国際・国内特許データベース検索
このアプリケーションの一部のコンテンツは現在ご利用になれません。
この状況が続く場合は、次のお問い合わせ先までご連絡ください。ご意見・お問い合わせ
1. (WO2012008523) プラズマ処理装置
Document

明 細 書

発明の名称 プラズマ処理装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028  

発明の効果

0029  

図面の簡単な説明

0030  

発明を実施するための形態

0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116   0117   0118   0119   0120   0121   0122   0123   0124   0125   0126   0127   0128   0129   0130  

符号の説明

0131  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

図面

1   2   3A   3B   4A   4B   5A   5B   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

明 細 書

発明の名称 : プラズマ処理装置

技術分野

[0001]
 本発明は、プラズマにより被処理体に微細加工を施すプラズマ処理装置に関する。

背景技術

[0002]
 平板ディスプレイ、太陽電池、半導体等の製造工程では、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。
[0003]
 プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)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ことが望ましい。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(Very High Frequency)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(たとえば、特許文献1、2参照)。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開平9-312268号公報
特許文献2 : 特開2009-021256号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 ところが、基板サイズが大きくなりプラズマ励起周波数が高くなると、高周波を印加す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悪化してしまうという問題が生じる。一般には、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。
[0006]
 例えば、基板サイズが1m角の場合、プラズマ励起周波数を13.56MHzにすると均一なプラズマが得られるが、プラズマ密度が低く電子温度が高いために高品質な薄膜を高速に形成することは困難である。一方、プラズマ励起周波数を約3倍の40MHzにすると、膜質と成膜速度が改善するが、均一性が著しく悪化してしまう。40MHz以上の高周波でも2m角を越える大面積基板上に均一なプラズマを励起する技術が必要である。
[0007]
 上記課題に対して、本発明の目的とするところは、プラズマ励起周波数を高周波化しても基板上に均一なプラズマを励起することが可能な、新規かつ改良されたプラズマ処理装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008]
 上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、内部に、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、第1の電極部と第2の電極部との2つの電極部を有し、前記減圧容器の内部に隙間を設けて配列された複数の電極対と、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための電磁波を供給する伝送路とを備え、前記複数の電極対のそれぞれは、前記2つの電極部間に形成され、前記伝送路に接続され、前記プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路と、前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する誘電体板とを有し、前記伝送路から供給された電磁波が、前記導波路を伝搬した後に前記誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
[0009]
 これによれば、複数の電極対のそれぞれは、2つの電極部間に形成され、伝送路に接続され、プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路と、導波路に挿入され、プラズマ空間に露出する誘電体板とを有する。伝送路から供給された電磁波は、導波路を伝搬した後に誘電体板のプラズマ露出面から減圧容器内に放出され、電極部のプラズマ露出面を表面波として伝播しプラズマの励起に使われる。かかる電極構造では、電極対の内部(誘電体板のプラズマ露出面)から電磁波を放出することにより、電極対間を電気的に分離し、隣り合う電極対間での表面波の伝播を抑制することができる。これにより、電極対毎に独立にプラズマ励起強度を制御することが可能となる。サイズの小さな電極対を用いることによって定在波の影響を低減するとともに、複数配列された電極対毎に独立にプラズマ励起強度を制御することによって、プラズマ励起周波数を高周波化しても基板上に均一なプラズマを励起することができる。
[0010]
 前記複数の電極対は、前記スリット状の開口の短手方向に配列されてもよい。
[0011]
 異なる前記電極対の電極部であって隣接する2つの前記電極部には、概ね同位相の電磁波が印加されてもよい。
[0012]
 前記伝送路は同軸管であり、前記同軸管の内部導体は一方の電極部に接続され、前記同軸管の外部導体は他方の電極部に接続されてもよい。
[0013]
 前記同軸管の内部導体は、前記誘電体板に設けられた穴を貫通していてもよい。
[0014]
 隣接する電極対にそれぞれ設けられた前記同軸管の内部導体が前記誘電体板に設けられた穴を貫通する向きは、逆向きであってもよい。
[0015]
 前記2つの電極部は、前記プラズマ空間近傍から、前記載置台と離れる方向に延在し、前記同軸管は、前記減圧容器内において前記2つの電極部の延在する方向に前記2つの電極部に沿って延在し、その前記内部導体は、前記プラズマ空間近傍から離れた位置において、前記誘電体板に設けられた穴を貫通して前記電極部のいずれか一方に接続されていてもよい。
[0016]
 前記各電極対の2つの電極部は、前記スリット状の開口とは逆側で、前記スリット状の開口の法線方向の端部において短絡されており、前記スリット状の開口の長手方向の端部において短絡されていなくてもよい。
[0017]
 前記各電極対の2つの電極部は、前記被処理体とは逆側の端部において前記減圧容器と短絡されていてもよい。
[0018]
 前記電極対の前記スリット状の開口の短手方向のピッチは、前記電極対と前記被処理体との間の距離の平方根の31倍以下であってもよい。
[0019]
 前記隙間はガスの排気経路の一部になっていてもよい。
[0020]
 また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、内部に、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、第1の電極部と第2の電極部との2つの電極部を有し、前記減圧容器の前記被処理体と対向する面に電気的に接続された電極対と、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための電磁波を供給する同軸管とを備え、前記2つの電極部間は、前記同軸管に接続されプラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路となっており、前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する誘電体板が設けられており、前記同軸管の内部導体は、前記誘電体板に設けられた穴を貫通した後に一方の電極部に接続され、前記同軸管の外部導体は他方の電極部に接続され、前記2つの電極部は、前記スリット状の開口の長手方向の端部において短絡されておらず、前記同軸管から供給された電磁波が、前記導波路を伝搬した後に前記誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
[0021]
 前記各電極対の2つの電極部のプラズマ露出面及び前記誘電体板のプラズマ露出面は概ね同一面であってもよい。
[0022]
 前記各電極対の2つの電極部のプラズマ露出面の面積は概ね等しくてもよい。
[0023]
 前記各電極部のプラズマ露出面は矩形であり、前記誘電体板は前記電極部のプラズマ露出面に対して概ね垂直に配置されていてもよい。
[0024]
 前記各電極部のプラズマ露出面の前記スリット状の開口の短手方向の長さは、前記電磁波の自由空間波長の0.019倍以下であってもよい。
[0025]
 前記各電極部のプラズマ露出面のうち、20%以上、80%以下の部分が絶縁膜で覆われていてもよい。
[0026]
 前記各電極部の前記スリット状の開口の短手方向の端面の少なくとも一部が、第1の誘電体カバーで覆われていてもよい。
[0027]
 前記各電極部の前記スリット状の開口の長手方向の端面の少なくとも一部が、第2の誘電体カバーで覆われていてもよい。
[0028]
 前記導波路の前記スリット状の開口の法線方向の電気長がπ/2以下であってもよい。

発明の効果

[0029]
 以上説明したように本発明によれば、プラズマ励起周波数を高周波化しても基板上に均一なプラズマを励起することができる。

図面の簡単な説明

[0030]
[図1] 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(図2の1-1断面)である。
[図2] 第1実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図1の2-2断面)である。
[図3A] 第1実施形態に係る電極に印加される高周波を説明するための図である。
[図3B] 従来構造の電極に印加される高周波を説明するための図である。
[図4A] 従来構造の電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(全ての同軸管から高周波を供給した場合)。
[図4B] 従来構造の電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(上段の同軸管からのみ高周波を供給した場合)。
[図5A] 第1実施形態に係る電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(全ての同軸管から高周波を供給した場合)。
[図5B] 第1実施形態に係る電極下面のシース中の高周波電界強度の分布を示した図である(上段の同軸管からのみ高周波を供給した場合)。
[図6] 第1実施形態の電極幅と電界強度比との関係を示したグラフである。
[図7] 第1実施形態の電極幅と電界強度の均一性との関係を示したグラフである。
[図8] 第1実施形態の電極幅と電界強度比との関係に対する絶縁膜の作用を示したグラフである。
[図9] 第1実施形態の電極幅方向の位置と基板表面及び電極表面の電界強度比との関係を示したグラフである。
[図10] 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(図11の3-3、4-4断面)である。
[図11] 第2実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図10の5-5断面)である。
[図12] 第2実施形態の電極長手方向の位置と電界強度比との関係を示したグラフである。
[図13] 本発明の第3実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図14の6-6、7-7断面)である。
[図14] 第3実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図13の8-8断面)である。
[図15] 第3実施形態の電極長手方向の位置と電界強度比との関係を示したグラフである。
[図16] 本発明の第4実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図17の9-9、10-10断面)である。
[図17] 第4実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図(図16の11-11断面)である。
[図18] 第4実施形態のインピーダンス可変回路の例を示した図である。
[図19] 第4実施形態の電極長手方向の位置と電界強度比との関係を示したグラフである。
[図20] 変形例に係るプラズマ処理装置の縦断面図である。

発明を実施するための形態

[0031]
 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。
[0032]
 <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実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図1及び図2に示した縦断面図を参照しながら説明する。図1は図2の1-1断面図であり、図2は図1の2-2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、複数の電極を設けて電極間に高周波電流を流すとともに、基板直上からガスを排気できるようにした装置構成の一例である。以下、プラズマ処理装置の各部構成を説明する。
[0033]
 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の上部開口は蓋105で覆われ、Oリング110により真空容器内の気密を保つようになっている。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、シリコンウエハであってもよい。
[0034]
 真空容器100の基板側の面と対向する面(天井面)には、6つ(=2×3)の電極対200がアレイ状に並んでいる。電極対200は、アルミ合金で形成された同じ大きさの第1の電極部200a及び第2の電極部200bからなる。電極部200a、200bは、隙間を空けて左右に配列されている。電極部200a、200bは、蓋105にネジ(不図示)で固定されている。
[0035]
 第1の電極部200a及び第2の電極部200bは、プラズマ空間近傍から、載置台115と離れる方向に延在する。第1の電極部200a及び第2の電極部200b間はプラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路205として機能する。導波路205には、誘電体板210が挿入されている。誘電体板210は、アルミナ又は石英等の誘電体で形成されている。導波路205の上部が短絡されているため、導波路205の上側は下側に比べて電界が弱い。よって、電界の強い導波路205の下側を誘電体板210で閉塞しておけば導波路205の上部は空洞であってもよい。もちろん、導波路205の上部まで誘電体板210で埋められていてもよい。以下では、誘電体板210で閉塞されている導波路205の下面の開口を誘電体スリットと称呼する。左右の電極部200a、200bのプラズマ露出面Aの面積は概ね等しくなっている。これにより、電極部200a、200bの電極下面の電界強度が概ね等しくなり、電極対200の下面での電界強度の分布を均一にすることができる。
[0036]
 同軸管225の外部導体225bは第2の電極部200bと一体になっており、その内部導体225a1の端部は内部導体225a2に垂直にねじ止めされている。内部導体225a2は、誘電体板210に開いた穴を貫通して第1の電極部200aにつながっている。
[0037]
 即ち、同軸管225の内部導体(225a1,225a2)は電極対200の一方の電極部に接続され、同軸管225の外部導体225bは電極対200の他方の電極部に接続される。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から出力された高周波電力は、同軸管225を介して2つの電極部200a、200b間の導波路205を紙面に垂直方向に伝搬し、誘電体スリットから真空容器100内に放出され、電極下面(電極部200a、200bのプラズマ露出面A)を表面波として伝搬してプラズマの励起に消費される。第1の電極部200a及び第2の電極部200bの下面のシースには、それぞれ振幅が等しく、逆位相の高周波が印加される。
[0038]
 内部導体225a2は、絶縁リング230を貫通した状態でロウ付けされている。内部導体225a2は、絶縁リング230を介して絶縁リング押さえ235によって第1の電極部200aに固定される。絶縁リング230と絶縁リング押さえ235との間にはOリング240が設けられ、大気と真空とを隔てるようになっている。本実施形態では、同軸管225の内部は大気である。よって、真空容器内を機密に保持するために、蓋105と外部導体225bとの接合面はOリング255により真空シールされている。内部導体225a2の先端はねじ構造になっていて袋ナット260を締め込みながら、内部導体225a2の先端に袋ナット260をかぶせる。
[0039]
 前述のように、内部導体225a2は、各電極対200のプラズマ露出面と真空容器100の天井面(基板Gと対向する面)との間で誘電体板210を貫通する。隣接する電極対200にそれぞれ設けられた内部導体225a2が各電極対200の誘電体板210を貫通する向きは、逆向きである。これにより、左右の同軸管225に同振幅、同位相の高周波を給電した場合、左右の電極対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。
[0040]
 電極対200の2つの電極部200a、200bのプラズマ露出面Aは矩形である。電極部200a、200bのプラズマ露出面Aに対して誘電体板210は概ね垂直に配置されている。電極部200a、200bのプラズマ露出面Aにおける、導波路205と垂直かつ載置台115と平行な方向(図1の紙面に対して左右方向)の長さは、導波路205と平行かつ載置台115と平行な方向(図1の紙面に対して奥行き方向)の長さよりも短い。
[0041]
 電極部200a、200bの下部側面での放電と、上部へのプラズマの侵入を防止するため、電極部200a、200bの誘電体スリット短手方向の下部側面は、第1の誘電体カバー220で覆われている(図1参照)。電極部200a、200bの側面に設けられた凹部に第1の誘電体カバー220に設けられた凸部を嵌合させることにより第1の誘電体カバー220が固定されている。
[0042]
 誘電体スリットの短手方向に、誘電体スリット長手方向の端部まで均一な高周波電界を印加するには、導波路205の誘電体スリット長手方向の端面が開放状態になっていなければならない。導波路205の誘電体スリット長手方向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、電極部200a、200bの誘電体スリット長手方向の下部側面は、第2の誘電体カバー215で覆われている(図2参照)。第2の誘電体カバー215は、絶縁体のネジ(不図示)により電極部200a、200bに固定されている。電極対200の下面の一部は、絶縁膜298で覆われている。絶縁膜298の作用、効果については後述する。
[0043]
 本実施形態では、電極部200a、200bのプラズマ露出面Aは、誘電体板210のプラズマ露出面Bと概ね同一面になるように形成されているが、誘電体板210のプラズマ露出面Bは電極部200a、200bのプラズマ露出面Aに対して突出していても凹んでいてもよい。
[0044]
 電極対200はシャワープレートになっている。具体的には、電極部200a、200bの下面には凹みが形成されていて、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は、ネジ(不図示)によって電極部200a、200bに固定されている。電極部200a、200bと電極蓋270との間には隙間が設けられていて、この隙間がガス流路になっている。ガス流路の下端にはアルミナ等の絶縁体からなるガスノズル275がはめ込まれている。ガスノズル275は、紙面に垂直方向に細長い形状になっており、多数のガス放出穴が設けられている。ガス流路を通ったガスはガスノズル275に設けられたガス放出穴から真空容器内に放出される。このように、ガスノズル275を設けたことにより、電極蓋270を固定するネジがプラズマに接触しないようになっている。また、ガスノズル275を絶縁体で形成したことにより、ガス放出穴内部に印加される高周波電界を小さくしてガス放出穴内部での放電を防止している。
[0045]
 図2に示したように、本実施形態に係るプラズマ処理装置10では、誘電体スリットの長手方向に同軸管225が複数平行に配列されている。各同軸管225には同位相の高周波が印加される。この「多点給電」によれば、誘電体スリット長手方向に配列された同軸管のピッチを適切な値にすることにより、誘電体スリット長手方向に均一なプラズマを励起することが可能である。なお、電極対200のスリット状の開口(誘電体スリット部分)の短手方向は、図1の紙面の横方向(図2の紙面の奥行き方向)をいい、電極対200のスリット状の開口(誘電体スリット部分)の長手方向は、図2の紙面の横方向(図1の紙面の奥行き方向)をいう。
[0046]
 隣り合う同軸管225の間で電極部200a、200bは分離されており、分離された部分に隙間が設けられている。この隙間には、アルミナ等の絶縁体からなる仕切り板265が挿入されている。このように、導波路205を誘電体スリット長手方向に電気的に分断すると、導波路毎に伝送電力を独立に変えることができるようになり、プラズマ分布の制御性が向上する。ただし、必ずしも電極部200a、200bを分離しなくてもよい。たとえば、電極部の上部で、2つの電極部が一体になっていてもよい。
[0047]
 電極対200の下端近傍であって、真空容器100の側壁の段差部には、サイドカバー280が配設されている。サイドカバー280は、アルミナ等の絶縁体又はアルミニウムから形成されていて、第2の排気路283にプラズマが侵入することを防止するようになっている。
[0048]
 均一なプロセスを行うためには、プラズマ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。
[0049]
 そこで、本実施形態に係るプラズマ処理装置10では、隣接する電極対200間に排気用の隙間(以下、排気スリットCと称呼する)を設ける。つまり、ガス供給器290から出力されたガスは、電極対200のガス流路を通って電極対200の底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、隣接する電極対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中を誘電体スリット長手方向に流れ、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。
[0050]
 蓋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、電極対200を介して蓋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。
[0051]
(高周波電流)
 特許文献1に記載されているように、現状のプラズマCVD装置では、基板を載置する基板電極と対向する位置に基板電極と同程度のサイズの高周波印加電極を設置し、基板電極と高周波印加電極との間に高周波を印加してプラズマを励起するようになっている。高周波電流は、基板電極と高周波印加電極間にプラズマを介して流れることになる。このような構成では、定在波の影響により、VHF帯以上の高い周波数では大面積基板上に均一なプラズマを励起することができない。また、基板に大きな高周波電流が流れ込むため、基板表面に自己バイアス電位が発生してイオンを加速して入射させる。このため、イオン照射ダメージにより高品質なプロセスが行えない。
[0052]
 そこで、高周波印加電極を分割して、電極間に高周波を印加する手段が考えられる。電極を分割することにより、一つの電極のサイズを表面波の波長と比べて小さくすれば、均一なプラズマを励起することができると考えられる。さらに、基板には高周波電流が流れなくなるので、イオン照射ダメージを抑制することができる。
[0053]
 電極を分割してそれぞれ異なる位相の高周波を印加してプラズマを励起するプラズマ処理装置の例として、図3Bが考えられる。図3Aは、第1実施形態に係る電極対200に印加される高周波を模式的に示した図である。矢印は、高周波電界の向きを表す。ここでは、便宜上、図3Aに示した給電を電極内給電と称し、図3Bに示した給電を電極外給電と称することにより区別する。
[0054]
(電極外給電)
 図3Bのように、基板G側から見て矩形の電極が横方向に複数枚配列されている。隣り合う電極には、振幅が等しく、逆位相の高周波が印加されるようになっている。高周波は、電極990,995の上面に接続された同軸管900L,900Rから供給される。同軸管900L,900Rはそれぞれ内部導体900aおよび外部導体900bを有する。
[0055]
 同軸管900L,900Rから供給された互いに逆位相の高周波は、電極の上面を伝搬した後、電極990と電極995の間の隙間で一度合成され、再び分かれて電極990および電極995の下面に沿って伝搬していく。電極990と電極995の下面のシースには、それぞれ逆向きの高周波電界が印加される。高周波電流は、プラズマを介して電極間に流れる。
[0056]
 図4A及び図4Bは図3Bの12-12断面から見た透視図であり、図3Bは図4Aの13-13断面である。図4A及び図4Bには、シミュレーションにより計算された電極とプラズマ間のシース中の高周波電界強度が濃淡で示されている。白い部分が電界が強い部分、黒い部分が弱い部分である。4×4=16個の直方体の電極が縦横に配列されたモデルで計算を行ったが、そのうち左上部(2×2=4個)のみが表示されている。電極990,995には、それぞれ2本の同軸管900R、900Lが接続されている。図4Aは、上部8本の同軸管900R及び下部8本の同軸管900Lからそれぞれ逆位相、同振幅の高周波を給電した場合、図4Bは、上部8本の同軸管900Rからのみ高周波を給電した場合である。
[0057]
 図4Aのように、上下段の電極に接続された同軸管から同振幅の高周波を印加したにもかかわらず、上段の電極995の方が下段の電極990よりも電界強度が弱くなっている。また、図4Bのように、下段の電極に接続された同軸管900Lには高周波を印加していないにもかかわらず、部分的には下段の電極990の方が上段の電極995よりも電界強度が強くなっている。
[0058]
 このように、電極毎に独立にプラズマ励起強度を制御することができないと、大面積基板上に均一なプラズマを生成することができない。例えば、図4Aのように、端部の列(上段)の電極の電界強度が弱いため、この電極に接続された同軸管から投入する高周波電力を大きくすると、逆に一列内側(下段)の電極の電界強度が強くなり、ますますプラズマの均一性が悪化してしまう。
[0059]
 このように、電極毎に独立にプラズマ励起強度を制御することができないのは、同軸管900L,900Rから供給された高周波が一度交じり合い、再び分かれて電極900及び995とプラズマとの間を伝搬するからである。これでは、ある電極に接続された同軸管に印加した高周波が、隣の電極にも伝わってしまうことになる。また、表面波は電極間を通り抜けて離れた電極まで伝搬していくので、意図しない表面波の定在波が生じてプラズマの均一性を悪化させる。さらに、排気路の一部である電極間の隙間に高周波電界が印加されるので、この部分で意図しないプラズマが発生してしまう。このように、高周波を電極の外周部から供給する「電極外給電」は、いくつかの問題を伴う。
[0060]
(電極内給電)
 図3Aは、電極を横方向に2等分し、この間から高周波を放出するようにしたものである。つまり、第1の電極部200aと第2の電極部200bは、一対で電極対200を構成し、それら電極部間には高周波を放出する誘電体スリットが形成されている。電極対を一つの電極とみなせば、高周波が電極の内部から給電されていると考えることができる。誘電体スリットから放出された高周波は、表面波となって電極部表面を左右に伝搬していく。第1の電極部200aと第2の電極部200bの下面のシースには、それぞれ逆向きの高周波電界が印加される。隣り合う電極対200間では、電極部間のインピーダンスが高くなっているので、電極部端まで伝搬した表面波は、隣の電極部まで伝搬することができずに反射されて戻ってくる。このため、電極対毎に独立にプラズマ励起強度を制御することが可能で、全体として極めて均一なプラズマを励起することができる。
[0061]
 図5A及び図5Bは図3Aの14-14断面から見た透視図であり、図3Aは図5Aの15-15断面である。図5A及び図5Bには、シミュレーションにより計算された電極とプラズマ間のシース中の高周波電界強度が濃淡で示されている。4個の電極対200が縦方向に配列されたモデルで計算を行ったが、そのうち左上部のみが表示されている。電極対200には、それぞれ4本の同軸管225が接続されている。図5Aは、全ての同軸管225から同位相、同振幅の高周波を給電した場合、図5Bは、上部の同軸管225からのみ高周波を給電した場合である。
[0062]
 図5Bのように、上段の電極対200に接続された同軸管225からのみ高周波を印加すると、上段の電極対200の電界強度のみが大きくなっており、電極毎に独立にプラズマ励起強度を制御できることがわかる。図5Aのように、中央部の電極対200から端部の列(上段)の電極対200まで均一なプラズマを励起できることがわかる。
[0063]
 隣り合う電極対200に逆位相の高周波を供給すれば、図3Aに示したように、異なる電極対200を構成し隣り合う2つの電極部には、同位相の高周波が印加される。この状態では、電極対200間の隙間(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。
[0064]
 即ち、排気スリットCに電界が生じないようにするためには、隣接する電極対200の導波路205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。
[0065]
 そのために、本実施形態では、図1に示したように、左側の電極対200に配置された同軸管の内部導体225a2と、右側の電極対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。かかる構成によれば、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205に伝えられるとき逆相になる。
[0066]
 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、電極対200の下面にかか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。
[0067]
 従来のプラズマ処理装置では、図3Bのように、電極の上面や同軸管内部導体を絶縁体およびシールドで覆う必要がある。この部分でプラズマが発生することを防止し、かつ高周波を反射させることなく伝送させるためである。大型の電極や同軸管内部導体を隙間無く絶縁体やシールドで覆うことは容易ではなく、装置のコストが高くなってしまう。
[0068]
 電極下面にはプラズマから熱が流入してくるので、電極に冷媒流路を設けて冷媒を流すことにより放熱するようになっている。電極には高周波が印加されるから、電極に冷媒を供給する配管は、GNDから絶縁しなければならない。また、電極下面に多数のガス放出孔を設けてガスを放出するようになっている。電極にガスを供給する配管は、やはりGNDから絶縁しなければならない。このように、電極に接続される配管は全てGNDから絶縁しなければならないため、構造が複雑になる。
[0069]
 一方、本実施形態では、電極部200a、200bは上面で短絡されており、さらに接地されている。導波路205は、側面を第1の電極部200aおよび第2の電極部200b、上面を蓋105、下面をプラズマで囲まれた導波管とみなせる。導波管内には高周波電界が存在するが、導波管外には存在しない。すなわち、高周波電界は、導波路205および電極対200の下面には存在するが、電極対200の側面等には存在しない。従って、電極を絶縁体やシールドで覆う必要がないので、構造が極めて単純になる。
[0070]
 電極部200a、200bは接地されているので、ガス供給用の配管等の電極に接続される配管をGNDから絶縁する必要がなく、金属の配管で直接接続ができる。さらに、プラズマから流入した熱を電極を介して蓋105に逃がすようにすれば、電極対200に冷媒流路を設ける必要もなくなり、構造が極めて単純になる。
[0071]
 VHF(Very High Frequency)帯は、プラズマ処理装置に使われる通常の高周波電源の周波数帯域より高いため、波長は短くなる。この状態では、第1の電極部200aおよび第2の電極部200bは、上部で短絡されており、さらにGNDに接続されているものの、電極の高さ方向(装置の縦方向)の長さを適正化することにより、導波路の下部に高周波電界を印加することができ、さらに電極下部の排気スリット部分のインピーダンスを高くすることができる。これにより、隣接する電極対200を電気的に分離し、各電極対200のプラズマ露出面の電界強度を独立制御することができる。
[0072]
(電極対の幅)
 図6は、図1の本実施形態に係る電極構造における電極表面のシース中の電界強度分布を電磁界シミュレーションにより計算した結果である。シース中の電界強度が大きいほどプラズマ密度が高くなるから、シース中の電界強度分布は、プラズマ密度の分布とみなすことができる。
[0073]
 横軸は、誘電体スリットの中心線を基準とした誘電体スリット短手方向の位置である。実線は第1の電極部200aおよび第2の電極部200bの幅が110mmの場合、破線は、80mmの場合である。プラズマ励起周波数は60MHz、シース厚は0.5mm、プラズマの比誘電率は-55、プラズマの誘電損失は-14、電極-基板間の間隔は、50mmとした。
[0074]
 電極対間では電極間のインピーダンスが高くなっている。よって、導波路205から放出されて電極部とプラズマとの間を外側に伝搬する表面波は、電極端まで来ると反射されて戻ってくる。このため、図6のように、電極下面には電極対の端部を腹とする定在波が形成される。第1の電極部及び第2の電極部の幅が110mmの場合、シース中の電界強度の均一性は40%であり、第1の電極部及び第2の電極部の幅が80mmの場合は20%であり、110mmの場合のほうが均一性が悪い。シース中の電界強度の均一性は、図6に110mmのときを例として示したように、電極表面のシース中の電界強度の最大値Maxと最小値Minの差分difを電界強度の平均値で割った値で表される。
[0075]
 このようにして求められたシース中の電界強度の均一性と電極部の誘電体スリット短手方向の長さとの関係を、図7に示す。これによれば、電極部の誘電体スリット短手方向の長さが長くなると、均一性が悪化することがわかる。実用上、電界強度の均一性は30%以下であることが望ましい。従って、図7より、電極部の誘電体スリット短手方向の長さは96mm以下であることが望ましい。表面波の波長は自由空間波長にほぼ比例するから、電界強度の均一性を一定としたときの電極部の誘電体スリット短手方向の長さは自由空間波長にほぼ比例する。60MHzでは自由空間波長は5000mmであるから、電極部の(プラズマ露出面の)誘電体スリット短手方向の長さは、高周波の自由空間波長の96mm/5000mm=0.019倍以下であればよいことになる。
[0076]
(電極対を覆う絶縁膜)
 以上は、電極の金属面がむき出しになっている場合の結果であった。電極の表面に絶縁膜が付着しているとシースにかかる電圧の一部が絶縁膜にかかるので、シース中の電界強度が弱くなる。電極上で、もともと電界が強い部分のみを絶縁膜で覆うことにより、シース中の電界強度の均一性を向上させることができる。
[0077]
 図8は、電極対端部の電界が強い部分のみ(110mm幅の電極のうち、外側から55mmの部分)を、比誘電率3.8、厚さ0.5mmのシリコン酸化膜の絶縁膜で覆った場合(破線)と全面むき出しの場合(実線)のシース中の電界強度の分布を比較したものである。計算に用いた条件は、図6に示した全面むき出しの場合と同様である。シース中の電界強度の均一性は、全面むき出しの場合には40%であったが、部分的に絶縁膜で覆った場合には24%に改善している。このように、もともと電界が強い部分を絶縁膜で覆うことにより、効果的に電界を弱くして全体として均一性を向上可能なことがわかる。絶縁膜で覆う面積が小さすぎても大きすぎても均一性を向上させる効果が弱くなる。均一性を向上させるためには、実用上、電極部のプラズマ露出面のうち、20%以上、80%以下の部分が絶縁膜(誘電体)で覆われていればよい。
[0078]
 電極対の誘電体スリット短手方向のピッチが電極-基板間の間隔に対して狭くなると、プラズマの誘電体スリット短手方向の抵抗が無視できなくなり、基板や基板表面の導体膜に高周波電流が流れるようになる。基板に流れる高周波電流は、基板面内で強い部分も弱い部分もあり、極めて不均一である。基板や基板表面の導体膜に不均一に高周波電流が流れると、基板温度が不均一になったり、高周波電流による自己バイアス電圧が不均一に印加されたりする問題が生じる。
[0079]
 図9は、電極表面および基板表面のシース中の電界強度分布を計算した結果である。プラズマ励起周波数は60MHz、シース厚は0.5mm、プラズマの比誘電率は-55、プラズマの誘電損失は-14、電極対の誘電体スリット短手方向のピッチは76mm、電極-基板間の間隔は6mmとした。また、基板は導体とした。なお、「電極対のピッチ」は、電極対の中心間の距離をいう。
[0080]
 基板表面のシース中の電界強度は、高周波が放出される誘電体スリットの位置で最も小さく、電極対の両端で最も強くなることがわかる。図9の場合、電極表面の電界強度の最大値Emaxと基板表面の電界強度の最大値Gmaxの比は、3:1になっている。実用上、基板表面のシース中の電界強度は、電極表面のシース中の電界強度の1/3以下に抑えることが望ましい。
[0081]
 ところで、電極表面と基板表面の電界強度の比を一定とすれば、電極対の誘電体スリット短手方向のピッチは、電極-基板間の距離の平方根にほぼ比例する。すなわち、電極対の誘電体スリット短手方向のピッチは、電極対と基板との間の距離の平方根の31(=76mm/√6mm)倍以下であればよい。
[0082]
 このように、電極対の誘電体スリット短手方向のピッチは、電極-基板間の距離によっても限定される。電極-基板間の距離が長ければ、大半の高周波電流はインピーダンスが低いプラズマ中を流れる。一方、電極-基板間の距離が短くなると、プラズマの幅がうすくなり、プラズマの誘電体スリット短手方向のインピーダンスが大きくなる。このため、多くの高周波電流が基板を通して基板ステージに流れこむ。これにより、基板や基板ステージに高周波が流れる部分や流れない部分が生じる、この結果、イオン入射エネルギや基板の温度が不均一になり、良好なプラズマ処理の妨げとなる。これを回避するために、電極対の誘電体スリット短手方向のピッチは、上記のように電極-基板間の距離も考慮して限定される。
[0083]
 以上に説明したように、第1実施形態に係るプラズマ処理装置10によれば、基板と対向する位置に基板電極と同程度のサイズの1つの大きな電極を配置するのではなく、限定されたサイズの小さな電極を多数配列して電極間に高周波を印加するとともに、電極の外周から高周波を給電するのではなく、電極(対)の内部(誘電体スリット)から高周波を給電することにより、VHF帯のような高い周波数の高周波でも大面積基板上に均一なプラズマを生成することが可能になる。また、導波路を設けて電極上部を接地したことにより、電極や電極に接続される配管を絶縁する必要がなくなり、構造を簡素化できる。
[0084]
 <第2実施形態>
  [プラズマ処理装置の構成]
 本発明の第2実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図10及び図11を参照しながら説明する。図10の左半分は図11の3-3断面図、図10の右半分は図11の4-4断面図であり、図11は図10の5-5断面図である。図10の左半分は同軸管がない部分の断面を示し、右半分は同軸管があるところの断面を示す。
[0085]
 本実施形態に係るプラズマ処理装置10では、電極-基板間の間隔が狭く、電極対の誘電体スリット短手方向のピッチも短い。第1実施形態に係るプラズマ処理装置では、誘電体スリット長手方向に複数の高周波給電点を設けた多点給電タイプであるのに対して、第2実施形態では、誘電体スリット長手方向の中心のみから給電し、カットオフ現象を利用して高周波の波長を無限大にして均一な高周波電界を作るカットオフタイプである点で異なる。
[0086]
 第2実施形態に係るプラズマ処理装置10の基本的構成は、第1実施形態に係るプラズマ処理装置と同じであるため、異なる構成を中心に説明する。第2実施形態に係るプラズマ処理装置10では、細長い電極対200が誘電体スリット短手方向に何本も平行に並べられている。第1の電極部200a及び第2の電極部200bの上部には、図10の紙面に垂直な方向に長手方向を有する第1の導波板325a及び第2の導波板325bがそれぞれネジ(不図示)によって固定されている。第1の導波板325a及び第2の導波板325bは、アルミ合金等の金属からなる。第1の導波板325a、第2の導波板325b、短絡板355は、同一のネジ(不図示)によって金属製の固定板356に固定されている。さらに、固定板356は、ネジ(不図示)によって蓋105に固定されている。
[0087]
 導波板325a、325b間の隙間は導波路205になっていて、その下部にはアルミナ等からなる誘電体板210が挿入されている。
[0088]
 第2実施形態のプラズマ処理装置10では、電極対間のピッチが短い。そこで、電極対間の第1の排気路281のスペースを確保するために導波板325a、325bの厚さ(導波路の壁面の厚さ)は3mmと薄くなっている。隣接する電極対間はスペーサ350を導波板325a、325bに絶縁性のネジ400で固定されている。スペーサ350は金属であってもよく、絶縁体であってもよい。
[0089]
 図10のように、第1の電極部200a及び第2の電極部200bには、紙面に垂直方向に長いガス流路290aが設けられている。ガス流路290aの下部には多数のガス放出穴が設けられており、ガス流路290aを流れてきたガスは、ガス放出穴から基板G側に放出される。本実施形態のプラズマ処理装置では、導波板325a、325bが薄いため、プラズマから電極に流入する熱を蓋105まで伝熱することができないので、第1の電極部200a及び第2の電極部200bには、紙面に垂直方向に長い冷媒流路295aが設けられており、冷媒により直接電極を冷却するようになっている。
[0090]
 電極―基板間の間隔及び電極対間のピッチが短い本実施形態にかかるプラズマ処理装置10では、第1実施形態にかかるプラズマ処理装置10のように同軸管225の内部導体225a2を対向して設けるスペースがない。よって、図10の右半分に示したように、内部導体225a2を2本、内部導体225a1の両側に連結し、絶縁リング365に通してその両端をナット370で固定する。このようにして、内部導体225a2は2つの隣接する導波路につながる。内部導体225a2は、例えばニッケルメッキ銅で形成されている。
[0091]
 第1実施形態のプラズマ処理装置10のように(図1)、電極対間のピッチが長いタイプでは、同軸管225の内部は大気であった。それに対して、第2実施形態のプラズマ処理装置10では、同軸管225の内部は真空になっている。そのため、同軸管内は放電しやすい。これを防止するために同軸管225の内部は、テフロン(登録商標)、アルミナ、石英等の誘電体で埋められている。また、Oリング345により同軸管225の内部は大気側から真空シールされている。
[0092]
 ここで、カットオフタイプの動作原理を説明する。先ず、長辺の長さa、短辺の長さbという断面をもった矩形導波管の管内波長について考える。管内波長λ は式(1)で表される。
[数1]


[0093]
 ここで、λは自由空間の波長、ε は導波管内の比誘電率、μ は導波管内の比透磁率である。式(1)によれば、ε =μ =1のとき導波管の管内波長λ 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λ 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λ が無限大になる。このとき導波管はカットオフ状態となり、導波管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。
[0094]
 第2実施形態のプラズマ処理装置10において、導波路205は、矩形導波管を長辺方向に2等分した伝送路とみなすことができる。即ち、図10において導波路205の短辺は矩形導波管の短辺、導波路205の長辺は矩形導波管の長辺の1/2に相当する。導波路205がカットオフ状態になるように、導波路205の高さ(長辺の長さ)を調整することにより、導波路205中を紙面に垂直方向に伝搬する高周波の波長を無限大にすれば、誘電体スリットの長手方向に沿って均一な高周波電界が放出され均一なプラズマが励起される。条件によりプラズマのインピーダンスは変わるので、条件を変えても常に均一なプラズマを生成する装置を実現するために、導波路205の高さを変える機構が必要である。
[0095]
 第2実施形態のプラズマ処理装置10では、導波路205の上壁を可動にすることにより、導波路205の高さが変えられるようになっている。誘電体スリットの上部には、第1の導波板325a及び第2の導波板325bを短絡させる金属ブラシ320が挿入されている。金属ブラシ320は、ステンレススチール、リン青銅等のバネ性を備えた金属から形成される。導波路205の上壁が金属ブラシ320の位置となる。複数の金属ブラシ320には金属からなる第1支持棒330が貫通している。第1支持棒330は、第2支持棒335に連結されていて、第2支持棒335は装置外部で駆動機構310に連結されている。第2支持棒335と蓋105との間は、ベローズ340で真空シールされている。
[0096]
 金属ブラシ320は可動式であり、駆動機構310の動力により第1支持棒330を上下させることによって第1支持棒330に連結する複数の金属ブラシ320が一体的に上下するようになっている。これにより、導波路の高さを変えることができる。金属ブラシ320の可動範囲は、誘電体板210の上面から蓋105の下面までである。
[0097]
 誘電体スリット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205は、矩形導波管を長辺方向に丁度2等分した伝送路とみなすことができる。従って、導波路205の高さがλのとき、即ち導波路205の誘電体スリットの法線方向の電気長が丁度π/2のときに管内波長λ が無限大になる。しかし、実際には誘電体スリット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λ を無限大にする導波路205の誘電体スリットの法線方向の電気長は、π/2よりも小さくなる。
[0098]
 実際にプラズマ処理を行っているときには、通常、導波路205内の電磁界分布やプラズマの分布を測定することはできない。プラズマ処理装置の外部から、間接的にカットオフ状態を検出し、導波路205の高さを制御する手法が必要である。後述するように、各部の寸法を最適化することにより、カットオフ状態になったときに高周波を供給する同軸管225から見た反射係数の絶対値が最も小さくなるようにすることができる。即ち、同軸管225から見た反射を計測し、反射が最も小さくなるように導波路の高さを調節すれば、常に均一なプラズマが得られる。
[0099]
 そこで、本実施形態では、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、検出値に基づき駆動機構310に所望量だけ第1支持棒330を上下させるように指示する。駆動機構310の駆動力により第1支持棒330を上下させると、これとともに金属ブラシ320が上下動し、これによって導波路の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は常に小さく抑えることができるため、整合器245の設置を省略して高周波電源250と同軸管225とを直接接続してもよい。反射計は、反射電力や反射係数の絶対値のみを計測するものであってもよく、位相を含めて計測するものであってもよい。
[0100]
 以上に説明したように、本実施形態では、導波路の高さを変えて管内波長λ が長くなるように制御する。しかしながら、管内波長λ をどこまで長くすればよいのか、その上限値が問題になる。これに対しては、導波路の管内波長λ が図11に示した導波路の長さlの7倍以上になっていることが望ましい。その根拠について以下に説明する。
[0101]
(管内波長λ
 導波路内に生じる定在波の分布は、次式で表される。
[数2]


[0102]
 ここで、Eは導波路下面に印加される電界強度、xは、導波路端を基準とする導波路長手方向の位置、Aは比例定数、λ は導波路の管内波長である。導波路中央部の電界強度E(l/2)と導波路端部の電界強度E(0)の比をKとする。ここで、lは導波路の長さである。(2)式より、次式が導かれる。
[数3]


均一なプラズマを励起するには、実用上、導波路中央部の電界強度が導波路端部の電界強度の0.9倍以上になっていることが望ましい。K=0.9とすると、(3)式より、
[数4]


となる。即ち、(4)式によれば、導波路の管内波長λ が導波路の長さlの7倍以上になっていることが望ましい。
[0103]
(金属ブラシの上下動とカットオフ)
 図12は、図11の構造における電極表面のシース中の電界強度分布を電磁界シミュレーションにより計算した結果である。横軸は、電極の中心を基準とした電極の長手方向の位置である。曲線A1は導波路の高さが380mmの場合、曲線B1は385mmの場合、曲線C1は390mmの場合である。プラズマ励起周波数は60MHz、シース厚は0.5mm、プラズマの比誘電率は-55、プラズマの誘電損失は-14、電極対の電極短手方向のピッチは50mm、電極-基板間の間隔は10mm、電極の長さは2200mmとした。
[0104]
 この結果、導波路の高さを385mmにすると(曲線B1)、導波路は長手方向の伝搬に対して丁度カットオフとなっている。このとき、カットオフ状態の矩形導波管と同様に、管内波長は無限大となる。管内波長が無限大のため定在波も生じず、図12のように電極の長手方向に極めて均一な電界が印加されていることがわかる。同軸管から見た反射係数の絶対値は、0.01と最も小さくなる。
[0105]
 導波路の高さをカットオフ状態より少し低い380mmにすると(曲線A1)、高周波は導波路の長手方向に伝搬できなくなる。このため、電極中央部に設けられた同軸管の周辺で電界が最も強くなり、離れるに従って次第に弱くなる。同軸管から見た反射係数の絶対値は、0.59と大きくなる。
[0106]
 逆に、導波路の高さをカットオフ状態より少し高い390mmにすると(曲線C1)、高周波は導波路の長手方向に伝搬できるようになる。電極長手方向の端部はフローティングになっているので、端部付近の電界強度が最も大きくなる。同軸管から見た反射係数の絶対値は0.44であり、やはりカットオフ状態と比べると大きい。
[0107]
 このように、金属ブラシ320を上下に動かして導波路の高さを調節し、カットオフ状態にすることにより、長さ2m以上の電極上に極めて均一なプラズマを励起することが可能である。カットオフ状態になったときに同軸管から見た反射係数の絶対値が最も小さくなるので、反射が最も小さくなるように金属ブラシ320を移動させればよい。
[0108]
 以上に説明したように、第2実施形態に係るプラズマ処理装置10によれば、金属ブラシを上下動させて、導波路の管内波長を無限大にすることにより、電極の長手方向に極めて均一なプラズマを励起することができる。同軸管を長い電極の中央部にのみ配置すればよいので、第一実施形態と比較して、電極、同軸管、整合器、高周波電源等の数を著しく減らすことができる。
[0109]
 <第3実施形態>
  [プラズマ処理装置の構成]
 本発明の第3実施形態のカットオフタイプのプラズマ処理装置10では、金属ブラシに替えて誘電体プランジャを用いる点が第2実施形態と異なる。よって、この相違点を中心に、本発明の第3実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図13及び図14を参照しながら説明する。図13の左半分は図14の6-6断面図、図13の右半分は図14の7-7断面図であり、図14は図13の8-8断面図である。図13の左半分は同軸管がない部分の断面を示し、右半分は同軸管がある部分の断面を示す。
[0110]
 導波板325a、325b間の誘電体スリットの上部には、金属ブラシの替わりに誘電体プランジャ360が挿入されている。誘電体プランジャ360はアルミナ等の誘電体から形成されている。第1の導波板325a及び第2の導波板325bは、短絡板355によって短絡されている。複数の誘電体プランジャ360には誘電体からなる第1支持棒330が貫通している。第1支持棒330は、第2支持棒335に連結されていて、第2支持棒335の上部には駆動機構310が設けられている。第2支持棒335と蓋105との間は、ベローズ340で真空シールされている。
[0111]
 誘電体プランジャ360は可動式であり、駆動機構310の動力により第1支持棒330を上下させることによってすべての誘電体プランジャ360が一体的に上下するようになっている。これにより、導波路の実効的な高さを変えることができる。導波路上部が短絡されているため、導波板325a、325bの中では下方の電界が強く、上方の電界が弱い。よって、誘電体プランジャ360を下方(つまり、電界の強い方)に持っていくほど導波路の実効的な高さは高くなり、誘電体プランジャ360を上方(つまり、電界の弱い方)に持っていくほど導波路の実効的な高さは低くなる。
[0112]
(誘電体プランジャの上下動とカットオフ)
 図15は、図13に示したプラズマ処理装置10の構造における、電極表面のシース中の電界強度分布を電磁界シミュレーションにより計算した結果である。曲線A2は誘電体プランジャ360と誘電体板210との間の距離が30mmの場合、曲線B2は20mmの場合、曲線C2は10mmの場合である。計算に用いた条件は、図12の場合と同様である。
[0113]
 この結果、誘電体プランジャ360と誘電体板210との間の距離を20mmにすると(曲線B2)、導波路は長手方向の伝搬に対してカットオフとなり、電極の長手方向には均一な電界が印加される。このとき、同軸管から見た反射係数の絶対値は0.01であった。
[0114]
 誘電体プランジャ360と誘電体板との間の距離をカットオフ状態より大きい30mmにすると(曲線A2)、導波路の実効的な高さが低くなり、高周波は導波路の長手方向に伝搬できなくなる。このため、電極中央部に設けられた同軸管の周辺で電界が最も強くなり、離れるに従って次第に弱くなる。このとき、同軸管から見た反射係数の絶対値は0.44であった。
[0115]
 逆に、誘電体プランジャ360と誘電体板との間の距離をカットオフ状態より小さい10mmにすると(曲線C2)、高周波は導波路の長手方向に伝搬できるようになる。電極長手方向の端部はフローティングになっているので、端部付近の電界強度が最も大きくなる。このとき、同軸管から見た反射係数の絶対値は0.25であった。
[0116]
 このように、誘電体プランジャ360の位置を調節して導波路をカットオフ状態にすることにより、長さ2m以上の電極上に極めて均一なプラズマを励起することが可能である。カットオフ状態になったときに同軸管から見た反射係数の絶対値が最も小さくなるので、反射が最も小さくなるように誘電体プランジャ360を移動させればよい。
[0117]
 <第4実施形態>
  [プラズマ処理装置の構成]
 第2及び第3実施形態のカットオフタイプのプラズマ処理装置10では、真空中で可動部材である金属ブラシ320や誘電体プランジャ360を上下させるため、粉塵が発生して処理室内を汚染する可能性がある。
[0118]
 これに対して、本発明の第4実施形態のカットオフタイプのプラズマ処理装置10では、処理室内の汚染を回避するために金属ブラシ320や誘電体プランジャ360に替えてインピーダンス可変回路を用いる。よって、以下ではインピーダンス可変回路を中心に、本発明の第4実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成について図16及び図17を参照しながら説明する。図16の左半分は図17の9-9断面図、図16の右半分は図17の10-10断面図であり、図17は図16の11-11断面図である。
[0119]
 導波板325a、325b間の誘電体スリットの下部には誘電体板210が挿入されている。誘電体スリットの上部には可動部材は挿入されていない。本実施形態では、実効的な導波路の高さ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、同軸管内部導体385a2は、同軸管内部導体225a2のよりも上方に設けられている。
[0120]
 インピーダンス可変回路380の構成例としては、図18に示したように、可変コンデンサのみの構成(380a)、可変コンデンサとコイルとを並列接続した構成(380b)、可変コンデンサとコイルと直列接続した構成(380c)等が考えられる。
[0121]
 本実施形態においても、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、本実施形態では、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。
[0122]
 図19は、図16に示したプラズマ処理装置10の構造における電極表面のシース中の電界強度分布を電磁界シミュレーションにより計算した結果である。インピーダンス可変回路380として、図18の380aに示した可変コンデンサを用いた。すなわち、同軸管225bの上端において、外部導体と内部導体との間に可変コンデンサが接続されている。同軸管の長さは300mmであり、内部導体と外部導体との間には、石英が充填されている。曲線A3は可変コンデンサと誘電体板210との間の距離が48pFの場合、曲線B3は81pFの場合、曲線C3は135pFの場合である。計算に用いた条件は、図12の場合と同様である。
[0123]
 この結果、可変コンデンサの容量を81pFにすると(曲線B3)、導波路は長手方向の伝搬に対してカットオフとなり、電極の長手方向には均一な電界が印加される。このとき、同軸管225から見た反射係数の絶対値は0.01であった。
[0124]
 可変コンデンサの容量をカットオフ状態より小さい48pFにすると(曲線A3)、導波路の実効的な高さが小さくなり、高周波は導波路の長手方向に伝搬できなくなる。このため、電極中央部に設けられた同軸管の周辺で電界が最も強くなり、離れるに従って次第に弱くなる。このとき、同軸管225から見た反射係数の絶対値は0.32であった。
[0125]
 逆に、可変コンデンサの容量をカットオフ状態より大きい135pFにすると(曲線C3)、高周波は導波路の長手方向に伝搬できるようになる。電極長手方向の端部はフローティングになっているので、端部付近の電界強度が最も大きくなる。このとき、同軸管225から見た反射係数の絶対値は0.19であった。
[0126]
 このように、可変コンデンサの容量を調節して導波路をカットオフ状態にすることにより、長さ2m以上の電極上に極めて均一なプラズマを励起することが可能である。カットオフ状態になったときに同軸管から見た反射係数の絶対値が最も小さくなるので、反射が最も小さくなるように可変コンデンサの容量を設定すればよい。
[0127]
 以上説明したように各実施形態に係るプラズマ処理装置10によれば、プラズマ励起周波数を高周波化しても大面積基板上に均一なプラズマを励起することができる。
[0128]
 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。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。
[0129]
 例えば、上記各実施形態に係るプラズマ処理装置では、複数の同軸管に対して一対一に高周波電源、整合器を接続したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、1つの高周波電源から高周波を出力し、同軸管を分岐させて複数の電極に高周波を供給してもよい。多出力の1台の高周波電源からの出力を、それぞれ整合器を介して同軸管に給電してもよい。複数の整合器を用いる場合には、1台毎に独立に制御してもよいし、全ての整合器を集中的に制御してもよい。また、配列する電極対の数もかかる例に限定されない。さらに、図20に示すように、高周波電源を、第1の高周波電源250aと、高周波電源250aから出力される高周波の周波数よりも高い周波数の高周波を出力する第2の高周波電源250bとの2つの高周波電源により構成し、第1の高周波電源250aから出力される低い周波数の高周波と第2の高周波電源250bから出力される高い周波数の高周波とを重畳させて供給してもよい。1つの電極対200に接続される高周波印加用同軸管225やインピーダンス可変回路接続用同軸管385の数や位置も、かかる例に限定されない。上記実施の形態においては、導波路205及び誘電体板210は電極部200a、200bのプラズマ露出面Aに対して垂直に配置されているが、垂直でなくてもよく、途中で曲がっていてもよい。また、電極対200の導波路205または誘電体板210は、他の電極対200の導波路205または誘電体板210とつながっていてもよい。電極対200を構成する2つの電極部は、上部で短絡、接地されているが、必ずしも短絡、接地されていなくてもよい。
[0130]
 また、高周波電源と電極との間を連結する伝送路は、矩形導波管、同軸管、同軸ケーブル、矩形導波管と同軸管との組合せのいずれであってもよい。

符号の説明

[0131]
 10   プラズマ処理装置
 100  真空容器
 105  蓋
 200  電極対
 200a 第1の電極部
 200b 第2の電極部
 205  導波路
 210  誘電体板
 215  第2の誘電体カバー
 220  第1の誘電体カバー
 225、385 同軸管
 225a1、225a2、385a1、385a2 内部導体
 225b、385b        外部導体
 245  整合器
 250  高周波電源
 265  仕切り板
 281  第1の排気路
 283  第2の排気路
 285  第3の排気路
 290a ガス流路
 295a 冷媒流路
 300  反射計
 305  制御部
 310  駆動機構
 320  金属ブラシ
 325a 第1の導波板
 325b 第2の導波板
 330  第1支持棒
 335  第2支持棒
 355  短絡板
 356  固定板
 360  誘電体プランジャ
 380  インピーダンス可変回路

請求の範囲

[請求項1]
 内部に、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、
 第1の電極部と第2の電極部との2つの電極部を有し、前記減圧容器の内部に隙間を設けて配列された複数の電極対と、
 前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための電磁波を供給する伝送路とを備え、
 前記複数の電極対のそれぞれは、
 前記2つの電極部間に形成され、前記伝送路に接続され、前記プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路と、
 前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する誘電体板とを有し、
 前記伝送路から供給された電磁波が、前記導波路を伝搬した後に前記誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起することを特徴とするプラズマ処理装置。
[請求項2]
 前記複数の電極対は、前記スリット状の開口の短手方向に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。
[請求項3]
 異なる前記電極対の電極部であって隣接する2つの前記電極部には、概ね同位相の電磁波が印加され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。
[請求項4]
 前記伝送路は同軸管であり、
 前記同軸管の内部導体は前記各電極対の一方の電極部に接続され、前記同軸管の外部導体は前記各電極対の他方の電極部に接続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。
[請求項5]
 前記同軸管の内部導体は、前記誘電体板に設けられた穴を貫通していることを特徴とする請求項4に記載のプラズマ処理装置。
[請求項6]
 隣接する電極対にそれぞれ設けられた前記同軸管の内部導体が前記誘電体板に設けられた穴を貫通する向きは、逆向きであることを特徴とする請求項5に記載のプラズマ処理装置。
[請求項7]
 前記2つの電極部は、前記プラズマ空間近傍から、前記載置台と離れる方向に延在し、
 前記同軸管は、前記減圧容器内において前記2つの電極部の延在する方向に前記2つの電極部に沿って延在し、その前記内部導体は、前記プラズマ空間近傍から離れた位置において、前記誘電体板に設けられた穴を貫通して前記電極部のいずれか一方に接続されていることを特徴とする請求項5に記載のプラズマ処理装置。
[請求項8]
 前記各電極対の2つの電極部は、
 前記スリット状の開口とは逆側で、前記スリット状の開口の法線方向の端部において短絡されており、
 前記スリット状の開口の長手方向の端部において短絡されていないことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置。
[請求項9]
 前記各電極対の2つの電極部は、前記被処理体とは逆側の端部において前記減圧容器と短絡されていることを特徴とする請求項8に記載のプラズマ処理装置。
[請求項10]
 前記電極対の前記スリット状の開口の短手方向のピッチは、前記電極対と前記被処理体との間の距離の平方根の31倍以下であることを特徴とする請求項2に記載のプラズマ処理装置。
[請求項11]
 前記隙間はガスの排気経路の一部になっ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。
[請求項12]
 内部に、被処理体を載置する載置台と該載置台上方においてプラズマが発生されるプラズマ空間とを有する減圧容器と、
 第1の電極部と第2の電極部との2つの電極部を有し、前記減圧容器の前記被処理体と対向する面に電気的に接続された電極対と、
 前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための電磁波を供給する同軸管とを備え、
 前記2つの電極部間は、前記同軸管に接続されプラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路となっており、
 前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する誘電体板が設けられており、
 前記同軸管の内部導体は、前記誘電体板に設けられた穴を貫通した後に一方の電極部に接続され、前記同軸管の外部導体は他方の電極部に接続され、
 前記2つの電極部は、前記スリット状の開口の長手方向の端部において短絡されておらず、
 前記同軸管から供給された電磁波が、前記導波路を伝搬した後に前記誘電体板のプラズマ露出面から前記減圧容器内に放出してプラズマを励起することを特徴とするプラズマ処理装置。
[請求項13]
 前記各電極対の2つの電極部のプラズマ露出面及び前記誘電体板のプラズマ露出面は概ね同一面であ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。
[請求項14]
 前記各電極対の2つの電極部のプラズマ露出面の面積は概ね等しいことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置。
[請求項15]
 前記各電極部のプラズマ露出面は矩形であり、前記誘電体板は前記電極部のプラズマ露出面に対して概ね垂直に配置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。
[請求項16]
 前記各電極部のプラズマ露出面の前記スリット状の開口の短手方向の長さは、前記電磁波の自由空間波長の0.019倍以下であることを特徴とする請求項15に記載のプラズマ処理装置。
[請求項17]
 前記各電極部のプラズマ露出面のうち、20%以上、80%以下の部分が絶縁膜で覆わ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。
[請求項18]
 前記各電極部の前記スリット状の開口の短手方向の端面の少なくとも一部が、第1の誘電体カバーで覆わ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。
[請求項19]
 前記各電極部の前記スリット状の開口の長手方向の端面の少なくとも一部が、第2の誘電体カバーで覆わ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。
[請求項20]
 前記導波路の前記スリット状の開口の法線方向の電気長がπ/2以下であ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。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3A]

[ 図 3B]

[ 図 4A]

[ 図 4B]

[ 図 5A]

[ 図 5B]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]

[ 図 18]

[ 図 19]

[ 図 20]