(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置において、
マイクロ波が導入される矩形導波管と、
前記矩形導波管に対し互いの開口を介しＴ字形に接続される同軸管と、
前記開口を絶縁体で閉塞して前記矩形導波管に対して前記同軸管内部を真空封じする真空封じ窓と、
前記真空封じ窓に連接した状態で前記同軸管内部に配置された絶縁体と、
を具備し、
前記同軸管が、内導体とこれの径方向外側に所定の隙間を隔てて配置される外導体との二重管構造とされており、
前記絶縁体が、前記内導体の外周に装着された環状構造を有し、かつ、前記絶縁体の外径面が、前記真空封じ窓が位置する側とは反対側方向に向けて縮径する形状とされている、
ことを特徴とするプラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生装置に関する。このプラズマ発生装置は、例えば、処理室内にプラズマガスを導き、この処理室内に配置されている半導体ウエハ上をエッチング，アッシング及びチャンバのクリーニングをする工程など、に利用して好適なものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８を参照して従来のこの種のプラズマ発生装置について説明する。同図において、１００は、矩形断面を有した矩形導波管であって、この矩形導波管１００の一端側開口には不図示のマイクロ波電源が装着されその内部に該電源よりのマイクロ波が導入される。
【０００３】
１０２，１０４は、矩形導波管１００の各開口管壁それぞれにその管軸方向垂直に接続された円筒導体であって、一方の円筒導体１０２は、プラズマ用のガス導入口１０２ａを有し、他方の円筒導体１０４の開口１０４ａは、不図示の処理室に接続されている。
【０００４】
１０６は、矩形導波管１００をその管軸方向垂直に貫通するとともに両円筒絶縁体１０２，１０４内に装着された円筒絶縁体であって、矩形導波管１００内に位置する部分が、プラズマ発生部分１０６ａとされている。
【０００５】
１０８は、円筒絶縁体１０６のプラズマ発生部分１０６ａ内におけるマイクロ波電界が強くなるようにその管軸方向に可動される可動終端である。
【０００６】
このようなプラズマ発生装置において、矩形導波管１００内部にマイクロ波が導入され、かつ、円筒導体１０２のガス導入口１０２ａからプラズマ用のガスが導入されると、円筒絶縁体１０６のプラズマ発生部分１０６ａの内部空間にマイクロ波放電によるプラズマが発生する。
【０００７】
こうして円筒絶縁体１０６で発生したプラズマは、例えば、開口１０４ａに接続された処理室内に配置された半導体ウエハ上に導かれ、該半導体ウエハ上をエッチング，アッシング及びチャンバのクリーニングする際に用いられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記プラズマ発生装置においては、矩形導波管１００内におけるマイクロ波の進行方向が、円筒絶縁体１０６のプラズマ発生部分１０６ａの表面に対して垂直な方向であるために、プラズマに対してマイクロ波の電界方向は平行になる。したがって、そこでのマイクロ波の反射波電力が大きくなる。
【０００９】
このような場合、従来、一般的に、矩形導波管１００に整合器を取り付け、この整合器による整合作用でマイクロ波の反射波電力を抑制（マイクロ波整合）することが行われているが、このような整合器によるマイクロ波整合は必ずしも容易ではなく、その作業に時間がかかる。
【００１０】
このように整合作業が困難で時間がかかるために、半導体ウエハに対する処理作業など、要するにプラズマを利用した各種の作業の非能率化などの不具合をもたらすものとなる。
【００１１】
加えて、整合器そのものが大型でかつ重いために装置全体の取り扱いを不便なものとしているうえ、整合器それ自体が高価であるため、装置全体のコストを高くつかせるものとなっている。
【００１２】
したがって、本発明は、マイクロ波の整合を取るのを容易にすることを共通の解決課題としている。
【００１３】
本発明はまた、整合器を利用せずにマイクロ波の整合を容易に取れるようにして、整合器を不要なものとし、これによって、装置全体の取り扱いを容易とし、また、装置のコストダウンを可能とすることを他の解決課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、図１で示すように、マイクロ波が導入される矩形導波管（２）と、矩形導波管（２）に対し互いの開口（２ｂ，４２ｃ）を介しＴ字形に接続された同軸管（４）と、開口（２ｂ，４２ｃ）を絶縁体で閉塞して矩形導波管（２）に対して同軸管（４）の内部を真空封じする真空封じ窓（６）と、真空封じ窓（６）に連接した状態で同軸管（４）内部に配置された絶縁体（１６）とを具備し、前記同軸管（４）が、内導体（４１）とこれの径方向外側に所定の隙間を隔てて配置される外導体（４２）との二重管構造とされており、前記絶縁体（１６）が、前記内導体（４１）の外周に装着された環状構造を有し、かつ、絶縁体（１６）の外径面が、真空封じ窓（６）が位置する側とは反対側方向に向けて縮径する形状とされているものである。
【００１５】
本発明では、プラズマとマイクロ波との境界部分をコーン状の絶縁体にすることで、プラズマに対し、マイクロ波の電界方向は平行でなくなる。そのため、マイクロ波がプラズマに、より吸収されやすくなり、反射波電力を低減できる。さらに、コーン状の絶縁体の形状を調整することにより、プラズマの着火前後やプロセスの変更等によるプラズマインピーダンスの大きな変動に対しても負荷全体としてのインピーダンスをほぼ一定に保つことが可能になるため、それまで必要であった矩形導波管内における整合器を用いた困難なマイクロ波整合作業が不要となり、プラズマを利用した各種作業が容易かつ能率的なものになる。加えて、大型でかつ重量のある整合器を用いないから装置の取り扱いが容易かつ便利となるとともに、装置のコストダウンも図れる。
【００１７】
また、内導体と外導体との径方向対向隙間のプラズマ発生空間（１９）に向けて絶縁体よりマイクロ波電力を効率的に供給でき、その空間でのプラズマ発生効率を高められて好ましい。
【００１８】
この場合、前記内導体は中実構造も中空構造も含む。
【００２０】
また、半導体の各種プロセスに応じてプラズマ発生空間に供給するガスの圧力を変化させてもその圧力の広い変化範囲にわたりマイクロ波の反射係数を小さくかつほぼ一定にできる。そのために、各種プロセスに対する最適化設定を正確かつ容易にできて好ましい。
【００２１】
この場合、前記縮径形状は、前記方向に一様に縮径する場合のみならず、縮径する箇所が部分的に存在する場合も、絶縁体（１６）の外径面が縮径している形状も含む。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２３】
図２ないし図７は、本発明の実施形態に係り、図２は、本実施の形態のプラズマ発生装置全体の縦断側面図、図３は、図２のプラズマ発生装置の半断斜視図、図示は、内導体の形状例図、図５は、図２の要部拡大図、図６は、本実施の形態の作用の説明に供する図、図７は、絶縁体の他の形状例図である。
【００２４】
図例のプラズマ発生装置において、２は、矩形導波管、４は、同軸管、６は、真空封じ窓、８，１０は、可動終端、１２および１４は操作体、１５は、可動終端装着用円筒体、１６は、コーン状の絶縁体、１８は、冷却媒体導入用の円筒である。
【００２５】
矩形導波管２は、管軸方向一端側が開口され、管軸方向他端側が閉塞された矩形断面を有し、その一端側開口２ａに不図示のマイクロ波電源が装着され、その内部に該電源よりのマイクロ波電力が投入されるようになっている。
【００２６】
矩形導波管２はまた、管軸方向途中の管壁下側と上側とに円形開口２ｂ，２ｃそれぞれを有した取付ボス２ｄ，２ｅを備え、一方の取付ボス２ｄには後述する同軸管４の外導体４２が、また、他方の取付ボス２ｅには、可動終端装着用円筒体１５が、それぞれ、取り付けられる。
【００２７】
可動終端装着用円筒体１５は、導体で構成されていて可動終端１０がその筒軸方向に向けて変位可能に取り付けられている。可動終端１０は、操作体１４の端部に取り付けられるとともに、後述するプラズマ発生空間１９におけるマイクロ波電界が強くなるように操作体１４の回転操作により筒軸方向に変位可能とされている。
【００２８】
同軸管４は、内導体４１とこれの径方向外側に所定の隙間を隔てて配置された外導体４２とを有し、真空封じ窓６より下側における所定部分において両導体４１，４２による部分的な二重管構造とされている。そして、内導体４１は、一端側が閉塞され他端側が開口された筒状構造とされ、一端側における所定部分（プラズマ電極）４１ａが、外導体４２の一端側における所定部分（プラズマ電極）４２ａと径方向に対向し、両プラズマ電極の対向隙間にプラズマ発生空間１９を構成している。
【００２９】
内導体４１の他端側は、矩形導波管２を同軸管４の管軸方向に貫通して上方に突出し、その突出端部は、可動終端装着用円筒体１５の外面に電気的および機械的に接続されて接地されている。
【００３０】
内導体４１にはその他端側開口から冷却媒体導入用の円筒１８が挿入されている。この構造により、円筒１８一端側からその内部に供給された冷却媒体は、該円筒１８の他端側から出てくるとともに円筒１８の外周と内導体４１との間の対向隙間を通して外部に戻されるようになっている。
【００３１】
外導体４２は、一端側が大径とされ、その大径部分４２ｂに真空封じ窓６の装着用でかつ中央に開口４２ｃを有した円形凹所４２ｄが形成されている。
【００３２】
真空封じ窓６は、テフロン、アルミナ、石英などの化学的に安定した、好ましくはマイクロ波を吸収しにくい絶縁体が外導体４２の円形凹所４２ｄに装着されて構成されており、矩形導波管２の開口２ｂと、外導体４２の開口４２ｃとを真空遮断している。外導体４２は、そのプラズマ電極４２ｂにおいてプラズマ用のガス導入口４２ｅを備える。
【００３３】
このようにして同軸管４は、前記した二重管構造部分が、矩形導波管２に対し互いの開口２ｂ，４２ｃを介しＴ字形に接続されていることになる。
【００３４】
なお、可動終端８，１０は、プラズマ発生空間１９におけるマイクロ波電界が強くなるように操作体１２、１４によって可動されるものである。ただし、矩形導波管２と可動終端装着用円筒体１５との形状を最適化すれば、可動終端８，１０および操作体１２、１４を省略することも可能である。
【００３５】
絶縁体１６は、真空封じ窓６に連接した状態で内導体４１のプラズマ電極４１ａの外周に環状に設けられており、その外径面は、真空封じ窓６と反対側方向に一様に縮径したコーン形状とされている。この絶縁体１６は、例えば、セラミック、石英、サファイヤ、アルミナ、窒化アルミなどの化学的に安定で、かつ耐熱性及び耐腐食性に優れた絶縁材料で構成されている。
【００３６】
なお、図４に示すように内導体４１の下側を絶縁体１６が落下しないように段差を付けた形状にすれば、絶縁体１６を真空封じ窓６または内導体４１にネジなどで固定する必要がなくなり、構造を簡単にできるので好ましい。
【００３７】
以上の構成を備えた本実施の形態の作用効果について説明する。
【００３８】
▲１▼、同軸管４における内導体４１と外導体４２それぞれの一端側プラズマ電極４１ａ，４２ａとの径方向対向空間がプラズマ発生空間１９を構成し、この空間１９でプラズマが発生するので、プラズマ発生熱で高温状態となる。そして、この場合、その発生熱は、内導体４１一端側からその他端側にまで伝導されたうえ可動終端装着用円筒体１５および矩形導波管２に放熱される結果、同軸管４が高温になることを避けられて好ましい。
【００３９】
▲２▼、同軸管４の内導体４１の他端側開口においては、円筒１８から冷却媒体を入れて、内導体４１及びＯリング２２を冷却できるのでさらに好ましい。
【００４０】
▲３▼、同軸管４の内導体４１は、その他端側が可動終端装着用円筒体１５および矩形導波管２に電気的に接続されて接地されているから、マイクロ波が外部に漏洩することが防止されて好ましい。
【００４１】
▲４▼、従来技術ではプラズマとマイクロ波の境界部分において、プラズマに対しマイクロ波の電界方向は平行であるため、マイクロ波の反射波電力は非常に大きかった。
【００４２】
本発明では、プラズマとマイクロ波との境界部分をコーン状の絶縁体１６にすることで、プラズマに対し、マイクロ波の電界方向は平行でなくなる。そのため、マイクロ波がプラズマに、より吸収されやすくなり、反射波電力を低減できる。さらに、コーン状の絶縁体１６の形状を調整することにより、プラズマの着火前後やプロセスの変更等によるプラズマインピーダンスの大きな変動に対しても負荷全体としてのインピーダンスをほぼ一定に保つことが可能になる。そのため、従来のように整合器を用いた整合作用でマイクロ波の反射波電力を抑制する必要がなくなり、プラズマを利用した各種作業を容易かつ能率的なものにできる。なお、絶縁体１６内における電界の向きは、図５の点線矢印で示すように径方向となっている。なお、マイクロ波は交流なので、電界の向きは時間と場所とによって径方向外向きになったり、径方向内向きになったりする。
【００４３】
▲５▼、絶縁体１６はコーン形状であるが、このような形状とした場合についての作用効果について、図６を参照して説明する。
【００４４】
図６は、負荷側の反射係数の大きさ｜Γ｜および負荷位相θのガス圧力依存性を示している。なお、絶縁体１６の管軸方向長さは、この例の場合、１０５ｍｍであるが、この長さに限定されるものではない。図６において、横軸は、ガス圧力（Ｐａ）、左縦軸は負荷側の反射係数の大きさ｜Γ｜、右側縦軸は負荷位相θである。また、特性線Ａは、反射係数の大きさ｜Γ｜、特性線Ｂは負荷位相θをそれぞれあらわしている。図６において、横軸で示されるように外導体４２のガス導入口４２ｅからプラズマ発生空間１９に供給されるガスの圧力を変えた場合を示す。
【００４５】
負荷側の反射係数の大きさ｜Γ｜は、進行波電圧に対して反射波電圧がどれ位あるかということを割合であらわした係数であり、負荷位相θは、進行波電圧に対する反射波電圧の位相のことである。反射係数が「１」とは電力が全部、反射されることを意味するから、反射係数の特性線Ａが小さい程、よいことになる。
【００４６】
前記ガス導入口４２ｅから導入されるガスの種類や圧力は、半導体の各種プロセスによって異なるので、それぞれのプロセスに応じて最適化したプロセス条件を設定する必要がある。本実施の形態では、絶縁体１６の外径面をコーン形状としているので、ガス圧力が変化しても、広い圧力範囲において前記反射係数の大きさ｜Γ｜や負荷位相θの変化が小さくかつほぼ一定になり、前記最適化の設定を正確かつ容易に行うことができて好ましい。
【００４７】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の応用や変形が可能である。
【００４８】
（１）上述の実施形態では、絶縁体１６の外径面がコーン形状とされているが、これに限定されるものではなく、上述のような管軸方向に同一径のまま（ストレート形状）とか、湾曲形状とか、その他の形状でも構わない。また、熱歪みによって割れることを防止するために、周囲に溝を設けても構わない。
【００４９】
図７は、絶縁体１６の他の形状例図であり、この図を用いて他の形状の一例を説明する。
【００５０】
図７（ａ）は、段階的に縮径し、かつ周囲に溝を設けた例である。なお、溝はなくても構わない。図７（ｂ）は、周囲に溝を設けた例である。図７（ｃ）は、長さの異なる環状の絶縁体を組み合わせた例であり、それぞれの絶縁体の一部に落下防止用の段差を設けた例である。
【００５１】
（２）上述の実施形態におけるプラズマ発生装置の保守を便利とするように、例えば、同軸管４の外導体４２に対して、他の構成要素（同軸管４の内導体４１、冷却媒体導入用の円筒１８、真空封じ窓６、絶縁体１６、可動終端１０、操作体１４、可動終端装着用円筒体１５）を一体のユニット化として嵌着可能に取り外せるようにすると、絶縁体１６に対しての保守交換が容易となる。なお、２０，２２は、ゴムなどの弾性体からなるＯリングであり、前記ユニット化のための同軸管４内部の密封性確保のために必要である。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明の場合、マイクロ波が導入される矩形導波管と、この矩形導波管に対し互いの開口を介しＴ字形に連通接続された同軸管と、前記開口を絶縁体で閉塞して矩形導波管に対して同軸管の内部を真空封じする真空封じ窓と、この真空封じ窓に連接した状態で同軸管内部に配置された絶縁体とを具備したから、プラズマと絶縁体との境界部分において、プラズマに対しマイクロ波の電界方向が平行でなくなるために、マイクロ波がプラズマに、より吸収されやすくなり、反射波を低減できる。さらに、絶縁体の形状を調整することにより、プラズマの着火前後やプロセスの変更等によるプラズマインピーダンスの大きな変動に対しても負荷全体としてのインピーダンスをほぼ一定に保つことが可能になるため、整合器による整合作用でマイクロ波の反射を抑制する必要がなくなり、プラズマを利用した各種作業を容易かつ能率的なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の要点の説明に供するプラズマ発生装置の縦断側面図
【図２】本実施の形態のプラズマ発生装置の縦断側面図
【図３】図２のプラズマ発生装置の半断斜視図
【図４】絶縁体１６の落下を防止するための内導体４１の形状例図
【図５】図２の要部拡大図
【図６】本実施の形態の作用の説明に供する図
【図７】絶縁体１６の他の形状例図
【図８】従来のプラズマ発生装置の縦断側面図
【符号の説明】
２    矩形導波管
４    同軸管
４１    同軸管の内導体
４２    同軸管の外導体
６    真空封じ窓
１６    絶縁体
１９    プラズマ発生空間
【図１】
0004353384.tif 000002
【図２】
0004353384.tif 000003
【図３】
0004353384.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004353384.tif 000007
【図７】
0004353384.tif 000008
【図８】
0004353384.tif 000009