JP2003234327A

JP2003234327A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2003234327A
Application number: JP2002029947A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kasai; 河西　　繁
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-22
Anticipated expiration: 2022-02-06
Also published as: KR20040081185A; CN1628495A; US7430985B2; CN1309280C; WO2003067939A1; US20050082004A1; KR100646458B1; JP4062928B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】被処理体Ｗを載置する載置台４６を真空
引き可能になされた処理容器４４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７２を介して平面
アンテナ部材７６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８０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、強誘電体材料を用い
た強誘電体導波管９４よりなるように構成する。これに
より、導波管の耐熱性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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１０ｍＴｏｒ
ｒ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３
２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Ｔ
Ｅ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Ｔ
ＥＭ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、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、前記強誘電体材料の比誘
電率は、１０００以上である。また、例えば請求項５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、Ｓ
ｒ、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７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８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９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１０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１１に規定するように、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
可能になされると共に、個別的にも移動可能になされて
いる。また、例えば請求項１２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１３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５
０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３００〜４００ｍ
ｍ、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７
８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９
０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２．４５
ＧＨｚ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９
６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１０
４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１
０６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（Ｐ
ｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＢＳＴ（Ｂａ、
Ｓｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＳＢＴ（Ｓｒ、Ｂ
ｉ、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ＳｉＨ
₄ 、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１
０６Ａ、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１０４
Ａ、１０４Ａは導体で形成し、この上下端部分１０４
Ａ、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１０
４Ｂ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１１８
Ａ、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、１１８
Ｂ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１１
８Ａ、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１２
６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９
８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、１１８
Ｂ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１１
６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７
６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１〜８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９、１１、１３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１０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１２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）

Claims

【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、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】前記強誘電体材料の比誘電率は、１００
０以上であ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】前記強誘電体材料は、ＰＺＴ（Ｐｂ、Ｚ
ｒ、Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＢＳＴ（Ｂａ、Ｓｒ、
Ｔｉ、Ｏを含む複合材料）、ＳＢＴ（Ｓｒ、Ｂｉ、Ｔ
ａ、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５のいずれか
に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】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５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】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７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】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１０】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９記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】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
されると共に、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９または１０記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１２】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９
乃至１１のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】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９乃
至１１のいずれかに記載のプラズマ処理装置。