(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気密な処理容器内に配置され被処理体を置く載置面を有する載置台と、この載置台の載置面に対向配置され前記処理容器内に高周波の電磁界を供給するアンテナとを備えたプラズマ処理装置において、
前記アンテナは、複数のパッチアンテナからなり、前記電磁界が円偏波を形成するように構成され、
前記パッチアンテナは、
前記載置台の載置面に対向配置された導体板と、
この導体板からみて前記載置台と反対側に対向配置された地板と、
前記導体板の一端を前記地板に接続する導体部材と、
前記導体板の前記一端から離れた地点で前記導体板に接続された給電線とを備え、
前記導体板の前記一端は略直線状をしており、前記一端と直交する方向の前記導体板の長さは前記パッチアンテナ内における電磁界の波長の略１／４以下であり、
前記導体部材に接続された前記導体板の前記一端に対向する他端は、前記地板の方向に折り曲げられ、
前記導体板の略直線状である前記一端に沿った前記導体部材の長さは、前記一端の直線方向の長さよりも短いことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記アンテナが放射する電磁界の偏波率が５０％以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
気密な処理容器内に配置され被処理体を置く載置面を有する載置台と、この載置台の載置面に対向配置され前記処理容器内に高周波の電磁界を供給するアンテナとを備えたプラズマ処理装置において、
前記アンテナは、複数のパッチアンテナからなり、前記電磁界が略ＴＭ01モードを形成するように構成され、
前記パッチアンテナは、
前記載置台の載置面に対向配置された導体板と、
この導体板からみて前記載置台と反対側に対向配置された地板と、
前記導体板の一端を前記地板に接続する導体部材と、
前記導体板の前記一端から離れた地点で前記導体板に接続された給電線とを備え、
前記導体板の前記一端は略直線状をしており、前記一端と直交する方向の前記導体板の長さは前記パッチアンテナ内における電磁界の波長の略１／４以下であり、
前記導体部材に接続された前記導体板の前記一端に対向する他端は、前記地板の方向に折り曲げられ、
前記導体板の略直線状である前記一端に沿った前記導体部材の長さは、前記一端の直線方向の長さよりも短いことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
気密な処理容器内に配置され被処理体を置く載置面を有する載置台と、この載置台の載置面に対向配置され前記処理容器内に高周波の電磁界を供給するアンテナとを備えたプラズマ処理装置において、
前記アンテナは、複数のパッチアンテナからなり、前記電磁界が円偏波を形成するように構成され、
前記パッチアンテナは、
前記載置台の載置面に対向配置され、略直線状の一端とこの一端と対向する円弧状の他端とを有し、これら一端と他端との間の長さが前記パッチアンテナ内における前記電磁界の波長の(1.17±0.05)／４以下である導体板と、
この導体板からみて前記載置台と反対側に対向配置された地板と、
前記導体板の前記一端を前記地板に接続する導体部材と、
前記導体板の前記一端から離れた地点で前記導体板に接続された給電線とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
前記アンテナが放射する電磁界の偏波率が５０％以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
気密な処理容器内に配置され被処理体を置く載置面を有する載置台と、この載置台の載置面に対向配置され前記処理容器内に高周波の電磁界を供給するアンテナとを備えたプラズマ処理装置において、
前記アンテナは、複数のパッチアンテナからなり、前記電磁界が略ＴＭ01モードを形成するように構成され、
前記パッチアンテナは、
前記載置台の載置面に対向配置され、略直線状の一端とこの一端と対向する円弧状の他端とを有し、これら一端と他端との間の長さが前記パッチアンテナ内における前記電磁界の波長の(1.17±0.05)／４以下である導体板と、
この導体板からみて前記載置台と反対側に対向配置された地板と、
前記導体板の前記一端を前記地板に接続する導体部材と、
前記導体板の前記一端から離れた地点で前記導体板に接続された給電線とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項４〜６何れか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記導体板の前記他端は、前記地板の方向に折り曲げられ、
前記導体板の略直線状である前記一端に沿った前記導体部材の長さは、前記一端の長さよりも短いことを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁界によりプラズマを生成して所定の処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ処理装置が多用されている。これらのプラズマ処理装置の中に、アンテナから処理容器内へ高周波の電磁界を供給して高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ処理装置がある。この高周波プラズマ処理装置は、プラズマガスの圧力が比較的低くても安定してプラズマを生成することができるので、用途が広いという特色がある。
【０００３】
最近、この高周波プラズマ処理装置において、処理容器内へ高周波の電磁界を供給するアンテナとして、パッチアンテナの使用が研究されている。図１２は、この高周波プラズマ処理装置に使用される従来のパッチアンテナの一構成例を示す図である。ここで、図１２（ａ）はパッチアンテナを放射面側からみたときの平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示したＸIIｂ−ＸIIｂ′線方向の断面図、図１２（ｃ）は図１２（ａ）に対応する座標系を示す図である。
【０００４】
このパッチアンテナは、図１２（ｂ）に示すように、接地された導体板からなる地板５３１と、共振器を構成する導体板５３２とを有している。地板５３１及び導体板５３２は誘電体板５３５の両面にそれぞれ設けられ、誘電体板５３５を貫通する導体線５３３によって導体板５３２はその中心Ｏにおいて地板５３１に接続されている。
導体板５３２の平面形状は、図１２（ａ）に示すよう、長辺の長さがＬ１、短辺の長さがＬ２（Ｌ２＜Ｌ１）の長方形をしている。パッチアンテナ内の電磁界の波長をλg とすると、長辺の長さＬ１はＬ１≒λg/２に設定されている。なお、説明の便宜を図るため、導体板５３２の長辺及び短辺にそれぞれ平行にｘ軸及びｙ軸をとり、この座標系の原点を導体板５３２の中心Ｏにおくものとする。
【０００５】
このパッチアンテナは、図１２（ｂ）に示すように、同軸線路５４１を介して高周波電源５４５に接続されている。ここで、同軸線路５４１の外部導体５４２は、地板５３１に接続され、同軸線路５４１の内部導体５４３は、地板５４２の開口部及び誘電体板５３５を貫通して、ｘ軸上の一点PPにおいて導体板５３２に接続されている。
【０００６】
図１３は、このパッチアンテナによる電磁界の放射原理を説明するための図である。ここで、図１３（ａ）は導体板５３２を示す図、図１３（ｂ）は導体板５３２におけるｘ軸方向の電流分布（点線）及び電圧分布（実線）を示す図である。
導体板５３２の長辺の長さＬ１がおよそλg/２であるので、高周波電源５４５から導体板５３２に供給された電流は長辺方向すなわちｘ軸方向で共振して定在波となり、その電流分布は図１３（ｂ）の点線で示すように両端が０（ゼロ）に固定された正弦波状となる。このように共振して定在波の電流となるとき、図１３（ｂ）の実線で示すように、電圧の波形は電流の波形に対して位相が９０゜だけずれる。
【０００７】
図１３（ｂ）に示した状態では、導体板５３２の左端の電圧は正であるので、電気力線は導体板５３２から地板５３１へ向かう。これに対して、導体板５３２の右端の電圧は負であるので、電気力線は地板５３１から導体板５３２へ向かう。電気力線の方向は変位電流の方向と同じであるので、図１３（ａ）に示すように導体板５３２の左端及び右端に沿って磁流が同じ向きに流れる。この磁流を波源として電磁界が放射されるので、この電磁界は磁界がｙ軸に平行なＴＭ10モードを形成する。
【０００８】
図１４は、このパッチアンテナが構成する電界強度分布の概念図であり、図１４（ａ）はｘｚ面における電界強度分布、図１４（ｂ）はｙｚ面における電界強度分布を示している。
上述したように、このパッチアンテナから放射される電磁界は磁界がｙ軸に平行なＴＭ10モードを形成するので、その電界強度分布は図１４に示すようなダイポールアンテナと同様の特性を示す。すなわち、ｘｚ面では図１４（ａ）に示すように比較的均一であるが、ｙｚ面では図１４（ｂ）に示すように大きな偏りが発生する。ｙｚ面における電界強度分布は、導体板５３２の中心Ｏにおける電界が最大であり、中心Ｏから離れるにしたがって電界が急激に弱まっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、このような空間分布をもつ電磁界でプラズマを生成すると、ｘ軸上の電界強度がその周囲よりも大きいので、ｘ軸直下の領域のプラズマ密度がその周囲よりも高くなってしまう。このため、このようなダイポール的な動作をする単一のパッチアンテナを用いた従来のプラズマ処理装置でエッチング装置を構成した場合には、プラズマ密度が高くなっているｘ軸直下の領域ほどエッチング処理が速く進行するといったように、場所によって処理速度に偏りが生ずる場合があるという問題があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも均一なプラズマ処理を可能にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、処理容器内に配置された載置台の載置面に対向配置され処理容器内に電磁界を供給するアンテナが、複数のパッチアンテナからなり、その電磁界が円偏波を形成するように構成されていることを特徴とする。このことによって載置台の載置面に垂直な軸の周りに電磁界を回転させることにより、この電磁界によって生成されるプラズマの分布も回転するので、時間平均をとったときのプラズマ分布の均一性を改善できる。
ここで、アンテナから放射される電磁界は完全な円偏波でなくてもよく、偏波率が少なくとも５０％以上、好ましくは７０％以上の円偏波であればよい。
【００１１】
また、本発明のプラズマ処理装置は、処理容器内に配置された載置台の載置面に対向配置され処理容器内に電磁界を供給するアンテナが、複数のパッチアンテナからなり、その電磁界が略ＴＭ01モードを形成するように構成されていることを特徴とする。略ＴＭ01モードにおける電界は、載置台の載置面に垂直な軸を中心にして概ね放射状に分布するから、上記載置面に平行な平面内におけるプラズマ分布の均一性を改善できる。
【００１２】
アンテナとしてパッチアンテナを用いることにより、磁流形成部を長くして、電磁界の放射効率を向上させることができる。
このパッチアンテナは、載置台の載置面に対向配置された導体板と、この導体板からみて載置台と反対側に対向配置された地板と、導体板の一端を地板に接続する導体部材と、導体板の一端から離れた地点でこの導体板に接続された給電線とを備え、導体部材を介して地板に接続されたパッチアンテナの導体板の上記一端は略直線状をしており、この一端と直交する方向の導体板の長さはパッチアンテナ内における電磁界の波長の略１／４以下である構成のものであってもよい。
【００１３】
または、載置台の載置面に対向配置され，略直線状の一端とこの一端と対向する円弧状の他端とを有し，これら一端と他端との間の長さがパッチアンテナ内における電磁界の波長の(1.17±0.05)／４以下である導体板と、この導体板からみて載置台と反対側に対向配置された地板と、導体板の一端を地板に接続する導体部材と、導体板の一端から離れた地点で導体板に接続された給電線とを備えた構成のものであってもよい。なお、ここでいう略直線状とは、直線のみでなく、緩やかな曲線を含む概念である。
また、パッチアンテナの導体板の導体部材に接続された一端に対向する他端は、地板の方向に折り曲げられ、導体板の略直線状である一端に沿ったパッチアンテナの導体部材の長さは、一端の長さよりも短くてもよい。このような構成とすることにより、パッチアンテナを小型化することができる。
【００１４】
なお、アンテナが、載置台の載置面に対向する同一平面上に配置されかつ平行な二端を有しこの二端間の長さがアンテナ内における電磁界の波長の略１／４以下である少なくとも２つの導体板と、これらの導体板からみて載置台と反対側に対向配置された地板と、導体板のそれぞれの一端を地板に接続する少なくとも２つの導体部材と、導体板のそれぞれの一端から離れた地点で導体板のそれぞれに接続された少なくとも２つの給電線とを備え、アンテナの各導体板は、１つの導体板の他端が他の１つの導体板の他端と直交するように配置され、アンテナの各給電線が、互いに異なる位相で給電することにより、処理容器内に円偏波の電磁界を供給することができる。
【００１５】
また、アンテナが、載置台の載置面に対向する同一平面上に配置されかつ略直線状の一端を有しこの一端と直交する方向の長さがアンテナ内における電磁界の波長の略１／４以下である複数の導体板と、これらの導体板からみて載置台と反対側に対向配置された地板と、導体板のそれぞれの一端を地板に接続する複数の導体部材と、導体板のそれぞれの一端から離れた地点で導体板のそれぞれに接続された複数の給電線とを備え、アンテナの複数の導体板が、その一端を内側に一端と対向する他端を外側にしてアンテナの中心の周りに等配され、アンテナの複数の給電線が、対応する導体板に同位相で給電することにより、処理容器内に略ＴＭ01モードの電磁界を供給することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。ここでは、本発明によるプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した場合を例に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の一部の構成を示す断面図である。
【００１７】
図１に示したエッチング装置は、上部が開口した円筒形状の処理容器１１を有している。この処理容器１１は、アルミニウムなどの導電部材で形成されている。
処理容器１１の上部開口には、厚さ２０〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又はセラミック（例えばＡｌ2 Ｏ3 やＡｌＮ）などからなる誘電板１２が配置されている。処理容器１１と誘電板１２との接合部にはＯリングなどのシール部材１３を介在させており、これにより処理容器１１内部の気密性を確保している。
【００１８】
処理容器１１の底部には、セラミックなどからなる絶縁板１４が設けられている。また、この絶縁板１４及び処理容器１１底部を貫通する排気口１５が設けられており、この排気口１５に連通する真空ポンプ（図示せず）により、処理容器１１内を所望の真空度にすることができる。
また、処理容器１１の側壁には、処理容器１１内にＡｒなどのプラズマガスを導入するためのプラズマガス供給ノズル１６と、エッチングガスを導入するための処理ガス供給ノズル１７とが上下に設けられている。これらのノズル１６，１７は石英パイプなどで形成される。
【００１９】
処理容器１１内には、エッチング対象の基板（被処理体）２１を上面（載置面）に置く載置台２２が収容されている。この載置台２２は、処理容器１１の底部を遊貫する昇降軸２３によって支持されており、上下動自在となっている。載置台２２はまた、マッチングボックス２５を介して、バイアス用の高周波電源２６に接続されている。この高周波電源２６の出力周波数は数百ｋＨｚ〜十数ＭＨｚの範囲内の所定周波数とする。なお、処理容器１１内の気密性を確保するため、載置台２１と絶縁板１４との間に、昇降軸２３を囲むようにベローズ２４が設けられている。
【００２０】
また、誘電板１２の上部には、この誘電板１２を介して処理容器１１内に高周波の電磁界を供給するアンテナ３０が配置されている。このアンテナ３０は、誘電板１２により処理容器１１から隔離されており、処理容器１１内で生成されるプラズマから保護されている。また、誘電板１２及びアンテナ３０の周囲はシールド材１８によって覆われているので、アンテナ３０から放射された電磁界がエッチング装置の外部に漏れることはない。
【００２１】
図２は、図１におけるII−II′線方向からみたアンテナ３０の平面構成及びその給電系の一構成例を示す図である。このアンテナ３０は、それぞれ平面視台形の導体板３２を有する４個のモノポールのパッチアンテナ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄを組み合わせたものである。導体板３２の平行二辺のうちの短辺及び長辺をそれぞれ端３２Ａ及び３２Ｂと呼ぶこととすると、パッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄは、導体板３２端３２Ａを内側に、端３２Ｂを外側に向けて、アンテナ３０の中心Ｏの周りに等配されている。そして、図１に示すように、導体板３２側が下となり誘電板１２と対向するように配置される。
パッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄのそれぞれの給電には、同軸線路４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄが用いられる。
【００２２】
アンテナ３０を構成する４個のパッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄは、すべて同様の構成をしている。ここではパッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄを総称して、パッチアンテナ３０Ｘ（ＸはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と呼ぶ。また、同軸線路４１Ａ〜４１Ｄを総称して、同軸線路４１Ｘ（ＸはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と呼ぶ。図３は、パッチアンテナ３０Ｘの構成を示す図である。ここで、図３（ａ）は、図１におけるII−II′線方向からみたときの斜視図であり、図３（ｂ）は、座標系を示す図である。
【００２３】
パッチアンテナ３０Ｘは、図３（ａ）に示すように、接地された導体板からなる地板３１と、共振器を構成する平面視台形の導体板３２と、この導体板３２の端３２Ａを地板３１に接続する導体部材３３とを有している。
ここで、説明の便宜のため、次のように座標系を設定する。すなわち、導体板３２の台形の高さ方向にＸ軸をとり、上記台形の平行２辺と平行な方向にＹ軸をとり、地板３１から導体板３２へ向かう導体板３２の法線方向にｚ軸をとる。
【００２４】
共振器を構成する導体板３２は、地板３１に対して平行に対向配置されている。この導体板３２は上述したように台形をしており、この導体板３２と地板３１との間における電磁界の波長をλg とすると、台形の高さ（すなわち、端３２Ａと直交するＸ軸方向の長さ）は約λg/４に設定される。また、導体板３２の端３２Ｂの長さは約λg/２未満であることが望ましい。
導体板３２の端３２Ａを地板３１に接続する導体部材３３は、地板３１に対して垂直に立設された板状の部材である。この導体部材３３のＹ軸方向の長さは、導体板３２の端３２Ａの長さと等しく、ｚ軸方向の長さ（すなわち高さ）は、５〜５０ｍｍ程度が望ましい。
【００２５】
導体板３２の端３２Ａは導体部材３３によって地板３１に短絡されているので、同軸線路４１Ｘから給電した場合でも端３２Ａにおける電位は０（ゼロ）に固定される。よって、端３２Ａを固定端３２Ａと呼ぶ。一方、この固定端３２Ａとλg/４離れて対向する端３２Ｂは開放されているので、開放端３２Ｂと呼ぶ。
なお、地板３１は、パッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄのそれぞれに共通の部材であり、誘電板１２と同じ円形をしている。
以上の地板３１、導体板３２及び導体部材３３は、銅又はアルミニウムなどにより形成される。
【００２６】
ここで、パッチアンテナ３０Ｘによる電磁界の放射原理を説明する。図４は、その説明図であり、図４（ａ）は導体板３２を示す図、図４（ｂ）は導体板３２におけるＸ軸方向の電圧分布を示す図である。
導体板３２の固定端３２Ａの電位は０（ゼロ）に固定され、しかも導体板３２のＸ軸方向の長さがλg/４であるので、高周波電源４５より導体板３２に供給された電流は、導体板３２のＸ軸方向の長さがλg/２である場合と同様に振る舞い、Ｘ軸方向で共振して定在波となる。このとき、電圧波形は図４（ｂ）の実線と点線で示すような変化を繰り返す。
【００２７】
導体板３２の開放端３２Ｂの電圧が正であるときは、電気力線は図４（ａ）の実線で示すように導体板３２から地板３１へ向かい、逆に開放端３２Ｂの電圧が負であるときは、電気力線は図４（ｂ）の点線で示すように地板３１から導体板３２へ向かう。電気力線の方向は変位電流の方向と同じであるので、図４（ａ）の実線と点線で示すような変化を繰り返す磁流が開放端３２Ｂに沿ってＹ軸に平行に発生する。この磁流を波源として電磁界が放射されるので、この電磁界はＸ軸に平行な直線偏波となる。
このパッチアンテナ３０Ｘは、磁流形成部として機能する開放端３２Ｂの長さが長いので、電磁界の放射効率がよい。この放射効率の観点から言えば、導体板３２のＹ軸方向の長さは長いほどよい。また、パッチアンテナ３０ＸのＸ軸に平行な側面に形成される磁流の影響を少なくするためには、導体板３２のＹ軸方向の長さをλg/８程度以上とするのが好ましい。
【００２８】
一方、図３（ａ）に示すように、同軸線路４１Ｘの外部導体４２Ｘ（ＸはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）は地板３１に接続され、同軸線路４１Ｘの内部導体（給電線）４３Ｘ（ＸはＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）は、地板３１の開口部を貫通して導体板３２上の給電点Ｐに接続される。この給電点Ｐは、導体板３２の固定端３２Ａから離れた地点に設定されるが、インピーダンスマッチング等を考慮すれば、導体板３２の中心付近に設定されることが望ましい。
【００２９】
図２に示すように、パッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄのそれぞれに接続された同軸線路４１Ａ〜４１Ｄは、給電用の高周波電源４５に接続されている。ただし、同軸線路４１Ａ〜４１Ｄの電気長は、同軸線路４１Ａを基準にして、９０゜ずつ長くなっている。すなわち、同軸線路４１Ａの電気長をθとすると、同軸線路４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄの電気長はそれぞれθ＋９０゜，θ＋１８０゜，θ＋２７０゜となっている。これにより、９０゜ずつずれた位相で各パッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄへの給電が行われることになる。このとき、各パッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄへの給電電力を等しくする。
なお、給電用の高周波電源４５の出力周波数はおよそ１００ＭＨｚ〜８ＧＨｚの範囲内の所定周波数とする。また、同軸線路４１Ａ〜４１Ｄのそれぞれにマッチングボックス４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄを挿入して、インピーダンスのマッチングを図ることにより、電力の使用効率を向上させることができる。
【００３０】
次に、図１に示したエッチング装置の動作を説明する。
基板２１を載置台２２の上面に置いた状態で、処理容器１１内を例えば０．０１〜１０Ｐａ程度の真空度にする。この真空度を維持しつつ、プラズマガス供給ノズル１６からプラズマガスとしてＡｒを供給し、処理ガス供給ノズル１７からＣＦ4 などのエッチングガスを流量制御して供給する。
処理容器１１内にプラズマガス及びエッチングガスが供給された状態で、高周波電源４５からアンテナ３０に給電を開始する。このとき、パッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄのそれぞれは、９０゜ずつ異なる位相で給電される。
【００３１】
図５は、ある瞬間にパッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄが形成する磁流の様子を示す概念図である。パッチアンテナ３０Ａ，３０Ｃへの給電位相差は１８０゜となるので、パッチアンテナ３０Ａ，３０Ｃはｙ軸に平行で同じ向きの磁流を形成する。このため、パッチアンテナ３０Ａ，３０Ｃからはｘ軸に平行で同位相の直線偏波が放射される。同様に、パッチアンテナ３０Ｂ，３０Ｄへの給電位相差は１８０゜となるので、パッチアンテナ３０Ｂ，３０Ｄからはｙ軸に平行で同位相の直線偏波が放射される。しかも、パッチアンテナ３０Ａ，３０Ｂ（あるいは３０Ｃ，３０Ｄ）への給電位相差は９０゜であるので、ｘ軸方向の直線偏波とｙ軸方向の直線偏波との位相差は９０゜となる。これら２つの直線偏波は、振幅が等しく、空間的に直交しており、しかも位相が９０゜異なっているので、円偏波が形成される。
【００３２】
このように、アンテナ３０から放射された電磁界は円偏波を形成し、誘電板１２を透過して処理容器１１内に導入される。そして、処理容器１１内に電界を形成してＡｒを電離させることにより、処理対象の基板２１の上部空間Ａにプラズマを生成する。このプラズマは処理容器１１内に拡散して行き、載置台２２に印加されたバイアス電圧によってプラズマのエネルギーや異方性がコントロールされて、エッチング処理に利用される。
パッチアンテナ３０Ａ，３０Ｃ（又はパッチアンテナ３０Ｂ，３０Ｄ）が放射する直線偏波による電界強度分布は図１４と同様に偏りがあるが、円偏波を形成して載置台２２上面に垂直な軸の周りに電界を回転させることにより、この電界によって生成されるプラズマの分布も回転するので、時間平均で従来よりも均一なエッチング処理が可能となる。
【００３３】
ここでは４個のパッチアンテナ３０Ａ〜３０Ｄを用いて電磁界を円偏波とする例を示したが、パッチアンテナ３０Ｘの数が２個以上あれば円偏波を生成することができる。
また、処理容器１１内に供給する電磁界は完全な円偏波でなくてもよい。図６に示すような長軸の長さが２ａ、短軸の長さが２ｂである円偏波の偏波率をｂ／ａ（×１００）％と定義すると、偏波率が５０％以上、好ましくは７０％以上のの円偏波を生成することにより、処理の面内均一性を改善することができる。
【００３４】
ここで、円偏波の偏波率の調整方法について簡単に説明する。
まず、互いに直交する２つの直線偏波の位相差が９０゜であるが、振幅値が互いに異なる場合、２つの直線偏波をａsin(ωt＋π/2)，ｂsin(ωt)と表せば、偏波率は単に振幅値比ｂ／ａ（×１００）％で求められる。したがって、７０％以上の偏波率を得るには、振幅値比を７０％以上にしておけばよい。
また、互いに直交する２つの直線偏波の振幅値が等しいが、位相差が９０゜でない場合、２つの直線偏波をsin(ωt−θ)，sin(ωt)と表せば、位相差θが９０゜付近の値をとるときの偏波率の位相差依存性は図７に示すようになる。したがって、７０％以上の偏波率を得るには、位相差θをおよそ７０゜〜１１０゜程度に調整すればよい。
【００３５】
なお、図３に示したパッチアンテナ３０Ｘの導体板３２は平面視台形をしているが、直線状の固定端３２Ａを有し、この固定端３２Ａと直交するＸ軸方向の長さが約λg/４である形状であればよい。したがって、平面視矩形又は半円形であってもよい。また、後掲する図９に示すように導体板の開放端が円弧状をしているパッチアンテナを用いてもよい。さらに、開放端及び固定端の両方が円弧状であってもよい。
また、パッチアンテナ３０Ｘを構成する地板３１と導体板３２との間に誘電体板を配置してもよい。これにより、導体板３２と地板３１との間における電磁界の波長λg が短くなるので、パッチアンテナ３０Ｘを小型化することができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
次に、図３に示したパッチアンテナ３０Ｘの変形例を説明する。図８は、その変形例の構成を示す図であり、図８（ａ）は斜視図であり、図８（ｂ）は座標系を示す図である。この図において、図３と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
図８に示すパッチアンテナ１３０Ｘは、図３に示したパッチアンテナ３０Ｘにおいて、導体板３２の開放端１３２Ｂを地板３１の方向に折り曲げ、導体部材３３の一部を切り欠いて細くしたものである。
【００３７】
以下、詳細に説明する。このパッチアンテナ１３０Ｘでは、共振器を構成する導体板１３２のＸ軸方向の長さが、約λg/８以上、約λg/４未満となっている。
その一方で、導体板１３２には、開放端１３２Ｂから地板３１に向かう導体板１３４が接続されている。この導体板１３４のＹ軸方向の長さは導体板１３２と同じであり、ｚ軸方向の長さは導体部材１３３よりも短い。したがって、導体板１３４の先端は地板３１に接触しない。また、この導体板１３４は、導体板１３２等と同じ材料、すなわち銅又はアルミニウムで形成される。
また、導体板１３２の固定端１３２Ａを地板に接続する導体部材１３３は、Ｙ軸方向の長さが導体板１３２よりも短くなっている。
【００３８】
このような構成のパッチアンテナ１３０Ｘに給電すると、導体板１３４と地板３１との間に大きいキャパシタンスが形成される。また、細い導体部材１３３に大きいインダクタンスが形成される。このキャパシタンスとインダクタンスが相殺されるように設計することにより、導体板１３２のＸ軸方向の長さをλg/８程度まで短くすることができるので、パッチアンテナを小型化することができる。逆に、同一のアンテナサイズで、より低周波の電磁界を放射することができるので、処理容器１１の口径によってアンテナサイズの制約を受けるエッチング装置の設計自由度を大きくすることができる。
しかし、このパッチアンテナ１３０Ｘは図３に示したパッチアンテナ３０Ｘと同等の電磁界を放射することができるので、このパッチアンテナ１３０Ｘを用いて電磁界を供給するアンテナを構成しても、第１の実施の形態のエッチング装置による処理と同程度の面内均一性を得ることができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
第１の実施の形態のエッチング装置は、複数のパッチアンテナ３０Ｘを用いて、処理容器１１内に供給する電磁界を円偏波にするものであったが、第３の実施の形態のエッチング装置は、上記電磁界を略ＴＭ01モードにするものである。第３の実施の形態のエッチング装置における図１に相当する構成は第１の実施の形態と同様であるから、その説明を省略する。
図９は、本発明の第３の実施の形態であるエッチング装置で用いられるアンテナ２３０の平面構成及びその給電系の一構成例を示す図である。この図において、図２と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
【００４０】
このアンテナ２３０は、４個のモノポールのパッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄを組み合わせたものである。これらのパッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄは、全体として図３に示したパッチアンテナ３０Ｘと同様の構成をしているが、共振器を構成する導体板２３２の開放端２３２Ｂが円弧状を描いている点が異なる。４個のパッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄをその開放端２３２Ｂを外側に向けてアンテナ２３０の中心Ｏの周りに等配したときに、開放端２３２Ｂを繋いだ線が略円形となることが好ましい。このとき各パッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄの固定端２３２Ａから開放端２３２Ｂまでの長さは、ｘ軸又はｙ軸上で(1.17±0.05)×λg/４程度である。
パッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄのそれぞれの給電には、同軸線路２４１Ａ，２４１Ｂ，２４１Ｃ，２４１Ｄが用いられる。これらの同軸線路２４１Ａ〜２４１Ｄの電気長は、同軸線路４１Ａ〜４１Ｄの場合と異なり、すべて等しい。したがって、パッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄは、すべて同位相で給電される。
【００４１】
図１０は、ある瞬間にパッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄが形成する磁流の様子を示す概念図である。パッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄへは同位相で給電が行われるので、パッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄはそれぞれの開放端２３２Ｂに沿って同じ向きの磁流を形成する。この磁流は同一円周上に形成されるので、この磁流を波源とする電磁界の電界は、アンテナ２３０の中心Ｏを中心にして概ね放射状に分布する。このような電界分布を示す電磁界のモードを、ここでは略ＴＭ01モードという。この略ＴＭ01モードのｘｚ面及びｙｚ面における電界強度分布は、それぞれ図１１（ａ），（ｂ）に示すようにほぼ均一な分布となる。図１４に示したダイポール的な動作をする単一のパッチアンテナが構成する電界強度分布と比較すれば、図９に示したアンテナ２３０により電界強度分布が改善されていることが分かる。
【００４２】
図１１に示したような均一な空間分布をもつ電界でプラズマを生成することにより、プラズマ分布を均一化することができるので、基板２１の全域で均一な速度でエッチング処理を行うことができる。
ここでは４個のパッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄを用いて電磁界を略ＴＭ01モードとする例を示したが、導体板２３２の開放端２３２Ｂが円弧状をしているパッチアンテナであれば、その数が２個以上あれば略ＴＭ01モードを形成することができる。また、図３に示したような導体板３２の開放端３２Ｂが直線状をしているパッチアンテナ３０Ｘを３個以上用いてアンテナを構成してもよい。
【００４３】
また、図１０に示したアンテナ２３０から放射される電磁界を完全なＴＭ01モードに近づけるには、各パッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄ間の隙間を更に小さくすればよい。
また、パッチアンテナ２３０Ａ〜２３０Ｄを構成する地板３１と導体板２３２との間に誘電体板を配置してもよい。
また、図８に示したような構成のパッチアンテナを用いてもよい。この場合、導体板１３２の開放端１３２Ｂを円弧状にするとよい。このとき、固定端１３２Ａから開放端２３２Ｂまでの長さは、ｘ軸又はｙ軸上で約1.17×λg/８以上、約1.17×λg/４未満とする。
【００４４】
以上では本発明のプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した場合を例に説明したが、例えばプラズマＣＶＤ装置などの他のプラズマ処理装置に適用してもよいことは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置では、複数のモノポールアンテナで構成されたアンテナを用いて、処理容器内に円偏波の電磁界を供給する。
円偏波によって載置台の載置面に垂直な軸の周りに電磁界を回転させることにより、この電磁界によって生成されるプラズマの分布も回転するので、時間平均で従来よりも均一なプラズマ処理が可能となる。
また、複数のモノポールアンテナで構成されたアンテナを用いて、処理容器内に略ＴＭ01モードの電磁界を供給する。略ＴＭ01モードにおける電界は、載置台の載置面に垂直な軸を中心にして概ね放射状に分布するから、上記載置面に平行な平面内におけるプラズマ分布の均一性を改善できる。これにより、従来よりも均一なプラズマ処理が可能となる。
また、モノポールアンテナとしてパッチアンテナを用いることにより、電磁界の放射効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態であるエッチング装置の一部の構成を示す断面図である。
【図２】  図１におけるII−II′線方向からみたアンテナの平面構成及びその給電系の一構成例を示す図である。
【図３】  図１に示したアンテナを構成するパッチアンテナの構成を示す図である。
【図４】  図３に示したパッチアンテナによる電磁界の放射原理を説明するための図である。
【図５】  ある瞬間にパッチアンテナが形成する磁流の様子を示す概念図である。
【図６】  円偏波の偏波率を説明するための図である。
【図７】  円偏波の偏波率の位相差依存性を示す図である。
【図８】  図３に示したパッチアンテナの変形例の構成を示す図である。
【図９】  本発明の第３の実施の形態であるエッチング装置で用いられるアンテナの平面構成及びその給電系の一構成例を示す図である。
【図１０】  ある瞬間にパッチアンテナが形成する磁流の様子を示す概念図である。
【図１１】  図９に示したアンテナが構成する電界強度分布の概念図である。
【図１２】  高周波プラズマ処理装置に使用される従来のパッチアンテナの一構成例を示す図である。
【図１３】  図１２に示したパッチアンテナによる電磁界の放射原理を説明するための図である。
【図１４】  図１２に示したパッチアンテナが構成する電界強度分布の概念図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、１２…誘電板、１３…シール部材、２１…基板、２２…載置台、３０，２３０…アンテナ、３０Ａ〜３０Ｄ，３０Ｘ，１３０Ｘ，２３０Ａ〜２３０Ｄ…パッチアンテナ、３１…地板、３２，１３２，２３２…導体板、３２Ａ，１３２Ａ、２３２Ａ…固定端、３２Ｂ，１３２Ｂ，２３２Ｂ…開放端、３３，１３３…導体部材、１３４…導体板、４１Ｘ，４１Ａ〜４１Ｄ，２４１Ａ〜２４１Ｄ…同軸線路、４２Ａ，４２Ｃ，４２Ｘ…外部導体、４３Ａ〜４３Ｄ，４３Ｘ，２４３Ａ〜２４３Ｄ…内部導体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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