JP3676680B2 - プラズマ装置及びプラズマ生成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットアンテナを用いて容器内に供給した電磁界によりプラズマを生成するプラズマ装置及びプラズマ生成方法に関する。
【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、プラズマ装置が多用されている。これらのプラズマ装置の中に、スロットアンテナを用いて処理容器内に高周波電磁界を供給し、その電磁界により高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ装置がある。この高周波プラズマ装置は、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】
図７は、従来の高周波プラズマ装置の一構成例を示す図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器１１１を有している。この処理容器１１１の底部には基板台１２２が固定され、この基板台１２２の載置面に被処理体である基板１２１が配置される。処理容器１１１の側壁には、プラズマガス供給用のノズル１１７が設けられ、処理容器１１１の底部には、真空排気用の排気口１１６が設けられている。処理容器１１１の上部開口は、そこからプラズマが外部に漏れないように、誘電体板１１３で塞がれている。
【０００４】
この誘電体板１１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ１３０が配置されている。このラジアルアンテナ１３０は、ラジアル導波路１３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板１３１，１３２と、これらの導体板１３１，１３２の外周部を接続する導体リング１３４とから構成されている。ラジアル導波路１３３の上面となる導体板１３２の中心部には、高周波発生器１４４から円偏波変換器１４２を介して供給される電磁界Ｆをラジアル導波路１３３内に導入する導入口１３５が形成されている。また、ラジアル導波路１３３の下面となる導体板１３１には、ラジアル導波路１３３内を伝搬する電磁界Ｆを誘電体板１１３を介して処理容器１１１内に供給するスロット１３６が、図８（ａ）に示すように周方向に複数形成されている。この導体板１３１がラジアルアンテナ１３０の放射面となる。さらに、ラジアルアンテナ１３０及び誘電体板１１３の外周は環状のシールド材１１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
【０００５】
高周波発生器１４４からラジアルアンテナ１３０に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路１３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、複数のスロット１３６から少しずつ放射されてゆく。このため、ラジアル導波路１３３内の電力密度は、中心部から周縁部にゆくほど徐々に低下してゆく。一方、スロット１３６の放射係数は、スロット１３６の長さ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、Ｌ２がラジアル導波路１３３内における電磁界Ｆの波長λg の１／２の長さのときに極大となる。このため、従来は、ラジアルアンテナ１３０の放射量が放射面全域で均一になるように、スロット１３６の長さＬ２の上限がλg/２の場合、Ｌ２を図８（ｂ）に示すように放射面の中心部Ｏから周縁部に向かって徐々に長くしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにスロット１３６の長さＬ２が設計されたラジアルアンテナ１３０を用いてプラズマを生成すると、基板台１２２の載置面に平行な面内におけるプラズマ分布は図９に示すように均一にはならず、周縁部付近で高密度のプラズマが発生してしまう。このような不均一なプラズマで処理を行うと、プラズマが高密度となっている下の領域ほど基板１２１に対する処理が速く進行し、処理量にばらつきが発生する。
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、プラズマ分布の面内均一性を改善することにある。
【０００７】
【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、本発明のプラズマ装置では、プラズマが生成される容器内に電磁界を供給するスロットアンテナは、放射面の中心部、周縁部、中心部と周縁部との間の中間領域において、中心部から中間領域まで単位面積あたりの電磁界の放射量がほぼ均一であり、中間領域から周縁部へ向かって単位面積あたりの電磁界の放射量が単調減少するようにスロットが形成されていることを特徴とする。これにより、容器内の周縁部付近におけるプラズマ生成が抑制される。
具体的には、スロットアンテナの各スロットの長さは、放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していてもよい。
また、スロットアンテナは、放射面における単位面積あたりのスロット数が放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していてもよい。
【０００８】
また、本発明のプラズマ装置では、プラズマが生成される容器内に電磁界を供給するスロットアンテナは、放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量が放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくなるようにスロットが形成され、スロットのそれぞれの長さが放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していることを特徴とする。
また、本発明のプラズマ装置では、プラズマが生成される容器内に電磁界を供給するスロットアンテナは、放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量が放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくなるようにスロットが形成され、放射面における単位面積あたりのスロット数が放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少してることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のプラズマ生成方法は、スロットアンテナの放射面の中心部、周縁部、中心部と周縁部との間の中間領域において、中心部から中間領域まで単位面積あたりの電磁界の放射量をほぼ均一とし、中間領域から周縁部へ向かって単位面積あたりの電磁界の放射量を単調減少させ、このスロットアンテナからの電磁界を容器内に供給しプラズマを生成することを特徴とする。これにより、容器内の周縁部付近におけるプラズマ生成が抑制される。
【００１０】
具体的には、スロットアンテナの各スロットの長さが放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少するように各スロットを形成することにより、上述した放射量分布を実現してもよい。
また、スロットアンテナの放射面における単位面積あたりのスロット数が放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少するように各スロットを形成することにより、上述した放射量分布を実現してもよい。
【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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器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体で形成されている。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（Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮなど）などからなる誘電体板１３が配置されている。処理容器１１と誘電体板１３との接合部にはＯリングなどのシール部材１４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。
【００１２】
処理容器１１の底部には、セラミックなどからなる絶縁板１５が設けられている。また、この絶縁板１５及び処理容器１１底部を貫通する排気口１６が設けられており、この排気口１６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やＣＦ4 などのプロセスガスを導入するためのノズル１７が設けられている。このノズル１７は石英パイプなどで形成されている。
【００１３】
処理容器１１内には、被処理体である基板２１が載置面上に配置される円柱状の基板台２２が収容されている。この基板台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。また、基板台２２には、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が接続されている。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、基板台２２と絶縁板１５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。
【００１４】
また、誘電体板１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ３０が配置されている。このラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３によって処理容器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。ラジアルアンテナ３０及び誘電体板１３の外周は、処理容器１１の側壁上に環状に配置されたシールド材１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
ラジアルアンテナ３０の中央部は、円筒導波管４１によって高周波発生器４４に接続されている。この高周波発生器４４は、１ＧＨｚ〜十数ＧＨｚの範囲内の所定周波数の高周波電磁界Ｆを発生するものである。円筒導波管４１の途中には、インピーダンスマッチングを図るためのマッチング回路４３と、円筒導波管４１を伝搬する電界の主方向を管軸を中心にして回転させる円偏波変換器４２が設けられている。
【００１５】
次に、ラジアルアンテナ３０の構成について更に説明する。
ラジアルアンテナ３０は、ラジアル導波路３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板３１，３２と、これらの導体板３１，３２の外周部を接続してシールドする導体リング３４とから構成されている。導体板３１，３２及び導体リング３４は、銅又はアルミニウムなどの導体で形成されている。
ラジアル導波路３３の上面となる導体板３２の中心部には、ラジアル導波路３３内に電磁界Ｆを導入する導入口３５が形成され、この導入口３５に円筒導波管４１が接続されている。
【００１６】
ラジアル導波路３３の内部において、導体板３１の中心部には、導入口３５に向かって突出する円錐部材３７が設けられている。この円錐部材３７も導体板３１，３２等と同じ導体で形成されている。この円錐部材３７により、円筒導波管４１を伝搬してきた電磁界Ｆをラジアル導波路３３内へ良好に導波することができる。
ラジアル導波路３３の下面となる導体板３１には、ラジアル導波路３３内を伝搬する電磁界Ｆを処理容器１１内に供給するスロット３６が複数形成されている。この導体板３１がラジアルアンテナ３０の放射面を構成する。
【００１７】
図２は、ラジアルアンテナ３０の説明図である。この図において、（ａ）は放射面の一構成例を示す平面図、（ｂ）はスロット３６の長さの分布を示す図、（ｃ）は電磁界Ｆの放射量の分布を示す図である。なお、図２（ｂ）において、横軸は放射面をなす導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸はスロット３６の長さＬ１である。また、図２（ｃ）において、横軸は同じく導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸は放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量である。また、図３は、スロット３６の形状の例を示す図である。
【００１８】
スロット３６は、例えば図２（ａ）に示すように、同心円に沿う方向（周方向）に形成される。なお、中心から周縁部に向かう螺旋に沿う方向に形成されてもよいし、径方向に形成されてもよい。
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。
スロット３６の幅Ｗ１は、ラジアル導波路３３内の電磁界Ｆへの影響などを考慮して、２ｍｍ程度とするとよい。
【００１９】
スロット３６の長さＬ１は、放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量（以下、単に放射量という場合がある）が図２（ｃ）に示すような分布をもつように設計される。すなわち、導体板３１の中心部をＡ、周縁部のＢ、それらの間の所定の領域（以下、中間領域という）をＣで表すと、中心部Ａから中間領域Ｃまでの領域における放射量がほぼ均一となり、中間領域Ｃから周縁部Ｂへ向かって放射量が単調減少するように、スロット３６の長さＬ１が設計される。なお、放射特性の変化点となる中間領域Ｃの位置は、プロセス条件などに応じて適切な位置が選ばれる。
【００２０】
スロット３６の放射量は、そのスロット３６上部のラジアル導波路３３内の電力密度と、そのスロット３６の放射係数との積によって決まる。ラジアル導波路３３内の電力密度は、中心部から周縁部にゆくほど徐々に低下してゆく。また、スロット３６の放射係数は、スロット３６の長さＬ１が０（ゼロ）から長くなるにしたがって徐々に大きくなり、Ｌ１がラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの波長λg の１／２の長さのときに極大となる。したがって、Ｌ１の上限がλg/２の場合、図２（ｂ）に示すように、スロット３６の長さＬ１が導体板３１の中心部Ａから中間領域Ｃに向かって単調増加し、中間領域Ｃから周縁部Ｂに向かって単調減少するように形成することにより、図２（ｃ）に示したような放射量の面内分布が得られる。
【００２１】
なお、スロット３６の長さＬ１を例えばλg/２≦Ｌ１≦３/４×λgの範囲で形成する場合には、逆に、スロット３６の長さＬ１が導体板３１の中心部Ａから中間領域Ｃに向かって単調減少し、中間領域Ｃから周縁部Ｂに向かって単調増加するように形成することにより、図２（ｃ）に示したような放射量の面内分布が得られる。
スロット３６の幅方向における隣接スロット間の間隔をλg 程度として、ラジアルアンテナ３０を放射型のアンテナとしてもよいし、上記間隔をλg/20〜λg/30として、リーク型のアンテナとしてもよい。
【００２２】
次に、図１に示したプラズマ装置の動作を説明する。
基板２１を基板台２２の載置面に置いた状態で、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、ノズル１７からプラズマガスとしてＡｒを、またプロセスガスとしてＣＦ4 を供給する。この状態で、高周波発生器４４からの電磁界Ｆを円偏波変換器４２で円偏波に変換して、ラジアルアンテナ３０に供給する。
【００２３】
ラジアルアンテナ３０に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、複数のスロット３６から少しずつ放射されてゆく。そして、スロット３６から放射されずに導体リング３４に至った電磁界Ｆはそこで反射され、再度中心部に向かうことになる。以後、電磁界Ｆはラジアル導波路３３を往復伝搬しながら、複数のスロット３６から徐々に放射されてゆく。ただし、放射面の周縁部付近の放射量は、他の領域よりも相対的に小さくなっている。
【００２４】
ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界Ｆは、誘電体板１３を透過し、処理容器１１内に導入される。そして、この電磁界Ｆの作用により処理容器１１内のＡｒが電離すると共にＣＦ4 が解離し、基板２１の上部空間Ｓにプラズマが生成される。このプラズマは、基板台２２に印加されたバイアス電圧によってエネルギーや異方性がコントロールされ、基板２１上に付着したラジカルＣＦx （ｘ＝１，２，３）と共にプラズマ処理に利用される。
【００２５】
次に、図１に示したプラズマ装置についての実験結果を示す。実験は、スロットパターンが異なる４種類のラジアルアンテナ▲１▼〜▲４▼を用いてプラズマを生成し、それぞれのイオン飽和電流Ｉioの分布を計測した。イオン飽和電流Ｉioは次式に示すようにプラズマ密度Ｎi に比例するので、イオン飽和電流Ｉioの分布を調べることにより、プラズマ分布を知ることができる。
Ｉio＝0.6・Ｎi・exp[(ＫＴe/ｍi)1/2]・Ｓ
Ｔe：電子温度，ｍi：イオン質量，Ｓ：プローブ表面積
【００２６】
図４は、実験に用いたラジアルアンテナ▲１▼〜▲４▼のスロットの長さＬの分布を示す図である。横軸は放射面の中心から径方向の距離［ｃｍ］であり、縦軸はスロットの長さＬ［ｃｍ］である。なお、ラジアルアンテナ▲１▼〜▲４▼の放射面の半径は２７ｃｍである。図５は、実験結果を示す図である。横軸は処理容器内において基板台の載置面に平行な面の中心から径方向の距離［ｃｍ］であり、縦軸はイオン飽和電流Ｉioの電流密度［ｍＡ/ｃｍ2］である。
【００２７】
まず、スロットの長さＬが放射面の中心部から周縁部に向かって徐々に長くなるラジアルアンテナ▲１▼について実験を行なった。このラジアルアンテナ▲１▼は、図８に示した従来のラジアルアンテナ１３０に相当する。処理容器内の圧力を４Ｐａにした状態で、ラジアルアンテナ▲１▼を用いて処理容器内に２．４５ＧＨｚ，２ｋＷの電磁界を供給してプラズマを生成し、イオン飽和電流Ｉioの計測したところ、図５の▲１▼で示すような分布が得られた。これより、基板台の載置面に平行な面の周縁部付近に、高密度のプラズマが発生していることが分かる。
【００２８】
次に、スロットの長さＬが放射面の中心部から周縁部に向かって一旦長くなったあと再度短くなるラジアルアンテナ▲２▼について実験を行なった。このラジアルアンテナ▲２▼は、図２に示したラジアルアンテナ３０に相当する。ラジアルアンテナ▲２▼を用いて同様の計測を行ったところ、図５の▲２▼で示すように、▲１▼よりも均一な分布が得られた。ラジアルアンテナ▲２▼では、放射面の中間領域（この場合、中心から１２．５ｃｍの位置）から周縁部に向かってスロットの長さＬを徐々に短くすることにより、ラジアルアンテナ▲１▼を用いたときに高密度のプラズマが発生した領域への電力供給が減少し、この領域でのプラズマ生成が抑制されたため、プラズマ分布が均一化されたと考えられる。
【００２９】
なお、スロットの長さＬが一様であるラジアルアンテナ▲３▼と、スロットの長さＬが放射面の中心部から周縁部に向かって徐々に短くなるラジアルアンテナ▲４▼についても同様の実験を行なったが、その結果は図５の▲３▼と▲４▼で示すように周縁部にゆくほどプラズマ密度が低下し、均一な分布が得られなかった。
以上の実験結果により、図２に示したスロットパターンをもつラジアルアンテナ３０を用いてプラズマを生成することにより、プラズマ分布の面内均一性を改善できるといえる。このようなプラズマを用いることにより、基板２１表面の全域で従来よりも均一なプラズマ処理を行うことができる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの説明図である。この図において、（ａ）は放射面の一構成例を示す平面図、（ｂ）はスロット３６の数の分布を示す図、（ｃ）は電磁界Ｆの放射量の分布を示す図である。なお、図６（ｂ）において、横軸は放射面をなす導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸は放射面における単位面積あたりのスロット３６の数である。また、図６（ｃ）において、横軸は同じく導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸は放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量である。
【００３１】
図６（ａ）に示すラジアルアンテナ３０Ａでは、放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量が図６（ｃ）に示すような分布をもつように、放射面における単位面積あたりのスロット３６の数が設計される。例えばスロット３６の長さＬ１がすべて同じ場合には、図６（ｂ）に示すように、周方向に配列されるスロット３６の数が導体板３１の中心部Ａから中間領域Ｃに向かって単調増加し、中間領域Ｃから周縁部Ｂに向かって単調減少するようにスロット３６を形成することにより、図６（ｃ）に示したような放射量の面内分布が得られる。放射特性の変化点となる中間領域Ｃの位置が、プロセス条件などに応じて決定されることは、図２に示したラジアルアンテナ３０と同様である。
このように、スロット３６の数の分布で放射量を調整しても、スロット３６の長さＬ１で調整した場合と同様に、プラズマ分布の面内均一性を改善することができる。
【００３２】
以上ではスロットアンテナの一例としてラジアルアンテナを用いて説明してきたが、これに限ることはなく、他のスロットアンテナ、例えばキャビティーアンテナを用いても同様の効果を得られる。このキャビティーアンテナとは、高周波発生器から供給された電磁界を所定のモードで共振させる空洞共振器を有し、この空洞共振器の下面に電磁界を放射するためのスロットが複数形成されたアンテナである。なお、キャビティーアンテナでは、空洞共振器の上面中心部に電磁界導入口を設ける必要はない。
また、本発明のプラズマ装置は、ＥＣＲ(electron cyclotron resonance)プラズマ装置にも適用することができる。また、本発明のプラズマ装置は、エッチング装置、プラズマＣＶＤ装置などに利用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、スロットアンテナの放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量を、上記放射面の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくすることにより、容器内の周縁部付近でのプラズマ生成が抑制されるので、プラズマ分布の面内均一性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。
【図２】 図１に示したラジアルアンテナの説明図である。
【図３】 スロットの形状の例を示す図である。
【図４】 実験に用いたラジアルアンテナのスロットの長さの分布を示す図である。
【図５】 実験結果を示す図である。
【図６】 本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの説明図である。
【図７】 従来のプラズマ装置の一構成例を示す図である。
【図８】 従来のプラズマ装置で使用されるラジアルアンテナの説明図である。
【図９】 図７に示した従来のプラズマ装置によって生成されたプラズマの分布を示す概念図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、１３…誘電体板、１６…排気口、１７…ノズル、２１…基板、２２…基板台、３０，３０Ａ…ラジアルアンテナ、３１，３２…導体板、３３…ラジアル導波路、３４…導体リング、３５…電磁界導入口、３６…スロット、３７…円錐部材、４１…円筒導波管、４２…円偏波変換器、４４…高周波発生器、Ａ…中心部、Ｂ…周縁部、Ｃ…中間領域、Ｆ…電磁界、Ｌ１…スロットの長さ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットアンテナを用いて容器内に供給した電磁界によりプラズマを生成するプラズマ装置及びプラズマ生成方法に関する。
【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、プラズマ装置が多用されている。これらのプラズマ装置の中に、スロットアンテナを用いて処理容器内に高周波電磁界を供給し、その電磁界により高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ装置がある。この高周波プラズマ装置は、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】
図７は、従来の高周波プラズマ装置の一構成例を示す図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器１１１を有している。この処理容器１１１の底部には基板台１２２が固定され、この基板台１２２の載置面に被処理体である基板１２１が配置される。処理容器１１１の側壁には、プラズマガス供給用のノズル１１７が設けられ、処理容器１１１の底部には、真空排気用の排気口１１６が設けられている。処理容器１１１の上部開口は、そこからプラズマが外部に漏れないように、誘電体板１１３で塞がれている。
【０００４】
この誘電体板１１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ１３０が配置されている。このラジアルアンテナ１３０は、ラジアル導波路１３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板１３１，１３２と、これらの導体板１３１，１３２の外周部を接続する導体リング１３４とから構成されている。ラジアル導波路１３３の上面となる導体板１３２の中心部には、高周波発生器１４４から円偏波変換器１４２を介して供給される電磁界Ｆをラジアル導波路１３３内に導入する導入口１３５が形成されている。また、ラジアル導波路１３３の下面となる導体板１３１には、ラジアル導波路１３３内を伝搬する電磁界Ｆを誘電体板１１３を介して処理容器１１１内に供給するスロット１３６が、図８（ａ）に示すように周方向に複数形成されている。この導体板１３１がラジアルアンテナ１３０の放射面となる。さらに、ラジアルアンテナ１３０及び誘電体板１１３の外周は環状のシールド材１１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
【０００５】
高周波発生器１４４からラジアルアンテナ１３０に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路１３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、複数のスロット１３６から少しずつ放射されてゆく。このため、ラジアル導波路１３３内の電力密度は、中心部から周縁部にゆくほど徐々に低下してゆく。一方、スロット１３６の放射係数は、スロット１３６の長さ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、Ｌ２がラジアル導波路１３３内における電磁界Ｆの波長λg の１／２の長さのときに極大となる。このため、従来は、ラジアルアンテナ１３０の放射量が放射面全域で均一になるように、スロット１３６の長さＬ２の上限がλg/２の場合、Ｌ２を図８（ｂ）に示すように放射面の中心部Ｏから周縁部に向かって徐々に長くしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにスロット１３６の長さＬ２が設計されたラジアルアンテナ１３０を用いてプラズマを生成すると、基板台１２２の載置面に平行な面内におけるプラズマ分布は図９に示すように均一にはならず、周縁部付近で高密度のプラズマが発生してしまう。このような不均一なプラズマで処理を行うと、プラズマが高密度となっている下の領域ほど基板１２１に対する処理が速く進行し、処理量にばらつきが発生する。
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、プラズマ分布の面内均一性を改善することにある。
【０００７】
【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、本発明のプラズマ装置では、プラズマが生成される容器内に電磁界を供給するスロットアンテナは、放射面の中心部、周縁部、中心部と周縁部との間の中間領域において、中心部から中間領域まで単位面積あたりの電磁界の放射量がほぼ均一であり、中間領域から周縁部へ向かって単位面積あたりの電磁界の放射量が単調減少するようにスロットが形成されていることを特徴とする。これにより、容器内の周縁部付近におけるプラズマ生成が抑制される。
具体的には、スロットアンテナの各スロットの長さは、放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していてもよい。
また、スロットアンテナは、放射面における単位面積あたりのスロット数が放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していてもよい。
【０００８】
また、本発明のプラズマ装置では、プラズマが生成される容器内に電磁界を供給するスロットアンテナは、放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量が放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくなるようにスロットが形成され、スロットのそれぞれの長さが放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していることを特徴とする。
また、本発明のプラズマ装置では、プラズマが生成される容器内に電磁界を供給するスロットアンテナは、放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量が放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくなるようにスロットが形成され、放射面における単位面積あたりのスロット数が放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少してることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のプラズマ生成方法は、スロットアンテナの放射面の中心部、周縁部、中心部と周縁部との間の中間領域において、中心部から中間領域まで単位面積あたりの電磁界の放射量をほぼ均一とし、中間領域から周縁部へ向かって単位面積あたりの電磁界の放射量を単調減少させ、このスロットアンテナからの電磁界を容器内に供給しプラズマを生成することを特徴とする。これにより、容器内の周縁部付近におけるプラズマ生成が抑制される。
【００１０】
具体的には、スロットアンテナの各スロットの長さが放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少するように各スロットを形成することにより、上述した放射量分布を実現してもよい。
また、スロットアンテナの放射面における単位面積あたりのスロット数が放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少するように各スロットを形成することにより、上述した放射量分布を実現してもよい。
【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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器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体で形成されている。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（Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮなど）などからなる誘電体板１３が配置されている。処理容器１１と誘電体板１３との接合部にはＯリングなどのシール部材１４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。
【００１２】
処理容器１１の底部には、セラミックなどからなる絶縁板１５が設けられている。また、この絶縁板１５及び処理容器１１底部を貫通する排気口１６が設けられており、この排気口１６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やＣＦ4 などのプロセスガスを導入するためのノズル１７が設けられている。このノズル１７は石英パイプなどで形成されている。
【００１３】
処理容器１１内には、被処理体である基板２１が載置面上に配置される円柱状の基板台２２が収容されている。この基板台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。また、基板台２２には、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が接続されている。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、基板台２２と絶縁板１５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。
【００１４】
また、誘電体板１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ３０が配置されている。このラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３によって処理容器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。ラジアルアンテナ３０及び誘電体板１３の外周は、処理容器１１の側壁上に環状に配置されたシールド材１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
ラジアルアンテナ３０の中央部は、円筒導波管４１によって高周波発生器４４に接続されている。この高周波発生器４４は、１ＧＨｚ〜十数ＧＨｚの範囲内の所定周波数の高周波電磁界Ｆを発生するものである。円筒導波管４１の途中には、インピーダンスマッチングを図るためのマッチング回路４３と、円筒導波管４１を伝搬する電界の主方向を管軸を中心にして回転させる円偏波変換器４２が設けられている。
【００１５】
次に、ラジアルアンテナ３０の構成について更に説明する。
ラジアルアンテナ３０は、ラジアル導波路３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板３１，３２と、これらの導体板３１，３２の外周部を接続してシールドする導体リング３４とから構成されている。導体板３１，３２及び導体リング３４は、銅又はアルミニウムなどの導体で形成されている。
ラジアル導波路３３の上面となる導体板３２の中心部には、ラジアル導波路３３内に電磁界Ｆを導入する導入口３５が形成され、この導入口３５に円筒導波管４１が接続されている。
【００１６】
ラジアル導波路３３の内部において、導体板３１の中心部には、導入口３５に向かって突出する円錐部材３７が設けられている。この円錐部材３７も導体板３１，３２等と同じ導体で形成されている。この円錐部材３７により、円筒導波管４１を伝搬してきた電磁界Ｆをラジアル導波路３３内へ良好に導波することができる。
ラジアル導波路３３の下面となる導体板３１には、ラジアル導波路３３内を伝搬する電磁界Ｆを処理容器１１内に供給するスロット３６が複数形成されている。この導体板３１がラジアルアンテナ３０の放射面を構成する。
【００１７】
図２は、ラジアルアンテナ３０の説明図である。この図において、（ａ）は放射面の一構成例を示す平面図、（ｂ）はスロット３６の長さの分布を示す図、（ｃ）は電磁界Ｆの放射量の分布を示す図である。なお、図２（ｂ）において、横軸は放射面をなす導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸はスロット３６の長さＬ１である。また、図２（ｃ）において、横軸は同じく導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸は放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量である。また、図３は、スロット３６の形状の例を示す図である。
【００１８】
スロット３６は、例えば図２（ａ）に示すように、同心円に沿う方向（周方向）に形成される。なお、中心から周縁部に向かう螺旋に沿う方向に形成されてもよいし、径方向に形成されてもよい。
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。
スロット３６の幅Ｗ１は、ラジアル導波路３３内の電磁界Ｆへの影響などを考慮して、２ｍｍ程度とするとよい。
【００１９】
スロット３６の長さＬ１は、放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量（以下、単に放射量という場合がある）が図２（ｃ）に示すような分布をもつように設計される。すなわち、導体板３１の中心部をＡ、周縁部のＢ、それらの間の所定の領域（以下、中間領域という）をＣで表すと、中心部Ａから中間領域Ｃまでの領域における放射量がほぼ均一となり、中間領域Ｃから周縁部Ｂへ向かって放射量が単調減少するように、スロット３６の長さＬ１が設計される。なお、放射特性の変化点となる中間領域Ｃの位置は、プロセス条件などに応じて適切な位置が選ばれる。
【００２０】
スロット３６の放射量は、そのスロット３６上部のラジアル導波路３３内の電力密度と、そのスロット３６の放射係数との積によって決まる。ラジアル導波路３３内の電力密度は、中心部から周縁部にゆくほど徐々に低下してゆく。また、スロット３６の放射係数は、スロット３６の長さＬ１が０（ゼロ）から長くなるにしたがって徐々に大きくなり、Ｌ１がラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの波長λg の１／２の長さのときに極大となる。したがって、Ｌ１の上限がλg/２の場合、図２（ｂ）に示すように、スロット３６の長さＬ１が導体板３１の中心部Ａから中間領域Ｃに向かって単調増加し、中間領域Ｃから周縁部Ｂに向かって単調減少するように形成することにより、図２（ｃ）に示したような放射量の面内分布が得られる。
【００２１】
なお、スロット３６の長さＬ１を例えばλg/２≦Ｌ１≦３/４×λgの範囲で形成する場合には、逆に、スロット３６の長さＬ１が導体板３１の中心部Ａから中間領域Ｃに向かって単調減少し、中間領域Ｃから周縁部Ｂに向かって単調増加するように形成することにより、図２（ｃ）に示したような放射量の面内分布が得られる。
スロット３６の幅方向における隣接スロット間の間隔をλg 程度として、ラジアルアンテナ３０を放射型のアンテナとしてもよいし、上記間隔をλg/20〜λg/30として、リーク型のアンテナとしてもよい。
【００２２】
次に、図１に示したプラズマ装置の動作を説明する。
基板２１を基板台２２の載置面に置いた状態で、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、ノズル１７からプラズマガスとしてＡｒを、またプロセスガスとしてＣＦ4 を供給する。この状態で、高周波発生器４４からの電磁界Ｆを円偏波変換器４２で円偏波に変換して、ラジアルアンテナ３０に供給する。
【００２３】
ラジアルアンテナ３０に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、複数のスロット３６から少しずつ放射されてゆく。そして、スロット３６から放射されずに導体リング３４に至った電磁界Ｆはそこで反射され、再度中心部に向かうことになる。以後、電磁界Ｆはラジアル導波路３３を往復伝搬しながら、複数のスロット３６から徐々に放射されてゆく。ただし、放射面の周縁部付近の放射量は、他の領域よりも相対的に小さくなっている。
【００２４】
ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界Ｆは、誘電体板１３を透過し、処理容器１１内に導入される。そして、この電磁界Ｆの作用により処理容器１１内のＡｒが電離すると共にＣＦ4 が解離し、基板２１の上部空間Ｓにプラズマが生成される。このプラズマは、基板台２２に印加されたバイアス電圧によってエネルギーや異方性がコントロールされ、基板２１上に付着したラジカルＣＦx （ｘ＝１，２，３）と共にプラズマ処理に利用される。
【００２５】
次に、図１に示したプラズマ装置についての実験結果を示す。実験は、スロットパターンが異なる４種類のラジアルアンテナ▲１▼〜▲４▼を用いてプラズマを生成し、それぞれのイオン飽和電流Ｉioの分布を計測した。イオン飽和電流Ｉioは次式に示すようにプラズマ密度Ｎi に比例するので、イオン飽和電流Ｉioの分布を調べることにより、プラズマ分布を知ることができる。
Ｉio＝0.6・Ｎi・exp[(ＫＴe/ｍi)1/2]・Ｓ
Ｔe：電子温度，ｍi：イオン質量，Ｓ：プローブ表面積
【００２６】
図４は、実験に用いたラジアルアンテナ▲１▼〜▲４▼のスロットの長さＬの分布を示す図である。横軸は放射面の中心から径方向の距離［ｃｍ］であり、縦軸はスロットの長さＬ［ｃｍ］である。なお、ラジアルアンテナ▲１▼〜▲４▼の放射面の半径は２７ｃｍである。図５は、実験結果を示す図である。横軸は処理容器内において基板台の載置面に平行な面の中心から径方向の距離［ｃｍ］であり、縦軸はイオン飽和電流Ｉioの電流密度［ｍＡ/ｃｍ2］である。
【００２７】
まず、スロットの長さＬが放射面の中心部から周縁部に向かって徐々に長くなるラジアルアンテナ▲１▼について実験を行なった。このラジアルアンテナ▲１▼は、図８に示した従来のラジアルアンテナ１３０に相当する。処理容器内の圧力を４Ｐａにした状態で、ラジアルアンテナ▲１▼を用いて処理容器内に２．４５ＧＨｚ，２ｋＷの電磁界を供給してプラズマを生成し、イオン飽和電流Ｉioの計測したところ、図５の▲１▼で示すような分布が得られた。これより、基板台の載置面に平行な面の周縁部付近に、高密度のプラズマが発生していることが分かる。
【００２８】
次に、スロットの長さＬが放射面の中心部から周縁部に向かって一旦長くなったあと再度短くなるラジアルアンテナ▲２▼について実験を行なった。このラジアルアンテナ▲２▼は、図２に示したラジアルアンテナ３０に相当する。ラジアルアンテナ▲２▼を用いて同様の計測を行ったところ、図５の▲２▼で示すように、▲１▼よりも均一な分布が得られた。ラジアルアンテナ▲２▼では、放射面の中間領域（この場合、中心から１２．５ｃｍの位置）から周縁部に向かってスロットの長さＬを徐々に短くすることにより、ラジアルアンテナ▲１▼を用いたときに高密度のプラズマが発生した領域への電力供給が減少し、この領域でのプラズマ生成が抑制されたため、プラズマ分布が均一化されたと考えられる。
【００２９】
なお、スロットの長さＬが一様であるラジアルアンテナ▲３▼と、スロットの長さＬが放射面の中心部から周縁部に向かって徐々に短くなるラジアルアンテナ▲４▼についても同様の実験を行なったが、その結果は図５の▲３▼と▲４▼で示すように周縁部にゆくほどプラズマ密度が低下し、均一な分布が得られなかった。
以上の実験結果により、図２に示したスロットパターンをもつラジアルアンテナ３０を用いてプラズマを生成することにより、プラズマ分布の面内均一性を改善できるといえる。このようなプラズマを用いることにより、基板２１表面の全域で従来よりも均一なプラズマ処理を行うことができる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの説明図である。この図において、（ａ）は放射面の一構成例を示す平面図、（ｂ）はスロット３６の数の分布を示す図、（ｃ）は電磁界Ｆの放射量の分布を示す図である。なお、図６（ｂ）において、横軸は放射面をなす導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸は放射面における単位面積あたりのスロット３６の数である。また、図６（ｃ）において、横軸は同じく導体板３１の中心Ｏから径方向の距離であり、縦軸は放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量である。
【００３１】
図６（ａ）に示すラジアルアンテナ３０Ａでは、放射面における単位面積あたりの電磁界Ｆの放射量が図６（ｃ）に示すような分布をもつように、放射面における単位面積あたりのスロット３６の数が設計される。例えばスロット３６の長さＬ１がすべて同じ場合には、図６（ｂ）に示すように、周方向に配列されるスロット３６の数が導体板３１の中心部Ａから中間領域Ｃに向かって単調増加し、中間領域Ｃから周縁部Ｂに向かって単調減少するようにスロット３６を形成することにより、図６（ｃ）に示したような放射量の面内分布が得られる。放射特性の変化点となる中間領域Ｃの位置が、プロセス条件などに応じて決定されることは、図２に示したラジアルアンテナ３０と同様である。
このように、スロット３６の数の分布で放射量を調整しても、スロット３６の長さＬ１で調整した場合と同様に、プラズマ分布の面内均一性を改善することができる。
【００３２】
以上ではスロットアンテナの一例としてラジアルアンテナを用いて説明してきたが、これに限ることはなく、他のスロットアンテナ、例えばキャビティーアンテナを用いても同様の効果を得られる。このキャビティーアンテナとは、高周波発生器から供給された電磁界を所定のモードで共振させる空洞共振器を有し、この空洞共振器の下面に電磁界を放射するためのスロットが複数形成されたアンテナである。なお、キャビティーアンテナでは、空洞共振器の上面中心部に電磁界導入口を設ける必要はない。
また、本発明のプラズマ装置は、ＥＣＲ(electron cyclotron resonance)プラズマ装置にも適用することができる。また、本発明のプラズマ装置は、エッチング装置、プラズマＣＶＤ装置などに利用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、スロットアンテナの放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量を、上記放射面の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくすることにより、容器内の周縁部付近でのプラズマ生成が抑制されるので、プラズマ分布の面内均一性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。
【図２】 図１に示したラジアルアンテナの説明図である。
【図３】 スロットの形状の例を示す図である。
【図４】 実験に用いたラジアルアンテナのスロットの長さの分布を示す図である。
【図５】 実験結果を示す図である。
【図６】 本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの説明図である。
【図７】 従来のプラズマ装置の一構成例を示す図である。
【図８】 従来のプラズマ装置で使用されるラジアルアンテナの説明図である。
【図９】 図７に示した従来のプラズマ装置によって生成されたプラズマの分布を示す概念図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、１３…誘電体板、１６…排気口、１７…ノズル、２１…基板、２２…基板台、３０，３０Ａ…ラジアルアンテナ、３１，３２…導体板、３３…ラジアル導波路、３４…導体リング、３５…電磁界導入口、３６…スロット、３７…円錐部材、４１…円筒導波管、４２…円偏波変換器、４４…高周波発生器、Ａ…中心部、Ｂ…周縁部、Ｃ…中間領域、Ｆ…電磁界、Ｌ１…スロットの長さ。
Claims (8)
- 放射面にスロットが複数形成されたスロットアンテナを用いて容器内に電磁界を供給しプラズマを生成するプラズマ装置において、
前記スロットアンテナは、前記放射面の中心部、周縁部、中心部と周縁部との間の中間領域において、中心部から中間領域まで単位面積あたりの電磁界の放射量がほぼ均一であり、中間領域から周縁部へ向かって単位面積あたりの電磁界の放射量が単調減少するように前記スロットが形成されていることを特徴とするプラズマ装置。 - 請求項１記載のプラズマ装置において、
前記スロットアンテナの各スロットの長さは、前記放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していることを特徴とするプラズマ装置。 - 請求項１記載のプラズマ装置において、
前記スロットアンテナは、前記放射面における単位面積あたりのスロット数が前記放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していることを特徴とするプラズマ装置。 - 放射面にスロットが複数形成されたスロットアンテナを用いて容器内に電磁界を供給しプラズマを生成するプラズマ装置において、
前記スロットアンテナは、前記放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量が前記放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくなるように前記スロットが形成され、前記スロットのそれぞれの長さが前記放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していることを特徴とするプラズマ装置。 - 放射面にスロットが複数形成されたスロットアンテナを用いて容器内に電磁界を供給しプラズマを生成するプラズマ装置において、
前記スロットアンテナは、前記放射面の周縁部における単位面積あたりの電磁界の放射量が前記放射面の中心部と周縁部との間の中間領域における単位面積あたりの電磁界の放射量よりも小さくなるように前記スロットが形成され、前記放射面における単位面積あたりのスロット数が前記放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少していることを特徴とするプラズマ装置。 - スロットアンテナを用いて容器内に電磁界を供給しプラズマを生成するプラズマ生成方法において、
前記スロットアンテナの放射面の中心部、周縁部、中心部と周縁部との間の中間領域において、中心部から中間領域まで単位面積あたりの電磁界の放射量をほぼ均一とし、中間領域から周縁部へ向かって単位面積あたりの電磁界の放射量を単調減少させることを特徴とするプラズマ方法。 - 請求項６記載のプラズマ生成方法において、
前記スロットアンテナの各スロットの長さが前記放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少するように各スロットを形成することを特徴とするプラズマ生成方法。 - 請求項６記載のプラズマ生成方法において、
前記スロットアンテナの放射面における単位面積あたりのスロット数が前記放射面の中心部から中間領域に向かって単調増加し中間領域から周縁部に向かって単調減少するように各スロットを形成することを特徴とするプラズマ生成方法。
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