JPWO2010090058A1 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ波によりガスを励起させて基板Ｇをプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置１０であって、金属により形成された処理容器１００と、マイクロ波を出力するマイクロ波源９００と、処理容器１００の内壁に面し、マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波を処理容器内に透過する第１の誘電体３０５と、処理容器１００の内面に設けられ、処理容器１００の内面に沿って伝搬するマイクロ波を抑制する第２の誘電体３４０と、を有する。

Description

本発明は、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関し、特に、電磁波の伝搬を制御する機構に関する。

低周波数のマイクロ波をプラズマ処理装置に供給した場合、第１の誘電体とプラズマとを伝搬する表面波（以下、誘電体表面波（ＤＳＷ：Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅ）ともいう）だけでなく、処理容器内壁の金属面とプラズマとを伝搬する表面波（以下、金属表面波（ＭＳＷ：Ｍｅｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅ）ともいう）が発生する。

金属表面波は、プラズマ中の電子密度がカットオフ密度n_cの２倍より低いと伝搬することができない。カットオフ密度n_cはマイクロ波の周波数の二乗に比例するので、金属表面波は周波数が低く、電子密度が高くないと伝搬することができない。さらに、金属表面波は、周波数が低いほど減衰しにくい。

プラズマの生成に一般的に用いられている２４５０ＭＨｚの周波数においては、カットオフ密度n_cの値が７．５×１０^１０ｃｍ^−３となり、電子密度が１．５×１０^１１ｃｍ^−３以上でないと金属表面波が伝搬しない。たとえば、表面付近の電子密度が１×１０^１１ｃｍ^−３程度の低密度プラズマでは、金属表面波は全く伝搬しない。電子密度がもっと高い場合でも、減衰が大きいため金属表面波の伝搬があまり問題にならないことが多い。

一方、たとえば９１５ＭＨｚの周波数では、表面付近の電子密度が１×１０^１１ｃｍ^−３程度の低密度プラズマでも金属表面波が処理室の内面を長く伝搬する。よって、低周波のマイクロ波を利用してプラズマ処理を実行する場合には、誘電体表面波の伝搬を制御する手段に加え、金属表面波の伝搬を制御する手段を講じる必要がある。

そこで、発明者は、プラズマ処理装置のチャンバ内の金属面に溝又は凸部を設け、溝又は凸部にて金属表面波を反射させることにより、溝や凸部から先に金属表面波が伝搬するのを妨げる機構を提案した（例えば、特許文献１参照。）。

国際公開２００８／１５３０５４号パンフレット

しかしながら、溝により金属表面波の伝搬を抑制する場合、溝の中を伝搬するプラズマ中の電子とイオンとが溝の側面や底面にて再結合し、これにより、溝の中では電子及びイオンが減少するという現象が生じる。このため、溝の中ではプラズマ密度が下がりやすく、安定なプラズマが立ちにくい状態となっている。一方で、一度、溝中でプラズマが立つと強いプラズマが立つという傾向がある。

この結果、溝中でプラズマが立っている部分と立っていない部分とが生じる。つまり、溝中では局所的にプラズマが立つ。また、溝中のプラズマが立っている部分では非常にプラズマ密度が高く、さらに、その密度が高い部分が溝中を動き回るため、溝中のプラズマは、時間的にも空間的にも不安定な状態になる。

金属表面波の伝搬の仕方は、溝中のプラズマ密度によって変わる。プラズマ密度が低いときには、金属表面波は溝を通り抜けて伝搬してしまう。一方、プラズマ密度が高いときには、金属表面波は反射され、溝を通り抜けることができない。前述の通り、溝中のプラズマは不安定であるため、金属表面波は、溝を通り抜けてしまったり、反射されたりして、その伝搬状態が時間的にも空間的にも流動的に変化する。この不安定な変化は、溝の外のプラズマ全体にも影響を及ぼし、プラズマ全体が不安定な状態になりやすいという課題があった。

また、凸部により金属表面波の伝搬を抑制する場合、プラズマが不安定になることはないが、金属表面波を十分に反射させることが難しいという課題があった。

そこで、本発明の目的は、プラズマの安定性を考慮しながら処理容器内の電磁波の伝搬を制御することが可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、金属により形成された処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記処理容器の内壁に面し、前記電磁波源から出力された電磁波を前記処理容器内に透過する第１の誘電体と、前記処理容器の内面に設けられ、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波を抑制する第２の誘電体と、を有するプラズマ処理装置が提供される。

かかる構成によれば、処理容器の内面に第２の誘電体が設けられ、処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波（金属表面波）を抑制する。金属表面波は、シースに沿って伝搬する。金属表面波が第２の誘電体の端部まで伝搬すると伝搬の仕方が大きく変わる。これは、金属表面波が処理容器の金属面を伝搬し、第２の誘電体まで到達すると、金属表面波は第２の誘電体の内部にも電界が入り込みながら第２の誘電体を伝搬する誘電体表面波となるためである。このようにして、表面波は、金属表面波から誘電体表面波になって伝搬し、第２の誘電体を伝搬後、再び金属表面波となって伝搬する。表面波が金属表面波から誘電体表面波に変化する際、又は誘電体表面波から金属表面波に変化する際、特性インピーダンスが大きく変わる。この結果、第２の誘電体は、処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波を反射させることができる。

これにより、金属表面波が処理容器の内面に沿って被処理体の周囲まで伝搬し、処理の均一性を損なうことを回避することができる。また、被処理体の処理に使用されない位置にプラズマが立つことを回避することにより、電磁波のエネルギーが無駄に消費されることを防止することができる。さらに、金属表面波のエネルギーにより機器が損傷する恐れがある領域へ金属表面波が伝搬することを抑制することができる。

前記第２の誘電体は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の９０％以上を反射させてもよい。

なお、処理容器の内面としては、たとえば、プラズマが接する処理容器の内壁の金属面、処理容器の内壁のうち被処理体をプラズマ処理する空間を画成する内壁の金属面、被処理体が載置された位置より上部（第１の誘電体側）に位置する処理容器の内壁の金属面が挙げられる。

前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向に垂直な方向の最も厚い部分の厚さＤｔは、４ｍｍ以上であってもよい。

前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ねｎ／２倍（ｎは整数）を除く長さであってもよい。

前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ね１／２倍未満であってもよい。

前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体の比誘電率をε_ｄ、金属表面波の周波数をｆとしたとき、

よりも短くてもよい。

前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ね（２ｎ＋１）／４倍（ｎは整数）であってもよい。

前記第２の誘電体は、前記処理容器の内壁に設けられた貫通口又は凹部に嵌入されていてもよい。

前記第２の誘電体は、前記処理容器の金属面に当接していてもよい。

前記第２の誘電体の少なくともプラズマ側の面は、角が面取りされていてもよい。

前記第２の誘電体は、前記処理容器の側壁まで延びていてもよい。

前記第２の誘電体は、前記処理容器の内面であってプラズマ励起領域を囲む領域に設けられていてもよい。

前記第１の誘電体は、前記処理容器の内壁に面して規則的に複数配置され、前記第２の誘電体は、前記複数の第１の誘電体のそれぞれを含む仮想領域である複数のセル全体の最も外周側に沿って又は前記外周側に近接して設けられてもよい。

前記第１の誘電体は、前記処理容器の内壁に面して規則的に複数配置され、
前記第２の誘電体は、前記複数の第１の誘電体及び前記複数の第１の誘電体に隣接して設けられるカバーの最も外周側に沿って又は当該外周側に近接して設けられてもよい。

前記第２の誘電体によって前記プラズマ励起領域を画定することができる。

前記第２の誘電体と前記複数の第１の誘電体との間から金属面が露出していてもよい。

前記第２の誘電体は、固定部材より前記処理容器に固定されるか、前記処理容器に設けられた貫通口又は凹部により前記処理容器に固定されていてもよい。

以上説明したように本発明によれば、プラズマを安定にさせながら、処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の伝搬を抑制可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図（２−０，０’−２断面）である。 同実施形態に係るプラズマ処理装置の天井面を示した図（１−１断面）である。 第２の誘電体による表面波の反射を説明するための図である。 第２の誘電体の厚さと透過量との関係を示したグラフである。 第２の誘電体の幅と透過量との関係を示したグラフである。 本発明の第２実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図（４−０’，０−４断面）である。 同実施形態に係るプラズマ処理装置の天井面を示した図（３−３断面）である。 変形例１に係る第２の誘電体を示した縦断面図である。 変形例２に係る第２の誘電体を示した縦断面図である。 変形例３に係る第２の誘電体を示した縦断面図である。 変形例４に係る第２の誘電体を示した縦断面図である。 変形例５に係る第２の誘電体を示した縦断面図である。 変形例６に係る第２の誘電体を示した縦断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、以下で説明する本発明の第１実施形態及びその変形例に係るプラズマ処理装置は次の順序で説明する。
＜第１実施形態＞
［プラズマ処理装置の構成］
［第２の誘電体による反射］
［第２の誘電体の形状の最適化］
（第２の誘電体の厚さＤｔ）
（第２の誘電体の幅Ｄｗ）
＜第２実施形態＞
［プラズマ処理装置の構成］
［第２の誘電体］
＜第２の誘電体の変形例＞
（変形例１）〜（変形例６）

＜第１実施形態＞
［プラズマ処理装置の構成］
まず、本発明の第１実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０を示した縦断面（図２に示した２−０，０’−２断面）図である。図２は、図１の１−１断面であり、マイクロ波プラズマ処理装置１０の天井面を示している。マイクロ波プラズマ処理装置１０は、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置の一例である。

図１に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置１０は、ガラス基板（以下、「基板Ｇ」という。）をプラズマ処理するための処理容器１００を有している。処理容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体３００により閉塞されている。蓋体３００は、上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとから構成されている。容器本体２００と下部蓋体３００ｂとの接触面にはＯリング２０５が設けられていて、これにより容器本体２００と下部蓋体３００ｂとが密閉され、処理室が画定される。上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとの接触面にもＯリング２１０及びＯリング２１５が設けられていて、これにより、上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとが密閉されている。容器本体２００及び蓋体３００は、たとえば、アルミニウム合金等の金属からなり、電気的に接地されている。

処理容器１００の内部には、基板Ｇを載置するためのサセプタ１０５（ステージ）が設けられている。サセプタ１０５は、たとえば窒化アルミニウムから形成されている。サセプタ１０５は、支持体１１０に支持されていて、その周囲には処理室のガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板１１５が設けられている。処理容器１００の底部にはガス排出管１２０が設けられていて、処理容器１００の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）を用いて処理容器１００内のガスを排出するようになっている。

図２を参照すると、処理容器１００の天井面には、第１の誘電体３０５、金属電極３１０及び金属カバー３２０が規則的に配置されている。第１の誘電体３０５及び金属電極３１０は、基板Ｇや処理容器１００に対して概ね４５°傾いた位置に等ピッチで８枚配置されている。第１の誘電体３０５のわずかに削られた角部同士は隣接して配置される。金属カバー３２０は、第１の誘電体３０５及び金属電極３１０の間に３枚配置されている。

天井面にはまた、全ての金属電極３１０及び金属カバー３２０を取り囲むサイドカバー３５０が１２枚設けられている。金属電極３１０及び金属カバー３２０は、本実施形態ではほぼ正方形のプレートであるが正方形でなくてもよい。金属電極３１０は、金属電極３１０の外縁部から第１の誘電体３０５が概ね均等に露出するように第１の誘電体３０５に隣接して設けられた平板である。かかる構成により、第１の誘電体３０５は、蓋体３００の内面と金属電極３１０とによりサンドイッチされ、処理容器１００の内面に密着される。金属電極３１０は、処理容器１００の内壁と電気的に接続されている。

なお、本実施形態では、８枚の第１の誘電体３０５及び金属電極３１０が４枚×２列に配置されているが、これに限られず、第１の誘電体３０５及び金属電極３１０の枚数は増やすことも減らすこともできる。

再び図１を見ると、金属電極３１０と金属カバー３２０は、第１の誘電体３０５の厚さ分、金属カバー３２０の方が厚い。かかる形状によれば、天井面の高さがほぼ等しくなる。第１の誘電体３０５はアルミナにより形成され、金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０はアルミニウム合金により形成されている。

第１の誘電体３０５及び金属電極３１０は、ねじ３２５により４カ所から均等に支持されている。上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとの間には、紙面に垂直な方向に格子状に形成された主ガス流路３３０が設けられている。主ガス流路３３０は、複数のねじ３２５内に設けられたガス流路３２５ａにガスを分流する。ガス流路３２５ａの入口には、流路を狭める細管３３５が嵌入されている。細管３３５は、セラミックスや金属からなる。金属電極３１０と第１の誘電体３０５との間にはガス流路３１０ａが設けられている。金属カバー３２０と下部蓋体３００ｂの間及びサイドカバー３５０と下部蓋体３００ｂとの間にもガス流路３２０ａが設けられている。ねじ３２５の先端面は、プラズマの分布を乱さないように、金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０の下面と面一になっている。金属電極３１０に開口されたガス放出穴３４５ａと金属カバー３２０やサイドカバー３５０に開口されたガス放出穴３４５ｂとは均等なピッチで配設されている。

ガス供給源９０５から出力されたガスは、主ガス流路３３０からガス流路３２５ａを通って第１のガス流路３１０ａ及び第２のガス流路３２０ａを通過し、ガス孔３４５ａ，３４５ｂから処理室内に供給される。このようにして天井部の金属面にガスシャワープレートを形成することにより、従来生じていた、プラズマ中のイオンによる誘電体板表面のエッチング及び処理容器内壁への反応生成物の堆積を抑制し、コンタミやパーティクルの低減を図ることができる。また、誘電体と異なり金属は加工が容易なため、コストを大幅に低減することができる。

第１の同軸管の外部導体６１０ｂは、蓋体３００を掘り込んで形成され、その掘り込みに内部導体６１０ａが挿入されている。同様にして掘り込んで形成された第２〜第５の同軸管の外部導体６２０ｂ〜６５０ｂには、第２〜第５の同軸管の内部導体６２０ａ〜６５０ａが挿入され、その上部は蓋カバー６６０で覆われている。各同軸管の内部導体は熱伝導のよい銅で形成されている。

第１の誘電体３０５の表面は、第１の同軸管の内部導体６１０ａ及び外部導体６１０ｂ間から第１の誘電体３０５にマイクロ波が入射する部分と第１の誘電体３０５から処理容器１００内部にマイクロ波が放出される部分を除いて金属膜３０５ａにて被覆されている。これにより、第１の誘電体３０５とそれに隣接する部材間に生じた空隙によってもマイクロ波の伝搬が乱されず、安定してマイクロ波を処理容器内に導くことができる。

第１の誘電体３０５は、第１の誘電体３０５に一対一に隣接した金属電極３１０と第１の誘電体３０５が配置されていない金属カバー３２０の間からプラズマ側に露出している。図２に示したように、各第１の誘電体３０５を中心に隣接する金属カバー３２０の中心点を頂点に持つ仮想領域をセルＣｅｌとして、天井面を均等な仮想領域に画定する。天井面では、セルＣｅｌを一単位として同一パターンの構成が８セル規則正しく配置されている。

これにより、マイクロ波源９００から出力された、たとえば９１５ＭＨｚのマイクロ波は、第１〜第５の同軸管を通って第１の誘電体３０５に均等に伝えられる。第１の誘電体３０５から放出されたマイクロ波は、表面波となって電力を等分配しながら金属電極３１０及び金属カバー３２０の表面を伝搬する。これにより、天井面全体に、金属表面波が伝搬し、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０の天井面の下方にて、均一なプラズマが生成される。

第２の誘電体３４０は、複数のセルＣｅｌ全体の最も外周側の近傍に沿って、すべての第１の誘電体３０５、金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０を取り囲むように設けられている。第２の誘電体３４０は、縦断面が矩形状であり、石英、アルミナ、イットリア、アルミナと石英の混合物等から形成される。第２の誘電体３４０の上面は下部蓋体３３０ｂの下面に密着し、下部蓋体３００ｂからプラズマ側に突出している。

このようにして、第２の誘電体３４０は、複数の第１の誘電体３０５のそれぞれを含む仮想領域である複数のセルＣｅｌ全体の最も外周側に近接して設けられる。複数の第１の誘電体３０５と第２の誘電体３４０とは、近接しているが接触しておらず、第２の誘電体３４０と複数の第１の誘電体３０５との間から金属面が露出している。第２の誘電体３４０は、処理容器１００の内面においてプラズマ励起領域を囲む領域に設けられる。第２の誘電体３４０は、本実施形態のように一重であってもよく、二重や三重であってもよい。第２の誘電体３４０は、処理容器１００の内面に設けられ、処理容器１００の内面に沿って伝搬する電磁波（金属表面波）を抑制するように機能するが、詳しくは後述する。

図１に示した冷媒供給源９１０は、蓋体３００内部の冷媒配管９１０ａ、第２の同軸管の内部導体６２０ａ内の冷媒配管９１０ｂに接続されていて、冷媒供給源９１０から供給された冷媒が冷媒配管９１０ａ、９１０ｂ内を循環して再び冷媒供給源９１０に戻ることにより、蓋体３００及び第２の同軸管の内部導体６２０ａの加熱を抑止するようになっている。

［第２の誘電体による反射］
金属表面波の透過を十分小さく抑えるには、第２の誘電体３４０の幅と厚さが所望の値になっている必要がある。第２の誘電体３４０の幅と厚さの最適値を調べるために、図３に示すモデルを用いた電磁界シミュレーションを行った。図３のように、金属の下面に厚さＤ_ｔ、幅Ｄ_ｗの紙面に垂直方向に無限に延びた誘電体Ｍｄが配置されている。金属および誘電体Ｍｄの下面には、厚さｓのシース及び比誘電率がε_ｄのプラズマが設けられている。シースの比誘電率は１とした。

金属表面上を紙面の右端から左に向かって伝搬する金属表面波ＭＳＷの入射波は、誘電体ＭｄのＡ端面まで到達すると、その一部が誘電体表面波ＤＳＷとなって誘電体Ｍｄとプラズマとの間に跨って伝搬し、残りは反射波となって戻っていく。Ａ端面だけでなく、Ｂ端面でもマイクロ波は反射される。誘電体Ｍｄ中には、Ａ端面及びＢ端面における多重反射によって生じた左右に伝搬するマイクロ波により定在波が生じる。誘電体表面波ＤＳＷの一部は、Ｂ端面において金属表面波ＭＳＷの透過波となって左側の金属面に沿って伝搬していく。

入射波の電力をＰ_ｉ、透過波の電力をＰ_ｔとしたとき、透過量は１０ｌｏｇ（Ｐ_ｔ／Ｐ_ｉ）で表される。実用上、透過波の電力は入射波の電力の１０％以下に抑えるべきである。従って、透過量は−１０ｄＢ以下に抑えなければならない。

［誘電体の形状の最適化］
（誘電体の厚さＤｔ）
次に、図３のモデルを用いて電磁界シミュレーションを行った結果を図４、５に示す。図４は、誘電体の厚さＤ_ｔと透過量の関係を求めたものである。誘電体の幅Ｄ_ｗは１０ｍｍに固定した。マイクロ波の周波数は９１５ＭＨｚ、プラズマの比誘電率ε_dは−７０とした。これらの値は、標準的なプラズマ励起条件に合わせた。

図４より、透過量は誘電体の幅Ｄ_ｗの増加とともに減少することがわかる。これは次のように説明される。Ａ端面において、金属表面波ＭＳＷと誘電体表面波ＤＳＷの特性インピーダンスの比が大きいほど反射が大きく、透過が小さくなる。誘電体表面波ＤＳＷは、シースとプラズマだけでなく、厚い誘電体に跨って伝搬するため、一般に金属表面波ＭＳＷと比べて特性インピーダンスが大きい。誘電体表面波ＤＳＷの特性インピーダンスは、誘電体の厚さＤ_ｗが厚いほど大きくなる。従って、誘電体の厚さＤ_ｗが厚いほど金属表面波ＭＳＷと誘電体表面波ＤＳＷの特性インピーダンスの比が大きくなり、透過量が小さくなる。

一方、図４より、透過量は誘電体の比誘電率ε_dにあまり依存しないことがわかる。また、透過量を−１０ｄＢ以下に抑えるには、誘電体の厚さＤ_ｔを誘電体の比誘電率ε_dによらず４ｍｍ以上にしなければならないことがわかる。

（誘電体の幅Ｄｗ）
図５に、誘電体の幅Ｄ_ｗと透過量との関係を示す。マイクロ波の周波数は９１５ＭＨｚ、プラズマの比誘電率は−７０、誘電体の厚さＤ_ｔは８ｍｍ、誘電体の比誘電率ε_dは１０とした。透過量は、誘電体の幅Ｄ_ｗに対し周期的に変化している。これは、次のように説明される。

前述した通り、誘電体中には左右に伝搬するマイクロ波により定在波が生じている。Ｂ端面から左側を見たインピーダンスは誘電体表面波の特性インピーダンスより十分小さいため、Ｂ端面は電気的に短絡されている状態に近くなり、電界の定在波の節になる。

Ａ端面が定在波の腹になる条件、すなわち誘電体の幅Ｄ_ｗが、概ね（２ｎ＋１）×λ_ｄ／４（ｎは整数、λ_ｄは誘電体表面波ＤＳＷの波長）のとき、Ａ端面から左側を見たインピーダンスは最大となり、金属表面波ＭＳＷの小さな特性インピーダンスとの比が大きくなるため、透過量が最も小さくなる。

一方、Ａ端面が定在波の節になる条件、すなわち誘電体の幅Ｄ_ｗが、ｎ×λ_ｄ／２のとき、Ａ端面から左側を見たインピーダンスは最小となり、金属表面波ＭＳＷの特性インピーダンスとの比が小さくなるため、透過量が最も大きくなる。

透過量を小さく抑えるには、Ａ端面が定在波の腹になる条件、すなわち、誘電体の幅Ｄ_ｗが概ね（２ｎ＋１）×λ_ｄ／４の長さであることが望ましい。または、Ａ端面が定在波の節にならない条件、すなわち、誘電体の幅Ｄ_ｗがｎ×λ_ｄ／２を除く長さであることが望ましい。さらに、種々の条件により誘電体表面波ＤＳＷの波長λ_ｄが変化しても常に透過量を小さく抑えるには、誘電体の幅Ｄ_ｗが少なくともλ_ｄ／２よりも小さいことが好ましい。

誘電体の厚さＤ_ｔが、シースの厚さよりも十分厚いとき、誘電体表面波ＤＳＷの波長λ_ｄは、近似的に次のように求められる。先ず、次の特性方程式により、固有値ｈ_iを求める。

（１）
ここで、ε_ｐはプラズマの比誘電率（実部）、ｋ_０は真空中の波数である。次に、次式から誘電体表面波の波長λ_ｄが求められる。

（２）

図５の結果を求めた条件において（１）、（２）式から誘電体表面波の波長λ_ｄを計算すると、７４ｍｍとなる。図５を見ると、誘電体の幅Ｄ_ｗが、ほぼｎ×λ_ｄ／２（ｎ＝１，２）のとき透過量が最も大きくなっていることがわかる。

誘電体表面波の波長λ_ｄは、マイクロ波の周波数ｆにほぼ反比例し、誘電体の比誘電率ε_ｄの１／２乗にほぼ反比例する。従って、誘電体表面波の波長λ_ｄは、簡易的に、

（３）
と表される。

種々の条件により誘電体表面波の波長λ_ｄが変化しても常に透過量を小さく抑えるには、（３）式より、誘電体の幅Ｄ_ｗが少なくともλ_ｄ／２よりも小さいこと、すなわち、

（４）
が成り立てばよい。

以上から、第２の誘電体３４０の形状としては、厚さＤ_ｔ及び幅Ｄ_ｗを次のように設定するとよい。すなわち、第２の誘電体３４０の金属表面波ＭＳＷの伝搬方向に垂直な方向の最も厚い部分の厚さＤ_ｔは、４ｍｍ以上とすることが好ましい。

また、第２の誘電体３４０の金属表面波ＭＳＷの伝搬方向の最も長い部分の長さＤ_ｗは、概ね（２ｎ＋１）×λ_ｄ／４（ｎは整数）とすること、または、ｎ×λ_ｄ／２（ｎは整数）を除く長さとすることが好ましい。さらに、第２の誘電体３４０の長さＤ_ｗは、概ねλ_ｄ／２未満であるとより好ましい。

これによれば、第２の誘電体３４０により処理容器１００の内面に沿って伝搬する金属表面波を十分に反射させることができ、第２の誘電体３４０により囲まれた領域によりプラズマ励起領域が画定されることとなる。これにより、金属表面波が処理容器の内面に沿って基板Ｇの周囲まで伝搬し、処理の均一性を損なうことを回避することができる。また、基板Ｇの処理に使用できない位置にプラズマが立つことにより、マイクロ波のエネルギーが無駄に消費されることを防止することができる。さらに、金属表面波のエネルギーにより機器が損傷する恐れがある領域へ金属表面波が伝搬することを抑制することができる。

＜第２実施形態＞
［プラズマ処理装置の構成］
次に、本発明の第２実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の構成について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０を示した縦断面（図７に示した４−０’，０−４断面）図である。図７は、図６の３−３断面であり、マイクロ波プラズマ処理装置１０の天井面を示している。

マイクロ波プラズマ処理装置１０は、たとえば３００ｍｍの半導体基板Ｇをプラズマ処理するための処理容器１００を有している。処理容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底円筒状であって、その開口は蓋体３００により閉塞されている。

図７を参照すると、処理容器１００の天井面には、第１の誘電体３０５、金属電極３１０及び金属カバー３２０が規則的に配置されている。４枚の第１の誘電体３０５及び金属電極３１０は、４枚の第１の誘電体３０５のわずかに削られた角部同士が隣接するように点対称に配置されている。金属カバー３２０は、第１の誘電体３０５及び金属電極３１０の間に１枚配置されている。

天井面にはまた、第１の誘電体３０５，金属電極３１０及び金属カバー３２０を全て取り囲む一体のサイドカバー３５０が設けられている。金属電極３１０及び金属カバー３２０は、本実施形態ではほぼ正方形のプレートであるが正方形でなくてもよい。かかる構成により、第１の誘電体３０５は、蓋体３００の内面と金属電極３１０とによりサンドイッチされ、処理容器１００の内面に密着される。金属電極３１０は、処理容器１００の内壁と電気的に接続されている。

図６に戻ると、第１の同軸管の外部導体６１０ｂは、蓋体３００を掘り込んで形成され、その掘り込みに内部導体６１０ａが挿入されている。同様にして掘り込んで形成された第３〜第５の同軸管の外部導体６３０ｂ〜６５０ｂには、第３〜第５の同軸管の内部導体６３０ａ〜６５０ａが挿入され、その上部は蓋カバー６６０で覆われている。第４の同軸管は第３の同軸管に２分岐し、第３の同軸管の両端部には第５の同軸管がそれぞれ連結されて２分岐する。２本の第５の同軸管の両端部には、第１の同軸管がそれぞれ連結される。

マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波は、第４の同軸管を経て第３の同軸管、２本の第５の同軸管、４本の第１の同軸管を伝って４枚の第１の誘電体３０５から処理容器１００の内部に供給される。

［第２の誘電体］
図６に示したように、第２の実施形態に係る第２の誘電体３４０は、断面が横長の形状である。第２の誘電体３４０は、処理容器１００（容器本体２００）の側壁内まで延びている。第２の誘電体３４０の外周側を容器本体２００と下部蓋体３００ｂとの境界に設けられた凹部に挿入する。凹部の下面にＯリング５０５を介在させ、Ｏリング５０５の反発力により第２の誘電体３４０を下部蓋体３００ｂに押し付けて固定する。かかる構成によれば、処理容器１００に設けられた凹部により、固定部材を使わずに第２の誘電体３４０を取り付けることができる。

図６及び図７に示したように、本実施形態では、第２の誘電体３４０は、８角形の開口を有するリング状の板であり、内周の一部が４枚の第１の誘電体３０５の外側に近接して設けられている。よって、第１の誘電体３０５と第２の誘電体３４０とは少し離れていて、その間から金属面が露出している。金属電極３１０の下面と第２の誘電体３４０の上面とは同一面内に位置している。

なお、第２の誘電体３４０は、内周の一部が４枚の第１の誘電体３０５の外側に沿って設けられていてもよい。

処理容器１００の内面に大きな段差部があると、処理ガスが停留するため好ましくない。一方、金属表面波を反射させるためには、第２の誘電体３４０は厚い方がよい。このため、第２の誘電体３４０の少なくともプラズマ側の面の角を面取りし、斜面３４０ａとすることにより、第２の誘電体３４０の厚さを確保しながら、第２の誘電体３４０によって生じる段差を小さく抑えている。

これによっても、第２の誘電体３４０により処理容器１００の内面に沿って伝搬する金属表面波を十分に反射させることができ、第２の誘電体３４０により囲まれた領域によりプラズマ励起領域が画定されることになる。

＜第２の誘電体の変形例＞
第２の誘電体３４０の形状、固定方法及び配置については、いろいろな変形例が考えられる。以下に、第２の誘電体３４０の変形例１〜変形例６について、図８〜図１３を参照しながら説明する。

（変形例１）
図８に本実施形態に係る第２の誘電体３４０の変形例１の縦断面を示す。変形例１に係る第２の誘電体３４０は、断面が矩形状であり、セルＣｅｌの境界と第２の誘電体３４０の端面とが同一面内になるように配置される。すなわち、第２の誘電体３４０は、複数の第１の誘電体３０５のそれぞれを含む仮想領域である複数のセルＣｅｌ全体の最も外周側に沿って設けられる。

また、第２の誘電体３４０は、処理容器１００の天井面の金属表面に当接した状態で、下部蓋体３００ｂの上側（外側）からねじ５００によりねじ止めされている。ねじ５００は、絶縁体でも金属でもよい。かかる構成によれば、金属電極３１０の下面と第２の誘電体３４０の上面とが同一平面上に位置する。よって、蓋体側を加工する必要がなく、コスト安となる。

また、セルの境界線上に第２の誘電体３４０を配置すればよいため、装置の設計が容易になるとともに、マイクロ波の波長が変わっても常に対称性を有する電界強度のパターンが得られるので好ましい。

なお、処理容器１００の金属面と第２の誘電体３４０との隙間は狭くしておかないと、その隙間にてプラズマが発生してしまう。これを回避するために、たとえば、上記隙間を０．２ｍｍ以下に管理する。

（変形例２）
図９に本実施形態に係る第２の誘電体３４０の変形例２の縦断面を示す。変形例２に係る第２の誘電体３４０は、断面がＬ字状であり、セルＣｅｌの境界と第２の誘電体３４０の端面とが同一面内になっている。

第２の誘電体３４０は、処理容器１００の天井面の金属表面に当接した状態で、下部蓋体３００ｂの下側（内側）からねじ５１０によりねじ止めされている。ねじ５１０は、絶縁体でも金属でもよい。セルの境界と第１の誘電体３０５の端面とは、同一面内に配置される。第２の誘電体３４０の上面は、金属電極３１０の下面よりやや下側に位置する。

かかる構成によれば、第２の誘電体３４０が下側からねじ止めされているのでメンテナンス性が向上する。また、第２の誘電体３４０をＬ字状にすることにより、ねじ５１０とプラズマとの間に第２の誘電体３４０の仕切りを設けることができ、これにより異常放電を抑止することができる。

（変形例３）
図１０に本実施形態に係る第２の誘電体３４０の変形例３の縦断面を示す。変形例３では、断面が矩形状の第２の誘電体３４０を下部蓋体３００ｂの内部に完全に埋め込み、下部蓋体３００ｂから突出させない。第２の誘電体３４０の下面は、第１の誘電体３０５の上面と同一面内になっている。このようにして天井面の凹凸を極力減らすことにより、ガスが停留しないようにしている。なお、第２の誘電体３４０の端面は、セルＣｅｌの境界より外側に位置する。本変形例では、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０は設けられていない。

（変形例４）
図１１に本実施形態に係る第２の誘電体３４０の変形例４の縦断面を示す。変形例４では、第２の誘電体３４０の端面が、処理容器１００の容器本体２００の内側面まで延びて、内側面に当接している。セルＣｅｌの境界と第２の誘電体３４０の端面が同一面内に位置づけられる。

第２の誘電体３４０の上面が第１の誘電体３０５の下面と同一面内にある。第２の誘電体３４０の角は面取りされ傾斜３４０ａとされていて、ガスの流れを良好にし、クリーニングが容易な構成となっている。本変形例では、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０が設けられていない。

（変形例５）
図１２に本実施形態に係る第２の誘電体３４０の変形例５の縦断面を示す。変形例５では、第２の誘電体３４０が部分的に埋め込まれ、その一部が下部蓋体３００ｂから突出している。第２の誘電体３４０は、処理容器の壁内のねじ５１５にて下部蓋体３００ｂに固定されている。ねじ５１５がプラズマに晒されないため、異常放電を防止できる。

本変形例に係る第２の誘電体３４０は、断面が細長く、内側３４０ｂが厚く、その角が面取りされ傾斜３４０ａとされている。第２の誘電体３４０の端面は、セルＣｅｌの境界の外側に位置する。

（変形例６）
図１３に本実施形態に係る第２の誘電体３４０の変形例６の縦断面を示す。変形例６では、下部蓋体３００ｂが、上部３００ｂ１及び下部３００ｂ２に分割されている。下部蓋体の下部３００ｂ２とサイドカバー３５０との間に第２の誘電体３４０が設けられている。これらの間には段差が設けられており、下部蓋体の下部３００ｂ２とサイドカバー３５０により挟み込むことによって第２の誘電体３４０が保持されるようになっている。これによれば、ねじ等を用いずに第２の誘電体３４０を固定できる。

以上の変形例１〜６によっても、第２の誘電体３４０によりプラズマの安定を維持しながら金属表面波の伝搬を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、本発明に係る第２の誘電体３４０は、処理容器１００の内面であってプラズマ励起領域を囲む領域に設けられてもよい。一方、第２の誘電体３４０を設けることにより、第２の誘電体３４０によって囲まれた領域をプラズマ励起領域として画定することができる。第１の誘電体３０５及び第２の誘電体３４０は、板状でなくてもよい。

また、以上に説明した各実施形態では、９１５ＭＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源９００を挙げたが、８９６ＭＨｚ、９２２ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波を出力するマイクロ波源であってもよい。また、マイクロ波源は、プラズマを励起するための電磁波を発生する電磁波源の一例であり、１００ＭＨｚ以上の電磁波を出力する電磁波源であれば、マグネトロンや高周波電源も含まれる。

また、本発明に係るプラズマ処理装置は、上述したマイクロ波プラズマ処理装置に限られず、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理、プラズマドーピング処理など、被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であればよい。

また、本発明にかかるプラズマ処理装置は、大面積のガラス基板、円形のシリコンウエハや角型のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を処理することもできる。

１０ マイクロ波プラズマ処理装置
１００ 処理容器
１０５ サセプタ
２００ 容器本体
３００ 蓋体
３００ａ 上部蓋体
３００ｂ 下部蓋体
３００ｂ１ 下部蓋体の上部
３００ｂ２ 下部蓋体の下部
３０５ 第１の誘電体
３１０ 金属電極
３２０ 金属カバー
３２５，５００，５１０，５１５ ねじ
３４０ 第２の誘電体
３４０ａ 傾斜
３５０ サイドカバー

これによれば、第２の誘電体３４０により処理容器１００の内面に沿って伝搬する金属表面波を十分に反射させることができ、第２の誘電体３４０により囲まれた領域によりプラズマ励起領域が画定されることとなる。これにより、金属表面波が処理容器の内面に沿って基板Ｇの周囲まで伝搬し、処理の均一性を損なうことを回避することができる。また、基板Ｇの処理に使用できない位置にプラズマが立つことを回避することにより、マイクロ波のエネルギーが無駄に消費されることを防止することができる。さらに、金属表面波のエネルギーにより機器が損傷する恐れがある領域へ金属表面波が伝搬することを抑制することができる。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、金属により形成された処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記処理容器の内壁に面し、前記電磁波源から出力された電磁波を前記処理容器内に透過する第１の誘電体と、前記処理容器の内面の金属面に設けられ、前記処理容器の内面に沿って伝搬する金属表面波を抑制する第２の誘電体と、を備えるプラズマ処理装置が提供される。

前記第２の誘電体は、前記金属表面波の９０％以上を反射させてもよい。

前記第２の誘電体の前記金属表面波の伝搬方向に垂直な方向の最も厚い部分の厚さＤｔは、４ｍｍ以上であってもよい。

前記第２の誘電体の前記金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ねｎ／２倍（ｎは整数）を除く長さであってもよい。

前記第２の誘電体の前記金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ね１／２倍未満であってもよい。

前記第２の誘電体の前記金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体の比誘電率をε_ｄ、金属表面波の周波数をｆとしたとき、
[数1]

よりも短くてもよい。

前記第２の誘電体の前記金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ね（２ｎ＋１）／４倍（ｎは整数）であってもよい。

Claims (18)

1. 電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
   金属により形成された処理容器と、
   電磁波を出力する電磁波源と、
   前記処理容器の内壁に面し、前記電磁波源から出力された電磁波を前記処理容器内に透過する第１の誘電体と、
   前記処理容器の内面に設けられ、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波を抑制する第２の誘電体と、を備えるプラズマ処理装置。
2. 前記第２の誘電体は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波を反射させる請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第２の誘電体は、前記処理容器の内面に沿って伝搬する電磁波の９０％以上を反射させる請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向に垂直な方向の最も厚い部分の厚さＤｔは、４ｍｍ以上である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ねｎ／２倍（ｎは整数）を除く長さである請求項１に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ね１／２倍未満である請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体の比誘電率をε_ｄ、金属表面波の周波数をｆとしたとき、
   

   

   よりも短い請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記第２の誘電体の金属表面波の伝搬方向の最も長い部分の長さＤｗは、当該第２の誘電体とプラズマに跨って伝搬する電磁波の波長λ_ｄの概ね（２ｎ＋１）／４倍（ｎは整数）である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記第２の誘電体は、前記処理容器の内壁に設けられた貫通口又は凹部に嵌入されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記第２の誘電体は、前記処理容器の金属面に当接する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記第２の誘電体の少なくともプラズマ側の面は、角が面取りされている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記第２の誘電体は、前記処理容器の側壁まで延びている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記第２の誘電体は、前記処理容器の内面であってプラズマ励起領域を囲む領域に設けられる請求項１に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記第１の誘電体は、前記処理容器の内壁に面して規則的に複数配置され、
    前記第２の誘電体は、前記複数の第１の誘電体及びのそれぞれを含む仮想領域である複数のセル全体の最も外周側に近接して設けられる請求項１に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記第１の誘電体は、前記処理容器の内壁に面して規則的に複数配置され、
    前記第２の誘電体は、前記複数の第１の誘電体及び前記複数の第１の誘電体に隣接して設けられるカバーの最も外周側に沿って又は当該外周側に近接して設けられる請求項１に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記第２の誘電体は、前記プラズマ励起領域を画定する請求項１２に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記第２の誘電体と前記複数の第１の誘電体との間から金属面が露出している請求項１に記載のプラズマ処理装置。
18. 前記第２の誘電体は、固定部材より前記処理容器に固定されるか、前記処理容器に設けられた貫通口又は凹部により前記処理容器に固定される請求項１に記載のプラズマ処理装置。

Images