JP5733460B1 - プラズマ発生用のアンテナおよびそれを備えるプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 真空容器内に配置されて誘導結合型のプラズマを発生させるためのアンテナであって、アンテナ導体に金属パイプを用いており、しかもアンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができるアンテナを提供する。【解決手段】 アンテナ２０は、絶縁パイプ２２とその中に配置された中空のアンテナ本体２４とを備えている。アンテナ本体２４は、複数の金属パイプ２６を中空絶縁体２８を介在させて直列接続した構造をしており、かつ各中空絶縁体２８の外周部に配置された層状のコンデンサ３０を有していて、各金属パイプ２６とコンデンサ３０とを電気的に直列接続した構造をしている。各コンデンサ３０は、中空絶縁体２８の外周部に配置されていて一方の金属パイプ２６に電気的に接続された第１の電極３２と、中空絶縁体２８の外周部に電極３２と重なるように配置されていて他方の金属パイプ２６に電気的に接続された第２の電極３４と、両電極間に配置された誘電体３６とを有している。【選択図】 図２

Description

この発明は、高周波電流が流されて真空容器内において誘導結合型のプラズマを発生させるためのアンテナおよびそれを備えているプラズマ処理装置に関する。なお、イオンは、この出願中では正イオンを意味する。

アンテナに高周波電流を流し、それによって生じる誘導電界によって真空容器内において誘導結合型のプラズマ（略称ＩＣＰ）を発生させるためのアンテナおよびそれを備えているプラズマ処理装置が従来から提案されている。

この種のプラズマ処理装置においては、大型の基板に対応する等のためにアンテナを長くすると、当該アンテナのインピーダンスが大きくなり、それによってアンテナの両端間に大きな電位差が発生する。その結果、この大きな電位差の影響を受けてプラズマの密度分布、電位分布、電子温度分布等のプラズマの均一性が悪くなり、ひいては基板処理の均一性が悪くなるという課題がある。また、アンテナのインピーダンスが大きくなると、アンテナに高周波電流を流しにくくなるという課題もある。

このような課題を解決する等のために、アンテナとコンデンサとを直列接続している構成のプラズマ処理装置が幾つか提案されている。

例えば、特許文献１には、外部アンテナ（即ち真空容器の外部に配置されるアンテナ。以下同様）を有するプラズマ処理装置が提案されており、この装置では、ループ状のアンテナを構成する複数の直線導体を、真空容器の一部を成す誘電体窓の上部（外部）に並べて配置し、かつ当該ループ状アンテナの、誘電体窓から遠い戻り導体にコンデンサを直列接続している。

特許文献２には、内部アンテナ（即ち真空容器内に配置されるアンテナ。以下同様）を有するプラズマ処理装置が記載されており、この装置では、絶縁パイプ内にアンテナ導体を通して成る直線状のアンテナを複数本、真空容器内に並べて配置し、かつ各アンテナ間を、真空容器外に設けたコンデンサで直列接続している。

特許文献３には、内部アンテナを有するプラズマ処理装置が記載されており、この装置では、一方の主面が真空容器内に位置する平面状アンテナ（平面導体）の当該主面に、高周波電流の流れ方向と交差する方向に伸びている溝を１以上形成して当該主面を複数領域に分割し、かつ各溝内にコンデンサをそれぞれ設けて平面状アンテナの各領域と各コンデンサとを互いに電気的に直列接続している。

特表２００２−５１０８４１号公報（段落００１４、００２８、図３、図１０） 特開平１１−３１７２９９号公報（段落００４４、０１０９、図１、図１２、図２２） 特開２０１２−１３３８９９号公報（段落０００６、図１、図２）

上記特許文献１に記載の技術は、アンテナ導体とコンデンサとが直列接続された構造であるので、電位の反転によるループ状アンテナ全体の両端間の電位差を低減させることはできるけれども、プラズマ発生に直接関わる、誘電体窓に近接する導体は直線状導体であるので、基板の大型化に対応する等のために当該直線状導体を長くすると、それに伴って個々の直線状導体のインピーダンスが増加する。その結果、誘電体窓に近接する個々の直線状導体の両端間に発生する電位差が大きくなり、プラズマの均一性を低下させる。また、個々の直線状導体のインピーダンス増加に伴い、高周波電流が流れにくくなり、誘導結合状態が効率的に得られなくなる。

更に、外部アンテナであって誘電体窓を通しての誘導結合であるため、誘電体窓材の厚みのためにプラズマ空間までの距離が遠く、内部アンテナに比べてプラズマ生成の効率が低下する。

上記特許文献２に記載の技術では、基板の大型化に対応する等のために各アンテナを長くすると、それに伴って個々のアンテナのインピーダンスが増加する。その結果、個々のアンテナの両端間に発生する電位差が大きくなり、プラズマの均一性を低下させる。また、個々のアンテナのインピーダンス増加に伴い、高周波電流が流れにくくなり、誘導結合状態が効率的に得られなくなる。

上記特許文献３に記載の技術は、内部アンテナであるので外部アンテナに比べてプラズマ生成の効率が高く、かつ平面状アンテナの真空容器内側の主面に設けた１以上の溝内にコンデンサをそれぞれ設けているので、基板の大型化に対応する等のために平面状アンテナを長くしてもその両端間に発生する電位差を小さく抑えることができるという特長を有しているけれども、平面状アンテナはその平面内で２次元方向の電位分布を持ちやすく、それに相当するプラズマ分布が発生し、それが基板表面の膜に転写されやすいので、このような点を改善する観点からは、アンテナ導体はパイプ状のものが好ましい。しかし、アンテナ導体をパイプ状のものにする場合は、特許文献３に記載のような平面状アンテナの溝内にコンデンサを設ける技術を適用することはできない。コンデンサ周りに新たな工夫が必要である。

そこでこの発明は、真空容器内に配置されて誘導結合型のプラズマを発生させるためのアンテナであって、アンテナ導体に金属パイプを用いており、しかもアンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができるアンテナを提供することを一つの目的としている。また、そのようなアンテナを備えるプラズマ処理装置を提供することを他の目的としている。

この発明に係るアンテナは、真空容器内に配置され、かつ高周波電流が流されて、当該真空容器内に誘導結合型のプラズマを発生させるためのアンテナであって、絶縁パイプと、その中に配置されていて内部に冷却水が流される中空のアンテナ本体とを備えており、前記アンテナ本体は、（ａ）複数の金属パイプを、隣り合う金属パイプ間に中空絶縁体を介在させて直列接続した構造をしていて、各接続部は真空および前記冷却水に対するシール機能を有しており、（ｂ）かつ前記各中空絶縁体の外周部に配置された層状のコンデンサを有していて、各中空絶縁体の両側の前記金属パイプと当該コンデンサとを電気的に直列接続した構造をしており、前記各中空絶縁体および前記各コンデンサは、前記真空容器内に配置されるものであり、前記各コンデンサは、（ａ）前記中空絶縁体の外周部に配置された電極であって、当該中空絶縁体の一方側に接続された前記金属パイプに電気的に接続された第１の電極と、（ｂ）前記中空絶縁体の外周部に、前記第１の電極と重なるように配置された電極であって、当該中空絶縁体の他方側に接続された前記金属パイプに電気的に接続された第２の電極と、（ｃ）前記第１の電極および第２の電極間に配置された誘電体とを有している、ことを特徴としている。

上記アンテナによれば、それを構成するアンテナ本体は、複数の金属パイプを、中空絶縁体の外周部に配置された層状のコンデンサで電気的に直列接続した構造をしていて、アンテナ本体の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になるので、アンテナのインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができる。

前記各コンデンサは、前記第１の電極、第２の電極および誘電体をそれぞれ複数層有していても良い。

前記アンテナ本体は、前記絶縁パイプ内に空間を介して配置されていても良い。

この発明に係るプラズマ処理装置は、真空排気されかつガスが導入される真空容器と、前記真空容器内に配置された前記アンテナと、前記アンテナに高周波電流を流す高周波電源とを備えていて、前記アンテナによって発生させたプラズマを用いて基板に処理を施すように構成されている。

請求項１に記載の発明によれば、真空容器内に配置される内部アンテナであるので、外部アンテナに比べてプラズマ生成の効率が高い。

しかも、アンテナを構成するアンテナ本体は、複数の金属パイプを、中空絶縁体の外周部に配置された層状のコンデンサで電気的に直列接続した構造をしていて、アンテナ本体の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になるので、アンテナのインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができる。従って、当該アンテナの両端間に大きな電位差が発生するのを抑えることができる。それによって均一性の良いプラズマを発生させることが可能になる。

また、アンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができるので、アンテナに高周波電流が流れやすくなり、誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることが可能になる。

更に、アンテナ本体は、中空絶縁体の外周部に配置された層状のコンデンサを有しているので、金属パイプとその外側の絶縁パイプとの間の距離をあまり増大させずに済み、かつ内部に流される冷却水の流れに対する抵抗をあまり増大させずに済む。

請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、各コンデンサは、第１の電極、第２の電極および誘電体をそれぞれ複数層有しているので、各コンデンサの静電容量を大きくすることが容易になり、それによって、アンテナ本体の前記合成リアクタンスをより小さくしてアンテナのインピーダンスを低減させることがより容易になる。

請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、アンテナ本体は絶縁パイプ内に空間を介して配置されているので、当該空間の存在によって絶縁パイプ表面の電位上昇を抑えることができ、それによってプラズマ電位の上昇を抑えることができる。

請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上記のようなアンテナを備えていて、均一性の良いプラズマを効率良く発生させることができるので、基板処理の均一性および効率を高めることができる。

請求項５に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、直線状のアンテナを複数、基板の表面に沿う方向に並列に配置しているので、より広い領域で均一性の良いプラズマを発生させることができ、従ってより大型の基板処理に対応することができる。

この発明に係るアンテナを備えているプラズマ処理装置の一例を示す概略縦断面図である。 図１中のアンテナのコンデンサ周りの一例を拡大して示す概略断面図である。 アンテナのコンデンサ形成に用いるフィルム状の誘電体および電極の一例を展開して示す平面図である。 アンテナの中空絶縁体周りの他の例を拡大して示す概略断面図である。 図１に示すアンテナの等価回路（Ａ）および直列共振条件を満たしている場合の電位分布（Ｂ）の一例を示す図である。 直線状のアンテナを複数有しているプラズマ処理装置の一例を示す概略横断面図である。

図１に、この発明に係るアンテナを備えているプラズマ処理装置の一例を示し、図２に図１中のアンテナのコンデンサ周りの一例を拡大して示す。

このプラズマ処理装置は、真空排気されかつガス８が導入される真空容器２と、この真空容器２内に配置されていて高周波電流Ｉ_R が流されて真空容器２内に誘導結合型のプラズマ１６を発生させるためのアンテナ２０と、このアンテナ２０に高周波電流Ｉ_R を流す高周波電源５６とを備えていて、発生させたプラズマ１６を用いて基板１０に処理を施すように構成されている。

基板１０は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板等であるが、これに限られるものではない。

基板１０に施す処理は、例えば、ＣＶＤ法等による膜形成、エッチング、アッシング、スパッタリング等である。

このプラズマ処理装置は、ＣＶＤ法によって膜形成を行う場合はプラズマＣＶＤ装置、エッチングを行う場合はプラズマエッチング装置、アッシングを行う場合はプラズマアッシング装置、スパッタリングを行う場合はプラズマスパッタリング装置とも呼ばれる。

真空容器２は、例えば金属製の容器であり、その内部は真空排気装置４によって真空排気される。真空容器２はこの例では電気的に接地されている。

真空容器２内に、例えば流量調節器（図示省略）およびガス導入管６を経由して、ガス８が導入される。ガス８は、基板１０に施す処理内容に応じたものにすれば良い。例えば、プラズマＣＶＤによって基板１０に膜形成を行う場合は、ガス８は、原料ガスを希釈ガス（例えばＨ₂ ）で希釈したガスである。より具体例を挙げると、原料ガスがＳiＨ₄ の場合はＳi 膜を、ＳiＨ₄ ＋ＮＨ₃ の場合はＳiＮ膜を、ＳiＨ₄ ＋Ｏ₂ の場合はＳiＯ₂ 膜を、それぞれ基板１０の表面に形成することができる。

真空容器２内に、基板１０を保持する基板ホルダ１２が設けられている。この例のように、基板ホルダ１２にバイアス電源１４からバイアス電圧を印加するようにしても良い。バイアス電圧は、例えば負の直流電圧、負のパルス電圧等であるが、これに限られるものではない。このようなバイアス電圧によって、例えば、プラズマ１６中の正イオンが基板１０に入射するときのエネルギーを制御して、基板１０の表面に形成される膜の結晶化度を制御することができる。この例のように、基板ホルダ１２内に、基板１０を加熱するヒータ１３を設けておいても良い。

アンテナ２０は、この例では直線状のアンテナであり、真空容器２内の上部付近に、基板１０の表面に沿うように（例えば、基板１０の表面と実質的に平行に）配置されている。真空容器２内に配置するアンテナ２０は、一つでも良いし、複数でも良い。複数にする場合の一例を、後で図６を参照して説明する。

アンテナ２０は、絶縁パイプ２２と、その中に配置されていて内部に冷却水４４が流される中空のアンテナ本体２４とを備えている。アンテナ本体２４は、この例では、絶縁パイプ２２内に空間２３を介して配置されている。その理由は後述する。

絶縁パイプ２２の材質は、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等であるが、これらに限られるものではない。

絶縁パイプ２２を設ける理由は次のとおりである。即ち、公知のように、導体と高周波プラズマとが近接する構造の場合、プラズマ中のイオンよりも電子の方が軽くて遥かに多く導体に入射するので、プラズマ電位が導体よりも正側に上昇する。これに対して、上記のような絶縁パイプ２２を設けておくと、絶縁パイプ２２によって、プラズマ１６中の荷電粒子がアンテナ本体２４を構成する金属パイプ２６に入射するのを抑制することができるので、金属パイプ２６に荷電粒子（主として電子）が入射することによるプラズマ電位の上昇を抑制することができると共に、金属パイプ２６が荷電粒子（主としてイオン）によってスパッタされてプラズマ１６および基板１０に対して金属汚染（メタルコンタミネーション）が生じるのを抑制することができる。

アンテナ本体２４は、複数の金属パイプ２６を、隣り合う金属パイプ２６間に中空絶縁体２８を介在させて直列接続した構造をしていて、各接続部は真空および冷却水４４に対するシール機能を有している。このシール機能は、公知のシール手段で実現することができる。例えば、パッキンを用いても良いし、図４に示すような管用テーパねじ構造を用いても良い。これについては後述する。

この例では金属パイプ２６の数は二つであり、従って中空絶縁体２８（ひいてはその外周部に配置されたコンデンサ３０）の数は一つであるが、金属パイプ２６の数は三つ以上でも良く、いずれにしても中空絶縁体２８（ひいてはその外周部に配置されたコンデンサ３０）の数は金属パイプ２６の数よりも一つ少ないものになる。

アンテナ本体２４は、各中空絶縁体２８の外周部に配置された層状のコンデンサ３０を有していて、各中空絶縁体２８の左右両側の金属パイプ２６と当該コンデンサ３０とを電気的に直列接続した構造をしている（図５の等価回路参照）。

各コンデンサ３０は、主に図２を参照して、（ａ）中空絶縁体２８の外周部に配置された電極であって、当該中空絶縁体２８の一方側に接続された金属パイプ２６に電気的に接続された第１の電極３２と、（ｂ）中空絶縁体２８の外周部に、第１の電極３２と重なるように配置された電極であって、当該中空絶縁体２８の他方側に接続された金属パイプ２６に電気的に接続された第２の電極３４と、（ｃ）第１の電極３２および第２の電極３４間に配置された誘電体３６とを有している。電極３２、３４のリード部と金属パイプ２６とは、例えば、半田付け等による接合、熱収縮チューブを用いての圧接等によって電気的に接続しても良い。

金属パイプ２６の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等であるが、これらに限られるものではない。

中空絶縁体２８は、図２に示す例では絶縁パイプである。中空絶縁体２８の材質は、例えば、アルミナ、フッ素樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、エンジニアリングプラスチック（例えばポリフェニンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）など）等であるが、これらに限られるものではない。

電極３２、３４は、例えば金属の膜、箔、フィルム、シート等である。電極３２、３４の材質は、例えば、アルミニウム、銅、これらの合金等であるが、これらに限られるものではない。

各コンデンサ３０は、第１の電極３２、第２の電極３４および誘電体３６を、それぞれ１層ずつ有していても良いし（図２はこの場合の例を示す）、それぞれ複数層ずつ有していても良い。

第１の電極３２、第２の電極３４および誘電体３６は、中空絶縁体２８の外周部にそれぞれ個別に配置しても良いし、例えば図３に示す例のようなフィルム状（シート状とも言える。以下同様）の誘電体および電極を中空絶縁体２８の外周部に巻き付けること等によって一括して配置しても良い。

図３の例は、フィルム状の誘電体３６の一方の主面に第１の電極３２を例えば金属蒸着等によって形成し、他方の主面（紙面の裏側）であって電極３２と重なる位置に第２の電極３４を例えば金属蒸着等によって形成し、両電極３２、３４の取り出し部に接続導体３８、４０をそれぞれ接続した構造をしている。

このようなフィルム状の誘電体および電極を、上記中空絶縁体２８の外周部に所望回数（例えば１回または複数回）巻き付けて、接続導体３８、４０を左右の金属パイプ２６にそれぞれ接続すれば良い。複数回巻き付ける場合は、間にもう１枚の誘電体フィルムを挟めば良い。複数回巻き付けることによって、簡単な方法で、第１の電極３２、第２の電極３４および誘電体３６をそれぞれ複数層配置することができる。フィルム状の誘電体３６の片面に電極（これは電極３２または電極３４に相当する）を設けたものを２枚重ねて中空絶縁体２８の外周部に所望回数巻き付けても良い。電極３２、３４として、金属箔を用いても良い。コンデンサ３０を構成する上記要素の固定・接続は、例えば、熱収縮チューブ等を用いて行っても良い。

各コンデンサ３０の静電容量Ｃは、周知の次式で表すことができる。Ｓは対向している電極３２、３４の面積、ｄは両電極３２、３４間の距離、εは誘電体３６の誘電率である。従って、これらＳ、ｄ、εの内の一つ以上を変えることによって、静電容量Ｃを調整することができる。上述した電極３２、３４および誘電体３６をそれぞれ複数層配置すると、上記面積Ｓが大きくなるので静電容量Ｃが大きくなる。

［数１］
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ

左右の金属パイプ２６と中空絶縁体２８との各接続部には、図４に示す例のような管用テーパねじ構造を用いても良い。即ちこの例では、左右の金属パイプ２６の端部に、金属製で雌ねじのテーパねじ部４２をそれぞれ接合しており、そこに、両端部に雄ねじのテーパねじ部２９を有する中空絶縁体２８をねじ込んでいる。この中空絶縁体２８の材質は、前述した材質の内でもより硬いもの（例えばエンジニアリングプラスチック）が好ましい。各テーパねじ部４２とテーパねじ部２９との間には、シールテープを挟んでも良い。このような管用テーパねじ構造によっても、上記各接続部に真空および冷却水４４に対するシール機能を持たせることができる。この中空絶縁体２８の外周部に、前述したコンデンサ３０を配置すれば良い。

再び図１を参照して、アンテナ２０の両端部を真空容器２外へ貫通させる部分には、絶縁部４６がそれぞれ設けられている。この各絶縁部４６を、アンテナ本体２４の両端部の金属パイプ２６が貫通しており、その貫通部は例えばパッキン４８によって真空シールされている。各絶縁部４６と真空容器２との間も、例えばパッキン５０によって真空シールされている。絶縁パイプ２２は真空容器２内にあり、その両端部は絶縁部４６によって支持されている。この例のように、真空領域から大気領域へのアンテナ２０の取り出しは、金属パイプ２６の部分で行う方が、加工が容易である。なお、絶縁パイプ２２の両端部と絶縁部４６間はシールしなくても良い。絶縁パイプ２２内の空間２３にガス８が入っても、当該空間２３は小さくて電子の移動距離が短いので、通常は空間２３にプラズマは発生しないからである。

アンテナ本体２４の内部、即ち各金属パイプ２６および各中空絶縁体２８の内部に流す冷却水４４は、電気絶縁の観点から、高抵抗の水が好ましい。例えば純水またはそれに近い水が好ましい。各金属パイプ２６に高周波電流Ｉ_R を流すと、各金属パイプ２６は抵抗を有しているために発熱する（即ち、ジュール熱を発生する）。この熱は中空絶縁体２８およびコンデンサ３０にも伝わるけれども、これらの要素２６、２８、３０は、上記冷却水４４によって冷却して温度を下げることができる。コンデンサ３０も、主として中空絶縁体２８との間の熱伝導によって、冷却水４４によって冷却することができる。

アンテナ２０（より具体的にはそのアンテナ本体２４）の一方端である給電端５２には、整合回路５８を介して高周波電源５６が接続されており、他方端である終端５４は、戻り導体６２を経由して接地点６０で接地されている。終端５４はコンデンサを介さずに接地しても良いけれども、この例のように戻り導体６２にコンデンサ６４を直列接続しておく方が好ましい。その理由は後述する。上記構成によって、高周波電源５６から、整合回路５８を介して、アンテナ２０（より具体的にはそのアンテナ本体２４）に高周波電流Ｉ_R を流すことができる。

高周波電源５６から出力する高周波電力、高周波電流Ｉ_R の周波数は、例えば、一般的な１３．５６ＭＨｚであるが、これに限られるものではない。

アンテナ２０に高周波電流Ｉ_R を流すことによって、アンテナ２０の周囲に高周波磁界が発生し、それによって高周波電流Ｉ_R と逆方向に誘導電界が発生する。この誘導電界によって、真空容器２内において、電子が加速されてアンテナ２０の近傍のガス８を電離させてアンテナ２０の近傍にプラズマ（即ち誘導結合型のプラズマ）１６が発生する。このプラズマ１６は基板１０の近傍まで拡散し、このプラズマ１６によって基板１０に前述した処理を施すことができる。

上記アンテナ２０は、真空容器２内に配置される内部アンテナであり、当該アンテナ２０を流れる高周波電流Ｉ_R によって作られる高周波磁場を近くからプラズマ１６の生成に効果的に使うことができるので、外部アンテナに比べてプラズマ生成の効率が高い。

しかも、アンテナ２０を構成するアンテナ本体２４は、複数の金属パイプ２６を、中空絶縁体２８の外周部に配置された層状のコンデンサ３０で電気的に直列接続した構造をしていて、アンテナ本体２４の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になるので、アンテナ２０のインピーダンスを低減させることができる。

これを詳述すると、図１に示すアンテナ２０（より具体的にはそのアンテナ本体２４）の等価回路を図５（Ａ）に示す。ここでは、各金属パイプ２６のインダクタンスをＬ、抵抗をＲ、コンデンサ３０の静電容量をＣとしている。各金属パイプ２６のインダクタンスＬと抵抗Ｒは、各金属パイプ２６を互いに実質的に同じ長さにすれば、実質的に同じ値にすることができる。このアンテナ２０のインピーダンスＺは次式で表すことができる。ωは高周波電流Ｉ_R の角周波数、ｊは虚数単位である。

［数２］
Ｚ＝２Ｒ＋ｊ（２ωＬ−１／ωＣ）

上記式の虚数部がアンテナ本体２４の合成リアクタンスであり、誘導性リアクタンス２ωＬから容量性リアクタンス１／ωＣを引いた形となっているので、コンデンサ３０を直列接続することによって、アンテナ２０のインピーダンスＺを低減させることができる。換言すれば、このアンテナ２０によれば、そのアンテナ本体２４を構成する金属パイプ２６およびコンデンサ３０の個数等を適宜選定することができるので、それによって、アンテナ２０の長さに関わらず、アンテナ２０のインピーダンスＺを適当な値に設計することができる。

その結果、基板１０の大型化に対応する等のためにアンテナ２０を長くする場合でもそのインピーダンスＺの増大を抑えることができる。従って、当該アンテナ２０の両端間に大きな電位差が発生するのを抑えることができる。それによって均一性の良いプラズマ１６を発生させることが可能になる。ひいては、基板１０の処理の均一性を高めることができる。

また、アンテナ２０を長くする場合でもそのインピーダンスＺの増大を抑えることができるので、アンテナ２０に高周波電流Ｉ_R が流れやすくなり、誘導結合型のプラズマ１６を効率良く発生させることが可能になる。ひいては、基板１０の処理の効率を高めることができる。

上記説明からも分るように、コンデンサ３０の静電容量Ｃは、アンテナ本体２４のインピーダンスの虚数部（例えば上記数２の虚数部）が、より厳密に言えばプラズマ１６の生成時における当該虚数部が、できるだけ小さくなるように設定しておくのが好ましい。「プラズマ１６の生成時」と言っているのは、プラズマ生成時に上記インダクタンスＬが低下することが経験上分っており、この低下分を見込んで設計しておくのが好ましいからである。上記虚数部が０になるときが直列共振条件を満たしている場合であり、そのようにするのが一番好ましいけれども、必ずしも直列共振条件を満たしている必要はなく、上記虚数部が例えば±５０Ω以下、好ましくは±１０Ω以下になるようにしても良い。

図５（Ａ）の回路において、アンテナ２０に高周波電流Ｉ_R を流したとき、上記直列共振条件を満たしている場合のアンテナ２０の電位分布の一例を図５（Ｂ）中に実線Ａで示す。この図５（Ｂ）では、説明の簡略化のために、抵抗Ｒを無視すると共に、アンテナ２０の終端５４の電位を基準に示している。傾斜部Ｓ₁ は誘導性リアクタンスωＬによる電位上昇分、傾斜部Ｓ₂ は容量性リアクタンス１／ωＣによる電位降下分である。

図５（Ｂ）中の二点鎖線Ｂは、アンテナが上記コンデンサ３０に相当するものを有していない従来の単なる導体の場合の電位分布である。

この図５（Ｂ）から分るように、上記アンテナ２０の場合は、その両端間の電位差を小さく抑えることができる。従って、均一性の良いプラズマ１６を生成することができ、ひいては基板処理の均一性を高めることができる。

上述した直列共振条件を満たしていない場合は、例えば、図５（Ｂ）中の点ｂの電位が幾らか正側または負側にシフトし、それに応じて他の部分の電位もシフトすることになる。それでも、二点鎖線Ｂで示す従来の単なる導体の場合に比べれば、アンテナの両端間のの電位差を小さく抑えることができる。

上記アンテナ２０を構成するアンテナ本体２４は、中空絶縁体２８の外周部に配置された層状のコンデンサ３０を有しているので、金属パイプ２６とその外側の絶縁パイプ２２との間の距離をあまり増大させずに済み、かつ内部に流される冷却水４４の流れに対する抵抗をあまり増大させずに済む。

これを詳述すると、仮に、上記コンデンサ３０の代わりに、例えば上記特許文献３の図２等に記載のような電子部品（パーツ）としてのコンデンサ（即ち、それ自身で電子部品として完成していて、独立して電子部品として取り扱うことのできるコンデンサ）を中空絶縁体２８の外側に取り付けるとすると、耐圧および静電容量を確保するために当該コンデンサは大型のものにならざるを得ないため、絶縁パイプ２２をかなり太くしなければならなくなる。そのようにすると、（ａ）当該絶縁パイプ２２の内側の金属パイプ２６と外側のプラズマ１６との間の距離が大きくなるので、プラズマ１６の生成効率が低下する、（ｂ）太くした絶縁パイプ２２内で不要なプラズマが発生する可能性が高まる、等の不都合が生じる。上記コンデンサ３０によれば、このような不都合発生を防止することができる。

また、仮に電子部品（パーツ）としてのコンデンサを中空絶縁体２８の内側に取り付けるとすると、（ａ）当該コンデンサが冷却水４４の流れを大きく阻害してアンテナの冷却が難しくなる、（ｂ）これを改善するために金属パイプ２６および中空絶縁体２８をかなり太くすると、上記特許文献３の課題の所でも説明したように、金属パイプ２６の面積が大きくなってその電位分布が基板表面の膜に転写されやすくなり膜厚分布が乱れる、等の不都合が生じる。上記コンデンサ３０によれば、このような不都合発生をも防止することができる。

次に、アンテナ２０の構造等の他の例を説明する。

前述したように、アンテナ２０のアンテナ本体２４を構成する金属パイプ２６を三つ以上にし、その各金属パイプ２６間に上記中空絶縁体２８およびコンデンサ３０をそれぞれ設けても良い。そのようにすると、アンテナ２０の電位分布を、図５に示したものよりも小分けにして、アンテナ２０の両端間の電位差をより小さくすることができる。

各コンデンサ３０は、前述したように、第１の電極３２、第２の電極３４および誘電体３６をそれぞれ複数層有していても良い。そのようにすると、各コンデンサ３０の静電容量Ｃを大きくすることが容易になり、それによって、アンテナ本体２４の前記合成リアクタンスをより小さくしてアンテナ２０のインピーダンスＺを低減させることがより容易になる。

アンテナ２０を構成するアンテナ本体２４は、図１等に示す例のように、絶縁パイプ２２内に空間２３を介して配置しておくのが好ましい。そのようにすると、当該空間２３の存在によって絶縁パイプ２２の表面の電位上昇を抑えることができ、それによってプラズマ電位の上昇を抑えることができる。

これを詳述すると、前述したように、高周波電流Ｉ_R を流すことによってアンテナ本体２４の電位は上昇する（例えば図５参照）。その場合、アンテナ本体２４と絶縁パイプ２２間に空間２３が存在していると、アンテナ本体２４と絶縁パイプ２２の表面との間には、当該空間２３に存在する小さな静電容量Ｃ₃ と、絶縁パイプ２２の厚さ内に存在する比較的大きな静電容量Ｃ₄ とが直列接続された形になるので、この直列合成静電容量は小さい。従って、絶縁パイプ２２の表面はアンテナ本体２４の電位上昇の影響を受けにくくなるので、絶縁パイプ２２の表面の電位上昇を抑えることができる。それによって、プラズマ１６の電位上昇を抑えることができる。これに対して、上記空間２３を介さずにアンテナ本体２４（具体的にはその金属パイプ２６）が絶縁パイプ２２の内壁に接していると、上記直列の静電容量Ｃ₃ が存在しなくなるので、絶縁パイプ２２の表面はアンテナ本体２４の電位上昇の影響を受けやすくなり、絶縁パイプ２２の表面の電位上昇も大きくなる。それによって、プラズマ１６の電位上昇も大きくなる。

図１に示す例のように、アンテナ回路の戻り導体６２にコンデンサ６４を直列接続しておいても良い。この戻り導体６２にもインダクタンスおよび抵抗が存在する。コンデンサ６４を設けておくと、その容量性リアクタンスによって、高周波電流Ｉ_R の閉ループ全体のインピーダンスの虚数部を小さくして、当該インピーダンスを小さくすることができる。従って、アンテナ２０に高周波電流Ｉ_R を流しやすくなる。コンデンサ６４の静電容量Ｃ₂ は、例えば、その容量性リアクタンスが、戻り導体６２に存在する誘導性リアクタンスを打ち消すことができる程度にすれば良い。

アンテナ２０は、上述した直線状のものに限定されるものではなく、曲がっていても良い。その場合でも前述した作用効果を奏することができる。例えば、アンテナ２０は、基板１０の平面形状に沿うように曲がっていても良い。また、アンテナ２０は、中間部で折り返した形状（例えば細長いＵ字状）等でも良い。

図１に示すプラズマ処理装置は、上記アンテナ２０を備えていて、それによって先に詳述したように均一性の良いプラズマ１６を効率良く発生させることができるので、基板処理の均一性および効率を高めることができる。

図６は、直線状のアンテナ２０を複数有しているプラズマ処理装置の一例を示す概略横断面図である。図１等に示した例との相違点を主に説明すると、この例のように、真空容器２内に、直線状の前述したアンテナ２０を複数、基板１０の表面に沿う方向に（例えば基板１０の表面と実質的に平行に）並列に配置しても良い。そのようにすると、より広い領域で均一性の良いプラズマを発生させることができ、従ってより大型の基板処理に対応することができる。

上記複数のアンテナ２０には、例えば、共通の高周波電源および整合回路を用いて高周波電流を供給しても良い。その場合、共通の整合回路と各アンテナ２０との間に、可変インピーダンスをそれぞれ介在させて、複数のアンテナ２０に流れる高周波電流のバランスを良くするようにしても良い。また、上記複数のアンテナ２０には、個別の高周波電源および整合回路を用いて高周波電流を供給するようにしても良い。

図１中のコンデンサ６４に相当するコンデンサを設ける場合は、当該コンデンサを、各アンテナ２０の戻り導体（図１中の戻り導体６２に相当）にそれぞれ直列接続すれば良い。

２ 真空容器
８ ガス
１０ 基板
１６ プラズマ
２０ アンテナ
２２ 絶縁パイプ
２３ 空間
２４ アンテナ本体
２６ 金属パイプ
２８ 中空絶縁体
３０ コンデンサ
３２ 第１の電極
３４ 第２の電極
３６ 誘電体
４４ 冷却水
５６ 高周波電源
５８ 整合回路

Claims (5)

1. 真空容器内に配置され、かつ高周波電流が流されて、当該真空容器内に誘導結合型のプラズマを発生させるためのアンテナであって、
   絶縁パイプと、その中に配置されていて内部に冷却水が流される中空のアンテナ本体とを備えており、
   前記アンテナ本体は、（ａ）複数の金属パイプを、隣り合う金属パイプ間に中空絶縁体を介在させて直列接続した構造をしていて、各接続部は真空および前記冷却水に対するシール機能を有しており、（ｂ）かつ前記各中空絶縁体の外周部に配置された層状のコンデンサを有していて、各中空絶縁体の両側の前記金属パイプと当該コンデンサとを電気的に直列接続した構造をしており、
   前記各中空絶縁体および前記各コンデンサは、前記真空容器内に配置されるものであり、
   前記各コンデンサは、（ａ）前記中空絶縁体の外周部に配置された電極であって、当該中空絶縁体の一方側に接続された前記金属パイプに電気的に接続された第１の電極と、（ｂ）前記中空絶縁体の外周部に、前記第１の電極と重なるように配置された電極であって、当該中空絶縁体の他方側に接続された前記金属パイプに電気的に接続された第２の電極と、（ｃ）前記第１の電極および第２の電極間に配置された誘電体とを有している、ことを特徴とするアンテナ。
2. 前記各コンデンサは、前記第１の電極、第２の電極および誘電体をそれぞれ複数層有している請求項１記載のアンテナ。
3. 前記アンテナ本体は、前記絶縁パイプ内に空間を介して配置されている請求項１または２記載のアンテナ。
4. 真空排気されかつガスが導入される真空容器と、
   前記真空容器内に配置された請求項１、２または３記載のアンテナと、
   前記アンテナに高周波電流を流す高周波電源とを備えていて、
   前記アンテナによって発生させたプラズマを用いて基板に処理を施すように構成されているプラズマ処理装置。
5. 前記アンテナは直線状のアンテナであり、当該アンテナを複数、前記基板の表面に沿う方向に並列に配置している請求項４記載のプラズマ処理装置。

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