(57)【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処理室と、前記処理室に供給された反応ガスをプラズマ状態にするためのマイクロ波を前記処理室に導入するマイクロ波導入手段とを備えるプラズマプロセス装置であって、
前記マイクロ波導入手段は、前記マイクロ波を透過させる誘電体部材を含み、
前記誘電体部材を前記マイクロ波が透過する透過方向に対して、ほぼ垂直な方向における前記誘電体部材の断面形状は、ほぼ単一モードの前記マイクロ波を透過させることが可能な形状であり、
前記透過方向における前記誘電体部材の厚さＴは、前記誘電体部材を透過する前記単一モードのマイクロ波の波長をλ、任意の整数をｍとした場合、（λ×（２ｍ＋０．７）／４）≦Ｔ≦（λ×（２ｍ＋１．３）／４）という条件を満たし、
前記誘電体部材を透過する前記単一モードのマイクロ波の波長λは、空気または真空中の自由空間を伝播する前記マイクロ波の波長をλ０、前記誘電体部材の比誘電率をεｒ、前記誘電体部材の前記断面形状における長辺長さをＬ１、前記誘電体部材の前記断面形状における短辺長さをＬ２とした場合、（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））／ＳＱＲＴ（１−（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））２／２×（（７／Ｌ１）２＋（１／Ｌ２）２））という式により決定される、プラズマプロセス装置。
【請求項２】
前記透過方向に対してほぼ垂直な方向における前記誘電体部材の断面形状はほぼ矩形状である、請求項１に記載のプラズマプロセス装置。
【請求項３】
前記透過方向における前記誘電体部材の厚さＴは、前記誘電体部材を透過する前記単一モードのマイクロ波の波長λのほぼ（（２ｍ＋１）／４）倍である、請求項１または２に記載のプラズマプロセス装置。
【請求項４】
マイクロ波を利用する処理装置であって、
実質的に単一モードのマイクロ波を透過させる誘電体部材を備え、
前記誘電体部材を前記マイクロ波が透過する透過方向における前記誘電体部材の厚さＴは、前記誘電体部材を透過する前記単一モードのマイクロ波の波長をλ、任意の整数をｍとした場合、（λ×（２ｍ＋０．７）／４）≦Ｔ≦（λ×（２ｍ＋１．３）／４）という条件を満たし、
前記誘電体部材を透過する前記単一モードのマイクロ波の波長λは、空気または真空中の自由空間を伝播する前記マイクロ波の波長をλ０、前記誘電体部材の比誘電率をεｒ、前記誘電体部材の前記透過方向に垂直な方向での断面形状における長辺長さをＬ１、前記誘電体部材の前記断面形状における短辺長さをＬ２とした場合、（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））／ＳＱＲＴ（１−（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））２／２×（（７／Ｌ１）２＋（１／Ｌ２）２））という式により決定される、処理装置。
【請求項５】
前記透過方向に対してほぼ垂直な方向における前記誘電体部材の断面形状は、実質的に単一モードの前記マイクロ波を透過させることが可能な形状である、請求項４に記載の処理装置。
【請求項６】
前記透過方向に対してほぼ垂直な方向における前記誘電体部材の断面形状はほぼ矩形状である、請求項５に記載の処理装置。
【請求項７】
前記誘電体部材の厚さＴは、前記単一モードのマイクロ波の波長λのほぼ（（２ｍ＋１）／４）倍である、請求項４〜６のいずれか１項に記載の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマプロセス装置および処理装置に関し、より特定的には、マイクロ波を利用したプラズマプロセス装置および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子や液晶表示装置の製造工程において、半導体素子や液晶表示装置の基板に成膜処理やエッチング処理を行なうために、プラズマを利用したプラズマプロセス装置が用いられている。近年、半導体素子や液晶表示装置の基板の大型化に伴って、大面積の基板を処理することが可能なプラズマプロセス装置が開発されている。特に、液晶表示装置については、基板サイズが１ｍ角以上の矩形状基板を利用することが研究されているため、このような大型の基板を処理することが可能なプラズマプロセス装置が開発されている。このようなプラズマプロセス装置においては、プロセスの均一性および制御性、すなわちプラズマの均一性および制御性を向上させることが大きな課題の一つとなっている。
【０００３】
ここで、誘導結合型のプラズマ源やマイクロ波を利用したプラズマ源は、従来主に用いられていた容量結合型のプラズマ源とは異なり、プラズマ源と基板のバイアス状態とを独立に制御できるので、プロセスの制御における自由度が大きい。このため、上述したプロセスの均一性および制御性を考えると、従来主に用いられていた容量結合型のプラズマ源よりも、誘導結合型のプラズマ源やマイクロ波を利用したプラズマ源の方が広く用いられるようになってきている。
【０００４】
しかし、上述した方式のプラズマ源では、プラズマを発生させるためのエネルギーをプラズマ処理を行なう処理室の内部に供給する際に、誘電体窓など誘電体からなる部材を利用している。したがって、上記エネルギーを処理室内部に効率的に供給するためには、誘電体からなる部材の形状や大きさを適切に設定する必要がある。特に、マイクロ波のような波長の短い電磁波については、処理室のサイズよりその波長が充分小さいので、誘電体からなる部材のサイズや誘電体からなる部材を透過するマイクロ波のモードがマイクロ波の伝播効率に大きな影響を及ぼす。マイクロ波の伝播効率はプラズマの生成効率、すなわちプラズマを発生させることができるプロセス条件範囲の広さに影響を与える。
【０００５】
上記マイクロ波の伝播効率を最適化するため、誘電体からなる部材のサイズを規定した技術としては、たとえば特開平８−３１５９９８号公報が挙げられる。特開平８−３１５９９８号公報では、誘電体からなるマイクロ波透過部材の板厚を、マイクロ波透過部材中でのマイクロ波の波長の約１／２の整数倍とすることにより、マイクロ波の透過効率を最適化できるとしている。
【０００６】
また、プラズマを均一性良く生成するため、マイクロ波のモードを考慮した技術としては、たとえば特開平５−２７５１９６号公報が挙げられる。特開平５−２７５１９６号公報では、マイクロ波の伝播効率を高めるため、モードフィルタを用いて高次モードを含んだ複数のモードを有するマイクロ波の伝播モードの数を制限することで、ほぼ単一モードのマイクロ波を得ている。そして、この単一モードのマイクロ波を用いて均一性の高いプラズマを生成できるとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の技術においては、以下のような問題があった。
【０００８】
特開平８−３１５９９８号公報に開示された技術では、すでに述べたようにマイクロ波透過部材の板厚をマイクロ波の波長の約１／２の整数倍とすることが示されている。そして、上記特開平８−３１５９９８号公報においては、マイクロ波透過部材を構成する材料として石英が例示されるとともに、石英からなるマイクロ波透過部材中でのマイクロ波の波長として、石英の比誘電率を考慮した自由空間内でのマイクロ波の波長が用いられている。ところが、マイクロ波透過部材は有限の大きさを有するものである。したがって、マイクロ波透過部材中を伝播するマイクロ波の波長は、自由空間内を伝播するマイクロ波の波長より長くなる。さらに、マイクロ波のモードや形状により上記マイクロ波透過部材中を伝播するマイクロ波の波長は変化する。上記特開平８−３１５９９８号公報においては、このような点が考慮されていないため、マイクロ波の伝搬効率を効果的に最適化することが困難であると考えられる。
【０００９】
また、特開平５−２７５１９６号公報においては、すでに述べたように、高次モードを含んだ複数のモードを有するマイクロ波の伝播モードの数を制限することにより、ほぼ単一モードのマイクロ波を用いてプラズマの生成を行なっている。しかし、上記特開平５−２７５１９６号公報では、マイクロ波を伝播させる導波管内部においてマイクロ波をほぼ単一モードとすることが示されており、マイクロ波を伝播させる誘電体からなる部材の内部におけるマイクロ波のモードについては特に考慮されていない。このため、誘電体からなる部材中でのマイクロ波の伝播効率を効果的に向上させることが難しい場合があると考えられる。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、マイクロ波の伝播効率を高めることにより、プラズマを形成することができるプロセス条件範囲を拡大することが可能なプラズマプロセス装置および処理装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の１の局面における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処理室と、処理室に供給された反応ガスをプラズマ状態にするためのマイクロ波を処理室に導入するマイクロ波導入手段とを備えるプラズマプロセス装置であって、マイクロ波導入手段はマイクロ波を透過させる誘電体部材を含み、誘電体部材をマイクロ波が透過する透過方向に対してほぼ垂直な方向における誘電体部材の断面形状は、ほぼ単一モードのマイクロ波を透過させることが可能な形状であり、透過方向における誘電体部材の厚さＴは、誘電体部材を透過する単一モードのマイクロ波の波長をλ、任意の整数をｍとした場合、（λ×（２ｍ＋０．７）／４）≦Ｔ≦（λ×（２ｍ＋１．３）／４）という条件を満たす。また、誘電体部材を透過する単一モードのマイクロ波の波長λは、空気または真空中の自由空間を伝播するマイクロ波の波長をλ０、誘電体部材の比誘電率をεｒ、誘電体部材の上記断面形状における長辺長さをＬ１、誘電体部材の断面形状における短辺長さをＬ２とした場合、（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））／ＳＱＲＴ（１−（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））２／２×（（７／Ｌ１）２＋（１／Ｌ２）２））という式により決定される。
【００１２】
このようにすれば、誘電体部材におけるマイクロ波の透過効率を充分大きくすることができる。このため、マイクロ波の発生源として従来と同等の性能の装置を用いた場合に、誘電体部材を介して処理室の内部へ従来よりも効率的にマイクロ波を導入することができる。この結果、処理室内部においてプラズマを形成するための反応ガスの圧力を従来より低くしたような条件（つまり、従来ではプラズマを発生させることが困難であった条件）において、容易にプラズマを発生させることができる。また、誘電体部材でのマイクロ波の透過効率が向上することから、誘電体部材に伝播するマイクロ波のパワーを従来より小さくしても、処理室内部でプラズマを発生させることができる。したがって、プラズマを発生させることが可能なガス圧力やマイクロ波のパワーなどのプロセス条件の範囲を従来よりも広げることができる。
【００１３】
なお、誘電体部材の厚さＴが、上述した（λ×（２ｍ＋０．７）／４）≦Ｔ≦（λ×（２ｍ＋１．３）／４）という条件を満たさない場合、誘電体部材でのマイクロ波の透過効率が低下する（たとえば６０％以下になる）ので、プラズマを発生させるためのプロセス条件の範囲を広げることが困難になる。
【００１４】
また、ここでほぼ単一モードのマイクロ波を透過させる誘電体部材とは、単一モード（たとえばＴＥ（１，０）モード）のマイクロ波が誘電体部材に照射された場合、誘電体部材の内部でマイクロ波のモードが変換され、照射されたマイクロ波のモードとは異なる単一モード（たとえばＴＥ（２，１）モード）のマイクロ波を放射するような誘電体部材を含む。
【００１５】
上記１の局面におけるプラズマプロセス装置では、透過方向に対してほぼ垂直な方向における誘電体部材の断面形状がほぼ矩形状であることが好ましい。
【００１６】
この場合、ほぼ単一モードのマイクロ波が誘電体部材を確実に透過できる。このため、単一モードのマイクロ波をプラズマの形成工程において効率的に利用できる。
【００１９】
上記１の局面におけるプラズマプロセス装置では、透過方向における誘電体部材の厚さＴが誘電体部材を透過する単一モードのマイクロ波の波長λのほぼ（（２ｍ＋１）／４）倍であってもよい。
【００２０】
この場合、誘電体部材におけるマイクロ波の透過効率を特に向上させることができる。したがって、プラズマを形成することが可能なプロセス条件範囲を確実に拡大することができる。
【００２１】
上記１の局面におけるプラズマプロセス装置は、液晶表示装置の製造工程において用いられてもよい。
【００２２】
この発明の他の局面における処理装置は、マイクロ波を利用する処理装置であって、実質的に単一モードのマイクロ波を透過させる誘電体部材を備え、誘電体部材をマイクロ波が透過する透過方向における誘電体部材の厚さＴは、誘電体部材を透過する単一モードのマイクロ波の波長をλ、任意の整数をｍとした場合、（λ×（２ｍ＋０．７）／４）≦Ｔ≦（λ×（２ｍ＋１．３）／４）という条件を満たす。また、誘電体部材を透過する単一モードのマイクロ波の波長λは、空気または真空中の自由空間を伝播するマイクロ波の波長をλ０、誘電体部材の比誘電率をεｒ、誘電体部材の上記透過方向に垂直な方向での断面形状における長辺長さをＬ１、誘電体部材の断面形状における短辺長さをＬ２とした場合、（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））／ＳＱＲＴ（１−（λ０／ＳＱＲＴ（εｒ））２／２×（（７／Ｌ１）２＋（１／Ｌ２）２））という式により決定される。
【００２３】
このようにすれば、誘電体部材におけるマイクロ波の透過効率を充分大きくすることができる。このため、たとえば誘電体部材を介して処理装置の処理室内部にマイクロ波を導入するような場合、マイクロ波の発生源として従来と同等の性能の装置を用いても、処理室の内部へ従来よりも効率的にマイクロ波を導入することができる。この結果、処理室の内部においてマイクロ波を利用した処理を行なう場合、この処理におけるマイクロ波の利用効率を向上させることができる。
【００２４】
また、たとえばマイクロ波を利用して処理室内部においてプラズマを発生させる場合、本発明によれば処理室内部へマイクロ波を従来よりも効率的に導入することができるので、処理室内部においてプラズマを形成するための反応ガスの圧力を従来より低くしたような条件において、容易にプラズマを発生させることができる。また、誘電体部材でのマイクロ波の透過効率が向上することから、誘電体部材に伝播するマイクロ波のパワーを従来より小さくしても、処理室内部でプラズマを発生させることができる。したがって、プラズマを発生させることが可能なガス圧力やマイクロ波のパワーなどのプロセス条件の範囲を従来よりも広げることができる。
【００２５】
上記他の局面における処理装置では、透過方向に対してほぼ垂直な方向における誘電体部材の断面形状が実質的に単一モードのマイクロ波を透過させることが可能な形状であってもよい。
【００２６】
この場合、誘電体部材の断面形状を最適化することにより、ほぼ単一モードのマイクロ波が透過することが可能な誘電体部材を容易に実現できる。
【００２７】
上記他の局面における処理装置では、透過方向に対してほぼ垂直な方向における誘電体部材の断面形状がほぼ矩形状であってもよい。
【００２８】
この場合、ほぼ単一モードのマイクロ波が誘電体部材をほぼ確実に透過できる。したがって、単一モードのマイクロ波をプラズマの形成工程など所定の処理において効果的に利用できる。
【００３１】
上記他の局面における処理装置では、誘電体部材の厚さＴが単一モードのマイクロ波の波長λのほぼ（（２ｍ＋１）／４）倍であってもよい。
【００３２】
この場合、誘電体部材におけるマイクロ波の透過効率を特に向上させることができる。
【００３３】
上記他の局面における処理装置は、誘電体部材を透過したマイクロ波を利用して反応ガスをプラズマ状態にすることにより得られるプラズマを用いた処理を行なうものであってもよい。
【００３４】
上記他の局面における処理装置は、液晶表示装置の製造工程において用いられてもよい。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は、本発明によるプラズマプロセス装置の実施の形態１を示す断面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図３は、図１および２に示したプラズマプロセス装置において用いられる誘電体の形状を示す斜視模式図である。図１〜図３を参照して、本発明によるプラズマプロセス装置の実施の形態１を説明する。
【００３７】
図１〜図３を参照して、プラズマプロセス装置１８は、プラズマを用いた成膜処理あるいはエッチング処理などのプラズマ処理を行なう為の処理装置であり、アルミニウムまたはアルミニウムに被覆処理をほどこした部材などからなるプロセスチャンバ本体２と、プロセスチャンバ本体２の上部に配置されたチャンバ蓋１と、チャンバ蓋１の上部に配置された導入導波管４ａ、４ｂと、導入導波管４ａ、４ｂのそれぞれに接続された導波管３ａ、３ｂとを備える。プロセスチャンバ本体２とチャンバ蓋１とから処理室としてのチャンバが構成される。チャンバ内部１３には、被処理物である基板９を保持するための基板ホルダ７が配置されている。基板ホルダ７は金属などの導電体からなる。基板ホルダ７の下面には基板ホルダ７を支持する架台が設置されている。架台はプロセスチャンバ本体２の底壁を貫通するように配置されている。架台とプロセスチャンバ本体２との間には絶縁体１４が配置されている。プロセスチャンバ本体２と基板ホルダ７および架台との間は絶縁体１４により電気的に絶縁されている。また、基板ホルダ７は、架台を介して電源と電気的に接続されている。
【００３８】
チャンバ蓋１は、基板ホルダ７において基板９を搭載する面と対向する位置に配置されている。チャンバ蓋１とプロセスチャンバ本体２との間はガスケット１０によりシールされている。チャンバ蓋１には、平面形状が矩形状の開口部１５ａ、１５ｂが形成されている。開口部１５ａ、１５ｂには、図３に示すような形状の誘電体５ａ、５ｂがそれぞれ挿入、固定されている。誘電体５ａ、５ｂは、後述するようにほぼ単一モードのマイクロ波を透過させることができる形状に成形されている。誘電体部材としての誘電体５ａ、５ｂを構成する材料としては、たとえば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、あるいは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの材料を用いることができる。
【００３９】
チャンバ蓋１と誘電体５ａ、５ｂとの接合面にはガスケット１１が配置されている。このガスケット１１により、チャンバ蓋１と誘電体５ａ、５ｂとの間はシールされている。このように、ガスケット１０、１１が設置されているので、チャンバ内部１３はプラズマプロセス装置１８の外部と分離して気密性を保つことができるようになっている。したがって、プロセスチャンバ本体２に接続された真空ポンプ（図示せず）を用いてチャンバ内部１３の気体を排出することにより、圧力が１０-4Ｐａ〜１０-5Ｐａ程度の真空状態にチャンバ内部１３を保持することができる。
【００４０】
誘電体５ａ、５ｂ上には、複数のスロット１７が形成されたスロットアンテナ板６ａ、６ｂがそれぞれ配置されている。スロットアンテナ板６ａ、６ｂ上には導入導波管４ａ、４ｂがそれぞれ配置されている。導入導波管４ａ、４ｂの上部には導波管３ａ、３ｂが配置されている。導波管３ａ、３ｂは、図示していないがマイクロ波発振源であるマグネトロンと接続されている。マグネトロンと導波管３ａ、３ｂとの間は、アイソレータ、自動整合器、さらには直導波管、コーナ導波管、テーパ導波管、分岐導波管など所定の形状の導波管により接続されている。これらのアイソレータ、自動整合器、直導波管、コーナ導波管、テーパ導波管、分岐導波管などは、マイクロ波立体回路を構成する。マグネトロン、マイクロ波立体回路、導波管３ａ、３ｂ、導入導波管４ａ、４ｂ、スロットアンテナ板６ａ、６ｂおよび誘電体５ａ、５ｂがマイクロ波導入手段を構成する。マイクロ波立体回路の形状や寸法を調整することにより、導波管３ａ、３ｂにはＴＥ（１，０）モードなどの単一モードのマイクロ波が伝播される。
【００４１】
チャンバ蓋１において、開口部１５ａ、１５ｂの間に位置する領域には、チャンバ蓋１を貫通するようにガス供給用孔１６が形成されている。ガス供給用孔１６に接続するように、チャンバ蓋１の上部表面上にガス供給管１２が配置されている。ガス供給管１２は、図示していないが反応ガスあるいはプロセスガスなどのタンク、さらにこれらのガスを所定の流量でチャンバ内部１３に供給するための供給用ポンプなどと接続されている。チャンバ蓋１は接地されている。また、チャンバ蓋１、プロセスチャンバ本体２、基板ホルダ７などには、それぞれの部材の温度を所定の値に保つためヒータや冷却装置などの温度調節部材が設置されている。
【００４２】
次に、図１〜３に示したプラズマプロセス装置１８の動作を簡単に説明する。まず、図示していないマグネトロンからマイクロ波が発振される。マイクロ波の周波数としては、たとえば２．４５ＧＨｚという値が用いられる。このマイクロ波はアイソレータ、自動整合器、直導波管などからなるマイクロ波立体回路を介して導波管３ａ、３ｂにまで伝播される。導波管３ａ、３ｂに伝播するマイクロ波は、ＴＥ（１，０）モードなどの単一モードのマイクロ波である。そして、導入導波管４ａ、４ｂのサイズ（幅Ｗ１や高さＷ２など）を適切なサイズとなるように選択することにより、マイクロ波のモードをＴＥ（ｍ，０）モード（ｍは整数）などの単一モードのマイクロ波に変換することができる。そして、モードが変換されたマイクロ波はスロットアンテナ板６ａ、６ｂのスロット１７を介して誘電体５ａ、５ｂに導入される。
【００４３】
このとき、誘電体５ａ、５ｂの形状は、ほぼ単一モードのマイクロ波が透過できるような形状となっている。具体的には、図１〜３に示したプラズマプロセス装置１８では、チャンバ蓋１の上部表面側から見た誘電体５ａ、５ｂの上部表面の平面形状および誘電体５ａ、５ｂにマイクロ波が入射する方向に対してほぼ垂直な方向（チャンバ蓋１の上部表面とほぼ平行な方向）における断面形状が矩形状となっている。このため、プラズマの形成工程において単一モードのマイクロ波を効率的に利用できる。
【００４４】
また、誘電体５ａ、５ｂの厚さＴは、誘電体５ａ、５ｂの内部を伝播して出射する単一モードのマイクロ波の波長λgのほぼ（（２ｎ＋１）／４）倍（ｎは整数）の厚さとしている。なお、誘電体５ａ、５ｂの厚さＴは、（λg×（２ｎ＋０．７）／４）≦Ｔ≦（λg×（２ｎ＋１．３）／４）という条件を満たすことが好ましい。
【００４５】
スロット１７を介して誘電体５ａ、５ｂに導入されたマイクロ波は、誘電体５ａ、５ｂの内部でＴＥ（ｍ1，ｎ1）モード（ｍ1、ｎ1は整数）のほぼ単一モードのマイクロ波に変換される。そして、誘電体５ａ、５ｂの下部表面からチャンバ内部１３へとほぼ単一モードのマイクロ波が放射される。このようなほぼ単一のＴＥモードのマイクロ波は、均一なプラズマの形成に適している。
【００４６】
そして、誘電体５ａ、５ｂの内部におけるマイクロ波のモードがほぼ単一モードになる場合であって、かつ、上述のように誘電体５ａ、５ｂの厚さＴを設定した場合、チャンバ内部１３へ放射されるマイクロ波の放射効率を高くすることができることを発明者は見出した。すなわち、上述のように誘電体５ａ、５ｂの厚さＴを設定することにより、誘電体５ａ、５ｂの上部表面（大気側の面）に、マイクロ波の定在波の節を位置させることができると同時に、誘電体５ａ、５ｂの下部表面（真空に保たれたチャンバ内部１３側の面）においてマイクロ波の定在波の腹を位置させることができる。このようにすれば、誘電体５ａ、５ｂを透過するマイクロ波の透過効率を向上させることができるので、チャンバ内部１３へ放射されるマイクロ波の放射効率を高めることができる。
【００４７】
そして、プラズマプロセスに用いる反応ガスのタンクからガス供給管１２、ガス供給用孔１６を介してチャンバ内部１３へと反応ガスを導入する。チャンバ内部１３の圧力を所定の値になるように調節した後、上述のように誘電体５ａ、５ｂを介してマイクロ波をチャンバ内部１３へと導入する。この結果、チャンバ内部１３においてプラズマを生成することができる。そして、このプラズマを用いて基板９の表面に対して成膜処理あるいはエッチング処理などを行なうことができる。
【００４８】
このとき、誘電体５ａ、５ｂからチャンバ内部１３へと導入されるマイクロ波の放射効率が従来よりも高くなっているため、従来のプラズマプロセス装置を用いた場合より、チャンバ内部１３における反応ガスの圧力が低い場合や、マイクロ波のパワーが低い場合であってもチャンバ内部１３において放電を発生させることが可能になる。この結果、従来よりもガス圧やマイクロ波のパワーが低いような条件であってもチャンバ内部１３においてプラズマを発生させることができる。つまり、プラズマの生成可能なプロセス条件範囲を広げることができる。
【００４９】
ここで、図１〜３に示したプラズマプロセス装置におけるマイクロ波の導入部分の構造についてより詳しく説明する。図１〜３を参照して、導波管３ａ、３ｂは、たとえばＪＩＳ規格導波管のようにＴＥ（１，０）モードのみが伝搬できる断面形状を有している。そして、導入導波管４ａ、４ｂは、その上部表面中央に導波管３ａ、３ｂがそれぞれ接続される開口部を有している。導入導波管４ａ、４ｂは、それぞれ導波管３ａ、３ｂから導入される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として作用する。
【００５０】
導入導波管４ａ、４ｂにおいて、長手方向における内周側壁の間の距離Ｗ１はたとえば５３０ｍｍ、導入導波管４ａ、４ｂの長手方向と垂直な方向における内周側壁面の間の距離Ｗ８はたとえば１６ｍｍ、導入導波管４ａ、４ｂ下に位置するスロットアンテナ板６ａ、６ｂの上部表面から導入導波管４ａ、４ｂの上部の内壁面までの距離Ｗ２はたとえば１００ｍｍとすることができる。
【００５１】
そして、導入導波管４ａ、４ｂ下に配置されるスロットアンテナ板６ａ、６ｂには６ヵ所にスロット１７が形成されている。なお、スロット１７の数や配置はプロセス条件などに適合するように任意に変更することができる。
【００５２】
スロットアンテナ板６ａ、６ｂ下には、それぞれ誘電体５ａ、５ｂが配置されている。誘電体５ａ、５ｂの形状は、概略図３に示したようなものである。すなわち、図３を参照して、誘電体５ａにおいてマイクロ波の放射方向に対してほぼ垂直な方向に延在する上部表面の長さＷ３はたとえば５８０ｍｍ、幅Ｗ４はたとえば１１０ｍｍとすることができる。また、誘電体５ａにおいて、チャンバ内部１３と対向する表面の長さＷ５はたとえば５５１ｍｍ、幅Ｗ６は８１ｍｍとすることができる。誘電体５ｂの形状は、誘電体５ａの形状とほぼ等しい。図１〜図３からもわかるように、誘電体５ａ、５ｂのマイクロ波の放射方向に平行な方向における断面形状はいわゆる逆凸形状である。
【００５３】
そして、図１〜３に示したように単一モードのマイクロ波を透過する誘電体５ａ、５ｂにおいて、上述のように誘電体５ａ、５ｂの内部におけるマイクロ波の波長の（（２ｎ＋１）／４）倍（ｎは整数）となるようにその厚さＴを規定すれば、すでに述べたように従来よりも反応ガスの圧力やプラズマのパワーが低い場合において十分にプラズマを発生させることができる。発明者の研究によれば、上述のような誘電体５ａ、５ｂの厚さＴを規定することは、論理的には以下のように説明できると考えられる。
【００５４】
すなわち、図１〜図３に示したプラズマプロセス装置１８において、誘電体５ａ、５ｂのマイクロ波の放射方向にほぼ垂直な面の平面形状（誘電体５ａ、５ｂの上部表面の形状や、放射方向にほぼ垂直な方向における断面形状）から考えると、誘電体５ａ、５ｂにはおおむねＴＥ（７，１）モードの単一モードのマイクロ波が伝播すると考えられる。このとき、以下に示す矩形導波管の論理式である数式１を用いると、誘電体の内部のマイクロ波の波長を算出することができる。
【００５５】
【数１】
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【００５６】
ここで、たとえば誘電体５ａ、５ｂを構成する材料が酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）であり、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである場合の誘電体５ａ、５ｂの比誘電率が９という条件において、誘電体５ａ、５ｂの内部におけるＴＥ（６，１）モードのマイクロ波の波長は上記数式１から４４．８ｍｍと算出される。このマイクロ波の波長の（（２ｎ＋１）／４）倍（ｎは整数）の長さに相当する値となるように、誘電体５ａ、５ｂをマイクロ波が透過する方向に沿った方向における誘電体５ａ、５ｂの厚さＴを決定すれば、上述のようにマイクロ波の放射効率を高めることができる。
【００５７】
すなわち、たとえば誘電体５ａ、５ｂの厚さＴを、上述のマイクロ波の波長（４４．８ｍｍ）の（（２ｎ＋１）／４）倍（ｎは整数）の長さに対応する１１．２ｍｍ、あるいは３３．６ｍｍ程度の厚さとすれば、誘電体５ａ、５ｂにおけるマイクロ波の透過効率を高めることができる。なお、上記マイクロ波の波長に対して（ｎ／２）倍（ｎは整数）の長さに相当する２２．４ｍｍ程度の厚さＴとなるように誘電体５ａ、５ｂを形成した場合、誘電体５ａ、５ｂにおけるマイクロ波の透過効率は低くなっていた。
【００５８】
発明者は、図１〜３に示したプラズマプロセス装置における導波管３ａ、３ｂおよび導入導波管４ａ、４ｂなどの形状も考慮して、誘電体５ａ、５ｂのマイクロ波放射方向における厚さＴとマイクロ波透過効率（マイクロ波透過率）との関係をシミュレーションにより求めた。その結果を図４に示す。
【００５９】
図４は、誘電体の厚さとマイクロ波透過率との関係を表すグラフを示す図である。なお、この図４に示したデータは、誘電体５ａ、５ｂ中のマイクロ波の波長が上述のように４４．８ｍｍである場合のデータを示している。
【００６０】
図４からもわかるように、誘電体５ａ、５ｂの厚さＴが誘電体５ａ、５ｂ中のマイクロ波の波長λgのおおむね（（２ｎ＋１）／４）倍（ｎは整数）となるような場合（具体的には、誘電体５ａ、５ｂの厚さＴが約１１．２ｍｍや約３３．６ｍｍとなる場合）、マイクロ波透過率が極大値を示している。そして、図４からもわかるように、誘電体の厚さＴが（λg×（２ｎ＋０．７）／４）≦Ｔ≦（λg×（２ｎ＋１．３）／４）という条件を満たす場合、マイクロ波透過率は約６０％以上と充分な大きさになっていることがわかる。
【００６１】
なお、図１〜３に示したプラズマプロセス装置１８における誘電体５ａ、５ｂについては、平面形状（マイクロ波が伝搬する方向に対してほぼ垂直な方向における断面形状）が矩形状であればよい。また、マイクロ波の放射方向にほぼ平行な方向における誘電体５ａ、５ｂの断面形状は図１〜３に示した逆凸形状ではなく矩形状であってもよい。このようにしても、図１〜３に示したプラズマプロセス装置と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
なお、上述のような誘電体の厚さとマイクロ波透過率との相関関係は、図１〜３に示したような誘電体５ａ、５ｂとは異なる形状の誘電体に対しても適用することができる。たとえば、誘電体５ａ、５ｂの平面形状が矩形状以外の形状である場合、たとえば円形状の場合にも本発明は適用可能である。すなわち、誘電体５ａ、５ｂの平面形状が円形状である場合にも、誘電体５ａ、５ｂの平面形状がＴＭ（ｎ，ｌ）モード（ｎ、ｌは整数）などのほぼ単一モードのマイクロ波を伝播することが可能な形状であれば、上述のように誘電体の厚さを規定することで、マイクロ波の放射効率を高くすることができる。
【００６３】
具体的には、誘電体のマイクロ波の放射方向に平行な方向における厚さＴを、誘電体内を伝搬する上記単一モードのマイクロ波の波長λgの（（２ｎ＋０．７）／４）倍以上（（２ｎ＋１．３）／４）倍以下とする（ただし、ｎは整数）。また、より好ましくは、誘電体の厚さＴを、マイクロ波の波長λgの（（２ｎ＋１）／４）倍（ｎは整数）程度とする。このようにすれば、誘電体におけるマイクロ波の透過率を高めることができる。この結果、チャンバ内部１３においてプラズマを形成することが可能なプロセス条件の範囲を広げることができる。
【００６４】
また、プラズマプロセス装置１８において処理される基板９が大型の矩形状基板である場合、チャンバ蓋１において、基板９と対向する位置に複数の矩形状の誘電体を配置してもよい。この場合、チャンバ蓋１において、複数の矩形状の誘電体を基板９の大きさや形状などに適合するように容易に配置することかできる。このため、基板９と対向する領域において効果的にプラズマを発生させることができる。
【００６５】
また、図１〜３に示したプラズマプロセス装置１８ではスロットアンテナ板６ａ、６ｂを用いているが、スロットアンテナ板６ａ、６ｂを用いないようなプラズマプロセス装置においても本発明は適用可能である。すなわち、導入導波管４ａ、４ｂや誘電体５ａ、５ｂがいわゆるモード変換器の機能を有し、また誘電体がほぼ単一モードのマイクロ波を伝播できるような形状である場合、上述のように誘電体５ａ、５ｂのマイクロ波の放射方向における厚さＴを、誘電体内を伝播する単一モードのマイクロ波の波長λgの（（２ｎ＋０．７）／４）倍以上（（２ｎ＋１．３）／４）倍以下とする（ただし、ｎは整数）。このようにすれば、誘電体５ａ、５ｂにおけるマイクロ波の透過率を高めることができる。このため、チャンバ内部１３においてプラズマを発生させることが可能なプロセス条件の範囲を広げることができる。
【００６６】
また、図１〜図３に示したプラズマプロセス装置１８においては、マイクロ波源としてのマグネトロンから２．４５ＧＨｚという周波数のマイクロ波を放射させて用いているが、用いられるマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚに限定されるものではない。本発明は、用いられるマイクロ波の波長がプラズマプロセス装置１８のプロセスチャンバ本体２およびチャンバ蓋１からなるチャンバのサイズに比べて小さくなるような場合に適用可能である。
【００６７】
（実施の形態２）
図５は、本発明によるプラズマプロセス装置の実施の形態２を示す断面模式図である。図５は図２に対応する。図５を参照して、本発明によるプラズマプロセス装置の実施の形態２を説明する。
【００６８】
図５を参照して、プラズマプロセス装置１８は基本的には図１〜図３に示したプラズマプロセス装置と同様の構造を備えるが、誘電体１９ａ、１９ｂの配置および個数が異なる。図５に示したプラズマプロセス装置１８においては、導入導波管４ａの下に位置する領域に、導入導波管４ａの長手方向に沿って、チャンバ蓋１に２つの開口部２０ａ、２０ｂが形成されている。開口部２０ａ、２０ｂにはそれぞれマイクロ波の放射方向に対してほぼ垂直な方向における断面形状が矩形状の誘電体１９ａ、１９ｂが嵌めこまれている。また、導入導波管４ｂ（図１参照）の下においても、同様にチャンバ蓋１には２つの開口部が形成されている。そして、この２つの開口部には、それぞれ図５に示した誘電体１９ａ、１９ｂと同様の形状を有する誘電体が嵌め込まれている。
【００６９】
誘電体１９ａ、１９ｂについて、導入導波管４ａの長手方向にほぼ平行な方向における上部表面の長さＷ７はたとえば２８３ｍｍとすることができる。また、導入導波管４ａの長手方向とは垂直な方向における誘電体１９ａ、１９ｂの幅はたとえば８０ｍｍとすることができる。また、マイクロ波の放射方向に平行な方向における誘電体１９ａ、１９ｂの断面形状は、図５からもわかるようにほぼ逆凸形状となっている。
【００７０】
図５に示したようなプラズマプロセス装置についても、本発明の実施の形態１の場合と同様に誘電体１９ａ、１９ｂの厚さＴとマイクロ波透過率との関係をシミュレーションにより求めた。その結果を図６に示す。図６は、図５に示したプラズマプロセス装置において、誘電体の厚さと誘電体を透過してチャンバ内部に放射されるマイクロ波の透過率との関係を表わすグラフを示す図である。なお、シミュレーションの対象とした誘電体１９ａ、１９ｂのマイクロ波放射方向に対してほぼ垂直な方向における平面形状（断面形状）はほぼＴＥ（７，１）モードのマイクロ波を伝播することができるような形状となっている。
【００７１】
上記数式１を用いて、誘電体１９ａ、１９ｂ内におけるＴＥ（７，１）モードのマイクロ波の波長を計算すると、その波長は６８．９ｍｍとなる。そして、図６に示したグラフからもわかるように、上記誘電体１９ａ、１９ｂ内を伝播するマイクロ波の波長λgの（１／４）倍（１／４波長）に相当する１７．２ｍｍという値に誘電体１９ａ、１９ｂの厚さＴを設定した場合（誘電体の厚さＴをマイクロ波の波長λgの（（２ｎ＋１）／４）倍とする際、ｎ＝０とした場合）、マイクロ波の透過率が十分大きくなることがわかる。
【００７２】
【実施例】
上記実施の形態２に示したシミュレーション結果を確認するため、図５に示したプラズマプロセス装置において、誘電体１９ａ、１９ｂについて、その厚さＴが１５．０ｍｍと２７．５ｍｍである２種類の誘電体の試料を準備した。そして、これらの誘電体の試料を、それぞれプラズマプロセス装置１８に設置し、放電開始電力の値を測定した。測定条件としては、反応ガスを模擬するため、アルゴン（Ａｒ）ガスをチャンバ内部１３に供給した状態で放電を発生させた。アルゴンガスの流量条件は５００ｓｃｃｍ（０．５リットル／分）とした。その結果を図７に示す。
【００７３】
図７は、厚さの異なる誘電体の試料を用いた場合の放電範囲を表わすグラフを示す図である。図７を参照して、横軸はチャンバ内部でのガス圧を示し、縦軸はマイクロ波パワーを示している。そして、誘電体１９ａ、１９ｂの厚さＴが１５．０ｍｍの場合の放電範囲（プラズマを発生させる事が可能な条件範囲）の下限を実線で示している。また、誘電体１９ａ、１９ｂの厚さＴが２７．５ｍｍの場合の放電範囲の下限を点線で示している。
【００７４】
図７を参照して、誘電体１９ａ、１９ｂの厚さＴが１５．０ｍｍである試料を用いた場合の方が、厚さＴが２７．５ｍｍの試料を用いた場合よりもよりガス圧が低くかつマイクロ波のパワーが小さい領域において放電を発生させることが可能であることがわかる。つまり、誘電体１９ａ、１９ｂの厚さＴを１５．０ｍｍとした場合の方が、プラズマを発生させることが可能なプロセス条件範囲を広くすることが出来る。
【００７５】
なお、誘電体内のマイクロ波の波長λgが６８．９ｍｍである場合に、一方の試料としての誘電体の厚さＴの値である１５．０ｍｍは、上記波長λgの（（２ｎ＋０．７）／４）倍以上（（２ｎ＋１．３）／４）倍以下（ｎは整数）という数値範囲内に含まれるものである。具体的には、１５．０ｍｍという値はｎを０とした場合の上記数値範囲に含まれている。一方、他方の試料としてのもう一つの誘電体の厚さＴの値である２７．５ｍｍという数値は、上記数値範囲には含まれない。
【００７６】
このように、図５に示したプラズマプロセス装置においても、誘電体１９ａ、１９ｂの厚さＴを、誘電体内を伝播する単一モードのマイクロ波の波長λgの（（２ｎ＋０．７）／４）倍以上（（２ｎ＋１．３）／４）倍以下（ただし、ｎは整数）とした場合、誘電体１９ａ、１９ｂを透過するマイクロ波の透過率を向上させることができる。したがって、チャンバ内部１３におけるプラズマの放電範囲（プラズマを発生させることが可能なプロセス条件の範囲）を広げることができた。
【００７７】
今回開示された実施の形態および実施例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実施の形態および実施例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。
【００７８】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、誘電体を透過するマイクロ波の透過効率を向上させることができる。したがって、このマイクロ波をプラズマの形成に利用する場合、プラズマを発生させることが可能なガス圧やマイクロ波パワーなどのプロセス条件の範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるプラズマプロセス装置の実施の形態１を示す断面模式図である。
【図２】  図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【図３】  図１および２に示したプラズマプロセス装置において用いられる誘電体の形状を示す斜視模式図である。
【図４】  誘電体の厚さとマイクロ波透過率との関係を表すグラフを示す図である。
【図５】  本発明によるプラズマプロセス装置の実施の形態２を示す断面模式図である。
【図６】  図５に示したプラズマプロセス装置において、誘電体の厚さと誘電体を透過してチャンバ内部に放射されるマイクロ波の透過率との関係を表わすグラフを示す図である。
【図７】  厚さの異なる誘電体の試料を用いた場合の放電範囲を表わすグラフを示す図である。
【符号の説明】
１  チャンバ蓋、２  プロセスチャンバ本体、３ａ，３ｂ  導波管、４ａ，４ｂ  導入導波管、５ａ，５ｂ，１９ａ，１９ｂ  誘電体、６ａ，６ｂスロットアンテナ板、７  基板ホルダ、９  基板、１０，１１  ガスケット、１２  ガス供給管、１３  チャンバ内部、１４  絶縁体、１５ａ，１５ｂ，２０ａ，２０ｂ  開口部、１６  ガス供給用孔、１７  スロット、１８  プラズマプロセス装置。
【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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