(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１に接続され、試料１２の処理面に沿う板状に形成されており、マイクロ波発生手段１から発生したマイクロ波の電界強度分布を前記試料１２の処理面に沿って概ね均一にする誘電体７と、前記マイクロ波により発生するプラズマを用いて前記試料１２を処理する処理手段とを有し、前記マイクロ波発生手段１の前記誘電体７と接する面（以下、導入面）には、前記マイクロ波発生手段１から前記誘電体７にマイクロ波を導入する複数の導入部２ａ、２ｂが設けられており、前記導入部２ａ、２ｂの中心位置の各々は、同一方向に延びた前記導入面上の複数の軸上に設けられており、各々の前記軸の位置において前記誘電体内のマイクロ波の位相が揃っているプラズマ処理装置を提供する。【選択図】      図２
2004235433.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板状に形成されており、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し、
前記マイクロ波発生手段の前記誘電体と接する面（以下、導入面）には、前記マイクロ波発生手段から前記誘電体にマイクロ波を導入する複数の導入部が設けられており、前記導入部の中心位置の各々は、同一方向に延びた前記導入面上の複数の軸上に設けられており、各々の前記軸の位置において前記誘電体内のマイクロ波の位相が揃っている、プラズマ処理装置。
【請求項２】
各々の前記軸の位置に、前記誘電体内のマイクロ波の腹と腹あるいは節と節が位置している、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記誘電体は、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状に形成されており、前記軸の互いの距離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＝ｎＬ１（λ１／２）  …（１）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ１：１以上の整数。
【請求項４】
前記誘電体は前記試料の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状に形成されており、前記軸は前記誘電体の対向する二辺に沿う方向に延びている、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記導入面は長方形状または正方形状に形成されており、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、請求項４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記誘電体の端面と前記軸との距離Ｄが、実質的に、下記式（２）を満たす、請求項５に記載のプラズマ処理装置
Ｄ＝ｎＤ（１／４）λ１  …（２）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＤ：１以上の整数。
【請求項７】
前記誘電体は、前記試料に沿う断面が矩形状で、前記導入部が２つの前記軸上に交互に設けられており、前記２つの軸上に交互に隣接して配置された前記導入部の中心間の軸方向における距離Ｌ３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
Ｌ３＝ｎＬ３（λ１／２）  …（３）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ３：１以上の整数。
【請求項８】
前記マイクロ波発生手段と前記誘電体との間にさらにＨ分岐導波管が設けられ、前記導入面が少なくとも２以上に分割されている、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が同相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔Ｌ４は、実質的に下記式（４）を満たす、請求項８に記載のプラズマ処理装置
Ｌ４＝２ｎＬ４（λ１／２）  …（４）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数。
【請求項１０】
少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が逆相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔Ｌ４は、実質的に下記式（５）を満たす、請求項８に記載のプラズマ処理装置
Ｌ４＝（２ｎＬ４＋１）（λ１／２）  …（５）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数。
【請求項１１】
前記マイクロ波発生手段と前記誘電体との間にさらにＥ分岐導波管が設けられ、前記導入面が少なくとも２以上に分割されている、請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が同相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔Ｌ４は、実質的に下記式（４）を満たす、請求項１１に記載のプラズマ処理装置
Ｌ４＝（２ｎＬ４＋１）（λ１／２）  …（６）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数。
【請求項１３】
少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が逆相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔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＝２ｎＬ４（λ１／２）  …（７）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数。
【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】
ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）の形成には、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を用いたプラズマ処理装置が用いられている。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。
【０００３】
しかし、近年、ＩＣ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。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・吸収させて均一化する方法が用いられている。この方法は、例えば、円形状または円筒形状の処理室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薄膜形成を行っている。
【０００４】
また、別の方法として、マイクロ波を導入する導入窓を分岐し、処理装置内の誘電体にマイクロ波を均一に導入することで、大口径な薄膜を形成する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３１６１９８号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、マイクロ波の不均一性をプラズマにより吸収する方法では、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マイクロ波の均一性を保ちにくい。
また、前記特許文献１による方法においても、複数の導入窓を介して１つの処理室内部の誘電体にマイクロ波が導入されるため、それぞれの導入窓から導入されるマイクロ波がお互いに干渉し合い、マイクロ波が不均一となる。
【０００７】
このような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、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、試料面に対し均一な処理を施すのが困難となっている。
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。
【０００８】
【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板状に形成されており、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し、前記マイクロ波発生手段の前記誘電体と接する面（以下、導入面）には、前記マイクロ波発生手段から前記誘電体にマイクロ波を導入する複数の導入部が設けられており、前記導入部の中心位置の各々は、同一方向に延びた前記導入面上の複数の軸上に設けられており、各々の前記軸の位置において前記誘電体内のマイクロ波の位相が揃っているプラズマ処理装置を提供する。
【０００９】
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各々の導入部の中心位置における、誘電体内のマイクロ波の位相を揃えることができる。よって、軸上の導入部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（以下の“均一”とは“試料の処理面に沿う方向に概ね均一”をいうものとする。）し易くなり、均一なプラズマを発生させることができる。
本願第２発明は、前記第１発明において各々の前記軸の位置に、前記誘電体内のマイクロ波の腹と腹あるいは節と節が位置しているプラズマ処理装置を提供する。
【００１０】
各々の軸上の導入部から誘電体に導入されるマイクロ波と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。
本願第３発明は、前記第１発明において、前記誘電体は、前記試料の処理面に沿う断面が矩形状に形成されており、前記軸の互いの距離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。
Ｌ１＝ｎＬ１（λ１／２）  …（１）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ１：１以上の整数である。
【００１１】
マイクロ波が伝播する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。
【００１２】
本願第４発明は、前記第３発明において、前記誘電体は前記試料の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状に形成されており、前記軸は前記誘電体の対向する二辺に沿う方向に延びているプラズマ処理装置を提供する。
上記の構成により、誘電体内のマイクロ波をさらに均一にすることができる。
本願第５発明は、前記第４発明において、前記導入面は長方形状または正方形状に形成されており、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プラズマ処理装置を提供する。
【００１３】
上記の構成により、導入部から導入されるマイクロ波と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。
また、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Ｌ１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。
本願第６発明は、前記第５発明において、前記誘電体の端面と前記軸との距離Ｄが、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。
【００１４】
Ｄ＝ｎＤ（１／４）λ１  …（２）
ここで、λ１：前記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、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。
本願第７発明は、前記第１発明において、前記誘電体は、前記試料に沿う断面が矩形状で、前記導入部が２つの前記軸上に交互に設けられており、前記２つの軸上に交互に隣接して配置された前記導入部の中心間の軸方向における距離Ｌ３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。
【００１５】
Ｌ３＝ｎＬ３（λ１／２）  …（３）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ３：１以上の整数である。
上記の構成により、両軸上の交互の導入部から誘電体に導入されるマイクロ波の位相をそろえ、マイクロ波を均一化し易くなる。
本願第８発明は、前記第３発明において、前記マイクロ波発生手段と前記誘電体との間にさらにＨ分岐導波管が設けられ、前記導入面が少なくとも２以上に分割されているプラズマ処理装置を提供する。
【００１６】
上記のように分岐導波管を使用することで、大型の処理装置であっても均一にマイクロ波を供給することができる。
本願第９発明は、前記第８発明において、少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が同相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔Ｌ４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。
Ｌ４＝２ｎＬ４（λ１／２）  …（４）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数である。
【００１７】
上記の構成により、各々の導入部における誘電体内におけ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。
本願第１０発明は、前記第８発明において、少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が逆相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔Ｌ４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。
Ｌ４＝（２ｎＬ４＋１）（λ１／２）  …（５）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数である。
【００１８】
前記第９発明と同様の効果を奏する。
本願第１１発明は、前記第３発明において、前記マイクロ波発生手段と前記誘電体との間にさらにＥ分岐導波管が設けられ、前記導入面が少なくとも２以上に分割されているプラズマ処理装置を提供する。
前記第８発明と同様の効果を奏する。
本願第１２発明は、前記第１１発明において、少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が同相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔Ｌ４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。
【００１９】
Ｌ４＝（２ｎＬ４＋１）（λ１／２）  …（６）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数である。
前記第９発明と同様の効果を奏する。
本願第１３発明は、前記第１１発明において、少なくとも２以上に分割されている前記導入面の各々から前記誘電体に導入されるマイクロ波が逆相の場合、隣接する前記導入面における前記導入部の間隔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。
【００２０】
Ｌ４＝２ｎＬ４（λ１／２）  …（７）
ここで、λ１：前記誘電体内のマイクロ波の波長
ｎＬ４：１以上の整数である。
前記第９発明と同様の効果を奏する。
【００２１】
【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。
【００２２】
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’を含み、試料１２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２の断面における矩形導波管２と円形誘電体７内のマイクロ波の波長との関係を示す説明図である。
【００２３】
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、２つの分岐２ａ、２ｂが設けられた矩形導波管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、円筒形状のチャンバ蓋（以下、円形チャンバ蓋）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、円形チャンバ蓋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、円形チャンバ蓋４ａには、試料１２の処理面に沿う断面が円形状の誘電体（以下、円形誘電体）７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。
【００２４】
ここで、分岐２ａ、２ｂの位置と円形誘電体７内のマイクロ波の波長との関係を以下のように設定する。
図３に示すように、分岐２ａ、２ｂの中心が位置する軸Ａ１と軸Ａ２のそれぞれの位置における円形誘電体７のマイクロ波の位相が揃うように、軸Ａ１と軸Ａ２の間隔を設定するか、あるいは円形誘電体７の材質を選択する。軸Ａ１及び軸Ａ２の位置において、円形誘電体７内のマイクロ波の腹と腹、あるいは節と節とが位置するように設定すると、各々の軸Ａ１及び軸Ａ２上に位置する分岐２ａ、２ｂから円形誘電体７に導入されるマイクロ波と円形誘電体７内のマイクロ波との結合度をさらに高めることができるので好ましい。このように軸Ａ１と軸Ａ２の位置を設定することで、図３に示す分岐２ａ、２ｂのそれぞれの位置における円形誘電体７内のマイクロ波の位相を揃えることができる。よって、両軸上に位置する分岐２ａ、２ｂから円形誘電体７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、マイクロ波を試料１２の処理面に沿う方向に概ね均一化することができる。（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）。そのため、均一なマイクロ波により均一にプラズマが発生し、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が可能となる。
【００２５】
矩形導波管３のかわりに、スロットアンテナ等その他のアンテナを設けても良い。
また、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。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。
【００２６】
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の分岐２ａ、２ｂから円形誘電体７に導入し、その電界強度分布を均一化する。そのマイクロ波を円形処理室４ｂ内に導入し、プラズマを発生させる。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。
【００２７】
また、上記では誘電体として円形誘電体７を使用したが、試料１２の処理面に沿う断面が矩形状の誘電体を使用すると、マイクロ波の進行方向と垂直な壁面で反射されたマイクロ波が、処理室の中央部に偏らず全体として均一な電界強度分布となる。こ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く、ガスの流量・組成比等のプロセスマージンを拡大することができる。
【００２８】
さらに、矩形導波管２内のマイクロ波と円形誘電体７内のマイクロ波の位相関係が実質的に揃うように円形誘電体７の材質を選択する。なお、位相関係が揃うように矩形導波管２の形状もしくは構造を変更することもできる。
また、矩形導波管２内のマイクロ波と円形誘電体７内のマイクロ波の腹と腹、あるいは節と節の位置が一致するように設定すると、矩形導波管２及び円形誘電体７内のマイクロ波が互いに干渉するのを防ぐことができ、好ましい。このように設定することで、矩形導波管２及び円形誘電体７内のそれぞれのマイクロ波が同時に定在波条件を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、均一なマイクロ波の分布を形成し、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。
【００２９】
本実施形態では、矩形導波管２が２つに分岐している場合を例に挙げたが、２つ以上に分岐していてもよい。矩形導波管２を２つ以上に分岐した場合には、例えば、分岐２ａ、２ｂ、２ｃ…の中心が位置する軸Ａ１、軸Ａ２、軸Ａ３…との間隔を前記と同様に次のように設定する。軸Ａ１と軸Ａ２との距離、軸Ａ２と軸Ａ３との距離、軸Ａ１と軸Ａ３との距離…を、実質的に、円形誘電体７内のマイクロ波の半波長の整数倍を満たすように設定する。
＜第１実施例＞
以下の図４〜図９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４は第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観、図５は図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図４の装置の断面図、図６は図４に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図、図７はＨ面スロットアンテナのスロット形状、図８（ａ）は図４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８（ｂ）は図４のプラズマ酸窒化装置の図中Ｙ軸に垂直な断面におけるＨ面スロットアンテナ３０と矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長との関係を示す説明図、図９（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４、６または７に示すように、矩形誘電体１５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。
【００３０】
図４に示すように、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長方形状または正方形状の処理室（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長方形状または正方形状のチャンバ蓋（以下、矩形チャンバ蓋）２５ａが設けられている。
【００３１】
図５、図６に示すように、矩形チャンバ蓋２５ａは、試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状の誘電体（以下、矩形誘電体）１５を有している。図６に示すように、矩形誘電体１５上には、試料１２の処理面に沿う断面が長方形状または正方形状のＨ面スロットアンテナ３０が、矩形誘電体１５の対向する二辺とＨ面スロットアンテナ３０の対向する二辺とが同一方向となるように載置されている。このＨ面スロットアンテナ３０により矩形導波管２０から矩形誘電体１５にマイクロ波が導入される。図５、図７に示すように、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７に示すようにＨ面スロットアンテナ３０のＹ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。ガス導入口５及びガス排出口６の構成は、前記第１実施形態例と同様である。
【００３２】
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と矩形誘電体１５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面スロット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８（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８に示す前記の軸Ａ１と軸Ａ２との間隔Ｌ１を、実質的に、次式（８）を満たすように設定する。
【００３３】
Ｌ１＝ｎＬ１（λ１５／２）  …（８）
ここで、λ１５は矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長、ｎＬ１は１以上の整数である。このように軸Ａ１と軸Ａ２との間隔Ｌ１を設定することで、図８（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方向における矩形誘電体１５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から矩形誘電体１５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。
【００３４】
また、スロット３０ｄのＹ方向の長さＬ２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Ｌ３を、実質的に、次式（９）（１０）を満たすように設定すると好ましい。
Ｌ２＝ｎＬ２（λ３０／２）  …（９）
Ｌ３＝ｎＬ３（λ３０／２）  …（１０）
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、ｎＬ２、ｎＬ３は１以上の整数である。このように設定すると、Ｌ２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誘電体１５に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。またＬ３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から矩形誘電体１５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。
【００３５】
さらに、図８（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誘電体１５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。
【００３６】
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（１１）を満たすように設定すると好ましい。
【００３７】
【数１】
2004235433.tif 000003
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、矩形誘電体１５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、Ｄ＝ｎＤ（１／４）λ１５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。ここで、λ１５は矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長、ｎＤは１以上の整数である。このように距離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誘電体１５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、例えば矩形誘電体１５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。よって、マイクロ波を均一化し易くなる。結合度の高低は、例えば、結合度を高める場合には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、矩形誘電体１５内のマイクロ波の波長λ１５との関係について説明する。
【００３８】
軸Ａ１及び軸Ａ２のそれぞれから矩形誘電体１５に導入されるマイクロ波が同位相の場合は下記式（１２）を満たすように、逆位相の場合は下記式（１３）を満たすように設定する。
λ３０／２＝２ｍ（１／２）λ１５  …（１２）
λ３０／２＝（２ｍ＋１）（１／２）λ１５  …（１３）
ここで、ｍは１以上の整数である。前記式（１２）または（１３）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及び矩形誘電体１５内のそれぞれのマイクロ波の位相位置が一致し、同時に定在波条件を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。
【００３９】
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、矩形誘電体１５にマイクロ波を導入しても良い。分岐することで、大型の処理装置であっても均一にマイクロ波を供給することができる。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９（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を介して矩形誘電体１５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９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８と同様である。
【００４０】
図９（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９（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９に示すように、隣接するＨ面スロットアンテナ３０のスロット３０ｄのＸ方向の間隔をＬ４とする。図９（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。
【００４１】
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Ｌ４の関係を示す。ここで、間隔Ｌ４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、矩形誘電体１５内のマイクロ波の位相が揃うように設定されている。
【００４２】
【表１】
2004235433.tif 000004
以上のように間隔Ｌ４を設定することで、スロット３０ｄから矩形誘電体１５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（１４）より求まる。
【００４３】
【数２】
2004235433.tif 000005
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。
本実施例に係るプラズマ酸窒化装置では、上記のようにスロット３０ｄの配置位置と、Ｈ面スロットアンテナ３０と矩形誘電体１５とのマイクロ波の波長の関係を設定することで、均一に薄膜を形成することができる。さらに、本実施例では、矩形誘電体１５、矩形処理室２５ｂ、矩形導波管２０等の試料１２の処理面に沿う断面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く、ガスの流量・組成比等のプロセスマージンを拡大することができる。
【００４４】
ただし、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の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。しかし、マイクロ波が完全に吸収されずに矩形処理室２５ｂ内を伝搬する場合があるので、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、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。
【００４５】
また上記では、Ｈ面スロットアンテナ３０、矩形誘電体１５、矩形処理室２５ｂ、矩形チャンバ蓋２５ａ等の形状は、長方形状または正方形状以外の矩形状に形成されていても良い。なお、二組の対向する二辺が平行な矩形状に形成されていると、マイクロ波の偏りが少なくより好ましい。
＜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実施例を挙げてさらに詳細に説明する。第２実施例に係るプラズマ酸窒化装置は、以下に記載の矩形アンテナ誘電体、矩形スロット板３６及び矩形封止誘電体３８以外については、第１実施例と同様の構成を有している。
【００４６】
第２実施例に係るプラズマ酸窒化装置の外観は図４と同様である。図１０は図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な断面図、図１１は図１０のプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図である。
矩形チャンバ蓋２５ａは、図１０、図１１に示すように、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）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封止誘電体（以下、矩形封止誘電体）３８を有している。
【００４７】
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により、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による影響を受けにくく、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。
【００４８】
上記のように、矩形アンテナ誘電体３４、矩形スロット板３６及び矩形封止誘電体３８により、矩形封止誘電体３８内のマイクロ波の電界強度分布がさらに均一化される。
［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。
【００４９】
【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。
【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２の断面における矩形導波管２と円形誘電体７内のマイクロ波の波長との関係を示す説明図。
【図４】第１実施例のプラズマ酸窒化装置の外観図。
【図５】図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な図４の装置の断面図。
【図６】図４に示すプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【図７】Ｈ面スロットアンテナのスロット形状。
【図８】（ａ）図４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４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９】（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１０】図４のＢ−Ｂ’を含む図中Ｘ軸に垂直な断面図。
【図１１】図１０のプラズマ酸窒化装置の要部の分解斜視図。
【符号の説明】
１  マイクロ波発生器
２、２０  矩形導波管
２ａ、２ｂ  分岐
３  同軸アンテナ
４  チャンバ
４ａ  円形チャンバ蓋
４ｂ  円形処理室
７  円形誘電体
１２  試料
１５  矩形誘電体
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
３４  矩形アンテナ誘電体
３８  矩形封止誘電体
３６  矩形スロット板
【図１】
2004235433.tif 000006
【図２】
2004235433.tif 000007
【図３】
2004235433.tif 000008
【図４】
2004235433.tif 000009
【図５】
2004235433.tif 000010
【図６】
2004235433.tif 000011
【図７】
2004235433.tif 000012
【図８】
2004235433.tif 000013
【図９】
2004235433.tif 000014
【図１０】
2004235433.tif 000015
【図１１】
2004235433.tif 000016