JPWO2013121467A1

JPWO2013121467A1 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JPWO2013121467A1
Application number: JP2013541142A
Authority: JP
Inventors: 平山　昌樹; 昌樹平山
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: KR20140102757A; WO2013121467A1; US20140368110A1; JP5483245B2; CN104094677A

Abstract

大きなサイズの基板に対して、ＶＨＦ周波数帯のような高周波で励起されるプラズマの密度の均一性を改善できるプラズマ処理装置を提供する。導波路（ＷＧ）を画定する導波路部材（４０１）と、導波路（ＷＧ）の長手方向（Ａ）における所定の給電位置から電磁エネルギーを当該導波路内に供給する同軸管と、プラズマ形成空間（ＰＳ）に面するように配置された電界形成用の第１および第２の電極（４６０Ａ，４６０Ｂ）と、磁場による電磁誘導作用により電圧を発生するように導波路内に配置され、かつ、第１および第２の電極（４６０Ａ，４６０Ｂ）と電気的に接続されたコイル部材（４１０）と、を有する。

Description

本発明は、基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

平板ディスプレイ、太陽電池、半導体装置等の製造工程では、薄膜の形成やエッチング等にプラズマが用いられている。プラズマは、例えば、真空チャンバ内にガスを導入し、チャンバ内に設けられた電極に数ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚの高周波を印加することによって生成される。生産性を向上させるために、平板ディスプレイや太陽電池用のガラス基板のサイズは年々大きくなっており、既に２ｍ角を越えるガラス基板で量産が行われている。

プラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の成膜プロセスでは、成膜速度を向上させるために、より高い密度のプラズマが求められている。また、基板表面に入射するイオンのエネルギを低く抑えてイオン照射ダメージを低減するとともに、ガス分子の過剰解離を抑制するために、電子温度の低いプラズマが求められている。一般に、プラズマ励起周波数を高くすると、プラズマ密度が増加し電子温度が低下する。従って、高品質な薄膜を高いスループットで成膜するには、プラズマ励起周波数を高くする必要がある。そこで、通常の高周波電源の周波数である１３．５６ＭＨｚより高い３０〜３００ＭＨｚのＶＨＦ（ＶｅｒｙＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波をプラズマ処理に用いることが行われている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平９−３１２２６８号公報特開２００９−０２１２５６号公報

ところで、処理するガラス基板のサイズが、例えば、２ｍ角のように大きくなると、上記のようなＶＨＦ帯のプラズマ励起周波数でプラズマ処理した場合には、高周波が印加される電極内に生じる表面波の定在波によりプラズマ密度の均一性が低下してしまう。一般的には、高周波が印加される電極のサイズが自由空間の波長の１／２０より大きくなると、何らかの対策を行わないと均一なプラズマを励起することができない。

本発明は、２ｍ角を越えるようなより大きなサイズの基板に対して、ＶＨＦ周波数帯のような高周波で励起されるプラズマの密度の均一性を改善できるプラズマ処理装置を提供する。

本発明のプラズマ処理装置は、導波路を形成する導波路部材と、前記導波路の導波方向における所定の給電位置から電磁エネルギーを当該導波路内に供給する伝送路と、プラズマ形成空間に面するように配置された電界形成用の少なくとも一の電極と、磁場による電磁誘導作用により電圧を発生するように前記導波路内に配置され、かつ、前記少なくとも一の電極と電気的に接続された少なくとも一のコイル部材と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、より大きなサイズの被処理体（基板）に対して、ＶＨＦ周波数帯で励起されるプラズマのプラズマ密度の均一性を導波路の長手方向において改善できる。

プラズマ処理装置の一例を示す断面図である。図１のプラズマ処理装置のII−II断面図である。カットオフ状態にある導波管を示す斜視断面図である。図３Ａの導波管と等価な関係にある導波路の斜視断面図である。図１のプラズマ処理装置における基本タイプのプラズマ発生機構の構造を示す斜視断面図である。本発明の第１実施形態に係るプラズマ発生機構の構造を示す斜視断面図である。図５の導波路と同軸管との接続関係を示す断面斜視図である。図５の導波路構造を用いた場合と、図３の導波路構造を用いた場合の、電極間電圧の長手方向の分布を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係るプラズマ発生機構の構造を示す斜視断面図である。図８のプラズマ発生機構の外観斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施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。

［プラズマ処理装置の基本構成］
まず、本発明が適用されるタイプのプラズマ処理装置の一例について図１及び図２を参照して説明する。図１は図２のI−I断面図であり、図２は図１のII−II断面図である。図１及び図２に示したプラズマ処理装置１０は、供給された電磁波が共振するように設計された導波路を利用して電磁エネルギーを電極へ供給することにより、導波路の長手方向に沿って均一な密度のプラズマを励起可能な構成を有する。

ここで、導波路の共振について説明する。先ず、図３Ａに示すように、長辺の長さａ、短辺の長さｂという断面を有する矩形導波管ＧＴの管内波長について考える。管内波長λｇは式（１）で表される。

ここで、λは自由空間の波長、εｒは導波管内の比誘電率、μｒは導波管内の比透磁率である。式（１）によれば、εｒ＝μｒ＝１のとき導波管ＧＴの管内波長λｇは自由空間の波長λよりも常に長いことがわかる。λ＜２ａのとき、管内波長λｇは長辺の長さａが短くなると長くなる。λ＝２ａのとき、即ち長辺の長さａが自由空間の波長λの１／２に等しくなると、分母が０になり管内波長λｇが無限大になる。このとき導波管ＧＴはカットオフ状態となり、導波管ＧＴ内を伝搬する電磁波の位相速度は無限大、群速度は０になる。さらに、λ＞２ａになると、電磁波は導波管内を伝搬することができなくなるが、ある程度の距離は進入することができる。なお、一般にはこの状態もカットオフ状態といわれるが、ここでは、λ＝２ａのときをカットオフ状態ということにする。例えば、プラズマ励起周波数が６０Ｍｈｚにおいて、中空導波管ではａが２５０ｃｍとなり、アルミナ導波管ではａが８１ｃｍとなる。

図３Ｂは、プラズマ処理装置１０に用いられる基本的なタイプの導波路を示している。この導波路ＷＧを画定する導波路部材ＧＭは、導電性部材で形成され、導波方向（長手方向）Ａ、幅方向Ｂにおいて互いに対向する側壁部Ｗ１，Ｗ２と、側壁部Ｗ１およびＷ２の高さ方向Ｈにおける下端部にフランジ状に延びる第１および第２電極部ＥＬ１，ＥＬ２を有する。また、側壁部Ｗ１およびＷ２の間に形成される隙間には、プレート状の誘電体ＤＩが挿入されている。この誘電体ＤＩは、導波路ＷＧ内でプラズマが励起されるのを防ぐ役割を果たす。図３Ｂに示す導波路ＷＧの幅ｗは、導波路の短辺の長さｂと等しい値に設定され、高さｈは、カットオフ状態にある導波管ＧＴと電気的に等価になるようλ／４（ａ／２）よりも小さい最適値に設定される。導波路ＷＧでは、Ｌ（インダクタンス）とＣ（キャパシタンス）によるＬＣ共振回路が形成され、カットオフ状態になることにより、供給される電磁波が共振する。導波路ＷＧ中を導波方向Ａに伝搬する高周波の波長を無限大にすれば、電極ＥＬ１およびＥＬ２の長手方向に沿って均一な高周波電界が形成され、長手方向に密度が均一なプラズマが励起される。なお、導波路ＷＧからプラズマ側を見たインピーダンスが仮に無限大だとすると、導波路ＷＧは、矩形導波管を長辺方向において丁度２等分した伝送路とみなすことができる。従って、導波路ＷＧの高さｈがλ／４のとき、管内波長λｇが無限大になる。しかし、実際には導波路ＷＧからプラズマ側を見たインピーダンスは容量性なので、管内波長λｇを無限大にする導波路ＷＧの高さｈは、λ／４よりも小さい。

プラズマ処理装置１０は、内部に基板Ｇを載置する真空容器１００を有し、内部にてガラス基板(以下、基板Ｇと称呼する)をプラズマ処理する。真空容器１００は断面が矩形状であり、アルミ合金等の金属から形成され、接地されている。真空容器１００の上部開口は天井部１０５で覆われている。基板Ｇは、載置台１１５に載置されている。なお、基板Ｇは被処理体の一例であり、これに限定されるわけではなく、シリコンウエハなどであってもよい。

真空容器１００の床部には、基板Ｇを置くため載置台１１５が設けられている。載置台１１５の上方には、プラズマ形成空間ＰＳを介して複数（２つ）のプラズマ発生機構２００が設けられている。プラズマ発生機構２００は、真空容器１００の天井部１０５に固定されている。

各プラズマ発生機構２００は、アルミ合金で形成された同じサイズの２つの導波路部材２０１Ａ，２０１Ｂと、同軸管２２５と、２つの対向する導波路部材２０１Ａ，２０１Ｂの間に形成される導波路ＷＧ内に挿入された誘電体板２２０とを有する。

導波路部材２０１Ａ，２０１Ｂは、導波路ＷＧを形成するために、互いに所定の隙間をおいて対向する平板部２０１Ｗと、この平板部２０１Ｗの下端部にフランジ状に形成されたプラズマを励起する電界形成用の電極部２０１ＥＡ，２０１ＥＢとをそれぞれ有する。導波路部材２０１Ａ，２０１Ｂの上端部は、導電性材料で形成された天井部１０５に接続され、導波路部材２０１Ａ，２０１Ｂの上端部は互いに電気的に接続されている。

誘電体板２２０は、酸化アルミニウム又は石英等の誘電体で形成され、導波路ＷＧの下端から上方に向けて当該導波路ＷＧの途中まで延びている。導波路ＷＧの上部が短絡されているため、導波路ＷＧの上側は下側に比べて電界が弱い。したがって、電界の強い導波路ＷＧの下側を誘電体板２２０で閉塞しておけば導波路ＷＧの上部は空洞であってもよい。もちろん、導波路ＷＧの上部まで誘電体板２２０で埋められていてもよい。

同軸管２２５は、図２に示すように、導波路ＷＧの長手方向Ａの略中央位置に接続され、この位置が給電位置となる。同軸管２２５の外部導体２２５ｂは、導波路部材２０１Ｂの一部で構成され、外部導体２２５ｂの中心部を内部導体２２５ａ１が通過している。内部導体２２５ａ１の下端部は、当該内部導体２２５ａ１に対して垂直に配置された内部導体２２５ａ２に電気的に接続されている。内部導体２２５ａ２は、誘電体板２２０に開いた穴を貫通して、導波路部材２０１Ａ側の電極部２０１ＥＡに電気的に接続されている。

同軸管２２５の内部導体２２５ａ１，２２５ａ２は、プラズマ発生機構２００の一方の電極部２０１ＥＡに電気的に接続され、同軸管２２５の外部導体２２５ｂはプラズマ発生機構２００の他方の電極部２０１ＥＢに電気的に接続される。同軸管２２５の上端には、整合器２４５を介して高周波電源２５０が接続されている。高周波電源２５０から給電された高周波電力は、同軸管２２５を介して長手方向Ａの中央位置から導波路ＷＧの両端部に向けて伝搬する。

内部導体２２５ａ２は、誘電体板２２０を貫通する。隣接するプラズマ発生機構２００にそれぞれ設けられた内部導体２２５ａ２が各プラズマ発生機構２００の誘電体板２２０を貫通する向きは、互いに逆向きである。ここで、２つのプラズマ発生機構２００の同軸管２２５に同振幅、同位相の高周波をそれぞれ給電すると、図４に示すように、２つのプラズマ発生機構２００の電極部２０１ＥＡ，２０１ＥＢにはそれぞれ振幅が等しく逆位相の高周波が印加される。なお、本明細書では、高周波とは１０ＭＨｚ〜３０００ＭＨｚの周波数帯をいい、電磁波の一例である。また、同軸管２２５は、高周波を供給する伝送路の一例であり、同軸管２２５の替わりに同軸ケーブルや矩形導波管等を用いてもよい。

図１に示すように、電極部２０１ＥＡ、２０１ＥＢの側面での放電と、上部へのプラズマの侵入を防止するため、電極部２０１ＥＡ、２０１ＥＢの幅方向Ｂにおける側面は、第１の誘電体カバー２２１で覆われている。図２に示すように、導波路ＷＧの長手方向Ａの端面を開放状態にするとともに、両側面での放電を防止するために、平板部２０１Ｗの長手方向Ａの両側面は、第２の誘電体カバー２１５で覆われている。

電極部２０１ＥＡ、２０１ＥＢの下面は、誘電体板２２０の下端面と概ね同一面になるように形成されているが、誘電体板２２０の下端面は電極部２０１ＥＡ，２０１ＥＢの下面に対して突出していても凹んでいてもよい。電極部２０１ＥＡ，２０１ＥＢはシャワープレートを兼ねている。具体的には、電極部２０１ＥＡ、２０１ＥＢの下面には凹みが形成され、この凹みにシャワープレート用の電極蓋２７０がはめ込まれている。電極蓋２７０には複数のガス放出孔が設けられており、ガス流路を通過したガスはこのガス放出孔から基板Ｇ側に放出される。ガス流路の下端には酸化アルミニウム等の電気絶縁体からなるガスノズルが設けられている（図４参照）。

均一なプロセスを行うためには、プラズマの密度が均一なだけでは十分ではない。ガスの圧力、原料ガスの密度、反応生成ガスの密度、ガスの滞在時間、基板温度等がプロセスに影響を与えるから、これらが基板Ｇ上で均一になっていなければならない。通常のプラズマ処理装置では、基板Ｇと対向する部分にシャワープレートが設けられ、基板に向かってガスが供給される。ガスは、基板Ｇの中央部から外周部に向かって流れ、基板の周囲から排気されるようになっている。必然的に、圧力は基板の中央部が外周部より高く、滞在時間は基板の外周部が中央部より長くなる。基板サイズが大きくなると、この圧力と滞在時間の均一性の悪化により均一なプロセスが行えなくなる。大面積基板に対しても均一なプロセスを行うには、基板Ｇの直上からガスを供給すると同時に、基板の直上から排気する必要がある。

プラズマ処理装置１０では、隣接するプラズマ発生機構２００間に排気スリットＣが設けられている。つまり、ガス供給器２９０から出力されたガスは、プラズマ発生機構２００内に形成されたガス流路を通ってプラズマ発生機構２００の下面から処理室内に供給され、基板Ｇの直上に設けられた排気スリットＣから上方向に排気される。排気スリットＣを通過したガスは、隣接するプラズマ発生機構２００により排気スリットＣの上部に形成される第１の排気路２８１内を流れ、第２の誘電体カバー２１５と真空容器１００との間に設けられた第２の排気路２８３に導かれる。さらに、真空容器１００の側壁に設けられた第３の排気路２８５中を下方向に流れ、第３の排気路２８５の下方に設けられた真空ポンプ（不図示）により排気される。

天井部１０５には冷媒流路２９５ａが形成されている。冷媒供給器２９５から出力された冷媒は冷媒流路２９５ａに流され、これにより、プラズマ発生機構２００を介して天井部１０５側にプラズマから流入した熱を伝えるようになっている。

プラズマ処理装置１０では、導波路ＷＧの実効的な高さｈを電気的に変えるために、インピーダンス可変回路３８０が設けられている。電極長手方向の中央部に設けられた高周波を供給する同軸管２２５の他に、電極長手方向の両端付近には、２個のインピーダンス可変回路３８０をそれぞれ接続する２本の同軸管３８５が設けられている。第一のガス排気路２８１のガス流を妨げないようにするために、同軸管３８５の内部導体３８５ａ２は、同軸管２２５の内部導体２２５ａ２よりも上方に設けられている。

インピーダンス可変回路３８０の構成例としては、可変コンデンサのみの構成、可変コンデンサとコイルとを並列接続した構成、可変コンデンサとコイルと直列接続した構成等が考えられる。

プラズマ処理装置１０においては、カットオフ状態になったとき、同軸管２２５から見た反射が最も小さくなるように導波路ＷＧの実効的な高さを調節する。また、プロセス中であっても導波路の実効的な高さを調節することが好ましい。そこで、プラズマ処理装置１０では、整合器２４５と同軸管２２５との間に反射計３００が取り付けられていて、同軸管２２５から見た反射の状態をモニタするようになっている。反射計３００による検出値は制御部３０５に送信される。制御部３０５では、検出値に基づきインピーダンス可変回路３８０を調整するように指示する。これによって導波路ＷＧの実効的な高さを調整して同軸管２２５から見た反射を最小にする。なお、以上の制御をすれば反射係数はかなり小さく抑えることができるため、整合器２４５の設置を省略することもできる。

隣り合う２つのプラズマ発生機構２００に逆位相の高周波を供給すれば、図４に示したように、隣り合う２つの電極部２０１ＥＡ、２０１ＥＡには、同位相の高周波が印加される。この状態では、プラズマ発生機構２００間の排気スリットＣに高周波電界が印加されないので、この部分でプラズマが発生することがない。

排気スリットＣに電界が生じないようにするためには、隣接するプラズマ発生機構２００の導波路ＷＧのそれぞれを伝搬する高周波の位相を１８０°ずらし、高周波の電界が逆向きにかかるようにする。

図１に示したように、左側のプラズマ発生機構２００に配置された同軸管の内部導体２２５ａ２と、右側のプラズマ発生機構２００に配置された同軸管の内部導体２２５ａ２が逆向きに配置される。これにより、高周波電源２５０から供給される同位相の高周波は、同軸管を介して導波路ＷＧに伝えられるとき逆相になる。

なお、内部導体２２５ａ２を同じ向きに配置した場合には、高周波電源２５０から逆相の高周波を隣接する電極対にそれぞれ印加することにより、プラズマ発生機構２００の全ての電極部２０１ＥＡ，２０１ＥＢの下面に形成される高周波の電界を同じ向きにでき、排気スリットＣで高周波の電界を０にすることができる。

第１実施形態
上記構成のプラズマ処理装置１０では、導波路ＷＧをカットオフ状態にすることにより、例えば、長さ２ｍ以上の電極上で均一なプラズマを励起することが可能である。しかしながら、ある条件下では、導波路ＷＧ内に蓄えられる電磁エネルギーの一部がプラズマを含む負荷の抵抗成分によって消費され、この電磁エネルギーは上記した所定の給電位置（同軸管２２５と導波路ＷＧの接続部）から離れるにつれて次第に減衰していく。特に、プラズマの抵抗成分が大きい条件では、電磁エネルギーの減衰が大きく導波路ＷＧの長手方向Ａにおいてプラズマの密度が不均一な分布になってしまう。本実施形態では、上記のようなプラズマの抵抗成分が大きい条件下においても、導波路ＷＧの長手方向Ａにおけるプラズマ密度の均一性の低下を抑制できるプラズマ発生機構について説明する。

図５は、本実施形態に係るプラズマ発生機構４００の斜視断面図である。図６は、図５のプラズマ発生機構４００における導波路と同軸管との接続関係を示す断面斜視図である。なお、プラズマ発生機構４００は、図１および図４に示す２つのプラズマ発生機構２００のそれぞれに対応している。すなわち、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、図１および図４に示す２つのプラズマ発生機構２００，２００のそれぞれを図５に示すプラズマ発生機構４００でそれぞれ置き換えたものである。本実施形態に係るプラズマ処理装置は、負荷が変わっても導波路を常にカットオフ状態にするための調整機構、すなわち、上記した２個のインピーダンス可変回路３８０と、２個のインピーダンス可変回路３８０をそれぞれ接続する２本の同軸管３８５とが設けられている。

プラズマ発生機構４００は、導波路ＷＧを画定する導波路部材４０１と、導波路ＷＧ内に配置された複数のコイル部材４１０と、複数のコイル部材４１０を貫通する誘電体板４２０と、誘電体板４２０の両側に配置された誘電体板４２１，４２２と、第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂ、第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂの間を電気的に分離するとともに導波路部材４０１と第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂとの間を電気的に分離する誘電体板４５０とを有する。

導波路部材４０１は、アルミニウム合金等の導電性材料で長手方向Ａに沿って管状に形成され、長手方向Ａを横断する方向の断面が矩形状の導波路ＷＧを画定している。具体的には、導波路部材４０１は、上壁部４０１ｔと、この上壁部４０１ｔの幅方向Ｂの両端部から下方に向かって延びる側壁部４０１ｗ１，４０１ｗ２と、この側壁部４０１ｗ１，４０１ｗ２の下端部に連結されて一部が側壁部４０１ｗ１，４０１ｗ２の外側へフランジ状に突出するように形成される底壁部４０１ｂとを有する。

複数のコイル部材４１０は、導波路ＷＧ内の底壁部４０１ｂ上に、長手方向Ａに延在する２つの誘電体板４２１，４２２を介して、長手方向Ａに沿って所定の間隔で配列されている。誘電体板４２１，４２２は、フッ素樹脂等の誘電体で形成されている。複数のコイル部材４１０は、導波路部材４０１と電気的に分離されている。コイル部材４１０は、アルミニウム合金等の導電性材料で形成され、長手方向Ａを横断する方向の断面が矩形状となるよう形成され、２つの誘電体板４２１，４２２上に配置される端部４１０ｅ１，４１０ｅ２が所定の隙間をもって互いに対向している。コイル部材４１０は、約１ターンのコイルであり、導波路ＷＧ内の磁場による電磁誘導作用により電圧を発生するように当該導波路ＷＧ内に配置される。

第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂは、アルミニウム合金等の金属板で形成され、それぞれ長手方向Ａに延在するとともに、誘電体板４５０の長手方向Ａに沿って延在する突起部４５１により互いに電気的に分離されている。第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂは、上記したプラズマ形成空間ＰＳに面するように配置された電界形成用の電極である。第１の電極４６０Ａは、複数のコイル部材４１０の底部４１０ｂ１と複数の接続ピン４３０と電気的に接続されている。第２の電極４６０Ｂは、複数のコイル部材４１０の底部４１０ｂ２と複数の接続ピン４３０によって電気的に接続されている。なお、複数の接続ピン４３０は、２つの誘電体板４２１，４２２をそれぞれ貫通しているとともに、酸化アルミニウム等の誘電体４４０を介してそれぞれ導波路部材４０１の底壁部４０１ｂと電気的に分離されている。また、複数の接続ピン４３０は、長手方向Ａに沿って配列されている。なお、底壁部４０１ｂには、電極の温度を一定にするための冷媒流路が形成されていてもよい。

誘電体板４２０は、フッ素樹脂等の誘電体で形成され、複数のコイル部材４１０の内部を貫通するように、長手方向Ａに沿って配置されている。この誘電体板４２０は、その下端部が、コイル部材４１０の対向する端部４１０ｅ１，４１０ｅ２の間の隙間を通過している。

図６に示すように、プラズマ発生機構４００導波路ＷＧには、長手方向Ａの略中央位置において、同軸管２２５が接続されている。同軸管２２５の内部導体は、高さ方向Ｈに延びる内部導体２２５ａ１とこれに接続され幅方向Ｂに延びる内部導体２２５ａ２とを有する。内部導体２２５ａ２が、一方の側壁部４０１ｗ１に電気的に接続されている。同軸管２２５の外部導体も同様に、高さ方向Ｈに延びる外部導体２２５ｂ１とこれに接続された幅方向Ｂに延びる外部導体２２５ｂ２とを有する。外部導体２２５ｂ２が他方の側壁部４０１ｗ１に電気的に接続されている。

本実施形態のプラズマ発生機構４００においては、同軸管２２５から複数のコイル部材４１０を介して電磁エネルギーが第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂに供給される。このため、複数のコイル部材４１０を介さずに、第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂに電磁エネルギーが直接的に供給される場合と比べて、第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂ間の電圧を小さくすることができる。第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂ間の電圧が相対的に小さければ、プラズマを含む負荷の抵抗成分によって消費される電磁エネルギーが相対的に小さくなり、導波路ＷＧ内に蓄えられる電磁エネルギーの減衰が抑制される。

図７は、一定の電力を供給したときの第１および第２の電極４６０Ａ，４６０Ｂ間の電圧を計算した結果を示すグラフである。実線はコイル部材４１０を介して給電した場合であり、点線は、比較例として、図３Ｂに示すタイプの導波路を用いて直接給電した場合を示している。プラズマの励起条件は同一とした。プラズマ励起周波数は６０ＭＨｚである。両者とも導波路ＷＧの長手方向の均一性が最も良くなるように導波路ＷＧの断面のサイズが最適化されている。

直接給電した場合の長手方向Ａにおける電圧分布では、点線で示すように、導波路ＷＧの長手方向の中央にある給電位置付近での電圧変化が非常に大きくなっている。一方、実線で示すように、コイル部材を介して給電した場合の長手方向Ａにおける電圧の分布では、導波路ＷＧの長手方向の中央付近での電圧変化が比較例と比べてかなり小さくなり、長手方向Ａにおける電圧の分布の均一性が著しく改善されることがわかる。本発明および比較例のどちらにおいても、供給される電力は同一であるから、プラズマを含む負荷の抵抗成分によって消費されるエネルギーに違いはない。したがって、コイル部材４１０を介して給電した方が、導波路内に蓄えられる電磁エネルギーが大きくなるため、消費されるエネルギーが同一であっても、電磁エネルギーが減衰しにくく、より均一な分布になる。

本実施形態では、複数のコイル部材４１０を長手方向Ａに沿って配置している。複数のコイル部材４１０が一つにつながっていると、条件によっては、コイル部材４１０内を長手方向Ａに伝搬するモードが発生して長手方向Ａにおけるプラズマ密度の均一性が低下する場合がある。本実施形態では、コイル部材を複数に分割することで、このようなモード発生を抑制することができる。なお、条件によっては、コイル部材は長手方向Ａにおいて複数に分割されていなくてもよい。コイル部材４１０の形態は、本実施形態に限定されない。たとえば、断面形状が矩形状以外に、円形、楕円等の様々な形状を採用できる。また、約１ターンのコイルでなくても、例えば半ターンや、あるいは、数ターンのコイルでもよい。

第２実施形態
図８は、第２の実施形態に係るプラズマ発生機構５００の斜視断面図である。図９は、図８のプラズマ発生機構５００の斜視外観図である。なお、本実施形態に係るプラズマ発生機構５００は、図１および図４に示す２つのプラズマ発生機構２００，２００のそれぞれに対応している。すなわち、本実施形態に係るプラズマ処理装置は、図１および図４に示す２つのプラズマ発生機構２００，２００を図８および図９に示すプラズマ発生機構５００でそれぞれ置き換えたものである。本実施形態に係るプラズマ処理装置は、負荷が変わっても導波路を常にカットオフ状態にするための調整機構、すなわち、上記した２個のインピーダンス可変回路３８０と、２個のインピーダンス可変回路３８０をそれぞれ接続する２本の同軸管３８５とが設けられている。

プラズマ発生機構５００は、第１および第２の導波路部材５０１，５０２を有する。第１の導波路部材５０１は、アルミニウム合金等の導電性材料で形成され、並列する２つの隆起部５０１ｒＡ，５０１ｒＢと、２つの隆起部５０１ｒＡ，５０１ｒＢの間で延びる平坦部５０１ｆとを有する。第２の導波路部材５０２は、アルミニウム合金等の導電性材料で平板状に形成され、この第２の導波路部材５０２上に、第１の導波路部材５０１が配置されている。導波路部材５０１と導波路部材５０２との間で２つの隆起部をもつ導波路ＷＧが画定されている。

導波路ＷＧの２つの隆起部内には、上記したコイル部材４１０と同様の構成の第１および第２のコイル部材５１０Ａ，５１０Ｂがそれぞれ複数配置されている。第１および第２のコイル部材５１０Ａ，５１０Ｂと第２の導波路部材５０２との間には、フッ素樹脂等の誘電体材料で形成された誘電体板５２１，５２２，５２３が設けられている。なお、第２の導波路部材５０２には、電極の温度を一定にするための冷媒流路が形成されていてもよい。

第２の導波路部材５０２の下には、フッ素樹脂等の誘電体材料で形成された誘電体板５５０を介して第１〜第３の電極５６０Ａ〜５６０Ｃが配置されている。第１〜第３の電極５６０Ａ〜５６０Ｃは、誘電体板５５０の突出部５５１ａ，５５１ｂにより互いに電気的に分離されている。また、第１の電極５６０Ａは、上記した接続ピン４３０と同様の複数の接続ピン５３０により第１のコイル部材の一端部に電気的に接続されている。第２の電極５６０Ｂは、複数の接続ピン５３０により第１のコイル部材５１０Ａの他端部に電気的に接続されているとともに、第２のコイル部材５１０Ｂの一端部に電気的に接続されている。第３の電極５６０Ｃは、複数の接続ピン５３０により第２のコイル部材Ｂの他端部に電気的に接続されている。

同軸管２２５は、図８および図９に示すように、第１および第２の導波路部材５０１，５０２と電気的に接続され、導波路ＷＧ内に電磁エネルギーをそれぞれ供給する。具体的には、同軸管２２５は、第１および第２の隆起部の間に設けられ、導波路ＷＧの高さ方向に沿って配置されている。そして、内部導体２２５ａの下端部は、高さ方向Ｈから誘電体板５２１を貫通して平板状の第２の導波路部材５０２に電気的に接続されている。外部導体２２５ａの下端部は、第１の導波路部材５０２の平端部５０１ｆに電気的に接続されている。

上記構成によれば、第１の実施形態と比べて、導波路の高さを半分以下にできるとともに、第１〜第３の電極５６０Ａ〜５６０Ｃの幅方向Ｂの寸法を、第１実施形態の第１および第２の電極の幅方向Ｂの寸法の約２倍にすることができる。この結果、プラズマ発生機構の製造コストを削減できる。また、本実施形態によれば、同軸管２２５を途中で曲げることなくストレートに導波路部材に接続できるので、構造を簡素化できる。

上記第１および第２の実施形態では、給電位置を導波路の長手方向の中央位置としたが、これに限定されるわけではなく、必要に応じて変更可能である。

上記実施形態では、電極４６０Ａ，４６０Ｂ、５６０Ａ〜５６０Ｃが図１において説明したようにシャワープレートを兼ねているが、これに限定されず、シャワープレートを兼ねていなくともよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の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。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。

２２５同軸管
４００，５００プラズマ発生機構
４１０，５１０Ａ，５１０Ｂコイル部材
４０１，５０１，５０２導波路部材
ＷＧ導波路
４６０Ａ，４６０Ｂ，５６０Ａ〜５６０Ｃ電極
ＰＳプラズマ形成空間

Claims

導波路を画定する導波路部材と、
前記導波路の長手方向における所定の給電位置から電磁エネルギーを当該導波路内に供給する伝送路と、
プラズマ形成空間に面するように配置された電界形成用の少なくとも一の電極と、
磁場による電磁誘導作用により電圧を発生するように前記導波路内に配置され、かつ、前記少なくとも一の電極と電気的に接続された少なくとも一のコイル部材と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
前記少なくとも一のコイル部材は、複数のコイル部材を含み、
前記複数のコイル部材は、前記長手方向に沿って配列されている、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記長手方向に延在し、前記少なくとも一のコイル部材内を貫通する誘電体をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
前記少なくとも一のコイル部材は、誘電体を介して前記導波路部材上に配置されている、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記少なくとも一の電極は、第１および第２の電極を含み、
前記少なくとも一のコイルは、前記第１および第２の電極にそれぞれ電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記導波路部材は、並列する第１および第２の隆起部を有する導波路を画定するように形成された第1の導波路部材と、
前記第1の導波路部材と協同して前記導波路を画定する第２の導波路部材と、を有し、
前記少なくとも一のコイル部材は、前記導波路の第１および第２の隆起部内にそれぞれ配置される第１および第２のコイル部材を含む、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記伝送路は、同軸管を含み、
前記同軸管は、前記導波路の第１および第２の隆起部の間において、前記第１および第２の隆起部の高さ方向に延在して前記第１および第２の導波路部材に接続されている、ことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
前記少なくとも一のコイル部材は、両端部が対向するように筒状に形成されている、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記所定の給電位置は、前記導波路の前記長手方向における略中央位置にある、ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記伝送路から供給される所定のプラズマ励起周波数の高周波が共振するように、前記導波路が構成されている、ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
導波路を画定する導波路部材と、前記導波路の長手方向における所定の給電位置から電磁エネルギーを当該導波路内に供給する伝送路と、プラズマ形成空間に面するように配置された電界形成用の少なくとも一の電極と、磁場による電磁誘導作用により電圧を発生するように前記導波路内に配置され、かつ、前記少なくとも一の電極と電気的に接続された少なくとも一のコイル部材と、を有するプラズマ発生機構が内部に設けられた容器内の前記プラズマ形成空間に面する位置に被処理体を設置するステップと、
前記プラズマ発生機構によりプラズマを励起させて前記被処理体をプラズマ処理するステップと、を有することを特徴とするプラズマ処理方法。