JP3889906B2 - Microwave plasma processing equipment - Google Patents

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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成、表面改質およ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、半導体および液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の製造工程におけるエッチング、アッシング、化学蒸着方（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３１は、従来のプラズマ処理装置の概略構成図である。また、図３２は、図３１のＩ−Ｉ線断面図である。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、プラズマ処理をおこなう直方体状のプラズマ処理室７、プラズマ処理室の側面に取付けたプラズマ室結合用矩形導波管８、終端装置９を備える（Jpn. J.Appl. Phys. 32 (1993) L802 参照）。
【０００３】
プラズマ処理室７は、図３２に示すように、矩形導波管８側の側壁７ａに導波管８の管軸方向に沿って細長い矩形状の窓部７ｂが設けられ、この窓部７ｂは石英等の材質からなるマイクロ波透過窓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は矩形導波管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、矩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】
プラズマ室結合用矩形導波管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。結合用矩形導波管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】
このような従来のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理について、以下に説明する。まず、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、を通してプラズマ室結合用矩形導波管８の一端にマイクロ波を供給すると、矩形導波管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７ｂ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、広い面積に渡る処理を連続的に行わせることができる。
【０００７】
なお、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、反応性ガスの電離およ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１０ａ、１０ｂ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】
ここで、図３３は、図３１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。従来技術によるプラズマ処理装置では、長さＡ−Ｂ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は、図３３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λ0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渡る均一処理が難しいという課題があった。
【０００９】
さらに、プラズマ室結合用矩形導波管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、矩形導波管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課題があった。
【００１０】
本発明は、以上の点に鑑み、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を目的とする。
また、本発明は、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の出力側開口部が被処理物の寸法に応じた細長い矩形のスリットを形成することにより、導波管の側壁にスロットを設けた場合に見られるマイクロ波電界分布に自由空間波長の２分の１毎の強弱が現れる現象が生じないようにすることを目的とする。
また、本発明は、マイクロ波放射器内部に配設したフェライトコアの材質、形状および寸法と、そこに印加する直流磁界の値を適切に設定することで、マイクロ波の伝搬方向およびマイクロ波の電界分布を適時調整できるようにし、プラズマ処理室へ放射されるマイクロ波の電力分布をプラズマ処理室の窓部の長辺方向に沿って均一にすることを目的とする。そして、本発明は、幅広い領域に渡りプラズマ密度の分布を均一にすることを目的とする。
さらに、本発明は、導波管の終端部からマイクロ波を放射する方式であるので、マイクロ波の使用効率が向上され生成されるプラズマの密度を高めることを目的とする。そして、本発明は、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、広い面積を均一にしかも高速にプラズマ処理することを目的とする。
【００１１】
本発明の第１の解決手段によると、
壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器のマイクロ波伝播方向に対する中心を境にしてマイクロ波の磁界ベクトルに平行な面における左側部と右側部とを有し、
前記磁場発生手段は、前記フェライトコアの左側部及び右側部に互いに逆方向の直流磁界を外部から印加するようにしたプラズマ処理装置が提供される。
本発明の第２の解決手段によると、
壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器のマイクロ波入力側に近い位置に、かつ、マイクロ波放射器の中心軸上又は付近に、ひとつ又は複数対向して配設され、
前記磁場発生手段は、マイクロ波の伝搬方向を周期的に変えるように前記フェライトコアに外部から交流磁界を印加するようにしたプラズマ処理装置が提供される。
本発明の第３の解決手段によると、
壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器の管壁付近に配設し、
前記磁場発生手段は、前記フェライトコアに外部から直流磁界を印加するようにしたプラズマ処理装置が提供される。
本発明の第４の解決手段によると、
壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器の中心軸上又は付近にマイクロ波の入力側から出力側に向かい棒状に配設され、
前記磁場発生手段は、前記フェライトコアの磁化方向がマイクロ波の入力側から出力側に向かうように直流磁界を印加するようにしたプラズマ処理装置が提供される。
本発明の第５の解決手段によると、
壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記マイクロ波放射器は、電源側導波管部とプラズマ処理室側導波管部とを備え、不連続部を含みステップ状に構成され、
マイクロ波のＨ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って不連続な段差状に伸長されて形成され、かつ、マイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のスリットを形成し、
前記電源側導波管部にひとつのモードのマイクロ波を入射し、
前記磁場発生手段により印加される磁場を調整することにより、前記プラズマ処理室側導波管部に複数のモードのマイクロ波を伝搬させるプラズマ処理装置が提供される。
【００１２】
本発明は、特に、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矩形導波管と、矩形導波管の終端部に設けたマイクロ波放射器と、壁面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を備え、
前記マイクロ波放射器の出力側開口部がプラズマ処理室の細長い窓部に対向して電気的に接続され、かつ矩形導波管とマイクロ波放射器との間に整合用変成器を具備し、
前記矩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で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関するものである。
【００１３】
本発明においては、マイクロ波放射器がテーパー状に構成され、Ｈ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って扇形に伸長されて形成され、かつマイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のスリットを形成することができる。また、マイクロ波放射器内にマイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアが配設され、前記フェライトコアに外部から直流磁界を印加するための磁場発生手段を具備することができる。
【００１４】
この場合、フェライトコアの材質、形状、寸法ならびに直流磁界の値を調整することにより、マイクロ波放射器からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ波電力分布を所望の形状に任意の変えることができ、従ってプラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン分布密度の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００１５】
また、本発明は、マイクロ波放射器がステップ状に構成され、Ｈ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って不連続な段差状に伸長されて形成され、上記不連続部を境にして電源側導波管部とプラズマ処理室側導波管部とからなり、電源側導波管部の中心軸とプラズマ処理室側導波管部の中心軸とを一致させると共に、プラズマ処理室側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、かつマイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のスリットを形成することができる。また、マイクロ波放射器内にマイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアが配設され、前記フェライトコアに外部から直流磁界を印加するための磁場発生手段を具備することができる。
【００１６】
この場合、フェライトコアの材質、形状、寸法ならびに直流磁界の値を調整することにより、前記プラズマ処理室側導波管部を伝搬するマイクロ波の波数ベクトルの方向を任意に変えることで、高次のＴＥm0（m=3,5,7 …）モードのマイクロ波を任意の割合にて伝搬させることができる。このプラズマ処理室側導波管部の長辺の長さを、例えば（λ0／２）・３以上、（λ0／２）・５未満と設計した場合、マイクロ波放射器からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ波電力分布を、ＴＥ10とＴＥ30との２つのモードの分布を任意に重ね合わせた形状に変えることができ、従ってプラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００１７】
また、本発明は、マイクロ波放射器と、マイクロ波放射器内のマイクロ波入力側に近い位置に、しかもマイクロ波放射器の中心軸上にフェライトコアが配設され、マイクロ波の伝搬方向を周期的に変えるように前記フェライトコアに外部から交流磁界を印加するための磁場発生手段を具備するようにしてもよい。
【００１８】
この場合、フェライトコアの材質、形状、寸法ならびに交流磁界の振幅および周期を調整することにより、プラズマ処理室側導波管部を伝搬するマイクロ波の波数ベクトルの方向を時間的、空間的に振動させることができる。また、振動の周期は、印加する交流磁界の周期に対応して任意に設定でき、従ってマイクロ波放射器からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ波電力分布の時間平均値を平坦化できる。
さらに、上記振動周期をプラズマ減衰時定数よりも十分短く設定することで、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００１９】
また、本発明は、マイクロ波放射器と、マイクロ波放射器内に於けるマイクロ波の高周波磁界が集中している管壁付近にフェライトコアを配設し、前記フェライトコアに外部から直流磁界を印加するための磁場発生手段を具備するようにしてもよい。
【００２０】
この場合、フェライトコアの材質、形状、寸法ならびに印加磁界の値を調整することにより、前記フェライトコア外に在るマイクロ波電界をフェライトコア内へ偏移させることができ、従ってマイクロ波放射器からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ波電力分布を均一化できる。それ故、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００２１】
さらに、本発明は、テーパー状のマイクロ波放射器と、マイクロ波放射器の中心軸上にマイクロ波の入力側から出力側に向かい棒状のフェライトコアが配設され、前記フェライトコアの磁化方向がマイクロ波の入力側から出力側へ向かうように直流磁界を印加するための磁場発生手段を具備するようにしてもよい。
【００２２】
この場合、フェライトコアの材質、形状、寸法ならびに直流磁界の値を調整することにより、前記フェライトコア内に在るマイクロ波電界をフェライトコア外へ偏移させることができ、従ってマイクロ波放射器からプラズマ処理室の細長い窓部に供給されるマイクロ波電力分布を所望の形状に任意に変えることができる。それ故、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００２３】
さらに、本発明は、上述のようなマイクロ波放射器を有するプラズマ処理装置において、プラズマ処理室の窓部と被処理物との間の空間に磁界を発生する磁界発生手段を具備することができ、また、電子サイクロトロン共鳴を発生するための手段を具備することもできる。
【００２４】
この場合、プラズマ中の電子及びイオンが前記磁界により力を受けて螺旋運動する。その結果、反応性ガスの電離およ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磁界の値を設定することで、プラズマ密度を飛躍的に高めることができる。
【００２５】
本発明においては、上述のように構成することにより、矩形導波管の側壁に細長いスロットを設けてスロットからプラズマ処理室へマイクロ波を放射する際に、従来の方式において生じたような、マイクロ波電界強度の分布が図３３に示すようにマイクロ波の２分の１波長毎に強弱を有した分布となることはない。
すなわち、マイクロ波放射器内にフェライトコアを配設し、このフェライトコアに静磁界を印加してマイクロ波の伝搬方向を調整することで、プラズマ処理室に放射されるマイクロ波電力の分布を均一にすることができる。
また、マイクロ波放射器内にフェライトコアを配設し、このフェライトコアに静磁界を印加してマイクロ波の波数ベクトルの方向を制御し、基本モードと高次モードのマイクロ波を任意に励振し重ね合わせることで、プラズマ処理室に放射されるマイクロ波電力の分布を均一にすることができる。
さらに、マイクロ波放射器内に配設したフェライトコア内のマイクロ波電界を空間的に偏移させることにより、プラズマ処理室に放射されるマイクロ波電力の分布を均一にすることができる。
最後に、上述の方式ではマイクロ波導波路の終端からマイクロ波を放射しているので、マイクロ波吸収体を含む終端装置が不要である為、マイクロ波電力の使用効率が高く、生成されるプラズマ密度も高くなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明における第１の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置の全体構成図である。この装置は、マイクロ波電源１、インピーダンス整合器４、整合用変成器５、マイクロ波放射器６、プラズマ処理室７、石英窓１１、プロセスガス導入パイプ１２、フェライトコア１６、磁場発生手段１７を備える。また、マイクロ波電源１から整合用変成器５までの導波路に、アイソレータや方向性結合器等を適宜備えても良い。図示するように、マイクロ波電源１により発生したマイクロ波はインピーダンス整合器４、整合用変成器５を通りマイクロ波放射器６に導入され、真空封じの石英窓１１を介してプラズマ処理室７に放射される。マイクロ波放射器６にはフェライトコア１６が配設されており、フェライトコアに外部から直流磁界を印加するための磁場発生手段１７が設けられている。
【００２７】
図２は、マイクロ波放射器６とフェライトコア１６の位置関係を示す概略図である。マイクロ波放射器６は、平行部６ａとテーパー部６ｂを備え、マイクロ波の入力側から出力側に向かいテーパー状に構成される。すなわち、このような構成により、Ｈ面同士は平行に形成され、両Ｅ面間の間隔がマイクロ波の進行方向に沿って扇形に伸長されて形成される。かつ、マイクロ波放射器６の出力側開口部が、長さＡ―Ｂの細長い矩形のスリットを形成している。またマイクロ波放射器６内には、例えば、平行部６ａとテーパー部６ｂの継ぎ目Ｘ−Ｘ’線の位置（図１のＸ―Ｘ’線に対応）に薄厚円柱状のフェライトコア１６が配設される。
【００２８】
図３に、図１のＸ−Ｘ’線における断面図を示す。図３は、前記フェライトコアに外部から直流磁界を印加するための磁場発生手段１７を示す概略図であり、図１及び図２のＸ−Ｘ’線断面に対応している。フェライトコア１６の上下にはポールピース１７ａがあり、ポールピースはヨーク１７ｂを介して永久磁石１８に接続されている。図３のように構成することで、フェライトコアの上下面内に均一に直流磁界を印加することができる。
【００２９】
次に、フェライトコアとそこに印加する直流磁界によりマイクロ波放射器６内のマイクロ波の伝搬方向が変化する原理を説明する。
図４に、マイクロ波放射器内のマイクロ波高周波磁界の分布図を示す。図４は、マイクロ波放射器内を伝搬するマイクロ波の高周波磁界のある瞬間の様子を示す。磁界はループ状に閉じており、隣り合う高周波磁界の回転方向は互いに逆向きである。磁界のループは時間の経過とともに図中のｙ軸方向に進んでいる。中央から左側のＡ−Ａ’線上の任意の点でみると、磁界ベクトルは１→２→３→４と変化するのでｚ軸の負方向からみて左まわりに回転する。これに反して中央から右側のＢ−Ｂ’線上の任意の点でみると、磁界ベクトルは４→３→２→１と変化するのでｚ軸の負方向からみて右まわりに回転する。いま紙面に垂直でｚ軸の正方向を向く直流磁界Ｂを印加した場合、Ａ−Ａ’線上の任意の点においたフェライト内部では高周波磁界は直流磁界Ｂに対し左まわりに回転し、したがってフェライトの比透磁率はμ−となり、Ｂ−Ｂ’線上の任意の点においたフェライト内部では回転の向きは反転し、したがってフェライトの比透磁率はμ＋となる。ここで図５は比透磁率μ＋、μ−の直流磁界Ｂ依存性を示す。
共鳴磁界Ｂresより小さい磁界の領域では、μ−＞μ＋である。マイクロ波の伝搬速度Ｖと比透磁率μとの間には次式の関係があるので、
Ｖ＝Ｃ／√（εμ） （１）
Ａ−Ａ’線上とＢ−Ｂ’線上とではマイクロ波の速さが異なる。ここで、ｃは真空中の光速度、εは比誘電率である。
【００３０】
つぎに、図６は、本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図である。この図には、マイクロ波放射器内の図２に示す位置にフェライトコアを配設し、紙面に垂直にこちら向きの直流磁界を印加した場合のマイクロ波の進行方向を示す。フェライトコア内部では、中央線Ｙ−Ｙ’から左側のマイクロ波の速さＶ−、中央線Ｙ−Ｙ’から右側のマイクロ波の速さＶ＋との間には、
Ｖ＋ ＞ Ｖ− （２）
の関係が成り立ち、従ってマイクロ波は左側へと進む。
図７は、本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。図７には、図６におけるマイクロ波放射器の出力側Ｃ−Ｃ’線でのマイクロ波電界強度の分布を示す。ここで、破線はフェライトコアがない場合、実線はフェライトコアが有る場合をそれぞれ示す。図示のように、電界強度の最大位置は、フェライトコアにより左側に移動する。
【００３１】
図８は、本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図である。図８には直流磁界Ｂの向きを反転した時のマイクロ波の進行方向を示す。この場合、フェライトコア内部で中央線Ｙ−Ｙ’から左側のマイクロ波の速さはＶ＋、中央線Ｙ−Ｙ’から右側のマイクロ波の速さはＶ−となり、従ってマイクロ波は右側へと進む。
図９は、本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。図９には、図８におけるマイクロ波放射器の出力側Ｃ−Ｃ’線でのマイクロ波電界強度の分布を示す。ここで、破線はフェライトコアがない場合、実線はフェライトコアが有る場合をそれぞれ示す。図示のように、電界強度の最大位置は右側に移動する。
【００３２】
つぎに、図１０は、他の実施の形態における、図１のＸ−Ｘ’線における断面図である。フェライトコアによる電界強度分布の移動効果を高めるために、またフェライトコアの放熱効率を良くするために、例えば、図１０に示すようにフェライトコアを分割し、マイクロ波放射器の上下Ｈ面にフェライトコア１６ａ，１６ｂを対向させて配設してもよい。
【００３３】
図１１は、本発明の第１の実施の形態によるフェライトコアとそこに印加する直流磁界の構成を示す図である。図１１には、マイクロ波放射器の中心線Ｙ−Ｙ’を境にして左側部と右側部とにフェライトコアを分割し、左側部のフェライトコア１６ｃには紙面に垂直にこちら向きの直流磁界を印加し、右側部のフェライトコア１６ｄには紙面に垂直にむこう向きの直流磁界を印加した場合のマイクロ波の進行方向を示す。
また、図１２は、図１１のＸ−Ｘ’線における断面図である。図１２には、上述の直流磁界を印加するための磁場発生手段の例を示す。直流磁界の値を適切に設定することでマイクロ波放射器の出力側Ｃ−Ｃ’線でのマイクロ波電界分布を均一化することができる。
図１３は、本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。図１３には、均一化を行う前後でのマイクロ波電界強度の分布を示す。破線は均一化実施前の状態で、基本モード（すなわちＴＥ10モード）のマイクロ波による分布である。これに対し、実線は均一化実施後の状態で、実施後は両端部の電界強度が高められＣ−Ｃ’線に沿った広い幅に渡り、マイクロ波電界強度の分布が改善されている。なお、１１及び図１２では、フェライトコアを分割した例を示したが、分割部を接合したり境界部材を介して接合したり、分割しないで一体の構成としてもよい。
【００３４】
また、図１４は、本発明の第１の実施の形態による永久磁石の配置を示す図である。ここでは、石英窓１１に近接するように磁場発生手段として永久磁石１０ａ，１０ｂが設けられている。これにより反応性ガスの電離およ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。なお、永久磁石の変わりに電磁石でもよい。さらに、例えば、プラズマ処理室７の石英窓１１と被処理物１３との間の空間内に、電子サイクロトロン共鳴を生じさせるように磁界の値を設定することで、プラズマ密度を飛躍的に高めることができ、被処理物１３を効率よくプラズマ処理することができる。さらに、上記磁界を石英窓１１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で、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。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図１５は、本発明における第２の実施の形態を示すマイクロ波プラズマ処理装置の全体構成図である。この装置は、マイクロ波電源１、インピーダンス整合器４、整合用変成器５、マイクロ波放射器６、プラズマ処理室７、石英窓１１、プロセスガス導入パイプ１２、フェライトコア１６、磁場発生手段１７を備える。また、マイクロ波電源１から整合用変成器５までの導波路に、アイソレータや方向性結合器等を適宜備えても良い。図示するように、マイクロ波電源１により発生したマイクロ波はインピーダンス整合器４、整合用変成器５を通りマイクロ波放射器６に導入され、真空封じの石英窓１１を介してプラズマ処理室７に放射される。マイクロ波放射器６にはフェライトコア１６が配設されており、フェライトコア１６に外部から直流磁界を印加するための磁場発生手段１７が設けられている。
【００３６】
マイクロ波放射器６はマイクロ波の入力側から出力側に向かいステップ状の不連続部が構成される。この不連続部により、Ｈ面同士は平行に形成され、両Ｅ面間の間隔がマイクロ波の進行方向に沿って不連続な段差状に伸長されて形成される。マイクロ波放射器６は、この不連続部を境にして電源側導波管部６ｃとプラズマ処理室側導波管部６ｄとを有し、電源側導波管部６ｃの中心軸とプラズマ処理室側導波管部６ｄの中心軸とを一致させると共に、プラズマ処理室側導波管部６ｄの長辺の長さａをマイクロ波の自由空間波長λ0の3/2以上とし、かつマイクロ波放射器６の出力側開口部が長さＡ−Ｂの細長い矩形のスリットを形成している。マイクロ波放射器６内には、例えばステップ部の継ぎ目Ｘ−Ｘ’線の位置に薄厚円柱状のフェライトコア１６が配設される。フェライトコア６に外部から磁場を印加するための磁場発生手段は、図３または図１０等に示すものと同様である。
【００３７】
次に、フェライトコアとそこに印加する直流磁界によりマイクロ波放射器内に高次のＴＥｍ０（ｍ＝３，５，７…）モードのマイクロ波を任意の割合にて伝搬させる原理と、それによるマイクロ波電界分布の均一化の方法を説明する。
図１６は、本発明の第２の実施の形態におけるマイクロ波の波数ベクトルの方向を示す概略図である。図１６の矢印１９は、矩形導波管の側壁に入射・反射を繰り返しながら導波管内を斜め伝搬するマイクロ波の波数ベクトルの様子を示した模式図である。マイクロ波放射器の電源側導波管部６ｃでは基本モードのＴＥ１０波のみが伝搬可能であり、一方、プラズマ処理室側導波管部６ｄでは次式で与えられるｎ次モードのＴＥｎ０波までが伝搬可能である。
ｎ＜２ａ／λ ０ （３）
ここでλ０はマイクロ波の自由空間波長、ａはプラズマ処理室側導波管部の長辺の長さである。また、マイクロ波の矩形導波管側壁への入射角θｎと、その時の伝搬モードの次数ｎとの関係は、
ｃｏｓ θｎ＝（λ ０ ／２ａ）・ｎ （ｎ＝１，２，３，・・） （４）
で与えられる。高次モードのマイクロ波を伝搬させるには入射角θｎを小さく設定すればよい。その為には、ステップ状の継ぎ目Ｘ−Ｘ’線の位置に薄厚円柱状のフェライトコアを配設し、このフェライトコアに紙面に垂直な直流磁界を印加することでマイクロ波の波数ベクトル１９の方向を変えればよい。直流磁界の値を比較的大きく設定すると、フェライトコアの比透磁率が大きく変化し、波数ベクトルの方向も大きく変わる。したがって矩形導波管側壁への入射角を図示するようにθ１からθ２へ、さらにθ３へと徐々に小さくできる。
このプラズマ処理室側導波管部の長辺の長さａを、例えば（λ０／２）・３以上、（λ０／２）・５未満と設計した場合、（３）式に示すようにマイクロ波放射器内にＴＥ１０とＴＥ３０との２つのモードの波を伝搬させることができる。ここでＴＥ２０モードおよびＴＥ４０モードはマイクロ波放射器のＹ−Ｙ’軸対称性から原理的に生じない。
【００３８】
図１７は、本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。図１７には、ＴＥ10とＴＥ30との２つのモードのマイクロ波電界と、それらを任意に重ね合わせた合成電界の分布を示す。図１７に示す破線および一点鎖線は、ＴＥ10およびＴＥ30モードのマイクロ波電界の分布を、実線はそれらの合成電界の分布をそれぞれ示す。
また、図１８は、本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波電界強度の分布図である。ここで、実線は、ＴＥ10とＴＥ30の合成電界を示し、破線は基本モードを示す。従ってマイクロ波電界強度の分布は、図１８の実線で示されるようになり、破線点線で示す基本モード（すなわちＴＥ10モード）の波のみによるマイクロ波電界強度に比べて均一性が高くなる。上述のように得られたマイクロ波電界強度の分布によって、プラズマ処理室７の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
図１９は、本発明における第３の実施の形態の概略構成図を示し、第１の実施の形態に適用した場合の磁場発生手段の構成を示す図である。図１９は図１のＸ−Ｘ’線断面に対応し、２個のコイル２０ａ，２０ｂは同じ極性の磁界がフェライトコア１６に印加されるように巻き上げられている。また、これら２個のコイル２０ａ、２０ｂは、励磁電流を印加するための電源２１に接続されている。
【００４０】
図２０は、本発明の第３の実施の形態における励磁電流の波形を示す図である。コイルには図２０に示す交流電流が印加され、各時間における電流値に対応して、マイクロ波放射器内のマイクロ波の波数ベクトルの方向が変化する。
図２１は、本発明の第３の実施の形態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図である。図２１には、波数ベクトルの変化の様子を示す。例えば、電流値が図２０の１に示す状態の時、図２１のフェライトコアに紙面の下方から上方に向かう磁界Ｂが印加されるとすると、図２１のＣ−Ｃ’線上の１に示す方向を向く波数ベクトル１９ａとなる。同様に考えると、交流が付加される場合、マイクロ波放射器内のマイクロ波の波数ベクトルは、交流電流の一周期にわたり１９ａ→１９ｂ→１９ｃ→１９ｂ→１９ａのように振動する。
図２２は、本発明の第３の実施の形態によるマイクロ波電界強度の分布図である。図２２には、マイクロ波電界の時間変化を示す。図中の１，２，３の番号は図２０および図２１中の番号と対応している。
【００４１】
つぎに、図２３は、本発明の第３の実施例によるイオン密度分布を示す図である。さらに、上述の振動の周期をプラズマ減衰時定数よりも十分短く設定することで、図２３の実線で示すようなプラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。図中の点線は、フェライトコアを具備しないマイクロ波放射器を用いた場合のイオン密度分布を示してある。
【００４２】
（第４の実施の形態）
図２４は、本発明における第４の実施の形態の概略構成図を示し、第１の実施の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、マイクロ波の高周波磁界が集中している管壁付近の、しかも出力側開口部６ｂにフェライトコア３１ａ、３１ｂが配設されている。またマイクロ波を効率良くフェライトコアへ導入するために、フェライトコア３１ａ、３１ｂに近接させて整合用の誘電体３２ａ、３２ｂが付加されている。
図２５は、図２４のＰ−Ｐ’線における断面図を示したものである。ここでは、フェライトコア３１ａ，３１ｂにそれぞれ直流磁界を印加するための磁場発生手段の概略図が示される。左右のフェライトコア３１ａ，３１ｂに印加される直流磁界の極性が互いに逆向きになるように構成されている。
【００４３】
本実施の形態においては、図２４に示すようにマイクロ波放射器内を入力側６ａから出力側６ｂへ伝搬しているマイクロ波に対して、フェライトコア３１ａには紙面の下方から上方へ向かう直流磁界Ｂ1を、フェライトコア３１ｂは紙面の上方から下方へ向かう直流磁界Ｂ2を印加すると、各々のフェライトコア内で高周波磁界が直流磁界Ｂ1およびＢ2に対して左回りに回転をしているのでフェライトの比透磁率は共にμ−となる、図５に示すように左回り、すなわち負方向回転の比透磁率μ−は印加する直流磁界Ｂの値によっては１よりも大きな値を示し、さらにフェライトの比誘電率も１０〜２０と大きいのでマイクロ波はフェライト媒質内に引き込まれる。
【００４４】
図２６は、本発明の第４の実施例によるマイクロ波電界の分布図である。上述の結果マイクロ波電界の分布は、マイクロ波放射器内の管壁付近で大きくなり、反対に中央付近では減少して図２６の実線で示す曲線のようになる。図中の斜線部はフェライトコアの位置を示し、点線は上記フェライトコアが存在しない場合の基本モード（すなわちＴＥ10モード）のみの電界分布を示す。点線と比較して実線で示す分布は、両端の管壁付近の電界分布を改善しており、マイクロ波放射器の出力側開口部におけるマイクロ波電力分布の均一化が図れる。
【００４５】
図２６の実線で示すようなマイクロ波電界の分布を得ることで、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００４６】
（第５の実施の形態）
図２７は、本発明における第５の実施の形態の概略構成図を示し、第１の実施の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、マイクロ波放射器の中心軸Ｙ−Ｙ’上にマイクロ波の入力側６ａから出力側６ｂに向かい棒状のフェライトコア３３が配設され、フェライトコア３３に外部から直流磁界を印加するための磁場発生手段３４ａ、３４ｂを備えている。直流磁界は、図中の矢印３５で示すようにマイクロ波の入力側から出力側に向かう方向に印加される。またマイクロ波を効率良くフェライトコアへ導入するため、整合用の誘電体３６が配設してある。磁場発生手段３４ａ、３４ｂの具体的構成としては、電磁石又は永久磁石を用いることができる。電磁石の場合は、例えば、小さなコイル（鉄心又は空心）を並設したり、ヘルムホルツタイプのコイルでフェライトコアを囲むようにする等適宜の構成とすることができる。
図２８は、例えば、図２７のｂ−ｂ’線における断面図である。これは、マイクロ波放射器内部のフェライトコア３３の固定位置を示すもので、Ｚ−Ｚ’線に対し対称に配設してある。
【００４７】
次に、フェライトコアとそこに印加する直流磁界を図２７に示すように構成することで、マイクロ波放射器の出力側開口部におけるマイクロ波電界分布を均一化する原理を説明する。図示するようにマイクロ波の伝搬方向に直流磁界を加えるならば、フェライトコア内の比透磁率は図５のμ＋、μ−のほぼ中間の値となる。これを実効比透磁率と呼びμeffで表す。このμeffの値はμ＋、μ−の値を用いて次式で関係づけられている。
μeff＝２μ＋μ−／（μ＋ ＋ μ−） （５）
図２９は、フェライトコアの実効比透磁率の直流磁界に対する値を示す図である。これは、μeffの直流磁界依存性を示すものである。直流磁界の値を適当にするとμeffは０に近づき、やがて負の値をとる領域がある。マイクロ波の伝送系において比透磁率が負になるということは、その領域で電界はフェライトをさけて通る。従って、マイクロ波放射器内のもともと電界の強い位置にフェライトコアを置き直流磁界の値を適切に設定してμeffを１以下の適当な正の値とすることで、電界の強度を弱めるとともにもともと電界の弱い位置へ電界を偏移させることができる。
【００４８】
図３０は、本発明の第５の実施例によるマイクロ波電界強度の分布図である。図３０には、マイクロ波放射器内における、マイクロ波の進行方向に垂直な３つの異なる面内でのマイクロ波電界の分布の様子を示す。図３０の曲線１，２，３は、それぞれ図２７のａ−ａ’、ｂ−ｂ’、ｃ−ｃ’線断面でのマイクロ波電界分布に対応する。テーパー状のマイクロ波放射器では主に基本モードのＴＥ10の電界分布となるが、本実施の形態では電界の偏移の効果で広い範囲にわたり均一な分布が得られる。
図３０の曲線３で示すようなマイクロ波電界の分布を得ることで、プラズマ処理室の窓部に沿って帯状に、しかもイオン密度分布の均一性が高いプラズマを生成させることができる。
【００４９】
なお、フェライトコアは、分割部を接合したり境界部材をはさんで接合したり、分割しないで一体の構成としてもよい。また、フェライトコアは、左右、上下に適宜分割したり、一体化してもよく、また、ひとつ又は適宜の複数個設けるようにしてもよい。フェライトコアの大きさ、形状（円、楕円、球、三角、菱形等）は、適宜のものを用いることができる。磁場発生手段も、フェライトコアの構成に従い、適宜の数、適宜の配置とすることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、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の出力側開口部が被処理物の寸法に応じた細長い矩形のスリットを形成しているので、導波管の側壁にスロットを設けた場合に見られるマイクロ波電界分布に自由空間波長の２分の１毎の強弱が現れる現象が生じない。
また、本発明によれば、マイクロ波放射器内部に配設したフェライトコアの材質、形状および寸法と、そこに印加する直流磁界の値を適切に設定することで、マイクロ波の伝搬方向およびマイクロ波の電界分布を適時調整することができ、プラズマ処理室へ放射されるマイクロ波の電力分布をプラズマ処理室の窓部の長辺方向に沿って均一にすることができる。よって、本発明によれば、幅広い領域に渡りプラズマ密度の分布を均一にすることができる。
さらに、本発明によれば、導波管の終端部からマイクロ波を放射する方式であるので、マイクロ波の使用効率が向上され生成されるプラズマの密度を高めることができる。したがって、本発明によれば、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、広い面積を均一にしかも高速にプラズマ処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】マイクロ波放射器とフェライトコアの位置関係を示す構成図である。
【図３】図１のＸ−Ｘ’線における断面図である。
【図４】マイクロ波放射器内のマイクロ波高周波磁界の分布図である。
【図５】フェライトコアの円偏波に対する比透磁率の直流磁場依存性を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図（１）である。
【図７】本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図（１）である。
【図８】本発明の第１の実施の形態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図（２）である。
【図９】本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図（２）である。
【図１０】他の実施の形態における、図１のＸ−Ｘ’線における断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態によるフェライトコアとそこに印加する直流磁界の構成を示す図である。
【図１２】図１１のＸ−Ｘ’線における断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図（３）である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態による永久磁石の配置を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態におけるマイクロ波の波数ベクトルの方向を示す概略図である。
【図１７】本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態によるマイクロ波電界強度の分布図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２０】本発明の第３の実施の形態における励磁電流の波形を示す図である。
【図２１】本発明の第３の実施の形態におけるマイクロ波の進行方向を示す概略図である。
【図２２】本発明の第３の実施の形態によるマイクロ波電界強度の分布図である。
【図２３】本発明の第３の実施の形態によるイオン密度分布を示す図である。
【図２４】本発明の第４の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２５】図２４のＰ−Ｐ’線における断面図である。
【図２６】本発明の第４の実施の形態によるマイクロ波電界の分布図である。
【図２７】本発明の第５の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２８】図２７のｂ−ｂ’線における断面図である。
【図２９】フェライトコアの実効比透磁率の直流磁界に対する値を示す図である。
【図３０】本発明の第５の実施の形態によるマイクロ波電界強度の分布図である。
【図３１】従来のプラズマ処理装置の全体構成図である。
【図３２】図３１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図３３】図３１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
４ インピーダンス整合器
５ 整合用変成器
６ マイクロ波放射器
７ プラズマ処理室
１１ 石英窓
１２ プロセスガス導入パイプ
１６ フェライトコア
１７ 磁場発生手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus for performing processing such as thin film formation, surface modification, etching, and the like uniformly and at high speed on an object to be processed having a large area.
[0002]
[Prior art]
In recent years, plasma devices using microwaves have been used for etching, ashing, chemical vapor deposition (CVD) and the like in the manufacturing process of semiconductors and liquid crystal displays (LCDs). FIG. 31 is a schematic configuration diagram of a conventional plasma processing apparatus. 32 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. This apparatus includes a microwave power source 1, an isolator 2, a directional coupler 3, an impedance matching unit 4, a rectangular parallelepiped plasma processing chamber 7 for performing plasma processing, and a rectangular waveguide for plasma chamber coupling attached to a side surface of the plasma processing chamber. A tube 8 and a termination device 9 are provided (see Jpn. J. Appl. Phys. 32 (1993) L802).
[0003]
As shown in FIG. 32, the plasma processing chamber 7 is provided with a rectangular window portion 7b that is elongated along the tube axis direction of the waveguide 8 on the side wall 7a on the rectangular waveguide 8 side. It is vacuum-sealed by a microwave transmission window 11 made of a material such as quartz. The window portion 7b is disposed in a state of facing the E surface 8a of the rectangular waveguide 8 through the microwave transmission window. Here, the E plane is a side surface parallel to the direction of the electric field vector in the rectangular waveguide. Further, the plasma processing chamber 7 is provided with an exhaust port 7c, and this exhaust port is connected to a vacuum pump (not shown). The process gas introduction pipe 12 is hermetically penetrated through one wall portion of the plasma processing chamber 7. Is attached. In this plasma processing chamber 7, a roller 14 around which a sheet-like object 13 is wound and a winding roller 15 that winds up the object to be processed are disposed so as to face each other. Opposing to the part 7b.
[0004]
The rectangular waveguide 8 for plasma chamber coupling is provided with a slot 8b extending in the tube axis direction on the E surface 8a. The slot 8b has a length substantially equal to the longitudinal direction of the window portion 7b of the plasma chamber 7, but its width dimension is set smaller than the width dimension of the window portion 7b. The coupling rectangular waveguide 8 is electrically connected in a state where the slot 8 b faces the window portion 7 b of the plasma processing chamber 7.
[0005]
The terminator 9 is composed of a microwave absorber that absorbs excess microwave that has not been supplied to the plasma processing chamber 7 side, and uses water as the microwave absorber. Excess microwaves that have not propagated to the plasma processing chamber 7 are absorbed by the water introduced from the inlet 9a, and the water heated by the microwave is drained from the outlet 9b.
[0006]
The plasma processing using such a conventional plasma processing apparatus will be described below. First, after the workpiece 13 is set in the plasma processing chamber 7, the inside of the plasma processing chamber 7 is brought into a high vacuum state. Thereafter, a predetermined process gas is supplied from the process gas introduction pipe 12 into the plasma processing chamber 7 until the plasma processing chamber reaches a predetermined pressure. In this state, when microwaves are supplied from the microwave power source 1 to one end of the plasma chamber coupling rectangular waveguide 8 through the isolator 2, the directional coupler 3, and the impedance matching unit 4, the microwave enters the rectangular waveguide 8. The microwaves radiated from the slot 8b are propagated into the plasma processing chamber 7 through the window 7b of the plasma processing chamber 7, and the process gas in the plasma processing chamber is turned into plasma, along the window 7b of the plasma processing chamber 7. A strip-shaped plasma is generated. By irradiating the processing object 13 with the roller 15 while irradiating the processing object 13 with the plasma, the processing over a wide area can be continuously performed.
[0007]
In particular, when an electromagnet 10c is provided as a means for generating a magnetic field in the space between the window portion 7b of the plasma processing chamber 7 and the object 13 to be processed, electrons and ions in the plasma receive a force from the magnetic field and spiral. Exercise. As a result, the frequency of ionization and excitation of the reactive gas is increased, and the plasma density irradiated on the workpiece is increased. Furthermore, the plasma density can be dramatically increased by using, for example, the permanent magnets 10a and 10b in combination so as to cause electron cyclotron resonance in the space. Further, by setting the magnetic field to be a divergent magnetic field that goes from the window portion 7b toward the center of the plasma processing chamber, it is possible to efficiently irradiate the workpiece 13 with the plasma.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Here, FIG. 33 is a diagram showing the distribution of the microwave electric field strength with respect to the longitudinal direction of the slot of FIG. In the plasma processing apparatus according to the prior art, the microwave electric field radiated from the slot 8b having a length AB to the plasma processing chamber 7 has peaks and valleys in the longitudinal direction of the plasma processing chamber 7, as shown in FIG. The distribution is uneven. This is because the microwave radiated from the slot provided on the side wall of the waveguide is free space wavelength λ0This is due to the radiation pattern having a strength corresponding to. Therefore, although a highly uniform plasma is required, the distribution of the generated plasma becomes non-uniform, and there is a problem that uniform processing over a wide area of the object to be processed is difficult.
[0009]
Further, of the microwave power input to the plasma chamber coupling rectangular waveguide 8, the power that has not been radiated from the slot 8 b to the plasma processing chamber 7 passes through the rectangular waveguide 8 and passes through the micro wave in the termination device 9. Since all of the power loss is consumed by the wave absorber, there is a problem that the power use efficiency is low and the density of the generated plasma is low.
[0010]
In view of the above points, the present invention can perform plasma processing uniformly over a wide area on an object to be processed, and can improve the microwave power use efficiency compared to the conventional example. An object is to provide an apparatus.
In the present invention, the end of the waveguide is a microwave radiator, and the output-side opening of the microwave radiator forms an elongated rectangular slit corresponding to the size of the object to be processed. The object is to prevent a phenomenon in which the strength of every half of the free space wavelength appears in the microwave electric field distribution seen when a slot is provided on the side wall of the tube.
In addition, the present invention appropriately sets the material, shape, and dimensions of the ferrite core disposed inside the microwave radiator and the value of the DC magnetic field applied to the ferrite core so that the propagation direction of the microwave and the microwave An object is to make it possible to adjust the electric field distribution in a timely manner and to make the power distribution of the microwave radiated to the plasma processing chamber uniform along the long side direction of the window of the plasma processing chamber. An object of the present invention is to make the plasma density distribution uniform over a wide area.
Furthermore, since the present invention is a system in which microwaves are radiated from the end portion of the waveguide, it is an object to improve the use efficiency of the microwaves and increase the density of the generated plasma. An object of the present invention is to perform plasma processing over a wide area uniformly and at high speed by moving an object to be processed while irradiating linear plasma.
[0011]
  Of the present inventionFirstAccording to the solution,
  A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
  A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
  A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
  Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core;
With,
The ferrite core has a left side portion and a right side portion in a plane parallel to a magnetic field vector of the microwave with respect to the center of the microwave radiator with respect to the microwave propagation direction,
The magnetic field generating means applies a DC magnetic field in the opposite direction to the left side and the right side of the ferrite core from the outside.Plasma processing equipmentButOfferBe done.
According to the second solution of the present invention,
A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core;
With
The ferrite core is disposed at a position close to the microwave input side of the microwave radiator, and on or near the central axis of the microwave radiator so as to be opposed to one or more,
A plasma processing apparatus is provided in which the magnetic field generating means applies an alternating magnetic field from the outside to the ferrite core so as to periodically change the propagation direction of the microwave.
According to the third solution of the present invention,
A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core;
With
The ferrite core is disposed near the tube wall of the microwave radiator,
The magnetic field generating means is provided with a plasma processing apparatus in which a DC magnetic field is applied to the ferrite core from the outside.
According to the fourth solution of the present invention,
A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core;
With
The ferrite core is disposed in a rod shape from the microwave input side to the output side on or near the central axis of the microwave radiator,
A plasma processing apparatus is provided in which the magnetic field generating means applies a DC magnetic field so that the magnetization direction of the ferrite core is directed from the microwave input side to the output side.
According to the fifth solution of the present invention,
A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core;
With
The microwave radiator includes a power supply side waveguide portion and a plasma processing chamber side waveguide portion, and includes a discontinuous portion and is configured in a step shape.
The microwave H-planes are formed in parallel, both E-planes are formed in a discontinuous step shape along the microwave traveling direction, and the output-side opening of the microwave radiator is an elongated rectangle. Forming slits,
A microwave of one mode is incident on the power supply side waveguide section,
By adjusting the magnetic field applied by the magnetic field generating means, there is provided a plasma processing apparatus for propagating a plurality of modes of microwaves to the plasma processing chamber side waveguide section.
[0012]
The present invention particularly relates to a microwave power source, a rectangular waveguide for introducing a microwave output from the microwave power source, a microwave radiator provided at the end of the rectangular waveguide, and an elongated window on the wall surface. And a plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face the window portion,
The output opening of the microwave radiator is electrically connected to face the elongated window of the plasma processing chamber, and a matching transformer is provided between the rectangular waveguide and the microwave radiator;
The present invention relates to a plasma processing apparatus for generating a plasma by radiating a microwave introduced into the rectangular waveguide through the window and performing a predetermined process on an object to be processed.
[0013]
In the present invention, the microwave radiator is configured in a tapered shape, the H planes are formed in parallel to each other, both E planes are formed in a fan shape along the microwave traveling direction, and the microwave radiator is formed. The output side opening can be formed into a long and narrow rectangular slit. In addition, a ferrite core for changing the propagation direction of the microwave may be disposed in the microwave radiator, and a magnetic field generating means for applying a DC magnetic field from the outside to the ferrite core may be provided.
[0014]
In this case, the distribution of the microwave power supplied from the microwave radiator to the elongated window portion of the plasma processing chamber is arbitrarily changed to a desired shape by adjusting the material, shape and dimensions of the ferrite core and the value of the DC magnetic field. Therefore, it is possible to generate plasma in a strip shape along the window of the plasma processing chamber and with high uniformity of ion distribution density.
[0015]
Further, in the present invention, the microwave radiator is configured in a step shape, the H surfaces are formed in parallel, and both E surfaces are formed in a discontinuous step shape along the traveling direction of the microwave, It consists of a power supply side waveguide section and a plasma processing chamber side waveguide section with the discontinuity as a boundary, and the central axis of the power supply side waveguide section and the central axis of the plasma processing chamber side waveguide section are At the same time, the length of the long side of the plasma processing chamber side waveguide section is set to the free space wavelength λ of the microwave.0And a slit having a long and narrow rectangular shape at the output side opening of the microwave radiator. In addition, a ferrite core for changing the propagation direction of the microwave may be disposed in the microwave radiator, and a magnetic field generating means for applying a DC magnetic field from the outside to the ferrite core may be provided.
[0016]
In this case, by adjusting the material, shape and dimensions of the ferrite core and the value of the DC magnetic field, the direction of the wave vector of the microwave propagating through the plasma processing chamber side waveguide section can be arbitrarily changed, so that higher order TEm0(M = 3, 5, 7, ...) Mode microwaves can be propagated at an arbitrary ratio. For example, the length of the long side of the plasma processing chamber side waveguide portion is set to (λ0/ 2) · 3 or more, (λ0/ 2) When designed to be less than 5, the microwave power distribution supplied from the microwave radiator to the elongated window of the plasma processing chamber is expressed as TETenAnd TE30Thus, it is possible to generate a plasma with a high uniformity of ion density distribution in a strip shape along the window of the plasma processing chamber.
[0017]
Further, the present invention provides a microwave radiator and a ferrite core disposed at a position close to the microwave input side in the microwave radiator and on the central axis of the microwave radiator so that the propagation direction of the microwave is changed. You may make it comprise the magnetic field generation means for applying an alternating current magnetic field from the outside to the said ferrite core so that it may change periodically.
[0018]
In this case, by adjusting the material, shape and dimensions of the ferrite core and the amplitude and period of the AC magnetic field, the direction of the wave vector of the microwave propagating through the plasma processing chamber side waveguide section is vibrated temporally and spatially. Can be made. The period of vibration can be set arbitrarily according to the period of the alternating magnetic field to be applied. Therefore, the time average value of the microwave power distribution supplied from the microwave radiator to the elongated window of the plasma processing chamber is flattened. it can.
Furthermore, by setting the oscillation period to be sufficiently shorter than the plasma decay time constant, it is possible to generate plasma with a strip shape along the window of the plasma processing chamber and with high uniformity of ion density distribution.
[0019]
Also, the present invention provides a microwave radiator and a ferrite core disposed near a tube wall where the microwave high-frequency magnetic field in the microwave radiator is concentrated, and a DC magnetic field is applied to the ferrite core from the outside. You may make it comprise the magnetic field generation means for applying.
[0020]
In this case, the microwave electric field existing outside the ferrite core can be shifted into the ferrite core by adjusting the material, shape and dimensions of the ferrite core and the value of the applied magnetic field. The distribution of the microwave power supplied to the elongated window of the plasma processing chamber can be made uniform. Therefore, it is possible to generate plasma in a strip shape along the window of the plasma processing chamber and with high uniformity of ion density distribution.
[0021]
Further, according to the present invention, a tapered microwave radiator, and a rod-shaped ferrite core disposed from the microwave input side to the output side on the central axis of the microwave radiator, the magnetization direction of the ferrite core is You may make it comprise the magnetic field generation means for applying a direct-current magnetic field so that it may go to the output side from the input side of a microwave.
[0022]
In this case, by adjusting the material, shape and dimensions of the ferrite core and the value of the DC magnetic field, the microwave electric field existing in the ferrite core can be shifted out of the ferrite core, and therefore from the microwave radiator. The distribution of the microwave power supplied to the elongated window portion of the plasma processing chamber can be arbitrarily changed to a desired shape. Therefore, it is possible to generate plasma in a strip shape along the window of the plasma processing chamber and with high uniformity of ion density distribution.
[0023]
Furthermore, in the plasma processing apparatus having the microwave radiator as described above, the present invention can include a magnetic field generating means for generating a magnetic field in a space between the window of the plasma processing chamber and the object to be processed. It can also comprise means for generating electron cyclotron resonance.
[0024]
In this case, electrons and ions in the plasma undergo a helical motion under the force of the magnetic field. As a result, the frequency of ionization and excitation of the reactive gas is increased, and the plasma density irradiated on the workpiece is increased. Furthermore, the plasma density can be dramatically increased by setting the value of the magnetic field so as to cause electron cyclotron resonance in the space.
[0025]
In the present invention, with the above-described configuration, when a microwave is radiated from the slot to the plasma processing chamber by providing an elongated slot on the side wall of the rectangular waveguide, a micro wave that occurs in the conventional system is used. As shown in FIG. 33, the distribution of the wave electric field intensity does not become a distribution having strength for every half wavelength of the microwave.
In other words, a ferrite core is placed in the microwave radiator, and a static magnetic field is applied to the ferrite core to adjust the propagation direction of the microwave so that the distribution of the microwave power radiated into the plasma processing chamber is uniform. Can be.
In addition, a ferrite core is provided in the microwave radiator, and a static magnetic field is applied to the ferrite core to control the direction of the wave number vector of the microwave, thereby arbitrarily exciting the fundamental mode and higher-order mode microwaves. By superimposing, the distribution of the microwave power radiated to the plasma processing chamber can be made uniform.
Furthermore, the distribution of the microwave power radiated to the plasma processing chamber can be made uniform by spatially shifting the microwave electric field in the ferrite core disposed in the microwave radiator.
Finally, since microwaves are radiated from the end of the microwave waveguide in the above-described method, a termination device including a microwave absorber is unnecessary, so that the use efficiency of microwave power is high and the generated plasma density is high. Also gets higher.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a microwave plasma processing apparatus showing a first embodiment of the present invention. This apparatus includes a microwave power source 1, an impedance matching device 4, a matching transformer 5, a microwave radiator 6, a plasma processing chamber 7, a quartz window 11, a process gas introduction pipe 12, a ferrite core 16, and a magnetic field generating means 17. Prepare. Further, an isolator, a directional coupler, or the like may be appropriately provided in the waveguide from the microwave power source 1 to the matching transformer 5. As shown in the figure, the microwave generated by the microwave power source 1 is introduced into the microwave radiator 6 through the impedance matching device 4 and the matching transformer 5, and enters the plasma processing chamber 7 through the vacuum-sealed quartz window 11. Radiated. The microwave radiator 6 is provided with a ferrite core 16, and magnetic field generating means 17 for applying a DC magnetic field from the outside to the ferrite core is provided.
[0027]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the positional relationship between the microwave radiator 6 and the ferrite core 16. The microwave radiator 6 includes a parallel portion 6a and a tapered portion 6b, and is configured to be tapered from the microwave input side to the output side. That is, with such a configuration, the H surfaces are formed in parallel, and the distance between both E surfaces is formed in a sector shape along the traveling direction of the microwave. In addition, the output-side opening of the microwave radiator 6 forms an elongated rectangular slit having a length AB. In the microwave radiator 6, for example, a thin cylindrical ferrite core 16 is disposed at the position of the joint XX ′ line (corresponding to the line XX ′ in FIG. 1) of the parallel part 6a and the tapered part 6b. Established.
[0028]
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG. FIG. 3 is a schematic view showing a magnetic field generating means 17 for applying a DC magnetic field to the ferrite core from the outside, and corresponds to a cross section taken along line X-X ′ of FIGS. 1 and 2. A pole piece 17a is provided above and below the ferrite core 16, and the pole piece is connected to a permanent magnet 18 via a yoke 17b. By configuring as shown in FIG. 3, a DC magnetic field can be uniformly applied in the upper and lower surfaces of the ferrite core.
[0029]
Next, the principle that the propagation direction of the microwave in the microwave radiator 6 is changed by the ferrite core and the DC magnetic field applied thereto will be described.
In FIG. 4, the distribution map of the microwave high frequency magnetic field in a microwave radiator is shown. FIG. 4 shows a state at a certain moment of a microwave high-frequency magnetic field propagating in the microwave radiator. The magnetic field is closed in a loop shape, and the rotation directions of adjacent high-frequency magnetic fields are opposite to each other. The magnetic field loop advances in the y-axis direction in the figure as time passes. When viewed at an arbitrary point on the A-A ′ line on the left side from the center, the magnetic field vector changes as 1 → 2 → 3 → 4, and thus rotates counterclockwise as viewed from the negative direction of the z axis. On the other hand, when viewed at an arbitrary point on the B-B ′ line on the right side from the center, the magnetic field vector changes from 4 → 3 → 2 → 1, and thus rotates clockwise as viewed from the negative direction of the z axis. When a DC magnetic field B perpendicular to the paper surface and facing the positive direction of the z-axis is applied, the high-frequency magnetic field rotates counterclockwise with respect to the DC magnetic field B inside the ferrite at an arbitrary point on the line AA ′. The relative permeability of−Thus, the direction of rotation is reversed inside the ferrite at an arbitrary point on the B-B 'line, so the relative permeability of the ferrite is μ+It becomes. Here, FIG. 5 shows the relative permeability μ.+, Μ−The direct current magnetic field B dependence of is shown.
In the region of the magnetic field smaller than the resonance magnetic field Bres, μ−> Μ+It is. Since there is a relationship of the following equation between the propagation velocity V of the microwave and the relative permeability μ,
V = C / √ (εμ) (1)
The speed of the microwave is different between the A-A ′ line and the B-B ′ line. Here, c is the speed of light in vacuum, and ε is the relative dielectric constant.
[0030]
Next, FIG. 6 is a schematic diagram showing the traveling direction of the microwave in the first embodiment of the present invention. This figure shows the traveling direction of the microwave when a ferrite core is disposed at the position shown in FIG. 2 in the microwave radiator and a direct-current magnetic field is applied perpendicularly to the paper surface. Inside the ferrite core, the microwave speed V on the left side from the center line Y-Y '−, Microwave speed V on the right side from the center line Y-Y '+In between
V+  > V−      (2)
Therefore, the microwave advances to the left side.
FIG. 7 is a distribution diagram of the microwave electric field according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 shows the distribution of the microwave electric field intensity on the output side C-C ′ line of the microwave radiator in FIG. 6. Here, the broken line indicates the case without the ferrite core, and the solid line indicates the case with the ferrite core. As shown in the figure, the maximum position of the electric field strength is moved to the left side by the ferrite core.
[0031]
FIG. 8 is a schematic diagram showing the traveling direction of the microwave in the first embodiment of the present invention. FIG. 8 shows the traveling direction of the microwave when the direction of the DC magnetic field B is reversed. In this case, the speed of the microwave on the left side from the center line Y-Y ′ is V inside the ferrite core.+The speed of the right microwave from the center line Y-Y 'is V−Thus, the microwave travels to the right.
FIG. 9 is a distribution diagram of the microwave electric field according to the first embodiment of the present invention. FIG. 9 shows the distribution of the microwave electric field intensity on the output side C-C ′ line of the microwave radiator in FIG. 8. Here, the broken line indicates the case without the ferrite core, and the solid line indicates the case with the ferrite core. As shown, the maximum field strength position moves to the right.
[0032]
Next, FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG. 1 in another embodiment. In order to enhance the movement effect of the electric field strength distribution by the ferrite core and to improve the heat dissipation efficiency of the ferrite core, for example, the ferrite core is divided as shown in FIG. The cores 16a and 16b may be disposed to face each other.
[0033]
FIG. 11 is a diagram showing the configuration of the ferrite core and the DC magnetic field applied thereto according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 11, a ferrite core is divided into a left side portion and a right side portion with a center line YY ′ of the microwave radiator as a boundary, and a DC magnetic field directed to the left side of the ferrite core 16c is perpendicular to the paper surface. Is applied to the ferrite core 16d on the right side, and the traveling direction of the microwave is shown when a direct current magnetic field perpendicular to the paper surface is applied.
FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG. 11. FIG. 12 shows an example of a magnetic field generating means for applying the above-described DC magnetic field. By appropriately setting the value of the DC magnetic field, the microwave electric field distribution on the output side C-C ′ line of the microwave radiator can be made uniform.
FIG. 13 is a distribution diagram of a microwave electric field according to the first embodiment of the present invention. FIG. 13 shows the distribution of the microwave electric field strength before and after homogenization. The broken line is the state before the uniformization, and the basic mode (ie, TETenMode) distribution by microwaves. On the other hand, the solid line is in a state after the uniformization, and after the implementation, the electric field strength at both ends is increased and the distribution of the microwave electric field strength is improved over a wide width along the C-C ′ line. 11 and 12 show examples in which the ferrite core is divided. However, the divided portions may be joined, joined via a boundary member, or may be integrated without being divided.
[0034]
Moreover, FIG. 14 is a figure which shows arrangement | positioning of the permanent magnet by the 1st Embodiment of this invention. Here, permanent magnets 10 a and 10 b are provided as magnetic field generating means so as to be close to the quartz window 11. As a result, the frequency of ionization and excitation of the reactive gas is increased, and the plasma density irradiated to the object to be processed is increased. An electromagnet may be used instead of the permanent magnet. Furthermore, for example, by setting the value of the magnetic field so as to cause electron cyclotron resonance in the space between the quartz window 11 and the workpiece 13 in the plasma processing chamber 7, the plasma density can be dramatically increased. Therefore, it is possible to efficiently perform the plasma treatment on the workpiece 13. Furthermore, by setting the magnetic field to be a divergent magnetic field that goes from the quartz window 11 toward the center of the plasma processing chamber, the workpiece 13 can be efficiently irradiated with plasma.
[0035]
(Second Embodiment)
FIG. 15 is an overall configuration diagram of a microwave plasma processing apparatus showing a second embodiment of the present invention. This apparatus includes a microwave power source 1, an impedance matching device 4, a matching transformer 5, a microwave radiator 6, a plasma processing chamber 7, a quartz window 11, a process gas introduction pipe 12, a ferrite core 16, and a magnetic field generating means 17. Prepare. Further, an isolator, a directional coupler, or the like may be appropriately provided in the waveguide from the microwave power source 1 to the matching transformer 5. As shown in the figure, the microwave generated by the microwave power source 1 is introduced into the microwave radiator 6 through the impedance matching device 4 and the matching transformer 5, and enters the plasma processing chamber 7 through the vacuum-sealed quartz window 11. Radiated. The microwave radiator 6 is provided with a ferrite core 16, and magnetic field generating means 17 for applying a DC magnetic field from the outside to the ferrite core 16 is provided.
[0036]
The microwave radiator 6 has stepped discontinuities from the microwave input side to the output side. Due to the discontinuous portions, the H surfaces are formed in parallel, and the distance between the two E surfaces is formed in a discontinuous step shape along the traveling direction of the microwave. The microwave radiator 6 has a power supply side waveguide section 6c and a plasma processing chamber side waveguide section 6d with the discontinuity as a boundary, and the central axis of the power supply side waveguide section 6c and the plasma processing The center axis of the chamber-side waveguide portion 6d is made to coincide with the length a of the long side of the plasma processing chamber-side waveguide portion 6d, and the free space wavelength λ of the microwave0And the output side opening of the microwave radiator 6 forms an elongated rectangular slit having a length AB. In the microwave radiator 6, for example, a thin cylindrical ferrite core 16 is disposed at the position of the joint X-X ′ line of the step portion. The magnetic field generating means for applying a magnetic field from the outside to the ferrite core 6 is the same as that shown in FIG. 3 or FIG.
[0037]
  Next, a high-order TE is introduced into the microwave radiator by the ferrite core and the DC magnetic field applied thereto.m0The principle of propagating (m = 3, 5, 7,...) Mode microwaves at an arbitrary ratio and the method of uniforming the microwave electric field distribution by the principle will be described.
  FIG. 16 is a schematic diagram showing the direction of the wave number vector of the microwave according to the second embodiment of the present invention. An arrow 19 in FIG. 16 is a schematic diagram showing the state of the wave number vector of the microwave that is obliquely propagated in the waveguide while being repeatedly incident and reflected on the side wall of the rectangular waveguide. In the microwave-side power supply side waveguide section 6c, the fundamental mode TE10On the other hand, in the plasma processing chamber side waveguide section 6d, only the wave can propagate, and the n-order mode TE given by the following equation:n0Can propagate up to waves.
n <2a / λ 0       (3)
Where λ0Is the free space wavelength of the microwave, and a is the length of the long side of the plasma processing chamber side waveguide section. In addition, the incident angle θ of the microwave to the side wall of the rectangular waveguidenAnd the order n of the propagation mode at that time is
cos  θn = (λ 0 /2a).n (n = 1, 2, 3, ..) (4)
Given in. Incident angle θ to propagate higher-order mode microwavesnShould be set small. For this purpose, a thin cylindrical ferrite core is disposed at the position of the step-like seam XX ′ line, and a DC magnetic field perpendicular to the paper surface is applied to the ferrite core, whereby the microwave wave vector 19 Change the direction. When the value of the DC magnetic field is set to be relatively large, the relative permeability of the ferrite core changes greatly, and the direction of the wave vector also changes greatly. Thus, the angle of incidence on the side wall of the rectangular waveguide is shown as θ1To θ2And then θ3It can be gradually made smaller.
  The length a of the long side of the plasma processing chamber side waveguide section is set to, for example, (λ0/ 2) · 3 or more, (λ0/ 2) When designed to be less than 5, TE in the microwave radiator as shown in equation (3)10And TE30And two mode waves can be propagated. Where TE20Mode and TE40The mode does not arise in principle from the Y-Y 'axis symmetry of the microwave radiator.
[0038]
FIG. 17 is a distribution diagram of a microwave electric field according to the second embodiment of the present invention. In FIG.TenAnd TE302 shows a distribution of a microwave electric field in two modes, and a combined electric field obtained by arbitrarily superimposing them. The broken line and the alternate long and short dash line shown in FIG.TenAnd TE30The solid line shows the distribution of the microwave electric field of the mode, and the solid line shows the distribution of the combined electric field.
FIG. 18 is a distribution diagram of the microwave electric field strength according to the second embodiment of the present invention. Here, the solid line is TETenAnd TE30The combined electric field is shown, and the broken line shows the fundamental mode. Accordingly, the distribution of the microwave electric field intensity is as shown by the solid line in FIG. 18, and the fundamental mode (ie, TETenThe uniformity is higher than the microwave electric field intensity of only the (mode) wave. Due to the distribution of the microwave electric field intensity obtained as described above, it is possible to generate plasma in a strip shape along the window of the plasma processing chamber 7 and with high uniformity of ion density distribution.
[0039]
(Third embodiment)
FIG. 19 is a diagram showing the schematic configuration of the third embodiment of the present invention, and shows the configuration of the magnetic field generating means when applied to the first embodiment. FIG. 19 corresponds to the X-X ′ line cross section of FIG. 1, and the two coils 20 a and 20 b are wound up so that a magnetic field having the same polarity is applied to the ferrite core 16. The two coils 20a and 20b are connected to a power source 21 for applying an excitation current.
[0040]
FIG. 20 is a diagram showing a waveform of the excitation current in the third embodiment of the present invention. The alternating current shown in FIG. 20 is applied to the coil, and the direction of the wave number vector of the microwave in the microwave radiator changes corresponding to the current value at each time.
FIG. 21 is a schematic diagram showing the traveling direction of microwaves in the third embodiment of the present invention. FIG. 21 shows how the wave vector changes. For example, when the current value is in the state shown in FIG. 20 and the magnetic field B is applied to the ferrite core in FIG. 21 from the bottom to the top of the page, the direction indicated by 1 on the CC ′ line in FIG. Is a wave vector 19a that faces. Considering similarly, when alternating current is added, the wave number vector of the microwave in the microwave radiator vibrates as 19a → 19b → 19c → 19b → 19a over one period of the alternating current.
FIG. 22 is a distribution diagram of the microwave electric field intensity according to the third embodiment of the present invention. FIG. 22 shows the time change of the microwave electric field. The numbers 1, 2, and 3 in the figure correspond to the numbers in FIGS.
[0041]
Next, FIG. 23 is a diagram showing an ion density distribution according to the third embodiment of the present invention. Furthermore, by setting the above-mentioned vibration period to be sufficiently shorter than the plasma decay time constant, the ion density distribution is highly uniform in a strip shape along the window of the plasma processing chamber as shown by the solid line in FIG. Plasma can be generated. The dotted line in the figure shows the ion density distribution when using a microwave radiator without a ferrite core.
[0042]
(Fourth embodiment)
FIG. 24 is a diagram showing a schematic configuration of the fourth embodiment of the present invention, and shows the inside of the microwave radiator when applied to the first embodiment. As shown in the figure, ferrite cores 31a and 31b are disposed in the vicinity of the tube wall where the microwave high-frequency magnetic field is concentrated and in the output-side opening 6b. In order to efficiently introduce the microwave into the ferrite core, matching dielectrics 32a and 32b are added in proximity to the ferrite cores 31a and 31b.
FIG. 25 is a sectional view taken along line P-P ′ of FIG. Here, a schematic diagram of magnetic field generating means for applying a DC magnetic field to the ferrite cores 31a and 31b is shown. The polarities of the DC magnetic fields applied to the left and right ferrite cores 31a and 31b are opposite to each other.
[0043]
In the present embodiment, as shown in FIG. 24, with respect to the microwave propagating in the microwave radiator from the input side 6a to the output side 6b, the ferrite core 31a has a direct current going from the bottom to the top of the page. When a DC magnetic field B2 is applied to the ferrite core 31b from the top to the bottom of the page, the high frequency magnetic field rotates counterclockwise with respect to the DC magnetic fields B1 and B2 in each ferrite core. The relative permeability is μ−As shown in FIG. 5, the relative permeability μ of counterclockwise rotation, that is, negative direction rotation, is−Shows a value greater than 1 depending on the value of the DC magnetic field B to be applied, and the relative dielectric constant of the ferrite is as large as 10 to 20, so that the microwave is drawn into the ferrite medium.
[0044]
FIG. 26 is a distribution diagram of a microwave electric field according to the fourth embodiment of the present invention. As a result of the above, the distribution of the microwave electric field increases near the tube wall in the microwave radiator, and conversely decreases near the center to become a curve indicated by a solid line in FIG. The hatched portion in the figure indicates the position of the ferrite core, and the dotted line indicates the fundamental mode (ie, TE) when the ferrite core is not present.TenMode) only. The distribution indicated by the solid line compared to the dotted line improves the electric field distribution near the tube walls at both ends, and makes it possible to equalize the microwave power distribution at the output side opening of the microwave radiator.
[0045]
By obtaining the distribution of the microwave electric field as shown by the solid line in FIG. 26, it is possible to generate plasma in a strip shape along the window of the plasma processing chamber and with high uniformity of ion density distribution.
[0046]
(Fifth embodiment)
FIG. 27 is a schematic configuration diagram of the fifth embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating the inside of the microwave radiator when applied to the first embodiment. As shown in the figure, a rod-shaped ferrite core 33 is disposed on the central axis YY ′ of the microwave radiator from the microwave input side 6a to the output side 6b, and a DC magnetic field is applied to the ferrite core 33 from the outside. Magnetic field generating means 34a and 34b for performing the above. The DC magnetic field is applied in the direction from the microwave input side to the output side as indicated by an arrow 35 in the figure. In order to efficiently introduce the microwave into the ferrite core, a matching dielectric 36 is provided. As a specific configuration of the magnetic field generating means 34a, 34b, an electromagnet or a permanent magnet can be used. In the case of an electromagnet, for example, a small coil (iron core or air core) can be arranged in parallel, or a ferrite core can be surrounded by a Helmholtz type coil.
FIG. 28 is a cross-sectional view taken along line b-b ′ of FIG. 27, for example. This shows the fixed position of the ferrite core 33 inside the microwave radiator and is arranged symmetrically with respect to the Z-Z 'line.
[0047]
Next, the principle of making the microwave electric field distribution uniform at the output side opening of the microwave radiator by configuring the ferrite core and the DC magnetic field applied thereto as shown in FIG. 27 will be described. As shown in the figure, if a DC magnetic field is applied in the microwave propagation direction, the relative permeability in the ferrite core is+, Μ−The value is almost in the middle. This is called effective relative permeability μeffRepresented by This μeffThe value of μ+, Μ−It is related by the following formula using the value of.
μeff= 2μ+μ−/ (Μ+ + Μ−(5)
FIG. 29 is a diagram showing the value of the effective relative permeability of the ferrite core with respect to the DC magnetic field. This is μeffIt shows the direct current magnetic field dependency. If the value of the DC magnetic field is appropriate, μeffHas a region that approaches zero and eventually takes a negative value. In the microwave transmission system, the relative permeability becomes negative. In this region, the electric field passes through the ferrite. Therefore, place the ferrite core at a position where the electric field was originally strong in the microwave radiator and set the value of the DC magnetic field appropriately.effBy setting the value to an appropriate positive value of 1 or less, the electric field strength can be reduced and the electric field can be shifted to a position where the electric field is originally weak.
[0048]
FIG. 30 is a distribution diagram of the microwave electric field intensity according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 30 shows the distribution of the microwave electric field in three different planes perpendicular to the traveling direction of the microwave in the microwave radiator. Curves 1, 2, and 3 in FIG. 30 correspond to microwave electric field distributions at the cross sections along lines a-a ′, b-b ′, and c-c ′ in FIG. 27, respectively. For tapered microwave radiators, the fundamental mode TETenIn this embodiment, a uniform distribution can be obtained over a wide range due to the effect of the electric field shift.
By obtaining the distribution of the microwave electric field as shown by the curve 3 in FIG. 30, it is possible to generate plasma in a strip shape along the window of the plasma processing chamber and with high uniformity of ion density distribution.
[0049]
Note that the ferrite core may be integrated without joining the divided portions, joining the boundary members, or dividing them. Further, the ferrite core may be appropriately divided into left and right, upper and lower, or may be integrated, or one or a plurality of appropriate plural may be provided. As the size and shape (circle, ellipse, sphere, triangle, rhombus, etc.) of the ferrite core, appropriate ones can be used. According to the configuration of the ferrite core, an appropriate number and an appropriate arrangement of the magnetic field generating means can be used.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the end portion of the waveguide is a microwave radiator, and the output-side opening of the microwave radiator forms an elongated rectangular slit corresponding to the size of the workpiece. Therefore, a phenomenon in which the strength of every half of the free space wavelength appears in the microwave electric field distribution seen when the slot is provided in the side wall of the waveguide does not occur.
In addition, according to the present invention, by appropriately setting the material, shape, and dimensions of the ferrite core disposed inside the microwave radiator and the value of the DC magnetic field applied thereto, the propagation direction of the microwave and the microwave The electric field distribution of the wave can be adjusted as appropriate, and the power distribution of the microwave radiated to the plasma processing chamber can be made uniform along the long side direction of the window portion of the plasma processing chamber. Therefore, according to the present invention, the plasma density distribution can be made uniform over a wide area.
Furthermore, according to the present invention, since the microwave is radiated from the end portion of the waveguide, the use efficiency of the microwave is improved and the density of the generated plasma can be increased. Therefore, according to the present invention, it is possible to perform plasma processing over a wide area uniformly and at high speed by moving the workpiece while irradiating linear plasma.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a positional relationship between a microwave radiator and a ferrite core.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG. 1;
FIG. 4 is a distribution diagram of a microwave high-frequency magnetic field in the microwave radiator.
FIG. 5 is a diagram showing the DC magnetic field dependence of the relative permeability of a ferrite core with respect to circular polarization.
FIG. 6 is a schematic diagram (1) showing a traveling direction of microwaves in the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a distribution diagram (1) of a microwave electric field according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram (2) showing a traveling direction of a microwave according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a distribution diagram (2) of the microwave electric field according to the first embodiment of the present invention.
10 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG. 1 in another embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a ferrite core and a DC magnetic field applied thereto according to the first embodiment of the present invention.
12 is a cross-sectional view taken along line X-X ′ of FIG.
FIG. 13 is a distribution diagram (3) of the microwave electric field according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing an arrangement of permanent magnets according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram showing the direction of a wave vector of a microwave according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a distribution diagram of a microwave electric field according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a distribution diagram of microwave electric field strength according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic configuration diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing a waveform of an excitation current in the third embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a schematic diagram showing the traveling direction of microwaves in the third embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a distribution diagram of microwave electric field strength according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a diagram showing an ion density distribution according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a schematic configuration diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
25 is a cross-sectional view taken along line P-P ′ of FIG. 24. FIG.
FIG. 26 is a distribution diagram of a microwave electric field according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 27 is a schematic configuration diagram showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a cross-sectional view taken along line b-b ′ of FIG.
FIG. 29 is a diagram illustrating a value of an effective relative permeability of a ferrite core with respect to a DC magnetic field.
FIG. 30 is a distribution diagram of microwave electric field strength according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is an overall configuration diagram of a conventional plasma processing apparatus.
32 is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 31. FIG.
33 is a diagram showing a distribution of the microwave electric field strength with respect to the longitudinal direction of the slot of FIG. 31. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Microwave power supply
4 Impedance matching device
5. Transformer for matching
6 Microwave radiator
7 Plasma processing chamber
11 Quartz window
12 Process gas introduction pipe
16 Ferrite core
17 Magnetic field generation means

Claims (9)

壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器のマイクロ波伝播方向に対する中心を境にしてマイクロ波の磁界ベクトルに平行な面における左側部と右側部とを有し、
前記磁場発生手段は、前記フェライトコアの左側部及び右側部に互いに逆方向の直流磁界を外部から印加するようにしたプラズマ処理装置。A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core,
The ferrite core has a left side portion and a right side portion in a plane parallel to a magnetic field vector of the microwave with respect to the center of the microwave radiator with respect to the microwave propagation direction ,
The plasma processing apparatus, wherein the magnetic field generating means applies a DC magnetic field in opposite directions to the left and right sides of the ferrite core from the outside. 壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器のマイクロ波入力側に近い位置に、かつ、マイクロ波放射器の中心軸上又は付近に、ひとつ又は複数対向して配設され、
前記磁場発生手段は、マイクロ波の伝搬方向を周期的に変えるように前記フェライトコアに外部から交流磁界を印加するようにしたプラズマ処理装置。A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core,
The ferrite core is disposed at a position close to the microwave input side of the microwave radiator, and on or near the central axis of the microwave radiator so as to be opposed to one or more,
The plasma processing apparatus, wherein the magnetic field generating means applies an alternating magnetic field from the outside to the ferrite core so as to periodically change the propagation direction of the microwave. 壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器の管壁付近に配設し、
前記磁場発生手段は、前記フェライトコアに外部から直流磁界を印加するようにしたプラズマ処理装置。A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core,
The ferrite core is disposed near the tube wall of the microwave radiator,
The plasma processing apparatus, wherein the magnetic field generating means applies a DC magnetic field to the ferrite core from the outside. 壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記フェライトコアは、前記マイクロ波放射器の中心軸上又は付近にマイクロ波の入力側から出力側に向かい棒状に配設され、
前記磁場発生手段は、前記フェライトコアの磁化方向がマイクロ波の入力側から出力側に向かうように直流磁界を印加するようにしたプラズマ処理装置。A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core,
The ferrite core is disposed in a rod shape from the microwave input side to the output side on or near the central axis of the microwave radiator,
The plasma processing apparatus, wherein the magnetic field generating means applies a DC magnetic field so that the magnetization direction of the ferrite core is directed from the microwave input side to the output side. 壁面に設けられた窓部に対向するように被処理物が配置されるプラズマ処理室と、
マイクロ波電源から出力されたマイクロ波を前記プラズマ処理室に放射するためのマイクロ波放射器と、
前記マイクロ波放射器内に設けられ、マイクロ波の伝搬方向を変えるためのフェライトコアと、
前記フェライトコアに磁界を印加するための磁場発生手段と
を備え、
前記マイクロ波放射器は、電源側導波管部とプラズマ処理室側導波管部とを備え、不連続部を含みステップ状に構成され、
マイクロ波のＨ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って不連続な段差状に伸長されて形成され、かつ、マイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のスリットを形成し、
前記電源側導波管部にひとつのモードのマイクロ波を入射し、
前記磁場発生手段により印加される磁場を調整することにより、前記プラズマ処理室側導波管部に複数のモードのマイクロ波を伝搬させるプラズマ処理装置。A plasma processing chamber in which an object to be processed is disposed so as to face a window provided on a wall surface;
A microwave radiator for radiating a microwave output from a microwave power source to the plasma processing chamber;
A ferrite core provided in the microwave radiator for changing the propagation direction of the microwave;
Magnetic field generating means for applying a magnetic field to the ferrite core,
The microwave radiator includes a power supply side waveguide portion and a plasma processing chamber side waveguide portion, and includes a discontinuous portion and is configured in a step shape.
Microwave H-planes are formed in parallel, both E-planes are formed in a discontinuous step shape along the traveling direction of the microwave, and the output-side opening of the microwave radiator is an elongated rectangle. Forming slits,
A microwave of one mode is incident on the power supply side waveguide section,
A plasma processing apparatus for propagating a plurality of modes of microwaves to the plasma processing chamber side waveguide section by adjusting a magnetic field applied by the magnetic field generating means. 前記マイクロ波放射器は、平行部とテーパー部を備え、
マイクロ波のＨ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って扇形に伸長されて形成され、かつマイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のスリットを形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。The microwave radiator includes a parallel portion and a tapered portion,
Microwave H-planes are formed parallel to each other, both E-planes are formed in a fan shape along the microwave traveling direction, and the output side opening of the microwave radiator forms an elongated rectangular slit. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the apparatus is a plasma processing apparatus. 前記マイクロ波放射器は、電源側導波管部とプラズマ処理室側導波管部とを備え、不連続部を含みステップ状に構成され、
マイクロ波のＨ面同士が平行に形成され、両Ｅ面がマイクロ波の進行方向に沿って不連続な段差状に伸長されて形成され、かつ、マイクロ波放射器の出力側開口部が細長い矩形のスリットを形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。The microwave radiator includes a power supply side waveguide portion and a plasma processing chamber side waveguide portion, and includes a discontinuous portion and is configured in a step shape.
Microwave H-planes are formed in parallel, both E-planes are formed in a discontinuous step shape along the traveling direction of the microwave, and the output-side opening of the microwave radiator is an elongated rectangle. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein a slit is formed. 前記電源側導波管部にひとつのモードのマイクロ波を入射し、
前記磁場発生手段により印加される磁場を調整することにより、前記プラズマ処理室側導波管部に複数のモードのマイクロ波を伝搬させることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理装置。A microwave of one mode is incident on the power supply side waveguide section,
The plasma processing apparatus according to claim 7, wherein microwaves of a plurality of modes are propagated to the plasma processing chamber side waveguide section by adjusting a magnetic field applied by the magnetic field generation unit. 前記プラズマ処理室内に配置された被処理物と前記プラズマ処理室の窓部との間の空間に磁界を発生するための手段又は、サイクロトロン共鳴を発生させるための手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。  Means for generating a magnetic field or means for generating cyclotron resonance is provided in a space between an object to be processed disposed in the plasma processing chamber and a window portion of the plasma processing chamber. The plasma processing apparatus according to claim 1.
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