(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスロットが形成された第１の導電板と、マイクロ波導入口を有し前記第１の導電板に対向配置された第２の導電板と、前記第１及び第２の導電板の周縁を接続するリング部材とを備えたラジアルアンテナにおいて、
前記第１及び第２の導電板により形成されるラジアル導波路内の前記第２の導電板上に設けられ、前記第１の導電板までの距離を調整する導電性の調整部材を備えたことを特徴とするラジアルアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のラジアルアンテナにおいて、
複数の前記調整部材が平面視放射状に配設されていることを特徴とするラジアルアンテナ。
【請求項３】
請求項１記載のラジアルアンテナにおいて、
前記調整部材は、前記第２の導電板の周縁に沿って配設されていることを特徴とするラジアルアンテナ。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載のラジアルアンテナにおいて、
前記調整部材の高さは、前記第２の導電板の中心から離れるにしたがって高くなるように設定されていることを特徴とするラジアルアンテナ。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のラジアルアンテナにおいて、
前記スロットは、略矩形状又は円弧状をしており、
前記スロットのスロット長は、前記ラジアル導波路内を伝搬するマイクロ波の波長の１／３に相当する長さよりも短いことを特徴とするラジアルアンテナ。
【請求項６】
被処理体を載置する載置台が内部に配置された気密な処理容器と、前記載置台の上方位置に配設され前記処理容器内にマイクロ波を供給するアンテナ手段とを備えたプラズマ装置において、
前記アンテナ手段は、請求項１〜５いずれか１項記載のラジアルアンテナであることを特徴とするプラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラジアルアンテナ及びそれを用いたプラズマ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造において、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、プラズマ装置が多用されている。これらのプラズマ装置の中に、ラジアルアンテナを介してマイクロ波を処理容器内に導入して高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置がある。このマイクロ波プラズマ装置は比較的低い圧力で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】
図７は、このようなマイクロ波プラズマ装置に従来から用いられているラジアルアンテナの一構成例及び電界放射の分布を示す図である。ここで、図７（ａ）はラジアルアンテナの放射面を示す概念図、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるVIIb−VIIb′線方向の断面図、図７（ｃ）はラジアルアンテナによる放射電界の分布を示す概念図である。図７（ｃ）において、横軸はラジアルアンテナの中心から径方向への距離であり、縦軸はラジアルアンテナから放射される電界の強度である。また、図８は、図７に示したラジアルアンテナの放射面に形成されるスロットの形状を示す図である。
【０００４】
プラズマ装置に従来から用いられているラジアルアンテナ２３０は、図７（ｂ）に示すように、ラジアル導波路２３３を形成する互いに平行な２枚の導電板２３１，２３２と、これらの導電板２３１，２３２の周縁を接続するリング部材２３４とから構成される。導電板２３２の中央部には、マイクロ波発生器（図示せず）からのマイクロ波が導入されるマイクロ波導入口２３５が開口している。また、導電板２３１には、ラジアル導波路２３３内を伝搬するマイクロ波を処理容器（図示せず）に放射するためのスロット２３６が多数形成されている。ラジアル導波路２３３内の電磁界への影響を考慮するとスロット２３６の幅Ｗ２は狭いほどよいが、狭すぎると異常放電の原因ともなるので、通常２ｍｍ程度に設定される（ラジアル導波路２３３内におけるマイクロ波の波長をλg とすると、Ｗ２≦λg/４）。
【０００５】
マイクロ波導入口２３５から導入されたマイクロ波は、ラジアル導波路２３３の中央部から周縁部に向かって放射状に伝搬してゆく。このときマイクロ波は多数のスロット２３６から少しずつ放射されてゆくので、ラジアル導波路２３３内の電力密度は周縁部に近づくにしたがって徐々に低下する。一方、スロット２３６の電界放射効率は、スロット２３６の長さすなわちスロット長Ｌ２が０（ゼロ）から長くなるにしたがって徐々に大きくなり、スロット長Ｌ２がλg/２に相当する長さのときに極大となる。
【０００６】
このような条件の下で、例えば図７（ｃ）に示すような放射電界分布を得るために、従来はスロット長Ｌ２を調整することで放射電界強度を制御していた。つまり、図７（ａ）に示すように導電板２３１の中心から離れるにしたがってスロット長Ｌ２を長くして、電力密度が小さい周縁部におけるスロット長Ｌ２をλg/２に相当する長さに近づけることにより、図７（ｃ）に示すような放射電界分布を実現していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スロット２３６の電界放射効率が極大となるＬ２＝λg/２のときには、マイクロ波の共振が起こり、特にスロット２３６の幅Ｗ２が２ｍｍと狭い場合には異常放電が誘起される。この放電によってスロット２３６の周囲が加熱されると、スロット２３６の周囲が歪み、あるいは溶け出す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、異常放電を誘起させることなく、所望の電界放射分布を得られるようにすることにある。
【０００８】
【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、本発明のラジアルアンテナは、複数のスロットが形成された第１の導電板と、マイクロ波導入口を有し第１の導電板に対向配置された第２の導電板と、第１及び第２の導電板の周縁を接続するリング部材と、第１及び第２の導電板により形成されるラジアル導波路内の第２の導電板上に設けられ第１の導電板までの距離を調整する導電性の調整部材を備えたことを特徴とする。第２の導電板から第１の導電板までの距離を小さくすることにより、第１及び第２の導電板間における電力密度を大きくすることができる。このため第１の導電板に形成されるスロットのスロット長をλg/２に相当する長さよりも十分短くしても、放射電界強度を大きくすることができる。
【０００９】
ここで、複数の調整部材を平面視放射状に配設してもよいし、１つ又は複数の調整部材を第２の導電板の周縁に沿って配設してもよい。
また、導電部材の高さを、第２の導電板の中心から離れるにしたがって高くなるように設定してもよい。これにより、ラジアル導波路内の径方向における電力密度を変えることができる。
また、上述したラジアルアンテナでは、スロットを略矩形状又は円弧状とした場合、スロット長をλg/３に相当する長さよりも短くすることが望ましい。これにより、スロットの幅が狭くても、異常放電の誘起を効果的に防止することができる。
【００１０】
また、本発明のプラズマ装置は、プラズマが生成される容器内にマイクロ波を供給するアンテナ手段として、上述したラジアルアンテナが用いられることを特徴とする。
【００１１】
【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、本発明によるラジアルアンテナを用いたプラズマ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構成図である。この図１では、一部構成について断面構造が示されている。
【００１２】
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の底部には、真空ポンプ（図示せず）に連通する排気口１４が設けられており、処理容器１１内部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１５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１６とが上下に設けられている。これらのノズル１５，１６は石英パイプなどで構成されている。
【００１３】
処理容器１１内には、エッチング対象の基板（被処理体）２１が上面に載置される載置台２２が収容され、処理容器１１の底部に絶縁板２４を介して固設された支持台２３上に固定されている。この載置台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。
処理容器１１の上部開口には、平板状に成形された誘電板１３が水平に配置されている。この誘電板１３には、厚さ２０〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又は（Ａｌ2Ｏ3又はＡｌＮなどの）セラミックなどが用いられる。処理容器１１と誘電板１３との接合部はＯリングなどのシール部材１２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。
【００１４】
また、誘電板１３上部にはラジアルアンテナ３０が放射面（後述する導電板３１）を下にして配設されている。このラジアルアンテナ３０は、誘電板１３を介して処理容器１１内にマイクロ波ＭＷを供給するアンテナ手段である。誘電板１３は、ラジアルアンテナ３０の放射面に対向配置され、この放射面全域を覆うことにより、処理容器１１内で生成されるプラズマからラジアルアンテナ３０を保護する。また、誘電板１３およびラジアルアンテナ３０の周囲はシールド材１７によって覆われている。
【００１５】
図２は、ラジアルアンテナ３０の構成及び電界放射の分布を示す図である。ここで、図２（ａ）はラジアルアンテナ３０の放射面を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるIIｂ−IIｂ′線方向の断面図、図２（ｃ）はラジアルアンテナ３０による放射電界の分布を示す概念図である。なお、図２（ａ）は本発明の特徴が明確になるように概念的に示されている。また、図２（ｃ）において、横軸はラジアルアンテナ３０の中心から径方向への距離であり、縦軸はラジアルアンテナ３０から放射される電界の強度である。
【００１６】
ラジアルアンテナ３０は、図２（ｂ）に示すように、上記放射面を構成する第１の導電板３１と、この導電板３１に対して上方位置に対向配置された第２の導電板３２と、導電板３１，３２の周縁を接続するリング部材３４とから構成される。リング部材３４により、導電板３１と導電板３２との間隔はｄ１に保持される。このような構成のラジアルアンテナ３０は中空円筒形状をしており、２枚の導電板３１，３２によりマイクロ波ＭＷを導くラジアル導波路３３が構成される。導電板３１，３２及びリング部材３４は、銅又はアルミニウムなどの導電体により形成される。
【００１７】
導電板３２の中央部には、マイクロ波ＭＷが導入されるマイクロ波導入口３５が開口している。また、放射面を構成する導電板３１には、図２（ａ）に示すように周方向に延びるスロット３６が同心円状に多数形成されている。
図３は、スロット３６の形状の例を示す図である。スロット３６の形状は図３（ａ）に示すような矩形状でも、図３（ｃ）に示すような円弧状でもよい。また、図３（ａ），（ｃ）に示すスロット３６の４つの角を、図３（ｂ），（ｄ）に示すように丸めてもよい。図３（ａ）〜（ｄ）に示すスロット３６において、長め方向の長さすなわちスロット長をＬ１、短め方向の長さすなわち幅をＷ１とする。
【００１８】
図２（ａ）に示すように、各スロット３６のスロット長Ｌ１は、原則として導電板３１の中心から離れるにしたがって長くなる。ただし、径方向において、後述するリッジ３７に対向しない領域Ａ１と対向する領域Ａ２との境界の前後で不連続となっている。ラジアル導波路３３内におけるマイクロ波ＭＷの波長をλg とすると、スロット長Ｌ１を最大でもλg/２に相当する長さよりも十分短くする。このラジアルアンテナ３０では、最大のスロット長Ｌ１をλg/３とする。
【００１９】
各スロット３６の幅Ｗ１は、ラジアル導波路３３内の電磁界への影響などを考慮して、２ｍｍ程度に設定される。
径方向におけるスロット３６間のピッチはλg に基づいて設定される。図４（ａ）に示すような放射型のアンテナを実現する場合には、上記ピッチをλg に相当する長さ程度に設定する。また、図４（ｂ）に示すようなリーク型のアンテナを実現する場合には、上記ピッチをλg/20〜λg/30に相当する長さ程度に設定する。
【００２０】
図１に示すように、ラジアルアンテナ３０の中央部には、同軸線路４１が接続されている。この同軸線路４１の外部導体４１Ａは導体板３２のマイクロ波導入口３５に接続されている。また、同軸線路４１の中心導体４１Ｂの先端は円錐状に成形され、この円錐の底部が導体板３１の中心に接続されている。
このようにラジアルアンテナ３０に接続された同軸線路４１は、矩形・同軸変換器４２及び矩形導波管４３を介して、マイクロ波発生器４５に接続されている。このマイクロ波発生器４５は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波ＭＷを発生するものである。なお、マイクロ波ＭＷの周波数は１ＧＨｚ〜１０数ＧＨｚの範囲内であればよい。また、矩形導波管４３の途中にインピーダンスのマッチングを行うマッチング回路４４を設けることにより、電力の使用効率を向上できる。
【００２１】
また、図２（ｂ）に示すように、ラジアル導波路３３内において導電板３２の下面に複数のリッジ３６が固設されている。これらのリッジ３７は、銅又はアルミニウムなどの導電体により形成され、導電板３６側からビス止めされている。リッジ３７は高さｈがｄ１より低い四角柱状の部材であり、導電板３１の上面までの距離を調整する調整手段として作用する。なお、各リッジ３７のエッジのうちラジアル導波路３３の中心に最も近いエッジ３７Ｅは、図２（ｂ）に示すように面取りされている。
各リッジ３７は、図２（ａ）に示すように、導電板３２の中心から所定距離以上離れた放射電界強度を大きくしたい領域Ａ２に、放射状に配設される。このとき、リッジ３７はスロット３６と対向する領域に配設される。なお、図４（ａ），（ｂ）に示すように導電板３１の中央部を除く全域にスロット３６Ａ，３６Ｂが形成される場合には、各リッジ３７は周方向に連続配置される。
【００２２】
リッジ３７が配設されていない領域Ａ１では、ラジアル導波路３３の高さは導電板３２から導電板３１までの距離ｄ１となる。これに対して、リッジ３７が配設されている領域Ａ２では、ラジアル導波路３３の高さはリッジ３７から導電板３１までの距離ｄ２＝ｄ１−ｈ（＜ｄ１）となる。リッジ３７を設けることによりラジアル導波路３３の高さが低くなった領域Ａ２においては、電力密度が大きくなる。このためリッジ３７が設けられている領域Ａ２では、スロット長Ｌ１をλg/２に相当する長さよりも十分短くしても、放射電界強度を大きくすることができる。
【００２３】
スロット長Ｌ１をλg/２に相当する長さよりも十分短くすれば共振が抑えられるので、スロット３６の幅Ｗ１が２ｍｍと狭くても、異常放電の誘起を防止することができる。より好ましくは、Ｌ１＜λg/３とすることにより、異常放電の誘起を効果的に防止することができる。
さらに、導電板３２の中心からの距離に応じて各スロット３６のスロット長Ｌ１を調整して放射電界強度を制御することにより、異常放電の誘起させることなく、例えば図２（ｃ）に示すような電界放射分布を得ることができる。
なお、ラジアル導波路３３内に、セラミックなどの比誘電率が１より大きい誘電体材料からなる遅延部材を配置するようにしてもよい。この遅延部材を用いることにより、電界放射効率を向上させることができる。
【００２４】
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の上面に載置した状態で、処理容器１１内を例えば０．０１〜１０Ｐａ程度の真空度にする。次に、この真空度を維持しつつ、プラズマガス供給ノズル１５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１６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、マイクロ波発生器４５からのマイクロ波ＭＷを矩形導波管４３、矩形・同軸変換器４２及び同軸線路４１を介してラジアルアンテナ３０に供給する。
【００２５】
ラジアルアンテナ３０に供給されたマイクロ波ＭＷは、導電板３１，３２により形成されるラジアル導波路３３の中央部から周縁部に向かって放射状に伝搬してゆく。このときマイクロ波ＭＷは各スロット３６から少しずつ放射されてゆくので、ラジアル導波路３３内を伝搬するマイクロ波ＭＷの電力は周縁部に近づくにしたがって徐々に低下してゆく。しかし、導電板３２の中心から所定距離以上離れたリッジ３７が配設された領域Ａ２では、ラジアル導波路３３の高さがｄ１からｄ２となり、リッジ３７の高さｈだけ低くなるので、ラジアル導波路３３内の電力密度は従来ほど小さくならない。したがって、スロット長Ｌ１がλg/３に相当する長さより短い場合でも、すべてのスロット３６から放射されるマイクロ波ＭＷの電界強度は十分大きくなる。
その一方、Ｌ１＜λg/３であるので、スロット３６の幅Ｗ１が２ｍｍと狭くても、異常放電は誘起されない。このため、従来のように放電によるスロット３６の周囲の歪み及び溶解は生じない。
【００２６】
ラジアルアンテナ３０から放射されたマイクロ波ＭＷは、誘電板１３を透過して、処理容器１１内に導入される。このマイクロ波ＭＷは、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１１の上部空間Ｓ１にプラズマを生成する。
このエッチング装置では、載置台２２に負電位がバイアスされているので、生成されたプラズマからイオンが引き出されて、基板２１に対してエッチング処理が行われる。
【００２７】
なお、図２に示したラジアルアンテナ３０では一定の高さｈのリッジ３７を用いているが、図５に示すラジアルアンテナ３０Ａように、高さが径方向に連続的に変化するリッジ３７Ａを導電板３２の下面に配設して、導電板３１と対向する下面が傾斜するようにしてもよい。このとき、ラジアルアンテナ３０Ａ内外のインピーダンスマッチングを考慮して、リッジ３７Ａの傾斜を設計するとよい。
【００２８】
（第２の実施の形態）
図２に示したラジアルアンテナ３０ではリッジ３７が放射状に配設されているが、リッジが導電板３２の周縁に沿って配設されてもよい。図６は、このようにリッジが配設されたラジアルアンテナの構成図である。ここで、図６（ａ）はラジアルアンテナの放射面を示す平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるVIｂ−VIｂ′線方向の断面図である。なお、図６（ａ）は本発明の特徴が明確になるように概念的に示されている。また、図６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。
【００２９】
図６に示すように、ラジアル導波路１３３内における導電板３２の下面に、調整手段として作用する３個のリッジ１３７Ａ，１３７Ｂ，１３７Ｃが周縁に沿って固設されている。これらのリッジ１３７Ａ〜１３７Ｃは導電板３２の周縁に沿う同心円形状をしており、この順に内側から配設されている。また、各リッジ１３７Ａ，１３７Ｂ，１３７Ｃの高さをそれぞれｈ１，ｈ２，ｈ３とすると、ｈ１＜ｈ２＜ｈ３となっている。つまり、リッジ１３７Ａ〜１３７Ｃの高さは、導電板３２の中心から離れるにしたがって高くなる。したがって、ラジアル導波路１３３の高さは、ラジアル導波路１３３の中心から離れるにしたがって低くなる。これにより、ラジアル導波路１３３内の径方向における電力密度を変えることが可能となる。
【００３０】
したがって、図２に示したラジアルアンテナ３０と同様に、スロット長Ｌ１をλg/２に相当する長さよりも十分短い長さ、例えばλg/３に相当する長さよりも短くしても、リッジ１３７Ａ〜１３７Ｃを設けることにより、放射電界強度を大きくすることができる。また、スロット３６の幅Ｗ１が２ｍｍと狭くても、異常放電の誘起を防止することができる。
なお、ここでは３個のリッジ１３７Ａ〜１３７Ｃが同心円状に配設された例を示したが、リッジの個数は３個には限定されない。
また、リッジ１３７Ａ〜１３７Ｃの高さｈ１，ｈ２，ｈ３はそれぞれ一定であるが、図５に示したリッジ３７と同様に、高さが径方向に連続的に変化していてもよい。
【００３１】
以上では本発明によるラジアルアンテナを用いたプラズマ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装置に適用してもよいことは言うまでもない。
また、本発明によるラジアルアンテナの用途は上述したプラズマ装置に限定されるものではない。例えば本発明によるラジアルアンテナを通信用アンテナに使用してもよく、特にアレイアンテナの送受信信号を分配合成する分配合成器に利用してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のラジアルアンテナでは、ラジアル導波路を形成する第２の導電板から第１の導電板までの距離を調整する調整部材を備える。したがって、従来電力密度が小さくなるラジアル導波路の周縁部分において、ラジアル導波路の高さを低くすることにより電力密度を大きくすることができるので、スロット長をλg/２に相当する長さよりも十分短くしても、放射電界強度を大きくすることができる。したがって、放射電界強度を大きくしたい領域に対応して調整部材を設けることにより、異常放電を誘起させることなく、所望の電界放射分布を得ることができる。
【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構成図である。
【図２】  ラジアルアンテナの一構成例及び電界放射の分布を示す図である。
【図３】  図２に示したラジアルアンテナに形成されるスロットの形状を示す図である。
【図４】  放射面を構成する導電板の構成例を示す平面図である。
【図５】  リッジの変形例を示す断面図である。
【図６】  ラジアルアンテナの他の構成例及び電界放射の分布を示す図である。
【図７】  マイクロ波プラズマ装置に従来から用いられているラジアルアンテナの一構成例及び電界放射の分布を示す図である。
【図８】  図７に示したラジアルアンテナに形成されるスロットの形状を示す図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、２１…被処理体、２２…載置台、３０，３０Ａ，１３０…ラジアルアンテナ、３１，３２，１３１…導電板、３３，１３３…ラジアル導波路、３７，３７Ａ，１３７Ａ〜１３７Ｃ…リッジ、３６，１３６…スロット、Ｌ１…スロット長、ＭＷ…マイクロ波、ｈ，ｈ１〜ｈ３…リッジの高さ。
【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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