JPWO2006120904A1 - 表面波励起プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 常に大面積で均一なプラズマの生成を維持すること。【解決手段】 プラズマソース１０は、マイクロ波発生装置、マイクロ波導波管１２および誘電体ブロック１３を備え、プラズマソース２０も同様に、マイクロ波発生装置、マイクロ波導波管２２および誘電体ブロック２３を備える。チャンバ１の蓋体３に、マイクロ波導波管１２，２２を並列に取り付け、誘電体ブロック１３，２３をチャンバ１内に配設する。誘電体ブロック１３と２３との間に反射板３０を介在させることにより、誘電体ブロック１３，２３内を伝搬する電磁波（マイクロ波）が反射波として相互に進入することを阻止する。これにより、プラズマソース１０，２０を独立に制御する。また、誘電体ブロック１３，２３の外周部にサイドリフレクタ４０を配設することにより、誘電体ブロック１３，２３内を伝搬する電磁波の定在波を形成し、表面波ＳＷの定在波モードを大面積で均一に形成する。

Description

本発明は、表面波励起プラズマを利用して各種の処理を行う表面波励起プラズマ処理装置に関する。

高密度で大面積のプラズマを生成できるプラズマ処理装置としては、表面波励起プラズマを利用する装置が知られている。この種の装置では、マイクロ波導波管を分岐して誘電体板上に並列配置し、１台のマイクロ波発生部から導入したマイクロ波を分岐して各マイクロ波導波管内を伝搬させ、誘電体板上の広い領域からマイクロ波電力を取り入れることによって、大面積で均一なプラズマ生成を図った装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３３１００号公報（第２頁、図１，４）

上記の特許文献１の装置では、分岐した複数のマイクロ波導波管にマイクロ波電力を分配して大面積のプラズマを生成できる。しかし、特許文献１の装置では、負荷であるプラズマの僅かな変化により導波管ごとのマイクロ波電力とプラズマとの結合状態が変化し、各導波管への入力電力の分配比率が変わってしまい、均一なプラズマを得ることができない場合がある。

（１）本発明の請求項１に係る表面波励起プラズマ処理装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入し管内を伝搬させるマイクロ波導波管と、マイクロ波導波管のＨ面に配置された所定形状の開口部であるスロットアンテナと、マイクロ波導波管のスロットアンテナからマイクロ波を導入し表面波を形成することにより表面波励起プラズマを生成させる誘電体部材とを有するプラズマソース部を２以上備え、２以上の並設された各誘電体部材の隣り合う側面の間に反射板を設けたことを特徴とする。
（２）請求項２に係る発明は、請求項１の表面波励起プラズマ処理装置において、反射板は、少なくとも表面が電気導体であって、その表面電位が前記各誘電体部材が配設される筺体に短絡されていることを特徴とする。
（３）請求項３に係る発明は、請求項１または２の表面波励起プラズマ処理装置において、２以上の誘電体部材の外周側面に、少なくとも表面が電気導体であって、その表面電位が筺体に短絡されたサイドリフレクタが設けられていることを特徴とする。
（４）請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかの表面波励起プラズマ処理において、少なくとも反射板の露出部分を覆う誘電体板が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、マイクロ波発生部とマイクロ波導波管と誘電体部材とを有するプラズマソース部を２以上設け、各誘電体部材の間に反射板を介在させたので、隣接する誘電体部材間での相互干渉を防止できる。そのため、各々のプラズマ発生部を独立に制御可能であり、これらを調整することにより、大面積で均一なプラズマの生成を定常的に維持することができる。

本発明の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置の概略構成を模式的に示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るＳＷＰ処理装置の主要部の構成を模式的に示す縦断面図である。 図２のＩ−Ｉ線に沿って見た誘電体ブロック１３，２３の下面図である。 本発明の実施の形態によるＳＷＰ処理装置のプラズマソースの構成を模式的に示す図である。図４（ａ）は、２台のプラズマソースによる構成、図４（ｂ）は、３台のプラズマソースによる構成を示す。

符号の説明

１：チャンバ ２：チャンバ本体
３：蓋体 １０，２０：プラズマソース
１１，２１：マイクロ波発生装置 １２，２２：マイクロ波導波管
１３，２３：誘電体ブロック ３０：反射板
４０：サイドリフレクタ ５０：誘電体板
１００：ＳＷＰ処理装置 Ｐ：表面波励起プラズマ（プラズマ）
Ｓ：被処理基板 ＳＷ：表面波

以下、本発明の実施の形態による表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）処理装置（以下、ＳＷＰ処理装置と略す）について図１〜４を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ処理装置の概略構成を模式的に示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ処理装置の主要部の構成を模式的に示す縦断面図である。

図１および図２を参照すると、ＳＷＰ処理装置１００は、チャンバ１および２台のプラズマソース１０，２０を備える。チャンバ１は、被処理基板のプラズマ処理を行うための密閉筐体である。プラズマソース１０は、マイクロ波発生装置１１、マイクロ波導波管１２および誘電体ブロック１３を備える。マイクロ波発生装置１１は、高圧電源１１ａ、マイクロ波発振器１１ｂ、アイソレータ１１ｃ、方向性結合器１１ｄ、整合器１１ｅおよび接続管１１ｆを有し、マイクロ波を発振してマイクロ波導波管１２の端面へ出力するように構成されている。

マイクロ波導波管１２は、アルミニウム合金、銅、銅合金などの非磁性材料で作製され、チャンバ１の上部に取り付けられており、図１中、左右方向に延在する管である。マイクロ波導波管１２の左側の端面には、接続管１１ｆと接続されたマイクロ波導入口１２ａが設けられ、右側の端面には、終端結合器１２ｂが設けられている。マイクロ波導入口１２ａから導入されたマイクロ波Ｍは右方向に進行する。

誘電体ブロック１３は、石英、アルミナ、ジルコニアなどで作製され、マイクロ波導波管１２の下面に接してチャンバ１内に配設された平板である。後述するように、マイクロ波導波管１２から誘電体ブロック１３へマイクロ波電力を導入することにより、チャンバ１の内部空間にプラズマを生成する。

プラズマソース２０も、プラズマソース１０と同じ構成である。マイクロ波発生装置２１は、マイクロ波発生装置１１と寸法、形状、規格などが同じであり、マイクロ波導波管２２は、マイクロ波導波管１２と寸法、形状、規格などが同じであり、誘電体ブロック２３は、誘電体ブロック１３と寸法、形状、材質などが同じである。つまり、チャンバ１には、同じ構成のプラズマソース１０，２０が設けられている。したがって、以下では、主としてプラズマソース１０について説明する。

図２を参照しながら、ＳＷＰ処理装置１００の構成を詳しく説明する。チャンバ１は、チャンバ本体２と、本体２の上面に配設される蓋体３とを有する密閉筐体である。チャンバ本体２には、被処理基板Ｓを保持する基板ホルダー４と、不図示のガス供給系に配管接続され、チャンバ１０内に所定のガスを導入するガス導入口５と、不図示の真空ポンプに配管接続され、チャンバ１０内から気体を排気する真空排気口６とが設けられている。

蓋体３には、マイクロ波導波管１２，２２が並列に取り付けられている。マイクロ波導波管１２の底板１２ｄには、管の軸方向（紙面と垂直方向）に沿って複数のスロットアンテナ１２ｃが所定間隔で配設されている。スロットアンテナ１２ｃは、底板１２ｄを貫通して形成される長矩形状の開口である。底板１２ａの内面は磁界面（Ｈ面）と呼ばれる。マイクロ波導波管２２もマイクロ波導波管１２と同じ構成である。

誘電体ブロック１３は、マイクロ波導波管１２の底板１２ｄに接して、チャンバ１０内の気密を保持するように蓋体３の下面に配設されている。誘電体ブロック２３も同様に、マイクロ波導波管２２の下側に配設されている。したがって、誘電体ブロック１３と２３は所定の間隔を保って並設されている。

誘電体ブロック１３，２３を図２のＩ−Ｉ線に沿って見た下面図である図３も参照すると、並設された誘電体ブロック１３，２３の間には、反射板３０がその上辺を蓋体３の下面に接して配設されている。反射板３０は、誘電体ブロック１３，２３の境界面に等しい形状寸法を有するとともに、アルミニウム合金、ステンレス鋼、銅合金などで作製され、非磁性と導電性とを有している。反射板３０の上辺が蓋体３に短絡されているため、反射板３０と蓋体３とマイクロ波導波管１２とは同電位となっている。なお、反射板３０は、その表面が導電性を有していればよく、例えば絶縁材料の芯体とアルミニウム合金やステンレス鋼などの被覆材とで構成してもよい。

また、誘電体ブロック１３，２３の周囲には、サイドリフレクタ４０がその上辺を蓋体３の下面に接して配設されている。サイドリフレクタ４０は、４枚の平板４０ａ〜４０ｄからなり、それぞれ誘電体ブロック１３，２３の厚さにほぼ等しい高さを有している。サイドリフレクタ４０は、反射板３０と同様、アルミニウム合金やステンレス鋼などで作製され、非磁性と導電性とを有している。サイドリフレクタ４０の上辺が蓋体３に短絡されているため、サイドリフレクタ４０と蓋体３とマイクロ波導波管１２とは同電位となっている。なお、サイドリフレクタ４０は、その表面が導電性を有していればよく、例えば絶縁材料の芯体とアルミニウム合金やステンレス鋼などの被覆材とで構成してもよい。

さらに、誘電体ブロック１３，２３の下側には、誘電体ブロック１３，２３の下面と反射板３０の下辺に接して遮蔽する誘電体板５０が配設されている。誘電体板５０は、誘電体ブロック１３，２３を蓋体３に固定する不図示のボルトをプラズマから遮蔽する目的もある。

プラズマ処理の目的に応じて、ガス導入口５からチャンバ１０内へＯ_２，Ｈ_２，Ｎ_２，ＮＨ_３，Ｃｌ_２，ＳｉＨ_４，ＳＦ_６，ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho-Silicate：Ｓｉ(ＯＣ_２Ｈ_３)_４），Ａｒ，Ｈｅ等のガスが導入される。ガスを導入しながら真空排気口６から排気することによって、チャンバ１０内の圧力は通常、０．１〜５０Ｐａ程度に保持される。このような減圧雰囲気で形成される表面波励起プラズマＰを利用してチャンバ１０内のガスを電離、解離し、プラズマ中または近傍に被処理基板Ｓを置くことによって、成膜、エッチング、アッシング等のプラズマ処理が行われる。

プラズマソース１０による表面波励起プラズマの生成プロセスを説明する。マイクロ波発生装置１１から発振された周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、マイクロ波導波管１２の内部を伝搬し、整合器１１ｅと終端結合器１２ｂで調整することにより所望の状態に定在波が形成される。マイクロ波は、所定の位置に配列されたスロットアンテナ１２ｃを通過して誘電体ブロック１３、誘電体板５０に順次放射され、プラズマ生成の極初期においてはそのマイクロ波電力によりチャンバ１０内のガスが電離、解離されてプラズマＰが生成される。そして、プラズマＰの電子密度がカットオフ以上になると、マイクロ波は表面波ＳＷとなって誘電体板５０の表面に沿って伝搬し全域に拡がる。この表面波ＳＷのエネルギーによりチャンバ１０内のガスが励起されて表面波励起プラズマＰが生成される。

プラズマソース２０についても同様のプロセスで表面波励起プラズマＰが生成される。その結果、誘電体ブロック１３，２３の合計面積にほぼ等しい大きさの表面波励起プラズマＰが一体で生成される。

誘電体ブロック１３内を伝搬するマイクロ波と誘電体ブロック２３内を伝搬するマイクロ波は、いずれも反射板３０およびサイドリフレクタ４０でそれぞれ反射され、反射板３０およびサイドリフレクタ４０で囲まれた領域に応じた定在波がそれぞれ形成される。したがって、表面波ＳＷの定在波モードを大面積で均一に形成することができ、結果的に、表面波励起プラズマＰを大面積で均一に生成できる。

また、誘電体ブロック１３と２３との間に反射板３０を配設することにより、誘電体ブロック１３，２３内を伝搬する電磁波（マイクロ波）が反射波として相互にマイクロ波導波管へ進入することを阻止でき、また、２つの表面波ＳＷが相互に干渉することを防止できる。つまり、プラズマソース１０，２０は、相互に干渉することなくマイクロ波電力を独立に制御することにより、所定のプラズマ密度、プラズマ分布をもつ表面波励起プラズマＰを形成することができる。なお、反射板３０は、１ｍｍ程度の厚さで十分に上記の機能を果たすため、並設されたプラズマソース１０，２０は、見かけ上、１つの大面積用プラズマソースとして動作する。反射板３０は、１ｍｍ程度と薄いため、反射板３０の直下でプラズマ密度が低下することはなく、誘電体ブロック１３と２３の合計面積に応じた均一な表面波励起プラズマＰを得ることができる。

図４は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ処理装置のプラズマソースの構成を模式的に示す図である。図４（ａ）は、２台のプラズマソースによる構成、図４（ｂ）は、３台のプラズマソースによる構成を示す。
図４（ａ）では、マイクロ波発生装置１１からマイクロ波導波管１２へのマイクロ波入力をＳ１とし、マイクロ波導波管１２から誘電体ブロック１３への出力をＰ１、マイクロ波の伝搬損失をｄ１とし、同様に、マイクロ波発生装置２１からマイクロ波導波管２２へのマイクロ波入力をＳ２とし、マイクロ波導波管２２から誘電体ブロック２３への出力をＰ２、マイクロ波の伝搬損失をｄ２とした場合、式１が成立する。
Ｓ１＋Ｓ２＝Ｐ１＋Ｐ２＋（ｄ１＋ｄ２）・・・（１）
出力Ｐ１，Ｐ２は互いに影響を受けず、損失ｄ１，ｄ２はマイクロ波導波管１２，２２に固有の値で既知であるから、式１から容易に投入するマイクロ波電力を設定できる。

図４（ｂ）では、図４（ａ）のプラズマソース１０，２０にプラズマソース１０Ａが追加されただけであり、同様に式２が成立する。
Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）・・・（２）
式２に基づいて容易に投入するマイクロ波電力を設定できる。

以上説明したように、本実施の形態のＳＷＰ処理装置１００によれば、次のような作用効果を奏する。
（１）チャンバ１に２つのプラズマソース１０，２０を設け、プラズマソース１０，２０の誘電体ブロック１３と２３との間に反射板３０を配設することにより、誘電体ブロック１３，２３内を伝搬する電磁波の干渉を阻止するようにしたので、プラズマソース１０，２０は所定の性能を維持することができる。そのため、プラズマソース１０，２０では投入するマイクロ波電力を独立に制御することができる。

（２）誘電体ブロック１３，２３の外周部に反射板３０とサイドリフレクタ４０を配設することにより、誘電体ブロック１３，２３内を伝搬する電磁波の定在波を形成し、表面波ＳＷの定在波モードを大面積で均一に形成することができる。
（３）誘電体ブロック１３，２３の下面と反射板３０の下辺に接して誘電体板５０を配設することにより、反射板３０からの金属コンタミネーションによる被処理基板Ｓの汚染を防止することができる。また、誘電体板５０は、表面波ＳＷの形成を損なうことなく、誘電体ブロック１３，２３の防着板として使用でき、誘電体板５０を交換するだけで済むので、メンテナンスの利便性が向上する。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。例えば、本実施の形態では、２つのプラズマソース１０，２０を並設したが、もちろん３台以上並設し、各々のプラズマソースを独立に制御してもよい。また、誘電体板５０は、反射板３０からの金属コンタミネーションの防止のみが目的であれば、反射板３０のみを覆う小面積のものを使用できる。さらに、基板処理装置に限定されず、医療器具などの殺菌、滅菌装置としてＳＷＰを利用する装置にも本発明が適用できる。さらにまた、ＳＷＰ発生室と処理室を別々に設けた装置にも本発明が適用できる。

Claims (4)

1. マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部からのマイクロ波を導入し管内を伝搬させるマイクロ波導波管と、前記マイクロ波導波管のＨ面に配置された所定形状の開口部であるスロットアンテナと、前記マイクロ波導波管のスロットアンテナからマイクロ波を導入し表面波を形成することにより表面波励起プラズマを生成させる誘電体部材とを有するプラズマソース部を２以上備え、
   前記２以上の並設された各誘電体部材の隣り合う側面の間に反射板を設けたことを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記反射板は、少なくとも表面が電気導体であって、その表面電位が前記各誘電体部材が配設される筺体に短絡されていることを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載の表面波励起プラズマ処理装置において、
   前記２以上の誘電体部材の外周側面に、少なくとも表面が電気導体であって、その表面電位が前記筺体に短絡されたサイドリフレクタが設けられていることを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面波励起プラズマ処理において、
   少なくとも前記反射板の露出部分を覆う誘電体板が設けられていることを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。

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