JP7289170B2 - 高周波反応処理装置および高周波反応処理システム - Google Patents

高周波反応処理装置および高周波反応処理システム Download PDF

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Description

本発明は、被処理材料を高周波励起による電磁波で処理する高周波反応処理装置および高周波反応処理システムに関する。
特許文献１には、筒状あるいは球状の誘電体容器によりループ状に帰還するように高周波伝播線路が形成される高周波反応処理装置が開示されている。この高周波反応処理装置は、誘電体により形成された外容器と、その内側に誘電体により形成されている内容器が配置されて、外容器の外面には高周波結合部が設けられ、それ以外の外面部分には接地電位に保たれた導電体の被覆部が設けられている。
特許文献１記載の高周波反応処理装置は、内容器内側の反応処理領域においてエバネセント表面波による多数の強電界点を持たせることができる。また、高周波導波管線路より電磁波を無限長誘電体線路方向に伝播させることができ、線路面積の大きな無限長誘電体線路を構成できる。
特許第３６３７３９７号
上記の高周波反応処理装置では、無限長誘電体線路が構成される。無限長誘電体線路とは、筒状あるいは球状の誘電体容器によるループ状に帰還する高周波伝播線路を指す。そして、高周波導波管線路より電磁波を無限長誘電体線路方向に伝播させることで、内容器内部に連続的にエバネセント波が発生伝搬し、供給される高周波エネルギーは、内容器内部の負荷に吸収される。
しかしながら反応に供する内容器内部の負荷が、吸収効率の悪い場合には、高周波エネルギーが内部負荷に効率よく吸収されない。そして、外容器による無限長誘電体伝搬線路を連続的にループ状に帰還し通過する電磁波のエネルギーの一部が、誘電体材料の誘電損失によって吸収され一部は熱損失として消費される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、伝搬線路を連続的にループ状に帰還し通過する電磁波のエネルギーの損失を低減できる高周波反応処理装置および高周波反応処理システムを提供することを目的とする。
（１）上記の目的を達成するため、本発明の高周波反応処理装置は、誘電性材料で構成され、２つの端面により内腔を閉鎖することができる外容器と、導電性材料で構成され、前記外容器の外面との間に空間領域を形成する高周波線路接地電位と同電位に保たれた被覆部と、前記被覆部の外面の任意の位置に設けられた１または２以上の高周波結合部と、誘電性材料で構成され前記外容器の内側面に接さず前記高周波結合部を通して飛来する高周波を受ける位置に設けられかつ２つの端面により内腔を閉鎖することができる１または２以上の内容器と、を備え、前記内容器の内腔において前記高周波結合部より導入される電磁波により反応処理を行うことを特徴としている。
このように誘電体の外容器により発生するエバネセント波に対し、被覆部と外容器との間に空間を設けることで外容器による電磁波の吸収を抑制し処理効率を向上できる。
（２）また、本発明の高周波反応処理装置は、高周波線路接地電位と同電位に保たれた導電体で構成された、前記内容器の端面で前記内容器の内腔を閉鎖する蓋部をさらに備え、前記蓋部は、前記内容器の端部を嵌める嵌入溝を備え、前記嵌入溝は、前記導入される高周波の１／８波長以上１／２波長以下の長さにわたる深さを有し、前記内容器の側面に接することなく、前記内容器の端部を収容することを特徴としている。これにより、電磁波は嵌入溝まで入っていけずにチョークされるため、内容器の端部の温度を低く維持できる。
（３）また、本発明の高周波反応処理システムは、複数の、上記のいずれかに記載の高周波反応処理装置と、前記複数の高周波反応処理装置のそれぞれの前記内容器の一方側の端面を介して前記内容器の内腔に接続された単一の処理室と、を備えることを特徴としている。これにより、大出力による処理反応を大面積に展開できる。
本発明によれば、伝搬線路における連続的にループ状に帰還し通過する電磁波エネルギーの損失を低減できる。
（ａ）、（ｂ）それぞれ第１実施形態の高周波反応処理装置の平断面図および、ｙ１－ｙ２における正断面図である。 第１実施形態の高周波反応処理装置の拡大正断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ第２実施形態の高周波反応処理装置の平断面図および、ｙ１－ｙ２における正断面図である。 第２実施形態の高周波反応処理装置の拡大正断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ第３実施形態の高周波反応処理システムの平断面図および、ｙ１－ｙ２における正断面図である。
［第１実施形態］
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１実施形態の高周波反応処理装置１００の平断面図および、ｙ１－ｙ２における正断面図である。高周波反応処理装置１００は、誘電体外容器４０（外容器）、被覆導体４３（被覆部）、高周波結合部４２、誘電体内容器４１（内容器）および真空容器壁５９（蓋部）を備えている。誘電体外容器４０は、フッ素樹脂膜層５３および石英管５４で構成される。誘電体内容器４１は、石英管５５で構成される。高周波結合部４２は、被覆導体４３の外面の任意の位置に設けられる。１つの被覆導体４３に対して複数の高周波結合部４２が設けられてもよい。
誘電体内容器４１は、誘電性材料で構成され、誘電体外容器４０の内側面に接さず高周波結合部４２を通して飛来する高周波を受ける位置に設けられる。誘電体内容器４１は、真空容器壁５９で構成される２つの端面により内腔（内部空間）が閉鎖されている。１つの外容器に対して複数の誘電体内容器４１が設けられてもよい。高周波反応処理装置１００は、誘電体内容器４１の内腔において高周波結合部４２より導入される電磁波により反応処理を行なう。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、高周波反応処理装置１００により、高周波プラズマ装置の放電部を構成できる。ｙ１－ｙ２は、高周波線路に平行な中心線を表す（以下、同様）。図２は、第１実施形態の高周波反応処理装置１００の拡大正断面図である。
誘電体外容器４０は、誘電性材料で構成され、真空容器壁５９（蓋部）で構成された２つの端面によりその内腔（内部空間）が閉鎖される。被覆導体４３は、導電性材料で構成され、誘電体外容器４０の外面との間に空間領域１４９を形成し、高周波線路接地電位と同電位に保たれている。このように導波路となる被覆導体４３の内側に誘電体外容器４０があることでエバネセント波が発生するが、被覆導体４３と誘電体外容器４０との間に空間領域１４９を設けることで誘電体外容器４０による電磁波の吸収を抑制し処理効率を向上できる。
空間領域１４９は、被覆導体４３の内面と誘電体外容器４０の外面との間を飛来する高周波の１／６０波長以上１／４波長以下離すことで形成されていることが好ましい。これにより、エバネセント波のピークができる被覆導体４３の内側面から１／４波長の位置に誘電体内容器４１を配置でき、処理効率を向上できる。
真空容器壁５９は、誘電体内容器４１、誘電体外容器４０および被覆導体４３のそれぞれの端面に形成されている。真空容器壁５９は、高周波線路接地電位と同電位に保たれた導電体で構成され、誘電体外容器４０および誘電体内容器４１の端面で誘電体内容器４１および誘電体外容器４０の内腔を閉鎖する。真空容器壁５９は、誘電体外容器４０を被覆導体４３から離して保持する係止部を有する。これにより、被覆導体４３の内面と誘電体外容器４０の外面との間に一定の距離を空けて配置できる。係止部は、例えば被覆導体４３が嵌る溝として形成できる。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、高周波反応処理装置１００では、高周波４７が２つのマイクロ波発振部から発振され、それぞれ高周波線路４４を経て真空容器１２に導入される。真空容器１２は、放電部の中心部として機能する。高周波線路４４は、導波管または導波管および空間領域により形成された高周波の伝送線路を指す。
真空容器１２は、誘電体内容器４１としての円筒形の石英管５５と上部および下部のアルミ製の真空容器壁５９とアルミ製のドア試料台５７とから構成され、オーリング５８により真空シールされている。真空容器壁５９には、排気減圧用の減圧排気口５６が設けられている。プラズマ化されるガスは、処理ガス入路２０より流量を制御されつつ導入される。
このように構成された高周波反応処理装置１００を用いたプラズマ発生までの過程を概説する。処理試料を大気中にてドア試料台５７上に設置した後、ドア試料台５７を上昇させて、下部の真空容器壁５９にてオーリングにより接触シール接続をする。真空容器１２を減圧し、所定の処理ガスを処理ガス入路２０より導入する。高周波４７の進行方向に沿って高周波電磁波を導入することにより、プラズマ境界面１６をもつ高周波プラズマが真空容器１２内に発生する。
誘電体外容器４０は、フッ素樹脂膜層５３および石英管５４で構成され、石英管５４は、フッ素樹脂膜層５３で外側面を被覆されている。フッ素樹脂膜層５３の外側面（すなわち誘電体外容器４０の外側面）と接地電位であるアルミ製の被覆導体４３との間に空間領域１４９が設けられ、被覆導体４３および空間領域１４９により高周波線路４４が形成されている。高周波線路４４は接地された被覆導体４３で囲まれた導波管の中の空間線路であり、導波管による線路が空間領域１４９へ拡張接続して形成されている。
さらに、被覆導体４３はアルミ製の真空容器壁５９とも電気的に接続している。本実施例においては、誘電体内容器４１は誘電体内容器４１の内側面から誘電体外容器４０のフッ素樹脂膜層５３の外側面までの距離が導入される高周波の１／４波長となるように誘電体外容器４０の内部かつ同軸上に配置されている。
また、誘電体外容器４０と誘電体内容器４１を冷却させる目的で、誘電体外容器４０と誘電体内容器４１で狭窄される領域に下部の真空容器壁５９の冷却媒体入路７１から気体あるいは誘電率の小さな液体を流入させて上部の真空容器壁５９の冷却媒体出路７２から排出する構造となっている。
高周波結合部４２は、高周波線路４４と誘電体外容器４０とを接続しており、高周波４７は、高周波結合部４２を介して高周波線路４４に沿って伝播する。誘電体外容器４０とアルミ製の被覆導体４３との間の空間領域１４９は、高周波線路４４として機能する。通常、高周波４７の電磁波モードにより電界方向は異なるが、高周波反応処理装置１００ではＴＭ１１モードを使用して円管である誘電体外容器４０の円管周囲方向に電磁波が伝播するように電界方向をとっている。その結果、電磁波が円管側面をループ状に帰還する無限長誘電体線路を形成している。
誘電体外容器４０の正断面における内郭線の長さは導入される高周波の１／４波長の整数倍となるように設計されている。これにより、誘電体外容器４０の円周方向を誘電体線路として伝播する高周波４７は、伝送線路共振をする。
また、誘電体外容器４０の外側面と接地された被覆導体４３との間の空間領域によって空洞の高周波線路４４を形成し、ループ状に帰還する無限長誘電体線路における高周波の減衰を低減できる。これにより、電磁波は外側に漏れることはなく、漏洩電界を形成する表面波が誘電体外容器４０の内径方向に線路に沿って幅広く発生する。また、被覆導体４３は接地電位に保たれている。これにより、その導体表面の内側に導入される表面波の１／４波長の整数倍の位置に多数の高電界点がループ状に幅広く発生する。
上記のように、真空容器１２の壁面を構成する誘電体内容器４１の内側面位置は上記表面波の高電界点と一致する。これにより、高周波４７の導入から瞬時かつ容易に真空容器１２内にプラズマを発生させることができる。
プラズマが発生すると、プラズマ境界面１６が誘電体内容器４１の内側に形成される。プラズマ自体が可変インピーダンスをもつため、表面波の一部はプラズマに吸収され、また表面波の他の一部はプラズマ境界面１６により反射されることになる。反射された波は被覆導体４３により、誘電体外容器４０と誘電体内容器４１を介して、プラズマ境界面１６により形成される領域を交互に反射伝播する。
この領域での高周波の線路インピーダンスはプラズマのインピーダンスによって連動して変化する。そして、この領域は１／４波長インピーダンス変成器整合回路を形成する。これにより、プラズマに連動し共振が生じる。その結果、線路とプラズマ負荷との間でインピーダンス整合がとれて、最終的には電磁波エネルギーが効率よくプラズマ負荷に吸収される。
また、導入電力の増加に伴い、プラズマ密度が上昇してプラズマ境界面１６が導体に近い性質を帯び始める。そして、上記１／４波長インピーダンス変成器線路において反射定在波が増加しても、線路の容量特性が増加し全体として並列共振回路を形成する。このため、反射定在波の増加はプラズマ負荷に対して電流値を増加させる方向に働き、プラズマ電離効率が上昇する。以上により、反射波が高周波線路４４に帰還することが無く、発振側から負荷を見た場合無反射状態が実現する。
また、真空容器１２は全体としてプラズマ負荷のない場合には円筒空洞共振器として機能し、プラズマ負荷がある場合には誘電体共振器として機能する。このために、負荷において電力を効率よく吸収することができる。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の高周波線路４４から高周波４７を導入する場合であっても、定在波は１／４波長インピーダンス変成器整合回路に相当する領域に閉じ込められる。これにより、複数の発振部は相互に干渉することなく電力を負荷に注入でき、装置の大電力化が実現する。
ここで、一例として本実施形態の高周波反応処理装置の具体的な寸法および容量を示す。高周波４７の波長は２．４５ＧＨｚであり、その電磁波モードはＴＭ１１モードであり、その最大出力は、１Ｋｗである。高周波結合部４２部は、幅７０ｍｍ高さ１３０ｍｍの開口部において、誘電体外容器４０と接している。外径１５０ｍｍ肉厚３ｍｍＺ軸方向長さ２００ｍｍの石英管５４は、厚み２ｍｍのＰＴＦＥ製のフッ素樹脂膜層５３で外側面を被覆されており、それらにより誘電体外容器４０が形成されている。誘電体内容器４１は、外径１１５ｍｍ肉厚３ｍｍＺ軸方向長さ２００ｍｍの石英管５５で形成されている。アルミ製の被覆導体４３は厚み０．５ｍｍのアルミ板で形成されている。アルミ製の被覆導体４３と厚み２ｍｍのＰＴＦＥ製のフッ素樹脂膜層５３で外側面を被覆した誘電体外容器４０の外側面との間には３ｍｍの空間領域が設けられている。
アルミ製の真空容器壁５９は、厚み２０ｍｍ外径２００ｍｍの円板状に形成されており、下部の真空容器壁は、その中心に１００ｍｍ径の孔を持ち、その孔はドア試料台によって閉鎖される。減圧排気口５６は、内径２０ｍｍ外径１インチの管であり、オーリングシール接続継ぎ手により真空ポンプからの真空配管と接続している。冷却媒体入路７１は、１／４インチガス配管継ぎ手が接続されていて、冷却用にドライエアを３０ｐｓｉにて供給している。
本実施形態では、処理ガス入路２０および減圧排気口５６が同一の真空容器壁５９に設けられているが、対向する真空容器壁５９に別々に設けられていてもよい。
［実施例１－１］
本実施形態におけるプラズマ発生のテスト例を以下に説明する。上記の構成例による高周波反応処理装置を用いた。真空条件として、圧力は１３Ｐａから１０００Ｐａとし、Ｎ２、Ｏ２およびその混合ガスを使用した。ガス流量は、５０ｃｃ／分から３００ｃｃ／分とした。マイクロ波電力として、１基あたり５０Ｗから１０００Ｗを２基投入した。真空排気系については、排気量１０００Ｌ／分のロータリーポンプを用いた。真空排気ライン上のピラニー真空計により真空度を測定した。真空排気ライン上の手動開閉バルブの開閉調整により圧力調整を行なった。上記すべての発生条件下において電力投入から瞬時にプラズマ放電が得られた。そして、真空容器全体に均等なプラズマ発光のあるプラズマを得た。また１０００時間以上の長期連続運転を行っても、マグネトロン発振部に異常は認められなかった。
［実施例１－２］
本実施形態における処理効率のテスト例を以下に説明する。試料として面積２０ｃｍ２のシリコン基板上に塗布した厚み２μｍの有機フォトレジストを用いて、剥離速度のテストを行なった。処理条件として、基板温度を常温、マイクロ波パワーを５００Ｗ、処理ガスを酸素（１００ｃｃ／分）、処理圧力を１５０Ｐａ、処理時間を２０秒とした。本実施例の高周波反応処理装置においてフォトレジスト剥離速度は４μｍ／分であった。これは従来比１５０％の結果である。なお、比較例である従来の高周波反応処理装置では、アルミ製の被覆導体の内径を誘電体外容器の外径に合わせて空間領域を設けない点だけ相違しており、その他の条件は同一にした。処理後の基板温度を測定したところ６０℃程度であり、基板温度を上昇させずに高速に有機物剥離を行なうことができた。
通常の酸素マイクロ波プラズマによる有機物剥離装置を用いた場合、剥離速度は基板温度の上昇にともない増加する。その場合、有機レジスト膜のガラス転移点である１４０度以上に基板を昇温しないと１μｍ／分以上の剥離速度が得られない。本実施例の高周波反応処理装置において基板温度が上昇せず、かつ剥離速度が高速であるのは高密度励起プラズマが誘電体内容器４１の内壁部近傍のプラズマ境界面１６に生成し大量の酸素ラジカルが生成したためと判断できる。
［第２実施形態］
上記の実施形態において、内容器内部の負荷が減圧プラズマ放電である場合、プラズマ放電体は内容器内部全体、ガス導入部分および減圧配管部分まで拡散する。プラズマ放電体は電導体であるため、プラズマ放電体内を高周波は伝搬し内容器端部外面の減圧シール部分にも伝搬する。そして、高周波が誘電損失を有するシール材料に吸収されることで、シール材料は熱で劣化し、最終的に気密シールが劣化する。また、プラズマ放電体による発光輻射による紫外光の吸収およびこれにより生じる熱の影響も受ける。この内容器端部における部材への電磁波および放電発光による真空紫外光の遮断が課題となる。
図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第２実施形態の高周波反応処理装置２００の平断面図および、ｙ１－ｙ２における正断面図である。高周波反応処理装置２００は、誘電体外容器４０（外容器）、被覆導体４３（被覆部）、高周波結合部４２、誘電体内容器４１（内容器）および真空容器壁２５９（蓋部）を備えている。誘電体外容器４０は、フッ素樹脂膜層５３および石英管５４で構成される。誘電体内容器４１は、石英管５５で構成される。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、高周波反応処理装置２００により、高周波プラズマ装置の放電部を構成できる。図４は、高周波反応処理装置２００を示す拡大正断面図である。
真空容器壁２５９は、誘電体内容器４１の端部を嵌める溝２３１（嵌入溝）を備えている。溝２３１は、導入される高周波波長の１／８波長以上１／２波長以下の長さにわたる深さを有し、誘電体内容器４１の側面に接することなく、誘電体内容器４１の端部を収容する。これにより、電磁波は溝２３１まで入っていけずにチョークされるため、誘電体内容器４１の端部の温度を低く維持できる。溝２３１は、導入される高周波波長の１／４波長以上の深さを有する。これにより、誘電体内容器４１の端部には高周波が至らないようにチョークできる。
オーリング５８（シール部材）は、誘電体内容器４１と真空容器壁２５９との間に設けられ、誘電体内容器４１の内腔を密閉する。オーリング５８は、溝２３１により収容される位置のいずれかに設けられている。これにより、誘電体内容器４１を密閉するオーリング５８の温度を低く維持でき、オーリング５８の破損を防止できる。
誘電体内容器４１は、アルミナ製にすることができる。これにより、高温下での腐食性の高いガスに対する耐久性を向上できる。例えば、誘電体内容器４１の内腔においてプラズマを生じさせる場合には有効である。これにより、高い効率でプラズマを生成できる。
誘電体内容器４１の内腔において高周波結合部より導入される電磁波により対象材料の反応処理を行う場合には、誘電体内容器４１は石英製であることが好ましい。これにより、フロンの分解やスクラバーにも応用できる。
第１実施形態と同様に、真空容器１２は、円筒形の石英管５５は上部および下部のアルミ製の真空容器壁５９とアルミ製のドア試料台５７から構成されていてオーリング５８により真空シールされている。石英管５５により誘電体内容器４１が構成される。なお、本実施形態は、第１実施形態からの変形に限らず、空間領域のない高周波反応処理装置からの変形であってもよい。
第１実施形態において、オーリング５８は、真空容器１２内に発生するプラズマ境界面１６をもつ高周波プラズマからの漏洩電磁波、熱およびプラズマ放電真空紫外光の吸収により、装置の長期にわたる使用および使用条件によって被爆劣化する可能性がある。
本実施形態においては、用いられる高周波波長の１／８波長以下の幅、および１／４波長以上の深さを有する溝２３１を、それぞれ上部および下部のアルミ製の真空容器壁２５９に形成している。そして、円筒形の石英管５５の両端面シール部分が上記の溝２３１内部に設けられている。
この構造は高周波をチョークし、溝に構成されたシール部分まで高周波は漏洩しない。また、上記の溝によりプラズマ放電真空紫外光は遮蔽されてオーリングの劣化を抑止できる。
さらに上部および下部のアルミ製の真空容器壁２５９内部を水冷構造とすることが好ましい。これにより、熱による劣化にも対応できる。
この結果、長時間の連続高出力高密度プラズマ発生条件における過酷条件下おいても減圧シールの劣化を抑止でき、メンテナンスフリー化が実現する。
ここで、一例として本実施形態に係る高周波反応処理装置の具体的な寸法および容量を示す。高周波４７の周波数は２．４５ＧＨｚであり、その電磁波モードはＴＭ１１モードで、最大出力は１Ｋｗである。高周波結合部４２は、幅７０ｍｍ高さ１３０ｍｍの開口部において、誘電体外容器４０と接している。誘電体外容器４０は、外径１５０ｍｍ肉厚３ｍｍＺ軸方向長さ２００ｍｍの石英管５４と、その外側面を被覆する厚み２ｍｍのＰＴＦＥ製のフッ素樹脂膜層５３とで形成されている。
誘電体内容器４１は、外径１１５ｍｍ肉厚３ｍｍＺ軸方向長さ２６０ｍｍの石英管５５で形成されている。アルミ製の被覆導体４３は厚み０．５ｍｍのアルミ板で形成されている。アルミ製の被覆導体４３と誘電体外容器４０の外側面との間には３ｍｍの空間領域が設けられている。
アルミ製の真空容器壁２５９は、厚み５０ｍｍ外径２００ｍｍの円板状の部材であり水冷チャンネルを持ち水冷されている。また、溝２３１は外径１６０ｍｍ内径１４０ｍｍ深さ３０ｍｍで形成されている。
下部の真空容器壁は、中心に１００ｍｍ径の孔を持ち、その孔はドア試料台によって閉鎖される。減圧排気口２５６は、内径２０ｍｍ外径１インチの管であり、オーリングシールを有する接続継ぎ手により真空ポンプからの真空配管と接続している。冷却媒体入路７１は、１／４インチのガス配管継ぎ手に接続されていて、使用時には冷却用のドライエアが３０ｐｓｉにて供給される。
［実施例２］
本実施形態における連続プラズマ発生のテスト例を以下に説明する。真空条件として、圧力は１３０Ｐａ、使用ガスはＮ２ガスである。マイクロ波電力として、１基あたり１０００Ｗを２基投入した。真空排気系には、排気量１０００Ｌ／分のロータリーポンプを用いた。真空排気ライン上のピラニー真空計により真空を測定し、真空排気ライン上の手動開閉バルブの開閉調整により圧力を調整した。上記すべての条件下において電力投入から瞬時にプラズマ放電が得られ、真空容器全体に均等なプラズマ発光を生じるプラズマを得た。また、１０００時間以上の長期連続運転を行っても、真空シールに問題は生じず、シールオーリングとして用いた硬度５０度クリアシリコーンオーリングに劣化は認められなかった。
また本実施形態では、処理ガス入路２２０および減圧排気口２５６が同一の真空容器壁２５９に設けられているが、対向する真空容器壁２５９に別々に設けられていてもよい。
また本実施形態では、オーリング５８は、溝２３１の底部に設けられていて、石英管５５端面にてシール部を構成しているが、石英管５５端面近傍の外側面あるいは内側面にシール部を構成してもよい。
［第３実施形態］
第１の実施形態において、内容器を大口径化し、かつ複数の高周波結合部を同一負荷に結合することで、大容積かつ大面積の負荷に対する大出力の投入を実現することが可能となった。しかしながら、内容器の大口径化により内容器側面の曲率が一定以上となる側面の平面化によって、高周波伝播線路が誘電体容器によりループ状に帰還する無限長誘電体線路の形成が困難になる。特に大面積での処理を必要とする減圧プラズマ反応処理装置への用途において、その対応が課題となる。
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第３実施形態の高周波反応処理システム３１０の平断面図および、ｙ１－ｙ２における正断面図である。高周波反応処理システム３１０は、複数の高周波反応処理装置３００と、単一のダウンフロー処理室容器４６１（処理室）とを備えている。高周波反応処理装置３００は、誘電体外容器４０（外容器）、被覆導体４３（被覆部）、高周波結合部４２、誘電体内容器４１（内容器）および真空容器壁３５９（蓋部）を備えている。複数の高周波反応処理装置３００は、同一の形状に形成され、中心対称に配置され、互いに真空容器壁３５９を共有している。これにより、バランスの良い配置で高周波反応処理を行うことができる。
誘電体外容器４０は、フッ素樹脂膜層５３および石英管５４で構成される。誘電体内容器４１は、石英管５５で構成される。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、高周波反応処理システム３１０により、高周波プラズマ装置の放電部を構成できる。
ダウンフロー処理室容器４６１は、複数の高周波反応処理装置３００のそれぞれの誘電体内容器４１の一方側の端面を介して誘電体内容器４１の内腔（内部空間）に接続される。これにより、大出力による処理反応を大面積に展開できる。
複数の高周波反応処理装置３００における外容器は円筒であり、円筒の外容器の曲率半径は、１５０ｍｍ以下である。このように曲率半径を小さくすることができるため、電磁波の進行を維持できる。
本実施形態は、第１実施形態からの変形で、大口径の基板処理を目的としている。そして、本実施形態は、効率が高くかつ同一負荷に対して複数の高周波導入する場合に、容易に大口径の処理装置を実現する。なお、本実施形態は、第１実施形態からの変形に限らず、空間領域のない高周波反応処理装置からの変形であってもよいし、第２実施形態からの変形であってもよい。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、プラズマ放電部の中心部として働く３つの真空容器１２が、３つの円筒形の石英管５５と１対の上部および下部のアルミ製の真空容器壁３５９で構成されている。なお、石英管５５は、誘電体内容器４１を構成する。そして、これらの真空容器１２が下部のアルミ製の真空容器壁において大口径のダウンフロー処理室容器４６１と接続することによって、真空容器全体が構成されている。
３つの真空容器１２の各々に形成される高周波プラズマは、プラズマ境界面１６を有し、多孔導電体板４６０によりダウンフロー処理室容器４６１と分離されている。本実施形態では、高周波反応処理システムをプラズマラジカルダウンフロー処理装置のプラズマ源として使用する。
プラズマラジカルダウンフロー処理装置によるラジカル表面処理までの過程を概説する。まず、処理試料をドア４６２よりダウンフロー処理室容器４６１内の試料台４６３に搬入する。ドアを閉鎖した後、減圧排気口４５６より排気減圧し、プラズマ化されるガスを３つの処理ガス入路３２０より流量を制御しつつ等分配で導入する。
３つの発信源からの高周波４７の印加によって、それぞれの真空容器１２内にプラズマを形成する。発生する反応活性種を多孔導電体板４６０の孔部を経由して減圧方向であるダウンフロー処理室容器４６１に移送して試料に対してラジカル表面反応処理を行う。
放電部の中心部として働く真空容器１２の構成は、減圧排気口を除いて第１の実施形態と同様である。図５（ａ）、（ｂ）に示す例においては、高周波線路４４は１つであるが複数であってもかまわない。
ここで、一例として本実施形態に係る高周波反応処理システムの具体的な寸法および容量を示す。３つの発信源の高周波４７の周波数は２．４５ＧＨｚ、その電磁波モードはＴＭ１１モードで、その最大出力は１Ｋｗである。高周波結合部４２は、幅７０ｍｍ高さ１３０ｍｍの開口部において誘電体外容器４０と接している。誘電体外容器４０は、外径１５０ｍｍ肉厚３ｍｍＺ軸方向長さ２００ｍｍの石英管５４とその外側面を被覆する厚み４ｍｍのＰＴＦＥ製のフッ素樹脂膜層５３とで形成されている。誘電体内容器４１は、外径１１５ｍｍ肉厚３ｍｍＺ軸方向長さ２００ｍｍの石英管５５で形成されている。アルミ製の被覆導体４３は、一体のアルミブロックから切削加工されて形成されていて、３つの真空容器１２を包含するとともに、内部に有する水冷チャンネルで冷却される。
アルミ製の真空容器壁３５９は、厚み３０ｍｍ外径３８０ｍｍの板を加工したものである。アルミ製の真空容器壁３５９は、一体の下部の真空容器壁の中心よりＰ.Ｃ.Ｄ６００φの等しい角度配置で３つの１００ｍｍ径の孔を有し、アルミ製のダウンフロー処理室容器４６１とオーリングシールにて接続している。３つの多孔導電体板４６０が、下部の真空容器壁の中心よりＰ.Ｃ.Ｄ６００φ等しい角度配置で１００ｍｍ径の孔位置に装着されている。各多孔導電体板４６０は、ステンレス製で厚み２ｍｍ直径１００ｍｍの開孔率３０％のメッシュ状に形成されている。各多孔導電体板４６０は、真空容器１２の領域で形成されるプラズマを真空容器１２とダウンフロー処理室容器４６１との間で分離する。減圧排気口４５６は、真空配管としてのＮＷ４０口径管であり、オーリングシールを有する接続継ぎ手により真空ポンプからの真空配管と接続している。
高周波線路４４には、冷却媒体入路の１／４インチのガス配管継ぎ手が接続されている。冷却媒体入路には、冷却用にドライエアが３０ｐｓｉにて供給される。
本実施形態において、図５（ａ）、（ｂ）に示す電離プラズマ放電の作動状態およびインピーダンス整合は、第１実施形態のものと同様である。
このように曲率の小さな高周波線路４４を持つ高効率のプラズマ発生源を複数式同一処理負荷に搭載することにより高性能な処理装置が実現する。
［その他］
誘電体内容器４１の構造材料として、以上の実施形態では石英を使用しているが、他の低誘電率誘電体も使用できる。例えば、いずれのアルミナ系セラミックも使用可能である。また、誘電体外容器４０としては全ての低誘電率の誘電体が使用可能である。さらに誘電体外容器４０は、複数の異なる材質の誘電体の層が積層されて形成されていてもよい。
また、以上の実施形態では誘電体外容器４０においてＰＴＦＥ製のフッ素樹脂膜層５３で石英管５４の外側面を被覆したものを用いているが、空乏層を持ったフッ素樹脂を用いてもよい。その場合、適当な空乏率を選んでフッ素樹脂層の誘電率を調整することによって、誘電線路の性能を向上することもできる。あるいは薄いマイカを石英管５４の外側面において積層構造に被覆してもよい。また、多孔質セラミックスを同様の目的で誘電体外容器４０として使用することもできる。
また、以上の実施形態では２つの高周波結合部４２を有していて円筒軸中心に対称配列しているが、円筒軸周りに１つまたは３つ以上の高周波結合部を持たせてもよく、さらに円筒軸方向に複数設けてもよい。
また以上の実施形態では、誘電体内容器４１、誘電体外容器４０および被覆導体４３がいずれも円筒状に形成されているが、楕円筒状に形成されていてもよい。また、以上の実施形態の誘電体内容器４１は、端面が開口しているが、ガスの入出路以外の上下の端面を閉鎖して形成されていてもよい。このような形状の誘電体内容器４１は、製造の容易さを考慮するとアルミナ製より石英製の方が好ましい。
なお、本国際出願は、２０２０年３月２３日に出願した日本国特許出願第２０２０－５１１６０号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０２０－５１１６０号の全内容を本国際出願に援用する。
１２ 真空容器
１６ プラズマ境界面
２０ 処理ガス入路
４０ 誘電体外容器
４１ 誘電体内容器
４２ 高周波結合部
４３ 被覆導体
４４ 高周波線路
４７ 高周波
５３ フッ素樹脂膜層
５４ 石英管
５５ 石英管
５６ 減圧排気口
５７ ドア試料台
５８ オーリング
５９ 真空容器壁
７１ 冷却媒体入路
７２ 冷却媒体出路
１００ 高周波反応処理装置
１４９ 空間領域
２００ 高周波反応処理装置
２２０ 処理ガス入路
２３１ 溝
２５６ 減圧排気口
２５９ 真空容器壁
２７１ 冷却媒体入路
２７２ 冷却媒体出路
３００ 高周波反応処理装置
３１０ 高周波反応処理システム
３２０ 処理ガス入路
３５９ 真空容器壁
４５６ 減圧排気口
４６０ 多孔導電体板
４６１ ダウンフロー処理室容器
４６２ ドア
４６３ 試料台

Claims (12)

  1. 誘電性材料で構成され、２つの端面により内腔を閉鎖することができる外容器と、
    導電性材料で構成され、高周波線路接地電位と同電位に保たれた被覆部と、
    前記被覆部の外面の任意の位置に設けられた１または２以上の高周波結合部と、
    誘電性材料で構成され前記外容器の内側面に接さず前記高周波結合部を通して飛来する高周波を受ける位置に設けられかつ２つの端面により内腔を閉鎖することができる１または２以上の内容器と、
    高周波線路接地電位と同電位に保たれた導電体で構成された、前記内容器の端面で前記内容器の内腔を閉鎖する蓋部と、を備え、
    前記蓋部は、前記内容器の端部を嵌める嵌入溝を備え、
    前記嵌入溝は、前記導入される高周波の１／８波長以上１／２波長以下の長さにわたる深さを有し、前記内容器の側面に接することなく、前記内容器の端部を収容し、
    前記内容器の内腔において前記高周波結合部より導入される電磁波により反応処理を行なうことを特徴とする高周波反応処理装置。
  2. 前記内容器と前記蓋部との間に設けられ、前記内容器の内腔を密閉するシール部材をさらに備え、
    前記シール部材は、前記嵌入溝により収容される位置のいずれかに設けられていることを特徴とする請求項１記載の高周波反応処理装置。
  3. 前記内容器は、アルミナ製であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波反応処理装置。
  4. 前記嵌入溝は、前記導入される高周波の１／４波長以上の深さを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波反応処理装置。
  5. 前記被覆部は、前記外容器の外面との間に空間領域を形成することを特徴とする請求項１記載の高周波反応処理装置。
  6. 前記空間領域は、前記被覆部の内面と前記外容器の外面との間を前記飛来する高周波の１／６０波長以上１／４波長以下離すことで形成されていることを特徴とする請求項５記載の高周波反応処理装置。
  7. 前記蓋部は、前記外容器および前記被覆部のそれぞれの端面の内腔を閉鎖し、
    前記蓋部は、前記外容器を前記被覆部から離して保持する係止部を有することを特徴とする請求項５または請求項６記載の高周波反応処理装置。
  8. 前記内容器の内腔においてプラズマを生じさせることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の高周波反応処理装置。
  9. 前記内容器の内腔において前記高周波結合部より導入される電磁波により対象材料の反応処理を行なうことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の高周波反応処理装置。
  10. 複数の、請求項１から請求項９のいずれかに記載の高周波反応処理装置と、
    前記複数の高周波反応処理装置のそれぞれの前記内容器の一方側の端面を介して前記内容器の内腔に接続された単一の処理室と、を備えることを特徴とする高周波反応処理システム。
  11. 前記複数の高周波反応処理装置は、同一の形状に形成され、中心対称に配置され、互いに前記外容器および内容器の端面を共有することを特徴とする請求項１０記載の高周波反応処理システム。
  12. 前記複数の高周波反応処理装置における前記外容器は円筒であり、前記円筒の外容器の曲率半径は、１５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０または請求項１１記載の高周波反応処理システム。
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