(57)【要約】      （修正有）【課題】導波管内の異常放電を抑止することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法の提供。【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置は、分岐部分ＢＰを有する導波管３０、複数のスロットを有するスロットアンテナ、誘電体窓および処理室を有している。導波管３０の内部には、分岐前の導波管３０を閉塞する第１の誘電体４３および分岐後の導波管３０を閉塞する第２の誘電体４４が備えられ、第１および第２の誘電体４３、４４により仕切られた分岐部分ＢＰを含む空間には、絶縁性の高いＳＦ６が充填されおり、上記空間の耐電圧を上げ、分岐部分ＢＰの隙間Ｓにて電流を流れにくくする。【選択図】図４
2008021465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分岐部分を有し、その分岐部分を介してマイクロ波を伝播させる導波管と、前記導波管を伝播したマイクロ波を複数のスロットに通すスロットアンテナと、前記複数のスロットに通したマイクロ波を透過させる誘電体窓と、前記誘電体窓を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する処理室と、を備えたプラズマ処理装置であって、
さらに、前記分岐部分にて分岐する前の導波管を閉塞するように前記分岐前の導波管内のいずれかの位置に第１の誘電体を備え、
前記第１の誘電体により閉塞された前記導波管内の空間のうち、前記分岐部分を含む側の空間には、絶縁性ガスが充填されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
さらに、前記分岐部分にて分岐した後の導波管を閉塞するように前記分岐後の導波管内のいずれかの位置に第２の誘電体を備え、
前記第１の誘電体および前記第２の誘電体により閉塞された前記導波管内の空間には、絶縁性ガスが充填されていることを特徴とする請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記第１の誘電体および前記第２の誘電体により閉塞されている前記導波管の内部空間の圧力は、大気圧以上である請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記第２の誘電体は、
前記分岐後の導波管内の位置であって、前記複数のスロットが配置された位置より前記分岐部分側の位置に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記第１の誘電体と前記分岐前の導波管とは、第１のシール部材により封止されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記第２の誘電体と前記分岐後の導波管とは、第２のシール部材により封止されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記充填された絶縁性ガスは、ＳＦ６ガスまたはＳＦ６ガスと他の所望のガスとの混合ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記誘電体窓は、複数枚の誘電体から構成され、
各誘電体は、前記複数のスロットのうち少なくともいずれかのスロットに通されたマイクロ波を透過させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記各誘電体には、
被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記導波管の分岐部分は、π分岐、Ｔ分岐、十字分岐またはＹ分岐の少なくともいずれかの形状を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１１】
分岐部分を有する導波管と、前記分岐部分にて分岐する前の導波管内のいずれかの位置に前記導波管を閉塞するように設けられた第１の誘電体と、複数のスロットを有するスロットアンテナと、マイクロ波を透過させる誘電体窓と、被処理体をプラズマ処理する処理室と、を備えたプラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
前記第１の誘電体により閉塞された前記導波管内の空間のうち、前記分岐部分を含む側の空間に充填されている絶縁性ガスにより前記分岐部分近傍の絶縁性を保ちながら、前記分岐部分を介して前記導波管にマイクロ波を伝播させ、
前記導波管を伝播したマイクロ波を前記スロットアンテナの複数のスロットに通し、
前記複数のスロットに通されたマイクロ波を前記誘電体窓に透過させることにより、マイクロ波を前記処理室内に入射させ、
前記誘電体窓を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法。
【請求項１２】
前記プラズマ処理装置には、さらに、前記分岐部分にて分岐した後の導波管内のいずれかの位置に前記導波管を閉塞するように第２の誘電体が設けられ、
前記第１の誘電体および前記第２の誘電体により閉塞された前記導波管内の空間に充填された絶縁性ガスにより前記分岐部分近傍の絶縁性を保ちながら、前記分岐部分を介して前記導波管にマイクロ波を伝播させる請求項１１に記載されたプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。より詳細には、本発明は、導波管内の異常放電を抑止するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２に示したように、従来から、導波管９０を複数本の導波管９１ａ〜導波管９１ｆに分岐させ（図１２ではπ分岐）、分岐された導波管９１の下部に等間隔に複数のスロット９２を設け、さらに、スロット９２の下部に誘電体窓９３を設け、これにより、マイクロ波をプラズマ処理装置の処理室内へ給電する技術が知られている（たとえば、特許文献１を参照。）。この給電方法によれば、マイクロ波発生器９４から出射されたマイクロ波は、チューナ９８を介して導波管９０を伝播し、位置Ａ０〜Ａ３にてその進行方向を変えながら各スロット９２に通され、各スロット下部の誘電体窓９３をそれぞれ透過して、被処理体をプラズマ処理する処理室内に入射される。処理室に供給されたガスは、このようにして入射されたマイクロ波の電界エネルギーによりプラズマ化され、これにより被処理体がプラズマ処理される。
【０００３】
この給電方法では、導波管９０、９１内に誘電率εが１より大きい誘電部材を充填させることにより、導波管９０、９１を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを自由空間（真空状態）における波長λｃより短くすることが一般的に行われている。これによれば、管内波長λｇの１／２にて特定されるスロット間の間隔を、誘電部材が充填されていない場合に比べて短くすることができる。この結果、密に配置された多数のスロット９２を介して、より多くのマイクロ波の電界エネルギーを処理室に供給することにより、プラズマを均一かつ安定的に生成することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２００６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図１２のＫＡ部分を拡大した図１３に示したように、導波管９０、９１の分岐部分には、突出部Ｔが多数設けられている。これらの突出部Ｔは、多方向にほぼ直角に分岐した後、かなり大きく突出し、その先端では角張った構造をしている。突出部Ｔがこのような構造になっているのは、各突出部Ｔによってマイクロ波を所望の方向へ誘導したり、所望の地点で分岐させるためである。
【０００６】
しかしながら、マイクロ波の電界エネルギーは、尖ったところや角張ったところに集中する性質を持っている。このため、導波管９０、９１をマイクロ波が伝播するとき、前述した構造を有する突出部Ｔには、電界エネルギーが集中する。このとき、突出部Ｔにおけるマイクロ波の電界エネルギーの強度は、誘電部材の誘電率εに近似する。具体的には、誘電部材として、たとえば、アルミナ９５を使用した場合、突出部Ｔの近傍では、比誘電率倍（比誘電率ｋ＝ε／ε０  ε：アルミナ９５の誘電率、ε０：真空状態における誘電率）の強度を持つ電界、すなわち、導波管内にアルミナ９５を充填させていない場合の約８．６倍の強度を持つ電界が発生する。この結果、突出部Ｔの近傍は、電流が流れやすい状態、すなわち、異常放電が起こりやすい状態となる。
【０００７】
また、導波管９０、９１およびこの導波管内に充填されるアルミナ９５はどちらも固体である。よって、導波管９０、９１とアルミナ９５とを密着して設けると、導波管９０、９１を形成する金属とアルミナ９５との熱膨張係数の違いにより、アルミナ９５に割れが生じる場合がある。このため、導波管９０、９１とアルミナ９５との間には、わずかな隙間Ｓが設けられている。その隙間Ｓは、導波管９０、９１およびマイクロ波発生器９４を介して外部（大気系）と連通している。そのため、この隙間Ｓには、大気が充填される。
【０００８】
突起部Ｔに対してその近傍に大気およびアルミナ９５等の誘電体が存在する、いわゆるトリプルジャンクションＢ１〜Ｂ９では、突起部Ｔに対してその近傍に大気のみが存在し、誘電体が存在しない場合より異常放電が起こる可能性が高くなる。その理由について以下に述べる。
【０００９】
電界が集中している突起部Ｔに対して、その近傍に大気および誘電体が存在すると、誘電体の表面に沿って樹枝状の放電路が形成される。このような放電は沿面放電と呼ばれる。この沿面放電は、次のようなメカニズムにより発生すると考えられている。すなわち、誘電体近傍に存在する電子が誘電体に衝突することにより、誘電体に吸着していたガス（大気）が脱離し、プラズマ化する。これにより、誘電体表面にて局部的に放電が発生する。この結果、電子が増倍するとともにさらに脱離したガス（大気）がプラズマ化することにより絶縁破壊が生じ、電子が放出されて誘電体の表面に沿って電流が流れる。これが沿面放電である。
【００１０】
このようにして、突出部Ｔ付近は、そもそも電界が集中して異常放電が生じやすいところ、その近傍に大気および誘電体が存在する、いわゆるトリプルジャンクションＢ１〜Ｂ９では、誘電体に沿って沿面放電が誘引されるため、誘電体が存在しない場合に比べて異常放電が起こる可能性がより高くなる。
【００１１】
これに加えて、プラズマ処理装置の起動後、処理室内でガスがプラズマ着火するまでにはある程度の時間がかかる。この間、ガスをプラズマ着火させるために、マイクロ波発生器９４からは、大パワーのマイクロ波が出力される。また、この間、処理室内は絶縁体として機能する。よって、マイクロ波は、スロット９２を通って誘電体窓９３を透過しても、処理室内に入射されずに反射し、再び導波管内に戻る。このようにして、マイクロ波発生器９４から出力された大パワーのマイクロ波と反射されたマイクロ波のパワーとにより、トリプルジャンクションＢ１〜Ｂ９では、電界強度が非常に高くなり、導波管９０、９１内にて異常放電が発生する可能性が極めて高くなる。
【００１２】
また、プラズマ着火後も、均一なプラズマが安定的に生成されるまでにはある程度の時間がかかる。プラズマは、導体であるため、処理室内に入射されたマイクロ波の一部を吸収する。しかし、均一なプラズマが安定的に生成されるまでの間は、プラズマの生成状態が不安定であるため、処理室内に入射されたマイクロ波のうち、プラズマに吸収される電界エネルギーの量およびプラズマを反射する電界エネルギーの量が変動する。この結果、プラズマの状態が変化して、プラズマ内のインピーダンスが変動する。このような変動に対しては、チューナ９８によってインピーダンスの整合をとるが、プラズマ内のインピーダンスが常に変動すると、このインピーダンス整合が不安定な状態になる。
【００１３】
さらに、インピーダンス整合が安定化した後も、プロセス実行中にガス種やマイクロ波のパワー等のプロセス条件を変化させたときには、プラズマ内のインピーダンスが変動し、その後、すぐさま定常状態に戻るとしても、瞬間的にインピーダンス整合が不安定な状態になる。
【００１４】
このようにして、瞬間的であってもインピーダンス整合が不安定な状態になると、導波管９０、９１内の電界強度にバラツキが生じる。これにより、そもそも異常放電しやすいトリプルジャンクションＢ１〜Ｂ９において、異常放電が発生する可能性が極めて高くなる。この結果、異常放電が発生した部分で熱が生じ、導波管９０、９１の焼損（図１２のＣ）、あるいは誘電部材の破壊をまねく。プラズマ処理装置を構成する各種部材は、非常に高価であるため、それらの破損は好ましくなく、また、破損による処理のスループットの低下も大きな問題である。このため、これらを回避するために異常放電を発生させない対策が必要となる。
【００１５】
その対策として、導波管９０、９１に液体の波長可変物質を充填させる方法も考えられる。しかしながら、液体は、取り扱いが難しく、導波管９０、９１から漏れて処理室内に入り込むと、パーティクルとなって、たとえば、被処理体上に形成された成膜等に混入して膜質を劣化させるなど、プラズマ処理の精度を著しく低下させる要因となる。
【００１６】
上記問題を解消するために、本発明では、導波管内の異常放電を抑止するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、分岐部分を有し、上記分岐部分を介してマイクロ波を伝播させる導波管と、上記導波管を伝播したマイクロ波を複数のスロットに通すスロットアンテナと、上記複数のスロットに通したマイクロ波を透過させる誘電体窓と、上記誘電体窓を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する処理室と、を備えたプラズマ処理装置が供給される。
【００１８】
このプラズマ処理装置は、さらに、上記分岐部分にて分岐する前の導波管を閉塞するように上記分岐前の導波管内のいずれかの位置に第１の誘電体を備え、上記第１の誘電体により閉塞された上記導波管内の空間のうち、上記分岐部分を含む側の空間には、絶縁性ガスが充填されている。
【００１９】
これによれば、導波管は、分岐部分にて分岐する前の導波管のいずれかの位置で第１の誘電体により閉塞される。このようにして、マイクロ波発生器を介して外部（大気系）と連通している導波管が第１の誘電体により仕切られることによって、導波管内の空間のうち分岐部分を含む側の空間を大気から遮断することができる。この結果、分岐部分を含む側の導波管内に、絶縁性ガスのみを充填させることができる。
【００２０】
ここで、導波管の分岐部分とは、導波管の突起を形成する部分をいい、たとえば、導波管内に形成されたπ分岐、Ｔ分岐、十字分岐またはＹ分岐等、複雑な形状の突起を形成する部分が挙げられる。より具体的には、図１３に示した導波管の突起部Ｔが導波管の分岐部分の一例として挙げられる。
【００２１】
前述したように、導波管の分岐部分は、マイクロ波を所望の方向へ誘導したり、所望の地点で分岐させるために、かなり大きく突出し、その先端では角張った構造をしている。一方、マイクロ波の電界エネルギーは、尖ったところや角張ったところに集中する。この性質から、導波管をマイクロ波が伝播するとき、導波管の分岐部分には、電界エネルギーが集中する。このとき、導波管の分岐部分におけるマイクロ波の電界エネルギーの強度は、導波管に充填された誘電部材の誘電率εに近似する。このため、導波管の分岐部分の近傍では、比誘電率倍（比誘電率ｋ＝ε／ε０  ε：誘電部材の誘電率、ε０：真空状態における誘電率）の強度を持つ電界が発生する。この結果、導波管の分岐部分の近傍にて電流が流れやすい、すなわち、異常放電が起こりやすい状態となる。
【００２２】
このようにして電界が集中している突起部Ｔに対してその近傍に大気および誘電体が存在する、いわゆるトリプルジャンクションでは、前述したように、誘電体表面に沿って沿面放電が発生し易いため、誘電体が存在しない場合に比べて異常放電が起こる可能性はより高くなる。
【００２３】
しかし、本発明によれば、この分岐部分を含む側の空間には、絶縁性ガスが充填される。よって、本発明では、誘電体に吸着しているガスは大気ではなく絶縁性ガスとなる。これにより、本発明では、いわゆるトリプルジャンクションを構成する誘電体近傍に存在する電子が誘電体に衝突することにより、誘電体から脱離するガスは、従来の大気に替えて絶縁性ガスとなる。脱離された絶縁性ガスは従来の大気に比べて電離しにくい。換言すれば、脱離した絶縁性ガスはプラズマ化しにくい。この結果、誘電体表面にて局部的に放電が発生することを抑止することにより、誘電体の表面近傍にて従来生じていた絶縁破壊を抑制し、誘電体表面にて沿面放電が生じる可能性を著しく低くすることができる。
【００２４】
これにより、導波管の分岐部分にて異常放電が生じる可能性を極めて低くすることができる。この結果、異常放電によって生じた熱による導波管の焼損や誘電体の破壊を防止することができる。これにより、高価なプラズマ処理装置の維持および管理に要する費用を低減することができるとともに、プラズマ処理装置の稼動率を上げることにより、スループットを向上させ、これによりシステム全体の生産性を向上させることができる。
【００２５】
さらに、上記プラズマ処理装置は、上記分岐部分にて分岐した後の導波管を閉塞するように上記分岐後の導波管内のいずれかの位置に第２の誘電体を備え、上記第１の誘電体および上記第２の誘電体により閉塞された上記導波管内の空間に絶縁性ガスを充填してもよい。
【００２６】
このとき、上記第２の誘電体は、上記分岐後の導波管内の位置であって、上記複数のスロットが配置された位置より上記分岐部分側の位置に設けられていてもよい。
【００２７】
また、上記第１の誘電体および上記第２の誘電体により閉塞されている上記導波管の内部空間の圧力は、大気圧以上であることが好ましい。このように、導波管内部のうち、第１の誘電体および第２の誘電体により閉塞された空間（すなわち、導波管の分岐部分を含んだ空間）の内部圧力を大気圧以上とすることにより、外部からの大気が閉塞空間の内部に入り込むことを避けることができる。これにより、閉塞空間に充填された絶縁性ガスに対する空気の混合率が高まって、閉塞空間内の絶縁性が弱まることを回避することができる。この結果、導波管の分岐部分にて異常放電が生じる可能性を、さらに低減することができる。
【００２８】
また、上記充填された絶縁性ガスは、ＳＦ６ガスまたはＳＦ６ガスと他の所望のガスとの混合ガスのいずれかであってもよい。このとき、ＳＦ６ガスと混合する所望のガスは、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｘｅガスなどの不活性ガスが好ましい。
【００２９】
これによれば、導波管は、分岐する前に第１の誘電体により閉塞されるとともに、分岐した後に第２の誘電体により閉塞される。また、上記第１の誘電体および上記第２の誘電体により閉塞された導波管内の空間に絶縁性ガスが充填される。この空間には、導波管の分岐部分が含まれている。よって、特に従来異常放電が起こりやすかった分岐部分の異常放電を効果的に抑制することができる。
【００３０】
これに加え、上記第２の誘電体は、分岐した後の導波管内の位置であって複数のスロットが配置された位置より上記分岐部分側の位置に設けられる。この結果、第２の誘電体が隔壁となって、上記空間に充填された絶縁性ガスが複数のスロット位置まで漏れることを回避することができる。これによれば、つぎのような効果を奏することができる。
【００３１】
通常、複数のスロットの下部には、処理室を密閉するとともにマイクロ波を透過する誘電体窓が設けられていて、この誘電体窓により各スロット（開口）は塞がれている。しかし、何らかの原因でスロットから処理室内にガスが通過する通り道ができるおそれがある。たとえば、誘電体窓と処理室との接合面に設けられた図示しないＯリングを介してスロットから処理室内にガスが漏れる場合である。
【００３２】
このような場合、処理室内に進入した絶縁性ガス（ＳＦ６ガスやＳＦ６ガスを含む混合ガス）が、マイクロ波の電界エネルギーにより解離して、処理室内にてＳ系ガスやＦ系ガスに分解するおそれがある。このようにして処理室内にて発生したＦ系ガスは、処理室本体のアルミニウム（Ａｌ）や天井部のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）と反応する。これにより、処理室の内壁や天井部がフッ化され、部分的にＡｌＦになることがある。また、たとえば、処理室の内壁や天井部に付着したＳｉＯ２膜とＦとが反応することにより、ＳｉＦ１〜ＳｉＦ４ガスとなることもある。
【００３３】
このようにして発生したＡｌＦ膜の一部は、たとえば、成膜時のイオンの作用によりＡｌ−Ｆ結合が切れてＦとなり、再び処理室内に放出される。また、処理室内に存在することとなったＦ２ガスや、ＳｉＯ２膜とＦとが反応して生成されたＳｉＦｘガスのうち、ＳｉＦ４ガスは結合状態が安定しているので、その一部が処理室外に排出されず、処理室の内壁に物理的に吸着する。しかし、このようにして内壁に吸着したＦ２ガスやＳｉＦ４ガスは、吸着エネルギーが小さいため脱離しやすい。この結果、処理室内に発生したＦ系残留物が処理室の内壁から脱離して成膜中の薄膜に混入することとなり、被処理体に良質な膜を形成することができない。
【００３４】
また、ＳｉＯ２膜とＦ系ガスとが反応することにより、ＳｉＯ２膜の一部がＳｉＦｘ膜になる場合もある、この場合、ＳｉＯ２膜とＳｉＦｘ膜とでは誘電率εが異なるため、被処理体に形成された膜特性にバラツキが生じてしまう。
【００３５】
以上のようにして、ＳＦ６ガスまたはＳＦ６ガスを含む混合ガスが、スロットから処理室内に漏れ出すことにより、膜が劣化して被処理体を製品化できない状況を回避するために、本発明では、上記第２の誘電体が設けられる。これにより、絶縁性ガスは、導波管に隣接して設けられた複数のスロットより分岐部分側の位置まで充填され、複数のスロットの位置には充填されない。これにより、複数のスロットから処理室内にＳＦ６ガスなどの絶縁性ガスが漏れ出すことを防ぐことができる。この結果、導波管内にＦ系ガスを閉じ込めることができる。これにより、処理室内がＦ系ガスにより汚染されることなく、処理室内にて一定の品質を保ちながらより安定的に被処理体をプラズマ処理することができる。
【００３６】
さらに、上記第１の誘電体および上記第２の誘電体の隔壁によって絶縁性ガスを充填させる空間を狭くすることにより、充填する絶縁性ガスの量を少なくすることができる。充填されるＳＦ６ガスは地球温暖化係数が高いガスであるため、絶縁ガスの充填量を少なくすることにより、地球温暖化を防止することができるとともにコストを削減することができる。
【００３７】
また、上記のように絶縁性ガスを充填させる空間を狭くすることにより、空間内の圧力を容易かつ正確に所望の圧力に制御することができる。これにより、絶縁性ガスを充填させる空間内を所定の高圧に制御することができる。この結果、空間内の絶縁性を向上させ、上記空間内に含まれる導波管の分岐部分における異常放電をさらに抑止することができる。
【００３８】
上記第１の誘電体と上記分岐前の導波管とは、第１のシール部材により封止されていてもよい。これによれば、第１の誘電体を隔壁として、分岐部分を含んだ導波管内の空間は、気密な状態に保たれながら、分岐前の導波管内の空間と分離される。この結果、上記分岐部分を含む側の空間を確実に大気から遮断することができる。
【００３９】
また、上記第２の誘電体と上記分岐後の導波管とは、第２のシール部材により封止されていてもよい。これによれば、第２の誘電体を隔壁として、スロットに隣接する導波管内の空間は、気密な状態に保たれながら、分岐部分を含んだ空間と分離される。これにより、複数のスロットから処理室内にＳＦ６ガスなどの絶縁性ガスが漏れ出すことを確実に防ぐことができる。これにより、処理室内がＦ系ガスにより汚染されることなく、処理室内にて一定の品質を保ちながら、より確実かつ安定的に被処理体をプラズマ処理することができる。なお、第１のシール部材および第２のシール部材としては、たとえば、Ｏリングが挙げられる。
【００４０】
上記誘電体窓は、複数枚の誘電体から構成され、各誘電体は、上記複数のスロットのうち少なくともいずれかのスロットに通されたマイクロ波を透過させるようにしてもよい。
【００４１】
これによれば、誘電体窓は、複数枚の誘電体から構成されており、さらに、各誘電体にスロットがそれぞれ設けられている。しかも、従来に比べ、各誘電体の面積は著しく小さくなる。このように構成された各誘電体にマイクロ波を透過させることにより各誘電体の表面にて表面波を均一に伝播させることができる。この結果、プロセスウィンドウを広くすることができるとともにプラズマ処理を精度よく行うことができる。また、誘電体窓を小型化、軽量化した複数枚の誘電体により構成することにより、被処理体の大面積化に対してフレキシブルに対応することができる。
【００４２】
上記各誘電体には、被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されていてもよい。これによれば、各誘電体に形成された凹部または凸部により、各誘電体下面にて表面波が伝播する際の電界エネルギーの損失を増加させることができる。これにより、表面波の伝播を抑え、定在波の発生を抑制し、より均一なプラズマを生成することができる。
【００４３】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、分岐部分を有する導波管と、上記分岐部分にて分岐する前の導波管内のいずれかの位置に上記導波管を閉塞するように設けられた第１の誘電体と、複数のスロットを有するスロットアンテナと、マイクロ波を透過させる誘電体窓と、被処理体をプラズマ処理する処理室と、を備えたプラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法が提供される。
【００４４】
このプラズマ処理方法は、上記第１の誘電体により閉塞された上記導波管内の空間のうち、上記分岐部分を含む側の空間に充填されている絶縁性ガスにより上記分岐部分近傍の絶縁性を保ちながら、上記分岐部分を介して上記導波管にマイクロ波を伝播させ、上記導波管を伝播したマイクロ波を上記スロットアンテナの複数のスロットに通し、上記複数のスロットに通されたマイクロ波を上記誘電体窓に透過させることにより、マイクロ波を上記処理室内に入射させ、上記誘電体窓を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する。
【００４５】
これによれば、上記第１の誘電体により閉塞された上記導波管内の空間のうち、上記分岐部分を含む側の空間に充填されている絶縁性ガスにより上記分岐部分近傍の絶縁性を保つことができる。これにより、いわゆるトリプルジャンクションを構成する誘電体の表面近傍にて従来生じていた絶縁破壊を抑制し、誘電体表面にて沿面放電が生じる可能性を著しく低くすることにより、電界が集中する突出部においても異常放電の発生を著しく低減することができる。この結果、異常放電によって生じた熱による導波管の焼損や誘電体の破壊を防止することができる。また、上記第１の誘電体により上記分岐部分を含む側の空間を大気から遮断することができる。
【００４６】
上記プラズマ処理装置には、さらに、上記分岐部分にて分岐した後の導波管内のいずれかの位置に上記導波管を閉塞するように第２の誘電体が設けられ、上記第１の誘電体および上記第２の誘電体を隔壁とした上記導波管内の空間に絶縁性ガスを充填することにより、上記分岐部分近傍の絶縁性を保ちながら、上記分岐部分を介して上記導波管にマイクロ波を伝播させるようにしてもよい。
【００４７】
これによれば、第２の誘電体により、ＳＦ６ガス等の絶縁性ガスが、スロットから処理室内に漏れ出すことを防ぐことができる。この結果、処理室内がＦ系ガスにより汚染されることなく、一定の品質を保ちながら、被処理体を安定的にプラズマ処理することができる。
【００４８】
さらに、上記第２の誘電体の隔壁によって絶縁性ガスを充填させる空間を狭くすることにより、絶縁性ガスの充填量を少なくすることができる。これにより、地球温暖化を防止することができるとともにコストを削減することができる。
【発明の効果】
【００４９】
以上に説明したように、本発明によれば、導波管内の異常放電を抑止するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
以下に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。
【００５１】
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成について、図１および図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置を縦方向（ｙ軸に垂直な方向）に切断した断面図であり、図２は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の処理室の天井面を示した図である。なお、本実施形態では、プラズマ処理装置の一例として、マイクロ波のパワーを用いてガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマ処理装置を例に挙げて説明する。
【００５２】
マイクロ波プラズマ処理装置１００は、処理容器１０と蓋体２０とを備えている。処理容器１０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１０および蓋体２０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。
【００５３】
処理容器１０には、その内部にて基板Ｇを載置するためのサセプタ１１（載置台）が設けられている。サセプタ１１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１１ａおよびヒータ１１ｂが設けられている。
【００５４】
給電部１１ａには、整合器１２ａ（たとえば、コンデンサ）を介して高周波電源１２ｂが接続されている。また、給電部１１ａには、コイル１３ａを介して高圧直流電源１３ｂが接続されている。整合器１２ａ、高周波電源１２ｂ、コイル１３ａおよび高圧直流電源１３ｂは、処理容器１０の外部に設けられている。また、高周波電源１２ｂおよび高圧直流電源１３ｂは、接地されている。
【００５５】
給電部１１ａは、高周波電源１２ｂから出力された高周波電力により処理容器１０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１１ａは、高圧直流電源１３ｂ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。
【００５６】
ヒータ１１ｂには、処理容器１０の外部に設けられた交流電源１４が接続されていて、交流電源１４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。
【００５７】
処理容器１０の底面は筒状に開口され、その外部周縁にはベローズ１５の一端が装着されている。また、ベローズ１５の他端は昇降プレート１６に固着されている。このようにして、処理容器１０底面の開口部分は、ベローズ１５および昇降プレート１６により密閉されている。
【００５８】
サセプタ１１は、昇降プレート１６上に配設された筒体１７に支持されていて、昇降プレート１６および筒体１７と一体となって昇降し、これにより、サセプタ１１をプロセスに応じた高さに調整するようになっている。また、サセプタ１１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１８が設けられている。
【００５９】
処理容器１０の底部には、処理容器１０の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）が備えられている。真空ポンプは、ガス排出管１９を介して処理容器１０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。
【００６０】
蓋体２０には、蓋本体２１、導波管３０、複数のスロット３１を有するスロットアンテナ３２および誘電体窓３３が設けられている。蓋本体２１の下面外周部と処理容器１０の上面外周部との接合面にはＯリング２５が配設されていて、これにより、プラズマ処理を施す処理室Ｕ内は気密に保持されている。
【００６１】
導波管３０は、その断面形状が矩形状であり、図２に示したように、処理室の天井面の上方にて互いに左右対称になるように蓋本体２１に２つ配置されている。各導波管３０は、その一端にてチューナ３８を介してマイクロ波発生器３４にそれぞれ連結されている。また、各導波管３０は、マイクロ波の進行方向に対して複数のスロット３１が配置された位置より手前の位置に分岐部分ＢＰを有している。図２および図２のＫＢ部分を拡大した図３に示したように、１本の導波管３０が分岐部分ＢＰにて１０分岐することにより、１０本の導波管が並んで蓋本体２１に配設される。したがって、処理室の天井面の上方には、分岐後の導波管が２０本並行に配設される。
【００６２】
チューナ３８（例えば、スタブチューナ）は、プラズマ内のインピーダンスの変動に対してその整合（マッチング）をとるために設けられている。
【００６３】
各導波管３０の内部には、フッ素樹脂（たとえば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、石英、テフロン（登録商標）；ＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene））などの誘電部材が充填され、この誘電部材によりマイクロ波の管内波長λｇが、λｇ＝λｃ／（ε）１／２にて示される値に制御されるようになっている。ここで、λｃは自由空間（真空状態）の波長、εは誘電部材の誘電率である。ただし、本実施形態では、図３のＫＣ部分を拡大した図４に示したように、分岐部分ＢＰおよび分岐後の導波管内Ｈ２には、誘電部材としてアルミナ４０または石英４１が充填されている。
【００６４】
導波管３０と導波管３０内に充填されたアルミナ４０または石英４１との間には、わずかな隙間Ｓが設けられている。分岐部分ＢＰの隙間Ｓには大気が充填されている。これは、分岐部分ＢＰは、導波管３０、チューナ３８およびマイクロ波発生器３４を介して外部と連通しているためである。
【００６５】
本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００では、図３のＩ−Ｉ断面である図５（ａ）に示したように、分岐部分ＢＰへのマイクロ波の入口には、導波管３０を閉塞させる第１の誘電体４３が配設されている。また、図３のＩＩ−ＩＩ断面である図５（ｂ）に示したように、分岐部分ＢＰからのマイクロ波の出口には、導波管３０を閉塞させる第２の誘電体４４が配設されている。第１の誘電体４３および第２の誘電体４４は、たとえば、石英やアルミナなどから形成されている。
【００６６】
第１の誘電体４３と導波管３０との接合面は、第１のＯリング４３ａにより封止され、第２の誘電体４４と導波管３０との接合面は、第２のＯリング４４ａにより封止されている。さらに、このようにして第１の誘電体４３および第２の誘電体４４により仕切られた導波管内部の空間（分岐部分ＢＰ）には、ＳＦ６ガスが充填されている。なお、第１の誘電体４３、第２の誘電体４４および分岐部分ＢＰの空間に充填されたＳＦ６ガスの機能、作用および効果については後述する。
【００６７】
再び図１に戻ると、スロットアンテナ３２は、各導波管３０の下部にて蓋本体２１と一体となって形成されている。スロットアンテナ３２は、アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料から形成されている。スロットアンテナ３２には、各導波管３０の下面にて、分岐後の各導波管３０に、図２に示した１１組のスロット３１がそれぞれ設けられている。各スロット３１の内部には、フッ素樹脂、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、石英などの誘電部材が充填されている。
【００６８】
図２に示したスロット３１は、２つの開口３１ａ、３１ｂから形成されている。各開口３１ａ、３１ｂは、その長手方向がマイクロ波の進行方向に対して左右にそれぞれ４５°の傾きを持ちながら、開口３１ａの中央から開口３１ｂの中央までのｙ軸方向の距離が、管内波長λｇの１／４だけ離れた位置にて略Ｔ字状に配置されている。
【００６９】
たとえば、マイクロ波が円偏波である場合、導波管３０内を伝播するマイクロ波により導波管３０内にて発生する電磁界は回転する。電磁界は回転しながら略Ｔ字型スロット３１から漏れ、誘電体窓３３を透過して処理室Ｕ内に供給されるようになっている。
【００７０】
スロットアンテナ３２の下部には、２つの導波管３０に対して２枚の誘電体窓３３が、配置されている。２枚の誘電体窓３３は、石英ガラス、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、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いる。
【００７１】
各誘電体窓３３は、格子状に形成された梁３６によりその周縁にてそれぞれ支持されている。梁３６は、アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料にて形成されている。図１に示したように、梁３６は、その内部を貫通する複数のガス導入管３７を有している。
【００７２】
冷却水配管５０には、マイクロ波プラズマ処理装置１００の外部に配置された冷却水供給源５１が接続されていて、冷却水供給源５１から供給された冷却水が冷却水配管５０内を循環して冷却水供給源５１に戻ることにより、蓋本体２１は、所望の温度に保たれるようになっている。
【００７３】
ガス供給源５２は、マスフローコントローラ５３およびバルブ５４と連結し、さらに、ガスライン５５を介して複数のガス導入管３７に接続されている。ガス供給源５２は、マスフローコントローラ５３の開度およびバルブ５４の開閉をそれぞれ制御することにより所望の濃度のガスをガスライン５５から複数のガス導入管３７に通して、処理室Ｕ内に供給する。
【００７４】
以上に説明した構成により、図２のマイクロ波発生器３４から出力された、たとえば、２．４５ＧＨｚ×２のマイクロ波は、分岐前の２本の導波管３０を伝播し、分岐部分ＢＰにてそれぞれ１０分岐し、２０本の導波管をさらに伝播して各スロット３１に通され、さらに、各誘電体窓３３を透過して処理室Ｕ内に入射される。このようにして入射されたマイクロ波の電界エネルギーによってガス供給源５２から供給されたガスがプラズマ化されることにより、基板Ｇがプラズマ処理されるようになっている。
【００７５】
（分岐部分近傍にて発生する異常放電）
図３のＫＣ部分を拡大した図４に導波管３０の分岐部分の一部を示したように、導波管３０の分岐部分とは、導波管３０の突起を形成する部分をいい、たとえば、突出部Ｔをいう。これらの突出部Ｔは、多方向にほぼ直角に分岐した後、かなり大きく突出し、その先端では角張った構造をしている。
【００７６】
このような構造を有する突出部Ｔには、電界エネルギーが集中する。なぜなら、マイクロ波の電界エネルギーは、尖ったところや角張ったところに集中する性質を持っているためである。このとき、突出部Ｔに集中する電界エネルギーの強度は、誘電部材の誘電率εに近似する。誘電部材の一例としてアルミナ４０を使用した場合、突出部Ｔの近傍では、比誘電率倍（比誘電率ｋ＝ε／ε０  ε：アルミナ４０の誘電率、ε０：真空状態における誘電率）の強度を持つ電界、すなわち、導波管内にアルミナ４０を充填させていない場合の約８．６倍の強度を持つ電界が発生する。この結果、突出部Ｔの近傍にて非常に電流が流れやすくなり、導波管３０内にて異常放電が発生しやすい状態となる。
【００７７】
また、導波管３０およびこの導波管内に充填されるアルミナ４０はどちらも固体である。よって、導波管３０とアルミナ４０とを密着して設けると、導波管３０を形成する金属とアルミナ４０との熱膨張係数の違いにより、アルミナ４０に割れが生じる場合がある。このため、導波管３０とアルミナ４０との間には、わずかな隙間Ｓが設けられている。その隙間Ｓは、導波管３０およびマイクロ波発生器３４を介して外部（大気系）と連通している。そのため、この隙間Ｓには、大気が充填される。
【００７８】
突起部Ｔに対してその近傍に大気およびアルミナ４０が存在する、いわゆるトリプルジャンクションＢ１０〜Ｂ１５では、突起部Ｔに対してその近傍に大気のみが存在しアルミナ４０が存在しない部分より異常放電が起こる可能性が高くなる。その理由について以下に述べる。
【００７９】
電界が集中している突起部Ｔに対してその近傍に大気およびアルミナ４０が存在すると、アルミナ４０の表面に沿って樹枝状の放電路が形成される。このような放電は沿面放電と呼ばれる。この沿面放電は、次のようなメカニズムにより発生すると考えられている。すなわち、アルミナ４０の近傍に存在する電子がアルミナ４０に衝突することにより、アルミナ４０に吸着していたガス（大気）が脱離し、プラズマ化することにより、アルミナ４０の表面にて局部的に放電が発生する。この結果、電子が増倍するとともに、さらに脱離ガス（大気）がプラズマ化することにより絶縁破壊が生じ、電子が放出されてアルミナ４０の表面に沿って電流が流れる。これが沿面放電である。
【００８０】
突出部Ｔ付近は、そもそも電界が集中して異常放電が生じやすいところ、その近傍に大気およびアルミナ４０が存在する、いわゆるトリプルジャンクションＢ１０〜Ｂ１５では、このようにしてアルミナ４０に沿って沿面放電が誘引されるため、アルミナ４０が存在しない場合に比べて異常放電が起こる可能性がより高くなる。
【００８１】
これに加えて、プラズマ処理装置の起動後、処理室内においてガスがプラズマ着火するまでにはある程度の時間がかかる。この間、ガスをプラズマ着火させるために、マイクロ波発生器３４からは、大パワーのマイクロ波が出力される。また、この間、処理室Ｕの内部は絶縁体として機能する。よって、マイクロ波は、スロット３１を通って誘電体窓３３を透過しても、処理室内に入射されずに反射し、再び導波管３０内に戻る。このようにして、マイクロ波発生器３４から出力された大パワーのマイクロ波と反射されたマイクロ波のパワーとにより、導波管３０内の電界強度が非常に高くなり、異常放電が発生する可能性が高くなる。
【００８２】
また、プラズマ着火後も、均一なプラズマが安定的に生成されるまでにはある程度の時間がかかる。プラズマは、導体であるため、処理室内に入射されたマイクロ波の一部を吸収する。しかし、均一なプラズマが安定的に生成されるまでの間は、プラズマの生成状態が不安定であるため、処理室内に入射されたマイクロ波のうち、プラズマに吸収される電界エネルギーとプラズマを反射する電界エネルギーとの割合が変動する。この結果、プラズマの状態が変化して、プラズマ内のインピーダンスが変動する。このような変動に対しては、チューナ９８によってインピーダンスの整合をとるが、プラズマ内のインピーダンスが常に変動すると、このインピーダンス整合が不安定な状態になる。
【００８３】
さらに、インピーダンス整合が安定化した後も、プロセス実行中にガス種やマイクロ波のパワー等のプロセス条件を変化させたときには、プラズマ内のインピーダンスが変動し、その後、すぐさま定常状態に戻るとしても、瞬間的にインピーダンス整合が不安定な状態になる。
【００８４】
このようにして、瞬間的であってもインピーダンス整合が不安定な状態になると、導波管３０内の電界強度にバラツキが生じる。これにより、そもそも異常放電しやすいトリプルジャンクション（図４では、Ｂ１０〜Ｂ１５）において、異常放電する可能性が極めて高くなる。この結果、異常放電が発生した部分で熱が生じ、導波管３０の焼損や誘電体窓３３の破壊をまねく。マイクロ波プラズマ処理装置１００を構成する各種部材は、非常に高価であるため、それらの破損は好ましくなく、また、破損による処理のスループットの低下も大きな問題である。このため、これらを回避するために異常放電を発生させない対策が必要となる。
【００８５】
（ＳＦ６ガスの充填）
そこで、発明者は、本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００において、図２、図３および図２の分岐部分ＢＰの斜視図を模式的に示した図５のように、導波管３０を第１の誘電体４３および第２の誘電体４４により閉塞し、さらに、第１のＯリング４３ａおよび第２のＯリング４４ａによりシーリングした状態で、分岐部分ＢＰの空間にＳＦ６ガスを充填することを考案した。
【００８６】
（ＳＦ６ガスの絶縁作用）
充填されたＳＦ６ガスは、絶縁性を有する。それを証明するための実験装置のモデル２００を図６に示す。この実験モデル２００では、密閉容器２１０内に上部電極ｕおよび下部電極ｌが平行して設けられ、上部電極ｕおよび下部電極ｌは、直流電源ＤＣに接続されている。また、下部電極ｌには、電流計Ａが接続されている。密閉容器２１０には、各種ガスｇが充填されている。
【００８７】
この実験モデル２００を用いて、密閉容器２１０に空気、ＳＦ６ガス、Ｎ２ガスをそれぞれ充填した上で、直流電源ＤＣから所定の直流電圧が印可されたときに上部電極ｕから下部電極ｌに流れる電流値を図７に示す。この結果から、ＳＦ６ガスが、最も電流を通しにくく（すなわち、絶縁性が高く）、Ｎ２ガスが最も電流を通しやすい（すなわち、絶縁性が低い）ことがわかる。ただし、空気は、Ｎ２ガスよりも絶縁性が高く、ＳＦ６ガスよりも絶縁性が低いが、比較的Ｎ２ガスと同じように電流を通しやすい。
【００８８】
また、ＳＦ６ガスと空気とを混合させた混合ガスの絶縁性を示すための実験装置のモデル２２０を図８に示す。この実験モデル２２０では、上部電極ｕが、密閉容器２２０の上端部に設けられ、下部電極ｌが、密閉容器２２０の下端部にて上部電極ｕに対して１０ｍｍ離れて平行に設けられている。上部電極ｕと下部電極ｌとの間には、直径１０ｍｍの円柱状絶縁物Ｃｙｌが挿入されている。密閉容器２２０内には、ＳＦ６ガスと空気とを混合させた混合ガスが充填されている。密閉容器２２０の内部圧力は５ａｔｍに保持されている。
【００８９】
なお、この実験モデル２２０の上部電極ｕおよび下部電極ｌは、本実施形態にかかる矩形状の導波管３０の上部壁および下部壁に対応し、円柱状絶縁物Ｃｙｌは、本実施形態にかかる導波管３０の内部に挿入された誘電部材に対応し、密閉容器２２０の内部に充填された混合ガスは、本実施形態にかかる導波管３０の内部に充填されたガス（ＳＦ６）に対応する。
【００９０】
この実験モデル２２０を用いて、密閉容器２１０内の空気に対するＳＦ６ガスの混合率を変化させたときの、フラッシュオーバー電圧ＶＢ（ＦＯＶ  ＶＢ）を測定した結果を図９に示す。この結果は、電気学会技術報告第２４８号から抜粋したものである。この結果に示されるように、空気に対してその約５％以上の割合のＳＦ６ガスを密閉容器２１０内に混合すると、上部電極ｕおよび下部電極ｌ間に所定量以上の直流電流が流れるために必要なフラッシュオーバー電圧ＶＢが顕著に高くなる。これにより、空気にその５％程度のＳＦ６ガスを混合させただけで、電極間の絶縁性が著しく高くなることがわかる。
【００９１】
以上の結果から、発明者は、分岐部分を含んだ導波管３０の内部空間に、従来充填されていた大気に替えて絶縁性の高いＳＦ６ガスを充填することとした。この結果、発明者は、アルミナ４０の表面近傍が、絶縁性が高く電離しにくいＳＦ６ガスで満たされることにより、アルミナ４０の表面近傍にて絶縁破壊が生じにくく、電流が流れにくい状態、すなわち、アルミナ４０の表面近傍にて沿面放電が生じにくい状態を作り上げることができた。この結果、導波管の分岐部分にて異常放電が生じる可能性を極めて低くすることができた。
【００９２】
また、このとき、第１の誘電体４３および第２の誘電体４４により閉塞されている導波管３０の内部空間（すなわち、導波管３０の分岐部分を含んだ空間）の圧力が、大気圧以上になるようにした。このように、第１の誘電体４３および第２の誘電体４３により閉塞された空間の内部圧力を大気圧以上とすることにより、導波管３０およびマイクロ波発生器３４を介して外部からの大気がこの閉塞空間の内部に入り込むことを避けることができた。これにより、閉塞空間に充填されたＳＦ６ガスに対する空気の混合率が高まって、閉塞空間内の絶縁性が弱まることを回避することができた。この結果、導波管３０の分岐部分にて異常放電が生じる可能性を、さらに低減することができた。
【００９３】
（ＳＦ６ガスの漏れおよびその対策）
しかし、上記原理を単純にマイクロ波プラズマ処理装置１００に応用すると、ＳＦ６ガスが処理室Ｕに漏れるという深刻な問題が生じるおそれがあり、その場合には、基板Ｇに良好なプラズマ処理を施すことができない。以下に、ＳＦ６ガスが処理室Ｕに漏れた場合の問題について説明し、その後、発明者が発案したＳＦ６ガスの漏れ防止対策について説明する。
【００９４】
（ＳＦ６ガスの漏れ問題）
通常、複数のスロット３１の下部には、処理室Ｕを密閉するとともにマイクロ波を透過する機能を持つ誘電体窓３３が設けられていて、この誘電体窓３３により各スロット３１（開口）は塞がれている。しかし、何らかの原因でいずれかのスロット３１から処理室内にＳＦ６ガスが通過する通り道ができるおそれがある。たとえば、誘電体窓３３と処理室Ｕとの接合面に設けられた図示しないＯリングを介してスロット３１から処理室Ｕの内部にＳＦ６ガスが漏れる場合である。
【００９５】
このような場合、処理室内に進入したＳＦ６ガスが、マイクロ波の電界エネルギーにより解離して、処理室内にてＳ系ガスやＦ系ガスに分解するおそれがある。このようにして処理室内にて発生したＦ系ガスは、処理室本体のアルミニウムや天井部のアルミナと反応する。これにより、処理室Ｕの内壁や天井部がフッ化され、部分的にＡｌＦになることがある。また、たとえば、処理室Ｕの内壁や天井部に付着したＳｉＯ２膜とＦとが反応することにより、ＳｉＦ１〜ＳｉＦ４ガスとなることもある。
【００９６】
このようにして発生したＡｌＦ膜の一部は、たとえば、成膜時のイオンの作用によりＡｌ−Ｆ結合が切れてＦとなり、再び処理室Ｕの内部に放出される。また、スロット３１から処理室内に漏れ出したＦ２ガスや、ＳｉＯ２膜とＦ系ガスとが反応して生成されたＳｉＦｘガスのうち、ＳｉＦ４ガスは結合状態が安定しているので、その一部が処理室外に排出されず、処理室Ｕの内壁に物理的に吸着する。しかし、このようにして内壁に吸着したＦ２ガスやＳｉＦ４ガスは、吸着エネルギーが小さいため脱離しやすい。この結果、処理室Ｕの内部に発生したＦ系残留物が処理室Ｕの内壁から脱離して成膜中の薄膜に混入することにより、基板Ｇに良質な膜を形成することを妨げるという問題が生じる。
【００９７】
また、ＳｉＯ２膜とＦ系ガスとが反応することにより、ＳｉＯ２膜の一部がＳｉＦｘ膜になると、ＳｉＯ２膜とＳｉＦｘ膜とでは誘電率εが異なるため、基板Ｇに形成された膜特性にバラツキが生じてしまう。
【００９８】
（ＳＦ６ガスの漏れ防止対策）
以上のように、ＳＦ６ガスが、スロット３１から処理室Ｕの内部に漏れ出すことにより、膜が劣化して基板Ｇが製品化できない状況を回避するために、発明者は、まず、図５（ａ）に示した分岐部分ＢＰへのマイクロ波の入口に、導波管３０を閉塞させる第１の誘電体４３を設け、さらに、第１の誘電体４３と導波管３０との接合面に第１のＯリング４３ａを設けた。このようにして、第１の誘電体４３によって導波管３０を塞ぎ、さらに、第１のＯリング４３ａにより第１の誘電体４３と導波管３０との接合面を封止することにより、分岐部分ＢＰを含む空間と分岐前の導波管内の空間とを完全に分離することができた。この結果、分岐部分ＢＰの空間を完全に大気から遮断することができた。
【００９９】
また、発明者は、図５（ｂ）に示した分岐部分ＢＰからのマイクロ波の出口に、導波管３０を閉塞させる第２の誘電体４４を設け、さらに、第２の誘電体４４と導波管３０との接合面に第２のＯリング４４ａを設けた。このとき、発明者は、図２に示したように、マイクロ波の進行方向に対して第２の誘電体４４を複数のスロット３１より手前の位置に配置した。このようにして、分岐部分ＢＰの空間を確実に密閉した状態において、発明者は、分岐部分ＢＰの空間にＳＦ６ガスを充填させた。
【０１００】
図５にその動きを矢印で示したように、マイクロ波は、第１の誘電体４３を透過して分岐部分ＢＰの空間に入る。その後、分岐しながら、第２の誘電体４４を透過して分岐部分ＢＰの空間から出る。このようにして、発明者は、第１の誘電体４３および第２の誘電体４４を用いて、分岐部分ＢＰの空間へのマイクロ波の進行を妨げることなく、気密な分岐部分ＢＰの空間にＳＦ６ガスを充填をすることができた。さらに、第１のＯリング４３ａおよび第２のＯリング４４ａを用いて、分岐部分ＢＰの空間を確実に密閉することができた。この結果、発明者は、充填されたＳＦ６ガスが分岐部分ＢＰの空間以外に漏れ出ることを確実に防ぐことができた。
【０１０１】
この結果、導波管内にＳＦ６ガスを完全に閉じ込め、いずれかのスロット３１を介してＦ系ガスが処理室Ｕに漏れ出ること確実に回避することができた。これにより、処理室内がＦ系ガスにより汚染されることなく、処理室内にて基板Ｇに良好なプラズマ処理を施すことができた。
【０１０２】
さらに、発明者は、ＳＦ６ガスを充填させる空間を第１の誘電体４３および第２の誘電体４４によって狭めることにより、ＳＦ６ガスの充填量を少なくすることができた。この結果、地球温暖化を防止するとともにコストを低減することができた。
【０１０３】
また、発明者は、ＳＦ６ガスを充填させる空間が狭くすることにより、空間内の圧力を容易かつ確実に所望の圧力に制御することができた。このようにして、絶縁性ガスを充填させる空間内を高圧に制御することにより、上記空間内の絶縁性をさらに向上させることができた。この結果、発明者は、上記空間内に含まれる分岐部分ＢＰにおける異常放電の発生をより効果的に抑えることができた。
【０１０４】
この結果、異常放電により生じた熱による導波管３０の焼損や誘電体窓３３の割れを防止することができた。これにより、高価なマイクロ波プラズマ処理装置１００の維持および管理に要する費用を低減することができるとともに、マイクロ波プラズマ処理装置１００の稼動率を上げることにより、スループットを向上させ、これによりシステム全体の生産性を向上させることができた。
【０１０５】
（第２実施形態）
つぎに、本発明の第２実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００の構成について、図１０および図１１を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００を縦方向（ｙ軸に垂直な方向）に切断した断面図であり、図１１は、本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００の処理室の天井面を示した図である。
【０１０６】
第２実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００は、誘電体窓３３が多数枚のタイル形状の誘電体から構成され、導波管３０がＹ分岐している点で、２枚の誘電体窓３３から構成され、導波管３０がπ分岐していた第１実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００と構成上異なる。よって、この相異点を中心に、本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００について説明する。
【０１０７】
（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１００には、図１０の蓋本体２１には、導波管３０、複数のスロット３１を有するスロットアンテナ３２に加え、図１１に示したように多数枚のタイル状の誘電体３３ａが設けられている。
【０１０８】
マイクロ波発生器３４およびチューナ３８に接続された導波管３０は、二股に分岐され（Ｙ分岐）、２本の導波管となって、処理室Ｕの天井面中央にて終端するように蓋本体２１に配置されている。このようにして、蓋本体２１の内部には、ｘ軸方向に８本の導波管３０が並んで配置されると同時に、同一構成の導波管３０、チューナ３８およびマイクロ波発生器３４が、天井面中央のｘ軸に平行な軸を対称として反対側にも配置される。これにより、１６本の導波管３０は、各導波管３０がその端面にて互いに対向するように８本ずつ並んで配置されるとともに、８台のマイクロ波発生器３４が４台ずつ対面して設けられる。このように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置１００の処理室Ｕでは、前述したように、１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（チャンバ内の径：１４７０ｍｍ×１５９０ｍｍ）の基板Ｇ（Ｇ５基板サイズ）が処理される。
【０１０９】
スロットアンテナ３２の下部には、同一の導波管３０に対してタイル状に形成された１３枚の誘電体３３ａが、その長手方向が各導波管３０の長手方向に対して略垂直になるように等間隔に配置されている。各誘電体３３ａの上部には、２個のスロットがそれぞれ設けられている。以上の構成により、処理室Ｕの天井面には、全部で２０８枚（＝１３×１６）の誘電体３３ａが設けられている。
【０１１０】
多数枚の誘電体３３ａは、石英ガラス、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、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いる。なお、図示していないが、各誘電体３３ａには、基板Ｇと対向する面にて凹凸がそれぞれ形成されている。このように各誘電体３３ａに凹部または凸部の少なくともいずれかを設けることによって、誘電体下部にて生成される表面波が各誘電体３３ａの表面を伝播する際に、その電界エネルギーの損失を増加させ、これにより、表面波の伝播を抑止することができる。この結果、定在波の発生を抑制して、均一なプラズマを生成することができる。
【０１１１】
各誘電体３３ａは、格子状に形成された梁３６によりその周縁にてそれぞれ支持されている。梁３６は、アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料にて形成されている。
【０１１２】
以上に説明した構成により、図１１に示した８つのマイクロ波発生器３４から出力された、たとえば、２．４５ＧＨｚ×８のマイクロ波は、各導波管３０を伝播し、各スロット３１に通され、さらに、各誘電体３３ａを透過して処理室Ｕ内に入射される。このようにして入射されたマイクロ波の電界エネルギーによってガス供給源５２から供給されたガスがプラズマ化されることにより、成膜等のプラズマ処理が基板Ｇに施されるようになっている。
【０１１３】
導波管３０の分岐部分ＢＰへのマイクロ波の入口には、導波管３０を閉塞させる第１の誘電体４３が設けられ、さらに、第１の誘電体４３と導波管３０との接合面は、図示しない第１のＯリングにより封止されている。
【０１１４】
また、導波管３０の分岐部分ＢＰからのマイクロ波の出口には、導波管３０を閉塞させる第２の誘電体４４が設けられ、さらに、第２の誘電体４４と導波管３０との接合面は、図示しない第２のＯリングにより封止されている。さらに、第１の誘電体４３および第２の誘電体４４により仕切られた分岐部分ＢＰを含む空間には、ＳＦ６ガスが充填されている。
【０１１５】
これによれば、第１の誘電体４３により閉塞された導波管内の空間のうち、分岐部分ＢＰを含む側の空間に充填されているＳＦ６ガスにより分岐部分ＢＰ近傍の絶縁性を保つことができる。これにより、導波管３０の分岐部分ＢＰに形成された、いわゆるトリプルジャンクションに生じやすい異常放電を効果的に抑制することができる。
【０１１６】
この結果、異常放電により生じた熱による導波管３０の焼損や導波管３０内の誘電部材（アルミナ４０）の破壊を防止することができる。また、第２の誘電体４４をスロット３１の手前に設けることにより、ＳＦ６ガスがスロット３１から処理室Ｕの内部に漏れ出すことを防ぐことができる。この結果、処理室内がＦ系ガスにより汚染されることなく、基板Ｇに良質なプラズマ処理を施すことができる。
【０１１７】
さらに、第２の誘電体４４の仕切りによってＳＦ６ガスを充填させる空間を狭くすることにより、ＳＦ６ガスの充填量を少なくすることができる。これにより、地球温暖化を防止することができるとともにコストを低減することができる。
【０１１８】
なお、図１１に示したように、第２実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００は、４台ずつ対面して設けられた８台のマイクロ波発生器（３４）から出力されるマイクロ波のパワーにより１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（Ｇ５基板サイズ）の基板Ｇを処理する。しかし、、第２実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１００を用いてプラズマ処理される基板Ｇのサイズは、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上であればよく、たとえば、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ（Ｇ４．５基板サイズ）の基板Ｇを処理する装置は、図示されていないが、図１１のマイクロ波プラズマ処理装置１００を中央にて縦方向に半分に分割した構成、すなわち、導波管３０、チューナ３８およびマイクロ波発生器３４が図１１のプラズマ処理装置の半分となった構成を有する。この装置に２台ずつ対面して設けられた４台のマイクロ波発生器３４から出力されるマイクロ波のパワーにより、Ｇ４．５基板サイズの基板Ｇは処理される。
【０１１９】
以上に説明した各実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば、導波管内の絶縁性を高めて、導波管内における異常放電を効果的に抑止することができる。
【０１２０】
なお、第１の誘電体４３は、図２および図１１にＨ１にてその範囲を示したように、分岐前の導波管内のいずれかの位置に配設することができる。また、第２の誘電体４４は、Ｈ２にてその範囲を示したように、分岐後の導波管内のいずれかの位置であって、複数のスロット３１が配置された位置より分岐部分ＢＰ側の位置に配設することができる。
【０１２１】
また、第１の誘電体４３および第２の誘電体４４は、両方備えられていることが好ましいが、第１の誘電体のみであってもよい。
【０１２２】
また、以上に説明した各実施形態では、分岐部分ＢＰの空間に充填する絶縁性ガスとしてＳＦ６ガスを例示した。しかし、分岐部分ＢＰの空間に充填するガス種は、絶縁性ガスであればＳＦ６ガスに限られず、たとえば、ＳＦ６とＮ２との混合ガス、ＳＦ６とＡｒとの混合ガス、ＳＦ６とＮ２Ｏとの混合ガス、あるいはＳＦ６とＣＦ４との混合ガスであってもよい。
【０１２３】
また、上記各実施形態では、導波管３０の分岐部分ＢＰは、π分岐およびＹ分岐を有していたが、マイクロ波を分岐する形状であればこれに限られず、Ｔ分岐や十字分岐などの形状を有していてもよい。
【０１２４】
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、プラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法の実施形態とすることができる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
たとえば、本発明にかかるプラズマ処理装置は、以上に説明した構成のマイクロ波プラズマ処理装置に限られず、たとえば、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance；電子サイクロトロン共鳴）プラズマ処理装置、容量結合型プラズマ処理装置、誘導結合型プラズマ処理装置にも適用可能である。
【０１２７】
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が実行可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【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ｙ軸に垂直な縦断面図である。
【図２】同実施形態にかかるプラズマ処理装置の処理室内部の天井面を示した図である。
【図３】図２のＫＢ部分を拡大した図である。
【図４】図３のＫＣ部分を拡大した図である。
【図５】図５（ａ）は、図３のＩ−Ｉ面にて同実施形態にかかるプラズマ処理装置を切断したときの蓋本体近傍の縦断面図であり、図５（ｂ）は、図３のＩＩ−ＩＩ面にて同実施形態にかかるプラズマ処理装置を切断したときの蓋本体近傍の縦断面図ある。
【図６】各種ガスの絶縁性を実験するための実験モデルを示した図である。
【図７】図７の実験モデルを用いて、各種ガスの絶縁性を実験した実験結果である。
【図８】空気に対するＳＦ６ガスの混合率を変化させた場合に生じるフラッシュオーバー電圧ＶＢを測定するための実験モデルを示した図である。
【図９】図８の実験モデルを用いて、上記ガスの混合率を変化させた場合のフラッシュオーバー電圧ＶＢの実験結果である。
【図１０】本発明の第２実施形態にかかるプラズマ処理装置のｙ軸に垂直な縦断面図である。
【図１１】同実施形態にかかるプラズマ処理装置の処理室内部の天井面を示した図である。
【図１２】関連するプラズマ処理装置の天井面に配置された導波管の一例である。
【図１３】図１２のＫＡ部分を拡大した図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０        処理容器
２０        蓋体
２１        蓋本体
３０        導波管
３１        スロット
３１ａ      開口
３１ｂ      開口
３２        スロットアンテナ
３３        誘電体窓
３３ａ      誘電体
３４        マイクロ波発生器
３８        チューナ
４０        アルミナ
４１        石英
４３        第１の誘電体
４３ａ      第１のＯリング
４４        第２の誘電体
４４ａ      第２のＯリング
１００      マイクロ波プラズマ処理装置
Ｕ          処理室
Ｓ          隙間
【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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