(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ波を供給することで発生させたプラズマの発生位置の制御及び均一性を向上させたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置は、処理容器１２、アンテナ１４、マイクロ波発生器２８、及び、ステージ２０を備え、マイクロ波発生器２８が接続されたアンテナ１４は処理空間Ｓの上方に設けられ、所定の軸線Ｚを中心とする円盤形状の導波路ＷＧを有する。処理容器１２内のステージ２０は軸線Ｚと交差するよう処理空間Ｓを介してアンテナ１４と対面し、アンテナ１４は導波路ＷＧを下方から画成する金属板４０を含む。この金属板４０には、軸線Ｚを中心とする第１の円及び軸線Ｚを中心とし第１の円よりも大径の第２の円に沿って複数の開口が設けられ、複数の開口を通って処理空間内に延び出した誘電体製の複数の突出部４２を含み、マイクロ波が突起部４２に集中してプラズマ発生位置を限定する。【選択図】図１
2014026773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理空間を画成する処理容器と、
前記処理空間の上方に設けられておりアンテナであり、所定の軸線を中心とする円盤形状の導波路を有する該アンテナと、
前記アンテナに接続されたマイクロ波発生器と、
前記処理容器内に設けられたステージであり、前記所定の軸線と交差するよう前記処理空間を介して前記アンテナと対面する該ステージと、
を備え、
前記アンテナは、前記導波路を下方から画成する金属板を含み、
前記金属板には、前記所定の軸線を中心とする第１の円及び該所定の軸線を中心とし前記第１の円よりも大径の第２の円に沿って複数の開口が設けられており、
前記アンテナは、前記複数の開口を通って前記処理空間内に延び出した誘電体製の複数の突出部を含む、
プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記複数の突出部のうち、前記第１の円及び第２の円の少なくとも一方に沿って設けられた開口を通る突出部と前記導波路を介して対峙する反射板を有し、前記所定の軸線が延在する方向において前記導波路からの前記反射板の距離を調整可能なプランジャを更に備える、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記金属板には、前記処理空間に処理ガスを供給するための複数のガス噴射口が設けられている、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記複数のガス噴射口は、前記所定の軸線を中心とする少なくとも二つの同心円に沿って設けられている、請求項１〜３の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記導波路の上に設けられた冷却ジャケットと、
前記金属板を加熱するヒータと、
を更に備える、請求項１〜４の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記複数の突出部は、前記所定の軸線が延在する方向に延びる棒状の誘電体により構成されており、該複数の突出部は、前記第１の円及び前記第２の円において前記所定の軸線に対して軸対称となるように配列されている、請求項１〜５の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記複数の突出部は、前記所定の軸線に直交する断面において弧状の形状を有し、該複数の突出部は、前記第１の円及び前記第２の円において前記所定の軸線に対して軸対称となるように配列されている、請求項１〜５の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、プラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、処理ガスのプラズマを励起させることにより、被処理基体に対するエッチングや成膜が行われる。プラズマは、容量結合方式、誘導結合方式といった種々の方式で励起させることができるが、プラズマの励起源として、低電子温度且つ高密度のプラズマを発生させることができるマイクロ波が注目されてきている。かかるマイクロ波を励起源として採用したプラズマ処理装置は、特許文献１に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載されたプラズマ処理装置は、処理容器、ステージ、処理ガスの供給部、アンテナ、及び、マイクロ波発生器を備えている。処理容器は、被処理基体を載置するステージをその内部に収容している。アンテナは、ステージの上方に設けられている。このアンテナは、ラジアルラインスロットアンテナと称されるものであり、同軸導波管を介してマイクロ波発生器に接続されている。また、アンテナは、冷却ジャケット、誘電体板、スロット板、及び誘電体窓を含んでいる。誘電体板は、略円盤形状を有しており、上下方向から金属製の冷却ジャケットとスロット板との間に挟持されている。スロット板には、複数のスロット孔が設けられている。これらスロット孔は、同軸導波管の中心軸線を中心として周方向及び径方向に配列されている。このスロット板の直下には、略円盤形状の誘電体窓が設けられている。この誘電体窓は、処理容器の上部開口を閉じている。また、供給部は、センターガス供給部及びアウターガス供給部を含んでいる。センターガス供給部は、誘電体窓の中央から処理ガスを供給している。アウターガス供給部は、誘電体窓とステージとの間において環状に設けられており、センターガス供給部よりも下方において処理ガスを供給している。
【０００４】
特許文献１に記載されたプラズマ処理装置では、マイクロ波発生器からのマイクロ波が同軸導波管を介してアンテナに供給される。アンテナでは、マイクロ波は、誘電体板を伝播し、スロット板のスロット孔から誘電体窓に伝播する。誘電体窓を伝播したマイクロ波は、当該誘電体窓から処理容器内に供給され、供給部から供給される処理ガスのプラズマを励起させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１２５５２４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された装置のラジアルラインスロットアンテナによって生成されるマイクロ波プラズマの特徴は、誘電体窓直下（プラズマ励起領域と呼ばれる）で生成され比較的電子温度の高いエネルギーのプラズマが拡散し、ステージ上に載置された被処理基体上では約１〜２ｅＶ程度の低い電子温度のプラズマとなることにある。すなわち、平行平板等のプラズマとは異なり、プラズマの電子温度の分布が誘電体窓からの距離の関数として明確に生ずることに特徴がある。より詳細には、誘電体窓直下での数ｅＶ〜約１０ｅＶの電子温度が、被処理基体上では約１〜２ｅＶ程度に減衰する。したがって、被処理基体の処理はプラズマの電子温度の低い領域（拡散プラズマ領域）で行なわれるので、被処理基体へリセス等の大きなダメージを与えることがない。また、特許文献１に記載された装置では、プラズマの電子温度の高い領域（プラズマ励起領域）へ処理ガスが供給されると、処理ガスは容易に励起され、解離される。一方、プラズマの電子温度の低い領域（プラズマ拡散領域）へ処理ガスが供給されると、プラズマ励起領域近傍へ供給された場合に比べ、解離の程度は抑えられる。
【０００７】
ところで、プラズマ処理装置には、被処理基体の全面に対する処理のバラツキを低減することが求められる。そのためには、処理容器内で発生させるプラズマの密度分布を最適化することが必要である。
【０００８】
特許文献１に記載された装置では、誘電体窓中央、即ち、センターガス供給部からの処理ガスの大流量供給により、誘電体窓直下の領域、即ちプラズマの電子温度の高い領域（プラズマ励起領域）において、高密度なプラズマが形成されはするが、プラズマがスロット近傍に著しく局在化する現象が発生してしまう。これは、マイクロ波により与えられる電子の平均自由行程が短く、当該電子はスロット近傍のガス分子とのみ衝突するからであり、その結果、容易に励起され解離されるプラズマは、スロット近傍に局在化してしまうからである。このように、特許文献１に記載された装置では、局在化したプラズマの発生位置の制御が困難であり、ウエハ面上での適切なプラズマ密度制御が困難となってしまう。
【０００９】
したがって、本技術分野においては、アンテナからマイクロ波を供給することにより処理容器内にプラズマを励起するプラズマ処理装置において、プラズマの発生位置の制御性を改善することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面に係るプラズマ処理装置は、処理容器、アンテナ、マイクロ波発生器、及び、ステージを備えている。処理容器は、処理空間を画成している。アンテナは、処理空間の上方に設けられており、所定の軸線を中心とする円盤形状の導波路を有している。マイクロ波発生器は、アンテナに接続されている。ステージは、処理容器内に設けられており、前記所定の軸線と交差するよう処理空間を介してアンテナと対面している。アンテナは、前記導波路を下方から画成する金属板を含んでいる。この金属板には、前記所定の軸線を中心とする第１の円及び当該所定の軸線を中心とし第１の円よりも大径の第２の円に沿って複数の開口が設けられている。アンテナは、複数の開口を通って処理空間内に延び出した誘電体製の複数の突出部を含んでいる。
【００１１】
このプラズマ処理装置では、前記導波路から金属板の複数の開口を介して伝播するマイクロ波が、当該複数の開口を通って処理容器内に延び出した複数の突出部に集中する。したがって、プラズマの発生位置が複数の突出部の近傍に集中する。故に、このプラズマ処理装置は、プラズマの発生位置の制御性に優れている。また、複数の突出部は、同心の第１の円及び第２の円に沿って設けられている。したがって、このプラズマ処理装置は、前記所定の軸線に対して周方向及び径方向において分散させた位置においてプラズマを発生させることができる。
【００１２】
一実施形態においては、プラズマ処理装置は、プランジャを更に備え得る。プランジャは、複数の突出部のうち、第１の円及び第２の円の少なくとも一方に沿って設けられた開口を通る突出部と前記導波路を介して対峙する反射板を有する。プランジャは、前記所定の軸線が延在する方向において前記導波路からの反射板の距離を調整可能である。
【００１３】
この実施形態によれば、プランジャの反射板の位置を調整することにより、前記導波路における定在波のピークの位置を金属板の開口の位置に対して相対的に調整することができる。その結果、第１の円に沿って設けられた突出部に伝播するマイクロ波のパワーと、第２の円に沿って設けられた突出部に伝搬するマイクロ波のパワーの比を調整することが可能となる。これにより、前記所定の軸線に対して放射方向のプラズマの密度分布を調整することが可能となる。
【００１４】
一実施形態においては、金属板には、処理空間に処理ガスを供給するための複数のガス噴射口が設けられていてもよい。この実施形態によれば、ステージの上方から処理ガスを供給することが可能となる。
【００１５】
一実施形態においては、複数のガス噴射口は、前記所定の軸線を中心とする少なくとも二つの同心円に沿って設けられていてもよい。この実施形態によれば、前記所定の軸線に対して放射方向の処理ガスの流量分布を調整することが可能となる。
【００１６】
一実施形態においては、プラズマ処理装置は、前記導波路の上に設けられた冷却ジャケットと、金属板を加熱するヒータと、を更に備えていてもよい。この実施形態によれば、冷却ジャケットによりアンテナを冷却することにより、アンテナ内の誘電体製の部品が熱応力により破壊することを抑制することが可能となる。また、ヒータによって金属板を加熱することにより、処理容器内で発生したイオン及びラジカル、並びに、処理の副生成物が金属板に再付着することを抑制することが可能となる。
【００１７】
一実施形態においては、複数の突出部は、前記所定の軸線が延在する方向に延びる棒状の誘電体により構成されていてもよく、当該複数の突出部は、第１の円及び第２の円において所定の軸線に対して軸対称となるように配列されていてもよい。また、別の実施形態においては、複数の突出部は、前記所定の軸線に直交する断面において弧状の形状を有し、当該複数の突出部は、第１の円及び第２の円において所定の軸線に対して軸対称となるように配列されていてもよい。これら実施形態によれば、所定の軸線に対して周方向のプラズマの分布を均一化することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の種々の側面及び実施形態によれば、アンテナからマイクロ波を供給することにより処理容器内に励起するプラズマの発生位置の制御性を改善したプラズマ処理装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
【図２】図１に示すアンテナを下方から見た平面図である。
【図３】図１に示すアンテナの金属板及び複数の突出部を拡大して示す断面図である。
【図４】別の実施形態に係るアンテナを下方から見た平面図である。
【図５】別の実施形態に係るアンテナの金属板及び複数の突出部を拡大して示す断面図である。
【図６】実験例に用いたプラズマ処理装置の構成を示す斜視図である。
【図７】実験例１のプラズマの発光状態の画像を示している。
【図８】実験例２のプラズマの発光状態の画像を示している。
【図９】シミュレーションによって求めた図６に示すプラズマ処理装置の電界強度の比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００２１】
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。図３に示すプラズマ処理装置１０は、処理容器１２及びアンテナ１４を備えている。処理容器１２は、被処理基体Ｗを収容するための処理空間Ｓを画成している。処理容器１２は、側壁１２ａ、及び底部１２ｂを含み得る。側壁１２ａは、所定の軸線Ｚが延びる方向（以下、「軸線Ｚ方向」という）に延在する略筒形状を有している。底部１２ｂは、側壁１２ａの下端側に設けられている。底部１２ｂには、排気用の排気孔１２ｈが設けられている。側壁１２ａの上端部は開口している。処理容器１２の上端部開口は、アンテナ１４によって閉じられている。
【００２２】
プラズマ処理装置１０は、処理容器１２内に設けられたステージ２０を更に備えている。ステージ２０は、アンテナ１４の下方に設けられており、軸線Ｚに交差するように処理空間Ｓを介してアンテナ１４と対面している。ステージ２０上には、被処理基体Ｗの中心が軸線Ｚと略一致するように、被処理基体Ｗが載置され得る。一実施形態においては、ステージ２０は、台２０ａ、及び、静電チャック２０ｂを含んでいる。
【００２３】
台２０ａは、筒状支持部４６に支持されている。筒状支持部４６は、絶縁性の材料で構成されており、底部１２ｂから垂直上方に延びている。また、筒状支持部４６の外周には、導電性の筒状支持部４８が設けられている。筒状支持部４８は、筒状支持部４６の外周に沿って処理容器１２の底部１２ｂから垂直上方に延びている。この筒状支持部４８と側壁１２ａとの間には、環状の排気路５０が形成されている。
【００２４】
排気路５０の上部には、複数の貫通孔が設けられた環状のバッフル板５２が取り付けられている。排気路５０は、排気孔１２ｈを提供する排気管５４に接続しており、当該排気管５４には、圧力調整器５６ａを介して排気装置５６ｂが接続されている。排気装置５６ｂは、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。圧力調整器５６ａは、排気装置５６ｂの排気量を調整して、処理容器１２内の圧力を調整する。これら圧力調整器５６ａ及び排気装置５６ｂにより、処理容器１２内の処理空間Ｓを所望の真空度まで減圧することができる。また、排気装置５６ｂを動作させることにより、ステージ２０の外周から排気路５０を介して処理ガスを排気することができる。
【００２５】
台２０ａは、高周波電極を兼ねている。台２０ａには、マッチングユニット６０及び給電棒６２を介して、ＲＦバイアス用の高周波電源５８が電気的に接続されている。高周波電源５８は、被処理基体Ｗに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．６５ＭＨｚの高周波電力を所定のパワーで出力する。マッチングユニット６０は、高周波電源５８側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器の中に自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
【００２６】
台２０ａの上面には、静電チャック２０ｂが設けられている。一実施形態においては、静電チャック２０ｂの上面は、被処理基体Ｗを載置するための載置領域を構成している。この静電チャック２０ｂは、被処理基体Ｗを静電吸着力で保持する。静電チャック２０ｂの径方向外側には、被処理基体Ｗの周囲を環状に囲むフォーカスリングＦが設けられている。静電チャック２０ｂは、電極２０ｄ、絶縁膜２０ｅ、及び、絶縁膜２０ｆを含んでいる。電極２０ｄは、導電膜によって構成されており、絶縁膜２０ｅと絶縁膜２０ｆの間に設けられている。電極２０ｄには、高圧の直流電源６４がスイッチ６６及び被覆線６８を介して電気的に接続されている。静電チャック２０ｂは、直流電源６４から印加される直流電圧により発生するクーロン力によって、その上面に被処理基体Ｗを吸着保持することができる。
【００２７】
台２０ａの内部には、周方向に延びる環状の冷媒室２０ｇが設けられている。この冷媒室２０ｇには、チラーユニットから配管７０，７２を介して所定の温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給される。静電チャック２０ｂ上の被処理基体Ｗの処理温度は、冷媒の温度によって制御され得る。さらに、伝熱ガス供給部からの伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスがガス供給管７４を介して静電チャック２０ｂの上面と被処理基体Ｗの裏面との間に供給される。
【００２８】
一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、温度制御機構として、ヒータＨＳ、ＨＣＳ、及び、ＨＥＳを更に備え得る。ヒータＨＳは、側壁１２ａ内に設けられており、環状に延在している。ヒータＨＳは、例えば、処理空間Ｓの高さ方向（即ち、軸線Ｚ方向）の中間に対応する位置に設けられ得る。ヒータＨＣＳは、台２０ａ内に設けられている。ヒータＨＣＳは、台２０ａ内において、上述した載置領域の中央部分の下方、即ち軸線Ｚに交差する領域に設けられている。また、ヒータＨＥＳは、台２０ａ内に設けられており、ヒータＨＥＳを囲むように環状に延在している。ヒータＨＥＳは、上述した載置領域の外縁部分の下方に設けられている。
【００２９】
また、プラズマ処理装置１０は、ガス供給部２４を更に備えている。ガス供給部２４は、環状管２４ａ、配管２４ｂ、及びガス源２４ｃを含んでいる。環状管２４ａは、処理空間Ｓの軸線Ｚ方向の中間位置において軸線Ｚ中心に環状に延在するよう、処理容器１２内に設けられている。この環状管２４ａには、軸線Ｚに向けて開口された複数のガス噴射口２４ｈが形成されている。これら複数のガス噴射口２４ｈは、軸線Ｚ中心に環状に配列されている。この環状管２４ａには配管２４ｂが接続している。配管２４ｂは、処理容器１２の外部まで延びており、ガス源２４ｃに接続されている。ガス源２４ｃは、処理ガスのガス源であり、当該処理ガスを流量制御して配管２４ｂに供給する。ガス源２４ｃは、例えば、開閉弁及びマスフローコントローラを含み得る。
【００３０】
かかるガス供給部２４は、配管２４ｂ、環状管２４ａ、及びガス噴射口２４ｈを介して、処理ガスを軸線Ｚに向けて処理空間Ｓ内に導入する。処理ガスは、プラズマ処理装置１０において被処理基体Ｗに対して行われる処理によって適宜選択されるものである。処理ガスは、例えば、被処理基体Ｗのエッチングを行う場合には、エッチャントガス及び／又は不活性ガス等を含み、或いは、被処理基体Ｗ上に成膜を行う場合には、原料ガス及び／又は不活性ガス等を含み得る。
【００３１】
図１に示すように、プラズマ処理装置１０は、アンテナ１４と共に、同軸導波管１６、マイクロ波発生器２８、チューナ３０、導波管３２、及び、モード変換器３４を更に備えている。マイクロ波発生器２８は、例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生器２８は、チューナ３０、導波管３２、及びモード変換器３４を介して、同軸導波管１６の上部に接続されている。
【００３２】
同軸導波管１６は、その中心軸線である軸線Ｚに沿って延在している。同軸導波管１６は、外側導体１６ａ及び内側導体１６ｂを含んでいる。外側導体１６ａは、軸線Ｚ方向に延びる筒形状を有している。外側導体１６ａの下端は、導電性の表面を有する冷却ジャケット３６の上部に電気的に接続され得る。内側導体１６ｂは、外側導体１６ａの内側に設けられている。内側導体１６ｂは、軸線Ｚに沿って延びる略円柱状の形状を有している。内側導体１６ｂの下端は、アンテナ１４の金属板４０に接続している。
【００３３】
一実施形態においては、アンテナ１４は、処理容器１２の上端開口内に配置され得る。アンテナ１４は、軸線Ｚを中心とする略円盤形状の導波路ＷＧを画成している。このアンテナ１４は、一実施形態においては、冷却ジャケット３６、誘電体板３８、金属板４０、及び複数の突出部４２を含み得る。冷却ジャケット３６は、導波路ＷＧの上に設けられている。一実施形態においては、冷却ジャケット３６の金属製の下面が、導波路ＷＧを上方から画成している。金属板４０は、略円盤形状の金属製の部材であり、導波路ＷＧを下方から画成している。冷却ジャケット３６と金属板４０との間には、誘電体板３８が挟持されている。誘電体板３８は、マイクロ波の波長を短縮させるものであり、例えば、石英又はアルミナから構成されており、略円盤形状を有している。この誘電体板３８は、冷却ジャケット３６と金属板４０との間において、導波路ＷＧを構成している。
【００３４】
以下、図１と共に、図２及び図３を参照する。図２は、図１に示すアンテナを下方から見た平面図である。図３は、図１に示すアンテナの金属板及び複数の突出部を拡大して示す断面図である。なお、図１及び図３には、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ってとった金属板４０の断面が示されている。図１〜図３に示すように、金属板４０には、当該金属板４０を軸線Ｚ方向に貫通する複数の開口４０ｈが形成されている。
【００３５】
複数の開口４０ｈのうち一部（図２では、四つの開口４０ｈ）は、軸線Ｚを中心とする第１の円ＣＣ１に沿って延在している。即ち、第１の円ＣＣ１に沿った複数の開口４０ｈは、軸線Ｚに直交する面内での平面形状として第１の円ＣＣ１に沿った弧状且つ帯状の形状を有している。また、複数の開口４０ｈのうち他の一部（図２では、別の四つの開口４０ｈ）は、軸線Ｚを中心とし第１の円ＣＣ１の直径より大径の第２の円ＣＣ２に沿って延在している。即ち、第２の円ＣＣ２に沿った複数の開口４０ｈは、軸線Ｚに直交する面内での平面形状として第２の円ＣＣ２に沿った弧状且つ帯状の形状を有している。一実施形態においては、複数の開口４０ｈは、軸線Ｚに対して軸対称に設けられている。
【００３６】
また、アンテナ１４は、これら複数の開口４０ｈを通って処理空間Ｓまで延び出した複数の突出部４２を更に含んでいる。これら突出部４２は、一実施形態においては、その上端において誘電体板３８に接しており、金属板４０の下面よりも下方まで延在している。
【００３７】
また、複数の突出部４２の各々は、軸線Ｚに直交する面内での断面形状として、複数の開口４０ｈのうち対応の開口に倣った平面形状を有している。即ち、第１の円ＣＣ１に沿って設けられた開口４０ｈを通る突出部４２は、第１の円ＣＣ１に沿って設けられた対応の開口の平面形状に倣った弧状且つ帯状の断面形状を有している。また、第２の円ＣＣ２に沿って設けられた開口４０ｈを通る突出部４２は、第２の円ＣＣ２に沿って設けられた対応の開口の平面形状に倣った弧状且つ帯状の断面形状を有している。これら複数の突出部４２は、誘電体製であり、例えば、石英から構成されている。なお、金属板４０の下面、特に、処理空間Ｓに面する金属板４０の領域には、Ｙ２Ｏ３或いは石英製の膜が設けられていてもよい。
【００３８】
かかる構成のアンテナ１４を有するプラズマ処理装置１０では、マイクロ波発生器２８によって発生されたマイクロ波は、チューナ３０、導波管３２、モード変換器３４及び同軸導波管１６を経由して導波路ＷＧ、即ち、誘電体板３８に伝播する。誘電体板３８を伝播したマイクロ波は、導波路ＷＧにおいて定在波となる。そして、マイクロ波は、導波路ＷＧから、金属板４０の複数の開口４０ｈを通る複数の突出部４２に漏れ出して、処理空間Ｓに供給される。このように、プラズマ処理装置１０では、金属板４０から漏れ出すマイクロ波が、金属板４０の下方の全領域ではなく、複数の突出部４２に集中する。その結果、処理ガスのプラズマの発生位置が、複数の突出部４２の近傍に集中する。したがって、プラズマ処理装置１０は、プラズマ発生位置の制御性に優れている。
【００３９】
また、複数の突出部４２は、同心の第１の円及び第２の円に沿って設けられており、且つ、軸線Ｚに対して軸対称に設けられている。したがって、プラズマ処理装置１０では、プラズマの発生位置を、軸線Ｚに対して放射方向に分布させることができ、また、軸線Ｚに周方向に分布させることが可能である。その結果、プラズマ処理装置１０によれば、軸線Ｚに対して周方向及び放射方向におけるプラズマの密度分布を均一化することが可能となる。また、プラズマ処理装置１０によれば、処理ガスをアンテナ１４直下に大量供給するときによって生じ得るアンテナ１４直下のプラズマ局在化に対応できるだけでなく、中低流量の処理ガスの供給においても、より最適なプラズマ密度制御を実現できる。
【００４０】
一実施形態においては、図１に示すように、プラズマ処理装置１０は、複数のプランジャ４４を更に備え得る。複数のプランジャ４４の各々は、反射板４４ａ及び位置調整機構４４ｂを含んでいる。図１に示す実施形態では、複数のプランジャ４４の反射板４４ａはそれぞれ、第１の円ＣＣ１に沿って設けられた複数の突出部４２と、導波路ＷＧを介して対峙するように設けられている。
【００４１】
また、図１に示すように、プランジャ４４の反射板４４ａは、その軸線Ｚ方向における位置を調整するための位置調整機構４４ｂに接続されている。プラズマ処理装置１０では、位置調整機構４４ｂを用いて反射板４４ａの位置を調整することにより、導波路ＷＧにおける定在波のピークの位置を調整することができる。その結果、第１の円ＣＣ１に沿って設けられた突出部４２に漏れ出すマイクロ波のパワーと第２の円ＣＣ１に沿って設けられた突出部４２に漏れ出すマイクロ波のパワーの比を調整することが可能となる。これにより、軸線Ｚに対して放射方向のプラズマの密度分布を調整することが可能となる。
【００４２】
なお、別の実施形態では、複数のプランジャ４４は、第２の円ＣＣ２に沿って設けられた複数の突出部４２と反射板４４ａが対峙するように設けられていてもよく、或いは、全ての突出部４２と反射板４４ａが対峙するように設けられていてもよい。
【００４３】
再び図１〜図３を参照する。一実施形態においては、金属板４０には、処理空間Ｓに処理ガスを供給するための複数のガス噴射口４０ｉが設けられている。これらガス噴射口４０ｉは、下方に向けて開口している。図１〜図３に示す例では、複数のガス噴射口４０ｉは、軸線Ｚを中心とする二つの同心円に沿って配列されている。また、金属板４０には、二つの同心円のうち内側の円に沿って配列されたガス噴射口４０ｉに接続する環状のガスライン４０ｂが形成されている。ガスライン４０ｂには、金属板４０の周縁部に向けて延びるガスライン４０ｃが接続されている。ガスライン４０ｃは金属板４０の下面に設けられたポート４０ｄに接続している。このポート４０ｄには、処理容器１２の側壁１２ａ内に設けられたガスラインを介して、ガス源２５が接続されている。ガス源２５は、ガス源２４ｃと同様に、処理ガスのガス源であり、当該処理ガスの流量を制御可能なように構成されている。
【００４４】
また、金属板４０には、二つの同心円のうち外側の円に沿って配列されたガス噴射口４０ｉに接続する環状のガスライン４０ｅが形成されている。ガスライン４０ｅには、金属板４０の周縁部に向けて延びるガスライン４０ｆが接続されている。ガスライン４０ｆは金属板４０の下面に設けられたポート４０ｇに接続している。このポート４０ｇには、処理容器１２の側壁１２ａ内に設けられたガスラインを介して、ガス源２６が接続されている。ガス源２６は、ガス源２４ｃと同様に、処理ガスのガス源であり、当該処理ガスの流量を制御可能なように構成されている。
【００４５】
このプラズマ処理装置１０では、処理空間Ｓの高さ方向の中間位置において環状に配列された複数のガス噴射口２４ｈに加えて、処理空間Ｓの上から下方に向けて処理ガスを供給するための複数のガス噴射口４０ｉが設けられている。また、これらガス噴射口４０ｉは、二つの同心円に沿って配列されている。したがって、プラズマ処理装置１０では、処理空間Ｓの上方から被処理基体Ｗに向けて処理ガスを供給することができ、更に、軸線Ｚに対して放射方向の処理ガスの流量分布を調整することが可能である。なお、別の実施形態においては、複数のガス噴射口４０ｉは、三つ以上の同心円に沿って配列されていてもよい。
【００４６】
再び図１を参照する。プラズマ処理装置１０では、図１に示すように、冷却ジャケット３６上にヒータＨＴが設けられている。このヒータＨＴは、冷却ジャケット３６を介して、金属板４０を加熱する。これにより、処理容器１２内で発生したイオン及びラジカル、並びに、処理の副生成物が金属板４０に再付着することを抑制することが可能となる。また、プラズマ処理装置１０では、冷却ジャケット３６によりアンテナ１４を冷却することも可能である。これにより、誘電体板３８や誘電体製の突出部４２が熱応力により破壊することを抑制することが可能である。
【００４７】
以上、一実施形態に係るプラズマ処理装置１０について詳細してきた。上述したように、プラズマ処理装置１０は、プラズマの発生位置の制御性に優れるという効果を有しているが、この効果は、処理容器１２内の圧力が１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）以上といった高圧である場合に特に有効に発揮される。以下、この理由を説明する。
【００４８】
下記の（１）式に示すように、処理容器１２内でのプラズマを構成する電子、イオンの流れの振る舞いは、下記の輸送方程式によって表わすことができる。
【数１】
2014026773.tif 000003
ここで、プラズマは負イオンを含まないプラズマであるとする。（１）式において、Γ、Γｅ、Γiはそれぞれプラズマ、電子、イオンの流束を示しており、Ｄは両極性拡散係数であり、ｎは、プラズマ密度である。また、両極性拡散係数Ｄは、下記の（２）式で表わすことができる。
【数２】
2014026773.tif 000004
（２）式において、μｅ，μｉはそれぞれ、電子、イオンの移動度であり、Ｄｅ，Ｄｉはそれぞれ電子、イオンの拡散係数である。粒子種ｓの移動度、拡散係数はそれぞれ以下の（３）式、（４）式で表される。
【数３】
2014026773.tif 000005
【数４】
2014026773.tif 000006
（３）、（４）式において、ｑｓは粒子種ｓの電荷量、ｋＢはボルツマン定数、Ｔｓは粒子種sの温度、ｍｓは粒子種sの質量、νｓｍは粒子種sと中性粒子との衝突周波数である。イオンはすべて１価の陽イオンであると仮定し、（２）式に（３）、（４）式を代入すると、
【数５】
2014026773.tif 000007
となる。
【００４９】
ここで、処理容器１２内の圧力が高い場合と低い場合の双方において同じパワーのマイクロ波が投入され、電子、イオンの生成量が等しいものとすると、プラズマの巨視的な流束Γは双方の場合において等しく保たれる。また、処理容器１２内の圧力が高くなると、粒子種ｓと中性粒子との衝突頻度νsmは大きくなり、（５）式から、処理容器１２内の圧力が高くなると、両極性拡散係数Ｄは、処理容器１２内の圧力が低い場合の拡散係数よりも小さくなる。したがって、（１）式の関係より、処理容器１２内の圧力が高い場合のプラズマの流束Γを、処理容器１２内の圧力が低い場合のプラズマの流束Γと等しくするためには、強いプラズマの密度勾配が必要となる。また、電子が励起衝突や電離衝突などの非弾性衝突を起こす頻度も高くなり、電子が生成されてから非弾性衝突によりエネルギーを失うまでの移動距離が短くなる。このために、処理容器１２内の圧力が高くなると、広い領域においてプラズマを拡散させようとしても、プラズマが局在化するという現象が生じ得る。また、マイクロ波を大面積平板誘電体を通して処理容器内で発生させる場合、プラズマの発生位置は誘電体内の定在波モードにより決定され、スロット板などでマイクロ波投入位置を規定しても、十分なプラズマ発生位置制御性を得ることが難しい。
【００５０】
一方、プラズマ処理装置１０では、処理空間Ｓに接する面積が制限された複数の突出部４２にマイクロ波を集中させているので、高い圧力下においても、プラズマの発生位置を突出部４２の近傍に制御することが可能である。よって、プラズマ処理装置１０は、高い圧力下においても、プラズマの発生位置の制御性に優れている。
【００５１】
以下、図４及び図５を参照してアンテナの別の実施形態について説明する。図４は、別の実施形態に係るアンテナを下方から見た平面図である。図５は、別の実施形態に係るアンテナの金属板及び複数の突出部を拡大して示す断面図であり、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面を示している。図４に示すアンテナ１４Ａの金属板４０Ａには、複数の開口４０Ａｈが設けられている。複数の開口４０Ａｈは、同心円ＣＣ１及びＣＣ２に沿って配列されており、軸線Ｚに対して軸対称に設けられている。複数の開口４０Ａｈは、金属板４０の開口４０ｈとは異なり、軸線Ｚに直交する面内での平面形状として円形の形状を有している。
【００５２】
また、アンテナ１４Ａは、複数の開口４０Ａｈを通る棒状、即ち円柱形状の複数の突出部４２Ａを有している。これら突出部４２Ａは、その上端において誘電体板３８に接しており、金属板４０Ａの下面よりも下方まで軸線Ｚ方向に延在している。かかる構成のアンテナ１４Ａは、円柱形状の複数の突出部４２Ａを有しているが、アンテナ１４によって発揮される効果と同様の効果を発揮することができる。したがって、複数の突出部は、制限された面積で処理空間Ｓに接するよう、アンテナの金属板に設けられた開口から金属板の下方まで延びだしていれば、任意の形状を有し得る。
【００５３】
以下、制限された面積で処理空間Ｓに接する誘電体にマイクロ波を集中させることにより、プラズマの発生位置を制御できることを検証した実験例１及び２、並びにシミュレーションについて説明する。図６は、実験例に用いたプラズマ処理装置の構成を示す斜視図である。
【００５４】
図６に示すプラズマ処理装置１００は、処理容器１１２の上部に、四つの誘電体製のロッドＳＰ１〜ＳＰ４を備えている。ロッドＳＰ１〜ＳＰ４は、４０ｍｍの直径及び３５３ｍｍの長さを有し、１００ｍｍ間隔で互いに平行に配列されている。また、図６に示すように、これらロッドは、ロッドＳＰ１、ＳＰ３、ＳＰ２、ＳＰ４の順で一方向に配列されている。
【００５５】
また、プラズマ処理装置１００は、二つの矩形導波管１１４及び１１６を備えている。矩形導波管１１４及び１１６の断面サイズは、ＥＩＡ規格ＷＲ−４３０準拠の１０９．２ｍｍｘ５４．６ｍｍである。導波管１１４及び１１６は、ロッドＳＰ１〜ＳＰ４の延在方向と直交する方向に延在しており、それらの間にロッドＳＰ１〜ＳＰ４が介在するように設けられている。導波管１１４は、その反射端にプランジャ１１８を有しており、導波管１１６は、その反射端にプランジャ１２０を有している。導波管１１４の導波路内には、ロッドＳＰ１及びＳＰ２の一端が位置しており、ロッドＳＰ１及びＳＰ２の他端は、導波管１１６の導波路の手前で終端している。具体的には、ロッドＳＰ１及びＳＰ２それぞれの一端は、３０ｍｍの長さで導波管１１４内に入り込んでいる。また、導波管１１６の導波路内には、ロッドＳＰ３及びＳＰ４の一端が位置しており、ロッドＳＰ３及びＳＰ４の他端は、導波管１１４の導波路の手前で終端している。具体的には、ロッドＳＰ３及びＳＰ４それぞれの一端は、３０ｍｍの長さで導波管１１６内に入り込んでいる。
【００５６】
導波管１１４には、プランジャ１２２及び１２４が取り付けられている。プランジャ１２２は、反射板１２２ａ及び位置調整機構１２２ｂを有している。反射板１２２ａは、導波管１１４の導波路を介してロッドＳＰ１の一端に対峙している。位置調整機構１２２ｂは、導波路を画成する導波管１１４の一面（参照符号１１４ａで示す）からの反射板１２２ａの位置を調整する機能を有する。また、プランジャ１２４は、反射板１２４ａ及び位置調整機構１２４ｂを有している。反射板１２４ａは、導波管１１４の導波路を介してロッドＳＰ２の一端に対峙している。位置調整機構１２４ｂは、導波管１１４の一面１１４ａからの反射板１２４ａの位置を調整することができる。
【００５７】
また、導波管１１６には、プランジャ１２６及び１２８が取り付けられている。プランジャ１２６は、反射板１２６ａ及び位置調整機構１２６ｂを有している。反射板１２６ａは、導波管１１６の導波路を介してロッドＳＰ３の一端に対峙している。位置調整機構１２６ｂは、導波路を画成する導波管１１６の一面（参照符号１１６ａで示す）からの反射板１２６ａの位置を調整することができる。また、プランジャ１２８は、反射板１２８ａ及び位置調整機構１２８ｂを有している。反射板１２８ａは、導波管１１６の導波路を介してロッドＳＰ４の一端に対峙している。位置調整機構１２８ｂは、導波路を画成する導波管１１６の一面１１６ａからの反射板１２８ａの位置を調整することができる。
【００５８】
実験例１及び２では、上記構成を有するプラズマ処理装置１００の処理容器１１２内にＡｒガスを供給し、導波管１１４に周波数２．４５ＧＨｚ且つパワー１ｋＷのマイクロ波を供給した。また、実験例１及び２では、導波管１１４の一面１１４ａからの反射板１２２ａの距離ｄ１、及び、導波管１１４の一面１１４ａからの反射板１２４ａの距離ｄ２をパラメータとして変化させた。また、実験例１及び２では、ロッドＳＰ１とロッドＳＰ２の間の距離は、２００ｍｍに設定した。また、実験例１では、処理容器１１２内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ（１３．３３Ｐａ）に設定し、実験例２では、処理容器１１２内の圧力を１Ｔｏｒｒ（１３３．３Ｐａ）に設定した。また、プランジャ１１８の反射板１１８ａと、ロッドＳＰ１の軸線との距離は８５ｍｍとした。
【００５９】
そして、実験例１及び実験例２の双方において、ロッドＳＰ１及びＳＰ２の下方からプラズマの発光状態を撮影した。図７は、実験例１のプラズマの発光状態の画像を示している、図８は、実験例２のプラズマの発光状態の画像を示している。図７及び図８では、距離ｄ１及び距離ｄ２の設定値に対応づけて、当該距離ｄ１及び距離ｄ２の設定値の下でのプラズマの発光状態を撮影した画像がマトリクス状に示されている。
【００６０】
図７及び図８に示す画像では、比較的に輝度の高い部分が、ロッドＳＰ１及びＳＰ２の近傍のプラズマの発光を示している。したがって、実験例１及び実験例２の結果、プラズマの発生位置をロッドＳＰ１及びＳＰ２の近傍に制御できることが確認された。このことから、導波路から延在する誘電体製の部材が制限された面積で処理容器内の処理空間に接する構成により、プラズマの発生位置を当該誘電体製の部材の近傍に集中させることができることが確認された。
【００６１】
また、図７及び図８に示すように、距離ｄ１及びｄ２、即ち、導波管１１４の導波路からの反射板１２２ａの距離、及び、導波管１１４の導波路からの反射板１２４ａの距離を調整することにより、ロッドＳＰ１の近傍のプラズマの輝度とロッドＳＰ２の近傍のプラズマの輝度の比が相対的に変化することが確認された。したがって、実験例１及び２の結果、距離ｄ１及びｄ２を調整することにより、ロッドＳＰ１の近傍でのプラズマの密度とロッドＳＰ２の近傍でのプラズマの密度の比を調整できることが確認された。このことから、導波路から延在する誘電体製の複数の部材が制限された面積で処理容器内の処理空間に接する構成において、プランジャの反射板の導波路からの距離を調整することにより、誘電体製の部材の近傍に集中させたプラズマの密度分布を調整できることが確認された。
【００６２】
また、シミュレーションにより、実験例１及び実験例２と同様の設定でプラズマ処理装置１００の電界強度を計算した。このシミュレーションでは、距離ｄ１及び距離ｄ２をパラメータとして変化させ、ロッドＳＰ１内の電界強度Ｐ１とロッドＳＰ２内の電界強度Ｐ２を計算し、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）を電界強度の比として求めた。この結果を図９に示す。図９において、横軸は距離ｄ１の設定値を示しており、縦軸は距離ｄ２の設定値を示している。図９では、距離ｄ１の設定値と距離ｄ２の設定値に対応づけて、当該距離ｄ１の設定値と距離ｄ２の設定値の下で計算した電界強度の比Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）を示している。また、図９では、実験例１及び２の距離ｄ１及び距離ｄ２の設定値と同一の設定値の電界強度の比Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）を示す部分を円で囲んでいる。このシミュレーションの結果、図９の円で囲まれた部分の電界強度の比Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）は、実験例１及び２のプラズマの発光状態に整合していることが確認された。また、図９に示すように、このシミュレーションの結果からも、プランジャの反射板の導波路からの距離を調整することにより、誘電体製の複数の部材の近傍に集中させたプラズマの密度分布を調整できることが確認された。
【００６３】
以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、上述した実施形態では、誘電体製の複数の突出部が二つの同心円、即ち第１の円ＣＣ１及び第２の円ＣＣ２に沿って配列されているが、複数の突出部は、三つ以上の同心円に沿って設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１４…アンテナ、２８…マイクロ波発生器、３６…冷却ジャケット、３８…誘電体板、４０…金属板、４０ｈ…開口、４０ｉ…ガス噴射口、４２…突出部、４４…プランジャ、４４ａ…反射板、４４ｂ…位置調整機構、ＣＣ１…第１の円、ＣＣ２…第２の円、ＨＴ…ヒータ、ＷＧ…導波路、Ｚ…軸線、１４Ａ…アンテナ、４０Ａ…金属板、４０Ａｈ…開口、４２Ａ…突出部。
【図１】
2014026773.tif 000008
【図２】
2014026773.tif 000009
【図３】
2014026773.tif 000010
【図４】
2014026773.tif 000011
【図５】
2014026773.tif 000012
【図６】
2014026773.tif 000013
【図７】
2014026773.tif 000014
【図８】
2014026773.tif 000015
【図９】
2014026773.tif 000016