JP4921361B2 - 表面波励起プラズマ発生装置および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マイクロ波を導入して表面波励起プラズマを発生させる表面波励起プラズマ発生装置、および表面波励起プラズマを利用してＣＶＤやエッチングなどを行う表面波励起プラズマ処理装置に関する。

表面波励起（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）プラズマは、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から誘電体部材に導入し、マイクロ波電力により誘電体部材の表面に生じた表面波によってプラズマを励起することにより生成される。この種のマイクロ波導波管としては、底板に複数のスロットアンテナを設けた無終端の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、管内を伝搬するマイクロ波が干渉して定在波の形成が不安定で、定在波の位相とスロットアンテナの相互の位置が不確定となり、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。そのため、表面波励起プラズマ発生の効率が低くなるという問題がある。

（１）本発明の請求項１による表面波励起プラズマ発生装置は、マイクロ波発生装置と、マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入する導入部および固定の終端部を有し、1つ又は所定間隔で配置された複数のスロットアンテナが形成された底板を内側面とする環状マイクロ波導波管と、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し、表面に形成される表面波によって表面波励起プラズマを生成する筒状誘電体部材とを備え、マイクロ波の管内波長をλｇとし、０ ．９５λｇからλｇの範囲内にある特定な数値を定数ｋ としたとき、底板の内側面の周囲長を定数ｋの整数倍に設定することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の表面波励起プラズマ発生装置において、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を特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載の表面波励起プラズマ発生装置において、終端部は、その直前に配置されたスロットアンテナからの距離を定数ｋの１／２の整数倍に設定することを特徴とする。
（４）請求項４による表面波励起プラズマ発生装置は、マイクロ波発生装置と、マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入する導入部および固定の終端部を有し、1つ又は所定間隔で配置された複数のスロットアンテナが形成された底板を内側面とする環状マイクロ波導波管と、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し、表面に形成される表面波によって表面波励起プラズマを生成する筒状誘電体部材とを備え、筒状誘電体部材の内周面を伝搬する表面波の波長をλｓとし、０．９５λｓからλｓの範囲内にある特定な数値を定数ｓとしたとき、筒状誘電体部材の内側面の周囲長を定数ｓの整数倍に設定することを特徴とする。
（５）請求項５による発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の表面波励起プラズマ発生装置において、筒状誘電体部材の内部空間に放電開始を補助するための炭素、炭化珪素等を材料とする放電補助部材を挿脱する機構を設けることを特徴とする。
（６）請求項６ による表面波励起プラズマ処理装置は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面波励起プラズマ発生装置と、筒状誘電体部材を保持して気密空間を形成し、表面波励起プラズマ発生装置によって生成されたプラズマを利用して被処理物を処理する処理室とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、終端部を有する環状マイクロ波導波管の構造、寸法をマイクロ波の管内波長に対して最適化を図ったので、効率良く表面波励起プラズマを発生させることができる。

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。 図１に示すＳＷＰ処理装置の主要部のＩ−Ｉ断面図である。 第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置の主要部の水平断面図である。 第１の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置におけるマイクロ波の入射波Ｍと反射波Ｒの干渉の状態を模式的に示すグラフである。 第１の実施の形態のＳＷＰ発生装置、ＳＷＰ処理装置に用いられる環状導波管の変形例を模式的に示す平面図である。 第１、第２の実施の形態のＳＷＰ発生装置の変形例を模式的に示す縦断面図である。

符号の説明

１：マイクロ波発生装置 ２，２０：環状導波管
２ａ：導入口 ２ｂ，２０ｂ：終端板
２ｃ：底板 ２ｄ：スロットアンテナ
３：誘電体チューブ ４：プラズマ処理室
１０，１０Ａ：ＳＷＰ発生装置 １００：ＳＷＰ処理装置
Ｍ：マイクロ波（入射波） Ｒ：反射波

以下、本発明の実施の形態による表面波励起プラズマ発生装置（以下、ＳＷＰ発生装置という）および表面波励起プラズマ処理装置（以下、ＳＷＰ処理装置という）について図１〜６を参照しながら説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第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、図１に示すＳＷＰ処理装置の主要部のＩ−Ｉ断面図である。図３は、図１に示すＳＷＰ処理装置の主要部の水平断面図である。

図１、図２を参照すると、ＳＷＰ処理装置１００は、ＳＷＰ発生装置１０と、プラズマ処理室４とを含んで構成される。ＳＷＰ発生装置１０は、マイクロ波発生装置１と、マイクロ波発生装置１に接続された環状導波管２と、環状導波管２の内側に配置された誘電体チューブ３とを備える。プラズマ処理室４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５、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６、不図示の真空ポンプに配管接続される排気口７および被処理基板Ｓを保持する基板ホルダー８が配設されている。このようなＳＷＰ発生装置１０は、プラズマ処理室４内に表面波励起プラズマ（ＳＷＰ）を発生させる。

マイクロ波発生装置１は、マイクロ波電源１ａ、マイクロ波発振器１ｂ、アイソレータ１ｃ、方向性結合器１ｄ、整合器１ｅおよび連結管１ｆを有し、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍを発生させ、マイクロ波Ｍを連結管１ｆを通して環状導波管２へ送出する。

環状導波管２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、マイクロ波Ｍを導入する導入口２ａと、導入され管内を伝搬するマイクロ波Ｍが反射する終端板２ｂとを有し、終端板２ｂにより管の一方の端が閉塞された構造である。環状導波管２は、図２に示されるように、横断面が中空の矩形状で、底板２ｃを内周側とする環状を呈している。底板２ｃには、１つ又は複数のスロットアンテナ２ｄが所定間隔で形成されている。スロットアンテナ２ｄは、底板２ｃを貫通して形成される例えば長矩形状の開口である。なお、底板２ｃの内面は磁界面（Ｈ面）と呼ばれる。

誘電体チューブ３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４ａを介してプラズマ処理室４に取り付けられているとともに、誘電体チューブ３の外側面が環状導波管２の底板２ｃに接して配設されている。これにより、プラズマ処理室４内に気密空間が形成される。本実施の形態では、図２に示されるように、プラズマ処理室４は、上面に誘電体チューブ３が載置される有底筒状の本体４１と、誘電体チューブ３の上面を閉鎖する蓋体４２とにより構成されている。

プラズマ処理室４内では、次のようにして表面波励起プラズマＰを発生させることができる。先ず、室内を高真空に排気し、次に、上面ガス導入管５および側面ガス導入管６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、ＴＥＯＳガス等の材料ガスを導入する。ガスを導入しながら、排気口７を通して排気することにより、プラズマ処理室４内は所定のガス圧力に保持される。このような所定のガス種、ガス圧力の下で、マイクロ波電力を環状導波管２からスロットアンテナ２ｄを通して誘電体チューブ３に導入し、誘電体チューブ３の内周面を伝搬する表面波ＳＷのエネルギーにより誘電体チューブ４の内部空間にプラズマＰを生成する。この表面波励起プラズマを利用してプラズマ処理室４内のガスを電離、解離し、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。

図２、図３を参照して、環状導波管２と誘電体チューブ３の各部の寸法について説明する。以下、簡単のために、環状導波管２と誘電体チューブ３は同心の円筒形状とし、円筒の中心位置をＯとする。Ｄ１は環状導波管２の底板２ｃの内側面（Ｈ面）直径であり、底板２ｃの内側面の周囲長はπ×Ｄ１となる。環状導波管２の内部寸法はＡ×Ｂである。Ｄ２は誘電体チューブ３の内周面の直径であり、内周面の周囲長はπ×Ｄ２となる。

図３に示されるように、位置ａはマイクロ波発生装置１の連結管１ｆ内の基準点を示し、位置ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは環状導波管２の底板２ｃ上にあり、位置ｂはマイクロ波Ｍの導入口２ａに対応し、位置ｆは終端板２ｂに対応する。位置ｂから位置ｃ，ｄ，ｅを経て位置ｆまでの長さが上述した底板２ｃの内側面の周囲長π×Ｄ１である。位置ｂは、環状導波管２のコーナー部であり、位置ｆと等価とし、周囲長π×Ｄ１を４等分する間隔で位置ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆが分布している。

マイクロ波Ｍは、終端板２ｂで終端された環状導波管２内で定在波を形成し、伝搬中に底板２ｃに配設されたスロットアンテナ２ｄを通って誘電体チューブ３へ放射する。

図４は、マイクロ波の電界分布における入射波Ｍと反射波Ｒの干渉の状態を模式的に示すグラフである。図中、入射波Ｍは左から右へ進行し、終端Ｅで反射して反射波Ｒとなり、反射波Ｒは右から左へ進行する。合成波Ｃは入射波Ｍと反射波Ｒが合成されて生じる。

図４のグラフ上に示した位置ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、図３に示す環状導波管２内の各位置ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆにそれぞれ対応する。環状導波管２内を伝搬するマイクロ波Ｍの波長（管内波長）をλgとすると、位置ｂから位置ｃ，ｄ，ｅを経て位置ｆまでの長さを２λgに、つまり、環状導波管２の周囲長π×Ｄ１を２λgに設定したとき、位置ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆはλg／２の間隔である。

実際には、環状導波管２の周囲長π×Ｄ１は、０．９５λｇからλｇの範囲内にある特定な数値を定数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。一般には、ｎを正の整数とするとき、π×Ｄ１＝ｎ×ｋに設定することにより、環状導波管２内での定在波の状態が確定し、スロットアンテナ２ｄの位置を決定可能となる。

図３、図４を参照しながら、スロットアンテナ２ｄの位置について説明する。スロットアンテナ２ｄは、上述した定在波の波長と位相に合わせて位置ｃと位置ｅの２ヶ所に配置する。これら２つのスロットアンテナ２ｄの間隔は管内波長λgに等しくなる。一般には、スロットアンテナ２ｄ同士の間隔を定数ｋの整数倍に設定する。また、終端Ｅと位置ｅのスロットアンテナ２ｄとの距離はλg／２に等しくなる。一般には、終端板２ｂとこれに近接するスロットアンテナ２ｄとの距離を定数ｋの１／２の整数倍に設定する。これは、終端板２ｂによるマイクロ波Ｍの定在波の形成を考慮したためである。このように、マイクロ波Ｍの定在波の波長と位相に合わせてスロットアンテナ２ｄを配置することが可能である。

実用上は、例えば、環状導波管２の横断面の内寸（図２のＡ×Ｂ）が１０９．２×５４．６ｍｍのとき、管内波長λgは１４７．９ｍｍとなるので、ｎ＝２の場合、環状導波管２の周囲長π×Ｄ１が２９５．８ｍｍとなる。したがって、Ｄ１を９４．２ｍｍに設定し、スロットアンテナ２ｄの間隔はλg（＝１４７．９ｍｍ）に設定すればよい。管内波長λgは、式１によって算出できる。
λg＝λ／√{１−（λ／λｃ）^２} （１）
但し、λはマイクロ波Ｍの自由空間波長、λｃは遮断波長であり、λｃ＝２Ａである。
また、環状導波管２の横断面の内寸が９６×２７ｍｍのとき、管内波長λgは１５８．８ｍｍとなるので、上記と同様に、周囲長π×Ｄ１とスロットアンテナ２ｄの間隔を設定すればよい。もちろん、ｎが正の整数であれば、ｎ＝２に限らない。

この第１の実施の形態のＳＷＰ発生装置１０は次のような作用効果を奏する。終端板２ｂを有する環状導波管２の周囲長π×Ｄ１を定数ｋの整数倍に設定することにより、定在波を形成し、スロットアンテナ２ｄ同士の間隔を定数ｋの整数倍に設定し、終端板２ｂとこれに近接するスロットアンテナ２ｄとの距離を定数ｋの１／２の整数倍に設定することにより、スロットアンテナ２ｄは効率的に機能し、マイクロ波電力は誘電体チューブ３に放出される。その結果、安定した表面波励起プラズマＰを効率良く生成できる。
そして、ＳＷＰ処理装置１００では、その安定した表面波励起プラズマＰによる処理が可能となる。

図５は、第１の実施の形態のＳＷＰ発生装置１０、ＳＷＰ処理装置１００に用いられる環状導波管の変形例を模式的に示す平面図である。図５に示す環状導波管２０は、図３に示した環状導波管２に比べ、位置ｆにある終端板２０ｂが環状部分の外側に配設されている点が異なるだけで、位置ｂから位置ｃ，ｄ，ｅを経て位置ｆまでの長さやスロットアンテナ２ｄの配置、間隔などは同じである。環状導波管２０は、終端板２０ｂの位置が可変の構造とする場合には、形状的に適している。

〈第２の実施の形態〉
第１の実施の形態は、管内波長λg（あるいは、定数ｋ）に対して環状導波管２の周囲長およびスロットアンテナ２ｄの位置を最適化したものであったが、この第２の実施の形態は、誘電体表面を伝搬する表面波ＳＷの波長に対して誘電体チューブ３の内側面の周囲長の最適化を図ったものである。したがって、第２の実施の形態のＳＷＰ発生装置１０、ＳＷＰ処理装置１００は、第１の実施の形態のものと基本的な構成は全く同じなので、説明の重複を避けて第１の実施の形態と相違する点を説明する。

前述したように、マイクロ波Ｍが環状導波管２からスロットアンテナ２ｄを介して誘電体チューブ３に導入されると、誘電体チューブ３の内周面に形成される表面波ＳＷのエネルギーにより誘電体チューブ４の内部空間にプラズマＰが生成される。表面波ＳＷは誘電体チューブ３の内周面を伝搬して内周面全体に拡がる。一般に、誘電体表面を伝搬する表面波ＳＷの波長λｓは、マイクロ波Ｍの管内波長λgと誘電体の誘電率εを用いて、λｓ＝λg／ε^１／２と書くことができる。

誘電体チューブ３の各部の寸法については、図２，３に示されるように、Ｄ２が誘電体チューブ３の内周面の直径であり、内周面の周囲長はπ×Ｄ２となる。本実施の形態では、周囲長π×Ｄ２を表面波ＳＷの波長λｓの整数倍に設定する。実際には、誘電体チューブ３の内周面の周囲長π×Ｄ２は、０．９５λｓからλｓの範囲内にある特定な数値を定数ｓとしたとき、定数ｓの整数倍に設定されている。ここで、定数ｓは、実験的に得られた数値である。一般には、ｎを正の整数とするとき、π×Ｄ２＝ｎ×ｓに設定することにより、誘電体チューブ３の内周面を周回伝搬する表面波ＳＷが干渉し合ったときでも減衰することがなくなる。その結果、表面波エネルギーを効率良く利用して表面波励起プラズマＰを生成させることができ、プラズマＰの空間均一性も向上する。

実用上は、例えば、環状導波管２の管内波長λgが１４７．９ｍｍの場合、アルミナ製の誘電体チューブ３の誘電率εは１０であるから、表面波ＳＷの波長λｓは４６．６ｍｍとなる。そこで、誘電体チューブ３の内径Ｄ２を５９．３ｍｍ、周囲長π×Ｄ２を１８６．４ｍｍに設定すれば、ｎ＝４（整数）となり、表面波ＳＷの減衰を防止することができる。また、誘電体チューブ３が石英製であれば、その誘電率３．５を用いて同様の算出法で誘電体チューブ３の内径Ｄ２、周囲長π×Ｄ２を算出することができる。

この第２の実施の形態のＳＷＰ発生装置１０は次のような作用効果を奏する。すなわち、誘電体チューブ３の内周面の周囲長π×Ｄ２を定数ｓの整数倍に設定することにより、表面波ＳＷの減衰を抑制でき、表面波エネルギーの利用効率を向上させることができる。

図６は、第１、第２の実施の形態のＳＷＰ発生装置１０の変形例を模式的に示す縦断面図である。この変形例のＳＷＰ発生装置１０Ａでは、図１〜３に示すＳＷＰ発生装置１０の構成に加えて、フランジ部３１を通して誘電体チューブ３の内部空間に炭素棒４０をＸ方向に挿脱するための移動機構３３が設けられている。炭素棒４０は、マイクロ波を良く吸収するので、放電開始を補助するための放電補助部材として用いられる。

図６に示されるように、環状導波管２の左右両端面には冷却ジャケット２１がそれぞれ取り付けられている。冷却ジャケット２１には冷媒用通路２２が形成されており、この通路２２に冷媒を流すことにより環状導波管２を冷却するようにしている。冷却ジャケット２１に装着されたＯリングシール２３は、誘電体チューブ３の端面と冷却ジャケット２１との間をシールしている。

炭素棒４０の一方の端部（図中、右端）には平板４１が、他方の端部には絶縁部材４２が設けられ、絶縁部材４２には棒材４３が固設されている。炭素棒４０、絶縁部材４２および棒材４３の外形寸法は同じに作製されている。移動機構３３は、棒材４３を把持してＸ方向に往復移動することにより誘電体チューブ３の内部空間に炭素棒４０を挿脱できるように構成されている。また、炭素棒４０の長手方向に沿ってスリット状の開口４０ａが穿設されている。

左側の冷却ジャケット２１に固設されているフランジ部３１には、Ｏリング３１ａ，３１ｂが設けられている。図６に示されるように、炭素棒４０が内部空間に配置された状態では、棒材４３の外周がＯリング３１ａに密着しているので、誘電体チューブ３の内部空間の気密が保たれる。また、炭素棒４０が内部空間から−Ｘ方向に退避した状態では、炭素棒４０の外周がＯリング３１ａに密着するので、誘電体チューブ３の内部空間の気密が保たれる。このときは、炭素棒４０の先端の平板４１がＯリング３１ｂに密着して蓋の役割をする。所定のガスは、図中、フランジ部３１の下側から内部空間に導入され、内部空間の右端から排気される。

表面波励起プラズマは、５〜１００Ｐａの圧力範囲では比較的容易に形成できるが、この圧力範囲より高い圧力下では放電を開始するために大きな投入電力を必要とする。そこで、炭素棒４０を内部空間に配置することにより、常圧下でも投入電力を増やさずに放電を開始させることができる。放電を開始させると、炭素棒４０のスリット状の開口４０ａの周囲を回る電流が流れる。この周回電流が流れることにより常圧下での放電開始がより一層容易になる。一旦、プラズマが形成されたときは、移動機構３３により炭素棒４０を−Ｘ方向に退避させても放電は維持される。このように、放電補助部材を用いることにより、広い圧力範囲でのプラズマ処理が可能となる。放電補助部材の材質としては、炭素の他に炭化珪素を用いることもできる。

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、ＳＷＰ発生装置、ＳＷＰ処理装置において、第１および第２の実施の形態を組み合わせて、管内波長λgに対する環状導波管２の周囲長およびスロットアンテナ２ｄの位置の最適化と、表面波ＳＷの波長λｓに対する誘電体チューブ３の内側面の周囲長の最適化とを同時に図ってもよい。

Claims (6)

1. マイクロ波発生装置と、
   前記マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入する導入部および固定の終端部を有し、1つ又は所定間隔で配置された複数のスロットアンテナが形成された底板を内側面とする環状マイクロ波導波管と、
   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し、表面に形成される表面波によって表面波励起プラズマを生成する筒状誘電体部材とを備え、
   前記マイクロ波の管内波長をλｇとし、０．９５λｇからλｇの範囲内にある特定な数値を定数ｋとしたとき、前記底板の内側面の周囲長を定数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発生装置。
2. 請求項１に記載の表面波励起プラズマ発生装置において、
   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発生装置。
3. 請求項１または２に記載の表面波励起プラズマ発生装置において、
   前記終端部は、その直前に配置されたスロットアンテナからの距離を前記定数ｋの１／２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発生装置。
4. マイクロ波発生装置と、
   前記マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入する導入部および固定の終端部を有し、1つ又は所定間隔で配置された複数のスロットアンテナが形成された底板を内側面とする環状マイクロ波導波管と、
   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し、表面に形成される表面波によって表面波励起プラズマを生成する筒状誘電体部材とを備え、
   前記筒状誘電体部材の内周面を伝搬する表面波の波長をλｓとし、０．９５λｓからλｓの範囲内にある特定な数値を定数ｓとしたとき、前記筒状誘電体部材の内側面の周囲長を定数ｓ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発生装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の表面波励起プラズマ発生装置において、
   前記筒状誘電体部材の内部空間に放電開始を補助するための炭素、炭化珪素等を材料とする放電補助部材を挿脱する機構を設けることを特徴とする表面波励起プラズマ発生装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面波励起プラズマ発生装置と、
   前記筒状誘電体部材を保持して気密空間を形成し、前記表面波励起プラズマ発生装置によって生成されたプラズマを利用して被処理物を処理する処理室とを備え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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