JP5572019B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、プラズマにより被処理体に微細加工を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
平板ディスプレイ、太陽電池、半導体等の製造工程では、薄膜の形成やエッチング等にプラズマが用いられている。プラズマは、例えば、真空チャンバ内にガスを導入し、チャンバ内に設けられた電極に数MHz〜数100MHzの高周波を印加することによって生成される。生産性を向上させるために、平板ディスプレイや太陽電池用のガラス基板のサイズは年々大きくなっており、既に2m角を越えるガラス基板で量産が行われている。
プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)等の成膜プロセスでは、成膜速度を向上させるために、より高い密度のプラズマが求められている。また、基板表面に入射するイオンのエネルギを低く抑えてイオン照射ダメージを低減するとともに、ガス分子の過剰解離を抑制するために、電子温度の低いプラズマが求められている。一般に、プラズマ励起周波数を高くすると、プラズマ密度が増加し電子温度が低下する。従って、高品質な薄膜を高いスループットで成膜するには、プラズマ励起周波数を高くすることが望ましい。そこで、通常の高周波電源の周波数である13.56MHzより高い30〜300MHzのVHF(Very High Frequency)帯の高周波をプラズマ処理に用いることが行われている(たとえば、特許文献1、2参照)。
特開平9−312268号公報 特開2009−021256号公報
ところが、基板サイズが大きくなりプラズマ励起周波数が高くなると、高周波を印加する電極内に生じる表面波の定在波によりプラズマ密度の均一性が悪化してしまうという問題が生じる。一般には、高周波が印加される電極のサイズが自由空間の波長の1/20より大きくなると、何らかの対策を行わないと均一なプラズマを励起することができない。
例えば、基板サイズが1m角の場合、プラズマ励起周波数を13.56MHzにすると均一なプラズマが得られるが、プラズマ密度が低く電子温度が高いために高品質な薄膜を高速に形成することは困難である。一方、プラズマ励起周波数を約3倍の40MHzにすると、膜質と成膜速度が改善するが、均一性が著しく悪化してしまう。40MHz以上の高周波でも2m角を越える大面積基板上に均一なプラズマを励起する技術が必要である。
上記課題に対して、本発明の目的とするところは、プラズマ励起周波数を高周波化しても大面積基板上に均一なプラズマを励起することが可能な、新規かつ改良されたプラズマ処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内部に、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、第1の電極部と第2の電極部を有し、前記プラズマ空間の上方に配置された電極対と、前記2つの電極部間に形成され、前記プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路と、前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する誘電体板と、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給し、前記スリット状の開口の長手方向に配列された複数の同軸管とを備え、1つの前記電極対に対して複数の同軸管が設けられ、前記複数の同軸管の内部導体は前記2つの電極部の一方に接続され、前記複数の同軸管の外部導体は他方に接続され、前記複数の同軸管から供給された高周波が前記導波路を伝搬した後に前記誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
これによれば、高周波が複数の同軸管からスリット状に開口する導波路に給電される。給電点のピッチを、導波路を伝搬する高周波の管内波長よりも十分短く設定することにより、導波路内の定在波の発生を抑制し、プラズマをより均一に生成することができる。
前記同軸管の内部導体は、前記誘電体板に設けられ穴を貫通していてもよい。
前記2つの電極部は、前記スリット状の開口とは逆側の端部において短絡されてもよい。
前記2つの電極部は、前記スリット状の開口とは逆側の端部において前記減圧容器と短絡されてもよい。
前記2つの電極部は、前記スリット状の開口の長手方向の両端部において短絡されていなくてもよい。
前記2つの電極部のプラズマ露出面及び前記誘電体板のプラズマ露出面は概ね同一面であってもよい。
前記2つの電極部のプラズマ露出面の面積は概ね等しくてもよい。
前記複数の同軸管の内部導体と前記電極部との接続部は、前記スリット状の開口の長手方向に概ね等間隔に設けられていてもよい。
前記電極対は、前記電極対の前記スリット状の開口側の少なくとも一部を前記スリット状の開口の長手方向で分断する隙間を備え、前記隙間の少なくとも一部には、絶縁体からなる仕切り板が挿入されていてもよい。
前記隙間は、前記複数の同軸管の内部導体と前記電極部との接続部間に設けられていてもよい。
前記導波路の前記スリット状の開口の法線方向の電気長がπ/2以下であってもよい。
前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する調整手段を更に備えてもよい。
複数の前記電極対が、前記スリット状の開口の端手方向に隙間を設けて配列されてもよい。
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、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、第1の電極部と第2の電極部との2つの電極部を有し、前記プラズマ空間の上方に配置された電極対と、前記2つの電極部間に形成され、前記プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路と、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給し、前記スリット状の開口の長手方向に配列された複数の同軸管とを備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、1つの前記電極対に対して複数の同軸管が設けられ、前記複数の同軸管の内部導体は前記2つの電極部の一方に接続され、該複数の同軸管の外部導体は他方に接続され、高周波を前記複数の同軸管を介して前記2つの電極部間に形成された導波路に伝搬させるステップと、前記導波路を伝搬した高周波を、前記導波路に設けられた誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起するステップとを含むことを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。
前記複数の同軸管の少なくともいずれかに連結された反射計が、該同軸管を伝搬する高周波の反射またはインピーダンスを計測する計測ステップと、制御器が、前記計測された反射またはインピーダンスの検出値に基づき、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整する調整ステップと、を含んでもよい。
内部導体が前記2つの電極部の一方に接続され、外部導体が他方に接続されている調整用同軸管を更に備え、前記調整ステップは、前記調整用同軸管に接続されているインピーダンス可変回路を調整することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。
前記2つの電極部を短絡し、前記スリット状の開口の垂線方向に移動可能な金属部材を備え、前記調整ステップは、前記金属部材の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。
前記導波路内に、前記スリット状の開口の垂線方向に移動可能な調整用誘電体板を備え、前記調整ステップは、前記調整用誘電体板の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。
以上説明したように本発明によれば、高周波を給電する給電点をスリット状に開口する導波路の長手方向に複数設けることにより、導波路内の定在波の発生を抑制し、スリット状の開口の長手方向にプラズマをより均一に生成することができる。
本発明の第1実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図2の1−1断面)である。 第1実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図1の2−2断面)である。 第1実施形態に係る電極に印加される高周波を説明するための図である。 従来構造の電極に印加される高周波を説明するための図である。 従来構造の電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(全ての同軸管から高周波を供給した場合)。 従来構造の電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(上段の同軸管からのみ高周波を供給した場合)。 第1実施形態に係る電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(全ての同軸管から高周波を供給した場合)。 第1実施形態に係る電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(上段の同軸管からのみ高周波を供給した場合)。 電極部の高さと電界強度分布との関係を示したグラフである。 本発明の第2実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図8の3−3、4−4断面)である。 第2実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図7の5−5断面)である。 本発明の第3実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図10の6−6、7−7断面)である。 第3実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図9の8−8断面)である。 本発明の第4実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図12の9−9、10−10断面)である。 第4実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図11の11−11断面)である。 第4実施形態のインピーダンス可変回路の例を示した図である。 第5実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図1の2−2断面図)である。 変形例に係るプラズマ処理装置の縦断面図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の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>
[プラズマ処理装置の構成]
まず、本発明の第1実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図1及び図2に示した縦断面図を参照しながら説明する。図1は図2の1−1断面図であり、図2は図1の2−2断面図である。図1及び図2に示したプラズマ処理装置10は、複数の電極を設けて電極間に高周波電流を流すとともに、基板直上からガスを排気できるようにした装置構成の一例である。以下、プラズマ処理装置の各部構成を説明する。
プラズマ処理装置10は、内部に基板Gを載置する真空容器100を有し、内部にてガラス基板(以下、基板Gと称呼する)をプラズマ処理する。真空容器100は断面が矩形状であり、アルミ合金等の金属から形成され、接地されている。真空容器100の上部開口は蓋105で覆われ、Oリング110により真空容器内の気密を保つようになっている。基板Gは、載置台115に載置されている。なお、基板Gは被処理体の一例であり、シリコンウエハであってもよい。
真空容器100の基板側の面と対向する面(天井面)には、2つの電極対200が並んでいる。電極対200は、アルミ合金で形成された同じ大きさの第1の電極部200a及び第2の電極部200bからなる。電極部200a、200bは、隙間を空けて左右に配列されている。電極部200a、200bは、蓋105にネジ(不図示)で固定されている。
第1の電極部200a及び第2の電極部200bは、プラズマ空間近傍から、載置台115と離れる方向に延在する。第1の電極部200a及び第2の電極部200b間はプラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路205として機能する。導波路205には、誘電体板210が挿入されている。誘電体板210は、アルミナ又は石英等の誘電体で形成されている。導波路205の上部が短絡されているため、導波路205の上側は下側に比べて電界が弱い。よって、電界の強い導波路205の下側を誘電体板210で閉塞しておけば導波路205の上部は空洞であってもよい。もちろん、導波路205の上部まで誘電体板210で埋められていてもよい。以下では、誘電体板210で閉塞されている導波路205の下面の開口を誘電体スリットと称呼する。左右の電極部200a、200bのプラズマ露出面Aの面積は概ね等しくなっている。これにより、電極部200a、200bの電極下面の電界強度が概ね等しくなり、電極対200の下面での電界強度の分布を均一にすることができる。
1つの電極対200に対して複数の同軸管225が設けられている。同軸管225の外部導体225bは第2の電極部200bと一体になっており、その内部導体225a1の端部は内部導体225a2に垂直にねじ止めされている。内部導体225a2は、誘電体板210に開いた穴を貫通して第1の電極部200aにつながっている。
即ち、同軸管225の内部導体(225a1,225a2)は電極対200の一方の電極部に接続され、同軸管225の外部導体225bは電極対200の他方の電極部に接続される。同軸管225の上端には、整合器245を介して高周波電源250が接続されている。高周波電源250から出力された高周波電力は、同軸管225を介して2つの電極部200a、200b間の導波路205を紙面に垂直方向に伝搬し、誘電体スリットから真空容器100内に放出され、電極下面(電極部200a、200bのプラズマ露出面A)を表面波として伝搬してプラズマの励起に消費される。第1の電極部200a及び第2の電極部200bの下面のシースには、それぞれ振幅が等しく、逆位相の高周波が印加される。以下では、内部導体225a2と第1の電極部200aの接続部を給電点と称呼する。
内部導体225a2は、絶縁リング230を貫通した状態でロウ付けされている。内部導体225a2は、絶縁リング230を介して絶縁リング押さえ235によって第1の電極部200aに固定される。絶縁リング230と絶縁リング押さえ235との間にはOリング240が設けられ、大気と真空とを隔てるようになっている。本実施形態では、同軸管225の内部は大気である。よって、真空容器内を機密に保持するために、蓋105と外部導体225bとの接合面はOリング255により真空シールされている。内部導体225a2の先端はねじ構造になっていて袋ナット260を締め込みながら、内部導体225a2の先端に袋ナット260をかぶせる。
前述のように、内部導体225a2は、各電極対200のプラズマ露出面と真空容器100の天井面(基板Gと対向する面)との間で誘電体板210を貫通する。隣接する電極対200にそれぞれ設けられた内部導体225a2が各電極対200の誘電体板210を貫通する向きは、逆向きである。これにより、左右の同軸管225に同振幅、同位相の高周波を給電した場合、左右の電極対にはそれぞれ振幅が等しく逆位相の高周波が印加される。なお、本明細書では、高周波とは10MHz〜1000MHzの周波数帯をいう。また、同軸管225は、高周波を供給する伝送路の一例であり、同軸管225の替わりに同軸ケーブルや矩形導波管等を用いてもよい。
電極対200の2つの電極部200a、200bのプラズマ露出面Aは矩形である。電極部200a、200bのプラズマ露出面Aに対して誘電体板210は概ね垂直に配置されている。電極部200a、200bのプラズマ露出面Aにおける、導波路205と垂直かつ載置台115と平行な方向(図1の紙面に対して左右方向)の長さは、導波路205と平行かつ載置台115と平行な方向(図1の紙面に対して奥行き方向)の長さよりも短い。
電極部200a、200bの下部側面での放電と、上部へのプラズマの侵入を防止するため、電極部200a、200bの誘電体スリット短手方向の下部側面は、第1の誘電体カバー220で覆われている(図1参照)。電極部200a、200bの側面に設けられた凹部に第1の誘電体カバー220に設けられた凸部を嵌合させることにより第1の誘電体カバー220が固定されている。
誘電体スリットの短手方向に、誘電体スリット長手方向の端部まで均一な高周波電界を印加するには、導波路205の誘電体スリット長手方向の端面が開放状態になっていなければならない。導波路205の誘電体スリット長手方向の端面を開放状態にするとともに、両側面での放電を防止するために、電極部200a、200bの誘電体スリット長手方向の下部側面は、第2の誘電体カバー215で覆われている(図2参照)。第2の誘電体カバー215は、絶縁体のネジ(不図示)により電極部200a、200bに固定されている。電極対200下部のプラズマ露出面のうち、誘電体スリット短手方向の端部付近は、アルミナ溶射膜等の絶縁膜298で覆われている。この部分は、表面波の定在波の影響により、シースに印加される電界強度が他の部分より強くなりやすい。このように絶縁膜で覆うと、高周波電圧がシースと絶縁膜に分圧されるので、シースに印加される電界強度が弱くなり、全体としてより均一なプラズマを生成することができる。
本実施形態では、電極部200a、200bのプラズマ露出面Aは、誘電体板210のプラズマ露出面Bと概ね同一面になるように形成されているが、誘電体板210のプラズマ露出面Bは電極部200a、200bのプラズマ露出面Aに対して突出していても凹んでいてもよい。
電極対200はシャワープレートになっている。具体的には、電極部200a、200bの下面には凹みが形成されていて、この凹みにシャワープレート用の電極蓋270がはめ込まれている。電極蓋270は、ネジ(不図示)によって電極部200a、200bに固定されている。電極部200a、200bと電極蓋270との間には隙間が設けられていて、この隙間がガス流路になっている。ガス流路の下端にはアルミナ等の絶縁体からなるガスノズル275がはめ込まれている。ガスノズル275は、紙面に垂直方向に細長い形状になっており、多数のガス放出穴が設けられている。ガス流路を通ったガスはガスノズル275に設けられたガス放出穴から真空容器内に放出される。このように、ガスノズル275を設けたことにより、電極蓋270を固定するネジがプラズマに接触しないようになっている。また、ガスノズル275を絶縁体で形成したことにより、ガス放出穴内部に印加される高周波電界を小さくしてガス放出穴内部での放電を防止している。
図2に示したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置10では、誘電体スリットの長手方向に同軸管225が複数平行に配列されている。各同軸管225には同位相の高周波が印加され、各同軸管225から導波路205に給電される。この「多点給電」によれば、誘電体スリット長手方向に配列された同軸管のピッチを適切な値にすることにより、誘電体スリット長手方向に均一なプラズマを励起することが可能である。なお、電極対200のスリット状の開口(誘電体スリット部分)の短手方向は、図1の紙面の横方向(図2の紙面の奥行き方向)をいい、電極対200のスリット状の開口(誘電体スリット部分)の長手方向は、図2の紙面の横方向(図1の紙面の奥行き方向)をいう。
電極対200の下端近傍であって、真空容器100の側壁の段差部には、サイドカバー280が配設されている。サイドカバー280は、アルミナ等の絶縁体又はアルミニウムから形成されていて、第2の排気路283にプラズマが侵入することを防止するようになっている。
均一なプロセスを行うためには、プラズマが均一なだけでは十分ではない。ガスの圧力、原料ガスの密度、反応生成ガスの密度、ガスの滞在時間、基板温度等がプロセスに影響を与えるから、これらが基板上で均一になっていなければならない。通常のプラズマ処理装置では、基板Gと対向する部分にシャワープレートが設けられ、基板に向かってガスが供給される。ガスは、基板Gの中央部から外周部に向かって流れ、基板の周囲から排気されるようになっている。必然的に、圧力は基板の中央部が外周部より高く、滞在時間は基板の外周部が中央部より長くなる。基板サイズが大きくなると、この圧力と滞在時間の均一性の悪化により均一なプロセスが行えなくなる。大面積基板に対しても均一なプロセスを行うには、基板の直上からガスを供給すると同時に、基板の直上から排気する必要がある。
そこで、本実施形態に係るプラズマ処理装置10では、隣接する電極対200間に排気用の隙間(以下、排気スリットCと称呼する)を設ける。つまり、ガス供給器290から出力されたガスは、電極対200のガス流路を通って電極対200の底面から処理室内に供給され、基板Gの直上に設けられた排気スリットCから上方向に排気される。排気スリットCを通過したガスは、隣接する電極対200により排気スリットCの上部に形成される第1の排気路281中を誘電体スリット長手方向に流れ、第2の誘電体カバー215と真空容器100との間に設けられた第2の排気路283に導かれる。さらに、真空容器100の側壁に設けられた第3の排気路285中を下方向に流れ、第3の排気路285の下方に設けられた真空ポンプ(不図示)により排気される。
蓋105には冷媒流路295aが形成されている。冷媒供給器295から出力された冷媒は冷媒流路295aに流され、これにより、電極対200を介して蓋105側にプラズマから流入した熱を伝えるようになっている。
(高周波電流)
特許文献1に記載されているように、現状のプラズマCVD装置では、基板を載置する基板電極と対向する位置に基板電極と同程度のサイズの高周波印加電極を設置し、基板電極と高周波印加電極との間に高周波を印加してプラズマを励起するようになっている。高周波電流は、基板電極と高周波印加電極間にプラズマを介して流れることになる。このような構成では、定在波の影響により、VHF帯以上の高い周波数では大面積基板上に均一なプラズマを励起することができない。また、基板に大きな高周波電流が流れ込むため、基板表面に自己バイアス電位が発生してイオンを加速して入射させる。このため、イオン照射ダメージにより高品質なプロセスが行えない。
そこで、高周波印加電極を分割して、電極間に高周波を印加する手段が考えられる。電極を分割することにより、一つの電極のサイズを表面波の波長と比べて小さくすれば、均一なプラズマを励起することができると考えられる。さらに、基板には高周波電流が流れなくなるので、イオン照射ダメージを抑制することができる。
電極を分割してそれぞれ異なる位相の高周波を印加してプラズマを励起するプラズマ処理装置の例として、図3Bが考えられる。図3Aは、第1実施形態に係る電極対200に印加される高周波を模式的に示した図である。矢印は、高周波電界の向きを表す。ここでは、便宜上、図3Aに示した給電を電極内給電と称し、図3Bに示した給電を電極外給電と称することにより区別する。
(電極外給電)
図3Bのように、基板G側から見て矩形の電極が横方向に複数枚配列されている。隣り合う電極には、振幅が等しく、逆位相の高周波が印加されるようになっている。高周波は、電極990,995の上面に接続された同軸管900L,900Rから供給される。同軸管900L,900Rはそれぞれ内部導体900aおよび外部導体900bを有する。
同軸管900L,900Rから供給された互いに逆位相の高周波は、電極の上面を伝搬した後、電極990と電極995の間の隙間で一度合成され、再び分かれて電極990および電極995の下面に沿って伝搬していく。電極990と電極995の下面のシースには、それぞれ逆向きの高周波電界が印加される。高周波電流は、プラズマを介して電極間に流れる。
図4A及び図4Bは図3Bの12−12断面から見た透視図であり、図3Bは図4Aの13−13断面である。図4A及び図4Bには、シミュレーションにより計算された電極とプラズマ間のシース中の高周波電界強度が濃淡で示されている。白い部分が電界が強い部分、黒い部分が弱い部分である。4×4=16個の直方体の電極が縦横に配列されたモデルで計算を行ったが、そのうち左上部(2×2=4個)のみが表示されている。電極990,995には、それぞれ2本の同軸管900R、900Lが接続されている。図4Aは、上部8本の同軸管900R及び下部8本の同軸管900Lからそれぞれ逆位相、同振幅の高周波を給電した場合、図4Bは、上部8本の同軸管900Rからのみ高周波を給電した場合である。
図4Aのように、上下段の電極に接続された同軸管から同振幅の高周波を印加したにもかかわらず、上段の電極995の方が下段の電極990よりも電界強度が弱くなっている。また、図4Bのように、下段の電極に接続された同軸管900Lには高周波を印加していないにもかかわらず、部分的には下段の電極990の方が上段の電極995よりも電界強度が強くなっている。
このように、電極毎に独立にプラズマ励起強度を制御することができないと、大面積基板上に均一なプラズマを生成することができない。例えば、図4Aのように、端部の列(上段)の電極の電界強度が弱いため、この電極に接続された同軸管から投入する高周波電力を大きくすると、逆に一列内側(下段)の電極の電界強度が強くなり、ますますプラズマの均一性が悪化してしまう。
このように、電極毎に独立にプラズマ励起強度を制御することができないのは、同軸管900L,900Rから供給された高周波が一度交じり合い、再び分かれて電極900及び995とプラズマとの間を伝搬するからである。これでは、ある電極に接続された同軸管に印加した高周波が、隣の電極にも伝わってしまうことになる。また、表面波は電極間を通り抜けて離れた電極まで伝搬していくので、意図しない表面波の定在波が生じてプラズマの均一性を悪化させる。さらに、排気路の一部である電極間の隙間に高周波電界が印加されるので、この部分で意図しないプラズマが発生してしまう。このように、高周波を電極の外周部から供給する「電極外給電」は、いくつかの問題を伴う。
(電極内給電)
図3Aは、電極を横方向に2等分し、この間から高周波を放出するようにしたものである。つまり、第1の電極部200aと第2の電極部200bは、一対で電極対200を構成し、それら電極部間には高周波を放出する誘電体スリットが形成されている。電極対を一つの電極とみなせば、高周波が電極の内部から給電されていると考えることができる。誘電体スリットから放出された高周波は、表面波となって電極部表面を左右に伝搬していく。第1の電極部200aと第2の電極部200bの下面のシースには、それぞれ逆向きの高周波電界が印加される。隣り合う電極対200間では、電極部間のインピーダンスが高くなっているので、電極部端まで伝搬した表面波は、隣の電極部まで伝搬することができずに反射されて戻ってくる。このため、電極対毎に独立にプラズマ励起強度を制御することが可能で、全体として極めて均一なプラズマを励起することができる。
図5A及び図5Bは図3Aの14−14断面から見た透視図であり、図3Aは図5Aの15−15断面である。図5A及び図5Bには、シミュレーションにより計算された電極とプラズマ間のシース中の高周波電界強度が濃淡で示されている。4個の電極対200が縦方向に配列されたモデルで計算を行ったが、そのうち左上部のみが表示されている。電極対200には、それぞれ4本の同軸管225が接続されている。図5Aは、全ての同軸管225から同位相、同振幅の高周波を給電した場合、図5Bは、上部の同軸管225からのみ高周波を給電した場合である。
図5Bのように、上段の電極対200に接続された同軸管225からのみ高周波を印加すると、上段の電極対200の電界強度のみが大きくなっており、電極毎に独立にプラズマ励起強度を制御できることがわかる。図5Aのように、中央部の電極対200から端部の列(上段)の電極対200まで均一なプラズマを励起できることがわかる。
隣り合う電極対200に逆位相の高周波を供給すれば、図3Aに示したように、異なる電極対200を構成し隣り合う2つの電極部には、同位相の高周波が印加される。この状態では、電極対200間の隙間(排気スリットC)に高周波電界が印加されないので、この部分でプラズマが発生することがない。
即ち、排気スリットCに電界が生じないようにするためには、隣接する電極対200の導波路205のそれぞれを伝搬する高周波の位相を180°ずらし、高周波の電界が逆向きにかかるようにする。
そのために、本実施形態では、図1に示したように、左側の電極対200に配置された同軸管の内部導体225a2と、右側の電極対200に配置された同軸管の内部導体225a2が逆向きに配置される。かかる構成によれば、高周波電源250から供給される同位相の高周波は、同軸管を介して導波路205に伝えられるとき逆相になる。
なお、内部導体225a2を同じ向きに配置した場合には、高周波電源250から逆相の高周波を隣接する電極対にそれぞれ印加することにより、電極対200の下面にかかる高周波の電界を同じ向きにでき、排気スリットCで高周波の電界を0にすることができる。
従来のプラズマ処理装置では、図3Bのように、電極の上面や同軸管内部導体を絶縁体およびシールドで覆う必要がある。この部分でプラズマが発生することを防止し、かつ高周波を反射させることなく伝送させるためである。大型の電極や同軸管内部導体を隙間無く絶縁体やシールドで覆うことは容易ではなく、装置のコストが高くなってしまう。
電極下面にはプラズマから熱が流入してくるので、電極に冷媒流路を設けて冷媒を流すことにより放熱するようになっている。電極には高周波が印加されるから、電極に冷媒を供給する配管は、GNDから絶縁しなければならない。また、電極下面に多数のガス放出孔を設けてガスを放出するようになっている。電極にガスを供給する配管は、やはりGNDから絶縁しなければならない。このように、電極に接続される配管は全てGNDから絶縁しなければならないため、構造が複雑になる。
一方、本実施形態では、電極部200a、200bは上面で短絡されており、さらに接地されている。導波路205は、側面を第1の電極部200aおよび第2の電極部200b、上面を蓋105、下面をプラズマで囲まれた導波管とみなせる。導波管内には高周波電界が存在するが、導波管外には存在しない。すなわち、高周波電界は、導波路205および電極対200の下面には存在するが、電極対200の側面等には存在しない。従って、電極を絶縁体やシールドで覆う必要がないので、構造が極めて単純になる。
電極部200a、200bは接地されているので、ガス供給用の配管等の電極に接続される配管をGNDから絶縁する必要がなく、金属の配管で直接接続ができる。さらに、プラズマから流入した熱を電極を介して蓋105に逃がすようにすれば、電極対200に冷媒流路を設ける必要もなくなり、構造が極めて単純になる。
VHF(Very High Frequency)帯は、プラズマ処理装置に使われる通常の高周波電源の周波数帯域より高いため、波長は短くなる。この状態では、第1の電極部200aおよび第2の電極部200bは、上部で短絡されており、さらにGNDに接続されているものの、電極の高さ方向(装置の縦方向)の長さを適正化することにより、導波路の下部に高周波電界を印加することができ、さらに電極下部の排気スリット部分のインピーダンスを高くすることができる。これにより、隣接する電極対200を電気的に分離し、各電極対200のプラズマ露出面の電界強度を独立制御することができる。
以上に説明したように、第1実施形態に係るプラズマ処理装置10によれば、基板と対向する位置に基板電極と同程度のサイズの1つの大きな電極を配置するのではなく、限定されたサイズの小さな電極を多数配列して電極間に高周波を印加するとともに、電極の外周から高周波を給電するのではなく、電極(対)の内部(誘電体スリット)から高周波を給電することにより、VHF帯のような高い周波数の高周波でも大面積基板上に均一なプラズマを生成することが可能になる。また、導波路を設けて電極上部を接地したことにより、電極や電極に接続される配管を絶縁する必要がなくなり、構造を簡素化できる。さらに、第1実施形態に係るプラズマ処理装置10によれば、高周波が複数の同軸管から1つの導波路に給電される。給電点のピッチを、導波路を伝搬する高周波の管内波長よりも十分短く設定することにより、導波路内の定在波の発生を抑制し、プラズマをより均一に生成することができる。
(給電点のピッチと導波路の高さ)
図2の給電点S1、S2、S3のピッチと導波路の高さhとの関係を適正化すると電界強度分布を更に均一にすることができる。図6は、給電点のピッチと導波路の高さとの関係についてシミュレーションした結果を示したグラフである。誘電体スリット長手方向のシース中の電界強度分布が、電極片側半分のみについてプロットされている。
シミュレーションでは、誘電体スリット長手方向の長さが4mの電極対に、4箇所の給電点から60MHzの高周波を給電したときのシース中の電界強度分布を求めた。このとき、導波路の高さh(図2参照)を280mm、290mm、300mm、308mm、310mmと可変にした。また、シース幅を0.6mm、給電点のピッチを1mとした。
図6のように、導波路の高さhが280mmのときには、シース中の電界強度は給電点で最大となる不均一な分布になっている。290mm、300mmと高くなるに従って次第に均一になり、308mmのときに最も均一になっている。このとき、導波路はちょうどカットオフした状態になっており、導波路の管内波長が非常に長くなっている。さらに、導波路の高さhが高くなり310mmになると、逆に給電点で電界強度が小さな分布になることがわかる。
このように、誘電体スリット長手方向のプラズマの均一性は、導波路の高さと給電点のピッチで決まる。また、高周波電力、圧力、ガス種等のプラズマ励起条件が変化すると、プラズマのインピーダンスが変化するため、プラズマの均一性はプラズマ励起条件の影響も受ける。プラズマ励起条件がある程度変わっても、常に均一なプラズマが生成できる装置が必要である。
導波路の高さhが固定されている場合には、給電点のピッチを導波路の管内波長よりも十分短く設定することによってプラズマ励起条件によらず均一なプラズマを生成することができる。例えば、第1実施形態では、導波路の管内波長は2m前後であるが、給電点のピッチを300mm程度以下にすれば常に均一なプラズマが得られる。一方、給電点のピッチをあまり短くすることができない場合には、導波路の実効的な高さを可変にして常に最適化するようにすればよい。例えば、図6のように、給電点のピッチが1mと長くても導波路の高さhを最適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。以下の第2〜第4実施形態では、導波路の実効的な高さを変える機構を有するプラズマ処理装置について説明する。
<第2実施形態>
[プラズマ処理装置の構成]
本発明の第2実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図7及び図8を参照しながら説明する。図7の左半分は図8の3−3断面図、図7の右半分は図8の4−4断面図であり、図8は図7の5−5断面図である。図7の左半分は同軸管がない部分の断面を示し、右半分は同軸管があるところの断面を示す。図8に示したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置10は3つの同軸管225から高周波を給電する「多点給電」であり、これに加えて、導波路の高さを調整する調整手段が設けられた装置である。
第2実施形態に係るプラズマ処理装置10の基本的構成は、第1実施形態に係るプラズマ処理装置と同じであるため、異なる構成を中心に説明する。第2実施形態に係るプラズマ処理装置10では、細長い電極対200が誘電体スリット短手方向に何本も平行に並べられている。第1の電極部200a及び第2の電極部200bの上部には、図7の紙面に垂直な方向に長手方向を有する第1の導波板325a及び第2の導波板325bがそれぞれネジ(不図示)によって固定されている。第1の導波板325a及び第2の導波板325bは、アルミ合金等の金属からなる。第1の導波板325a、第2の導波板325b、短絡板355は、同一のネジ(不図示)によって金属製の固定板356に固定されている。さらに、固定板356は、ネジ(不図示)によって蓋105に固定されている。
導波板325a、325b間の隙間は導波路205になっていて、その下部にはアルミナ等からなる誘電体板210が挿入されている。
第2実施形態のプラズマ処理装置10では、電極対間のピッチが短い。そこで、電極対間の第1の排気路281のスペースを確保するために導波板325a、325bの厚さ(導波路の壁面の厚さ)は3mmと薄くなっている。隣接する電極対間はスペーサ350を導波板325a、325bに絶縁性のネジ400で固定されている。スペーサ350は金属であってもよく、絶縁体であってもよい。
図7のように、第1の電極部200a及び第2の電極部200bには、紙面に垂直方向に長いガス流路290aが設けられている。ガス流路290aの下部には多数のガス放出穴が設けられており、ガス流路290aを流れてきたガスは、ガス放出穴から基板G側に放出される。本実施形態のプラズマ処理装置では、導波板325a、325bが薄いため、プラズマから電極に流入する熱を蓋105まで伝熱することができないので、第1の電極部200a及び第2の電極部200bには、紙面に垂直方向に長い冷媒流路295aが設けられており、冷媒により直接電極を冷却するようになっている。
電極―基板間の間隔及び電極対間のピッチが短い本実施形態にかかるプラズマ処理装置10では、第1実施形態にかかるプラズマ処理装置10のように同軸管225の内部導体225a2を対向して設けるスペースがない。よって、図7の右半分に示したように、内部導体225a2を2本、内部導体225a1の両側に連結し、絶縁リング365に通してその両端をナット370で固定する。このようにして、内部導体225a2は2つの隣接する導波路につながる。内部導体225a2は、例えばニッケルメッキ銅で形成されている。
第1実施形態のプラズマ処理装置10のように(図1参照)、電極対間のピッチが長いタイプでは、同軸管225の内部は大気であった。それに対して、第2実施形態のプラズマ処理装置10では、同軸管225の内部は真空になっている。そのため、同軸管内は放電しやすい。これを防止するために同軸管225の内部は、テフロン(登録商標)、アルミナ、石英等の誘電体で埋められている。また、Oリング345により同軸管225の内部は大気側から真空シールされている。
ここで、導波路のカットオフ現象について説明する。先ず、長辺の長さa、短辺の長さbという断面をもった矩形導波管の管内波長について考える。管内波長λは式(1)で表される。
ここで、λは自由空間の波長、εは導波管内の比誘電率、μは導波管内の比透磁率である。式(1)によれば、ε=μ=1のとき導波管の管内波長λは自由空間の波長λよりも常に長いことがわかる。λ<2aのとき、管内波長λは長辺の長さaが短くなると長くなる。λ=2aのとき、即ち長辺の長さaが自由空間の波長λの1/2に等しくなると、分母が0になり管内波長λが無限大になる。このとき導波管はカットオフ状態となり、導波管内を伝搬する電磁波の位相速度は無限大、群速度は0になる。さらに、λ>2aになると、電磁波は導波管内を伝搬することができなくなるが、ある程度の距離は進入することができる。なお、一般にはこの状態もカットオフ状態といわれるが、ここでは、λ=2aのときをカットオフ状態ということにする。
第2実施形態のプラズマ処理装置10において、導波路205は、矩形導波管を長辺方向に2等分した伝送路とみなすことができる。即ち、図7において導波路205の短辺は矩形導波管の短辺、導波路205の長辺は矩形導波管の長辺の1/2に相当する。導波路205がカットオフ状態になるように、導波路205の高さ(長辺の長さ)を調整することにより、導波路205中を紙面に垂直方向に伝搬する高周波の波長を無限大にすれば、誘電体スリットの長手方向に沿って均一な高周波電界が放出され均一なプラズマが励起される。条件によりプラズマのインピーダンスは変わるので、条件を変えても常に均一なプラズマを生成する装置を実現するために、導波路205の高さを変える機構が必要である。
第2実施形態のプラズマ処理装置10では、導波路205の上壁を可動にすることにより、導波路205の高さが変えられるようになっている。誘電体スリットの上部には、第1の導波板325a及び第2の導波板325bを短絡させる金属ブラシ320が挿入されている。金属ブラシ320は、ステンレススチール、リン青銅等のバネ性を備えた金属から形成される。導波路205の上壁が金属ブラシ320の位置となる。複数の金属ブラシ320には金属からなる第1支持棒330が貫通している。第1支持棒330は、第2支持棒335に連結されていて、第2支持棒335は装置外部で駆動機構310に連結されている。第2支持棒335と蓋105との間は、ベローズ340で真空シールされている。金属ブラシ320及び金属ブラシ320を駆動する駆動機構310は、導波路を伝搬する高周波の波長を調整する調整手段の一例である。また、金属ブラシ320は、2つの電極部を短絡する金属部材に相当する。
金属ブラシ320は可動式であり、駆動機構310の動力により第1支持棒330を上下させることによって第1支持棒330に連結する複数の金属ブラシ320が一体的に上下するようになっている。これにより、導波路の高さを変えることができる。金属ブラシ320の可動範囲は、誘電体板210の上面から蓋105の下面までである。金属ブラシ320の誘電体スリット長手方向の長さは、電極対200の長さとほぼ同一であるが、もっと短くてもよい。また、同一の導波路205に、複数の短い金属ブラシ320を挿入してもよい。
誘電体スリットからプラズマ側を見たインピーダンスが仮に無限大だとすると、導波路205は、矩形導波管を長辺方向に丁度2等分した伝送路とみなすことができる。従って、導波路205の高さがλのとき、即ち導波路205の誘電体スリットの法線方向の電気長が丁度π/2のときに管内波長λが無限大になる。しかし、実際には誘電体スリットからプラズマ側を見たインピーダンスは容量性なので、管内波長λを無限大にする導波路205の誘電体スリットの法線方向の電気長は、π/2よりも小さくなる。
実際にプラズマ処理を行っているときには、通常、導波路205内の電磁界分布やプラズマの分布を測定することはできない。プラズマ処理装置の外部から、間接的にカットオフ状態を検出し、導波路205の高さを制御する手法が必要である。後述するように、各部の寸法を最適化することにより、カットオフ状態になったときに高周波を供給する同軸管225から見た反射係数の絶対値が最も小さくなるようにすることができる。即ち、同軸管225から見た反射を計測し、反射が最も小さくなるように導波路の高さを調節すれば、常に均一なプラズマが得られる。
そこで、本実施形態では、整合器245と中央部の同軸管225との間に反射計300が取り付けられていて、同軸管225から見た反射の状態をモニタするようになっている。反射計300による検出値は制御部305に送信される。制御部305では、検出値に基づき駆動機構310に所望量だけ第1支持棒330を上下させるように指示する。駆動機構310の駆動力により第1支持棒330を上下させると、これとともに金属ブラシ320が上下動し、これによって導波路の高さを調整して同軸管225から見た反射を最小にする。なお、以上の制御をすれば反射は常に小さく抑えることができるため、整合器245の設置を省略して高周波電源250と同軸管225とを直接接続してもよい。反射計は、反射電力や反射係数の絶対値のみを計測するものであってもよく、位相を含めて計測するものであってもよい。
以上に説明したように、第2実施形態に係るプラズマ処理装置10によれば、金属ブラシを上下動させて、導波路の管内波長を十分大きくすることにより、電極の長手方向に均一なプラズマを励起することができる。給電点のピッチを長くしても均一なプラズマを生成することができるため、第一実施形態と比較して、電極、同軸管、整合器、高周波電源等の数を著しく減らすことができる。
<第3実施形態>
[プラズマ処理装置の構成]
本発明の第3実施形態のカットオフタイプのプラズマ処理装置10では、金属ブラシに替えて誘電体プランジャを用いる点が第2実施形態と異なる。よって、この相違点を中心に、本発明の第3実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図9及び図10を参照しながら説明する。図9の左半分は図10の6−6断面図、図9の右半分は図10の7−7断面図であり、図10は図9の8−8断面図である。図9の左半分は同軸管がない部分の断面を示し、右半分は同軸管がある部分の断面を示す。
導波板325a、325b間の誘電体スリットの上部には、金属ブラシの替わりに誘電体プランジャ360が挿入されている。誘電体プランジャ360はアルミナ等の誘電体から形成されている。第1の導波板325a及び第2の導波板325bは、短絡板355によって短絡されている。複数の誘電体プランジャ360には誘電体からなる第1支持棒330が貫通している。第1支持棒330は、第2支持棒335に連結されていて、第2支持棒335の上部には駆動機構310が設けられている。第2支持棒335と蓋105との間は、ベローズ340で真空シールされている。
誘電体プランジャ360は可動式であり、駆動機構310の動力により第1支持棒330を上下させることによってすべての誘電体プランジャ360が一体的に上下するようになっている。これにより、導波路の実効的な高さを変えることができる。導波路上部が短絡されているため、導波板325a、325bの中では下方の電界が強く、上方の電界が弱い。よって、誘電体プランジャ360を下方(つまり、電界の強い方)に持っていくほど導波路の実効的な高さは高くなり、誘電体プランジャ360を上方(つまり、電界の弱い方)に持っていくほど導波路の実効的な高さは低くなる。誘電体プランジャ360及び駆動機構310は、導波路を伝搬する高周波の波長を調整する調整手段の一例である。また、誘電体プランジャ360は、導波路に設けられた調整用誘電体板に相当する。
誘電体プランジャ360の位置を調節して導波路をカットオフ状態にすることにより、長さ2m以上の電極上に極めて均一なプラズマを励起することが可能である。カットオフ状態になったときに同軸管から見た反射係数の絶対値が最も小さくなるので、反射が最も小さくなるように誘電体プランジャ360を移動させればよい。
<第4実施形態>
[プラズマ処理装置の構成]
第2及び第3実施形態のカットオフタイプのプラズマ処理装置10では、真空中で可動部材である金属ブラシ320や誘電体プランジャ360を上下させるため、粉塵が発生して処理室内を汚染する可能性がある。
これに対して、本発明の第4実施形態のカットオフタイプのプラズマ処理装置10では、処理室内の汚染を回避するために金属ブラシ320や誘電体プランジャ360に替えてインピーダンス可変回路を用いる。よって、以下ではインピーダンス可変回路を中心に、本発明の第4実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図11及び図12を参照しながら説明する。図11の左半分は図12の9−9断面図、図11の右半分は図12の10−10断面図であり、図12は図11の11−11断面図である。
導波板325a、325b間の誘電体スリットの下部には誘電体板210が挿入されている。誘電体スリットの上部には可動部材は挿入されていない。本実施形態では、実効的な導波路の高さを電気的に変えるために、インピーダンス可変回路380が設けられている。誘電体スリット長手方向に配列された高周波を供給する3本の同軸管225の他に、これらの間には2個のインピーダンス可変回路380をそれぞれ接続する2本の同軸管385が設けられている。
インピーダンス可変回路380の構成例としては、図13に示したように、可変コンデンサのみの構成(380a)、可変コンデンサとコイルとを並列接続した構成(380b)、可変コンデンサとコイルと直列接続した構成(380c)等が考えられる。
本実施形態においても、カットオフ状態になったとき、同軸管225から見た反射が最も小さくなるように導波路の実効的な高さを調節する。また、プロセス中であっても導波路の実効的な高さを調節することが好ましい。そこで、本実施形態では、整合器245と中央部の同軸管225との間に反射計300が取り付けられていて、同軸管225から見た反射の状態をモニタするようになっている。反射計300による検出値は制御部305に送信される。制御部305では、検出値に基づきインピーダンス可変回路380を調整するように指示する。これによって導波路の実効的な高さを調整して同軸管225から見た反射を最小にする。なお、以上の制御をすれば反射係数はかなり小さく抑えることができるため、整合器245の設置を省略することもできる。インピーダンス可変回路380は、同軸管を介して導波路を伝搬する高周波の波長を調整する調整手段の一例である。
<第5実施形態>
[プラズマ処理装置の構成]
本発明の第5実施形態に係るプラズマ処理装置10では、誘電体スリットの長手方向に配列された複数の同軸管225の間に仕切り板265を有する点が、第1実施形態と異なる。よって、この相違点を中心に、本発明の第5実施形態にかかるプラズマ処理装置の概略構成について図14を参照しながら説明する。図14は図1の2−2断面図であり、図1は図14の1−1断面図である。
図14に示すように、隣り合う同軸管225の間で電極部200a、200bは誘電体スリットの長手方向で分離されており、分離された部分にスリット状の隙間が設けられている。この隙間には、アルミナ等の絶縁体からなる仕切り板265が、誘電体スリットの短手方向に挿入されている。このように、電極部200a、200bを仕切り板265で分割し、導波路205を誘電体スリット長手方向に電気的に分断すると、給電点毎に伝送電力を独立に変えることができるようになり、プラズマ分布の制御性が向上する。ただし、電極部200a、200bを誘電体スリット長手方向で完全に分離しなくてもよい。たとえば、電極部の下部にのみスリット状の隙間を設けてもよい。また、スリット状の隙間は、電界の強い電極部の下部側が仕切り板265で閉塞されていればよく、電界の弱い電極部の上部側は空洞であってもよい。もちろん、図14に示すように、スリット状の隙間を仕切り板265で完全に閉塞してもよい。
以上説明したように各実施形態に係るプラズマ処理装置10によれば、プラズマ励起周波数を高周波化しても大面積基板上に均一なプラズマを励起することができる。
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詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、本発明に係る電極対は、図2に示したように仕切り板265がなく、電極部200a、200bの2つの電極部を有する電極対200に限られない。例えば、図14、図15に示したように、2つの電極部が複数に分離され、分離された部分に仕切り板265を有する場合であっても2つの電極部を有する本発明に係る電極対の範疇に含まれる。
また、上記各実施形態に係るプラズマ処理装置では、複数の同軸管に対して一対一に高周波電源、整合器を接続したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、分岐を用いることにより、1台の高周波電源に複数の同軸管を接続してもよい。多出力の1台の高周波電源からの出力を、それぞれ整合器を介して同軸管に給電してもよい。複数の整合器を用いる場合には、1台毎に独立に制御してもよいし、全ての整合器を集中的に制御してもよい。また、配列する電極対の数もかかる例に限定されない。さらに、図15に示すように、高周波電源を、第1の高周波電源250aと、高周波電源250aから出力される高周波の周波数よりも高い周波数の高周波を出力する第2の高周波電源250bとの2つの高周波電源により構成し、第1の高周波電源250aから出力される低い周波数の高周波と第2の高周波電源250bから出力される高い周波数の高周波とを重畳させて供給してもよい。1つの電極対200に接続される高周波印加用同軸管225やインピーダンス可変回路接続用同軸管385の数や位置も、かかる例に限定されない。上記実施の形態においては、導波路205及び誘電体板210は電極部200a、200bのプラズマ露出面Aに対して垂直に配置されているが、垂直でなくてもよく、途中で曲がっていてもよい。また、電極対200の導波路205または誘電体板210は、他の電極対200の導波路205または誘電体板210とつながっていてもよい。電極対200を構成する2つの電極部は、上部で短絡、接地されているが、必ずしも短絡、接地されていなくてもよい。
また、高周波電源と電極との間を連結する伝送路は、矩形導波管、同軸管、同軸ケーブル、矩形導波管と同軸管との組合せのいずれであってもよい。
10 プラズマ処理装置
100 真空容器
105 蓋
200 電極対
200a 第1の電極部
200b 第2の電極部
205 導波路
210 誘電体板
215 第2の誘電体カバー
220 第1の誘電体カバー
225、385 同軸管
225a1、225a2、385a1、385a2 内部導体
225b、385b 外部導体
245 整合器
250 高周波電源
265 仕切り板
281 第1の排気路
283 第2の排気路
285 第3の排気路
290a ガス流路
295a 冷媒流路
300 反射計
305 制御部
310 駆動機構
320 金属ブラシ
325a 第1の導波板
325b 第2の導波板
330 第1支持棒
335 第2支持棒
355 短絡板
356 固定板
360 誘電体プランジャ
380 インピーダンス可変回路

Claims (18)

  1. 内部に、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、
    第1の電極部と第2の電極部との2つの電極部を有し、前記プラズマ空間の上方に配置された電極対と、
    前記2つの電極部間に形成され、前記プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路と、
    前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する誘電体板と
    前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給し、前記スリット状の開口の長手方向に配列された複数の同軸管とを備え、
    1つの前記電極対に対して複数の同軸管が設けられ、
    前記複数の同軸管の内部導体は前記2つの電極部の一方に接続され、前記複数の同軸管の外部導体は他方に接続され、
    前記複数の同軸管から供給された高周波が前記導波路を伝搬した後に前記誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起することを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記同軸管の内部導体は、前記誘電体板に設けられた穴を貫通してい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2つの電極部は、前記スリット状の開口とは逆側の端部において短絡されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記2つの電極部は、前記スリット状の開口とは逆側の端部において前記減圧容器と短絡されていることを特徴とする請求項3に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記2つの電極部は、前記スリット状の開口の長手方向の両端部において短絡されていないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記2つの電極部のプラズマ露出面及び前記誘電体板のプラズマ露出面は概ね同一面であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 前記2つの電極部のプラズマ露出面の面積は概ね等しいことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記複数の同軸管の内部導体と前記電極部との接続部は、前記スリット状の開口の長手方向に概ね等間隔に設けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記電極対は、前記電極対の前記スリット状の開口側の少なくとも一部を前記スリット状の開口の長手方向で分断する隙間を備え、前記隙間の少なくとも一部には、絶縁体からなる仕切り板が挿入されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記隙間は、前記複数の同軸管の内部導体と前記電極部との接続部間に設けられていることを特徴とする請求項9に記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記導波路の前記スリット状の開口の法線方向の電気長がπ/2以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  12. 前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する調整手段を更に備えることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  13. 複数の前記電極対が、前記スリット状の開口の短手方向に隙間を設けて配列されていることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  14. 内部に、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、第1の電極部と第2の電極部との2つの電極部を有し、前記プラズマ空間の上方に配置された電極対と、前記2つの電極部間に形成され、前記プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路と、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給し、前記スリット状の開口の長手方向に配列された複数の同軸管とを備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    1つの前記電極対に対して複数の同軸管が設けられ、
    前記複数の同軸管の内部導体は前記2つの電極部の一方に接続され、該複数の同軸管の外部導体は他方に接続され、
    高周波を前記複数の同軸管を介して前記2つの電極部間に形成された導波路に伝搬させるステップと、
    前記導波路を伝搬した高周波を、前記導波路に設けられた誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起するステップとを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
  15. 前記複数の同軸管の少なくともいずれかに連結された反射計が、該同軸管を伝搬する高周波の反射またはインピーダンスを計測する計測ステップと、
    制御器が、前記計測された反射またはインピーダンスの検出値に基づいて、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整する調整ステップと、を含むことを特徴とする請求項14に記載のプラズマ処理方法。
  16. 内部導体が前記2つの電極部の一方に接続され、外部導体が他方に接続されている調整用同軸管を更に備え、
    前記調整ステップは、前記調整用同軸管に接続されているインピーダンス可変回路を調整することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整することを特徴とする請求項15に記載のプラズマ処理方法。
  17. 前記2つの電極部を短絡し、前記スリット状の開口の垂線方向に移動可能な金属部材を備え、
    前記調整ステップは、前記金属部材の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整することを特徴とする請求項15に記載のプラズマ処理方法。
  18. 前記導波路内に、前記スリット状の開口の垂線方向に移動可能な調整用誘電体板を備え、
    前記調整ステップは、前記調整用誘電体板の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整することを特徴とする請求項15に記載のプラズマ処理方法。
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JP6819968B2 (ja) * 2016-10-19 2021-01-27 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置
JP7184254B2 (ja) * 2018-12-06 2022-12-06 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
WO2021152655A1 (ja) * 2020-01-27 2021-08-05 株式会社日立ハイテク プラズマ処理装置
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS61163704A (ja) * 1985-01-16 1986-07-24 Junkosha Co Ltd 誘電体線路
JP3979453B2 (ja) * 1998-01-14 2007-09-19 東京エレクトロン株式会社 マイクロ波プラズマ処理装置
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