JP5631088B2 - 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、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及びプラズマ処理方法に関する。

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。

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）。

特開平９−３１２２６８号公報 特開２００９−０２１２５６号公報

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。

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。

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。

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、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給する伝送路と、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、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する調整手段とを備え、前記導波路の前記スリット状の開口の長手方向の両端部が短絡されていないプラズマ処理装置が提供される。

これによれば、プラズマ空間に向けてスリット状に開口する導波路が形成されていて、調整手段は、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する。具体的には、調整手段は、導波路の実効的な高さを変えることにより、管内波長が十分に長くなるように制御する。管内波長が十分に長くなると、定在波も生じず、スリット状の開口の長手方向に極めて均一な電界が印加される。これにより、プラズマ励起周波数を高周波化しても、均一なプラズマを生成することができる。

前記調整手段は、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長が、前記スリット状の開口の長手方向の長さの７倍以上になるように、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。

前記伝送路は第１の同軸管であり、前記第１の同軸管の内部導体は、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面のうちの一方の壁面に電気的に接続され、該第１の同軸管の外部導体は、他方の壁面に電気的に接続されていてもよい。

前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する第１の誘電体板を更に備え、前記第１の同軸管の内部導体は、前記第１の誘電体板に設けられた穴を貫通していてもよい。

内部導体が、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面のうちの一方の壁面に電気的に接続され、外部導体が、他方の壁面に電気的に接続された第２の同軸管を更に備え、前記調整手段は、前記第２の同軸管に接続されているインピーダンス可変回路であってもよい。

前記第１の同軸管は１つ、前記第２の同軸管は２つであり、前記１つの第１の同軸管は、前記２つの第２の同軸管の間に配置されてもよい。

前記インピーダンス可変回路は、可変コンデンサ、可変コンデンサとコイルとを並列接続した回路、又は可変コンデンサとコイルとを直列接続した回路のいずれかであってもよい。

前記調整手段は、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面を短絡させる金属部材と、該金属部材を移動させる駆動機構とを有してもよい。

前記調整手段は、前記導波路内に設けられた第２の誘電体板と、該第２の誘電体板を移動させる駆動機構とを有してもよい。

前記第１の同軸管に連結され、前記第１の同軸管を伝搬する高周波の反射またはインピーダンスを計測する反射計と、前記計測された反射またはインピーダンスの検出値に基づいて、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する制御器とを更に備えていてもよい。

前記制御器は、前記第１の同軸管からの反射が最も小さくなるように前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。

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、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給する第１の同軸管と、前記第１の同軸管に接続され、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、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する調整手段を備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、前記第１の同軸管に連結され、前記第１の同軸管を伝搬する高周波の反射またはインピーダンスを反射計により計測するステップと、前記計測された反射またはインピーダンスの検出値に基づいて、前記導波路を伝搬する高周波の波長を制御器により調整するステップと、を含むことを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。

内部導体が、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面のうちの一方の壁面に電気的に接続され、外部導体が、他方の壁面に電気的に接続された第２の同軸管を更に備え、前記調整するステップは、前記第２の同軸管に接続されているインピーダンス可変回路を調整することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。

前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面を短絡させる金属部材を備え、前記調整するステップは、前記金属部材の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。

前記導波路内に設けられた第２の誘電体板を備え、前記調整するステップは、該第２の誘電体板の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、導波路を伝搬する高周波の波長を調整することにより、スリット状の開口の長手方向にプラズマを均一に生成することができる。

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。 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。 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。 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。 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）。 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）。 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）。 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）。 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７の３−３、４−４断面）である。 第２実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図（図６の５−５断面）である。 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。 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１０の６−６、７−７断面）である。 第３実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図（図９の８−８断面）である。 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。 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１３の９−９、１０−１０断面）である。 第４実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図（図１２の１１−１１断面）である。 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。 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。 本発明の第５実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図（図１７の１５−１５、１６−１６断面）である。 第５実施形態に係るプラズマ処理装置の縦断面図（図１６の１７−１７断面）である。

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。

＜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。

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。

真空容器１００の基板側の面と対向する面（天井面）には、２つの電極対２００が並んでいる。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。

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。

なお、本明細書において、導波路２０５のスリット状の開口（誘電体スリット）の短手方向は、図１の横方向(図２の紙面に垂直方向)をいい、スリット状の開口（誘電体スリット）の長手方向は、図２の横方向(図１の紙面に垂直方向)をいい、スリット状の開口（誘電体スリット）の法線方向は、図１の縦方向をいう。

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。

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。

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。

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。

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の横方向）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の紙面に垂直方向）の長さよりも短い。

図２に示したように、本実施形態では、プラズマ励起条件によらず常に均一なプラズマを励起するために、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。同軸管３８５の内部導体及び外部導体の構造は、同軸管２２５と同様である。

インピーダンス可変回路３８０の構成例としては、図１４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。

第２実施形態の説明で詳しく述べるように、インピーダンス可変回路３８０のリアクタンスにより導波路２０５の実効的な高さを変えることができる。導波路２０５の実効的な高さを、導波路２０５がちょうどカットオフになるように設定すると、導波路２０５を誘電体スリットの長手方向に伝搬する高周波の波長が十分に長くなり、誘電体スリットに均一な電界が印加される。このように、導波路のカットオフ現象を利用することにより、長い電極の表面に均一なプラズマを励起することができる。

導波路がちょうど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設定することができる。このとき、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ればよい。また、プロセス中に時々刻々プラズマ等の状態が変化することがあるため、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

(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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。さらに、インピーダンス可変回路のリアクタンスにより導波路の実効的な高さを変え、導波路の管内波長を十分長くすることにより、ＶＨＦ帯のような高い周波数の高周波でも、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。

＜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６及び図７を参照しながら説明する。図６の左半分は図７の３−３断面図、図６の右半分は図７の４−４断面図であり、図７は図６の５−５断面図である。図６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。

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６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。

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。

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。

図６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。

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６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。

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。

ここで、導波路のカットオフ現象について説明する。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_ｇは式（１）で表される。

ここで、λは自由空間の波長、ε_ｒは導波管内の比誘電率、μ_ｒは導波管内の比透磁率である。式（１）によれば、ε_ｒ＝μ_ｒ＝１のとき導波管の管内波長λ_ｇ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_ｇ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_ｇ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。

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６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十分に長くすれば、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。

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。

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。

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_ｇ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_ｇ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。

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。

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。

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_ｇが長くなるように制御する。しかしながら、管内波長λ_ｇ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_ｇが図７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。

（管内波長λ_ｇ）
導波路内に生じる定在波の分布は、次式で表される。

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_ｇ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。
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、
となる。即ち、（４）式によれば、導波路の管内波長λ_ｇ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。

（金属ブラシの上下動とカットオフ）
図８は、図７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。

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、管内波長は十分に長くなる。管内波長が十分に長いため定在波も生じず、図８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。

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。

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。

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。

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十分長くすることにより、高い周波数の高周波でも、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。

＜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９及び図１０を参照しながら説明する。図９の左半分は図１０の６−６断面図、図９の右半分は図１０の７−７断面図であり、図１０は図９の８−８断面図である。図９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。

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。

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。

（誘電体プランジャの上下動とカットオフ）
図１１は、図９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８の場合と同様である。

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。

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。

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。

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。

＜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。

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１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２の左半分は図１３の９−９断面図、図１２の右半分は図１３の１０−１０断面図であり、図１３は図１２の１１−１１断面図である。

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。

インピーダンス可変回路３８０の構成例としては、図１４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。

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。

図１５は、図１２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１４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８の場合と同様である。

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。

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。

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。

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。

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。

＜第５実施形態＞
［プラズマ処理装置の構成］
本発明の第５実施形態に係るプラズマ処理装置について、図１６及び図１７に示した縦断面図を参照しながら説明する。図１６の左半分は図１７の１６−１６断面、図１６の右半分は図１７の１５−１５断面である。また、図１７は図１６の１７−１７断面である。

図１６のように、蓋１０５の下面には４列の細長い矩形の溝が紙面に垂直方向に形成されている。４列の溝には、それぞれ電極４００が嵌め込まれている。電極４００は、アルミ合金等の金属からなる。電極４００と蓋１０５との間には、アルミナ等からなる誘電体４０５が挿入されており、電極４００は蓋１０５から電気的に絶縁された状態で固定されている。電極４００と蓋１０５との間の誘電体４０５で満たされた空間は、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。他の実施形態では、１つの導波路あたりに１つのスリット状の開口があったが、本実施形態では、１つの導波路あたり２つ存在する。電極４００と蓋１０５は、プラズマ露出面の面積が概ね等しく、プラズマ露出面が概ね同一面になるように形成されている。

電極４００の中央上部には、高周波電力を供給するための同軸管２２５が設けられている。同軸管２２５の内部導体２２５ａは、電極４００の上面に接続されており、外部導体２２５ｂは、蓋１０５と一体になっている。内部導体２２５ａと外部導体２２５ｂとの間には、石英等の誘電体が挿入されている。

同軸管２２５の上部には、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は、整合器２４５及び同軸管２２５を経て導波路２０５に供給される。さらに高周波は、図１６の紙面に垂直方向に伝搬しながら誘電体スリットからプラズマ空間に放出される。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４００の下面及び蓋１０５の下面を図１６の左右に伝搬しながらプラズマを励起する。ガスは、図示しないガス供給源から供給され、処理容器１００の内部に導入されてプラズマの生成に使われ、排気口４１０から排気されるようになっている。

プラズマ励起部の外側に不要なプラズマが励起されないように、プラズマ励起部の外周部にはアルミナ等の絶縁体からなるサイドカバー２８０が設けられている。サイドカバー２８０は、蓋１０５の下面に設けられた溝に嵌め込まれている。サイドカバー２８０を設けることにより、表面波を内側（プラズマ励起部側）に反射させて外側への伝搬を抑制することができる。

電極４００の両端部には、図１７に示すインピーダンス可変回路３８０を接続するための２本の同軸管３８５が設けられている。同軸管３８５の内部導体３８５ａは、電極４００の上面に接続されており、外部導体３８５ｂは、蓋１０５と一体になっている。内部導体３８５ａと外部導体３８５ｂとの間には、石英等の誘電体が挿入されている。

インピーダンス可変回路３８０の構成例としては、図１４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。

本実施形態においても、第４実施形態と同様に、インピーダンス可変回路３８０のリアクタンスにより導波路２０５を長手方向に伝搬する高周波の管内波長を変えることができる。インピーダンス可変回路３８０のリアクタンスを導波路２０５がちょうどカットオフになるように設定すると、導波路２０５を長手方向に伝搬する高周波の波長が十分に長くなり、誘電体スリットの長手方向に均一な電界が印加される。このように、導波路のカットオフ現象を利用することにより、高い周波数の高周波でも、電極の長手方向に均一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。

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、誘電体スリットの短手方向及び長手方向に配列する電極対の数もかかる例に限定されない。さらに、高周波電源を、第１の高周波電源と、第１の高周波電源から出力される高周波の周波数よりも低い周波数の高周波を出力する第２の高周波電源との２つの高周波電源により構成し、第１の高周波電源から出力される高い周波数の高周波と第２の高周波電源から出力される低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、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。

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
４００ 電極
４０５ 誘電体
４１０ 排気口

Claims (15)

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、
   前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給する伝送路と、
   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、
   前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する調整手段とを備え、
   前記導波路の前記スリット状の開口の長手方向の両端部が短絡されていないことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記調整手段は、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長が、前記スリット状の開口の長手方向の長さの７倍以上になるように、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整す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。
3. 前記伝送路は第１の同軸管であり、
   前記第１の同軸管の内部導体は、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面のうちの一方の壁面に電気的に接続され、前記第１の同軸管の外部導体は、他方の壁面に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記導波路に挿入され、前記プラズマ空間に露出する第１の誘電体板を更に備え、
   前記第１の同軸管の内部導体は、前記第１の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３に記載のプラズマ処理装置。
5. 内部導体が、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面のうちの一方の壁面に電気的に接続され、外部導体が、他方の壁面に電気的に接続された第２の同軸管を更に備え、
   前記調整手段は、前記第２の同軸管に接続されているインピーダンス可変回路であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１の同軸管は１つ、前記第２の同軸管は２つであり、
   前記１つの第１の同軸管は、前記２つの第２の同軸管の間に配置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。
7. 前記インピーダンス可変回路は、可変コンデンサ、可変コンデンサとコイルとを並列接続した回路、又は可変コンデンサとコイルとを直列接続した回路のいずれかであることを特徴とする請求項５又は６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記調整手段は、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面を短絡させる金属部材と、該金属部材を移動させる駆動機構とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記調整手段は、前記導波路内に設けられた第２の誘電体板と、該第２の誘電体板を移動させる駆動機構とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記第１の同軸管に連結され、前記第１の同軸管を伝搬する高周波の反射またはインピーダンスを計測する反射計と、
    前記計測された反射またはインピーダンスの検出値に基づいて、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する制御器とを更に備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記制御器は、前記第１の同軸管からの反射が最も小さくなるように前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整することを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
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、前記減圧容器の内部にプラズマを励起するための高周波を供給する第１の同軸管と、前記第１の同軸管に接続され、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、前記導波路を前記スリット状の開口の長手方向に伝搬する高周波の波長を調整する調整手段を備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
    前記第１の同軸管に連結され、前記第１の同軸管を伝搬する高周波の反射またはインピーダンスを反射計により計測するステップと、
    前記計測された反射またはインピーダンスの検出値に基づいて、前記導波路を伝搬する高周波の波長を制御器により調整するステップと、を含むことを特徴とするプラズマ処理方法。
13. 内部導体が、前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面のうちの一方の壁面に電気的に接続され、外部導体が、他方の壁面に電気的に接続された第２の同軸管を更に備え、
    前記調整するステップは、前記第２の同軸管に接続されているインピーダンス可変回路を調整することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整することを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
14. 前記スリット状の開口の短手方向に対向し、前記導波路を構成する２つの壁面を短絡させる金属部材を備え、
    前記調整するステップは、前記金属部材の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整することを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ処理方法。
15. 前記導波路内に設けられた第２の誘電体板を備え、
    前記調整するステップは、該第２の誘電体板の移動を制御することにより、前記導波路を伝搬する高周波の波長を調整することを特徴とする請求項１２に記載のプラズマ処理方法。