JP2023107540A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理装置が有する処理容器の天壁を構成する天板内において電磁波の伝播を抑制する。【解決手段】処理容器と、前記処理容器の天壁を構成し、第１の誘電体から形成され、前記第１の誘電体に開口を有する天板と、前記開口に配置され、誘電率が前記第１の誘電体よりも大きい第２の誘電体から形成された透過窓と、前記透過窓へ向かって電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、を有するプラズマ処理装置が提供される。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

特許文献１は、マイクロ波を処理室内に放射するアンテナと、アンテナから放射されたマイクロ波を透過させ、表面波を形成する誘電体部材とを有するプラズマ処理装置を開示する。そして、表面電流および変位電流が流れる閉回路の長さを、ｎλ_０±δ（ｎは正の整数、λ_０はマイクロ波の波長、δは微調整成分（０を含む））となるようにすることを提案している。これにより、表面電流を大きくでき、プラズマの吸収効率が高くなるため、投入電力の増加による電子密度の増加率を高くできる。

特許文献２は、処理室と、平板状の誘電体窓と、誘導コイルと、平板電極と、高周波電源と、ガス供給手段と、試料を載置する試料台とを備えたプラズマ処理装置を開示する。誘電体窓と処理ガス供給板の間には高誘電率材料の誘電体が設けられており、生成される電界が高誘電率材料の誘電体に吸収されるため、実効電圧値が低下してしまい、電界分布が不均一になってしまう。これを防ぐために誘電体窓上部のファラデーシールドに切り欠きを作ることにより、切り欠きの直下の電界を弱くし、電界分布を均一化させる。

特開２０１３－１７５４３０号公報 特開２０１３－２５４７２３号公報

本開示は、プラズマ処理装置が有する処理容器の天壁を構成する天板内において電磁波の伝播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、処理容器と、前記処理容器の天壁を構成し、第１の誘電体から形成され、前記第１の誘電体に開口を有する天板と、前記開口に配置され、誘電率が前記第１の誘電体よりも大きい第２の誘電体から形成された透過窓と、前記透過窓へ向かって電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、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、プラズマ処理装置が有する処理容器の天壁を構成する天板内において電磁波の伝播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図。 図１のプラズマ処理装置に用いられるマイクロ波プラズマ源の一例を示す図。 図１のプラズマ処理装置の天板の下面の一例を示す図。 実施形態に係る透過窓の配置とプラズマの局在を模式的に示す図。 参考例及び実施形態に係る天板周辺の図。 参考例及び実施形態に係る天板内の電界強度分布を示す図。 実施形態に係る透過窓の半径とマイクロ波の伝播抑制効果を示す図。 実施形態に係る透過窓の半径と天板の外縁部における電界強度の一例を示す図。 実施形態に係る透過窓の誘電率と天板の外縁部における電界強度の一例を示す図。

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、円筒、円盤、一致には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直、略円、略円筒、略円盤、略一致が含まれてもよい。

［プラズマ処理装置］
最初に、図１～図３を参照しながら実施形態に係るプラズマ処理装置１００の構成例について説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置１００の一例を示す断面図である。図２は、図１のプラズマ処理装置１００に用いられるマイクロ波プラズマ源２の一例を示す図である。図３は、図１のプラズマ処理装置１００の天板１１１の下面の一例を示す図である。

プラズマ処理装置１００は、ウェハを一例とする基板Ｗに対して例えばエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理を施す。プラズマ処理装置１００は、気密に構成されたアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の処理容器１と、処理容器１内にマイクロ波プラズマを形成するように構成されたマイクロ波プラズマ源２とを有している。処理容器１は、円筒状であり、接地されている。処理容器１の上部は開口しており、開口を囲む支持リング２９が設けられ、マイクロ波プラズマ源２はこの開口から処理容器１の内部に臨むように設けられている。

処理容器１内には、基板Ｗを水平に支持するための載置台１１が、処理容器１の底部中央に絶縁部材１２ａを介して立設された筒状の支持部材１２により支持された状態で設けられている。載置台１１および支持部材１２を構成する材料としては、表面をアルマイト処理（陽極酸化処理）したアルミニウム等が例示される。

また、図示はしていないが、載置台１１には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック、温度制御機構、基板Ｗの裏面に熱伝達用のガスを供給する伝熱ガス流路、および基板Ｗを搬送するために昇降する昇降ピン等が設けられている。さらに、載置台１１には、整合器１３を介して高周波バイアス電源１４が電気的に接続されている。この高周波バイアス電源１４から載置台１１に高周波電力が供給されることにより、基板Ｗ側にプラズマ中のイオンが引き込まれる。

処理容器１の底部には排気管１５が接続されており、排気管１５には真空ポンプを含む排気装置１６が接続されている。排気装置１６を作動させることにより処理容器１内が排気され、処理容器１内を所定の真空度まで高速に減圧させることができる。また、処理容器１の側壁には、基板Ｗの搬入出を行うための搬入出口１７と、この搬入出口１７を開閉するゲートバルブ１８とが設けられている。

天板１１１は、処理容器１の上部にて支持リング２９に支持された状態で処理容器１の上部の開口を塞ぐ。これによって天板１１１により処理容器１の天壁が構成され、処理容器１と天板１１１とは、プラズマ生成空間Ｕを画成する。天板１１１は、プラズマ耐性の強い誘電体で構成されている。これにより、マイクロ波プラズマ源２から放射されるマイクロ波によって天板１１１が損傷することを回避でき、この結果パーティクルやコンタミネーションの発生を抑制することができる。

天板１１１は円盤状（円形の平板）であって誘電体（以下、「第１の誘電体」ともいう。）から形成される。第１の誘電体は複数の開口１１１ｂを有する。開口１１１ｂには、第１の誘電体の誘電率よりも大きい誘電率を持つ誘電体（以下、「第２の誘電体」ともいう。）から形成された透過窓１１２が嵌め込まれている。

透過窓１１２を形成する第２の誘電体の厚さは、天板１１１を形成する第１の誘電体の厚さと同じである。つまり、第２の誘電体のプラズマ生成空間Ｕに露出する面（すなわち、下面１１１ａ）は、第２の誘電体に隣接する第１の誘電体のプラズマ生成空間Ｕに露出する面と同一平面に存在する。ただし、第１の誘電体のプラズマ生成空間Ｕに露出する全面が平面でなくてもよく、例えば第１の誘電体の第２の誘電体に隣接する面以外の面に凹み等があってもよい。また、第２の誘電体のプラズマ生成空間Ｕに露出する面の反対面は、第２の誘電体に隣接する第１の誘電体のプラズマ生成空間Ｕに露出する面の反対面と同一平面に存在する。

第２の誘電体の誘電率は、第１の誘電体の誘電率よりも大きいため、透過窓１１２は、マイクロ波を透過させる際、マイクロ波の電磁界を第２の誘電体内に閉じ込めるように機能する。例えば、第１の誘電体は誘電率が約９．６のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）又は誘電率が約３．７～４の石英であってよく、第２の誘電体は、誘電率が３０のジルコニア等の高誘電率体であってよい。第２の誘電体の半径や取り得る誘電率の範囲については後述する。

マイクロ波プラズマ源２は、天板１１１の上部に配置されている。詳しくは、マイクロ波プラズマ源２に含まれる電磁波供給部４３が、第２の誘電体で形成された透過窓１１２の上部に配置されている。係る構成により、電磁波供給部４３は、透過窓１１２へ向かって電磁波の一例であるマイクロ波を供給する。

天板１１１の周囲は、下面１１１ａ及び支持リング２９により支持された部分を除きアルミニウム等の金属で形成された裏当て部材１１０により覆われている。支持リング２９と裏当て部材１１０との間は気密にシールされている。

図１及び図２に示すように、マイクロ波プラズマ源２は、複数経路に分配してマイクロ波を出力するマイクロ波出力部３０と、マイクロ波出力部３０から出力されたマイクロ波を伝送し、処理容器１内に放射するためのアンテナモジュール４１とを有している。

図２に示すように、マイクロ波出力部３０は、マイクロ波電源３１と、マイクロ波発振器３２と、発振されたマイクロ波を増幅するアンプ３３と、増幅されたマイクロ波を複数に分配する分配器３４とを有している。

マイクロ波発振器３２は、所定周波数（例えば、９１５ＭＨｚ）のマイクロ波を例えばＰＬＬ発振させる。分配器３４では、マイクロ波の損失ができるだけ起こらないように、入力側と出力側のインピーダンス整合を取りながらアンプ３３で増幅されたマイクロ波を分配する。なお、マイクロ波の周波数としては、９１５ＭＨｚの他に、７００ＭＨｚ以上３ＧＨｚ以下の周波数を用いることができる。

アンテナモジュール４１は、複数設けられ、分配器３４にて分配されたマイクロ波を処理容器１内へ導く。各アンテナモジュール４１は、分配されたマイクロ波を主に増幅するアンプ部４２と、電磁波供給部４３とを有している。また、電磁波供給部４３は、インピーダンスを整合させるためのチューナ６０（図１参照）と、増幅されたマイクロ波を処理容器１内に放射するアンテナ部１１３とを有している。そして、図１に示すように、アンテナモジュール４１における各電磁波供給部４３のアンテナ部１１３のスリット１１３Ｓから透過窓１１２を介して処理容器１内へマイクロ波が放射されるようになっている。

アンプ部４２は、位相器４６と、可変ゲインアンプ４７と、ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８と、アイソレータ４９とを有している。位相器４６は、マイクロ波の位相を変化させるように構成されており、これを調整することにより放射特性を変調させることができる。例えば、アンテナモジュール毎に位相を調整することにより指向性を制御してプラズマ分布を変化させることができる。また、隣り合うアンテナモジュールにおいて９０°ずつ位相をずらすようにして円偏波を得ることができる。また、位相器４６は、アンプ内の部品間の遅延特性を調整し、チューナ内での空間合成を目的として使用することができる。ただし、このような放射特性の変調やアンプ内の部品間の遅延特性の調整が不要な場合には位相器４６は設ける必要はない。

可変ゲインアンプ４７は、メインアンプ４８へ入力するマイクロ波の電力レベルを調整し、個々のアンテナモジュールのばらつきを調整またはプラズマ強度調整のためのアンプである。可変ゲインアンプ４７をアンテナモジュール毎に変化させることによって、発生するプラズマに分布を生じさせることもできる。

ソリッドステートアンプを構成するメインアンプ４８は、例えば、入力整合回路と、半導体増幅素子と、出力整合回路と、高Ｑ共振回路とを有する構成とすることができる。アイソレータ４９は、アンテナ部１１３で反射してメインアンプ４８に向かう反射マイクロ波を分離するものであり、サーキュレータとダミーロード（同軸終端器）とを有している。サーキュレータは、アンテナ部１１３で反射したマイクロ波をダミーロードへ導き、ダミーロードはサーキュレータによって導かれた反射マイクロ波を熱に変換する。

次に、図１に戻り、電磁波供給部４３について説明する。電磁波供給部４３は、マイクロ波を伝送する同軸構造の導波路（マイクロ波伝送路）４４と、導波路４４を伝送されたマイクロ波を処理容器１内に放射するアンテナ部１１３とを有している。そして、マイクロ波が、電磁波供給部４３からアンテナ部１１３及び透過窓１１２を通って処理容器１内に放射され、処理容器１内の空間で合成され、処理容器１内で表面波プラズマが形成されるようになっている。

導波路４４は、筒状の外側導体４３ｂおよびその中心に設けられた棒状の内側導体４３ａが同軸状に配置されて構成されており、導波路４４の先端にアンテナ部１１３が設けられている。導波路４４は、内側導体４３ａが給電側、外側導体４３ｂが接地側となっている。

外側導体４３ｂと内側導体４３ａとの間の空間にマイクロ波電力が給電される。そして、マイクロ波電力がアンテナ部１１３に向かって伝播する。また、導波路４４にはチューナ６０が設けられている。チューナ６０は、処理容器１内の負荷（プラズマ）のインピーダンスをマイクロ波出力部３０におけるマイクロ波電源の特性インピーダンスに整合させる。具体的には、外側導体４３ｂと内側導体４３ａとの間にて２つのスラグ６１ａ，６１ｂを上下に移動させることでインピーダンス整合する。

天板１１１を形成する第１の誘電体は、複数の貫通孔を有する。一例では天板１１１の下面１１１ａを、下面１１１ａの中心を含む領域である中央部と中央部の周囲の領域である外周部とに分けたとき、図３に示すように、中央部の透過窓１１２と外周部の透過窓１１２との間にて等間隔に複数の貫通孔が下面１１１ａに開口する。

図１及び図３に示すように、複数の貫通孔には、複数のガス供給管１１４が嵌め込まれている。ガス供給管１１４は、透過窓１１２の第２の誘電体の誘電率よりも小さい誘電率の誘電体（以下、「第３の誘電体」ともいう。）から形成され、例えば第３の誘電体の誘電率と第１の誘電体の誘電率は同じである。第３の誘電体は中空であり、例えばアルミナから形成されてもよい。ガス供給管１１４は、中空のガス流路にガスを流し、プラズマ生成空間Ｕにガスを供給する。複数のガス供給管１１４は、裏当て部材１１０を貫通し、ガス供給ライン２８に接続され、ガス供給ライン２８を介してガス供給部２７に接続されている。

処理ガスは、ガス供給部２７から供給され、ガス供給ライン２８を通って複数のガス供給管１１４から処理容器１内に導入される。導入された処理ガスは、プラズマ生成空間Ｕにおいてマイクロ波プラズマ源２から処理容器１内に導入されたマイクロ波の表面波により励起され、処理ガスのプラズマが形成される。

電磁波供給部４３及び透過窓１１２は、１又は複数であって同数設置される。図４は、実施形態に係る透過窓１１２の配置とプラズマの局在を模式的に示す図である。図３及び図４の例では、プラズマ処理装置１００は、電磁波供給部４３及び透過窓１１２を７個有しているが、個数はこれに限らない。また、電磁波供給部４３及び透過窓１１２は、天板１１１の中央部及び／又は外周部に設置される。図３及び図４の例では、電磁波供給部４３及び透過窓１１２が、外周部に円周状に６個およびその中央部に１個配置されている。

［高誘電率体の透過窓］
従来、プラズマ処理装置１００の天板はアルミニウム等の金属製であり、天板の開口に誘電体の透過窓を配置した構造を有していた。この場合、マイクロ波が透過窓を伝播する際、透過窓の近傍の天板の金属表面にも伝播し、天板の金属表面の特に角部等で電界が強くなり、天板にダメージを与え、金属が剥がれてパーティクルやコンタミネーションの原因となっていた。このパーティクル等の発生をなくす手段として、プラズマ耐性の強いアルミナ等の誘電体材料で天板１１１の全面を構成する方法がある。図５（ａ）は、参考例に係る天板１１１周辺の拡大図であり、誘電体材料で天板１１１の全面を構成する。これにより、天板が金属製の場合と比較して天板表面における電界の集中を回避でき、パーティクルやコンタミネーションを低減できる。なお、図５（ａ）は本実施形態のプラズマ処理装置１００の理解を促進する目的のために用いる参考例の図であり、従来技術を説明するものではない。

しかし、参考例の天板１１１の構成では、誘電体材料内を透過するマイクロ波の電磁界が天板１１１内で径方向に広がり、図４に示すように所望の位置に局所的にプラズマを生成することが難しくなる。これに対し、本実施形態では、天板１１１の開口に高誘電率体の透過窓１１２を嵌め込む。図５（ｂ）は、実施形態に係る天板１１１周辺の拡大図である。係る構成によれば、複数の電磁波供給部４３（アンテナモジュール４１）直下の電界を集中させたい箇所に局所的にプラズマを生成できる。例えば、図４の例では、中央部に１個配置された透過窓１１２下に局所的にプラズマＰ１を生成し、外周部に円周状に等間隔に６個配置された透過窓１１２下に局所的にプラズマＰ２～Ｐ７を生成する。この結果、プラズマＰ１～Ｐ７をそれぞれ分離して調整する独立して制御できるため、プラズマＰ１～Ｐ７の分布比率を制御できる。これにより、全体としてプラズマ生成空間Ｕの所望の位置に所望のプラズマを生成することができる。

以下では、天板１１１の第１の誘電体をアルミナで形成し、マイクロ波の電界を集中させたい透過窓１１２の第２の誘電体を高誘電率体のジルコニアで形成するプラズマ処理装置１００を例に挙げて局所的なプラズマの生成について説明する。ただし、第１の誘電体及び第２の誘電体の材質はこれに限らない。これにより、第１の誘電体よりも高誘電率体の第２の誘電体を天板１１１に埋め込むことで高誘電率体の透過窓１１２内にマイクロ波の電磁界を閉じ込めることができる。これにより、透過窓１１２の直下にマイクロ波による電界を集中させ、透過窓１１２下に局所的なプラズマを生成できるプラズマ処理装置１００を提供できる（図４参照）。

［シミュレーション結果１］
透過窓１１２の第２の誘電体の半径ｒ及び誘電率ε_ｒの範囲の適正値を得るためのシミュレーションの結果について図６を参照しながら説明する。図６は、図５（ａ）の参考例及び図５（ｂ）の実施形態に係る天板１１１内の電界強度分布をシミュレーションにより求めた結果１を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の点線枠内を拡大した図である。図６（ａ）及び（ｂ）に示す（１）は、図５（ａ）の参考例の天板１１１内の電界強度をシミュレーションにより算出した結果を示す。参考例では、天板１１１の全体を誘電率が約９．６のアルミナで構成した。

図６（ａ）及び（ｂ）に示す（２）は、図５（ｂ）の実施形態の天板１１１内の電界強度をシミュレーションにより算出した結果を示す。実施形態では、天板１１１の第１の誘電体を誘電率が約９．６のアルミナで構成し、透過窓１１２の第２の誘電体を誘電率が約３０のジルコニアで構成した。第２の誘電体の半径ｒは６０ｍｍに設定している。第２の誘電体の半径ｒは、図５（ｂ）に示すように、透過窓１１２（第２の誘電体）のプラズマ生成空間Ｕに露出する面における半径である。図１及び図５（ｂ）では、透過窓１１２の上部の半径が下部の半径よりも大きくなるように側面に段差を有するが、透過窓１１２は段差のない円柱状であってよい。その他のシミュレーション条件としては、供給するマイクロ波の周波数を８６０ＭＨｚに設定した。

図６の横軸は、図５（ａ）及び（ｂ）に示す中央部の電磁波供給部４３（及び透過窓１１２）の中心を通る軸Ａｘを、天板１１１の端部から２００ｍｍの位置（図６（ａ）の中央）として天板１１１の径方向の位置を示す。軸Ａｘは、天板１１１の中心軸と一致する。

図６の縦軸は、図５（ａ）及び（ｂ）に示す天板１１１内に径方向に引かれたラインＬ上の電界強度を、電界強度の最も高い軸ＡｘとラインＬとが交差する位置の電界強度を「１」として規格化して示す。ラインＬは、天板１１１の厚さ方向の約中央にて天板１１１の径方向に伸びる仮想線（直線）である。ただし、ラインＬは、天板１１１内の径方向に水平に伸びる直線であれば天板１１１の厚さの約半分に引かれた直線である必要はない。

図６（ａ）のシミュレーション結果では、（２）の実施形態では、半径ｒが６０ｍｍの透過窓１１２（第２の誘電体）は、直径が１２０ｍｍであり、図６（ａ）の横軸に示す約１４０ｍｍ～約２６０ｍｍの範囲に位置する。そして、図６（ａ）の横軸に示す１４０ｍｍ～２６０ｍｍの範囲では、（２）の実施形態の電界強度が（１）の参考例の電界強度と比較して高くなっている。一方、図６（ａ）に示す一方の外縁部（０ｍｍ～１４０ｍｍ）を拡大して示した図６（ｂ）では、（２）の実施形態の電界強度が（１）の参考例の電界強度と比較して低くなっている。

この結果、本実施形態に係る天板１１１の構成では、高誘電率体の第２の誘電体から形成された透過窓１１２を天板１１１内に埋め込むことにより、透過窓１１２の内部にマイクロ波の電磁波を閉じ込めることができる。これにより、電磁波供給部４３から供給されたマイクロ波の電磁波が、透過窓１１２よりも外縁部の天板１１１側に漏れることを抑制できる。

［シミュレーション結果２］
次に、第２の誘電体の半径ｒを可変に設定したときのマイクロ波の伝播抑制効果の結果について図７を参照しながら説明する。図７は、実施形態に係る透過窓１１２の第２の誘電体の半径ｒを可変にしたときのマイクロ波の伝播抑制効果をシミュレーションにより求めた結果２を示す図である。その他のシミュレーション条件は、図６の結果を得るためのシミュレーション条件と同じである。図７（ｂ）は、図７（ａ）の点線枠内を拡大した図である。図７（ａ）及び（ｂ）の横軸及び縦軸は図６の横軸及び縦軸と同じである。図７（ａ）及び（ｂ）の（１）は透過窓１１２の第２の誘電体の半径ｒが５０ｍｍの場合、（２）は第２の誘電体の半径ｒが７０ｍｍの場合のラインＬ（図５（ｂ）参照）における電界強度を示す。

これによれば、透過窓１１２の第２の誘電体の半径ｒによって電界分布が変わることがわかる。ただし、半径ｒが５０ｍｍの場合及び７０ｍｍの場合のいずれも、天板１１１内に第２の誘電体の透過窓１１２を埋め込むことにより、第２の誘電体の内部にて電界分布が高くなり、その外縁部では電界分布が顕著に低くなっている。つまり、第２の誘電体の内部にマイクロ波の電磁波を閉じ込めることができている。例えば、第２の誘電体の半径ｒが５０ｍｍの場合、直径１００ｍｍ（１５０ｍｍ～２５０ｍｍ）の第２の誘電体内の電界強度が高く、２５０ｍｍよりも外縁部の第１の誘電体内の電界強度を抑制できている。同様に、第２の誘電体の半径ｒが７０ｍｍの場合、直径１４０ｍｍ（１３０ｍｍ～２７０ｍｍ）の第２の誘電体内の電界強度が高く、２７０ｍｍよりも外縁部の第１の誘電体内の電界強度を抑制できている。

これにより、電磁波供給部４３から供給されたマイクロ波の電磁波が、透過窓１１２よりも外縁部の第１の誘電体の天板１１１側に漏れることを抑制できる。以上から、複数の透過窓１１２が天板１１１に配置されている場合、それぞれの透過窓１１２の高誘電率体内に電磁波を閉じ込められるため、隣接する透過窓１１２を透過するマイクロ波の影響は生じない。よって、隣接する透過窓１１２は、第１の誘電体の介在により接触していなければよく、隣接する透過窓１１２の間に設けられた第１の誘電体の厚さは問わない。すなわち、天板１１１の開口１１１ｂに複数の透過窓１１２が設置されている場合、複数の透過窓１１２の間の天板１１１の第１の誘電体の厚さは薄膜であってもよい。

［シミュレーション結果３］
次に、第２の誘電体の半径ｒの適正値を得るためのシミュレーションの結果について図８を参照しながら説明する。図８（ａ）の横軸は、透過窓１１２の第２の誘電体の誘電率ε_ｒが３０のジルコニアで構成されている場合の第２の誘電体の半径ｒを示す。図８（ｂ）の横軸は、軸Ａｘを天板１１１の中心（２００ｍｍ）位置として、軸Ａｘの位置における電界強度を１として中心から１８８ｍｍ（天板１１１の端部から１２ｍｍ）の外縁部における規格化された電界強度を示す。図８のシミュレーション条件は、第２の誘電体の材質を変更した点のみ図６と異なり、その他のシミュレーション条件は、図６の結果を得るためのシミュレーション条件と同じである。

図８（ａ）の横軸に示すλは、透過窓１１２の第２の誘電体内におけるマイクロ波の実効波長であり、誘電率ε_ｒが３０のジルコニアで第２の誘電体が形成されている場合、第２の誘電体内のマイクロ波の実効波長λは６３．７ｍｍである。図８（ａ）のシミュレーション結果によれば、ジルコニアの第２の誘電体の半径ｒがλ／２≦ｒ≦３λ／２の範囲になるように構成されることが好ましい。これにより、透過窓１１２の第２の誘電体から外縁部の第１の誘電体へマイクロ波の電磁波が広がることを充分に抑制し、外縁部における電界強度を充分に低くできる。

図８（ｂ）では、誘電率ε_ｒが１００の酸化チタンで第２の誘電体が形成されている場合、第２の誘電体の半径ｒと規格化された電界強度との関係を示す。図８（ｂ）では、横軸は酸化チタンで形成された第２の誘電体の半径ｒを示し、縦軸は軸Ａｘの中心位置における電界強度を１として中心から１８８ｍｍの外縁部における規格化された電界強度を示す。

誘電率ε_ｒが高くなると、第２の誘電体内を伝播するマイクロ波の実効波長λが短くなる。酸化チタンの場合、第２の誘電体内のマイクロ波の実効波長λは３４．９ｍｍである。図８（ｂ）のシミュレーションの結果によれば、酸化チタンの第２の誘電体の場合も半径ｒはλ／２≦ｒ≦３λ／２の範囲になるように構成されることが好ましい。これにより、透過窓１１２の第２の誘電体から外縁部の第１の誘電体へマイクロ波の電磁波が広がることを充分に抑制し、外縁部における電界強度を充分に低くできる。

以上から、図８（ａ）及び（ｂ）のシミュレーションの結果に基づき、第２の誘電体の半径ｒがλ／２≦ｒ≦３λ／２の条件を満たすとき、マイクロ波の電磁界が透過窓１１２の第２の誘電体から外縁部の第１の誘電体へ広がることを抑制できている。これにより、透過窓１１２下の電界強度を高め、局所的なプラズマを生成することができる。

［シミュレーション結果４］
図９は、実施形態に係る透過窓１１２を構成する第２の誘電体の誘電率ε_ｒと軸Ａｘの位置から１８８ｍｍの外縁部における電界強度の一例を示す。図９（ａ）の横軸は、透過窓１１２の第２の誘電体の誘電率ε_ｒを示し、図８（ｂ）の横軸は、軸Ａｘを天板１１１の中心位置（２００ｍｍ）における電界強度を１としたときの、中心から１８８ｍｍの外縁部における規格化された電界強度を示す。図９のシミュレーション条件は、第２の誘電体の誘電率を変更した点のみ図８と異なり、その他のシミュレーション条件は、図８の結果を得るためのシミュレーション条件と同じである。

これによれば、透過窓１１２を構成する第２の誘電体の誘電率ε_ｒを３０以上にすることで、第２の誘電体の誘電率ε_ｒを２０としたときと比べてマイクロ波の電磁波が透過窓１１２内に閉じ込めることができる。これにより、透過窓１１２よりも外側の外縁部まで電磁界が広がることを抑制でき、透過窓１１２下に電界を集中させ、透過窓１１２下において局所的なプラズマを生成できる。

よって、図９のシミュレーション結果から誘電率が９．６のアルミナの第１の誘電体に対しては、透過窓１１２の第２の誘電体の誘電率ε_ｒは、天板１１１の第１の誘電体の誘電率の３倍以上であればよく、３倍以上１０倍以下であれば、透過窓１１２よりも外側の外縁部までマイクロ波による電磁界が広がることを抑制できるため好ましい。

透過窓１１２の第２の誘電体は、誘電率が３０以上１００以下の高誘電率体であることが好ましい。よって、透過窓１１２の第２の誘電体は、誘電率が３０のジルコニア、誘電率が１００の酸化チタンであってもよい。第１の誘電体によっては透過窓１１２の第２の誘電体にサファイアを用いることもできる。

更に、透過窓１１２の第２の誘電体の誘電率ε_ｒは、天板１１１の第１の誘電体の誘電率の３倍以上４倍以下であれば、透過窓１１２よりも外側の外縁部まで電磁界が広がることをより十分に抑制できるため更に好ましい。よって、透過窓１１２は、誘電率が３０～４０のジルコニアであってもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置１００によれば、処理容器１の天壁を構成する天板１１１内の電界を集中させたい箇所に高誘電率体の透過窓１１２を設ける。すなわち、透過窓１１２の第２の誘電体を天板１１１の第１の誘電体の誘電率よりも大きい誘電率を持つ高誘電率体で構成する。これにより、マイクロ波による電界を透過窓１１２内に閉じ込め、マイクロ波の伝播を透過窓１１２よりも外側に広げることを抑制できる。よって、透過窓１１２よりも外側の外縁部において電界強度を抑制できる。

今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置は、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。

本開示のプラズマ処理装置は、ラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna）の装置に適用できる。

１ 処理容器
２ マイクロ波プラズマ源
２７ ガス供給部
４１ アンテナモジュール
４３ 電磁波供給部
１００ プラズマ処理装置
１１０ 裏当て部材
１１１ 天板
１１２ 透過窓
１１４ ガス供給管

Claims (11)

1. 処理容器と、
   前記処理容器の天壁を構成し、第１の誘電体から形成され、前記第１の誘電体に開口を有する天板と、
   前記開口に配置され、前記第１の誘電体の誘電率よりも大きい誘電率を持つ第２の誘電体から形成された透過窓と、
   前記透過窓へ向かって電磁波を供給するように構成された電磁波供給部と、
   を有するプラズマ処理装置。
2. 前記処理容器と前記天板とは、プラズマ生成空間を画成し、
   前記第２の誘電体の前記プラズマ生成空間に露出する面は、前記第２の誘電体に隣接する前記第１の誘電体の前記プラズマ生成空間に露出する面と同一平面に存在する、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記電磁波供給部及び前記透過窓は、１又は複数であって同数設置される、
   請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記電磁波供給部及び前記透過窓は、前記天板の中央部及び／又は外周部に設置される、
   請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記電磁波の前記第２の誘電体内における実効波長をλとすると、前記透過窓は、前記第２の誘電体のプラズマ生成空間に露出する面の半径ｒがλ／２≦ｒ≦３λ／２の範囲になるように構成される、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第２の誘電体の誘電率は、前記第１の誘電体の誘電率の３倍以上である、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記第２の誘電体の誘電率は、前記第１の誘電体の誘電率の３倍以上１０倍以下である、
   請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記第２の誘電体の誘電率は、前記第１の誘電体の誘電率の３倍以上４倍以下である、
   請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記透過窓は、複数設置され、
   複数の前記透過窓を形成する複数の前記第２の誘電体の間に介在する前記第１の誘電体の厚さは、薄膜である、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記第２の誘電体は、誘電率が３０以上１００以下の高誘電率体である、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記第１の誘電体に複数の貫通孔を有し、
    複数の前記貫通孔にそれぞれ配置され、誘電率が前記第２の誘電体よりも小さい中空の第３の誘電体から形成され、前記第３の誘電体内にガスを流すように構成された複数のガス供給管を有する、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。

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