JP4694596B2 - マイクロ波プラズマ処理装置及びマイクロ波の給電方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波プラズマ処理装置及びマイクロ波の給電方法に関する。特に、ラジアルラインスロットアンテナから放出されたマイクロ波の電界エネルギーによりガスを励起させ、被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置及びその装置を用いたマイクロ波の給電方法に関する。

マイクロ波プラズマは、マイクロ波を減圧状態の処理容器内に導入し、導入されたマイクロ波の電界エネルギーによりガスを励起させることによって発生される。マイクロ波プラズマ処理装置では、プラズマの電子密度がカットオフ密度よりも高い場合、マイクロ波はプラズマ内に入り込むことができず、誘電体板とプラズマとの間を伝播し、その一部がプラズマに吸収され、プラズマの維持に使われる。

上記プラズマ生成の原理により、マイクロ波プラズマは、容量結合型や誘導結合型のマイクロ波プラズマ処理装置にて生成されるプラズマと比べると、プラズマの電子密度Ｎｅが高く、電子温度Ｔｅが低いため、高速でダメージの少ないプラズマ処理で高品質な製品を製造することができる。

マイクロ波プラズマを生成する装置の一つとして、ラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ：Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）を用いたマイクロ波プラズマ処理装置が提案されている(たとえば、特許文献１を参照。)。ラジアルラインスロットアンテナは、多数のスロットが切られたディスク状のスロット板の上部に同一形状の遅波板を載置した状態で、誘電体窓の上部に配置され、その中央部にて同軸導波管に接続されている。

かかる構成により、マイクロ波源から出力された、たとえば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、同軸導波管を伝播し、ラジアルラインスロットアンテナの半径方向へ放射状に伝播する。これにより、電界強度の高いマイクロ波をスロット板に設けられた多数のスロットから誘電体窓を介して処理容器内に放射することができる。

特開平９−６３７９３号公報

しかしながら、プロセス中、処理容器内は、２００℃以上の高温になる。よって、プロセス中、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の周辺を冷却ジャケット２１０により冷却したとしても、ラジアルラインスロットアンテナ９０５は１５０℃〜１６５℃、アンテナ上部の冷却ジャケット２１０は８０℃〜１００℃、外部導体３４０は４０℃〜６０℃程度まで温度が上昇し、プロセスによっては外部導体３４０近傍でも１００℃以上になる場合もある。この結果、図６に示したラジアルラインスロットアンテナ９０５およびその上部部材（冷却ジャケット２１０、同軸導波管の外部導体３４０、矩形導波管３０５等）が熱膨張する。

これらの部材のうち、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の遅波板９０５ａは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの誘電体から形成されている。一方、ラジアルラインスロットアンテナ上部の冷却ジャケット２１０、外部導体３４０、矩形導波管３０５、同軸変換機３１０は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。アルミナの線膨張係数は７．０×１０^−６（／℃）であるのに対して銅の線膨張係数は１６．７×１０^−６、アルミニウムの線膨張係数は２３．５×１０^−６（／℃）であり、アルミナの２倍以上である。このため、昇温後、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の上部に位置する冷却ジャケット２１０、外部導体３４０及び矩形導波管３０５は、それぞれ膨張して、図６に示したように昇温前より上方に変位する。

このとき、同軸変換機３１０と内部導体３１５とが一体的に形成されていると、矩形導波管３０５や同軸変換機３１０の位置の変位に伴い、同軸変換機３１０と一体に形成された内部導体３１５も処理容器１００の鉛直上方に向かって引き上げられる。

一方、内部導体３１５及び同軸変換機３１０は、内部導体３１５に冷媒を通すことにより、プロセス中も冷却される。このため、プロセス中の内部導体３１５及び同軸変換機３１０の温度は、外部導体３４０、矩形導波管３０５の温度より低くなる。よって、プロセス中の内部導体３１５及び同軸変換機３１０は、外部導体３４０及び矩形導波管３０５より熱膨張する割合は小さい。

これにより、昇温後、内部導体３１５に連結されたテーパーコネクタ３２０が内部導体３１５とともにラジアルラインスロットアンテナ９０５より上方に持ち上げられ、テーパーコネクタ３２０と遅波板９０５ａとの間および遅波板９０５ａとラジアルラインスロットアンテナ９０５との間、遅波板９０５ａと冷却ジャケット２１０との間の空隙が変動する。これにより、マイクロ波の伝送路が変動し、マイクロ波のモードが不安定になり、プラズマが不均一になる。この結果、プロセス中のマイクロ波プラズマ処理装置の安定性及び信頼性を損なう。

そこで、上記課題に対処するために、本発明は、ラジアルラインスロットアンテナを用いてマイクロ波を処理容器内に給電する際、熱膨張によるマイクロ波の伝送路の変動を抑止することにより、プラズマの乱れを防止するマイクロ波プラズマ処理装置及びその装置を用いたマイクロ波の給電方法を提供する。

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、ラジアルラインスロットアンテナから放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置であって、内部にてプラズマ処理が行われる処理容器と、マイクロ波を出力するマイクロ波源と、前記マイクロ波源から出力されたマイクロ波を伝送する矩形導波管と、前記矩形導波管を伝送されたマイクロ波のモードを変換する同軸変換機と、前記同軸変換機に対して摺動可能に連結された同軸導波管の内部導体と、前記同軸変換機に接合され、前記同軸変換機と前記内部導体とを電気的に接続する第１のコンタクト部材と、を備えたマイクロ波プラズマ処理装置が提供される。

これによれば、内部導体と同軸変換機とは別体で設けられ、内部導体は、同軸変換機に対して摺動可能に連結される。第１のコンタクト部材は、同軸変換機と内部導体とを電気的に接続する。

これによれば、昇温後、ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部の矩形導波管等の部材が膨張して上方に持ち上げられ、これに伴い矩形導波管に連結された同軸変換機が持ち上げられても、内部導体は、同軸変換機に対して摺動可能に連結されているので、同軸変換機とともに持ち上げられることはない。よって、内部導体の先端部と冷却ジャケットとの距離は昇温前後で変動しない。また、第１のコンタクト部材によって同軸変換機と内部導体との電気的接続は確保される。これにより、ラジアルラインスロットアンテナに伝播されるマイクロ波の伝送路の変動を防止し、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

前記内部導体の先端は、少なくとも一部が前記ラジアルラインスロットアンテナの被処理体側の面に沿って張り出していてもよい。

前記ラジアルラインスロットアンテナは、前記内部導体の先端に張り出したテーパ状のコネクタ部と前記同軸導波管の外部導体とから把持されてもよい。

かかるクランプ構造によれば、ラジアルラインスロットアンテナと内外導体（同軸導波管）との位置のずれを防止することができる。この結果、マイクロ波の伝送路の変動をなくし、均一なプラズマを安定して生成することができる。

前記処理容器は、天井部に開口を有し、前記内部導体の先端は、前記天井部の開口に設けられた誘電体窓の被処理体側の面の中央にて被処理体側に突出した部分より内側を限度に張り出していてもよい。これにより、装置の機械的強度を担保することができる。

前記同軸導波管の外部導体と前記テーパ状のコネクタ部との対向部分に第２のコンタクト部材を有していてもよい。これにより、同軸導波管とラジアルラインスロットアンテナとの電気的接続を補完することができる。

前記内部導体に連結された部材と前記同軸変換機に連結された部材との間に設けられ、熱膨張による前記ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部部材の変位を吸収する第１のバネ部材を有していてもよい。これによれば、内部導体は、ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部部材の膨張の影響を受けないため、内部導体の位置は昇温前後で変動しない。これにより、ラジアルラインスロットアンテナに伝播されるマイクロ波の伝送路の変動を防止し、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

また、前記第１のバネ部材は、コイル状のバネ部材、耐熱性のメタルシール又は板状のバネ部材（たとえば、バネワッシャー）であってもよい。

前記矩形導波管を支持する前記同軸変換機の外部導体に隣接して設けられ、前記ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部部材が前記処理容器の外側に向かって熱膨張する力に反して前記外部導体に対して前記処理容器の内側に向かう力を与える第２のバネ部材を含んでいてもよい。

これによれば、第２のバネ部材は、外部導体及びその周辺部材の熱膨張に反して、外部導体に処理容器の内側に向かう力を与える。これにより、ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部部材が、膨張により処理容器の鉛直上方へ変位することを吸収することができる。

なお、前記第２のバネ部材は、コイル状のバネ部材又は耐熱性のメタルシールのいずれかであってもよい。また、前記第１のコンタクト部材は、金属の弾性体であってもよい。

前記内部導体は、前記同軸変換機に固定されたベアリングにより摺動可能に支持されていてもよい。これによれば、内部導体は、第１のコンタクト部材とベアリングとによりガイドされる。これにより、内部導体の中心軸のぶれを抑え、内部導体の端と冷却ジャケットとの距離を設計上定められた間隔に管理し、マイクロ波の伝送路の変動を抑制することができる。

前記ラジアルラインスロットアンテナは、めっき、溶射及びメタライズのいずれかの方法により遅波板の上面、下面及び外周側面に導電膜を被覆し、前記導電膜をマイクロ波の伝送路とするとともに、前記遅波板の下面側導電膜に形成された複数のスロットから、前記同軸導波管から前記遅波板を伝播したマイクロ波を前記処理容器内に放射するように形成されていてもよい。

これによれば、ラジアルラインスロットアンテナの遅波板の上面、下面及び外周側面には、めっき、溶射及びメタライズのいずれかの方法により導電膜が被覆される。

伝送路が変形すると、マイクロ波の伝播が変動する。しかしながら、かかる構成によれば、伝送路である導電膜は、遅波板と一体的に密着して形成されており、遅波板の剛性により変形することがないので、マイクロ波は装置の状態によらず安定して伝播し、均一なプラズマを生成することができる。また、遅波板と導電膜間には空隙が存在せず、耐電圧の高い材料のみで構成されるので、異常放電も発生しない。

なお、前記導電膜は、Ｃｕ、Ａｌ及びＡｇのいずれかを溶射することにより形成してもよい。溶射は、めっきに比べて厚く成膜できるとともに導電膜の膜厚を自由に制御することができる。

前記導電膜には、マイクロ波のリークを防止するためのシールド部材が設けられていてもよい。これによれば、たとえば、スロットから天板と導電膜との間の隙間等にリークしたマイクロ波が、冷却ジャケット側へ漏れるのを防ぐことができる。

また、上記課題を解決するために、本発明の他の態様によれば、ラジアルラインスロットアンテナから放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置にマイクロ波を給電する方法であって、マイクロ波源からマイクロ波を出力し、前記出力されたマイクロ波を矩形導波管に伝送し、前記伝送されたマイクロ波のモードを同軸変換機にて変換し、前記同軸変換機に対して同軸導波管の内部導体を摺動可能に連結するとともに、前記同軸変換機に接合された第１のコンタクト部材により前記同軸変換機と前記内部導体とを電気的に接続し、前記同軸変換機から前記同軸導波管にマイクロ波を伝送し、前記同軸導波管を伝送したマイクロ波を前記ラジアルラインスロットアンテナに伝播させるマイクロ波の給電方法が提供される。

これによれば、内部導体と同軸変換機とは別体で設けられ、内部導体は、同軸変換機に対して摺動可能に連結されているので、ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部部材の熱膨張によっても内部導体は上方に持ち上げられない。よって、内部導体の先端部と冷却ジャケットとの距離は昇温前後で変動しない。また、第１のコンタクト部材によって同軸変換機と内部導体との電気的接続は確保される。これにより、ラジアルラインスロットアンテナに伝播されるマイクロ波の伝送路の変動を防止し、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ラジアルラインスロットアンテナを用いてマイクロ波を処理容器内に給電する際、熱膨張によるマイクロ波の伝送路の変動を抑止することにより、プラズマの乱れを防止することができる。

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、本発明の一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。

（マイクロ波プラズマ処理装置の全体構成）
まず、本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１０について、その縦断面を示した図１を参照しながら説明する。本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１０は、処理容器１００、蓋体２００、伝送路３００、冷却機構４００及びガス供給機構５００を有している。

処理容器１００は、天井が開口された円筒状の容器であり、たとえば、アルミニウム等の金属から形成されている。処理容器１００の天井の開口には、天板１０５（誘電体窓に相当）が嵌め込まれている。天板１０５は、誘電体から形成されている。天板１０５の下面は、中央の張り出しとともに中間部が周方向に張り出ししている。処理容器１００と天板１０５との接触面には、Ｏリング１１０が配設されていて、これにより、処理室Ｕは密閉される。

処理容器１００の底部には、ウエハＷを載置するサセプタ（載置台）１１５が絶縁体１２０を介して設置されている。サセプタ１１５には、整合器１２５ａを介して高周波電源１２５ｂが接続されていて、高周波電源１２５ｂから出力された高周波電力により処理容器１００の内部に所定のバイアス電圧を印加する。また、サセプタ１１５には、コイル１３０ａを介して高圧直流電源１３０ｂが接続されていて、高圧直流電源１３０ｂから出力された直流電圧によりウエハＷを静電吸着する。処理容器１００には、真空ポンプ（図示せず）が取り付けられていて、ガス排出管１３５を介して処理容器１００内のガスを排出することにより、処理室Ｕを所望の真空度まで減圧する。

蓋体２００は、ラジアルラインスロットアンテナ２０５（以下、単にアンテナ２０５とも称呼する。）、冷却ジャケット２１０及びマイクロ波遮蔽カバー２１５を有している。アンテナ２０５は、天板１０５の直上に載置されている。

ラジアルラインスロットアンテナ２０５は、ディスク状の一枚の平板であって、図２にアンテナ２０５の左縦断面を拡大して示したように、遅波板２０５ａを基材としてその上面、外周面及び下面に予め金属膜２０５ｂが被覆されている。金属膜２０５ｂは、めっき、溶射及びメタライズのいずれかの方法によって遅波板２０５ａに密着して一体的に形成されている。本実施形態では、金属膜２０５ｂは、アルミニウム（Ａｌ）を溶射後、溶融することにより形成される。なお、金属膜２０５ｂは、導電性の高い銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）のいずれかを溶射することにより形成されていてもよい。なお、金属膜２０５ｂは導電膜の一例であり、導電膜は金属に限られない。

遅波板２０５ａの下面には、マイクロ波を放射するスロットＳｔ（放射孔、図示せず）が複数設けられている。遅波板２０５ａは、アルミナなどの誘電体により形成されている。アンテナ２０５では、マイクロ波がアンテナの半径方向へ放射状に伝播し、スロットＳｔから漏れだして処理室内に放射される。

アンテナ２０５の上部には、冷却ジャケット２１０がアンテナ２０５に隣接して設けられている。冷却ジャケット２１０はアルミニウムから形成され、アンテナ２０５の近傍を調温する。マイクロ波遮蔽カバー２１５は、ラジアルラインスロットアンテナ２０５及び冷却ジャケット２１０を覆い、ラジアルラインスロットアンテナ２０５を伝播するマイクロ波が装置の外部に放出されないように遮蔽する。

シールド部材２２０、２２５は、スロットを漏れたマイクロ波の一部が、図２の天板１０５と金属膜２０５ｂとの隙間から冷却ジャケット２１０側の隙間や蓋体２００と処理容器１００との隙間へリークすることを防ぐ。

伝送路３００は、主に、矩形導波管３０５、同軸変換機３１０、内部導体３１５、外部導体３４０、テーパーコネクタ３２０、ラジアルラインスロットアンテナ２０５から形成されている。マイクロ波は、伝送路３００により画定される空間（以下、マイクロ波の伝送路Ｒとも称呼する。）を伝送される。このとき、マイクロ波は、遅波板２０５ａの内部を伝播して遅波板２０５ａの端面にて反射し、図示しないチューナにより放電負荷と伝送路のインピーダンスの整合をとりながら、進行波と反射波との干渉により伝送路の空間に定在波が生じる。

矩形導波管３０５は、マイクロ波源３３５に接続されている。同軸変換機３１０は、コーン状に形成され、マイクロ波のモードをＴＥモードからＴＥモードとＴＭモードの混在モードに変換する。モードが変換されたマイクロ波は、同軸導波管（内部導体３１５及び外部導体３４０）に伝えられる。内部導体３１５及び外部導体３４０は、銀メッキした銅から形成されている。外部導体３４０は、上部にて矩形導波管３０５にねじ止めされている。外部導体３４０の外周には、第２のバネ部材３５０が設けられている。第２のバネ部材３５０は、昇温時、外部導体３４０やその周辺の変位を吸収する。外部導体３４０とテーパーコネクタ３２０とは、金属膜２０５ｂ及び遅波板２０５ａを把持し、ラジアルラインスロットアンテナの位置のずれを防止する。

テーパーコネクタ３２０は、テーパー状であって内部導体３１５の下面にて内部導体３１５にねじ止めされている。テーパーコネクタ３２０は、金メッキした銅から形成されている。テーパーコネクタ３２０の下面は、アンテナ２０５の下方にてアンテナ２０５の半径方向に向かってつば状に張り出している。このテーパーコネクタ３２０の張り出し部分は天板１０５に埋設されている。装置の機械的強度を保つために、テーパーコネクタ３２０は、天板１０５の中央部に設けられた張り出しより内側を限度に張り出している。

第１のコンタクト部材３３０は、同軸変換機３１０の下端部の開口にて同軸変換機３１０の内周縁上にろう付されたフィンガータイプの金属の弾性体である。かかる構成によれば、同軸変換機３１０と内部導体３１５とを分離し、同軸変換機３１０に対して内部導体３１５を摺動可能に連結させるとともに、第１のコンタクト部材３３０を介して同軸変換機３１０と内部導体３１５とを電気的に接続することができる。

同軸変換機３１０と内部導体３１５との間には内部導体３１５の外周に沿ってベアリング３５５が設けられている。ベアリング３５５の端部は、同軸変換機３１０に固定されていて、内部導体３１５を摺動可能にガイドする。これにより、内部導体３１５に横ブレが生じることを防止し、空隙の変動を防止することができる。

マイクロ波は、上記マイクロ波の伝送路Ｒを画定する部材の金属表面を伝播する。特に、ラジアルラインスロットアンテナ２０５内では、マイクロ波は、伝送路である金属膜２０５ｂから金属膜２０５ｂに切られたスロットを通して処理容器内に放出される。

伝送路が変形すると、マイクロ波の伝播が変動する。しかしながら、本実施形態によれば、伝送路である金属膜２０５ｂは、遅波板２０５ａと一体的に密着して形成されており、遅波板２０５ａの剛性により変形することがないので、マイクロ波は装置の状態によらず安定して伝播し、均一なプラズマを生成することができる。また、遅波板２０５ａと金属膜２０５ｂ間等には空隙が存在せず、耐電圧の高い材料のみで構成されるので、異常放電も発生しない。

また、本実施形態のように、遅波板２０５ａの上下面及び外周面に金属膜２０５ｂを被覆した場合、スロット板に代わる金属膜２０５ｂは薄いためタップをきることができない。また、従来のスロット板の構造と異なり金属膜２０５ｂはシート材ではないので、テーパーコネクタに対してねじで固定することができない。また、金属膜２０５ｂには機械的な強度を期待できないので、ねじによる強固な固定は向かない。従って、ばねなどを利用し、適切な荷重により把持されることが望ましい。そこで、本実施形態では、一体形成された金属膜２０５ｂ及び遅波板２０５ａを外部導体とテーパーコネクタとの対向面により両側から把持する。かかるクランプ構造によれば、金属膜２０５ｂが被覆された遅波板２０５ａと内外導体（同軸導波管）との位置のずれを防止することができる。この結果、マイクロ波の伝送路の変動をなくし、マイクロ波の放射特性を良好に保ち、均一なプラズマを安定して生成することができる。

外部導体３４０とテーパーコネクタ３２０との対向部分には、第２のコンタクト部材３２５が配設されている。第２のコンタクト部材３２５は、上記クランプ構造による同軸導波管（内部導体３１５，外部導体３４０）と金属膜２０５ｂとの電気的接続を補完する。特に、第２のコンタクト部材３２５は、線材の金属シールド部材にて形成されているため、スパイラルシールドに比べて反力が小さく、金属膜２０５ｂに過度な荷重を掛けずに金属膜２０５ｂと同軸導波管との電気的接続を良好にすることができる。

図１に示したように、内部導体３１５の内部には、冷媒配管３６０が挿入されている。矩形導波管３０５及び同軸変換機３１０は蓋部３６５にてガイドされている。第１のバネ部材３７５は、固定部材３７０（すなわち、内部導体３１５に連結された部材）と蓋部３６５（すなわち、同軸変換機３１０に連結された部材）との間に設けられ、昇温によるラジアルラインスロットアンテナ２０５及びその上部の変位を吸収する。この結果、昇温後、ラジアルラインスロットアンテナ２０５及びその上部の矩形導波管３０５等の部材が膨張して上方に持ち上げられ、これに伴い矩形導波管３０５に連結された同軸変換機３１０も上方に持ち上げられても、内部導体３１５と同軸変換機３１０とは別体で設けられ、内部導体３１５は、同軸変換機３１０に対して摺動可能に連結されているので、内部導体３１５は持ち上げられない。よって、内部導体３１５の先端部（テーパーコネクタ３２０）と冷却ジャケット２１０との距離は昇温前後で変動しない。また、第１のコンタクト部材３３０によって同軸変換機３１０と内部導体３１５との電気的接続は確保される。これにより、ラジアルラインスロットアンテナ２０５に伝播されるマイクロ波の伝送路の変動を防止し、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。

図２に示したように、矩形導波管３０５と同軸変換機３１０とは、矩形導波管３０５に設けられた開口の側部壁面と、対向する同軸変換機３１０の側部壁面とのギャップＧが、いずれの対向位置においても所定の範囲内の間隔となるように、開口より外周側にて嵌め合い構造Ｆを有している。嵌め合い構造Ｆについては後程、詳しく説明する。

図１に示した冷却機構４００では、冷媒供給源４０５と冷媒配管３６０とが連結され、冷媒供給源４０５と冷却ジャケット２１０とが連結されている。冷媒配管３６０は二重配管となっており、冷媒供給源４０５から供給された冷媒が冷媒配管３６０の内側から外側を通って循環することにより、内部導体３１５が調温される。また、冷媒供給源４０５から供給された冷媒が冷却ジャケット２１０内の流路２１０ａを循環することにより、冷却ジャケット２１０の近傍が調温される。

ガス供給機構５００では、ガス供給源５０５と上部ガス供給ライン５１０とが連結されるとともにガス供給源５０５とシャワープレート５１５とが連結されている。シャワープレート５１５は、複数のガス供給孔がウエハＷ側に向けて均等に設けられている。ガス供給源５０５から供給されたプラズマ励起ガスは、処理容器１００の側壁を貫通した複数の上部ガス供給ライン５１０の貫通孔から処理室Ｕの内部に向けて横向きに供給される。ガス供給源５０５から供給された処理ガスは、格子状のシャワープレート５１５に形成された複数のガス供給孔から下向きに供給される。

なお、本実施形態では、内部導体３１５とテーパーコネクタ３２０とを連結したが、内部導体３１５とテーパーコネクタ３２０とを一体化させ、その先端がつば状に張り出した構成としてもよい。また、内部導体３１５の先端の少なくとも一部がラジアルラインスロットアンテナ２０５の基板側の面に沿って張り出していてもよい。

これによれば、内部導体３１５とテーパーコネクタ３２０とを連結するためのねじが緩む等、テーパーコネクタ３２０が内部導体３１５にしっかりと固定されないために起こるマイクロ波の伝送路の変動を防止することができる。これにより、マイクロ波をより安定して伝送することができる。

（同軸変換機と内部導体との分離）
本実施形態では、同軸変換機３１０と内部導体３１５とを分離する構成とした。その理由について、同軸変換機３１０と内部導体３１５とが一体化した一般的な装置と比較しながら説明する。

図６及び図７に示したように、ラジアルラインスロットアンテナ９０５を用いた一般的なマイクロ波プラズマ処理装置では、スロット板９０５ｂは、金属のシート材から形成され、天井部に設けられた天板１０５（誘電体窓）と遅波板９０５ａとに挟まれる形で載置され、テーパーコネクタ３２０の下面にてねじ止めされるとともに、その外周にてねじ９１０により冷却ジャケット２１０に固定されている。図７の左右に昇温前後のマイクロ波プラズマ処理装置の状態を示したように、昇温前の状態では、遅波板９０５ａの下面とテーパーコネクタ３２０の下面とは同一面内上に位置する。

プロセス中、処理容器内は、２００℃以上の高温になる。よって、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の近傍を冷却ジャケット２１０により冷却したとしても、プロセス中、たとえば、ラジアルラインスロットアンテナ９０５は１５０℃〜１６５℃、アンテナ上部の冷却ジャケット２１０は８０℃〜１００℃、外部導体３４０は４０℃〜６０℃まで温度が上昇し、プロセスによっては外部導体３４０近傍でも１００℃以上になる場合もある。この結果、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の近傍、同軸導波管の外部導体３４０、矩形導波管３０５等の各部材が熱膨張する。

これらの部材のうち、ラジアルラインスロットアンテナ９０５の遅波板９０５ａはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの誘電体から形成されている。一方、冷却ジャケット２１０、外部導体３４０、矩形導波管３０５は、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。アルミナの線膨張係数は７．０×１０^−６（／℃）であるのに対して銅の線膨張係数は１６．７×１０^−６、アルミニウムの線膨張係数は２３．５×１０^−６（／℃）であり、アルミナの２倍以上である。このため、昇温後の状態では、冷却ジャケット２１０、外部導体３４０、矩形導波管３０５がそれぞれ膨張して変位する。たとえば、冷却ジャケット２１０の変位Ｐ１、矩形導波管３０５の変位Ｐ２（下部）およびＰ３（上部）の関係は、Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１となる。各部材の変位は、装置の鉛直上方にいくほど積算されて大きくなる。

このとき、同軸変換機３１０と内部導体３１５とは一体的に形成されているため、矩形導波管３０５が熱膨張により上方に変位すると、これに伴い、同軸変換機３１０及び内部導体３１５も上方に引き上げられる。

特に、内部導体３１５は、内部導体３１５の内部にて二重に配管された冷媒配管３６０の内側から外側に冷媒を通すことによりプロセス中も冷却される。このため、プロセス中の内部導体３１５及び同軸変換機３１０の温度は、外部導体３４０、矩形導波管３０５の温度より低くなる。よって、プロセス中の内部導体３１５及び同軸変換機３１０は、外部導体３４０及び矩形導波管３０５より熱膨張する割合は小さい。

これにより、昇温後、内部導体３１５の下端のテーパーコネクタ３２０の位置が周辺部材と同じように変位する（Ｐ４）。この結果、テーパーコネクタ３２０がラジアルラインスロットアンテナ９０５より上方に持ち上げられ、テーパーコネクタ３２０と冷却ジャケットとの距離が設計上定められた間隔から変動する。このため、マイクロ波の伝播状態が変動し、マイクロ波のモードが不安定になり、プラズマの均一性が損なわれる。

テーパーコネクタ３２０がラジアルラインスロットアンテナ９０５より上方に持ち上げられると、テーパーコネクタ３２０の下面にねじ止めされたスロット板９０５ｂが上方に引き上げられる。これによっても、スロット板９０５ｂの位置のずれによりマイクロ波の伝送路が変動し、プラズマが不均一に生成される。

図８に示したように、矩形導波管３０５、同軸変換機３１０，テーパーコネクタ３２０の各部材をねじ止めして組み立てる際、矩形導波管３０５と同軸変換機３１０との間にシム３８０をかませ、テーパーコネクタ３２０の下面と遅波板２０５ａの下面とが同一面内に位置づけられるようにレベルあわせを行う。たとえば、図８では、２つのシム３８０ａ、３８０ｂをかませることにより、テーパーコネクタ３２０の下面と遅波板２０５ａの下面とのレベルあわせをする。このレベルあわせにより、組立時において遅波板２０５ａ表面の冷却ジャケット２１０とテーパーコネクタ３２０との距離を設計上定められた間隔に定めることができる。しかしながら、プロセス中、テーパーコネクタ３２０がラジアルラインスロットアンテナ９０５より上方に持ち上げられると、組立時に行った微細なレベル合わせが無意味なものとなり、上述したように、マイクロ波の伝送路Ｒａが変動する。

以上に説明したマイクロ波の伝送路の変動は、プロセス中のマイクロ波プラズマ処理装置の安定性及び信頼性を損なう。そこで、本実施形態に係るマイクロ波プラズマ処理装置１０では、まず、図１及び図２に示したように、同軸変換機３１０と内部導体３１５とを分離する。

内部導体３１５は、同軸変換機３１０に対して摺動可能に連結されている。同軸変換機３１０と内部導体３１５との間には同軸変換機３１０と内部導体３１５とを電気的に接続する第１のコンタクト部材３３０が設けられている。

これにより、図３に示したように、プロセス中、冷却ジャケット２１０、外部導体３４０、矩形導波管３０５などの金属部材が熱膨張により処理容器１００の鉛直上方に向かって変位（Ｐ１〜Ｐ３）した場合であっても、内部導体３１５は同軸変換機３１０と別体に設けられているため、矩形導波管３０５等の熱膨張の影響を受けず引き上げられない。

（第１のバネ部材）
これに加え、第１のバネ部材３７５は、内部導体３１５に連結された部材（固定部材３７０）と同軸変換機３１０に連結された部材（蓋部３６５）との間に取り付けられていて、外部導体３４０、矩形導波管３０５の熱膨張の程度に応じて収縮し、これにより各部材の上方への変位を吸収する。このような第１のバネ部材３７５の作用により、内部導体３１５は、昇温後も昇温前の位置を保持することができる。

これにより、内部導体３１５の先端部のテーパーコネクタ３２０と冷却ジャケット２１０との間に存在する空隙Ｒａ（図２参照）は変動せず、テーパーコネクタ３２０と冷却ジャケット２１０との距離は、設計上定められた距離に管理される。これにより、テーパーコネクタ３２０と冷却ジャケット２１０との距離の変動を防止し、マイクロ波の伝送路の変動を回避することができる。この結果、マイクロ波のモードを安定させ、プラズマを均一に生成することができる。これにより、マイクロ波プラズマ処理装置１０の安定性及び信頼性を向上させることができる。

（クランプ構造）
さらに、発明者は、テーパーコネクタ３２０の外周に張り出し部３２０ａを設けた。すなわち、発明者は、テーパーコネクタ３２０の先端をラジアルラインスロットアンテナ２０５のウエハ側の面にアンテナの半径方向に沿って張り出させた。本実施形態では、テーパーコネクタ３２０には、つば状の張り出しが設けられている。

金属膜２０５ｂ及び遅波板２０５ａは一体的に密着して形成されてもよく、テーパーコネクタ３２０の張り出し部分と同軸導波管の外部導体３４０とから把持される。かかるクランプ構造によれば、ラジアルラインスロットアンテナ２０５と内外導体（同軸導波管）との位置ずれを防止することができる。

また、テーパーコネクタ３２０に設けられた張り出し部３２０ａを、処理容器１００の天井部の開口に設けられた天板１０５の中央にてウエハＷ側の面からウエハＷに突出した突出部分１０５ａより内側を限度に張り出すように形成する。

これによれば、テーパーコネクタ３２０の張り出し部３２０ａは、天板１０５の中央の突出部分１０５ａより外側まで張り出さない。これにより、天板１０５の機械的強度を担保することができる。

(第２のバネ部材)
第２のバネ部材３５０は、矩形導波管３０５を支持する外部導体３４０に隣接して設けられ、マイクロ波プラズマ処理装置１０が処理容器１００の鉛直上方に向かって熱膨張する力に反して外部導体３４０に対して処理容器１００の鉛直下方に向かう力を与える。

これにより、外部導体３４０及びその周辺部材の処理容器１００の鉛直上方への変位を吸収することができる。この結果、第１のバネ部材３７５、第２のバネ部材３５０及び上記クランプ構造により、昇温前後において、空隙Ｒａを変動させず、テーパーコネクタ３２０と冷却ジャケット２１０との距離を設計上定められた間隔に管理し、マイクロ波の伝送路Ｒの変動を防止するこができる。

なお、第１のバネ部材３７５は、コイル状のバネ部材、耐熱性のメタルシール又は板状のバネ部材であってもよい。また、第２のバネ部材３５０は、コイル状のバネ部材又は耐熱性のメタルシールであってもよい。

(内部導体のぶれ防止)
同軸変換機３１０の中空部分には、同軸変換機３１０に固定され、内部導体３１５を摺動可能に支持するベアリング３５５が設けられている。これによれば、内部導体３１５は、第１のコンタクト部材３３０とベアリング３５５とによりガイドされる。これにより、内部導体３１５の軸Ｏｃのぶれを抑えることができる。

（金属膜と遅波板の一体化）
ラジアルラインスロットアンテナ２０５には、めっき、溶射及びメタライズのいずれかの方法により遅波板２０５ａの上面、下面及び外周側面に金属膜２０５ｂが被覆されている。アンテナ２０５は、金属膜２０５ｂをマイクロ波の伝送路とするとともに、遅波板２０５ａの下面側金属膜２０５ｂに形成された複数のスロットから、同軸導波管から遅波板２０５ａを伝播したマイクロ波を処理容器内に放射する。

これによれば、伝送路である金属膜２０５ｂは、遅波板２０５ａと一体的に密着して形成されており、遅波板２０５ａの剛性により変形することがないので、マイクロ波は装置の状態によらず安定して伝播し、均一なプラズマを生成することができる。また、遅波板２０５ａと金属膜２０５ｂ間等には空隙が存在せず、耐電圧の高い材料のみで構成されるので、異常放電も発生しない。この結果、均一なプラズマを生成することができる。

なお、金属膜２０５ｂは、Ｃｕ、Ａｌ及びＡｇのいずれかを溶射することにより形成してもよい。溶射は、めっきに比べて厚く成膜できるとともに金属膜２０５ｂの膜厚を自由に制御することができる。

（ギャップＧ）
図５に示したように、矩形導波管３０５の開口に同軸変換機３１０を挿入することにより矩形導波管３０５を伝送したマイクロ波のモードを変換して伝送する経路を組み立てる際、交差により、矩形導波管３０５の側部壁面と対向する同軸変換機３１０の側部壁面とにギャップＧが生じる。

このギャップＧは、マイクロ波のモードをＴＥモードからＴＥモードとＴＭモードの混在モードに変換する位置に存在する。また、ギャップＧの近傍では、矩形導波管３０５の反射端３０５ａにてマイクロ波が反射するため、マイクロ波の電界が乱れやすい。

実際に、矩形導波管３０５の反射端３０５ａ及びギャップＧの位置にマイクロ波の節が来るように反射端３０５ａからギャップＧまでの距離をλｇ／２に設計したが、異常放電は抑止されなかった。そこで、矩形導波管３０５の反射端３０５ａからギャップＧまでの距離を管理することに加えて、矩形導波管と同軸変換機とに嵌め合い構造を設けることによりギャップＧを管理することとした。

（ギャップの管理）
初めに、嵌め合い構造Ｆ及びギャップＧの適正範囲を具体的に決定するために、ギャップＧ近傍のマイクロ波の電界強度分布をシミュレーションにより求めた。

図４（ａ）に示した位置Ｐ１〜Ｐ４の電界強度をシミュレーションにより計算した。その結果を図４（ｂ）に示す。この結果から、位置Ｐ１、Ｐ３にてマイクロ波の電界強度が強く、Ｐ２、Ｐ４では、その強度が弱くなっていることがわかる。また、ギャップ（リークパス厚）が大きくなればなるほど電界強度は大きくなるが、ギャップが均一であれば、ギャップの大きさが０．１ｍｍ変化しても極端に電界強度が大きくなるわけではないことがわかる。

パッシェンの法則によれば、Ｖ＝ｆ（ｐｄ）の式に示すように、平行な電極間での放電開始電圧Ｖは、ガス圧力ｐ及び電極間の距離ｄの積の関数で表される。ギャップＧでのガスの圧力は大気圧（１ａｔｍ＝１．０１３×１０５Ｐａ）であるから、電極間の距離ｄが短いほど低い電圧Ｖで放電が起きる。一方、ギャップＧの間隔（距離ｄに相当）が不均一であると、電界強度が偏りやすくなる。よって、ギャップＧの間隔を所定の基準間隔ｋｍｍ（ｋ≧０．３）に対して（ｋ±ｎ）（ｎ≦０．１）ｍｍの範囲内にすることにより、放電が起きにくい状態かつ電界強度の偏りが生じにくい状態にギャップＧを管理することによって、異常放電の発生を防ぐことができる。

そこで、環状に形成されたギャップＧがいずれの対向位置に置いても所定の範囲内の間隔となるように、ギャップＧより外周側にて矩形導波管３０５と同軸変換機３１０とに高度な嵌め合い構造Ｆ（図２，５参照）を設けた。具体的には、ギャップＧの基準間隔ｋを０．３ｍｍと定め、環状のギャップＧのいずれの対向位置においてもギャップＧが（ｋ±ｎ）ｍｍ（ｎ≦０．１）の範囲内に管理されるように嵌め合い構造Ｆを設けた。組み立て時に発生する公差を考慮して、嵌め合い構造ＦにギャップＧにて許容される隙間より充分に小さい隙間（たとえば、ギャップＧの間隔差の最大値の約２０％以内）を許容することにより、どんな作業員が組み立ててもギャップＧを設計上許容されている間隔差以内に管理することができる。この結果、矩形導波管３０５と同軸変換機３１０との間のギャップＧにて異常放電が発生することを回避することができる。

（絶縁材にてコーティング）
ギャップＧ周りの矩形導波管３０５及び同軸変換機３１０は、絶縁材にてコーティングされている。絶縁材としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・バーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、アルミナ（アルマイト処理、溶射）などが挙げられる。これにより、ギャップ間の電位差を低下させることができ、異常放電の発生をさらに抑止することができる。

以上に説明したように、本実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置１０によれば、熱膨張によるマイクロ波の伝送路の変動を抑止することができる。これにより、マイクロ波プラズマ処理装置１０の安定性及び信頼性を大幅に向上させることができる。

上記実施形態において、各部の動作はお互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作として置き換えることができる。そして、このように置き換えることにより、上記マイクロ波プラズマ処理装置の実施形態を上記マイクロ波プラズマ処理装置を用いたマイクロ波の給電方法の実施形態とすることができる。

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、各種の変更例又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。

たとえば、金属膜は、メタライズにより形成されてもよい。この場合、メタライズにより形成されたＭｏ−Ｍｎ層の金属膜は抵抗が高いので、Ａｇ−Ｃｕ―Ｔｉ層の金属膜が好ましい。

また、前述したスロット板と遅波板との一体化（遅波板を金属膜にて被膜したアンテナ２０５）や嵌め合い構造Ｆは、同軸変換機３１０と内部導体３１５とを分離した構造とともにマイクロ波プラズマ処理装置１０に備えられているほうが好ましいが、本装置に必須の要件ではない。

また、ガスは、上部ガス供給ライン５１０のみから供給されてもよく、シャワープレート５１５のみから供給されてもよい。また、これらのガス供給機構５００に代えて、又は、これらのガス供給機構５００に加えて、天板１０５にガス経路を設けて天板１０５をシャワープレートとして用いてもよい。

本発明の一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である。 同実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置をマイクロ波が伝播する経路を説明するための図である。 同実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の昇温前後の状態を説明するための図である。 ギャップ近傍の電界強度分布のシミュレーション結果を示した図である。 矩形導波管と同軸変換機との嵌め合い構造を説明するための図である。 一般的なマイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。 一般的なマイクロ波プラズマ処理装置の昇温前後の状態を説明するための図である。 テーパーコネクタ３２０の下面と遅波板２０５ａの下面とのレベルあわせを説明するための図である。

符号の説明

１０ マイクロ波プラズマ処理装置
１００ 処理容器
１０５ 天板
１０５ａ 天板の突出部分
２００ 蓋体
２０５、９０５ ラジアルラインスロットアンテナ（アンテナ）
２０５ａ、９０５ａ 遅波板
２０５ｂ 金属膜
２１０ 冷却ジャケット
２１５ マイクロ波遮蔽カバー
２２０、２２５ シールド部材
３００ 伝送路
３０５ 矩形導波管
３１０ 同軸変換機
３１５ 内部導体
３２０ テーパーコネクタ
３２０ａ 張り出し部
３２５ 第２のコンタクト部材
３３０ 第１のコンタクト部材
３３５ マイクロ波源
３４０ 外部導体
３５０ 第２のバネ部材
３６０ 冷媒配管
３７０ 固定部材
３７５ 第１のバネ部材
４００ 冷却機構
４０５ 冷媒供給源
５００ ガス供給機構
５０５ ガス供給源
９０５ｂ スロット板
Ｇ ギャップ
Ｆ 嵌め合い構造

Claims (13)

1. ラジアルラインスロットアンテナから放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置であって、
   内部にてプラズマ処理が行われる処理容器と、
   マイクロ波を出力するマイクロ波源と、
   前記マイクロ波源から出力されたマイクロ波を伝送する矩形導波管と、
   前記矩形導波管を伝送されたマイクロ波のモードを変換する同軸変換機と、
   前記ラジアルラインスロットアンテナに接続され、前記同軸変換機に対して熱膨張による変位に応じ摺動可能に連結された同軸導波管の内部導体と、
   前記同軸変換機に接合され、前記同軸変換機と前記内部導体とを電気的に接続する第１のコンタクト部材と、
   を備えたマイクロ波プラズマ処理装置。
2. 前記内部導体の先端は、少なくとも一部が前記ラジアルラインスロットアンテナの被処理体側の面に沿って張り出している請求項１に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
3. 前記ラジアルラインスロットアンテナは、前記内部導体の先端に張り出したテーパ状のコネクタ部と前記同軸導波管の外部導体とから把持される請求項２に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
4. 前記同軸導波管の外部導体と前記テーパ状のコネクタ部とが対向する部分には、第２のコンタクト部材が設けられる請求項３に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
5. 前記内部導体に連結された部材と前記同軸変換機に連結された部材との間に設けられ、熱膨張による前記ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部部材の変位を吸収する第１のバネ部材を備える請求項１〜４のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
6. 前記第１のバネ部材は、コイル状のバネ部材、耐熱性のメタルシール又は板状のバネ部材のいずれかである請求項５に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
7. 前記矩形導波管を支持する前記同軸変換機の外部導体に隣接して設けられ、前記ラジアルラインスロットアンテナ及びその上部部材が前記処理容器の外側に向かって熱膨張する力に反して前記外部導体に対して前記処理容器の内側に向かう力を与える第２のバネ部材を備える請求項１〜６のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
8. 前記第２のバネ部材は、コイル状のバネ部材又は耐熱性のメタルシールのいずれかである請求項７に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
9. 前記第１のコンタクト部材は、金属の弾性体である請求項１〜８のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
10. 前記内部導体は、前記同軸変換機に固定されたベアリングにより摺動可能に支持されている請求項１〜９のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
11. 前記ラジアルラインスロットアンテナは、めっき、溶射及びメタライズのいずれかの方法により遅波板の上面、下面及び外周側面に導電膜を被覆し、前記導電膜をマイクロ波の伝送路とするとともに、前記遅波板の下面側導電膜に形成された複数のスロットから、前記同軸導波管から前記遅波板を伝播したマイクロ波を前記処理容器内に放射するように形成される請求項１〜１０のいずれかに記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
12. 前記導電膜は、Ｃｕ、Ａｌ及びＡｇのいずれかを溶射することにより形成される請求項１１に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
13. ラジアルラインスロットアンテナから放出されたマイクロ波を用いて生成されたプラズマにより被処理体をプラズマ処理するマイクロ波プラズマ処理装置にマイクロ波を給電する方法であって、
    マイクロ波源からマイクロ波を出力し、
    前記出力されたマイクロ波を矩形導波管に伝送し、
    前記伝送されたマイクロ波のモードを同軸変換機にて変換し、
    前記同軸変換機に対して熱膨張による変位に応じ同軸導波管の内部導体を摺動可能に連結するとともに、前記同軸変換機に接合された第１のコンタクト部材により前記同軸変換機と前記内部導体とを電気的に接続し、前記同軸変換機から前記同軸導波管にマイクロ波を伝送し、
    前記同軸導波管を伝送したマイクロ波を前記ラジアルラインスロットアンテナに伝播させるマイクロ波の給電方法。

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