JP2001176857A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ生成用アンテナを有するプラズマ処
理装置で、所定の厚みを有しかつ電磁波放射部を備えた
円盤状導電体を備えるアンテナの構造に改良を加え、高
周波伝搬経路で定在波が生じるのを防止し、大電力の供
給による高密度プラズマの生成を行って大面積基板を処
理できるようにする。 【解決手段】 基板１４を配置しかつ基板の前面空間に
プラズマが生成される真空容器１２と、真空容器に装備
されたアンテナ１０と、アンテナに高周波電力を供給す
る高周波電源３１とが備えられる。アンテナは高周波電
力を放射し、真空容器内にプラズマを生成し、プラズマ
によって基板表面を処理する。プラズマ処理装置は、さ
らに上記アンテナが、所定の厚みを有する円盤状導体板
１９を有し、円盤状導体板の周囲には、同軸型でかつ折
返し部を有する導波路２４が形成され、導波路の折返し
部にインピーダンス整合を行う短絡３ｄＢ方向性結合器
を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置に
関し、特に、大電力を損失を生じることなく供給して高
密度プラズマの生成に有用なアンテナ、およびこのアン
テナを備え、高密度プラズマを効率よく生成し、この高
密度プラズマを利用して半導体基板等の基板の表面に所
定処理を施すプラズマ処理装置に関する。

【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（以下「基板」という）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
のようなプラズマ処理装置では、処理速度を高める等の
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等の観点から、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】上記のような表面処理のためのプラズマ生
成には、高密度プラズマを高効率で得る観点から、主に
高周波電力により生じさせた気体放電を使用する方式が
採用されている。本発明の発明者等は、同軸型高周波電
力供給系に接続された放射状のスロットアンテナに２．
４５ＧＨｚの高周波電力を供給しプラズマを発生させる
形式のプラズマ処理装置をすでに提案し（特許第８−２
５３４２１９号）、良好なプラズマ処理が可能であるこ
とを確認している（文献例として、例えば、N.Sato et.
al., "Uniform plasma produced by a plane slotted
antenna withmagnets for electron cyclotron resonan
ce" : Appl. Phys. Lett., 62 (1993)1469.）。

【０００４】図９は、上記文献に示されているスロット
アンテナを適用したプラズマ処理装置の構成を示す概略
図である。このプラズマ処理装置は、排気機構１０１を
備えかつ内部に放電を発生しプラズマを生成させる真空
容器１０２と、この真空容器１０２の上側に設けられ
た、スロットアンテナ１０３を備えるアンテナ装置１０
４と、スロットアンテナ１０３に高周波電力を供給する
高周波電力供給系１０５と、真空容器１０２内に放電用
ガスを導入する放電用ガス導入機構１０６と、真空容器
１０２内で下方位置に設けられた基板ホルダ１０７とを
備えている。基板ホルダ１０７には処理対象である基板
１０８が配置されている。スロットアンテナ１０３に形
成されるスロット（またはスリット）の形状に関しては
前述の特許公報あるいは文献に詳しく記載されている。
スロットアンテナ１０３には、実際には電磁波放射部１
０３ａの近傍に磁場を生成するための永久磁石等による
磁気回路が付設されるが、図９ではその図示が省略され
ている。また磁気回路が付設される結果、本来なら円盤
形導体板として作られるスロットアンテナ１０３は、実
際には磁気回路を内蔵し得る程度の所定の厚みを有した
導体部として作られている。しかしながら、図９では説
明の便宜上板材として示されている。高周波電力を供給
する高周波電力供給系１０５は、高周波電源１１１、ス
タブチューナ１１２、同軸導波管変換器１１３、同軸線
路１１４、および同軸型真空窓１１５から構成されてい
る。

【０００５】基板ホルダ１０７上に配置される基板１０
８は、スロットアンテナ１０３における電磁波放射部１
０３ａに対向して配置されている。

【０００６】図９に示したプラズマ処理装置では、排気
機構１０１によって排気された真空容器１０２内に放電
用ガス導入機構１０６によって放電用ガスが導入され、
高周波電力供給系１０５によってスロットアンテナ１０
３に対して所定の高周波電力が供給される。導入された
放電用ガスは、スロットアンテナ１０３の電磁波放射部
１０３ａから放射された高周波によって放電を開始し、
真空容器１０２内の基板１０８の前面空間でプラズマを
生成する。そして、生成されたプラズマの物理的または
化学的な作用によって、基板１０８の表面に所定の処理
が施される。例えば放電用ガスとしてエッチング作用を
有するガスを導入すれば、基板１０８の表面に対しエッ
チング処理が行われる。

【０００７】なお上記従来例では、高周波電力の周波数
として工業用周波数である２．４５ＧＨｚが採用されて
いる。また、これに対応して磁気回路によってアンテナ
近傍に作られる磁界の磁束密度は、電子サイクロトロン
周波数が２．４５ＧＨｚと等しいおよそ８７５ガウスよ
りも大きくなるように設定される。

【０００８】またマイクロ波からミリ波の帯域の電磁波
を伝送する一般的なアンテナ技術の分野において、従
来、特開平９−１９９９０１号で提案される折返し導波
管が知られている。この折返し導波管は、特開平９−１
９９９０１号公報の図１４に示された従来の折返し導波
管の問題点、すなわち、折返し端の上部と下部に４５°
カットの反射面を形成し、さらに当該反射面に反射波を
打ち消すための調整ネジを装着する必要があるので、構
成が複雑となり、高い寸法精度が要求され、高コストで
量産できず、周波数特性が狭帯域となり、その調整作業
が面倒であるという問題点を解決すべく提案されたもの
である。このため特開平９−１９９９０１号で提案され
る折返し導波管は、例えば、その請求項１あるいは請求
項２で定義されるように、１８０°折返し部の開口窓の
寸法ａ×ｈ（図１に示される）においてｈが所定条件を
満たす値に設定されることに特徴がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、プラズマ処
理装置によって処理される基板は、近年、大型化される
傾向にある。シリコン基板の処理によりＬＳＩを製造す
る工程では、１枚の基板から多くのデバイスを製作する
必要から、基板サイズが大きくなる傾向にある。そのた
め、前述のプラズマ処理装置では、プラズマ生成領域の
面積（基板に平行な平面での面積）を大きくすること、
および処理速度の高速化を図るべくプラズマ密度をさら
に高くすること、という理由から、供給する高周波の電
力をさらに大きくすることが要求されている。

【００１０】ところが、前述のスロットアンテナ１０３
からなるアンテナ装置１０４は、１ｋＷ程度の高周波電
力を供給して生成した密度１０¹¹ｃｍ^-3程度のプラズマ
を用いて直径２００ｍｍ程度の基板を処理することを前
提として構成されている。従ってそのような前提から外
れる大電力高周波を供給することができず、そのため大
面積基板の処理に適した高密度プラズマを生成すること
ができない。大電力高周波を供給することができない理
由は、スロットアンテナ１０３で作られる高周波伝搬経
路（導波路）でインピーダンスの不整合による定在波が
発生し、これによって局所的に強い電界が生じ、絶縁破
壊を引き起こすことにある。また定在波によってスロッ
トアンテナ１０３内に誘起される電界が大きくなり、ス
ロットアンテナ１０３の表面がジュール加熱されること
による電力の損失もプラズマの高密度化を阻害する要因
となる。かかるスロットアンテナでは、高周波伝搬経路
の形状が不連続であることに起因するインピーダンスの
不整合は一般的に避けることができない。

【００１１】また前述のごとく特開平９−１９９９０１
号公報に開示された伝送路技術によれば、マイクロ波〜
ミリ波の帯域の電磁波の低損失伝送路の折返し導波管に
ついて無調整でインピーダンスの整合をとって反射波を
なくし、それにより定在波をなくすことを可能にしてい
る。しかしながら、この技術は、方形波導波管の広域面
をほぼ１８０°折返して構成される折返し導波管に限定
された技術であり、広域面幅をａ、狭い壁面幅をｂとす
るときに、これらの寸法ａ，ｂを利用して定在波をなく
す条件を与えている。従って、この技術は主に方形導波
管の折返し部の構造に関するものであり、アンテナ構造
に関するものではない。さらに上記公報では、折返し導
波管の変形例として、その第８実施形態（図１２および
段落００４９等）および請求項１２，１３に折返しラジ
アル導波路（円形導波路）が言及されている。この場合
には、広域面幅ａに相当するものとして２πｒ（ｒはラ
ジアル導波路６１の中心から折返し導波管６４の開口部
の中心位置までの距離）が使用される。この折返しラジ
アル導波路を利用して平面アレーアンテナを実現するこ
ともできるが、あくまでも所定条件を満たす折返し導波
管の変形例にすぎない。

【００１２】特に、前述したプラズマ処理装置に応用さ
れるアンテナでは、プラズマ生成空間に所定分布の磁場
を形成するための磁気回路を備えることから、実際に
は、前述のごとく磁気回路を収容するスペースを備えて
所定の厚みを有する円盤状導体部が使用される。このよ
うな厚みを有する円盤状導体部によるアンテナを用いて
基板処理用の真空容器内に高周波電力を供給すること
は、整合をとることが非常に困難であった。かかるアン
テナを用いて、インピーダンス整合をとって定在波を生
じさせることなく高周波伝搬を効率的に行うためには、
アンテナの形態および構造に応じた新しいアンテナ設計
思想が要求される。

【００１３】本発明の目的は、上記課題を解決すること
にあり、所定の厚みを有しかつ電磁波放射部を備えた円
盤状導電部を主要部として備えてなるプラズマ生成用ア
ンテナについて、独創性のあるアンテナ設計手法を提案
しつつ、アンテナの構造に改良を加え、高周波伝搬経路
で定在波が生じるのを防止し、大電力の供給による高密
度プラズマの生成を行うことができるアンテナを提供
し、さらにこのアンテナを備え、大電力の高周波で高密
度プラズマを生成し、大面積基板に対し高速な表面処理
を行えるプラズマ処理装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
プラズマ処理装置は、上記目的を達成するため、次のよ
うに構成される。本発明に係るプラズマ処理装置は、前
提として、内部に処理すべき基板を配置しかつ基板の前
面の空間にプラズマを生成するように構成された真空容
器と、この真空容器に装備されたプラズマ生成用アンテ
ナと、このアンテナに高周波電力を供給する高周波電源
を備え、高周波電源から高周波電力を供給されたアンテ
ナは高周波電力を放射し、真空容器内の空間にプラズマ
を生成し、このプラズマによって基板の表面に所定処理
を行うように構成されている。さらにこのプラズマ処理
装置は、特徴的構成として、上記アンテナが、所定の厚
みを有する円盤状導体部を有すると共に基板に対向する
電磁波放射領域を有しており、さらに同軸線路によって
高周波電源に接続され、円盤状導体部は、その中心点で
同軸線路の内側導体に接続され、円盤状導体部の周囲に
は、中心点に関して中心対称的に配置された同軸型でか
つ同軸線路から電磁波放射領域に至る折返し部を有する
導波路が形成され、導波路の折返し部にインピーダンス
整合を行うための短絡３ｄＢ方向性結合器の構造が与え
られるように構成されている。上記のプラズマ処理装置
によれば、磁気回路を内蔵すること等によって所定厚み
を有する円盤状導体部を含みかつその周囲に折返し部を
含むラジアル導波路を有し、円盤状導体部の上側から供
給される高周波電力をラジアル導波路を経由して下面側
の電磁波放射部に伝送し、この電磁波放射部から真空容
器内の空間に放射するように構成されたアンテナに関
し、当該導波路に短絡３ｄＢ方向性結合器の構造を与
え、これによりインピーダンス整合を行い、定在波の発
生を防止するようにしている。プラズマ処理装置に利用
される高周波電力供給用のアンテナとして所定の厚みを
有する円盤状導体部を有するものにおいて、そのインピ
ーダンス整合を行い得るアンテナは従来にはなく、新し
いアンテナ設計手法に基づいてインピーダンス整合が可
能な構造が実現される。本発明に係るプラズマ処理装置
は、上記の構成において、好ましくは、上記短絡３ｄＢ
方向性結合器としての構造は、円盤状導体部の上面と下
面の両方またはいずれか一方に段差を形成することによ
り与えられる。立体的な形態を有する円盤状導体部は、
外部容器との間に導波路を形成しており、かかるアンテ
ナは処理チャンバとしての真空容器の例えば上部に設け
られている。上記段差を形成することにより折返し部を
有する導波路の高周波伝搬条件が変更される。円盤状導
体部の立体的形態について所定条件を満たす段差を設け
ることによって短絡３方向性結合器の構造が実現され、
導波路でインピーダンス整合がとられる。さらに上記の
各構成において、短絡３ｄＢ方向性結合器としての構造
は、円盤状導体部の周囲に形成される導波路の領域に例
えば領域を別けて複数の誘電体材料を備え、誘電体材料
の高さや誘電率を所定条件を満たすように調整すること
で、与えられる。さらに上記の各構成において、アンテ
ナで、短絡３ｄＢ方向性結合器としての構造をを構成す
る複数の要素のうちの任意の要素の変量（各部の寸法、
誘電率等）が、アンテナの反射係数Г_A に対して、散乱
行列表示においてＳ₂₂＝Г_A ^* （ただし「＊」は共役複
素数である）となるように決定されることを特徴とす
る。この条件が上記所定条件の一例である。上記複数の
要素には、散乱行列を定める各種の要素がある。さらに
同じくアンテナで、短絡３ｄＢ方向性結合器としての構
造を構成する複数の要素のうちの任意の要素の変量が、
上記の散乱行列表示においてＳ₂₂＝０となるように決定
されていることを特徴とする。この条件が上記所定条件
の他の例であり、かつ実用性の高い基本的条件である。
本発明に係るプラズマ処理装置は、好ましくは、円盤状
導体部の内部に空間に磁場を発生させるための磁気回路
を設けている。この磁気回路を備えることによって円盤
状導体部は所定の厚みを有し、円盤状導体部がかかる所
定厚みを有することから、その周囲にインピーダンス整
合のための新しい固有のアンテナ設計手法が行われる。
上記の各構成において、真空容器内の上記の空間におけ
る円盤状導体部に近接した領域に磁気回路によって発生
する磁場の磁束密度は、この磁束密度に対応する電子サ
イクロトロン周波数が高周波電力の周波数よりも大きく
なるように、設定されていることが好ましい。さらに上
記の構成において、高周波電力の周波数は０．５〜１０
ＧＨｚであることが好ましい。本発明に係るプラズマ処
理装置では、アンテナに接続される上記同軸線路に同軸
型のインピーダンス整合機構を設けるように構成するこ
ともできる。なお上記の説明では新しい高周波給電用ア
ンテナを備えるプラズマ処理装置として、プラズマ処理
装置に観点をおいて説明したが、アンテナそのものも技
術的価値の高いものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００１６】本発明に係るプラズマ処理装置は、一般的
に、ドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置等に使
用される。以下の実施形態の説明ではＬＳＩ製造用のド
ライエッチングプロセスを想定しているが、本発明は、
アンテナを含むプラズマ生成機構そのものの改良にあ
り、応用目的はドライエッチングプロセスに限定される
ものではない。

【００１７】図１は、本発明の第１実施形態を示し、本
発明の特徴部であるアンテナを備えたプラズマ処理装置
を示す。１０はプラズマ生成用のアンテナである。本発
明に係るプラズマ処理装置ではアンテナ１０の改良構造
に特徴があり、従ってこの実施形態によれば、図を参照
して主にアンテナ１０の構造と作用が説明される。プラ
ズマ処理装置の全体的な構造は概略的に描かれている。

【００１８】アンテナ１０は、プラズマが生成される空
間１１を内部に有する真空容器１２の上部側に設けられ
ている。真空容器１２の内部の下方には、アンテナ１０
に対向するような配置で基板ホルダ１３が設けられる。
基板ホルダ１３の上面には処理対象の基板１４が搭載さ
れている。この基板１４は例えば３００ｍｍの直径を有
する大面積の大型基板である。基板１４は、被処理面が
図中水平になるように保持されている。基板１４の被処
理面は空間に臨んでいる。アンテナ１０と基板ホルダ１
３の間の上記空間１１はプラズマが生成される領域であ
り、基板１４の上面は空間１１を介在させてアンテナ１
０に対向している。

【００１９】本実施形態によるプラズマ処理装置におい
て、真空容器１２の円筒形の周囲側壁部にはガス導入管
１５が設けられ、このガス導入管１５はバルブ等を介し
て放電用ガス導入機構１６に接続され、ガス導入管１５
を通して放電用ガスが真空容器１２内の空間１１に導入
されるようになっている。真空容器１２の下部の基板ホ
ルダ１３の下側には排気口１７が形成され、排気口１７
は排気機構１８に接続される。排気機構１８によって真
空容器１２の内部は所要の減圧状態に保持される。この
状態で真空容器１２の放電用ガスに電力が供給される
と、放電が開始され、プラズマが生成される。アンテナ
１０には、そのほぼ中央位置に、図中水平な状態で円盤
状導体板１９が配置されている。プラズマを生成するた
めの電力は円盤状導体板１９の下面側に設けられる電磁
波放射部２０から高周波電力として供給される。アンテ
ナ１０の円盤状導体板１９には高周波電力供給系３０か
ら高周波電力が供給される。円盤状導体板１９は、その
電磁波放射部２０の近くに磁気回路を内蔵するので、所
定の厚みを有している。従って円盤状導体板１９は実際
には内部容積を有する円盤状導体部として形成される。
円盤状導体板１９の厚みは内蔵される磁気回路の大きさ
等に応じて決定される。

【００２０】アンテナ１０において、上記の円盤状導体
板１９は、真空封止を兼ねた誘電体製のリング２１を介
して、放電用真空容器１２の天井部１２ａの開口１２ｂ
の外側箇所にて、これを塞ぐごとく取り付けられる。円
盤状導体板１９の下面において、開口１２ｂによって形
成される孔の部分から真空容器１２内の空間１１を臨む
部分が、前述の電磁波放射部２０となっている。また円
盤状導体板１９の下面には、さらに薄い誘電体板２２が
付設されている。さらに円盤状導体板１９の上側、側
方、および下側の各周囲領域には、高周波伝搬経路すな
わち導波路を形成する部分２４（以下「導波路２４」と
いう）が形成される。この導波路２４は、円盤状導体板
１９の周囲であって当該導体板１９と外側容器２４ａの
間において、同軸型の高周波伝送路として、かつ折返し
部を有するように形成されている。また円盤状導体板１
９の上側周縁部の周囲には、導波路２４の内部に誘電体
製のリング２３が設けられる。導波路２４を内側部分を
形成する円盤状導体板１９の周縁部の外部形態、あるい
は誘電体製リング２１，２３のごとき誘電体材料を利用
して形成される導波路２４の構造、およびその設計手法
が、本発明において最も重要な点となる。

【００２１】また上記の高周波電力供給系３０は、高周
波電源３１、スタブチューナ３２、同軸導波管変換器３
３、同軸線路３４から構成されている。スタブチューナ
３２は３本の同軸型整合器が用意され、導波管に設けら
れている。また同軸線路３４は、内部導体３４ａと管状
の外部導体３４ｂから構成される。同軸線路３４の内部
導体３４ａは円盤状導体板１９の上面中心部に接続さ
れ、同軸線路３４の外部導体３４ｂの下端は上記の導波
路２４の外側部分に接続されている。同軸線路３４の下
端は上記の導波路２４の上部側につながっている。また
導波路２４の上記折返し部は、同軸線路３４の下端から
円盤状導体板１９の下側の電磁波放射部２０に至る部分
として形成される。

【００２２】円盤状導体板１９の部分には、前述のごと
く、プラズマの生成効率を向上する目的で、磁気回路を
内蔵し、あるいは付設し、あるいは組み込まれている。
しかしながら、磁気回路の構成自体は本発明の要旨では
ないので、図１では、図解の簡易化を考慮して、その図
示を省略している。ただし、前述のごとく、磁気回路を
備えた円盤状導体板１９は図１において所定の厚みを有
するように斜線表示で描かれている。

【００２３】本発明の特徴は、前述のごとく、プラズマ
生成用アンテナ１０の構造と作用にある。アンテナ１０
は、放電処理用の真空容器１２の上部に設置され、高周
波電力を真空容器１２の内部空間に放射する目的で使用
される。そこで実施形態の説明では、アンテナ１０の構
造と作用が主題になる。本発明の主要部分であるプラズ
マ生成用アンテナ１０の設計において、高周波電力供給
系３０における高周波電源３１の発振周波数の設定が重
要な要件となる。本実施形態は、前掲の文献と同様に
２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生できる高周波電源が
使用される。高周波電源３１の出力電力は例えば２００
０Ｗ程度である。

【００２４】次に、図２〜図６を参照してアンテナ１０
の構造と作用を詳述する。図２はアンテナ１０の基本的
な構造を概念的に示し、図３は短絡３ｄＢ方向性結合器
の動作概念を例えば矩形導波管の構造例で図解し、図４
はインピーダンス整合の機能を有する本発明に係るアン
テナ１０を概念的に示し、図５は円盤状導体板のみの外
観の斜視図を示し、図６はアンテナ１０を１つの給電系
としてみなしたときの散乱行列（Ｓ行列）表示を示して
いる。

【００２５】図２において、高周波電力供給系３０を通
して導入される高周波電力は同軸線路３４で導かれ、ア
ンテナ１０の円盤状導体板１９の周囲に形成された同軸
型伝送路である導波路２４を経由して裏面の電磁波放射
部２０から真空容器１２の内部の空間１１に放射され
る。この図では、アンテナ１０の円盤状導体板は符号１
９Ａで示される部分であり、前述の導体板１９とは異な
る形状で示されている。すなわち導体板１９Ａは、実質
的に前述の所定の厚みを有しておらず、円盤状のほぼ平
板形状で概念的に描かれている。また図２で電磁波放射
部２０は下壁の開口部を指している。上記高周波電力
は、空間１１に供給されている放電用ガスを放電させ、
プラズマを生成するためのエネルギである。アンテナ１
０では、矢印４１（エネルギ流を意味する）で示すごと
く、高周波電力が円盤状導体板１９Ａの周囲縁部１９Ａ
−１をまわって電磁波放射部２０に供給される。この構
成において、エネルギ流４１に示されるごとく高周波電
力を効率よく伝搬させるために、本実施形態では、円盤
状導体板１９Ａの周囲領域である導波路２４において短
絡３ｄＢ方向性結合器としての構造を与えるようにし、
この短絡３ｄＢ方向性結合器の特殊な性質（作用）を利
用してインピーダンス整合を行い、伝搬効率を高めてい
る。本実施形態では、上記のアンテナ１０の導波路２４
で短絡３ｄＢ方向性結合器の構造を与えるためのアンテ
ナ設計手法、および当該構造を有するアンテナ１０に特
徴を有する。短絡３ｄＢ方向性結合器の性質については
以下に詳述される。

【００２６】なお図２において、高周波電力の伝搬する
部分である導波路２４を便宜的に３種の領域（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）に分けて示している。すなわち、円盤状
導体板１９Ａの周囲の高周波電力を伝搬する導波路２４
は、３つの異なる領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）として示
された誘電体材料が設けられている。この例では誘電体
材料を利用して後述のごとく短絡３ｄＢ方向性結合器の
構造を与えている。

【００２７】次に、上記の短絡３ｄＢ方向性結合器の特
殊な性質を図３の（１）〜（４）を用いて説明する。図
３では、短絡３ｄＢ方向性結合器は、左側の２つのポー
ト４２ａ，４２ｂと右側の２つのポート４２ｃ，４２ｄ
を備えるブロック回路４２として表現されている。短絡
３ｄＢ方向性結合器としての作用を有するブロック回路
４２の図中左上側は入射端となっている。短絡３ｄＢ方
向性結合器４２では、左側のポート４２ａ，４２ｂは開
放されており、右側のポート４２ｃ，４２ｄは短絡さ
れ、短絡端４２Ａとして形成されている。

【００２８】図３の（１）は短絡３ｄＢ方向性結合器４
２の左上側のポート４２ａに単位振幅の電磁波が入射し
た場合の図である。入射波は、短絡３ｄＢ方向性結合器
４２の作用によって振幅が１／√２の波に二分され、短
絡端４２Ａに現れる。この際、結合器の一般的性質によ
って、右上側のポート４２ｃでは振幅が１／√２にな
り、右下側のポート４２ｄでは位相が９０°異なり、そ
のため複素振幅はｊ（１／√２）となる。

【００２９】短絡３ｄＢ方向性結合器４２で、上記のよ
うにポート４２ａに入射波が入った場合には、短絡端４
２Ａでは反射が起こり、図３の（２），（３）に示すよ
うに反射波は再び短絡３ｄＢ方向性結合器４２を通過す
る。図３の（２）はポート４２ｃの振幅１／√２の電磁
波が反射した場合の図であり、この結果、２つのポート
４２ａ，４２ｂの各々に複素振幅１／２およびｊ（１／
２）の電磁波となって現れる。一方、図３の（３）はポ
ート４２ｄの複素振幅ｊ（１／√２）の電磁波が反射し
た場合の図であり、ポート４２ａ，４２ｂの各々には複
素振幅−１／２およびｊ（１／２）の電磁波となって現
れる。全体としての現象は図３における（２）と（３）
を重ね合わせたものであるから、結局のところ短絡３ｄ
Ｂ方向性結合器４２を通過してその短絡端４２Ａで反射
された電磁波は、図３の（４）に示すように、左下側の
ポート４２ｂに複素振幅ｊとなって現れる。要するに、
短絡３ｄＢ方向性結合器４２の作用によれば、入射端で
あるポート４２ａから入射した電磁波は、左側のポート
４２ｂにおいて、振幅は不変で位相が９０°異なった電
磁波として出力される。つまり、ポート４２ａに入射さ
れた電磁波は、定在波を生じることなく、位相が９０°
シフトしただけの電磁波としてポート４２ｂへ伝送され
る。

【００３０】上記作用を有する短絡３ｄＢ方向性結合器
を矩形導波管で構成すると、電磁波が入射されるポート
４２ａが入射側導波路、かつ電磁波が出力されるポート
４２ｂが出射側導波路となり、入射側導波路から出射側
導波路への導波路部分は、短絡用金属板部分を設けるこ
とによって折返し部として形成される。このように、矩
形導波管の構造を利用して折返し部を有する短絡３ｄＢ
方向性結合器を構成すると、入射側導波路から入った高
周波電力は出射側導波路から、定在波を生じさせること
なく、出てくることなる。

【００３１】以上の矩形導波管に関する短絡３ｄＢ方向
性結合器の議論は、図２に示した円盤状導体板１９Ａと
その周囲に形成される導波路２４からなるアンテナ１
０、すなわち折返し部を含むラジアル導波路を有するア
ンテナ１０に拡張して援用することができる。矩形導波
管を用いた構造例に関して前述した短絡３ｄＢ方向性結
合器４２の基本的な動作原理は、本実施形態に示す形状
のアンテナ１０においても同じである。つまり、アンテ
ナ１０において、円盤状導体板１９Ａの周囲領域である
導波路２４に短絡３ｄＢ方向性結合器を構造的に設ける
（構造的に実現する）ことによって定在波の発生をなく
すようにすれば、円盤状導体板１９Ａの上側の入射部に
導入された高周波（マイクロ波）の電力は、エネルギ流
４１に示されるように損失を生じることなく効率よく伝
送され、円盤状導体板１９Ａの下側の電磁波放射部２０
から出射される。図２のアンテナ１０の例では、平板の
円盤状導体板１９Ａの周囲に形成される導波路２４に、
所定条件を満たすように、領域（Ａ）〜（Ｃ）の誘電体
材料を設けることにより短絡３ｄＢ方向性結合器を実現
している。ここで「所定条件」とは、アンテナ１０の導
波路２４について全体構造としての１つの散乱行列Ｓを
求め、領域（Ａ）〜（Ｃ）の各誘電体材料の誘電率等を
変化させ、散乱行列の反射係数Ｓ₂₂が０になるようにす
ることである。換言すると、散乱行列の反射係数Ｓ₂₂が
０になるように各誘電体材料の誘電率等を決定すると、
当該誘電率を有する領域（Ａ）〜（Ｃ）の誘電体材料の
構造によって短絡３ｄＢ方向性結合器が導波路２４に設
けられることになる。

【００３２】また、プラズマ生成用のアンテナ１０の構
造では実用上の各種の要求があるため、上記のような理
想的な構造をそのまま採用することはできない。実際
に、電磁波放射部２０の近くに永久磁石を利用した磁気
回路を設けるため、この磁気回路を円盤状導体板１９に
内蔵する場合には、図１に示すごとく円盤状導体板１９
には内蔵される磁気回路に応じて所定の厚みを有するこ
とが要求される。

【００３３】さらに同様に図１に示すように、電磁波放
射部２０と円盤状導体板１９との間隔は数ｍｍとする場
合が多く、円盤状導体板１９の上側の隙間と比較して極
端に小さくせざるを得ない場合が多い。ところが、この
ような形状によれば、円盤状導体板１９の上下の面にお
けるインピーダンスが大きく異なることになり、そのた
めマイクロ波の反射が発生する。

【００３４】そこで、円盤状導体板の外部形態に関し
て、図２に示した平板状の円盤状導体板１９Ａとは異な
り、図４に示すような構造を採用する。図４に示した円
盤状導体板は、所定の厚みを与えかつ外部形態に変更を
加えることによって、マイクロ波の反射が生じないよう
にインピーダンス整合の機能を有するように形成されて
いる。図４に示した円盤状導体板の外部形態は、図１に
示した円盤状導体板１９の外部形態と同じである。そこ
で図４に示された円盤状導体板にも符号１９を付してい
る。この構造によれば、図４および図５に示されるごと
く、例えば円盤状導体板１９の上面および下面の周縁部
に段差１９ａ，１９ｂを形成し、かつ後述するアンテナ
設計法に従ってその寸法を適正に設計することによって
インピーダンス整合を行っている。この例では、所定条
件で円盤状導体板１９の上面および下面に段差１９ａ，
１９ｂを設けることにより、図３で動作原理を説明した
短絡３ｄＢ方向性結合器４２と同等の高周波電力の伝搬
特性を実現している。すなわち、アンテナ１０の円盤状
導体板１９の上面および下面に所定条件の段差１９ａ，
１９ｂを設けることによって短絡３ｄＢ方向性結合器の
構造を実現している。ここで「所定条件」とは、前述と
したものと実質的に同様に、アンテナ１０の導波路２４
について全体構造としての１つの散乱行列Ｓを求め、段
差１９ａ，１９ｂの高さ等の寸法を変化させ、散乱行列
の反射係数Ｓ₂₂が０になるようにすることである。換言
すると、散乱行列の反射係数Ｓ₂₂が０になるように各段
差の高さ等を決定すると、当該段差の構造によって短絡
３ｄＢ方向性結合器が導波路２４に与えられることにな
る。このように例えば円盤状導体板１９の上面および下
面に所定条件の段差１９ａ，１９ｂを設けることで、イ
ンピーダンス整合がとられ、マイクロ波の反射の発生を
防止し、マイクロ波を高率よく伝送し、電磁波放射部２
０からマイクロ波を効率よく放射することが可能とな
る。

【００３５】また、図４と図５に示すような外部形態を
有する円盤状導体板１９を備えてなるアンテナ１０を実
用に供するためには、円盤状導体板１９の外形変更と共
に、円盤状導体板の周囲に設けられる誘電体材料の選
定、真空封止の設計等を考慮しなければならない。すな
わちアンテナ１０を具体的に設計するには、上記したよ
うな円盤状導体板１９の外形変更によるマイクロ波伝搬
経路の設計と共に、通常、周囲の誘電体材料の選定、さ
らに真空封止の設計等が必要になる。従って図１で説明
したように円盤状導体板１９の周囲には誘電体製リング
２１，２３が設けられている。誘電体製リング２１，２
３は、導波路２４を形成すると共に真空封止部を兼ねて
いる。図１で示した構成のアンテナ１０の設計の場合で
は、円盤状導体板１９の段差による外形変更、導波路２
４に設けた誘電体材料（２１，２２，２３）の選択をす
べて含めて全体構造としての１つの上記散乱行列Ｓを求
め、当該構造の或る部分を変化させて当該散乱行列の反
射係数Ｓ₂₂が０になるようにアンテナ設計を行い、もっ
てアンテナの導波路２４に短絡３ｄＢ方向性結合器の構
造を実現するようにしている。

【００３６】次にアンテナ１０に関する前述のアンテナ
設計方法を詳述する。ここでは、プラズマによる表面処
理装置に使用可能な材料を用い、機械的な強度を考慮し
て得られた基本構造に対して、マイクロ波を無反射で伝
搬させるための導波路を実現するための計算プロセスを
示す。

【００３７】図６は、プラズマ生成用アンテナ１０の基
本動作を説明するため図であり、当該アンテナ１０を１
つの給電系とみなして得られる１つの散乱行列（Ｓ行
列）の表示を示している。散乱行列Ｓは、反射係数
Ｓ₁₁，Ｓ₂₂、透過係数Ｓ₁₂，Ｓ₂₁から成っている。図６
において、アンテナ１０の反射係数をΓ_A とし、給電系
とみなしたときのアンテナ１０の散乱行列を下記の式
（１）とすれば、アンテナ１０の給電点での反射係数Γ
_F は下記の式（２）で表される。

【００３８】

【数１】

【００３９】

【数２】

【００４０】なお式（２）で、記号＊は共役複素数を表
し、またφ＝arg(Ｓ₁₁）…（３）である。簡単化のた
め、図６の散乱行列表示において、基準面をφ＝０とな
る位置Ｔ−Ｔ′まで移動させる。

【００４１】ここでアンテナ１０の反射係数Γ_A が既知
の場合には、Ｓ₂₂＝Γ_A ^* …（４）となるように上記給
電系を設計すれば、Γ_F ＝０…（５）となり、完全な整
合が可能となる。

【００４２】しかしながら、アンテナ１０での反射係数
Γ_A 、すなわち電磁波放射部２０での反射係数Γ_A は、
一般的に未知であり、上記の計算方法は適用できない。
そこで、式（２）においてＳ₂₂＝０…（６）を満足する
ように設計する。Ｓ₂₂＝０となれば、Γ_F ＝Γ_A …
（７）が成り立ち、アンテナ１０の反射係数と、給電点
での反射係数は等しくなる。つまり、アンテナ１０を形
成する構造の或る部分を変化させながらＳ₂₂＝０となる
条件を満たすようにすれば、当該変化状態が、短絡３ｄ
Ｂ方向性結合器の構造を与えた状態となり、インピーダ
ンス整合がとられた状態となる。

【００４３】次に、一例として図２に示すようなプラズ
マ生成用アンテナ１０について、式（１）の散乱行列の
各要素を求める方法を示す。このとき解析を容易に行う
ために内径Ｒの円筒の内部（導波路２４）を図２に示す
ごとく三種類の領域（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に分け、そ
れぞれの領域について高さをｈ₁ ，ｈ₂ ，ｈ₃ 、誘電率
をε_γ ⁽¹⁾ ，ε_γ ⁽²⁾ ，ε_γ ⁽³⁾ とする。励振はＴ
Ｍ波とし、電磁界はφ方向に一様であるとする。このと
きに電界成分Ｅｚは式（８）で示される円筒座標系にお
ける波動方程式の解として得られ、磁界成分Ｈφは式
（９）により求められる。

【００４４】

【数３】

【００４５】このようにして領域（Ａ）、領域（Ｂ）、
領域（Ｃ）における電磁界はそれぞれ次の式（１０）〜
（１６）で与えられる。

【００４６】

【数４】

【００４７】ここで、Ａ_n ⁽ⁱ⁾ は未定係数、ｋ_n ⁽ⁱ⁾ は
位相定数、Ｚ_n ⁽ⁱ⁾ は特性インピーダンス、ｎはモード
番号を表す。また式（１０），（１１）の右辺第一項は
入射波に、第二項以降は反射波に、式（１２），（１
３）は透過波に対応する。これらはρ＝γにおける境界
条件（下記の式（１７），（１８），（１９））を満足
しなければならない。

【００４８】

【数５】 そこで、式（１０）〜（１５）を式（１７）〜（１９）
に代入し、（数６）で表される下式を掛けて境界条件の
成立する範囲で積分すると、式（２０）〜（２２）を得
る。

【００４９】

【数６】

【００５０】

【数７】

【００５１】ここで、［・］は行列、（・）は列ベクト
ルを表す。ただし、［Ｓ_n ］のように要素番号が一個の
ものは対角行列である。なおそれぞれの要素は次式（２
３）〜（２８）で与えられる。

【００５２】

【数８】

【００５３】ここでＩは下記の式（２９）で表される。

【００５４】

【数９】

【００５５】式（２１），（２２）を式（２０）に代入
すると、下記の式（３０）を得る。

【００５６】

【数１０】

【００５７】式（３０）をＡ_m ⁽³⁾ について解き、その
結果を式（２１），（２２）に代入することによりＡ_m
⁽¹⁾ ，Ａ_m ⁽²⁾ が求められる。結局、散乱行列の各要素
Ｓ₁₁，Ｓ₁₂およびＳ₂₁は次式（３１），（３２）で与え
られる。

【００５８】

【数１１】

【００５９】またユニタリ性を用いてＳ₂₂は下式（３
３）によって得られる。

【００６０】

【数１２】

【００６１】式（３３）で与えられるＳ₂₂において、こ
のＳ₂₂が０もなるように複数の変量（高さｈ₁ ，ｈ₂ ，
ｈ₃ 、誘電率ε_γ ⁽¹⁾ ，ε_γ ⁽²⁾ ，ε_γ ⁽³⁾ 等）の
或る部分を適宜に変化させることによって、アンテナ１
０に短絡３ｄＢ方向性結合器の構造を設けることができ
る。このようにして図２に示すプラズマ生成用アンテナ
１０に関して散乱行列の各要素を得ることができ、その
うちの反射係数Ｓ₂₂を利用してインピーダンス整合を行
い得るアンテナ１０の各部の寸法や誘電率等を正確に求
めることできる。

【００６２】図４と図５に示された、段差１９ａ，１９
ｂが形成された円盤状導体板１９を有するアンテナ１０
の設計についても、前述と同様な設計方法で解析を行っ
て散乱行列の各要素を求めることができる。つまり、円
盤状導体板の周縁部と外部容器との間隔、各段差の高
さ、円盤状導体板の周縁部と段差立壁との間隔、段差床
面と外部容器との間隔等を変量として多変量解析による
上記のアンテナ設計が行われる。こうして図４などに示
すプラズマ生成用アンテナ１０に関しても、散乱行列の
反射係数Ｓ₂₂を利用してインピーダンス整合を行い得る
アンテナ１０の段差の寸法等を正確に求めることでき
る。

【００６３】図４に示された段差１９ａ，１９ｂを有す
るプラズマ生成用アンテナ１０について、上記のように
して設計された円盤状導体板１９の周縁部の周囲の折返
し部の一例が、図７に示される。図７に示すアンテナ１
０では、給電系とみなされたアンテナ１０の給電点での
反射係数Γ_F が、アンテナ１０の電磁波放射部での反射
係数Γ_A と一致するように設計されている。図７におい
て、１９はアンテナ１０の円盤状導体板、２４ａは導電
性の外側容器である。円盤状導体板１９の上面には段差
１９ａが形成され、下面には段差１９ｂが形成されてい
る。外側容器２４ａと、その内側に位置する円盤状導体
板１９により、それらの間に前述の導波路２４が形成さ
れる。アンテナ１０の各部の寸法は次の通りである。外
側容器２４ａの高さは８ｃｍである。円盤状導体板１９
の厚み方向の中央に位置する最大径部（周縁部）と、外
側容器２４ａの円筒形側壁部との間の間隔は５ｃｍであ
る。段差１９ａの径方向の幅の寸法は３ｃｍであり、段
差１９ａにおける面（床面）１９ａ−１から外側容器２
４ａの上壁までの寸法は２ｃｍである。段差１９ｂの径
方向の幅の寸法は３ｃｍであり、段差１９ｂにおける面
（床面）１９ｂ−１から外側容器２４ａの下壁までの寸
法は１．５ｃｍである。

【００６４】上記のごとく導波路２４に関して反射係数
Γ_F と反射係数Γ_A と一致するように設計されたアンテ
ナ１０によれば、前述の同軸線路３４に三本のスタブチ
ューナを挿入するように構成することによって、さらに
整合を容易にとることができる。なおその際、同軸導波
管変換器３３は、使用周波数である２．４５ＧＨｚでほ
ぼ完全な整合をとることができるように設計されている
必要がある。

【００６５】また実測の結果、反射係数Γ_A が大きいこ
とが明確になった場合は、その値を式（４）に与えてプ
ラズマ生成用アンテナを再度設計すればよい。この手法
をプラズマ生成用アンテナの設計に適用することによっ
て、従来問題であったアンテナ給電系内の電磁波伝送効
率を改善し、従来にない利点を持つプラズマ処理装置を
構成することができる。その利点は次の１〜３である。

【００６６】１．従来不可能であった大電力の電磁波の
放射が可能となり、従来にない高密度プラズマが生成可
能なプラズマ処理装置を提供できる。

【００６７】２．従来よりも小さな電力を用いて従来と
同程度の密度のプラズマを生成できるため、プラズマ処
理装置の電源の小型化、省エネルギが実現できる。また
大面積基板の処理に伴うプラズマ生成領域の大面積化に
対応するための電力増加率を抑制できる。

【００６８】３．本実施形態によるアンテナの設計方法
は、電磁波伝送路の構造を規定するものであり、目的と
するプロセスに合わせた任意の形状および材質を前提と
した最適設計が可能である。

【００６９】なお第１実施形態で示した設計は前述の計
算結果の一例であり、同等の計算を用いて他の有効な構
造を計算することが可能であることは勿論である。以上
に述べた理由により、上記実施形態によるプラズマ生成
用アンテナ１０によれば、プラズマ生成用アンテナの内
部における電力損失を最小とすることができ、従来にな
い高効率のプラズマ生成装置を実現できる。

【００７０】次に第１実施形態によるプラズマ処理装置
を用いて基板１４の表面処理を行う場合の手順および特
徴を概説する。表面処理の内容は、例えば、シリコンウ
ェーハ上のシリコン酸化膜のドライエッチングプロセス
である。

【００７１】第１実施形態によるプラズマ処理装置で
は、放電用ガス導入機構１６からガス導入管１５を介し
て真空容器１２内へ放電用ガスが供給される。シリコン
酸化膜のドライエッチングプロセスに用いる放電用ガス
としては、フロンガスを主とし、アルゴン、酸素、水素
等を添加した混合ガスが一般に用いられている。一方、
真空容器１２に付設された排気機構１８は油回転ポンプ
やターボ分子ポンプ等の真空ポンプを備え、真空容器１
２の内部は排気口１７を介して排気され、例えば１０^-4
Ｐａ程度の到達圧力まで排気される。なお、真空容器１
２には基板１４の出入り用のゲートバルブおよびゲート
バルブを通して基板１４を搬入・搬出するための搬送系
が設けられているが、図１ではその図示が省略されてい
る。

【００７２】次に上記のプラズマ処理装置の動作を説明
する。まず図示しない搬送系により基板１４を真空容器
１２内に搬入し、基板ホルダ１３上に配置する。排気機
構１８を動作させて真空容器１２内を１０^-4Ｐａ程度ま
で排気し、その後に放電用ガス導入機構１６が放電用ガ
スを真空容器１２内に導入する。真空容器１２内のガス
の圧力は、ガスの導入流量と排気機構１８の排気速度に
より定まる。本実施形態のプラズマ処理装置における典
型的なガス圧力は１Ｐａ程度である。所定のガス流量に
おいて所定の放電圧力を維持するために、排気機構１８
に排気速度を制御する機構を設けることが一般的に行わ
れている。

【００７３】次に上記の高周波電力供給系３０が真空容
器１２内への高周波電力の給電動作を行う。すなわち、
高周波電源３１から発生した高周波電力は、導波管によ
ってスタブチューナ３２に導かれ、ここでインピーダン
ス整合を行った後に、同軸導波管変換器３３によって変
換され、さらに同軸線路３４を経てプラズマ生成用アン
テナ１０に供給される。アンテナ１０に供給された高周
波電力は、アンテナ１０の作用に従って電磁波放射部２
０から空間１１へ放射され、空間１１において放電用ガ
スを電離して放電を生じさせ、この放電によって真空容
器１２の内部の空間１１でプラズマが生成される。この
プラズマによって、基板ホルダ１３上の基板１４の表面
に所定の処理が施される。

【００７４】上記のプラズマ処理装置では、アンテナ１
０の特徴を利用して、従来例では不可能であった高密度
のプラズマ生成が可能となった。プラズマの均一性は直
径３００ｍｍの範囲で±３％以内であり、現状のシリコ
ン基板を用いるプラズマ処理装置には十分な値である。
またプラズマ生成用アンテナ１０の特徴から、さらに大
面積で均一なプラズマを生成することは容易に可能であ
り、将来のφ４００ｍｍ、φ４５０ｍｍといった大型基
板の処理装置にも適用可能である。

【００７５】図８は本発明の第２の実施形態を示し、図
１と同様な図である。図８において、図１で説明した要
素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説
明を省略する。特に、この実施形態におけるプラズマ生
成用アンテナ１０の短絡３ｄＢ方向性結合器を装備した
構造に関しては、第１実施形態で説明したもの実質的に
同一である。本実施形態では、同軸線路３４において同
軸型スタブ整合器５１を設けることにより、さらに理想
に近い整合を実現することができる。

【００７６】前述の第１実施形態に従って最適設計した
アンテナ１０では、設計の基本として、電磁波放射部の
反射係数が、十分小さいこと、または既知であることを
前提としている。しかしながら、生成されたプラズマの
インピーダンスは投入電力、ガス圧力等により若干変化
するため、上記反射係数も、プラズマのインピーダンス
に従って若干変化する。第１実施形態で示したプラズマ
源は、前述のごとくアンテナ１０の円盤状導体板１９で
磁気回路を装備し、磁場を利用したＥＣＲプラズマ源で
あり、この場合、上記インピーダンスの変化は小さい
が、磁場を利用せずにプラズマを生成する形式のプラズ
マ源に本発明を適用する際には、反射係数の変化が問題
となる場合がある。そこで、プラズマのインピーダンス
の変化に起因してアンテナ１０内の導波路に発生する反
射波を取り除くために、アンテナ１０に高周波電力を供
給するための同軸線路３４に同軸型スタブ整合器５１を
付設することとした。この構成を付加することによっ
て、反射係数の変化により発生する反射波を、同軸型ス
タブ整合器５１によって発生する定在波により相殺し、
プロセス条件の変化に依存せずに完全な整合状態を実現
することができる。

【００７７】本発明に係るプラズマ処理装置に適用され
るプラズマ生成用アンテナ１０の構造は、上記の実施形
態に限定されるものではなく、前述した短絡３ｄＢ方向
性結合器に関して要求される条件を満たしていれば、誘
電体製のリングおよびブロックの形状および材質、円盤
状導体板の外径、厚み、段差の形状等の寸法の増減を自
由に行うことができる。ただし、本発明の方式により設
計されるプラズマ生成用アンテナの利用用途が半導体製
造装置用のプラズマ源であることから、電磁波の波長と
の関連により使用周波数は０．５〜１０ＧＨｚの範囲に
設定することが望ましい。さらには、工業用周波数とし
て使用が許可されている０．９１５ＧＨｚあるいは２．
４５ＧＨｚの周波数の使用を前提として設計することに
より、もっとも実用的なプラズマ生成用アンテナを実現
することができる。

【００７８】前述の各実施形態では、本発明に係るプラ
ズマ処理装置をドライエッチングに応用した例を示した
が、本発明の目的は、既に述べたように高周波を用いて
効率よく、均一性の良好なプラズマを発生させることに
ある。従って、例えばプラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、
プラズマ重合等のプラズマを利用するあらゆる表面処理
を目的としたプラズマ処理装置に応用しても、実施形態
において説明したと同様の効果を得ることができる。

【００７９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果を奏する。高周波電力を真空容器内に供
給し、放電を生じさせてプラズマを生成し、基板表面を
処理するようにしたプラズマ処理装置において、真空容
器の上部に設けられた高周波電力を供給するアンテナの
円盤状導体板が所定の厚みを有する場合に、当該円盤状
導体板の周囲導波路に短絡３ｄＢ方向性結合器の構造を
与えるようにしたため、定在波の発生を防止し、高周波
電力の伝送を効率よく行い、プラズマ発生の効率を改善
することができる。これによって大電力の高周波を給電
でき、高密度のプラズマを生成することができ、直径３
００ｍｍ以上の基板の表面処理を行うことができる。ま
た本発明によれば、周波数が０．５〜１０ＧＨｚ程度の
領域にある高周波電力による放電を用いて大面積にわた
る均一性の良好なプラズマを生成する場合にその効果が
顕著であり、高周波放電により大面積基板を処理する場
合にプラズマ処理装置の実用性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るプラズマ処理装置の第１実施形
態を示す縦断面図である。

【図２】 第１実施形態のプラズマ生成用アンテナの構
造の説明を補足する基本構造の縦断面図である。

【図３】 短絡３ｄＢ方向性結合器の作用を説明するた
めの図である。

【図４】 第１実施形態のプラズマ生成用アンテナの構
造の説明を補足する実用構造の縦断面図である。

【図５】 第１実施形態のプラズマ生成用アンテナの円
盤状導体板の外観図である。

【図６】 プラズマ生成用アンテナを１つの給電系とみ
なしたときの散乱行列を表示する図である。

【図７】 本発明の第１実施形態においてそのアンテナ
設計手法を適用して設計したプラズマ生成用アンテナの
要部縦断面図である。

【図８】 本発明に係るプラズマ処理装置の第２実施形
態を示す縦断面図である。

【図９】 従来のプラズマ処理装置を概略的に示す縦断
面図である。

【符号の説明】

１０ アンテナ １１ 空間 １２ 真空容器 １３ 基板ホルダ １４ 基板 １９ 円盤状導体板 １９ａ，１９ｂ 段差 ２０ 電磁波放射部 ２１，２３ 誘電体製リング ２２ 誘電体板 ２４ 導波路 ３４ 同軸線路 ４２ 短絡３ｄＢ方向性結合器 ５１ 同軸型スタブ整合器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000001122 株式会社日立国際電気 東京都中野区東中野三丁目14番20号 (71)出願人 000227294 アネルバ株式会社 東京都府中市四谷５丁目８番１号 (72)発明者 佐藤 徳芳 宮城県仙台市青葉区花壇４番17−113 (72)発明者 飯塚 哲 宮城県仙台市太白区郡山６丁目５−10− 201 (72)発明者 米山 務 宮城県仙台市太白区袋原字小平12−17 (72)発明者 佐藤 弘康 宮城県仙台市太白区青山２−１−５ (72)発明者 李 雲龍 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 (72)発明者 富永 四志夫 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 (72)発明者 沼沢 陽一郎 東京都府中市四谷５丁目８番１号 アネル バ株式会社内 (72)発明者 中川 行人 東京都府中市四谷５丁目８番１号 アネル バ株式会社内 Ｆターム(参考） 4K030 CA04 CA12 DA04 FA02 JA18 JA20 KA05 5F004 AA16 BA14 BB14 BB32 DA00 DA23 DA24 DA26 DB03 5F045 AA08 DP03 EH02 EH03 EH17

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に処理すべき基板を配置しかつ前記
   基板の前面の空間にプラズマを生成するように構成され
   た真空容器と、この真空容器に装備されたプラズマ生成
   用アンテナと、このアンテナに高周波電力を供給する高
   周波電源を備え、前記高周波電源から高周波電力を供給
   された前記アンテナは前記高周波電力を放射し、前記真
   空容器内の前記空間に前記プラズマを生成し、このプラ
   ズマによって前記基板の表面に所定処理を行うプラズマ
   処理装置において、 前記アンテナは、所定の厚みを有する円盤状導体部を有
   すると共に前記基板に対向する電磁波放射領域を有し、
   さらに同軸線路によって前記高周波電源に接続され、 前記円盤状導体部は、その中心点で前記同軸線路の内側
   導体に接続され、 前記円盤状導体部の周囲には、前記中心点に関して中心
   対称的に配置された同軸型でありかつ前記同軸線路から
   前記電磁波放射領域に至る折返し部を備えた導波路が形
   成され、 前記導波路の前記折返し部にインピーダンス整合を行う
   短絡３ｄＢ方向性結合器としての構造を与えたことを特
   徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 前記短絡３ｄＢ方向性結合器としての構
   造は、前記円盤状導体部の上面と下面の両方またはいず
   れか一方に段差を形成することで与えられることを特徴
   とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記短絡３ｄＢ方向性結合器としての構
   造は、前記円盤状導体部の周囲の前記導波路に誘電体材
   料を設けることで与えられ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。
4. 【請求項４】 前記アンテナで、前記短絡３ｄＢ方向性
   結合器としての構造を構成する複数の要素のうち任意の
   要素の変量が、アンテナの反射係数Г_A に対して、散乱
   行列表示においてＳ₂₂＝Г_A ^* （ただし「＊」は共役複
   素数である）となるように決定されていることを特徴と
   する請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理
   装置。
5. 【請求項５】 前記アンテナで、前記短絡３ｄＢ方向性
   結合器としての構造を構成する複数の要素のうちの任意
   の要素の変量が、散乱行列表示においてＳ₂₂＝０となる
   ように決定されていることを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 前記円盤状導体部に対して前記空間に磁
   場を発生させるための磁気回路を設けたことを特徴とす
   る請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装
   置。
7. 【請求項７】 前記空間における前記円盤状導体部に近
   接した領域に前記磁気回路によって発生する磁場の磁束
   密度は、この磁束密度に対応する電子サイクロトロン周
   波数が前記高周波電力の周波数よりも大きくなるよう
   に、設定されていることを特徴とする請求項６記載のプ
   ラズマ処理装置。
8. 【請求項８】 前記高周波電力の周波数は０．５〜１０
   ＧＨｚであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ
   処理装置。
9. 【請求項９】 前記同軸線路に同軸型のインピーダンス
   整合機構を設けたことを特徴とする請求項１記載のプラ
   ズマ処理装置。