JP3874726B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ生成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円偏波給電されたスロットアンテナを用いて容器内に供給した電磁界によりプラズマを生成するプラズマ装置及びプラズマ生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ装置が多用されている。これらのプラズマ装置の中に、スロットアンテナを用いて処理容器内に高周波電磁界を供給し、その電磁界により高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ装置がある。この高周波プラズマ装置は、プラズマガスの圧力が比較的低くても安定してプラズマを生成することができるので、用途が広いという特色がある。
【０００３】
図１１は、従来の高周波プラズマ装置の一構成例を示す図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
【０００４】
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器１１１を有している。この処理容器１１１の底部には基板台１２２が固定され、この基板台１２２の載置面に被処理体である基板１２１が配置される。処理容器１１１の側壁には、プラズマガス供給用のノズル１１７が設けられ、処理容器１１１の底部には、真空排気用の排気口１１６が設けられている。処理容器１１１の上部開口は、そこからプラズマが外部に漏れないように、誘電体板１１３で塞がれている。
【０００５】
この誘電体板１１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ１３０が配置されている。このラジアルアンテナ１３０は、ラジアル導波路１３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板１３１，１３２と、これらの導体板１３１，１３２の外周部を接続する導体リング１３４とから構成されている。
【０００６】
ラジアル導波路１３３の下面となる導体板１３１には、スロット１３６が複数形成されている。このスロット１３６は、図１２に示すように、導体板１３１の径方向に垂直な周方向に沿って、同心円状に形成されている。
【０００７】
ラジアル導波路１３３の上面となる導体板１３２の中心部には、電磁界Ｆの導入口１３５が形成され、この導入口１３５に円筒導波管１４１によって高周波発生器１４４が接続されている。また、ラジアルアンテナ１３０に円偏波給電するため、円筒導波管１４１には円偏波変換器１４２が設けられている。
【０００８】
なお、ラジアルアンテナ１３０及び誘電体板１１３の外周は環状のシールド材１１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
【０００９】
高周波発生器１４４から出力された電磁界Ｆは、円偏波変換器１４２によって円偏波に変換され、ラジアルアンテナ１３０に供給される。ラジアル導波路１３３内に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路１３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬してゆく。そして、導体リング１３４に至った電磁界Ｆはそこで反射され、再度中心部に向かうことになる。電磁界Ｆは、このようにラジアル導波路１３３内を伝搬しながら、複数のスロット１３６から少しずつ放射されてゆく。スロット１３６から放射された電磁界Ｆは、誘電体板１１３を透過し、処理容器１１１内のガスを電離させて、基板１２１の上部空間Ｓにプラズマを生成する。
【００１０】
図１３は、ラジアル導波路１３３内のある時点における電磁界Ｆの波面を示す概念図である。電磁界Ｆの進行波の波面は実線で示すような螺旋を描き、反射波の波面は点線で示すような螺旋を描く。進行波の磁流Ｉm1及び反射波の磁流Ｉm2は、それぞれの波面に沿って生じる。
【００１１】
上述したように、従来のラジアルアンテナ１３０では、放射面となる導体板１３１の周方向に沿ってスロット１３６が形成されている。このため、スロット１３６に対する反射波の磁流Ｉm2の傾斜角度は、進行波の磁流Ｉm1の傾斜角度と同程度となるので、スロット１３６からは進行波のみでなく、反射波も放射されやすい。
【００１２】
しかし、スロット１３６から放射される電磁界Ｆに、進行波と反射波の両成分が含まれていることが好ましくない場合がある。例えば、スロット間隔によって電磁界Ｆの放射方向を調整する場合には、反射波の割合が大きいと定在波となって放射されるため、所望の方向に電磁界Ｆを放射できない。
【００１３】
一方、ラジアル導波路１３３内に現れる定在波を積極的に利用する場合には、放射効率が不十分であり、効率よく処理容器１１１内に電磁界Ｆを供給することができなかった。
【００１４】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スロットアンテナ内部の電磁界の所望成分を選択的に取り出して容器内に供給し、プラズマ生成に利用することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、スロットアンテナ内部の電磁界を効率よく容器内に供給して、プラズマ生成に利用することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、この発明の一つの局面に従ったプラズマ処理装置は、円形の放射面を有し、その放射面にスロットが複数形成されており、容器内に電磁界を供給するスロットアンテナと、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続されてスロットアンテナに円偏波を給電する給電手段と、容器内に設けられ、被処理体を載置する載置台とを備え、放射面の周方向に対するスロットアンテナのスロットの傾斜角度が放射面の中心部から周縁部に近づくにつれて小さくなるように複数のスロットが配置されており、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ -1 ［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００１７】
このようなスロットパターンとすることにより、スロットの方向がアンテナ内部の電磁界の進行波の磁流の方向及び反射波の磁流の方向のいずれかに近づくので、進行波の磁流及び反射波の磁流のうち一方の使用効率が向上し、他方の使用効率が低下する。
【００１９】
好ましくは、スロットアンテナの複数のスロットは、放射面の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成されている。
【００２０】
この発明の別の局面に従ったプラズマ処理装置は、ラジアル導波路と円形の放射面とを有し、その放射面にスロットが複数形成されており、容器内に電磁界を供給するスロットアンテナと、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続され、スロットアンテナに円偏波を給電する給電手段と、容器内に設けられ、被処理体を載置する載置台とを備え、スロットアンテナの複数のスロットは、スロットアンテナのラジアル導波路の電磁界の波面に沿うように形成されており、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ-1［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００２１】
このように構成されたプラズマ装置では、スロットアンテナ内部の進行波、反射波及び定在波の何れかの波面に沿うようにスロットを形成することにより、その波の磁流の使用効率が向上する。
【００２２】
この発明の一つの局面に従ったプラズマ生成方法は、円形の放射面を有し、その放射面にスロットが複数形成されており、放射面の周方向に対するスロットの傾斜角度が放射面の中心部から周縁部に近づくにつれて小さくなるように複数のスロットが配置されるスロットアンテナを容器内に配置する工程と、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続された給電手段を用いてスロットアンテナに円偏波を給電することにより、容器内に電磁界を供給してプラズマを生成する工程とを備え、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ-1［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００２３】
このような工程を備えたプラズマ生成方法では、上記のスロットパターンとすることにより、スロットの方向がアンテナ内部の電磁界の進行波の磁流の方向及び反射波の磁流の方向のいずれかに近づくので、進行波の磁流及び反射波の磁流のうち一方の使用効率が向上し、他方の使用効率が低下する。
【００２４】
また好ましくは、スロットアンテナの複数のスロットは、放射面の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成されている。
【００２５】
この発明の別の局面に従ったプラズマ生成方法は、ラジアル導波路と円形の放射面とを有し、その放射面にスロットが複数形成されており、複数のスロットは、ラジアル放射面の電磁界の波面に沿うように形成されているスロットアンテナを容器内に配置する工程と、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続された給電手段を用いてスロットアンテナに円偏波を給電することにより、容器内に電磁界を供給してプラズマを生成する工程とを備え、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ-1［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００２６】
このような工程を備えたプラズマ生成方法では、スロットアンテナ内部の進行波、反射波及び定在波の何れかの波面に沿うようにスロットを形成することにより、その波の磁流の使用効率が向上する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
【００２９】
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器１１を有している。この処理容器１１は、アルミニウムなどの導体で形成されている。処理容器１１の上部開口には、厚さ２０〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又はセラミック（Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなど）などからなる誘電体板１３が配置されている。処理容器１１と誘電体板１３との接合部にはＯリングなどのシール部材１４を介在させており、これにより処理容器１１内部の気密性を確保している。
【００３０】
処理容器１１の底部には、セラミックなどからなる絶縁板１５が設けられている。また、この絶縁板１５及び処理容器１１底部を貫通する排気口１６が設けられており、この排気口１６に連通する真空ポンプ（図示せず）により、処理容器１１内を所望の真空度にすることができる。また、処理容器１１の側壁には、処理容器１１内にＡｒなどのプラズマガスやＣＦ4などのプロセスガスを導入するためのノズル１７が設けられている。このノズル１７は石英パイプなどで形成されている。
【００３１】
処理容器１１内には、被処理体である基板２１が載置面上に配置される円柱状の基板台２２が収容されている。この基板台２２は、処理容器１１の底部を遊貫する昇降軸２３によって支持されており、上下動自在となっている。また、基板台２２には、マッチングボックス２５を介してバイアス用の高周波電源２６が接続されている。この高周波電源２６の出力周波数は数百ｋＨｚ〜十数ＭＨｚの範囲内の所定周波数とする。なお、処理容器１１内の気密性を確保するため、基板台２２と絶縁板１５との間に、昇降軸２３を囲むようにベローズ２４が設けられている。
【００３２】
また、誘電体板１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ３０が配置されている。このラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３によって処理容器１１から隔離されており、処理容器１１内で生成されるプラズマから保護されている。ラジアルアンテナ３０及び誘電体板１３の外周は、処理容器１１の側壁上に環状に配置されたシールド材１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
【００３３】
ラジアルアンテナ３０の中央部は、円筒導波管４１によって高周波発生器４４に接続されている。この高周波発生器４４は、１ＧＨｚ〜十数ＧＨｚの範囲内の所定周波数の高周波電磁界Ｆを発生するものである。円筒導波管４１の途中には、インピーダンスマッチングを図るためのマッチング回路４３と、円筒導波管４１を伝搬する電界の主方向を管軸を中心にして回転させる円偏波変換器４２が設けられている。マッチング回路４３は、円偏波変換器４２とラジアルアンテナ３０との間にあるのが望ましいが、高周波発生器４４と円偏波変換器４２との間にあってもよい。以上の円筒導波管４１と円偏波変換器４２とマッチング回路４３と高周波発生器４４とにより、ラジアルアンテナ３０に円偏波給電する給電手段が構成される。
【００３４】
次に、ラジアルアンテナ３０の構成について更に説明する。
ラジアルアンテナ３０は、ラジアル導波路３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板３１，３２と、これらの導体板３１，３２の外周部を接続してシールドする導体リング３４とから構成されている。導体板３１，３２及び導体リング３４は、銅又はアルミニウムなどの導体で形成されている。
【００３５】
ラジアル導波路３３の上面となる導体板３２の中心部には、ラジアル導波路３３内に電磁界Ｆを導入する導入口３５が形成され、この導入口３５に円筒導波管４１が接続されている。
【００３６】
ラジアル導波路３３の内部において、導体板３１の中心部には、導入口３５に向かって突出する円錐部材３７が設けられている。この円錐部材３７も導体板３１，３２等と同じ導体で形成されている。この円錐部材３７により、円筒導波管４１を伝搬してきた電磁界Ｆをラジアル導波路３３内へ良好に導波することができる。
【００３７】
ラジアル導波路３３の下面となる導体板３１には、ラジアル導波路３３内を伝搬する電磁界Ｆを処理容器１１内に供給するスロット３６が複数形成されている。この導体板３１がラジアルアンテナ３０の放射面を構成する。
【００３８】
図２は、ラジアルアンテナ３０の放射面の平面図である。また、図３は、ラジアル導波路３３内のある時点における電磁界Ｆの波面を示す概念図である。
【００３９】
ラジアルアンテナ３０に左旋円偏波を供給した場合、ラジアル導波路３３の電磁界Ｆの進行波の波面は、図３の実線で示すような螺旋を描き、反射波の波面は図３の点線で示すような螺旋を描く。進行波の磁流Ｉm1及び反射波の磁流Ｉm2は、それぞれの波面に沿って生じる。なお、この螺旋の内周とその外周との間隔が、ラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの波長λgを表している。
【００４０】
このラジアルアンテナ３０では、ラジアル導波路３３の電磁界Ｆの進行波の波面に沿うようにスロット３６が形成される。したがって、スロット３６は、図２に示すように、導体板３１の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成される。なお、スロット３６の形状は、曲線状でもよいし、直線状でもよい。
【００４１】
図４は、スロット３６の設計方法の説明図である。ラジアルアンテナ３０に供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、導体板３１の径方向に垂直な周方向に対するスロット３６の傾斜角度をθとすると、導体板３１の中心Ｏから距離ｒの位置にあるスロット３６は、
θ＝tan-1[ｃ／(ｒω)]
を満たすように形成される。光速ｃは一定であるのに対して、角速度ｒωはｒと共に大きくなる。したがって、このラジアルアンテナ３０ではスロット３６の傾斜角度θは一定ではなく、図５に示すように導体板３１の中心部から周縁部に向かって小さくなる。
【００４２】
次に、図１に示したプラズマ装置の動作を説明する。
基板２１を基板台２２の載置面に置いた状態で、処理容器１１内を例えば０．０１〜１０Ｐａ程度の真空度にする。この真空度を維持しつつ、ノズル１７からプラズマガスとしてＡｒを、またプロセスガスとしてＣＦ4を供給する。この状態で、高周波発生器４４からラジアルアンテナ３０への円偏波給電を開始する。
【００４３】
高周波発生器４４から出力された電磁界Ｆは、円形導波管４１内をＴＥ11モードで伝搬し、円偏波変換器４２によって電界の主方向が管軸を中心にして回転させられ、この状態でラジアルアンテナ３０の導入口３５からラジアル導波路３３内に導入される。
【００４４】
ラジアル導波路３３内に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路３３内をＴＥモードで中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、複数のスロット３６から放射されてゆく。また、スロット３６から放射されずに導体リング３４に至った電磁界Ｆはそこで反射され、再度中心部に向かうことになる。以後、電磁界Ｆはラジアル導波路３３を往復伝搬しながら、複数のスロット３６から徐々に放射されてゆく。
【００４５】
上述したように、スロット３６は、ラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの進行波の波面に沿うように形成されている。このため、スロット３６の方向が、進行波の波面に沿うように生じる磁流Ｉm1の方向と合致するので、進行波の磁流Ｉm1の使用効率が向上する。したがって、スロット３６から放射される電磁界Ｆの進行波成分が大きくなる。
【００４６】
一方、これによりラジアル導波路３３内の反射波は弱まり、反射波の磁流Ｉm2も小さくなる。また、スロット３６に対する反射波の磁流Ｉm2の傾斜角度は従来よりも大きいので、反射波の磁流Ｉm2の使用効率は低下する。したがって、スロット３６から放射される電磁界Ｆの反射波成分は小さくなる。
【００４７】
したがって、ラジアル導波路３３内における進行波の波面に沿うようにスロット３６を形成することにより、進行波を選択的に取り出して放射させることができる。
【００４８】
ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界Ｆは、誘電体板１３を透過し、処理容器１１内に供給される。そして、この電磁界Ｆの作用により処理容器１１内のＡｒが電離して基板２１の上部空間Ｓにプラズマが生成され、またＣＦ4が解離する。プラズマは、基板台２２に印加されたバイアス電圧によってエネルギーや異方性がコントロールされ、基板２１表面に付着したＣＦx（ｘ＝１，２，３）と共にプラズマエッチング処理に利用される。
【００４９】
図２に示したラジアルアンテナ３０では、ラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの進行波を選択的に取り出すために、進行波の波面に沿うようにスロット３６が形成されているが、反射波を選択的に取り出すためには、スロットを反射波の波面に沿って形成すればよい。
【００５０】
なお、進行波及び反射波のいずれを取り出す場合でも、ラジアルアンテナ３０の放射面の周方向に対するスロット３６の傾斜角度θが、中心部から周縁部に向かって小さくなるようにスロット３６を形成すれば、本発明の効果を得られる。
【００５１】
また、放射面の径方向における隣接スロット間の間隔をλg程度として、ラジアルアンテナ３０を放射型のアンテナとしてもよいし、上記間隔をλg/10〜λg/30程度として、リーク型のアンテナとしてもよい。
【００５２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態を説明する。この形態は、処理容器１１内に電磁界Ｆを供給するラジアルアンテナを除き、図１に示したプラズマ装置と同様の構成を有しているので、その説明を省略する。
【００５３】
図６は、この形態で使用されるラジアルアンテナの放射面の一構成例を示す平面図である。この図において、図２と同一部分又は相当部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
【００５４】
ラジアルアンテナ３０Ａの放射面は、半径が約２・λgの円形導体板３１により構成されている。なお、λgは、ラジアルアンテナ３０Ａの内部、すなわちラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの波長である。
【００５５】
この導体板３１は、導体板３１の中心Ｏを共通の中心とする３つの同心円Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３により、４つの領域に区分されている。３つの同心円Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の半径は、それぞれ約λg/２，λg，３・λg/２である。導体板３１の４つの領域のうち、Ｒ１とＲ２に囲まれた領域と、Ｒ２とＲ３に囲まれた領域と、Ｒ３と外周に囲まれた領域のそれぞれに、スロット３６Ａが径方向に複数形成されている。
【００５６】
図７Ａから７Ｃは、ラジアルアンテナ３０Ａの放射原理の説明図である。なお、図７Ａはラジアル導波路３３内のある時点における電界の波面を示す概念図、図７Ｂはラジアル導波路３３の径方向の電界の波形を示す図、図７Ｃはラジアル導波路３３の周方向の電界の波形を示す図である。
【００５７】
円偏波給電されたラジアルアンテナ３０Ａの内部では、ラジアル導波路３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬してゆく電磁界Ｆの進行波と、導体リング３４で反射されて中心部に向かって戻ってゆく反射波とが重なり、ラジアル導波路３３の径方向に電界Ｅの振幅分布が定まった定在波が現れる。この定在波の径方向の電界波形は、図７Ｂに示すような波数が４の正弦波形となり、ラジアル導波路３３の中心Ｏから径方向に約λg/２，λg，３・λg/２，２・λg離れた位置に定在波の節ができる。この位置は、上述した導体板３１を４つの領域に区分する同心円Ｒ１〜Ｒ３の位置に相当する。
【００５８】
また、上記定在波の周方向の電界波形は、図７Ｃに示すような波数が１の正弦波形となる。図７ＣのＡ点〜Ｄ点は、図７ＡのＡ点〜Ｄ点に対応している。
【００５９】
上記定在波の電界Ｅの波面は図７Ａの太線で示すようになり、この波面に沿うように磁流Ｉm3が生じる。
【００６０】
この径方向に電界Ｅの振幅分布が定まった定在波は、ラジアル導波路３３に供給された電磁界Ｆの周波数と同じ周波数でラジアル導波路３３の周方向に回転する。例えば、電磁界Ｆの周波数が２．４５ＧＨｚの場合には、定在波は２．４５ＧＨｚの周波数で回転する。図８Ａから図８Ｆは、この定在波が回転する様子を示す概念図である。なお、図８Ｂ〜図８Ｆは、図８Ａからそれぞれ３０゜，６０゜，９０゜，１２０゜，１５０゜だけ位相が進んだ状態を示している。定在波が周方向に回転することは、図７Ｃに示した周方向の電界波形が周方向に回転することにほかならない。
【００６１】
定在波は径方向には移動しないので、図７Ａに点線で示す定在波の節の部分に仕切りがあると想定すれば、ラジアル導波路３３は矩形導波管のＨ面を円形に曲げて両端の開口を接続したものの組合せであると考えられる。このように考えれば、ラジアル導波路３３の周方向に電界Ｅが回転することは、矩形導波管を電界が伝搬することに置き換えられる。この場合、矩形導波管のＥ面に管軸と直角方向のスロットを形成すれば電磁界Ｆが放射されるので、ラジアル導波路３３では周方向と直角な方向のスロットを形成すればよいことになる。ここで、矩形導波管内にＴＥ１０モードの電磁界が伝搬する時電界の仮想的な電気力線が垂直に出入りする面をＥ面とし、それと直角な面をＨ面とした。実際、周方向と直角な方向すなわち径方向にスロット３６Ａを形成すれば、磁流Ｉm3のうちラジアル導波路３３の径方向に向かう磁流Ｉmrが図９に示すようにスロット３６Ａを通過するときに、スロット３６Ａから電磁界Ｆが放射される。このとき、磁流Ｉmrの方向がスロット３６Ａの方向と合致するので、磁流Ｉmrを効率よく使用できる。
【００６２】
以上のように、同心円Ｒ１〜Ｒ３により区切られた導体板３１上の各領域内に径方向にスロット３６Ａを形成することにより、電磁界Ｆの放射が可能になる。同心円Ｒ１〜Ｒ３の位置はラジアル導波路３３内の定在波の節の位置に当たるため、導体板３１の半径が約Ｍ×λg/２の場合、同心円Ｒ１〜Ｒ３の半径は約Ｎ×λg/２となり、導体板３１の半径が約Ｍ×λg/２＋λg/４の場合、同心円Ｒ１〜Ｒ３の半径は約Ｎ×λg/２＋λg/４となる。ただし、Ｍは２以上の整数、Ｎは１〜（Ｍ−１）の整数である。
【００６３】
なお、電界Ｅの回転に伴って、ラジアル導波路３３の径方向に向かう磁流Ｉmrの位置も回転するので、周方向に隣り合うスロット３６Ａの間隔は任意である。
【００６４】
図１０は、この第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの他の構成例を示す平面図である。この図において、図６〜図９と同一部分又は相当部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
【００６５】
図１０に示すラジアルアンテナ３０Ｂの放射面を構成する導体板３１には、導体板３１の径方向のスロット３６Ａの他に、同心円Ｒ１〜Ｒ３上に周方向のスロット３６Ｂが形成されている。上述したように、同心円Ｒ１〜Ｒ３の位置はラジアル導波路３３内に現れる定在波の節の位置にあたり、この位置には磁流Ｉm3のうち周方向に向かう磁流Ｉmcが生じる。したがって、同心円Ｒ１〜Ｒ３上に周方向のスロット３６Ｂを形成することにより、スロット３６Ｂから電磁界Ｆを放射できる。しかも、磁流Ｉmcの方向がスロット３６Ａの方向と合致するので、磁流Ｉmcを効率よく使用できる。なお、スロット３６Ｂの形状は、曲線状でもよいし、直線状でもよい。
【００６６】
このように、図１０に示したラジアルアンテナ３０Ｂは磁流Ｉmr，磁流Ｉmcの両方を使用するので、図６に示したラジアルアンテナ３０Ａよりも効率よく処理容器１１に電磁界Ｆを供給できる。
【００６７】
以上説明したように、本発明では、放射面の周方向に対するスロットの傾斜角度が放射面の中心部から周縁部に向かって小さくなっているスロットアンテナを用いる。このようなスロットパターンとすることにより、スロットの方向がアンテナ内部の電磁界の進行波の磁流の方向及び反射波の磁流の方向のいずれかに近づくので、進行波の磁流及び反射波の磁流のうち一方の使用効率が向上し、他方の使用効率が低下する。よって、アンテナ内部の電磁界の所望成分を選択的に取り出して容器内に供給し、プラズマ生成に利用することができる。
【００６８】
また、本発明では、アンテナ内部の電磁界の波面に沿うようにスロットが形成されているスロットアンテナを用いる。アンテナ内部の進行波、反射波及び定在波の何れかの波面に沿うようにスロットを形成することにより、その波の磁流の使用効率が向上するので、スロットアンテナ内部の電磁界の所望成分を効率よく容器内に供給して、プラズマ生成に利用することができる。
【００６９】
【産業上の利用可能性】
本発明のプラズマ装置は、ＥＣＲ(electron cyclotron resonance)プラズマ装置にも適用することができる。また、エッチング装置、プラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）装置などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。
【図２】 図１に示したラジアルアンテナの放射面の平面図である。
【図３】 ラジアル導波路内のある時点における電磁界の波面を示す概念図である。
【図４】 図１に示したラジアルアンテナのスロットの設計方法の説明図である。
【図５】 スロットの傾斜角度の径方向変化を示す概念図である。
【図６】 本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの放射面の一構成例を示す平面図である。
【図７Ａ】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図７Ｂ】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図７Ｃ】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図８Ａ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｂ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｃ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｄ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｅ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｆ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図９】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図１０】 本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの他の構成例を示す平面図である。
【図１１】 従来のプラズマ装置の一構成例を示す図である。
【図１２】 図１１に示した従来のラジアルアンテナの放射面の一構成例を示す平面図である。
【図１３】 ラジアル導波路内のある時点における電磁界Ｆの波面を示す概念図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、円偏波給電されたスロットアンテナを用いて容器内に供給した電磁界によりプラズマを生成するプラズマ装置及びプラズマ生成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置やフラットパネルディスプレイの製造において、酸化膜の形成や半導体層の結晶成長、エッチング、またアッシングなどの処理を行うために、プラズマ装置が多用されている。これらのプラズマ装置の中に、スロットアンテナを用いて処理容器内に高周波電磁界を供給し、その電磁界により高密度プラズマを発生させる高周波プラズマ装置がある。この高周波プラズマ装置は、プラズマガスの圧力が比較的低くても安定してプラズマを生成することができるので、用途が広いという特色がある。
【０００３】
図１１は、従来の高周波プラズマ装置の一構成例を示す図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
【０００４】
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器１１１を有している。この処理容器１１１の底部には基板台１２２が固定され、この基板台１２２の載置面に被処理体である基板１２１が配置される。処理容器１１１の側壁には、プラズマガス供給用のノズル１１７が設けられ、処理容器１１１の底部には、真空排気用の排気口１１６が設けられている。処理容器１１１の上部開口は、そこからプラズマが外部に漏れないように、誘電体板１１３で塞がれている。
【０００５】
この誘電体板１１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ１３０が配置されている。このラジアルアンテナ１３０は、ラジアル導波路１３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板１３１，１３２と、これらの導体板１３１，１３２の外周部を接続する導体リング１３４とから構成されている。
【０００６】
ラジアル導波路１３３の下面となる導体板１３１には、スロット１３６が複数形成されている。このスロット１３６は、図１２に示すように、導体板１３１の径方向に垂直な周方向に沿って、同心円状に形成されている。
【０００７】
ラジアル導波路１３３の上面となる導体板１３２の中心部には、電磁界Ｆの導入口１３５が形成され、この導入口１３５に円筒導波管１４１によって高周波発生器１４４が接続されている。また、ラジアルアンテナ１３０に円偏波給電するため、円筒導波管１４１には円偏波変換器１４２が設けられている。
【０００８】
なお、ラジアルアンテナ１３０及び誘電体板１１３の外周は環状のシールド材１１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
【０００９】
高周波発生器１４４から出力された電磁界Ｆは、円偏波変換器１４２によって円偏波に変換され、ラジアルアンテナ１３０に供給される。ラジアル導波路１３３内に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路１３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬してゆく。そして、導体リング１３４に至った電磁界Ｆはそこで反射され、再度中心部に向かうことになる。電磁界Ｆは、このようにラジアル導波路１３３内を伝搬しながら、複数のスロット１３６から少しずつ放射されてゆく。スロット１３６から放射された電磁界Ｆは、誘電体板１１３を透過し、処理容器１１１内のガスを電離させて、基板１２１の上部空間Ｓにプラズマを生成する。
【００１０】
図１３は、ラジアル導波路１３３内のある時点における電磁界Ｆの波面を示す概念図である。電磁界Ｆの進行波の波面は実線で示すような螺旋を描き、反射波の波面は点線で示すような螺旋を描く。進行波の磁流Ｉm1及び反射波の磁流Ｉm2は、それぞれの波面に沿って生じる。
【００１１】
上述したように、従来のラジアルアンテナ１３０では、放射面となる導体板１３１の周方向に沿ってスロット１３６が形成されている。このため、スロット１３６に対する反射波の磁流Ｉm2の傾斜角度は、進行波の磁流Ｉm1の傾斜角度と同程度となるので、スロット１３６からは進行波のみでなく、反射波も放射されやすい。
【００１２】
しかし、スロット１３６から放射される電磁界Ｆに、進行波と反射波の両成分が含まれていることが好ましくない場合がある。例えば、スロット間隔によって電磁界Ｆの放射方向を調整する場合には、反射波の割合が大きいと定在波となって放射されるため、所望の方向に電磁界Ｆを放射できない。
【００１３】
一方、ラジアル導波路１３３内に現れる定在波を積極的に利用する場合には、放射効率が不十分であり、効率よく処理容器１１１内に電磁界Ｆを供給することができなかった。
【００１４】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スロットアンテナ内部の電磁界の所望成分を選択的に取り出して容器内に供給し、プラズマ生成に利用することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、スロットアンテナ内部の電磁界を効率よく容器内に供給して、プラズマ生成に利用することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、この発明の一つの局面に従ったプラズマ処理装置は、円形の放射面を有し、その放射面にスロットが複数形成されており、容器内に電磁界を供給するスロットアンテナと、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続されてスロットアンテナに円偏波を給電する給電手段と、容器内に設けられ、被処理体を載置する載置台とを備え、放射面の周方向に対するスロットアンテナのスロットの傾斜角度が放射面の中心部から周縁部に近づくにつれて小さくなるように複数のスロットが配置されており、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ -1 ［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００１７】
このようなスロットパターンとすることにより、スロットの方向がアンテナ内部の電磁界の進行波の磁流の方向及び反射波の磁流の方向のいずれかに近づくので、進行波の磁流及び反射波の磁流のうち一方の使用効率が向上し、他方の使用効率が低下する。
【００１９】
好ましくは、スロットアンテナの複数のスロットは、放射面の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成されている。
【００２０】
この発明の別の局面に従ったプラズマ処理装置は、ラジアル導波路と円形の放射面とを有し、その放射面にスロットが複数形成されており、容器内に電磁界を供給するスロットアンテナと、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続され、スロットアンテナに円偏波を給電する給電手段と、容器内に設けられ、被処理体を載置する載置台とを備え、スロットアンテナの複数のスロットは、スロットアンテナのラジアル導波路の電磁界の波面に沿うように形成されており、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ-1［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００２１】
このように構成されたプラズマ装置では、スロットアンテナ内部の進行波、反射波及び定在波の何れかの波面に沿うようにスロットを形成することにより、その波の磁流の使用効率が向上する。
【００２２】
この発明の一つの局面に従ったプラズマ生成方法は、円形の放射面を有し、その放射面にスロットが複数形成されており、放射面の周方向に対するスロットの傾斜角度が放射面の中心部から周縁部に近づくにつれて小さくなるように複数のスロットが配置されるスロットアンテナを容器内に配置する工程と、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続された給電手段を用いてスロットアンテナに円偏波を給電することにより、容器内に電磁界を供給してプラズマを生成する工程とを備え、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ-1［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００２３】
このような工程を備えたプラズマ生成方法では、上記のスロットパターンとすることにより、スロットの方向がアンテナ内部の電磁界の進行波の磁流の方向及び反射波の磁流の方向のいずれかに近づくので、進行波の磁流及び反射波の磁流のうち一方の使用効率が向上し、他方の使用効率が低下する。
【００２４】
また好ましくは、スロットアンテナの複数のスロットは、放射面の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成されている。
【００２５】
この発明の別の局面に従ったプラズマ生成方法は、ラジアル導波路と円形の放射面とを有し、その放射面にスロットが複数形成されており、複数のスロットは、ラジアル放射面の電磁界の波面に沿うように形成されているスロットアンテナを容器内に配置する工程と、スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続された給電手段を用いてスロットアンテナに円偏波を給電することにより、容器内に電磁界を供給してプラズマを生成する工程とを備え、スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、放射面の径方向に垂直な周方向に対するスロットの傾斜角度をθとすると、放射面の中心から距離ｒの位置にあるスロットは、θ＝ｔａｎ-1［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する。
【００２６】
このような工程を備えたプラズマ生成方法では、スロットアンテナ内部の進行波、反射波及び定在波の何れかの波面に沿うようにスロットを形成することにより、その波の磁流の使用効率が向上する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。この図では、一部構成について縦断面構造が示されている。
【００２９】
このプラズマ装置は、上部が開口している有底円筒形の処理容器１１を有している。この処理容器１１は、アルミニウムなどの導体で形成されている。処理容器１１の上部開口には、厚さ２０〜３０ｍｍ程度の石英ガラス又はセラミック（Ａｌ2Ｏ3，ＡｌＮなど）などからなる誘電体板１３が配置されている。処理容器１１と誘電体板１３との接合部にはＯリングなどのシール部材１４を介在させており、これにより処理容器１１内部の気密性を確保している。
【００３０】
処理容器１１の底部には、セラミックなどからなる絶縁板１５が設けられている。また、この絶縁板１５及び処理容器１１底部を貫通する排気口１６が設けられており、この排気口１６に連通する真空ポンプ（図示せず）により、処理容器１１内を所望の真空度にすることができる。また、処理容器１１の側壁には、処理容器１１内にＡｒなどのプラズマガスやＣＦ4などのプロセスガスを導入するためのノズル１７が設けられている。このノズル１７は石英パイプなどで形成されている。
【００３１】
処理容器１１内には、被処理体である基板２１が載置面上に配置される円柱状の基板台２２が収容されている。この基板台２２は、処理容器１１の底部を遊貫する昇降軸２３によって支持されており、上下動自在となっている。また、基板台２２には、マッチングボックス２５を介してバイアス用の高周波電源２６が接続されている。この高周波電源２６の出力周波数は数百ｋＨｚ〜十数ＭＨｚの範囲内の所定周波数とする。なお、処理容器１１内の気密性を確保するため、基板台２２と絶縁板１５との間に、昇降軸２３を囲むようにベローズ２４が設けられている。
【００３２】
また、誘電体板１３の上に、スロットアンテナの一種であるラジアルアンテナ３０が配置されている。このラジアルアンテナ３０は、誘電体板１３によって処理容器１１から隔離されており、処理容器１１内で生成されるプラズマから保護されている。ラジアルアンテナ３０及び誘電体板１３の外周は、処理容器１１の側壁上に環状に配置されたシールド材１２によって覆われ、電磁界Ｆが外部に漏れない構造になっている。
【００３３】
ラジアルアンテナ３０の中央部は、円筒導波管４１によって高周波発生器４４に接続されている。この高周波発生器４４は、１ＧＨｚ〜十数ＧＨｚの範囲内の所定周波数の高周波電磁界Ｆを発生するものである。円筒導波管４１の途中には、インピーダンスマッチングを図るためのマッチング回路４３と、円筒導波管４１を伝搬する電界の主方向を管軸を中心にして回転させる円偏波変換器４２が設けられている。マッチング回路４３は、円偏波変換器４２とラジアルアンテナ３０との間にあるのが望ましいが、高周波発生器４４と円偏波変換器４２との間にあってもよい。以上の円筒導波管４１と円偏波変換器４２とマッチング回路４３と高周波発生器４４とにより、ラジアルアンテナ３０に円偏波給電する給電手段が構成される。
【００３４】
次に、ラジアルアンテナ３０の構成について更に説明する。
ラジアルアンテナ３０は、ラジアル導波路３３を形成する互いに平行な２枚の円形導体板３１，３２と、これらの導体板３１，３２の外周部を接続してシールドする導体リング３４とから構成されている。導体板３１，３２及び導体リング３４は、銅又はアルミニウムなどの導体で形成されている。
【００３５】
ラジアル導波路３３の上面となる導体板３２の中心部には、ラジアル導波路３３内に電磁界Ｆを導入する導入口３５が形成され、この導入口３５に円筒導波管４１が接続されている。
【００３６】
ラジアル導波路３３の内部において、導体板３１の中心部には、導入口３５に向かって突出する円錐部材３７が設けられている。この円錐部材３７も導体板３１，３２等と同じ導体で形成されている。この円錐部材３７により、円筒導波管４１を伝搬してきた電磁界Ｆをラジアル導波路３３内へ良好に導波することができる。
【００３７】
ラジアル導波路３３の下面となる導体板３１には、ラジアル導波路３３内を伝搬する電磁界Ｆを処理容器１１内に供給するスロット３６が複数形成されている。この導体板３１がラジアルアンテナ３０の放射面を構成する。
【００３８】
図２は、ラジアルアンテナ３０の放射面の平面図である。また、図３は、ラジアル導波路３３内のある時点における電磁界Ｆの波面を示す概念図である。
【００３９】
ラジアルアンテナ３０に左旋円偏波を供給した場合、ラジアル導波路３３の電磁界Ｆの進行波の波面は、図３の実線で示すような螺旋を描き、反射波の波面は図３の点線で示すような螺旋を描く。進行波の磁流Ｉm1及び反射波の磁流Ｉm2は、それぞれの波面に沿って生じる。なお、この螺旋の内周とその外周との間隔が、ラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの波長λgを表している。
【００４０】
このラジアルアンテナ３０では、ラジアル導波路３３の電磁界Ｆの進行波の波面に沿うようにスロット３６が形成される。したがって、スロット３６は、図２に示すように、導体板３１の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成される。なお、スロット３６の形状は、曲線状でもよいし、直線状でもよい。
【００４１】
図４は、スロット３６の設計方法の説明図である。ラジアルアンテナ３０に供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、導体板３１の径方向に垂直な周方向に対するスロット３６の傾斜角度をθとすると、導体板３１の中心Ｏから距離ｒの位置にあるスロット３６は、
θ＝tan-1[ｃ／(ｒω)]
を満たすように形成される。光速ｃは一定であるのに対して、角速度ｒωはｒと共に大きくなる。したがって、このラジアルアンテナ３０ではスロット３６の傾斜角度θは一定ではなく、図５に示すように導体板３１の中心部から周縁部に向かって小さくなる。
【００４２】
次に、図１に示したプラズマ装置の動作を説明する。
基板２１を基板台２２の載置面に置いた状態で、処理容器１１内を例えば０．０１〜１０Ｐａ程度の真空度にする。この真空度を維持しつつ、ノズル１７からプラズマガスとしてＡｒを、またプロセスガスとしてＣＦ4を供給する。この状態で、高周波発生器４４からラジアルアンテナ３０への円偏波給電を開始する。
【００４３】
高周波発生器４４から出力された電磁界Ｆは、円形導波管４１内をＴＥ11モードで伝搬し、円偏波変換器４２によって電界の主方向が管軸を中心にして回転させられ、この状態でラジアルアンテナ３０の導入口３５からラジアル導波路３３内に導入される。
【００４４】
ラジアル導波路３３内に導入された電磁界Ｆは、ラジアル導波路３３内をＴＥモードで中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬しながら、複数のスロット３６から放射されてゆく。また、スロット３６から放射されずに導体リング３４に至った電磁界Ｆはそこで反射され、再度中心部に向かうことになる。以後、電磁界Ｆはラジアル導波路３３を往復伝搬しながら、複数のスロット３６から徐々に放射されてゆく。
【００４５】
上述したように、スロット３６は、ラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの進行波の波面に沿うように形成されている。このため、スロット３６の方向が、進行波の波面に沿うように生じる磁流Ｉm1の方向と合致するので、進行波の磁流Ｉm1の使用効率が向上する。したがって、スロット３６から放射される電磁界Ｆの進行波成分が大きくなる。
【００４６】
一方、これによりラジアル導波路３３内の反射波は弱まり、反射波の磁流Ｉm2も小さくなる。また、スロット３６に対する反射波の磁流Ｉm2の傾斜角度は従来よりも大きいので、反射波の磁流Ｉm2の使用効率は低下する。したがって、スロット３６から放射される電磁界Ｆの反射波成分は小さくなる。
【００４７】
したがって、ラジアル導波路３３内における進行波の波面に沿うようにスロット３６を形成することにより、進行波を選択的に取り出して放射させることができる。
【００４８】
ラジアルアンテナ３０から放射された電磁界Ｆは、誘電体板１３を透過し、処理容器１１内に供給される。そして、この電磁界Ｆの作用により処理容器１１内のＡｒが電離して基板２１の上部空間Ｓにプラズマが生成され、またＣＦ4が解離する。プラズマは、基板台２２に印加されたバイアス電圧によってエネルギーや異方性がコントロールされ、基板２１表面に付着したＣＦx（ｘ＝１，２，３）と共にプラズマエッチング処理に利用される。
【００４９】
図２に示したラジアルアンテナ３０では、ラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの進行波を選択的に取り出すために、進行波の波面に沿うようにスロット３６が形成されているが、反射波を選択的に取り出すためには、スロットを反射波の波面に沿って形成すればよい。
【００５０】
なお、進行波及び反射波のいずれを取り出す場合でも、ラジアルアンテナ３０の放射面の周方向に対するスロット３６の傾斜角度θが、中心部から周縁部に向かって小さくなるようにスロット３６を形成すれば、本発明の効果を得られる。
【００５１】
また、放射面の径方向における隣接スロット間の間隔をλg程度として、ラジアルアンテナ３０を放射型のアンテナとしてもよいし、上記間隔をλg/10〜λg/30程度として、リーク型のアンテナとしてもよい。
【００５２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態を説明する。この形態は、処理容器１１内に電磁界Ｆを供給するラジアルアンテナを除き、図１に示したプラズマ装置と同様の構成を有しているので、その説明を省略する。
【００５３】
図６は、この形態で使用されるラジアルアンテナの放射面の一構成例を示す平面図である。この図において、図２と同一部分又は相当部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
【００５４】
ラジアルアンテナ３０Ａの放射面は、半径が約２・λgの円形導体板３１により構成されている。なお、λgは、ラジアルアンテナ３０Ａの内部、すなわちラジアル導波路３３内における電磁界Ｆの波長である。
【００５５】
この導体板３１は、導体板３１の中心Ｏを共通の中心とする３つの同心円Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３により、４つの領域に区分されている。３つの同心円Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の半径は、それぞれ約λg/２，λg，３・λg/２である。導体板３１の４つの領域のうち、Ｒ１とＲ２に囲まれた領域と、Ｒ２とＲ３に囲まれた領域と、Ｒ３と外周に囲まれた領域のそれぞれに、スロット３６Ａが径方向に複数形成されている。
【００５６】
図７Ａから７Ｃは、ラジアルアンテナ３０Ａの放射原理の説明図である。なお、図７Ａはラジアル導波路３３内のある時点における電界の波面を示す概念図、図７Ｂはラジアル導波路３３の径方向の電界の波形を示す図、図７Ｃはラジアル導波路３３の周方向の電界の波形を示す図である。
【００５７】
円偏波給電されたラジアルアンテナ３０Ａの内部では、ラジアル導波路３３の中心部から周縁部に向かって放射状に伝搬してゆく電磁界Ｆの進行波と、導体リング３４で反射されて中心部に向かって戻ってゆく反射波とが重なり、ラジアル導波路３３の径方向に電界Ｅの振幅分布が定まった定在波が現れる。この定在波の径方向の電界波形は、図７Ｂに示すような波数が４の正弦波形となり、ラジアル導波路３３の中心Ｏから径方向に約λg/２，λg，３・λg/２，２・λg離れた位置に定在波の節ができる。この位置は、上述した導体板３１を４つの領域に区分する同心円Ｒ１〜Ｒ３の位置に相当する。
【００５８】
また、上記定在波の周方向の電界波形は、図７Ｃに示すような波数が１の正弦波形となる。図７ＣのＡ点〜Ｄ点は、図７ＡのＡ点〜Ｄ点に対応している。
【００５９】
上記定在波の電界Ｅの波面は図７Ａの太線で示すようになり、この波面に沿うように磁流Ｉm3が生じる。
【００６０】
この径方向に電界Ｅの振幅分布が定まった定在波は、ラジアル導波路３３に供給された電磁界Ｆの周波数と同じ周波数でラジアル導波路３３の周方向に回転する。例えば、電磁界Ｆの周波数が２．４５ＧＨｚの場合には、定在波は２．４５ＧＨｚの周波数で回転する。図８Ａから図８Ｆは、この定在波が回転する様子を示す概念図である。なお、図８Ｂ〜図８Ｆは、図８Ａからそれぞれ３０゜，６０゜，９０゜，１２０゜，１５０゜だけ位相が進んだ状態を示している。定在波が周方向に回転することは、図７Ｃに示した周方向の電界波形が周方向に回転することにほかならない。
【００６１】
定在波は径方向には移動しないので、図７Ａに点線で示す定在波の節の部分に仕切りがあると想定すれば、ラジアル導波路３３は矩形導波管のＨ面を円形に曲げて両端の開口を接続したものの組合せであると考えられる。このように考えれば、ラジアル導波路３３の周方向に電界Ｅが回転することは、矩形導波管を電界が伝搬することに置き換えられる。この場合、矩形導波管のＥ面に管軸と直角方向のスロットを形成すれば電磁界Ｆが放射されるので、ラジアル導波路３３では周方向と直角な方向のスロットを形成すればよいことになる。ここで、矩形導波管内にＴＥ１０モードの電磁界が伝搬する時電界の仮想的な電気力線が垂直に出入りする面をＥ面とし、それと直角な面をＨ面とした。実際、周方向と直角な方向すなわち径方向にスロット３６Ａを形成すれば、磁流Ｉm3のうちラジアル導波路３３の径方向に向かう磁流Ｉmrが図９に示すようにスロット３６Ａを通過するときに、スロット３６Ａから電磁界Ｆが放射される。このとき、磁流Ｉmrの方向がスロット３６Ａの方向と合致するので、磁流Ｉmrを効率よく使用できる。
【００６２】
以上のように、同心円Ｒ１〜Ｒ３により区切られた導体板３１上の各領域内に径方向にスロット３６Ａを形成することにより、電磁界Ｆの放射が可能になる。同心円Ｒ１〜Ｒ３の位置はラジアル導波路３３内の定在波の節の位置に当たるため、導体板３１の半径が約Ｍ×λg/２の場合、同心円Ｒ１〜Ｒ３の半径は約Ｎ×λg/２となり、導体板３１の半径が約Ｍ×λg/２＋λg/４の場合、同心円Ｒ１〜Ｒ３の半径は約Ｎ×λg/２＋λg/４となる。ただし、Ｍは２以上の整数、Ｎは１〜（Ｍ−１）の整数である。
【００６３】
なお、電界Ｅの回転に伴って、ラジアル導波路３３の径方向に向かう磁流Ｉmrの位置も回転するので、周方向に隣り合うスロット３６Ａの間隔は任意である。
【００６４】
図１０は、この第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの他の構成例を示す平面図である。この図において、図６〜図９と同一部分又は相当部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
【００６５】
図１０に示すラジアルアンテナ３０Ｂの放射面を構成する導体板３１には、導体板３１の径方向のスロット３６Ａの他に、同心円Ｒ１〜Ｒ３上に周方向のスロット３６Ｂが形成されている。上述したように、同心円Ｒ１〜Ｒ３の位置はラジアル導波路３３内に現れる定在波の節の位置にあたり、この位置には磁流Ｉm3のうち周方向に向かう磁流Ｉmcが生じる。したがって、同心円Ｒ１〜Ｒ３上に周方向のスロット３６Ｂを形成することにより、スロット３６Ｂから電磁界Ｆを放射できる。しかも、磁流Ｉmcの方向がスロット３６Ａの方向と合致するので、磁流Ｉmcを効率よく使用できる。なお、スロット３６Ｂの形状は、曲線状でもよいし、直線状でもよい。
【００６６】
このように、図１０に示したラジアルアンテナ３０Ｂは磁流Ｉmr，磁流Ｉmcの両方を使用するので、図６に示したラジアルアンテナ３０Ａよりも効率よく処理容器１１に電磁界Ｆを供給できる。
【００６７】
以上説明したように、本発明では、放射面の周方向に対するスロットの傾斜角度が放射面の中心部から周縁部に向かって小さくなっているスロットアンテナを用いる。このようなスロットパターンとすることにより、スロットの方向がアンテナ内部の電磁界の進行波の磁流の方向及び反射波の磁流の方向のいずれかに近づくので、進行波の磁流及び反射波の磁流のうち一方の使用効率が向上し、他方の使用効率が低下する。よって、アンテナ内部の電磁界の所望成分を選択的に取り出して容器内に供給し、プラズマ生成に利用することができる。
【００６８】
また、本発明では、アンテナ内部の電磁界の波面に沿うようにスロットが形成されているスロットアンテナを用いる。アンテナ内部の進行波、反射波及び定在波の何れかの波面に沿うようにスロットを形成することにより、その波の磁流の使用効率が向上するので、スロットアンテナ内部の電磁界の所望成分を効率よく容器内に供給して、プラズマ生成に利用することができる。
【００６９】
【産業上の利用可能性】
本発明のプラズマ装置は、ＥＣＲ(electron cyclotron resonance)プラズマ装置にも適用することができる。また、エッチング装置、プラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）装置などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプラズマ装置の第１の実施の形態の構成図である。
【図２】 図１に示したラジアルアンテナの放射面の平面図である。
【図３】 ラジアル導波路内のある時点における電磁界の波面を示す概念図である。
【図４】 図１に示したラジアルアンテナのスロットの設計方法の説明図である。
【図５】 スロットの傾斜角度の径方向変化を示す概念図である。
【図６】 本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの放射面の一構成例を示す平面図である。
【図７Ａ】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図７Ｂ】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図７Ｃ】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図８Ａ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｂ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｃ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｄ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｅ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図８Ｆ】 ラジアル導波路内で定在波が回転する様子を示す概念図である。
【図９】 図６に示したラジアルアンテナの放射原理の説明図である。
【図１０】 本発明のプラズマ装置の第２の実施の形態で使用されるラジアルアンテナの他の構成例を示す平面図である。
【図１１】 従来のプラズマ装置の一構成例を示す図である。
【図１２】 図１１に示した従来のラジアルアンテナの放射面の一構成例を示す平面図である。
【図１３】 ラジアル導波路内のある時点における電磁界Ｆの波面を示す概念図である。
Claims (6)
- 円形の放射面を有し、その放射面にスロットが複数形成されており、容器内に電磁界を供給するスロットアンテナと、
前記スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続されて前記スロットアンテナに円偏波を給電する給電手段と、
容器内に設けられ、被処理体を載置する載置台とを備え、
前記放射面の周方向に対する前記スロットアンテナの前記スロットの傾斜角度が前記放射面の中心部から周縁部に近づくにつれて小さくなるように複数の前記スロットが配置されており、
前記スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、前記放射面の径方向に垂直な周方向に対する前記スロットの傾斜角度をθとすると、前記放射面の中心から距離ｒの位置にある前記スロットは、θ＝ｔａｎ -1 ［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する、プラズマ処理装置。 - 前記スロットアンテナの複数の前記スロットは、前記放射面の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成されている、請求項１に記載のプラズマ装置。
- ラジアル導波路と円形の放射面とを有し、その放射面にスロットが複数形成されており、容器内に電磁界を供給するスロットアンテナと、
前記スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続され、前記スロットアンテナに円偏波を給電する給電手段と、
容器内に設けられ、被処理体を載置する載置台とを備え、
前記スロットアンテナの複数の前記スロットは、前記スロットアンテナの前記ラジアル導波路の電磁界の波面に沿うように形成されており、
前記スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、前記放射面の径方向に垂直な周方向に対する前記スロットの傾斜角度をθとすると、前記放射面の中心から距離ｒの位置にある前記スロットは、θ＝ｔａｎ -1 ［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する、プラズマ処理装置。 - 円形の放射面を有し、その放射面にスロットが複数形成されており、前記放射面の周方向に対するスロットの傾斜角度が前記放射面の中心部から周縁部に近づくにつれて小さくなるように複数の前記スロットが配置されるスロットアンテナを容器内に配置する工程と、
前記スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続された給電手段を用いて前記スロットアンテナに円偏波を給電することにより、容器内に電磁界を供給してプラズマを生成する工程とを備え、
前記スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、前記放射面の径方向に垂直な周方向に対する前記スロットの傾斜角度をθとすると、前記放射面の中心から距離ｒの位置にある前記スロットは、θ＝ｔａｎ -1 ［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する、プラズマ生成方法。 - 前記スロットアンテナの複数の前記スロットは、前記放射面の中心部から周縁部に向かう螺旋に沿って形成されている、請求項４に記載のプラズマ生成方法。
- ラジアル導波路と円形の放射面とを有し、その放射面にスロットが複数形成されており、複数の前記スロットは、前記ラジアル放射面の電磁界の波面に沿うように形成されているスロットアンテナを容器内に配置する工程と、
前記スロットアンテナ中央部に接続され、かつ高周波発生器に接続された給電手段を用いて前記スロットアンテナに円偏波を給電することにより、容器内に電磁界を供給してプラズマを生成する工程とを備え、
前記スロットアンテナに供給される円偏波の角周波数をω、光速をｃとし、前記放射面の径方向に垂直な周方向に対する前記スロットの傾斜角度をθとすると、前記放射面の中心から距離ｒの位置にある前記スロットは、θ＝ｔａｎ -1 ［ｃ／（ｒω）］で示す傾斜を有する、プラズマ生成方法。
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