JP7258435B2 - 冷却ジャケット及びプラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波によってプラズマ化されるガスが流れるプラズマ発生管を冷却する冷却ジャケット、及び、該冷却ジャケットを備えるプラズマ発生装置に関する。

半導体デバイスの製造プロセス等において、プラズマ状態のガスを用いて所定の処理を行う手法が広く知られている。例えば、プラズマを被加工物に作用させて被加工物をエッチングするプラズマエッチング装置や、原料ガスをプラズマ状態にして薄膜を形成するプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置等が、半導体デバイスの製造に用いられる。

プラズマを利用して被加工物の加工や薄膜の形成等の処理を行う際には、所定のガスをプラズマ状態にするプラズマ発生装置が用いられる。例えばプラズマ発生装置は、プラズマ化されるガスが流れるプラズマ発生管と、プラズマ発生管に向かってマイクロ波を照射するマイクロ波発生源とを備える。プラズマ発生管にガスを所定の流量で流しつつ、プラズマ発生管にマイクロ波を照射すると、プラズマ発生管を流れるガスがマイクロ波によって励起されてプラズマ化される。

なお、ガスがプラズマ化される際には熱が発生し、この熱によってプラズマ発生管が加熱される。そして、プラズマ発生管が過度に加熱されると、プラズマ発生管が損傷する恐れがある。そのため、プラズマ発生管にはプラズマ発生管を冷却する冷却ジャケットが装着されることがある。

冷却ジャケットは一般的に、プラズマ発生管に螺旋状に巻き付けられ、内部に水等の冷却流体が流れるチューブによって構成される（例えば、特許文献１参照）。そして、プラズマを生成する際には、チューブに冷却流体を流すことによってプラズマ発生管を冷却しながら、螺旋状に巻き付けられたチューブの隙間（スリット）を介してマイクロ波をプラズマ発生管に照射する。これにより、プラズマ発生管の加熱が抑制され、プラズマ発生管の損傷が防止される。

特開平９－２１９２９５号公報

上記のように、プラズマ発生管は、プラズマ発生管に巻き付けられたチューブを流れる冷却流体によって冷却される。しかしながら、このチューブはプラズマ発生管に螺旋状に巻き付けられており、チューブに供給された冷却流体も螺旋状に流れる。そのため、冷却流体がチューブの一端（上端）から他端（下端）に達するまでに時間がかかり、冷却流体の流量が少なくなる。これにより、プラズマ発生管の冷却効率が悪くなり、プラズマ発生管の加熱を十分に抑制できなくなる場合がある。

なお、プラズマ発生管の冷却効率を向上させるため、チューブの巻き数を増やし、チューブとプラズマ発生管との接触領域を増やす方法も考えられる。しかしながら、チューブの巻き数が増加するほどチューブの隙間が狭くなり、マイクロ波がチューブの隙間を介してプラズマ発生管に照射されにくくなる。そのため、チューブの巻き数の増加による冷却効率の向上には限界がある。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、プラズマ発生管の冷却効率を向上させることが可能な冷却ジャケット及びプラズマ発生装置の提供を目的とする。

本発明の一態様によれば、マイクロ波によってプラズマ化されるガスが流れるプラズマ発生管を冷却する冷却ジャケットであって、該プラズマ発生管の外周面と接する導電性の筒状部材を備え、該筒状部材は、該プラズマ発生管を流れる該ガスの進行方向に沿って形成され、該筒状部材の周方向に沿って配列され、該プラズマ発生管の外部から照射された該マイクロ波が通過する４本以上のスリットと、該筒状部材の高さ方向に沿って形成され、冷却流体が流れる複数の柱状の流路と、を備える冷却ジャケットが提供される。

なお、好ましくは、該スリットは、該筒状部材の高さ方向に沿って複数列形成されている。また、好ましくは、複数の該スリットは、該マイクロ波の電界の振動方向と垂直な方向に沿って形成されている。また、好ましくは、該冷却ジャケットは、該筒状部材の高さ方向に沿った分割線によって複数の部材に分割可能に構成され、複数の該部材で該プラズマ発生管を挟み込んだ状態で複数の該部材を固定することにより、該プラズマ発生管に装着される。

また、本発明の一態様によれば、上記の冷却ジャケットと、該冷却ジャケットが装着されるプラズマ発生管と、該プラズマ発生管にガスを供給するガス供給源と、該プラズマ発生管を流れる該ガスをプラズマ化するためのマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、を備えるプラズマ発生装置が提供される。

本発明の一態様に係る冷却ジャケットは、プラズマ発生管の外部から照射されたマイクロ波が通過する複数のスリットと、冷却流体が流れる複数の柱状の流路とを備え、プラズマ発生管は、プラズマ発生管に螺旋状に巻き付けられたチューブではなくこの冷却ジャケットによって冷却される。そして、冷却ジャケットの流路には、冷却流体を上記のチューブを用いる場合よりも大きな流量で流すことができる。これにより、プラズマ発生管の冷却効率が向上する。

図１（Ａ）はプラズマ発生装置を示す正面図であり、図１（Ｂ）はプラズマ発生装置を示す側面図である。 プラズマ発生装置を示す一部断面正面図である。 プラズマ発生装置を示す断面斜視図である。 筒状部材を示す平面図である。 変形例に係る冷却ジャケットを示す正面図である。 図６（Ａ）は第１部材と第２部材とが固定された状態の冷却ジャケットを示す平面図であり、図６（Ｂ）は第１部材と第２部材とが分離された状態の冷却ジャケットを示す平面図である。 図７（Ａ）はプラズマ発生管Ａ内でプラズマ化されたガスでウェーハをエッチングした際のエッチングレートを示すグラフであり、図７（Ｂ）はプラズマ発生管Ｂ内でプラズマ化されたガスでウェーハをエッチングした際のエッチングレートを示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の一態様に係る実施形態を説明する。まず、本実施形態に係るプラズマ発生装置の構成例を説明する。図１（Ａ）はプラズマ発生装置２を示す正面図であり、図１（Ｂ）はプラズマ発生装置２を示す側面図である。なお、図１（Ｂ）では、後述の反射制御ユニット２６の図示を省略している。

プラズマ発生装置２は、中空の円筒状に形成されたシールド管４を備える。シールド管４は、例えばアルミニウム、銅、真鍮（銅と亜鉛の合金）等の金属を用いて形成される。また、シールド管４は、アルミニウム等でなる中空の円筒部材の内側（内周面）に、銅又はニッケルめっきを施すことによって形成することもできる。

シールド管４は、上面４ａと、下面４ｂと、上面４ａ及び下面４ｂの間に位置する胴体部４ｃとを備える。このシールド管４は、Ｚ軸方向（鉛直方向、上下方向）に沿って配置されており、後述のマイクロ波発生源２２から照射されたマイクロ波の、シールド管４外部への放出を遮断する。

シールド管４の内部には、プラズマ化されるガスが流れるプラズマ発生管６が設けられている。プラズマ発生管６は、中空の円筒状に形成され、シールド管４の高さ方向（Ｚ軸方向）に沿って配置されている。また、プラズマ発生管６には、プラズマ発生管６を冷却する冷却ジャケット（冷却具）８が、プラズマ発生管６を囲むように装着されている。なお、プラズマ発生管６及び冷却ジャケット８の構造及び機能の詳細については後述する。

シールド管４の上面４ａ側には、円盤状の上部接続部材１０が、プラズマ発生管６及び冷却ジャケット８の上部を囲むように固定されている。また、上部接続部材１０の上側には、プラズマ発生管６に供給されるガスが流入するガス流入部材（ガス流入部）１２が設けられている。ガス流入部材１２は、その上端側にガス流入口１２ａを備え、ガス流入口１２ａはプラズマ化されるガスを供給するガス供給源（不図示）に接続されている。

また、シールド管４の下面４ｂ側には、円盤状の下部接続部材１４が、プラズマ発生管６及び冷却ジャケット８の下部を囲むように固定されている。また、下部接続部材１４の下側には、プラズマ発生管６の内部でプラズマ化されたガスが流出するガス流出部材（ガス流出部）１６が設けられている。ガス流出部材１６は、その下端側にガス流出口１６ａを備え、ガス流出口１６ａは、プラズマ化されたガスを用いた処理（被加工物の加工、薄膜の形成等）が行われる処理チャンバー（処理室、不図示）に接続されている。

上部接続部材１０の側方には、冷却ジャケット８に供給される冷却流体が流入する流体流入口１８が接続されている。また、下部接続部材１４の側方には、冷却ジャケット８から排出された冷却流体が流出する流体流出口２０が接続されている。流体流入口１８に流入した冷却流体は、冷却ジャケット８の内部を流動した後、流体流出口２０から排出される。なお、冷却流体としては、例えば純水、水道水、フロリナート（３Ｍ社製）等の冷却媒体を用いることができる。

また、プラズマ発生装置２は、プラズマ発生管６を流れるガスをプラズマ化するためのマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源２２を備える。マイクロ波発生源２２は、マグネトロン等によって構成され、周波数が３００ＭＨｚ以上３００ＧＨｚ以下程度（代表的には２．４５ＧＨｚ）、波長が１ｍｍ以上１ｍ以下程度（代表的には１２ｃｍ程度）のマイクロ波を発振する。なお、マイクロ波の発振出力は、例えば１ｋＷ以上１０ｋＷ以下である。

マイクロ波発生源２２は、Ｘ軸方向（第１水平方向、左右方向）に沿って配置された導波管２４を介して、シールド管４に接続されている。導波管２４は、例えば中空の四角柱状に形成された方形導波管であり、その一端側（第１端部２４ａ側）がマイクロ波発生源２２に接続されている。また、導波管２４は、シールド管４の胴体部４ｃの一部を囲むようにシールド管４に接続されており、導波管２４の内部とシールド管４の内部とは互いに連結されている（図２等参照）。すなわち、シールド管４は導波管２４を上下に貫通するように設けられている。マイクロ波発生源２２から発振されたマイクロ波は、導波管２４によってシールド管４の内部に伝達される。

また、図１（Ａ）に示すように、導波管２４の他端側（第２端部２４ｂ側）には、マイクロ波発生源２２から照射されたマイクロ波の反射位置を制御する反射制御ユニット２６が接続されている。反射制御ユニット２６は、Ｘ軸方向に沿って配置された導波管２８を備える。導波管２８は、例えば中空の四角柱状に形成された方形導波管であり、その一端側が導波管２４の第２端部２４ｂに接続される。

なお、導波管２４及び導波管２８の材質は、マイクロ波を伝達可能であれば制限はない。例えば導波管２４及び導波管２８は、銅等の金属でなる中空部材の内壁に、ニッケル、金、銀又は銅めっきを施すことによって形成される。

導波管２８の内部には、反射板３０が挿入されている。反射板３０は、第１面３０ａが導波管２８の一端側（導波管２４側）に面し、第２面３０ｂが導波管２８の他端側に面するように、反射板３０の内部に挿入される。反射板３０は、少なくとも第１面３０ａ側がアルミニウム、銅、真鍮、ニッケル等の金属でなり、第１面３０ａは反射板３０に到達したマイクロ波を反射させる反射面を構成する。

また、反射板３０の第２面３０ｂ側にはロッド３２の一端側が接続されており、ロッド３２の他端側は導波管２８の他端側から外部に突出している。ロッド３２をＸ軸方向に沿って移動させることにより、反射板３０のＸ軸方向における位置を調節し、マイクロ波の反射位置（第１面３０ａの位置）を制御することができる。なお、反射板３０の位置は、導波管２４及び導波管２８の内部で定在波が形成されるように調節される。

プラズマ発生装置２によってプラズマを発生させる際は、ガス供給源（不図示）からガス流入部材１２のガス流入口１２ａに、プラズマ化されるガスが所定の流量で供給される。そして、ガス流入部材１２に供給されたガスはプラズマ発生管６に供給され、プラズマ発生管６の内部を上側から下側に向かって流れる。

また、マイクロ波発生源２２からマイクロ波が発振される。このマイクロ波は、導波管２４及び導波管２８の内部を伝ってシールド管４の内部に到達し、プラズマ発生管６に照射される。そして、マイクロ波はプラズマ発生管６を透過して、プラズマ発生管６の内部を流れるガスに照射される。

プラズマ発生管６の内部に存在するガスにマイクロ波が照射されると、ガスがマイクロ波によって励起され、プラズマ状態となる。そして、プラズマ化されたガスがガス流出部材１６に供給され、ガス流出口１６ａから処理チャンバー（不図示）に供給される。

なお、ガス供給源からプラズマ発生管６に供給されるガスの成分に制限はなく、処理チャンバー内で行われるプラズマ処理の内容に応じて適宜選択される。ガスの成分の例としては、ＳＦ_６、Ｈｅ、Ａｒ、ＮＦ_３、Ｈ_２、Ｏ_２、Ｎ_２、ＮＦ_３、Ｃｌ_２、ＨＣＬ、ＮＨ_３、ＣＦ_４、Ｃ２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃｌ_３Ｆ、Ｎ_２Ｏ、Ｈ_２Ｏ等が挙げられる。また、ガスの流量や圧力も、プラズマの生成条件やプラズマ処理の内容等に応じて適宜設定される。例えば、ガスの流量は０．１ｓｌｍ以上１００ｓｌｍ以下、ガスの圧力は０．００１ｔｏｒｒ以上１０００ｔｏｒｒ以下の範囲で設定される。

なお、プラズマ発生管６内でガスがプラズマ化される際には熱が発生し、この熱によってプラズマ発生管６が加熱される。そして、プラズマ発生管６が過度に加熱されると、プラズマ発生管６が損傷する恐れがある。そこで、プラズマ発生管６には、プラズマ発生管６を冷却する冷却ジャケット８が装着される。この冷却ジャケット８は、プラズマ発生管６の外周面と接し、且つ、プラズマ発生管６を囲むように装着される。

そして、ガスがプラズマ化される際、流体流入口１８に冷却流体が供給される。この冷却流体は、冷却ジャケット８の内部を流動し、流体流出口２０から排出される。そして、冷却流体が冷却ジャケット８の内部を流動することにより、冷却ジャケット８が冷却されるとともに、冷却ジャケット８と接触しているプラズマ発生管６も冷却される。その結果、プラズマ発生管６の加熱が低減され、プラズマ発生管６の損傷が防止される。

図２はプラズマ発生装置２を示す一部断面正面図であり、図３はプラズマ発生装置２を示す断面斜視図である。図２及び図３に示すように、プラズマ発生装置２は、プラズマ発生管６と、プラズマ発生管６に装着された冷却ジャケット８とを備える。

プラズマ発生管６は、マイクロ波が透過する材質（サファイア、水晶、セラミックス等）でなり、中空の円筒状に形成されている。また、図３に示すように、プラズマ発生管６の上端側はガス流入部材１２に接続されており、下端側はガス流出部材１６に接続されている。ガス流入部材１２のガス流入口１２ａに供給されたガスは、プラズマ発生管６の内壁６ａの内側を流れ、ガス流出部材１６のガス流出口１６ａから排出される。

冷却ジャケット８は、例えば導電性の金属（アルミニウム、銅、真鍮等）でなり、グラウンドに接続されている。冷却ジャケット８の中心部には、冷却ジャケット８の上面８ａから下面８ｂに至る円柱状の貫通孔（開口）８ｃが形成されている。貫通孔８ｃの直径はプラズマ発生管６の直径と概ね等しく、この貫通孔８ｃにプラズマ発生管６が挿入される。なお、冷却ジャケット８は、アルミニウム等によって形成されるとともに、貫通孔８ｃで露出する面（内周面）に銅又はニッケルめっきが施されていてもよい。

より具体的には、冷却ジャケット８は、中空の筒状に形成された筒状部材４０と、筒状部材４０を支持する上部支持部材４２及び下部支持部材４４とを備える。上部支持部材４２は筒状部材４０の上面４０ａ側に接続され、下部支持部材４４は筒状部材４０の下面４０ｂ側に接続されている。なお、上部支持部材４２及び下部支持部材４４は、筒状部材４０と一体に構成されていてもよいし、筒状部材４０とは異なる部材によって構成されていてもよい。また、筒状部材４０は、上面４０ａ及び下面４０ｂと接続された外周面４０ｃを備える（図２参照）。

図２に示すように、筒状部材４０には、筒状部材４０の外周面４０ｃから貫通孔８ｃに至る複数のスリット（開口）４０ｄが、Ｚ軸方向に沿って形成されている。複数のスリット４０ｄは、それぞれ矩形状であり、スリット４０ｄの長さ方向（長手方向）がＺ軸方向に沿うように形成される。すなわち、複数のスリット４０ｄはそれぞれ、プラズマ発生管６を流れるガスの進行方向に沿って形成されている。

例えば筒状部材４０には、筒状部材４０の周方向に沿って概ね等間隔に配列された複数の矩形状のスリット４０ｄが、Ｚ軸方向に沿って複数列（図２及び図３では３列）形成される。ただし、スリット４０ｄの数及び配列に制限はない。例えば筒状部材４０には、４本以上２０本以下のスリット４０ｄが、筒状部材４０の周方向に沿って概ね等間隔に形成される。

また、スリット４０ｄの形状にも制限はない。例えばスリット４０ｄは、楕円状又は長円状に形成されていてもよい。この場合、複数のスリット４０ｄはそれぞれ、スリット４０ｄの長軸方向がＺ軸方向に沿うように配置される。

さらに、筒状部材４０には冷却流体が流れる流路が形成されている。図４は、筒状部材４０を示す平面図である。筒状部材４０には、筒状部材４０の上面４０ａから下面４０ｂに至る複数の柱状の流路（開口）４０ｅが形成されている。

複数の流路４０ｅは、平面視で外周面４０ｃと貫通孔８ｃとの間の領域に形成され、筒状部材４０の周方向に沿って概ね等間隔に配列されている。また、流路４０ｅはそれぞれ、スリット４０ｄが形成されていない領域（スリット４０ｄと重畳しない位置）に設けられる。すなわち、流路４０ｅは隣接する２つのスリット４０ｄの間の領域に形成され、且つ、スリット４０ｄに接続されていない。

例えば流路４０ｅは、直径０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の円柱状に形成される。ただし、流路４０ｅの形状及び大きさに制限はない。また、図４には８本の流路４０ｅが形成された例を示しているが、流路４０ｅの数に制限はなく、任意の数（例えば４以上２０以下）の流路４０ｅを筒状部材４０に形成できる。

また、図２及び図３に示すように、筒状部材４０の上面４０ａ側には円柱状の上部支持部材４２が接続され、筒状部材４０の下面４０ｂ側には円柱状の下部支持部材４４が接続されている。上部支持部材４２の上端側は上部接続部材１０に挿入され、下部支持部材４４の下端側は下部接続部材１４に挿入されている。

なお、上部接続部材１０の内部には、冷却流体が流れる環状の流路１０ａが、上部接続部材１０の周方向に沿って形成されている。また、上部支持部材４２の内部には、流路１０ａと複数の流路４０ｅ（図４参照）の上端とを接続する流路（不図示）が形成されている。流体流入口１８から供給された冷却流体は、流路１０ａ及び上部支持部材４２を介して、複数の流路４０ｅ（図４参照）に供給される。

一方、下部接続部材１４の内部には、冷却流体が流れる環状の流路１４ａが、下部接続部材１４の周方向に沿って形成されている。また、下部支持部材４４の内部には、流路１４ａと複数の流路４０ｅ（図４参照）の下端とを接続する流路（不図示）が形成されている。複数の流路４０ｅ（図４参照）の下端から流出した冷却流体は、流路１４ａ及び下部支持部材４４を介して、流体流出口２０に排出される。

冷却ジャケット８は、冷却ジャケット８の貫通孔８ｃにプラズマ発生管６が挿入されるように、プラズマ発生管６に装着される。そして、冷却ジャケット８がプラズマ発生管６に装着されると、冷却ジャケット８はプラズマ発生管６の外周面と密着する。

次に、プラズマ発生装置２の動作の具体例について説明する。プラズマ発生装置２は、冷却ジャケット８でプラズマ発生管６を冷却しながら、プラズマ発生管６を流れるガスをマイクロ波発生源２２から発振されたマイクロ波によって励起して、プラズマを生成する。

まず、流体流入口１８に冷却流体が供給される。この冷却流体は、上部接続部材１０の流路１０ａ及び上部支持部材４２を介して、筒状部材４０に形成された複数の流路４０ｅ（図４参照）に供給される。そして、冷却流体が流路４０ｅの上端から下端に向かって流動し、冷却ジャケット８が冷却されるとともに、冷却ジャケット８と接触するプラズマ発生管６が冷却される。なお、複数の流路４０ｅを流れた冷却流体は、下部支持部材４４及び下部接続部材１４の流路１４ａを介して、流体流出口２０に供給される。

また、ガス供給源（不図示）からガス流入部材１２を介してプラズマ発生管６に、プラズマ化されるガスが供給される。そして、マイクロ波発生源２２から発振されたマイクロ波が、導波管２４を介してシールド管４の内部に到達する。図３に示す矢印Ａは、マイクロ波発生源２２から発振されたマイクロ波の進行方向を示す。なお、図３には、マイクロ波の電界がＺ軸と垂直な方向に振動している様子を示している。

シールド管４に到達したマイクロ波は、冷却ジャケット８に形成された複数のスリット４０ｄと、プラズマ発生管６とを介して、プラズマ発生管６の内部に存在するガスに照射される。そして、このガスがマイクロ波によって励起され、プラズマ状態となる。このようにして、プラズマ発生管６の内部でプラズマが生成される。

プラズマ化したガスは、ガス流出部材１６のガス流出口１６ａを介して、処理チャンバー（不図示）に供給される。そして、処理チャンバー内において、生成されたプラズマを用いた所定の処理（被加工物の加工、薄膜の形成等）が行われる。

ここで、従来のようにプラズマ発生管６に金属製のチューブを螺旋状に巻き付け、このチューブに冷却流体を供給してプラズマ発生管６を冷却する場合を考える。このとき、チューブに供給された冷却流体は螺旋状に流れるため、冷却流体がチューブの一端から他端に達するまでに時間がかかり、冷却流体の流量が少なくなる。これにより、プラズマ発生管６の冷却効率が低下する。

なお、プラズマ発生管６の冷却効率を向上させるため、チューブの巻き数を増やし、チューブとプラズマ発生管６との接触領域を増やす方法も考えられる。しかしながら、チューブの巻き数が増加するほどチューブの隙間（スリット）が狭くなり、マイクロ波がチューブの隙間を介してプラズマ発生管６に照射されにくくなる。そのため、チューブの巻き数の増加による冷却効率の向上には限界がある。

一方、本実施形態では、それぞれ冷却ジャケット８の高さ方向（Ｚ軸方向）に沿って形成された複数の柱状の流路４０ｅ（図４参照）に冷却流体を供給するため、冷却流体は冷却ジャケット８の高さ方向に沿って直線状に流動する。そのため、螺旋状に巻き付けられたチューブを用いる場合と比較して、冷却ジャケット８の内部に流すことができる冷却流体の流量を大幅に増加させることができる。これにより、プラズマ発生管６の冷却効率が向上する。

また、冷却ジャケット８では、流路４０ｅの数を維持したまま、流路４０ｅに流す冷却流体の流量を増やすことによって冷却効率を向上させることができる。そのため、多数の流路４０ｅを形成する必要がなく、代わりにスリット４０ｄが形成される領域を拡大することができる。これにより、マイクロ波がプラズマ発生管６に照射されやすくなり、プラズマの生成効率を向上させることができる。

なお、スリット４０ｄの寸法は、マイクロ波が冷却ジャケット８を十分に通過することが可能となるように設定することが好ましい。例えば、スリット４０ｄの長さ（上端から下端までの距離）は２０ｍｍ以上３００ｍｍ以下、スリット４０ｄの幅（左端から右端までの距離）は、２ｍｍ以上８ｍｍ以下とすることが好ましい。

なお、複数のスリット４０ｄはそれぞれ、マイクロ波発生源２２から発振されるマイクロ波の電界の振動方向と垂直な方向に沿って形成されることが好ましい（図３参照）。これにより、冷却ジャケット８でのマイクロ波の反射が抑制されてマイクロ波がスリット４０ｄを効率的に通過し、冷却ジャケット８の内部に配置されたプラズマ発生管６にマイクロ波が適切に照射される。

ただし、本実施形態に係る冷却ジャケット８では上記の通り、流路４０ｅの数を抑えてスリット４０ｄを形成可能な領域を拡大することができるため、比較的サイズの大きいスリット４０ｄを形成しやすい。そのため、例えばスリット４０ｄをマイクロ波の電界の振動方向と平行な方向に沿って形成しても、スリット４０ｄの幅を十分に確保できる。このように、冷却ジャケット８を用いることにより、スリット４０ｄの形状及びサイズの自由度を高めることができる。

また、プラズマ発生管６は、一定期間使用された後に交換される。ここで、従来のようにプラズマ発生管６にチューブが螺旋状に巻き付けられている場合、プラズマ発生管６の交換時には、使用済みのプラズマ発生管６からチューブを取り外し、交換後のプラズマ発生管６にチューブを巻き付ける作業が必要になり、交換作業が煩雑になる。一方、冷却ジャケット８は、冷却ジャケット８の貫通孔８ｃにプラズマ発生管６を挿入するだけで、容易にプラズマ発生管６に装着することができる。これにより、プラズマ発生管６の交換作業が簡易化される。

なお、冷却ジャケット８の着脱を更に簡易にするため、冷却ジャケット８は複数の部材に分割可能に構成されていてもよい。図５は、変形例に係る冷却ジャケット５０を示す正面図である。

冷却ジャケット５０は、上面６０ａ、下面６０ｂ、外周面６０ｃを備える筒状部材６０と、筒状部材６０を支持する上部支持部材６２及び下部支持部材６４とを備える。また、筒状部材６０には、図２に示す複数のスリット４０ｄに対応する複数のスリット（開口）６０ｄと、図４に示す複数の流路４０ｅに対応する複数の流路（不図示）とが形成されている。さらに、冷却ジャケット５０には、図２に示す貫通孔８ｃに対応する貫通孔（開口）５０ｃが形成されている。

なお、以下で説明する事項を除いて、筒状部材６０、上部支持部材６２、下部支持部材６４の構成及び機能は、図２等に示す筒状部材４０、上部支持部材４２、下部支持部材４４と同様である。

冷却ジャケット５０は、筒状部材６０の高さ方向（Ｚ軸方向）に沿って、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとに分割されている。具体的には、冷却ジャケット５０は、筒状部材６０、上部支持部材６２、及び下部支持部材６４をそれぞれ二等分する平面に沿って分割されている。そのため、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとはそれぞれ、筒状部材６０の一部を構成する半円柱状の部材と、上部支持部材６２の一部を構成する半円柱状の部材と、下部支持部材６４の一部を構成する半円柱状の部材とを有する。

第１部材５０ａと第２部材５０ｂとは、例えば止めリング５２によって固定される。図６（Ａ）は、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとが固定された状態の冷却ジャケット５０を示す平面図である。

止めリング５２は、金属等でなり開ループ状に形成された環状の部材である。止めリング５２の一端部には、止めリング５２の半径方向外側に突出する第１固定部５２ａが設けられている。また、止めリング５２の他端部には、止めリング５２の半径方向外側に突出する第２固定部５２ｂが設けられている。止めリング５２は、第１固定部５２ａと第２固定部５２ｂとが接触した状態（図６（Ａ）参照）での内径が、冷却ジャケット５０の上部支持部材６２及び下部支持部材６４の外径と概ね同一となるように構成されている。

冷却ジャケット５０をプラズマ発生管６に装着する際は、まず、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとでプラズマ発生管６を挟み込む。このとき、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとはそれぞれ、プラズマ発生管６の外周面に接触する。

そして、上部支持部材６２と下部支持部材６４とをそれぞれ止めリング５２で囲み、止めリング５２の第１固定部５２ａと第２固定部５２ｂとをねじ等の留め具５４で固定する。これにより、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとが一体化され、冷却ジャケット５０がプラズマ発生管６を囲むように装着される。

一方、冷却ジャケット５０をプラズマ発生管６から取り外す際は、留め具５４を外して、止めリング５２を上部支持部材６２及び下部支持部材６４から外す。これにより、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとが分離され、冷却ジャケット５０がプラズマ発生管６から取り外される。図６（Ｂ）は、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとが分離された状態の冷却ジャケット５０を示す平面図である。

このように、冷却ジャケット５０を複数の部材に分割可能に構成することにより、冷却ジャケット５０の着脱が容易になる。なお、上記では止めリング５２及び留め具５４を用いて第１部材５０ａと第２部材５０ｂとを連結する例について説明したが、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとの連結方法に制限はない。例えば、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとの内部に、第１部材５０ａと第２部材５０ｂとを連結させるための機構が設けられていてもよい。また、冷却ジャケット５０は、３以上の部材に分割可能に構成されていてもよい。

次に、本実施形態に係る冷却ジャケットをプラズマ発生管に装着した場合に、プラズマ発生管の内部のガスがマイクロ波によって適切にプラズマ化されるか否かを評価した結果について説明する。

本評価では、まず、従来のように金属製のチューブが巻き付けられた円筒状のプラズマ発生管（プラズマ発生管Ａ）と、本実施形態に係る冷却ジャケット（図２等参照）が装着された円筒状のプラズマ発生管（プラズマ発生管Ｂ）とを準備した。プラズマ発生管Ａ及びプラズマ発生管Ｂの材質は水晶であり、直径は２５ｍｍ、高さは３００ｍｍとした。また、プラズマ発生管Ａに巻き付けられたチューブの材質は銅であり、巻き数は２０、チューブの隙間（スリット）の幅は３ｍｍとした。

プラズマ発生管Ｂに装着された冷却ジャケットの寸法は、プラズマ発生管Ａに巻き付けられたチューブと同等の冷却効果が得られるように設定した。具体的には、２４本の矩形状のスリット（図２のスリット４０ｄに対応）と、８本の円柱状の流路（図４の流路４０ｅに対応）とが形成された冷却ジャケットを用いた。

スリットは、冷却ジャケットの周方向に沿って概ね等間隔に８本、冷却ジャケットの高さ方向に３列配置した。各スリットの長さ（上端から下端までの距離）は８０ｍｍ、幅（左端から右端までの距離）は５ｍｍとした。また、流路は、冷却ジャケットの周方向に沿って概ね等間隔に配置し、流路の直径は３ｍｍとした。

また、プラズマ発生管Ａ，Ｂの下端側を処理チャンバーに接続し、処理チャンバー内にプラズマエッチング用のウェーハを配置した。なお、ウェーハとしては、直径３００ｍｍのシリコンウェーハを用いた。ウェーハは、プラズマ発生管Ａ，Ｂの内部でプラズマ化されたガスがウェーハの中心に向かって照射されるように配置した。具体的には、プラズマ発生管Ａ，Ｂの直下にウェーハの中心が位置付けられるように、ウェーハを配置した。

そして、プラズマ発生管Ａ，Ｂにウェーハをエッチングするためのガス（エッチングガス、ＳＦ_６）を供給しつつ、プラズマ発生管Ａ，Ｂに対してマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ、出力２３００Ｗ）を照射し、プラズマ発生管Ａ，Ｂを流れるエッチングガスをプラズマ化させた。なお、マイクロ波は、電界の振動方向がプラズマ発生管Ａ，Ｂと高さ方向（スリットの長さ方向）と垂直になるように照射した。そして、プラズマ化されたガスによってウェーハをエッチングし、その際のエッチングレートを測定した。

図７（Ａ）は、プラズマ発生管Ａ内でプラズマ化されたガスでウェーハをエッチングした際のエッチングレートを示すグラフである。また、図７（Ｂ）は、プラズマ発生管Ｂ内でプラズマ化されたガスでウェーハをエッチングした際のエッチングレートを示すグラフである。なお、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すエッチングレートはそれぞれ、ウェーハの中心を通過する８本のラインに沿って測定されたエッチングレートの平均値を示す。なお、プラズマ発生管Ａ，Ｂでプラズマ化されたガスはそれぞれウェーハの中心に向かって供給されたため、エッチングは主にウェーハの中心部で進行した。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示されるように、プラズマ発生管Ｂを用いると、プラズマ発生管Ａを用いた場合と比較してエッチングレートが向上した。これは、プラズマ発生管Ａに巻き付けられたチューブよりも、プラズマ発生管Ｂに装着された本実施形態に係る冷却ジャケットの方がマイクロ波を通過させやすく、プラズマ発生管Ｂ内におけるプラズマ化の効率が高められたことに起因すると考えられる。

以上の通り、本実施形態に係る冷却ジャケット８は、プラズマ発生管６の外部から照射されたマイクロ波が通過する複数のスリット４０ｄと、冷却流体が流れる複数の柱状の流路４０ｅとを備え、プラズマ発生管６は、プラズマ発生管６に螺旋状に巻き付けられたチューブではなくこの冷却ジャケット８によって冷却される。そして、冷却ジャケット８の流路４０ｅには、冷却流体を上記のチューブを用いる場合よりも大きな流量で流すことができる。これにより、プラズマ発生管６の冷却効率が向上する。

なお、上記実施形態に係る構造、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

２ プラズマ発生装置
４ シールド管
４ａ 上面
４ｂ 下面
４ｃ 胴体部
６ プラズマ発生管
６ａ 内壁
８ 冷却ジャケット（冷却具）
８ａ 上面
８ｂ 下面
８ｃ 貫通孔（開口）
１０ 上部接続部材
１０ａ 流路
１２ ガス流入部材（ガス流入部）
１２ａ ガス流入口
１４ 下部接続部材
１４ａ 流路
１６ ガス流出部材（ガス流出部）
１６ａ ガス流出口
１８ 流体流入口
２０ 流体流出口
２２ マイクロ波発生源
２４ 導波管
２４ａ 第１端部
２４ｂ 第２端部
２６ 反射制御ユニット
２８ 導波管
３０ 反射板
３０ａ 第１面
３０ｂ 第２面
３２ ロッド
４０ 筒状部材
４０ａ 上面
４０ｂ 下面
４０ｃ 外周面
４０ｄ スリット（開口）
４０ｅ 流路（開口）
４２ 上部支持部材
４４ 下部支持部材
５０ 冷却ジャケット
５０ａ 第１部材
５０ｂ 第２部材
５０ｃ 貫通孔（開口）
５２ 止めリング
５２ａ 第１固定部
５２ｂ 第２固定部
５４ 留め具
６０ 筒状部材
６０ａ 上面
６０ｂ 下面
６０ｃ 外周面
６０ｄ スリット（開口）
６２ 上部支持部材
６４ 下部支持部材

Claims (5)

1. マイクロ波によってプラズマ化されるガスが流れるプラズマ発生管を冷却する冷却ジャケットであって、
   該プラズマ発生管の外周面と接する導電性の筒状部材を備え、
   該筒状部材は、
   該プラズマ発生管を流れる該ガスの進行方向に沿って形成され、該筒状部材の周方向に沿って配列され、該プラズマ発生管の外部から照射された該マイクロ波が通過する４本以上のスリットと、
   該筒状部材の高さ方向に沿って形成され、冷却流体が流れる複数の柱状の流路と、を備えることを特徴とする冷却ジャケット。
2. 該スリットは、該筒状部材の高さ方向に沿って複数列形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却ジャケット。
3. 複数の該スリットは、該マイクロ波の電界の振動方向と垂直な方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却ジャケット。
4. 該筒状部材の高さ方向に沿った分割線によって複数の部材に分割可能に構成され、
   複数の該部材で該プラズマ発生管を挟み込んだ状態で複数の該部材を固定することにより、該プラズマ発生管に装着されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却ジャケット。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却ジャケットと、
   該冷却ジャケットが装着されるプラズマ発生管と、
   該プラズマ発生管にガスを供給するガス供給源と、
   該プラズマ発生管を流れる該ガスをプラズマ化するためのマイクロ波を発生させるマイクロ波発生源と、を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。

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