JP2017004641A - マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面波モードを単モードにして安定したマイクロ波処理を行うことができ、かつ周方向に均一なプラズマを形成することができるマイクロ波プラズマ源を提供する。【解決手段】マイクロ波プラズマ源は、マイクロ波出力部と、マイクロ波伝送部と、マイクロ波放射部材50とを有する。マイクロ波伝送部は、マイクロ波放射部材50の周縁部の上に円周方向に沿って複数設けられたマイクロ波導入機構を有し、マイクロ波放射部材50は、遅波材、全体が円周状になるように互いに分離して設けられた複数のスロット123と、マイクロ波透過部材122と、複数のスロット123とマイクロ波透過部材122との間に、複数のスロット123に対応して互いに分離して設けられ、スロット123からのマイクロ波電界により単一の磁場ループが形成されるように設けられた複数の誘電体層124とを有する。【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ源およびそれを用いたプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理は、半導体デバイスの製造に不可欠な技術であるが、近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化され、また、半導体ウエハが大型化されており、それにともなって、プラズマ処理装置においてもこのような微細化および大型化に対応するものが求められている。

ところが、従来から多用されてきた平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置では、大型の半導体ウエハを均一かつ高速にプラズマ処理することは困難である。

そこで、高密度で低電子温度の表面波プラズマを均一に形成することができるマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている。

マイクロ波プラズマ処理装置として、特許文献１の段落０００２〜０００８には、マイクロ波発振器から導波管を経て誘電体線路にマイクロ波を導入し、それにより誘電体線路の下方に形成された電界をエアギャップおよびマイクロ波導入窓を介して処理室へ供給してプラズマを生成するものが記載されている。

しかし、この技術では、大型基板の処理は可能であるものの、大きなスペースが必要であるという課題があり、その課題を解決する技術として、特許文献１の段落００２０〜００６１には、環状導波管アンテナの周方向に沿ってスロットを設け、スロットおよびその下のマイクロ波導入窓を介して処理室内へマイクロ波電界を導入し、プラズマを生成するプラズマ処理装置が記載されている。

一方、特許文献２には、マイクロ波を複数に分配し、上記のような平面アンテナとインピーダンス整合を行うチューナとを有するマイクロ波導入機構を複数設け、それらから放射されたマイクロ波をチャンバ内に導きチャンバ内でマイクロ波を空間合成するプラズマ源が開示されている。

このように複数のマイクロ波導入機構を用いてマイクロ波を空間合成することにより、各マイクロ波導入機構から導入されるマイクロ波の位相や強度を個別に調整することができ、プラズマ分布の調整を比較的容易に行うことができる。

また、特許文献３には、複数のマイクロ波導入機構の配置を工夫することにより、プラズマの分布の均一化を図ることが開示されている。

特開２０００−２７７２９６号公報 国際公開第２００８／０１３１１２号パンフレット 特開２０１２−２１６７４５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された、円周方向に配置されたスロットを介して処理室内へマイクロ波電界を導入する技術では、複数の表面波モードが出現する可能性があり、モードジャンプが生じて不安定なプラズマ処理となってしまう。

特許文献２、３では、チャンバの天壁にマイクロ波導入機構毎に誘電体からなるマイクロ波透過窓（マイクロ波透過部材）を設け、このマイクロ波透過窓を介してチャンバ内にマイクロ波を放射しているが、このような構成の場合、周方向にプラズマが十分に広がらず、均一なプラズマを得ることが困難である。また、表面波モードを単一にすることも困難である。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、表面波モードを単モードにして安定したマイクロ波処理を行うことができ、かつ周方向に均一なプラズマを形成することができるマイクロ波プラズマ源およびそれを用いたプラズマ処理装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、プラズマ処理装置のチャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源であって、マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送するためのマイクロ波伝送部と、前記チャンバの天壁を構成し、前記マイクロ波伝送部から供給されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波放射部材とを具備し、前記マイクロ波伝送部は、前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構を有し、前記マイクロ波放射部材は、金属製の本体部と、前記本体部のマイクロ波が導入される側に設けられた誘電体からなる遅波材と、前記遅波材に覆われて全体が円周状になるように互いに分離して設けられ、前記遅波材を介して導入されたマイクロ波を放射する複数のスロットと、前記本体部の前記チャンバ側表面に設けられ、前記スロットの配置領域を覆うように設けられ、前記チャンバ側の表面に表面波が形成される誘電体からなるマイクロ波透過部材と、前記複数のスロットと前記マイクロ波透過部材との間に、前記複数のスロットに対応して互いに分離して設けられ、前記スロットからのマイクロ波電界により単一の磁場ループが形成されるように設けられた複数の誘電体層とを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源を提供する。

本発明の第２の観点は、被処理基板を収容するチャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、前記チャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源とを具備し、前記表面波プラズマにより被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波プラズマ源は、マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送するためのマイクロ波伝送部と、前記チャンバの天壁を構成し、前記マイクロ波伝送部から供給されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波放射部材とを具備し、前記マイクロ波伝送部は、前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構を有し、前記マイクロ波放射部材は、金属製の本体部と、前記本体部のマイクロ波が導入される側に設けられた誘電体からなる遅波材と、前記遅波材に覆われて全体が円周状になるように互いに分離して設けられ、前記遅波材を介して導入されたマイクロ波を放射する複数のスロットと、前記本体部の前記チャンバ側表面に設けられ、前記スロットの配置領域を覆うように設けられ、前記チャンバ側の表面に表面波が形成される誘電体からなるマイクロ波透過部材と、前記複数のスロットと前記マイクロ波透過部材との間に、前記複数のスロットに対応して互いに分離して設けられ、前記スロットからのマイクロ波電界により単一の磁場ループが形成されるように設けられた複数の誘電体層とを有することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

前記誘電体層の周方向の長さは、前記誘電体層内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたときに、λｇ／２以下であることが好ましい。前記誘電体層は、空気層または誘電体材料層で構成することができる。

前記スロットは、真空または誘電体材料からなり、円弧状に形成され、円周方向に沿って一列に配置されている構成とすることができる。前記スロットの周方向の長さは、スロット内のマイクロ波の実効波長をλｇとし、微調整成分をδ（０を含む）としたときに、（λｇ／２）−δであることが好ましい。

前記マイクロ波導入機構は、前記マイクロ波放射部材の上の前記チャンバ内の周縁部分に対応する周縁部に、円周方向に沿って複数設けられている構成とすることができる。

この場合に、前記遅波材は、前記複数のマイクロ波導入機構の配置部分を含む円環状をなすマイクロ波導入機構配置領域に沿って全体形状が円環状になるように複数設けられ、前記複数の遅波材は、隣り合うものが金属部材で分離された状態で配置され、前記マイクロ波導入機構の数の２倍の枚数であり、前記各マイクロ波導入機構に対応する位置から、両側に延びるように配置されている構成としてもよい。

前記マイクロ波放射部材は円板状をなし、その上の前記チャンバ内の中央部分に対応する中央部に配置された他のマイクロ波導入機構をさらに有し、前記マイクロ波放射部材の中央から前記チャンバ内の中央部にも表面波プラズマが生成されるように構成してもよい。

上記第１の観点において、前記マイクロ波放射部材は、前記チャンバ内にプラズマ処理に用いるガスを導入するガス導入部をさらに有する構成とすることができる。

上記第２の観点において、前記ガス供給機構は、前記マイクロ波放射部材に設けられた、第１のガスを導入する第１のガス導入部を有する構成とすることができる。この場合に、前記チャンバ内に被処理基板を載置する載置台が設けられ、前記ガス供給機構は、前記マイクロ波放射部材と前記載置台との間にプラズマ処理に用いる第２のガスを導入する第２のガス導入部を有する構成とすることができる。

また、上記第２の観点において、前記マイクロ波放射部材は、前記チャンバ内の周縁部に対応する環状をなし、前記プラズマ処理装置は、被処理基板を載置する載置台と、前記マイクロ波放射部材の内側部分に、前記チャンバ内にプラズマ処理に用いるガスをシャワー状に導入するシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドと前記載置台との間に高周波電界を形成する高周波電界形成機構とをさらに具備し、前記高周波電界形成機構により、前記チャンバ内に容量結合プラズマが形成される構成とすることができる。

本発明によれば、マイクロ波放射部材を、全体が円周状になるように互いに分離して設けられ、遅波材を介して導入されたマイクロ波を放射する複数のスロットと、誘電体からなるマイクロ波透過部材との間に、複数のスロットに対応して互いに分離して設けられ、スロットからのマイクロ波電界により単一の磁場ループが形成されるように設けられた複数の誘電体層を有するように構成した。このため、誘電体層内の単一の磁場ループによって、マイクロ波透過部材内に誘電体層の磁場ループに対応する磁場ループが形成され、マイクロ波透過部材内に磁場カップリングが生じることを防止することができる。このため、マイクロ波透過部材１２２内で磁場ループが生じたり生じなかったりすることによる複数の表面波モードが出現することを防止することができ、モードジャンプが生じない安定したプラズマ処理を実現することができる。また、複数のスロットが円周状に形成されているので、周方向に均一なプラズマを形成することができる。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。 図１のプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置のマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波放射部材を示す断面図である。 図３のマイクロ波放射部材の周縁部におけるスロットおよび誘電体層である空気層の配置を示す平面図である。 図３のマイクロ波放射部材の周縁部におけるスロットおよび誘電体層である空気層の配置を示す周方向の断面図である。 中心マイクロ波導入機構に対応するスロットの形状例を示す模式図である。 周縁マイクロ波導入機構を示す断面図である。 周縁マイクロ波導入機構の給電機構を示す図７のＡＡ′線による横断面図である。 周縁マイクロ波導入機構におけるスラグと滑り部材を示す図７のＢＢ′線による横断面図である。 円周状に配置された複数のスロットの直下にマイクロ波透過部材を配置した場合と、複数のスロットとマイクロ波透過部材との間にスロットに対応するように設けられた誘電体層を配置した場合における磁場の状態を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源におけるマイクロ波導入機構の配置を模式的に示す平面図である。 本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波放射部材を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波放射部材の周縁部に設けられた遅波材の配置を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波放射部材の周縁部に設けられた遅波材によるマイクロ波電力の分配の様子を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波放射部材の周縁部のスロットの形状および配置を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を基本にし、スロットの下に誘電体層を設けない場合と設けた場合と、マイクロ波を導入した場合とについて、圧力に相当する誘電損失（ｔａｎδ）とプラズマ密度に相当する誘電率の座標においてこれらを変化させた場合の表面波モードを示す図である。 本発明の他の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態について説明する。
（プラズマ処理装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、図２は図１のプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の構成を示すブロック図である。

プラズマ処理装置１００は、マイクロ波により表面波プラズマを形成してウエハに対して所定のプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理としては、成膜処理またはエッチング処理が例示される。

プラズマ処理装置１００は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属材料からなる略円筒状の接地されたチャンバ１と、チャンバ１内にマイクロ波を導入して表面波プラズマを形成するためのマイクロ波プラズマ源２とを有している。チャンバ１の上部には開口部１ａが形成されており、マイクロ波プラズマ源２はこの開口部１ａからチャンバ１の内部に臨むように設けられている。

また、プラズマ処理装置１００は、マイクロプロセッサを備えた全体制御部３を有している。全体制御部３は、プラズマ処理装置１００の各部を制御するようになっている。全体制御部３はプラズマ処理装置１００のプロセスシーケンスおよび制御パラメータであるプロセスレシピを記憶した記憶部や、入力手段およびディスプレイ等を備えており、選択されたプロセスレシピに従って所定の制御を行うことが可能である。

チャンバ１内には被処理体である半導体ウエハＷ（以下ウエハＷと記述する）を水平に支持するためのサセプタ（載置台）１１が、チャンバ１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。サセプタ１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等の金属や内部に高周波用の電極を有した絶縁性部材（セラミックス等）が例示される。

また、図示はしていないが、サセプタ１１には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、ウエハＷの裏面に熱伝達用のガスを供給するガス流路、およびウエハＷを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、サセプタ１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４からサセプタ１１に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。なお、高周波バイアス電源１４はプラズマ処理の特性によっては設けなくてもよい。この場合は、サセプタ１１としてＡｌＮのようなセラミックス等からなる絶縁性部材を用いも電極は不要である。

チャンバ１の底部には排気管１５が接続されており、この排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。そしてこの排気装置１６を作動させることによりチャンバ１内が排気され、チャンバ１内を所定の真空度まで高速に減圧することが可能となっている。また、チャンバ１の側壁には、ウエハＷの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送するマイクロ波伝送部４０と、チャンバ１の上部に設けられた支持リング２９に気密にシールされた状態で設けられ、マイクロ波伝送部４０から伝送されたマイクロ波をチャンバ１内に放射するための円板状をなすマイクロ波放射部材５０とを有する。マイクロ波放射部材５０は、チャンバ１の天壁を構成している。マイクロ波放射部材５０にはシャワー構造の第１ガス導入部２１が設けられており、第１ガス導入部２１には、第１ガス供給源２２から、プラズマ生成用のガス、例えばＡｒガスや、高エネルギーで分解させたいガス、例えばＯ_２ガスやＮ_２ガス等の第１のガスが供給されるようになっている。なお、マイクロ波放射部材５０を含むマイクロ波プラズマ源２の詳細な構造については後述する。

また、チャンバ１内のサセプタ１１とマイクロ波放射部材５０との間の位置には、シャワープレートとして構成される第２ガス導入部２３が水平に設けられている。この第２ガス導入部２３は、格子状に形成されたガス流路２４と、このガス流路２４に形成された多数のガス吐出孔２５とを有しており、格子状のガス流路２４の間は空間部２６となっている。この第２ガス導入部２３のガス流路２４にはチャンバ１の外側に延びるガス供給配管２７が接続されており、このガス供給配管２７には第２ガス供給源２８が接続されている。第２ガス供給源２８からは、成膜処理やエッチング処理等のプラズマ処理の際に、極力分解させずに供給したい処理ガス、例えばＳｉＨ_４ガスやＣ_５Ｆ_８ガス等の第２の処理ガスが供給されるようになっている。

なお、第１ガス供給源２２および第２ガス供給源２８から供給されるガスとしては、プラズマ処理の内容に応じた種々のガスを用いることができる。

（マイクロ波プラズマ源）
マイクロ波プラズマ源２は、上述したように、マイクロ波出力部３０と、マイクロ波伝送部４０と、マイクロ波放射部材５０とを有する。

図２に示すように、マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、８６０ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、８６０ＭＨｚの他に、９１５ＭＨｚ等、７００ＭＨｚから３ＧＨｚの範囲の種々の周波数を用いることができる。

マイクロ波伝送部４０は、複数のアンプ部４２と、アンプ部４２に対応して設けられた周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂとを有する。周縁マイクロ波導入機構４３ａは、マイクロ波放射部材５０の周縁部の上に周方向に沿って複数設けられており、中心マイクロ波導入機構４３ｂはマイクロ波放射部材５０の中央部の上に一つ設けられている。周縁マイクロ波導入機構４３ａの数は２以上であればよいが、３以上が好ましく、例えば３〜６である。

マイクロ波伝送部４０のアンプ部４２は、図２に示すように、分配器３４にて分配されたマイクロ波を各周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂに導く。アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。

位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させることができるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、マイクロ波導入機構毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うマイクロ波導入機構において９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、プラズマ強度調整するためのアンプである。可変ゲインアンプ４７を各アンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。

アイソレータ４９は、後述するスロットアンテナで反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

周縁マイクロ波導入機構４３ａおよび中心マイクロ波導入機構４３ｂは、後述するように、アンプ部４２から出力されたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０に導入する機能およびインピーダンスを整合する機能を有している。

（マイクロ波放射部材）
次に、マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波放射部材５０についてより詳細に説明する。
図３はマイクロ波放射部材５０の主要部を示す断面図であり、図４はマイクロ波放射部材５０の周縁部におけるスロットおよび誘電体層である空気層の配置を示す平面図であり、図５はマイクロ波放射部材５０の周縁部におけるスロットおよび誘電体層である空気層の配置を示す周方向の断面図である。

マイクロ波放射部材５０は、金属製の本体部１２０を有しており、周縁マイクロ波導入機構４３ａが配置される周縁部と、中心マイクロ波導入機構４３ｂが配置される中央部とを有している。そして、周縁部はウエハＷの周縁領域に対応し、中央部はウエハの中央領域に対応する。

本体部１２０周縁部の上部には、周縁マイクロ波導入機構４３ａの配置部分を含む円環状の周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って円環状をなす遅波材１２１が嵌め込まれており、本体部１２０周縁部の下面には、周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って設けられた円環状をなすマイクロ波透過部材１２２が嵌め込まれている。そして、本体部１２０の遅波材１２１とマイクロ波透過部材１２２との間の部分には複数のスロット１２３および誘電体層１２４が上下に形成されている。

遅波材１２１は、真空よりも大きい誘電率を有しており、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成されている。すなわち、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、遅波材１２１は、誘電率が真空よりも誘電率が大きい材料で構成されることにより、マイクロ波の波長を短くしてスロット１２３を含むアンテナを小さくする機能を有する。

マイクロ波透過部材１２２は、マイクロ波を透過する材料である誘電体材料で構成されており、周方向に均一な表面波プラズマを形成する機能を有している。マイクロ波透過部材１２２は、遅波材１２１と同様、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂により構成することができる。なお、マイクロ波透過部材１２２は、周方向に沿って複数に分割されていてもよい。

スロット１２３は、図３に示すように、本体部１２０の遅波材１２１に接する上面位置から誘電体層１２４の上面まで達しており、周縁マイクロ波導入機構４３ａから伝送されてきたマイクロ波の放射特性を決定する。本体部１２０の遅波材１２１と誘電体層１２４との間の領域は、スロット１２３を含むスロットアンテナとして構成されている。

スロット１２３は、周縁マイクロ波導入機構４３ａからＴＥＭ波として伝送されてきたマイクロ波をＴＥ波にモード変換する機能を有する。そして、スロット１２３から放射されたマイクロ波は、誘電体層１２４およびマイクロ波透過部材１２２を経て、チャンバ１内に至る。

図４に示すように、スロット１２３は円弧状をなしており、複数のスロット１２３が円環状をなす周縁マイクロ波導入機構配置領域の周方向に沿って、全体形状が円周状をなすように一列に配置されている。隣接するスロット１２３は金属製の本体１２０により分離されている。スロット１２３の形状および配置によりマイクロ波の放射特性が決定されるが、このように複数の円弧状をなすスロット１２３が、全体形状が円周状をなすように設けられることにより、電界を均一に分散させることができる。図４では円弧状のスロット１２３を一列に１２個設けた例を示しているが、スロット１２３の形状および個数は、マイクロ波透過部材１２２のサイズおよびマイクロ波の波長に応じて適宜設定される。

スロット１２３内は真空であってもよいが、誘電体が充填されていることが好ましい。スロット１２３に誘電体を充填することにより、マイクロ波の実効波長が短くなり、スロットの厚さを薄くすることができる。スロット１２３に充填する誘電体としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。

一つのスロット１２３の円周方向の長さは、電界強度を高くして良好な効率を得る観点からλｇ／２が好ましい。ここで、λｇはマイクロ波の実効波長であり、λｇ＝λ／ε_ｓ ^１／２と表すことができる。ε_ｓはスロットに充填される誘電体の誘電率であり、λは真空中のマイクロ波の波長である。円周方向に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分δ（０を含む）を考慮すると（λｇ／２）−δが好ましい。

なお、スロット１２３は、遅波材１２１およびマイクロ波透過部材１２２の幅方向（径方向）中央に設けられているが、マイクロ波導入機構４３ａは、幅方向中央よりも内側に設けられている。これは、遅波材１２１の内周と外周の長さの違いを考慮して、内側と外側とで均等に電界を分散させるためである。

複数の誘電体層１２４は、図４、図５に示すように、それぞれスロット１２３に対応して設けられている。本例では、１２個のスロット１２３のそれぞれに対して合計１２個の誘電体層１２４が設けられている。隣接する誘電体層１２４は金属製の本体１２０により分離されている。誘電体層１２４内には、対応するスロット１２３から放射されるマイクロ波によって単一ループの磁場を形成させることができ、その下のマイクロ波透過部材１２２において磁場ループのカップリングが生じないようになっている。これにより、複数の表面波モードが出現することを防止することができ、単一の表面波モードを実現することができる。誘電体層１２４の周方向の長さは、複数の表面波モードの出現を防止する観点からはλｇ／２以下であることが好ましい。また、誘電体層１２４の厚さは、１〜５ｍｍが好ましい。

誘電体層１２４は空気（真空）であってもよく、誘電体セラミックスや樹脂等の誘電体材料であってもよい、誘電体材料としては、例えば、石英、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。プラズマ処理装置１００が３００ｍｍウエハを処理するもので、マイクロ波の波長が８６０ＭＨｚ、遅波材１２１やマイクロ波透過部材１２２およびスロット１２３内の誘電体として誘電率が１０程度のアルミナを用いる場合は、誘電体層１２４として空気層（真空層）を好適に用いることができる。

一方、本体部１２０の中央部の上部には、中心マイクロ波導入機構４３ｂに対応する中心マイクロ波導入機構配置領域に円板状をなす遅波材１３１が嵌め込まれており、中央部の下面の遅波材１３１に対応する部分に円板状をなすマイクロ波透過部材１３２が嵌め込まれている。そして、本体部１２０の遅波材１３１とマイクロ波透過部材１３２との間の部分は、スロット１３３を有するスロットアンテナ部となっている。スロット１３３の形状や大きさは、モードジャンプの発生を抑制し、かつ均一な電界強度が得られるように適宜調整される。例えば、スロット１３３は、図６に示すようにリング状に形成される。これにより、スロット間の継ぎ目が存在せず、均一な電界を形成することができ、モードジャンプも発生し難くなる。

スロット１３３内にもスロット１２３と同様、誘電体が充填されていることが好ましい。スロット１３３に充填される誘電体としては、スロット１２３に用いたものと同様のものを用いることができる。また、遅波材１３１およびマイクロ波透過部材１３２を構成する誘電体についても、上述した遅波材１２１およびマイクロ波透過部材１２２と同様のものを用いることができる。

本体部１２０の上面には、周縁マイクロ波導入機構配置領域と中心マイクロ波導入機構配置領域との間に、円環状の溝１２６が形成されている。これにより、周縁マイクロ波導入機構４３ａと中心マイクロ波導入機構４３ｂとの間のマイクロ波干渉を抑制することができる。

また、本体部１２０には、上述した第１ガス導入部２１が設けられている。第１ガス導入部２１は、周縁マイクロ波導入機構配置領域を有する周縁部と中心マイクロ波導入機構配置領域を有する中央部との間に環状をなし、同心状に形成された外側ガス拡散空間１４１と内側ガス拡散空間１４２とを有している。外側ガス拡散空間１４１の上面には、本体部１２０の上面から繋がるガス導入孔１４３が形成されており、外側ガス拡散空間１４１の下面には、本体部１２０の下面に至る複数のガス吐出孔１４４が形成されている。一方、内側ガス拡散空間１４２の上面には、本体部１２０の上面から繋がるガス導入孔１４５が形成されており、内側ガス拡散空間１４２の下面には、本体部１２０の下面に至る複数のガス吐出孔１４６が形成されている。ガス導入孔１４３および１４５には、第１ガス供給源２２からの第１のガスを供給するためのガス供給配管１１１が接続されている。

本体部１２０を構成する金属としては、アルミニウムや銅のような熱伝導率の高い金属が好ましい。

（マイクロ波導入機構）
次に、マイクロ波導入機構について詳細に説明する。
以下の説明では周縁マイクロ波導入機構４３ａについて説明する。図７は周縁マイクロ波導入機構４３ａを示す断面図、図８は周縁マイクロ波導入機構４３ａの給電機構を示す図７のＡＡ′線による横断面図、図９は周縁マイクロ波導入機構４３ａにおけるスラグと滑り部材を示す図７のＢＢ′線による横断面図である。

図７に示すように、周縁マイクロ波導入機構４３ａは、スラグチューナとして構成される導入機構本体６０と、スラグを駆動するスラグ駆動部７０とを有している。そして、マイクロ波は、導入機構本体６０から、マイクロ波放射部材５０の遅波材１２１、スロット１２３、マイクロ波透過部材１２２を経てチャンバ１内にマイクロ波が放射され、そのマイクロ波によりチャンバ１内で表面波プラズマを形成するようになっている。

導入機構本体６０は、筒状の外側導体５２およびその内側に設けられた筒状の内側導体５３が同軸状に配置されてなるマイクロ波伝送路４４と、外側導体５２と内側導体５３との間を上下に移動する第１スラグ６１ａ、第２スラグ６１ｂとを有している。第１スラグ６１ａは上側に設けられ、第２スラグ６１ｂは下側に設けられている。そして、内側導体５３が給電側、外側導体５２が接地側となっている。外側導体５２および内側導体５３の上端は反射板５８となっており、下端は本体部１２０の遅波材１２１と誘電体層１２４との間の領域に接続されている。第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂを移動させることにより、チャンバ１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる機能を有する。

マイクロ波伝送路４４の基端側にはマイクロ波（電磁波）を給電する給電機構５４が設けられている。給電機構５４は、マイクロ波伝送路４４（外側導体５２）の側面に設けられたマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波電力導入ポート５５を有している。マイクロ波電力導入ポート５５には、アンプ部４２から増幅されたマイクロ波を供給するための給電線として、内側導体５６ａおよび外側導体５６ｂからなる同軸線路５６が接続されている。そして、同軸線路５６の内側導体５６ａの先端には、外側導体５２の内部に向けて水平に伸びる給電アンテナ９０が接続されている。

給電アンテナ９０は、例えば、アルミニウム等の金属板を削り出し加工した後、テフロン（登録商標）等の誘電体部材の型にはめて形成される。反射板５８から給電アンテナ９０までの間には、反射波の実効波長を短くするためのテフロン（登録商標）等の誘電体からなる遅波材５９が設けられている。なお、２．４５ＧＨｚ等の周波数の高いマイクロ波を用いた場合には、遅波材５９は設けなくてもよい。このとき、給電アンテナ９０から反射板５８までの距離を最適化し、給電アンテナ９０から放射される電磁波を反射板５８で反射させることで、最大の電磁波を同軸構造のマイクロ波伝送路４４内に伝送させる。

給電アンテナ９０は、図８に示すように、マイクロ波電力導入ポート５５において同軸線路５６の内側導体５６ａに接続され、電磁波が供給される第１の極９２および供給された電磁波を放射する第２の極９３を有するアンテナ体９１と、アンテナ体９１の両側から、導入機構本体６０の内側導体５３の外側に沿って延び、リング状をなす反射部９４とを有し、アンテナ体９１に入射された電磁波と反射部９４で反射された電磁波とで定在波を形成するように構成されている。アンテナ体９１の第２の極９３は導入機構本体６０の内側導体５３に接触している。

給電アンテナ９０がマイクロ波（電磁波）を放射することにより、外側導体５２と内側導体５３との間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、給電機構５４に供給されたマイクロ波電力がマイクロ波放射部材５０に向かって伝播する。

内側導体５３の内部空間には、その長手方向に沿って例えば台形ネジが形成された螺棒からなるスラグ移動用の２本のスラグ移動軸６４ａ，６４ｂが設けられている。

図９に示すように、第１スラグ６１ａは、誘電体からなる円環状をなし、その内側に滑り性を有する樹脂からなる滑り部材６３が嵌め込まれている。滑り部材６３にはスラグ移動軸６４ａが螺合するねじ穴６５ａとスラグ移動軸６４ｂが挿通される通し穴６５ｂが設けられている。一方、第２スラグ６１ｂも同様に、ねじ穴６５ａと通し穴６５ｂとを有しているが、スラグ６１ａとは逆に、ねじ穴６５ａはスラグ移動軸６４ｂに螺合され、通し穴６５ｂにはスラグ移動軸６４ａが挿通されるようになっている。これによりスラグ移動軸６４ａを回転させることにより第１スラグ６１ａが昇降移動し、スラグ移動軸６４ｂを回転させることにより第２スラグ６１ｂが昇降移動する。すなわち、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと滑り部材６３とからなるねじ機構により第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂが昇降移動される。

内側導体５３には長手方向に沿って等間隔に３つのスリット５３ａが形成されている。一方、滑り部材６３は、これらスリット５３ａに対応するように３つの突出部６３ａが等間隔に設けられている。そして、これら突出部６３ａが第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの内周に当接した状態で滑り部材６３が第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの内部に嵌め込まれる。滑り部材６３の外周面は、内側導体５３の内周面と遊びなく接触するようになっており、スラグ移動軸６４ａ，６４ｂが回転されることにより、滑り部材６３が内側導体５３を滑って昇降するようになっている。すなわち内側導体５３の内周面が第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの滑りガイドとして機能する。

上記スラグ移動軸６４ａ，６４ｂは、反射板５８を貫通してスラグ駆動部７０に延びている。スラグ移動軸６４ａ，６４ｂと反射板５８との間にはベアリング（図示せず）が設けられている。

スラグ駆動部７０は筐体７１を有し、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂは筐体７１内に延びており、スラグ移動軸６４ａおよび６４ｂの上端には、それぞれ歯車７２ａおよび７２ｂが取り付けられている。また、スラグ駆動部７０には、スラグ移動軸６４ａを回転させるモータ７３ａと、スラグ移動軸６４ｂを回転させるモータ７３ｂが設けられている。モータ７３ａの軸には歯車７４ａが取り付けられ、モータ７３ｂの軸には歯車７４ｂが取り付けられており、歯車７４ａが歯車７２ａに噛合し、歯車７４ｂが歯車７２ｂに噛合するようになっている。したがって、モータ７３ａにより歯車７４ａおよび７２ａを介してスラグ移動軸６４ａが回転され、モータ７３ｂにより歯車７４ｂおよび７２ｂを介してスラグ移動軸６４ｂが回転される。なお、モータ７３ａ，７３ｂは例えばステッピングモータである。

なお、スラグ移動軸６４ｂはスラグ移動軸６４ａよりも長く、より上方に達しており、したがって、歯車７２ａおよび７２ｂの位置が上下にオフセットしており、モータ７３ａおよび７３ｂも上下にオフセットしているので、モータおよび歯車等の動力伝達機構のスペースが小さく、筐体７１が外側導体５２と同じ径となっている。

モータ７３ａおよび７３ｂの上には、これらの出力軸に直結するように、それぞれスラグ６１ａおよび６１ｂの位置を検出するためのインクリメント型のエンコーダ７５ａおよび７５ｂが設けられている。

第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの位置は、スラグコントローラ６８により制御される。具体的には、図示しないインピーダンス検出器により検出された入力端のインピーダンス値と、エンコーダ７５ａおよび７５ｂにより検知された第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの位置情報に基づいて、スラグコントローラ６８がモータ７３ａおよび７３ｂに制御信号を送り、第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂの位置を制御することにより、インピーダンスを調整するようになっている。スラグコントローラ６８は、終端が例えば５０Ωになるようにインピーダンス整合を実行させる。２つのスラグのうち一方のみを動かすと、スミスチャートの原点を通る軌跡を描き、両方同時に動かすと位相のみが回転する。

マイクロ波伝送路４４の先端部には、インピーダンス調整部材１４０が設けられている。インピーダンス調整部材１４０は、誘電体で構成することができ、その誘電率によりマイクロ波伝送路４４のインピーダンスを調整するようになっている。マイクロ波伝送路４４の先端の底板６７には円柱部材８２が設けられており、この円柱部材８２がスロットアンテナ部１２４に接続されている。遅波材１２１は、その厚さによりマイクロ波の位相を調整することができ、スロットアンテナ部１２４の上面（マイクロ波放射面）が定在波の「はら」になるようにその厚さが調整される。これにより、反射が最小で、マイクロ波の放射エネルギーが最大となるようにすることができる。

本実施形態において、メインアンプ４８と、スラグチューナを構成する導入機構本体６０と、マイクロ波放射部材５０のスロットアンテナ部１２４とは近接配置している。そして、スラグチューナとスロットアンテナ部１２４とは１／２波長内に存在する集中定数回路を構成しており、かつスロットアンテナ部１２４および遅波材１２１は合成抵抗が５０Ωに設定されているので、スラグチューナはプラズマ負荷に対して直接チューニングしていることになり、効率良くプラズマへエネルギーを伝達することができる。

なお、中心マイクロ波導入機構４３ｂは、遅波材１３１を介してスロットアンテナ部１３４にマイクロ波を伝送する他は上記周縁マイクロ波導入機構４３ａと同様に構成され、同様の機能を有する。

＜プラズマ処理装置の動作＞
次に、以上のように構成されるプラズマ処理装置１００における動作について説明する。

まず、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置する。そして、第１ガス供給源２２からプラズマ生成ガス、例えばＡｒガスや、高エネルギーで分解させたい第１のガスをガス供給配管１１１およびマイクロ波放射部材５０の第１ガス導入部２１を介してチャンバ１内へ吐出する。

具体的には、第１ガス供給源２２からガス供給配管１１１を介してプラズマ生成ガスや処理ガスを、ガス導入孔１４３および１４５を経て第１ガス導入部２１の外側ガス拡散空間１４１と内側ガス拡散空間１４２に供給し、ガス吐出孔１４４および１４６からチャンバ１へ吐出する。

一方、マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０から、マイクロ波伝送部４０の複数のアンプ部４２および複数のマイクロ波導入機構４３を伝送されてきたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０を介してチャンバ１内に放射させ、マイクロ波放射部材５０の表面部分に高い電界エネルギーにより第１のガスをプラズマ化して表面波プラズマを生成する。

また、第２ガス供給源２８から極力分解せずに供給したい処理ガス等の第２のガスをガス供給配管２７および第２ガス導入部２３を介してチャンバ１内に吐出する。第２ガス導入部から吐出された第２のガスは、第１のガスのプラズマにより励起される。このとき、第２のガス吐出位置はマイクロ波放射部材５０の表面から離れたよりエネルギーが低い位置であるため、第２のガスは不要な分解が抑制された状態で励起される。そして、第１のガスおよび第２のガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えば成膜処理やエッチング処理を施す。

このとき、３本の周縁マイクロ波導入機構４３ａへは、マイクロ波出力部３０のマイクロ波発振器３２から発振され、アンプ３３で増幅された後、分配器３４により複数に分配され、アンプ部４２を経たマイクロ波電力が給電される。これら周縁マイクロ波導入機構４３ａに給電されたマイクロ波電力は、マイクロ波伝送路４４を伝送され、マイクロ波放射部材５０の周縁部に導入される。その際に、導入機構本体６０の第１スラグ６１ａおよび第２スラグ６１ｂによりインピーダンスが自動整合され、電力反射が実質的にない状態でマイクロ波が導入され、導入されたマイクロ波は、遅波材１２１を透過し、スロット１２３、誘電体層１２４およびマイクロ波透過部材１２２を介してチャンバ１内に放射され、マイクロ波透過部材１２２および本体部１２０の下表面の対応部分に表面波が形成され、この表面波によりチャンバ１内のマイクロ波放射部材５０の直下部分に表面波プラズマが生成される。

このとき、従来のように、円周状に配置された複数のスロット１２３の直下にマイクロ波透過部材１２２を配置した場合は、図１０（ａ）に示すように、各スロット１２３から放射されたマイクロ波により発生する磁場は、マイクロ波透過部材１２２でカップリングする場合がある。そして、マイクロ波透過部材１２２で磁場がカップリングしたり、しなかったりすることで、複数の表面波モードが出現する。複数の表面波モードが出現すると、処理の際にモードジャンプが生じることがあり、処理が安定しない。

表面波モードの出現確率は、マイクロ波透過部材因子（形状、材料）とスロット因子（形状、寸法）とで決まり、これらを調整することで単一モードを実現することができる。しかし、マイクロ波透過部材は予め設計されており、これを変更することは困難である。このため、スロット因子を調整することが有効である。そこで、本実施形態では、複数のスロット１２３の下に、各スロット１２３に対応して複数の誘電体層１２４を互いに分離して設ける。これにより、図１０（ａ）に示すように、各スロット１２３から放射されたマイクロ波により各誘電体層１２４内に単一ループの磁場を発生させることができ、それによって、マイクロ波透過部材１２２内に誘電体層１２４の磁場ループに対応する磁場ループが形成され、マイクロ波透過部材１２２内に磁場カップリングが生じることを防止することができる。このため、マイクロ波透過部材１２２内で磁場ループが生じたり生じなかったりすることによる複数の表面波モードが出現することを防止することができ、モードジャンプが生じない安定したプラズマ処理を実現することができる。

この場合に、誘電体層１２４に定在波の「はら」または「ふし」が複数存在すると複数のモードが出やすくなるため、誘電体層１２４の周方向の長さはλｇ／２以下であることが好ましい。

また、複数のスロット１２３を円周状に配置しているので、マイクロ波を円周状に放射することができ、周方向のプラズマの均一性を高めることができる。

さらに、コンパクトに構成された周縁マイクロ波導入機構４３ａを複数円周状に配置し、そこからスロット１２３にマイクロ波を導入するようにしたので、マイクロ波プラズマ源２をコンパクトなものとすることができる。さらにまた、複数の周縁マイクロ波導入機構４３ａを用いることにより、各周縁マイクロ波導入機構４３ａから導入されるマイクロ波の位相や強度を個別に調整することができ、プラズマ分布の調整を比較的容易に行うことができる。

さらにまた、本体部１２０の上面には、周縁マイクロ波導入機構配置領域と中心マイクロ波導入機構配置領域との間に、円環状の溝１２６が形成されているので、周縁マイクロ波導入機構４３ａと中心マイクロ波導入機構４３ｂとの間のマイクロ波干渉を抑制することができる。

さらにまた、マイクロ波放射部材５０の中央部には、中心マイクロ波導入機構４３ｂからマイクロ波が導入される。中心マイクロ波導入機構４３ｂから導入されたマイクロ波は、遅波材１３１を透過し、スロットアンテナ部１３４のスロット１３３およびマイクロ波透過部材１３２を介してチャンバ１内に放射され、チャンバ１内の中央部にも表面波プラズマが生成される。このため、チャンバ１内のウエハ配置領域全体に均一なプラズマを形成することができる。

さらにまた、マイクロ波放射部材５０に第１ガス導入部２１を設け、第１ガス供給源２２から第１のガスを、マイクロ波が放射されるチャンバ１の上面領域に供給するので、第１のガスを高いエネルギーで励起させ、ガスが分解した状態のプラズマを形成することができる。また、チャンバ１の天井部より低い位置に第２ガス導入部２３を設けて第２のガスを供給することにより、より低いエネルギーで第２のガスを分解させずにプラズマ化させることができる。これにより、要求されるプラズマ処理に応じて好ましいプラズマ状態を形成することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態のプラズマ処理装置は、マイクロ波放射部材の周縁部における遅波材が周方向に分割されており、この分割された遅波材に対応して周縁マイクロ波導入機構およびスロットが設けられている点が異なっている他は、基本的に第１の実施形態のプラズマ処理装置と同一に構成されている。したがって、第１の実施形態と同一の部分は説明を省略する。

本実施形態では、第１の実施形態のマイクロ波放射部材５０の代わりにマイクロ波放射部材５０′を有している。マイクロ波放射部材５０′は、周縁マイクロ波導入機構４３ａが配置される周縁部と、中心マイクロ波導入機構４３ｂが配置される中央部とを有している。そして、周縁部はウエハＷの周縁領域に対応し、中央部はウエハの中央領域に対応する。

図１１に示すように、マイクロ波放射部材５０′の周縁部の上には周方向に沿って３つの周縁マイクロ波導入機構４３ａが等間隔で設けられており、マイクロ波放射部材５０′の中央部の上には一つの中心マイクロ波導入機構４３ｂが設けられている。

図１２に示すように、マイクロ波放射部材５０′は、金属製の本体部１２０を有している。本体部１２０周縁部の上部には、周縁マイクロ波導入機構４３ａの配置部分を含む円環状の周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って複数の遅波材１２１′が嵌め込まれている。また、第１の実施形態と同様、本体部１２０周縁部の下面には、周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って設けられた円環状をなす誘電体からなるマイクロ波透過部材１２２が嵌め込まれている。そして、複数の遅波材１２１′とマイクロ波透過部材１２２との間の部分には複数のスロット１２３′および誘電体層１２４が上下に形成されている。

遅波材１２１′は、図１３に示すように、円弧状をなし、周縁マイクロ波導入機構４３ａの２倍の数、すなわち６枚設けられ、全体が円環状をなすように配置されている。これら６枚の遅波材１２１′は等間隔に設けられており、隣接する遅波材１２１′の間は本体部１２０の一部をなす金属部材１２５で分離されている。

図１４に示すように、周縁マイクロ波導入機構４３ａは、それぞれ２枚の遅波材１２１′の間に跨るようにして配置されている。すなわち、６枚の遅波材１２１′は、それぞれ３つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する位置から両側に延びるように配置されている。このように、周縁マイクロ波導入機構４３ａの直下位置には金属部材１２５が配置されているため、周縁マイクロ波導入機構４３ａを伝送されてきたマイクロ波電力は、金属部材１２５で分離され、その両側の遅波材１２１′に等分配される。

遅波材１２１′は、第１の遅波材１２１と同様の、真空よりも大きい誘電率を有しており、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてアンテナを小さくする機能を有している。

スロット１２３′は、本体部１２０の遅波材１２１′に接する上面位置から誘電体層１２４の上面まで達しており、周縁マイクロ波導入機構４３ａから伝送されてきたマイクロ波の放射特性を決定する。本体部１２０の遅波材１２１′と誘電体層１２４との間の領域は、スロット１２３′を含むスロットアンテナとして構成されている。

スロット１２３′は、第１の実施形態のスロット１２３と同様、周縁マイクロ波導入機構４３ａからＴＥＭ波として伝送されてきたマイクロ波をＴＥ波にモード変換する機能を有する。そして、スロット１２３′から放射されたマイクロ波は、誘電体層１２４およびマイクロ波透過部材１２２を経て、チャンバ１内に至る。

スロット１２３′は円弧状をなし、図１５に示すように、円環状をなす周縁マイクロ波導入機構配置領域の周方向に沿って、全体形状が円周状をなすように複数配置されており、各遅波材１２１′に対応して２つずつ設けられている。隣接するスロット１２３′は金属製の本体１２０により分離されている。スロット１２３′の形状および配置によりマイクロ波の放射特性が決定されるが、このように複数の円弧状をなすスロット１２３′が、全体形状が円周状をなすように設けられることにより、電界を均一に分散させることができる。図１５では円弧状のスロット１２３′を一列に１２個設けた例を示しているが、スロット１２３′の形状および個数は、マイクロ波透過部材１２２のサイズおよびマイクロ波の波長に応じて適宜設定される。

第１の実施形態のスロット１２３と同様、スロット１２３′内は真空であってもよいが、マイクロ波の実効波長を短くして、スロットの厚さを薄くする観点から、誘電体が充填されていることが好ましい。一つのスロット１２３′の円周方向の長さは、スロット１２３と同様、λｇ／２が好ましい。円周方向に電界強度の均一性が高くなるように微調整する微調整成分δ（０を含む）を考慮すると（λｇ／２）−δが好ましい。

複数の誘電体層１２４は、それぞれスロット１２３′に対応して設けられている。図１５の例では、１２個のスロット１２３′のそれぞれに対して合計１２個の誘電体層１２４が設けられている。

第１の実施形態と同様、隣接する誘電体層１２４は金属製の本体１２０により分離されている。誘電体層１２４内には、対応するスロット１２３′から放射されるマイクロ波によって単一ループの磁場を形成させることができ、その下のマイクロ波透過部材１２２において磁場ループのカップリングが生じないようになっている。これにより、第１の実施形態と同様、複数の表面波モードが出現することを防止することができ、単一の表面波モードを実現することができる。誘電体層１２４の周方向の長さは、複数の表面波モードの出現を防止する観点からはλｇ／２以下であることが好ましい。

このように構成されるプラズマ処理装置においては、第１の実施形態と同様、ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、サセプタ１１上に載置し、第１ガス供給源２２からプラズマ生成ガス、例えばＡｒガスや、高エネルギーで分解させたい第１のガスをガス供給配管１１１およびマイクロ波放射部材５０の第１ガス導入部２１を介してチャンバ１内へ吐出する。

そして、マイクロ波プラズマ源２のマイクロ波出力部３０から、マイクロ波伝送部４０の複数のアンプ部４２および複数のマイクロ波導入機構４３を伝送されてきたマイクロ波をマイクロ波放射部材５０′を介してチャンバ１内に放射させ、マイクロ波放射部材５０′の表面部分に高い電界エネルギーにより第１のガスをプラズマ化して表面波プラズマを生成する。

また、第２ガス導入部から吐出された第２のガスは、第１のガスのプラズマにより励起される。このとき、第２のガス吐出位置はマイクロ波放射部材５０′の表面から離れたよりエネルギーが低い位置であるため、第２のガスは不要な分解が抑制された状態で励起される。そして、第１のガスおよび第２のガスのプラズマによりウエハＷにプラズマ処理、例えば成膜処理やエッチング処理を施す。

このとき、円弧状の６枚の遅波材１２１′が周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って全体が円環状をなすように配置され、これらが本体部１２０の一部をなす金属部材１２５で分離されており、周縁マイクロ波導入機構４３ａは、それぞれ２枚の遅波材１２１′の間に跨るようにして配置されている。すなわち、６枚の遅波材１２１′は、それぞれ３つの周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応する位置から両側に延びるように配置されている。このように、周縁マイクロ波導入機構４３ａの直下位置には金属部材１２５が配置されているため、周縁マイクロ波導入機構４３ａを伝送されてきたマイクロ波は、金属部材１２５で分離される。

周方向に複数のマイクロ波導入機構を配置する場合、周方向にある程度均一なマイクロ波電界を得ることができるが、複数のマイクロ波導入機構からマイクロ波を導入すると、直下部分の電界強度が大きくなる傾向があり、要求される均一性のレベルによっては周方向にマイクロ波電界の均一性が必ずしも十分でない場合がある。

これに対して、本実施形態のように、複数の遅波材１２１′を金属部材１２５で分離し、周縁マイクロ波導入機構４３ａを伝送されてきたマイクロ波を金属部材１２５で分離するようにすることにより、周縁マイクロ波導入機構４３ａ直下部分の電界強度が大きくならずに、その両側の遅波材１２１′に等分配される。これにより、周方向の電界強度が十分に均一化される。そして、マイクロ波は周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って全体形状が円周状をなすように設けられたスロット１２３′から放射され、かつスロット１２３′を覆うように円環状にマイクロ波透過部材１２２が設けられているので、遅波材１２１′で均一に分配されたマイクロ波電力を、スロット１２３′で均一に放射し、さらに誘電体層１２４を経てマイクロ波透過部材１２２で円周状に広げることができる。このため、マイクロ波透過部材１２２直下では周縁マイクロ波導入機構配置領域に沿って十分に均一なマイクロ波電界を形成することができ、チャンバ１内に周方向に高レベルで均一な表面波プラズマを形成することができる。また、このようにしてマイクロ波電力を周方向に広げることができるので、周縁マイクロ波導入機構４３ａを少ない本数とすることができ、装置コストを低減することが可能となる。

また、このように円周状に配置された複数のスロット１２３′の直下にマイクロ波透過部材１２２を配置した場合は、上述したように、マイクロ波透過部材１２２で磁場がカップリングしたり、しなかったりすることで、複数の表面波モードが出現する。

これに対し、本実施形態においては、第１の実施形態と同様、複数のスロット１２３′の下に、各スロット１２３に対応して複数の誘電体層１２４を互いに分離して設けたので、各スロット１２３′から放射されたマイクロ波により各誘電体層１２４内に単一ループの磁場を発生させることができ、それにより、マイクロ波透過部材１２２に磁場ループのカップリングが生じることを防止することができる。このため、マイクロ波透過部材１２２内で磁場ループが生じたり生じなかったりすることによる複数の表面波モードが出現することを防止することができる。このため、モードジャンプが生じない安定したプラズマ処理を実現することができる。なお、第１の実施形態と同様、誘電体層１２４の周方向の長さはλｇ／２以下であることが好ましい。

また、コンパクトに構成された周縁マイクロ波導入機構４３ａを複数円周状に配置し、そこからスロット１２３′にマイクロ波を導入するようにしたので、マイクロ波プラズマ源２をコンパクトなものとすることができる。さらに、複数の周縁マイクロ波導入機構４３ａを用いることにより、各周縁マイクロ波導入機構４３ａから導入されるマイクロ波の位相や強度を個別に調整することができ、プラズマ分布の調整を比較的容易に行うことができる。

さらにまた、第１の実施形態と同様、本体部１２０の上面には、周縁マイクロ波導入機構配置領域と中心マイクロ波導入機構配置領域との間に、円環状の溝１２６が形成されているので、周縁マイクロ波導入機構４３ａと中心マイクロ波導入機構４３ｂとの間のマイクロ波干渉を抑制することができる。

さらにまた、マイクロ波放射部材５０′の中央部に、中心マイクロ波導入機構４３ｂからマイクロ波が導入され、チャンバ１内の中央部にも表面波プラズマが生成される。このため、チャンバ１内のウエハ配置領域全体に均一なプラズマを形成することができる。

なお、第２の実施形態において、マイクロ波放射部材５０′の周縁部の上に周方向に沿って３つの周縁マイクロ波導入機構４３ａを設け、それに対応して各周縁マイクロ波導入機構４３ａに対応して２つずつ、合計６枚の遅波材１２１′を設けた例を示したが、周縁マイクロ波導入機構４３ａの数は３つに限らず、２つ以上であればよく、また、遅波材１２１′の数は周縁マイクロ波導入機構４３ａの２倍であればよく、これらの数は上記効果が得られるように適宜設定すればよい。

＜実験結果＞
次に、本発明の効果を確認した実験結果について説明する。
図１６は、第２の実施形態の装置を基本にし、スロットの下に誘電体層を設けない場合と設けた場合と、マイクロ波を導入した場合とについて、圧力に相当する誘電損失（ｔａｎδ）とプラズマ密度に相当する誘電率の座標においてこれらを変化させた場合の表面波モードを示す図である。誘電体層を設けなかった場合は、（ａ）に示すように、条件の変化によりＴＭ０１、ＴＭ２１、ＴＭ６１、ＴＭｘｘの４つのモードが出現した。これに対し、誘電体層として空気層を設けた場合は、（ｂ）に示すように、ＴＭ６１の単一モードであった。

また、誘電体層として厚さ２〜４ｍｍの空気層を設けた実際の装置で条件を変化させて表面波プラズマを生成させた結果、図１６（ｂ）と同様、ＴＭ６１の単一モードであった。

＜他の適用＞
以上、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記２つの実施形態に限定されることなく、本発明の思想の範囲内において種々変形可能である。

上記実施形態では、マイクロ波放射部材の中央部に中心マイクロ波導入機構を設けて、チャンバ１内のウエハＷの中央領域に対応する部分にも表面波プラズマを生成させたが、中央部の構成は上記実施形態に限定されず、例えば図１７の構成とすることができる。

図１７のプラズマ装置１００′は、第１の実施形態のマイクロ波放射部材５０や第２の実施形態のマイクロ波放射部材５０′の代わりに、周縁マイクロ波放射機構４３ａの配置領域を含む環状のマイクロ波放射部材５０″を設け、その内側の中央部分に、絶縁部材１５１を介してウエハＷとほぼ同等の大きさを有する導電性をなすシャワーヘッド１５０を設けている。シャワーヘッド１５０は、円板状に形成されたガス拡散空間１５２と、ガス拡散空間１５２からチャンバ１内に臨むように形成された多数のガス吐出孔１５３と、ガス導入孔１５４とを有している。ガス導入孔１５４にはガス供給配管１５８が接続され、ガス供給配管１５８にはガス供給源１５７が接続されている。シャワーヘッド１５０には、整合器１５５を介してプラズマ生成用の高周波電源１５６が電気的に接続されている。サセプタ１１は導電性部分を有しており、シャワーヘッド１５０の対向電極として機能する。ガス供給源１５７からガス供給配管１５８およびシャワーヘッド１５０を介してチャンバ１内にプラズマ処理に必要なガスを一括して供給し、この高周波電源１５６からシャワーヘッド１５０に高周波電力が供給されることにより、シャワーヘッド１５０とサセプタ１１の間に高周波電界が形成され、ウエハＷの直上の空間に容量結合プラズマが形成される。このような構成のプラズマ処理装置１００′は、中央部分の構成が、ウエハに対してプラズマエッチングを行う平行平板型のプラズマエッチング装置と同様であるから、例えばウエハの周縁のプラズマ密度調整をマイクロ波を用いた表面波プラズマで行うプラズマエッチング装置として用いることができる。

また、中央部にプラズマを生成する機構を設けないことも可能である。

さらに、マイクロ波出力部３０やマイクロ波伝送部４０の構成等は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、スロットアンテナ部から放射されるマイクロ波の指向性制御を行ったり円偏波にしたりする必要がない場合には、位相器は不要である。

さらに、上記実施形態では、マイクロ波プラズマ源をマイクロ波放射部材に導入する際に複数のマイクロ波導入機構を用いた例について説明したが、本発明は、円周状に複数配置されたスロットからマイクロ波を放射して表面波プラズマを生成する際に単一の表面波モードを得られればよく、マイクロ波導入機構は一つであってもよく、マイクロ波の導入態様も限定されない。また、中央部にプラズマを生成する機構を設けないことも可能である。

さらにまた、上記実施形態においては、プラズマ処理装置として成膜装置およびエッチング装置を例示したが、これに限らず、酸化処理および窒化処理を含む酸窒化膜形成処理、アッシング処理等の他のプラズマ処理にも用いることができる。さらに、被処理体は半導体ウエハＷに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１；チャンバ
２；マイクロ波プラズマ源
３；全体制御部
１１；サセプタ
１２；支持部材
１５；排気管
１６；排気装置
１７；搬入出口
２１；第１ガス導入部
２２；第１ガス供給源
２３；第２ガス導入部
２８；第２ガス供給源
３０；マイクロ波出力部
３１；マイクロ波電源
３２；マイクロ波発振器
４０；マイクロ波伝送部
４２；アンプ部
４３ａ；周縁マイクロ波導入機構
４３ｂ；中心マイクロ波導入機構
４４；マイクロ波伝送路
５０，５０′，５０″；マイクロ波放射部材
５２；外側導体
５３；内側導体
５４；給電機構
５５；マイクロ波電力導入ポート
６０；導入機構本体
１００；プラズマ処理装置
１２１，１２１′；遅波材
１２２；マイクロ波透過部材
１２３，１２３′；スロット
１２４；誘電体層
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (22)

1. プラズマ処理装置のチャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源であって、
   マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送するためのマイクロ波伝送部と、前記チャンバの天壁を構成し、前記マイクロ波伝送部から供給されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波放射部材とを具備し、
   前記マイクロ波伝送部は、前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構を有し、
   前記マイクロ波放射部材は、
   金属製の本体部と、
   前記本体部のマイクロ波が導入される側に設けられた誘電体からなる遅波材と、
   前記遅波材に覆われて全体が円周状になるように互いに分離して設けられ、前記遅波材を介して導入されたマイクロ波を放射する複数のスロットと、
   前記本体部の前記チャンバ側表面に設けられ、前記スロットの配置領域を覆うように設けられ、前記チャンバ側の表面に表面波が形成される誘電体からなるマイクロ波透過部材と、
   前記複数のスロットと前記マイクロ波透過部材との間に、前記複数のスロットに対応して互いに分離して設けられ、前記スロットからのマイクロ波電界により単一の磁場ループが形成されるように設けられた複数の誘電体層とを有することを特徴とするマイクロ波プラズマ源。
2. 前記誘電体層の周方向の長さは、前記誘電体層内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたときに、λｇ／２以下であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ源。
3. 前記誘電体層は、空気層または誘電体材料層であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ波プラズマ源。
4. 前記スロットは、真空または誘電体材料からなり、円弧状に形成され、円周方向に沿って一列に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
5. 前記スロットの周方向の長さは、スロット内のマイクロ波の実効波長をλｇとし、微調整成分をδ（０を含む）としたときに、（λｇ／２）−δであることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波プラズマ源。
6. 前記マイクロ波導入機構は、前記マイクロ波放射部材の上の前記チャンバ内の周縁部分に対応する周縁部に、円周方向に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
7. 前記遅波材は、前記複数のマイクロ波導入機構の配置部分を含む円環状をなすマイクロ波導入機構配置領域に沿って全体形状が円環状になるように複数設けられ、
   前記複数の遅波材は、隣り合うものが金属部材で分離された状態で配置され、前記マイクロ波導入機構の数の２倍の枚数であり、前記各マイクロ波導入機構に対応する位置から、両側に延びるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波プラズマ源。
8. 前記マイクロ波放射部材は円板状をなし、その上の前記チャンバ内の中央部分に対応する中央部に配置された他のマイクロ波導入機構をさらに有し、前記マイクロ波放射部材の中央から前記チャンバ内の中央部にも表面波プラズマが生成されるように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
9. 前記マイクロ波放射部材は、前記チャンバ内にプラズマ処理に用いるガスを導入するガス導入部をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ源。
10. 前記マイクロ波放射部材の上面の、前記マイクロ波導入機構配置領域と前記他のマイクロ波導入機構が配置された領域の間の部分に、円環状の溝が形成されていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロ波プラズマ源。
11. 被処理基板を収容するチャンバと、
    前記チャンバ内にガスを供給するガス供給機構と、
    前記チャンバ内にマイクロ波を放射して表面波プラズマを形成するマイクロ波プラズマ源と
    を具備し、前記表面波プラズマにより被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
    前記マイクロ波プラズマ源は、
    マイクロ波を生成して出力するマイクロ波出力部と、前記マイクロ波出力部から出力されたマイクロ波を伝送するためのマイクロ波伝送部と、前記チャンバの天壁を構成し、前記マイクロ波伝送部から供給されたマイクロ波を前記チャンバ内に放射するためのマイクロ波放射部材とを具備し、
    前記マイクロ波伝送部は、前記マイクロ波放射部材にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構を有し、
    前記マイクロ波放射部材は、
    金属製の本体部と、
    前記本体部のマイクロ波が導入される側に設けられた誘電体からなる遅波材と、
    前記遅波材に覆われて全体が円周状になるように互いに分離して設けられ、前記遅波材を介して導入されたマイクロ波を放射する複数のスロットと、
    前記本体部の前記チャンバ側表面に設けられ、前記スロットの配置領域を覆うように設けられ、前記チャンバ側の表面に表面波が形成される誘電体からなるマイクロ波透過部材と、
    前記複数のスロットと前記マイクロ波透過部材との間に、前記複数のスロットに対応して互いに分離して設けられ、前記スロットからのマイクロ波電界により単一の磁場ループが形成されるように設けられた複数の誘電体層とを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 前記誘電体層の周方向の長さは、前記誘電体層内のマイクロ波の実効波長をλｇとしたときに、λｇ／２以下であることを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記誘電体層は、空気層または誘電体材料層であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記スロットは、真空または誘電体材料からなり、円弧状に形成され、円周方向に沿って一列に配置されていることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記スロットの周方向の長さは、スロット内のマイクロ波の実効波長をλｇとし、微調整成分をδ（０を含む）としたときに、（λｇ／２）−δであることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記マイクロ波導入機構は、前記マイクロ波放射部材の上の前記チャンバ内の周縁部分に対応する周縁部に、円周方向に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記遅波材は、前記複数のマイクロ波導入機構の配置部分を含む円環状をなすマイクロ波導入機構配置領域に沿って全体形状が円環状になるように複数設けられ、
    前記複数の遅波材は、隣り合うものが金属部材で分離された状態で配置され、前記マイクロ波導入機構の数の２倍の枚数であり、前記各マイクロ波導入機構に対応する位置から、両側に延びるように配置されていることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ処理装置。
18. 前記マイクロ波放射部材は円板状をなし、その上の前記チャンバ内の中央部分に対応する中央部に配置された他のマイクロ波導入機構をさらに有し、前記マイクロ波放射部材の中央から前記チャンバ内の中央部にも表面波プラズマが生成されるように構成されたことを特徴とする請求項１１から請求項１７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
19. 前記ガス供給機構は、前記マイクロ波放射部材に設けられた、第１のガスを導入する第１のガス導入部を有することを特徴とする請求項１１から請求項１８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
20. 前記チャンバ内に被処理基板を載置する載置台が設けられ、前記ガス供給機構は、前記マイクロ波放射部材と前記載置台との間にプラズマ処理に用いる第２のガスを導入する第２のガス導入部を有することを特徴とする請求項１９に記載のプラズマ処理装置。
21. 前記マイクロ波放射部材の上面の、前記マイクロ波導入機構配置領域と前記他のマイクロ波導入機構が配置された領域の間の部分に、円環状の溝が形成されていることを特徴とする請求項２０に記載のプラズマ処理装置。
22. 前記マイクロ波放射部材は、前記チャンバ内の周縁部に対応する環状をなし、
    前記プラズマ処理装置は、
    被処理基板を載置する載置台と、
    前記マイクロ波放射部材の内側部分に、前記チャンバ内にプラズマ処理に用いるガスをシャワー状に導入するシャワーヘッドと、
    前記シャワーヘッドと前記載置台との間に高周波電界を形成する高周波電界形成機構と
    をさらに具備し、
    前記高周波電界形成機構により、前記チャンバ内に容量結合プラズマが形成されることを特徴とする請求項１１から請求項１７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。