JP2001085194A

JP2001085194A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2001085194A
Application number: JP26448999A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yoshiki; 宏之吉木
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2001-03-30
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP3889906B2

Abstract

(57)【要約】【課題】被処理物に対して広い面積に亘って均一にプ
ラズマ処理する。【解決手段】マイクロ波電源１により発生したマイク
ロ波は、インピーダンス整合器４、整合用変成器５を通
りマイクロ波放射器６に導入され、真空封じの石英窓１
１を介してプラズマ処理室７に放射される。マイクロ波
放射器６にはフェライトコア１６が配設されており、フ
ェライトコアに外部から直流磁界を印加するための磁場
発生手段１７が設けられている。これにより、マイクロ
波放射器６の両端部の電界強度が制御され、広い幅に渡
りマイクロ波電界強度の分布が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜形成、表面改
質およびエッチング等の処理を、大面積の被処理物に対
し、均一かつ高速に行うためのプラズマ処理装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体および液晶ディスプレイ
（ＬＣＤ）の製造工程におけるエッチング、アッシン
グ、化学蒸着方（ＣＶＤ）等にマイクロ波を用いたプラ
ズマ装置が用いられている。図３１は、従来のプラズマ
処理装置の概略構成図である。また、図３２は、図３１
のＩ−Ｉ線断面図である。この装置は、マイクロ波電源
１、アイソレータ２、方向性結合器３、インピーダンス
整合器４、プラズマ処理をおこなう直方体状のプラズマ
処理室７、プラズマ処理室の側面に取付けたプラズマ室
結合用矩形導波管８、終端装置９を備える（Jpn. J.App
l. Phys. 32 (1993) L802 参照）。

【０００３】プラズマ処理室７は、図３２に示すよう
に、矩形導波管８側の側壁７ａに導波管８の管軸方向に
沿って細長い矩形状の窓部７ｂが設けられ、この窓部７
ｂは石英等の材質からなるマイクロ波透過窓１１により
真空封じされている。このマイクロ波透過窓を介して、
窓部７ｂは矩形導波管８のＥ面８ａに対向させた状態で
配置されている。ここでＥ面とは、矩形導波管内の電界
ベクトルの方向に平行な側面である。また、プラズマ処
理室７には排気口７ｃが設けられ、この排気口は図示し
ない真空ポンプに接続されており、またプラズマ処理室
７の１つの壁部を気密に貫通させてプロセスガス導入パ
イプ１２が取り付けられている。このプラズマ処理室７
内には、シート状の被処理物１３が巻かれたローラ１４
と、処理が終了した被処理物を巻き取る巻取りローラ１
５とが対向配置され、被処理物１３は窓部７ｂに対向配
置されている。

【０００４】プラズマ室結合用矩形導波管８には、Ｅ面
８ａに管軸方向に伸びるスロット８ｂが設けられてい
る。このスロット８ｂは、プラズマ室７の窓部７ｂの長
手方向とほぼ等しい長さを有するが、その幅寸法は、窓
部７ｂの幅寸法よりも小さく設定されている。結合用矩
形導波管８は、スロット８ｂをプラズマ処理室７の窓部
７ｂに対向させた状態で電気的に接続されている。

【０００５】終端装置９は、プラズマ処理室７側に供給
されなかった余分なマイクロ波を吸収するマイクロ波吸
収体から構成され、マイクロ波吸収体として水を用いて
いる。プラズマ処理室７に伝搬しなかった余分なマイク
ロ波は、導入口９ａから導入した水に吸収させ、マイク
ロ波により加熱された水を排出口９ｂから排水させるよ
うになっている。

【０００６】このような従来のプラズマ処理装置を用い
たプラズマ処理について、以下に説明する。まず、プラ
ズマ処理室７内に被処理物１３をセットした後、プラズ
マ処理室７内を高真空状態にする。その後プロセスガス
導入パイプ１２から、プラズマ処理室７内に所定のプロ
セスガスを、プラズマ処理室内が所定の圧力になるまで
供給する。この状態でマイクロ波電源１から、アイソレ
ータ２、方向性結合器３、インピーダンス整合器４、を
通してプラズマ室結合用矩形導波管８の一端にマイクロ
波を供給すると、矩形導波管８内に進入したマイクロ波
は、スロット８ｂから放射されてプラズマ処理室７の窓
部７ｂを通してプラズマ処理室７内に伝搬し、プラズマ
処理室内のプロセスガスをプラズマ化して、プラズマ処
理室７の窓部７ｂに沿って帯状のプラズマを生成する。
このプラズマを被処理物１３に照射しつつ、被処理物１
３をローラ１５により巻き取り移動させることにより、
広い面積に渡る処理を連続的に行わせることができる。

【０００７】なお、特に、プラズマ処理室７の窓部７ｂ
と被処理物１３との間の空間に磁界を発生させる手段と
して電磁石１０ｃを設けると、プラズマ中の電子及びイ
オンがこの磁界により力を受けて螺旋運動する。その結
果、反応性ガスの電離および励起の頻度が高められ、被
処理物に照射されるプラズマ密度が高められる。さら
に、上記空間内に電子サイクロトロン共鳴を生じさせる
ように、例えば永久磁石１０ａ、１０ｂを併用して用い
ることで、プラズマ密度を飛躍的に高めることができ
る。また、上記磁界を窓部７ｂからプラズマ処理室の中
央部に向かうような発散磁界となるように設定すること
により、プラズマを被処理物１３に効率よく照射させる
ことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図３３は、図
３１のスロットの長手方向に対するマイクロ波電界強度
の分布を示す図である。従来技術によるプラズマ処理装
置では、長さＡ−Ｂのスロット８ｂからプラズマ処理室
７に放射されるマイクロ波電界は、図３３に示されるよ
うに、プラズマ処理室７の長手方向に山谷を有した不均
一な分布となっている。これは、導波管の側壁に設けら
れたスロットから放射されるマイクロ波が、自由空間波
長λ₀に対応した強弱を有する放射パターンとなること
に起因する。従って、均一性の高いプラズマが要求され
るにも拘わらず、発生するプラズマの分布は不均一とな
り、被処理物の広い面積に渡る均一処理が難しいという
課題があった。

【０００９】さらに、プラズマ室結合用矩形導波管８に
入力されるマイクロ波電力のうち、スロット８ｂからプ
ラズマ処理室７に放射されなかった電力は、矩形導波管
８を通って終端装置９内のマイクロ波吸収体に消費され
て全て電力損失となるため、電力の使用効率が悪いと共
に、生成されるプラズマ密度が低くなるという課題があ
った。

【００１０】本発明は、以上の点に鑑み、被処理物に対
して広い面積に亘って均一にプラズマ処理することがで
き、しかもマイクロ波電力使用効率を従来例に比較して
改善することができるプラズマ処理装置を提供すること
を目的とする。また、本発明は、導波管の終端部をマイ
クロ波放射器とし、しかもマイクロ波放射器の出力側開
口部が被処理物の寸法に応じた細長い矩形のスリットを
形成することにより、導波管の側壁にスロットを設けた
場合に見られるマイクロ波電界分布に自由空間波長の２
分の１毎の強弱が現れる現象が生じないようにすること
を目的とする。また、本発明は、マイクロ波放射器内部
に配設したフェライトコアの材質、形状および寸法と、
そこに印加する直流磁界の値を適切に設定することで、
マイクロ波の伝搬方向およびマイクロ波の電界分布を適
時調整できるようにし、プラズマ処理室へ放射されるマ
イクロ波の電力分布をプラズマ処理室の窓部の長辺方向
に沿って均一にすることを目的とする。そして、本発明
は、幅広い領域に渡りプラズマ密度の分布を均一にする
ことを目的とする。さらに、本発明は、導波管の終端部
からマイクロ波を放射する方式であるので、マイクロ波
の使用効率が向上され生成されるプラズマの密度を高め
ることを目的とする。そして、本発明は、直線状プラズ
マを照射しつつ被処理物を移動させることにより、広い
面積を均一にしかも高速にプラズマ処理することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の解決手段による
と、壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が
配置されるプラズマ処理室と、マイクロ波電源から出力
されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するため
のマイクロ波放射器と、前記マイクロ波放射器内に設け
られ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライト
コアと、前記フェライトコアに磁界を印加するための磁
場発生手段とを備えたプラズマ処理装置を提供する。

【００１２】本発明は、特に、マイクロ波電源と、マイ
クロ波電源から出力されたマイクロ波を導入する矩形導
波管と、矩形導波管の終端部に設けたマイクロ波放射器
と、壁面に細長い窓部を設けて窓部に対向するように被
処理物が配置されたプラズマ処理室とを備え、前記マイ
クロ波放射器の出力側開口部がプラズマ処理室の細長い
窓部に対向して電気的に接続され、かつ矩形導波管とマ
イクロ波放射器との間に整合用変成器を具備し、前記矩
形導波管に導入されたマイクロ波が前記窓部を通して放
射することでプラズマを生成させ、被処理物に対して所
定の処理を行うプラズマ処理装置に関するものである。

【００１３】本発明においては、マイクロ波放射器がテ
ーパー状に構成され、Ｈ面同士が平行に形成され、両Ｅ
面がマイクロ波の進行方向に沿って扇形に伸長されて形
成され、かつマイクロ波放射器の出力側開口部が細長い
矩形のスリットを形成することができる。また、マイク
ロ波放射器内にマイクロ波の伝搬方向を変えるためのフ
ェライトコアが配設され、前記フェライトコアに外部か
ら直流磁界を印加するための磁場発生手段を具備するこ
とができる。

【００１４】この場合、フェライトコアの材質、形状、
寸法ならびに直流磁界の値を調整することにより、マイ
クロ波放射器からプラズマ処理室の細長い窓部に供給さ
れるマイクロ波電力分布を所望の形状に任意の変えるこ
とができ、従ってプラズマ処理室の窓部に沿って帯状
に、しかもイオン分布密度の均一性が高いプラズマを生
成させることができる。

【００１５】また、本発明は、マイクロ波放射器がステ
ップ状に構成され、Ｈ面同士が平行に形成され、両Ｅ面
がマイクロ波の進行方向に沿って不連続な段差状に伸長
されて形成され、上記不連続部を境にして電源側導波管
部とプラズマ処理室側導波管部とからなり、電源側導波
管部の中心軸とプラズマ処理室側導波管部の中心軸とを
一致させると共に、プラズマ処理室側導波管部の長辺の
長さをマイクロ波の自由空間波長λ₀の3/2以上とし、か
つマイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のスリ
ットを形成することができる。また、マイクロ波放射器
内にマイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコ
アが配設され、前記フェライトコアに外部から直流磁界
を印加するための磁場発生手段を具備することができ
る。

【００１６】この場合、フェライトコアの材質、形状、
寸法ならびに直流磁界の値を調整することにより、前記
プラズマ処理室側導波管部を伝搬するマイクロ波の波数
ベクトルの方向を任意に変えることで、高次のＴＥ
_m0（m=3,5,7 …）モードのマイクロ波を任意の割合にて
伝搬させることができる。このプラズマ処理室側導波管
部の長辺の長さを、例えば（λ₀／２）・３以上、（λ₀
／２）・５未満と設計した場合、マイクロ波放射器から
プラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ波電
力分布を、ＴＥ₁₀とＴＥ₃₀との２つのモードの分布を任
意に重ね合わせた形状に変えることができ、従ってプラ
ズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分
布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。

【００１７】また、本発明は、マイクロ波放射器と、マ
イクロ波放射器内のマイクロ波入力側に近い位置に、し
かもマイクロ波放射器の中心軸上にフェライトコアが配
設され、マイクロ波の伝搬方向を周期的に変えるように
前記フェライトコアに外部から交流磁界を印加するため
の磁場発生手段を具備するようにしてもよい。

【００１８】この場合、フェライトコアの材質、形状、
寸法ならびに交流磁界の振幅および周期を調整すること
により、プラズマ処理室側導波管部を伝搬するマイクロ
波の波数ベクトルの方向を時間的、空間的に振動させる
ことができる。また、振動の周期は、印加する交流磁界
の周期に対応して任意に設定でき、従ってマイクロ波放
射器からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイ
クロ波電力分布の時間平均値を平坦化できる。さらに、
上記振動周期をプラズマ減衰時定数よりも十分短く設定
することで、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、し
かもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させ
ることができる。

【００１９】また、本発明は、マイクロ波放射器と、マ
イクロ波放射器内に於けるマイクロ波の高周波磁界が集
中している管壁付近にフェライトコアを配設し、前記フ
ェライトコアに外部から直流磁界を印加するための磁場
発生手段を具備するようにしてもよい。

【００２０】この場合、フェライトコアの材質、形状、
寸法ならびに印加磁界の値を調整することにより、前記
フェライトコア外に在るマイクロ波電界をフェライトコ
ア内へ偏移させることができ、従ってマイクロ波放射器
からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ
波電力分布を均一化できる。それ故、プラズマ処理室の
窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が
高いプラズマを生成させることができる。

【００２１】さらに、本発明は、テーパー状のマイクロ
波放射器と、マイクロ波放射器の中心軸上にマイクロ波
の入力側から出力側に向かい棒状のフェライトコアが配
設され、前記フェライトコアの磁化方向がマイクロ波の
入力側から出力側へ向かうように直流磁界を印加するた
めの磁場発生手段を具備するようにしてもよい。

【００２２】この場合、フェライトコアの材質、形状、
寸法ならびに直流磁界の値を調整することにより、前記
フェライトコア内に在るマイクロ波電界をフェライトコ
ア外へ偏移させることができ、従ってマイクロ波放射器
からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ
波電力分布を所望の形状に任意に変えることができる。
それ故、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかも
イオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させるこ
とができる。

【００２３】さらに、本発明は、上述のようなマイクロ
波放射器を有するプラズマ処理装置において、プラズマ
処理室の窓部と被処理物との間の空間に磁界を発生する
磁界発生手段を具備することができ、また、電子サイク
ロトロン共鳴を発生するための手段を具備することもで
きる。

【００２４】この場合、プラズマ中の電子及びイオンが
前記磁界により力を受けて螺旋運動する。その結果、反
応性ガスの電離および励起の頻度が高められ、被処理物
に照射されるプラズマ密度が高められる。さらに、上記
空間内に電子サイクロトロン共鳴を生じさせるように磁
界の値を設定することで、プラズマ密度を飛躍的に高め
ることができる。

【００２５】本発明においては、上述のように構成する
ことにより、矩形導波管の側壁に細長いスロットを設け
てスロットからプラズマ処理室へマイクロ波を放射する
際に、従来の方式において生じたような、マイクロ波電
界強度の分布が図３３に示すようにマイクロ波の２分の
１波長毎に強弱を有した分布となることはない。すなわ
ち、マイクロ波放射器内にフェライトコアを配設し、こ
のフェライトコアに静磁界を印加してマイクロ波の伝搬
方向を調整することで、プラズマ処理室に放射されるマ
イクロ波電力の分布を均一にすることができる。また、
マイクロ波放射器内にフェライトコアを配設し、このフ
ェライトコアに静磁界を印加してマイクロ波の波数ベク
トルの方向を制御し、基本モードと高次モードのマイク
ロ波を任意に励振し重ね合わせることで、プラズマ処理
室に放射されるマイクロ波電力の分布を均一にすること
ができる。さらに、マイクロ波放射器内に配設したフェ
ライトコア内のマイクロ波電界を空間的に偏移させるこ
とにより、プラズマ処理室に放射されるマイクロ波電力
の分布を均一にすることができる。最後に、上述の方式
ではマイクロ波導波路の終端からマイクロ波を放射して
いるので、マイクロ波吸収体を含む終端装置が不要であ
る為、マイクロ波電力の使用効率が高く、生成されるプ
ラズマ密度も高くなる。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、本
発明における第１の実施の形態を示すマイクロ波プラズ
マ処理装置の全体構成図である。この装置は、マイクロ
波電源１、インピーダンス整合器４、整合用変成器５、
マイクロ波放射器６、プラズマ処理室７、石英窓１１、
プロセスガス導入パイプ１２、フェライトコア１６、磁
場発生手段１７を備える。また、マイクロ波電源１から
整合用変成器５までの導波路に、アイソレータや方向性
結合器等を適宜備えても良い。図示するように、マイク
ロ波電源１により発生したマイクロ波はインピーダンス
整合器４、整合用変成器５を通りマイクロ波放射器６に
導入され、真空封じの石英窓１１を介してプラズマ処理
室７に放射される。マイクロ波放射器６にはフェライト
コア１６が配設されており、フェライトコアに外部から
直流磁界を印加するための磁場発生手段１７が設けられ
ている。

【００２７】図２は、マイクロ波放射器６とフェライト
コア１６の位置関係を示す概略図である。マイクロ波放
射器６は、平行部６ａとテーパー部６ｂを備え、マイク
ロ波の入力側から出力側に向かいテーパー状に構成され
る。すなわち、このような構成により、Ｈ面同士は平行
に形成され、両Ｅ面間の間隔がマイクロ波の進行方向に
沿って扇形に伸長されて形成される。かつ、マイクロ波
放射器６の出力側開口部が、長さＡ―Ｂの細長い矩形の
スリットを形成している。またマイクロ波放射器６内に
は、例えば、平行部６ａとテーパー部６ｂの継ぎ目Ｘ−
Ｘ’線の位置（図１のＸ―Ｘ’線に対応）に薄厚円柱状
のフェライトコア１６が配設される。

【００２８】図３に、図１のＸ−Ｘ’線における断面図
を示す。図３は、前記フェライトコアに外部から直流磁
界を印加するための磁場発生手段１７を示す概略図であ
り、図１及び図２のＸ−Ｘ’線断面に対応している。フ
ェライトコア１６の上下にはポールピース１７ａがあ
り、ポールピースはヨーク１７ｂを介して永久磁石１８
に接続されている。図３のように構成することで、フェ
ライトコアの上下面内に均一に直流磁界を印加すること
ができる。

【００２９】次に、フェライトコアとそこに印加する直
流磁界によりマイクロ波放射器６内のマイクロ波の伝搬
方向が変化する原理を説明する。図４に、マイクロ波放
射器内のマイクロ波高周波磁界の分布図を示す。図４
は、マイクロ波放射器内を伝搬するマイクロ波の高周波
磁界のある瞬間の様子を示す。磁界はループ状に閉じて
おり、隣り合う高周波磁界の回転方向は互いに逆向きで
ある。磁界のループは時間の経過とともに図中のｙ軸方
向に進んでいる。中央から左側のＡ−Ａ’線上の任意の
点でみると、磁界ベクトルは１→２→３→４と変化する
のでｚ軸の負方向からみて左まわりに回転する。これに
反して中央から右側のＢ−Ｂ’線上の任意の点でみる
と、磁界ベクトルは４→３→２→１と変化するのでｚ軸
の負方向からみて右まわりに回転する。いま紙面に垂直
でｚ軸の正方向を向く直流磁界Ｂを印加した場合、Ａ−
Ａ’線上の任意の点においたフェライト内部では高周波
磁界は直流磁界Ｂに対し左まわりに回転し、したがって
フェライトの比透磁率はμ⁻となり、Ｂ−Ｂ’線上の任
意の点においたフェライト内部では回転の向きは反転
し、したがってフェライトの比透磁率はμ^＋となる。こ
こで図５は比透磁率μ^＋、μ⁻の直流磁界Ｂ依存性を示
す。共鳴磁界Ｂresより小さい磁界の領域では、μ⁻＞
μ^＋である。マイクロ波の伝搬速度Ｖと比透磁率μとの
間には次式の関係があるので、Ｖ＝Ｃ／√（εμ）（１）Ａ−Ａ’線上とＢ−Ｂ’線上とではマイクロ波の速さが
異なる。ここで、ｃは真空中の光速度、εは比誘電率で
ある。

【００３０】つぎに、図６は、本発明の第１の実施の形
態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図である。
この図には、マイクロ波放射器内の図２に示す位置にフ
ェライトコアを配設し、紙面に垂直にこちら向きの直流
磁界を印加した場合のマイクロ波の進行方向を示す。フ
ェライトコア内部では、中央線Ｙ−Ｙ’から左側のマイ
クロ波の速さＶ⁻、中央線Ｙ−Ｙ’から右側のマイクロ
波の速さＶ^＋との間には、Ｖ^＋＞Ｖ⁻ （２）の関係が成り立ち、従ってマイクロ波は左側へと進む。
図７は、本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電
界の分布図である。図７には、図６におけるマイクロ波
放射器の出力側Ｃ−Ｃ’線でのマイクロ波電界強度の分
布を示す。ここで、破線はフェライトコアがない場合、
実線はフェライトコアが有る場合をそれぞれ示す。図示
のように、電界強度の最大位置は、フェライトコアによ
り左側に移動する。

【００３１】図８は、本発明の第１の実施の形態におけ
るマイクロ波の進行方向を示す概略図である。図８には
直流磁界Ｂの向きを反転した時のマイクロ波の進行方向
を示す。この場合、フェライトコア内部で中央線Ｙ−
Ｙ’から左側のマイクロ波の速さはＶ^＋、中央線Ｙ−
Ｙ’から右側のマイクロ波の速さはＶ⁻となり、従って
マイクロ波は右側へと進む。図９は、本発明の第１の実
施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。図９に
は、図８におけるマイクロ波放射器の出力側Ｃ−Ｃ’線
でのマイクロ波電界強度の分布を示す。ここで、破線は
フェライトコアがない場合、実線はフェライトコアが有
る場合をそれぞれ示す。図示のように、電界強度の最大
位置は右側に移動する。

【００３２】つぎに、図１０は、他の実施の形態におけ
る、図１のＸ−Ｘ’線における断面図である。フェライ
トコアによる電界強度分布の移動効果を高めるために、
またフェライトコアの放熱効率を良くするために、例え
ば、図１０に示すようにフェライトコアを分割し、マイ
クロ波放射器の上下Ｈ面にフェライトコア１６ａ，１６
ｂを対向させて配設してもよい。

【００３３】図１１は、本発明の第１の実施の形態によ
るフェライトコアとそこに印加する直流磁界の構成を示
す図である。図１１には、マイクロ波放射器の中心線Ｙ
−Ｙ’を境にして左側部と右側部とにフェライトコアを
分割し、左側部のフェライトコア１６ｃには紙面に垂直
にこちら向きの直流磁界を印加し、右側部のフェライト
コア１６ｄには紙面に垂直にむこう向きの直流磁界を印
加した場合のマイクロ波の進行方向を示す。また、図１
２は、図１１のＸ−Ｘ’線における断面図である。図１
２には、上述の直流磁界を印加するための磁場発生手段
の例を示す。直流磁界の値を適切に設定することでマイ
クロ波放射器の出力側Ｃ−Ｃ’線でのマイクロ波電界分
布を均一化することができる。図１３は、本発明の第１
の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。図
１３には、均一化を行う前後でのマイクロ波電界強度の
分布を示す。破線は均一化実施前の状態で、基本モード
（すなわちＴＥ₁₀モード）のマイクロ波による分布であ
る。これに対し、実線は均一化実施後の状態で、実施後
は両端部の電界強度が高められＣ−Ｃ’線に沿った広い
幅に渡り、マイクロ波電界強度の分布が改善されてい
る。なお、１１及び図１２では、フェライトコアを分割
した例を示したが、分割部を接合したり境界部材を介し
て接合したり、分割しないで一体の構成としてもよい。

【００３４】また、図１４は、本発明の第１の実施の形
態による永久磁石の配置を示す図である。ここでは、石
英窓１１に近接するように磁場発生手段として永久磁石
１０ａ，１０ｂが設けられている。これにより反応性ガ
スの電離および励起の頻度が高められ、被処理物に照射
されるプラズマ密度が高められる。なお、永久磁石の変
わりに電磁石でもよい。さらに、例えば、プラズマ処理
室７の石英窓１１と被処理物１３との間の空間内に、電
子サイクロトロン共鳴を生じさせるように磁界の値を設
定することで、プラズマ密度を飛躍的に高めることがで
き、被処理物１３を効率よくプラズマ処理することがで
きる。さらに、上記磁界を石英窓１１からプラズマ処理
室の中央部に向かうような発散磁界となるように設定す
ることで、プラズマを被処理物１３に効率よく照射させ
ることができる。

【００３５】（第２の実施の形態）図１５は、本発明に
おける第２の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理
装置の全体構成図である。この装置は、マイクロ波電源
１、インピーダンス整合器４、整合用変成器５、マイク
ロ波放射器６、プラズマ処理室７、石英窓１１、プロセ
スガス導入パイプ１２、フェライトコア１６、磁場発生
手段１７を備える。また、マイクロ波電源１から整合用
変成器５までの導波路に、アイソレータや方向性結合器
等を適宜備えても良い。図示するように、マイクロ波電
源１により発生したマイクロ波はインピーダンス整合器
４、整合用変成器５を通りマイクロ波放射器６に導入さ
れ、真空封じの石英窓１１を介してプラズマ処理室７に
放射される。マイクロ波放射器６にはフェライトコア１
６が配設されており、フェライトコア１６に外部から直
流磁界を印加するための磁場発生手段１７が設けられて
いる。

【００３６】マイクロ波放射器６はマイクロ波の入力側
から出力側に向かいステップ状の不連続部が構成され
る。この不連続部により、Ｈ面同士は平行に形成され、
両Ｅ面間の間隔がマイクロ波の進行方向に沿って不連続
な段差状に伸長されて形成される。マイクロ波放射器６
は、この不連続部を境にして電源側導波管部６ｃとプラ
ズマ処理室側導波管部６ｄとを有し、電源側導波管部６
ｃの中心軸とプラズマ処理室側導波管部６ｄの中心軸と
を一致させると共に、プラズマ処理室側導波管部６ｄの
長辺の長さａをマイクロ波の自由空間波長λ₀の3/2以上
とし、かつマイクロ波放射器６の出力側開口部が長さＡ
−Ｂの細長い矩形のスリットを形成している。マイクロ
波放射器６内には、例えばステップ部の継ぎ目Ｘ−Ｘ’
線の位置に薄厚円柱状のフェライトコア１６が配設され
る。フェライトコア６に外部から磁場を印加するための
磁場発生手段は、図３または図１０等に示すものと同様
である。

【００３７】次に、フェライトコアとそこに印加する直
流磁界によりマイクロ波放射器内に高次のＴＥ_m0（m=3,
5,7 …）モードのマイクロ波を任意の割合にて伝搬させ
る原理と、それによるマイクロ波電界分布の均一化の方
法を説明する。図１６は、本発明の第２の実施の形態に
おけるマイクロ波の波数ベクトルの方向を示す概略図で
ある。図１６の矢印１９は、矩形導波管の側壁に入射・
反射を繰り返しながら導波管内を斜め伝搬するマイクロ
波の波数ベクトルの様子を示した模式図である。マイク
ロ波放射器の電源側導波管部６ｃでは基本モードのＴＥ
₁₀波のみが伝搬可能であり、一方、プラズマ処理室側導
波管部６ｄでは次式で与えられるｎ次モードのＴＥ_n0波
までが伝搬可能である。ｎ＜２ａ／λ。（３）ここでλ₀はマイクロ波の自由空間波長、ａはプラズマ
処理室側導波管部の長辺の長さである。また、マイクロ
波の矩形導波管側壁への入射角θnと、その時の伝搬モ
ードの次数ｎとの関係は、 COS θｎ＝（λ。／２ａ）・ｎ（ｎ＝1,2,3,・・）（４）で与えられる。高次モードのマイクロ波を伝搬させるに
は入射角θnを小さく設定すればよい。その為には、ス
テップ状の継ぎ目Ｘ−Ｘ’線の位置に薄厚円柱状のフェ
ライトコアを配設し、このフェライトコアに紙面に垂直
な直流磁界を印加することでマイクロ波の波数ベクトル
１９の方向を変えればよい。直流磁界の値を比較的大き
く設定すると、フェライトコアの比透磁率が大きく変化
し、波数ベクトルの方向も大きく変わる。したがって矩
形導波管側壁への入射角を図示するようにθ_１からθ_２
へ、さらにθ_３へと徐々に小さくできる。このプラズマ
処理室側導波管部の長辺の長さａを、例えば（λ₀／
２）・３以上、（λ₀／２）・５未満と設計した場合、
（３）式に示すようにマイクロ波放射器内にＴＥ₁₀とＴ
Ｅ₃₀との２つのモードの波を伝搬させることができる。
ここでＴＥ₂₀モードおよびＴＥ₄₀モードはマイクロ波放
射器のＹ−Ｙ’軸対称性から原理的に生じない。

【００３８】図１７は、本発明の第２の実施の形態によ
るマイクロ波電界の分布図である。図１７には、ＴＥ₁₀
とＴＥ₃₀との２つのモードのマイクロ波電界と、それら
を任意に重ね合わせた合成電界の分布を示す。図１７に
示す破線および一点鎖線は、ＴＥ₁₀およびＴＥ₃₀モード
のマイクロ波電界の分布を、実線はそれらの合成電界の
分布をそれぞれ示す。また、図１８は、本発明の第２の
実施の形態によるマイクロ波電界強度の分布図である。
ここで、実線は、ＴＥ₁₀とＴＥ₃₀の合成電界を示し、破
線は基本モードを示す。従ってマイクロ波電界強度の分
布は、図１８の実線で示されるようになり、破線点線で
示す基本モード（すなわちＴＥ₁₀モード）の波のみによ
るマイクロ波電界強度に比べて均一性が高くなる。上述
のように得られたマイクロ波電界強度の分布によって、
プラズマ処理室７の窓部に沿って帯状に、しかもイオン
密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることがで
きる。

【００３９】（第３の実施の形態）図１９は、本発明に
おける第３の実施の形態の概略構成図を示し、第１の実
施の形態に適用した場合の磁場発生手段の構成を示す図
である。図１９は図１のＸ−Ｘ’線断面に対応し、２個
のコイル２０ａ，２０ｂは同じ極性の磁界がフェライト
コア１６に印加されるように巻き上げられている。ま
た、これら２個のコイル２０ａ、２０ｂは、励磁電流を
印加するための電源２１に接続されている。

【００４０】図２０は、本発明の第３の実施の形態にお
ける励磁電流の波形を示す図である。コイルには図２０
に示す交流電流が印加され、各時間における電流値に対
応して、マイクロ波放射器内のマイクロ波の波数ベクト
ルの方向が変化する。図２１は、本発明の第３の実施の
形態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図であ
る。図２１には、波数ベクトルの変化の様子を示す。例
えば、電流値が図２０の１に示す状態の時、図２１のフ
ェライトコアに紙面の下方から上方に向かう磁界Ｂが印
加されるとすると、図２１のＣ−Ｃ’線上の１に示す方
向を向く波数ベクトル１９ａとなる。同様に考えると、
交流が付加される場合、マイクロ波放射器内のマイクロ
波の波数ベクトルは、交流電流の一周期にわたり１９ａ
→１９ｂ→１９ｃ→１９ｂ→１９ａのように振動する。
図２２は、本発明の第３の実施の形態によるマイクロ波
電界強度の分布図である。図２２には、マイクロ波電界
の時間変化を示す。図中の１，２，３の番号は図２０お
よび図２１中の番号と対応している。

【００４１】つぎに、図２３は、本発明の第３の実施例
によるイオン密度分布を示す図である。さらに、上述の
振動の周期をプラズマ減衰時定数よりも十分短く設定す
ることで、図２３の実線で示すようなプラズマ処理室の
窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が
高いプラズマを生成させることができる。図中の点線
は、フェライトコアを具備しないマイクロ波放射器を用
いた場合のイオン密度分布を示してある。

【００４２】（第４の実施の形態）図２４は、本発明に
おける第４の実施の形態の概略構成図を示し、第１の実
施の形態に適用した場合のマイクロ波放射器の内部を示
す図である。図示するように、マイクロ波の高周波磁界
が集中している管壁付近の、しかも出力側開口部６ｂに
フェライトコア３１ａ、３１ｂが配設されている。また
マイクロ波を効率良くフェライトコアへ導入するため
に、フェライトコア３１ａ、３１ｂに近接させて整合用
の誘電体３２ａ、３２ｂが付加されている。図２５は、
図２４のＰ−Ｐ’線における断面図を示したものであ
る。ここでは、フェライトコア３１ａ，３１ｂにそれぞ
れ直流磁界を印加するための磁場発生手段の概略図が示
される。左右のフェライトコア３１ａ，３１ｂに印加さ
れる直流磁界の極性が互いに逆向きになるように構成さ
れている。

【００４３】本実施の形態においては、図２４に示すよ
うにマイクロ波放射器内を入力側６ａから出力側６ｂへ
伝搬しているマイクロ波に対して、フェライトコア３１
ａには紙面の下方から上方へ向かう直流磁界Ｂ1を、フ
ェライトコア３１ｂは紙面の上方から下方へ向かう直流
磁界Ｂ2を印加すると、各々のフェライトコア内で高周
波磁界が直流磁界Ｂ1およびＢ2に対して左回りに回転を
しているのでフェライトの比透磁率は共にμ⁻となる、
図５に示すように左回り、すなわち負方向回転の比透磁
率μ⁻は印加する直流磁界Ｂの値によっては１よりも大
きな値を示し、さらにフェライトの比誘電率も１０〜２
０と大きいのでマイクロ波はフェライト媒質内に引き込
まれる。

【００４４】図２６は、本発明の第４の実施例によるマ
イクロ波電界の分布図である。上述の結果マイクロ波電
界の分布は、マイクロ波放射器内の管壁付近で大きくな
り、反対に中央付近では減少して図２６の実線で示す曲
線のようになる。図中の斜線部はフェライトコアの位置
を示し、点線は上記フェライトコアが存在しない場合の
基本モード（すなわちＴＥ₁₀モード）のみの電界分布を
示す。点線と比較して実線で示す分布は、両端の管壁付
近の電界分布を改善しており、マイクロ波放射器の出力
側開口部におけるマイクロ波電力分布の均一化が図れ
る。

【００４５】図２６の実線で示すようなマイクロ波電界
の分布を得ることで、プラズマ処理室の窓部に沿って帯
状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを
生成させることができる。

【００４６】（第５の実施の形態）図２７は、本発明に
おける第５の実施の形態の概略構成図を示し、第１の実
施の形態に適用した場合のマイクロ波放射器の内部を示
す図である。図示するように、マイクロ波放射器の中心
軸Ｙ−Ｙ’上にマイクロ波の入力側６ａから出力側６ｂ
に向かい棒状のフェライトコア３３が配設され、フェラ
イトコア３３に外部から直流磁界を印加するための磁場
発生手段３４ａ、３４ｂを備えている。直流磁界は、図
中の矢印３５で示すようにマイクロ波の入力側から出力
側に向かう方向に印加される。またマイクロ波を効率良
くフェライトコアへ導入するため、整合用の誘電体３６
が配設してある。磁場発生手段３４ａ、３４ｂの具体的
構成としては、電磁石又は永久磁石を用いることができ
る。電磁石の場合は、例えば、小さなコイル（鉄心又は
空心）を並設したり、ヘルムホルツタイプのコイルでフ
ェライトコアを囲むようにする等適宜の構成とすること
ができる。図２８は、例えば、図２７のｂ−ｂ’線にお
ける断面図である。これは、マイクロ波放射器内部のフ
ェライトコア３３の固定位置を示すもので、Ｚ−Ｚ’線
に対し対称に配設してある。

【００４７】次に、フェライトコアとそこに印加する直
流磁界を図２７に示すように構成することで、マイクロ
波放射器の出力側開口部におけるマイクロ波電界分布を
均一化する原理を説明する。図示するようにマイクロ波
の伝搬方向に直流磁界を加えるならば、フェライトコア
内の比透磁率は図５のμ^＋、μ⁻のほぼ中間の値とな
る。これを実効比透磁率と呼びμ_effで表す。このμ_eff
の値はμ^＋、μ⁻の値を用いて次式で関係づけられてい
る。 μ_eff＝２μ^＋μ⁻／（μ^＋＋ μ⁻）（５）図２９は、フェライトコアの実効比透磁率の直流磁界に
対する値を示す図である。これは、μ_effの直流磁界依
存性を示すものである。直流磁界の値を適当にするとμ
_effは０に近づき、やがて負の値をとる領域がある。マ
イクロ波の伝送系において比透磁率が負になるというこ
とは、その領域で電界はフェライトをさけて通る。従っ
て、マイクロ波放射器内のもともと電界の強い位置にフ
ェライトコアを置き直流磁界の値を適切に設定してμ
_effを１以下の適当な正の値とすることで、電界の強度
を弱めるとともにもともと電界の弱い位置へ電界を偏移
させることができる。

【００４８】図３０は、本発明の第５の実施例によるマ
イクロ波電界強度の分布図である。図３０には、マイク
ロ波放射器内における、マイクロ波の進行方向に垂直な
３つの異なる面内でのマイクロ波電界の分布の様子を示
す。図３０の曲線１，２，３は、それぞれ図２７のａ−
ａ’、ｂ−ｂ’、ｃ−ｃ’線断面でのマイクロ波電界分
布に対応する。テーパー状のマイクロ波放射器では主に
基本モードのＴＥ₁₀の電界分布となるが、本実施の形態
では電界の偏移の効果で広い範囲にわたり均一な分布が
得られる。図３０の曲線３で示すようなマイクロ波電界
の分布を得ることで、プラズマ処理室の窓部に沿って帯
状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを
生成させることができる。

【００４９】なお、フェライトコアは、分割部を接合し
たり境界部材をはさんで接合したり、分割しないで一体
の構成としてもよい。また、フェライトコアは、左右、
上下に適宜分割したり、一体化してもよく、また、ひと
つ又は適宜の複数個設けるようにしてもよい。フェライ
トコアの大きさ、形状（円、楕円、球、三角、菱形等）
は、適宜のものを用いることができる。磁場発生手段
も、フェライトコアの構成に従い、適宜の数、適宜の配
置とすることができる。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、導波管
の終端部をマイクロ波放射器とし、しかもマイクロ波放
射器の出力側開口部が被処理物の寸法に応じた細長い矩
形のスリットを形成しているので、導波管の側壁にスロ
ットを設けた場合に見られるマイクロ波電界分布に自由
空間波長の２分の１毎の強弱が現れる現象が生じない。
また、本発明によれば、マイクロ波放射器内部に配設し
たフェライトコアの材質、形状および寸法と、そこに印
加する直流磁界の値を適切に設定することで、マイクロ
波の伝搬方向およびマイクロ波の電界分布を適時調整す
ることができ、プラズマ処理室へ放射されるマイクロ波
の電力分布をプラズマ処理室の窓部の長辺方向に沿って
均一にすることができる。よって、本発明によれば、幅
広い領域に渡りプラズマ密度の分布を均一にすることが
できる。さらに、本発明によれば、導波管の終端部から
マイクロ波を放射する方式であるので、マイクロ波の使
用効率が向上され生成されるプラズマの密度を高めるこ
とができる。したがって、本発明によれば、直線状プラ
ズマを照射しつつ被処理物を移動させることにより、広
い面積を均一にしかも高速にプラズマ処理することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図で
ある。

【図２】マイクロ波放射器とフェライトコアの位置関係
を示す構成図である。

【図３】図１のＸ−Ｘ’線における断面図である。

【図４】マイクロ波放射器内のマイクロ波高周波磁界の
分布図である。

【図５】フェライトコアの円偏波に対する比透磁率の直
流磁場依存性を示す図である。

【図６】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波
の進行方向を示す概略図（１）である。

【図７】本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電
界の分布図（１）である。

【図８】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波
の進行方向を示す概略図（２）である。

【図９】本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電
界の分布図（２）である。

【図１０】他の実施の形態における、図１のＸ−Ｘ’線
における断面図である。

【図１１】本発明の第１の実施の形態によるフェライト
コアとそこに印加する直流磁界の構成を示す図である。

【図１２】図１１のＸ−Ｘ’線における断面図である。

【図１３】本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波
電界の分布図（３）である。

【図１４】本発明の第１の実施の形態による永久磁石の
配置を示す図である。

【図１５】本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図
である。

【図１６】本発明の第２の実施の形態におけるマイクロ
波の波数ベクトルの方向を示す概略図である。

【図１７】本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波
電界の分布図である。

【図１８】本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波
電界強度の分布図である。

【図１９】本発明の第３の実施の形態を示す概略構成図
である。

【図２０】本発明の第３の実施の形態における励磁電流
の波形を示す図である。

【図２１】本発明の第３の実施の形態におけるマイクロ
波の進行方向を示す概略図である。

【図２２】本発明の第３の実施の形態によるマイクロ波
電界強度の分布図である。

【図２３】本発明の第３の実施の形態によるイオン密度
分布を示す図である。

【図２４】本発明の第４の実施の形態を示す概略構成図
である。

【図２５】図２４のＰ−Ｐ’線における断面図である。

【図２６】本発明の第４の実施の形態によるマイクロ波
電界の分布図である。

【図２７】本発明の第５の実施の形態を示す概略構成図
である。

【図２８】図２７のｂ−ｂ’線における断面図である。

【図２９】フェライトコアの実効比透磁率の直流磁界に
対する値を示す図である。

【図３０】本発明の第５の実施の形態によるマイクロ波
電界強度の分布図である。

【図３１】従来のプラズマ処理装置の全体構成図であ
る。

【図３２】図３１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。

【図３３】図３１のスロットの長手方向に対するマイク
ロ波電界強度の分布を示す図である。

【符号の説明】

１マイクロ波電源４インピーダンス整合器５整合用変成器６マイクロ波放射器７プラズマ処理室１１石英窓１２プロセスガス導入パイプ１６フェライトコア１７磁場発生手段

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/3065 Ｈ０１Ｌ 21/302 ＢＦターム(参考） 4K030 FA01 KA30 KA34 KA46 4K057 DA11 DA16 DM29 DM40 DN01 5F004 AA01 BA16 BB07 BB14 BB29 BC06 CA03 CA05 5F045 AA10 BB01 DP02 DP21 EB02 EB03 EH03 EH11 EH16 EH17 EH19 GB15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】壁面に設けられた窓部に対向するように被
処理物が配置されるプラズマ処理室と、マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズ
マ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬
方向を変えるためのフェライトコアと、前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手
段とを備えたプラズマ処理装置。
【請求項２】前記マイクロ波放射器は、平行部とテーパ
ー部を備え、マイクロ波のＨ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイ
クロ波の進行方向に沿って扇形に伸長されて形成され、
かつマイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のス
リットを形成していることを特徴とする請求項１に記載
のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記マイクロ波放射器は、電源側導波管部
とプラズマ処理室側導波管部とを備え、不連続部を含み
ステップ状に構成され、マイクロ波のＨ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイ
クロ波の進行方向に沿って不連続な段差状に伸長されて
形成され、かつ、マイクロ波放射器の出力側開口部が細
長い矩形のスリットを形成していることを特徴とする請
求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記電源側導波管部にひとつのモードのマ
イクロ波を入射し、前記磁場発生手段により印加される磁場を調整すること
により、前記プラズマ処理室側導波管部に複数のモード
のマイクロ波を伝搬させることを特徴とする請求項３に
記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記フェライトコアは、前記マイクロ波放
射器の中心を境ににて左側部と右側部とを備え、前記磁場発生手段は、前記フェライトコアの左側部及び
右側部に互いに逆方向の直流磁界を外部から印加するよ
うにした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】前記フェライトコアは、前記マイクロ波放
射器のマイクロ波入力側に近い位置に、しかもマイクロ
波放射器の中心軸上又は付近にひとつ又は複数対向して
配設され、前記磁場発生手段は、マイクロ波の伝搬方向を周期的に
変えるように前記フェライトコアに外部から交流磁界を
印加するようにした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】前記フェライトコアは、前記マイクロ波放
射器の管壁付近に配設し、前記磁場発生手段は、前記フェライトコアに外部から直
流磁界を印加するようにした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８】前記フェライトコアは、前記マイクロ波放
射器の中心軸上又は付近にマイクロ波の入力側から出力
側に向かい棒状に配設され、前記磁場発生手段は、前記フェライトコアの磁化方向が
マイクロ波の入力側から出力側に向かうように直流磁界
を印加するようにした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９】前記プラズマ処理室内に配置された被処理
物と前記プラズマ処理室の窓部との間の空間に磁界を発
生するための手段又は、サイクロトロン共鳴を発生させ
るための手段が設けられていることを特徴とする請求項
１乃至８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。