JP4130255B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はプラズマを利用してＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）やエッチング等の処理をする装置に関し、特に、高周波電力をプラズマに供給する伝送路の構造に特徴のあるプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、プラズマを利用してＣＶＤやエッチング等の表面処理が広く行われており、これらの技術を利用してＬＳＩ（大規模集積回路）やＦＰＤ（Flat Panel Device）が製造されている。プラズマを生成する方式には各種のものが知られているが、高周波放電を利用したプラズマ生成方式は、安定したプラズマが大面積で得られることから広く使われている。高周波放電を利用したプラズマ生成方式は、容量結合型と誘導結合型とに大別されるが、この出願の発明は、容量結合型のプラズマ生成方式に関係している。
【０００３】
米国特許第５２１０４６６号明細書は高い周波数（ＶＨＦ／ＵＨＦ帯）を利用するのに適した容量結合型のプラズマ処理装置を開示している。図７はこの従来のプラズマ処理装置の正面断面図である。真空容器１０は円筒状の側壁１２と天板１４と底板１６で構成されている。真空容器１０の内部の中央には円柱状のカソード電極１８があり、その周囲を絶縁体２０を挟んで環状導体２２が取り囲んでいる。そして、カソード電極１８と絶縁体２０と環状導体２２とで容器内伝送路２４を構成している。真空容器１０は排気装置３４で排気される。放電ガスはガス導入装置３０のガス吹き出し板３２を通して適切な流量で真空容器１０内に導入され、所定の圧力に保たれる。高周波電源２６からの高周波エネルギーをマッチング回路２８を介して上述の容器内伝送路２４に導くと、カソード電極１８とアノード電極（主としてガス吹き出し板３２）の間にプラズマが生成する。そして、エッチングの例で説明すると、プラズマ中のイオンがカソード電極１８上の基板３６に作用してエッチングが行われる。
【０００４】
図７のプラズマ処理装置は、上述のような伝送路構造を採用することで、５０〜８００ＭＨｚといった高い周波数でプラズマを発生させることを可能にしている。このように高い周波数を用いることにより、電極シース電圧を低くして基板への電気的ダメージを少なくし、しかも、商業的にも利用できるだけの十分な堆積速度またはエッチング速度を得ている。
【０００５】
図７に示す従来装置では、容器内伝送路２４は１本の同軸線であり、この同軸線は次のような考え方で設計されている。同軸線の特性インピーダンスをＺ₀、長さをＬ、位相定数をβとすると、プラズマを負荷インピーダンス（Ｚ_L）とする同軸線の、マッチング回路２８からみた入力インピーダンスＺ_inは次の（１）式で与えられる。
【０００６】
【数１】
Ｚ_in＝Ｚ₀[Ｚ_L＋jＺ₀tan(βＬ)]/[Ｚ₀＋jＺ_Ltan(βＬ)] …(1)
【０００７】
この式から明らかなように、Ｚ₀＝Ｚ_Lのとき、Ｌに無関係にＺ_in＝Ｚ₀となる。すなわち、プラズマインピーダンスＺ_Lに等しい特性インピーダンスＺ₀をもつ同軸線を設定することにより、マッチング回路２８から見た同軸線のインピーダンスは一定値（プラズマインピーダンスに等しい）になり、理想的な整合条件になる。しかし、実際にはプラズマインピーダンスはプラズマの状態によって変化して、ある幅をもつものであるから、同軸線の特性インピーダンスＺ₀はその変化幅のほぼ中央値に設定することになる。この場合、厳密にはＺ₀＝Ｚ_Lではなくなり、線路長Ｌの影響がでてきて、マッチング回路の整合条件を悪くする。この影響度を小さくするためには、線路長Ｌを４分の１波長より大幅に短くすることが必要になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示す従来装置では、容器内伝送路２４は、カソード電極１８を内側導体とし環状導体２２を外側導体とする同軸線である。基板３６はカソード電極１８の上に置く必要があるために、カソード電極１８の直径は基板の直径よりも必ず大きくなければならない。そして、このカソード電極１８の外側に環状導体２２があり、さらにその外側に側壁１２がある。このような装置構造では、基板が大型化すると真空容器の側壁１２の外形寸法は非常に大きくなり、装置重量が増加することになる。最近の技術動向として、ＬＳＩに使用されるウェーハの寸法を直径３００ｍｍへと大口径化することが要請されている。また、ＦＰＤの場合には、ガラス基板の寸法を５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、あるいは１メートル角級へと大型化することが要請されている。したがって、カソード電極１８の直径は大きくならざるを得ず、その結果、装置重量も増え、製造費用も高くなるという問題が生じる。
【０００９】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、基板の寸法が大きくなっても装置の重量があまり増加しないプラズマ処理装置を提供することにある。この発明の別の目的は、高周波エネルギーがプラズマに有効に結合して、しかも比較的小型で低コストのプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明のプラズマ処理装置は３０〜３００ＭＨｚ（ＶＨＦ帯）の高周波電力を利用するものであり、容器内伝送路の構造に特徴がある。この発明における容器内伝送路は、第１の同軸線と、第１の同軸線よりも径の小さい第２の同軸線と、第１の同軸線と第２の同軸線とをつなぐラジアル線とから構成されている。ここで、径の異なる二つの同軸線をつなぐ「ラジアル線」とは、高周波電力が軸方向ではなくて半径方向に伝搬する伝送路を意味する。
【００１１】
第１の同軸線の外側導体と第２の同軸線の外側導体はいずれも真空容器が兼用している。第１の同軸線の端面はプラズマ生成空間に面しており、第２の同軸線は前記マッチング回路に接続されている。高周波電源から出力された高周波電力は、マッチング回路、第２の同軸線、ラジアル線、第１の同軸線の順に伝搬して、プラズマに供給される。第１の同軸線のプラズマに面する端面（または対向電極のプラズマに面する端面）に被処理基板が置かれる。
【００１２】
容器内伝送路は各構成部分間でインピーダンス整合をとる必要がある。まず、基本的には、第１の同軸線の特性インピーダンスがプラズマインピーダンスにほぼ等しくなるように設計する。その上で、この発明では、ラジアル線の外端部における特性インピーダンスを第１の同軸線の特性インピーダンスの０．５〜２．０倍の範囲内に設定し、第２の同軸線の特性インピーダンスをラジアル線の内端部における特性インピーダンスの０．５〜２．０倍の範囲内に設定している。さらに、容器内伝送路を電磁波が通過するときの総位相変化量が０〜４０度の範囲内になるように伝送路を設計することが好ましい。
【００１３】
ラジアル線は、典型的には、互いに平行に対向する１対の中空円板状の導体面を備えた構造であるが、この発明では、ラジアル線のギャップ間隔を半径方向に変化させている。すなわち、ラジアル線を、中空円板状の第１の導体面と、この第１の導体面に対向していて切頭円錐面の形状をした第２の導体面とを備えた構造にして、ラジアル線の外側から内側に向かって第１の導体面と第２の導体面との間隔が広がっていくようにする。この場合に、ラジアル線の横断面形状において第１の導体面と第２の導体面とのなす角度は０度を超えて３０度以下の範囲内にするのが好ましい。このように内側におけるギャップ間隔を外側よりも広くすると、ラジアル線の内端部における特性インピーダンスが高くなって、第２の同軸線の特性インピーダンスも高くでき、径の小さい第２の同軸線の導体間ギャップを広くできる。
【００１４】
この発明では、一般的には、第１の同軸線と第２の同軸線は円筒状であり、ラジアル線は対向する中空円板の形状である。ただし、第１の同軸線と第２の同軸線の横断面形状を、円形以外の形状、例えば矩形、にすることもできる。
【００１５】
この発明は、２周波プラズマ処理装置にも適用できる。すなわち、対向電極の一方の電極にＭＨ帯（０．３〜３ＭＨｚ）からＨＦ帯（３〜３０ＭＨｚ）の範囲の高周波電力を供給し、他方の電極にＶＨＦ帯（３０〜３００ＭＨｚ）の高周波電力を供給する。そして、どちらの対向電極の容器内伝送路も、径の異なる同軸線をラジアル線でつないだ構造にする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の参考例の正面断面図である。真空容器４０は円筒状の第１側壁４２と円形の天板４４と円形の底板４６で構成されている。さらに、底板４６の中央では、第１側壁４２よりも大幅に径の小さい円筒状の第２側壁６８が下方に突き出している。天板４４にはガス導入装置４８が設けられていて、ガス吹き出し板５０から放電ガス５２が噴き出すようになっている。真空容器４０は排気装置６４で排気される。
【００１７】
真空容器４０の内部の中央にはカソード電極５４がある。カソード電極５４は、長さがＬ₁で直径がＤ₁の短い円柱状の大径部分５６と、長さがＬ₂で直径がＤ₂の細長い円柱状の小径部分５８とから構成されていて、これらが一体に形成されている。大径部分５６の上端面はプラズマ生成空間７６に面している。大径部分５６の上端面にはプラズマ処理すべき基板６６を載せることになる。小径部分５８の下端はマッチング回路６０を介して高周波電源６２に接続されている。小径部分５８の下方のかなりの部分は円筒状の第２側壁６８に取り囲まれている。
【００１８】
容器内伝送路は、径の異なる二つの同軸線とこれらをつなぐラジアル線とで構成されている。大径の第１の同軸線（以下、大径同軸線という）は、カソード電極５４の大径部分５６と真空容器４０の第１側壁４２とこれらの間の絶縁体７０とで形成されている。この大径同軸線の長さはＬ1である。絶縁体７０には排気用の貫通孔７１が形成されている。ラジアル線は、カソード電極５４の大径部分５６の下面と底板４６の上面と両者の間のギャップ７２（ギャップ間隔はｄ）とによって形成されている。このラジアル線は、中空円板が互いに対向した平行平板の形状をしている。このラジアル線の部分では、高周波エネルギーが半径方向に伝搬する。小径の第２の同軸線（以下、小径同軸線という。）は、カソード電極５４の小径部分５８と真空容器４０の第２側壁６８とこれらの間のギャップ７４とで形成されている。この第２同軸線の長さＬ₃は（Ｌ₂−ｄ）に等しい。なお、伝送路を設計する場合には、大径同軸線の長さとしてはＬ₁＋(ｄ/２)を、小径同軸線の長さとしてはＬ₃＋(ｄ/２)を、それぞれの実効長さとして使用するのが好ましい。
【００１９】
図１のプラズマ処理装置をエッチング装置として使う場合を例にして、このプラズマ装置の使用方法を説明する。カソード電極５４の大径部分５６の上端面に基板６６を載せる。真空容器４０を排気装置６４で排気する。放電ガス５２をガス導入装置４８のガス吹き出し板５０から導入して、その流量を適切に調整することにより、真空容器４０の内部を所定の圧力に保つ。高周波電源６２からマッチング回路６０を介してＶＨＦ帯（３０〜３００ＭＨｚ）の高周波エネルギーを容器内伝送路に供給する。これにより、カソード電極５４とアノード電極（主としてガス吹き出し板５０）の間の空間（プラズマ生成空間７６）に高周波電界が誘起され、プラズマが生成される。プラズマ中のイオンは基板６６に作用し、エッチングが行われる。
【００２０】
さて、図１に示した容器内伝送路は上述のように三つの伝送路で構成されているが、各伝送路をどのように設計すれば高周波エネルギーがプラズマに有効に結合するかが重要な問題である。そこで、この点を以下に詳しく説明する。
【００２１】
最初に、大径同軸線とその負荷とのインピーダンス整合条件について述べる。大径同軸線は、特性インピーダンスＺ₀₁、伝送長Ｌ₁、位相定数βを備えており、プラズマはこの大径同軸線の負荷Ｚ_L（プラズマインピーダンス）となっている。ゆえに、大径同軸線の入力インピーダンスＺ₁は次の（２）式で与えられる。
【００２２】
【数２】
Ｚ₁＝Ｚ₀₁[Ｚ_L＋jＺ₀₁tan(βＬ₁)]/[Ｚ₀₁＋jＺ_Ltan(βＬ₁)] …(2)
【００２３】
通常のエッチング条件では、伝送線から見たプラズマインピーダンスＺLは直列ＲＣ回路で表現され、そのときの抵抗Ｒはおよそ１〜３０Ω、容量Ｃは５０〜４００ｐＦの範囲内にある。大径同軸線の特性インピーダンスＺ₀₁は、この直列ＲＣ回路のインピーダンスにほぼ等しくなるように例えば１０Ωに設定される。
【００２４】
上述の（２）式から明らかなように、Ｚ₀₁＝Ｚ_Lのとき、Ｌ₁に無関係にＺ₁＝Ｚ₀₁となる。すなわち、プラズマインピーダンスＺ_Lに等しい特性インピーダンスＺ₀₁をもつ大径同軸線を設計することにより、ラジアル線から見た大径同軸線の入力インピーダンスＺ₁は、大径同軸線の特性インピーダンスＺ₀₁にほぼ等しくなる。ここで、大径同軸線の伝送長Ｌ₁は非常に短い値に設定されているから、必ずしもＺ₀₁＝Ｚ_Lの関係を満足しなくても、これに近い関係のときに、ほぼＺ₁＝Ｚ₀₁の関係が成立する。すなわち、Ｚ₀₁＝(０．５〜２．０)Ｚ_Lの関係にあればよく、好ましくはＺ₀₁＝(０．８〜１．２)Ｚ_Lとする。この条件であっても、ほぼＺ₁＝Ｚ₀₁の関係が成立する。すなわち、大径同軸線の入力インピーダンスがその特性インピーダンスに等しくなり（大径同軸線の長さに無関係に一定になり）、理想的な整合条件となる。
【００２５】
次に、ラジアル線とその負荷とのインピーダンス整合条件を検討する。大径同軸線の入力インピーダンスＺ₁はラジアル線の負荷となっており、ラジアル線の、小径同軸線から見た入力電磁界インピーダンスＺ_fiは次の（３）式で与えられる。ここで、式中のＺ_fL（ラジアル線の負荷）としては、大径同軸線の入力インピーダンスＺ₁を電磁界インピーダンスに変換したものを用いる（この点は後述する）。
【００２６】
【数３】
Ｚ_fi＝Ｚ_0i[Ｚ_fLcos(θ_i−ψ_L)＋jＺ_0Lsin(θ_i−θ_L)]/[Ｚ_0Lcos(ψ_i−θ_L)＋jＺ_fLsin(ψ_i−ψ_L)] …(3)
【００２７】
ここで、Ｚ_0i、Ｚ_0Lは、ラジアル線の入力位置、負荷位置における特性電磁界インピーダンス、θ_i、θ_Lは、ラジアル線の入力位置、負荷位置における軸方向電界の位相、ψ_i、ψ_Lは、ラジアル線の入力位置、負荷位置における周方向磁界の位相である。これらの特性電磁界インピーダンスや位相は、中空円板の形状をしたラジアル線の中心からの距離ｒに応じて変化する。その変化の様子を図２に示す。図２の横軸は規格化半径ｋｒである。ｋはラジアル線の径方向位相定数であり、ｋ＝(ω/ｃ)ε_r ^1/2である。ここで、ε_rはギャップ７２を構成する絶縁体の比誘電率であり、ギヤップ７２の材質は真空であるから、ε_r＝１．０とすることができる（すなわち、ｋ＝ω/ｃ）。
【００２８】
ところで、ラジアル線における電磁界インピーダンスＺ_fは、軸方向電界Ｅ_zと周方向磁界Ｈ_φの比として、Ｚ_f＝Ｅ_z/Ｈ_φで定義される。また、この電磁界インピーダンスＺ_fと、電圧と電流の比で定義される通常のインピーダンス（トータルインピーダンス）Ｚ_tとの間には、次の（４）式または（５）式の関係がある。
【００２９】
【数４】
ｒ_i＞ｒ_Lのとき
Ｚ_t＝[ｄ/(２πｒ)]Ｚ_f …(4)
ｒi＜ｒLのとき
Ｚ_t＝−[ｄ/(２πｒ)]Ｚ_f …(5)
ここで、ｒ_iはラジアル線の入力位置の半径、ｒ_Lはラジアル線の負荷位置の半径、ｄは図１に示すギャップ７２のギャップ間隔、ｒはラジアル線の中心からの距離である。
【００３０】
ラジアル線を設計する場合、ラジアル線の外端部における特性インピーダンスを大径同軸線の特性インピーダンスに等しく設定し、さらに、ラジアル線の内端部における特性インピーダンスを小径同軸線の特性インピーダンスに等しく設定する。これにより、ラジアル線と大径同軸線との接続部、および、ラジアル線と小径同軸線との接続部でインピーダンス整合をとるようにする。
【００３１】
この設計過程で、ラジアル線のギャップ間隔ｄを変化させて上述の計算を行い、プラズマ処理装置として最適なｄ値を決定する。ラジアル線の外端部における特性インピーダンスは大径同軸線の特性インピーダンスにほぼ等しいのが理想であるが、実用的には、他の設計要件も勘案して、ラジアル線の外端部における特性インピーダンスは大径同軸線の特性インピーダンスの０．５〜２．０倍（好ましくは０．８〜１．２倍）になるように設定する。同様に、ラジアル線の内端部における特性インピーダンスは小径同軸線の特性インピーダンスにほぼ等しいのが理想であるが、実用的には、他の設計要件も勘案して、ラジアル線の内端部における特性インピーダンスは小径同軸線の特性インピーダンスの０．５〜２．０倍（好ましくは０．８〜１．２倍）になるように設定する。
【００３２】
以上のような手法を用いることで、ラジアル線の外端部と内端部において大径同軸線及び内径同軸線とのインピーダンス整合がなされたが、これだけでは不十分な場合がある。その場合には、マッチング回路からプラズマに至る容器内伝送路（小径同軸線・ラジアル線・大径同軸線）を電磁波が通過するときの総位相変化量をできるだけ小さくして、インピーダンスの変成を少なくすることが効果的である。発明者の考えでは、この総位相変化量が０〜４０度の範囲内にあるように伝送長が設定されていれば、インピーダンスの変成は実用上問題にならないほど小さくなる。総位相変化量は次の（６）式で求めることができる。
【００３３】
【数５】
[総位相変化量]＝Ａ(大径同軸線の位相変化量)＋Ｂ(ラジアル線の位相変化量)＋Ｃ(小径同軸線の位相変化量) …(6)
ここで、
Ａ＝(ω/ｃ)ε_r ^1/2Ｌ₁(１８０/π) (度)
Ｂ＝図２のθのラジアル線内（内端部から外端部まで）の変化量 (度)
Ｃ＝(ω/ｃ)Ｌ₃(１８０/π) (度)
Ｌ₁、Ｌ₃は大径同軸線及び小径同軸線の長さ
ε_rは絶縁体の比誘電率
ωは角周波数
ｃは光速
【００３４】
小径同軸線の入力インピーダンスは、マッチング回路６０により通常の同軸ケーブルの特性インピーダンス５０Ωに変換されて、高周波電源側に接続される。
【００３５】
以上の設計によって、大径同軸線、ラジアル線、小径同軸線のインピーダンスはほぼ整合状態に保たれ、高周波エネルギーがプラズマに有効に結合する。
【００３６】
図３はこの発明の第２の参考例の正面断面図である。この第２の参考例は図１に示すプラズマ処理装置の問題点（プラズマ密度とイオンエネルギーを独立に制御することができない）を解決するものである。第２の参考例が第１の参考例と異なるところは上部電極にも高周波電力を印加する点にある。下部電極５４ａの基本的な構造は第１の参考例と同じなので（使用周波数が異なるので下部電極の寸法は第１の参考例とは異なるが）、その説明は省略する。
【００３７】
図３において、真空容器４０ａの内部には、下部電極５４ａに対向するように上部電極７８が配置されている。この上部電極７８は、下部電極５４ａと同様に、大径部分８０と細長い小径部分８２とから構成されていて、小径部分８２にマッチング回路８４を介して高周波電源８６が接続されている。そして、この上部電極７８の側でも、容器内伝送路が三つの部分から構成されている。すなわち、大径同軸線は大径部分８０と第１側壁４２とこれらの間の絶縁体８８とで形成され、ラジアル線は大径部分８０の上面と天板４４ａの下面と両者の間のギャップ９０とで形成され、小径同軸線は小径部分８２と第３側壁９２とこれらの間のギャップ９４とで形成されている。第３側壁９２は第１側壁４２よりも大幅に径の小さい円筒形状であり、天板４４ａの中央から上方に突き出している。
【００３８】
この上部電極７８側の容器内伝送路においても、上述の第１の参考例で説明したのと同じ手法を用いてインピーダンス整合を図っている。
【００３９】
上部電極７８の大径部分８０の内部は放電ガス５２の通路になっていて、放電ガス５２はガス吹き出し板９４から吹き出すようになっている。
【００４０】
このプラズマ処理装置で基板６６をエッチングする場合には、いわゆる２周波ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）方式の装置となる。この場合、第１の高周波電源６２から、バイアス用のＭＦ帯（０．３〜３ＭＨｚ）からＨＦ帯（３〜３０ＭＨｚ）のエネルギーが、マッチング回路６０を介して下部電極５４ａに加えられる。一方、第２の高周波電源８６からはプラズマ生成用のＶＨＦ帯（３０〜３００ＭＨｚ）のエネルギーがマッチング回路８４を介して上部電極７８に加えられる。これによって、上下の電極間に高周波電界が誘起され、ガスが電離して、プラズマ生成空間７６内にプラズマが生成される。プラズマ中のイオンのエネルギー（基板６６に対する加速エネルギー）は第１の高周波電源６２（バイアス側の電源）により制御され、プラズマ密度は第２の高周波電源８６により制御される。すなわち、イオンエネルギーとプラズマ密度を独立に制御できる。
【００４１】
図４はこの発明の実施形態の正面断面図である。この実施形態は、図１の参考例におけるラジアル線の構造を変更したものである。すなわち、図４において、底板４６ａの上面が切頭円錐面となるように傾斜しており、この点が図１の参考例とは異なっている。それ以外の構造は図１の参考例と同じである。
【００４２】
図４において、底板４６ａの上面９６は下に凸の切頭円錐面であり、その横断面形状は、中心に向かって下方に傾斜した直線になっている。その傾斜角はカソード電極５４の大径部分５６の底面（水平面）に対して０度を超えて３０度以下の範囲内である。このような構造により、カソード電極５４の大径部分５６の下面と底板４６ａの上面９６とで形成されるラジアル線は、中心にいくほどギャップ間隔が広くなっている。すなわち、このラジアル線は内側にいくほどインピーダンスの値が高くなる。ゆえに、このラジアル線の内端部でインピーダンス整合させるべき小径同軸線の特性インピーダンスの値も高くできる。小径同軸線の特性インピーダンスの値を高くできれば、小径部分５８と第２側壁６８との間のギャップ７４を広くできて、同軸線の耐電力性が向上すると共に、５０Ωの特性インピーダンスをもつ電源側ケーブルとの整合もとり易くなる。
【００４３】
以上、この発明のプラズマ処理装置を主としてエッチング装置の例で説明してきたが、その電極構造を同じにしたままでプラズマＣＶＤ装置にも適用できる。
【００４４】
また、この発明は、基板として、概略円形のウェーハだけでなく、５５０ｍｍ×６５０ｍｍのような矩形の基板（ＦＰＤの基板）を使うこともできる。なお、矩形基板に対してカソード電極や真空容器の横断面もほぼ矩形にする場合は、矩形を、これと面積の等しい円形に置き換えてから、上述の各種の計算式を適用すればよい。
【００４５】
次に、インピーダンスの決定方法について説明する。この発明では、容器内伝送路を３要素（大径同軸線とラジアル線と小径同軸線）で構成しているが、これらの要素間でインピーダンス整合を図ることが重要である。そこで、各要素の特性インピーダンスの算出方法について、以下に説明する。
【００４６】
同軸線の特性インピーダンスは次のようにして算出する。図５（Ａ）において、円柱状の内側導体９８の外周面の半径をａ、中空円筒状の外側導体１００の内周面の半径をｂ、両者の間の誘電体の比誘電率をε_rとすると、内側導体９８と外側導体１００からなる同軸線の特性インピーダンスＺ₀は次の（７）式で求めることができる。
【００４７】
【数６】
Ｚ₀＝(６０/ε_r ^1/2)ln(ｂ/ａ) …(7)
【００４８】
上述の（７）式において、比誘電率ε_rは誘電体の材質によって決まり周波数にはほとんど依存しないので、同軸線の特性インピーダンスは周波数に依存しない。
【００４９】
同軸線の位相定数βは次の（８）式で求めることができる。
【００５０】
【数７】
β＝(２πｆ/ｃ)ε_r ^1/2 …(8)
【００５１】
ラジアル線の特性インピーダンスは次のようにして算出する。図５（Ｂ）において、平行平板間のギャップ間隔をｄ、誘電体の比誘電率をε_rとすると、任意の半径ｒにおける特性電磁界インピーダンスはＺ_fは、軸方向電界Ｅ_zと周方向磁界Ｈ_φの比で定義され、次の（９）式で求めることができる。
【００５２】
【数８】
Ｚ_f(ｋｒ)＝Ｅ_z/Ｈ_φ ＝(３７７/ε_r ^1/2)[Ｇ₀(ｋｒ)]/[Ｇ₁(ｋｒ)] …(9)
ここで、Ｇ₀(ｘ)＝[Ｊ₀ ²(ｘ)＋Ｎ₀ ²(ｘ)]^1/2
Ｇ₁(ｘ)＝[Ｊ₁ ²(ｘ)＋Ｎ₁ ²(ｘ)]^1/2
Ｊ₀(ｘ)、Ｊ₁(ｘ)は第１種のベッセル関数
Ｎ₀(ｘ)、Ｎ₁(ｘ)は第２種のベッセル関数
ｋ＝(ω/ｃ)ε_r ^1/2＝(２πｆ/ｃ)ε_r ^1/2
【００５３】
電磁界インピーダンスＺ_fと通常のインピーダンスＺ_tとの換算は上述の（４）式を使えばよい。上述の（９）式から分かるように、径方向位相定数ｋが周波数ｆに依存するので、ラジアル線の特性電磁界インピーダンスは半径及び周波数に依存する。
【００５４】
【実施例】
次に、図１のプラズマ処理装置の設計例を図６を参照して説明する。６０ＭＨｚのＶＨＦ帯の高周波を使用して８インチウェーハを処理するプラズマ処理装置を設計する場合を例にとって説明する。カソード電極５４の小径部分５８の外周面の半径をｒ₁、第２側壁６８の内周面の半径をｒ₂、カソード電極５４の大径部分５６の外周面の半径をｒ₃、第１側壁４２の内周面の半径をｒ₄とする。絶縁体７０には石英（比誘電率ε_r＝３.７８）を使うことにする。
【００５５】
まず、カソード電極５４の大径部分５６（ウェーハを載せる部分）の直径を２８０ｍｍとし（ｒ₃＝１４０ｍｍ）、大径部分５６の長さＬ₁を６０ｍｍ、小径部分５８の第２側壁６８に囲まれた部分の長さＬ₃を５０ｍｍと仮定する。
【００５６】
最初に、大径同軸線の特性インピーダンスＺ₀₁を決定することで、第１側壁４２の内周面の半径ｒ₄を求めることにする。周波数が６０ＭＨｚのときのプラズマのインピーダンスは約１０Ωである。これが大径同軸線の負荷となる。理想的には大径同軸線の特性インピーダンスＺ₀₁を負荷インピーダンスＺ_L（１０Ω）に等しくすべきであるが、ここでは、Ｚ₀₁＝８Ω（Ｚ_Lの０.８倍）になるように設計してみる。大径同軸線の特性インピーダンスＺ₀₁は、上述の（７）式で計算できる。この（７）式に、Ｚ₀₁＝８Ω、比誘電率ε_r＝３.７８、ａ＝ｒ₃＝１４０ｍｍを代入すると、ｂ＝ｒ₄＝１８０ｍｍが得られる。これにより、絶縁体７０の半径方向の厚さ（ｒ₄−ｒ₃）が４０ｍｍとなる。これは、大径同軸線のギャップ間隔Ｇ₁に等しい。
【００５７】
次に、大径同軸線の入力インピーダンスＺ₁（ラジアル線から見たインピーダンス）を計算する。大径同軸線の入力インピーダンスＺ₁は上述の（２）式で計算できる。この（２）式に、Ｚ_L＝１０Ω、Ｚ₀₁＝８Ω、β₁＝２.４４rad/ｍ（β₁は上述の（８）式で計算できる）を代入し、Ｌ₁としては、大径同軸線の長さＬ₁（６０ｍｍ）にギャップ間隔ｄの半分（２５ｍｍ）を加えたもの（８５ｍｍ）を実効長さとして代入する。その結果、Ｚ₁＝９.８１Ω＝約１０Ωが得られる。これがラジアル線の負荷となる。
【００５８】
次に、ラジアル線については、ラジアル線の外端部における特性インピーダンスが大径同軸線の特性インピーダンス（８Ω）に等しくなるように設計する。ラジアル線の負荷端（外端部）の半径ｒ_Lは、ｒ_L＝(ｒ₃＋ｒ₄)/２＝１６０ｍｍである。これに径方向位相定数ｋを掛けて規格化半径に変換するとｋｒ_L＝０．２００radとなる。この値を図２のグラフの横軸に当てはめると、Ｚ_0L＝１６５Ω、θ_L＝−４７度、ψ_L＝１.７度が得られる。このように、ラジアル線の外端部における特性電磁界インピーダンスＺ_0Lが１６５Ωと得られたので、これを通常の特性インピーダンスＺ_0otに変換する。すなわち、上述の（４）式を使って、Ｚ_0ot＝[ｄ/(２πｒ_L)]Ｚ_0Lとなる。そして、この特性インピーダンスを大径同軸線の特性インピーダンス（８Ω）に等しいとおくと、Ｚ_0ot＝[ｄ/(２πｒ_L)]Ｚ_0L＝[ｄ/(２π×１６０)]×１６５＝８となる。これをギャップｄについて解くと、ｄ＝４９ｍｍが得られる。そこで、ギャップ長ｄの設計値を５０ｍｍと設定することにする。
【００５９】
一方、ラジアル線の入力端（内端部）の半径ｒ_i＝(ｒ₁＋ｒ₂)/２については、ｒ₁とｒ₂が未定であるが、ここでは、ｒ₁とｒ₂を未定のままにして、その平均値ｒ_iだけをｒ_i＝２２.５ｍｍと仮定する。これに径方向位相定数ｋを掛けて規格化半径に変換すると、ｋｒ_i＝０.０２８radとなる。この値を図２のグラフの横軸に当てはめると、Ｚ_0i＝４５Ω、θ_i＝−６８度、ψ_i＝０.０度が得られる。このように、ラジアル線の内端部における特性電磁界インピーダンスＺ_0iが４５Ωと得られたので、これを通常の特性インピーダンスＺ_0itに変換する。すなわち、上述の（４）式を使って、Ｚ_0it＝[ｄ/(２πｒ_i)]Ｚ_0i＝[５０/(２π×２２．５)]×４５＝１６Ωとなる。
【００６０】
次に、小径同軸線の特性インピーダンスＺ₀₂を決定することになるが、これは、基本的には、ラジアル線の内端部における特性インピーダンスＺ_0itに等しくなるように決定する。ただし、ここでは他の設計要件も勘案して、Ｚ_0it（１６Ω）の１．５倍（すなわち２４Ω）になるように設計する。同軸線の特性インピーダンスに関する上述の（７）式を用いて、Ｚ₀₂＝２４＝(６０/ε_r ^1/2)ln(ｒ₂/ｒ₁)となり、同軸線のギャップ（空気）の比誘電率ε_rを１とおいて、ｒ₂/ｒ₁＝１．４７が得られる。この関係と、上述のｒ_i＝(ｒ₁＋ｒ₂)/２＝２２.５ｍｍとを連立して解くことにより、ｒ₁＝１８.２ｍｍ、ｒ₂＝２６.８ｍｍが得られる。したがって、小径同軸線のギャップ間隔Ｇ₂はＧ₂＝(ｒ₂−ｒ₁)＝８.６ｍｍになる。
【００６１】
次に、容器内伝送路の総位相変化量を求める。大径同軸線の位相変化量ＡはＡ＝β₁(Ｌ₁＋ｄ/２)(１８０/π)＝１１.９度である。ラジアル線の位相変化量ＢはＢ＝Δθ＝(θ_L−θ_i)＝２１度である。小径同軸線の位相変化量ＣはＣ＝β₂(Ｌ₃＋ｄ/２)(１８０/π)＝５.４度である。したがって、総位相変化量はこれらの合計で３８.３度となる。このように、総位相変化量が０〜４０度の範囲内に収まったので、インピーダンスの変成は実用上問題にならない。
【００６２】
以上の設計結果をまとめると次の表１と表２のようになる。表１は主として物理的な寸法を一覧表にしたものである。表２は主としてインピーダンスや位相の数値を一覧表にしたものである。
【００６３】
【表１】
カソード電極５４の大径部分５６の直径 ２ｒ₃＝２８０ｍｍ
カソード電極５４の大径部分５６の長さ Ｌ₁＝６０ｍｍ
大径同軸線の実効長さ Ｌ₁＋ｄ/２＝８５ｍｍ
絶縁体７０の材質 石英
絶縁体７０の比誘電率 ε_r＝３．７８
大径同軸線のギャップ間隔 Ｇ₁＝４０ｍｍ
ラジアル線のギャップ間隔 ｄ＝５０ｍｍ
カソード電極５４の小径部分５８の直径 ２ｒ₁＝３６．４ｍｍ
カソード電極５４の小径部分５８の長さ Ｌ₂＝１００ｍｍ
小径同軸線の長さ Ｌ₃＝５０ｍｍ
小径同軸線の実効長さ Ｌ₃＋ｄ/２＝７５ｍｍ
小径同軸線のギャップ間隔 Ｇ₂＝８．６ｍｍ
【００６４】
【表２】
プラズマインピーダンス Ｚ_L＝約１０Ω
大径同軸線の特性インピーダンス Ｚ₀₁＝８Ω
大径同軸線の入力インピーダンス Ｚ₁＝約１０Ω
大径同軸線の位相定数 β₁＝２．４４rad/ｍ
ラジアル線の入力位置（内端）での
特性電磁界インピーダンス Ｚ_0i＝４５Ω
ラジアル線の負荷位置（外端）での
特性電磁界インピーダンス Ｚ_0L＝１６５Ω
ラジアル線の入力位置（内端）での
軸方向電界の位相 θ_i＝−６８度
ラジアル線の負荷位置（外端）での
軸方向電界の位相 θ_L＝−４７度
ラジアル線の入力位置（内端）での
周方向磁界の位相 ψ_i＝０度
ラジアル線の負荷位置（外端）での
周方向磁界の位相 ψ_L＝１．７度
ラジアル線の径方向位相定数 ｋ＝１．２６rad/ｍ
小径同軸線の特性インピーダンス Ｚ₀₂＝２４Ω
小径同軸線の位相定数 β₂＝１．２６rad/ｍ
総位相変化量 ３８.３度
【００６５】
【発明の効果】
この発明のプラズマ処理装置は、３０〜３００ＭＨｚの高周波電力を利用する場合に、容器内伝送路の構造を、径の異なる二つの同軸線をラジアル線でつないだ構造にしたので、１本の同軸線で容器内伝送路を構成する従来技術と比べて、装置の外形寸法が小さくなり、装置の重量が軽くなる。また、このような伝送路構造を採用した場合に、ラジアル線の外端部における特性インピーダンスを第１の同軸線の特性インピーダンスの０．５〜２．０倍の範囲内にし、第２の同軸線の特性インピーダンスをラジアル線の内端部における特性インピーダンスの０．５〜２．０倍の範囲内にすることで、実用的に問題のない程度にインピーダンス整合をとることができる。そして、ラジアル線の外側から内側に向かって第１の導体面と第２の導体面との間隔が広がっていくので、ラジアル線の内端部における特性インピーダンスが高くなって、第２の同軸線の特性インピーダンスも高くでき、径の小さい第２の同軸線の導体間ギャップを広くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の参考例の正面断面図である。
【図２】 ラジアル線の特性インピーダンス及び位相と規格化半径との関係を示したグラフである。
【図３】 この発明の第２の参考例の正面断面図である。
【図４】 この発明の実施形態の正面断面図である。
【図５】 特性インピーダンスの計算方法を説明する説明図である。
【図６】 図１のプラズマ処理装置の設計例を説明するための正面断面図である。
【図７】 従来のプラズマ処理装置の正面断面図である。
【符号の説明】
４０ 真空容器
４２ 第１側壁
４４ 天板
４６ 底板
４８ ガス導入装置
５０ ガス吹き出し板
５２ 放電ガス
５４ カソード電極
５６ 大径部分
５８ 小径部分
６０ マッチング回路
６２ 高周波電源
６６ 基板
６８ 第２側壁
７０ 絶縁体
７２ ラジアル線のギャップ
７４ 小径同軸線のギャップ
７６ プラズマ生成空間

Claims (5)

1. 次の（イ）〜（ヘ）を備え、（ト）〜（ヌ）の特徴を有するプラズマ処理装置。
   （イ）真空容器。
   （ロ）真空容器を排気できる排気装置。
   （ハ）真空容器に放電ガスを導入するガス導入装置。
   （ニ）３０〜３００ＭＨｚの範囲内の高周波電力を供給する高周波電源。
   （ホ）真空容器の内部に前記高周波電力を伝送する容器内伝送路。
   （ヘ）高周波電源と容器内伝送路との間に設けられたマッチング回路。
   （ト）前記容器内伝送路は、第１の同軸線と、第１の同軸線よりも径の小さい第２の同軸線と、第１の同軸線と第２の同軸線とをつなぐラジアル線とから構成されている。
   （チ）第１の同軸線の外側導体と第２の同軸線の外側導体はいずれも真空容器が兼用している。
   （リ）第１の同軸線の端面はプラズマ生成空間に面しており、第２の同軸線は前記マッチング回路に接続されている。
   （ヌ）前記ラジアル線は、中空円板状の第１の導体面と、この第１の導体面に対向していて切頭円錐面の形状をした第２の導体面とを備えていて、ラジアル線の外側から内側に向かって第１の導体面と第２の導体面との間隔が広がっていく。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、ラジアル線の外端部における特性インピーダンスは第１の同軸線の特性インピーダンスの０．５〜２．０倍の範囲内であり、第２の同軸線の特性インピーダンスはラジアル線の内端部における特性インピーダンスの０．５〜２．０倍の範囲内であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、ラジアル線の外端部における特性インピーダンスは第１の同軸線の特性インピーダンスの０．８〜１．２倍の範囲内であり、第２の同軸線の特性インピーダンスはラジアル線の内端部における特性インピーダンスの０．８〜１．２倍の範囲内であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項２または３に記載のプラズマ処理装置において、容器内伝送路を電磁波が通過するときの総位相変化量が０〜４０度の範囲内にあることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、ラジアル線の横断面形状において第１の導体面と第２の導体面とのなす角度が０度を超えて３０度以下の範囲内であることを特徴とするプラズマ処理装置。

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