JP4086450B2

JP4086450B2 - Microwave antenna and microwave plasma processing apparatus

Info

Publication number: JP4086450B2
Application number: JP2000139078A
Authority: JP
Inventors: 直樹松本; 稔本多; 敏雄中西; 敏幸中村; 茂樹本多; 弘司福森; 潤山下
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: JP2001320227A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波を伝搬させる環状の管状部と、その管状部内へマイクロ波を導入すべくその管状部の側面に開設された導入口と、導入口に接続され、環状の管状部へマイクロ波を供給する為の管状部とを備えたマイクロ波アンテナ、及びこのマイクロ波アンテナが放射したマイクロ波を用いて生成したプラズマによって、半導体基板又は液晶ディスプレイ用ガラス基板等にエッチング又はアッシング等の処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
反応ガスに外部からエネルギーを与えて生じるプラズマは、ＬＳＩ又はＬＣＤ等の製造プロセスにおいて広く用いられている。特に、ドライエッチングプロセスにおいて、プラズマの利用は不可欠の基本技術となっている。一般にプラズマを生成させる励起手段には２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合と、１３．５６ＭＨｚのＲＦ（Radio Frequency ）を用いる場合とがある。前者は後者に比べて高密度のプラズマが得られるとともに、プラズマ発生のために電極を必要とせず、従って電極からのコンタミネーションを防止できるという利点がある。
【０００３】
ところが、マイクロ波を用いたプラズマ処理装置にあっては、プラズマ生成領域の面積を広くし、且つ密度が均一になるようにプラズマを発生させることが困難であった。しかし、マイクロ波プラズマ処理装置には前述したように種々の利点がある為、この装置によって大口径の半導体基板、ＬＣＤ用ガラス基板等の処理を実現することが要求されていた。
この要求を満たす為、本出願人は、特開平２０００−１０６３５９号公報において、図１６の側断面図及び図１７の平面図に示すような環状導波管型アンテナを用いたマイクロ波プラズマ処理装置を提案している。
【０００４】
このマイクロ波プラズマ処理装置は、有底円筒形状の反応器１が、その全体がアルミニウムで形成されている。反応器１の上部にはマイクロ波導入窓が開設してあり、このマイクロ波導入窓は封止板４で気密状態に封止されている。この封止板４は、耐熱性及びマイクロ波透過性を有すると共に誘電損失が小さい、石英ガラス又はアルミナ等の誘電体で形成されている。
【０００５】
封止板４には、導電性金属を円形蓋状に成形してなるカバー部材１７が外嵌してあり、カバー部材１７は反応器１上に固定してある。カバー部材１７の上面には、反応器１内へマイクロ波を導入するためのアンテナ１０が設けてある。アンテナ１０は、カバー部材１７の上面に固定してあり、断面視がコ字状の部材を環状に成形してなる環状導波管型アンテナ部１１を備えており、カバー部材１７の環状導波管型アンテナ部１１に対向する部分には複数の開口１５，１５，…が開設してある。
【０００６】
環状導波管型アンテナ部１１は、反応器１の内周面より少し内側に、反応器１の中心軸と同心円上に設けてあり、その外周面に設けた導入口の周囲には環状導波管型アンテナ部１１へマイクロ波を導入するための導入部１６が、環状導波管型アンテナ部１１の直径方向になるように連結してある。この導入部１６及び環状導波管型アンテナ部１１内には、テフロン（登録商標）のようなフッ素樹脂、ポリエチレン樹脂又はポリスチレン樹脂（好ましくはテフロン）等の誘電体１４が内嵌してある。
【０００７】
導入部１６にはマイクロ波発振器２０から延設した導波管２１が連結してあり、マイクロ波発振器２０が発振したマイクロ波は、導波管２１を経てアンテナ１０の導入部１６に入射される。この入射波は、導入部１６から環状導波管型アンテナ部１１へ導入される。環状導波管型アンテナ部１１へ導入されたマイクロ波は、環状導波管型アンテナ部１１を互いに逆方向へ進行する進行波として、環状導波管型アンテナ部１１内の誘電体１４中を伝搬し、両進行波は、環状導波管型アンテナ部１１の前記導入口に対向する位置で衝突して定在波が生成される。この定在波によって、環状導波管型アンテナ部１１の内面に、所定の間隔で極大値を示す電流が通流する。
【０００８】
このとき、環状導波管型アンテナ部１１内を伝搬するマイクロ波のモードを基本伝搬モードである矩形ＴＥ１０にするように、マイクロ波の周波数２．４５ＧＨｚに応じて、環状導波管型アンテナ部１１の寸法を、高さ２７ｍｍ，幅６６．２ｍｍになしてある。このモードのマイクロ波は、エネルギーを殆ど損失することなく環状導波管型アンテナ部１１内の誘電体１４を伝搬する。
【０００９】
また、直径が３８０ｍｍの封止板４を用い、環状導波管型アンテナ部１１にεｒ（比誘電率）＝２．１のテフロン（登録商標）を内嵌した場合、環状導波管型アンテナ部１１の中心から環状導波管型アンテナ部１１の幅方向の中央までの寸法を、１４１ｍｍになしてある。この場合、環状導波管型アンテナ部１１の幅方向の中央を結ぶ円の周方向の長さ（略８８６ｍｍ）は、環状導波管型アンテナ部１１内を伝搬するマイクロ波の波長（略１１０ｍｍ）の略整数倍である。その為、マイクロ波は環状導波管型アンテナ部１１内で共振して、前述した定在波は、その腹の位置で高電圧・低電流、節の位置で低電圧・高電流となり、アンテナ１０のＱ値が向上する。
【００１０】
開口１５，１５，…は、カバー部材１７の環状導波管型アンテナ部１１に対向する部分に、環状導波管型アンテナ部１１の直径方向へ、即ち環状導波管型アンテナ部１１内を伝搬するマイクロ波の進行方向に直交するように短冊状に開設してある。環状導波管型アンテナ部１１が前述した寸法である場合、各開口１５，１５，…の長さは５０ｍｍであり、幅は２０ｍｍである。
各開口１５，１５，…は、カバー部材１７に略放射状に設けてある為、マイクロ波は反応器１内の全領域に均一に導入される。
【００１１】
カバー部材１７の略中央には、カバー部材１７及び封止板４を貫通する貫通孔が開設してあり、この貫通孔に嵌合させたガス導入管５から処理室２内に所要のガスが導入される。処理室２の底部壁中央には、試料Ｗを載置する載置台３が設けてあり、載置台３にはマッチングボックス６を介して高周波電源７が接続されている。また、反応器１の底部壁には排気口８が開設してあり、排気口８から処理室２の内気を排出するようになしてある。
【００１２】
このようなマイクロ波プラズマ処理装置を用いて試料Ｗの表面にエッチング処理を施すには、排気口８から排気して処理室２内を所望の圧力まで減圧した後、ガス導入管５から処理室２内に反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振器２０からマイクロ波を発振させ、それを導波管２１を経てアンテナ１０に導入し、そこに定在波を形成させる。この定在波は、アンテナ１０の開口１５，１５，…及び封止板４を透過して処理室２内へ導入され、処理室２内にプラズマが生成され、このプラズマによって試料Ｗの表面をエッチングする。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
マイクロ波がマイクロ波発振器２０から導波管２１を経て環状導波管型アンテナ部１１に導入されると、導波管２１と環状導波管型アンテナ部１１との接続部において、マイクロ波の一部が反射される。
以下に、このマイクロ波の反射について説明する。
マイクロ波導入（伝送）側からアンテナ（負荷）側を見込んだとき、マイクロ波導入（伝送）側の特性インピーダンスＺ_Oに対してアンテナ（負荷）側全体のインピーダンスＺ_Lが接続されているので、接続部における反射係数Ｓ_Oは、次式で表される。
Ｓ_O＝（Ｚ_L−Ｚ_O）／（Ｚ_L＋Ｚ_O）
【００１４】
このとき、Ｚ_L＝Ｚ_Oとなれば、反射係数は０となり、この状態を無反射と呼び、整合が取れていることを示す。
しかし、通常は、Ｚ_L≠Ｚ_Oであるので、反射が生じる。反射係数Ｓ_Oが高くなるほど、マイクロ波電力はアンテナ（負荷）側へ効率良く供給されず、電源側へ戻り、ロスとなってしまう。
環状導波管型アンテナを用いた従来の技術では、通常マイクロ波電源とアンテナ（負荷）との間の導波管２１の部分に、マイクロ波整合器を設けており、接続部で反射された電力は、マイクロ波整合器で再びアンテナ（負荷）側へ送り返される。
【００１５】
環状導波管型アンテナ部１１と導入部１６とは形状が大きく異なっている為、両者の接続部でのインピーダンスの不整合は極めて大きく、反射係数が極めて高くなる。このように反射係数が高くなると、マイクロ波整合器とアンテナ（負荷）との間でマイクロ波は何度も反射を繰り返し（多重反射）、環状導波管型アンテナ部１１に伝搬されるマイクロ波の割合が極めて低くなってしまう。
その為、同じ密度のプラズマを得る為に、より高出力のマイクロ波発振器が必要になり、装置の部品コストが上昇する。さらに、接続部とマイクロ波整合器との間で電界強度が高くなる為、マイクロ波整合器の耐電力値を上げる必要が出て来る等の不都合も生じる。
【００１６】
また、環状導波管型アンテナ部１１内に誘電体１４を挿入した場合には、誘電体１４により電界強度が上昇するので、前記多重反射による問題はより一層大きくなる。さらに、多重反射による電界強度の上昇に対する誘電体１４の耐電圧も考慮して設計する必要が生じ、装置の部品コストを上昇させる。
一方、環状導波管型アンテナ部１１のインピーダンスの変化は、接続部でのインピーダンスの不整合に影響する。特に、開口１５付近のインピーダンスの変化は、プラズマに近いこともあり、不整合に大きく影響する。このインピーダンスの変化は、メンテナンス等の為に環状導波管型アンテナを取り外し、組立復旧する際に生じ易い。さらに、装置の温度変化等により、環状導波管型アンテナ部１１が膨張／収縮することによっても、インピーダンスの変化が生じ易い。
【００１７】
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１〜８発明では、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来るマイクロ波アンテナを提供することを目的とする。
第９，１０発明では、より少ない入射マイクロ波電力でプラズマを効率良く生成することが出来るマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係るマイクロ波アンテナは、マイクロ波を伝搬させる環状の第１管状部と、該第１管状部内へマイクロ波を導入すべく前記第１管状部の側面に開設された１又は複数の導入口と、該導入口に接続され、前記第１管状部内へマイクロ波を供給する為の第２管状部と、前記第１管状部に開設され、該第１管状部内からマイクロ波を取り出す為の複数の開口とを備えたマイクロ波アンテナにおいて、前記第１管状部及び前記第２管状部の接続部の導波管電界面上に、該第２管状部と直角に設けられ、断面形状が該第２管状部と同様の導波管構造であるマイクロ波整合器を備えることを特徴とする。
【００１９】
このマイクロ波アンテナでは、第１管状部がマイクロ波を伝搬させ、１又は複数の導入口が第１管状部内へマイクロ波を導入すべく第１管状部の側面に開設されている。第２管状部が、導入口に接続され、第１管状部内へマイクロ波を供給し、複数の開口が、第１管状部に開設され、第１管状部内からマイクロ波を取り出す。第１管状部及び第２管状部の接続部の導波管電界面上に、第２管状部と直角に設けられ、断面形状が第２管状部と同様の導波管構造であるマイクロ波整合器が、接続部及び第１管状部で発生する反射波を抑制する。
これにより、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００２０】
第２発明に係るマイクロ波アンテナは、マイクロ波を伝搬させる環状の第１管状部と、該第１管状部内へマイクロ波を導入すべく前記第１管状部の側面に開設された１又は複数の導入口と、該導入口に接続され、前記第１管状部内へマイクロ波を供給する為の第２管状部と、前記第１管状部に開設され、該第１管状部内からマイクロ波を取り出す為の複数の開口とを備えたマイクロ波アンテナにおいて、前記第１管状部及び前記第２管状部の接続部からマイクロ波の略１波長分の長さの範囲の前記第１管状部又は第２管状部の導波管電界面上に、該第２管状部と直角に設けられ、断面形状が該第２管状部と同様の導波管構造であるマイクロ波整合器を備えることを特徴とする。
【００２１】
このマイクロ波アンテナでは、第１管状部がマイクロ波を伝搬させ、１又は複数の導入口が第１管状部内へマイクロ波を導入すべく第１管状部の側面に開設されている。第２管状部が、導入口に接続され、第１管状部内へマイクロ波を供給し、複数の開口が、第１管状部に開設され、第１管状部内からマイクロ波を取り出す。第１管状部及び第２管状部の接続部からマイクロ波の略１波長分の長さの範囲の第１管状部又は第２管状部の導波管電界面上に、第２管状部と直角に設けられ、断面形状が第２管状部と同様の導波管構造であるマイクロ波整合器が、接続部及び第１管状部で発生する反射波を抑制する。
これにより、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００２２】
第３発明に係るマイクロ波アンテナは、マイクロ波を伝搬させる環状の第１管状部と、該第１管状部内へマイクロ波を導入すべく前記第１管状部の側面に開設された１又は複数の導入口と、該導入口に接続され、前記第１管状部内へマイクロ波を供給する為の第２管状部と、前記第１管状部に開設され、該第１管状部内からマイクロ波を取り出す為の複数の開口とを備えたマイクロ波アンテナにおいて、前記第１管状部の、該第１管状部及び前記第２管状部の接続部と対向する側面の導波管磁界面に、前記第２管状部と直角に設けられ、断面形状が該第２管状部と同様の導波管構造であるマイクロ波整合器を備えることを特徴とする。
【００２３】
このマイクロ波アンテナでは、第１管状部がマイクロ波を伝搬させ、１又は複数の導入口が第１管状部内へマイクロ波を導入すべく第１管状部の側面に開設されている。第２管状部が、導入口に接続され、第１管状部内へマイクロ波を供給し、複数の開口が、第１管状部に開設され、第１管状部内からマイクロ波を取り出す。第１管状部の、第１管状部及び第２管状部の接続部と対向する周面の導波管磁界面に、第２管状部と直角に設けられ、断面形状が第２管状部と同様の導波管構造であるマイクロ波整合器が、接続部及び第１管状部で発生する反射波を抑制する。
これにより、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００２４】
第４発明に係るマイクロ波アンテナは、前記マイクロ波整合器は、導波管と、該導波管の一端を短絡する為の短絡板とを有し、該短絡板の前記導波管内の位置を可変することが出来ることを特徴とする。
【００２５】
このマイクロ波アンテナでは、マイクロ波整合器は、導波管と、導波管の一端を短絡する為の短絡板とを有し、短絡板の導波管内の位置を可変することが出来る。
これにより、短絡板の導波管内の位置を調節して、接続部でのインピーダンス不整合を広範囲に除去することが出来るので、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口部から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００２６】
第５発明に係るマイクロ波アンテナは、前記マイクロ波整合器は、前記第１管状部内、前記第２管状部内、又は前記接続部内に挿入される導体棒を有し、該導体棒の挿入量を可変することが出来ることを特徴とする。
【００２７】
このマイクロ波アンテナでは、マイクロ波整合器は、導体棒が、第１管状部内、第２管状部内、又は接続部内に挿入され、導体棒の挿入量を可変することが出来る。
これにより、導体棒の挿入量を調節して、接続部でのインピーダンス不整合を広範囲に除去することが出来るので、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００２８】
第６発明に係るマイクロ波アンテナは、反射波の量を検出する検出器と、前記マイクロ波整合器の前記短絡板を駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とを更に備え、該制御部は、前記反射波の量を抑制するように制御することが可能なことを特徴とする。
【００２９】
このマイクロ波アンテナでは、検出器が反射波の量を検出し、駆動部がマイクロ波整合器の短絡板を駆動し、制御部が駆動部を、反射波の量を抑制するように制御する。
これにより、マイクロ波プラズマ処理装置に使用された場合に、プラズマの負荷インピーダンスの変動に応じて、短絡板の導波管内の位置を調節し、マイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００３０】
第７発明に係るマイクロ波アンテナは、反射波の量を検出する検出器と、前記マイクロ波整合器の前記導体棒を駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とを更に備え、該制御部は、前記反射波の量を抑制するように制御することが可能なことを特徴とする。
【００３１】
このマイクロ波アンテナでは、検出器が反射波の量を検出し、駆動部がマイクロ波整合器の導体棒を駆動し、制御部が駆動部を、反射波の量を抑制するように制御する。
これにより、マイクロ波プラズマ処理装置に使用された場合に、プラズマの負荷インピーダンスの変動に応じて、導体棒の挿入量を調節し、マイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００３２】
第８発明に係るマイクロ波アンテナは、前記第１管状部は、内部に誘電体を有することを特徴とする。
【００３３】
このマイクロ波アンテナでは、第１管状部は内部に誘電体を有するので、アンテナに導入されたマイクロ波は、その波長が１／√（εｒ）倍だけ短くなる（εｒは誘電体の比誘電率）。従って、同じ直径の第１管状部を用いた場合、誘電体を挿入してあるときの方が、誘電体を挿入していないときより、第１管状部の壁面に通流する電流が極大になる位置が多くなり、その分、開口を多く開設することが出来、マイクロ波を均一に取り出すことが出来る。また、誘電体を挿入してあるときの方が、誘電体の開口での電界が高くなり、複数の開口からより効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００４３】
第９発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、一部を封止部材で封止してなる容器内へ、前記封止部材を透過させてマイクロ波を導入し、該マイクロ波によりプラズマを生成し、生成したプラズマにより被処理物を処理するマイクロ波プラズマ処理装置において、請求項１〜８の何れかに記載されたマイクロ波アンテナを備え、該マイクロ波アンテナの前記開口が前記封止部材に対向していることを特徴とする。
【００４４】
このマイクロ波プラズマ処理装置では、一部を封止部材で封止してなる容器内へ、封止部材を透過させてマイクロ波を導入し、マイクロ波によりプラズマを生成し、生成したプラズマにより被処理物を処理する。請求項１〜８の何れかに記載されたマイクロ波アンテナの開口が封止部材に対向している。
これにより、より少ない入射マイクロ波電力でプラズマを効率良く生成することが出来るマイクロ波プラズマ処理装置を実現することが出来る。
【００４５】
第１０発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置は、前記マイクロ波アンテナの前記開口が開設された第１側面をなす部分は、マイクロ波が外部へ漏洩しないように、前記封止部材を覆うべくなしてあることを特徴とする。
【００４６】
このマイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波アンテナの開口が開設された第１側面をなす部分は、マイクロ波が外部へ漏洩しないように、封止部材を覆うべくなしてあるので、マイクロ波アンテナの第１管状部の第１側面と封止部材を覆う為のカバー部材との組立誤差による第１管状部のインピーダンスのずれに起因する接続部のインピーダンス整合の不安定さを除去することが出来、また、マイクロ波の外部への漏洩を防止出来る。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、それを示す図面に基づき説明する。
実施の形態１．
図１は本発明に係るマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す側断面図であり、図２は図１に示したマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。このマイクロ波プラズマ処理装置は、その全体がアルミニウムで形成された有底円筒形状の反応器１ａの上部に、マイクロ波導入窓が開設してあり、このマイクロ波導入窓は封止板４（封止部材）で気密状態に封止されている。この封止板４は、耐熱性及びマイクロ波透過性を有すると共に誘電損失が小さい石英ガラス又はアルミナ等の誘電体で形成されている。
【００４８】
封止板４には、アンテナ１０ａが取り付けられている。アンテナ１０ａは、封止板４を覆うカバー部１７ａ（第１側面）、外側壁部１２ａ（第２側面）、内側壁部１３ａ（第２側面）及び上蓋２３ａ（第３側面）を有し、これらカバー部１７ａ、外側壁部１２ａ、内側壁部１３ａ及び上蓋２３ａにより、内部にマイクロ波を伝搬可能な環状導波管型アンテナ部１１ａ（第１管状部）を構成する。
この内、カバー部１７ａ、外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａは、アルミニウムブロックから削り出されて一体として製作されている。
【００４９】
カバー部１７ａには、環状導波管型アンテナ部１１ａからマイクロ波を取り出す為の複数の開口１５ａ，１５ａ，…が、環状導波管型アンテナ部１１ａの直径方向に短冊状に開設してある。
尚、カバー部１７ａ、外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａは、上述したように一体として製作する他、別々に製作し、溶接、ロウ付け、圧入等の容易に分離が出来ないような強固な方法で一体としても良い。
【００５０】
外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａは、反応器１ａの中心軸と同心に設けてあり、外側壁部１２ａに設けた導入口の周囲には環状導波管型アンテナ部１１ａへマイクロ波を導入するための導入部１６ａ（第２管状部）が、環状導波管型アンテナ部１１ａの直径方向になるように連結してある。この導入部１６ａ及び環状導波管型アンテナ部１１ａ内には、テフロン（登録商標）のようなフッ素樹脂，ポリエチレン樹脂又はポリスチレン樹脂（好ましくはテフロン）等の誘電体１４が内嵌してある。
【００５１】
図３（ａ）は、上蓋２３ａ周辺の拡大断面図である。カバー部１７ａ、外側壁部１２ａ、内側壁部１３ａ及び上蓋２３ａは、マイクロ波の損失をを抑制する為、電気伝導率が良いアルミニウムで製作されており、上蓋２３ａは、ねじ３６ａで外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａに取り付けられる。ねじ３６ａは、耐久性を考慮してステンレス製を用いる。
【００５２】
一方、カバー部１７ａ、外側壁部１２ａ、内側壁部１３ａ及び上蓋２３ａは、プラズマによる加熱、図示しないヒータによる加熱、及び放射による冷却により、相当の範囲で温度が変化する。その為、各部材の膨張収縮が生じるが、アルミニウムとステンレスとの熱膨張率の差により、カバー部１７ａ、外側壁部１２ａ、内側壁部１３ａ及び上蓋２３ａとねじ３６ａとで歪みが生じ、その歪みが蓄積される。歪みが蓄積されると、外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａと上蓋２３ａとの間の位置関係にずれが生じたり、両者間に隙間が開いたりすることがあり、その為、インピーダンスが変化する等の不都合が生じる。
【００５３】
そこで、カバー部１７ａ、外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａを一体として製作し、それに上蓋２３ａをねじ３６ａで取り付ける構造としてあるが、これにより、以下の利点が生じる。
（１）ねじ３６ａの長さを短くすることが出来、アルミニウムとステンレスとの熱膨張率の差に起因する歪みを小さくすることが出来る。
（２）ねじ３６ａ止め位置を、外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａの各幅の各中心よりも、マイクロ波導波路側にすることが出来、外側壁部１２ａ及び内側壁部１３ａと上蓋２３ａとの結合をマイクロ波導波路側でより強固にすることが出来、熱歪みによるインピーダンスの変化を防止することが出来る。
【００５４】
（３）図３（ｂ）に示すように、外側壁部１２ｃ及び内側壁部１３ｃと上蓋２３ａとの接触部分を、外側壁部１２ｃ及び内側壁部１３ｃの各幅の各中心よりも、マイクロ波導波路側のみとすることが出来、また、外側壁部１２ｃ及び内側壁部１３ｃと上蓋２３ａとの結合を強固にすることが出来、熱歪みによるインピーダンスの変化を防止することが出来る。
（４）カバー部１７ａ、外側壁部１２ａ，ｃ及び内側壁部１３ａ，ｃが一体であるので、熱歪み及びメンテナンス等によるインピーダンスの変化を防止することが出来る。
【００５５】
環状導波管型アンテナ部１１ａと導入部１６ａとの接続部（導入口）の導波管偏平面（Ｅ面）上には、断面形状が導入部１６ａと同様の導波管構造であるマイクロ波整合器３０（Ｅチューナ）が、図４のアンテナ１０ａの平面図及び側断面図（カバー部１７ａは省略）に示すように、導入部１６ａと直角になるように設けてある。
【００５６】
マイクロ波整合器３０は、導波管内にその位置が可変であり、導波管のインピーダンスを調節する為の短絡板３１を有し、短絡板３１は、支持棒３２を介して、駆動部３３により駆動されてその位置が調節される。
短絡板３１の可動原点は、図５に示すように、誘電体１４の表面から２６ｍｍ（オフセット）であり、それより誘電体１４の表面から離れる方向へ可動する。マイクロ波整合器３０の内断面は、長辺９６ｍｍ、短辺２７ｍｍであり、短絡板３１の可動範囲は０〜８０ｍｍであり、長辺がマイクロ波進行方向に直交するように配置してある。
【００５７】
導入部１６ａには、マイクロ波発振器２０から延設した導波管２１が連結してある。導波管２１には方向性結合器３５が取り付てあり、方向性結合器３５は、環状導波管型アンテナ部１１ａと導入部１６ａとの接続部からのマイクロ波の反射量を検出し、その検出信号を制御部３４に与える。制御部３４は、与えられた検出信号により、前述した駆動部３３をフィードバック制御し、マイクロ波の反射量が最小となるように、短絡板３１の位置を制御する。
【００５８】
マイクロ波発振器２０が発振したマイクロ波は、導波管２１を経てアンテナ１０ａの導入部１６ａに入射される。この入射波は、導入部１６ａから環状導波管型アンテナ部１１ａへ導入される。環状導波管型アンテナ部１１ａへ導入されたマイクロ波は、環状導波管型アンテナ部１１ａを互いに逆方向へ進行する進行波として、環状導波管型アンテナ部１１ａ内の誘電体１４中を伝搬し、両進行波は、環状導波管型アンテナ部１１ａの前記導入口に対向する位置で衝突して定在波が生成される。この定在波によって、環状導波管型アンテナ部１１ａの内面に、所定の間隔で極大値を示す電流が通流する。
【００５９】
このとき、環状導波管型アンテナ部１１ａ内を伝搬するマイクロ波のモードを基本伝搬モードである矩形ＴＥ１０にすべく、マイクロ波の周波数２．４５ＧＨｚに応じて、環状導波管型アンテナ部１２ａの寸法を、高さ２７ｍｍ，幅７０ｍｍになしてある。このモードのマイクロ波は、エネルギーを殆ど損失することなく環状導波管型アンテナ部１１ａ内の誘電体１４を伝搬する。
【００６０】
また、直径４００ｍｍ、厚さ２７ｍｍの封止板４を用い、環状導波管型アンテナ部１１ａに比誘電率εｒ＝２．１のテフロン（登録商標）を内嵌した場合、環状導波管型アンテナ部１１ａの中心から環状導波管型アンテナ部１１ａの幅方向の中央までの寸法を、３７０ｍｍになしてある。この場合、環状導波管型アンテナ部１１ａの幅方向の中央を結ぶ円の周方向の長さは、環状導波管型アンテナ部１１ａ内を伝搬するマイクロ波の波長の略整数倍である。そのため、マイクロ波は環状導波管型アンテナ部１１ａ内で共振して、前述した定在波は、その腹の位置で高電圧・低電流、節の位置で低電圧・高電流となり、アンテナ１０ａのＱ値が向上する。
【００６１】
各開口１５ａ，１５ａ，…は、複数の強電界強度の領域の間の略中央に位置しており、各開口１５ａ，１５ａ，…から強電界強度の電界が漏出し、この電界は封止板４を透過して反応器１ａ内へ導入される。つまり、反応器１ａ内へプラズマを生成するマイクロ波が導入される。
【００６２】
反応器１ａの側壁には、側壁を貫通する貫通孔が開設してあり、この貫通孔に嵌合させたガス導入口２２から反応器１ａの処理室２ａ内に所要のガスが導入される。処理室２ａの底部壁中央には、試料Ｗを載置する載置台３が設けてあり、載置台３にはマッチングボックス６を介して高周波電源７が接続されている。
載置台３と上述した封止板４との距離は１２０ｍｍである。また、反応器１ａの底部壁には排気口８が開設してあり、排気口８から処理室２の内気を排出するように構成してある。
【００６３】
このようなマイクロ波プラズマ処理装置を用いて試料Ｗの表面にエッチング処理を施すには、排気口８から排気して処理室２ａ内を所望の圧力まで減圧した後、ガス導入口２２から処理室２ａ内に反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振器２０からマイクロ波を発振させ、それを導波管２１を経てアンテナ１０ａに導入し、そこに定在波を形成させる。この定在波は、アンテナ１０ａの開口１５ａ，１５ａ，…及び封止板４を透過して処理室２ａ内へ導入され、処理室２ａ内にプラズマが生成され、このプラズマによって試料Ｗの表面をエッチングする。
【００６４】
このとき、方向性結合器３５は、環状導波管型アンテナ部１１ａと導入部１６ａとの接続部からのマイクロ波の反射量を検出し、その検出信号を制御部３４に与える。制御部３４は、与えられた検出信号により、駆動部３３をフィードバック制御し、マイクロ波の反射量が最小となるように、マイクロ波整合器３０の短絡板３１の位置を制御する。
【００６５】
図６，７は、環状導波管型アンテナ部１１ａと導入部１６ａとの接続部にマイクロ波整合器３０を付加したことによる効果を示すグラフである。処理室２ａ内にプロセスプラズマを生成させたときの、マイクロ波整合器３０の短絡板３１の位置に対する電圧反射係数｜Γ｜を、方向性結合器３５の検出値により計算した。
ここで、プラズマの生成条件は、図６において、ガス種はアルゴン、圧力は５．３３Ｐａ．マイクロ波電力は１ｋＷであり、図７において、ガス種はＣ₄Ｆ₈／ＣＯ／Ｏ₂／Ａｒの混合ガス、圧力は５．３３Ｐａ．マイクロ波電力は２ｋＷである。
【００６６】
グラフから分かるように、マイクロ波整合器（Ｅチューナ）付円環状アンテナでは、マイクロ波整合器の短絡板の位置を変化させることで、電圧反射係数Γが極小値を持って変化することが分かる。特にアルゴンプラズマの場合では、短絡板の位置が２５ｍｍ（アンテナの誘電体表面からの距離が５１ｍｍ）のとき、反射が略０になった。すなわち、反射電力が抑制されて、アンテナ及びマイクロ波発振器間での多重反射が抑制されている。
従って、マイクロ波の多重反射によるエネルギー損失を出来るだけ抑制して、アンテナ周方向へマイクロ波を伝搬させながら、開口を通じて効率良くマイクロ波をプラズマへ供給することが出来る。一方、従来のマイクロ波プラズマ装置では、マイクロ波整合器を調整しても、電圧反射係数を低くすることが困難であった。
【００６７】
このマイクロ波プラズマ処理装置では、従来のマイクロ波プラズマ処理装置のように、マイクロ波発振器とアンテナとの間にスタブ等のチューナを設けなくても良好にマッチングを取ることも可能である。勿論、マイクロ波発振器とアンテナとの間にチューナを設けることにより、例えばプラズマ処理条件を大きく変化させるような場合等においても、より広い負荷範囲でマッチングを良好に取ることが出来る。
【００６８】
尚、このマイクロ波プラズマ処理装置では、環状導波管型アンテナ部１１ａと導入部１６ａとの接続部（導入口）の導波管偏平面（Ｅ面）上に、マイクロ波整合器３０（Ｅチューナ）を設けてあるが、接続部からマイクロ波の１波長内外の長さの範囲内に、マイクロ波整合器を設けても良い。導波管の形状が大きく異なる接続部からマイクロ波の略１波長分の長さの範囲内に、マイクロ波整合器を設けることによっても、接続部でのマイクロ波の反射を効果的に抑制することが可能である。
【００６９】
図８（ａ）は、接続部からマイクロ波の１波長分（λｇ）離れた導入部１６ａの偏平面（Ｅ面）上にマイクロ波整合器３０（Ｅチューナ）を設けたアンテナの例を示す平面図である。
図８（ｂ）は、接続部からマイクロ波の１波長分（λｇ）離れた上蓋２３ａの２箇所にマイクロ波整合器３０（Ｅチューナ）を設けたアンテナの例を示す平面図である。
これらのアンテナによっても、接続部からのマイクロ波の反射を効果的に抑制することが出来る。
【００７０】
実施の形態２．
図９は本発明に係るマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す側断面図であり、図１０は図９に示したマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。このマイクロ波プラズマ処理装置は、封止板４にアンテナ１０ｂが取り付けられている。アンテナ１０ｂは、封止板４を覆うカバー部１７ｂ（第１側面）、外側壁部１２ｂ（第２側面）、内側壁部１３ｂ（第２側面）及び上蓋２３ｂ（第３側面）を有し、これらカバー部１７ｂ、外側壁部１２ｂ、内側壁部１３ｂ及び上蓋２３ｂにより、内部にマイクロ波を伝搬可能な環状導波管型アンテナ部１１ｂ（第１管状部）を構成する。
【００７１】
この内、カバー部１７ｂ、外側壁部１２ｂ及び内側壁部１３ｂは、アルミニウムブロックから削り出されて一体として製作されている。
カバー部１７ｂには、環状導波管型アンテナ部１１ｂからマイクロ波を取り出す為の複数の開口１５ａ，１５ａ，…が、環状導波管型アンテナ部１１ｂの直径方向に短冊状に開設してある。
【００７２】
外側壁部１２ｂ及び内側壁部１３ｂは、反応器１ａの中心軸と同心に設けてあり、外側壁部１２ｂに設けた導入口の周囲には環状導波管型アンテナ部１１ｂへマイクロ波を導入するための導入部１６ｂ（第２管状部）が、環状導波管型アンテナ部１１ｂの直径方向になるように連結してある。この導入部１６ｂ及び環状導波管型アンテナ部１１ｂ内には、テフロン（登録商標）のようなフッ素樹脂，ポリエチレン樹脂又はポリスチレン樹脂（好ましくはテフロン）等の誘電体１４が内嵌してある。
【００７３】
環状導波管型アンテナ部１１ｂと導入部１６ｂとの接続部（導入口）に対向する内側壁部１３ｂの面（Ｈ面）には、断面形状が導入部１６ｂと同様の導波管構造であるマイクロ波整合器４０（Ｈチューナ）が、図１１のアンテナ１０ｂの平面図及び側断面図（カバー部材１７ｂは省略）に示すように、導入部１６ｂと直角になるように設けてある。
【００７４】
マイクロ波整合器４０は、導波管内にその位置が可変であり、導波管のインピーダンスを調節する為の短絡板４１を有し、短絡板４１は、支持棒４２を介して、駆動部４３により駆動されてその位置が調節される。
短絡板４１の駆動原点は、図１２に示すように、誘電体１４の表面から５３ｍｍ（オフセット）であり、それより誘電体１４の表面から離れる方向へ可動する。マイクロ波整合器４０の内断面は、長辺９６ｍｍ、短辺２７ｍｍであり、短絡板４１の可動範囲は０〜８０ｍｍである。
【００７５】
導入部１６ｂには、マイクロ波発振器２０から延設した導波管２１が連結してある。導波管２１には方向性結合器３５が取り付てあり、方向性結合器３５は、環状導波管型アンテナ部１１ｂと導入部１６ｂとの接続部からのマイクロ波の反射量を検出し、その検出信号を制御部４４に与える。制御部４４は、与えられた検出信号により、前述した駆動部４３をフィードバック制御し、マイクロ波の反射量が最小となるように、短絡板４１の位置を制御する。
【００７６】
マイクロ波発振器２０が発振したマイクロ波は、導波管２１を経てアンテナ１０ｂの導入部１６ｂに入射される。この入射波は、導入部１６ｂから環状導波管型アンテナ部１１ｂへ導入される。環状導波管型アンテナ部１１ｂへ導入されたマイクロ波は、環状導波管型アンテナ部１１ｂを互いに逆方向へ進行する進行波として、環状導波管型アンテナ部１１ｂ内の誘電体１４中を伝搬し、両進行波は、環状導波管型アンテナ部１１ｂの前記導入口に対向する位置で衝突して定在波が生成される。この定在波によって、環状導波管型アンテナ部１１ｂの内面に、所定の間隔で極大値を示す電流が通流する。その他の構造は、上述した実施の形態のマイクロ波プラズマ処理装置の構造と同様であるので、同一箇所には同一符号を付して説明を省略する。
【００７７】
このようなマイクロ波プラズマ処理装置を用いて試料Ｗの表面にエッチング処理を施すには、排気口８から排気して処理室２ａ内を所望の圧力まで減圧した後、ガス導入口２２から処理室２ａ内に反応ガスを供給する。次いで、マイクロ波発振器２０からマイクロ波を発振させ、それを導波管２１を経てアンテナ１０ｂに導入し、そこに定在波を形成させる。この定在波は、アンテナ１０ｂの開口１５ａ，１５ａ，…及び封止板４を透過して処理室２ａ内へ導入され、処理室２ａ内にプラズマが生成され、このプラズマによって試料Ｗの表面をエッチングする。
【００７８】
このとき、方向性結合器３５は、環状導波管型アンテナ部１１ｂと導入部１６ｂとの接続部からのマイクロ波の反射量を検出し、その検出信号を制御部４４に与える。制御部４４は、与えられた検出信号により、駆動部４３をフィードバック制御し、マイクロ波の反射量が最小となるように、マイクロ波整合器４０の短絡板４１の位置を制御する。
【００７９】
このマイクロ波プラズマ処理装置では、従来の装置のように、マイクロ波発振器とアンテナとの間にスタブ等のチューナを設けなくても良好にマッチングを取ることも可能である。勿論、マイクロ波発振器とアンテナとの間にチューナを設けることにより、例えばプラズマ処理条件を大きく変化させるような場合等においても、より広い負荷範囲でマッチングを良好に取ることが出来る。
【００８０】
尚、このマイクロ波プラズマ処理装置では、環状導波管型アンテナ部１１ｂと導入部１６ｂとの接続部（導入口）に対向する内側壁１３ｂの面（Ｈ面）に、マイクロ波整合器４０（Ｈチューナ）を設けてあるが、接続部からマイクロ波の１波長内外の長さの範囲内に、マイクロ波整合器を設けても良い。導波管の形状が大きく異なる接続部からマイクロ波の略１波長分の長さの範囲内に、マイクロ波整合器を設けることによっても、接続部でのマイクロ波の反射を効果的に抑制することが可能である。
【００８１】
図１３（ａ）は、接続部からマイクロ波の１波長分（λｇ）離れた導入部１６ｂの垂直面（Ｈ面）上にマイクロ波整合器４０（Ｈチューナ）を設けたアンテナの例を示す平面図である。
図１３（ｂ）は、接続部からマイクロ波の１波長分（λｇ）離れた内側壁１３ｂの２箇所にマイクロ波整合器４０（Ｈチューナ）を設けたアンテナの例を示す平面図である。
これらのアンテナによっても、接続部からのマイクロ波の反射を効果的に抑制することが出来る。
【００８２】
尚、上述した実施の形態１，２では、前者では、マイクロ波整合器３０（Ｅチューナ）を環状導波管型アンテナ部１１ａに１台使用し、後者では、マイクロ波整合器４０（Ｈチューナ）を環状導波管型アンテナ部１１ｂに１台使用しているが、図１４のアンテナ１０ｃの平面図及び側断面図に示すように、環状導波管型アンテナ部１１ｃと導入部１６ｃとの接続部（導入口）の導波管偏平面（Ｅ面）上に、マイクロ波整合器３０（Ｅチューナ）を導入部１６ｃと直角になるように設け、環状導波管型アンテナ部１１ｃと導入部１６ｃとの接続部（導入口）に対向する内側壁１３ｂの面（Ｈ面）に、マイクロ波整合器４０（Ｈチューナ）を導入部１３ｃと直角になるように設けても、同様の効果を得ることが出来る。また、さらに、図４，８，１１，１３，１４に示したアンテナの構成の内から、自由に選択して組み合わせても良い。
【００８３】
また、環状導波管型アンテナ部と導入部との接続部（導入口）が複数存在する場合には、それぞれにマイクロ波整合器を設けることにより、同様の効果を得ることが出来る。
また、上述した実施の形態１，２では、マイクロ波整合器は、短絡板の位置を可変とするタイプを使用したが、導波管内への導体棒の挿入量を可変とするタイプを使用しても、同様の効果を得ることが出来る。
【００８４】
また、さらに、図１５に示すように、環状導波管型アンテナ部１１ｄと導入部１６ｄとの接続部（導入口）を環状導波管型アンテナ部１１ｄの上蓋に設け、導入部１６ｄを上蓋に垂直に設けた場合でも、接続部付近にマイクロ波整合器５０を設けることにより、接続部からのマイクロ波の反射を効果的に抑制することが出来る。
【００８５】
【発明の効果】
第１〜３発明に係るマイクロ波アンテナによれば、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００８６】
第４発明に係るマイクロ波アンテナによれば、短絡板の導波管内の位置を調節して、接続部でのインピーダンス不整合を広範囲に除去することが出来るので、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口部から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００８７】
第５発明に係るマイクロ波アンテナによれば、導体棒の挿入量を調節して、接続部でのインピーダンス不整合を広範囲に除去することが出来るので、接続部でのマイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００８８】
第６発明に係るマイクロ波アンテナによれば、マイクロ波プラズマ処理装置に使用された場合に、プラズマの負荷インピーダンスの変動に応じて、短絡板の導波管内の位置を調節し、マイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００８９】
第７発明に係るマイクロ波アンテナによれば、マイクロ波プラズマ処理装置に使用された場合に、プラズマの負荷インピーダンスの変動に応じて、導体棒の挿入量を調節し、マイクロ波の反射を抑制することが出来、複数の開口から効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００９０】
第８発明に係るマイクロ波アンテナによれば、アンテナに導入されたマイクロ波は、その波長が１／√（εｒ）倍だけ短くなる（εｒは誘電体の比誘電率）。従って、同じ直径の第１管状部を用いた場合、誘電体を挿入してあるときの方が、誘電体を挿入していないときより、第１管状部の壁面に通流する電流が極大になる位置が多くなり、その分、開口を多く開設することが出来、マイクロ波を均一に取り出すことが出来る。また、誘電体を挿入してあるときの方が、誘電体の開口での電界が高くなり、複数の開口からより効率良くマイクロ波を取り出すことが出来る。
【００９３】
第９発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置によれば、より少ない入射マイクロ波電力でプラズマを効率良く生成することが出来るマイクロ波プラズマ処理装置を実現することが出来る。
【００９４】
第１０発明に係るマイクロ波プラズマ処理装置によれば、マイクロ波アンテナの第１管状部の第１側面と封止部材を覆う為のカバー部材との組立誤差による第１管状部のインピーダンスのずれに起因する接続部のインピーダンス整合の不安定さを除去することが出来、また、マイクロ波の外部への漏洩を防止出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す側断面図である。
【図２】図１に示したマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。
【図３】上蓋周辺の拡大断面図である。
【図４】アンテナの平面図及び側断面図である。
【図５】マイクロ波整合器の構造を示す側断面図である。
【図６】環状導波管型アンテナ部と導入部との接続部にマイクロ波整合器を付加したことによる効果を示すグラフである。
【図７】環状導波管型アンテナ部と導入部との接続部にマイクロ波整合器を付加したことによる効果を示すグラフである。
【図８】接続部からマイクロ波の１波長分離れた位置にマイクロ波整合器を設けたアンテナの例を示す平面図である。
【図９】本発明に係るマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す側断面図である。
【図１０】図９に示したマイクロ波アンテナ及びマイクロ波プラズマ処理装置の平面図である。
【図１１】アンテナの平面図及び側断面図である。
【図１２】マイクロ波整合器の構造を示す側断面図である。
【図１３】接続部からマイクロ波の１波長分離れた位置にマイクロ波整合器を設けたアンテナの例を示す平面図である。
【図１４】アンテナの平面図及び側断面図である。
【図１５】環状導波管型アンテナ部と導入部との接続部を環状導波管型アンテナ部の上蓋に設け、導入部を上蓋に垂直に設けた場合を示す側断面図である。
【図１６】従来のマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す側断面図である。
【図１７】従来のマイクロ波プラズマ処理装置の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
１ａ反応器
２ａ処理室
３載置台
４封止板（封止部材）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃアンテナ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ環状導波管型アンテナ部（第１管状部）
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ外側壁部（第２側面）
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ内側壁部（第２側面）
１４誘電体
１５ａ開口
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ導入部（第２管状部）
１７ａ，１７ｂカバー部（第１側面）
２０マイクロ波発振器
２１導波管
２２ガス導入口
２３ａ，２３ｂ上蓋（第３側面）
３０マイクロ波整合器（Ｅチューナ）
３１，４１短絡板
３２，４２支持棒
３３，４３駆動部
３４，４４制御部
３５方向性結合器（検出器）
３６ａねじ
４０マイクロ波整合器（Ｈチューナ）
５０マイクロ波整合器
Ｗ試料[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an annular tubular portion for propagating microwaves, an introduction port opened on a side surface of the tubular portion for introducing the microwave into the tubular portion, and a micro tube to the annular tubular portion connected to the introduction port. Etching or ashing or the like on a semiconductor substrate or a glass substrate for a liquid crystal display by a microwave antenna having a tubular portion for supplying a wave, and plasma generated using the microwave radiated from the microwave antenna The present invention relates to a microwave plasma processing apparatus that performs the process.
[0002]
[Prior art]
Plasma generated by applying energy to the reaction gas from the outside is widely used in manufacturing processes such as LSI or LCD. In particular, the use of plasma has become an indispensable basic technology in the dry etching process. Generally, there are a case where a microwave of 2.45 GHz is used as an excitation means for generating plasma and a case where RF (Radio Frequency) of 13.56 MHz is used. The former has advantages in that a higher-density plasma can be obtained than the latter, and no electrode is required for plasma generation, thus preventing contamination from the electrode.
[0003]
However, in the plasma processing apparatus using microwaves, it is difficult to generate plasma so that the area of the plasma generation region is widened and the density is uniform. However, since the microwave plasma processing apparatus has various advantages as described above, it has been required to realize processing of a large-diameter semiconductor substrate, an LCD glass substrate, and the like by this apparatus.
In order to satisfy this requirement, the applicant of the present invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-106359 a microwave plasma processing apparatus using an annular waveguide antenna as shown in a side sectional view of FIG. 16 and a plan view of FIG. Has proposed.
[0004]
In this microwave plasma processing apparatus, a bottomed cylindrical reactor 1 is entirely formed of aluminum. A microwave introduction window is opened at the top of the reactor 1, and this microwave introduction window is sealed in an airtight state by a sealing plate 4. The sealing plate 4 is made of a dielectric material such as quartz glass or alumina that has heat resistance and microwave transparency and has a small dielectric loss.
[0005]
A cover member 17 formed by molding a conductive metal into a circular lid shape is fitted on the sealing plate 4, and the cover member 17 is fixed on the reactor 1. An antenna 10 for introducing microwaves into the reactor 1 is provided on the upper surface of the cover member 17. The antenna 10 is fixed to the upper surface of the cover member 17, and includes an annular waveguide type antenna portion 11 formed by annularly forming a member having a U-shaped cross-sectional view. A plurality of openings 15, 15,... Are opened in a portion facing the tube antenna unit 11.
[0006]
The annular waveguide antenna unit 11 is provided slightly inside the inner peripheral surface of the reactor 1 and concentrically with the central axis of the reactor 1, and an annular guide is provided around the introduction port provided on the outer peripheral surface. An introduction portion 16 for introducing a microwave into the wave tube antenna portion 11 is connected so as to be in the diameter direction of the annular waveguide antenna portion 11. A dielectric 14 such as a fluorine resin such as Teflon (registered trademark), a polyethylene resin, or a polystyrene resin (preferably Teflon) is fitted in the introduction portion 16 and the annular waveguide antenna portion 11.
[0007]
A waveguide 21 extending from the microwave oscillator 20 is connected to the introduction section 16, and the microwave oscillated by the microwave oscillator 20 is incident on the introduction section 16 of the antenna 10 through the waveguide 21. . This incident wave is introduced from the introduction portion 16 to the annular waveguide antenna portion 11. The microwave introduced into the annular waveguide antenna unit 11 travels through the dielectric 14 in the annular waveguide antenna unit 11 as traveling waves traveling in the opposite directions in the annular waveguide antenna unit 11. Both propagating waves propagate and collide at a position facing the inlet of the annular waveguide antenna unit 11 to generate a standing wave. By this standing wave, a current having a maximum value flows at a predetermined interval on the inner surface of the annular waveguide antenna unit 11.
[0008]
At this time, according to the microwave frequency of 2.45 GHz, the annular waveguide antenna unit is set so that the microwave mode propagating in the annular waveguide antenna unit 11 is the rectangular TE10 which is the basic propagation mode. 11 dimensions are 27 mm high and 66.2 mm wide. The microwave in this mode propagates through the dielectric 14 in the annular waveguide antenna unit 11 with almost no energy loss.
[0009]
Further, when the sealing plate 4 having a diameter of 380 mm is used and Teflon (registered trademark) having εr (relative dielectric constant) = 2.1 is fitted into the annular waveguide antenna portion 11, the annular waveguide antenna The dimension from the center of the section 11 to the center in the width direction of the annular waveguide antenna section 11 is 141 mm. In this case, the circumferential length (approximately 886 mm) of the circle connecting the center in the width direction of the annular waveguide antenna unit 11 is the wavelength of the microwave propagating in the annular waveguide antenna unit 11 (approximately 110 mm). ). Therefore, the microwave resonates in the annular waveguide antenna unit 11, and the above-mentioned standing wave becomes a high voltage / low current at the antinode position and a low voltage / high current at the node position. A Q value of 10 is improved.
[0010]
The openings 15, 15,... Are formed in the portion of the cover member 17 facing the annular waveguide antenna unit 11 in the diameter direction of the annular waveguide antenna unit 11, that is, inside the annular waveguide antenna unit 11. It is opened in a strip shape so as to be orthogonal to the traveling direction of the propagating microwave. When the annular waveguide antenna unit 11 has the dimensions described above, the length of each opening 15, 15,... Is 50 mm, and the width is 20 mm.
Each of the openings 15, 15,... Is substantially radially provided in the cover member 17, so that the microwaves are uniformly introduced into the entire region in the reactor 1.
[0011]
A through hole penetrating the cover member 17 and the sealing plate 4 is formed at the approximate center of the cover member 17, and a required gas is introduced into the processing chamber 2 from the gas introduction pipe 5 fitted into the through hole. be introduced. In the center of the bottom wall of the processing chamber 2, a mounting table 3 for mounting the sample W is provided, and a high-frequency power source 7 is connected to the mounting table 3 via a matching box 6. An exhaust port 8 is provided in the bottom wall of the reactor 1, and the inside air of the processing chamber 2 is discharged from the exhaust port 8.
[0012]
In order to perform an etching process on the surface of the sample W using such a microwave plasma processing apparatus, the processing chamber 2 is evacuated from the exhaust port 8 to a desired pressure, and then the processing chamber 2 is connected to the processing chamber 2. The reaction gas is supplied into 2. Next, a microwave is oscillated from the microwave oscillator 20 and introduced into the antenna 10 through the waveguide 21 to form a standing wave there. This standing wave passes through the openings 15, 15,... Of the antenna 10 and the sealing plate 4 and is introduced into the processing chamber 2, and plasma is generated in the processing chamber 2. Etch.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
When the microwave is introduced from the microwave oscillator 20 through the waveguide 21 to the annular waveguide antenna unit 11, the microwave is transmitted at the connection portion between the waveguide 21 and the annular waveguide antenna unit 11. Some are reflected.
The microwave reflection will be described below.
When looking at the antenna (load) side from the microwave introduction (transmission) side, the characteristic impedance Z on the microwave introduction (transmission) side _O The impedance Z of the entire antenna (load) side _L Is connected so that the reflection coefficient S at the connecting portion _O Is expressed by the following equation.
S _O = (Z _L -Z _O ) / (Z _L + Z _O )
[0014]
At this time, Z _L = Z _O Then, the reflection coefficient becomes 0, and this state is called non-reflection, which indicates that matching is achieved.
But usually Z _L ≠ Z _O Therefore, reflection occurs. Reflection coefficient S _O The higher the is, the more efficiently the microwave power is not supplied to the antenna (load) side, and the loss returns to the power source side, resulting in a loss.
In the conventional technique using an annular waveguide antenna, a microwave matching unit is usually provided in the portion of the waveguide 21 between the microwave power source and the antenna (load), and reflected by the connecting portion. The electric power is sent back to the antenna (load) side again by the microwave matching unit.
[0015]
Since the annular waveguide antenna section 11 and the introduction section 16 are greatly different in shape, impedance mismatch at the connecting section between them is extremely large, and the reflection coefficient is extremely high. When the reflection coefficient increases in this way, the microwave is repeatedly reflected (multiple reflection) between the microwave matching unit and the antenna (load), and is propagated to the annular waveguide antenna unit 11. Will be very low.
Therefore, in order to obtain the plasma with the same density, a microwave oscillator with a higher output is required, and the cost of the parts of the apparatus increases. Furthermore, since the electric field strength is increased between the connection portion and the microwave matching device, there arises a disadvantage that it is necessary to increase the power resistance value of the microwave matching device.
[0016]
Further, when the dielectric 14 is inserted into the annular waveguide antenna unit 11, the electric field strength is increased by the dielectric 14, so that the problem due to the multiple reflection is further increased. Furthermore, it is necessary to design in consideration of the withstand voltage of the dielectric 14 with respect to an increase in electric field strength due to multiple reflection, which increases the cost of parts of the device.
On the other hand, a change in impedance of the annular waveguide antenna unit 11 affects an impedance mismatch at the connection part. In particular, a change in impedance near the opening 15 may be close to plasma and greatly affects the mismatch. This change in impedance is likely to occur when the annular waveguide antenna is removed for assembly or the like and the assembly is restored. Furthermore, the impedance change is likely to occur when the annular waveguide antenna unit 11 expands / contracts due to a temperature change of the device.
[0017]
The present invention has been made in view of the circumstances as described above. 8 An object of the present invention is to provide a microwave antenna capable of suppressing reflection of microwaves at a connection portion.
First 9, 10 It is an object of the present invention to provide a microwave plasma processing apparatus that can efficiently generate plasma with less incident microwave power.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
A microwave antenna according to a first aspect of the present invention is an annular first tubular portion for propagating microwaves, and one or a plurality of openings formed on a side surface of the first tubular portion to introduce microwaves into the first tubular portion. An introduction port, a second tubular portion connected to the introduction port for supplying microwaves into the first tubular portion, and an opening formed in the first tubular portion for extracting microwaves from the first tubular portion In the microwave antenna having a plurality of openings, a connection portion between the first tubular portion and the second tubular portion On the waveguide electric field In The waveguide structure is provided at a right angle to the second tubular portion and has a cross-sectional shape similar to that of the second tubular portion. A microwave matching device is provided.
[0019]
In this microwave antenna, the first tubular portion is opened on the side surface of the first tubular portion so that the first tubular portion propagates the microwave and one or a plurality of inlets are introduced into the first tubular portion. The second tubular portion is connected to the introduction port and supplies the microwave into the first tubular portion, and a plurality of openings are opened in the first tubular portion, and the microwave is taken out from the first tubular portion. Connection portion of first tubular portion and second tubular portion A waveguide structure is provided on the waveguide electric field plane at a right angle to the second tubular portion, and has a cross-sectional shape similar to that of the second tubular portion. A microwave matching device suppresses a reflected wave generated at the connection portion and the first tubular portion.
Thereby, the reflection of the microwave in a connection part can be suppressed and a microwave can be efficiently taken out from several opening.
[0020]
A microwave antenna according to a second aspect of the present invention is an annular first tubular portion for propagating microwaves, and one or a plurality of ones opened on a side surface of the first tubular portion so as to introduce microwaves into the first tubular portion. An introduction port, a second tubular portion connected to the introduction port for supplying microwaves into the first tubular portion, and an opening formed in the first tubular portion for extracting microwaves from the first tubular portion In the microwave antenna having a plurality of openings, a range of a length corresponding to approximately one wavelength of the microwave from the connection portion of the first tubular portion and the second tubular portion On the waveguide electric field surface of the first tubular portion or the second tubular portion In addition, It is provided at a right angle to the second tubular portion, and the cross-sectional shape is the same waveguide structure as the second tubular portion. A microwave matching device is provided.
[0021]
In this microwave antenna, the first tubular portion is opened on the side surface of the first tubular portion so that the first tubular portion propagates the microwave and one or a plurality of inlets are introduced into the first tubular portion. The second tubular portion is connected to the introduction port and supplies the microwave into the first tubular portion, and a plurality of openings are opened in the first tubular portion, and the microwave is taken out from the first tubular portion. The range of the length of approximately one wavelength of the microwave from the connection portion of the first tubular portion and the second tubular portion On the waveguide electric field surface of the first tubular portion or the second tubular portion In addition, The waveguide structure is provided at a right angle to the second tubular portion and has the same cross-sectional shape as the second tubular portion. A microwave matching device suppresses a reflected wave generated at the connection portion and the first tubular portion.
Thereby, the reflection of the microwave in a connection part can be suppressed and a microwave can be efficiently taken out from several opening.
[0022]
A microwave antenna according to a third aspect of the present invention is an annular first tubular portion for propagating microwaves, and one or a plurality of ones opened on a side surface of the first tubular portion to introduce microwaves into the first tubular portion. An introduction port, a second tubular portion connected to the introduction port for supplying microwaves into the first tubular portion, and opened in the first tubular portion for taking out the microwave from the first tubular portion In the microwave antenna having a plurality of openings, a side surface of the first tubular portion facing the connecting portion of the first tubular portion and the second tubular portion Waveguide magnetic field surface In addition, A waveguide structure provided at a right angle to the second tubular portion and having a cross-sectional shape similar to that of the second tubular portion. A microwave matching unit is provided.
[0023]
In this microwave antenna, the first tubular portion is opened on the side surface of the first tubular portion so that the first tubular portion propagates the microwave and one or a plurality of inlets are introduced into the first tubular portion. The second tubular portion is connected to the introduction port and supplies the microwave into the first tubular portion, and a plurality of openings are opened in the first tubular portion, and the microwave is taken out from the first tubular portion. The peripheral surface of the first tubular portion facing the connecting portion of the first tubular portion and the second tubular portion Waveguide magnetic field surface In addition, The waveguide structure is provided at a right angle to the second tubular portion and has the same cross-sectional shape as the second tubular portion. A microwave matching device suppresses a reflected wave generated at the connection portion and the first tubular portion.
Thereby, the reflection of the microwave in a connection part can be suppressed and a microwave can be efficiently taken out from several opening.
[0024]
According to a fourth aspect of the present invention, the microwave matching unit includes a waveguide and a short-circuit plate for short-circuiting one end of the waveguide, and the position of the short-circuit plate in the waveguide. Can be varied.
[0025]
In this microwave antenna, the microwave matching unit has a waveguide and a short-circuit plate for short-circuiting one end of the waveguide, and the position of the short-circuit plate in the waveguide can be varied.
As a result, the position of the short-circuit plate in the waveguide can be adjusted to remove a wide range of impedance mismatches at the connecting portion, so that the reflection of microwaves at the connecting portion can be suppressed, and a plurality of A microwave can be efficiently extracted from the opening.
[0026]
In the microwave antenna according to a fifth aspect of the present invention, the microwave matching unit has a conductor rod inserted into the first tubular portion, the second tubular portion, or the connection portion, and the insertion amount of the conductor rod is determined. It is characterized by being variable.
[0027]
In this microwave antenna, in the microwave matching unit, the conductor rod is inserted into the first tubular portion, the second tubular portion, or the connection portion, so that the insertion amount of the conductor rod can be varied.
As a result, it is possible to adjust the insertion amount of the conductor rod and remove the impedance mismatch in the connection part over a wide range, so that the reflection of the microwave in the connection part can be suppressed, and the efficiency can be improved from a plurality of openings. Microwave can be extracted well.
[0028]
A microwave antenna according to a sixth aspect of the present invention further includes a detector that detects the amount of reflected waves, a drive unit that drives the short-circuit plate of the microwave matcher, and a control unit that controls the drive unit, The control unit can be controlled to suppress the amount of the reflected wave.
[0029]
In this microwave antenna, the detector detects the amount of the reflected wave, the drive unit drives the short-circuit plate of the microwave matching device, and the control unit controls the drive unit so as to suppress the amount of the reflected wave.
As a result, when used in a microwave plasma processing apparatus, the position of the short-circuit plate in the waveguide can be adjusted according to fluctuations in the plasma load impedance, and the reflection of the microwave can be suppressed. A microwave can be efficiently extracted from the opening.
[0030]
A microwave antenna according to a seventh aspect of the present invention further includes a detector that detects the amount of reflected waves, a drive unit that drives the conductor rod of the microwave matching unit, and a control unit that controls the drive unit, The control unit can control the amount of the reflected wave to be suppressed.
[0031]
In this microwave antenna, the detector detects the amount of the reflected wave, the drive unit drives the conductor rod of the microwave matching device, and the control unit controls the drive unit so as to suppress the amount of the reflected wave.
As a result, when used in a microwave plasma processing apparatus, the amount of insertion of the conductor rod can be adjusted in accordance with fluctuations in the plasma load impedance, and microwave reflection can be suppressed. Microwave can be extracted well.
[0032]
The microwave antenna according to an eighth aspect is characterized in that the first tubular portion has a dielectric therein.
[0033]
In this microwave antenna, since the first tubular portion has a dielectric therein, the wavelength of the microwave introduced into the antenna is shortened by 1 / √ (εr) times (εr is the dielectric constant of the dielectric). ). Therefore, when the first tubular portion having the same diameter is used, the current flowing through the wall surface of the first tubular portion is maximized when the dielectric is inserted than when the dielectric is not inserted. The number of positions increases, and accordingly, a large number of openings can be opened, and microwaves can be extracted uniformly. In addition, when the dielectric is inserted, the electric field at the opening of the dielectric becomes higher, and the microwave can be extracted more efficiently from the plurality of openings.
[0043]
First 9 The microwave plasma processing apparatus according to the invention introduces a microwave through a sealing member into a container that is partially sealed with a sealing member, and generates plasma by the microwave. In the microwave plasma processing apparatus which processes a to-be-processed object with the performed plasma, 8 The microwave antenna described in any of the above is provided, and the opening of the microwave antenna faces the sealing member.
[0044]
In this microwave plasma processing apparatus, a microwave is introduced through a sealing member through a sealing member partially sealed with a sealing member, plasma is generated by the microwave, and the plasma is generated by the generated plasma. Process the processed material. Claims 1 to 8 The opening of the microwave antenna described in any of the above is opposed to the sealing member.
Thereby, it is possible to realize a microwave plasma processing apparatus that can efficiently generate plasma with less incident microwave power.
[0045]
First 10 In the microwave plasma processing apparatus according to the invention, the portion of the microwave antenna that forms the first side surface where the opening is formed is configured to cover the sealing member so that the microwave does not leak to the outside. It is characterized by.
[0046]
In this microwave plasma processing apparatus, the portion forming the first side surface where the opening of the microwave antenna is formed is configured to cover the sealing member so that the microwave does not leak to the outside. The instability of impedance matching of the connecting portion due to the impedance deviation of the first tubular portion due to the assembly error between the first side surface of the first tubular portion and the cover member for covering the sealing member can be removed, In addition, leakage of microwaves to the outside can be prevented.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings showing the embodiments.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a side sectional view showing the structure of a microwave antenna and a microwave plasma processing apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of the microwave antenna and the microwave plasma processing apparatus shown in FIG. In this microwave plasma processing apparatus, a microwave introduction window is opened on the top of a bottomed cylindrical reactor 1a formed entirely of aluminum, and this microwave introduction window is formed by a sealing plate 4 (sealed). Sealing member) in an airtight state. The sealing plate 4 is made of a dielectric material such as quartz glass or alumina that has heat resistance and microwave transparency and has a low dielectric loss.
[0048]
An antenna 10 a is attached to the sealing plate 4. The antenna 10a includes a cover portion 17a (first side surface) covering the sealing plate 4, an outer wall portion 12a (second side surface), an inner wall portion 13a (second side surface), and an upper lid 23a (third side surface). The cover portion 17a, the outer wall portion 12a, the inner wall portion 13a, and the upper lid 23a constitute an annular waveguide antenna portion 11a (first tubular portion) capable of propagating microwaves therein.
Among these, the cover part 17a, the outer side wall part 12a, and the inner side wall part 13a are cut out from the aluminum block, and are manufactured integrally.
[0049]
In the cover portion 17a, a plurality of openings 15a, 15a,... For taking out microwaves from the annular waveguide antenna portion 11a are formed in a strip shape in the diameter direction of the annular waveguide antenna portion 11a. .
The cover portion 17a, the outer wall portion 12a, and the inner wall portion 13a are manufactured as a single unit as described above, and are manufactured separately, so that they are not separated easily such as welding, brazing, and press fitting. The method may be integrated.
[0050]
The outer wall portion 12a and the inner wall portion 13a are provided concentrically with the central axis of the reactor 1a, and microwaves are introduced into the annular waveguide antenna portion 11a around the introduction port provided in the outer wall portion 12a. An introduction portion 16a (second tubular portion) is connected so as to be in the diameter direction of the annular waveguide antenna portion 11a. A dielectric 14 such as a fluororesin such as Teflon (registered trademark), a polyethylene resin, or a polystyrene resin (preferably Teflon) is fitted in the introduction portion 16a and the annular waveguide antenna portion 11a.
[0051]
FIG. 3A is an enlarged cross-sectional view around the upper lid 23a. The cover portion 17a, the outer wall portion 12a, the inner wall portion 13a, and the upper lid 23a are made of aluminum having good electrical conductivity in order to suppress the loss of microwaves. The upper lid 23a is made of an outer wall portion with a screw 36a. It is attached to 12a and the inner wall part 13a. The screw 36a is made of stainless steel in consideration of durability.
[0052]
On the other hand, the temperature of the cover portion 17a, the outer wall portion 12a, the inner wall portion 13a, and the upper lid 23a changes within a considerable range by heating with plasma, heating with a heater (not shown), and cooling with radiation. Therefore, expansion and contraction of each member occurs, but due to the difference in thermal expansion coefficient between aluminum and stainless steel, distortion occurs in the cover portion 17a, the outer wall portion 12a, the inner wall portion 13a, the upper lid 23a, and the screw 36a. Distortion accumulates. When the strain is accumulated, the positional relationship between the outer wall portion 12a and the inner wall portion 13a and the upper lid 23a may be shifted, or a gap may be opened between the two, and the impedance changes accordingly. Such inconveniences occur.
[0053]
Therefore, the cover portion 17a, the outer wall portion 12a, and the inner wall portion 13a are integrally manufactured, and the upper lid 23a is attached to the screw 36a. However, this brings about the following advantages.
(1) The length of the screw 36a can be shortened, and the distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between aluminum and stainless steel can be reduced.
(2) The screw 36a stop position can be set to the microwave waveguide side from the center of each width of the outer wall portion 12a and the inner wall portion 13a, and the outer wall portion 12a, the inner wall portion 13a, the upper lid 23a, Can be made stronger on the microwave waveguide side, and a change in impedance due to thermal strain can be prevented.
[0054]
(3) As shown in FIG. 3B, the contact portions between the outer wall portion 12c and the inner wall portion 13c and the upper lid 23a are more microscopic than the centers of the respective widths of the outer wall portion 12c and the inner wall portion 13c. Only the wave waveguide side can be provided, and the coupling between the outer wall portion 12c and the inner wall portion 13c and the upper lid 23a can be strengthened, and a change in impedance due to thermal strain can be prevented.
(4) Since the cover portion 17a, the outer wall portions 12a, c, and the inner wall portions 13a, c are integrated, it is possible to prevent changes in impedance due to thermal distortion, maintenance, and the like.
[0055]
On the waveguide deviated plane (E surface) of the connection portion (introduction port) between the annular waveguide antenna portion 11a and the introduction portion 16a, a micro structure having the same waveguide structure as that of the introduction portion 16a. A wave matching device 30 (E tuner) is provided so as to be perpendicular to the introduction portion 16a as shown in a plan view and a side sectional view of the antenna 10a in FIG. 4 (the cover portion 17a is omitted).
[0056]
The microwave matching unit 30 has a variable position in the waveguide and has a short-circuit plate 31 for adjusting the impedance of the waveguide. The short-circuit plate 31 is connected to a drive unit 33 via a support bar 32. To adjust its position.
As shown in FIG. 5, the movable origin of the short-circuit plate 31 is 26 mm (offset) from the surface of the dielectric 14, and moves in a direction away from the surface of the dielectric 14. The inner cross section of the microwave matching unit 30 has a long side of 96 mm and a short side of 27 mm, the movable range of the short-circuit plate 31 is 0 to 80 mm, and the long side is arranged so as to be orthogonal to the microwave traveling direction.
[0057]
A waveguide 21 extending from the microwave oscillator 20 is connected to the introduction portion 16a. A directional coupler 35 is attached to the waveguide 21, and the directional coupler 35 detects the amount of microwave reflection from the connection portion between the annular waveguide antenna portion 11 a and the introduction portion 16 a. The detection signal is given to the control unit 34. The control unit 34 feedback-controls the drive unit 33 described above based on the given detection signal, and controls the position of the short-circuit plate 31 so that the amount of reflected microwaves is minimized.
[0058]
The microwave oscillated by the microwave oscillator 20 is incident on the introduction portion 16a of the antenna 10a through the waveguide 21. This incident wave is introduced from the introduction portion 16a into the annular waveguide antenna portion 11a. The microwaves introduced into the annular waveguide antenna unit 11a travel through the dielectric 14 in the annular waveguide antenna unit 11a as traveling waves traveling in the opposite directions to the annular waveguide antenna unit 11a. Both propagating waves propagate and collide at a position facing the introduction port of the annular waveguide antenna portion 11a to generate a standing wave. By this standing wave, a current having a maximum value flows through the inner surface of the annular waveguide antenna portion 11a at a predetermined interval.
[0059]
At this time, in order to change the mode of the microwave propagating in the annular waveguide antenna unit 11a to the rectangular TE10 which is the basic propagation mode, the annular waveguide antenna unit 12a according to the microwave frequency of 2.45 GHz. These dimensions are 27 mm in height and 70 mm in width. The microwave in this mode propagates through the dielectric 14 in the annular waveguide antenna portion 11a with almost no energy loss.
[0060]
Further, when the sealing plate 4 having a diameter of 400 mm and a thickness of 27 mm is used and Teflon (registered trademark) having a relative dielectric constant εr = 2.1 is fitted into the annular waveguide antenna portion 11a, the annular waveguide type The dimension from the center of the antenna portion 11a to the center in the width direction of the annular waveguide antenna portion 11a is 370 mm. In this case, the circumferential length of the circle connecting the center in the width direction of the annular waveguide antenna portion 11a is substantially an integral multiple of the wavelength of the microwave propagating in the annular waveguide antenna portion 11a. Therefore, the microwave resonates in the annular waveguide antenna unit 11a, and the standing wave described above becomes high voltage / low current at the antinode position and low voltage / high current at the node position, and the antenna 10a. Q value is improved.
[0061]
Each of the openings 15a, 15a,... Is located approximately at the center between a plurality of strong electric field strength regions, and a strong electric field strength leaks from each of the openings 15a, 15a,. 4 is introduced into the reactor 1a. That is, a microwave that generates plasma is introduced into the reactor 1a.
[0062]
A through hole penetrating the side wall is formed in the side wall of the reactor 1a, and a required gas is introduced into the processing chamber 2a of the reactor 1a from the gas inlet 22 fitted in the through hole. In the center of the bottom wall of the processing chamber 2a, a mounting table 3 on which the sample W is mounted is provided, and a high-frequency power source 7 is connected to the mounting table 3 via a matching box 6.
The distance between the mounting table 3 and the sealing plate 4 described above is 120 mm. In addition, an exhaust port 8 is formed in the bottom wall of the reactor 1a, and the inside air of the processing chamber 2 is discharged from the exhaust port 8.
[0063]
In order to perform an etching process on the surface of the sample W using such a microwave plasma processing apparatus, the processing chamber 2a is evacuated from the exhaust port 8 to a desired pressure, and then the processing chamber is connected to the processing chamber 2a. A reactive gas is supplied into 2a. Next, a microwave is oscillated from the microwave oscillator 20 and introduced into the antenna 10a through the waveguide 21 to form a standing wave there. This standing wave is introduced into the processing chamber 2a through the openings 15a, 15a,... Of the antenna 10a and the sealing plate 4, and plasma is generated in the processing chamber 2a. Etch.
[0064]
At this time, the directional coupler 35 detects the amount of microwave reflection from the connection portion between the annular waveguide antenna portion 11 a and the introduction portion 16 a and gives the detection signal to the control portion 34. The control unit 34 feedback-controls the driving unit 33 based on the given detection signal, and controls the position of the short-circuit plate 31 of the microwave matching unit 30 so that the amount of reflected microwaves is minimized.
[0065]
6 and 7 are graphs showing the effect of adding the microwave matching device 30 to the connection portion between the annular waveguide antenna portion 11a and the introduction portion 16a. The voltage reflection coefficient | Γ | with respect to the position of the short-circuit plate 31 of the microwave matching device 30 when the process plasma was generated in the processing chamber 2 a was calculated from the detection value of the directional coupler 35.
Here, the plasma generation conditions in FIG. 6 are as follows: the gas type is argon, and the pressure is 5.33 Pa.s. The microwave power is 1 kW, and in FIG. _Four F ₈ / CO / O ₂ / Ar mixed gas, pressure 5.33 Pa. The microwave power is 2 kW.
[0066]
As can be seen from the graph, in the annular antenna with a microwave matching unit (E tuner), the voltage reflection coefficient Γ changes with a minimum value by changing the position of the shorting plate of the microwave matching unit. . In particular, in the case of argon plasma, when the position of the short-circuit plate is 25 mm (the distance from the antenna dielectric surface is 51 mm), the reflection is substantially zero. That is, the reflected power is suppressed, and multiple reflections between the antenna and the microwave oscillator are suppressed.
Therefore, energy loss due to multiple reflection of microwaves can be suppressed as much as possible, and microwaves can be efficiently supplied to the plasma through the aperture while propagating the microwaves in the antenna circumferential direction. On the other hand, in the conventional microwave plasma apparatus, it is difficult to reduce the voltage reflection coefficient even if the microwave matching unit is adjusted.
[0067]
In this microwave plasma processing apparatus, matching can be satisfactorily performed without providing a tuner such as a stub between the microwave oscillator and the antenna, unlike the conventional microwave plasma processing apparatus. Of course, by providing a tuner between the microwave oscillator and the antenna, for example, even when the plasma processing conditions are largely changed, matching can be satisfactorily performed over a wider load range.
[0068]
In this microwave plasma processing apparatus, the microwave matching unit 30 (E) is disposed on the waveguide deviated plane (E plane) of the connection portion (introduction port) between the annular waveguide antenna portion 11a and the introduction portion 16a. A tuner is provided, but a microwave matching unit may be provided within the range of the length of the inside and outside of one wavelength of the microwave from the connecting portion. Even by providing a microwave matching device within a range of a length corresponding to one wavelength of the microwave from a connection portion having a largely different shape of the waveguide, reflection of the microwave at the connection portion is effectively suppressed. It is possible.
[0069]
FIG. 8A shows an example of an antenna in which a microwave matching unit 30 (E tuner) is provided on a deviated plane (E plane) of the introduction portion 16a that is one wavelength (λg) away from the connection portion. It is a top view.
FIG. 8B is a plan view showing an example of an antenna in which microwave matching units 30 (E tuners) are provided at two locations on the upper lid 23a that is one wavelength (λg) away from the connection portion.
These antennas can also effectively suppress the reflection of microwaves from the connection portion.
[0070]
Embodiment 2. FIG.
9 is a side sectional view showing the structure of the microwave antenna and microwave plasma processing apparatus according to the present invention, and FIG. 10 is a plan view of the microwave antenna and microwave plasma processing apparatus shown in FIG. In this microwave plasma processing apparatus, an antenna 10 b is attached to the sealing plate 4. The antenna 10b includes a cover portion 17b (first side surface), an outer wall portion 12b (second side surface), an inner wall portion 13b (second side surface), and an upper lid 23b (third side surface) that cover the sealing plate 4. The cover portion 17b, the outer wall portion 12b, the inner wall portion 13b, and the upper lid 23b constitute an annular waveguide antenna portion 11b (first tubular portion) capable of propagating microwaves therein.
[0071]
Among these, the cover part 17b, the outer side wall part 12b, and the inner side wall part 13b are cut out from the aluminum block, and are manufactured integrally.
In the cover portion 17b, a plurality of openings 15a, 15a,... For taking out the microwaves from the annular waveguide antenna portion 11b are formed in a strip shape in the diameter direction of the annular waveguide antenna portion 11b. .
[0072]
The outer wall portion 12b and the inner wall portion 13b are provided concentrically with the central axis of the reactor 1a, and the microwave is introduced to the annular waveguide antenna portion 11b around the introduction port provided in the outer wall portion 12b. An introduction portion 16b (second tubular portion) is connected so as to be in the diameter direction of the annular waveguide antenna portion 11b. A dielectric 14 such as a fluororesin such as Teflon (registered trademark), a polyethylene resin, or a polystyrene resin (preferably Teflon) is fitted in the introduction portion 16b and the annular waveguide antenna portion 11b.
[0073]
The surface (H surface) of the inner side wall portion 13b facing the connection portion (introduction port) between the annular waveguide antenna portion 11b and the introduction portion 16b has a waveguide structure similar in cross section to the introduction portion 16b. A certain microwave matching device 40 (H tuner) is provided so as to be perpendicular to the introduction portion 16b as shown in a plan view and a side sectional view of the antenna 10b in FIG. 11 (the cover member 17b is omitted).
[0074]
The microwave matching unit 40 has a variable position in the waveguide and has a short-circuit plate 41 for adjusting the impedance of the waveguide. The short-circuit plate 41 is connected to the drive unit 43 via the support rod 42. To adjust its position.
As shown in FIG. 12, the driving origin of the short-circuit plate 41 is 53 mm (offset) from the surface of the dielectric 14, and is movable in a direction away from the surface of the dielectric 14. The inner cross section of the microwave matching unit 40 is 96 mm long and 27 mm short, and the movable range of the short-circuit plate 41 is 0 to 80 mm.
[0075]
A waveguide 21 extending from the microwave oscillator 20 is connected to the introduction portion 16b. A directional coupler 35 is attached to the waveguide 21, and the directional coupler 35 detects the amount of microwave reflection from the connection portion between the annular waveguide antenna portion 11 b and the introduction portion 16 b. The detection signal is given to the control unit 44. The controller 44 controls the position of the short-circuit plate 41 so as to minimize the amount of reflected microwaves by feedback-controlling the drive unit 43 described above based on the given detection signal.
[0076]
The microwave oscillated by the microwave oscillator 20 is incident on the introduction portion 16b of the antenna 10b through the waveguide 21. This incident wave is introduced from the introduction portion 16b to the annular waveguide antenna portion 11b. The microwaves introduced into the annular waveguide antenna unit 11b travel through the dielectric 14 in the annular waveguide antenna unit 11b as traveling waves traveling in opposite directions to each other through the annular waveguide antenna unit 11b. Both propagating waves propagate and collide at a position facing the introduction port of the annular waveguide antenna portion 11b to generate a standing wave. By this standing wave, a current having a maximum value flows at a predetermined interval on the inner surface of the annular waveguide antenna portion 11b. Since the other structure is the same as the structure of the microwave plasma processing apparatus of the above-described embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
[0077]
In order to perform an etching process on the surface of the sample W using such a microwave plasma processing apparatus, the processing chamber 2a is evacuated from the exhaust port 8 to a desired pressure, and then the processing chamber is connected to the processing chamber 2a. A reactive gas is supplied into 2a. Next, a microwave is oscillated from the microwave oscillator 20 and introduced into the antenna 10b through the waveguide 21 to form a standing wave there. This standing wave is introduced into the processing chamber 2a through the openings 15a, 15a,... Of the antenna 10b and the sealing plate 4, and plasma is generated in the processing chamber 2a. Etch.
[0078]
At this time, the directional coupler 35 detects the amount of microwave reflection from the connection portion between the annular waveguide antenna portion 11 b and the introduction portion 16 b, and gives the detection signal to the control portion 44. The control unit 44 performs feedback control of the driving unit 43 based on the given detection signal, and controls the position of the short-circuit plate 41 of the microwave matching unit 40 so that the amount of reflected microwaves is minimized.
[0079]
In this microwave plasma processing apparatus, matching can be satisfactorily performed without providing a tuner such as a stub between the microwave oscillator and the antenna as in the conventional apparatus. Of course, by providing a tuner between the microwave oscillator and the antenna, for example, even when the plasma processing conditions are largely changed, matching can be satisfactorily performed over a wider load range.
[0080]
In this microwave plasma processing apparatus, the microwave matching unit 40 (on the surface (H surface) of the inner side wall 13 b facing the connection portion (introduction port) between the annular waveguide antenna portion 11 b and the introduction portion 16 b is provided. (H tuner) is provided, but a microwave matching unit may be provided within the range of the length of the inside and outside of one wavelength of the microwave from the connection portion. Even by providing a microwave matching device within a range of a length corresponding to one wavelength of the microwave from a connection portion having a largely different shape of the waveguide, reflection of the microwave at the connection portion is effectively suppressed. It is possible.
[0081]
FIG. 13A shows an example of an antenna in which a microwave matching unit 40 (H tuner) is provided on the vertical plane (H plane) of the introduction section 16b that is one wavelength (λg) away from the connection section. It is a top view.
FIG. 13B is a plan view showing an example of an antenna in which microwave matching units 40 (H tuners) are provided at two locations on the inner wall 13b that is one wavelength (λg) away from the connection portion.
These antennas can also effectively suppress the reflection of microwaves from the connection portion.
[0082]
In the first and second embodiments, the former uses one microwave matching unit 30 (E tuner) for the annular waveguide antenna unit 11a, and the latter uses the microwave matching unit 40 (H tuner). ) Is used for the annular waveguide antenna portion 11b. As shown in the plan view and the side sectional view of the antenna 10c in FIG. 14, the annular waveguide antenna portion 11c and the introduction portion 16c A microwave matching unit 30 (E tuner) is provided on the waveguide deviated plane (E surface) of the connection part (introduction port) so as to be perpendicular to the introduction part 16c, and introduced into the annular waveguide antenna part 11c. Even if the microwave matching device 40 (H tuner) is provided at a right angle to the introduction portion 13c on the surface (H surface) of the inner wall 13b facing the connection portion (introduction port) with the portion 16c, the same effect is obtained. Can be obtained. Furthermore, the antenna configurations shown in FIGS. 4, 8, 11, 13, and 14 may be freely selected and combined.
[0083]
Further, when there are a plurality of connection portions (introduction ports) between the annular waveguide antenna portion and the introduction portion, the same effect can be obtained by providing a microwave matching device for each.
In the first and second embodiments described above, the microwave matching unit uses a type in which the position of the short-circuit plate is variable. However, a type in which the insertion amount of the conductor rod into the waveguide is variable is used. However, the same effect can be obtained.
[0084]
Further, as shown in FIG. 15, a connection portion (introduction port) between the annular waveguide antenna portion 11d and the introduction portion 16d is provided on the upper lid of the annular waveguide antenna portion 11d, and the introduction portion 16d is provided on the upper lid. Even in the case of being provided vertically, by providing the microwave matching device 50 in the vicinity of the connection portion, reflection of the microwave from the connection portion can be effectively suppressed.
[0085]
【The invention's effect】
According to the microwave antenna according to the first to third aspects of the invention, the reflection of the microwave at the connection portion can be suppressed, and the microwave can be efficiently taken out from the plurality of openings.
[0086]
According to the microwave antenna according to the fourth aspect of the present invention, the position of the short-circuit plate in the waveguide can be adjusted to remove the impedance mismatch in the connecting portion over a wide range. Can be suppressed, and microwaves can be efficiently extracted from a plurality of openings.
[0087]
According to the microwave antenna according to the fifth aspect of the present invention, since the impedance mismatch at the connection portion can be removed over a wide range by adjusting the insertion amount of the conductor rod, the reflection of the microwave at the connection portion is suppressed. And microwaves can be efficiently extracted from a plurality of openings.
[0088]
According to the microwave antenna of the sixth aspect of the present invention, when used in a microwave plasma processing apparatus, the position of the short-circuit plate in the waveguide is adjusted in accordance with the fluctuation of the plasma load impedance, and the microwave is reflected. Can be suppressed, and microwaves can be efficiently extracted from a plurality of openings.
[0089]
According to the microwave antenna according to the seventh aspect of the present invention, when used in a microwave plasma processing apparatus, the amount of insertion of the conductor rod is adjusted in accordance with the fluctuation of the plasma load impedance, and the reflection of the microwave is suppressed. And microwaves can be efficiently extracted from a plurality of openings.
[0090]
According to the microwave antenna according to the eighth aspect of the present invention, the wavelength of the microwave introduced into the antenna is shortened by 1 / √ (εr) times (εr is the dielectric constant of the dielectric). Therefore, when the first tubular portion having the same diameter is used, the current flowing through the wall surface of the first tubular portion is maximized when the dielectric is inserted than when the dielectric is not inserted. The number of positions increases, and accordingly, a large number of openings can be opened, and microwaves can be extracted uniformly. In addition, when the dielectric is inserted, the electric field at the opening of the dielectric becomes higher, and the microwave can be extracted more efficiently from the plurality of openings.
[0093]
First 9 According to the microwave plasma processing apparatus of the invention, it is possible to realize a microwave plasma processing apparatus that can efficiently generate plasma with less incident microwave power.
[0094]
First 10 According to the microwave plasma processing apparatus of the present invention, the microwave antenna is caused by a shift in impedance of the first tubular portion due to an assembly error between the first side surface of the first tubular portion of the microwave antenna and the cover member for covering the sealing member. The instability of impedance matching at the connection portion can be removed, and leakage of microwaves to the outside can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view showing the structure of a microwave antenna and a microwave plasma processing apparatus according to the present invention.
2 is a plan view of the microwave antenna and the microwave plasma processing apparatus shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view around the upper lid.
FIG. 4 is a plan view and a side sectional view of an antenna.
FIG. 5 is a side sectional view showing a structure of a microwave matching device.
FIG. 6 is a graph showing an effect obtained by adding a microwave matching device to a connection portion between an annular waveguide antenna portion and an introduction portion.
FIG. 7 is a graph showing an effect obtained by adding a microwave matching device to a connection portion between an annular waveguide antenna portion and an introduction portion.
FIG. 8 is a plan view showing an example of an antenna in which a microwave matching device is provided at a position separated from the connection portion by one wavelength of the microwave.
FIG. 9 is a side sectional view showing a structure of a microwave antenna and a microwave plasma processing apparatus according to the present invention.
10 is a plan view of the microwave antenna and the microwave plasma processing apparatus shown in FIG.
11A and 11B are a plan view and a side cross-sectional view of an antenna.
FIG. 12 is a side sectional view showing a structure of a microwave matching device.
FIG. 13 is a plan view showing an example of an antenna in which a microwave matching device is provided at a position separated from a connection portion by one wavelength of microwaves.
FIG. 14 is a plan view and a side sectional view of an antenna.
FIG. 15 is a side sectional view showing a case where a connecting portion between an annular waveguide antenna portion and an introduction portion is provided on the upper lid of the annular waveguide antenna portion, and the introduction portion is provided perpendicular to the upper lid.
FIG. 16 is a side sectional view showing a structure of a conventional microwave plasma processing apparatus.
FIG. 17 is a plan view showing the structure of a conventional microwave plasma processing apparatus.
[Explanation of symbols]
1a reactor
2a Processing chamber
3 mounting table
4 Sealing plate (sealing member)
10a, 10b, 10c antenna
11a, 11b, 11c, 11d Annular waveguide antenna section (first tubular section)
12a, 12b, 12c Outer side wall (second side surface)
13a, 13b, 13c Inner side wall (second side surface)
14 Dielectric
15a opening
16a, 16b, 16c, 16d introduction part (second tubular part)
17a, 17b Cover (first side)
20 Microwave oscillator
21 Waveguide
22 Gas inlet
23a, 23b Upper lid (third side)
30 Microwave matcher (E tuner)
31, 41 Short-circuit plate
32, 42 Support rod
33, 43 Drive unit
34, 44 Control unit
35 Directional coupler (detector)
36a screw
40 Microwave matcher (H tuner)
50 microwave matcher
W sample

Claims

An annular first tubular portion for propagating microwaves, one or a plurality of introduction ports opened on a side surface of the first tubular portion for introducing microwaves into the first tubular portion, and connected to the introduction port A microwave having a second tubular part for supplying microwaves into the first tubular part, and a plurality of openings provided in the first tubular part for extracting microwaves from the first tubular part In the antenna
On the waveguide electric field surface of the connecting portion of the first tubular portion and the second tubular portion, a waveguide structure is provided at a right angle to the second tubular portion, and the cross-sectional shape is the same as that of the second tubular portion. A microwave antenna comprising a microwave matching device.

An annular first tubular portion for propagating microwaves, one or a plurality of introduction ports opened on a side surface of the first tubular portion for introducing microwaves into the first tubular portion, and connected to the introduction port A microwave having a second tubular part for supplying microwaves into the first tubular part, and a plurality of openings provided in the first tubular part for extracting microwaves from the first tubular part In the antenna
On the waveguide electric field surface of the first tubular portion or the second tubular portion in the range of a length corresponding to approximately one wavelength of the microwave from the connecting portion of the first tubular portion and the second tubular portion, the second A microwave antenna comprising a microwave matching unit provided at a right angle to a tubular part and having a cross-sectional shape similar to that of the second tubular part .

An annular first tubular portion for propagating microwaves, one or a plurality of introduction ports opened on a side surface of the first tubular portion for introducing microwaves into the first tubular portion, and connected to the introduction port A microwave having a second tubular part for supplying microwaves into the first tubular part, and a plurality of openings provided in the first tubular part for extracting microwaves from the first tubular part In the antenna
The first tubular portion is provided on a waveguide magnetic field surface of the side surface of the first tubular portion facing the connecting portion of the first tubular portion and the second tubular portion at a right angle to the second tubular portion, and the cross-sectional shape is the second tubular portion. A microwave antenna comprising a microwave matching unit having a waveguide structure similar to a tubular part .

The microwave matching unit includes a waveguide and a short-circuit plate for short-circuiting one end of the waveguide, and the position of the short-circuit plate in the waveguide can be varied. 4. The microwave antenna according to any one of 3.

The said microwave matching device has a conductor rod inserted in the said 1st tubular part, the said 2nd tubular part, or the said connection part, The insertion amount of this conductor rod can be varied. A microwave antenna according to any one of the above.

A detector for detecting the amount of reflected wave, a drive unit for driving the short-circuit plate of the microwave matching unit, and a control unit for controlling the drive unit, wherein the control unit includes the amount of the reflected wave The microwave antenna according to claim 4, which can be controlled so as to suppress noise.

A detector for detecting the amount of reflected wave, a drive unit for driving the conductor rod of the microwave matching device, and a control unit for controlling the drive unit, the control unit comprising the amount of reflected wave The microwave antenna according to claim 5, wherein the microwave antenna can be controlled to suppress noise.

The microwave antenna according to claim 1, wherein the first tubular portion has a dielectric therein.

A microwave that introduces a microwave through a portion of the sealing member that is sealed with a sealing member, generates a plasma with the microwave, and processes an object to be processed with the generated plasma. In wave plasma processing equipment,
Comprising a microwave antenna according to claim 1-8, the microwave plasma processing apparatus, wherein the opening of the microwave antenna is opposed to the sealing member.

The microwave plasma processing apparatus according to claim 9 , wherein a portion of the microwave antenna that forms the first side surface where the opening is formed is configured to cover the sealing member so that the microwave does not leak to the outside.