JP3763392B2 - 高周波電極およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電力が供給される高周波電極およびそれを用いたプラズマ処理装置に関し、さらに詳しくは、そのサイズを高周波電力の波長λの１／４以上に大型化しても定在波の影響を抑制することができ、大面積の被処理物に対して均一処理を行うために好適な高周波電極およびプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
成膜、加工、表面処理等のプラズマ処理においては、プラズマ処理速度の高速化とプラズマ処理面の高品質化が望まれている。
【０００３】
この要求に応えるための技術としては、２５ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚ程度の高周波電力を用いたプラズマ処理方法が知られている。この技術については、例えばＰｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｌａｓｍａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｖｏｌ７，Ｎｏ．３，（１９８７） ｐ２６７−２７３に記載されている。
【０００４】
しかしながら、上記技術を発展させて大面積の基体をプラズマ処理しようとすると、均一なプラズマ処理が行えないという問題点があった。この点については、特開平９−２７９３４８号公報の中で指摘されている。さらに、この公報は、均一なプラズマ処理が行えない原因として、高周波伝送線路に発生する定在波の影響を挙げて、その解決手段について記載している。
【０００５】
以下に、特開平９−２７９３４８号公報に開示された内容について、図１４および図１５を参照しながら説明する。図１４（ａ）はプラズマ処理装置の構成を示す断面図であり、図１４（ｂ）はそのＸ−Ｘ’断面図である。
【０００６】
このプラズマ処理装置は、反応容器１００を備えており、その中に６個の基体ホルダ１０５Ａが同心円状に所定の間隔で配置されている。各基体ホルダ１０５Ａの上には成膜用の円筒状基体１０６が配置され、各基体ホルダ１０５Ａの内部には基体加熱用ヒータ１４０が設けられており、円筒状基体１０６を内側から加熱できるようにされている。また、各基体ホルダ１０５Ａはモータ１３２に連結されたシャフト１３１に接続されており、回転できるようにされている。円筒状基体１０６の上には円筒状基体１０６を支えるための補助部材１０５Ｂが配置されている。さらに、反応容器１００のシャフト１３１の周囲にはシール部材１３３が設けられている。プラズマ生成領域の中心に位置する部分には、高周波電力投入用の高周波電極１０３が設けられており、この高周波電極１０３は整合回路１０９を介して高周波電源１１１に接続されている。また、反応容器１００には排気バルブを備えた排気パイプ１０７が設けられており、この排気パイプ１０７は真空ポンプを備えた排気機構１３５に連通している。反応容器１００の排気機構１３５とは反対側には、図示しないガスボンベ、マスフローコントローラおよびバルブ等で構成された原料ガス供給手段１０８が設けられている。この原料ガス供給手段１０８は、ガス供給パイプ１１７を介して複数のガス放出孔を備えたガス放出パイプ１１６に接続されている。
【０００７】
上記プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理、例えばプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法による成膜は、例えば以下のようにして行われる。
【０００８】
まず、反応容器１００を排気機構１３５によって高真空まで排気した後、原料ガス供給手段１０８からガス供給パイプ１１７およびガス放出パイプ１１６を介して原料ガスを反応容器１００内に導入して、所定の圧力に維持する。そして、高周波電極１０３と円筒状基体１０６との間にプラズマを発生させる。これにより、原料ガスがプラズマにより分解されて励起され、円筒状基体１０６の上に堆積膜が形成される。
【０００９】
上記プラズマ処理装置において、高周波電極１０３は、段差の付いた誘電体カバー１０４で被覆されている。図１５（ａ）は段差付き誘電体カバー１０４で被覆された高周波電極１０３の構成を示す図であり、図１５（ｂ）は段差付き誘電体カバーで被覆されていない高周波電極１０３の構成を示す図である。以下、図１５（ｂ）に示した高周波電極をカバー無し電極、図１５（ａ）に示した高周波電極をカバー付き電極と称する。
【００１０】
上記特開平９−２７９３４８号公報では、図１５（ｂ）に示したカバー無し電極を用いた場合、３０ＭＨｚ以上の周波数において、膜質および堆積速度に影響を及ぼす定在波が発生し、図１５（ｂ）中のＡ−Ａ’位置近傍に定在波の節が現れているものと予測している。そして、この節の位置で電界が弱くなって偏在的なプラズマ分布が起こっているものと考えている。そこで、この公報では、図１５（ａ）に示すように、定在波の節近傍と考えられるＡ−Ａ’位置に高周波電力の反射面を配置している。具体的には、上記段付き誘電体カバー１０４によって高周波伝送線路の特性インピーダンスをＡ−Ａ’位置で急激に（小から大）に変化させることにより入射波を反射させている。これにより、反射面での電界を強めて偏在的なプラズマ分布を抑制し、膜質および堆積速度の均一化を図っている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述の図１５（ａ）に示した特開平９−２７９３４８号公報の技術は、図１５（ｂ）中のＡ−Ａ’位置近傍における定在波の節を腹に近づけるような効果を有している。しかしながら、この効果を得るためにＡ−Ａ’位置に配した特性インピーダンスの不整合部は、以下のような問題点を引き起こしている。すなわち、▲１▼Ａ−Ａ’位置よりも後段に高周波電力が伝送されにくい。また、Ａ−Ａ’位置を境として電圧が大きく異なるため、結果としてプラズマ分布が生じる。さらに、
▲２▼上記不都合を伴いながらＡ−Ａ’位置を完全に腹に転じさせたとしても、そのＡ−Ａ’位置からλ／４（λ：高周波電力の波長）だけ上段の位置では節が現れてくる。
【００１２】
従って、上記従来技術は定在波の節の影響を本質的に改善したものではなく、プラズマ分布の問題は依然として解決されていない。
【００１３】
上記問題点について、さらに具体的に説明する。図１６（ａ）は図１５（ａ）に示した高周波電極１０３の高周波伝送線路をモデル化したものである。なお、説明が繁雑になるのを避けるために、分布定数線路の損失抵抗と損失コンダクタンスとは省略している。また、線路の終端は開放端（終端負荷Ｚ_L＝∞）としている。厳密には損失コンダクタンスおよび終端負荷がプラズマによるエネルギー消費部に相当するのであるが、これらを省略しても以下の説明においては特に問題は生じない。
【００１４】
この図１６（ａ）および以下の図１６（ｂ）において、Ｚ₁はＡ−Ａ’位置よりも上流線路の特性インピーダンスを示し、Ｚ₂はＡ−Ａ’位置よりも下流線路の特性インピーダンスを示す。Ｌは終端部からＡ−Ａ’位置までの距離を示している。βは位相定数であり、
β＝（２π）／λ ・・・（１）
で表される。なお、λは高周波電力の波長である。
【００１５】
以下に、上記図１６（ａ）のモデルに基づいて、定在波分布を調べる。なお、下記式（２）〜下記式（７）の導出に当たっては、「マイクロ波工学」（森北出版）を参照した。
【００１６】
まず、終端部から距離ｘだけ上流側の位置から下流側を見たときのインピーダンスＺ（ｘ）は、下記式（２）または下記式（３）のように表される。なお、下記式（２）、下記式（３）および下記式（７）において、ｊは虚数である。
【００１７】

さらに、上記インピーダンスＺ（ｘ）を用いると、位置ｘにおける電圧反射係数Γ（ｘ）は、下記式（４）または下記式（５）のように表される。
【００１８】

さらに、上記電圧反射係数Γ（ｘ）を用いると、位置ｘにおける電圧定在波の振幅｜Ｖ（ｘ）｜は、下記式（６）または下記式（７）のように表される。なお、下記式（６）および下記式（７）において、ＡはＡ−Ａ’位置よりも上流側の高周波電力供給点Ｓにおける、入射波の振幅を表している。
【００１９】

図１７に、上記式（１）〜上記式（７）に基づいて、Ｌ＝λ／４×０．９５として電圧定在波振幅｜Ｖ（ｘ）｜を試算した結果を示す。この図１７においては、電圧定在波振幅｜Ｖ（ｘ）｜を｜Ａ｜で規格化して表現している。
【００２０】
図１７（ｂ）はＺ₂＝Ｚ₁とした場合の結果であり、図１５（ｂ）に示したカバー無し電極を用いた場合をイメージしたものである。なお、この場合には、図１６（ａ）に示した高周波伝送線路モデルは図１６（ｂ）のモデルと等価である。また、図１７（ａ）はＺ₂＝Ｚ₁×１００とした場合の結果であり、誇張されているかもしれないが、図１５（ａ）に示したカバー付き電極を用いた場合をイメージしている。
【００２１】
図１７（ａ）と図１７（ｂ）とを比較すると、図１５（ｂ）に示したカバー無し電極を用いた場合にはＡ−Ａ’位置（ｘ＝Ｌ）付近に定在波の節が現れているのに対して、図１５（ａ）に示したカバー付き電極を用いた場合にはＡ−Ａ’位置（ｘ＝Ｌ）付近に定在波の腹が現れている。この点が上記公報の構成による効果である。
【００２２】
しかしながら、図１７（ａ）から分かるように、カバー付き電極を用いた場合には、Ａ−Ａ’位置を境として定在波の振幅が大きく異なっている。このことは、上記▲１▼の問題点に相当し、Ａ−Ａ’位置を境としてプラズマ分布が生じていることを意味する。また、Ａ−Ａ’位置の後段において電圧が極端に大きくなる（インピーダンスが大きくなる）ことは、高周波電力が伝送されにくくなることを意味する。
【００２３】
さらに、Ａ−Ａ’位置より上流側において、λ／２周期の定在波が依然として発生している。このことは、上記▲２▼の問題点に相当している。すなわち、Ａ−Ａ’位置付近の節を腹に転じているものの、それよりλ／４だけ上段の位置では、いずれにしても節が存在しているのである。
【００２４】
本発明は、このような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、高周波伝送線路に生じる定在波の節の影響を抑制することができる高周波電極、およびそれを用いてプラズマ分布の生じない良好なプラズマ処理を行うことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波電極は、高周波電力が供給される高周波電極であって、該高周波電極は窪み部を有し、該窪み部に対して一方側の該高周波電極の表面から、該窪み部の内表面を通って、該窪み部に対して他方側の該高周波電極の表面に高周波電力が伝送される高周波伝送線路が形成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２６】
前記窪み部は、前記高周波伝送線路で発生する定在波の節の位置近傍に形成されているのが好ましい。
【００２７】
前記窪み部は、前記高周波伝送線路に沿った内表面の長さが前記高周波電力の波長λの１／２以下であるのが好ましい。
【００２８】
前記窪み部は、前記高周波伝送線路に沿った内表面の長さが前記高周波電力の波長λの１／１０以上であるのが好ましい。
【００２９】
前記窪み部は、前記高周波伝送線路において、前記高周波電力の波長λの略１／２のピッチにて２個以上形成されているのが好ましい。
【００３０】
前記高周波電極の表面が誘電体で被覆されているのが好ましい。
【００３１】
本発明のプラズマ処理装置は、本発明の高周波電極と被処理物とが互いに対向して配置され、該高周波電極と該被処理物の間で発生させたプラズマにより該被処理物にプラズマ処理を行い、そのことにより上記目的が達成される。
【００３２】
前記プラズマの前記被処理物の表面に平行な第１の方向の長さが前記高周波電力の波長λの１／４以上であり、該被処理物の表面に平行で該第１の方向と垂直な第２の方向の長さが該波長λの１／４以下となるように、前記高周波電極の形状および配置が設定されているのが好ましい。
【００３３】
前記被処理物を、前記高周波電極に対して相対的に、前記第２の方向に移動させながらプラズマ処理を行うのが好ましい。
【００３４】
前記高周波電極の直近に、プラズマ処理用のガス供給口およびガス排気口が設けられているのが好ましい。
【００３５】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３６】
本発明にあっては、導体からなる高周波電極の表面に窪み部を設ける。高周波は、表皮効果によって導体の表面にしか流れないため、窪み部に対して一方側の高周波電極の表面から、窪み部の内表面を通って、窪み部に対して他方側の高周波電極の表面に高周波電力が伝送される。
【００３７】
この窪み部は、後述する第１実施形態に示すように、高周波伝送線路で発生する定在波の節の位置近傍に形成することにより、定在波の節が窪み部の内表面に現れる。このため、電極表面のプラズマと接する部分に節が現れず、偏在的なプラズマ分布を抑制することが可能である。
【００３８】
さらに、高周波伝送線路に沿った窪み部の内表面の長さを高周波電力の波長λの１／２以下とし、窪み部を高周波伝送線路に略λ／２のピッチにて１個または２個以上形成することにより、後述する第１実施形態に示すように、窪み部の中に定在波の節を隠し込むことが可能となる。
【００３９】
さらに、高周波伝送線路に沿った窪み部の内表面の長さを高周波電力の波長λの１／１０以上にすることにより、後述する実施例１に示すように、プラズマ処理における分布を５％以下に抑えることが可能となる。
【００４０】
さらに、導体からなる高周波電極の表面を誘電体で被覆することにより、後述する第１実施形態に示すように、電界分布を誘電体で緩和してプラズマの分布をさらに小さくすることが可能である。
【００４１】
本発明のプラズマ処理装置にあっては、このように定在波の節の影響を抑制した高周波電極を用いることにより、均一なプラズマ処理を行うことが可能となる。
【００４２】
さらに、プラズマの、被処理物の表面に平行な第１の方向の長さが高周波電力の波長λの１／４以上であり、被処理物の表面に平行で第１の方向と垂直な第２の方向の長さがλ／４以下となるように、高周波電極の形状および配置を設定した場合、後述する第３実施形態に示すように、第２の方向の高周波伝送線路には定在波の分布が殆ど現れず、第１の方向の高周波伝送線路では定在波の節を窪み部の中に隠し込むことが可能である。従って、プラズマと接する高周波電極表面には定在波分布が殆ど生じない。この場合、板状基板に対して簡単な構成の高周波電極によりプラズマ処理を行うことができ、さらに、プラズマサイズが小さいのでより均一なプラズマ処理が可能となる。基板を高周波電極に対して相対的に第２の方向に移動させながらプラズマ処理を行うことにより、基板全面にプラズマ処理を行うことが可能である。
【００４３】
さらに、上記構成を採用することにより、サイズの小さいプラズマ領域の直近（高周波電極の直近）にプラズマ処理用のガス供給口およびガス排気口を設けることができ、これによって、後述する第４実施形態に示すように、大流量のガスをプラズマ発生部に安定して供給することが可能である。
【００４４】
【発明の実施の形態】
上述したように、本発明は、高周波伝送線路に生じる定在波の節の影響を抑制した高周波電極と、この高周波電極を用いてプラズマ分布の生じない良好なプラズマ処理を可能とするプラズマ処理装置を提供するものである。
【００４５】
なお、本発明では、従来技術のように、特定位置に現れる定在波の節を除去するようなアプローチはしていない。その理由は、定在波の腹と節とが高周波の波長λの１／４毎に交互に現れることは物理現象であって、これを完全に除去することは不可能と考えたからである。但し、高周波伝送線路の特性インピーダンスと終端負荷インピーダンスとの整合が完全に取れていれば定在波は発生しないが、プラズマ発生部が損失コンダクタンスおよび終端負荷となるような系においては、このように理想的な整合が得られるとは考えにくい。
【００４６】
そこで、本願発明者は、高周波伝送線路に発生する定在波の存在を認めた上で、その節を隠し込むようなアプローチを行った。そして、この指針に基づいて具体的な構成を実現することができたのは、導体表面にしか電流が流れないという高周波の性質、すなわち表皮効果を積極的に利用したからである。
【００４７】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４８】
（第１実施形態）
図１（ａ）は本実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）はそのＸ−Ｘ’断面図である。図１において、高周波電極１以外の構成要素は図１４に示した従来技術と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
本実施形態の特徴は高周波電極１の形状にあり、図２（ａ）に高周波電極１の斜視図を示し、図２（ｂ）にその断面図を示す。高周波電極１は、従来技術と同様に円柱棒状であり、その外周面１ａから円柱の中心部に向けて窪み部２を有しており、外観は円柱の表面１ａに複数のスリット２ａが設けられたような形状である。
【００５０】
この窪み部２は、後述する高周波伝送線路上において、高周波電力の波長λの略１／２のピッチで１個または２個以上設けられ、１個の窪み部２の内表面２ｂの高周波伝送線路に沿った長さはλ／２以下とされている。なお、窪み部２の内表面２ｂとは、図２（ｂ）を拡大した図３において、上から２番目の窪み部２に対して太線で示した部分を言う。好ましくは、１個の窪み部２の内表面２ｂの高周波伝送線路に沿った長さはλ／１０以上である。なお、図３において、１０６はプラズマ処理がなされる円筒状基体である。また、図３中のｘ_xは、後述する高周波伝送線路の終端部Ｅから高周波電極１の表面１ａ上（プラズマと接する部分）の任意の位置までの軸方向距離を表わしており、後述する図７（ｂ）の横軸に対応するものである。
【００５１】
さらに、高周波電極１の外周面１ａおよびスリット部２ａの表面全体は、図４に示すように、アルミナやテフロン等の誘電体４で被覆されているのが好ましい。この誘電体４は、公知技術に基づいてＣＶＤ法や溶射法等、どのような方法で作製してもよい。
【００５２】
図２および図３に示した窪み部２を設けた高周波電極１は、どのような方法で作製してもよい。例えば図５（ｂ）に示すような中心に段付き穴５ａを設けた円柱状電極パーツ２２２を順次シャフト５に圧入し、図５（ａ）に示すように組み立てることによって作製することができる。なお、この場合には、シャフト５と円柱状電極パーツ２２２を電気的に接続させることが必要である。
【００５３】
本実施形態において、プラズマ処理は従来技術と同様に、以下のようにして行うことができる。
【００５４】
まず、反応容器１００を排気機構１３５によって高真空まで排気した後、ガス供給手段１０８からガス供給パイプ１１７およびガス放出パイプ１１６を介してプラズマ処理用ガスを反応容器１００内に導入して、所定の圧力に維持する。そして、高周波電極１と円筒状基体１０６との間にプラズマを発生させる。これにより、ガスがプラズマにより分解されて励起され、円筒状基体１０６表面に対してプラズマ処理が行われる。
【００５５】
以下に、本実施形態の作用について、説明する。
【００５６】
まず、本実施形態の高周波電極１における、導体表面の表皮厚さについて説明する。本実施形態において使用する高周波電力の周波数をｆ（Ｈｚ）とすると、表皮厚さδは下記式（８）で与えられる。なお、下記式（８）において、ρは高周波電極材料の固有抵抗であり、μは高周波電極材料の透磁率である。
【００５７】
δ＝｛ρ／（π・ｆ・μ）｝^0.5 ・・・（８）
例えば、周波数ｆを８０ＭＨｚ以上とし、高周波電極１をＡｌ製とすると、上記式（８）から表皮厚さはδ≦０．０１ｍｍとなる。
【００５８】
このように表皮厚さδが薄いので、図３の上部から高周波電極１に供給された高周波電力は、高周波電極１（導体）の表皮を通りながら下方に伝送される。具体的には、高周波電力は、電極１への高周波電力供給点Ｓから出発した後、高周波電極１の表面１ａを通り、続いて窪み部２の内表面２ｂを通る。高周波電力は、続いて高周波電極の表面１ａを通った後、上記の経路が繰り返されて終端部Ｅに致る。なお、図３では、高周波伝送経路のうち、高周波電力が高周波電極表面１ａを通る部分を実線で表し、窪み部２の内表面２ｂを通る部分を点線で表している。
【００５９】
次に、本実施形態における定在波分布について説明する。図６（ａ）は図３に示した高周波電極１の高周波伝送線路をモデル化したものである。なお、高周波伝送線路は、高周波電極１の表面１ａと窪み部２の内表面２ｂとから構成されている。この図６（ａ）および以下の図６（ｂ）において、Ｚ₀は伝送線路の特性インピーダンスを示し、Ｚ_pは損失コンダクタンス（プラズマ）を示し、Ｚ_Lは終端負荷（プラズマ）を示している。なお、以下の説明においては定在波の分布形状のみを議論し、位相の絶対値および振幅の絶対値については議論しないため、図６（ａ）のモデルを図６（ｂ）のように簡略化してもよい。すなわち、損失コンダクタンスを無視し、終端部を開放端（終端負荷Ｚ_L＝∞）としてもよい。そこで、図６（ｂ）のモデルに基づいて、高周波伝送線路上における定在波分布を説明する。
【００６０】
図３に示した、高周波電極表面１ａと窪み部２の内表面２ｂとを含む高周波伝送線路上における定在波分布を考える。伝送線路の終端部Ｅ点から伝送線路上において距離ｘ₁だけ上流側の位置から下流側を見たときのインピーダンスＺ（ｘ₁）は、下記式（９）のように表される。なお、下記式（９）において、ｊは虚数であり、βは下記式（１０）で表される位相定数であり、下記式（１０）においてλは高周波電力の波長である。
【００６１】
Ｚ（ｘ₁）＝−ｊ・Ｚ₀／ｔａｎ（β・ｘ₁） ・・・（９）
β＝（２π）／λ ・・・（１０）
さらに、上記インピーダンスＺ（ｘ₁）を用いると、位置ｘ₁における電圧反射係数Γ（ｘ₁）は、下記式（１１）のように表される。
【００６２】
Γ（ｘ₁）＝｛Ｚ（ｘ₁）−Ｚ₀｝／｛Ｚ（ｘ₁）＋Ｚ₀｝ ・・・（１１）
さらに、上記電圧反射係数Γ（ｘ₁）を用いると、位置ｘ₁における電圧定在波振幅｜Ｖ（ｘ₁）｜は、下記式（１２）のように表される。なお、下記式（１２）において、Ａは電力供給点Ｓにおける入射波の振幅を表している。
【００６３】
｜Ｖ（ｘ₁）｜＝｜Ａ｜・｜１＋Γ（ｘ₁）｜ ・・・（１２）
図７（ａ）に、上記式（９）〜上記式（１２）に基づいて、電圧定在波振幅｜Ｖ（ｘ₁）｜を試算した結果を示す。試算においては１個の窪み部２の内表面２ｂの全長をλ／６とし、高周波伝送線路上における窪み部２のピッチをλ／２とした。また、終端部Ｅ点と、これに一番近い窪み部２の内表面２ｂの中央部との間の、高周波伝送線路上の距離をλ／４とした。この図７（ａ）において、縦軸は電圧定在波振幅｜Ｖ（ｘ₁）｜を｜Ａ｜で規格化して表している。また、横軸はＥ点を原点とし、高周波伝送線路上での距離Ｘ₁を表している。さらに、図７（ａ）において、実線は高周波電極表面１ａの部分に対する電圧を示し、点線は窪み部内表面２ｂ上の部分に対する電圧を示している。
【００６４】
図７（ａ）から分かるように、本実施形態における高周波伝送線路上の定在波分布は、従来技術において図１７（ｂ）に示したカバー無し電極を用いた場合の定在波分布と何等異なるものではない。しかしながら、本実施形態においては、定在波の節となる部分が、高周波電極表面１ａではなく、窪み部内表面２ｂに現れている。この点が本発明のポイントであり、高周波伝送線路上の節の存在を認めながら、この節を窪み部２の中に隠し込んでいるのである。
【００６５】
その結果、高周波電極表面１ａ（プラズマと接する部分）上の距離ｘ_x（図３中に図示）を横軸として｜Ａ｜で規格化した電圧定在波振幅｜Ｖ（ｘ_x）｜／｜Ａ｜を表すと、図７（ｂ）に示すようになり、プラズマと接する部分に節が現れない。従って、円筒状基体１０６の軸方向に沿って、偏在的なプラズマ分布を抑制することができ、均一なプラズマ処理を施すことができる。
【００６６】
なお、上記窪み部２の中に定在波の節を隠し込む条件は、図７（ａ）からも明らかなように、１個の窪み部２の内表面２ｂの全長がλ／２以下で、高周波伝送線路上に略λ／２のピッチで１個または２個以上の窪み部２が形成されていることである。さらに、後述する実施例１に示すように、１個の窪み部２の内表面２ｂの全長がλ／１０以上である場合に、プラズマ処理の分布を５％以内に抑えられるので好ましい。
【００６７】
ところで、上記試算は図６（ｂ）に示したモデルに基づいているため、図７（ｂ）に示すようなピークを有する定在波分布になっているが、図６（ａ）に示すような現実的なモデルの場合には、さらにブロードな分布となる。従って、本実施形態によれば、高周波電極表面１ａ上に殆ど定在波分布が生じない。この点については、後述する実施例により確認することができる。
【００６８】
さらに、図２および図３に示した構成では、スリット部２ａにおいてプラズマに与える電界が弱まることが懸念されるかもしれないが、プラズマ自体の空間分布を考慮すれば、このことは問題ではない。例えば、数Ｔｏｒｒオーダー以下の圧力の場合には、数ｍｍ程度の隙間を設けても全く問題は生じない。但し、スリット幅として考慮すべきオーダーは、プラズマを発生させる圧力によって異なる。 さらなる定在波分布の抑制や、さらなるスリット部２ａの影響の抑制を目指すためには、図４に示したように、高周波電極１の表面を誘電体４で覆うようにすればよい。このようにすれば、多少の電界分布が存在しても誘電体４により緩和されるので、プラズマ分布を小さくすることができる。
【００６９】
なお、上記試算は終端部を開放端として行ったが、実際には終端負荷はプラズマインピーダンスに依存するものであり、節の位置を特定できない場合が多い。このような場合には、まず、窪み部２の無い円柱棒状の電極によって、高周波伝送線路の終端部から節までの距離を調べておけばよい。その上で、節を隠し込むことができるように窪み部２を配置して、高周波電極を作製すればよい。
【００７０】
（第１実施形態の変形例）
上記第１実施形態では、窪み部２における内表面２ｂの全長の長さを十分に確保するために、図２に示したようなスリット部２ａから内表面が広がるような形状の窪み部２を設けたが、本発明はこれに限定されず、問題となる定在波の節を窪み部２の内表面２ｂにて隠し込めれば良い。例えば、終端負荷や損失コンダクタンスによって、定在波分布が元々あまり大きくない場合や、目的とする電圧定在波振幅の分布の許容範囲が広い場合には、窪み部２の内表面２ｂの全長はもっと短くてもよい。このような場合には、図８に示すように、スリット２ａのみからなる窪み部を設けてもよい。さらに、円柱棒状の高周波電極１の直径が大きい場合には、図８に示すようなスリット２ａのみからなる窪み部であっても、スリット２ａの深さを深くすることにより、窪み部の内表面の全長を十分確保することができるので、定在波の節を十分に隠し込める場合がある。
【００７１】
なお、本変形例では窪み部の内表面を平面で構成したが、曲面であってもよい。
【００７２】
スリット幅としては、第１実施形態と同様に設定すればよく、例えば数Ｔｏｒｒオーダ以下の圧力の場合には数ｍｍ程度であってもよい。
【００７３】
（第２実施形態）
上記実施形態１では、高周波電極として円柱棒状の導体を用いて、円筒状基体１０６をプラズマ処理する場合について説明したが、本発明において高周波電極の形状およびプラズマ処理が行われる被処理物はこれに限定されない。本実施形態では、板状の基板に対してプラズマ処理を行う場合について説明する。
【００７４】
例えば、板状基板２０６にプラズマ処理を行う場合には、図９に示すような高周波電極１１を用いることができる。図９において、基板２０６はＳｉウェハやガラス基板等の板状基板であり、高周波電極１１は円板状または平板状である。図１０は高周波電極１１を円板状とした場合の下面図である。図９および図１０において、１１ａは高周波電極１１の表面を示し、１２は高周波電極１１の表面から上方に向けて設けられた窪み部であり、１２ａはそのスリット部である。２０５Ａは基板ホルダーであり、１１７はガス供給パイプを示し、１０７はガス排気パイプを示している。
【００７５】
本実施形態においても、高周波伝送線路は、図９に実線および破線の矢印で示すように、高周波電極表面１１ａと窪み部１２の内表面１２ｂとで構成される。そして、第１実施形態と同様に、定在波の節を窪み部１２の中に隠し込むことができる。従って、本実施形態における高周波電極１１のプラズマと接する部分の電圧定在波振幅も、図７（ｂ）と同様のものになる。但し、高周波電極１１が円板状の場合には、高周波伝送線路が高周波電極１１の中心軸に対して対称形となるため、図１０に示すように、窪み部１２が高周波電極１１の中心軸に対して対称な位置に形成される。このため、定在波分布も高周波電極１１の中心軸に対して対称形となる。
【００７６】
本実施形態において、窪み部の形状やその配置の仕方については第１実施形態と同様にすることができ、その効果については第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。本実施形態によれば、板状基板に対して上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００７７】
（第３実施形態）
上記実施形態２は、本発明の基本思想を板状基板に対して適用可能としたものであるが、板状基板を用いる場合には高周波電極をさらに簡単な構成とすることも可能である。本実施形態ではこの構成について説明する。
【００７８】
本実施形態における高周波電極２１は、図１１（ａ）に示すＤ_x方向の長さＷ_xが、その方向における基板２０６の長さよりも短く、λ／４以下となっている。一方、Ｄ_x方向と垂直なＤ_y方向の高周波電極２１の長さＷ_yは、その方向における基板２０６の長さと同程度であり、基板２０６のサイズに応じてどのような長さであってもよいが、Ｗ_yがλ／４以上である場合に本発明の効果が活かされる。
【００７９】
本実施形態においても、高周波電極２１にはその表面２１ａから上方に向けて窪み部２２が形成されており、Ｄ_x方向に見た断面形状は、上記図９に示した第２実施形態の高周波電極１１と同様である。但し、本実施形態では、高周波電極２１の下面図である図１１（ｂ）に示すように、窪み部２２（スリット部２２ａ）は図１１（ａ）のＤ_x方向に一様に形成されている。
【００８０】
本実施形態において、高周波伝送線路は、図１１（ａ）のＤ_x方向およびＤ_y方向に２次元的に構成されるが、高周波電極２１のＤ_x方向の長さＷ_xはλ／４よりも短い。高周波伝送線路上の定在波の周期は、例えば図７（ａ）に示したようにλ／２であるので、Ｄ_x方向の高周波伝送線路には定在波の分布が殆ど現れない。一方、Ｄ_y方向においては、Ｗ_yがλ／４以上の場合に定在波分布が生じるおそれがあるが、上記第２実施形態と同様に、定在波の節を窪み部２２の中に隠し込むことが可能である。従って、高周波電極２１のプラズマと接する部分には、定在波分布が殆どなく、プラズマ分布が生じない。
【００８１】
なお、上記構成では、プラズマが、高周波電極２１と基板２０６とが対向する空間にしか発生しないが、基板２０６が搭載される基板ホルダ３０５ＡをＤ_x方向に移動させることにより、基板２０６の全面に対してプラズマ処理を行うことが可能である。
【００８２】
本実施形態において、Ｄ_x方向に見たときの窪み部の形状やその配置の仕方については第１実施形態および第２実施形態と同様にすることができ、その主たる効果については第１実施形態および第２実施形態と同様であるので、説明を省略する。本実施形態によれば、上記第２実施形態と同様の効果をより簡単な電極構成で得ることができる。
【００８３】
さらに、本実施形態では、プラズマサイズが第２実施形態よりも小さいので、例えばガス流速や放電ギャップの不均一等の定在波以外の原因によるプラズマの不均一性についても解消することが可能である。さらに、本実施形態によれば、基板２０６のＤ_x方向の長さの制約を全く受けないので、インライン方式のプラズマ処理装置に適しており、特に、シート状の基板をプラズマ処理する場合にも好適である。
【００８４】
（第４実施形態）
上記実施形態３は、図１１（ａ）中のＤ_x方向の長さが短い高周波電極を用いることにより、上述のような優れた効果を呈した。しかしながら、第３実施形態の思想に種々の工夫を加えることにより、さらに均一性に優れたプラズマ処理が可能なプラズマ処理装置を得ることができる。本実施形態ではその一例について説明する。
【００８５】
本実施形態における高周波電極３１は、図１２および図１３に示すように、断面が略半円形状をなし、図２に示した円柱棒状の高周波電極１を中心軸を含む平面で切断したような形状を有している。窪み部の形状は図２に示した窪み部２と同様であり、外観的には図１３に示すように、高周波電極３１の表面３１ａにスリット部３２ａが形成されたような形状を有している。
【００８６】
本実施形態では、上述のような高周波電極３１の円筒面を板状基板２０６と対向させているため、上記円筒面の先端付近にのみプラズマが発生する。従って、第３実施形態と同様に、Ｄ_x方向のプラズマの長さを短くすることができる。そして、このプラズマのＤ_x方向の長さをλ／４以下にすることにより、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８７】
なお、図１２の紙面に対して垂直方向（Ｄ_y）の高周波伝送線路については、第２実施形態および第３実施形態と同様であり、定在波の節を窪み部に隠し込むことができる。
【００８８】
さらに、本実施形態では、上記円筒面を有する高周波電極３１を、カバー体４０で包囲して、図１２中にＦで示すガス流路を形成している。このガス流路Ｆにおいて、プラズマよりも上流側の部分がプラズマ処理用のガス供給口であり、図１２ではＦｉｎを付している。また、プラズマよりも下流側の部分がガス排気口であり、図１２ではＦｏｕｔを付している。１１７および１０７はガス供給パイプおよびガス排気パイプである。このガス流路Ｆは、その流線に急激な変化が加わらないように、略Ｕ字形状をなしており、これによってプラズマ部に大流量のガスを安定して供給することができる。
【００８９】
本実施形態において、Ｄ_x方向に見たときの窪み部の形状やその配置の仕方については第３実施形態と同様にすることができ、その主たる効果については第３実施形態と同様であるので、説明を省略する
さらに、本実施形態によれば、第３実施形態よりもプラズマ部に大流量のガスを安定して供給することができるので、さらなるプラズマ処理の均一化を図ることができる。
【００９０】
上述したように、本発明の高周波電極によれば、高周波伝送線路に生じる定在波の節の影響を抑制することができ、これを用いることによりプラズマ分布の生じない均一なプラズマ処理を行うことが可能となる。特に、基体および基板のサイズや高周波電力の周波数に捕らわれずに、均一なプラズマ処理が可能となる。
【００９１】
例えば、定在波のために、従来ではＶＨＦ帯の高周波により均一なプラズマ処理が行えなかったような大型の基体や基板に対しても、ムラの無い均一なプラズマ処理を施すことができる。従って、ＶＨＦ帯のプラズマによる高速で高品質なプラズマ処理を大型の基体や基板に適用することが可能となり、プラズマ処理を必要とするデバイスの生産性および品質の上で非常に大きな効果が得られる。この効果は、特に太陽電池やＴＦＴ液晶等の大型基板を用いたデバイス作製工程に有用であり、生産性および品質を向上させる上で非常に効果的である。
【００９２】
なお、本発明の高周波電極の用途は、上述したようなプラズマ処理に限られるものではなく、定在波の影響を伴う如何なる用途にも適用することが可能である。例えば、均一なコロナ放電処理が要求される分野等にも本発明の高周波電極を適用可能である。
【００９３】
以下、本発明のさらに具体的な実施例について説明する。
【００９４】
［実施例１］
図１に示したプラズマ処理装置を用い、高周波電力の周波数を５００ＭＨｚ（λ＝６００ｍｍ）として成膜実験を行った。基体１０６は、直径１００ｍｍ、長さ３６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのＡｌ製円筒状基体であり、反応容器１００内に６本設置した。そして、基体１０６を回転させながらアモルファスＳｉの成膜を行った。高周波電極１は、Ａｌ製で直径３０ｍｍの円柱形状であり、図５に示した方法により窪み部２を設けて作製した。組立後の高周波電極１の長さは５００ｍｍとした。また、窪み部２は、節の現れそうな位置を予備実験によって予め調べておき、その位置に配置した。本実施例の予備実験では、高周波伝送線路の終端部から約１００ｍｍだけ上流側の位置に節が現れたため、この部分の節を隠すように１個めの窪み部２を配置した。さらに、この１個めの窪み部２から、高周波伝送線路上でλ／２（３００ｍｍ）だけ上流側の位置に２個めの窪み部２を配置した。１個の窪み部２の内表面の全長は、下記の３種類を設定した。その他の実験条件は以下に示す通りとした。
【００９５】

上述のようにして成膜した円筒状基体のうち、特定の１本を取り出して成膜されたａ−Ｓｉ膜の膜厚を軸方向に２０箇所測定し、膜厚分布を調べた。その結果は下記表１の通りであり、窪み部２の内表面の全長をλ／１０以上にすることにより、ａ−Ｓｉ膜の膜厚分布を５％以下にすることができた。
【００９６】
【表１】

［比較例１］
高周波電極１に窪み部２を設けずに、実施例１と同じ外形サイズの高周波電極を作製し、実施例１と同様の実験を行った。その結果、膜厚分布は３０％と非常に大きく、膜厚ムラのピッチはほぼλ／２に対応していた。
【００９７】
［実施例２］
実施例１で作製した高周波電極１の表面に、溶射法によりアルミナをコーティングして、図４に示したような誘電体４で覆われた高周波電極１を作製した。この高周波電極を用いて実施例１と同様の実験を行った。その結果は下記表２の通りであり、特に、実施例１で膜厚分布が大きかった窪み部２の内表面の全長がλ／１２の条件において、膜厚分布が改善された。
【００９８】
【表２】

［実施例３］
図１２に示したプラズマ処理装置を用い、高周波電力の周波数を２００ＭＨｚ（λ＝１．５ｍ）として成膜実験を行った。基板２０６は、１ｍ角のガラス基板であり、図１２中のＤ_x方向に２００ｍｍ移動させてアモルファスＳｉの成膜を行った。高周波電極３１は、Ａｌ製で曲率半径１００ｍｍの円筒曲面を有し、窪み部を設けた。図１２の紙面に対して垂直な方向（Ｄ_y方向）の長さは１．１ｍとした。また、窪み部は、節の現れそうな位置を予備実験によって予め調べておき、その位置に配置した。本実施例の予備実験では、高周波電極３１のＤ_y方向における中央部から略λ／４だけ離れた位置に節が現れたため、この部分の節を隠すように２個の窪み部を配置した。１個の窪み部の内表面の全長はλ／１０（１５０ｍｍ）となるように設定し、さらに、高周波電極の表面をアルミナでコーティングした。その他の実験条件は以下に示す通りとした。
【００９９】
（実験条件）
周波数：２００ＭＨｚ
高周波電力：４ｋＷ
成膜用ガス：ＳｉＨ₄（１％）＋Ｈ₂（２．５％）＋Ｈｅ（９６．５％）
ＳｉＨ₄ガス流量：７５０ＳＣＣＭ
反応容器内圧力：８Ｔｏｒｒ
基板温度：２５０℃
窪み部３２の内表面全長：１５０ｍｍ
スリット３２ａの幅：１ｍｍ
（実験結果）
上述のようにして成膜した基板に対して、１００ｍｍ（Ｄ_x方向）×１ｍ（Ｄ_y方向）の領域内で６０点の膜厚を測定した結果、その分布は５％と非常に良好であった。しかも、成膜速度は２０オングストローム／ｓと非常に高速であり、光感度が１０⁵〜１０⁶オーダという非常に高品質の膜が得られていることが確認できた。
【０１００】
［比較例２］
高周波電極３１に窪み部を設けずに、実施例３と同じ外形サイズの高周波電極を作製し、実施例３と同様の実験を行った。その結果、膜厚分布は２４％と非常に大きく、図１２の紙面に対して垂直な方向の膜厚ムラのピッチはほぼλ／２に対応していた。
【０１０１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の高周波電極によれば、高周波伝送線路に生じる定在波の節を隠し込むような窪み部を設けることにより、定在波分布の影響を抑制することができる。そして、これを用いることにより、プラズマ分布の生じない均一なプラズマ処理を行うことが可能となる。特に、基体および基板のサイズや高周波電力の周波数に捕らわれずに、均一なプラズマ処理が可能となる。
【０１０２】
例えば、定在波のために従来ではＶＨＦ帯の高周波により均一なプラズマ処理が行えなかったような大型の基体や基板に対しても、ムラの無い均一なプラズマ処理を施すことができる。従って、ＶＨＦ帯のプラズマによる高速で高品質なプラズマ処理を大型の基体や基板に適用することが可能となり、プラズマ処理を必要とするデバイスの生産性および品質の上で非常に大きな効果が得られる。この効果は、特に太陽電池やＴＦＴ液晶等の大型基板を用いたデバイス作製工程に有用であり、生産性および品質を向上させる上で非常に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、（ｂ）はそのＸ−Ｘ’断面図である。
【図２】（ａ）は第１実施形態の高周波電極の構成を説明するための斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【図３】第１実施形態における高周波伝送線路を説明するための断面図である。
【図４】第１実施形態における誘電体でコーティングされた高周波電極の構成を説明するための断面図である。
【図５】（ａ）は第１実施形態の高周波電極の作製方法を説明するための断面図であり、（ｂ）は高周波電極を構成するパーツの断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は第１実施形態における高周波伝送線路をモデル化した図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は第１実施形態の高周波電極の作用を説明するための図である。
【図８】第１実施形態の変形例の高周波電極の構成を説明するための断面図である。
【図９】第２実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図１０】第２実施形態の高周波電極の構成を説明するための下面図である。
【図１１】（ａ）は第３実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す斜視図であり、 （ｂ）は第３実施形態の高周波電極の構成を説明するための下面図である。
【図１２】第４実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図１３】第４実施形態の高周波電極の構成を説明するための斜視図である。
【図１４】（ａ）は従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、（ｂ）はそのＸ−Ｘ’断面図である。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は従来の高周波電極の構成を説明するための断面図である。
【図１６】（ａ）および（ｂ）は従来の高周波電極の高周波伝送線路をモデル化した図である。
【図１７】（ａ）および（ｂ）は従来の高周波電極の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３１ 高周波電極
１ａ、１１ａ、２１ａ、３１ａ 高周波電極の表面
２、１２、２２、３２ 窪み部
２ａ、１２ａ、２２ａ、３２ａ 窪み部のスリット
２ｂ、１２ｂ、２２ｂ 窪み部の内表面
４ 誘電体
５ シャフト
５ａ 段付き穴
１００ 反応容器
１０３ 高周波電極
１０４ 段差の付いた誘電体カバー
１０５Ａ、２０５Ａ、３０５Ａ 基体ホルダ
１０５Ｂ 補助部材
１０６ 円筒状基体
１０７ 排気パイプ
１０８ 原料ガス供給手段
１０９ 整合回路
１１１ 高周波電源
１１６ ガス放出パイプ
１１７ ガス供給パイプ
１３１ 基体回転用シャフト
１３２ モータ
１３３ シール部材
１３５ 排気機構
１４０ 基体加熱用ヒータ
２０６ 板状基板
２２２ 円柱状電極パーツ
Ｓ 高周波電力供給点
Ｅ 高周波伝送線路の終端部
Ｚ₀ 高周波伝送線路の特性インピーダンス
Ｚ インピーダンス
Ｖ 電圧定在波振幅

Claims (9)

1. 高周波電力が供給される高周波電極であって、
   該高周波電極は窪み部を有し、該窪み部に対して一方側の該高周波電極の表面から、該窪み部の内表面を通って、該窪み部に対して他方側の該高周波電極の表面に高周波電力が伝送される高周波伝送線路が形成されており、
   前記窪み部は、前記高周波伝送線路で発生する定在波の節の位置近傍に形成されていることを特徴とする高周波電極。
2. 前記窪み部は、前記高周波伝送線路に沿った内表面の長さが前記高周波電力の波長λの１／２以下である請求項１に記載の高周波電極。
3. 前記窪み部は、前記高周波伝送線路に沿った内表面の長さが前記高周波電力の波長λの１／１０以上である請求項２に記載の高周波電極。
4. 前記窪み部は、前記高周波伝送線路において、前記高周波電力の波長λの略１／２のピッチにて２個以上形成されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の高周波電極。
5. 前記高周波電極の表面が誘電体で被覆されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の高周波電極。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の高周波電極と被処理物とが互いに対向して配置され、該高周波電極と該被処理物の間で発生させたプラズマにより該被処理物にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置。
7. 前記プラズマの前記被処理物の表面に平行な第１の方向の長さが前記高周波電力の波長λの１／４以上であり、該被処理物の表面に平行で該第１の方向と垂直な第２の方向の長さが該波長λの１／４以下となるように、前記高周波電極の形状および配置が設定されている請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記被処理物を、前記高周波電極に対して相対的に、前記第２の方向に移動させながらプラズマ処理を行う請求項７に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記高周波電極の直近に、プラズマ処理用のガス供給口およびガス排気口が設けられている請求項８に記載のプラズマ処理装置。

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