(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦軸に関して対称的なチャンバであって、前記縦軸の周りにプラズマ形成部が形成されたチャンバと、
試料を前記チャンバの前記軸の一端に近接して支持する手段と、
ガス媒体を前記チャンバ内に導入する手段と、
前記チャンバの内周囲に前記チャンバの縦軸と同軸に配設される複数の円筒状永久磁石のアレイからなる磁石アセンブリであって、前記チャンバの内周囲に沿って延在する環状の領域を形成する磁力線と、前記プラズマ形成部を囲むように前記チャンバの縦軸の周りに延在する共振相互作用領域を形成する磁力線とを有する前記チャンバの縦軸に関して軸対称な磁界を生成する磁石アセンブリと、
前記チャンバの前記軸の一端に近接するように実質的に無磁界の領域を形成するとともに、磁力線が前記無磁界領域中に延在して前記試料に向かうことを最小限に抑制する手段と、
前記磁石アセンブリと前記プラズマ形成部との間に挿入される同軸マイクロ波電力アプリケータと、
前記チャンバ内のガス圧力を維持する手段と、
を備え、
前記同軸マイクロ波電力アプリケータは、前記チャンバの前記プラズマ形成部に向けて電磁輻射を均一に輻射する、環状となる少なくとも一対のアンテナアレイを含んでなり、前記環状となったアンテナアレイは前記チャンバの縦軸と同軸であり、
前記アンテナアレイは、前記プラズマ形成部へと内側に向かって延在する前記チャンバの縦軸に対して垂直な発射軸を有し、
前記アンテナアレイの各々は、内側導体と、前記内側導体を包囲しかつ開口を有する外側導体と、前記内側導体と前記外側導体との間の誘電媒体と、前記開口を介して前記誘電媒体に接続した前記電磁輻射を輻射する複数の輻射スタブとを有する、
ことを特徴とする同軸マイクロ波電力アプリケータを用いるプラズマ源。
【請求項２】
前記輻射スタブから電磁輻射が輻射され、前記チャンバ内のガス状媒体と相互に作用し、前記プラズマ形成領域を通過して前記試料に向って流れるプラズマ流が形成される、ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマ源。
【請求項３】
前記チャンバ内の前記ガス圧力は、約１０-3Torrから１０-5Torrの範囲であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマ源。
【請求項４】
前記アンテナアレイは、マイクロ波電源に結合された同軸線と、この同軸線に沿って空間に配設されたスタブとをそれぞれ備え、前記スタブは、２つのスタブが互いに近接して一対のスタブをなし、この一対のスタブが近接するスタブ対間の距離と一対のスタブの長さに実質的に等しい長さを有するように前記同軸線に沿って配設され、電磁輻射が前記輻射スタブから輻射されて前記チャンバ内のガス状媒体と相互に作用し、前記プラズマ形成領域を通過して前記試料に向って流れるプラズマ流が形成され、動作ガス圧力が実質的に１０-3Torrから１０-5Torrの範囲である、ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマ源。
【請求項５】
前記近接するスタブ対間の距離と一対のスタブの長さとは、前記アンテナアレイに供給されるマイクロ波電力の波長の二分の一であることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のプラズマ源。
【請求項６】
縦軸に関して対称的なチャンバであって、前記縦軸の周りにプラズマ形成部が形成されたチャンバと、
試料を前記チャンバの前記軸の一端に近接して支持する手段と、
ガス媒体を前記チャンバ内に導入する手段と、
前記チャンバの内周囲に前記チャンバの縦軸と同軸に配設される複数の円筒状永久磁石のアレイからなる磁気アセンブリであって、前記チャンバの内周囲に沿って延在する環状の領域を形成する磁力線と、前記プラズマ形成部を囲むように前記チャンバの縦軸の周りに延在する共振相互作用領域とを形成する磁力線を有する磁界を生成する磁石アセンブリと、
前記チャンバの前記軸の一端に近接する内部無磁界領域を有する磁界壁であって、磁力線が前記無磁界領域内に延在し、前記試料に向うことを最小限に抑制する磁界壁を生成する手段と、
前記磁石アセンブリと前記プラズマ形成部との間に挿入される同軸マイクロ波電力アプリケータと、
前記チャンバ内のガス圧力を維持する手段と、
を備え、
前記同軸マイクロ波電力アプリケータは、前記チャンバの前記プラズマ形成部に向けて電磁輻射を均一に輻射する、環状となる少なくとも一対のマルチ開口アンテナアレイを含んでなり、前記環状となったマルチ開口アンテナアレイは前記チャンバの縦軸と同軸であり、
前記マルチ開口アンテナアレイは、前記プラズマ形成部へと内側に向かって延在する前記チャンバの縦軸に対して垂直な発射軸を有し、
前記マルチ開口アンテナアレイの各々は同軸伝送線及び前記電磁輻射を輻射する複数の輻射スタブを有し、前記同軸伝送線は開口を有し、前記輻射スタブの各々は前記同軸伝送線に接続された第１部分と、前記第１部分と連結しかつ前記開口を介して延在する第２部分を有する、
ことを特徴とする同軸マイクロ波電力アプリケータを用いるプラズマ源。
【請求項７】
エッチングおよびＣＶＤ（化学的気相成長）を含むプロセスで試料を処理するのに使用され、同軸マイクロ波電力アプリケータを用いる電子サイクロトロン共振プラズマ源であって、
縦軸に関して対称の形状を有し、前記縦軸の周りにプラズマ形成部が形成されたチャンバと、
試料を前記チャンバの前記軸の一端に近接して支持する手段と、
ガス媒体を前記チャンバ内に導入する手段と、
前記チャンバの内周囲に前記チャンバの縦軸と同軸に配設される一対の磁石アセンブリであって、前記チャンバの内周囲に沿って延在する連続的な環状の領域を形成する磁力線と、前記プラズマ形成部を囲むように前記チャンバの縦軸の周りに延在する連続的な共振相互作用領域とを形成する磁力線を有する連続的な対称形の磁界をそれぞれ生成する一対の磁石アセンブリと、
前記チャンバの前記軸の一端に近接するように実質的に無磁界の領域を形成するとともに、磁力線が前記無磁界領域中に延在して前記試料に向かうことを最小限に抑制する手段と、
前記磁石アセンブリと前記プラズマ形成部との間に挿入される同軸マイクロ波電力アプリケータと、
前記チャンバ内のガス圧力を所定の圧力に維持する手段と、
を備え、
前記同軸マイクロ波電力アプリケータは、前記チャンバの前記プラズマ形成部に向けて電磁輻射を均一に輻射する、環状となる少なくとも一対のマルチ開口アンテナアレイを含んでなり、前記環状となったマルチ開口アンテナアレイは前記チャンバの縦軸と同軸であり、
前記マルチ開口アンテナアレイは、前記プラズマ形成部へと内側に向かって延在する前記チャンバの縦軸に対して垂直な発射軸を有し、
前記マルチ開口アンテナアレイの各々は、開口を有する同軸伝送線、前記開口を通じて露出した誘電媒体、前記同軸伝送線に接続されかつ前記開口を介して前記誘電媒体に接続した前記電磁輻射を輻射する複数の輻射スタブを有し、
前記輻射スタブから電磁輻射が輻射されて前記チャンバ内でガス媒体と相互に作用し、前記プラズマ形成部を通過して前記試料に向って流れるプラズマ流を形成する、
ことを特徴とする、電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項８】
前記チャンバ内の前記所定のガス圧力は、約１０-3Torrから約１０-5Torrの範囲であることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項９】
前記チャンバは円筒形状を有し、前記磁石アセンブリは円筒状で前記チャンバの近傍に円をなすように配設され、前記磁石アセンブリの各々が、前記チャンバの内周囲に沿って同様に円をなすように延在する連続的な環状の領域を形成する磁力線を有する円をなすように連続で対称な磁界をそれぞれ生成することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１０】
前記アンテナアレイは、マイクロ波電源に結合された同軸ラインと、
この同軸ラインに沿って所定の空間間隔で配設されて前記アンテナアレイをなす複数の輻射スタブと、をそれぞれ備え、前記スタブは、２つのスタブが互いに近接して配設されて一対のスタブをなし、この一対のスタブが近接するスタブ対間の距離と一対のスタブの長さに実質的に等しい長さを有するように前記同軸線に沿って配設されることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１１】
前記近接する対のスタブ間の距離と一対のスタブの長さは、前記アンテナアレイに供給されるマイクロ波電力の波長の二分の一であることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１２】
対をなすアンテナアレイの一方のアレイ上の前記複数の輻射スタブは、前記対をなすアンテナアレイの他方のアレイ上の対応するスタブに対して四分の一波長だけ離隔され、前記対のアンテナアレイを前記マイクロ波電源に接続する前記同軸ラインの結合部は、四分の一波長とされて、前記プラズマ形成部内のプラズマにより反射されて前記対のアンテナアレイに戻るマイクロ波電磁輻射を打消すことを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１３】
前記マイクロ波電源は、約２．４５ＧＨｚの周波数で電磁輻射を輻射することを特徴とする請求の範囲１０に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１４】
前記対のアンテナアレイは、弓形をなすように形成されることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１５】
前記対のアンテナアレイは、マイクロ波アプリケータのカドラント（quadrant）をそれぞれ１つ有し、前記アプリケータは、これら４つのカドラントを備えることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１６】
エッチングおよびＣＶＤ（化学的気相成長）を含むプロセスで試料を処理するのに使用され、同軸マイクロ波電力アプリケータを用いる電子サイクロトロン共振プラズマ源であって、
縦軸に関して対称の形状を有し、前記縦軸の周りに内部にプラズマ形成部が形成されたチャンバと、
試料を前記チャンバの前記軸の一端に近接して支持する手段と、
ガス媒体を前記チャンバ内に導入する手段と、
前記チャンバの内周囲に前記チャンバの縦軸と同軸に配設される一対の円筒状磁石アセンブルであって、前記チャンバの内周囲に沿って円をなすように延在する連続的な環状の領域を形成する磁力線と、前記プラズマ形成部を包囲するように前記チャンバの縦軸に周りに延在する連続的な共振相互作用領域とを形成する磁力線を有する、円をなすように連続的な対称形の磁界をそれぞれ生成する一対の円筒状磁石アセンブリと、
前記チャンバの前記軸の一端に近接するように実質的に無磁界の領域を形成するとともに、磁力線が前記無磁界領域中に延在して前記試料に向かうことを最小限に抑制する手段と、
前記磁石アセンブリと前記プラズマ形成部との間に挿入される同軸マイクロ波電力アプリケータと、
前記チャンバ内のガス圧力を所定の圧力に維持する圧力維持手段と、
を備え、
前記同軸マイクロ波電力アプリケータは、前記チャンバの前記プラズマ形成部に向けて電磁輻射を均一に輻射する、環状となる複数対のマルチ開口アンテナアレイを含んでなり、前記環状となった複数対のマルチ開口アンテナアレイは前記チャンバの縦軸と同軸であり、
前記マルチ開口アンテナアレイのそれぞれは弓状に形成され、
前記複数対のマルチ開口アンテナアレイは、前記プラズマ形成部へと内側に向かって延在する前記チャンバの縦軸に対して垂直なマルチ発射軸をそれぞれ有し、
前記マルチ開口アンテナアレイは、前記電磁輻射を輻射する複数の輻射スタブをそれぞれ有し、
これらのスタブは、前記マルチ開口アンテナアレイに沿って空間内に配設されて前記プラズマ形成部の近傍でマイクロ波電磁輻射を分配し、これらのスタブは、２つのスタブが相互に近接して配設されて一対のスタブをなし、この一対のスタブが近接するスタブ対間の距離と一対のスタブの長さに実質的に等しい長さを有するように前記アンテナアレイに沿って配設され、
前記アンテナアレイから電磁輻射が均一に輻射されて前記チャンバ内でガス媒体と相互に作用し、前記プラズマ形成領域を通過して前記試料に向って一定方向に流れるプラズマ流が形成され、動作ガス圧力が実質的に１０-3Torrから１０-5Torrの範囲である、
ことを特徴とする、電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１７】
前記対のマルチ開口アンテナアレイは、マイクロ波電源に結合された同軸線をそれぞれさらに含み、この同軸線はスロット付きの外側導体を有し、前記輻射スタブが、前記同軸線内の前記スロットによって輻射されるマイクロ波電磁輻射より約二桁から三桁分大きなマイクロ波電磁輻射を輻射するように、前記スロット内に形成されることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１８】
前記近接する対のスタブ間の距離と一対のスタブの長さは、前記マルチ開口アンテナアレイに供給されるマイクロ波電力の波長の二分のーであり、前記対をなすマルチ開口アンテナアレイの一方のアレイ上の前記複数の輻射スタブは、前記対をなすマルチ開口アンテナアレイの他方のアレイ上の対応するスタブに対して四分の一波長だけ離隔され、前記対のマルチ開口アンテナアレイを前記マイクロ波電源に接続する前記同軸線の結合部は、四分の一波長であり、これにより前記プラズマ形成部内のプラズマによって反射され前記対のアンテナアレイに戻るマイクロ波電磁輻射が打消されることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項１９】
前記マイクロ波電源は、約２．４５ＧＨｚの周波数で電磁輻射を輻射することを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項２０】
前記対のマルチ開口アンテナアレイは、前記マイクロ波アプリケータのカドラント（quadrant）の１つをそれぞれ有し、前記アプリケータは、これら４つのカドラントを備えることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項２１】
前記マルチ開口アンテナアレイによって輻射される電磁輻射線の共振周波数を前記マイクロ波電源によって供給されるマイクロ波電源の周波数に整合させる手段をさらに備えたことを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の電子サイクロトロン共振プラズマ源。
【請求項２２】
表面処理を含むプロセスによって試料を処理するため電子サイクロトロン共振加熱によりプラズマを生成する方法であって、
縦軸に関して対称の形状を有し、この縦軸の周りにプラズマ形成部が形成される円筒チャンバを形成するステップと、
ガス媒体を前記チャンバ内に導入するステップと、
前記チャンバ内のガス圧を所定のガス圧力に維持するステップと、
前記チャンバの縦軸の一端に近接するように試料を支持するステップと、
前記チャンバの内周面に沿って円をなすように延在する連続的な環状の領域を形成する磁力線と、前記プラズマ形成部を包囲するように前記チャンバの縦軸の周りに延在する連続な共振相互作用領域とを形成する磁力線を有する、円をなすように連続的かつ対称形の磁界を生成するステップと、
環状となる複数対のマルチ開口アンテナアレイを備えた環状アプリケータを形成することにより、前記プラズマ形成部に電磁輻射を均一に輻射して、前記プラズマ形成部を通過して前記試料に向って一定方向に流れるプラズマ流を形成するステップと、
を備え、
前記環状になったマルチ開口アンテナアレイは、前記チャンバの縦軸と同軸であり、
前記マルチ開口アンテナアレイは、前記プラズマ形成部へと内側に向かって延在する前記チャンバの縦軸に対して垂直なマルチ放射軸をそれぞれ有し、
前記マルチ開口同軸アンテナアレイはそれぞれ、前記アンテナアレイに沿って空間内に配設された複数の輻射スタブを含み、これらスタブのうちの２つが相互に近接して配設されて一対のスタブをなし、この一対のスタブが、近接するスタブ対間の距離と一対のスタブの長さに実質的に等しい長さを有するように配設されて前記プラズマ形成部の近傍でマイクロ波電磁輻射を均一に分配し、動作ガス圧力が実質的に１０-3Torrから１０-5Torrの範囲である、
ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
エッチングおよびＣＶＤ（化学的気相成長）を含むプロセスにより試料を処理する用途に用いられる電子サイクロトロン共振プラズマ源に用いるマイクロ波電力アプリケータであって、
前記電子サイクロトロン共振プラズマ源は、
縦軸に関して対称で、かつ、前記縦軸の周りにプラズマ形成部が形成されたチャンバと、
前記チャンバの前記軸の一端に近接して試料を支持する手段と、
前記チャンバの内周囲に前記チャンバの縦軸と同軸に配設される一対の円筒状磁石アセンブリであって、前記チャンバの内周囲に沿って円をなすように延在する連続的な環状の領域を形成する磁力線と、前記プラズマ形成部を包囲するように前記チャンバの縦軸の周りに延在する連続的な共振相互作用領域を形成する磁力線を有する、円をなすように連続的な対称形の磁界をそれぞれ生成する一対の円筒状磁石アセンブリと、
前記円筒状磁石アセンブリと前記プラズマ形成部との間に挿入された前記マイクロ波電力アプリケータと、
を含み、
前記マイクロ波電力アプリケータは、
前記チャンバのプラズマ形成部に向かって電磁輻射を均一に輻射する、環状となる複数対のマルチ開口アンテナを含んでなり、前記環状となった複数対のマルチ開口アンテナアレイは前記チャンバの縦軸と同軸であり、
前記マルチ開口アンテナアレイのそれぞれは弓状に形成され、
前記複数対のマルチ開口アンテナアレイは、前記プラズマ形成部へと径方向内側に向かって延在する前記チャンバの縦軸に対して垂直なマルチ発射軸をそれぞれ有し、
前記複数対のマルチ開口アンテナアレイの各々は、
約２．４５ＧＨｚの周波数でマイクロ波電力を供給するマイクロ波電源に接続されかつ外側導体にマルチ開口を有する同軸線と、
前記チャンバの前記プラズマ形成部に向けて電磁輻射を均一に輻射し、前記電磁輻射を輻射する複数の輻射スタブであって、前記外部導体内で形成され所定の空間間隔で前記同軸線に沿って配設されて、前記プラズマ形成部の周辺近傍の全領域でマイクロ波電磁輻射を均一に分配し、２つのスタブが相互に近接して配設されて一対のスタブをなし、この一対のスタブが、近接するスタブ対間の距離とともに一対のスタブの長さに実質的に等しい長さを有するように前記同軸線に沿って配設され、前記近接する対のスタブ間の距離と一対のスタブの長さは、前記アンテナアレイに供給されるマイクロ波電力の波長の二分の一であり、前記同軸線内の前記開口によって輻射されるマイクロ波電力より約二桁から三桁分大きなマイクロ波電磁輻射を輻射するように、前記開口内に形成される輻射スタブと、
を備え、
前記アンテナアレイの前記輻射スタブから電磁輻射が均一に輻射されて前記チャンバ内でガス媒体と相互に作用し、前記プラズマ形成部を通過して前記試料に向って一定方向に流れるプラズマ流が形成され、動作ガス圧力が実質的に１０-3Torrから１０-5Torrの範囲である、
ことを特徴とするマイクロ波電力アプリケータ。
【請求項２４】
前記対をなすマルチ開口アンテナアレイの一方のアレイ上の前記複数の輻射スタブは、前記対のマルチ開口アンテナアレイの他方のアレイ上の対応するスタブに対して四分の一波長だけ離隔され、前記対をなすマルチ開口アンテナアレイを前記マイクロ波電源に接続する前記同軸線の結合部は、四分の一波長であり、これにより、前記プラズマ形成部内のプラズマによって反射され前記対のマルチ開口アンテナアレイに戻るマイクロ波電磁輻射が打消されることを特徴とする請求の範囲第２３項に記載のマイクロ波電力アプリケータ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般的には、プラズマ流を生成するための電子サイクロトロン共振加熱プラズマ源、例えば、VLSIウェーハ等の試料のＣＶＤ（化学的気相成長）、エッチング、洗浄を含む処理応用に用いるプラズマ源に関し、より詳細には、電子サイクロトロン共振加熱プラズマ源と共に用いられるマイクロ波アプリケータおよびこれを採用した方法および装置に関する。
２．関連する技術
本発明は、冷たいプラズマの生成、より詳細には、電子サイクロトロン共振加熱により様々な望ましい性質を向上させるプラズマを生成することに関する。より詳細には、本発明および関連する先行技術は、加えられるマイクロ波電力、周囲ガスの圧力と組成、磁界の構成（コンフィギュレーション）の詳細およびマイクロ電力をプラズマに結合する手段等によって決定される定常状態値でのプラズマの密度と組成、並びに電子とイオンの温度等を支配する物理条件に関する。これらの条件は、結合される種、つまり、電子、イオン、および中性ガス原子の各々の粒子と電力のバランスに起因するプロセスの観点から考察することができる。
プラズマのほぼ完全な現実的な移送モデルの近似としての理想化ポイントモデルの場合でさえも、このような系（システム）を特性化する様々な基本的プラズマパラメータの相互に関連し合う値の間には、幾つかの重要な依存性があることが示される。これらの依存性は、実用化に際して様々な応用、例えば大規模集積（VLSI）回路に用いるウェーハ等の試料の処理において必須であると信じられる、要求される濃度の反応種を含む大容積の一様な静止低温プラズマの達成を困難にする幾つかの基本的な妨害要因を明確にする。これらのプラズマの応用には、ＣＶＤ、エッチング、洗浄や、特に、サブミクロンサイズの形状を持つ半導体デバイスのプラズマ支援処理が含まれる。
好適なプラズマを形成するに当たっての基本的な問題が以下の先行技術文献において示されている。以下では、先行技術と、本発明の実施例とを、一部先行技術との比較に基づいて行なうことで、先行技術において一般的に指摘されている短所および妨害要因を克服する本発明の方法および装置の新規な点を実証する。
上述したような半導体処理応用において電子サイクロトロン共振（ECR）加熱を採用するプラズマ源は、新たに出現し現在でも発達中の新技術を備え、これらは、例えば大規模集積（VLSI）ウェーハの洗浄、エッチングおよび材料の堆積等に適用することができる。ただし、本発明は、半導体ウェーハ上にサブミクロンの形状寸法を達成する能力、高速な処理速度、大きな試料を一様に処理する能力等を要求されるこれらの典型的な応用以外にも、類似の他の処理技術にも適用できる。さらに、これらの全ての技術において、反復製造できることや、コスト的に実効性ある方法であることも要求される。ただし、これらの技術の一般的な特性については、当業者においては良く理解されていると思われるために、ここでは詳細には触れない。
本発明の電子サイクロトロン共振（ECR）プラズマ源は、様々なＣＶＤあるいはエッチング応用に用いることを意図するが、ただし、これらの応用の一般パラメータは本発明の部分を構成するものではない。以下では、これらの応用における幾つかの重要な点を本発明のより良い理解のために簡単に述べる。
以下に説明する本発明や先行技術によって提供されるECRプラズマ源は、磁界とマイクロ波電力を用いることで、化学的に活性なプラズマを、非常に低い圧力値に至るまでの様々なガス圧力の範囲に渡って生成する。この低圧動作は、低温イオン、ラジカル、および他の種の反応物の、異方性でかつ指向性の高い流れ（ストリーム）を、処理される試料よりかなり大きな横方向の寸法に渡って均一に形成するために必要となる。
例えば、VLSIウェーハのプラズマ強化型ＣＶＤあるいは反応性イオンエッチング用に設計された一つのECRプラズマ源においては、好適な混合ガスが、好適に形成された定常磁界内に浸漬された真空のチャンバ内に導入され、電磁輻射を照射される。電磁輻射fμの周波数は、共振相互作用領域と呼ばれる定常磁界の領域内の電子のジャイロ（サイクロトロン）周波数と等しくなるように選択される。共振状態においては、共振相互作用領域Ｂres内の定常磁界の強度と、電磁輻射線の周波数との間には、fμ＝ｅＢres／（２πｍ）なる関係があり、ここで、ｅは電荷の大きさであり、ｍは電子の質量である。
共振相互作用領域内の電子は、電磁輻射から運動エネルギーを取得し、輻射電力とガスの圧力が適正に調節された場合、加熱された電子は、ガスの分子をイオン化し、プラズマを生成する。プラズマイオンおよび電子は共振相互作用領域から流出してVLSIウェーハ上に当たり、このウェーハ上でこれらのイオンは、新たな材料の堆積、現存の材料のスパッタリング、あるいは現存の膜のエッチングの促進を行うことができる。プラズマの密度が十分に高ければ、堆積、スパッタリング、あるいはエッチング速度をかなり高速にできる。イオンのエネルギーが十分に低ければ、試料に無線周波数（RF）バイアスを用いた場合でも、処理される試料への損傷を防止することができる。また、サブミクロンスケールの形状を狭く、深く、エッチングするためには、イオン軌道が高い指向性を有することが必要である。これは、無線周波数（RF）バイアスと十分に低いガス圧力を用いて動作し、イオン散乱の平均自由行程が、試料をプラズマの本体から分離するシース領域の長さよりも長くなることを確保することにより可能になる。
加えて、プラズマイオンの温度が十分に低く、エネルギーイオンの超熱グループが存在しない場合は、試料を、例えば試料にRF電力を印加することでプラズマ内部に対して電気的にバイアスすることができる。この方法で、試料を電気的に十分に大きな静電電位にバイアスし、しきい値イオンエネルギーを超えて試料に過剰な損傷が発生することなく、高度に異方的な処理を実現することが可能となる。
商用の試料を処理するためには、ECR源からのプラズマの流れが、１５〜２０ｃｍより大きな横方向の寸法に渡って均一となることを保証する必要がある。本発明は、中性ガスの低圧混合物内のイオンと電子の密度を高く維持したままで低温プラズマの流れを大きくかつ均一にする必要性に答えることを目的とする。
先行技術における一つのクラスのECRプラズマ源として、一般的に、「スミトモソース（Sumitomo source）」と呼ばれるプラズマ源がある。このスミトモソースは、例えば、1983年8月30日付けでMatsuoらに付与された合衆国特許第4,401,054号のプラズマ堆積装置において開示されれており、T. Ono、M. Oda、C. TakahashiおよびS. MatsuoらによってJ. Vac. Technol. B4. 696（1986）において詳しく説明されている。Matsuoらに付与された合衆国特許第4,401,054号に開示された装置では、プラズマは、試料に向って磁力線に沿って流れる。開示された装置を用いるプラズマ密度では、望ましい程度の空間的な均一性を達成することは非常に困難である。さらに、共振相互作用領域内で加熱された電子が磁力線に沿って試料に向って直接流れるために、高エネルギー電子の不安定なバーストおよび関連する高エネルギーイオンのグループが生成され、これによって処理される試料が損傷するの回避するために、加えるマイクロ波電力を制限することが必要となる。
これらの不安定な電子のバーストおよび不随する高エネルギーイオンの超熱グループの生成原因となる物理過程は、B. H. QuonおよびR. A. Dandlらの論文“Preferential electron-cyclotron heating of hot electrons and formation of overdense plasma（熱電子の選択的電子サイクロトロン加熱および超密プラズマの形成）”, Phys. Fluids B1（10）October 1989：G. E. Guest. M. E. FetzerおよびR. A. Dandlらの論文“Whistler-wave electron cyclotron heating in uniform and nonuniform magnetic fields（均一および非均一磁場内でのホイッスラー波電子サイクロトロン加熱）”、Phys. Fluids B2（6）June 1990：およびR. A. DandlおよびG. E. Guestらの論文“On the low-pressure mode transition in electron cyclotron heated plasmas（電子サイクロトロン加熱プラズマにおける低圧モード遷移に関して）”、J. Vac. Sci. Technol. A9（6）. November/December 1991において説明されている。
関連する先行技術としては、1985年1月8日付けでMatsuoらに付与された”Plasm Deposition Method and Appatatus（プラズマ堆積法および装置）”という名称の合衆国特許第4,492,620号および1986年1月21日付けでMatsuoらに付与された“Semiconductor Device and Manufacturing Process Thereof（半導体デバイスとその製造プロセス）”という名称の合衆国特許第4,564,997号がある。上述した３つの合衆国特許は、Nippon Telegraph & Telephone Public Corporationなる譲受人の下で付与されている。同一の譲受人の下で付与された追加の関連する特許としては、1984年5月22日付けでOnoらに付与された“Ion Shower Apparatus（イオンシャワー装置）”という名称の合衆国特許第4,450,031号；1985年3月12日付けでNakayamaらに付与された“Chemical Vapor Deposition Apparatus（ＣＶＤ装置）”という名称の合衆国特許第4,503,807号；および1986年1月28日付けでItsumiらに付与された“Manufacturing Process for Semiconductor Integrated Circuits（半導体集積回路の製造プロセス）”という名称の合衆国特許第4,566,940号等もある。
ECRプラズマ源のもう一つの設計（基本的な性質は非常に異なる）は、フランスに起源を持ち、1985年8月13日付けでArnalらに付与された“Process and Device for Producing A Homogeneous Large-Volume Plasma of High Density and Low Electronic Temperature（高密低電子温の均質な大容積のプラズマを生成するためのプロセスおよびデバイス）”という名称の合衆国特許第4,534,842号において開示されている。この特許に開示されるプロセスおよびデバイスでは、プラズマが、プラズマの空間的な均一性を向上させるために、非常に低い磁界強度の大きな体積内に集められる。ただし、共振相互作用領域は、チャンバの壁に近接して設置された金属性の伝導アンテナ付近の小さな体積内に局所化される。マイクロ波電力をプラズマに結合するこのアプローチでは、プラズマの生成効率が制限され、また、金属不純物が過剰に生成された。
イオン源に関する様々な概念が、多くの合衆国特許において開示される。これらには、1971年3月23日に交付された合衆国特許第3,571,734号；1973年11月20日に交付された合衆国特許第3,774,001号；1974年2月5日に交付された合衆国特許第3,790,787号；1983年11月22日に交付された合衆国特許第4,417,178号；1987年1月20日に交付された合衆国特許第4,638,216号；1970年3月10日に交付された合衆国特許第3,500,077号；1971年6月1日に交付された合衆国特許第3,582,849号；1972年5月2日に交付された合衆国特許第3,660,715号；1972年5月16日に交付された合衆国特許第3,663,360号；および1973年6月26日に交付された合衆国特許第3,742,219号が含まれる。上述の先行技術や、引用の参照文献を、ECRプラズマ源およびその応用の背景の理解を得るために参照されたい。
Dandlに付与された合衆国特許第5,370,765号、およびこの特許で引用される参照事項において開示される方法および装置は、ECRプラズマ源を用いて、半導体処理応用に対して理想的に適合されたプラズマを生成することができる。この方法および装置では、新規なスロット導波マイクロ波アプリケータが、新規な磁界構成（コンフィギュレーション）が得られるように適合され、電子サイクロトロン加熱電力の空間的に均一な高い磁界の照射が提供される。開示される方法および装置の実用例においては、アプリケータおよび結果としてのプラズマ源の物理サイズが、６あるいは８インチのいずれかのウェーハに対して設計された今日の処理装置に適合するように、比較的高い周波数のマイクロ波電力が採用される。６．２ＧＨｚ付近の周波数を持つ既に利用可能なマイクロ波電力源を、高エネルギー密度の永久磁石とともに用いて、６．２ＧＨｚのマイクロ波周波数ｆμに対するサイクロトロン共振値Ｂresとして必要な２．２ｋｇを超える磁界強度が生成される。
上述のDandlによって開示されたアプローチは、様々な応用に対する様々な要件を満すことができるというECRプラズマ源に対する必要性を満たすことが発見された。開示された方法および装置は、イオンと電子の密度を特に中性ガスの低圧混合物内で高く維持したままで静止低温プラズマの大きく均一な流れを生成することができ、これにより反応種の望ましい組成のみならず、異方性の高い指向性を持つプラズマの流れを得ることができる。さらに、開示されるアプローチは、円筒形状、平面形状、その他より一般的な形状の構成を含む多様な構成（コンフィギュレーション）で実現することができる。開示された装置のチャンバ壁は、プラズマを用いるべきプロセス特有の要件次第で、例えば溶融石英、電融アルミナ、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウムから製造することができる。
しかしながら、より低周波のマイクロ波電力、例えば、非常に一般的な２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数を用いることができれば、望ましいことである。２．４５ＧＨｚの周波数を用いた場合、より安価で、またはより小さな、またはより安価でかつより小さい、エネルギー密度のより低い永久磁石材の使用が可能となり、これにより著しい経済的利益の達成が促進される。さらに、２．４５ＧＨｚの周波数の場合、より安価なマグネトロンマイクロ波源と関連する電源を用いることが可能となる。
２．４５ＧＨｚにて動作するために、上述のDandlによって開示されたスロット導波マイクロ波アプリケータでは、５〜８平方インチの範囲の断面積を持つことが必要となる。このようなアプリケータでは、構造が非常に大きくかさばることになり、これにより関連する磁界生成構造が非効率となり、通常は、今日構成される半導体処理の応用には向かない。Dandlによって開示されたECRプラズマ源の本質的な特徴は、新規な磁界構成（コンフィギュレーション）にうまく適合された分散型マイクロ波アプリケータにある。Dandlによって開示されたスロット導波アンテナを変形する場合は有益である。特に、スロット導波アンテナを同様に機能する同軸アンテナと置換した場合は、アプリケータのサイズを数分の一インチの厚さに縮小することができ、磁界生成構造が特に効率的になり、同時に、均一なプラズマの生成に最高に効果的なものになり得る。
発明の要約
本発明の一つの目的は、先行技術の一つあるいは複数の短所を克服し、同時に関連する長所を達成することができる電子サイクロトロン共振加熱の手段によりプラズマを生成するための方法および装置を提供することにある。
本発明のさらにもう一つの目的は、ＣＶＤやエッチングの応用、あるいは負のイオン源のような他の応用に用いることができる電子サイクロトロン共振加熱の手段によりプラズマを生成するための方法および装置を提供することにある。プラズマ源のチャンバは、対称な円筒状あるいは他の好適な構成で形成することができる。このチャンバは縦軸を持ち、この縦軸の一端には出口が設けられる。このチャンバは、またチャンバ内にガス媒体を導入するための手段をこの縦軸の他端に持つ。本発明のいくつかの実施形態は、それぞれ後述するが、いずれの形態もチャンバ内に大容積の均一な冷たいプラズマを生成することができる。チャンバは応用に応じて、溶融石英から製造することも、別の方法として金属壁を持つこともできる。
円筒状の構成（コンフィギュレーション）では、磁界形成磁石はチャンバの周辺に配設され、チャンバの周辺を連続的に延びる軸対称な環状構造の形態で軸対称構成（コンフィギュレーション）の磁力線を形成し、チャンバ内に軸対称な共振相互作用領域を生成する。このような構成の下で、マイクロ波電力がプラズマ形成チャンバ内にチャンバの縦軸に垂直に延びる注入経路に沿って好ましくは径方向に注入される。こうして、プラズマ電子がマイクロ波電力との相互作用によって高エネルギー化されるが、これらは磁力線に沿って出口に直接に流れることはできない。
マイクロ波電力は、本発明のマイクロ波アプリケータを用いて注入される。この新規のマイクロ波アプリケータは、磁界構成も適当に修正されることを前提として、溶融石英、電融アルミナ等の誘電材や、他の様々な金属から製造できるチャンバ内で機能するように適合することができる。加えて、本発明のマイクロ波アプリケータは、大きな直線状のアレイの磁石と共に、非常に大きな表面積を持つ試料を処理するために用いることもできる。
マイクロ波電力は、結果としての高エネルギー電子が磁気ミラーに類似の磁界領域内で複数の反射を経験し、周辺に配設された磁石によって形成される環状の磁気ミラー領域内で歳差運動するようにチャンバ内に注入されることが好ましい。別の方法として、高エネルギー電子が複数の衝突の結果、内側に流れるようにしても良い。帯電した粒子の磁気ミラー構成内での歳差運動については、David J. RoseおよびMelville Clark, Jr. による著作（Plasmas and Controlled Fusion）、John Wiley and Sons. N. Y. ,1961の特に198-221ページなどの刊行物で長く記載されている。この構成は、高エネルギー電子と中性ガス原子との間の衝突の可能性を促進し、これにより、プラズマ形成チャンバ内のガスの圧力が低い場合でも、プラズマ密度が大幅に増大する。プラズマ形成チャンバ内のガスの圧力を１０-5Torr未満から１０-3Torrを超える範囲に維持することが好ましい。これは、試料への高い方向性を持つ流れを形成するプラズマの密度を十分に維持しながら反応種の要求される混合物を確保するためである。
上述のように形成されたプラズマチャンバ内に、プラズマ形成チャンバと出口との間に非常に低い磁界強度の領域を形成して、プラズマが大きな横方向の寸法に渡る均一性を達成できるようにすることが好ましい。このプラズマ源をＣＶＤ、エッチングその他のモードの表面処理のために用いることにより、処理されるべき試料が出口に通じるところには配置され、高度に均一なプラズマを包含する横方向の寸法が試料のサイズより大きくなり、試料の表面全体に渡って均一な処理が保証される。
こうして、本発明の方法および装置によると、先行技術によって利用できたものと比較して、より大きなプラズマ密度を持つプラズマ流を生成することができ、結果として、より大きなイオンフラックス（流）すなわち電流密度を得ることが可能なことが発見された。同時に、プラズマ流に対するプラズマ分布の均一性が、無磁界領域内で達成される。さらに、これらの条件を、幅広いレンジのガス圧力に渡って達成することができるために、反応種を広い範囲で制御して指向性ある処理が可能となる。加えて、このプラズマ源はこれらの機能を、産業応用に適する高い再現性にて遂行する。
上述のような構成内で用いるマイクロ波電力アプリケータは、磁石アセンブリとチャンバのプラズマ形成部との間に入される。このアプリケータは、プラズマ形成部へと内側に向かって延在し、かつ前記チャンバの縦軸に対して垂直に延在する発射軸を有し、チャンバのプラズマ形成部に向けて電磁輻射を均一に輻射するスロット同軸導波アンテナアレイを少なくとも一対含む。他の実施例では、マイクロ波電力は、共振相互作用領域（高磁界発射）内より大きな磁界密度を持つ領域領域から輻射され、これにより、高密度のプラズマを生成することができる。この高密度なプラズマの電子プラズマ周波数特性は電子ジャイロ周波数を大幅に超える。これは例えば、Quon and Dandlによる著作において議論されるように、通常「過密動作（over-dense operation）」と呼ばれている状態である。
対のアンテナアレイは、ある間隔で配設されてマイクロ波電力を輻射する複数の輻射スタブを含む。これらの輻射スタブは、各アンテナアレイに沿って所定の間隔にて配設され、プラズマ形成部のほぼ周辺にマイクロ波電力を均一に効率的に分配する。これらのスタブは、アンテナによって輻射されるマイクロ波電力のレベルを、先行技術によるスロット同軸導波アンテナと比較して、約二桁から三桁分増大させる。このような輻射スタブの間隔と方位のために、各アンテナはコヒーレントな平面波を発射し、この平面波は望ましい極性で共振相互領域内に向かって伝播する。このアンテナアレイの効率の良さのために、本発明においては２．４５ＧＨｚという低い周波数にてマイクロ波電力を輻射する能力を持つマイクロ波アプリケータを用いることが可能となる。本発明によるこのマイクロ波アプリケータは、Dandlによって開示される上述のスロット導波アプリケータにてより高いマイクロ波周波数例えば６．２ＧＨｚにて輻射するのと同様にマイクロ波電力を好適な分布を持つ共振相互作用領域内に輻射する。
本発明のもう一つの目的は、マイクロ波アプリケータを、幾つかの応用、特に処理される試料が高エネルギーの荷電粒子による損傷を受けにくい応用に対して、適合化された直線状のアレイにて適切な磁界形成構造とともに提供することにある。本発明のマイクロ波アプリケータは、好ましくは、先行技術によって開示されるように、処理されている試料が共振相互作用領域からの高エネルギーの荷電粒子によって損傷を受けるのを防止するために、アプリケータは、磁力線が試料に直接に当たらないように、直線状のチャンバの片面に配設しても良い。
本発明の方法および装置における追加の特徴を用いて、チャンバの出口で生成されるプラズマ流の望ましい特性やプラズマ源の望ましい動作特性をさらに向上させることも好ましい。例えば、本発明によるマイクロ波アプリケータは、結果として生成される高エネルギー電子の一部が、軸対称の円筒チャンバの周囲を連続的で均一に延びる環状磁気ミラー領域内で歳差運動するように、周辺磁界形成磁石手段との関連で配設されることが好ましくい。こうすることで、高エネルギー電子内のエネルギーが周囲のガス原子に効率的に移動し、チャンバ内のガスの圧力が低い場合でも、プラズマ密度が最大化される。さらに、選択された反応ガスが環状磁気ミラー領域を通過してプラズマの中央領域に流れるようにすることにより、そのイオンの濃度を中性原子に対して大きく増大させるように、選択された反応ガスを導くことができる。これにより、プラズマは異なる「キャリア」ガス種を多く含むようになり、反応ガスのイオンを共振電荷交換反応を介して除去することができなくなる。
本発明のさらにもう一つの目的は、反射してマイクロ波発生器に逆戻りする入射マイクロ波電力の割合を最小にするマイクロ波アプリケータを提供することにある。この特徴は、平行に配設されるが、一つのアンテナから反射される電力が第二の、対のアンテナから反射される電力を確実に打消すように分離して配設された複数対のアンテナからアプリケータを形成することによって達成される。こうして、本発明の方法および装置は、イオン電流密度が実質的に１０ミリアンペア／平方センチを超え、２０ｃｍを超える横方向の寸法に渡って高度に均一であり、イオンおよび電子の温度が非常に低く、しかも、高密度の超熱的荷電粒子がないプラズマ流を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
本発明の新規性のある目的および特徴は、最後に添付する請求の範囲に特に示す通りである。以下の記述を添付図面と関連づけて参照することにより、その構成および動作方法に関して他の目的および長所とともに、本発明を最も良く理解することができる。
図面においては；
第１図は、本発明のスロット同軸マイクロ波アプリケータを直線状の形態を用いる先行技術による直線状のアレイプラズマ源の概略を示す断面図；
第２図は、本発明に従って構成されたスロット同軸マイクロ波アプリケータを用いる円筒状プラズマ形成チャンバの概略を示す断面図；
第３図は、本発明のスロット同軸マイクロ波アプリケータを４カドラント（quadrant）中の一カドラントで示す概略部分図；
第４Ａ図は、本発明のスロット同軸マイクロ波アプリケータの２本の対アンテナアレイの円筒部分の略示部分平面図；
第４Ｂ図は、第４Ａ図の２本の対のアンテナアレイの一部の概略を示す側面図であり；
第５Ａ図および第５Ｂ図は、本発明のマイクロ波アプリケータの一つの輻射スタブを示す概略図；
第６図は、本発明のマイクロ波電力源を示す概略図
好ましい実施例の説明
以下の説明は当業者が本発明を製造および使用できるように提供され、発明者によって考えられた本発明を遂行する最良の形態を示す。ただし、ここでは主に本発明の一般的原理を説明するため、当業者において様々な修正がいつでも可能であることは明白である。
第１図は、Dandlに付与された合衆国特許第5,370,765号に開示されるタイプの構成を持つ大エリア直線状のAMPCプラズマ源１０を示す。このプラズマ源１０は、本発明の原理に従って構成されるマイクロ波アプリケータ１２のサイズと磁界生成構造との間の関係を示す目的で示される。プラズマ源１０は好適な永久磁石材を有する平行なバー１４を含む。磁石１４は交番する極性を有し、磁石１４の各々は中心間の間隔が所定の距離λとなるように配設される。当業者においては周知のように、結果として得られる磁界の強度は、磁石１４の面１６からの距離とともに指数関数的に低減し、Ｂ（Ｌ）＝Ｂ（０）exp（−Ｌ／λ）に等しい特性長λを持つ。ここで、Ｂ（Ｌ）は磁石１４の面１６からの距離Ｌにおける磁界の強度を表し、Ｂ（０）は磁石１４の面１６における磁界の強度である。マイクロ波アプリケータ１２が最適に機能するためには、アプリケータ１２の面１８における磁界の強度が共振値よりも１．５倍から２倍高くなるように、共振での磁界強度（２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力の場合は８７５ガウス）の位置を少なくともアプリケータ１２の面１８から２ｃｍ離すことが望ましい。アプリケータ１２の厚さが約１ｃｍであり、特性長λが約３ｃｍである場合は、望ましい共振領域（後に説明する）の位置を達成することができる。さらに、この寸法の場合は、磁界の強度は磁石１４の面１６から１０ｃｍより大きく離れた距離においては低い値に落ち、これにより、プラズマは事実上の無磁界領域（これについても後に説明する）内に流れ、空間内を均一に自由に広がることができる。
第２図は、本発明の原理に従って構成され、新規のスロット同軸マイクロ波アプリケータ１２を採用する新規の電子サイクロトロン共鳴プラズマ源２０の第１の実施の形態を示す。本発明のプラズマ源２０は、直径が大きい均一な低温プラズマの流れを、好ましくは低いガス圧の広いレンジに渡ってチャンバ２２内に生成することを目的とする。
プラズマ源２０は、円筒の形状を有し、自身の縦軸２４に関して軸対称なチャンバ２２を備える。従来のガス源２６から中性の反応ガス混合物がチャンバ２２内に導入され、これにより、歳差運動する高エネルギー電子の環状層に向かわせることができる。別の方法として、反応ガスをチャンバ２２内の他の部分に導入することで、プラズマ媒体のイオン、ラジカル、あるいは反応ガスの他の活性成分の反応種との間の相対濃度を制御することもできる。
チャンバ２２は、チャンバ２２内のガスの圧力を所定の値に維持するように適合された高速真空ポンプ２８をも備える。図には示さないが、当業者においては、溶融石英や電融アルミナ等の誘電体ライナを採用するプラズマ源２０の代替的な実施形態もすぐに構成することができる。先行技術による直線状のプラズマ源１０（第１図に示す）も同様な真空ポンプ手段とチャンバ２２に好適なガス混合物を供給するための手段に適している。
永久磁石３０の複数の円筒アレイによってチャンバ２２内には磁力線が軸対称構成（コンフィギュレーション）に形成される。２つの環状の円筒永久磁石アセンブリ３２、３４がプラズマ形成部３６の周囲に配設される。これらの磁石アセンブリ３２、３４は、軸対称構成の概ね環状で円筒状の丸く突き出た領域を形成する磁力線を発生する。単に解説を目的として、第一の円筒磁石アセンブリ３２に対しては、環状の丸く突き出た領域をもつ３つの磁力線３８、４０、４２が示される。他方の円筒磁石アセンブリ３４に対しても、類似の磁力線４４、４６、４８が示される。これらの磁石アセンブリ３２、３４が、円筒状で、チャンバ２２の周辺に関して概ね軸対称であり、丸く突き出た領域を形成する磁力線の隣接するペア３８、４０と、４４、４６が環状の磁界ミラー領域５０、５２を形成することは重要な特徴である。第２図にはこれらの環状の磁界ミラー領域５０、５２が、これらの領域の位置を強調するためにクロスハッチングにて（影を付けて）示される。
第６図にも示されるマイクロ波電源５４が、磁石アセンブリ３２、３４の前部にチャンバ２２のプラズマ生成部３６に近接して配設される。マイクロ波電源５４は、スロット同軸マイクロ波アプリケータ１２を備えることが好ましい。アプリケータ１２は、後に詳述する環状セクタの４対のスロット同軸アンテナアレイを有する。マイクロ波電力はこのアプリケータ１２を介してチャンバ２２のプラズマ生成部３６に導入される。マイクロ波電力は、チャンバ２２の縦軸２４に対して垂直に延びる複数の径方向輻射線注入軸５６に沿ってこのプラズマ形成部３６内に導入される。
スロット付きのすなわちマルチ開口を持つ同軸マイクロ波アプリケータ１２により、マイクロ波電力が、チャンバ２２のプラズマ形成部３６の周囲全体に均一に導入される働きを持つ。加えて、チャンバ２２の軸対称構造のために、各発射軸５６はチャンバ２２の縦軸２４に対して輻射状に配設される。磁界の強度は、アプリケータ１２での局所最大値から、共振相互作用領域５８（後に説明する）に向かって次第に低減し、これにより過密なプラズマ動作が可能になる。
第３図、第４Ａ図、第４Ｂ図および第６図に示すように、本発明の新規の要素は、電源５４に接続され、対の同軸アンテナアレイ６０を備えたアプリケータ１２の設計にある。アンテナアレイ６０は、Dandlによって以前に開示されたタイプの磁気構成（コンフィギュレーション）、つまり、環状のカスプ（cusp）磁界を持つ円筒構成や直線状のカスプ磁界を持つプレーナ構成に対して、分散型マイクロ波アプリケータとして構成することができる。
スロット同軸アンテナアレイ６０の本質的な設計要素は、電源５４に接続された同軸ラインあるいは同軸導波管６６の外側導体６４のスロット６３内に形成された個々の輻射スタブ６２の幾何構成（コンフィギュレーション）と、これら一連の輻射スタブ６２の間隔にある。周知のように、同軸ライン６６の外側導体６４内に単純な横方向スロット６３を設けた場合は、TEM伝送直線状のモードによって導電壁内に誘導される縦電流は単にスロット６３の周囲を流れるだけなので、同軸ライン６６に結合されるわずかな量の電力のみが輻射される。つまり、TEMモードによって導電壁内に誘導される電流はスロット６３の両端近傍に流れ、スロット６３を横断して出現する電界を大きくショートするため、横方向スロット６３は非常に非効率な輻射器である。
しかしながら、本発明による輻射スタブ６２は、それぞれ、図面に簡略的に示すようなより複雑な構造を採用し、スロット６３によって典型的に輻射される電力を二桁から三桁分増大させる。スタブ６２からの輻射は、同軸ライン６６に対して平行に延びる電界Ｅと同軸ライン６６に対して垂直に延びる磁界Ｈと直線状に偏波される。同軸アンテナアレイ６０内に、図示するような適当に選択されたサイズと間隔並びに好適な終端を持つ形式の複数のスタブ６２を採用することで、分散型マイクロ波アプリケータ１２に対して用いるのに適する共振アンテナ構造をいつでも実現することができる。このアンテナ構造は電磁場をコヒーレントな平面波の形式にて発射する。
第３図、第５Ａ図、および第５Ｂ図は、対のアンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂの一つの可能な構成（コンフィギュレーション）を示す。各アンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂ上には、二分の一波長λ／２だけ離された複数対のスタブ６２が設けられている。マイクロ波電力は、電源５４に接続された同軸ライン６６を用いて、各アンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂに供給される。同軸ライン６６はやや直線状のとされ、チャンバ２２の外側シェルを構成する軟質鋼シェルを好適な程度だけ貫通する。各マイクロ波源すなわち導波６６は、電力を２つのアンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂに供給する。さらに、スタブ６２を非磁性のボス７３とともに構成し、これを用いてスタブ６２が構造的に支持されるようにしても良い。ボス７３は、非磁性のステンレス鋼を含み、例えば、ろう付で外側導体６４に固着すると良い。
図示される２本のアンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂは、４つの同一のカドラント（quadrant）６８のうちの１つのカドラントを表し、これらが一体となって、プラズマ源２０の周囲にマイクロ波電力を均一に分配する。これらの２本のアンテナアレイ６Ａ、６０Ｂを並列に接続して、アプリケータ１２のカドラント６８を形成する。各同軸ライン６６は、例えばそれぞれ銅を含む外側導体６４と内側導体７０、および外側導体６４と内側導体７０の間の間隔を満たす誘電媒体７２を備えている。ポリテトラフルオエチレンのような好適な誘電材料を含むスペーサ７１が、内側導体７０と外側導体６４との間に挿入される。スペーサ７１は内側導体７０と外側導体６４の間の距離を維持するために備えても良い。対の輻射スタブ６２が、アプリケータ１２のカドラント６８の各脚部に沿って、二分の一波長λ／２の間隔にて形成される。結合要素７４が備えられてスタブ６２が誘電媒体７２に電気的に結合される。さらに、一つあるいは複数の誘電体チューニングプレート７５をオプションとして備えて、同軸ライン６６の誘電強度を微調節することもできる。これによってアンテナの共振周波数をマイクロ波発生器に整合させることが可能となる。
対のアンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂのうち、ひとつのアンテナアレイ６０Ａ上の対の輻射スタブ６２が、第二のアンテナアレイ６０Ｂ上の対応するスタブ６２に対して四分の一波長λ／４に等しい距離だけオフセットされる点に注意されたい。２本のアンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂを並列に接続する同軸ライン６６の結合部６７の長さも四分の一波長λ／４に等しい場合は、プラズマにより反射されてこれら２つのアンテナアレイ６０Ａ、６０Ｂに戻るマイクロ波電力は、給電点において位相が１８０°だけずれ、このため合衆国特許第5,370,765号において開示されるハイブリッド結合器によって達成される方法と同様の方法で干渉することは明らかである。
図面、特に、第２図を再び参照しながら、マイクロ波電力と、共振相互作用領域５８の磁界によって磁化された電子との間の相互作用についてより詳細に説明する。ただし、その前に、チャンバ２２の一端に出口７６が設けられている点に注目されたい。チャンバ２２の他端は終端壁７８にて囲まれる。さらに、複数の永久磁石アレイ１４が備えられて、終端壁７８に対する従来の磁気絶縁が形成されるが、同時にこれはチャンバ２２のプラズマ形成部３６の内部に望ましい中央無磁界領域を有する磁界が発生することを助ける。
マイクロ波電源５４を上述のように配設した場合、マイクロ波電力と、チャンバ２２内の存在する背景プラズマとの相互作用によって生成および加熱される電子が、磁力線、例えば、３８、４０、４２に沿って処理中の試料８０に向かって直接自由に流れることが阻止されることに注目することは重要である。というよりも、マイクロ波電力によって加熱された高エネルギー電子は、２つのクラスに分けて考えることができる。第一のクラスの加熱された電子はプラズマ形成部３６の中央領域８２に入る傾向を持つ。つまり、第一のクラスの加熱された電子は、磁力線３８、４０、４２に当たり、プラズマ形成部３６内を、前後に、横方向にはずむ（バウンスする）傾向を持つ。加熱された電子は、プラズマ形成部３６の内部を最終的に中性のガス原子と衝突してエネルギーが低下するまで横方向に移動し、冷たいプラズマの密度の増大を助ける。
第二のクラスの加熱された電子は２つの円筒磁石アセンブリ３２、３４に近接するマイクロ波電源５４の配列に依存する。第二のクラスの高エネルギー電子は、磁界ミラー領域５０、５２内に閉込められる。磁界ミラー領域５０、５２が、連続的で、環状の軸対称な性質を持つために、いわゆる第二のクラス内の高エネルギー電子は、磁界ミラー領域５０、５２によって形成される環状経路の周囲を連続的に伝播する。高エネルギー電子のこの運動は、当業者においては、“precession（歳差運動）”として知られている。プラズマ形成部３６の周辺を、環状の磁界ミラー領域５０、５２内に閉込められて、歳差運動するこれらの高エネルギー電子は、これらの磁界ミラー領域５０、５２内に、中性のガス原子と衝突するまで閉込められ続ける傾向にある。これらの電子は、ガス原子と衝突すると、非弾性衝突を通じてエネルギーを伝達し、この結果、ガス原子をイオン化あるいは励起する。これは、プラズマ形成部３６内のプラズマの密度の増大に寄与する。同時に、幾らかの電子は、上述のDandlに付与された合衆国特許において説明される移送機構を通じて、次第に中央領域８２内に流入する。
円筒チャンバ２２の軸対称な構成（コンフィギュレーション）は、同様の軸対称な円筒磁石アセンブリ３２、３４と、新規なアプリケータ１２がマイクロ波電力を同様に軸対称な分配に分配することと相まって、マイクロ波電力から冷たいプラズマへの変換効率を高める。さらに、チャンバ２２、磁石アセンブリ３２、３４、および電力の分配の軸対称な構成により、磁力線３８、４０、４２に沿って高エネルギー電子が処理中の試料８０に直接流れることが阻止される。
プラズマ源２０は、試料８０のＣＶＤ、エッチング、スパッタリング、スパッタ洗浄、あるいは同様のタイプの表面処理等の応用に用いるように適合されることが好ましい。試料８０は、出口７６に通じる好適なプラットホームあるいはホルダ８４上に置かれる。同時に、チャンバ２２内には、プラズマ形成部３６と出口７６の中間部に、無磁界領域８６が形成される。無磁界領域８６の周囲に絶縁磁石８８をさらに配設することにより、無磁界領域８６内のプラズマが、近接するチャンバ２２の壁部９０と衝突することが阻止される。絶縁磁石８８は、内部中央磁界の強度をさらに低減し、十分に低い値に落とす。加えて、電磁コイル９２を好適な定常電力の外部電源とともに用いて、無磁界領域８６内の磁界の強度を微調節できるようにしても良い。
従来の電子サイクロトロン加熱方法によると、マイクロ波源５４と磁石アセンブリ３２、３４を用いて、共振相互作用領域５８が生成される。この共振相互作用領域５８は、プラズマ形成部３６内にかなり延びてアプリケータ１２の対のアンテナアレー６０の正面に達する。共振相互作用領域５８を通過する電子が、アプリケータ１２のスタブ６２によって輻射されるマイクロ波の場からエネルギーを吸収し、これにより高エネルギーとなることを理解されたい。前述のように、第一のクラスの電子は、一般に、共振相互作用領域５８を一度のみ通過する傾向を持ち、その後は、ガス原子と相互に作用するまでプラズマ形成部３６の中央領域８２内にとどまる傾向を持つ。
環状の磁界ミラー領域５０、５２内を歳差運動する第二のクラスの高エネルギー電子は、共振相互作用領域５８を何度も通過することができるので、チャンバ２２の周辺を歳差運動しながら自身のエネルギーをさらに増大させる。この理由から、好ましくは、共振相互作用領域５８が高エネルギー電子の加熱を促進するような方法で磁界ミラー領域５０、５２と交差するように磁石アセンブリ３２、３４を設計する。円筒状の磁石アセンブリ３２、３４も、関連する磁力線をアセンブリ３２、３４の近傍によりきつく閉じこめるように構成して、ミラー比を増大させ、磁界ミラー領域５０、５２を通過する際の高エネルギー電子の損失を最小にすることが好ましい。
上述の説明から、本発明のプラズマ源２０とマイクロ波アプリケータ１２の動作のモードは、当業者において明白であると信じるのが一般的である。しかしながら、本発明の完全な理解を助けるために、以下では、動作の方法について簡潔に説明する。
再び第２図を参照しながら動作を説明すると、最初に、電源５４からのマイクロ波電力と、チャンバ２２のプラズマ形成部３６内に存在する背景プラズマや中性ガスとの相互作用によって、高エネルギー電子が生成される。上述したように２つのクラスの高エネルギー電子が生成されるが、これらは、両方とも、磁力線、例えば、４４、４６、４８に沿ってホルダ８４上で処理中の試料８０に向って直接流れることは阻止される。チャンバ２２、磁石アセンブリ３２、３４、およびマイクロ波電源５４の設計により、高エネルギー電子内に蓄えられたエネルギーを高密度の冷たいプラズマに高い効率で変換することが達成される。チャンバ２２内には低いガス圧力が維持され、このため、試料８０へのプラズマの流れは、単一方向となり、それぞれ指定されるプロセスに対して反応種の相対濃度を最適化することが可能となる。
冷たいプラズマがプラズマ形成部３６から出口７６に向って流れるとき、プラズマは磁界強度が次第に弱くなる領域を通過し、無磁界領域８６に到達する。無磁界領域８６内では、磁界圧力の値が低いために、冷たいプラズマは、チャンバ２２の縦軸１４に対して横方向に自由に広がり、均一な密度となって出口７６に接近する。こうして、プラズマが無磁界領域８６を通過して出口７６へと向うとき、プラズマは、高密度であることだけでなく、プラズマ密度と温度が均一であるこという性質をも有し、これにより、試料８０の処理の均一性が増進する。
望ましいプロセスの遂行にあたり、追加の反応ガスを、不活性な「キャリア」ガスとともに、あるいは環状の共振相互作用領域５８の背後から別個に、あるいはそのプロセスを最適化するように選択することができる方法で無磁界領域８６内に導入することもできることは理解されたい。さらに、本発明において可能な広い動作範囲に渡って圧力を制御することにより、反応プラズマ種の所望の濃度を達成し、処理中の試料８０に到達させることができる。さらに、本発明による電子サイクロトロン加熱にてプラズマを生成する方法は他の応用にも有効となり得ることを理解されたい。例えば、本発明のプラズマ源は、上述のプラズマ源の要素と実質的に同一である要素を実質的に全て用いて、負のイオン源として用いることもできる。本発明の方法および装置を他の関連する応用に用いることも可能である。
当業者において理解できるように、上述の好ましい実施形態の様々な適合化および修正が本発明の範囲および精神から逸脱することなく可能である。従って、本発明は、最後に添付する請求の範囲に規定される範囲内で、上述の説明とは異なる方法で実施できることも理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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