(57)【要約】【課題】  矩形導波管に開口するスリットとして、マイクロ波アンテナ下のマイクロ波導入窓直下のマイクロ波電場、磁場を均一化出来る形状にして正常放電可能な圧力範囲及び印加可能電力範囲の広いマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。【解決手段】  本発明のマイクロ波励起プラズマ処理装置は、真空チャンバの上壁のマイクロ波導入窓に接して設けた矩形導波管のマイクロ波導入窓に接する面に開口された四つの長円形のスリットをほぼ正四角形の各辺に配置したことを特徴とする。【選択図】      図２
2005150473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上壁部に開口を備え、上記開口の下方に位置し、被処理部材を載置する処理台を備え、上壁部の開口に真空を保って設けたマイクロ波導入窓を備えた真空チャンバと、
真空チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給管と、
真空チャンバを真空排気し、真空チャンバ内を処理に適した圧力に保つ排気系と、
マイクロ波導入窓の上部に位置し、マイクロ波導入窓に接して設けられた矩形導波管とを有し、
矩形導波管が、矩形導波管内のマイクロ波の進行方向に対して垂直に設けられたマイクロ波を反射する終端面を備え、
マイクロ波導入窓に接する面にマイクロ波進行方向に対して平行及び垂直に、四角形のそれぞれ一辺の位置に一つづつ四つのスリットを設けてマイクロ波アンテナを構成したことを特徴とするマイクロ波励起プラズマ処理装置。
【請求項２】
各スリットが長円形であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波励起プラズマ処理装置。
【請求項３】
四つのスリットのうち最も矩形導波管の終端面に近いスリットの中心が終端面から矩形導波管内のマイクロ波波長(λｇ)のｎ／２(ｎは整数)に位置し、最も終端面に近いスリットと対面する位置のスリットの中心が最も終端面に近いスリットから矩形導波管内のマイクロ波波長(λｇ)のｍ／２(ｍは整数)に位置することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波励起プラズマ処理装置。
【請求項４】
各スリットの長径が真空のマイクロ波波長(λ０)のｋ／２(ｋは整数)であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波励起プラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造用のプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波をマイクロ波アンテナから放射して処理ガスに照射し、処理ガスをプラズマ化して半導体用Ｓｉ基板などに作用させ、所定の処理を行なう技術としては、
マイクロ波導波管にスリットをつけたもの、あるいは同軸線でスリットをつけた円盤にマイクロ波を給電するもの等が提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
添付図面の図４には、特許文献１に記載された従来のマイクロ波アンテナを示し、導波管Ａの底面Ｂには、反射面Ｃに向って幅が狭くなるように階段状に変化した形状をもつ二つのスリットＤが形成され、反射面Ｃで反射される反射波と入射波との合成波が均一化するように構成されている。
【０００４】
添付図面の図５には、特許文献２に記載された従来のマイクロ波アンテナを示し、ラジアルラインスロットアンテナとして構成されており、このラジアルラインスロットアンテナには多数の同心円状スロットＥが設けられ、これらスロットＥから発生する円偏波マイクロ波を真空チャンバ内に導入し、このマイクロ波の電界によってプラズマを励起させるようにしている。
【０００５】
本発明らはこれらのマイクロ波アンテナを実験的に試作し、その性能を確認してみた。その結果、表１、２に示すように正常放電可能な圧力範囲、印加可能電力範囲が狭いことが分かった。表１は特許文献１に記載のマイクロ波アンテナの場合、表２は特許文献２に記載のマイクロ波アンテナの場合である。
【０００６】
【表１】
2005150473.tif 000003
表中で○は正常に放電が可能であったこと、×は反射波が大きく、正常に放電できなかったことを示す。
【０００７】
【表２】
2005150473.tif 000004
表中で○は正常に放電が可能であったこと、×は反射波が大きく、正常に放電できなかったことを示す。
【０００８】
この原因はマイクロ波導入窓直下のマイクロ波電磁場が不均衡である為に発生する反射波／進行波の電圧定在波比(ＶＳＷＲ)が大なることにあると考えられる。そこでこれらの特許文献に示されているマイクロ波アンテナ下のマイクロ波導入窓直下の電磁場をシュミレーションしてみたところ、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、及び図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄに示すように局所的な電磁場の集中や、非対称があることが分かった。
【特許文献１】特開平９−１２９６１３
【特許文献２】特開平１１−１１１６２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明は、矩形導波管に開口するスリットとして、マイクロ波アンテナ下のマイクロ波導入窓直下のマイクロ波電場、磁場を均一化出来る形状にして正常放電可能な圧力範囲及び印加可能電力範囲の広いマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明によるマイクロ波励起プラズマ処理装置は、    
上壁部に開口を備え、上記開口の下方に位置し、被処理部材を載置する処理台を備え、上壁部の開口に真空を保って設けたマイクロ波導入窓を備えた真空チャンバと、
真空チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給管と、
真空チャンバを真空排気し、真空チャンバ内を処理に適した圧力に保つ排気系と、
マイクロ波導入窓の上部に位置し、マイクロ波導入窓に接して設けられた矩形導波管とを有し、
矩形導波管が、矩形導波管内のマイクロ波の進行方向に対して垂直に設けられたマイクロ波を反射する終端面を備え、
マイクロ波導入窓に接する面にマイクロ波進行方向に対して平行及び垂直に、四角形のそれぞれ一辺の位置に一つづ四つのスリットを設けてマイクロ波アンテナを構成したことを特徴としている。
【００１１】
本発明の実施の形態では、各スリットは長円形であり得る。
【００１２】
また、四つのスリットうち最も矩形導波管の終端面に近いスリットの中心は終端面から矩形導波管内のマイクロ波波長(λｇ)のｎ／２(ｎは整数)に位置し、最も終端面に近いスリットと対面する位置のスリットの中心は最も終端面に近いスリットから矩形導波管内のマイクロ波波長(λｇ)のｍ／２(ｍは整数)に位置し得る。
【００１３】
さらに、各スリットの長径は真空のマイクロ波波長(λ０)のｋ／２(ｋは整数)であり得る。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のマイクロ波励起プラズマ処理装置においては、矩形導波管が、矩形導波管内のマイクロ波の進行方向に対して垂直に設けられたマイクロ波を反射する終端面を備え、マイクロ波導入窓に接する面にマイクロ波進行方向に対して平行及び垂直に、四角形のそれぞれ一辺の位置に一つづ四つのスリットを設けてマイクロ波アンテナを構成したことにより、ＶＳＷＲを小さくし、プロセスマージンを広くとることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１には本発明の実施の形態によるマイクロ波励起プラズマ処理装置を示す。
図１において、１は真空チャンバであり、この真空チャンバ１はその上部壁に開口２を備えている。真空チャンバ１内には、上壁部の開口２に相対した位置に、被処理物３を載置する処理台４が設けられている。被処理物３は、本実施の形態では半導体用Ｓｉウエハである。処理台４は内部に加熱機構及び静電吸着機構（いずれも図示していない）を有しており、被処理物３を所定の温度に加熱できるようになっている。
【００１７】
また、５は、真空チャンバ１内を真空排気し、真空チャンバ１を処理に適した圧力に保つ真空排気系であり、６は真空チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給管である。真空排気系５は、ターボ分子ポンプとドライポンプを組み合わせて構成され、そしてコンダクタンス可変バルブが取り付けられ、それにより真空チャンバ１の排気を行なうと共に、排気速度を可変にさせることができるようになっており、処理中はガス供給管６から流入した処理ガス量と共に制御することで、２０〜９０Ｐａの間で希望の圧力を維持できるようにしている。
【００１８】
真空チャンバ１の上壁部の開口２には環状シール部材７を介してマイクロ波導入窓８が真空を保って設けられている。マイクロ波導入窓８は図示実施の形態では石英で構成されている。また、９は矩形導波管であり、矩形導波管９の一端は閉止され反射端１０として構成されている。矩形導波管９の反射端１０と逆側端には導波管同士を接続するためのフランジ１１が形成され、図示していないマイクロ波電源からマイクロ波を伝送するための導波管に接続できるように構成されている。また矩形導波管９は円形のフランジ１２を備え、この円形のフランジ１２は絶縁取付け部材１３を介して真空チャンバ１に取付けられている。
【００１９】
矩形導波管９の一面すなわちマイクロ波導入窓８に接した底面には四つの長円形のスリット１４が設けられている。すなわちこれらのスリット１４は真空チャンバ１の上部のマイクロ波導入窓８に接するように配置されている。図２に示すように、各スリット１４は四角形のそれぞれ一辺に位置するように設けられ、これにより、真空チャンバ１内でのマイクロ波導入窓８の表面のマイクロ波電磁場ができるだけ均一になるようにされている。このようにしてマイクロ波アンテナが構成される。
【００２０】
各スリット１４の長径は真空中でのマイクロ波波長λ０の１／２に設定され、これによりマイクロ波アンテナから放出されたマイクロ波は損失なく矩形導波管外に進行する。また各スリット１４の短径は長径に比べ狭く、マイクロ波アンテナの放射効率が良好となるような条件から１５ｍｍとした。
【００２１】
更に、各スリットを長円形とすることで角部を無くし、角部で発生するマイクロ波伝播ロスをなくすと共にマイクロ波アンテナ製作時の加工性も良くするようにされている。四つのスリット１４のうち最も終端面すなわち反射面１０に近いスリットは、その中心軸線が反射面１０から矩形導波管９内のマイクロ波波長(λｇ)のｎ／２(ｎは整数)に位置するように配置され、これにより矩形導波管９内のＴＥ１０モードのマイクロ波磁場の定在波のピーク位置と一致させ、効率よくマイクロ波を放射することができるようにされている。
【００２２】
マイクロ波の進行方向に垂直な方向に長径をもつ、対面する二つのスリット１４は同様に矩形導波管９内のマイクロ波波長(λｇ)のｍ／２(ｍは整数)だけ離れて配置されている。マイクロ波の進行方向に平行な方向に長径をもつ、対面する二つのスリット１４は矩形導波管９の寸法に合わせて配置される。
【００２３】
図２に示す実施の形態では、マイクロ波アンテナの矩形導波管９の幅は９６ｍｍとした。スリット１４の長径は真空中でのマイクロ波波長（λ０）の１／２を用いて、６１ｍｍとした。反射端１０からそれに最も近いスリット１４までの距離は矩形導波管内のマイクロ波波長(１５８ｍｍ)の１／２を用い、７９ｍｍとした。このスリットと向かい合うスリットまでの間隔も同様に７９ｍｍとした。これらのスリット１４と垂直な二つのスリットすなわちマイクロ波の進行方向に平行な方向に長径をもつ二つのスリット１４は、矩形導波管９の幅が９６ｍｍであるため、これらスリットの外側のエッジが矩形導波管９の内壁に一致するように設けて、スリットの中心間隔ができるだけ１／２波長に近くなるように配置した。
【００２４】
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図３Ｄには図２に示す実施の形態による本発明の要部を成すマイクロ波アンテナによって発生する電磁場のシミュレーションを示す。電場、磁場とも非対称性は少なく、分布も均質となっていることが分かる。表３に図２に示す実施の形態によるマイクロ波アンテナでの実測によるＶＳＷＲ値を特許文献１、２に開示されている従来技術のマイクロ波アンテナでの実測値と比較して示す。
【００２５】
【表３】
2005150473.tif 000005
表３から、本発明のマイクロ波アンテナのＶＳＷＲが最も小さく、効率的にマイクロ波エネルギーを放射していることがわかる。
【００２６】
実験に際しては被処理物３である半導体用Ｓｉウエハは、温度が２５０℃となるように加熱を行なった。またガス供給管６を介して図示していないガス流量制御系によりＨ２Ｏガスを３００ｓｃｃｍ流した。
実際の処理では、被処理物３であるＳｉウエハ表面に所定の厚みにレジストを塗布した物を真空チャンバ１内に搬入し、処理台４の上に載置した。次にガス供給管６から処理ガスを真空チャンバ１内に導入し、同時に排気系の排気速度を調整することで、真空チャンバ１内を２０Ｐａとした。
次にマイクロ波電源から１．５ｋＷをマイクロ波アンテナに印可し、約２０秒間保持した。
ウエハを取り出し、レジスト膜厚の減少した分を測定し、アツシングレート及びレートのＳｉウエハー上の分布を算出した。同じ条件で特許文献１及び２に記載されたマイクロ波アンテナを使用し、実験を行なった結果を比較した。その結果を表４に示す。
【００２７】
【表４】
2005150473.tif 000006
本発明のマイクロ波アンテナを使用することにより、高レートで分布よくアッシングできていることがわかる。
【００２８】
さらに上記のマイクロ波アンテナを使用し、処理ガスとしてＡｒガスを用い、圧力、印加マイクロ波電力を変化させ、プロセスマージンを調べた。その結果を表５に示す。
【００２９】
【表５】
2005150473.tif 000007
表中で○は正常に放電が可能であったこと、×は反射波が大きく、正常に放電できなかったことを示す。
本発明のマイクロ波アンテナを使用することで放電可能なパラメータ範囲が増加している、つまりプロセスマージンが広げることが可能であることがわかる。
【００３０】
ところで、図示実施の形態ではマイクロ波導入窓として石英を用いたが、マイクロ波を透過させることができ、真空を封ずることができる物であれば、いかなる材質を使用してもよい。
また、処理ガスとして、Ｈ２Ｏ、Ａｒガスを用いたが、ガスの種類はこれに限られるものではない。
また、図示実施の形態では矩形導波管に直接スリットを開口した物をマイクロ波アンテナとして使用したが、例えば円形のフランジにスリットを開口し、矩形導波管と同じ寸法となるようにコの字型のカバーを付けることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、成模原料ガスを使用すれば、プラズマＣＶＤ装置として実施することが可能である。また、反応性ガスを使用することで、エッチャー、あるいは表面改質機構として使用することも可能である。すなわち、本発明は、矩形導波管に開口させたスリットの形状と配置を新しく工夫したことで、プロセスマージンが広がり、様々な用途のマイクロ波プラズマ処理装置に用いることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施の形態を示す概略断面図。
【図２】図１のプラズマ処理装置における本発明の要部をなすマイクロ波アンテナを示す概略平面図。
【図３Ａ】図２に示すマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果における磁界断面を示す図。
【図３Ｂ】図２に示すマイクロ波アンテナ示の電磁場シミュレーション結果におけるマイクロ波導入窓直下の磁界を示す図。
【図３Ｃ】図２に示すマイクロ波アンテナ示の電磁場シミュレーション結果における電界断面を示す図。
【図３Ｄ】図２に示すマイクロ波アンテナ示の電磁場シミュレーション結果におけるマイクロ波導入窓直下の電界を示す図。
【図４】従来のマイクロ波アンテナの一例を示す要部横断面図。
【図５】従来のマイクロ波アンテナの別の例を示す平面図。
【図６Ａ】図４の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果における磁界断面を示す図。
【図６Ｂ】図４の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果におけるマイクロ波導入窓直下の磁界を示す図。
【図６Ｃ】図４の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果における電界断面を示す図。
【図６Ｄ】図４の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果におけるマイクロ波導入窓直下の電界を示す図。
【図７Ａ】図５の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果における磁界断面を示す図。
【図７Ｂ】図５の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果におけるマイクロ波導入窓直下の磁界を示す図。
【図７Ｃ】図５の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果における電界断面を示す図。
【図７Ｄ】図５の従来のマイクロ波アンテナの電磁場シミュレーション結果におけるマイクロ波導入窓直下の電界を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１：真空チャンバ
２：真空チャンバの開口
３：被処理物（ウエハ)
４：処理台
５：真空排気系
６：ガス供給管
８：マイクロ波導入窓
９：矩形導波管
１０：反射端
１１：フランジ
１２：円形のフランジ
１４：スリット
【図１】
2005150473.tif 000008
【図２】
2005150473.tif 000009
【図３Ａ】
2005150473.tif 000010
【図３Ｂ】
2005150473.tif 000011
【図３Ｃ】
2005150473.tif 000012
【図３Ｄ】
2005150473.tif 000013
【図４】
2005150473.tif 000014
【図５】
2005150473.tif 000015
【図６Ａ】
2005150473.tif 000016
【図６Ｂ】
2005150473.tif 000017
【図６Ｃ】
2005150473.tif 000018
【図６Ｄ】
2005150473.tif 000019
【図７Ａ】
2005150473.tif 000020
【図７Ｂ】
2005150473.tif 000021
【図７Ｃ】
2005150473.tif 000022
【図７Ｄ】
2005150473.tif 000023