JP5421551B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を用いてプラズマを生成し、被処理体上にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。特に、伝送路のインピーダンス整合に関する。

マイクロ波プラズマ処理装置では、ガスを励起させてプラズマを生成するために、ガスを電離や解離させるためのエネルギーとして所望のマイクロ波を伝送路に伝送させ、処理容器内に放出する。処理容器の天井面にガスの通り道を設け、天井面をシャワープレートにして天井面から処理容器内にガスを導入する構成のプラズマ処理装置では、マイクロ波を伝送させる同軸管等と干渉しない位置にガス流路を設けなければならないため、同軸管の太さをあまり太くすることができない。

一方、均一なプラズマを安定的に生成するためにはかなりの電力が必要である。たとえば、高密度プラズマを励起するには同軸管に数１００Ｗ〜数ｋＷのマイクロ波を伝送させなければならないので、同軸管の内部導体の電流密度が大きくなり、加熱されてしまう問題がある。同軸管の内部導体が加熱されると、内部導体を保持しているテフロン（登録商標）リング等が変形、変質したり、内部導体表面が酸化されたり、内部導体が延びて各部にストレスがかかり破損してしまう危険性がある。

同軸管の破損を避けながら大電力のマイクロ波をプラズマに供給するためには、同軸管の特性インピーダンスを各部でそれぞれ最適化してマイクロ波の反射を最小限に抑える必要がある。ところが、従来のプラズマ処理装置では、構造が単純な同じ太さの同軸管を用いてマイクロ波を処理容器内に供給していた（たとえば、特許文献１を参照）。このため、特性インピーダンスは、同軸管の長手方向に沿って一様であった。

特開平９−１０６９００号公報

しかしながら、処理容器の天井面に設けられ、同軸管を伝送したマイクロ波を処理容器内に放出するための誘電体板を薄くすると、プラズマの均一性は高くなるものの、プラズマ側からのマイクロ波の反射を小さくするためには、誘電体板に隣接した同軸管の出力側（同軸管のプラズマ側の端部）の特性インピーダンスを１０〜２０Ω程度に抑える必要が生じる。これに対して、高い電力を供給するためには、誘電体板に隣接した同軸管の入力側（同軸管のマイクロ波源側の端部）の特性インピーダンスは、１０〜２０Ωより大きくする必要がある。よって、従来のように長手方向に沿って特性インピーダンスが一様な同じ太さの同軸管では、プラズマ側からのマイクロ波の反射が大きく、大きな電力を伝送させることができなかった。

上記課題を解消するために、本発明は、特性インピーダンスが入力側と出力側で異なる同軸管構造を有するプラズマ処理装置を提供する。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、内部導体の外径と外部導体の内径との比が入力側から出力側に向かう方向に沿って一様でない構造を有し、前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる第１の同軸管と、前記処理容器の内部に面しかつ前記第１の同軸管に隣接し、前記第１の同軸管を伝送した電磁波を前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、を備え、前記第１の同軸管の外部導体の内径は、入力側と出力側とで実質的に等しく、かつ、入力側から出力側までの間の部分も段差なしで実質的に等しく、前記第１の同軸管の内部導体の入力側の外径は、前記第１の同軸管の内部導体の出力側の外径より小さく、前記第１の同軸管の内部導体の外径と外部導体の内径との比は、前記第１の同軸管の電磁波の入力側の特性インピーダンスが前記第１の同軸管の電磁波の出力側の特性インピーダンスよりも大きくなるように定められているプラズマ処理装置が提供される。

同軸管の特性インピーダンスは、同軸管の内部導体の外径と外部導体の内径との比の変化によって変化する。よって、内部導体の外径と外部導体の内径との比が長手方向に沿って一様でない第１の同軸管の構造によれば、第１の同軸管の特性インピーダンスは長手方向に沿って一様でなくなる。これにより、第１の同軸管の入力側の特性インピーダンスと第１の同軸管の出力側の特性インピーダンスとを異ならせることができる。そして、入力側の特性インピーダンスを出力側の特性インピーダンスよりも大きくすることにより、プラズマ側からの電磁波の反射を小さく抑えるとともに、同軸管に大きな電力を伝送させることができる。

内部導体の外径と外部導体の内径との比が長手方向に沿って一様でない第１の同軸管の構造としては、たとえば、前記第１の同軸管の外部導体の内径が入力側と出力側とで実質的に等しく、前記第１の同軸管の内部導体の入力側の外径が、前記第１の同軸管の内部導体の出力側の外径より小さい場合が挙げられる。その場合、前記第１の同軸管の内部導体の外径を前記入力側から前記出力側に向かって連続的に大きくしてもよい。

前記第１の同軸管の外部導体の入力側の内径を前記第１の同軸管の外部導体の出力側の内径より大きくしてもよい。その場合、前記第１の同軸管の外部導体の内径を前記入力側から前記出力側に向かって連続的に小さくしてもよい。また、前記第１の同軸管の内部導体の外径を入力側と出力側とで実質的に等しくてもよい。さらに、前記第１の同軸管の内部導体及び外部導体の少なくともいずれかに段差部を設けることにより、前記第１の同軸管の内部導体の外径と外部導体の内径との比を不連続に変化させてもよい。

図１２に示したように、第１の同軸管の入力側の特性インピーダンスが１８Ω〜４６Ωになるように第１の同軸管の形状を最適化することにより、細い同軸管でも大きな電力を供給することができる。図１２によれば、第１の同軸管の入力側の特性インピーダンスを２２Ω〜４０Ωに限定すれば、さらに大きな電力を供給することができ、好ましい。

前記第１の同軸管の内部導体は、部分的に細くなったくびれ部を有していてもよい。これは、第１の同軸管に直列にインダクタンスを挿入したことと等価であり、くびれ部の直径や長さにより挿入されるインダクタンスの値を最適化することにより、反射を抑えることが可能になる。

また、前記第１の同軸管の内部導体と外部導体との間には、前記誘電体板に隣接して誘電体リングが設けられていてもよい。これは、第１の同軸管と並列にキャパシタンスを挿入したことと等価であり、誘電体リングの厚さや誘電率により挿入されるキャパシタンスの値を最適化することにより、反射を抑えることが可能になる。また、誘電体リングにより誘電体板近傍の隙間を埋めることにより、第１の同軸管と誘電体板との隣接部分に電界が集中することを避け、異常放電を防止することができる。

前記第１の同軸管の内部導体と外部導体との間には、第１の誘電体支持部材が設けられ、前記第１の誘電体支持部材は、前記第１の同軸管の内部導体の外周に形成された溝に嵌入されていてもよい。第１の同軸管の内部導体を外部導体に支持するためである。さらに、第１の同軸管と並列にキャパシタンスを挿入したことと等価であり、誘電体リングの厚さや誘電率により挿入されるキャパシタンスの値を最適化することにより、反射を抑えることが可能になる。

前記第１の同軸管に連結され、前記第１の同軸管に電磁波を伝送する第２の同軸管と、前記第１の同軸管の内部導体と前記第２の同軸管の内部導体との連結部に設けられ、前記第１の同軸管の内部導体を直接的にまたは他の部材を介して間接的に前記誘電体板に押し付けるバネ部材を有していてもよい。これによれば、バネ部材の弾性力により第１の同軸管の内部導体を直接的にまたは他の部材を介して間接的に誘電体板側に押しつけて密着させることによって電磁波の伝送を安定化させることができる。

前記第１の同軸管の内部導体と前記第２の同軸管の内部導体との連結部には、前記第１の同軸管の内部導体と前記第２の同軸管の内部導体とを電気的に接続する接点部材を設けてもよい。

前記第２の同軸管の内部導体は、前記第１の同軸管の内部導体よりも太くなっていてもよい。前記連結部には、前記第２の同軸管の内部導体に対して前記第１の同軸管の内部導体の角度が変えられる遊びがあってもよい。装置の組み立てを容易にするためである。

前記第２の同軸管の内部導体と外部導体との間には、第２の誘電体支持部材が設けられ、前記第２の誘電体支持部材は、前記第２の同軸管の内部導体の外周に形成された溝に嵌入されていてもよい。第２の同軸管の内部導体を外部導体に支持するためである。

前記連結部近傍の前記第２の同軸管の内部導体と外部導体との間には、誘電体ロッドが設けられ、前記誘電体ロッドは、前記第２の同軸管の内部導体に設けられた穴に嵌入されていてもよい。第２の同軸管の内部導体を外部導体に支持するためである。

前記連結部には、前記第１の同軸管の内部導体が前記第２の同軸管の内部導体から脱落することを防止するための係合部が形成されていてもよい。

前記第１の同軸管の内部導体と前記誘電体板との間は、金属金具を介して隣接していてもよい。これによれば、金属金具により第１の同軸管の内部導体と前記誘電体板との密着性を高め、電磁波の伝送が乱れることを防止することができる。

前記連結部における前記第１の同軸管の特性インピーダンスと前記第２の同軸管の特性インピーダンスとは等しくなっていてもよい。連結部を伝送する電磁波の反射を抑えるためである。

上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、処理容器の内部にガスを導入し、電磁波源から電磁波を出力し、電磁波の入力側の特性インピーダンスが出力側の特性インピーダンスよりも大きくなるように、内部導体の外径と外部導体の内径との比が入力側から出力側に向かう方向に沿って一様でない構造を有する第１の同軸管に前記出力した電磁波を伝送し、前記第１の同軸管の外部導体の内径は、入力側と出力側とで実質的に等しく、かつ、入力側から出力側までの間の部分も段差なしで実質的に等しく、前記第１の同軸管の内部導体の入力側の外径は、前記第１の同軸管の内部導体の出力側の外径より小さく、前記第１の同軸管を伝送した電磁波を、前記処理容器の内部に面しかつ前記第１の同軸管に隣接した誘電体板から前記処理容器の内部に放出し、前記放出された電磁波により前記導入されたガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法が提供される。

これによれば、特性インピーダンスが長手方向に沿って一様でない構造の第１の同軸管を用いて、プラズマ側からの電磁波の反射を小さく抑えるとともに、同軸管に大きな電力を伝送させることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、同軸管の入力側と出力側で特性インピーダンスを異ならせることができる。

発明を実施するための形態

以下に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する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の構成及び機能を有する構成要素については、同一符号を付することにより、重複説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０の縦断面である。図１は、図２の２−Ｏ−Ｏ’−２断面を示している。図２は、本装置１０の天井面であり、図１の１−１断面を示している。

（マイクロ波プラズマ処理装置の概略）
図２に示したように、マイクロ波プラズマ処理装置１０は、ガラス基板（以下、「基板Ｇ」という。）をプラズマ処理するための処理容器１００を有している。処理容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体３００により閉塞されている。蓋体３００は、上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとから構成されている。容器本体２００と下部蓋体３００ｂとの接触面にはＯリング２０５が設けられていて、これにより容器本体２００と下部蓋体３００ｂとが密閉され、処理室が画定される。上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとの接触面にもＯリング２１０及びＯリング２１５が設けられていて、これにより、上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとが密閉されている。容器本体２００及び蓋体３００は、たとえば、アルミニウム合金等の金属からなり、電気的に接地されている。

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

図１及び図２を見ると、処理容器１００の天井面には、誘電体板３０５、金属電極３１０及び金属カバー３２０が規則的に配置されている。金属電極３１０及び金属カバー３２０の周囲には、サイドカバー３５０が設けられている。誘電体板３０５、金属電極３１０及び金属カバー３２０は、僅かに角が削られた略正方形のプレートである。なお、菱形であってもよい。本明細書において、金属電極３１０は、金属電極３１０の外縁部から誘電体板３０５が概ね均等に露出するように誘電体板３０５に隣接して設けられた平板をいう。これにより、誘電体板３０５は、蓋体３００の内壁と金属電極３１０によりサンドイッチされる。金属電極３１０は、処理容器１００の内壁と電気的に接続されている。

誘電体板３０５及び金属電極３１０は、基板Ｇや処理容器１００に対して概ね４５°傾いた位置に等ピッチで８枚配置される。ピッチは、一つの誘電体板３０５の対角線の長さが、隣り合う誘電体板３０５の中心間の距離の０．９倍以上になるように定められている。これにより、誘電体板３０５のわずかに削られた角部同士は隣接して配置される。

金属電極３１０と金属カバー３２０は、誘電体板３２０の厚さ分、金属カバー３２０の方が厚い。かかる形状によれば、天井面の高さがほぼ等しくなると同時に、誘電体板３０５が露出した部分やその近傍の凹みの形状もすべてほぼ同じパターンになる。

誘電体板３０５はアルミナにより形成され、金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０はアルミニウム合金により形成されている。なお、本実施形態では、８枚の誘電体板３０５及び金属電極３１０が２列に４段配置されるが、これに限られず、誘電体板３０５及び金属電極３１０の枚数を増やすことも減らすこともできる。

誘電体板３０５及び金属電極３１０は、ねじ３２５により４カ所から均等に支持されている（図２参照）。図１に示したように、上部蓋体３００ａと下部蓋体３００ｂとの間には、紙面に垂直な方向に格子状に形成された主ガス流路３３０が設けられている。主ガス流路３３０は、複数のねじ３２５内に設けられたガス流路３２５ａにガスを分流する。ガス流路３２５ａの入口には、流路を狭める細管３３５が嵌入されている。細管３３５は、セラミックスや金属からなる。金属電極３１０と誘電体板３０５との間にはガス流路３１０ａが設けられている。金属カバー３２０と誘電体板３０５との間及びサイドカバー３５０と誘電体板３０５との間にもガス流路３２０ａが設けられている。ねじ３２５の先端面は、プラズマの分布を乱さないように、金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０の下面と面一になっている。金属電極３１０に開口されたガス放出穴３４５ａと金属カバー３２０やサイドカバー３５０に開口されたガス放出穴３４５ｂとは均等なピッチで配設されている。

ガス供給源９０５から出力されたガスは、主ガス流路３３０からガス流路３２５ａ（枝ガス流路）を通過し、金属電極３１０内の第１のガス流路３１０ａ及び金属カバー３２０やサイドカバー３５０内の第２のガス流路３２０ａを通ってガス放出穴３４５ａ、３４５ｂから処理室内に供給される。第１の同軸管６１０の外周近傍の下部蓋体３００ｂと誘電体板３０５との接触面にはＯリング２２０が設けられていて、第１の同軸管６１０内の大気が処理容器１００の内部に入らないようになっている。

このようにして天井部の金属面にガスシャワープレートを形成することにより、従来生じていた、プラズマ中のイオンによる誘電体板表面のエッチング及び処理容器内壁への反応生成物の堆積を抑制し、コンタミやパーティクルの低減を図ることができる。また、誘電体と異なり金属は加工が容易であるため、コストを大幅に低減することができる。

蓋体３００を掘り込んで形成された第１の同軸管の外部導体６１０ｂには、内部導体６１０ａが挿入されている。同様にして掘り込んで形成された第２〜第４の同軸管の外部導体６２０ｂ〜６４０ｂには、第２〜第４の同軸管の内部導体６２０ａ〜６４０ａが挿入され、その上部は蓋体カバー６６０で覆われている。各同軸管の内部導体は熱伝導のよい銅で形成されている。

図１に示した誘電体板３０５の表面は、第１の同軸管６１０から誘電体板３０５にマイクロ波が入射する部分と誘電体板３０５からマイクロ波が放出される部分を除いて金属膜３０５ａにて被覆されている。これにより、誘電体板３０５とそれに隣接する部材間に生じた空隙によってもマイクロ波の伝搬が乱されず、安定してマイクロ波を処理容器内に導くことができる。

図２に示したように、誘電体板３０５は、誘電体板３０５に一対一に隣接した金属電極３１０と誘電体板３０５が配置されていない処理容器１００の内壁（金属カバー３２０で覆われた処理容器１００の内壁を含む）の間から露出している。誘電体板３０５と誘電体板３０５が配置されていない処理容器１００の内壁（金属カバー３２０で覆われた処理容器１００の内壁を含む）とは、実質的に相似をなす形状か、または実質的に対称となる形状となっている。これにより、誘電体板から金属電極側及び内壁側（金属カバー３２０及びサイドカバー３５０側）に概ね均等にマイクロ波の電力を供給することができる。この結果、誘電体板３０５から放出されたマイクロ波は、表面波となって電力を半分に分配しながら金属電極３１０、金属カバー３２０及びサイドカバー３５０の表面を伝搬する。処理容器内面の金属面とプラズマとの間を伝搬する表面波を、以下、導体表面波（金属表面波：Ｍｅｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅ）という。これにより、天井面全体に、導体表面波が伝搬し、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０の天井面下方にて、均一なプラズマが安定的に生成される。

サイドカバー３５０には、８枚の誘電体板３０５の全体を囲むように８角形の溝３４０が形成されていて、天井面を伝搬する導体表面波が、溝３４０より外側に伝搬することを抑制する。複数の溝３４０を平行に多重に形成してもよい。

一枚の金属電極３１０を中心として、隣接する金属カバー３２０の中心点を頂点に持つ領域を、以下、セルＣｅｌ（図１参照）という。天井面では、セルＣｅｌを一単位として同一パターンの構成が８セルＣｅｌ規則正しく配置されている。

冷媒供給源９１０は、蓋体内部の冷媒配管９１０ａ及び第４の同軸管の内部導体６４０ａの冷媒配管９１０ｂに接続されていて、冷媒供給源９１０から供給された冷媒が冷媒配管９１０ａ、９１０ｂ内を循環して再び冷媒供給源９１０に戻ることにより、蓋体３００及び内部導体の加熱を抑止するようになっている。

（同軸管内部導体固定）
次に、第１及び第２の同軸管及びその連結部分について、図３〜図５を参照しながら説明する。図３は、第１及び第２の同軸管６１０、６２０及びその連結部分Ｄｃの断面図である。図４は、図３の３−３断面である。図５は、図３の４−４断面である。

前述したように、第１の同軸管６１０は、内部導体６１０ａ及び外部導体６１０ｂから形成されている。同様に、第２の同軸管６２０は、内部導体６２０ａ及び外部導体６２０ｂから形成されている。第１及び第２の同軸管６１０、６２０の内部導体は、いずれも銅で形成されている。外部導体６１０ｂ、６２０ｂは、蓋体３００に形成された掘り込みと蓋体カバー６６０により画定されている。第１の同軸管６１０と第２の同軸管６２０とは、連結部Ｄｃにて概ね垂直に連結されている。

連結部Ｄｃでは、第２の同軸管の下面に形成された有底の縦穴６２０ａ１に、第１の同軸管の内部導体６１０ａの先端に形成されたロッド６１０ａ１が嵌め込まれている。

第１の同軸管の内部導体６１０ａの外周に形成された溝６１０ａ２には、誘電体リング７１０（第１の誘電体支持部材の一例）が嵌入され、これにより、内部導体６１０ａを外部導体６１０ｂに支持して内部導体６１０ａの軸ぶれを防止するようになっている。

第２の同軸管の内部導体６２０ａの外周に形成された溝６２０ａ２にも、誘電体リング７１５（第２の誘電体支持部材の一例）が嵌入され、これにより、内部導体６２０ａを外部導体６２０ｂに支持するようになっている。誘電体リング７１０、７１５は、たとえば、テフロンにより形成されている。

第２の同軸管の内部導体６２０ａは、誘電体ロッド７２０によって側部からも支持されている。誘電体ロッド７２０は、第２の同軸管の内部導体６２０ａに設けられた有底の横穴６２０ａ３に挿入され、ロッド６１０ａ１に設けられた横穴を貫通して、横穴６２０ａ３の底部まで嵌入される。

このようにして、第１の同軸管の内部導体６１０ａは、誘電体ロッド７２０により第２の同軸管６２０の内部導体６２０ａに固定される。かかる構成によれば、装置を組み立てる際に、第１の同軸管の内部導体６１０ａと第２の同軸管の内部導体６２０ａとが連結された状態で蓋体３００に形成された掘り込みに嵌め込むことができるため、施工しやすい。また、ねじを用いずに第１及び第２の同軸管の内部導体６１０ａ，６２０ａを連結及び固定し、第１の同軸管の内部導体６１０ａが第２の同軸管の内部導体６２０ａから脱落することを防止できる。なお、誘電体ロッド７２０は、第１の同軸管の内部導体６１０ａが第２の同軸管の内部導体６２０ａから脱落することを防止するための係合部の一例である。

ロッド６１０ａ１に設けられた横穴は、縦に長い長穴となっており、第１の同軸管の内部導体６１０ａは多少上下に動かせるようになっている。これにより、内部導体６１０ａと誘電体板３０５とを確実に接触させることができる。さらに、第２の同軸管の縦穴６２０ａ１とロッド６１０ａ１との間には隙間があり、内部導体６２０ａに対して第１の同軸管の内部導体６１０ａの角度が多少変えられるようになっている。これは、内部導体６１０ａ，６２０ａを連結した状態で外部導体６２０ａ、６２０ｂ内にこれらの内部導体を入れ込む際、遊びがないと各部の微小な寸法のずれによりテフロンリング７１０と第１の同軸管の外部導体６１０ｂが接触してストレスがかかってしまうからである。

第２の同軸管の内部導体６２０ａのうち、第１の同軸管の内部導体６１０ａとの当接部分には平坦面が設けられており、シールドスパイラル７０５により内部導体６１０ａと６２０ａとが電気的に確実に接続されるようになっている。また、シールドスパイラルの弾性力により、第１の同軸管の内部導体６１０ａを誘電体板３０５に押し付けることにより、第１の同軸管の内部導体６１０ａと誘電体板３０５との間に隙間が開くことを防止している。シールドスパイラル７０５は、第１の同軸管の内部導体６１０ａと第２の同軸管の内部導体６２０ａとを電気的に接続する接点部材の一例であり、且つ、第１の同軸管の内部導体６１０ａを誘電体板３０５に押し付けるバネ部材の一例である。

ところで、第１の同軸管の内部導体６１０ａと第２の同軸管の内部導体６２０ａとの接続部において、各々の内部導体の外周面になるべく近い部分で電気的に接続されていることが望ましい。外周面から離れた内部で電気的に接続されると、内部導体間に生じる部分的な隙間により不安定なリアクタンス成分が付加され、反射が生じてしまうためである。

図４を参照すると分かりやすいが、第２の同軸管の内部導体６２０ａを第１の同軸管の内部導体６１０ａより太くすることにより、第２の同軸管の内部導体６２０ａ下部の平坦面を外周面に近づけて、外周面に近い部分でシールドスパイラル７０５により電気的に接続されるようになっている。

第１の同軸管の内部導体６１０ａの誘電体側の先端は、銅にて形成された円板状の金属金具７２５を挟んで誘電体板３０５に形成された凹み３０５ａに当接する。金属金具７２５を介することにより第１の同軸管の内部導体６１０ａと誘電体板３０５との密着性を高めることができる。

前述したように、第１、第２の同軸管の外部導体６１０ｂ，６２０ｂは、蓋体３００を上部から掘り込んで形成されている。このため、図４に示した第２の同軸管の外部導体６２０ｂの上部は平面、下部は半円の蒲鉾型になっている。外部導体６２０ｂの下部を半円にして、内部導体６２０ａと外部導体６２０ｂとの間の距離をできるだけ均一にすることにより、電界の集中を抑え、異常放電を防止する。

連結部Ｄｃでは、図３に示したように、蓋体カバー６６０の下面に凹部を設けることにより外部導体６１０ｂの端部を第２の同軸管６２０の上方に突出させている。さらに、図５に示したように、第２の同軸管の外部導体６２０ｂの形状を大きくして、第１、第２の同軸管の内部導体６１０ａ、６２０ａ及び外部導体６１０ｂ、６２０ｂ間に広い空間を設けている。このようにして、第２の同軸管６２０から第１の同軸管６１０へマイクロ波を伝送する際、連結部Ｄｃにて反射が生じないように設計されている。

（同軸管整合）
次に、第１の同軸管６１０の特性インピーダンスの整合について説明する。図６に示したように、第１の同軸管の内部導体６１０ａの直径をＡ、第１の同軸管の外部導体６１０ｂの直径（内径）をＢとすると、第１の同軸管６１０の特性インピーダンスＺ_ｃと第１の同軸管６１０の太さとの関係は次の式（１）で表される。

Ｚ_ｃ＝１３８／√ε_ｒ×ｌｏｇ（Ｂ／Ａ）・・・（１）
たとえば、Ｂ／Ａ＝２．３のとき、大気中ではε_ｒ＝１であるから、同軸管の特性インピーダンスＺ_ｃは、５０Ωとなる。

第１の同軸管６１０では、内部導体６１０ａと外部導体６１０ｂとの太さの比が長手方向に沿って一様でない。一例としては、図３に示したように、第１の同軸管の内部導体６１０ａの太さ（径Ａ）は長手方向に沿って一様であるが（Ａ_１＝Ａ_２）、外部導体６１０ｂの太さ（径Ｂ）は、長手方向に沿ってマイクロ波の入力側から出力側に向かって連続的に（徐々に）細くなる（Ｂ_１＞Ｂ_２）。これによれば、第１の同軸管にマイクロ波が入力する側（第１の同軸管の内部導体６１０ａの入力側、以下、単に入力側とも称呼する。）の内部導体６１０ａと外部導体６１０ｂとの径の比Ｂ_１／Ａ_１と、第１の同軸管の内部導体６１０ａからマイクロ波が出力する側（第１の同軸管の内部導体６１０ａの出力側、以下、単に出力側とも称呼する。）の内部導体６１０ａと外部導体６１０ｂとの径の比Ｂ_２／Ａ_２と、の関係は、Ｂ_１／Ａ_１＞Ｂ_２／Ａ_２となる。この結果、式（１）により、入力側の第１の同軸管６１０の特性インピーダンスＺ_ｃ１と出力側の第１の同軸管６１０の特性インピーダンスＺ_ｃ２との関係は、Ｚ_ｃ１＞Ｚ_ｃ２となる。

このようにして、本実施形態では、第１の同軸管の内部導体６１０ａと外部導体６１０ｂとの太さの比を第１の同軸管６１０の入力側と出力側で異ならせることにより、第１の同軸管６１０の特性インピーダンスを変化させる。特に、本実施形態では、外部導体６１０ｂの太さを徐々に細くすることにより、第１の同軸管６１０の特性インピーダンスを徐々に小さくする。これにより、反射を起こりにくくすることができる。

（インピーダンス整合、段差部）
たとえば、第１の同軸管６１０の入力側の特性インピーダンスが３０Ω、第１の同軸管６１０の出力側の特性インピーダンスが１５Ωになるように内部導体６１０ａ及び外部導体６１０ｂの径を調整する。以下では、第１の同軸管の出力側を１５Ωの低特性インピーダンス線路と称し、第１の同軸管の入力側を３０Ωの高特性インピーダンス線路と称し、低特性インピーダンス線路と高特性インピーダンス線路との繋ぎ方について説明する。

低特性インピーダンス線路において無反射にすることができる場合、図３や図７に示したように、低特性インピーダンス線路と高特性インピーダンス線路との間の特性インピーダンスを徐々に変化させれば、反射を抑えたまま特性インピーダンスが異なる線路間の接続ができる。

図３では、第１の同軸管の外部導体６１０ｂの太さ（径Ｂ）を長手方向に沿ってマイクロ波の出力側に向かって連続的に（徐々に）細くし、内部導体６１０ａの太さ（径Ａ）を長手方向に沿って一様にしている。図７のように、第１の同軸管の外部導体６１０ｂの太さ（径Ｂ）を長手方向に沿って一様にし、内部導体６１０ａの太さ（径Ａ）を長手方向に沿ってマイクロ波の出力側に向かって連続的に（徐々に）太くしてもよい。

低特性インピーダンス線路において無反射にすることができない場合（ここでは反射がそれほど大きくないとする）には、図８に示したように、たとえば、内部導体６１０ａに段差部６１０ａ６を設けるか、外部導体に段差部（図示せず）を設け、段差部６１０ａ６から低特性インピーダンス線路側をみたインピーダンスが高特性インピーダンス線路の特性インピーダンスに最も近くなるように低特性インピーダンス線路の長さを調整すれば、反射を最も小さくすることができる。

段差部６１０ａ６から低特性インピーダンス線路側をみた反射係数は、低特性インピーダンス線路の長さを長くすると、図９の複素平面上（スミスチャート上で）で、時計回りに回転する。反射係数が正の実数となるように（複素平面上で右端に来るように）低特性インピーダンス線路の長さを調節すれば、段差部６１０ａ６から低特性インピーダンス線路側をみたインピーダンスは、インピーダンスＺｄから実数で最大値のインピーダンスＺｍに調整され、反射を最も小さくすることができる。このとき、段差部６１０ａ６から低特性インピーダンス線路側をみたインピーダンスを高特性インピーダンス線路の特性インピーダンスに一致させることができれば、無反射にすることができる。なお、線路の長さをλg／２変えると反射係数は、スミスチャート上１回転するため、低特性インピーダンス線路の長さは、λg／２以下で十分である。図９の場合には、低特性インピーダンス線路の長さは、λg／４になる。

なお、図７では、内部導体６１０ａの末端に金属金具７２５及びシールドスパイラル７４０が設けられておらず、内部導体６１０ａと誘電体板の窪みの金属膜３０５ａとが直接密着している。図７では、内部導体６１０ａにくびれ部６１０ａ３が設けられていない。

図８では、金属金具７２５が設けられておらず、シールドスパイラル７４０が誘電体板の窪みの金属膜３０５ａに直接接触している。また、図８に示したように、段差部６１０ａがある場合には、内部導体６１０ａ及び外部導体６１０ｂはテーパー形状になっていない。

（第１の同軸管の入力側の特性インピーダンスの適正値）
同軸管の内部導体の温度上昇が一様であると仮定すると、第１の同軸管の入力側の特性インピーダンスは、１８Ω〜４６Ωの範囲のいずれかの値であればよく、より好ましくは、２２Ω〜４０Ωの範囲のいずれかの値がよい。その根拠を説明する。

前述したように、金属電極３１０及び金属カバー３２０にガスの通り道を設け、シャワープレートにしてガスを流す構成にした場合、第１の同軸管等と干渉しない位置にガス流路を設けなければならないため、第１の同軸管６１０の太さをあまり太くすることができない。一方、高密度プラズマを励起するには第１の同軸管６１０に数１００Ｗ〜数ｋＷのマイクロ波を伝送させなければならないため、第１の同軸管の内部導体６１０ａの電流密度が大きくなり、加熱されてしまう問題がある。第１の同軸管の内部導体６１０ａが加熱されると、内部導体６１０ａを保持している誘電体リング７１０等が変形、変質したり、内部導体表面が酸化されたり、内部導体６１０ａが延びて各部にストレスがかかり破損してしまう危険性がある。

同軸管が伝送できる最大電力Ｐｍａｘは、次式で与えられる。

ここで、Ｅｍａｘは同軸管内の最大電界（内部導体表面における電界）であり、内部導体の上昇温度と比例する。出典は、「マイクロ波工学 基礎と応用」岡田文明著、学献社、Ｐ．１４２である。

上式からＰｍａｘと特性インピーダンスの関係を求めると、図１２のようになる。縦軸は外部導体の内径を一定としたときの規格化された最大伝送電力である。最大伝送電力は、特性インピーダンスが３０Ωのときに極大となることがわかる。最大伝送電力の９０％以上の電力を伝送させるためには、第１の同軸管の（入力側の）特性インピーダンスを１８〜４６Ωにすればよく、より好ましくは、９５％以上の電力を伝送させるために２２〜４０Ωにすればよい。

（くびれ部）
図３及び図４では、第１の同軸管の内部導体６１０ａは、部分的に細くなったくびれ部６１０ａ３を有する。くびれ部６１０ａ３は、その径及び長さにより定まる任意の大きさの直列インダクタンスである。第１の同軸管６１０の設計に当たっては、第１の同軸管において、所望の位置から出力側を見たインピーダンスが容量性の場合に、その位置に必要に応じてくびれ部６１０ａ３を設けることにより、反射を抑えることができる。

（誘電体リング）
誘電体リング７１０は、その厚さや誘電率により定まる任意の大きさの並列キャパシタンスである。第１の同軸管６１０の設計に当たっては、第１の同軸管において、所望の位置から出力側を見たインピーダンスが誘導性の場合に、その位置に必要に応じてくびれ部６１０ａ３を設けることにより、反射を抑えることができる。

（第２実施形態）
つぎに、第２実施形態に係る第１の同軸管の内部導体６１０ａの固定及び同軸管整合について図１０を参照しながら説明する。図１０は、第１実施形態を説明する際に使用した図３に対応した図である。第２実施形態では、連結部Ｄｃの構成と、誘電体板近傍に誘電体リングが設けられている点で主に第１実施形態と相異する。よって、以下ではこの相異点を中心に説明し、その他の説明を省略する。

第２実施形態に係る連結部Ｄｃでは、誘電体ロッド７２０が、第２の同軸管の内部導体６２０ａの横穴６２０ａ３に挿入され、これにより、内部導体６２０ａは外部導体６２０ｂに支持される。一方、本実施形態では、誘電体ロッド７２０は、第１の同軸管の内部導体６１０ａを貫通していないため、内部導体６１０ａの脱落防止の機能は有しない。その替わり、本実施形態では、第２の同軸管の内部導体６２０ａの縦穴６２０ａ１の下部がねじ切りされているとともに、内部導体６１０ａ端部のロッド６１０ａ１の頭部分にもねじが切られている。縦穴６２０ａ１の上部はねじ切りされておらず、穴径がロッド６１０ａ１の外径よりも大きくなっている。このため、ロッド６１０ａ１の頭を縦穴６２０ａ１にねじ込んでロッド６１０ａ端部のねじが切ってある部分を縦穴６２０ａ１上部のねじが切っていない部分に螺合させることにより、ロッド６１０ａ１を縦穴６２０ａ１に固定する。これにより、第１の同軸管の内部導体６１０ａの脱落を防止しながら、第１の同軸管の内部導体６１０ａを自由に動かせる状態で固定することができる。なお、本実施形態にかかる内部導体６１０ａのロッド６１０ａ１と内部導体６２０ａの縦穴６２０ａ１との係合部分は、第１の同軸管の内部導体６１０ａが第２の同軸管の内部導体６２０ａから脱落することを防止するための係合部の一例である。

第１の同軸管の内部導体６１０ａには、連結部Ｄｃにて凹部６１０ａ４が形成されていて、凹部６１０ａ４の内部には、金属バネ７３０が設けられている。金属バネ７３０は、第１の同軸管の内部導体６１０ａを誘電体板３０５に押し付けるバネ部材の一例である。

第１の同軸管の内部導体６１０ａの端部は、第２の同軸管の内部導体６２０ａの下部に設けられた凹みに挿入されるようになっている。内部導体６１０ａ，６２０ａの接触面には、シールドスパイラル７０５が設けられている。シールドスパイラル７０５は、内部導体６１０ａと６２０ａとを電気的に接続する接点部材の一例である。

第１の同軸管の内部導体６１０ａと外部導体６１０ｂとの間には、前述した誘電体リング７１０の他に、誘電体板３０５に隣接して誘電体リング７３５が取り付けられている。これによれば、第１の同軸管６１０と誘電体板３０５との隣接部分の強電界部を誘電体で覆うことにより、異常放電を防止することができる。

なお、図１０では、金属金具７２５と誘電体板３０５との接触面（誘電体板３０５の窪み部分）には、金属膜３０５ａが設けられていない。

（第３実施形態）
つぎに、第３実施形態に係る第１の同軸管の内部導体６１０ａの固定及び同軸管整合について図１１を参照しながら説明する。図１１は、第１実施形態の説明に使用した図３及び第２実施形態の説明に使用した図１０に対応した図である。第３実施形態では、連結部Ｄｃの構成が第２実施形態と異なる。よって、以下ではこの相異点を中心に説明し、その他の説明を省略する。

第３実施形態に係る連結部Ｄｃでは、内部導体６１０ａのロッド６１０ａ１の外周に凹部６１０ａ４が形成され、その外側が板ばね６１０ａ５になっている。係合部分にシールドスパイラルは設けられていない。板バネ６１０ａ５は、内部導体６１０ａと６２０ａとを電気的に接続する接点部材の一例である。

第１の同軸管の内部導体６１０ａの凹部６１０ａ４には、金属バネ７３０が設けられていて、金属バネ７３０（バネ部材の一例）の弾性力により第１の同軸管の内部導体６１０ａを誘電体板３０５に押しつけて密着させる。

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

また、金属電極３１０の形状は、４角形に限られず、３角形、６角形、８角形でもよい。この場合には、誘電体板３０５及び金属カバー３２０の形状も金属電極３１０の形状と同様になる。金属カバー３２０やサイドカバーはあってもなくてもよい。金属カバー３２０がない場合には、蓋体３００に直接ガス流路が形成される。また、ガス放出穴がなく、ガス放出機能がなくてもよいし、下段シャワーが設けられていてもよい。金属電極３１０や誘電体板３０５の数は８個に限定されず、１個以上の何れかであってもよい。

また、誘電体板３０５が金属膜３０５ａにて被覆されていない場合、誘電体板３０５と蓋体３００、及び誘電体板３０５と金属電極３１０との間の隙間は、０．２ｍｍ以下が好ましい。その理由を説明する。誘電体板３０５と隣接する金属面との間の隙間で放電が起きると、プラズママイクロ波のエネルギーを損失してプラズマ励起効率が著しく悪化するとともに、誘電体３０５や金属電極３１０を破損させてしまう。隙間が電子の平均自由行程より小さければ、間隔を狭くすることにより電子がマイクロ波電界から電離に必要なエネルギーを得る前に壁に衝突してエネルギーを失うため、隙間において放電しにくくなる。ガス流路の径は、実使用条件において最も放電しやすい状況においても放電しないような寸法に設定にするべきである。

平均自由行程は、ｕａ／νｃで与えられる。ここで、ｕａは電子の平均速度、νｃは電子の衝突周波数である。電子の平均速度ｕａは、
ｕａ＝（８ｋＴ／πｍ）^１／２
で与えられる。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは電子温度、ｍは電子の質量である。隙間で放電が維持される電子温度を３ｅＶとすれば、上式より、ｕａ＝１．１４×１０^６ｍ／ｓとなる。

電子の衝突周波数とマイクロ波角周波数が一致すると、マイクロ波から電子に与えられるエネルギーが最大となり最も放電しやすくなる。マイクロ波周波数が９１５ＭＨｚのとき、νｃ＝５．７５×１０^９Ｈｚとなる圧力のとき（アルゴンガスでは約２００Ｐａ）最も放電しやすくなる。このときの平均自由行程を上式から計算すると、０．２０ｍｍとなる。すなわち、ガス流路の径を０．２ｍｍ以下にすれば、隙間で放電することなく常に安定なプラズマを励起することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、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、そ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。

プラズマ処理装置は、上述したマイクロ波プラズマ処理装置に限られず、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理、プラズマドーピング処理など、プラズマにより被処理体を微細加工する装置であればよい。

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

本発明の各実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図（図２の２−Ｏ−Ｏ’−２断面）である。図１の１−１断面図である。第１実施形態に係る第１の同軸管及びその近傍の拡大図である。図３の３−３断面図である。図３の４−４断面図である。同軸管の内部導体に対する外部導体の比と特性インピーダンスとの関係を説明するための図である。第１の同軸管の形状の変形例である。第１の同軸管の形状の変形例である。インピーダンス整合を説明するためのスミスチャートである。第２実施形態にかかる第１の同軸管及びその近傍の拡大図である。第３実施形態にかかる第１の同軸管及びその近傍の拡大図である。特性インピーダンスと最大伝送電力との関係を示したグラフである。

符号の説明

１０ マイクロ波プラズマ処理装置
１００ 処理容器
２００ 容器本体
３００ 蓋体
３００ａ 上部蓋体
３００ｂ 下部蓋体
３０５ 誘電体板
３０５ａ 金属膜
３１０ 金属電極
３２０ 金属カバー
３２５ ねじ
３３０ 主ガス流路
３３５ 細管
３５０ サイドカバー
６１０ 第１の同軸管
６２０ 第２の同軸管
７０５、７４０ シールドスパイラル
７１０，７１５，７３５ 誘電体リング
７２０ 誘電体ロッド
７２５ 金属金具
９００ マイクロ波源
９０５ ガス供給源
９１０ 冷媒供給源
Ｃｅｌ ユニットセル
Ｄｃ 連結部

Claims (17)

1. 電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
   処理容器と、
   電磁波を出力する電磁波源と、
   内部導体の外径と外部導体の内径との比が入力側から出力側に向かう方向に沿って一様でない構造を有し、前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる第１の同軸管と、
   前記処理容器の内部に面しかつ前記第１の同軸管に隣接し、前記第１の同軸管を伝送した電磁波を前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、を備え、
   前記第１の同軸管の外部導体の内径は、入力側と出力側とで実質的に等しく、かつ、入力側から出力側までの間の部分も段差なしで実質的に等しく、
   前記第１の同軸管の内部導体の入力側の外径は、前記第１の同軸管の内部導体の出力側の外径より小さく、
   前記第１の同軸管の内部導体の外径と外部導体の内径との比は、前記第１の同軸管の電磁波の入力側の特性インピーダンスが前記第１の同軸管の電磁波の出力側の特性インピーダンスよりも大きくなるように定められているプラズマ処理装置。
2. 前記第１の同軸管の内部導体の外径は、前記入力側から前記出力側に向かって連続的に大きくなっている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
3. 前記第１の同軸管の内部導体には段差部が設けられ、
   前記第１の同軸管の内部導体の外径と外部導体の内径との比は、前記段差部により不連続に変化する請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
4. 前記第１の同軸管の前記入力側の特性インピーダンスは、１８Ω〜４６Ωの範囲のいずれかの値を有する請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
5. 前記第１の同軸管の前記入力側の特性インピーダンスは、２２Ω〜４０Ωの範囲のいずれかの値を有する請求項４に記載されたプラズマ処理装置。
6. 前記第１の同軸管の内部導体と外部導体との間には、前記誘電体板に隣接して誘電体リングが設けられている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
7. 前記第１の同軸管の内部導体と外部導体との間には、第１の誘電体支持部材が設けられ、
   前記第１の誘電体支持部材は、前記第１の同軸管の内部導体の外周に形成された溝に嵌入されている請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
8. 前記第１の同軸管に交叉するように前記第１の同軸管の入力側に連結され、前記第１の同軸管に電磁波を伝送する第２の同軸管と、
   前記第１の同軸管の内部導体と前記第２の同軸管の内部導体との連結部に設けられ、前記第１の同軸管の内部導体を直接的または間接的に前記誘電体板に押し付けるバネ部材と、を備える請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
9. 前記第１の同軸管の内部導体と前記第２の同軸管の内部導体との連結部には、前記第１の同軸管の内部導体と前記第２の同軸管の内部導体とを電気的に接続する接点部材が設けられている請求項８に記載されたプラズマ処理装置。
10. 前記第２の同軸管の内部導体は、前記第１の同軸管の内部導体よりも太くなっている請求項８又は請求項９のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
11. 前記連結部には、前記第２の同軸管の内部導体に対して前記第１の同軸管の内部導体の角度が変えられる遊びがある請求項８〜１０のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
12. 前記第２の同軸管の内部導体と外部導体との間には、第２の誘電体支持部材が設けられ、
    前記第２の誘電体支持部材は、前記第２の同軸管の内部導体の外周に形成された溝に嵌入されている請求項８〜１１のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
13. 前記第２の同軸管の内部導体と外部導体との間には、誘電体ロッドが設けられ、
    前記誘電体ロッドは、前記第２の同軸管の内部導体に設けられた穴に嵌入されている請求項８〜１２のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
14. 前記連結部には、前記第１の同軸管の内部導体が前記第２の同軸管の内部導体から脱落することを防止するための係合部が形成されている請求項８〜１３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
15. 前記第１の同軸管の内部導体と前記誘電体板との間は、金属金具を介して隣接している請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
16. 前記連結部における前記第１の同軸管の特性インピーダンスと前記第２の同軸管の特性インピーダンスとは等しくなっている請求項８〜１４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
17. 処理容器の内部にガスを導入し、
    電磁波源から電磁波を出力し、
    電磁波の入力側の特性インピーダンスが出力側の特性インピーダンスよりも大きくなるように、内部導体の外径と外部導体の内径との比が入力側から出力側に向かう方向に沿って一様でない構造を有する第１の同軸管に前記出力した電磁波を伝送し、
    前記第１の同軸管の外部導体の内径は、入力側と出力側とで実質的に等しく、かつ、入力側から出力側までの間の部分も段差なしで実質的に等しく、
    前記第１の同軸管の内部導体の入力側の外径は、前記第１の同軸管の内部導体の出力側の外径より小さく、
    前記第１の同軸管を伝送した電磁波を、前記処理容器の内部に面しかつ前記第１の同軸管に隣接した誘電体板から前記処理容器の内部に放出し、
    前記放出された電磁波により前記導入されたガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法。

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