(57)【要約】      （修正有）【課題】電界集中による異常放電の発生を抑止するため、表面を良好に加工した誘電体窓を備えた処理装置およびその処理装置の使用方法を提供する。【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置１０は、処理容器１００と、処理容器１００に設けられた誘電体窓１３６ａと、処理容器１００の空間内部に所望のガスを供給するガス供給源１４４と、マイクロ波を出力するマイクロ波発生器とを有している。マイクロ波発生器から出力され、誘電体窓１３６ａを介して処理容器１００内に供給されたマイクロ波の電界エネルギーを用いて処理容器１００内に供給されたガスにより基板Ｇに所望の処理が施される。誘電体窓１３６ａの表面は、ミリ波加熱装置を用いてミリ波により予め低温加熱され、加工前より凹凸がなくなめらかな状態になっている。【選択図】図１
2008251499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器と、前記処理容器に設けられた誘電体窓と、前記処理容器内に所望のガスを供給するガス供給源と、所望のエネルギーを出力するエネルギー源とを備え、前記エネルギー源から出力され、前記誘電体窓を介して前記処理容器内に供給されたエネルギーを用いて前記処理容器内に供給されたガスにより被処理体に所望の処理を施す処理装置であって、
前記誘電体窓の表面が、ミリ波により予め加工されている処理装置。
【請求項２】
前記ミリ波による加工は、前記誘電体窓の表面をミリ波により加熱することを含む請求項１に記載された処理装置。
【請求項３】
前記ミリ波による加工は、前記誘電体窓の表面をミリ波により加熱して表面を平滑にすることを含む請求項１または請求項２のいずれかに記載された処理装置。
【請求項４】
前記誘電体窓は、
１２００℃以上の温度にてミリ波により予め加工されている請求項１〜３のいずれかに記載された処理装置。
【請求項５】
前記誘電体窓は、
１６００℃以下の温度にてミリ波により予め加工されている請求項４に記載された処理装置。
【請求項６】
前記誘電体窓は、
前記誘電体窓を組成する成分を含んだガスを用いてミリ波により予め加工されている請求項１〜５のいずれかに記載された処理装置。
【請求項７】
前記誘電体窓の材料は、アルミナセラミックである請求項１〜６のいずれかに記載された処理装置。
【請求項８】
前記誘電体窓は、
Ｏ２ガスを用いてミリ波により予め加工されている請求項１〜７のいずれかに記載された処理装置。
【請求項９】
前記ミリ波による加熱は、酸素雰囲気中で行う請求項１〜８のいずれかに記載された処理装置。
【請求項１０】
前記誘電体窓は、
複数枚の誘電体窓パーツから構成され、
各誘電体窓パーツは、
少なくともミリ波により予め加工されている面がステージと対向するように、格子状に形成された梁を用いて前記処理容器に固定されている請求項１〜９のいずれかに記載された処理装置。
【請求項１１】
処理容器と、前記処理容器に設けられた誘電体窓と、前記処理容器内に所望のガスを供給するガス供給源と、所望のエネルギーを出力するエネルギー源とを備える処理装置の使用方法であって、
前記誘電体窓の表面は、ミリ波により予め加工され、
前記エネルギー源から出力され、前記誘電体窓を介して前記処理容器内に供給されたエネルギーを用いて前記処理容器内に供給されたガスにより被処理体に所望の処理を施す処理装置の使用方法。
【請求項１２】
表面がミリ波により予め加工されているプラズマ処理装置の誘電体窓用の誘電体部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の処理を施す処理装置の誘電体窓に用いられる誘電体部材の表面加工に関する。
【背景技術】
【０００２】
被処理体に所望の処理を施す処理装置としては、たとえば、高周波電源から出力された高周波を用いてガスからプラズマを生成し、生成されたプラズマにより基板を成膜するプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が知られている（たとえば、特許文献１）。
【０００３】
プラズマ処理装置では、処理容器の一部（たとえば、天井面）が、誘電体窓にて形成されているものがある。誘電体窓は、処理容器内を密閉するとともに、外部に設置されたエネルギー源から出力されたエネルギーを処理容器内に供給する電極部として機能する。
【０００４】
このような機能を有する誘電体窓の材質としては、石英など種々の物質が従来から使われてきたが、近年、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が多く用いられている。アルミナには、製造が比較的容易であり誘電体窓の大型化が可能であること、強度が高いため破損しにくいこと、性能が安定していること、コスト面で有利であることなど、多くの利点があり、これらの利点が、基板の大型化に伴う誘電体窓の大型化や処理装置の信頼性の向上に適しているからである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４２４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のような機能を有する誘電体窓用のアルミナプレート（誘電体部材）の表面には、ダイヤモンドなどから形成された円盤状の砥石により切削加工するときに、図２（ａ）のＡに示した粒内（結晶粒の内部）の破壊や、Ｂに示した粒界（アルミナプレートを構成する結晶粒間）の破壊が生じることにより微少な凹凸が生じる。
【０００７】
たとえば、図３（ａ）に示したように、アルミナプレートの表面に凹凸がない場合、マイクロ波がアルミナプレート（誘電体窓）を介して処理容器内に供給される際、スロットアンテナのスロット１３４ａから誘電体窓１３６ａを透過するマイクロ波の電界エネルギーは、一箇所に集中せず、アルミナプレートの下部から万遍なく処理室Ｕに送り込まれる。しかし、図３（ｂ）に示したように、アルミナプレートの表面に凹凸がある場合、アルミナプレートの表面の凸部に電界エネルギーが集中する。
【０００８】
この結果、アルミナプレートの下部表面の凸部にて電界強度が高くなって、異常放電を引き起こす場合がある。この場合、異常放電により生じた熱によって誘電体窓にひび割れなどの損傷が生じる可能性がある。また、表面の欠陥や欠損部分では、プロセス中に処理ガス（反応種）との化学反応を起こしやすく、これにより、誘電体窓を腐食させる。この結果、誘電体窓の表面からアルミナ薄片が脱落して、プラズマ処理中の被処理体上に混入する。このようにしてプラズマ処理中にパーティクルが発生すると、プロセス性能が悪化して、不良品の製造により歩留まりが低下し、生産性が落ちるという問題が生じる。
【０００９】
これに対してパーティクルの発生を抑える方法としては、図２（ｂ）に示したように、誘電体窓用のアルミナプレートを予め高温焼成する方法が考えられる。しかしながら、アルミナプレートを高温焼成すると、粒界のみならず粒内まで加熱され、各結晶粒が変形して隣り合う粒同士が一体化し（粒成長）、この結果、アルミナプレートが大きく変形する。このため、高温焼成では、アルミナプレートを変形させることなく切削時に形成されたアルミナ表面の粒界破壊や粒内破壊を修復して、凹凸のないなめらかな表面のアルミナプレートに加工することは難しかった。
【００１０】
そこで、上記問題を解消するために、本発明は、表面を良好に加工したプラズマ処理装置の誘電体窓用の誘電体部材、その誘電体を備えた処理装置およびその処理装置の使用方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、処理容器と、前記処理容器に設けられた誘電体窓と、前記処理容器内に所望のガスを供給するガス供給源と、所望のエネルギーを出力するエネルギー源とを備え、前記エネルギー源から出力され、前記誘電体窓を介して前記処理容器内に供給されたエネルギーを用いて前記処理容器内に供給されたガスにより被処理体に所望の処理を施す処理装置が提供される。この処理装置に備えられた誘電体窓の表面は、ミリ波により予め加工されている。
【００１２】
これによれば、誘電体窓の表面は、ミリ波により加熱されている。ミリ波による加熱は、たとえば、周波数２８ＧＨｚ（波長約１２ｍｍ）のミリ波を物体に照射させることにより物体の表層部分を低温焼結する方法である。図２（ｃ）に示したように、ミリ波加熱では、２８ＧＨｚ（または、２４ＧＨｚ）のミリ波がアルミナプレートに照射されることにより、アルミナプレートを構成する粒子同士を振動させ、その摩擦熱を利用して粒子と粒子との表層（粒界）を選択的に加熱、密着させる。これにより、結晶粒の内部を加熱することなく、電気炉などの熱による加熱焼結よりも数百℃程度低くアルミナプレートを焼結することができる。
【００１３】
このように、ミリ波による表面加工では、試料の粒界部分を選択的に加熱することにより、界面にて粒子同士を強固に一体化することができる。一方、粒内はほとんど加熱されないため、焼結時の低温化を図ることができ、焼成中に粒同士が一体化して（粒成長）、アルミナプレートが変形することを防ぐことができる。また、ミリ波加熱では、アルミナを高温焼成する場合に比べて各結晶粒の尖った部分を丸くすることができる。この結果、アルミナプレートを変形させることなく、アルミナの表面を凹凸のないなめらかな状態に加工することができる。
【００１４】
このようにして、誘電体窓用のアルミナプレートの表面を予めなめらかに加工しておくことより、アルミナプレートを誘電体窓として配設したプラズマ処理装置にて、プロセスを実行する際、誘電体窓の表面に電界エネルギーが集中することを抑えることができる。これにより、異常放電を抑制し、異常放電時の熱により誘電体窓が損傷したり、誘電体窓からアルミナ薄片が脱落して、パーティクルとして被処理体に混入することを抑制することができる。この結果、良好なプロセス性能をもつ製品を安定的に製造することができる。
【００１５】
前記誘電体窓は、１２００℃以上の温度にてミリ波により予め加工されていることが好ましい。発明者らは、鋭意研究の結果、アルミナプレートを形成する各結晶粒の角が取れて丸くなるのは、１２００℃以上の温度にてアルミナプレートを焼成した場合であることをつきとめた。よって、このように１２００℃以上の温度にてミリ波加熱されたアルミナプレートをプラズマ処理装置の誘電体窓に使用することにより、プロセス中に誘電体窓の表面にて電界エネルギーが集中することを抑止し、これにより、異常放電の発生を抑制することができる。
【００１６】
また、前記誘電体窓は、１６００℃以下の温度にてミリ波により予め加工されていることが好ましい。電気炉によるアルミナ粉末成型体の熱による焼結温度は約１６００℃程度であるため、１６００℃より高温にてアルミナをミリ波加熱すると、加熱温度が上がるとともに結晶粒が成長し、大きくなる。結晶粒が大きくなると、結晶粒が小さい場合より結晶粒同士の接触面積が小さくなり、強度が低下する。よって、１６００℃以下の温度にてミリ波加工されたアルミナプレートをプラズマ処理装置の誘電体窓に使用すれば、その誘電体窓は、結晶粒同士の接触面積が大きく強固であるため、プロセス中に破損することを防止することができる。
【００１７】
前記誘電体窓は、前記誘電体窓を組成する成分を含んだガスを用いてミリ波により予め加工されていてもよい。これによれば、誘電体窓を形成する物質を含んだガスを用いて、誘電体窓の表層が改質される。たとえば、酸素雰囲気中にてＯ２を含んだガスを用いてミリ波加熱することにより、Ｏ２ガスに含まれる分子を図２（ａ）に示したアルミナプレートの表面に存在する粒界破壊（酸素欠損）部分に補填することができる。このようにして、アルミナプレートを構成する物質と同じ物質によりアルミナプレート表面の欠陥を補填することによって、熱的安定性を強化することができる。これにより、アルミナプレートの化学的、熱的強度を高めることができるとともに、アルミナプレートの表面に生じた粒内破壊部分や粒界破壊部分にて、プロセス中に処理ガス（反応種）との反応を起こりにくくすることができる。これにより、誘電体窓の表面からパーティクルの原因となる薄片が発生することを抑えることができるとともに、アルミナプレートの欠損にて容易に化学反応が生じ、被処理体のプラズマ処理に使われることなく処理室内にて消失する処理ガスを減らすことができる。
【００１８】
このようにして、予め表面加工されたアルミナプレートを誘電体窓に用いると、比較的製造が容易であるというアルミナの利点を活かして誘電体窓を大型化させるという社会の要請を満たしながら、パーティクルの原因となる薄片の発生を抑止することができる。
【００１９】
前記誘電体窓は、一枚の平面板（プレート）であってもよいが、タイル状に形成された複数枚の誘電体窓パーツから構成されていてもよい。複数枚の誘電体窓パーツの場合、各誘電体窓パーツは、格子状に形成された梁に支持された状態にて処理容器に固定される。
【００２０】
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、処理容器と、前記処理容器に設けられた誘電体窓と、前記処理容器内に所望のガスを供給するガス供給源と、所望のエネルギーを出力するエネルギー源とを備える処理装置の使用方法が提供される。この処理装置の使用方法では、前記誘電体窓の表面がミリ波により予め加工され、前記エネルギー源から出力され、前記誘電体窓を介して前記処理容器内に供給されたエネルギーを用いて前記処理容器内に供給されたガスにより被処理体に所望の処理が施される。
【００２１】
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、表面がミリ波により予め加工されているプラズマ処理装置の誘電体窓用の誘電体部材が提供される。
【００２２】
これらによれば、ミリ波加熱により、たとえば、プラズマ処理装置の誘電体窓用の誘電体部材の表面を予め凹凸のないなめらかな表面にすることよって、プラズマ処理中に誘電体窓近傍にて異常放電が発生することを抑止することができる。この結果、異常放電により生じる熱により、誘電体窓が損傷したり、誘電体の表面から薄片が脱落してパーティクルの原因となることを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、処理装置用の誘電体の表面を予め良好に加工しておくことにより、パーティクルの原因となる誘電体の薄片の発生を抑止することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。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。また、本明細書中１ｍＴｏｒｒは（１０−３×１０１３２５／７６０）Ｐａ、１ｓｃｃｍは（１０−６／６０）ｍ３／ｓｅｃとする。
【００２５】
まず、本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置について、その概略構成を示した図１を参照しながら説明する。なお、マイクロ波プラズマ処理装置は、所望のガスにより被処理体に所望の処理を施す処理装置の一例である。
【００２６】
（マイクロ波プラズマ処理装置の構成）
本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１０は、処理容器１００と蓋体１０２を備えている。処理容器１００は、その上部が開口された有底立方体形状を有している。処理容器１００と蓋体１０２とは、処理容器１００と蓋体１０２と接触面に配設されたＯリング１０４により密閉され、これにより、プラズマ処理を施す処理室Ｕが形成されている。処理容器１００および蓋体１０２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。
【００２７】
処理容器１００には、その内部にてガラス基板（以下「基板」という）Ｇを載置するためのステージ１０６が設けられている。ステージ１０６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１０８およびヒータ１１０が設けられている。
【００２８】
給電部１０８には、整合器１１２（たとえば、コンデンサ）を介して高周波電源１１４が接続されている。また、給電部１０８には、コイル１１６を介して高圧直流電源１１８が接続されている。整合器１１２、高周波電源１１４、コイル１１６および高圧直流電源１１８は、処理容器１００の外部に設けられている。また、高周波電源１１４および高圧直流電源１１８は、接地されている。
【００２９】
給電部１０８は、高周波電源１１４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１０８は、高圧直流電源１１８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。
【００３０】
ヒータ１１０には、処理容器１００の外部に設けられた交流電源１２０が接続されていて、交流電源１２０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。
【００３１】
処理容器１００の底面は筒状に開口され、その外部周縁にはベローズ１２２の一端が装着されている。ベローズ１２２の他端は昇降プレート１２４に固着されている。このようにして、処理容器１００の底面の開口部分は、ベローズ１２２および昇降プレート２４により密閉されている。
【００３２】
ステージ１０６は、昇降プレート１２４上に配設された筒体１２６に支持されていて、昇降プレート１２４および筒体１２６と一体となって昇降する。これにより、ステージ１０６は、処理プロセスに応じた高さに調整される。ステージ１０６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１２８が設けられている。
【００３３】
処理容器１００の底部には、処理容器１００の外部にて真空ポンプ（図示せず）が備えられていて、ガス排出管１３０を介して処理容器１００内のガスを排出することにより、処理室Ｕを所望の真空度まで減圧するようになっている。
【００３４】
蓋体１０２には、６本の導波管１３２、スロットアンテナ１３４および誘電体窓１３６（複数枚の誘電体パーツ１３６ａから構成）が設けられている。６本の導波管１３２は、その断面形状が矩形状であり、蓋体１０２の内部にて平行に並べて設けられている。各導波管１３２の内部は、フッ素樹脂（たとえばテフロン（登録商標））、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、石英などの誘電部材１３２ａで充填されていて、その誘電部材１３２ａにより、λｇ１＝λｃ／（ε１）１／２の式に従って各導波管１３２の管内波長λｇ１が制御される。ここで、λｃは自由空間の波長、ε１は誘電部材１３２ａの誘電率である。
【００３５】
各導波管１３２は、上部にて開口し、その開口には、可動部１３２ｂが昇降自在に挿入されている。可動部１３２ｂは、アルミニウムなどの非磁性金属体である導電性材料から形成されている。
【００３６】
蓋体１０２の外部であって、各可動部１３２ｂの上面には、昇降機構１３２ｃがそれぞれ設けられている。昇降機構１３２ｃは、誘電部材１３２ａの上面までを限度として、可動部１３２ｂを昇降移動させるようになっている。これにより、導波管１３２は、その高さを任意に変えることができる。各導波管１３２の下部には、アンテナとして機能するスロットアンテナ１３４が設けられている。スロットアンテナ１３４には、各導波管１３２の下面にてスロット１３４ａが設けられている。なお、各導波管１３２の下面に形成されるスロット１３４ａの個数は任意である。
【００３７】
誘電体窓１３６は、複数枚の誘電体パーツ１３６ａから構成され、各誘電体パーツ１３６ａは、アルミナから形成されている。なお、誘電体パーツ１３６ａは、石英ガラス、ＡｌＮ、サファイア、ＳｉＮ、セラミックスなどの誘電材料により形成されてもよい。
【００３８】
スロットアンテナ１３４の下面では、複数枚の誘電体パーツ１３６ａを支持した状態で処理容器１００の天井面に複数枚の誘電体パーツ１３６ａを固定する格子状の梁１３８が設けられている。梁１３８は、アルミニウムなどの非磁性金属体である導電性材料にて形成されている。
【００３９】
梁１３８の下方には、複数のガスパイプ１４０が、その両端にて支持体１４２に支持される状態で天井面全体につり下げられている。ガスパイプ１４０は、アルミナなどの誘電体から形成される。
【００４０】
ガス供給源１４４は、バルブの開閉およびマスフローコントローラの開度（ともに図示せず）をそれぞれ制御することにより、原則的には、結合エネルギーの大きいガスをガス流路１４６ａに通し、梁１３８を貫通した複数のガス導入管１４８ａから誘電体パーツ１３６ａとガスパイプ１４０との間の空間に供給し、結合エネルギー小さいガスをガス流路１４６ｂに通し、梁１３８を貫通した複数のガス導入管１４８ｂからガスパイプ１４０の下方に供給する。
【００４１】
冷却水配管１５０には、冷却水供給源１５２が接続されていて、冷却水供給源１５２から供給された冷却水が冷却水配管１５０内を循環して冷却水供給源１５２に戻ることにより、蓋体１０２を所望の温度に保つようになっている。
【００４２】
以上に説明した構成により、マイクロ波プラズマ処理装置１０は、図示しないマイクロ波発生器から出力されたマイクロ波を６本の導波管１３２に伝播させ、スロットアンテナ１３４のスロット１３４ａに通し、複数枚の誘電体パーツ１３６ａを透過させて処理容器１００の内部に供給する。このようにして供給されたマイクロ波の電界エネルギーにより処理容器１００内に供給されたガスからプラズマが生成され、生成されたプラズマにより処理室Ｕ内にて基板Ｇに所望の薄膜が形成される。
【００４３】
（アルミナ表面の凹凸）
このような機能を有する誘電体窓用のアルミナプレートの表面には、ダイヤモンドなどから形成された円盤状の砥石により切削加工するときに、図２（ａ）のＡに示した粒内（結晶粒の内部）の破壊や、Ｂに示した粒界（誘電体窓を構成する結晶粒と結晶粒の境界）の破壊が生じることにより凹凸が生じる。
【００４４】
たとえば、図３（ａ）に示したように、アルミナプレートの表面に凹凸がない場合、マイクロ波がアルミナプレート（誘電体窓）を介して処理容器内に供給される際、スロットアンテナのスロット１３４ａから誘電体窓１３６ａを透過するマイクロ波の電界エネルギーは、一箇所に集中せず、アルミナプレートの下部から万遍なく処理室Ｕに送り込まれる。しかし、図３（ｂ）に示したように、アルミナプレートの表面に凹凸がある場合、アルミナプレートの表面の凸部には、電界エネルギーが集中する。
【００４５】
このようにして、アルミナプレートの下部表面にて電界エネルギーが集中した場所では、電界強度が高くなって異常放電を引き起こし、これにより生じた熱により誘電体窓が割れてしまう可能性がある。また、粒内破壊や粒界破壊によるアルミナプレート表面の欠陥や欠損部分ではプロセス中、処理ガスとの化学反応を起こしやすく、この結果、誘電体窓が腐食する可能性もある。これにより、誘電体窓の表面からアルミナ薄片が脱落して、プラズマ処理中の基板上に混入する。このようにしてパーティクルが発生すると、プロセス性能が悪化して、不良品の製造により歩留まりが低下し、生産性が落ちるという問題が生じる。
【００４６】
これに対して、パーティクルの発生を抑える方法として、図２（ｂ）に示したように、誘電体窓用のアルミナプレートを予め高温焼成する方法がある。しかしながら、アルミナプレートを高温焼成すると、粒界のみならず粒内まで加熱され、各結晶粒が変形して隣り合う粒同士が一体化し（粒成長）、この結果、アルミナプレートが大きく変形する。このため、高温焼成では、アルミナプレートを変形させずにアルミナ表面の粒界破壊や粒内破壊を修復して、凹凸のないなめらかな表面のアルミナプレートに加工することは難しい。
【００４７】
（ミリ波による選択加熱）
そこで、本実施形態では、誘電体パーツ１３６ａ用のアルミナプレートＰの表面処理として、図４に示したミリ波加熱装置を用いることによりアルミナプレートを低温で焼結させる方法を用いる。図４（ａ）は、ミリ波加熱装置３００をその長手方向に平行な面にて切断した縦断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示したＡ−Ａ面にてミリ波加熱装置３００を切断した断面図である。
【００４８】
ミリ波加熱装置３００は、加熱炉３０５、ミリ波発生源３１０、ミリ波導波管３１５、ガス供給源３２０および熱電対３２５を有している。加熱炉３０５は、円筒状の金属容器であって、その内部に断面が６角形状(より正確には、６角形のひとつおきの片が短くなっていて、実際には３角形状に近い形状)の反射板３０５ａが配置されている。反射板３０５ａの底面には、載置台３０５ｂが設置されている。載置台３０５ｂ上には、アルミナプレートＰが載置され、さらに断熱材３０５ｃにてアルミナプレートＰを覆うことによりアルミナプレートＰを断熱する。
【００４９】
ミリ波発生源３１０は、加熱炉３０５の外部に設置され、２４ＧＨｚまたは２８ＧＨｚのミリ波を発生する。ミリ波導波管３１５は、加熱炉３０５とミリ波発生源３１０とを連結する管状部材であって、ミリ波発生源３１０から出力されたミリ波を加熱炉３０５の内部空間に伝播させる。
【００５０】
ガス供給源３２０は、複数のバルブＶ、複数のマスフローコントローラＭＦＣ、アルゴンガス供給源３２０ａ、酸素ガス供給源３２０ｂおよび窒素ガス供給源３２０ｃを有している。ガス供給部３２０は、各バルブＶの開閉および各マスフローコントローラＭＦＣの開度を調整することにより、所望の種類のガスを所望の濃度で加熱炉３０５に供給する。熱電対３２５は、載置台３０５ｂに取り付けられた温度センサであり、これにより、載置台３０５ｂの温度を管理する。加熱炉３０５の内部は、排気管３３０に連結された真空ポンプ（図示せず）により所望の真空度まで減圧される。
【００５１】
かかる構成により、ミリ波加熱装置３００では、まず、加熱炉３０５内にアルミナプレートＰが収容され、反射板３０５ａ内の載置台３０５ｂに載置され、その上を断熱材３０５ｃで覆う。その後、ミリ波発生源３１０からミリ波を出力し、出力されたミリ波をミリ波導入管３１５を介して加熱炉３０５内に導入させ、さらに反射板３０５ａにより反射させて拡散することにより、ミリ波を効率よくアルミナプレートＰに照射する。
【００５２】
このようにして、ミリ波をアルミナプレートＰに照射している間のアルミナプレートＰの状態について説明する。図２（ｃ）に示したように、ミリ波による焼結の場合、誘電体部材であるアルミナプレートＰを構成する粒内の誘電率をε、粒界の誘電率をε０とし、粒内の電界強度をＥ、粒界の電界強度をＥ０とすると、誘電率×電界強度は一定であるから、
εＥ＝ε０Ｅ０
が成り立つ。よって、
Ｅ０＝ε／ε０・Ｅ・・・（１）
となる。
これは、粒界部分は、粒内部分に比べてε／ε０倍だけ電界強度が高くなるということを示している。
【００５３】
一般的に、誘電体の一種である圧電体の誘電率εは、大気中の誘電率ε０の１０倍以上の値をもつ。つまり、ε／ε０≧１０となる。これを式（１）に当てはめると、粒界の電界強度Ｅ０は、粒内の電界強度Ｅの１０倍以上になる。このように、粒界の電界強度Ｅは、結晶粒の誘電率εが大きいほど大きくなる。
【００５４】
このとき、粒界の電界エネルギーＥｖ０は、次式にて表される。
Ｅｖ０＝１／２・ε０Ｅ０２・・・（２）
式（２）に式（１）を代入すると、
Ｅｖ０＝１／２・（ε２／ε０）Ｅ２＝ε／ε０（１／２ε・Ｅ２）
【００５５】
一方、粒内の電界エネルギーＥｖは、１／２・εＥ２であるから、
Ｅｖ０＝ε／ε０Ｅｖ・・・（３）
よって、粒界部分は、粒内部分に比べてε／ε０倍だけエネルギーが高くなる。
【００５６】
アルミナプレートＰをミリ波加熱する場合、アルミナの誘電率εは８〜９、粒界（真空中）の誘電率ε０は８．８５４Ｅ−１２（Ｆ／ｍ）である。よって、式（１）から、粒界の電界強度Ｅは、粒内の電界強度Ｅ０の９倍程度になる。また、式（３）から、粒界の電界エネルギーＥｖ０は、粒内の電界エネルギーＥｖの９倍程度になる。
【００５７】
以上から、アルミナプレートＰの粒界には、粒内に比べて非常に強いエネルギーが加わることがわかる。この結果、アルミナプレートＰの粒界は、選択的に加熱され、粒内はほとんど加熱されない。このようにして、ミリ波加熱装置３００によれば、結晶粒の内部を加熱することなく、電気炉などの熱による加熱焼結よりも数百℃程度低くアルミナプレートを焼結することができる。また、粒界が選択的に加熱されるので、結晶粒の変形がなく隣り合う結晶粒同士が一体化しない（すなわち、粒成長しない）。この結果、アルミナプレートＰを変形させることなく、結晶粒と結晶粒とを強固に結合させることができる。
【００５８】
（アルミナプレートの表面処理の実験）
以上の論理に基づき、発明者らは、ミリ波加熱装置３００を用いて実際にアルミナプレートＰを焼結させた。この時、発明者らは、図５に示したように、焼成温度を１１００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃と４段階に設定し、加熱炉３０５内の雰囲気を、大気に開放した大気雰囲気、ガス供給源からアルゴンガスおよび窒素ガスを供給して１００％窒素雰囲気、ガス供給源からアルゴンガスおよび酸素ガスを供給して１００％酸素雰囲気の３パターンとして実験を行った。
【００５９】
また、１１００℃および１２００℃の場合、発明者らは、大気圧にて毎分５０℃昇温させ、目標温度まで制御した後、３時間焼成し、その後、１時間で２００℃まで降温させた。また、１３００℃および１４００℃の場合、発明者らは、大気圧にて毎分３０℃昇温させ、目標温度まで制御した後、３時間焼成し、その後、１時間で２００℃まで降温させた。その結果得られた各条件におけるアルミナプレートＰ表面の形状（図６〜図８）、アルミナプレートＰ表層の組成状態（図９〜図１１）について、以下に考察する。
【００６０】
（アルミナプレート表面の平坦化）
まず初めに、発明者らは、図６〜図８に示した実験結果に基づき、アルミナプレートＰの表面形状について考察した。なお、電子顕微鏡（ＳＥＭ）が捉えた図６〜図８の映像は、アルミナプレートＰの表面を１０，０００倍に拡大したものである。このうち、図６（ａ）は、切削加工後であって、なんら表面加工されていない初期状態のアルミナプレートＰの表面を示す。図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）は、大気雰囲気であって１１００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃の各焼成温度にてアルミナプレートＰをミリ波加熱した場合のアルミナプレートＰの表面である。また、図７（ａ）〜図７（ｄ）、図８（ａ）〜図８（ｄ）は、１００％窒素雰囲気、１００％酸素雰囲気であって同各温度にてアルミナプレートＰをミリ波加熱した場合のアルミナプレートＰの表面である。
【００６１】
これらの結果を見ると、アルミナプレートＰは、いずれの雰囲気の場合にも１２００℃程度から各結晶粒の角が取れて丸くなっていき、焼成温度が上がるにつれて丸みの程度が大きくなっている。各結晶粒が丸くなったということは、アルミナプレートＰの表面にて細かい凹凸がなくなり、アルミナプレートＰの表面がなめらかになったことを意味する。そこで、発明者らは、図５に示したように、ミリ波加熱によりアルミナプレートＰの表面形状が良好に加工されたのは、雰囲気が大気、窒素１００％、酸素１００％の場合のいずれも、１２００℃以上の場合であるとの結論を導き出した。
【００６２】
このように１２００℃以上の温度にてミリ波加工されたアルミナプレートＰをマイクロ波プラズマ処理装置１０の誘電体窓１３６に使用することにより、プロセス中に誘電体窓１３６の表面にて電界エネルギーが集中することを抑止し、これにより、異常放電の発生を抑止することができる。
【００６３】
なお、アルミナにより形成された誘電体窓１３６は、１６００℃以下にて予めミリ波加熱されていることが好ましい。電気炉によるアルミナ粉末成型体の熱による焼結温度は約１６００℃程度であるため、１６００℃より高温にてアルミナをミリ波加熱すると、加熱温度が上がるとともに結晶粒が成長し、大きくなる。結晶粒が大きくなると、結晶粒が小さい場合より結晶粒同士の接触面積が小さくなり、強度が低下する。よって、１６００℃以下の温度にてミリ波加工されたアルミナプレートＰをマイクロ波プラズマ処理装置１０の誘電体窓１３６に使用すれば、その誘電体窓１３６は、結晶粒同士の接触面積が大きく強固であるため、プロセス中に破損することを防止することができる。
【００６４】
（アルミナプレート表層の改質）
つぎに、発明者らは、図９〜図１１に示したアルミナプレートＰ表面のＸ線光電子分光（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による分析結果に基づき、アルミナプレート表層の組成状態について考察した。これらの結果を見ると、多少バラツキはあるものの、焼結後のアルミナプレートＰの光電子の運動エネルギーは、すべての場合について初期状態（ミリ波加熱前）より小さくなっていた。この結果について以下に考察する。
【００６５】
図１０に示した酸素雰囲気において１１００℃〜１４００℃にてミリ波加熱した場合、図９に示した大気雰囲気において同温にてミリ波加熱した場合に比べて、アルミナプレート表層の各初期状態に対する光電子の運動エネルギーは小さくなっている。さらに、図１１に示した窒素雰囲気において同温にてミリ波加熱した場合、図１０に示した酸素雰囲気において同温にてミリ波加熱した場合に比べて、アルミナプレート表層の各初期状態に対する光電子の運動エネルギーはわずかながら小さくなる傾向が見られる。
【００６６】
これは、酸素雰囲気においては、アルミナプレートＰの欠損部分は、酸素にて補充され、アルミナプレートＰの表層は、ほとんどＡｌ−Ｏ結合にて改質されたことを示し、大気雰囲気においては、アルミナプレートＰの欠損部分は、大気中に含まれる酸素や水素にて補充され、アルミナプレートＰの表層は、Ａｌ−Ｏ結合の中にＡｌ−ＯＨ結合が混在する形で改質されたことを示し、窒素雰囲気においては、アルミナプレートＰの欠損部分は、窒素にて補充され、アルミナプレートＰの表層は、Ａｌ−Ｏ結合の中にＡｌ−Ｎ結合が混在する形で改質されたことを示す。
【００６７】
なぜこのように考えられるかについて、酸素雰囲気と大気雰囲気とのミリ波加熱に的を絞って説明する。アルミナプレートＰの欠損部分がＯＨ基により補填されると、アルミナプレートＰの表層には、その一部にてＡｌ（ＯＨ）３が存在する状態となる。図１２（ａ）を見ると、Ａｌ（ＯＨ）３は、１個のアルミニウム原子Ａｌに対して、その周りに酸素原子Ｏが３個存在する。一方、Ａｌ２Ｏ３は、１個のアルミニウム原子Ａｌに対して、その周りに酸素原子Ｏが１．５個存在する。
【００６８】
電気陰性度３．５を有する３個の酸素原子Ｏにエネルギー的に引っ張られながら１個のアルミニウム原子Ａｌの内殻から光電子が外に飛び出すためには、１．５個の酸素原子Ｏにエネルギー的に引っ張られながら１個のアルミニウム原子Ａｌの内殻から光電子が外に飛び出すより、引っ張る酸素原子の個数が多い分、大きな光電子の運動エネルギーが必要である。よって、図９に示したＯＨを含んだ改質の場合には、図１０に示したＯのみの改質の場合に比べて、初期状態に対して光電子の運動エネルギーが大きくなっている。すなわち、図９および図１０の結果の比較から、大気雰囲気の場合には、アルミナプレートＰの欠損部分にはＯだけでなくＯＨを含んだ改質があったこと、および、酸素雰囲気の場合には、アルミナプレートＰの欠損部分はすべてＯにて改質されたことを導き出すことができる。同様にして、図１０および図１１の結果の比較から、窒素雰囲気の場合には、アルミナプレートＰの欠損部分は電気陰性度３．５のＮにて改質されたため、光電子の運動エネルギーが小さくなったことを導き出すことができる。
【００６９】
（アルミナプレート表層の各改質に対する熱的安定性）
つぎに、発明者らは、以上のようにしてアルミナプレート表層が、大気雰囲気によりＡｌ−ＯにＡｌ−ＯＨが含まれた状態にて改質された場合、酸素雰囲気によりＡｌ−Ｏのみの状態に改質された場合、窒素雰囲気によりＡｌ−Ｎを含んだ状態に改質された場合、いずれの場合が化学的、熱的に安定しているかについて考察した。
【００７０】
金属データブック（日本金属学会編、改訂２版、ｐ９０，ｐ９２  丸善）によれば、室温におけるアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の標準生成自由エネルギーΔＧは、
２／３Ａｌ＋Ｏ２＝２／３Ａｌ２Ｏ３（１０７０ｋＪ／ｍｏｌ、Ｏ２規格化）
にて表される。これを、Ａｌ２Ｏ３、１ｍｏｌあたりのΔＧに換算すると１６０５ｋＪ／ｍｏｌとなる。Ａｌ２Ｏ３化学式１ｍｏｌあたりにＡｌ−Ｏ結合は、６ｍｏｌ含まれているため、１つのＡｌ−Ｏの結合あたりの標準生成自由エネルギーΔＧは、２６７．５ｋＪ／ｍｏｌとなる。
【００７１】
一方、同データブックによれば、室温における窒化アルミニウムＡｌＮ）の標準生成自由エネルギーΔＧは、
２Ａｌ＋Ｎ２＝２ＡｌＮ（５７５ｋＪ／ｍｏｌ、Ｎ２規格化）
にて表される。これを、ＡｌＮ、１ｍｏｌあたりのΔＧに換算すると２８７．５ｋＪ／ｍｏｌとなる。ＡｌＮ化学式１ｍｏｌあたりにＡｌ−Ｎ結合（３重結合）は、３ｍｏｌ含まれているため、１つのＡｌ−Ｎの結合あたりの標準生成自由エネルギーΔＧは、９５．８ｋＪ／ｍｏｌとなる。
【００７２】
これによれば、１つのＡｌ−Ｏの結合あたりの標準生成自由エネルギーΔＧは、１つのＡｌ−Ｎの結合あたりの標準生成自由エネルギーΔＧより大きい。これにより、酸素雰囲気によりＡｌ−Ｏの状態に改質された場合は、窒素雰囲気によりＡｌ−Ｎを含んだ状態に改質された場合に比べて、熱的（化学的）に安定していると言える。
【００７３】
この結論は、図１２（ｂ）に示した電気陰性度からも導き出すことができる。すなわち、Ａｌ−Ｏの電気陰性度は３．５であるのに対して、Ａｌ−Ｎの電気陰性度は３．０である。「化学結合のイオン性および共有性の程度は、結合している原子の電気陰性度の差に関係づけられる（バーロー物理化学（下）、ｐ５６５）」ことから電気陰性度の高いＡｌ−Ｏにて改質された場合の方が、電気陰性度の低いＡｌ−Ｎにて改質された場合より化学結合の程度は高い。したがって、電気陰性度の観点からも、酸素雰囲気によりＡｌ−Ｏの状態に改質された場合は、窒素雰囲気によりＡｌ−Ｎを含んだ状態に改質された場合に比べて、化学的、熱的に安定していると言える。
【００７４】
それでは、大気雰囲気によりＡｌ−ＯにＡｌ−ＯＨを含んだ状態に改質された場合と酸素雰囲気によりＡｌ−Ｏの状態に改質された場合では、いずれの場合が化学的、熱的に安定しているであろうか。これについては、以下の理由から酸素雰囲気によりＡｌ−Ｏの状態に改質された場合が化学的、熱的により安定していると結論付けることができる。
【００７５】
Ａｌ（ＯＨ）３は、３００℃より脱水縮合反応をはじめ、Ａｌ２Ｏ３に変換される。たとえば、化学大辞典（化学大辞典編集委員会編  共立出版）によれば、水酸化アルミニウムの性質については、「加熱すれば比較的容易に水を失って酸化アルミニウムとなる。」と記されている。これは、Ａｌ（ＯＨ）３の状態はＡｌ２Ｏ３の状態より化学的、熱的に不安定であり、加熱すると容易にＡｌ２Ｏ３に移行することを示している。
【００７６】
より具体的には、Ａｌ（ＯＨ）３の状態に改質されたアルミナプレートＰの表層は、プロセス中の加熱により水分を失い、その一部が欠損した状態になると考えられる。このため、この欠損部分にて反応種（処理ガス）がアルミナプレートＰの組成成分やアルミナプレートＰへの付着物と反応する。これにより、反応種を基板上にて反応させるべきところ、処理室内の誘電体窓１３６の下部にて消失させてしまい、反応生成物などから構成される薄片が誘電体窓１３６の表面から発生しパーティクルの原因となるおそれがある。
【００７７】
一方、Ａｌ−Ｏの状態に改質されたアルミナプレートＰの表層は、Ａｌ（ＯＨ）３の状態に改質された場合に比べて、化学的、熱的安定している。よって、プロセス中においても、上記欠損は生じない。よって、パーティクルの原因となる薄片が誘電体窓１３６の表面から発生する状況を抑えることができる。以上から、発明者らは、Ａｌ−Ｏの状態に改質された場合は、Ａｌ−ＯＨを含んだ状態に改質された場合より化学的、熱的に安定していると結論づけた。
【００７８】
以上の考察から、発明者らは、酸素雰囲気にてアルミナプレートＰを１２００℃以上１６００℃以下でミリ波加熱すると、形状が丸くなるとともに化学的、熱的に強度の高いアルミナプレートを製造することができること導き出した。
【００７９】
以上に説明したように、本実施形態では、ミリ波加熱により誘電体窓用のアルミナプレートＰの表面を予めなめらかに加工しておくことよって、アルミナプレートＰを誘電体窓１３６として配設したマイクロ波プラズマ処理装置１０にて、プロセスを実行する際、誘電体窓１３６の表面に電界エネルギーが集中することを抑えることができる。この結果、異常放電を抑制することができ、異常放電時の熱により誘電体窓が損傷したり、誘電体窓からアルミナ薄片が脱落して、パーティクルとして被処理体に混入することを抑制することができる。
【００８０】
これに加えて、本実施形態では、ミリ波加熱によりアルミナプレートＰの表層を改質することによって化学的に安定性の高いマイクロ波プラズマ処理装置１０の誘電体窓１３６を形成することができる。特に、アルミナプレートＰを組成する成分を含んだガスを用いてミリ波加熱することによりアルミナプレートＰの表層をＡｌ−Ｏにて改質することによって、化学的に安定性の高い誘電体窓１３６を形成することができる。この結果、良好なプロセス性能をもつ製品を安定的に製造することができる。
【００８１】
なお、処理装置にて処理される基板Ｇのサイズは、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上であればよく、たとえば、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ（チャンバ内の径：１０００ｍｍ×１１９０ｍｍ）のＧ４．５基板サイズや、１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（チャンバ内の径：１４７０ｍｍ×１５９０ｍｍ）のＧ５基板サイズであってもよい。また、所望の処理が施される被処理体は、上記サイズの基板Ｇに限られず、たとえば２００ｍｍや３００ｍｍのシリコンウエハであってもよい。
【００８２】
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、処理装置の実施形態を処理装置の使用方法の実施形態とすることができる。
【００８３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な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。
【００８４】
たとえば、本発明にかかる誘電体部材を用いたプラズマ処理装置としては、上述した複数枚の誘電体窓パーツを有するマイクロ波プラズマ処理装置に限られず、ＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ）型マイクロ波プラズマ処理装置、誘導結合型（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｐｌａｓｍａ）プラズマ処理装置、電子サイクロトロン方式（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）のプラズマ処理装置、熱ＣＶＤ処理装置など種々のＣＶＤ処理装置やプラズマ処理装置に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】同実施形態にかかるアルミナプレートの表面加工を説明するための図である。
【図３】同実施形態にかかるアルミナプレートの表面での電界の集中を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）は、同実施形態にかかるミリ波加熱装置の縦断面図であり、図４（ｂ）は、同装置をＡ−Ａ面にて切断した断面図である。
【図５】アルミナプレートの焼結条件および各条件のときの表面加工の結果を示した図である。
【図６】図６（ａ）は、アルミナプレートの初期状態の表面形状を示した図であり、図６（ｂ）〜図６（ｅ）は、大気雰囲気でのアルミナプレートの表面形状を示した図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｄ）は、窒素雰囲気でのアルミナプレートの表面形状を示した図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｄ）は、酸素雰囲気でのアルミナプレートの表面形状を示した図である。
【図９】大気雰囲気でのミリ波焼結前後のアルミナプレートの結合状態を示した図である。
【図１０】窒素雰囲気でのミリ波焼結前後のアルミナプレートの結合状態を示した図である。
【図１１】酸素雰囲気でのミリ波焼結前後のアルミナプレートの結合状態を示した図である。
【図１２】図１２（ａ）は、物質の組成とＡｌ光電子の運動エネルギーとの関係を示し、図１２（ｂ）は、電気陰性度とＡｌ光電子の運動エネルギーとの関係を示した図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０      マイクロ波プラズマ処理装置
１００    処理容器
１３６    誘電体窓
１３６ａ  誘電体パーツ
１４４、３２０    ガス供給源
３００    ミリ波加熱装置
Ａ        粒内破壊
Ｂ        粒界破壊
Ｐ        アルミナプレート
【図１】
2008251499.tif 000003
【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９】
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【図１０】
2008251499.tif 000009
【図１１】
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【図１２】
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【図６】
2008251499.tif 000012
【図７】
2008251499.tif 000013
【図８】
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