(57)【要約】【課題】プラズマ処理条件の変更にかかわらずマイクロ波の分布を最適化して、広い範囲で均一なプラズマ処理を得る。【解決手段】真空処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段を備え、前記マイクロ波供給手段の前記処理室へのマイクロ波導入部は、直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換する円偏波発生器を備え、該円偏波発生器は、最低次のモードで動作する方形の入力側導波管３０１と、最低次のモードで動作する正多角形または円形の出力側導波管３０６と、偏波面の異なる複数の直線偏波が同時に伝播可能な正多角形または円形の位相調整用導波管３０３を備え、該位相調整用導波管は、偏波面の異なる直線偏波の一方の位相または振幅を調整する調整手段３０４，３０５を備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を減圧可能な真空処理室と、
該真空処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記真空処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段と、
前記真空処理室内に被処理材である試料を載置して保持する基板電極と、
前記真空処理室に接続され該真空処理室内のガスを排気する真空排気手段を備え、
前記マイクロ波供給手段の前記処理室へのマイクロ波導入部は、直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換する円偏波発生器を備え、
該円偏波発生器は、最低次のモードで動作する方形の入力側導波管と、最低次のモードで動作する正多角形または円形の出力側導波管と、偏波面の異なる複数の直線偏波が同時に伝播可能な正多角形または円形の位相調整用導波管を備え、
該位相調整用導波管は、偏波面の異なる直線偏波の一方の位相または振幅を調整する調整手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記調整手段は、前記位相調整用導波管内にマイクロ波の進行方向に沿って挿入した誘電体板の前記進行方向に直交する方向位置を変更する手段であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記調整手段は、真空処理室の円周方向に設けた、電界を検出する複数のモニタの検出出力の差が極小となるように前記誘電体板の位置を調整することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
内部を減圧可能な真空処理室と、
該真空処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記真空処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段と、
前記真空処理室内に被処理材である試料を載置して保持する基板電極と、
前記真空処理室に接続され該真空処理室内のガスを排気する真空排気手段を備え、
直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換して真空処理室に供給して、前記試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において、
直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換する円偏波発生器は、最低次のモードで動作する方形の入側力導波管と、最低次のモードで動作する正多角形または円形の出力側導波管と、偏波面の異なる複数の直線偏波が同時に伝播可能な正多角形または円形の位相調整用導波管と、偏波面の異なる直線偏波の一方の位相または振幅を調整する調整手段を備え、該調整手段は真空処理室の円周方向に設けた電界を検出する複数のモニタの検出出力の差が極小となるように前記位相調整用導波管内に設けた誘電体板の位置を調整することを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理技術に係り、処理室に偏波面が回転するマイクロ波を供給する円偏波発生器を備えたプラズマ処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリ、あるいはロジックＬＳＩ等の半導体の製造に用いる基板は、生産性向上等のために大径化する傾向にあり、最先端の半導体メモリ等の製造に際しては直径３００ｍｍのシリコン基板を用いることが主流となっている。また、直径４５０ｍｍのシリコン基板が必要との意見もあり、基板の大径化の傾向は続くと考えられる。
【０００３】
これらの半導体の製造工程では、プラズマ処理装置が用いられるが、処理に際して被処理基板上に均一なプラズマ処理を施す必要があり、被処理基板の大径化に伴い技術的な難易度は増す傾向にある。
【０００４】
被処理基板上に均一なプラズマ処理を施すには、当然ながら被処理基板付近でのプラズマの密度や温度などのプラズマ特性の分布が重要であり、プラズマ分布をプラズマ処理均一化の観点から最適化する技術が重要となっている。
【０００５】
ところで、マイクロ波電力によりプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置は、低圧力下で高密度のプラズマを生成でき、また、マイクロ波に印加する静磁界の分布を調整することによりプラズマの分布を容易に制御できる等の特徴を有する。このため、マイクロ波プラズマ処理装置は、半導体の製造等に広く用いられるようになった。
【０００６】
マイクロ波を用いてプラズマを発生させる装置においては、円偏波化したマイクロ波を用いることにより、電子サイクロトロン共鳴現象を効率的に起こして高密度のプラズマを得ることができる、また、プラズマ分布の軸対称性を向上して、均一なプラズマ処理を得ることができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５９−１１４７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、円偏波化したマイクロ波を用いてプラズマを発生させることにより、プラズマの軸対称性が向上して、プラズマ処理の軸対称性を向上させることが期待できる。しかし、プラズマは処理条件が変更されると密度などの特性が変化する。このため、ある特定の処理条件で最適化した円偏波発生器を用いたプラズマ発生装置において、プラズマ処理条件を変更すると、十分な円偏波を発生することができず、プラズマの軸対称性が確保できなくなることがある。
【０００９】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、プラズマ処理条件の変更にかかわらずマイクロ波の分布を最適化して、広い範囲で均一なプラズマ処理を得ることのできるプラズマ処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１１】
内部を減圧可能な真空処理室と、該真空処理室内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記真空処理室内にマイクロ波を供給してプラズマを生成するマイクロ波供給手段と、前記真空処理室内に被処理材である試料を載置して保持する基板電極と、前記真空処理室に接続され該真空処理室内のガスを排気する真空排気手段を備え、前記マイクロ波供給手段の前記処理室へのマイクロ波導入部は、直線偏波のマイクロ波を円偏波のマイクロ波に変換する円偏波発生器を備え、該円偏波発生器は、最低次のモードで動作する方形の入力側導波管と、最低次のモードで動作する正多角形または円形の出力側導波管と、偏波面の異なる複数の直線偏波が同時に伝播可能な正多角形または円形の位相調整用導波管を備え、該位相調整用導波管は、偏波面の異なる直線偏波の一方の位相または振幅を調整する調整手段を備えた。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマ処理条件の変更にかかわらずマイクロ波の分布を最適化して、広い範囲で均一なプラズマ処理を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】マイクロ波エッチング装置を説明する図である。
【図２】円偏波発生器を説明する図である。
【図３】図２に示す各導波管の断面を各導波管の中心軸に垂直な平面に投影した図である。
【図４】導波管断面内の電界ベクトルの分布を示す図である。
【図５】導波管断面内の電界ベクトルの分布を示す図である。
【図６】導波管断面内の電界ベクトルの分布を示す図である。
【図７】正方形導波管内の電界ベクトルの分布を示す図である。
【図８】正方形導波管内の電界ベクトルの分布を示す図である。
【図９】正方形導波管と方形導波管との接続状態を説明する図である。
【図１０】長方形の誘電体板を装荷した正方形導波管の断面を示す図である。
【図１１】長方形の誘電体板を装荷した正方形導波管の断面を示す図である。
【図１２】位相調整用誘電体板の断面の他の例を示す図である。
【図１３】エッチング装置のマイクロ波を導入する部分に、図２に示す構造の円偏波発生器を用いた場合をモデル化した例を示す図である。
【図１４ａ】プラズマ処理室の円形導波管部での円偏波の真円度を評価した結果を示す図である。
【図１４ｂ】プラズマ処理室の円形導波管部での円偏波の真円度を評価した結果を示す図である。
【図１４ｃ】プラズマ処理室の円形導波管部での円偏波の真円度を評価した結果を示す図である。
【図１４ｄ】プラズマ処理室の円形導波管部での円偏波の真円度を評価した結果を示す図である。
【図１５】位相調整導波管の２つの誘電体の位置を調整して得られる円偏波真円度の最大値を示す図である。
【図１６】円偏波真円度のモニタ装置を示す図である。
【図１７】円形導波管ＴＥ１１モード伝播時における円形導波管内面のマイクロ波電界強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるマイクロ波エッチング装置を説明する図である。図１に示すように、マイクロ波源１０１から発振されたマイクロ波は、アイソレータ１１９，自動整合器１０２、方形導波管１０３、円矩形変換器１０４を介して、円形導波管１０５に伝送される。ここで、自動整合機１０２は負荷インピーダンスを調整して反射波を自動的に抑制する。
【００１５】
マイクロ波源としては、発振周波数２．４５GHｚのマグネトロンを用いた。また、マイクロ波源保護のためにアイソレータ１１９を用いた。前記円形導波管１０５は空洞共振部１０６に接続される。空洞共振部１０６はマイクロ波の電磁界分布をプラズマ処理に適した分布に調整する働きを有する。
【００１６】
空洞共振部１０６の下部には、マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８、およびプラズマ処理室１１０を備える。シャワープレート１０８はプラズマ処理室１１０内に発生するプラズマに直接曝されるため、プラズマ耐性が高く、プラズマ処理に悪影響を及ぼさない材質であることが望ましい。マイクロ波導入窓１０７、シャワープレート１０８の材質としてはマイクロ波を効率よく透過し、プラズマ処理室を気密に保持することのできる材料として石英を用いた。
【００１７】
マイクロ波導入窓１０７とシャワープレート１０８の間には図示しない微小な間隙が設けられており、この間隙には、プラズマ処理に用いる処理ガスがガス供給系１０９を介して供給される。シャワープレート１０８には図示しない微細なガス供給孔が複数設けられ、処理ガスを前記ガス供給孔を介してプラズマ処理室１１０にシャワー状に供給する。
【００１８】
プラズマ処理室１１０内には被処理基板１１１を載置するための基板電極１１２が設置される。基板電極１１２には自動整合機１１３を介してバイアス電源１１４が接続され、被処理基板１１１にバイアス電力を供給する。バイアス電源１１４の周波数として４００ｋHzのものを用いた。
【００１９】
プラズマ処理室１１０の周囲には静磁界発生装置１１５が設けられ、プラズマ処理室１１０内に静磁界を加える。電子サイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数が一致した場合にマイクロ波の電力が電子に共鳴的に吸収される電子サイクロトロン共鳴現象を用いると、通常はプラズマの発生が困難な高真空領域でもプラズマの発生が可能となり、プラズマ処理が可能となる。
【００２０】
また、静磁界をプラズマ処理室に加えることでプラズマの損失を抑制しプラズマの着火性を高めることができる。また、前記静磁界の分布を調整することでプラズマの発生領域およびその拡散を制御してプラズマの分布を制御することができる。またプラズマ分布を制御することにより、被処理基板１１１に施すプラズマ処理の均一性を制御することができる。  マイクロ波の周波数が２．４５GHｚの場合、電子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の大きさは０．０８７５テスラとなる。このように電子サイクロトロン共鳴現象を活用するにはプラズマ処理室内に０．０８７５テスラの静磁界を発生させる必要があり、処理室内の任意の場所にこの大きさの静磁界を発生させることができる静磁界発生装置を用いることが望ましい。静磁界の発生装置として、複数のコイルを多段に組み合わせた多段の電磁石を用いた。多段の電磁石を用いることにより、静磁界分布の調整が容易に実施できる。
【００２１】
プラズマ処理室１１０には、バルブ１１６、コンダクタンス可変バルブ１１７を介して真空排気ポンプ１１８が接続される。真空排気ポンプ１１８としては、排気側をロータリーポンプにより排気したターボ分子ポンプを用いた。なお、プラズマ処理室１１０の圧力は圧力計１２０によりモニタしている。コンダクタンス可変バルブ１１７は、処理ガスの供給系１０９により供給されるガス、あるいはエッチング処理時に発生するガス等を排気する排気速度を制御して、一定の圧力を保持する機構を備える。
【００２２】
次に、円形導波管１０５を介してプラズマ処理室に供給される電磁波（マイクロ波）の円偏波について簡単に説明する。
【００２３】
偏波面とは、電磁波の進行方向と電界ベクトルの方向からなる面を指す。以下、偏波面に関して電界ベクトルは導波管の中心軸上で定義するものとする。また、円偏波とは偏波面が時間的に回転する電磁波を指す。一方、偏波面が回転しない電磁波を直線偏波と呼ぶ。  円偏波では電界ベクトルの終点がなす軌跡が円または楕円となり、直線偏波の場合は直線となる。楕円となる場合を楕円偏波と呼ぶ場合がある。円偏波は、例えば偏波面が直行する2つの等振幅の直線偏波を、位相を９０°ずらして重ね合わせることで生成できることが知られている。円偏波発生のために2つの直線偏波を重ね合わせる場合、偏波面が直交することは必ずしも必須でなく、他の角度であっても振幅および位相を調整することで円偏波を発生させることができる。また２つの直線偏波の重ねあわせだけでなく、３つ以上の直線偏波を重ね合わせることにより、円偏波を発生させることができる。
【００２４】
ここで、プラズマの状態変動に対応して円偏波の度合い（真円度）を最適化して、プラズマ処理の均一性を高めることのできる円偏波発生器を立案した。すなわち、異なる偏波面を持つ複数のモードが同時に伝播できる導波路内に各モードの位相および振幅を調整可能な機構を設けることにより、常に真円度の高い円偏波を得ることのできる構造を検討した。
【００２５】
マイクロ波の伝送には矩形や円形の断面を持つ中空の導波管を用いることが多い。これらの導波管は伝送特性が明らかとなっており、電力損失も小さいためである。異なる偏波面を持つ複数のモードが伝播可能な導波路は種々存在するが、軸対称なプラズマ処理を考慮すると、断面が正方形等の正多角形や円形の導波管を用いることが望ましい。
【００２６】
導波管中を伝播する各モードの電磁波の位相や振幅を調整可能な機構として、種々の公知の機構がある。例えばスタブと呼ばれる挿入長可変の導体棒を導波管中に挿入する方法、導波管を分岐し、該分岐に一端を短絡した長さ可変の導波管を接続する構造、導波管中に移動可能な誘電体板を装荷する方法等がある。
【００２７】
図２は、円偏波発生器を説明する図である。図２においては、異なる偏波面を持つ複数のモードの電磁波が伝播可能な導波路として、断面が正方形の正方形導波管３０３を用い、各モードの電磁波の位相および振幅を調整する機構として位置可変の誘電体板３０４，３０５を用いているが、他の導波路、あるいは他の位相および振幅を調整できる機構を組み合わせで円偏波発生器を構成することも可能である。
【００２８】
マイクロ波の周波数は２．４５GHｚとした。マイクロ波は方形導波管部３０1より、整合用導波管３０２を介して断面が正方形の導波管３０３に導入される。断面が正方形の導波管３０３内には、位置が可変の２枚の誘電体板３０４、３０５が互いに直行する方向に装荷されている。さらに正方形導波管３０３には円形導波管３０６が接続されている。
【００２９】
図３は、各導波管の断面を各導波管の中心軸に垂直な平面に投影した図である。方形導波管部３０１断面の長辺または短辺と正方形導波管３０３断面の辺は４５度の角度で交差している。
【００３０】
方形導波管あるいは円形導波管のような幾何学的な形状が単純な構造については、導波管内部の伝播特性や電磁界分布等は明らかとなっており、中島将光著、「マイクロ波工学」、森北出版などに詳しい。
【００３１】
方形導波管３０１は、ＷＲＪ−２という名称で規格化されている断面が１０９．２ｍｍ×５４．６ｍｍのものを用いた。ＷＲＪ−２規格の方形導波管では、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は最低次の方形導波管ＴＥ１１モードでのみ伝播可能であることが知られている。
【００３２】
図４は、方形導波管をＴＥ１０モードで伝播するときの導波管断面内における電界ベクトルの分布を模式的に示す図である。方形導波管断面内でＴＥ１０モードの電界ベクトルは断面長方形の長辺と垂直に分布する。また電界分布は長辺に垂直な方向に一様で長辺の中央付近で高く端部で低くなっている。
【００３３】
図５は、円形導波管の最低次モードであるＴＥ１１モードの導波管断面内の電界ベクトルの分布を示す図である。円形導波管は中心軸に対して構造的に対称であるため、図５に示すように回転の自由度がある。例えば図５に示す円形導波管ＴＥ１１モードは中心軸上で電界ベクトルが縦方向であるが、全体を中心軸に対して９０°回転させて中心軸上で電界ベクトルが横方向になる図６に示すモードも同時に伝播することができる。両モードの電界ベクトルは円形導波管断面の各点で互いに直行する。さらに両モードの位相差を９０°ずらすと、両モードの重ね合わせにより電界ベクトルは時間的に回転し、円偏波とすることができる。
【００３４】
図７，８は、正方形導波管内の伝播モードの電界分布を示す図である。断面が正方形であるため、電界ベクトルが縦方向となる図７に示すモードと、横方向となる図８に示すモードが同時に伝播可能となる。一辺８０ｍｍの正方形断面の場合に、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は図７、８に示す正方形導波管ＴＥ１０モードと正方形導波管ＴＥ０１モードのみが伝播可能となる（前記文献「マイクロ波工学」参照）。さらに両モードの位相差を９０°とし、等振幅の両モードの電磁波を重ね合わせることで、円偏波とすることができる。
【００３５】
次に、正方形導波管において等振幅のＴＥ１０モードとＴＥ０１モードの電磁波を得る方法を説明する。
【００３６】
図９に示すように、正方形導波管３０３と方形導波管３０１を中心軸を揃えて接続し、互いの断面の正方形または四辺形の各辺が４５°の角度で交差するよう配置する。このように配置することにより、両導波管の中心軸上で、方形導波管のＴＥ１０モードの電界ベクトルの方向と、正方形導波管のTE１０モードおよび正方形導波管のＴＥ０１モードを重ねあわせた電界ベクトルの方向を一致させることが可能となり、方形導波管により正方形導波管に等振幅のＴＥ１０モードとＴＥ０１モードを励振することができる。
【００３７】
なお、図９に示すように方形導波管３０１と正方形導波管３０３を単純に接続すると接続面で反射波が生じてマイクロ波電力を効率良く利用できなくなる。そこで両導波管の間に反射波を低減させるための整合用導波管を接続することが望ましい。整合導波管は、図２に示すように方形導波管３０１の幅を若干狭め、この部分を整合用導波管とし、その幅と長さを調整して反射波の低減を図った。方形導波管の断面寸法１０９．２ｍｍ×５４．６ｍｍ、正方形導波管の断面寸法８０ｍｍ×８０ｍｍの場合、整合用導波管は断面８０ｍｍ×５４．６ｍｍ長さを３５ｍｍとしたときに反射波が極小となった。
【００３８】
次に、正方形導波管において、管内を伝播するＴＥ１０モードとＴＥ０１モードの電磁波の位相差を調整する方法について図１０から図１２を用いて説明する。
【００３９】
図１０は、例えば長方形の誘電体板１２０１を装荷した正方形導波管の断面を示す図である。誘電体板１２０１には操作棒１２０２が接続されており、操作棒１２０２を位相調整導波管外部から操作することにより、誘電体板１２０１の位置を調整することができる。なお、操作棒１２０２は誘電体板１２０１と同じ誘電体で作成した。また、正方形導波管を伝播するＴＥ１０モードの電界ベクトルを鎖線矢印で示す。
【００４０】
図１０に示すように正方形導波管内を伝播するＴＥ１０モードの電界は電界ベクトルの方向に一様であり、導波管中心付近で高く導波管内壁付近で小さくなる。誘電体板１２０１を正方形導波管の中央付近に配置すると、マイクロ波電界強度の高い位置に誘電体板を配置したことになり、導波管中を伝播するマイクロ波に与える影響は大きい。一方、誘電体板１２０１を導波管壁近くのマイクロ波電界が小さい位置に配置した場合、誘電体の影響が小さくなる。
【００４１】
操作棒１２０２は正方形導波管の管壁に設けた孔を通して正方形導波管外に露出する構造とした。孔の直径は７ｍｍとした。操作棒１２０２の材質はアルミナセラミックスとした。アルミナセラミックスの比誘電率は９．７程度であることが知られている。比誘電率９．７のアルミナセラミックスを装荷した直径７ｍｍの円形導波管において、最低次のモードである円形導波管ＴＥ１１モードの遮断周波数は８．１GHｚとなることが例えば前記「マイクロ波工学」から理論的に算出できる。すなわち、周波数２．４５GHｚのマイクロ波は前記遮断周波数に比べて低く、前記円形導波管（孔）内を伝播できないことが判る。前記操作棒１２０１の直径は前記孔の直径７ｍｍより小さいため、前記孔の遮断周波数はさらに高くなることが予想される。ここで、正方形導波管の管壁厚さを２０ｍｍとしたが、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が前記孔より漏洩することはなかった。
【００４２】
一般に、比誘電率εの誘電体中においては、電磁波の波長は√ε分の１に短縮することが知られている。本実施形態では誘電体板１２０１の材質としてアルミナセラミックスを用いた。上述の通り、導波管の中央に誘電体板１２０１を配置した場合には誘電体板の影響が大きくなり、正方形導波管を伝播するＴＥ１０モードの電磁波の波長短縮効果が大きくなる。一方、誘電体板１２０１を導波管の壁近くに配置した場合に誘電体板の影響が小さくなり、波長短縮効果は小さい。したがって、誘電体板１２０１の位置を連続的に移動することで、波長短縮効果を連続的に調整することができる。また、この波長短縮効果により位相調整用導波管の出力端におけるＴＥ１０モードの電磁波の位相が変化する。すなわち、誘電体板１２０１の位置を調整することにより、正方形導波管の出力端での位相を連続的に制御することができる。
【００４３】
図１１は、正方形導波管を伝播するＴＥ０１モードの電磁波が位相調整用導波管に入射した場合を示す図である。正方形導波管ＴＥ０１モードと正方形導波管ＴＥ１０モードはマイクロ波電界の向きが９０°異なっている。すなわち、図１１に示すように正方形導波管ＴＥ０１モードの電界ベクトルは誘電体板の移動可能な方向に一様であるため、誘電体板の位置を調整しても誘電体板中の電界の強さはほとんど変化しない。このため誘電体板の位置調整しても正方形導波管ＴＥ０１モードに対する波長短縮の効果はほとんど変化しない。すなわち、位相調整用導波管出力端における正方形導波管ＴＥ０１モードの位相はほとんど変化しない。
【００４４】
図１２は、位相調整用誘電体板の断面の他の例を示す図である。図１２において、右側がマイクロ波の入射側で左側が出力側である。誘電体板１４０１は平行四辺形の形状となっている。誘電体板１４０１の形状を平行四辺形とすることによりマイクロ波入射側および出力側で誘電体板１４０１の影響度合いが急変することを抑制することができる。これにより誘電体板に起因するマイクロ波の反射を低減することができる。操作棒１４０２、１４０３を、導波管壁近くの正方形導波管のＴＥ０１モード電界の小さい領域に配置することにより操作棒挿入による影響を小さくした。また、操作棒１４０２と操作棒１４０３のマイクロ波進行方向の距離Dは正方形導波管ＴＥ０１モードまたは正方形導波管ＴＥ１０モードの波長に対し１／４の長さとした。このように設定すると操作棒１４０２により生じた反射波と操作棒１４０３により生じた反射波の行路長差が１／２波長となるため、両反射波が互いに打ち消しあって反射波を小さくすることができる。
【００４５】
誘電体板１４０１により生じる反射波は板の厚さが薄いほうが小さくなるが、位相差の調整幅は小さくなる。またマイクロ波進行方向の長さは長いほうが位相差の調整幅は大きくなる。本実施形態では誘電体板の高さを７９ｍｍ、マイクロ波の進行方向の長さを８０ｍｍ、厚さを５ｍｍとした。マイクロ波の反射の影響を無視できる場合には誘電体板１４０１の形状を製作上有利な例えば長方形としても良い。また操作棒は１本でも良いが、誘電体板１４０１の位置を安定させるために２本以上とすることが望ましい。誘電体板の形状として平行四辺形の場合を説明したが、この形状に限定されるものではなく、他の形状、例えばひし形や楕円、多角形などとしても良い。
【００４６】
以上、説明したように、誘電体板の位置を調整することにより、正方形導波管を伝播するＴＥ１０モードの位相は大きく変化するが、正方形導波管を伝播するＴＥ０１モードの位相はほとんど変化せず、両者の位相差を調整することができる。
【００４７】
以上では正方形導波管内を伝播するＴＥ１０モードの電磁波の位相を調整する位相調整用導波管について説明したが、同様の構造で正方形導波管ＴＥ０１モード用の位相調整導波管を構成することができる。正方形導波管ＴＥ０１モード用の位相調整導波管はＴＥ１０モード用の位相調整導波管を中心軸に対し９０°回転させた構造となる。これら２つの正方形導波管を用いることにより、正方形導波管内を伝播するＴＥ１０モードとＴＥ０１モードの電磁波の位相をほぼ独立に変化させることができる。
【００４８】
さらに正方形導波管の出力側に円形導波管を接続した。円形導波管は中心軸に対して対称な構造のため、円偏波との整合性が良いためである。円形導波管は最低次のモードであるＴＥ１１モードのみが伝播できる直径とした。正方形導波管と円形導波管の接続面での反射波は小さく、整合用の導波管等は不要であった。接続面での反射波が無視できない場合には、整合用の円形導波管を両導波管の間に入れ、整合用円形導波管の直径と長さを調整することで反射波を低減することができる。
【００４９】
円偏波は電界の回転方向が右回りの場合と左回りの場合がある。静磁界を加えられたプラズマ中における円偏波は静磁界の方向に対して右回りの円偏波と左回りの円偏波では電波吸収特性が異なることが知られている。図２に示す円偏波発生器では２つの誘電体板の位置により、円偏波の回転方向を左右どちらにも制御可能であるが、プラズマ処理特性の最適化の観点から、右回りまたは左回りの円偏波選択することができる。
【００５０】
円偏波の電界ベクトル終点の軌跡は前述のように通常楕円となるが、該楕円の長軸の長さに対する短軸の長さの比を円偏波の真円度と称することにし、円偏波の度合いを定量化した。真円度１が完全な円偏波を示し、ゼロが直線偏波を示す。
【００５１】
図１３は、図１に示すエッチング装置のマイクロ波を導入する部分に、図２に示す構造の円偏波発生器を用いた場合をモデル化した例であり、このモデルを用いて円偏波の真円度を評価した。なお、図２に示す円偏波発生器は、マイクロ波の進行方向を９０度変更するＥコーナと組み合わせたものを図１の円矩形変換器１０４に置き換えて使用した。
【００５２】
Ｅコーナは十分反射が小さいものとする。円偏波発生器は入力側が方形導波管、出力側が円形導波管となっており、直線偏波で入力したマイクロ波を円偏波化する働きを持つ。  プラズマ処理室は円形導波管を入力ポートとし主に内部のプラズマでマイクロ波電力を消費する。円偏波発生器について、有限要素法によりマイクロ波の電磁界解析を行い、散乱行列を算出して数値モデル化した。円偏波発生器の散乱行列算出には２つの方法を使い分けた。ひとつは円偏波発生器全体を有限要素法によりモデル化して直接散乱行列を算出する方法であり、他の方法は円偏波発生器をいくつかの部分に分けてそれぞれ有限要素法によるモデル化により散乱行列を算出し各部の散乱行列を数値的に合成して全体の散乱行列を算出する方法である。
【００５３】
位相調整用導波管について誘電体板の位置を変えた有限要素モデルを作成し、それぞれ散乱行列を算出し円偏波発生器全体の散乱行列を数値的に求めた。プラズマ処理室はある反射係数を持つとしてモデル化した。プラズマ処理室の反射係数はプラズマ処理条件により大きく変動するためパラメータとして扱った。図２に示すモデルの各部について前述の方法で散乱行列を算出し、各部の入反射波や円偏波の真円度を算出した。
【００５４】
前述のように、円形導波管内の円偏波は偏波面が直交する２つの直線偏波の重ねあわせとして取り扱うことができる。即ち、円偏波発生器の出力ポート、プラズマ処理室の入力ポートにそれぞれ偏波面が直交する２つの直線偏波を考え、これらの入反射波についてそれぞれ散乱行列を用いて解析した。該直交する２つの直線偏波の振幅と位相から円偏波の真円度を算出した。
【００５５】
図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）にプラズマ処理室のマイクロ波入力ポートである円形導波管部での円偏波の真円度を評価した結果を示す。ここで、図１４（ａ）はプラズマ処理室の反射係数が０の場合、図１４（ｂ）はプラズマ処理室の反射係数０．２の場合、図１４（ｃ）はプラズマ処理室の反射係数が０．４の場合、図１４（ｄ）はプラズマ処理室の反射係数が０．６場合を示す。なお、図においてＬ１、Ｌ２はそれぞれＴＥ１０モード用位相調整導波管の誘電体板位置、ＴＥ０１モード用位相調整導波管の誘電体板位置を示す。誘電体板位置は導波管壁に密着した位置をゼロとし導波管壁と誘電体板表面の距離とした。プラズマ処理室の反射係数がゼロで反射が無い場合（図１４（ａ））には比較的広い領域で高い真円度が得られるが、反射係数の絶対値が大きくなり反射波が増えると、高い円偏波の真円度が得られる領域が狭くなることが判る。
【００５６】
図１５は、図２に示す位相調整導波管の２つの誘電体（３０４，３０５）の位置を調整して得られるプラズマ処理室の円形導波管部での円偏波真円度の最大値を示す。それぞれ誘電体位置は２ｍｍピッチで０から４０ｍｍの範囲を調整したものとした。図１４に示したようにプラズマ処理室の反射係数絶対値が大きくなると円偏波真円度が高い領域が狭くなる影響で、反射係数絶対値が大きい場合に調整後の円偏波真円度の最大値が小さくなる傾向があるが、概ね高い真円度に調整可能なことがわかる。また反射係数の位相に関しては円偏波発生器とプラズマ処理室の間の円形導波管部の長さを調整することで調整可能であり、高い真円度に調整可能である。
【００５７】
図１６は円偏波真円度のモニタ装置を示す図である。位相調整導波管の誘電体位置を調整して円偏波真円度を調整するには、実時間で円偏波真円度をモニタできることが望ましい。このモニタ装置では、円形導波管ＴＥ１１モードのみが伝播可能な円形導波管の周囲に３０°ピッチで７個の電界検出器１８０１を接続している。電界検出器１８０１はそれぞれプローブにより円形導波管内面付近の電界の大きさを検出することができる。プローブの設置による円形導波管内の電磁界の乱れは極小に抑えられている。円偏波真円度のモニタ装置は円偏波発生器とプラズマ処理室の間に配置し、円偏波真円度をモニタすることができる。以下に円偏波真円度のモニタ方法を説明する。
【００５８】
円偏波は前述のように偏波面が直交し時間的な位相が９０°異なる２つの振幅の等しい直線偏波の重ねあわせで表現できる。円形導波管の最低次モードであるＴＥ１１モードしかとりえない寸法の円形導波管を考える。導波管内壁上では境界条件より内面に対して垂直な成分のみを持つことから、前記「マイクロ波工学」によると円形導波管ＴＥ１１壁上での電界は式（１）に従い分布することが知られている
【数１】
2011077292.tif 000003
【００５９】
Ａは定数、φは角度
また、偏波面が直交し、時間的な位相が９０°異なる円形導波管のＴＥ１１モードによる導波管内壁上での電界は式（２）で表現できる。
【数２】
2011077292.tif 000004
【００６０】
ｊは虚数単位、Ｂは定数
両者の重ね合わせによる電界は式（３）となる。
【数３】
2011077292.tif 000005
【００６１】
円形導波管内面の電界の分布のみを考えるので定数Ａを１とする。
【数４】
2011077292.tif 000006
【００６２】
この場合、定数Ｂが円偏波真円度に相当し、ゼロの時に直線偏波となり、Ｂが±１の時に完全な円偏波となる。円偏波真円度のモニタ装置において電界検出器の検出する電界は式（４）の振幅であるので絶対値をとると、下記のようになる。
【数５】
2011077292.tif 000007
【００６３】
各電界検出器による測定値を式（５）に当てはめることにより、円偏波真円度Ｂを求めることができる。
【００６４】
図１７は、円形導波管ＴＥ１１モード時における円形導波管内面のマイクロ波電界強度分布を示す。横軸には円形導波管内面の位置を示す角度をとり、パラメータとして円偏波真円度をとっている。縦軸にはマイクロ波電界強度を振幅で示し、最大値を１とするよう規格化している。円形導波管の最低次モードであるＴＥ１１モードのみが伝播できる円形導波管を用いているので、他のモードの電界分布を考慮する必要は無い。円偏波真円度が１となる完全な円偏波の場合は、内面のどの場所においてもマイクロ波電界強度は一定となる。一方、円偏波真円度がゼロの直線偏波の場合は、円形導波管ＴＥ１１モードに従う分布となる。円偏波真円度１の理想的な場合を除き１８０°の周期で同じパターンを示す。  電界検出器１９０１は３６０°の全周にわたって配置しても良いが、１８０°の範囲内に設置することで１周期の変化の様子を観測することができる。また電界の最大値と最小値は９０°離れた位置に来るので、９０°の範囲に絞って観測することで最大値または最小値を観測することができる。このため、観測位置を９０°の範囲に絞っても円偏波真円度を算出することは原理的に可能である。なお、電界検出器１９０１は細かいピッチで配置することが望ましい。
【００６５】
円偏波真円度を検出するモニタ装置を用いることにより、すなわち、モニタ装置を構成する各電界検出器の検出する電界の値の最大値と最小値の差が極小となるように、円偏波発生器の誘電体板を挿入する長さを調整することにより、円偏波真円度を最大に制御することができる。円偏波発生器の誘電体板挿入長の調整は円偏波真円度のモニタ装置のモニタ値を基に自動的に制御する制御装置、および誘電体板駆動装置を組み合わせることにより円偏波真円度を最適に制御することが可能である。
【００６６】
なお、本発明は第１図に示すプラズマエッチング装置に限定されるものではなく、他のプラズマ発生方法によるプラズマエッチング装置にも適用可能である。また例示した各部の寸法はマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合の例である。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態によれば、複数の電界検出器を備えたモニタ装置を用いて、マイクロ波の円偏波の度合いを実時間でモニタし、このモニタ結果にしたがって円偏波発生器を構成する誘電体板の挿入長を調整して、円偏波発生器の特性を調整するので、円偏波の度合いを最適に調整することができ、プラズマ処理の軸対称性を常に確保することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０１  マイクロ波源
１０２  自動整合機
１０３  方形導波管
１０４  円矩形変換器
１０５  円形導波管
１０６  空洞共振部
１０７  マイクロ波導入窓
１０８  シャワープレート
１０９  処理ガスの供給系
１１０  プラズマ処理室
１１１  被処理基板
１１２  基板電極
１１３  自動整合機
１１４  バイアス電源
１１５  静磁界発生装置
１１６  バルブ
１１７  コンダクタンス可変バルブ
１１８  真空排気ポンプ
１１９  アイソレータ
１２０  圧力計
２０２  誘電体板
２０１  入射側円形導波管
４０1  方形導波管部
４０２  整合用導波管
４０３  正方形導波管
４０４、４０５  誘電体板
４０６  円形導波管
１２０１  誘電体板
１２０２  操作棒
１４０１  誘電体板
１４０２、１４０３  操作棒
１８０１  電界検出器
【図１】
2011077292.tif 000008
【図２】
2011077292.tif 000009
【図３】
2011077292.tif 000010
【図４】
2011077292.tif 000011
【図５】
2011077292.tif 000012
【図６】
2011077292.tif 000013
【図７】
2011077292.tif 000014
【図８】
2011077292.tif 000015
【図９】
2011077292.tif 000016
【図１０】
2011077292.tif 000017
【図１１】
2011077292.tif 000018
【図１２】
2011077292.tif 000019
【図１３】
2011077292.tif 000020
【図１４ａ】
2011077292.tif 000021
【図１４ｂ】
2011077292.tif 000022
【図１４ｃ】
2011077292.tif 000023
【図１４ｄ】
2011077292.tif 000024
【図１６】
2011077292.tif 000025
【図１５】
2011077292.tif 000026
【図１７】
2011077292.tif 000027