JP4918592B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理装置の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関し、特に、電磁波の伝搬を制御する機構を備えたプラズマ処理装置に関する。

電磁波を用いて生成されるプラズマのうち、マイクロ波プラズマは、誘電体板を介してマイクロ波を減圧状態の処理室内に導入することにより発生する。マイクロ波プラズマ処理装置では、プラズマの電子密度ｎ_ｅが、カットオフ密度ｎ_ｃよりも高い場合、マイクロ波は、プラズマ内に入り込むことができず、誘電体板とプラズマとの間を伝搬する。伝搬中、マイクロ波の一部は、エバネッセント波としてプラズマに吸収され、プラズマの維持に使われる。このようにして、誘電体板とプラズマとの間を伝搬するマイクロ波は、表面波と言われている。

表面波では、マイクロ波の周波数、プラズマの電子密度、誘電体板の形状やサイズ、誘電体板の誘電率などにより励起される伝搬モードが決定される。一般に、プラズマを発生させるための励起手段としては、２．４５ＧＨｚのマイクロ波が用いられ、このマイクロ波から誘電体板の直下に生成される表面波は、一般にマルチモードの重ね合わせとして表現される。特に、被処理体の処理に好適な、１×１０^１１ｃｍ^−３〜１×１０^１２ｃｍ^−３程度の電子密度の領域では多数の表面波のモードが集中する。

一方、表面波のモードは、プラズマの電子密度に対して離散的である。よって、マルチモードから生成された表面波からは、処理に適しない不均一なプラズマが生成される可能性がある。

これに対して、誘電体板の基板側の面に隣接して複数の線状突起を有する導体板を配設することにより伝搬モードを制御する技術が開示されている（たとえば、特許文献１を参照。）。これによれば、マイクロ波が処理室へと導入される際、マイクロ波は、導体板の線状突起を避けてスロットを選択的に通過する。このとき、モードの選択が行われ、これにより、生成されるプラズマの均一性を高めることができる。

特開２０００−２７３６４６号公報

しかしながら、低周波数の電磁波をプラズマ処理装置に供給した場合、誘電体板とプラズマとの間を伝搬する表面波（以下、表面波という）だけでなく、処理容器内面の金属面とプラズマとの間を伝搬する表面波（以下、導体表面波という）が発生する。導体表面波は、プラズマ中の電子密度がカットオフ密度ｎ_ｃの２倍より低いと伝搬することができない。カットオフ密度ｎ_ｃは電磁波の周波数の二乗に比例するので、導体表面波は周波数が低く、電子密度が高くないと伝搬することができない。さらに、導体表面波は、周波数が低いほど減衰しにくい特徴がある。

プラズマの生成に一般的に用いられている２４５０ＭＨｚの周波数においては、カットオフ密度ｎ_ｃの値が７．５×１０^１０ｃｍ^−３となり、電子密度が１．５×１０^１１ｃｍ^−３以上でないと導体表面波が伝搬しない。たとえば、表面付近の電子密度が１×１０^１１ｃｍ^−３程度の低密度プラズマでは、導体表面波は全く伝搬しない。電子密度がもっと高い場合でも、減衰が大きいため導体表面波の伝搬があまり問題にならないことが多い。

一方、たとえば９１５ＭＨｚの周波数では、表面付近の電子密度が１×１０^１１ｃｍ^−３程度の低密度プラズマでも導体表面波が処理室の内面を長く伝搬する。

よって、低周波の電磁波を利用してプラズマ処理を実行する場合には、従来から行われていた表面波の伝搬を制御する手段に加え、導体表面波の伝搬を制御する手段を講じる必要がある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、金属により形成された処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記処理容器の内壁に面し、前記電磁波源から出力された電磁波を前記処理容器内に透過する誘電体板と、前記処理容器の内面に設けられた伝搬障害部とを備えるプラズマ処理装置が提供される。

図８に示したように、導体表面波ＴＭは、溝３００ａに到達すると、溝３００ａの底面を伝搬する導体表面波ＴＭ_１１と溝３００ａをジャンプしてプラズマ中を直接伝わる透過波ＴＭ_１２とに分配される。導体表面波ＴＭ_１１と透過波ＴＭ_１２とは、溝３００ａの端部Ｐにて再び合流する。その際、導体表面波の一部は反射し、反射波（導体表面波ＴＭ_２２）となり、残りは、進行波（導体表面波ＴＭ_２１）となってさらに伝搬していく。

このとき、導体表面波ＴＭ_１１と透過波ＴＭ_１２との位相が１８０度ずれていると、合流地点Ｐでこの２つの波はうち消し合って、ほぼ全反射する。このとき、進行波（導体表面波ＴＭ_２１）は存在しない、すなわち、導体表面波ＴＭは溝３００ａの先に伝搬しない。

このように、前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波を抑制する機構を有する。これにより、導体表面波が処理容器の内面に沿って被処理体の周囲まで伝搬し、処理の均一性が損なわれることを回避することができる。また、誘電体板間を導体表面波が伝搬し、互いに干渉してプラズマの均一性や安定性が損なわれることを回避することができる。また、被処理体の処理に使用できない位置にプラズマが立つことにより、電磁波のエネルギーが無駄に消費されることを防止することができる。さらに、導体表面波のエネルギーにより機器が損傷する恐れがある領域へ導体表面波が伝搬することを抑制することができる。

なお、処理容器の内面としては、たとえば、プラズマが接する処理容器の内壁の金属面、処理容器の内壁のうち被処理体をプラズマ処理する空間を画成する内壁の金属面、被処理体が載置された位置より上部（誘電体板側）に位置する処理容器の内壁の金属面が挙げられる。

前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の少なくとも一部を反射させる溝部を含んでいてもよい。前記溝部は、前記処理容器の内面において前記誘電体の周囲を取り囲むように設けられていてもよい。また、前記溝の断面が概ね矩形であり、前記溝の幅Ｗと深さＤが、０．２６＜Ｄ／Ｗ＜２．３の関係を満たしていてもよい。導体表面波が、溝にてどの程度減衰するかをシミュレーションにより求めた結果、図９及び図１０に示したように、導体表面波の９０％が減衰する（つまり、導体表面波の９０％が溝で反射し、導体表面波の１０％だけが溝を超えて伝搬する）場合のアスペクト比Ｄ／Ｗは、下限値０．２６および上限値２．３であった。この結果から、溝の形状（Ｄ／Ｗ）を０．２６＜Ｄ／Ｗ＜２．３と適正化することにより、溝によって導体表面波の伝搬を抑制することができる。

前記溝の幅が、電磁波のプラズマへの進入長の２倍よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さの２倍よりもよりも大きくてもよい。溝の幅Ｗがシース厚さｄ_Ｓの２倍以下である場合（２ｄ_Ｓ≧Ｗ）、図１１Ａに示したように、溝の内部空間はすべてシース領域となる。この結果、溝を設けてもシース厚さｄ_Ｓに段差が生じず、導体表面波ＴＭにとっては、溝はないものと同じになる。したがって、溝によって導体表面波の伝搬が抑制されるためには、図１１Ｂのように、溝の幅Ｗはシース厚さの２倍より大きいほうがよい。

電磁波の進入長δは、電磁波を入射したとき、電磁波がどれだけプラズマ内部に入射可能であるかを示す。よって、図１２Ａに示したように、溝の幅Ｗが、進入長δの２倍以上の場合（２δ≦Ｗ）、導体表面波ＴＭ_１２は、進入長δより深くプラズマ内部に入り込むことができず、溝を飛び越えて伝搬することができない。この結果、溝を設けても端部Ｐにて導体表面波の反射が起きず、導体表面波ＴＭ_１１はその伝搬を抑制されることなく溝の先に進行していく（導体表面波ＴＭ_２１）。したがって、溝によって導体表面波の伝搬が抑制されるためには、図１２Ｂのように、溝の幅Ｗは、電磁波の進入長の２倍より小さいほうがよい。

前記溝のコーナ部の曲率半径は、処理容器の内面とプラズマとの間を伝搬する電磁波の波長λの１／４０よりも小さくてもよい。

導体表面波が一箇所の曲率半径Ｒのコーナ部を通過するときの透過量をシミュレーションにより計算した結果を図１３に示す。電子密度ｎ_ｅは１×１０^１２ｃｍ^−３、プラズマ電位は２４Ｖに設定した。このときのシース厚ｔは０．０７ｍｍ、導体表面波の波長λは３０．４ｍｍ、進入長δは５．３ｍｍである。

導体表面波の透過量は、曲率半径が０ｍｍ、すなわちコーナ部が直角の場合に最も小さく、曲率半径Ｒの増加とともに大きくなることが分かる。コーナ部が直角の場合の透過量に対して１０％透過量が増加するまでであれば、溝３００ａは、伝搬抑制機能を有しているとすれば、コーナ部の曲率半径が０．７７ｍｍまでが許容範囲となる。０．７７ｍｍは、導体表面波ＴＭの波長３０．４ｍｍの約１／４０（＝０．７７／３０．４）である。以上のシミュレーション結果および考察から、発明者らは、溝３００ａのコーナ部の曲率半径Ｒが、導体表面波ＴＭの波長λの１／４０よりも小さい必要があると結論付けた。

前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の少なくとも一部を反射させる凸部を含んでいてもよい。前記凸部は、前記処理容器の内面において前記誘電体の周囲を取り囲むように設けられていてもよい。図１４に示したように、凸部３００ｂの表面に沿った導体表面波ＴＭの伝搬について、４つの角Ｃ_１〜Ｃ_４はインピーダンスの不連続点、角Ｃ_１〜Ｃ_４間の３つの平面部はある特性インピーダンスを持った伝送線路とみなされ、４つのインピーダンスの不連続点が３つのある長さの伝送線路で結合された伝送線路フィルタと考えることができる。単一の角Ｃ_１〜Ｃ_４のみでは、導体表面波ＴＭを十分反射させることができなくても、凸部３００ｂの平面部の長さ（伝送線路の長さ）を最適化することにより全体として小さな透過量を実現することができる。

凸部の高さを必要以上に高くすると、凸部の壁面にてプラズマの電子とイオンが再結合し、プラズマ密度が低くなるため、凸部の高さはなるべく低くした方が良い。しかしながら、凸部の高さはシース厚さよりも高い必要がある。導体表面波ＴＭが凸部を段差として捉えることができる高さでなければ、凸部は、伝搬抑制機能を発揮し得ないためである。また、伝送線路の反射係数の位相は、電磁波の波長の１／２の長さで３６０°回転するから、凸部の高さが導体表面波ＴＭの波長の１／２以下で全てのインピーダンスが実現できる。

よって、前記凸部の断面は、概ね矩形の場合、前記凸部の高さが、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の波長の１／２よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さよりも大きいほうがよい。

なお、溝の形状としては、その断面が概ね矩形状、概ね半円状、概ねテーパ状であってもよい。また、凸部の形状としては、その断面が概ね矩形状、Ｃ字状、Ｔ字状であってもよい。

前記誘電体板は、複数の誘電体板から構成され、前記伝搬障害部は、各誘電体板をそれぞれ囲むように前記処理容器の内面に設けられていてもよい。これによれば、各誘電体板の下部に生成された表面波が、処理容器の内面まで伝搬し、導体表面波となって隣接する誘電体板近傍まで伝搬することを回避することにより、プラズマの均一性を高めることができる。

前記伝搬障害部は、前記複数の誘電体板の全体を囲むように前記処理容器の内面に設けられていてもよい。このとき、前記伝搬障害部は、前記処理容器の開口を囲むように前記処理容器の内面に設けられていてもよい。また、前記伝搬障害部は、前記処理容器の内壁に設けられた機器を囲むように前記処理容器の内面に設けられていてもよい。

これによれば、適切な位置に設けられた溝や凸部によって、処理容器の内壁に設けられたゲートバルブやビューポートなどの機器が導体表面波のパワーにより故障したり破損したりすることを防止することができる。また、誘電体板間を導体表面波が伝搬し、互いに干渉してプラズマの均一性が損なわれることを回避することができる。さらに、被処理体の処理に使用できない位置にプラズマが立つことにより、電磁波のエネルギーが無駄に消費されることを防止することができる。

前記複数の誘電体板は、それぞれ略正方形に形成され、等間隔に配置されていてもよい。前記伝搬障害部は、前記複数の誘電体板の間に位置する処理容器の内面に等間隔に形成されていてもよい。また、前記誘電体板は円周または多角形を構成するように連続してまたは不連続に延在して配置され、前記円周または多角形の内部の中心部を囲むように前記伝搬障害部が前記処理容器の内面に設けられていてもよい。これによれば、対称性のある複数の誘電体から導入された電磁波によりプラズマを均一に生成するとともに、複数の誘電体板の間に位置する伝搬障害部によって、導体表面波の伝搬を抑制することにより、さらにプラズマを均一に生成することができる。

前記伝搬障害部は、隣り合う誘電体板の外周面から等間隔の位置に設けられていてもよい。これによれば、誘電体板間を導体表面波が伝搬し、互いに干渉してプラズマの均一性や安定性が損なわれることを回避することができる。

前記電磁波源は、周波数が１．９ＧＨｚ以下の電磁波を出力してもよい。図７に示すように、１．９ＧＨｚ以下の周波数では、導体表面波が処理容器の内面に沿って被処理体の周囲まで伝搬し、被処理体の周囲に意図しないプラズマを生成して処理に悪影響を及ぼすことがあり、伝搬障害部が特に有効に機能する。

前記溝部や凸部は、概ね平行に複数設けられていてもよい。また、前記溝部や凸部は、前記溝部の断面が小さくなる程、前記金属電極から遠い位置に形成されてもよい。

図１０に示したように、電子密度によって最適な溝のサイズやアスペクト比が異なる。このため、サイズやアスペクト比が異なる複数の溝を並べて配置することにより、より広い電子密度の範囲に対応することができる。また、同じサイズの溝を複数並べて配置することにより、導体表面波の伝搬をより確実に抑制することができる。

また、図１８に示したように、導体表面波ＴＭには基本波成分の他に高調波成分も含まれている。よって、高調波用の溝又は凸部を基本波用の溝又は凸部と異なる位置に設けると好ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、周波数が１．９ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、前記導体棒を伝送した電磁波を処理容器の内壁に面した誘電体板に透過させることにより、前記電磁波を前記処理容器内に伝送させ、処理容器の内面に設けられた伝搬障害部により導体表面波の伝搬を制御しながら、電磁波により前記処理容器に導入された処理ガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法が提供される。

また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、周波数が１．９ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、前記導体棒を伝送した電磁波を処理容器の内壁に面した誘電体板に透過させることにより、前記電磁波を前記処理容器内に伝送させ、処理容器の内面に設けられた伝搬障害部により導体表面波の伝搬を制御しながら、電磁波により前記処理容器に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法が提供される。

これらによれば、例えば１．９ＧＨｚ以下の周波数の電磁波として９１５ＭＨｚの周波数のマイクロ波を利用した場合、２４５０ＭＨｚの周波数のマイクロ波を利用した場合と比べて、安定で電子温度が低いプラズマを得るための下限の電子密度を約１／７とすることができ、これまで使えなかったより広範囲な条件でプラズマ処理に適したプラズマが得られるようになり、処理装置の汎用性を著しく向上させることができる。この結果、一台の処理装置で処理条件が異なる複数の連続した処理を行うことが可能になり、高品質な製品を短時間に低コストで製造することが可能になる。

本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置の縦断面図である。 同実施形態にかかるプラズマ処理装置の天井面を示した図である。 天井面の拡大図である。 同実施形態にかかるプラズマ処理装置の分岐板近傍を拡大した断面図である。 同実施形態にかかる金属電極近傍を拡大した断面図である。 導体表面波の伝搬モデルの説明図である。 導体表面波の減衰量の周波数依存性を示すグラフである。 溝を伝搬する導体表面波の説明図である。 電子密度を変化させて溝のＤ／Ｗと透過量との関係を示したグラフである。 溝の幅を変化させて溝のＤ／Ｗと透過量との関係を示したグラフである。 溝の幅とシース厚さとの関係を説明するための図である。 溝の幅とシース厚さとの関係を説明するための図である。 溝の幅と進入長との関係を説明するための図である。 溝の幅と進入長との関係を説明するための図である。 曲率半径と透過量との関係を示したグラフである。 凸部を伝搬する導体表面波を説明するための図である。 伝搬障害部の他の例である。 伝搬障害部の他の例である。 伝搬障害部の他の例である。 伝搬障害部の他の例である。 伝搬障害部の他の例である。 伝搬障害部の他の例である。 基本波用及び高調波用の溝部を示した図である。 プラズマ処理装置の他の例である。 プラズマ処理装置の他の例である。 導体表面波の波形を示したグラフである。

符号の説明

１０ プラズマ処理装置
１００ 処理容器
２００ 容器本体
３００ 蓋体
３００ａ 溝
３００ｂ 凸部
３０５ 誘電体板
３０５ａ 貫通穴
３１０ 金属電極
３１５ａ 内部導体
５００ 固定機構
９００ マイクロ波源
Ｕ 処理室
ＳＷ 表面波
ＴＭ 導体表面波

発明を実施するための形態

（第１実施形態）
以下に添付図面を参照しながら、まず、本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置について、本装置の縦断面を模式的に示した図１（図２の断面Ｏ−Ｏ）および処理容器の天井面を示した図２を参照しながら説明する。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。

（プラズマ処理装置の構成）
プラズマ処理装置１０は、その内部にてガラス基板（以下、「基板Ｇ」という。）をプラズマ処理するための処理容器１００を有している。処理容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体３００により閉塞されている。容器本体２００と蓋体３００との接触面にはＯリング２０５が設けられていて、これにより容器本体２００と蓋体３００とが密閉され、処理室Ｕが形成される。容器本体２００および蓋体３００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１００の内部には、基板Ｇを載置するためのサセプタ１０５（ステージ）が設けられている。サセプタ１０５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１１０およびヒータ１１５が設けられている。

給電部１１０には、整合器１２０（たとえば、コンデンサ）を介して高周波電源１２５が接続される。また、給電部１１０には、コイル１３０を介して高圧直流電源１３５が接続される。整合器１２０、高周波電源１２５、コイル１３０および高圧直流電源１３５は、処理容器１００の外部に設けられている。また、高周波電源１２５および高圧直流電源１３５は接地されている。

給電部１１０は、高周波電源１２５から出力された高周波電力により処理容器１００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１１０は、高圧直流電源１３５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１１５には、処理容器１００の外部に設けられた交流電源１４０が接続されていて、交流電源１４０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。サセプタ１０５は、支持体１４５に支持されていて、その周囲には処理室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１５０が設けられている。

処理容器１００の底部にはガス排出管１５５が設けられていて、処理容器１００の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）を用いてガス排出管１５５から処理容器１００内のガスが排出されることにより、処理室Ｕは所望の真空度まで減圧される。

蓋体３００には、複数の誘電体板３０５、複数の金属電極３１０および複数の同軸管の内部導体３１５ａが設けられている。図２に示したように、誘電体板３０５は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）により形成された、１４８ｍｍ×１４８ｍｍの略正方形のプレートが、分岐同軸管６７０の管内波長をλｇ（９１５ＭＨｚにおいて３２８ｍｍ）としたとき、λｇ／２の整数倍（ここでは１倍）の等間隔にて縦横に配置されている。これにより、２２４枚（＝１４×１６）の誘電体板３０５が、２２７７．４ｍｍ×２６０５ｍｍの処理容器１００の天井面に均等に配置される。

このように、誘電体板３０５は対称性のよい形状をしているため、１枚の誘電体板３０５の中で均一なプラズマを生じやすい。また、複数の誘電体板３０５がλｇ／２の整数倍の等間隔に配置されることにより、同軸管の内部導体３１５ａを用いてマイクロ波を導入する場合、均一なプラズマを生成することができる。

図２をＡＰ方向から拡大した図３を参照すると、各誘電体板３０５の周りの処理容器の内面には、略矩形状の溝３００ａが形成されている。溝３００ａは、隣り合う誘電体板３０５の外周面から等間隔の位置に設けられ、各誘電体板３０５を取り囲んでいる。これにより、溝３００ａは、導体表面波の伝搬を抑制するようになっている。

誘電体板３０５の下面（プラズマ側の面）には、金属電極３１０を囲むようにして金属電極３１０に対して概ね軸対称に８つの凹部３０５ｂが設けられていて、これにより、マイクロ波を均等に処理容器内に放出するようになっている。

マイクロ波が誘電体板３０５を透過するとき、マイクロ波の電界エネルギーは、誘電体板３０５に形成された凹部３０５ｂの側壁（誘電体板３０５の長手方向に垂直な壁面）に集中する。誘電体板３０５の下部に供給されるマイクロ波の電界エネルギーは、その厚さによって変わる。誘電体板３０５に凹部３０５ｂを設けると、その内部の電界強度が特に強くなり、凹部３０５ｂの近傍に高密度プラズマが安定して生成されるため、プラズマの安定性とプラズマ励起効率が向上する。また、誘電体板３０５下部のマイクロ波の電界強度は、その厚さによって変わる。

具体的には、誘電体板３０５が薄い部分ほど表面の電界強度が強くなる傾向がある。そこで、プラズマ密度が高くなりやすい部分の誘電体板３０５の厚さを厚く、逆に低くなりやすい部分の厚さを薄くすることにより、誘電体板３０５全面に渡ってより均一なプラズマを生成することができる。

特に、本実施形態では、誘電体板３０５の基板側の面には、概ね中央部に金属電極３１０が配置され、当該金属電極３１０の周囲に８個の前記凹部または凸部が概ね点対称な位置に設けられている。本実施形態では、８つの凹部３０５ｂのうち、誘電体板３０５の中心から離れているためプラズマ密度が低くなりやすい角部の凹部３０５ｂの深さを深く（４ｍｍ）、それ以外の凹部３０５ｂの深さを浅く（２ｍｍ）設定することにより、凹部３０５ｂの誘電体板３０５の厚さを最適化してより均一なプラズマが生成されるようになっている。

図５に示したように、マイクロ波は、表面波ＳＷとなって誘電体板３０５とプラズマとの間を伝搬する。低周波数のマイクロ波を供給した場合、誘電体板３０５の端部に到達した表面波ＳＷは、さらに、導体表面波ＴＭとして処理容器１００の内面（たとえば、処理容器の内壁の金属面）とプラズマのとの間を伝搬する。

導体表面波ＴＭが、図３に示した隣接する誘電体板３０５まで伝搬すると、隣接する誘電体板３０５の表面を伝搬する表面波ＳＷと干渉し合い、プラズマの均一性や安定性が損なわれるおそれがある。

これに対して、隣接する誘電体板３０５の外周面から等間隔な位置に各誘電体板３０５を取り囲むように溝３００ａを設けることにより、誘電体板間を導体表面波が伝搬し、互いに干渉してプラズマの均一性や安定性が損なわれることを回避することができる。また、導体表面波が処理容器の内面に沿って基板Ｇの周囲まで伝搬し、プロセスの均一性が損なわれることを回避することができる。また、被処理体の処理に使用できない位置にプラズマが立つことにより、マイクロ波のエネルギーが無駄に消費されることを防止することができる。さらに、導体表面波のエネルギーにより機器が損傷する恐れがある領域へ導体表面波が伝搬することを抑制することができる。

誘電体板３０５の中央には、貫通穴３０５ａを介して内部導体３１５ａの先端に連結された金属電極３１０が基板側に露出するように設けられていて、内部導体３１５ａおよび金属電極３１０によって誘電体板３０５を保持するようになっている。金属電極３１０の露出部分の一部には、誘電体カバー３２０が設けられ、電界の集中を防止するようになっている。

図２のＡＡ’Ａ断面を示した図４を参照しながらさらに説明を続ける。同軸管３１５は、筒状の内部導体（軸部）３１５ａと外部導体３１５ｂとから構成されていて、金属（好ましくは銅）により形成されている。蓋体３００と内部導体３１５ａとの間には、リング状の誘電体４１０と誘電体４１０の両端にて処理室Ｕの内部を真空シールするＯリング４１５ａ、４１５ｂが設けられている。

内部導体３１５ａは、蓋体３００と一体に形成された蓋部３００ｄを貫いて処理容器１００の外部に突出している。内部導体３１５ａは、連結部５１０、バネ部材５１５および短絡部５２０からなる固定機構５００により、バネ部材５１５の弾性力を用いて処理容器１００の外側に向かって吊り上げられている。

内部導体３１５ａの貫通部分には、短絡部５２０が設けられ、同軸管３１５の内部導体３１５ａと蓋部３００ｄとを電気的に短絡させるようになっている。短絡部５２０は、シールドスパイラルから構成され、内部導体３１５ａを上下に摺動可能に設けられている。なお、短絡部５２０に、金属ブラシを用いることもできる。

なお、短絡部５２０にて蓋部３００ｄと内部導体３１５ａとの間、および後述する誘電体６１５と蓋部３００ｄとの間をＯリング（図示せず）にて真空シールし、蓋部３００ｄ内の空間に不活性ガスを充填することにより、大気中の不純物が処理室内に混入することを防ぐことができる。

図１の冷媒供給源７００は、冷媒配管７０５に接続されていて、冷媒供給源７００から供給された冷媒が冷媒配管７０５内を循環して再び冷媒供給源７００に戻ることにより、処理容器１００を所望の温度に保つようになっている。ガス供給源８００は、ガスライン８０５を介して、図４に示した内部導体３１５ａ内のガス流路から処理室内に導入される。

２台のマイクロ波源９００から出力された、１２０ｋＷ（＝６０ｋＷ×２（２Ｗ／ｃｍ^２））のマイクロ波は、分岐導波管９０５、変換器６０５、同軸管６２０、同軸管６００、分岐板６１０および同軸管３１５を伝送し、複数の誘電体板３０５を透過して処理室内に供給される。処理室Ｕに放出されたマイクロ波は、ガス供給源８００から供給された処理ガスを励起させ、これにより生成されたプラズマを用いて基板Ｇ上に所望のプラズマ処理が実行される。

（導体表面波の伝搬抑制）
つぎに、マイクロ波の伝搬について説明し、その後、導体表面波の伝搬抑制について詳しく説明する。以下に、導体表面波ＴＭの伝搬と周波数との関係を説明する。

（導体表面波の伝搬と周波数との関係）
プラズマの誘電率は、ε_ｒ′−ｊε_ｒ″で表わされる。プラズマの誘電率には損失成分もあるため、プラズマの誘電率は複素数で表現される。プラズマの誘電率の絶対値ε_ｒ′は通常−１よりも小さい。プラズマの誘電率は、次式（１）で表される。

また、プラズマにマイクロ波を入射したときの伝搬特性は、次式（２）にて表される。
ここで、ｋは波数、ｋ_０は真空中の波数、ωは導体表面波の周波数、ν_ｃは電子衝突周波数、ω_ｐｅは次式（３）で表される電子プラズマ周波数である。

ここで、ｅは素電荷、ｎ_ｅはプラズマの電子密度、ε_０は真空中の誘電率、ｍ_ｅは電子の質量である。

進入長δは、マイクロ波を入射したとき、マイクロ波がどれだけプラズマ内部に入射可能であるかを示す。具体的には、マイクロ波の電界強度Ｅがプラズマの境界面での電界強度Ｅ_０の１／ｅに減衰するまでに進入した距離が進入長δである。進入長δは、次式（４）で表される。
δ＝−１／Ｉｍ（ｋ）・・・（４）
ｋは、前述したように波数である。

電子密度ｎ_ｅが次式（５）で表されるカットオフ密度ｎ_ｃより大きい場合、マイクロ波はプラズマ中を伝搬することができず、プラズマに入射されたマイクロ波は急速に減衰する。
ｎ_ｃ ＝ ε_０ ｍ_ｅ ω^２／ｅ^２・・・（５）

式（４）によれば、進入長δは、数ｍｍ〜数１０ｍｍとなり、電子密度が高いほど短くなる。また、電子密度ｎ_ｅが、カットオフ密度ｎ_ｃより充分大きい場合、進入長δは、周波数にあまり依存しない。

一方、プラズマのシース厚さｄ_ｓは、次式（６）で表される。
ここで、Ｖ_ｐはプラズマ電位、Ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔ_ｅは電子温度、λ_Ｄは次式（７）で表されるデバイ長（Ｄｅｂｙｅ ｌｅｎｇｔｈ）である。デバイ長λ_Ｄは、プラズマ中の電位の乱れがいかに迅速に減衰するかを示す。

式（６）によれば、シース厚さｄ_ｓは、数１０μｍ〜数１００μｍとなる。また、シース厚さｄ_ｓはデバイ長λ_Ｄに比例することがわかる。また、式（７）では、電子密度ｎ_ｅが高いほどデバイ長λ_Ｄは短くなることが理解できる。

「導体表面波ＴＭの波長、減衰量」
導体表面波ＴＭの伝搬モデルとして、図６に示すように、導体である蓋体３００（表面波伝搬部５１）の下面とプラズマＰとの間に形成された無限に広い厚さｄ_ｓのシースｇをｚ方向に導体表面波ＴＭが伝搬する場合について説明する。シースｇの誘電率をε_ｒ＝１、プラズマＰの誘電率をε_ｒ’−ｊε_ｒ’ ’とする。マクスウェルの方程式から、図６のｙ方向の磁界Ｈｙが満たす方程式を導くと、次のようになる。

ただし、ｈは固有値であり、シースの内外で次のように表される。
ここで、γは伝搬定数、ｈｉはシースｇ中における固有値、ｈｅはプラズマＰ中における固有値である。固有値ｈｉおよびｈｅは、一般には複素数となる。

導体である蓋体３００の下面においてｚ方向の電界強度が０になるという境界条件から、式（８）の一般解は、次のようになる。
ここで、ＡおよびＢは任意定数である。

シースｇとプラズマＰとの境界において、磁界及び電界の接線成分が連続になることから任意定数を消去すると、以下の特性方程式が導かれる。

特性方程式（１３）のうち、シース厚さｄ_Ｓは式（６）より、プラズマＰの誘電率ε_ｒ’−ｊε_ｒ’’は式（１）より求められる。従って、連立方程式（１３）を解くことにより、固有値ｈｉおよびｈｅがそれぞれ求められる。複数の解が存在する場合には、シース内の磁界分布が双曲線関数になる解を選べばよい。さらに、式（９）より伝搬定数γが求められる。

伝搬定数γは、減衰定数αと位相定数βから、γ＝α＋ｊβと表される。伝搬定数の定義から、プラズマの電界強度Ｅは、次式（１４）にて示される。
Ｅ＝Ｅ_０×ｅ^−ｊγｚ＝Ｅ_０ｅ^−αｚｅ^ｊβｚ・・・（１４）

ここで、ｚは導体表面波ＴＭの伝搬距離、Ｅ_０は伝搬距離ｚが０のときの電界強度を示す。ｅ^−αｚは導体表面波ＴＭが伝搬とともに指数関数的に減衰する効果を表し、ｅ^ｊβｚは導体表面波ＴＭの位相の回転を表す。また、β＝２π／λであるから、位相定数βから導体表面波ＴＭの波長λが求められる。よって、伝搬定数γがわかると、導体表面波ＴＭの減衰量と導体表面波ＴＭの波長λとを算出できる。なお、減衰定数αの単位は、Ｎｐ（ネーパ）／ｍであり、後程示す各グラフの単位ｄＢ／ｍとは、以下の関係がある。
１Ｎｐ／ｍ＝２０／ｌｎ（１０）ｄＢ／ｍ＝８．６８６ｄＢ／ｍ

これらの式を用いて、マイクロ波周波数が９１５ＭＨｚ、電子温度Ｔｅが２ｅＶ、プラズマ電位Ｖｐが２４Ｖ、電子密度ｎ_ｅが１×１０^１１ｃｍ^−３、４×１０^１１ｃｍ^−３、１×１０^１２ｃｍ^−３のときの進入長δ、シース厚さｄ_Ｓ、導体表面波ＴＭの波長λをそれぞれ計算した。その結果を次表に示す。

導体表面波は、ある電子密度以下ではカットオフになり伝搬できない。この電子密度を導体表面波共鳴密度ｎ_ｒとよび、式（５）で表されるカットオフ密度ｎ_ｃの２倍の値となる。カットオフ密度ｎ_ｃは周波数の二乗に比例するから、導体表面波は周波数が低いほど低い電子密度でも伝搬する。

導体表面波共鳴密度ｎ_ｒの値を計算すると、２．４５ＧＨｚのとき１．５×１０^１１ｃｍ^−３となる。実際のプラズマ処理条件では、表面付近の電子密度が１×１０^１１ｃｍ^−３以下になることがあるが、このような条件では導体表面波が伝搬しない。一方、９１５ＭＨｚのときには２．１×１０^１０ｃｍ^−３となり、２．４５ＧＨｚの場合の約１／７となる。９１５ＭＨｚでは、表面付近の電子密度が１×１０^１１ｃｍ^−３以下となっても導体表面波が伝搬する。

「周波数の限定」
図７に示すグラフは、以下の代表的条件における導体表面波ＴＭの減衰量の周波数依存性である。図７より、周波数を下げると減衰量が減小することが分かる。これは、次のように説明される。式（１）によれば、周波数を下げるとプラズマＰの誘電率の実部ε_ｒ′が負に大きくなり、プラズマインピーダンスが小さくなることが分かる。従って、プラズマにかかるマイクロ波電界がシースにかかるマイクロ波電界と比較して弱くなり、プラズマ中におけるマイクロ波の損失が小さくなるため、導体表面波ＴＭの減衰量が減小する。処理容器内壁付近の電子密度は４×１０１１ｃｍ^−３、電子温度は２ｅＶ、シース電圧は２４Ｖ、圧力は１３．３Ｐａ、ガスはＡｒの条件である。

図１に示したプラズマ処理装置１０において、誘電体３０５から放出された導体表面波ＴＭが処理容器１００の内壁（蓋体３００下面および容器本体２００内面）に沿って基板Ｇの周辺まで伝搬してしまうと、処理容器１００内に生成されるプラズマＰが不均一になりプロセスの均一性が悪化したり、処理容器１００内に基板Ｇを搬入出させる際に開閉されるゲートバルブや、基板Ｇを載置させるサセプタ１０５が劣化する等の弊害が生じる。導体表面波ＴＭが誘電体３０５と基板Ｇ間の距離を伝搬する間に十分減衰しない場合（減衰量が２０ｄＢ以下）には、導体表面波ＴＭを反射させてそれ以上伝搬させない手段が必要になる。本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０において、誘電体３０５と基板Ｇ間の標準的な間隔は約０．１ｍであり、この距離を伝搬したときの減衰量が２０ｄＢとすれば、１ｍあたりの減衰量は２００ｄＢ／ｍとなる。このときの周波数は、図７より１．９ＧＨｚであることが分かる。すなわち、１．９ＧＨｚ以下のとき、導体表面波ＴＭを反射させる手段が必要になる。

「溝３００ａのアスペクト比Ｄ／Ｗ」
発明者らは、伝搬抑制の効果を高めるために溝３００ａの形状の適正化を図った。溝３００ａの形状の最適化をする際に、計算に用いる電子密度をどのように設定するかが重要である。導体表面波がプラズマ中に入り込む深さは進入長δ程度であり、数ｍｍ〜十数ｍｍである（表１参照）。このようにプラズマの表面に近い部分の電子密度を様々な処理条件において実測すると、１×１０^１１ｃｍ^−３〜１×１０^１２ｃｍ^−３であった。そこで、電子密度ｎ_ｅを１×１０^１１ｃｍ^−３〜１×１０^１２ｃｍ^−３の範囲に定めて検討を行った。図８に示したように、断面が略矩形状の溝３００ａを選択した。プラズマ電位は２４Ｖ、電子温度は２ｅＶに設定した。溝３００ａの幅をＷ、深さをＤとする。

溝のアスペクト比Ｄ／Ｗの適正値を導き出すために、電子密度ｎ_ｅが１×１０^１１ｃｍ^−３、４×１０^１１ｃｍ^−３、１×１０^１２ｃｍ^−３の場合、導体表面波ＴＭが、溝３００ａにてどの程度減衰するかをシミュレーションにより求めた。このとき、溝３００ａの幅Ｗを４ｍｍに設定した。その結果を図９に示すとともに、この結果について図１０を参照しながら以下に考察する。

図８に示したように、導体表面波ＴＭは、溝３００ａに到達すると、溝３００ａの底面を伝搬する導体表面波ＴＭ_１１と溝３００ａをジャンプしてプラズマ中を直接伝わる透過波ＴＭ_１２とに分配される。導体表面波ＴＭ_１１と透過波ＴＭ_１２とは、溝３００ａの端部Ｐにて再び合流する。その際、導体表面波の一部は反射し、反射波（導体表面波ＴＭ_２２）となり、残りは、進行波（導体表面波ＴＭ_２１）となってさらに伝搬していく。

このとき、導体表面波ＴＭ_１１と透過波ＴＭ_１２との位相が１８０度ずれていると、合流地点Ｐでこの２つの波はうち消し合って、ほぼ全反射する。このとき、進行波（導体表面波ＴＭ_２１）は存在しない、すなわち、導体表面波ＴＭは溝３００ａの先に伝搬しない。

たとえば、図９にて導体表面波ＴＭの透過量が−１０ｄＢの場合、導体表面波ＴＭの９０％は、溝３００ａにより反射され、反射波ＴＭ_２２となって戻り、残りの１０％だけが導体表面波ＴＭ_２１となって溝３００ａを超えて伝搬する。すなわち、この場合、溝３００ａが障害となって導体表面波の９０％は溝３００ａにより減衰する。

図９によれば、電子密度がｎ_ｅが高いほど、透過量が最小となるアスペクト比Ｄ／Ｗの値が大きいほうにずれることが分かる。また、電子密度ｎ_ｅが１×１０^１１ｃｍ^−３、４×１０^１１ｃｍ^−３、１×１０^１２ｃｍ^−３のすべての場合について、アスペクト比Ｄ／Ｗが０．２６以上であれば導体表面波ＴＭの９０％以上を溝３００ａにて反射させることができることがわかる。導体表面波ＴＭの９０％が溝３００ａにて反射されれば、その溝３００ａは導体表面波ＴＭの伝搬抑制機能を充分に果たしているといえる。よって、発明者らは、すべての電子密度において導体表面波ＴＭの９０％が反射される０．２６をアスペクト比Ｄ／Ｗの下限値と定めた。

つぎに、溝３００ａの幅Ｗを４ｍｍ、６ｍｍ、１２ｍｍとした場合のアスペクト比Ｄ／Ｗに対する導体表面波ＴＭの透過量を求めた結果を図１０に示す。ここでは、電子密度ｎ_ｅを１×１０^１２ｃｍ^−３に設定した。前述したように、電子密度ｎ_ｅが高いほど、透過量が最小となるアスペクト比Ｄ／Ｗの値が大きいほうにずれる。よって、シミュレーション時、導体表面波ＴＭの電子密度ｎ_ｅを最も高く設定することによりアスペクト比Ｄ／Ｗの上限値を求めることができる。

溝の幅Ｗを変えたとき、透過量が最小となるアスペクト比Ｄ／Ｗの値は、Ｗ＝６ｍｍで最大値をとる。このとき、導体表面波ＴＭの９０％が溝３００ａにて反射されるアスペクト比Ｄ／Ｗは２．３となることがわかる。このようにして、発明者らは、導体表面波ＴＭの伝搬を抑制するためは、溝３００ａのアスペクト比Ｄ／Ｗを、０．２６≦Ｄ／Ｗ≦２．３を満たすように定める必要があると結論付けた。

＜溝の幅Ｗ＞
つぎに、発明者らは、溝３００ａの幅Ｗとシース厚さｄ_Ｓとの関係および溝３００ａの幅Ｗと進入長δとの関係に着目して溝３００ａの幅Ｗの適正値についてつぎのように考察した。図１１Ａに示したように、溝３００ａの幅Ｗがシース厚さｄ_Ｓの２倍以下である場合（２ｄ_Ｓ≧Ｗ）、溝３００ａの内部空間はすべてシース領域となる。この結果、溝３００ａがある部分とない部分とのシース厚さｄ_Ｓに段差が生じず、溝３００ａを設けても、導体表面波ＴＭにとっては、溝３００ａはないものと同じになる。よって、２ｄ_Ｓ≧Ｗでは、溝３００ａは伝搬抑制の機能を果たさない。

一方、図１１Ｂに示したように、溝３００ａの幅Ｗがシース厚さｄ_Ｓの２倍より大きい場合（２ｄ_Ｓ＜Ｗ）、溝３００ａの底面に沿って生じるシース領域は、０．１ｍｍ程度の幅しかないので、溝３００ａを設けたことによりシース領域に段差が生じる。この結果、溝３００ａの底面近傍に沿って伝搬する導体表面波ＴＭ_１１と、溝を飛び越えて伝搬する導体表面波ＴＭ_１２とにより溝３００ａの端部Ｐにて反射が起こり、導体表面波ＴＭの一部は反射波（導体表面波ＴＭ_２２）となって、残りの導体表面波ＴＭ_２１だけが溝３００ａを超えて伝搬する。以上の考察から、発明者らは、溝３００ａが、導体表面波ＴＭの伝搬抑制機能を有するためには、溝３００ａの幅Ｗは、シース厚さｄ_Ｓの２倍より大きい（２ｄ_Ｓ＜Ｗ）必要があることを見いだした。

つぎに、発明者らは、溝３００ａの幅Ｗを適正化する他の方法として、溝３００ａの幅Ｗと進入長λとの関係に着目した。前述したように、進入長δは、マイクロ波がどれだけプラズマＰに入射可能であるかを示す。

導体表面波ＴＭは、プラズマＰの境界面から進入長δより深く、プラズマ内部へ入射することはできない。したがって、溝３００ａの幅Ｗが、進入長δの２倍以上の場合（２δ≦Ｗ）、図１２Ａに示したように、透過波ＴＭ_１２は、進入長δより深くプラズマ内部に入り込めず、溝３００ａを飛び越えて伝搬することができない。このため、進入長δの２倍以上の幅Ｗの溝３００ａを設けても、溝３００ａの端部Ｐにて導体表面波ＴＭの伝搬の抑制に有効な反射は起こらず、導体表面波ＴＭは溝３００ａを超えてその先に伝搬する。

一方、図１２Ｂに示したように、溝３００ａの幅Ｗが、進入長δの２倍より小さい場合（２δ＞Ｗ）、透過波ＴＭ_１２が伝搬できない領域は生じない。この結果、溝３００ａの底面に沿って伝搬する導体表面波ＴＭ_１１と、溝３００ａを飛び越えて伝搬する導体表面波ＴＭ_１２とにより溝３００ａの端部Ｐにて反射が起こり、導体表面波ＴＭの一部は反射波（導体表面波ＴＭ_２２）となって、残りの導体表面波ＴＭ_２１だけが溝３００ａを超えて伝搬する。以上の考察から、発明者らは、溝３００ａが、導体表面波ＴＭの伝搬を抑制する機能を有するためには、溝３００ａの幅Ｗは、進入長δの２倍より小さい場合（２δ＞Ｗ）必要があることを解明した。

再び図１０を参照する。このときの電子密度ｎ_ｅは１×１０^１２ｃｍ^−３であり、進入長δは５．３ｍｍである。溝３００ａの幅Ｗが４ｍｍおよび６ｍｍの場合には、溝３００ａの幅Ｗが進入長δの２倍より小さいため、アスペクト比Ｄ／Ｗを最適化すると透過量を−４０ｄＢ以下と非常に小さく抑えることが可能である。一方、Ｗ＝１２ｍｍの場合には、進入長δの２倍より大きいため、アスペクト比Ｄ／Ｗを最適化しても透過量を−１０ｄＢ以下にすることができないことがわかる。

「曲率半径」
溝のコーナ部（図８のコーナＣａ、Ｃｂ）やエッジ部では、インピーダンスが不連続になるため伝搬する導体表面波の一部が反射する。コーナ部やエッジ部の角が丸くなるとインピーダンスの不連続性が緩和されるため、透過量が増加する。特に、コーナ部やエッジ部の曲率半径Ｒが導体表面波の波長に対して無視できない程度に大きくなると、透過量が大きく増加する。

導体表面波が一箇所の曲率半径Ｒのコーナ部を通過するときの透過量をシミュレーションにより計算した結果を図１３に示す。電子密度ｎ_ｅは１×１０^１２ｃｍ^−３、プラズマ電位は２４Ｖに設定した。このときのシース厚ｄ_Ｓは０．０７ｍｍ、導体表面波の波長λは３０．４ｍｍ、進入長δは５．３ｍｍである。

導体表面波の透過量は、曲率半径が０ｍｍ、すなわちコーナ部が直角の場合に最も小さく、曲率半径Ｒの増加とともに大きくなることが分かる。コーナ部が直角の場合の透過量に対して１０％透過量が増加するまでであれば、溝３００ａは、伝搬抑制機能を有しているとすれば、コーナ部の曲率半径が０．７７ｍｍまでが許容範囲となる。０．７７ｍｍは、導体表面波ＴＭの波長３０．４ｍｍの約１／４０（＝０．７７／３０．４）である。以上のシミュレーション結果および考察から、溝３００ａのコーナ部の曲率半径Ｒが、導体表面波ＴＭの波長λの１／４０よりも小さい必要があると結論付けた。

「溝の位置」
上述したように、溝３００ａを設けることにより、表面波伝搬部５１全体に伝搬させた導体表面波ＴＭによりプラズマＰを生成させることができる。即ち、溝３００ａで囲まれた表面波伝搬部５１の下面全体でプラズマＰを生成させることができるので、溝３００ａの位置によって、処理容器４内で生成されるプラズマＰの領域を制御することが可能である。

通常、プラズマ処理装置１０の処理容器１００内では、基板Ｇの上方において、基板サイズを超えた外側の範囲まで、プラズマＰを生成させ、基板Ｇの上面（処理面）全体に均一なプラズマ処理を行うようにしている。したがって、蓋体３００の下面において、基板サイズを超えた外側の位置に溝３００ａを配置し、基板Ｇの上方において、基板サイズを超えた外側の範囲まで導体表面波を伝搬させるほうが望ましい。

また、溝３００ａに代えて、あるいはこれに加えて、凸部（図１４凸部３００ｂ参照）を設けても良い。溝の場合は形状を後から変えることは困難であるが、凸部であれば、交換によって形状を変えることが比較的容易である。

図１４に示したように、凸部３００ｂの表面に沿った導体表面波ＴＭの伝搬について説明する。４つの角Ｃ_１〜Ｃ_４はインピーダンスの不連続点、角Ｃ_１〜Ｃ_４間の３つの平面部はある特性インピーダンスを持った伝送線路とみなされ、４つのインピーダンスの不連続点が３つのある長さの伝送線路で結合された伝送線路フィルタと考えることができる。単一の角Ｃ_１〜Ｃ_４のみでは、導体表面波ＴＭを十分反射させることができなくても、凸部３００ｂの平面部の長さ（伝送線路の長さ）を最適化することにより全体として小さな透過量を実現することができる。

ところで、凸部３００ｂの高さｈ_Ｚはなるべく低くした方が良い。凸部３００ｂの高さｈ_Ｚを必要以上に高くすると、凸部３００ｂの壁面にてプラズマＰの電子とイオンが再結合し、プラズマ密度が低くなるため、好ましくないからである。伝送線路の反射係数の位相は、波長の１／２の長さで３６０°回転するから、凸部３００ｂの高さｈ_Ｚが導体表面波ＴＭの波長の１／２以下で全てのインピーダンスが実現できる。

また、溝のときと同様に、凸部３００ｂの高さｈ_Ｚはシース厚さｄ_Ｓよりも高い必要がある。導体表面波ＴＭが凸部３００ｂを段差として捉えることができる高さでなければ、凸部３００ｂは、伝搬抑制機能を発揮し得ないためである。

以上から、発明者らは、導体表面波ＴＭの伝搬を抑制するためは、凸部３００ｂの高さＨはシース厚さｄ_Ｓよりも高く導体表面波ＴＭの波長λの１／２より小さい必要があると結論付けた。

溝３００ａや凸部３００ｂは、導体表面波の伝搬を抑止するために、処理容器の内面に設けられた伝搬障害部の一例である。他の例としては、図１５Ａの半円矩形溝、図１５Ｂのアリ溝、図１５Ｃのノッチ（溝３００ａおよび凸部３００ｂの融合）、図１５ＤのＣ形状（溝３００ａおよび凸部３００ｂの融合例）、図１５Ｅのフランジを用いた溝３００ａ等が挙げられる。

溝部又は凸部は、概ね平行に複数設けられてもよい。また、溝部又は凸部は、前記溝部又は凸部の断面が小さくなる程、金属電極から遠い位置に形成されてもよい。

図１０に示したように、電子密度によって最適な溝のサイズやアスペクト比が異なる。このため、たとえば、図１５Ｆに示したように、幅３ｍｍ×深さ３ｍｍの溝３００ａ１と幅２ｍｍ×深さ５ｍｍの溝３００ａ２を平行に並べて設けるなど、サイズやアスペクト比が異なる複数の溝を配置することにより、より広い電子密度の範囲に対応することができる。

図１８は、Ａｒガスを導入して導体表面波でプラズマを励起し、導体表面波ＴＭの電圧波形を実測した結果である。図１８を見ると、低密度の場合（投入するマイクロ波のパワーが０．５ｋＷのとき）にも、高密度の場合（投入するマイクロ波のパワーが１ｋＷのとき）にも、導体表面波ＴＭの波形には基本波成分の他に高調波成分も含まれていることがわかる。このように、導体表面波の波形に高調波成分が含まれるのは、シースに印加される電圧と電流の関係が非線形であるため、波形が歪むからである。

よって、導体表面波を確実に反射させるには、前述したように、図１５Ｇの基本波用の溝部３００ａ１だけでなく高調波用の溝部３００ａ２を設けると好ましい。溝部又は凸部は、基本波用及び２次以上の高調波用に２本以上設けられていてもよい。図１５Ｇに示したように、高調波用の溝は、基本波用の溝に対して幅及び深さが、１／ｌ（ｌは高調波次数）となっていてもよい。

以上に説明したように、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０によれば、特に、低周波のマイクロ波を投入するプラズマ処理において、エネルギーの供給が不要な位置への導体表面波の伝搬を抑制することができる。

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、プラズマ処理装置の使用方法やプラズマ処理装置のクリーニング方法の実施形態とすることができる。

なお、電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編「マイクロ波プラズマの技術」オーム社出版、平成１５年９月２５日発行の序文には、本書では「「マイクロ波帯」は、ＵＨＦ帯の３００ＭＨｚ以上の周波数領域を指している」とあることから、本明細書中においてもマイクロ波の周波数は３００ＭＨｚ以上とする。

ただし、上記実施形態では、９１５ＭＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源９００を挙げたが、８９６ＭＨｚ、９２２ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源であってもよい。また、マイクロ波源は、プラズマを励起するための電磁波（エネルギー）を発生する電磁波源の一例であり、１００ＭＨｚ以上の電磁波を出力する電磁波源であれば、マグネトロンや高周波電源も含まれる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の一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。

また、たとえば、本発明にかかるプラズマ処理装置は、上述したように同軸構造を有するプラズマ処理装置に限られず、図１６に示したように、導波管３５０下部のスロットアンテナ３５５にスロット３５５ａを切って、スロット３５５ａにマイクロ波を通すことにより誘電体板３０５から処理容器内にマイクロ波を供給するプラズマ処理装置１０であってもよい。プラズマ処理装置１０の処理容器の内面に誘電体全体または天井面全体を囲む溝３００ａを設けることにより、導体表面波の伝搬を抑制して、処理の均一性が損なわれることを回避することができる。

誘電体板３０５の基板側の面に設けられた凹部３０５ｅは、すべてが同じ深さではなく、スロットから３５５ａから離れるにしたがって深くなるように設定されている。給電点近傍では誘電体板３０５を厚くすることにより、誘電体板３０５の下部にてマイクロ波のエネルギーを均等に供給することにより、プラズマを均一に生成することができる。各凹部３０５ｅの位置での誘電体板３０５の厚さは、誘電体板３０５の内部をマイクロ波が伝搬する際に、マイクロ波の伝搬を実質的に妨げない厚さに設定される。

溝３００ａは、プラズマ処理中においてプラズマが接する処理容器１００の内面であれば、どこに設けられていてもよい。たとえば、図１７に示したように、ゲートバルブ２１０、ビューポート２１５、ガス排出管１５５等の開口を取り囲むように溝３００ａを形成しても良い。これにより、各機器の損失、反応生成物の付着等の不具合を回避できる。

また、内部導体３１５ａは、複数の誘電体板に隣接または近接し、マイクロ波を複数の誘電体板に伝搬させる複数の導体棒の一例であり、導体棒は、誘電体板に電磁的に接続するとともに機械的に連結していてもよい。また、導体棒は、図１７のように、複数の誘電体板に隣接していてもよく、図示していないが、複数の誘電体板に近接していて、電磁的には接続されているが機械的には連結されていない状態であってもよい。また、導体棒は、板状であっても、テーパ状であってもよい。

特に、機械的較差や熱膨張により発生した制御されない隙間は、装置の電気的特性を不安定にするのに対し、このように導体棒を誘電体板に近接させることにより、導体棒と誘電体板３０５との間に制御された隙間を設けた場合には、装置の電気的特性を不安定にすることなくマイクロ波を効率的に誘電体板に伝搬させることができる。

本発明にかかるプラズマ処理装置は、大面積のガラス基板、円形のシリコンウエハや角型のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を処理することができる。

また、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プラズマ処理を実行することができる。

Claims (24)

1. 電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
   金属により形成された内面を有する処理容器と、
   電磁波を出力する電磁波源と、
   前記処理容器の内壁に面し、前記電磁波源から出力された電磁波を前記処理容器内に透過する誘電体板と、
   プラズマと接する前記金属の内面に設けられた伝搬障害部とを備え、
   前記伝搬障害部は、前記誘電体板を透過した電磁波が導体表面波となって前記処理容器の金属の内面に沿って伝搬する際の、該導体表面波を抑制する機構を有するプラズマ処理装置。
2. 前記伝搬障害部は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する導体表面波の少なくとも一部を反射させる溝部を含む請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
3. 前記溝部は、前記処理容器の内面において前記誘電体の周囲を取り囲むように設けられている請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
4. 前記溝部の断面は、概ね矩形であり、
   前記溝部の幅Ｗと深さＤは、０．２６＜Ｄ／Ｗ＜２．３の関係を満たす請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
5. 前記溝部の幅が、電磁波のプラズマへの進入長の２倍よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さの２倍よりもよりも大きい請求項４に記載されたプラズマ処理装置。
6. 前記溝部のコーナ部の曲率半径は、前記導体表面波の波長λの１／４０よりも小さい請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
7. 前記溝部は、その断面が概ね矩形状、概ね半円状、概ねテーパ状の少なくともいずれかに形成されている請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
8. 前記伝搬障害部は、前記導体表面波の少なくとも一部を反射させる凸部を含む請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
9. 前記凸部は、前記処理容器の内面において前記誘電体の周囲を取り囲むように設けられている請求項８に記載されたプラズマ処理装置。
10. 前記凸部の断面は、概ね矩形であり、
    前記凸部の高さが、前記導体表面波の波長の１／２よりも小さく、前記処理容器の内面とプラズマとの間に形成されるシースの厚さよりも大きい請求項９に記載されたプラズマ処理装置。
11. 前記凸部は、その断面が概ね矩形状、Ｃ字状、Ｔ字状のいずれかに形成されている請求項８に記載されたプラズマ処理装置。
12. 前記誘電体板は、複数の誘電体板から構成され、
    前記伝搬障害部は、各誘電体板をそれぞれ囲むように前記処理容器の内面に設けられている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
13. 前記伝搬障害部は、前記複数の誘電体板の全体を囲むように前記処理容器の内面に設けられている請求項１２に記載されたプラズマ処理装置。
14. 前記伝搬障害部は、前記処理容器の開口を囲むように前記処理容器の内面に設けられている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
15. 前記複数の誘電体板は、等間隔に配置されている請求項１２に記載されたプラズマ処理装置。
16. 前記伝搬障害部は、隣り合う誘電体板の外周面から等間隔の位置に設けられている請求項１２に記載されたプラズマ処理装置。
17. 前記電磁波源は、周波数が１．９ＧＨｚ以下の電磁波を出力する請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
18. 前記誘電体板は円周または多角形を構成するように連続してまたは不連続に延在して配置され、前記円周または多角形の内部の中心部を囲むように前記伝搬障害部が前記処理容器の内面に設けられている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
19. 前記溝部は、概ね平行に複数設けられる請求項２に記載されたプラズマ処理装置。
20. 前記溝部は、前記溝部の断面が小さくなる程、前記金属電極から遠い位置に形成される請求項１９に記載されたプラズマ処理装置。
21. 前記凸部は、概ね平行に複数設けられる請求項８に記載されたプラズマ処理装置。
22. 前記凸部は、前記溝部の断面が小さくなる程、前記金属電極から遠い位置に形成される請求項２１に記載されたプラズマ処理装置。
23. 周波数が１．９ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、
    前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、
    前記導体棒を伝送した電磁波を処理容器の内壁に面した誘電体板に透過させることにより、前記電磁波を前記処理容器内に伝送させ、
    前記誘電体板を透過した電磁波が、プラズマと接する前記処理容器の金属の内面に設けられた、該金属の内面を伝搬する導体表面波を抑制する機構を有する伝搬障害部により、前記電磁波が導体表面波となって該金属の内面に沿って伝搬する際の、該金属の内面を伝搬する導体表面波を抑制しながら、前記導体表面波により前記処理容器に導入された処理ガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法。
24. 周波数が１．９ＧＨｚ以下の電磁波を電磁波源から出力し、
    前記電磁波源から出力された電磁波を導体棒に伝送させ、
    前記導体棒を伝送した電磁波を処理容器の内壁に面した誘電体板に透過させることにより、前記電磁波を前記処理容器内に伝送させ、
    前記誘電体板を透過した電磁波が、プラズマと接する前記処理容器の金属の内面に設けられた、該金属の内面を伝搬する導体表面波を抑制する機構を有する伝搬障害部により前記電磁波が導体表面波となって該金属の内面に沿って伝搬する際の、該金属の内面を伝搬する導体表面波を抑制しながら、前記導体表面波により前記処理容器に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法。