JPH10275696A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被処理物に対して広い面積に亘って均一かつ
高速に処理することができ、しかもマイクロ波電力の使
用効率を高めたプラズマ処理装置を提供する。 【解決手段】 側壁に細長い窓部7bを有し、窓部の内側
に被処理物13が配置されるプラズマ室7 と、電界ベクト
ルの方向に平行な側面であるＥ面に管軸方向へ伸びるス
ロット18b を有し、管軸方向を窓部の長手方向に一致さ
せ、かつスロットを窓部に対向させた状態で配置された
プラズマ室結合用方形導波管18と、方形導波管にマイク
ロ波を供給するマイクロ波電源1 とを備える。方形導波
管の終端に、短絡板19c を有する終端器19を設ける。ス
ロットの長手方向の長さを、方形導波管内のマイクロ波
の管内波長λg の２分の１の長さと、マイクロ波の自由
空間波長の２分の１の長さとの公倍数に設定する。スロ
ットの端部と短絡板との長さを、管内波長λg の（ｎ／
２）（ｎ：整数）に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜形成、表面改
質及びエッチング等の処理を、大面積の被処理物に対
し、均一かつ高速に行うためのプラズマ処理装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体及びＬＣＤの製造工程にお
けるエッチング、アッシング、ＣＶＤ等にマイクロ波を
用いたプラズマ装置が用いられている。図７は、特開平
５−３３５０９５号に示された従来のプラズマ処理装置
の全体構成図であり、図８は図７のＩ−Ｉ線断面図であ
り、図９は図８のＴ−Ｔ線断面図である。この装置は、
図７に示すように、マイクロ波電源１、アイソレータ
２、コーナ方形導波管３、方向性結合器４、インピーダ
ンス整合器５、コーナ方形導波管６、直方体状のプラズ
マ室７、プラズマ室をＥ面に取付けたプラズマ室結合用
方形導波管８及び終端装置９を備えている。なおＥ面
は、方形導波管内の電界ベクトルの方向に平行な側面で
ある。

【０００３】プラズマ室７は、図８に示したように、結
合用方形導波管８側の側壁７ａに方形導波管８の管軸方
向に沿って伸びる細長い矩形状の窓部７ｂが設けられ、
この窓部７ｂは石英ガラス板からなるマイクロ波透過窓
１１により真空封じされている。また、プラズマ室７に
は排気口７ｃが設けられ、この排気口は図示しない真空
ポンプに接続されており、またプラズマ室７の１つの壁
部を気密に貫通させてプロセスガス導入パイプ１２が取
り付けられている。このプラズマ室７内には、シート状
の被処理物１３が巻かれたローラ１４と、処理が終了し
た被処理物を巻き取る巻取りローラ１５とが対向配置さ
れ、被処理物１３は窓部７ｂに対向配置されている。

【０００４】結合用方形導波管８には、Ｅ面８ａに管軸
方向に伸びるスロット８ｂが設けられており、この方形
導波管８とプラズマ室７とは、スロット８ｂをプラズマ
室７の窓部７ｂに対向させた状態で電気的に接続されて
いる。スロット８ｂは、プラズマ室７の窓部７ｂの長手
方向とほぼ等しい長さを有するが、その幅寸法は、窓部
７ｂの幅寸法よりも小さく設定されている。また、長手
方向の長さは、特開平８−１３８８８９号に示されるよ
うに、マイクロ波の自由空間波長λ0 の２分の１の整数
倍に設定されるのが一般的である。

【０００５】終端器９は、プラズマ室７側に供給されな
かった余分なマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体か
ら構成され、マイクロ波吸収体として水を用いる。プラ
ズマ室７に伝搬しなかった余分なマイクロ波は、導入口
９ａから導入した水に吸収させ、マイクロ波により加熱
された水を排出口９ｂから排水させるようになってい
る。

【０００６】上記プラズマ処理装置を用いてプラズマ処
理を行う場合には、プラズマ室７内に被処理物１３をセ
ットした後、プラズマ室７内を高真空状態にする。その
後プロセスガス導入パイプ１２から、プラズマ室７内に
所定のプロセスガスを、プラズマ室内が所定の圧力にな
るまで供給する。この状態でマイクロ波電源１から、ア
イソレータ２、コーナ方形導波管３、方向性結合器４、
インピーダンス整合器５、コーナ方形導波管６を通して
プラズマ室結合用方形導波管８にマイクロ波を供給する
と、結合用方形導波管８内に進入したマイクロ波は、ス
ロット８ｂから放射されて、プラズマ室７の窓部７ｂを
通してプラズマ室７内に伝搬し、プラズマ室内のプロセ
スガスをプラズマ化して帯状のプラズマを生成する。こ
のプラズマを被処理物１３に照射しつつ、被処理物１３
をローラ１５により巻き取り移動させることにより、広
い面積の処理を連続的に行わせることができる。

【０００７】特に、結合用方形導波管８の外周に磁界発
生手段１０として電磁石を設けたことにより、プラズマ
室７の窓部７ｂと被処理物１３との間の空間に磁界が生
じるので、この磁界により、反応性ガスの電離及び励起
の頻度を高めることができ、被処理物に照射されるプラ
ズマ密度が高められる。また上記磁界が、窓部からプラ
ズマ室の中央部に向かうような発散磁界となっているの
で、プラズマを被処理物１３に効率よく照射させること
ができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のプラズマ処理装
置では、マイクロ波が結合用方形導波管８の内部側壁で
の反射を繰り返しつつ斜めに伝搬することに起因して、
スロット８ｂからプラズマ室７に放射されるマイクロ波
は、図９のマイクロ波Ｗ1 、Ｗ2 及びＷ3 で示すよう
に、プラズマ室７内の片側に偏った伝搬様式になり、そ
の結果、長さＡ′Ｂ′のスロット８ｂからプラズマ室７
に放射されるマイクロ波電界強度は、図１０に示される
ように、プラズマ室７の長手方向に亘って均一にならな
いという問題があった。

【０００９】また、終端器９をマイクロ波吸収体から構
成しているにも拘らず、スロットを設けることで生じる
反射波による定在波の山谷が存在し、その結果、マイク
ロ波電界強度は図１０に示されるように、マイクロ波の
管内波長λo の２分の１毎に山谷を有した不均一な分布
となっている。したがって、発生するプラズマの分布は
不均一となっており、被処理物１３の広い面積に亘る均
一処理に問題があった。

【００１０】さらに、プラズマ室結合用方形導波管８に
入力されるマイクロ波電力のうち、スロット８ｂからプ
ラズマ室７に放射されなかった電力は、方形導波管８を
通って終端器９内のマイクロ波吸収体に消費されて全て
電力損失となるので、電力の使用効率が悪くなり、生成
されるプラズマ密度が低くなるという問題点があった。

【００１１】本発明の目的は、被処理物に対して広い面
積に亘って均一かつ高速に処理することができ、しかも
マイクロ波電力の使用効率を高めたプラズマ処理装置を
提供することにある。

【００１２】

【問題点を解決するための手段】本発明は、側壁に細長
い窓部を有し、窓部の内側に被処理物が配置されるプラ
ズマ室と、電界ベクトルの方向に平行な側面であるＥ面
に管軸方向へ伸びるスロットを有し、管軸方向を窓部の
長手方向に一致させ、かつスロットを窓部に対向させた
状態で配置されたプラズマ室結合用方形導波管と、方形
導波管にマイクロ波を供給するマイクロ波電源とを備
え、方形導波管からスロットを介してプラズマ室へマイ
クロ波を放射させるプラズマ処理装置に係わるものであ
る。

【００１３】請求項１に記載の発明は、方形導波管の終
端に、短絡板を有する終端器を設け、スロットの長手方
向の長さを、方形導波管内のマイクロ波の管内波長λg
の２分の１の長さと、マイクロ波の自由空間波長の２分
の１の長さとの公倍数に設定し、スロットの端部と短絡
板との長さを、管内波長λg の（ｎ／２）（ｎ：整数）
に設定したものである。

【００１４】上記の請求項１の発明においては、スロッ
トから開空間へのマイクロ波の放射効率もよく、しかも
放射される電界強度は、マイクロ波の管内波長が支配的
となり、その分布は空間的に極端に偏ったり、歪んだり
することがない

【００１５】請求項２に記載の発明は、方形導波管の終
端に、短絡板を有する終端器を設け、スロットの長手方
向の長さを、方形導波管内のマイクロ波の管内波長λg
の２分の１の長さと、マイクロ波の自由空間波長の２分
の１の長さとの公倍数に設定し、スロットの端部と短絡
板との長さを、管内波長λg の（ｎ／２）（ｎ：整数）
に設定し、スロットを設けた方形導波管を少なくとも２
本設けて、方形導波管同士を平行に、かつ隣り合うスロ
ット同士を交互に方形導波管の管軸方向に管内波長λg
の（２ｎ−１）／４（ｎ：整数）ずらせて配置したもの
である。

【００１６】上記の請求項２の発明においては、各スロ
ットからプラズマ室に放射されるマイクロ波電界強度が
マイクロ波の管内波長の２分の１に対応した山谷を有し
ているが、電界強度の強い箇所と弱い箇所とがそれぞれ
重ねられるので、各スロットから放射されるマイクロ波
電界強度よりも電界強度の強弱の大きさが大きく緩和さ
れる。

【００１７】

【発明の実施の形態】

＜第１の実施形態＞図１は、本発明に係るプラズマ処理
装置の第１の実施形態を示す全体構成図である。同図に
おいて、１はマイクロ波電源、２はアイソレータ、３，
６はコーナ方形導波管、４は方向性結合器、５はインピ
ーダンス整合器、７はプラズマ室で、従来例で示した図
７と同様に構成される。１８はスロット１８ｂを設けた
プラズマ室結合用方形導波管、１９は短絡板１９ｃを備
えた終端器である。なお、プラズマ室７の断面図は、従
来例で示した図８と同様であるので省略する。

【００１８】本実施形態は、スロットの長手方向の長さ
が、方形導波管１８内のマイクロ波の管内波長λg の２
分の１の長さと、マイクロ波の自由空間波長λ0 の２分
の１の長さとの公倍数に設定される。

【００１９】本実施形態はまた、従来例に示すマイクロ
波吸収体から構成された終端器の代わりに、短絡板１９
ｃを備えた終端器１９としているので、この短絡板とイ
ンピーダンス整合器５を適宜に調整することにより、結
合用方形導波管１８に導入されたマイクロ波を効率よく
プラズマ室７に供給することができる。

【００２０】本実施形態において、結合用方形導波管１
８にマイクロ波が供給されると、この方形導波管１８の
内壁には図２に示すような表面電流が流れる。この表面
電流は、マイクロ波の定在波に起因して方形導波管内の
マイクロ波の管内波長λg の２分の１に対応した強弱を
有している。そこで、方形導波管のＥ面に管軸方向へ伸
びるスロットを開口すれば、表面電流の流れを切ること
になり、その開口部の上下面に電荷が誘起され、マイク
ロ波はスロットから空間へと放射される。スロットから
放射されるマイクロ波のスロットの長手方向の両端での
電界強度は、その両端部は短絡されているので零であ
る。したがって、スロットの長手方向の長さは、マイク
ロ波の管内波長λg の２分の１の整数倍とすることが望
ましい。

【００２１】一方、スロットから空間に放射されたマイ
クロ波は、自由空間波長λ0 で空間中を伝搬するので、
従来では、スロットの長手方向の長さは、マイクロ波の
自由空間波長λ0 の２分の１の整数倍とされている。

【００２２】本発明では、スロットの長手方向の長さ及
び位置を決定する場合、長さについては、上記のように
公倍数に設定し、また位置については、スロット１８ｂ
の端部Ｂと短絡板１９ｃとの長さを、マイクロ波の管内
波長λg の（ｎ／２）（ｎ：整数）に設定すれば、スロ
ットから開空間へのマイクロ波の放射効率もよく、しか
も放射される電界強度は、マイクロ波の管内波長λg が
支配的となり、その分布は空間的に極端に偏ったり、歪
んだりすることがないことを見出だした。

【００２３】ここで、スロットの長手方向の長さの具体
例を示すと、結合用方形導波管１８として内径寸法１０
９ｍｍ×５５ｍｍのＷＲ−４３０導波管を用い、マイク
ロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、自由空間波長λ
0 は１２２ｍｍ、管内波長λg は１４８ｍｍとなり、各
波長の２分の１の公倍数として約３７０ｍｍ、約７４０
ｍｍ、約１１１０ｍｍ等が考えられる。これらの値は、
厳密には両者の公倍数となっていないが、何ら電界強度
に影響を及ぼさない。

【００２４】本実施形態においては、長さＡＢのスロッ
トからプラズマ室７に放射されるマイクロ波電界強度
が、図３に示すように、マイクロ波の管内波長λg の２
分の１毎に山谷を有するものの、山谷の波高値がほぼ一
定にそろった分布となり、プラズマ室へ放射されるマイ
クロ波の電力をプラズマ室の窓部の長手方向に沿ってほ
ぼ均一にすることができ、長い領域に亘ってプラズマ密
度をほぼ均一にすることができる。

【００２５】＜第２の実施形態＞図４は、本発明に係る
プラズマ処理装置の第２の実施形態を示す全体構成図で
あり、図５は図４のＩ−Ｉ線断面図である。図４におい
て、１，１′はマイクロ波電源、２，２′はアイソレー
タ、３，３′，６，６′はコーナ方形導波管、４，４′
は方向性結合器、５，５′はインピーダンス整合器、７
はプラズマ室で、従来例で示した図７と同様に構成され
る。１８，１８′はスロット１８ｂ，１８ｂ′をそれぞ
れ設けたプラズマ室結合用方形導波管、１９，１９′は
短絡板１９ｃ，１９ｃ′をそれぞれ備えた終端器で、第
１の実施形態を示す図１と同様に構成される。なお、図
５において、従来例で示した図８と同一構成部分には同
一符号を付して、説明を省略する。

【００２６】本実施形態は、本発明によるスロットを設
けた２つのプラズマ室結合用方形導波管１８，１８′を
設け、この結合用方形導波管１８，１８′の終端にそれ
ぞれ終端器１９，１９′が接続されている。

【００２７】結合用方形導波管１８，１８′は、そのＥ
面１８ａ，１８ａ′に管軸方向に伸びるスロット１８
ｂ，１８ｂ′がそれぞれ設けられている。このスロット
１８ｂ，１８ｂ′同士は、適宜の間隔で平行に配置さ
れ、かつ管軸方向にマイクロ波の管内波長λg の（２ｎ
−１）／４（ｎ：整数）ずらせて配置されている。ま
た、方形導波管１８，１８′には、それぞれマイクロ波
電源１，１′、アイソレ−タ２，２′、コーナ方形導波
管３，３′，６，６′、パワーモニタ４，４′、インピ
ーダンス整合器５，５′がＩ−Ｉ線に対し対称的に設け
られている。

【００２８】本実施形態において、マイクロ波電源１，
１′から結合用方形導波管１８，１８′にそれぞれマイ
クロ波を供給すると、それぞれのスロット１８ｂ，１８
ｂ′から放射されるマイクロ波電界強度は、図３示した
ように、マイクロ波の管内波長λg の２分の１毎に山谷
を有した分布となるので、マイクロ波の管内波長λgの
（２ｎ−１）／４（ｎ：整数）ずらせることにより、電
界強度の強い箇所と弱い箇所とがそれぞれ重ねられるよ
うに、２つのマイクロ波電界強度が合成される。

【００２９】スロット１８ｂ，１８ｂ′を互いにずらせ
る長さは、好ましくは（１／４）λg または（３／４）
λg が望ましい。もし、それ以上ずらせると、１つのス
ロットのみによるマイクロ波電界強度の分布が広くな
る。すなわち、スロットの長手方向の両端部では、マイ
クロ波が合成されることなく、強弱を有したマイクロ波
電界強度の分布となる。

【００３０】本実施形態においては、長さＣＤのスロッ
トからプラズマ室に放射されるマイクロ波電界強度が、
図６の実線で示すように、スロットの長手方向の全体に
亘って均一性が向上される。なお、図６の点線は、それ
ぞれのスロット１８ｂ、１８ｂ′から放射されるマイク
ロ波電界強度の分布を示している。

【００３１】上記の第２の実施形態では、２つの結合用
方形導波管１８，１８′を設けたが、３つ以上でもよ
く、その場合、隣り合うスロット同士を交互に｛（２ｎ
−１）／４｝λg （ｎ：整数）ずらせて配置する。ま
た、結合用方形導波管内でのマイクロ波の伝搬方向が共
に同じ向きとなるように結合用方形導波管１８，１８′
を配置してもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、プラズマ室へ放射されるマイクロ波の電力をプラズ
マ室の窓部の長手方向に沿ってほぼ均一にすることがで
き、またマイクロ波電力の使用効率が向上されるので、
生成されるプラズマの密度を長い領域に亘って均一にす
ることができ、しかもプラズマの密度を高めることがで
きる。

【００３３】また請求項２の発明によれば、プラズマ室
へ放射されるマイクロ波の電力をプラズマ室の窓部の長
手方向に沿ってより一層均一にすることができ、またマ
イクロ波電力の使用効率が向上されるので、生成される
プラズマの密度を長い領域に亘ってより一層均一にする
ことができ、しかもプラズマの密度を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の第１の実施形
態を示す全体構成図である。

【図２】結合用方形導波管の内壁を流れる表面電流を示
した図である。

【図３】第１の実施形態によるスロットの長さに対する
マイクロ波電界強度を示す図である。

【図４】本発明に係るプラズマ処理装置の第２の実施形
態を示す全体構成図である。

【図５】図４のＩ−Ｉ線断面図である。

【図６】第２の実施形態によるスロットの長さに対する
マイクロ波電界強度を示す図である。

【図７】従来のプラズマ処理装置の全体構成図である。

【図８】図７のＩ−Ｉ線断面図である。

【図９】図８のＴ−Ｔ線断面図である。

【図１０】従来例によるスロットの長さに対するマイク
ロ波電界強度を示す図である。

【符号の説明】

１，１′ マイクロ波電源 ７ プラズマ室 ７ｂ 窓部 １８，１８′ プラズマ室結合用方形導波管 １８ａ，１８ａ′ Ｅ面 １８ｂ，１８ｂ′ スロット １９，１９′ 終端器 １９ｃ，１９ｃ′ 短絡板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 板谷 耕司 大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会 社ダイヘン内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 側壁に細長い窓部を有し、前記窓部の内
   側に被処理物が配置されるプラズマ室と、電界ベクトル
   の方向に平行な側面であるＥ面に管軸方向へ伸びるスロ
   ットを有し、管軸方向を前記窓部の長手方向に一致さ
   せ、かつ前記スロットを前記窓部に対向させた状態で配
   置されたプラズマ室結合用方形導波管と、前記方形導波
   管にマイクロ波を供給するマイクロ波電源とを備え、前
   記方形導波管から前記スロットを介して前記プラズマ室
   へマイクロ波を放射させるプラズマ処理装置において、 前記方形導波管の終端に、短絡板を有する終端器を設
   け、 前記スロットの長手方向の長さが、前記方形導波管内の
   マイクロ波の管内波長λg の２分の１の長さと、マイク
   ロ波の自由空間波長の２分の１の長さとの公倍数に設定
   され、 前記スロットの端部と短絡板との長さが、前記管内波長
   λg の（ｎ／２）（ｎ：整数）に設定されたプラズマ処
   理装置。
2. 【請求項２】 側壁に細長い窓部を有し、前記窓部の内
   側に被処理物が配置されるプラズマ室と、電界ベクトル
   の方向に平行な側面であるＥ面に管軸方向へ伸びるスロ
   ットを有し、管軸方向を前記窓部の長手方向に一致さ
   せ、かつ前記スロットを前記窓部に対向させた状態で配
   置されたプラズマ室結合用方形導波管と、前記方形導波
   管にマイクロ波を供給するマイクロ波電源とを備え、前
   記方形導波管から前記スロットを介して前記プラズマ室
   へマイクロ波を放射させるプラズマ処理装置において、 前記方形導波管の終端に、短絡板を有する終端器を設
   け、 前記スロットの長手方向の長さが、前記方形導波管内の
   マイクロ波の管内波長λg の２分の１の長さと、マイク
   ロ波の自由空間波長の２分の１の長さとの公倍数に設定
   され、 前記スロットの端部と短絡板との長さが、前記管内波長
   λg の（ｎ／２）（ｎ：整数）に設定され、 前記スロットを設けた前記方形導波管を少なくとも２本
   設けて、前記方形導波管同士を平行に、かつ隣り合う前
   記スロット同士を交互に前記方形導波管の管軸方向に前
   記管内波長λg の（２ｎ−１）／４（ｎ：整数）ずらせ
   て配置したプラズマ処理装置。