JPH09270386A

JPH09270386A - プラズマ処理装置およびその方法

Info

Publication number: JPH09270386A
Application number: JP8078934A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tamura; 仁田村; Seiichi Watanabe; 成一渡辺; Muneo Furuse; 宗雄古瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1996-04-01
Publication date: 1997-10-14
Anticipated expiration: 2016-04-01
Also published as: JP3469987B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本課題は、直径１２インチ（約３００ｍｍ）以
上の大きな被処理基板に均一にプラズマ処理を行うこと
ができるようにしたプラズマ処理装置およびその方法を
提供することにある。【解決手段】本発明は、マイクロ波導波管で伝送された
マイクロ波を伝送する同軸線路部７０２と、該同軸線路
部の空洞共振器側に設けられ、同軸線路部と空洞共振器
との境界付近において生じるマイクロ波電力の反射を低
減する整合室７０３と、前記同軸線路部７０２に前記整
合室７０３を介して同軸状に接続して同軸線路部から伝
送されたマイクロ波を共振させる空洞共振器７０４と、
被処理基板１０６を載置する基板電極を内部に設置した
処理室１０３と、前記空洞共振器からマイクロ波電磁界
をマイクロ波導入窓７０５を通して前記処理室内に放射
して前記被処理基板に対向する領域にリング状のプラズ
マを発生させるマイクロ波電磁界放射手段７０６とを備
えたことを特徴とするプラズマ処理装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波により
プラズマを発生させ、ウエハ等の被処理基板に対してエ
ッチング等のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およ
びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来は、電子が磁場と垂直な平面を回転
するサイクロトロン周波数とマイクロ波の周波数を合致
させ、共鳴状態にして電子にエネルギーを供給する方法
や、マイクロ波を空洞共振器に放射してマイクロ波の振
幅を大きくし、電界強度を強めて電子にエネルギーを供
給する方法が知られている。前者は、有磁場マイクロ波
あるいはＥＣＲ（電子イオン共鳴）（Electron Cyclotr
on Resonance）法と呼ばれており、例えば特開昭５６−
１３４８０号公報により知られている。後者は、例えば
特開昭５６−９６８４１号公報、特開昭６３−１０３０
８８号公報、特開昭６３−２９３８２４号公報、特開平
１−１８７８２４号公報、特開平３−１９３３２号公
報、特開平３−９４４２２号公報により知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体集積
回路の集積度が高くなるに伴い生産性を高めるためにウ
エハと呼ばれる半導体集積回路を形成するためのシリコ
ンなどの半導体で形成された被処理基板のサイズは大き
くなってきている。次世代の集積回路では直径１２イン
チ（約３００ｍｍ）といった巨大な基板状に多くの半導
体装置を形成しなければならないといわれており、この
巨大な基板状に均一な成膜、加工等の処理を行う必要が
ある。しかしながら、上記従来技術においては、被処理
基板の大口径化に対して十分考慮されていなかった。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術の課題を解
決すべく、マイクロ波を用いたプラズマ処理において、
直径が１２インチ（約３００ｍｍ）以上になっても被処
理基板に対して半径方向に亘って均一なプラズマ処理を
行うことができるようにしたプラズマ処理装置およびそ
の方法を提供することにある。また本発明の他の目的
は、マイクロ波を用いたプラズマ処理において、直径が
１２インチ（約３００ｍｍ）以上になっても被処理基板
に対して半径方向に亘って均一なプラズマ処理を行うこ
とができ、しかもマイクロ波電力の損失を抑制してマイ
クロ波電力の有効利用を図ったプラズマ処理装置を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、マイクロ波源と、該マイクロ波源から放
射したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管と、該マ
イクロ波導波管で伝送されたマイクロ波を共振させる空
洞共振器と、被処理基板を載置する基板電極を内部に設
置した処理室と、前記空洞共振器の中心軸付近を中心に
して角度成分を有するマイクロ波電磁界を前記空洞共振
器からマイクロ波導入窓を通して前記処理室内に放射し
て前記被処理基板に対向する領域にリング状のプラズマ
を発生させるマイクロ波電磁界放射手段とを備えたこと
を特徴とするプラズマ処理装置である。また本発明は、
マイクロ波源と、該マイクロ波源から放射したマイクロ
波を伝送するマイクロ波導波管と、該マイクロ波導波管
で伝送されたマイクロ波を伝送する同軸線路部と、該同
軸線路部に同軸状に接続して同軸線路部から伝送された
マイクロ波を共振させる空洞共振器と、被処理基板を載
置する基板電極を内部に設置した処理室と、前記空洞共
振器の中心軸付近を中心にして角度成分を有するマイク
ロ波電磁界を前記空洞共振器からマイクロ波導入窓を通
して前記処理室内に放射して前記被処理基板に対向する
領域にリング状のプラズマを発生させるマイクロ波電磁
界放射手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装
置である。また本発明は、マイクロ波源と、該マイクロ
波源から放射したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波
管と、該マイクロ波導波管で伝送されたマイクロ波を伝
送する同軸線路部と、該同軸線路部の空洞共振器側に設
けられ、同軸線路部と空洞共振器との境界付近において
生じるマイクロ波電力の反射を低減する整合室と、前記
同軸線路部に前記整合室を介して同軸状に接続して同軸
線路部から伝送されたマイクロ波を共振させる空洞共振
器と、被処理基板を載置する基板電極を内部に設置した
処理室と、前記空洞共振器からマイクロ波電磁界をマイ
クロ波導入窓を通して前記処理室内に放射して前記被処
理基板に対向する領域にリング状のプラズマを発生させ
るマイクロ波電磁界放射手段とを備えたことを特徴とす
るプラズマ処理装置である。

【０００６】また本発明は、マイクロ波源と、該マイク
ロ波源から放射したマイクロ波を伝送するマイクロ波導
波管と、該マイクロ波導波管で伝送されたマイクロ波を
伝送する同軸線路部と、該同軸線路部の空洞共振器側に
設けられ、同軸線路部と空洞共振器との境界付近におい
て生じるマイクロ波電力の反射を低減する整合室と、前
記同軸線路部に前記整合室を介して同軸状に接続して同
軸線路部から伝送されたマイクロ波を共振させる空洞共
振器と、被処理基板を載置する基板電極を内部に設置し
た処理室と、前記空洞共振器の中心軸付近を中心にして
角度成分を有するマイクロ波電磁界を前記空洞共振器か
らマイクロ波導入窓を通して前記処理室内に放射して前
記被処理基板に対向する領域にリング状のプラズマを発
生させるマイクロ波電磁界放射手段とを備えたことを特
徴とするプラズマ処理装置である。また本発明は、前記
プラズマ処理装置において、前記空洞共振器はＴＭモー
ドで共振するように構成したことを特徴とする。また本
発明は、前記プラズマ処理装置において、前記空洞共振
器は円形ＴＭモードで共振するように構成したことを特
徴とする。また本発明は、前記プラズマ処理装置におい
て、前記マイクロ波電磁界放射手段をスロットアンテナ
で形成したことを特徴とする。また本発明は、前記プラ
ズマ処理装置において、前記マイクロ波電磁界放射手段
を、前記処理室内に放射されるマイクロ波電界の方向が
前記空洞共振器内の電界の方向と異なるようにスロット
アンテナで形成したことを特徴とする。また本発明は、
前記プラズマ処理装置において、前記マイクロ波電磁界
放射手段を、前記処理室内にＴＥ0n(n=1,2,3…)モード
とＴＭ0n(n=1,2,3…)モードとの合成されたマイクロ波
電磁界が放射されるスロットアンテナで形成したことを
特徴とする。また本発明は、前記プラズマ処理装置にお
いて、前記マイクロ波電磁界放射手段を、表面電流との
間において次の関係が成立するようにスロットアンテナ
で形成したことを特徴とする。前記空洞共振器に対して
外向きに正の方向を持つスロットアンテナ長軸方向の単
位ベクトルをｎ_s、表面電流ベクトルをＪとしたとき、
ｎ_sとＪを用いて定義されるベクトルＳ≡ｎ_s×（ｎ_s×
Ｊ）が空洞共振器の中心軸付近に中心を持つ同心状の渦
（マイクロ波電磁界成分）を形成する。

【０００７】また本発明は、前記プラズマ処理装置にお
ける前記処理室内において前記空洞共振器の軸方向の成
分を有する静磁界を発生させる静磁界発生装置を備えた
ことを特徴とする。また本発明は、マイクロ波源と、該
マイクロ波源から放射したマイクロ波を伝送するマイク
ロ波導波管と、該マイクロ波導波管で伝送されたマイク
ロ波を共振させるリング状の空洞共振器と、被処理基板
を載置する基板電極を内部に設置した処理室と、前記リ
ング状の空洞共振器からマイクロ波電磁界をマイクロ波
導入窓を通して前記処理室内に放射して前記被処理基板
に対向する領域にリング状のプラズマを発生させるマイ
クロ波電磁界放射手段とを備えたことを特徴とするプラ
ズマ処理装置である。また本発明は、マイクロ波源と、
該マイクロ波源から放射したマイクロ波を伝送するマイ
クロ波導波管と、該マイクロ波導波管で伝送されたマイ
クロ波を共振させるリング状の空洞共振器と、被処理基
板を載置する基板電極を内部に設置した処理室と、前記
リング状の空洞共振器の中心軸を中心にして角度成分を
有するマイクロ波電磁界を前記リング状の空洞共振器か
らマイクロ波導入窓を通して前記処理室内に放射して前
記被処理基板に対向する領域にリング状のプラズマを発
生させるマイクロ波電磁界放射手段とを備えたことを特
徴とするプラズマ処理装置である。

【０００８】また本発明は、前記プラズマ処理装置にお
いて、前記処理室内に、前記被処理基板と対向して接地
または高周波電力を給電する電極部材を設置したことを
特徴とする。また本発明は、前記プラズマ処理装置にお
ける前記処理室内において、前記被処理基板と対向して
前記リング状の空洞共振器の中心軸部に接地または高周
波電力を給電する電極部材を設置したことを特徴とす
る。また本発明は、前記プラズマ処理装置における前記
処理室内において前記空洞共振器の軸方向の成分を有す
る静磁界を発生させる静磁界発生装置を備えたことを特
徴とする。また本発明は、前記プラズマ処理装置におい
て、前記処理室内に、前記被処理基板と対向して接地ま
たは高周波電力を給電する電極部材を設置し、該電極部
材を温度制御するように構成したことを特徴とする。ま
た本発明は、前記プラズマ処理装置において、前記被処
理基板と対向して前記リング状の空洞共振器の中心軸部
に設置された部材から前記処理室内に処理ガスを供給す
るように構成したことを特徴とする。また本発明は、前
記プラズマ処理装置において、前記マイクロ波電磁界放
射手段をスロットアンテナで形成したことを特徴とす
る。また本発明は、前記プラズマ処理装置において、前
記マイクロ波電磁界放射手段を、前記処理室内に放射さ
れるマイクロ波電界の方向が前記空洞共振器内の電界の
方向と異なるようにスロットアンテナで形成したことを
特徴とする。

【０００９】また本発明は、空洞共振器の中心軸付近を
中心にして角度成分を有するマイクロ波電磁界を前記空
洞共振器からマイクロ波導入窓を通して処理室内に放射
して被処理基板に対向する領域にリング状のプラズマを
発生させ、この発生したリング状のプラズマにより前記
被処理基板に対してプラズマ処理を施すことを特徴とす
るプラズマ処理方法である。以上説明したように、本発
明は、プラズマ処理室内のプラズマ密度分布、高周波電
磁界分布、処理室内のガスの流れ等を最適化することに
特徴がある。ところで、プラズマ処理の均一性はプラズ
マを構成する各種粒子の密度ならびにエネルギー分布に
より決まると考えられる。プラズマを構成する粒子とし
てイオン、電子、プラズマ中で発生する活性種、基板上
の化学反応により生成される反応生成物がある。これら
各種粒子の密度ならびにエネルギー分布を最適化（制
御）するには、プラズマ発生に用いるエネルギーの分
布、外部より供給する雰囲気ガス流の分布、荷電粒子を
加速するために与える電位の分布、処理室壁面の温度、
処理室に加える静磁界を最適化（制御）することによっ
て実現することができる。即ち、プラズマ発生に用いる
エネルギーの分布最適化によるイオン、電子、活性種の
発生分布の最適化、雰囲気ガス流の最適化による各種粒
子の発生源である雰囲気ガスの密度の最適化、荷電粒子
を加速するために与える電位分布の最適化による荷電粒
子のエネルギーの最適化を行うことができる。

【００１０】従って、本発明によれば、マイクロ波を用
いたプラズマ処理において、直径が１２インチ（約３０
０ｍｍ）以上になっても被処理基板に対して半径方向に
亘って均一なプラズマ処理を行うことができる。また本
発明によれば、マイクロ波を用いたプラズマ処理におい
て、直径が１２インチ（約３００ｍｍ）以上になっても
被処理基板に対して半径方向に亘って均一なプラズマ処
理を行うことができ、しかもマイクロ波電力の損失を抑
制してマイクロ波電力の有効利用を図ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を用いて説明する。まず、本発明に係るプラズマ発生領
域をリング状に制御することの意義について図１を用い
て説明する。図１（ａ）はプラズマ発生が平板状の領域
で均一に起きる場合のプラズマ処理装置の処理室を模式
的に示す。平板状のプラズマ発生領域１４０１で発生し
たプラズマを構成する粒子は中性ガス分子との衝突など
により処理室１０３中に拡散していく。処理室壁面１４
０３でプラズマは消失することから側壁近くで密度は低
下する。従って密度分布は被処理基板１０６の近傍では
中心部で密度が高く周囲で低いいわゆる凸型の分布にな
りやすい傾向にある。被処理基板１０６に均一なプラズ
マ処理を行うには被処理基板１０６直上でほぼ均一なプ
ラズマ密度であることが望ましい。これを実現するには
壁面１４０３での損失を減らすか、または密度が高くな
る中心部のプラズマ発生領域をなくす等の方法が考えら
れる。図１（ｂ）は中心部のプラズマ発生領域をなくし
たリング状のプラズマ発生領域１４０５をもつ場合を示
す。この場合において、発生領域１４０５と被処理基板
１０６との距離やプラズマ発生領域１４０５のリング径
等を制御（調整）することによって被処理基板１０６付
近に均一なプラズマ密度分布を実現することができる。

【００１２】まず、本発明に係わる第１の実施の形態に
ついて図２乃至図１３を用いて説明する。ところで、閉
じた空間内にプラズマが存在する場合、壁面１４０３で
プラズマが損失するため、空間の中心部で高く周囲で低
いプラズマ密度分布となりやすい傾向にある。プラズマ
処理装置に用いられるプラズマの場合も同様の傾向があ
り、プラズマ処理の不均一をもたらす原因の一つとなる
場合がある。これを防止するには処理室壁面１４０３へ
のプラズマ損失を低減するプラズマ発生量を損失の原因
である壁面付近で多くなるように設定するなどの方策が
考えられる。円盤状の被処理基板１０６が処理対象とな
る場合、円筒形のプラズマ処理室１０３を用いることが
自然であり、この場合円筒側壁１４０３でのプラズマ損
失がプラズマ処理１０３の基板内均一性に影響を与え
る。プラズマ発生量の分布によって被処理基板付近のプ
ラズマ不均一を緩和するには側壁近傍で高く中心部で低
いリング状の発生量分布に調整する必要がある。角型の
処理室を用いた場合も同様に処理室壁面近傍で高く中心
部で低いリング状の発生量分布に調整する必要がある。
プラズマの発生量は発生用エネルギーの消費量と正の相
関がある。プラズマ発生用エネルギーの消費量はエネル
ギーの供給量と損失の割合で決まる。損失の割合がほぼ
空間的に一定であればエネルギーの供給量によりほぼプ
ラズマ発生量は決まる。従って側壁近傍で高く中心部で
低いリング状のプラズマ発生量分布に調整するにはプラ
ズマに供給するエネルギーの分布をリング状にすること
が重要となる。

【００１３】プラズマ発生エネルギー源としてマイクロ
波を用いる。リング状の電力分布を得るのにリング状の
空洞共振器１０１を用いることができる。自由空間での
波長λが１０ｃｍ程度のマイクロ波は空洞共振器１０１
内の電磁界もオーダー的に１０ｃｍ程度の周期で強弱を
示す分布をとりやすくなる傾向がある。被処理基板１０
６の直径Ｄが例えば１０インチ（約２５４ｍｍ）、１２
インチ（約３０５ｍｍ）と順次大きくなったとき、リン
グ状空洞共振器１０１もこれとオーダー的に同程度の大
きさが必要となる。従ってリング状空洞共振器１０１と
して内部の電磁界が数個から十数個程度のピークを持つ
分布になるリング状空洞共振器を用いることになる。な
お、本発明においては、被処理基板１０６の直径が例え
ば１０インチ（約２５４ｍｍ）、１２インチ（約３０５
ｍｍ）と順次大きくなったときでも、半径方向に亘って
均一のプラズマ処理が行えるように、中心部が凹のリン
グ状プラズマを発生できれば良く、後述するように必ず
しもリング状空洞共振器を用いる必要はない。図２に本
発明に係るリング状空洞共振器を用いたエッチング装置
の断面図を示す。図示しないマイクロ波発生源により供
給されたマイクロ波電力は図示しないアイソレータ、図
示しない整合器を介して方形導波管１００によりリング
状空洞共振器１０１に伝送される。リング状空洞共振器
１０１にはマイクロ波の放射孔１０２が設けられ、処理
室１０３にマイクロ波導入窓１０４を介してマイクロ波
を放射する。リング状空洞共振器１０１はマイクロ波電
力の損失を低減するため導電率の高い物質例えばアルミ
ニウムや銅などでできている。マイクロ波導入窓１０４
はマイクロ波に与える損失が少なく、かつプラズマ処理
に悪影響をおよぼしにくい材質として例えば石英、アル
ミナセラミックなどの誘電体でできている。またマイク
ロ波導入窓１０４はリング状の形状となっている。マイ
クロ波導入窓１０４から処理室１０３内に放射されたマ
イクロ波によりプラズマが処理室１０３内に発生する。

【００１４】円盤状部品１０５はマイクロ波導入窓１０
４に囲まれて設置される。このため円盤状部品１０５に
は、リング状空洞共振器１０１の軸心部を通して電力や
処理ガスや冷媒等を供給することが可能となる。従っ
て、円盤状部品１０５は図示しない温度制御機構により
処理に適した温度に加熱あるいは冷却することができ
る。円盤状部品１０５を加熱する場合には、円盤状部品
１０５内に例えばヒータを埋め込むことによって円盤状
部品１０５の加熱を実現することができる。また円盤状
部品１０５を冷却する場合には、円盤状部品１０５内に
例えば水等の冷媒を通す通路を埋め込むことによって円
盤状部品１０５の冷却を実現することができる。

【００１５】またガス供給機構１１０を円盤状部品１０
５に接続することによって、処理に適した１種類または
複数種類の雰囲気ガスを所定の流量処理室１０３に供給
することができる。また円盤状部品１０５に高周波電力
を給電し、発生するプラズマを調整することもできる。
処理室１０３には図示しない排気系が接続され、排気量
ならびに雰囲気ガスの供給量を制御することにより処理
室１０３は処理に適した圧力に保持されている。また円
盤状部品１０５は電気的に接地することもでき、被処理
基板１０６に整合器１０７を介して接続された例えば周
波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源１０８によって供給
される高周波の接地電極として動作させることができ
る。被処理基板１０６は、例えば１０インチ（約２５４
ｍｍ）、１２インチ（約３０５ｍｍ）、それ以上の直径
を有する円盤状基板である。処理室１０３を取り囲むよ
うに複数の静磁界発生装置１０９ａ、１０９ｂが設置さ
れ、処理室内に電子サイクロトロン共鳴現象を起こす程
度の大きさの静磁界Ｈ_Sを発生させることができる。静
磁界Ｈ_Sは被処理基板１０６に対してほぼ垂直な方向に
発生させる。マイクロ波の周波数ｆが２．４５ＧＨｚの
場合、電子サイクロトロン共鳴現象を起こす静磁界Ｈ_S
の大きさは０．０８７５テスラとなる。複数の静磁界発
生装置１０９ａ、１０９ｂが電磁石である場合、電磁石
に流す電流の大きさを調整することにより処理室１０３
内の静磁界分布を制御でき、電子サイクロトロン共鳴を
起こす大きさの静磁界となる位置を制御することができ
る。その他の静磁界発生装置を用いた場合にも、例えば
静磁界発生装置と処理室の位置関係を調整することによ
り処理室１０３内の静磁界を制御することができる。と
ころで、電子サイクロトロン共鳴現象を用いたプラズマ
処理装置でマイクロ波電力は電子サイクロトロン共鳴を
起こす場所で強く吸収され、プラズマは主としてこの場
所で発生する。静磁界を制御することでプラズマの発生
領域を制御できる。またプラズマ中の電子は静磁界に垂
直方向の移動が抑制される。そのため静磁界を調整する
ことによりプラズマ中電子の拡散を制御することができ
る。

【００１６】リング状共振器１０１について図３から図
８を用いて説明する。図３にリング状共振器の模式図並
びに座標系を示す。図３のようにリングの内半径をａ、
外半径をｂ、高さをｈとする。ところで、リング状共振
器１０１内部には、ｚ方向の電界Ｅ_TEM、磁界Ｈ_TEMを持
たないＴＥＭモードと呼ばれる電磁界、ｚ方向の磁界成
分Ｈ_TMを持たない（ｚ軸と垂直な面内に磁界成分Ｈ_TMを
有する）ＴＭ（Transverse Magnetic）モードと呼ばれ
る電磁界、ｚ方向の電界成分Ｅ_TEを持たない（ｚ軸と垂
直な面内に電界成分Ｅ_TEを有する）ＴＥ（Transverse E
lectric）モードと呼ばれる３種類の電磁界が存在でき
る。リング状共振器１０１のサイズ（ａ、ｂ、ｈ）は、
３種類のモードの各々において以下の式を満足する。ＴＥＭモードの場合：ｈ＝πｆ／ｃ（ａ、ｂには制限なし）ＴＥモードの場合：Ｊ_m'(ｋ_cａ)Ｎ_m'(ｋ_cｂ)−Ｊ_m'(ｋ_cｂ)Ｎ_m'(ｋ_cａ)＝０（π／ｈ）²＝（２πｆ／ｃ）²−ｋ_c ² ＴＭモードの場合：Ｊ_m(ｋ_cａ)Ｎ_m(ｋ_cｂ)−Ｊ_m(ｋ_cｂ)Ｎ_m(ｋ_cａ)＝０（π／ｈ）²＝（２πｆ／ｃ）²−ｋ_c ² ただし、ｆ：マイクロ波の周波数、π：円周率、ｃ：光
速、Ｊ_m(ｒ)：ｍ次ベッセル関数、Ｎ_m(ｒ)：ｍ次ノイマ
ン関数、Ｊ_m'(ｒ)≡ｄＪ_m(ｒ)／ｄｒ、Ｎ_m'(ｒ)≡ｄＮ_m
(ｒ)／ｄｒとする。

【００１７】ここでＴＥ、ＴＭモードについてベッセル
関数、ノイマン関数の次数ｍは角度方向の変化の数を示
す。ｍ次の場合角度方向ｑに２ｍ個のピークが存在する
電磁界分布となる。ＴＥ、ＴＭモードの場合どちらも
ａ、ｂを与えた場合、上式を満足するｋcは複数存在
し、ｋcの絶対値の小さいほうから１番、２番と番号を
与えるとｋcに付与された番号はは半径方向（ｒ方向）
の電磁界の変化の回数を示す。このｋcに付与された番
号をｎとする。上記ｍ、ｎでＴＥ、ＴＭの各モードは特
徴付けられ、以下このモードをＴＥmnモード、ＴＭmnモ
ードと呼ぶことにする。

【００１８】図４（ａ）には、ＴＥ61モードの電界Ｅ_TM
を模式的に示す。図４（ｂ）は図４（ａ）に示すリング
状空洞共振器１０１のＡ−Ａ’断面におけるＴＥ61モー
ドの電界Ｅ_TEを示す。ＴＥモードの電界Ｅ_TEは、リング
状共振器の軸（ｚ方向）と垂直な面内（半径方向（ｒ方
向））にしか存在しない。ＴＥモードの磁界Ｈ_TEは、上
記電界Ｅ_TEに対して直角に発生する。同様に図５（ａ）
には、ＴＭ61モードの電界Ｅ_TMを模式的に示す。図５
（ｂ）は図５（ａ）に示すリング状空洞共振器１０１の
Ａ−Ａ’断面におけるＴＭ61モードの電界Ｅ_TMを示す。
ＴＭモードの電界Ｅ_TMはリング状共振器に対して軸方向
（ｚ方向）の成分のみを持つ。ＴＭモードの磁界Ｈ
_TMは、上記電界Ｅ_TMに対して直角に発生する。図６に
は、ＴＥＭモードの電界Ｅ_TEMおよび磁界Ｈ_TEMを模式的
に示す。ＴＥＭモードの電界Ｅ_TEMは半径方向（ｒ方
向）成分のみを持ち、磁界Ｈ_TEMは角度方向（ｑ方向）
成分のみを持つ。ＴＥＭモードの電磁界は角度方向（ｑ
方向）に一様である。

【００１９】ＴＥＭモードは、概略波長λに比べサイズ
が大きいリング状空洞共振器１０１の場合、角度方向
（ｑ方向）に電磁界が変化する他のモード（ＴＥモード
やＴＭモード）が混入しやすく、ＴＥＭモードのみを得
ることが困難となる。即ち図７に示すように方形導波管
１００を使って励振する場合、方形導波管１００の内部
の電界は中心部で強く、端で弱く変化する。そのため、
方形導波管１００にリング状空洞共振器１０１を接続し
た場合、方形導波管１００内の電界変化がリング状空洞
共振器１０１の角度方向に現われることになり、ＴＥＭ
モードのみを得ることが困難となる。また電子サイクロ
トロン共鳴現象はマイクロ波の電界Ｅと図２に示す如く
複数の静磁界発生装置１０９ａ、１０９ｂによる静磁界
Ｈ_S（ｚ方向）とが直交する場合に発生するため、電子
サイクロトロン共鳴現象を利用する場合にはＴＥモード
（電界Ｅが空洞共振器１０１の半径方向（ｒ方向）に生
じるため）の方が、ＴＭモード（電界Ｅが空洞共振器１
０１の軸方向（ｚ方向）に生じるため）に比べて有利と
なる。

【００２０】一方ＴＭモードの場合、軸方向（ｚ方向）
に電磁界の変化がなく、共振器高さｈを小さくできるモ
ードが存在するため装置の小型化に有利である。次に示
す表１にマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合の
ＴＥm1モードのリング状空洞共振器のサイズを求めた例
を示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】同様に次に示す表２にマイクロ波の周波数
が２．４５ＧＨｚの場合のＴＭm1モードの軸方向に電磁
界の変化のない場合についてリング状共振器のサイズ求
めた例を示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】ＴＥm1モードを方形導波管１００により励
振する方法の例を図８（ａ）〜（ｊ）に示す。それぞれ
上面図、側面図を１組に断面で示す。図８（ａ）はリン
グ状空洞共振器１０１に対して方形導波管１００を接線
方向に接続した場合を示す。図８（ｂ）はリング状空洞
共振器１０１の外周のある個所に対して方形導波管１０
０を接続した場合を示す。図８（ｃ）はリング状空洞共
振器１０１の外周のある個所に対して高さ方向から方形
導波管１００を接続した場合を示す。図８（ｄ）はリン
グ状空洞共振器１０１の外周のある個所に対して高さ方
向から接線方向に延びた方形導波管１００を接続した場
合（図８（ａ）と図８（ｃ）とを組み合わせた場合）を
示す。図８（ｅ）は図８（ｂ）と同様にしてリング状空
洞共振器１０１の外周のある個所に対して方形導波管１
００を接続し、リング状空洞共振器１０１の一端を閉じ
た場合を示す。図８（ｆ）はリング状空洞共振器１０１
の外側に対して方形導波管１００を接線方向に接続し、
マイクロ波を半径方向に導入する場合を示す。図８
（ｇ）はリング状空洞共振器１０１の内周の２ヵ所か
ら、高さ方向から軸心に導かれるマイクロ波を半径方向
に導入するように方形導波管１００を接続した場合を示
す。図８（ｈ）はリング状空洞共振器１０１の内周の１
ヵ所から高さ方向から軸心に導かれるマイクロ波を半径
方向に導入するように方形導波管１００を接続した場合
を示す。図８（ｉ）は図８（ｇ）と同様にリング状空洞
共振器１０１の内周の２ヵ所から、高さ方向から軸心に
導かれるマイクロ波を導入するようにリング状空洞共振
器１０１より高さを細くした部分を有する方形導波管１
００を接続した場合を示す。図８（ｊ）はリング状空洞
共振器１０１の上端の２ヵ所から、高さ方向から軸心に
導かれるマイクロ波を半径方向に導波して導入するよう
に方形導波管１００を接続した場合を示す。図８（ａ）
〜（ｊ）には１０種の例を示したが方形導波管１００の
電磁界分布とＴＥm1モードの電磁界分布とが接続面で類
似した分布であれば励振は可能であり、これらの励振方
法に限定されるものではない。

【００２５】ＴＭm1モードを励振する方法も接続面の空
洞共振器１０１と励振側導波管１００の電磁界整合性を
考慮して同様に立案することができる。リング状空洞共
振器１０１のマイクロ波導入窓１０４に接する面には、
電磁界の結合孔１０２が設けられており、マイクロ波を
導入窓１０４を介して処理室１０３内に放射する。とこ
ろで、空洞共振器１０１にマイクロ波を放射するための
結合孔１０２を設ける際には、マイクロ波磁界と平行に
結合孔１０２をスロット状に設けると効率良く電磁波を
放射することができる。マイクロ波電力損失低減のため
に空洞共振器１０１は導電率の高い物質で作るため、空
洞共振器１０１の内面でマイクロ波磁界Ｈは内面に対し
て平行となりかつ電界Ｅと垂直となる。図９（ＴＥ41モ
ードの場合を示す。）に示すように、磁界Ｈとスロット
１０２の角度θを調整して空洞共振器１０１内の電磁界
とマイクロ波導入窓１０４および処理室１０３との電磁
的な結合の強さを調整することができる。空洞共振器１
０１とマイクロ波導入窓１０４および処理室１０３との
電磁的な結合が強すぎると空洞共振器電磁界の所望モー
ドからのずれが大きくなる。結合孔１０２としてのスロ
ットのマイクロ波磁界に対する角度θを調整して電磁的
な結合の強さを調整し、空洞共振器１０１内の電磁界を
所望モードに維持しつつ、効率良くマイクロ波を処理室
１０３内に放射することができる。何れにしても、設計
段階において、結合孔１０２としてのスロットのマイク
ロ波磁界に対する角度θの最適化をはかる必要が有る。

【００２６】空洞共振器１０１内の電磁界とマイクロ波
導入窓１０４および処理室１０３の電磁的な結合の強さ
を調整する他の方法としてスロットの長さを制御する方
法が有る。スロットの長さを短くすると電磁的な結合は
弱くなり、長くすると強くすることができる。リング状
空洞共振器１０１におけるＴＥm1モードの場合、図９
（ＴＥ41モードの場合を示す。）に示すように中心軸に
垂直な面ではマイクロ波磁界Ｈ_TEは半径方向（ｒ方向）
成分を持たない。そのため結合孔１０２としてのスロッ
トの長軸方向と半径方向（ｒ方向）のなす角度θが小さ
いとき、空洞共振器１０１内電磁界とマイクロ波導入窓
１０４および処理室１０３との電磁的な結合が大きくな
る。そして、結合孔１０２としてのスロットをハの字形
状に形成することによって、隣接するスロットから放射
されるマイクロ波の電磁界の内、半径方向の成分は相殺
されて（打ち消し合わされて）、角度（ｑ方向）成分が
残された形、即ちＴＥ0n(n=1,2,3…)モードを主体とす
る電磁界がマイクロ波導入窓１０４を通して処理室１０
３内に放射されることになり、その結果中心部が凹とな
るリング状のプラズマを発生することになり、被処理基
板１０６の径Ｄが例えば１０インチ（約２５４ｍｍ）、
１２インチ（約３０５ｍｍ）、それ以上の大きさになっ
て、処理室壁面１４０３でプラズマが消失されたとして
も、被処理基板１０６の半径方向に亘って均一なプラズ
マ処理、例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源１
０８から供給される高周波電力によってエッチング処理
を行うことができる。

【００２７】リング状空洞共振器１０１におけるＴＭm1
モードの場合のマイクロ波電界および空洞共振器底面を
流れる表面電流を図１０（ＴＭ61モードの場合を示
す。）に模式的に示す。マイクロ波電界Ｅ_TMは、軸方向
（ｚ方向）成分のみを持ち、定在の腹が角度方向（ｑ方
向）にできる。また空洞共振器１０１の底面を流れる表
面電流は、電界定在波の腹の位置を中心に放射状に流れ
る。そこで、図１０（ＴＭ61モードの場合を示す。）
は、電界定在波の腹と腹との間に結合孔１０２としての
スロットを表面電流に垂直、かつ空洞共振器１０１の中
心に対して放射状に設けた場合を示す。図１０に示すス
ロット１０２からは、主にＴＥ61モードの電磁界がマイ
クロ波導入窓１０４を通して処理室１０３内に放射され
ることになり、その結果スロット１０２の先にできるス
ポットがつながって、中心部が凹となるリング状のプラ
ズマを発生することが可能となる。

【００２８】図１１（ＴＭ61モードの場合を示す。）
は、スロット１０２を一つおきに設けた場合を示す。こ
の場合には、スロット１０２からは、主にＴＥ0n(n=1,
2,3…)モードを主体とする電磁界がマイクロ波導入窓１
０４を通して処理室１０３内に放射されることになり、
その結果中心部が凹となるリング状のプラズマを発生す
ることになり、被処理基板１０６の径Ｄが例えば１０イ
ンチ（約２５４ｍｍ）、１２インチ（約３０５ｍｍ）、
それ以上の大きさになって、処理室壁面１４０３でプラ
ズマが消失されたとしても、被処理基板１０６の半径方
向に亘って均一なプラズマ処理、例えば周波数１３．５
６ＭＨｚの高周波電源１０８から供給される高周波電力
によってエッチング処理を行うことができる。

【００２９】マイクロ波導入窓１０４について図２を用
いて説明する。マイクロ波導入窓１０４もリング状の形
状となっている。空洞共振器１０１から結合孔１０２を
介して放射されたマイクロ波はマイクロ波導入窓１０４
の中心軸に対して、平行な面と垂直な面から処理室１０
３内に放射される。円盤状部品１０５を導電率の高い物
質で作ると、マイクロ波は円盤状部品１０５の表面で反
射される。円盤状部品１０５の厚さｔを調整することで
マイクロ波導入窓１０４の中心軸に対して平行な面の処
理室にさらされる面積を調整でき、マイクロ波導入窓１
０４の２つの面から放射されるマイクロ波電力の割合を
調整できる。すなわち円盤状部品１０５の厚さｔをマイ
クロ波導入窓１０４とほぼ同じ厚さにするとマイクロ波
導入窓１０４の中心軸にたいし平行な面を完全に遮蔽す
ることになり、この面から放射されるマイクロ波電力を
なくすことができる。また円盤状部品１０５の厚さｔを
薄くし、中心軸にたいし平行な面を処理室１０３に多く
露出することでこの面からのマイクロ波の放射の割合を
大きくすることができる。マイクロ波導入窓１０４の上
記２つの面からのマイクロ波電力の放射の割合を制御す
ることで処理室１０３内のマイクロ波電力の分布を調整
でき、プラズマ発生量の分布を調整することができる。

【００３０】即ち、マイクロ波導入窓１０４の厚さｔを
調整することによりマイクロ波導入窓１０４からプラズ
マに供給されるマイクロ波電力を最適化することができ
る。マイクロ波導入窓１０４から見た負荷としてのプラ
ズマのインピーダンスに応じてマイクロ波導入窓１０４
の厚さｔをマイクロ波の半波長の整数倍の厚さに対して
厚さを増すあるいは減らす方向に調整してインピーダン
ス整合をはかり、透過電力を最適化することができる。
このようにマイクロ波導入窓１０４の厚さｔについて
も、設計段階において最適化しておくことが必要とな
る。次に円盤状部品１０５の接地電極としての働きにつ
いて図２を用いて説明する。プラズマ中の高周波電流は
質量が小さく、高周波電界に追随しやすい電子電流が主
体となる。しかし図２に示す如く複数の静磁界発生装置
１０９ａ、１０９ｂによる静磁界Ｈ_Sを加えるとこの静
磁界により静磁界と垂直方向の電子の移動は抑制され、
この方向に高周波電流が流れにくくなる。従って高周波
電流は主に静磁界Ｈ_Sにそって流れる。円盤状部品１０
５は、被処理基板１０６と対向して設置されており、静
磁界Ｈ_Sは被処理基板１０６とほぼ垂直に加えるため、
被処理基板１０６に加えられた高周波により流れる電流
は被処理基板１０６と円盤状部品１０５のあいだをほぼ
均一に流れる。従って、直径Ｄが例えば１０インチ（約
２５４ｍｍ）、１２インチ（約３０５ｍｍ）、それ以上
の大きな被処理基板１０６に対しても、周囲と中央付近
で流れる高周波電流の大きさはほぼ同じであり、被処理
基板１０６に加えられる高周波の影響を均一にすること
ができる。

【００３１】そのほか、円盤状部品１０５からガス供給
を行うことができ、処理室１０３内のガスの流れを均一
にすることができる。次に第１の実施の形態における変
形例を図１２および図１３を用いて説明する。この変形
例は、マイクロ波導入窓１０４の形状を変え、リング状
空洞共振器１０１に設けた結合孔をリング状空洞共振器
１０１の中心軸に対して垂直な面および平行な面に形成
した場合である。その他の部分の役割については図２に
示す実施の形態と同様であり説明の一部を省略する。こ
の変形例では、リング状空洞共振器１０１の中心軸に対
して垂直な面に結合孔１０２を設け、平行な面に結合孔
１０２’を設ける。ＴＥm1モード(m=1,2,3)を用いた場
合を例にとり説明する。図４（ａ）に示すように、中心
軸に対して平行な面で図３におけるｚ＝ｈ／２の位置で
マイクロ波磁界Ｈ_TEはｚ方向成分のみを持つ。従って、
ｚ＝ｈ／２の位置に角度方向（ｑ方向）に結合孔１０
２’として幅の小さなスロットを設けても電磁的な結合
は小さくマイクロ波はほとんど放射されない。ｚ＝ｈ／
２の位置からずれた位置ではそのずれの大きさに応じて
マイクロ波磁界Ｈ_TEは角度方向（ｑ方向）成分を持つよ
うになる。従って、図１３に示すように、中心軸に平行
な面で角度方向に設ける結合孔１０２’としてのスロッ
ト位置のｚ座標の大きさに応じてマイクロ波放射の割合
を調整することができる。中心軸に垂直な面に設ける結
合孔１０２’の電磁的な結合の強さは上述の実施の形態
で述べた方法（スロットの長手軸を軸方向に対して角度
θを付け、この角度θを変えることまたはスロットの長
さを変えること）で調整できる。リング状空洞共振器１
０１の中心軸に平行な面に設ける結合孔１０２’の電磁
的な結合の強さと、リング状空洞共振器１０１の中心軸
に垂直な面に設ける結合孔１０２の電磁的な結合の強さ
とが上記のように独立に調整できるため、この２つの面
からマイクロ波導入窓１０４を通して処理室１０３に放
射されるマイクロ波電力の割合を調整することができ
る。何れにしても、設計段階において２つの面からマイ
クロ波導入窓１０４を通して処理室１０３に放射される
マイクロ波電力の割合が最適化されるように結合孔１０
２、１０２’を決めておくことが必要となる。

【００３２】次に本発明に係る第２の実施の形態につい
て図１４乃至図２２を用いて説明する。第２の実施の形
態は第１の実施の形態と比べマイクロ波立体回路部分、
マイクロ波導入窓部分が異なる以外は同様の構成となっ
ている。両者で共通する部分について説明の一部を省略
する。図示しないマグネトロン管などのマイクロ波源か
ら放射されたマイクロ波は図示しないアイソレータ、整
合器を介して方形導波管により同軸導波管変換器７０１
に伝送される。同軸導波管変換器７０１は少ない電力損
失でマイクロ波電力を方形導波管から同軸線路に伝える
ことができる。同軸線路部７０２の先端には整合室７０
３が設けられ空洞共振器７０４と同軸部７０２の境界で
生じるマイクロ波電力の反射を防止し、効率良く空洞共
振器７０４内にマイクロ波電力を伝送する。図１６に示
すように整合室７０３の高さＬをマイクロ波の波長λの
１／４にすることによって反射波が合成される際、半波
長位相がずれることによって相殺されて（打ち消し合っ
て）マイクロ波電力の反射を抑制することができる。即
ち、整合室７０３は、インピーダンスの異なる線路を挿
入してインピーダンス整合作用を持たせるようにすれば
よく、図１４に示す構成に限定されるものではない。即
ち、整合室７０３として、例えば図１５に示す構造で構
成してもよい。図１５（ａ）は整合室７０３を内部導体
径および外部導体径が上部の同軸線路７０２と異なる同
軸線路で構成した場合を示す。図１５（ｂ）は整合室７
０３を内外径の異なる同軸線路を接続した構造を示す。
図１５（ｃ）は整合室７０３を円形導波管で構成した場
合を示す。図１５（ｄ）は整合室７０３を同軸線路の外
部導体径を絞る板により構成した場合を示す。図１５
（ｅ）は整合室７０３を内部導体径のみが異なる同軸線
路で構成した場合を示す。図１５（ｆ）は図１５（ｄ）
に示す板を複数枚設置した場合を示す。また整合室７０
３の高さＬも１／４波長に限定されるものではなく、マ
イクロ波導入窓７０５、プラズマ等で発生する反射波が
含まれる割合が大きい場合には１／４波長より若干ずれ
た長さで反射電力を極小に抑えることができる場合があ
る。

【００３３】ところで、マイクロ波（電磁波）は、媒質
の定数や境界が不連続に変化する部分があるとそこで電
力の一部が反射される。空洞共振器７０４を励振するた
めに導波路を接続すると接続面で反射が生じ、マイクロ
波電力を効率良く処理室１０３内に伝送することに悪影
響を与える。そこで接続部に整合室７０３を設け整合室
の直径、高さを最適化し、反射波を打ち消すことによ
り、全体としてマイクロ波電力を処理室１０３内に効率
良く伝送することができる。以上説明したように、マイ
クロ波電力を、方形導波管から少ない電力損失で同軸導
波管変換器７０１を介して同軸線路部７０２に伝え、整
合室７０３により空洞共振器７０４と同軸部７０２の境
界で生じるマイクロ波電力の反射を防止して効率良く空
洞共振器７０４内に伝送し、空洞共振器７０４に対して
角度方向（ｑ方向）に電磁界が変化しない例えば円形Ｔ
Ｍ011モードと呼ばれるモードで共振させることができ
る。

【００３４】空洞共振器７０４は、例えば円形ＴＭ011
モードと呼ばれるモードで共振するサイズになるよう構
成されている。空洞共振器７０４はアルミニウム、銅な
どの導電率の高い金属でできており、マイクロ波電力の
損失を防止している。空洞共振器７０４のマイクロ波導
入窓７０５側には結合孔７０６が設けられ、マイクロ波
導入窓７０４を介して処理室１０３内にマイクロ波を放
射する。マイクロ波導入窓７０４の材質はマイクロ波の
損失が小さく、プラズマ処理に悪影響を与えない例えば
石英、アルミナセラミックスなどが用いられる。処理室
１０３の周囲には静磁界発生装置１０９ａ、１０９ｂが
設置されており、図２と同様に処理室１０３内に電子サ
イクロトロン共鳴現象を発生させる程度の静磁界Ｈ_Sを
加えることができる。電子サイクロトロン共鳴とは静磁
界中でサイクロトロン運動をする電子の回転周期と外部
から加える電磁波の周期が一致したとき電磁波のエネル
ギーが電子の運動エネルギーに共鳴的に変換される現象
をいう。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合電
子サイクロトロン共鳴を起こす静磁界の大きさは０．０
８７５テスラとなる。ところで、図１４に示す７０７
は、被処理基板１０６を載置した基板電極の周囲に設置
され、アルミに対してアルマイト処理された接地電極で
ある。処理室１０３内は、異物等が生じないように石英
カバーで覆われている。従って、空洞共振器７０４の底
部に設けられた結合孔７０６からリング状のマイクロ波
電磁界が、マイクロ波導入窓７０５を通して処理室１０
３内に放射され、静磁界発生装置１０９ａ、１０９ｂに
よる静磁界Ｈ_Sによって電子サイクロトロン共鳴現象を
発生させて中心部が凹となるリング状のプラズマを発生
させ、接地電極７０７と被処理基板１０６を載置した基
板電極との間に高周波電源１０８による高周波電力を供
給して被処理基板１０６に対してプラズマ処理であるエ
ッチング処理が施されることになる。

【００３５】更に空洞共振器７０４について説明する。
空洞共振器７０４は例えば円形ＴＭ011モードと呼ばれ
る電磁界で共振するサイズに構成されている。理論的に
円形ＴＭ011モードの電磁界は以下のように表現できる
ことが知られている。図１７には、円形ＴＭ011モード
における軸方向電界Ｅ_zを示す。Ｅ_r＝−(ｋ_z／ｋ_c)Ｅ₀₁₁Ｊ₀'(ｋ_cｒ)sinｋ_zｚＥ_q＝０Ｅ_z＝Ｅ₀₁₁Ｊ₀(ｋ_cｒ)cosｋ_zｚＨ_r＝０Ｈ_q＝−（ｊωε／ｋ_c）Ｅ₀₁₁Ｊ₀'(ｋ_cｒ)cosｋ_zｚＨ_z＝０ただし、ｒ：円筒空洞共振器中心軸からの距離、ｚ：円
筒空洞共振器底面からの距離、Ｅ_r：半径方向電界、
Ｅ_q：角度方向電界、Ｅ_z：軸方向電界、Ｈ_r：半径方向
磁界、Ｈ_q：角度方向磁界、Ｈ_z：軸方向磁界、Ｅ₀₁₁：
定数、ｋ_c＝２．４０５／ａ（ａ：空洞共振器の半
径）、Ｊ₀(ｒ)：零次ベッセル関数、ｋ_z：軸方向波数
（ｋ_z ²＝ｋ_c ²＋(ω／ｃ)²（ω：電磁波の角周波数、
ｃ：光速））、ε：空洞共振器内の誘電率、ｊ：虚数単
位、Ｊ₀'(ｒ)＝ｄＪ₀(ｒ)／ｄｒである。例えば円形Ｔ
Ｍ011モードは、角度方向（ｑ方向）に電磁界が変化し
ないため、角度方向に均一にマイクロ波を放射するのに
有利である。円形ＴＭ011モードを励振するには接続面
で上記電磁界に類似した電磁界となるよう接続された導
波路を用いることが必要となる。本実施の形態では、同
軸線路７０２を空洞共振器７０４中央に接続することに
より類似した電磁界で接続することができ、その結果空
洞共振器７０４に対して角度方向（ｑ方向）に電磁界が
変化しない円形ＴＭ011モードで励振することができ
る。

【００３６】次に空洞共振器７０４の下部に設けられた
結合孔７０６について説明する。導体板にスリット状に
あけた穴を用いるとマイクロ波（電磁波）を効率良く放
射できることが知られており、スロットアンテナ７０６
と呼ばれている。定性的にスロットアンテナ７０６の動
作を説明する。マイクロ波にさらされた導体板表面には
マイクロ波の磁界Ｈに垂直に表面電流が流れる。導体板
表面にスロットアンテナ７０６がありこれにより表面電
流を妨げると、妨げられた表面電流により電荷が誘起さ
れ、これを波源としてマイクロ波（電磁波）が放射され
る。従ってスロットアンテナ７０６の長軸方向が表面電
流と平行である場合にスロットアンテナ７０６からのマ
イクロ波の放射は起こりにくくなる。また放射されるマ
イクロ波の電界Ｅはスロットアンテナ７０６の長軸方向
に垂直になる傾向がある。

【００３７】図１８に本実施の形態で用いる結合孔とし
てのスロットアンテナの一実施の形態を示す。図１８に
示す円盤８０１が空洞共振器７０４の底面を構成する。
円形ＴＭ011モードの空洞共振器７０４の底面では、中
心軸から放射状に表面電流８０２（ベクトルＪとす
る。）が流れる。図１８に示すスロットアンテナ８０４
の長軸方向の外向き単位ベクトル８０３（ベクトルｎ_s
とする。）と半径方向のなす角度θを調整するとスロッ
トアンテナ７０６によりさえぎられる表面電流の大きさ
と放射されるマイクロ波電界の方向を制御でき、処理室
１０３内に放射されるマイクロ波電磁界を制御すること
ができる。図１８のスロットアンテナの場合、角度θが
９０°に近いとき半径方向電界成分の割合が大きくな
り、角度θが０°に近いとき角度方向電界成分の割合が
大きくなる。また放射される電磁界の強度はスロットア
ンテナ７０６によりさえぎられる電流の大きさに比例す
ると考えられる。従って放射される電磁界の強度はベク
トルｎ_sとＪのベクトル積ｎ_s×Ｊの大きさに比例すると
考えられる。またスロットアンテナ７０６により空洞共
振器７０４の底面８０１の処理室側に誘起される表面電
流Ｊ_pはスロットアンテナ７０６の長軸方向と垂直にな
る。図１８に示すようにスロットアンテナ（結合孔）７
０６を並べるとＪ_pは円盤８０１の角度方向（ｑ方向）
に流れる成分（ＴＥ01モード）をもち、これによりリン
グ状に分布するマイクロ波電界強度分布を得ることがで
きる。即ち、角度θを付けることによってスロットアン
テナ７０６から、図１９に示すようにＴＥ01モードのマ
イクロ波電磁界とＴＭ01モードのマイクロ波電磁界とが
合成された形でマイクロ波導入窓７０５を通して処理室
１０３内に放射される。なお、ＴＥ01モードのマイクロ
波電磁界（リング状のマイクロ波電磁界）は、中心部が
凹となるリング状のマイクロ波電力分布を形成してリン
グ状のプラズマを発生させるものである。他方、ＴＭ01
モードのマイクロ波電磁界は、中心部が凸となるマイク
ロ波電力分布を形成するものである。

【００３８】以上説明したように、角度θを付けること
によってスロットアンテナ７０６からリング状のマイク
ロ波電磁界（ＴＥ01モードのマイクロ波電磁界）が、マ
イクロ波導入窓７０５を通して処理室１０３内に放射さ
れるため、中心部が凹となるリング状のマイクロ波電力
分布を形成してリング状のプラズマを発生させ、被処理
基板１０６の径Ｄが例えば１０インチ（約２５４ｍ
ｍ）、１２インチ（約３０５ｍｍ）、それ以上の大きな
になって、処理室壁面１４０３でプラズマが消失された
としても、被処理基板１０６の半径方向に亘って均一な
プラズマ処理を実現することができる。このように上記
スロットアンテナ７０６の角度θを調整することによ
り、前記リング状電界強度分布の程度を調整でき、プラ
ズマの均一性を制御することができる。このスロットア
ンテナの構成方法は本実施の形態に特異のものではな
く、第１、第２の実施の形態など他の空洞共振器を用い
た場合にも同様に適用することができる。

【００３９】また図２０にはスロットアンテナ７０６の
他の実施の形態を示す。スロット７０６が「ハ」の字状
に並べられている。図２０に示す角度θを調整すること
により空洞共振器７０４と処理室１０３の電磁的な結合
の度合を調整することができる。すなわちθの絶対値が
０度に近いとき電磁的な結合が弱く、９０°に近いとき
結合が強くなる。電磁的な結合が強すぎると空洞共振器
内の電磁界が所望の電磁界からずれる度合が大きくな
る。また電磁的な結合が弱すぎると電磁波が処理室内に
放射されにくくなる。そのため最適な結合の度合に設定
する必要があり、図２０の角度θの調整により容易に最
適な結合の度合を得ることができる。ただし、円形ＴＭ
011モードの空洞共振器７０４において、スロット７０
６を「ハ」の字状に並べた場合には、隣接するスロット
から放射されるマイクロ波電磁界の角度方向（ｑ方向）
の成分は相殺されて（打ち消され合って）、半径方向の
成分のみとなり、中心部が凸となるマイクロ波電力分布
を形成するものになってしまう。いずれにしても、この
スロットアンテナの構成方法は、本実施の形態に特異の
ものではなく、第１、第２の実施の形態など他の空洞共
振器を用いた場合にも同様に適用することができる。

【００４０】また結合孔としてのスロットアンテナ７０
６を設ける導体板（以下スロット板と呼ぶ。）の厚み
は、通常１ｍｍから５ｍｍ程度の薄いものが用いられる
が、５ｍｍ程度を越える厚いものを用いることもでき
る。厚い導体板を用いた場合、結合孔７０６の部分が厚
さ方向に導波管として働くため、結合孔の形状に対する
自由度が薄い場合と比べて低くなる。矩形の導波管の場
合、長いほうの辺の長さが自由空間中のマイクロ波（電
磁波）の波長の１／２より短くなると導波管の軸方向に
電磁界は伝搬せず、指数関数的に減衰する。そのため厚
い導体板を用いた場合、結合孔としてのスロットの長軸
方向の長さを半波長より大きくする必要がある。マイク
ロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、自由空間での波
長は１２２．４ｍｍとなるのでスロット長軸の長さは６
１．２ｍｍより大きくする必要がある。ただし、厚いス
ロット板を用いた場合、スロット板内部に冷媒を循環さ
せ、冷却する等ができる。

【００４１】また図２１にはマイクロ波導入窓とスロッ
ト板との他の実施の形態を示す。マイクロ波導入窓７０
５’はリング状の形状である。この場合スロット板８０
１’は第１の実施の形態の円盤状部品１０５の機能を併
せ持つことができる。スロット板８０１’はリング状マ
イクロ波導入窓７０５’の中心の穴から処理室１０３に
さらされており、この部分を接地電極として動作させる
ことができる。スロットアンテナ７０６の形状は図１
８、図２０に示した形状を用いることができる。スロッ
ト板８０１’の内部には図示しない冷媒の循環機構があ
り、温度調節することができる。またスロット板８０
１’に、円盤状部品１０５と同様にガス供給機構を同様
に内部に備えることにより、処理室１０３に処理ガスを
供給することができる。スロット板８０１’は中央部が
マイクロ波導入窓７０５’の形状にあわせて突出した形
状となっているが、図２１に示す突出量ｄは任意であ
る。この突出量ｄを調整してマイクロ波導入窓７０５’
の底面と側面の面積比を調整し、マイクロ波電力放射の
方向、量を制御することができる。また、スロット板８
０１’を電気的に接地せず、高周波を給電することもで
きる。

【００４２】次にマイクロ波立体回路部分（同軸線路部
７０２及び空洞共振器７０４）に関する他の実施の形態
について図１４及び図２２を用いて説明する。この実施
の形態は、図１４に示す実施の形態において空洞共振器
７０４および結合孔７０６の部分を、図２２に示す各構
造物により置き換えた以外同様な構造とすることができ
る。図２２（ａ）は空洞共振器７０４として同軸空洞共
振器を用いた場合である。図２２（ｂ）は同様に半同軸
共振器の場合を示す。図２２（ｃ）は結合孔が空洞共振
器７０４の底部と同じ形状（底部なし）の場合を示す。
図２２（ｄ）はモードフィルタ１５０２を空洞共振器７
０４内に装着し、所望のモード以外のモードを抑制する
効果をもたせた場合を示す。図２３には、図２２（ｃ）
に示すようにスロットアンテナなしの場合における円形
ＴＭ011モードの空洞共振器７０４からマイクロ波導入
窓（石英板）７０５を通して処理室１０３内に伝送され
るマイクロ波電磁界（特に電界）を示す。この実施の形
態でも、２３１で示す位置にリング状のプラズマを発生
させることができる。しかし、静磁界発生装置１０９
ａ、１０９ｂによる静磁界Ｈ_Sの影響をできるだけ受け
ないように空洞共振器７０４の底部にスロットアンテナ
を設けた方が優れている。即ち、空洞共振器７０４の底
部にスロットアンテナを設けた方が、安定性の点で優れ
ている。

【００４３】次に本発明に係る第３の実施の形態につい
て図２４乃至図２６を用いて説明する。図２４に示す第
３の実施の形態は、第１の実施の形態と比べて空洞共振
器の構造が異なることおよび静磁界の発生装置を持たな
いこと以外はほぼ同様の構成となっており、共通する部
分の説明の一部を省略する。図２４には本発明に係る第
３の実施の形態であるプラズマ処理装置の断面図を示
す。例えばマグネトロン管などの図示しないマイクロ波
源から放射された例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波は、図示しないアイソレータ、図示しない整合器を
通り方形導波管１００によりリング状の空洞共振器１０
１に投入される。空洞共振器１０１の底面にはスロット
アンテナ１０２が設けられ、リング状マイクロ波導入窓
１０４を通して処理室１０３にマイクロ波を供給する。
リング状空洞共振器１０１、マイクロ波導入窓１０４の
中央部にはガス供給管１１０に接続されたガス供給器１
０５’が設けられている。ガス供給器１０５’の処理室
１０３に面した面には複数のガス供給穴があり処理室１
０３内に１種類または複数種類の処理ガスを所定の流量
供給する。処理室１０３には図示しない排気系が接続さ
れておりガス供給器１０５’により供給されるガスの流
量と排気系の排気量を制御することにより処理室１０３
内を処理に適した所定の圧力、ガス雰囲気に保持するこ
とができる。処理室１０３内には例えば直径３００ｍｍ
の被処理基板１０６が設置されている。被処理基板１０
６には例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源１０
８が整合器１０７を介して接続され、高周波電力を加え
ることができる。

【００４４】図２５に共振モードとしてとして例えばＴ
Ｍ610モードを用いた空洞共振器１０１の断面図、およ
びマイクロ波電界、空洞共振器底面を流れる表面電流を
模式的に示す。前記した表２に示すように周波数２．４
５ＧＨｚの場合例えば内半径ａが８６ｍｍ、外半径ｂが
１９５ｍｍのサイズでＴＭ610モードの空洞共振器１０
１を構成することができる。方形導波管１００を空洞共
振器１０１の側面に接続してＴＭ610モードの電磁界を
励振している。空洞共振器１０１内では第１の実施の形
態で説明したように電界Ｅ_TMは軸方向成分のみをもち、
定在波の腹が角度方向に１２個できる。また空洞共振器
１０１の底面を流れる表面電流１２０４は電界定在波の
腹の位置を中心に放射状に流れる。スロットアンテナ１
０２を表面電流１２０４に垂直かつ空洞共振器１０１中
心に対し放射状に１２個設けることができる。図２６に
示すようにスロットアンテナを設けることもできる。図
２５に示す例では１２個のスロットアンテナを設けてい
たが、図２６に示す例では１つおきに６個のスロットア
ンテナ１０２を設けている。これにより６個のスロット
アンテナ全体でリング状の電界１３０２を処理室１０３
内に放射することができる。以上ＴＭ610モードについ
て説明したがその他の例えばＴＭ410、ＴＭ510、TM71
0、ＴＭ810等のモードについても同様に空洞共振器の励
振、スロットアンテナの構成を行うことができる。

【００４５】処理室１０３の周囲に静磁界Ｈ_Sの発生装
置を設け、プラズマ拡散損失の防止、電子サイクロトロ
ン共鳴現象の利用等の効果を持たせることもできる。

【００４６】以上説明した実施の形態は、エッチング装
置のみに限定されるものではなく、導入する処理ガスを
変更することでＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）
装置、アッシング装置等他のプラズマ処理装置に適用す
ることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、１０インチを越えるよ
うな巨大な被処理基板に対して均一なエッチング処理等
のプラズマ処理を行うことができる効果を奏する。

【００４８】また本発明によれば、マイクロ波を用いた
プラズマ処理装置においてマイクロ波立体回路部分の電
力損失が抑制されるため、マイクロ波電力の有効利用を
図ることができる効果を奏する。また電力損失が抑制さ
れるためマイクロ波立体回路部分の不要な加熱が抑えら
れる効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理の原理を説明するた
めの図である。

【図２】本発明に係るプラズマ処理装置の第１の実施の
形態を示す断面図である。

【図３】本発明に係るプラズマ処理装置の第１の実施の
形態において用いられているリング状空洞共振器の説明
図である。

【図４】ＴＥモードにおけるリング状空洞共振器の内部
の電界分布等を示す模式図である。

【図５】ＴＭモードにおけるリング状空洞共振器の内部
の電界分布等を示す模式図である。

【図６】ＴＥＭモードにおけるリング状空洞共振器の内
部の電界分布等を示す模式図である。

【図７】方形導波管内を伝送されるＴＭモードのマイク
ロ波電界分布を示す斜視断面図である。

【図８】リング状空洞共振器に対する様々な励振方法を
示す図である。

【図９】ＴＥモードで共振されたリング状空洞共振器に
おいて底部に「ハ」字状にスロットアンテナを形成した
場合、放射されるマイクロ波電磁界を説明するための図
である。

【図１０】ＴＭモードで共振されたリング状空洞共振器
における電界分布と底部に流れる表面電流とスロットア
ンテナとを示した図である。

【図１１】図１０に示すようにＴＭモードで共振された
リング状空洞共振器において一つおきにスロットアンテ
ナを形成した場合を示した図である。

【図１２】図２に示すプラズマ処理装置の第１の実施の
形態における変形例を示す断面図である。

【図１３】図１２に示すリング状空洞共振器において内
周面にスロットアンテナを形成した場合を示す図であ
る。

【図１４】本発明に係るプラズマ処理装置の第２の実施
の形態を示す断面図である。

【図１５】図１４に示す整合室の様々な変形例を示す図
である。

【図１６】整合室において直径、高さを最適化して反射
波を打ち消し合うことによってマイクロ波電力を効率良
く伝送することを説明するための図である。

【図１７】図１４に示す空洞共振器がＴＭ011モードで
共振された場合の軸方向の電界を示す図である。

【図１８】図１４に示す空洞共振器の底部においてスロ
ットアンテナの長手軸を半径方向に対して傾きθを付け
た場合について説明するための図である。

【図１９】図１８に示すスロットアンテナから放射され
るＴＥ01モードとＴＭ01モードとが合成されたマイクロ
波電磁界を示す図である。

【図２０】図１４に示す空洞共振器の底部において
「ハ」字状にスロットアンテナを形成した場合を示した
図である。

【図２１】図１４に示す空洞共振器の底部構成の変形例
を示す図である。

【図２２】図１４に示す空洞共振器の様々な変形例を示
す図である。

【図２３】図２２に示す如くスロットアンテナの無い空
洞共振器においてＴＭ011モードで共振されて処理室内
に伝送される軸方向の電界を示す図である。

【図２４】本発明に係るプラズマ処理装置の第３の実施
の形態を示す断面図である。

【図２５】図２４に示すリング状空洞共振器の励振方法
および底部に形成したスロットアンテナを示す図であ
る。

【図２６】図２４に示すリング状空洞共振器の底部に一
つおきにスロットアンテナを形成した場合を示す図であ
る。

【符号の説明】

１００…方形導波管、１０１…リング状空洞共振器１０２、１０２’…結合孔（スロットアンテナ）、１０
３…処理室１０４…マイクロ波導入窓、１０５…円盤状部品、１０
５’…ガス供給部１０６…被処理基板、１０７…整合器、１０８…高周波
電源１０９ａ、１０９ｂ…電磁石（静磁界発生装置）７０１…同軸導波管変換器、７０２…同軸線路部、７０
３…整合室７０４…空洞共振器、７０５、７０５’…マイクロ波導
入窓７０６…結合孔（スロットアンテナ）、７０７…接地電
極８０１、８０１’…底部（スロット板）、８０２…表面
電流８０３…スロットアンテナの長軸方向の外向き単位ベク
トルＪ１４０３…処理室の側壁、１４０５…リング状のプラズ
マ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波源と、該マイクロ波源から放射
したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管と、該マイ
クロ波導波管で伝送されたマイクロ波を共振させる空洞
共振器と、被処理基板を載置する基板電極を内部に設置
した処理室と、前記空洞共振器の中心軸付近を中心にし
て角度成分を有するマイクロ波電磁界を前記空洞共振器
からマイクロ波導入窓を通して前記処理室内に放射して
前記被処理基板に対向する領域にリング状のプラズマを
発生させるマイクロ波電磁界放射手段とを備えたことを
特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】マイクロ波源と、該マイクロ波源から放射
したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管と、該マイ
クロ波導波管で伝送されたマイクロ波を伝送する同軸線
路部と、該同軸線路部に同軸状に接続して同軸線路部か
ら伝送されたマイクロ波を共振させる空洞共振器と、被
処理基板を載置する基板電極を内部に設置した処理室
と、前記空洞共振器の中心軸付近を中心にして角度成分
を有するマイクロ波電磁界を前記空洞共振器からマイク
ロ波導入窓を通して前記処理室内に放射して前記被処理
基板に対向する領域にリング状のプラズマを発生させる
マイクロ波電磁界放射手段とを備えたことを特徴とする
プラズマ処理装置。
【請求項３】マイクロ波源と、該マイクロ波源から放射
したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管と、該マイ
クロ波導波管で伝送されたマイクロ波を伝送する同軸線
路部と、該同軸線路部の空洞共振器側に設けられ、同軸
線路部と空洞共振器との境界付近において生じるマイク
ロ波電力の反射を低減する整合室と、前記同軸線路部に
前記整合室を介して同軸状に接続して同軸線路部から伝
送されたマイクロ波を共振させる空洞共振器と、被処理
基板を載置する基板電極を内部に設置した処理室と、前
記空洞共振器からマイクロ波電磁界をマイクロ波導入窓
を通して前記処理室内に放射して前記被処理基板に対向
する領域にリング状のプラズマを発生させるマイクロ波
電磁界放射手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処
理装置。
【請求項４】マイクロ波源と、該マイクロ波源から放射
したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管と、該マイ
クロ波導波管で伝送されたマイクロ波を伝送する同軸線
路部と、該同軸線路部の空洞共振器側に設けられ、同軸
線路部と空洞共振器との境界付近において生じるマイク
ロ波電力の反射を低減する整合室と、前記同軸線路部に
前記整合室を介して同軸状に接続して同軸線路部から伝
送されたマイクロ波を共振させる空洞共振器と、被処理
基板を載置する基板電極を内部に設置した処理室と、前
記空洞共振器の中心軸付近を中心にして角度成分を有す
るマイクロ波電磁界を前記空洞共振器からマイクロ波導
入窓を通して前記処理室内に放射して前記被処理基板に
対向する領域にリング状のプラズマを発生させるマイク
ロ波電磁界放射手段とを備えたことを特徴とするプラズ
マ処理装置。
【請求項５】前記空洞共振器はＴＭモードで共振するよ
うに構成したことを特徴とする請求項１または２または
３または４記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記空洞共振器は円形ＴＭモードで共振す
るように構成したことを特徴とする請求項１または２ま
たは３または４記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】前記マイクロ波電磁界放射手段をスロット
アンテナで形成したことを特徴とする請求項１または２
または３または４記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】前記マイクロ波電磁界放射手段を、前記処
理室内に放射されるマイクロ波電界の方向が前記空洞共
振器内の電界の方向と異なるようにスロットアンテナで
形成したことを特徴とする請求項１または２または３ま
たは４記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】前記マイクロ波電磁界放射手段を、前記処
理室内にＴＥ0nモードとＴＭ0nモードとの合成されたマ
イクロ波電磁界が放射されるスロットアンテナで形成し
たことを特徴とする請求項１または２または３または４
記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】前記マイクロ波電磁界放射手段を、表面
電流との間において次の関係が成立するようにスロット
アンテナで形成したことを特徴とする請求項１または２
または３または４記載のプラズマ処理装置。前記空洞共
振器に対して外向きに正の方向を持つスロットアンテナ
長軸方向の単位ベクトルをｎ_s、表面電流ベクトルをＪ
としたとき、ｎ_sとＪを用いて定義されるベクトルＳ≡
ｎ_s×（ｎ_s×Ｊ）が空洞共振器の中心軸付近に中心を持
つ同心状の渦（マイクロ波電磁界成分）を形成する。
【請求項１１】前記処理室内において前記空洞共振器の
軸方向の成分を有する静磁界を発生させる静磁界発生装
置を備えたことを特徴とする請求項１または２または３
または４記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】マイクロ波源と、該マイクロ波源から放
射したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管と、該マ
イクロ波導波管で伝送されたマイクロ波を共振させるリ
ング状の空洞共振器と、被処理基板を載置する基板電極
を内部に設置した処理室と、前記リング状の空洞共振器
からマイクロ波電磁界をマイクロ波導入窓を通して前記
処理室内に放射して前記被処理基板に対向する領域にリ
ング状のプラズマを発生させるマイクロ波電磁界放射手
段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１３】マイクロ波源と、該マイクロ波源から放
射したマイクロ波を伝送するマイクロ波導波管と、該マ
イクロ波導波管で伝送されたマイクロ波を共振させるリ
ング状の空洞共振器と、被処理基板を載置する基板電極
を内部に設置した処理室と、前記リング状の空洞共振器
の中心軸を中心にして角度成分を有するマイクロ波電磁
界を前記リング状の空洞共振器からマイクロ波導入窓を
通して前記処理室内に放射して前記被処理基板に対向す
る領域にリング状のプラズマを発生させるマイクロ波電
磁界放射手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理
装置。
【請求項１４】前記処理室内に、前記被処理基板と対向
して接地または高周波電力を給電する電極部材を設置し
たことを特徴とする請求項１２または１３記載のプラズ
マ処理装置。
【請求項１５】前記処理室内において、前記被処理基板
と対向して前記リング状の空洞共振器の中心軸部に接地
または高周波電力を給電する電極部材を設置したことを
特徴とする請求項１２または１３記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１６】前記処理室内において前記空洞共振器の
軸方向の成分を有する静磁界を発生させる静磁界発生装
置を備えたことを特徴とする請求項１２または１３記載
のプラズマ処理装置。
【請求項１７】前記処理室内に、前記被処理基板と対向
して接地または高周波電力を給電する電極部材を設置
し、該電極部材を温度制御するように構成したことを特
徴とする請求項１２または１３記載のプラズマ処理装
置。
【請求項１８】前記被処理基板と対向して前記リング状
の空洞共振器の中心軸部に設置された部材から前記処理
室内に処理ガスを供給するように構成したことを特徴と
する請求項１２または１３記載のプラズマ処理装置。
【請求項１９】前記マイクロ波電磁界放射手段をスロッ
トアンテナで形成したことを特徴とする請求項１２また
は１３記載のプラズマ処理装置。
【請求項２０】前記マイクロ波電磁界放射手段を、前記
処理室内に放射されるマイクロ波電界の方向が前記空洞
共振器内の電界の方向と異なるようにスロットアンテナ
で形成したことを特徴とする請求項１２または１３記載
のプラズマ処理装置。
【請求項２１】空洞共振器の中心軸付近を中心にして角
度成分を有するマイクロ波電磁界を前記空洞共振器から
マイクロ波導入窓を通して処理室内に放射して被処理基
板に対向する領域にリング状のプラズマを発生させ、こ
の発生したリング状のプラズマにより前記被処理基板に
対してプラズマ処理を施すことを特徴とするプラズマ処
理方法。