(57)【要約】【課題】低周波数の電磁波を用いることができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置１０は、処理容器１００と、マイクロ波を出力するマイクロ波源９００と、マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波を伝送させる内部導体３１５ａと内部導体３１５ａに隣接または近接し、内部導体３１５ａを伝送したマイクロ波を透過させて処理容器１００の内部に放出する誘電体板３０５と、処理容器１００の内面に設けられた伝搬障害部（たとえば、溝３００ａ）を有する。低周波数のマイクロ波をプラズマ処理装置１０に供給することにより、プロセスウィンドウを広げることができる。【選択図】図１
2008153052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
処理容器と、
電磁波を出力する電磁波源と、
前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる導体棒と、
前記導体棒に隣接または近接し、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、
前記処理容器の内面に設けられた伝搬障害部とを備えるプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波を抑制する機構を有する請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の少なくとも一部を反射させる溝部を含む請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の少なくとも一部を反射させる凸部を含む請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記誘電体板には、貫通穴が形成され、
前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極をさらに備え、
前記金属電極の露出面のうち一面が誘電体カバーにて覆われている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記誘電体板には、貫通穴が形成され、
前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極をさらに備え、
前記金属電極の露出面は、被処理体に対して略平行な面を有しない請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記金属電極の径は、
前記導体棒の径より大きい請求項５に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記金属電極の露出面のうち、被処理体に対して略平行な面が前記誘電体カバーにより覆われている請求項５に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記導体棒に連結され、前記誘電体板の内部に埋設された金属電極を備える請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記導体棒をガイドする第１の誘電部材を備える請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記第１の誘電部材と前記誘電体板との間に設けられ、前記導体棒をガイドする第２の誘電部材を備える請求項１０に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記第１の誘電部材および前記第２の誘電部材は、リング状に形成され、前記導体棒が貫通した状態にて前記処理容器の蓋部と前記内部導体との間に設けられている請求項１１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１３】
前記第１の誘電部材の一部は、前記処理容器の蓋部に埋め込まれ、
前記第１の誘電部材と前記処理容器の蓋部との間であって前記誘電体板に向かう面に第１のバネ部材を備える請求項１０に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１４】
前記第２の誘電部材と前記導体棒との間、および前記第２の誘電部材と前記処理容器の蓋部との間は真空シールされている請求項１１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１５】
前記処理容器の外側に、第２のバネ部材が設けられている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１６】
前記誘電体板、前記導体棒および前記金属電極は、それぞれ複数備えられ、
各金属電極と各導体棒とは、一対となって各誘電体板を保持する請求項５に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１７】
前記各誘電体板は、略矩形状である請求項１６に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１８】
前記複数の誘電体板は、それぞれ略正方形に形成され、等間隔に配列している請求項１７に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１９】
前記誘電体板は、前記誘電体板の位置によって異なる厚さを有する請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２０】
前記誘電体板の被処理体側の面には、滑らかにうねる単一又は複数の凹みまたは隆起の少なくともいずれかが設けられている請求項１９に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２１】
前記誘電体板の被処理体側の面には、単一又は複数の凹部または凸部の少なくともいずれかが設けられている請求項１９に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２２】
前記誘電体板の被処理体側の面には、概ね中央部に前記金属電極が配置され、当該金属電極の周囲に８個の前記凹部または凸部が概ね点対称な位置に設けられている請求項２１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２３】
前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる伝送線路と、
前記伝送線路を伝送した電磁波を複数の電磁波に分配させて前記複数の導体棒に伝送させる分岐部と、を備え、
各誘電体板には１または２以上の導体棒が隣接または近接している請求項１６に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２４】
前記伝送線路は、第１の同軸管を含み、
前記分岐部は、前記第１の同軸管の内部導体と導体棒とをそれぞれ連結する分岐部材である請求項２３に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２５】
前記複数の導体棒は、互いに略平行な状態にて、前記第１の同軸管の内部導体の中心軸に対して点対称な位置に配置される請求項２４に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２６】
前記処理容器の蓋部と前記各導体棒とを短絡させる短絡部を備え、
前記分岐部材と各導体棒とが連結した位置から前記短絡部までの長さは、前記各導体棒を伝送する電磁波の波長λｇに対して、概ねλｇ／４に設計される請求項２４に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２７】
前記処理容器は、金属から形成され、
前記伝搬障害部は、全ての前記誘電体板を囲むように前記処理容器の内面に設けられている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２８】
前記伝搬障害部は、前記各誘電体板をそれぞれ囲むように前記処理容器の内面に設けられている請求項１６に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項２９】
前記溝部の断面は、概ね矩形であり、
前記溝部の幅Ｗと深さＤは、０．２６＜Ｄ／Ｗ＜２．３の関係を満たす請求項３に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３０】
前記溝部の幅が、電磁波のプラズマへの進入長の２倍よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さの２倍よりもよりも大きい請求項２９に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３１】
前記溝部のコーナ部の曲率半径は、処理容器の内面とプラズマとの間を伝搬する電磁波の波長λの１／４０よりも小さい請求項３に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３２】
前記凸部の断面は、概ね矩形であり、
前記凸部の高さが、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の波長の１／２よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さよりも大きい請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３３】
前記導体棒に連結され、前記誘電体板の基板側と反対側の面に隣接または近接した金属電極を備える請求項１０に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３４】
プロセス中、前記誘電体板の側面は、プラズマに接触する請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３５】
前記電磁波源は、周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力する請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３６】
周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、
前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、
前記導体棒を伝送した電磁波を、前記導体棒に隣接または近接した誘電体板に透過させ、
前記処理容器の内面に伝搬障害部を設けた処理容器の内部に前記透過した電磁波を放出し、
前記放出された電磁波により前記処理容器に導入されたガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法。
【請求項３７】
前記誘電体板を透過した電磁波を、前記処理容器の内面にそって前記伝搬障害部までの間を伝搬させて前記伝搬障害部までの処理容器の内面と前記被処理体との間にプラズマを励起する請求項３６に記載されたプラズマ処理装置の使用方法。
【請求項３８】
周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、
前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、
前記導体棒を伝送した電磁波を、前記導体棒に隣接または近接した誘電体板に透過させ、
前記処理容器の内面に伝搬障害部を設けた処理容器の内部に前記透過した電磁波を放出し、
前記放出された電磁波により前記処理容器に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法。
【請求項３９】
前記誘電体板を透過した電磁波を、前記処理容器の内面にそって前記伝搬障害部までの間を伝搬させて前記伝搬障害部までの処理容器の内面と前記被処理体との間にプラズマを励起する請求項３８に記載されたプラズマ処理装置のクリーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関し、特に、低周波数の電磁波を用いた処理が可能なプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波を用いて生成されるプラズマのうち、マイクロ波プラズマは、誘電体板を介してマイクロ波を減圧状態の処理室内に導入することにより発生される。マイクロ波プラズマ処理装置では、プラズマの電子密度ｎｅが、次式（１）のカットオフ密度ｎｃ（より厳密には、次式（２）の表面波共鳴密度ｎｓ）よりも高い場合、マイクロ波は、プラズマ内に入り込むことができず、表面波となって誘電体板とプラズマとの間を伝搬する。伝搬中、マイクロ波の一部は、エバネッセント波としてプラズマに吸収され、プラズマの維持に使われる。このとき、マイクロ波とプラズマとの結合による電子加速は、すべてプラズマ境界の表皮層にて起きる(たとえば、非特許文献１を参照。)。【０００３】
ｎｃ＝ε０ｍｅω２／ｅ２・・・（１）
ｎｓ＝ｎｃ（１＋εｒ）・・・・（２）
ε０は真空の誘電率、ｍｅは電子の質量、ωはマイクロ波角周波数、ｅは電気素量、εｒは誘電体板の比誘電率である。【０００４】
上記プラズマ生成の原理から、マイクロ波プラズマは、容量結合型や誘導結合型のプラズマ処理装置にて生成されるプラズマと比べると、プラズマの電子密度ｎｅが高く、電子温度Ｔeが低いため、高速なプラズマ処理で高品質な製品を製造することができる。【０００５】
このような利点をもつマイクロ波プラズマ処理装置では、主に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が使われている。式（１）（２）によれば、表面波共鳴密度ｎｓは、マイクロ波の周波数の二乗に比例するから、低い周波数を選択すれば、非常に低い電子密度でも表面波が伝搬し、均一なプラズマを生成することができる。たとえば、マイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚから１ＧＨｚに下げると、２．４５ＧＨｚのときの電子密度の約１／７程度の電子密度でも、均一なプラズマを生成することができる。【０００６】
このように、マイクロ波周波数の低減は、プロセスウィンドウの拡大に極めて有効である。さらに、図１８に示したように、プラズマの電子密度ｎｅは、マイクロ波のパワー(マイクロ波の電力密度)に比例する。よって、マイクロ波の周波数を低減することにより、マイクロ波のパワーを下げることができ、この結果、プラズマの励起効率を向上させることができる。【０００７】
【非特許文献１】電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編「マイクロ波プラズマの技術」オーム社出版、平成１５年９月２５日発行、ｐ６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、低周波数の電磁波を使用すると、電磁波の波長が長くなる。このため、波長に比例してサイズが大きくなる導波管より、１ＧＨｚ以下のマイクロ波に対してはそのサイズがマイクロ波の波長に依存しない同軸管を伝送線路に使用したほうが、処理容器が大きくならず量産装置として適している。【０００９】
また、低周波数の電磁波を供給すると、処理容器内面の金属面とプラズマとの間を伝搬する表面波（以下、導体表面波という。）の減衰量が小さくなり、導体表面波は、ある程度減衰しながらも処理容器の内壁を伝搬していく。【００１０】
このため、低周波数の電磁波を使用可能な装置では、プラズマが生成される領域には表面波または導体表面波を伝搬させてこれらの表面波の持つエネルギーを積極的にプラズマの生成に利用するとともに、同エネルギーにより機器が損傷する恐れがある領域には、導体表面波の伝搬を抑制する機構が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる導体棒と、前記導体棒に隣接または近接し、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、前記処理容器の内面に設けられた伝搬障害部とを備えるプラズマ処理装置が提供される。【００１２】
これによれば、伝送線路に導体棒を用いることによって、伝送線路をコンパクトに設計することができ、処理容器を量産に適した大きさにすることができる。また、前記処理容器の内面に伝搬障害部を設けることによって、導体表面波の伝搬を抑制することができる。これにより、導体表面波が不要な部分に伝搬してプラズマが発生し、プラズマ励起効率やプラズマ処理の均一性が悪化したり、処理容器内部に設けられた機器が損傷することを防止することができる。【００１３】
前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波を抑制する機構を有していてもよい。前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の少なくとも一部を反射させる溝部を含んでいてもよい。また、前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の少なくとも一部を反射させる凸部を含んでいてもよい。【００１４】
前記誘電体板には、貫通穴が形成され、前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極をさらに備え、前記金属電極の露出面のうち一面が誘電体カバーにて覆われていてもよい。【００１５】
また、前記誘電体板には、貫通穴が形成され、前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極をさらに備え、前記金属電極の露出面は、被処理体に対して略平行な面を有しない形状であってもよい。これらによれば、金属電極近傍の電界を弱め、プラズマの均一性を高めることができる。【００１６】
前記金属電極の径は、前記導体棒の径より大きくてもよい。また、前記金属電極の露出面のうち、処理体に対して略平行な面が前記誘電体カバーにより覆われていてもよい。【００１７】
前記導体棒に連結され、前記誘電体板の内部に埋設された金属電極を備えていてもよい。これによれば、金属電極が誘電体板のプラズマ側に露出していないため、給電点近傍の金属電極にプラズマが集中することを抑止することにより、プラズマが不均一になることを回避することができる。また、金属電極がエッチングされることにより、金属汚染が生じることを防止することができる。【００１８】
前記導体棒をガイドする第１の誘電部材を備えていてもよい。また、前記第１の誘電部材と前記誘電体板との間に設けられ、前記導体棒をガイドする第２の誘電部材を備えていてもよい。前記第１の誘電部材および前記第２の誘電部材は、リング状に形成され、前記導体棒が貫通した状態にて前記処理容器と前記内部導体との間に設けられていてもよい。【００１９】
これによれば、第１の誘電部材と第２の誘電部材とにより、導体棒を２点で支えるため、導体棒の軸のぶれを抑え、誘電体板と処理容器の内壁との密着性を高めることができる。【００２０】
前記第１の誘電部材の一部は、前記処理容器の蓋部に埋め込まれ、前記第１の誘電部材と前記処理容器の蓋部との間であって前記蓋部の内側に向かう面に第１のバネ部材を備えていてもよい。前記バネ部材は、前記処理容器の蓋部の外側に設けられた第２のバネ部材を含んでいてもよい。これによれば、導体棒の外側に向かう力を加え、これにより、金属電極により保持された誘電体板を処理容器の内壁に密着させることができる。【００２１】
前記第２の誘電部材と前導体棒との間、および前記第２の誘電部材と前記処理容器の蓋部との間は真空シールされていてもよい。これにより、処理容器内の気密性を保つことができる。【００２２】
前記誘電体板、前記導体棒および前記金属電極は、それぞれ複数備えられていてもよい。各金属電極と各導体棒とは、一対となって各誘電体板を保持していてもよい。これによれば、複数の誘電体板から処理容器内に均一に電磁波を供給することにより、均一なプラズマを生成することができる。また、誘電体板が複数の誘電体板から構成されているので、パーツの交換などメンテナンスしやすく、かつ被処理体の大面積化に応じて拡張性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。【００２３】
前記各誘電体板は、略矩形状であってもよい。前記複数の誘電体板は、それぞれ略正方形に形成され、等間隔に配列していてもよい。これによれば、等間隔に配列した、対称性を有する複数の誘電体板から電磁波を均等に処理容器内に放出することにより、プラズマを均一に生成することができる。【００２４】
前記誘電体板の厚さは、その位置によって異なっていてもよい。誘電体板の下部に供給される電磁波の電界強度は、その厚さによって変わる。具体的には、誘電体板が薄い部分ほど表面の電界強度が強くなる傾向がある。プラズマ密度が高くなりやすい部分の誘電体板の厚さを厚く、逆に低くなりやすい部分の厚さを薄くすることにより、より均一なプラズマを生成することができる。【００２５】
前記誘電体板の被処理体側の面には、滑らかにうねる単一又は複数の凹みまたは隆起の少なくともいずれかが設けられていてもよい。前記誘電体板の被処理体側の面には、単一又は複数の凹部または凸部の少なくともいずれかが設けられていてもよい。前記誘電体板の被処理体側の面には、概ね中央部に前記金属電極が配置され、当該金属電極の周囲に８個の前記凹部または凸部が概ね点対称な位置に設けられていてもよい。【００２６】
前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる伝送線路と、前記伝送線路を伝送した電磁波を複数の電磁波に分配させて前記複数の導体棒に伝送させる分岐部と、を備え、各誘電体板には１または２以上の導体棒が隣接または近接していてもよい。これによれば、分岐部により分配された電磁波を、複数の同軸管を介して複数の誘電体板から処理室内に均等に供給することができる。【００２７】
前記伝送線路は、第１の同軸管を含み、前記分岐部は、前記第１の同軸管の内部導体と導体棒とをそれぞれ連結する分岐部材であってもよい。前記複数の導体棒は、互いに略平行な状態にて、前記第１の同軸管の内部導体の中心軸に対して点対称な位置に配置されていてもよい。これにより、伝送線路を通って複数の導体棒に伝送する電磁波の位相の同期をとり、その電力を均等に配分しながら電磁波を伝送させることができる。【００２８】
前記処理容器の蓋部と前記各導体棒とを短絡させる短絡部を備え、前記分岐部材と各導体棒とが連結した位置から前記短絡部までの長さは、前記各導体棒を伝送する電磁波の波長λｇに対して、概ねλｇ／４に設計されていてもよい。【００２９】
たとえば、図３の左側に示したように、位置Ｄｐに電磁波のピーク（腹）を合わせると、短絡部５２０での電磁波の電力は０（節）になる。短絡部と位置Ｄｐ間は、一端を短絡された分布定数線路とみなすことができる。このように、一端が短絡された長さがλｇ／４の分布定数線路は、もう一端から見るとインピーダンスがほぼ無限大に見えるので、電磁波の伝送にとって位置Ｄｐから短絡部までの部分は存在しないに等しいものとなり、伝送線路の設計が容易になる。【００３０】
前記処理容器は、金属から形成され、前記伝搬障害部は、全ての前記誘電体板を囲むように前記処理容器の内面に設けられていてもよい。これによれば、不要な部分に導体表面波が伝搬することを抑制することができる。【００３１】
前記伝搬障害部は、前記各誘電体板をそれぞれ囲むように前記処理容器の内面に設けられていてもよい。これによれば、各誘電体板を伝送した電磁波の干渉を抑制することができる。【００３２】
前記溝の断面が概ね矩形であり、前記溝の幅Ｗと深さＤが、０．２６＜Ｄ／Ｗ＜２．３の関係を満たしていてもよい。前記溝部の幅が、電磁波のプラズマへの進入長の２倍よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さの２倍よりもよりも大きくてもよい。【００３３】
前記溝部のコーナ部の曲率半径は、処理容器の内面とプラズマとの間を伝搬する電磁波の波長λの１／４０よりも小さくてもよい。【００３４】
前記凸部の断面は、概ね矩形であり、前記凸部の高さが、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の波長の１／２よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さよりも大きくてもよい。【００３５】
前記同軸管に連結され、前記誘電体板の基板側と反対側の面に隣接または近接した金属電極を備えるに隣接または近接した金属電極を有していてもよい。これによれば、金属電極は、誘電体板に接するか、または電磁波の電界が伝わる程度に接近した位置に設けられ、同軸管を伝送した電磁波を効率的に誘電体板に伝える。特に、機械的較差や熱膨張により発生した制御されない隙間は、装置の電気的特性を不安定にするのに対し、このように金属電極を誘電体板に近接させることにより、金属電極と誘電体板との間に制御された隙間を設けた場合には、装置の電気的特性を変えることなく電磁波を効率的に誘電体板に伝送させることができる。【００３６】
プロセス中、前記誘電体板の側面は、プラズマに接触していてもよい。これによれば、誘電体板の側面にて誘電体板が他の部材と接触する場合に、誘電体板とそれらの部材との隙間にプラズマが入り込み、異常放電が生じる現象を回避することができる。前記電磁波源は、周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力してもよい。【００３７】
また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、前記導体棒を伝送した電磁波を、前記導体棒に隣接または近接した誘電体板に透過させ、前記処理容器の内面に伝搬障害部を設けた処理容器の内部に前記透過した電磁波を放出し、前記放出された電磁波により前記処理容器に導入されたガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法が提供される。【００３８】
周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波をプラズマ処理装置に供給した場合、前記誘電体板を透過した電磁波を、前記処理容器の内面にそって前記伝搬障害部までの間を伝搬させて前記伝搬障害部までの処理容器の内面と前記被処理体との間にプラズマを励起することができる。【００３９】
また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、前記導体棒を伝送した電磁波を、前記導体棒に隣接または近接した誘電体板に透過させ、前記処理容器の内面に伝搬障害部を設けた処理容器の内部に前記透過した電磁波を放出し、前記放出された電磁波により前記処理容器に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法が提供される。【００４０】
周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波をプラズマ処理装置に供給した場合、前記誘電体板を透過した電磁波を、前記処理容器の内面にそって前記伝搬障害部までの間を伝搬させて前記伝搬障害部までの処理容器の内面と前記被処理体との間にプラズマを励起することができる。【００４１】
たとえば、１ＧＨｚ以下の電磁波を用いることにより、２．４５ＧＨｚの周波数の電磁波のある程度のパワーでは単一ガスの状態で表面波が広がらず、均一で安定したプラズマを励起できなかったＦ系単一ガスであっても均一で安定したプラズマを励起させることができる。これにより、実用的な電磁波のパワーを用いてクリーニングガスを励起させ、これにより生成されたプラズマによってプラズマ処理装置の内部をクリーニングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置のＸ−Ｚ面にて切断した縦断面図である。
【図２】同実施形態にかかるプラズマ処理装置の天井面を示した図である。
【図３】同実施形態にかかる分岐板近傍を拡大した断面図である。
【図４】同実施形態にかかるプラズマ処理装置をＹ−Ｚ面にて切断した縦断面図の上部を示す図である。
【図５】同実施形態にかかるトーナメント式の導波管を説明するための図である。
【図６】図３の断面Ｃ−Ｃを示した図である。
【図７】同実施形態にかかる金属電極近傍を拡大した断面図である。
【図８】同実施形態にかかる天井面の拡大図である。
【図９】溝を伝搬する導体表面波の説明図である。
【図１０】電子密度を変化させて溝のＤ／Ｗと透過量との関係を示したグラフである。
【図１１】溝の幅を変化させて溝のＤ／Ｗと透過量との関係を示したグラフである。
【図１２Ａ】溝の幅とシース厚さとの関係を説明するための図である。
【図１２Ｂ】溝の幅とシース厚さとの関係を説明するための図である。
【図１３Ａ】溝の幅と進入長との関係を説明するための図である。
【図１３Ｂ】溝の幅と進入長との関係を説明するための図である。
【図１４】曲率半径と透過量との関係を示したグラフである。
【図１５Ａ】金属電極の配置の他の例を示した図である。
【図１５Ｂ】金属電極の配置の他の例を示した図である。
【図１６】その他の変形例を示した図である。
【図１７】その他の変形例を示した図である。
【図１８】マイクロ波のパワーとプラズマの電子密度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１０                プラズマ処理装置
１００              処理容器
２００              容器本体
２０５，４１５ａ，４１５ｂ，５３０  Ｏリング
３００              蓋体
３００ａ            溝
３００ｄ            蓋部
３０５              誘電体板
３０５ａ            貫通穴
３０５ｂ            凹部
３１０              金属電極
３１５，６００、６２０、６７０  同軸管
３１５ａ，６００ａ、６２０ａ、６７０ａ  内部導体
３２０              誘電体カバー
４１０，５２５      リング状の誘電体
５００              固定機構
５１５              バネ部材
５２０              短絡部
６０５              変換器
６１０              分岐板
９００              マイクロ波源
９０５              分岐導波管
Ｕ                  処理室
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下に添付図面を参照しながら、まず、本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置について、本装置の縦断面を模式的に示した図１（図２の断面Ｏ−Ｏ）および処理容器の天井面を示した図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一符号を付することにより重複説明を省略する。
【００４５】
（プラズマ処理装置の構成）
プラズマ処理装置１０は、その内部にてガラス基板（以下、「基板Ｇ」という。）をプラズマ処理するための処理容器１００を有している。処理容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体３００により閉塞されている。容器本体２００と蓋体３００との接触面にはＯリング２０５が設けられていて、これにより容器本体２００と蓋体３００とが密閉され、処理室Ｕが形成される。容器本体２００および蓋体３００は、たとえば、アルミニウム等の金属からなり、電気的に接地されている。
【００４６】
処理容器１００の内部には、基板Ｇを載置するためのサセプタ１０５（ステージ）が設けられている。サセプタ１０５は、たとえば窒化アルミニウムからなり、その内部には、給電部１１０およびヒータ１１５が設けられている。
【００４７】
給電部１１０には、整合器１２０（たとえば、コンデンサ）を介して高周波電源１２５が接続される。また、給電部１１０には、コイル１３０を介して高圧直流電源１３５が接続される。整合器１２０、高周波電源１２５、コイル１３０および高圧直流電源１３５は、処理容器１００の外部に設けられている。また、高周波電源１２５および高圧直流電源１３５は接地されている。
【００４８】
給電部１１０は、高周波電源１２５から出力された高周波電力により処理容器１００の内部に所定のバイアス電圧を印加するようになっている。また、給電部１１０は、高圧直流電源１３５から出力された直流電圧により基板Ｇを静電吸着するようになっている。
【００４９】
ヒータ１１５には、処理容器１００の外部に設けられた交流電源１４０が接続されていて、交流電源１４０から出力された交流電圧により基板Ｇを所定の温度に保持するようになっている。サセプタ１０５は、支持体１４５に支持されていて、その周囲には処理室Ｕのガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板１５０が設けられている。
【００５０】
処理容器１００の底部にはガス排出管１５５が設けられていて、処理容器１００の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）を用いてガス排出管１５５から処理容器１００内のガスが排出されることにより、処理室Ｕは所望の真空度まで減圧される。
【００５１】
蓋体３００には、複数の誘電体板３０５、複数の金属電極３１０および複数の同軸管３１５の内部導体３１５ａが設けられている。図２を参照すると、誘電体板３０５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成された、１４８ｍｍ×１４８ｍｍの略正方形のプレートが分岐同軸管６７０の管内波長をλｇ（９１５ＭＨｚにおいて３２８ｍｍ）としたとき、λｇ／２の整数倍（ここでは１倍）の等間隔にて縦横に配置されている。これにより、２２４枚（＝１４×１６）の誘電体板３０５が、２２７７．４ｍｍ×２６０５ｍｍの処理容器１００の天井面に均等に配置される。
【００５２】
このように、誘電体板３０５は対称性のよい形状をしているため、１枚の誘電体板３０５の中で均一なプラズマを生じやすい。また、複数の誘電体板３０５がλｇ／２の整数倍の等間隔に配置されることにより、同軸管の内部導体３１５ａを用いてマイクロ波を導入する場合、均一なプラズマを生成することができる。
【００５３】
再び図１に戻ると、蓋体３００の金属面には、図１に示した溝３００ａが切られていて導体表面波の伝搬を抑制するようになっている。
【００５４】
誘電体板３０５を貫通した内部導体３１５ａの先端には金属電極３１０が基板Ｇ側に露出するように設けられていて、内部導体３１５ａおよび金属電極３１０によって誘電体板３０５を保持するようになっている。金属電極３１０の基板側の面には、誘電体カバー３２０が設けられ、電界の集中を防止するようになっている。
【００５５】
図２の断面Ａ−Ａ’−Ａを示した図３を参照しながらさらに説明を続ける。同軸管３１５と同軸管６００は、筒状の内部導体（軸部）３１５ａ、６００ａと外部導体３１５ｂ、６００ｂとから構成されていて、いずれも金属により形成されている。特に、本実施形態では、同軸管３１５，６００は、熱伝導率および電気伝導率が高い銅により形成されていて、マイクロ波やプラズマから金属電極３１０や同軸管３１５，６００に加えられた熱を逃がすとともに、マイクロ波を良好に伝搬させるようになっている。
【００５６】
内部導体３１５ａは、蓋部３００ｄを貫いて処理容器１００の外部に突出している。内部導体３１５ａは、連結部５１０、バネ部材５１５および短絡部５２０からなる固定機構５００により、バネ部材５１５の弾性力を用いて処理容器１００の外側に向かって吊り上げられている。なお、蓋部３００ｄは、蓋体３００の上面にて蓋体３００と外部導体３１５ｂと一体化している部分をいう。
【００５７】
図１の冷媒供給源７００は、冷媒配管７０５に接続されていて、冷媒供給源７００から供給された冷媒が冷媒配管７０５内を循環して再び冷媒供給源７００に戻ることにより、処理容器１００を所望の温度に保つようになっている。ガス供給源８００は、ガスライン８０５を介して、図３に示した内部導体３１５ａ内のガス流路から処理室内に導入される。
【００５８】
２台のマイクロ波源９００から出力された、１２０ｋＷ（＝６０ｋＷ×２（２Ｗ／ｃｍ２））のマイクロ波は、分岐導波管９０５(図５参照)、８つの同軸導波管変換器６０５、８つの同軸管６２０、図１の背面方向に平行に位置する８本の分岐同軸管６７０(図２，４参照)に７本ずつ連結された同軸管６００、分岐板６１０および同軸管３１５を伝送し、複数の誘電体板３０５を透過して処理室内に供給される。処理室Ｕに放出されたマイクロ波は、ガス供給源８００から供給された処理ガスを励起させ、これにより生成されたプラズマを用いて基板Ｇ上に所望のプラズマ処理が実行される。
【００５９】
なお、分岐導波管９０５、同軸管６００、６２０、６７０、３１５は、伝送線路の一例である。特に、同軸管６００は、第１の同軸管の一例であり、同軸管３１５の内部導体３１５ａは、導体棒の一例である。導体棒は、板状であっても、テーパー状であってもよい。また、分岐板６１０は、第１の同軸管と導体棒との間に設けられた分岐部材（分岐部）の一例である。分岐部材は、板状である必要はなく、たとえば棒状であってもよい。
【００６０】
つぎに、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０の伝送線路、金属電極による誘電体板の保持および誘電体板の吊り上げの各機構について順に詳しく説明し、その後、表面波および導体表面波の制御機構について詳しく説明する。
【００６１】
＜伝送線路＞
（分岐同軸管）
図２の断面Ｂ−Ｂ（図１と断面が９０度異なる）にて本装置を切断し、その上部のみを示した図４を参照すると、同軸管６２０と複数の同軸管６００とは、分岐同軸管６７０により連結されている。
【００６２】
分岐同軸管６７０の内部導体６７０ａには、７本の同軸管６００の内部導体６００ａが、概ねｎ×λｇ／２（ここでは、ｎ＝２）のピッチで連結されている。内部導体６００ａのピッチを分岐同軸管６７０を伝送するマイクロ波の管内波長λｇに対して、概ねλｇ／２の整数倍にすることにより、内部導体６００ａに均等に電力を配分することができる。さらに、分岐同軸管６７０のピッチは、同軸管６００のピッチと等しいλｇとなっている。これにより、同軸管６００および分岐板６１０を介して内部導体３１５ａに連結された誘電体板３０５は、処理容器１００の天井面全面に縦横にλg／２の間隔で吊り下げられる。この結果、誘電体板の縦横の寸法が等しくなり、表面波伝搬モードの対称性がよくなることから、誘電体板面内におけるプラズマの均一性を確保しやすい。
【００６３】
（分岐導波管）
マイクロ波を発生させるマグネトロンは、通常導波管と連結されること、数１０ｋＷ程度の大きな電力をマイクロ波源から直接同軸管に出力すると同軸管の内部にて放電が生じ、内部が加熱するおそれがあること、マイクロ波の波長が短くなると、大電力用の径の大きな同軸管では伝送モードや整合の点でマイクロ波の伝送に困難が生じてくることから、マイクロ波源には導波管が連結されるのが一般的である。
【００６４】
そこで、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０では、複数段の分岐線路のうち大電力のマイクロ波を伝送させるマイクロ波源に近い部分には、分岐導波管９０５を用いている。
【００６５】
図５に示したように、分岐導波管９０５は、トーナメント式に２分岐（Ｔ分岐）を１回以上繰り返し（ここでは３回）、その分岐端部にて８つの同軸導波管変換器６０５を介して同軸管６２０に連結される。分岐導波管９０５の上層９０５ａ、中層９０５ｂ、下層９０５ｃにおける導波管間の間隔は、分岐先の同軸管の管内波長をλｇとしたとき、４λｇ（＝８×λｇ／２）、２λｇ（＝４×λｇ／２）、λｇ（＝２×λｇ／２）となっていて、管内波長λｇ、整数ｍに対してすべてｍ×λｇ／２の長さに統一されている。ただし、分岐導波管９０５は、トーナメント式に分岐していなくても、分岐部分を有していればよい。
【００６６】
これにより、マイクロ波源９００から分岐端部までのマイクロ波の伝送距離は同じになる。この結果、分配されたマイクロ波の位相の同期をとりながら、マイクロ波の電力を８つの同軸管６２０に均等に分配することができる。なお、分岐導波管９０５は、平行同軸管の内部導体、垂直同軸管の内部導体または任意の導波管のいずれかに接続することができる。
【００６７】
図１に示した同軸導波管変換器６０５は、分岐導波管９０５を伝送したマイクロ波を、同軸管６２０に伝送させる。同軸管６２０は、分岐同軸管６７０を介して複数の同軸管６００と連結し、さらに分岐板６１０につながっている。
【００６８】
（分岐板）
図３の断面Ｃ−Ｃを示した図６を参照すると、分岐板６１０は、内部導体６００ａとの連結位置Ｂｐを中心として十字状に形成されている。分岐板６１０は、銅などの金属により形成される。分岐板６１０は、４つの端部（位置Ｄｐ）にてそれぞれ同軸管３１５の内部導体３１５ａに連結される。
【００６９】
また、分岐板６１０は、２以上の内部導体３１５ａを連結するように構成される必要があるが、必ずしも十字状に形成される必要はなく、たとえば、同軸管６００の中心軸に対して同一円周上に等間隔に内部導体３１５ａを配置するように形成されてもよい。また、同軸管６００の中心軸に対して点対称な位置に内部導体３１５ａを配置するように形成されてもよい。
【００７０】
（誘電体：インピーダンス整合）
図３に示した位置Ｂｐの上下には、テフロン（登録商標）にて形成された誘電体６１５が設けられている。誘電体６１５は、分岐板６１０を支えるとともにインピーダンス整合を取るために設けられている。これにより、分岐板６１０と内部導体６００ａとの連結部分にて急激にインピーダンスが変化することを防止することができる。この結果、伝送線路において反射が発生することを抑制し、効率よくマイクロ波を伝送させることができる。
【００７１】
（短絡部）
分岐板６１０と内部導体３１５ａとの接続位置Ｄｐと短絡部５２０との間隔は、マイクロ波の管内波長λｇに対して、λｇ／４になるように設計されている。図３の左側に示したように、位置Ｄｐにマイクロ波のピーク（腹）を合わせると、短絡部５２０でのマイクロ波の電力は０（節）になる。短絡部５２０と位置Ｄｐ間は、一端を短絡された分布定数線路とみなすことができる。このように、一端が短絡された長さがλｇ／４の分布定数線路は、もう一端から見るとインピーダンスがほぼ無限大に見えるので、マイクロ波の伝送にとって位置Ｄｐから短絡部５２０までの部分は存在しないに等しいものとなり、伝送線路の設計が容易になる。
【００７２】
ただし、位置Ｄｐから短絡部５２０までの長さは、λｇ／４を基準として設計されればよい。すなわち、上記長さは、λｇ／４より短くなった場合には、伝送線路にＣ成分が付加されたことと等価であり、λｇ／４より長くなった場合には、伝送線路にＬ成分が付加されたことと等価であることを考慮して、設計されていればよい。
【００７３】
以上に説明した構成により、同軸管６００に伝送されたマイクロ波は、分岐板６１０により複数のマイクロ波に分配されて複数の内部導体３１５ａに伝送され、さらに複数の誘電体板３０５にそれぞれ伝えられる。これにより、天井面に均等に配置された２２４枚の誘電体板３０５から処理容器内に均等な電力のマイクロ波が供給される。
【００７４】
＜誘電体板の吊り上げ＞
つぎに、誘電体板３０５の吊り上げについて詳しく説明する。前述したように、バネ部材５１５は、内部導体３１５ａの外周に配置されていて、その両端が処理容器１００の蓋部３００ｄと連結部５１０とに固定され、バネの弾性力により内部導体３１５ａに対して外側に向かう力を発生させている。
【００７５】
吊り上げにバネ部材５１５を用いたのは、内部導体３１５ａ、金属電極３１０および誘電体板３０５間の熱膨張係数の差により、誘電体板３０５が引っ張られて割れたり、誘電体板３０５と処理容器の内壁との間に隙間が生じて異常放電が生じることを防止するためである。
【００７６】
内部導体３１５ａの貫通部分には、短絡部５２０が設けられ、同軸管３１５の内部導体３１５ａと蓋部３００ｄとを電気的に短絡させるようになっている。短絡部５２０は、シールドスパイラルから構成され、内部導体３１５ａを上下に摺動可能に設けられている。なお、短絡部５２０に、金属コイルまたは金属ブラシを用いることもできる。
【００７７】
このように、短絡部５２０を設けたことにより、プラズマから金属電極３１０に流入した熱を内部導体３１５ａおよび短絡部を通して効率よく蓋に逃がすことができるため、内部導体３１５ａの加熱を抑制し内部導体３１５ａに隣接したＯリング４１５ａ、４１５ｂの劣化を防ぐことができる。また、短絡部５２０は、内部導体３１５ａを通してバネ部材５１５にマイクロ波が伝わることを防止するため、バネ部材５１５周辺での異常放電や電力損失が発生しない。さらに、短絡部５２０は、内部導体３１５ａの軸ぶれを防ぎ、しっかりと保持することができる。
【００７８】
蓋部３００ｄと同軸管３１５との間には、その中央にて内部導体３１５ａが貫通したリング状の誘電体４１０が設けられている。リング状の誘電体４１０の内周面および外周面には、Ｏリング４１５ａ、４１５ｂが設けられていて、これにより、処理室Ｕの内部を真空シールするようになっている。
【００７９】
＜金属電極による誘電体板の保持＞
つぎに、同軸管３１５の内部導体３１５ａに連結された金属電極３１０により誘電体板３０５を保持する機構について、図７を参照しながら詳しく説明する。金属電極３１０は、誘電体板３０５の中央に設けられた貫通穴３０５ａを介して同軸管３１５の内部導体３１５ａに連結され、誘電体板３０５の基板側の面に露出する。金属電極３１０の径は、内部導体３１５ａより大きく、金属電極３１０の基板に平行な面と誘電体板３０５の基板Ｇに平行な面とは一部隣接している。これにより、誘電体板３０５は、金属電極３１０によって保持された状態で、内部導体３１５ａを介してバネ部材５１５により吊り上げられ、処理容器１００の内壁に固定される。
【００８０】
金属電極３１０は、アルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。金属電極３１０がプラズマ側に露出していると、給電点近傍の金属電極３１０に電界が集中して、誘電体板３０５の表面よりも高い密度のプラズマが発生し、プラズマの均一性が損なわれるばかりでなく、金属電極３１０がエッチングされ、金属汚染が発生するおそれがある。特に、基板Ｇに対して略平行な面での電界強度は高くなる。そこで、金属電極３１０の露出部分のうち、基板Ｇに対して略平行な面は、誘電体カバー３２０により覆われている。誘電体カバー３２０は、多孔質セラミックから形成されている。
【００８１】
図７に示したように、同軸管３１５には、内部導体３１５ａの内部を貫通するガス導入路３１５ｃが設けられている。図１に示したガス供給源８００は、ガスライン８０５を介してガス導入路３１５ｃに連通している。ガス導入路３１５ｃを通過したガスは、ガス導入路３１５ｃに連通し、金属電極３１０の内部に設けられたガス流路３１０ａを通り、さらに、金属電極３１０の下面に設けられた複数のガス放出孔を通って金属電極３１０の下面から誘電体カバー３２０に放出される。
【００８２】
誘電体カバー３２０に流入したガスは、誘電体カバー３２０を形成する多孔質セラミックの気孔間を流れる間にその速度を弱め、ある程度減速された状態にて誘電体カバー３２０の表面全面から万遍なく処理室Ｕに導入される。これにより、処理室Ｕ内のガスの流れが規則的な層流状となり、より均一で優れたプラズマ処理が行える。
【００８３】
＜表面波の制御機構＞
以上のように構成されたプラズマ処理装置１０では、マイクロ波は、内部導体３１５ａを伝送し、誘電体板３０５を透過して処理室Ｕに供給される。図２の天井面を方向ＡＰから拡大した図８に示したように、誘電体板３０５の下面（プラズマ側の面）には、金属電極３１０を囲むようにして金属電極３１０に対して複数の凹部３０５ｂが設けられている。
【００８４】
誘電体板３０５に凹部３０５ｂを設けると、その内部の電界強度が特に強くなり、凹部３０５ｂの近傍に高密度プラズマが安定して生成されるため、プラズマの安定性とプラズマ励起効率が向上する。また、誘電体板３０５下部のマイクロ波の電界強度は、その厚さによって変わる。具体的には、誘電体板３０５が薄い部分ほど表面の電界強度が強くなる傾向がある。そこで、プラズマ密度が高くなりやすい部分の誘電体板３０５の厚さを厚く、逆に低くなりやすい部分の厚さを薄くすることにより、誘電体板３０５全面に渡ってより均一なプラズマを生成することができる。
【００８５】
本実施形態では、誘電体板３０５の基板側の面には、概ね中央部に金属電極３１０が配置され、金属電極３１０の周囲に８個の凹部３０５ｂが概ね点対称な位置に設けられている。本実施形態では、８つの凹部３０５ｂのうち、誘電体板３０５の中心から離れているためプラズマ密度が低くなりやすい角部の凹部３０５ｂの深さを深く（４ｍｍ）、それ以外の凹部３０５ｂの深さを浅く（２ｍｍ）設定することにより、凹部３０５ｂの誘電体板３０５の厚さを最適化してより均一なプラズマが生成されるようになっている。
【００８６】
なお、凹部３０５ｂの形状は、断面が矩形状の凹みに限られず、誘電体板３０５の基板側の面には、滑らかにうねる単一又は複数の凹みまたは隆起の少なくともいずれかが設けられていてもよい。誘電体板３０５の基板側の面には、単一又は複数の凹部または凸部の少なくともいずれかが設けられていてもよい。
【００８７】
＜導体表面波の制御機構＞
図７に示したように、放出されたマイクロ波は、表面波ＳＷとなって誘電体板３０５の下部とプラズマとの間を伝搬する。１ＧＨｚ以下の低周波数のマイクロ波を供給した場合、導体表面波の減衰量が小さくなるため、表面波ＳＷは、処理容器１００の内面にそって溝３００ａまでの間を伝搬して溝３００ａまでの処理容器の内面と基板Ｇとの間にプラズマを励起する。
【００８８】
そこで、図７や図８に示したように、処理容器内面の金属面には、隣接する誘電体板３０５の外周面から等間隔に溝３００ａが設けられている。溝３００ａは、処理容器の内面に沿って伝搬する導体表面波ＴＭを抑制することにより、導体表面波ＴＭが処理容器の内面に沿って基板Ｇの周囲まで伝搬し、処理の均一性が損なわれることを回避する。また、誘電体板間を導体表面波ＴＭが伝搬し、互いに干渉してプラズマの均一性や安定性が損なわれることを回避する。
【００８９】
「溝３００ａのアスペクト比Ｄ／Ｗ」
特に、低周波数のマイクロ波を用いる場合、導体表面波の減衰量は高周波のマイクロ波を用いた場合に比べて少なくなるので、伝搬抑制の効果を高めるために溝の形状の適正化を図ることは重要である。そこで、発明者らは、まず、シミュレーションの条件の適正値をつぎのような観点から設定し、その条件に基づいてシミュレーションを行った。
【００９０】
導体表面波がプラズマ中に入り込む深さは進入長δ程度であり、数ｍｍ〜十数ｍｍである。このようにプラズマの表面に近い部分の電子密度を様々な処理条件において実測すると、１×１０１１ｃｍ−３〜１×１０１２ｃｍ−３であった。そこで、電子密度ｎｅを１×１０１１ｃｍ−３〜１×１０１２ｃｍ−３の範囲に定めて検討を行った。図９に示したように、断面が略矩形状の溝３００ａを選択した。プラズマ電位は２４Ｖ、電子温度は２ｅＶに設定した。溝３００ａの幅をＷ、深さをＤとする。
【００９１】
溝のアスペクト比Ｄ／Ｗの適正値を導き出すために、電子密度ｎｅが１×１０１1ｃｍ−３、４×１０１１ｃｍ−３、１×１０１2ｃｍ−３の場合、導体表面波ＴＭが、溝３００ａにてどの程度減衰するかをシミュレーションにより求めた。このとき、溝３００ａの幅Ｗを４ｍｍに設定した。その結果を図１０に示すとともに、この結果について図１１を参照しながら以下に考察する。
【００９２】
図９に示したように、導体表面波ＴＭは、溝３００ａに到達すると、溝３００ａの底面を伝搬する導体表面波ＴＭ１１と溝３００ａをジャンプしてプラズマ中を直接伝わる透過波ＴＭ１２とに分配される。導体表面波ＴＭ１１と透過波ＴＭ１２とは、溝３００ａの端部Ｐにて再び合流する。その際、導体表面波の一部は反射し、反射波（導体表面波ＴＭ２２）となり、残りは、進行波（導体表面波ＴＭ２１）となってさらに伝搬していく。
【００９３】
このとき、導体表面波ＴＭ１１と透過波ＴＭ１２との位相が１８０度ずれていると、合流地点Ｐでこの２つの波はうち消し合って、ほぼ全反射する。このとき、進行波（導体表面波ＴＭ２１）は存在しない、すなわち、導体表面波ＴＭは溝３００ａの先に伝搬しない。
【００９４】
たとえば、図１０にて導体表面波ＴＭの透過量が−１０ｄＢの場合、導体表面波ＴＭの９０％は、溝３００ａにより反射され、反射波ＴＭ２２となって戻り、残りの１０％だけが導体表面波ＴＭ２１となって溝３００ａを超えて伝搬する。すなわち、この場合、溝３００ａが障害となって導体表面波の９０％は溝３００ａにより減衰する。
【００９５】
図１０によれば、電子密度がｎｅが高いほど、透過量が最小となるアスペクト比Ｄ／Ｗの値が大きいほうにずれることが分かる。また、電子密度ｎｅが１×１０１1ｃｍ−３、４×１０１１ｃｍ−３、１×１０１2ｃｍ−３のすべての場合について、アスペクト比Ｄ／Ｗが０．２６以上であれば導体表面波ＴＭの９０％以上を溝３００ａにて反射させることができることがわかる。導体表面波ＴＭの９０％が溝３００ａにて反射されれば、その溝３００ａは導体表面波ＴＭの伝搬抑制機能を充分に果たしているといえる。よって、発明者らは、すべての電子密度において導体表面波ＴＭの９０％が反射される０．２６をアスペクト比Ｄ／Ｗの下限値と定めた。
【００９６】
つぎに、溝３００ａの幅Ｗを４ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍとした場合のアスペクト比Ｄ／Ｗに対する導体表面波ＴＭの透過量を求めた結果を図１１に示す。ここでは、電子密度ｎｅを１×１０１２ｃｍ−３に設定した。前述したように、電子密度ｎｅが高いほど、透過量が最小となるアスペクト比Ｄ／Ｗの値が大きいほうにずれる。よって、シミュレーション時、導体表面波ＴＭの電子密度ｎｅを最も高く設定することによりアスペクト比Ｄ／Ｗの上限値を求めることができる。
【００９７】
溝の幅Ｗを変えたとき、透過量が最小となるアスペクト比Ｄ／Ｗの値は、Ｗ＝６ｍｍで最大値をとる。このとき、導体表面波ＴＭの９０％が溝３００ａにて反射されるアスペクト比Ｄ／Ｗは２．３となることがわかる。このようにして、発明者らは、導体表面波ＴＭの伝搬を抑制するためは、溝３００ａのアスペクト比Ｄ／Ｗを、０．２６≦Ｄ／Ｗ≦２．３を満たすように定める必要があると結論付けた。
【００９８】
＜溝の幅Ｗ＞
つぎに、発明者らは、溝３００ａの幅Ｗとシース厚さｄSとの関係および溝３００ａの幅Ｗと進入長δとの関係に着目して溝３００ａの幅Ｗの適正値についてつぎのように考察した。図１２Ａに示したように、溝３００ａの幅Ｗがシース厚さｄSの２倍以下である場合（２ｄS≧Ｗ）、溝３００ａの内部空間はすべてシース領域となる。この結果、溝３００ａがある部分とない部分とのシース厚さｄSに段差が生じず、溝３００ａを設けても、導体表面波ＴＭにとっては、溝３００ａはないものと同じになる。よって、２ｄS≧Ｗでは、溝３００ａは伝搬抑制の機能を果たさない。
【００９９】
一方、図１２Ｂに示したように、溝３００ａの幅Ｗがシース厚さｄSの２倍より大きい場合（２ｄS＜Ｗ）、溝３００ａの底面に沿って生じるシース領域は、０．１ｍｍ程度の幅しかないので、溝３００ａを設けたことによりシース領域に段差が生じる。この結果、溝３００ａの底面近傍に沿って伝搬する導体表面波ＴＭ１１と、溝を飛び越えて伝搬する導体表面波ＴＭ１２とにより溝３００ａの端部Ｐにて反射が起こり、導体表面波ＴＭの一部は反射波（導体表面波ＴＭ２２）となって、残りの導体表面波ＴＭ２１だけが溝３００ａを超えて伝搬する。以上の考察から、発明者らは、溝３００ａが、導体表面波ＴＭの伝搬抑制機能を有するためには、溝３００ａの幅Ｗは、シース厚さｄSの２倍より大きい（２ｄS＜Ｗ）必要があることを見いだした。
【０１００】
つぎに、発明者らは、溝３００ａの幅Ｗを適正化する他の方法として、溝３００ａの幅Ｗと進入長λとの関係に着目した。前述したように、進入長δは、マイクロ波がどれだけプラズマＰに入射可能であるかを示す。
【０１０１】
導体表面波ＴＭは、プラズマＰの境界面から進入長δより深く、プラズマ内部へ入射することはできない。したがって、溝３００ａの幅Ｗが、進入長δの２倍以上の場合（２δ≦Ｗ）、図１３Ａに示したように、透過波ＴＭ１２は、進入長δより深くプラズマ内部に入り込めず、溝３００ａを飛び越えて伝搬することができない。このため、進入長δの２倍以上の幅Ｗの溝３００ａを設けても、溝３００ａの端部Ｐにて導体表面波ＴＭの伝搬の抑制に有効な反射は起こらず、導体表面波ＴＭは溝３００ａを超えてその先に伝搬する。
【０１０２】
一方、図１３Ｂに示したように、溝３００ａの幅Ｗが、進入長δの２倍より小さい場合（２δ＞Ｗ）、透過波ＴＭ１２が伝搬できない領域は生じない。この結果、溝３００ａの底面に沿って伝搬する導体表面波ＴＭ１１と、溝３００ａを飛び越えて伝搬する導体表面波ＴＭ１２とにより溝３００ａの端部Ｐにて反射が起こり、導体表面波ＴＭの一部は反射波（導体表面波ＴＭ２２）となって、残りの導体表面波ＴＭ２１だけが溝３００ａを超えて伝搬する。以上の考察から、発明者らは、溝３００ａが、導体表面波ＴＭの伝搬を抑制する機能を有するためには、溝３００ａの幅Ｗは、進入長δの２倍より小さい場合（２δ＞Ｗ）必要があることを解明した。
【０１０３】
再び図１１を参照する。このときの電子密度ｎｅは１×１０１２ｃｍ−３であり、進入長δは５．３ｍｍである。溝３００ａの幅Ｗが４ｍｍおよび６ｍｍの場合には、溝３００ａの幅Ｗが進入長δの２倍より小さいため、アスペクト比Ｄ／Ｗを最適化すると透過量を−４０ｄＢ以下と非常に小さく抑えることが可能である。一方、Ｗ＝１２ｍｍの場合には、進入長δの２倍より大きいため、アスペクト比Ｄ／Ｗを最適化しても透過量を−１０ｄＢ以下にすることができないことがわかる。
【０１０４】
「曲率半径」
溝のコーナ部（図９のコーナＣａ、Ｃｂ）やエッジ部では、インピーダンスが不連続になるため伝搬する導体表面波の一部が反射する。コーナ部やエッジ部の角が丸くなるとインピーダンスの不連続性が緩和されるため、透過量が増加する。特に、コーナ部やエッジ部の曲率半径Ｒが導体表面波の波長に対して無視できない程度に大きくなると、透過量が大きく増加する。
【０１０５】
導体表面波が一箇所の曲率半径Ｒのコーナ部を通過するときの透過量をシミュレーションにより計算した結果を図１４に示す。電子密度ｎｅは１×１０１２ｃｍ−３、プラズマ電位は２４Ｖに設定した。このときのシース厚ｄSは０．０７ｍｍ、導体表面波の波長λは３０．４ｍｍ、進入長δは５．３ｍｍである。
【０１０６】
導体表面波の透過量は、曲率半径が０ｍｍ、すなわちコーナ部が直角の場合に最も小さく、曲率半径Ｒの増加とともに大きくなることが分かる。コーナ部が直角の場合の透過量に対して１０％透過量が増加するまでであれば、溝３００ａは、伝搬抑制機能を有しているとすれば、コーナ部の曲率半径が０．７７ｍｍまでが許容範囲となる。０．７７ｍｍは、導体表面波ＴＭの波長３０．４ｍｍの約１／４０（＝０．７７／３０．４）である。以上のシミュレーション結果および考察から、溝３００ａのコーナ部の曲率半径Ｒが、導体表面波ＴＭの波長λの１／４０よりも小さい必要があると結論付けた。
【０１０７】
「溝の位置」
上述したように、表面波および導体表面波を用いて、溝３００ａで囲まれた処理容器の内面の下面全体でプラズマＰを生成させることができるので、溝３００ａの位置によって、処理容器１００内で生成されるプラズマＰの領域を制御することが可能である。
【０１０８】
通常、プラズマ処理装置１０の処理容器１００内では、基板Ｇの上方において、基板サイズを超えた外側の範囲まで、プラズマＰを生成させ、基板Ｇの上面（処理面）全体に均一なプラズマ処理を行うようにしている。したがって、蓋体３００の下面において、基板サイズを超えた外側の位置に溝３００ａを配置し、基板Ｇの上方において、基板サイズを超えた外側の範囲まで導体表面波を伝搬させるほうが望ましい。
【０１０９】
なお、溝３００ａは、導体表面波の伝搬を抑止するために、処理容器の内面に設けられた伝搬障害部の一例であり、他の例としては、凸部が挙げられる。
【０１１０】
以上に説明した本実施形態にかかるプラズマ処理装置によれば、マイクロ波の伝送に同軸管を使用することにより、低周波数のマイクロ波の供給を可能としながらも、低周波数のマイクロ波を供給する際の伝送線路の大型化を解消して、シンプルかつコンパクトな伝送線路を設計することができ、メンテナンスを容易にすることができる。また、プラズマ近傍をシンプルかつコンパクトに設計することができる。さらに、複数の誘電体板にそれぞれマイクロ波を供給することができるため、被処理体の大面積化に応じて拡張性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。
【０１１１】
また、誘電体板３０５を保持した金属電極３１０に連結された同軸管３１５を各種バネ部材の反発力により処理容器１００の外側へ吊り上げることにより、処理容器１００の内壁と誘電体板３０５との間を常に適度な力で密着させることができる。これにより、部材間の隙間にプラズマが入り込み、その隙間にて異常放電が生じることを回避することができる。
【０１１２】
また、プラズマの生成領域に表面波または導体表面波を伝搬させ、それ以外の領域へこれらの表面波が伝搬することを抑制することにより均一なプラズマを生成することができる。
【０１１３】
上記実施形態において、各部の動作はお互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作として置き換えることができる。そして、このように置き換えることにより、プラズマ処理装置の発明の実施形態を、プラズマ処理装置の使用方法やプラズマ処理装置のクリーニング方法の実施形態とすることができる。
【０１１４】
（周波数の限定）
上記各実施形態にかかるプラズマ処理装置１０を用いて、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波をマイクロ波源９００から出力することにより、良好なプラズマ処理を実現できる。その理由を以下に説明する。
【０１１５】
化学反応により基板表面に薄膜を堆積させるプラズマＣＶＤプロセスでは、基板表面だけでなく、処理容器内面にも膜が付着する。処理容器内面に付着した膜が剥がれ落ちて基板に付着すると、歩留まりを悪化させる。さらに、処理容器内面に付着した膜から発生した不純物ガスが薄膜に取り込まれ、膜質を悪化させることがある。よって、高品質プロセスを行うためには、チャンバ内面を定期的にクリーニングしなければならない。
【０１１６】
シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のクリーニングには、Ｆラジカルが良く用いられる。Ｆラジカルは、これらの膜を高速にエッチングする。Ｆラジカルは、ＮＦ３やＳＦ６等のＦを含むガスでプラズマを励起し、ガス分子を分解することにより生成される。ＦとＯとを含む混合ガスでプラズマを励起すると、ＦやＯがプラズマ中の電子と再結合するため、プラズマ中の電子密度が低下する。特に、すべての物質の中で電気陰性度がもっとも大きなＦを含むガスでプラズマを励起すると、電子密度が著しく低下する。
【０１１７】
これを証明するために、発明者は、マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚ、マイクロ波電力密度１．６Ｗ／ｃｍ−２、圧力１３．３Ｐａの条件でプラズマを生成して電子密度を計測した。その結果、電子密度は、Ａｒガスの場合には２．３×１０１２ｃｍ−３であったのに対し、ＮＦ３ガスの場合にはそれより一桁以上小さい６．３×１０１０ｃｍ−３であった。
【０１１８】
図１８に示したように、マイクロ波の電力密度を増加させると、プラズマ中の電子密度が増加する。具体的には、電力密度を１．６Ｗ／ｃｍ２から２．４Ｗ／ｃｍ２にすると、プラズマ中の電子密度は６．３×１０１０ｃｍ−３から１．４×１０１１ｃｍ−３まで増加する。
【０１１９】
一方、２．５Ｗ／ｃｍ２以上のマイクロ波を印加すると、誘電体板が加熱して割れたり各部で異常放電する危険性が高まるし、不経済であるため、ＮＦ３ガスでは実用上１．４×１０１１ｃｍ−３以上の電子密度にすることは困難である。すなわち、電子密度が極めて低いＮＦ３ガスでも均一で安定なプラズマを生成するためには、表面波共鳴密度ｎｓが、１．４×１０１１ｃｍ−３以下でなければならない。
【０１２０】
表面波共鳴密度ｎｓは、誘電体板とプラズマとの間を表面波が伝搬可能な最低の電子密度を表し、電子密度が表面波共鳴密度ｎｓよりも小さいと、表面波が伝搬しないため極めて不均一なプラズマしか励起することができない。表面波共鳴密度ｎｓは、式（１）のカットオフ密度ｎｃと式（２）にて示される比例関係がある。
ｎｃ＝ε０ｍｅω２／ｅ２・・・（１）
ｎｓ＝ｎｃ（１＋εｒ）・・・・（２）
ここで、ε０は真空の誘電率、ｍｅは電子の質量、ωはマイクロ波角周波数、ｅは電気素量、εｒは誘電体板の比誘電率である。
【０１２１】
上記式（１）（２）より、表面波共鳴密度ｎｓは、マイクロ波周波数の二乗に比例することが分かる。よって、低い周波数を選択した方が、より低い電子密度でも表面波が伝搬し均一なプラズマが得られる。たとえば、マイクロ波周波数を１／２にすると、１／４の電子密度でも均一なプラズマが得られることになり、マイクロ波周波数の低減はプロセスウィンドウの拡大に極めて有効である。
【０１２２】
表面波共鳴密度ｎｓが、ＮＦ３ガスを用いた場合の実用的な電子密度である１．４×１０１１ｃｍ−３と等しくなる周波数は１ＧＨｚである。すなわち、マイクロ波の周波数として１ＧＨｚ以下を選択すると、どんなガスを用いても実用的な電力密度で均一なプラズマを励起することができる。
【０１２３】
たとえば、各実施形態にかかるプラズマ処理装置１０のマイクロ波源９００から周波数が３００ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下のマイクロ波を出力することにより、マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波を導体棒に伝送させ、導体棒を伝送したマイクロ波を導体棒に隣接または近接した誘電体板（たとえば、誘電体板３０５）に透過させ、前記処理容器の内面に伝搬障害部（たとえば、凹部３０５ｂ、溝３００ａ）を設けた処理容器の内部に前記透過したマイクロ波を放出し、放出されたマイクロ波により処理容器に導入された処理ガスを励起させて被処理体（たとえば、基板Ｇ）に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法とすることができる。
【０１２４】
また、たとえば、各実施形態にかかるプラズマ処理装置１０のマイクロ波源９００から周波数が３００ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下のマイクロ波を出力することにより、マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波を導体棒に伝送させ、導体棒を伝送したマイクロ波を導体棒に隣接または近接した誘電体板（たとえば、誘電体板３０５）に透過させ、前記処理容器の内面に伝搬障害部（たとえば、凹部３０５ｂ、溝３００ａ）を設けた処理容器の内部に前記透過したマイクロ波を放出し、放出されたマイクロ波により処理容器に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法とすることができる。
【０１２５】
ただし、上記実施形態では、９１５ＭＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源９００を挙げたが、８９６ＭＨｚ、９２２ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源であってもよい。なお、マイクロ波源は、プラズマを励起するための電磁波を発生する電磁波源に相当する。
【０１２６】
なお、電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編「マイクロ波プラズマの技術」オーム社出版、平成１５年９月２５日発行の序文には、本書では「「マイクロ波帯」は、ＵＨＦ帯の３００ＭＨｚ以上の周波数領域を指している」とあることから、本明細書中においてもマイクロ波の周波数は３００ＭＨｚ以上とする。
【０１２７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１２８】
本発明にかかるプラズマ処理装置では、金属電極３１０は、図１５Ａに示したように、誘電体板３０５に隣接または近接（図示せず）していてもよい。これによれば、金属電極３１０が誘電体板３０５のプラズマ側に露出していないため、給電点近傍の金属電極３１０に電界が集中して、誘電体板３０５の表面よりも高い密度のプラズマが発生し、プラズマの均一性が損なわれることや、金属電極３１０がエッチングされ、金属汚染が発生するおそれを回避することができる。
【０１２９】
図１５Ｂに示したように、金属電極３１０は、誘電体板３０５の内部に埋設されていてもよい。さらに、図１６に示したように、金属電極３１０はなく、内部導体３１５ａが、誘電体板３０５の上面（基板側と反対側の面）に隣接または近接（図示せず）していてもよい。機械的較差や熱膨張により発生した制御されない隙間は、装置の電気的特性を不安定にするのに対し、導体棒を誘電体板に近接させることにより、内部導体３１５ａと誘電体板３０５との間に制御された隙間を設けた場合には、装置の電気的特性を不安定にすることなくマイクロ波を効率的に誘電体板３０５に伝送させることができる。
【０１３０】
本発明にかかるプラズマ処理装置に設けられた誘電体板は、角形の複数の誘電体板３０５を有するプラズマ処理装置であってもよく、図１７に示したように、大面積の１枚の円形の誘電体板３０５を有するプラズマ処理装置であってもよい。
【０１３１】
図１７のプラズマ処理装置では、内部導体３１５ａを貫通したリング状の誘電体５２５が、蓋体３００と内部導体３１５ａとの間の空間を塞ぐように設けられている。リング状の誘電体５２５の一部は、処理容器の蓋部３００ｄに埋め込まれている。リング状の誘電体５２５の外周側下部（誘電体側に向かう面）には、誘電体板３０５を吊り上げるために、バネ部材５１５に加えてＯリング５３０が設けられている。これによれば、内部導体３１５ａを複数点で支えるため、内部導体３１５ａの軸のぶれを抑え、誘電体板３０５と処理容器の内壁との密着性を高めることができる。
【０１３２】
なお、Ｏリング５３０は第１のバネ部材、バネ部材５１５は第２のバネ部材の一例である。リング状の誘電体５２５は内部導体３１５ａをガイドする第１の誘電部材の一例であり、リング状の誘電体４１０は内部導体３１５ａをガイドする第２の誘電部材の一例である。
【０１３３】
本発明にかかるプラズマ処理装置によれば、プロセス中、誘電体板の側面は、プラズマに接触し、誘電体板の周囲にて隙間が生じることはない。これによれば、誘電体板近傍のプラズマが処理容器の内壁と誘電体板との隙間に入り込むことにより生じていた異常放電の発生を抑止することができ、これにより、プラズマを均一かつ安定的に生成することができる。
【０１３４】
本発明にかかるプラズマ処理装置は、大面積のガラス基板、円形のシリコンウエハや角型のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を処理することもできる。
【０１３５】
また、本発明にかかるプラズマ処理装置では、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理などのあらゆるプラズマ処理を実行することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008153052.tif 000013
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2008153052.tif 000015
【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
2008153052.tif 000019
【図１５Ｂ】
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【図１６】
2008153052.tif 000021
【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
2008153052.tif 000024
2008153052.tif 000025
2008153052.tif 000026
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