(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を載置する載置台を真空引き可能になされた処理容器内に設け、前記処理容器の天井の開口部にマイクロ波透過板を介して平面アンテナ部材を設けると共に、前記平面アンテナ部材の上方を覆うように接地されたシールド蓋体を設け、マイクロ波発生源からのマイクロ波を導波管を介して前記平面アンテナ部材へ供給するようにしたプラズマ処理装置において、
前記導波管は、その比誘電率が１０００以上である強誘電体材料を用いた強誘電体導波管よりなることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記導波管の途中にはモード変換器が介在されており、このモード変換器と前記平面アンテナ部材との間に前記強誘電体導波管が用いられることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記強誘電体導波管は、筒状の導波管本体と、この導波管本体内に挿通される導波軸とよりなり、前記導波管本体と前記導波軸の内、少なくともいずれか一方が前記強誘電体材料よりなることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記強誘電体材料は、ＰＺＴ（Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＢＳＴ（Ｂａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＳＢＴ（Ｓｒ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｏを含む複合材料）よりなる群より選択される１つ以上の材料よりなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記平面アンテナ部材には、貫通孔よりなるマイクロ波放射孔が同心円状、或いは渦巻状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記平面アンテナ部材には、貫通孔よりなる２つのマイクロ波放射孔を略９０度互いに方向を異ならせて接近させてなる放射孔対が、同心円状、或いは渦巻状に多数形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記導波管には、誘電体材料を用いたスラグマッチャーが設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
被処理体を載置する載置台を真空引き可能になされた処理容器内に設け、前記処理容器の天井の開口部にマイクロ波透過板を介して平面アンテナ部材を設けると共に、前記平面アンテナ部材の上方を覆うように接地されたシールド蓋体を設け、マイクロ波発生源からのマイクロ波を導波管を介して前記平面アンテナ部材へ供給するようにしたプラズマ処理装置において、
前記導波管の途中に、誘電体材料を用いたスラグマッチャーを設けると共に、前記スラグマッチャーは、前記マイクロ波の伝搬方向に沿って離間させて配置された誘電体材料よりなる２つの整合部材よりなり、前記２つの整合部材は一体的に前記マイクロ波の伝搬方向へ移動可能になされるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記スラグマッチャーは、前記平面アンテナ部材に接近させて設けられていることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記２つの整合部材は、個別的にも移動可能になされていることを特徴とする請求項８または９記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記導波管は同軸導波管よりなり、前記マイクロ波は前記マイクロ波発生源からはＴＥＭモードの振動モードで伝搬されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記導波管の途中には、モード変換器が設けられており、前記モード変換器と前記平面アンテナ部材とを連結する部分の導波管に、前記スラグマッチャーを介設するようにしたことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか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】
本発明は、半導体ウエハ等に対してマイクロ波により生じたプラズマを作用させて処理を施すプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製品の高密度化及び高微細化に伴い半導体製品の製造工程において、成膜、エッチング、アッシング等の処理のためにプラズマ処理装置が使用される場合があり、特に、０．１〜数１０ｍＴｏｒｒ程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることからマイクロ波を用いて高密度プラズマを発生させてウエハを処理するプラズマ処理装置が使用される傾向にある。
このようなプラズマ処理装置は、特開平１−１８４９２３号公報、特開平３−１９１０７３号公報、特開平５−３４３３３４号公報や本出願人による特開平９−１８１０５２号公報等に開示されている。ここで、マイクロ波を用いた一般的なプラズマ処理装置を図１１を参照して概略的に説明する。図１１は従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成図である。
【０００３】
図１１において、このプラズマ処理装置２は、真空引き可能になされた処理容器４内に半導体ウエハＷを載置する載置台６を設けており、この載置台６に対向する天井部にマイクロ波を透過する例えば円板状の窒化アルミ等よりなるマイクロ波透過窓８を気密に設けている。具体的には、このマイクロ波透過窓８は、上記処理容器４の上端に設けた例えばアルミニウム製のリング状の支持枠部材１０より半径方向内方へ突出させた支持棚部１２にＯリング等のシール部材１４を介して気密に取り付けられている。
【０００４】
そして、このマイクロ波透過窓８の上面に厚さ数ｍｍ程度の円板状の平面アンテナ部材１６と、必要に応じてこの平面アンテナ部材１６の半径方向におけるマイクロ波の波長を短縮するための例えば誘電体よりなる遅波材１８を設置している。この平面アンテナ部材１６や遅波材１８は、これらの上方を覆うようにして、且つ処理容器４の上方を塞ぐようにして導体でシールド蓋体２０を設けている。また、上記遅波材１８の上方には、内部に冷却水を流す冷却水流路２２が形成された天井冷却ジャケット２４が設けられており、シールド蓋体２０等を冷却するようになっている。そして、アンテナ部材１６には多数の略円形の、或いはスリット状の貫通孔よりなるマイクロ波放射孔２６が形成されている。そして、平面アンテナ部材１６の中心部に同軸導波管２８の内導体３０を接続している。この同軸導波管２８には、モード変換器３２を介して矩形導波管３４が接続されると共に、この矩形導波管３４には、マッチング回路３６、アイソレータ３８及びマイクロ波発生源４０が順次接続されている。このマッチング回路３６は、マイクロ波の振動モードの内のＴＥモードに対応されている。これにより、マイクロ波発生源４０より発生した、例えば２．４５ＧＨｚのＴＥモードのマイクロ波を、矩形導波管３４を介してマッチング回路３６及びモード変換器３２へ伝搬し、このモード変換器３２にてＴＥモードからＴＥＭモードに変換した後に同軸導波管２８を介してアンテナ部材１６へ導くようになっている。そして、このＴＥＭモードのマイクロ波をアンテナ部材１６の半径方向へ放射状に伝搬させつつアンテナ部材１６に設けたマイクロ波放射孔２６からマイクロ波を放出させてこれをマイクロ波透過窓８に透過させて、下方の処理容器４内へマイクロ波を導入し、このマイクロ波により処理容器４内にプラズマを立てて半導体ウエハＷにエッチング、成膜、アッシングなどの所定のプラズマ処理を施すようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなプラズマ処理装置において、矩形導波管３４や同軸導波管２８にあっては他の部材、例えばモード変換器３２や平面アンテナ部材１６等の接続部分において不連続部分が発生することから、この不連続部分にてマイクロ波の多重反射等が起こり、線路の抵抗分によるジュール熱によって発熱が生ずることは避けられない。この場合、この同軸導波管２８や、この中の内導体３０は、例えば黄銅の表面に銀メッキ等を施してなる導体等よりなることから、線膨張率が比較的大きい略１７．２×１０-6／℃程度になり、この結果、上記同軸導波管２８に熱膨張による変形が生じて、上記接合部分にも変形や不具合が生じ、更にはマイクロ波の漏洩等も発生する場合がある、といった問題があった。
【０００６】
また、他の問題としては、この種のプラズマ処理装置２としては、ＴＥＭモードのマイクロ波を処理容器４内へ導入するのが、電磁波のポインティングベクトルと電流の流れの方向が一致するので、電流の位相のみを考慮してアンテナを設計できる、という理由から好ましいが、従来はＴＥモード用のマッチング回路３６が広く知られて用いられていたことから、従来はこのＴＥモード用のマッチング回路３６をプラズマ処理装置２に採用し、そして、マイクロ波の伝搬経路の途中にモード変換器３２を介在させてＴＥモードのマイクロ波をＴＥＭモードに変換して平面アンテナ部材１６へ供給するようにしていた。
このため、必然的にモード変換器３２を必要とすることから、コスト高になるのみならず、マイクロ波の変換ロスも発生する、といった問題があった。また、マッチング回路３６は、モード変換器３２よりも、前段側に設ける必要があることから、このマッチング回路３６を、特性インピーダンスが大きく変わる平面アンテナ部材１６から遠く離れた箇所に設けなければならず、このために効率的にインピーダンスのマッチング（整合）操作を行うことができない場合もあった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。
本発明の第１の目的は、強誘電体材料を用いることにより導波管の耐熱性を向上させることが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、ＴＥＭモード対応のスラグマッチャーを用いることにより、従来の例えばＴＥモード対応のマッチング回路を不要にすると共に平面アンテナ部材に接近させてマッチャーを設けることができるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、被処理体を載置する載置台を真空引き可能になされた処理容器内に設け、前記処理容器の天井の開口部にマイクロ波透過板を介して平面アンテナ部材を設けると共に、前記平面アンテナ部材の上方を覆うように接地されたシールド蓋体を設け、マイクロ波発生源からのマイクロ波を導波管を介して前記平面アンテナ部材へ供給するようにしたプラズマ処理装置において、前記導波管は、その比誘電率が１０００以上である強誘電体材料を用いた強誘電体導波管よりなることを特徴とするプラズマ処理装置である。
このように、導波管として強誘電体材料を用いた強誘電体導波管を採用したので、導波管自体の線膨張率を、従来の導体製の導波管よりも小さくでき、結果的に、熱変形等が少なくなり、この耐熱性を向上させることが可能になる。従って、導波管の変形やマイクロ波の漏洩等の発生を防止することが可能となる。
【０００９】
この場合、例えば請求項２に規定するように、前記導波管の途中にはモード変換器が介在されており、このモード変換器と前記平面アンテナ部材との間に前記強誘電体導波管が用いられる。
また、例えば請求項３に規定するように、前記強誘電体導波管は、筒状の導波管本体と、この導波管本体内に挿通される導波軸とよりなり、前記導波管本体と前記導波軸の内、少なくともいずれか一方が前記強誘電体材料よりなる。
また、例えば請求項４に規定するように、前記強誘電体材料は、ＰＺＴ（Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＢＳＴ（Ｂａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＳＢＴ（Ｓｒ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｏを含む複合材料）よりなる群より選択される１つ以上の材料よりなる。
【００１０】
また、例えば請求項５に規定するように、前記平面アンテナ部材には、貫通孔よりなるマイクロ波放射孔が同心円状、或いは渦巻状に形成されている。
また、例えば請求項６に規定するように、前記平面アンテナ部材には、貫通孔よりなる２つのマイクロ波放射孔を略９０度互いに方向を異ならせて接近させてなる放射孔対が、同心円状、或いは渦巻状に多数形成されている。
また、例えば請求項７に規定するように、前記導波管には、誘電体材料を用いたスラグマッチャーが設けられる。
請求項８に係る発明は、被処理体を載置する載置台を真空引き可能になされた処理容器内に設け、前記処理容器の天井の開口部にマイクロ波透過板を介して平面アンテナ部材を設けると共に、前記平面アンテナ部材の上方を覆うように接地されたシールド蓋体を設け、マイクロ波発生源からのマイクロ波を導波管を介して前記平面アンテナ部材へ供給するようにしたプラズマ処理装置において、前記導波管の途中に、誘電体材料を用いたスラグマッチャーを設けると共に、前記スラグマッチャーは、前記マイクロ波の伝搬方向に沿って離間させて配置された誘電体材料よりなる２つの整合部材よりなり、前記２つの整合部材は一体的に前記マイクロ波の伝搬方向へ移動可能になされるように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置である。
このように、導波管の途中に、誘電体材料を用いたスラグマッチャーを設けることにより、従来用いていたＴＥモード用のマッチング回路を不要にできる。
【００１１】
この場合、例えば請求項９に規定するように、前記スラグマッチャーは、前記平面アンテナ部材に接近させて設けられている。
これにより、このＴＥＭモード用のスラグマッチャーを平面アンテナ部材に接近させて設けることができ、インピーダンスマッチングの効率を向上させることが可能となる。
また、例えば請求項１０に規定するように、前記２つの整合部材は個別的にも移動可能になされている。
また、例えば請求項１１に規定するように、前記導波管は同軸導波管よりなり、前記マイクロ波は前記マイクロ波発生源からはＴＥＭモードの振動モードで伝搬される。
これによれば、マイクロ波発生源からＴＥＭモードでマイクロ波を伝搬できるので、途中にモード変換器を設ける必要がなく、その分、コストの削減に寄与できるのみならず、モード変換損失もなくすことが可能となる。
また、例えば請求項１２に規定するように、前記導波管の途中には、モード変換器が設けられており、前記モード変換器と前記平面アンテナ部材とを連結する部分の導波管に、前記スラグマッチャーを介設するようになっている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の係るプラズマ処理装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
まず、本願の第１の発明について説明する。
図１は第１の発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図、図２は平面アンテナ部材の一例を示す平面図、図３は他の例の平面アンテナ部材を示す平面図、図４は第１の発明で用いる強誘電体導波管におけるマイクロ波伝搬の状況のシミュレーション結果を示す図、図６は他の種類の強誘電体導波管におけるマイクロ波伝搬の状況のシミュレーション結果を示す図である。
図示するようにこのプラズマ処理装置４２は、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、全体が筒体状に成形された処理容器４４を有しており、この処理容器４４は接地されると共に内部は密閉された処理空間Ｓとして構成されている。
【００１３】
この処理容器４４内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウエハＷを載置する載置台４６が収容される。この載置台４６は、例えばアルマイト処理したアルミニウム等により凸状に平坦になされた略円柱状に形成されており、この下部は同じくアルミニウム等により円柱状になされた支持台４８により支持されると共にこの支持台４８は処理容器４４内の底部に絶縁材５０を介して設置されている。
上記載置台４６の上面には、ここにウエハを保持するための静電チャック或いはクランプ機構（図示せず）が設けられ、この載置台４６は給電線５２によりマッチングボックス５４を介して例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源５６に接続されている。尚、このバイアス用高周波電源５６を設けない場合もある。また、バイアス用高周波電源５６を設けない場合でも、バイアス用電極を設けて、接地、或いは電気的にフロート状態とすることにより、プラズマ着火性能を向上することができる。
【００１４】
上記載置台４６を支持する支持台４８には、プラズマ処理時のウエハを冷却するための冷却水等を流す冷却ジャケット５８が設けられる。尚、必要に応じてこの載置台４６中に加熱用ヒータを設けてもよい。
上記処理容器４４の側壁には、ガス供給手段として、容器内にプラズマ用ガス、例えばアルゴンガスや処理ガス、例えばデポジションガスを導入するための例えば石英パイプ製のガス供給ノズル６０が設けられ、このノズル６０より流量制御されたプラズマガス及び処理ガスを供給できるようになっている。処理ガスとしてのデポジションガスは、例えば窒化シリコンを成膜する場合にはＳｉＨ4 、Ｏ2 、Ｎ2 ガス等を用いることができる。
【００１５】
また、容器側壁には、この内部に対してウエハを搬入・搬出する時に開閉するゲートバルブ６２が設けられると共に、この側壁を冷却する冷却ジャケット６４が設けられる。また、容器底部には、図示されない真空ポンプに接続された排気口６６が設けられており、必要に応じて処理容器４４内を所定の圧力まで真空引きできるようになっている。
そして、処理容器４４の天井は開口されて開口部が形成されており、この開口部の周縁部に沿って円形リング状の支持枠部材６８がＯリング等のシール部材７０を介して設けられており、この支持枠部材６８に、誘電体として例えばＡｌＮなどのセラミック材よりなるマイクロ波に対しては透過性を有する厚さが２０ｍｍ程度のマイクロ波透過板７２がＯリング等のシール部材７４を介して気密に設けられる。これにより、処理容器４４内が気密に保持される。
【００１６】
そして、このマイクロ波透過板７２の上方に円板状の平面アンテナ部材７６がその周縁部を上記支持枠部材６８の上端に載置した状態で支持されている。そして、このアンテナ部材７６の上面に、円板状の比誘電率の大きい高誘電率特性を有する遅波材７８が設けられる。そして、このアンテナ部材７６と遅波材７８の上方を覆うようにして例えば蓋状に形成されたシールド蓋体８０が設けられており、この下端部は上記支持枠部材６８の上端で支持されている。このシールド蓋体８０には、内部に冷却水を流す冷却水流路８２が形成されており、このシールド蓋体８０や上記遅波材７８等を冷却するようになっている。また、このシールド蓋体８０は接地されている。また、上記平面アンテナ部材７６は前記処理容器４４内の上記載置台４６に対向させて設けられる。
この平面アンテナ部材７６は、８インチサイズのウエハ対応の場合には、例えば直径が３００〜４００ｍｍ、厚みが１〜数ｍｍ、例えば５ｍｍの導電性材料よりなる円板、例えば表面が銀メッキされた銅板或いはアルミ板よりなり、この円板には例えば長溝のスリット形状、或いは円形状の貫通孔よりなる多数のマイクロ波放射孔８４を同心円状、或いは螺旋状に形成している。
【００１７】
具体的には、この平面アンテナ部材７６のマイクロ波放射孔８４は、図２或いは図３に示すように形成されている。図２に示す場合には、マイクロ波放射孔８４は細長いスリット形状の貫通孔（図２（Ｂ）参照）よりなり、マイクロ波放射孔８４を、図２（Ａ）に示すように同心円状に多数個形成してある。このマイクロ波放射孔８４の長さは、例えばλ／４程度である。尚、λは、ここで用いられるマイクロ波の上記遅波材７８中での波長である。
また、図３に示す場合には、上述したような形状の２つのマイクロ波放射孔８４を、略９０度方向を異ならせて接近させてなる放射孔対８６（図３（Ｂ）参照）を形成し、この放射孔対８６を図３（Ａ）に示すように同心円状に多数個設けている。この場合、マイクロ波放射孔対８６の内のそれぞれのマイクロ波放射孔８４の方向は、平面アンテナ部材９６の半径方向に対して所定の角度θ１、例えば＋４５度、或いは−４５度程度に設定されている。尚、このマイクロ波放射孔８４の形状は、細長いスリット形状に限らず、円形、楕円形等でもよい。
【００１８】
図１に戻ってまた、上記シールド蓋体８０の上部の中心には、開口部８８が形成されており、この開口部８８には本発明の特徴とする導波管９０が接続されると共に、この導波管９０の端部には例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生源９２が接続されている。これにより、上記マイクロ波発生源９２にて発生したマイクロ波を、導波管９０を介して上記平面アンテナ部材７６へ伝搬できるようになっている。尚、マイクロ波の周波数としては、他に８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることができる。
具体的には、上記導波管９０は、上記シールド蓋体８０の中央開口部８８に直接的に接続固定されて上方へ起立されている断面円形の強誘電体導波管９４と、この強誘電体導波管９４の上端部に、マイクロ波の振動するモード変換を行うモード変換器９６を介して水平方向に向けて接続固定される断面矩形の矩形導波管９８とにより構成されている。
【００１９】
まず、上記マイクロ波発生源９２と上記モード変換器９６との間を連結する上記矩形導波管９８は、全体が例えば表面に銀メッキがなされた黄銅等の導体で断面矩形状に形成されており、この矩形導波管９８には上記マイクロ波発生源９２から上記モード変換器９６に向けて、マイクロ波に対する絶縁を行うアイソレータ１００及びマイクロ波伝搬路のインピーダンス整合を行うためのＴＥモード用のマッチング回路１０２が順次途中に介在されている。尚、このマッチング回路１０２は、例えば金属針を組み合わせたスタブチューナで形成されている。従って、マイクロ波発生源９２で発生されたマイクロ波は、その振動モードがＴＥモードの状態で、上記矩形導波管９８内を伝搬されることになる。
これに対して、上記モード変換器９６と上記平面アンテナ部材７６との間を連結する強誘電体導波管９４は、これに強誘電体材料を含ませて形成されている。具体的には、この強誘電体導波管９４は、ＴＥＭモードのマイクロ波を伝搬させるものであり、断面が実質的に円形リング状になされた筒状、或いは管状の導波管本体１０４と、この導波管本体１０４内の中心部に挿通される断面円形の棒状の導波軸１０６とにより形成されている。
【００２０】
この場合、上記導波軸１０６の直径Ｄ１は例えば略３ｍｍ程度である。また、上記導波管本体１０４の内径Ｄ２は例えば１０ｍｍ程度であり、その肉厚は例えば０．３ｍｍ程度である。尚、これらの数値は単に一例を示したに過ぎず、これらの寸法は、前後のマイクロ波伝送路の特性インピーダンスにより決定すればよい。
そして、上記導波軸１０６と導波管本体１０４の内、少なくともいずれか一方が強誘電体材料、例えばセラミックスにより形成されている。すなわち、導波軸１０６と導波管本体１０４の内のいずれか一方を強誘電体材料により形成してもよいし、或いは両者を強誘電体材料により形成してもよい。上記導波軸１０６を強誘電体材料により形成した場合には、その下端面をネジ等によって平面アンテナ部材７６と接合してもよいし、或いは、金属の蒸着接合によって平面アンテナ部材７６と接合してもよい。
【００２１】
この強誘電体材料としては、マイクロ波の伝搬効率を考慮すると、比誘電率が例えば１０００以上のものを用いるのがよく、その一例としてはＰＺＴ（Ｐｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＢＳＴ（Ｂａ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＳＢＴ（Ｓｒ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｏを含む複合材料）等よりなる群より選択される１つ以上の材料を用いることができる。
また、この種の強誘電体材料の線膨張率は、従来装置で用いていた同軸導波管の金属材料の線膨張率よりも一桁程度その線膨張率が小さく、例えば１．０２×１０-6／℃程度であり、熱変形量が少なくて済む。このように、強誘電体材料を用いた強誘電体導波管９４は、後述するようにマイクロ波を案内するガイドとしての機能を発揮してマイクロ波を効率的に伝搬する。
【００２２】
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置を用いて行なわれる処理方法について説明する。
まず、ゲートバルブ６２を介して半導体ウエハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器４４内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウエハＷを載置台４６の上面の載置面に載置する。
そして、処理容器４４内を所定のプロセス圧力に維持して、ガス供給ノズル６０から例えばアルゴンガスや例えばＳｉＨ4 、Ｏ2 、Ｎ2 等のデポジションガスをそれぞれ流量制御しつつ供給する。同時にマイクロ波発生源９２からのマイクロ波を、矩形導波管９８、モード変換器９６及び強誘電体導波管９４を順次介して平面アンテナ部材７６に供給して処理空間Ｓに、遅波材７８によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これによりプラズマを発生させて所定のプラズマ処理、例えばプラズマＣＶＤによる成膜処理を行う。
【００２３】
ここで、マイクロ波の伝搬に関しては、マイクロ波発生源９２にて発生したマイクロ波は、矩形導波管９８内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器９６にてＴＥＭモードに変換されて、この状態で断面円形リング状の強誘電体導波管９４内を平面アンテナ部材７６に向けて伝搬されて行くことになる。
ここで処理空間Ｓにおけるプラズマ状態や圧力状態等の各種の要因で導波管９０内においてはマイクロ波の反射波が発生するが、この反射波を相殺するように、上記マッチング回路１０２は動作して、いわゆるマッチング機能を発揮する。
【００２４】
そして、上記強誘電体導波管９４とモード変換器９６や平面アンテナ部材７６との接合部分ではマイクロ波の伝搬損失が生じたり、強誘電体材料の誘電損失が生じたりして、この導波管９０自体が昇温するが、この構成材料である強誘電体材料は線膨張率が小さいので、この導波管９０の熱変形量は非常に少なく、この耐熱性を向上させることができる。
また、上述のように、熱変形量が小さいことから、マイクロ波の漏洩等の発生を防止することが可能となる。
ここで、上述したような強誘電体導波管９４が実際にマイクロ波を伝搬する点についてシミュレーションによって検証したので、その評価結果について説明する。
【００２５】
図４中において、図４はシミュレーションに用いた強誘電体導波管のモデルを示し、図５（Ａ）はこのモデルの断面における電界強度の分布を示すグラフ、図５（Ｂ）はこのモデルの断面における磁界強度の分布を示すグラフ、図５（Ｃ）はこのモデルの断面におけるエネルギーの移動を表すポインティングベクトルを示すグラフである。
図４に示すこのモデルの強誘電体導波管９４において外側の断面円形リング状の導波管本体１０４は、ここでは完全に導体で形成している。また、中心部に位置する断面円形の導波軸１０６の上下端部分１０６Ａ、１０６Ａは導体で形成し、この上下端部分１０６Ａ、１０６Ａに挟まれた中央部分１０６Ｂを比誘電率εが１０００の強誘電体材料によって形成している。ここで導波軸１０６の直径Ｄ１は４ｍｍに設定し、導波管本体１０４の内径Ｄ２は１０ｍｍに設定している。また、この導波軸１０６と導波管本体１０４との間の空間は、空気が存在するものとして設定している。
【００２６】
このような強誘電体導波管９４に、ＴＥＭモードで振動する２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給したところ、入射面で、反射率が０．９％の結果を得た。すなわち、９９．１％のマイクロ波がこの強誘電体導波管９４を伝搬されてほとんど伝搬損失が生じないことが確認できた。
この時の電界の分布に関して、図５（Ａ）に示すように、電界は、外側の導波管本体１０４から中心に向かうに従って、略２次曲線的に上昇して大きくなって導波軸１０６の表面付近で最大となる。そして、この導波軸１０６内では電界は非常に少なくて僅かに発生してるに過ぎない。
また、この時の磁界の分布に関して、図５（Ｂ）に示すように、外側の導波管本体１０４及びこれと導波軸１０６との間の空間部分では磁界は非常に少なく、これに対して、導波軸１０６内では、その中心方向に向かって非常に大きな振幅で磁界が分布していることが判明する。しかし、中心軸の電界は非常に小さいので、エネルギーの移動を示すポインティングベクトルは、図５（Ｃ）に示すようにほとんど零となり、電磁波は大気中を移動することになる。尚、図５（Ｃ）において矢印が大きい程、大きなエネルギーの移動を示している。
【００２７】
また、図６はシミュレーションに用いた他の態様の強誘電体導波管のモデルを示している。ここでは、中心の導波軸１０６の構造は図４に示す場合と同様に設定している。これに対して、外側の断面円形リング状の導波管本体１０４に関しては、上下端部分１０４Ａ、１０４Ａは導体で形成し、この上下端部分１０４Ａ、１０４Ａに挟まれた中央部分１０４Ｂを強誘電体材料によって形成している。ここで導波軸１０６及び導波管本体１０４の各サイズは、図４に示した場合と同じである。また、ここで導波軸１０６の中央部分１０６Ｂ及び導波管本体１０４の中央部分１０４Ｂの強誘電体材料の比誘電率εは、共に１０００に設定している。
この場合にも、ＴＥＭモードで振動する２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給したところ、入射面で、反射率が０．１％の結果を得た。すなわち、９９．９％のマイクロ波がこの強誘電体導波管９４を伝搬されてほとんど伝搬損失が生じないことが確認できた。
【００２８】
このことから、中心の導波軸１０６を全部導体で形成し、外側の導波管本体１０４の中央部分１０４Ｂを強磁性体材料で形成した場合でも、伝搬損失をほとんど生ずることなく十分にマイクロ波を伝搬することが判明する。
また、比誘電率εが５０００の強誘電体材料を用いて、上述したと同様なシミュレーションを行った結果、上述したと同様に、マイクロ波の伝搬に関しては良好な結果を得ることができた。
【００２９】
上述したように、強誘電体導波管９４がマイクロ波を伝搬できる理由は、以下のように考えられる。まず、マイクロ波に対して、導体の場合は表皮効果を生じて伝導電流となって流れるが、強誘電体材料の場合は、変位電流として流れる。すなわち、この変位電流は、電界の時間微分に比例して発生するが、比誘電率が大きい強誘電体材料中では電界が発生してようとすると、これを打ち消すような作用（電界がゼロにするような作用）が生じ（図５（Ａ）参照）、これが電流が流れたと同じような挙動を示すことになると考えられる。
以上のように、強誘電体導波管９４は、伝搬損失をそれ程生ぜしめることなくマイクロ波を十分に、且つ効率的に伝搬することができるので、ＴＥＭモードのマイクロ波を伝搬させるために従来用いていた同軸導波管に替えて、この強誘電体導波管９４を用いることができ、従って、その耐熱性を大幅に向上させることができる。
【００３０】
次に、本願の第２の発明について説明する。
図７は第２の発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図、図８はスラグマッチャーに用いられる位置制御機構を示す構成図である。
この第２の発明の特徴は、従来のプラズマ処理装置で用いられていたＴＥモード用のマッチング回路（図１中のマッチング回路１０２や図１１中のマッチング回路３６）に替えて、ＴＥＭモード用に適用されたスラグマッチャーを設ける点にある。
この第２の発明では、処理容器４４内の構造は、図１に示した場合と同様な構造なので、図７では同一構成部分については同一参照符号を付し、その説明を省略する。
【００３１】
この第２の発明における導波管９０は、従来装置と同様に形成されている。すなわち、この導波管９０は、上記シールド蓋体８０の中央開口部８８に直接的に接続固定されて上方へ起立されている断面円形の完全な導体よりなる同軸導波管１１０と、この同軸導波管１１０の上端部に、マイクロ波の振動するモード変換を行うモード変換器９６を介して水平方向に向けて接続固定される断面矩形の矩形導波管９８とにより構成されている。この矩形導波管９８については、図１に示す場合と同じである。
まず、上記マイクロ波発生源９２と上記モード変換器９６との間を連結する上記矩形導波管９８は、全体が例えば表面に銀メッキを施した黄銅等の導体で断面矩形状に形成されており、この矩形導波管９８には、マイクロ波に対する絶縁を行うアイソレータ１００のみが介設されており、ここには図１で用いたマッチング回路１０２は介設されていない。そして、このマッチング回路１０２に替えて、上記同軸導波管１１０に本発明の特徴とするスラグマッチャー１１２が介設されている。具体的には、この従来周知の同軸導波管１１０は、ＴＥＭモードのマイクロ波を伝搬させるものであり、断面が実質的に円形リング状になされた筒状、或いは管状の導波管本体１１４と、この導波管本体１１４内の中心部に挿通される断面円形の棒状の導波軸１１６とにより形成されている。ここで前記第１の発明の場合と異なり、上記導波管本体１０４及び導波軸１０６は、共に例えば表面に銀メッキを施した黄銅等よりなる導体により形成されている。
【００３２】
そして、上記スラグマッチャー１１２は、上記平面アンテナ部材７６に接近させた状態で、この直上の同軸導波管１１０に設けられている。このスラグマッチャー１１２は、導体製の上記導波管本体１１４内に設けられた誘電体材料よりなる２つの整合部材１１８Ａ、１１８Ｂを有しており、これらはマイクロ波の伝搬方向に沿って適宜離間させて配置されている。各整合部材１１８Ａ、１１８Ｂは、例えば比誘電率が２．６程度のテフロン（登録商標）よりなる誘電体材料により所定の厚さの円板状に形成されており、その中心部にそれぞれ貫通孔１２０を形成して、この貫通孔１２０に上記導体製の導波軸１１６を挿通させることによって上記各整合部材１１８Ａ、１１８Ｂを移動可能としている。
各整合部材１１８Ａ、１１８Ｂの外径は、導波管本体１１４の内径よりも僅かに小さく設定され、その厚みＨ１は、例えばλ／４（λ：波長）程度に設定されている。
【００３３】
そして、上記各整合部材１１８Ａ、１１８Ｂは、位置制御機構１２２によって、両者が一体的に、或いは個別的にマイクロ波の伝搬方向に沿って移動できるようになっている。具体的には、上記各整合部材１１８Ａ、１１８Ｂは、上記導波管本体１１４の側壁に設けた２つの長孔１２４を挿通させて設けた支持ロッド１２６によりそれぞれ支持されている。各支持ロッド１２６の基部は、ベース台１２８に回転自在に支持された２つのボールネジ１３０Ａ、１３０Ｂにそれぞれ螺合されており、これらのボールネジ１３０Ａ、１３０Ｂをそれぞれ個別に正逆回転させることによって、上記各整合部材１１８Ａ、１１８Ｂは、個別に移動できるようになっている。そして、上記各ボールネジ１３０Ａ、１３０Ｂの端部には、それぞれネジ駆動モータ１３２Ａ、１３２Ｂが取付られており、これらのネジ駆動モータ１３２Ａ、１３２Ｂによって上記各ボールネジ１３０Ａ、１３０Ｂを個別に正逆回転し得るようになっている。
【００３４】
また、上記ベース台１２８の一側には、ラック１３４が形成されていると共に、このラック１３４には、ラック駆動モータ１３６によって回転されるピニオン１３８が歯合されており、このピニオン１３８を正逆回転させることにより、このベース台１２８を図示しないガイドに沿って図８中の上下方向へ所定のストローク内において移動できるうよになっている。
また、この導波管本体１１４内には、マイクロ波の反射波の電力や位相を検出するプローバ１４０が設けられており、このプローバ１４０からの出力を受けて、例えばマイクロコンピュータ等よりなるマッチャー制御部１４２が上記各モータ１３２Ａ、１３２Ｂ、１３６の回転動作を制御するようになっている。
【００３５】
さて、このように構成されたプラズマ処理装置において、マイクロ波の伝搬に関しては、マイクロ波発生源９２にて発生したマイクロ波は、矩形導波管９８内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器９６にてＴＥＭモードに変換されて、この状態で断面円形リング状の導体製の同軸導波管１１０内を平面アンテナ部材７６に向けて伝搬されて行くことになる。
ここで処理空間Ｓにおけるプラズマ状態や圧力状態等の各種の要因で導波管９０内においてはマイクロ波の反射波が発生するが、この反射波を相殺するように、上記スラグマッチャー１１２は動作して、いわゆるマッチング機能を発揮する。
【００３６】
具体的には、導波管本体１１４内に設けたプローバ１４０によりマイクロ波の反射波の電力や位相が検出されて、これを打ち消すように、マッチャー制御部１４２は、ラック駆動モータ１３６、ネジ駆動モータ１３２Ａ、１３２Ｂを回転駆動させることによって上記整合部材１１８Ａ、１１８Ｂを一体的に、或いは個別的に移動させてマッチングをとっている。例えば両整合部材１１８Ａ、１１８Ｂを一体的に移動させるには、ラック駆動モータ１３６を回転してベース台１２８を移動させればよく、これに対して両整合部材１１８Ａ、１１８Ｂを個別に移動させるには、ネジ駆動モータ１３２Ａ、１３２Ｂをそれぞれ個別に回転駆動させればよい。
【００３７】
具体的には、マイクロ波の伝搬路の反射係数とインピーダンスとを複素平面に表してなるスミス図表上において、例えば両整合部材１１８Ａ、１１８Ｂを一体的に移動させることにより位相が変化し、また、いずれか一方のみの整合部材１１８Ａ、或いは１１８Ｂを移動することにより、実部（抵抗値）が一定で虚部（リアクタンス）が変化する軌跡を描くことになる。
このように、ＴＥＭモード用のスラグマッチャー１２２を設けることにより、従来用いられていたＴＥモード用のマッチング回路を不要にすることができる。
【００３８】
そして、このスラグマッチャー１１２は、上述したようにＴＥＭモード用なので、平面アンテナ部材１６の直上にこれに接近させて設けることができ、従って、インピーダンスマッチングの効率を向上させることができる。
ここで、上記整合部材１１８Ａ、１１８Ｂに用いた誘電体材料として、比誘電率が大きいものを用いれば、その分、インピーダンスマッチングの調整範囲を拡大することができる。そして、この誘電体材料としては、テフロン（登録商標）の他に、クォーツ、サファイヤ、サファール（登録商標）またはアルミナ、窒化アルミ等のセラミックスも用いることができる。
また、この種のスラグマッチャー１２２を、上記同軸導波管１１６に沿って複数段、例えば２段に亘って設けるようにしてもよい。
【００３９】
また、上記第２の発明にあっては、従来の同軸導波管１１０にスラグマッチャー１１２を設けた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、図１において説明した第１の発明の装置例に上記スラグマッチャー１１２を設けるようにしてもよい。
図９はこのような第２の発明の第１の変形例を示す部分拡大図である。
ここでは、図１にて説明したように、モード変換器９６と平面アンテナ部材７６とを連絡するように、導波管本体１０４と導波軸１０６とよりなる強誘電体導波管９４が設けられており、この部分に、図７にて説明したと同様な構成のスラグマッチャー１１２を設けている。尚、この場合には、従来のマッチング回路１０２（図１参照）は不要となるのは勿論である。
【００４０】
この構成によれば、第１の発明の効果と第２の発明の効果とを併せ持つことができる。すなわち、強誘電体導波管９４の耐熱性を向上させてこの熱変形量が小さいことから、マイクロ波の漏洩等の発生を防止することが可能となる、という第１の発明の効果に加え、従来のＴＥモード用のマッチング回路が不要となって、インピーダンスマッチングの効率を向上させることができる、という第２の発明も発揮することができる。
また、上記第１の変形例にあっては、モード変換器９６と平面アンテナ部材７６との間のみを強誘電体導体管９４で連絡したが、これに限定されず、平面アンテナ部材７６とマイクロ波発生源９２との間を全て強誘電体導波管で連絡するようにしてもよい。
【００４１】
図１０はこのような第２の発明の第２の変形例を示す部分構成図である。
図示するように、ここでは、平面アンテナ部材７６とマイクロ波発生源９２との間を、全て、導波管本体１０４と導波軸１０６とよりなる強誘電体導波管９４により形成している。そして、上記平面アンテナ部材７６の直上の部分の強誘電体導波管９４に上記スラグマッチャー１１２を設けている。
この場合には、マイクロ波発生源９２から伝搬されるマイクロ波の振動モードは当初よりＴＥＭモードになるので、途中にモード変換器９６（図９参照）を設ける必要がない。
従って、この第２の変形例の場合には、モード変換器９６を不要にできることから、その分、装置のコスト削除に寄与できるのみならず、モード変換に伴って発生する損失もなくすことができるので、マイクロ波の伝搬効率も高めることができる。
【００４２】
しかも、導体製の矩形導波管９８（図１或いは図１０参照）の部分も強誘電体導波管９４に替えていることから、この部分の耐熱性も向上させて熱変形をなくし、この部分におけるマイクロ波の漏洩も防止することができる。
尚、本実施例では、半導体ウエハに成膜処理する場合を例にとって説明したが、これに限定されず、プラズマエッチング処理、プラズマアッシング処理等の他のプラズマ処理にも適用することができる。また、被処理体としても半導体ウエハに限定されず、ガラス基板、ＬＣＤ基板等に対しても適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
請求項１〜７に係る発明によれば、導波管として強誘電体材料を用いた強誘電体導波管を採用したので、導波管自体の線膨張率を、従来の導体製の導波管よりも小さくでき、結果的に、熱変形等が少なくなり、この耐熱性を向上させることが可能になる。従って、導波管の変形やマイクロ波の漏洩等の発生を防止することができる。
請求項８、１０、１２に係るに規定する発明によれば、導波管の途中に、誘電体材料を用いたスラグマッチャーを設けるようにしたので、従来用いていたＴＥモード用のマッチング回路を不要にできる。
請求項９に係る発明によれば、ＴＥＭモード用のスラグマッチャーを平面アンテナ部材に接近させて設けることができ、インピーダンスマッチングの効率を向上させることができる。
請求項１１に係る発明によれば、マイクロ波発生源からＴＥＭモードでマイクロ波を伝搬できるので、途中にモード変換器を設ける必要がなく、その分、コストの削減に寄与できるのみならず、モード変換損失もなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図２】平面アンテナ部材の一例を示す平面図である。
【図３】他の例の平面アンテナ部材を示す平面図である。
【図４】第１の発明で用いる強誘電体導波管におけるマイクロ波伝搬の状況のシミュレーションモデルを示す図である。
【図５】図４の強誘電体導波管におけるマイクロ波伝搬の状況のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】他の種類の強誘電体導波管におけるマイクロ波伝搬の状況のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】第２の発明に係るプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図８】スラグマッチャーに用いられる位置制御機構を示す構成図である。
【図９】第２の発明の第１の変形例を示す部分拡大図である。
【図１０】第２の発明の第２の変形例を示す部分構成図である。
【図１１】従来の一般的なプラズマ処理装置を示す構成図である。
【符号の説明】
４２  プラズマ処理装置
４４  処理容器
４６  載置台
７２  マイクロ波透過板
７６  平面アンテナ部材
７８  遅波材
８０  シールド蓋体
８４  マイクロ波放射孔
８６  放射孔対
８８  開口部
９０  導波管
９２  マイクロ波発生源
９４  強誘電体導波管
９６  モード変換器
９８  矩形導波管
１０２  マッチング回路
１０４  導波管本体
１０６  導波軸
１１０  同軸導波管
１１２  スラグマッチャー
１１４  導波管本体
１１６  導波軸
１１８Ａ、１１８Ｂ  整合部材
１２２  位置制御機構
１４０  プローブ
１４２  マッチャー制御部
Ｗ  半導体ウエハ（被処理体）
【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】
0004062928.tif 000008
【図８】
0004062928.tif 000009
【図９】
0004062928.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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