JPH1083895A

JPH1083895A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH1083895A
Application number: JP8236171A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tamura; 仁田村; Seiichi Watanabe; 成一渡辺; Muneo Furuse; 宗雄古瀬; Masahiro Kadoya; 誠浩角屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-06
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質なプラズマ処理が得られる条件と均一な
プラズマ処理が得られる条件とは必ずしも一致せず、従
来、被処理基板上の広い面積にわたって高品質で均一な
プラズマ処理を得られなかった。【解決手段】複数のパラメータ群を持つプラズマ処理手
段としてマイクロ波プラズマ処理装置を用い、プラズマ
処理品質と独立に均一性を調整できるパラメータを調
整、すなわち、プラズマ処理の品質は投入するマイクロ
波の電力，処理圧力，処理ガス供給量等のパラメータに
より調整しておき、マイクロ波の電磁界分布を調整する
ことによりプラズマ分布を調整しプラズマ処理の均一性
を制御する。マイクロ波の電磁界分布は、空洞共振器１
０４とマイクロ波磁界に対し所定の角度に傾斜したスロ
ットアンテナ１１３とにより調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直径２００ｍｍ程度
またはこれを越える直径を持つ被処理基板に均一にプラ
ズマ処理を施すためのプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にプラズマ処理装置において処理条
件を決定するに際し、高い処理の均一性と高い処理の品
質を両立する必要がある。従来の装置では高品質な処理
が可能な条件と高い面内均一性を得られる条件が必ずし
も一致するとは限らず、装置が本来持っている能力を十
分生かしているとはいえない場合があった。

【０００３】例えばプラズマエッチング装置の場合、処
理の品質は（１）エッチング形状（２）下地とのエッチ
ング速度比（選択比）（３）エッチング速度（４）基板
に与える損傷の度合、などにより評価される。これら評
価項目に加え面積の大きな被処理基板を用いる場合、広
い面積にわたって均一にエッチング処理を行う必要があ
り、これらすべての条件を満足する処理条件を求めるの
にかなりの労力が必要となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術によると
高品質なプラズマ処理が得られる条件と均一なプラズマ
処理が得られる条件が必ずしも一致しないことにより、
被処理基板上の広い面積にわたって均一なプラズマ処理
が得られない、または広い面積にわたって均一な処理を
実現する条件では高品質なプラズマ処理が得られない問
題がある。

【０００５】本発明の目的は、広い面積を持つ被処理基
板に対して高品質な処理を均一性よく施すことのできる
プラズマ処理装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題は均一性を高め
るためにあるパラメータを調整すると、プラズマ処理の
品質も同時に変化してしまうことに原因がある。そこで
プラズマ処理品質と独立に均一性を調整できるパラメー
タまたは複数のパラメータ群を持つプラズマ処理手段を
用いることで上記課題は解決できる。すなわち、マイク
ロ波の電磁界分布を処理室圧力、磁場条件などのプロセ
ス条件に対し独立に制御できるよう、マイクロ波の電磁
界分布の制御を可能とするパラメータを持つ装置によっ
て上記課題は解決できる。

【０００７】マイクロ波を用いてプラズマを発生させプ
ラズマ処理を行う装置においてプラズマ処理の品質は投
入するマイクロ波の電力、処理室の圧力、処理室に投入
する処理ガスの供給量などのパラメータにより調整され
る。プラズマ処理の均一性はプラズマの分布を調整する
ことで制御できる。プラズマの分布はマイクロ波の電磁
界分布により調整でき、これを調整することによりプラ
ズマ処理の均一性を制御することが可能となる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

〔実施例１〕図１から図７を用いて本発明の第１の実施
例を説明する。まず図１に本発明を用いたエッチング装
置を示す。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１００により同軸導波管
変換器１０１に伝送される。マイクロ波の周波数として
例えば２．４５ＧＨｚのものを用いている。同軸導波管
変換器１０１は少ない電力損失でマイクロ波を方形導波
管から同軸線路に伝えることができる。同軸線路部１０
２の先端には整合室１０３が設けられ空洞共振器１０４
と同軸線路部１０２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１０４内にマイクロ波
電力を伝送する。空洞共振器１０４は円形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１０４は例えばアルミニウム、銅
などの導電率の高い材質でできており、マイクロ波電力
の損失を防止している。空洞共振器１０４の導入窓１０
５側には結合孔１０６を持つスロット板１１３が設けら
れ、導入窓１０５を介して処理室１０７内にマイクロ波
を放射する。導入窓１０４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誘電体として
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１０７の周囲には静磁界発生装置１０８が設置さ
れており、処理室１０７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０．０８７５テスラとなる。処
理室１０７は図示しない真空排気系、および図示しない
ガス供給系によりプラズマ処理に適した圧力、ガス雰囲
気に保持されている。処理室１０７内に被処理基板１０
９を設置するための基板電極１１０が設置されている。
基板電極１１０は電気的に絶縁され、整合器１１１を介
して高周波電源１１２が接続されている。高周波電源１
１２により数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ程度の周波数の電
磁波を被処理基板１０９に加え、バイアス電位を発生さ
せる。結合孔１０６として例えばスロットアンテナを用
いることができる。スロット板１１３は１ｍｍから５ｍ
ｍ程度と薄く、導電率の高い材質として例えばアルミニ
ウム、銅などでできている。整合室１０３の動作につい
て説明する。一般に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。空洞共振器を励振するために導波路を空洞共振器に
接続すると接続面で反射が生じ、マイクロ波電力を効率
良く処理室内に伝送できなくなる。そこで接続部に整合
室１０３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
理室内に効率良く伝送することができる。

【０００９】図２に整合室の働きを同軸線路と円形導波
管の接続に用いた場合を例にとり説明する。同軸線路２
００と円形導波管２０２の間に同軸線路２００の外部導
体の直径が異なる同軸構造の整合室２０１が接続されて
いる同軸線路２００側から円形導波管２０２側にマイク
ロ波を送った場合を近似的に考える。一般にマイクロ波
は不連続面で反射波を生じる。そのため同軸線路２００
と整合室２０１の接続面２０３でマイクロ波電力の一部
が反射し反射波２０５が生じる。同様に整合室２０３と
円形導波管２０２の接続面２０４でも反射波２０６が生
じる。接続面２０３と接続面２０４の距離を同軸線路中
の波長の１／４の長さに設定すると反射波２０５と反射
波２０６の進行する距離の違いは整合室高さの往復分、
すなわち１／２波長となる。そのため反射波２０５と反
射波２０６の位相は丁度１８０度異なるため、この両者
は互いに打ち消しあう。反射波２０５と反射波２０６の
振幅を同一にすることができれば反射波２０５と２０６
は完全に打ち消しあい、伝送したマイクロ波の電力は同
軸線路から円形導波管にすべて送ることができる。反射
波２０３、２０４の振幅は整合室２０１の外部導体直径
を調整することで制御できる。また整合室の高さは１／
４波長だけでなく、さらに半波長の整数倍延長しても同
様の議論が成立することからその長さに設定してもよ
い。第１次近似として上述のように考えることができる
が、実際には接続面２０３、２０４付近に局所的に存在
する線路の軸方向に伝搬しないマイクロ波が影響するた
め上述の議論は厳密には成立しない。そのため接続面２
０３、接続面２０４の距離の最適値は若干１／４波長か
らずれることになる。また整合室２０１や円形導波管２
０２の直径が大きく、複数の伝搬モードが存在する場合
にも同様に上述の議論は厳密には成立しない。図３に図
２のモデルを解析した例を示す。横軸に円形導波管の直
径で規格化した整合室の外部導体内径をとり、縦軸に入
射電力で規格化した反射電力を示す。整合室の外部導体
内径を調整することで反射電力を極小にすることができ
ることがわかる。

【００１０】整合室を図１に示すエッチング装置に適用
する場合を考える。同軸線路１０２側から処理室１０７
へマイクロ波を伝送すると空洞共振器１０４の端面以外
にも結合孔１０６や導入窓１０５、処理室１０７など各
部からの反射波が生じる。これら各部から生じた反射波
は互いに影響しあって全体としてある振幅、位相を持つ
反射波となる。この反射波を整合室１０３の直径および
高さの調整により抑制することができる。

【００１１】空洞共振器１０４について説明する。空洞
共振器１０４は円形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ＴＭ
₀₁₁モードの電磁界は式（１）のように表現できること
が知られている。

【００１２】

【数１】

【００１３】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_φ：角度方向電界、Ｅ_z：軸方向電界、Ｈ_r：
半径方向磁界、Ｈ_φ：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_s：軸方向波数
（Ｋ_z2＝Ｋ_c2＋(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、Ｊ
₀′(r)＝ｄＪ₀(r)/ｄｒである。円形ＴＭ₀₁₁モードは角
度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できる。本
実施例では同軸線路を空洞共振器１０４中央に接続する
ことにより励振しているが、類似した電磁界分布を持つ
他の導波路を別の場所に接続してもよい。

【００１４】空洞共振器１０４下部に設けられた結合孔
１０６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、スロットアンテナと呼ばれている。定性的にス
ロットアンテナの動作を説明する。電磁波にさらされた
導体板表面には電磁波の磁界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、これを波源として電磁波が放射される。従って
スロットアンテナ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からの電磁波の放射は起こりにく
くなる。また放射される電磁波の電界はスロットアンテ
ナを設置した金属板のある平面上でスロットアンテナの
長軸方向に垂直になる傾向がある。

【００１５】図４に本実施例で用いる結合孔としてのス
ロットアンテナの一例を示す。図４に示す円盤４０１が
空洞共振器１０４の底面を構成する。円形ＴＭ₀₁₁モー
ド空洞共振器の底面では中心軸から放射状に表面電流４
０２（ベクトルＪとする。）が流れる。図４に示すスロ
ットアンテナ４０４の長軸方向の外向き単位ベクトル４
０３（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４０４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、処理室内に放射されるマイクロ波電磁界を
制御できる。図４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４０４によりさえぎられる電流の大きさと正の相
関を持つと考えられる。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の大きさと正の
相関を持つと考えられる。またスロットアンテナ４０４
により空洞共振器底面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４０４の長軸方向と垂直にな
る。図４に示すようにスロットアンテナ４０４を並べる
とＪ_pは円盤４０４の角度方向に流れる成分をもち、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。このリング状電磁界によりリング状
にプラズマを発生させることができ、高い均一性を得る
ことができる。また角度θの調整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
できる。実験的に角度θのプラズマ均一性、プラズマの
安定性を評価した結果、式（２）の範囲で良好な結果を
得た。 22.5≦θ≦67.5または−67.5≦θ≦−22.5 （２）また各スロットは直径Ｒの円周状にそれぞれ中心を持つ
よう、配置されている。このスロット中心径Ｒによって
もプラズマ発生領域の分布を調整できる。スロット中心
径Ｒが小さいとき被処理基板１０９直上のプラズマ密度
分布は中央で高く周囲で低い凸状の分布となる。さらに
スロット中心径Ｒを大きくすると、被処理基板１０９直
上のプラズマ密度分布は凸から平坦へと変化し、さらに
凹状の分布へと変化する。

【００１６】スロット中心径Ｒを変化させた場合の基板
電極上の飽和イオン電流分布を測定した例を図５に示
す。スロットの形状、個数、傾斜角度が同一でスロット
中心径について小、中、大の３種について比較した。ス
ロット中心径が小さい場合に中央部で高い分布、中心径
が中間の場合に平坦な分布、中心径が大きい場合に中央
部で低い分布となった。このようにスロットの中心径を
制御することでプラズマの分布制御が可能となる。また
比較的平坦な分布が得られるのはスロットの中心径が処
理室直径または導入窓直径の約半分程度の時である。実
験的には処理室または導入窓の内径をＬ、円周状に配置
されたスロットアンテナの中心径をＲとすると式（３）
の関係を満たす範囲でほぼ平坦な分布が得られた。 0.4Ｌ≦Ｒ≦0.6Ｌ（３）上記結果は導入窓中にリング状の電力分布を持つ円形導
波管のＴＥ₀₁モードと呼ばれる電磁界分布を励振したた
めと推定できる。ＴＥ₀₁モードの電界のピーク位置は導
波管直径の４８．０％の位置に来ることが知られてお
り、この近傍にスロットアンテナの中心径を設定すれば
よい。また上記スロットアンテナの中心径は空洞共振器
の直径にほぼ独立に決めてよく、空洞共振器の直径は処
理室の直径に比べて小さくしてもよい。スロットアンテ
ナの中心径は空洞共振器底面を流れる表面電流が最大の
位置に設定すると効率良く電力を放射でき、式（１）よ
り共振器内径の７６．５％の位置で表面電流が最大とな
ることがわかる。上記円形導波管のＴＥ₀₁モードのピー
ク位置と表面電流最大位置の関係から処理室または導入
窓の直径Ｌに対し空洞共振器の内径Ｒ_sは６２．６％が
適していることになる。実験的には空洞共振器中のスロ
ットアンテナ配置の自由度は高く、空洞共振器内径の設
定範囲として式（４）のようにできる。 0.626Ｌ≦Ｒ_s＜Ｌ（４）図４にはスロット４０４の個数が８個の場合を示した
が、8個に限定されるものではなく、増やしても減らし
てもよい。スロットの個数を増やすことでスロット１個
あたりを通過するマイクロ波電力を小さくできるため大
きなマイクロ波電力を用いる場合に有効である。またス
ロットの個数を減らすと空洞共振器内に保持される電力
量が相対的に大きくなり、空洞共振器内の電磁界分布を
より安定にすることができる。以下に空洞共振器内に保
持される電力量と電磁界の安定性について定性的に説明
する。空洞共振器に投入されたマイクロ波は共振器内で
反射をくり返し、空洞共振器内面の表皮抵抗などに由来
する損失を除く電力分がスロットアンテナから放射され
ることになる。空洞共振器は導電率が高く損失の小さい
材料としてアルミニウムや銅などでできているため、マ
イクロ波が空洞共振器内で受ける損失は小さく抑えられ
ており、投入した電力の大部分がスロットアンテナから
放射される。放射されたマイクロ波は一部が負荷に吸収
され残りが反射して共振器側に戻る。共振器内に保持さ
れる電力量の割合が単位時間に空洞共振器に投入し放射
される電力に対し十分大きいと、共振器内の電磁界分布
は共振器内で反射を繰り返すマイクロ波により決まる。
負荷であるプラズマの状態が変動し、共振器側に戻るマ
イクロ波電力や分布が変動しても、共振器内に保持され
る電力量が十分大きいと共振器内の電磁界はあまり変動
することはない。従って負荷の変動に対し共振器内の電
磁界を安定に保つことができる。このように共振器内の
電磁界分布を安定に保つことが可能なためスロットアン
テナから放射されるマイクロ波電磁界も安定に保つこと
ができる。従って負荷の変動にたいして安定なプラズマ
発生領域を得ることができる。空洞共振器内に保持され
る電力量を調整する他の方法として、共振器直径に対し
スロット中心径を調整する方法、スロットの傾斜角度を
調整する方法がある。前述のようにスロットから放射さ
れるマイクロ波電力はスロットがさえぎるスロット板上
を流れる表面電流の大きさと正の相関を持つ。従ってス
ロット中心径を調整してスロットがさえぎる表面電流の
大きさを変えることにより空洞共振器内に保持される電
力量を調整できる。一般に完全導体表面をマイクロ波に
よって流れる表面電流は表面でのマイクロ波磁界の大き
さに比例しマイクロ波磁界に直交することが知られてい
る。従ってスロット板上を流れる表面電流を式（１）よ
り求めることができる。スロットの配置する位置を調整
してスロットがさえぎる表面電流の大きさを調整するこ
とで放射するマイクロ波の電力を調整できる。従って空
洞共振器内に保持される電力量を調整できる。またスロ
ット幅を調整することによってスロットの個数を調整し
たのと同様の効果を得ることができ、これによって空洞
共振器内に保持される電力量を調整できる。

【００１７】図６に他のスロットアンテナの例を示す。
円弧状のスロット６００が配置されており、半径方向の
電界成分を処理室に放射することができる。スロット６
００の円弧の長さを変えてスロット板上の表面電流をさ
えぎる量を調整し、空洞共振器に保持される電力量を調
整することができる。

【００１８】また図７にスロットアンテナの他の例を示
す。スロット７００が「ハ」の字状に並べられている。
図７に示す角度θを調整することにより空洞共振器内に
保持される電力量を調整できる。すなわち角度θの絶対
値が０度に近いとき保持される電力量が多く、９０°に
近いとき電力量が少なくなる。空洞共振器内に保持され
る電力量が多いと空洞共振器内の電磁界が負荷であるプ
ラズマの変動に対して安定になる一方で励振が難しくな
る。また空洞共振器に保持される電力が少ないと空洞共
振器の励振は容易になるものの、プラズマ変動に対する
空洞共振器内電磁界の安定性に問題が生じやすくなる。
そのため最適な結合の度合に調整する必要があり、図７
の角度θの調整により空洞共振器内に保持される電力量
の最適化が図れる。このスロットアンテナの構成方法は
本実施例に特異のものでなく、マイクロ波により流れる
表面電流を有する他の系にも同様に適用できる。

【００１９】〔実施例２〕本発明の第２の実施例を図８
を用いて説明する。第２の実施例と第１の実施例の違い
はスロット板部分のみであり、他の構成は同様であるの
で共通する部分の説明を省略する。結合孔としてのスロ
ットアンテナを設ける導体板の厚みは通常１ｍｍから５
ｍｍ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、結合孔の部分が厚さ方向に導波管として働き、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ことが
知られている。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２．４５ＧＨ
ｚ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６１．２ｍｍより大きくする必
要がある。

【００２０】図８に厚いスロット板の断面図を示す。こ
の厚いスロット板８００は図１における空洞共振器１０
４の導入窓１０５側に設置する。厚いスロット板８００
にはスリット状の結合孔８０１が設けられており空洞共
振器内のマイクロ波は結合孔８０１により導入窓および
処理室に放射される。スロット板８００内に磁性体８０
２が埋めこまれており、処理室内部の静磁界分布を最適
化することができる。また磁性体８０２にかえて静磁界
の発生装置を埋めこむこともできる。その場合処理室周
囲の静磁界発生装置１０８を用いなくても安定にプラズ
マを生成することができる。スロットの長さに関する制
限はスロット８０１内部に誘電体を入れることで緩和で
きる。すなわち誘電体の内部でマイクロ波の平面波の波
長は比誘電体の誘電率の平方根（屈折率）の逆数に比例
して短くなることを利用する。方形導波管の遮断波長も
同様に比誘電体の誘電率の平方根の逆数に比例して短く
することができる。例えば誘電体として石英をスロット
内に入れると、石英の誘電体は３．８程度なので約半分
の３１．４ｍｍでマイクロ波は遮断される。そのため石
英をスロット内部に入れることでスロット長軸の長さを
３１．４ｍｍ以上にすればよい。

【００２１】〔実施例３〕本発明の第３の実施例を図９
を用いて説明する。第３の実施例と第１の実施例の違い
はスロット板部分および導入窓部分のみであり、他の構
成は同様であるので共通する部分の説明を省略する。図
９に示す導入窓とスロット板を第１の実施例に用いても
よい。導入窓９０１はリング状の形状である。スロット
板９０２はリング状導入窓９０１の中心の穴から処理室
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９０３の形状は図
４，図６，図７に示した形状を用いることができる。ス
ロット板９０２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。また図示しないガス
供給機構を同様に内部に備えており、処理室に処理ガス
を供給することができる。スロット板９０２は中央部が
導入窓９０１の形状にあわせて突出した形状となってい
るが、図９に示す突出量ｄは任意である。この突出量ｄ
を調整して導入窓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９０２を電気的に接地せず、高周波を給
電することもできる。

【００２２】〔実施例４〕本発明の第４の実施例を図１
０を用いて説明する。第４の実施例と第１の実施例の違
いは整合室部分のみであり、他の構成は同様であるので
共通する部分の説明を省略する。図１０ａからｆに図１
の整合室１０３に置き換えて使用できる整合室の形式を
示す。図１０ａは外部導体径および内部導体径のサイズ
を変更した整合室である。図１０ｂは整合室を外部導体
径を変更した部分と内部導体径を変更した部分の２つの
部分から構成した整合室である。図１０ｃは整合室を同
軸線路ではなく円形導波管により構成した整合室であ
る。図１０ｄは外部導体径を局所的に絞るドーナツ状円
盤を用いた整合室である。図１０ｅは内部導体径のサイ
ズのみを変更したことによる整合室である。図１０ｆは
外部導体径を局所的に絞るドーナツ状円盤を複数用いた
整合室である。これらの整合室を組み合わせて新たな整
合室を構成してもよい。また同一の形式の整合室を多段
に接続して整合室を構成してもよい。

【００２３】〔実施例５〕本発明の第５の実施例を図１
１を用いて説明する。第４の実施例と第１の実施例の違
いは同軸導波管変換器部分、整合室部分のみであり、他
の構成は同様であるので共通する部分の説明を省略す
る。図１１に図１に示す同軸導波管変換器１０１および
整合室１０３に置き換えて使用できる円形ＴＭ₀₁変換器
１１００および整合室１１０２を示す。円形ＴＭ₀₁変換
器１１００は方形導波管１１０３および円形導波管１１
０１からなる。円形導波管により構成された整合室１１
０２の先に空洞共振器を接続する。円形導波管１１０２
は円形ＴＭ₀₁モードが伝送できる直径になっている。周
波数が２．４５ＧＨｚの場合、直径９３．７ｍｍ以上あ
れば円形ＴＭ₀₁モードは伝送できる。内部に誘電体を装
荷すればさらに直径を小さくすることもできる。方形導
波管１１０３の終端面から円形導波管１１０１の中心軸
迄の距離ｄを最適化することで方形導波管から１１０３
から投入したマイクロ波電力の円形ＴＭ₀₁モードへの変
換効率は最適化できる。方形導波管１１０３がＷＲＪ―
２（幅１０９．２ｍｍ、高さ５４．６ｍｍ）、円形導波
管１１０１の内径が１０９．２ｍｍの場合、ｄを１６４
ｍｍまたは９２ｍｍとするとよい。一般にマイクロ波帯
では同軸線路に比べ、方形導波管、円形導波管の方が損
失が小さくなる。従って、円形ＴＭ₀₁変換器１１００お
よび整合室１１０２を図１に示す同軸導波管変換器１０
１および整合室１０３に置き換えて使用することでマイ
クロ波の損失を小さくすることができる。

【００２４】〔実施例６〕本発明の第６の実施例を図１
２を用いて説明する。第１の実施例と第６の実施例の違
いは空洞共振器部分およびスロット板のみであり、他の
構成は同様であるので共通する部分の説明を省略する。
第６の実施例では第１の実施例におけるスロット板を取
り外している。さらに第１の実施例における空洞共振器
が径の大きな円形導波管１２０１に置き換えられ、円形
導波管１２０１の一端が直接導入窓１２０２に接した構
造となっている。円形導波管１２０１の長さを調整する
ことでプラズマの分布を調整することができる。第１の
実施例と比べスロット板を用いないためプラズマ分布の
調整範囲が小さくなる、円形導波管部分のマイクロは電
磁界分布がプラズマ端面での反射波の影響を強く受ける
等の欠点が有る反面、構造が単純であるためマイクロ波
電力の損失を小さく抑えることができる、組み立て等の
作業が簡便に行える等の利点を持つ。

【００２５】

【発明の効果】本発明により広い面積を持つ被処理基板
に対して高品質な処理を均一性よく施すことのできるプ
ラズマ処理装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示
す縦断面図である。

【図２】整合室の動作を示す説明図である。

【図３】整合室の大きさと反射電力との関係を示す図で
ある。

【図４】スロットアンテナの一例を示す平面図である。

【図５】スロットアンテナの配置による飽和イオン電流
分布の変化を示す図である。

【図６】スロットアンテナの他の例を示す平面図であ
る。

【図７】スロットアンテナのさらに他の例を示す平面図
である。

【図８】本発明の第２の実施例であるプラズマ処理装置
に用いるスロットアンテナを示す断面図である。

【図９】本発明の第３の実施例であるプラズマ処理装置
に用いるスロットアンテナおよび導入窓部分を示す断面
図である。

【図１０】本発明の第４の実施例であるプラズマ処理装
置に用いる整合室の形式例を示す断面図である。

【図１１】本発明の第５の実施例であるプラズマ処理装
置に用いる円形ＴＭ₀₁変換器および整合室を示す断面図
である。

【図１２】本発明の第６の実施例であるプラズマ処理装
置を示す断面図である。

【符号の説明】

１００…方形導波管、１０１…同軸導波管変換器、１０
２…同軸線路部、１０３…整合室、１０４…空洞共振
器、１０５…導入窓、１０６…結合孔、１０７…処理
室、１０８…静磁界発生装置、１０９…被処理基板、１
１０…基板電極、１１１…整合器、１１２…高周波電
源、１１３…スロット板、２００…同軸線路、２０２…
円形導波管、２０３…同軸線路と整合室の接続面、２０
５…反射波、２０４…整合室と円形導波管の接続面、２
０６…反射波、４０１…円盤、４０２…表面電流、４０
３…スロットアンテナ長軸方向の外向き単位ベクトル、
４０４…スロットアンテナ、６００…スロット、７００
…スロット、８００…厚いスロット板、８０１…スリッ
ト状の結合孔、８０２…磁性体、９０１…導入窓、９０
２…スロット板、９０３…スロットアンテナ、１１００
…円形ＴＭ₀₁変換器、１１０１…円形導波管、１１０２
…整合室、１１０３…方形導波管、１２０１…円形導波
管、１２０２…導入窓。

フロントページの続き (72)発明者角屋誠浩山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波を用いたプラズマ処理装置にお
いて、マイクロ波の導入を、所定の電磁界を得られるよ
う調整された空洞共振器、該空洞共振器に設けられた結
合孔により該空洞共振器内のマイクロ波電力を導入窓を
介して処理室にマイクロ波を放射することを特徴とする
プラズマ処理装置。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、該結合孔が該空洞共振器内を流れる表面電流をさえ
ぎるよう形成されたスロットアンテナであることを特徴
とするプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項２記載のプラズマ処理装置におい
て、該スロットアンテナが該空洞共振器内を流れる表面
電流に対して所定の角度傾斜したことを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項４】請求項３記載のプラズマ処理装置におい
て、該スロットアンテナの長軸と空洞共振器内面のマイ
クロ波磁界のなす角度θ（度）が、 22.5≦θ≦67.5または−67.5≦θ≦−22.5 の関係を満たすことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】請求項２記載のプラズマ処理装置におい
て、該スロットアンテナにより導入窓を介して処理室中
に放射されるマイクロ波電界の方向が空洞共振器内の電
界の方向と異なることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、処理室に静磁界を加える静磁界発生装置を備えたこ
とを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、空洞共振器の励振をインピーダンス整合機能を持つ
立体回路を用いて行うことを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項８】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、該結合孔により該処理室に放射されるマイクロ波電
磁界の姿態が該空洞共振器内のマイクロ波電磁界の姿態
と異なることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項９】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、該結合孔が断面が略方形の所定の高さを持つ穴であ
ることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１０】請求項９記載のプラズマ処理装置におい
て、該結合孔を形成する素材の内部に磁性体を埋設した
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１１】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、該マイクロ波の導入窓がリング状であり、該結合孔
を備えた導電性の素材が該リング状導入窓の中央部に設
置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１２】同軸線路によりマイクロ波を導き、イン
ピーダンス整合作用のある立体回路を該同軸線路先端部
に接続し、該インピーダンス整合作用のある立体回路を
介して励振される空洞共振器を備え、該空洞共振器内を
流れる表面電流に対し所定の角度傾斜したスロットアン
テナを用いてマイクロ波を処理室内に放射し、該処理室
内に電子サイクロトロン共鳴現象を起こしうる程度の強
さの静磁界を発生させうる静磁界発生装置を備え、該処
理室にプラズマを発生させ、該処理室に設置した被処理
基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
該処理室に放射されるマイクロ波電界の方向が該空洞共
振器内の電界の方向と異なることを特徴とするプラズマ
処理装置。
【請求項１３】スロットアンテナを備えた所定のモード
で共振する空洞共振器を用いてマイクロ波電力によりプ
ラズマを発生させるプラズマ処理装置において、空洞共
振器のスロット板のある面の表面電流分布とスロットア
ンテナの間に、スロットアンテナ長軸方向の空洞共振器
に対し外向きに正の方向を持つ単位ベクトルをｎ_s、空
洞共振器のスロット板のある面の表面電流ベクトルをＪ
としたとき、Ｊが空洞共振器のスロット板の中央付近に
中心を持つ同心状の渦を形成せず、かつ、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
振器のスロット板の中央付近に中心を持つ同心状の渦を
形成する、の関係が成立することを特徴とするプラズマ
処理装置。
【請求項１４】請求項１３記載のプラズマ処理装置にお
いて、円柱状の空洞共振器を備え、該空洞共振器の底面
を流れる表面電流が中心軸から放射状に流れ、該空洞共
振器の底面にスロットアンテナを有し、該スロットアン
テナが該表面電流に対し所定の角度傾いたことを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項１５】マイクロ波によりプラズマを発生させ、
基板にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置において、
被処理基板をその内部に載置する処理室、該処理室にマ
イクロ波を透過させつつ該処理室内部を処理に適した圧
力雰囲気に保持するための誘電体製のマイクロ波導入
窓、該マイクロ波導入窓を介して該処理室にマイクロ波
を放射するためのスロットアンテナ、該スロットアンテ
ナを励振するための空洞共振器、該処理室に静磁界を加
える静磁界発生装置、該処理室を排気する排気装置、該
処理室に処理ガスを供給するガス供給装置を備えたこと
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１６】請求項１５記載のプラズマ処理装置にお
いて、該被処理基板が略円盤状であり、該処理室が略円
柱状であり、該空洞共振器が略円柱状であり、該スロッ
トアンテナが円周状に配置され、該被処理基板および該
処理室および該空洞共振器および円周状に配置された該
スロットアンテナの中心軸が同一であることを特徴とす
るプラズマ処理装置。
【請求項１７】請求項１６記載のプラズマ処理装置にお
いて、該空洞共振器内部のマイクロ波電磁界が該空洞共
振器の中心軸に対し軸対称であることを特徴とするプラ
ズマ処理装置。
【請求項１８】請求項１７記載のプラズマ処理装置にお
いて、該処理室の内径に対し空洞共振器の内径が小さい
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１９】請求項１７記載のプラズマ処理装置にお
いて、該処理室の内径Ｌ、円周状に配置されたスロット
アンテナの中心径Ｒの間に、 0.4Ｌ≦Ｒ≦0.6Ｌの関係が成立することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２０】マイクロ波によりプラズマを発生させる
プラズマ処理装置において、回転対称な電磁界分布によ
りマイクロ波電力を、内部に被処理基板を備えた処理室
に導入し、該処理室にマイクロ波を導波する立体回路系
が該処理室近傍で略回転対称な構造であり、該立体回路
系が処理室に近ずくにつれステップ状にその内径が大き
くなる複数の導波路を接続することで構成されたことを
特徴とするプラズマ処理装置。