特許 7633469 プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(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】2025-02-10

(45)【発行日】2025-02-19

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20250212BHJP

   H05H 1/46 20060101ALI20250212BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101D

H05H1/46 B

H05H1/46 C

H05H1/46 R

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2024503338

(86)(22)【出願日】2023-02-15

(86)【国際出願番号】 JP2023005143

(87)【国際公開番号】W WO2024171326

(87)【国際公開日】2024-08-22

【審査請求日】2024-01-18

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】関根 友博

(72)【発明者】

【氏名】田村 仁

(72)【発明者】

【氏名】田中 基裕

(72)【発明者】

【氏名】川那辺 哲雄

(72)【発明者】

【氏名】佐竹 真

【審査官】河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１７６１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８６５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２７８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－９６０９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０５Ｈ １／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器と連結されプラズマ生成用の電界が伝搬する導波管と、
前記導波管を構成し最低次のモードで動作する矩形導波管と、
前記導波管を構成し最低次のモードで動作する円形導波管と、
前記矩形導波管と前記円形導波管を接続する円矩形変換器と、
前記円形導波管の下方で前記真空容器の内に配置され、前記電界によってプラズマが形成される処理室と、
前記円形導波管の内部に配置された円偏波発生器と、
前記円形導波管の内部の円偏波を調節する円偏波補正器と、
前記円偏波補正器の動作を調節する制御部と、
前記矩形導波管の前記円矩形変換器とは逆の端に接続され、反射した電界を検出し、それに応じてインピーダンスの整合をとる自動整合器と、を備え、
前記自動整合器で測定した反射電界と、反射電界測定面と電界分布をモニタしたい面とを接続する電界伝搬領域の散乱行列Ｓとを用いて、電界分布を計算し、電界分布に応じて前記円偏波補正器の動作を制御する、
プラズマ処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、さらに、
プラズマ生成のための高周波電力を供給する高周波電源と、
磁場を生成するための磁場生成機構と、を備え、
前記処理室は、試料を載置するための試料台を備える、プラズマ処理装置。

【請求項3】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御部は、前記円偏波補正器の動作を制御した後、繰り返し、前記自動整合器で測定した反射電界と、前記反射電界測定面と前記電界分布をモニタしたい面とを接続する電界伝搬領域の散乱行列Ｓとを用いて、電界分布を計算し、電界分布に応じて前記円偏波補正器の動作を制御する、プラズマ処理装置。

【請求項4】

請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
前記円偏波補正器は、第１方向に沿って前記円形導波管への挿入量を調整可能な第１スタブと、前記第１方向と交差する第２方向に沿って前記円形導波管への挿入量を調整可能な第２スタブと、を含み、
前記制御部は、前記第１スタブの前記円形導波管への挿入量と前記第２スタブの前記円形導波管への挿入量とを、前記電界分布に応じて、個別に制御する、プラズマ処理装置。

【請求項5】

プラズマ生成のための高周波電力を供給する高周波電源と、磁場を生成するための磁場生成機構と、真空容器と連結されプラズマ生成用の電界が伝搬する導波管と、前記導波管を構成し最低次のモードで動作する矩形導波管と、前記導波管を構成し最低次のモードで動作する円形導波管と、前記矩形導波管と前記円形導波管を接続する円矩形変換器と、前記円形導波管の下方で前記真空容器の内に配置され、試料を載置するための試料台を備え、前記電界によってプラズマが形成される処理室と、前記円形導波管の内部に配置された円偏波発生器と、前記円形導波管の内部の円偏波を調節する円偏波補正器と、前記円偏波補正器の動作を調節する制御部と、前記矩形導波管の前記円矩形変換器とは逆の端に接続され、反射した電界を検出し、それに応じてインピーダンスの整合をとる自動整合器と、を備えるプラズマ処理装置の前記自動整合器で測定した反射電界と、反射電界測定面と電界分布をモニタしたい面とを接続する電界伝搬領域の散乱行列Ｓとを用いて、電界分布を計算し、電界分布に応じて前記円偏波補正器の動作を制御する第１工程と、
前記処理室に試料を搬入し、前記試料を前記試料台に載置する第２工程と、
前記処理室の内部にプラズマを発生させ、前記試料をプラズマ処理する第３工程と、を含む、プラズマ処理方法。

【請求項6】

請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
前記第１工程において、前記制御部は、前記円偏波補正器の動作を制御した後、繰り返し、前記自動整合器で測定した反射電界と、前記反射電界測定面と前記電界分布をモニタしたい面とを接続する電界伝搬領域の散乱行列Ｓとを用いて、電界分布を計算し、電界分布に応じて前記円偏波補正器の動作を制御する、プラズマ処理方法。

【請求項7】

請求項６に記載のプラズマ処理方法において、
前記円偏波補正器は、第１方向に沿って前記円形導波管への挿入量を調整可能な第１スタブと、前記第１方向と交差する第２方向に沿って前記円形導波管への挿入量を調整可能な第２スタブと、を含み、
前記第１工程において、前記制御部は、前記第１スタブの前記円形導波管への挿入量と、前記第２スタブの前記円形導波管への挿入量と、を前記電界分布に応じて、個別に制御する、プラズマ処理方法。

【請求項8】

請求項７に記載のプラズマ処理方法において、さらに、
前記処理室から前記試料を搬出する第４工程と、
前記第２工程と前記第３工程との間に、第５工程を含み、
前記第５工程において、前記制御部は、前記自動整合器で測定した反射電界と、前記反射電界測定面と前記電界分布をモニタしたい面とを接続する電界伝搬領域の散乱行列Ｓとを用いて、電界分布を計算し、電界分布に応じて前記円偏波補正器の動作を制御する、プラズマ処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関し、特に、導波管を伝搬し処理室内に供給された電磁波によって生成したプラズマにより試料を処理するプラズマ処理装置に係り、偏波面が回転する円偏波を供給する円偏波発生器を備えたプラズマ処理技術に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の半導体デバイス製造の工程では、素子の高速化、低消費電力化を達成するために、微細化に加え，デバイス構造の３次元化により高速化と低消費電力化を進めてきた。今後はデバイスのさらなる高性能化を実現するために、従来以上に微細かつ複雑な構造へと移行が進むと予測されている。一方で構造の複雑化に伴い半導体デバイス製造の難易度が急速に上がっており、チップあたりの製造コストの増加が課題となっている。

【0003】

チップあたりの製造コストの低減を実現するためには、半導体ウェハを均一に処理し、ウェハ一枚あたりから取得できるチップ数を増加させることが効果的である。このような背景からプラズマ処理装置には従来よりも均一に半導体ウェハを処理することが求められる。

【0004】

以上のような要求に対し、処理室内のプラズマ密度分布の均一性を向上し、周方向に均一なウェハ加工を実現する方法として、プラズマを生成するための電磁波に円偏波を用いるという技術が報告されている。

【0005】

特許文献１及び特許文献２では、処理室内のプラズマや誘電体部材からの反射波により円形導波管内部の円偏波の軸比が悪化した場合において、その円偏波軸比のモニタ手段および軸比を再び最適に調整するための調整手段を備えたプラズマ処理装置が開示されている。ここで円偏波の軸比とは、1周期のうちに回転する円偏波の電界成分のうち、最大値に対する最小値の比を表す呼称であり、１であれば完全な円偏波を表し、０に近づくほど不均一な電磁波であることを表す。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１１－７７２９２号公報

【文献】特開２０１６－９６０９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、半導体デバイスの加工効率向上のためには、プラズマ処理装置の稼働時間をできるだけ長くし、長時間デバイスの生産を行う必要がある。したがって、プラズマ処理装置に搭載する測定機器の数を最低限に抑制し、メンテナンス周期を可能な限り長くすることが求められる。

【0008】

特許文献１及び特許文献２では、円形導波管内部の円偏波軸比を制御するために、複数の円偏波のモニタ手段を導波管部に備えている。この構成では、モニタ手段のうち1つでもその測定精度が悪化した場合、円偏波調整器が最適値とならず、逆に従来よりも不均一なプラズマ処理を行ってしまう可能性がある。したがって、定期的なモニタ手段のメンテナンスが必要であり、プラズマ処理装置の稼働時間の低減を招く可能性がある。

【0009】

本開示は、電界真円率を最適値に制御することで均一なプラズマ処理を可能とする技術を提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の課題を解決するための本開示の代表的なプラズマ処理装置の一つは、
真空容器と連結されプラズマ生成用の電界が伝搬する導波管と、
前記導波管を構成し最低次のモードで動作する矩形導波管と、
前記導波管を構成し最低次のモードで動作する円形導波管と、
前記矩形導波管と前記円形導波管を接続する円矩形変換器と、
前記円形導波管の下方で前記真空容器の内に配置され、前記電界によって前記プラズマが形成される処理室と、
前記円形導波管の内部に配置された円偏波発生器と、
前記円形導波管の内部の円偏波を調節する円偏波補正器と、
前記円偏波補正器の動作を調節する制御部と、
前記矩形導波管の前記円矩形変換器とは逆の端に接続され、反射した電界を検出し、それに応じてインピーダンスの整合をとる自動整合器と、を備え、
前記自動整合器で測定した反射電界と、反射電界測定面と電界分布をモニタしたい面とを接続する電界伝搬領域の散乱行列Ｓとを用いて、電界分布を計算し、計算結果に基づく電界分布に応じて前記円偏波補正器の動作を制御する、技術が提供される。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、自動整合器により得られた反射電界と散乱行列Ｓとを用いて得られた電界分布を基に、円偏波補正器を最適な設定に制御し、導波管内の円形導波管部の下方のマイクロ波電界分布を均一にして、均一なプラズマを生成して、均一なプラズマ処理を可能とする技術を提供できる。つまり、円偏波の軸比を最適値に制御することで、周方向に均一なプラズマを生成し、それにより均一なプラズマ処理を実現する。円形導波管部２０２の内部の円偏波軸比を直接モニタするための検出器が不要であり、実装が容易である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、実施例に係るプラズマ処理装置の概略全体構成を示す正面の断面図である。

【図2】図２は、実施例に係るプラズマ処理装置の導波管の構成の詳細を示す図である。

【図3A】図３Ａは、実施例に係るプラズマ処理装置の導波管の断面図である。

【図3B】図３Ｂは、実施例に係る円偏波発生器と円偏波調整器とを説明する図である。

【図4】図４は、チューナーでの反射係数｜Γ｜＝０．３、∠Γ＝６０°の際での、スタブ挿入量に対する円形導波管内部の電界真円率の計算結果を示す図である。

【図5A】図５Ａは、チューナーでの反射係数｜Γ｜＝０．２、∠Γ＝１８０°の際での、スタブ挿入量に対する円形導波管内部の電界真円率の計算結果を示す図である。

【図5B】図５Ｂは、チューナーでの反射係数｜Γ｜＝０．４、∠Γ＝１５０°の際での、スタブ挿入量に対する円形導波管内部の電界真円率の計算結果を示す図である。

【図6】図６は、実施例に係るプラズマ処理装置のスタブ挿入量の調整の制御チャートを示す図である。

【図7A】図７Ａは、実施例に係るプラズマ処理装置を用いて、スタブを挿入していない場合でのウェハエッチング量分布の実測値を示す図である。

【図7B】図７Ｂは、実施例に係るプラズマ処理装置を用いて、スタブを最適位置まで調整した際のウェハエッチング量分布の実測値を示す図である。

【図8】図８は、実施例に係るプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法を示す図である。

【図9】図９は、変形例に係るプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施例および変形例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本開示の解釈を限定するものではない。

【実施例】

【0014】

図１は、実施例に係るプラズマ処理装置の概略全体構成を示す正面の断面図である。図２は、実施例に係るプラズマ処理装置の導波管の構成の詳細を示す図である。図３Ａは、実施例に係るプラズマ処理装置の導波管の断面図である。図３Ｂは、実施例に係る円偏波発生器と円偏波調整器とを説明する図である。

【0015】

まず、図１に示すプラズマ処理装置１００の構成について概要を説明する。プラズマ処理装置１００は、高周波電源１０１、チューナー１０２と、導波管１０３と、円偏波発生器１０４と、円偏波調整器１０５と、制御部１０６と、処理室１０８と、を備える。

【0016】

導波管１０３は、真空容器と連結されプラズマ生成用の電界が伝搬する。導波管１０３は、図２、図３Ａに示すように、断面が矩形（または、長方形）を有して最低次のモード（ＴＭ０１モード）の電磁波が伝搬する矩形導波管部２０１と、断面が円形を有して内部を最低次のモード（ＴＥ１１モード）の電磁波が伝搬する円形導波管部２０２と、矩形導波管部２０１と円形導波管部２０２を接続する円矩形変換部（円矩形変換器）２０３から構成される。

【0017】

高周波電源１０１は、マグネトロンであり、プラズマ生成のための高周波電力である電磁波を導波管１０３へ供給する。

【0018】

処理室１０８は、試料（ウェハ）がプラズマ処理される処理室であり、円形導波管部２０２の下方で真空容器１２０内に配置され、その内部に導波管１０３から電磁波が供給されてプラズマが形成される。

【0019】

円偏波発生器１０４は、円形導波管部２０２の内部に配置され、円偏波を発生する。

【0020】

円偏波調整器１０５は、円偏波補正器であり、円偏波発生器１０４の上方または下方に配置され円偏波の分布を調整する。

【0021】

チューナー１０２は、自動整合器であり、高周波電源１０１と導波管１０３の間に接続され、インピーダンスの整合をとることで導波管１０３側から高周波電源１０１側へ高周波電力が流入することを防ぐ。チューナー１０２は、矩形導波管部２０１に連結され、反射された電磁波に基づいて負荷側のインピーダンスを算出し、発振器側のインピーダンスと整合状態を達成する。つまり、チューナー１０２は、矩形導波管部２０１の円矩形変換部２０３とは逆の端に接続され、反射した電界を検出し、それに応じてインピーダンスの整合をとる。

【0022】

制御部１０６は、演算処理部１０６ａと動作制御部１０６ｂとを含む。制御部１０６の演算処理部１０６ａは、チューナー１０２に接続されており、チューナー１０２で測定された反射電磁波と、導波管１０３と円偏波発生器１０４と円偏波調整器１０５の散乱行列Ｓから、処理室１０８へ供給される円偏波の分布を計算する。制御部１０６の動作制御部１０６ｂは、演算処理部１０６ａの計算した計算結果に基づいて、円偏波調整器１０５の動作を制御し、円偏波調整器１０５の挿入量を調整する。例えば、円偏波調整器１０５の挿入量の調整がモータで行われる場合、制御部１０６の動作制御部１０６ｂは、そのモータに接続され、そのモータの回転を制御することになる。円偏波調整器１０５がスタブとされる２本の棒状部材（例えば、第１スタブとしてのｘスタブ１０５ｘ、第２スタブとしてのｙスタブ１０５ｙ（図３Ｂ参照））で構成される場合、モータはｘスタブ１０５ｘの挿入量ＤＸを調整する第１モータＭ１と、ｙスタブ１０５ｙの挿入量ＤＹを調整する第２モータＭ２と、を含むように構成される。制御部１０６の動作制御部１０６ｂは、第１モータＭ１と第２モータＭ２とを個別に制御することができるように構成されている。

【0023】

言い換えると、制御部１０６は、自動整合器（チューナー）１０２で測定した反射電界と、自動整合器（チューナー）１０２の反射電界測定面ＦＡ１（図１参照）と電界分布をモニタしたい面ＦＡ２（図１参照）とを接続する電界伝搬領域の散乱行列Ｓとを用いて、電界分布を計算し、計算結果に基づく電界分布に応じて円偏波補正器（円偏波調整器）１０５の動作を制御する。

【0024】

これにより、自動整合器１０２により得られた反射電界と散乱行列Ｓとを用いて得られた電界分布とを基に、円偏波補正器１０５を最適な設定に制御し、導波管１０３の円形導波管２０２の下方の真空容器１２０内のマイクロ波電界分布を周方向に均一にして、周方向に均一なプラズマを処理室１０８内に生成できる。これにより、プラズマ処理装置１００の処理室１０８内の試料１０９において、均一なプラズマ処理が可能にできる。

【0025】

さらに、図１を用いて、本開示の第一の実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成を説明する。図１に示すように、本実施例のプラズマ処理装置１００では、高周波電源であるマグネトロン１０１から導波管１０３および誘電体窓１０７を通って処理室１０８に電磁波が供給される。ソレノイドコイル１１１は磁場を生成するための磁場生成機構である。前記電磁波と、ソレノイドコイル１１１によって生成した静磁場によってサイクロトロン運動する電子とが、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）することによりプラズマが生成される。例えば、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ源として用いる場合、ソレノイドコイル１１１により処理室１０８内に０．０８７５テスラの静磁界を発生させることで、電子サイクロトロン共鳴現象が起こり、効率的にプラズマが生成される。

【0026】

また、処理室１０８内には試料１０９を載置するための試料台である基盤電極１１０が設けられている。基盤電極１１０には被処理試料１０９にバイアス電力を供給するための高周波電源１１５が整合器１１４を介して接続されている。

【0027】

処理室１０８には、バルブ１１６を介してガス供給部１１７に接続されており、処理室１０８内にガスが供給可能にされている。バルブ１１６の開度によってガスの供給量が制御される。

【0028】

処理室１０８の内部はバルブ１１２を介してポンプ１１３に接続されており、ガス供給部１１７から供給された処理室１０８内のガスが排気されている。バルブ１１２の開度によってガスの排気速度を制御することで、処理室１０８内部の圧力を一定値に調節できる。

【0029】

また、本プラズマ処理装置１００はマグネトロン１０１と導波管１０３との間にチューナー１０２が設けられている。チューナー１０２では負荷側からの反射波の測定結果から負荷側のインピーダンスを計算し、高周波電源１０１側のインピーダンスと、導波管１０３から処理室１０８にかけての負荷側のインピーダンスの整合をとることで、効率よく負荷側に電磁波を供給している。

【0030】

制御部１０６は、さらに、マグネトロン１０１の高周波電源の制御、ソレノイドコイル１１１の磁場の制御、バルブ１１２、１１６の開度の制御、高周波電源１１５の制御などの制御も行うことができる。

【0031】

図２に導波管１０３の拡大図を記載する。導波管１０３は、断面が長方形の矩形導波管部２０１と、断面が円形の円形導波管部２０２と、前記矩形導波管部２０１と円形導波管部２０２とを接続する円矩形変換部２０３から構成される。矩形導波管部２０１は、最低次モードであるＴＭ０１モードの電磁波のみが、円形導波管部２０２は最低次モードであるＴＥ１１モードの電磁波のみがそれぞれ伝搬可能となる寸法とした。

【0032】

図２において、矩形導波管部２０１の一方の端部は自動整合器（チューナー）１０２に接続されている。自動整合器（チューナー）１０２の反射電界測定面ＦＡ１は、この例では、自動整合器（チューナー）１０２と矩形導波管部２０１の一方の端部との間に設定されている。矩形導波管部２０１の他方の端部は円矩形変換部２０３の一端に接続される。円矩形変換部２０３の他端は円形導波管部２０２の一端に接続され、円形導波管部２０２の他端は真空容器１２０に接続されている。電界分布をモニタしたい面ＦＡ２は、この例では、円形導波管部２０２の他端と真空容器１２０との間に設定されている。

【0033】

円形導波管部２０２には円偏波を発生させる円偏波発生器１０４が設置されている。

【0034】

ここで、円偏波について簡単に説明する。電磁波の電界ベクトルを円形導波管の中心軸上で定義したとき、電磁波の進行方向と電界ベクトルからなる面を偏波面と呼ぶ。この偏波面が時間的に回転し、かつ電界ベクトルの軌跡が真円となる電磁波を円偏波と定義する。一方、偏波面が時間的に回転しない電磁波を直線偏波と呼ぶ。円偏波は、偏波面が互いに直行する二つの直線偏波のうち、位相が９０°異なるものを重ね合わせることで生成できる。

【0035】

上記の円偏波生成機構を用いた円偏波発生手段としては種々のものが従来から知られており、本開示においても、導波管１０３のうち石英窓としての誘電体窓１０７に接する面が円形であるという条件さえ満たせば任意のものを用いることができる。特に図１のプラズマ処理装置１００においては、導波管１０３内に誘電体製の板状の部材１０４が、円偏波発生器として、その面が導波管１０３と平行になるように導入されている。この構成では、導波管１０３の上部から導入された直線偏波に対し、円偏波発生器１０４の長手方向ＬＯ（図３Ｂ参照）と平行方向成分に関しては、真空との誘電率の差によりその波長が縮小される。一方、円偏波発生器１０４の短手方向ＳＯ（図３Ｂ参照）と平行方向成分に関しては、その波長は縮小されない。したがって、円偏波発生器１０４の、導波管１０３と平行方向の長さを最適に調整することで、直線偏波のうち、円偏波発生器１０４の長手方向ＬＯと平行方向の成分と、円偏波発生器１０４の短手方向ＳＯと平行方向の成分との間にちょうど９０°の位相差を発生させることができ、円偏波発生器１０４の下方においてそれらが合成されることで円偏波を発生することができる。

【0036】

円偏波の軸比を制御する円偏波補正手段としては種々のものが従来から知られており、本開示においても任意のものを用いることができる。図２、図３Ｂに示すように、本実施例においては、円偏波補正器１０５としてスタブと呼ばれる二本の棒状部材１０５を円形導波管部２０２に互いに垂直になるように取り付け、その挿入量（ＤＸ、ＤＹ）をそれぞれ制御することにより、円偏波の電界真円率を調整するという手法を用いた。円偏波補正器１０５は、円偏波発生器１０４の上方の第１位置Ｐａ、または、円偏波発生器１０４の下方の第２位置Ｐｂ、に設置ことができる。

【0037】

図３Ｂに示すように、この例では、円偏波補正器である二本のスタブ１０５のうち，一方を円偏波発生器１０４の長手方向ＬＯと平行に設置する。このスタブ１０５を以下ではｘスタブ（１０５ｘ、第１スタブ）と呼ぶ。また、円偏波補正器である二本のスタブ１０５のうち，もう片方のスタブ１０５を円偏波発生器１０４の短手方向ＳＯと平行に設置する。このスタブ１０５を以下ではｙスタブ（１０５ｙ、第２スタブ）と呼ぶ。なお、ｘスタブ（１０５ｘ）やｙスタブ（１０５ｙ）の設置方向は、円偏波発生器１０４の長手方向ＬＯおよびの短手方向ＳＯと関係なく設定することも可能である。つまり、ｘスタブ（１０５ｘ）は、第１方向Ｘに沿ってその長手方向が設けられており、第１モータＭ１によってその挿入量ＤＸが制御されるように、円形導波管部２０２の内部に第１方向Ｘに沿って挿入可能に設定されている。一方、ｙスタブ（１０５ｙ）は、第１方向Ｘと交差又は直交する第２方向Ｙに沿ってその長手方向が設けられており、第２モータＭ２によってその挿入量ＤＸが制御されるように、円形導波管部２０２の内部に第２方向Ｙに沿って挿入可能に設定されている。つまり、スタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）は調整可能にされている。

【0038】

スタブ１０５の制御手段について説明する。本開示では、円形導波管部２０２の内部の電界真円率を計算し、計算した電界真円率が改善するようにスタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を制御する。

【0039】

電界真円率の計算方法を図３Ａを用いて説明する。矩形導波管部２０１の内部はＴＭ０１モードの電磁波のみが伝搬するため、チューナー１０２に接続する面（反射電界測定面ＦＡ１に対応する）での電界成分はＡ軸の１方向成分に限られる。また、円形導波管部２０２の内部はＴＥ１１モードの電磁波のみが伝搬するため、互いに直行する２つの軸、Ｂ軸とＣ軸で考えたときに、２方向成分で電界ベクトルが記述できる。

【0040】

矩形導波管部２０１のチューナー１０２との接続面（ＦＡ１）をポート１、円形導波管部２０２の下端（電界分布をモニタしたい面ＦＡ２に対応する）において、Ｂ軸成分をポート２、Ｃ軸成分をポート３とする。このとき、ポート１とポート２、ポート３それぞれにおける入射波をａ_ｉ、反射波をｂ_ｉ（ここで、ｉは、ポートの番号：１，２，３である）と置くと、これらの関係は散乱行列Ｓを用いて（式１）に示すように記述できる。

【0041】

【数1】

【0042】

ここで散乱行列Ｓとは、一般に始状態と終状態の関係を記述する行列であり、特に本開示においては、ポートにおける入射波と反射波の関係を記述する行列である。つまり、散乱行列Ｓは、チューナー１０２の反射電界測定面ＦＡ１と電界分布をモニタしたい面ＦＡ２とを接続する電界伝搬領域の散乱行列とされる。

【0043】

チューナー１０２で測定している電磁波の反射係数Γは，ポート1における入射波と反射波の比に相当する。したがって、反射係数Γを用いて入射波ａ_１と反射波ｂ_１の関係は(式２)のように記述できる。

【0044】

ｂ_１＝Γａ_１ (式２）
円形導波管部２０２の下端での反射係数Ｒを用いて，入射波a_２と反射波ｂ_２および入射波ａ_３と反射波ｂ_３の関係はそれぞれ（式３）と（式４）で記述できる。

【0045】

ａ_２＝Ｒｂ_２ （式３）
ａ_３＝Ｒｂ_３ （式４）
ここで，磁化プラズマの反射係数Ｒはテンソルとなる。ただし，反射係数Ｒをテンソルで表現する場合，方程式の数に対して未知数の数が多くなり，連立方程式を解くことができなくなる。したがって，本開示では磁化プラズマでの反射係数Ｒをスカラー値で近似している。

【0046】

ポート１における入射波を１と置き，(式１)～(式４)を用いることで，(式５)を得る。

【0047】

【数2】

【0048】

（式５）はａ_２、ａ_３、Ｒの３つの未知数に対し、３つの式の連立方程式となっている。したがって（式５）を解くことによって、チューナー１０２での電磁波の反射係数Γから、円形導波管部２０２の内部の電界真円率を求めることができる。

【0049】

その後、円形導波管部２０２の内部の電界真円率が改善するスタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を制御部１０６で算出し、その結果に基づいてスタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を調整する。

【0050】

ただし、スタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）が変化することで、導波管１０３の散乱係数Ｓと反射係数Γが変化する。したがって、本開示では、スタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を徐々に変化させ、その都度変化した散乱係数Ｓを用いて（式１）～（式４）、（式５）の計算をもう一度実行し、電界真円率を算出するのが良い。

【0051】

以上のスタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）の操作を、電界真円率の算出値が所望の値以上になるまで繰り返すことにより、電界真円率の目標値を達成することができる。

【0052】

散乱行列Ｓはシミュレーション、あるいは事前の計測によって取得が可能である。散乱行列Ｓは、導波管１０３の構成により変化するが、導波管１０３の構成が決定されれば、決定されることになる。散乱行列Ｓは、制御部１０６の記憶領域に格納されたデータベース内に記憶させておくのが良い。

【0053】

図４は、チューナーでの反射係数｜Γ｜＝０．３、∠Γ＝６０°の際での、スタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）に対する円形導波管部２０２の内部の電界真円率の計算結果を示す図である。有限要素法のシミュレーションを用いて散乱行列Ｓを取得し、二本のスタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）それぞれの挿入量（ＤＸ、ＤＹ）に対する電界真円率を計算したものを、図４に示す。図４は横軸ｘがxスタブ（１０５ｘ）の挿入量ＤＸ，縦軸ｙがyスタブ（１０５ｙ）の挿入量ＤＹ，コンター（等高線）が電界真円率を示す。スタブ挿入量はｍ単位で示しており、ｘ、ｙどちらも最大挿入量は８０ｍｍである。また，図４はチューナー１０２での電磁波の反射係数の大きさ|Γ|が０．３、位相∠Γが６０°の場合における電界真円率の結果を示している。

【0054】

図４から，xスタブ（１０５ｘ）を３５ｍｍ、yスタブ（１０５ｙ）を２０ｍｍ挿入した点において、電界真円率が最も高くなることがわかる。

【0055】

ただし、前述のとおり、スタブ１０５の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を変化させた際には導波管１０３の散乱行列Ｓと反射係数Γの値が変化する。したがって、スタブ１０５を挿入していない時点での反射係数Γから導かれる最適スタブ挿入量までいきなりスタブ１０５を変化させた場合、最適スタブ挿入量が達成されない可能性がある。

【0056】

実際の測定結果を用いて説明を行う。図５Ａは、チューナーでの反射係数｜Γ｜＝０．２、∠Γ＝１８０°の際での、スタブ挿入量に対する円形導波管部２０２の内部の電界真円率の計算結果を示す図である。図５Ｂは、チューナーでの反射係数｜Γ｜＝０．４、∠Γ＝１５０°の際での、スタブ挿入量に対する円形導波管部２０２の内部の電界真円率の計算結果を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、スタブ挿入量はｍ単位で示している。

【0057】

図５Ａにスタブ１０５を挿入していない場合（｜Γ｜＝０．２、∠Γ＝１８０度）における、スタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）と電界真円率の関係を示す。図５Ａから、xスタブ（１０５ｘ）を７０ｍｍ挿入し、ｙスタブ（１０５ｙ）を２０ｍｍ挿入することで、最適な電界真円率が達成されることがわかる。しかし、実際にxスタブ（１０５ｘ）を７０ｍｍ挿入し、ｙスタブ（１０５ｙ）を２０ｍｍ挿入すると、スタブ１０５での電界反射などの影響により、チューナー１０２における反射係数Γが、|Γ|＝０．４、∠Γ＝１５０°に変化する。この場合のスタブ挿入量と電界真円率の関係を図５Ｂに示す。このとき最適なスタブ挿入量はｘスタブ４０ｍｍ、ｙスタブ１５ｍｍであり、最適なスタブ挿入量が達成されていないことがわかる。

【0058】

以上のように、チューナー１０２における電磁波の反射係数Γとスタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）とは独立した変数ではなく、互いに影響する。したがって、スタブ１０５（１０５ｘ、１０５ｙ）を挿入していない時点での反射係数Γから求まる最適値までスタブ挿入量を変化させても、最適な電界真円率は達成できず、制御機構を要する。

【0059】

図６は、実施例に係るプラズマ処理装置のスタブ挿入量の調整の制御チャートを示す図である。図６を用いて、チューナー１０２での反射係数Γの測定値によるスタブ挿入量の制御チャートを説明する。

【0060】

（ステップＳ１）
まず、制御部１０６は、チューナー１０２で計測された反射電磁波の反射係数Γの測定値を取得する。

【0061】

（ステップＳ２）
制御部１０６は、制御部１０６のデータべース内から導波管１０３の散乱行列Ｓを取得する。

【0062】

（ステップＳ３）
制御部１０６は、取得した反射係数Γと散乱行列Ｓから電界真円率を求める。そして、制御部１０６は、電界真円率が改善するスタブ１０５の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を算出し、その算出結果に基づいて、モータＭ１，Ｍ２を制御して、スタブ１０５の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を調整する。つまり、制御部１０６は、電界真円率が改善するスタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を計算して、スタブ挿入量を予測する。

【0063】

（ステップＳ４）
制御部１０６は、スタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）が最適否かを判断する。スタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）が最適な場合（Ｙｅｓ）、制御チャートを終了する。一方、スタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）が最適ではない場合（Ｎｏ）、ステップＳ５へ移行する。

【0064】

（ステップＳ５）
次に、制御部１０６は、スタブ１０５の挿入量（ＤＸ、ＤＹ）を制御することで、スタブ挿入量を微調整する（つまり、第１モータＭ１，第２モータＭ２が制御部１０６により制御される）。そして再度、ステップＳ１－Ｓ３を繰り返す。このとき、制御部１０６は、スタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）である制御量を徐々に変化させ、その都度、反射係数Γを参照して最適なスタブ挿入量を更新する。

【0065】

以上の操作（Ｓ１～Ｓ５）を繰り返し行い、現在のスタブ１０５のスタブ挿入量（ＤＸ、ＤＹ）が最適なスタブ挿入量に一致した時点で制御チャートを終了する。

【0066】

実際に電界真円率の計算結果を用いてスタブ挿入量を調整した場合のウェハ加工結果を図７Ａ，図７Ｂを用いて説明する。図７Ａは、実施例に係るプラズマ処理装置を用いて、スタブを挿入していない場合でのウェハエッチング量分布の実測値を示す図である。図７Ｂは、実施例に係るプラズマ処理装置を用いて、スタブを最適位置まで調整した際のウェハエッチング量分布の実測値を示す図である。

【0067】

図７Ａ，７Ｂでは、２．４５ＧＨｚマイクロ波を真空処理室に供給し、電子サイクロトロン共鳴によって生成したプラズマを用いて、半導体デバイスの材料である３０ｍｍウェハをエッチングするマイクロ波プラズマエッチング装置を用いた実験結果であり、コンターはある時間幅におけるウェハ表面のエッチング量の大きさを表している。また、エッチング量が等しいラインを等高線で示している。

【0068】

図７Ａはスタブを挿入していない場合のエッチング結果である。スタブを挿入していない状態においては、チューナーの反射係数Γから計算した電界真円率の値は０．３８である。また、エッチング結果をみると、エッチング量のピークがウェハの中心からずれており、ウェハ周方向において不均一な分布であることがわかる。

【0069】

ここで、エッチング量の分布を定量的に評価するための値として、ウェハ半径１００ｍｍにおけるエッチング量の均一性Ｕを（式６）で定義する。

【0070】

Ｕ＝（（最大値－最小値）／（最大値＋最小値））×１００％ （式６）
均一性Ｕの値が大きいほどエッチング量の分布は周方向で不均一であることを表し、０に近いほど均一であることを表す。

【0071】

以上の（式６）を用いると、図７Ａのエッチング量の均一性Ｕは、Ｕ＝２．４％と表される。

【0072】

次に本開示で提案した手法を用いてスタブ挿入量を調整し，エッチング量の分布を取得したときの結果を図７Ｂに示す。この時、スタブ挿入量はｘスタブ７０ｍｍ、ｙスタブ１５ｍｍであり、チューナー１０２で測定した反射係数Γから求めた電界真円率は０．５９であった。この電界真円率の値は、制御前の電界真円率の値０．３８と比較して改善している。（式６）で定義したエッチング量の均一性Ｕを計算すると、Ｕ＝０．７％である。したがって、本開示で提案した手法によってスタブ１０５を制御した結果、エッチング量の分布が２．４％から０．７％まで改善したことがわかる。

【0073】

以上の様に、チューナー１０２により得られた反射電界と散乱行列Ｓとを用いて得られた電界分布を基に、スタブ１０５を最適な設定に制御することで、導波管１０３の円形導波管部２０２の内部のマイクロ波電界分布を均一にできるので、導波管１０３の下方の処理室１０８内のマイクロ波電界分布を均一にできる。これにより、均一なプラズマを処理室１０８内に生成できるので、プラズマ処理装置１００においてウェハに対し均一なプラズマ処理が可能にできる。特に、ウェハの中心に対して周方向に均一なプラズマを処理室１０８内に生成できるので、プラズマ処理装置１００においてウェハの周方向に均一なプラズマ処理が可能にできる。

【0074】

次に、図８を用いて、プラズマ処理装置１００を用いたウェハ（半導体ウェハ）のプラズマ処理方法を説明する。図８は、実施例に係るプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ処理方法を示す図である。

【0075】

(ステップＳ１０）
ます、プラズマ処理装置１００において、図６で説明したスタブ挿入量の制御チャートが実施される。これにより、均一なプラズマを処理室１０８内に生成できるように、スタブ１０５が最適な設定に制御される。ステップＳ１０は、第１工程ともいう。

【0076】

（ステップＳ１１）
処理室１０８の内部に、半導体ウェハである試料１０９が搬入され、試料１０９が試料台である基盤電極１１０の上に載置される。ステップＳ１１は、第２工程とも言う。

【0077】

（ステップＳ１２）
次に、処理室１０８の内部に、プラズマが生成され、試料１０９がプラズマにより加工処理される。このプラズマ加工処理は、例えば、エッチング処理、成膜処理などである。エッチング処理の場合、ガス供給部１１７から処理室１０８の内部にエッチング用のガスが供給される。また、成膜処理の場合、ガス供給部１１７から処理室１０８の内部に成膜用のガスが供給される。エッチング用のガスや成膜用のガスは、公知のガスを利用することが可能なので、詳しい説明は、省略することとする。ステップＳ１２は、第３工程とも言う。

【0078】

（ステップＳ１３）
次に、処理室１０８の内部から、半導体ウェハである試料１０９が搬出される。ステップＳ１３は、第４工程とも言う。

【0079】

これにより、半導体ウェハ１０９に対するプラズマ加工処理のプラズマ処理方法が終了する。したがって、マイクロ波電界分布が均一にされたプラズマ処理装置１００の処理室１０８内において、半導体ウェハ１０９がプラズマによる加工処理が行われるので、均一なプラズマ処理が可能にできる。特に、半導体ウェハ１０９の中心に対して周方向に、均一にされたプラズマ加工処理を行うことができる。

【0080】

図８のステップＳＡで示すように、ステップＳ１０を実施した後、ステップＳ１１～Ｓ１３を繰り返して複数の半導体ウェハ１０９のプラズマ処理を行ことができる。つまり、プラズマ処理装置１００の導波管１０３の構成が決定されれば散乱行列Ｓが決定されるので、ステップＳ１０を１回実施することで、半導体ウェハ１０９に対して均一なプラズマ処理が可能にできる。

【0081】

（変形例）
図９は、の変形例に係るプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法を示す図である。図９に示す変形例のプラズマ処理方法が図８の実施例のプラズマ処理方法と異なる点は、ステップＳ１１(第２工程）とステップＳ１２（第３工程）との間に、図６に示すスタブ挿入量の制御チャートが実施されるステップＳ２０（ステップＳ２０は第５工程とも言う）が追加されていることである。ステップＳ２０は、ステップＳ１０と同様に、スタブ挿入量の制御チャート工程である。

【0082】

したがって、ステップＳＢで示すように、ステップＳ１１、Ｓ２０、Ｓ１２、Ｓ１３を繰り返して複数の半導体ウェハ１０９をプラズマ処理する場合、繰り返しのたびに、ステップＳ２０が行われることとなる。この様に、繰り返しのたびに、ステップＳ２０が毎回行われるので、導波管１０３の円形導波管部２０２の内部のマイクロ波電界分布をさらに均一にできるので、導波管１０３の下方の処理室１０８の内部のマイクロ波電界分布をさらに均一にできる。これにより、さらに均一なプラズマを処理室１０８内に生成できるので、プラズマ処理装置１００において半導体ウェハ１０９に対してさらに均一なプラズマ処理が可能にできる。

【0083】

以上、本開示を実施例に基づき具体的に説明したが、本開示は、上記実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0084】

１００：プラズマ処理装置、１０２：チューナー（自動整合器）、１０３：導波管、１０４：円偏波発生器、１０５：円偏波調整器（円偏波補正器）、１０６：制御部、１０８：処理室、１０９：試料（半導体ウェハ）、１１０：基盤電極（試料台）

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】