(57)【要約】【課題】スロットアンテナの開口部を通過するマイクロ波の伝播効率を向上させることによって、マイクロ波のエネルギーを効率良く処理室に導入できるプラズマプロセス装置を提供する。【解決手段】プラズマプロセス装置は、処理室と、共振によってマイクロ波の第１の定在波が形成される内部空間２０を有する導入導波管４と、共振によってマイクロ波の第２の定在波が内部に形成される誘電体５ｐおよび５ｑと、マイクロ波を内部空間２０から誘電体５ｐおよび５ｑへと通すためのスロット６ａを有するスロットアンテナ６とを備える。スロット６ａは、第１の定在波の腹が形成される位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点と、第２の定在波の腹が形成される位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点とが一致する地点にほぼ位置するように設けられている。【選択図】        図３
2004265954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いた処理を行なうための処理室と、
共振によってマイクロ波の第１の定在波が形成される内部空間を有し、前記処理室に向けてマイクロ波を導くマイクロ波導入手段と、
マイクロ波を前記処理室内に放射するために前記処理室と前記マイクロ波導入手段との間で前記内部空間に面して設けられ、共振によってマイクロ波の第２の定在波が内部に形成される誘電体と、
マイクロ波を前記内部空間から前記誘電体へと通すための開口部を有し、前記誘電体が前記内部空間に面する側を覆うように設けられたスロットアンテナとを備え、
前記開口部は、第１の定在波の腹が形成される位置を前記スロットアンテナに対して垂直に投影した地点と、第２の定在波の腹が形成される位置を前記スロットアンテナに対して垂直に投影した地点とが一致する地点にほぼ位置するように設けられている、プラズマプロセス装置。
【請求項２】
前記開口部は、間隔ｄで複数設けられており、第１の定在波が形成されている前記内部空間におけるマイクロ波の波長がλｐで、第２の定在波が形成されている前記誘電体内におけるマイクロ波の波長がλｑである場合、間隔ｄは、ｄ＝ｍ・λｐ／２（ｍは自然数）およびｄ＝ｎ・λｑ／２（ｎは自然数）の関係を満たす、請求項１に記載のプラズマプロセス装置。
【請求項３】
前記開口部が設けられた同一の地点を投影する第１および第２の定在波の腹が形成される位置において、第１および第２の定在波の電界の方向がほぼ同一である、請求項１または２に記載のプラズマプロセス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的には、プラズマプロセス装置に関し、より特定的には、たとえば半導体、液晶表示素子および太陽電池などの製造プロセスなどに使用されるドライエッチング装置、成膜装置およびアッシング装置などのプラズマプロセス装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体またはＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などのＦＰＤ（Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ）などの製造に用いられる基板の大面積化により、大面積の基板を処理するプラズマプロセス装置が開発されている。特に、ＦＰＤの製造装置においては、サイズが１ｍ角以上の基板を対象にした装置の開発が始まっている。そして、プラズマプロセス装置によって、このような大型の基板に対して微細加工および成膜などを行なう場合、プラズマの均一性、ならびに加工および成膜などのプロセスの均一性が課題となっている。
【０００３】
プラズマおよびプロセスの均一化、ならびに制御性については、従来、主として使われてきた容量結合型のプラズマプロセス装置に比べて、誘導結合型またはマイクロ波領域の周波数（周波数＝１００ＭＨｚから１０ＧＨｚ）の電源を用いたプラズマプロセス装置の方が優れた結果を示す。これは、これらのプラズマプロセス装置がプラズマ源の電力と基板バイアスの電力とを独立に制御できる構成になっているからである。これにより、プロセスの制御が行ないやすくなるため、これらのプラズマプロセス装置が広く用いられる状況になりつつある。
【０００４】
このうち、マイクロ波領域の周波数の電源を用いたプラズマプロセス装置では、導波管または同軸ケーブルを用いて導かれたマイクロ波のエネルギーを、スロットアンテナと真空封止とを兼ねる誘電体を通して処理室の内部に導入する構成が多く用いられている。
【０００５】
大型の基板を処理するプラズマプロセス装置において、スロットアンテナには通常複数個のスロットが設けられる。この複数のスロットが設けられる中心位置と互いの間隔とは、電源からのマイクロ波のエネルギーを効率的に処理室に導入できるか否かに大きく関係する。
【０００６】
このスロットを設ける位置に関して開示した先行文献として、特開平１１−１２１１９６号公報（特許文献１）および特開平１０−２４１８９２号公報（特許文献２）がある。図８は、特許文献１に開示されているマイクロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。
【０００７】
図８を参照して、内部に処理室１０２を規定する反応器１０１の上部には、誘電体からなる封止板１０４が設けられている。封止板１０４の上面は、カバー部材１１０によって覆われている。カバー部材１１０の上面には、マイクロ波を処理室１０２に導入するための導波管型アンテナ部１１２が設けられている。導波管型アンテナ部１１２は、マイクロ波を発振させるマイクロ波発振器１２０に導波管１２１を介して接続されている。直線状に形成された導波管型アンテナ部１１２の一端側は、導波管１２１に接続されている。円弧状に形成された導波管型アンテナ部１１２の他端側は、反応器１０１の上方において閉塞した端部を形成している。カバー部材１１０には、導波管型アンテナ部１１２に対向する位置に開口された複数のスリット１１５が設けられている。
【０００８】
マイクロ波発振器１２０から発振されたマイクロ波は、導波管型アンテナ部１１２の内部で導波管型アンテナ部１１２の端部からの反射波と重ね合わされる。これにより、導波管型アンテナ部１１２の内部には定在波が発生する。スリット１１５は、導波管型アンテナ部１１２の端部からｎ・λｇ／２（ｎは自然数、λｇはマイクロ波の波長）の位置に設けられている。
【０００９】
図９は、特許文献２に開示されているプラズマ処理装置を示す断面図である。図９を参照して、プラズマ処理装置２２０は、チャンバ２２１によって規定された処理室２２２と、処理室２２２の上方に位置するプラズマ生成室２２６とを備える。チャンバ２２１と離れた位置には、マイクロ波を発振させる発振器２２９が設けられている。プラズマ生成室２２６の上方には、導波管２３０が設けられている。導波管２３０の一端側は、発振器２２９に接続されており、導波管２３０の他端側には、マイクロ波を反射する短絡面２３０ａが形成されている。導波管２３０の他端側には、図示しないスロットアンテナが形成された天板２３１が設けられている。天板２３１の下方には、誘電体より形成されたマイクロ波透過窓２３３が設けられている。マイクロ波透過窓２３３は、プラズマ生成室２２６を規定する外壁の取付部２３４に取り付けられている。
【００１０】
マイクロ波透過窓２３３では、マイクロ波が取付部２３４に向かう入射波と、マイクロ波が取付部２３４により反射された反射波とによって合成波が形成される。マイクロ波透過窓２３３の幅Ｗは、Ｗ＝λＳＷ／２×ｎ（λＳＷはマイクロ波の波長、ｎは整数）の関係を満たすように決定されている。また、スロットアンテナは、マイクロ波透過窓２３３の端部からλＳＷ／２隔てた位置に設けられている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−１２１１９６号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平１０−２４１８９２号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に開示されているマイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波発振器１２０から発振されたマイクロ波は、導波管型アンテナ部１１２によって処理室１０２へと導かれる。その後、スリット１１５から封止板１０４に達したマイクロ波が処理室１０２に向けて放射される。しかし、スリット１１５が設けられる位置については、導波管型アンテナ部１１２を伝播するマイクロ波の波長のみが考慮されており、封止板１０４に関しては何ら考慮されていない。このため、封止板１０４の形状および封止板１０４を形成する誘電体の比誘電率によっては、マイクロ波を効率良く処理室１０２に導入できないという問題が発生する。
【００１４】
また、特許文献２に開示されているプラズマ処理装置２２０では、発振器２２９から発振されたマイクロ波は、導波管２３０によってプラズマ生成室２２６側へと導かれる。その後、スロットアンテナからマイクロ波透過窓２３３に達したマイクロ波がプラズマ生成室２２６に導入される。しかし、スロットアンテナが設けられる位置については、導波管２３０の形状などが全く考慮されていない。このため、導波管２３０の形状によっては、マイクロ波を効率良くプラズマ生成室２２６に導入できないという問題が発生する。また、マイクロ波透過窓２３３の端部からλＳＷ／２隔てて設けられたスロットアンテナの位置も、マイクロ波を効率良く導入するための位置としては不適切である。
【００１５】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、スロットアンテナの開口部を通過するマイクロ波の伝播効率を向上させることによって、マイクロ波のエネルギーを効率良く処理室に導入できるプラズマプロセス装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明に従ったプラズマプロセス装置は、プラズマを用いた処理を行なうための処理室と、共振によってマイクロ波の第１の定在波が形成される内部空間を有し、処理室に向けてマイクロ波を導くマイクロ波導入手段と、マイクロ波を処理室内に放射するために処理室とマイクロ波導入手段との間で内部空間に面して設けられ、共振によってマイクロ波の第２の定在波が内部に形成される誘電体と、誘電体が内部空間に面する側を覆うように設けられたスロットアンテナとを備える。スロットアンテナは、マイクロ波を内部空間から誘電体へと通すための開口部を有する。開口部は、第１の定在波の腹が形成される位置をスロットアンテナに対して垂直に投影した地点と、第２の定在波の腹が形成される位置をスロットアンテナに対して垂直に投影した地点とが一致する地点にほぼ位置するように設けられている。
【００１７】
このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、第１および第２の定在波の腹に相当する位置にスロットアンテナの開口部が形成されている。定在波の腹とは、マイクロ波の電界強度が極大となる部分をいい、定在波の節とは、マイクロ波の電界強度が極小となる部分をいう。定在波の腹と節とは所定の間隔（マイクロ波の波長の１／４の間隔）で交互に現れる。このため、マイクロ波が開口部を通過して内部空間から誘電体へと伝播する際に、伝播方向を一定方向に保持したままマイクロ波を進行させることができる。これにより、マイクロ波の伝播効率を向上させ、マイクロ波のエネルギーを効率良く処理室に導入することができる。
【００１８】
また好ましくは、開口部は、間隔ｄで複数設けられている。第１の定在波が形成されている内部空間におけるマイクロ波の波長がλｐで、第２の定在波が形成されている誘電体内におけるマイクロ波の波長がλｑである場合、開口部の間隔ｄは、ｄ＝ｍ・λｐ／２（ｍは自然数）およびｄ＝ｎ・λｑ／２（ｎは自然数）の関係を満たす。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、第１および第２の定在波の各々において、定在波の腹は、λｐ／２およびλｑ／２ごとに現れる。したがって、ｍ・λｐ／２＝ｎ・λｑ／２の関係を満たす自然数ｍおよびｎを求めた後、そのｍおよびｎから開口部を設ける間隔ｄを決定する。そして、間隔ｄごとに開口部を設けることによって、定在波の腹に相当する位置に開口部を位置決めすることができる。
【００１９】
また好ましくは、開口部が設けられた同一の地点を投影する第１および第２の定在波の腹が形成される位置において、第１および第２の定在波の電界の方向がほぼ同一である。このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、複数の開口部のうちどの開口部においても電界の向きの変化を小さくできるため、反射波を最小限に抑えることができる。これにより、マイクロ波のエネルギーをさらに効率良く処理室に導入することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った断面図である。図１の紙面が延在する平面をＸ−Ｚ平面とし、図２の紙面が延在する平面をＹ−Ｚ平面として以下プラズマプロセス装置の構造について説明を行なう。
【００２２】
図１および図２を参照して、プラズマプロセス装置は、上面に開口を有し、内部に処理室１３を規定するプロセスチャンバ本体２と、プロセスチャンバ本体２の上面に設けられたチャンバ蓋１と、チャンバ蓋１に設けられた誘電体５、スロットアンテナ６および導入導波管４とを備える。
【００２３】
処理室１３には、絶縁体１２を介してプロセスチャンバ本体２に取り付けられた基板ホルダ７が設けられている。基板ホルダ７の頂面には、処理室１３においてプラズマ処理が行なわれる基板９が載置されている。チャンバ蓋１とプロセスチャンバ本体２との接触部には、シールを確実にするためのガスケット１０が設けられている。処理室１３は、図示しない真空ポンプに接続されている。
【００２４】
チャンバ蓋１には、所定の間隔を隔てた位置においてそれぞれ矩形形状に開口された開口１ａが複数形成されている。開口１ａは、Ｘ軸方向に４つ並んで形成されており、Ｙ軸方向に２つ並んで形成されている。それぞれの開口１ａには、シールのためのガスケット１１を介して板状の誘電体５が嵌め合わされている。誘電体５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から形成されている。
【００２５】
誘電体５は、処理室１３を真空封止することと、マイクロ波を伝播させることとを目的として設けられている。図示しない真空ポンプを稼働させることによって、処理室１３を１０−４（Ｐａ）から１０−５（Ｐａ）程度の真空状態に保持することができる。チャンバ蓋１には、処理室１３にプロセスガスを導入するためのガス導入路１４が設けられている。
【００２６】
なお、図示しないが、温度調節機構が温度を一定に保つために、チャンバ蓋１、プロセスチャンバ本体２および基板ホルダ７には設けられている。
【００２７】
誘電体５の頂面、つまり処理室１３に向い合う面とは反対側の面には、スロットアンテナ６が設けられている。スロットアンテナ６は、誘電体５の頂面全体を覆うように延在している。スロットアンテナ６には、Ｙ軸方向に延びて開口されたスロット６ａが複数形成されている。
【００２８】
スロットアンテナ６上には、導入導波管４が設けられている。導入導波管４は、スロットアンテナ６に形成されたスロット６ａに向い合う位置に内部空間２０を規定している。内部空間２０は、Ｘ軸方向に短く、Ｙ軸方向に長く延在する形状を有する。導入導波管４上には、内部空間２０に連通する導波管３が設けられている。導波管３は、図示しないマイクロ波立体回路を介して、同様に図示しないマグネトロンに接続されている。マイクロ波立体回路は、アイソレータ、自動整合器、ならびにＪＩＳ規格などに準じた直導波管、コーナー導波管、テーパー導波管および分岐導波管などによって構成されている。
【００２９】
図１および図２中に示すプラズマプロセス装置をドライエッチング装置として用いる場合を想定し、以下説明を続ける。
【００３０】
図示しないマグネトロンから発振されたたとえば周波数２．４５（ＧＨｚ）のマイクロ波は、図示しないマイクロ波立体回路を通り導波管３に達する。さらに導波管３から内部空間２０に進んだマイクロ波は、スロットアンテナ６に形成されたスロット６ａを通って誘電体５へと伝播する。そして、マイクロ波は、誘電体５から処理室１３へと放射される。
【００３１】
処理室１３に放射されたマイクロ波は、ガス導入路１４から導入されたＣＦ４、Ｃｌ２、Ｏ２、Ｎ２またはＡｒもしくはこれらの混合ガスなどからなるプロセスガスにエネルギーを与える。これにより、プロセスガスはプラズマ（電離気体）となる。そのプラズマは、基板ホルダ７上に載置された基板９（たとえば、ガラス基板上にＡｌなどの金属膜または絶縁体膜などからなる単層膜や積層膜が成膜され、さらにその上から配線またはコンタクトホールを形成するためのレジスト膜が設けられたもの）をエッチングする際に利用される。
【００３２】
一般的に、プロセスガスをプラズマにするために必要なエネルギーは、被処理物である基板の面積が大きいほど大きくなる。したがって、１ｍ角四方より大きい面積を有するような大面積の基板を処理する場合には、プラズマプロセス装置全体の電源出力が数（ｋＷ）から数十（ｋＷ）も必要となる。このため、できるだけ効率良くマイクロ波のエネルギーを処理室１３に導入できることが重要となる。
【００３３】
特に、導入するマイクロ波の周波数が高い場合、たとえばマイクロ波の周波数が２．４５（ＧＨｚ）の場合を考えると、自由空間でのマイクロ波の波長は１２２ｍｍになる。この場合、マイクロ波の波長は基板サイズよりも短くなる。したがって、周波数がＧＨｚオーダーのマイクロ波を使用する場合には、導波管のサイズ、スロットを設ける位置と間隔、誘電体の比誘電率および誘電体のサイズなどが、マイクロ波の伝播特性およびプロセスの均一性を適切に制御する上で非常に重要な要素となる。
【００３４】
つまり、マイクロ波が処理室１３に導入されるまでに通過する導入導波管４および誘電体５は共振器となって、内部空間２０および誘電体５の内部においてマイクロ波の定在波が形成される。マイクロ波の波長をλとする場合、定在波には、電界強度が極小となる節がλ／２ごとに現われ、節からλ／４隔てた位置において電界強度が極大となる腹がλ／２ごとに現われる。内部空間２０の端部および誘電体５の端部は電界の固定端となるため必ず定在波の節になる。
【００３５】
導入導波管４および誘電体５の形状、ならびに誘電体５の比誘電率は、内部空間２０に形成される定在波の腹の位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点と、誘電体５に形成される定在波の腹の位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点との間において、一致する地点が存在するように決定されている。この際、内部空間２０および誘電体５に形成される定在波の腹の位置は、導入導波管４および誘電体５の形状、ならびに誘電体５の比誘電率をパラメータとしたコンピュータシミュレーションによって求めることができる。
【００３６】
スロット６ａは、内部空間２０に形成される定在波の腹の位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点と、誘電体５に形成される定在波の腹の位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点とが一致した地点に位置するように形成されている。つまり、スロット６ａは、内部空間２０に形成された定在波の腹の直下に位置し、さらに、誘電体５に形成された定在波の腹の直上に位置するスロットアンテナ６上の地点に形成されている。
【００３７】
このような位置にスロット６ａが位置決めされている場合、マイクロ波の定在波はλ／２ごとに腹を有していることから、スロット６ａが設けられる間隔ｄを、ｄ＝ｍ・λｐ／２＝ｎ・λｑ／２（ｍおよびｎは本式の関係を満たす任意の自然数、λｐは内部空間２０に形成されるマイクロ波の波長、λｑは誘電体５に形成されるマイクロ波の波長）と表わすことができる。
【００３８】
この発明の実施の形態１に従ったプラズマプロセス装置は、プラズマを用いた処理を行なうための処理室１３と、共振によってマイクロ波の第１の定在波が形成される内部空間２０を有し、処理室１３に向けてマイクロ波を導くマイクロ波導入手段としての導入導波管４と、マイクロ波を処理室１３内に放射するために処理室１３と導入導波管４との間で内部空間２０に面して設けられ、共振によってマイクロ波の第２の定在波が内部に形成される誘電体５と、マイクロ波を内部空間２０から誘電体５へと通すための開口部としてのスロット６ａを有し、誘電体５が内部空間２０に面する側を覆うように設けられたスロットアンテナ６とを備える。スロット６ａは、第１の定在波の腹が形成される位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点と、第２の定在波の腹が形成される位置をスロットアンテナ６に対して垂直に投影した地点とが一致する地点にほぼ位置するように設けられている。
【００３９】
スロット６ａは、間隔ｄで複数設けられている。第１の定在波が形成されている内部空間２０におけるマイクロ波の波長がλｐで、第２の定在波が形成されている誘電体５におけるマイクロ波の波長がλｑである場合、間隔ｄは、ｄ＝ｎ・λｐ／２（ｎは自然数）およびｄ＝ｍ・λｑ／２（ｍは自然数）の関係を満たす。
【００４０】
このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、マイクロ波のエネルギーを効率良く処理室に導入することができる。つまり、内部空間２０において定在波の腹が形成される位置の直下は磁界が大きくなる地点であるため、その地点にスロット６ａを設けることにより、スロット６ａの周りに大きい電流を誘導することができる。そして、この電流によりスロット６ａから大きい磁界が誘起される。また、マイクロ波などの波は、基本的にまっすぐに伝播させた方が伝播効率は高くなる。逆に波が曲がって伝播する場合には、曲がった地点において反射波が生じるため伝播効率が低くなる。本実施の形態では、スロット６ａが形成されている地点は、誘電体５において定在波の腹が形成される位置の直上でもあるため、マイクロ波がスロット６ａを通って内部空間２０から誘電体５に進行する際にマイクロ波をまっすぐに伝播させることができる。これにより、伝播時におけるマイクロ波のエネルギー損失を抑制することができる。以上の理由から、マイクロ波の伝播効率を向上させ、マイクロ波のエネルギーを効率良く処理室１３に導入することができる。
【００４１】
以下において、本実施の形態におけるプラズマプロセス装置を実際に設計するために、コンピュータシミュレーションを行なった。
【００４２】
まず、図示しないマグネトロンから発振されるマイクロ波を、ＪＩＳ導波管によりＴＥ（１、０）モードの単一モードとし、直導波管、コーナー導波管、テーパー導波管および分岐導波管などを通じて、マイクロ波をＴＥ（１、０）モードの単一モードで伝播できる構成とした。そして、このＴＥ（１、０）モードの単一モードを効率良く他のモードに変換し、マイクロ波を処理室１３に導入できる構成とした。
【００４３】
なお、ＴＥ（ｓ、ｔ）モードとある場合のｓおよびｔは、波のモードを示している。ＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗａｖｅ）とは、電界の方向が電磁波の進行方向（たとえばＺ軸方向）に対して垂直な平面（たとえばＸ−Ｙ平面）上にのみ存在する波をいう。ｓはその電界の方向を表わす一方向（たとえばＸ軸方向）成分のモードを示し、ｔはｓで示す方向に垂直方向（たとえばＹ軸方向）成分のモードを示す。ＴＥ（１、０）モードは方形（矩形）導波管によって伝播できる基本波を表わしており、ｓおよびｔの値が大きくなるほど高次の波（高調波）のモードとなる。
【００４４】
まず初めに、内部空間２０の大きさが、１６ｍｍ（Ｘ軸方向）、５３０ｍｍ（Ｙ軸方向）、１００ｍｍ（Ｚ軸方向）となるように導入導波管４を設計した。これにより、導入導波管４は、ＴＥ（１、０）モードのマイクロ波をＴＥ（７、０）モードのマイクロ波に変換するモード変換器の役割を果たす。
【００４５】
図３は、実施の形態１におけるシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波の電界強度を示す断面図である。図３は、図２に示す内部空間２０付近の断面を拡大したものであり、一部において詳細な形状が省略されている。
【００４６】
図３を参照して、電磁界シミュレーションを行なうことによって、内部空間２０に形成されるマイクロ波の定在波の電界強度分布を求めた。図中の略円形は、定在波の電界強度を表わす等高線であり、略円形の中心側ほど電界強度が強いことを示している。略円形の中心に描かれた記号は電界の方向を示しており、中心が塗りつぶされた丸印は紙面から手前に向かう方向を示し、罰点が描かれた丸印は紙面から奥に向かう方向を示す。
【００４７】
内部空間２０には、ｙ軸方向の波長λｐが約１５４ｍｍのマイクロ波の定在波が形成された。これにより、内部空間２０のＹ軸方向における中心をＹ座標の０とするとき、Ｙ座標が、−２２６ｍｍ、−１４９ｍｍ、−７２ｍｍ、０、７２ｍｍ、１４９ｍｍ、２２６ｍｍの位置において定在波の腹Ａ７からＧ７が形成された。なお、定在波の腹Ｃ７からＤ７までの距離と、定在波の腹Ｄ７からＥ７までの距離とが、他の隣接する定在波の腹間の距離よりも小さくなっているのは、内部空間２０がＹ座標０の上方において導波管３に連通しており、屈曲部で反射波が生じ、波に歪みが生じるためである。
【００４８】
表１は、内部空間２０に形成される定在波の腹の位置に対するスロット６ａの配置例を示す。
【００４９】
【表１】
2004265954.tif 000003
表１を参照して、隣接するスロット６ａの間隔ｄをｄ＝ｍ・λｐ／２として、ｍ＝１、２、３と変化させた場合のスロット６ａの配置例を示した。たとえば、ｍ＝１の場合、内部空間２０において定在波の腹Ａ７〜Ｇ７が形成される位置からスロットアンテナ６に垂直に投影した地点にスロット６ａを形成することができる。
【００５０】
図３を参照して、本シミュレーションでは、誘電体５の面積が大きいと強度面に問題があるため、２枚の誘電体５ｐおよび５ｑをＹ座標の０を中心にして対称に配置することとした。誘電体５ｐおよび５ｑを形成する材料として、比誘電率が９程度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いた。また、スロット６ａを設ける間隔ｄをｄ＝λｐ／２とし、Ｄ７を除く定在波の腹Ａ７、Ｂ７、Ｃ７、Ｅ７、Ｆ７およびＧ７の直下に位置するスロットアンテナ６上の地点にスロット６ａを設けることとした。
【００５１】
定在波の腹Ｄ７の直下に位置するスロットアンテナ６上の地点にスロット６ａを設けなかった理由のひとつは、定在波の腹Ｄ７の上方に内部空間２０にマイクロ波を導入するための導波管３が設けられているからである。このような位置にスロット６ａを設けた場合、内部空間２０において進行方向が９０°変化して伝播するマイクロ波の伝播特性に大きな影響を与えるおそれがある。また、別の理由としては、定在波の腹Ｄ７の直下に位置するスロットアンテナ６を、誘電体５ｐおよび５ｑが離間する部分を支持するために利用したいからである。
【００５２】
本シミュレーションにおけるプラズマプロセス装置の構造は、Ｙ座標の０を中心として左右対称であるため、以降の説明は、Ｙ座標が０以上の領域を中心に行なうこととする。
【００５３】
空気によって占められている内部空間２０の比誘電率は１程度である。したがって、内部空間２０に形成されるマイクロ波の波長λｐよりも、誘電体５ｐの内部に形成されるマイクロ波の波長λｑの方が短くなる。既に、内部空間２０におけるマイクロ波の波長λｐが決定していることから、誘電体５ｐにおけるマイクロ波の波長λｑを、λｐの整数／整数倍にすることによって、定在波の腹が形成される位置を一致させやすくなる。ここでは、まず誘電体５ｐにおけるマイクロ波の波長λｑが、λｐの１／２倍、つまり７７ｍｍとなるような構成について検討を行なった。
【００５４】
表２は、内部空間２０における定在波の腹Ｄ７からＧ７に対して、誘電体５ｐにおいて定在波の腹を設ける位置の検討例を示す。
【００５５】
【表２】
2004265954.tif 000004
表２を参照して、内部空間２０に形成された定在波の腹Ｄ７からＧ７が位置するＹ座標、その位置におけるスロット６ａの有無、および誘電体５ｐにおいて定在波の腹を設ける位置の検討例を示した。
【００５６】
検討例その１は、誘電体５ｐにＴＥ（５、ｔ）（ｔは整数）モードのマイクロ波が発生した場合、検討例その２−１およびその２−２は、誘電体５ｐにＴＥ（６、ｔ）（ｔは整数）モードのマイクロ波が発生した場合、検討例その３は、誘電体５ｐにＴＥ（７、ｔ）（ｔは整数）モードのマイクロ波が発生した場合である。たとえば、比較例その３では、誘電体５ｐにおいて定在波の腹ａ７からｇ７が形成される。
【００５７】
処理室１３に設置された基板９を均一に処理するためには、誘電体５ｐの面積が広い方が好ましい。そこで、検討例その３を採用して、誘電体５ｐの形状および比誘電率を決定するためのシミュレーションを試みた。
【００５８】
具体的には、図２および図３を参照して、Ｙ座標が０の位置に梁部１ｂを設けることによって、誘電体５ｐおよび５ｑが離間する部分の支持を行なうこととした。スロットアンテナ６に向い合う側の梁部１ｂの幅Ｃは、強度的に１０ｍｍ以上の長さが必要であると判断した。内部空間２０において定在波の腹Ｅ７が形成されたＹ座標７２ｍｍの位置に誘電体５における定在波の腹ｂ７を形成し、そのＹ座標７２ｍｍの位置にスロット６ａを設けることを想定すると、そのスロット６ａから誘電体５ｑに向い合う誘電体５ｐの端部までの距離を６７ｍｍ以下にする必要がある。定在波の腹ｂ７からｄ７までの距離は７７ｍｍであるから、誘電体５ｐのＹ軸方向の最大長さは２８８ｍｍとなる。
【００５９】
また、誘電体５ｐの面積を広くするためには誘電体５ｐの幅（Ｘ軸方向の長さ）も大きいことが望まれるが、Ｘ軸方向に隣接する誘電体との設置間隔などの制約を考慮する必要がある。さらに、処理室１３が真空または低圧の状態で高温になることから、誘電体５ｐの破損を防止のため、誘電体５ｐにある程度の厚みを持たせることも必要である。加えて、誘電体５ｐをチャンバ蓋１に形成された開口１ａに支持するため、誘電体５ｐの下部を一部切り欠く形状を採用している。このため、その形状の影響による局所的なマイクロ波の波長変化も考慮する必要がある。
【００６０】
以上の内容を鑑みて、誘電体５ｐにおいて形成される定在波のモードがＴＥ（７、０）、ＴＥ（７、１）、ＴＥ（７、２）などとなる誘電体５ｐの形状について電磁界シミュレーションを行なった。この際、導入導波管４、スロットアンテナ６、スロット６ａおよび誘電体５ｐの形状、ならびに誘電体５ｐの比誘電率を入力することによって、マイクロ波の電界の強度および方向に関する分布が得られた。
【００６１】
いくつかの電磁界シミュレーション検討により、好適な誘電体５ｐの形状をひとつ抽出した。すなわち、誘電体５ｐの大きさは、２８３ｍｍ（Ｙ軸方向）、８０ｍｍ（Ｘ軸方向）、１５ｍｍ（Ｚ軸方向）となった。
【００６２】
また、スロット６ａの位置のみを変更して別に電磁界シミュレーションを行なった。その結果、誘電体５ｐに形成される定在波のモードはスロット６ａの位置にほとんど依存せず、概ねＴＥ（７、１）モードとなることが分かった。また、誘電体５ｐに形成されるマイクロ波の波長は約７７ｍｍとなった。すなわち、内部空間２０で形成される定在波の腹は、約７７ｍｍの間隔で現われ、誘電体５ｐで形成される定在波の腹は、約３９ｍｍの間隔で現われることが分かった。
【００６３】
したがって、内部空間２０および誘電体５ｐの双方において定在波の腹が形成される位置により多くのスロット６ａを設けることを考えた場合、Ｙ座標が７２ｍｍ、１４９ｍｍ、２２６ｍｍの位置にスロット６ａを設ければ良い。そこで、スロットアンテナ６全体では、Ｙ座標が−２２６ｍｍ、−１４９ｍｍ、−７２ｍｍ、７２ｍｍ、１４９ｍｍ、２２６ｍｍの位置にスロット６ａを設けることとした。
【００６４】
スロット６ａのＹ軸方向の長さに関しては、処理室１３に向けたマイクロ波の放射量に影響を与える。そこで、シミュレーションを行なうことによって、スロット６ａの各々から処理室１３に向けて放射されるマイクロ波の放射量が概ね均一になるように、スロット６ａのＹ軸方向の長さを決定した。
【００６５】
以上のシミュレーションによって得られた形状を有するプラズマプロセス装置において、実際に電界測定を行なってみた。その結果、マイクロ波のエネルギーを効率良く処理室１３に導入できることを確認できた。
【００６６】
また、誘電体５におけるマイクロ波の波長は約７８ｍｍとなり、シミュレーションで示された誘電体におけるマイクロ波の波長とわずかに異なる値となった。しかし、たとえば内部空間２０に形成される定在波の腹Ｆ７の位置と、誘電体５ｐに形成される定在波の腹ｄ７の位置とを一致させた場合、その両側に位置する定在波の腹の位置の誤差は１ｍｍ程度である。この値はマイクロ波の波長に比べれば十分に短いと言える。加えて、スロット６ａはある程度の大きさ（Ｙ軸方向の長さ）で形成されていることを考慮すると、この程度の誤差であればマイクロ波の伝播効率にさほど大きな影響を及ぼすことはなかったと考えられる。
【００６７】
以上説明したような設計指針で決定した位置に所定の大きさを有するスロット６ａを設けることによって、マイクロ波のエネルギーを効率的に処理室１３に導入することができた。これにより、プラズマを生成できる条件（圧力範囲など）を広げることができ、さらにより少ない電力でプラズマを生成できるプラズマプロセス装置を構成することができた。
【００６８】
なお、導入導波管４および誘電体５のサイズならびにスロット６ａの数などは、プラズマプロセス装置のサイズに応じて設計されるものであり、上述の値に限定されるものではない。また、導入導波管４のＥ面（方形導波管において電界に平行な面）にスロットを設けたが、Ｈ面（方形導波管において磁界に平行な面）にスロットを設けても同様の効果が得られる。内部空間２０におけるマイクロ波の波長に変化がないためである。
【００６９】
また、誘電体５を形成する材料として、ＡｌＮまたはＳｉＯ２などの誘電体を用いても良い。誘電体５を形成する材料を選択することにより誘電体５の比誘電率を変えることができる。また、誘電体５を同じアルミナを主成分として形成する場合であっても、アルミナの成分比や副成分の組成を変化させることによって誘電体５の比誘電率を調整することができる。これにより、誘電体５の形状および大きさは同一であっても、所定の比誘電率を有する誘電体を誘電体５の材料として選択することによって、誘電体５におけるマイクロ波の波長を所望の値にすることができる。このため、プラズマプロセス装置を設計する際の自由度を向上させることができる。また、内部空間２０に誘電体を装填することによって、内部空間２０の比誘電率を適宜調整することができる。この場合、プラズマプロセス装置を設計する際の自由度をさらに向上させることができる。
【００７０】
また、１箇所の内部空間２０に対して誘電体５を２箇所設ける場合について説明したが、上述の設計指針に従ってスロット６ａを設ける限り、誘電体５の数にかかわらず、マイクロ波の伝播効率に優れたプラズマプロセス装置を構成することができる。
【００７１】
また、本実施の形態では、プラズマプロセス装置をドライエッチング装置として使用する場合について説明したが、本発明はスロットアンテナを用いてマイクロ波を効率的に処理室に向けて放射する技術であるため、成膜装置およびアッシング装置などプラズマ処理を行なう全てのプラズマプロセス装置に適用することができる。
【００７２】
続いて、本実施の形態に従ったプラズマプロセス装置による効果を確認するため、比較のためのシミュレーションを行なった。図４から図６は、比較のためのシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波とスロットとの位置関係を示す模式図である。比較のためのシミュレーションでは、内部空間２０および誘電体５に形成させる定在波とスロット６ａとの位置関係を変えて、それぞれの位置関係におけるマイクロ波の伝播効率を比較した。
【００７３】
図４を参照して、内部空間２０および誘電体５において形成される定在波の節の位置を一致させ、その位置にスロット６ａを設けた。この場合、マイクロ波の伝播効率は極めて低い値となった。スロット６ａに侵入する際、マイクロ波のエネルギーの大部分がスロットアンテナ６によって反射されたためと考えられる。
【００７４】
図５を参照して、内部空間２０において形成される定在波の腹の位置にスロット６ａを設けた。但し、誘電体５において形成される定在波の節の位置にスロット６ａを設けた。この場合、マイクロ波の伝播効率は、本実施の形態に従ったシミュレーション結果よりはるかに低い値となったが、図４に示すシミュレーション結果よりは高い値となった。マイクロ波のエネルギーは、内部空間２０からスロット６ａには効率良く伝播するが、スロット６ａから誘電体５に侵入する際にマイクロ波のエネルギーの大部分が反射されたためと考えられる。
【００７５】
図６を参照して、内部空間２０において形成される定在波の腹の位置にスロット６ａを設けた。但し、誘電体５において形成される定在波の腹および節の位置とはずれてスロット６ａを設けた。この場合、マイクロ波の伝播効率は、本実施の形態に従ったシミュレーション結果よりはるかに低い値となったが、図４および図５に示すシミュレーション結果よりは高い値となった。図５に示す場合と同様に、スロット６ａから誘電体５に侵入する際にマイクロ波のエネルギーが反射されるが、その反射量が図５に示す場合よりも小さかったためと考えられる。
【００７６】
（実施の形態２）
実施の形態２におけるプラズマプロセス装置は、基本的には実施の形態１におけるプラズマプロセス装置と同様の構造を備える。但し、実施の形態２におけるプラズマプロセス装置では、内部空間２０および誘電体５の内部に形成され、同一のスロット６ａを挟んで位置する定在波の腹において、電界の方向が同一となるようにスロット６ａが設けられている。
【００７７】
この発明の実施の形態２に従ったプラズマプロセス装置は、スロット６ａが設けられた同一の地点を投影する第１および第２の定在波の腹が形成される位置において、第１および第２の定在波の電界の方向がほぼ同一である。
【００７８】
このように構成されたプラズマプロセス装置によれば、複数の開口部のうちどの開口部においても電界の向きの変化を小さくできるため、反射波を最小限に抑えることができる。これにより、マイクロ波のエネルギーをさらに効率良く処理室１３に導入することができる。
【００７９】
以下において、本実施の形態におけるプラズマプロセス装置を実際に設計するために、コンピュータシミュレーションを行なった。図７は、実施の形態２におけるシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波の電界強度を示す断面図である。図７は、実施の形態１における図３に相当する断面図である。なお、図７中に記載された略円形および略円形の中心に描かれた記号については、実施の形態１に記載の図３の説明と同様に理解するものとする。
【００８０】
図７を参照して、導入導波管４によって形成される内部空間２０の大きさを１６ｍｍ（Ｘ軸方向）、５３０ｍｍ（Ｙ軸方向）、７１．５ｍｍ（Ｚ軸方向）とした。この場合、内部空間２０に形成されるマイクロ波の波長λｐは約２３４ｍｍとなり、内部空間２０には、約１１７ｍｍの間隔で定在波の腹Ａ５からＥ５が形成された。定在波の腹Ａ５からＥ５における電界主成分の方向はＸ軸方向となり、隣り合う定在波の腹において電界の方向は逆向きとなった。
【００８１】
一方、誘電体５には、実施の形態１におけるシミュレーションによって得られた形状を有する誘電体５ｐおよび５ｑを用いることとした。誘電体５ｐに形成されるマイクロ波の波長λｑは約７７ｍｍとなり、誘電体５ｐには、約３９ｍｍの間隔で定在波の腹ａ７からｇ７が形成された。内部空間２０において形成される定在波の腹Ｄ５およびＥ５の位置と、誘電体５ｐにおいて形成される定在波の腹ｂ７およびｅ７の位置とはそれぞれ一致した。この誘電体５ｐにおいても、定在波の腹ａ７からｇ７における電界主成分の方向はＸ軸方向となり、隣り合う定在波の腹において電界の方向は逆向きとなった。
【００８２】
そこで、同一のスロット６ａを挟んだ定在波の腹における電界の向きを同じ方向にすることを考慮し、内部空間２０に形成される定在波の腹Ａ５、Ｂ５、Ｄ５およびＥ５の直下にスロット６ａを形成した。
【００８３】
以上のシミュレーションによって得られた形状を有するプラズマプロセス装置において、実際に電界測定を行なってみた。その結果、マイクロ波のエネルギーをさらに効率良く処理室１３に導入できることを確認できた。
【００８４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に従えば、スロットアンテナの開口部を通過するマイクロ波の伝播効率を向上させることによって、マイクロ波のエネルギーを効率良く処理室に導入できるプラズマプロセス装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１におけるプラズマプロセス装置を示す断面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿った断面図である。
【図３】実施の形態１におけるシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波の電界強度を示す断面図である。
【図４】比較のためのシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波とスロットとの位置関係を示す模式図である。
【図５】比較のためのシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波とスロットとの位置関係を示す別の模式図である。
【図６】比較のためのシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波とスロットとの位置関係を示すさらに別の模式図である。
【図７】実施の形態２におけるシミュレーションにおいて、内部空間および誘電体に形成される定在波の電界強度を示す断面図である。
【図８】特許文献１に開示されているマイクロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。
【図９】特許文献２に開示されているプラズマ処理装置を示す断面図である。
【符号の説明】
４  導入導波管、５  誘電体、６  スロットアンテナ、６ａ  スロット、１３処理室、２０  内部空間。
【図１】
2004265954.tif 000005
【図２】
2004265954.tif 000006
【図３】
2004265954.tif 000007
【図４】
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【図５】
2004265954.tif 000009
【図６】
2004265954.tif 000010
【図７】
2004265954.tif 000011
【図８】
2004265954.tif 000012
【図９】
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