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JP2009021220A - プラズマ処理装置、アンテナおよびプラズマ処理装置の使用方法 - Google Patents

プラズマ処理装置、アンテナおよびプラズマ処理装置の使用方法 Download PDF

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JP2009021220A JP2008140382A JP2008140382A JP2009021220A JP 2009021220 A JP2009021220 A JP 2009021220A JP 2008140382 A JP2008140382 A JP 2008140382A JP 2008140382 A JP2008140382 A JP 2008140382A JP 2009021220 A JP2009021220 A JP 2009021220A
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dielectric
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昌樹 平山
Tadahiro Omi
忠弘 大見
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Tohoku University NUC
Tokyo Electron Ltd
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Abstract

【課題】金属電極の表面に電界が集中することを防止する。
【解決手段】プラズマ処理装置１０は、処理容器１００と、マイクロ波を出力するマイクロ波源９００と、マイクロ波を伝送させる同軸管の内部導体３１５ａと、貫通穴３０５ａを有し、内部導体３１５ａを伝送したマイクロ波を透過させて処理容器１００の内部に放出する誘電体板３０５と、貫通穴３０５ａを介して内部導体３１５ａに連結され、少なくとも一部が誘電体板３０５の基板側の面に隣接した状態にて誘電体板３０５の基板側の面から露出した金属電極３１０とを有する。金属電極３１０の露出面のうち一面が誘電体カバー３２０にて覆われている。
【選択図】図６

Description

本発明は、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に関し、特に、低周波数の電磁波を処理容器内に供給するアンテナを含んだプラズマ処理装置に関する。
従来から、導波管や同軸管を用いて電磁波をプラズマ処理室に導入する方法が開発されている（たとえば、特許文献１を参照。）。特許文献１によれば、誘電体円板の中心に形成された円形透孔内に同軸管の円筒状の中心導体の下部が嵌入されていて、その中心導体の下端部内には、励起用金属キャップが嵌入されている。このキャップの底面および外周面には、これらの面が直接プラズマ発生室に露出しないように保護キャップが装着されている。保護キャップは、プラズマ発生室にて発生されたプラズマにより金属キャップに電界が集中して金属キャップが損傷されるのを防止する。
特開平１０−１４４４９７号公報
しかしながら、金属キャップの全体を保護キャップにて覆う場合、金属キャップの底面や外周面等の一面を保護キャップに密着させると金属キャップの他の面にて隙間が生じ、その隙間にて異常放電が発生し、プラズマが不均一かつ不安定になる可能性がある。これに対して、金属キャップのいずれの面も保護キャップに密着させて、隙間を生じさせないように加工精度を高くすると、コストが高くなる。
上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる導体棒と、貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極とを備え、前記金属電極の露出面のうち一部が誘電体カバーにて覆われているプラズマ処理装置が提供される。
かかる構成によれば、前記金属電極の露出面のうち一部が誘電体カバーにて覆われている。これによれば、金属電極近傍の電界を弱め、プラズマの均一性を高めることができる。このとき、機械加工の精度上、加工面を２面以上にすると隙間が生じて、その隙間にて異常放電が発生するおそれがある。
しかしながら、かかる構成によれば、前記金属電極の露出部分のうち一面が、誘電体カバーにより覆われている。このように前記金属電極の露出部分のうち、金属電極の底面や外周面等の一面のみを誘電体カバーにより覆った場合には、金属電極と誘電体カバーとを密着させることができる。これにより、金属電極と誘電体カバーとの間に隙間が生じないため、異常放電を防止し、プラズマを均一かつ安定的に発生させることができる。また、高精度加工も不要となるので、コストを抑えることができる。
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、電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、処理容器と、電磁波を出力する電磁波源と、前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる導体棒と、貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極とを備え、前記金属電極の露出面は、被処理体に対して略平行な面を有しないプラズマ処理装置が提供される。
発明者らは、独自のシミュレーションにより、図７に示したように、誘電体板の被処理体側の面に露出した金属電極のうち、被処理体に対して平行な面(面Ｃ)にて電界強度が高くなることを見いだした。
よって、金属電極の露出面を被処理体に対して略平行な面を有しないように形成することにより、金属電極近傍の電界を弱め、プラズマの均一性を高めることができる。たとえば、金属電極の露出面を、略円錐形または略半球状に形成するようにしてもよい。
このとき、金属電極の露出部分を誘電体板の被処理体側の面の一部または全部に隣接して設けてもよい。これによれば、金属電極によって誘電体板をしっかりと保持することができる。
また、前記金属電極の露出部分の少なくとも処理体に対して略平行な面を誘電体カバーにより覆うようにしてもよい。誘電体カバーの表面では、電界が集中しにくい。よって、金属電極の露出部分を誘電体カバーで覆うことにより、給電点近傍の金属電極の表面に電界が集中して、金属電極近傍にて密度の高いプラズマが生成されることを回避し、これにより、均一なプラズマを生成することができる。
前記誘電体カバーは、多孔質セラミックにより形成されていてもよい。これによれば、ガスを多孔質セラミックにより形成された誘電体カバーの気孔間にガスを流すことにより処理容器の内部にガスを導入することができる。
前記金属電極および誘電体カバーの露出面は、略円錐形に形成されていてもよい。前記誘電体カバーの先端は、フラットに形成されていてもよい。前記誘電体カバーの被処理体に垂直な向きの高さは、１０ｍｍ以内であってもよい。これによれば、誘電体カバーの表面にて電界が集中せず、均一なプラズマを生成することができるとともに金属汚染を効果的に回避することができる。
前記誘電体板の貫通穴は、前記誘電体板の略中央に設けられていてもよい。これによれば、金属電極を用いて誘電体板をバランスよく保持することができる。また、電磁波を同軸管から誘電体板を通して均一に処理容器内に供給することができる。
前記金属電極の表面は、保護膜で覆われていてもよい。たとえば、前記金属電極の表面は、耐食性の高いイットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、テフロン（登録商標）の保護膜にて保護されていてもよい。これにより、Ｆ系ガス（フッ素ラジカル）や塩素系ガス（塩素ラジカル）等により金属電極が腐食されることを回避することができる。
前記同軸管の内部には、ガスを流すガス導入路が形成され、前記金属電極には、前記同軸管の内部に形成されたガス導入路と連通し、前記ガス導入路を流れるガスを前記処理容器の内部に導入するガス通路が形成されていてもよい。
これによれば、ガスは、金属電極に設けられたガス通路から処理容器内に導入される。金属は電磁波を透過しないので、ガスは、金属電極内のガス通路で励起することはない。これにより、金属電極内でプラズマが生成されることを回避することができる。
なお、前記金属電極に形成されたガス通路は、被処理体に対して略平行な方向にガスが導入されるように形成されていてもよく、被処理体に対して略垂直な方向にガスが導入されるように形成されていてもよく、放射状にガスが導入されるように形成されていてもよい。
ガスは、金属電極に形成されたガス通路から直接前記処理容器の内部に導入されてもよい。また、ガスは、前記ガス通路から多孔質セラミックにより形成された誘電体カバーを介して処理容器の内部に導入されてもよい。特に、ガスが、多孔質セラミックから供給される場合、ガスは、多孔質セラミックの気孔間を流れる間にその速度を弱め、ある程度減速された状態にて多孔質セラミックの表面から万遍なく放出される。これにより、処理容器内にてガスが無用に拡散されることを防ぐことができ、この結果、ガスを過剰に解離させることなく所望のプラズマを生成することができる。
前記誘電体板は、アルミナから形成されていてもよい。
前記誘電体板は、複数の誘電体板から形成され、前記金属電極は、前記複数の誘電体板に対応して複数設けられていてもよい。これによれば、誘電体板が複数の誘電体板から構成されているので、パーツの交換などメンテナンスしやすく、かつ被処理体の大面積化に応じて拡張性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。
なお、複数の誘電体板の各誘電体板は、被処理体側の面が概ね矩形状になるように形成されていてもよい。複数の誘電体板の各誘電体板は、被処理体側の面が略正方形になるように形成されていてもよい。これによれば、各誘電体板は、対称性のある形状を有しているため、電磁波は、天井面に全面に渡って配置された複数の誘電体板から均一に放出される。この結果、誘電体板の下方においてプラズマをより均一に生成することができる。
前記電磁波源は、周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力してもよい。これによれば、カットオフ密度を低くして、プロセスウィンドウを広くすることができ、一つの装置でさまざまなプロセスを実現することができる。
プロセス中、前記誘電体板の側面は、プラズマに接触していてもよい。誘電体板の周囲にて誘電体板と他の部材とが接触していると、隙間が生じ、隙間にプラズマが入り込むことにより異常放電が発生するおそれがある。隙間をなくすためには、高精度加工が必要であるが、コスト高に繋がる。しかしながら、これによれば、前記誘電体板の側面がプラズマに触れている。よって、誘電体板の周囲にて隙間が生じることはなく、高精度加工を不要にしてコストを抑えることができる。
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、電磁波を伝送させる導体棒と、貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極と、を備え、前記金属電極の露出面のうち一面が誘電体カバーにて覆われているアンテナが提供される。
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、電磁波を伝送させる導体棒と、貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極と、を備え、前記金属電極の露出面は、被処理体に対して略平行な面を有しないアンテナが提供される。
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、電磁波源から周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力し、前記電磁波を導体棒に伝送させ、誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極によって処理容器の内壁に保持された前記誘電体板に、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて処理容器の内部に放出し、前記放出された電磁波により前記処理容器に導入された処理ガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法が提供される。
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、電磁波源から周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力し、前記電磁波を導体棒に伝送させ、誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極によって処理容器の内壁に保持された前記誘電体板に、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて処理容器の内部に放出し、前記放出された電磁波により前記処理容器に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法が提供される。
これによれば、たとえば、１ＧＨｚ以下の周波数の電磁波を用いることにより、２．４５ＧＨｚの周波数の電磁波のある程度のパワーでは単一ガスの状態で表面波が広がらず、均一で安定したプラズマを励起できなかったＦ系単一ガスであっても均一で安定したプラズマを励起させることができる。これにより、実用的な電磁波のパワーを用いてクリーニングガスを励起させ、これにより生成されたプラズマによってプラズマ処理装置の内部をクリーニングすることができる。
発明を実施するための形態
（第１実施形態）
以下に添付図面を参照しながら、まず、本発明の第１実施形態にかかるプラズマ処理装置について、本装置を縦方向に切断した断面図である図１（図２の断面Ｏ−Ｏ）、および、処理容器の天井面を示した図２を参照しながら説明する。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。
（プラズマ処理装置の構成）
プラズマ処理装置１０は、その内部にてガラス基板（以下、「基板Ｇ」という。）をプラズマ処理するための処理容器１００を有している。処理容器１００は、容器本体２００と蓋体３００とから構成される。容器本体２００は、その上部が開口された有底立方体形状を有していて、その開口は蓋体３００により閉塞されている。容器本体２００と蓋体３００との接触面にはＯリング２０５が設けられていて、これにより容器本体２００と蓋体３００とが密閉され、処理室Ｕが形成される。容器本体２００および蓋体３００は、たとえば、アルミニウム等の金属からなり、電気的に接地されている。
処理容器１００の内部には、基板Ｇを載置するためのサセプタ１０５（ステージ）が設けられている。サセプタ１０５は、たとえば窒化アルミニウムからなり、その内部には、給電部１１０およびヒータ１１５が設けられている。
給電部１１０には、整合器１２０（たとえば、コンデンサ）を介して高周波電源１２５が接続される。また、給電部１１０には、コイル１３０を介して高圧直流電源１３５が接続される。整合器１２０、高周波電源１２５、コイル１３０および高圧直流電源１３５は、処理容器１００の外部に設けられている。また、高周波電源１２５および高圧直流電源１３５は接地されている。
給電部１１０は、高周波電源１２５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ようになっている。また、給電部１１０は、高圧直流電源１３５から出力された直流電圧により基板Ｇを静電吸着するようになっている。
ヒータ１１５には、処理容器１００の外部に設けられた交流電源１４０が接続されていて、交流電源１４０から出力された交流電圧により基板Ｇを所定の温度に保持するようになっている。サセプタ１０５は、支持体１４５に支持されていて、その周囲には処理室Ｕのガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板１５０が設けられている。
処理容器１００の底部にはガス排出管１５５が設けられていて、処理容器１００の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）を用いてガス排出管１５５から処理容器１００内のガスが排出されることにより、処理室Ｕは所望の真空度まで減圧される。
蓋体３００には、複数の誘電体板３０５、複数の金属電極３１０および複数の同軸管の内部導体３１５ａが設けられている。図２を参照すると、誘電体板３０５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成された、１４８ｍｍ×１４８ｍｍの略正方形のプレートが分岐同軸管６４０の管内波長をλｇ（９１５ＭＨｚにおいて３２８ｍｍ）としたとき、λｇ／２の整数倍（ここでは１倍）の等間隔にて縦横に配置されている。これにより、２２４枚（＝１４×１６）の誘電体板３０５が、２２７７．４ｍｍ×２６０５ｍｍの処理容器１００の天井面に均等に配置される。
このように、誘電体板３０５は対称性のよい形状をしているため、１枚の誘電体板３０５の中で均一なプラズマを生じやすい。また、複数の誘電体板３０５がλｇ／２の整数倍の等間隔に配置されることにより、同軸管の内部導体３１５ａを用いて電磁波を導入する場合、均一なプラズマを生成することができる。
再び図１に戻ると、蓋体３００の金属面には、図１に示した溝３００ａが切られていて導体表面波の伝搬を抑制するようになっている。なお、導体表面波とは、金属面とプラズマとの間を伝搬する波をいう。
誘電体板３０５を貫通した内部導体３１５ａの先端には金属電極３１０が基板Ｇ側に露出するように設けられていて、内部導体３１５ａおよび金属電極３１０によって誘電体板３０５を保持するようになっている。金属電極３１０の基板側の面には、誘電体カバー３２０が設けられ、電界の集中を防止するようになっている。
図２の断面Ａ−Ａ’−Ａを示した図３を参照しながらさらに説明を続ける。同軸管３１５は、筒状の内部導体（軸部）３１５ａと外部導体３１５ｂとから構成されていて、金属(好ましくは銅)により形成されている。蓋体３００と内部導体３１５ａとの間には、その中央にて内部導体３１５ａが貫通したリング状の誘電体４１０が設けられている。リング状の誘電体４１０の内周面および外周面には、Ｏリング４１５ａ、４１５ｂが設けられていて、これにより、処理室Ｕの内部を真空シールするようになっている。
内部導体３１５ａは、蓋部３００ｄを貫いて処理容器１００の外部に突出している。内部導体３１５ａは、連結部５１０、バネ部材５１５および短絡部５２０からなる固定機構５００により、バネ部材５１５の弾性力を用いて処理容器１００の外側に向かって吊り上げられている。なお、蓋部３００ｄは、蓋体３００の上面であって、内部導体３１５ａの吊り上げ部分の近傍にて、蓋体３００と外部導体３１５ｂと一体化している部分をいう。
内部導体３１５ａの貫通部分には、短絡部５２０が設けられ、同軸管３１５の内部導体３１５ａと蓋部３００ｄとを電気的に短絡させるようになっている。短絡部５２０は、シールドスパイラルから構成され、内部導体３１５ａを上下に摺動可能に設けられている。なお、短絡部５２０に、金属ブラシを用いることもできる。
このように、短絡部５２０を設けたことにより、プラズマから金属電極３１０に流入した熱を内部導体３１５ａおよび短絡部を通して効率よく蓋に逃がすことができるため、内部導体３１５ａの加熱を抑制し内部導体３１５ａに隣接したＯリング４１５ａ、４１５ｂの劣化を防ぐことができる。また、短絡部５２０は、内部導体３１５ａを通してバネ部材５１５にマイクロ波が伝わることを防止するため、バネ部材５１５周辺での異常放電や電力損失が発生しない。さらに、短絡部５２０は、内部導体３１５ａの軸ぶれを防ぎ、しっかりと保持することができる。
なお、短絡部５２０にて蓋部３００ｄと内部導体３１５ａとの間、および後述する誘電体６１５と蓋部３００ｄとの間をＯリング(図示せず)にて真空シールし、蓋部３００ｄ内の空間に不活性ガスを充填することにより、大気中の不純物が処理室内に混入することを防ぐことができる。
図１の冷媒供給源７００は、冷媒配管７０５に接続されていて、冷媒供給源７００から供給された冷媒が冷媒配管７０５内を循環して再び冷媒供給源７００に戻ることにより、処理容器１００を所望の温度に保つようになっている。ガス供給源８００は、ガスライン８０５を介して、図３に示した内部導体３１５ａ内のガス流路から処理室内に導入される。
２台のマイクロ波源９００から出力された、１２０ｋＷ（＝６０ｋＷ×２（２Ｗ／ｃｍ２））のパワーをもつマイクロ波は、分岐導波管９０５（図４参照）、８つの同軸導波管変換器６０５、８つの同軸管６２０、図１の背面方向に平行に位置する８本の分岐同軸管６４０(図２参照)に７本ずつ連結された同軸管６００、分岐板６１０(図５参照)および同軸管３１５を伝送し、複数の誘電体板３０５を透過して処理室内に供給される。処理室Ｕに放出されたマイクロ波は、ガス供給源８００から供給された処理ガスを励起させ、これにより生成されたプラズマを用いて基板Ｇ上に所望のプラズマ処理が実行される。
（金属電極による誘電体板の保持）
つぎに、以上のように構成された本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０のアンテナ部分（誘電体板３０５、金属電極３１０、同軸管３１５）の構成、および金属電極３１０を用いた誘電体板３０５の保持機構について詳しく説明する。
図３および金属電極近傍を拡大した図６に示したように、同軸管３１５，６００は、円筒状の内部導体３１５ａ、６００ａと外部導体３１５ｂ、６００ｂとから構成されていて、いずれも金属により形成されている。内部導体３１５ａは、導体棒の一例である。特に、本実施形態では、同軸管３１５，６００は、熱伝導率および電気伝導率が高い銅により形成されていて、マイクロ波やプラズマからの熱を逃がすとともに、マイクロ波を良好に伝送させるようになっている。
金属電極３１０は、アルミニウム（Ａｌ）などの金属から形成されている。金属電極３１０がプラズマ側に露出していると、給電点近傍の金属電極３１０に電界が集中して、誘電体板３０５の表面よりも高い密度のプラズマが発生し、プラズマの均一性が損なわれるばかりでなく、金属電極３１０がエッチングされ、金属汚染が発生するおそれがある。特に、基板Ｇに対して略平行な面での電界強度は高くなる。
（シミュレーション）
図７に示したシミュレーションモデルＰ１、Ｐ２の面Ａ−Ｃ、面Ａ−Ｅの近傍のシース中のマイクロ波の電界強度について説明する。発明者らは、金属電極３１０の露出部分のうち、基板Ｇに平行な面Ｃをそのまま基板Ｇ側に露出させた場合（Ｐ１）と、基板Ｇに平行な面を誘電体カバー３２０により覆った場合（Ｐ２）とについて、面Ａ〜面Ｃ、面Ａ〜面Ｅの近傍の電界強度（すなわち、シース中のマイクロ波の電界強度）をシミュレーションにより求めた。この結果を示した図７のグラフを見ると、金属電極３１０の表面のうち、基板Ｇに平行に露出した面Ｃでは顕著に電界強度が高くなることがわかった。
より詳しく説明すると、基板Ｇに平行な面Ｃをプラズマ側に露出させた場合（Ｐ１）、誘電体板下部の面Ａ近傍の電界強度は、比較的低かった。一方、金属電極３１０の露出部分の側面Ｂ近傍の電界強度は、面Ａから離れるに従って高くなっていったが、基板Ｇに平行な面Ｃ近傍の電界強度に比べると低く、基板Ｇに平行な面Ｃ近傍の電界強度は、他の面Ａ，Ｂよりも顕著に高くなった。
つぎに、発明者らは、基板Ｇに平行な面Ｃをアルミナの誘電体カバー３２０により覆った場合（Ｐ２）についてシミュレーションを行った。その結果、平坦部を誘電体カバー３２０にて覆うことにより、平坦部の電界強度が著しく小さくなることが分かった。斜めの面Ｂでも電界強度は強くなるが、高々、誘電体カバー３２０で覆っていない場合の半分程度であった。この結果、発明者らは、平坦部を誘電体カバー３２０にて覆うことにより、プラズマの集中を防ぎ、より均一なプラズマを生成することができることを証明した。
また、Ｐ１とＰ２との比較から、基板Ｇに平行な面Ｃを誘電体カバー３２０によって覆うことにより、金属電極近傍の電界を弱め、プラズマの均一性を高めることができることがわかった。
そこで、図６の金属電極３１０の露出部分のうち、基板Ｇに対して略平行な面には、誘電体カバー３２０によるカバーがなされている。特に、金属電極の底面や外周面等の一面のみを誘電体カバー３２０により覆うので、金属電極３１０と誘電体カバー３２０とを密着させることができる。これにより、金属電極３１０と誘電体カバー３２０との間に隙間が生じないため、異常放電を防止し、プラズマを均一かつ安定的に発生させることができる。また、高精度加工も不要となるので、コストを抑えることができる。また、誘電体カバー３２０は、多孔質セラミックから形成されている。
金属電極３１０は、誘電体板３０５の略中央に設けられた貫通穴３０５ａを介して同軸管３１５の内部導体３１５ａに連結されながら、誘電体板３０５の基板側の面に露出する。金属電極３１０の径は、内部導体３１５ａの径より大きく、金属電極３１０の基板に平行な面と誘電体板３０５の基板Ｇに平行な面とは一部隣接している。これにより、誘電体板３０５は、金属電極３１０によって基板側から保持された状態で、内部導体３１５ａにより吊り上げられ、処理容器１００の内壁にしっかりと固定される。
このように、金属電極３１０は、同軸管３１５の内部導体３１５ａより外側に張り出しながら誘電体板３０５の基板側の面に露出している。また、金属電極３１０は金属であるから、誘電部材よりも機械的強度が強い。これにより、金属電極３１０は、構造的にも材質的にも強固に誘電体板３０５を保持することができる。
図６に示したように、同軸管３１５には、内部導体３１５ａの内部を貫通するガス導入路３１５ｃが設けられている。図１に示したガス供給源８００は、ガスライン８０５を介してガス導入路３１５ｃに連通している。ガス導入路３１５ｃは、金属電極３１０の内部に設けられたガス通路３１０ａに連通している。ガス通路３１０ａは、２つの環状流路に分岐して、金属電極３１０の下面から誘電体カバー３２０に放出される。
誘電体カバー３２０に流入したガスは、誘電体カバー３２０を形成する多孔質セラミックの気孔間を流れる間にその速度を弱め、ある程度減速された状態にて誘電体カバー３２０の表面全面から万遍なく処理室Ｕに導入される。ガスが層流状に規則性をもって流れることにより、均一で良好なプロセスを実現できる。
各誘電体板３０５の基板側の面は、略正方形に形成されていて、金属電極３１０に対して対称性を有している。このため、マイクロ波は、天井面に全面に渡って配置された複数の誘電体板３０５から均一に放出される。この結果、誘電体板３０５の下方においてプラズマをより均一に生成することができる。各誘電体板３０５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）から形成されている。
（金属電極および誘電体カバーの最適形状）
発明者らは、異常放電を生じさせないために、金属電極３１０およびアルミナにより形成された誘電体カバー３２０の最適形状をシミュレーションによりつぎのように求めた。
金属電極３１０の形状では、図１５及び図１６に示した幅Ｄ、高さＨであって先端部に丸みのある基本形、図１７及び図１８に示した直径３２ｍｍ、高さＨの円錐形状、図１９に示した直径３２ｍｍ、高さ１０ｍｍの円錐形状、図２０に示した半球形状をシミュレーションの対象とした。金属電極３１０と誘電体カバー３２０との組み合わせ形状では、図２１に示した円錐形、図２２及び図２３に示した円錐形の先端がフラットな形状をシミュレーション対象とした。
（シミュレーション結果）
以上の条件にてシミュレーションを実行した結果得られた金属電極３１０及び誘電体板３０５下面の電界強度の分布を図１５〜図２３を用いて説明する。まず、発明者らは、上記シミュレーション条件の下、幅Ｄを３２ｍｍに固定し、高さＨを４ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍと変化させた。図１５は、この場合の誘電体板３０５下部の電界強度を示す。Γは反射係数の絶対値（かっこ内は位相）を示す。反射係数は、金属電極側から見たマイクロ波の反射を示す指標である。
図１５に示した結果により、発明者らは、基本形では、金属電極３１０の下面の水平面にて電界が強くなることがわかった。また、発明者らは、金属電極３１０の高さを変化させても、電界の集中は改善されないことを確認した。
そこで、発明者らは、図１６に示したように、高さＨを７ｍｍに固定し、幅Ｄ（金属電極の直径）を２４ｍｍ、３２ｍｍ、４０ｍｍと変化させた。しかしながら、この結果によっても、金属電極下面の水平面において電界の集中は改善されなかった。
つぎに、発明者らは、図１７に示したように、金属電極３１０を円錐形状とし、高さＨを７、１０、１３ｍｍと変化させた。この結果、電界の集中は改善され、特に、金属電極３１０の斜めの面には電界が集中しにくいことが分かった。また、上記７、１０、１３ｍｍの範囲では、金属電極３１０の高さを高くしたほうが電界が集中しにくいことが分かった。
しかしながら、図１８に示したように、高さＨをさらに１６，１９、２５ｍｍと高くすると、金属電極３１０の先端にて再び電界が強くなってくることが分かった。
つぎに、発明者らは、図１９に示したように、プラズマ誘電率εｒを変動させたときの円錐形の金属電極３１０及び誘電体板３０５下面の分布状態をシミュレーションにより求めた。このとき、円錐径の金属電極３１０の直径を３２ｃｍとし、高さを１０ｍｍに固定した。
なお、誘電正接Ｔδを−０．１とした。プラズマの誘電率εｒ及び誘電正接Ｔδはプラズマの状態を示していて、プラズマの誘電率εｒは、プラズマにおける分極の状態を表し、プラズマの誘電正接Ｔδは、ガスを励起させることにより生成されたプラズマ中の抵抗による電荷の損失の状態を表している。
図１９では、プラズマの誘電率εｒを−４０、−２０、−１０と変動させた。プラズマの誘電率εｒが大きいほどプラズマの密度が高いことを表している。図１９に示した結果から、発明者は、プラズマの密度が低いほど、金属電極３１０の電界が強くなり、マイクロ波が広がらないことを確認した。
つぎに、発明者らは、図２０に示したように、金属電極３１０の形状を直径３２ｍｍの半球形としてシミュレーションを実行した。この場合にも、金属電極３１０及び誘電体板３０５の下面にて電界の集中は見られなかった。ただし、半球形の金属電極３１０は、円錐形の金属電極３１０より高さが高くなってしまう。また、金属電極３１０を半球形状にすることは円錐形状にするより加工が難しい。
つぎに、発明者らは、図２１に示したように、金属電極３１０の被処理体に水平な面に円錐形の誘電体カバー３２０を設け、金属電極３１０および誘電体カバー３２０の露出面を略円錐形状とした。金属電極３１０の底面の直径を５４ｍｍ、高さを７ｍｍとし、金属電極３１０の底面から誘電体カバー３２０の先端部までの高さを２７ｍｍとした。この場合にも、金属電極３１０の近傍にて電界の集中は見られなかった。
さらに、発明者らは、図２２及び図２３に示したように、誘電体カバー３２０の先端をフラットにした構造の場合の電界の集中度をシミュレーションした。図２２では、金属電極３１０の底面の直径を５４ｍｍ、高さを７ｍｍとし、誘電体カバー３２０の高さＷを１２、１０、８、６ｍｍと変動させた。この結果、発明者らは、誘電体カバーの厚さが１０ｍｍ以上の場合、電界の集中は見られないことを確認した。
そこで、発明者らは、図２３に示したモデルを想定した。すなわち、金属電極３１０の底面の直径を５４ｍｍ、高さを７ｍｍとし、誘電体カバー３２０の高さＷを１０ｍｍと変動させ、プラズマの誘電率εｒを−１０、−２０、−４０、−６０と変動させた。この結果、誘電体カバー３２０の厚さを１０ｍｍと固定した場合、高密度でも金属電極３１０の近傍にて電界の集中は見られなかった。
（実験）
そこで、発明者は、上記シミュレーション結果に基づき実験を行った。実験のプラズマ条件は、つぎの４系統である。
（１）Ａｒ単一ガス：３，１，０．５，０．１，０．０５Ｔｏｒｒ
（２）Ａｒ／Ｏ２混合ガス：Ａｒ／Ｏ２＝１６０／４０、１００／１００、０／２００ｓｃｃｍ
（３）Ａｒ／Ｎ２混合ガス：Ａｒ／Ｎ２＝１６０／４０、１００／１００、０／２００ｓｃｃｍ
（４）Ａｒ／ＮＦ３混合ガス：Ａｒ／ＮＦ３＝１８０／２０、１６０／４０、１００／１００ｓｃｃｍ
この実験結果について、注目すべき事項を簡単に述べる。金属電極３１０が円錐形状の場合、金属電極３１０の近傍に電界が集中することはなく、また、Ａｒガスの圧力、Ｏ２、Ｎ２、ＮＦ３等のガス種に対する依存性も殆どなく良好な結果を得ることができた。金属電極３１０が半球形状の場合、アルゴンガスと共にＯ２またはＮＦ３のガスを供給する際、Ｏ２およびＮＦ３に対する圧力依存性が比較的高かった。金属電極３１０に誘電体カバー３２０を取り付け、円錐形状に形成した場合、誘電体カバー３２０（ここではアルミナ）のプラズマ輝度が金属電極３１０より暗かった。また、金属電極３１０のアルミニウムの部分の輝度にはガス種依存性が有ることが分かった。基本形では、Ｏ２の圧力依存性が比較的高かった。
以上の考察に基づき、発明者は次のような結論を導き出した。まず、金属電極３１０は、電界を集中させないために略円錐形状または略半球形状に形成されていることが好ましく、特に、略円錐形状に形成されているのが好ましい。また、金属電極３１０に誘電体カバー３２０を付ける場合にも、金属電極３１０および誘電体カバー３２０の露出面を略円錐形状にすることが好ましい。その際、誘電体カバー３２０の先端がフラットに形成されているほうが、フラットに形成されていない場合より先端に電界が集中しないのでより好ましい。また、先端がフラットに形成されている誘電体カバー３２０の基板Ｇに垂直な向きの高さが１０ｍｍ以内であればより好ましいことを導き出した。
（保護膜）
金属電極３１０の表面は、耐食性の高いイットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、テフロン（登録商標）の保護膜にて覆われている。これにより、Ｆ系ガス（フッ素ラジカル）や塩素系ガス（塩素ラジカル）等により金属電極３１０が腐食されることを回避することができる。
この保護膜の材質について具体的に説明する。金属電極３１０の表面に被膜する保護膜は、アルミニウムを主成分とする金属の酸化膜からなる膜であって、膜厚が１０ｎｍ以上であり、前記膜からの放出水分量が１Ｅ１８分子／ｃｍ２以下（１×１０１８個／ｃｍ２以下）である金属酸化膜であってもよい。なお、以下の説明ではＥ表記法（Ｅ−Ｎｏｔａｔｉｏｎ）を用いて分子数を表す。
この放出水分は、金属酸化物膜の表面吸着水に由来しており、放出水分量は金属酸化物膜の実効表面積に比例するので、放出水分量を低減するためには、実効表面積を最小にすることが有効である。このため、金属酸化物膜は、表面に気孔（ポア）などのないバリア型金属酸化物膜であることが望ましい。
一部元素の含有量を抑制したアルミニウムを主成分とする金属において、特定の化成液を用いることにより形成された金属酸化物膜は、ボイドやガス溜まりが形成されず、加熱による酸化物膜のクラック発生等が抑えられることにより、硝酸、フッ素等の薬液及びハロゲンガス、特に塩素ガスに対して良好な耐食性を有する。
金属酸化物膜からの放出水分量は、金属酸化物膜を２３℃で１０時間、その後昇温してさらに２００℃で２時間保持する間に膜から放出される単位面積当たりの放出水分子数［分子／ｃｍ２］をいう（昇温時間中も測定に含まれる）。放出水分量は、例えば、大気圧イオン化質量分析装置（ルネサス東日本製ＵＧ−３０２Ｐ）を用いて測定可能である。
好ましくは、金属酸化物膜は、アルミニウムを主成分とする金属又は高純度アルミニウムを主成分とする金属をｐＨ４〜１０の化成液中で陽極酸化して得られる。化成液は、硝酸、燐酸及び有機カルボン酸並びにそれらの塩よりなる群から選ばれる少なくとも一種を含有することが好ましい。また、化成液が非水溶媒を含有することが好ましい。また、金属酸化物膜は、陽極酸化ののち１００℃以上で加熱処理されていることが好ましい。たとえば、１００℃以上の加熱炉中でアニール処理することができる。ただし、金属酸化物膜は、陽極酸化ののち１５０℃以上で加熱処理するとさらに好ましい。
金属酸化物膜の上下には、必要に応じて他の層を有していてもよい。たとえば、金属酸化物膜上にさらに、金属、サーメット及びセラミックスから選ばれるいずれか１種又は２種以上を原料とした薄膜を形成して多層構造とすることもできる。
なお、アルミニウムを主成分とする金属とは、アルミニウムを５０質量％以上含む金属をいう。純アルミニウムでもよい。好ましくは、この金属はアルミニウムを８０質量％以上含み、より好ましくはアルミニウムを９０質量％以上、さらに好ましくは９４質量％以上含む。また、アルミニウムを主成分とする金属は好ましくは、マグネシウム、チタン及びジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも一種以上の金属を含む。
また、高純度アルミニウムを主成分とする金属とは、アルミニウムを主成分とする金属であって、特定元素（鉄、銅、マンガン、亜鉛、クロム）の総含有量が１％以下である金属をいう。また、高純度アルミニウムを主成分とする金属は、好ましくは、マグネシウム、チタン及びジルコニウムよりなる群から選ばれる少なくとも一種以上の金属を含む。
以上に説明したように、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０によれば、金属電極３１０は、誘電体板３０５の貫通穴３０５ａを介して同軸管３１５と連結し、内部導体３１５ａより張り出しながら誘電体板３０５の基板側の面に露出する。これにより、金属電極３１０を用いて誘電体板３０５をしっかり保持することができる。また、金属電極３１０の一面に誘電体カバー３２０を設けることにより、金属電極近傍の電界を弱め、プラズマの均一性を高めることができる。
また、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１０では、誘電体板は、２２４枚の誘電体板３０５から形成される。これによれば、誘電体板が複数の誘電体板３０５から構成されているので、パーツの交換などメンテナンスしやすく、かつ基板の大面積化に応じて拡張性の高いプラズマ処理装置１０を提供することができる。
（第１実施形態の変形例）
つぎに、本実施形態にかかる金属電極３１０の変形例１，２について説明する。
（変形例１）
前述したシミュレーション結果によれば、金属電極３１０の露出部分では、特に、基板Ｇに対して平行な面に電界が集中することがわかった。よって、金属電極３１０の露出部分は、基板Ｇに対して平行な面を持たない形状にするほうがよい。そのような変形例としては、たとえば、図８の円錐形が挙げられる。また、図９に示したように半球状であってもよい。図８及び図９に示した金属電極３１０では、誘電体カバーがないためコスト的に有利であること、基板Ｇに対して平行な面がないので、電界が集中しにくいことが利点として挙げられる。
金属電極３１０の露出部分が、図８に示した円錐形の場合、ガスは、たとえば、等間隔に設けられた６本のガス通路３１０ａから斜め４５度下に向かって導入されるようにしてもよい。なお、図８に示した円錐形の先端に丸みをつけると、電界の集中をより効果的に防止することができる。
また、金属電極３１０の露出部分が、図９に示した半球状の場合、ガスは、たとえば、等間隔に放射状に設けられたガス通路３１０ａから放射状に導入されるようにしてもよい。
さらに、金属電極３１０に形成されたガス通路３１０ａは、図１０のように基板Ｇに対して平行な方向にガスが導入されるように形成されていてもよく、基板Ｇに対して垂直な方向にガスが導入されるように形成されていてもよい。なお、図１０の誘電体カバー３２０は、アルミナセラミックにより形成されている。
また、金属電極３１０の露出部分に多孔質体セラミックの誘電体カバー３２０を設けた場合、図６に示したように、金属電極３１０のガス通路３１０ａから誘電体カバー３２０を介して処理室Ｕに導入されるようにしてもよい。
（変形例２）
図１１のＸ−Ｘ断面を図１２に示す。図１１は、図１２をＹ−Ｙ面にて切断した図である。図１１に示したように、金属電極３１０は、その根本が誘電体板３０５の貫通穴３０５ａに挿入されるように伸びていて、同軸管３１５の内部導体３１５ａと金属電極３１０とは、内部導体３１５ａの端部に設けられた雄ネジ３１５ｄと金属電極３１０の根本に設けられた雌ネジ３１０ｂとにより螺合することにより連結している。
図６のリング状の誘電体４１０とＯリング４１５ｂでは、まず、Ｏリング４１５ｂを嵌め込み、その後、リング状の誘電体４１０を装着する。リング状の誘電体４１０を装着するとき、Ｏリング４１５ｂが傷つく場合がある。しかしながら、図１１の構造では、誘電体板３０５の上部角がテーパ状になっている。これにより、誘電体板３０５をスムーズに嵌め込むことができるとともに、誘電体板３０５の装着時にＯリング４１５ｂを傷めにくい構造となっている。
また、本変形例では、誘電体板３０５と図３に示したリング状の誘電体４１０とは、図１１に示したように、一体的に形成されていてもよい。また、誘電体板３０５の内周面と同軸管３１５との間および誘電体板３０５の外周面と蓋体３００との間に２つのＯリング４１５ａ、４１５ｂを設ける代わりに、誘電体板３０５の内周面と金属電極３１０との間にＯリング４１５ｂを設け、誘電体板３０５の外周面と蓋体３００との間にＯリング４１５ａを設けるようにしてもよい。これによっても、金属電極３１０および内部導体３１５ａにより誘電体板３０５を天井面にしっかりと保持し、処理室Ｕの内部を真空シールすることができる。
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、プラズマ処理装置の発明の実施形態を、プラズマ処理装置の使用方法やプラズマ処理装置のクリーニング方法の実施形態とすることができる。
（周波数の限定）
上記各実施形態にかかるプラズマ処理装置１０を用いて、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波をマイクロ波源９００から出力することにより、良好なプラズマ処理を実現できる。その理由を以下に説明する。
化学反応により基板表面に薄膜を堆積させるプラズマＣＶＤプロセスでは、基板表面だけでなく、処理容器内面にも膜が付着する。処理容器内面に付着した膜が剥がれ落ちて基板に付着すると、歩留まりを悪化させる。さらに、処理容器内面に付着した膜から発生した不純物ガスが薄膜に取り込まれ、膜質を悪化させることがある。よって、高品質プロセスを行うためには、チャンバ内面を定期的にクリーニングしなければならない。
シリコン酸化膜やシリコン窒化膜のクリーニングには、Ｆラジカルが良く用いられる。Ｆラジカルは、これらの膜を高速にエッチングする。Ｆラジカルは、ＮＦ３やＳＦ６等のＦを含むガスでプラズマを励起し、ガス分子を分解することにより生成される。ＦとＯとを含む混合ガスでプラズマを励起すると、ＦやＯがプラズマ中の電子と再結合するため、プラズマ中の電子密度が低下する。特に、すべての物質の中で電気陰性度がもっとも大きなＦを含むガスでプラズマを励起すると、電子密度が著しく低下する。
これを証明するために、発明者は、マイクロ波周波数２．４５ＧＨｚ、マイクロ波電力密度１．６Ｗ／ｃｍ−２、圧力１３．３Ｐａの条件でプラズマを生成して電子密度を計測した。その結果、電子密度は、Ａｒガスの場合には２．３×１０１２ｃｍ−３であったのに対し、ＮＦ３ガスの場合にはそれより一桁以上小さい６．３×１０１０ｃｍ−３であった。
図１３に示したように、マイクロ波の電力密度を増加させると、プラズマ中の電子密度が増加する。具体的には、電力密度を１．６Ｗ／ｃｍ２から２．４Ｗ／ｃｍ２にすると、プラズマ中の電子密度は６．３×１０１０ｃｍ−３から１．４×１０１１ｃｍ−３まで増加する。
一方、２．５Ｗ／ｃｍ２以上のマイクロ波を印加すると、誘電体板が加熱して割れたり各部で異常放電する危険性が高まるし、不経済であるため、ＮＦ３ガスでは実用上１．４×１０１１ｃｍ−３以上の電子密度にすることは困難である。すなわち、電子密度が極めて低いＮＦ３ガスでも均一で安定なプラズマを生成するためには、表面波共鳴密度ｎｓが、１．４×１０１１ｃｍ−３以下でなければならない。
表面波共鳴密度ｎｓは、誘電体板とプラズマとの間を表面波が伝搬可能な最低の電子密度を表し、電子密度が表面波共鳴密度ｎｓよりも小さいと、表面波が伝搬しないため極めて不均一なプラズマしか励起することができない。表面波共鳴密度ｎｓは、式（１）のカットオフ密度ｎｃと式（２）にて示される比例関係がある。
ｎｃ＝ε０ｍｅω２／ｅ２・・・（１）
ｎｓ＝ｎｃ（１＋εｒ）・・・・（２）
ここで、ε０は真空の誘電率、ｍｅは電子の質量、ωはマイクロ波角周波数、ｅは電気素量、εｒは誘電体板の比誘電率である。
上記式（１）（２）より、表面波共鳴密度ｎｓは、マイクロ波周波数の二乗に比例することが分かる。よって、低い周波数を選択した方が、より低い電子密度でも表面波が伝搬し均一なプラズマが得られる。たとえば、マイクロ波周波数を１／２にすると、１／４の電子密度でも均一なプラズマが得られることになり、マイクロ波周波数の低減はプロセスウィンドウの拡大に極めて有効である。
表面波共鳴密度ｎｓが、ＮＦ３ガスを用いた場合の実用的な電子密度である１．４×１０１１ｃｍ−３と等しくなる周波数は１ＧＨｚである。すなわち、マイクロ波の周波数として１ＧＨｚ以下を選択すると、どんなガスを用いても実用的な電力密度で均一なプラズマを励起することができる。
以上から、たとえば、周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波をマイクロ波源９００から出力することにより、被処理体（たとえば、基板Ｇ）に良好なプラズマ処理を施すことができる。
たとえば、上記実施形態にかかるプラズマ処理装置１０のマイクロ波源９００から周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波を出力することにより、マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波を同軸管（たとえば、同軸管６００，３１５）に伝送させ、誘電体板３０５に形成された貫通穴３０５ａを介して同軸管の内部導体３１５ａに連結され、少なくとも一部が誘電体板３０５の基板側の面に隣接した状態にて誘電体板３０５の基板側の面から露出した金属電極３１０により処理容器１００の内壁に保持された誘電体板３０５に、同軸管３１５を伝送したマイクロ波を透過させて処理容器１００の内部に放出し、放出されたマイクロ波により処理容器１００に導入された処理ガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法とすることができる。
また、たとえば、上記実施形態にかかるプラズマ処理装置１０のマイクロ波源９００から周波数が１ＧＨｚ以下のマイクロ波を出力することにより、マイクロ波源９００から出力されたマイクロ波を同軸管（たとえば、同軸管６００，３１５）に伝送させ、誘電体板３０５に形成された貫通穴３０５ａを介して同軸管の内部導体３１５ａに連結され、少なくとも一部が誘電体板３０５の基板側の面に隣接した状態にて誘電体板３０５の基板側の面から露出した金属電極３１０により処理容器１００の内壁に保持された誘電体板３０５に、同軸管３１５を伝送したマイクロ波を透過させて処理容器１００の内部に放出し、放出されたマイクロ波により処理容器１００に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法とすることができる。
なお、電気学会・マイクロ波プラズマ調査専門委員会編「マイクロ波プラズマの技術」オーム社出版、平成１５年９月２５日発行の序文には、本書では「「マイクロ波帯」は、ＵＨＦ帯の３００ＭＨｚ以上の周波数領域を指している」とあることから、本明細書中においてもマイクロ波の周波数は３００ＭＨｚ以上とする。
ただし、上記実施形態では、９１５ＭＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源９００を挙げたが、８９６ＭＨｚ、９２２ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力するマイクロ波源であってもよい。なお、マイクロ波源は、プラズマを励起するための電磁波（マイクロ波）を発生する電磁波源に相当する。
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、各種の変更例また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、本発明にかかるプラズマ処理装置に設けられた誘電体板は、角形の複数の誘電体板３０５を有するプラズマ処理装置であってもよく、図１４に示したように、大面積の１枚の円形の誘電体板３０５を有するプラズマ処理装置であってもよい。
これによれば、一本の内部導体３１５ａに連結された１つの金属電極３１０により１枚の誘電体板３０５が、処理容器１００の天井部に配設される。これによれば、複数の誘電体板３０５を有するプラズマ処理装置の場合と同様に、プロセス中、誘電体板３０５の側面はプラズマに接触する。
このような状態であれば、誘電体板３０５の側面にて誘電体板３０５が他の部材（たとえば、金属枠など）と接触していた場合に、誘電体板３０５とそれらの部材との隙間にプラズマが入り込み、異常放電が生じる現象を回避することができる。
さらに、リング状の誘電体４１０の上部であって、蓋体３００と内部導体３１５ａとの間には、その中央にて内部導体３１５ａが貫通したリング状の誘電体４２０が設けられている。リング状の誘電体４２０の外周面および内周面の一部は、蓋体３００および内部導体３１５ａに埋め込まれている。リング状の誘電体４２０と蓋体３００との間であって処理容器の内側に向かう面(下面)には、Ｏリング４２５が設けられている。
このように、図１４に示したプラズマ処理装置１０では、誘電体板３０５を吊り上げるために、Ｏリング４２５が設けられている。これによれば、処理容器１００に対するＯリング４２５の弾性力（反発力）により、同軸管の内部導体３１５ａを処理容器１００の外側へ押し上げることができる。
さらに、また、２つのリング状の誘電体４１０、４２０を設けることにより、誘電体板３０５を保持する内部導体３１５ａを２点で支えるため、同軸管３１５の軸のぶれを防止することができる。このようにして、バネの弾性力および内部導体３１５ａのガイド機能により、誘電体板３０５は、蓋体３００の内壁にしっかりと密着される。この結果、プラズマが蓋体３００の内壁と誘電体板３０５との隙間に入り込むことにより発生する異常放電を回避して、プラズマを均一かつ安定的に生成することができる。
なお、本発明にかかるプラズマ処理装置は、大面積のガラス基板、円形のシリコンウエハや角型のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を処理することもできる。
また、本発明にかかるプラズマ処理装置では、成膜処理、拡散処理、エッチング処理、アッシング処理などのあらゆるプラズマ処理を実行することができる。
本発明の第１実施形態にかかる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プラズマ処理装置の天井面を示した図である。 同実施形態にかかる分岐導波管を示した図である。 同実施形態にかかる誘電体板の固定機構及びその近傍を示した図である。 同実施形態にかかる分岐板を示した図である。 同実施形態にかかる金属電極およびその近傍を示した図である。 同実施形態にかかる金属電極の形状と電界強度との関係を示したグラフである。 同実施形態にかかる金属電極の変形例を示した図である。 同実施形態にかかる金属電極の他の変形例を示した図である。 同実施形態にかかる金属電極の他の変形例を示した図である。 同実施形態にかかる金属電極の他の変形例を示した図である。 図１１のＸ−Ｘ断面図である。 マイクロ波の電力密度とプラズマの電子密度との関係を示すグラフである。 その他の変形例を示した図である。 金属電極の形状（基本形）を最適化するためのシミュレーション結果である。 金属電極の形状（基本形）を最適化するための他のシミュレーション結果である。 金属電極の形状（円錐形）を最適化するための他のシミュレーション結果である。 金属電極の形状（円錐形）を最適化するためのシミュレーション結果である。 金属電極の形状（円錐形）を最適化するための他のシミュレーション結果である。 金属電極の形状（半球形）を最適化するためのシミュレーション結果である。 誘電体カバーの形状を最適化するためのシミュレーション結果である。 誘電体カバーの形状を最適化するための他のシミュレーション結果である。 誘電体カバーの形状を最適化するための他のシミュレーション結果である。
符号の説明
１０ プラズマ処理装置
１００ 処理容器
２００ 容器本体
３００ 蓋体
３００ａ 溝
３０５ 誘電体板
３０５ａ 貫通穴
３１０ 金属電極
３１５、６００ 同軸管
３１５ａ，６００ａ 内部導体
３２０ 誘電体カバー
４１０、４２０ リング状の誘電体
２０５、４１５ａ、４１５ｂ、４２５ Ｏリング
５００ 固定機構
５２０ 短絡部
６００ 同軸管
６００ａ 内部導体
６１０ 分岐板
８００ ガス供給源
９００ マイクロ波源
９０５ 分岐導波管
Ｕ 処理室

Claims (26)

  1. 電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    処理容器と、
    電磁波を出力する電磁波源と、
    前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる導体棒と、
    貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、
    前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極とを備え、
    前記金属電極の露出面のうち一面が誘電体カバーにて覆われているプラズマ処理装置。
  2. 電磁波によりガスを励起させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
    処理容器と、
    電磁波を出力する電磁波源と、
    前記電磁波源から出力された電磁波を伝送させる導体棒と、
    貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、
    前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極とを備え、
    前記金属電極の露出面は、被処理体に対して略平行な面を有しないプラズマ処理装置。
  3. 前記金属電極の径は、
    前記導体棒の径より大きい請求項１または２のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  4. 前記金属電極の露出面は、
    略円錐形状または略半球形状に形成されている請求項１〜３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  5. 前記金属電極の露出面のうち、処理体に対して略平行な面が前記誘電体カバーにより覆われている請求項１、３、４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  6. 前記誘電体カバーは、多孔質セラミックにより形成されている請求項１、３〜５のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  7. 前記誘電体板の貫通穴は、前記誘電体板の略中央に設けられている請求項１〜６のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  8. 前記金属電極の表面は、保護膜で覆われている請求項１〜７のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  9. 前記導体棒の内部には、ガスを流すガス導入路が形成され、
    前記金属電極には、前記導体棒の内部に形成されたガス導入路と連通し、前記ガス導入路を流れるガスを前記処理容器の内部に導入するガス通路が形成されている請求項１〜８のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  10. 前記金属電極に形成されたガス通路は、
    被処理体に対して略平行な方向にガスが導入されるように形成されている請求項９に記載されたプラズマ処理装置。
  11. 前記金属電極に形成されたガス通路は、
    被処理体に対して略垂直な方向にガスが導入されるように形成されている請求項９に記載されたプラズマ処理装置。
  12. 前記金属電極に形成されたガス通路は、
    放射状にガスが導入されるように形成されている請求項９に記載されたプラズマ処理装置。
  13. 前記ガスは、前記ガス通路から直接前記処理容器の内部に導入される請求項９〜１２のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  14. 前記ガスは、前記ガス通路から前記誘電体カバーを介して前記処理容器の内部に導入される請求項９〜１２のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  15. 前記誘電体板は、複数設けられ、
    前記金属電極は、前記複数の誘電体板に対応して複数設けられている請求項１〜１４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  16. 前記複数の誘電体板の各誘電体板は、
    被処理体側の面が概ね矩形状になるように形成されている請求項１５に記載されたプラズマ処理装置。
  17. 前記複数の誘電体板の各誘電体板は、
    被処理体側の面が略正方形になるように形成されている請求項１６に記載されたプラズマ処理装置。
  18. 前記電磁波源は、周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力する請求項１〜１７のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  19. プロセス中、前記誘電体板の側面は、プラズマに接触する請求項１〜１８のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  20. 電磁波を伝送させる導体棒と、
    貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、
    前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極と、を備え、
    前記金属電極の露出面のうち一面が誘電体カバーにて覆われているアンテナ。
  21. 電磁波を伝送させる導体棒と、
    貫通穴が形成され、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて前記処理容器の内部に放出する誘電体板と、
    前記誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極と、を備え、
    前記金属電極の露出面は、被処理体に対して略平行な面を有しないアンテナ。
  22. 電磁波源から周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力し、
    前記電磁波を導体棒に伝送させ、
    誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極によって処理容器の内壁に保持された前記誘電体板に、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて処理容器の内部に放出し、
    前記放出された電磁波により前記処理容器に導入された処理ガスを励起させて被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の使用方法。
  23. 電磁波源から周波数が１ＧＨｚ以下の電磁波を出力し、
    前記電磁波を導体棒に伝送させ、
    誘電体板に形成された貫通穴を介して前記導体棒に連結され、少なくとも一部が前記誘電体板の被処理体側の面に隣接した状態にて前記誘電体板の被処理体側の面から露出した金属電極によって処理容器の内壁に保持された前記誘電体板に、前記導体棒を伝送した電磁波を透過させて処理容器の内部に放出し、
    前記放出された電磁波により前記処理容器に導入されたクリーニングガスを励起させてプラズマ処理装置をクリーニングするプラズマ処理装置のクリーニング方法。
  24. 前記金属電極および誘電体カバーの露出面は、略円錐形状に形成されている請求項５〜１９のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
  25. 前記誘電体カバーの先端は、フラットに形成されている請求項２４に記載されたプラズマ処理装置。
  26. 前記誘電体カバーの被処理体に垂直な向きの高さは、１０ｍｍ以内である請求項２５に記載されたプラズマ処理装置。
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