JP2007273636A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマのモードジャンプを抑止することが可能なプラズマ処理装置及びその方法を提供する。
【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置１００は，複数のスロット３７に通したマイロ波を，梁２６で支持された複数枚の誘電体パーツ３１に透過させ，透過させたマイクロ波によりガスをプラズマ化して基板Ｇをプラズマ処理する。誘電体パーツ３１を支持する梁２６は，その端部周辺でのプラズマ電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように基板側に突出して設けられる。この梁２６の突出により，隣り合う誘電体パーツ３１を透過したマイクロ波の電界エネルギーにより生じた表面波による干渉や，隣り合う誘電体パーツ３１下方のプラズマが拡散されるときにプラズマ中を伝播して隣のプラズマに到達する電子やイオンによる干渉が抑制される。
【選択図】図４

Description

本発明は，プラズマを生成して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

図１０に示したように，マイクロ波放電でプラズマを生成する際，入射するマイクロ波のパワーが変わると，そのパワーの変化の程度やプロセスの条件によっては，特有なモードの表面波が不連続に励起される場合があることが，従来から知られている（たとえば，非特許文献１を参照。）。このように表面波のモードが不連続に励起されると，誘電体の下方にて生成されるプラズマの電子密度（またはプラズマ電子密度）が不連続に変化する，いわゆる，プラズマの電子密度ジャンプ（モードジャンプ）が発生する。

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，ｐ７１−ｐ８０

しかし，プラズマ生成過程で，このようなモードジャンプが頻繁に発生すると良好なプラズマ処理が行えない。たとえば，ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着薄膜成膜法）処理過程でモードジャンプが頻繁に発生すると，モードジャンプが起こる度にプラズマの状態が不連続に変化することに伴い，ガスの解離の程度が変化し，その度に形成される膜質も変化する。この結果，不均一な膜が階層的に積層されてしまう。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，プラズマのモードジャンプを抑止することが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。

前述したように，プラズマ生成過程でプラズマがモードジャンプする要因としては，入射されるマイクロ波の電界エネルギーの変動が考えられる。この電界エネルギーの変動は，導波管内を伝播する進行波の振幅の状態，および，進行波が導波管端面で反射することにより生じる反射波の振幅の状態が時間とともに常に変化し，これにより，進行波と反射波との合成波である導波管内の定在波の振幅の状態が常に変化することによって生じる。

また，このようなマイクロ波の電界エネルギーの変動に伴ってプラズマ内のインピーダンスが変化すると，表面波が誘電体とプラズマとの間を伝播する際，表面波の電界エネルギーがプラズマに吸収される割合とプラズマを反射する割合とが変化することも，プラズマの密度が変化してモードジャンプが発生する１つの要因として考えられる。

特に，プラズマ処理装置に設けられた誘電体が，梁で仕切られた複数枚の誘電体パーツから形成されている場合，プラズマは誘電体パーツ毎にその下面近傍にて生成される。この場合，各誘電体パーツを透過したマイクロ波の電界エネルギーにより各誘電体パーツに表面波が生じ，この表面波により，隣の誘電体パーツのプラズマが干渉されることが，モードジャンプの更なる要因の１つとして考えられる。さらに，各誘電体パーツのプラズマが拡散するとき，その拡散プラズマに含まれる電子やイオンにより隣の誘電体パーツのプラズマが干渉されることも，モードジャンプの要因の１つとして考えられる。そして，実際には，これらの要因が「複雑に絡み合う」ことにより，各誘電体パーツ下方に生成されたプラズマの密度が不連続に変動し，プラズマがモードジャンプする。

このようなモードジャンプの発生を抑えるために，本発明のある観点によれば，複数のスロットが開口された複数の導波管と，上記複数の導波管を伝播し，上記複数のスロットに通したマイクロ波を透過させる誘電体と，上記誘電体を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて，被処理体をプラズマ処理する処理室と，を備えるプラズマ処理装置であって，上記誘電体は、複数枚の誘電体パーツから構成され、各誘電体パーツは、梁に支持された状態で，上記複数の導波管のうちの１つまたは２つ以上の導波管を伝播して各導波管の１つまたは２つ以上のスロットに通したマイクロ波を透過させるように配置され、上記梁は，上記被処理体側の端部周辺のプラズマ中の電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように上記被処理体側に突出して設けられるプラズマ処理装置が提供される。これにより，本発明にかかるプラズマ処理装置は，導波管を伝播してスロットに通したマイクロ波を各誘電体パーツに透過させ，処理室に入射されたマイクロ波によってガスをプラズマ化させて，被処理体をプラズマ処理する。

このとき，上記各誘電体パーツは，その各誘電体パーツの周縁にて上記梁に支持されていてもよい。

誘電体パーツ下面の電界エネルギーにより生じた表面波は，誘電体パーツや梁の表面とプラズマとの間を反射しながら伝播する。このとき，表面波の電界エネルギーの一部は，いわゆるエバネッセント波としてプラズマの生成に消費される。そして，一般的に，外部からのエネルギーの供給がない場合，プラズマの生成に消費される表面波の電界エネルギーは，表面波の伝播距離が長ければ長いほど増加する。

梁が非磁性体である導電性材料から形成されている場合，梁はマイクロ波を透過しない。このため，表面波は，梁の表面を伝播中，新たな電界エネルギーの供給を受けることができない。各誘電体パーツと梁との間に段差が設けられている場合（図４参照）には，誘電体パーツと梁とがフラットな（梁が突出していない）場合（図７参照）に比べ，表面波が隣の誘電体パーツのプラズマまで伝播する距離は，梁の側壁部分だけ長くなり，しかも，梁を伝播中の表面波は，電界エネルギーの供給を受けることができない。このため，表面波は，隣り合う誘電体パーツに向かって伝播する間に多くの電界エネルギーを消費し，隣の誘電体パーツ下方に到達する前に減衰してしまう。これにより，表面波が，隣の誘電体パーツ下方のプラズマに与える干渉を抑止することができる。

さらに，梁を突出させることにより，梁の壁面の面積が大きくなるにしたがって，その壁面に衝突する電子やイオンが指数関数的（電子やイオンの拡散係数は，指数関数として表される）に増加し，その結果，隣り合う誘電体パーツ下方のプラズマまで伝播される電子やイオンの数が減少する。これにより，拡散プラズマが，隣り合う各誘電体パーツ下方のプラズマに与える干渉を抑止することができる。

以上のように，本発明にかかるプラズマ処理装置によれば，梁を突出させることにより，表面波による干渉および拡散プラズマによる干渉を抑え，プラズマのモードジャンプを抑制し，これにより，均一なプラズマを安定的に生成することができる。

さらに，本発明にかかるプラズマ処理装置によれば，梁の被処理体側の端部周辺のプラズマ電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように梁を突出させる。よって，梁の突出位置の上限値ｈ_ｃは，梁の被処理体側の端部周辺のプラズマ電子密度Ｎ_ｅが，カットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃに等しくなったときとなる。具体的には，梁の突出位置の上限値ｈ_ｃは，前記誘電体パーツ近傍のプラズマ電子密度をＮ_０とし，隣り合う梁間の間隔の最小値をａとしたとき，ｈ_ｃ＝２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０―ｌｎＮ_ｃ）／２πで求められ，実際には０．０３８ｍ程度である。なお，梁の被処理体側の端部周辺とは，梁の端部から被処理体側に約数ｍｍ〜約１ｃｍ以上離れた位置をいう。

前述したように，誘電体パーツ下面の電界エネルギーにより生じた表面波は，誘電体パーツや梁の表面とプラズマとの間を反射しながら伝播する。このとき，表面波の電界エネルギーの一部は，いわゆるエバネッセント波としてプラズマの生成に消費される。そして，マイクロ波が導体の梁の周囲を伝播するとき，エネルギーは外部から供給されないため，表面波の電界エネルギーはプラズマの生成に消費され続け，これにより，表面波は減衰する。

ここで，誘電体近傍のプラズマ電子密度をＮ_０（図３参照），梁の端部周辺のプラズマ電子密度をＮ_ｅ，カットオフのプラズマ電子密度をＮ_ｃ（図３参照）とする。上記表面波の減衰により，梁の端部近傍のプラズマ電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃより小さくなると，梁の端部周辺での電子の密度が薄くなり，梁を伝播する表面波（マイクロ波）がエバネッセント波としてプラズマ内に染み込む状態を保つことができず，一気にプラズマ内に進入する。この結果，処理容器内部のプラズマが不安定になる。

しかし，本発明にかかるプラズマ処理装置によれば，梁は，梁の端部近傍でのプラズマ電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように突出する。すなわち，梁の上限値ｈ_ｃは，２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０―ｌｎＮ_ｃ）／２π，つまり，シミュレーションの結果得られた「０．０３８」ｍ程度となる。これによれば，梁の端部近傍でのプラズマ電子密度はある程度の密度に保たれ，極端に薄くなることはない。これにより，梁を伝播する表面波（マイクロ波）がプラズマ内を通って処理容器内部に進入することにより，処理容器内部のプラズマが不安定になる現象を回避することができる。この結果，均一に生成されたプラズマにより基板を精度よくプラズマ処理することができる。

このとき，上記各誘電体パーツには，被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されていてもよい。これによれば，各誘電体パーツの凹部または凸部により，各誘電体パーツ下面にて表面波が伝播する際の電界エネルギーの損失を増加させることができる。これにより，表面波の伝播を抑え，定在波の発生を抑制し，均一なプラズマを生成することができる。

また，上記プラズマ処理装置は，第１のガス噴射孔から第１のガスを供給する第１のガス供給部と，上記第１のガス噴射孔より被処理体側に設置された第２のガス噴射孔から第２のガスを供給する第２のガス供給部とを備えていてもよい。このとき，上記梁は，上記第２のガス噴射孔より誘電体側に位置するように設けられていてもよい。これによれば，梁は，第２のガス噴射孔より誘電体側に位置するため，非処理体上に向かって拡散されるプラズマの広がりを妨げない。

このとき，上記第１のガスは，上記第２のガスよりも結合エネルギーの最小値が大きいガスであることが好ましい。

これによれば，結合エネルギーが大きい第１のガスは，処理室に入射された直後の強いマイクロ波の電界エネルギーによってプラズマ化される。また，結合エネルギーが小さい第２のガスは，第１のガスのプラズマ化にある程度のエネルギーを消費することにより弱められた電界エネルギーによって，たとえば，良質な膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）までほどよく解離される。この「ほどよく解離する」とは，たとえば，シラン（ＳｉＨ_４）ガスがＳｉＨ_３ラジカルまで解離し，ＳｉＨ_２ラジカルまで過剰解離されない程度の解離をいう。これにより，ほどよく解離し，かつ，放射状に均一に拡散された拡散プラズマによって，被処理体を精度よくプラズマ処理することができる。

ただし，上記第１のガスまたは上記第２のガスの少なくともいずれかが，複数のガスを混合した混合ガスであって，その混合ガスが過剰反応する場合などの特殊な場合には，第１のガスおよび第２のガスの結合エネルギーの大小関係に関わらず，過剰反応が起きないように各ガスの噴射位置が決定される。なお，上記第１のガスおよび上記第２のガスは，プラズマを励起させるためのガスであってもよく，酸化処理，窒化処理，エッチング処理，ＣＶＤ処理などの処理をするためのガスであってもよい。

前記梁は，導電性材料から形成されていてもよい。これによれば、隣り合う誘電体パーツ間を伝播するマイクロ波を抑制することにより、より安定で均一なプラズマを励起することができる。さらに、前記梁は、非磁性体から形成されていてもよい。これによれば，梁が磁化することにより梁から発生する磁界がプラズマに及ぼす影響により、不均一なプラズマが生成されることを回避することができる。

また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，梁の被処理体側の端部周辺のプラズマ電子密度Ｎ_ｅが，カットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように，被処理体側に突出した上記梁により支持された複数枚の誘電体パーツの各誘電体パーツに，複数の導波管のうちの１つまたは２つ以上の導波管を伝播して各導波管の１つまたは２つ以上のスロットに通したマイクロ波を透過させ，上記透過させたマイクロ波によりガスをプラズマ化して，被処理体をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理装置を使用したプラズマ処理方法が提供される。

これによれば，梁と誘電体パーツとの段差によって，表面波が隣の誘電体パーツのプラズマまで伝播する距離は，梁の側壁部分だけ長くなる。外部からのエネルギーの供給がない場合，プラズマの生成に消費される表面波の電界エネルギーは，表面波の伝播距離が長ければ長いほど増加するが，梁は非磁性体である導電性材料により形成されているため，梁を伝播中の表面波は，電界エネルギーの供給を受けることができない。このため，表面波は，梁を伝播中に多くの電界エネルギーを消費し，隣の誘電体パーツ下方に到達する前に減衰してしまう。これにより，表面波が，隣の誘電体パーツ下方のプラズマに与える干渉を抑止することができる。その上，本発明にかかるプラズマ処理装置によれば，上記梁は，非処理体上にプラズマが拡散される際の障壁とならない位置に突出しているので，拡散プラズマは，梁が障壁となることなく，被処理体上にて放射状に均一に広がる。

さらに，本発明によれば，梁は，梁の端部周辺でのプラズマ電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように突出する。すなわち，梁の上限値ｈ_ｃは，２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０―ｌｎＮ_ｃ）／２π（シミュレーション結果によれば０．０３８ｍ程度）となる。これによれば，梁の端部周辺でのプラズマ電子密度はある程度の密度に保たれ，極端に薄くなることはない。この結果，梁を伝播する表面波（マイクロ波）がエバネッセント波としてプラズマ内に染み込む状態を保つことができずに一気にプラズマ内に進入することにより，処理容器内部のプラズマが不安定になるという現象を回避することができる。この結果，均一に生成されたプラズマにより基板を精度よくプラズマ処理することができる。

また，各誘電体パーツと梁とに段差を設けると，梁の壁面に衝突する電子やイオンが指数関数的に増加し，これにより，隣り合う誘電体パーツ下方のプラズマまで伝播される電子やイオンの数が減少する。これにより，拡散プラズマが，隣り合う各誘電体パーツ下方のプラズマに与える干渉を抑止することができる。以上の結果，表面波による干渉および拡散プラズマによる干渉を抑制してプラズマのモードジャンプを抑止することにより，均一なプラズマを安定的に生成することができる。

上記プラズマ処理方法は，第１のガスを第１のガス噴射孔から供給し，上記供給された第１のガスがプラズマ着火した後，上記第１のガス噴射孔の位置および上記梁が突出した位置より被処理体側に設置された第２のガス噴射孔から，第２のガスを供給するようにしてもよい。また，このとき，前記第１のガスまたは前記第２のガスの少なくともいずれかは，複数のガスを混合した混合ガスであって，前記第１のガスは，前記第２のガスよりも結合エネルギーの最小値が大きいガスであることが好ましい。

これによれば，まず，結合エネルギーの大きい第１のガスが，入射直後の強いマイクロ波の電界エネルギーによってプラズマ化される。つぎに，第１のガスがプラズマ着火した後，第１のガスより結合エネルギーの小さい第２のガスが，第１のガス噴射孔の位置および梁２６が突出した位置より被処理体側に設置された第２のガス噴射孔から噴射される。これにより，第２のガスは，第１のガスをプラズマ化するためにパワーを消費して弱められたマイクロ波の電界エネルギーによって，たとえば，良質の膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）まで解離する。また，第２のガス噴射孔は，第１のガス噴射孔の位置および梁２６の突出位置より被処理体側に設けられているので，これらが非処理体上に向かうプラズマの拡散を妨げることもない。この結果，被処理体上に均一に生成されたプラズマにより，被処理体を精度よくプラズマ処理することができる。

ただし，上記第１のガスまたは上記第２のガスの少なくともいずれかが，複数のガスを混合した混合ガスであって，その混合ガスが過剰反応する場合などの特殊な場合には，第１のガスおよび第２のガスの結合エネルギーの大小関係に関わらず，過剰反応が起きないように各ガスの噴射位置が決定される。

以上に説明したように，本発明によれば，プラズマのモードジャンプを抑止することが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。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，本明細書中１ｍＴｏｒｒは（１０^−３×１０１３２５／７６０）Ｐａ，１ｓｃｃｍは（１０^−６／６０）ｍ^３／ｓｅｃとする。

（第１実施形態）
まず，本発明の第１実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の構成について，本装置を縦方向（ｙ軸に垂直な方向）に切断した断面図である図１，および，処理室の天井面を示した図２を参照しながら説明する。また，以下の説明では，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置（プラズマ処理装置に相当）を用いた，ゲート酸化膜形成プロセスを例に挙げて説明する。

（マイクロ波プラズマ処理装置の構成）
マイクロ波プラズマ処理装置１００は，処理容器１０と蓋体２０とを備えている。処理容器１０は，その上部が開口された有底立方体形状を有している。処理容器１０と蓋体２０とは，蓋本体２１の下面外周部と処理容器１０の上面外周部との間に配設されたＯリング３２により密閉され，これにより，プラズマ処理を施す処理室Ｕが形成されている。処理容器１０および蓋体２０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。

処理容器１０には，その内部にてガラス基板（以下「基板」という）Ｇを載置するためのサセプタ１１（載置台）が設けられている。サセプタ１１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１１ａおよびヒータ１１ｂが設けられている。

給電部１１ａには，整合器１２ａ（たとえば，コンデンサ）を介して高周波電源１２ｂが接続されている。また，給電部１１ａには，コイル１３ａを介して高圧直流電源１３ｂが接続されている。整合器１２ａ，高周波電源１２ｂ，コイル１３ａおよび高圧直流電源１３ｂは，処理容器１０の外部に設けられている。また，高周波電源１２ｂおよび高圧直流電源１３ｂは，接地されている。

給電部１１ａは，高周波電源１２ｂから出力された高周波電力により処理容器１０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１１ａは，高圧直流電源１３ｂ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。

ヒータ１１ｂには，処理容器１０の外部に設けられた交流電源１４が接続されていて，交流電源１４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。

処理容器１０の底面は筒状に開口され，その外部周縁にはベローズ１５の一端が装着されている。また，ベローズ１５の他端は昇降プレート１６に固着されている。このようにして，処理容器１０底面の開口部分は，ベローズ１５および昇降プレート１６により密閉されている。

サセプタ１１は，昇降プレート１６上に配設された筒体１７に支持されていて，昇降プレート１６および筒体１７と一体となって昇降し，これにより，サセプタ１１を処理プロセスに応じた高さに調整するようになっている。また，サセプタ１１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１８が設けられている。

処理容器１０の底部には，処理容器１０の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）が備えられている。真空ポンプは，ガス排出管１９を介して処理容器１０内のガスを排出することにより，処理室Ｕを所望の真空度まで減圧する。

蓋体２０には，蓋本体２１，６本の方形導波管３３，スロットアンテナ３０，および，誘電体（複数枚の誘電体パーツ３１から構成）が設けられている。

６本の方形導波管３３（導波管に相当）は，その断面形状が矩形状であり，蓋本体２１の内部にて平行に並べて設けられている。各方形導波管３３の内部は，フッ素樹脂（たとえばテフロン（登録商標）），アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），石英などの誘電部材３４で充填されていて，その誘電部材３４により，λｇ_１＝λｃ／（ε_１）^１／２の式に従って各方形導波管３３の管内波長λｇ_１が制御される。ここで，λｃは自由空間の波長，ε_１は誘電部材３４の誘電率である。

各方形導波管３３は，上部にて開口し，その開口には，可動部３５が昇降自在に挿入されている。可動部３５は，アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料から形成されている。

蓋本体２１の外部であって，各可動部３５の上面には，昇降機構３６がそれぞれ設けられていて，可動部３５を昇降移動させる。かかる構成により，誘電部材３４の上面までを限度として，可動部３５を昇降移動させるにより，方形導波管３３は，その高さを任意に変えることができるようになっている。

スロットアンテナ３０は，蓋本体２１の下方にて蓋本体２１と一体となって形成されている。スロットアンテナ３０は，アルミニウムなどの非磁性体である金属から形成されている。スロットアンテナ３０には，各方形導波管３３の下面にて，図２に示した１３個のスロット３７（開口）が，それぞれ直列に並べて設けられている。各スロット３７の内部には，フッ素樹脂，アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），石英などの誘電部材が充填されていて，その誘電部材により，λｇ_２＝λｃ／（ε_２）^１／２の式に従って各スロット３７の管内波長λｇ_２が制御される。ここで，λｃは自由空間の波長，ε_２はスロット３７内部の誘電部材の誘電率である。

誘電体は，３９枚の誘電体パーツ３１から構成され，各誘電体パーツ３１はタイル状に形成されている。１３枚の誘電体パーツ３１は，１つのマイクロ波発生器４０に対してＹ分岐管４１を介して接続された２本の方形導波管３３を跨ぐように３列に設けられている。

各誘電体パーツ３１は，互いに隣接する２本の方形導波管３３（すなわち，Ｙ分岐管４１を介して同じマイクロ波発生器４０に接続された２本の方形導波管３３）の下面に設けられた２６個（＝１３個×２列）のスロット３７のうち，ｙ座標が同一となる２つのスロットを跨ぐようにそれぞれ取り付けられている。以上の構成により，スロットアンテナ３０の下面には，全部で３９枚（＝１３枚×３列）の誘電体パーツ３１が取り付けられる。

各誘電体パーツ３１は，石英ガラス，ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，サファイア，ＳｉＮ，セラミックスなどの誘電材料を用いて形成されている。各誘電体パーツ３１には，図１および図３に示したように基板Ｇと対向する面にて凹凸が形成されている。このように，各誘電体パーツ３１に凹部または凸部の少なくともいずれかを設けることによって，表面波が，各誘電体パーツ３１の表面を伝播する際の電界エネルギーの損失が増加し，これにより，表面波の伝播を抑止することができる。この結果，定在波の発生を抑制して，均一なプラズマを生成することができる。

なお，各方形導波管３３の下面に形成されるスロット３７の個数は任意であり，たとえば，各方形導波管３３の下面にそれぞれ１２個ずつのスロット３７を設け，スロットアンテナ３０の下面に全部で３６枚（＝１２枚×３列）の誘電体パーツ３１を配設させてもよい。また，各誘電体パーツ３１の上面に設けるスロット３７の個数も２つに限られず，１つ，または，３つ以上であってもよい。

（梁の突出）
スロットアンテナ３０の下面には，図２に示したように，３９枚の誘電体パーツ３１を，１３枚×３列に配列させた状態で支持するために，格子状に形成された梁２６が設けられている。各誘電体パーツ３１は，その誘電体パーツ３１と梁２６（図１では梁２６ａ〜梁２６ｄとして示されている。）とに段差が設けられるように，その周縁にて梁２６にそれぞれ支持されている。すなわち，梁２６は，各誘電体パーツ３１の周縁にて梁２６が基板Ｇ側に突出するように設けられている。梁２６は，アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料にて形成されている。

梁２６の下面には，その一部にて複数の支持体２７（図１では支持体２７ａ〜支持体２７ｄとして示されている。）が設けられている。各ガスパイプ２８（たとえば，下段のガスシャワーヘッドを構成する一単位となるパーツ）の両端は，支持体２７により支持されている。ガスパイプ２８は，アルミナなどの誘電体から形成されている。

図１の冷却水配管４４には，マイクロ波プラズマ処理装置１００の外部に配置された冷却水供給源４５が接続されていて，冷却水供給源４５から供給された冷却水が冷却水配管４４内を循環して冷却水供給源４５に戻ることにより，蓋本体２１は，所望の温度に保たれるようになっている。

以上に説明した構成により，図２に示した３つのマイクロ波発生器４０から出力された，たとえば，２．４５ＧＨｚ×３のマイクロ波は，各Ｙ分岐管４１を経由して各方形導波管３３を伝播し，各スロット３７を通り，各誘電体パーツ３１を透過して処理室Ｕ内に入射されるようになっている。

（第１のガス供給部および第２のガス供給部）
つぎに，本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００にかかるガス供給部について，図１および図３を参照しながら説明する。図１に示したように，ガス供給源４３は，複数のバルブ（バルブ４３ａ１，４３ａ３，４３ｂ１，４３ｂ３，４３ｂ５，４３ｂ７），複数のマスフローコントローラ（マスフローコントローラ４３ａ２，４３ｂ２，４３ｂ６），酸素ガス供給源４３ａ４，シランガス供給源４３ｂ４およびアルゴンガス供給源４３ｂ８から構成されている。

ガス供給源４３は，各バルブ（バルブ４３ａ１，４３ａ３，４３ｂ１，４３ｂ３，４３ｂ５，４３ｂ７）の開閉および各マスフローコントローラ（マスフローコントローラ４３ａ２，４３ｂ２，４３ｂ６）の開度をそれぞれ制御することにより，所望の濃度の酸素ガス，シランガスおよびアルゴンガスを処理容器１０内にそれぞれ供給するようになっている。

ガス導入管２９（図１ではガス導入管２９ａ〜２９ｄとして示されている。）は，梁２６（図１では梁２６ａ〜２６ｄとして示されている。）の内部を貫通している。ガス導入管２９ａ，２９ｃには，第１の流路４２ａを介して酸素ガス供給源４３ａ４が接続されている。また，ガス導入管２９ｂ，２９ｄには，第２の流路４２ｂを介してシランガス供給源４３ｂ４およびアルゴンガス供給源４３ｂ８が接続されている。

図１に示し，さらに，図３に一部拡大して示したように，酸素ガスは，たとえば，ガス導入管２９ａ，２９ｃを通って，図３に示したガス噴射孔Ａから各誘電体パーツ３１と各ガスパイプ２８との間の空間に噴射される。たとえば，図３では，方形導波管３３ａ１および方形導波管３３ａ２を伝播し，スロット３７ａ１およびスロット３７ａ２から漏れ出して，誘電体パーツ３１ａを透過したマイクロ波の電界エネルギーにより，酸素ガス供給源４３ａ４から供給された酸素ガスは，電離および解離し，これにより，酸素ガスがプラズマ化される。

一方，シランガスおよびアルゴンガスの混合ガスは，酸素ガスがプラズマ着火後，たとえば，ガス導入管２９ｂ，２９ｄを通って，さらに，図３に示したように，支持体２７ｂの内部を貫通したガス管を介して，ガス管に接続された各ガスパイプ２８のガス噴射孔Ｂからサセプタ１１上の基板Ｇ側に噴射される。これにより，シランガスおよびアルゴンガスの混合ガスは，酸素ガスのプラズマ化にある程度のエネルギーを消費して弱められた電界エネルギーによって，良質の膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）であるＳｉＨ_３ラジカルまで解離する（すなわち，ＳｉＨ_２ラジカルまでは解離されない）。このようにして生成されたプラズマにより，基板Ｇ上に非常に良質なゲート酸化膜が形成される。

一般的には，上段のガス噴射孔Ａから噴射されるガス（第１のガス）は，下段の（すなわち，ガス噴射孔Ａより下方に位置する）ガス噴射孔Ｂから噴射されるガスより（第２のガス）も結合エネルギーが大きいガスであることが好ましい。

これによれば，前述したように，まず，結合エネルギーの大きい第１のガスが，比較的強いマイクロ波の電界エネルギーによってプラズマ化される。つぎに，供給されたガスがプラズマ着火した後，第１のガスより結合エネルギーの小さい第２のガスが，ガス噴射孔Ａの位置および梁２６が突出した位置より下方に設置されたガス噴射孔Ｂから噴射される。これにより，第２のガスは，第１のガスをプラズマ化するためにパワーを消費して弱められたマイクロ波の電界エネルギーによって，良質の膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）まで解離する。この結果，良質のゲート酸化膜を形成することができる。

この原則に基づけば，ＯとＯとの分子結合エネルギーは，５．２（ｅＶ），ＳｉとＨとの分子結合エネルギーは，３．２（ｅＶ），Ａｒのイオン化エネルギーは，１５．７５９（ｅＶ）であることから，本来的には，結合エネルギーが大きいアルゴンガスを上段から噴射させ，結合エネルギーが小さいシランガスおよび酸素ガスの混合ガスを下段から噴射させるほうがよい。

しかし，シランガスと酸素ガスとを混合すると，混合ガスが過剰反応してしまうため，これらのガスを混合して供給することができない。このような特殊な理由により，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００では，酸素ガスを上段から噴射させ，シランガスを下段から噴射させる。また，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００では，下段から噴射されるシランガスの量が少ないため（具体的には，酸素ガス８３３ｓｃｃｍに対してシランガス１００ｓｃｃｍ），シランガス１００ｓｃｃｍをアルゴンガス１５００ｓｃｃｍと混合させてガスの流量を多くしてから，その混合ガスを下段から噴射させる。このように，アルゴンガスを主体とした混合ガスを下段から噴射することにより，アルゴンガスが主体となって解離が生じ，より均一なプラズマが生成される。

また，本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１００では，梁２６は，ガス噴射孔Ｂより下方に位置しないように突出させる。かかる構成によれば，所望の程度に解離したプラズマが基板Ｇ上に向かって下方に放射状に広がっていく際，梁２６がその拡散の妨げにならない。これにより，過剰解離されず，プリカーサー（前駆体）であるＳｉＨ_３ラジカルまで解離されたプラズマによって基板Ｇ上に良質なゲート酸化膜を形成することができる。

なお，酸素ガス（第１のガスに相当）を供給し，供給された酸素ガスをガス噴射孔Ａ（第１のガス噴射孔に相当）から噴射するガス供給部を第１のガス供給部という。また，シランガスおよびアルゴンガス（第２のガスに相当）の混合ガスを供給し，供給された混合ガスをガス噴射孔Ｂ（第２のガス噴射孔に相当）から噴射するガス供給部を第２のガス供給部という。

（プラズマのモードジャンプ）
つぎに，上記に説明したマイクロ波プラズマ処理装置１００にかかる各誘電体パーツ３１の下面近傍にて発生した各プラズマがモードジャンプする要因を説明し，その後，発明者らが，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００を用いて，モードジャンプをどのようにして抑制し，均一なプラズマを安定的に生成することに成功したかについて，図４および図７を参照しながら順に説明する。

図４および図７は，誘電体近傍の状態を説明するための模式図であって，図４は，誘電体パーツ３１を支持する梁２６が突出している場合，図７は，誘電体パーツ３１を支持する梁２６が突出していない（フラットな）場合を示している。なお，図４および図７では，下段のガスパイプ２８は取り付けられておらず，ガスは，梁２６を貫通したガス導入管２９から噴射される。

まず，各誘電体パーツ３１の下面近傍にて生成される各プラズマがモードジャンプする３つの要因について図７を参照しながら説明する。

（第１の要因：マイクロ波）
図２に示したように，マイクロ波発生器４０から出射されたマイクロ波は，方形導波管３３内を伝播して各スロット３７に通される。このとき，方形導波管３３内を伝播する進行波の振幅の状態，および，進行波が方形導波管３３端面で反射することにより生じる反射波の振幅の状態は，時間とともに常に変化する。これに伴い，進行波と反射波との合成波である方形導波管３３内の定在波の振幅の状態も常に変化する。この変化の影響を受けて，各スロット３７から漏れ出すマイクロ波の電界エネルギーの強度は，常に変動する。

さらに，このようにしてマイクロ波の電界エネルギーが変動すると，プラズマ内のインピーダンスが変化する。プラズマ内のインピーダンスが変化すると，誘電体パーツ３１を透過した電界エネルギーにより生じる表面波が誘電体パーツ３１とプラズマとの間を反射しながら伝播するとき，表面波の電界エネルギーがプラズマに吸収される割合とプラズマを反射する割合とが変化する。

このようにして，入射されるマイクロ波の電界エネルギーが変化したり，プラズマ内のインピーダンスが変化すると，プロセスの条件によってはモードジャンプが発生する。より具体的に説明すると，図１０に示したように，マイクロ波放電でプラズマを生成する際，入射するマイクロ波のパワーが変わると，そのパワーの変化の程度やプロセスの条件によっては，誘電体の下面近傍にて特有なモード（ＴＭ_０ｎ０モード）の表面波が不連続に励起される。このように表面波のモードが不連続に励起されると，誘電体下部の電磁界強度の分布が，以前の分布とまったく異なった分布となり，誘電体の下方にて生成されるプラズマの電子密度が不連続に変化して，プラズマの電子密度ジャンプ（モードジャンプ）が発生する。なお，図１０に示したＰｆは入射パワー，Ｐｃはプロセスの条件に依存する定数である。

このような表面波のモードジャンプは，誘導結合型プラズマ処理装置や容量結合型プラズマ処理装置にない特有の現象である。このため，マイクロ波プラズマ処理装置では，誘導結合型プラズマ処理装置や容量結合型プラズマ処理装置よりもプラズマのモードジャンプが生じやすい。

それに加え，図７に示したように，各誘電体パーツ３１と梁２６とがフラットに形成されている場合，各プラズマは，さらに，つぎの２つの要因により相互に干渉される。

（第２の要因：表面波による干渉）
その１つは，表面波による干渉である。たとえば，図７に示したように，入射されたマイクロ波の電磁界は，開口Ｃ（スロット口）から誘電体内部を放射状に均一に広がっていき，各誘電体パーツの下面まで透過して，各誘電体パーツの下面にて表面波を生成する。

生成された表面波が，誘電体パーツ３１およびプラズマ間を反射しながら伝播していくとき，その電界エネルギーの一部は，エバネッセント波としてプラズマの生成に消費される。しかし，各誘電体パーツ３１と梁２６との間に段差などの障壁がないと，表面波は，電界エネルギーの一部をプラズマの生成に消費されながらも，その消費量は少ないため，表面波は，隣り合う誘電体パーツまで伝播する。

このようにして，表面波が隣り合う誘電体パーツ３１まで伝播すると，その表面波の干渉により，隣り合うプラズマの密度の変化が増幅され，隣り合う誘電体パーツ３１下方のプラズマの状態が不安定になる。これが，各誘電体パーツ３１下方のプラズマがモードジャンプする第２の要因である。

（第３の要因：電子およびイオンによる干渉）
他の１つは，拡散プラズマ中の電子やイオンがプラズマ中を伝播することによる干渉である。たとえば，プラズマが拡散するとき，拡散プラズマ中の電子やイオンのうち，その一部は，プラズマ中を伝播して隣り合うプラズマまで到達する。このようにして，電子やイオンが隣のプラズマに到達すると，隣り合うプラズマの電子密度やイオン密度が大きく変動する。これが，各誘電体パーツ３１下方のプラズマがモードジャンプする第３の要因である。

以上に説明したように，プラズマのモードジャンプは，入射されるマイクロ波の電界エネルギーの変動と，これに伴うプラズマ内のインピーダンスの変化（第１の要因），表面波による干渉（第２の要因），および，拡散プラズマによる干渉（第３の要因）が複雑に絡み合い，各誘電体パーツ３１下方のプラズマ電子密度が不連続に変動することによって発生する。

しかし，プラズマ生成過程で，このようなモードジャンプが頻繁に発生すると，モードジャンプが起こる度にプラズマの状態が不連続に変化することに伴い，ガスの解離の程度が変化し，その度に形成される膜質も変化する。この結果，不均一な膜が階層的に積層されてしまう。

このような問題を解消するために，発明者らは，処理容器１０の天井にて梁２６を突出させ，これにより，プラズマのモードジャンプを抑制することに成功した。発明者らが，どのようにしてプラズマのモードジャンプを抑制することに成功したかについて，図４を参照しながら以下に説明する。

（第２の要因（表面波の干渉）の抑制）
各誘電体パーツ３１が，突出した梁２６により区切られると，梁２６は，外部からの干渉から誘電体パーツ３１下方のプラズマを保護する壁となる。前述したように，誘電体パーツ３１を透過したマイクロ波の電界エネルギーにより生じた表面波が，誘電体パーツ３１や梁２６の表面とプラズマとの間を反射しながら隣の誘電体パーツ３１に向かって伝播するとき，表面波の電界エネルギーの一部は，いわゆるエバネッセント波としてプラズマの生成に消費される。そして，一般的に，外部からのエネルギーの供給がない場合，表面波の伝播距離が長ければ長いほど，プラズマ内に吸収され，消費される表面波の電界エネルギーは増加する。

梁２６が非磁性体である導電性材料から形成されている場合，梁２６はマイクロ波を透過しない。このため，表面波は，梁２６の表面を伝播中，新たな電界エネルギーの供給を受けることができない。この結果，各誘電体パーツ３１と梁２６との間に段差が設けられている場合には，各誘電体パーツ３１と梁２６とがフラットな場合に比べて，表面波が隣の誘電体パーツのプラズマまで伝播する距離は，梁２６の側壁部分だけ長くなり，しかも，梁２６を伝播中の表面波は，電界エネルギーの供給を受けることができないため，表面波は，隣り合う誘電体パーツ３１に向かって伝播する間に多くの電界エネルギーを消費し，隣の誘電体パーツ下方に到達する前に減衰してしまう。これにより，隣の誘電体パーツ下方に生成されたプラズマ電子密度の変化が増幅されることを抑止することができる。

（第３の要因（拡散プラズマの干渉）の抑制）
また，梁２６を突出させることにより，梁２６の壁面の面積が大きくなるにしたがい，梁２６の壁面に衝突する電子やイオンが指数関数的（電子やイオンの拡散係数は，指数関数として表される）に増加し，その結果，隣り合う誘電体パーツ３１下方のプラズマまで伝播される電子やイオンの数が減少する。これにより，隣の誘電体パーツ３１下方に生成されたプラズマ電子密度の変化が増幅されることを抑止することができる。

以上に説明したように，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば，隣り合うプラズマへの表面波による干渉，および，隣り合うプラズマへの拡散プラズマによる干渉を抑制し，プラズマのモードジャンプを抑えることにより，均一なプラズマを安定的に生成することができる。

（実験結果）
以上のような着想および論理を証明するために，発明者らは，実際に，突出した梁２６を持つ本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００を設計し，これを用いてゲート酸化膜形成プロセスを実行した。このときのプロセス条件は，処理室Ｕの圧力が６０ｍＴｏｒｒ（７．９８Ｐａ），マイクロ波のパワーが２．５５ｋＷ×３（３つのマイクロ波発生器４０を使用）であった。なお，ガラス基板のサイズは，７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上であればよく，たとえば，Ｇ４．５基板サイズで７３０ｍｍ×９２０ｍｍ（チャンバ内の径：１０００ｍｍ×１１９０ｍｍ），Ｇ５基板サイズで１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（チャンバ内の径：１４７０ｍｍ×１５９０ｍｍ）である。

また，ガス種は，酸素ガス，シランガスおよびアルゴンガスを用い，そのガス量は酸素ガス８３３ｓｃｃｍ，シランガス１００ｓｃｃｍ，アルゴンガス１５００ｓｃｃｍであった。また，処理室Ｕの温度が１２０℃になるようにサセプタ１１（ステージ）の温度を３００℃とした。また，前述したように，酸素ガスは，上段に位置するガス噴射孔Ａから噴射し，シランガスおよびアルゴンガスは，下段に位置するガスシャワー（ガスパイプ２８）のガス噴射孔Ｂから噴射した。

その結果，各誘電体パーツ３１と梁２６とがフラットなマイクロ波プラズマ処理装置では，目視により梁２６の下面の複数箇所にて，モードジャンプと思われる，輝度の高い発光が認められたのに対し，梁２６を突出させた本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００では，梁２６の表面での発光はほとんど認められなかった。

この発光は，電子の状態が励起状態から基底状態に戻るときに生じるので，発光している部分と発光していない部分とでは電子密度の分布に偏りがあると考えられる。梁２６が突出したマイクロ波プラズマ処理装置１００では，プロセス処理中の発光がほとんど認められなかったことから，誘電体パーツ３１近傍にて電子密度の分布に偏りがなく，モードジャンプが発生せず，均一なプラズマが安定的に生成されていると予想される。

これを客観的な数値として算出するために，発明者らは，梁２６の高さ（誘電体から突出した長さ）が０ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍの場合のマイクロ波プラズマ処理装置を使用したゲート酸化膜形成処理において，膜評価装置（ＳＳＭ（Solid State Measurement Inc.）：水銀プローブ）を用いて，生成されたゲート酸化膜のＣ−Ｖ測定を行った。この結果を図５および図６に示す。

測定の結果，図５に示したように，梁の高さを高くするほど，固定電荷密度の値が小さくなることがわかった。また，図６に示したように，梁の高さが０ｍｍの場合，固定電荷密度は２．７ｃｍ^−２，目視による発光は「○（発光あり）」，梁の高さが１０ｍｍの場合，固定電荷密度は１．８ｃｍ^−２，目視による発光は「×（発光なし）」，梁の高さが２０ｍｍの場合，固定電荷密度は１．３ｃｍ^−２，目視による発光は「×（発光なし）」であった。

固定電荷密度は，形成された膜が良質か否かを示す指標であり，具体的には，固定電荷密度が小さいほど，形成されたゲート酸化膜が良質であることを示す。よって，上記測定結果から，梁の高さを高くするほど，良質なゲート酸化膜が形成されることが証明された。

（梁の突出の上限値）
梁２６の高さｈは，梁２６の端部周辺でのプラズマ電子密度Ｎ_ｅがプラズマのカットオフ電子密度Ｎ_ｃ（図３参照）以上であることが制約条件となる。よって，梁２６の高さの上限値ｈ_ｃは，梁２６の端部近傍のプラズマ電子密度Ｎ_ｅが，カットオフ密度Ｎ_ｃに等しくなったときとなる。具体的には，梁２６の高さの上限値ｈ_ｃは，誘電体直下の梁２６の端部周辺のプラズマ電子密度をＮ_０（図３参照），隣り合う梁間の間隔の最小値をａとすると，ｈ_ｃ＝２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０―ｌｎＮ_ｃ）／２πで求められる。

誘電体パーツ３１下面の電界エネルギーにより生じた表面波は，誘電体パーツ３１や梁２６の表面とプラズマとの間を反射しながら伝播する。このとき，表面波の電界エネルギーの一部は，いわゆるエバネッセント波としてプラズマの生成に消費される。そして，表面波が金属の梁２６を伝播するとき，エネルギーは外部から供給されないため，表面波の電界エネルギーはプラズマの生成に消費され続け，これにより，表面波は減衰する。

上記表面波の減衰により，梁２６の端部周辺のプラズマ電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以下になると，梁２６を伝播する表面波（マイクロ波）がエバネッセント波としてプラズマ内に染み込む状態を保つことができずに一気にプラズマ内に進入する。この結果，処理容器内部のプラズマが不安定になる。

よって，梁２６の高さｈは，梁２６の端部周辺のプラズマ電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃより大きくなるという条件を満たす高さでなければならない。これによれば，梁２６の端部周辺でのプラズマ電子密度はある程度の密度に保たれる。この結果，梁２６を伝播する表面波（マイクロ波）がエバネッセント波としてプラズマ内に染み込む状態を保つことができる。この結果，均一に生成されたプラズマにより基板Ｇを精度よくプラズマ処理することができる。

（シミュレーション結果）
以上の論理を導き出した発明者らは，梁２６の高さの上限値ｈ_ｃを求めるべく，以下のシミュレーションを実行した。このシミュレーションモデルでは，図８に示したように，隣り合う梁間の間隔の最小値をａとし，梁２６の高さをｈとする。

梁２６の高さがｈの位置における梁周辺のプラズマ電子密度をＮ_ｈとすると，近似的にモデル化して表した次式（１）にて表される。
Ｎ_ｈ＝Ｎ_０×ｅｘｐ｛−２πｈ／（２^１／２×ａ）｝・・・（１）

上記式（１）を変形すると，以下の対数関数になる。
ｈ＝２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０−ｌｎＮ_ｈ）／２π・・・（２）
式（２）の関数を図９に示す。図９は，横軸に梁２６の高さｈをとり，縦軸にプラズマ電子密度Ｎ_ｅをとった対数グラフである。

ここで，上記理論によれば，梁２６の高さｈは，Ｎ_ｈ＞Ｎ_ｃを満たすことがプラズマの状態を安定的に保つための条件となる。よって，梁２６の高さｈは，Ｎ_ｈ＝Ｎ_ｃのとき，その上限値ｈ_ｃをとる。これを上記式（２）に当てはめると，次のようになる。
ｈ_ｃ＝２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０−ｌｎＮ_ｃ）／２π・・・（３）

ここで，一般に，カットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃは，次式（４）にて表される。
Ｎ_ｃ＝ｍ_ｅ×ε_０×ω^２／ｅ^２・・・（４）
ｍ_ｅは電子の質量，ε_０は真空の誘電率，ωは入射波の角周波数，ｅは電子の電荷である。

上記式（４）により，カットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ＝７．５×ｅ^１０（ｃｍ^−３）が算出される。この算出結果Ｎ_ｃと，誘電体直下の梁の端部周辺のプラズマ電子密度Ｎ_０＝５．０×ｅ^１２（ｃｍ^−３）とを，上記式（３）に当てはめることにより，発明者らは，「０．０３８ｍ」が梁２６の高さの上限値ｈ_ｃであることを突きとめた。このシミュレーション結果を図９に示す。

このようにして，梁２６の高さｈが「０．０３８ｍ」以下であれば，梁２６の端部周辺でのプラズマ電子密度Ｎ_ｈはある程度の密度に保たれる。この結果，梁２６を伝播する表面波（マイクロ波）がエバネッセント波としてプラズマ内に染み込む状態を保つことができる。このようにして，梁２６の高さｈを「０．０３８ｍ」以下にすれば，梁２６を伝播する表面波（マイクロ波）がエバネッセント波としてプラズマ内に染み込む状態を保つことができずに一気にプラズマ内に進入し，これにより，処理容器内部にてプラズマが不安定になるという現象を回避することができることが証明された。

以上，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば，各誘電体パーツ３１より梁２６を突出させることにより，表面波による干渉，および，拡散プラズマによる干渉を抑制し，これにより，プラズマのモードジャンプを抑制することができた。この結果，均一なプラズマを安定的に生成し，基板Ｇを精度よくプラズマ処理することができた。

なお，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００では，酸素ガスを上段のガス噴射孔Ａから噴射し，シランガスおよびアルゴンガスを下段のガス噴射孔Ｂから噴射した。しかし，ガスの噴射孔の位置はこれに限られず，たとえば，同じ高さに設けられた複数の噴射孔のいずれかの噴射孔から，各種のガスをそれぞれ噴射させてもよい。

また，図３に示した複数のガスパイプ２８に代えて，梁２６からツララ状に突出させた複数のノズルから第２のガスを噴射するようにしてもよい。

また，処理室Ｕの内部では，たとえば，０．７ｅＶ〜２．０ｅＶの低電子温度，１０^１１〜１０^１３ｃｍ^−３の高密度プラズマによって，基板Ｇへのダメージが少ない均一な成膜が行われる。たとえば，アモルファスシリコン成膜の場合の条件を例に挙げると，処理室Ｕ内の圧力については，５〜１００Ｐａ，好ましくは，１０〜６０Ｐａ，基板Ｇの温度については，２００〜４５０℃，好ましくは，２５０℃〜３８０℃が適当である。また，処理室Ｕの大きさは，Ｇ３以上が適当であり，たとえば，Ｇ４．５（基板Ｇの寸法：７３０ｍｍ×９２０ｍｍ，処理室Ｕの内部寸法：１０００ｍｍ×１１９０ｍｍ），Ｇ５（基板Ｇの寸法：１１００ｍｍ×１３００ｍｍ，処理室Ｕの内部寸法：１４７０ｍｍ×１５９０ｍｍ）である。さらに，マイクロ波発生器のパワーの出力については，１〜４Ｗ／ｃｍ^２，好ましくは，３Ｗ／ｃｍ^２が適当である。マイクロ波発生器のパワーの出力が，１Ｗ／ｃｍ^２以上であれば，プラズマが着火し，比較的安定してプラズマを発生させることができる。マイクロ波発生器のパワーの出力が，１Ｗ／ｃｍ^２未満では，プラズマが着火しなかったり，プラズマの発生が非常に不安定になり，プロセスが不安定，不均一となって実用的でなくなってしまう。

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，プラズマ処理装置の発明の実施形態をプラズマ処理方法の実施形態とすることができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な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。

たとえば，本発明にかかるプラズマ処理装置により実行されるプラズマ処理は，ＣＶＤ処理に限られず，アッシング処理，エッチング処理などのあらゆるプラズマ処理が可能である。

本発明は，プラズマのモードジャンプを抑止することが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置に適用可能である。

本発明の第１実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の断面図である。 同実施形態にかかる処理容器の天井面を示した図である。 同実施形態にかかる誘電体近傍を拡大した断面図である。 梁が突出した場合のプラズマへの干渉を説明するための説明図である。 固定電荷密度の梁の高さ依存性を示すグラフである。 梁の高さ，固定電荷密度，目視（発光の程度）の関係を示す図である。 誘電体と梁とがフラットな場合のプラズマへの干渉を説明するための説明図である。 梁の高さの上限値を求めるためのシミュレーションモデルを示した図である。 梁の高さとプラズマ電子密度との関係を示した図である。 マイクロ波の入射パワーと電子密度および表面波のモードとの関係を示す図である。

符号の説明

１０ 処理容器
１１ サセプタ
２０ 蓋体
２１ 蓋本体
２６ 梁
２７ 支持体
２８ ガスパイプ
２９ ガス導入管
３０ スロットアンテナ
３１ 誘電体パーツ
３３ 方形導波管
３７ スロット
４０ マイクロ波発生器
４３ ガス供給源
４３ａ４ 酸素ガス供給源
４３ｂ４ シランガス供給源
４３ｂ８ アルゴンガス供給源
１００ マイクロ波プラズマ処理装置
Ｕ 処理室

Claims (16)

1. 複数のスロットが開口された複数の導波管と，前記複数の導波管を伝播し，前記複数のスロットに通したマイクロ波を透過させる誘電体と，前記誘電体を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて，被処理体をプラズマ処理する処理室と，を備えるプラズマ処理装置であって，
   前記誘電体は、複数枚の誘電体パーツから構成され、
   各誘電体パーツは、梁に支持された状態で，前記複数の導波管のうちの１つまたは２つ以上の導波管を伝播して各導波管の１つまたは２つ以上のスロットに通したマイクロ波を透過させるように配置され、
   前記梁は，前記被処理体側の端部周辺のプラズマ中の電子密度Ｎ_ｅがカットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように前記被処理体側に突出して設けられることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記梁の突出位置の上限値ｈ_ｃは，前記誘電体パーツ近傍のプラズマ電子密度をＮ_０とし，隣り合う梁間の間隔の最小値をａとすると，
   ｈ_ｃ＝２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０―ｌｎＮ_ｃ）／２π
   の式から求められることを特徴とする請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
3. 前記梁の上限値ｈ_ｃは，
   ０．０３８ｍであることを特徴とする請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
4. 前記各誘電体パーツは，
   その各誘電体パーツの周縁にて前記梁に支持されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
5. 前記各誘電体パーツには，
   被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
6. 前記梁は，導電性材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
7. 前記梁は，非磁性体であることを特徴とする請求項６に記載されたプラズマ処理装置。
8. 前記プラズマ処理装置であって，さらに，
   第１のガス噴射孔から第１のガスを供給する第１のガス供給部と，
   前記第１のガス噴射孔より被処理体側に設置された第２のガス噴射孔から第２のガスを供給する第２のガス供給部と，を備え，
   前記梁は，
   前記第２のガス噴射孔より誘電体側に位置するように設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
9. 前記第１のガスまたは前記第２のガスの少なくともいずれかは，複数のガスを混合した混合ガスであって，
   前記第１のガスは，前記第２のガスよりも結合エネルギーの最小値が大きいガスであることを特徴とする請求項８に記載されたプラズマ処理装置。
10. 前記第１の処理ガスと前記第２の処理ガスとの関係は，前記混合ガスが過剰反応する場合を除き，成り立つことを特徴とする請求項９に記載されたプラズマ処理装置。
11. 梁の被処理体側の端部周辺のプラズマ中の電子密度Ｎ_ｅが，カットオフのプラズマ電子密度Ｎ_ｃ以上になるように，被処理体側に突出して設けられた前記梁に支持された複数枚の誘電体パーツの各誘電体パーツに，複数の導波管のうちの１つまたは２つ以上の導波管を伝播して各導波管の１つまたは２つ以上のスロットに通したマイクロ波を透過させ，
    前記透過させたマイクロ波によりガスをプラズマ化して，被処理体をプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理装置を使用したプラズマ処理方法。
12. 前記梁の突出位置の上限値ｈ_ｃは，前記誘電体パーツ近傍のプラズマ電子密度をＮ_０とし，隣り合う梁間の間隔の最小値をａとすると，
    ｈ_ｃ＝２^１／２×ａ×（ｌｎＮ_０―ｌｎＮ_ｃ）／２π
    の式から求められることを特徴とする請求項１１に記載されたプラズマ処理方法。
13. 前記梁の上限値ｈ_ｃは，
    ０．０３８ｍであることを特徴とする請求項１２に記載されたプラズマ処理方法。
14. 前記プラズマ処理方法であって，さらに，
    第１のガスを第１のガス噴射孔から供給し，
    前記供給された第１のガスがプラズマ着火した後，前記第１のガス噴射孔の位置および前記梁が突出した位置より下方に設置された第２のガス噴射孔から，第２のガスを供給することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載されたプラズマ処理方法。
15. 前記第１のガスまたは前記第２のガスの少なくともいずれかは，複数のガスを混合した混合ガスであって，
    前記第１のガスは，前記第２のガスよりも結合エネルギーの最小値が大きいガスであることを特徴とする請求項１４に記載されたプラズマ処理方法。
16. 前記第１の処理ガスと前記第２の処理ガスとの関係は，前記混合ガスが過剰反応する場合を除き，成り立つことを特徴とする請求項１５に記載されたプラズマ処理方法。

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