(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を収容する処理容器と、
対向する第１および第２の導体板から形成されるラジアル導波路と、
前記第１の導体板の中心部に接続され、共振器を構成するとともに給電される高周波電磁界を回転電磁界に変換して前記ラジアル導波路に供給するキャビティと、
前記ラジアル導波路の内部における前記キャビティの開口部の周囲に設けられ、前記キャビティの内径と同じ内径を有するリング部材と、
前記第２の導体板に形成され、前記ラジアル導波路を伝搬する前記高周波電磁界を前記処理容器に供給するスロットと
を備えることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたプラズマ装置において、
前記キャビティは、
前記高周波電磁界を給電する同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、
一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成されるとともに、
前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けられ前記同軸導波管の内部導体と一端が接続された給電ピンと、
この給電ピンと前記円形導体部材の中心を挟んで所定の角度をなす位置に設けられ一端が前記円形導体部材と接続された摂動ピンと
を備えることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項３】
請求項２に記載されたプラズマ装置において、
前記給電ピンの他端は、開放状態になっていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項４】
請求項２に記載されたプラズマ装置において、
前記給電ピンの他端は、前記第２の導体板に接続されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項５】
請求項４に記載されたプラズマ装置において、
前記給電ピンの他端には、前記第２の導体板の側に広がる円錐台状の導電部材が設けられていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載されたプラズマ装置において、
前記摂動ピンの他端は、前記第２の導体板に接続されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項７】
請求項４または５に記載されたプラズマ装置において、
前記摂動ピンの他端は、前記円筒導体部材に接続されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項８】
請求項２に記載されたプラズマ装置において、
前記給電ピンの他端は、前記円筒導体部材に接続されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項９】
請求項８に記載されたプラズマ装置において、
前記摂動ピンの他端は、前記第２の導体板または前記円筒導体部材に接続されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１０】
請求項１に記載されたプラズマ装置において、
前記キャビティは、
前記高周波電磁界を給電する同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、
一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材と、
この円筒導体部材の側壁内部に対向配置された導電部材とから形成されるとともに、
前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けられ前記同軸導波管の内部導体と一端が接続された給電ピンを備える
ことを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載されたプラズマ装置において、
前記導電部材は、前記円筒導体部材の軸方向の長さが前記高周波電磁界の波長の略１／４であることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載されたプラズマ装置において、
前記導電部材は、前記ラジアル導波路の側の端部が、スロープ状に成形されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載されたプラズマ装置において、
前記導電部材の前記端部を除く本体は、前記円筒導体部材の軸方向の長さが前記高周波電磁界の波長の略１／４であることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１４】
請求項１０〜１３いずれか１項に記載されたプラズマ装置において、
前記給電ピンの他端は、前記第２の導体板に接続されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１５】
請求項１０に記載されたプラズマ装置において、
前記給電ピンの他端は、前記円形導体部材から前記円筒導体部材の軸方向に前記高周波電磁界の波長の略１／４離れた位置で前記導体部材に接続されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１６】
請求項１に記載されたプラズマ装置において、
前記キャビティは、
前記高周波電磁界を給電する同軸導波管の外部導体と接続された楕円形導体部材と、
一端がこの楕円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口し、断面が楕円形状の筒状導体部材とから形成されるとともに、
前記楕円形導体部材の中心からその径方向に離間しかつその長径および短径と所定の角度をなす位置に設けられ前記同軸導波管の内部導体と接続された給電ピンと
を備えることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１７】
請求項１に記載されたプラズマ装置において、
前記キャビティは、
前記高周波電磁界を給電する第１、第２の同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、
一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成されるとともに、
前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けられ前記第１の同軸導波管の内部導体と接続された第１の給電ピンと、
この第１の給電ピンと前記円形導体部材の中心を挟んで所定の角度をなす位置に設けられ前記第２の同軸導波管の内部導体と接続された第２の給電ピンと
を備えることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１８】
請求項１に記載されたプラズマ装置において、
前記キャビティは、
前記高周波電磁界を給電する少なくとも１本の同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、
一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成されるとともに、
前記少なくとも１本の同軸導波管より給電された前記高周波電磁界を前記回転電磁界として前記キャビティ内に放射するパッチアンテナを備え、
このパッチアンテナは、
前記円形導体部材と、
この円形導体部材と所定の間隔をもって対向配置され前記少なくとも１本の同軸導波管の内部導体と接続された導体板と
を含むことを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１９】
請求項１に記載されたプラズマ装置において、
前記キャビティは、
前記高周波電磁界を給電する矩形導波管の一側面または終端面と、
一端がこの矩形導波管の一側面または終端面と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成され、
前記矩形導波管の一側面または終端面には、前記高周波電磁界を前記回転電磁界として前記キャビティ内に放射する複数のスロットが形成されていることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載されたプラズマ装置において、
前記複数のスロットは、互いの中点で交差する２本のスロットであることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載されたプラズマ装置において、
前記複数のスロットは、互いに離間して配置された互いに略垂直な方向にのびる２本のスロットであることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項２２】
共振器を構成するキャビティに高周波電磁界を給電し、この高周波電磁界を回転電磁界に変換するとともに、前記キャビティ内で共振させながら回転電磁界に変換された高周波電磁界をラジアル導波路に供給し、
前記ラジアル導波路を伝搬する前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に形成されたスロットを介して処理容器内に供給し、
前記処理容器内に供給された前記高周波電磁界によってプラズマを生成するプラズマ生成方法であって、
前記ラジアル導波路の内部における前記キャビティの開口部の周囲に設けられたリング部材によって、前記キャビティ内で共振する前記高周波電磁界のうち前記ラジアル導波路に供給される前記高周波電磁界の割合を調整することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載されたプラズマ生成方法において、
同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから前記キャビティを形成し、
このキャビティ内に前記同軸導波管の内部導体と接続された給電ピンを前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けるとともに、
この給電ピンと前記円形導体部材の中心を挟んで所定の角度をなす位置に前記円形導体部材と接続された摂動ピンを設け、
前記同軸導波管を介して前記キャビティに前記高周波電磁界を給電し、
この高周波電磁界を前記給電ピンと前記摂動ピンとによって回転電磁界に変換すると同時に、前記キャビティにおいて共振させながら回転電磁界に変換された前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に供給することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載されたプラズマ生成方法において、
同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材と、この円筒導体部材の側壁内部に対向配置された導電部材とから、この円筒導体部材の軸に垂直な断面が互いに対向する１対の切り欠き部を有する前記キャビティを形成し、
このキャビティ内に前記同軸導波管の内部導体と接続された給電ピンを前記円形導体部材の中心からその径方向に離間し、かつ前記キャビティの断面の前記切り欠き部の中心線から離間した位置に設け、
前記同軸導波管を介して前記キャビティに前記高周波電磁界を給電し、
この高周波電磁界を前記給電ピンと前記切り欠き部を有する前記キャビティによって回転電磁界に変換すると同時に、前記キャビティにおいて共振させながら回転電磁界に変換された前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に供給することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２５】
請求項２２に記載されたプラズマ生成方法において、
同軸導波管の外部導体と接続された楕円形導体部材と、一端がこの楕円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口し、断面が楕円形状の筒状導体部材とから前記キャビティを形成し、
このキャビティ内に前記同軸導波管の内部導体と接続された給電ピンを前記楕円形導体部材の中心から離間しかつその長径および短径と所定の角度をなす位置に設け、
前記同軸導波管を介して前記キャビティに前記高周波電磁界を給電し、
この高周波電磁界を前記給電ピンと前記楕円形状の断面を有するキャビティとによって回転電磁界に変換すると同時に、前記キャビティにおいて共振させながら回転電磁界に変換された前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に供給することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２６】
請求項２２に記載されたプラズマ生成方法において、
第１、第２の同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから前記キャビティを形成し、
このキャビティ内に前記第１の同軸導波管の内部導体と接続された第１の給電ピンを前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けるとともに、前記第２の同軸導波管の内部導体と接続された第２の給電ピンを前記第１の給電ピンと前記円形導体部材の中心を挟んで所定の角度をなす位置に設け、
前記第１、第２の同軸導波管を介して前記キャビティに互いに位相が９０°異なる高周波電磁界を給電し、
これらの同軸導波管から給電される前記高周波電磁界を回転電磁界に変換すると同時に、前記キャビティにおいて共振させながら回転電磁界に変換された前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に供給することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２７】
請求項２２に記載されたプラズマ生成方法において、
少なくとも１本の同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから前記キャビティを形成し、
このキャビティ内に前記少なくとも１本の同軸導波管の内部導体と接続された導体板を前記円形導体部材と所定の間隔をもって対向配置し、前記導体板と前記円形導体部材とを含むパッチアンテナを構成し、
前記少なくとも１本の同軸導波管を介して前記パッチアンテナに前記高周波電磁界を給電して、前記キャビティに回転電磁界を生成し、
前記キャビティにおいて共振させながら回転電磁界に変換された前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に供給することを特徴とするプラズマ生成方法。
【請求項２８】
請求項２２に記載されたプラズマ生成方法において、
前記高周波電磁界を給電する矩形導波管の一側面または終端面と、一端がこの矩形導波管の一側面または終端面と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから前記キャビティを形成し、
前記矩形導波管より給電された前記高周波電磁界を前記一側面または終端面に形成された複数のスロットより前記キャビティに放射することにより回転電磁界を生成し、
前記キャビティにおいて共振させながら回転電磁界に変換された前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に供給することを特徴とするプラズマ生成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットアンテナを用いて処理容器内に供給した電磁界によりプラズマを生成するプラズマ装置およびプラズマ生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ装置が多用されている。これらのプラズマ装置の中に、スロットアンテナを用いて処理容器内に高周波電磁界を供給し、その電磁界により高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ装置がある。この高周波プラズマ装置は、プラズマガスの圧力が比較的低くても安定してプラズマを生成することができるという特色がある。
このようなプラズマ装置を用いて各種処理を行う際には、半導体基板等の処理面上におけるプラズマの二次元的な分布（以下「面内分布」という）を均一にする必要がある。
【０００３】
スロットアンテナを用いて均一な面内分布を有するプラズマを生成する方法として、高周波電源から給電される高周波電磁界を回転電磁界に変換し、円偏波になされた回転高周波電磁界をスロットアンテナに供給することが考えられている。
図２１は、従来の高周波プラズマ装置の一構成例を示す図である。この図２１においては、従来の高周波プラズマ装置の一部構成について縦断面構造が示されている。
【０００４】
従来のプラズマ装置は、上部が開口した有底円筒形の処理容器１１１と、この処理容器１１１の上部開口を塞ぐ誘電体板１１３と、この誘電体板１１３の上に配置され、処理容器１１１内に高周波電磁界を放射するラジアルアンテナ１３０とを備えている。
この処理容器１１１の底部には基板台１２２が固定され、この基板台１２２の載置面に被処理体である基板１２１が配置される。また、処理容器１１１の底部には、真空排気用の排気口１１６が設けられ、処理容器１１１の側壁には、プラズマガスおよびプロセスガス供給用のノズル１１７が設けられている。
誘電体板１１３は、石英ガラス等からなり、処理容器１１１との間にＯリングなどのシール部材（図示せず）を介在させることにより、処理容器１１１内のプラズマが外部に漏れないようにしている。
【０００５】
また、ラジアルアンテナ１３０は、スロットアンテナの一種であり、ラジアル導波路１３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板１３１，１３２と、これらの導体板１３１，１３２の外周部を接続する導体リング１３４とから構成されている。ラジアル導波路１３３の上面となる導体板１３２の中心部には、高周波電磁界をラジアルアンテナ１３０内に導入する導入口１３５が形成されている。ラジアル導波路１３３の下面となる導体板１３１には、ラジアル導波路１３３内を伝搬する電磁界Ｆを誘電体板１１３を介して処理容器１１１内に放射するスロット１３６が周方向に複数形成されて、ラジアルアンテナ１３０のアンテナ面を形成している。さらに、ラジアルアンテナ１３０および誘電体板１１３の外周は環状のシールド材１１２によって覆われ、電磁界が外部に漏れない構造になっている。
【０００６】
従来のプラズマ装置においては、次のような構成をとることによって、ラジアルアンテナ１３０に回転電磁界を供給していた。
すなわち、従来のプラズマ装置は、回転電磁界を供給するために、高周波電磁界を発生する高周波発生器１４５と、高周波発生器１４５から出力される高周波電磁界を導く矩形導波管１４３と、矩形導波管と円筒導波管とを接続するための矩形・円筒変換器１４７と、直線偏波の高周波電磁界を回転電磁界に変換する円偏波変換器１４６とを備えていた。
【０００７】
ここで円偏波変換器１４６としては、例えば、図２２（ｃ）に示すように円筒導波管の内壁に対向する導体製の円柱状突起１４６Ａを軸方向に１組または複数組設けたものが用いられる。これら円柱状突起１４６Ａは、矩形・円筒変換器１４７より入力されるＴＥ１１モードの電磁界の電界の主方向に対して４５°をなす方向に配置され、複数組の場合には軸方向にλ／４（λは伝搬する電磁波の管内波長）の間隔で設けられて、このＴＥ１１モードの高周波電磁界をその電界の主方向が円筒導波管の軸線を中心に回転する回転電磁界に変換する。
【０００８】
このような構成を有する従来のプラズマ装置において回転電磁界が供給される仕組みを図２２を参照して説明すると次のようになる。なお、図２２は、矩形導波管１４３、矩形・円筒変換器１４７、円偏波変換器１４６の内部を伝搬する電磁界の様子を模式的に表す図である。ここで図２２（ａ）は、図２１に示した矩形導波管１４３を伝搬する電磁界のＡ−Ａ’における電界の様子、図２２（ｂ）、（ｅ）、（ｆ）は、矩形・円筒変換器１４７の出口Ｂ−Ｂ’における電界の様子、図２２（ｃ）、（ｄ）、（ｇ）は、円偏波変換器１４６を伝搬する電磁界の電界と回転の方向を示す。
【０００９】
高周波発生器１４５よりＴＥ１０モードで矩形導波管１４３を伝搬した高周波電磁界（図２２（ａ））は、矩形・円筒変換器１４７によってＴＥ１１モードに変換され（図２２（ｂ））円偏波変換器の１４６の円筒導波管に導入される。そして円偏波変換器１４６を伝搬しながら回転電磁界に変換され（図２２（ｃ））、導体板１３２の中心部に形成された導入口１３５よりラジアルアンテナ１３０内に供給される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ラジアルアンテナ１３０に供給された回転電磁界の一部はラジアル導波路１３３の端部に位置する導体リング１３４によって反射され、その反射された回転電磁界が同じ向きに回転しながら円偏波変換器１４６内を逆向きに伝搬する（図２２（ｄ））。そして、この反射電磁界は矩形・円筒変換器１４７において固定端の反射を行い（図２２（ｅ）、（ｆ））、今度は逆方向に回転する回転電磁界となって円偏波変換器１４６内を伝搬し（図２２（ｇ））、ラジアルアンテナ１３０に供給されることとなる。
【００１１】
その結果、ラジアルアンテナ１３０には位相および回転の向きが互いに異なる回転電磁界が混在した状態で供給されることとなり、そのときの高周波電磁界の偏波は、図２３に示すような楕円となる。すると、処理容器内で生成されるプラズマの面内分布の均一性が低下して、特に周縁部でのプラズマ処理にむらが生じることとなる。
このように円偏波変換器１４６で変換した回転電磁界をラジアルアンテナ１３０に供給しただけでは、ラジアルアンテナ１３０からの反射電磁界の影響により、プラズマ分布の面内均一性を得ることが困難であった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プラズマ分布の面内均一性を改善することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかるプラズマ装置は、被処理体を収容する処理容器と、対向する第１および第２の導体板から形成されるラジアル導波路と、前記第１の導体板の中心部に接続され、共振器を構成するとともに給電される高周波電磁界を回転電磁界に変換して前記ラジアル導波路に供給するキャビティと、前記ラジアル導波路の内部における前記キャビティの開口部の周囲に設けられ、前記キャビティの内径と同じ内径を有するリング部材と、前記第２の導体板に形成され、前記ラジアル導波路を伝搬する前記高周波電磁界を前記処理容器に供給するスロットとを備えることを特徴とする。
本発明においては、キャビティ内において回転電磁界が共振しながらラジアル導波路内に円偏波になされた回転高周波電磁界が供給される。
また、リング部材の厚みと幅を調節することによって、キャビティ内で共振する高周波電磁界のうち、ラジアル導波路内に供給される高周波電磁界の割合を調節することができる。
【００１４】
本発明にかかるプラズマ装置の第１の構成例として、上記キャビティは、前記高周波電磁界を給電する同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成されるとともに、前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けられ前記同軸導波管の内部導体と一端が接続された給電ピンと、この給電ピンと前記円形導体部材の中心を挟んで所定の角度をなす位置に設けられ一端が前記円形導体部材と接続された摂動ピンとを備えることを特徴とする。
このような構成においては、同軸導波管を介して給電される高周波電磁界は、給電ピンと摂動ピンとの相互作用によって回転磁界に変換され、キャビティ内で共振しながらラジアル導波路内に供給される。
【００１５】
ここで給電ピンの他端は、開放状態になっていてもよいし、スロットが形成された第２の導体板に接続されていてもよい。
給電ピンの他端が第２の導体板に接続されている場合、その給電ピンの他端に、第２の導体板の側に広がる円錐台状の導電部材が設けられていてもよい。このような形状をした導体部材を用いることにより、キャビティ内で共振する高周波電磁界をラジアル導波路内に導入し易くすることができる。
摂動ピンの他端もまた、開放状態になっていてもよいし、第２の導体板に接続されていてもよい。また、円筒導体部材に接続されていてもよい。
【００１６】
また、給電ピンの他端が、円筒導体部材に接続されていてもよい。
この場合、摂動ピンの他端が、スロットが形成された第２の導体板に接続されていてもよいし、円筒導体部材に接続されていてもよい。
【００１７】
本発明にかかるプラズマ装置の第２の構成例として、上記キャビティは、前記高周波電磁界を給電する同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材と、この円筒導体部材の側壁内部に対向配置された導電部材とから形成されるとともに、前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けられ前記同軸導波管の内部導体と一端が接続された給電ピンを備えることを特徴とする。
このような構成において、キャビティは、前記円筒導体部材の側壁内部に対向配置された導電部材によって、その円筒導体部材の軸に垂直な断面が互いに対向する切り欠き部を有するように形成される。その結果、同軸導波管を介して給電される高周波電磁界はキャビティ内で回転電磁界に変換され、共振しながらラジアル導波路内に供給される。
【００１８】
ここで前記円筒導体部材の側壁内部に対向配置された導電部材は、この円筒導体部材の一端から他端まで延在していてもよい。
また、導電部材は、円筒導体部材の軸方向の長さが、高周波電磁界の波長の略１／４であってもよい。この場合、導電部材と給電ピンとの平行部分の長さが上記高周波電磁界の波長の略１／４となり、キャビティ内に良好な回転電磁界を得られる。
また、導電部材は、ラジアル導波路の側の端部が、スロープ状に成形されていてもよい。このように成形することにより、キャビティ内において導電部材が存在する領域と存在しない領域とのインピーダンスの変化を緩やかにして、２つの領域の境界での高周波電磁界の反射を抑制することができる。
導電部材の端部をスロープ状に成形する場合、その端部を除く本体は、円筒導体部材の軸方向の長さが、高周波電磁界の波長の略１／４であってもよい。これにより、キャビティ内に良好な回転電磁界を得られる。
また、給電ピンの他端は、スロットが形成された第２の導体板に接続されていてもよいし、円形導体部材から円筒導体部材の軸方向に高周波電磁界の波長の略１／４離れた位置で導体部材に接続されていてもよい。
なお、円筒導体部材の側壁内部に設けられる導電部材として、互いに対向する１組または複数組の導体製の円柱状突起を軸方向に設けてもよい。
【００１９】
本発明にかかるプラズマ装置の第３の構成例として、上記キャビティは、前記高周波電磁界を給電する同軸導波管の外部導体と接続された楕円形導体部材と、一端がこの楕円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口し、断面が楕円形状の筒状導体部材とから形成されるとともに、前記楕円形導体部材の中心からその径方向に離間しかつその長径および短径と所定の角度をなす位置に設けられ前記同軸導波管の内部導体と接続された給電ピンとを備えることを特徴とする。
このような構成において、同軸導波管を介して給電される高周波電磁界は、楕円形の断面を有するキャビティ内で回転電磁界に変換され、共振しながらラジアル導波路内に供給される。
ここで給電ピンの他端は、スロットが形成された第２の導体板に接続されていてもよし、円形導体部材から円筒導体部材の軸方向に高周波電磁界の波長の略１／４離れた位置で導体部材に接続されていてもよい。
【００２０】
本発明にかかるプラズマ装置の第４の構成例として、上記キャビティは、前記高周波電磁界を給電する第１、第２の同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端が前記ラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成されるとともに、前記円形導体部材の中心からその径方向に離間した位置に設けられ前記第１の同軸導波管の内部導体と接続された第１の給電ピンと、この第１の給電ピンと前記円形導体部材の中心を挟んで所定の角度をなす位置に設けられ前記第２の同軸導波管の内部導体と接続された第２の給電ピンとを備えることを特徴とする。
このような構成において、第１、第２の給電ピンに位相の異なる高周波電磁界を給電することによって回転電磁界が生成され、この回転電磁界がキャビティ内で共振しながらラジアル導波路内に供給される。
ここで第１，第２の給電ピンのそれぞれの他端は、スロットが形成された第２の導体板に接続されていてもよいし、円形導体部材から円筒導体部材の軸方向に高周波電磁界の波長の略１／４離れた位置で導体部材に接続されていてもよい。
【００２１】
本発明にかかるプラズマ装置の第５の構成例として、上記キャビティは、高周波電磁界を給電する少なくとも１本の同軸導波管の外部導体と接続された円形導体部材と、一端がこの円形導体部材と接続され他端がラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成されるとともに、少なくとも１本の同軸導波管より給電された高周波電磁界を回転電磁界としてキャビティ内に放射するパッチアンテナを備え、このパッチアンテナは、円形導体部材と、この円形導体部材と所定の間隔をもって対向配置され少なくとも１本の同軸導波管の内部導体と接続された導体板とを含むことを特徴とする。
このような構成において、同軸導波管を介して給電される高周波電磁界は、パッチアンテナによって回転電磁界としてキャビティ内に放射され、共振しながらラジアル導波路内に供給される。
【００２２】
さらに、本発明にかかるプラズマ装置の第６の構成例として、上記キャビティは、高周波電磁界を給電する矩形導波管の一側面または終端面と、一端がこの矩形導波管の一側面または終端面と接続され他端がラジアル導波路に開口した円筒導体部材とから形成され、上記矩形導波管の一側面または終端面には、高周波電磁界を回転電磁界としてキャビティ内に放射する複数のスロットが形成されていることを特徴とする。
このような構成において、矩形導波管を介して給電される高周波電磁界は、その矩形導波管の一側面または終端面に形成された複数のスロットによって回転電磁界としてキャビティ内に放射され、共振しながらラジアル導波路内に供給される。
ここで複数のスロットは、互いの中点で交差する２本のスロットであってもよい。この２本のスロットによって構成されるスロットをクロススロットと呼ぶ。
また複数のスロットは、互いに離間して配置された互いに略垂直な方向にのびる２本のスロットであってもよい。この２本のスロットによって構成されるスロットをハの字スロットと呼ぶ。
【００２３】
また、本発明にかかるプラズマ生成方法は、共振器を構成するキャビティに高周波電磁界を給電し、この高周波電磁界を回転電磁界に変換するとともに前記キャビティ内で共振させながら、回転電磁界に変換された高周波電磁界をラジアル導波路に供給し、前記ラジアル導波路を伝搬する前記高周波電磁界を前記ラジアル導波路に形成されたスロットを介して処理容器内に供給し、前記処理容器内に供給された前記高周波電磁界によってプラズマを生成するプラズマ生成方法であって、前記ラジアル導波路の内部における前記キャビティの開口部の周囲に設けられたリング部材によって、前記キャビティ内で共振する前記高周波電磁界のうち前記ラジアル導波路に供給される前記高周波電磁界の割合を調整することを特徴とする。
この方法においては、回転電磁界を共振させながらラジアル導波路に供給することによって、ラジアル導波路に供給される高周波電磁界を円偏波になされた回転電磁界とすることができる。
【００２４】
本発明にかかるプラズマ生成方法の第１の構成例は、共振器を構成するキャビティ内に給電ピンと摂動ピンを設けることによって、同軸導波管を介して給電された高周波電磁界を回転電磁界に変換しかつキャビティ内で共振させるものである。
【００２５】
また、本発明にかかるプラズマ生成方法の第２の構成例は、高周波電磁界の伝搬方向に垂直な断面が互いに対向する切り欠きを有するキャビティに同軸導波管を介して高周波電磁界を給電することにより、これを回転電磁界に変換しかつキャビティ内で共振させるものである。
【００２６】
また、本発明にかかるプラズマ生成方法の第３の構成例は、高周波電磁界の伝搬方向に垂直な断面が楕円形状のキャビティに同軸導波管を介して高周波電磁界を給電することにより、これを回転電磁界に変換しかつキャビティ内で共振させるものである。
【００２７】
また、本発明にかかるプラズマ生成方法の第４の構成例は、共振器を構成するキャビティに第１、第２の同軸導波管を介して互いに位相が９０°異なる高周波電磁界を給電することによって、回転電磁界を生成しかつキャビティ内で共振させるものである。
【００２８】
また、本発明にかかるプラズマ生成方法の第５の構成例は、同軸導波管を介してパッチアンテナに高周波電磁界を給電することにより、キャビティ内に回転電磁界を生成するものである。
【００２９】
さらに、本発明にかかるプラズマ生成方法の第６の構成例は、矩形導波管より給電された高周波電磁界を、その矩形導波管の一側面または終端面に形成された複数のスロットからキャビティ内に放射することにより、回転電磁界を生成するものである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態にかかるプラズマ装置を説明する図である。
このプラズマ装置は、図１（ａ）に示すように、上部が開口した有底円筒形の処理容器１１と、この処理容器１１の上部開口を塞ぐ誘電体板１３と、この誘電体板１３の上に配置され、処理容器１１内に高周波電磁界を放射（またはリーク）するラジアルアンテナ３０と、ラジアルアンテナ３０および誘電体板１３の外周を覆うシールド材１２とを備えている。なお、処理容器１１と誘電体板１３との間にはＯリングなどのシール部材１４を介在させ、処理容器１１内の真空を保つとともにプラズマが外部に漏れないようにしている。
【００３１】
この処理容器１１の内部には、被処理体である基板２１を載置する基板台２２が昇降軸２３を介して昇降可能に設けられている。この基板台２２は、マッチングボックス２５を介してバイアス用高周波電源２６と電気的に接続されている。なお、処理容器１１の気密性を保つため、基板台２２底面と処理容器１１底面に設けられた絶縁体板１５とに結合されたベローズ２４が昇降軸２３の周囲に設けられている。
この処理容器１１には、さらに、真空排気用の排気口１６とプラズマガスおよびプロセスガス供給用のノズル１７が設けられている。
【００３２】
一方、ラジアルアンテナ３０は、ラジアル導波路３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板３１，３２と、これらの導体板３１，３２の外周部を接続する導体リング３４とから構成されている。
ここで図１（ａ）に示すプラズマ装置のＩｂ−Ｉｂ’線における断面図を図１（ｂ）に示す。ラジアル導波路３３の下面となる導体板３１には、例えば図１（ｂ）に示すように、スロット３６が周方向に複数形成され、ラジアルアンテナ３０のアンテナ面を形成している。
また、ラジアル導波路３３の上面となる導体板３２の中心部には、後述する給電部が設けられている。
【００３３】
図１（ａ）に示すように、高周波発生器４５において発生した高周波電磁界は、マッチング回路４４を介して矩形導波管４３を伝搬し、矩形・同軸変換器４２においてＴＥ１０モードからＴＥＭモードに変換され、同軸導波管４１を介してラジアルアンテナ３０の給電部に給電される。
【００３４】
本実施の形態においてこの給電部は、高周波電磁界を給電する同軸導波管４１の外部導体４１Ａと接続された円形導体部材５１Ａと、一端がこの円形導体部材５１Ａと接続され、他端がラジアルアンテナ３０内に開口した円筒導体部材５１Ｂとから形成されるキャビティ３５と、このキャビティ３５内に設けられ、一端が同軸導波管４１の内部導体４１Ｂと接続され他端が開放状態となっている給電ピン５２と、一端が円形導体部材５１Ａと接続され他端が開放状態となっている摂動ピン５３とからなる。給電ピン５２と摂動ピン５３は、同軸導波管４１を介して供給される電磁界を回転電磁界に変換する。なお、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＩｃ−Ｉｃ’線における断面図である。
【００３５】
このキャビティ３５は、ラジアルアンテナ３０の導体板３１とともに共振器を構成し、キャビティ３５内で共振する高周波電磁界の一部がラジアル導波路３３に供給される。
ラジアルアンテナ３０の導体板３２の中央に設けられたキャビティ３５の開口部の周囲には、円筒導体部材５１Ｂの内径（すなわちキャビティ３５の内径）と同じ内径を有するリング部材５４が配設されている。このリング部材５４の厚みと幅を調節することによって、キャビティ３５内で共振する高周波電磁界のうち、ラジアル導波路３３に供給される高周波電磁界の割合を調節することができる。
なお、キャビティ３５に供給された電磁界のうち、共振してキャビティ３５内に残る電磁界のエネルギーをキャビティ３５からラジアル導波路３３に供給される電磁界のエネルギーで割った値は「Ｑ値」と呼ばれる。
【００３６】
図２を参照して、このような給電部の構成を詳述する。
図２（ａ）は、側面から見た場合の給電部を表す模式図、図２（ｂ）は、給電ピン５２と摂動ピン５３の配置を示す模式図である。
本実施の形態においては、高周波発生器４５より２．４５ＧＨｚの高周波電磁界を給電するものとすると、円筒形のキャビティ３５の中心軸（以下「中心軸」という）から円筒導体部材５１Ｂの内面までの距離（以下、「キャビティの半径」という）ａを、約７．３〜７．５ｃｍ、円形導体部材５１Ａとラジアルアンテナ３０の円形導体板３１との距離（以下、「キャビティの深さ」という）ｄを、約３．６ｃｍとすることができる。なお、このときのラジアルアンテナ３０の直径は約４８ｃｍ、導体板３１，３２間の距離である高さｈは１．５〜１．６ｃｍである。
円筒導体部材５１Ｂとともにキャビティ３５を形成するリング部材５４の幅ｃは約３．１ｃｍであり、これは電磁波の波長の約１／４に相当する。
また、同軸導波管４１の内部導体４１Ｂと接続された給電ピン５２の長さｌ１  を１．７５〜２．６ｃｍ、摂動ピン５３の長さｌ２  を１．７５〜２．１ｃｍとすることができる。このとき、給電ピン５２を摂動ピン５３よりも若干長めに設計するとよい。
【００３７】
なお、ピン５２，５３を長くし、または、キャビティ３５を深くすると、キャビティ３５のＱ値は大きくなり、ラジアル導波路３３に供給される電磁界の割合を小さくすることができる。プラズマ装置としての用途にはＱ値は約３０が目安となる。
【００３８】
一方、給電ピン５２と摂動ピン５３は、図２（ｂ）に示すように、ともに円形導体部材５１Ａの中心軸からｂ１  ＝ｂ２  ＝約３．６ｃｍの位置に、その中心を挟んで４５°の奇数倍、例えばφ＝１３５°の角度をなすように配置されている。これによって、同軸導波管４１を介して給電される高周波電磁界は、キャビティ３５内においてＴＭモードの回転電磁界に変換される。
【００３９】
ここで示した給電部の寸法は反射係数（ＶＳ）を重視して設計した結果得られたものであり、これに限定されないことは言うまでもない。例えば回転電磁界の軸比を重視する場合には、図２において、ａ＝約７．３ｃｍ、ｄ＝約３．５ｃｍ、ｃ＝約２．６ｃｍ、ｔ＝約１．０ｃｍ、ｌ１  ＝ｌ２  ＝約１．５ｃｍ、ｂ１  ＝約４．３ｃｍ、ｂ２  ＝約４．４ｃｍの位置に、φ＝１１５°とするとよい。
【００４０】
図３を参照すると、給電ピン５２と摂動ピン５３によって回転電磁界を生成する仕組みは次のように説明することができる。
仮に摂動ピン５３が無ければ、給電ピン５２によって生じる電界は図３に示すＥ（点線）のようになり、回転電磁界を得ることはできない。
これに対し、摂動ピン５３を設けた場合には、上記電界Ｅのうち、摂動ピン５３方向の成分Ｅ１  は、給電ピン５２と摂動ピン５３との間の容量成分の影響により、位相が遅れる。この位相遅れが９０°となるように給電ピン５２、摂動ピン５３の長さを調整することにより、ＴＭ１１モードの回転電磁界を得ることができる。
【００４１】
したがって、このようなプラズマ装置において、高周波発生器４５より発生した高周波電磁界は、同軸導波管４１を介して上記キャビティ３５に給電され、給電ピン５２と摂動ピン５３とによって回転電磁界に変換されると同時に、上記キャビティ３５において共振しながら、その一部がラジアルアンテナ３０のラジアル導波路３３に供給される。ラジアルアンテナ３０内に供給された高周波電磁界は、ラジアル導波路３３を伝搬し、このラジアル導波路３３内を伝搬する電磁界Ｆがこれらのスロット３６から処理容器１１内に放射（またはリーク）され、ノズル１７を通じて処理容器１１内に導入されるプラズマガスを電離させてプラズマＳを生成する。
【００４２】
このときキャビティ３５において回転電磁界は共振しているので、キャビティ３５内の回転電磁界がラジアル導波路３３に供給される。したがって、給電ピン５２と摂動ピン５３によって高周波電磁界を円偏波に変換することによって、ラジアルアンテナ３０から良好な円偏波高周波電磁界を処理容器１１内に放射（またはリーク）し、生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
【００４３】
本実施の形態では、一端が同軸導波管４１の内部導体４１Ｂに接続された給電ピン５２の他端（先端）を開放状態とし電圧モードで電磁界を励起するため、給電ピン５２の先端において電圧振幅が最大となる。このため、数ｋＷ〜数十ｋＷという高電力で給電する場合には、給電ピン５２の先端と、摂動ピン５３の先端、キャビティ３５の円筒導体部材５１Ｂまたはラジアルアンテナ３０の導体板３１との間で放電が起きないように、給電部を設計することが望ましい。放電を抑制するには、給電ピン５２の先端から摂動ピン５３の先端、円筒導体部材５１Ｂまたは導体板３１までの距離を大きくすればよく、例えば給電ピン５２と摂動ピン５３については、両者を異なる長さとしてもよい。
【００４４】
次に本発明の第２の実施の形態について、図４を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と共通する部材については同一の符号を用い、その説明を省略する。
上述した第１の実施の形態では、キャビティ３５内に設けられた給電ピン５２の先端が開放状態となっているのに対し、この第２の実施の形態にかかるプラズマ装置では、給電ピン５２Ａの先端が短絡状態となっている。すなわち、図４に示すように、給電ピン５２Ａの一端は同軸導波管４１の内部導体４１Ｂに接続され、先端をなす他端はラジアルアンテナ３０のアンテナ面である導体板３１と接続され、短絡状態となっている。
キャビティ３５の円形導体部材５１Ａとラジアルアンテナ３０の導体板３１との距離であるキャビティ３５の深さｄはλ／２程度とする。先端が導体板３１に接続された給電ピン５２Ａの長さｌ１  はキャビティ３５の深さｄと等しいから、λ／２程度となる。ここにλは高周波電磁界の波長であり、周波数が２．４５ＧＨｚの高周波電磁界を用いる場合、ｄ＝ｌ１  ＝約６ｃｍである。
【００４５】
このような構成としたことによるキャビティ３５内における励振原理を、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、側面から見た場合の給電部を表す模式図、図５（ｂ）は、給電ピン５２Ａ上における電流分布を示す概念図、図５（ｃ）は、給電ピン５２Ａ上における電圧分布を示す概念図である。
給電ピン５２Ａの先端をラジアルアンテナ３０の導体板３１に接続して短絡状態とすると、図５（ｂ）に示すように、給電ピン５２Ａの先端において電流振幅が最大となり、電流と電圧とは位相が９０゜ずれるので、給電ピン５２Ａの先端における電圧振幅は０（ゼロ）となる。また、給電ピン５２Ａの長さｌ１  はλ／２程度であるので、給電ピン５２Ａ上における電圧分布は図５（ｃ）に示すようになり、電圧振幅が最大となる位置は、キャビティ３５の深さｄの中央周辺となり、その交流電界でキャビティ３５内の電磁界が励振される。
【００４６】
一方、摂動ピン５３は、給電ピン５２によって励振される電界Ｅのうち、摂動ピン５３方向の成分Ｅ１  の位相遅れが９０°となるような長さを有していればよく、その長さｌ２  は例えばλ／４程度であればよい。周波数が２．４５ＧＨｚの高周波電磁界を用いる場合、ｌ２  ＝約３ｃｍである。このような長さとすることにより、キャビティ３５内に励振された高周波電磁界を良好なＴＭ１１モードの回転電磁界に変換することができる。
このような構成とすることにより、次のような効果が得られる。例えば周波数が２．４５ＧＨｚの高周波電磁界を用い、摂動ピン５３の長さｌ２  をλ／４とすると、キャビティ３５の深さｄ＝約６ｃｍに対し、摂動ピン５３の長さｌ２  ＝約３ｃｍとなり、摂動ピン５３の先端からアンテナ面である導体板３１までの間隔を３ｃｍ程度確保することができる。これにより、両者の間隔が短い場合に生じる放電を緩和することができる。
【００４７】
また、図６（ａ）に示すように、ラジアルアンテナ３０の導体板３１に接続された給電ピン５２Ａの先端に、導電部材３７を設けてもよい。この導電部材３７は、導体板３１との接続面を底面とし、導体板３１側に広がる円錐台状をしている。このような形状をした導体部材３７を用いるにより、キャビティ３５内で共振する高周波電磁界をラジアル導波路３３に導入し易くすることができる。なお、導電部材３７は給電ピン５２Ａの延長線に対して対称である必要はない。すなわち、給電ピン５２Ａの延長線に対する導電部材３７の側面の傾斜角は、その側面が対向する導体板３２との距離が小さいほど大きくしてもよい。図６（ａ）で言えば、導電部材３７の左側側面の傾斜角を右側側面の傾斜角より大きくしてもよい。
【００４８】
また、図６（ａ）に示すように、一端が円形導体部材５１Ａに接続された摂動ピン５３Ａの他端を、給電ピン５２Ａと同様に、ラジアルアンテナ３０の導体板３１に接続してもよい。これにより、摂動ピン５３Ａと導体板３１との間で放電が生じることを防止できる。
また、給電ピン５２Ａの先端を円筒導体部材５１Ｂに接続してもよい。具体的には図７に示すように、給電ピン５２Ａは同軸導波管４１の内部導体４１Ｂとの接続点から円筒導体部材５１Ｂの軸方向にのび、直角に曲がり円筒導体部材５１Ｂの内壁面に対して垂直に接続される。このようにしても給電ピン５２Ａからの放電を抑制できる。この場合、摂動ピンの先端は開放状態としてもよいし、ラジアルアンテナ３０の導体板３１に接続してもよいし、図７に示すように円筒導体部材５１Ｂに接続してもよい。ここで、給電ピン５２Ａと摂動ピンとの平行部分の長さをλ／４程度とすることにより、キャビティ５３に良好な回転電磁界を生成することができる。
また、給電ピンの先端を開放状態またはラジアルアンテナ３０の導体板３１に接続した状態で、摂動ピン５３Ａを円筒導体部材５１Ｂに接続してもよい。
【００４９】
次に本発明の第３の実施の形態について、図８を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と共通する部材については同一の符号を用い、その説明を省略する。
上述した第１の実施の形態は、給電部を構成するキャビティ３５内に摂動ピン５３を設けたのに対し、この第３の実施の形態にかかるプラズマ装置は、キャビティ３５が、高周波電磁界を給電する同軸導波管４１の外部導体４１Ａと接続された円形導体部材５１Ａと、一端がこの円形導体部材５１Ａと接続され他端がラジアルアンテナ３０内に開口した円筒導体部材５１Ｂと、この円筒導体部材５１Ｂの側壁内部に対向配置された導電部材６１Ａ，６１Ｂとから形成されるとともに、同軸導波管４１の内部導体４１Ｂと接続された給電ピン５２が、円形導体部材５１Ａの中心からその径方向に離間した位置に設けられている。
【００５０】
導電部材６１Ａ，６１Ｂは、図８（ｂ）に示すように、一端がキャビティ３５の一端面を形成する円形導体部材５１Ａに接続され、かつ円筒導体部材５１Ｂの軸方向に延在する。導電部材６１Ａ，６１ＢのＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ′線方向の断面形状は、図８（ａ）に示すように、円筒導体部材５１Ｂの側壁内部にならう円弧と、その円弧を結ぶ弦とからなる。
その結果、この第３の実施の形態においては、円筒導体部材５１Ｂの側壁内部に導電部材６１Ａ，６１Ｂを対向配置したことによって、キャビティ３５の中心軸に垂直な断面が切り欠き部を有することとなる。すなわち、キャビティ３５の断面は、切り欠き部を結ぶ方向（以下「切り欠き方向」という）が、切り欠き方向と直交する方向よりも短くなっている。したがって、キャビティ３５の切り欠き方向の容量は相対的に増大する。
なお、このような断面形状を有するキャビティ３５を形成するために、本実施の形態においては、円筒導体部材５１Ｂに上述したような断面形状を有する導電部材６１Ａ，６１Ｂ設け、電気的に接続するようにしたが、これを鋳造により一体成形してもよい。
【００５１】
一方、これらキャビティ３５の断面の切り欠き部と給電ピン５２とは、図８に示すように、給電ピン５２と中心軸（円形導体部材５１Ａの中心）とを通る直線と、切り欠き方向とが約４５°の角度をなす位置関係にある。
このようにキャビティ３５と給電ピン５２を設けることによって、給電ピン５２によって生じる電界Ｅのうち、切り欠き方向成分Ｅ１  は、相対的に大きくなった容量の影響により位相が遅れる。したがって、切り欠き方向と直交する成分Ｅ２  との位相差が９０°となるように切り欠き部の大きさおよび給電ピン５２の位置を設定することにより、ＴＥ１１モードの回転電磁界を得ることができる。
【００５２】
上述したような給電部を有するプラズマ装置においては、高周波発生器４５より発生した高周波電磁界は、同軸導波管４１を介して上記キャビティ３５に給電される。給電された高周波電磁界は、給電ピン５２と、中心軸に垂直な断面が互いに対向する１対の切り欠き部を有するキャビティ３５とによって回転電磁界に変換されると同時に、上記キャビティ３５において共振しながらその一部がラジアルアンテナ３０のラジアル導波路３３に供給される。ラジアルアンテナ３０内に供給された高周波電磁界は、ラジアル導波路３３を伝搬し、このラジアル導波路３３内を伝搬する電磁界Ｆがこれらのスロット３６から処理容器１１内に放射（またはリーク）され、ノズル１７を通じて処理容器１１内に導入されるプラズマガスを電離させてプラズマＳを生成する。
【００５３】
このとき、キャビティ３５において共振している回転電磁界がラジアル導波路３３に供給される。したがって、キャビティ３５内において高周波電磁界を円偏波に変換することによって、ラジアルアンテナ３０から良好な円偏波高周波電磁界を処理容器１１内に放射（またはリーク）し、生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
【００５４】
この第３の実施の形態において、給電ピン５２によって生じる電界Ｅのうち切り欠き方向成分Ｅ１  と、それと直交する方向成分Ｅ２  との位相差を９０°とし、良好な回転電磁界を得るためには、キャビティ３５に設けられる導体部材６１Ａ，６１Ｂと給電ピン５２との平行部分の長さｌ３  をλ／４程度とするとよい。したがって、図９（ａ）に示すように、給電ピン５２Ａをラジアルアンテナ３０の導体板３１に接続させる場合には、導体部材６１Ｃ，６１Ｄの長さ（円筒導体部材５１Ｂの軸方向の長さ）をｌ３  ＝λ／４程度とするとよい。また、導電部材６１Ａ，６１Ｂを円筒導体部材５１Ｂの一端から他端まで延在させる場合には、給電ピン５２Ａにおける導電部材６１Ａ，６１Ｂと平行な部分の長さをｌ３  ＝λ／４程度とするとよい。この場合、図９（ｂ）に示すように、円形導体部材５１Ａからｌ３  ＝λ／４の位置で給電ピン５２Ａを直角に折り曲げ、その先端を導電部材６１Ａに対して垂直に接続するようにしてもよい。これにより、給電ピンの先端が開放状態の場合に生じる放電を抑制することができる。
【００５５】
また、図１０に示すように、導電部材６１Ｅ，６１Ｆのラジアルアンテナ３０側の端部がスロープ状に成形されていてもよい。この場合、キャビティ３５の中心軸に対して垂直な方向から見たキャビティ３５の断面形状は、ラジアル導波路３３との接続部分にテーパーを有する形状となる。このようにすることにより、キャビティ３５内において導電部材が存在する領域と存在しない領域とのインピーダンスの変化を緩やかにして、２つの領域の境界での高周波電磁界の反射を抑制することができる。導電部材６１Ｅ，６１Ｆの端部をスロープ状に成形する場合でも、その端部を除く本体部分の長さをｌ３  ＝λ／４程度とすることにより、良好な回転電磁界を得ることができる。
【００５６】
なお、この第３の実施の形態では、円筒導体部材５１Ｂの内壁面にその一端から軸方向に延在する導電部材６１Ａ〜６１Ｆを設けて、キャビティ３５の断面に切り欠き部を持たせ、すなわち切り欠き方向の距離を短くするものとして説明したが、導電部材として円筒導体部材５１Ｂの内壁面に互いに対向する１組または複数組の導体製の円柱状突起を軸方向に設けてもよい。
【００５７】
次に図１１を参照して、第４の実施の形態について説明する。
第４の実施の形態にかかるプラズマ装置は、給電部を形成するキャビティ３５の中心軸に垂直な断面を楕円形に形成したものである。
具体的には、上記キャビティ３５は、高周波電磁界を給電する同軸導波管４１の外部導体４１Ａと接続された楕円形導体部材と、一端がこの楕円形導体部材と接続され他端がラジアルアンテナ３０内に開口し、断面が楕円形状の筒状導体部材５１Ｂ’とから形成されている。このとき、筒状導体部材５１Ｂ’と同じ内面形状を有するリング部材５４をラジアルアンテナ３０の導体板３２の中央に設けられたキャビティ３５の開口部の周囲に設けてもよい。
【００５８】
この第４の実施の形態において、給電ピン５２は、楕円形導体部材の中心からその径方向に離間しかつその楕円の長径および短径からそれぞれ４５°の角度をなす位置に配置されている。
その結果、給電ピン５２によって生じる電界Ｅのうち、楕円の短径方向成分Ｅ１  は、相対的に大きくなった容量の影響により位相が遅れる。したがって、長径方向成分Ｅ２  との位相差が９０°となるようにキャビティ３５の断面形状および給電ピン５２の位置を設定することにより、ＴＥ１１モードの回転電磁界を得ることができる。
【００５９】
このような給電部を有するプラズマ装置において、同軸導波管４１を介して上記キャビティ３５に給電された高周波電磁界は、給電ピン５２と上記楕円形状の断面を有するキャビティ３５とによって回転電磁界に変換されると同時に、上記キャビティ３５において共振しながらその一部がラジアルアンテナ３０のラジアル導波路３３に供給される。
したがって、上述した第１、第３の実施の形態と同様に、キャビティ３５内において高周波電磁界を円偏波に変換することによって、ラジアルアンテナ３０から良好な円偏波高周波電磁界を処理容器１１内に放射（またはリーク）し、生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
【００６０】
なお、キャビティ３５の深さおよびリング部材５４の厚み等を調整することにより、キャビティ３５内で共振する高周波電磁界のうち、ラジアル導波路３３に供給される高周波電磁界の割合、すなわちＱ値を調節することができる。
【００６１】
次に第５の実施の形態について、図１２を参照して説明する。
この第５の実施の形態にかかるプラズマ装置は、円形導体部材５１Ａと円筒導体部材５１Ｂとから形成されるキャビティ３５に２本の同軸導波管を介して２点給電するものである。
本実施の形態においては、図１２に示すように、円形導体部材５１Ａに、第１、第２の同軸導波管の内部導体と接続された第１、第２の給電ピン５２Ａ，５２Ｂが円形導体部材５１Ａの中心軸からその径方向に離間した位置に設けられており、これら２つの給電ピン５２Ａ，５２Ｂの位置は、中心軸に対して直角をなしている。
そして、第１、第２の同軸導波管から位相が互いに９０°異なる高周波電磁界を給電することにより、キャビティ３５内にＴＥ１１モードの回転電磁界が生成される。
なお、９０°の位相差を持たせるためには、位相変換回路を用いてもよいが、伝搬電磁界の波長の１／４だけ長さの異なる２つの同軸導波管に同位相の高周波電磁界を供給してもよい。
【００６２】
このような給電部を有するプラズマ装置において、上述したような２点給電を行うことによって、２つの同軸導波管から給電される高周波電磁界が回転電磁界に変換されると同時に、上記キャビティ３５において共振しながらその一部がラジアルアンテナ３０のラジアル導波路３３に供給される。
したがって、上述した第１〜第３の実施の形態と同様に、キャビティ３５内において高周波電磁界を円偏波に変換することによって、ラジアルアンテナ３０から良好な円偏波高周波電磁界を処理容器１１内に放射（またはリーク）し、生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
このとき、キャビティ３５の深さおよびリング部材５４の厚み等を調整することにより、キャビティ３５内で共振する高周波電磁界のうち、ラジアル導波路３３に供給される高周波電磁界の割合、すなわちＱ値を調節することができることは、上述した他の実施の形態と同様である。
【００６３】
次に第６の実施の形態について、図１３を参照して説明する。
この第６の実施の形態にかかるプラズマ装置は、円形導体部材５１Ａと円筒導体部材５１Ｂとから形成されるキャビティ３５内に、パッチアンテナ給電により回転電磁界を生成するものである。
【００６４】
このパッチアンテナ給電に用いるパッチアンテナ７１は、図１３（ａ）に示すように、接地された円形導体部材５１Ａと、この円形導体部材５１Ａの下面に配置された誘電体板７２と、この誘電体板７２を介して円形導体部材５１Ａに対向配置された導体板７３とから構成されている。円形導体部材５１Ａには２本の同軸導波管４１，４７の外部導体４１Ａ，４７Ａ（外部導体４７Ａは図示せず）が接続され、導体板７３には２本の同軸導波管４１，４７の内部導体４１Ｂ，４７Ｂ（内部導体４７Ｂは図示せず）が接続されている。また、導体板７３の中心を接地電位に固定するために、導体板７３の中心を導体柱で円形導体部材５１Ａに接続してもよい。円形導体部材５１Ａ、導体板７３および導体柱は、銅又はアルミニウムなどにより形成され、誘電体板７２はセラミックなどにより形成される。
【００６５】
図１３（ｂ）は、導体板７３をＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ′線方向から見たときの平面図である。この図１３（ｂ）に示すように、導体板７３の平面形状は、一辺がおよそλｇ１／２の正方形をしている。λｇ１は、円形導体部材５１Ａと導体板７３との間を伝播する高周波電磁界の波長を意味している。
座標系の原点Ｏを導体板７３の中心に設定し、導体板７３の各辺と平行にｘ軸，ｙ軸を設定すると、２本の同軸導波管４１，４７の内部導体４１Ｂ，４７Ｂは、導体板７３上の原点Ｏから略等距離にあるｘ軸，ｙ軸上の二点に接続されている。この二点を給電点Ｐ，Ｑと呼ぶ。
【００６６】
このような構成のパッチアンテナ７１に対して、二本の同軸導波管４１，４７から等振幅かつ位相が互いに９０゜異なる高周波電磁界を給電することにより、キャビティ３５内にＴＥ１１モードの回転電磁界を生成することができる。その原理は次のとおりである。
導体板７３のｘ軸方向の長さはλｇ１／２であるから、一方の同軸導波管４１より給電点Ｐに供給された電流はｘ軸方向で共振し、導体板７３のｙ軸に平行な二辺からｘ軸に平行な直線偏波が放射される。また、導体板７３のｙ軸方向の長さもλｇ１／２であるから、他方の同軸導波管４７より給電点Ｑに供給された電流はｙ軸方向で共振し、導体板７３のｘ軸に平行な二辺からｙ軸に平行な直線偏波が放射される。２本の同軸導波管４１，４７による給電位相は互いに９０゜異なるので、放射される２つの直線偏波の位相も互いに９０゜異なっている。しかも両者は振幅が等しく、空間的に直交しているので、円偏波となり、キャビティ３５内に回転電磁界が生成される。
【００６７】
このようにして生成された回転電磁界は、キャビティ３５において共振しながら、その一部がラジアルアンテナ３０のラジアル導波路３３に供給される。
したがって、上述した他の実施の形態と同様に、ラジアルアンテナ３０から良好な円偏波高周波電磁界を処理容器１１内に放射（またはリーク）し、生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
このとき、キャビティ３５の深さおよびリング部材５４の厚み等を調整することにより、キャビティ３５内で共振する高周波電磁界のうち、ラジアル導波路３３に供給される高周波電磁界の割合、すなわちＱ値を調節することができることは、上述した他の実施の形態と同様である。
【００６８】
なお、パッチアンテナ７１への給電位相差を９０°とするためには、位相変換回路を用いてもよいが、伝搬電磁界の波長の１／４だけ長さの異なる２つの同軸導波管に同位相の高周波電磁界を供給するようにしてもよい。
また、パッチアンテナ７１が有する導体板７３の平面形状は、図１３（ｂ）に示した正方形の他、円形などの９０°回転対称形状（導体板７３をその中心の周りに９０゜回転させたときに重なる形状）であってもよい。ただし、円形の場合には、直径をおよそ１．１７×λｇ１／２とするとよい。さらに言えば、導体板７３の平面形状は、長方形など、その中心からみた直交する２方向の長さが異なる形状であってもよい。この場合、２つの給電点Ｐ，Ｑにおける給電位相の差を９０°とはせず、上記２方向の長さによって調整する。
【００６９】
次に第７の実施の形態について、図１４を参照して説明する。なお、第６の実施の形態と共通する部材については同一の符号を用い、その説明を省略する。
第６の実施の形態は、２本の同軸導波管４１，４７を用いた二点給電のパッチアンテナ７１を用いているのに対し、この第７の実施の形態は、１本の同軸導波管４１を用いた一点給電のパッチアンテナ７５を用いている。
このパッチアンテナ７５は、図１４（ａ）に示すように、接地された円形導体部材５１Ａと、この円形導体部材５１Ａの下面に配置された誘電体板７２と、この誘電体板７２を介して円形導体部材５１Ａに対向配置された導体板７６とから構成されている。円形導体部材５１Ａには同軸導波管４１の外部導体４１Ａが接続され、導体板７３には同軸導波管４１の内部導体４１Ｂが接続されている。
【００７０】
図１４（ｂ）は、導体板７６をＸＩＶｂ−ＸＩＶｂ′線方向から見たときの平面図である。この図１４（ｂ）に示すように、導体板７６の平面形状は、円７６Ａの周縁領域の一部を切り欠いた形状をしている。より詳しく言うと、円周とｙ軸とが交差する付近の２領域を矩形状に切り欠いた形状をしている。切り欠き面積は円７６Ａの面積の３％程度とするとよい。ここでは、導体板７６のｘ軸方向の長さを１．１７×λｇ１／２とし、ｙ軸方向の長さを１．１７×λｇ１／２−２ｄとする。
同軸導波管４１の内部導体４１Ｂは、ｘ軸，ｙ軸と４５゜の角度で交差する直線上の一点に接続されている。この点を給電点Ｖと呼ぶ。
【００７１】
同軸導波管４１より導体板７６の給電点Ｖに供給された電流は、ｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ独立に流れる。このとき、ｙ軸方向の長さは１．１７×λｇ１／２よりも２ｄだけ短いので、電磁界がみた誘電率が大きくなり、ｙ軸方向を流れる電流の位相が遅れる。この位相遅れが９０゜となるように２ｄの値と切り欠き部の長さを設定することにより、パッチアンテナ７５より円偏波が放射され、キャビティ３５内にＴＥ１１モードの回転電磁界が生成される。
このようにして生成された回転電磁界は、キャビティ３５において共振しながら、その一部がラジアルアンテナ３０のラジアル導波路３３に供給される。
したがって、上述した第６の実施の形態と同様に、ラジアルアンテナ３０から良好な円偏波高周波電磁界を処理容器１１内に放射（またはリーク）し、生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
【００７２】
なお、導体板７６の平面形状は図１４（ｂ）に示した形状に限られるものではなく、少なくとも導体板７６の中心からみた直交する二方向の長さが異なる形状であればよい。したがって、例えば楕円形であってもよいし、長辺の長さがおよそλｇ１／２であり、短辺の長さがおよそλｇ１／２未満である矩形であってもよい。
【００７３】
次に第８の実施の形態について、図１５を参照して説明する。
この第８の実施の形態にかかるプラズマ装置は、円形導体部材５１Ａと円筒導体部材５１Ｂとから形成されるキャビティ３５内に、ＴＥ１０モードの矩形導波管８１を用いたスロット給電により回転電磁界を生成するものである。
【００７４】
このスロット給電に用いる矩形導波管８１のＥ面（管内の電界に垂直な側面）にはクロススロット８２が形成されている。このクロススロット８２は、互いに長さが異なる２本のスロットが互いの中心で交差した構成をしている。これら２本のスロットそれぞれの中心、すなわちクロススロット８２の中心は、Ｅ面の略中心軸上にある。
クロススロット８２を構成する２本のスロットは、２．４５ＧＨｚに対する周波数特性が相対的に５５゜〜７０゜程度異なるように各スロットの長さが調整され、各スロットによる放射電界の振幅が等しくなるように各スロットの角度が調整される。
矩形導波管８１の終端８３は金属で閉じられているので、クロススロット８２による放射電磁界の振幅が最大となるように、クロススロット８２はその中心が矩形導波管８１の終端８３から略λｇ２／２だけ離れた位置に配置される。λｇ２とは、矩形導波管８１内を伝搬する高周波電磁界の波長である。
【００７５】
クロススロット８２の設計例を図１６に示す。なお、この図１６は、矩形導波管８１のＥ面をＸＶＩ−ＸＶＩ′線方向から見た平面図である。
図１６（ａ）に示すクロススロット８２Ａでは、それを構成する２本のスロットは互いに略直角に交差し、また矩形導波管８１のＥ面の中心軸に対して略４５゜傾斜している。各スロットの長さは、それぞれ５．５７ｃｍ、６．０６ｃｍである。
また、図１６（ｂ）に示すクロススロット８２Ｂでは、それを構成する２本のスロットは互いに略１０７゜で交差し、また矩形導波管８１のＥ面の中心軸に対して略３６．５゜傾斜している。各スロットの長さは、それぞれ５．３２ｃｍ、７．２６ｃｍである。
このようなクロススロット８２Ａ，８２Ｂを矩形導波管８１のＥ面に形成することにより、２．４５ＧＨｚの周波数に対して軸比が極めて小さいＴＥ１１モードの円偏波が得られる。
【００７６】
この第８の実施の形態では、図１５に示すように、クロススロット８２が形成された矩形導波管８１のＥ面が、キャビティ３５の一端面を形成する円形導体部材５１Ａに接合され、クロススロット８２はその中心がキャビティ３５の中心軸と一致するように配置されている。また、円形導体部材５１Ａには少なくともクロススロット８２と対向する領域が開口され、矩形導波管８１を伝搬する高周波電磁界がキャビティ３５内に放射されるようになっている。
なお、クロススロット８２の中心とキャビティ３５の中心軸とは、必ずしも一致しなくてもよい。また、円筒導体部材５１Ｂの一端を矩形導波管８１のＥ面で塞ぎ、この矩形導波管８１のＥ面の一部で円形導体部材５１Ａを構成してもよい。
【００７７】
このようなプラズマ装置において、高周波発生器４５より発生した高周波電磁界は矩形導波管８１を伝搬し、Ｅ面に形成されたクロススロット８２よりキャビティ３５内に放射される。キャビティ３５内に放射された高周波電磁界はＴＥ１１モードの円偏波となり、回転電磁界が生成される。この回転電磁界は、キャビティ３５内を共振しながら、その一部がラジアルアンテナ３０のラジアル導波路３３に供給される。
したがって、上述した他の実施の形態と同様に、ラジアルアンテナ３０から良好な円偏波高周波電磁界を処理容器１１内に放射（またはリーク）し、生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
【００７８】
図１７（ａ）に示すように、ＴＥ１０モードの矩形導波管８４の終端面にクロススロット８５を設けてスロット給電を行ってもよい。この矩形導波管８４の終端面に形成されるクロススロット８５の構成は、Ｅ面に形成されるクロススロット８２の構成と概ね同じである。すなわち、クロススロット８５は、互いの中心で交差する２本のスロットから構成され、これら２本のスロットは、２．４５ＧＨｚに対する周波数特性が相対的に５５゜〜７０゜程度異なるように調整され、その長さが互いに異なっている。ただし、クロススロット８５の中心は、矩形導波管８４の終端面の略中心に配置される。
【００７９】
クロススロット８５の設計例を図１７（ｂ）に示す。なお、この図１７（ｂ）は、矩形導波管８４の終端面をＸＶＩＩｂ−ＸＶＩＩｂ′線方向から見た平面図である。図１７（ｂ）に示すクロススロット８５Ａでは、それを構成する２本のスロットは互いに略直角に交差し、また矩形導波管８４の中心部に生成される仮想的な電界線に対して略４５゜傾斜している。各スロットの長さは、それぞれ５．５７ｃｍ、６．０６ｃｍである。このようなクロススロット８５Ａを矩形導波管８４の終端面に形成することにより、２．４５ＧＨｚの周波数に対して軸比が極めて小さいＴＥ１１モードの円偏波が得られる。
したがって、矩形導波管８４の終端面に形成されたクロススロット８５より高周波電磁界を給電することにより、キャビティ３５内に回転電磁界を生成することができる。よって、矩形導波管８１のＥ面に形成されたクロススロット８２より給電した場合と同様に、処理容器１１内に生成されるプラズマＳの面内分布の均一性を向上させることができる。
【００８０】
この第８の実施の形態では、クロススロット８２，８５によるスロット給電の例を示したが、図１８に示すように、互いに垂直な方向の２本のスロット８７Ａ，８７Ｂを離間した位置に配置した所謂ハの字スロットを用いてスロット給電を行ってもよい。
また、クロススロット８２，８５またはハの字スロットを構成するスロットの平面形状は、図１９（ａ）に示すような矩形であってもよいし、図１９（ｂ）に示すような平行二直線の両端を円弧などの曲線でつないだ形状であってもよい。スロットの長さＬとは、図１９（ａ）では矩形の長辺の長さであり、図１９（ｂ）では対向する二曲線の間隔が最大となる位置の長さである。
なお、図１５，図１７に示すように、矩形導波管８１，８４において、クロススロット８２、８５が形成されている部分と高周波発生器４５との間に、マッチング回路４４を配置してもよい。これにより、プラズマ負荷からの反射電力を高周波発生器４５へ返すことなく再度負荷側へ戻し、効率よくプラズマへ電力供給することができる。
【００８１】
以上の本発明の実施の形態で用いるラジアルアンテナ３０は、スロット面を構成する導体板３１が平板状であるが、図２０に示すラジアルアンテナ３０Ａのように、スロット面を構成する導体板３１Ａが円錐面状をしていてもよい。円錐面状をしたスロット面から放射（またはリーク）される電磁界は、平板状をした誘電体板１３によって規定されるプラズマ面に対して斜め方向から入射されることになる。このため、プラズマによる電磁界の吸収効率が向上するので、アンテナ面とプラズマ面との間に存在する定在波を弱め、プラズマ分布の均一性を向上させることができる。
なお、ラジアルアンテナ３０Ａのアンテナ面を構成する導体板３１Ａは、円錐面状以外の凸形状であってもよい。その凸形状は上に凸であっても、下に凸であってもよい。また、キャビティ３５の一端面を形成する円形導体部材５１Ａは、ラジアルアンテナ３０Ａの導体板３１Ａにならった凸形状をしていてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、共振器を構成するキャビティを設け、このキャビティに給電される高周波電磁界を回転電磁界に変換すると同時に、この回転電磁界を前記キャビティにおいて共振させながらその一部をラジアル導波路内に供給するので、このキャビティ内で回転電磁界を円偏波とすることによって、前記ラジアル導波路に円偏波になされた回転電磁界を供給することができ、これによって生成されるプラズマの面内分布の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるプラズマ装置を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部における電界分布を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部の作用効果を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部の変形例を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部の変形例を説明する図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部の変形例を説明する図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部の変形例を説明する図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図１４】本発明の第７の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図１５】本発明の第８の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部を説明する図である。
【図１６】本発明の第８の実施の形態にかかるプラズマ装置に用いられるクロススロットの設計例を説明する図である。
【図１７】本発明の第８の実施の形態にかかるプラズマ装置の給電部の変形例を説明する図である。
【図１８】本発明の第８の実施の形態にかかるプラズマ装置に用いられるスロットの他の例を説明する図である。
【図１９】スロットの形状を示す平面図である。
【図２０】本発明で使用可能なラジアルアンテナの構成例を説明する図である。
【図２１】従来のプラズマ装置を説明する図である。
【図２２】従来のプラズマ装置における電磁界のモードを説明する図である。
【図２３】従来のプラズマ装置におけるプラズマの面内分布を示す模式図である。
【符号の説明】
１１…処理容器、１２…シールド材、１３…誘電体板、１４…シール部材、３０…ラジアルアンテナ、３１，３２…導体板、３３…ラジアル導波路、３４…導体リング、３５…キャビティ、３６…スロット、４１…同軸導波管、４１Ａ…外部導体、４１Ｂ…内部導体、５１Ａ…円形導体部材、５１Ｂ…円筒導体部材、５１Ｂ’…筒状導体部材、５２…給電ピン、５３…摂動ピン。
【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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