JP5189999B2 - マイクロ波プラズマ処理装置、及びマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波給電方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を用いて生成されたプラズマにより半導体ウェハ、液晶用基板、有機ＥＬ素子等の被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理は、半導体製造工程のエッチング、薄膜成膜等のプロセスに広く使用されている。近年、ＬＳＩの高集積化、高速化、小電力化の観点からＬＳＩを構成する半導体のプロセスルール（ＩＣの線幅）が益々微細化されている。配線間の距離が縮まると、従来の層間絶縁膜では絶縁できず、隣接する配線の信号と干渉するおそれがある。この干渉するおそれを解決するために、低誘電率（Low-k）の絶縁膜が求められている。しかし、従来から多用されている平行平板型や誘導結合型のプラズマ処理装置においては、電子温度が高いので、低誘電率の絶縁膜にダメージを与えてしまう。例えば、低誘電率の絶縁膜として知られている炭素とフッ素を含むＣＦ膜を使用した場合、プラズマ処理のダメージによって絶縁膜の誘電率が上がってしまう。

さらに、半導体のウェハサイズも大口径化しており、これに伴って大口径の半導体ウェハに偏りなく均一に処理を行うことが要請されている。

そこで近年、高密度で低電子温度のプラズマを均一に形成することができるＲＬＳＡ(Radial Line Slot Antenna)を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が注目されている（例えば特許文献１参照）。マイクロ波プラズマ処置装置は、均一なマイクロ波を発するように配列された多数のスロットを有する平面状のマイクロ波アンテナから処理容器内にマイクロ波を放射し、マイクロ波の電界により処理容器内のガスを電離してプラズマを励起させる。このマイクロ波プラズマ処理装置によれば、アンテナ直下の広い領域に高いプラズマ密度を実現できるので、短時間で均一なプラズマ処理を行うことが可能である。しかも、低電子温度のプラズマを生成することができるので、被処理基板へのダメージを少なくすることができるという利点もある。

図１に示すように、このマイクロ波プラズマ処理装置において、処理容器１の天井部の開口は誘電体窓２により塞がれる。誘電体窓２の上にはマイクロ波アンテナ３が載せられる。矩形導波路４には、マイクロ波発生装置が接続される。マイクロ波発生装置が発するマイクロ波は、矩形導波路を伝播した後、モード変換器５によって同軸モードに変換される。モード変換されたマイクロ波は同軸導波管６を上下方向に伝播する。同軸導波管６を伝播したマイクロ波は、ディスク状の誘電体板７を半径方向に伝播する。誘電体板７内で波長が圧縮され、かつ共振するマイクロ波は、導電材料からなるスロット板８のスロットを透過し、誘電体窓２を介して処理容器１内に放射される。

同軸導波管６は、内導体６ａと、内導体６ａを囲む外導体６ｂと、から構成される。内導体６ａの上端部は、モード変換器５に結合される。内導体６ａの下端部は、スロット板８にねじ等で電気的に結合される。マイクロ波は内導体６ａの外周面と外導体６ｂの内周面との間の環状の同軸導波路を伝播する。

特開２００２−３５５５０号公報

励起されたプラズマにより熱が生じると、マイクロ波アンテナ３には誘電体窓２を介して熱が伝達される。同軸導波管６の内導体６ａと外導体６ｂとの間に温度差が生じた場合、図２に示すように、内導体６ａの伸び量と外導体６ｂの熱による伸び量が異なるので、内導体６ａに結合されたスロット板８が上下方向に変位する。スロット板８自身の剛性が低く、かつ内導体６ａが長いことも一因である。スロット板８の上下方向の変位に伴い、スロット板８と誘電体板７との間に隙間ができたり、スロット板８が誘電体板７に押し付けられたりすると、スロット板８を透過するマイクロ波の導波路を乱し、均一なプラズマの生成を困難とし、プロセスに悪影響を与えてしまう。内導体６ａ及び外導体６ｂの熱膨張による伸び量を同一にすれば、スロット板８の位置を一定にできる。しかし、内導体６ａ及び外導体６ｂの熱膨張による伸び量を同一に制御するのは困難である。さらに、内導体６ａは伸びるだけでなく、モード変換器５及びスロット板８を固定端にして撓むこともある。内導体６ａが撓むと、同軸導波管６を伝播するマイクロ波の分布が乱れてしまう。

他方、図３に示すように、誘電体板７にスロット板としてのめっき等の導電膜９をパターニングし、内導体６ａを誘電体板下面の導電膜９に電気的に接続したマイクロ波プラズマ処理装置も知られている。しかし、このプラズマ処理装置にあっても、熱により内導体６ａが伸縮すると、内導体６ａの下端の電気コンタクト板６ｃが変形したり、電気コンタクト板６ｃと誘電体板７の下面の導電膜９との電気的接触が不十分になったりするという問題がある。

そこで本発明は、同軸導波管の内導体が熱膨張・熱収縮しても、マイクロ波の伝播特性に悪影響を及ぼすことのないマイクロ波プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置用の誘電体板、及びマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波給電方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、天井部が誘電体窓により画定される処理容器と、前記処理容器を減圧するガス排気系と、前記処理容器にプラズマ励起用ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器の前記誘電体窓に載せられ、前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波アンテナと、を備えるマイクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波アンテナは、マイクロ波を伝播する同軸導波管と、半径方向にマイクロ波を伝播すると共にマイクロ波の波長を圧縮する誘電体板と、マイクロ波を透過させるスロットを有するスロット板と、を含み、前記同軸導波管は、内導体と、内導体を囲む外導体と、を含み、前記内導体は、前記誘電体板及び前記スロット板の少なくとも一方に連結される誘電体板側の内導体と、前記誘電体板側の内導体から分離され、前記誘電体板側の内導体との間に空間が空けられる残りの内導体と、を含むマイクロ波プラズマ処理装置である。

本発明のさらに他の態様は、矩形導波路を伝播するマイクロ波をモード変換器によりモード変換し、内導体、及び内導体を囲む外導体を含む同軸導波管に伝播し、前記同軸導波管を伝播したマイクロ波を誘電体板で半径方向に伝播すると共に波長を圧縮するマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波給電方法において、前記マイクロ波は、前記モード変換器に連結されるモード変換器側の内導体の周囲、並びに、前記モード変換器側の内導体から空間を空けて配置される誘電体板側の内導体の周囲を伝播するマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波給電方法である。

同軸導波管の内導体を誘電体板側の内導体と残りの内導体（モード変換器側の内導体）とに分離し、誘電体板側の内導体のみを誘電体板やスロット板に連結するので、内導体が熱膨張・熱収縮しても、誘電体板側の内導体と残りの内導体との間の隙間が変化するだけであり、誘電体板側の内導体に熱膨張・熱収縮による応力が発生するのを防止できる。誘電体板側の内導体に連結される誘電体板やスロット板が変形するのを防止できるので、マイクロ波の伝播特性に悪影響を及ぼすことがない。

従来のマイクロ波プラズマ処理装置の断面図 従来のマイクロ波プラズマ処理装置の同軸導波管を示す詳細図 誘電体板にスロット板としての導電膜をパターニングした従来のマイクロ波プラズマ処理装置の断面図 本発明の一実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置の断面図 同軸導波管の詳細図 誘電体板側の内導体及び誘電体板の他の例（変形例１）を示す断面図 導電膜が付着する誘電体板を示す図 誘電体板側の内導体及び誘電体板のさらに他の例（変形例２）を示す断面図 変形例２において、誘電体板の孔の内周面に導電膜を形成した例を示す断面図 誘電体板側の内導体及び誘電体板のさらに他の例（変形例３）を示す断面図 誘電体板側の内導体及び誘電体板のさらに他の例（変形例４）を示す断面図 実施例の同軸導波管を示す図 実施例の同軸導波管を用いたときの、電磁波周波数と透過比率との関係を示すグラフ

以下、添付図面を参照して、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の一実施形態を説明する。図４は、マイクロ波プラズマ処理装置の全体の構成図を示す。

マイクロ波プラズマ処理装置は、外壁によって区画される処理容器１１と、処理容器１１内に設けられ、被処理基板を静電チャックにより保持する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる保持台１６と、を備える。処理容器１１には、保持台を囲む円環状の空間に周方向に均等に排気ポートが形成される。処理容器１１は、排気ポートを介して真空ポンプにより排気・減圧される。

処理容器１１は、アルミニウム（Ａｌ）好ましくはアルミニウム（Ａｌ）を含有するステンレス鋼からなり、内壁面には酸化処理により酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）よりなる保護膜が形成されてもよい。処理容器１１の天井部には、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英等の誘電体からなる誘電体窓１２が外壁の一部として設けられる。誘電体窓１２は処理容器１１の側壁にシールリング１３を介して装着される。誘電体窓１２は処理容器１１の側壁の上部に取り付けられる誘電体窓押えリング１４によって処理容器１１に固定される。誘電体窓押えリング１４は、処理容器１１と同様にアルミニウム（Ａｌ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）を含有するステンレス鋼からなる。

処理容器１１の側壁には、プラズマ励起用ガスを処理容器１１内に供給するための例えば環状のガス供給部１５が設けられる。ガス供給部１５にはガス供給系が接続されている。Ａｒガス、Ｋｒガス等のプラズマ励起用ガスや、プラズマ処理の種類に応じた処理ガスがガス供給部から処理容器１１に供給される。かかるプラズマ処理には、ラジカル酸化処理、ラジカル窒化処理、ラジカル酸窒化処理、プラズマＣＶＤ処理等が含まれる。ガス供給部からＣ₄Ｆ₈，Ｃ₅Ｆ₈又はＣ₄Ｆ₆等のフルオロカーボンガスや、Ｆ系あるいはＣｌ系等のエッチングガスを供給し、保持台１６上に高周波電源から高周波電圧を印加することにより、被処理基板に対して処理を行う。

処理容器１１の側壁には、被処理基板を搬入及び搬出するための図示しない搬出入口が設けられる。搬出入口はゲートバルブによって開閉される。

誘電体窓１２上には、処理容器１１内のプラズマ励起用ガスを励起するマイクロ波アンテナ１８が載せられる。マイクロ波アンテナは、矩形導波管２１、同軸導波管２４、冷却板２５、誘電体板２６及びスロット板２７を含む。矩形導波管２１には、整合器を介してマグネトロン等のマイクロ波発生装置が接続される。マイクロ波発生装置は、例えば周波数２．４５ＧＨｚ，８．３５ＧＨｚ，１．９８ＧＨｚ，９１５ＭＨｚ等のマイクロ波を発生する。整合器は、マイクロ波発生装置から発生するマイクロ波を矩形導波管２１及び同軸導波管２４を介して誘電体板２６へ伝播させる。

水平方向に伸びる矩形導波管２１は、垂直方向に伸びる同軸導波管２４の上端部に接続される。同軸導波管２４は、垂直方向に伸びる内導体２２と、内導体２２を囲む筒状の外導体２３と、からなる。内導体２２と外導体２３との間に断面環状の同軸導波路２０が形成される。内導体２２及び外導体２３は、例えば銀めっきした銅からなる。矩形導波管２１と同軸導波管２４の接続部には、円錐形のモード変換器２９が設けられる。矩形導波管２１を伝播するマイクロ波はモード変換器２９によって同軸モードに変換され、同軸導波路２０を上下方向に伝播する。

同軸導波管２４を上下方向に伝播したマイクロ波は、ディスク状の誘電体板２６を半径方向に伝播する。誘電体板２６は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英等の誘電体からなる。誘電体板２６の上面には、誘電体板２６を冷却するアルミニウム（Ａｌ）等に金属からなる冷却板２５が設けられる。冷却板２５には冷却水流路２５ａが形成される。冷却水流路２５ａに冷却水を流すことにより、誘電体板２６が冷却される。誘電体板２６の下面には、銅板等の導電材料からなるスロット板２７が設けられる。

マイクロ波は、電界と磁界が非常に速く変化しながら伝搬する電磁波である。誘電体板２６の下面には金属からなるスロット板２７が設けられ、誘電体板２６の上面には金属からなる冷却板２５が設けられる。金属面に当たったマイクロ波は、金属内には入らず、ごく表面に電流を流し、大部分が反射する。このため、同軸導波路２０から誘電体板２６に侵入したマイクロ波は、スロット板２７及び冷却板２５を反射しながら誘電体板２６を半径方向に伝搬する。また、同軸導波路２０から誘電体板２６に入るとき、マイクロ波の媒質が空気から誘電体に変化するので、マイクロ波の波長が圧縮される。誘電体板２６の厚みは、ＴＥモードで（電界が厚み方向にだけできるように）伝搬するように決められる。誘電体板２６内におけるマイクロ波の波長の１／４以下であれば問題ないが、あまり薄いと強度の問題があり、厚すぎると撓みにくくなる。アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）の場合で３〜６ｍｍ程度が最適な厚みになる。

スロット板２７には、マイクロ波を透過させる多数のスロットが形成される。誘電体板２６内で共振したマイクロ波は、スロット板２７の多数のスロットを透過し、誘電体窓１２を介して処理容器１１内に放射される。

マイクロ波アンテナ１８は、誘電体窓押え１４に取り付けられるアンテナ押え３０によって誘電体窓１２に固定される。アンテナ押え３０は処理容器１１と同様にアルミニウム（Ａｌ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）を含有するステンレス鋼からなる。冷却板２５とアンテナ押え３０との間には、電磁遮蔽弾力体３１が設けられる。電磁遮蔽弾力体３１は電磁シールドの機能、及びマイクロ波アンテナ１８を誘電体窓１２に押しつける機能を持つ。スロット板２７のスロットを透過するマイクロ波は全てがプラズマに吸収されるわけではなく、一部がスロット板２７と誘電体窓１２との間の小さな隙間から外側に漏れ出す。電磁遮蔽弾力体３１は漏れ出したマイクロ波をシールドする。マイクロ波アンテナ１８が誘電体窓１２上に単に載っているだけだと、熱膨張によってマイクロ波アンテナ１８と誘電体窓１２との間に隙間が生ずる。隙間が発生するのを防止するために、電磁遮蔽弾力体３１はマイクロ波アンテナ１８を強い力で誘電体窓１２に押し付ける。

図５に示すように、同軸導波管２４を構成する内導体２２は、スロット板に接続される誘電体板側の内導体２２ｂと、モード変換器２９又は矩形導波管２１に連結される残りの内導体であるモード変換器側の内導体２２ａと、に分離される。モード変換器側の内導体２２ａはモード変換器２９から垂直下方に伸びる。モード変換器側の内導体２２ａの軸線方向の途中には、円盤状に張り出すフランジ部３２ａが設けられてもよい。

誘電体板側の内導体２２ｂは垂直方向に伸びる。誘電体板側の内導体２２ｂはスロット板２７及び誘電体板２６を貫通する。誘電体板側の内導体２２ｂの下端には、スロット中心固定板３３が設けられる。スロット中心固定板３３はスロット板２７にねじ等で結合される。誘電体板側の内導体２２ｂの上部には、円盤状に張り出すフランジ部３２ｂが設けられる。なお、この図５には、誘電体板２６とスロット板２７との間、及びスロット板２７と誘電体窓１２との間に隙間があるように示されているが、実際にはこれらの間には隙間はない。

モード変換器側の内導体２２ａの下端と誘電体板側の内導体２２ｂの上端との間には、空間が空けられる。この空間は大気で充満されてもよいし、真空であってもよい。力が伝達するのを防止するために、モード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとの間には介在物がない。すなわち、モード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとは物理的に不連続である。モード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとの間の隙間は、例えば３〜５ｍｍに設定される。３ｍｍ未満だと、モード変換器側の内導体２２ａ及び誘電体板側の内導体２２ｂの熱膨張により、これらが物理的に接触するおそれがある。５ｍｍを超えると、マイクロ波の均一な伝搬に必要な、後述する誘電体板側の内導体２２ｂの長さａを十分に確保できなくなる。

同軸導波管２４の内導体２２を、モード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとに分離し、誘電体板側の内導体２２ｂをスロット板２７に連結するので、内導体２２が熱膨張・熱収縮しても、誘電体板側の内導体２２ｂとモード変換器側の内導体２２ａとの間の隙間が変化するだけであり、誘電体板側の内導体２２ｂに熱膨張・熱収縮による応力が発生するのを防止できる。誘電体板側の内導体２２ｂに連結されるスロット板２７が変形するのを防止できるので、マイクロ波の伝播特性に悪影響を及ぼすことがない。

もしモード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとが物理的に連続していれば、マイクロ波はこれらの内導体２２の周囲を伝播する。しかし、本実施形態のように、モード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとの間に隙間を空けたならば、隙間でマイクロ波が反射する。マイクロ波の反射を矯正し、マイクロ波を整形するために、フランジ部３２ａ，３２ｂが設けられる。マイクロ波が内導体２２の周囲を伝播するとき、内導体２２の表面にはマイクロ波の電界による電流と電界の変化に伴う変位電流が流れる。この変位電流に対し、フランジ部が３２ａ，３２ｂコンデンサのように機能し（図中二点鎖線で囲まれる範囲）、隙間に高周波の変位電流を流す。このため、高周波の変位電流が当該隙間で遮断されることはなく、インピーダンスも隙間で急激に変化することがない。隙間及びフランジ部３２ａ，３２ｂの大きさを調整することにより（例えば隙間を空けた分、フランジ部３２ａ，３２ｂの外径と外導体２３との間の隙間を縮めることにより）、マイクロ波を減衰することなく同軸導波路２０内を伝播させることができる。

誘電体板側の内導体２２ｂの長さａは、同軸導波管２４におけるマイクロ波の波長の１／４から１波長までの範囲内にあるのが望ましい。ここで、誘電体板側の内導体２２ｂの長さａとは、誘電体板側の内導体２２ｂが同軸導波管２４の内導体として機能する部分の長さであり、具体的には、誘電体板２６の上面からフランジ部３２ｂの下端までの高さである。モード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとの間に隙間を空けると、当該隙間で一旦マイクロ波が乱れる。誘電体板側の内導体２２ｂの長さをマイクロ波の波長の１／４以上にし、当該内導体２２ｂに沿ってマイクロ波を伝搬させることで、マイクロ波の乱れを矯正できる。また、モード変換器側の内導体２２ａと誘電体板側の内導体２２ｂとの中心のずれが生じても、誘電体板側の内導体２２ｂに沿ってマイクロ波を伝搬させることで、中心のずれに起因するマイクロ波の乱れを矯正できるので、対称性のよいマイクロ波の分布が形成される。誘電体板側の内導体２２ｂの長さが１波長を超えると、誘電体板側の内導体２２ｂ自身がマイクロ波によって加熱されるので、破損等の問題が生じる可能性がある。

図６は、誘電体板側の内導体２２ｂ及び誘電体板２６の他の例（変形例１）を示す。この例の誘電体板側の内導体２２ｂは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英等の誘電体からなり、その表面には導電性を有する導電膜３６が形成される。導電膜３６は、例えば金属をめっきすることにより形成される。誘電体板側の内導体２２ｂは、誘電体板２６の中心部の孔２６ａに嵌められる。誘電体板側の内導体２２ｂは、誘電体板２６に一体化される。具体的には、圧入、ロウ付け、拡散接合、溶融、その他の手法により、誘電体板側の内導体２２ｂが誘電体板２６に一体化される。マイクロ波により金属の表面にのみ電流が流れる。

図７は、導電膜３８が形成される誘電体板２６の詳細図を示す。誘電体板２６の上面、下面及び外周面には、金属の層からなる導電膜３８が例えばめっきされる。誘電体板２６の中心部には、誘電体板側の内導体２２ｂに接続される孔２６ａが開けられる。誘電体板２６の下面の導電膜３８は、誘電体板側の内導体２２ｂに電気的に接続され、誘電体板２６の上面の導電膜３８は、冷却板２５を介して同軸導波管２４の外導体２３に電気的に接続される（図６参照）。

誘電体板２６の下面側の導電膜３８には、マイクロ波を透過させる多数のスロット３８ａが形成される。隣接する一組のスロット３８ａは、直交するようにＴ字状に配列される。多数のスロット３８ａは導電膜３８に例えば同心円状に配置される。スロット３８ａの長さや配列は、スロット３８ａから処理容器１１に強い電界が放射されるように、誘電体板２６によって圧縮されたマイクロ波の波長に応じて適宜決定される。スロット３８ａの形状は直線形状の他に円弧形状でもよく、スロット３８ａの配列は同心円状の他に螺旋状や放射状でもよい。

外導体２３、内導体２２及び誘電体板２６の中心の位置決め精度は、５０ミクロン以下が要求される。しかし、現状では５０ミクロン以下の精度で位置決めするのは困難であり、これらの位置ずれが機差（同一処理を行う装置毎の差）の原因になっている。誘電体板側の内導体２２ｂを誘電体板２６に一体化することで、誘電体板２６と給電部分との中心の位置決め精度がよくなり、昇温時の熱膨張の量も同一であるので、マイクロ波の伝搬路を乱さず、マイクロ波によって発生するプラズマの均一性を向上できる。さらに、誘電体板２６と誘電体板側の内導体２２ｂをアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や石英等の同じ材料からなる誘電体で一体に構成すれば、熱膨張率が同一であるため、昇温時にも熱膨張の量が同一であり、隙間等が生じることがなく、マイクロ波伝搬路を乱さず、均一にマイクロ波を供給することができる。

誘電体板側の内導体２２ｂを誘電体板２６に一体化したとき、これらの間に熱膨張の差があると、誘電体板側の内導体２２ｂ及び誘電体板２６が割れるおそれがある。誘電体板側の内導体２２ｂを金属でなく、誘電体板２６と同一の材質又は熱膨張係数が実質的に等しい材料から製造することでその割れを防止することができる。

図８は、誘電体板側の内導体２２ｂ及び誘電体板２６のさらに他の例（変形例２）を示す。この例の誘電体板２６には、同軸導波管２４の同軸導波路２０にせり出す首部２６ｂが設けられる。誘電体板２６の孔２６ａの下部には、円錐形状のテーパ部２６ｃが形成される。誘電体板２６の首部２６ｂの外周面及び誘電体板２６の下面のテーパ部２６ｃには、導電膜３８が形成される。誘電体板２６の孔２６ａには、導電性の表面を有する誘電体板側の内導体２２ｂが嵌められる。誘電体板側の内導体２２ｂの導電膜３６は、誘電体板２６の下面の導電膜３８に電気的に接続される。誘電体板２６の首部２６ｂの外周面の導電膜３８は冷却板２５に電気的に接続される。誘電体板２６に首部２６ｂを設けることで、誘電体板２６と誘電体板側の内導体２２ｂを嵌め合い構造にできるだけでなく、誘電体板２６と冷却板２５とを嵌め合い構造にすることができる。

図９に示すように、誘電体板２６の孔２６ａの内周面に導電膜３８を形成してもよい。導電膜３８は孔２６ａの内周面の一部に形成されてもよい。孔２６ａの内周面に導電膜３８を形成することで、内導体２２ｂと導電膜３８との電気的なコンタクトを強くすることができる。

この例においても、誘電体板側の内導体２２ｂの長さａは、同軸導波管２４におけるマイクロ波の波長の１／４から１波長までの範囲内にあるのが望ましい。ここで、誘電体板側の内導体２２ｂの長さａとは、冷却板２５に接触する誘電体板２６の上面からフランジ部３２ｂの下端までの高さである。なお、空気中を伝播するときと誘電体を伝播するときとでは、空気と誘電体の境界を境にしてマイクロ波の波長が異なる。誘電体板側の内導体２２ｂの長さａは、空気中を伝播するときの波長分と誘電体を伝播するときの波長分を合算した波長で表わされる。

図１０は、誘電体板側の内導体２２ｂ及び誘電体板２６のさらに他の例（変形例３）を示す。この例の誘電体板２６の首部２６ｂの上面には、円錐形状のテーパ部４０が形成される。テーパ部４０により、首部２６ｂの外周側のせり出し高さは内周側よりも高くなる。誘電体板２６の首部２６ｂの外周面のせり出し高さｂは、同軸導波管２４におけるマイクロ波の波長の１／４以上であるとよい。

誘電体板２６の首部２６ｂの外周面は冷却板２５に電気的に接続される。誘電体板２６の首部２６ｂの外周面の上端３９には、冷却板２５との間に僅かな隙間が発生する。この隙間が周方向に不均一になると、マイクロ波が周方向に均等に分散しなくなる。誘電体板２６の首部２６ｂの外周面のせり出し高さｂをマイクロ波の波長の１／４以上にすることで、誘電体板２６から隙間を遠ざけることができる。そして、マイクロ波の波長の１／４以上の長さの首部２６ｂの導電膜３８に沿ってマイクロ波を伝搬させることで、マイクロ波の乱れを矯正できる。また、首部２６ｂの上面のテーパ部４０と誘電体板２６の下面のテーパ部２６ｃの傾斜を逆にすることで、首部２６ｂのテーパ部４０におけるマイクロ波の反射と、誘電体板２６の下面のテーパ部２６ｃにおけるマイクロ波の反射を打ち消し合うことができ、マイクロ波のロスを少なくすることができる。

なお、この例においても、誘電体板側の内導体２２ｂの長さは、同軸導波管２４におけるマイクロ波の波長の１／４から１波長までの範囲内であることが望ましい。空気中を伝播するときと誘電体を伝播するときとでは、空気と誘電体の境界を境にしてマイクロ波の波長が異なる。誘電体板側の内導体２２ｂの長さａは、テーパ部４０の中心（（テーパ部４０の内径＋テーパ部４０の外径）／２の位置）において、空気中を伝播するときの波長分と誘電体を伝播するときの波長分を合算した波長で表わされる。

図１１は、誘電体板側の内導体２２ｂ及び誘電体板２６のさらに他の例（変形例４）を示す。同軸導波管２４の外導体２３（正確には外導体２３を構成する冷却板２５）には、表面が導電性を有する円筒形状の外導体ブロック４２が嵌められる。外導体ブロック４２は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、石英等の誘電体からなり、その表面には導電性を有する導電膜４３が形成されている。誘電体板２６は、誘電体板側の内導体２２ｂと外導体ブロック４２との間にせり出す首部２６ｂを有する。外導体ブロック４２は誘電体板２６の首部２６ｂの外周面に嵌められ、外導体ブロック４２と誘電体板２６とは一体化される。誘電体板２６には誘電体板側の内導体２２ｂが一体化される。このためこの例においては、誘電体板側の内導体２２ｂ，誘電体板２６，及び外導体ブロック４２が一体化される。外導体ブロック４２の外周面は冷却板２５に電気的に接続され、外導体ブロック４２の下面は誘電体板２６の上面の導電膜３８に電気的に接続される。そして、誘電体板側の内導体２２ｂの導電膜３６は、誘電体板２６の下面の導電膜３８に電気的に接続される。

外導体ブロック４２の上部（冷却板２５と接する部分）には、長さλ／２程度の奥行きを有する隙間４５が形成される。これは、外導体２３の内面と外導体ブロック４２が接するように接続されると、マイクロ波電流が流れたとき、接触抵抗等により熱（ジュール熱）が発生するからである。この部分は電流値が大きいので、発熱量が大きくなり熱負荷が大きくなるので、破損等のおそれがある。そこで隙間４５を設け、外導体２３と外導体ブロック４２が、隙間４５の外導体内面からの距離がλ／４程度の位置で接触するように構成している。

外導体ブロック４２の軸線方向の長さｂは、同軸導波管２４におけるマイクロ波の波長の１／４以上に設定されるのが望ましい。このようにすれば、外導体ブロック４２の上端と冷却板２５との間に生ずる隙間を、マイクロ波の波長の１／４以上誘電体板２６から遠ざけることができる。このため、隙間を通過することによるマイクロ波の乱れを矯正することができる。外導体ブロック４２の外周面と冷却板２５の切欠き部２５ｄの内周面との間には、これらの間に生ずる隙間を周方向に均一にするためのＯリング４４が装着される。

この例においても、誘電体板側の内導体２２ｂの長さは同軸導波管２４におけるマイクロ波の波長の１／４から１波長までの範囲内にあるのが望ましい。外導体ブロック４２の軸線方向の長さｂ及び誘電体板側の内導体２２ｂの長さａは、空気中を伝播するときの波長分と誘電体板２６を伝播するときの波長分を合算した波長で表わされる。

図１２に示す内導体及び外導体を製作し、内導体及び外導体との間の同軸導波路にマイクロ波を伝搬させた。図１３に示すように。２．４〜２．６ＧＨｚの電磁波に対して、ほとんど損失することなく、マイクロ波が透過することがわかった。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々に変更できる。例えば、モード変換器側の内導体及び誘電体板側の内導体に冷却ガス又は冷却水を流す通路を設け、これらの内導体を冷却してもよい。

誘電体板及び誘電体板側の内導体に付着する導電膜は、めっきの他、溶射、蒸着等の手法によって形成されてもよい。

アンテナ押えに冷却板及び誘電体板を誘電体窓に押さえ付ける電磁遮蔽弾力体を設けなくても、冷却板及び誘電体板の周囲を真空にすることによって、これらを誘電体窓に密着させてもよい。

さらに、誘電体窓に処理容器内にプラズマ励起用ガスを供給するプラズマ励起用ガス供給経路を形成し、誘電体窓と被処理基板との間に処理ガスを供給する中段シャワーヘッドを設けてもよい。

１１…処理容器
１２…誘電体窓
１５…ガス供給部
１８…マイクロ波アンテナ
２０…同軸導波路
２１…矩形導波管
２２…内導体
２２ａ…モード変換器側の内導体（残りの内導体）
２２ｂ…誘電体板側の内導体
２３…外導体
２４…同軸導波管
２５…冷却板
２６…誘電体板
２６ｂ…首部
２７…スロット板
２９…モード変換器
３２ａ…フランジ部
３２ｂ…フランジ部
３８…導電膜
４２…外導体ブロック

Claims (10)

1. 天井部が誘電体窓により画定される処理容器と、前記処理容器を減圧するガス排気系と、前記処理容器にプラズマ励起用ガスを供給するガス供給部と、前記処理容器の前記誘電体窓に載せられ、前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波アンテナと、を備えるマイクロ波プラズマ処理装置において、
   前記マイクロ波アンテナは、マイクロ波を伝播する同軸導波管と、半径方向にマイクロ波を伝播すると共にマイクロ波の波長を圧縮する誘電体板と、マイクロ波を透過させるスロットを有するスロット板と、を含み、
   前記同軸導波管は、内導体と、内導体を囲む外導体と、を含み、
   前記内導体は、前記誘電体板及び前記スロット板の少なくとも一方に連結される誘電体板側の内導体と、前記誘電体板側の内導体から分離され、前記誘電体板側の内導体との間に空間が空けられる残りの内導体と、を含むマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記マイクロ波アンテナはさらに、マイクロ波を伝播する矩形導波管と、前記矩形導波管を伝播するマイクロ波のモードを変換するモード変換器と、を含み、
   前記残りの内導体は、前記モード変換器又は前記矩形導波管に連結されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記スロット板は、前記誘電体板に付着する導電膜からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 前記誘電体板側の内導体は、前記誘電体板に一体化されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
5. 前記誘電体板側の内導体は、前記誘電体板と同一の材質又は熱膨張係数が実質的に等しい材料からなり、かつその表面に導電性を有することを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
6. 前記誘電体板側の内導体及び前記残りの内導体には、外側に張り出すフランジ部が設けられることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
7. 前記誘電体板側の内導体の長さは、前記同軸導波管におけるマイクロ波の波長の１／４から１波長までの範囲内にあることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
8. 前記誘電体板は、前記同軸導波管内にせり出す首部を有し、
   前記首部の外周面は導電性を有し、
   前記同軸導波管内にせり出す前記首部の外周面のせり出し高さが、前記同軸導波管におけるマイクロ波の波長の１／４以上であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
9. 前記同軸導波管の外導体には、表面が導電性を有する円筒形状の外導体ブロックが嵌められ、
   前記誘電体板は、前記内導体と前記外導体ブロックとの間にせり出す首部を有し、
   前記外導体ブロックの軸線方向の長さが、前記同軸導波管におけるマイクロ波の波長の１／４以上であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
10. 矩形導波路を伝播するマイクロ波をモード変換器によりモード変換し、内導体、及び内導体を囲む外導体を含む同軸導波管に伝播し、前記同軸導波管を伝播したマイクロ波を誘電体板で半径方向に伝播すると共に波長を圧縮するマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波給電方法において、
    前記マイクロ波は、前記モード変換器に連結されるモード変換器側の内導体の周囲、並びに、前記モード変換器側の内導体から空間を空けて配置される誘電体板側の内導体の周囲を伝播するマイクロ波プラズマ処理装置のマイクロ波給電方法。

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