(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にてプラズマが励起される容器と、
前記容器内にプラズマを励起するためのマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記マイクロ波源から供給されたマイクロ波を伝搬させる導体棒と、
前記容器の内側に面し、前記導体棒に隣接し、前記導体棒を伝搬したマイクロ波を透過させて前記容器の内部に放出する複数の誘電体板と、
前記容器内にプラズマを励起するためのガスを供給するガス供給源と、
前記複数の誘電体板の各々の内部を貫通し、その貫通口である第１のガス孔から前記ガスを前記容器内に導入する第１のガス流路と、を備え、
前記第１のガス孔は、各々の誘電体板の同じ位置に配置されるマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記第１のガス孔は、各々の誘電体板の同じ位置に複数配置される請求項１に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記複数の第１のガス孔は、各々の誘電体板の同じ位置に等ピッチで配置される請求項２に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記複数の誘電体板は、等ピッチで配置され、
前記複数の第１のガス孔は、各々の誘電体板を配置するピッチの整数分の１のピッチで配置される請求項３に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記第１のガス流路を流れる所望のガス流量に対して、前記第１のガス流路内部の圧力が１０ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下になるように前記複数の第１のガス孔を配置するピッチを定める請求項４に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項６】
前記第１のガス孔には、複数の細孔を有するガスノズルが設けられている請求項１〜５のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項７】
前記複数の細孔の直径はシース幅の２倍よりも小さく、前記複数の細孔のアスペクト比は２０倍以上である請求項６に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項８】
前記第１のガス孔には、多孔質体から形成されたガスノズルが設けられている請求項１〜５のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項９】
内部にてプラズマが励起される容器と、
前記容器内にプラズマを励起するためのマイクロ波を供給するマイクロ波源と、
前記マイクロ波源から供給されたマイクロ波を伝搬させる導体棒と、
前記容器の内側に面し、前記導体棒に隣接し、前記導体棒を伝搬したマイクロ波を透過させて前記容器の内部に放出する複数の誘電体板と、
前記容器内にプラズマを励起するためのガスを供給するガス供給源と、
前記複数の誘電体板の各々の内部を貫通し、その貫通口である第１のガス孔から前記ガスを前記容器内に導入する第１のガス流路と、を備え、
前記複数の誘電体板には、貫通穴が形成され、
前記誘電体に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した複数の金属電極と、
各々の金属電極の内部を貫通し、その貫通口である第２のガス孔から前記ガスを前記容器内に導入する第２のガス流路と、を備えるマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記第２のガス孔の直径は、所望のガスの流量に対して前記第１のガス孔のコンダクタンスと前記第２のガス孔のコンダクタンスとが等しくなるように決定される請求項９に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記複数の第１のガス孔および前記第２のガス孔は、各々の誘電体板の、各々の同じ位置に等ピッチで配置される請求項９または１０のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記複数の誘電体板の各々には、前記金属電極を中心として点対称な位置に凹み部が設けられ、
前記複数の第１のガス孔は、各凹み部に同数ずつ設けられている請求項９〜１１のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１３】
前記導体棒は、前記複数の誘電体板に対応して複数設けられている請求項１〜１２のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１４】
前記複数の導体棒は、前記複数の誘電体板に一対一に係合している請求項１３に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１５】
前記複数の導体棒のそれぞれは、前記複数の誘電体板のそれぞれの中央部にて前記誘電体板に係合している請求項１４に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１６】
前記複数の誘電体板は、矩形状のプレートである請求項１〜１５のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１７】
前記複数の誘電体板は、マイクロ波の管内波長をλｇとしたとき、λｇ／２の整数倍のピッチで等間隔に配置されている請求項１〜１６のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項１８】
前記マイクロ波源は、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波を出力する請求項１〜１７のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
【請求項１９】
周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波をマイクロ波源から出力し、
前記マイクロ波源から出力されたマイクロ波を導体棒に伝搬させ、
前記導体棒を伝搬したマイクロ波を、前記導体棒に隣接した複数の誘電体板に透過させることにより前記容器の内部にマイクロ波を放出し、
前記複数の誘電体板の内部を貫通した第１のガス流路の端部において、各々の誘電体板の同じ位置に配置された第１のガス孔から、ガス供給源から供給されたガスを前記容器内に導入し、
前記放出されたマイクロ波により前記容器に導入されたガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波によりガスを励起させてプラズマを生成し、生成されたプラズマにより被処理体に所望の処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置に関し、特に、ガスの供給に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波プラズマは、誘電体板を介してマイクロ波を減圧状態の処理室内に導入することにより発生される。マイクロ波プラズマ処理装置では、プラズマの電子密度ｎｅが次式（１）のカットオフ密度ｎｃよりも高い場合、マイクロ波は、プラズマ内に入り込むことができずにプラズマ表面付近で反射し、表面波となって誘電体板とプラズマとの間を伝搬する。伝搬中、マイクロ波の一部は、エバネッセント波としてプラズマに吸収され、プラズマの維持に使われる。(たとえば、非特許文献１を参照。)。一方、プラズマの電子密度ｎｅがカットオフ密度ｎｃよりも低い場合、マイクロ波は、プラズマ内に入り込むことができるため、マイクロ波の電界エネルギーによりプラズマの状態が不安定になる。
【０００３】
ｎｃ＝ε０ｍｅω２／ｅ２・・・（１）
ε０は真空の誘電率、ｍｅは電子の質量、ωはマイクロ波角周波数、ｅは電気素量である。
【０００４】
マイクロ波プラズマ処理装置では、主に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が使われている。（１）式によれば、カットオフ密度ｎｃは、マイクロ波の周波数の二乗に比例するから、周波数を低くすれば、カットオフ密度ｎｃを飛躍的に下げることができる。この結果、低いプラズマの電子密度ｎｅでも均一なプラズマが生成され、プロセスウィンドウを広げることができる。
【０００５】
【非特許文献１】電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編「マイクロ波プラズマの技術」オーム社出版、平成１５年９月２５日発行、ｐ６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
周波数が低いマイクロ波を伝搬させるためには、導波管より同軸管を用いることが好ましい。導波管は、その大きさが波長に依存するために伝搬経路が巨大化するのに対し、同軸管はその大きさが波長に依存せず、コンパクトな伝搬経路を構築することができるからである。また、マイクロ波をプラズマに伝える誘電体板を同軸管により支持する構造にすれば、誘電体板を支える梁等が不要となり容器の蓋部分の構造がシンプルになる。この結果、容器内部に隙間が生じず、隙間にて異常放電が発生する懸念がなくなるとともに、隙間を作らないように誘電体板を高精度に加工する必要がなくなる。
【０００７】
上記構造のマイクロ波プラズマ処理装置では、成膜やエッチング等の化学反応を伴うプロセスが行われる。このようなプロセスでは、被処理体全面に渡って均一なプラズマを生成するとともに、プロセスに必要なガスの密度および化学反応によって生じた反応生成ガスの密度を均一にする必要がある。このために、被処理体と対向する面に概ね等ピッチに複数のガス孔を設け、このガス孔から容器内に均一にガスを供給することが望ましい。
【０００８】
そこで、上記課題を解決するために、ガスの供給位置を適正化したマイクロ波プラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明のある態様によれば、内部にてプラズマが励起される容器と、前記容器内にプラズマを励起するためのマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記マイクロ波源から供給されたマイクロ波を伝搬させる導体棒と、前記容器の内側に面し、前記導体棒に隣接し、前記導体棒を伝搬したマイクロ波を透過させて前記容器の内部に放出する複数の誘電体板と、前記容器内にプラズマを励起するためのガスを供給するガス供給源と、前記複数の誘電体板の各々の内部を貫通し、その貫通口である第１のガス孔から前記ガスを前記容器内に導入する第１のガス流路と、を備え、前記第１のガス孔は、各々の誘電体板の同じ位置に配置されるマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。
【００１０】
これによれば、第１のガス流路は、前記複数の誘電体板の各々の内部を貫通する。ガスは、第１のガス流路を通り、第１のガス流路の端部にて容器側に開口した第１のガス孔から容器内に導入される。この結果、各誘電体板の適正な位置から所望の流量のガスを導入することにより、プロセスに必要なガスの密度および化学反応によって生じた反応生成ガスの密度を均一にし、被処理体の上方にて全面に渡って均一なプラズマを生成することができる。また、前記第１のガス孔が各々の誘電体板の同じ位置に配置されることにより、ガスを均一に供給することができるだけでなく、すべての誘電体板が同一形状になるため、誘電体板を容易に製作することができるとともに、製作に要するコストを下げることができる。
【００１２】
前記第１のガス孔を各々の誘電体板の同じ位置に複数配置してもよい。これによれば、各誘電体板に設けられた複数のガス孔からガスが供給されるため、ガスの流れをより均一にすることができる。
【００１３】
前記複数の第１のガス孔を各々の誘電体板の同じ位置に等ピッチで配置してもよい。これによれば、誘電体板に等ピッチで設けられた複数のガス孔からガスが均一に供給されるため、ガスの流れをさらに均一にすることができる。
【００１４】
前記複数の誘電体板を等ピッチで配置するとともに、前記複数の第１のガス孔を各々の誘電体板を配置するピッチの整数分の１のピッチで配置してもよい。たとえば、複数の誘電体板が３００ｍｍのピッチで配置され、さらに第１のガス孔が５０ｍｍ（すなわち、誘電体板を配置するピッチ３００ｍｍの１／６のピッチ）で配置されている場合、すべての誘電体板に渡って複数の第１のガス孔を５０ｍｍのピッチで配置することができる。これによれば、誘電体板の下方にて全面に渡ってガスを均一に供給することができる。この結果、被処理体の上方にて全面に渡ってより均一なプラズマを生成することができ、被処理体に良好なプラズマ処理を施すことができる。
【００１５】
前記第１のガス流路を流れる所望のガス流量に対して、前記第１のガス流路内部の圧力が１０ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下になるように前記複数の第１のガス孔を配置するピッチを定めてもよい。
【００１６】
これによれば、前記第１のガス流路内部の圧力を１０ｋＰａ以上に制御することにより、ガス流路内において、圧力に比例するガスの衝突周波数がマイクロ波の角周波数より十分大きくなるため、ガス流路内における異常放電の発生を防止することができる。また、前記第１のガス流路内部の圧力を５０ｋＰａ以下に制御することにより、ガス流量を精度良く制御することができる。
【００１７】
前記第１のガス孔には、複数の細孔を有するガスノズルが設けられていてもよい。これによれば、ガスノズルを流れるガスのコンダクタンスを制御することができる。
【００１８】
特に、前記複数の細孔の直径はシース幅の２倍よりも小さく、前記複数の細孔のアスペクト比は２０倍以上であることが好ましい。これによれば、細孔に入り込んだガスがプラズマ化し、細孔内にて異常放電することにより誘電体板が焼損したり、反応性ガスが細孔内にて化学反応を起こすことにより細孔内に反応生成物が付着することを回避することができる。
【００１９】
前記第１のガス孔には、多孔質体から形成されたガスノズルが設けられてもよい。これによってもガスノズルを流れるガスのコンダクタンスを制御することができる。また、ガスの平均自由行程を考慮して多孔質体の気孔径を所望の値以下にすることにより、ガスノズル内にプラズマが入り込むことを防止することができる。
【００２０】
また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、内部にてプラズマが励起される容器と、前記容器内にプラズマを励起するためのマイクロ波を供給するマイクロ波源と、前記マイクロ波源から供給されたマイクロ波を伝搬させる導体棒と、前記容器の内側に面し、前記導体棒に隣接し、前記導体棒を伝搬したマイクロ波を透過させて前記容器の内部に放出する複数の誘電体板と、前記容器内にプラズマを励起するためのガスを供給するガス供給源と、前記複数の誘電体板の各々の内部を貫通し、その貫通口である第１のガス孔から前記ガスを前記容器内に導入する第１のガス流路と、を備え、前記複数の誘電体板には、貫通穴が形成され、前記誘電体に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した複数の金属電極と、各々の金属電極の内部を貫通し、その貫通口である第２のガス孔から前記ガスを前記容器内に導入する第２のガス流路と、を備えるマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。
【００２１】
マイクロ波の電界エネルギーは、尖ったところや角張ったところに集中する性質を持っている。このため、容器の蓋部分の構造が複雑になると、凸部に集中したマイクロ波の電界エネルギーが隙間に入り込み、隙間部分にて異常放電を引き起こす可能性がある。
【００２２】
しかしながら、かかる構成によれば、各々の誘電体板を導体棒に連結された各々の金属電極により保持することによって、容器の蓋部分の構造をシンプルにすることができる。この結果、容器内部の蓋部分近傍にて隙間がなくなり、隙間にて異常放電が発生する懸念がなくなるとともに、隙間を作らないように誘電体板を高精度に加工する必要がなくなる。
また、前記誘電体板に設けられた複数の第１のガス孔だけでなく金属を貫通する第２のガス孔を用いてガスを均一に供給することができる。
【００２３】
前記第２のガス孔の直径は、所望のガスの流量に対して前記第１のガス孔のコンダクタンスと前記第２のガス孔のコンダクタンスとが等しくなるように決定されてもよい。
【００２４】
これによれば、第１のガス孔および第２のガス孔からそれぞれ導入されるガスを同じ流量に制御することができる。これにより、プロセスに必要なガスの密度および化学反応によって生じた反応生成ガスの密度を被処理体の上方にて全面に渡って均一にすることができる。
【００２５】
前記複数の第１のガス孔および前記第２のガス孔は、各々の誘電体板の、各々の同じ位置に等ピッチで配置されてもよい。これによれば、これにより、ガスを被処理体の上方にて全面に渡って均一に供給することができ、均一なプラズマを生成することができる。
【００２６】
前記複数の誘電体板の各々には、前記金属電極を中心として点対称な位置に凹み部が設けられ、前記複数の第１のガス孔が各凹み部に同数ずつ設けられていてもよい。
【００２７】
これによれば、対称性のよい形状をした複数の誘電体板３０５が等ピッチに配置され、さらに、各凹み部３０５ａ内にガス孔Ａが同数個だけ設けられる。このような誘電体板の配置の対称性およびガス孔の配置の規則性により、同数のガス孔Ａから凹み部３０５ａ内に均一に導入されたガスから均一なプラズマを効率よく生成することができる。
【００２８】
前記導体棒は、前記複数の誘電体板に対応して複数設けられていてもよい。また、前記複数の導体棒は、前記複数の誘電体板に一対一に係合していてもよい。さらに、前記複数の導体棒のそれぞれは、前記複数の誘電体板のそれぞれの中央部にて前記誘電体板に係合していてもよい。
【００２９】
前記複数の誘電体板は、矩形状のプレートであってもよい。また、前記複数の誘電体板は、マイクロ波の管内波長をλｇとしたとき、λｇ／２の整数倍のピッチで等間隔に配置されていてもよい。
【００３０】
また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波をマイクロ波源から出力し、前記マイクロ波源から出力されたマイクロ波を導体棒に伝搬させ、前記導体棒を伝搬したマイクロ波を、前記導体棒に隣接した複数の誘電体板に透過させることにより前記容器の内部にマイクロ波を放出し、前記複数の誘電体板の内部を貫通した第１のガス流路の端部において、各々の誘電体板の同じ位置に配置された第１のガス孔から、ガス供給源から供給されたガスを前記容器内に導入し、前記放出されたマイクロ波により前記容器に導入されたガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置の使用方法が提供される。
【００３１】
これによれば、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波が容器内に供給される。カットオフ密度ｎｃは、マイクロ波の周波数の二乗に比例するから、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合に比べてカットオフ密度ｎｃを飛躍的に下げることができる。この結果、低いプラズマの電子密度ｎｅでも均一なプラズマが生成され、プロセスウィンドウを広げることができ、被処理体に多種のプラズマ処理を施すことができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、プロセスに必要なガスの密度および化学反応によって生じた反応生成ガスの密度を被処理体の上方にて全面に渡って均一にすることができる。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置について、本装置の縦断面を模式的に示した図１および本装置の天井面を示した図２を参照しながら説明する。図１は、図２の線Ｏ−Ｏにて装置を切断した断面図である。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一符号を付することにより重複説明を省略する。また、１ｓｃｃｍは、１０−６／６０（ｍ３／ｓｅｃ）とする。
【００３５】
（プラズマ処理装置の構成）
マイクロ波プラズマ処理装置１０は、その内部にてガラス基板（以下、「基板Ｇ」という。）をプラズマ処理するための容器１００を有している。容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体３００により閉塞されている。容器本体２００と蓋体３００との接触面にはＯリング２０５が設けられていて、これにより容器本体２００と蓋体３００とが密閉され、その内部に処理室Ｕが形成される。容器本体２００および蓋体３００は、たとえば、アルミニウム等の金属からなり、電気的に接地されている。
【００３６】
容器１００の内部には、基板Ｇを載置するためのサセプタ１０５（ステージ）が設けられている。サセプタ１０５は、たとえば窒化アルミニウムからなり、その内部には、給電部１１０およびヒータ１１５が設けられている。
【００３７】
給電部１１０には、整合器１２０（たとえば、コンデンサ）を介して高周波電源１２５が接続される。また、給電部１１０には、コイル１３０を介して高圧直流電源１３５が接続される。整合器１２０、高周波電源１２５、コイル１３０および高圧直流電源１３５は、容器１００の外部に設けられている。また、高周波電源１２５および高圧直流電源１３５は接地されている。
【００３８】
給電部１１０は、高周波電源１２５から出力された高周波電力により容器１００の内部に所定のバイアス電圧を印加するようになっている。また、給電部１１０は、高圧直流電源１３５から出力された直流電圧により基板Ｇを静電吸着するようになっている。
【００３９】
ヒータ１１５には、容器１００の外部に設けられた交流電源１４０が接続されていて、交流電源１４０から出力された交流電圧により基板Ｇを所定の温度に保持するようになっている。サセプタ１０５は、支持体１４５に支持されていて、その周囲には処理室Ｕのガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板１５０が設けられている。
【００４０】
容器１００の底部にはガス排出管１５５が設けられていて、容器１００の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）を用いてガス排出管１５５から容器１００内のガスが排出されることにより、処理室Ｕは所望の真空度まで減圧される。
【００４１】
冷媒供給源７００は、冷媒配管７０５に接続されていて、冷媒供給源７００から供給された冷媒が冷媒配管７０５内を循環して再び冷媒供給源７００に戻ることにより、容器１００を所望の温度に保つようになっている。
【００４２】
２台のマイクロ波源９００は、分岐導波管９０５、８つの同軸導波管変換器６０５、８つの同軸管６２０、図１の背面方向に平行に位置する８本の分岐同軸管６４０(図２参照)、各分岐同軸管６４０に７本ずつ連結された同軸管６００、分岐板６１０および同軸管３１５からなる伝搬経路に連結されている。これにより、２台のマイクロ波源９００から出力された１２０ｋＷ（＝６０ｋＷ×２（２Ｗ／ｃｍ２））のマイクロ波は、伝搬経路を伝搬し、複数の誘電体板３０５を透過して処理室内に供給される。
【００４３】
図２の断面Ａ−Ａを示した図３を参照しながらさらに説明を続ける。同軸管６００と同軸管３１５は、筒状の内部導体（軸部）６００ａ、３１５ａと外部導体６００ｂ、３１５ｂとから構成されていて、いずれも金属により形成されている。
【００４４】
内部導体３１５ａは、蓋部３００ｄを貫いて容器１００の外部に突出している。蓋部３００ｄは、蓋体３００の上面にて蓋体３００と外部導体３１５ｂと一体化している部分をいう。その内部導体３１５ａは、吊り上げ部５１０、バネ部材５１５および短絡部５２０からなる固定機構５００により、バネ部材５１５の弾性力を用いて容器１００の外側に向かって吊り上げられている。
【００４５】
短絡部５２０は、同軸管３１５の内部導体３１５ａと蓋部３００ｄとを電気的に短絡させるようになっている。短絡部５２０は、シールドスパイラルから構成され、内部導体３１５ａを上下に摺動可能に設けられている。このように、短絡部５２０を設けたことにより、プラズマから金属電極３１０に流入した熱を、内部導体３１５ａおよび短絡部５２０を通して効率よく蓋に逃がすことができる。
【００４６】
分岐板６１０は、十字状に形成され、銅などの金属により形成されている。分岐板６１０は、その中央部にて同軸管６００の内部導体６００ａに連結され、その端部にて４本の内部導体３１５ａに連結される。分岐板６１０と内部導体３１５ａとの接続位置と短絡部５２０との間隔は、マイクロ波の管内波長λｇに対して、λｇ／４になるように設計されている。
【００４７】
蓋部３００ｄと内部導体３１５ａとの間には、リング状の誘電体４１０が設けられている。リング状の誘電体４１０は、内部導体３１５ａを貫通している。リング状の誘電体４１０の内周面および外周面には、Ｏリング４１５ａおよびＯリング４１５ｂが設けられていて、これにより、処理室Ｕの内部を真空シールするようになっている。
【００４８】
同軸管３１５の内部導体３１５ａは、誘電体板３０５の中央に設けられた貫通穴を介して金属電極３１０に連結されている。金属電極３１０は、誘電体板３０５の基板側の面に露出している。金属電極３１０は円錐状であって、アルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。かかる構成によれば、誘電体板３０５は、金属電極３１０によって保持された状態で、内部導体３１５ａを介してバネ部材５１５により吊り上げられ、容器１００の内壁に固定される。
【００４９】
図２に示した誘電体板３０５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成された、１４８ｍｍ×１４８ｍｍの略正方形のプレートである。誘電体板３０５は、分岐同軸管６４０の管内波長をλｇ（９１５ＭＨｚにおいて３２８ｍｍ）としたとき、λｇ／２の整数倍（ここでは１倍）のピッチで等間隔に縦横に配置されている。これにより、２２４枚（＝１４×１６）の誘電体板３０５が、２２７７．４ｍｍ×２６０５ｍｍの容器１００の天井面に均等に配置される。なお、誘電体板３０５は、必ずしも略正方形に限られず、矩形状であってもよい。
【００５０】
さらに、図４に２枚の誘電体板３０５を示したように、誘電体板３０５の下面（プラズマ側の面）には、金属電極３１０を囲むようにして金属電極３１０の周囲に８個の凹み部３０５ａが概ね点対称な位置に設けられている。誘電体板３０５に凹み部３０５ａを設けると、その内部の電界強度が特に強くなり、凹み部３０５ａの近傍に高密度プラズマが安定して生成されるため、プラズマの安定性とプラズマ励起効率が向上する。
【００５１】
蓋部３００ｄの金属面には、溝３００ａが切られている。１ＧＨｚ以下の低周波のマイクロ波を供給した場合、誘電体板３０５とプラズマとの間を表面波（以下、単に表面波という）が伝搬するだけでなく、処理容器内面の金属面とプラズマとの間を表面波（以下、導体表面波という）が伝搬する。溝３００ａは蓋部３００ｄ等、容器１００内部の導体の金属面に生じる導体表面波の伝搬を抑制する。
【００５２】
（ガスの供給）
図１に示したガス供給源８００から供給されたガス（プラズマ励起ガスを含む）は、ガスライン８０５を介して、図４に示した内部導体３１５ａを貫通したガス導入路３１５ｃに流入する。さらに、ガスは、誘電体板３０５を貫通するガス流路８１０（第１のガス流路に相当）を通過し、その貫通口である８つのガス孔Ａ（第１のガス孔に相当）から処理室Ｕに導入される。ガスは、また、金属電極３１０の内部を貫通するガス流路８１５（第２のガス流路に相当）を流れ、その貫通口であるガス孔Ｂ（第２のガス孔に相当）から処理室Ｕに導入される。
【００５３】
前述したように、誘電体板３０５は対称性のよい形状をしているため、１枚の誘電体板３０５の中で均一なプラズマを生じやすい。また、複数の誘電体板３０５がλｇ／２の整数倍の等間隔に配置されることにより、同軸管の内部導体３１５ａを用いてマイクロ波を導入する場合、均一なプラズマを生成することができる。
【００５４】
さらに、本実施形態では、各凹み部３０５ａ内にガス孔Ａが同数（図４では一つ）ずつ設けられる。これにより、同数のガス孔Ａから凹み部３０５ａ内に導入されたガスから均一なプラズマを効率よく生成することができる。
【００５５】
（ガスの供給位置の適正化）
各々の誘電体板３０５の同じ位置にガス孔Ａを設ければ、全ての誘電体板３０５の形状が同一になるため、誘電体板３０５を容易に製作することができる。各々の誘電体板３０５の同じ位置にガス孔を配置し、かつ等ピッチでガス孔を配置するために、ガス孔のピッチは、誘電体板３０５のピッチの整数分の１に設定される。
【００５６】
誘電体板３０５が、例えばλｇ（同軸管の管内波長）／２のピッチで縦横に配列されているとすれば、ガス孔のピッチはλｇ／２ｍ（ｍ＝１以上の整数）とすればよい。ガス孔のピッチを小さくした方が（ｍを大きくした方が）ガスの流れが均一になり好ましいが、ガス孔が増えてガス流路の圧力が低下するため、ガス流路内において、圧力に比例するガスの衝突周波数がマイクロ波の角周波数より十分大きくなるため、ガス誘電体内に形成されたガス流路において放電する危険性が高くなるとともに、製造コストが高くなる。また、構造上の制約により、むやみにガス孔のピッチを小さくすることはできない。
【００５７】
図４は、ｍ＝３とした場合の例である。金属電極３１０を貫通して開口したガス孔Ｂを中心として、λｇ／６（＝５４．６ｍｍ）のピッチでガス孔Ａが設けられる。これにより、金属電極３１０下部のガス孔Ｂを中心として等間隔に、誘電体板下面の８つの凹み部３０５ａに１つずつガス孔Ａが設けられる。
【００５８】
（コンダクタンス）
各々のガス孔Ａ，Ｂから均等にガスを放出するためには、各々のガス孔Ａ，Ｂのコンダクタンスを概ね等しくする必要がある。そこで、まず、ガス孔を流れるガスのコンダクダンスを表す一般式について説明する。
【００５９】
円筒の直径Ｄ＞＞ガスの平均自由行程λを満たす圧力領域は粘性流領域と呼ばれ、分子は互いにぶつかり合いながら移動する。この領域でコンダクタンスは圧力に比例する。逆に、円筒の直径Ｄ＜＜ガスの平均自由行程λを満たす圧力領域は分子流領域と呼ばれる。分子は管壁へ衝突して分子間の相互作用は少ない。つまり、気体の輸送を妨げる要因は、分子が管壁へ衝突して散乱される現象であり、コンダクタンスの大きさは圧力に依存しない。
【００６０】
図５の左に示した長さＬ，直径Ｄの円筒のコンダクタンスＧholeは、近似的に式（２）で表される。
0005103223.tif 000002
【００６１】
ここで、Ｑは単位時間当たりに流れるガスの量（流量）（Ｐａ・ｍ３／ｓ）、ΔＰは円筒の上流圧と下流圧との差（Ｐ１−Ｐ２）を示す。円筒のコンダクタンスＧholeの右辺の第一項は粘性流コンダクタンス、第二項は分子流コンダクタンスである。粘性流に含まれるガス粘性係数ηは、上式のようにガス分子（原子）質量Ｍ、ボルツマン定数ｋ、ガス温度Ｔ、ガス衝突直径σから導かれる。
【００６２】
直径ＤのオリフィスのコンダクタンスＧorifice（臨界圧力条件Ｐ１＞〜２Ｐ２）は近似的に式（３）で表される。
0005103223.tif 000003
【００６３】
ここで、Ｑは体積流量（ｍ３／ｓ）、ΔＰはオリフィスの上流圧と下流圧との差（Ｐ１−Ｐ２）を示す。コンダクタンスＧorificeに含まれるＣＣは縮流係数（オリフィスの場合０．８２）、ＮＬはロシュミット数、γはガス比熱比、Ａ１はオリフィスの面積を示す。
【００６４】
ガス孔のコンダクタンスＧは、（２）式および（３）式を用いて近似的に次式（４）にて表される。
１／Ｇ＝１／Ｇorifice＋１／Ｇhole・・・（４）
【００６５】
たとえば、（２）式によれば、Ｐ１＞＞Ｐ２の場合、粘性流コンダクタンスの項は概ね圧力Ｐ１に比例する。また、Ｐ１＞＞Ｐ２の場合であって、ガス流路の圧力が１０ｋＰａ以上の場合、ガスの平均自由行程λは数μｍ以下になり、数１０μｍ以上のガス穴の直径Ｄよりも十分小さくなる。その結果、式（２）において粘性流コンダクタンスの項のほうが分子流コンダクタンスの項よりも十分に大きくなるため、分子流コンダクタンスの項は無視できる。よって、ΔＰ（＝Ｑ／Ｇhole）は概ねＱ／ΔＰに比例する。つまり、ΔＰは概ねＱ１／２に比例する。
【００６６】
一方、（３）式によれば、オリフィスコンダクタンスＧorificeは圧力Ｐ１に依存しない。よって、ΔＰ（＝Ｑ／Ｇorifice）は概ねＱに比例する。この結果から、上流圧Ｐ１と下流圧Ｐ２との圧力差が大きくなると、円筒よりもオリフィスがガスの流れやすさに大きな影響を及ぼすことがわかる。
【００６７】
（ガス孔の形状）
図４および図５に示したように、誘電体板に設けられたガス孔Ａは、細管ｈｌを多数束ねたガスノズル８２０から形成されている。ガスノズル８２０内部の各細管ｈｌは、各極細管にガスが入り込まないこと、およびガスの流量を精度よく制御することを条件として、その径および数が予め定められている。各極細管にガスが入り込まないためには、ガス孔の直径Ｄとガスの平均自由行程やシース圧、アスペクト比との関係を考慮する必要がある。ガスの流量を精度よく制御するためには、上記コンダクタンスを適切な値にする必要がある。
【００６８】
ガスノズル８２０は、誘電体板３０５の内部に設けられたガス流路８１０の端部に設置されている。ガスノズル８２０に容器側からガスが入り込むと、ガスノズル８２０内のガスが誘電体板３０５を透過するマイクロ波の電界エネルギーによりプラズマ化される。この結果、誘電体板内のガス流路８１０やガスノズル８２０で異常放電が生じ、誘電体板３０５が焼損したり、ガスノズル８２０の細穴ｈｌの内部にて反応性ガスが化学反応を起こすことにより細穴ｈｌに反応生成物が付着する不具合が生じる。
【００６９】
そこで、ガスノズル８２０の細穴ｈｌの直径は、プラズマ励起ガスの平均自由工程に基づき、プラズマ励起ガスがガスノズル８２０中に入り込まないサイズ（たとえば、直径５０μｍ）にする。
【００７０】
また、誘電体板３０５に設けられたガス孔Ｂについては、ガス孔Ｂの径をシース幅の２倍よりも小さく、アスペクト比（ガス孔の長さ/ガス孔の直径）を２０倍以上にしてプラズマが入り込まないようにするとともに、所望のガスを流したときのガス流路８１０の圧力を高く（電子の衝突周波数＞＞マイクロ波角周波数）して、誘電体内部のガス流路８１０において放電しないようにする。
【００７１】
（４）式に基づいて、Ａｒガスについてガス流路の圧力を計算した結果を図６に示す。プロセスが行われる条件において、誘電体板近傍の電子密度はせいぜい２×１０１２ｃｍ−３であり、このときのシース幅はおよそ２６μｍとなる。そこで、ガス孔Ａのガスノズル８２０にプラズマが入り込むことがないように、ガスノズル８２０の細管ｈｌの直径をシース幅の２倍以下の５０μｍ、ガス穴（細管）の長さを４ｍｍとした。
【００７２】
図６では、（ａ）誘電体板３０５にガス孔Ａ（ガス孔径５０μｍ、ガス孔長４ｍｍの細管ｈｌを１８本束ねたガスノズル８２０）を設けた場合、（ｂ）金属電極３１０にガス孔Ｂ（ガス孔径１１８μｍ、ガス孔長４ｍｍのガス管の先端部）を設けた場合、についてガス流量（ｓｃｃｍ）とガス流路圧力（ｋＰａ）との関係を示す。
【００７３】
ガス流路の圧力が低すぎるとガス流路内において、圧力に比例するガスの衝突周波数がマイクロ波の角周波数より十分大きくなるため、ガス流路で異常放電が発生してしまう。よって、ガス流路の圧力は１０ｋＰａ以上にすることが望ましい。一方、ガス流路の圧力が高すぎるとガス流量の制御が困難になるため、ガス流路の圧力は５０ｋＰａ以下にすることが望ましい。
【００７４】
図４に示したように、５４．６ｍｍピッチでガス孔が設けられている場合、プロセスが行われる条件において一つのガス孔あたりのガス流量は、２〜１０ｓｃｃｍ程度となる。この流量範囲においてガス流路の圧力が１０〜５０ｋＰａの範囲に入るように、ガスノズル８２０内部の細管ｈｌの数を１８個とした。
【００７５】
次に、所望のガス流量（２〜１０ｓｃｃｍ）において、金属電極３１０に設けるガス孔Ｂのコンダクタンスが誘電体板３０５に設けるガス孔Ａのコンダクタンスとほぼ等しくなるように、金属電極３１０に設けるガス孔の直径を１１８μｍ、ガス孔の長さを４ｍｍに決定した。
【００７６】
これにより、ガスノズル８２０の内部にてガスがプラズマ化して、細穴ｈｌの内部にて異常放電が生じ、誘電体板３０５が焼損したり、細穴ｈｌの内部にて反応性ガスが化学反応を起こし、細穴ｈｌに反応生成物が付着する不具合を解消することができる。また、コンダクタンスが同一になるようにガス孔Ａおよびガス孔Ｂの直径を定めることにより、ガスの流れを精度よく制御することができる。
【００７７】
なお、ガスノズル８２０は、図７に示したように、ポーラスＰから形成されていてもよく、ポーラスＰとガスノズルＮとの組み合わせでもよい。また、金属電極３１０に設けられたガス孔Ｂも、ポーラスであってもよく、ポーラスと極細管を束ねたノズルとの組み合わせでもよい。ただし、ガス孔Ｂの構造を誘電体板３０５に設けられたガス孔Ａと同じ構造にした方が、コンダクタンスを同じにしやすいので好ましい。
【００７８】
以上に説明した本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置によれば、ガスの供給位置を適正化し、ガス孔の形状および構造を最適化することにより、プロセスに必要なガスの密度および化学反応によって生じた反応生成ガスの密度を被処理体の上方にて全面に渡って均一にすることができる。
【００７９】
なお、容器１００の天井面に配置されたガス孔Ａの数は複数であっても単数であってもよい。
【００８０】
上記実施形態において、各部の動作はお互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作として置き換えることができる。そして、このように置き換えることにより、マイクロ波プラズマ処理装置の発明の実施形態を、マイクロ波プラズマ処理装置の使用方法の実施形態とすることができる。
【００８１】
（周波数の限定）
上記各実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１０を用いて、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波をマイクロ波源９００から出力することにより、良好なプラズマ処理を実現できる。従来のマイクロ波プラズマ処理装置では、主に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が使われていたが、上記（１）式によれば、カットオフ密度ｎｃは、マイクロ波の周波数の二乗に比例する。よって、周波数を１ＧＨｚにすれば、カットオフ密度ｎｃを２．４５ＧＨｚの場合の１／７程度まで下げることができる。この結果、低いプラズマの電子密度ｎｅでも均一なプラズマが生成され、プロセスウィンドウを広げることができる。
【００８２】
ＮＦガスは、最も着火しにくいガスの一つである。カットオフ密度ｎｃが、ＮＦガスを用いた場合の実用的な電子密度である１．４×１０１１ｃｍ−３と等しくなる周波数は１ＧＨｚである。すなわち、マイクロ波の周波数として１ＧＨｚ以下を選択すると、どんなガスを用いても実用的な電力密度で均一なプラズマを励起することができる。
【００８３】
よって、１ＧＨｚ以下のマイクロ波を用いることにより、２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波のある程度のパワーでは単一ガスの状態で表面波が広がらず、均一で安定したプラズマを励起できなかったＦ系単一ガスであっても均一で安定したプラズマを励起させることができる。これにより、実用的なマイクロ波のパワーを用いてクリーニングガスを励起させ、これにより生成されたプラズマによってプラズマ処理装置の内部をクリーニングすることができる。
【００８４】
たとえば、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波をマイクロ波源９００から出力し、マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波を同軸管（６４０、６２０、６００、３１５）に伝搬させる。同軸管を伝搬したマイクロ波を、同軸管に隣接した複数の誘電体板３０５に透過させることにより容器１００の内部にマイクロ波を放出する。ガス孔Ａは、複数の誘電体板３０５の内部を貫通したガス流路８１０の端部に位置する。このガス孔Ａから、ガス供給源８００から供給されたクリーニングガスを容器１００の内部に導入し、前記放出されたマイクロ波により容器１００に導入されたガスを励起させて基板Ｇに所望のプラズマ処理を施す。低周波数のマイクロ波によりプラズマ処理装置の内部をＦ系ガスのみでクリーニングすることができる。
【００８５】
なお、電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編「マイクロ波プラズマの技術」オーム社出版、平成１５年９月２５日発行の序文には、本書では「「マイクロ波帯」は、ＵＨＦ帯の３００ＭＨｚ以上の周波数領域を指している」とあることから、本明細書中においてもマイクロ波の周波数は３００ＭＨｚ以上とする。
【００８６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８７】
たとえば、本発明にかかるマイクロ波プラズマ処理装置によれば、大面積のガラス基板、円形のシリコンウエハや角型のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を処理することができる。
【００８８】
また、本発明にかかるプラズマ処理装置に設けられた誘電体板は、複数の誘電体板３０５を有するプラズマ処理装置であってもよく、図８に示したように、大面積の１枚の誘電体板３０５を有するプラズマ処理装置であってもよい。
【００８９】
図８のプラズマ処理装置においても、ガス（プラズマ励起ガスを含む）は、内部導体３１５ａを貫通したガス導入路３１５ｃに流入する。さらに、ガスは、誘電体板３０５を貫通するガス流路８１０（第１のガス流路に相当）を通過し、天井面にて均等に配置された複数のガス孔Ａ（第１のガス孔に相当）から処理室Ｕに導入される。ガスは、また、金属電極３１０の内部を貫通するガス流路８１５（第２のガス流路に相当）を流れ、その貫通口であるガス孔Ｂ（第２のガス孔に相当）から処理室Ｕに導入される。
【００９０】
これによっても、１枚の誘電体板３０５及び金属電極３１０にガス孔Ａ，Ｂが等ピッチに設けられているため、均一なプラズマを生成することができる。
【００９１】
また、本発明にかかるマイクロ波プラズマ処理装置では、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理などのあらゆるプラズマ処理を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。
【図２】同実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の天井面を示した図である。
【図３】同実施形態にかかる蓋部近傍を拡大した断面図である。
【図４】同実施形態にかかる誘電体板下面のガス孔の位置を説明するための図である。
【図５】同実施形態にかかるガス孔に取り付けられたガスノズルを示した図である。
【図６】ガス流路の圧力およびガス流量とガスのコンダクタンスとの関係を示したグラフである。
【図７】他のガスノズルを示した図である。
【図８】本発明の他の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０                マイクロ波プラズマ処理装置
１００              容器
２００              容器本体
２０５，４１５ａ，４１５ｂ  Ｏリング
３００              蓋体
３００ａ            溝
３００ｄ            蓋部
３０５              誘電体板
３０５ａ            凹み部
３１０              金属電極
３１５、６００、６２０、６４０  同軸管
３１５ａ、６００ａ  内部導体
４１０              リング状の誘電体
５００              固定機構
５１５              バネ部材
５２０              短絡部
６０５              同軸導波管変換器
６１０              分岐板
９００              マイクロ波源
９０５              分岐導波管
Ｕ                  処理室
【図１】
0005103223.tif 000004
【図２】
0005103223.tif 000005
【図３】
0005103223.tif 000006
【図４】
0005103223.tif 000007
【図５】
0005103223.tif 000008
【図６】
0005103223.tif 000009
【図７】
0005103223.tif 000010
【図８】
0005103223.tif 000011