JP4732787B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は，プラズマ処理装置の給電方式に関する。

近年，基板の大型化に伴い，大面積の基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置の一例として，図１１に示したマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている。このマイクロ波プラズマ処理装置は，マイクロ波発生器９１から発生したマイクロ波を給電用導波管９２および複数の放射用導波管９３を介して多数のスロット９４から処理容器９５内に伝播させることにより，処理容器９５内にマイクロ波を給電する（たとえば，特許文献１を参照。）。

特開２００４−２００６４６号公報

このマイクロ波プラズマ処理装置では，マイクロ波は，結合窓Ａ１，結合窓Ａ２，結合窓Ａ３にてそれぞれ分岐（兀分岐）し，各放射用導波管９３を伝播する。このとき，放射用導波管９３ａおよび放射用導波管９３ｂを伝播するマイクロ波は同位相となる。同様に，放射用導波管９３ｃおよび放射用導波管９３ｄを伝播するマイクロ波，放射用導波管９３ｅおよび放射用導波管９３ｆを伝播するマイクロ波もそれぞれ同位相となる。

一方，放射用導波管９３ｂに伝播するマイクロ波と放射用導波管９３ｃに伝播するマイクロ波とが同位相になるか否か，および，放射用導波管９３ｄに伝播するマイクロ波と放射用導波管９３ｅに伝播するマイクロ波とが同位相になるか否かは，放射用導波管９３のピッチＷ１により決まる。たとえば，放射用導波管９３のピッチＷ１が大気中の管内波長λｇの１／２であれば，これらの放射用導波管９３に伝播するマイクロ波はすべて同位相となる。この場合，多数のスロット９４から処理容器内に伝播されたマイクロ波は強め合う。

一方，放射用導波管９３のピッチＷ１が管内波長λｇの１／２からずれると，放射用導波管９３ｂに伝播するマイクロ波と放射用導波管９３ｃに伝播するマイクロ波の位相は異なってくる。また，放射用導波管９３ｄに伝播するマイクロ波と放射用導波管９３ｅに伝播するマイクロ波の位相も異なってくる。このように，マイクロ波の位相のずれが大きくなると，放射用導波管９３ｂおよび放射用導波管９３ｃ下のスロット９４，放射用導波管９３ｄおよび放射用導波管９３ｅ下のスロット９４から処理容器９５内に伝播されたマイクロ波はそれぞれ弱めあう。そして，隣り合う放射用導波管の管内波長λｇが１／２ずれたとき，隣り合う放射用導波管に伝搬されるマイクロ波は最も弱め合う。以上のように，放射用導波管９３のピッチＷ１により処理容器内でのマイクロ波の干渉パターンは異なってくる。

以上のことから，従来のマイクロ波プラズマ処理装置では，装置の設計時点において，マイクロ波の干渉パターンを考慮して放射用導波管９３のピッチＷ１を定める必要があった。また，装置完成後にマイクロ波の給電方式を変更することはできなかった。

本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，給電方式を制御するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。

上記課題の少なくとも一つを解決するために，本発明のある観点によれば，マイクロ波をスロットに通して第１の誘電体から処理容器内に伝播させ，伝播させたマイクロ波により処理容器内に供給された処理ガスをプラズマ化させて，基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって，マイクロ波発生器から発生されたマイクロ波を伝播させる給電用導波管と，上記給電用導波管内の所定の位置に設けられ，上記所定の位置を通過するマイクロ波の管内波長を変化させる第２の誘電体と，上記給電用導波管から分岐し，上記給電用導波管を伝播したマイクロ波をスロットに伝播させる複数の放射用導波管と，を備えることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

本発明では，第２の誘電体が給電用導波管内の所定の位置に設けられる。マイクロ波の管内波長は，大気中の誘電率ε_０と第２の誘電体の誘電率εとの違いから，第２の誘電体を通過する際に変化する。このため，第２の誘電体を通過せずに放射用導波管下のスロットから処理容器に伝播されたマイクロ波と第２の誘電体を通過して他の放射用導波管下のスロットから処理容器に伝播されたマイクロ波とに位相のずれが生じる。

このようにして生じたマイクロ波の位相のずれが小さいと（すなわち，同位相に近づくと），処理容器内での干渉により隣りあった導波管の境界ではマイクロ波の電界強度は強まる。一方，マイクロ波の位相のずれが大きいと（すなわち，逆位相に近づくと），処理容器内での干渉により隣りあった導波管の境界ではマイクロ波の電界強度は弱まる。

本発明によれば，このような原理を用いて，給電用導波管内に第２の誘電体を設けるという簡易で製造コストが安価な方法にてマイクロ波の位相をずらすことにより給電方式を制御することができる。この結果，処理容器内でのマイクロ波の電界強度を制御することができる。

このとき，上記第２の誘電体は，上記給電用導波管の所定位置を閉塞するように挿着されていてもよい。

また，上記複数の放射用導波管は，上記給電用導波管の長手方向に対して略垂直に同一平面上に配置されていてもよい。また，上記第２の誘電体は，上記第２の誘電体を通過して上記複数の放射用導波管のいずれかに伝播されるマイクロ波の位相と上記第２の誘電体を通過しないで上記複数の放射用導波管の他のいずれかに伝播されるマイクロ波の位相とが略逆位相になるようにマイクロ波の管内波長を変化させるようにしてもよい。

これによれば，第２の誘電体を通過せずに放射用導波管下のスロットから処理容器に伝播されたマイクロ波の位相と第２の誘電体を通過して他の放射用導波管下のスロットから処理容器に伝播されたマイクロ波の位相とはほぼ逆位相になる。これにより，処理容器内での干渉によってマイクロ波の電界強度を弱めることができる。

たとえば，前記複数の放射用導波管のうち，第１の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相と第１の放射用導波管の隣に位置する第２の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相とが略逆位相になり，第２の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相と第２の放射用導波管の隣に位置する第３の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相とが略同位相になる場合，第１および第２の放射用導波管の境界付近と，第２および第３の放射用導波管の境界付近と，に異なるガスをそれぞれ供給してもよい。

このように，放射用導波管内部を伝搬するマイクロ波の位相と隣の放射用導波管内部の位相とが略同位相になる場合と略逆位相になる場合とにおいて，それぞれの境界付近に異なるガスが供給されることにより，プラズマの状態を維持しつつ，供給された処理ガスの過剰な解離を抑制することができる。

また，このように第２の誘電体を給電用導波管内に設け，給電方式を制御する本発明によれば，たとえば，反応性ガスであるシランガス（ＳｉＨ_４）からアモルファスシリコンを生成する成膜処理などのように，ＳｉＨ_４をＳｉＨ_３ラジカルに解離する程度の電界強度が求められ，ＳｉＨ_２ラジカルまで解離するほどの強い電界強度は必要ない処理プロセスにも対応することができる。

上記第２の誘電体の厚さは，上記第２の誘電体の誘電率（または比誘電率）と上記給電用導波管の幅とに基づいて求めてもよい。

第２の誘電体を通過する直前のマイクロ波の位相と第２の誘電体を通過した直後のマイクロ波の位相とのずれは，第２の誘電体の材質および厚さにより定まる。よって，ある材質から形成されている第２の誘電体の誘電率と上記給電用導波管の幅とに基づいて第２の誘電体の厚さを定めることにより，第２の誘電体を通過せずに放射用導波管下のスロットから処理容器に伝播されたマイクロ波の位相と第２の誘電体を通過して他の放射用導波管下のスロットから処理容器に伝播されたマイクロ波の位相とのずれを制御することができる。この結果，たとえば，ガスが供給される領域に放射されるマイクロ波の電界強度を弱くし，ガスが供給されない領域に放射されるマイクロ波の電界強度を強くするように，マイクロ波の給電方式を制御することができる。

また，上記第２の誘電体は，上記給電用導波管内の所定区間を閉塞する位置から上記給電用導波管内の所定区間を開口する位置まで可動可能に設けられていてもよい。

これによれば，処理プロセス，処理容器内に供給される処理ガスの種類，処理容器内のガスの供給位置などを考慮して第２の誘電体が配置される。たとえば，マイクロ波の電界強度を弱くしたい場合には，給電用導波管の所定区間を閉塞する位置に第２の誘電体を設け，マイクロ波の電界強度を強くしたい場合には，給電用導波管の所定区間を開口する位置に第２の誘電体を設ける。

このように第２の誘電体の配置を処理プロセス等に応じて変えることにより，処理プロセスに応じた給電方式を実現することができる。これにより，プラズマ処理中の異常放電を回避し，プラズマを均一に発生させ，精度よくプラズマ処理することができる。この結果，１つのプラズマ処理装置で，複数の処理プロセスにそれぞれ対応したプラズマ処理を実行することができる。

また，本発明の他の観点によれば，マイクロ波をスロットに通して第１の誘電体に伝播させ，処理容器内に供給された処理ガスをプラズマ化させて，基板をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって，マイクロ波発生器から発生されたマイクロ波を給電用導波管に伝播させる工程と，上記給電用導波管内の所定の位置に設けられた第２の誘電体によって，上記給電用導波管の所定の位置を通過するマイクロ波の管内波長を変化させる工程と，上記給電用導波管を伝播した上記マイクロ波を上記給電用導波管から分岐した複数の放射用導波管を介してスロットに伝播させる工程と，を備えることを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。

これによれば，給電用導波管に第２の誘電体を設けるという簡易で製造コストが安価な方法にてプラズマ処理装置の給電方式を制御することができる。

以上説明したように，本発明によれば，給電方式を制御するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（マイクロ波プラズマ処理装置の構成の概要）
まず，本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置について，図１を参照しながら説明する。図１は，マイクロ波プラズマ処理装置１００をｘ軸方向およびｚ軸方向に平行な面で切断した断面図である。マイクロ波プラズマ処理装置１００は，プラズマ処理装置の一例である。本実施形態では，マイクロ波プラズマ処理装置１００により実行される処理プロセスとして，図７に示した３つの成膜プロセスを挙げて説明する。

マイクロ波プラズマ処理装置１００は，処理容器１０と蓋体２０とからなる筐体を有している。処理容器１０は，上部が開口した有底直方体形状を有していて，接地されている。処理容器１０は，たとえば，アルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。処理容器１０の内部には，略中央にて，たとえば，ガラス基板Ｗ（以下，「基板」という。）を載置する載置台であるサセプタ１１が設けられている。サセプタ１１は，たとえば，窒化アルミニウムから形成されている。

サセプタ１１の内部には，給電部１１ａおよびヒータ１１ｂが設けられている。給電部１１ａには，整合器１２ａ（たとえば，コンデンサ）を介して高周波電源１２ｂが接続されている。また，給電部１１ａには，コイル１３ａを介して高圧直流電源１３ｂが接続されている。整合器１２ａ，高周波電源１２ｂ，コイル１３ａおよび高圧直流電源１３ｂは，処理容器１０の外部に設けられていて，高周波電源１２ｂおよび高圧直流電源１３ｂは，接地されている。

給電部１１ａは，高周波電源１２ｂから出力された高周波電力により処理容器１０の内部に所定のバイアス電圧を印加させるようになっている。また，給電部１１ａは，高圧直流電源１３ｂから出力された直流電流により基板Ｗを静電吸着するようになっている。

ヒータ１１ｂには，処理容器１０の外部に設けられた交流電源１４が接続されていて，交流電源１４から出力された交流電流により基板Ｗを所定の温度に保持するようになっている。

処理容器１０の底面は筒状に開口され，開口された外周近傍にてベローズ１５の一端が処理容器１０の外部に向かって装着されている。ベローズ１５の他端には，昇降プレート１６が固着されている。このようにして，処理容器１０底面の開口部分は，ベローズ１５および昇降プレート１６により密閉されている。

また，サセプタ１１は，昇降プレート１６上に配置された筒体１７に支持されていて，昇降プレート１６よび筒体１７と一体となって昇降する。これにより，サセプタ１１は，処理プロセスに応じた高さに調整されるようになっている。

サセプタ１１の周囲には，処理容器１０内のガスの流れを好ましい状態に制御するための整流板１８が設けられている。また，処理容器１０の底面には，図示しない真空ポンプに接続された排気口１９が設けられている。真空ポンプは，処置容器１０内を所望の真空度まで排気するようになっている。

蓋体２０は，処理容器１０の上方を密閉するように配設されている。蓋体２０は，処理容器１０と同様に，たとえば，アルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。また，蓋体２０は，処理容器１０と同様に接地されている。

蓋体２０には，蓋本体２１，放射用導波管２２ａ〜放射用導波管２２ｆ，スロットアンテナ２３ａ〜スロットアンテナ２３ｆ，および，第１の誘電体２４ａ〜第１の誘電体２４ｆが設けられている。

処理容器１０と蓋体２０とは，蓋本体２１の下面外周部と処理容器１０の上面外周部との間に配置されたＯリング２５により，気密性が保持されるように固定されている。蓋本体２１の下部には，放射用導波管２２ａ〜放射用導波管２２ｆが形成されている。

蓋本体２１を除いた後のマイクロプラズマ処理装置１００の平面図である図２に示したように，放射用導波管２２ａ〜放射用導波管２２ｆは，同一面内にて互いに平行して並列に配設されている。各放射用導波管２２には，その端部にて各放射用導波管２２にほぼ垂直に給電用導波管２６が接続され，給電用導波管２６にはマイクロ波発生器２７が接続されている。給電用導波管２６の所定位置（所定区間）には，第２の誘電体２８ａおよび第２の誘電体２８ｂが挿着されている。第２の誘電体の構成および機能については後述する。

放射用導波管２２および給電用導波管２６は，それぞれの軸方向に垂直な断面の形状が矩形状である矩形導波管により形成されている。たとえば，ＴＥ１０モード（ＴＥ波：transverse electric wave;磁界がマイクロ波の進行方向成分を持つ波）の場合，各放射用導波管２２および給電用導波管２６の広い管壁は磁界に平行なＨ面となり，狭い管壁は電界に平行なＥ面となる。放射用導波管２２および給電用導波管２６の軸方向（長手方向）に垂直な方向にて切断した面の長辺方向（導波管の幅）と短辺方向とをどのように配置するかは，モード（導波管内の電磁界分布）によって変化する。

図１に示したように，スロットアンテナ２３ａ〜スロットアンテナ２３ｆは，放射用導波管２２ａ〜放射用導波管２２ｆの下部にそれぞれ設けられている。また，図２に示したように，各スロットアンテナ２３には，複数のスロット（開口）がそれぞれ設けられている。たとえば，スロットアンテナ２３ａには，スロット２３ａ１〜スロット２３ａ７が設けられている。

図１に示したように，スロットアンテナ２３ａ〜スロットアンテナ２３ｆの下部には，第１の誘電体２４ａ〜第１の誘電体２４ｆがそれぞれ設けられている。各第１の誘電体２４は，マイクロ波を透過するように，たとえば，石英，アルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）などから形成されている。

第１の誘電体２４ａ〜第１の誘電体２４ｆは，金属の梁２９によりその両端をそれぞれ支持されている。梁２９の内部には，ガス導入管３０（ガス導入管３０ａ〜ガス導入管３０ｇ）が貫通している。

処理ガス供給源３２は，バルブ３２ａ１，マスフロコントローラ３２ａ２，バルブ３２ａ３，アルゴンガス供給源３２ａ４，バルブ３２ａ５，マスフロコントローラ３２ａ６，バルブ３２ａ７，酸素ガス供給源３２ａ８，バルブ３２ｂ１，マスフロコントローラ３２ｂ２，バルブ３２ｂ３，シランガス供給源３２ｂ４，バルブ３２ｂ５，マスフロコントローラ３２ｂ６，バルブ３２ｂ７，水素ガス供給源３２ｂ８およびバルブ３２ｃ１から構成されている。

処理ガス供給源３２は，各バルブの開閉を制御することにより，各ガスを選択的に処理容器１０内に供給するようになっている。また，各マスフロコントローラは，それぞれが供給する処理ガスの流量を制御することによりガスを所望の濃度に調整するようになっている。

ガス導入管３０ａ，ガス導入管３０ｃ，ガス導入管３０ｅおよびガス導入管３０ｇには，ガス流路３１ａを介してシランガス供給源３２ｂ４および水素ガス供給源３２ｂ８が接続されている。また，ガス導入管３０ｂ，ガス導入管３０ｄおよびガス導入管３０ｆには，ガス流路３１ｂを介してアルゴンガス供給源３２ａ４および酸素ガス供給源３２ａ８が接続されている。さらに，ガス流路３１ａとガス流路３１ｂとには，ガス流路３１ｃを介してバルブ３２ｃ１が接続されている。

そして，処理プロセスに応じて，たとえば，シランガスなどの反応性ガスは，ガス流路３１ａに接続されているガス導入管３０ａ，ガス導入管３０ｃ，ガス導入管３０ｅおよびガス導入管３０ｇを介して処理容器１０内に供給されるようになっている。また，たとえば，アルゴンガスなどの不活性な処理ガスは，ガス流路３１ｂに接続されているガス導入管３０ｂ，ガス導入管３０ｄおよびガス導入管３０ｆを介して処理容器１０内に供給されるようになっている。さらに，アルゴンガス，酸素ガスを処理容器１０全面に供給する場合には，バルブ３２ｃ１を開くことにより，これらのガスが，ガス流路３１ａ〜ガス流路３１ｃからガス導入管３０ａ〜ガス導入管３０ｇを介して処理容器１０内に供給されるようになっている。

このような構成により，マイクロ波プラズマ処理装置１００は，マイクロ波発生器２７から出力された，たとえば，２，４５ＧＨｚのマイクロ波を，給電用導波管２６および複数の放射用導波管２２を介してスロットアンテナ２３に伝播させ，多数のスロットから第１の誘電体２４に伝播させる。そして，第１の誘電体２４を透過して処理容器１０内に放射されたマイクロ波により，処理容器１０内に供給された処理ガスがプラズマ化し，このプラズマを用いて処理容器１０に配置された基板がプラズマ処理される。

（第２の誘電体）
つぎに，第２の誘電体について，図２の一部分の斜視図である図３（ａ）を参照して，詳細に説明する。第２の誘電体２８ａおよび第２の誘電体２８ｂは，給電用導波管２６と同形状の底面を持ち，厚さがＬの直方体であり，たとえば，比誘電率ｋが「４」の石英や比誘電率ｋが「９」のアルミナ（酸化アルミニウム Ａｌ_２Ｏ_３）などにより形成されている。本実施形態では，各第２の誘電体２８は，アルミナにて形成されている。

第２の誘電体２８ａおよび第２の誘電体２８ｂは，給電用導波管２６の所定区間にそれぞれ配設されている。各第２の誘電体２８が設けられているｘ座標とガスが導入されるｘ座標とはほぼ一致している。また，各第２の誘電体２８は，給電用導波管２６の所定区間を閉塞するように挿着された状態Ｐ１から給電用導波管２６の所定区間を開口する状態Ｐ２まで可動可能に設けられている。

図２の一部分の平面図である図３（ｂ）に示したように，給電用導波管２６の幅が１００（ｍｍ）のとき，放射用導波管２２のピッチＷ１は，大気中の管内波長λｇの１／２である７７（ｍｍ）に設計されている。

このとき，図４（ａ）に示したように，第２の誘電体２８が給電用導波管２６の所定区間を開口する位置Ｐ２にある場合，図４（ｃ）に示したように，位置Ｓ１および位置Ｓ２でのマイクロ波はいずれも山になる。これにより，放射用導波管に伝播するマイクロ波は，すべて同位相となる。

一方，図３（ａ）に示したように，第２の誘電体２８が給電用導波管２６の所定区間を閉塞するように挿着された位置Ｐ１にある場合，図３（ｂ）に示したように，結合窓Ａ１にて兀分岐し，放射用導波管２２ａおよび放射用導波管２２ｂを伝播して各スロットから漏れ出すマイクロ波と，結合窓Ａ２にて兀分岐し，放射用導波管２２ｃおよび放射用導波管２２ｄを伝播して各スロットから漏れ出すマイクロ波とは逆位相となる。その理由を以下に説明する。

大気中の管内波長λ_１ｇおよび第２の誘電体２８の管内波長λ_２ｇは，以下の式（１）および式（２）にてそれぞれ求められる。
λ_１ｇ＝λ_１／{１−（λ_１／２ａ）^２}^１／２・・・（１）
λ_２ｇ＝λ_２／{１−（λ_２／２ａ）^２}^１／２・・・（２）

ここで，ａは，給電用導波管２６を軸方向に垂直に切断した断面形状の長辺方向の幅を示し，前述したとおり，本実施形態では１００（ｍｍ）である。

また，自由空間における大気中の波長λ_１は，以下の式（３）にて求められる。
λ_１＝ｃ／ν・・・（３）
式（３）に，マイクロ波の速度ｃ＝３０×１０^４（ｋｍ／ｓ），マイクロ波の周波数ν＝２．４５（ＧＨｚ）を代入すると，λ_１＝１２２（ｍｍ）≒１２０（ｍｍ）となる。

また，自由空間におけるアルミナの波長λ_２は，以下の式（４）にて求められる。
λ_２＝λ_１／（ｋ）^１／２・・・（４）
式（４）に，大気中の波長λ_１（＝真空中の波長λ_０）＝１２０（ｍｍ），比誘電率ｋ＝９を代入すると，λ_２＝４０（ｍｍ）となる。

これらの値を式（１）に代入すると，
λ_１ｇ＝１２０／{１−（１２０／２００）^２}^１／２＝１５０（ｍｍ）となる。

また，式（２）により，
λ_２ｇ＝４０／{１−（４０／２００）^２}^１／２＝４１（ｍｍ）となる。

図５を参照すると，給電用導波管幅ａが「１００」のとき，比誘電率ｋが「１」の大気の管内波長λｇは，１５４（ｍｍ）≒１５０（ｍｍ）となっていて，上述した計算とほぼ同じ値となる。また，比誘電率ｋが「９」のアルミナの管内波長λ_２も，４２（ｍｍ）≒４１（ｍｍ）となっていて，上述した計算とほぼ同じ値となる。このような計算を比誘電率ｋ（ｋ＝１〜１０）の誘電体毎に実行することにより，管内波長λｇの比誘電率ｋおよび給電用導波管幅ａに対する依存性を示した図５が完成する。

図６は，位相を逆転させるために必要な第２の誘電体の厚さの比誘電率ｋおよび給電用導波管幅ａに対する依存性を示した図である。これによれば，給電用導波管幅ａが１００（ｍｍ）のとき，マイクロ波が第２の誘電体２８を透過するときに半波長ずれる（すなわち，図３（ｂ）のピッチＷ２の実質的な波長が管内波長の１．５倍となる）ためには，第２の誘電体２８（比誘電率ｋの値が「９」のアルミナ）の厚さは２８（ｍｍ）必要である。よって，マイクロ波の波形を示した図３（ｃ）に表された長さｘ１（＝厚さＬ）は，２８（ｍｍ）となる。

また，前述したように，大気中の波長λ_１は１２２（ｍｍ）である。よって，図３（ｃ）に示した長さｘ０（＝ｘ０１＋ｘ０２）は，１２２（ｍｍ）となる。

１つの波長に含まれる波数を「１」とすると，第２の誘電体２８ａを透過する（給電用導波管２６のｘ１にて示される長さを伝播する）マイクロ波の波数ｎ１は，ｘ１／λ_２ｇにて表される。同様に，給電用導波管２６のｘ０１およびｘ０２を伝播するマイクロ波の波数ｎ０は，ｘ０／λ_１ｇにて表される。

したがって，ｘ１（＝第２の誘電体２８ａ）を伝播するマイクロ波の波数ｎ１は，
ｎ１＝ｘ１／λ_２ｇ＝２８／４１＝０．６８（個）となる。

また，ｘ０（＝第２の誘電体２８ａの前後）を伝播するマイクロ波の波数ｎ０は，
ｎ０＝ｘ０／λ_１ｇ＝１２２／１５０＝０．８１（個）となる。

したがって，図３（ｃ）の位置Ｓ１から位置Ｓ２までを通過するマイクロ波の波数Ｎは，
Ｎ＝ｎ０＋ｎ１＝０．６８＋０．８１≒１．５（個）となる。

このように，位置Ｓ１から位置Ｓ２までを通過するマイクロ波の波数Ｎが１．５となる結果，図３（ｃ）に示したように，位置Ｓ１でのマイクロ波は山，位置Ｓ２でのマイクロ波は谷になる。これにより，放射用導波管２２ａおよび放射用導波管２２ｂに伝播するマイクロ波と放射用導波管２２ｃおよび放射用導波管２２ｄに伝播するマイクロ波とは，逆位相となる。

この結果，図９にてマイクロ波の山および谷を模式的に表したように，マイクロ波が第２の誘電体２８を通過する度に放射用導波管２２に伝播されるマイクロ波の位相が逆位相となる。

（成膜プロセス）
つぎに，このような原理を用いて給電方式を制御しながら，膜を生成する３つの工程について説明する。図７に示したように，マイクロ波プラズマ処理装置１００は，第１工程のアモルファスシリコンＣＶＤプロセスにてアモルファスシリコン膜を生成し，所望のアニール行程を施して，アモルファスシリコン膜をポリシリコン膜に変化させた後，第２工程の酸化プロセスにて酸化膜を生成し，第３工程の二酸化シリコンＣＶＤプロセスにて二酸化シリコン膜を生成する。

（第１工程：アモルファスシリコンＣＶＤプロセス）
第１工程のアモルファスシリコンＣＶＤプロセスでは，給電方式は同相給電と逆相給電である。このような場合，マイクロ波プラズマ処理装置１００は，図８に示したように，隣り合う放射用導波管２２ｂおよび放射用導波管２２ｃの境界部分の延長上にて給電用導波管２６を塞ぐように第２の誘電体２８ａを装着する。同様に，隣り合う放射用導波管２２ｄおよび放射用導波管２２ｅの境界部分の延長上にて給電用導波管２６を塞ぐように第２の誘電体２８ｂを装着する。

これにより，図８にマイクロ波の山とマイクロ波の谷を模式的に示したように，放射用導波管２２ｂと放射用導波管２２ｃ，および，放射用導波管２２ｄと放射用導波管２２ｅに伝播されるマイクロ波の位相は，第２の誘電体２８ａおよび第２の誘電体２８ｂを通過することにより，それぞれ逆位相となる。

そうすると，放射用導波管２２ｂ下部のスロットから処理容器１０内に漏れ出すマイクロ波と放射用導波管２２ｃ下部のスロットから処理容器１０内に漏れ出すマイクロ波との干渉により，これらのマイクロ波の電界強度は弱められる。同様に，放射用導波管２２ｄおよび放射用導波管２２ｅ下部のスロットから漏れ出すマイクロ波との干渉により，これらのマイクロ波の電界強度も弱められる。

第１工程では，ガス供給源３２は，反応性ガスであるシランガスおよび水素ガスをガス導入管３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇに供給するように各バルブを制御する。そして，このような位置からシランガスおよび水素ガスが供給されると，給電されるマイクロ波の電界強度が弱められていることから，各ガスは適度に解離または電離する。たとえば，ＳｉＨ_４はほどよく解離して，ＳｉＨ_３ラジカルが生成されるが，ＳｉＨ_２ラジカルが生成される程解離は進まない。

一方，兀分岐した放射用導波管２２ａと放射用導波管２２ｂ，放射用導波管２２ｃと放射用導波管２２ｄ，および，放射用導波管２２ｅと放射用導波管２２ｆに伝播されるマイクロ波の位相は，同位相である。

そうすると，放射用導波管２２ａ下部のスロットから処理容器１０内に漏れ出すマイクロ波と放射用導波管２２ｂ下部のスロットから処理容器１０内に漏れ出すマイクロ波との干渉により，これらのマイクロ波の電界強度は強められる。同様に，放射用導波管２２ｃおよび放射用導波管２２ｄのスロット，放射用導波管２２ｅおよび放射用導波管２２ｆのスロットから漏れ出すマイクロ波の電界強度も強められる。

また，このプロセスでは，ガス供給源３２は，不活性ガスであるアルゴンガスをガス導入管３０ｂ，３０ｄ，３０ｆに供給するように各バルブを制御する。そして，このような位置からアルゴンガスが供給されると，給電されるマイクロ波の電界強度が強められていることから，強いエネルギーを持ったマイクロ波によりアルゴンガスは十分に電離する。

このように，複数の放射用導波管２２のうち，第１の放射用導波管（たとえば，放射用導波管２２ｂ）に伝搬されるマイクロ波の位相と第１の放射用導波管の隣に位置する第２の放射用導波管（たとえば，放射用導波管２２ｃ）に伝搬されるマイクロ波の位相とが略逆位相になり，第２の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相と第２の放射用導波管の隣に位置する第３の放射用導波管（たとえば，放射用導波管２２ｄ）に伝搬されるマイクロ波の位相とが略同位相になる場合，第１および第２の放射用導波管の境界付近に供給するガス（シランガスおよび水素ガス）と，第２および第３の放射用導波管の境界付近に供給するガス（アルゴンガス）とが異なるガスになるように各種ガスを供給する。この結果，ＳｉＨ_２ラジカルによりアモルファスシリコン膜を劣化させることなく，生成されたＳｉＨ_３ラジカルなどのプラズマを用いて非常に良質なアモルファスシリコン膜を生成することができる。

（第２工程：酸化プロセス）
第２工程の酸化プロセスでは，マイクロ波プラズマ処理装置１００は，図９に示したように，各放射用導波管２２に伝播されるマイクロ波の位相がすべて同位相となるように，第２の誘電体２８ａおよび第２の誘電体２８ｂを，給電用導波管２６を開口する位置まで降下させる。そうすると，各放射用導波管２２下部のスロットから処理容器１０内に漏れ出すマイクロ波の干渉により，マイクロ波の電界強度は非常に強められる。

第２工程では，ガス供給源３２は，不活性ガスであるアルゴンガスおよび酸素ガスをガス導入管３０ａ〜ガス導入管３０ｇに供給するように各バルブを制御する。そして，このような位置からアルゴンガスおよび酸素ガスが供給されると，給電されるマイクロ波の電界強度が非常に強められていることから，このアルゴンガスは十分に電離する。そして，プラズマの状態を維持したまま，酸素ガスを十分に解離，電離することができる。この結果，生成されたプラズマを用いて非常に薄い良質のゲート酸化膜を生成することができる。

（第３工程：二酸化シリコンＣＶＤプロセス）
最終工程である第３工程の二酸化シリコンＣＶＤプロセスでは，給電方式は同相給電である。よって，図１０に示したように，マイクロ波プラズマ処理装置１００は，第２工程と同様に，第２の誘電体２８を，給電用導波管２６を開口する位置まで降下させたままにする。

第３工程では，ガス供給源３２は，反応性ガスであるシランガスをガス導入管３０ａ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｇに供給するように各バルブを制御する。また，このプロセスでは，ガス供給源３２は，不活性ガスであるアルゴンガスおよび酸素ガスをガス導入管３０ｂ，３０ｄ，３０ｆに供給するように各バルブを制御する。

このように，第３行程では，酸素ガスとシランガスとを異なったガス導入管３０に供給することにより，パーティクルの発生や配管のつまりなどのトラブルを防止することができる。また，本行程では，同相給電によりアルゴンガスが十分に解離されるので，プラズマの状態を維持したまま，酸素ガスを十分に解離，電離することができる。この結果，生成されたプラズマを用いて第２工程にて生成された良質のゲート酸化膜の上に，さらに，耐圧に優れたゲート酸化膜を生成することができる。

基本的には，プラズマを安定に維持するためには，マイクロ波を同相にして給電する方が望ましい。しかし，実際には，膜を形成する化学反応の進行速度や発生するパーティクルをも考慮して，給電方式は決定される。反応のプロセスによって，分子の好ましい解離状態が異なるためである。たとえば，同じシランガスを用いたプロセスであっても，アモルファスシリコンプロセスでは，シランガスをＳｉＨ_３までの解離に抑えることが重要である。しかし，二酸化シリコンＣＶＤプロセスでは，さらなる解離が進んでも，膜特性上，大きな問題は生じない。

なお，たとえば，マイクロ波を逆位相にて給電させる給電方式を採用したほうがよいガスの一例としては，分子結合エネルギーが小さいガス（たとえば，シランガス，水素ガスなどの反応性ガス）が挙げられる。

以上に説明したように，本実施形態によれば，第２の誘電体２８が給電用導波管２６の所定の位置に設けられる。これにより，マイクロ波の管内波長が，第２の誘電体２８を通過する際に変化する。これにより，第２の誘電体２８を通過する度にマイクロ波の位相をずらすことができる。このようにして，処理容器内への給電方式を制御することにより，ガスが供給される領域に放射されるマイクロ波の電界強度を調整することができ，これにより，処理容器内のプラズマ，ラジカルの状態を調整することができる。この結果，均一なプラズマを安定して維持したまま，良好な特性を示す膜を形成することができる。

また，第２の誘電体２８は，給電用導波管２６の所定区間を閉塞する位置から同じ給電用導波管２６の所定区間を開口する位置まで可動可能に設けられている。これにより，処理プロセス，処理ガスの種類，ガスが供給される位置に応じて第２の誘電体２８を所望の位置まで移動させることによって，給電方式を処理プロセスに応じて変更することができる。この結果，一つのプラズマ処理装置にて多種類の処理プロセスを行うことができる。

なお，上述した実施形態では，マイクロ波の波数Ｎが１．５（個）となるように第１の誘電体の厚さを定めた。しかし，本発明は，これに限らず，マイクロ波の波数Ｎを１＋０．５×ｍ（個）（ｍ＝１，３，５，７・・・）としてもよく，この場合にも，第２の誘電体２８を通過する前のマイクロ波と第２の誘電体２８を通過した後のマイクロ波とを逆位相にすることができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば，上述した実施形態では，第２の誘電体としてアルミナを用いたが，本発明は，これに限られず，マイクロ波を透過する部材であればよい。たとえば，第２の誘電体が比誘電率ｋ＝４の石英であって，給電用導波管の幅ａが１００（ｍｍ）であるとき，図６に示したように，第２の誘電体の厚さは５５（ｍｍ）となる。よって，この厚さの石英を給電用導波管２６に挿着することにより，上述した実施形態と同様に，複数の放射用導波管２２への給電方式を制御することができる。

また，上述した実施形態では，マイクロ波が結合窓で２つに分岐する兀分岐を用いて上記給電方式を説明した。しかし，本発明の給電方式は，これに限られず，給電用導波管２６の１管内波長おきに放射用導波管２２が配設され，各放射用導波管２２に同相給電されるｐ分岐や，各放射用導波管２２に逆相給電されるＴ分岐および十字分岐を用いても実現することができる。

本発明は，給電方式を制御するプラズマ処理装置に適用可能である。

本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の断面図である。 同実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の蓋本体を除いた後の平面図である。 図３（ａ）は，図２の一部分を示した斜視図であり，図３（ｂ）は，図２の一部分を示したの平面図であり，図３（ｃ）は，図３（ｂ）に示した給電用導波管の位置におけるマイクロ波の波形を説明するための図である。 図４（ａ）は，図２の一部分を示した斜視図であり，図４（ｂ）は，図２の一部分を示したの平面図であり，図４（ｃ）は，図４（ｂ）に示した給電用導波管の位置におけるマイクロ波の波形を説明するための図である。 管内波長の比誘電率および給電用導波管幅に対する依存性を示した図である。 位相を逆転させるために必要な誘電体の厚さの比誘電率および給電用導波管幅に対する依存性を示した図である。 ３つの工程の成膜プロセスの内容を示した図である。 アモルファスシリコンＣＶＤプロセスにおける給電方式および処理ガスを示した図である。 酸化プロセスにおける給電方式および処理ガスを示した図である。 二酸化シリコンＣＶＤプロセスにおける給電方式および処理ガスを示した図である。 従来のマイクロ波プラズマ処理装置の蓋本体を除いた後の平面図である。

符号の説明

１０ 処理容器
１１ サセプタ
２０ 蓋体
２２ａ〜２２ｆ 放射用導波管
２３ａ〜２３ｆ スロットアンテナ
２４ａ〜２４ｆ 第１の誘電体
２６ 給電用導波管
２７ マイクロ波発生器
２８ａ，２８ｂ 第２の誘電体
２９ 梁
３０ａ〜３０ｇ ガス導入管
３２ ガス供給源
１００ マイクロ波プラズマ処理装置

Claims (5)

1. マイクロ波をスロットに通して第１の誘電体から処理容器内に伝播させ，伝播させたマイクロ波により処理容器内に供給された処理ガスをプラズマ化させて，基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって：
   マイクロ波発生器から発生されたマイクロ波を伝播させる矩形の給電用導波管と；
   前記給電用導波管の長手方向に対して略垂直に同一平面上に配置され，前記給電用導波管から分岐し，前記給電用導波管を伝播したマイクロ波をスロットに伝播させる複数の放射用導波管と；
   前記給電用導波管と前記複数の放射用導波管とが分岐する複数の結合窓間で隣り合う放射用導波管の境界部分の延長上にて前記給電用導波管内のマイクロ波が伝播する伝播方向全体を閉塞するように、前記給電用導波管の一部にてマイクロ波の伝播方向に対して垂直に設けられ、マイクロ波の管内波長を変化させる第２の誘電体と；
   を備え、
   前記第２の誘電体は，
   前記第２の誘電体を通過して前記複数の放射用導波管のいずれかに伝播されるマイクロ波の位相と該第２の誘電体を通過しないで前記複数の放射用導波管の他のいずれかに伝播されるマイクロ波の位相とが略逆位相になるようにマイクロ波の管内波長を変化させることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記複数の放射用導波管のうち，第１の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相と第１の放射用導波管の隣に位置する第２の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相とが略逆位相になり，第２の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相と第２の放射用導波管の隣に位置する第３の放射用導波管に伝搬されるマイクロ波の位相とが略同位相になる場合，第１および第２の放射用導波管の境界付近と，第２および第３の放射用導波管の境界付近と，に異なるガスをそれぞれ供給することを特徴とする請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
3. 前記第２の誘電体の厚さは，
   前記第２の誘電体の誘電率と前記給電用導波管の幅とに基づいて求められることを特徴とする請求項１又は２に記載されたプラズマ処理装置。
4. 前記第２の誘電体は，
   前記給電用導波管内のマイクロ波が伝播する伝播方向に対して垂直な面で可動可能に配置され、前記給電用導波管内のマイクロ波が伝播する伝播方向全体を閉塞又は開口することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
5. マイクロ波をスロットに通して第１の誘電体に伝播させ，処理容器内に供給された処理ガスをプラズマ化させて，基板をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって：
   マイクロ波発生器から発生されたマイクロ波を矩形の給電用導波管に伝播させる工程と；
   前記給電用導波管を伝播した前記マイクロ波を、前記給電用導波管の長手方向に対して略垂直に同一平面上に配置された複数の放射用導波管であって、前記給電用導波管から分岐した複数の放射用導波管を介してスロットに伝播させる工程と；
   前記給電用導波管と前記複数の放射用導波管とが分岐する複数の結合窓間で隣り合う放射用導波管の境界部分の延長上にて前記給電用導波管内のマイクロ波が伝播する伝播方向全体を閉塞するように、前記給電用導波管の一部にてマイクロ波の伝播方向に対して垂直に設けられた第２の誘電体によって，前記第２の誘電体を通過して前記複数の放射用導波管のいずれかに伝播されるマイクロ波の位相と該第２の誘電体を通過しないで前記複数の放射用導波管の他のいずれかに伝播されるマイクロ波の位相とが略逆位相になるようにマイクロ波の管内波長を変化させる工程と；
   を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。

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