JP4850592B2 - 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、マイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。より詳細には、本発明は、所望の波長可変物質を用いて導波管の長さを適正化するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

図７に示したように、従来から、導波管９０をＡ１〜Ａ３の各地点で分岐させ（図７ではπ分岐）、分岐された複数本の導波管９１ａ〜９１ｆの下部に等間隔に複数のスロット９２を設け、さらに、スロット９２の下部に誘電体９３を設け、これにより、マイクロ波をプラズマ処理装置の処理室内へ給電する技術が知られている（たとえば、特許文献１を参照。）。このような給電方法によれば、マイクロ波は、マイクロ波発生器９４から出射され、チューナ９５を介して導波管９０を伝播し、分岐しながら各導波管９１の入口近傍の、たとえばスロット９２ａから順にスロット９２ｅまで通され、各スロット下部の誘電体９３をそれぞれ透過して処理室内に入射される。処理室に供給されるガスは、このようにして入射されたマイクロ波の電界エネルギーによりプラズマ化され、これにより被処理体がプラズマ処理される。

この給電方法では、図７のＩＩ−ＩＩ断面にてプラズマ処理装置を切断した図８（ａ）に示したように、マイクロ波が導波管９１ａの入口付近のスロット９２ａからその奥に位置するスロット９２ｂ→９２ｃ→９２ｄ→９２ｅへと順に通されるたびに、導波管９１ａを進行するマイクロ波と導波管の端面Ｃにて反射する反射波との合成波である定在波Ｔの振幅は小さくなる。このため、各スロット９２に通され、処理室内に入射されるマイクロ波の電界エネルギーも、図８（ｂ）の電界エネルギーＥｍａｘにて示したように、導波管の入口に近いスロット９２ａ下方の処理室内Ｕａほど強く、導波管の先端に近いスロット９２ｅ下方の処理室内Ｕｅほど弱くなる。この結果、プラズマ密度は、各導波管の入口に近ければ近いほど高くなり、各導波管の先端に近ければ近いほど低くなる。このようにして、導波管の長手方向にてプラズマが不均一に生成されると、被処理体を精度よくプラズマ処理することができない。

そこで、複数のスロット９２を通して処理室内に入射されるマイクロ波の電界エネルギーが均一になるように、以下のような対策が考えられている。すなわち、スロット９２ｅは、端面Ｃから最短のスロット９２ｅまでの物理的な特性上の距離がマイクロ波の管内波長λｇの１／４になるように位置づけ、スロット９２ａ〜スロット９２ｄは、導波管９１の入口に近づけば近づくほど、隣り合うスロット９２間の物理的な特性上の距離が管内波長λｇの１／２から大きくずれるようにそれぞれ位置づける。

これにより、スロット９２ｅでは、定在波の腹の位置Ｐｅとスロット９２ｅの中央の位置Ｓｅとが一致するため（Ｗ１＝０）、スロット９２ｅを通して処理室の位置Ｕｅに供給されるマイクロ波の電界エネルギーは、その位置における最大エネルギーＥｍａｘに等しくなる。一方、スロット９２ｄからスロット９２ａまでは、導波管９１の入口に近づけば近づくほど、各スロットの中央と定在波の腹との位置のずれが大きくなり（Ｗ５＞Ｗ４＞Ｗ３＞Ｗ２＞Ｗ１）、このずれが大きいほどスロット９２から処理室の各位置Ｕｄ、Ｕｃ，Ｕｂ，Ｕａに供給されるマイクロ波の電界エネルギーは、その位置における最大エネルギーより小さくなる。この結果、図８（ｂ）の線Ｅにて示したように、スロット９２ａ〜９２ｅを介して処理室に入射されるマイクロ波の電界エネルギーをほぼ同一にすることができる。

特開２００４−２００６４６号公報

しかし、近年、基板の大型化に伴い、スロット上部に配置される導波管９１も大型化し、その長手方向の長さが１ｍ以上もある場合が生じている。このため、導波管９１の長手方向に並んだスロットの数も２０個以上と非常に多くなる場合がある。このように導波管９１の長さおよびスロットの個数が多くなればなるほど、従来の方策によっても、マイクロ波の電界エネルギーが、各スロット９２から均等に供給されるように制御することが難しくなり、生成されるプラズマが導波管３０の長手方向にて不均一になる。

さらに、このようにして各スロット９２から出力されるマイクロ波の電界エネルギーにバラツキが生じると、プラズマは導体であるため、プラズマ内のインピーダンスが変動する。このようなインピーダンスの変動に対しては、インピーダンスの整合をとるためのチューナが設けられているが、プラズマ内のインピーダンスが常に変動すると、このインピーダンス整合が不安定な状態となり、ますます、各スロット９２から出力されるマイクロ波の電界エネルギーをほぼ同一にすることが難しくなる。この結果、大型基板を処理するプラズマ処理装置においては、従来の方策のみでは、導波管の長手方向にて生じるプラズマの不均一を解消することが困難になっていた。

上記問題を解消するために、本発明では、所望の波長可変物質を用いて導波管の長さを適正化することにより、均一なプラズマを生成する、新規かつ改良されたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法が提供される。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、マイクロ波を伝播させる導波管と、上記導波管に隣接した複数のスロットを有し、上記導波管を伝播したマイクロ波を上記複数のスロットに通すスロットアンテナと、上記導波管の内部に充填され、マイクロ波の管内波長λｇを第１の波長に変化させる第１の波長可変物質と、マイクロ波を反射する上記導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間に上記第１の波長可変物質に替えて挿入され、その挿入部分を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを第１の波長より短い第２の波長に変化させる第２の波長可変物質と、上記スロットアンテナに隣接して配置され、上記スロットアンテナの複数のスロットに通されたマイクロ波を透過させる複数枚の誘電体と、上記複数枚の誘電体を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する処理室と、を備えるプラズマ処理装置が提供される。

これによれば、導波管の内部に第１の波長可変物質が充填されるとともに、マイクロ波を反射する導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間に、第１の波長可変物質に替えて第２の波長可変物質が挿入され、これにより、第２の波長可変物質の挿入部分を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを第１の波長より短い第２の波長に変化させることができる。この結果、導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの物理的な特性上の距離（すなわち、マイクロ波の管内波長）を所望の長さに保持したまま、その間の機械的な距離（すなわち、実際の視覚的な距離）を短くすることができる。

このようにして、導波管の内部に単一の波長可変物質のみを充填していた従来に比べ、導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間の機械的な長さを短くすることができた結果、導波管の端面の下方近傍にて生じていたデッドスペース（図４（ａ）のデッドスペースＤ参照）を最小限に抑えることができる（図４（ｂ）参照）。これにより、従来、デッドスペースＤとなっていた導波管の端面の下方近傍にも誘電体を配設することができる。この結果、処理室の天井全面に対して、複数枚の誘電体をスロットに隣接した状態で等間隔に配置することができる。この結果、各スロットを介して各誘電体を透過するマイクロ波が、処理室の天井面に対して均一に供給され、処理室の天井面の下方に均一なプラズマを生成することができる。これにより、被処理体に所望のプラズマ処理を精度よく施すことができる。

上記第２の波長可変物質は、上記挿入部分を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを第１の波長より短い第２の波長に変化させることにより、上記導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間の物理的な特性上の長さを管内波長λｇの１／４に保持しながら、その間の機械的な長さを所望の長さに短縮させるようにしてもよい。

これによれば、導波管の端面とその端面に最も近いスロット中央との間の物理的な特性上の距離は、マイクロ波の管内波長λｇの１／４に保持される。これにより、マイクロ波の定在波の腹が、導波管の端面から最短のスロット中央に位置するため、その最短スロットを通して処理室に供給されるマイクロ波の電界エネルギーは、その位置における最大エネルギーとなる。この結果、その位置にて最大値をもつマイクロ波の電界エネルギーにより、プラズマ密度の高いプラズマを均一に生成することができる。

上記導波管は複数本備えられ、各導波管は、その端面にて他のいずれかの導波管の端面に対向して配置されていてもよい。

近年、図７に示したように複数本の導波管をスロットの上部に隣接して配置すると、基板の大型化（７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上）に伴い、導波管の長手方向が１ｍ以上となる場合が生じていた。このため、同一導波管の下部に位置するスロット数も２０個以上と非常に多くなる場合があり、前述した理由によって各スロットに通されたマイクロ波の電界エネルギーを同一にするように制御することが非常に難しくなっていた。

これに対して、本発明によれば、たとえば、図２に例示したように、各導波管の端面が他のいずれかの導波管の端面に対向して配置される。これにより、各導波管の長手方向の長さを従来の１／２にすることができる。これにより、その長手方向に並んだスロットの個数も従来の１／２にすることができる。この結果、長手方向に並んだ各スロットから供給されるマイクロ波の電界エネルギーを容易に同一に制御することができる。

なお、図２に示したプラズマ処理装置は、４台ずつ対面して設けられた８台のマイクロ波発生器（３４）から出力されるマイクロ波のパワーにより１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（Ｇ５基板サイズ）の基板Ｇを処理する。これに対し、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ（Ｇ４．５基板サイズ）の基板Ｇを処理する装置は、図示されていないが、図２のプラズマ処理装置を中央にて縦方向に半分に分割した構成、すなわち、導波管（３０）、チューナ（３８）およびマイクロ波発生器（３４）が図２のプラズマ処理装置の半分となった構成を有する。この装置に２台ずつ対面して設けられた４台のマイクロ波発生器３４から出力されるマイクロ波のパワーにより、Ｇ４．５基板サイズの基板Ｇは処理される。

一方、このように各導波管を対向して配置しても、前述したように、本発明によれば、導波管の端部近傍に第２の波長可変物質を挿入することにより、導波管の端面から最短スロット中央までの間の物理的な特性上の長さを管内波長λｇの１／４に保持しながら、その間の機械的な距離を短くすることができる（図４（ｂ）参照）。この結果、対向して配置された一方の導波管の端部に最も近いスロットから他方の導波管の端部に最も近いスロットまでの機械的な（実際の視覚的な）長さを、同一導波管の下部に位置するスロット間の機械的な（実際の視覚的な）距離にほぼ一致させることができるとともに、その最短スロットを通して処理室に供給されるマイクロ波の電界エネルギーをその位置における最大エネルギーとすることができる。

これにより、スロット下部に設けられた複数枚の誘電体は、処理室の天井全面に渡って等間隔に配置される。この結果、各スロットに通された同一かつ大パワーのマイクロ波を処理室の天井全面に渡って均一に供給することができ、これにより、処理室の天井全面に渡ってプラズマを均一かつ安定的に生成することができる。この結果、被処理体に所望のプラズマ処理を精度よく施すことができる。

上記第２の波長可変物質および上記第１の波長可変物質は、誘電体であり、上記第２の波長可変物質は、上記第１の波長可変物質より高い誘電率を有していてもよい。

マイクロ波の管内波長λｇは、λｇ＝λｃ／（ε）^１／２の式で表される。ここで、λｃは、自由空間における波長、εは誘電体の誘電率である。この式によれば、誘電体の誘電率εが高い程、管内波長λｇは短くなる。したがって、第１の波長可変物質より高い誘電率を有する誘電体である第２の波長可変物質を導波管の端面から最短スロット中央までの間に挿入することにより、導波管の内部に第１の波長可変物質のみを充填していた従来に比べ、その間の物理的な特性上の長さをマイクロ波の管内波長λｇの１／４に保持したまま、その間の機械的な長さを短くすることができる。これにより、導波管の端部下に生じていたデッドスペースＤをなくし、複数枚の誘電体を互いに等間隔に配置することができる。

上記各導波管は、その長手方向の軸に平行に並んだ２０個以内のスロットに隣接し、上記スロットとスロットとの間隔（すなわち、物理的な特性上の長さ）は、管内波長λｇの１／２であってもよい。

これによれば、同一導波管の長手方向に並んだスロット数が２０個以下になる。このため、その長手方向に並んだ各スロットから供給されるマイクロ波の電界エネルギーを容易に同一に制御することができる。これに加えて、スロット間の物理的な特性上の長さが、マイクロ波の管内波長λｇの１／２となる。このため、マイクロ波の定在波の腹が各スロットの中央に位置する。これにより、各スロットに通され、処理室に供給されるマイクロ波の電界エネルギーは、各スロットの位置における最大エネルギーとなる。この結果、各スロットの位置における最大値をもつマイクロ波の電界エネルギーにより、プラズマ密度が高くかつ均一なプラズマを生成することができる。

上記複数枚の誘電体には、被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されていてもよい。

これによれば、各誘電体に形成された凹部または凸部により、各誘電体下面にて表面波が伝播する際の電界エネルギーの損失を増加させることができる。これにより、表面波の伝播を抑え、定在波の発生を抑制し、より均一なプラズマを生成することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、内部に第１の波長可変物質が充填された導波管と、上記導波管に隣接した複数のスロットを有するスロットアンテナと、上記スロットアンテナに隣接して配置された複数枚の誘電体と、を備えるプラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法が提供される。このプラズマ処理方法は、上記導波管の内部に充填された第１の波長可変物質により、マイクロ波の管内波長λｇを第１の波長に変化させながらマイクロ波を伝播させ、上記導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間に上記第１の波長可変物質に替えて挿入された第２の波長可変物質により、その挿入部分を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを第１の波長より短い第２の波長に変化させながらマイクロ波を伝播させ、上記導波管を介して上記複数のスロットに通されたマイクロ波を上記複数枚の誘電体に透過させ、上記複数枚の誘電体を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する。

これによれば、導波管の内部に充填された第１の波長可変物質に替えて、導波管の端面から最短スロット中央までの間に第２の波長可変物質が挿入されているプラズマ処理装置を使用して、第２の波長可変物質の挿入部分を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを第１の波長より短い第２の波長に変化させることができる。この結果、導波管の内部が第１の波長可変物質のみで充填されていた従来に比べ、導波管の端面から最短スロット中央までの間の物理的な特性上の長さを所望の値に保ちながら、その間の機械的な長さを短くすることができる。これにより、従来、導波管の端面下方に生じていたデッドスペースＤをなくし、複数枚の誘電体を処理室の天井全面に等間隔に配置することができる。この結果、各スロットに通された同一パワーのマイクロ波を処理室の天井全面に渡って均一に供給することができ、これにより、処理室の天井全面に渡ってプラズマを均一かつ安定的に生成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、所望の波長可変物質を用いて導波管の長さを適正化することにより、均一なプラズマを生成することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一符号を付することにより、重複説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成について、図１および図２を参照しながら説明する。図１は、プラズマ処理装置を縦方向（ｙ軸に垂直な方向）に切断した断面図であり、図２は、プラズマ処理装置の処理室の天井面を示した図である。なお、本実施形態では、プラズマ処理装置の一例として、マイクロ波のパワーを用いてガスをプラズマ化することによりガラス基板（以下、基板という。）にプラズマ処理を施すマイクロ波プラズマ処理装置を例に挙げて説明する。

（マイクロ波プラズマ処理装置の構成）
マイクロ波プラズマ処理装置１００は、処理容器１０と蓋体２０とを備えている。処理容器１０は、その上部が開口された有底立方体形状を有している。処理容器１０および蓋体２０は、たとえば、アルミニウム等の金属からなり、電気的に接地されている。

処理容器１０には、その内部にて基板Ｇを載置するためのサセプタ１１（載置台）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なり、その内部には、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る。また、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す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圧により基板Ｇ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圧により基板Ｇ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、その外部周縁にはベローズ１５の一端が装着されている。また、ベローズ１５の他端は昇降プレート１６に固着されている。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。

サセプタ１１は、昇降プレート１６上に配設された筒体１７に支持されていて、昇降プレート１６および筒体１７と一体となって昇降し、これにより、サセプタ１１をプロセスに応じた高さに調整するようになっている。また、サセプタ１１の周囲には、処理室Ｕのガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板１８が設けられている。

処理容器１０の底部には、処理容器１０の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）が備えられている。真空ポンプは、ガス排出管１９を介して処理容器１０内のガスを排出することにより、処理室Ｕを所望の真空度まで減圧する。

蓋体２０には、蓋本体２１、導波管３０、複数のスロット３１を有するスロットアンテナ３２および複数枚の誘電体３３が設けられている。蓋本体２１の下面外周部と処理容器１０の上面外周部との接合面にはＯリング２５が配設されている。処理容器１０と蓋体２０とは、Ｏリング２５によって密閉され、これにより、プラズマ処理を施す処理室Ｕが形成されている。

導波管３０は、その断面形状が矩形状であり、図２に示したように、その一端にてチューナ３８を介してマイクロ波発生器３４が連結されている。チューナ３８（例えば、スタブチューナ）は、プラズマ内のインピーダンスの変動に対してその整合（マッチング）をとる。導波管３０は、二股に分岐され、２本の導波管となって、処理室Ｕの天井面中央にて終端するように蓋本体２１に配置されている。このようにして、蓋本体２１の内部には、ｘ軸方向に８本の導波管３０が並んで配置されると同時に、同一構成の導波管３０、チューナ３８およびマイクロ波発生器３４が、天井面中央のｘ軸に平行な軸を対称として反対側にも配置される。これにより、１６本の導波管３０は、２本の導波管３０がその端面にて互いに対向するように８本ずつ並んで配置されるとともに、８台のマイクロ波発生器３４が４台ずつ対面して設けられる。このように構成されたマイクロ波プラズマ処理装置１００の処理室Ｕでは、前述したように、１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（チャンバ内の径：１４７０ｍｍ×１５９０ｍｍ）の基板Ｇ（Ｇ５基板サイズ）が処理される。なお、本実施形態では、一つの導波管を２分岐させたが、これに限ることはなく、たとえば、１つのマイクロ波発生器３４に対して導波管３０が１対１に連結されていてもよい。

図２のＩ−Ｉ断面にてマイクロ波プラズマ処理装置１００を切断した図３に示したように、対向する導波管３０ａ、３０ｂの端面Ｃａ、Ｃｂの間には、反射板Ｍが設けられている。反射板Ｍは、アルミニウムなどの金属から構成されていて、導波管３０内を進行するマイクロ波をその端面Ｃにて反射させるようになっている。

各導波管３０の内部には、フッ素樹脂（たとえばテフロン（登録商標）；ＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、石英などの誘電部材が充填されていて、この誘電部材により、マイクロ波の管内波長λｇが、λｇ＝λｃ／（ε）^１／２にて示される値に制御されるようになっている。ここで、λｃは自由空間の波長、εは誘電部材の誘電率である。本実施形態では、導波管内に充填する誘電部材としてテフロン３５（図１参照）を挙げて説明する。

図１に示したスロットアンテナ３２は、各導波管３０の下部にて蓋本体２１と一体となって形成されている。スロットアンテナ３２は、アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料から形成されている。スロットアンテナ３２には、各導波管３０の下面にて、同一の導波管３０（たとえば、図２の導波管３０ａまたは導波管３０ｂ）に２６個のスロット３１（開口）が、各導波管３０の長手方向に２列に並んで１３個ずつ設けられている。各スロット３１の内部には、フッ素樹脂、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、石英などの誘電部材が充填されている。各スロット３１は、同一導波管内の長手方向のスロット間の間隔（物理的な特性上の距離）が管内波長λｇのほぼ１／２になるように位置づけられている。なお、各導波管３０の下面に形成されるスロット３１の個数は、２０個以内であれば上記個数に限られない。

スロットアンテナ３２の下部には、同一の導波管３０に対してタイル状に形成された１３枚の誘電体３３が、その長手方向が各導波管３０の長手方向に対して略垂直になるように等間隔に配置されている。各誘電体３３の上部には、２個のスロットがそれぞれ設けられている。以上の構成により、処理室Ｕの天井面には、全部で２０８枚（＝１３×１６）の誘電体３３が設けられている。

複数枚の誘電体３３は、石英ガラス、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、サファイア、ＳｉＮ、セラミックスなどの誘電材料により形成されている。なお、図示していないが、各誘電体３３には、基板Ｇと対向する面にて凹凸がそれぞれ形成されていてもよい。このように各誘電体３３に凹部または凸部の少なくともいずれかを設けることによって、誘電体下部にて生成される表面波が各誘電体３３の表面を伝播する際に、その電界エネルギーの損失を増加させ、これにより、表面波の伝播を抑止することができる。この結果、定在波の発生を抑制して、均一なプラズマを生成することができる。

各誘電体３３は、格子状に形成された梁３６によりその周縁にてそれぞれ支持されている。梁３６は、アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料にて形成されている。図１に示したように、梁３６は、その内部を貫通する複数のガス導入管３７を有している。

冷却水配管４０には、マイクロ波プラズマ処理装置１００の外部に配置された冷却水供給源４１が接続されていて、冷却水供給源４１から供給された冷却水が冷却水配管４０内を循環して冷却水供給源４１に戻ることにより、蓋本体２１は、所望の温度に保たれるようになっている。

ガス供給源４２は、マスフローコントローラ４３およびバルブ４４と連結し、さらに、ガスライン４５を介して複数のガス導入管３７に接続されている。ガス供給源４２は、マスフローコントローラ４３の開度およびバルブ４４の開閉をそれぞれ制御することにより所望の濃度のガスをガスライン４５から複数のガス導入管３７に通して、処理室Ｕ内に供給するようになっている。

以上に説明した構成により、図２に示した８つのマイクロ波発生器３４から出力された、たとえば、２．４５ＧＨｚ×８のマイクロ波は、各導波管３０を伝播し、各スロット３１に通され、さらに、各誘電体３３を透過して処理室Ｕ内に入射される。このようにして入射されたマイクロ波の電界エネルギーによってガス供給源４２から供給されたガスがプラズマ化されることにより、成膜等のプラズマ処理が基板Ｇに施されるようになっている。

（基板Ｇの大型化に伴う問題）
近年、基板Ｇのサイズは、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上と大型化し、これに伴って長手方向の長さが１ｍ以上もある導波管３０を蓋本体２１に配置しなければならない場合が生じていた。これにより、導波管３０下部に配置されるスロット３１の数も導波管３０の長手方向に２０個以上並んで配置される場合も生じていた。このように、導波管３０が大型化し、スロット３１の個数が非常に多くなると、図８に示したように、定在波の腹の位置とスロット中央の位置とをずらすことにより電界エネルギーを均一にする従来技術によっても給電制御が非常に難しくなり、その制御にバラツキが生じ、各スロット３１から出力されるマイクロ波の電界エネルギーをほぼ同一にすることが難しくなり、生成されるプラズマが導波管３０の長手方向にて不均一になる。

さらに、このようにして各スロット３１から出力されるマイクロ波の電界エネルギーにバラツキが生じると、プラズマは導体であるため、プラズマ内のインピーダンスが変動する。このようなインピーダンスの変動に対しては、インピーダンスの整合をとるためのチューナ３８が設けられているが、プラズマ内のインピーダンスが常に変動すると、このインピーダンス整合が不安定な状態となり、ますます、各スロット３１から出力されるマイクロ波の電界エネルギーをほぼ同一にすることが難しくなる。この結果、特に導波管３０の長手方向にて、生成されるプラズマが不均一になる。

（導波管の配置）
この問題を解消するために、発明者は、前述したように、１ｍ以下の導波管３０をその端面にて対向させて複数本並べて配置することとした。このようにして、発明者は、マイクロ波の給電を制御する単位を、図２のＢ１〜Ｂ８にて示した８つのブロック（すなわち、１つのマイクロ波発生器３４から出射されたマイクロ波が伝播する範囲）に分けた。これにより、図２および図３に示したように、発明者は、各導波管３０の長さは従来の半分になった。

また、発明者は、導波管下部にて導波管３０の長手方向に１３個のスロット３１を設け、それらのスロット３１下部に１３枚の誘電体３３を設けた。これにより、導波管３０の長手方向の長さは１ｍ以下、同一導波管の長手方向に並べられたスロット３１の数は２０個以下とすることができた。この結果、発明者は、同一導波管３０の長手方向に並んだ複数のスロット３１から供給されるマイクロ波の電界エネルギーを容易に同一に制御することができる単位毎に各導波管３０および各スロット３１を配置することができた。

（対向する導波管の端面にて生じる問題）
ところが、このように各導波管３０をその端面にて対向するように配置すると、図３の導波管３０の端部近傍の拡大図である図４のうち、図４（ａ）にて示したように、各導波管３０の端面下方にスロット３１および誘電体３３を配置することができないデッドスペースＤが生じてしまう。その理由を以下に述べる。なお、図４（ａ）（ｂ）の上図は導波管３０の平面図であり、図４（ａ）（ｂ）の下図は導波管３０、スロットアンテナ３２、誘電体３３の断面図である。

導波管３０ａ、３０ｂの端面（反部）Ｃａ、Ｃｂから各端面Ｃａ、Ｃｂに最も近いスロット３１ａ１、３１ｂ１の中央までの物理的な物性上の長さは、マイクロ波の管内波長λｇの１／４に保つ必要がある。これは、マイクロ波の進行波とその反射波との合成波である定在波の腹をスロット３１ａ１、３１ｂ１の中央に位置させることにより、スロット３１ａ１、３１ｂ１に通され、その下部に位置する誘電体３３ａ１、３３ｂ１を透過して処理室Ｕに供給されるマイクロ波の電界エネルギーを、その位置における最大エネルギーとするためである。

ここで、導波管３０の内部には、図４（ａ）に示したようにテフロン３５のみが充填されている。前述したように、マイクロ波の管内波長λｇは、λｇ＝λｃ／（ε）^１／２で表される。ここで、λｃは、自由空間（真空状態）における波長、εは誘電体の誘電率である。テフロン３５の誘電率は２、自由空間における波長λｃは１２０ｍｍであるから、導波管３０の内部にテフロン３５のみを充填した場合の管内波長λｇ_１は、式（１）にて求められる。
λｇ_１＝１２０／（２）^１／２・・・（１）

よって、λｇ／４＝λｇ_１／４＝２１．３ｍｍであるから、導波管３０ａ、３０ｂの端面Ｃａ、Ｃｂの下方には、スロット３１および誘電体３３を配置することができないデッドスペースＤが生じてしまう。

しかし、このようなデッドスペースＤが各導波管の端面Ｃの下方に存在すると、デッドスペースＤ下方のプラズマ密度が、処理室の天井面の他の部分のプラズマ密度より低くなり、生成されるプラズマが不均一になる。これは、デッドスペースＤの下方にスロットおよび誘電体を配置することができないため、デッドスペースＤにマイクロ波を透過させることができないためである。

より詳しく説明すると、同一導波管３０の長手方向に並んだ、たとえば、スロット３１ａ１〜３１ａ４、スロット３１ｂ１〜３１ｂ４の各スロット間は等間隔であるのに対し、導波管３０ａ、３０ｂの両端Ｃａ、Ｃｂから最短のスロット３１ａ１、３１ｂ１の間は、デッドスペースＤの存在により他のスロット間の間隔より長くなる。この結果、たとえば、誘電体３３ａ１〜３３ａ４、誘電体３３ｂ１〜３３ｂ４の各誘電体３３は、各スロット３１の下部にて導波管３０の長手方向に平行な軸上に等間隔に配置されるが、デッドスペースＤには誘電体を配置することができず、誘電体３３ａ１と誘電体３３ｂ１との間隔だけは他の誘電体同士の間隔に比べて離れてしまう。これにより、デッドスペースＤにマイクロ波を透過させることができないため、デッドスペースＤの下方のプラズマ密度が、処理室の天井面の他の部分のプラズマ密度より極端に低くなる。この結果、生成されるプラズマが不均一になる。このようにして、生成されるプラズマに不均一が生じると、大型化された基板Ｇに、たとえば、良質な成膜処理等のプラズマ処理を施すことができない。

（導波管の機械的な長さの適正化）
そこで、このような導波管端部近傍でのプラズマの不均一を解消するために、発明者は、導波管３０ａ、３０ｂの端面Ｃａ、Ｃｂからその端面Ｃａ、Ｃｂに最も近いスロット３１ａ１、３１ｂ１の中央までの間のいずれかの部分（図４（ｂ）では導波管３０の端部）に、テフロン３５に替えてアルミナ５０を挿入することにより、処理室の天井全面に対して誘電体３３を等間隔に配置できないかと考えた。これは、アルミナ５０が挿入された導波管３０を伝播するマイクロ波の管内波長λｇ_２を、テフロン３５が充填された導波管３０を伝播するマイクロ波の管内波長λｇ_１より短くすることにより、導波管３０の端面Ｃからその端面に最も近いスロット中央までの物理的な特性上の長さを管内波長λｇの１／４に保持しながら、その間の導波管３０の機械的な長さを短縮し、これにより、天井全面に対して誘電体３３を等間隔に配置するという着想である。具体的には、アルミナ５０を充填した場合の導波管３０の管内波長λｇ_２は、テフロン３５を充填した場合の導波管３０の管内波長λｇ_１（＝λｃ／（２）^１／２）に対して、式（２）にて示されるように短くなる。
λｇ_２＝λｃ／（９）^１／２・・・（２）

この着想に従い、発明者は、導波管の端面Ｃの近傍にどの程度の量（幅）のアルミナ５０を充填させれば、処理室Ｕの天井面に対して２０８枚の誘電体３３を等間隔に配置することができるのかについてのシミュレーションを行った。そのときのシミュレーションモデルでは、そのモデルを図５（ａ）（ｂ）に示したように、導波管３０の短手方向の幅が１８ｍｍ、スロット３１の短手方向の幅を１６ｍｍ、スロット３１の長手方向の幅を２０．８ｍｍ、導波管３０の端部に充填されたアルミナ５０の端部形状をＲ３（半径３ｍｍ）とした。また、図４（ａ）（ｂ）に示したように、導波管３０の高さを８２ｍｍ、スロット３１の高さを２２ｍｍとした。また、導波管３０の端部Ｃから最短スロット３１中央までの長さを２１．３ｍｍとした。したがって、端面Ｃから最短スロットまでの最短距離は、１０．９（＝２１．３−２０．８／２）ｍｍとなる。

図５（ａ）に示したように、導波管３０がテフロン３５のみで充填されている場合、自由空間における機械的な長さ１０．９ｍｍに対する物理的な特性上の長さを表すマイクロ波の管内波長λｇｔ_１（マイクロ波から見た長さ）は、次式にて求められる。
λｇｔ_１＝１０．９／（２）^１／２・・・（３）

ここで、自由空間における１波長λｃに対する自由空間における端面Ｃから最短スロット３１までの距離１０．９ｍｍの比（機械的な長さの比）は、導波管内を伝播するマイクロ波から見た１波長（管内波長）λｇに対する端面Ｃから最短スロットまでの管内波長λｇｔ_１の比（物理的な特性上の長さの比）に等しい。よって、λｇｔ_１／λｇ＝１０．９／λｃであるから、これを式（３）に代入すると、
λｇｔ_１＝（１０．９／λｃ）×λｇ・・・（４）

式（４）を式（３）に代入すると、
１０．９＝（２）^１／２×λｇｔ_１
＝（２）^１／２×（１０．９／λｃ×λｇ）
＝（（２）^１／２×１０．９／１２０）×λｇ・・・（５）

ここで、加工上の問題から、導波管端部の形状やスロットの形状に若干の丸みがあることを考慮すると、式（５）はつぎのように変形される。
１０．９≒０．１０７λｇ・・・（６）

つぎに、図５（ｂ）に示したように、導波管３０の端部にテフロン３５に替えてアルミナ５０を挿入した場合、アルミナ５０が挿入された、（自由空間における）機械的な長さ３．８０７ｍｍに対する物理的な特性上の長さ（マイクロ波の管内波長λｇａ）は、次のように求められる。
λｇａ＝３．８０７／（９）^１／２
これにより、３．８０７＝３×λｇａ＝３×（３．８０７／λｃ×λｇ）・・・（７）

加工上の問題から、アルミナ５０の端部形状にＲ３の丸みがあることなどを考慮すると、式（７）はつぎのように変形される。
３．８０７≒０．０７７５λｇ・・・（８）

また、テフロン３５が充填された、（自由空間における）機械的な長さ３ｍｍに対する物理的な特性上の長さ（マイクロ波の管内波長λｇｔ_２）は、次のように求められる。
λｇｔ_２＝３／（２）^１／２・・・（９）

式（９）を変形すると、
３＝（２）^１／２×λｇｔ_２＝（２）^１／２×（３／λｃ×λｇ）・・・（１０）

加工上の問題を考慮すると、式（１０）はつぎのように変形される。
３≒０．０２９４λｇ・・・（１１）

ここで、導波管３０の端面Ｃから最短スロット３１中央までの物理的な特性上の長さは、アルミナ５０を挿入した場合にも管内波長λｇの１／４に保持される。これにより、式（６）、式（８）および式（１１）を用いて、つぎの式が算出される。
０．１０７λｇ（テフロンのみ充填されている場合）＝０．０７７５λｇ＋０．０２９４λｇ（テフロンおよびアルミナが充填されている場合）・・・（１２）
＝０．１０７λｇ

このようにして、発明者は、式（１２）の右辺と左辺とが一致すること（言い換えれば、端面Ｃから最短スロット３１中央までの物理的な特性上の長さを管内波長λｇの１／４に保つこと）を前提条件に、複数枚の誘電体３３を処理室の天井全面に渡って等間隔に配置するためには、自由空間におけるアルミナの長さを３．８０７ｍｍ、自由空間におけるテフロンの長さを３ｍｍにすればよいとのシミュレーション結果を得ることができた。

このように、導波管３０の端部近傍にてアルミナ３．８０７ｍｍ、テフロン３ｍｍを充填することにより導波管３０の端部を４．０９３ｍｍ（＝１０．９−３．８０７−３）短縮したときの導波管の各位置での電界エネルギーを図６の実線にて示す。また、テフロン３５のみが充填されている場合を図６の点線にて示す。これによれば、テフロンおよびアルミナが充填されている場合（実線）とテフロンのみが充填されている場合（点線）とでは、導波管の端部近傍の位置（図６のＱ）における電界エネルギーの変位は、ほぼ一致していることがわかる。これにより、発明者は、テフロン３５のみが導波管３０に充填されている場合であっても３ｍｍのテフロン３５および３．８０７ｍｍのアルミナ５０が導波管３０の端部近傍に充填されている場合であっても、マイクロ波の各々の異なる誘電体における管内波長λｇはほぼ一致していることを確認することができた。

以上に説明したシミュレーションにより、発明者は、導波管３０の端面Ｃからその端面Ｃに最も近いスロット３１までの間に充填されるアルミナ５０およびテフロン３５の最適値は、３．８０７ｍｍおよび３ｍｍであることを証明した。

この結果、導波管３０の端面Ｃからその端面に最も近いスロット中央までの物理的な特性上の長さを管内波長λｇの１／４に保持しながら、その間の導波管３０の機械的な長さを最適な長さに短縮することにより、天井全面に対して誘電体３３を等間隔に配置するという巧妙な着想に基づき、導波管３０の内部がテフロン３５のみで充填されていた従来に比べ、導波管３０の端面Ｃから最短スロット３１の中央までの物理的な特性上の長さを管内波長λｇの１／４に保ちながら、その間の機械的な長さを約４．１ｍｍ短くすることができた。これにより、従来、導波管３０の端面Ｃ下方に生じていたデッドスペースＤをなくし、複数枚の誘電体３３を処理室Ｕの天井全面に等間隔に配置することができた。

この結果、各スロット３２に通された同一パワーのマイクロ波を処理室Ｕの天井全面に渡って均一に供給することができ、これにより、処理室Ｕの天井全面に渡ってプラズマを均一かつ安定的に生成することができた。これにより、基板Ｇに、良質な成膜処理等の所望のプラズマ処理を精度よく施すことができた。

なお、以上に説明したテフロン３５は、マイクロ波の管内波長λｇを第１の波長に変化させる第１の波長可変物質の一例である。また、アルミナ５０は、マイクロ波の管内波長λｇを第２の波長に変化させる第２の波長可変物質の一例である。よって、第１および第２の波長可変物質はテフロン３５およびアルミナ５０に限られず、第２の波長可変物質が、第１の波長可変物質より高い誘電率εを有する誘電体であるという関係を有していれば、いずれの物質であってもよい。

また、マイクロ波プラズマ処理装置１００を用いてプラズマ処理される基板Ｇのサイズは、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上であればよい。たとえば、前述したように、図２に示したマイクロ波プラズマ処理装置１００では、４台ずつ対面して設けられた８台のマイクロ波発生器３４から出力されるマイクロ波のパワーにより、１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（チャンバ内の径：１４７０ｍｍ×１５９０ｍｍ）の基板Ｇ（Ｇ５基板サイズ）がプラズマ処理された。しかし、これに限られず、図２のプラズマ処理装置を中央にて縦方向に半分に分割した構成、すなわち、導波管３０、チューナ３８およびマイクロ波発生器３４が図２のプラズマ処理装置の半分となった構成を有するプラズマ処理装置を用いて、２台ずつ対面して設けられた４台のマイクロ波発生器３４から出力されるマイクロ波のパワーにより、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ（チャンバ内の径：１０００ｍｍ×１１９０ｍｍ）の基板Ｇ（Ｇ４．５基板サイズ）をプラズマ処理するようにしてもよい。

上記実施形態において、各部の動作はお互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作として置き換えることができる。そして、このように置き換えることにより、プラズマ処理装置の発明の実施形態をそのプラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法の実施形態とすることができる。

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、本発明にかかるプラズマ処理装置では、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理などのあらゆるプラズマ処理が実行可能である。

本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置のｙ軸に垂直な縦断面図である。 同実施形態にかかるプラズマ処理装置の処理室内部の天井面を示した図である。 図２のＩ−Ｉ面にてプラズマ処理装置を切断したときの蓋本体近傍の縦断面図である。 図４（ａ）は、テフロンのみが充填された導波管端部近傍を示した図であり、図４（ｂ）は、テフロンおよびアルミナが充填された導波管端部近傍を示した図である。 図５（ａ）は、導波管にテフロンのみが充填された場合のシミュレーションモデルおよびシミュレーション結果を示した図であり、図５（ｂ）は、導波管にテフロンおよびアルミナが充填された場合のシミュレーションモデルおよびシミュレーション結果を示した図である。 導波管にテフロンのみが充填された場合および導波管にテフロンおよびアルミナが充填された場合で管内波長が一致することを証明するためのグラフである。 関連するプラズマ処理装置の天井面に配置された導波管の一例である。 図８（ａ）は、図７のＩＩ−ＩＩ面にてプラズマ処理装置を切断したときの縦断面図であり、図８（ｂ）は、処理室内の各位置における電界エネルギーの状態を示した図である。

符号の説明

１００ マイクロ波プラズマ処理装置
１１ サセプタ
２１ 蓋本体
３０、３０ａ、３０ｂ 導波管
３１ スロット
３２ スロットアンテナ
３３ 誘電体
３４、９４ マイクロ波発生器
３５ テフロン
３６ 梁
３７ ガス導入管
３８ チューナ
４２ ガス供給源
５０ アルミナ
９０、９１ 導波管
９２ スロット
９３ 誘電体
Ｕ 処理室
Ｍ 反射板
Ｃ 導波管の端面

Claims (9)

1. マイクロ波を伝播させる導波管と、
   前記導波管に隣接した複数のスロットを有し、前記導波管を伝播したマイクロ波を前記複数のスロットに通すスロットアンテナと、
   前記導波管の内部に充填され、マイクロ波の管内波長λｇを第１の波長に変化させる第１の波長可変物質と、
   マイクロ波を反射する前記導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間に前記第１の波長可変物質に替えて挿入され、その挿入部分を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを第１の波長より短い第２の波長に変化させる第２の波長可変物質と、
   前記スロットアンテナに隣接して配置され、前記スロットアンテナの複数のスロットに通されたマイクロ波を透過させる複数枚の誘電体と、
   前記複数枚の誘電体を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する処理室と、を備えるプラズマ処理装置。
2. 前記導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間の長さは、前記マイクロ波の管内波長λｇの１／４である請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
3. 前記導波管は、複数本備えられ、
   各導波管は、
   その端面にて他のいずれかの導波管の端面に対向して配置される請求項１または請求項２のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
4. 前記第２の波長可変物質および前記第１の波長可変物質は、誘電体であり、
   前記第２の波長可変物質は、
   前記第１の波長可変物質より高い誘電率を有する請求項１〜３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
5. 前記複数枚の誘電体は、
   前記導波管に前記第２の波長可変物質を挿入することにより、互いに等間隔に配置される請求項１〜４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
6. 前記各導波管は、
   その長手方向に平行な軸上に並んだ２０個以内のスロットに隣接し、
   前記スロットとスロットとの間隔は、前記マイクロ波の管内波長λｇの１／２である請求項３〜５のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
7. 前記複数枚の誘電体には、
   被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成される請求項１〜６のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
8. 被処理体は、７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上である請求項１〜７のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
9. 内部に第１の波長可変物質が充填された導波管と、前記導波管に隣接した複数のスロットを有するスロットアンテナと、前記スロットアンテナに隣接して配置された複数枚の誘電体と、を備えるプラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
   前記導波管の内部に充填された第１の波長可変物質により、マイクロ波の管内波長λｇを第１の波長に変化させながらマイクロ波を伝播させ、前記導波管の端面からその端面に最も近いスロット中央までの間に前記第１の波長可変物質に替えて挿入された第２の波長可変物質により、その挿入部分を伝播するマイクロ波の管内波長λｇを第１の波長より短い第２の波長に変化させながらマイクロ波を伝播させ、
   前記導波管を介して前記複数のスロットに通されたマイクロ波を前記複数枚の誘電体に透過させ、
   前記複数枚の誘電体を透過したマイクロ波によりガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法。
   

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