JP4029765B2 - 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、表面波励起プラズマを利用したプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造プロセスでは、成膜、エッチング処理、アッシング処理等にプラズマ技術が多く利用されている。また、太陽電池、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等の製造にもプラズマ技術が利用されている。最近ではパネルの大型化や大画面化に伴って、大面積のプラズマ処理技術が重要になってきている。このためには、大きく且つプラズマ密度が均一なプラズマ生成を必要とする。プラズマ密度が均一であれば、被処理物全面に均一な処理ができる。
【０００３】
大型のプラズマを生成できるプラズマ処理装置としては、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を利用する装置がある（例えば、特許文献１参照）。この装置は、導波管内を伝播するマイクロ波をスロットアンテナから誘電体窓（マイクロ波導入窓）に導き、誘電体窓の表面に生じた表面波によってプラズマ生成室内のプロセスガスを励起し、プラズマを生成するものである。表面波は誘電体窓の表面上を速やかに伝播するので、プラズマが拡がり易く、大型のプラズマ領域が容易に得られる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４８８９８号公報（第２頁、図１）
【０００５】
この種のプラズマ処理装置では、気密容器内の圧力を０．１〜５０Ｐａ程度に保ちながらプラズマ処理が行われる。この減圧雰囲気を保持するために、誘電体窓の外周に近い場所で真空シールが施されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
誘電体窓の外周に近い場所で真空シールをする場合は、誘電体窓の中央部に最大応力が生じる。上記のように、大面積のプラズマを得るためには誘電体窓の面積を広くしなければならない。誘電体窓の面積を広くすると、最大応力は益々増大する。従って、誘電体窓の材料を高強度のものに代えるか、誘電体窓の厚さを増やす必要がある。
しかしながら、アルミナやジルコニア等の高強度誘電材料は、高価であり、加工が難しいという欠点がある。一方、誘電体窓を厚くするのは、自重や材料費が増えたり、プラズマによる熱衝撃に弱くなるので望ましくない。
本発明は、誘電体窓の厚さや材料費を増やすことなく大面積のプラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１のプラズマ処理装置は、気密容器内で表面波励起プラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置において、底板にスロットアンテナが設けられたマイクロ波導波管と、底板に対向配置され、スロットアンテナを通してマイクロ波を取り出し、表面波を発生、伝播させるマイクロ波導入窓と、マイクロ波導入窓に並設され、表面波を伝播させる誘電体部材と、気密容器とマイクロ波導入窓との間の気密を保持するために底板の周囲を取り囲むように配置されたシール部材とを備え、誘電体部材は、板面内で分割されていることを特徴とする。
【０００８】
（２）請求項２のプラズマ処理装置は、気密容器内で表面波励起プラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置において、底板にスロットアンテナが設けられたマイクロ波導波管と、底板に対向配置され、スロットアンテナを通してマイクロ波を取り出し、表面波を発生、伝播させるマイクロ波導入窓と、マイクロ波導入窓に並設され、表面波を伝播させる誘電体部材と、気密容器とマイクロ波導入窓との間の気密を保持するために底板の周囲を取り囲むように配置されたシール部材とを備え、マイクロ波導入窓および誘電体部材の少なくとも一方は、板厚方向に分割されていることを特徴とする。
（３）請求項２のプラズマ処理装置において、マイクロ波導入窓は、少なくとも底板に接しているマイクロ波導入窓を除き、板面内で分割されていることが好ましく、誘電体部材は、板面内で分割されていることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な縦断面図、（ｂ）はマイクロ波の進行方向に平行な部分縦断面図である。図２は、本実施の形態による誘電体板とその周辺部をチャンバー内側から見た図である。
【００１０】
図１および図２に示すプラズマ処理装置は、マイクロ波導波管１、誘電体窓２、誘電体板３，４およびチャンバー１０を備える。誘電体窓２に隣接して、誘電体板３，４が配置されている。誘電体窓２および誘電体板３，４は、石英、アルミナ、ジルコニア、パイレックスガラス（登録商標）、テフロン（登録商標）等の誘電性材料から加工される。
マイクロ波導波管１の底板１ａには、マイクロ波Ｍを誘電体窓２へ導くスロットアンテナ５と６が形成されている。本実施の形態では、スロットアンテナ５は、マイクロ波Ｍの進行方向に延在する複数個の長穴である。スロットアンテナ６は、マイクロ波Ｍの進行方向とほぼ直角方向に延在する複数個の長穴である。
【００１１】
不図示のマイクロ波出力部から発振された、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍは、マイクロ波導波管１の内部を伝播し、定在波を形成する。マイクロ波Ｍは、スロットアンテナ５，６を通過して誘電体窓２に入射し、誘電体窓２に表面波Ｓが発生する。表面波Ｓは、誘電体板２のチャンバー１０側の表面を伝播する。表面波Ｓは、隣接する誘電体板３，４へ伝播し、瞬時に誘電体窓２と誘電体板３，４の全面に拡がる。この表面波エネルギーは、チャンバー１０内に導入されているプロセスガスを励起して、プラズマＰを生成させる。表面波Ｓの伝播領域は、誘電体窓２と誘電体板３，４の総面積にほぼ等しいので、プラズマＰの領域も誘電体窓２と誘電体板３，４の総面積にほぼ等しい。
【００１２】
チャンバー１０にはガス導入口８と真空排気口９が設けられている。ガス導入口８からＯ２，ＳｉＨ４，Ｈ２，Ｎ２，ＳＦ６，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｈｅ等のプロセスガスが導入される。プロセスガスを導入しながら真空排気口９から排気することによって、チャンバー１０内の圧力は通常、０．１〜５０Ｐａ程度に保持される。このような減圧雰囲気で、前述の表面波エネルギーによってプラズマＰが生成する。図示されていないが、プラズマＰ中に被処理物を置くことによって、成膜、エッチング、アッシング等の処理が行われる。
【００１３】
ここで、チャンバー１０の気密の保持について説明する。チャンバー１０は、容器本体１１とフランジ１２から成る。容器本体１１とフランジ１２は、いずれもステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等の非磁性金属製である。Ｏリング１３は、容器本体１１に形成された溝にはめ込まれ、容器本体１１とフランジ１２とが押し付けられる力により弾性変形し、容器本体１１とフランジ１２の間の気密を保持する。
【００１４】
一方、図１に示すように、フランジ１２は、マイクロ波Ｍを誘電体窓２へ導く必要上、マイクロ波導波管１の底板１ａに当接する領域のみ欠けている。マイクロ波導波管１の底板１ａと誘電体窓２とは直接接触している。従って、マイクロ波導波管１とフランジ１２との隙間Ｇからチャンバー１０内に侵入する空気を遮断しなければならない。また、スロットアンテナ５，６の開口部からチャンバー１０内に侵入する空気をも遮断しなければならない。
【００１５】
そのために、Ｏリング１４によってフランジ１２と誘電体窓２との間で気密が保たれている。Ｏリング１４は、フランジ１２に形成された溝にはめ込まれている。なお、Ｏリング溝は、誘電体窓２に形成することもできる。誘電体窓２は、ボルト１５によってフランジ１２に取り付けられている。Ｏリング１４は、誘電体窓２がフランジ１２に押し付けられる力により弾性変形し、誘電体窓２とフランジ１２の間の気密を保持する。
結果として、シール部材であるＯリング１３と１４とによりチャンバー１０の気密が保たれる。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、誘電体板３，４は、誘電体窓２の左右にそれぞれ隣接して配置されている。誘電体板３，４は、気密の保持には関与しない。なお、図示されていないが、誘電体板３，４もボルト等によりフランジ１２に取り付けられる。
【００１７】
Ｏリング１４は、誘電体窓２の外周付近でマイクロ波導波管１の底板１ａを囲むように配置されている。このようにＯリング１４を配置することにより、隙間Ｇおよびスロットアンテナ５，６の開口部すべてがカバーされ、チャンバー１０の気密が保たれる。
【００１８】
また、マイクロ波導波管１の底板１ａとフランジ１２を一体化し、隙間Ｇが存在しない構成も実現可能である。この場合、誘電体窓２とフランジ１２の間の気密を保持するＯリング１４は、少なくともスロットアンテナ５，６の開口部すべてを囲むように配置すればよい。この場合は、Ｏリング１４が、底板１ａの周囲を取り囲む面積を最小にする。
【００１９】
誘電体窓２は、このＯリング１４の箇所で大気圧を支える。先にも述べたように、チャンバー１０内の圧力は０．１〜５０Ｐａ程度であるから、誘電体窓２が受ける圧力差は１気圧とみなすことができる。
【００２０】
ここで、図３を参照しながら、誘電体窓２にはどれほどの応力が生じるかを述べる。
図３は、大気圧により平板に生じる応力を説明するための模式図である。一般に、大気と真空との隔壁として用いられる平板３０には、大気圧ｐの下では、等分布荷重ｐが作用している。平板の面積をａ×ｂ、板厚をｔとすると、平板の中央部Ｏに最大応力が生じる。最大応力σは次式で表される。ここで、βはｂ／ａで決まる定数であり、０．３＜β＜０．５である。
【数１】
【００２１】
式１を用いて、図２の誘電体窓２に生じる最大応力σ１を計算する。図２のように、略矩形状に配置されているＯリング１４において、マイクロ波Ｍの進行方向と直角な辺の長さをａ１、進行方向と平行な辺の長さをｂ１とする。誘電体窓２のＯリング１４の寸法を、ａ１＝０．１８ｍ、ｂ１＝１ｍ、ｔ＝０．０２ｍとすると、β＝０．５である。ａ１＝０．１８ｍは、マイクロ波導波管１の幅１０９．２ｍｍを基準として設定した寸法である。これらを式１に代入すると、σ１＝４０．５ｐとなる。
【００２２】
次に、本実施の形態の誘電体窓２に生じる最大応力と比較するために、図４に示される従来の誘電体窓に生じる最大応力を計算する。
図４は、従来のプラズマ処理装置の誘電体窓とＯリングの位置を示す模式図である。図４（ａ）は、マイクロ波の進行方向に直角な部分縦断面図であり、図１（ａ）に対応する。また、図４（ｂ）は、下面図であり、図２に対応する。対応する図面では、同一部品には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２３】
誘電体窓２１は、Ｏリング２２の箇所で大気圧を支える。本実施の形態の誘電体窓２、誘電体板３，４の総面積と誘電体窓２１の面積は同じとする。また、誘電体窓２、誘電体板３，４の厚みと誘電体窓２１の厚みは同じとする。誘電体窓２１のＯリング２２の寸法を、ａ２＝１ｍ、ｂ１＝１ｍ、ｔ＝０．０２ｍとすると、β＝０．３である。これらを式１に代入すると、誘電体板２１に生じる最大応力σ２＝７５０ｐとなる。
【００２４】
本実施の形態の誘電体窓２に生じる最大応力σ１と従来の誘電体板２１に生じる最大応力σ２を比較すると、σ１はσ２の約１／１８に過ぎない。言い換えれば、同一の等分布荷重を受けた場合、最大応力は板厚の自乗に反比例するから、誘電体窓２は誘電体窓２１の約１／４の厚さでよいことになる。誘電体窓２は、Ｏリング１４がマイクロ波導波管１の底板１ａを取り囲む範囲を狭くすればそれに応じて小面積にすることができる。誘電体窓２の面積を小さくすることにより、その厚さや自重を減ずることができる。
なお、誘電体板３，４は、チャンバー１０内にあり、大気に曝されていないので、大気圧による応力は生じない。
【００２５】
誘電体窓２は、(１)マイクロ波の取り出し、（２）表面波の発生と伝播、および(３)気密の保持の３つの働きをする。一方、誘電体板３，４は、表面波の伝播のみを行う。このように、誘電体窓２に誘電体板３，４を追加した構成をとることにより、結果的に大面積の誘電体板と同じ機能が得られる。すなわち、大面積の表面波励起プラズマを生成することができる。
誘電体板３，４は、２枚に限らず、１枚でもよいし、３枚以上の枚数を順次並べてもよい。このようにして、誘電体板の面積を自由に選択できる。なお、誘電体板同士の隙間は、1ｍｍ程度以下であれば、表面波Ｓの伝播に悪影響を及ぼす恐れはない。
【００２６】
また、誘電体板３，４は、誘電体窓２に対し、形状、厚さ、誘電率が異なるものでもよい。
図５は、誘電体窓と誘電体板の間で形状、厚さが異なるものを例示する模式図である。図５（ａ）は、誘電体窓２と誘電体板３，４とでは形状が異なり、３枚並べて全体としては円板を形成する構成である。また、図示されていないが、円板の周辺部を厚くした形状、いわゆるカップ状とすることもできる。
図５（ｂ）は、誘電体窓２と誘電体板３，４を組み合わせた形状であり、３枚ともに矩形で同じであるが、板厚が異なる構成である。また、図示されていないが、誘電体窓２と誘電体板３を組み合わせた形状、いわゆるＬ字型とすることもできる。
もちろん、図５（ａ）と（ｂ）の構成を組み合わせ、形状と板厚の両者が異なる構成でも使用できる。さらに、形状と板厚の相違に加えて、誘電体窓２と誘電体板３，４とで誘電率の異なるものも使用できる。
【００２７】
このように、誘電体窓と誘電体板の間で形状、厚さおよび誘電率の異なるものが使用できるので、プラズマＰの形を変えたり、プラズマ密度分布を調整することが容易にできる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態について、図６〜９を参照して説明する。
図６は、本実施の形態によるプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図であり、図７は、本実施の形態による誘電体窓、誘電体板およびその周辺部をチャンバー内側から見た図である。図６および図７は、それぞれ図１および図２に対応する図であるので、同じ構成部品には同一符号を付し、主として相違点を説明する。
図８は、本実施の形態によるプラズマ処理装置における、誘電体窓と誘電体板の分割形状を示す斜視図である。
図９は、本実施の形態による誘電体板の取付け状態を説明するための部分断面図である。
【００２９】
本実施の形態によるプラズマ処理装置では、図８に示す誘電体窓と誘電体板を用いている。
図８において、符号２０は、誘電体窓と誘電体板をそれぞれ分割して組み合わせた分割構成体である。分割構成体２０は、誘電体窓２１、誘電体窓２２、誘電体板２３，２４、誘電体下板２５を有している。誘電体窓２２は、誘電体窓２２ａ〜２２ｃに３分割され、誘電体板２３，２４は、それぞれ誘電体板２３ａ〜２３ｃ、誘電体板２４ａ〜２４ｃに３分割されている。誘電体下板２５も、２５ａ〜２５ｃに３分割され、誘電体窓２２と接する領域には、スリット３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃが形成されている。すなわち、分割構成体２０は、第１の実施の形態の誘電体窓２と誘電体板３，４から成る構成を板厚方向および板面内で分割した構成である。
【００３０】
図６および７において、３分割された誘電体窓２２には２つの境界があり、それぞれスロットアンテナ６のほぼ直下に位置する。同様に、誘電体板２３，２４および誘電体下板２５のそれぞれ２つの境界も、スロットアンテナ６のほぼ直下に位置する。
【００３１】
誘電体下板２５のスリットについては、図７は下から見た図であるから、左側にスリット３１ａ〜３１ｃ、中央にスリット３２ａ〜３２ｃ、右側にスリット３３ａ〜３３ｃが位置する。スリット３１ｂと３３ｂは、スロットアンテナ５のほぼ直下に位置する。
【００３２】
スリット３１ａ，３２ａ，３３ａについて、位置関係と寸法を図７を参照して説明すると次の通りである。ｓ１はマイクロ波導波管１の幅である。ｓ２は、スリット３１ａと３２ａの距離であり、スリット３２ａと３３ａの距離でもある。ｓ３は、マイクロ波導波管１の一方の側面とスリット３１ａの距離であり、他方の側面とスリット３３ａの距離でもある。ｓ３は、５〜１２ｍｍの範囲である。スリット３１ａ，３２ａ，３３ａの長さと幅は、それぞれ７０〜１００ｍｍ、０．１〜１．０ｍｍである。スリット３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ、３１ｃ，３２ｃ、３３ｃについても同様である。
【００３３】
誘電体窓２１は、マイクロ波Ｍを取り出すとともに、チャンバー１０内の気密を保持する薄い１枚板である。誘電体窓２に相当する板厚は、誘電体窓２１と誘電体窓２２と誘電体下板２５の板厚を合計したものである。誘電体窓２に並設される誘電体板３に相当する板厚は、誘電体板２３と誘電体下板２５の板厚を合計したものである。誘電体板４に相当する板厚は、誘電体板２４と誘電体下板２５の板厚を合計したものである。
【００３４】
このように構成した第２の実施の形態のプラズマ処理装置における分割構成体２０について、作用効果を説明する。
プラズマＰの生成中、誘電体窓あるいは誘電体板は熱の影響を受ける。一つは、プラズマＰからの輻射熱であり、もう一つは、誘電体の誘電率と誘電正接tanδに比例する誘電損失による自己発熱である。これらの熱により、誘電体窓あるいは誘電体板には内部応力が発生する。
【００３５】
板厚方向に分割することによって、個々の誘電体窓あるいは誘電体板では、板厚方向に生じる温度勾配が小さくなるので、熱によって発生する内部応力を低減することができる。特に、プラズマＰの高熱に曝される誘電体下板２５に、薄い誘電体板を用いることにより、内部応力の低減効果が大きい。
【００３６】
板面内で分割することによって、個々の誘電体窓あるいは誘電体板では、上述の輻射熱と自己発熱による熱膨張量が小さくなるとともに、隣接する誘電体窓同士あるいは隣接する誘電体板同士の境界面のわずかな隙間で熱膨張量を吸収することができ、内部応力を開放することができる。また、誘電体下板２５に形成されたスリットも熱膨張量を吸収し、内部応力を開放することができる。
特に、スロットアンテナ６、５の近傍は温度上昇が大きいので、境界およびスリットをそれぞれスロットアンテナ６および５のほぼ直下に配置すると、内部応力を開放する効果が大きい。なお、マイクロ波導波管１の底板１ａに直に接する誘電体窓２１は、チャンバー１０内の気密を保持する必要があるので、板面内で分割されていない。
【００３７】
誘電損失による自己発熱を低減するためには、誘電率が小さい材料を用いることが望ましい。特に、プラズマＰに直接曝される誘電体下板２５の材料として、誘電率が比較的小さいものを用いると、低減効果が大きい。この場合、誘電体窓２２、誘電体板２３，２４および誘電体窓２の材料は、誘電体下板２５の材料と異なってもよい。
【００３８】
本実施の形態により、大面積のプラズマを容易に生成できるとともに、熱の影響によって誘電体窓、誘電体板に生じる内部応力を低減でき、これらの破損を防止することができる。
【００３９】
次に、図９を参照して、分割構成体２０のプラズマ処理装置への取り付け方の一例を説明する。
誘電体板２３は、ボルト１６によりフランジ１２にねじ止めされる。誘電体板２３には、ザグリ穴１６ａが設けられている。ボルト１６に誘電材料が使用されれば問題ないが、例えばステンレス鋼が使用されると表面波の伝播に支障をきたす恐れがある。この場合は、ザグリ穴１６ａとボルト１６の隙間にテフロン等の誘電材料を介在させればよい。
【００４０】
誘電体下板２５は、ボルト１７とピン１８により、誘電体板２３に吊り下げられる。ピン１８は、ボルト１７の径方向に貫通している。ボルト１７とピン１８は、誘電材料で作製される。ボルト１７の先端部とピン１８が誘電体下板２５の下面から突出していると、表面波の伝播に支障をきたす恐れがある。これを回避するためには、誘電体下板２５に凹部を設け、この凹部にボルト１７の先端部とピン１８を収容すればよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大面積のプラズマを容易に生成するプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な縦断面図、（ｂ）はマイクロ波の進行方向に平行な部分縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体板とその周辺の構成を示すもので、チャンバー内側から見た図である。
【図３】等分布荷重により平板に生じる応力を説明するための模式図である。
【図４】従来のプラズマ処理装置の誘電体窓とＯリングの位置を示す模式図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な部分縦断面図、（ｂ）はチャンバー側から見た図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置において、誘電体窓と誘電体板の間で形状、厚さが異なるものを例示する模式図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な縦断面図、（ｂ）はマイクロ波の進行方向に平行な部分縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体板とその周辺の構成を示すもので、チャンバー内側から見た図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態によるプラズマ処理装置における、誘電体窓と誘電体板の分割形状を示す斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る誘電体板の取付け状態を説明するための部分断面図である。
【符号の説明】
１：マイクロ波導波管
２：誘電体窓（マイクロ波導入窓）
３，４：誘電体板（誘電体部材）
５、６：スロットアンテナ
１０：チャンバー（気密容器）
１１：容器本体
１２：フランジ
１３：Ｏリング
１４：Ｏリング（シール部材）
２０：分割構成体
Ｍ：マイクロ波
Ｓ：表面波
Ｐ：プラズマ
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面波励起プラズマを利用したプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造プロセスでは、成膜、エッチング処理、アッシング処理等にプラズマ技術が多く利用されている。また、太陽電池、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等の製造にもプラズマ技術が利用されている。最近ではパネルの大型化や大画面化に伴って、大面積のプラズマ処理技術が重要になってきている。このためには、大きく且つプラズマ密度が均一なプラズマ生成を必要とする。プラズマ密度が均一であれば、被処理物全面に均一な処理ができる。
【０００３】
大型のプラズマを生成できるプラズマ処理装置としては、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を利用する装置がある（例えば、特許文献１参照）。この装置は、導波管内を伝播するマイクロ波をスロットアンテナから誘電体窓（マイクロ波導入窓）に導き、誘電体窓の表面に生じた表面波によってプラズマ生成室内のプロセスガスを励起し、プラズマを生成するものである。表面波は誘電体窓の表面上を速やかに伝播するので、プラズマが拡がり易く、大型のプラズマ領域が容易に得られる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４８８９８号公報（第２頁、図１）
【０００５】
この種のプラズマ処理装置では、気密容器内の圧力を０．１〜５０Ｐａ程度に保ちながらプラズマ処理が行われる。この減圧雰囲気を保持するために、誘電体窓の外周に近い場所で真空シールが施されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
誘電体窓の外周に近い場所で真空シールをする場合は、誘電体窓の中央部に最大応力が生じる。上記のように、大面積のプラズマを得るためには誘電体窓の面積を広くしなければならない。誘電体窓の面積を広くすると、最大応力は益々増大する。従って、誘電体窓の材料を高強度のものに代えるか、誘電体窓の厚さを増やす必要がある。
しかしながら、アルミナやジルコニア等の高強度誘電材料は、高価であり、加工が難しいという欠点がある。一方、誘電体窓を厚くするのは、自重や材料費が増えたり、プラズマによる熱衝撃に弱くなるので望ましくない。
本発明は、誘電体窓の厚さや材料費を増やすことなく大面積のプラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１のプラズマ処理装置は、気密容器内で表面波励起プラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置において、底板にスロットアンテナが設けられたマイクロ波導波管と、底板に対向配置され、スロットアンテナを通してマイクロ波を取り出し、表面波を発生、伝播させるマイクロ波導入窓と、マイクロ波導入窓に並設され、表面波を伝播させる誘電体部材と、気密容器とマイクロ波導入窓との間の気密を保持するために底板の周囲を取り囲むように配置されたシール部材とを備え、誘電体部材は、板面内で分割されていることを特徴とする。
【０００８】
（２）請求項２のプラズマ処理装置は、気密容器内で表面波励起プラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置において、底板にスロットアンテナが設けられたマイクロ波導波管と、底板に対向配置され、スロットアンテナを通してマイクロ波を取り出し、表面波を発生、伝播させるマイクロ波導入窓と、マイクロ波導入窓に並設され、表面波を伝播させる誘電体部材と、気密容器とマイクロ波導入窓との間の気密を保持するために底板の周囲を取り囲むように配置されたシール部材とを備え、マイクロ波導入窓および誘電体部材の少なくとも一方は、板厚方向に分割されていることを特徴とする。
（３）請求項２のプラズマ処理装置において、マイクロ波導入窓は、少なくとも底板に接しているマイクロ波導入窓を除き、板面内で分割されていることが好ましく、誘電体部材は、板面内で分割されていることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な縦断面図、（ｂ）はマイクロ波の進行方向に平行な部分縦断面図である。図２は、本実施の形態による誘電体板とその周辺部をチャンバー内側から見た図である。
【００１０】
図１および図２に示すプラズマ処理装置は、マイクロ波導波管１、誘電体窓２、誘電体板３，４およびチャンバー１０を備える。誘電体窓２に隣接して、誘電体板３，４が配置されている。誘電体窓２および誘電体板３，４は、石英、アルミナ、ジルコニア、パイレックスガラス（登録商標）、テフロン（登録商標）等の誘電性材料から加工される。
マイクロ波導波管１の底板１ａには、マイクロ波Ｍを誘電体窓２へ導くスロットアンテナ５と６が形成されている。本実施の形態では、スロットアンテナ５は、マイクロ波Ｍの進行方向に延在する複数個の長穴である。スロットアンテナ６は、マイクロ波Ｍの進行方向とほぼ直角方向に延在する複数個の長穴である。
【００１１】
不図示のマイクロ波出力部から発振された、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍは、マイクロ波導波管１の内部を伝播し、定在波を形成する。マイクロ波Ｍは、スロットアンテナ５，６を通過して誘電体窓２に入射し、誘電体窓２に表面波Ｓが発生する。表面波Ｓは、誘電体板２のチャンバー１０側の表面を伝播する。表面波Ｓは、隣接する誘電体板３，４へ伝播し、瞬時に誘電体窓２と誘電体板３，４の全面に拡がる。この表面波エネルギーは、チャンバー１０内に導入されているプロセスガスを励起して、プラズマＰを生成させる。表面波Ｓの伝播領域は、誘電体窓２と誘電体板３，４の総面積にほぼ等しいので、プラズマＰの領域も誘電体窓２と誘電体板３，４の総面積にほぼ等しい。
【００１２】
チャンバー１０にはガス導入口８と真空排気口９が設けられている。ガス導入口８からＯ２，ＳｉＨ４，Ｈ２，Ｎ２，ＳＦ６，Ｃｌ２，Ａｒ，Ｈｅ等のプロセスガスが導入される。プロセスガスを導入しながら真空排気口９から排気することによって、チャンバー１０内の圧力は通常、０．１〜５０Ｐａ程度に保持される。このような減圧雰囲気で、前述の表面波エネルギーによってプラズマＰが生成する。図示されていないが、プラズマＰ中に被処理物を置くことによって、成膜、エッチング、アッシング等の処理が行われる。
【００１３】
ここで、チャンバー１０の気密の保持について説明する。チャンバー１０は、容器本体１１とフランジ１２から成る。容器本体１１とフランジ１２は、いずれもステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等の非磁性金属製である。Ｏリング１３は、容器本体１１に形成された溝にはめ込まれ、容器本体１１とフランジ１２とが押し付けられる力により弾性変形し、容器本体１１とフランジ１２の間の気密を保持する。
【００１４】
一方、図１に示すように、フランジ１２は、マイクロ波Ｍを誘電体窓２へ導く必要上、マイクロ波導波管１の底板１ａに当接する領域のみ欠けている。マイクロ波導波管１の底板１ａと誘電体窓２とは直接接触している。従って、マイクロ波導波管１とフランジ１２との隙間Ｇからチャンバー１０内に侵入する空気を遮断しなければならない。また、スロットアンテナ５，６の開口部からチャンバー１０内に侵入する空気をも遮断しなければならない。
【００１５】
そのために、Ｏリング１４によってフランジ１２と誘電体窓２との間で気密が保たれている。Ｏリング１４は、フランジ１２に形成された溝にはめ込まれている。なお、Ｏリング溝は、誘電体窓２に形成することもできる。誘電体窓２は、ボルト１５によってフランジ１２に取り付けられている。Ｏリング１４は、誘電体窓２がフランジ１２に押し付けられる力により弾性変形し、誘電体窓２とフランジ１２の間の気密を保持する。
結果として、シール部材であるＯリング１３と１４とによりチャンバー１０の気密が保たれる。
【００１６】
図１（ａ）に示すように、誘電体板３，４は、誘電体窓２の左右にそれぞれ隣接して配置されている。誘電体板３，４は、気密の保持には関与しない。なお、図示されていないが、誘電体板３，４もボルト等によりフランジ１２に取り付けられる。
【００１７】
Ｏリング１４は、誘電体窓２の外周付近でマイクロ波導波管１の底板１ａを囲むように配置されている。このようにＯリング１４を配置することにより、隙間Ｇおよびスロットアンテナ５，６の開口部すべてがカバーされ、チャンバー１０の気密が保たれる。
【００１８】
また、マイクロ波導波管１の底板１ａとフランジ１２を一体化し、隙間Ｇが存在しない構成も実現可能である。この場合、誘電体窓２とフランジ１２の間の気密を保持するＯリング１４は、少なくともスロットアンテナ５，６の開口部すべてを囲むように配置すればよい。この場合は、Ｏリング１４が、底板１ａの周囲を取り囲む面積を最小にする。
【００１９】
誘電体窓２は、このＯリング１４の箇所で大気圧を支える。先にも述べたように、チャンバー１０内の圧力は０．１〜５０Ｐａ程度であるから、誘電体窓２が受ける圧力差は１気圧とみなすことができる。
【００２０】
ここで、図３を参照しながら、誘電体窓２にはどれほどの応力が生じるかを述べる。
図３は、大気圧により平板に生じる応力を説明するための模式図である。一般に、大気と真空との隔壁として用いられる平板３０には、大気圧ｐの下では、等分布荷重ｐが作用している。平板の面積をａ×ｂ、板厚をｔとすると、平板の中央部Ｏに最大応力が生じる。最大応力σは次式で表される。ここで、βはｂ／ａで決まる定数であり、０．３＜β＜０．５である。
【数１】
式１を用いて、図２の誘電体窓２に生じる最大応力σ１を計算する。図２のように、略矩形状に配置されているＯリング１４において、マイクロ波Ｍの進行方向と直角な辺の長さをａ１、進行方向と平行な辺の長さをｂ１とする。誘電体窓２のＯリング１４の寸法を、ａ１＝０．１８ｍ、ｂ１＝１ｍ、ｔ＝０．０２ｍとすると、β＝０．５である。ａ１＝０．１８ｍは、マイクロ波導波管１の幅１０９．２ｍｍを基準として設定した寸法である。これらを式１に代入すると、σ１＝４０．５ｐとなる。
【００２２】
次に、本実施の形態の誘電体窓２に生じる最大応力と比較するために、図４に示される従来の誘電体窓に生じる最大応力を計算する。
図４は、従来のプラズマ処理装置の誘電体窓とＯリングの位置を示す模式図である。図４（ａ）は、マイクロ波の進行方向に直角な部分縦断面図であり、図１（ａ）に対応する。また、図４（ｂ）は、下面図であり、図２に対応する。対応する図面では、同一部品には同一符号を付し、説明を省略する。
【００２３】
誘電体窓２１は、Ｏリング２２の箇所で大気圧を支える。本実施の形態の誘電体窓２、誘電体板３，４の総面積と誘電体窓２１の面積は同じとする。また、誘電体窓２、誘電体板３，４の厚みと誘電体窓２１の厚みは同じとする。誘電体窓２１のＯリング２２の寸法を、ａ２＝１ｍ、ｂ１＝１ｍ、ｔ＝０．０２ｍとすると、β＝０．３である。これらを式１に代入すると、誘電体板２１に生じる最大応力σ２＝７５０ｐとなる。
【００２４】
本実施の形態の誘電体窓２に生じる最大応力σ１と従来の誘電体板２１に生じる最大応力σ２を比較すると、σ１はσ２の約１／１８に過ぎない。言い換えれば、同一の等分布荷重を受けた場合、最大応力は板厚の自乗に反比例するから、誘電体窓２は誘電体窓２１の約１／４の厚さでよいことになる。誘電体窓２は、Ｏリング１４がマイクロ波導波管１の底板１ａを取り囲む範囲を狭くすればそれに応じて小面積にすることができる。誘電体窓２の面積を小さくすることにより、その厚さや自重を減ずることができる。
なお、誘電体板３，４は、チャンバー１０内にあり、大気に曝されていないので、大気圧による応力は生じない。
【００２５】
誘電体窓２は、(１)マイクロ波の取り出し、（２）表面波の発生と伝播、および(３)気密の保持の３つの働きをする。一方、誘電体板３，４は、表面波の伝播のみを行う。このように、誘電体窓２に誘電体板３，４を追加した構成をとることにより、結果的に大面積の誘電体板と同じ機能が得られる。すなわち、大面積の表面波励起プラズマを生成することができる。
誘電体板３，４は、２枚に限らず、１枚でもよいし、３枚以上の枚数を順次並べてもよい。このようにして、誘電体板の面積を自由に選択できる。なお、誘電体板同士の隙間は、1ｍｍ程度以下であれば、表面波Ｓの伝播に悪影響を及ぼす恐れはない。
【００２６】
また、誘電体板３，４は、誘電体窓２に対し、形状、厚さ、誘電率が異なるものでもよい。
図５は、誘電体窓と誘電体板の間で形状、厚さが異なるものを例示する模式図である。図５（ａ）は、誘電体窓２と誘電体板３，４とでは形状が異なり、３枚並べて全体としては円板を形成する構成である。また、図示されていないが、円板の周辺部を厚くした形状、いわゆるカップ状とすることもできる。
図５（ｂ）は、誘電体窓２と誘電体板３，４を組み合わせた形状であり、３枚ともに矩形で同じであるが、板厚が異なる構成である。また、図示されていないが、誘電体窓２と誘電体板３を組み合わせた形状、いわゆるＬ字型とすることもできる。
もちろん、図５（ａ）と（ｂ）の構成を組み合わせ、形状と板厚の両者が異なる構成でも使用できる。さらに、形状と板厚の相違に加えて、誘電体窓２と誘電体板３，４とで誘電率の異なるものも使用できる。
【００２７】
このように、誘電体窓と誘電体板の間で形状、厚さおよび誘電率の異なるものが使用できるので、プラズマＰの形を変えたり、プラズマ密度分布を調整することが容易にできる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
以下、第２の実施の形態について、図６〜９を参照して説明する。
図６は、本実施の形態によるプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図であり、図７は、本実施の形態による誘電体窓、誘電体板およびその周辺部をチャンバー内側から見た図である。図６および図７は、それぞれ図１および図２に対応する図であるので、同じ構成部品には同一符号を付し、主として相違点を説明する。
図８は、本実施の形態によるプラズマ処理装置における、誘電体窓と誘電体板の分割形状を示す斜視図である。
図９は、本実施の形態による誘電体板の取付け状態を説明するための部分断面図である。
【００２９】
本実施の形態によるプラズマ処理装置では、図８に示す誘電体窓と誘電体板を用いている。
図８において、符号２０は、誘電体窓と誘電体板をそれぞれ分割して組み合わせた分割構成体である。分割構成体２０は、誘電体窓２１、誘電体窓２２、誘電体板２３，２４、誘電体下板２５を有している。誘電体窓２２は、誘電体窓２２ａ〜２２ｃに３分割され、誘電体板２３，２４は、それぞれ誘電体板２３ａ〜２３ｃ、誘電体板２４ａ〜２４ｃに３分割されている。誘電体下板２５も、２５ａ〜２５ｃに３分割され、誘電体窓２２と接する領域には、スリット３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃが形成されている。すなわち、分割構成体２０は、第１の実施の形態の誘電体窓２と誘電体板３，４から成る構成を板厚方向および板面内で分割した構成である。
【００３０】
図６および７において、３分割された誘電体窓２２には２つの境界があり、それぞれスロットアンテナ６のほぼ直下に位置する。同様に、誘電体板２３，２４および誘電体下板２５のそれぞれ２つの境界も、スロットアンテナ６のほぼ直下に位置する。
【００３１】
誘電体下板２５のスリットについては、図７は下から見た図であるから、左側にスリット３１ａ〜３１ｃ、中央にスリット３２ａ〜３２ｃ、右側にスリット３３ａ〜３３ｃが位置する。スリット３１ｂと３３ｂは、スロットアンテナ５のほぼ直下に位置する。
【００３２】
スリット３１ａ，３２ａ，３３ａについて、位置関係と寸法を図７を参照して説明すると次の通りである。ｓ１はマイクロ波導波管１の幅である。ｓ２は、スリット３１ａと３２ａの距離であり、スリット３２ａと３３ａの距離でもある。ｓ３は、マイクロ波導波管１の一方の側面とスリット３１ａの距離であり、他方の側面とスリット３３ａの距離でもある。ｓ３は、５〜１２ｍｍの範囲である。スリット３１ａ，３２ａ，３３ａの長さと幅は、それぞれ７０〜１００ｍｍ、０．１〜１．０ｍｍである。スリット３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ、３１ｃ，３２ｃ、３３ｃについても同様である。
【００３３】
誘電体窓２１は、マイクロ波Ｍを取り出すとともに、チャンバー１０内の気密を保持する薄い１枚板である。誘電体窓２に相当する板厚は、誘電体窓２１と誘電体窓２２と誘電体下板２５の板厚を合計したものである。誘電体窓２に並設される誘電体板３に相当する板厚は、誘電体板２３と誘電体下板２５の板厚を合計したものである。誘電体板４に相当する板厚は、誘電体板２４と誘電体下板２５の板厚を合計したものである。
【００３４】
このように構成した第２の実施の形態のプラズマ処理装置における分割構成体２０について、作用効果を説明する。
プラズマＰの生成中、誘電体窓あるいは誘電体板は熱の影響を受ける。一つは、プラズマＰからの輻射熱であり、もう一つは、誘電体の誘電率と誘電正接tanδに比例する誘電損失による自己発熱である。これらの熱により、誘電体窓あるいは誘電体板には内部応力が発生する。
【００３５】
板厚方向に分割することによって、個々の誘電体窓あるいは誘電体板では、板厚方向に生じる温度勾配が小さくなるので、熱によって発生する内部応力を低減することができる。特に、プラズマＰの高熱に曝される誘電体下板２５に、薄い誘電体板を用いることにより、内部応力の低減効果が大きい。
【００３６】
板面内で分割することによって、個々の誘電体窓あるいは誘電体板では、上述の輻射熱と自己発熱による熱膨張量が小さくなるとともに、隣接する誘電体窓同士あるいは隣接する誘電体板同士の境界面のわずかな隙間で熱膨張量を吸収することができ、内部応力を開放することができる。また、誘電体下板２５に形成されたスリットも熱膨張量を吸収し、内部応力を開放することができる。
特に、スロットアンテナ６、５の近傍は温度上昇が大きいので、境界およびスリットをそれぞれスロットアンテナ６および５のほぼ直下に配置すると、内部応力を開放する効果が大きい。なお、マイクロ波導波管１の底板１ａに直に接する誘電体窓２１は、チャンバー１０内の気密を保持する必要があるので、板面内で分割されていない。
【００３７】
誘電損失による自己発熱を低減するためには、誘電率が小さい材料を用いることが望ましい。特に、プラズマＰに直接曝される誘電体下板２５の材料として、誘電率が比較的小さいものを用いると、低減効果が大きい。この場合、誘電体窓２２、誘電体板２３，２４および誘電体窓２の材料は、誘電体下板２５の材料と異なってもよい。
【００３８】
本実施の形態により、大面積のプラズマを容易に生成できるとともに、熱の影響によって誘電体窓、誘電体板に生じる内部応力を低減でき、これらの破損を防止することができる。
【００３９】
次に、図９を参照して、分割構成体２０のプラズマ処理装置への取り付け方の一例を説明する。
誘電体板２３は、ボルト１６によりフランジ１２にねじ止めされる。誘電体板２３には、ザグリ穴１６ａが設けられている。ボルト１６に誘電材料が使用されれば問題ないが、例えばステンレス鋼が使用されると表面波の伝播に支障をきたす恐れがある。この場合は、ザグリ穴１６ａとボルト１６の隙間にテフロン等の誘電材料を介在させればよい。
【００４０】
誘電体下板２５は、ボルト１７とピン１８により、誘電体板２３に吊り下げられる。ピン１８は、ボルト１７の径方向に貫通している。ボルト１７とピン１８は、誘電材料で作製される。ボルト１７の先端部とピン１８が誘電体下板２５の下面から突出していると、表面波の伝播に支障をきたす恐れがある。これを回避するためには、誘電体下板２５に凹部を設け、この凹部にボルト１７の先端部とピン１８を収容すればよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大面積のプラズマを容易に生成するプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な縦断面図、（ｂ）はマイクロ波の進行方向に平行な部分縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体板とその周辺の構成を示すもので、チャンバー内側から見た図である。
【図３】等分布荷重により平板に生じる応力を説明するための模式図である。
【図４】従来のプラズマ処理装置の誘電体窓とＯリングの位置を示す模式図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な部分縦断面図、（ｂ）はチャンバー側から見た図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置において、誘電体窓と誘電体板の間で形状、厚さが異なるものを例示する模式図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す全体構成図である。（ａ）はマイクロ波の進行方向に直角な縦断面図、（ｂ）はマイクロ波の進行方向に平行な部分縦断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の誘電体板とその周辺の構成を示すもので、チャンバー内側から見た図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態によるプラズマ処理装置における、誘電体窓と誘電体板の分割形状を示す斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る誘電体板の取付け状態を説明するための部分断面図である。
【符号の説明】
１：マイクロ波導波管
２：誘電体窓（マイクロ波導入窓）
３，４：誘電体板（誘電体部材）
５、６：スロットアンテナ
１０：チャンバー（気密容器）
１１：容器本体
１２：フランジ
１３：Ｏリング
１４：Ｏリング（シール部材）
２０：分割構成体
Ｍ：マイクロ波
Ｓ：表面波
Ｐ：プラズマ
Claims (4)
- 気密容器内で表面波励起プラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置において、
底板にスロットアンテナが設けられたマイクロ波導波管と、
前記底板に対向配置され、前記スロットアンテナを通してマイクロ波を取り出し、表面波を発生、伝播させるマイクロ波導入窓と、
前記マイクロ波導入窓に並設され、前記表面波を伝播させる誘電体部材と、
前記気密容器と前記マイクロ波導入窓との間の気密を保持するために前記底板の周囲を取り囲むように配置されたシール部材とを備え、
前記誘電体部材は、板面内で分割されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 気密容器内で表面波励起プラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理装置において、
底板にスロットアンテナが設けられたマイクロ波導波管と、
前記底板に対向配置され、前記スロットアンテナを通してマイクロ波を取り出し、表面波を発生、伝播させるマイクロ波導入窓と、
前記マイクロ波導入窓に並設され、前記表面波を伝播させる誘電体部材と、
前記気密容器と前記マイクロ波導入窓との間の気密を保持するために前記底板の周囲を取り囲むように配置されたシール部材とを備え、
前記マイクロ波導入窓および誘電体部材の少なくとも一方は、板厚方向に分割されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項２のプラズマ処理装置において、
前記マイクロ波導入窓は、少なくとも前記底板に接しているマイクロ波導入窓を除き、板面内で分割されていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項２のプラズマ処理装置において、
前記誘電体部材は、板面内で分割されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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