JP4218516B2 - 表面波励起プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波発生装置からプラズマ処理室へマイクロ波を導入し、表面波励起プラズマを利用してＣＶＤやエッチング等を行う表面波励起プラズマ処理装置に関する。

半導体製造プロセスでは、プラズマを利用してＣＶＤ成膜やエッチング等を行うプラズマ処理装置が用いられている。そのようなプラズマ処理装置としては、従来から平行平板型プラズマ処理装置や電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）プラズマ処理装置などが使用されている。さらに、近年では、より大面積のプラズマを容易に発生させることができる表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）処理装置が利用されるようになってきている。ＳＷＰプラズマ処理装置は、マイクロ波導波管に設けられたスロットアンテナから誘電体部材を介してマイクロ波電力をプラズマ生成室内に導入し、誘電体部材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、表面波励起プラズマを生成し、このプラズマを利用して被処理物の処理を行うものである。

マイクロ波導波管の形状としては、直線状のものと環状のものがあり、被処理物の形状や処理目的などに応じて使い分けられている。環状の導波管を用いたマイクロ波導入装置は、マイクロ波を比較的均一にプラズマ生成室内に導入できるという長所がある。この種のマイクロ波導入装置としては、複数のスロットアンテナが形成された無終端環状導波管が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−３４５９８２号公報（第２頁、図６，９）

特許文献１の無終端環状導波管は、終端部を有さないために特定のスロットアンテナにマイクロ波電力が集中する場合がある。この無終端環状導波管をＳＷＰプラズマ処理装置に使用すると、誘電体部材の特定の箇所でプラズマ密度が局在化し、被処理物にダメージを与えたり、処理が不均一になるという問題がある。

（１）請求項１の表面波励起プラズマ処理装置は、マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入する導入口と終端部とを有し、複数のスロットアンテナが所定間隔で形成された底板を内側面とする環状のマイクロ波導波管および筒状を呈し、その筒の外側面が環状のマイクロ波導波管の底板に接して配設され、環状のマイクロ波導波管内を伝搬するマイクロ波をスロットアンテナを通して導入する筒状誘電体部材を有するマイクロ波導入手段と、筒状誘電体部材の内部空間に磁場を形成する磁場印加手段と、筒状誘電体部材を保持して気密空間を形成し、上面から磁場印加手段により磁場が印加され、側面に設けられた筒状誘電体部材を介して導入されたマイクロ波により気密空間に表面波励起プラズマを生成し、該表面波励起プラズマにより被処理物を処理する処理室と、処理室の上面からプロセスガスを導入するための上面ガス導入管と、処理室の側面から被処理物と筒状誘電体部材との間に材料ガスを導入するための側面ガス導入管とを備え、環状のマイクロ波導波管の終端部を該マイクロ波導波管の外周側に突出させ、その突出部に終端整合器を設けたことを特徴とする。この表面波励起プラズマ処理装置では、磁場印加手段をして内部空間に形成される磁場強度や磁場強度分布を可変とすることができる。

（２）請求項１〜３のいずれかの表面波励起プラズマ処理装置では、マイクロ波導入装置の環状のマイクロ波導波管を、導入口がマイクロ波導波管のほぼ中央にあって、導入口から導入したマイクロ波を２つに分岐して両終端部へ伝搬させるように構成することができる。この表面波励起プラズマ処理装置では、分岐した一方のマイクロ波伝搬方向に沿って筒状誘電体部材を取り囲むマイクロ波導波管の中心線の長さ、および分岐した他方のマイクロ波伝搬方向に沿って筒状誘電体部材を取り囲むマイクロ波導波管の中心線の長さを、マイクロ波の管内波長をλｇとし、０．９５λｇからλｇの範囲を定数ｋとしたとき、それぞれ定数ｋの整数倍に設定することが好ましい。

（３）請求項１〜３のいずれかの表面波励起プラズマ処理装置は、マイクロ波伝搬方向に沿って筒状誘電体部材を取り囲むマイクロ波導波管の中心線の長さを、マイクロ波の管内波長をλｇとし、０．９５λｇからλｇの範囲を定数ｋとしたとき、定数ｋの整数倍に設定することが好ましい。

（４）請求項７の表面波励起プラズマ処理装置は、請求項５または６の表面波励起プラズマ処理装置において、複数のスロットアンテナの所定間隔を、定数ｋの整数倍に設定することが好ましい。また、複数のスロットアンテナは、マイクロ波導波管の中心線を基準に、マイクロ波導波管の底板の中央付近に形成された第１のスロットアンテナ群とマイクロ波導波管の底板の周辺付近に形成された第２のスロットアンテナ群とを有し、第１のスロットアンテナ群と第２のスロットアンテナ群とを、マイクロ波導波管の中心線方向にｋ／４の整数倍だけ位置をずらして並行配置することが好ましい。
さらに、請求項１〜８のいずれかの表面波励起プラズマ処理装置では、マイクロ波導波管の各終端部に終端整合器をそれぞれ設けてもよい。

本発明によれば、マイクロ波を均一にプラズマ処理室内に導入でき、磁場によりプラズマ密度の均一化を図れるので、プラズマダメージのない均一な処理ができる表面波励起プラズマ処理装置を提供することができる。

以下、本発明による表面波励起プラズマ処理装置（以下、ＳＷＰ処理装置という）の第１および第２の実施の形態について、図１〜１８を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１〜１１により、第１の実施の形態によるＳＷＰ処理装置を説明する。図１は、第１の実施の形態によるＳＷＰ処理装置を模式的に示す全体構成図である。図２は、第１の実施の形態によるＳＷＰ処理装置の主要部の概略構成図である。図３は、図２のＩ−Ｉ断面図であり、マイクロ波導入部の構成を示す平面図である。図４は、図２における筺体内部の概略図である。

図１，２を参照すると、ＳＷＰ処理装置１００は、マイクロ波発生部１と、筺体２と、マイクロ波導入部１０と、磁場印加部４０とを備える。マイクロ波導入部１０は、マイクロ波を伝搬させる環状導波管３と、筺体２の側面に組み込まれ、マイクロ波を筺体２内に導入する筒状の誘電体チューブ４とを備える。筺体２には、上面からプロセスガスを導入するための上面ガス導入管６、側面から材料ガスまたはプロセスガスを導入するための側面ガス導入管７、真空排気管８および被処理基板Ｓを保持する基板ホルダー９が配設されている。

マイクロ波発生部１は、マイクロ波電源１１、マイクロ波発振器１２、アイソレータ１３、方向性結合器１４および整合器１５を備える。マイクロ波発生部１は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を生成し、環状導波管３の導入口３ａへ送出する。

環状導波管３は、例えばアルミニウム合金や非磁性のステンレス鋼で作製され、底板３ｄを内側面とする環状のマイクロ波導波管である。環状導波管３の底板３ｄには、図９に示すような複数のスロットアンテナ５１〜５８から成るスロットアンテナ群５が設けられている。底板３ｄの内面が磁界面（Ｈ面）と呼ばれる面である。環状導波管３の終端部３ｂには、終端（図３のＥ１）の位置を変化させるための終端整合器３ｃが設けられている。

誘電体チューブ４は、石英やアルミナなどで作製され、その両端面でＯリング２ａを介して筺体２に取り付けられているとともに、誘電体チューブ４の外側面が環状導波管３の底板３ｄに接して配設されている。これにより、筺体２内に気密空間が形成される。上面ガス導入管６および側面ガス導入管７からＮ_２ガス、Ｈ_２ガス、Ｏ_２ガス、Ａｒガス等のプロセスガスやＳｉＨ_４ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス等の材料ガスを導入しながら、真空排気管８を通して排気することにより、筺体２内は、所定圧力に保持される。後述するように、マイクロ波電力を環状導波管３から誘電体チューブ４に導入し、筺体２の内部空間にプラズマを生成する。

磁場印加部４０は、筺体２の上部に載置され、棒状磁石４１ａと環状磁石４１ｂとを含む。棒状磁石４１ａは、上面をＮ極、下面をＳ極とし、これとは逆に、環状磁石４１ｂは、上面をＳ極、下面をＮ極として配置されている。棒状磁石４１ａと環状磁石４１ｂの上面は、円板４２に接しており、棒状磁石４１ａと環状磁石４１ｂとが形成する空間を閉塞している。この閉塞空間は、棒状磁石４１ａ、環状磁石４１ｂとして電磁石を用いるときに、外部から冷却管４３を通して冷却流体（例えば、冷却水）を循環させて電磁石を冷却する構造になっている。棒状磁石４１ａと環状磁石４１ｂは、プラズマＰが生成する空間に磁場ＭＧを発生させる。図２，４では、磁場ＭＧにおける磁界の向きは、Ｎ極からＳ極へ向かう磁力線で表わされており、磁力線がプラズマ生成領域に漏洩している。

図３を参照して、マイクロ波導入部１０の構成を詳しく説明する。環状導波管３のマイクロ波伝搬方向に沿った中心線をＣＬ１で示し、誘電体チューブ４を取り囲む中心線ＣＬ１の始点Ａから終点Ｂまでの距離を長さＬ１で表わす。始点Ａは、マイクロ波Ｍの導入口近傍にあり、終点Ｂは、終端Ｅ１から距離ｂ１だけ離れている。スロットアンテナ５１〜５８は、環状導波管３のマイクロ波伝搬方向に沿って所定間隔で形成された長矩形状の開口である。
以下、簡単のために、環状導波管３および誘電体チューブ４の横断面形状は円形とし、その円の中心位置をＯとする。また、スロットアンテナ５１〜５８は、中心位置Ｏから中心線ＣＬ１に投影された５１ａ〜５８ａの位置にあるものとする。

マイクロ波Ｍは、導入口３ａから環状導波管３内に入り、終端部３ｂに向かって終端Ｅ１まで伝搬し、マイクロ波Ｍの一部は、終端Ｅ１で反射する。環状導波管３内を伝搬するマイクロ波Ｍは、スロットアンテナ５１〜５８を通って誘電体チューブ４へ放射し、誘電体チューブ４を介して筺体２内に導入される。マイクロ波Ｍは表面波となって、この表面波エネルギーにより筺体２内のプロセスガスが電離、解離されてプラズマが生成する。表面波は、誘電体チューブ４の内面に沿って伝搬し、誘電体チューブ４の内面全域に拡がる。その結果、誘電体チューブ４の内面に対応する領域にプラズマが生成する。このプラズマを利用して、成膜、エッチング、アッシングなどのプラズマ処理が行われる。

この様子を図５を用いて説明する。図５は、プラズマＰの領域で生じる化学反応の素過程を示す模式図である。図示されるように、円形状の誘電体チューブ４の軸線方向、すなわち被処理基板Ｓと直交する方向をＺ方向とする。誘電体チューブ４の上端面４Ａを基準とすると、ｈｔは、誘電体チューブ４の管の長さであり、ｈｇは、上端面４Ａと側面ガス導入管７による材料ガス導入位置との距離であり、ｈｓは、上端面４Ａと被処理基板Ｓとの距離である。また、上面ガス導入管６によるプロセスガス導入位置は、上端面４Ａと同じ高さである。

誘電体チューブ４を介してマイクロ波Ｍが筺体内に導入されると、誘電体チューブ４の内面近傍では、プラズマ密度が高いためにイオン、電子、ラジカルが多数生成する。イオンと電子は、誘電体チューブ４の内面に沿って伝搬する表面波ＳＷの作用を受けて、矢印で示されるように、被処理基板Ｓの被処理面と平行方向に運動する。従って、被処理基板Ｓの被処理面に対しては、高い運動エネルギーをもつ荷電粒子がほとんど入射しないので、プラズマダメージの非常に少ない処理が可能となる。電荷をもたないラジカルは、被処理基板Ｓの方向（Ｚ方向）に拡散し、材料ガス分子と衝突して、分解、励起、再結合などの多岐にわたる気相反応を引き起こし、生成分子が薄膜状になって被処理基板Ｓの表面に堆積する。

図示のように、プラズマＰが生成する空間において、磁力線がプラズマＰの中心に向かうように磁場ＭＧを発生させると、プラズマ密度の均一化を図ることができる。すなわち、誘電体チューブ４に近い周辺領域に存在する多数の電子は、磁場ＭＧに拘束され、プラズマＰの中心に向かう螺旋の周回軌道に沿って運動する。このため、相対的に電子密度が低い中央付近の電子密度が増加し、プラズマ密度の均一性が高くなる。また、磁場ＭＧに拘束されて長時間運動する電子は、プロセスガス分子や材料ガス分子との衝突回数が実質的に増大するため、プラズマ密度の増加に寄与する。

上記のプラズマ処理中の状態を図６〜８により説明する。
図６は、Ｚ方向のプラズマ電位分布を定性的に示すグラフ、図７は、Ｚ方向の筺体内の雰囲気温度分布を定性的に示すグラフ、図８は、被処理基板Ｓの直上での電子密度分布を定性的に示すグラフである。但し、図６，７では、磁場が印加されていない場合のみを示す。

図６において、プラズマ電位は、誘電体チューブ４の管の長さｈｔに対応する領域では、高く一定であり、誘電体チューブ４の下端面（位置ｈｔ）を越えると急激に低下し、基板位置（ｈｓ）では非常に低くなる。そのために、被処理基板Ｓの表面はほとんどプラズマダメージを受けない。

図７において、筺体内の雰囲気温度は、誘電体チューブ４の下端面（位置ｈｔ）近傍では高いが、誘電体チューブ４の下端面からＺ方向に離れるにつれて低下し、基板位置（ｈｓ）では低くなる。そのために、被処理基板Ｓの表面は、高温に曝されることがないので、被処理基板Ｓに形成されたデバイスの熱ダメージや膜質の劣化等を防止することができる。

図８（ａ）は、本実施の形態のＳＷＰ処理装置１００によるプラズマ処理を行った場合の基板直上での電子密度分布を示すグラフである。なお、図８（ａ）には、参考のために、磁場が印加されていない場合の曲線も示す。図８（ａ）の横軸の矢印範囲は、誘電体チューブ４の内径を表わす。一方、図８（ｂ）は、本実施の形態の比較例としたＳＷＰ処理装置を用いた場合のグラフである。比較例としたＳＷＰ処理装置は、マイクロ波を直進伝搬させる直線状の導波管と、ｘ×ｙの面積をもつ平板状の誘電体とを用いた、いわゆる平面型ＳＷＰ処理装置である。図８（ｂ）では、導波管の延在方向の誘電体板の長さをｘ、延在方向に直交する方向の誘電体板の長さをｙで表わす。

上述したように、図８（ａ）のグラフには、本実施の形態の磁場印加部を有するＳＷＰ処理装置１００を用いた場合と、磁場印加部を有しないＳＷＰ処理装置を用いた場合の２本の曲線が描かれている。被処理基板の中心部と周辺部との変化量については、「磁場あり」ではΔρ３であり、「磁場なし」ではΔρ１である。一方、図８（ｂ）のグラフでは、ｘ方向、ｙ方向ともに、被処理基板の直上の各点で電子密度の変化が大きい。被処理基板の中心部と周辺部との変化量を比べると、Δρ３＜Δρ１＜Δρ２である。すなわち、ＳＷＰ処理装置１００は、比較例に対して、均一なプラズマを生成でき、被処理基板の全面に均一なプラズマ処理ができる。また、「磁場あり」の方が「磁場なし」に比べると若干変化量が小さく、ＳＷＰ処理装置１００は、磁場の作用によって、より一層均一なプラズマを生成でき、被処理基板の全面に均一なプラズマ処理ができる。被処理基板の中心付近の電子密度については、「磁場あり」の曲線は、「磁場なし」に比べて電子密度が高くなっている。従って、磁場を印加することは、被処理基板の中心付近でプラズマ密度を増加させる効果がある。

本実施の形態では、磁場ＭＧの強度を可変とすることができる。その手段としては、棒状磁石４１ａと環状磁石４１ｂの少なくとも一方に電磁石を用い、電流値を増減する。また、永久磁石を用いる場合は、磁束密度、寸法形状を適宜選べばよい。

以下、環状導波管３の寸法およびスロットアンテナ５１〜５８の位置関係について説明する。
再び図３を参照すると、環状導波管３の中心線ＣＬ１の長さＬ１は、導波管内を伝搬するマイクロ波Ｍの波長をλgとし、０．９５λｇからλｇの範囲を定数ｋとしたとき、定数ｋの整数倍に設定されている。ここで、定数ｋは、実験的に得られた数値である。ｎを正の整数とするとき、Ｌ１＝ｎ×ｋに設定することにより、環状導波管３内ではマイクロ波Ｍの定在波が形成される。定在波の形成により、常に環状導波管３の一定の位置から同位相のマイクロ波Ｍを強く放射させることができる。

次に図９を参照して、スロットアンテナ５１〜５８の形状、配置について説明する。図９は、図１〜３で説明した環状導波管３を展開し、スロットアンテナ群５の形状、配置を模式的に示す図である。前述したように、スロットアンテナ群５は、スロットアンテナ５１〜５８から構成され、その各位置を中心線ＣＬ１上の５１ａ〜５８ａで表わすものとする。

図９において、スロットアンテナ同士の間隔ｐ１は、定数ｋの整数倍に設定されている。環状導波管３の始点Ａとこれに近接するスロットアンテナ５１ａとの距離、および環状導波管３の終点Ｂとこれに近接するスロットアンテナ５８ａとの距離は、いずれもｐ２であり、距離ｐ２は、ｎを正の整数とすると、Ｌ１＝ｎ×ｋを満たすように、例えばｋまたはｋ／２に設定されている。このように設定することにより、マイクロ波の定在波の位相にスロットアンテナ５１〜５８の位置５１ａ〜５８ａを合わせることができ、マイクロ波電力を効率良く誘電体チューブ４に吸収させることができる。

スロットアンテナ５１〜５８の形状、寸法については、スロットアンテナ５１〜５８の長手方向の長さＲ１と幅方向の長さＲ２の比をｒ（＝Ｒ１／Ｒ２）とすると、ｒは、２．５〜６０の範囲、且つＲ２は、１．０〜２０．０ｍｍの範囲に設定される。このような形状、寸法をとることにより、誘電体チューブ４へのマイクロ波の放射が効率的になる。なお、環状導波管３の幅（底板３ｄの幅）の内寸は、約１０９ｍｍである。

また、スロットアンテナ５１〜５８は、交互に角度を変えて配列している。例えば、スロットアンテナ５３の長手方向が中心線ＣＬ１となす角度をθとすると、隣接するスロットアンテナ５４の長手方向が中心線ＣＬ１となす角度を１８０°−θに設定する。このように、中心線ＣＬ１に対してスロットアンテナ５１〜５８を傾斜させて配置することにより、誘電体チューブ４の内面において、マイクロ波伝搬方向にも直交方向にもバランスよく表面波を伝搬させ、均一なプラズマを生成することができる。

図１０は、図９とは別のスロットアンテナの配置例を示す。図１０では、環状導波管３の中心付近には第１のスロットアンテナ群５Ａ（５１〜５３）が配設されている。また、第１のスロットアンテナ群を挟んで、上下には、上側のスロットアンテナ群６０Ａ（６１〜６３）と下側のスロットアンテナ群６０Ｂ（６４〜６６）の２列配置された第２のスロットアンテナ群が配設されている。

第１のスロットアンテナ群５Ａ（５１〜５３）の中で、スロットアンテナ同士の間隔ｐ１は、定数ｋの整数倍に設定されている。同様に、列を同じくする第２のスロットアンテナ群６０Ａまたは６０Ｂの中でも、スロットアンテナ同士の間隔ｐ１は、定数ｋの整数倍に設定されている。また、第１のスロットアンテナ群５Ａと第２のスロットアンテナ群６０Ａ，６０Ｂとは、図中ではｋ／４だけずらして示されているが、ｋ／４の整数倍ずらして配置してもよい。さらに、始点Ａとスロットアンテナ５１の位置５１ａとの距離ｐ２は、Ｌ１＝ｎ×ｋを満たすように、例えばｋまたはｋ／２に設定されている。

以上のようにスロットアンテナ群５Ａ，６０Ａ，６０Ｂをそれぞれ配置することにより、マイクロ波Ｍの定在波の位相に総てのスロットアンテナの位置を合わせることができ、マイクロ波電力を効率良く誘電体チューブ４に吸収させることができる。また、図１０の場合は、図９の場合よりも、誘電体チューブ４の内面において、マイクロ波伝搬方向にも直交方向にもバランスよく表面波を伝搬させ、より一層均一なプラズマを生成することができる。

図１０におけるスロットアンテナ５１〜５３，６１〜６３，６４〜６６の形状、寸法は、図９と同様である。傾斜角度については、スロットアンテナ５１〜５３，６１〜６３，６４〜６６は、中心線ＣＬ１に対して傾斜させて配置することができる。スロットアンテナの長手方向が中心線ＣＬ１に対して傾斜する角度は、第１のスロットアンテナ群５Ａでは角度θが６０〜１２０°の範囲、第２のスロットアンテナ群６０Ａ，６０Ｂでは角度φが−５〜＋５°の範囲に設定される。なお、図１０では、スロットアンテナ６３のみを角度φだけ傾斜させて示している。また、第２のスロットアンテナ群６０Ａ，６０Ｂは、環状導波管３の内面の幅方向のエッジからの距離ｍが３０ｍｍ以内に配置される。

図９，１０で示したようにスロットアンテナを配置することにより、マイクロ波Ｍの定在波の電界強度のピーク位置とスロットアンテナの位置が一致し、マイクロ波Ｍの放射が効果的に行われる。また、定在波の位相は、マイクロ波Ｍの伝搬につれて少しづつ位置ズレが生じるが、環状導波管３の終点Ｂから終端Ｅ１までの距離ｂ１を可変とすることにより、位置ズレを補正することができる。

図１１は、導波管内のマイクロ波Ｍの定在波の電界強度分布を一般的に示すグラフであり、中心線長さは、始点Ａから終点Ｂまでの距離である。
図１１（ａ）では、始点Ａに近接するスロットアンテナの位置ａ１で定在波のピーク位置との位置ズレｓ１が生じており、位置ａ２からａ５へとマイクロ波Ｍの伝搬に連れて位置ズレは大きくなっていく。図１１（ｂ）では、位置ズレｓ１が零となるように、終端整合器３ｃにより終端位置をＥ１からＥ１´へ移動させている。図１１（ｂ）から分かるように、スロットアンテナの位置ａ１と定在波のピーク位置とが合致しており、他のスロットアンテナでも位置ズレはほとんど生じていない。すなわち、終端位置を調整すれば、各スロットアンテナでマイクロ波Ｍの放射が効果的に行われる。

一般に、環状のマイクロ波導入部では、プラズマ生成領域が大きくなるにしたがって、プラズマ生成領域の中央付近の電子密度が低下し、プラズマ密度の均一性が低下する。また、筺体内のガス圧力が高くなるにしたがって、プラズマ生成領域の中央付近の電子密度が周辺付近の電子密度より相対的に大きく低下し、プラズマ密度の均一性が低下する。上述したように、本実施の形態では、ＳＷＰ処理装置１００に磁場印加部４０を設けることによって、プラズマ密度の均一性を確保することができる。その結果、プラズマダメージのない均一な処理が可能なＳＷＰプラズマ処理装置を実現できる。また、定数ｋを基準に、環状導波管３の寸法およびスロットアンテナ５１〜５８，６１〜６３，６４〜６６の形状、寸法、位置関係等を適正に設定することにより、マイクロ波電力を効率良く誘電体チューブ４に吸収させることができる。

〈第２の実施の形態〉
図１２〜１５により、本発明の第２の実施の形態によるＳＷＰ処理装置を説明する。図１２は、第２の実施の形態によるＳＷＰ処理装置を模式的に示す全体構成図である。図１３は、第２の実施の形態によるＳＷＰ処理装置のマイクロ波導入部の構成を示す平面図である。図１４，１５は、第２の実施の形態による環状導波管を展開し、スロットアンテナの形状、配置を模式的に示す図である。本実施の形態では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図１２に示されるように、ＳＷＰ処理装置２００には、上述した磁場印加部４０が配設されており、第１の実施の形態のＳＷＰ処理装置１００と同様に、磁場を印加することができる構成である。

本実施の形態のＳＷＰ処理装置２００が第１の実施の形態のＳＷＰ処理装置１００と大きく異なる点は、環状導波管の構成である。
図１２、１３を参照すると、環状導波管３０は、中央導波管３１と、中央導波管３１から分岐したスロット導波管３２，３３とを有する。スロット導波管３２，３３は、誘電体チューブ４の外側面に接してこれを取り囲むように配設されている。スロット導波管３２には、スロットアンテナ７１〜７４が設けられるとともに、スロット導波管３２の終端部３２ｂには、終端整合器３２ｃが設けられている。同様に、スロット導波管３３には、スロットアンテナ７５〜７８が設けられるとともに、スロット導波管３３の終端部３３ｂには、終端整合器３３ｃが設けられている。本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、誘電体チューブ４を取り囲む中心線ＣＬ２，ＣＬ３を基準に各スロットアンテナの位置（７１ａ〜７８ａ）を表わすものとする。

図１３において、中央導波管３１の一端から導入されたマイクロ波Ｍは、中心線上にある分岐点Ｃで２つに分離し、一方は、スロットアンテナ７１側に進行し、中心線ＣＬ２に沿って終端Ｅ２まで伝搬する。他方は、スロットアンテナ７５側に進行し、中心線ＣＬ３に沿って終端Ｅ３まで伝搬する。スロット導波管３２の中心線ＣＬ２上の分岐点Ｃから終点Ｄまでの距離を長さＬ２、スロット導波管３３の中心線ＣＬ３上の分岐点Ｃから終点Ｅまでの距離を長さＬ３とする。また、終点Ｄから終端Ｅ２までの距離はｂ２であり、終端整合器３２ｃにより距離ｂ２は可変である。同様に、終点Ｅから終端Ｅ３までの距離はｂ３であり、終端整合器３３ｃにより距離ｂ３は可変である。

スロット導波管３２，３３のそれぞれの中心線長さＬ２，Ｌ３を、Ｌ２＝ｎ１×ｋ、且つＬ３＝ｎ２×ｋに設定することにより、環状導波管３０内に形成されたマイクロ波Ｍの定在波のピーク位置にスロットアンテナ７１〜７８の位置７１ａ〜７８ａを合わせることができる。その結果、誘電体チューブ４に対して同位相のマイクロ波Ｍを効率良く放射させることができる。第１の実施の形態と同様、定数ｋは、０．９５λｇからλｇの範囲の値である。またｎ１，ｎ２はを正の整数である。

本実施の形態の環状導波管３０は、マイクロ波Ｍを２つに分岐して管内を伝搬させるので、第１の実施の形態の環状導波管３と比べて、寸法やスロットアンテナの個数が同じであれば、定在波のピーク位置とスロットアンテナの位置とのズレをより一層小さく抑えることができる。また、環状導波管３０は、２つの終端整合器３２ｃ、３３ｃを備えるので、１つの終端整合器よりも一層正確な位置調整ができる。なお、長さＬ２とＬ３とは、定数ｋの整数倍という条件を満たせば、等しくても等しくなくてもよい。

図１４に示される環状導波管３０の展開図において、スロットアンテナ同士の間隔ｐ１は定数ｋの整数倍に設定されている。図１４では、分岐点Ｃに近接するスロットアンテナ７１，７５の分岐点Ｃからの距離ｐ２は、それぞれＬ２＝ｎ１×ｋ、Ｌ３＝ｎ２×ｋの条件を満たすように設定されている。また、スロットアンテナ７１〜７８は、その長手方向が中心線ＣＬ２，ＣＬ３に対して直交して配置されている。

図１５に示される環状導波管３０の展開図において、スロットアンテナ８１〜８８は、その長手方向が中心線ＣＬ２，ＣＬ３に対して角度θまたは角度１８０°−θとなるように配置されており、スロットアンテナ同士の間隔ｐ１、および分岐点Ｃに近接しているスロットアンテナ７１，７５の分岐点Ｃからの距離ｐ２は、図１４と同様である。

本実施の形態によるＳＷＰ処理装置２００も、第１の実施の形態によるＳＷＰ処理装置１００と同様の作用効果を奏する。これに加えて、本実施の形態の環状導波管３０は、２つに分岐した構造をもつので、第１の実施の形態の環状導波管３よりも、定在波のピーク位置とスロットアンテナの位置とのズレをより一層小さく抑えることができる。

以下、図１６〜１８を参照して、第１および第２の実施の形態の変形例を説明する。図１６〜１８は、ＳＷＰ処理装置の筺体内部の概略図である。図１６〜１８は、ＳＷＰ処理装置の基本構成は図４と同様であるが、磁場印加部の構成が異なる。

図１６において、磁場印加部４０Ａの環状磁石４４は、外周面がＮ極、内周面がＳ極に着磁されており、Ｎ極からＳ極に向かう磁力線の一部がプラズマＰの生成領域に漏洩している。磁力線の向きは、プラズマ生成領域において、周辺から中央に向かっているので、前述した理由によりプラズマ密度の均一性を向上させ、被処理基板Ｓの中心付近でプラズマ密度を増加させる効果がある。

図１７において、磁場印加部４０Ｂの環状磁石４５は、下面がＮ極、上面がＳ極に着磁されており、Ｎ極からＳ極に向かう磁力線の大半がプラズマＰの生成領域に漏洩している。磁力線は、プラズマ生成領域において、下側から上側に向かって長く伸びているので、電子のトラップ効果が高く、前述した理由によりプラズマ密度の均一性を向上させ、被処理基板Ｓの全域でプラズマ密度を増加させる効果がある。

図１８において、磁場印加部４０Ｃの棒状磁石４６は、紙面に垂直に延在する複数の磁石４６ａ〜４６ｌの集合体であり、複数の磁石４６ａ〜４６ｌの下面は、Ｎ極とＳ極が交互に着磁されている。従って、Ｎ極からＳ極に向かう磁力線の複数の束がプラズマ生成領域全体に漏洩している。従って、プラズマ密度の均一性を向上させる効果が非常に高い。
図１８に示されるような複数個の磁石を配設する変形例は多い。例えば、磁場印加部４０Ｃの棒状磁石４６の代わりに、複数の径が異なる環状の磁石を同心円をもつように配設してもよい。各環状磁石の下面は、Ｎ極とＳ極を交互に着磁すればよい。

上述した変形例に示されるように、磁石の位置、デザイン、分割による個数などを変更することにより、磁場強度分布を平坦化してプラズマ密度の均一化を図ることができる。なお、磁石の位置を変えるには、図４，１６，１７における矢印Ｒの方向に、それぞれ磁場印加部４０，４０Ａ，４０Ｂを移動させればよい。このような操作により、プラズマ処理の目的に適合するように磁場強度分布を変えることができる。

本発明は、終端部を有する環状導波管と筒状誘電体部材を備えるマイクロ波導入部に特徴がある。本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。例えば、スロットアンテナの配置については多数の変形例が考えられる。また、磁場印加部の配置、構成についても多数の変形例が考えられる。

本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置を模式的に示す全体構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置の概略構成図である。 図２のＩ−Ｉ断面図であり、マイクロ波導入部の構成を示す平面図である。 図２の筺体内部の概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置におけるプラズマ生成領域で生じる化学反応の素過程を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置におけるＺ方向のプラズマ電位分布を定性的に示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置におけるＺ方向の筺体内の雰囲気温度分布を定性的に示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置における、被処理基板Ｓの直上での電子密度分布を定性的に示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置に用いられる環状導波管の展開図である。 本発明の第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置に用いられる環状導波管の別の展開図である。 導波管内におけるマイクロ波の定在波の電界強度分布を一般的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置を模式的に示す全体構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置のマイクロ波導入部の構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置に用いられる環状導波管の展開図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置に用いられる環状導波管の別の展開図である。 本発明の実施の形態のＳＷＰ処理装置の第１の変形例を示す概略図である。 本発明の実施の形態のＳＷＰ処理装置の第２の変形例を示す概略図である。 本発明の実施の形態のＳＷＰ処理装置の第３の変形例を示す概略図である。

符号の説明

１：マイクロ波発生部
２：筺体
３，３０：環状導波管
３ａ：導入口
３ｂ，３２ｂ，３３ｂ：終端部
３ｃ，３２ｃ，３３ｃ：終端整合器
４：誘電体チューブ
５，５Ａ，６０，６０Ａ，６０Ｂ：スロットアンテナ群
６：上面ガス導入管
７：側面ガス導入管
１０：マイクロ波導入部
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ：磁場印加部
１００，２００：ＳＷＰ処理装置（表面波励起プラズマ処理装置）
Ａ：始点
Ｂ，Ｄ，Ｅ：終点
Ｃ：分岐点
Ｅ１〜Ｅ３：終端
Ｍ：マイクロ波
ＭＧ：磁場（磁界）

Claims (8)

1. マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入する導入口と終端部とを有し、複数のスロットアンテナが所定間隔で形成された底板を内側面とする環状のマイクロ波導波管および筒状を呈し、その筒の外側面が前記環状のマイクロ波導波管の底板に接して配設され、前記環状のマイクロ波導波管内を伝搬するマイクロ波を前記スロットアンテナを通して導入する筒状誘電体部材を有するマイクロ波導入手段と、
   前記筒状誘電体部材の内部空間に磁場を形成する磁場印加手段と、
   前記筒状誘電体部材を保持して気密空間を形成し、上面から前記磁場印加手段により磁場が印加され、側面に設けられた前記筒状誘電体部材を介して導入されたマイクロ波により前記気密空間に表面波励起プラズマを生成し、該表面波励起プラズマにより被処理物を処理する処理室と、
   前記処理室の上面からプロセスガスを導入するための上面ガス導入管と、
   前記処理室の側面から前記被処理物と前記筒状誘電体部材との間に材料ガスを導入するための側面ガス導入管とを備え、
   前記環状のマイクロ波導波管の終端部を該マイクロ波導波管の外周側に突出させ、その突出部に終端整合器を設けたことを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記磁場印加手段は、前記内部空間に形成される磁場強度を可変とすることを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記磁場印加手段は、前記内部空間に形成される磁場強度分布を可変とすることを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記環状のマイクロ波導波管は、前記導入口が前記マイクロ波導波管のほぼ中央にあって、前記導入口から導入したマイクロ波を２つに分岐して両終端部へ伝搬させることを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記マイクロ波伝搬方向に沿って前記筒状誘電体部材を取り囲むマイクロ波導波管の中心線の長さを、前記マイクロ波の管内波長をλｇとし、０．９５λｇからλｇの範囲を定数ｋとしたとき、定数ｋの整数倍に設定することを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
6. 請求項４に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   分岐した一方のマイクロ波伝搬方向に沿って前記筒状誘電体部材を取り囲むマイクロ波導波管の中心線の長さ、および分岐した他方のマイクロ波伝搬方向に沿って前記筒状誘電体部材を取り囲むマイクロ波導波管の中心線の長さを、前記マイクロ波の管内波長をλｇとし、０．９５λｇからλｇの範囲を定数ｋとしたとき、それぞれ定数ｋの整数倍に設定することを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
7. 請求項５または６に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記複数のスロットアンテナの所定間隔を、前記定数ｋの整数倍に設定することを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記複数のスロットアンテナは、前記マイクロ波導波管の中心線を基準に、前記マイクロ波導波管の底板の中央付近に形成された第１のスロットアンテナ群と前記マイクロ波導波管の底板の周辺付近に形成された第２のスロットアンテナ群とを有し、
   前記第１のスロットアンテナ群と第２のスロットアンテナ群とを、前記マイクロ波導波管の中心線方向にｋ／４の整数倍だけ位置をずらして並行配置することを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。

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