JP5462368B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板表面処理等に用いることができる誘導結合型のプラズマ処理装置に関する。

従来より、基板上に薄膜を形成する製膜処理や、基板に対するエッチング処理のために、プラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置には電極間に高周波電圧を印加することで生じる電磁界によりプラズマを生成する容量結合型プラズマ処理装置や、高周波アンテナ（コイル）に高周波電流を流すことで生じる電磁界によりプラズマを生成する誘導結合型プラズマ処理装置等がある。このうち容量結合型プラズマ処理装置は誘導結合型のものよりも装置のコストが低いという特長を有し、一方、誘導結合型プラズマ処理装置は容量結合型のものよりも高密度のプラズマを生成することができるため製膜速度が速いという特長を有する。

誘導結合型プラズマ処理装置では、誘導電磁界を生成するための高周波アンテナを真空容器の外側に配置した外部アンテナ方式が多く用いられている。しかし、近年、被処理基板及びその上に形成する薄膜の大面積化が進んでおり、それに伴って真空容器が大型化し、真空容器内外の圧力差の関係から真空容器の壁が厚くなっている。これにより、真空容器内に導入される誘導電磁界の強度が小さくなり、生成したプラズマの密度が低下するという問題が生じるようになった。

これに対し、特許文献１に記載の誘導結合型プラズマ処理装置では、高周波アンテナを真空容器の内部に設けた内部アンテナ方式が用いられている。内部アンテナ方式では真空容器の壁の厚さに依存せず容易にプラズマの密度を高くすることができるため、被処理基板及び薄膜の大面積化に適している。

しかしながら、高周波アンテナを真空容器の内部に設置した場合、装置の保守点検が容易でなくなるという問題が生じる。通常、高周波アンテナはアンテナ導体に高周波電流を流すことによる加熱とそれによるインピーダンスの上昇を防ぐため、内部に空洞を有するパイプ状の導体管を用い、この導体管の内部に冷媒を流すことによりアンテナ導体の冷却を行っている。このため、真空容器と高周波アンテナとの接続及び導体パイプ端部と冷媒供給部・排出部との接続が複雑になり、高周波アンテナの設置や取り外しが困難になってしまう。

また、高周波アンテナが直接プラズマに曝されるという問題もある。誘導結合型のプラズマ処理装置では、高周波アンテナとプラズマの間に直流のセルフバイアス電圧が発生する。外部アンテナ方式ではこのセルフバイアス電圧によって加速されたイオンは真空容器の壁に遮られるが、内部アンテナ方式ではアンテナ導体がスパッタされてしまう。

これを防ぐために、特許文献２に記載の発明では、高周波アンテナの導体表面を、アンテナ導体よりスパッタされにくいセラミックスや石英等から成る誘電体（絶縁体）製のパイプで被覆するということを行っている。しかしながら、アンテナ形状に合わせて誘電体パイプを加工するには、高度な技術と高い製造コストが必要となる。また、上記のように導体管の内部に冷媒を流すことによってアンテナ導体の冷却を行った場合でも、誘電体パイプの方は十分に冷却されないまま、数百℃という非常に高い温度にまで達してしまうことがある。このため、熱的応力により誘電体パイプが破損し易くなると共に、誘電体パイプからの熱の伝播によってアンテナ導体も十分に冷却されなくなってしまい、アンテナ導体のインピーダンスが上昇してプラズマが安定的に供給できなくなる。

特開平7-18433号公報 特開2001-035697号公報

本発明が解決しようとする課題は、保守点検が容易で、安定的にプラズマを供給することができる内部アンテナ方式のプラズマ処理装置を安価に提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ処理装置は、
a) 真空容器と、
b) 前記真空容器の内壁よりも内側に突出するように設けられた、屈曲部を有する線状導体により構成される高周波アンテナと、
c) 前記真空容器内部の雰囲気から前記高周波アンテナを隔離するための、該高周波アンテナと非接触に設けられた誘電体製の筐体と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係るプラズマ処理装置では、内部アンテナ方式の高周波アンテナがスパッタされることを誘電体製の筐体により防ぐことができる。この筐体は、誘電体パイプのように高周波アンテナの形状に合わせて加工する必要がなく、製造が容易な形状にすることができるため、製造コストを低く抑えることができる。また、どのようなアンテナ形状に対しても同じ形状のものを用いることができるという利点もある。さらに、高周波アンテナと筐体を非接触にすることにより、アンテナ導体に高周波電流を流すことによって生じる熱が筐体に直接伝播することを防ぐことができ、筐体の温度上昇を抑えることができる。

本発明に係るプラズマ処理装置は、前記真空容器の内壁に設けられた前記誘電体筐体の内部と該真空容器の外部を連通するアンテナ挿入開口と、前記アンテナ挿入開口を閉鎖する蓋と、を有することが望ましい。これにより、アンテナ挿入開口を通して高周波アンテナを着脱できるため、装置の保守点検が容易になる。この場合、前記高周波アンテナが前記蓋に取り付けられていることがより望ましい。これにより、蓋を着脱するだけで容易に高周波アンテナを出し入れすることができる。

前記誘電体筐体の内部は、不活性ガスで満たされているか、真空であるか、固体の誘電体で満たされているか、のいずれかの状態であることが望ましい。これにより、誘電体筐体内において不要な放電が生じることが防止される。

前記高周波アンテナは、内部に冷却用媒体を流すことのできるパイプ状導体管から成ることが望ましい。これにより、高周波電流が流れることによるアンテナ導体の加熱とそれによるインピーダンスの上昇を抑えることができる。

また、前記冷媒が不活性ガスである場合、本発明に係るプラズマ処理装置では、
前記導体管の前記誘電体筐体内に収容されている部分の管壁に設けられたガス通過孔と、前記ガス通過孔から前記誘電体筐体内に流出する前記不活性ガスを、該誘電体筐体及び前記真空容器の外部に排出するガス排出孔と、を備える、という構成を採ることができる。これにより、誘電体筐体内を不活性ガスで満たすことができ、誘電体筐体内で不要な放電が生じることを防止できると共に、導体管を内外から冷却することでアンテナ導体のインピーダンスの上昇を防ぐことができ、安定的にプラズマを供給することができる。さらに、誘電体筐体も同時に冷却することができるため、熱的応力による誘電体筐体の破損を防ぐことができる。

前記高周波アンテナには、形状の一部にＵ字形又はコの字形を含む線状導体を用いることができる。Ｕ字形又はコの字形の導体は平行に並ぶ２本の直線部を有しており、導体に電流を流すと、この２本の直線部に流れる電流の向きが１８０°異なる。これにより、各々の直線部に流れる電流から発生する磁力線の向きが、２本の直線部の間の領域で一致するため、この領域における磁界の強度及びプラズマ密度を大きくすることができる。

本発明に係るプラズマ処理装置は、前記高周波アンテナ及び誘電体筐体を複数備えることができる。これにより、真空容器内の各部に満遍なくプラズマを形成することができ、プラズマ密度の均一性を高めることができる。

本発明に係るプラズマ処理装置によれば、真空容器の内部空間に突出して設けられた高周波アンテナを、該高周波アンテナと非接触の誘電体製の筐体で囲うことにより、高周波アンテナの形状によらず、高周波アンテナ導体がスパッタされることを防ぐことができる。この誘電体筐体は誘電体パイプよりも形状が単純であるため、製造が容易であり、製造コストを低く抑えることができる。また、誘電体筐体と真空容器との外部を連通するアンテナ挿入開口と、このアンテナ挿入開口を閉鎖する蓋を設けることにより、高周波アンテナの保守点検を容易にすることができる。更に、誘電体筐体内を不活性ガスで満たし、この不活性ガスを循環させることにより、誘電体筐体内に不要な放電が生じることを防ぐことができると共に、アンテナ導体の温度上昇を防ぐことができる。これにより、安定的にプラズマを供給することができる。

本発明の第１の実施例であるプラズマ処理装置の縦断面図(a)及び高周波アンテナの周辺の構成を示す縦断面図(b)。 第１の実施例のプラズマ処理装置を用いて生成されたプラズマの密度を測定した結果を示すグラフ。 第２の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの周辺の構成を示す縦断面図。 第３の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの周辺の構成を示す縦断面図。 第４の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの周辺の構成を示す縦断面図。 第５の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの周辺の構成を示す縦断面図(a)、並びに該高周波アンテナの斜視図(b)及び上面図(c)。 第５の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの他の形状を示す上面図。 第６の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの斜視図(a)、上面図(b)及び側面図(c)。 第７の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの周辺の構成を示す縦断面図。 第８の実施例のプラズマ処理装置における高周波アンテナの上面図。

図１〜図８を用いて、本発明に係るプラズマ処理装置の実施例を説明する。

まず、第１の実施例のプラズマ処理装置１０について説明する。プラズマ処理装置１０は、図１(a)に示すように、真空容器１１と、真空容器１１内に配置された基体保持部１２と、真空容器１１の側壁に設けられた第１ガス排出口１３及び第１ガス導入口１４と、真空容器１１の上壁１１１に複数設けられたアンテナユニット２０と、を備える。第１ガス排出口１３は真空ポンプに接続されており、真空ポンプにより真空容器１１内の空気や水蒸気等が第１ガス排出口１３から排出されることにより、真空容器１１内は高真空状態にされる。第１ガス導入口１４は、真空容器１１内に水素ガス等のプラズマ生成ガスや原料ガスを導入するためのものである。基体保持部１２に保持される基体Ｓは、真空容器１１の側壁に設けられた基体搬出入口１５から真空容器１１内に搬入され、又は真空容器１１内から搬出される。基体搬出入口１５は、基体Ｓの搬出入時以外には気密に閉鎖される。

次に、アンテナユニット２０について説明する。アンテナユニット２０は、図１(b)に示すように、誘電体製の壁から成る直方体状の誘電体筐体２１を備える。誘電体筐体２１は鍔部２１１と蓋２２とを有し、真空容器１１の外側から、該真空容器１１の上壁１１１に設けられた開口部１１１１に挿入され、鍔部２１１が開口部１１１１の縁に引っ掛かるように上壁１１１に取り付けられる。また、鍔部２１１と上壁１１１の間、及び鍔部２１１と蓋２２の間には、真空シール２６が設けられ、それぞれの間からガス漏れが起きないようにしている。なお、筐体２１を構成する誘電体の材料としては、金属酸化物、窒化物、炭化物、フッ化物等を用いることができる。また、それらの材料の中で、石英、アルミナ、ジルコニア、イットリア、窒化珪素、炭化珪素を好適に用いることができる。

誘電体筐体２１の内部には、コの字形の導体から成る高周波アンテナ２３が配置されており、高周波アンテナ２３と蓋２２の間の気密性と電気的絶縁を確保するためのフィードスルー２４を介して、コの字形導体の両端付近が蓋２２に固定されている。コの字形導体の一方の端は高周波電源に接続され、他方の端は接地されている。コの字形導体は管状であり、管の両端には管内に不活性ガスを導入するための第２ガス導入口２３１が設けられている。また、管壁のうちコの字の外側、即ち誘電体筐体２１の誘電体壁に対向する側に、管内の不活性ガスを誘電体筐体２１内に送出するガス通過孔２３２が設けられている。蓋２２には誘電体筐体２１内の不活性ガスや不活性ガス以外の残存ガス（空気）を誘電体筐体２１外に排出する第２ガス排出口２５が設けられている。これらの構成により、第２ガス導入口２３１から導体管、ガス通過孔２３２、誘電体筐体２１を経て第２ガス排出口２５に至るガスの流路が形成される。

本実施例では、誘電体筐体２１の内部寸法を、深さ（図１(b)の縦方向）5cm、長辺（図１(b)の横方向）13cm、短辺（コの字を含む面に垂直な方向）1.8cmとした。高周波アンテナ２３のコの字形導体の底部は長さが10cmであり、誘電体筐体２１の底との間に0.6cmの空間が空くように配置した。コの字形導体の外径は6.4mmである。

第１実施例のプラズマ処理装置１０の動作を、基体Ｓ上に製膜物質を堆積させる場合を例に説明する。まず、基体Ｓを基体搬出入口１５から真空容器１１内に搬入し、基体保持部１２の上に載置する。次に、基体搬出入口１５を閉鎖し、真空ポンプを用いて、真空容器１１内の空気や水蒸気等を第１ガス排出口１３から排出する。一方、第２ガス導入口２３１から導体管及びガス通過孔２３２を介して誘電体筐体２１内に不活性ガスを導入する。これにより、誘電体筐体２１内の空気が不活性ガスに置換され、空気及び余剰の不活性ガスが第２ガス排出口２５から誘電体筐体２１外に排出される。

続いて、不活性ガスの供給を継続したまま、第１ガス導入口１４からプラズマ生成用ガス及び原料ガスを導入し、高周波アンテナ２３に高周波電力を投入する。この高周波電力の投入により高周波アンテナ２３の周囲に誘導電磁界が生成される。この誘導電磁界は誘電体筐体２１の壁を通過して真空容器１１内に導入され、プラズマ生成用ガスを電離する。これによりプラズマが生成される。プラズマ生成用ガスと共に真空容器１１内に導入された原料ガスはプラズマにより分解され、基体Ｓ上に堆積する。

高周波アンテナ２３に高周波電力が投入されている間、不活性ガスは導体管を通ってガス通過孔２３２から誘電体筐体２１の誘電体壁に吹き付けられる。これにより、不活性ガスは高周波電力の供給により生じる高周波アンテナ２３及び誘電体壁の温度上昇を抑える冷媒として作用する。

本実施例のプラズマ処理装置１０では、真空容器１１内に突出した誘電体筐体２１内に高周波アンテナ２３を配置したため、外部アンテナ方式の場合よりも強い誘導電磁界を真空容器１１内に生成することができる。また、誘電体筐体２１の壁により高周波アンテナ２３が真空容器１１内から分離されたため、プラズマが高周波アンテナ２３をエッチングして高周波アンテナ２３の寿命が短くなることや薄膜あるいは被処理基体に高周波アンテナ２３の材料が不純物として混入することを防ぐことができる。

更に、第２ガス導入口２３１から導体管及びガス通過孔２３２を介して誘電体筐体２１内に不活性ガスを導入することにより、誘電体筐体２１内が不活性ガスで満たされるため、不要な放電が生じることを防ぐことができると共に、不活性ガスを冷媒として高周波アンテナ２３を冷却することもできる。このように、本実施例のプラズマ処理装置１０では、１つのガス供給手段により放電の防止措置と高周波アンテナ２３及び誘電体筐体２１の冷却措置の双方を行うことができるため、装置を簡略化することができる。

本実施例のプラズマ処理装置１０を用いてプラズマを生成する実験を行った。本実験では、第１ガス導入口１４から真空容器１１内に、圧力が1Paになるようにアルゴンと水素の混合ガス（プラズマ生成ガス）を導入すると共に、第２ガス導入口２３１から毎分2.5リットルの窒素ガス（不活性ガス）を導体管及び誘電体筐体２１内に導入した。そして、高周波アンテナ２３に周波数13.56MHz、出力1kWの高周波電力を供給した。十分に時間が経過した後、誘電体筐体２１の底から10cm下方で測定を行ったところ、密度1.2×10¹¹cm^-3のプラズマが生成されていることが確認された。プラズマ密度は、コの字形導体の底部からの距離にほぼ反比例する。また、高周波電力の出力を1〜3kWの範囲内で変化させると、プラズマ密度は高周波電力の出力にほぼ比例して変化した（図２）。高周波アンテナ２３及び誘電体筐体２１はいずれも、不活性ガスで冷却することにより、温度を80℃以下に保持することができた。

第１実施例のプラズマ処理装置１０において、図３に示すように、第２ガス排出口２５と第２ガス導入口２３１を接続管２７で接続し、両者の間にポンプ及び熱交換機２８を設けることができる。ここで、高周波電源側に接続された第２ガス導入口２３１と接続管２７は、両者の間に絶縁体を介挿するか、接続管２７を絶縁体製とすることにより、電気的に絶縁する。このような構成により、第２ガス排出口２５から排出された不活性ガスを熱交換機２８で冷却し、再び第２ガス導入口２３１に導入することができるため、不活性ガスを循環させて繰り返し利用することができる。また、経済性を優先する場合は、冷却ガスとして大気を循環させることも可能である。

第１実施例のプラズマ処理装置１０において、真空容器１１の開口部１１１１を下側から覆うように誘電体筐体２１を取り付け、開口部１１１１を上側から覆うように蓋２２を取り付けることもできる（図４(a)）。この場合、誘電体筐体２１の鍔部２１１を上壁１１１の下面に固定し、蓋２２を上壁１１１の上面に固定する。あるいは、開口部のない上壁１１１の下面に誘電体筐体２１を取り付けてもよい（図４(b)）。この場合、高周波アンテナ２３は上壁１１１に固定する。また、蓋は不要である。

誘電体筐体２１内は、不活性ガスで満たす代わりに、真空ポンプを用いて第２ガス排出口２５からガスを排気することにより真空にしてもよい（図５(a)）。この場合、ガス通過孔２３２は設けないが、高周波アンテナ２３の冷却のため、高周波アンテナ２３を導体管製として管内に冷却ガスや冷却水等の冷媒を流すことが望ましい。この構成により、不活性ガスを用いた場合と同様に誘電体筐体２１内での放電を防止することができると共に、高周波アンテナ２３と誘電体筐体２１の壁の間を断熱することができるため、誘電体筐体２１の温度上昇を防止することができる。

あるいは、誘電体筐体２１内を固体の誘電体材２９で満たしてもよい（図５(b)）。誘電体材２９はバルクのものであってもよいし、粉末であってもよい。粉末を用いる場合には、粉末の隙間に空気が侵入しないように、誘電体筐体２１内を密閉する。誘電体材２９の材料には、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）その他の樹脂、アルミナ、シリカその他のセラミックス、などを用いることができる。誘電体材２９により、誘電体筐体２１内での放電を防止することができる。この場合にも、高周波アンテナ２３の冷却のため、高周波アンテナ２３を導体管製として管内に冷却ガスや冷却水等の冷媒を流すことが望ましい。

次に、異なる形状を有する高周波アンテナ２３Ａを用いた例を説明する（図６）。本実施例のプラズマ処理装置は、高周波アンテナ２３Ａの形状、並びに開口部１１１１Ａ、誘電体筐体２１Ａ及び蓋２２Ａの大きさを除いて、第１実施例のプラズマ処理装置１０と同様の構成を有する。高周波アンテナ２３Ａは、蓋２２から下方に延びる２本の脚３１１と、Ｕ字形の形状を有し、Ｕ字で形成される面が筐体２１Ａの底面に平行に（高周波アンテナ２３Ａの真空容器１１への挿入方向に垂直）なるように配置されたＵ字部３１２と、Ｕ字部３１２の一端を脚３１１の一方と接続し、Ｕ字部３１２の他端を脚３１１の他方と接続する２個の屈曲部３１３と、を有する。

本実施例では、Ｕ字部３１２が有する2本の直線部（第１直線部３１２１、第２直線部３１２２）の長さを10cm、第１直線部３１２１及び第２直線部３１２２における導体間の間隔を3cmとした。なお、ここで言う「導体間の間隔」とは、平行して並んでいる2本の導体の内側同士の距離のことである。誘電体筐体２１Ａは、高周波アンテナ２３Ａの形状に合わせて、内部の短辺が第１実施例の誘電体筐体２１よりも長い6cmとした。誘電体筐体２１Ａ内部の深さ及び長辺の長さは第１実施例の誘電体筐体２１と同じである。開口部１１１１Ａ及び蓋２２Ａの大きさも、誘電体筐体２１Ａの内部の短辺に合わせて、該短辺の方向について第１実施例よりも大きくした。

図６の形状を有する高周波アンテナ２３Ａでは、筐体２１Ａの底面に平行に配された第１直線部３１２１及び第２直線部３１２２において高周波電流が相互に逆方向に流れるため、筐体２１Ａの直下において、第１直線部３１２１を流れる電流により形成される磁界の上下方向成分と、第２直線部３１２２を流れる電流により形成される磁界の上下方向成分とが、同位相で振動し、筐体２１Ａの下方における磁界強度を第１〜第４実施例のものから約２倍にすることができるこれにより、比較的小さな高周波電力で放電プラズマを発生させることができると共に、放電が起こりにくい例えば0.5Pa以下のガス圧領域であっても放電プラズマを安定的に発生させることが可能となる。

本実施例のプラズマ処理装置において、第１実施例と同様の条件で実験を行った。即ち、アルゴンと水素の混合ガスを圧力が1Paになるように真空容器１１内に導入すると共に、第２ガス導入口２３１から毎分2.5リットルの窒素ガスを導体管及び誘電体筐体２１内に導入しつつ、高周波アンテナ２３Ａに周波数13.56MHz、出力1kWの高周波電力を供給した。十分に時間が経過した後、誘電体筐体２１の底から10cm下方で測定したところ、プラズマ密度は1.8×10¹¹cm^-3という、第１実施例（1.2×10¹¹cm^-3）よりも高い値が得られた。

なお、本実施例ではＵ字形を例に説明したが、Ｕ字部３１２の部分を第１〜第４実施例と同様にコの字に置き換えても良いし、図７に示すようなＳ字部３１２Ａに置き換えても良い。他にもＮ字形やＭ字形等の形状を用いることもできる。

また、本実施例の高周波アンテナ２３Ｂにおいて、Ｕ字部３１２の部分を、一般的に用いられる円形のアンテナ導体に置き換えた場合、その半径をr、印加される電流をIとすると、中心部に発生する磁界の強さH₀は次式で表される。
H₀=I/(2r)
一方、本実施例のようにＵ字形のアンテナ導体を用いた場合、2本の直線部の間の距離をdとすると、中心部の磁界の強さH₁₁は次式で表される。
H₁₁=2I/(πd)
すなわち、Ｕ字形のアンテナ導体では磁界の強さを円形のアンテナ導体の4r/（πd）倍とすることができる。この場合、磁界強度はdに反比例するため、2本の直線部の間の距離を狭くすることによって、誘導磁界の強さを大きくすることができる。本実施例では、同じ長さのＵ字形アンテナ導体を用いて、円形アンテナ導体の約1.7倍の磁界強度を得ることができた。なお、Ｕ字やコの字の2本の平行する導体間の間隔dとこれら2本の導体の長手方向の長さLとの比d/Lは特に限定されるものではないが、0.05〜0.5の間にあることが望ましい。また、アンテナ導体の全長は、高周波アンテナに供給される高周波電力の周波数の1/4波長以下であることが望ましい。

図８を用いて、高周波アンテナの形状の他の例を説明する。本実施例では、高周波アンテナ２３Ｂは、蓋２２から下方に延びる第１脚３２１Ａ及び第２脚３２１Ｂと、Ｕ字で形成される面が蓋２２に平行に配置された第１Ｕ字部３２２Ａ及び第２Ｕ字部３２２Ｂと、第１屈曲部３２３Ａ及び第２屈曲部３２３Ｂと、直線状接続部３２４と、を備える。第１脚３２１Ａと第１Ｕ字部３２２Ａの一方の端部は第１屈曲部３２３Ａにより接続され、第２脚３２１Ｂと第２Ｕ字部３２２Ｂの一方の端部は第２屈曲部３２３Ｂにより接続されている。また、第１Ｕ字部３２２Ａの他方の端部と第２Ｕ字部３２２Ｂの他方の端部は直線状接続部３２４により接続されている。本実施例でも第５実施例と同様に、誘電体筐体の下方において磁界の上下方向成分を大きくすることができる。

図９を用いて、高周波アンテナの形状の他の例を説明する。本実施例では、高周波アンテナ２３Ｃは導体管から成り、蓋２２から下方に延びる第１脚３３１Ａ及び第２脚３３１Ｂと、Ｕ字で形成される面が蓋２２に対して垂直に配置された第１Ｕ字部３３２Ａ及び第２Ｕ字部３３２Ｂと、第１屈曲部３３３Ａ及び第２屈曲部３３３Ｂと、直線状接続部３３４と、を備える。第１脚３３１Ａと第１Ｕ字部３３２Ａの一方の端部は第１屈曲部３３３Ａにより接続され、第２脚３３１Ｂと第２Ｕ字部３３２Ｂの一方の端部は第２屈曲部３３３Ｂにより接続されている。また、第１Ｕ字部３３２Ａの他方の端部と第２Ｕ字部３３２Ｂの他方の端部は直線状接続部３３４により接続されている。導体管の管壁には、第１実施例と同様に、誘電体筐体２１の誘電体壁に対向する側にガス通過孔２３２が設けられている。

本実施例では、第１脚３３１Ａ及び第２脚３３１Ｂの間の距離を短くするために、フィードスルーを省略した。その代わりに、絶縁体製の蓋２２を用いることにより高周波アンテナ２３Ｃと電気的に絶縁すると共に、第１脚３３１Ａ及び第２脚３３１Ｂと蓋２２の間に真空シール３４を設けた。

また、本実施例では、高周波アンテナ２３Ｃの第１Ｕ字部３３２Ａの直線部、直線状接続部３３４及び第２Ｕ字部３３２Ｂの直線部を合わせた長さを10cm、Ｕ字部の２本の直線部の間隔を3cm、外径を6.4mmとした。誘電体筐体２１Ａの大きさは第５実施例と同じ（深さ5cm、長辺13cm、短辺6cm）とした。

本実施例によれば、第１Ｕ字部３３２Ａ及び第２Ｕ字部３３２Ｂを含む面が高周波アンテナ２１の挿入方向に平行に配置されていることにより、この面の両側に強い振動磁界が形成されるため、真空容器１１内に生成されるプラズマの密度をより高めることができる。また、高周波アンテナ２３Ｃから発生する磁力線は真空容器１１の内壁面にほぼ平行となるため、この磁力線に束縛されたプラズマ中の電子は真空容器１１の内壁面への散逸が抑制される。これにより、真空容器１１内に安定した放電プラズマを発生させることができる。

本実施例のプラズマ処理装置において、第１実施例及び第５実施例と同様の条件で実験を行った。即ち、アルゴンと水素の混合ガスを圧力が1Paになるように真空容器１１内に導入すると共に、第２ガス導入口２３１から毎分2.5リットルの窒素ガスを導体管及び誘電体筐体２１内に導入しつつ、高周波アンテナ２３Ａに周波数13.56MHz、出力1kWの高周波電力を供給した。十分に時間が経過した後、誘電体筐体２１の底から10cm下方で測定したところ、プラズマ密度は2.2×10¹¹cm^-3という、第１実施例（1.2×10¹¹cm^-3）及び第５実施例（1.8×10¹¹cm^-3）よりも高い値が得られた。これは、高周波アンテナ２３ＣのＵ字部の両側方に高密度のプラズマが生成され、そのプラズマが誘電体筐体２１の下方に達することによる。

図１０を用いて、複数の高周波アンテナを用いたプラズマ処理装置の一例を説明する。本実施例は、第６実施例で用いた高周波アンテナ２３Ｂを２個設け、これら２個の高周波アンテナの給電側端部同士と接地側端部同士をそれぞれブスバー４１で連結したものである。ブスバーは中心部に給電点が設けられており、給電側端部４１１を連結するブスバーの給電点には高周波電源が接続されている。一方、接地側端部４１２を連結するブスバーの給電点は接地されている。

給電点から両アンテナ２３Ｂの給電端子までの距離はそれぞれほぼ同一であり、高周波電力に対する両アンテナ２３Ｂのインピーダンスが給電点から見て等価になるように給電点の位置を調整する。本実施例では、真空容器内にガス圧力0.5Paのアルゴンと水素の混合ガスを導入し、周波数13.56MHz、出力1kWの高周波電力を給電点に供給して、真空容器内に放電プラズマを励起した。

このような構成を用いることにより、両方の高周波アンテナ２３Ｂで真空容器１１内にほぼ同様な放電プラズマを発生させることができた。上壁１１１から所定距離でのプラズマ密度分布は、放電ガス圧力、高周波電力等によって変化するが、一様なプラズマ密度分布を得る条件は設計事項であって、任意の面積の放電プラズマを発生させることが可能である。

なお、これら２個の高周波アンテナは１つの誘電体筐体内に共に設けられていても良く、異なる誘電体筐体内に設けられていても良い。このように複数の高周波アンテナを設けることで、被処理基板及びその上に堆積する薄膜の大面積化が可能となり、装置の量産性を高めることができる。

なお、上記実施例では２個の高周波アンテナを１組にした構成を示したが、この個数は２個に限定されるものではなく、３個以上であっても構わない。また、複数個の高周波アンテナを１組にしたものを、さらに複数組並べてもよい。

１０…プラズマ処理装置
１１…真空容器
１１１…上壁
１１１１…開口部
１１１１Ａ…開口部
１２…基体保持部
１３…第１ガス排出口
１４…第１ガス導入口
１５…基体搬出入口
２０…アンテナユニット
２１、２１Ａ…誘電体筐体
２１１…鍔部
２２、２２Ａ…蓋
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ…高周波アンテナ
２３１…第２ガス導入口
２３２…ガス通過孔
２４…フィードスルー
２５…第２ガス排出口
２６…真空シール
２７…接続管
２８…熱交換機
２９…誘電体材
３１１…脚
３１２…Ｕ字部
３１２１…第１直線部
３１２２…第２直線部
３１２Ａ…Ｓ字部
３１３…屈曲部
３２１Ａ…第１脚
３２１Ｂ…第２脚
３２２Ａ…第１Ｕ字部
３２２Ｂ…第２Ｕ字部
３２３Ａ…第１屈曲部
３２３Ｂ…第２屈曲部
３２４、３３４…直線状接続部
３３１Ａ…第１脚
３３１Ｂ…第２脚
３３２Ａ…第１Ｕ字部
３３２Ｂ…第２Ｕ字部
３３３Ａ…第１屈曲部
３３３Ｂ…第２屈曲部
３４…真空シール
４１…ブスバー
４１１…給電側端部
４１２…接地側端部
Ｓ…基体

Claims (16)

1. a) 真空容器と、
   b) 前記真空容器の内壁よりも内側に突出するように設けられた、屈曲部を有する線状導体により構成される高周波アンテナと、
   c) 前記真空容器内部の雰囲気から前記高周波アンテナを隔離するための、該高周波アンテナと非接触に設けられた誘電体製の筐体と、
   を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記真空容器の内壁に設けられた前記誘電体筐体の内部と該真空容器の外部を連通するアンテナ挿入開口と、
   前記アンテナ挿入開口を閉鎖する蓋と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記高周波アンテナが前記蓋に取り付けられていることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記線状導体が、内部に冷却用媒体を流すことのできるパイプ状の導体管から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記導体管の前記誘電体筐体内に収容されている部分の管壁に設けられたガス通過孔と、
   前記ガス通過孔から前記誘電体筐体内に流出するガスを、該誘電体筐体及び前記真空容器の外部に排出するガス排出孔とを備える
   ことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記導体管に前記冷却用媒体として不活性ガス又は空気を導入するガス導入部を備えることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記誘電体筐体内が不活性ガスで満たされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
8. 前記誘電体筐体内が真空であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
9. 前記誘電体筐体内が固体の誘電体で満たされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
10. 前記線状導体の形状がＵ字形又はコの字形を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
11. 前記Ｕ字形又はコの字形を含む平面が、前記内壁と垂直又は平行であることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記Ｕ字形又はコの字形の2本の平行する直線部における線状導体間の間隔と、該直線部の長手方向の長さとの比が、0.05〜0.5の間にあることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記線状導体の長さが、前記高周波アンテナに供給される高周波電力の周波数の1/4波長以下であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
14. 前記誘電体筐体の材質が、金属酸化物、窒化物、炭化物、又はフッ化物であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
15. 前記誘電体筐体の材質が、石英、アルミナ、ジルコニア、イットリア、窒化珪素、又は炭化珪素であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
16. 前記高周波アンテナ及び前記誘電体筐体を複数備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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