JP2023129476A - 高周波プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波プラズマ発生装置の分野では、液晶デイスプレイや有機ＥＬデイスプレイ等の高品質化・大画面化・低コスト化等への対応のため、電源の高周波数化及び基板サズの更なる大型化が試みられているが、依然として、電磁波特有の定在波に起因するプラズマの不均一化という問題を抱えている。この問題を解決可能なプラズマ発生装置を提供すること。【解決手段】矩形型非接地電極の前記接地電極に対向しない面の４つ辺の辺中央部にそれぞれに設けた給電点から供給される第１の電力と、前記接地電極に対向しない面の４つの角部に設けた各給電点から供給される第２、第３、第４及び第５の電力を時間的に切り替えて供給し、前記第１の電力が生成するゼロ次のベッセル関数型のプラズマと、前記第２、第３、第４、及び第５の電力が生成する余弦波型のプラズマを重畳させることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、大面積基板を対象にした高周波プラズマ発生装置に関する。特に、プラズマＣＶＤによる薄膜形成、プラズマＡＬＤによる薄膜形成及びプラズマエッチングによる微細加工に用いられる大面積高周波プラズマ発生装置に関する。

液晶デイスプレイ、有機ＥＬデイスプレイ及び各種半導体デバイス等の製造には、プラズマＣＶＤ装置、プラズマＡＬＤ装置及びプラズマエッチング装置等が活用されている。
近年、プラズマＣＶＤ装置、プラズマＡＬＤ装置及びプラズマエッチング装置の応用分野では、液晶ディスプレイパネル及び有機ＥＬディスプレイパネルの大画面化、高品質化、低価格化のニーズが更に強くなり、それらの生産に用いるマザーガラスの大型化への取り組みが、鋭意進められている。なお、マザーガラスの寸法は、第１０世代：２，８８０ｍｍｘ３，１００ｍｍ、第１１世代：３，０００ｍｍｘ３，３２０ｍｍと言われている。
プラズマ応用分野において、プラズマ処理の高品質化を図るには、プラズマダメージ（イオン衝撃による基板の損傷）を抑制することが必要である。プラズマダメージ（イオン衝撃による基板の損傷）を抑制する手段として、電源周波数を工業周波数の１３．５６ＭＨｚより高くすることが効果的であることが、一般に知られている。
しかしながら、電源周波数を高くすると、工業周波数である１３．５６ＭＨｚ（真空中での波長：２２．１２ｍ）の場合に比べて、波長が短くなるので、プラズマ生成領域である電極間に供給電力の定在波が発生する。前記定在波の発生は、均一なプラズマの生成を阻害する、という問題を起こす。この定在波に起因するプラズマの不均一化という問題は、プラズマを励起する電磁波固有の現象であることから、高周波プラズマ発生装置では避けて通れない問題である。

特許文献１には、容量結合型平行平板プラズマ処理装置の電源の高周波数化の問題に関し、以下に示す主旨の記述がある。
従来、上部電極への給電は給電棒を介して行っており、給電棒の周囲をチャンバーと略同一寸法の箱で覆って電磁波を遮蔽している。しかし、給電棒のインダクタンスが非常に大きいため、上部電極への供給高周波電力の周波数が高くなると、プラズマからの反射波の高調波が給電棒のインダクタンス成分のために反射され、さらに給電棒が設置されている箱の中の至るところで反射し、反射した高調波がプラズマに接触している上部電極表面に戻る。電極径が大きい場合、電極表面に定在波が生成されやすい。その結果、電極表面の電界分布が不均一になる。特許文献１に記載のプラズマＣＶＤ装置は、板状部材を非接地電極に対向配置し、且つ該電極にローパスフィルターを設けることにより給電棒のインダクタンスを低下させるとともに、高調波をグランドに落とすことを特徴としている。

特許文献２には、容量結合型平行平板プラズマ処理装置の電源の高周波数化の問題に関し、以下に示す主旨の記述がある。
印加周波数を上昇させると、高周波電流は電極のごく表面しか流れないようになり、給電棒から電極に供給された高周波電力は、電極裏面を通って電極の円周方向に至り、電極のプラズマ接触面を円周側から中心に向かって徐々に供給される。また、上部電極の円周部分は絶縁体（容量成分）で囲まれており、絶縁体の外側のチャンバーは保安接地されている。このため、上部電極のプラズマ接触面で干渉作用により定在波が形成され、電極径方向での電界分布が不均一になる。特許文献２に記載のプラズマＣＶＤ装置は、給電部材の給電位置を移動させる移動機構を有する（給電棒の位置を時間的に変化させる）ことを特徴としている。

特許文献３には、容量結合型平行平板プラズマ処理装置の電源の高周波数化の問題に関し、以下に示す主旨の記述がある。
基板の大型化に伴う電極の大型化には、定在波の問題がある。高周波電源として、通常１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚの周波数の高周波電源が用いられ得る。基板のサイズが１ｍ×１ｍ以下では、堆積すべき膜の種類に応じて成膜条件を最適化することにより、得られる膜厚分布は±１０％以下にすることができる。しかし、基板サイズが１ｍ×１ｍ以上になると、定在波の発生により、膜厚分布の所望の均一性を確保することができなくなる。
特許文献３に記載のプラズマＣＶＤ装置は、非接地電極に複数個の誘電体が埋め込まれ、 前記電極に供給する高周波電力の周波数の波長をλとする時、電極の中心を中心とする直径がλ／８～λ／４の範囲に設定された第１の円形領域では、前記電極の表面における金属の表面積と前記誘電体の表面積の割合が７：３～５：５であることを特徴とする。

特許文献４には、容量結合型平行平板プラズマ処理装置の電源の高周波数化の問題に関し、以下に示す主旨の記述がある。
従来のプラズマＣＶＤ装置では、シャワープレート電極の裏側の面（プラズマ発生領域から見て裏側の面）の中心１点を介して高周波電圧を印加している。この従来の方法では、該シャワープレート電極の面積が増大すると、成膜ガスを均一にプラズマ化することが原理的に困難である。これは高周波特有の定在波の問題である。
特許文献４に記載のプラズマＣＶＤ装置は、シャワーヘッド電極の構造が、原料ガスを大面積状態に拡散させ、流れ分布を均一化する手段を内包した容器状のヘッド本体と、前記ヘッド本体の開口を覆い、ガス噴出孔を備えた一枚のシャワープレートを備えること、複数の電源装置を有し、各前記電源装置には位相制御装置が接続され、前記位相制御装置は、各前記電源装置が出力する高周波電圧の位相をそれぞれ制御するように構成され、各前記電源装置は、前記ヘッド本体の底面に中心から等距離で異なる位置に配置された給電点にそれぞれ接続されること、を旨とする特徴がある。

特開２０００－３３１９９６ 特開２００１－０６０５８１ 特開２００６－３２４６０３ 特開２００５－２２０３６８

高橋秀俊、電磁気学（１９６３）、裳華房、３１９－３２２ R.P.Feynman, R.B.Leightion, M.L.Sands著（戸田盛和訳）、ファインマン物理学、四：電磁波と物性（１９７１）、岩波書店、２４－２８

従来、高周波プラズマ発生装置に関する問題として、主に定在波に起因するプラズマの不均一化の問題が指摘されている。しかしながら、前記問題は、必ずしも電磁気学的知見を総合的に駆使して明確に解明された訳ではなく、実験的あるいは経験的な知見を基に問題解決の試みが続けられているというのが現状である。
本発明者は、従来の代表的装置である矩形型電極を用いた高周波プラズマ発生装置に関し、電磁エネルギーの流れを示すポインテイングベクトルＰ＝ＥｘＢ（ただし、Ｅ：電場、Ｂ：磁場）の伝播経路に着目し、それを分析、評価することにより、問題点の所在を検討した。その結果、以下に示すように、高周波プラズマ発生装置における定在波に起因する問題の所在及び解決すべき課題を明確に把握できた。

特許文献１及び２に記載の高周波プラズマ発生装置は、図１１に示されるように、円筒型の真空容器１００ａ、円板型の非接地電極１０１ａ及び円板型の接地電極１０２ａからなる一対の平行平板型電極（容量結合型平行平板電極）、高周波電源１０３ａ、整合器１０４ａ、給電棒１０５ａ、給電点１０６ａ等を備え、該一対の平行平板型電極間にプラズマ１０７ａを生成し、基板１０８ａにプラズマ処理を行う。なお、非接地電極１０１ａは、非接地電極本体１０１ａａとシャワープレート電極１０１ａｂで構成される。前記非接地電極１０１ａａは、図示しない反応ガス導入口と前記反応ガス導入口に連結された空洞１１３ａを有し、ガス噴出孔１１４ａを有するシャワープレート電極１０１ａｂと連結面１１２ａを介して連結されている。
図１１に示されるプラズマ発生装置において、高周波電源１０３ａの出力である高周波電力は、整合器１０４ａ、給電棒１０５ａ及び給電点１０６ａを介して、円筒型の真空容器１００ａの壁と円板型の非接地電極１０１ａの裏側面（プラズマ１０７ａから見て裏側）の間、及び該真空容器１００ａの壁と該非接地電極１０１ａの側面の間を伝播し、シャワープレート電極１０１ａｂと接地電極１０２ａの間に供給される。
即ち、この高周波電力の流れは、給電棒１０５ａから供給され、円筒型の真空容器１００ａの内壁に沿って伝播し、該一対の円板型電極１０１ａ、１０２ａの周辺からその間に流れ込む円筒波状（円柱波状）の形態になっている。
高周波電源１０３ａの出力である高周波電力Ｐは、電磁気学の知見によると（例えば、非特許文献１参照）、ポインテイングベクトルＰ＝ＥｘＢ（joule／ｍ^２・ｓ）で表され、波動として伝播する。ただし、Ｅは電界（ベクトル表示）、Ｂは磁界（ベクトル表示）である。図１１及び図１２に示されるプラズマ発生装置の場合、高周波電力Ｐの伝播は、模式的に、図１１及び図１２の１０９ａａ、１０９ａｂのように示される。即ち、図１１及び図１２において、一対の平行平板型電極（容量結合型平行平板電極）１０１ａ、１０２ａ間の電界Ｅは、該一対の電極１０１ａ、１０２ａの表面（プラズマ１０７ａに接する面）の法線方向を向き、磁界Ｂは該一対の電極１０１ａ、１０２ａの中心軸１１０ａを中心にした円１１１ａの接線方向を向いている。なお、磁界Ｂは、アンペールの法則により、電界Ｅ方向に流れる変位電流の方向に対して右ネジを回転する方向に発生することにより、円１１１ａで表されるように、渦巻き状に発生する。したがって、ポインテイングベクトルＰ＝ＥｘＢは該電極周辺から中心軸１１０ａの方向を向いている。これは、高周波電源１０３ａの出力である高周波電力Ｐが、円板型電極の周辺から中心軸１１０ａへ集中するように、円筒波状（円柱波状）の形態で流れ込む、ということを意味している。なお、円筒波状（円柱波状）の形態で流れ込む高周波電力は、該一対の電極１０１ａ、１０２ａ内部で消費される。
高周波プラズマ発生装置が、図１１及び図１２に示されるような円筒型の容器１００ａに配置され、中心軸１１０ａを中心にした軸対称型の一対の円板型電極１０１ａ、１０２ａを備え、該一対の円板型電極１０１ａ、１０２ａの周辺部から円筒波状の形態で電力が供給されるという構造を有する場合、高周波電力Ｐが円板型電極の周辺から中心軸１１０ａへ集中するように流れ込む円筒波状（円柱波状）の形態であることから、該一対の電極１０１ａ、１０２ａ間の電界は、例えば、非特許文献２に記載されているように、ゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）で表される。
即ち、電力波の波長をλ、中心軸１１０ａからの距離をｒで表すと、該一対の電極１０１ａ、１０２ａ間に発生する電界Ｅは、波長λと中心軸からの距離ｒに依存し、次式で表される。
Ｅ＝Ｅ_０・Ｊ_０（２πｒ／λ） ・・・（１）
ただし、Ｅ_０は定数、Ｊ_０（２πｒ／λ）はゼロ次のベッセル関数である。ゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）は、図１３に示されるように、２πｒ／λ＝２．４０５、５．５２０、８．６３４を満たす場合、Ｊ_０（２πｒ／λ）＝０となる。
式（１）は、一対の円板型電極の半径Ｒが、Ｒ＝（λ／２π）ｘ２．４０５＝０．３８３λより大きいサイズの場合は、電界がゼロという領域が発生することを意味している。なお、ゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）に依存する一対の電極１０１ａ、１０２ａ間の電界分布は、前記一対の電極１０１ａ，１０２ａの斜視図で見ると、模式的に、図１４のように示される。
したがって、特許文献１及び２に記載のプラズマ発生装置では、一対の円板型電極の半径Ｒが、Ｒ＝（λ／２π）ｘ２．４０５＝０．３８３λ以上である場合、電界分布の均一化は電磁気学的に無理がある、という問題がある。
即ち、特許文献１及び特許文献２に記載のプラズマ発生装置は、前記一対の電極間の電界分布がゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）に依存することから、基板サイズが略０．３８３λ以上である場合には大面積化への対応が出来ない、という課題を有する。

特許文献３及び４に記載の高周波プラズマ発生装置は、図１５及び図１６に示されるように、矩形筒型の真空容器１００ｂ、矩形板型の非接地電極１０１ｂ及び矩形板型の接地電極１０２ｂからなる一対の平行平板型電極（容量結合型平行平板電極）、複数の高周波電源１０３ｂ－１、１０３ｂ－２、１０３ｂ－３、１０３ｂ－４、複数の整合器１０４ｂ－１、１０４ｂ－２、１０４ｂ－３、１０４ｂ－４、電極中心から等距離で異なる複数の位置に配置された複数の給電棒１０５ｂ－１、１０５ｂ－２、１０５ｂ－３、１０５ｂ－４等を備え、該一対の平行平板型電極間にプラズマ１０７ｂを生成し、基板１０８ｂにプラズマ処理を行う。なお、前記非接地電極１０１ｂは、非接地電極本体１０１ｂａとシャワープレート電極１０１ｂｂから構成される。前記非接地電極本体１０１ｂａは、図示しない反応ガス導入口と前記反応ガス導入口に連結された空洞１１３ｂを有し、ガス噴出孔１１４ｂを有するシャワープレート電極１０１ｂｂと連結面１１２ｂを介して連結されている。
図１５及び図１６に示される高周波プラズマ発生装置において、高周波電源１０３ｂ－１、１０３ｂ－２、１０３ｂ－３、１０３ｂ－４の出力である高周波電力は、整合器１０４ｂ－１、１０４ｂ－２、１０４ｂ－３、１０４ｂ－４、給電棒１０５ｂ－１、１０５ｂ－２、１０５ｂ－３、１０５ｂ－４を介して、矩形筒型の真空容器１００ｂの壁と矩形板型の非接地電極１０１ｂの裏側面（プラズマ１０７ｂから見て裏側）の間、及び該真空容器１００ｂの壁と該非接地電極本体１０１ｂの側面の間を伝播し、該一対の平行平板型電極１０１ｂｂ、１０２ｂ間に供給される。
この場合、ポインテイングベクトルＰ＝ＥｘＢは、図１５及び図１６に示される１０９ｂａ、１０９ｂｂのように表される。これは、高周波電源１０３ｂ－１、１０３ｂ－２、１０３ｂ－３、１０３ｂ－４の出力である高周波電力が一対の矩形電極１０１ｂ、１０２ｂの周辺から中心軸１１０ｂへ集中するように流れ込む角筒波状（矩形筒波状）の形態になっている。なお、角筒波状（矩形筒波状）の形態で流れ込む高周波電力は、該一対の電極１０１ｂ、１０２ｂ内部で消費される。
図１６において、一対の平行平板型電極（容量結合型平行平板電極）１０１ｂ、１０２ｂ間の電界Ｅは、該一対の電極１０１ｂ、１０２ｂの表面（プラズマ１０７ｂに接する面）の法線方向を向き、磁界Ｂは該一対の電極１０１ｂ、１０２ｂの中心軸１１０ｂを中心にした円１１１ｂの接線方向を向いている。なお。磁界Ｂは、アンペールの法則により、電界Ｅ方向に流れる変位電流の方向に対して右ネジを回転する方向に発生するので、円１１１ｂで表されるように、渦巻き状に発生する。
高周波プラズマ発生装置が、図１５及び図１６に示されるような矩形筒状容器１００ｂに、中心軸１１０ｂを中心にした軸対称型の一対の矩形板型電極１０１ｂ、１０２ｂ及び矩形筒形の電力伝播路を備える構造の場合、該一対の電極１０１ｂ、１０２ｂ間の電界は、前記特許文献１及び前記特許文献２に記載のプラズマ発生装置と同様に、電力波の波長λと中心軸１１０ｂからの距離ｒの関数であるゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）に依存する。
即ち、該一対の電極１０１ｂ、１０２ｂ間に発生する定在波の電界Ｅは、波長λと中心軸からの距離ｒに依存し、次式で表される。
Ｅ＝Ｅ_０・Ｊ_０（２πｒ／λ） ・・・（１）
ただし、Ｅ_０は定数、Ｊ_０（２πｒ／λ）はゼロ次のベッセル関数である。ゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）は、図１３に示されるように、２πｒ／λ＝２．４０５、５．５２０、８．６３４を満たす場合、Ｊ_０（２πｒ／λ）＝０となる。これは、矩形板型の電極の中心から辺までの距離Ｌが、Ｌ＝＝（λ／２π）ｘ２．４０５＝０．３８３λより大きいサイズの場合は、電界がゼロという領域が発生することを意味している。なお、ゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）に依存する一対の電極１０１ｂ、１０２ｂ間の電界分布は、前記一対の電極１０１ｂ、１０２ｂの斜視図で見ると、模式的に、図１７のように示される。
したがって、特許文献３及び特許文献４に記載のプラズマ発生装置は、矩形板型の電極の中心から辺までの距離Ｌが、Ｌ＝（λ／２π）ｘ２．４０５＝０．３８３λ以上である場合、電界の均一化は電磁気学的に無理がある、という問題がある。
即ち、特許文献３及び４に記載のプラズマ発生装置は、前記一対の電極間の電界分布がゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）に依存することから、基板サイズが略０．３８３λ以上である場合には大面積化への対応が出来ない、という課題を有する。

本発明は、上述した従来の代表的装置である矩形型電極を用いた高周波プラズマ発生装置の前記電極間の電界分布がゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）に依存することから大面積プラズマの均一化ができない、という問題を解決可能な高周波プラズマ発生装置を提供することを目的とする。
即ち、本発明は、プラズマＣＶＤ、プラズマＡＬＤ及びプラズマエッチング等のプラズマ処理に用いられる矩形型電極を用いた高周波プラズマ発生装置に関し、均一なプラズマの発生が可能である高周波プラズマ発生装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、反応性ガス供給系及び排気系を備えた反応容器と、矩形平板型の非接地電極と、前記非接地電極に対向して配置される接地電極と、少なくとも高周波電源と整合器と真空装置用電流導入端子と給電導体を有する高周波電力供給手段と、前記非接地電極に設けられた複数の給電点を備え、前記非接地電極に設けられた前記複数の給電点に前記高周波電源の出力である高周波電力を供給し、前記非接地電極と前記接地電極に挟まれたプラズマ生成領域でプラズマを発生させ、前記プラズマ生成領域に収容された基板にプラズマ処理を施す高周波プラズマ発生装置において、
前記複数の給電点は、前記矩形平板型の非接地電極の前記接地電極に対向しない面の４つの辺の辺中央部及び４つの角部にそれぞれに設けられ、
前記高周波電力供給手段は、各前記４つの辺の辺中央部に設けられた給電点に供給される第１の高周波電力と、前記４つの角部に設けられた各前記給電点にそれぞれに供給される第２、第３、第４及び第５の高周波電力を、時間的に切り替えて供給することを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記高周波電力供給手段は、前記第１の高周波電力と、前記第２の高周波電力と、前記第３の高周波電力と、前記第４の高周波電力と、前記第５の高周波電力とを、時間的にこの順序で、それぞれの所要時間に区切って、繰り返して供給することを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明において、前記高周波電力供給手段は、前記第１の高周波電力を供給する第１の時間帯と、前記第２ないし第５の高周波電力が供給される第２の時間帯を設定し、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯を交互に繰り返しながら前記第１の高周波電力と、前記第２ないし第５の高周波電力を供給することを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明から第３の発明のいずれか一つの発明において、前記高周波電力供給手段は、前記第１の高周波電力を供給する時間帯を、前記第２ないし第５の高周波電力を供給する時間帯に比べて長く設定することを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか一つの発明において、前記高周波電力供給手段は、周波数１３．５６ＭＨｚ、又は２７．１２ＭＨｚ、又は４０．６８ＭＨｚ、又は５４．２４ＭＨｚ、又は６７．８ＭＨｚを発生する高周波電源を備えることを特徴とする。
第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれか一つの発明において、前記反応性ガスは、少なくともシランガス又は有機シランガスを含むことを特徴とする。
第７の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれか一つの発明において、前記反応性ガスは、少なくとも水素又は酸素又は塩素を含むことを特徴とする。

上記のように構成された本発明の高周波プラズマ発生装置は、矩形型電極を用いる高周波プラズマ発生装置において、電極中央部領域に生成されるゼロ次のベッセル関数型プラズマと４つの隅角部に近い領域に生成される余弦波型プラズマを時間的に分離して交互に供給し、且つ前記ゼロ次のベッセル関数型プラズマと前記余弦波型プラズマを重畳させることが可能な高周波電力供給手段を備えることにより、大面積プラズマの均一化が可能となるという効果を奏する。即ち、従来の装置が抱えるプラズマの不均一性を解消可能な新規の高周波プラズマ発生装置を提供可能である。
本発明による高周波プラズマ発生装置は、大画面液晶デイスプレイ、大画面有機ＥＬデイスプレイ、大面積太陽電池及び各種半導体デバイス等の分野にける大面積均一のプラズマ生成が可能であり、製品製造コストの低減及び性能向上への貢献度は著しく大きいことから、産業上の貢献度は著しく大きい。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成を示す模式的断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である高周波電力供給手段の構成を示す模式的構成図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である複数の高周波電源から出力されるパルス電力のタイミング順序を示すタイムチャートである。 図４は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型の非接地電極の裏面の４つの辺の辺中央部に設けられた給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄから供給される第１の電力Ｐ１の伝播形態を示す模式的断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の裏面の４つの辺の辺中央部に設けられた給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄから供給される第１の電力Ｐ１により発生するプラズマを接地電極側から見た場合の模式的説明図である。 図６は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の裏面の４つの辺の辺中央部に設けられた給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄから第１の電力Ｐ１を供給した際に発生する電界の模式的説明図（シャワープレート電極２ｂの頂点１７ａ－１と１７ｄ－１を結ぶ線に沿った電界）である。 図７は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の４つの角部に設けられた給電点１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの中の一つである１７ａから供給された第２の電力Ｐ２の伝播形態を示す模式的断面図である。 図８は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の前記給電点１７ａから供給される第２の電力Ｐ２により生成されるプラズマの概念（余弦波型のプラズマ）を示す模式的説明図（ａ）、（ｂ）である。 図９は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置で生成されるプラズマを接地電極３からシャワープレート電極２ｂの方向で見た場合の模式的説明図（ａ）及びシャワープレート電極２ｂの頂点１７ａ－１と１７ｄ－１を結ぶ線に沿った電界分布の模式的説明図（ｂ）である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である複数の高周波電源から出力されるパルス電力のタイミング順序を示すタイムチャートである。 図１１は、円形型電極を有する従来の高周波プラズマ発生装置の構成を示す模式的断面図である。 図１２は、円形型電極を有する従来の高周波プラズマ発生装置における電力の伝播とポインテイングベクトルを示す模式的説明図である。 図１３は、ゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）のグラフである。２πｒ／λ＝２．４０５、５．５２０、８．６３４を満たす領域で、Ｊ_０（２πｒ／λ）＝０となる。 図１４は、円形型電極を有する従来の高周波プラズマ発生装置の電界分布を示す模式的説明図である。 図１５は、矩形型電極を有する従来の高周波プラズマ発生装置の構成を示す模式的断面図である。 図１６は、矩形型電極を有する従来の高周波プラズマ発生装置における電力の伝播とポインテイングベクトルを示す模式的説明図である。 図１７は、矩形型電極を有する従来の高周波プラズマ発生装置の電界分布を示す模式的説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。また、以下に示す図面は、説明の便宜上、各部材の縮尺が、実際と異なる場合がある。また、各図面間においても、縮尺が、実際と異なる場合がある。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成について、図１～図９を参照して、説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である高周波電力供給手段の構成を示す模式的構成図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である複数の高周波電源から出力されるパルス電力のタイミング順序を示すタイムチャートである。図４は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型の非接地電極の裏面の４つの辺の辺中央部に設けられた給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄから供給される第１の電力Ｐ１の伝播形態を示す模式的断面図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の裏面の４つの辺の辺中央部に設けられた給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄから供給される第１の電力Ｐ１により発生するプラズマを接地電極側から見た場合の模式的説明図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の裏面の４つの辺の辺中央部に設けられた給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄから第１の電力Ｐ１を供給した際に発生する電界の模式的説明図（シャワープレート電極２ｂの頂点１７ａ－１と１７ｄ－１を結ぶ線に沿った電界）である。図７は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の４つの角部に設けられた給電点１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの中の一つである１７ａから供給された第２の電力Ｐ２の伝播形態を示す模式的断面図である。図８は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である矩形型非接地電極の前記給電点１７ａから供給される第２の電力Ｐ２により生成されるプラズマの概念（余弦波型のプラズマ）を示す模式的説明図（ａ）、（ｂ）である。図９は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置で生成されるプラズマを接地電極３からシャワープレート電極２ｂの方向で見た場合の模式的説明図（ａ）及びシャワープレート電極２ｂの頂点１７ａ－１と１７ｄ－１を結ぶ線に沿ったプラズマの強さの分布の模式的説明図（ｂ）である。

本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置は、図１及び図２に示されるように、排気系を有する反応容器１と図示しない反応性ガス供給系と前記反応性ガスをプラズマ化する電極２、３及び高周波電力供給手段８を備えている。
反応容器１は、図１に示されるように、箱状の反応容器である。反応容器１の内部には、後述の非接地電極の電極本体２ａと後述のシャワープレート電極２ｂから成る非接地電極２と、後述の接地電極３が、後述の反応性ガスをプラズマ化するための一対の電極として配置される。
反応容器１は、図示しない真空ポンプに接続された排気口９ａ、９ｂを備えている。排気口９ａ、９ｂは、図示しない真空ポンプと組み合わせて稼働させることにより、反応容器１の内部を所定の圧力に調整し、該圧力を保持することが可能である。また、反応容器１内部を高真空度に真空引きすることが可能である。

接地電極３は、反応容器１の所定の場所に、例えば、底面に配置される。 接地電極３と後述のシャワープレート電極２ｂは互いに対向して配置される。接地電極３には基板５が載置される。接地電極３は、前記排気口９ａ、９ｂと連携して用いられる通気穴９ａａ、９ｂａを備えている。
接地電極３は、主面３ａを有し、該主面３ａで基板５と接し、保持する。基板５の温度は、接地電極３の内部に設けられた図示しない基板ヒータにより所定の温度に制御される。接地電極３の形状は、例えば、後述のシャワープレート電極２ｂと同様に、矩形である。寸法は、後述の非接地電極２より一回り大きい寸法で、ここでは、例えば、３．２ｍｘ３．２ｍである。
基板５は、図示しない基板搬入搬出用バルブを開閉することにより、大気側から接地電極の主面３ａに搬入、載置され、目的とするプラズマ処理が行なわれた後、大気側へ搬出される。ここで、基板５のサイズを、例えば、３ｍｘ３ｍとする。

非接地電極２は、図１に示されるように、図示しない反応性ガス供給源から反応性ガスを導入する反応性ガス導入口７と前記反応性ガスを拡散する空洞２ｃを有する非接地電極本体２ａと、前記反応性ガスを噴出する多数の反応性ガス噴出孔２ｄを有する矩形平板型のシャワープレート電極２ｂとを図示しないボルトで締め付けて組み立てられるという構造を有する。即ち、前記非接地電極本体２ａと前記シャワープレート電極２ｂは図示しない複数のボルトを用いて、締め付けられて、連結される。
非接地電極２は、絶縁材４を介して片持ち梁の棚１ａにより反応容器１の壁に固定される。なお、非接地電極２は図示しない絶縁材を介して、真空容器１の天井に吊り下げて固定してもよい。
なお、非接地電極本体２ａは、反応性ガス導入口７から導入された反応性ガスを拡散する空洞２ｃを介して、前記反応性ガスを後述の多数の反応性ガス噴出孔２ｄへ輸送する。
シャワープレート電極２ｂは、図１に示されるように、多数の反応性ガス噴出孔２ｄを備え、前記反応性ガス導入口７から導入され、前記電極本体２ａの空洞２ｃで拡散されて輸送された反応性ガスを噴出する。反応性ガス噴出孔２ｄは、直径略０．４ｍｍ～略１ｍｍの円形に形成される。ここでは、例えば、０．８ｍｍとする。原料ガス噴出孔の直径を略１ｍｍ以上にすると、ガスの噴出量の空間分布が空洞２ｃの圧力依存度が強くなり、その結果、ガス噴出量が不均一に成る。それを略１ｍｍ以下にすると、空間分布は均一になるが、加工に際し多大の労力と費用が発生する。前記孔直径０．８ｍｍはガスの噴出量の空間分布が均一であり、製作加工費を抑制できることで妥当な数値と言える。
シャワープレート電極２ｂの寸法は、基板５の大きさに対応して選ばれるが、例えば、基板５のサイズが３ｍｘ３ｍの場合、ほぼ同様のサイズに、例えば、３ｍｘ３ｍとする。
非接地電極本体２ａは、図１及び図２に示されるように、前記非接地電極本体２ａの接地電極３の主面３ａと対向しない面の４つの辺の辺中央部及び４つの角部に、それぞれに高周波電力が供給される地点である給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが設けられる。
即ち、給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄは、前記非接地電極本体２ａの裏面（接地電極３と対向しない面）の４つの辺の辺中央部に設けられ、給電点１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄは、前記非接地電極本体２ａの裏面の４つの頂点である角部に設けられる。
ここで、シャワープレート電極２ｂの接地電極３と対向する面の４つの頂点を、図２に示されるように、１７ａ－１、１７ｂ－１、１７ｃ－１、１７ｄ－１と呼ぶ。
シャワープレート電極２ｂと接地電極３との間隔ｄ、ガス圧力、及びプラズマ発生開始電圧との関係は、予め、後述の高周波電力供給手段を用いて実験を行い、そのデータに基いて選ばれる。なお、プラズマ発生に必要な印加電圧と、真空容器内部の圧力ｐと該間隔ｄの積（即ち、ｐｄ）の関係は、パッシェン則に従う、ことが知られている。

前記シャワープレート電極２ｂと接地電極３の間に電力を供給する高周波電力供給手段８の構成は、図２に示される。前記高周波電力供給手段８に用いられる周波数は、周波数１３．５６ＭＨｚ、又は２７．１２ＭＨｚ、又は４０．６８ＭＨｚ、又は５４．２４ＭＨｚ、又は６７．８ＭＨｚから選ばれる。その選定理由は、工業周波数１３．５６ＭＨｚ及びその倍波に相当する電源は安価に入手できるから、である。なお、ＶＨＦ（３０ＭＨｚ～３００ＭＨｚ）帯域から選ぶこともできる。高周波電源の合計出力は、例えば、１０ＫＷ～５０ＫＷである。
高周波プラズマ発生装置の応用においては、イオンダメージを抑制するために周波数を高くすることが求められる。ここでは、例えば、工業周波数１３．５６ＭＨｚの２倍波である２７．１２ＭＨｚとする。２７．１２ＭＨｚの電磁波の波長は、真空中では１１．０６ｍであるが、プラズマ中では、波長が短縮するので、真空中の波長より短い。波長短縮率０．７として、略７．７ｍである。
高周波電力供給手段８は、図２に示されるように、給電点５７ａに高周波電力を供給するために、第１の高周波電源５０と、電力４分配器５１と、第１の整合器５３ａと、第１の真空装置用電流導入端子５５ａと、第１の給電導体５６ａと、を有する第１の高周波電力供給回路を備える。電力４分配器５１は第１の高周波電源５１の出力を４つに等分配し、同軸ケーブル５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを介して、それぞれ第１、第２、第３及び第４の整合器５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄへ送電する。前記第１の給電導体５６ａは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第１の真空装置用電流導入端子５５ａの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。
また、給電点５７ｂに高周波電力を供給するために、第１の高周波電源５０と、電力４分配器５１と、第２の整合器５３ｂと、第２の真空装置用電流導入端子５５ｂと、第２の給電導体５６ｂと、を有する第２の高周波電力供給回路を備える。前記第２の給電導体５６ｂは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第２の真空装置用電流導入端子５５ｂの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。
また、給電点５７ｃに高周波電力を供給するために、第１の高周波電源５０と、電力４分配器５１と、第３の整合器５３ｃと、第３の真空装置用電流導入端子５５ｃと、第３の給電導体５６ｃと、を有する第３の高周波電力供給回路を備える。前記第３の給電導体５６ｃは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第３の真空装置用電流導入端子５５ｃの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。
また、給電点５７ｄに高周波電力を供給するために、第１の高周波電源５０と、電力４分配器５１と、第４の整合器５３ｄと、第４の真空装置用電流導入端子５５ｄと、第４の給電導体５６ｄと、を有する第４の高周波電力供給回路を備える。前記第４の給電導体５６ｄは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第４の真空装置用電流導入端子５５ｄの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。

更に、給電点１７ａに高周波電力を供給するために、第２の高周波電源１０ａと、第５の整合器１１ａと、第５の真空装置用電流導入端子１２ａと、第５の給電導体１３ａと、を有する第５の高周波電力供給回路を備える。前記第５の給電導体１３ａは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第５の真空装置用電流導入端子１２ａの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。
また、給電点１７ｂに高周波電力を供給するために、第３の高周波電源１０ｂと、第６の整合器１１ｂと、第６の真空装置用電流導入端子１２ｂと、第６の給電導体１３ｂと、を有する第６の高周波電力供給回路を備える。前記第６の給電導体１３ｂは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第６の真空装置用電流導入端子１２ｂの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。
また、給電点１７ｃに高周波電力を供給するために、第４の高周波電源１０ｃと、第７の整合器１１ｃと、第７の真空装置用電流導入端子１２ｃと、第７の給電導体１３ｃと、を有する第７の高周波電力供給回路を備える。前記第７の給電導体１３ｃは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第７の真空装置用電流導入端子１２ｃの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。
また、給電点１７ｄに高周波電力を供給するために、第５の高周波電源１０ｄと、第８の整合器１１ｄと、第８の真空装置用電流導入端子１２ｄと、第８の給電導体１３ｄと、を有する第８の高周波電力供給回路を備える。前記第８の給電導体１３ｄは、インピーダンスの不連続的変化を抑制するために、前記第８の真空装置用電流導入端子１２ｄの中心導体と同じ直径を有する棒状の金属材で形成するのが好ましい。

高周波電力供給手段８は、電力供給タイミング制御装置１５を備え、前記第１、第２、第３、第４及び第５の高周波電源５０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力の時間帯及びタイミングを制御する。電力供給タイミング制御装置１５と、前記第１、第２、第３、第４及び第５の高周波電源５０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｄは、それぞれ、信号線２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄで接続され、制御信号の送受信ができる。

ここで、第１の高周波電源５０から第１、第２、第３及び第４の高周波電力供給回路を介して、それぞれ給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄへ給電される電力を、第１の電力Ｐ１と呼ぶ。
第２の高周波電源１０ａから第５の高周波電力供給回路を介して給電点１７ａへ給電される電力を、第２の電力Ｐ２と呼ぶ。
第３の高周波電源１０ｂから第６の高周波電力供給回路を介して給電点１７ｂへ給電される電力を第３の電力Ｐ３と呼ぶ。
第４の高周波電源１０ｃから第７の高周波電力供給回路を介して給電点１７ｃへ給電される電力を、第４の電力Ｐ４と呼ぶ。
第５の高周波電源１０ｄから第８の高周波電力供給回路を介して給電点１７ｄへ給電される電力を、第５の電力Ｐ５と呼ぶ。
高周波電力供給手段８は、前記第１～第５の高周波電源５０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力である第１～第５の電力Ｐ１～Ｐ５の供給タイミング及び供給の時間帯を、電力供給タイミング制御装置１５から送信される同期信号を用いて、制御する。即ち、第１、第２、第３、第４及び第５の高周波電源５０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｄは、それぞれ、前記電力供給タイミング制御装置１５から信号線２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄから送信される同期信号を参照して、出力電力の切り替え時間帯及び時間帯を制御する。
例えば、高周波電力供給手段８は、図３の示されるタイムチャートに従って、第１、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を時間的に切り替えて供給する。

即ち、前記高周波電力供給手段８は、前記第１の高周波電力Ｐ１と、前記第２の高周波電力Ｐ２と、前記第３の高周波電力Ｐ３と、前記第４の高周波電力Ｐ４と、前記第５の高周波電力Ｐ５とを、時間的にこの順序で、それぞれの所要時間に区切って供給する。
前記第１の電力Ｐ１は、図３に示されるように、時間ｔ１～ｔ２に供給され、時間ｔ２～ｔ３の間（Ｔ１）を置いて、前記第２の電力Ｐ２は、時間ｔ３～ｔ４に供給され、時間ｔ４～ｔ５の間を置いて、前記第３の電力Ｐ３は、時間ｔ５～ｔ６に供給され、時間ｔ６～ｔ７の間を置いて、前記第４の電力Ｐ４は、時間ｔ７～ｔ８に供給され、時間ｔ８～ｔ９の間を置いて、前記第５の電力Ｐ５は時間ｔ９～ｔ１０に供給される。そして、時間ｔ１０～ｔ１１の間を待って、前記第１の電力Ｐ１は、時間ｔ１１～ｔ１２に供給される。同様にして、第１、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５が繰り返しながら供給される。
具体的には、図３に示されるタイムチャートにおいて、第１の電力Ｐ１の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ１及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、５００μ秒及び１ｍ秒とする。第２の電力Ｐ２の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ２及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とする。第３の電力Ｐ３の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ３及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とする。第４の電力Ｐ４の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ４及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とする。第５の電力Ｐ５の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ５及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とする。なお、隣り合う供給時間帯の間隔Ｔ１を、例えば、２０μ秒とする。
上記のように、第１、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５は、異なる時間帯に供給されることから、それぞれの電力同志での干渉現象は発生しない。即ち、第１、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５は、互いに独立した関係にある。

次に、第１の電力Ｐ１が給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄに供給される際に発生するプラズマの形態について、以下説明する。
第１の高周波電源５０の出力を、例えば、２０ＫＷとし、図３に示されるタイムチャートにおいてＰ１のみ（Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５はゼロとする）を、第１、第２、第３及び第４の高周波電力供給回路を介して、給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄに供給する。そうすると、第１の電力Ｐ１は、図４に示されるように、各前記給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄからそれぞれ非接地電極本体２ａと反応容器１の壁の間を伝播し、前記非接地電極本体２ａの側面を通り、前記シャワープレート電極２ｂの周辺部から前記シャワープレート電極２ｂと接地電極３の間へ、角筒波状（矩形筒波状）の形態で流れ込む。即ち、第１の高周波電源５０から給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄに供給された電力は、図１２及び図１６に示される従来のプラズマ発生装置における電力波と同様に、一対の電極２ｂ、３の間に角筒波状（矩形筒波状）の形態で流れ込む。
その結果、従来のプラズマ発生装置と同様に、一対の電極２ｂ、３の間に、次式（１）で表せるゼロ次のベッセル関数に従う電界分布を有する電界Ｅが発生する。
Ｅ＝Ｅ_０・Ｊ_０（２πｒ／λ） ・・・（１）
ただし、Ｅ_０は定数、Ｊ_０（２πｒ／λ）はゼロ次のベッセル関数である。
前記第１の高周波電源５０と前記第１、第２、第３及び第４の整合器５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄを所要の条件に調整すると、図４に示されるように、一対の電極２ｂ、３の間にプラズマ１６が発生する。
ここで、改めて、ゼロ次のベッセル関数Ｊ_０（２πｒ／λ）に依存するシャワープレート電極２ｂと接地電極３の間の電界分布の形態を模式的に、図５、図６に示す。
矩形型非接地電極２の裏面の４つの辺のそれぞれの辺中央部に設けられた給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄから供給される電力Ｐ１により発生するプラズマ１６は、シャワープレート電極２ｂの中心部に極大値を持つゼロ次のベッセル関数で表される定在波が発生する。この定在波の電圧の強さは、図６に示される曲線で表わされる。ただし、横軸は、シャワープレート電極２ｂの頂点１７ａ－１と１７ｄ－１を結ぶ線（line-x）である。
図６によれば、電界がほぼ一様な領域は、電極中心から略０．２５λと見ることができる。即ち、シャワープレート電極２ｂと接地電極３の間に発生するプラズマは、該電極の中心から半径０．２５λ程度の領域は一様なプラズマが発生する、と考えられる。これは、図５に示されるように、直径０．５λの円で囲まれる領域は一様なプラズマが生成されることを意味している。しかしながら、図５において、シャワープレート電極２ｂの４つの角部１７ａ－１、１７ｂ－１、１７ｃ－１、１７ｄ－１に近い領域は、前記０．５λより遠い領域であるので、プラズマが弱い状態、あるいはプラズマが生成されない状態にある。
従って、第１の電力Ｐ１が給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄに供給される際に発生するプラズマは、図６に示されるように、シャワープレート電極２ｂの中心点から直径０．５λの円で囲まれる領域Ａでは、ほぼ一様なプラズマが生成される。上記第１の高周波電源５０の場合、その周波数は２７．１２ＭＨｚであるので、そのプラズマ内部での波長は、波長短縮率０．７として、略７．７ｍである。
即ち、図５に示される直径０．５λの円で囲まれる領域Ａは、直径略３．８５ｍである。電極のサイズは、３ｍｘ３ｍであるので、図６に示される該電極の４つの角に近い領域Ｂを除いて、ほぼ一様なプラズマが生成される。ただし、該４つの角に近い領域Ｂでのプラズマは弱い。即ち、電極のサイズ：３ｍｘ３ｍを対象にした場合、プラズマは不均一である。
ここで、第１の電力Ｐ１が給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄに供給され、シャワープレート電極２ｂの中心点から直径０．５λの円で囲まれる領域Ａに生成されるプラズマを、ゼロ次のベッセル関数型プラズマと呼ぶ。ゼロ次のベッセル関数型プラズマは、図５に示されるように、シャワープレート電極２ｂの中心点から直径０．５λの円で囲まれる領域Ａはほぼ均一な強さのプラズマに成る、という特徴を有する。

次に、第２の電力Ｐ２が給電点１７ａに供給される際に発生するプラズマの形態について、以下説明する。
第５の高周波電力供給回路を用いて、第２の高周波電源１０ａの出力を、例えば、２ＫＷとし、図３に示されるタイムチャートにおいてＰ２のみ（Ｐ１、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５はゼロとする）を、給電点１７ａに供給する。そうすると、第２の電力Ｐ２は、図７に示されるように、給電点１７ａから前記非接地電極本体２ａの側面と反応容器１の壁の間を通り、前記シャワープレート電極２ｂの角部からシャワープレート電極２ｂと接地電極３の間へ、球面波状に広がりながら流れ込む。シャワープレート電極２ｂと接地電極３の間へ流れ込んだ第２の電力Ｐ２は、図８（ａ）に示されるように、球面状の形態で進行し、伝播する。そして、球面波状の第２の電力Ｐ２は、進行方向の反応容器１の壁で反射し、後退波Ｐ２１となって、戻ってくる。なお、図８（ａ）は、接地電極３からシャワープレート電極２ｂの方向を見た場合の模式的説明図である。
第２の電力Ｐ２の進行波と前記後退波Ｐ２１は、一般的に、余弦波状の定在波を形成する。しかしながら、前記後退波Ｐ２１は球面波状に広がって電力の減衰が大きいために、前記後退波Ｐ２１は定在波を作るほどの強さがない。したがって、第２の電力Ｐ２が給電点１７ａに供給される際に発生するプラズマは、図８（ｂ）に示されるように、給電点１７ａ近傍に極大値を有する減衰の大きい余弦波状の形態になる。
前記第２の高周波電源１０ａと前記第５の整合器１１ａを所要の条件に調整すると、図７に示されるように、一対の電極２ｂ、３の間にプラズマ１６ａが発生する。このプラズマ１６ａは、給電点１７ａ近傍に極大値を有する減衰の大きい余弦波状の形態のプラズマである。なお、余弦波状の形態を有するプラズマの場合、極大値近傍の領域λ／８程度はほぼ一様な強さのプラズマである。
ここで、第２の電力Ｐ２が給電点１７ａに供給される際に発生し、図８（ｂ）に示される余弦波状の形態のプラズマを余弦波型プラズマと呼ぶ。

次に、第３の電力Ｐ３が給電点１７ｂに供給される際に発生するプラズマの形態について、以下説明する。
第６の高周波電力供給回路を用いて、第３の高周波電源１０ｂの出力を、例えば、２ＫＷとし、図３に示されるタイムチャートにおいてＰ３のみ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ５はゼロとする）を、給電点１７ｂに供給する。そうすると、第３の電力Ｐ３は、第２の電力Ｐ２の場合と同様に、給電点１７ｂから前記非接地電極本体２ａの側面と反応容器１の壁の間を通り、前記シャワープレート電極２ｂの角部からシャワープレート電極２ｂと接地電極３の間へ、球面波状に広がりながら流れ込む。そして、前記第３の高周波電源１０ｂと前記第６の整合器１１ｂを所要の条件に調整すると、一対の電極２ｂ、３の間に余弦波型プラズマが発生する。
次に、第４の電力Ｐ４が給電点１７ｃに供給される際に発生するプラズマの形態について、以下説明する。
第７の高周波電力供給回路を用いて、第４の高周波電源１０ｃの出力を、例えば、２ＫＷとし、図３に示されるタイムチャートにおいてＰ４のみ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５はゼロとする）を、給電点１７ｃに供給する。そうすると、第４の電力Ｐ４は、第２の電力Ｐ２の場合と同様に、給電点１７ｃから前記非接地電極本体２ａの側面と反応容器１の壁の間を通り、前記シャワープレート電極２ｂの角部からシャワープレート電極２ｂと接地電極３の間へ、球面波状に広がりながら流れ込む。そして、前記第４の高周波電源１０ｃと前記第４の整合器１１ｃを所要の条件に調整すると、第２電力と同様の余弦波型プラズマが発生する。
次に、第５の電力Ｐ５が給電点１７ｄに供給される際に発生するプラズマの形態について、以下説明する。
第８の高周波電力供給回路を用いて、第５の高周波電源１０ｄの出力を、例えば、２ＫＷとし、図３に示されるタイムチャートにおいてＰ５のみ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４はゼロとする）を、給電点１７ｄに供給する。そうすると、第５の電力Ｐ５は、第２の電力Ｐ２の場合と同様に、給電点１７ｄから前記非接地電極本体２ａの側面と反応容器１の壁の間を通り、前記シャワープレート電極２ｂの角部からシャワープレート電極２ｂと接地電極３の間へ、球面波状に広がりながら流れ込む。そして、前記第５の高周波電源１０ｄと前記第８の整合器１１ｄを所要の条件に調整すると、第２電力と同様の余弦波型プラズマが発生する。

次に、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の操作手順を、例えば、水素プラズマの発生への応用を例に取り、以下説明する。
反応容器１内部に、例えば、水素ガスを導入して、圧力を所要の値、例えば、６６Ｐａに設定し、維持する。電極間隔は、パッシェン則に従う条件に整える。例えば，電極間隔を１５ｍｍとする。
電力供給タイミング制御装置１５と、第１～第５の高周波電源５０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと、第１～第８の整合器５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを連携して高周波電力供給手段８の条件を、上述した値に設定する。
そうすると、シャワープレート電極２ｂと接地電極３の間に、図３に示されるタイムチャートに従った時間帯で第１の電力Ｐ１によりゼロ次のベッセル関数型プラズマが発生し、時間的に順次、第２，第３、第４及び第５の電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５による余弦波型プラズマが発生する。これらのプラズマは互いに独立した電力で生成されることから、干渉しないので定在波を生成しない。その結果、時間的に平均化して見ると、それぞれのプラズマが重畳されたプラズマになる。
即ち、図９（ａ）、（ｂ）に示されるように、一対の電極２ｂ、３の大部分の領域にゼロ次のベッセル関数型プラズマ１６が形成され、４つの角部分には余弦波型プラズマ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが形成される。ゼロ次のベッセル関数型プラズマ１６と余弦波型プラズマ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは干渉しないことから、一対の電極２ｂ、３のプラズマは、図９（ｂ）に示されるように、それらを重畳した形態になる。その結果、時間平均的にサイズ３ｍｘ３ｍの電極の全面亘り、ほぼ一様な強さのプラズマが得られる。
なお、プラズマＣＶＤによる薄膜の形成では、例えば、Ｓｉ系薄膜の形成ではプラズマで発生するＳｉＨ_３ラジカルが膜形成の前駆体であり、かつ他のラジカル種に比べて寿命が長いことから、時間平均的に均一であるプラズマは高品質のＳｉ系薄膜の形成が可能である。

次に、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の薄膜形成への応用について、図１～図９を参照して説明する。説明の便宜上、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の代表的応用例としてプラズマＣＶＤによる微結晶シリコン膜の形成を例にとり、以下に説明する。
図示しない原料ガスの供給源から原料ガスが選ばれる。ここでは、例えば、微結晶シリコン膜を形成することから、ガス供給条件は、例えば、シランガスと水素を選び、流量比を水素流量／シランガス流量＝１００／１とする。
先ず、反応容器１の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板５を接地電極３の主面３ａに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口９ａ及び排気口９ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。
その後、図示しないシランガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないシランガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量を制御されたシランガス及び水素ガスを反応ガス導入管７へ輸送し、前記シランガス及び前記水素ガスを、空洞２ｃを介して、反応ガス噴出孔２ｄから噴出させる。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器１の内部圧力を、略１３３Ｐａ～略１３３３Ｐａに保つ。なお、反応容器１の真空引きに用いる真空ポンプと製膜時に用いる真空ポンプは、異なるものを別々に用いてもよい。ここでは、例えば、２５０Ｐａに設定し、維持する。

次に、図３に示されるタイムチャートに従って、第１、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を以下に述べるように設定する。
第１の高周波電源５０の出力を、即ち、第１の電力Ｐ１の出力を、例えば、２０ＫＷ、第１の電力Ｐ１の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ１及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、５００μ秒及び１ｍ秒とし、第２の高周波電源１０ａの出力、即ち、第２の電力Ｐ２を、例えば、２ＫＷ、第２の電力Ｐ２の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ２及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とし、第３の高周波電源１０ｂの出力、即ち、第３の電力Ｐ３を、例えば、２ＫＷ、第３の電力Ｐ３の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ３及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とし、第４の高周波電源１０ｃの出力、即ち、第４の電力Ｐ４を、例えば、２ＫＷ、第４の電力Ｐ４の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ４及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とし、第５の高周波電源１０ｄの出力、即ち、第５の電力Ｐ５を、例えば、２ＫＷ、第５の電力Ｐ５の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ５及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び１ｍ秒とする。なお、隣り合う供給時間帯の間隔Ｔ１を、例えば、２０μ秒とする。

そうすると、図９（ａ）に示されるように、一対の電極２ｂ、３間に、ゼロ次のベッセル関数型プラズマ１６と、余弦波型プラズマ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが重畳された状態で発生する。該ゼロ次のベッセル関数型プラズマ１６及び該余弦波型プラズマ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、原料ガスのＳｉＨ_４、水素Ｈ_２をプラズマ化する。その結果、ＳｉＨ_４、水素Ｈ_２が解離し、微結晶シリコン膜形成の前駆体であるＳｉＨラジカル、Ｈラジカル等を発生する。ＳｉＨラジカル、Ｈラジカルは拡散して、基板５の表面に堆積する。

次に、微結晶シリコン膜の厚みは該プラズマ生成時間に比例するので、上記第１、第２，第３、第４及び第５の高周波電源５０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力供給開始から所定の時間が経過した時点で、それらの出力をゼロにする。
製膜時間は、予め取得されたデータに基づいて決められる。ここでは、１分～２０分、例えば２分とする。なお、製膜時間は、電極間隔、基板温度、シランガスの流量、水素ガスの流量、圧力、電力等の関係に係わるデータを、予め把握し、そのデータを基に決められる。
目的とする微結晶シリコン膜の製膜が終了後、上記シランガスガス及び水素ガスの供給を停止し、反応容器１内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器１を大気条件に戻す。反応容器１が大気条件に戻された後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板５を取り出す。反応容器１から取り出された基板５には、均一な微結晶シリコン膜が形成されている。

なお、上述した本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の薄膜形成への応用では、プラズマＣＶＤによる微結晶シリコン膜形成を例にとり、説明したが、有機シランガスを含む反応性ガスを用いたプラズマＣＶＤによる薄膜形成あるいはプラズマＡＬＤによる薄膜形成への応用も可能である。また、水素、酸素又は塩素を含む反応性ガスを用いたプラズマエッチングへの応用も可能である。

本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜形成装置は、上述の通り、周波数２７．１２ＭＨｚの高周波電源を用いて、電極サイズ３ｍｘ３ｍの矩形平板型の非接地電極の前記接地電極に対向しない面の少なくとも４つの辺の辺中央部及び４つの角部にそれぞれに給電点が設けられ、前記４つの辺の辺中央部に設けられた給電点に供給される第１の高周波電力と、前記４つの角部に設けられた給電点にそれぞれ供給される第２、第３、第４及び第５の高周波電力とを、時間的に切り替えて供給することを特徴とし、従来の高周波プラズマ発生装置では困難であるサイズ３ｍｘ３ｍの基板への微結晶シリコン膜形成が可能であることを示した。
なお、ここでは、周波数を２７．１２ＭＨｚとし、基板サイズを３ｍｘ３ｍとしているが、この数値に限定されることはない。周波数を工業周波数１３．５６ＭＨｚに選ぶことにより、基板サイズ５ｍｘ５ｍ級プラズマの均一化は可能である。
本発明による高周波プラズマ発生装置は、大画面液晶デイスプレイ、大画面有機ＥＬデイスプレイ、大面積太陽電池及び各種半導体デバイス等の分野にける大面積均一のプラズマ生成が可能であり、製品製造コストの低減及び性能向上への貢献度は著しく大きいことから、産業上の貢献度は著しく大きい。
また、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置は、プラズマＣＶＤを用いた微結晶シリコン膜の形成への応用であるが、これに限定されず、反応性ガスとして、水素又は酸素又は塩素等を用いるプラズマエッチング装置及びプラズマＡＬＤ装置としての応用が可能であることは、当然のことである。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置について、図１０を参照して、説明する。図１ないし図９も参照する。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の構成部材である複数の高周波電源から出力されるパルス電力のタイミング順序を示すタイムチャートである。
第１の電力Ｐ１と、第２、第３、第４、第５の電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５のタイミング順序を、図１０に示すように、先ず 、第１の電力Ｐ１を発生し、次に、第２、第３、第４、第５の電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５を発生し、これを、時間的に交互に繰り返す。第１の電力Ｐ１は、給電点５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄに給電する。第２の電力Ｐ２は、給電点１７ａに給電する。第３の電力Ｐ３は、給電点１７ｂに給電する。第４の電力Ｐ４は、給電点１７ｃに給電する。第５の電力Ｐ５は、給電点１７ｄに給電する。
図１０において、第１の電力Ｐ１の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ１及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、５００μ秒及び６４０μ秒とする。第２、第３、第４及び第５のＰ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ３及び繰り返し時間間隔Ｔ０を、例えば、１００μ秒及び６４０μ秒とする。第１の電力Ｐ１の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ１と第２、第３、第４及び第５のＰ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の供給時間帯（パルス幅）Ｈｗ３の間隔Ｔ２は、例えば、２０μ秒とする。
即ち、第１の電力Ｐ１と、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５は、異なる時間帯に供給されることから、前記第１の電力Ｐ１と、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５の電力間での干渉現象は発生しない。第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５は、同じ時間帯に供給されるが、互いに充分に長い距離を伝播するので、干渉波の強度は弱い、と考えられる。したがって、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５同志の干渉による定在波はプラズマの不均一化に与える影響は小さいと、考えられる。

本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の操作手順は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置の場合と同様である。
本発明の第２の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置は、本発明の第１の実施形態に係わる高周波プラズマ発生装置と比べて、第１、第２、第３、第４及び第５の電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５のタイミングチャートがシンプルであるという特徴がある。

１・・・反応容器、
２・・・非接地電極、
２ａ・・・非接地電極本体、
２ｂ・・・シャワープレート電極、
２ｃ・・・空洞、
２ｄ・・・反応性ガス噴出孔、
３・・・接地電極、
５・・・基板、
８・・・高周波電力供給手段、
５０・・・第１の高周波電源、
１０ａ・・・第２の高周波電源、
１０ｂ・・・第３の高周波電源、
１０ｃ・・・第４の高周波電源、
１０ｄ・・・第５の高周波電源、
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ・・・第１、第２、第３及び第４の整合器、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ・・・第５、第６、第７及び第８の整合器、
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ・・・第１、第２、第３及び第４の真空装置用電流導入端子、
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ・・・第５、第６、第７及び第８の真空装置用電流導入端子、
５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ・・・第１、第２、第３及び第４の給電導体、
１３ａ・・・第５の給電導体、
１３ｂ・・・第６の給電導体、
１３ｃ・・・第７の給電導体、
１３ｄ・・・第８の給電導体、
１５・・・電力供給タイミング制御装置、
１６・・・ゼロ次のベッセル関数型プラズマ、
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ・・・余弦波型プラズマ、
５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ・・・第１、第２、第３及び第４の給電点、
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ・・・第５、第６、第７及び第８の給電点、
Ｐ１・・・第１の電力、
Ｐ２・・・第２の電力、
Ｐ３・・・第３の電力、
Ｐ４・・・第４の電力、
Ｐ５・・・第５の電力。

Claims (7)

1. 反応性ガス供給系及び排気系を備えた反応容器と、矩形平板型の非接地電極と、前記非接地電極に対向して配置される接地電極と、少なくとも高周波電源と整合器と真空装置用電流導入端子と給電導体を有する高周波電力供給手段と、前記非接地電極に設けられた複数の給電点を備え、前記非接地電極に設けられた前記複数の給電点に前記高周波電源の出力である高周波電力を供給し、前記非接地電極と前記接地電極に挟まれたプラズマ生成領域でプラズマを発生させ、前記プラズマ生成領域に収容された基板にプラズマ処理を施す高周波プラズマ発生装置において、
   前記複数の給電点は、前記矩形平板型の非接地電極の前記接地電極に対向しない面の４つの辺の辺中央部及び４つの角部にそれぞれに設けられ、
   前記高周波電力供給手段は、各前記４つの辺の辺中央部に設けられた給電点に供給される第１の高周波電力と、前記４つの角部に設けられた各前記給電点にそれぞれに供給される第２、第３、第４及び第５の高周波電力を、時間的に切り替えて供給することを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
2. 前記高周波電力供給手段は、前記第１の高周波電力と、前記第２の高周波電力と、前記第３の高周波電力と、前記第４の高周波電力と、前記第５の高周波電力とを、時間的にこの順序で、それぞれの所要時間に区切って、繰り返して供給することを特徴とする請求項１に記載の高周波プラズマ発生装置。
3. 前記高周波電力供給手段は、前記第１の高周波電力を供給する第１の時間帯と、前記第２ないし第５の高周波電力が供給される第２の時間帯を設定し、前記第１の時間帯と前記第２の時間帯を交互に繰り返しながら前記第１の高周波電力と、前記第２ないし第５の高周波電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の高周波プラズマ発生装置。
4. 前記高周波電力供給手段は、前記第１の高周波電力を供給する時間帯を、前記第２ないし第５の高周波電力を供給する時間帯に比べて長く設定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の高周波プラズマ発生装置。
5. 前記高周波電力供給手段は、周波数１３．５６ＭＨｚ、又は２７．１２ＭＨｚ、又は４０．６８ＭＨｚ、又は５４．２４ＭＨｚ、又は６７．８ＭＨｚを発生する高周波電源を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の高周波プラズマ発生装置。
6. 前記反応性ガスは、少なくともシランガス又は有機シランガスを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の高周波プラズマ発生装置。
7. 前記反応性ガスは、少なくとも水素又は酸素又は塩素を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の高周波プラズマ発生装置。

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