JP4852997B2 - マイクロ波導入装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処理を施す際に使用されるプラズマ処理装置及びこれに用いるマイクロ波導入装置に関する。

近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１ｍＴｏｒｒ（１３．３ｍＰａ）〜数１０ｍＴｏｒｒ（数Ｐａ）程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波を用いて、高密度プラズマを発生させるマイクロ波プラズマ装置が使用される傾向にある。
このようなプラズマ処理装置は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図７を参照して概略的に説明する。図７は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。

図７において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する円板状の窒化アルミや石英等よりなる天板８を気密に設けている。
そして、この天板８の上面に厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１０と、この平面アンテナ部材１０の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１２を設置している。そして、平面アンテナ部材１０には多数の、例えば長溝状の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔１４が形成されている。このマイクロ波放射孔１４は一般的には、同心円状に配置されたり、或いは渦巻状に配置されている。

そして、平面アンテナ部材１０の中心部に同軸導波管１６の中心導体１８を接続してマイクロ波発生器２０より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波をモード変換器２２にて所定の振動モードへ変換した後に導くようになっている。そして、マイクロ波をアンテナ部材１０の半径方向へ放射状に伝播させつつ平面アンテナ部材１０に設けたマイクロ波放射孔１４からマイクロ波を放出させてこれを天板８に透過させて、下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内の処理空間Ｓにプラズマを立てて半導体ウエハＷにエッチングや成膜などの所定のプラズマ処理を施すようになっている。

特開平３−１９１０７３号公報 特開平５−３４３３３４号公報 特開平９−１８１０５２号公報 特開２００３−３３２３２６号公報

ところで、上記プラズマ処理を行う場合、ある種の処理では、ウエハＷに対向する天板８側から処理空間Ｓ、或いはウエハ表面に対して特定の作用を及ぼしたい場合がある。例えばプラズマエッチングを例にとれば、エッチング処理の終点であるエンドポイントを認識するために、ウエハ表面のエッチング対象膜の膜厚をリアルタイムで計測したい場合が生ずる。

この場合、膜厚測定に用いる膜厚測定器は、検査用のレーザ光を測定対象物に発射してその反射光を検出することによって膜厚を測定する構造になっているので、この膜測定器を処理容器４の天井部に設けて平面アンテナ部材１０にレーザ光の挿通孔を形成し、この挿通孔を介してウエハ表面にレーザ光を照射することも考えられるが、適正に精度良く位置出しされて設けられた多くのマイクロ波照射孔１４以外に平面アンテナ部材１０に新たなレーザ光用挿通孔を設けることは、マイクロ波がリークしたり、マイクロ波の放射に悪影響を与える恐れが生ずるので好ましくない。

そこで、同軸導波管１６の中心を通る棒状の中心導体１８を空洞状態として内部に中空路を設けることも考えられる。上記特許文献４には、上記内部導体１８にガス通路を形成した点が開示されている。
しかしながら、上記モード変換器２２及びこれに接続される同軸導波管１６の各設計寸法は、これに伝播されるマイクロ波に対して最適化された寸法であり、僅かに各寸法を変えただけでもマイクロ波中に不要な振動モードが混在したり、或いはマイクロ波の反射率が大きく変動してしまう。

特に、従来のプラズマ処理装置において用いられている例えばる２．４５ＧＨｚのマイクロ波伝播のための同軸導波管１６にあっては、最適化されたその中心導体１８の直径は１６ｍｍ程度であり、これに対して、上記膜厚測定器から発射したレーザ光を挿通してその反射光を受光するために必要なレーザ光挿通孔の内径は最小でも１８ｍｍ程度必要である。このため、従来のプラズマ処理装置の中心導体１８の１６ｍｍの設計寸法では、上述したような新たな要求に応えることができない、といった問題があった。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、新たな設計基準の基に、マイクロ波の伝播に関する基本的な性能を維持しつつ同軸導波管の中心導体内に内径が大きな中空路を形成することが可能なマイクロ波導入装置及びこれを用いたプラズマ処理装置を提供することにある。
また本発明の他の目的は、上記中心導体に形成した中空路内に膜厚測定器からのレーザ光を挿通させることによって被処理体の表面の膜厚をリアルタイムで測定することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明者等は、マイクロ波の伝播について鋭意研究した結果、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ中心導体に形成される中空路の内径を拡大することができる新たな設計基準を見い出すことにより、本発明に至ったものである。

請求項１に係る発明は、所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器と、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の空間に向けて設けられた平面アンテナ部材と、前記モード変換器と前記平面アンテナ部材とを連結して前記マイクロ波を伝播する同軸導波管とを有するマイクロ波導入装置において、前記同軸導波管の中心導体を中空にして内径Ｄ１が第１の所定値以上の中空路を形成し、前記同軸導波管の筒状の外側導体の内径の半径ｒ１と前記中心導体の外径の半径ｒ２との比”ｒ１／ｒ２”を第２の所定値に維持しつつ前記外側導体の内径Ｄ２を第３の所定値以下となるように設定すると共に、前記アンテナ部材の中心部に、前記中空路に連通される貫通孔を形成するように構成したことを特徴とするマイクロ波導入装置である。

このように、マイクロ波を伝播する同軸導波管の中心導体を中空にして内径Ｄ１が第１の所定値以上の中空路を形成し、前記同軸導波管の筒状の外側導体の内径や半径ｒ１と前記中心導体の外径の半径ｒ２との比”ｒ１／ｒ２”を第２の所定値に維持しつつ前記外側導体の内径Ｄ２を第３の所定値以下となるように設定するようにしたので、マイクロ波の伝播に関する基本的な性能を維持しつつ同軸導波管の中心導体内に内径が大きな中空路を形成することができる。

この場合、例えば請求項２に規定するように、前記所定の振動モードは、ＴＥＭモードである。
また例えば請求項３に規定するように、前記第１の所定値は１６ｍｍである。
また例えば請求項４に規定するように、前記第２の所定値はｅ^２／３ 〜ｅ（ｅ＝２．７１８…）の範囲内の一定値である。
また例えば請求項５に規定するように、前記比”ｒ１／ｒ２”に基づいて求められる特性インピーダンスは４０〜６０Ωの範囲内である。

また例えば請求項６に規定するように、前記第３の所定値は、前記マイクロ波の大気圧中の波長λｏの”０．５９−０．１”波長である。
また例えば請求項７に規定するように、前記モード変換器と前記同軸導波管とを含む全体の長さを、前記マイクロ波の大気中の波長λｏの１／４波長の奇数倍に設定する。
また例えば請求項８に規定するように、前記マイクロ波発生器が接続された導波管と前記同軸導波管とは前記モード変換器において直角に連結されると共に、前記中心導体の基端部は前記モード変換器の天井板となる区画壁に円錐形状に成形された接合部を介して取り付けられており、前記導波管を介して前記モード変換器に入るマイクロ波の進行方向と対向する場所に位置する前記区画壁の端面と前記円錐形状の接合部の斜面の中間点との間の距離は、前記マイクロ波の大気圧中の波長λｏの１／２波長の整数倍の長さに設定されている。

また例えば請求項９に規定するように、前記中心導体の前記中空路の直径は１８ｍｍ以上に設定される。
また例えば請求項１０に規定するように、前記マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚである。
また例えば請求項１１に規定するように、前記平面アンテナ部材の上面側には遅波材が設けられている。

請求項１２に係る発明は、天井部が開口されて内部が真空引き可能になされた処理容器と、被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなる天板と、前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、前記処理容器内にマイクロ波によるプラズマを発生させるために前記天板上に設けられた請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置である。

この場合、例えば請求項１３に規定するように、前記マイクロ波導入装置には、該マイクロ波導入装置の同軸導波管の中心導体に形成された中空路に沿ってレーザ光を射出することによって前記被処理体の表面における薄膜の厚さを測定する膜厚測定器が設けられる。
このように、膜厚測定器を設けて同軸導波管の中心導体に形成した中空路に沿ってレーザ光を射出するようにしたので、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ被処理体の表面における薄膜の厚さを測定することができる。

本発明に係るマイクロ波導入装置及びプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
マイクロ波を伝播する同軸導波管の中心導体を中空にして内径Ｄ１が第１の所定値以上の中空路を形成し、前記同軸導波管の筒状の外側導体の内径や半径ｒ１と前記中心導体の外径の半径ｒ２との比”ｒ１／ｒ２”を第２の所定値に維持しつつ前記外側導体の内径Ｄ２を第３の所定値以下となるように設定するようにしたので、マイクロ波の伝播に関する基本的な性能を維持しつつ同軸導波管の中心導体内に内径が大きな中空路を形成することができる。

特に請求項１３に係る発明によれば、マイクロ波導入装置の同軸導波管に膜厚測定器を設けて同軸導波管の中心導体に形成した中空路に沿ってレーザ光を射出するようにしたので、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ被処理体の表面における薄膜の厚さを測定することができる。

以下に、本発明に係るマイクロ波導入装置及びプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図、図２は図１に示すプラズマ処理装置の平面アンテナ部材を示す平面図、図３は図１中のマイクロ波導入装置の一部を示す拡大断面図、図４は図３中のＡ−Ａ線矢視断面図、図５はモード変換器の部分を示す平面図である。ここではプラズマ処理装置として例えばエッチングを行うエッチング装置を例にとって説明する。

図示するようにこのプラズマ処理装置３２は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された処理容器３４を有しており、内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されて、この処理空間Ｓにプラズマが形成される。この処理容器３４自体は接地されている。

この処理容器３４内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台３６が収容される。この載置台３６は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により平坦になされた略円板状に形成されており、例えば絶縁性材料よりなる支柱３８を介して容器底部より起立されている。
上記載置台３６の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャック或いはクランプ機構（図示せず）が設けられる。尚、この載置台３６を例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源に接続する場合もある。また必要に応じてこの載置台３６中に加熱用ヒータを設けてもよい。

上記処理容器３４の側壁には、ガス導入手段４０として、容器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスを供給する石英パイプ製のプラズマガス供給ノズル４０Ａや処理ガス、例えばエッチングガスを導入するための例えば石英パイプ製の処理ガス供給ノズル４０Ｂが設けられており、これらの各ノズル４０Ａ、４０Ｂより必要に応じて上記各ガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。

また、容器側壁には、この内部に対してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ４４が設けられている。また、容器底部には、排気口４６が設けられると共に、この排気口４６には図示されない真空ポンプが介接された排気路４８が接続されており、必要に応じて処理容器３４内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
そして、処理容器３４の天井部は開口されて、ここに例えば石英やセラミック材等よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する天板５０がＯリング等のシール部材５２を介して気密に設けられる。この天板５０の厚さは耐圧性を考慮して例えば２０ｍｍ程度に設定される。

そして、この天板５０の上面側に本発明に係るマイクロ波導入装置５４が設けられている。具体的には、このマイクロ波導入装置５４は、上記天板５０の上面に接して設けられる平面アンテナ部材５６を有しており、この平面アンテナ部材５６は所定の空間である上記処理空間Ｓに向けて配置され、後述するようにマイクロ波を導入するようになっている。そして、この平面アンテナ部材５６の更に上面側には、高誘電率特性を有する板状の遅波材５７が設けられており、伝播されるマイクロ波の波長を短縮するようになっている。

上記平面アンテナ部材５６は、８インチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍの導電性材料よりなる、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には、図２にも示すように例えば長溝状の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔５８が形成されている。このマイクロ波放射孔５８の配置形態は、特に限定されず、例えば同心円状、渦巻状、或いは放射状に配置させてもよいし、アンテナ部材全面に均一になるように分布させてもよい。例えばマイクロ波放射孔５８は、この２個を僅かに離間させてＴの字状に配置して一対の組を形成している。
そして、この平面アンテナ部材５６の中心部には、所定の大きさの貫通孔６０が形成されており、後述するようにこの貫通孔６０を介して膜厚測定用のレーザ光を通し得るようになっている。

図１に戻って、上記平面アンテナ部材５６は、上記遅波材５７の上方全面を覆う導電性の中空円筒状容器よりなる導波箱６２の底板として構成され、前記処理容器３４内の上記載置台３６に対向させて設けられる。
この導波箱６２及び平面アンテナ部材５６の周辺部は共に接地される。そして、この導波箱６２に本発明の特徴とする同軸導波管６４が接続される。この同軸導波管６４は中心導体６６と、この中心導体６６の周囲を所定間隔だけ離間して囲むようにして設けられた例えば断面円形の筒状の外側導体６８とよりなる。これらの中心導体６６や外側導体６８は、例えばステンレススチールや銅等の導体よりなる。上記導波箱６２の上部の中心には、上記同軸導波管６４の筒状の外側導体６８が接続され、内部の中心導体６６は、上記遅波材５７の中心に形成した孔７０を通って上記平面アンテナ部材５６の中心部に接続される。

そして、この同軸導波管６４は、モード変換器７２及び導波管７４を介してマッチング７８を有する例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生器７９に接続されており、上記平面アンテナ部材５６へマイクロ波を伝播するようになっている。この周波数は２．４５ＧＨｚに限定されず、他の周波数、例えば８．３５ＧＨｚを用いてもよい。上記導波管７４としては、断面円形或いは断面矩形の導波管を用いることができる。尚、上記導波箱６２の上部に図示しない天井冷却ジャケットを設けるようにしてもよい。そして、上記導波箱６２内であって、平面アンテナ部材５６の上面側に設けた高誘電率特性を有する遅波材５７は、この波長短縮効果により、マイクロ波の管内波長を短くしている。この遅波材５７としては、例えば石英や窒化アルミ等を用いることができる。

ここで、本発明の特徴とする上記同軸導波管６４の構造について、図３乃至図５も参照して詳しく説明する。ここではモード変換器７２において、マイクロ波発生器７９にて発生したマイクロ波の振動モードをＴＥモードからＴＥＭモードへ変換すると共に、その進行方向を９０度曲げている。このモード変換器７２は、図５にも示すように、その外側区画壁８０は矩形状の箱体として形成されている。そして、上記同軸導波管６４の中心導体６６の上端部である基端部は、上記モード変換器７２の天井板となる区画壁８０Ａに円錐形状に成形された接合部８２を介して取り付け接合されている。この円錐形状の接合部８２は、導波管７４側より進行してくるマイクロ波を、その進行方向を９０度まげて下方向へ向けるために斜面の傾斜角度θは４５度に設定されている。

そして、この同軸導波管６４の中心導体６６と外側導体６８の直径は、従来のプラズマ処理装置の場合よりもマイクロ波の伝播に関する基本的な性能を維持できる範囲で共に大きく設定されており、そして、上記中心導体６６を中空（空洞）にして内径Ｄ１が第１の所定値以上の中空路８４をその長手方向に沿って貫通するように形成している。この中空路８４の下端部は平面アンテナ部材５６の中央の貫通孔６０（図２参照）に連通されている。ここで、上記第１の所定値は、従来のマイクロ波発生装置の中心導体の一般的な太さである１６ｍｍ程度であり、上記内径Ｄ１を例えば１６ｍｍ以上の大きな値に設定する。また上記中心導体６６や外側導体６８の厚さは少なくとも２ｍｍ程度に設定されており、これよりも厚みが薄いとマイクロ波による加熱の原因となる。

この場合、上記中心導体６６や外側導体６８の径を単に大きく設定すると、マイクロ波に複数の振動モードが混在したり、マイクロ波の反射特性が劣化する等の不都合が生ずるので、例えば以下に説明するような設計基準を満たす必要が生ずる。
第１の基準としては、上記外側導体６８の内径の半径ｒ１と、上記中心導体６６の外径の半径ｒ２との比”ｒ１／ｒ２”を第２の所定値に維持しつつ上記外側導体６８の内径Ｄ２（＝２・ｒ１）を第３の所定値以下とする。この場合、下記式１と上記比”ｒ１／ｒ２”に基づいて求められる特性インピーダンスＺｏが例えば４０〜６０Ωの範囲内に入るように設定する。具体的には、このような特性インピーダンス値を満たす第２の所定値は、ｅ^２／３ 〜ｅ（ｅ＝２．７１８…）の範囲内の一定値である。

Ｚｏ＝ｈ／２π・ｌｎ（ｒ１／ｒ２） … 式１
ｈ：電波インピーダンス（電界と磁界の比）
ｌｎ：自然対数
ここで”４０≦Ｚｏ≦６０”とすると、上記比”ｒ１／ｒ２”の範囲が定まる。
尚、同軸線路における特性インピーダンスの求め方及びＴＥＭモードに限定した伝播については、文献「マイクロ波工学」（森北電気工学シリーズ３、マイクロ波光学−基礎と原理−著者：中島 将光、発光所：森北出版、１９９８年１２月１８日発行）の「同軸線路」（６７−７０頁）に示される。

また上記第３の所定値としては、上記伝播されるマイクロ波の大気中の波長λｏの”０．５９−０．１”（＝０．４９）波長であり、下記式２に示すように、上記内径Ｄ２を０．４９・λｏ以下の値となるように設定する。
Ｄ２≦λｏ（０．５９−０．１） … 式２
この条件を満たすことにより、モード変換後の同軸導波管６４内を伝播するマイクロ波の振動モードをＴＥＭモードのみとし、他の振動モードが混在しない状態にすることができる。

上記式２に示す条件式は、以下のようにして求められる。すなわち、ＴＥＭモード以外で円形導波管（同軸導波管ではない）に最も伝播し易いモードは、伝播係数の高い方からＴＥ１１モードであり、その場合の遮断周波数ｆｃは、以下の式となる。
ｆｃ＝１．８４１／２πｒ√（με）
ここで上記ｆｃ、ｒ、μ、εは各々、遮断周波数、円形導波管の半径、大気中の透磁率、大気中の誘電率である。
これを変形すると、ｒ＝０．２９５λｏ（λｏ：マイクロ波の大気中での波長）となり、円形導波管の直径：２ｒ＝０．５９λｏとなる。
ここで、上記λｏより波長の長いマイクロ波を用いればＴＥＭモードのみが伝播することになり、また円形導波管を同軸導波管と見立てて、”２ｒ≒２ｒ１＝Ｄ２≦０．５９λｏ”の条件下でＴＥＭモードのみが伝播することになる。更に、経験的な安全係数を考慮すると、”Ｄ２≦（０．５９−０．１）λｏ”となり、上記式２が導き出される。
この結果、外側導体６８の内径Ｄ２：（２×ｒ１）を最大６０ｍｍにでき、また、中心導体６６の外径（２×ｒ２）を３０ｍｍ程度にでき、中心導体６６の厚みを２ｍｍとすると、その内径Ｄ１を２６ｍｍとすることができる。

また、好ましくは第２の基準として、下記式３に示すように、上記モード変換器７２と上記同軸導波管６４とを含む全体の長さＨ１を、上記マイクロ波の大気中の波長λｏの１／４波長の奇数倍に設定することが望ましい。
Ｈ１＝１／４・λｏ・（２ｎ−１） … 式３
ｎ：正の整数
上記高さＨ１は、具体的には、上記モード変換器７２の天井の区画壁８０Ａと上記導波箱６２の天井板との間の距離である。この第２の基準を満たすことにより、この同軸導波管６４内を進行する進行波と、平面アンテナ部材５６側からの反射波とを効率的に打ち消し合うようにすることができる。

また更には、好ましくは第３の基準として、下記式４に示すように、上記モード変換器７２に入るマイクロ波の進行方向と対向する場所に位置する端面、すなわち短絡板８０Ｂと上記円錐形状の接合部８２の斜面の中間点との間の距離Ｈ３は、上記マイクロ波の大気圧中の波長λｏの１／２波長の整数倍の長さに設定することが望ましい。
Ｈ３＝１／２・λｏ・ｎ … 式４
ｎ：正の整数
ここで上記円錐状の接合部８２の斜面の中間点の位置は、上記同軸導波管６４の筒状の外側導体６８の延長線上に位置するように対応している。

この第３の基準を満たすことにより、導波管７４内を伝播されてくる進行波と、このモード変換器７２の短絡板８０Ｂから反射されてくる反射波とが同期して効率的に合成されて下方向の同軸導波管６４へ向けて９０度進行方向を変えて進行させることが可能となる。
以上のように、上記第１の基準を満たすことにより、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ中心導体に形成される中空路８４の内径を拡大することができ、更に上記第２及び第３の基準を満たすことにより、上記作用効果を一層向上させることができる。
そして、図１に戻って、上記モード変換器７２の上端部には、レーザ光を用いてウエハ表面の膜厚を測定するための膜厚測定器８６が設けられており、上記中心導体６６に設けた中空路８４に沿って膜厚検査用のレーザ光を射出できるようになっている。そして、ウエハからの反射光を受光することにより、膜厚を測定できるようになっている。

次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置３２を用いて行なわれる処理方法について説明する。
まず、ゲートバルブ４４を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器３４内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台３６の上面の載置面に載置する。
そして、処理容器３４内を所定のプロセス圧力、例えば０．０１〜数Ｐａの範囲内に維持して、ガス導入手段４０のプラズマガス供給ノズル４０Ａから例えばアルゴンガスを流量制御しつつ供給すると共に処理ガス供給ノズル４０Ｂから例えばエッチングガスを流量制御しつつ供給する。同時にマイクロ波導入装置５４のマイクロ波発生器７９にて発生したＴＥモードのマイクロ波を導波管７４に伝播させ、更にモード変換器７２にて、この振動モードをＴＥＭモードに変換した後に同軸導波管６４を伝播させて平面アンテナ部材５６に供給し、これにより処理空間Ｓに遅波材５７によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、処理空間Ｓにプラズマを発生させて所定のエッチング処理を行う。

ここで、マイクロ波発生器７９にて発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は上記したように同軸導波管６４内を伝播して導波箱６２内の平面アンテナ部材５６に到達し、中心導体６６の接続された円板状の平面アンテナ部材５６の中心部から放射状に周辺部に伝播される間に、この平面アンテナ部材５６に多数形成されたマイクロ波放射孔５８から天板５０を透過させて平面アンテナ部材５６の直下の処理空間Ｓにマイクロ波を導入する。このマイクロ波により励起されたアルゴンガスがプラズマ化し、この下方に拡散してここでエッチングガスを活性化して活性種を作り、この活性種の作用でウエハＷの表面の薄膜がエッチングされることになる。

ここで上記エッチング処理中、モード変換器８６の上部に取り付けた膜厚測定器８６からは、膜厚検査用のレーザ光が射出される。このレーザ光は、同軸導波管６４の中心導体６６に設けた中空路８４内に沿って通り、そして、平面アンテナ部材５６の中心部に設けた貫通孔６０を通り、更に石英よりなる透明な天板５０を透過して載置台３６上のウエハＷの表面に照射される。そして、ウエハＷの表面からのレーザ光の反射光は、上記した経路とは逆の経路を通って膜厚測定器８６に入射し、ここでリアルタイムでエッチング中の薄膜の厚さが測定されることになる。

そして、この膜厚測定器８６の測定値が、予め定められた膜厚まで減少した時に終点であるエンドポイントとなり、図示しない制御手段が、このエッチング処理を終了させることになる。この場合、上記膜厚測定器８６からのレーザ光で膜厚を測定する場合、上記中心導体６６における中空路８４の内径Ｄ１が１６ｍｍ以上、好ましくは１８ｍｍ以上であることが必要であるが、本発明によれば、前述したように、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ、すなわちＴＥＭモード以外の他の振動モードを混在させることなく、しかも反射波を効率的に消去でき、またマイクロ波を効率的に供給しつつ上記中空路８４の内径Ｄ１を拡大することができる。

具体的には、前述したように、上記中心導体６６や外側導体６８の径を単に大きく設定すると、マイクロ波に複数の振動モードが混在したり、マイクロ波の反射特性が劣化する等の不都合が生ずるので、例えば以下に説明するような設計基準を満たされている。
第１の基準としては、上記外側導体６８の内径の半径ｒ１と、上記中心導体６６の外径の半径ｒ２との比”ｒ１／ｒ２”を第２の所定値に維持しつつ上記外側導体６８の内径Ｄ２（＝２・ｒ１）を第３の所定値以下とする。この場合、前記式１と上記比”ｒ１／ｒ２”に基づいて求められる特性インピーダンスＺｏが例えば４０〜６０Ωの範囲内に入るように設定する。具体的には、このような特性インピーダンス値を満たす第２の所定値は、ｅ^２／３ 〜ｅ（ｅ＝２．７１８…）の範囲内の一定値である。

通常は、この同軸導波管６４の特性インピーダンスＺｏは５０Ωとして、このマイクロ波発生装置の全体が構築されるので、ここでも特性インピーダンスＺｏの値を例えば５０Ωに設定するがよい。これにより、マイクロ波の伝播経路におけるインピーダンス整合を図ることができる。また前記式１を満たさない場合には、インピーダンス不整合が生じて、電力効率を著しく低下させてしまう。

また上記第３の所定値としては、上記伝播されるマイクロ波の大気中の波長λｏの”０．５９−０．１”（＝０．４９）波長であり、前記式２に示すように、上記内径Ｄ２を０．４９・λｏ以下の値となるように設定する。
前記式２の条件を満たすことにより、モード変換後の同軸導波管６４内を伝播するマイクロ波の振動モードをＴＥＭモードのみとし、他の振動モードが混在しない状態にすることができる。すなわち、前記式２により、ＴＥＭモード以外の高次モード、例えばＴＥモード、ＴＭモードを発生させずに、これらのモードを遮断することができる。前記式２の条件を満たさない場合には、高次モードが混在し、平面アンテナ部材５６より放射されるマイクロ波が不均一分布となって好ましくない。この結果、外側導体６８の内径Ｄ２：（２×ｒ１）を最大６０ｍｍにでき、また、中心導体６６の外径（２×ｒ２）を３０ｍｍ程度にでき、中心導体６６の厚みを２ｍｍとすると、その内径Ｄ１を２６ｍｍとすることができる。

また、好ましくは第２の基準として、前記式３に示すように、上記モード変換器７２と上記同軸導波管６４とを含む全体の長さＨ１を、上記マイクロ波の大気中の波長λｏの１／４波長の奇数倍に設定することが望ましい。
前述したように、上記高さＨ１は、具体的には、上記モード変換器７２の天井の区画壁８Ａと上記導波箱６２の天井板との間の距離である。この第２の基準を満たすことにより、この同軸導波管６４内を進行する進行波と、平面アンテナ部材５６側からの反射波とを効率的に打ち消し合うようにすることができる。
この結果、プラズマ発生のためのマイクロ波の効率を高く維持することができる。また、前記式３の条件を満たさない場合には、反射波を相殺することができないのでマイクロ波の効率を低下させてしまう。

また更には、好ましくは第３の基準として、前記式４に示すように、上記モード変換器７２に入るマイクロ波の進行方向とは反対側に位置する端面、すなわち短絡板８０Ｂと上記円錐形状の接合部８２の斜面の中間点との間の距離Ｈ３は、上記マイクロ波の大気圧中の波長λｏの１／２波長の整数倍の長さに設定することが望ましい。
ここで前述したように上記円錐状の接合部８２の斜面の中間点の位置は、上記同軸導波管６４の筒状の外側導体６８の延長線上に位置するように対応している。

この第３の基準を満たすことにより、導波管７４内を伝播されてくる進行波と、このモード変換器７２の短絡板８０Ｂから反射されてくる反射波とが同期して効率的に合成されて下方向の同軸導波管６４へ向けて９０度進行方向を変えて進行させることが可能となる。また、前記式４の条件を満たさない場合には、進行波と短絡板８０Ｂからの反射波とを同期させて効果的に合成することができないので、マイクロ波の効率を低下させてしまう。

以上のように、上記第１の基準を満たすことにより、マイクロ波に関する基本的な性能を維持しつつ中心導体に形成される中空路８４の内径を拡大することができ、更に上記第２及び第３の基準を満たすことにより、上記作用効果を一層向上させることができる。
尚、上記第１〜第３の基準において説明した各部の寸法の公差は、第１の基準においては±λｏ／２０程度、第２及び第３の基準においては±λｏ／１０（λｏ：マイクロ波の大気中における波長）程度あっても、ＴＥＭモードを伝播する同軸導波管としての性能にはほとんど影響を及ぼさない。

ここで上記第１〜第３の基準に基づいて作製したマイクロ波導入装置のシミュレーションを実施して評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図６は本発明に係るマイクロ波導入装置と基準を満たさないマイクロ波導入装置のシミュレーションによる電界の分布を示す写真であり、理解を容易にするために模式図を併記してある。
ここで図６（Ａ）は第１〜第３の基準を満たす本発明のマイクロ波導入装置の場合であり、電界の分布が中心導体６６を中心軸として左右対称になっており、良好な電界分布を生じていることが確認できた。ここで図６（Ａ）の各寸法は、ｒ１＝３０ｍｍ、ｒ２＝１５ｍｍ、Ｈ１＝１００ｍｍ、Ｈ３＝５０ｍｍである。

これに対して、図６（Ｂ）は、第１〜第３の基準の全部の基準を満たさないマイクロ波導入装置の場合である。例えば図６（Ｂ）の各寸法は、ｒ１＝７５ｍｍ、ｒ２＝３２ｍｍ、Ｈ１＝１３５ｍｍ、Ｈ３＝４０ｍｍであり、第１〜第３の基準を満たしていない。
この場合には、電界の分布が、中心導体６６を中心軸として左右対称になっておらずに偏りが生じており、電界分布が不均一になってしまって良好でないことが確認できた。

上述のように、少なくとも第１の基準を満たすことにより、マイクロ波に関する基本的な性能をある程度維持しつつ中心導体６６に形成される中空路８４の内径を拡大することができ、また、第２及び／又は第３の基準を更に満たすことにより、モード変換器７２内や同軸導波管６４内の電界分布をより均一化して適正化でき、マイクロ波に関する基本的な性能をより高く維持することができる。

ここではプラズマ処理装置としてプラズマエッチング処理装置を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置、酸化装置、窒化装置等にも本発明を適用することができる。また膜厚測定器８６は必要に応じて設けるようにすればよい。
また上記実施例では、被処理体として半導体ウエハを例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。

本発明に係るプラズマ処理装置の一例を示す構成図である。 図１に示すプラズマ処理装置の平面アンテナ部材を示す平面図である。 図１中のマイクロ波導入装置の一部を示す拡大断面図である。 図３中のＡ−Ａ線矢視断面図である。 モード変換器の部分を示す平面図である。 本発明に係るマイクロ波導入装置と基準を満たさないマイクロ波導入装置のシミュレーションによる電界の分布を示す写真である。 従来の一般的なプラズマ処理装置を示す概略構成図である。

符号の説明

３２ プラズマ処理装置
３４ 処理容器
３６ 載置台
４０ ガス導入手段
５０ 天板
５４ マイクロ波導入装置
５６ 平面アンテナ部材
５８ マイクロ波放射孔
６０ 貫通孔
６４ 同軸導波管
６６ 中心導体
６８ 外側導体
７２ モード変換器
７８ マッチング
７９ マイクロ波発生器
８２ 接合部
８４ 中空路
８６ 膜厚測定器
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

Claims (13)

1. 所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生器と、
   前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、
   前記所定の空間に向けて設けられた平面アンテナ部材と、
   前記モード変換器と前記平面アンテナ部材とを連結して前記マイクロ波を伝播する同軸導波管とを有するマイクロ波導入装置において、
   前記同軸導波管の中心導体を中空にして内径Ｄ１が第１の所定値以上の中空路を形成し、前記同軸導波管の筒状の外側導体の内径の半径ｒ１と前記中心導体の外径の半径ｒ２との比”ｒ１／ｒ２”を第２の所定値に維持しつつ前記外側導体の内径Ｄ２を第３の所定値以下となるように設定すると共に、前記アンテナ部材の中心部に、前記中空路に連通される貫通孔を形成するように構成したことを特徴とするマイクロ波導入装置。
2. 前記所定の振動モードは、ＴＥＭモードであることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波導入装置。
3. 前記第１の所定値は１６ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ波導入装置。
4. 前記第２の所定値はｅ^２／３ 〜ｅ（ｅ＝２．７１８…）の範囲内の一定値であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置。
5. 前記比”ｒ１／ｒ２”に基づいて求められる特性インピーダンスは４０〜６０Ωの範囲内であることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波導入装置。
6. 前記第３の所定値は、前記マイクロ波の大気圧中の波長λｏの”０．５９−０．１”波長であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置。
7. 前記モード変換器と前記同軸導波管とを含む全体の長さを、前記マイクロ波の大気中の波長λｏの１／４波長の奇数倍に設定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置。
8. 前記マイクロ波発生器が接続された導波管と前記同軸導波管とは前記モード変換器において直角に連結されると共に、前記中心導体の基端部は前記モード変換器の天井板となる区画壁に円錐形状に成形された接合部を介して取り付けられており、前記導波管を介して前記モード変換器に入るマイクロ波の進行方向と対向する場所に位置する前記区画壁の端面と前記円錐形状の接合部の斜面の中間点との間の距離は、前記マイクロ波の大気圧中の波長λｏの１／２波長の整数倍の長さに設定されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置。
9. 前記中心導体の前記中空路の直径は１８ｍｍ以上に設定されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置。
10. 前記マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置。
11. 前記平面アンテナ部材の上面側には遅波材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置。
12. 天井部が開口されて内部が真空引き可能になされた処理容器と、
    被処理体を載置するために前記処理容器内に設けられた載置台と、
    前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなる天板と、
    前記処理容器内へ所定のガスを導入するガス導入手段と、
    前記処理容器内にマイクロ波によるプラズマを発生させるために前記天板上に設けられた請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のマイクロ波導入装置と、
    を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
13. 前記マイクロ波導入装置には、該マイクロ波導入装置の同軸導波管の中心導体に形成された中空路に沿ってレーザ光を射出することによって前記被処理体の表面における薄膜の厚さを測定する膜厚測定器が設けられることを特徴とする請求項１２記載のプラズマ処理装置。

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