JP2019508855A - 表面波プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

表面波プラズマ装置は、マイクロ波発生装置と、マイクロ波伝搬整合構造と、真空チャンバ（１９）とを備え、マイクロ波発生装置と、マイクロ波伝搬整合構造と、真空チャンバとは順次接続され、マイクロ波伝搬整合構造は、マイクロ波発生装置によって発生されたマイクロ波を伝搬するための矩形導波管（８）を含み、表面波プラズマ装置はさらに、矩形導波管（８）と真空チャンバ（１９）との間において、矩形導波管（８）と閉じた連通状態にあり、真空チャンバ（１９）と封止接続状態で配置される共振空洞（２２）を備え、共振空洞（２２）の底壁は複数の誘電体窓を設けられ、真空チャンバ（１９）の底面が位置する平面上の複数の誘電体窓の正射影は、同平面上の真空チャンバ（１９）の内壁の正射影によって規定される範囲内に入って、マイクロ波エネルギーを真空チャンバ（１９）にそれぞれ結合する。本開示の表面波プラズマ装置は、真空チャンバ（１９）内で大領域の均一なプラズマを得ることができ、それによって大型ウェハの処理要件を満たすことができる。

Description

開示の分野
本発明は半導体装置の製造技術の分野に関し、特に表面波プラズマ装置に関する。

背景
近年、電子技術の急速な発展に伴い、集積回路（ＩＣ）に対する人々の要求が高度集積化およびより大領域となる傾向にあり、集積回路を製造する企業は半導体ウェハの処理能力を継続的に改善する必要がある。プラズマデバイスは、集積回路またはＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）デバイスの製造プロセスにおいては代わりがない。したがって、高性能プラズマ発生装置の研究開発は、半導体製造プロセスの開発にとって重要である。このプラズマデバイスを半導体製造プロセスに使用する場合、考慮対象となる主な要素は、一定の圧力範囲内で均一なプラズマを大領域で効率よく発生させることができるかどうかである。プロセスの詳細について、プロセスガス、ガス圧、プラズマ均一性、およびプラズマ内の粒子組成、つまりプラズマの制御性に焦点を置くことが多い。このため、プラズマ源に関する現在の研究の主流は、大領域で高密度で均一なプラズマを低圧で励起することが可能なプラズマ源である。

従来の半導体製造業界では、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）型、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型、表面波（ＳＷＰ）または電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ）型など、さまざまなタイプのプラズマ装置がさまざまなプロセスで幅広く使用されている。表面波プラズマは近年開発された新規なプラズマ生成技術であり、誘導結合プラズマと比較して、その構造はより簡単であり、大領域で均一なプラズマを得る上で無視できない利点を有する。表面波加熱の原理により、マイクロ波エネルギーは、プラズマと誘電体との境界に閉じ込められ、実際に使用されるプラズマは、励起源の影響を受けることなく遠隔のプラズマである。したがって、容量結合プラズマおよび誘導結合プラズマと比較して、表面波プラズマの電子温度はより低く、それにより、高エネルギー電子によって引き起こされるデバイス表面におけるプラズマへのダメージを低減する。表面波とは、マイクロ波を用いて誘電体の表面付近で表面波臨界密度より上の密度を有するプラズマを励起する態様で形成される波であり、マイクロ波は、誘電体表面のプラズマ領域において法線方向に沿って急速に減衰し、誘電体とプラズマとの間の境界上の表面に沿って伝搬する波を形成する。表面波は、その伝搬領域内に周期的な強い電界を形成することができ、それにより、高密度プラズマを維持することができる。これが、表面波プラズマ形成の原理である。

図１ａは、既存の表面波プラズマ装置の概略構成図であり、図１ｂは、図１ａの表面波プラズマ装置における表面波アンテナスロットプレートの概略構造図である。図１ａおよび図１ｂを参照して、表面波プラズマ装置は以下の３つの部分、すなわちマイクロ波源およびマイクロ波伝搬整合構造と、表面波アンテナ構造と、チャンバとを備える。マイクロ波源およびマイクロ波伝搬整合構造は、マイクロ波源電源１と、マイクロ波源２と、共振器３と、サーキュレータ４と、反射パワーを吸収する負荷５と、入射パワーおよび反射パワーを測定するための方向性結合器６と、インピーダンス調整ユニット７と、矩形導波管８とを備えている。同図に示すように、表面波アンテナ構造は、アンテナ本体１１と、位相差板１２と、スロット板１５と、誘電体板１６とをこの順に上から下に積層して含む。アンテナ本体１１は、円筒形状を有しており、通常、アルミニウムやステンレス鋼等の金属材料からなる。スロット板１５は、アンテナプレートであり、主にアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料からなる。スロット板１５は、円板状であり、複数の円のスロット構造がスロット板１５上において内側から外側に均一に分布している。各円のスロット構造は複数のＴ字型スロットを含み、それらは周方向に均一に分布している。位相差板１２は、円板形状を有し、低損失の誘電体板であり、その誘電体は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２またはＳｉＮ（窒化ケイ素化合物）であってもよい。マイクロ波エネルギーが位相差板１２を通過した後、その波長は圧縮され、マイクロ波はスロット板１５上で円偏波される。円偏波は誘電体板１６を通過し、真空チャンバ１９内で励起されてプラズマを発生する。誘電体板１６は、典型的には石英である。チャンバは、チャンバ本体１８と、チャンバ本体１８およびアンテナ本体１１を封止するための封止リング１７と、ウェハ２０を載置するための支持部材２１とを含む。

図１ａおよび図１ｂは、一般的な表面波プラズマ装置を示しているが、実用的には広い領域の均一なプラズマを得ることは困難である。これは、表面波プラズマ装置の表面波アンテナ構造が、スリットスロットアンテナを用いたマイクロ波供給を実現し、プラズマ源と同等であり、つまり、矩形導波管８からのマイクロ波が位相差板１２の中央領域から位相差板１２に入り、位相差板１２において径方向に発散するように伝搬し、伝搬中に径方向に次第に減衰し、その結果、径方向のエネルギー分布が不均一となり、分布密度が均一な生成されたプラズマ（以下、単に均一プラズマという）の一部の領域を制限するからである。そのため、スリットスロットアンテナを用いてマイクロ波供給を実現する表面波プラズマ装置で発生させることができる均一プラズマの領域は、現在、最大８インチ径のウェハにしか適用できず、１２インチなどのより大きな径の産業グレードのウェハを処理することはできない。

開示の簡単な概要
先行技術の問題の少なくとも１つに対処するために、本開示は、表面波プラズマ装置を提供する。

上記の技術的問題に対処するために、本開示によれば、表面波プラズマ装置は、マイクロ波発生装置と、マイクロ波伝搬整合構造と、真空チャンバを備え、マイクロ波発生装置と、マイクロ波伝搬整合構造と、真空チャンバとは順次接続され、マイクロ波伝搬整合構造は、マイクロ波発生装置によって発生されたマイクロ波を伝搬するための矩形導波管を含む。表面波プラズマ装置はさらに、矩形導波管と真空チャンバとの間において、矩形導波管と閉じた連通状態にあり、真空チャンバと封止接続状態で配置される共振空洞を備え、共振空洞の底壁は複数の誘電体窓を設けられ、真空チャンバの底面が位置する平面上の複数の誘電体窓の正射影は、該平面上の真空チャンバの内壁の正射影によって規定される範囲内に入って、マイクロ波エネルギーを真空チャンバにそれぞれ結合する。

任意で、矩形導波管の終端が、共振空洞と閉じた連通状態にある。
任意で、矩形導波管の中間部分が、共振空洞と閉じた連通状態にある。

任意で、複数の誘電体窓は、真空チャンバの周方向に沿って均等に分布している。
任意で、複数の誘電体窓の配置は、複数の誘電体部材設置穴が共振空洞の底壁に形成され、複数の誘電体部材設置穴の各々はその中に誘電体部材設置穴と一致する形状を有する誘電体部材を設けられるように、なされる。

任意で、各誘電体部材の形状は、柱、錐台、複数の柱の組み合わせ、複数の錐台の組み合わせ、柱と錐台との組み合わせ、の１つである。

任意で、誘電体部材の形状が複数の柱の組み合わせである場合、複数の柱を互いと同軸にして１つずつ積み、下段柱の直径は、上段柱の直径より大きくなく、または、誘電体部材の形状が複数の錘台の組み合わせである場合、複数の錘台を互いと同軸にして１つずつ積み、下段錘台の頂面の直径は、上段錘台の底面の直径より大きくなく、または、誘電体部材の形状が柱と錐台との組み合わせである場合、柱と錐台とを互いと同軸にして１つずつ積み、下段柱／錘台の頂面の直径は、上段柱／錘台の底面の直径より大きくない。

任意で、複数の誘電体窓が以下の態様で配置され：複数の誘電体部材設置穴が共振空洞の底壁に設けられ、誘電体部材が共振空洞の底壁と真空チャンバとの間に設けられ、誘電体部材は板状に構成され、複数の誘電体部材設置穴を覆うことができ、または、複数の誘電体部材設置穴が共振空洞の底壁に形成され、誘電体部材が共振空洞の底壁と真空チャンバとの間に設けられ、誘電体部材は、取付板と、取付板に埋め込まれる複数の誘電体ブロックとを含み、複数の誘電体ブロックの各々は取付板を取付板の厚み方向に貫通し、複数の誘電体ブロックの量は複数の誘電体部材設置穴の量に対応し、複数の誘電体ブロックの位置は、複数の誘電体部材設置穴の位置と１対１対応である。

任意で、誘電体部材の厚みは５ｍｍ〜８０ｍｍの範囲である。
任意で、誘電体部材の最小径は４０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲にある。

任意で、表面波プラズマ装置は、さらに、矩形導波管の中間部分に配置され、一端が共振空洞内に延び、矩形導波管におけるマイクロ波を共振空洞内に導入するよう構成される第１のプローブを備える。

任意で、第１のプローブの他端は、共振空洞から離れる方向において矩形導波管の外側に延在する。

任意で、第１のプローブは、ねじ接続、スナップ接続またはピン接続によって固定される。

任意で、表面波プラズマ装置は、さらに、矩形導波管のマイクロ波出口と共振空洞のマイクロ波入口との間において、矩形導波管のマイクロ波出口と共振空洞のマイクロ波入口とに封止接続状態で設けられる接続空洞をさらに備え、第１のプローブの一端は接続空洞を貫通して共振空洞内に延在している。

任意で、表面波プラズマ装置は、さらに、矩形導波管の後部に設けられ、矩形導波管に対して矩形導波管の軸に沿って移動して矩形導波管の実効通路の長さを調整することができる短絡ピストンを備える。

任意で、表面波プラズマ装置は、さらに、共振空洞の軸方向に沿って延在し、上端が共振空洞の頂壁に固定されるかまたは共振空洞の頂壁を貫通して共振空洞の上に延在し、下端を共振空洞内に有する第２のプローブを備える。

任意で、第２のプローブは、共振空洞の底壁に対して共振空洞の軸方向に沿って上下に移動するように構成される。

任意で、第２のプローブの位置は、誘電体窓の位置に対応する。
任意で、第２のプローブの量および位置は、誘電体窓の量および位置に対応し、対応する誘電体部材上における第２のプローブの正射影は、誘電体部材と同軸である。

任意で、対応する誘電体窓上における第２のプローブの正射影の縁部と誘電体窓の縁部との間の距離は２ｃｍ未満ではない。

任意で、複数の第２のプローブが設けられる場合、真空チャンバの底面上の複数の第２のプローブの投影は、真空チャンバの底面の中心に中心が位置し、半径が異なる複数の同心円上に分布されるか、または、複数の第２のプローブが設けられる場合、真空チャンバの底面上の複数の第２のプローブの投影は、真空チャンバの底面の中心に中心が位置する１つの円上に分布される。

任意で、共振空洞は、さらに、昇降機構を含み、昇降機構の数は円の数に対応し、各昇降機構は１つの対応する円上の第２のプローブのすべてを駆動して同時に上昇または下降させるよう構成されるか、または、昇降機構の数は円の数に対応し、各昇降機構は１つの第２のプローブに対応し、第２のプローブを駆動して上下させるように構成される。

任意で、雄ねじが少なくとも各第２のプローブの上部領域に設けられ、第２のプローブが配置される共振空洞の頂壁上の位置に、雄ねじと協働するねじ切りされた穴を設け、ねじ切りされた穴は貫通穴またはブラインド穴であり、第２のプローブはねじ切りされた穴に１対１対応で取り付けられ、第２のプローブは、第２のプローブを時計回りまたは反時計回りで回転させることにより、共振空洞の底壁に対して上下に移動させられる。

任意で、第２のプローブの下端と共振空洞の底壁との間の垂直方向間隔は１０ｍｍ未満ではない。

任意で、共振空洞の高さは、１０ｍｍから２００ｍｍの範囲にある。
本開示は、以下のような有益な効果を達成することができる。

本開示において提供される表面波プラズマ装置は、マイクロ波伝搬整合構造と真空チャンバとの間に共振空洞を配置し、共振空洞の底壁上に複数の誘電体窓を配置する。このようにして、共振空洞においてマイクロ波により形成される定在波の電界は、複数の誘電体窓を介して真空チャンバに結合することができる。各誘電体窓はプラズマ源と同等であり得るので、本開示によって提供される表面波プラズマ装置は、プラズマを同時に励起するよう複数のプラズマ源を設けられる。真空チャンバ内に大領域の均一なプラズマを得ることができ、それによって大型ウェハの処理要件を満たすことができる。

既存の表面波プラズマ装置の概略構造図である。 既存の表面波アンテナスロットプレートの概略構造図である。 本開示の第１の実施形態に係る表面波プラズマ装置の概略構造図である。 共振空洞の底壁の上面図である。 図３のＡ−Ａ’に沿った共振空洞の底壁を示す断面図である。 誘電体部材と誘電体部材設置穴とを分離して示す断面図である。 ２つの柱の組み合された構造を有する誘電体部材の概略図である。 ２段錘台構造を有する誘電体部材の概略図である。 ２段錘台構造を有する別の誘電体部材の概略図である。 柱と錘台との組み合された構造の誘電体部材の概略図である。 柱と錐台との組み合された構造を有する別の誘電体部材の概略図である。 柱と錐台との組み合された構造を有するさらに別の誘電体部材の概略図である。 柱と錐台との組み合された構造を有するさらに別の誘電体部材の概略図である。 本開示の第２の実施形態に係る表面波プラズマ装置の概略構造図である。 本開示の第２の実施形態で採用される第１の共振機構の上面断面図である。 本開示の第２の実施形態で採用され第１の調整方法の対象となる第１の共振機構を示す正面断面図である。 本開示の第２の実施形態で採用され第２の調整方法の対象となる第１の共振機構を示す正面断面図である。 第１の調整方法によって得られたプラズマ分布図である。 第２の調整方法によって得られたプラズマ分布図である。 本開示の第２の実施形態で採用される第２の共振機構の上面断面図である。 本開示の第２の実施形態で採用され第１の調整方法の対象となる第２の共振機構を示す正面断面図である。 本開示の第２の実施形態で採用され第２の調整方法の対象となる第２の共振機構を示す正面断面図である。 本開示の第３の実施形態に係る表面波プラズマ装置の概略構造図である。 本開示の第４の実施形態に係る表面波プラズマ装置の概略構造図である。

詳細な説明
本開示の技術的解決策は、本開示における添付の図面を参照して以下に明確かつ充分に記載される。明らかに、以下に記載の実施形態は本開示の実施形態の一部であって、すべてではない。本開示の実施形態に基づいて、創造的な努力なしに当業者によって得られる他のすべての実施形態は、本開示の保護範囲に入るべきである。

本開示によれば、表面波プラズマ装置は、マイクロ波発生装置と、マイクロ波伝搬整合構造と、真空チャンバと、共振空洞とを、順次接続して備え、マイクロ波発生装置はマイクロ波を生成するように構成され、マイクロ波伝搬整合構造は、マイクロ波発生装置によって発生されたマイクロ波を伝搬するための矩形導波管を含み、真空チャンバはプラズマ環境を必要とするプロセスチャンバであり、プラズマ反応チャンバなどの所定の真空度を有し、共振空洞は、真空チャンバ内に供給されるように、共振空洞におけるマイクロ波を共振モードで形成するよう構成され、共振空洞は、矩形導波管と真空チャンバとの間において、矩形導波管と閉じた連通状態にあり、真空チャンバと封止接続状態で配置される。共振空洞の底壁は複数の誘電体窓を設けられ、真空チャンバの底面が位置する平面上の複数の誘電体窓の正射影は、当該平面上の真空チャンバの内壁の正射影によって規定される範囲内に入って、マイクロ波エネルギーを真空チャンバにそれぞれ結合する。「共振空洞の底壁には複数の誘電体窓が設けられている」という限定は、以下のように理解されるべきであることに留意されたい。すなわち、いわゆる「複数」は共振空洞の底壁に設けられた誘電体窓の総数ではなく、実効誘電体窓の数であり、いわゆる実効誘電体窓とは、プロセス中にプラズマ源として実際に機能することができる誘電体窓、すなわち、マイクロ波エネルギーを真空チャンバに結合することができる誘電体窓を指し、位置関係から、真空チャンバの底面が位置する平面上の実効誘電体窓の正射影は、同平面上の真空チャンバの内壁の正射影によって規定される範囲内に入るべきであり、ここで、「入る」とは完全に入ることおよび部分的に入ることを含む。なお、いわゆる閉じた連通とは、共振空洞の内部空間と矩形導波管の内部空間とが互いに連通しており、両者間の接合部を外部環境から隔離してそれら内部空間を封止することを意味する。いわゆる封止接続とは、共振空洞の内部空間と真空チャンバの内部空間とが連通しておらず、真空チャンバの内部空間を外部環境から隔離するために、共振空洞と真空チャンバとの接合部で封止されていることを意味する。

以下、本開示の技術的解決策について、図２〜図８を参照して詳細に説明する。
図２は、本開示の第１の実施形態に係る表面波プラズマ装置の概略構造図である。図２に示すように、表面波プラズマ装置は、マイクロ波発生装置と、マイクロ波伝搬整合構造と、接続空洞１０と、共振空洞２２と、真空チャンバ１９とを、順次接続して含む。

具体的には、マイクロ波発生装置は、マイクロ波を発生するように構成され、マイクロ波源電源１と、マイクロ波源２と、共振器３とを順次接続して含んでもよい。マイクロ波源電源１は、マイクロ波源２に電力を供給する。マイクロ波源２は、マグネトロンであってもよく、マイクロ波を生成するために使用することができる。共振器３は、マイクロ波を共振モードで形成するよう構成される。

マイクロ波伝搬整合構造は、マイクロ波発生装置によって発生されたマイクロ波を伝搬するように構成され、サーキュレータ４と、方向性結合器６と、インピーダンス調整ユニット７と、矩形導波管８とを順に接続して含んでもよく、さらに、サーキュレータ４は、共振器３および負荷５にそれぞれ接続されている。これにより、マイクロ波発生装置からのマイクロ波エネルギーは、サーキュレータ４、方向性結合器６、矩形導波管８を介して伝搬される。具体的には、サーキュレータ４は、その下流側から反射されたマイクロ波をマイクロ波発生装置から分離し、すなわちサーキュレータ４の下流側から反射されたマイクロ波がマイクロ波発生装置に反射されるのを防ぎ、負荷５は矩形導波路８から反射された反射パワーを吸収するよう構成され、方向性結合器６は、入射パワーおよび反射パワーを測定するよう構成され、インピーダンス調整ユニット７は、マイクロ波の共振モードを調整するよう構成され、矩形導波管８はマイクロ波を伝搬するよう構成される。

円筒形状を有する接続空洞１０は、矩形導波管８内のマイクロ波を共振空洞２２に伝搬するためのチャネルを提供するように構成される。接続空洞１０の上側開口部は矩形導波管８と封止接続状態にあり、接続空洞１０の下側開口部は共振空洞２２と封止接続状態にあり、これにより矩形導波管８と共振空洞２２との間の閉じた連通が実現される。この実施形態では、矩形導波管８の中間部分の下面には、接続空洞１０と協働するマイクロ波出口が形成されており、接続空洞１０の上側開口部は、マイクロ波出口と封止接続状態にある。

共振空洞２２は、マイクロ波を、真空チャンバ１９内に供給され得るように、共振空洞２２において共振モードで形成するよう構成される。共振空洞２２は、中空空洞構造であり、接続空洞１０と真空チャンバ１９との間に配置される。マイクロ波入口が共振空洞の頂壁に設けられ、接続空洞１０の下側開口部は、マイクロ波入口と封止接続状態にある。共振空洞２２は、一般的には、ステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属で形成され、具体的な状況によって、円筒状、矩形状、正方形などのいずれの形状の空洞にも設計することができる。

真空チャンバ１９には、ウェハ等の被処理体を載置するための支持部材２１が配置されている。真空チャンバ１９は、被処理体のための真空環境およびプラズマ環境を提供するよう構成される。たとえば、真空チャンバ１９は、プラズマエッチングチャンバ等であってもよい。真空チャンバ１９は、通常、アルミニウム合金またはステンレス鋼のような金属材料で形成される。

本開示における矩形導波管および共振空洞のようなコア構成要素について以下にさらに詳細に説明する。

まず、矩形導波管およびそれに関連する付属品について詳細に説明する。
矩形導波管８は水平に配置され、その始端はインピーダンス調整ユニット７に接続され、その終端は自由端であり、その中間部分の下面は接続空洞１０と連通するためのマイクロ波出口を備える。

矩形導波管８内のマイクロ波エネルギーを矩形導波管８の下方に位置する共振空洞２２に供給するために、金属材料からなる第１のプローブ２３が矩形導波管８の中間部分に配置される。この実施形態では、第１のプローブ２３はスクリュープローブであり、つまり、スクリュープローブはねじ接続によって矩形導波管８内に配置される。スクリュープローブ２３は、矩形導波管８の中間部分の上方から共振空洞２２の軸方向に沿って矩形導波管８および接続空洞１０を順次貫通して共振空洞２２内に延びている。

好ましくは、短絡ピストン９が、矩形導波管８の後部において、矩形導波管８上の短絡ピストン９の位置が調整可能なように、つまり、矩形導波管８の軸方向における短絡ピストン９の位置が変更可能なように、設けられる。

実際の適用例では、マイクロ波エネルギーが矩形導波管８の終端方向に向かってその軸方向に沿って伝搬し、短絡ピストン９に達すると、短絡ピストン９によってマイクロ波エネルギーが反射される。一般に、矩形導波管８の始端と短絡ピストン９との間の矩形導波管８の一部は矩形導波管８の実効通路と呼ばれ、すなわち、矩形導波管８の始端から矩形導波管８の終端にマイクロ波エネルギーが伝搬するときの実際の伝搬通路である。実効通路の長さは、矩形導波管８上の短絡ピストン９の位置を調整することによって調整することができる。たとえば、短絡ピストン９の位置は、以下の配置および調整の態様で調整することができる。矩形導波管８の内部に短絡ピストン９が配置され、両者の協働はピストンとシリンダとのそれと同様であり、短絡ピストン９の駆動端は、矩形導波管８の外側に配置され、駆動端の作用により、短絡ピストン９は矩形導波管８の内部で進退することができ、それにより、矩形導波管８上の短絡ピストン９の位置を調整可能なものにする。

実際の適用例では、矩形導波管８は標準部品から選択することができる。一般的に使用される、２４５０ＭＨｚのマイクロ波に対応する標準的な矩形導波管のタイプは、ＧＢ ＢＪ−２２、ＢＢ−２２、ＢＪ−２６を含む。異なるタイプの矩形導波管は断面寸法が異なり、本開示の実施形態では、ＧＢ ＢＪ−２６タイプの矩形導波管を選択することができる。

矩形導波管８におけるマイクロ波エネルギーの伝搬について以下に詳細に説明する。
矩形導波管８の始端から終端方向にマイクロ波エネルギーが伝搬される間、マイクロ波エネルギーの一部は、矩形導波管８の中間部分の左側からスクリュープローブ２３と遭遇してその伝搬方向を変え、すなわち、マイクロ波エネルギーの一部は矩形導波管８の軸方向に伝搬し続けず、スクリュープローブ２３の軸方向において下方に伝搬し、接続空洞１０を介して共振空洞２２の左半分に直接入る。マイクロ波エネルギーの他方の部分はスクリュープローブ２３には遭遇せず、スクリュープローブ２３の右側に直接達し、矩形導波管８の終端に向かって伝搬し続け、短絡ピストン９に到達すると、短絡ピストン９によって反射し返される。反射されたマイクロ波エネルギーの一部は、スクリュープローブ２３を通過し、インピーダンス調整ユニット７、方向性結合器６およびサーキュレータ４を介して負荷５に伝搬し吸収され、反射されたマイクロ波エネルギーの他方の部分はスクリュープローブ２３に右側から遭遇し、その伝搬方向を変え、つまり、マイクロ波エネルギーのこの部分はもはや矩形導波管８の軸方向に沿って伝搬し続けるのではなく、スクリュープローブ２３の軸方向において下方に伝搬し、接続チャンバ１０を介して直接共振空洞２２の右半分に入る。

上記からわかるように、矩形導波管８内のマイクロ波エネルギーは、スクリュープローブ２３によって共振空洞２２内に供給することができる。さらに、矩形導波管８上の短絡ピストン９の位置を調整することにより、共振空洞２２の左右の部分に供給されるマイクロ波エネルギーを均衡させることができ、共振空洞内にマイクロ波エネルギーを再分布させることができ、それにより、共振空洞に供給されるマイクロ波エネルギーを均一にし、真空チャンバ内において均一なプラズマの大領域を保証する。

なお、スクリュープローブ２３の外径と接続空洞１０の内径とは、マイクロ波の伝送パワー（伝送効率）に相関する。具体的には、スクリュープローブ２３の外径は、マイクロ波の伝送パワー（伝送効率）とは負の相関関係にあり、接続空洞１０の内径寸法はマイクロ波の伝送パワー（伝送効率）と正の相関関係にある。すなわち、スクリュープローブ２３を接続空洞１０に挿入した場合、スクリュープローブ２３の外壁と接続空洞１０の内壁との間の隙間が大きいほど、マイクロ波の伝送パワー（伝送効率）が高くなる。実際の適用例では、スクリュープローブ２３の外径と接続空洞１０の内径との比が最大伝送パワーを決定し、この比は、同軸導波管の伝送特性に応じて構造下の空気の放電電圧から算出することができる。一般に、比は１．６５から３．５９の範囲であり得、２つの端点値はそれぞれ最大伝送パワーおよび最小損失に対応する。異なる外径のスクリュープローブ２３を選択することおよび／または異なる内径の接続空洞１０を選択することによって、マイクロ波の伝送パワーを調整して、所望のマイクロ波伝送効率および所望の損失を達成できることがわかる。

また、共振空洞２２内に延在するスクリュープローブ２３の部分の長さと電界供給効率との間には相関があることにも留意すべきである。共振空洞２２内に延びるスクリュープローブ２３の部分の長さを調整することにより、電界供給効率を調整して、マイクロ波の利用効率を向上させることができる。実際、共振空洞２２内に延在するスクリュープローブ２３の部分の長さと電界供給効率との間の相関は非線形であり、さらに、共振空洞２２内に延在するスクリュープローブ２３の部分の長さに加えて、電界供給効率は、共振空洞２２の高さ、共振空洞２２内の誘電体窓の数および分布などとも相関している。したがって、共振空洞２２全体の構造は、最適なマイクロ波利用効率を達成するために統合される必要がある。

なお、本実施形態の第１のプローブ２３はスクリュープローブであり、矩形導波管８内にねじ接続より固定されているが、本開示はこれに限定されるものではない。第１のプローブ２３はねじ切りされていない柱の形態であり得、スナップ接続またはピン接続によって矩形導波管８内に固定することができる。さらに、第１のプローブ２３がスクリュープローブの形態である場合には、ねじ接続の他に、スナップ接続やピン接続によって固定してもよい。

次に、共振空洞およびその関連付属品について詳細に説明する。
共振空洞２２は、真空チャンバ１９の側壁の頂部に配置され、真空チャンバ１９は、共振空洞２２の底壁によって遮断されて、真空チャンバ１９内に閉じた処理環境を形成する。共振空洞２２の底壁は、プラズマを生成し、表面波のための境界条件を形成するために、マイクロ波エネルギーを真空チャンバ１９に結合するための複数の誘電体窓を備えている。すなわち、真空チャンバ１９は、共振空洞２２の下方に配置され、マイクロ波は共振空洞２２内で定在波に形成され、誘電体窓を介して定在波の電界が真空チャンバ１９に結合され、プラズマが真空チャンバ１９内で励起され、プラズマの密度が、表面波プラズマが形成される臨界密度よりも大きい場合、誘電体窓の下面に表面波が形成される。

電界供給効率は、共振空洞２２の高さに関係するので、共振空洞２２の高さを調整するために、複数の金属リングを積層して共振空洞２２を形成するように共振空洞２２を設計することが好ましく、各金属リングの構造はガスケットと同様であり、複数の積層金属リングが共振空洞２２の側壁を構成し、複数の積層金属リングの中空部が共振空洞２２のチャンバを規定する。実際の適用例では、金属リングの数は、対応する高さの共振空洞２２を得るために必要に応じて選択することができる。たとえば、共振空洞２２の高さは、１０ｍｍ〜２００ｍｍである。共振空洞２２の高さは、装置の容積や製造コストを考慮すると、１０ｍｍ〜８５ｍｍであることが好ましい。共振空洞２２の材料としては、通常、ステンレス鋼等の金属材料を用いることができる。

本開示の実施形態では、接続空洞を用いて共振空洞と矩形導波管とを接続し、スクリュープローブが矩形導波管および接続空洞を通って共振空洞内に挿入され、それによって、マイクロ波エネルギーを接続空洞および共振空洞に供給し、共振空洞の底壁に複数の誘電体窓を設けることによって、共振空洞内のマイクロ波によって形成された定在波の電界がそれぞれの誘電体窓を介して真空チャンバ内に結合され得、プラズマが真空チャンバ内で励起される。したがって、複数の誘電体窓は複数のプラズマ源と同等であり得る。この構造の表面波プラズマ装置は、既存の単一プラズマ源と比較して、真空チャンバ内で均一なプラズマの広い領域を得ることができ、それによって大型ウェハの処理要件を満たすことができる。

共振空洞の底壁上に配置される誘電体窓の構造および機能については、図３から図５を参照して以下に詳細に説明する。図３は、共振空洞の底壁の上面図である。図４は、図３のＡ−Ａ’に沿った共振空洞の底壁を示す断面図である。図５は、誘電体部材と誘電体部材設置穴とを分離して示す断面図である。

図３および図４に示すように、本開示の実施形態では、誘電体窓の設計は、共振空洞の底壁に複数の誘電体部材設置穴２６が形成され、各誘電体部材設置穴２６には一致する形状を有する誘電体部材２４が埋め込まれ、誘電体部材２４によって、各誘電体部材設置穴２６に誘電体窓を形成することができるようにされてもよい。具体的には、共振空洞２２の底壁には、真空チャンバ１９の周方向に沿って円状に６個の誘電体部材２４が設けられており、各誘電体部材２４はプロセス中においてプラズマ源と同等である。６個の誘電体部材２４は、真空チャンバ１９の周方向に沿って均等に配置されることが好ましい。円状に配置された６つのプラズマ源を用いることにより、大領域のプラズマを得ることができ、６つの誘電体部材２４は、真空チャンバ１９の周方向に沿って均一に配置されるので、プラズマの分布は比較的均一である。真空チャンバ１９における被処理物は、通常、真空チャンバ１９と同心に配置されるか、または真空チャンバ１９の同心円上に配置され、より好ましくは、６つの誘電体部材２４は、真空チャンバの周方向において真空チャンバ１９と同心の円に均等に配置されるので、真空チャンバ１９内のプラズマを被処理物に対してより均一に分布させることができる。より好ましくは、縁部領域におけるプラズマの密度を高めるために、誘電体部材２４を真空チャンバ１９の中心から縁部まで複数層（複数円）に配置してもよく、真空チャンバ１９の縁部領域にも所望の密度のプラズマを得ることができ、各層毎に複数の誘電体部材２４を真空チャンバ１９の周方向に真空チャンバ１９と同心円状に均等に配置してもよい。こうして、誘電体部材２４の複数の層で複数の同心円を形成する。より好ましくは、プラズマを効果的に励起して利用するために、真空チャンバ１９の底面が位置する平面上の複数の誘電体部材２４の正射影は、その平面上の真空チャンバ１９の内壁の正射影によって規定される範囲内に入る。つまり、真空チャンバ１９の底面が位置する平面上の共振空洞２２の内壁の正射影が、その平面上の真空チャンバ１９の内壁の正射影の外側にある場合、誘電体部材２４が共振空洞２２の内壁に非常に近く配置され、真空チャンバ１９の底面が位置する平面上の誘電体部材２４の正射影が、その平面上の真空チャンバ１９の内壁の正射影によって規定される範囲内に入らない場合には、真空チャンバ１９内での誘電体部材２４のプラズマの励起および利用が少なくなる。

誘電体部材２４は、共振空洞２２の底壁に以下の態様で取り付けられてもよい。たとえば、誘電体部材設置穴が共振空洞２２の底壁に設けられておらず、誘電体部材２４が共振空洞２２の底部に直接載置され、そこから突出するか、共振空洞２２の底壁に誘電体部材２４と同数の複数の誘電体部材設置穴２６が設けられ、複数の誘電体部材設置穴２６の形状は複数の誘電体部材２４の形状と１対１対応であり、各誘電体部材設置穴２６には、形状がそれと一致する誘電体部材２４が埋め込まれている。

誘電体部材２４の構造、および誘電体部材設置穴２６とのその協働については、後述する。

図３から図５を参照すると、この実施形態における誘電体部材２４の形状は、２つの柱（第１の柱２４１および第２の柱２４２）の組み合わせと同様であり、第１の柱２４１および第２の柱２４２は同軸上に配置され、互いに積み重ねられ、第１の柱２４１は上に配置され、第２の柱２４２の直径よりも大きな直径を有し、反転された「凸」形状を形成する。これに対応して、誘電体部材設置穴２６は、誘電体部材２４に一致する逆「凸」状に形成されている。具体的には、誘電体部材設置穴２６の座ぐり穴２６１は円筒状の座ぐり穴であり、誘電体部材設置穴２６のビア２６２はねじ切りされていない穴である。誘電体部材設置穴２６に誘電体部材２４を配置すると、第１の柱２４１が座ぐり穴２６１内に配置され、第２の柱２４２がビア２６２に配置される。ここで、第２の柱２４２の高さはビア２６２の深さ以上であるべきであり、つまり、第２の柱２４１の下面が共振空洞２２の底壁の下面と同一平面上にあるか、共振空洞２２の底壁の下面から下方に突出しており、これにより、共振空洞内のマイクロ波によって形成された定在波の電界を真空チャンバ１９に結合する。

この実施形態の誘電体部材２４は、第２の柱２４２の直径である最小直径を有する２つの柱の組み合わせである。誘電体部材２４の面積は、誘電体部材２４の総数に影響を与える（たとえば、同じ同心円上に配置された誘電体部材２４は、単一の誘電体部材２４の面積が大きいほど提供可能な誘電体部材２４の数が少なくなる）ので、誘電体部材２４の最小直径を判断するには、単一の誘電体部材２４の面積と誘電体部材２４の総数とを総合的に考慮する必要がある。実際の適用例では、誘電体部材２４の最小直径は、４０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲であることが好ましい。たとえば、本実施形態では、第２の柱２４２の直径を６０ｍｍとし、第１の柱２４１の直径を９０ｍｍとすることができる。

なお、本開示の上記の実施形態に記載の誘電体部材および誘電体部材設置穴の形状ならびに組立方法は、加工、取り付け、固定を容易にするための好ましい実施形態である。実際の適用例では、誘電体部材および誘電体部材設置穴の形状はこれに限定されなくてもよい。たとえば、誘電体部材は、単一の柱または単一の錐台、または柱と錐台との組み合わせ、または複数の錐台の組み合わせとして構成されてもよく、対応して、誘電体部材設置穴は、単一の柱形状の穴または単一の錐台形状の穴、または柱と錐台との組み合わせ形状を有する穴、または複数の錐台の組み合わせ形状を有する穴として構成されてもよい。いわゆる柱は、円柱および角柱を含み、いわゆる錐台は切頭円錐および切頭角錐を含み、いわゆる複数は２つ以上を指す。実際の適用例では、共振空洞２２の底壁上の複数の誘電体部材の形状は、互いに同一である必要はない。また、本開示の実施形態の誘電体部材は、石英、セラミック、イットリアで被覆された石英、またはイットリアで被覆されたセラミックからなるものであってもよい。

なお、誘電体部材および誘電体部材設置穴が１つの錐台形状を有する場合には、錐台の上面の直径を錐台の底面の直径よりも大きくすることが好ましく、誘電体部材を、誘電体部材の自重によって、誘電体部材設置穴に、より確実に取り付けることができる。誘電体部材を複数の柱の組み合わせ（たとえば、図６Ａに示す２つの柱からなる組合された構造）として構成する場合には、複数の柱を互いと同軸にして１つずつ積み、誘電体部材の設置および解体を容易にするために、下段柱の直径は、上段柱の直径より大きくない。誘電体部材を複数の錘台の組み合わせ（たとえば、図６Ｂ、図６Ｃに示す２つの錘台からなる組合された構造）とした場合、複数の錘台を互いと同軸にして１つずつ積み、誘電体部材の設置および解体を容易にするために、下段錘台の頂面の直径は、上段錘台の底面の直径より大きくない。誘電体部材を柱と錘台との組み合わせ（たとえば、図６Ｄ〜図６Ｇに示す柱と錘台とからなる組合された構造）とした場合、柱と錘台とを互いと同軸にして１つずつ積み、誘電体部材の設置および解体を容易にするために、下段柱／錘台の頂面の直径は、上段柱／錘台の底面の直径より大きくない。「上段」および「下段」の「上」および「下」は、位置関係の「上」および「下」に応じて決定されるのではなく、組み立て中に誘電体部材の段を誘電部材設置穴に挿入する順序に依存する。具体的には、誘電体部材設置穴内に最初に挿入される段を「下段」と称し、「下段」の直後に誘電体部材設置穴に挿入される段を、「下段」の「上段」と称する。すなわち２段の場合には、誘電体部材を共振空洞の底壁の上から誘電体部材設置穴に取り付ける際には、位置関係において下側の位置にある段がまず誘電体部材設置穴に挿入されるので、それは下段と呼ばれ、位置関係において上側の位置にある段は、上段と呼ばれ、逆に、誘電体部材を共振空洞の底壁の下から誘電体部材設置穴に取り付ける際には、位置関係において上側の位置にある段がまず誘電体部材設置穴に挿入されるので、それは下段と呼ばれ、位置関係において下側の位置にある段は、上段と呼ばれる。実際の適用例では、必要に応じて段数を設定できる。また、誘電体部材２４をより都合よくかつ確実に取り付け、固定するために、誘電体部材２４を、好ましくは、共振空洞２２の底壁の上から取り付けて、誘電体部材２４を誘電体部材２４の自重によって共振空洞２２の底壁に固定する。

好ましくは、誘電体部材と共振空洞の底壁との間の良好な封止を達成するために、封止リングのような封止要素がそれらの間に設けられる。誘電体部材２４と共振空洞２２の底壁との間の封止については、図２〜図５を参照して以下に詳細に説明する。

図２および図５に示すように、誘電体部材設置穴２６の座ぐり穴２６１の下面の周方向には環状溝が形成され、環状溝の内部には環状の封止リング１７が配置される。環状溝および環状の封止リング１７は誘電体部材２４の周方向に延びて、誘電体部材２４の軸の周りに閉じた環状構造を形成する。このようにして、誘電体部材２４が誘電体部材設置穴２６に取り付けられる場合、第１の柱２４１の下面は、共振空洞２２内の空気圧と誘電体部材２４の自重とにより、環状封止リング１７を押圧変形させて、第１の柱２４１と座ぐり穴２６１との間の隙間を塞ぐことにより、共振空洞２２の内部を真空チャンバ１９の内部から隔離することができる。

なお、実際の適用例では、各誘電体部材ごとに、誘電体部材と共振空洞の底壁との間に封止要素を配置し、誘電体の周方向に沿って封止要素を延在させて、誘電体部材の軸の周りに閉じた環状構造を形成し、誘電体部材および共振空洞は、封止要素の周方向に沿って常に封止要素と接触し、それによって誘電体部材と共振空洞の底壁との間の封止を達成する。具体的には、各誘電体部材に対して、誘電体部材の周方向に沿って共振空洞の底壁に封止リング着座溝を形成してもよく、その中に環状封止リングを配置することにより、誘電体部材と共振空洞の底壁との間の隙間を塞ぐように、誘電体部材の周方向に沿って誘電体部材がそこにスリーブ化され、代替的には、誘電体部材の周方向に沿って誘電体部材上に封止リング着座溝が形成されてもよく、封止リング着座溝内に環状封止リングが配置され、したがって、誘電体部材と共振空洞の底壁との間の隙間を塞ぐように、誘電体部材の周方向に沿って誘電体部材がそこにスリーブ化され、代替的には、誘電体部材の周方向に沿って共振空洞の底壁に封止リング着座溝を形成してもよく、同時に、誘電体部材の周方向に沿って誘電体部材に封止リング着座溝を設けてもよく、各封止リング着座溝に封止リングを配置し、誘電体部材と共振空洞の底壁との間の隙間を塞ぐように、誘電体部材の周方向に沿って誘電体部材がそこにスリーブ化される。もちろん、封止リング着座溝を設ける代わりに、封止リングを誘電体部材と共振空洞の底壁との接触面に直接配置することができ、誘電体部材と共振空洞の底壁との間の接触および押圧によって封止リングの位置決めおよび封止が達成される。たとえば、環状封止リングが誘電体部材上にスリーブ化され、誘電体部材が共振空洞の底壁の誘電体部材設置穴に配置される場合、封止リングの位置決めおよび封止も達成され得る。たとえば、環状密封リングが、図５に示される座ぐり穴２６１の上面に配置され、誘電体部材を誘電体部材設置穴内に配置した場合、誘電体部材および座ぐり穴２６１の上面と環状封止リングとの接触ならびに押圧により封止リングの位置決めおよび封止が行われる。

好ましくは、低電圧で放電してガスの初期イオン化を達成するために、第２のプローブを共振空洞２２内に設けることができる。共振空洞２２内の第２のプローブ２７については、図２および図３を参照して以下に詳述する。

図２および図３に示すように、共振空洞２２の内部には、金属材料からなる第２のプローブ２７が設けられ、第２のプローブ２７の数および位置は、誘電体２４の数および位置に対応する。具体的には、第２のプローブ２７の数および誘電体部材２４の数の両方は６個であり、第２のプローブ２７は各々１つの誘電体部材２４に対応し、対応する誘電体部材２４が位置する平面上における各第２のプローブ２７の正射影は、その平面上における誘電体部材の正射影と同軸である。第２のプローブ２７は、共振空洞２２の頂壁に配置され、共振空洞２２の軸方向に沿って下方に延び、つまり第２のプローブ２７は共振空洞２２の頂壁と誘電体部材２４との間に、共振空洞２２の軸方向に沿って配置され、第２のプローブ２７の一端は共振空洞２２の頂壁に接続され、他端（下端）は共振空洞２２の軸方向に沿って下方に延び、誘電体部材２４の上面と接触する程度まで延在してもよい（が、誘電体部材２４を圧迫することはできない）。第２のプローブ２７が誘電体部材２４を圧迫することができない理由は、次の通りであり、プラズマ励起の過程で誘電体部材２４の温度が上昇して体積が膨張し、第２のプローブ２７が元々誘電体部材２４を圧迫していると、膨張した誘電体部材２４と第２のプローブ２７との間の圧力が過大となり、誘電体部材２４が破損する、というものである。

第２のプローブ２７は共振空洞２２の内部に配置されているので、電界が金属表面に対して垂直であり、磁界がプロセス中に金属表面に平行であるという境界条件が存在する。これにより、共振空洞２２内の元の界分布が変化し、高次モードが励起され、第２のプローブ２７近傍の電界が強くなる。結果として、低気圧条件下（たとえば、ミリトール（ｍＴｏｒｒ）オーダの放電気圧）でガスの初期イオン化を達成することがより容易であり、本開示の実施形態で提供される表面波プラズマ装置は、低放電気圧で充分動作できる。

さらに、高出力での気中放電を回避するために、対応する誘電体部材２４が位置する平面上の第２のプローブ２７の正射影の縁部と誘電体部材２４の正射影の縁部との間の距離Ｗは小さすぎてはいけない。好ましくは、Ｗは２ｃｍ以上である。

なお、本開示の実施形態における第２のプローブ２７の数および位置は、誘電体部材２４の数および位置に対応するが、本開示はこれに限定されない。実際の適用例では、第２のプローブ２７の数は、誘電体部材２４の数に対応していなくてもよい。また、第２のプローブ２７の位置は、誘電体部材２４の位置から千鳥状にすることができる。たとえば、第２のプローブ２７は、誘電体部材２４間の隙間に面する共振空洞２２の頂壁上の位置に配置されてもよく、および／または共振空洞２２の底壁上の誘電体部材２４間の間隙に配置されてもよい。さらに、複数の第２のプローブ２７が設けられるとき、その具体的な数および位置は、共振空洞２２の大きさ、高さおよび形状を考慮して決定されてもよい。

以上のことからわかるように、本開示の実施の形態に係る表面波プラズマ装置は、大領域のプラズマを発生させることができ、産業適用レベルに達し得、また、第２のプローブ２７が共振空洞内に適切に配置されている場合には、極めて低い空気圧で低出力で初期イオン化が可能となり、表面波プラズマ装置のプロセス範囲が拡大する。

好ましくは、共振空洞２２内の第２のプローブ２７の延在長さは調整可能である。いわゆる延在長さとは、第２のプローブ２７の下端と共振空洞２２の頂壁との間の距離をいう。具体的な調整方法については、後述する第２の実施形態の調整方法を参照することができる。

本開示の第２の実施形態に係る表面波プラズマ装置と、上述した第１の実施形態に係る表面波プラズマ装置との相違点は、共振空洞の構造にある。マイクロ波発生装置、マイクロ波伝搬整合構造、接続空洞１０および真空チャンバ１９の構造ならびに機能は、第１の実施形態に関連して上述した対応する構造および機能と同じであり、ここで再び説明しない。以下、本実施形態における共振空洞について詳細に説明する。

図７に示すように、本実施形態では、複数の誘電体窓を以下の態様で設けてもよい。共振空洞２２の底壁４４に複数の誘電体部材設置穴４４１が形成され、共振空洞２２の底壁４４と真空チャンバ１９との間には板状の構造を有する誘電体部材（以下、単に誘電体板という）４５が配置されており、この誘電体板４５は、誘電体部材供給穴４４１のすべてを覆うことができ、つまり、誘電体板４５により誘電体窓を各誘電体部材設置穴４４１に形成することができる。

具体的には、本実施形態の共振空洞２２は、真空チャンバ１９の頂部に配置され、銅、アルミニウム、ステンレス鋼またはアルミニウム合金などの金属からなる空洞構造を有する。共振空洞２２の頂壁には、共振空洞２２の軸方向に沿って延びる複数の第２のプローブ２７が設けられており、それらの上端は、共振空洞２２の頂壁の上に延びており、それらの下端は、共振空洞２２の頂壁を貫通して共振空洞２２の内部に延在する。第２のプローブ２７は、共振空洞２２の底壁に対して、共振空洞２２の軸方向に沿って上下に移動可能に構成されており、つまり、第２のプローブ２７の下端と共振空洞２２底壁との間の間隔は、調整され、変更され得る。共振空洞２２の底壁４４は、底壁４４をその厚み方向に貫通する複数の誘電体部材設置穴４４１を設けられ、複数の誘電体部材設置穴４４１の数および位置と、複数の第２のプローブ２７の数および位置とは、１対１対応にある。底壁４４は、アンテナプレート（以下、アンテナプレート４４という）として機能する。

アンテナプレート４４の下方には、真空チャンバ１９内にプラズマを励起するために真空チャンバ１９内にマイクロ波エネルギーを結合するよう構成される板状の構造を有する誘電体部材（以下、単に誘電体板という）４５が配置されている。具体的には、誘電体板４５は、アンテナプレート４４と真空チャンバ１９との間に配置され、真空チャンバ１９に封止接続状態にある。すなわち、誘電体部材４５はモノリシック構造をとっており、アンテナプレート４４を真空チャンバ１９から隔離し、マイクロ波エネルギーが真空チャンバ１９に結合されることを可能にするだけでなく、共振空洞２２と真空チャンバ１９との間の界面が誘電体材料となることを可能にし、それによって金属汚染が回避される。誘電体部材４５に使用される材料は、石英、セラミック、イットリアでコーティングされた石英、またはイットリアでコーティングされたセラミックを含む。好ましくは、誘電体部材４５の厚みは５ｍｍ〜８０ｍｍの範囲である。

プロセス中、共振空洞２２において、および第２のプローブ２７近傍に、高周波電磁界が形成され、高周波電磁界の分布は真空チャンバ１９内に形成されるプラズマの密度分布に影響を及ぼす。各第２のプローブ２７の下端とアンテナプレート４４との間において垂直方向間隔を調整することにより、高周波電磁界の分布を調整することができる。これにより、真空チャンバ１９内に形成されるプラズマの密度分布をリアルタイムで調整することができ、さらに、異なるプロセス条件の下でのプラズマ分布に対する異なる要件を満たすことができる。加えて、上述した共振空洞２２および誘電体窓により、極めて低い空気圧条件下で低出力で反応ガスの初期イオン化を達成することができ、プロセス範囲を拡大することができる。

以下、第２のプローブ２７の構成について詳細に説明する。
第１の構成に関し、図８Ａから図８Ｅを参照して、アンテナプレート４４が位置する平面上における複数の第２のプローブ２７の投影は、アンテナプレート４４が位置する平面の中心に中心が位置し、半径が異なる２つの同心円（内側円および外側円）上に分布される。図８Ａに示すように、内側円上には６個の第２のプローブ２７Ｎが分布されており、それぞれ４３Ｎ１〜４３Ｎ６であり、外側円上には１２個の第２のプローブ２７Ｗが分布し、それぞれ４３Ｗ１〜４３Ｗ１２である。

第２のプローブ２７の下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔が大きいほど、第２のプローブ２７の位置に対応する真空チャンバ１９の領域に形成されるプラズマの密度分布は小さくなる。逆に、第２のプローブ２７の下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔が小さいほど、第２のプローブ２７の位置に対応する真空チャンバ１９の領域に形成されるプラズマの密度分布が大きくなる。これに基づき、図８Ｂに示すように、内側円上に分布する６個の第２のプローブ２７Ｎの下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔Ｈ１は同じであり、外側円上に分布する１２個の第２のプローブ２７Ｗの下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔Ｈ２は同じであり、Ｈ１はＨ２より小さく、たとえばＨ１＝１０ｍｍであり、Ｈ２＝４０ｍｍである。この場合、Ｈ１はＨ２よりも小さいので、図８Ｄに示すように、支持部材２１上に分布するプラズマは、内側円上に分布する６個の第２のプローブ２７Ｎに対応する領域においての方が、外側円上に分布する１２個の第２のプローブ２７Ｗに対応する領域においてよりも密に分布し、これにより、プラズマの密度分布の調整を達成する。

図８Ｃに示すように、内側円上に分布する６個の第２のプローブ２７Ｎの下端とアンテナプレート４４との垂直方向間隔Ｈ４は同じであり、外側円上に分布する１２個の第２のプローブ２７Ｗの下端とアンテナプレート４４との垂直方向間隔Ｈ３は同じであり、Ｈ３はＨ４より小さく、たとえばＨ３＝１０ｍｍであり、Ｈ４＝３０ｍｍである。この場合、Ｈ３はＨ４よりも小さいので、図８Ｅに示すように、支持部材２１上に分布するプラズマは、外側円上に分布する１２個の第２のプローブ２７Ｗに対応する領域においての方が、内側円上に分布する６個の第２のプローブ２７Ｎに対応する領域においてよりも密に分布し、これにより、プラズマの密度分布の調整を達成する。

もちろん、実際の適用例では、特定の条件に従って、同一の円上の第２のプローブの下端とアンテナプレートとの間の垂直方向間隔は、異なるプロセス条件の下でのプラズマ分布のための異なる要件を満たすために、異なるように設定することができる。

なお、本実施形態では、アンテナプレート４４が位置する平面上における第２のプローブ２７の投影は、アンテナプレート４４が位置する平面の中心に中心が位置し、半径が異なる２つの同心円（内側円および外側円）上に分布される。しかしながら、本開示はこれに限定されるものではなく、実際の適用例においては同心円の数は３以上であってもよい。

実際の適用例では、第２のプローブ２７の昇降動作は、昇降機構を使用して遠隔的かつ自動的に調整されてもよいし、手動で調整されてもよい。具体的には、遠隔自動調整方法では、共振空洞２２は、さらに、複数の昇降機構（図示せず）を含み、昇降機構の数は円の数に対応し、各昇降機構は各円上の第２のプローブのすべてを駆動して１対１の対応で同期して上昇または下降させるよう構成される。本実施形態の２つの同心円の場合は、昇降機構の数は２つであり、一方は内側円上の第２のプローブ２７Ｎのすべてを同期して駆動するためのものであり、他方は外側円上の第２のプローブ２７Ｗのすべてを同期して駆動するためのものである。代替的に、昇降機構の数は、第２のプローブの数に対応させることができ、各昇降機構は第２のプローブの１つを１対１対応で上昇または下降させるよう駆動するように構成される。すなわち、昇降機構の数は１８であり、各昇降機構は、対応する第２のプローブを個別に上昇または下降させるよう駆動するように構成される。実際の適用例では、昇降機構は、昇降モータ、昇降シリンダ、または昇降油圧シリンダなどの、昇降駆動機能を有する機構であってもよい。

手動調整モードでは、各第２のプローブには雄ねじが形成されており、共振空洞２２の頂壁４２１には、頂壁をその厚さ方向に貫通するねじ切りされた穴が設けられており、各第２のプローブ２７は、それらの雄ねじを介して、ねじ切りされた穴に、１対１対応で取付けられる。第２のプローブ２７の下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔は、第２のプローブ２７のいずれか１つを手動で時計回りまたは反時計回りに回転させることによって調整される。もちろん、これに基づいて、手動調整モードに代えて自動調整モードを採用してもよい。すなわち、回転電機などの駆動機構を用いて、第２のプローブ２７のいずれかを自動的に駆動させて時計回りまたは反時計回りに回転させ、それにより、第２のプローブ２７の下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔の調整を達成する。

第２の構成については、図９Ａ〜図９Ｃを参照して、アンテナプレート４４が位置する平面上の複数の第２のプローブ２７の投影は、アンテナプレート４４が位置する平面の中心に中心が位置する１つの円上に分布される。図９Ａに示すように、円上にそれぞれ分布された５つの第２のプローブ２７Ｄがあり、それぞれ、４３Ｄ１〜４３Ｄ５である。

図９Ｂに示すように、円上に分布された５つの第２のプローブ２７Ｄの下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔Ｈ５は同じであり、たとえばＨ５＝２０ｍｍである。

図９Ｃに示すように、円上に分布された５つの第２のプローブ２７Ｄの下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔Ｈ５は異なる。第２のプローブ２７Ｄの１つの下端とアンテナプレート４４との垂直方向間隔Ｈ７は、残りの第２のプローブ２７Ｄの下端とアンテナパネル４４との間の垂直方向間隔Ｈ６よりも大きく、たとえば、Ｈ６＝２０ｍｍ、Ｈ７＝４０ｍｍである。この場合、支持部材２１上のプラズマは、垂直方向間隔Ｈ７を有する第２のプローブ２７Ｄの１つに対応する領域においての方が、垂直方向間隔Ｈ６を有する残りの第２のプローブ２７Ｄに対応する領域においてよりも、分布密度が小さく、それにより、プラズマの密度分布の調整を達成する。

実際の適用例では、第２のプローブ２７の昇降動作は、昇降機構を使用して遠隔的かつ自動的に調整されてもよいし、第２のプローブ２７の昇降動作が手動で調整されてもよい。昇降機構は、第２のプローブのすべてを同時に上昇または下降させるための昇降機構がただ１つであってもよいことを除いて、上述した第１の構成の昇降機構と同様である。手動調整方法は、上述した第１の構成における手動調整方法と同じであり、ここでは説明しない。

好ましくは、第２のプローブ２７の下端とアンテナプレート４４との間の垂直方向間隔は、高出力条件下での気中放電を避けるために１０ｍｍ以上である。

さらに好ましくは、共振空洞２２の垂直方向の長さは、第２のプローブ２７の昇降動作に十分な空間を確保するために、１０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲である。

実際の適用例では、アンテナプレート４４における誘電体部材設置穴４４１は円形穴であってもよく、円形穴の直径は２０〜１２０ｍｍ、好ましくは４０〜１２０ｍｍであり、代替的に、アンテナプレート４４における誘電体部材設置穴４４１は、一辺の長さが２０〜１２０ｍｍ、好ましくは４０〜１２０ｍｍの正方形の穴であってもよい。代替的に、アンテナプレート４４の誘電体部材設置穴は、任意の他の形状の貫通穴であってもよい。

なお、実際の適用例では、複数の誘電体窓は以下の態様で設けられてもよいことに留意されたい。複数の誘電体部材設置穴が共振空洞の底壁に設けられ、誘電体部材が共振空洞の底壁と真空チャンバとの間に配置され、誘電体部材は、取付板と、取付板に埋め込まれる複数の誘電体ブロックとを備え、各誘電体ブロックは取付板を取付板の厚み方向に貫通し、複数の誘電体ブロックの数および位置は複数の誘電体部材設置穴の数および位置に１対１で対応しており、各誘電体部材によって、対応する誘電体部材設置穴に誘電体窓を形成することができる。誘電体ブロックは、固定形状に加工されて誘電体部材設置穴内に埋込み可能な別体の構造部材と、上記誘電体材料からなり、誘電体部材設置穴に充填される粒子、粉末またはシートとを含む。

次に、本開示の第３の実施形態に係る表面波プラズマ装置について、図１０を参照して詳細に説明する。

本開示の第３の実施形態に係る表面波プラズマ装置と、上記第１の実施形態に係る表面波プラズマ装置との差異は、この実施形態では、矩形導波管８と共振空洞２２との間の接続空洞が省略され、共振空洞２２の上面は、矩形導波管８の下面に直接積層され、矩形導波管８の底壁に設けられたマイクロ波出口は、共振空洞２２の頂壁に設けられたマイクロ波入口と整列し、それらの間の接合部は、矩形導波管８と共振空洞２２とが互いと閉じた状態で連通するように、封止されていることである。スクリュープローブ２３は、矩形導波管８から共振空洞２２内に直接延びている。本実施形態における表面波プラズマ装置のその他の構造および機能は、第１の実施形態で説明したそれぞれの構造およびそれらのそれぞれの機能と同様であり、繰り返して説明しない。

次に、本開示の第４の実施形態に係る表面波プラズマ装置について、図１１を参照して詳細に説明する。

本開示の第４の実施形態に係る表面波プラズマ装置は、上記第１の実施形態の表面波プラズマ装置と同様であるが、それらの違いは、本実施形態では、スクリュープローブ２３、および導波管８と共振空洞２２との間に接続される接続空洞は省略されており、矩形導波管８のマイクロ波出口はその中間部分には設けられず、その終端に設けられ、つまり、矩形導波管８の終端にはマイクロ波出口が設けられ、マイクロ波出口は、共振空洞のマイクロ波入口と整列され、それらの間の接合部は、矩形導波管８と共振空洞２２とが互いと閉じた状態で連通するように、封止されていることである。また、矩形導波管８の終端の軸と矩形導波管８の始端の軸とのなす傾斜角度が０°より大きく１８０°未満であるので、マイクロ波は、矩形導波管に沿って伝搬して矩形導波管の終端に達して共振空洞２２内に入るときに、その伝搬方向が変えられ得る。この理由のため、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのスクリュープローブ２３は省略することができる。本実施形態における表面波プラズマ装置のその他の構造および機能は、第１の実施形態で説明したそれぞれの構造およびそれらのそれぞれの機能と同様であり、繰り返して説明しない。

上記実施形態は、本開示の原理を説明するために採用された例示的な実施形態にすぎず、本開示はこれに限定されるものではない。本開示の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によってさまざまな修正および改良がなされ得、これらの修正および改良も、本開示の保護範囲内にあると考えられる。

Claims (25)

1. 表面波プラズマ装置であって、マイクロ波発生装置と、マイクロ波伝搬整合構造と、真空チャンバとを備え、前記マイクロ波発生装置と、前記マイクロ波伝搬整合構造と、前記真空チャンバとは順次接続され、前記マイクロ波伝搬整合構造は、前記マイクロ波発生装置によって発生されたマイクロ波を伝搬するための矩形導波管を含み、前記表面波プラズマ装置はさらに、前記矩形導波管と前記真空チャンバとの間において、前記矩形導波管と閉じた連通状態にあり、前記真空チャンバと封止接続状態で配置される共振空洞を備え、前記共振空洞の底壁は複数の誘電体窓を設けられ、前記真空チャンバの底面が位置する平面上の前記複数の誘電体窓の正射影は、前記平面上の前記真空チャンバの内壁の正射影によって規定される範囲内に入って、マイクロ波エネルギーを前記真空チャンバにそれぞれ結合する、表面波プラズマ装置。
2. 前記矩形導波管の終端が、前記共振空洞と閉じた連通状態にある、請求項１に記載の表面波プラズマ装置。
3. 前記矩形導波管の中間部分が、前記共振空洞と閉じた連通状態にある、請求項１に記載の表面波プラズマ装置。
4. 前記複数の誘電体窓は、前記真空チャンバの周方向に沿って均等に分布している、請求項１に記載の表面波プラズマ装置。
5. 前記複数の誘電体窓の分布は、複数の誘電体部材設置穴が前記共振空洞の底壁に設けられ、前記複数の誘電体部材設置穴の各々はその中に前記誘電体部材設置穴と一致する形状を有する誘電体部材を設けられるように、なされる、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の表面波プラズマ装置。
6. 各誘電体部材の形状は、柱、錐台、複数の柱の組み合わせ、複数の錐台の組み合わせ、柱と錐台との組み合わせ、の１つである、請求項５に記載の表面波プラズマ装置。
7. 前記誘電体部材の形状が複数の柱の組み合わせである場合、前記複数の柱を互いと同軸にして１つずつ積み、下段柱の直径は、上段柱の直径より大きくなく、
   前記誘電体部材の形状が複数の錘台の組み合わせである場合、前記複数の錘台を互いと同軸にして１つずつ積み、下段錘台の頂面の直径は、上段錘台の底面の直径より大きくなく、または、
   前記誘電体部材の形状が柱と錐台との組み合わせである場合、前記柱と前記錐台とを互いと同軸にして１つずつ積み、下段柱／錘台の頂面の直径は、上段柱／錘台の底面の直径より大きくない、請求項６に記載の表面波プラズマ装置。
8. 前記複数の誘電体窓の配置は、以下の態様でなされ、
   複数の誘電体部材設置穴が前記共振空洞の底壁に設けられ、誘電体部材が前記共振空洞の底壁と前記真空チャンバとの間に設けられ、前記誘電体部材は板状の構造であり、前記複数の誘電体部材設置穴を覆うように構成されるか、または、
   複数の誘電体部材設置穴が前記共振空洞の底壁に設けられ、誘電体部材が前記共振空洞の底壁と前記真空チャンバとの間に設けられ、前記誘電体部材は、取付板と、前記取付板に埋め込まれる複数の誘電体ブロックとを含み、前記複数の誘電体ブロックの各々は前記取付板を前記取付板の厚み方向に貫通し、前記複数の誘電体ブロックの量は前記複数の誘電体部材設置穴の量に対応し、前記複数の誘電体ブロックの位置は、前記複数の誘電体部材設置穴の位置と１対１対応である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の表面波プラズマ装置。
9. 前記誘電体部材の厚さは、５ｍｍ〜８０ｍｍの範囲にある、請求項５に記載の表面波プラズマ装置。
10. 前記誘電体部材の最小径は４０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲にある、請求項５に記載の表面波プラズマ装置。
11. 前記矩形導波管の中間部分に配置され、一端が前記共振空洞内に延び、前記矩形導波管におけるマイクロ波を前記共振空洞内に導入するよう構成される第１のプローブをさらに備える、請求項３に記載の表面波プラズマ装置。
12. 前記第１のプローブの他端は、前記共振空洞から離れる方向において前記矩形導波管の外側に延在する、請求項１１に記載の表面波プラズマ装置。
13. 前記第１のプローブは、ねじ接続、スナップ接続またはピン接続によって固定される、請求項１１に記載の表面波プラズマ装置。
14. 前記矩形導波管のマイクロ波出口と前記共振空洞のマイクロ波入口との間において、前記矩形導波管のマイクロ波出口と前記共振空洞のマイクロ波入口とに封止接続状態で設けられる接続空洞をさらに備え、前記第１のプローブの一端は前記接続空洞を貫通して前記共振空洞内に延在している、請求項１１〜請求項１３のいずれか１項に記載の表面波プラズマ装置。
15. 前記矩形導波管の後部に設けられ、前記矩形導波管に対して前記矩形導波管の軸に沿って移動して前記矩形導波管の実効通路の長さを調整することができる短絡ピストンをさらに備える、請求項３に記載の表面波プラズマ装置。
16. 前記共振空洞の軸方向に沿って延在し、上端が前記共振空洞の頂壁に固定されるかまたは前記共振空洞の頂壁を貫通して前記共振空洞の上に延在し、下端を前記共振空洞内に有する第２のプローブをさらに備える、請求項１に記載の表面波プラズマ装置。
17. 前記第２のプローブは、前記共振空洞の底壁に対して前記共振空洞の軸方向に沿って上下に移動するように構成される、請求項１６に記載の表面波プラズマ装置。
18. 前記第２のプローブの位置は、前記誘電体窓の位置に対応する、請求項１７に記載の表面波プラズマ装置。
19. 前記第２のプローブの量および位置は、前記誘電体窓の量および位置に対応し、対応する誘電体部材上における前記第２のプローブの正射影は、前記誘電体部材と同軸である、請求項１８に記載の表面波プラズマ装置。
20. 対応する誘電体部材上における前記第２のプローブの正射影の縁部と前記誘電体部材の縁部との間の距離は２ｃｍ未満ではない、請求項１８に記載の表面波プラズマ装置。
21. 複数の第２のプローブが設けられる場合、前記真空チャンバの底面上の前記複数の第２のプローブの投影は、前記真空チャンバの底面の中心に中心が位置し、半径が異なる複数の同心円上に分布される、または、
    複数の第２のプローブが設けられる場合、前記真空チャンバの底面上の前記複数の第２のプローブの投影は、前記真空チャンバの底面の中心に中心が位置する１つの円上に分布される、請求項１６〜請求項２０のいずれか１項に記載の表面波プラズマ装置。
22. 前記共振空洞は、さらに、昇降機構を含み、前記昇降機構の数は前記円の数に対応し、各昇降機構は１つの対応する円上の前記第２のプローブのすべてを駆動して同時に上昇または下降させるよう構成されるか、または、
    前記昇降機構の数は前記円の数に対応し、各昇降機構は１つの第２のプローブに対応し、前記第２のプローブを駆動して上下させるように構成される、請求項２１に記載の表面波プラズマ装置。
23. 雄ねじが少なくとも各第２のプローブの上部領域に設けられ、前記第２のプローブが配置される前記共振空洞の頂壁上の位置に、前記雄ねじと協働するねじ切りされた穴を設け、前記ねじ切りされた穴は貫通穴またはブラインド穴であり、前記第２のプローブは前記ねじ切りされた穴に１対１対応で取り付けられ、前記第２のプローブは、前記第２のプローブを時計回りまたは反時計回りで回転させることにより、前記共振空洞の底壁に対して上下に移動させられる、請求項２１に記載の表面波プラズマ装置。
24. 前記第２のプローブの下端と前記共振空洞の底壁との間の垂直方向間隔は１０ｍｍ未満ではない、請求項２２または請求項２３に記載の表面波プラズマ装置。
25. 前記共振空洞の高さは、１０ｍｍから２００ｍｍの範囲にある、請求項１に記載の表面波プラズマ装置。

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