JP4967107B2 - マイクロ波導入器、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波導入器、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマ発生室の内部に高い効率でマイクロ波を導入可能なマイクロ波導入器、およびこれを備えたプラズマ発生装置、エッチング装置などのプラズマ処理装置に関する。

プラズマを利用したドライプロセスは、半導体製造装置、金属部品の表面硬化、プラスチック部品の表面活性化、無薬剤殺菌など、幅広い技術分野において活用されている。例えば、半導体や液晶ディスプレイなどの製造に際しては、アッシング、ドライエッチング、薄膜堆積あるいは表面改質などの各種のプラズマ処理が用いられている。プラズマを利用したドライプロセスは、低コストで、高速であり、薬剤を用いないために環境汚染を低減できる点でも有利である。

このようなプラズマ処理を行う装置の代表的なものして、周波数が１００メガヘルツ〜数１０ギガヘルツのマイクロ波によりプラズマを励起する「マイクロ波励起型」のプラズマ処理装置がある。マイクロ波励起型のプラズマ源は、高周波プラズマ源などに比べてプラズマ電位が低いので、ダメージ無しのレジスト・アッシング（resist ashing）や、バイアス電圧を印加した異方性エッチングなどに広く使われる。

マイクロ波励起型のプラズマ処理装置においては、マイクロ波を真空チャンバ内に導入する必要がある。また、処理すべき半導体ウェーハや液晶ディスプレイ用ガラス基板は年々大型化が進められているため、大面積にわたって密度が高くかつ均一なプラズマを発生する装置が必要とされている。そのため、密度が高くかつ均一なプラズマを発生させるマイクロ波導入手段として、内導体と外導体からなる導波体を真空チャンバ内のプラズマを生成する空間に突出させる技術が提案されている。（例えば、特許文献１または２）
図１１は、特許文献１または２に開示されているような導波体を備えたプラズマ処理装置の概念図である。
図１１に表したプラズマ処理装置７は、減圧状態を保持できるチャンバ３を備えている。チャンバ３の天井部分には、図示しないガス導入手段より処理ガスＧを導入するためのガス導入口５が設けられ、底部にはチャンバ内を排気するための排気口６が設けられている。チャンバ７の天井部分には、外導体１ａと内導体１ｂからなる同軸構造の導波体１がプラズマ生成室８に突出するように気密に取り付けられている。チャンバ内の処理室９には、被処理物Ｗを載置するためのステージ４が設けられている。プラズマ発生室８付近のチャンバ３外壁面には磁場を発生させるためのコイル２が取り付けられている。

次に、このプラズマ処理装置７の動作について説明する。
最初に、排気口６に接続されている図示しない排気手段（例えば、真空ポンプ）により、チャンバ３内が所定の圧力になるまで減圧される。次に、ガス導入口５から処理ガスＧ（例えば、酸素、フッ素含有ガスなど）がチャンバ内のプラズマ生成室８に向けて導入される。マイクロ波発生手段（図示しない）により発生させたマイクロ波Ｍは、導波管（図示しない）により導波体部分に導かれる。導波体部分に導かれたマイクロ波Ｍは、内導体１ｂを通り外導体１ａに放射されてからチャンバ内のプラズマ生成室８に導入される。このようにして導入されたマイクロ波Ｍによりプラズマ生成室８にプラズマが発生するが、プラズマが一度発生した後のマイクロ波Ｍは外導体１ａとプラズマの境界を表面波となって伝搬し、プラズマに吸収されるようになる。ここで、コイル２により発生した磁場により、プラズマは所定の場所に閉じこめられる。

このようにして発生したプラズマによって、プラズマ生成室内の処理ガスＧが分解あるいは活性化され、ラジカルなどの活性種や分解種が生成される。そして、この発生した活性種や分解種により、ステージ４に載置されている被処理物Ｗに各種の処理が施される。

一方、特許文献３には、誘電体窓の内側（プラズマ側）に突条の凹凸部を設けることにより、大面積に亘って均一なプラズマを生成可能としたプラズマ発生装置が開示されている。このプラズマ発生装置では、マイクロ波は断面が矩形状の導波空間を有する導波管内を伝搬した後、スロットアンテナを介して誘電体透過窓に入射する。誘電体透過窓には、そのプラズマ側に、断面が矩形状の凹凸部が設けられている。凹凸部を設けない場合、スロットアンテナから放射されたマイクロ波は、スロットアンテナの近傍に局在化する傾向がある。これに対して、凹凸部を設けることにより、マイクロ波の表面波は、その凹凸部に沿って伝搬し、透過窓の全面に亘って均一なプラズマを生成する。
特開平１１−１０２７９９号公報 特開平１１−２１４１９６号公報 特開２００３−１４２４５７号公報

ところで、プラズマ発生装置においては、プラズマの均一性を上げるとともに、プラズマの生成効率を上げることが極めて重要である。プラズマの生成効率を上げるためには、プラズマがマイクロ波を吸収する際の吸収率を高くしなければならない。しかしながら、特許文献１または２に開示されているような同軸構造の導入器では、低圧で高密度のプラズマの場合に表面波空間減衰係数が低くなるため減衰長が長くなる傾向があり、マイクロ波吸収率を高く維持するためには一定以上の長さ（例えば、１０〜１５ｃｍ以上）がどうしても必要となっていた。また、導入器の長さを抑えた上でマイクロ波吸収率を高めるには、マイクロ波が低密度のプラズマから高密度のプラズマまで吸収されやすいようにする必要があるが、そのためには発生するプラズマにマイクロ波が透過しやすくする必要がある。マイクロ波を透過しやすくするためには、特許文献１または２に記載されているプラズマを所定の場所に閉じこめるためのものよりも強力な磁場を発生するコイルや磁石が必要となり、装置サイズが過大かつ不経済となっていた。

一方、特許文献３に開示された技術は、凹凸部の寸法を一定にする構造を前提としている。しかし、後に詳述するように、凹凸部の寸法を一定とした場合には、導波体の実効的な誘電率は、マイクロ波吸収率を最大とする値には必ずしもならない。

本発明は以上の事情に鑑みなされたものである。すなわち、本発明は、プラズマ密度の影響を抑えかつ導入器の長さを短くしてもマイクロ波吸収率（パワー吸収率）が低下しないマイクロ波導入器、これを備えたプラズマ発生装置及びこれを備えたプラズマ処理装置を提供する。

本発明の一態様によれば、プラズマを生成する空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、前記チャンバの壁面から前記プラズマを生成する空間に向けて突出する導波体を備え、前記導波体は、導電体からなり一方向に延在する内導体と、誘電体からなり前記内導体を被覆する外導体と、を有し、ＴＥＭモードのマイクロ波を前記チャンバの前記プラズマを生成する空間に導入し、前記外導体の表面には、凹凸部が形成され、前記凹凸部は、実効的な誘電率が前記プラズマに向けて連続的に低下する領域を形成する複数の突条体を有し、前記領域は、誘電体部分が占める比率が前記プラズマに向けて連続的に低下してなる領域であることを特徴とするマイクロ波導入器が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、
チャンバと、
前記チャンバに取り付けられた上記のマイクロ波導入器と、
を備え、
前記導波体を介して導入されるマイクロ波により前記プラズマを生成する空間においてプラズマを生成可能としたことを特徴とするプラズマ発生装置が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、
上記のプラズマ発生装置を備え、
前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

以上詳述したように、本発明によれば、プラズマ密度の影響を抑えかつ導入器の長さを短くしてもマイクロ波吸収率（パワー吸収率）が低下しないマイクロ波導入器、これを備えたプラズマ発生装置及びこれを備えたプラズマ処理装置を提供することができ、産業上のメリットは多大である。

以下、本発明の実施の形態について、具体例を参照しつつ詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の具体例にかかるマイクロ波導入器の要部基本構成を表す模式断面図である。また、図１（ｂ）は、その一部拡大断面図である。

本具体例は、減圧プラズマ発生装置に用いることができるマイクロ波導入器である。このマイクロ波導入器は、外導体１００ａと内導体１００ｂからなる略円柱状の導波体１００を有する。外導体１００ａは誘電体からなり、例えば石英、アルミナ、サファイヤ、窒化アルミなどにより構成される。ただし、外導体１００ａの材料はこれらに限定されるものではなく、化学的に安定で耐熱性、耐食性に優れた絶縁材料であればよい。
一方、内導体１００ｂは、金属からなる。

導波体１００は、プラズマを発生させるためのチャンバ３００の壁面からチャンバ３００の内側（同図の右側）の減圧空間に向けて突出するように取り付けられる。この導波体１００には、チャンバ３００の外側から、導波管２００を介してマイクロ波Ｍが導入される。図１に表した具体例の場合、導波体１００は略円柱状であるが、これに限定されるものではなく、任意の断面形状のものであってもよい。例えば、図１（ａ）の紙面に対して垂直方向に切断した断面の形状が、三角形、四角形、多角形、楕円形、外形線が任意の直線や曲線で構成されたものなどであってもよい。

チャンバ３００の内部（同図の右側）の減圧状態を維持するために、導波体１００の根元には導波体１００よりも外径の大きい導波体根１１０が設けられ、Ｏリング３２０により気密を確保している。ただし、この導波体根１１０やＯリング３２０は本発明において必須ではなく、他の方法により気密を確保してもよい。

そして、外導体１００ａの表面には、導波体１００の実効的な誘電率を決定するための凹凸部１２０が形成されている。図１に表した具体例の場合、凹凸部は断面が矩形の突条体である。

チャンバ３００の内部では、例えば、そのガス流や圧力の分布、あるいは内部構造物の配置関係などにより、プラズマの点火条件や維持条件は必ずしも同一ではない場合も多い。これに対して、本具体例のマイクロ波導入器の外導体１００ａの表面には導波体１００の実効的な誘電率を決定するための凹凸部１２０が形成されている。このような凹凸部１２０を設けることにより、本具体例のマイクロ波導入器においては高いマイクロ波吸収率（パワー吸収率）が得られる。その結果として、プラズマを確実に点火させることができ、かつ安定的に維持させることができる。

また、本具体例のマイクロ波導入器においては、導波体１００の中心軸Ｃ１と、導波管２００の中心軸Ｃ２とがほぼ一致している。さらに、導波体１００の断面寸法は、導波管２００の内径に近いサイズにされている。このようにすると、導波管２００を伝搬したマイクロ波Ｍが導波体１００に入力される時の反射波の発生を抑制できる。その結果として、マイクロ波Ｍの損失を抑制し、高い効率でプラズマを生成できる。

マイクロ波導入器の動作について説明する。
図１（ａ）において、マイクロ波発生手段（図示しない）により発生させたマイクロ波Ｍは、導波管２００により導波体部分に導かれる。導波体部分に導かれたマイクロ波Ｍは、内導体１００ｂを通り外導体１００ａに放射されてから導波体１００の外部に放出される。そして、この放出されたマイクロ波によりプラズマが生成される。

次に外導体１００ａの表面に形成された凹凸部１２０の作用について説明する。
マイクロ波Ｍによりプラズマを生成させる場合、マイクロ波Ｍの持つパワーを有効にプラズマに吸収させる必要がある。マイクロ波吸収率（パワー吸収率）は、表面波空間減衰係数αに比例する。表面波空間減衰係数αは、次式に表すように時間減衰係数γに比例し、群速度νｇに反比例する。

α＝γ／νｇ （１）

時間減衰係数γは、主に電子・原子衝突周波数で決まるため処理ガスの圧力やその成分の影響を強く受けるが、これらは半導体ウェーハなどの製造過程におけるそれぞれのプロセス条件に応じて決定される。そのため、所定のプロセス条件の中でマイクロ波吸収率（パワー吸収率）のみを上げることを目的として、処理ガスの圧力やその成分を変えることはできない。つまり、時間減衰係数γを変えることにより表面波空間減衰係数α、ひいてはマイクロ波吸収率（パワー吸収率）を最適化することは困難である。

また、群速度νｇは、マイクロ波周波数、プラズマ密度、誘電体（導波体）の誘電率で決められる。ここで、マイクロ波周波数は、経済性などを考慮するとほぼ工業用周波数（例えば、２．４５ギガヘルツ）に固定されてしまう。また、プラズマ密度も半導体ウェーハなどの製造過程におけるそれぞれのプロセス条件でほぼ決まってしまい、マイクロ波吸収率（パワー吸収率）のみを上げることを目的として自由に変えることはできない。誘電体の材質も、経済性や耐化学反応性を考慮すると石英やアルミナのような一定の材料に限られ、その誘電率もほぼ一定の範囲に固定されてしまう。そのため、従来は群速度νｇを変えることにより、表面波空間減衰係数α、ひいてはマイクロ波吸収率（パワー吸収率）を変えることも困難であった。

本発明においては、表面波が伝搬する外導体１００ａの表面部分に、凹凸部１２０が形成されている。こうすると、後述するように、凹凸部の充填率（誘電体部分が占める比率）を変えることで導波体１００の表面部分の実効的な誘電率を変えることができる。その結果、所定のプロセス条件にあわせマイクロ波吸収率（パワー吸収率）が最大となるよう最適な群速度νｇを持つ導波体１００を得ることができる。また、導波体の長さを短くすると低下するマイクロ波吸収率（パワー吸収率）を引き上げることができるため、導波体の長さをより短くすることができる。なお、これは、導波体１００の凸部に沿って表面波が伝搬する場合である。

また、本実施形態においては、マイクロ波Ｍの導入モードをカットオフ（cut off）のないＴＥＭ（Transverse ElectroMagnetic wave）モードにするとよい。カットオフがないと、導波体１００の断面サイズに条件がなくなり、温度の上昇や構造的な強度などに対処した範囲において、許されるかぎりの最小のサイズにすることが可能となる。

以下、まず本発明の第１の具体例として、凹凸部１２０の断面が矩形の場合の実効的な誘電率について説明する。図１（ｂ）は、凹凸部１２０を拡大して表した模式断面図である。
外導体１００ａを構成する誘電体の誘電率をεｄとした場合、凹凸部１２０における実効的な（effective）誘電率ε_ｅｆｆは、次式により表され、誘電体の誘電率ε_ｄとプラズマの誘電率εｐとの中間的な値となる。

ε_ｅｆｆ＝Ｆ・ε_ｄ＋（１−Ｆ）・ε_ｐ （２）
Ｆ＝Ｓ２／ρ

ここで、Ｆ＝Ｓ２／ρ は、前述の充填率（filling factor）である。充填率Ｆを変えることにより、凹凸部１２０の実効的な誘電率ε_ｅｆｆを変えることができる。充填率Ｆはプロセス条件を考慮の上、凹凸部の深さや幅などを変えることにより適宜決定する。

図２（ａ）は、凹凸部１２０が矩形断面の場合の実効的な誘電率の分布を示す概念図である。矩形断面の場合、凹凸部１２０の部分における実効的な誘電率ε_ｅｆｆは（２）式により表した如くであり、充填率Ｆの値に応じて、導波体１００を構成する誘電体の誘電率ε_ｐとプラズマの誘電率ε_ｐとの間の値を有する。

凹凸部１２０の断面形状を、図１（ｂ）に表したように矩形断面とした場合の実効的な誘電率ε_ｅｆｆについて、具体例を用いて説明する。前述のように、一般的には誘電体の材質は限られるため、誘電体の誘電率εｄは４〜１０の間の値となる（例えば、石英は３．８であり、アルミナは８．５である）。そして、これに対してプラズマの誘電率ε_ｐも−４〜−１０となるのが一般的である。このような場合、実効的な誘電率ε_ｅｆｆをどのように選ぶかが問題となるが、本発明者の研究の結果、誘電体の誘電率ε_ｄとプラズマの誘電率ε_ｐの値の間の値で、かつ、誘電体の誘電率ε_ｄまたはプラズマの誘電率ε_ｐのどちらかの値と絶対値を同じにし、符号を逆にした値に実効的な誘電率ε_ｅｆｆを選べば良いことがわかった。

例えば、誘電体が石英でε_ｄ＝３．８、プラズマの誘電率ε_ｐが−１０の場合はε_ｅｆｆ＝−３．８とすればよく、また、誘電体がアルミナでε_ｄ＝８．５、プラズマの誘電率ε_ｐが−５の場合であればε_ｅｆｆ＝５となるようにすればよい。これは、実効的な誘電率ε_ｅｆｆをこのような値に選べば、導波体の表面で表面波共振が起こり群速度νｇが０に近づくため、表面波空間減衰係数αが大きくなるからであると考えられる。

第２の具体例として、凹凸部１２０の充填率をその高さ方向に対して略連続的に変化させることにより、実効的な誘電率ε_ｅｆｆを略連続的に変化させる場合を説明する。
すなわち、外導体１００ａの表面（プラズマ側）付近に、複数の突起などからなり充填率をその高さ方向に対して略連続的に変化させる遷移領域を設けることにより、図２（ｂ）及び（ｃ）に例示した如く実効的な誘電率ε_ｅｆｆを略連続的に変化させることができる。

例えば、図２（ｂ）に表した具体例の場合、遷移領域の誘電率ε_ｅｆｆを誘電率ε_ｄからε_ｐに至るまでの範囲に亘り、連続的に変化させることができる。
また、図２（ｃ）に表した具体例の場合、遷移領域の誘電率ε_ｅｆｆをε_ｅｆｆ１からε_ｅｆｆ２に至るまでの範囲に亘って連続的に変化させることができる。

このようにすれば、遷移領域の誘電率ε_ｅｆｆが変化している範囲に、前述の矩形突条体の例で説明した最適な実効的誘電率を有する部分が含まれるので、マイクロ波吸収率（パワー吸収率）を高めるのに最適な群速度νｇを有する導波体を容易に得ることができる。

なお、図２（ｂ）及び（ｃ）は一例に過ぎず、遷移領域における誘電率ε_ｅｆｆの分布としては、この他にも各種の分布を与えることができる。

図３も、遷移領域における誘電率ε_ｅｆｆの分布を例示する概念図である。
すなわち、遷移領域の誘電率ε_ｅｆｆは、図３（ａ）に表したように略直線状に変化させてもよく、また、図３（ｂ）に表したように階段状に変化させてもよい。階段状に変化させた場合、厳密には連続的とはいえないが、変化のステップを細かくすれば実質的に連続的な変化と同等の効果を得ることができる。

図４は、本発明において用いることができる外導体１００ａの表面部分の凹凸部１２０の形状を例示する模式図である。まず、同図（ａ）に表した具体例の場合、外導体１００ａの表面（プラズマ側）に、断面が略三角形状の複数の突条の凸部１００Ｐが設けられている。これら凸部１００Ｐの設けられた領域が遷移領域として作用する。断面が略三角形状の凸部１００Ｐを設けた場合、図２（ｂ）あるいは図３（ａ）などに例示した如く、遷移領域の誘電率ε_ｅｆｆの最大値と最小値を、それぞれ誘電体の誘電率εｄとプラズマＰの誘電率εｐにまで拡げることができる。凸部１００Ｐの高さ、すなわち遷移領域１００の幅（厚み）は、マイクロ波Ｍの波長よりも小さいことが望ましく、典型的には、例えば数ミリメータ程度とすればよい。

次に、図４（ｂ）に表した具体例の場合、外導体１００ａの表面（プラズマ側）に、断面が略台形状の複数の突条の凸部１００Ｐが設けられている。これら凸部１００Ｐの設けられた領域が遷移領域として作用する。断面が略台形状の凸部を設けた場合には、図２（ｃ）に例示した如く、遷移領域の誘電率ε_ｅｆｆの最大値と最小値は、それぞれ誘電体の誘電率εｄとプラズマＰの誘電率εｐにまでは至らない。

次に、図４（ｃ）に表した具体例の場合、外導体１００ａの表面（プラズマ側）に、断面が略台形状でありその側面が湾曲した複数の突条の凸部１００Ｐが設けられている。これら凸部１００Ｐの設けられた領域が遷移領域として作用する。本具体例の場合も、図２（ｃ）に例示した如く、遷移領域の誘電率ε_ｅｆｆの最大値と最小値は、それぞれ誘電体の誘電率εｄとプラズマＰの誘電率εｐにまでは至らない。

また、図４（ｄ）に表した具体例の場合、外導体１００ａの表面（プラズマ側）に、断面が先端に向けて略階段状に集束する形状の突条の凸部１００Ｐが設けられている。このように、略階段状の断面形状を採用した場合には、平均の誘電率ε_ｅｆｆの変化も略階段状となるが、変化のステップをある程度細かくすれば、誘電率ε_ｅｆｆの変化を略連続的、すなわち実質的に連続的なものとすることが可能である。

図５は、本発明において用いることができる外導体１００ａの表面部分の凹凸部１２０の他の具体例を表す模式図である。
すなわち、同図（ａ）に表したように、導波体１００の表面（プラズマ側）に、ピン状あるいはコーン状の複数の突起１００Ｐを設けることにより、実効的な誘電率ε_ｅｆｆを略連続的に変化させることができる。

この場合、突起１００Ｐの形状としては、同図（ｂ）に表したように略円錐状でもよく、また、同図（ｃ）に表したように略円錐台状でもよく、また、同図（ｄ）に表したように 曲面回転体状や、同図（ｅ）に表したように、その頂点を切り取った形状でもよい。またさらに、同図（ｆ）に表したように、先端に向けて略階段状に集束する形状であってもよい。

これらいずれの場合にも、遷移領域において誘電率ε_ｅｆｆを連続的または略連続的に変化させることができる。

図６は、本発明において用いることができる外導体１００ａの表面部分の凹凸部１２０のさらに他の具体例を表す模式図である。
すなわち、同図（ａ）に表したように、複数の先絞り状の孔１００Ｈを設けることによっても実効的な誘電率ε_ｅｆｆを連続的に変化させることが可能である。
この場合、孔１００Ｈの形状としては、同図（ｂ）に表したように略円錐状としてもよく、また、同図（ｃ）に表したように略円錐台状、同図（ｄ）に表したように曲面回転体状や、同図（ｅ）に表したようにその頂点を切り取った形状であってもよい。またさらに、同図（ｆ）に表したように、先端（孔の底）に向けて略階段状に集束する形状であってもよい。

また、図４乃至図６に例示した以外にも、各種の形状を有する凸部、突起、あるいは孔を設けて同様の効果を得ることができる。また、これら凸部、突起、孔を適宜組合せてもよい。すなわち、本発明においては、外導体１００ａの表面（プラズマ側）において、誘電率ε_ｅｆｆの連続的な変化が生ずる構造であればよい。

以上のように、導波体１００の表面部分の実効的な誘電率を変えることで最適な群速度νｇ、ひいては最も高いマイクロ波吸収率（パワー吸収率）を有するマイクロ波導入器を容易に得ることができる。

本発明の効果について、さらに説明する。
特許文献１または２に開示されているような同軸構造の導入器では、低圧で高密度のプラズマの場合に表面波空間減衰係数が低くなるため減衰長が長くなる傾向があり、マイクロ波吸収率（パワー吸収率）を高く維持するためには導波体の長さを一定以上（例えば、１０〜１５ｃｍ以上）にすることがどうしても必要となっていた。しかしながら、本発明者の研究の結果、導波体１００の表面部分の実効的な誘電率を最適値とすることができれば、導波体の長さを同一としてもマイクロ波吸収率（パワー吸収率）を２倍に上げることができることが判明した。このことは、減衰長から判断して導波体の長さを約１／４まで短くしても同じマイクロ波吸収率（パワー吸収率）が得られることを意味し、従来技術では達成できなかった非常に短い長さの導入器を容易に得ることができることとなる。なお、この場合、導波体の長さを短くするために従来必要であった特別の装置（例えば、強力な磁場を発生するコイルや磁石）などは不要であることは言うまでもない。

次に、本実施形態における凹凸部の分布について説明する。
前述した具体例は、外導体の表面に略均一に凹凸部を設けた構造を有するが、凹凸部の分布を変えることによりプラズマの分布を変えることもできる。例えば、凹凸部を略均一に設けた場合には、プラズマは外導体１００ａの根本部分（導波管２００に近い側）に多く生成される傾向がある。そのため、外導体１００ａの根本付近のチャンバ壁面がスパッタされて金属汚染が発生してしまうことがある。このような場合、外導体１００ａの先端側（導波管２００から遠い側）に凹凸部を偏在させてプラズマの発生場所を外導体１００ａの先端側に誘導することでチャンバ壁面のスパッタを防止し金属汚染を防ぐことができる。また、凹部と凹部の間の寸法（または、凸部と凸部の間の寸法）を適宜選択することによっても実効的な誘電率の分布を変えることができる。

次に、本発明のマイクロ波導入器を用いたプラズマ生成装置及びプラズマ処理装置について説明する。
図７は、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の要部基本構成を説明するための概念図である。
また、図８は、チャンバ３００を上方から眺めた時のマイクロ波導入器の配置を例示する模式平面図である。

本実施形態のプラズマ処理装置は、減圧状態でプラズマ処理を実施可能としたものであり、チャンバ３００と、これに取り付けられた導波体１００と、を有する。導波体１００は、図１乃至図６に関して前述した本発明の実施の形態にかかるマイクロ波導入器の導波体である。この導波体１００は、例えば、図８に例示したように、チャンバ３００の中心軸からみて同一円周上に等間隔に配置することができる。これら導波体１００には、導波管２００からマイクロ波Ｍが導入される。

一方、チャンバ３００は、排気手段Ｅによりその内部を減圧状態に維持可能とされている。ステージ３３０の上に被処理物Ｗを載置し、図示しないガス導入系を介して、所定のガスを導入した状態で、マイクロ波Ｍをチャンバ内に導入することによりプラズマＰを生成する。このプラズマにより、ガスが適宜分解あるいは活性化され、ラジカルなどの活性種や分解種Ｒが被処理物Ｗに作用する。このようにして、エッチングやアッシング、堆積、表面改質、ドーピングなどの各種のプラズマ処理を実施できる。

本発明によれば、このようなプラズマ処理装置において、図１乃至図６に関して前述したマイクロ波導入器を設けることにより、装置の小型化が図れ、高い効率でマイクロ波Ｍを導入して安定した高密度のプラズマＰが生成できる。また、プロセス条件が変化したり変動した場合でも、プラズマに向けて実効的な誘電率が略連続的に低下する遷移領域の効果によりプラズマを安定して生成・維持できる。

また、前述したように、プラズマの密度が高い状態においても、低い状態においても、高い効率でマイクロ波Ｍを導入することができる。つまり、本実施形態においては、プラズマの密度に応じて必ず導波体表面の最適な誘電率を得ることができる。

チャンバ３００の内部では、例えば、そのガス流や圧力の分布、あるいは内部構造物の配置関係などにより、プラズマの点火条件や維持条件は必ずしも同一ではない場合も多い。これに対して、本実施形態によれば、複数の導波体１００を設けることにより、どの導波体１００においても、プラズマを確実に点火させ、また安定的に維持させることができる。

（実施例）
以下、本発明者が実施した実施例について説明する。
図９は、比較例及び本発明の実施例のマイクロ波導入器を表す模式断面図である。
図９（ａ）に表した比較例のマイクロ波導入器は、誘電体からなる外導体１００ａと、金属からなる内導体１００ｂと、を有する略円柱状の導波体１００を有する。ただし、その周側面は平滑状であり、凹凸部は形成されていない。

一方、図９（ｂ）に表した本実施例のマイクロ波導入器も、誘電体からなる外導体１００ａと、金属からなる内導体１００ｂと、を有する略円柱状の導波体１００を有する。そして、その周側面には、凹凸部１２０が形成されている。ここで、図９（ａ）に表した比較例と図９（ｂ）に表した本実施例のいずれにおいても、導波体１００の全長Ｌは５００ミリメータ、内導体１００ｂの直径Ｄ１は１５ミリメータ、外導体１００ａの直径Ｄ２は４０ミリメータとした。なお、本実施例における直径Ｄ２は、図９（ｂ）に表したように、凹凸部１２０の凸面と凹面の中心において定義した。また、図９（ｂ）に表した本実施例のマイクロ波導入器において、凹凸部１２０のピッチＰ１は８ミリメータとし、凹凸部１２０の高さＨは４ミリメータとした。

これら比較例及び本実施例のマイクロ波導入器をそれぞれチャンバ３００に取り付け、チャンバ内の圧力を４０パスカルに維持した状態で、２．４５ギガヘルツのマイクロ波をそれぞれ導入することにより、プラズマを生成させた。

図１０は、プラズマの電子密度とマイクロ波の反射量との関係を表すグラフ図である。 すなわち、同図の横軸は生成されたプラズマの電子密度を表し、縦軸はマイクロ波導入器におけるマイクロ波の反射量を表す。
図１０から、比較例のマイクロ波導入器を用いた場合には、全般的にマイクロ波の反射量が高く、しかも電子密度が低くなるにつれて反射量が上昇することが分かる。つまり、マイクロ波の反射量が電子密度に依存することが分かる。
一方、本実施例のマイクロ波導入器を用いた場合には、マイクロ波の反射量は比較例よりも最大で６デシベル以上も低く、また電子密度に依存せずに常に低いことが分かる。

すなわち、マイクロ波導入器に凹凸部１２０を設けることにより、マイクロ波の反射を抑制しマイクロ波の吸収量を増加させることができる。また、プラズマ密度に対するマイクロ波の反射量の依存性も緩和させ、どのようなプラズマ密度においても安定したマイクロ波の吸収を実現できる。その結果として、プラズマ生成条件によらずに負荷が安定化し、どのような放電条件においても放電を安定化させ、安定したプラズマ処理が可能となる。

以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。

例えば、本発明は、減圧空間でプラズマを生成しプラズマ処理する減圧プラズマ発生装置及び減圧プラズマ処理装置には限定されず、大気圧空間でプラズマを生成しプラズマ処理する大気圧プラズマ発生装置及び大気圧プラズマ処理装置に用いても、同様の作用効果が得られ、これらも本発明の範囲に包含される。

また、本発明において用いる導波体１００、導波管２００、チャンバ３００やこれらに付設される要素は、図示した形状、サイズのものには限定されず、その断面形状、壁面厚、開口の形状やサイズ、材質などは本発明の範囲内において適宜変更して同様の作用効果が得られ、これらも本発明の範囲に包含される。

導波管は完全な方形である必要はなく、また同軸導入部や同軸変換部も完全な円筒状である必要はない。

また、チャンバ３００の形状やサイズ、あるいはその内部の配置関係についても、図示したものには限定されず、プラズマ処理の内容や条件などを考慮して適宜決定することができる。例えば、プラズマ発生部はプラズマ処理室の上面でなく、側面や下面に付設してもよく、または、これらを組み合わせてもよい。つまり、ひとつのチャンバに複数のプラズマ発生部を付設してもよい。このようにすれば、被処理物の形状やサイズに合わせて均一あるいは所定の密度分布を有する大面積のプラズマを形成することが可能となる。

さらにまた、上述した具体例においては、プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置の要部構成のみ説明したが、本発明は、このようなプラズマ発生装置を有する全てのプラズマ処理装置を包含し、例えば、エッチング装置、アッシング装置、薄膜堆積装置、表面処理装置、プラズマドーピング装置などとして実現したプラズマ処理装置のいずれもが本発明の範囲に包含される。

本発明の具体例にかかるマイクロ波導入器の要部基本構成を説明するための概念図である。 プラズマが生成された状態での誘電率の分布を例示するグラフ図である。 遷移領域における誘電率ε_ｅｆｆの分布を例示するグラフ図である。 本発明において用いることができる外導体１００ａの形状を例示する模式図である。 本発明において用いることができる外導体１００ａの他の具体例を表す模式図である。 発明において用いることができる外導体１００ａのさらに他の具体例を表す模式図である。 本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の要部基本構成を説明するための概念図である。 チャンバ３００の上方から眺めた時のマイクロ波導入器の配置を例示する模式平面図である。 比較例及び本発明の実施例のマイクロ波導入器を表す模式断面図である。 プラズマの電子密度とマイクロ波の反射量との関係を表すグラフ図である。 従来技術にかかる導波体を備えたプラズマ処理装置の概念図である。

符号の説明

１００ 導波体、１００ａ 外導体、１００ｂ 内導体、１１０ 導波体根、１２０ 凹凸部、２００ 導波管、３００ チャンバ、３２０ Ｏリング、３３０ ステージ、Ｍ マイクロ波、Ｐ プラズマ、Ｒ 活性種や分解種

Claims (10)

1. プラズマを生成する空間を有するチャンバに取り付けられるマイクロ波導入器であって、
   前記チャンバの壁面から前記プラズマを生成する空間に向けて突出する導波体を備え、
   前記導波体は、導電体からなり一方向に延在する内導体と、誘電体からなり前記内導体を被覆する外導体と、を有し、ＴＥＭモードのマイクロ波を前記チャンバの前記プラズマを生成する空間に導入し、
   前記外導体の表面には、凹凸部が形成され、
   前記凹凸部は、実効的な誘電率が前記プラズマに向けて連続的に低下する領域を形成する複数の突条体を有し、
   前記領域は、誘電体部分が占める比率が前記プラズマに向けて連続的に低下してなる領域であることを特徴とするマイクロ波導入器。
2. 前記凹凸部は、前記チャンバの前記プラズマを生成する空間に向けて突出した前記導波体の先端側に偏在してなることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波導入器。
3. 前記内導体の中心軸と、前記外導体の中心軸と、が同軸とされたことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波導入器。
   
4. 前記凹凸部は、前記プラズマに向けて先端が集束する断面を有する誘電体を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロ波導入器。
5. 前記凹凸部は、前記プラズマに向けて先端が集束した誘電体からなる複数の突起を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロ波導入器。
6. 前記凹凸部は、前記導波体の表面から内側に向かって先端が集束する複数の孔を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のマイクロ波導入器。
7. チャンバと、
   前記チャンバに取り付けられた請求項１〜６のいずれか１つに記載のマイクロ波導入器と、
   を備え、
   前記導波体を介して導入されるマイクロ波により前記プラズマを生成する空間においてプラズマを生成可能としたことを特徴とするプラズマ発生装置。
8. 前記チャンバの外側に設けられ、前記導波体にマイクロ波を導入する導波管をさらに備えたことを特徴とする請求項７記載のプラズマ発生装置。
9. 前記導波管の中心軸と、前記導波体の中心軸と、が同軸とされたことを特徴とする請求項８記載のプラズマ発生装置。
10. 請求項７〜９のいずれか１つに記載のプラズマ発生装置を備え、
    前記生成された前記プラズマによって被処理物のプラズマ処理を実施可能としたことを特徴とするプラズマ処理装置。

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