(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に所定のガスが導入されるプラズマ発生容器と、プラズマ発生容器内に導入されたガスに高周波エネルギーを与えてプラズマを発生させる高周波供給系とを有するプラズマ発生機であって、
前記高周波供給系は、所定の周波数の高周波を発生させる高周波電源と、高周波電源が発生させた高周波を共振させる共振器と、共振器で共振している高周波を前記プラズマ発生容器内に導入する高周波導入部とを備えており、前記高周波導入部から導入された高周波がプラズマ発生容器内で伝搬するのを規制する規制用素子が設けられており、
前記プラズマ発生容器は当該プラズマ発生容器の壁部を構成する誘電体板を含んでおり、前記規制用素子はこの誘電体板の表面に沿った前記高周波の伝搬を規制するものであり、
前記共振器及び前記規制用素子は、前記プラズマ発生容器の壁部を構成する誘電体板の外に設けられており、
前記規制用素子は、前記高周波を反射して規制するものであり、
前記規制用素子は、前記高周波の伝搬方向に対して分岐した回路を成すＴ形結合回路を前記共振器の周りに周状に形成することで構成されていることを特徴とするプラズマ発生機。
【請求項２】
前記規制用素子は、前記共振器を取り囲む環状の端板と、端板によって短絡される二重筒を成す一対の板とで形成されており、二重筒を成す一対の板は、前記共振器の側板と前記共振器を取り囲んで配置された筒状の第一の板であるか、又は前記共振器を取り囲んで配置された筒状の第一の板と第一の板を取り囲んで配置された筒状の第二の板であり、
端板は、二重筒の軸方向に変位可能に設けられていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生機。
【請求項３】
前記共振器は円筒形であり、前記端板は前記共振器と同軸の円環状であり、前記二重筒は前記共振器と同軸の二重円筒状であり、前記規制用素子は、軸方向の断面で見たときに完全反射型のＴ結合回路を形成することが可能となっていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ発生機。
【請求項４】
前記規制用素子は、非軸対称なモードでの伝搬が抑制された同軸導波管を形成していることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生機。
【請求項５】
前記規制用素子は複数設けられており、
複数の規制用素子のうち、前記共振器の軸に最も近い位置の第一の規制用素子は、前記共振器を取り囲む環状の第一の端板と、第一の端板によって短絡される二重筒を成す第一の一対の板とで形成されており、
第一の端板は、前記二重筒の軸方向に変位可能に設けられており、
複数の規制用素子のうち、第一の規制用素子を取り囲んで配置された第二の規制用素子は、前記第一の端板の外側で前記共振器を取り囲む環状の第二の端板と、第二の端板によって短絡される二重筒を成す第二の一対の板とで形成されており、
第二の端板は、前記二重筒の軸方向に変位可能に設けられており、
前記第一の端板の変位及び前記第二の端板の変位は、独立して制御可能であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生機。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載のプラズマ発生機を備え、発生させたプラズマにより対象物を処理するものであることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
発生させたプラズマによって処理される所定の位置に前記対象物である基板を保持する基板ホルダーが設けられており、前記規制用素子は、基板ホルダーに保持された基板に平行な面内の方向に前記高周波が伝搬するのを規制するものであることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記共振器及び前記高周波導入部は、基板ホルダーに保持された基板の中心軸に対して対称であり、前記規制用素子は、当該中心軸から遠ざかる方向への高周波の伝搬を規制するものであることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、高周波エネルギーによってプラズマを発生させるプラズマ発生機及び発生させたプラズマを利用して対象物を処理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】
プラズマを利用して半導体ウェーハや液晶基板等の基板の表面に所定の処理を施す装置は、プラズマＣＶＤ（化学的気相成長）装置やプラズマエッチング装置等として広く知られている。このような装置では、処理速度を高めるなどの要請から高密度プラズマを生成する必要があり、しかも、不純物の混入を防止するなどの観点から、より低い圧力で高密度プラズマを形成することが要求されている。
【０００３】
このようなプラズマ処理装置においてプラズマを発生させるプラズマ発生機としては、高周波エネルギーによってプラズマを発生させるタイプのものが頻繁に採用されている。最近の例としては、高周波を導く導波管に設置したスロットアンテナを用いてプラズマ発生容器内に高周波を導入してプラズマを発生させる方式が提案されている。図５を使用してこの種の従来の技術の構成について説明する。図５は、従来のプラズマ発生機及びプラズマ処理装置の一例を示す正面概略図である。
【０００４】
図５に示すプラズマ発生機は、内部に所定のガスが導入されるプラズマ発生容器１と、プラズマ発生容器１内に導入されたガスに高周波エネルギーを与えてプラズマを形成する高周波供給系２とから構成されている。そして、プラズマ処理装置は、このプラズマ発生機を備えるとともに、発生させたプラズマによって処理される所定の位置に基板９を保持する基板ホルダー３を備えている。
【０００５】
プラズマ発生容器１は、真空容器であり、内部に所定のガスを導入するガス導入系４を有している。基板ホルダー３は、このプラズマ発生容器１内の所定の位置に基板９を保持するようになっている。
高周波供給系２は、所定の周波数の高周波を発生させる高周波電源２１と、高周波電源２１が発生させた高周波をプラズマ発生容器１内に導入する高周波導入部２２と、高周波電源２１から高周波導入部２２に高周波を導く導波管２３とから主に構成されている。
【０００６】
プラズマ発生容器１の一部は誘電体板１１となっており、高周波導入部２２は、この誘電体板１１を通してプラズマ発生容器１内のガスに高周波エネルギーを供給するようになっている。図５に示す例では、高周波導入部２２の構成はスロットアンテナとなっている。高周波導入部２２に用いられたスロットアンテナの構成は、M. Nagatsu et. al.,“Control of antenna coupling and boundary conditions in surface-wave plasma production”, Proceedings of the 15th Symposium on Plasma Processing, p566-569にその一例が説明されている。
【０００７】
図５に示す装置では、ガス導入系４によって所定のガスをプラズマ発生容器内１に導入している状態で、高周波電源２１を動作させ高周波を発生させる。発生させた高周波は導波管２３により導かれ、高周波導入部２２からプラズマ発生容器１内に導入される。この結果、プラズマ発生容器１内のガスに高周波エネルギーが与えられて高周波放電が生じ、プラズマが発生する。そして、プラズマの作用によって基板９の表面に所定の処理が施される。例えば成膜処理を行う場合は、プラズマ中で分解して生成された化学種が基板９の表面に到達することで所定の薄膜が作成されることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなプラズマ処理装置の進展に付随する一つの傾向として、処理される基板の大型化という点がある。基板が半導体デバイス製造用のウェーハである場合、一枚の基板からより多くのデバイスを産出して生産性を高める必要性から、基板は大型化する傾向にある。また、液晶基板等のディスプレイ用の基板の場合には、表示面積の大きなディスプレイを製造する必要性から同様に基板が大型化する傾向がある。
【０００９】
基板が大型化すると、これに伴い、プラズマを発生させる空間領域（以下、プラズマ発生領域）も大きくならざるを得ない。つまり、基板と平行な面方向に沿って広い領域でプラズマを発生させる必要がある。しかしながら、広い領域に均一な密度でプラズマを発生させることは一般的に困難であり、プラズマ発生領域が広くなると、プラズマ密度の均一性が低下する問題が生ずる。尚、プラズマ発生領域とは、プラズマが当初発生する領域の他、当初はプラズマは存在していなかったが、プラズマが拡散した結果プラズマ状態となった領域も含む。
【００１０】
一方、上述したようなプラズマを利用したプラズマ処理装置では、プラズマ発生容器の内壁面付近にまでプラズマ発生領域が広がると、内壁面に対してプラズマが悪影響をもたらす問題がある。即ち、プラズマ中のイオンが内壁面に衝突すると、内壁面をスパッタエッチングしてしまう場合がある。スパッタエッチングにより放出されたプラズマ発生容器の材料は、パーティクル（基板の表面を汚損する微粒子の総称）となる。このパーティクルが基板の表面に付着すると、基板の表面を汚損し、処理の品質を低下させる問題が生ずる。尚、プラズマが発生している領域とプラズマが発生していない領域との境界部分には、いわゆるプラズマシースが形成される。従って、厳密な意味でプラズマ発生領域がプラズマ発生容器の内壁面に接触してしまうことはない。
【００１１】
また、ＣＶＤやエッチング等を行う装置では、プラズマの作用によりプラズマ発生容器の内壁面に堆積物が生ずる問題がある。例えば、プラズマエッチング装置では、ＣＦ4 等のフッ化炭素系のガスを導入して基板の表面をエッチングする場合があるが、この際にプラズマ発生容器の内壁面に炭素重合膜が堆積することがある。炭素重合膜がある程度の厚さになると、自重や内部応力により剥離してパーティクルとなる。このパーティクルが基板の表面に付着すると、回路欠陥等の障害を発生させる恐れがある。ＣＶＤ装置においても、薄膜が基板の表面のみならずプラズマ発生容器の内壁面に堆積してしまう問題がある。
【００１２】
このようなプラズマ生成容器の内壁面への薄膜の堆積は、プラズマが関与している場合が多い。つまり、プラズマ中のイオンが内壁面に入射しており、その入射イオンのエネルギーによって最終的に薄膜に成長している。薄膜に成長する前の段階の化学種（プリカーサ）が内壁面に到達していても、イオン入射の無いところでは薄膜が堆積しないことが多い。従って、プラズマ発生領域がプラズマ発生容器の内壁面付近にまで広がらないようにすることは、内壁面への膜堆積を抑制する意味で重要な意義を有する。
【００１３】
さらに、発生させるプラズマの密度を高くして処理を高速化させることは、生産性の向上の点から重要な技術課題となっている。プラズマ発生領域が不必要に広くなると、プラズマ密度が低下してしまい、処理速度が低下する。また、プラズマ発生容器の内壁面付近までプラズマ発生領域が広がると、内壁面における再結合等によりプラズマが損失する。このため、プラズマ密度が低下したり、プラズマ発生のためのエネルギー効率が悪くなったりする問題がある。このようなことから、プラズマ発生領域を必要な場所にのみ限定し、その中で高密度のプラズマを発生させる必要がある。
【００１４】
本願の発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、必要な領域に均一で高密度のプラズマを発生させることが可能な優れたプラズマ発生機を提供するとともに、このようなプラズマ発生機を備えて良質で高効率の処理が行えるプラズマ処理装置を提供する意義を有するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、内部に所定のガスが導入されるプラズマ発生容器と、プラズマ発生容器内に導入されたガスに高周波エネルギーを与えてプラズマを発生させる高周波供給系とを有するプラズマ発生機であって、
前記高周波供給系は、所定の周波数の高周波を発生させる高周波電源と、高周波電源が発生させた高周波を共振させる共振器と、共振器で共振している高周波を前記プラズマ発生容器内に導入する高周波導入部とを備えており、前記高周波導入部から導入された高周波がプラズマ発生容器内で伝搬するのを規制する規制用素子が設けられており、
前記プラズマ発生容器は当該プラズマ発生容器の壁部を構成する誘電体板を含んでおり、前記規制用素子はこの誘電体板の表面に沿った前記高周波の伝搬を規制するものであり、
前記共振器及び前記規制用素子は、前記プラズマ発生容器の壁部を構成する誘電体板の外に設けられており、
前記規制用素子は、前記高周波を反射して規制するものであり、
前記規制用素子は、前記高周波の伝搬方向に対して分岐した回路を成すＴ形結合回路を前記共振器の周りに周状に形成することで構成されているという構成を有する。
上記課題を解決するため、本願の請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記規制用素子は、前記共振器を取り囲む環状の端板と、端板によって短絡される二重筒を成す一対の板とで形成されており、二重筒を成す一対の板は、前記共振器の側板と前記共振器を取り囲んで配置された筒状の第一の板であるか、又は前記共振器を取り囲んで配置された筒状の第一の板と第一の板を取り囲んで配置された筒状の第二の板であり、
前記端板は、二重筒の軸方向に変位可能に設けられているという構成を有する。
上記課題を解決するため、本願の請求項３記載の発明は、前記請求項２の構成において、前記共振器は円筒形であり、前記端板は前記共振器と同軸の円環状であり、前記二重筒は前記共振器と同軸の二重円筒状であり、前記規制用素子は、軸方向の断面で見たときに完全反射型のＴ結合回路を形成することが可能となっているという構成を有する。
上記課題を解決するため、本願の請求項４記載の発明は、前記請求項３の構成において、前記規制用素子は、非軸対称なモードでの伝搬が抑制された同軸導波管を形成しているという構成を有する。
上記課題を解決するため、本願の請求項５記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記規制用素子は複数設けられており、
複数の規制用素子のうち、前記共振器の軸に最も近い位置の第一の規制用素子は、前記共振器を取り囲む環状の第一の端板と、第一の端板によって短絡される二重筒を成す第一の一対の板とで形成されており、
第一の端板は、前記二重筒の軸方向に変位可能に設けられており、
複数の規制用素子のうち、第一の規制用素子を取り囲んで配置された第二の規制用素子は、前記第一の端板の外側で前記共振器を取り囲む環状の第二の端板と、第二の端板によって短絡される二重筒を成す第二の一対の板とで形成されており、
第二の端板は、前記二重筒の軸方向に変位可能に設けられており、
前記第一の端板の変位及び前記第二の端板の変位は、独立して制御可能であるという構成を有する。
上記課題を解決するため、本願の請求項６記載の発明は、請求項１乃至５いずれかに記載のプラズマ発生機を備え、発生させたプラズマにより対象物を処理するものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、本願の請求項７記載の発明は、前記請求項６の構成において、発生させたプラズマによって処理される所定の位置に前記対象物である基板を保持する基板ホルダーが設けられており、前記規制用素子は、基板ホルダーに保持された基板に平行な面内の方向に前記高周波が伝搬するのを規制するものであるという構成を有する。
上記課題を解決するため、本願の請求項８記載の発明は、前記請求項７の構成において、前記共振器及び前記高周波導入部は、基板ホルダーに保持された基板の中心軸に対して対称であり、前記規制用素子は、当該中心軸から遠ざかる方向への高周波の伝搬を規制するものであるという構成を有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願のプラズマ発生機の発明の実施形態及びプラズマ処理装置の発明の実施形態を説明する正面概略図である。図１を使用して、まずプラズマ発生機の実施形態について説明する。
図１に示すプラズマ発生機は、内部に所定のガスが導入されるプラズマ発生容器１と、プラズマ発生容器１内に導入されたガスに高周波エネルギーを与えてプラズマを発生させる高周波供給系２とを有している。
【００１７】
プラズマ発生容器１は、気密な真空容器であり、排気系１２によって内部が排気されるようになっている。また、プラズマ発生容器１内に所定のガスを導入するガス導入系４が設けられている。
プラズマ発生容器１は、径の異なる円筒形の容器を二つ縦設したような形状である。プラズマ発生容器１の上壁部は、誘電体板１１で構成されている。高周波供給系２は、この誘電体板１１を通してプラズマ発生容器１の内部に高周波を供給するようになっている。
【００１８】
高周波供給系２は、所定の周波数の高周波を発生させる高周波電源２１と、高周波電源２１が発生させた高周波を共振させる共振器２４と、共振器２４で共振している高周波をプラズマ発生容器１内に導入する高周波導入部２２とを備えている。
高周波電源２１としては、２．４５ＧＨｚの高周波を発生させるものが使用されている。出力は、例えば２０００Ｗ程度である。
【００１９】
高周波電源２１が発生させた高周波は、導波路によって共振器２４に導かれるようになっている。導波路には、円形又は方形導波管（以下、単に導波管）２３と同軸線路２５とが使用されている。導波管２３の途中には、整合器２６が設けられている。整合器２６は、整合器２６から見た負荷側（プラズマ発生容器１側）のインピーダンスを所定の値にして、反射波を低減させる。整合器２６としては、本実施形態では、３スタブチューナーが使用されている。
同軸線路２５は、導波管２３の負荷側に接続され、高周波を導波管２３から共振器２４に伝搬するよう構成されている。導波管２３と同軸線路２５との接続部分では、損失を少なくして所定のモード変換が生じるようになっている。同軸線路２５内での伝搬モードは、ＴＥＭモードである。
【００２０】
共振器２４は、本実施形態では円筒型であり、ＴＥＭ011モードで共振するようになっている。共振器２４は、円筒形の側板２４１と、側板２４１の上端を塞ぐように設けられた上板２４２と、側板２４１の下端を塞ぐように設けられた下板２４３とから構成されている。共振器２４は、上板２４２の部分で同軸線路２５に接続されている。共振器２４は、プラズマ発生容器１の上側に配置されている。共振器２４の下板２４３は、プラズマ発生容器１の上壁部を構成する誘電体板１１の上面に接触している。
【００２１】
本実施形態における高周波導入部２２は、共振器２４で共振している高周波を、誘電体板１１を通してプラズマ発生容器１内に導入するようになっている。具体的には、図１に示すように、共振器２４の側板２４１と下板２４３とは接触しておらず、隙間が形成されている。この隙間は円周状であり、この隙間（以下、スロット）が高周波導入部２２を構成している。即ち、このスロットは、プラズマ発生容器１内のプラズマ発生領域に対して高周波を結合させるものであり、共振器２４内で共振している高周波がこのスロットを通してプラズマ発生容器１内に導入されるようになっている。
【００２２】
次に、本実施形態の大きな特徴点を成す規制用素子の構成について説明する。
本実施形態のプラズマ発生機の大きな特徴点は、高周波導入部２２から導入された高周波のプラズマ発生容器１内で伝搬するのを規制する規制用素子が設けられている点である。
本実施形態では、図１に示すように、三つの規制用素子５１，５２，５３が設けられている。より具体的に説明すると、共振器２４の外側には、共振器２４と同軸上に径の異なる三つの円筒板５１１，５２１，５３１が配置されている。三つの円筒板５１１，５２１，５３１を、共振器２４に近い順から、第一円筒板５１１、第二円筒板５２１、第三円筒板５３１とする。
【００２３】
共振器２４の側板２４１と第一円筒体５１１とによって形成される空間を上側で塞ぐようにして第一蓋板５１２が設けられている。また、第一円筒板５１１と第二円筒板５２１とによって形成される空間を上側で塞ぐようにして第二蓋板５２２が設けられている。さらに、第二円筒板５２１と第三円筒板５３１とによって形成される空間を上側で塞ぐようにして第三蓋板５３２が設けられている。
そして、共振器２４の側板２４１と第一円筒板５１１との間の空間内には、第一端板５１３が設けられている。第一端板５１３は、側板２４１と第一円筒板５１１の間隔に等しい幅の円環状の板である。第一端板５１３は、共振器２４の側板２４１と第一円筒板５１１とを繋いで両者を短絡させるよう設けられている。
【００２４】
第一端板５１３の上面には、第一保持棒５１４が固定されている。第一保持棒５１４は、第一蓋板を貫通している。第一保持棒５１４は、上下方向に移動することが可能となっている。第一保持棒５１４を移動させると、第一端板５１３が上下方向に変位するようになっている。第一保持棒５１４を任意の位置で停止させることができるようになっており、第一端板５１３を上下方向で任意の位置に位置させることが可能となっている。尚、第一保持棒５１４は複数設けられており、円周方向に等間隔をおいて第一端板５１３を保持している。
【００２５】
第一円筒板５１１と第二円筒板５２１とを繋いで両者を短絡させるようにして第二端板５２３が設けられている。第二端板５２３についても、第一保持棒５１４と同様の第二保持棒５２４が設けられている。さらに、第二円筒板５２１と第三円筒板５３１とを繋いで両者を短絡させるようにして第三端板５３３が設けられており、同様に第三保持棒５３４が第三端板５３３を保持している。各円筒板５１１，５２１，５３１、各蓋板５１２，５２２，５３２、各端板５１３，５２３，５３３及び各保持棒５１４，５２４，５３４は全て金属製であり、直流的には接地されている。
【００２６】
上述した共振器２４の側板２４１、第一乃至第三円筒板５１１，５２１，５３１、第一乃至第三端板５１３，５２３，５３３は、三つの規制用素子５１，５２，５３を構成している。即ち、共振器２４の側板２４１、第一円筒板５１１及び第一端板５１３によって第一規制用素子５１が構成されている。また、第一円筒板５１１、第二円筒板５２１及び第二端板５２３によって第二規制用素子５２が構成されている。そして、第二円筒板５２１、第三円筒板５３１及び第三端板５３３によって第三規制用素子５３が構成されている。
【００２７】
第一乃至第三規制用素子５１，５２，５３の原理及び作用について、以下に説明する。図２は、図１に示すプラズマ発生機に使用された規制用素子５１，５２，５３の原理について説明する図であり、図３は規制用素子５１，５２，５３の作用について説明する図である。本実施形態における規制用素子５１，５２，５３は、Ｔ形結合回路を応用したものとなっており、図２はＴ形結合回路の原理図となっている。
【００２８】
周知のように、対称Ｔ結合回路において、中央のポートを適当な長さで短絡すると、左右のポート間を完全整合即ち無減衰通過の状態にしたり、完全反射即ち動作減衰量無限大の状態にしたりすることができる。図２に示すＴ形結合回路は、方形導波管のＥ面（電界面）から分岐させ、分岐させたポートを短絡させたのと同等の回路となっている。図２において、左側のポートＰ１から高周波を導入する。中央のポートＰ3の長さＬを適当な値に設定すると、完全反射の状態となり、原理的には右側のポートＰ2に高周波は全く伝搬しない状態となる。
【００２９】
図１及び図３に示す一つの規制用素子５１，５２，５３は、この図２に示すＴ形結合回路を円周状に連ねたものと等価となっている。保持棒５１４，５２４，５３４は、端板５１３，５２３，５３３を共振器２４の下板２４３と同一平面上の位置（以下、通過位置）に位置させるとともに、端板５１３，５２３，５３３を上昇させ、上述したＴ形結合回路の完全反射状態に近い状態を達成する位置（以下、反射位置）に位置させることが可能となっている。尚、各端板５１３，５２３，５３３の周縁は、少なくとも通過位置及び反射位置において、共振器２４の側板２４１又は円筒板５１１，５２１，５３１に対して接触した状態を保つようになっている。
【００３０】
図３（１）に例示するように、第一第二端板５１３，５２３が通過位置にあり、第三端板５３３が反射位置にあるとする。高周波導入部２２から導入された高周波は、共振器２４の軸に垂直な面方向に沿って進む。この際、高周波は、第一端板５１３、第二端板５２３に沿って進むものの、第三端板５３３が位置する第二円筒板５２１と第三円筒板５３１との間の位置に達すると、上述した完全反射状態のＴ形結合回路と同様の原理によりその殆どが反射される。従って、図３（１）に示すようにプラズマＰは第三円筒板５３１の位置よりも内側に専ら発生し、第三円筒板５３１の位置よりも外側には実質的に発生しない。つまり、プラズマ発生領域が第三円筒板５３１の位置よりも内側に限定される。
【００３１】
また、図３（２）に示すように、第一端板５１３が通過位置にあり第二端板５２３が反射位置にあるとき、高周波は同様に第二円筒板５２１の位置よりも外側には伝搬せず、プラズマＰは第二円筒板５２１の位置よりも内側で発生する。尚、このとき、第三端板５３３は、通過位置にあることが望ましい。これは、第二規制用素子５２の両側の対称性を確保するためである。さらに、図３（３）に示すように、第一端板５１３が反射位置にあるとき、高周波は同様に第一円筒板５１１の位置よりも外側には伝搬せず、プラズマＰは第一円筒板５１１の位置よりも内側で発生する。この場合も、両側の対称性を確保する意味から、第二第三端板５２３，５３３は通過位置にあることが好ましい。
【００３２】
このように、反射位置に位置させる端板５１３，５２３，５３３を選択することにより、プラズマ発生領域の大きさを自在に調節することができる。本実施形態では三つの規制用素子５１，５２，５３を使用したが、さらに多くの規制用素子を設けると、さらに細かく調節を行うことができる。また、規制用素子５１，５２，５３の形状を色々工夫することで、プラズマ発生領域の形状を任意のものにすることができる。また、高周波を規制するか否かが独立して制御可能な状態で複数の規制用素子５１，５２，５３が設けられているので、プラズマ発生領域の大きさや形状、プラズマ密度の分布等をより細かく調節することができる。
【００３３】
このように、本実施形態のプラズマ発生機では、規制用素子５１，５２，５３によって高周波の伝搬を規制するため、プラズマ発生領域を任意の大きさ及び形状にすることができる。従って、例えばプラズマ密度の低い周辺部分をカットして均一性の高い中央部分のみを使用することで、高密度高均一性のプラズマを発生させることが可能である。
また、本実施形態における規制用素子５１，５２，５３は、プラズマ発生容器１の内壁面付近等の不必要な場所への高周波の伝搬を規制する。このため、プラズマ発生容器１の内壁面等をスパッタエッチングすることによるパーティクルの発生、内壁面等への膜堆積及びその剥離によるパーティクルの発生、内壁面等での損失によるプラズマ密度の低下やプラズマ発生効率の低下等の問題が防止される。
【００３４】
また、本実施形態では、高周波を反射させてその伝搬を規制するので、プラズマ密度をより均一化したりプラズマ密度をより向上させたりする効果がある。この点を以下に説明する。
図４は、本実施形態のプラズマ発生機を動作させた実験例の結果を示す図である。この図４は、第一規制用素子５１を構成する第一端板５１３の位置を変化させながら、プラズマ発生容器１内のプラズマ密度を測定した結果を示している。プラズマ密度は、プラズマ発生容器１の中心軸上であって誘電体板１１から１００ｍｍ下方の位置でラングミュアプローブを使用して測定された。図４の横軸は、第一端板５１３の位置であり、０ｍｍは共振器２４の下板２４３と面一の位置であり、数字が大きくなるに従って上方の位置であることを意味する。また、図４の縦軸は、プラズマ密度（ここではプラズマ中のイオンの数密度，×１０-12cm-3）である。尚、この実験では、アルゴンガスを導入してプラズマを形成した。プラズマ発生容器１内の圧力は２００ｍＴｏｒｒ、高周波電源２１の出力は１０００Ｗである。
【００３５】
図４に示すように、第一端板５１３が０〜１４ｍｍ程度の位置では、プラズマ密度は５〜６×１０12ｃｍ-3程度の低い値である。これは、高周波導入部２２から導入された高周波が第一規制用素子５１で反射せずにそのまま外側に伝搬する結果、プラズマ発生容器１の中央部分での高周波エネルギー密度は相対的に低くなったものと考えられる。
そして、第一端板５１３の位置が１５ｍｍを越えるあたりからプラズマ密度は急激に上昇し、２０ｍｍ程度でピークを迎える。これは、第一規制用素子５１が完全反射型のＴ形結合回路と同様に作用して高周波を反射させた結果、プラズマ発生容器１の中央部分での高周波エネルギー密度が高くなったものと考えられる。尚、第一端板５１３が２０ｍｍを越えると、プラズマ密度は６×１０12ｃｍ-3程度で安定する。これは、第一規制用素子５１が完全反射型のＴ形結合回路の条件を満たさなくなり、高周波の一部が反射し、残りが第一規制用素子５１を経由して外側に伝搬している状況を示していると考えられる。
【００３６】
いずれにしても、この図４の結果から解るように、規制用素子５１，５２，５３が高周波を反射して外側への高周波の伝搬を規制する結果、内側部分の高周波エネルギー密度が高くなり、内側部分のプラズマ密度を向上させる作用がある。この点は、プラズマ密度の均一化やプラズマ密度の向上に重要な意義を持っている。
つまり、例えば周辺部分のプラズマ密度の低い領域をカットするのに、高周波を吸収したり分岐させたりして規制すると、その分のエネルギーはプラズマ発生に利用されないので、高周波の損失となりプラズマ発生効率が悪くなる。一方、本実施形態のように高周波を反射させると、高周波を損失することなくプラズマ密度の低いところのエネルギー密度を向上させる。このため、プラズマ密度の向上とプラズマ密度の均一化とを同時に効果的に達成することができる。
【００３７】
尚、図４に示すように、第一端板５１３の位置の変化に従ってプラズマ密度が連続的に変化する領域があることが解る。従って、前述した通過位置と反射位置の他、各端板５１３，５２３，５３３を任意の位置に位置させることにより、プラズマ形成領域のプラズマ密度の分布を自在に調節できる。
また、共振器２４や各規制用素子５１，５２，５３をプラズマ発生容器１の外側に配置されているので、これらの部材のプラズマによる損傷が防止される。
【００３８】
上述したプラズマ発生機において、共振器２４における共振モードは、ＴＭ011モードのように軸対称なモードであることが好ましい。これは、高周波導入部２２からプラズマ発生容器１内に導入される高周波を軸対称な分布にしてより均一なプラズマを発生させる意味からである。尚、本実施形態では、共振器２４は円筒空洞共振器であったが、同軸共振器や方形空洞共振器等も使用できる。円筒空洞共振器は円形基板に、方形空洞共振器は方形基板に適している。
【００３９】
また、本実施形態における規制用素子５１，５２，５３は、実は同軸導波管を構成している。つまり、例えば第一規制用素子５１を例にすると、共振器２４の側板２４１は同軸導波管の内管を、第一円筒板５１１は同軸導波管の外管を構成している。三つの規制用素子５１，５２，５３を同軸導波管として見た場合、これらの規制用素子５１，５２，５３は、軸対称でないモードでの高周波の伝搬が抑制されるようにしておくことが好ましい。これは、軸対称でないモードでは、上述した完全反射状態のＴ形結合回路を期待通りに動作させることができないからである。従って、ＴＭ11モードなどの軸対称ではないモードでは伝搬しづらい構成とすることが好ましい。この構成は、高周波の周波数に対して各円筒板５１１，５２１，５３１の径や各端板５１３，５２３，５３３の位置を所定の値にすることで達成される。
【００４０】
尚、同軸導波管である各規制用素子５１，５２，５３は、共振状態で動作している場合もある。この場合も共振モードは軸対称のモードであることが好ましい。例えば、各規制用素子５１，５２，５３において、共振状態では高周波がＴＥＭモードで共振するよう構成することが好ましい。
また、高周波導入部２２は、上述した円周状のスロットには限られず、他の形状のスロットでもよい。また、スロット型のアンテナではなく、ロッド型のアンテナを使用することも可能である。
尚、高周波電源２１としては、上述した２．４５ＧＨｚ以外の周波数のものを使用することができることは勿論である。高周波の波長を決める主な要因の一つは、プラズマ発生空間の大きさであり、その大きさに適した周波数が選定される。具体的には、０．５ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ程度の範囲で任意の周波数が選定される。
【００４１】
次に、プラズマ処理装置の実施形態について説明する。
プラズマ処理装置は、上述した実施形態のプラズマ発生機を備え、対象物として半導体ウェーハ等の基板９を処理するものとなっている。プラズマ発生容器１内には、所定位置で基板９を保持する基板ホルダー３が設けられている。基板ホルダー３は、上面に基板９を載置して保持する台状の部材である。図１に示すように、基板ホルダー３に保持された基板９は誘電体板１１に対して水平である。従って、基板９は共振器２４の軸に対して垂直である。また、基板ホルダー３によって保持される位置は、基板９の中心軸が共振器２４の軸に一致する位置である。
【００４２】
基板ホルダー３には、必要に応じて基板９の温度を制御する基板温度制御機構が設けられる。例えば、プラズマからの熱を取り除いて基板９を所定温度に冷却する場合には、基板ホルダー３内に冷媒を流通させて基板９を冷却する構成とされる。また、基板９を所定温度に加熱する場合には、基板ホルダー３内にヒータを設ける。
【００４３】
処理の一例について、プラズマエッチングを行う場合について説明する。ガス導入系４によって、四フッ化炭素（ＣＦ4 ）及び水素（Ｈ2 ）を所定の流量で導入する。排気系１２によってプラズマ発生容器１内の圧力を所定の圧力に維持し、この状態で、高周波電源２１を動作させ２．４５ＧＨｚの高周波を２０００Ｗ程度の大きさでプラズマ発生容器１内に導入する。この結果、導入されたガスがプラズマ化し、プラズマ中でフッ化炭素系のラジカルやイオンが生成される。そして、イオンが基板９の表面に入射し、入射イオンのエネルギーを利用しながら基板９の表面の材料とラジカルとの反応が生じる。これにより、基板９の表面がエッチングされる。
【００４４】
本実施形態の装置は、上述した実施形態のプラズマ発生機を使用しているので、高密度高均一性のプラズマによって高速で均一性の高い処理を行うことができる。また、パーティクルの発生が抑制されているので、処理の品質も高くなる。
尚、規制用素子５１，５２，５３が基板９の表面の方向に沿った高周波の伝搬を規制するものである構成は、処理の均一性に影響を与える方向でのプラズマの不均一性を改善する技術的意義がある。また、基板９が共振器２４及び高周波導入部２２に対して同軸である構成は、高周波の軸対称性を利用することでさらに均一な処理を行う技術的意義がある。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１のプラズマ発生機によれば、高周波導入部から導入された高周波がプラズマ発生容器内で伝搬するのを規制する規制用素子が設けられているので、プラズマ発生領域の任意の大きさ及び形状にすることができるとともに、高密度高均一性のプラズマを発生させることが可能である。また、規制用素子が高周波を反射して規制するものであるので、プラズマ密度をさらに均一化したりプラズマ密度をさらに向上させたりする効果がある。また、共振器や規制用素子がプラズマ発生容器の外側に配置されているので、これらの部材のプラズマによる損傷が防止されるという効果がある。
また、請求項４のプラズマ発生機によれば、上記効果に加え、規制用素子が非軸対称なモードでの伝搬が抑制された同軸導波管を形成しているので、期待された完全反射型のＴ形結合回路の動作が充分に得られるという効果がある。
また、請求項５のプラズマ発生機によれば、上記効果に加え、各端板の変位が独立して制御可能なので、プラズマ発生領域の大きさや形状、プラズマ密度の分布等の調節がより細かく行えるという効果がある。
また、請求項６のプラズマ処理装置によれば、上記プラズマ発生機の発明の効果を得ながら対象物を処理することができるという効果がある。
また、請求項７のプラズマ処理装置によれば、上記効果に加え、処理の均一性に影響を与える方向でのプラズマの不均一性を改善するという効果が得られる。
また、請求項８のプラズマ処理装置によれば、上記効果に加え、高周波の軸対称性を利用することでさらに均一な処理が行えるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願のプラズマ発生機の発明の実施形態及びプラズマ処理装置の発明の実施形態を説明する正面概略図である。
【図２】図１に示すプラズマ発生機に使用された規制用素子５１，５２，５３の原理について説明する図である。
【図３】規制用素子５１，５２，５３の作用について説明する図である。
【図４】本実施形態のプラズマ発生機を動作させた実験例の結果を示す図である。
【図５】従来のプラズマ発生機及びプラズマ処理装置の一例を示す正面概略図である。
【符号の説明】
１  プラズマ発生容器
１１  誘電体板
１２  排気系
２  高周波供給系
２１  高周波電源
２２  高周波導入部
２３  導波管
２４  共振器
２４１  側板
２４２  上板
２４３  下板
２５  同軸線路
２６  整合器
３  基板ホルダー
４  ガス導入系
５１  第一規制用素子
５１１  第一円筒板
５１２  第一蓋板
５１３  第一端板
５１４  第一保持棒
５２  第二規制用素子
５２１  第二円筒板
５２２  第二蓋板
５２３  第二端板
５２４  第二保持棒
５３  第三規制用素子
５３１  第三円筒板
５３２  第三蓋板
５３３  第三端板
５３４  第三保持棒
９  基板
【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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