JP3878267B2 - 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、薄膜形成、表面改質及びエッチング等の処理を、大面積の被処理物に対し、均一かつ高速に行うためのプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体及びＬＣＤの製造工程におけるエッチング、アッシング，ＣＶＤ等にマイクロ波を用いたプラズマ装置が用いられている。図１２は、特開平５−３３５０９５号に示された従来のプラズマ処理装置の全体構成図であり、図１３は、図１２のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。この装置は、マイクロ波電源１、アイソレータ２、方向性結合器３、インピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａ、プラズマ処理する直方体状のプラズマ処理室７、プラズマ処理室を側面に取付けたプラズマ室結合用方形導波管８、終端装置９を備えている。
【０００３】
プラズマ処理室７は、図１３に示したように、結合用方形導波管８側の側壁７ａに方形導波管８の管軸方向に沿って伸びる細長い方形状の窓部７ｂが設けられ、この窓部７ｂはマイクロ波透過窓１１により真空封じされている。このマイクロ波透過窓を介して、窓部７ｂは方形導波管８のＥ面８ａに対向させた状態で配置されている。ここでＥ面とは、方形導波管内の電界ベクトルの方向に平行な側面である。また、プラズマ処理室７には排気口７ｃが設けられ、この排気口は図示しない真空ポンプに接続されており、またプラズマ処理室７の１つの壁部を気密に貫通させてプロセスガス導入パイプ１２が取り付けられている。このプラズマ処理室７内には、シート状の被処理物１３が巻かれたローラ１４と、処理が終了した被処理物を巻き取る巻取りローラ１５とが対向配置され、被処理物１３は窓部７ｂに対向配置されている。
【０００４】
プラズマ室結合用方形導波管８には、Ｅ面８ａに管軸方向に伸びるスロット８ｂが設けられている。このスロット８ｂは、プラズマ室７の窓部７ｂの長手方向とほぼ等しい長さを有するが、その幅寸法は、窓部７ｂの幅寸法よりも小さく設定されている。結合用方形導波管８は、スロット８ｂをプラズマ処理室７の窓部７ｂに対向させた状態で電気的に接続されている。
【０００５】
終端装置９は、プラズマ処理室７側に供給されなかった余分なマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体から構成され、マイクロ波吸収体として水を用いている。プラズマ処理室７に伝搬しなかった余分なマイクロ波は、導入口９ａから導入した水に吸収させ、マイクロ波により加熱された水を排出口９ｂから排水させるようになっている。
【０００６】
上記プラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行う場合には、プラズマ処理室７内に被処理物１３をセットした後、プラズマ処理室７内を高真空状態にする。その後プロセスガス導入パイプ１２から、プラズマ処理室７内に所定のプロセスガスを、プラズマ処理室内が所定の圧力になるまで供給する。この状態でマイクロ波電源１から、アイソレータ２、方向性結合器３、インピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａを通してプラズマ室結合用方形導波管８の一端にマイクロ波を供給すると、方形導波管８内に進入したマイクロ波は、スロット８ｂから放射されてプラズマ処理室７の窓部７ｂを通してプラズマ処理室７内に伝搬し、プラズマ処理室内のプロセスガスをプラズマ化して、プラズマ処理室７の窓部７ｃに沿って帯状のプラズマを生成する。このプラズマを被処理物１３に照射しつつ、被処理物１３をローラ１５により巻き取り移動させることにより、広い面積に亘る処理を連続的に行わせることができる。
【０００７】
特に、プラズマ処理室７の窓部７ｂと被処理物１３との間の空間に磁界を発生させる手段として電磁石１０Ｃを設けると、プラズマ中の電子及びイオンがこの磁界により力を受けて螺旋運動する。その結果、反応性ガスの電離及び励起の頻度が高められ、被処理物に照射されるプラズマ密度が高められる。さらに、上記空間内に電子サイクロトロン共鳴を生じさせるように、例えば永久磁石１０Ｂ、１０Ｃを併用して用いることで、プラズマ密度を飛躍的に高めることができる。また、上記磁界を窓部７ｂからプラズマ処理室の中央部に向かうような発散磁界となるように設定することにより、プラズマを被処理物１３に効率よく照射させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術によるプラズマ処理装置では、長さＡＢのスロット８ｂからプラズマ処理室７に放射されるマイクロ波電界強度が図１４に示されるように、プラズマ処理室７の長手方向に山谷を有した不均一な分布となっている。これは、導波管の側壁に設けられたスロットから放射されるマイクロ波が、自由空間波長に対応した強弱を有する放射パターンとなることに起因する。従って、均一性の高いプラズマが要求されるにも拘わらず、発生するプラズマの分布は不均一となり、被処理物の広い面積に亘る均一処理に問題があった。
【０００９】
さらに、プラズマ室結合用方形導波管８に入力されるマイクロ波電力のうち、スロット８ｂからプラズマ処理室７に放射されなかった電力は、方形導波管８を通って終端装置９内のマイクロ波吸収体に消費されて全て電力損失となるため、電力の使用効率が悪いと共に、生成されるプラズマ密度が低くなるという問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、被処理物に対して広い面積に亘って均一にプラズマ処理することができ、しかもマイクロ波電力使用効率を従来例に比較して改善することができるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、マイクロ波電源と、マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を導入する方形導波管と、側壁に細長い窓部を設けて窓部に対向するように被処理物が配置されたプラズマ処理室と、細長い終端開口部を有して終端開口部が窓部に対向するように配置されたマイクロ波放射器とを備え、方形導波管に導入されたマイクロ波が窓部を通して放射することによりプラズマを生成させ、被処理物に対して所定の処理を行うプラズマ処理装置に係わるものである。
【００１２】
請求項１に記載の発明は、方形導波管は方形導波管の終端部からマイクロ波電力をプラズマ処理室へ供給するように設けられ、方形導波管及びマイクロ波放射器のＨ面間の高さがそれぞれ異なって形成され、方形導波管とマイクロ波放射器との間に整合用変成器を設けたものである。
【００１３】
請求項１の発明においては、マイクロ波の自由空間波長の２分の１毎にマイクロ波電界の強弱が現れる現象が無く、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状のプラズマを生成させることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、マイクロ波放射器がテーパー導波管により構成され、Ｈ面同士が平行に形成され、かつ両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って末広がり状に形成されているものである。
【００１５】
請求項２の発明においては、マイクロ波放射器のＥ面間の間隔を徐々に広げることにより、マイクロ波放射器内にＥ面方向に伸長したＴＥ10モードの波を伝搬させることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、マイクロ波放射器が多重モード変換器により構成され、両Ｅ面に形成された不連続な直角部を境にして電源側方形導波管部と負荷側方形導波管部とからなり、電源側方形導波管部の中心軸と負荷側方形導波管部の中心軸とを一致させると共に、負荷側方形導波管部の長辺の長さをマイクロ波の自由空間波長λ0 の3/2 以上とし、かつ電源側方形導波管部の短辺と負荷側方形導波管部の短辺と同じ長さにしたものである。
【００１７】
請求項３の発明においては、負荷側方形導波管部にＴＥm0（m=1,3,5 …）モードのマイクロ波を伝搬させることができる。この負荷側方形導波管部の長さを、例えば（λ0 / ２）・３以上、（λ0 / ２）・５未満と設計した場合、マイクロ波放射器によりＴＥ10とＴＥ30との２つのモードの波を同時にプラズマ処理室へと伝搬させることが可能になる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、終端開口部の長手方向におけるマイクロ波の電界強度の強い部分と対応するように、マイクロ波の一部を反射し、かつ残りのマイクロ波を吸収することなく透過させる誘電体をマイクロ波放射器内の終端開口部側に配設したものである。
【００１９】
請求項４の発明においては、マイクロ波放射器内を伝搬するマイクロ波が、誘電体によりマイクロ波の一部は反射して誘電体とマイクロ波放射器の側壁との間を伝搬し、かつ残りのマイクロ波は誘電体内を伝搬するため、もともと電界強度の強い領域が弱められ、マイクロ波放射器のＥ面近傍の電界強度が弱い領域が強められる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る第１の実施形態を示すプラズマ処理装置の全体構成図である。図示するように、インピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａとプラズマ処理室７との間に、整合用変成器５とマイクロ波放射器６とが設けられており、整合用変成器５は方形導波管４Ａ側に、またマイクロ波放射器６はプラズマ処理室７側に位置している。なお、図１２と同一の構成部分は同一の符号を付している。
【００２１】
図２は、整合用変成器５とマイクロ波放射器６との接続状態を示す図である。整合用変成器５は特性インピーダンスの異なる２つの導波管の間に、ある定められた特性インピーダンスを有するマイクロ波の管内波長λg の４分の１の長さの導波管を１個または複数個挿入して整合をとるための整合回路である。本実施形態では、整合回路として１段のλg/４変成器を用いており、電源側接続用方形導波管５Ａ，整合用方形導波管５Ｂ及び負荷側接続用方形導波管５Ｃから構成される。
【００２２】
整合用方形導波管５Ｂの特性インピーダンスＺ2 は、前後２つの導波管５Ａ，５Ｃの特性インピーダンスＺ1 、Ｚ3 の相乗平均として（１）式で与えられる。
【００２３】
Ｚ2 ＝（Ｚ1 ・Ｚ3 ）1/2 …（１）
【００２４】
図２に示すように、それぞれの導波管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの内壁の短辺の長さ（Ｈ面間の高さ）をｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 とすると、各導波管の特性インピーダンスは（２）式で定義できる。
【００２５】
【数１】
【００２６】
ここで、ａは導波管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの内壁の長辺の長さ、ＺTEは導波管内にＴＥ10モードのマイクロ波のみが伝搬するとした場合の共通項である。
【００２７】
（１）式及び（２）式より、整合用方形導波管５Ｂの短辺の長さｂ2 は（３）式で決定される。
【００２８】
ｂ2 ＝（ｂ1 ・ｂ3 ）1/2 …（３）
【００２９】
マイクロ波放射器６は、テーパー導波管により構成され、整合用変成器５の負荷側接続用方形導波管５Ｃに接続されており、そのＨ面同士が平行に形成され、かつ両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って末広がり状に形成され、しかも細長い終端開口部６ａが形成されている。終端開口部６ａの長手方向の長さＡＢは被処理物１３の処理幅に合わせて設定され、また終端開口部６ａの高さは、この部分で異常放電が起こることなく、しかも最大の電界強度が得られるように設定される。
【００３０】
以上のように構成されたプラズマ処理装置において、マイクロ波電源１により発生したマイクロ波は、アイソレータ２と方向性結合器３とインピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａと整合用変成器５とを通してマイクロ波放射器６を伝搬し、このマイクロ波はマイクロ波放射器６の終端開口部６ａから放射されて、マイクロ波透過窓１１と窓部７ｃとを介してプラズマ処理室７に伝搬する。
【００３１】
本実施形態においては、マイクロ波放射器６のＥ面間の間隔を徐々に広げることにより、マイクロ波放射器６内にＥ面方向に伸長したＴＥ10モードの波を伝搬させることができる。
【００３２】
上記のＴＥ10モードの波による終端開口部６ａのＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、図３に示すようになり、図１４で示したマイクロ波の自由空間波長に起因する山谷は生じない。しかも、マイクロ波電力をプラズマ処理室７へ導波管の終端部から供給しているので、マイクロ波電力の使用効率が高く、高密度のプラズマが生成される。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明に係る第２の実施形態を示し、整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。図示するように、マイクロ波放射器１６は、多重モード変換器により構成され、整合用変成器５の負荷側接続用方形導波管５Ｃに接続されている。なお、整合用変成器５は第１の実施形態と同じ構成である。
【００３４】
マイクロ波放射器１６は、Ｈ面（長辺側）同士が平行で、しかも両Ｅ面（短辺側）に直角部を設けた不連続形状の方形導波管であって、直角部を境にして内壁の長辺の長さａ及び短辺の長さｂの電源側方形導波管部１６Ａと、内壁の長辺の長さａ′及び短辺の長さｂ′の負荷側方形導波管部１６Ｂとからなる。負荷側方形導波管部１６Ａの長辺は、電源側方形導波管部１６Ｂの長辺よりも大きく形成され、しかも細長い終端開口部１６ａが形成されている。終端開口部１６ａの長手方向の長さＡＢは被処理物１３の処理幅に合わせて設定され、また終端開口部１６ａの高さは、この部分で異常放電が起こることなく、しかも最大の電界強度が得られるように設定される。
【００３５】
本実施形態においては、電源側方形導波管部１６Ａの短辺の長さｂと負荷側方形導波管部１６Ｂの短辺の長さｂ′を等しく設定すると共に、負荷側方形導波管部１６Ｂの長辺の長さａ′を、マイクロ波の自由空間波長λ0 の（λ0 / ２）・３以上とし、しかも電源側導方形導波管部の中心軸と負荷側方形導波管部の中心軸とを一致させることによって、負荷側方形導波管部１６ＢにＴＥm0（m=1,3,5 …）モードのマイクロ波を伝搬させることができる。負荷側方形導波管部１６Ｂの長さａ′を、例えば（λ0 / ２）・３以上、（λ0 / ２）・５未満と設計した場合、マイクロ波放射器１６によりＴＥ10とＴＥ30との２つのモードの波を同時にプラズマ処理室７へと伝搬させることが可能になる。
【００３６】
上記２つのモードが合成された波による終端開口部６ａのＡＢ間でのマイクロ波電界の分布は、図５の実線で示されるようになり、そのマイクロ波電界強度の分布は、図６の実線で示されるようになり、第１の実施形態における基本モードであるＴＥ10モードのみの波によるマイクロ波電界強度に比べて均一性が高くなる。なお、図５に示す点線は、ＴＥ10及びＴＥ30モードの波によるマイクロ波電界の分布を示している。ここで、ＴＥm0モードのうち、m が偶数次の波が生じないのは、マイクロ波放射器１６の構造が左右対称となっているためである。
【００３７】
＜第３の実施形態＞
図７は、本発明に係る第３の実施形態を示し、第１の実施形態に適用した場合の整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。図示するように、マイクロ波放射器６内の終端開口部６ａ側に固体の誘電体１７を配設している。
【００３８】
誘電体１７は、マイクロ波の一部を反射し、かつ残りのマイクロ波を吸収することなく透過させる物質であり、例えばアルミナ等のセラミックまたはテフロン等の合成樹脂からなり、例えば山形状に形成されている。
【００３９】
本実施形態においては、まずマイクロ波放射器６内に誘電体１７が存在しない場合について説明すると、ＴＥ10モードの波が伝搬することにより、図８に示すマイクロ波放射器６のＡ″Ｂ″間，Ａ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図９の点線で示すようになる。
【００４０】
つぎに、図８に示すように、マイクロ波放射器６のＡＢ間でのマイクロ波電界強度の強い部分と対応する位置に、山形状の誘電体１７の頂部をマイクロ波電源１側に向けた状態で挿入することにより、マイクロ波放射器６の側壁で反射したマイクロ波Ｗ1 は、誘電体１７の表面で一部は反射されてマイクロ波Ｗ2 となり、残りのマイクロ波は誘電体１７中を透過しマイクロ波Ｗ2 ′としてマイクロ波放射器６の終端開口部６ａに至る。誘電体１７の表面で反射されたマイクロ波Ｗ2 は、マイクロ波放射器６の側壁で反射され、再び誘電体１７に入射する。その時、マイクロ波Ｗ2 は、誘電体１７の表面で一部は反射されてマイクロ波Ｗ3 となり、残りのマイクロ波は透過しマイクロ波Ｗ3 ′としてマイクロ波放射器６の終端開口部６ａに至る。他方、反射されたマイクロ波Ｗ3 は、マイクロ波放射器６の側壁での反射を経て、最終的にマイクロ波放射器６の終端開口部６ａに至る。したがって、マイクロ波電界強度の元々高い部分が低くなり、逆に元々マイクロ波電界強度の低い部分に、誘電体１７の表面で反射されたマイクロ波を伝搬させることにより、電界強度を高めることができる。
【００４１】
ＴＥ10モードの波によるマイクロ波放射器６のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図９の実線で示すようになり、第２の実施形態におけるマイクロ波電界強度に比べて均一性がさらに高くなると共に、長手方向に亘りより均一な分布になる。
【００４２】
＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明に係る第４の実施形態を示し、第２の実施形態に適用した場合のマイクロ波放射器の内部を示す図である。図示するように、マイクロ波放射器１６内の終端開口部１６ａ側に固体の誘電体２７Ａ，２７Ｂを配設している。
【００４３】
誘電体２７Ａ，２７Ｂは、マイクロ波の一部を反射し、かつ残りのマイクロ波を吸収することなく透過させる物質であり、例えばアルミナ等のセラミックまたはテフロン等の合成樹脂からなり、例えば山形状に形成されている。
【００４４】
本実施形態においては、まずマイクロ波放射器１６内に誘電体２７Ａ，２７Ｂが存在しない場合について説明すると、ＴＥ10モードの波が伝搬することにより、図１０に示すマイクロ波放射器１６のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図１１の点線で示すようになる。
【００４５】
つぎに、図１０に示すように、マイクロ波放射器１６のＡＢ間でのマイクロ波電界強度の２つの強い部分と対応する位置に、それぞれ山形状の誘電体２７Ａ，２７Ｂの頂部をマイクロ波電源１側に向けた状態で挿入することにより、マイクロ波放射器１６内を伝搬するマイクロ波は、誘電体２７Ａ，２７Ｂによりマイクロ波の一部は反射して誘電体２７Ａ，２７Ｂとマイクロ波放射器１６の側壁との間を伝搬し、かつ残りのマイクロ波は誘電体２７Ａ，２７Ｂ内を透過するため、もともと電界強度の強い領域が弱められ、マイクロ波放射器１６のＥ面近傍の電界強度が弱い領域が強められる。
【００４６】
ＴＥ10モードの波によるマイクロ波放射器１６のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図１１の実線で示すようになり、第３の実施形態におけるマイクロ波電界強度に比べて均一性が一段と高くなると共に、長手方向に亘りほぼ均一な分布になる。
【００４７】
上記の各実施形態において、マイクロ波透過窓１１に近接するように電磁石１０Ａ及び永久磁石１０Ｂ，１０Ｃを設けると、反応性ガスの電離及び励起の頻度が高められ、被処理物に照射されるプラズマ密度が高められる。さらに、上記磁界を窓部７ｂからプラズマ処理室の中央部に向かうような発散磁界となるように設定することにより、プラズマを被処理物１３に効率よく照射させることができる。
【００４８】
上記の実施形態において用いる誘電体の形状は、山形状に限定されるものでなく、例えば台形、三角、矩形状であってもよく、処理条件に応じて適宜に形状を変化させればよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１及び請求項２の発明によれば、導波管の終端部をマイクロ波放射器とし、しかもマイクロ波放射器に細長い終端開口部を設けているので、導波管の側壁にスロットを設けることにより生じたマイクロ波の自由空間波長の２分の１毎にマイクロ波電界の強弱が現れる現象が無く、細長いマイクロ波電界強度の分布を得ることができる。また、マイクロ波電力の使用効率が向上されるので、生成されるプラズマの密度が高められる。したがって、直線状プラズマを照射しつつ被処理物を移動させることにより、広い面積を高速にプラズマ処理を行うことができる。
【００５０】
さらに、請求項３の発明によれば、ＴＥ10モードのみの波によるマイクロ波電界強度に比べて均一性を高くすることができる。
【００５１】
また、請求項４の発明によれば、マイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に亘るマイクロ波電界の分布をほぼ均一にすることができる。
マイクロ波放射部内にマイクロ波の一部は反射し、一部は透過する、しかもマイクロ波を吸収しない誘電体を、マイクロ波の電界強度が強い部分に配設することで、強い部分は弱められ、逆に弱い部分は誘電体から反射された電力により補われ、プラズマ室へ放射されるマイクロ波の電力をプラズマ室の窓部の長手方向に沿って均一にすることができ、幅広い領域に渡りプラズマ密度を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態を示すプラズマ処理装置の全体構成図である。
【図２】図１の整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。
【図３】本発明に係る第１の実施形態におけるマイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に対するマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態を示し、整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。
【図５】本発明に係る第２の実施形態におけるマイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に対するマイクロ波電界の分布を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態におけるマイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に対するマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施形態を示し、第１の実施形態に適用した場合の整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。
【図８】図７のマイクロ波放射器の内部を示す図である。
【図９】図８のマイクロ波放射器のＡ″Ｂ″間，Ａ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図１０】本発明に係る第４の実施形態を示し、第２の実施形態に適用した場合のマイクロ波放射器の内部を示す図である。
【図１１】図１０に示すマイクロ波放射器のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図１２】従来のプラズマ処理装置の全体構成図である。
【図１３】図１２のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図１４】図１２のスロットの長手方向に対するマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロ波電源
５ 整合用変成器
６，１６ マイクロ波放射器
６ａ，１６ａ 終端開口部
１７，２７Ａ，２７Ｂ 誘電体
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成、表面改質及びエッチング等の処理を、大面積の被処理物に対し、均一かつ高速に行うためのプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体及びＬＣＤの製造工程におけるエッチング、アッシング，ＣＶＤ等にマイクロ波を用いたプラズマ装置が用いられている。図１２は、特開平５−３３５０９５号に示された従来のプラズマ処理装置の全体構成図であり、図１３は、図１２のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。この装置は、マイクロ波電源１、アイソレータ２、方向性結合器３、インピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａ、プラズマ処理する直方体状のプラズマ処理室７、プラズマ処理室を側面に取付けたプラズマ室結合用方形導波管８、終端装置９を備えている。
【０００３】
プラズマ処理室７は、図１３に示したように、結合用方形導波管８側の側壁７ａに方形導波管８の管軸方向に沿って伸びる細長い方形状の窓部７ｂが設けられ、この窓部７ｂはマイクロ波透過窓１１により真空封じされている。このマイクロ波透過窓を介して、窓部７ｂは方形導波管８のＥ面８ａに対向させた状態で配置されている。ここでＥ面とは、方形導波管内の電界ベクトルの方向に平行な側面である。また、プラズマ処理室７には排気口７ｃが設けられ、この排気口は図示しない真空ポンプに接続されており、またプラズマ処理室７の１つの壁部を気密に貫通させてプロセスガス導入パイプ１２が取り付けられている。このプラズマ処理室７内には、シート状の被処理物１３が巻かれたローラ１４と、処理が終了した被処理物を巻き取る巻取りローラ１５とが対向配置され、被処理物１３は窓部７ｂに対向配置されている。
【０００４】
プラズマ室結合用方形導波管８には、Ｅ面８ａに管軸方向に伸びるスロット８ｂが設けられている。このスロット８ｂは、プラズマ室７の窓部７ｂの長手方向とほぼ等しい長さを有するが、その幅寸法は、窓部７ｂの幅寸法よりも小さく設定されている。結合用方形導波管８は、スロット８ｂをプラズマ処理室７の窓部７ｂに対向させた状態で電気的に接続されている。
【０００５】
終端装置９は、プラズマ処理室７側に供給されなかった余分なマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体から構成され、マイクロ波吸収体として水を用いている。プラズマ処理室７に伝搬しなかった余分なマイクロ波は、導入口９ａから導入した水に吸収させ、マイクロ波により加熱された水を排出口９ｂから排水させるようになっている。
【０００６】
上記プラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行う場合には、プラズマ処理室７内に被処理物１３をセットした後、プラズマ処理室７内を高真空状態にする。その後プロセスガス導入パイプ１２から、プラズマ処理室７内に所定のプロセスガスを、プラズマ処理室内が所定の圧力になるまで供給する。この状態でマイクロ波電源１から、アイソレータ２、方向性結合器３、インピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａを通してプラズマ室結合用方形導波管８の一端にマイクロ波を供給すると、方形導波管８内に進入したマイクロ波は、スロット８ｂから放射されてプラズマ処理室７の窓部７ｂを通してプラズマ処理室７内に伝搬し、プラズマ処理室内のプロセスガスをプラズマ化して、プラズマ処理室７の窓部７ｃに沿って帯状のプラズマを生成する。このプラズマを被処理物１３に照射しつつ、被処理物１３をローラ１５により巻き取り移動させることにより、広い面積に亘る処理を連続的に行わせることができる。
【０００７】
特に、プラズマ処理室７の窓部７ｂと被処理物１３との間の空間に磁界を発生させる手段として電磁石１０Ｃを設けると、プラズマ中の電子及びイオンがこの磁界により力を受けて螺旋運動する。その結果、反応性ガスの電離及び励起の頻度が高められ、被処理物に照射されるプラズマ密度が高められる。さらに、上記空間内に電子サイクロトロン共鳴を生じさせるように、例えば永久磁石１０Ｂ、１０Ｃを併用して用いることで、プラズマ密度を飛躍的に高めることができる。また、上記磁界を窓部７ｂからプラズマ処理室の中央部に向かうような発散磁界となるように設定することにより、プラズマを被処理物１３に効率よく照射させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術によるプラズマ処理装置では、長さＡＢのスロット８ｂからプラズマ処理室７に放射されるマイクロ波電界強度が図１４に示されるように、プラズマ処理室７の長手方向に山谷を有した不均一な分布となっている。これは、導波管の側壁に設けられたスロットから放射されるマイクロ波が、自由空間波長に対応した強弱を有する放射パターンとなることに起因する。従って、均一性の高いプラズマが要求されるにも拘わらず、発生するプラズマの分布は不均一となり、被処理物の広い面積に亘る均一処理に問題があった。
【０００９】
さらに、プラズマ室結合用方形導波管８に入力されるマイクロ波電力のうち、スロット８ｂからプラズマ処理室７に放射されなかった電力は、方形導波管８を通って終端装置９内のマイクロ波吸収体に消費されて全て電力損失となるため、電力の使用効率が悪いと共に、生成されるプラズマ密度が低くなるという問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、被処理物に対して広い面積に亘って均一にプラズマ処理することができ、しかもマイクロ波電力使用効率を従来例に比較して改善することができるプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１１】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、マイクロ波電源と、マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を導入する方形導波管と、側壁に細長い窓部を設けて窓部に対向するように被処理物が配置されたプラズマ処理室と、細長い終端開口部を有して終端開口部が窓部に対向するように配置されたマイクロ波放射器とを備え、方形導波管に導入されたマイクロ波が窓部を通して放射することによりプラズマを生成させ、被処理物に対して所定の処理を行うプラズマ処理装置に係わるものである。
【００１２】
請求項１に記載の発明は、方形導波管は方形導波管の終端部からマイクロ波電力をプラズマ処理室へ供給するように設けられ、方形導波管及びマイクロ波放射器のＨ面間の高さがそれぞれ異なって形成され、方形導波管とマイクロ波放射器との間に整合用変成器を設けたものである。
【００１３】
請求項１の発明においては、マイクロ波の自由空間波長の２分の１毎にマイクロ波電界の強弱が現れる現象が無く、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状のプラズマを生成させることができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、マイクロ波放射器がテーパー導波管により構成され、Ｈ面同士が平行に形成され、かつ両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って末広がり状に形成されているものである。
【００１５】
請求項２の発明においては、マイクロ波放射器のＥ面間の間隔を徐々に広げることにより、マイクロ波放射器内にＥ面方向に伸長したＴＥ10モードの波を伝搬させることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、マイクロ波放射器が多重モード変換器により構成され、両Ｅ面に形成された不連続な直角部を境にして電源側方形導波管部と負荷側方形導波管部とからなり、電源側方形導波管部の中心軸と負荷側方形導波管部の中心軸とを一致させると共に、負荷側方形導波管部の長辺の長さをマイクロ波の自由空間波長λ0 の3/2 以上とし、かつ電源側方形導波管部の短辺と負荷側方形導波管部の短辺と同じ長さにしたものである。
【００１７】
請求項３の発明においては、負荷側方形導波管部にＴＥm0（m=1,3,5 …）モードのマイクロ波を伝搬させることができる。この負荷側方形導波管部の長さを、例えば（λ0 / ２）・３以上、（λ0 / ２）・５未満と設計した場合、マイクロ波放射器によりＴＥ10とＴＥ30との２つのモードの波を同時にプラズマ処理室へと伝搬させることが可能になる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、終端開口部の長手方向におけるマイクロ波の電界強度の強い部分と対応するように、マイクロ波の一部を反射し、かつ残りのマイクロ波を吸収することなく透過させる誘電体をマイクロ波放射器内の終端開口部側に配設したものである。
【００１９】
請求項４の発明においては、マイクロ波放射器内を伝搬するマイクロ波が、誘電体によりマイクロ波の一部は反射して誘電体とマイクロ波放射器の側壁との間を伝搬し、かつ残りのマイクロ波は誘電体内を伝搬するため、もともと電界強度の強い領域が弱められ、マイクロ波放射器のＥ面近傍の電界強度が弱い領域が強められる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明に係る第１の実施形態を示すプラズマ処理装置の全体構成図である。図示するように、インピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａとプラズマ処理室７との間に、整合用変成器５とマイクロ波放射器６とが設けられており、整合用変成器５は方形導波管４Ａ側に、またマイクロ波放射器６はプラズマ処理室７側に位置している。なお、図１２と同一の構成部分は同一の符号を付している。
【００２１】
図２は、整合用変成器５とマイクロ波放射器６との接続状態を示す図である。整合用変成器５は特性インピーダンスの異なる２つの導波管の間に、ある定められた特性インピーダンスを有するマイクロ波の管内波長λg の４分の１の長さの導波管を１個または複数個挿入して整合をとるための整合回路である。本実施形態では、整合回路として１段のλg/４変成器を用いており、電源側接続用方形導波管５Ａ，整合用方形導波管５Ｂ及び負荷側接続用方形導波管５Ｃから構成される。
【００２２】
整合用方形導波管５Ｂの特性インピーダンスＺ2 は、前後２つの導波管５Ａ，５Ｃの特性インピーダンスＺ1 、Ｚ3 の相乗平均として（１）式で与えられる。
【００２３】
Ｚ2 ＝（Ｚ1 ・Ｚ3 ）1/2 …（１）
【００２４】
図２に示すように、それぞれの導波管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの内壁の短辺の長さ（Ｈ面間の高さ）をｂ1 ，ｂ2 ，ｂ3 とすると、各導波管の特性インピーダンスは（２）式で定義できる。
【００２５】
【数１】
ここで、ａは導波管５Ａ，５Ｂ，５Ｃの内壁の長辺の長さ、ＺTEは導波管内にＴＥ10モードのマイクロ波のみが伝搬するとした場合の共通項である。
【００２７】
（１）式及び（２）式より、整合用方形導波管５Ｂの短辺の長さｂ2 は（３）式で決定される。
【００２８】
ｂ2 ＝（ｂ1 ・ｂ3 ）1/2 …（３）
【００２９】
マイクロ波放射器６は、テーパー導波管により構成され、整合用変成器５の負荷側接続用方形導波管５Ｃに接続されており、そのＨ面同士が平行に形成され、かつ両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って末広がり状に形成され、しかも細長い終端開口部６ａが形成されている。終端開口部６ａの長手方向の長さＡＢは被処理物１３の処理幅に合わせて設定され、また終端開口部６ａの高さは、この部分で異常放電が起こることなく、しかも最大の電界強度が得られるように設定される。
【００３０】
以上のように構成されたプラズマ処理装置において、マイクロ波電源１により発生したマイクロ波は、アイソレータ２と方向性結合器３とインピーダンス整合器４を搭載した方形導波管４Ａと整合用変成器５とを通してマイクロ波放射器６を伝搬し、このマイクロ波はマイクロ波放射器６の終端開口部６ａから放射されて、マイクロ波透過窓１１と窓部７ｃとを介してプラズマ処理室７に伝搬する。
【００３１】
本実施形態においては、マイクロ波放射器６のＥ面間の間隔を徐々に広げることにより、マイクロ波放射器６内にＥ面方向に伸長したＴＥ10モードの波を伝搬させることができる。
【００３２】
上記のＴＥ10モードの波による終端開口部６ａのＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、図３に示すようになり、図１４で示したマイクロ波の自由空間波長に起因する山谷は生じない。しかも、マイクロ波電力をプラズマ処理室７へ導波管の終端部から供給しているので、マイクロ波電力の使用効率が高く、高密度のプラズマが生成される。
【００３３】
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明に係る第２の実施形態を示し、整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。図示するように、マイクロ波放射器１６は、多重モード変換器により構成され、整合用変成器５の負荷側接続用方形導波管５Ｃに接続されている。なお、整合用変成器５は第１の実施形態と同じ構成である。
【００３４】
マイクロ波放射器１６は、Ｈ面（長辺側）同士が平行で、しかも両Ｅ面（短辺側）に直角部を設けた不連続形状の方形導波管であって、直角部を境にして内壁の長辺の長さａ及び短辺の長さｂの電源側方形導波管部１６Ａと、内壁の長辺の長さａ′及び短辺の長さｂ′の負荷側方形導波管部１６Ｂとからなる。負荷側方形導波管部１６Ａの長辺は、電源側方形導波管部１６Ｂの長辺よりも大きく形成され、しかも細長い終端開口部１６ａが形成されている。終端開口部１６ａの長手方向の長さＡＢは被処理物１３の処理幅に合わせて設定され、また終端開口部１６ａの高さは、この部分で異常放電が起こることなく、しかも最大の電界強度が得られるように設定される。
【００３５】
本実施形態においては、電源側方形導波管部１６Ａの短辺の長さｂと負荷側方形導波管部１６Ｂの短辺の長さｂ′を等しく設定すると共に、負荷側方形導波管部１６Ｂの長辺の長さａ′を、マイクロ波の自由空間波長λ0 の（λ0 / ２）・３以上とし、しかも電源側導方形導波管部の中心軸と負荷側方形導波管部の中心軸とを一致させることによって、負荷側方形導波管部１６ＢにＴＥm0（m=1,3,5 …）モードのマイクロ波を伝搬させることができる。負荷側方形導波管部１６Ｂの長さａ′を、例えば（λ0 / ２）・３以上、（λ0 / ２）・５未満と設計した場合、マイクロ波放射器１６によりＴＥ10とＴＥ30との２つのモードの波を同時にプラズマ処理室７へと伝搬させることが可能になる。
【００３６】
上記２つのモードが合成された波による終端開口部６ａのＡＢ間でのマイクロ波電界の分布は、図５の実線で示されるようになり、そのマイクロ波電界強度の分布は、図６の実線で示されるようになり、第１の実施形態における基本モードであるＴＥ10モードのみの波によるマイクロ波電界強度に比べて均一性が高くなる。なお、図５に示す点線は、ＴＥ10及びＴＥ30モードの波によるマイクロ波電界の分布を示している。ここで、ＴＥm0モードのうち、m が偶数次の波が生じないのは、マイクロ波放射器１６の構造が左右対称となっているためである。
【００３７】
＜第３の実施形態＞
図７は、本発明に係る第３の実施形態を示し、第１の実施形態に適用した場合の整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。図示するように、マイクロ波放射器６内の終端開口部６ａ側に固体の誘電体１７を配設している。
【００３８】
誘電体１７は、マイクロ波の一部を反射し、かつ残りのマイクロ波を吸収することなく透過させる物質であり、例えばアルミナ等のセラミックまたはテフロン等の合成樹脂からなり、例えば山形状に形成されている。
【００３９】
本実施形態においては、まずマイクロ波放射器６内に誘電体１７が存在しない場合について説明すると、ＴＥ10モードの波が伝搬することにより、図８に示すマイクロ波放射器６のＡ″Ｂ″間，Ａ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図９の点線で示すようになる。
【００４０】
つぎに、図８に示すように、マイクロ波放射器６のＡＢ間でのマイクロ波電界強度の強い部分と対応する位置に、山形状の誘電体１７の頂部をマイクロ波電源１側に向けた状態で挿入することにより、マイクロ波放射器６の側壁で反射したマイクロ波Ｗ1 は、誘電体１７の表面で一部は反射されてマイクロ波Ｗ2 となり、残りのマイクロ波は誘電体１７中を透過しマイクロ波Ｗ2 ′としてマイクロ波放射器６の終端開口部６ａに至る。誘電体１７の表面で反射されたマイクロ波Ｗ2 は、マイクロ波放射器６の側壁で反射され、再び誘電体１７に入射する。その時、マイクロ波Ｗ2 は、誘電体１７の表面で一部は反射されてマイクロ波Ｗ3 となり、残りのマイクロ波は透過しマイクロ波Ｗ3 ′としてマイクロ波放射器６の終端開口部６ａに至る。他方、反射されたマイクロ波Ｗ3 は、マイクロ波放射器６の側壁での反射を経て、最終的にマイクロ波放射器６の終端開口部６ａに至る。したがって、マイクロ波電界強度の元々高い部分が低くなり、逆に元々マイクロ波電界強度の低い部分に、誘電体１７の表面で反射されたマイクロ波を伝搬させることにより、電界強度を高めることができる。
【００４１】
ＴＥ10モードの波によるマイクロ波放射器６のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図９の実線で示すようになり、第２の実施形態におけるマイクロ波電界強度に比べて均一性がさらに高くなると共に、長手方向に亘りより均一な分布になる。
【００４２】
＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明に係る第４の実施形態を示し、第２の実施形態に適用した場合のマイクロ波放射器の内部を示す図である。図示するように、マイクロ波放射器１６内の終端開口部１６ａ側に固体の誘電体２７Ａ，２７Ｂを配設している。
【００４３】
誘電体２７Ａ，２７Ｂは、マイクロ波の一部を反射し、かつ残りのマイクロ波を吸収することなく透過させる物質であり、例えばアルミナ等のセラミックまたはテフロン等の合成樹脂からなり、例えば山形状に形成されている。
【００４４】
本実施形態においては、まずマイクロ波放射器１６内に誘電体２７Ａ，２７Ｂが存在しない場合について説明すると、ＴＥ10モードの波が伝搬することにより、図１０に示すマイクロ波放射器１６のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図１１の点線で示すようになる。
【００４５】
つぎに、図１０に示すように、マイクロ波放射器１６のＡＢ間でのマイクロ波電界強度の２つの強い部分と対応する位置に、それぞれ山形状の誘電体２７Ａ，２７Ｂの頂部をマイクロ波電源１側に向けた状態で挿入することにより、マイクロ波放射器１６内を伝搬するマイクロ波は、誘電体２７Ａ，２７Ｂによりマイクロ波の一部は反射して誘電体２７Ａ，２７Ｂとマイクロ波放射器１６の側壁との間を伝搬し、かつ残りのマイクロ波は誘電体２７Ａ，２７Ｂ内を透過するため、もともと電界強度の強い領域が弱められ、マイクロ波放射器１６のＥ面近傍の電界強度が弱い領域が強められる。
【００４６】
ＴＥ10モードの波によるマイクロ波放射器１６のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布は、それぞれ図１１の実線で示すようになり、第３の実施形態におけるマイクロ波電界強度に比べて均一性が一段と高くなると共に、長手方向に亘りほぼ均一な分布になる。
【００４７】
上記の各実施形態において、マイクロ波透過窓１１に近接するように電磁石１０Ａ及び永久磁石１０Ｂ，１０Ｃを設けると、反応性ガスの電離及び励起の頻度が高められ、被処理物に照射されるプラズマ密度が高められる。さらに、上記磁界を窓部７ｂからプラズマ処理室の中央部に向かうような発散磁界となるように設定することにより、プラズマを被処理物１３に効率よく照射させることができる。
【００４８】
上記の実施形態において用いる誘電体の形状は、山形状に限定されるものでなく、例えば台形、三角、矩形状であってもよく、処理条件に応じて適宜に形状を変化させればよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１及び請求項２の発明によれば、導波管の終端部をマイクロ波放射器とし、しかもマイクロ波放射器に細長い終端開口部を設けているので、導波管の側壁にスロットを設けることにより生じたマイクロ波の自由空間波長の２分の１毎にマイクロ波電界の強弱が現れる現象が無く、細長いマイクロ波電界強度の分布を得ることができる。また、マイクロ波電力の使用効率が向上されるので、生成されるプラズマの密度が高められる。したがって、直線状プラズマを照射しつつ被処理物を移動させることにより、広い面積を高速にプラズマ処理を行うことができる。
【００５０】
さらに、請求項３の発明によれば、ＴＥ10モードのみの波によるマイクロ波電界強度に比べて均一性を高くすることができる。
【００５１】
また、請求項４の発明によれば、マイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に亘るマイクロ波電界の分布をほぼ均一にすることができる。
マイクロ波放射部内にマイクロ波の一部は反射し、一部は透過する、しかもマイクロ波を吸収しない誘電体を、マイクロ波の電界強度が強い部分に配設することで、強い部分は弱められ、逆に弱い部分は誘電体から反射された電力により補われ、プラズマ室へ放射されるマイクロ波の電力をプラズマ室の窓部の長手方向に沿って均一にすることができ、幅広い領域に渡りプラズマ密度を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態を示すプラズマ処理装置の全体構成図である。
【図２】図１の整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。
【図３】本発明に係る第１の実施形態におけるマイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に対するマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図４】本発明に係る第２の実施形態を示し、整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。
【図５】本発明に係る第２の実施形態におけるマイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に対するマイクロ波電界の分布を示す図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態におけるマイクロ波放射器の終端開口部の長手方向に対するマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図７】本発明に係る第３の実施形態を示し、第１の実施形態に適用した場合の整合用変成器とマイクロ波放射器との接続状態を示す図である。
【図８】図７のマイクロ波放射器の内部を示す図である。
【図９】図８のマイクロ波放射器のＡ″Ｂ″間，Ａ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図１０】本発明に係る第４の実施形態を示し、第２の実施形態に適用した場合のマイクロ波放射器の内部を示す図である。
【図１１】図１０に示すマイクロ波放射器のＡ′Ｂ′間及びＡＢ間でのマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【図１２】従来のプラズマ処理装置の全体構成図である。
【図１３】図１２のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図１４】図１２のスロットの長手方向に対するマイクロ波電界強度の分布を示す図である。
【符号の説明】
１ マイクロ波電源
５ 整合用変成器
６，１６ マイクロ波放射器
６ａ，１６ａ 終端開口部
１７，２７Ａ，２７Ｂ 誘電体
Claims (4)
- マイクロ波電源と、前記マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を導入する方形導波管と、側壁に細長い窓部を設けて前記窓部に対向するように被処理物が配置されたプラズマ処理室と、細長い終端開口部を有して前記終端開口部が前記窓部に対向するように配置されたマイクロ波放射器とを備え、
前記方形導波管に導入されたマイクロ波が前記窓部を通して放射することによりプラズマを生成させ、前記被処理物に対して所定の処理を行うプラズマ処理装置において、
前記方形導波管は前記方形導波管の終端部からマイクロ波電力を前記プラズマ処理室へ供給するように設けられ、
前記方形導波管及びマイクロ波放射器のＨ面間の高さがそれぞれ異なって形成され、 前記方形導波管とマイクロ波放射器との間に整合用変成器が設けられたプラズマ処理装置。 - 前記マイクロ波放射器はテーパー導波管により構成され、Ｈ面同士が平行に形成され、かつ両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って末広がり状に形成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記マイクロ波放射器は多重モード変換器により構成され、両Ｅ面に形成された不連続な直角部を境にして電源側方形導波管部と負荷側方形導波管部とからなり、前記電源側方形導波管部の中心軸と負荷側方形導波管部の中心軸とを一致させると共に、前記負荷側方形導波管部の長辺の長さをマイクロ波の自由空間波長λ0 の3/2 以上とし、かつ前記電源側方形導波管部の短辺と前記負荷側方形導波管部の短辺と同じ長さにした請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記終端開口部の長手方向におけるマイクロ波の電界強度の強い部分と対応するように、マイクロ波の一部を反射し、かつ残りのマイクロ波を吸収することなく透過させる誘電体を前記マイクロ波放射器内の終端開口部側に配設した請求項２または３に記載のプラズマ処理装置。
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