(57)【要約】【課題】本発明は、試料の処理面に対して均一な処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】マイクロ波発生手段に接続され、試料の処理面に沿う断面が矩形状であり、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波の電界強度分布を前記試料の処理面に沿って概ね均一にする第１誘電体１５と、前記第１誘電体の下部に設けられ、複数の第１スロット１７ａが形成されており、前記第１誘電体１５内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板１７と、前記スロット板１７の下部に設けられ、前記スロット板１７から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める第２誘電体と、前記マイクロ波により前記反応器内に発生するプラズマを用いて前記試料を処理する処理手段とを有するプラズマ処理装置を提供する。【選択図】      図３
2004235431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器内の試料にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、
前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状であり、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波の電界強度分布を前記試料の処理面に沿って概ね均一にする第１誘電体と、
前記反応器と前記第１誘電体との間に設けられ、複数の第１スロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、
前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める第２誘電体と、
前記マイクロ波により前記反応器内に発生するプラズマを用いて前記試料を処理する処理手段と、
を有するプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記第２誘電体は前記試料の処理面に沿う断面が矩形状である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記反応器は、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状に形成されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記マイクロ波発生手段は前記試料の処理面に沿う断面が矩形状のアンテナを含んでおり、前記アンテナは前記第１誘電体に接している、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記第１スロットは概ね同一サイズの同一形状で、概ね同一方向に沿って設けられており、隣接する前記第１スロットの中心間の距離Ｌ１は、実質的に、下記式（１）を満たす請求項１に記載のプラズマ処理装置
Ｌ１＝ｎＬ１λ１  …（１）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ１：１以上の整数。
【請求項６】
前記第１スロットは概ね同一サイズの同一形状であり、前記スロット板に沿う互いに直交する軸のいずれかに関して線対称に配置され、かつ隣接する第１スロットの中心間の距離Ｌ２は、実質的に、下記式（２）を満たす請求項１に記載のプラズマ処理装置
Ｌ２＝ｎＬ２（λ１／２）  …（２）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ２：１以上の整数。
【請求項７】
前記試料の処理面に沿う方向における、前記第１誘電体の対向する二辺が平行であり、前記第１誘電体の対向する二辺の間隔Ｌｄ１は、実質的に、下記式（３）を満たす請求項１に記載のプラズマ処理装置
Ｌｄ１＝ｎｄ１（λ１／２）  …（３）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎｄ１：１以上の整数。
【請求項８】
前記試料の処理面に沿う方向における、前記第２誘電体の対向する二辺が平行であり、前記第２誘電体の対向する二辺の間隔Ｌｄ２は、実質的に、下記式（４）を満たす請求項２に記載のプラズマ処理装置
Ｌｄ２＝ｎｄ２（λ２／２）  …（４）
ここで、λ２：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
ｎｄ２：１以上の整数。
【請求項９】
前記第１誘電体及び前記第２誘電体の各々の比誘電率は概ね同一である、請求項７または８に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記試料の処理面に沿う方向における、前記反応器の対向する二辺が平行であり、前記反応器の対向する二辺の長さＬＰは、実質的に、下記式（５）を満たす請求項３に記載のプラズマ処理装置
ＬＰ＝ｎＰ（λＰ／２）  …（５）
ここで、λＰ：前記反応器内のマイクロ波の波長
ｎＰ：１以上の整数。
【請求項１１】
前記マイクロ波発生手段の前記第１誘電体と接する面（以下、導入面）の対向する二辺が平行であり、前記導入面には前記マイクロ波発生手段から前記第１誘電体にマイクロ波を導入する複数の第２スロットが設けられており、前記第２スロットの中心位置の各々は、前記導入面の対向する二辺に沿う２つの軸上に交互に位置し、前記２つの軸の間隔Ｌ５は、実質的に、下記式（６）を満たす請求項２に記載のプラズマ処理装置
Ｌ５＝ｎＬ５（λ１／２）  …（６）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ５：１以上の整数。
【請求項１２】
前記２つの軸上に交互に隣接して配置された前記第２スロットの中心間の前記軸方向における距離Ｌ４は、実質的に、下記式（７）を満たす請求項１１に記載のプラズマ処理装置
Ｌ４＝ｎＬ４（λ１／２）  …（７）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数。
【請求項１３】
前記第１誘電体のうち前記導入面の対向する二辺に沿う端面と前記２つの軸との距離Ｄが、実質的に、下記式（８）を満たす請求項１１または１２に記載のプラズマ処理装置
Ｄ＝ｎＤ（１／４）λ１  …（８）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＤ：１以上の整数。
【請求項１４】
前記スロット板の厚みは１ｍｍ以上である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１５】
前記スロット板の厚みは３ｍｍ以上である、請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１６】
前記スロット板の前記第１スロットは長方形状であり、前記第１スロットの長辺方向の長さＬ７は、実質的に、下記式（９）を満たす請求項１４または１５に記載のプラズマ処理装置
Ｌ７≧（３／８）λ１  …（９）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長。
【請求項１７】
前記第１スロットの長辺方向の長さＬ７は、実質的に、下記式（１０）を満たす請求項１６に記載のプラズマ処理装置
Ｌ７≧（１／２）λ１  …（１０）
ここで、λ１：前記スロット板に導入されるマイクロ波の波長。
【請求項１８】
前記第１スロットの長辺方向の長さＬ７は、実質的に、下記式（１１）を満たす請求項１７に記載のプラズマ処理装置
Ｌ７＝（１／２）λ１  …（１１）。
ここで、λ１：前記スロット板に導入されるマイクロ波の波長。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波により発生したプラズマを利用するプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の微細化及びウェハの大口径化が進み、それに伴い大口径な薄膜を均一に作成することが要求されている。特に、ゲート酸化膜は、ＩＣの特性を左右するため薄く均一に形成する必要がある。そこでゲート酸化膜等の薄膜を、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を用いたプラズマ処理装置により形成している。このマイクロ波を用いたプラズマ処理装置では、高い周波数を有するマイクロ波により高密度、かつ低電子温度のプラズマを得ることができる。よって、ゲート酸化膜等の薄膜への電気的破壊や物理的破壊の影響を抑えることができる。このようにマイクロ波を用いると効率よくダメージの少ない薄膜を形成することができるが、マイクロ波の波長はウェハ径と同程度であるため、マイクロ波により大口径な薄膜を均一に作成する場合、後述の波の性質による影響を受け易い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ処理装置において、プラズマを発生させるためのマイクロ波が伝搬する領域である誘電体等は、試料（例えばシリコンウェハ）の形状に合わせて、円筒形状や円形状に形成されている。そのため、図１８に示すように、マイクロ波が円筒形状の伝搬領域の壁面１４において互いに集まる方向、あるいは分散する方向に反射する。これは、マイクロ波の波の性質が顕著であるためである。図１９は、このような円筒形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布であり、マイクロ波の電界強度分布が円筒形状の領域内において中央部に偏り、不均一となる性質を有していることを示している。よって、円筒形状の伝搬領域において不均一となったマイクロ波により不均一なプラズマが発生し、この不均一なプラズマにより励起・活性化されたガス分子により試料の表面に薄膜が形成される。そのため、均一な薄膜形成が困難となっている。また、ウェハの大口径に伴い、プラズマを発生させるマイクロ波の伝搬領域も大きくなるため、マイクロ波の電界強度分布の偏りが顕著となり易く、均一なプラズマを発生させることが困難となる。
【０００４】
そこで、マイクロ波がプラズマにより反射・吸収される性質を利用し、不均一なマイクロ波をプラズマに反射・吸収させて均一にする方法が採られている。例えば、円形状または円筒形状の外側部分のみからマイクロ波の導入を行って不均一なマイクロ波を導入し、そのマイクロ波の不均一性をプラズマにより吸収し、バランスをとることで均一な励起を行う方法が用いられている。
しかし、この方法では、ガスの流量・組成比、圧力、試料温度等のプロセス条件の変化に対してバランスを維持することが難しく、処理内容に応じて、そのプロセス条件を設定する必要がある。また、メンテナンス等による多少の状態変化によってもプロセス条件が変わってしまう等、プロセスマージンが小さいという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、試料の処理面に対して均一な処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、プロセスマージンを拡大することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願第１発明は、反応器内の試料にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、マイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段に接続され、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状であり、前記マイクロ波発生手段から発生したマイクロ波の電界強度分布を前記試料の処理面に沿って概ね均一にする第１誘電体と、前記反応器と前記第１誘電体との間に設けられ、複数の第１スロットが形成されており、前記第１誘電体内のマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高めるスロット板と、前記スロット板と前記反応器との間に設けられ、前記スロット板から供給されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持またはさらに高める第２誘電体と、前記マイクロ波により前記反応器内に発生するプラズマを用いて前記試料を処理する処理手段とを有するプラズマ処理装置を提供する。
【０００７】
上記のプラズマ処理装置では、マイクロ波が伝播する第１誘電体の断面を上記のように矩形状とすることで、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として概ね均一（以下、単に均一という）となり、均一なプラズマが発生する。このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって均一な薄膜形成やエッチングなどが可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化に対しても、マイクロ波が伝播する領域が矩形状であるためマイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
【０００８】
本願第２発明は、前記第１発明において、前記第２誘電体は前記試料の処理面に沿う断面が矩形状であるプラズマ処理装置を提供する。
第２誘電体を矩形状とすることで、さらにマイクロ波を均一化し易くなる。
本願第３発明は、前記第１発明において、前記反応器は、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状に形成されているプラズマ処理装置を提供する。
反応器を矩形状とすることにより、第２誘電体から導入され、プラズマにより吸収されずに反応器内を伝搬しているマイクロ波の電界強度分布を均一化できる。よって、不均一なマイクロ波によるプラズマの乱れが低減される。
【０００９】
本願第４発明は、前記第１発明において、前記マイクロ波発生手段は前記試料の処理面に沿う断面が矩形状のアンテナを含んでおり、前記アンテナは前記第１誘電体に接しているプラズマ処理装置を提供する。
上記の矩形状のアンテナを使用した場合には、一点に大電力が集中することがなく、発熱・異常放電等の特性変動が生じにくい。また、安定に固定することができ特性変動が生じにくい。
本願第５発明は、前記第１発明において、前記第１スロットは概ね同一サイズの同一形状で、概ね同一方向に沿って設けられており、隣接する前記第１スロットの中心間の距離Ｌ１は、実質的に、下記式（１）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
【００１０】
Ｌ１＝ｎＬ１λ１  …（１）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ１：１以上の整数である。
第１誘電体内の波長λ１のマイクロ波が、各々の中心間の距離がλ１の整数倍である第１スロットから第２誘電体に導入されると、各々の第１スロットの中心位置における第２誘電体内のマイクロ波の位相が揃うため、マイクロ波の損失を最小限とし、かつ均一なプラズマの励起が可能となる。
【００１１】
本願第６発明は、前記第１発明において、前記第１スロットは概ね同一サイズの同一形状であり、前記スロット板に沿う互いに直交する軸のいずれかに関して線対称に配置され、かつ隣接する第１スロットの中心間の距離Ｌ２は、実質的に、下記式（２）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ２＝ｎＬ２（λ１／２）  …（２）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ２：１以上の整数である。
【００１２】
前記第５発明と同様に、マイクロ波の損失を最小限とし、かつ均一なプラズマの励起ができ、さらに第１スロットの実装密度を高めることができる。
本願第７発明は、前記第１発明において、前記試料の処理面に沿う方向における、前記第１誘電体の対向する二辺が平行であり、前記第１誘電体の対向する二辺の間隔Ｌｄ１は、実質的に、下記式（３）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌｄ１＝ｎｄ１（λ１／２）  …（３）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎｄ１：１以上の整数である。
【００１３】
上記の構成により、第１誘電体内の試料の処理面に沿う方向において、マイクロ波の定在波条件が満たされ、第１誘電体内のマイクロ波が安定する。よって、マイクロ波伝搬領域の壁面を端面とした多重反射による波のうち消し合いが低減し、効率よく均一なプラズマを発生させることができる。
本願第８発明は、前記第２発明において、前記試料の処理面に沿う方向における、前記第２誘電体の対向する二辺が平行であり、前記第２誘電体の対向する二辺の間隔Ｌｄ２は、実質的に、下記式（４）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
【００１４】
Ｌｄ２＝ｎｄ２（λ２／２）  …（４）
ここで、λ２：前記第２誘電体内のマイクロ波の波長
ｎｄ２：１以上の整数である。
上記の構成により、前記第７発明と同様に、第２誘電体内のマイクロ波が安定し、均一なプラズマを発生させることができる。
本願第９発明は、前記第７または第８発明において、前記第１誘電体及び前記第２誘電体の各々の比誘電率は概ね同一であるプラズマ処理装置を提供する。
【００１５】
誘電率が実質的に同一であると、前記試料の処理面に沿う方向における第１誘電体及び第２誘電体の長さを揃えることができるため、より現実的な設計が可能となる。
本願第１０発明は、前記第３発明において、前記試料の処理面に沿う方向における、前記反応器の対向する二辺が平行であり、前記反応器の対向する二辺の長さＬＰは、実質的に、下記式（５）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
ＬＰ＝ｎＰ（λＰ／２）  …（５）
ここで、λＰ：前記反応器内のマイクロ波の波長
ｎＰ：１以上の整数である。
【００１６】
上記の構成により、前記第７発明と同様に、反応器内のマイクロ波が安定し、均一なプラズマを発生させることができる。
本願第１１発明は、前記第２発明において、前記マイクロ波発生手段の前記第１誘電体と接する面（以下、導入面）の対向する二辺が平行であり、前記導入面には前記マイクロ波発生手段から前記第１誘電体にマイクロ波を導入する複数の第２スロットが設けられており、前記第２スロットの中心位置の各々は、前記導入面の対向する二辺に沿う２つの軸上に交互に位置し、前記２つの軸の間隔Ｌ５は、実質的に、下記式（６）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
【００１７】
Ｌ５＝ｎＬ５（λ１／２）  …（６）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ５：１以上の整数である。
上記の構成により、マイクロ波発生手段の導入面における第２スロットの中心位置の間隔と第１誘電体内のマイクロ波の波長とを揃え、かつ結合度を高めることができる。よって、軸上の第２スロットを介して誘電体に導入されるマイクロ波が互いに打ち消し合う等の干渉を低減し、マイクロ波を均一化し易くなり、均一なプラズマを発生させることができる。
【００１８】
また、前記軸は前記導入面の辺方向の中心軸に関して線対称であると、第２スロットから導入されるマイクロ波と第１誘電体内のマイクロ波との結合度が同程度となり、マイクロ波を均一化し易くなる。
さらに、マイクロ波発生手段の前記軸と直交する方向の幅Ｗ１が、概ね前記軸の間隔Ｌ５に等しくなるように設定すると好ましい。このように幅Ｗ１を設定することで、導入部から導入されるマイクロ波と第１誘電体内のマイクロ波との結合度を高めることができる。
【００１９】
本願第１２発明は、前記第１１発明において、前記２つの軸上に交互に隣接して配置された前記第２スロットの中心間の前記軸方向における距離Ｌ４は、実質的に、下記式（７）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ４＝ｎＬ４（λ１／２）  …（７）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数である。
上記の構成により、２つの軸上の交互に配置された第２スロットから第１誘電体に導入されるマイクロ波の位相及び結合度を揃えることができる。
【００２０】
本願第１３発明は、前記第１１または第１２発明において、前記第１誘電体のうち前記導入面の対向する二辺に沿う端面と前記２つの軸との距離Ｄが、実質的に、下記式（８）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｄ＝ｎＤ（１／４）λ１  …（８）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＤ：１以上の整数である。
上記の構成により、第１誘電体とマイクロ波発生手段との結合部をチョークと逆の関係とすることができるので、両者のより高い結合度を得ることができる。よって、マイクロ波を均一化し易くなる。
【００２１】
本願第１４発明は、前記第１発明において、前記スロット板の厚みは１ｍｍ以上であるプラズマ処理装置を提供する。
厚みが１ｍｍ以上のスロット板によりプラズマを発生させる際等に生じる熱の放熱特性や剛性が向上し、熱変形等による特性変動を抑制することができる。また、スロット板の第１スロットでの電界集中が緩和されることで、火花や異常放電発生などの問題を低減することができる。
本願第１５発明は、前記第１４発明において、前記スロット板の厚みは３ｍｍ以上であるプラズマ処理装置を提供する。
【００２２】
厚みが３ｍｍ以上のスロット板により放熱特性や剛性をさらに向上することができ、より安定した装置特性が得られる。
本願第１６発明は、前記第１４または第１５発明において、前記スロット板の前記第１スロットは長方形状であり、前記第１スロットの長辺方向の長さＬ７は、実質的に、下記式（９）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ７≧（３／８）λ１  …（９）
ここで、λ１：前記第１誘電体内のマイクロ波の波長である。
【００２３】
上記の構成により、スロット板の厚みが厚い場合でも第１スロットによるマイクロ波の減衰を防止し、スロット板を通過した第１誘電体内のマイクロ波と第２誘電体内のマイクロ波との結合度を良好にすることができる。
本願第１７発明は、前記第１６発明において、前記第１スロットの長辺方向の長さＬ７は、実質的に、下記式（１０）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ７≧（１／２）λ１  …（１０）
ここで、λ１：前記スロット板に導入されるマイクロ波の波長である。
【００２４】
上記の構成により、スロット板の厚みが厚い場合でも第１スロットによるマイクロ波の減衰をさらに防止し、マイクロ波の透過特性を改善することができる。よって、スロット板を通過した第１誘電体内のマイクロ波と第２誘電体内のマイクロ波との結合度をさらに良好にすることができる。
本願第１８発明は、前記第１７発明において、前記第１スロットの長辺方向の長さＬ７は、実質的に、下記式（１１）を満たすプラズマ処理装置を提供する。
Ｌ７＝（１／２）λ１  …（１１）
ここで、λ１：前記スロット板に導入されるマイクロ波の波長である。
【００２５】
上記の構成により、第１スロットの長辺方向の長さが、スロット板に導入されるマイクロ波の波長のほぼ共振長となる。よって、第１スロットの短辺方向の長さが狭い場合であってもマイクロ波の透過率を効率よく高めつつ、かつマイクロ波の分布を乱さずに高い結合度を得ることができる。また、第１スロットの長辺方向における隣接する第１スロット間隔Ｌ８を、実質的に、Ｌ８＝λ１とすると各第１スロットから第２誘電体に導入されるマイクロ波の位相が揃うのでさらに好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
＜プラズマ処理装置＞
プラズマ処理装置は、マイクロ波発生器、処理室及び処理室上部のマイクロ波伝搬領域を有しており、以下のように処理が行われる。
マイクロ波発生器より発生したマイクロ波がマイクロ波伝搬領域を伝搬し、ガス雰囲気の処理室内に電界が形成される。この電界とガスとによりプラズマが発生し、プラズマにより生成された化学種により成膜、エッチング、気相洗浄等の処理が処理室内の試料に施される。
【００２７】
このようなプラズマを利用したプラズマ処理装置には、プラズマにより酸化・窒化を行う装置（以下、プラズマ酸窒化装置という）、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ）装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置、プラズマ洗浄装置、プラズマアニール装置等がある。
以下に、本発明のプラズマ処理装置として、プラズマ酸窒化装置を例に挙げて説明する。
＜第１実施形態例＞
図１は第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観、図２は図１のＡ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図、図３は図１に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図である。
【００２８】
第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置は、マイクロ波発生器１、矩形導波管２及びチャンバ４を有している。チャンバ４には、成膜ガス等のガスを導入するガス導入口５及びガスを排出するガス排出口６が取り付けられている。また、チャンバ４は、矩形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）４ａと円筒形状の処理室（以下、円形処理室）４ｂとを有している。円形処理室４ｂには、矩形チャンバ蓋４ａと対向する位置に試料１２を処理するための試料台１１が設けられている。円形処理室４ｂの側面には、ガス導入口５から成膜ガス等のガスを円形処理室４ｂに供給するガス導入部１０が設けられている。一方、矩形チャンバ蓋４ａには、上から順にそれぞれ試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の誘電体（以下、矩形アンテナ誘電体）１５、スロット板１７及び封止誘電体１９が円形処理室４ｂの上部を覆うように設けられている。チャンバ４上には、矩形導波管２及び矩形導波管２に接続されたマイクロ波発生器１が設けられている。
【００２９】
矩形導波管２のかわりに、スロットアンテナ、同軸アンテナ等その他のアンテナを設けても良い。
ここで、矩形アンテナ誘電体１５は、その内部におけるマイクロ波の電界強度分布を、試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一化するための誘電体である（以下、電界強度分布が概ね均一なマイクロ波を、均一なマイクロ波と称する。また、以下の“均一”とは“試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一”をいうものとする）。矩形アンテナ誘電体１５下部のスロット板１７は、スロット１７ａを介して均一なマイクロ波を均一に封止誘電体１９に導入する。また、スロット板１７は、矩形アンテナ誘電体１５を円形処理室４ｂ内のプラズマから分離し、プラズマによるマイクロ波への干渉を抑制している。封止誘電体１９は、真空状態の円形処理室４ｂを大気から隔離するための誘電体である。ここで、封止誘電体１９の試料１２の処理面に沿う断面が矩形状であると、マイクロ波の電界強度分布をさらに均一化し易い。
【００３０】
上記の誘電体としては、石英、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリスチレン等の誘電損失の少ない物質が好ましい。誘電体は、真空、空気、ガス等比誘電率が“１”である場合を含む。また、誘電体の表面の少なくとも一部が導体で覆われている場合を含む。スロット板の材質としては、Ｃｕ、Ａｌ等の金属板が用いられる。このプラズマ酸窒化装置では、例えば以下のように成膜の処理が行われる。
まず、ガス排出口６より排気を行って、円形処理室４ｂ内を所定の真空度にし、ガス導入口５及びガス導入部１０を介して円形処理室４ｂ内にガスを導入する。次に、マイクロ波発生器１より発生したマイクロ波を、矩形導波管２を介して矩形アンテナ誘電体１５に導入し、その電界強度分布を均一化する。矩形アンテナ誘電体１５により均一化されたマイクロ波は、スロット板１７により均一性を保持したままあるいはさらに高められ、封止誘電体１９に導入される。封止誘電体１９は、導入されたマイクロ波の均一性を保持したままあるいはさらに高め、円形処理室４ｂ内に導入する。導入されたマイクロ波により発生したプラズマは、ガス分子を励起・活性化させ化学種を生成し、試料１２の表面に薄膜を形成する。
【００３１】
このプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形アンテナ誘電体１５の試料１２の処理面に沿う断面が矩形状である。よって、図４に示すように、マイクロ波がその進行方向と垂直な壁面１６において、入射された方向と鏡面方向に反射される。図５は、このような断面が矩形状の断面を有する伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布である。この図は、マイクロ波の進行方向と垂直な壁面１６で反射されたマイクロ波が、中央部に偏っておらず全体として均一な電界強度分布となることを示している。
【００３２】
よって、プラズマ酸窒化装置の矩形アンテナ誘電体１５の試料１２の処理面に沿う断面を矩形状とすることで、マイクロ波の電界強度分布が試料の処理面に沿って全体として均一となる。その均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、均一な薄膜形成が可能となる。また、ガスの流量・組成比等のプロセス条件の変更やメンテナンス等によるプロセス条件の変化が生じても、マイクロ波が伝播する領域が矩形状であるためマイクロ波の電界強度分布が偏りにくい。よって、プロセスマージンを拡大することができる。
＜第１実施例＞
以下の図６〜図１１を参照し、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第１実施例を挙げてより具体的に説明する。図６は第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観、図７は図６のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図６の装置の断面図、図８は図６に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図、図９はＨ面スロットアンテナのスロット形状、図１０（ａ），（ｂ）は矩形スロット板のスロットの形状、図１１（ａ），（ｂ）は図１０（ａ），（ｂ）それぞれに示すスロット形状と矩形アンテナ誘電体内を伝搬するある時間におけるマイクロ波の波長との関係を示す説明図である。
［全体構成］
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、矩形導波管２０、Ｈ面スロットアンテナ３０及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ（以下、矩形チャンバ）２５を有している。また、矩形チャンバ２５には、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の処理室（以下、矩形処理室）２５ｂ及び矩形処理室２５ｂを覆う、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）２５ａが設けられている。
【００３３】
矩形チャンバ蓋２５ａは、図８に示すように、上から順にそれぞれ矩形アンテナ誘電体３４、スロット３６ａが設けられた、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状のスロット板（以下、矩形スロット板）３６及び試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の誘電体（以下、矩形封止誘電体）３８を有している。矩形アンテナ誘電体３４上には、Ｈ面スロットアンテナ３０が載置されており、このＨ面スロットアンテナ３０により矩形導波管２０から矩形アンテナ誘電体３４にマイクロ波が導入される。
【００３４】
Ｈ面スロットアンテナ３０は、上部３０ａ、側部３０ｂ及び底部３０ｃを有している。底部３０ｃつまりＨ面スロットアンテナ３０のＨ面には、図９に示すようにＨ面スロットアンテナ３０の辺方向に沿って、長方形状のスロット３０ｄが形成されている。Ｈ面スロットアンテナ３０上部には矩形導波管２０が搭載されている。その他の構成は、前記第１実施形態例と同様である。
以下に、本実施例に係るプラズマ酸窒化装置の各部について詳細に説明する。
［矩形アンテナ誘電体］
矩形状に形成されている矩形アンテナ誘電体３４は、マイクロ波の電界強度分布を均一化する。また、矩形アンテナ誘電体３４は、矩形処理室２５ｂとの間に設けられた矩形スロット板３６によって、矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波と矩形処理室２５ｂ内のプラズマにより反射されたマイクロ波との結合を抑制されている。そのため、矩形アンテナ誘電体３４内を伝搬するマイクロ波はプラズマの影響を受けにくく、マイクロ波の電界強度分布を均一化し易い。
［矩形封止誘電体］
矩形封止誘電体３８は、矩形状に形成されており、矩形スロット板３６より導入されたマイクロ波の電界強度分布の均一性を保持したままあるいはさらに高め、矩形封止誘電体３８下方の矩形処理室２５ｂにプラズマを発生させるための電界を形成する。また、矩形封止誘電体３８は、真空状態の矩形処理室２５ｂを大気から隔離し、清浄空間に保つ。
［矩形処理室］
矩形処理室２５ｂでは、矩形封止誘電体３８内のマイクロ波により電界が形成される。矩形封止誘電体３８から均一なマイクロ波が導入されているため、矩形処理室２５ｂ内では均一なプラズマが発生する。このプラズマにより励起・活性化されたガス分子によって、均一な薄膜が試料１２上に形成される。矩形処理室２５ｂは、その中で発生したプラズマによりマイクロ波が反射・吸収されるため通常マイクロ波が伝搬する領域ではない。よって、矩形処理室２５ｂの試料１２処理面に沿う方向の断面は必ずしも矩形状である必要はない。ただし、マイクロ波が完全に吸収されずに矩形処理室２５ｂ内を伝搬する場合もあるので、不均一なマイクロ波によりプラズマの均一性が乱されないように矩形処理室２５ｂの試料１２処理面に沿う断面を矩形状とするのが好ましい。このようにすることで、プラズマの均一性をさらに高め、より均一な薄膜を形成することができる。
［矩形スロット板］
矩形スロット板３６は、矩形アンテナ誘電体３４から導入されるマイクロ波の電界強度分布の均一性を、スロット３６ａにより保持したままあるいはさらに高める。また、矩形処理室２５ｂで発生されるプラズマの影響が、矩形アンテナ誘電体３４に及ぶのを抑制している。矩形スロット板３６は、必ずしも試料１２の処理面に沿う断面が矩形状である必要はなく、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂを覆う形状であれば良く、例えば円形状であっても良い。
【００３５】
矩形スロット板３６に設けられたスロット３６ａの形状及び配置としては、矩形アンテナ誘電体３４内を伝搬するマイクロ波の波長をλ３４とすると、例えば図１０（ａ）、（ｂ）に示すパターンが挙げられる。図１０（ａ）では、長方形状のスロット３６ａが、概ね同一サイズ及び同一方向で複数設けられている。また、隣接するスロット３６ａの中心間の距離Ｌ１を、実質的に、下記式（１２）を満たすように設定する。
Ｌ１＝ｎＬ１λ３４  …（１２）
ここで、λ３４は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、ｎＬ１は１以上の整数である。スロット３６ａは、矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波分布に応じて、その傾斜角度を変更することもできる。つまり、試料１２の処理方法や装置の処理条件などに応じて矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波のＸ方向の伝搬成分とＹ方向の伝搬成分との比を考慮し、スロット３６ａの傾斜角度を変更する。図１１（ａ）に示す矩形アンテナ誘電体３４内を伝搬する波長λ３４のマイクロ波がスロット板３６に導入されると、図１１（ａ）の斜線部分のマイクロ波が各々のスロット３６ａから矩形封止誘電体３８に導入される。よって、各々のスロット３６ａの中心位置における矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波の位相が揃うため、矩形封止誘電体３８に導入されるマイクロ波と矩形封止誘電体３８内を伝搬するマイクロ波との結合度を高めることができる。
【００３６】
一方、図１０（ｂ）では、長方形状のスロット３６ａが、概ね同一サイズで複数設けられており、前記スロット板に沿う互いに直交する軸のいずれかに関して線対称である。また、隣接するスロット３６ａの中心間の距離Ｌ２を、実質的に、下記式（１３）を満たすように設定する。
Ｌ２＝ｎＬ２（λ３４／２）  …（１３）
ここで、λ３４は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、ｎＬ２は１以上の整数である。スロット３６ａの傾斜角度は前述の通りである。図１１（ｂ）に示す矩形アンテナ誘電体３４内を伝搬する波長λ３４のマイクロ波がスロット板３６に導入されると、図１１（ｂ）の斜線部分のマイクロ波が各々のスロット３６ａから矩形封止誘電体３８に導入される。よって、前述と同様に、マイクロ波同士の干渉による損失を抑制しつつ、かつスロットの実装密度を高めることができ、より均一なプラズマの励起が可能となる。
【００３７】
また、スロット３６ａ内部の比誘電率と矩形アンテナ誘電体３４の比誘電率とが同程度であれば、スロット３６ａを通過する際のマイクロ波の反射を低減することができ、設計も容易となるのでより好ましい。
［Ｈ面スロットアンテナ］
Ｈ面スロットアンテナ３０は、図９に示すように底部３０ｃにＨ面スロットアンテナ３０の辺方向に沿って、一定間隔毎に長方形状のスロット３０ｄを有している。よって、矩形アンテナ誘電体３４、矩形スロット板３６、矩形封止誘電体３８によりマイクロ波を均一化するとともに、マイクロ波の電界強度分布の均一性を高めるのに有効である。ここでは、アンテナとしてＨ面スロットアンテナを用いているが、Ｅ面スロットアンテナ、円形導波管、同軸導波管、スロット以外の結合素子等を使用することもできる。なかでも、断面が矩形状のスロットアンテナを使用した場合には、一点に大電力が集中することがなく、発熱・異常放電等の特性変動が生じにくい。また、スロットアンテナが矩形状であるため、矩形アンテナ誘電体３４に固定し易く特性変動が生じにくいため、均一なプラズマを発生させることができる。
【００３８】
Ｈ面スロットアンテナ３０は、少なくとも１カ所に設置すればよいが、大口径な試料を処理する大型な装置に対応させて、複数個設けたり、分岐させて誘電体にマイクロ波を導入するようにしても良い。このとき、偶数個設けるようにすると設計が容易で好ましい。さらに２ｎ（ｎは自然数）個設けるようにするとより好ましい。
［矩形チャンバ］
矩形チャンバ２５は、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８等にあわせて試料１２の処理面に沿う断面を矩形状に形成すると電気的・構造的な不整合が少なくなるので好ましい。ただし、プラズマが発生した際には、矩形チャンバ２５内ではマイクロ波がプラズマに反射・吸収され、マイクロ波の伝搬領域ではなくなるため矩形状でなくても良い。
【００３９】
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、試料１２の処理面に沿う面方向にマイクロ波を伝搬させる領域、すなわち矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８が矩形状を有しているので、マイクロ波の電界強度分布が全体として均一となり、均一にプラズマが発生する。よって、このプラズマにより均一な薄膜形成が可能となり、ガスの流量・組成比等プロセスマージンを拡大することができる。
また、矩形アンテナ誘電体３４により電界強度分布が均一化されたマイクロ波が、矩形スロット板３６を介して均一に矩形封止誘電体３８に導入され、矩形封止誘電体３８によりさらに均一性が高められるため、マイクロ波の均一性を保持し易い。
【００４０】
上記の矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８において、均一化されたマイクロ波はプラズマにより減衰しうるため、必ずしも定在波条件を満たしている必要はなく、概ね均一な電界強度分布を有するマイクロ波であれば良い。ただし、定在波条件を満たしていれば多重反射によるうち消し合いが低減し、より均一にプラズマを発生させ易く、試料１２表面にさらに均一に薄膜が形成されるので好ましい。同様の理由により、矩形処理室２５ｂ、矩形スロット板３６、Ｈ面スロットアンテナ３０、矩形導波管２０もマイクロ波の定在波条件を満たしていると好ましい。
＜第２実施例＞
以下に、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第２実施例を挙げて説明する。ただし、第２実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、以下に記載の矩形処理室２５ｂ、矩形封止誘電体３８、矩形アンテナ誘電体３４以外については、第１実施例と同様の構成を有している。
【００４１】
図１２は、図７のプラズマ酸窒化装置の要部とマイクロ波伝搬領域におけるマイクロ波のＹ方向の波長との関係を示している。なお図６または図８において、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの試料１２の処理面に沿う断面において、二組の対向する平行な二辺と同一なそれぞれの方向をＸ方向及びＹ方向とし、Ｘ、Ｙ方向と垂直な方向をＺ方向とする。また、図９に示すように、Ｈ面スロットアンテナ３０の長方形状のスロット３０ｄは、Ｙ方向に沿って設けられている。
【００４２】
このとき、Ｈ面スロットアンテナ３０、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの試料１２の処理面に沿う断面は、例えば長方形状または正方形状である。
本実施例の矩形アンテナ誘電体３４のＸ方向の長さＬ３４Ｘ及び矩形封止誘電体３８のＸ方向の長さＬ３８Ｘ及び／またはＹ方向の長さＬ３８Ｙは、それぞれのマイクロ波伝搬領域を伝搬するマイクロ波の波長λの半分（λ／２）の整数倍に設定されている。つまり、それぞれのＹ方向の長さを、実質的に次式（１４）、（１５）及び／または（１６）を満たすように設定する。
Ｌ３４Ｘ＝ｎ３４Ｘ×（λ３４／２）  …（１４）
Ｌ３８Ｘ＝ｎ３８Ｘ×（λ３８／２）  …（１５）
Ｌ３８Ｙ＝ｎ３８Ｙ×（λ３８／２）  …（１６）
ここで、λ３４は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、λ３８は矩形封止誘電体３８内のマイクロ波の波長、ｎ３４Ｘ、ｎ３８Ｘ及びｎ３８Ｙは１以上の整数である。上記の式（１４）〜（１６）の波長λ３４及び波長λ３８は、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＸ方向及びＹ方向の長さが各々の波長λ３４及び波長λ３８より十分に大きい場合、Ｘ方向及びＹ方向など全方向において実質的に同一の波長となり、下記式（１７）、（１８）で表される。
【００４３】
【数１】
2004235431.tif 000003
ここで、λ＝自由空間波長、εｒ３４＝矩形アンテナ誘電体３４の比誘電率、εｒ３８＝矩形封止誘電体３８の比誘電率である。
誘電体の設計は、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８内でのマイクロ波の伝播方向の成分を考慮し、Ｘ方向及び／またはＹ方向の長さを設定する。さらに、Ｚ方向の長さについても同様に設定すると好ましい。
【００４４】
上記のように矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＹ方向の長さを設定することで、各々の誘電体内の試料１２の処理面に沿う方向において、マイクロ波の定在波条件が満たされ、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８内のマイクロ波が安定する。よって、マイクロ波伝搬領域の壁面を端面とした多重反射による波のうち消し合いが低減し、効率よく均一なプラズマを発生させることができる。これにより、大口径ウェハにおいて薄膜を均一に生成することができる。
【００４５】
なお、誘電体内のマイクロ波の波長λは比誘電率εｒにより変化するため、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８を同一物質で形成するか、あるいは同程度の比誘電率を有する物質で形成するのがさらに好ましい。比誘電率εｒが同程度であると波長λ３４、λ３８が同程度となり、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＸ方向及び／またはＹ方向の長さを揃えることができ、より現実的な設計が可能となる。
同様に、矩形処理室２５ｂのＸ方向及び／またはＹ方向の長さを、実質的に、矩形処理室２５ｂ内のマイクロ波の波長の半波長の整数倍を満たすように設定すると好ましい。
【００４６】
矩形処理室２５ｂは、マイクロ波がプラズマに反射・吸収されるため通常マイクロ波の伝搬領域ではないが、プラズマに反射・吸収されず矩形処理室２５ｂ内を伝搬するマイクロ波も存在しうる。そのため、矩形処理室２５ｂ内を伝搬するマイクロ波による多重反射がプラズマに与える影響を低減するために、矩形処理室２５ｂのＹ方向の長さを上記のように設定するのが好ましい。このようにすることで、プラズマの均一性をさらに高め、より均一な薄膜を形成することができ、また均一なプラズマを得るためのプロセスマージンを広げることができる。
【００４７】
矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８のＹ方向の長さがそれぞれの誘電体内を伝搬するマイクロ波の定在波条件を満たすことに加え、さらに図１２に示すように矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８の内部でのマイクロ波の位相の位置が互いに一致していると好ましい。このようにすることで、矩形アンテナ誘電体３４及び矩形封止誘電体３８内のそれぞれの位相関係を揃えることができ、プラズマを均一に励起することができる。同じ理由から、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの内部を伝搬する全てのマイクロ波の位相の位置の少なくとも一部が互いに一致しているとさらに好ましい。
＜第３実施例＞
以下に、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置について、第３実施例を挙げてさらに詳細に説明する。第３実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、以下に記載のＨ面スロットアンテナ３０及び矩形アンテナ誘電体３４以外については、第１実施例と同様の構成を有している。
【００４８】
図１３（ａ）は図６のプラズマ酸窒化装置のＨ面スロットアンテナ３０の底面３０ｃにおけるスロット３０ｄの位置とＨ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波の波長との関係を示す説明図、図１３（ｂ）は図６のプラズマ酸窒化装置のＹ方向に垂直な断面におけるＨ面スロットアンテナ３０と矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長との関係を示す説明図、図１４（ａ）、（ｂ）は、２つのＨ面スロットアンテナにおけるスロット３０ｄの配置図である。なお図６または図８において、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの試料１２の処理面に沿う断面において、二組の対向する平行な二辺と同一なそれぞれの方向をＸ方向及びＹ方向とし、Ｘ、Ｙ方向と垂直な方向をＺ方向とする。このとき、Ｈ面スロットアンテナ３０、矩形アンテナ誘電体３４、矩形封止誘電体３８及び矩形処理室２５ｂの試料１２の処理面に沿う断面は、例えば長方形状または正方形状である。
【００４９】
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置では、スロット３０ｄの配置位置と、Ｈ面スロットアンテナ３０と矩形アンテナ誘電体３４とのマイクロ波の波長の関係を設定している。まず、スロット３０ｄの配置位置について説明する。
［Ｈ面アンテナのスロットの配置位置］
第１に、長方形状のスロット３０ｄが、図１３（ａ）に示すように、底部３０ｃのＹ方向に延びる軸Ａ１、Ａ２上に交互に設けられている。ここで、図１３に示す前記の軸Ａ１と軸Ａ２との間隔Ｌ５を、実質的に、次式（１９）を満たすように設定する。
【００５０】
Ｌ５＝ｎＬ５（λ３４／２）  …（１９）
ここで、λ３４は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、ｎＬ５は１以上の整数である。このように軸Ａ１と軸Ａ２との間隔Ｌ５を設定することで、図１３（ｂ）に示すように、各々の軸Ａ１と軸Ａ２のスロット３０ｄの位置において、底部３０ｃのＸ方向における矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の位相関係を揃えることができる。よって、両軸上のスロット３０ｄから矩形アンテナ誘電体３４に導入されるマイクロ波が互いに打ち消し合う等の干渉が低減し、低損失かつ均一なマイクロ波分布を得ることができる。
【００５１】
また、スロット３０ｄのＹ方向の長さＬ３及び／または軸Ａ１、Ａ２上に交互に隣接して配置されたスロット３０ｄのＹ方向における中心位置の距離Ｌ４を、実質的に、次式（２０）、（２１）を満たすように設定すると好ましい。
Ｌ３＝ｎＬ３（λ３０／２）  …（２０）
Ｌ４＝ｎＬ４（λ３０／２）  …（２１）
ここで、λ３０はＨ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波の波長、ｎＬ３、ｎＬ４は１以上の整数である。このように設定すると、Ｌ３がＨ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波の共鳴長となり、Ｈ面スロットアンテナから矩形アンテナ誘電体３４に導入されるマイクロ波と矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波との結合度を高めることができる。またＬ４を上記のように設定することで、両軸上の交互のスロット３０ｄから矩形アンテナ誘電体３４に導入されるマイクロ波の位相及び結合度を揃えることができる。
【００５２】
さらに、図１３（ａ）に示すように、スロット３０ｄの中心位置とＨ面スロットアンテナ内をＹ方向に伝搬するマイクロ波の腹の位置とが一致していると、より結合度が高くなり好ましい。
また、Ｈ面スロットアンテナ３０のＹ方向の中心軸に関して線対称になるように軸Ａ１、Ａ２を設定し、その軸上にスロット３０ｄを配置すると好ましい。このようにスロット３０ｄを配置することで、スロット３０ｄから導入されるマイクロ波と矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波との結合度が同程度となり、マイクロ波を均一化し易くなる。
【００５３】
また、Ｈ面スロットアンテナ３０のＸ方向の幅Ｗ１が、実質的に、下記式（２２）を満たすように設定すると好ましい。
【００５４】
【数２】
2004235431.tif 000004
このように幅Ｗ１を設定することで、スロット３０ｄから導入されるマイクロ波と矩形誘電体１５内のマイクロ波との結合度を高めることができる。
第２に、矩形アンテナ誘電体３４のＹ方向に沿う端面と軸Ａ１、Ａ２とのそれぞれの距離Ｄが、実質的に、下記式（２３）を満たすように軸Ａ１、Ａ２を設定し、その軸上にスロット３０ｄを配置する。
【００５５】
Ｄ＝ｎＤ（１／４）λ３４  …（２３）
ここで、λ３４は矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長、ｎＤは１以上の整数である。このようにＤを設定することで、スロット３０ｄから導入されるマイクロ波と矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波との結合度を高めたり、逆に異常放電を抑制することができる。つまり、例えば矩形アンテナ誘電体３４とＨ面スロットアンテナ３０との結合部をチョークと逆の関係とすることができるので、両者のより高い結合度を得ることができる。結合度を高める場合には、例えばｎＤとして奇数を選択し、異常放電を抑制する場合にはｎＤとして偶数を選択する。
［マイクロ波の波長の関係］
次に、Ｈ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波の波長λ３０と、矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長λ３４との関係について説明する。
【００５６】
軸Ａ１及び軸Ａ２のそれぞれから矩形アンテナ誘電体３４に導入されるマイクロ波が同位相の場合は下記式（２４）を満たすように、逆位相の場合は下記式（２５）を満たすように設定する。
λ３０／２＝２ｍ（１／２）λ３４  …（２４）
λ３０／２＝（２ｍ＋１）（１／２）λ３４  …（２５）
ここで、ｍは１以上の整数である。前記式（２４）または（２５）の関係を満たすように、Ｈ面スロットアンテナの形状もしくは構造を変更することもできる。このように設定することで、Ｈ面スロットアンテナ３０及び矩形アンテナ誘電体３４内のそれぞれのマイクロ波の位相位置が一致し、定在波条件を同時に満たすことができる。そのため、それぞれの伝搬領域内を伝搬するマイクロ波がお互いに干渉して定在波条件を乱すのを低減することができる。よって、マイクロ波の減衰を抑えて、均一なマイクロ波を発生させ易く、均一なプラズマにより均一な薄膜を生成することができる。
【００５７】
上記では、単独のＨ面スロットアンテナ３０のみを使用しているが、矩形導波管を分岐して複数のＨ面スロットアンテナ３０と接続し、矩形アンテナ誘電体３４にマイクロ波を導入しても良い。分岐の方法としては、例えば２つに分岐する場合には、２つのＨ面スロットアンテナ３０内部のマイクロ波の位相状態が同相となるＨ分岐や、位相状態が逆相となるＥ分岐を使用することができる。
図１４（ａ）、（ｂ）は、矩形導波管２をＨ分岐またはＥ分岐に分岐後、２つのＨ面スロットアンテナ３０を介して矩形アンテナ誘電体３４にマイクロ波を導入する場合の、Ｈ面スロットアンテナ３０の底部３０ｃにおけるスロット３０ｄの配置位置及びＨ面スロットアンテナ３０内のＹ方向のマイクロ波の波形を示している。図１４におけるＨ面スロットアンテナ３０における軸Ａ１及び軸Ａ２上に位置するスロット３０ｄの配置方法は、図１３と同様である。
【００５８】
図１４（ａ）はスロット３０ｄが同じ位置に配置された２つの同一のＨ面スロットアンテナ３０の平面図、同図（ｂ）はスロット３０ｄがＹ方向に関して線対称に配置された２つの同一のＨ面スロットアンテナ３０の平面図である。ここで、図１４（ａ）に示すように、２つのＨ面スロットアンテナ３０におけるスロット３０ｄの配置位置が同じ場合を“同相の配置位置”とし、同図（ｂ）に示すように線対称で、互いの配置位置が対称の場合を“逆相の配置位置”とする。また、図１４に示すように、隣接するＨ面スロットアンテナ３０におけるスロット３０ｄのＸ方向の間隔をＬ６とする。図１４（ａ）、（ｂ）では、図中左側の波形は左側のＨ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波を、図中右側の波形は、それぞれＨ分岐、Ｅ分岐後の右側のＨ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波を示している。
【００５９】
また、以下の表１に、Ｈ分岐またはＥ分岐と同相の配置位置または逆相の配置位置とを組み合わせた場合における間隔Ｌ６の関係を示す。ここで、間隔Ｌ６は、２つのＨ面スロットアンテナ３０の各々のスロット３０ｄの中心位置における、矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の位相が揃うように設定されている。
【００６０】
【表１】
2004235431.tif 000005
以上のように間隔Ｌ６を設定することで、スロット３０ｄから矩形アンテナ誘電体３４に導入されるマイクロ波の位相が揃うため、互いに打ち消し合う等の干渉が低減する。
また、Ｈ面スロットアンテナ３０内でのマイクロ波の干渉等を低減するため、シングルモードでの動作が可能な形状とするのが好ましい。シングルモードで動作可能なＨ面スロットアンテナ３０の例えばＹ方向の長さＬＹは、下記式（２６）より求まる。
【００６１】
【数３】
2004235431.tif 000006
ここで、λ３０はＨ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波の波長、λは自由空間波長である。
なお、Ｈ面スロットアンテナの代わりに、Ｅ面スロットアンテナ、円形導波管、同軸導波管、スロット以外の結合素子等を使用することもできる。
＜第４実施例＞
以下に、第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の矩形スロット板の設計仕様について、第４実施例を挙げて説明する。ただし、第４実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、矩形スロット板の設計仕様以外については、第１実施例と同様の構成を有している。
【００６２】
図１５は、複数のスロット３６ａを有する矩形スロット板３６の斜視図である。矩形スロット板３６の厚みｔは剛性や放熱特性の観点から１ｍｍ以上であると好ましい。矩形スロット板３６の厚みが１ｍｍ以上であると、プラズマを発生させる際等に生じる放熱特性や剛性が向上し、かつスロット３６ａから導入されるマイクロ波が減少することで、火花や異常放電発生などの問題を低減することができる。厚みｔが３ｍｍ以上であると、さらに前記の問題を低減することができるので好ましい。
【００６３】
また、長方形状であるスロット３６ａの長辺方向のスロット長Ｌ７は、好ましくはＬ７≧（３／８）λ３４、さらに好ましくはＬ７≧（１／２）λ３４となるように設定する。このようにスロット長Ｌ７を設定することで、スロット板の厚みｔが厚い場合でもスロット３６ａによるマイクロ波の減衰を防止し易く、矩形スロット板３６を通過した矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波と矩形封止誘電体３８内のマイクロ波との結合度を良好にすることができる。さらに好ましくはＬ７＝（１／２）λ３４となるように設定する。このようにすることでスロット長Ｌ７が波長λ３４のほぼ共振長となり、厚みｔが１ｍｍ以上の矩形スロット板３６であっても、またスロット３６ａの短辺方向の長さＷ２が狭い場合であっても矩形封止誘電体３８へのマイクロ波の十分な透過率を得ることができ、矩形スロット板３６によるマイクロ波の減衰を防止することができる。また、マイクロ波の分布を乱さずに、矩形アンテナ誘電体３４から矩形スロット板３６を介して矩形封止誘電体３８に導入されるマイクロ波と矩形封止誘電体３８内のマイクロ波との高い結合度を得ることができる。よって、スロット板の変形や異常放電、マイクロ波の減衰等による不均一なマイクロ波の発生を低減しつつ、さらに高い結合度を得ることができる。そのため、効率よく均一なプラズマを発生させて大口径ウェハにおいて薄膜を均一に生成することができる。
【００６４】
また、図１５に示すスロット３６ａの長辺方向における隣接するスロットの中心間隔Ｌ８を、実質的に、Ｌ８＝λ３４とすると、各スロット３６ａから矩形封止誘電体３８に導入されるマイクロ波の位相が揃うので好ましい。さらに、スロット３６ａ内部の比誘電率と矩形アンテナ誘電体３４内の比誘電率とが同程度であれば、スロット３６ａを通過する際のマイクロ波の反射を低減することができるので好ましい。
次に矩形スロット板３６の厚みｔ及びスロット３６ａのスロット長Ｌ７と透過率及び熱変形によるひずみとの関係を示す。図１６は矩形スロット板３６の厚みｔと熱変形によるひずみとの関係を示す説明図、図１７はスロット長Ｌ７＝（１／４）λ３４、（３／８）λ３４、（１／２）λ３４のスロットを有する矩形スロット板３６各々の厚みｔと透過率との関係を示す説明図である。図１６及び図１７は、矩形アンテナ誘電体３４内の波長λ３４が自由空間波長となる程度の寸法を有し、かつ石英で充填されている矩形アンテナ誘電体３４を用いた場合の実験結果である。
【００６５】
図１６より矩形スロット板３６の厚みｔが１ｍｍ以上である場合、矩形スロット板３６の熱変形ひずみは約４０μｍ以上である。よって、厚みｔが１ｍｍ以上であると剛性を向上でき、かつ良好な放熱特性を得ることができるため、熱変形ひずみが矩形スロット板３６の厚みｔの１／１０以下と十分に小さくなり、熱変形によるマイクロ波への影響を低減できる。さらに、厚みｔが１≦ｔ≦３（ｍｍ）の範囲では、図１６より熱変形ひずみが約２０μｍとなり、変形によるアンテナ特性の変動をさらに小さくできる。また、プラズマを発生させる際に生じる熱の放熱特性がさらに向上し、かつ火花や異常放電などの問題をさらに低減することができる。
【００６６】
図１７より厚みｔが１ｍｍの各スロット長Ｌ７における透過率は、全て約８０％以上あり、剛性及び透過率ともに問題ない。特に、Ｌ７≧（３／８）λ３４とすると、透過率が約９０％以上となりマイクロ波の透過率を向上できるので好ましい。また、厚みｔが１≦ｔ≦３（ｍｍ）の範囲では、Ｌ７≧（３／８）λ３４とすると透過率は約７０％以上となり、Ｌ７≦（１／４）λ３４の場合と比較してマイクロ波の透過率を十分に高めることができる。厚みｔが３ｍｍ以上においても同様に熱変形ひずみは約２０μｍ以下と小さく、さらにＬ７≧（３／８）λ３４であると透過率の低下も抑制できる。例えば、厚みｔが５ｍｍの時、熱変形ひずみは約５μｍで、透過率は約５５％以上である。
【００６７】
矩形スロット板３６の厚みｔと熱変形ひずみとの関係は、厚みｔと透過率との関係と相反関係にあるため、プラズマ酸窒化装置の特性に適応させて決定する必要がある。
［その他の実施形態例］
（Ａ）本発明は、シリコンプロセス以外の化合物、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）プロセス等に適用可能である。また、プラズマを用いないマイクロ波照射装置、マイクロ波加熱装置等にも適用可能である。
（Ｂ）前記実施例は、必要に応じて組み合わせて用いることができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明を用いれば、試料の処理面に対して均一な処理を施すことができるプラズマ処理装置を提供することができる。
また、本発明を用いれば、プロセスマージンを拡大することができるプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態例に係るプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図２】Ａ−Ａ’を含む試料の処理面に垂直な方向における図１の装置の断面図。
【図３】図１に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【図４】垂直な壁面におけるマイクロ波の進行方向を示す図。
【図５】矩形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布図。
【図６】第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図７】図６のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図６の装置の断面図。
【図８】図６に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【図９】Ｈ面スロットアンテナのスロット形状。
【図１０】（ａ）矩形スロット板のスロットの形状（１）。
（ｂ）矩形スロット板のスロットの形状（２）。
【図１１】（ａ）図１０（ａ）のスロットとアンテナ誘電体内を伝搬するＸ及びＹ方向のマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
（ｂ）図１０（ｂ）のスロットとアンテナ誘電体内を伝搬するＸ及びＹ方向のマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
【図１２】図７のプラズマ酸窒化装置の要部とマイクロ波伝搬領域におけるマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
【図１３】（ａ）図６のプラズマ酸窒化装置のスロット３０ｄの位置とＨ面スロットアンテナ３０内のマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
（ｂ）図６のプラズマ酸窒化装置のＹ方向に垂直な断面におけるＨ面スロットアンテナ３０及び矩形アンテナ誘電体３４内のマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
【図１４】（ａ）２つのＨ面スロットアンテナにおけるスロット３０ｄの配置図（１）。
（ｂ）２つのＨ面スロットアンテナにおけるスロット３０ｄの配置図（２）。
【図１５】複数のスロット３６ａを有する矩形スロット板３６の斜視図。
【図１６】矩形スロット板３６の厚みｔと熱変形によるひずみとの関係を示す説明図。
【図１７】３種類の各スロット長のスロットを有する矩形スロット板３６各々の厚みｔと透過率との関係を示す説明図。
【図１８】円筒形状の壁面におけるマイクロ波の進行方向を示す図。
【図１９】円筒形状の伝搬領域におけるマイクロ波の電界強度分布図。
【符号の説明】
１  マイクロ波発生器
２、２０  矩形導波管
４  チャンバ
４ａ  矩形チャンバ蓋
４ｂ  円形処理室
１２  試料
１５、３４  矩形アンテナ誘電体
１７  スロット板
１９  封止誘電体
２５  矩形チャンバ
２５ａ  矩形チャンバ蓋
２５ｂ  矩形処理室
３０  Ｈ面スロットアンテナ
３６  矩形スロット板
３８  矩形封止誘電体
【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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