４２において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設ける必要はない。
【００２５】
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をアンプ部４２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。
【００２６】
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、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。
【００２７】
アイソレータ４９は、マイクロ波放射機構４１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、後述するマイクロ波放射機構４１のアンテナ部４３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。
【００２８】
マイクロ波放射機構４１は、図４に示すように、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４３とを有している。そして、マイクロ波放射機構４１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。
【００２９】
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４３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。
【００３０】
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。
【００３１】
給電アンテナ９０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５ＧＨｚ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。給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８により反射させることで、最大の電磁波を同軸構造の導波路４４内に伝送させる。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ことが好ましい。ただし、周波数の低いマイクロ波では、径方向の制約のため、これに当てはまらない場合もある。その場合には、給電アンテナ９０より発生させる電磁波の腹を給電アンテナ９０ではなく、給電アンテナ９０の下方に誘起させるように、給電アンテナの形状を最適化することが好ましい。
【００３２】
給電アンテナ９０は、図５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。
【００３３】
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４３に向かって伝播する。
【００３４】
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、外側導体５２と内側導体５３との間に設けられた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を駆動するためのアクチュエータ７０とを有している。チューナ６０は、２つのスラグ６１ａ，６１ｂを独立して駆動することにより、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る。例えば、内側導体５３の内部空間に長手方向に延びるように螺棒からなる２本のスラグ移動軸（図示せず）を設け、アクチュエータ７０は各スラグ移動軸を独立して回転させる２つのモータを有するものとする。これにより、アクチュエータ７０のモータにより各スラグ移動軸を別個に回転させ、スラグ６１ａ，６１ｂを独立に上下動させることができる。
【００３５】
スラグ６１ａおよび６１ｂの位置は、スラグコントローラ７１により制御される。例えば、インピーダンス検出器（図示せず）により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ等により検出されるスラグ６１ａおよび６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ７１がアクチュエータ７０を構成するモータに制御信号を送る。これにより、スラグ６１ａおよび６１ｂの位置が制御され、インピーダンスが調整される。スラグコントローラ７１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。
【００３６】
アンテナ部４３は、平面状をなす平面スロットアンテナ８１と、平面スロットアンテナ８１の裏面（上面）に設けられた遅波材８２とを有している。遅波材８２の中心には内側導体５３に接続された導体からなる円柱部材８２ａが貫通し、円柱部材８２ａは平面スロットアンテナ８１に接続されている。遅波材８２および平面スロットアンテナ８１は、外側導体５２よりも大径の円板状をなしている。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。
【００３７】
平面スロットアンテナ８１は、マイクロ波を放射するスロット８１ａを有している。スロット８１ａの個数、配置、形状は、マイクロ波が効率良く放射されるように適宜設定される。スロット８１ａには誘電体が挿入されていてもよい。
【００３８】
遅波材８２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いる。遅波材８２は、マイクロ波の波長を真空中よりも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。
【００３９】
平面スロットアンテナ８１のさらに先端側には、天板１１０のマイクロ波透過窓１１０ｂが配置されている。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からマイクロ波透過窓１１０ｂを透過してチャンバ１内の空間に放射される。なお、マイクロ波透過窓１１０ｂは、遅波材８２と同様の誘電体で構成することができる。
【００４０】
本実施形態において、メインアンプ４８と、チューナ６０と、平面スロット用アンテナ８１とは近接配置されている。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、マイクロ波透過窓１１０ｂは合成抵抗が５０Ωに設定されている。このため、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。
【００４１】
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２００により制御されるようになっている。制御部２００はプラズマ処理装置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。
【００４２】
＜プラズマ電界モニタ＞
次に、プラズマ電界モニタ３について説明する。
図６はプラズマ電界モニタ３の概略構成を示す断面図である。プラズマ電界モニタ３は、チャンバ１内のプラズマにより内壁面近傍に形成された表面波の電界をモニタするもので、チャンバ１の壁部（本例では側壁）に設けられたモノポールアンテナ１４０を有する。モノポールアンテナ１４０は、図６に示すように複数設けられていることが好ましい。
【００４３】
モノポールアンテナ１４０は、アルミニウム等の導体からなり、チャンバ１の壁部からチャンバ１内に向けて延びるように、かつチャンバ１の内壁面に対して垂直に設けられている。
【００４４】
また、プラズマ電界モニタ３は、モノポールアンテナ１４０に接続され、チャンバ１の外方に延び、モノポールアンテナ１４０で受信した信号を取り出す同軸線路１４１を有する。同軸線路１４１は、モノポールアンテナ１４０に接続される内部導体１４２と、内部導体１４２の外周に設けられる外部導体１４３とを有している。内部導体１４２と外部導体１４３との間には誘電体部材１４４が設けられており、モノポールアンテナ１４０は誘電体部材１４４からチャンバ１内に突出している。同軸線路１４１は、同軸ケーブル１４５を介して計測部１２１に接続される。同軸線路１４１と同軸ケーブル１４５とが一体となって同軸線路を構成してもよい。
【００４５】
図７に示すように、モノポールアンテナ１４０は、チャンバ１内のプラズマ表面に形成され、チャンバ１の内壁面近傍に存在する表面波１５０を電界強度の信号として受信する。受信された表面波１５０の電界強度の信号は、例えば電流値として同軸線路１４１により取り出され、モニタされる。モニタされた電界強度の信号は、同軸ケーブル１４５を介して計測部１２１に送られる。
【００４６】
表面波の電界強度は、表面波プラズマの波長をλとすると、（２ｎ−１）×λ／４（ただし、ｎは１以上の自然数）のときに極大値を示すので、モノポールアンテナ１４０の長さｄ（図６参照）を（２ｎ−１）×λ／４になるようにする。モノポールアンテナ１４０の直径は、２〜３ｍｍの範囲が好ましい。また、表面波の厚さは０．０２〜０．５ｍｍ程度であり、モノポールアンテナ１４０の長さは、表面波の厚さも考慮して設定される。
【００４７】
表面波の波長λはプラズマ密度（電子密度）によって変化するので、プロセス条件が変化することによるプラズマ密度（電子密度）の変化に対応できるように、上述のように複数のモノポールアンテナ１４０を設け、それぞれ長さを異ならせることが好ましい。ただし、プラズマ条件がほぼ一定の場合は、モノポールアンテナ１４０は一つでもよい。
【００４８】
表面波プラズマの波長とプラズマ密度の関係は、マクスウェルの方程式から導かれた、以下の（１）式から求めることができる。
εｒ・（α／β）ｔａｎｈ（αｓ）＋１＝０  ・・・（１）
ただし、εｒは表面波プラズマのシースの比誘電率、αはシース内の波数、βはプラズマ本体内の波数、ｓはシースの厚さである。
【００４９】
この（１）式から求められた表面波プラズマの波長とプラズマ密度（電子密度）との関係は図８に示すようになる。図１のプラズマ処理装置においてマイクロ波の周波数の範囲を通常用いられる５００〜２４５０ＭＨｚとした場合、実験により求められたプラズマ密度と、図８の関係により波長λを計算するとおよそ２〜４ｍｍ程度となる。このため、モノポールアンテナ１４０の長さｄを、上記（２ｎ−１）×λ／４でｎ＝１のλ／４に合わせようとする場合、ｄの長さはおよそ０．５〜１ｍｍの範囲となる。したがって、複数のモノポールアンテナ１４０を設ける場合、長さｄを０．５〜１ｍｍの範囲で変化させることが好ましい。もちろん、ｎ＝２以上の場合は、モノポールアンテナ１４０の長さｄは、それに応じた長さとなる。
【００５０】
プラズマ電界モニタ３においては、チャンバ１内でプラズマ処理を行っている際に、モノポールアンテナ１４０により表面波プラズマの表面波を受信する。受信した表面波の電界強度を、同軸線路１４１で例えば電流値として取り出すことにより、直接モニタする。そのモニタ信号は同軸ケーブル１４５を介して計測部１２１に送られる。計測部１２１には、あらかじめ実験により把握した異常放電が生じる表面波の電界強度（例えば１ＭＶ／ｃｍ）に、特定の安全率（例えば２００％）を見込んだ電界強度（例えば０．５ＭＶ／ｃｍ）に対応する閾値が、異常放電が生じる可能性がある閾値として設定される。そして、計測部１２１にてモニタした電界強度の信号が閾値を超えるか否かを判定する。
【００５１】
上述したように、電界強度は（２ｎ−１）×λ／４、例えばλ／４で極大値を示すため、これに対応する長さのモノポールアンテナ１４０を介してモニタされた信号は最も高い電界値に対応するものとなる。したがって、プラズマ電界モニタ３でモニタされた信号により、異常放電の発生の可能性を高精度で把握することができる。
【００５２】
モニタ信号が閾値を超えた場合には、計測部１２１から制御部２００に、閾値を超えたことを通知する信号が出力される。この信号を受けた制御部２００は、プロセス条件を変更する（マイクロ波パワーの低下等）、警報を発する、装置を停止するといった異常放電を回避する制御を行う。
【００５３】
図６の例では、モノポールアンテナ１４０がチャンバ１内のプラズマ空間に突出した状態で露出していることから、モノポールアンテナ１４０近傍で異常放電が発生するおそれがある。これを防止する観点から、図９に示すように、チャンバ１の内壁面に表面波が侵入可能な大きさの凹部１５５を設け、モノポールアンテナ１４０を凹部１５５の底面から垂直に突出し、チャンバ１の内壁の主面から突出しないように設けてもよい。また、図１０、図１１のようにモノポールアンテナ１４０を誘電体で覆うようにしてもよい。図１０は複数のモノポールアンテナ１４０を１つの誘電体カバー１６０で一括して覆うようにした例であり、図１１は各モノポールアンテナ１４０に対して誘電体キャップ１６１を設けた例である。誘電体を用いた場合は、表面波の波長は実効波長λｇとなる。また、図１２に示すように、モノポールアンテナ１４０が突出した凹部１５５内に誘電体部材１６３を埋め込んでもよい。
【００５４】
＜プラズマ処理装置の動作＞
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置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、ガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材２６を介してチャンバ１内にプラズマ生成ガス、例えばＡｒガスを導入しつつ、プラズマ源２からマイクロ波をチャンバ１内に導入してプラズマを形成する。この際に形成されるプラズマは、表面波プラズマとなる。
【００５５】
プラズマが形成された後、処理ガス、例えばＣｌ２ガス等のエッチングガスを処理ガス供給源２７から配管２８およびガス導入部材２６を介してチャンバ１内に吐出する。吐出された処理ガスは、プラズマ生成ガスの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。
【００５６】
上記プラズマを生成するに際し、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、マイクロ波放射機構４１の導波路４４に給電される。マイクロ波放射機構４１において、チューナ６０により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４３の平面スロットアンテナ８１のスロット８１ａおよびマイクロ波透過窓１１０ｂを介してチャンバ１内に放射されて空間合成される。
【００５７】
マイクロ波放射機構４１の導波路４４への給電は、同軸線路５６を介して側面から行われる。すなわち、同軸線路５６から伝播してきたマイクロ波（電磁波）は、導波路４４の側面に設けられたマイクロ波電力導入ポート５５から導波路４４に給電される。マイクロ波（電磁波）が給電アンテナ９０の第１の極９２に到達すると、アンテナ本体９１に沿ってマイクロ波（電磁波）が伝播して行き、アンテナ本体９１の先端の第２の極９３から放射される。また、アンテナ本体９１を伝播するマイクロ波（電磁波）が反射部９４で反射し、それが入射波と合成されることにより定在波が発生する。給電アンテナ９０の配置位置で定在波が発生すると、内側導体５３の外壁に沿って誘導磁界が生じ、それに誘導されて誘導電界が発生する。これらの連鎖作用により、マイクロ波（電磁波）が導波路４４内を伝播し、アンテナ部４３へ導かれる。
【００５８】
マイクロ波放射機構４１は、アンテナ部４３とチューナ６０とが一体となっているので、極めてコンパクトである。このため、表面波プラズマ源２自体をコンパクト化することができる。さらに、メインアンプ４８、チューナ６０および平面スロットアンテナ８１が近接して設けられ、特にチューナ６０と平面スロットアンテナ８１とは集中定数回路として構成することができる。また平面スロットアンテナ８１、遅波材８２、マイクロ波透過窓１１０ｂの合成抵抗を５０Ωに設計することにより、チューナ６０により高精度でプラズマ負荷をチューニングすることができる。また、チューナ６０は２つのスラグ６１ａ，６１ｂを移動することによりインピーダンス整合を行うことができるスラグチューナを構成しているのでコンパクトで低損失である。さらに、このようにチューナ６０と平面スロットアンテナ８１とが近接し、集中定数回路を構成してかつ共振器として機能することにより、平面スロットアンテナ８１に至るまでのインピーダンス不整合を高精度で解消することができ、実質的に不整合部分をプラズマ空間とすることができるので、チューナ６０により高精度のプラズマ制御が可能となる。
【００５９】
ところで、本実施形態のようなマイクロ波を用いたプラズマ処理装置において、大電力使用時にプロセス条件によっては異常放電が発生することがある。異常放電はアーク状の放電となることが多く、一度異常放電が発生してしまうと、チャンバ内がチャンバ表面部材により汚染され、甚大な被害を被る。
【００６０】
このような異常放電を未然に防止するためには、チャンバ１内の内壁面近傍の電界強度を直接計測することが考えられるが、従来、そのような手法は見出されていない。
【００６１】
発明者らが検討した結果、本実施形態のようなチャンバ１の内壁面近傍に表面波が存在する表面波プラズマの場合、チャンバ１内に延びるモノポールアンテナ１４０を設けて表面波の信号を受信して、表面波の電界強度をモニタできることが見出された。
【００６２】
すなわち、本実施形態では、チャンバ１の壁部からチャンバ１内に向けて延びるように、かつチャンバ１の内壁面に対して垂直に設けられたモノポールアンテナ１４０により表面波を受信し、同軸線路１４１により表面波の電界強度を直接モニタするプラズマ電界モニタ３を設ける。これにより、モノポールアンテナ１４０は表面波１５０を電磁界強度の信号として受信し、その信号は同軸線路１４１により取り出されモニタされる。
【００６３】
したがって、プラズマ処理を以下のようにして行うことにより、異常放電を未然に防止することができる。
【００６４】
まず、上述したように、チャンバ１の壁部からチャンバ１内に向けて延びるように、表面波を受信するモノポールアンテ１４０と、モノポールアンテナ１４０で受信した表面波の電界強度の信号を取り出す同軸線路１４１とを有するプラズマ電界モニタ３を設ける。
【００６５】
次に、あらかじめ、実験等によりチャンバ１内で異常放電が発生する表面波の電界強度を把握し、それに基づいて、例えば特定の安全率を見込むことにより異常放電が発生する可能性がある閾値を測定部１２１に設定する。
【００６６】
次に、チャンバ１内でプラズマ処理を行う。そして、プラズマ処理の際に、モノポールアンテナ１４０で表面波を受信し、表面波電界強度の信号を同軸線路１４１を介して取り出し、モニタする。
【００６７】
次に、モニタした電界強度の信号が閾値を超えるか否かを測定部１２１で判定する。そして電界強度の信号が閾値を超えたと判定された場合に、異常放電を回避する制御を行う。具体的には、プロセス条件を変更する（マイクロ波パワーの低下等）、警報を発する、装置を停止するといった制御を行う。
【００６８】
以上により、チャンバ１内での異常放電を未然に防止することができる。
【００６９】
このとき、モノポールアンテナ１４０の長さｄを、プラズマ密度（電子密度）に応じて、電界強度が極大となる（２ｎ−１）×λ／４（ただし、ｎは１以上の自然数）とする。これにより、モノポールアンテナ１４０によりモニタされた信号は最も高い電界値に対応するものとなるので、プラズマ電界モニタ３でモニタされた信号により、異常放電の発生の可能性を高精度で把握することができる。
【００７０】
また、表面波の波長λはプラズマ密度（電子密度）によって変化するが、複数のモノポールアンテナ１４０を設け、それぞれ長さを異ならせることにより、プラズマ密度（電子密度）の変化に対応することができる。
【００７１】
さらに、モノポールアンテナ１４０がチャンバ１内に突出した状態で露出していると、モノポールアンテナ１４０近傍で異常放電が発生するおそれがある。これに対し、図９では、チャンバ１の内壁に設けられた表面波が侵入可能な大きさの凹部１５５にモノポールアンテナ１４０をチャンバ１の内壁の主面から突出しないように設けており、図１０、図１１ではモノポールアンテナ１４０を誘電体で覆っている。これにより、モノポールアンテナ１４０はプラズマ空間に突出した状態で露出することが回避され、モノポールアンテナ１４０に起因する異常放電が防止される。
【００７２】
マイクロ波プラズマ処理装置において、表面波の電界強度を測定する技術は、例えば特開２００１−２０３０９７号公報、特開２０１３−７７４４１号公報に記載されている。しかし、これらはいずれも誘電体を伝播する表面波をモニタするものであり、プラズマ自体の表面波の電界強度を直接モニタすることは意図していない。
【００７３】
＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
【００７４】
例えば、上記実施形態では、プラズマ源として、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路と、平面スロットアンテナと、マイクロ波透過窓とを有するマイクロ波放射機構を複数有するものを例にとって説明したが、一つのマイクロ波放射機構を有するものであってもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、チャンバ１内に表面波プラズマが形成され、内壁面近傍に形成された表面波の電界強度をモニタする例を説明した。しかし、これに限るものではなく、チャンバ内に形成されるプラズマが、表面に波が形成されるプラズマであって、その波がチャンバ内壁面近傍に形成されるプラズマであれば適用可能である。例えば、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置において印加する高周波電力の周波数が１００ＭＨｚ以上になると、チャンバ内壁面近傍に形成されるプラズマシース中にシース波が形成されるが、このようなシース波の電界強度をモニタする場合であってもよい。容量結合型の平行平板プラズマ処理装置は、平行平板電極間に高周波電力を印加するものである。そのときの高周波電力の周波数が１００ＭＨｚ以上になると、形成されたプラズマで電磁波が反射してプラズマシース中に電界が集中し、シース中にシース波が形成されるようになり、シース波をモノポールアンテナで受信することができる。
【００７６】
さらに、上記実施形態では、プラズマ電界モニタをチャンバの側壁に設けたが、これに限るものではなく、例えばチャンバの上壁等、他の壁部に設けることもできる。
【００７７】
さらにまた、上記実施形態では、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であってもよい。さらにまた、基板は半導体ウエハＷ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。
【符号の説明】
【００７８】
１；チャンバ
２；プラズマ源
３；プラズマ電界モニタ
４１；マイクロ波放射機構
４３；アンテナ部
４４；導波路
８１；平面スロットアンテナ
８２；遅波材
１００；プラズマ処理装置
１１０ｂ；マイクロ波透過窓
１２１；計測部
１４０；モノポールアンテナ
１４１；同軸線路
１４２；内部導体
１４３；外部導体
１４４；誘電体部材
１５０；表面波
１５５；凹部
１６０；誘電体カバー
１６１；誘電体キャップ
Ｗ；半導体ウエハ（基板）
【図１】
2020202052.tif 000003
【図２】
2020202052.tif 000004
【図３】
2020202052.tif 000005
【図４】
2020202052.tif 000006
【図５】
2020202052.tif 000007
【図６】
2020202052.tif 000008
【図７】
2020202052.tif 000009
【図８】
2020202052.tif 000010
【図９】
2020202052.tif 000011
【図１０】
2020202052.tif 000012
【図１１】
2020202052.tif 000013
【図１２】
2020202052.tif 000014