JP3677017B2 - スロットアレイアンテナおよびプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットアレイアンテナ、およびこれを用いたプラズマ処理装置に関する。本発明のスロットアレイアンテナないしプラズマ処理装置は、角形アンテナを有するプラズマ処理装置（例えば、液晶デバイス製造用のプラズマ処理装置）に特に好適に使用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
本発明のスロットアレイアンテナないしプラズマ処理装置は、半導体ないし半導体デバイス、液晶デバイス等の電子デバイス材料の製造を始めとするプラズマ処理に一般的に適用可能であるが、ここでは説明の便宜のために、液晶デバイスの背景技術を例にとって説明する。
【０００３】
一般に、液晶デバイスの製造工程においては、液晶デバイス用の基材（ウエハ）に対して、ＣＶＤ（化学気相堆積）処理、エッチング処理、スパッタ処理等の種々の処理を施すことが行われる。このような各種の処理のためにプラズマ処理装置が用いられる場合が多い。これは、プラズマ処理装置を用いた場合には、基材を低温に維持した状態で処理できるという長所があるからである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２３９９７号公報
【０００５】
上記した特開２０００−１２３９９７号公報（特許文献１）には、液晶デバイス製造に適用可能なプラズマ処理装置が開示されている。他方、このような液晶デバイス製造用のプラズマ処理装置においては、伝送損失が小さい高能率アンテナとして、スロットアレイアンテナが極めて有望と考えられている。中でも、アンテナ構造の形成が容易な一層構造（給電用導波管が、放射用導波管と同一面内に配置される）を有し、且つ給電用導波管の壁に設けられた窓を介して、放射用導波管に給電する装置が有力とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者の実験によれば、上記した構成を有する従来のプラズマ処理装置を用いた場合には、プラズマ処理室内のプラズマ密度を高くすることが困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消したアンテナ、およびプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、プラズマ処理室内のプラズマ密度を高くすることが容易なアンテナ、およびプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、従来におけるように放射用導波管内のスロットを密に（すなわち、マイクロ波の波長より充分に短い間隔で）配置して指数関数的に電磁界を減衰させることが、特に放射用導波管内に比較的に誘電率が大きい（例えば、比誘電率が４以上の）材料を用いた場合には不利に作用することを見出した。
【００１０】
本発明者は上記知見に基づいて更に研究を進めた結果、放射用導波管内のスロット間隔ｄを、前記マイクロ波の放射用導波管内での波長λｍとほぼ同一とすることが、上記目的の達成のために極めて効果的なことを見出した。
【００１１】
本発明のプラズマ処理装置は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をアンテナの外部へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の矩形放射用導波管とを含み；個々の放射用導波管が、該矩形放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロットまたはスロット対の重心点の間の間隔ｄが、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一であることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、更に、被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と；プラズマ処理室内へマイクロ波を案内して、該プラズマ処理室内でプラズマを発生させるためのアンテナ手段とを含むプラズマ処理装置であって；前記アンテナ手段が、マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をアンテナの外部へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の矩形放射用導波管とを含み；個々の放射用導波管が、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロットまたはスロット対の重心点の間の間隔ｄが、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一のアンテナ手段であることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「％」は、特に断らない限り質量基準とする。
【００１４】
（スロットアレイアンテナ）
【００１５】
本発明のスロットアレイアンテナは、マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をプラズマ処理室内へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の放射用導波管とを含む。この複数の放射用導波管は、その長手方向が、給電用導波管の長手方向とが、ほぼ垂直になるように配置されることが通常である。本発明においては、上記した個々の放射用導波管が、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロット間の間隔ｄが、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一であることが特徴である。
【００１６】
これに対して、従来におけるように放射用導波管内のスロットを密に（すなわち、マイクロ波の波長より充分に短い間隔で）配置して指数関数的に電磁界を減衰させた場合には、特に放射用導波管内に比較的に誘電率が大きい材料を用いた場合には不利に作用する。
【００１７】
（スロットアレイアンテナの一態様）
【００１８】
図１は、本発明のスロットアレイアンテナの好適な一態様を示す模式斜視図（一部に内部構造を示す）である。
【００１９】
図１を参照して、この態様のアンテナ１は、マイクロ波を給電するための給電用導波管２と、複数の放射用導波管３とを含む。給電用導波管２の長手方向に沿って配置された複数の窓４から、マイクロ波がアンテナ１の外部（例えば、図示しないプラズマ処理室内）へ案内されるように、これらの放射用導波管３は、該複数の窓４に接続される。
【００２０】
個々の放射用導波管３は、該放射用導波管３の長手方向に沿って配置された複数のスロット５を有しており、該複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一に設定されている。図１において、スロット５は「Ｘ」の形状を有しているが、後述するように、このスロットの形状は特に制限されない。
【００２１】
本発明において、複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一である。より具体的には、この複数のスロット間の間隔ｄと、前記マイクロ波の波長λｍとの比（ｄ／λｍ）が、０．７５〜１．２５の範囲にあることが好ましく、更には０．９〜１．１の範囲にあることが好ましい。
【００２２】
本発明においては、このようなスロットの構成を採用することにより、アンテナ手段内部に誘電率の大きい材料を用いた場合であっても、プラズマ処理室内への電磁界の減衰を実質的に抑制することが容易となり、プラズマ処理室内におけるプラズマ密度を高く維持することが容易となる。このように、本発明においてプラズマ密度を高く維持することが容易となる理由は、本発明者らの検討によれば、放射された電磁界の減衰特性が指数関数ではなく（１／Ｚ）になるから（ここでＺはアンテナからアンテナに垂直な方向への距離）と推定される。
【００２３】
更に、図１を参照して、給電用導波管２の長手方向に沿って、個々の窓４と対応する位置に、側壁部材（この図においては、板状の部材）６が配置されている。このような側壁部材６を配置することにより、給電用導波管内でのインピーダンスマッチングが得られ伝送効率が向上するという利点が得られる。
【００２４】
また、この図１においては、２本の放射用導波管３の間の壁６に、切り込み７を設けて、該２本の放射用導波管３に対して、１つの窓４で給電する方式（「π分岐」と称される場合もある）を採用している（「π分岐」方式の詳細については、例えば高橋、広川、安藤、および後藤の文献を参照することができる）。このような給電方式の採用により、各放射用導波管３に同相で給電することが容易となる。
【００２５】
（接続部分）
【００２６】
図２は、給電用導波管２と、放射用導波管３との接続部分の詳細な構造の好適な一例を示す部分模式断面図である。
【００２７】
図２を参照して、給電用導波管２の壁に設けられた窓４と対向する給電用導波管２の壁の位置に、側壁部材６が配置されている。更に、該窓４と対応する位置に、２本の放射用導波管３が、これら導波管３の長手方向が、給電用導波管２の長手方向と略垂直になるように配置されている。なお、給電回路の終端の給電用導波管２と、放射用導波管３との接続部分（整合素子）の近傍は、図２に示すような短絡部材８により短絡されている。したがって、このような終端部分においては、給電用導波管２と、放射用導波管３との接続部分は、窓４と短絡部材８との高次モードを考慮して設計されることが極めて好ましい。
【００２８】
図２に示された給電用導波管２、２本の放射用導波管３、および側壁部材６は、給電用導波管２の内部に設けられた窓４と、切り込み部７により、電磁界結合している。給電用導波管２の幅をａとし、放射用導波管３の幅をｃとし、これらの導波管の高さをｂとする。結合窓４の幅をｗとし、該窓４の中心は、切り込み部７の中心からｄだけずれている。２本の放射用導波管３の共通の挟壁１０の厚さをｇとし、窓４から距離ｈだけ離れて配置されている。側壁部材６は、図２に示したｘｙｚ座標系でｘ＝ｐ、ｙ＝ｑの位置にあり、その厚さはｒである。給電用導波管２および放射用導波管３の壁厚はｔである。この図２に示す構造は、ｙ方向に一様となっている。
【００２９】
図２に示す構造において、好適な構成は、以下の通りである。
（１）結合窓４の幅ｗ：給電用導波管２の長手方向に沿って、給電側から先端に向かって単調に増加する。この増加の態様は、単調であることが更に好ましい。
（２）切り込み部７の位置ｈ：給電用導波管２の長手方向に沿って、給電側から先端に向かって単調に増加する。この増加の態様は、単調であることが更に好ましい。
（３）側壁部材６のｘ座標ｐ：これらの値も基本的には単調に変化するが、最先端部では、インピーダンスマッチングの為、番構造に応じた特異な値になる。
（４）側壁部材６のｘ座標ｑ：これらの値も基本的には単調に変化するが、最先端部では、インピーダンスマッチングの為、番構造に応じた特異な値になる。
【００３０】
（好適な構造の例）
【００３１】
上記した各種のパラメータの好適な値の例を以下に示す。
【００３２】
マイクロ波の中心周波数 １１．８５ＧＨｚ ２．４５ＧＨｚ
給電用導波管の幅ａ １７．３ｍｍ ８３．７ｍｍ（８０〜１１０ｍｍ）
放射用導波管の幅ｃ １６．５ｍｍ ７９．９ｍｍ（７５〜１００ｍｍ）
導波管の壁厚ｔ、ｇ ２．０ｍｍ ２．０ｍｍ
導波管の高さｂ ４．０ｍｍ １５ｍｍ （１０〜４０ｍｍ）
窓のずれｄ ０．０ｍｍ ０．０ｍｍ
側壁部材の厚さｒ ２．０ｍｍ ２．０ｍｍ
【００３３】
（従来のアンテナ）
【００３４】
比較のために、図３に従来のスロットアレイアンテナの模式図を示す。図３を参照して、このアンテナにおいては、図３（ａ）に示すように、放射用導波管を構成するスロットの幅Ｌは、Ｌ１＜Ｌ２＜・・・・Ｌｎとなるように構成され、且つ、それらスロット間の間隔ｄは、図３（ｂ）に示すように、１／２λ（λは、マイクロ波の導波管内での波長）よりも短くされている。このような従来のスロットアレイアンテナにおいては、電磁界が指数関数的に減衰するように、放射用導波管からアンテナが外部に放射される。
【００３５】
（プラズマ処理装置）
【００３６】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と；プラズマ処理室内へマイクロ波を案内して、該プラズマ処理室内でプラズマを発生させるためのアンテナ手段とを含むプラズマ処理装置である。この装置においては、前記アンテナ手段が、上記した構成を有する（本発明の）スロットアレイアンテナであることが特徴である。
【００３７】
（プラズマ処理装置の一態様）
図４は、本発明のプラズマ処理装置の好適な一態様を示す模式断面図である。図４を参照して、密閉容器として形成されたプラズマ処理室１０内には、内部にガラス基板等の被処理体１１を載置する加工ステージ１２が設けられている。プラズマ処理室１０の天井部には、石英、セラミック等からなる誘電体で形成されているマイクロ波導入窓１３が配置されている。更に、プラズマ処理室１０には、反応ガスをプラズマ処理室１０内に供給するためのガス供給口１４が設けられている。
【００３８】
このような構成を有するプラズマ処理室１０の上部には、上述した構成を有するスロットアレイアンテナ部材１が配置されており該アンテナ部材１を構成する放射用導波管３から、プラズマ処理室１０に対してマイクロ波が供給され、該処理室１０内のプラズマ生成領域Ｐにプラズマが生成され、被処理体１１に対して、所定のプラズマ処理が行われる。
【００３９】
（各部の構成）
【００４０】
上記した図１、２および４に示したアンテナないしプラズマ処理装置の各部の構成について、詳細に説明する。
【００４１】
（給電用導波管）
【００４２】
給電用導波管２の形状、サイズ、構造、等は特に制限されないが、この給電用導波管２は矩形導波管であることが好ましい。このような矩形の給電導波管を用いる態様によれば、マイクロ波電源を１台としコストを低減することが極めて容易となるからである。
【００４３】
（導波管の材質）
【００４４】
給電用導波管２、放射用導波管３、および上記したアンテナ手段を構成する他の部材の材質は、該アンテナ手段によるマイクロ波給電が可能である限り特に制限されない。壁面電流に依る損失の低減および熱伝導性の点からは、これらの材質は、銅基材に銀メッキであることが好ましい。
【００４５】
（放射用導波管の誘電体）
【００４６】
放射用導波管３を構成する誘電体は特に制限されないが、マイクロ波の波長とチャンバーサイズとの比率（Ｌ／λｍ）の点からは、誘電率がλ／５Ｌ（λはマイクロ波の真空中の波長、Ｌはチャンバーサイズ）以上のものであることが好ましい。
【００４７】
（可変のスリット）
【００４８】
図２に示した給電用導波管と、放射用導波管との接続部（給電部）４には、必要に応じて、幅ｗを可変とするスリットを設けてもよい。このような可変スリットを設ける態様においては、チャンバー内への放射電磁界分布を調整し従って、プラズマ生成分布を調整できるという利点を得ることができる。
【００４９】
更には、必要に応じて、放射用導波管内の給電部に「棒」状の部材を立てることにより、Ｌ成分を調整して負荷整合を取ることもできる。このような棒状の部材を設ける態様においては、給電導波管内の側壁板６を省く事が出来、簡単化が可能となるという利点を得ることができる。
【００５０】
（スロット）
【００５１】
図１に示した態様においては、放射用導波管のスロット形状は「Ｘ」字形状であるが、この時用いた整合スロット形状は、進行波を実質的に消去（すなわち、反射波を実質的に無くすことが）可能である限り、特に制限されない。
【００５２】
すなわち、このスロット形状は、公知の形状のいずれでもよい。例えば、このスロット形状は、図５の模式平面図に示すようなものを用いることができる。なお、この図５においては、各放射用導波管が異なるスロット形状を有するように描かれているが、これはあくまで便宜的なものであり、実際のスロットアレイアンテナにおいては、該アンテナを構成する各放射用導波管は同様なスロット形状を有する。
【００５３】
例えば、スロット形状としては、図５の模式平面図（ａ）に示すような中心線に沿った「ハ」の字形状、図５（ｂ）に示すような中心線が先開きになる「ハ」の字形状、図５（ｃ）に示すような中心線に沿った「Ｘ」字形状、図５（ｄ）に示すような中心線に沿った線状形状、等のいずれでもよい。
【００５４】
図５（ａ）の「ハ」の字形状において、「ハ」の字の間隔は略λｇであり、「ハ」の字がなす角は略４５度である。
【００５５】
図５（ｂ）の「ハ」の字形状において、放射用導波管の中心軸から、スロットが徐々に離間するように配置されているため、終端部における反射電力の抑制が容易となる。これは、徐々に離間する各スロットで徐々に反射が抑制されるからである。なお、このような図５（ｂ）の態様においても、終端部には、終端部用の整合スロットを配置することが好ましい。
【００５６】
また、図５（ｃ）の「Ｘ」字形状において、「Ｘ」の字の間隔は略λｇであり、「Ｘ」の字がなす角は略４５度としても良い。
【００５７】
（角度）
【００５８】
各スロットの、放射用導波管の中心軸からの傾斜角度は略４５°であることが好ましい。この「ハ」の字形状スロットにおける角度θを４５°より大きくすると、電磁界は給電部側へ放射される傾向が強まり、角度θを４５°よりより小さくすると、終端部側へ放射される傾向が強まる。したがって、このように角度θを調整することにより、「斜め伝播」によるプラズマ生成が可能となる。
【００５９】
また、各スロット対（スロット・ペア）のうちの片方のスロットを短くすると、その短い側の方へ、電磁界が放射される傾向が強まるので、この様な特性に依っても、「斜め伝播」させる事ができる。
【００６０】
（定在波および進行波）
【００６１】
放射用導波管のマイクロ波が図６（ａ）に示すような定在波である場合、これに対応するスロットは図６（ｂ）のようになるため、該スロット直下のプラズマ強度は図６（ｃ）に示すように、放射用導波管の長手方向に沿って不均一なものとならざるを得ない。よって、定在波を用いる場合には、被処理体との間にプラズマ強度を均一化させるための空間が必要となり、したがって装置が大型化する傾向がある。
【００６２】
このような点からは、放射用導波管の長手方向に沿って、進行波が形成されることが好ましい。定在波が形成されると、上記したように、放射用導波管のスロット直下のプラズマ強度が、放射用導波管の長手方向に沿って不均一なものとなり易い傾向があるからである。
【００６３】
この点、図７（ａ）に示すような「ハ」の字形状スロットにおいては、この図に示すようにＴＥ１０モード（厳密にはＴＥＭモード）で円偏波を放射する。この「ハ」の字形状スロットにおける角度θを大きくすると、電磁界は給電部側へ放射される傾向が強まり、角度θを小さくすると終端部側へ放射される傾向が強まる。したがって、このように角度θを調整することにより、「斜め伝播」によるプラズマ生成が可能となる。
【００６４】
他方、図７（ｂ）に示すような「Ｘ」の字形状スロットにおいては、この図に示すようにＴＥ１０モードで直線偏波を放射するが、各スロットの長さ比や導波管中心線となす角を調整する事に依って円偏波を放射させる事もできる。
【００６５】
（側壁部材）
【００６６】
インピーダンス整合等の点から、側壁部材として、図２に示した「板」に代えて、「調整ピン」形状のものを使用することもできる。このような「調整ピン」は、図２に示した「側壁板」の先端の近傍に配置することが好ましい。
【００６７】
（終端部）
【００６８】
放射用導波管の終端部には、必要に応じて、該終端部からの反射電力を抑制するための整合スロットを配置してもよい。このように終端部に整合スロットを配置することにより、導波管内に進行波が得られる（反射波を抑止できる）という利点が得られる。
【００６９】
（他のアンテナ態様）
【００７０】
給電用導波管の窓と、放射用導波管とを１対１対応としてもよい。このような態様の例を図８に示す。
【００７１】
図８は、本発明のプラズマ処理装置において好適に使用可能なアンテナ手段の一態様を示す模式平面図である。比較のために、従来タイプのスロットアレイアンテナの模式平面図を図９に示す。
【００７２】
図２を参照して、この態様のアンテナ手段は、マイクロ波を給電するための給電用導波管２１と、該給電用導波管２１の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をプラズマ処理室内へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の放射用導波管とを含む。これらの個々の放射用導波管は、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有する。更に、且つ複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一である。この複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍに対して、前記各スロット間の間隔ｄが、０．７５≦λｍ≦１．２５の範囲、更には０．９≦λｍ≦１．１の範囲にあることが好ましい。
【００７３】
本発明においては、このようなスロットの構成を採用することにより、アンテナ手段内部に誘電率の大きい材料を用いた場合であっても、プラズマ処理室内への電磁界の減衰を実質的に抑制することが容易となり、プラズマ処理室内におけるプラズマ密度を高く維持することが容易となる。
【００７４】
これに対して、図９に示すような従来タイプのスロットアレイアンテナにおいては、放射用導波管内のスロットを密に（すなわち、マイクロ波の波長より実質的に短い間隔で）配置して指数関数的に電磁界を減衰させているため、特に放射用導波管内に比較的に誘電率が大きい材料を用いた場合には不利に作用する。したがって、この図４に示すような従来タイプのスロットアレイアンテナを用いた場合には、プラズマ処理室内におけるプラズマ密度を高く維持することが困難となる。
【００７５】
（他の応用例）
【００７６】
本発明のアンテナないしプラズマ処理装置の適用対象は、特に制限されない。すなわち、本発明のアンテナないしプラズマ処理装置は、例えばプラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、プラズマＬＣＤ装置等の任意のプラズマを使用する装置に適用することができる。
【００７７】
上述したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、ラズマ処理室内のプラズマ密度を高くすることが容易なプラズマ処理装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ部材の好適な一態様を示す模式斜視図（一部破断面で示す）である。
【図２】図１のアンテナ部材の給電用導波管−放射用導波管の接続部の構造の好適な一態様を示す模式断面図である。
【図３】従来のアンテナ部材の例を示す模式断面図である。
【図４】本発明のプラズマ処理装置の好適な一態様を示す模式断面図である。
【図５】本発明のアンテナ部材に使用可能なスロットおよび整合スロット（各放射用津波間の終端部に配置）形状の例を示す模式平面図である。
【図６】本発明のアンテナ部材によって得られる定在波の形状（ａ）、該定在波の形状に対応するスリットの位置（ｂ）、および該該定在波の形状に対応するプラズマ強度（ｃ）を模式的に示すグラフである。
【図７】本発明のアンテナ部材によって得られるＴＥ０１モード−「ハ」の字形状スロット（ａ）、およびＴＥ１０モード−「Ｘ」の字形状スロット（ｂ）における電界の強度を模式的に示すグラフである。
【図８】本発明のアンテナ部材の好適な他の態様を示す模式断面図である。
【図９】従来のアンテナ部材の例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１８…プラズマ処理装置
２０…プロセス容器
２２…載置台
２６…エッチング用の高周波電源
３４…高周波アンテナ手段
３８…導電部材
４２…プラズマ用の高周波電源
４８Ａ，４８Ｂ…交番磁界
５０Ａ，５０Ｂ…交番電界
５２…磁石手段
５４…静磁場
Ｅ…電子
Ｓ…処理空間
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットアレイアンテナ、およびこれを用いたプラズマ処理装置に関する。本発明のスロットアレイアンテナないしプラズマ処理装置は、角形アンテナを有するプラズマ処理装置（例えば、液晶デバイス製造用のプラズマ処理装置）に特に好適に使用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
本発明のスロットアレイアンテナないしプラズマ処理装置は、半導体ないし半導体デバイス、液晶デバイス等の電子デバイス材料の製造を始めとするプラズマ処理に一般的に適用可能であるが、ここでは説明の便宜のために、液晶デバイスの背景技術を例にとって説明する。
【０００３】
一般に、液晶デバイスの製造工程においては、液晶デバイス用の基材（ウエハ）に対して、ＣＶＤ（化学気相堆積）処理、エッチング処理、スパッタ処理等の種々の処理を施すことが行われる。このような各種の処理のためにプラズマ処理装置が用いられる場合が多い。これは、プラズマ処理装置を用いた場合には、基材を低温に維持した状態で処理できるという長所があるからである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１２３９９７号公報
【０００５】
上記した特開２０００−１２３９９７号公報（特許文献１）には、液晶デバイス製造に適用可能なプラズマ処理装置が開示されている。他方、このような液晶デバイス製造用のプラズマ処理装置においては、伝送損失が小さい高能率アンテナとして、スロットアレイアンテナが極めて有望と考えられている。中でも、アンテナ構造の形成が容易な一層構造（給電用導波管が、放射用導波管と同一面内に配置される）を有し、且つ給電用導波管の壁に設けられた窓を介して、放射用導波管に給電する装置が有力とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者の実験によれば、上記した構成を有する従来のプラズマ処理装置を用いた場合には、プラズマ処理室内のプラズマ密度を高くすることが困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を解消したアンテナ、およびプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、プラズマ処理室内のプラズマ密度を高くすることが容易なアンテナ、およびプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は鋭意研究の結果、従来におけるように放射用導波管内のスロットを密に（すなわち、マイクロ波の波長より充分に短い間隔で）配置して指数関数的に電磁界を減衰させることが、特に放射用導波管内に比較的に誘電率が大きい（例えば、比誘電率が４以上の）材料を用いた場合には不利に作用することを見出した。
【００１０】
本発明者は上記知見に基づいて更に研究を進めた結果、放射用導波管内のスロット間隔ｄを、前記マイクロ波の放射用導波管内での波長λｍとほぼ同一とすることが、上記目的の達成のために極めて効果的なことを見出した。
【００１１】
本発明のプラズマ処理装置は上記知見に基づくものであり、より詳しくは、マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をアンテナの外部へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の矩形放射用導波管とを含み；個々の放射用導波管が、該矩形放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロットまたはスロット対の重心点の間の間隔ｄが、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一であることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、更に、被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と；プラズマ処理室内へマイクロ波を案内して、該プラズマ処理室内でプラズマを発生させるためのアンテナ手段とを含むプラズマ処理装置であって；前記アンテナ手段が、マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をアンテナの外部へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の矩形放射用導波管とを含み；個々の放射用導波管が、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロットまたはスロット対の重心点の間の間隔ｄが、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一のアンテナ手段であることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、必要に応じて図面を参照しつつ本発明を更に具体的に説明する。以下の記載において量比を表す「部」および「％」は、特に断らない限り質量基準とする。
【００１４】
（スロットアレイアンテナ）
【００１５】
本発明のスロットアレイアンテナは、マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をプラズマ処理室内へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の放射用導波管とを含む。この複数の放射用導波管は、その長手方向が、給電用導波管の長手方向とが、ほぼ垂直になるように配置されることが通常である。本発明においては、上記した個々の放射用導波管が、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロット間の間隔ｄが、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一であることが特徴である。
【００１６】
これに対して、従来におけるように放射用導波管内のスロットを密に（すなわち、マイクロ波の波長より充分に短い間隔で）配置して指数関数的に電磁界を減衰させた場合には、特に放射用導波管内に比較的に誘電率が大きい材料を用いた場合には不利に作用する。
【００１７】
（スロットアレイアンテナの一態様）
【００１８】
図１は、本発明のスロットアレイアンテナの好適な一態様を示す模式斜視図（一部に内部構造を示す）である。
【００１９】
図１を参照して、この態様のアンテナ１は、マイクロ波を給電するための給電用導波管２と、複数の放射用導波管３とを含む。給電用導波管２の長手方向に沿って配置された複数の窓４から、マイクロ波がアンテナ１の外部（例えば、図示しないプラズマ処理室内）へ案内されるように、これらの放射用導波管３は、該複数の窓４に接続される。
【００２０】
個々の放射用導波管３は、該放射用導波管３の長手方向に沿って配置された複数のスロット５を有しており、該複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一に設定されている。図１において、スロット５は「Ｘ」の形状を有しているが、後述するように、このスロットの形状は特に制限されない。
【００２１】
本発明において、複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一である。より具体的には、この複数のスロット間の間隔ｄと、前記マイクロ波の波長λｍとの比（ｄ／λｍ）が、０．７５〜１．２５の範囲にあることが好ましく、更には０．９〜１．１の範囲にあることが好ましい。
【００２２】
本発明においては、このようなスロットの構成を採用することにより、アンテナ手段内部に誘電率の大きい材料を用いた場合であっても、プラズマ処理室内への電磁界の減衰を実質的に抑制することが容易となり、プラズマ処理室内におけるプラズマ密度を高く維持することが容易となる。このように、本発明においてプラズマ密度を高く維持することが容易となる理由は、本発明者らの検討によれば、放射された電磁界の減衰特性が指数関数ではなく（１／Ｚ）になるから（ここでＺはアンテナからアンテナに垂直な方向への距離）と推定される。
【００２３】
更に、図１を参照して、給電用導波管２の長手方向に沿って、個々の窓４と対応する位置に、側壁部材（この図においては、板状の部材）６が配置されている。このような側壁部材６を配置することにより、給電用導波管内でのインピーダンスマッチングが得られ伝送効率が向上するという利点が得られる。
【００２４】
また、この図１においては、２本の放射用導波管３の間の壁６に、切り込み７を設けて、該２本の放射用導波管３に対して、１つの窓４で給電する方式（「π分岐」と称される場合もある）を採用している（「π分岐」方式の詳細については、例えば高橋、広川、安藤、および後藤の文献を参照することができる）。このような給電方式の採用により、各放射用導波管３に同相で給電することが容易となる。
【００２５】
（接続部分）
【００２６】
図２は、給電用導波管２と、放射用導波管３との接続部分の詳細な構造の好適な一例を示す部分模式断面図である。
【００２７】
図２を参照して、給電用導波管２の壁に設けられた窓４と対向する給電用導波管２の壁の位置に、側壁部材６が配置されている。更に、該窓４と対応する位置に、２本の放射用導波管３が、これら導波管３の長手方向が、給電用導波管２の長手方向と略垂直になるように配置されている。なお、給電回路の終端の給電用導波管２と、放射用導波管３との接続部分（整合素子）の近傍は、図２に示すような短絡部材８により短絡されている。したがって、このような終端部分においては、給電用導波管２と、放射用導波管３との接続部分は、窓４と短絡部材８との高次モードを考慮して設計されることが極めて好ましい。
【００２８】
図２に示された給電用導波管２、２本の放射用導波管３、および側壁部材６は、給電用導波管２の内部に設けられた窓４と、切り込み部７により、電磁界結合している。給電用導波管２の幅をａとし、放射用導波管３の幅をｃとし、これらの導波管の高さをｂとする。結合窓４の幅をｗとし、該窓４の中心は、切り込み部７の中心からｄだけずれている。２本の放射用導波管３の共通の挟壁１０の厚さをｇとし、窓４から距離ｈだけ離れて配置されている。側壁部材６は、図２に示したｘｙｚ座標系でｘ＝ｐ、ｙ＝ｑの位置にあり、その厚さはｒである。給電用導波管２および放射用導波管３の壁厚はｔである。この図２に示す構造は、ｙ方向に一様となっている。
【００２９】
図２に示す構造において、好適な構成は、以下の通りである。
（１）結合窓４の幅ｗ：給電用導波管２の長手方向に沿って、給電側から先端に向かって単調に増加する。この増加の態様は、単調であることが更に好ましい。
（２）切り込み部７の位置ｈ：給電用導波管２の長手方向に沿って、給電側から先端に向かって単調に増加する。この増加の態様は、単調であることが更に好ましい。
（３）側壁部材６のｘ座標ｐ：これらの値も基本的には単調に変化するが、最先端部では、インピーダンスマッチングの為、番構造に応じた特異な値になる。
（４）側壁部材６のｘ座標ｑ：これらの値も基本的には単調に変化するが、最先端部では、インピーダンスマッチングの為、番構造に応じた特異な値になる。
【００３０】
（好適な構造の例）
【００３１】
上記した各種のパラメータの好適な値の例を以下に示す。
【００３２】
マイクロ波の中心周波数 １１．８５ＧＨｚ ２．４５ＧＨｚ
給電用導波管の幅ａ １７．３ｍｍ ８３．７ｍｍ（８０〜１１０ｍｍ）
放射用導波管の幅ｃ １６．５ｍｍ ７９．９ｍｍ（７５〜１００ｍｍ）
導波管の壁厚ｔ、ｇ ２．０ｍｍ ２．０ｍｍ
導波管の高さｂ ４．０ｍｍ １５ｍｍ （１０〜４０ｍｍ）
窓のずれｄ ０．０ｍｍ ０．０ｍｍ
側壁部材の厚さｒ ２．０ｍｍ ２．０ｍｍ
【００３３】
（従来のアンテナ）
【００３４】
比較のために、図３に従来のスロットアレイアンテナの模式図を示す。図３を参照して、このアンテナにおいては、図３（ａ）に示すように、放射用導波管を構成するスロットの幅Ｌは、Ｌ１＜Ｌ２＜・・・・Ｌｎとなるように構成され、且つ、それらスロット間の間隔ｄは、図３（ｂ）に示すように、１／２λ（λは、マイクロ波の導波管内での波長）よりも短くされている。このような従来のスロットアレイアンテナにおいては、電磁界が指数関数的に減衰するように、放射用導波管からアンテナが外部に放射される。
【００３５】
（プラズマ処理装置）
【００３６】
本発明のプラズマ処理装置は、被処理体にプラズマ処理を行うためのプラズマ処理室と；プラズマ処理室内へマイクロ波を案内して、該プラズマ処理室内でプラズマを発生させるためのアンテナ手段とを含むプラズマ処理装置である。この装置においては、前記アンテナ手段が、上記した構成を有する（本発明の）スロットアレイアンテナであることが特徴である。
【００３７】
（プラズマ処理装置の一態様）
図４は、本発明のプラズマ処理装置の好適な一態様を示す模式断面図である。図４を参照して、密閉容器として形成されたプラズマ処理室１０内には、内部にガラス基板等の被処理体１１を載置する加工ステージ１２が設けられている。プラズマ処理室１０の天井部には、石英、セラミック等からなる誘電体で形成されているマイクロ波導入窓１３が配置されている。更に、プラズマ処理室１０には、反応ガスをプラズマ処理室１０内に供給するためのガス供給口１４が設けられている。
【００３８】
このような構成を有するプラズマ処理室１０の上部には、上述した構成を有するスロットアレイアンテナ部材１が配置されており該アンテナ部材１を構成する放射用導波管３から、プラズマ処理室１０に対してマイクロ波が供給され、該処理室１０内のプラズマ生成領域Ｐにプラズマが生成され、被処理体１１に対して、所定のプラズマ処理が行われる。
【００３９】
（各部の構成）
【００４０】
上記した図１、２および４に示したアンテナないしプラズマ処理装置の各部の構成について、詳細に説明する。
【００４１】
（給電用導波管）
【００４２】
給電用導波管２の形状、サイズ、構造、等は特に制限されないが、この給電用導波管２は矩形導波管であることが好ましい。このような矩形の給電導波管を用いる態様によれば、マイクロ波電源を１台としコストを低減することが極めて容易となるからである。
【００４３】
（導波管の材質）
【００４４】
給電用導波管２、放射用導波管３、および上記したアンテナ手段を構成する他の部材の材質は、該アンテナ手段によるマイクロ波給電が可能である限り特に制限されない。壁面電流に依る損失の低減および熱伝導性の点からは、これらの材質は、銅基材に銀メッキであることが好ましい。
【００４５】
（放射用導波管の誘電体）
【００４６】
放射用導波管３を構成する誘電体は特に制限されないが、マイクロ波の波長とチャンバーサイズとの比率（Ｌ／λｍ）の点からは、誘電率がλ／５Ｌ（λはマイクロ波の真空中の波長、Ｌはチャンバーサイズ）以上のものであることが好ましい。
【００４７】
（可変のスリット）
【００４８】
図２に示した給電用導波管と、放射用導波管との接続部（給電部）４には、必要に応じて、幅ｗを可変とするスリットを設けてもよい。このような可変スリットを設ける態様においては、チャンバー内への放射電磁界分布を調整し従って、プラズマ生成分布を調整できるという利点を得ることができる。
【００４９】
更には、必要に応じて、放射用導波管内の給電部に「棒」状の部材を立てることにより、Ｌ成分を調整して負荷整合を取ることもできる。このような棒状の部材を設ける態様においては、給電導波管内の側壁板６を省く事が出来、簡単化が可能となるという利点を得ることができる。
【００５０】
（スロット）
【００５１】
図１に示した態様においては、放射用導波管のスロット形状は「Ｘ」字形状であるが、この時用いた整合スロット形状は、進行波を実質的に消去（すなわち、反射波を実質的に無くすことが）可能である限り、特に制限されない。
【００５２】
すなわち、このスロット形状は、公知の形状のいずれでもよい。例えば、このスロット形状は、図５の模式平面図に示すようなものを用いることができる。なお、この図５においては、各放射用導波管が異なるスロット形状を有するように描かれているが、これはあくまで便宜的なものであり、実際のスロットアレイアンテナにおいては、該アンテナを構成する各放射用導波管は同様なスロット形状を有する。
【００５３】
例えば、スロット形状としては、図５の模式平面図（ａ）に示すような中心線に沿った「ハ」の字形状、図５（ｂ）に示すような中心線が先開きになる「ハ」の字形状、図５（ｃ）に示すような中心線に沿った「Ｘ」字形状、図５（ｄ）に示すような中心線に沿った線状形状、等のいずれでもよい。
【００５４】
図５（ａ）の「ハ」の字形状において、「ハ」の字の間隔は略λｇであり、「ハ」の字がなす角は略４５度である。
【００５５】
図５（ｂ）の「ハ」の字形状において、放射用導波管の中心軸から、スロットが徐々に離間するように配置されているため、終端部における反射電力の抑制が容易となる。これは、徐々に離間する各スロットで徐々に反射が抑制されるからである。なお、このような図５（ｂ）の態様においても、終端部には、終端部用の整合スロットを配置することが好ましい。
【００５６】
また、図５（ｃ）の「Ｘ」字形状において、「Ｘ」の字の間隔は略λｇであり、「Ｘ」の字がなす角は略４５度としても良い。
【００５７】
（角度）
【００５８】
各スロットの、放射用導波管の中心軸からの傾斜角度は略４５°であることが好ましい。この「ハ」の字形状スロットにおける角度θを４５°より大きくすると、電磁界は給電部側へ放射される傾向が強まり、角度θを４５°よりより小さくすると、終端部側へ放射される傾向が強まる。したがって、このように角度θを調整することにより、「斜め伝播」によるプラズマ生成が可能となる。
【００５９】
また、各スロット対（スロット・ペア）のうちの片方のスロットを短くすると、その短い側の方へ、電磁界が放射される傾向が強まるので、この様な特性に依っても、「斜め伝播」させる事ができる。
【００６０】
（定在波および進行波）
【００６１】
放射用導波管のマイクロ波が図６（ａ）に示すような定在波である場合、これに対応するスロットは図６（ｂ）のようになるため、該スロット直下のプラズマ強度は図６（ｃ）に示すように、放射用導波管の長手方向に沿って不均一なものとならざるを得ない。よって、定在波を用いる場合には、被処理体との間にプラズマ強度を均一化させるための空間が必要となり、したがって装置が大型化する傾向がある。
【００６２】
このような点からは、放射用導波管の長手方向に沿って、進行波が形成されることが好ましい。定在波が形成されると、上記したように、放射用導波管のスロット直下のプラズマ強度が、放射用導波管の長手方向に沿って不均一なものとなり易い傾向があるからである。
【００６３】
この点、図７（ａ）に示すような「ハ」の字形状スロットにおいては、この図に示すようにＴＥ１０モード（厳密にはＴＥＭモード）で円偏波を放射する。この「ハ」の字形状スロットにおける角度θを大きくすると、電磁界は給電部側へ放射される傾向が強まり、角度θを小さくすると終端部側へ放射される傾向が強まる。したがって、このように角度θを調整することにより、「斜め伝播」によるプラズマ生成が可能となる。
【００６４】
他方、図７（ｂ）に示すような「Ｘ」の字形状スロットにおいては、この図に示すようにＴＥ１０モードで直線偏波を放射するが、各スロットの長さ比や導波管中心線となす角を調整する事に依って円偏波を放射させる事もできる。
【００６５】
（側壁部材）
【００６６】
インピーダンス整合等の点から、側壁部材として、図２に示した「板」に代えて、「調整ピン」形状のものを使用することもできる。このような「調整ピン」は、図２に示した「側壁板」の先端の近傍に配置することが好ましい。
【００６７】
（終端部）
【００６８】
放射用導波管の終端部には、必要に応じて、該終端部からの反射電力を抑制するための整合スロットを配置してもよい。このように終端部に整合スロットを配置することにより、導波管内に進行波が得られる（反射波を抑止できる）という利点が得られる。
【００６９】
（他のアンテナ態様）
【００７０】
給電用導波管の窓と、放射用導波管とを１対１対応としてもよい。このような態様の例を図８に示す。
【００７１】
図８は、本発明のプラズマ処理装置において好適に使用可能なアンテナ手段の一態様を示す模式平面図である。比較のために、従来タイプのスロットアレイアンテナの模式平面図を図９に示す。
【００７２】
図２を参照して、この態様のアンテナ手段は、マイクロ波を給電するための給電用導波管２１と、該給電用導波管２１の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をプラズマ処理室内へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の放射用導波管とを含む。これらの個々の放射用導波管は、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有する。更に、且つ複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍとほぼ同一である。この複数のスロット間の間隔ｄは、前記マイクロ波の波長λｍに対して、前記各スロット間の間隔ｄが、０．７５≦λｍ≦１．２５の範囲、更には０．９≦λｍ≦１．１の範囲にあることが好ましい。
【００７３】
本発明においては、このようなスロットの構成を採用することにより、アンテナ手段内部に誘電率の大きい材料を用いた場合であっても、プラズマ処理室内への電磁界の減衰を実質的に抑制することが容易となり、プラズマ処理室内におけるプラズマ密度を高く維持することが容易となる。
【００７４】
これに対して、図９に示すような従来タイプのスロットアレイアンテナにおいては、放射用導波管内のスロットを密に（すなわち、マイクロ波の波長より実質的に短い間隔で）配置して指数関数的に電磁界を減衰させているため、特に放射用導波管内に比較的に誘電率が大きい材料を用いた場合には不利に作用する。したがって、この図４に示すような従来タイプのスロットアレイアンテナを用いた場合には、プラズマ処理室内におけるプラズマ密度を高く維持することが困難となる。
【００７５】
（他の応用例）
【００７６】
本発明のアンテナないしプラズマ処理装置の適用対象は、特に制限されない。すなわち、本発明のアンテナないしプラズマ処理装置は、例えばプラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、プラズマＬＣＤ装置等の任意のプラズマを使用する装置に適用することができる。
【００７７】
上述したように、本発明のプラズマ処理装置によれば、ラズマ処理室内のプラズマ密度を高くすることが容易なプラズマ処理装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンテナ部材の好適な一態様を示す模式斜視図（一部破断面で示す）である。
【図２】図１のアンテナ部材の給電用導波管−放射用導波管の接続部の構造の好適な一態様を示す模式断面図である。
【図３】従来のアンテナ部材の例を示す模式断面図である。
【図４】本発明のプラズマ処理装置の好適な一態様を示す模式断面図である。
【図５】本発明のアンテナ部材に使用可能なスロットおよび整合スロット（各放射用津波間の終端部に配置）形状の例を示す模式平面図である。
【図６】本発明のアンテナ部材によって得られる定在波の形状（ａ）、該定在波の形状に対応するスリットの位置（ｂ）、および該該定在波の形状に対応するプラズマ強度（ｃ）を模式的に示すグラフである。
【図７】本発明のアンテナ部材によって得られるＴＥ０１モード−「ハ」の字形状スロット（ａ）、およびＴＥ１０モード−「Ｘ」の字形状スロット（ｂ）における電界の強度を模式的に示すグラフである。
【図８】本発明のアンテナ部材の好適な他の態様を示す模式断面図である。
【図９】従来のアンテナ部材の例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１８…プラズマ処理装置
２０…プロセス容器
２２…載置台
２６…エッチング用の高周波電源
３４…高周波アンテナ手段
３８…導電部材
４２…プラズマ用の高周波電源
４８Ａ，４８Ｂ…交番磁界
５０Ａ，５０Ｂ…交番電界
５２…磁石手段
５４…静磁場
Ｅ…電子
Ｓ…処理空間
Ｗ…半導体ウエハ（被処理体）
Claims (9)
- マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をアンテナの外部へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の矩形放射用導波管とを含み、
個々の放射用導波管が、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロットまたはスロット対の重心点の間の間隔ｄが、前記マイクロ波の矩形放射用導波管内での波長λｍとほぼ同一であり、且つ、
前記放射用導波管の一面に形成されるスロットが、該放射用導波管内の長手方向中心軸から徐々に離間するように配置されていることを特徴とするスロットアレイアンテナ。 - マイクロ波を給電するための給電用導波管と；該給電用導波管の長手方向に沿って配置された複数の窓からマイクロ波をアンテナの外部へ案内するように、該複数の窓に接続された複数の矩形放射用導波管とを含み、
個々の放射用導波管が、該放射用導波管の長手方向に沿って配置された複数のスロットを有し、且つ複数のスロットまたはスロット対の重心点の間の間隔ｄが、前記マイクロ波の矩形放射用導波管内での波長λｍとほぼ同一であり、且つ、
前記給電用導波管から放射用導波管への給電部に、幅が可変のスリットが配置されていることを特徴とするスロットアレイアンテナ。 - 前記マイクロ波の波長λｍに対して、前記スロットまたはスロット対の重心点の間の間隔ｄが、０．７５≦λｍ≦１．２５の範囲にある請求項１または２に記載のスロットアレイアンテナ。
- 前記放射用導波管内に配置される誘電体の比誘電率が、１以上である請求項１〜３のいずれかに記載のスロットアレイアンテナ。
- 前記給電用導波管が、矩形導波管である請求項１〜４のいずれかに記載のスロットアレイアンテナ。
- 前記放射用導波管内に進行波が形成されている請求項１〜５のいずれかに記載のスロットアレイアンテナ。
- 前記放射用導波管の終端部に整合スロットが配置されている請求項１〜６のいずれかに記載のスロットアレイアンテナ。
- 前記放射用導波管の一面に形成されるスロットの、該放射用導波管の長手方向中心軸との傾斜角度が４５°である請求項１〜７のいずれかに記載のスロットアレイアンテナ。
- 前記放射用導波管の一面に形成されるスロットが、電磁界の進行方向に直角なスロット、「ハ」の字形状のスロット対、および電磁界の進行方向に各々略４５°傾斜したスロット９対から選ばれたものである請求項１〜８のいずれかに記載のスロットアレイアンテナ。
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