JPH08185998A

JPH08185998A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH08185998A
Application number: JP6328167A
Authority: JP
Inventors: Kenji Miyata; 健治宮田; Takeshi Yoshioka; 健吉岡; Tsutomu Tetsuka; 勉手束
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】小型のアンテナでリアルタイムで調整でき、大
面積基板の処理が可能なマイクロ波プラズマ処理装置を
提供する。【構成】マイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波と
放電ガスが導入されるプラズマ生成室２０と、該プラズ
マ生成室２０へマイクロ波を導く導波管１５と、プラズ
マ生成室２０へマイクロ波を放射するアンテナ１と、プ
ラズマを閉じ込める磁場を生成する磁場コイル２１と、
基盤ホルダ２２と、基盤２３と、誘電体板２４とからな
り、複数のホーンアンテナと複数の仕切板３からなるア
ンテナ１において内側ホーンアンテナ１１を複数の外側
ホーンアンテナ１２で囲み、各内側及び外側ホーンアン
テナに独立してマイクロ波を供給するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波放電により
生成したプラズマを利用し、基板に薄膜生成もしくはエ
ッチング加工を行うマイクロ波プラズマ処理装置に係
り、特に、大面積の基板に均一な処理を行うのに好適な
プラズマプロセス装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ処理装置は、原料ガスを導入す
る吸入口と真空排気するための排気口とを備えたプラズ
マ処理室及びプラズマを生成維持するための電磁エネル
ギーを供給するための装置から構成される。そして、大
面積の基板を均一に処理するため、大面積に亘って均一
なプラズマを生成する必要があり、このような大面積基
板の処理が可能なマイクロ波プラズマ処理装置の従来技
術としては、例えば、実開平４−１０５５３４号公報に
開示されたものがある。

【０００３】この従来技術は、ホーンアンテナを仕切板
で分割する方法であり、ホーンアンテナを仕切板で分割
し、プラズマ密度分布が均一になるように放射開口部に
おけるマイクロ波放射パワー分布を調整するものであ
る。

【０００４】すなわち、伝送モードにおいて、放射方向
に対して横方向の電界成分を持ち、その方向が時間的に
一定な直線偏波が通常使われ、仕切板を分割しない通常
のホーンアンテナにおける、マイクロ波の電界が中央部
に集中しプラズマ密度が中央部で高くなるという欠点を
解消している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
には、大面積のプラズマを生成する場合、ホーンアンテ
ナの放射開口部は必然的に大きくなり、それに伴い、ア
ンテナの放射特性を損なわないようホーンアンテナの長
さも長くなり、アンテナ全体が大型化するという問題点
がある。また、ホーンアンテナ内の仕切板は固定されて
いるので、マイクロ波放射パワー分布をリアルタイムで
調整することができない点もある。

【０００６】従って、本発明の目的は、小型のアンテナ
でマイクロ波放射パワー分布をリアルタイムで調整で
き、大面積基板の処理が可能なマイクロ波プラズマ処理
装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、マイクロ波
と放電ガスとが供給されるプラズマ生成室と、該プラズ
マ生成室へ前記マイクロ波を導く導波管と、前記プラズ
マ生成室へ前記マイクロ波を放射するアンテナとを含む
マイクロ波プラズマ処理装置において、前記アンテナ
を、中央に位置する複数の内側ホーンアンテナと、外周
に位置し前記内側ホーンアンテナを囲む複数の外側ホー
ンアンテナとで構成することにより達成される。

【０００８】

【作用】上記構成とすれば、マイクロ波が矩形導波管に
て基本電磁界モードでホーンアンテナに導かれた場合、
一方の中央に位置する内側ホーンアンテナに関しては、
該内側ホーンアンテナの構成が従来技術と同じであるの
で、アンテナ長を長くすることなく良好なアンテナの放
射特性が得られる。すなわち、他方の外側ホーンアンテ
ナに関しては、外側ホーンアンテナが中央に位置する
内側ホーンアンテナの外周に位置し、内側ホーンアンテ
ナを囲むように構成される。

【０００９】この構成により、外側ホーンアンテナは内
側ホーンアンテナの外壁により、マイクロ波の自由空間
波長程度以下の狭い空間に仕切られた形となり、外側ホ
ーンアンテナを伝播するマイクロ波は、その電界を狭い
内・外側ホーンアンテナ壁間に張りながら伝播する。そ
のため、余計な寄生モードの発生を小さく抑えることが
できる。ここにおいて、電界方向にほぼ直交するように
金属製の仕切板を取付け、望ましくはさらに、仕切られ
た外側ホーンアンテナの内部を突起部のない形状にすれ
ば、寄生モードの発生が最大限に抑えられる。

【００１０】従って、マイクロ波はその電磁界分布をほ
ぼ保ちながら、アンテナ開口部の方へスムーズに広がっ
ていくので、外側ホーンアンテナのアンテナ長を長くす
ることなく、良好な放射特性が得られる。

【００１１】すなわち、本構成によれば、アンテナ全体
の長さは従来通りの短い長さのままで、広い周波数帯
域において反射率が0.1％〜1.0％程度と極めて少ない良
好な放射特性を持たせることができ、ホーンアンテナの
大型化が抑制できる。

【００１２】一方、内側及び外側ホーンアンテナのそれ
ぞれに個別に独立したマイクロ波源を接続することによ
り、内側及び外側のいずれのホーンアンテナからのマイ
クロ波放射パワー分布をリアルタイムで調整できるの
で、小型のホーンアンテナで均一なプラズマを生成する
ことができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による実施例について図面を参
照し説明する。図１は、本発明による一実施例のマイク
ロ波プラズマ処理装置を示す正面図である。図２は、図
１の上面図である。図３は、図１の側面図である。それ
ぞれの図面において一部分が断面されている。図１〜図
３を同時に参照しながら、その構成について説明する。

【００１４】マイクロ波プラズマ処理装置は、プラズマ
生成室２０と、プラズマ２５の生成閉込め特性を良くす
るために該プラズマ生成室２０内に磁場を生成する磁場
コイル２１と、マイクロ波を該プラズマ生成室２０内
に放射するためのアンテナ１と、該アンテナ１にマイク
ロ波を伝送するための導波管１５と、アンテナ１とプラ
ズマ生成室２０を真空隔離するための誘電体板２４と、
基盤２３を保持する基盤ホルダ２２とから構成される。
そして、アンテナ１は、中央に位置する内側ホーンアン
テナ１１と、外周に位置し内側ホーンアンテナ１１を囲
む２個の外側ホーンアンテナ１２とからなり、さらに、
外側ホーンアンテナ１２の中に設けられて、電界方向に
ほぼ直交する金属製の仕切板３を含み構成される。な
お、複数の外側ホーンアンテナ１２は、複数の内側ホー
ンアンテナ１１を囲むように配置されても可である。仕
切板３は、内側ホーンアンテナ１１または外側ホーンア
ンテナ１２の少なくとも一方に設けられても可である。

【００１５】そして、導波管１５を介して、内側ホーン
アンテナ１１と２個の外側ホーンアンテナ１２の３個
のホーンアンテナに、個別に独立した３個のマイクロ波
供給手段(図示されていない)からマイクロ波が供給され
る構成である。なお、内側ホーンアンテナ１１に対し１
個のマイクロ波供給手段と、２個の外側ホーンアンテナ
１２に対し１個のマイクロ波供給手段の合計２個の独立
したマイクロ波供給手段でも可である。すなわち、内側
ホーンアンテナまたは外側ホーンアンテナのうち少なく
とも２個の該ホーンアンテナに対し、マイクロ波を供給
するマイクロ波供給手段をそれぞれ独立して設けるもの
である。アンテナ１について次図でさらに説明する。

【００１６】図４は、アンテナ開口部側から見たアンテ
ナ１の全体斜視図である。図は、図１に示すアンテナ１
を裏返しにして見た図である。図に示すように、外側ホ
ーンアンテナ１２は、２個とも、アンテナ開口部におい
て八角形のコの字の形状である。また、それぞれの外側
ホーンアンテナ１２の内部に、寄生モードの発生を抑制
し、アンテナのマイクロ波を放射する放射特性を良くす
るための、３枚の金属製の仕切板３(３ａ，３ｂ，３ｃ)
が、電界方向にほぼ直交するよう配置されている。すな
わち、仕切板が存在すると、外側ホーンアンテナ１２内
の電気力線の長さを自由空間波長の１／２程度に短くで
きる。このため電気力線は、放射方向に対して垂直な面
上において略直線的となり、電気力線の歪みが抑止さ
れる。電気力線の歪みが抑止されれば、寄生モードの発
生も抑制される。

【００１７】この場合、好ましくは、仕切板３ａの２枚
は、それぞれの外側ホーンアンテナ１２の中央部に取付
ける。残りの仕切板のうち２枚の仕切板３ｂは、内側ホ
ーンアンテナ１１の４枚の壁板(１１ａ，１１ｂ，１１
ｃ，１１ｄ)の中の壁板１１ｂの延長面上に、かつ、２
枚の仕切板３ｃは、壁板１１ｃの延長面上に配置する。
このような構成とすれば、アンテナ１の軸方向に対して
直角方向に切断したいずれの切り口においても、アンテ
ナ１は矩形状に仕切られた形状となっている。

【００１８】換言すれば、内側ホーンアンテナ１１の角
部１８が外側ホーンアンテナ１２の内部に出っ張らない
形状である。従って、「角部１８が出っ張り突起部(段
差)となり、該突起部において電界の集中を招き、基本
電磁界モードを歪ませる」ということがない。その結
果、外側ホーンアンテナ１２に導入される基本電磁界モ
ードのマイクロ波は、該モードの電磁界分布を崩すこと
なくスムーズに伝播されることになる。

【００１９】尚、従来のホーンアンテナは、矩形状に仕
切る仕切板が１個のホーンアンテナにある構造である。
これに対し本発明によるホーンアンテナは、内外２重構
造であり、外側ホーンアンテナは内側ホーンアンテナの
外壁を利用し、どの切り口においても矩形状に仕切られ
た形状となっている。そして、マイクロ波は、そのよう
な矩形状の導波管内を伝播し、矩形状の基本電磁界モー
ドは矩形に仕切られたアンテナ領域に導かれ、電気的な
境界条件がほとんど変化しないので、最初の基本電磁界
モードの形状を保持しながらホーンアンテナ内を滑らか
に伝播する。

【００２０】図５は、アンテナ１の各切り口における電
界分布を示す図である。図５(ａ)はアンテナ入口部、図
５(ｂ)はアンテナ中間部、図５(ｃ)はアンテナ開口部の
それぞれの切り口における電界分布を示している。アン
テナ入口部は導波管側に、アンテナ開口部はプラズマ生
成室側に接続されている。アンテナ１の内部は、軸方向
のどの位置の切り口でも９個の矩形領域に分割されてい
る。

【００２１】すなわち、アンテナ入口部からアンテナ開
口部までを、アンテナ１の軸方向に対し直角方向にどの
位置で切断しても、その切り口の形状は全て矩形の形状
をなし、９個の矩形領域に分割されている。そして、矩
形のホーンアンテナ内部は、どこにも突起部が存在しな
い形状に構成されている。

【００２２】このような形状に構成された各領域の矩形
ホーンアンテナにおいて、マイクロ波は矩形ＴＥ₀₁の基
本電磁界モードで伝播される。図には３個の内外側ホー
ンアンテナ内のマイクロ波の電界は、全て同位相の図で
示してあるが、内外側ホーンアンテナに、それぞれ独立
のマイクロ波供給手段からマイクロ波が伝播してくるた
め、それぞれのマイクロ波の電界の位相は、通常揃って
はいない。放射後のマイクロ波は、干渉して互いに強め
合ったり弱め合ったりする非定常な挙動を示すことにな
る。これに関しては、当発明者の実験データによれば、
広い周波数帯域において反射率が0.1％〜1.0％程度と極
めて小さい良好なアンテナ放射特性を持たせることがで
きることが判明した。

【００２３】なお、図１〜図５の実施例では、３個のホ
ーンアンテナに独立した３個のマイクロ波供給手段から
マイクロ波を供給するとしたが、さらに、細かく分けて
９個の領域に独立してマイクロ波を供給することも可で
ある。こうすることにより、内側及び外側のいずれのホ
ーンアンテナからの放射パワーを装置運転中に調整で
き、均一なプラズマを小型のホーンアンテナで生成でき
るなお、本実施例では３枚の仕切板の例を示したが、枚数
はこれに限定されるものではなく、２枚あるいは４枚、
５枚といった複数の枚数でも良いものである。また、内
側ホーンアンテナに同様なる仕切板を設けても良い。

【００２４】本実施例によれば、それぞれの内側及び外
側ホーンアンテナに接続される導波管は、マイクロ波の
伝播方向を基準として全て同じ方向に揃っている。従っ
て、Ｅ形ベントやＨ形ベントなどの余計な曲がり部位が
不要となり、シンプルな立体回路系を構成できるという
効果がある。

【００２５】また、本発明に限らず、仕切板を用いる全
てのアンテナに適用できることであるが、本発明の構成
部品である金属製の仕切板を内側または外側ホーンアン
テナに固定する場合、仕切板を柔軟な導電性粘着部材と
しての、例えば、金属製テープで固定するだけで実用に
供することができる。これにより、仕切板の位置を簡単
に変更できるので、アンテナ放射特性の調整変更が容易
にできるという効果がある。

【００２６】図６は、本発明による他の実施例のアンテ
ナ１の全体斜視図である。図６の実施例の構成につい
て、図１の実施例との違いから説明する。内側ホーンア
ンテナ１１は図１の構造と同じである。しかし、外側ア
ンテナ１３が異なり、ホーン形のアンテナではなく、箱
形のアンテナ(金属導波管)となっている。そして内部に
寄生モードの発生を抑制するための金属製の仕切板３を
配置する。アンテナに導入するマイクロ波の電界方向と
仕切板３の形状とは、図に示すように、図１の実施例と
は異なるものである。本実施例のアンテナの場合、外側
アンテナ１３がホーン形より単純な箱形をしているの
で、仕切板の形状も簡単なものとなり、図１の実施例に
示した仕切板やアンテナよりも作り易い。

【００２７】なお、本発明は、内外二層(二重)のアンテ
ナの実施例で示したが、必ずしもこれに限るものではな
く、よりアンテナ面積が大型化する場合の、内外三層や
四層等のアンテナに対しても同じアナロジーで適用され
る。

【００２８】図７は、本発明による他の実施例のマイク
ロ波プラズマ処理装置を示す断面図である。本実施例
は、図１の実施例において、プラズマ生成室２０に放電
ガスを導入するガス導入管５を、内側ホーンアンテナ１
１及び外側ホーンアンテナ１２のアンテナ開口部とプラ
ズマ生成室２０との接続境界面に沿わせて、プラズマ生
成室２０内の上部に配置する。この時、マイクロ波がガ
ス導入管５の内部に侵入して、管内部にプラズマ２５が
発生するのを防止するために、ガス導入管５は金属製と
する。本実施例によれば、ガス導入管５が、アンテナの
境界線に沿っている。このため、金属製のガス導入管５
は、内側及び外側ホーンアンテナの延長上に位置するこ
とになり、ホーンアンテナからの放射電磁波の電気的な
境界条件は大きく変化しない。その結果、アンテナ１か
ら放射されるマイクロ波の電磁界分布が、大きく乱れな
いという効果がある。

【００２９】また、ガス導入管５を内側及び外側ホーン
アンテナに対し複数系統とし、それぞれの系統で独立に
ガス流量を調整できるようにする。すなわち、プラズマ
生成室内の内側ホーンアンテナと外側ホーンアンテナと
の両者に対し、ガス導入管をそれぞれに別個に独立して
配置し、それぞれのガス導入管内を流れる放電ガスのガ
ス流量を独立に調整する手段を設ける。こうすれば、マ
イクロ波放射パワー調整とガス流量調整との両方の調整
手段によって、さらに、大面積均一なプラズマを生成す
ることと、大面積基板の処理とが容易になるという効果
がある。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロ波プラズマ処
理装置において、広範囲のプラズマ密度に対してアンテ
ナの放射特性が良好で、かつ小型のアンテナが提供でき
る。

【００３１】また、内側及び外側ホーンアンテナの放射
パワーを独立に調整する構成であり各アンテナからのマ
イクロ波放射パワー分布をリアルタイムで調整できる。

【００３２】これにより、大面積基板に対しほぼ均一な
プラズマを生成することができ、大面積基板の処理が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例のマイクロ波プラズマ処
理装置を示す正面図である。

【図２】図１の上面図である。

【図３】図１の側面図である。

【図４】アンテナ開口部側から見たアンテナ１の全体斜
視図である。

【図５】アンテナ１の各切り口における電界分布を示す
図である。

【図６】本発明による他の実施例のアンテナ１の全体斜
視図である。

【図７】本発明による他の実施例のマイクロ波プラズマ
処理装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１…アンテナ、３…仕切板、５…ガス導入管、１１…内
側ホーンアンテナ、１２…外側ホーンアンテナ、１３…
外側アンテナ、１５…導波管、１８…角部、２０…プラ
ズマ生成室、２１…磁場コイル、２２…基板ホルダ、２
３…基板、２４…誘電体板、２５…プラズマ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波と放電ガスとが供給されるプラ
ズマ生成室と、該プラズマ生成室へ前記マイクロ波を導
く導波管と、前記プラズマ生成室へ前記マイクロ波を放
射するアンテナとを含むマイクロ波プラズマ処理装置に
おいて、前記アンテナを、中央に位置する複数の内側ホーンアン
テナと、外周に位置し前記内側ホーンアンテナを囲む複
数の外側ホーンアンテナとで構成したことを特徴とする
マイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項２】請求項１において、前記内側ホーンアンテ
ナまたは前記外側ホーンアンテナのうち少なくとも２個
の該ホーンアンテナに対し、前記マイクロ波を供給する
マイクロ波供給手段をそれぞれ独立して設けたことを特
徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項３】請求項１において、前記外側ホーンアンテ
ナまたは前記内側ホーンアンテナの少なくとも一方に、
電界方向にほぼ直交する金属製の仕切板を設けたことを
特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】請求項３において、前記仕切板を導電性粘
着部材で固定したことを特徴とするマイクロ波プラズマ
処理装置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４において、前記プ
ラズマ生成室に前記放電ガスを供給するガス導入管を、
前記複数のホーンアンテナのアンテナ開口部と前記プラ
ズマ生成室との接続境界面に沿わせて、前記プラズマ生
成室内の上部に配置したことを特徴とするマイクロ波プ
ラズマ処理装置。
【請求項６】請求項５において、前記プラズマ生成室内
の前記内側ホーンアンテナと前記外側ホーンアンテナと
の両者に対し、前記ガス導入管をそれぞれに別個に独立
して配置し、それぞれの前記ガス導入管内を流れる前記
放電ガスのガス流量を独立に調整する手段を設けたこと
を特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項７】マイクロ波と放電ガスとが供給されるプラ
ズマ生成室と、該プラズマ生成室へ前記マイクロ波を導
く導波管と、前記プラズマ生成室へ前記マイクロ波を放
射するアンテナとを含むマイクロ波プラズマ処理装置に
おいて、前記アンテナ内部に、該アンテナ内部を複数の領域に仕
切る金属製の仕切板を設け、該仕切板を導電性粘着部材
で固定したことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装
置。