KR20090031746A - 정재파 측정부, 전자파 이용 장치, 정재파 측정 방법, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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마사키 히라야마
다다히로 오미
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
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Abstract

본 발명은 도파관 내의 관내 파장(λg) 등을 파악하기 위해서 지표가 되는 정재파를 정확하게 측정하는 것에 관한 것이다. 전자파를 전파시키는 도파관의 길이 방향에 대한, 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재의 온도의 분포를 검출하고, 그 온도 분포에 근거하여, 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정한다. 도파관의 길이 방향에 대한 도전성 부재의 온도 분포는 도파관의 길이 방향에 따라 복수 배열한 온도 센서, 도파관의 길이 방향에 따라 이동하는 온도 센서 또는 적외선 카메라에 의해 정확하게 측정할 수 있다.

Description

정재파 측정부, 전자파 이용 장치, 정재파 측정 방법, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{STANDING WAVE MEASURING UNIT IN WAVEGUIDE AND STANDING WAVE MEASURING METHOD, ELECTROMAGNETIC WAVE USING DEVICE, PLASMA PROCESSING DEVICE, AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 측정부 및 측정 방법에 관한 것이며, 또한 전자파 이용 장치와 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
예컨대 LCD 장치 등의 제조 공정에 있어서는, 전자파로서의 마이크로파를 이용해서 처리실 내에 플라즈마를 생성시켜, LCD 기판에 대하여 CVD 처리나 에칭 처리 등을 실시하는 장치가 사용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리 장치로서, 처리실의 위쪽에 복수 개의 도파관을 평행으로 늘어놓은 것이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1, 2 참조). 이 도파관의 하면에는 복수의 슬롯이 등간격으로 늘어놓아져 개구되고, 또한 도파관의 하면을 따라 평판 형태의 유전체가 마련된다. 그리고, 도파관 내의 마이크로파를 슬롯을 통해서 유전체의 표면에 전파시켜, 처리실 내에 공급된 소정의 가스(플라즈마 여기용의 불활성 가스 및/또는 플라즈마 처리용의 가스)를 마이크로파의 에너지(전자계)에 의해 플라즈마화시키는 구성으로 되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제 2004-200646 호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제 2004-152876 호 공보
이들 특허문헌 1, 2에서는, 도파관의 하면에 마련된 복수의 슬롯으로부터 효율적으로 마이크로파를 전파시킬 수 있도록, 슬롯끼리의 간격을 소정의 등간격[대체로 초기 설정시의 관내 파장(λg')의 반(λg'/2)의 간격]으로 설정하고 있다. 그러나, 도파관 내를 전파하는 마이크로파의 실제의 관내 파장(λg)은 일정하지 않고, 처리실 내에서 실행되는 플라즈마 처리의 조건, 예컨대 가스종이나 압력 등에 의해 처리실 내(챔버 내)의 임피던스가 변화되면, 관내 파장(λg)도 변화되는 성질이 있다. 이 때문에, 특허문헌 1, 2와 같이 도파관의 하면에 복수의 슬롯을 소정의 등간격으로 형성했을 경우에, 플라즈마 처리의 조건(임피던스)에 의해 관내 파장(λg)이 변화됨으로써, 초기 설정시의 관내 파장(λg')과 실제의 관내 파장(λg)에 어긋남이 발생한다. 그 결과, 복수의 각 슬롯으로부터 유전체를 통해서 처리실 내에 균일하게 마이크로파를 전파시킬 수 없게 된다.
그런데, 관내 파장(λg)은 도파관의 외부로부터는 용이하게 측정할 수 없다. 종래에, 예컨대 사각형 도파관의 H면(넓은 벽면)에 슬릿을 도파관 길이 방향으로 형성하고, 슬릿으로부터 도파관 내에 전계 프로브를 삽입하며, 슬릿을 따라 이동시킴으로써, 전계 강도 분포를 측정하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 도파관에 슬릿을 형성하면, 그곳으로부터 외부로 마이크로파가 새어 나갈 우려가 있다. 또한, 전계 프로브를 삽입함으로써 도파관 내의 전자계 분포에 악영향을 줄 가능성도 있다. 또한, 마이크로파를 이용해서 처리실 내에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 도파관 H면에 슬릿을 형성하거나 전계 프로브를 삽입하는 것은 장치의 제약상 실제로는 불가능한 경우도 많다. 이 때문에, 플라즈마 처리 장치에 있어서의 관내 파장(λg)을 측정하는 것은 현실적으로 곤란하다.
한편, 일반적으로 도파관 내에서는 마이크로파의 입사파와 반사파가 간섭해서 정재파가 발생하고 있다. 이 정재파의 주기[정재파에 있어서의 인접하는 배 부분의 간격(또는, 인접하는 마디 부분의 간격)과 동일함]는 슬롯을 통해서 처리 용기 내에 마이크로파가 들어가는 영향이나, 슬롯을 통해서 도파관 내에 들어가는 반사파의 영향 등에 의해 변동하지만, 관내 파장(λg)의 기준으로 할 수 있으며, 정재파의 주기는 도파관 내를 전파하는 마이크로파의 파장인 관내 파장(λg)의 반(λg/2)과 거의 같다고 간주할 수도 있다.
또한, 이 정재파를 측정함으로써, 관내 파장 외에, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수 등을 알 수 있다. 또한, 도파관에 접속된 부하의 반사 계수, 임피던스 등을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 도파관 내의 관내 파장(λg) 등을 파악하기 위해서 지표가 되는 정재파를 정확하게 측정할 수 있게 하는 것에 있고, 또한 복수의 각 슬롯으로부터 유전체를 통해서 처리실 내에 균일하게 마이크로파를 전파시키는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의하면, 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 측정부이며, 상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하도록, 상기 도파관의 길이 방향에 따라 배치된 도전성 부재와, 상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소에서 상기 도전성 부재의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 정재파 측정부가 제공된다.
이 정재파 측정부에 있어서, 상기 도파관은, 예컨대 사각형 도파관이며, 상기 도전성 부재를 상기 사각형 도파관의 좁은 벽면에 배치해도 좋다. 또한, 상기 도전성 부재는, 예컨대 판 형상이며, 상기 도파관 내를 전파하는 전자파의 각 주파수를 ω, 상기 온도를 검출하는 도전성 부재의 투자율을 μ, 저항률을 ρ라고 했을 때, 상기 도전성 부재의 두께(d)가, 다음 [식 1]의 관계를 만족시키고 있다.
[식 1]
3 ×(2ρ/(ωμ))1/2 < d < 14×(2ρ/(ωμ))1/2
또한, 상기 도전성 부재는, 예컨대 판 형상이며, 복수의 구멍이 개구되어 있다. 또한, 상기 도전성 부재는, 예컨대 금속으로 이루어진 메쉬(mesh)이다. 또한, 상기 도전성 부재는, 예컨대 상기 도파관의 길이 방향에 대하여 직교하는 방향으로 신장하는 복수의 도전부를 소정의 간격으로 병렬로 배치한 구성이다.
또한, 상기 도전성 부재의 주위의 온도를 제어하는 온도 조정 기구를 갖고 있어도 좋다.
상기 온도 검출 수단은 상기 도전성 부재의 주위의 온도를 측정 가능해도 좋다. 또한, 상기 도전성 부재의 주위의 온도를 측정하는 별도의 온도 검출 수단을 갖고 있어도 좋다.
또한, 상기 온도 검출 수단은, 예컨대 상기 도전성 부재의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 전기 신호를 처리하는 계측 회로와, 상기 온도 센서와 상기 계측 회로를 전기적으로 접속하는 배선을 구비하며, 상기 온도 센서를 상기 도파관의 길이 방향에 따라 복수 배열한 구성이다. 그 경우에, 상기 배선은 예컨대 상기 배선을 통한 열의 전달을 억제하는 열전달 억제부를 구비한다. 또한, 예컨대 상기 온도 센서는 복수의 전극을 구비하며, 상기 복수의 전극 중 적어도 하나는 상기 도파관에 전기적으로 단락되어 있다. 또한, 예컨대 상기 온도 센서를 구비한 프린트 기판을 상기 도전성 부재에 설치한 구성이다. 또한, 예컨대 상기 온도 센서를 상기 도파관의 외부에 배치한 구성이다. 또한, 예컨대 상기 도전성 부재의 온도를 상기 온도 센서로 전달시키는 열전달로를 갖고 있다. 또한, 상기 온도 센서는, 예컨대 서미스터(thermistor), 측온 저항체, 다이오드, 트랜지스터, 온도 계측용 IC, 열전쌍, 펠티에(Peltier) 소자 중 어느 하나이다.
또한, 상기 온도 검출 수단은, 예컨대 상기 도전성 부재의 온도를 검출하는 1 또는 2 이상의 센서를 상기 도파관의 길이 방향에 따라 이동시키는 구성이다. 그 경우에, 상기 온도 센서를 상기 도파관의 외부에 배치해도 좋다. 또한, 상기 온도 센서는 적외선 온도 센서로 할 수 있다.
또한, 상기 온도 검출 수단은, 예컨대 적외선 카메라이다.
또한, 본 발명의 정재파 측정부는 상기 도파관 내를 전파하는 전자파의 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력 중 어느 하나 또는 상기 도파관에 접속된 부하의 반사 계수, 임피던스 중 어느 하나를 측정할 수 있다.
또한, 상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소가 고정이어도 좋고, 상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소가 이동 가능해도 좋다.
또한, 본 발명에 의하면, 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 방법이며, 상기 도파관의 길이 방향에 대한 상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재의 온도의 분포를 검출하고, 상기 온도 분포에 근거하여, 정재파를 측정하는 것을 특징으로 하는 정재파 측정 방법이 제공된다. 또한, 상기 도파관 내에 전자파가 전파하지 않는 상태에 있어서 도전성 부재의 기준 온도를 측정하고, 상기 도전성 부재의 온도의 분포를 상기 기준 온도와의 온도차에 의해 검출해도 좋다.
또한, 본 발명에 의하면, 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 방법이며, 상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재를 흐르는 전류를 검출하고, 상기 도파관의 길이 방향에 대한 상기 전류의 분포에 근거하여, 정재파를 측정하는 것을 특징으로 하는 정재파 측정 방법이 제공된다.
이들 본 발명의 정재파 측정 방법은 상기 도파관 내를 전파하는 전자파의 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력 중 어느 하나 또는 상기 도파관에 접속된 부하의 반사 계수, 임피던스 중 어느 하나를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 측정부이며, 상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하도록, 상기 도파관의 길이 방향에 따라 배치된 도전성 부재와, 상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소에서 상기 도전성 부재를 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 정재파 측정부가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 전자파를 발생시키는 전자파 파공급원과, 전자파를 전파시키는 도파관과, 상기 도파관으로부터 공급된 전자파를 이용해서 소정의 처리를 실행하는 파 이용 수단을 구비한 전자파 이용 장치이며, 상기 도파관에 상기 본 발명의 정재파 측정부를 마련한 것을 특징으로 하는 전자파 이용 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 내부에 기판 처리를 위한 플라즈마가 여기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 공급하는 마이크로파 공급원과, 상기 마이크로파 공급원에 접속된, 복수의 슬롯이 개구된 도파관과, 상기 슬롯으로부터 방출된 마이크로파를 플라즈마에 전파시키는 유전체 판을 구비한 플라즈마 처리 장치이며, 상기 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하기 위한 상기 본 발명의 정재파 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
이 플라즈마 처리 장치에 있어서, 또한 상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어하는 것에 파장 제어 기구를 구비하고 있어도 좋다. 그 경우에, 상기 도파관은, 예컨대 사각형 도파관이며, 상기 파장 제어 기구는 상기 사각형 도파관의 좁은 벽면을 상기 도파관 내에 있어서의 마이크로파의 전파 방향에 대하여 수직하게 이동시키는 구성이다.
또한, 본 발명에 의하면, 도파관 내에 전파시킨 마이크로파를 상기 도파관에 개구시킨 복수의 슬롯으로부터 방출시켜서 유전체 판에 전파시켜, 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시켜서 기판 처리를 실행하는 플라즈마 처리 방법이며, 상기 도파관의 길이 방향에 대한 상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재의 온도의 분포를 검출하고, 상기 온도 분포에 근거해서 정재파를 측정하며, 상기 측정된 정재파에 근거하여, 상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 제공된다.
이 플라즈마 처리 방법에 있어서, 예컨대 상기 도파관이 사각형 도파관이며, 상기 사각형 도파관의 좁은 벽면을 상기 도파관 내에 있어서의 마이크로파의 전파 방향에 대하여 수직하게 이동시킴으로써, 상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어하도록 해도 좋다. 그 경우에, 예컨대 상기 도파관 내에 발생하는 정재파의 배 부분을 상기 슬롯에 일치시키도록 상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어할 수 있다.
본 발명의 정재파 측정부 및 측정 방법에 의하면, 도파관의 길이 방향에 대한 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재의 온도를 검출함으로써, 정재파를 측정하는 것이 가능해진다. 도파관의 길이 방향에 대한 도전성 부재의 온도 분포는 도파관의 길이 방향에 따라 복수 배열한 온도 센서, 도파관의 길이 방향에 따라 이동하는 온도 센서 또는 적외선 카메라에 의해 정확하게 측정할 수 있다. 그리고, 측정한 정재파의 주기에 근거하여, 관내 파장이나, 그 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수 등을 알 수 있다. 또한, 도파관에 접속된 부하의 반사 계수, 임피던스 등을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치 및 측정 방법에 의하면, 측정된 정재파의 주기에 근거해서 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어함으로써, 마이크로파의 파장(λg)의 반의 간격(λg/2)을 슬롯끼리의 간격(λg'/2)에 일치시켜서 양자의 어긋남을 해소하고, 복수의 각 슬롯으로부터 유전체를 통해서 처리실 내에 효율적으로 마이크로파를 전파시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 정재파 측정부를 구비한 도파관의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 정재파 측정부의 부분 확대도,
도 3은 2중의 A-A 단면에 있어서의 확대도,
도 4는 사각형 도파관 내부에 형성되는 전자계와, 사각형 도파관의 상하면에 흐르는 E면 전류의 설명도,
도 5는 도파관에 대한 전원과 부하의 위치 관계의 개념도,
도 6은 도파관 내의 정재파의 설명도,
도 7은 도전성 부재의 온도 분포의 설명도(상부 도면)와, 도파관의 종단면도(하부 도면),
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 정재파 측정부의 설명도,
도 9는 사각형 도파관의 길이 방향에 대하여 직교하는 방향으로 신장하는 도전부를 소정의 등간격으로 병렬로 배치한 구성의 도전성 부재의 설명도,
도 10은 메쉬 형상으로 구성한 도전성 부재의 설명도,
도 11은 펀칭 메탈 형상으로 구성한 도전성 부재의 설명도,
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 구성을 도시한 종단면도(도 13 중의 X-X 단면),
도 13은 덮개의 하면도,
도 14는 덮개의 부분 확대 종단면도(도 13 중의 Y-Y 단면),
도 15는 덮개의 하방으로부터 본 유전체의 확대도,
도 16은 도 15 중의 X-X선에 있어서의 유전체의 종단면도,
도 17은 사각형 도파관의 상면의 높이를 변화시키고, 사각형 도파관의 종단으로부터의 거리에 대한 막 두께의 변화를 조사한 실시예의 결과를 도시하는 그래프,
도 18은 사각형 도파관의 상면의 높이를 변화시켰을 경우의 사각형 도파관 내에 발생하는 정재파의 배 부분의 위치를 모식적으로 도시한 설명도,
도 19는 사각형 도파관의 상면의 높이를 변화시켰을 경우의 사각형 도파관의 길이 방향에 대한 도전성 부재의 온도 변화를 도시하는 그래프,
도 20은 관내 파장(실측값)과 da의 관계를 이론값과 비교해서 도시한 그래프.
부호의 설명
E : 전계 G : 기판
H : 자계 I : E면 전류
1 : 플라즈마 처리 장치 2 : 처리 용기
3 : 덮개 4 : 처리실
10 : 서셉터 11 : 급전부
12 : 히터 13 : 고주파 전원
14 : 정합기 15 : 고압 직류 전원
16 : 코일 17 : 교류 전원
20 : 승강 플레이트 21 : 통체
22 : 벨로우즈 23 : 배기구
24 : 정류판 30 : 덮개 본체
31 : 슬롯 안테나 32 : 유전체
33 : O링 35 : 사각형 도파관
36 : 유전 부재 40 : 마이크로파 공급 장치
41 : Y 분기관 45 : 상면
46 : 승강 기구 50 : 커버체
51 : 가이드부 52 : 승강부
54 : 눈금 55 : 가이드 로드
56 : 승강 로드 57 : 너트
58 : 구멍부 60 : 가이드
61 : 타이밍 풀리 62 : 타이밍 벨트
63 : 회전 핸들 66 : 프린트 기판
67a : 도체 67 : 배선 패턴
68 : 관통 구멍 69 : 서미스터
70 : 슬롯 71 : 유전 부재
75 : 비임
80a, 80b, 80c, 80d, 80e, 80f, 80g : 오목부
81 : 벽면 85 : 가스 분사구
90 : 가스 배관 91 : 냉각수 배관
95 : 가스 공급원 100 : 아르곤 가스 공급원
101 : 실란 가스 공급원 102 : 수소 가스 공급원
105 : 냉각수 공급원 200 : 정재파 측정부
201 : 사각형 도파관 202 : 도전성 부재
203 : 금속 벽 204 : 프린트 기판
205 : 관통 구멍 206 : 땜납
208 : 서미스터 209, 210 : 전극
211 : 배선 패턴 212 : 커넥터
213 : 케이블 214 : 계측 회로
217 : 냉매 유로 218 : 실드
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 정재파 측정부(200)를 구비한 도파관의 사시도이다. 이 정재파 측정부(200)는 전자파로서의 마이크로파를 전파시키는 사각형 도파관(201) 내에 발 생하는 정재파의 분포를 측정하는 것으로서 구성되어 있다. 도 2는 정재파 측정부(200)를 설명하기 위한 사각형 도파관(201)의 평면도이다. 도 3은 도 2에 있어서의 A-A 단면도이다. 또한, 본명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 붙임으로써 중복 설명을 생략한다.
도시된 사각형 도파관(201)은 상하면이 E면(좁은 벽면)이며, 좌우의 측면이 H면(넓은 벽면)으로 구성되어 있다. 사각형 도파관(201)의 2개의 E면(좁은 벽면) 중, 상면은 판 형상의 도전성 부재(202)에 의해 구성되며, 다른 면(하면 및 좌우의 측면)은 알루미늄의 금속벽(203)에 의해 구성되어 있다. 또한, 도전성 부재(202)와 금속벽(203)은 전기적으로 단락되어 있다. 도전성 부재(202)의 두께는 예컨대 0.1㎜, 재질은 예컨대 스테인리스강이다. 도전성 부재(202)의 상부에는 프린트 기판(204)이 마련되어 있다. 프린트 기판(204)에는, 기판을 관통하는 복수의 관통 구멍(205)이 도전성 부재(202)의 중심선에 따라 사각형 도파관(201)의 길이 방향에 직렬로 등간격(4㎜ 간격)으로 마련되어 있다. 프린트 기판(204)과 도전성 부재(202)는 관통 구멍(205) 내에 충전된 땜납(206)에 의해 열적으로 접속되어 있다. 이 접속부에 있어서, 도전성 부재(202) 표면에는 도금(207)이 실시되고 있어, 확실하게 땜납(206)으로 접속되도록 되어 있다.
프린트 기판(204)의 상면에는, 각각의 관통 구멍(205)의 근방에 온도 센서로서의 서미스터(208)가 배치되어 있다. 땜납(206)으로 충전된 관통 구멍(205)은 도전성 부재(202)의 온도를 서미스터(208)로 전달시키는 열전달로로 되어 있어, 사각 형 도파관(201) 내를 전파하는 마이크로파의 에너지에 의해 도전성 부재(202)에 전류가 흐르면, 그 전류의 크기에 따라 도전성 부재(202)가 발열하고, 그 발열한 열이 각 관통 구멍(205)을 통해서 프린트 기판(204) 상면의 각 서미스터(208)로 열전도하도록 되어 있다. 이에 의해, 각 서미스터(208)의 저항값이 변화되고, 사각형 도파관(201)의 길이 방향에 있어서의 도전성 부재(202)의 온도 분포를 전기적으로 검출하게 되어 있다.
본 실시형태에 있어서는, 서미스터(208)로서 온도 계수가 부(負)의 NTC 타입으로 리드 선이 없는 칩 부품의 것이 사용되고 있다. 사이즈는 길이 1.6㎜, 폭 0.8㎜, 높이 0.8㎜이다. 이렇게, 온도 센서로서 소형의 칩 부품[서미스터(208)]을 사용함으로써, 온도 계측점[관통 구멍(205)의 위치] 사이의 피치를 좁게 할 수 있으므로, 사각형 도파관(201)의 길이 방향에 있어서의 도전성 부재(202)의 온도 분포를 보다 상세하게 측정하는 것이 가능하다. 또한, 온도 센서[서미스터(208)]의 열용량을 작게 누를 수 있도록 응답 시간을 단축할 수 있다.
또한, 온도 센서로서 서미스터(208)를 설명했지만, 측온 저항체나 열전쌍을 온도 센서로 사용해도 좋다. 또한, 다이오드, 바이폴라 트랜지스터, 접합형 전계 효과 트랜지스터, 펠티에 소자, 온도 계측용 IC 등을 온도 센서로 사용해도 좋다. 이 경우에, pn 접합의 내장 전압이 온도에 의해 변화되는 현상을 이용함으로써, 전기 신호로부터 온도가 환산된다.
서미스터(208)는 2개의 전극(209, 210)을 구비하고 있다. 한쪽의 전극(209)은 관통 구멍(205) 및 도전성 부재(202)를 거쳐서 그라운드에 전기적으로 접속되어 있으며, 또한 한쪽의 전극(210)은 프린트 기판(204) 상에 형성된 동(銅)의 배선 패턴(211), 커넥터(212) 및 케이블(213)을 거쳐서 계측 회로(214)에 전기적으로 접속되어 있다.
서미스터(208)로부터 배선 패턴(211)을 통해서 열이 외부로 유출하면, 서미스터(208)의 온도가 저하해서 측정 온도가 부정확해진다. 이 때문에, 배선 패턴(211)의 적어도 일부에는 배선을 통한 열의 전달을 억제하는 열전달 억제부를 형성해 둔다. 도시된 예에서는, 배선 패턴(211) 전체를 되도록이면 가늘게 긴 경로로서 열전달을 억제하는 형상으로 함으로써 열전달 억제부를 형성하고, 서미스터(208)로부터 배선 패턴(211)을 통해서 유출하는 열을 억제하고 있다. 배선 패턴(211)의 열 저항은 배선의 길이에 비례하고, 폭에 반비례한다. 열 저항이 큰 가늘고 긴 배선 패턴을 한정된 기판 상의 공간에 배치하기 위해서, 배선 패턴(211)은 S자 연결 형상 등으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 반드시 배선 패턴(211) 전체를 열전달 억제부로 형성할 필요는 없으며, 예컨대 배선 패턴(211)의 일부를 열의 전달을 억제 가능한 형상으로 해도 좋다.
금속벽(203)의 좌우의 측면(넓은 벽면)의 상부에는, 온도 조정 기구로서의 전열 매체 유로(217)가 형성되어 있다. 이 전열 매체 유로(217)에 일정 온도의 온도 조정수를 흘림으로써, 도전성 부재(202)의 주위의 온도가 조절되어, 도전성 부재(202)의 주위의 온도가 일정하게 유지되도록 되어 있다. 또한, 프린트 기판(204)이 수납되어 있는 공간은, 실드(shield)(218)로 덮어져 있어, 외부로부터의 노이즈 진입을 억제하고 있다.
도 4에 사각형 도파관(201) 내를 전파하는 전자파(마이크로파)의 기본 모드인 TE10 모드의 어떤 순간에 있어서의 전자계 분포를 도시한다. 사각형 도파관(201)의 내부에 있어서는, E면(좁은 벽면)에 평행해서 도파관(201)의 길이 방향(220)에 수직한 전계(E)가 2개의 H면(넓은 벽면) 사이에 걸리며, H면에 평행으로 전계(E)와 직행하는 와권 형상의 자계(H)가 형성된다. 또한, E면의 내측에는 도파관 길이 방향(220)에 수직한 E면 전류(I)가 흐른다. 전계(E)가 최대의 위치에 있어서 E면 전류(I)는 0이 되고, 반대로 전계(E)가 0의 위치에 있어서 E면 전류(I)는 최대가 된다. 이러한 도파관 내의 전자계는 그 분포 형상을 유지한 채 시간의 경과와 함께 도파관 길이 방향(220)으로 진행해 간다.
일반적으로, 도파관 내에는 입사파와, 그것과 역방향으로 전파하는 반사파가 존재하고, 입사파와 반사파의 간섭에 의해 정재파가 발생한다. 예컨대 도 5에 도시하는 바와 같이, 도파관(300) 내에 각 주파수(ω)의 전원(301)이 접속되면, 입사파는 전원(301)으로부터 부하(302)측을 향하고, 부하(302)에서 반사 계수(Γ)로 반사해서 도파관(300) 내에는 정재파가 형성된다. 도파관(300)의 손실을 무시할 수 있을 만큼 작을 경우에, 입사파에 의한 E면 전류는, Aejβz로 나타낸다. 여기에서, A는 입사파에 의한 E면 전류의 진폭이며, 복소수이다. β은 위상 정수이며, 관내 파장(λg)과 다음 [식 2]의 관계에 있다.
[식 2]
β=2π/λg
한편, 반사파에 의한 E면 전류는 입사파와 반사 계수의 곱이며, ΓAe-jβz로 나타낸다. 반사 계수(Γ)의 위상각을 φ로 두면, 반사 계수(Γ)는 다음 [식 3]과 같이 쓸 수 있다.
[식 3]
Γ=|Γ|ejφ
결국, 입사파와 반사파의 대수화에 의한 E면 전류(I)는 다음 [식 4]가 된다.
[식 4]
I=Aejβz(1+|Γ|ej(φ-2βz ))
[식 4]로부터, 정재파의 진폭은 다음 [식 5]가 된다.
[식 5]
|I|=|A||1+|Γ|ej(φ-2βz )|
도 6에 E면 전류의 정재파의 모양을 도시한다. E면 전류의 정재파는 관내 파장(λg)의 1/2(즉, λg/2)을 주기로서 주기적으로 증감을 되풀이한다. 즉, 관내 파장(λg)은 정재파가 이웃이 되는 마디 사이, 또는 배 사이의 간격을 알면, 그것을 2배함으로써 구할 수 있다. [또한, 후술하는 플라즈마 처리 장치(1) 등에 있어서는, 도파관 내로부터 나가는 마이크로파나, 외부로부터 도파관 내로 들어가는 반사파 등의 영향에 의해, 관내 파장(λg)의 반(λg/2)과 정재파의 주기는 엄밀하게는 일치하지 않게 된다. 그러나, 정재파의 주기는 도파관 내를 전파하는 마이크로 파의 파장인 관내 파장(λg)의 반(λg/2)과 거의 같아서, 관내 파장(λg)의 기준으로 할 수 있다. 그 때문에, 이하에서는, 정재파의 주기가 관내 파장(λg)의 반(λg/2)과 다름없다고 가정해서 설명한다.]
여기서, E면 전류의 진폭의 극대값을 |I|max, E면 전류의 진폭의 극소값을 |I|min으로 나타낸다. 정재파비(SWR)(σ)는 다음 [식 6]과 같이 정의된다.
[식 6]
σ=|I|max/|I|min
또한, [식 5], [식 6]으로부터, 다음 [식 7]이 유도된다.
[식 7]
σ=(1+|Γ|)/(1-|Γ|)
부하(302)로부터 |I|min이 되는 위치까지의 거리를 zmin이라고 하면, 반사 계수(Γ)의 위상각(φ)은 다음 [식 8]로 나타낸다.
[식 8]
Ф=-π+4πzmin/λg
즉, |I|max와 |I|min의 비 및 |I|min이 되는 위치를 알면, [식 6], [식 7], [식 8]로부터, 정재파비(SWR)(σ), 반사 계수(Γ)(진폭과 위상을 포함함)가 구해진다. 부하 임피던스(Z)는 반사 계수(Γ)를 이용하여 다음 [식 9]에서 주어진다.
[식 9]
Z=ZH(1+Γ)/(1-Γ)
여기에서, ZH는 도파관(300)의 특성 임피던스이다.
부하(302)로의 입사 전력(Pi)은 다음 [식 10]에 의해 얻을 수 있다.
[식 10]
Pi=|A|2ab/4(2a/λg)2ZH
여기서, a, b는 각각 도 1에 기입한 것 같이 E면끼리의 간격, H면끼리의 간격이다.
또한, 반사 전력(Pr) 및 투과 전력(Pt)은, 각각 다음 [식 11], [식 12]에서 주어진다.
[식 11]
Pr/Pi=|Γ|2
[식 12]
Pt/Pi=(1-|Γ|2)
따라서, 입사 전력(Pi), |I|max와 |I|min의 비, |I|min이 되는 위치를 알면, 반사 전력(Pr) 및 등가 전력(Pt)이 구해진다. 또한, |I|max와 |I|min의 값을 알면, [식 10]으로부터 입사 전력(Pi)이 구해진다.
먼저, 도 1 내지 도 3에서 설명한 사각형 도파관(201)의 E면의 내측을 따라 전류(I)가 흐름으로써, 도전성 부재(202)가 줄(joule) 열에 의해 가열되어서 온도가 상승한다. 도전성 부재(202)의 온도가 상승하면, 도전성 부재(202)의 좌우단으로부터 금속벽(203)으로 전해지는 열량이 증가하고, 어떠한 평형 상태에 도달한다. 이 때의 도전성 부재(202)의 온도 분포를 도 7에 도시한다. 도전성 부재(202)의 온도 분포는 중심선상(y=0)의 위치에서 가장 온도가 높고 양단에서 낮은 2차 곡선이 된다.
도전성 부재(202)의 중심선상(y=0)의 온도를 T, 단부(y=±b/2)의 온도를 T0라고 한다. 이들의 온도차(△T=T-T0)는, 다음 [식 13]에서 주어진다.
[식 13]
△T=ρb2I2/(4dδk)
여기서, ρ, d 및 k는 각각 도전성 부재(202)의 저항률, 두께 및 열전도율이다. δ는 다음 [식 14]에서 나타내는 표피 깊이이다.
[식 14]
δ=(2ρ/(ωμ))1/2
[식 13]으로부터, 온도차(△T)는 E면 전류(I)의 제곱에 비례하는 것을 안다. 따라서, 온도차(△T)의 극대값을 △Tmax, 극소값을 △Tmin이라고 하면, [식 6]을 이용하여 정재파비(SWR)(σ)는 다음 [식 15]와 같이 나타낸다.
[식 15]
σ=(△Tmax/△Tmin)1/2
도파관 길이 방향에 대한 도전성 부재(202)의 온도 분포로부터, [식 15]를 이용하여 정재파비(σ)가 구해진다. 관내 파장(λg)은 △T가 극소값이 되는 위치간의 간격, 또는 극대값이 되는 위치간의 간격을 2배함으로써 얻을 수 있다. 도파관을 전파하는 전자파의 주파수는 관내 파장(λg)으로부터 구해진다. 또한, [식 7], [식 8] 및 [식 15]로부터, 반사 계수(Γ)(진폭과 위상을 포함함)를 얻을 수 있다. 온도 분포로부터 [식 10] 및 [식 13]을 이용하여 입사 전력(Pi)이 구해지지만, 이렇게 하여 구한 입사 전력(Pi)의 값의 정밀도가 부족한 경우에는, 다른 전력 계측 방법에 의해 계측한 입사 전력을 이용하여 교정하는 것이 바람직하다. 입사 전력(Pi)을 알면, 반사 전력(Pr) 및 등가 전력(Pt)은 [식 11 및 [식 12]로부터 구해진다.
이상은 도파관의 손실을 무시할 수 있을 만큼 작은 것을 가정했지만, 무시할 수 없을 경우에는 이하와 같이 된다. 여기에서는, 도파관의 부하측에는 정합 부하가 접속되고 있고, 반사는 없다고 한다. E면 전류(I)는 다음 [식 16]으로 나타낸다.
[식 16]
I=Aeγz=Aeα+jβ
여기서, γ=α+jβ는 전파 정수, α는 감쇠 정수이다.
양변의 절대값을 잡으면, 다음 [식 17]을 얻을 수 있다.
[식 17]
|I|/|A|=eα∝(△T)1/2
도전성 부재(102)의 온도 분포로부터, [식 17]을 이용하여 감쇠 정수(α)가 구해진다. 또한, 위상 정수(β)는 [식 2]로부터 얻을 수 있다. 결과적으로, 전파 정수(γ)를 구할 수 있다.
이상은 사각형 도파관 내의 TE10 모드의 경우에 대해서 설명했지만, TE10 모드 이외에도 같은 수법에 의해 각 파라메터의 값을 구할 수 있다. 또한, 도전성 부재(202)의 온도 분포로부터, 어느 전파 모드로 전파하고 있을지를 추찰하는 것이 가능하다. 또한, 사각형 도파관에 한하지 않고, 원형 도파관, 동축 도파관, 리지(ridge) 도파관 등, 다른 도파관에도 같은 계측 수법을 적용할 수 있다. 이렇게, 도전성 부재(202)의 온도 분포를 측정함으로써, 도파관 내를 전파하는 전자파의 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력이, 또한 부하의 반사 계수, 임피던스가 구해진다.
본 실시형태에 있어서 도파관 내의 정재파를 정확하게 측정하기 위해서는, 온도차(△T)를 정확하게 재는 것 및 도전성 부재(202)가 전자파의 전파에 주는 영향을 작게 제압하는 것이 불가결하다. 온도차(△T)를 정확하게 재기 위해서, 원하 는 E면 전류가 흘렀을 때에 온도차(△T)가 되도록이면 커지는 것이 바람직하다. [식 13]으로부터, 온도차(△T)는 도전성 부재(202)의 두께(d)에 반비례하므로, 두께(d)를 얇게 하면 온도차(△T)가 커지는 것을 안다.
그러나, 두께(d)가 [식 14]에서 나타내는 전자파의 표피 깊이의 몇 배 이하까지 희미해지면, 도파관을 구성하는 벽이 완전한 도체벽으로서 동작하지 않게 되고, 도파관 내의 전자파의 전파에 영향을 주게 되므로, 두께(d)를 함부로 얇게 할 수는 없다. 전자파의 전파에 주는 영향의 정도는 exp(-d/δ)로 나타낸다. 일반적인 도파관의 기계적 정밀도나 안정도는, 좋아서 1ppm 정도이기 때문에, exp(-d/δ)의 값이 1ppm 이상이면 충분하다. 또한, 일반적인 계측기에 있어서, 최저로도 5% 이상의 정밀도가 필요하기 때문에, exp(-d/δ)의 값이 5% 이하일 필요가 있다. 이들 조건으로부터, 다음 [식 18]을 얻을 수 있다.
[식 18]
4 < d/δ < 14
또한, [식 14] 및 [식 18]로부터, 다음 [식 1]을 얻을 수 있다.
[식 1]
3 ×(2ρ/(ωμ))1/2 < d < 14×(2ρ/(ωμ))1/2
본 실시형태에 의한 정재파 측정부(200)에 있어서는, 도전성 부재(202)의 중심선상(도 7의 y=0의 위치)의 온도(T)를 측정하도록 구성되어 있다. 온도차(△T)는 이 중심선상 온도(T)로부터, 단부(y=±b/2) 온도(T0)를 감산함으로써 얻을 수 있 다. 따라서, 기준 온도인 단부 온도(T0)를 모른다면 정확한 계측을 실행할 수 없다. 본 실시형태에 있어서는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 전열 매체 유로(217)를 마련하고, 전열 매체 유로(217)에 일정 온도의 온도 조정수를 퍼뜨림으로써, 도전성 부재(202)의 단부 온도(T0)를 일정하게 유지하고 있다.
이 단부 온도(T0)를 미리 측정하기 위해서, 사각형 도파관(201)에 전자파가 전파하지 않는 상태에 있어서 중심선상 온도(T)를 각각의 서미스터(208)에 의해 측정한다. 이 때, 도전성 부재(202)로의 열의 출입은 없기 때문에, 중심선상 온도(T)는 단부 온도(T0)와 같아져 있다. 이렇게 하여 측정된 단부 온도(T0)를 기준으로서, 온도차(△T)를 구할 수 있다. 이렇게, 전자파가 전파하고 있는 상태 및 전파하지 않는 상태에서 각각 중심선상 온도(T)를 측정하고, 그것들의 차분으로부터 온도차(△T)를 구함으로써, 동시에 서미스터(208)의 특성 격차의 영향이 저감되어, 보다 정확하게 온도차(△T)의 분포를 구할 수 있다.
전열 매체 유로(217)를 마련하는 것이 곤란할 경우에는, 도전성 부재(202)의 단부 온도(T0)를 측정하는 서미스터, 측온 저항체, 다이오드, 트랜지스터, 온도 계측용 IC, 열전대 등의 온도 센서를 별도로 마련해도 좋다. 또한, 중심선상 온도(T)를 측정하는 온도 센서로서 서미스터(208)의 대신에 펠티에 소자를 이용하여, 온도차(△T)에 비례하는 전류 또는 전압을 직접 출력하도록 하면, 보다 단순한 구조의 정재파 측정 장치를 구성할 수 있다.
온도차(△T)의 극대값(△Tmax), 극소값(△Tmin), 또는 극소값(△Tmin)을 잡는 위치를 정확하게 구하기 위해서는, 도파관 길이 방향에 대하여 연속한 △T의 데이터가 필요하다. 그러나, 본 실시형태에 있어서는, 각 관통 구멍(205)의 위치가 도전성 부재(202)의 온도 계측점이 되고 있어, 온도 계측점이 한정되어 있다. 그래서, 계측 회로(213)에 접속된 퍼스널 컴퓨터에 의해, 이산적인 △T의 측정 데이터로 푸리에(Fourier) 변환을 채용한 보간 연산에 의해 연속한 △T의 데이터를 산출하게 되어 있다. 산출한 연속한 △T의 데이터로, △Tmax, △Tmin 및 △Tmin을 잡는 위치가 정확하게 구해지고, 이들의 값으로부터 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력, 부하의 반사 계수, 임피던스가 자동적으로 산출되도록 구성되어 있다.
도 8은 본 발명에 따른 정재파 측정부(200)의 제 2 실시형태를 도시하는 사각형 도파관(201)의 종단면도이다. 사각형 도파관(201)의 위쪽의 E면(좁은 벽면)은 도전성 부재(202)에 의해 구성되어, 다른 면(하면 및 좌우의 측면)은 금속벽(203)에 의해 구성되어 있다. 도전성 부재(202)와 금속벽(203)은 전기적으로 단락되어 있다. 도전성 부재(202)의 두께는 예컨대 0.1㎜, 재질은 예컨대 스테인리스강이다. 도전성 부재(202)의 상부에는, 온도 센서로서의 4개의 적외선 센서(230)가 도전성 부재(202)의 중심선 상에 등간격으로 배치되어 있다. 도전성 부재(202)와 적외선 센서(230) 사이에는 2㎜의 빈틈이 벌어져 있다. 각각의 적외선 센서(230)는 연결판(231)으로 연결되어 있다. 연결판(231)에는 2개의 지지 막 대(232)가 구비되어 있어, 지지 막대(232)에 의해 유지되어 있다. 지지 막대(232)를 도파관 길이 방향으로 왕복 이동시키는 기구(도시하지 않음)가 구비되어 있어, 연결판(231)과 함께 적외선 센서(230)를 도파관 길이 방향으로 왕복 이동시키는 것이 가능하다.
사각형 도파관(201) 내를 전파하는 마이크로파의 에너지에 의해 도전성 부재(202)에 전류가 흐르면, 그 전류의 크기에 따라 도전성 부재(202)가 발열하고, 온도가 상승한다. 도전성 부재(202)의 표면으로부터는 그 온도에 대응하는 적외선이 방출된다. 그 적외선을 적외선 센서(230)가 수광해서 전기 신호로 변환함으로써, 도전성 부재(202)의 온도를 전기적으로 검출하게 되어 있다. 복수의 적외선 센서(230)를 도파관 길이 방향으로 이동시키면서 온도 계측을 실행함으로써, 사각형 도파관(201)의 길이 방향에 대한 도전성 부재(202)의 온도 분포를 측정하는 것이 가능하다. 제 1 실시형태와 같은 수법에 의해, 도전성 부재(202)의 온도 분포로부터 도파관 내를 전파하는 전자파(마이크로파)의 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력이 구해지며, 또한 부하의 반사 계수, 임피던스가 구해진다.
적외선 센서(230)가 구비되어 있는 공간은 외부로부터 적외선이 들어가지 않도록, 차광 커버(235) 및 지지 막대 커버(236)로 덮여져 있다. 이들의 내면에는 적외선을 흡수하는 흑색의 코팅이 실시되어 있다. 또한, 도전성 부재(202)의 적외선 센서(230)측의 면(상면)에도 흑색의 코팅이 실시되어 있다. 이렇게 적외선을 흡수하는 흑색의 코팅을 함으로써, 적외선의 난반사를 방지하고, 보다 확실하게 도 전성 부재(202)의 온도를 계측할 수 있게 되어 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 코팅을 실시했지만, 적외선을 흡수하는 흑색의 필름 등을 부착해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 8에 도시한 실시형태에 있어서는, 4개의 적외선 센서(230)를 사용했지만, 단일로서도 좋고 4개 이외의 복수로도 좋다.
또한, 도 1 및 도 8 등에서는, 도전성 부재(202)로서 순수한 평판을 도시했지만, 도전성 부재(202)는 그것에 한정되지 않는다. 예컨대 도 9에 도시하는 바와 같이, 도전성 부재(202)로서, 사각형 도파관(201)의 길이 방향에 대하여 직교하는 방향으로 신장하는 도전부(240)를 소정의 등간격으로 병렬로 배치한 구성으로도 좋다. 이렇게 사각형 도파관(201)의 길이 방향으로 복수의 도전부(240)를 병렬로 배치한 구성에 의하면, 사각형 도파관(201)의 길이 방향(220)에 있어서, 각 도전부(240)의 온도를 서로 간섭시키지 않고 정확하게 검출할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 예컨대 도전성 부재(202)로서, 도 10에 도시하는 것 같은 메쉬 형상의 구성, 도 11에 도시하는 바와 같이 다수의 원 구멍(241)이 형성된 펀칭 메탈 형상의 구성 등으로도 좋다. 도 10에 도시하는 바와 같은 메쉬 형상의 구성 혹은 도 11에 도시하는 바와 같은 펀칭 메탈 형상의 구성의 도전성 부재(202)를 채용함으로써, 순수한 평판보다도 전기 저항이 크고 열전도가 작아지므로, 비교적 두께가 두꺼워도 도전성 부재(202) 중심선상과 단부의 온도차(△T)를 크게 잡는 것이 가능하게 된다.
제 1 및 제 2 실시형태에 있어서는, 도전성 부재(202)로서 스테인리스강판을 사용했지만, 동, 알루미늄, 철, 놋쇠, 니켈, 크롬, 금, 은, 백금, 텅스텐 등의 판, 또는 메쉬 등이어도 좋다. 또한, 사각형 도파관(201)은 단순한 직관(直管)이지만, H면이나 E면에는 슬롯 등이 형성되어 있어도 좋다. 이에 의해, 슬롯 등이 존재할 경우의 사각형 도파관(201) 내의 관내 파장이나 전파 정수, 전파 모드 등을 계측할 수 있다. 또한, 적외선 카메라를 이용하여, 도전성 부재(202)의 온도 분포를 측정해도 좋다.
다음에, 본 발명의 실시형태를 플라즈마 처리의 일례인 CVD(chemical vapor deposition) 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치(1)에 근거해서 설명한다. 도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 개략적인 구성을 도시한 종단면도(도 13 중의 X-X 단면)이다. 도 13은 이 플라즈마 처리 장치(1)가 구비하는 덮개(3)의 하면도이다. 도 14는 덮개(3)의 부분 확대 종단면도(도 13 중의 Y-Y 단면)이다.
이 플라즈마 처리 장치(1)는 상부가 개구된 밑바닥이 있는 입방체 형상의 처리 용기(2)와, 이 처리 용기(2)의 윗쪽을 막는 덮개(3)를 구비하고 있다. 처리 용기(2)의 윗쪽을 덮개(3)로 막는 것에 의해, 처리 용기(2)의 내부에는 밀폐 공간인 처리실(4)이 형성되어 있다. 이들 처리 용기(2)와 덮개(3)는 도전성을 갖는 비자성 재료, 예컨대 알루미늄으로 이루어지고, 어느 것이나 전기적으로 접지된 상태가 되어 있다.
처리실(4)의 내부에는, 기판으로서 예컨대 유리 기판(이하 「기판」이라고 함)(G)을 탑재하기 위한 탑재대로서의 서셉터(10)가 마련되어 있다. 이 서셉 터(10)는, 예컨대 질화 알루미늄으로 이루어지고, 그 내부에는 기판(G)을 정전 흡착하는 동시에 처리실(4)의 내부에 소정의 바이어스 전압을 인가시키기 위한 급전부(11)와, 기판(G)을 소정의 온도로 가열하는 히터(12)가 마련되어 있다. 급전부(11)에는 처리실(4)의 외부에 마련된 바이어스 인가용의 고주파 전원(13)이 콘덴서 등을 구비한 정합기(14)를 거쳐서 접속되는 동시에, 정전 흡착용의 고압직류 전원(15)이 코일(16)을 거쳐서 접속되어 있다. 히터(12)에는 마찬가지로 처리실(4)의 외부에 마련된 교류 전원(17)이 접속되어 있다.
서셉터(10)는 처리실(4)의 외부 아래쪽으로 마련된 승강 플레이트(20) 상에 통체(21)를 거쳐서 지지되고 있어, 승강 플레이트(20)와 일체적으로 승강함으로써, 처리실(4) 내에 있어서의 서셉터(10)의 높이가 조정된다. 단, 처리 용기(2)의 저면과 승강 플레이트(20) 사이에는 벨로우즈(22)가 장착해 있으므로, 처리실(4) 내의 기밀성은 유지되어 있다.
처리 용기(2)의 바닥부에는, 처리실(4)의 외부에 마련된 진공 펌프 등의 배기 장치(도시하지 않음)에 의해 처리실(4) 내의 분위기를 배기하기 위한 배기구(23)가 마련되어 있다. 또한, 처리실(4) 내에 있어서 서셉터(10)의 주위에는, 처리실(4) 내에 있어서의 가스의 흐름을 바람직한 상태로 제어하기 위한 정류판(24)이 마련되어 있다.
덮개(3)는 커버 본체(30)의 하면에 슬롯 안테나(31)를 일체적으로 형성하고, 또한 슬롯 안테나(31)의 하면에 복수 매의 타일 형상의 유전체(32)를 설치한 구성이다. 커버 본체(30) 및 슬롯 안테나(31)는, 예컨대 알루미늄 등의 도전성 재료로 일체적으로 구성되어, 전기적으로 접지 상태이다. 도 12에 도시하는 바와 같이 처리 용기(2)의 윗쪽을 덮개(3)에 의해 막은 상태에서는, 커버 본체(30)의 하면 주변부와 처리 용기(2)의 상면 사이에 배치된 O링(33)과, 후술하는 각 슬롯(70)의 주위에 배치된 O링[O링의 배치 위치를 도 15 중에 일점쇄선(70')으로 도시함]에 의해, 처리실(4) 내의 기밀성이 유지되어 있다.
커버 본체(30)의 내부에는, 단면 형상이 구형 형상인 사각형 도파관(35)이 복수 개 수평으로 배치되어 있다. 이 실시형태에서는, 어느 쪽도 직선상으로 연장되는 6개의 사각형 도파관(35)을 갖고 있으며, 각 사각형 도파관(35)끼리가 서로 평행이 되도록 병렬로 배치되어 있다. 각 사각형 도파관(35)의 단면 형상(직사각형 형상)의 긴 변 방향(넓은 벽면)이 H면으로 수직이 되고, 짧은 변 방향(좁은 벽면)이 E면으로 수평이 되도록 배치되어 있다. 또한, 긴 변 방향과 짧은 변 방향을 어떻게 배치할지는, 모드에 의해 변한다. 또 각 사각형 도파관(35)의 내부는, 예컨대 불소 수지[예컨대 테프론(등록상표)]의 유전 부재(36)가 각각 충전되어 있다. 또한, 유전 부재(36)의 재질은 불소 수지 외에, 예컨대 Al2O3, 석영 등의 유전 재료도 사용할 수 있다.
처리실(4)의 외부에는, 도 13에 도시되는 바와 같이, 이 실시형태에서는 3개의 마이크로파 공급 장치(전원)(40)가 마련되어 있으며, 각 마이크로파 공급 장치(40)로부터는, 예컨대 2.45㎓의 마이크로파가 커버 본체(30)의 내부에 마련된 2개씩의 사각형 도파관(35)에 대하여 각각 도입되게 되어 있다. 각 마이크로파 공 급 장치(40)와 2개씩의 각 사각형 도파관(35) 사이에는, 2개의 사각형 도파관(35)에 대하여 마이크로파를 분배해서 도입시키기 위한 Y 분기관(41)이 각각 접속해 있다.
도 12에 도시되는 바와 같이, 커버 본체(30)의 내부에 형성된 각 사각형 도파관(35)의 상부는 커버 본체(30)의 상면에서 개구되어 있으며, 그렇게 개구된 각 사각형 도파관(35)의 윗쪽으로부터, 각 사각형 도파관(35) 내에 상면 부재(45)가 자유롭게 승강하도록 삽입되어 있다. 이 상면 부재(45)도 도전성을 갖는 비자성 재료, 예컨대 알루미늄으로 구성된다.
한편, 커버 본체(30)의 내부에 형성된 각 사각형 도파관(35)의 하면은 커버 본체(30)의 하면에 일체적으로 형성된 슬롯 안테나(31)를 구성하고 있다. 상술한 바와 같이, 단면 형상이 직사각형 형상으로 형성된 각 사각형 도파관(35) 내면의 짧은 변 방향이 E면이므로, 사각형 도파관(35)의 내부에 임하고 있는 이들 상면 부재(45)의 하면과 슬롯 안테나(31)의 상면이 E면으로 되어 있다. 커버 본체(30)의 위쪽에는, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 수평한 자세를 유지한 채 사각형 도파관(35)의 하면[슬롯 안테나(31)]에 대하여 승강 이동시키는 승강 기구(46)가 각 사각형 도파관(35)마다 마련되어 있다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)는 커버 본체(30)의 상면을 덮도록 설치된 커버체(50) 내에 배치된다. 커버체(50)의 내부에는, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 승강시키기 위해서 충분한 높이를 가진 공간이 형성되어 있다. 커버체(50)의 상면에는, 한쌍의 가이드부(51)와 가이드 부(51)끼리의 사이에 배치된 승강부(52)가 배치되어 있으며, 이들 가이드부(51)와 승강부(52)에 의해 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 수평한 자세를 유지하면서 승강 이동시키는 승강 기구(46)가 구성되어 있다.
사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)는 각 가이드부(51)에 마련된 한쌍의 가이드 로드(55)와, 승강부(52)에 마련된 한쌍의 승강 로드(56)를 거쳐서, 커버체(50)의 상면으로부터 매달려져 있다. 승강 로드(56)는 나사로 구성되고 있으며, 승강 로드(56)의 하단을 상면 부재(45)의 상면에 형성된 나사 구멍(53)에 나사 계합(나사 결합)시킴으로써, 커버체(50)의 내부에 있어서 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 낙하시키지 않고 지지하고 있다.
가이드 로드(55)의 하단에는 스토퍼(stopper)용의 너트(57)가 설치되어 있으며, 이 너트(57)를 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)의 내부에 형성된 구멍부(58) 내에서 조여서 고정함으로써, 상면 부재(45)의 상면에 한쌍의 가이드 로드(55)가 수직하게 고정된 상태로 되어 있다.
이들 가이드 로드(55)와 승강 로드(56)의 상단은 커버체(50)의 상면을 관통하여, 윗쪽으로 돌출하고 있다. 가이드부(51)에 있어서 돌출하고 있는 가이드 로드(55)의 상단은 커버체(50)의 상면에 고정된 가이드(60) 내를 관통하여, 가이드(60) 내에 있어서 가이드 로드(55)가 수직 방향으로 슬라이드 이동할 수 있게 되어 있다. 이렇게 해서 가이드 로드(55)가 수직 방향에 슬라이드 이동함으로써, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)는 항상 수평 자세로 유지되어, 사각형 도파관(35)의 E면끼리[상면 부재(45)와 하면(슬롯 안테나(31)의 상면)]이 항상 평행이 된다.
한편, 승강부(52)에 있어서 돌출하고 있는 승강 로드(56)의 상단에는, 타이밍 풀리(61)가 고정되어 있다. 이 타이밍 풀리(61)가 커버체(50)의 상면에 실려 있는 것에 의해, 승강 로드(56)의 하단에 나사 계합(나사 결합)하고 있는 상면 부재(45)가 커버체(50)의 내부에 있어서 낙하하지 않고 지지되어 있다.
한쌍의 승강 로드(56)에 설치된 타이밍 풀리(61)끼리는 타이밍 벨트(62)에 의해 동기 회전하게 되어 있다. 또한, 승강 로드(56)의 상단부에는 회전 핸들(63)이 설치되어 있다. 이 회전 핸들(63)을 회전 조작함으로써, 한쌍의 승강 로드(56)를 타이밍 풀리(61) 및 타이밍 벨트(62)를 거쳐서 동기 회전시키고, 이것에 의해 승강 로드(56)의 하단에 나사 계합(나사 결합)하고 있는 상면 부재(45)가 커버체(50)의 내부에 있어서 승강하도록 되어 있다.
이러한 승강 기구(46)에 있어서는, 회전 핸들(63)을 회전 조작함으로써, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 커버체(50)의 내부에 있어서 승강 이동시킬 수 있으며, 그 때, 가이드부(51)에 마련된 가이드 로드(55)가 가이드(60) 내를 수직 방향으로 슬라이드 이동하므로, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)는 항상 수평 자세로 유지되어, E면끼리[사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)와 하면(슬롯 안테나(31)의 상면)]은 항상 평행이 된다.
상술한 바와 같이, 사각형 도파관(35)의 내부에는 유전 부재(36)가 충전되어 있으므로, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)는 유전 부재(36)의 상면에 접하는 위치까지 하강할 수 있다. 그리고, 이렇게 유전 부재(36)의 상면에 접하는 위치를 하한으로서, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 커버체(50)의 내부에서 승강 이동시킴으로써, E면끼리의 폭(a)[사각형 도파관(35)의 하면[슬롯 안테나(31)의 상면]에 대한 사각형 도파관(35)의 상면(상면 부재(45)의 하면)의 높이]을 임의로 바꾸는 것이 가능하다. 또한, 커버체(50)의 높이는, 후술하는 바와 같이 처리실(4) 내에서 실행되는 플라즈마 처리의 조건에 따라 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 승강 이동시킬 때에, 상면 부재(45)를 충분한 높이에까지 이동시킬 수 있도록 설정된다.
상면 부재(45)는, 예컨대 알루미늄 등의 도전성의 비자성 재료로 이루어지며, 상면 부재(45)의 주위면부에는 커버 본체(30)에 대하여 전기적으로 도통시키기 위한 실드 스파이럴(65)이 설치되어 있다. 이 실드 스파이럴(65)의 표면에는 전기 저항을 낮추기 위해서, 예컨대 도금 등이 실시되어 있다. 따라서, 사각형 도파관(35)의 내벽면 전체는 서로 전기적으로 도통한 도전성 부재로 구성되고 있어, 사각형 도파관(35)의 내벽면 전체에 따라 방전하지 않고 전류가 원활하게 흐르도록 구성되어 있다.
상면 부재(45)에는 사각형 도파관(35)의 내부에 있어서 발생하는 정재파의 분포를 측정하는 정재파 측정부(200)가 3개소에 설치되어 있다. 상면 부재(45)에는 이들 정재파 측정부(200)를 삽입시키는 오목부(66)가 형성되어 있으며, 각 정재파 측정부(200)를 오목부(66)에 각각 배치시킴으로써, 정재파 측정부(200)의 하면[도전성 부재(202)]이 상면 부재(45)의 하면과 거의 동일한 높이가 되도록 설정되어 있다.
정재파 측정부(200)는, 먼저 도 1 내지 도 11에서 설명한 구성을 갖고 있으며, 사각형 도파관(35)의 E면의 적어도 일부를 구성하도록, 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 따라 배치된 도전성 부재(202)를 배치하고, 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 대한 도전성 부재(202)의 온도 변화를 사각형 도파관(35)의 외측에 있어서 검출하는 온도 변화 검출 수단을 갖고 있다. 그리고, 온도 변화 검출 수단은, 예컨대 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 따라 배치된 복수의 서미스터(208)에 의해, 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 대한 도전성 부재(202)의 온도 변화를 검출함으로써, 정재파가 이웃이 되는 마디 사이, 또는 배 사이의 간격을 구하고, 또한 관내 파장(λg)을 측정하는 것이 가능하다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 슬롯 안테나(31)를 구성하는 각 사각형 도파관(35)의 하면에는, 투과 구멍으로서의 복수의 슬롯(70)이 각 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 따라 등간격으로 배치되어 있다. 이 실시형태에서는, 각 사각형 도파관(35)마다 12개씩(G5 상당)의 슬롯(70)이 각각 직렬로 늘어놓아져 마련되어 있으며, 슬롯 안테나(31) 전체에서, 12개×6열=72개소의 슬롯(70)이 커버 본체(30)의 하면[슬롯 안테나(31)] 전체에 균일하게 분포해서 배치되어 있다. 각 슬롯(70)끼리의 간격은 각 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 있어서 서로 인접하는 슬롯(70) 사이가 중심축끼리에서, 예컨대 λg'/2(λg'는 2.45㎓라고 했을 경우의 초기 설정시의 마이크로파의 도파관 내 파장)이 되도록 설정된다. 또한, 각 사각형 도파관(35)에 형성되는 슬롯(70)의 수는 임의로서, 예컨대 각 사각형 도파관(35)마다 13개씩의 슬롯(70)을 마련하고, 슬롯 안테나(31) 전체에서 13×6열=78개소의 슬 롯(70)을 커버 본체(30)의 하면[슬롯 안테나(31)] 전체에 균일하게 분포해도 좋다.
이와 같이 슬롯 안테나(31)의 전체에 균일하게 분포하여 배치된 각 슬롯(70)의 내부에는, 예컨대 Al2O3로 이루어지는 유전 부재(71)가 각각 충전되어 있다. 또한, 유전(23)부재(71)로서, 예컨대 불소 수지, 석영 등의 유전 재료를 사용할 수도 있다. 또한, 이들 각 슬롯(70)의 아래쪽으로는, 상술한 바와 같이 슬롯 안테나(31)의 하면에 설치된 복수 매의 유전체(32)가 각각 배치되어 있다. 각 유전체(32)는 장방형의 평판 형태를 하고 있으며, 예컨대 석영 유리, AlN, Al2O3, 사파이어, SiN, 세라믹스 등의 유전 재료로 구성된다.
도 13에 도시되는 바와 같이, 각 유전체(32)는 하나의 마이크로파 공급 장치(40)에 대하여 Y 분기관(41)을 거쳐서 접속된 2개의 사각형 도파관(35)을 타서 넘도록 각각 배치된다. 상술한 바와 같이, 커버 본체(30)의 내부에는 전부(全部)에서 6개의 사각형 도파관(35)이 평행하게 배치되고 있으며, 각 유전체(32)는 각각 2개씩의 사각형 도파관(35)에 대응하도록 3열로 배치되어 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 각 사각형 도파관(35)의 하면[슬롯 안테나(31)]에는 각각 12개씩의 슬롯(70)이 직렬로 늘어놓아져 배치되어 있으며, 각 유전체(32)는 서로 인접하는 2개의 사각형 도파관(35)[Y 분기관(41)을 거쳐서 동일한 마이크로파 공급 장치(40)에 접속된 2개의 사각형 도파관(35)]의 각 슬롯(70)끼리의 사이를 걸치도록 설치되어 있다. 이에 의해, 슬롯 안테나(31)의 하면에는, 전부에서 12개×3열=36장의 유전체(32)가 설치되어 있다. 슬롯 안테나(31)의 하면에는, 이 들 36장의 유전체(32)를 12개×3열로 배열된 상태에서 지지하기 위한 격자 형상으로 형성된 비임(beam)(75)이 마련되어 있다. 또한, 각 사각형 도파관(35)의 하면에 형성하는 슬롯(70)의 개수는 임의로서, 예컨대 각 사각형 도파관(35)의 하면에 각각 13개씩의 슬롯(70)을 마련하고, 슬롯 안테나(31)의 하면에 전부에서 13개×3열=39장의 유전체(32)를 배열시켜도 좋다.
여기에서, 도 15는 덮개(3)의 하방으로부터 본 유전체(32)의 확대도이다. 도 16은 도 15 중의 X-X선에 있어서의 유전체(32)의 종단면도이다. 비임(75)은 각 유전체(32)의 주위를 둘러싸도록 배치되어 있어, 각 유전체(32)를 슬롯 안테나(31)의 하면에 밀착시킨 상태로 지지하고 있다. 비임(75)은, 예컨대 알루미늄 등의 비자성의 도전성 재료로 이루어지며, 슬롯 안테나(31) 및 커버 본체(30)와 함께 전기적으로 접지된 상태가 되어 있다. 이 비임(75)에 의해 각 유전체(32)의 주위를 지지함으로써, 각 유전체(32)의 하면의 대부분을 처리실(4) 내에 노출시킨 상태로 하고 있다.
각 유전체(32)와 각 슬롯(70)의 사이는 O링(70') 등의 시일 부재를 이용하여 밀봉된 상태로 되어 있다. 커버 본체(30)의 내부에 형성된 각 사각형 도파관(35)에 대하여는, 예컨대 대기압의 상태에서 마이크로파가 도입되지만, 이렇게 각 유전체(32)와 각 슬롯(70)의 사이가 각각 밀봉되어 있으므로, 처리실(4) 내의 기밀성이 유지되어 있다.
각 유전체(32)는, 길이 방향의 길이(L)가 진공된 처리실(4) 내에 있어서의 마이크로파의 자유 공간 파장(λ=약 120㎜)보다도 길고, 폭 방향의 길이(M)가 자유 공간 파장(入)보다도 짧은 장방형으로 형성되어 있다. 마이크로파 공급 장치(40)에서 예컨대 2.45㎓의 마이크로파를 발생시켰을 경우에, 유전체의 표면을 전파하는 마이크로파의 파장(入)은 자유 공간 파장(入)에 거의 같게 된다. 이 때문에, 각 유전체(32)의 길이 방향의 길이(L)는 120㎜보다도 길며, 예컨대 188㎜로 설정된다. 또한, 각 유전체(32)의 폭 방향의 길이(M)는 120㎜보다도 짧으며, 예컨대 40㎜로 설정된다.
또한, 각 유전체(32)의 하면에는 요철이 형성되어 있다. 즉, 이 실시형태에서는, 장방형으로 형성된 각 유전체(32)의 하면에 있어서, 그 길이 방향에 따라 7개의 오목부(80a, 80b, 80c, 80d, 80e, 80f, 80g)가 직렬로 늘어놓아져 배치되어 있다. 이들 각 오목부(80a 내지 80g)는 평면에서 보아서는 어느 것이나 거의 같은 대략 장방형 형상을 하고 있다. 또한, 각 오목부(80a 내지 80g)의 내측면은 거의 수직한 벽면(81)으로 되어 있다.
각 오목부(80a 내지 80g)의 깊이(d)는 모두가 동일한 깊이가 아니라, 오목부(80a 내지 80g)의 깊이의 일부 또는 전부의 깊이(d)가 상이하도록 구성되어 있다. 도 7에 도시한 실시형태에서는, 슬롯(70)에 가장 가까운 오목부(80b, 80f)의 깊이(d)가 가장 얕게 되어 있으며, 슬롯(70)으로부터 가장 먼 오목부(80d)의 깊이(d)가 가장 깊게 되어 있다. 그리고, 슬롯(70) 바로 아래의 오목부(80b, 80f)의 양측에 위치하는 오목부(80a, 80c) 및 오목부(80e, 80g)는 슬롯(70) 바로 아래의 오목부(80b, 80f)의 깊이(d)와 슬롯(70)으로부터 가장 먼 오목부(80d)의 깊이(d)의 중간의 깊이(d)로 되어 있다.
단, 유전체(32)의 길이 방향 양단에 위치하는 오목부(80a, 80g)와 2개의 슬롯(70)의 내측에 위치하고 있는 오목부(80c, 80e)에 관해서는, 양단의 오목부(80a, 80g)의 깊이(d)는 슬롯(70)의 내측에 위치하는 오목부(80c, 80e)의 깊이(d)보다도 얕게 되어 있다. 따라서, 이 실시형태에서는, 각 오목부(80a 내지 80g)의 깊이(d)의 관계는, 슬롯(70)에 가장 가까운 오목부(80b, 80f)의 깊이(d) < 유전체(32)의 길이 방향 양단에 위치하는 오목부(80a, 80g)의 깊이(d) < 슬롯(70)의 내측에 위치하는 오목부(80c, 80e)의 깊이(d) < 슬롯(70)으로부터 가장 먼 오목부(80d)의 깊이(d)로 되어 있다.
또한, 오목부(80a)와 오목부(80g)의 위치에서의 유전체(32)의 두께(t1)와, 오목부(80b)와 오목부(80f)의 위치에서의 유전체(32)의 두께(t2)와, 오목부(80c)와 오목부(80e)의 위치에서의 유전체(32)의 두께(t3)는, 어느 것이나 후술하는 바와 같이 유전체(32)의 내부를 마이크로파가 전파할 때에, 오목부(80a 내지 80c)의 위치에 있어서의 마이크로파의 전파와, 오목부(80e 내지 80g)의 위치에 있어서의 마이크로파의 전파를 각각 실질적으로 방해하지 않는 두께로 설정된다. 이것에 대하여, 오목부(80d)의 위치에서의 유전체(32)의 두께(t4)는, 후술하는 바와 같이 유전체(32)의 내부를 마이크로파가 전파할 때에, 오목부(80d)의 위치에 있어서는 이른바 컷오프(cutoff)를 발생시키며, 오목부(80d)의 위치에서는 실질적으로 마이크로파를 전파시키지 않는 두께로 설정된다. 이에 의해, 한쪽의 사각형 도파관(35)의 슬롯(70)의 측에 배치된 오목부(80a 내지 80c)의 위치에 있어서의 마이크로파의 전 파와, 다른 쪽의 사각형 도파관(35)의 슬롯(70)의 측에 배치된 오목부(80e 내지 80g)의 위치에 있어서의 마이크로파의 전파가 오목부(80d)의 위치에서 컷오프되어서 서로 간섭하지 않으며, 한쪽의 사각형 도파관(35)의 슬롯(70)으로부터 나간 마이크로파와, 다른 쪽의 사각형 도파관(35)의 슬롯(70)으로부터 나간 마이크로파의 간섭이 방지되어 있다.
각 유전체(32)를 지지하고 있는 비임(75)의 하면에는, 각 유전체(22)의 주위에 있어서 처리실(4) 내에 소정의 가스를 공급하기 위한 가스 분사구(85)가 각각 마련되어 있다. 가스 분사구(85)는 각 유전체(22)마다 그 주위를 둘러싸도록 복수 개소에 형성됨으로써, 처리실(4)의 상면 전체에 가스 분사구(85)가 균일하게 분포해서 배치되어 있다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 커버 본체(30) 내부에는 소정의 가스 공급용의 가스 배관(90)과, 냉각수 공급용의 냉각수 배관(91)이 마련되어 있다. 가스 배관(90)은 비임(75)의 하면에 마련된 각 가스 분사구(85)에 연통하고 있다.
가스 배관(90)에는 처리실(4)의 외부에 배치된 소정의 가스 공급원(95)이 접속되어 있다. 이 실시형태에서는, 소정의 가스 공급원(95)으로서, 아르곤 가스 공급원(100), 성막 가스로서의 실란 가스 공급원(101) 및 수소 가스 공급원(102)이 준비되어, 각각 밸브(100a, 101a, 102a), 매스플로우 컨트롤러(100b, 101b, 102b), 밸브(100c, 101c, 102c)를 거쳐서, 가스 배관(90)에 접속되어 있다. 이에 의해, 소정의 가스 공급원(95)으로부터 가스 배관(90)에 공급된 소정의 가스가 가스 분사구(85)로부터 처리실(4) 내로 분사되게 되어 있다.
냉각수 배관(91)에는, 처리실(4)의 외부에 배치된 냉각수 공급원(105)으로 냉각수를 순환 공급하는 냉각수 공급 배관(106)과 냉각수 복귀 배관(107)이 접속되어 있다. 이들 냉각수 공급 배관(106)과 냉각수 복귀 배관(107)을 통해서, 냉각수 공급원(105)으로부터 냉각수 배관(91)으로 냉각수가 순환 공급됨으로써, 커버 본체(30)는 소정의 온도로 유지되어 있다.
이제, 이상과 같이 구성된 본 발명의 실시형태에 이러한 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 예컨대 아모퍼스(amorphous) 실리콘 성막하는 경우에 대해서 설명한다. 처리시에는, 처리실(4) 내의 서셉터(10) 상에 기판(G)을 탑재하고, 소정의 가스 공급원(95)으로부터 가스 배관(90), 가스 분사구(85)를 거쳐서 소정의 가스, 예컨대 아르곤 가스/실란 가스/수소의 혼합 가스를 처리실(4) 내로 공급하면서, 배기구(23)로부터 배기해서 처리실(4) 내를 소정의 압력으로 설정한다. 이 경우에, 커버 본체(30)의 하면 전체에 분포해서 배치되어 있는 가스 분사구(85)로부터 소정의 가스를 분출함으로써, 서셉터(10) 상에 탑재된 기판(G)의 표면 전체에 소정의 가스를 빈틈없게 공급할 수 있다.
그리고, 이렇게 소정의 가스를 처리실(4) 내로 공급하는 한편, 히터(12)에 의해 기판(G)을 소정의 온도로 가열한다. 또한, 도 2에 도시한 마이크로파 공급 장치(40)에서 발생시킨 예컨대 2.45㎓의 마이크로파가 Y 분기관(41)을 거쳐서 각 사각형 도파관(35)에 도입되어, 각각의 각 슬롯(70)을 통해서 각 유전체(32) 내를 전파해 간다.
여기에서, 각 사각형 도파관(35)의 내부에 있어서는, 마이크로파 공급 장치 로부터 도입된 마이크로파의 입사파와 반사파가 간섭함으로써 정재파가 발생하고, 먼저 도 4에서 설명한 바와 같은 전계(E)와 자계(H)가 형성된다. 그리고, E면인 사각형 도파관(35)의 상면과 하면[면 부재(45)의 하면과 슬롯 안테나(31)의 상면]에서는, 사각형 도파관(35)의 길이 방향(220)과 직행하는 방향[즉, 사각형 도파관(35)의 상면과 하면의 폭 방향]으로 E면 전류(I)가 흐르게 된다. 그리고, 이렇게 사각형 도파관(35)의 상면과 하면에 흐르는 E면 전류(I)는, 사각형 도파관(35)의 길이 방향(220)에 있어서, 관내 파장(λg)과 동일한 진폭으로 정현파의 주기에서 변화되고, 관내 파장(λg)의 반의 길이(λg/2)의 간격에서 정의 최대값과 부의 최대값을 되풀이해서 도시한다.
이와 같이 사각형 도파관(35)의 상면과 하면에 흐르는 E면 전류(I)의 사각형 도파관(35)의 길이 방향(35')에 있어서의 주기와 관내 파장(λg)은 항상 일치하고, 관내 파장(λg)이 변화하면, 사각형 도파관(35)의 상면과 하면에 흐르는 E면 전류(I)의 사각형 도파관(35)의 길이 방향(35')에 있어서의 주기도 마찬가지로 변화되는 관계에 있다.
즉, 사각형 도파관(35)의 내부를 전파하는 마이크로파의 에너지에 의해, 사각형 도파관(35)의 상면과 하면에 있어서 폭 방향에 흐르는 E면 전류(I)는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 관내 파장(λg)의 반의 간격(λg/2)의 주기에서, 정방향(한쪽 폭 방향)의 최대값과 부방향(다른 쪽 폭 방향)의 최대값을 되풀이하게 된다. 또한, 사각형 도파관(35)의 내부에는, 마이크로파의 에너지에 의해 생긴 정재파가 마찬가지로 간격(λg/2)의 주기로 강약을 되풀이하게 된다.
한편, 이렇게 마이크로파 공급 장치(40)로부터 도입된 마이크로파의 에너지에 의해, 사각형 도파관(35)의 상면[상면 부재(45)의 하면]에 관내 파장(λg)의 반의 간격(λg/2)의 주기로 E면 전류(I)가 정부방향으로 교대로 흐름으로써, 정재파 측정부(200)에 마련된 도전성 부재(202)는 E면 전류(I)의 크기에 따라 발열한다. 이 경우에, 도전성 부재(202)를 흐르는 E면 전류(I)의 크기는 도전성 부재(202)의 길이 방향[사각형 도파관(35)의 길이 방향]에 있어서 간격(λg/2)의 주기로 강약을 되풀이하므로, 도전성 부재(202)의 온도 분포는 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 대하여 간격(λg/2)의 주기로 온도의 고저를 되풀이하게 된다.
한편, 정재파 측정부(200)에 있어서는, 예컨대 먼저 도 1 내지 도 3 등에서 설명한 복수의 서미스터(208)에 의해, 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 있어서의 각 위치에서 도전성 부재(202)의 온도가 검출된다. 이렇게 해서 서미스터(208)에 의해 검출된 사각형 도파관(35)의 길이 방향의 각 위치에 있어서의 도전성 부재(202)의 각 온도가 케이블(213)을 거쳐서 계측 회로(214)에 입력되어서, 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 대한 도전성 부재(202)의 온도 분포가 측정된다.
이렇게 해서 계측 회로(214)에 의해 검출되는 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 대한 도전성 부재(202)의 온도 분포는 도전성 부재(202)의 각 위치에 있어서 각각 흐르는 E면 전류(I)의 크기의 변화와 같아져서, 온도가 극대값을 도시한 위치에서는, 도전성 부재(202)에 정의 최대값 또는 부의 최대값의 E면 전류(I)가 흐른 것으로 된다. 이렇게 해서, 정재파 측정부(200)의 계측 회로(214)에서는 사각형 도파관(35)의 길이 방향(220)에 있어서의 정재파의 주기[즉, 관내 파장(λg)의 반 의 간격(λg/2)]를 측정할 수 있게 된다. 그리고, 이렇게 검출된 정재파의 주기로부터, 사각형 도파관(35) 내를 전파하는 실제의 마이크로파의 파장(관내 파장)(λg)을 정확하게 측정하는 것이 가능해진다.
또한, 사각형 도파관(35)에 도입된 마이크로파를 각 슬롯(70)으로부터 각 유전체(32)에 전파시킬 경우에, 각 슬롯(70) 내에 예컨대 불소 수지, Al2O3, 석영 등이라고 하는 공기보다도 유전율이 높은 유전 부재(71)가 충전되어 있으므로, 사각형 도파관(35)에 도입된 마이크로파를 각 슬롯(70)으로부터 각 유전체(32)에 확실하게 전파시킬 수 있다.
이렇게 해서, 각 유전체(32) 중에 전파시킨 마이크로파의 에너지에 의해, 각 유전체(32)의 표면에 있어서 처리실(4) 내에 전자계가 형성되어, 전계 에너지에 의해 처리 용기(2) 내의 상기 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 기판(G)상의 표면에 대하여, 아모퍼스 실리콘 성막이 실행된다. 이 경우에, 각 유전체(32)의 하면에 오목부(80a 내지 80g)가 형성되어 있으므로, 유전체(32) 속을 전파한 마이크로파의 에너지에 의해, 이들 오목부(80a 내지 80g)의 내측면[벽면(81)]에 대해 거의 수직의 전계를 형성시켜, 그 근방에서 플라즈마를 효율적으로 생성시킬 수 있다. 또한, 플라즈마의 생성 개소도 안정시킬 수 있다. 또한, 각 유전체(32)의 하면에 형성된 복수의 오목부(80a 내지 80g)의 깊이(d)를 서로 상이하게 함으로써, 각 유전체(32)의 하면 전체에 있어서 거의 균일하게 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 또한, 유전체(32)의 옆폭을, 예컨대 40㎜로서 마이크로파의 자유 공간 파장(λ=약 120㎜) 보다도 좁게 하고, 유전체(32)의 길이 방향의 길이를, 예컨대 188㎜로서 마이크로파의 자유 공간 파장(入) 관내 파장(λg)보다도 길게 함으로써, 표면파를 유전체(32)의 길이 방향에만 전파시킬 수 있다. 또한, 각 유전체(32)의 중앙에 마련된 오목부(80d)에 의해, 2개의 슬롯(70)으로부터 전파된 마이크로파끼리의 간섭이 방지된다.
또한, 처리실(4)의 내부에서는, 예컨대 0.7eV~2.0eV의 저전자 측온, 1011∼1013㎝-3의 고밀도 플라즈마에 의해, 기판(G)으로의 데미지가 적은 균일한 성막이 실행된다. 아모퍼스 실리콘 성막의 조건은, 예컨대 처리실(4) 내의 압력에 대해서는, 5∼100㎩, 바람직하게는 10∼60㎩, 기판(G)의 온도에 대해서는, 200∼450℃, 바람직하게는 250℃∼380℃가 적당하다. 또한, 처리실(4)의 크기는, G3 이상[G3은 기판(G)의 치수 : 400㎜×500㎜, 처리실(4)의 내부 치수 : 720㎜×720㎜]이 적당해서, 예컨대 G4.5[기판(G)의 치수 : 730㎜×920㎜, 처리실(4)의 내부 치수 : 1000㎜×1190㎜], G5[기판(G)의 치수 : 1100㎜×1300㎜, 처리실(4)의 내부 치수 : 1470㎜×1590㎜)이며, 마이크로파 공급 장치의 파워(power)의 출력에 대해서는, 1∼4W/㎠, 바람직하게는 3W/㎠가 적당하다. 마이크로파 공급 장치의 파워의 출력이 1W/㎠ 이상이면, 플라즈마가 착화하고, 비교적 안정하게 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 마이크로파 공급 장치의 파워의 출력이 1W/㎠ 미만에서는, 플라즈마가 착화되지 않거나 플라즈마의 발생이 매우 불안정해져서, 프로세스가 불안정, 불균일이 되어 실용적이지 않게 되어 버린다.
여기에서, 처리실(4) 내에서 실행되는 이러한 플라즈마 처리의 조건(예컨대 가스종, 압력, 마이크로파 공급 장치의 파워 출력 등)은 처리의 종류 등에 의해 적절히 설정되지만, 한편으로는 플라즈마 처리의 조건을 바꾸는 것에 따라 플라즈마 생성에 대한 처리실(4) 내의 임피던스가 변하면, 그것에 따라 각 사각형 도파관(35) 내를 전파하는 마이크로파의 파장[관내 파장(λg)]도 변화되는 성질이 있다. 또한, 한편으로는, 상술한 바와 같이 각 사각형 도파관(35)마다 슬롯(70)이 소정의 간격(λg'/2)으로 마련되어 있기 때문에, 플라즈마 처리의 조건에 의해 임피던스가 변하고, 그것에 의해서 관내 파장(λg)이 변화되면, 슬롯(70)끼리의 간격(λg'/2)과 정재파의 배 부분의 간격[관내 파장(λg)의 반의 거리(λg/2)]이 일치하지 않게 되어 버린다. 그 결과, 각 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 따라 한줄로 세울 수 있었던 복수의 각 슬롯(70)에 정재파의 배 부분이 일치하지 않게 되고, 각 슬롯(70)으로부터 처리실(4) 상면의 각 유전체(32)에 효율적으로 마이크로파를 전파할 수 없게 되어 버린다.
그런데, 본 발명의 실시형태에 있어서는, 상술한 바와 같이 상면 부재(45)에 설치한 정재파 측정부(200)에 있어서, 각 서미스터(208)에서 전기적으로 검출한 도전성 부재(202)의 온도 변화에 근거하여, 계측 회로(214)에 의해, 사각형 도파관(35)의 길이 방향(220)에 있어서의 정재파의 주기(λg/2)가 구해지며, 사각형 도파관(35) 내를 전파하는 실제의 마이크로파의 파장(관내 파장)(λg)이 정확하게 측정된다. 그리고, 계측 회로(214)는 이렇게 해서 측정한 정재파의 주기(λg/2)와 슬롯(70)끼리의 간격(λg'/2)을 비교함으로써, 슬롯(70)끼리의 간격(λg'/2)과 정 재파의 배 부분의 간격이 일치하지 않게 되는 사태를 즉석에서 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 있어서는, 그렇게, 슬롯(70)끼리의 간격(λg'/2)과 정재파의 배 부분의 간격이 일치하지 않게 된 것이 검출되었을 경우에는, E각 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 하면[슬롯 안테나(31)의 상면]에 대하여 승강 이동시킴으로써, 관내 파장(λg)을 수정하고, 각 슬롯(70)에 정재파의 배 부분을 일치시키는 것이 가능하다.
또한, 상면 부재(45)의 승강 이동은 승강 기구(46)의 회전 핸들(63)을 회전 조작함으로써 용이하게 실행할 수 있다. 예컨대, 처리실(4) 내의 플라즈마 처리 조건에 의해 관내 파장(λg)이 줄어들었을 경우에는, 승강 기구(46)의 회전 핸들(63)을 회전 조작함으로써, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 커버체(50)의 내부에 있어서 하강시킨다. 이렇게, E면끼리의 간격(a)[각 사각형 도파관(35)의 하면에 대한 상면 부재(45)의 높이]이 작아지면, 관내 파장(λg)이 길어지도록 변화된다. 또한, 반대로, 처리실(4) 내의 플라즈마 처리 조건에 의해 관내 파장(λg)이 길어졌을 경우에는, 승강 기구(46)의 회전 핸들(63)을 회전 조작함으로써, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)를 커버체(50)의 내부에 있어서 상승시킨다. 이렇게, E면끼리의 간격(a)[각 사각형 도파관(35)의 하면에 대한 상면 부재(45)의 높이]이 커지면, 관내 파장(λg)이 짧아지도록 변화된다. 이렇게 해서, E면끼리의 간격(a)을 적당히 변화시킴으로써, 정재파의 배 부분끼리의 간격(λg/2)과 슬롯끼리의 간격(λg'/2)을 일치시킬 수 있다. 그 결과, 사각형 도파관(35)의 하면에 형성한 복수의 각 슬롯(70)으로부터 처리실(4) 상면의 각 유전체(32)에 효율적으로 마이크로파를 전파시킬 수 있게 되고, 기판(G)의 윗쪽 전체에 균일한 전자계를 형성할 수 있으며, 기판(G)의 표면 전체에 균일한 플라즈마 처리를 실행하는 것이 가능하게 된다. 마이크로파의 관내 파장(λg)을 변화시킴으로써, 플라즈마 처리의 조건마다 슬롯(70)끼리의 간격을 변화시킬 필요가 없어지므로, 설비 비용을 저감할 수 있고, 또한 동일한 처리실(4) 내에서 종류의 다른 플라즈마 처리를 연속해서 하는 것도 가능해진다. 또한, 이렇게 검출된 정재파의 주기에 따라 상면 부재(45)를 승강시키는 동작은 수동으로 실행해도 좋지만, 공지된 자동 제어의 수법에 의해 정재파의 주기의 변화에 따라 상면 부재(45)를 자동적으로 승강시키는 제어부를 마련해 실행해도 좋다.
추가하여, 이 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 의하면, 처리실(4)의 상면에 타일 형상의 유전체(32)를 복수 매 설치하고 있음으로써, 각 유전체(32)를 소형화 또한 경량화할 수 있다. 이 때문에, 플라즈마 처리 장치(1)의 제조도 용이하고 저비용이 되며, 기판(G)의 대면화에 대한 대응력을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 유전체(32)마다 슬롯(70)이 각각 마련되어 있고, 게다가 각 유전체(32) 하나하나의 면적은 현저하게 작으며, 또한 그 하면에는 오목부(80a 내지 80g)가 형성되어 있으므로, 각 유전체(32)의 내부에 마이크로파를 균일하게 전파시켜서, 각 유전체(32)의 하면 전체에서 플라즈마를 효율적으로 생성시킬 수 있다. 그 때문에, 처리실(4) 내의 전체에서 균일한 플라즈마 처리를 실행할 수 있다. 또한, 유전체(32)를 지지하는 비임(75)(지지 부재)도 가늘게 할 수 있으므로, 각 유전체(32)의 하면의 대부분이 처리실(4) 내에 노출하게 되고, 처리실(4) 내에 전자계를 형성 시킬 때에 비임(75)이 거의 방해되지 않고, 기판(G)의 윗쪽 전체에 균일한 전자계를 형성할 수 있으며, 처리실(4) 내에 균일한 플라즈마를 생성할 수 있게 된다.
또한, 이 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)와 같이 유전체(32)를 지지하는 비임(75)에 처리 가스를 공급하는 가스 분사구(85)를 마련해도 좋다. 또한, 이 실시형태에서 설명한 바와 같이, 비임(75)을 예컨대 알루미늄 등의 금속으로 구성하면 가스 분사구(85) 등의 가공이 용이하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태의 일례를 설명했지만, 본 발명은 여기에 도시한 형태에 한정되지 않는다. 이상에서는, 관내 파장(λg)의 반(λg/2)과 정재파의 주기가 같다고 가정해서 설명했지만, 먼저 설명한 대로, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서는, 슬롯(70)을 통해서 처리실(4) 내로 전파해 가는 마이크로파의 영향이나, 슬롯(70)을 통해서 처리실(4)로부터 사각형 도파관(35) 내로 들어오는 반사파의 영향 등에 의해, 정재파의 주기는 관내 파장(λg)의 반(λg/2)과 엄밀하게는 일치하지 않게 된다. 그러나, 정재파의 주기는 도파관 내를 전파하는 마이크로파의 파장인 관내 파장(λg)의 반(λg/2)과 거의 같아서, 관내 파장(λg)의 기준으로 할 수 있다. 이 때문에, 정재파의 주기가 관내 파장(λg)의 반(λg/2)에 실질적으로 같다고 간주할 수 있는 경우에는, 이상의 가정을 따라서 관내 파장(λg)을 제어함으로써 사각형 도파관(35)하면의 각 슬롯(70)으로부터 각 유전체(32)에 효율적으로 마이크로파를 전파시킬 수 있게 된다. 또 한편, 정재파의 주기가 관내 파장(λg)의 반(λg/2)에 실질적으로 같다고 간주할 수 없는 경우에는, 미리 정재파의 주기와 관내 파장(λg)의 관계를 조사해 둠으로써, 동일하게 정재파의 주기를 기준으로서 관내 파장(λg)을 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 예컨대 온도 센서의 일례로서 서미스터(208)를 도시했지만, 그 외에 측온 저항체, 열전쌍, 서모 라벨(thermo label) 등의 온도 센서를 이용해도 좋다. 또한, 예컨대 적외선 센서를 복수 나열하여 도파관으로부터 방사되는 적외선을 측정해서 온도를 간접적으로 측정해도 좋다. 또한, 예컨대 적외선 센서를 도파관의 길이 방향에 따라 이동시켜서 온도 분포를 간접적으로 측정해도 좋다. 또한, 서모 뷰어(thermo viewer) 등의 적외선 카메라를 이용하여 온도를 간접적으로 측정해도 좋다.
또한, 이상에서는, 도파관 길이 방향에 대한 도전성 부재(202)의 온도 분포에 근거해서 정재파의 주기를 측정하고 있지만, 도 4에서 설명한 바와 같이, 사각형 도파관(201)의 내부에 있어서는, E면(좁은 벽면)의 내측에 도파관 길이 방향(220)에 수직한 E면 전류(I)가 흐르고, 전계(E)가 최대의 위치에 있어서 E면 전류(I)는 0이 되고, 반대로 전계(E)가 0의 위치에 있어서 E면 전류(I)는 최대가 된다. 그래서, 도전성 부재(202)에 있어서 도파관 길이 방향에 대하여 수직하게 흐르는 전류를 검출하고, 도파관 길이 방향에 대한 전류의 분포에 근거하여, 정재파를 측정하는 것도 가능하다.
또한, 도시한 플라즈마 처리 장치(1)의 실시형태와 같이 사각형 도파관(35)의 단면 형상(직사각형 형상)의 긴 변 방향을 H면에서 수직으로 해서 짧은 변 방향을 E면에서 수평으로 하도록 배치하면, 각 사각형 도파관(35)끼리의 빈틈을 넓게 할 수 있으므로, 예컨대 가스 배관(90)이나 냉각수 배관(91)을 배치하기 쉬우며, 또한 사각형 도파관(35)의 개수를 추가로 증가시키기 쉽다.
이상의 실시형태에서는, 플라즈마 처리의 일례인 아모퍼스 실리콘 성막을 실행하는 것에 대해서 설명했지만, 본 발명은 아모퍼스 실리콘 성막 외에, 산화막 성막, 폴리실리콘 성막, 실란 암모니아 처리, 실란수소 처리, 산화막 처리, 실란산소 처리, 그 밖의 CVD 처리 외에, 에칭 처리에도 적용할 수 있다.
실시예
(실시예 1)
도 12 등에서 설명한 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 기판(G)의 표면에 SiN 성막 처리를 실행할 때에, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)의 높이(a)를 바꾸고, 사각형 도파관(35) 내의 전계(E)의 위치의 변화와 처리실(4) 내에 생성되는 플라즈마로의 영향을 조사했다. 또한, 실시예 1에서는, 플라즈마 처리 장치(1)의 처리실(4)의 내경을 720㎜×720㎜으로 해서 서셉터(10) 상에 400㎜×500㎜의 크기의 유리 기판(G)을 탑재해서 실험했다.
기판(G)의 표면에 성막된 SiN 막에 대해서, 사각형 도파관(35)의 종단으로부터의 거리에 대한 막 두께(A)의 변화를 조사한 바, 도 17을 얻었다. 도 17은 SiN 막의 막 두께(A)와 사각형 도파관(35)의 종단으로부터의 거리(㎜)의 관계를 나타내고 있다. 플라즈마 밀도가 크면 증착률(deposition rate)이 커지고, 그 결과 SiN 막의 막 두께가 두껍게 되므로, 막 두께와 플라즈마 밀도는 비례 관계에 있다고 생각해도 좋다. 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)의 높이(a)를 78㎜, 80㎜, 82㎜, 84㎜로 변화시키고, 각 높이의 때의 막 두께(A)를 조사한 바, a=84㎜일 때에, 사각 형 도파관(35)의 종단으로부터의 거리에 대한 막 두께(A)의 변화가 가장 적게 되고, 기판(G)의 표면 전체에 균일한 막 두께(A)의 SiN 막을 성막할 수 있었다. 이것에 대하여, a=78㎜, 80㎜, 82㎜일 때에는, 어느 것이나 사각형 도파관(35)의 전방에서 막 두께(A)가 두껍게 되고, 사각형 도파관(35)의 종단측만큼 막 두께(A)가 감소하고 있다. a=84㎜일 때 이외에서는, 정재파의 배 부분끼리의 간격[관내 파장(λg)의 반의 거리]이 슬롯(70)이 소정의 간격(λg'/2)에 일치하지 않는 것으로 생각된다.
사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)의 높이(a)가 78㎜, 84㎜ 부근일 때에 사각형 도파관(35) 내에 발생하는 정재파의 변화를, 도 18에 모식적으로 도시했다. a=78㎜ 부근일 때에는 정재파의 배 부분끼리의 간격(λg/2)이 비교적 길어지기 위해서, 도 18의 (a)에 도시하는 바와 같이, 사각형 도파관(35)의 하면[슬롯 안테나(31)]에 형성된 슬롯(70)의 간격(λg'/2)보다도 정재파의 배 부분끼리의 간격이 길어졌다. 그 때문에, 정재파의 배 부분은 사각형 도파관(35)의 선단측만큼 슬롯(70)의 위치로부터 어긋나고 있다. 그 영향으로, 사각형 도파관(35)의 종단측에서는, 슬롯(70)으로부터 유전체(32)로 전파하는 마이크로파가 감소하고, 전계 에너지의 불균일이 발생하며, 플라즈마가 불균일해져서, 결과적으로는 성막이 불균일하게 된다. 이것에 대하여, a=84㎜ 부근일 때에는, 도 18의 (b)에 도시하는 바와 같이, 사각형 도파관(35)의 하면[슬롯 안테나(31)]에 형성된 슬롯(70)의 위치에 정재파의 배 부분이 거의 일치했다. 이 때문에, 처리실(4) 내에 있어서 사각형 도파관(35)의 길이 방향에 걸쳐서 균일한 플라즈마가 생성되어, 막 두께도 거의 균일하 게 되었다. 이렇게, 사각형 도파관(35)의 상면 부재(45)의 높이(a)를 바꾸고, 사각형 도파관(35) 내를 전파하는 마이크로파의 실제의 관내 파장(λ9)을 조절하는 것으로서, 정재파의 배 부분을 슬롯(70)의 위치에 일치시켜, 처리실(4) 상면의 유전체(32)에 효율적으로 마이크로파를 전파할 수 있다는 것을 알았다.
(실시예 2)
도 12 등에서 설명한 본 발명의 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 기판(G)의 표면에 아모퍼스 Si 성막 처리를 실행했다. 그 때, 사각형 도파관(35)의 상면에 길이 방향(220)에 따라 적당한 간격으로 3개의 정재파 측정부(200)를 설치하고, 그들 정재파 측정부(200)에 있어서 정재파의 배 부분의 간격을 각각 검출했다. 또한, 사각형 도파관(35)의 E면끼리의 간격[상면 부재(45)의 높이](a)를 82㎜의 기준 높이에 대하여 da=-4㎜, +2㎜, +5㎜, +8㎜, +12㎜씩 변화시켰다.
우선, 3개의 정재파 측정부(200)에 있어서의 각 도전성 부재(202)의 온도 변화와 사각형 도파관(35)의 종단으로부터의 거리의 관계를 조사한 바, 도 19에 도시하는 바와 같이, da가 어느 경우에도, 사각형 도파관(35)의 종단으로부터의 거리에 대하여 각 도전성 부재(202)의 온도가 거의 정현파의 형태로 주기적으로 변화되고, 거의 일정한 간격으로 피크 온도를 도시하고 있었다. 단, 피크 온도를 도시하는 위치[사각형 도파관(35)의 종단으로부터의 거리]는, 각 da의 경우에 서로 일치하지 않고, 각 da마다 피크 온도를 도시하는 간격이 어긋나고 있었다.
한편, 먼저 도 4 등에서 설명한 바와 같이, 사각형 도파관(35) 내에 발생한 정재파의 영향에 의해, 도전성 부재(202)에 있어서 폭 방향으로 흐르는 E면 전류(I)는 관내 파장(λg)의 반의 간격(λg/2)의 주기로 정방향의 최대값(10I)과 부방향의 최대값(1I)을 되풀이한다. 이 때문에, 정재파 측정부(200)의 계측 회로(214)에서 검출되는 온도 변화의 주기(정재파의 배 부분끼리의 간격)는 이 관내 파장(λg)의 반의 간격(λg/2)에 일치한다. 따라서, 이 계측 회로(214)에서 검출된 정재파의 배 부분끼리의 간격을 2배로 하면, 관내 파장(λg)과 거의 같게 될 것으로 예상된다.
그래서, 각 da의 시에 각 정재파 측정부(200)에서 검출된 정재파의 배 부분끼리의 간격을 2배로 해서 구한 관내 파장(λg)(실측값)을, 도 20에 도시했다. 또한, 각 da에 대하여, 피크 온도를 도시하는 간격이 어긋나고 있어, 도 20에서는 가로축을 da, 세로축을 관내 파장(λg)으로서, 양자의 관계를 도시했다. 온도 변화의 주기로부터 구한 관내 파장(λg)(실측값)은 da가 커지면 감소하는 경향을 도시했다.
또한, 각 da의 경우에 있어서, 관내 파장(λg)의 이론값을 도 20 중에 아울러 기입했다. 양자(실측값과 이론값)는 거의 일치하고 있었다. 이에 의해, 도전성 부재(202)의 온도 변화로부터 관내 파장(λg)을 측정할 수 있다는 것이 실증되었다.
본 발명은 예컨대 CVD 처리, 에칭 처리에 적용할 수 있다.

Claims (38)

  1. 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 측정부에 있어서,
    상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하도록, 상기 도파관의 길이 방향에 따라 배치된 도전성 부재와, 상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소에서 상기 도전성 부재의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관이 사각형 도파관인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도전성 부재를 상기 사각형 도파관의 좁은 벽면에 배치한 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 판 형상이며, 상기 도파관 내를 전파하는 전자파의 각 주파수를 ω, 상기 온도를 검출하는 도전성 부재의 투자율을 μ, 저항률을 ρ라고 했을 때, 상기 도전성 부재의 두께(d)가 다음 [식 1]의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는
    [식 1]
    3 ×(2ρ/(ωμ))1/2 < d < 14×(2ρ/(ωμ))1/2
    정재파 측정부.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 판 형상이며, 복수의 구멍이 개구되어 있는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 금속으로 이루어지는 메쉬(mesh)인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 상기 도파관의 길이 방향에 대하여 직교하는 방향으로 신장하는 복수의 도전부를 소정의 간격으로 병렬로 배치한 구성인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재의 주위의 온도를 제어하는 온도 조정 기구를 갖는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 온도 검출 수단은 상기 도전성 부재의 주위의 온도를 측정 가능한 것을 특징으로 하는
    정재파 측정 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 도전성 부재의 주위의 온도를 측정하는 별도의 온도 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 검출 수단은 상기 도전성 부재의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 전기 신호를 처리하는 계측 회로와, 상기 온도 센서와 상기 계측 회로를 전기적으로 접속하는 배선을 구비하며,
    상기 온도 센서를 상기 도파관의 길이 방향에 따라 복수 배열한 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 배선은, 상기 배선을 통한 열의 전달을 억제하는 열전달 억제부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 복수의 전극을 구비하며, 상기 복수의 전극 중 적어도 하나는 상기 도파관에 전기적으로 단락되어 있는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 센서를 구비한 프린트 기판을 상기 도전성 부재에 설치한 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 센서를 상기 도파관의 외부에 배치한 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 도전성 부재의 온도를 상기 온도 센서에 전달시키는 열전달로를 갖는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 서미스터(thermistor), 측온 저항체, 다이오드, 트랜지스터, 온도 계측용 IC, 열전쌍, 펠티에 소자 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 검출 수단은 상기 도전성 부재의 온도를 검출하는 1 또는 2 이상의 온도 센서를 상기 도파관의 길이 방향에 따라 이동시키는 구성인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 온도 센서를 상기 도파관의 외부에 배치한 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 온도 센서는 적외선 온도 센서인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 검출 수단은 적외선 카메라인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관 내를 전파하는 전자파의 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력 중 어느 하나 또는 상기 도파관에 접속된 부하의 반사 계수, 임피던스 중 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소가 고정인 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소가 이동 가능한 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  25. 전자파를 발생시키는 전자파 파공급원과, 전자파를 전파시키는 도파관과, 상기 도파관으로부터 공급된 전자파를 이용해서 소정의 처리를 실행하는 파 이용 수단을 구비한 전자파 이용 장치에 있어서,
    상기 도파관에 제 1 항에 기재된 정재파 측정부를 마련한 것을 특징으로 하는
    전자파 이용 장치.
  26. 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 측정부에 있어서,
    상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하도록, 상기 도파관의 길이 방향에 따라 배치된 도전성 부재와, 상기 도파관의 길이 방향의 복수의 개소에서 상기 도전성 부재를 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정부.
  27. 전자파를 발생시키는 전자파 파공급원과, 전자파를 전파시키는 도파관과, 상기 도파관으로부터 공급된 전자파를 이용해서 소정의 처리를 실행하는 파 이용 수단을 구비한 전자파 이용 장치에 있어서,
    상기 도파관에 제 26 항에 기재된 정재파 측정부를 마련한 것을 특징으로 하는
    전자파 이용 장치.
  28. 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 도파관의 길이 방향에 대한 상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재의 온도의 분포를 검출하며,
    상기 온도 분포에 근거하여 정재파를 측정하는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 도파관 내에 전자파가 전파하지 않는 상태에 있어서 도전성 부재의 기준 온도를 측정하며, 상기 도전성 부재의 온도의 분포를 상기 기준 온도와의 온도차에 의해 검출하는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 도파관 내를 전파하는 전자파의 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력 중 어느 하나 또는 상기 도파관에 접속된 부하의 반사 계수, 임피던스 중 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정 방법.
  31. 전자파를 전파시키는 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재를 흐르는 전류를 검출하며,
    상기 도파관의 길이 방향에 대한 상기 전류의 분포에 근거하여 정재파를 측정하는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 도파관 내를 전파하는 전자파의 관내 파장, 주파수, 정재파비, 전파 정수, 감쇠 정수, 위상 정수, 전파 모드, 입사 전력, 반사 전력, 전송 전력 중 어느 하나 또는 상기 도파관에 접속된 부하의 반사 계수, 임피던스 중 어느 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는
    정재파 측정 방법.
  33. 내부에 기판 처리를 위한 플라즈마가 여기되는 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 플라즈마 여기용의 마이크로파를 공급하는 마이크로파 공급원과, 상기 마이크로파 공급원에 접속된, 복수의 슬롯이 개구된 도파관과, 상기 슬롯으로부터 방출된 마이크로파를 플라즈마에 전파시키는 유전체 판을 구비한 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 도파관 내에 발생하는 정재파를 측정하기 위한 제 1 항에 기재된 정재파 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어하는 파장 제어 기구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 도파관이 사각형 도파관이며, 상기 파장 제어 기구는 상기 사각형 도파 관의 좁은 벽면을 상기 도파관 내에 있어서의 마이크로파의 전파 방향에 대하여 수직하게 이동시키는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 장치.
  36. 도파관 내에 전파시킨 마이크로파를, 상기 도파관에 개구시킨 복수의 슬롯으로부터 방출시킨 유전체 판에 전파시켜, 처리 용기 내에 플라즈마를 여기시켜서 기판 처리를 실행하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    상기 도파관의 길이 방향에 대한 상기 도파관의 관벽의 적어도 일부를 구성하는 도전성 부재의 온도의 분포를 검출하고, 상기 온도 분포에 근거하여 정재파를 측정하며,
    상기 측정된 정재파에 근거하여 상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 도파관이 사각형 도파관이며, 상기 사각형 도파관의 좁은 벽면을 상기 도파관 내에 있어서의 마이크로파의 전파 방향에 대하여 수직하게 이동시킴으로써, 상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 방법.
  38. 제 36 항에 있어서,
    상기 도파관 내에 발생하는 정재파의 배 부분을 상기 슬롯에 일치시키도록, 상기 도파관 내에 전파시키는 마이크로파의 파장을 제어하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 처리 방법.
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