JP2023082531A - プラズマ処理装置及びマイクロ波放射源 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を放射する開口付近におけるコンタミネーションの発生を抑制する。【解決手段】天壁に開口を有する処理容器と、マイクロ波放射源と、を備えるプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射源は、スロットを有し、前記スロットからマイクロ波を放射するスロットアンテナと、前記開口を閉塞し、マイクロ波を前記スロットから前記処理容器内に放射する透過窓と、を有し、前記透過窓は、前記開口の側壁を覆うように垂下する垂下部を有する第１面と、前記第１面の反対面であって、間隙を介して前記スロットアンテナと対面する第２面と、を有する、プラズマ処理装置が提供される。【選択図】図７

Description

本開示は、プラズマ処理装置及びマイクロ波放射源に関する。

例えば、特許文献１は、処理容器の天壁の開口に設けられた透過窓の下面に凹凸がなく、マイクロ波放射部材から放射されたマイクロ波の表面波が伝搬する天壁の下面に凸部を有するプラズマ処理装置を提案している。

特許文献２は、チャンバ内でウエハを載置する載置台と、複数のマイクロ波透過孔を有し、チャンバ内にマイクロ波を導入する平面アンテナ部材と、載置台との間に形成されるプラズマ処理空間を区画する透過板と、を備えるプラズマ処理装置を提案し、透過板の下面には凸部が形成されている。

特開２０１９－１０６３５８号公報 特開２００７－２９４９２４号公報

本開示は、マイクロ波を放射する開口付近におけるコンタミネーションの発生を抑制することができる技術を提供する。

本開示の一の態様によれば、天壁に開口を有する処理容器と、マイクロ波放射源と、を備えるプラズマ処理装置であって、前記マイクロ波放射源は、スロットを有し、前記スロットからマイクロ波を放射するスロットアンテナと、前記開口を閉塞し、マイクロ波を前記スロットから前記処理容器内に放射する透過窓と、を有し、前記透過窓は、前記開口の側壁を覆うように垂下する垂下部を有する第１面と、前記第１面の反対面であって、間隙を介して前記スロットアンテナと対面する第２面と、を有する、プラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、マイクロ波を放射する開口付近におけるコンタミネーションの発生を抑制することができる。

実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す断面模式図。 参考例に係る透過窓の構成と整合位置の一例を示す図。 第１実施形態に係る透過窓の構成と整合位置の一例を示す図。 第１実施形態の透過窓の構成におけるコンタミネーション数の実験結果の一例を示す図。 第２実施形態に係る透過窓の構成と整合位置の一例を示す図。 第２～第３実施形態及び参考例の透過窓の構成における着火性の実験結果の一例を示す図。 第３実施形態に係るマイクロ波放射源の構成の一例を示す図。 第３実施形態に係る透過窓の構成と整合位置の一例を示す図。 第３実施形態に係る透過窓における電磁界シミュレーションの結果の一例を示す図。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

本明細書において平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直、円、一致には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直、略円、略一致が含まれてもよい。

［プラズマ処理装置］
実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置１００の一例を示す模式断面図である。プラズマ処理装置１００は、処理容器１０１と、載置台１０２と、ガス供給部１０３と、排気装置１０４と、マイクロ波放射源１４０と、制御部１０６とを有する。

処理容器１０１は、金属材料、例えば表面にイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）等で皮膜処理が施されたアルミニウムからなり、有底の円筒形状の容器本体１１２と天壁１１１とを有する。容器本体１１２の上部は開口し、その開口を円板形状の天壁１１１が閉塞する。これにより、処理容器１０１内のプラズマ処理空間Ｕの気密が保持される。処理容器１０１内では底部に載置台１０２が配置されている。

載置台１０２は円板形状であり、例えば表面に陽極酸化処理が施されたアルミニウム等の金属材料、又は例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス材料から形成されている。載置台１０２は、半導体ウエハを一例とする基板Ｗを載置する。載置台１０２は、例えば、容器本体１１２の底部から絶縁部材１２１を介して上方に延びる金属製の支持部材１２０により支持されている。

また、載置台１０２の内部には、基板Ｗを昇降するための昇降ピン（図示せず）が載置台１０２の上面に対して突没可能に設けられている。さらに、載置台１０２の内部には加熱手段としてヒータ１２６が設けられている。ヒータ１２６は、ヒータ電源１２７から給電されて発熱する。そして、載置台１０２の上面の近傍に設けられた不図示のセンサ（例えば、熱電対）の温度信号によりヒータ１２６の出力を制御することで、基板Ｗが所定の温度に加熱制御される。

載置台１０２には、高周波電源１２２が電気的に接続されている。載置台１０２がセラミックスの場合は、載置台１０２に電極を設けて、その電極に高周波電源１２２を電気的に接続する。高周波電源１２２は、載置台１０２にバイアス電力としての高周波電力を印加する。高周波電源１２２が印加する高周波電力の周波数は０．４～２７．１２ＭＨｚの範囲が好ましい。

容器本体１１２の底部には排気管１１６が設けられ、排気管１１６には排気装置１０４が接続されている。排気装置１０４は、真空ポンプ、圧力制御バルブ等を備え、真空ポンプにより排気管１１６を介して処理容器１０１内が排気され、所望の真空状態に制御される。処理容器１０１内の圧力は、圧力計（図示せず）の値に基づいて圧力制御バルブにより制御される。容器本体１１２の側壁には、処理容器１０１に隣接する搬送室（図示せず）との間で基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口１１４が設けられている。基板Ｗの搬入出時、搬入出口１１４は、容器本体１１２の側壁に沿って設けられたゲートバルブ１１５により開口される。

天壁１１１は、マイクロ波放射源１４０及びガス導入管１２３を配置するための複数の開口を有している。ガス供給部１０３は、複数のガス導入管１２３と、ガス供給配管１２４と、ガス供給源１２５とを有する。複数のガス導入管１２３は、天壁１１１の中央のマイクロ波放射源１４０の周りに形成された複数の開口に配置される。複数のガス導入管１２３は、ガス供給配管１２４を介してガス供給源１２５に接続される。

ガス供給源１２５は、各種の処理ガスを供給する。なお、ガス供給配管１２４には、処理ガスの供給及びその停止を制御するバルブや処理ガスの流量を調整する流量調整器が設けられている。

マイクロ波放射源１４０は、天壁１１１の外周の６つの開口（図１では２つのみ図示）と、天壁１１１の中央の１つの開口とに配置される。つまり、本実施形態では、７つのマイクロ波放射源１４０のそれぞれが天壁１１１の開口に挿入されるように、天壁１１１の上部に配置される。ただし、マイクロ波放射源１４０の個数及び配置はこれに限らず、例えば天壁１１１の中央に１つのみ配置してもよいし、天壁１１１の外周のみに複数配置してもよい。

マイクロ波放射源１４０は、アンプ部１４２を介してマイクロ波出力部１３０に接続されている。マイクロ波出力部１３０は、マイクロ波を生成するとともに、マイクロ波を分配して各アンプ部１４２に出力する。各アンプ部１４２は、分配されたマイクロ波を主に増幅して各マイクロ波放射源１４０に出力する。

マイクロ波放射源１４０は、アンテナモジュール１４３、スロットアンテナ１４４及び透過窓１４５を有する。アンテナモジュール１４３は、内導体１４３ａと内導体１４３ａの周りに同心円に配置された外導体１４３ｂとを有する同軸導波管であり、内導体１４３ａと外導体１４３ｂとの間の空間をマイクロ波が伝搬する。内導体１４３ａと外導体１４３ｂとの間の空間には環状の誘電部材Ｍ１、Ｍ２が上下に設けられている。誘電部材Ｍ１は、誘電部材Ｍ２の上部に配置されている。誘電部材Ｍ１、Ｍ２は上下動可能であり、これによりインピーダンスを調整する。透過窓１４５の構成については、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態の順に後述する。

外導体１４３ｂの先端（アンテナモジュール１４３の先端）は拡径されている。外導体１４３ｂの拡径された内部には円盤形状のスロットアンテナ１４４が嵌め込まれている。外導体１４３ｂ及びスロットアンテナ１４４は天壁１１１の上部（外部）に設けられている。内導体１４３ａはスロットアンテナ１４４の上面中央に当接している。スロットアンテナ１４４は、スロットアンテナ１４４の中心部の周りに弧状または円環状のスロットＳを有する（図７（ｂ）参照）。スロットアンテナ１４４は、スロットＳからマイクロ波を放射するアンテナの機能を有する。なお、スロットＳは、スロットアンテナ１４４の中心部の周りに弧状または円環状に形成されていればよい。

スロットアンテナ１４４の下方には、スロットＳから放射されたマイクロ波を処理容器１０１内に放射する透過窓１４５が設けられている。透過窓１４５は、天壁１１１に設けられた開口の内部に配置され、その開口を閉塞する。透過窓１４５はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の誘電体から形成され、マイクロ波を透過する。このようにしてマイクロ波放射源１４０は、マイクロ波を処理容器１０１内に放射する。

制御部１０６は、例えば、コントローラ１０６ａ、メモリ１０６ｂを有するコンピュータである。制御部１０６は、入力装置、表示装置等を有してもよい。コントローラ１０６ａは、プラズマ処理装置１００の各部を制御する。コントローラ１０６ａでは、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができる。また、コントローラ１０６ａは、表示装置により、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、メモリ１０６ｂには、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をコントローラ１０６ａにより制御するための制御プログラム及びレシピデータが格納されている。コントローラ１０６ａが制御プログラムを実行して、レシピデータにしたがってプラズマ処理装置１００の各部を制御することにより、プラズマ処理装置１００を使用して成膜等の基板の処理が実行される。

＜第１実施形態＞
［透過窓］
次に、第１実施形態に係る透過窓１４５の構成の詳細について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２（ａ）は、参考例に係る透過窓１４５'の構成を示す図である。図３（ａ）は、第１実施形態に係る透過窓１４５の構成を示す図である。

図２（ａ）の参考例及び図３（ａ）の第１実施形態のいずれも、スロットアンテナ１４４と、透過窓１４５'及び透過窓１４５とは同一の直径を有する円盤形状である。すなわち、スロットアンテナ１４４と透過窓１４５'の側壁の位置は一致し、スロットアンテナ１４４と透過窓１４５の側壁の位置は一致する。ただし、同一の直径を有することが必須の条件ではない。天壁１１１の開口の側壁１１１ａ１は露出している。

図２（ａ）の参考例の透過窓１４５'では、下面１４５'Ｌ及び上面１４５'Ｕは共に平坦であり、透過窓１４５'の上面１４５'Ｕはスロットアンテナ１４４と接触する。透過窓１４５'の厚さは一定である。一方、図３（ａ）の第１実施形態の透過窓１４５では、透過窓１４５の下面である第１面１４５Ｌには天壁１１１の開口の側壁１１１ａ１を覆うように垂下する垂下部１４５ａを有する。透過窓１４５の厚さは垂下部１４５ａを除き一定である。透過窓１４５の上面である第２面１４５Ｕは平坦であり、スロットアンテナ１４４と接触する。垂下部１４５ａは、透過窓１４５の側壁よりも内側に形成されている。

図２（ａ）の参考例の透過窓１４５'の構成では、天壁１１１の開口の側壁１１１ａ１の角部やその近傍にて透過窓１４５'から放射された電磁波による電界が集中し、天壁１１１の開口付近が高電界になり、天壁１１１がダメージを受ける。そのダメージによって天壁１１１表面のイットリアの溶射膜が摩耗し、内部のアルミニウムがプラズマに露出することでアルミニウムが削られ、イットリウムやアルミニウムのコンタミネーションが発生し、かかる処理容器１０１内の金属汚染が課題となっていた。

天壁１１１の開口の側壁１１１ａ１の角部やその近傍におけるダメージの回避及びコンタミネーションの発生回避のため、図３（ａ）の第１実施形態の透過窓１４５では、開口の側壁１１１ａ１を覆うように垂下する垂下部１４５ａを設ける。垂下部１４５ａは、スロットＳよりも外周側で開口の側壁１１１ａ１の全周に亘って側壁１１１ａ１を覆っている。また、垂下部１４５の端部１４５ａ１の高さは、開口の端部の高さと一致する。すなわち、開口の端部と垂下部１４５ａの端部１４５ａ１とは、天壁１１１の下面１１１ａの高さに一致する。

これにより、垂下部１４５ａによって、開口の側壁１１１ａ１の角部やその近傍への電界集中を回避でき、天壁１１１の開口付近へのダメージを防止又は抑制できる。これにより、金属コンタミネーションの発生を軽減させることができる。

図４は、第１実施形態の透過窓１４５を用いた場合及び参考例の透過窓１４５'を用いた場合の、天壁１１１の表面に施された溶射膜のイットリア中のイットリウム（Ｙ）が金属コンタミネーションとして析出された数を比較して示した実験結果の一例を示す。

図４の結果では、Ｎ_２ガス、ＮＨ_３ガス、ＮＦ_３／Ａｒ／Ｈｅの混合ガスのいずれの場合にも、プラズマを生成したときの第１実施形態の透過窓１４５を用いた場合のコンタミネーション数は参考例の透過窓１４５'を用いた場合よりも少なかった。なお、Ｎ_２ガス及びＮＨ_３ガスのプラズマを生成したとき、処理容器１０１内は２０Ｐａに制御した。ＮＦ_３／Ａｒ／Ｈｅの混合ガスのプラズマを生成した時、処理容器１０１内は２０Ｐａと１００Ｐａとに制御した。いずれの場合にも第１実施形態の透過窓１４５の構成を用いることで参考例よりも金属コンタミネーションの発生を軽減することができた。

ところが、図３（ａ）の第１実施形態の透過窓１４５では、垂下部１４５ａを設けることで透過窓の形状が変更されたことにより、図２（ａ）の参考例の透過窓１４５'と比較してプラズマの使用条件（プロセスの使用条件）が狭くなってしまった。その結果について、図２（ｂ）（ｃ）及び図３（ｂ）（ｃ）を用いて説明する。透過窓１４５'の厚さは１０ｍｍであリ、透過窓１４５の厚さは垂下部１４５ａを除き１０ｍｍである。

図２（ｂ）及び図３（ｂ）は、処理容器１０１内を６Ｐａ、１０Ｐａ、２０Ｐａ、５０Ｐａ、１００Ｐａに制御し、透過窓１４５、１４５'から投入したマイクロ波のパワー（Ｗ）を横軸に示す。また、Ａｒガスのプラズマを生成したときの誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置（ｍｍ）を縦軸に示す。

図２（ｃ）及び図３（ｃ）は、処理容器１０１内を６Ｐａ、１０Ｐａ、２０Ｐａ、５０Ｐａ、１００Ｐａに制御し、透過窓１４５、１４５'から投入したマイクロ波のパワー（Ｗ）を横軸に示す。また、Ｎ_２ガスのプラズマを生成したときの誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置（ｍｍ）を縦軸に示す。

実験の結果、参考例の透過窓１４５'を使用した場合、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すようにマイクロ波のパワーや圧力を変化させても誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置は概ね変わらなかった。これは、プラズマが安定していることを示す。換言すれば、プラズマの使用条件が広いことを示す。

これに対して、第１実施形態の透過窓１４５を使用した場合、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すようにマイクロ波のパワーや圧力を変化させると誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置が変化し、バラツキが生じた。これは、プラズマが不安定であることを示す。換言すれば、プラズマの使用条件が狭いことを示す。

更に誘電部材Ｍ２の下面からスロットアンテナ１４４の上面までの距離をＤとしたとき（図１，図７（ａ）参照）、誘電部材Ｍ２の整合位置における距離Ｄが１０ｍｍを下回ると誘電部材Ｍ２からスロットアンテナ１４４までの距離が短いため接触の可能性がある。つまり、これ以上誘電部材Ｍ２をスロットアンテナ１４４側に移動させることができず、整合がとれなくなることを示す。換言すれば、プラズマの使用条件が狭いことを示す。

この点について、参考例の透過窓１４５'を使用した場合、図２（ｂ）に示すように誘電部材Ｍ２の整合位置（距離Ｄ）は１０ｍｍを上回った。これに対して、第１実施形態の透過窓１４５を使用した場合、図３（ｂ）に示すように誘電部材Ｍ２の整合位置（距離Ｄ）が１０ｍｍを下回った。以上から、図３（ａ）の第１実施形態の透過窓１４５では、図２（ａ）の参考例の透過窓１４５'と比較してプラズマが不安定になり、プラズマの使用条件が狭くなった。

そこで、第１実施形態の透過窓１４５を使用した場合よりもプラズマの使用条件を広くすると同時に、天壁１１１のダメージを回避し、コンタミネーションの発生を抑制できるように透過窓１４５の形状に改良を加えた。改良後の第２実施形態の透過窓１４５の構成について、図５を参照しながら説明する。

＜第２実施形態＞
［透過窓］
図５（ａ）は、第２実施形態に係る透過窓１４５の構成と整合位置の一例を示す図である。第２実施形態の透過窓１４５は、基本的に第１実施形態と同様の構成であり、以下では第１実施形態の透過窓１４５と異なる構成について説明し、同一構成については説明を省略する。

第２実施形態に係る透過窓１４５は、開口の側壁１１１ａ１を覆うように垂下する垂下部１４５ａを有する第１面１４５Ｌと、第１面１４５Ｌの反対面であって、間隙Ｋを介してスロットアンテナ１４４と対面する第２面１４５Ｕとを有する。スロットアンテナ１４４と第２面１４５Ｕとは接しておらず、その間に垂直方向に２ｍｍの間隙Ｋが存在する。透過窓１４５の厚さは垂下部１４５ａを除き８ｍｍである。ただし、間隙Ｋは、垂直方向に２ｍｍ以下であってもよい。

図５（ｂ）（ｃ）は、処理容器１０１内を６Ｐａ、１０Ｐａ、２０Ｐａ、５０Ｐａ、１００Ｐａに制御し、第２実施形態の透過窓１４５から投入したマイクロ波のパワーを横軸に示す。また、図５（ｂ）はＡｒガスのプラズマを生成したとき、図５（ｃ）はＮ_２ガスのプラズマを生成したときの誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置を縦軸に示す。

実験の結果、第２実施形態の透過窓１４５を使用した場合、図５（ｂ）に示すようにＡｒガスのプラズマを生成したとき、マイクロ波のパワーや圧力を変化させても誘電部材Ｍ１の整合位置はほぼ変わらなかった。誘電部材Ｍ２の整合位置に多少のバラツキが生じたが、誘電部材Ｍ２の整合位置（距離Ｄ：図７（ａ）参照）は１０ｍｍを上回った。これは、プラズマが安定していることを示す。

図５（ｃ）に示すようにＮ_２ガスのプラズマを生成したとき、マイクロ波のパワーや圧力を変化させても誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置はほぼ変わらなかった。これは、プラズマが安定していることを示す。換言すれば、プラズマの使用条件が広いことを示す。

以上から、第２実施形態の透過窓１４５を使用した場合、第１実施形態の透過窓１４５を使用した場合よりもプラズマを安定させ、プラズマの使用条件を広くすることができた。よって、第２実施形態の透過窓１４５によれば、プラズマの使用条件を広く維持しつつ、天壁１１１へのダメージを防止又は抑制でき、金属コンタミネーションの発生を軽減させることができる。

一方、プラズマ着火性の実験結果では、第２実施形態の透過窓１４５を使用した場合、参考例の透過窓１４５'を使用した場合よりもプラズマ着火性が悪かった。図６は、第２～第３実施形態及び参考例の透過窓の構成における着火性の実験結果の一例を示す図である。

図６（ａ）は、Ａｒガスのプラズマを生成した場合のプラズマ着火の状態を示す。図６（ｂ）は、Ｎ_２ガスのプラズマを生成した場合のプラズマ着火の状態を示す。プラズマ着火性は、目視により判断した。

この実験結果では、図６（１）に参考例に係る透過窓１４５'を使用した場合、図６（２）に第２実施形態に係る透過窓１４５を使用した場合について、各圧力及び各マイクロ波のパワーに対して着火したときを〇（着火可能）で示し、着火しなかったときを×（着火不可）で示す。図６（３）の第２実施形態に係る透過窓１４５を使用した場合については後述する。図６（２）の第２実施形態に係る透過窓１４５を使用した場合、図６（１）に示す参考例に係る透過窓１４５'を使用した場合と比べて、図６（ａ）（ｂ）のいずれにおいてもプラズマの着火性能が悪くなった。

そこで、プラズマの使用条件及びプラズマ着火性能を維持した状態で、天壁１１１のダメージを回避し、金属コンタミネーションの発生を抑制できるように更に透過窓１４５の形状に改良を加えた。改良後の第３実施形態の透過窓１４５の構成について、図７及び図８を参照しながら説明する。

＜第３実施形態＞
［透過窓］
図７は、第３実施形態に係る透過窓１４５を含むマイクロ波放射源１４０の一例を示す断面模式図である。図８は、第３実施形態に係る透過窓１４５の構成と整合位置の一例を示す図である。第３実施形態の透過窓１４５は、基本的に第２実施形態の透過窓１４５と同様の構成であり、以下では第２実施形態の透過窓１４５と異なる構成について説明し、同一構成については説明を省略する。

図７（ａ）及び図８（ａ）に示すように、第３実施形態に係る透過窓１４５は、開口の側壁１１１ａ１を覆うように垂下する垂下部１４５ａを有する第１面１４５Ｌを有する。また、第１面１４５Ｌの反対面であって、間隙Ｋを介してスロットアンテナ１４４と対面する第２面１４５Ｕを有する。第２面１４５Ｕは、スロットアンテナ１４４の中心部に接触する凸部１４５ｃを有し、凸部１４５ｃを除く面において間隙Ｋを介してスロットアンテナ１４４と対面するように構成されている。つまり、第２面１４５Ｕは、凸部１４５ｃを除きスロットアンテナ１４４と接しておらず、その間に垂直方向に２ｍｍの間隙Ｋが存在する。透過窓１４５の厚さは、垂下部１４５ａを除き８ｍｍである。

図７（ｂ）は、透過窓１４５の第２面１４５Ｕと対面するスロットアンテナ１４４の裏面の位置関係を示し、図７（ｃ）は、第２面１４５Ｕを示す。図７（ｂ）に示すように、本開示では、スロットアンテナ１４４のスロットＳは、中心ＣＴから所定の内径及び外径を有する円環状の開口である。スロットＳの内径よりも内側は、凸部１４５ｃとの接触部分を有するスロットアンテナ１４４の中心部である。

例えば本開示では、凸部１４５ｃは、透過窓１４５の中心から半径Ｒ、高さが２ｍｍの円柱形状である。凸部１４５ｃの上面はスロットアンテナ１４４に接触する面であり、スロットＳの内径（内側直径）よりも小さい直径（２Ｒ）の円である。この場合、図７（ｂ）に示すように、スロットＳから離れてスロットアンテナ１４４の中心部と接触する。

ただし、これに限らず、凸部１４５ｃの上面は、スロットＳの内径以下の直径（２Ｒ）の円であってもよい。例えば、凸部１４５ｃの上面の直径とスロットＳの内径とが一致してもよい。この場合、凸部１４５ｃの上面はスロットＳの内部に重ならない。つまり、スロットＳを通して凸部１４５ｃの上面は見えない。一方、凸部１４５ｃの上面の直径がスロットＳの内径よりも大きいと凸部１４５ｃの上面がスロットＳの内部に重なるため許容されない。また、本開示では、凸部の高さは２ｍｍであるが、２ｍｍ以下であってもよい。

図８（ｂ）（ｃ）は、処理容器１０１内を６Ｐａ、１０Ｐａ、２０Ｐａ、５０Ｐａ、１００Ｐａに制御し、第３実施形態の透過窓１４５から投入したマイクロ波のパワーを横軸に示す。また、図８（ｂ）はＡｒガスのプラズマを生成したとき、図８（ｃ）はＮ_２ガスのプラズマを生成したときの誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置を縦軸に示す。

実験の結果、第３実施形態の透過窓１４５を使用した場合、図８（ｂ）（ｃ）に示すようにＡｒガス及びＮ_２ガスのいずれのプラズマを生成したときも、マイクロ波のパワーや圧力を変化させても誘電部材Ｍ１、Ｍ２の整合位置はほぼ変わらなかった。これは、プラズマが安定していることを示す。換言すれば、プラズマの使用条件が広いことを示す。更に、第３実施形態の透過窓１４５を使用した場合、図８（ｂ）に示すように誘電部材Ｍ２の整合位置（距離Ｄ）が１０ｍｍを上回った。これは、プラズマが安定していることを示す。

更に、図６のプラズマ着火性の実験結果を参照する。図６（３）に示す第３実施形態に係る透過窓１４５を使用した場合、図６（２）に示す第２実施形態に係る透過窓１４５を使用した場合と比べて図６（ａ）（ｂ）のいずれのガスの場合もプラズマの着火性能が向上した。図６（３）に示す第３実施形態に係る透過窓１４５を使用した場合、図６（１）に示す参考例に係る透過窓１４５'を使用した場合と同等までプラズマ着火性を向上できた。

以上から、第３実施形態の透過窓１４５を使用した場合、第２実施形態の透過窓１４５を使用した場合と同様にプラズマを安定させ、プラズマの使用条件を広くすることができる。

加えて、第３実施形態の透過窓１４５では、第２実施形態の透過窓１４５を使用した場合よりもプラズマ着火性を向上させることができた。以上から、第３実施形態の透過窓１４５によれば、プラズマの使用条件及びプラズマ着火性能を維持した状態で、天壁１１１のダメージを回避し、金属コンタミネーションの発生を抑制できる。

第３実施形態の透過窓１４５の構成がプラズマ着火性を向上できる理由について、図９を参照しながら説明する。図９は、第３実施形態に係る透過窓１４５を使用した場合に、マイクロ波放射源１４０から所定パワーのマイクロ波を放射したときの電磁界シミュレーションの結果の一例を示す図である。図９（ａ）に示すＲは凸部１４５ｃの半径を示す。ｒは、透過窓１４５の中心からの距離を示す。透過窓１４５の中心は、図７（ｂ）に示すスロットアンテナ１４４の中心ＣＴに等しい。

電磁界シミュレーションの条件としては、透過窓１４５はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成され、処理容器１０１内にガスは供給せず、間隙Ｋは大気（空気）とした。また、マイクロ波放射源１４０から供給されるマイクロ波の周波数は８６０ＭＨｚ、マイクロ波のパワーは５００Ｗに設定した。間隙Ｋは２ｍｍ、透過窓１４５の厚さは、垂下部１４５ａを除き８ｍｍに設定した。

その結果を図９（ｂ）（ｃ）に示す。図９（ｂ）の横軸は、図９（ａ）に示す透過窓１４５の中心軸Ａｘからの距離ｒ（ｍｍ）、縦軸は放射されたマイクロ波により発生する電界強度（Ｖ／ｍ）である。図９（ｂ）は、凸部１４５ｃの半径Ｒ（図９（ａ）、図７（ｃ）の参照）が、５ｍｍ（Ｒ５）、８ｍｍ（Ｒ８）、１４ｍｍ（Ｒ１４）、１９ｍｍ（Ｒ１９）、２４ｍｍ（Ｒ２４）の場合、透過窓１４５の中心からの距離ｒにおける電界強度の最大値（電界最大値）をプロットした。また、図９（ｃ）は、凸部１４５ｃの半径Ｒが、０ｍｍ、５ｍｍ、８ｍｍ、１４ｍｍ、１９ｍｍ、２４ｍｍのときの距離ｒにかかわらない電界最大値を数値で示した表である。凸部１４５ｃの半径Ｒが０ｍｍとは、透過窓１４５に凸部１４５ｃを有しない第２実施形態に係る透過窓１４５の形状であることを示す。

以上の結果によれば、凸部１４５ｃの存在によって電界最大値が大きくなることがわかる。そして、凸部１４５ｃの半径Ｒが８ｍｍのとき、すなわち凸部１４５ｃの直径φが１６ｍｍのとき、放射されるマイクロ波による電界の最大値を得ることができる。電界最大値が大きくなるほど、プラズマ着火性が良くなる。よって、透過窓１４５に凸部１４５ｃを設けることで透過窓１４５に凸部１４５ｃを有しない第２実施形態に係る透過窓１４５と比べてプラズマ着火性を向上させることができる。

つまり、第３実施形態の透過窓１４５によれば、垂下部１４５ａ及び凸部１４５ｃを透過窓１４５の所定位置に設けることによりプラズマ使用条件及びプラズマ着火性能を維持しつつ、天壁１１１のダメージを回避し、金属コンタミネーションの発生を抑制できる。

凸部１４５ｃの外周寸法は、マイクロ波の実効波長の半分程度にすると電界強度を最大にできる。周波数が８６０ＭＨｚのマイクロ波の真空中の波長λ_０は３４８ｍｍである。このとき、マイクロ波の透過窓１４５における実効波長をλ_ｇとすると式（１）が成立する。

透過窓１４５をアルミナで形成した場合、アルミナの比誘電率ε_ｒは約１０である。これを式（１）に代入すると、式（２）からマイクロ波の実効波長の半分（λ_ｇ／２）は、約５５と算出される。

透過窓１４５の凸部１４５ｃの直径φが１６ｍｍのとき（半径Ｒが８ｍｍのとき）、凸部１４５ｃの外周２πＲは、式（３）から約５０と算出される。

外周２πＲ＝２×３．１４×８≒５０・・・式（３）

凸部１４５ｃの外周寸法をマイクロ波の実効波長λ_ｇの半分にする又は実効波長λ_ｇの半分に近づけると電界強度を最大にできる理由は、比誘電率ε_ｒが異なる境界部で電界が強まるため、凸部１４５ｃの外周寸法が電界強度を高めるのに効いてくるためである。

比誘電率ε_ｒが異なる境界部とは天壁１１１であれば、間隙Ｋの空気層との境界であるアルミナの凸部１４５ｃの外周部分を指し、スロットＳであれば、空気であるスロットＳとアルミニウムであるスロットアンテナ１４４との境界部分を指す。したがって、スロットＳの外周寸法をマイクロ波の実効波長λ_ｇの半分にする又は実効波長λ_ｇの半分に近づけると、スロットアンテナ１４４において図７（ｂ）に示すスロットＳとスロットアンテナ１４４との境界で発生する磁場Ｈ及び電界Ｅの強度を最大にできる。

また、凸部１４５ｃの外周寸法が電界Ｅの強度の最大を導くパラメータとなる。図７（ｃ）の磁場Ｈは凸部１４５ｃの外周寸法をマイクロ波の実効波長λ_ｇの半分にする又は実効波長λ_ｇの半分に近づけると凸部１４５ｃの外周（境界部）で発生する磁場Ｈ及び電界Ｅの強度を最大にできる。なお、上述した「マイクロ波の実効波長λ_ｇの半分にする又は実効波長λ_ｇの半分に近づける」とは、概ねλ_ｇ／２±λ_ｇ／１０のことである。

以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置１００及びマイクロ波放射源１４０によれば、マイクロ波を放射する開口におけるダメージによるコンタミネーションの発生を抑制することができる。

特に、第３実施形態の透過窓１４５を使用した場合、第２実施形態の透過窓１４５を使用した場合と同様にプラズマを安定させ、プラズマの使用条件を広くすることができ、更に第２実施形態の透過窓１４５と比較してプラズマ着火性を高めることができる。

なお、図４に示すように、第１実施形態の透過窓１４５を使用した場合にコンタミネーションとして析出されたイットリウム（Ｙ）の数は、参考例の透過窓１４５'を用いた場合と比較して減少した。図示していないが、第２及び第３実施形態の透過窓１４５を使用した場合も同様に、コンタミネーションとして析出されたイットリウム（Ｙ）の数は、参考例の透過窓１４５'を用いた場合と比較して減少した。

今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置１００及びマイクロ波放射源１４０は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

１００ プラズマ処理装置
１０１ 処理容器
１０２ 載置台
１０３ ガス供給部
１０６ 制御部
１１１ 天壁
１４０ マイクロ波放射源
１４４ スロットアンテナ
１４５ 透過窓
１４５ａ 垂下部
１４５ｃ 凸部
１４５Ｌ 第１面
１４５Ｕ 第２面

Claims (10)

1. 天壁に開口を有する処理容器と、マイクロ波放射源と、を備えるプラズマ処理装置であって、
   前記マイクロ波放射源は、
   スロットを有し、前記スロットからマイクロ波を放射するスロットアンテナと、
   前記開口を閉塞し、マイクロ波を前記スロットから前記処理容器内に放射する透過窓と、を有し、
   前記透過窓は、
   前記開口の側壁を覆うように垂下する垂下部を有する第１面と、前記第１面の反対面であって、間隙を介して前記スロットアンテナと対面する第２面と、を有する、プラズマ処理装置。
2. 前記第２面は、前記スロットアンテナの中心部に接触する凸部を有し、前記凸部を除く面において前記間隙を介して前記スロットアンテナと対面するように構成されている、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記スロットは、前記中心部の周りに弧状または円環状に形成され、
   前記凸部の接触面は、前記スロットの内側直径以下の直径を有する円であり、前記スロットの内部に重ならない、
   請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記凸部の接触面は、前記スロットの内側直径よりも小さい直径を有する円であり、前記スロットから離れて前記中心部と接触する、
   請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記凸部の高さは、２ｍｍ以下である、
   請求項２～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記凸部の外周の寸法は、マイクロ波の実効波長λ_ｇの半分である、
   請求項２～５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記垂下部の端部の高さは、前記開口の端部の高さと一致する、
   請求項１～６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記垂下部は、前記スロットよりも外周側で前記開口の側壁の全周に亘って形成されている、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記垂下部は、前記透過窓の側壁よりも内側に形成されている、
   請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 天壁に開口を有する処理容器を備えるプラズマ処理装置に使用されるマイクロ波放射源であって、
    スロットを有し、前記スロットからマイクロ波を放射するスロットアンテナと、
    前記開口を閉塞し、マイクロ波を前記スロットから前記処理容器内に放射する透過窓と、を有し、
    前記透過窓は、
    前記開口の側壁を覆うように垂下する垂下部を有する第１面と、前記第１面の反対面であって、間隙を介して前記スロットアンテナと対面する第２面と、を有する、マイクロ波放射源。

Images