知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
▶ アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドの特許一覧
特許7571126２層のマイクロ波キャビティによる径方向均一性の動的制御のための方法および装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-11
(45)【発行日】2024-10-22
(54)【発明の名称】２層のマイクロ波キャビティによる径方向均一性の動的制御のための方法および装置
(51)【国際特許分類】
H05H 1/46 20060101AFI20241015BHJP
H01L 21/3065 20060101ALI20241015BHJP
【ＦＩ】
H05H1/46 B
H01L21/302 101D
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2022514503
(86)(22)【出願日】2020-08-31
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-04
(86)【国際出願番号】 US2020048752
(87)【国際公開番号】W WO2021045991
(87)【国際公開日】2021-03-11
【審査請求日】2023-06-19
(31)【優先権主張番号】16/562,002
(32)【優先日】2019-09-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】コバヤシ， サトル
(72)【発明者】
【氏名】菅井 秀郎
(72)【発明者】
【氏名】イヴァノフ， デニス
(72)【発明者】
【氏名】スカダー， ランス
(72)【発明者】
【氏名】ルボミルスキー， ドミトリー
【審査官】藤田 健
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３３０７２７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００１－１１０５９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１４４６１３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１８９３９９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－０２９５６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－０４０３９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２１３９９４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０５Ｈ １／００
Ｈ０１Ｌ ２１／３０２
Ｈ０１Ｊ ３７／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体プロセスのためのプラズマを生成するシステムであって、複数の放射スロットを有する金属板によって下側マイクロ波キャビティから隔てられている少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティを有する処理チャンバと、
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティに接続された少なくとも１つのマイクロ波入力ポートであって、前記第１の上側マイクロ波キャビティは直方体キャビティである、少なくとも１つのマイクロ波入力ポートと、
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第２の上側マイクロ波キャビティに接続された少なくとも２つのマイクロ波入力ポートと
を含み、
前記下側マイクロ波キャビティは、前記金属板の前記複数の放射スロットを通して前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティの両方から放射を受け入れ、前記下側マイクロ波キャビティは、前記処理チャンバの処理空間内に均一なプラズマ分布を提供する電界を形成するように構成されている、システム。
【請求項2】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第１の上側マイクロ波キャビティにおいて少なくとも２辺の長さが等しい、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第１の上側マイクロ波キャビティがエアキャビティである、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第１の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、中央高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第１の上側マイクロ波キャビティ上のチューナを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第２の上側マイクロ波キャビティがトロイダルキャビティである、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第２の上側マイクロ波キャビティがエアキャビティである、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第２の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、エッジ高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第２の上側マイクロ波キャビティ上のチューナを更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第１の上側マイクロ波キャビティがマイクロ波励振の中央高モードを支持し、前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの前記第２の上側マイクロ波キャビティがマイクロ波励振のエッジ高モードを支持する、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティは、前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティにおける中央高モードのエッジ高モードに対するパワー比を調整することによって均一なプラズマを生成する電界を前記下側マイクロ波キャビティ内に形成するように構成された、請求項８に記載のシステム。
【請求項10】
少なくとも１つのマイクロ波モニタを更に含み、前記少なくとも１つのマイクロ波モニタは、前記少なくとも１つのマイクロ波モニタ毎に単一周波数または複数の周波数をモニタするために、前記少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの少なくとも１つまたは前記下側マイクロ波キャビティと相互作用するように構成され、マイクロ波パラメータを調整するためにシステムコントローラへフィードバックを提供するように構成された、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
半導体プロセスのためのプラズマを生成するシステムであって、中央高モードを励振し、直方体キャビティである、第１の上側マイクロ波キャビティと、
前記第１の上側マイクロ波キャビティを囲み、エッジ高モードを励振する第２の上側マイクロ波キャビティと、
前記第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを放射するように構成された複数の放射スロットを有する、前記第１の上側マイクロ波キャビティおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティの下の金属板と、
放射された、前記第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを受け入れる下側マイクロ波キャビティであって、処理チャンバ内の均一なプラズマ分布のための電界を提供するように構成された下側マイクロ波キャビティと
を含む、システム。
【請求項12】
前記第１の上側マイクロ波キャビティおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティがエアキャビティであり、前記下側マイクロ波キャビティが石英キャビティである、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記石英キャビティは、前記石英キャビティ内部を貫通する複数の孔を有する、請求項１２に記載に記載のシステム。
【請求項14】
前記第２の上側マイクロ波キャビティは前記第１の上側マイクロ波キャビティを囲むトロイダルキャビティである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項15】
前記第１の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、中央高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、前記第１の上側マイクロ波キャビティ上の第１のチューナと、前記第２の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、エッジ高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、前記第２の上側マイクロ波キャビティ上の第２のチューナと
を更に含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項16】
半導体プロセスのためのプラズマを生成するシステムであって、直方体キャビティであり、中央高モードを励振する第１の上側マイクロ波キャビティと、
前記第１の上側マイクロ波キャビティを囲むトロイダルエアキャビティであり、エッジ高モードを励振する第２の上側マイクロ波キャビティと、
前記第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを放射するように構成された複数の放射スロットを有する、前記第１の上側マイクロ波キャビティおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティの下の金属板と、
放射された、前記第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを受け入れる下側マイクロ波キャビティであって、処理チャンバ内の均一なプラズマ分布のための電界を提供するように構成された、内部を貫通する複数の孔を有する円柱状の石英キャビティである、下側マイクロ波キャビティと
を含む、システム。
【請求項17】
前記第１の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、中央高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、前記第１の上側マイクロ波キャビティ上の第１のチューナと、前記第２の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、エッジ高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、前記第２の上側マイクロ波キャビティ上の第２のチューナと
を更に含み、
前記第１の上側マイクロ波キャビティおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティは、前記第１の上側マイクロ波キャビティおよび前記第２の上側マイクロ波キャビティそれぞれにおける、中央高モードのエッジ高モードに対するパワー比を調整することによって均一なプラズマを生成する電界を前記下側マイクロ波キャビティ内に発生させるように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本原理の実施形態は、一般に、半導体処理に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体処理チャンバは基板上に材料を堆積させ、エッチングするために用いられ、しばしばプラズマを使用して材料の堆積およびエッチングを支援する。マイクロ波プラズマシステムでは、半導体プロセスの間にプラズマを生成し維持するためにマイクロ波を使用する。最も一般的に用いられるプラズマシステムは、励起のために１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を使用する。しかしながら、マイクロ波システムは、通常２．４５０ＧＨｚで励起される。初期のマイクロ波プラズマシステムは周波数およびパワーの不安定性という欠点があり、製造中の均一性が乏しく、システムが励起しにくかった。マイクロ波に基づくシステムは、１３．５６ＭＨｚのＲＦプラズマシステムと比較して非常に高いラジカル密度を生じるので、マイクロ波に基づくシステムは依然として半導体産業において使用されることが望まれている。しかしながら、マイクロ波に基づくシステムにおけるプラズマの均一性は重大な問題であった。
【0003】
したがって、本発明者らは、マイクロ波に基づく半導体処理システムにおいてプラズマの均一性を制御するための改善された方法および装置を提供した。
【発明の概要】
【0004】
半導体プロセスのためのプラズマを生成するための方法および装置が本明細書において提示されている。
【0005】
幾つかの実施形態において、半導体プロセスのためにプラズマを生成するシステムは、複数の放射スロットを有する金属板によって下側マイクロ波キャビティから隔てられている少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティを有する処理チャンバと、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティに接続された少なくとも１つのマイクロ波入力ポートと、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第２の上側マイクロ波キャビティに接続された少なくとも２つのマイクロ波入力ポートとを含み得、下側マイクロ波キャビティは、金属板の複数の放射スロットを通して少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティの両方から放射を受け入れ、下側マイクロ波キャビティは、処理チャンバの処理空間内に均一なプラズマ分布を提供する電界を形成するように構成され得る。
【0006】
幾つかの実施形態において、上記システムは更に、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティが少なくとも２次元において方形キャビティであること、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティがエアキャビティであること、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、中央高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティ上のチューナ、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティが同軸のエアキャビティであること、同軸のエアキャビティがｍ＝０のモードを励振すること、同軸のエアキャビティは２つの異なる円の大きさを有すること、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第２の上側マイクロ波キャビティがトロイダルキャビティであること、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第２の上側マイクロ波キャビティがエアキャビティであること、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第２の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、エッジ高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第２の上側マイクロ波キャビティ上のチューナ、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第１の上側マイクロ波キャビティがマイクロ波励振の中央高モードを支持し、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの第２の上側マイクロ波キャビティがマイクロ波励振のエッジ高モードを支持すること、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティは、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティにおける中央高モードのエッジ高モードに対するパワー比を調整することによって均一なプラズマを生成する電界を下側マイクロ波キャビティ内に形成するように構成されていること、および／または少なくとも１つのマイクロ波モニタ毎に単一周波数または複数の周波数をモニタするために、少なくとも２つの上側マイクロ波キャビティのうちの少なくとも１つまたは下側マイクロ波キャビティと相互作用し、マイクロ波パラメータを調整するためにシステムコントローラへフィードバックを提供するように構成されている少なくとも１つのマイクロ波モニタ、を含む。
【0007】
幾つかの実施形態において、半導体プロセスのためのプラズマを生成するシステムは、中央高モードを励振する第１の上側マイクロ波キャビティと、第１の上側マイクロ波キャビティを囲み、エッジ高モードを励振する第２の上側マイクロ波キャビティと、第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを放射するように構成された複数の放射スロットを有する、第１の上側マイクロ波キャビティおよび第２の上側マイクロ波キャビティの下の金属板と、放射された、第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを受け入れる下側マイクロ波キャビティであって、処理チャンバ内の均一なプラズマ分布のための電界を提供するように構成された下側マイクロ波キャビティとを含み得る。
【0008】
幾つかの実施形態において、上記システムは更に、第１の上側マイクロ波キャビティおよび第２の上側マイクロ波キャビティがエアキャビティであり、下側マイクロ波キャビティが石英キャビティであること、石英キャビティは、石英キャビティ内部を貫通する複数の孔を有すること、第１の上側マイクロ波キャビティは少なくとも２次元において方形のキャビティであり、第２の上側マイクロ波キャビティは上記方形のキャビティを囲むトロイダルキャビティであること、ならびに／または第１の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、中央高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、第１の上側マイクロ波キャビティ上の第１のチューナ、および第２の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、エッジ高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、第２の上側マイクロ波キャビティ上の第２のチューナ、を含む。
【0009】
幾つかの実施形態において、半導体プロセスのためのプラズマを生成するシステムは、方形のエアキャビティであり、中央高モードを励振する第１の上側マイクロ波キャビティと、第１の上側マイクロ波キャビティを囲むトロイダルエアキャビティであり、エッジ高モードを励振する第２の上側マイクロ波キャビティと、第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを放射するように構成された複数の放射スロットを有する、第１の上側マイクロ波キャビティおよび第２の上側マイクロ波キャビティの下の金属板と、放射された、第１の上側マイクロ波キャビティからの中央高モードおよび第２の上側マイクロ波キャビティからのエッジ高モードを受け入れる下側マイクロ波キャビティであって、処理チャンバ内の均一なプラズマ分布のための電界を提供するように構成された、内部を貫通する複数の孔を有する円柱状の石英キャビティである、下側マイクロ波キャビティと含み得る。
【0010】
幾つかの実施形態において、上記システムは、前記第１の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、中央高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、第１の上側マイクロ波キャビティ上の第１のチューナと、第２の上側マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励振を調整し、エッジ高モードの周波数のためのバンドパスフィルタとして動作するように構成された、第２の上側マイクロ波キャビティ上の第２のチューナとを更に含んでもよく、第１の上側マイクロ波キャビティおよび第２の上側マイクロ波キャビティは、第１の上側マイクロ波キャビティおよび第２の上側マイクロ波キャビティそれぞれにおける、中央高モードのエッジ高モードに対するパワー比を調整することによって均一なプラズマを生成する電界を下側マイクロ波キャビティ内に発生させるように構成されている。
【0011】
他の、そして、更なる実施形態は以下に開示される。
【0012】
上に簡潔に要約され、後に更に詳細に述べられる、本原理の実施形態は、添付の図面において示される本原理の例示的な実施形態を参照することにより理解され得るであろう。しかしながら、添付の図面は本原理の典型的な実施形態のみを例示し、したがって、技術範囲を限定するものと考えられるべきではない。本原理は他の等しく有効な実施形態をも受け入れ得る。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本原理の幾つかの実施形態による、２層のキャビティを有するマイクロ波入力システムの等角図である。
【図2】本原理の幾つかの実施形態による、より小さい上部半径Ｒを有する２層のキャビティを備えるマイクロ波入力システムの等角図である。
【図3】本原理の幾つかの実施形態による、方形の上側キャビティを含む２層のキャビティを有するマイクロ波入力システムの等角図である。
【図8A】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波キャビティのための低速回転マイクロ波信号入力を例示する表を示す図である。
【図8B】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波キャビティのための高速回転マイクロ波信号入力を例示する表を示す図である。
【図10】本原理の幾つかの実施形態による、隔てられた上側のトロイダルキャビティを有するマイクロ波入力システムの等角図である。
【図12】本原理の幾つかの実施形態による、上側のトロイダルエアキャビティの電界のプロットを示す図である。
【図13】本原理の幾つかの実施形態による、下側の円柱状石英キャビティの電界のプロットを示す図である。
【図14】本原理の幾つかの実施形態による、可動頂プレートを有するマイクロ波入力システムの等角図である。
【図15】本原理の幾つかの実施形態による、共振周波数のグラフである。
【図16】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの上側のトロイダルエアキャビティの電界の上面図である。
【図17】本原理の幾つかの実施形態による、壁プランジングチューナのシフトの、共振周波数および電界への影響を示すグラフである。
【図18】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの上面図である。
【図19】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの等角図である。
【図20】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの上面図である。
【図21】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの等角図である。
【図22】本原理の幾つかの実施形態による、ｍ＝１のモードおよびｍ＝３のモードの複数のパワー比に対する電界のプロットを示す図である。
【図23】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムのための入力ポートの配向の複数の変形例の上面図である。
【図24】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの断面図である。
【図26】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの断面図である。
【図28】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波入力システムの断面図である。
【図30】本原理の幾つかの実施形態による、フィードバックを有するマイクロ波入力システムの概略図である。
【図31】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波モニタを有するマイクロ波入力システムの等角図である。
【図32】本原理の幾つかの実施形態による、マイクロ波モニタを有するマイクロ波入力システムの等角図である。
【図33】本原理の幾つかの実施形態による、プラズマ発生のためのマイクロ波入力を有するプラズマチャンバの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
理解を容易にするために、複数の図面に共通である同じ要素を示すために、可能な所では、同じ参照番号が用いられている。図面は、一定の比率で描画されておらず、明確にするために単純化されている可能性がある。１つの実施形態の要素および特徴は、特に記載がなくとも他の実施形態に有益に取り入れられ得る。
【0015】
本明細書においては、放射スロットを有する金属板によって隔てられるマイクロ波キャビティは、２層のマイクロ波キャビティと称される。本発明者らは、２層のマイクロ波キャビティが高圧においてプラズマを励起する際に有利であることを発見した。幾つかの実施形態においては、プラズマ堆積の均一性を制御するために、基板のエッジ近くでプラズマを強めるモードを有するマイクロ波が、基板の中央部近くでプラズマを強めるモードを有するマイクロ波と結合される。しかしながら、２層のマイクロ波キャビティの上側のキャビティの非理想的な特性は機械的なチューニングによって解決されなければならないが、このことは、２つのモードが同時に励振状態であるときには困難である。本原理の方法および装置は、２層のマイクロ波キャビティの上側のキャビティにおける中央高およびエッジ高の２つの固有モードの同時チューニングのために通常発生する問題なしに、これら２つの固有モードが下側のキャビティにおいて励振される実施形態を包含する。
【0016】
本発明者らは、２層のマイクロ波キャビティの上側のキャビティが中央高の固有モード（例えば、ｍ＝１）およびエッジ高の固有モード（例えば、ｍ＝３）に対して分離されるならば、２つの固有モードは互いを妨げることなく発生され得ることを発見した。分離された上側のキャビティの各々は、所望の１つのモードのみの共振を許容する。本原理の方法および装置は、各キャビティに接続されたオートチューナが周波数干渉なしで動作することを可能にし、オペレータの技量または経験に依らずに、系統だった方法で径方向の均一性制御を提供する。幾つかの実施形態においては、２つの固有モード（例えば、ｍ＝１およびｍ＝３）のパワー比および／または場の回転は、２層のマイクロ波キャビティの下側のキャビティにおいて発生するプラズマの径方向均一性の制御を有益に提供するように調整され得る。上側のキャビティは、高いパワー入力を受け入れることができ、有利なことに、小さいパワー損失および低コストを有するエアキャビティである。本発明者らは、本原理の方法および装置が、有利なことに、（例えば、約５０トルを超える）高圧で高い均一性を提供することを発見した。幾つかの実施形態においては、均一性は、約５０トル～約１００トルの圧力で達成され得る。幾つかの実施形態においては、均一性は、約５０トル～約２００トルの圧力で達成され得る。幾つかの実施形態においては、均一性は、約０．５トル～約１．０トルのような低圧で達成され得る。幾つかの実施形態においては、ｍ＝１のモードおよびｍ＝３のモードのパワー比は圧力に基づいて均一性を提供するように調整され得る。
【0017】
２層のマイクロ波キャビティは、構造を上側のキャビティと下側のキャビティとに隔てる放射スロット金属板を有する。上側のキャビティおよび下側のキャビティは、放射スロット金属板を介して電気的に弱く接続されている。上部キャビティに入射されたマイクロ波は、上側のキャビティの２つの固有モードを乱す。これに対して、下側のキャビティでは、（放射スロットの最適化されたパターンを有する）放射スロット金属板を介して２つの固有モードが励振されるので、入力マイクロ波による場の乱れは除去される。その結果、下側のキャビティのもとで２つのモードによって励起されるプラズマは理論的に理想的な分布を有するであろう。（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｌａｓｍａ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｆａｓｔ ａｎｄ ｓｌｏｗ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｉｅｌｄｓ ｉｎ ａ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ，Ｙ．Ｈａｓｅｇａｗａ ｅｔ ａｌ．Ｊａｐ．Ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．５６，０４６２０３（２０１７）； Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｏｗｌｙ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｌａｓｍａ ｂｙ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃａｖｉｔｙ，Ｍ．Ｈｏｔｔａ ｅｔ ａｌ．Ｊａｐ．Ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．５６，１１６００２（２０１７）を参照。）実際には、理論的に算出されるような２層のキャビティを設計することはできない。この場合には、下側のキャビティの非理想的特性はマイクロ波の周波数チューニングによって解決され得るが、上側のキャビティの非理想的特性は機械的なマイクロ波チューナによって吸収されなければならない。構造内で１つの固有モードだけが励振されるときには、機械的チューニングは容易に実装され得る。しかしながら、２つのモードが同時に励振されているときには、非常に精密なチューニングが必要であるが、非常に精密なチューニングは商品に対しては実際的でない。
【0018】
中央高モード（例えば、ｍ＝１）のための上側のキャビティは、図１～図３に示すように隔てられ得る。図１は、２層のキャビティ１６０を有するマイクロ波入力システム１００である。２層のキャビティ１６０は、底半径α １１６を有する下側のキャビティ１０２、放射スロット１０８を有する金属板１０４、頂半径Ｒ １１４を有する上側のキャビティ１０６、および、周波数ｆｒを有する横のパワー入力ポート１１２を備えた導波管１１０を含む。幾つかの実施形態においては、下側のキャビティ１０２は誘電体材料（例えば、石英）で満たされ、上側のキャビティは空気で満たされる。図１の２層のキャビティ１６０は、底半径α １１６に等しい頂半径Ｒ １１４を有する（Ｒ＝α）。図２のマイクロ波入力システム２００では、より小さい頂半径Ｒ ２１４を有する２層のキャビティ２６０が示されている（Ｒ＜α）。頂半径Ｒ ２１４は、上側の円柱状エアキャビティ２０６の円対称性を維持しつつ、縮小されている。円対称性の形態は、上側の円柱状エアキャビティ２０６で励振される任意のモードに適用され得る。任意の円柱状キャビティにおけるｍ＝１（ＴＥ／ＴＭ１ＸＸ）およびｍ＝３（ＴＥ／ＴＭ３ＸＸ）モードは、９０度の角度で２つの入力ポートを配置することによって回転することができる（２０１９年８月９日公開の米国特許出願公開第２０１８／０２２６２３０号「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＲＡＤＩＡＬ ＡＮＤ ＡＺＩＭＵＴＨＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＰＬＡＳＭＡ ＵＮＩＦＯＲＭＩＴＹ」、および、２０１９年６月２０日公開の米国の特許出願公開第２０１９／０１８９３９９号「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＤＹＮＡＭＩＣＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＲＡＤＩＡＬ ＵＮＩＦＯＲＭＩＴＹ ＩＮ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＣＨＡＭＢＥＲＳ」を参照）。図３のマイクロ波入力システム３００では、上側の方形キャビティ３０６を有する２層のキャビティ３６０が示されている。方形キャビティは、略等しい少なくとも２つの寸法を有するキャビティとして定義されるが、より長い第３の寸法を有する長方形キャビティをも含む。上側の方形キャビティ３０６は、円柱状キャビティよりも製造および維持が容易である。他のモード（例えば、ｍ＝２ ＴＥ／ＴＭ２ＸＸ）については、図３または他の多面体の形状を有する上側の方形キャビティ３０６の矩形は、上記の「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＲＡＤＩＡＬ ＡＮＤ ＡＺＩＭＵＴＨＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＰＬＡＳＭＡ ＵＮＩＦＯＲＭＩＴＹ」に従って算出されるような入力角度を用いて使用されなければならない。（１つのモードに対して（例えば、ｍ＝２のモードに対しては１３５度のような）選択が幾つか利用可能であり得る。）図１～図３に示された２層のキャビティの例は磁界成分Ｈｚを励振するために取り付けられた複数の導波管を有するが、これらは例示の目的のみで示されたものであって、任意の入力配置が可能である。
【0019】
図４は、図３の２層のキャビティ３６０に基づくマイクロ波入力システム４００の側面図である。図５は、図４のマイクロ波入力システム４００の上面図５００である。矩形を有し空気で満たされた上側の方形エアキャビティ４０６は、金属板４０４の少なくとも１つの放射スロット５０８を介して下側の円柱状石英キャビティ４０２に接続される。決して限定のためではなく簡潔さのために、以下の例では、ｍ＝１（すなわち、ＴＥ／ＴＭ１ＸＸ）の場合はＴＥ１０１またはＴＥ１１１が用いられ、ｍ＝３（すなわち、ＴＥ／ＴＭ３ＸＸ）の場合はＴＭ３１０またはＴＥ３１１が用いられるであろう。２．４１７ＧＨｚで図４のマイクロ波入力システム４００を使用するときには、上側の方形エアキャビティ４０６におけるＴＥ１０１は、図６のプロット６００および図７のプロット７００にて図示したように、少なくとも１つの放射スロット５０８を介して下側の円柱状石英キャビティ４０２において中央高のＴＥ１１１モードを励振する。
【0020】
先に引用した「ＭＥＴＨＯＤＳ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＤＹＮＡＭＩＣＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＲＡＤＩＡＬ ＵＮＩＦＯＲＭＩＴＹ ＩＮ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＣＨＡＭＢＥＲＳ」においては、システム構成は中央高の電界分布（例えば、ｍ＝１モードまたはＴＥ／ＴＭ１ＸＸ）、および、エッジ高の電界分布（例えば、ｍ＝３モードまたはＴＥ／ＴＭ３ＸＸ）の２つのモードを同時に回転させ、高い均一性のプラズマを作る。振幅変調を採用して遅い回転数Ωｉ／２π＝１Ｈｚ～１０，０００Ｈｚで場を回転させるときの、４つのポートＰ、Ｑ、Ｐ’、および、Ｑ’の操作上の電気的パラメータ（上で引用した特許文献を参照）は図８Ａの表８００Ａに示される。加えて、キャリア周波数（例えば、ωｉ／２π＝２．４５ＧＨｚ）と同じ回転数の高速回転は、図８Ｂの表８００Ｂにまとめられている。以下では、限定のためではなく簡潔さのために、図８Ａの表８００Ａにおいて定められた低速回転が用いられるであろう。図４の下側の円柱状石英キャビティ４０２のＴＥ１１１を回転させるために、２つの直交パワー入力（ポートＰ ９１０およびポートＱ ９１２）が図９に示されるように実装される。ここで、図８Ａの表８００Ａの電気的パラメータが設定される。本発明者らは、図９のマイクロ波入力システム９００のモデリングの間にΩ／２πの回転数で完全な回転を示す結果を達成した。
【0021】
エッジ高モード（例えば、ｍ＝３）のための上側のキャビティは、図１０のマイクロ波入力システム１０００に示すように隔てられ得る。図１０は、結合されたキャビティ、上側のトロイダルエアキャビティ１００６および下側の円柱状石英キャビティ１００２、を示す。キャビティ１００６および１００２は金属板１００４の放射スロット１１０８（図１１の上面図１１００を参照）を介して接続される。入力１０１２は、磁界成分Ｈｒを励振するために取り付けられた導波管１０１０に入るが、これは説明目的であり、任意の構成が利用され得る。上側のトロイダルエアキャビティ１００６がＴＭ３１０を励振する（図１２も参照）ように設計されているので、上側のトロイダルエアキャビティ１００６の高さは任意に選択される。ＴＭ３１０の励振はキャビティの高さから独立しており、設計の柔軟性をより大きくすることを可能にする。図１１に示す金属板１００４の放射スロット１１０８のパターンは１つの例である。他の放射スロットパターンも用いられ得る。図１２および図１３は、２．４７４ＧＨｚの入力を使用した結果である。（図１２の電界のプロット１２００に示すように）上側のトロイダルエアキャビティ１００６においてＴＭ３１０モードが励振されている。そして、そのパワーは金属板１００４の放射スロット１１０８を介して下側の円柱状石英キャビティ１００２に伝わり、図１３の電界のプロット１３００に示すように下側の円柱状石英キャビティ１００２においてＴＥ３１１モードを励振する。
【0022】
上側の方形および上側のトロイダルキャビティから、それぞれ中央高モード（例えば、ｍ＝１）およびエッジ高モード（例えば、ｍ＝３）を導くことによって、下側のキャビティにおいて同時に２つのモードを励振するときに、理論上の非理想的な特性が存在する場合、精密なチューニングが必要になる場合がある。下側のキャビティにおいて、周波数チューニングは非理想的問題を解決し得るが、２つの上側のキャビティでは機械的チューニングが採用されるべきである。２つの上側のキャビティは、各々が１つの所望のモードだけに共振を許容するように設計される。例えば、方形キャビティは中央高モード（例えば、２．４１７ＧＨｚ、ＴＥ１０１）の周波数を励振することを許容すべきであり、トロイダルキャビティはエッジ高モード（例えば２．４７４ＧＨｚ、ＴＭ３１０）の周波数を励振することを許容すべきである。
【0023】
中央高モード（例えば、ｍ＝１のモード）の場合、幾つかの実施形態において、チューナは、図１４の図１４００に示されるプランジングチューナのような可動頂プレート１４２０である。幅ｗ １４２４を固定パラメータとしたときの高さｈ １４２２を調整するときのＴＥ１０１の共振周波数の周波数シフトは図１５のグラフ１５００において示される。幅ｗ １４２４のパラメータを変えるとき、周波数の利用可能範囲が決定される。エッジ高モード（ｍ＝３のモード）の場合、幾つかの実施形態において、チューナは、図１６の上面図１６００に示されるような側壁プランジングチューナ１６３０である。上側のトロイダルエアキャビティ１００６のＴＭ３１０（ｍ＝３）モードを正確に励振し、そして、最終的に下側の円柱状石英キャビティ１００２のＴＥ３１１を励振するために壁の摂動が用いられる。導波管１０１０と側壁プランジングチューナ１６３０との間の角度θ １６４０は、πを整数Ｎ倍し４で割った値（θ＝Ｎ×（π／４））を選択することによって決定される。図１６の例では、Ｎ＝３。側壁プランジングチューナ１６３０は、θ＝Ｎ×（π／４）を満たす任意の角度に位置することができる。
【0024】
図２０の２０００に示されるように２つのパワー入力ＰおよびＱを用いる場合、同一のパワー入力条件を保つために、２つの同一のプランジングチューナ、側壁プランジングチューナＡ ２０４０および側壁プランジングチューナＢ ２０４２、が実装され得る。側壁プランジングチューナＡ ２０４０、Ｂ ２０４２は、ＴＥ１０１（ｍ＝１）モードのための図１４の上側の方形のエアキャビティ４０６にも適用され得る。反対に、特にＴＭ／ＴＥ３ｘ１のような高さに依存するモードが上側のトロイダルキャビティにおいて励振されるときに、可動頂プレート１４２０の概念は、ｍ＝３のモードのための図１６の上側のトロイダルエアキャビティ１００６に適用され得る。しかしながら、上側のトロイダルエアキャビティ１００６が図１４の上側の方形のエアキャビティ４０６よりかなり大きいので、上側のトロイダルエアキャビティ１００６上の可動頂プレートは大きくなり、制御が難しくなる。図１７のグラフ１７００Ａにおいては、周波数のシフトは、固定された幅ｗに対する摂動壁のシフトΔｒの関数としてプロットされている。図１７のグラフ１７００Ｂにおいては、上側のエアキャビティの電界分布に（図１６の位置１６３２に）現れているチューニング効果が図示されている。しかしながら、この例においては、プランジングチューナの近くの電界は弱められているが、理想的なＴＭ３１０分布からさほど強く摂動されていない。したがって、上側のエアキャビティ内の僅かに乱された電界は、下側の円柱状石英キャビティ内では理想的なＴＥ３１１分布を生成する。
【0025】
上側のキャビティを正確にチューニングして上側のおよび下側のキャビティ内で所望のモードを励振することに加えて、機械式プランジングチューナは付加的機能を有する。図１８のマイクロ波入力システム１８００の上面図は、前述の２つの上側のキャビティ、ｍ＝１のモードのための上側の方形エアキャビティ１８０８およびｍ＝３のモードのための上側のトロイダルエアキャビティ１８０６、の上へ実装されるマイクロ波部品の設定を示す。それぞれｍ＝１およびｍ＝３のためのプランジングチューナ１８２０、１８２２も実装される。図１８の例におけるプランジングチューナ１８２２の位置は決して限定する意味ではない。導波管／同軸ケーブル１８２８、１８３０を介して反射波が２．４５０ＧＨｚの帯域のマイクロ波発振器に戻ることを回避するために、ｍ＝１のモードのための自動／手動スタブチューナ１８２４およびｍ＝３のための自動／手動スタブチューナ１８２６が、各々の上側のキャビティの近くに実装され得る。図１５のグラフ１５００に示されるように、マイクロ波スタブチューナは、典型的には２．４１０～２．４９０ＧＨｚの帯域を制御することができる。２．４１７ＧＨｚのｍ＝１のモードおよび２．４７４ＧＨｚのｍ＝３のモードが同時に励振される場合、２つの周波数は、マイクロ波スタブチューナの互いに他と区別することができない制御帯域内にあり、結果としてマイクロ波スタブチューナを意図されない動作に導く。しかしながら、以下に示すように、機械式プランジングチューナを有する上側のキャビティは効果的なバンドパスフィルタとして働く。図１５のグラフ１５００において、マイクロ波スタブチューナの帯域は半分に分割され、第１の帯域１５０２および第２の帯域１５０４が、それぞれ、ｍ＝１およびｍ＝３のモードに割り当てられる。方形の幅ｗをｗ１に、そして、プランジングチューナの調節可能な高さをｈｍｉｎおよびｈｍａｘの間で選択するときに、上側の方形のエアキャビティは、第１の帯域１５０２におけるｍ＝１（ＴＥ１０１）モードのみを共振させることが許容される。
【0026】
同様に、図１７のグラフ１７００Ａにおいて、壁プランジングチューナの幅ｗをｗ＝ｗ２に、そして、プランジングチューナの可調なシフトをΔｒｍｉｎからΔｒｍａｘまでの間で選択するときに、トロイダルエアキャビティにおけるｍ＝３（ＴＭ３１０）のモードの共振周波数は、図１５のグラフ１５００におけるスタブチューナの帯域１５０６の第２の帯域１５０４の範囲内で制限される。図１８のプランジングチューナ１８２０、１８２２のこれらの設定の下で、（上面図においては見えない）下側の石英キャビティにおいて、２．４１７ＧＨｚにおけるｍ＝１（ＴＥ１１１）および２．４７４ＧＨｚにおけるｍ＝３（ＴＭ３１１）の２つのモードを同時に励振するときに、上側の方形のエアキャビティ１８０８および上側のトロイダルエアキャビティ１８０６は、それぞれ、２．４１７ＧＨｚおよび２．４７４ＧＨｚのみが内部を通過することを許容する。したがって、自動／手動スタブチューナ１８２４、１８２６の各々は自動／手動スタブチューナ１８２４、１８２６の割当て周波数に対してのみ動作し、周波数干渉およびそれに伴う不具合を回避する。マイクロ波入力システム１８００の調整可能性および帯域幅フィルタリングは、極めて有益であり、複雑さ、メンテナンス、および、経費を減少させる。下側のキャビティのＴＥ３１１を回転させるために、２つの直交パワー入力（ポートＰ １９０２およびＱ １９０４）が図１９および図２０に示すように実装され、そのため、電気的パラメータは同様に図８Ａの表８００Ａに示すように設定される。本発明者らは、試験結果がΩ／２πの回転数で完全な回転を示したことを確認した。
【0027】
図２１のマイクロ波入力システム２１００に示すように図９のマイクロ波入力システム９００を図１９のマイクロ波入力システム１９００と結合すると、中央高モード（例えば、２．４１７ＧＨｚのＴＥ１１１のようなｍ＝１）およびエッジ高モード（例えば、２．４７４ＧＨｚのＴＥ３１１のようなｍ＝３）は、図８Ａの表８００Ａにおいて定められる電気的パラメータに従って、下側の円柱状石英キャビティ４０２において同時に回転することができる。幾つかの実施形態においては、良好な回転のために、４つの導波管２１０２～２１０８上にオートチューナが載置される。図１４および図１６のチューナが２つの上側のキャビティに実装されるので、上側の方形エアキャビティ４０６および上側のトロイダルエアキャビティ１００６は、それぞれ、ＴＥ１１１およびＴＥ３１１の共振のみを許容する。それ故、２．４１ＧＨｚから２．４９ＧＨｚの帯域幅を有するオートチューナが載置される場合であっても、ＴＥ１１１モードとＴＥ３１１モードとの間の周波数干渉はオートチューナ上で回避され得、略完全なチューニングを提供する。図２２のプロット２２００は、ｍ＝１（２．４１７ＧＨｚのＴＥ１１１）とｍ＝３（２．４７４ＧＨｚのＴＥ３１１）との間のパワー比α：βが、場の回転なしで、どのように下側の円柱状石英キャビティの電界分布を変えるかを示す。電界を回転させるときに、方位角方向に対称な分布は、（特に、１ｋＨｚを超える高い回転数に対する）時間的に平均化された値として認識される。近似的な比α：β＝０．３３：０．６７を有する分布は最適化された均一性に近く、方位角方向および径方向に均一なプラズマを生成する。幾つかの実施形態においては、更に安定および均一なプラズマ生成のために、（Ｍｕｌｔｉ－ｈｏｌｌｏｗ ｐｌａｓｍａ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｌａｔｅ ｉｎ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，Ｓ．Ｎａｋａｏ ａｎｄ Ｈ．Ｓｕｇａｉ，Ｊａｐ．Ｊ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．４３，Ｌ１０３９（２００７）およびＣｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｌａｓｍａ ｗｉｔｈ ｕｓｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ｈｏｌｌｏｗ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｌａｔｅ，Ｉ．Ｌｉａｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｖｏｌ．３，ｐｐ．６１（２０１０）にて記述されているように）プラズマ点火を容易にし、その後プラズマ表面波の励起がないように安定化するべく、下側の円柱状石英キャビティ４０２の底を貫通して数百の孔が形成され得る。（例えば、約５０トル～約１００トルのような）特に高圧において、多孔の石英はプラズマを安定させる。
【0028】
図２３のマイクロ波入力システム２３００Ａ～２３００Ｃは、幾つかの実施形態において上および横のパワー入力が用いられる３つの変形例の上面図を示す。マイクロ波入力システム２３００Ａにおいては、下側の円柱状石英キャビティより上で、ｍ＝２のモードのための第２の上側のトロイダルエアキャビティ２３０８が、ｍ＝３のモードのための第１の上側の円柱状エアキャビティ２３０６とｍ＝１のモードのための第３の上側の円柱状エアキャビティ２３１０との間に実装されている。第１の上側の円柱状エアキャビティ２３０６は、上入力ポートＰ３ ２３２０およびＱ３ ２３２２を有する。第２の上側の円柱状エアキャビティ２３０８は、上入力ポートＰ２ ２３２４およびＱ２ ２３２６を有する。第３の上側の円柱状エアキャビティ２３１０は、上入力ポートＰ１ ２３２８およびＱ１ ２３３０を有する。ｍ＝１のモードのための第３の上側の円柱状エアキャビティ２３１０への上入力ポート２３２８、２３３０は、それぞれ、図２および図３のマイクロ波入力システム２００、３００の横入力の代わりに、磁場の方位方向成分Ｈθを励振するために採用される。電界を回転させるために、ｍ＝１のモードおよびｍ＝３のモードのためのマイクロ波入力は９０度離されるが、ｍ＝２のモードのためのマイクロ波入力は、先に引用した「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＲＡＤＩＡＬ ＡＮＤ ＡＺＩＭＵＴＨＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＯＦ ＰＬＡＳＭＡ ＵＮＩＦＯＲＭＩＴＹ」に従って決定されるように１３５度離される。マイクロ波入力システム２３００Ｂは、マイクロ波入力システム２３００Ａの変形例である。ｍ＝３のモードのためのマイクロ波入力は横入力ポートＰ３ ２３３２およびＱ３ ２３３４に変えられ、（単に説明の便宜上）磁場の軸方向成分Ｈｚを励振する。幾つかの実施形態においては、図２３のマイクロ波入力システム２３００Ｃに示されるように、マイクロ波入力システム２３００Ａのｍ＝１のモードのための第３の上側の円柱状エアキャビティ２３１０は上側の方形キャビティ２３３６に置き換えられ、上入力ポートＰ１ ２３２８およびＱ１ ２３３０は横入力ポートＰ１ ２３３８およびＱ１ ２３４０に置き換えられている。幾つかの実施形態においては、キャビティ形状およびマイクロ波入力の配向の任意の組合せが許される。
【0029】
本発明者らは、ｍ＝０（例えば、ＴＭ０１１）が円対称であるので、ｍ＝０のモードの励振が特別重要であることを認識した。ＴＭ０１１に対しては、円対称性を有する中央高の電界を与えるためには回転は必要でない。幾つかの実施形態においては、上側のキャビティの最も簡素な実装は、図２４のマイクロ波入力システム２４００にて図示したような、上側の同軸のエアキャビティ２４０４、および、側部のプランジングチューナ２４１４を有する上側のトロイダルエアキャビティ２４１２である。金属板２４１６の放射スロット２４２４は、処理空間２４２２内にプラズマ２４２０を生じさせる下側の円柱状石英キャビティ２４１８内へマイクロ波を通過させる。マイクロ波入力システム２４００は、上側の同軸のエアキャビティ２４０４上におけるチューニングのための可動頂プレート２４０２をも有する。チューニング状態は（ｎ・λ）／２によって決定される。ここで、ｎは整数、λは上側の同軸のエアキャビティ２４０４の波長である。ｍ＝０のモードのためには回転が必要とされないので、ｍ＝０の中央高モードのためには１つの横入力ポート２４０６だけが必要とされる。これに対して、マイクロ波入力システム２４００におけるエッジ高モード（例えば、ｍ＝３のモード）は、図２５のマイクロ波入力システム２５００にて図示したように、９０度離された２つの上入力ポートＰ ２４０８およびＱ ２４１０を必要とする。２つの上入力ポートからは上側のトロイダルキャビティ２４１２へマイクロ波を入射する。幾つかの実施形態においては、横入力および上入力の任意の構成がｍ＝０およびｍ＝３のモードのために用いられ得る。本発明者らは、ｍ＝０のモードを用いることによって入力ポートの数が減らされ得ることを発見した。このことは、１つ少ない発電機および１つ少ないチューナを意味し、少なくとも経費および動作の複雑さを減らす。
【0030】
幾つかの実施形態においては、ｍ＝０のモード励振およびｍ＝３のモード励振のための図２６のマイクロ波入力システム２６００が利用される。これは図２４のマイクロ波入力システム２４００の変形例である。上側の同軸のエアキャビティ２６０２は、直径ｄ１ ２６０４を有する第１のシリンダ２６１２と、直径ｄ２ ２６０６を有する第２のシリンダ２６１４とを備える。マイクロ波入力システム２４００は、ｍ＝０のモードのための第１のシリンダ２６１２の第１の側壁プランジングチューナ２６１０およびｍ＝３のモードのための上側のトロイダルエアキャビティ２４１２の第２の側壁プランジングチューナ２６０８を含む。マイクロ波入力システム２４００におけるｍ＝３のモードのための上入力ポートは、マイクロ波入力システム２６００のための横入力ポート２６１８、２７２０に変えられる。幾つかの実施形態においては、ｄ１ ２６０４およびｄ２ ２６０６の（ｄ１＝ｄ２を含む）任意の組合せが許される。ｄ１≠ｄ２の場合には、図２６のマイクロ波入力システム２６００のための組み合わされた第１のシリンダ２６１２および第２のシリンダ２６１４のチューニング高さが約（ｎ・λ）／２に変えられる。これは、２つの同軸キャビティの接続部分２６１６の近くで直径がｄ１からｄ２へ急に変化することによる小さい摂動のためである。図２７のマイクロ波入力システム２７００は、図２６のマイクロ波入力システム２６００のためのポート配置例を示す。ｍ＝０のモードは単一の横入力ポートＰ１ ２４０６を有し、ｍ＝３のモードは横入力ポートＰ３ ２７２０および横入力ポートＱ３ ２６１８を有して電界の回転を生じさせる。
【0031】
幾つかの実施形態においては、中央高モード（すなわち、ｍ＝０）は、マイクロ波入力システム２４００およびマイクロ波入力システム２６００の同軸キャビティの代わりに上側の円柱状エアキャビティ２０６を使用することによっても励振され得る。上側の円柱状エアキャビティ２０６の使用は、図２のマイクロ波入力システム２００の変形例で、図２８のマイクロ波入力システム２８００において例示される。ｍ＝０のモードのための横入力ポート２４０６および可動頂プレート２４０２もまた実装される。幾つかの実施形態においては、上入力ポートまたは壁摂動チューナもまたｍ＝０のモードのために用いられ得る。図２９のマイクロ波入力システム２９００は、図２７のマイクロ波入力システム２７００のためのポート配置例を示す。ｍ＝０のモードは単一の横入力ポートＰ１ ２４０６を有し、ｍ＝３のモードは上入力ポートＰ３ ２４１０および上入力ポートＱ３ ２４０８を有して電界の回転を生じさせる。
【0032】
図３０においては、幾つかの実施形態による、フィードバックコントローラ３００６を有するマイクロ波入力システム３０００が示される。マイクロ波入力システム３０００は、ユーザインターフェース３０２０、スタブチューナ３０２８、３０３０、および、円柱状キャビティ３００８を含む。マイクロ波モニタ３００２、３００４は、フィードバックコントローラ３００６にマイクロ波信号を提供し、マイクロ波信号は、それからマイクロ波信号（位相および振幅）発生器３０１０に供給される。マイクロ波信号（位相および振幅）発生器３０１０は、２つのシード信号３０１２、３０１４を２つの増幅器３０１６、３０１８（例えば、半導体増幅器または電子管増幅器）に送る。これらの増幅されたマイクロ波入力は、空間的に９０度離れたポートＰおよびＱに供給される。図３０に示される例システムにおいて、２つのマイクロ波モニタ３００２、３００４はフィードバックコントローラ３００６と共に実装される。高周波ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）のような精密なデジタルコントローラがマイクロ波信号（位相および振幅）発生器３０１０内部に実装される場合には、マイクロ波モニタ３００２、３００４およびフィードバックコントローラ３００６はマイクロ波入力システム３０００から取り除かれ得る。
【0033】
幾つかの実施形態においては、フィードバックは２層のマイクロ波キャビティを制御するために用いられ得る。図３０はマイクロ波入力システムの１つの例であり、位相および振幅のためのフィードバック制御は２つのマイクロ波モニタ３００２、３００４およびフィードバックコントローラ３００６によって実行される。２つのマイクロ波モニタ３００２、３００４は、典型的には、ｍ＝１およびｍ＝３のモードのための互いに直交する位置に一対で配置される。図３０のマイクロ波入力システム３０００において、円柱状キャビティ３００８は説明目的のみで用いられている。幾つかの実施形態は、（方形および／またはトロイダルキャビティを含む）任意の形状を有し得、任意の材料から構成され得る。下側の円柱状石英キャビティ、上側の方形エアキャビティ、および、上側のトロイダルエアキャビティからなる３キャビティ型を含む幾つかの実施形態が本明細書において記載された。その結果、６つの異なるモニタ位置のうちの少なくとも１つは、図３１のマイクロ波入力システム３１００に示されるように利用され得る。マイクロ波入力システム３１００は、ｍ＝１の周波数（例えば、２．４１７ＧＨｚ）のために第１の入力ポートＰ ３１１０および第１の入力ポートＱ ３１１２、そして、ｍ＝３の周波数（例えば、２．４７４ＧＨｚ）のために第２の入力ポートＰ ３１１４および第２の入力ポートＱ ３１１６を有する。マイクロ波モニタ３１０２～３１０８の各対は、ｍ＝１およびｍ＝３のモードのため、各対で互いに直交する位置に置かれる。例えば、ピックアップコイル検出器および／または石英マイクロ波検出器等のような、任意の種類のマイクロ波モニタが選ばれ得る。幾つかの実施形態においては、第１の組のマイクロ波モニタ３１０２は、ｍ＝１のモードのための上側の方形エアキャビティ４０６においてマイクロ波を検出する。幾つかの実施形態においては、第２の組のマイクロ波モニタ３１０８が、ｍ＝３のモードのための上側のトロイダルエアキャビティ３１２０においてマイクロ波を検出する。下側の円柱状石英キャビティ３１１８では、幾つかの実施形態において、単一のマイクロ波モニタによって２つの周波数が測定され得る（例えば、第３の組のマイクロ波モニタ３１０６が下側の円柱状石英キャビティ３１１８のマイクロ波を検出するのを参照）。単一のマイクロ波モニタの場合、マイクロ波モニタ毎に２つの周波数の処理（例えば、第３の組のマイクロ波モニタ３１０６の場合にはｍ＝１のモード周波数およびｍ＝３のモードの周波数）が達成される。あるいは、幾つかの実施形態においては、図３２のマイクロ波入力システム３２００にて示されるように（例えば、モニタ３２０２、３２０４参照）、マイクロ波モニタ毎に単一の周波数が処理される。幾つかの実施形態においては、マイクロ波モニタの数およびマイクロ波モニタの位置は変更してもよい。
【0034】
図３３は、幾つかの実施形態により、プラズマチャンバ３３２０とプラズマ生成のためのマイクロ波入力とを有する処理チャンバ３３０２の概略図３３００である。処理チャンバ３３０２は、マイクロ波源３３０４、真空源３３１０、ガス供給源３３１２、電源３３１４、および、基板インターフェース３３１６とのインターフェースを有する。マイクロ波コントローラ３３０６はマイクロ波源３３０４とインターフェースして、プラズマチャンバ３３２０のプラズマ均一性を制御するように、エッジ高および中央高のマイクロ波モード入力を制御する。マイクロ波コントローラ３３０６は、処理チャンバ３３０２またはプラズマチャンバ３３２０ともインターフェースして、マイクロ波入力から、および／または、（フィルム均一性等のような）処理の結果として生じるパラメータからフィードバックを受信することもできる。マイクロ波コントローラ３３０６は、（後述する）システムコントローラ３３２２と通信し得、または、システムコントローラ３３２２の一部でさえあり得る。
【0035】
マイクロ波コントローラ３３０６は、外部デバイスおよび／またはプロセスともインターフェースして、プラズマチャンバ３３２０のプロセスの均一性に関して、外部フィードバック３３１８を受信することもできる。マイクロ波コントローラ３３０６は、マイクロ波入力に関してパラメータまたは他の処理変更についての入力を受信するためのユーザインターフェース３３０８も有し得る。マイクロ波コントローラ３３０６は、処理チャンバ３３０２の様々のプロセス、ガス、圧力、および／または、（堆積ビルドアップ等の）物理的変化に対して、経時的にパワー比を補償することもできる。マイクロ波コントローラ３３０６は、チューナ、増幅器、伝送線、導波管、および／または、パワー結合器等のようなマイクロ波入力の供給に関係するコンポーネントの性能を補償するようにパワー比を調整することもできる。マイクロ波コントローラ３３０６は、オペレータの入力によって手動で、かつ／あるいは、設定またはフィードバックに基づいて自動的に動作することができる。基板インターフェース３３１６は、基板／ウェーハがプラズマチャンバ３３２０に装填され、プラズマチャンバ３３２０から搬出されることを可能にする。真空源３３１０は、処理の間に、必要とされるときに、処理ガスの排出、更に、圧力の低下ができるようにする。ガス供給源３３１２は、プラズマチャンバ３３２０の処理またはクリーニング／排出のために用いられる処理ガスおよび他のガスを供給する。電源３３１４は、プロセスによって必要とされるような高周波（ＲＦ）バイアス電力等を含むことができる。
【0036】
処理チャンバ３３０２は、システムコントローラ３３２２を含むこともできる。システムコントローラ３３２２はプログラム可能中央演算処理装置（ＣＰＵ）３３２８を含み、ＣＰＵ３３２８は、メモリ３３２４および大容量記憶装置、入力制御装置、ならびにディスプレイ（図示せず）と共に動作可能であり、電源、クロック、キャッシュ、入出力（Ｉ／Ｏ）回路、および、ライナなど、処理システムの様々のコンポーネントと接続されて基板処理の制御を容易にする。上述の処理チャンバ３３０２の制御を容易にするために、ＣＰＵ３３２８は、様々のチャンバおよびサブプロセッサの制御のための工業的な設定において用いられ得る任意の汎用コンピュータプロセッサのうちの１つ（例えば、プラグラム可能な論理制御装置（ＰＬＣ））でもあってもよい。メモリ３３２４は、ＣＰＵ３３２８に接続され、非一過性であり、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスクドライブ、ハードディスク、または、その他の任意のデジタル記憶装置のうちの１つまたは複数でもよく、ローカルでもリモートでもよい。サポート回路３３２６は、プロセッサをサポートするためにＣＰＵ３３２８に接続される。荷電化学種の生成、加熱、および、他の処理のためのアプリケーションまたはプログラムは、典型的には、ソフトウェアルーチンとして、通常、メモリ３３２４に格納される。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ３３２８によって制御されている処理チャンバ３３０２から遠隔に位置する第２のＣＰＵ（図示せず）によって、格納および／または実行されることもできる。
【0037】
メモリ３３２４は、命令を含むコンピュータ可読の記憶媒体の形をしており、ＣＰＵ３３２８によって実行されるとき、処理チャンバ３３０２の動作を容易にする。メモリ３３２４の命令は、本開示の方法を実施するプログラムのようなプログラムプロダクトの形をしている。プログラムコードは、様々のプログラミング言語の任意の１つに従えばよい。１つの実施例において、本開示は、コンピュータシステム用にコンピュータ可読記憶媒体に保存されるプログラムプロダクトとして実現され得る。プログラムプロダクトのプログラムは、複数の機能、（本明細書において記載されている方法を含む）複数の態様の複数の機能を定める。図示するコンピュータ可読の記憶媒体は、以下のものを含むが、これらに限定されるものではない。情報が永久に格納される書き込み可能でない記憶媒体（例えば、ＣＤ－ＲＯＭドライブによって読み込み可能なＣＤ－ＲＯＭディスクのようなコンピュータ内の読取り専用記憶装置、フラッシュメモリ、ＲＯＭチップ、または、任意の種類のソリッドステート不揮発性半導体メモリ）、および、変更可能な情報が格納される書き込み可能な記憶媒体（例えば、ディスケットドライブ内のフロッピーディスク、または、ハードディスクドライブ、または、任意の種類のソリッドステートランダムアクセス半導体メモリ）。本明細書において記載されている方法の機能を導くコンピュータ可読命令を格納するときに、この種のコンピュータ可読の記憶媒体は本開示の態様である。
【0038】
本原理に従う実施形態は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアまたはそれらの任意の組合せによっても実施され得る。実施形態は１つまたは複数のコンピュータ可読媒体を用いて格納された命令として実現されることもできる。そして、それらの命令はマイクロ波コントローラ３３０６のような１つまたは複数のプロセッサによって読み込まれ得、実行され得る。コンピュータ可読媒体は、マシン（例えば、１つのコンピューティングプラットフォーム、あるいは、１つまたは複数のコンピューティングプラットフォーム上で実行される「仮想機械」）によって読み込み可能な形に情報を保存または送信する任意の過程をも含むことができる。例えば、コンピュータ可読媒体は、揮発性または不揮発性メモリの任意の適切な形をも含むことができる。幾つかの実施形態においては、コンピュータ可読媒体は、非一過性のコンピュータ可読媒体を含むことができる。
【0039】
以上の説明は本原理の実施形態に向けられているが、本原理の他のそして更なる実施形態も本原理の基本的な技術範囲を逸脱しない範囲内で考案され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】