JP2012064589A - プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大面積に亘って均一な分布のプラズマを形成可能なプラズマ発生装置及びこれを備えたプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】大気よりも減圧された雰囲気を維持可能なプラズマ発生室６０と、マイクロ波の進行波を共振させる環状共振器１０と、環状共振器１０からマイクロ波を分配する複数の結合器４２と、複数の結合器４２のそれぞれに結合され、プラズマ発生室６０にマイクロ波を導入する相互に離隔して設けられた複数のアプリケータ５０と、を備え、複数のアプリケータ５０はプラズマ発生室６０にマイクロ波を導入する誘電体から形成された導波体５４をそれぞれ有し、導波体５４からプラズマ発生室６０に導入されたマイクロ波によりプラズマを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマ発生室の内部に任意の分布のプラズマを形成可能なプラズマ発生装置及びこれを備えたエッチング装置などのプラズマ処理装置に関する。

プラズマを利用したドライプロセスは、半導体製造装置、金属部品の表面硬化、プラスチック部品の表面活性化、無薬剤殺菌など、幅広い技術分野において活用されている。例えば、半導体や液晶ディスプレイなどの製造に際しては、アッシング、ドライエッチング、薄膜堆積あるいは表面改質などの各種のプラズマ処理が用いられている。プラズマを利用したドライプロセスは、低コストで、高速であり、薬剤を用いないために環境汚染を低減できる点でも有利である。

このようなプラズマ処理を行う装置の代表的なものして、波長数１００ＭＨｚ〜数１０ＧＨｚのマイクロ波によりプラズマを励起する「マイクロ波励起型」のプラズマ処理装置がある。マイクロ波励起型のプラズマ源は、高周波プラズマ源などに比べてプラズマ電位が低いので、ダメージ無しのレジスト・アッシング（resist ashing）や、バイアス電圧を印加した異方性エッチングなどに広く使われる。

処理すべき半導体ウェーハや液晶ディスプレイ用ガラス基板は、年々大面積化が進められているため、これらをプラズマ処理するために大面積にわたって密度が高く且つ均一なプラズマ発生装置が必要とされている。

このような要求に対して、プラズマ発生室の周囲に環状の導波管を配置した構成が開示されている（特許文献１、特許文献２）。

図２７及び図２８は、特許文献１に開示された環状導波管を表す模式図である。同図の構成において、図示しないプラズマ発生室は、環状導波管５０３の中央に配置される。マイクロ波電源から導入されたマイクロ波５２３は、分配ブロック５２１で左右に２分配され、自由空間よりも長い管内波長をもって伝搬する。このように伝搬するマイクロ波は、管内波長の１／２または１／４毎に設置されたスロット５２２から漏れ波５２５として放出される。そして、この環状導波管の内側に配置されたプラズマ発生室内に、誘電体透過窓などを介して導入される。

図２９は、特許文献２に開示されているマイクロ波導入装置の要部を表す模式図である。すなわち、同図において１０１は円筒状導波管、１０２はマイクロ波を円筒状導波管１０１からプラズマ処理室へ導入するために該円筒状導波管１０１の内側側壁に形成された複数のスロット、１０３はマイクロ波を円筒状導波管１０１に導入するためのマイクロ波導入部である。

プラズマを生成するプラズマ発生室（図示せず）は、この円筒状導波管の中央に設置され、導波管の内側側壁に設けられたスロット１０２からマイクロ波が導入される。

図２７乃至図２９に例示したような環状導波管を用いると、従来のアンテナ式のプラズマ発生装置などと比較して、より大面積に亘ってプラズマを生成できる可能性がある。

特開平９−３０６９００号公報 特許第２８８６７５２号公報

しかし、図２７乃至図２９に例示したいずれのプラズマ発生装置も、環状導波管の中に形成されるマイクロ波は定在的な波動場を形成し、この定在的な波動場からの漏れ波を取り出すという発想に基づいている。これは、例えば、管内波長の１／４の間隔で設けられた複数の狭いスロット１０２、５２２からマイクロ波を取り出すという構成からも明らかである。

そして、定在波による波動場が形成される場合、マイクロ波のモードが突発的に変化する「定在波モードジャンプ」が生ずるという問題がある。「定在波モードジャンプ」は、自発的に起こり、外部条件（例えば、ガス圧力、マイクロ波電力など）を再現させても、プラズマ密度は再現できず、自発的にあるいは瓢然に変化することがある。その結果として、大面積に亘って均一なプラズマを形成することは困難となる。

また一方、図２７乃至図２９に例示されているように、複数のスロットを介してマイクロ波をチャンバ内に導入する場合、これらスロットのインピーダンスがプラズマの電子密度に依存して変動するという問題がある。すなわち、チャンバ内に均一なプラズマを形成するためには、これら複数のスロットのそれぞれについて、マイクロ波を平分に分配する必要がある。マイクロ波を平分するには、全ての負荷（すなわち、スロット）のインピーダンスが同じでなければならない。しかし、プラズマの場合には、電子密度の増減によってマイクロ波に対するインピーダンスも変わるので、マイクロ波分配器が全く対称であっても、マイクロ波を平分できないという現象が生ずる。すなわち、プラズマ密度には、「ゆらぎ（fluctuations）」がある。プラズマは、マイクロ波を合計でもっとも吸収しやすい状態に自発的に入るが、それは必ずしもマイクロ波のパワーを平分した状態には限らず、スロット毎にプラズマの電子密度が異なる場合が殆どである。つまり、スロット毎にマイクロ波に対するインピーダンスが変動し、マイクロ波を平分できない。その結果として、チャンバ内に均一にマイクロ波を導入することができず、均一なプラズマを形成することが困難となる。

本発明はかかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、従来とは異なる発想に基づき、大面積に亘って均一な分布のプラズマを形成可能なプラズマ発生装置及びこれを備えたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のプラズマ発生装置は、大気よりも減圧された雰囲気を維持可能なプラズマ発生室と、マイクロ波の進行波を共振させる環状共振器と、前記環状共振器からマイクロ波を分配する複数の結合器と、前記複数の結合器のそれぞれに結合され、前記プラズマ発生室にマイクロ波を導入する相互に離隔して設けられた複数のアプリケータと、を備え、前記複数のアプリケータは前記プラズマ発生室にマイクロ波を導入する誘電体から形成された導波体をそれぞれ有し、前記導波体から前記プラズマ発生室に導入されたマイクロ波によりプラズマを生成可能としたことを特徴とする。

上記構成によれば、大面積に亘って均一な分布のプラズマを形成可能なプラズマ発生装置を提供できる。

ここで、導入導波管と、前記導入導波管と前記環状共振器とを結合する方向性結合器と、をさらに備え、前記導入導波管から前記方向性結合器を介して前記環状共振器を励振することにより、前記環状共振器において前記マイクロ波の進行波を形成するものとすれば、環状共振器に進行波による波動場を確実に形成することができる。

また、前記環状共振器には、前記進行波とともに、前記進行波よりも弱い反射波が励起され、前記複数のアプリケータの少なくともいずれかには、前記進行波と前記反射波との位相差を可変とした位相差調整手段を介して前記進行波と前記反射波とが供給されるものとすれば、位相差調整手段を調節することにより、そのアプリケータから出力される進行波と反射波の合成出力を制御することができる。
ここで、前記位相差調整手段としては、可変ショート・プランジャを用いることができる。

一方、前記方向性結合器の結合係数をＣo、前記複数の結合器のそれぞれの結合係数をＣiとした時、次式

が実質的に成立するものとすれば、導入導波管におけるマイクロ波の反射を解消できる。

また、前記複数の結合器のそれぞれの振幅結合係数は、前記プラズマの電子密度が変化しても前記マイクロ波に対するインピーダンスが実質的に変化しないように低く設定されているのとすれば、環状共振器における共振条件やマイクロ波の分配バランスの変動を抑制することができる。

また、前記複数の結合器のそれぞれのパワー結合係数の合計値は、２０パーセント以下であるものとすれば、プラズマの電子密度が変動しても、マイクロ波に対するインピーダンスの変化を実質的に低く抑制でき、環状共振器における共振条件やマイクロ波の分配バランスの変動を抑制することができる。

また、前記環状共振器の管路と内部部品は、その内部を伝搬する前記進行波の一周位相差が３６０度の整数倍と実質的に等しくなるように形成されてなるものとすれば、進行波による共振を励起することができる。

また、前記アプリケータとプラズマとの結合係数は、前記結合器と前記環状共振器との結合係数よりも大きいものとすれば、結合器により分配されたマイクロ波を低損失でプラズマ発生装置に導入することができる。

また、前記複数の結合器は、方向性結合器であるものとすれば、環状共振器に励振された進行波の方向性に整合させた取り出しができる。

一方、本発明のプラズマ処理装置は、上記のいずれかのプラズマ発生装置を備え、前記アプリケータを介して導入されたマイクロ波により生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とする。

以上詳述したように、本発明によれば、大面積に亘って均一なプラズマの形成が可能なプラズマ発生装置及びプラズマ処理装置を低コストで実現することができる。
従って、例えば、大面積で均一なプラズマ処理を形成したり、逆に、局所的に強いプラズマ処理を形成することも容易に実現できる。
その結果として、大面積の半導体ウェーハや液晶ディスプレイ用基板などに対して、均一且つ迅速にエッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質あるいはプラズマドーピングなどのプラズマ処理を実施することができ、あるいは、各種の被処理物に対して、局所的なプラズマ処理を実行することも可能となり、産業上のメリットは多大である。

本発明の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を説明するための概念図である。 方向性結合器２０の作用を説明するための概念図である。 「進行波分配」と「定在波分配」とを比較説明するための概念図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。 本発明の第４の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。 本発明の第４の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。 本発明の実施例のプラズマ発生装置を表す模式平面図である。 図９のＡ−Ａ線断面図である。 図１０のＢ−Ｂ線断面図である。 単一孔により結合された方向性結合器を表す模式図である。 ベーテ孔により結合された方向性結合器を表す模式図である。 ２つの孔により結合された方向性結合器を表す模式図である。 十字形スリットにより結合された方向性結合器を表す模式図である。 ループにより結合された方向性結合器を表す模式図である。 本発明のプラズマ処理装置の構造を例示する模式断面図である。 本実施形態における環状進行波共振器へのマイクロ波の導入部を表す概念図である。 反射波Ｒ２を利用して出力を可変としたアプリケータを表す概念図である。 アプリケータの部分のＡ−Ａ線断面構造の具体例を表す模式図である。 図２０のＢ−Ｂ線断面構造を表す模式図である。 本発明の実施例のプラズマ発生装置におけるアプリケータの配置を説明するための模式平面図である。 本発明の実施例のプラズマ発生装置の構成を表す模式断面図である。 ６個のアプリケータのパワー分配が均一ではない場合のアッシング速度の分布を例示する模式図である。 ６個のアプリケータのパワー分配が均一ではない場合のアッシング速度の分布を例示する模式図である。 １番のアプリケータの可変ショート・プランジャ５８を最適な位置に調節した時に得られたアッシング速度の分布を表す模式図である。 特許文献１に開示された環状導波管を表す模式図である。 特許文献１に開示された環状導波管を表す模式図である。 特許文献２に開示されているマイクロ波導入装置の要部を表す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、具体例を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を説明するための概念図である。

本実施形態のプラズマ発生装置は、導入導波管７０と、方向性結合器２０と、環状進行波共振器１０と、複数の結合器４２と、これら結合器４２のそれぞれに結合されたアプリケータ５０と、アプリケータ５０に接続されたプラズマ発生室６０と、を有する。図示しないマイクロ波電源から出力されたマイクロ波Ｍは、導入導波管７０から方向性結合器２０を介して環状進行波共振器１０に導入され、進行波共振が励起される。

方向性結合器２０は、環状進行波共振器１０を循環して伝搬しうる相反する２方向のうちのいずれかの方向の伝搬成分のみが励起されるように、導入導波管７０と環状進行波共振器１０とを結合する。つまり、マイクロ波パワーは、導入導波管７０から方向性結合器２０を介して環状進行波共振器１０に供給され、環状進行波共振器１０を一方向に循環する伝搬成分を励起する。

図２は、方向性結合器２０の作用を説明するための概念図である。
すなわち、方向性結合器２０は、例えば、入力ポート２１と出力ポート２２とを有する。入力ポート２１から環状進行波共振器１０にマイクロ波成分Ｍ２が入力され、環状進行波共振器１０から出力ポート２２にマイクロ波成分Ｍ３が出力される。そして、方向性結合器２０の出力ポート２２からの出力は、整合（マッチング）されたダミーロード（dummy load）７２により吸収される。

方向性結合器２０と環状進行波共振器１０においては、導入導波管７０を伝搬するマイクロ波成分Ｍ１と環状進行波共振器１０から導波管７０に出力されたマイクロ波成分Ｍ３との振幅が同じで位相が反転しており、同時に、導入導波管７０から環状進行波共振器１０に入力されるマイクロ波成分Ｍ２と環状進行波共振器１０を伝搬するマイクロ波成分Ｍ４の位相が同一となるように位相条件が調節されている。このようなマッチングが形成されている場合、マイクロ波成分Ｍ１とＭ３とは逆相となり打ち消し合うため、ダミーロード７２におけるマイクロ波のパワーは最低となり、導入導波管７０における反射波は実質的に存在しない。

以上説明したように、方向性結合器２０を介して環状進行波共振器１０を励起することにより、環状進行波共振器１０に一方向のマイクロ波成分のみが供給されて、進行波による波動場が形成される。換言すると、環状進行波共振器１０において、反射波の導入による定在波の形成を防ぐことができる。

さらに、本発明においては、このようにして導入された進行波が環状進行波共振器１０において共振する条件が満たされている。具体的には、環状進行波共振器１０の管路と内部部品は、その内部を伝搬する前記進行波の一周位相差が３６０度の整数倍と実質的に等しくなるように形成されている。環状進行波共振器１０の中を伝搬するマイクロ波進行波の管内波長は、プラズマ発生室６０のサイズや、放電空間において生成されるプラズマなどの条件に応じて適宜決定することができる。すなわち、環状進行波共振器１０は、プラズマ発生室６０に付設された状態でマイクロ波が共振する際の管内波長の整数倍の経路長を有し、マイクロ波が環状進行波共振器１０内を一周してその波の位相が変わらないようにすればよい。

そして、このような経路長を有する環状進行波共振器１０の内をマイクロ波が進行波として伝搬すると、共振が生じてその強度が高くなる。このような共振状態の進行波からプラズマ発生室６０内にマイクロ波を導入することにより、均一で高い強度のプラズマを形成することが可能となる。また、後に詳述するように、機械的な精度などの要因により、環状進行波共振器１０の共振周波数がずれる場合には、位相調節器と強度モニタとを設けて、位相差調整により共振周波数を調節することもできる。

本発明により形成される進行波の共振励起は、図２７乃至図２９に例示したような従来の環状導波管を用いたプラズマ発生装置では得られないものである。例えば、図２７及び図２８に表した環状導波管５０３の場合、導波管に導入されたマイクロ波５２３は、入り口に設けられた分配ブロック５２１により左右に２分配され、互いに反対方向に進行する。従って、これら分配された波どうしが干渉して定在波が形成される。このような定在波を取り出すために、環状導波管（５０３）に設けられるスロット（５２２）の間隔は、定在波の波長の１／２または１／４としなければならない。そして、このような定在波が形成されるとその振幅の強弱に対応して、プラズマの強度にも不均一が生じてしまう。

また、図２９に例示した環状導波管１０１の場合も、導入部１０３から導入されたマイクロ波は、左右に分かれてそれぞれ反対方向に伝搬するため、進行波とはならない。より詳しく説明すると、この導波管１０１の場合、導入部１０３から導入されて左右に分かれたマイクロ波のうちで、図面に向かって左側（左回り）に進む波のほうが強度は高くなる。しかし、同図の構造であっても、左右に分かれる波の強度の差は僅かに過ぎない。

例えば、図２７及び図２８に表した導波管５０３の場合には、マイクロ波は、分配ブロック５２１によって左右にほぼ５０％：５０％の強度比で分配される。これに対して、図２９の導波管１０１の場合、導入部１０３から導入されたマイクロ波の左右の分配比はせいぜい６０％：４０％程度である。その結果として、環状導波管１０１内に定在波が形成され、マイクロ波の強度に不均一が生ずることとなる。つまり、本発明のように方向性結合器２０を環状進行波共振器１０の導入部に配置しないかぎり、環状導波管の中にマイクロ波の進行波の波動場を形成することは困難である。

本発明によれば、環状進行波共振器１０に対して、整合がとれた方向性結合器２０を介してマイクロ波を供給することにより、反射波の影響を排除して、環状進行波共振器１０中に進行波によるマイクロ波の波動場を形成することができる。さらに、このようにして形成されるマイクロ波の進行波が共振するように、環状進行波共振器１０が構成されている。

導入導波管７０から環状進行波共振器１０に対して入力されるマイクロ波成分Ｍ２は、いわば振り子式時計の「ばね」の役割を有する。すなわち、環状進行波共振器１０を伝搬する進行波のうちでプラズマ発生室に放出されてプラズマの形成に寄与した損失成分を補償する役割を有する。かくして、環状進行波共振器１０においては、常に一定の強度のマイクロ波の進行波による波動場が形成される。

図１に戻って説明を続けると、本実施形態においては、このような環状進行波共振器１０に複数の結合器４２が結合され、この結合器４２からアプリケータ５０を介してプラズマ発生室６０にマイクロ波が導入される。すなわち、環状進行波共振器１０の内部には導波空間が形成され、ここをマイクロ波の進行波が共振条件で伝搬する。そして、このマイクロ波の一部が、結合器４２を介して取り出され、アプリケータ５０を介してプラズマ発生室６０に導入され、プラズマＰが生成され維持される。

つまり、本発明においては、環状進行波共振器１０において形成される進行波のパワーを複数の結合器４２に分配して取り出すことができる。
図３は、「進行波分配」と「定在波分配」とを比較説明するための概念図である。
すなわち、同図（ａ）は、「進行波分配」を表し、マイクロ波の進行波が伝搬する導波管１００に結合器４２が結合されてマイクロ波が分配される。進行波の場合には、導波管１００を伝搬するマイクロ波の強度は進行方向に対して均一であるので、どの場所で取り出してもその強度はほぼ一定であり、分配のバランスを維持することが容易である。
これに対して、「定在波分配」の場合、同図（ｂ）に表したように、定在波の強度分布すなわち定在波の「腹」と「節」により、マイクロ波の強度は不均一である。従って、結合器４２の位置に応じて、マイクロ波の強度が変化する。逆にいうと、一定の強度を維持するためには、定在波の波長に応じて結合器４２の配置を決定しなければならない。

本発明によれば、図３（ａ）に例示した如く、共振進行波の波動場からマイクロ波を取り出す（分配する）ので、取り出し位置を自由に設定することができる。その結果として、プラズマ発生室６０の形状やガス圧の分布などに応じて結合器４２及びアプリケータ５０を最適な位置に配置することができるという効果が得られる。

また一方、本発明においてもうひとつの重要な数値として、マイクロ波の取り出しのための結合器４２の結合係数（coupling coefficient）Ｃiを挙げることができる。これは、簡単に言うと、環状進行波共振器１０内を結合器４２に向けて伝搬してくるマイクロ波の強度に対する、結合器４２から取り出されるマイクロ波の強度の比に対応する。従って、結合係数Ｃiが大きいほど、環状進行波共振器１０から高い効率でマイクロ波が取り出される。

本発明においては、結合器４２の結合係数Ｃiを低くする。結合係数Ｃiを低くすることにより、プラズマＰの状態によるアプリケータ５０のインピーダンスの変化の影響を受けにくくすることができる。すなわち、前述したようにプラズマＰは「ゆらぎ（fluctuations）」を有し、その電子密度が空間的、時間的に変動する。プラズマＰの電子密度が変化すると、マイクロ波に対するインピーダンスも変化する。特定のアプリケータ５０の付近のプラズマＰの状態の変化は、環状進行波共振器１０の共振条件を変動させ、また、他のアプリケータ５０におけるマイクロ波の取り出しバランスにも影響を与える。すなわち、マイクロ波は、プラズマＰの電子密度が高い部分に集中してしまい、均一なプラズマＰを維持することが困難となる。

これに対して、本発明によれば、まず、共振進行波の波動場を形成することにより、マイクロ波のモードを単一とし、特定のアプリケータ５０への集中を抑制する。さらに、本発明においては、環状進行波共振器１０からマイクロ波を取り出す結合器４２の結合係数を低く抑えることによって、プラズマＰのインピーダンスの変動による影響が環状進行波共振器１０に及ばないようにする。つまり、結合器４２の結合係数を低く抑えることより、プラズマＰのインピーダンスの変化による環状進行波共振器１０の共振条件の変動や、複数の結合器４２の間の分配バランスの変動を抑制することができる。その結果として、プラズマＰの状態に依存せず、常に所定の条件で進行波の共振による波動場を形成し、この波動場から所定のバランスでマイクロ波を複数のアプリケータ５０に分配することができる。

本発明者の検討によれば、結合器４２における結合係数Ｃiを数パーセント以下に抑えることにより、プラズマＰのインピーダンスの変化を受けにくくなり、十分に安定したマイクロ波励起が可能となることが分かった。この点について、以下、図２を参照しつつ説明する。

環状進行波共振器１０が共振条件を満たすように調整されている（すなわち、マイクロ波が環状進行波共振器１０を一周する前後の位相差が３６０度の整数倍となるように調整されている）ものとする。ここで、入力されるマイクロ波の強度をＭ、環状進行波共振器１０を一周するマイクロ波の伝搬係数（transmission coefficient）をＴ、方向性結合器２０の結合係数をＣ0とする。

すると、ダミーロード７２におけるマイクロ波の強度Ｍdummyは、次式により与えられる。

マイクロ波のパワーが全て環状進行共振器１０に投入されることが望ましく、この時、ダミーロード７２におけるマイクロ波のパワーはゼロになる。つまり、Ｍdummy＝０なる条件が満たされることが望ましい。従って、次式が満たされることが望ましい。

（２）式から次式が得られる。

マイクロ波が環状進行波共振器１０を一周する時の伝搬係数Ｔは、導波部の内壁で生ずる損失と、結合器４２からプラズマにパワーが放出されることによる損失と、に依存する。導波部の内壁で生ずる損失は非常に小さく無視できる。従って、伝搬係数Ｔは、結合器４２を介してプラズマへのパワーの放出のみによって実質的に決定される。

ここで、合計の伝搬係数（total transmission coefficient）Ｔは、次式に表されるように、それぞれの結合器４２における伝搬係数Ｔ１、Ｔ２、・・・の積算である。

結合器４２における反射が非常に小さく損失が小さい場合には、それぞれの結合器４２における伝搬係数Ｔiは、結合係数Ｃiを用いて次式により表すことができる。

（５）式を（４）式に代入し、（３）式と組み合わせると以下の条件が得られる。

従って、方向性結合器２０の結合係数Ｃ０を（６）式の如く設定すると、導入導波管７０から環状進行波共振器１０に導入されるマイクロ波パワーと、環状進行波共振器１０における減衰量と、がバランスし、導入導波管７０における反射波を殆ど無くすことができる。

またここで、結合係数Ｃiを低く抑えると、環状進行波共振器１０内での電波強度が強くなり、また、プラズマの影響を受けにくくなるという効果が得られる。
すなわち、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度は、（４）式により表される合計の伝搬係数（total transmission coefficient）Ｔにより決定される。合計の伝搬係数Ｔが１に近づく（すなわち、減衰が抑制される）ほど、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度は高くなる。（３）式が満足され、結合が良好な状態においては、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度は、次式により与えられる。

従って、（１−Ｔ２）１／２をできるだけ小さくする必要がある。これは換言すると、合計の結合係数Ｔをできるだけ１に近づける必要があることを意味する。（６）式を考慮すると、合計の結合係数Ｔを１に近づけるためには、すべての（１−Ｃi２）１／２を１に近づける必要があることが分かる。これはすなわち、全ての結合係数Ｃiをできるだけ小さいレベルに抑制する必要があることを意味する。

以上の説明をまとめると、本発明の環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度は、次式により表すことができる。

（８）式において強度Ｍ4を大きくするためには、結合係数Ｃiのそれぞれを小さくする必要がある。結合係数Ｃiのそれぞれが１よりも十分に小さい場合、（８）式は次式に近似できる。

ここで、結合係数Ｃiは、振幅の比率を表す係数であるので、より厳密には、「振幅結合係数（amplitude coupling coefficient）」と呼ばれ、通常は「デシベル（dB）」により表される。一方、Ｃi２は、「パワー結合係数（power coupling coefficient）」と呼ばれ、通常は、「パーセント（％）」により表される。パワー結合係数は、マイクロ波のパワーのうちの何パーセントが主要導波部（main waveguide）から結合部（coupled port）に分岐したかを表す。（９）式は、「環状進行波共振器１０におけるパワーは、入力パワーの

倍である」ことを表している。
ちなみに、複数の結合器４２のパワー結合係数の合計が２０パーセントの場合、環状進行波共振器１０内を伝搬しているマイクロ波のパワーは、導入パワーの５倍にもなる。以上、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度について説明した。

次に、プラズマによる影響について説明する。
上記の説明は、それぞれのアプリケータ５０で反射が無い場合の理論である。実際には、それぞれのアプリケータ５０で多少の反射が生ずる。すべてのアプリケータ５０に入力したパワーの合計は導入パワーと等しく、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波パワーの

パーセントになる（（９）式参照）。

最悪のケースとして、プラズマの揺らぎ（fluctuation）によって全てのアプリケータ５０でマイクロ波がすべて反射され、それらが進行波とは反対の方向に進んでしまうとすると、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の反射パワー／入射パワーの比率は次式により表される。

これに対して、

が小さければ、プラズマの揺らぎによる反射が生じた場合でも、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の伝搬状態は殆ど変化せず、マイクロ波の分配を維持できる。つまり、結合係数Ｃiを小さくすると、プラズマの揺らぎが生じてもマイクロ波の反射の増大を抑制できる。実用的には、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の反射波パワーが入射波パワーの２０パーセントを超えないようにするために、結合器４２のそれぞれのパワー結合係数の合計が２０パーセント以下となるように調整することが望ましい。

以上説明したように、本発明においては、結合器４２における結合係数Ｃiを低く抑えると、環状進行波共振器１０内での電波強度が強くなり、また、プラズマの影響を受けにくくなるという効果が得られる。

結合係数Ｃiを調節する方法としては、例えば、後述する各種の方向性結合器の形態のうちで、開口を有するものの場合、その開口のサイズや位置を調節する方法がある。もちろん、これ以外にも方向性結合器の形態に応じて各種の方法により結合係数Ｃiを最適な範囲に調節することができる。

なお、結合器４２の結合係数Ｃiを低くすると、取り出されるマイクロ波のパワーも小さくなるが、結合器４２及びアプリケータ５０の数を適宜設定することにより、十分に強く均一なプラズマＰを大面積に亘って励起することができる。

また、本発明においては、複数の結合器４２の結合係数Ｃiは、全て同一である必要はない。例えば、プラズマ発生室６０内におけるガス流や圧力分布、あるいは被処理物の形状やサイズなどに応じて、導入するマイクロ波の強度に分布を設けたいような場合には、結合器４２の結合係数Ｃiを、場所毎に適宜変化させてもよい。この場合も、プラズマＰのインピーダンスの変化による影響を受けにくい範囲内において結合係数Ｃiを設定すればよい。

またここで、本発明においては、結合器４２の結合係数Ｃiは、環状進行波共振器１０内を伝搬する進行波の減衰係数（attenuation coefficient）を決定する要素となる。つまり、マイクロ波の進行波が環状進行波共振器１０を一周すると、その強度は、全ての結合器４２の結合係数Ｃiを累積した量だけ減衰する。この減衰した分は、プラズマ発生室６０内に導入されてプラズマＰの生成に寄与することとなる。そして、環状進行波共振器１０を一周する間に吸収されたマイクロ波パワーは、方向性結合器２０を介して導入導波管７０から補充されることとなる。

従って、方向性結合器２０の結合係数Ｃ０を（６）式に関して前述したように設定すると、導入導波管７０から環状進行波共振器１０に導入されるマイクロ波パワーと、環状進行波共振器１０における減衰量と、がバランスする。

すなわち、方向性結合器２０の結合係数Ｃ０を（６）式のように設定すれば、環状進行波共振器１０におけるマイクロ波パワーの出入りがバランスし、導入導波管７０における反射波を完全に無くすことができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。同図については、図１乃至図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、環状進行波共振器１０からマイクロ波を取り出すための結合器として、方向性の結合器４０が設けられている。環状進行波共振器１０内を伝搬するマイクロ波は、その進行方向の波のみにより構成されるので、方向性の結合器４０により取り出した場合も同様の結果が得られる。ただし、結合器４０の結合係数Ｃiは、図１に関して前述した場合と同様に、数パーセント以下に抑えることが望ましい。結合器４０の結合係数を低く抑えることより、プラズマＰのインピーダンスの変化による環状進行波共振器１０の共振条件の変動や、複数の結合器４０の間の分配バランスの変動を抑制することができる。その結果として、プラズマＰの状態に依存せず、常に所定の条件で進行波の共振による波動場を形成し、この波動場から所定のバランスでマイクロ波を複数のアプリケータ５０に分配することができる。

図５及び図６は、本発明の第３の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。これらの図についても、図１乃至図４に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、環状進行波共振器１０にパワーモニタ８０と位相調節器（phase shifter）９０が設けられている。すなわち、本発明においては、環状進行波共振器１０において、マイクロ波の進行波による共振を励起する。このためには、図１に関して前述したように、環状進行波共振器１０とその内部部品は、その内部を伝搬する前記進行波の一周位相差が３６０度の整数倍と実質的に等しくなるように生成する必要がある。また、その管内波長は、プラズマ発生室６０のサイズや、放電空間において生成されるプラズマなどの条件に応じて変化する。

これに対して、本実施形態によれば、パワーモニタ８０により、環状進行波共振器１０を伝搬するマイクロ波の強度を測定し、位相調節器９０によってその位相を調節することにより、マイクロ波の共振条件を最適な範囲に調節できる。すなわち、マイクロ波が環状進行波共振器１０内を一周してその波の位相が変わらないように、位相調節器９０で調節すればよい。この場合、位相調節器９０は、図示した如くひとつでもよく、または複数の位相調節器９０を設けてもよい。
また、図６に例示した如く、導入導波管７０の終端にダミーロード７２を設け、その途中経路にダミーロード７４とともにパワーモニタ８２を設けてマイクロ波のパワーをモニタしてもよい。
いずれの場合においても、マイクロ波の共振条件が満足されると、入射パワーＰｆに対して反射パワーＰｒが大幅に低下する。
図７及び図８は、本発明の第４の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。これらの図についても、図１乃至図６に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、環状進行波共振器１０からマイクロ波を取り出すための結合器として方向性の結合器４０が設けられ、また、マイクロ波の共振条件を調節するために、パワーモニタ８０と位相調節器９０が設けられている。これらの要素に関する作用効果は、図１乃至図６に関して前述した通りである。

図９は、本発明の実施例のプラズマ発生装置を表す模式平面図である。
また、図１０は、そのＡ−Ａ線断面図である。
また、図１１は、そのＢ−Ｂ線断面図である。

すなわち、本実施例のプラズマ発生装置は、導入導波管７０から方向性結合器２０を介して環状進行波共振器１０にマイクロ波Ｍが導入される。なお、図９においては、環状進行波共振器１０を六角形状に表したが、本発明はこれに限定されず、円環状、楕円状、多角形状などの各種の環状の形状としてもよい。方向性結合器２０には、マイクロ波を導入するための２つの開口２１、２２が設けられ、その間隔Ｌは、環状進行波共振器１０の管内波長をλgとした時に、次式により表される値に設定されている。

このようにすると、進行方向のマイクロ波成分のみを導入導波管７０から環状進行波共振器１０に導入することができる。環状進行波共振器１０に導入されたマイクロ波は、進行波の共振波動場を形成し、結合係数が低い結合器４４により取り出される。本実施例の場合、これら結合器４４も、それぞれ２つの開口を有し、進行方向成分のマイクロ波を取り出すことができる。

これら結合器４４は、方向性結合器としてもよく、例えば図１０及び図１１に表したように、マイクロ波Ｍの進行方向に対して傾斜したスリット状の２つの開口を有するものとすることもできる。これら２つの開口を介して、環状進行波共振器１０からマイクロ波Ｍを取り出すことができる。結合器４４を介して取り出されたマイクロ波Ｍは、アプリケータ５０の導入導波管５２を伝搬し、アプリケータ５０の導波体５４を介してプラズマ発生室６０の中に導入される。

導波体５４の材料としては、マイクロ波を低損失に透過し、且つ、導入導波管５２とプラズマ発生室６０とを区画して気密を維持できるものとする必要がある。このような材料としては、例えば、石英やアルミナあるいはサファイアなどの誘電体を挙げることができる。これらの誘電体は、マイクロ波に対する力率が低く、真空と大気圧との圧力差にも耐えうる機械的強度を有し、耐熱性も良好で、さらに、プラズマによりスパッタやエッチングされても、チャンバ内の被処理物を汚染するおそれも低い。

前述したように、結合器４４の結合係数を低く抑えることより、プラズマのインピーダンスの変化による環状進行波共振器１０の共振条件の変動や、複数の結合器４４の間の分配バランスの変動を抑制することができる。一方、このようにして環状進行波共振器１０からアプリケータの導入導波管５２に取り出されたマイクロ波Ｍが導波体５４を介してプラズマ発生室６０に導入される際の結合係数は、十分に高いことが望ましい。すなわち、アプリケータ５０の結合係数を高くすることにより、損失を抑制してプラズマの発生効率を高くすることができる。このようにして、導波体５４を介してプラズマ発生室６０に導入されたマイクロ波Ｍによって所定のガスのプラズマを発生させることができる。

また、図９乃至図１１においては、環状進行波共振器１０の導波空間として、断面形状が略矩形状のものを例示したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、環状進行波共振器１０の導波空間の断面形状は、プラズマ発生室との配置関係や、導入導波管７０との接続関係あるいは、プラズマの分布などを考慮して円形、楕円形、半円形、多角形、その他対称あるいは非対称な不定形などとすることができる。

次に、本発明のプラズマ発生装置に用いることができる方向性結合器２０、４０の具体例のいくつかを紹介する。

図１２は、単一孔により結合された方向性結合器を表す模式図である。すなわち、同図に例示したように、導波管１と導波管５とがＨ面で重なって比較的小さい単一孔Ａにより結合されている構造を挙げることができる。このような場合、この単一孔Ａを介して導波管５から導波管１に漏れ出る電界によって導波管１が励振され、単一孔Ａの中心点に電気双極子が存在するのと同様の分布が形成される。一方、導波管５から導波管１に漏れ出る磁界によっても、単一孔Ａの中心点に磁気双極子が存在するのと同様の磁力線分布が形成される。これら電気双極子と磁気双極子とを重畳させた効果として、導波管１において一方向のみに伝搬するマイクロ波が励起される。

図１３は、ベーテ孔により結合された方向性結合器を表す模式図である。同図に例示したように、導波管５と導波管１とがベーテ孔Ａを介して結合されている場合、導波管５のＴＥ１０モードの電界に比例し孔に垂直な電気双極子と、導波管５の磁界に比例し逆方向の磁気双極子が導波管１に形成される。これら電気双極子による波と磁気双極子による波とは、導波管１の一方向においては同位相であり相加わるが、逆方向においては逆位相となり差し引かれる。従って、孔の位置を調節することにより逆方向の波を零とすることができる。

図１４は、２つの孔により結合された方向性結合器を表す模式図である。すなわち、側壁またはＨ面において距離Ｌだけ離れた２つの小孔Ａ、Ｂによって、導波管５と導波管１とが結合されている。ここで、距離Ｌは、前述した式により定義される。導波管５を進行する波が、これら２つの小孔を介して導波管１を励振する。このときに、２つの小孔Ａ、Ｂを介してそれぞれ励振された波は、導波管５における波の進行方向と同方向においては同振幅、同位相で進むが、反対方向においては同振幅、逆位相となり、打ち消し合う。従って、導波管１には、一方向の波だけが励振される。

図１５は、十字形スリットにより結合された方向性結合器を表す模式図である。すなわち、導波管５と導波管１とを直交させ、その重なり合う面の対角線上に１つあるいは複数の十字形のスリットＳが形成されている。このようにスリットＳを設けると、電界による結合は無視できるほど小さく、磁界による結合が支配的となる。すると、導波管５のＨｔ、Ｈｚによりスリットの長軸上に磁気双極子が形成され、これにより導波管１が励振されて方向性が生ずる。

図１６は、ループにより結合された方向性結合器を表す模式図である。すなわち、導波管５の導波管内に同軸線路１をループで結合したもので、導波管５から同軸線路１への結合は電界およびループを通過する磁界によって行われる。電界により励起された波は同軸線路１の両方向に同振幅、同位相で進む。一方、磁界よって誘起される電流はファラデーの電磁感応則により与えられ、同軸線路１の両方向に進む波は、同振幅だが逆位相となる。従って、これら電界による波と磁界よる波との結合が適当に行われると、同軸線路１を進む一方の波の出力は零となり、方向性が得られる。

以上図１２乃至図１６を参照しつつ、本発明において用いることができる方向性結合器の具体例を挙げた。しかし、本発明は、これら具体例を用いたものに限定されるものではない。例えば、これらの他にも導入導波管７０と環状進行波共振器１０とを結合させてその共通壁にスロットを設けたものや、さらにそのスロットにモード調整用の導体棒（ポスト）を設けたもの、あるいはその他の各種の方向性結合器を用いても良く、環状進行波共振器１０の励振に方向性が得られるいずれのものを利用しても本発明の範囲に包含される。

次に、本発明のプラズマ発生装置の具体例について説明する。

図１７は、本発明のプラズマ処理装置の構造を例示する模式断面図である。この装置は、処理チャンバ６０と、この処理チャンバ６０の上面に設けられた平板状の誘電体板からなる導波体（透過窓）５４と、導波体５４の外側に設けられた導入導波管５２と、結合器４０を介して結合された環状進行波共振器１０と、を有する。処理チャンバ６０は、導波体５４の下方の処理空間において半導体ウェーハなどの被処理物Ｗを載置して保持するためのステージ１６と、を有する。

処理チャンバ６０は、真空排気系Ｅにより形成される減圧雰囲気を維持可能であり、処理空間に処理ガスを導入するためのガス導入管（図示せず）が適宜設けられている。

たとえば、このプラズマ処理装置を用いて被処理物Ｗの表面にエッチング処理を施す際には、まず、被処理物Ｗが、その表面を上方に向けた状態でステージ１６の上に載置される。次いで、真空排気系Ｅによって処理空間が減圧状態にされた後、この処理空間に、処理ガスとしてのエッチングガスが導入される。その後、処理空間に処理ガスの雰囲気が形成された状態で、図示しない導入導波管から方向性結合器を介して、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が環状進行波共振器１０に導入され、環状進行波共振器１０に一方向の進行波が励振され、且つこの進行波が共振される。その結果として、環状進行波共振器１０には、均一且つ連続的な進行波によるマイクロ波の波動場が形成される。

このマイクロ波の波動場は、結合器４０により導入導波管５２に分配され、導波体５４に向けて放射される。導波体５４は、石英やアルミナなどの誘電体からなり、マイクロ波Ｍは、導波体５４の表面を伝搬して、チャンバ６０内の処理空間に放射される。このようにして処理空間に放射されたマイクロ波Ｍのエネルギーにより、処理ガスのプラズマＰが形成される。こうして発生したプラズマ中の電子密度が導波体５４を透過して供給されるマイクロ波Ｍを遮蔽できる密度（カットオフ密度）以上になると、マイクロ波は導波体５４の下面からチャンバ内の処理空間に向けて一定距離（スキンデプス）ｄだけ入るまでの間に反射され、マイクロ波の定在波が形成される。

すると、マイクロ波の反射面がプラズマ励起面となって、このプラズマ励起面で安定なプラズマＰが励起されるようになる。このプラズマ励起面で励起された安定なプラズマＰ中においては、イオンや電子が処理ガスの分子と衝突することにより、励起された原子や分子、遊離原子（ラジカル）などの励起活性種（プラズマ生成物）が生成される。これらプラズマ生成物は、矢印Ａで表したように処理空間内を拡散して被処理物Ｗの表面に飛来し、エッチング、アッシング、薄膜堆積、表面改質、プラズマドーピングなどのプラズマ処理を行うことができる。

本発明によれば、環状進行波共振器１０内に形成された共振進行波による連続的かつ高い強度のマイクロ波を結合器４０により分配し、チャンバ６０内に導入することにより、チャンバ６０内において大面積で均一且つ密度の高いプラズマを形成することができる。その結果として、大面積の被処理物を均一で高速にプラズマ処理することが可能となる。

またさらに、結合器４０の結合係数を低く抑えることにより、プラズマのインピーダンスが変化しても、環状進行波共振器１０の共振条件の変動や、複数の結合器４０の間の分配バランスの変動を抑制することができる。その結果として、常に安定して大面積のプラズマ処理を実施することができる。

次に、本発明のプラズマ発生装置においてプラズマ密度をより均一にするための構成の具体例について説明する。
例えば、図９に関して前述したプラズマ発生装置の場合、複数のアプリケータ５０のうちで、導入導波管７０に近いものと遠いものとでは、生成するプラズマ密度に差が生ずることがあり得る。典型的には、導入導波管７０から近いアプリケータ５０においてはプラズマ密度が高く、導入導波管７０から遠いアプリケータ５０においてはプラズマ密度が低くなる場合などがあり得る。このような場合、導入導波管７０から近いアプリケータ５０の結合度は低く、導入導波管７０から遠いアプリケータ５０においては結合度を高く設定すると、プラズマ密度を均一にすることが可能である。

しかし、それぞれのアプリケータ５０におけるマイクロ波のパワー吸収率は、ガス圧力などのプロセス条件によって変化するため、環状進行波共振器１０内の伝搬に伴うマイクロ波の減衰特性も変化する。つまり、あるプロセス条件に最適なマイクロ波減衰率と結合度のバランスは、必ずしも他のプロセス条件においては最適ではない。従って、幅広いプロセスマージンを実現するためには、それぞれのアプリケータ５０の結合度をプロセス条件などに応じて独立に制御可能とすることが望ましい。

図１８は、本実施形態における環状進行波共振器へのマイクロ波の導入部を表す概念図である。
すなわち、導入導波管７０と環状進行波共振器１０とが方向性結合器２０により結合されている。方向性結合器２０の出力ポートは、固定ショート・プランジャ７３により終端させ、反射波が生ずるようにする。

導入導波路７０に導入されたマイクロ波Ｍは、方向性結合器２０を介して環状進行波共振器１０に導入され進行波Ｍ４を形成する。この時、環状進行波共振器１０を伝搬するマイクロ波の減衰量と、方向性結合器２０を介して環状進行波共振器１０に導入されるパワーとが等しくなるようにパワーバランスをとり、且つ方向性の高い方向性結合器２０を用いると、環状進行波共振器１０の中には進行波Ｍ４のみが励起され、方向性結合器２０の出力ポートから固定ショート・プランジャ２０にパワーは、出力されない。

これに対して、環状進行波共振器１０に導入されるパワーとマイクロ波の減衰量とのパワーバランスを少しずらし、あるいは、方向性結合器２０の方向性を少し低下させると、方向性結合器２０の出力ポートから固定ショート・プランジャ７３にわずかな出力が分配され、反射波Ｒ１、Ｒ２が励起される。反射波Ｒ１は導入導波管７０を伝搬するが、反射波Ｒ２は、環状進行波共振器１０の中て進行波Ｍ４とは反対の方向に励起される。
つまり、環状進行波共振器１０の中には進行波Ｍ４とは反対方向の弱い反射波Ｒ２が励起されることとなる。

図１９は、このような反射波Ｒ２を利用して出力を可変としたアプリケータを表す概念図である。
図２０は、このアプリケータの部分のＡ−Ａ線断面構造の具体例を表す模式図である。
また、図２１は、図２０のＢ−Ｂ線断面構造を表す模式図である。

すなわち、環状進行波共振器１０から方向性結合器４０を介してアプリケータ５０にパワーが出力される。方向性結合器１０のダミー出力ポート５３には、可変ショート・プランジャ（位相差調整手段）５８が設けられている。図１８に関して前述したように、環状進行波共振器１０の中には、進行波Ｍ４と弱い反射波Ｒ２とが励起されている。進行波Ｍ４は方向性結合器４０からそのままアプリケータ５０の導入導波管５２に出力され、反射波Ｒ２は、ダミー出力ポート５３から出力され可変ショート・プランジャ５８により反射されてアプリケータの導入導波管５２に供給される。従って、アプリケータ５０から放射されるマイクロ波のパワーは進行波Ｍ４と反射波Ｒ２の合成により決定される。ただし、進行波Ｍ４は方向性結合器４０からそのままアプリケータ５０に入るのに対して、反射波Ｒ２は可変ショート・プランジャ５８で反射されてからアプリケータ５０に入るので、両者の間には位相差が生ずる。この位相差は、可変ショート・プランジャ５８を調節することにより制御可能である。例えば、図２０及び図２１に表した具体例の場合、可変ショート・プランジャ５８は、上下方向に可動とされ、その高さを調節することにより、反射波Ｒ２の位相を制御できる。

本具体例によれば、このように環状進行波共振器１０の中に弱い反射波を励起させ、方向性結合器と可変ショート・プランジャとを用いて反射波の位相を制御しながらアプリケータに出力させることにより、アプリケータ毎に、その出力を独立に調節することができる。

以下、図１８乃至図２１に関して前述したプラズマ発生装置の実施例について説明する。図２２は、本実施例のプラズマ発生装置におけるアプリケータの配置を説明するための模式平面図である。
また、図２３は、本実施例のプラズマ発生装置の構成を表す模式断面図である。
本実施例においては、直径４０センチメータの略円筒状の内部空間を有する処理チャンバ６０を用いた。そして、この処理チャンバ６０の上方に環状進行波共振器１０を配置し、方向性結合器４０を介して結合された６個のアプリケータ５０を均等な間隔で処理チャンバ６０の上蓋に取り付けた。それぞれのアプリケータ５０には、可変ショート・プランジャ５８が設けられている。ここでは、６個のアプリケータ５０のそれぞれに「１番」〜「６番」の番号を付すこととする。なお、１番のアプリケータ５０は、導入導波管７０によるマイクロ波Ｍの導入位置から最も遠い位置に配置されている。

処理チャンバ６０の中に設けられたステージ１６の上には、フォト・レジストが塗布された直径１２インチのウェーハＷを載置した。そして、処理チャンバ６０の中の酸素（Ｏ２）の圧力を１５パスカルとし、導入導波管７０からマイクロ波Ｍを導入してウェーハＷに塗布したフォト・レジストのアッシング（ashing）を実施し、ウェーハＷ上でのアッシング速度の分布を測定した。ここで、導入したマイクロ波Ｍの周波数は２．４５ギガヘルツ、出力は３キロワットである。また、石英製の導波体５４の先端からウェーハＷまでの距離は、４．２センチメータとした。

図２４及び図２５は、６個のアプリケータのパワー分配が均一ではない場合のアッシング速度の分布を例示する模式図である。
すなわち、図２４に例示したケースでは、１番のアプリケータ５０（導入導波管７０から最も遠いアプリケータ）の近傍におけるアッシング速度が他の５個のアプリケータの近傍におけるアッシング速度に比べて非常に低い。つまり、１番のアプリケータ５０からのマイクロ波の出力が他の５個のアプリケータからの出力よりも非常に低いことが分かる。

一方、図２５に例示したアッシング速度分布は、図２４に関して前述した状態から、１番のアプリケータ５０の可変ショート・プランジャ５８のみを変化させて得られたものである。１番のアプリケータの近傍におけるアッシング速度が、他の５個のアプリケータの近傍におけるアッシング速度と比べて非常に高くなっている。
すなわち、図２４と図２５とを比較すると、可変ショート・プランジャ５８を調節することにより、アッシング速度を極めて広い範囲で制御できることが分かる。つまり、本実施例によれば、装置の配置やプロセス条件、または使用履歴などに応じて、非常に幅広い範囲でマイクロ波の導入パワーをアプリケータ毎に独立に制御でき、極めて幅広い調整マージンが得られる。

図２６は、１番のアプリケータの可変ショート・プランジャ５８を最適な位置に調節した時に得られたアッシング速度の分布を表す模式図である。
１番乃至６番のアプリケータの近傍において、ほぼ均一なアッシング速度が得られており、大面積に亘り均一なプラズマ処理が可能であることが分かる。
なお、図２２乃至図２６においては、６個のアプリケータが設けられ、それぞれに可変ショート・プランジャ５８が設けられた具体例を表したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、アプリケータの個数は６個よりも多くても少なくともよく、また、これらアプリケータの全てに可変ショート・プランジャを設けてもよく、またはそれらのうちの一部のアプリケータのみに可変ショート・プランジャを設けもよい。

以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

例えば、本発明において用いる導入導波管や環状進行波共振器、アプリケータ、あるいは方向性結合器などの要素は、図示した形状、サイズのものには限定されず、その断面形状、壁面厚、開口の形状やサイズなどは適宜変更して同様の作用効果が得られ、本発明の範囲に包含される。

導入導波管は直管状である必要はなく、また環状進行波共振器も完全な円環状である必要はない。

また、プラズマ発生室の形状やサイズ、あるいは環状進行波共振器やアプリケータとの配置関係についても、図示したものには限定されず、プラズマ処理の内容や条件などを考慮して適宜決定することができる。また、環状進行波共振器はプラズマ発生室の上面や側面でなく、下面に付設してもよく、または、これらを組み合わせてもよい。つまり、プラズマ発生室に複数の環状進行波共振器を付設してもよい。このようにすれば、被処理物の形状やサイズに合わせて均一あるいは所定の密度分布を有する大面積のプラズマを形成することが可能となる。

さらにまた、上述した具体例においては、プラズマ生成部の要部構成のみ説明したが、本発明は、このようなプラズマ生成部を有する全てのプラズマ処理装置も包含し、例えば、エッチング装置、アッシング装置、薄膜堆積装置、表面処理装置、プラズマドーピング装置などとして実現したプラズマ処理装置のいずれもが本発明の範囲に包含される。

１ 導波管（同軸線路）
５ 導波管
１０ 環状進行波共振器
１６ ステージ
２０ 方向性結合器
２１ 入力ポート
２２ 出力ポート
４０ 方向性結合器
４２、４４ 結合器
５０ アプリケータ
５２ 導入導波管
５３ ダミー出力ポート
５４ 導波体
５８ 可変ショート・プランジャ
６０ プラズマ発生室（処理チャンバ）
７０ 導入導波管
７２、７４ ダミーロード
８０、８２ パワーモニタ
９０ 位相調節器
１００ 導波管
１０１ 導波管
１０２ スロット
１０３ 導入部
５０３ 導波管
５２１ 分配ブロック
５２２ スロット
５２３ マイクロ波
５２５ 波
Ｍ マイクロ波
Ｐ プラズマ
Ｗ 被処理物

一方、前記方向性結合器の結合係数をＣ _０ 、前記複数の結合器のそれぞれの結合係数をＣ _i とした時、次式

が実質的に成立するものとすれば、導入導波管におけるマイクロ波の反射を解消できる。

また一方、本発明においてもうひとつの重要な数値として、マイクロ波の取り出しのための結合器４２の結合係数（coupling coefficient）Ｃ _i を挙げることができる。これは、簡単に言うと、環状進行波共振器１０内を結合器４２に向けて伝搬してくるマイクロ波の強度に対する、結合器４２から取り出されるマイクロ波の強度の比に対応する。従って、結合係数Ｃ _i が大きいほど、環状進行波共振器１０から高い効率でマイクロ波が取り出される。

本発明においては、結合器４２の結合係数Ｃ _i を低くする。結合係数Ｃ _i を低くすることにより、プラズマＰの状態によるアプリケータ５０のインピーダンスの変化の影響を受けにくくすることができる。すなわち、前述したようにプラズマＰは「ゆらぎ（fluctuations）」を有し、その電子密度が空間的、時間的に変動する。プラズマＰの電子密度が変化すると、マイクロ波に対するインピーダンスも変化する。特定のアプリケータ５０の付近のプラズマＰの状態の変化は、環状進行波共振器１０の共振条件を変動させ、また、他のアプリケータ５０におけるマイクロ波の取り出しバランスにも影響を与える。すなわち、マイクロ波は、プラズマＰの電子密度が高い部分に集中してしまい、均一なプラズマＰを維持することが困難となる。

本発明者の検討によれば、結合器４２における結合係数Ｃ _i を数パーセント以下に抑えることにより、プラズマＰのインピーダンスの変化を受けにくくなり、十分に安定したマイクロ波励起が可能となることが分かった。この点について、以下、図２を参照しつつ説明する。

環状進行波共振器１０が共振条件を満たすように調整されている（すなわち、マイクロ波が環状進行波共振器１０を一周する前後の位相差が３６０度の整数倍となるように調整されている）ものとする。ここで、入力されるマイクロ波の強度をＭ、環状進行波共振器１０を一周するマイクロ波の伝搬係数（transmission coefficient）をＴ、方向性結合器２０の結合係数をＣ _０ とする。

すると、ダミーロード７２におけるマイクロ波の強度Ｍ _dummy は、次式により与えられる。

マイクロ波のパワーが全て環状進行共振器１０に投入されることが望ましく、この時、ダミーロード７２におけるマイクロ波のパワーはゼロになる。つまり、Ｍ _dummy ＝０なる条件が満たされることが望ましい。従って、次式が満たされることが望ましい。

ここで、合計の伝搬係数（total transmission coefficient）Ｔは、次式に表されるように、それぞれの結合器４２における伝搬係数Ｔ _１ 、Ｔ _２ 、・・・の積算である。

結合器４２における反射が非常に小さく損失が小さい場合には、それぞれの結合器４２における伝搬係数Ｔ _i は、結合係数Ｃ _i を用いて次式により表すことができる。

従って、方向性結合器２０の結合係数Ｃ _０ を（６）式の如く設定すると、導入導波管７０から環状進行波共振器１０に導入されるマイクロ波パワーと、環状進行波共振器１０における減衰量と、がバランスし、導入導波管７０における反射波を殆ど無くすことができる。

またここで、結合係数Ｃ _i を低く抑えると、環状進行波共振器１０内での電波強度が強くなり、また、プラズマの影響を受けにくくなるという効果が得られる。
すなわち、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度は、（４）式により表される合計の伝搬係数（total transmission coefficient）Ｔにより決定される。合計の伝搬係数Ｔが１に近づく（すなわち、減衰が抑制される）ほど、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度は高くなる。（３）式が満足され、結合が良好な状態においては、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度は、次式により与えられる。

従って、（１−Ｔ ^２ ） ^１／２ をできるだけ小さくする必要がある。これは換言すると、合計の結合係数Ｔをできるだけ１に近づける必要があることを意味する。（６）式を考慮すると、合計の結合係数Ｔを１に近づけるためには、すべての（１−Ｃ _i ^２ ） ^１／２ を１に近づける必要があることが分かる。これはすなわち、全ての結合係数Ｃ _i をできるだけ小さいレベルに抑制する必要があることを意味する。

（８）式において強度Ｍ _４ を大きくするためには、結合係数Ｃ _i のそれぞれを小さくする必要がある。結合係数Ｃ _i のそれぞれが１よりも十分に小さい場合、（８）式は次式に近似できる。

ここで、結合係数Ｃ _i は、振幅の比率を表す係数であるので、より厳密には、「振幅結合係数（amplitude coupling coefficient）」と呼ばれ、通常は「デシベル（dB）」により表される。一方、Ｃ _i ^２ は、「パワー結合係数（power coupling coefficient）」と呼ばれ、通常は、「パーセント（％）」により表される。パワー結合係数は、マイクロ波のパワーのうちの何パーセントが主要導波部（main waveguide）から結合部（coupled port）に分岐したかを表す。（９）式は、「環状進行波共振器１０におけるパワーは、入力パワーの

倍である」ことを表している。
ちなみに、複数の結合器４２のパワー結合係数の合計が２０パーセントの場合、環状進行波共振器１０内を伝搬しているマイクロ波のパワーは、導入パワーの５倍にもなる。以上、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の強度について説明した。

これに対して、

が小さければ、プラズマの揺らぎによる反射が生じた場合でも、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の伝搬状態は殆ど変化せず、マイクロ波の分配を維持できる。つまり、結合係数Ｃ _i を小さくすると、プラズマの揺らぎが生じてもマイクロ波の反射の増大を抑制できる。実用的には、環状進行波共振器１０内でのマイクロ波の反射波パワーが入射波パワーの２０パーセントを超えないようにするために、結合器４２のそれぞれのパワー結合係数の合計が２０パーセント以下となるように調整することが望ましい。

以上説明したように、本発明においては、結合器４２における結合係数Ｃ _i を低く抑えると、環状進行波共振器１０内での電波強度が強くなり、また、プラズマの影響を受けにくくなるという効果が得られる。

結合係数Ｃ _i を調節する方法としては、例えば、後述する各種の方向性結合器の形態のうちで、開口を有するものの場合、その開口のサイズや位置を調節する方法がある。もちろん、これ以外にも方向性結合器の形態に応じて各種の方法により結合係数Ｃ _i を最適な範囲に調節することができる。

なお、結合器４２の結合係数Ｃ _i を低くすると、取り出されるマイクロ波のパワーも小さくなるが、結合器４２及びアプリケータ５０の数を適宜設定することにより、十分に強く均一なプラズマＰを大面積に亘って励起することができる。

また、本発明においては、複数の結合器４２の結合係数Ｃ _i は、全て同一である必要はない。例えば、プラズマ発生室６０内におけるガス流や圧力分布、あるいは被処理物の形状やサイズなどに応じて、導入するマイクロ波の強度に分布を設けたいような場合には、結合器４２の結合係数Ｃ _i を、場所毎に適宜変化させてもよい。この場合も、プラズマＰのインピーダンスの変化による影響を受けにくい範囲内において結合係数Ｃ _i を設定すればよい。

またここで、本発明においては、結合器４２の結合係数Ｃ _i は、環状進行波共振器１０内を伝搬する進行波の減衰係数（attenuation coefficient）を決定する要素となる。つまり、マイクロ波の進行波が環状進行波共振器１０を一周すると、その強度は、全ての結合器４２の結合係数Ｃ _i を累積した量だけ減衰する。この減衰した分は、プラズマ発生室６０内に導入されてプラズマＰの生成に寄与することとなる。そして、環状進行波共振器１０を一周する間に吸収されたマイクロ波パワーは、方向性結合器２０を介して導入導波管７０から補充されることとなる。

従って、方向性結合器２０の結合係数Ｃ _０ を（６）式に関して前述したように設定すると、導入導波管７０から環状進行波共振器１０に導入されるマイクロ波パワーと、環状進行波共振器１０における減衰量と、がバランスする。

すなわち、方向性結合器２０の結合係数Ｃ _０ を（６）式のように設定すれば、環状進行波共振器１０におけるマイクロ波パワーの出入りがバランスし、導入導波管７０における反射波を完全に無くすことができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態にかかるプラズマ発生装置の要部基本構成を例示する概念図である。同図については、図１乃至図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態においては、環状進行波共振器１０からマイクロ波を取り出すための結合器として、方向性の結合器４０が設けられている。環状進行波共振器１０内を伝搬するマイクロ波は、その進行方向の波のみにより構成されるので、方向性の結合器４０により取り出した場合も同様の結果が得られる。ただし、結合器４０の結合係数Ｃ _i は、図１に関して前述した場合と同様に、数パーセント以下に抑えることが望ましい。結合器４０の結合係数を低く抑えることより、プラズマＰのインピーダンスの変化による環状進行波共振器１０の共振条件の変動や、複数の結合器４０の間の分配バランスの変動を抑制することができる。その結果として、プラズマＰの状態に依存せず、常に所定の条件で進行波の共振による波動場を形成し、この波動場から所定のバランスでマイクロ波を複数のアプリケータ５０に分配することができる。

すなわち、本実施例のプラズマ発生装置は、導入導波管７０から方向性結合器２０を介して環状進行波共振器１０にマイクロ波Ｍが導入される。なお、図９においては、環状進行波共振器１０を六角形状に表したが、本発明はこれに限定されず、円環状、楕円状、多角形状などの各種の環状の形状としてもよい。方向性結合器２０には、マイクロ波を導入するための２つの開口２１、２２が設けられ、その間隔Ｌは、環状進行波共振器１０の管内波長をλ _g とした時に、次式により表される値に設定されている。

図１３は、ベーテ孔により結合された方向性結合器を表す模式図である。同図に例示したように、導波管５と導波管１とがベーテ孔Ａを介して結合されている場合、導波管５のＴＥ _１０ モードの電界に比例し孔に垂直な電気双極子と、導波管５の磁界に比例し逆方向の磁気双極子が導波管１に形成される。これら電気双極子による波と磁気双極子による波とは、導波管１の一方向においては同位相であり相加わるが、逆方向においては逆位相となり差し引かれる。従って、孔の位置を調節することにより逆方向の波を零とすることができる。

Claims (11)

1. 大気よりも減圧された雰囲気を維持可能なプラズマ発生室と、
   マイクロ波の進行波を共振させる環状共振器と、
   前記環状共振器からマイクロ波を分配する複数の結合器と、
   前記複数の結合器のそれぞれに結合され、前記プラズマ発生室にマイクロ波を導入する相互に離隔して設けられた複数のアプリケータと、
   を備え、
   前記複数のアプリケータは前記プラズマ発生室にマイクロ波を導入する誘電体から形成された導波体をそれぞれ有し、前記導波体から前記プラズマ発生室に導入されたマイクロ波によりプラズマを生成可能としたことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 導入導波管と、
   前記導入導波管と前記環状共振器とを結合する方向性結合器と、
   をさらに備え、
   前記導入導波管から前記方向性結合器を介して前記環状共振器を励振することにより、
   前記環状共振器において前記マイクロ波の進行波を形成することを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
3. 前記環状共振器には、前記進行波とともに、前記進行波よりも弱い反射波が励起され、
   前記複数のアプリケータの少なくともいずれかには、前記進行波と前記反射波との位相差を可変とした位相差調整手段を介して前記進行波と前記反射波とが供給されることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記位相差調整手段は、可変ショート・プランジャであることを特徴とする請求項３記載のプラズマ発生装置。
5. 前記方向性結合器の振幅結合係数をＣo、前記複数の結合器のそれぞれの結合係数をＣi、前記環状進行波共振器を一周するマイクロ波の伝搬係数をＴとした時、次式
   
   

   

   
   が実質的に成立することを特徴とする請求項２記載のプラズマ発生装置。
6. 前記複数の結合器のそれぞれの振幅結合係数は、前記プラズマの電子密度が変化しても前記マイクロ波に対するインピーダンスが実質的に変化しないように低く設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
7. 前記複数の結合器のそれぞれのパワー結合係数の合計値は、２０パーセント以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
8. 前記環状共振器の管路と内部部品は、その内部を伝搬する前記進行波の一周位相差が３６０度の整数倍と実質的に等しくなるように形成されてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
9. 前記アプリケータとプラズマとの結合係数は、前記結合器と前記環状共振器との結合係数よりも大きいことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置
10. 前記複数の結合器は、方向性結合器であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置を備え、
    前記アプリケータを介して導入されたマイクロ波により生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。

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