プラズマ処理装置
【課題】電磁波を入射する入射窓の冷却ムラを抑制し、かつ、冷却に使用する空気流量を減らすことができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】アンテナ１５からの電磁波をチャンバ内部に入射する入射窓（天井板）を有するプラズマ処理装置において、アンテナ１５の上方に、入射窓（天井板）を冷却する空気を供給する噴出孔３１ａ〜３１ｆを複数設けると共に、噴出孔３１ａ、３１ｂ、３１ｄ、３１ｅを、アンテナ１５の周囲で密に配置した。
【解決手段】アンテナ１５からの電磁波をチャンバ内部に入射する入射窓（天井板）を有するプラズマ処理装置において、アンテナ１５の上方に、入射窓（天井板）を冷却する空気を供給する噴出孔３１ａ〜３１ｆを複数設けると共に、噴出孔３１ａ、３１ｂ、３１ｄ、３１ｅを、アンテナ１５の周囲で密に配置した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ生成のための電磁波をチャンバ内部に入射するための入射窓を有するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置は、チャンバ内部にプラズマを生成するためのプラズマ生成機構を有している。中でも、入射窓を介して、高周波電磁波（例えば、ＲＦ（Radio Frequency））をチャンバ内部に入射するＩＣＰ（Inductively-Coupled Plasma）型のプラズマ生成機構は、高密度のプラズマを生成できることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５７６４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、図１２を参照して、プラズマＣＶＤ装置におけるＩＣＰ型のプラズマ生成機構の構成を説明し、その後、その問題点について説明する。
【０００５】
プラズマＣＶＤ装置５０は、円筒形状の真空容器５１と、その下部を閉塞する基部（図示省略）と、その上部を閉塞するセラミクス製の天井板５２を有しており、真空容器５１、基部及び天井板５２に囲まれる領域が、半導体基板（図示省略）に成膜を行う成膜室５３となっている。天井板５２の上部には、円形リング形状の複数のアンテナ５４が配置されており、このアンテナ５４に整合器、高周波電源（共に図示省略）が接続されて、電源が供給されている。所謂、ＩＣＰ型のプラズマ生成機構である。
【０００６】
成膜室５３にプラズマを生成する際には、アンテナ５４に電源を供給し、天井板５２を介して、アンテナ５４からのＲＦを成膜室５３に入射して、プラズマが生成されることになり、この天井板５２が、ＲＦを成膜室５３に入射する入射窓となる。このとき、プラズマの生成に伴い、天井板５２が高温となってしまう。そのため、アンテナ５４を含めて、天井板５２の上方を覆うカバー５５を設けると共に、天井板５２を冷却する空気を供給するノズル５６と、供給した空気を排出する排出孔５７を設けている。
【０００７】
具体的には、ノズル５６は、図１２に示すように、天井板５２の上方に配置されると共に、アンテナ５４の位置を避けて配置されており、アンテナ５４同士の間から天井板５２の上面に垂直に空気を吹きかけて、天井板５２を冷却している。そして、吹きかけた空気は、カバー５５の上面外周側に設けた排出孔５７から排出している。このような構成により、天井板５２の冷却を行っているが、天井板５２に垂直に衝突する噴流（以降、垂直衝突噴流と呼ぶ。）同士の衝突による冷却ムラが発生し、温度分布ができたり、冷却効率が悪かったりする問題点があった。
【０００８】
特に、上述した構成のノズル５６を用いて冷却する場合、個々のノズル５６の冷却範囲がスポット的で効率が悪いため、最も高い温度に合わせて冷却を行うと、冷却用空気が大量に必要となり、冷却用空気を大量に供給できる大型のブロア（空気供給装置）が必要であった。
【０００９】
従って、天井板５２の冷却ムラを抑制することで、より均一な温度分布を得ることができ、かつ、冷却に使用する空気流量を減らすことで、ブロアに必要な能力を下げて、コストダウンや装置の小型化を図ったプラズマ処理装置が望まれている。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、電磁波を入射する入射窓の冷却ムラを抑制し、かつ、冷却に使用する空気流量を減らすことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明に係るプラズマ処理装置は、
処理室の上部となる円板形状の天井板の上方に、少なくとも１つの円形リング形状のアンテナを有し、前記アンテナからの電磁波を、前記天井板を介して入射することにより、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ処理装置において、
前記アンテナの上方に、前記天井板を冷却する空気を供給する噴出孔又はノズルを複数設けると共に、前記噴出孔又は前記ノズルを、前記アンテナの周囲で密に配置したことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第１の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルを、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上５５°以下の範囲で傾斜させると共に、全て同じ周方向としたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第３の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第２の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルの傾斜を、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上２２°以下の範囲としたことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第４の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板及び前記アンテナの周囲を覆う円筒状のカバーを設け、前記噴出孔又は前記ノズルから供給された空気を排出する排出パイプを前記カバーに設けると共に、前記排出パイプの軸方向を前記カバーの側周面の接線方向としたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第５の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第４の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板を均等にｎ（ｎは２以上の整数）分割すると共に、前記噴出孔又は前記ノズルと前記排出パイプとを、各々、１／ｎ周毎に配置したことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第６の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第４又は第５の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記排出パイプの総断面積を前記噴出孔又は前記ノズルの総断面積より大きくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電磁波を入射する入射窓の冷却ムラを抑制し、かつ、冷却に使用する空気流量を減らすことができる。その結果、より均一な温度分布を得ることができ、又、ブロアに必要な能力を下げることができ、コストダウンや装置の小型化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の一例（実施例１）を説明する概略構成図である。
【図２】図１に示したプラズマ処理装置における中板の上面図である。
【図３】図１に示したプラズマ処理装置における天井板の温度分布を示す図である。
【図４】図１に示したプラズマ処理装置の変形例を示す図である。
【図５】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例２）を説明する概略構成図である。
【図６】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例３）を説明する概略構成図である。
【図７】天井板における垂直衝突噴流と層流を説明する図である。
【図８】垂直衝突噴流（軸対象衝突噴流）と層流の熱伝達率を示すグラフである。
【図９】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例４）を説明するグラフであり、ノズルの傾斜角度に対する規格化冷却量を示すグラフである。
【図１０】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例５）を説明する図であり、ノズルと排出パイプの配置関係を示す概略図である。
【図１１】図１０に示したノズルと排出パイプとの配置関係において、ノズルから排出パイプへの流れを説明する図である。
【図１２】従来のプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態のいくつかを、図１〜図１１を参照して説明を行う。なお、ここでは、一例として、プラズマＣＶＤ装置を例示するが、電磁波をチャンバ内部に入射する入射窓を有するプラズマ処理装置であれば、他のプラズマ処理装置、例えば、プラズマエッチング装置等にも適用可能である。
【００２０】
（実施例１）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置について、図１〜図４を参照して説明を行う。なお、図１は、本実施例のプラズマＣＶＤ装置を説明する概略構成図であり、図２は、その中板の上面図であり、図３は、天井板の温度分布を示す図であり、図４は、本実施例の変形例を示す図である。
【００２１】
プラズマＣＶＤ装置１０は、図１に示すように、円筒形状の真空容器１１と、その下部を閉塞する基部１２と、その上部を閉塞するセラミクス製の円板形状の天井板１３を有しており、真空容器１１、基部１２及び天井板１３に囲まれる領域が、半導体基板Ｗに成膜を行う成膜室１４となっている。
【００２２】
天井板１３の上部には、円形リング形状のアンテナ１５が１つ以上配置されており、このアンテナ１５に、整合器１６、高周波電源１７が接続されて、電源が供給されている。所謂、ＩＣＰ型のプラズマ生成機構である。
【００２３】
半導体基板Ｗは載置台１８上に載置されており、載置台１８は支持台１９に支持されて基部１２に固定されている。又、載置台１８の内部には、半導体基板Ｗにバイアスを印加するための電極２０が設けられており、この電極２０に、整合器２１、バイアス電源２２が接続されて、電源が供給されている。又、この電極２０には、ローパスフィルタ２３を介して、静電吸着のための直流電源２４が接続されており、これにより、半導体基板Ｗを載置台１８に静電吸着させている。
【００２４】
真空容器１１の側壁には、当該側壁を貫通するガスノズル２５が複数設けられており、このガスノズル２５により、所望のガスが成膜室１４内部に供給される。又、成膜室１４の下部には、成膜室１４内のガスを、真空排気装置（図示省略）により排気する排気口２６が設けられている。
【００２５】
成膜室１４にプラズマを生成する際には、ガスノズル２５から成膜に必要なガスを供給し、アンテナ１５に電源を供給し、天井板１３を介して、アンテナ１５からのＲＦを成膜室１４に入射して、プラズマが生成されることになり、この天井板１３が、ＲＦを成膜室１４に入射する入射窓となる。
【００２６】
そして、プラズマの生成に伴い、天井板１３が高温になるのを防止するため、アンテナ１５を含めて、天井板１３の上方を覆う円筒状のカバー２７が設けられており、このカバー２７に、供給ダクト２８を介して、ブロア２９（空気供給装置）が接続されて、天井板１３を冷却する空気を供給している。なお、ここでは図示していないが、カバー２７には、供給した空気を排出する排出孔も設けられている。
【００２７】
更に、カバー２７の内部であって、アンテナ１５の上方に、円板形状の中板３０が配置されており、この中板３０にアンテナ１５へ空気を噴出する複数の噴出孔３１（３１ａ〜３１ｆ）が、その表面に垂直に形成されている。噴出孔３１ａ〜３１ｆ同士は、場所によって、その間隔（設置密度）を変えており、具体的には、図２に示すように、アンテナ１５の周囲（近傍の場所）では狭いピッチとしており（噴出孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）、アンテナ１５から離れた場所では広いピッチとしている（噴出孔３１ｃ、３１ｆ）。
【００２８】
このような配置とした理由は、成膜室１４の内部に生成されるプラズマは、天井板１３上部のアンテナ１５の位置に応じた分布を有しており、この分布に応じて、天井板１３も温度分布を持つことになるからである。例えば、図３に示すように、天井板１３は、アンテナ１５の直下の温度が最も高くなる温度分布を持つことになる。なお、図３においては、説明を簡単にするため、１つの円形リング形状のアンテナ１５に対する天井板１３の温度分布を示している。又、温度が高い方を密度が高いドットで示し、温度が低い方を密度が低いドットで示している。
【００２９】
このように、天井板１３は、アンテナ１５の位置に応じた温度分布を持つことになるため、この温度分布に対応し、温度が低い場所より温度が高い場所をより強く冷却できるように、温度が低い場所、つまり、アンテナ１５から離れた場所では噴出孔３１ｃ、３１ｆ同士のピッチを広くし、温度が高い場所、つまり、アンテナ１５近傍の場所では噴出孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ同士のピッチを狭くしている。
【００３０】
上記構成においても、天井板１３に垂直に冷却用空気が吹き付けられているが、天井板１３の温度分布、即ち、アンテナ１５の配置位置に対応して、噴出孔３１ａ〜３１ｆを配置しているので、流速や流量の配分を変える（制御する）ことなく、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００３１】
なお、図１、図２においては、天井板１３の冷却のため、円板形状の中板３０に噴出孔３１ａ〜３１ｆを設けているが、噴出孔３１ａ〜３１ｆに替えて、例えば、図４に示すノズル３２を中板３０に設けるようにしてもよい。その場合でも、天井板１３の温度分布に対応して、即ち、アンテナ１５の配置位置に対応して、ノズル３２を配置すればよい。
【００３２】
（実施例２）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例１で示したプラズマＣＶＤ装置と略同等の構成であるが、後述するように、ノズル（噴出孔）の構成が実施例１とは相違する。従って、ここでは、実施例１と重複する説明は省略するが、実施例１と同等の構成には同じ符号を付して、図５を参照して、説明を行う。なお、図５（ａ）、（ｂ）は、本実施例のプラズマＣＶＤ装置において、その天井板冷却用のノズル周囲の構成と冷却用空気の流れを説明する図である。又、図５（ａ）、（ｂ）では、概念的には、ノズルの方が理解し易いため、ノズルを図示して説明しているが、噴出孔にも適用可能である。
【００３３】
従来は、図１２に示したように、天井板５２の上面に対してノズル５６を垂直に配置していたが、本実施例では、図５（ａ）に示すように、天井板１３の上面に垂直な方向に対して全てのノズル３３を１°以上傾斜させており、その傾斜の方向を全て同じ周方向としている。なお、全て同じ周方向であれば、時計方向でもよいし、反時計方向でもよい。
【００３４】
これは、全てのノズル３３を同じ周方向に傾斜させることで、噴出した冷却用空気により、天井板１３の上面に平行な旋回流Ｓ１を強制的に生じさせるためであり、その結果、噴流同士の直接的な衝突を避けるようにして、冷却ムラを防止すると共に、その熱伝達率を向上させることができる。
【００３５】
具体的には、冷却用空気が直接吹き付けられた天井板１３の領域は、その冷却用空気の流速に対応した噴流の熱伝達率で冷却され、更に、旋回流Ｓ１が流れる天井板１３の領域は、旋回流Ｓ１の流速に対応した層流（以降、天井板１３の上面に平行な流れを層流と呼ぶ。）の熱伝達率で冷却されることになる。詳細は、後述の図７、図８で説明するが、本実施例の場合の熱伝達率は、垂直衝突噴流の熱伝達率と略同等の熱伝達率に、層流による熱伝達率を加えたものとなり、垂直衝突噴流のみの場合より向上させることができる。このように、熱伝達率が向上した結果、冷却用空気の流量の低減を図ることもできる。
【００３６】
上記構成により、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる共に、垂直衝突噴流の熱伝達率と略同等の熱伝達率に層流による熱伝達率を加えることになり、熱伝達率を向上させることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、又、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００３７】
なお、本実施例は、実施例１と組み合わせた構成とすると更によい。具体的には、実施例１のように、噴出孔３１又はノズル３２が天井板１３の上面に対して垂直に配置されている場合、アンテナ１５と干渉するため、噴出孔３１又はノズル３２を設置できない、若しくは、設置しても、冷却効率を向上させることが難しくなる。これに対して、本実施例と実施例１とを組み合わせた構成、即ち、天井板１３の温度分布（＝アンテナ１５の配置位置）に対応して、ノズル３３を配置すると共に、全てのノズル３３を同じ周方向に傾斜させた構成とすることで、アンテナ１５との干渉を避けて、ノズル３３を設置することができ、かつ、天井板１３の上面に平行な旋回流Ｓ１を強制的に生じさせることもできる。
【００３８】
特に、アンテナ１５との干渉を避けて、アンテナ１５直下の天井板１３の領域を狙って、ノズル３３を傾斜させた場合には、高温となるアンテナ１５直下の天井板１３の領域を、垂直衝突噴流の熱伝達率と略同等の熱伝達率で冷却することになる上、アンテナ１５の近傍ではノズル３３の設置密度も高くなるので、更に、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、又、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００３９】
（実施例３）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例２で示したプラズマＣＶＤ装置を前提とし、後述するように、排出孔の構成が実施例１、２とは相違する。従って、ここでは、実施例１、２と重複する説明は省略するが、実施例１、２と同等の構成には同じ符号を付して、図６を参照して、説明を行う。なお、図６（ａ）、（ｂ）は、本実施例のプラズマＣＶＤ装置において、その天井板冷却用のノズル周囲の構成と冷却用空気の流れを説明する図である。又、図６（ａ）、（ｂ）では、概念的には、ノズルの方が理解し易いため、ノズルを図示して説明しているが、噴出孔にも適用可能である。
【００４０】
従来は、図１２に示したように、カバー５５の上面外周側に排出孔５７を設けている。又、上記実施例１、２において、排出孔の位置は特に特定しておらず、冷却に用いた冷却用空気を排出できれば、どこに設けても構わない。これに対して、本実施例では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒状のカバー２７の側周面に排出パイプ３４を設けると共に、排出パイプ３４の軸方向がカバー２７の側周面の接線方向となるように配置している。なお、排出パイプ３４は、天井板１３の上面に沿う旋回流Ｓ２の流れを考慮して、天井面１３の上面近傍の高さ位置に配置してもよい。
【００４１】
実施例２では、冷却用空気を強制的に旋回させているが、その排気の位置を考慮しないと、噴流や層流同士の衝突により、冷却用空気が滞留する部分が生じ、熱伝導効率の悪化、冷却ムラが生じる可能性がある。
【００４２】
そこで、本実施例では、旋回流Ｓ２に沿う方向となるように、排出パイプ３４をカバー２７の側周面の接線方向に設けることで、旋回流Ｓ２の排出をスムーズにしており、その結果、実施例２の場合より、旋回流Ｓ２の旋回性を向上させると共に、旋回流Ｓ２の滞留を抑制することができる。例えば、図６（ｂ）に示すように、旋回流Ｓ２に沿う方向に排出パイプ３４を配置した場合、旋回流Ｓ２は渦巻状となる。このような位置に排出パイプ３４を配置することにより、旋回流Ｓ２の旋回性が向上すると共にその滞留が抑制されるので、噴流や層流同士の衝突による冷却ムラを防止することができる上、旋回流Ｓ２の流速が向上して、熱伝達率も向上し、又、その圧損の低減も図ることができる。
【００４３】
上記構成により、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる共に、熱伝達率を向上させることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００４４】
（実施例４）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例２で示したプラズマＣＶＤ装置を前提とし、後述するように、ノズル（又は噴出孔）の傾斜を適切な傾きとしている。従って、ここでは、実施例１、２と重複する説明は省略するが、実施例１、２と同等の構成には同じ符号を付して、図７〜図９を参照して、説明を行う。なお、図７は、天井板における垂直衝突噴流と層流を説明する図であり、図８は、垂直衝突噴流（図中では軸対象衝突噴流と表記）と層流の熱伝達率を示すグラフであり、図９は、ノズルの傾斜角度に対する規格化冷却量を示すグラフである。この規格化冷却量は、垂直衝突噴流の熱伝達率を面積で積算した量を１とし、これを基準として、各傾斜角度における噴流の熱伝達率を面積で積算した量を比で表したものである。なお、ここでは、ノズルを用いて説明を行うが、噴出孔にも適用可能である。
【００４５】
まず、図７を参照して、天井板１３に垂直に吹き付けられた垂直衝突噴流の冷却量と、ノズルを傾斜させたときの噴流の冷却量を説明する。なお、ここでは、一例として、天井板１３の直径を３００ｍｍとし、ノズルの直径を５ｍｍとして説明する。
【００４６】
垂直衝突噴流の場合、その冷却の効果は、主に、ノズル径の５〜１０倍の範囲まで及ぶ。ここでは、垂直衝突噴流の速度に対応する熱伝達率を、ノズル径の１０倍となる直径５０ｍｍの円の領域Ａの面積で積算し、冷却量として算出した。
【００４７】
一方、ノズルを傾斜させたときの噴流は、天井板１３に直接衝突する噴流と、その後、天井板１３に平行な方向に流れる噴流（層流）を考慮する必要がある。まず、天井板１３に直接衝突する噴流については、主に、天井板１３に垂直な成分を考慮する。本実施例の場合、天井板１３に衝突する噴流の速度が垂直衝突噴流の場合より減少するので、その減少した速度に対応する垂直衝突噴流の熱伝達率を、直径５０ｍｍの円の領域Ａの面積で積算し、冷却量として算出した。
【００４８】
又、天井板１３に平行な方向に流れる噴流（層流）については、主に、天井板１３に平行な成分を考慮する。本実施例の場合、天井板１３に平行な方向に流れる噴流（層流）の速度が垂直衝突噴流の場合より減少しており、更に、垂直衝突噴流ではなく、層流としての熱伝達率を考慮する必要がある。従って、減少した速度に対応する層流の熱伝達率を、その層流の流れる領域Ｓｍの面積で積算し、冷却量として算出した。この領域Ｓｍは、ノズルの直径５ｍｍの幅の層流が、その旋回径（図７では直径２００ｍｍ（半径１００ｍｍ）の旋回径）を半周流れる範囲である。
【００４９】
又、垂直衝突噴流（軸対象衝突噴流）の熱伝達率、層流の熱伝達率は、図８に示すように、速度に応じて変化し、速度が大きいほど、熱伝達率が大きくなることが知られており、上記計算では、図８に示された数値を用いて計算を行った。
【００５０】
ここで、一例として、上述した条件に基づいて、垂直衝突噴流の冷却量を算出すると共に、ノズルを２２°傾斜させたときの噴流の冷却量を算出し、その規格化冷却量を算出する。なお、垂直衝突噴流の速度は５５ｍ／ｓとした。
【００５１】
まず、垂直衝突噴流の冷却量については、速度５５ｍ／ｓの垂直衝突噴流の熱伝達率αが約５００Ｗ／ｍ2Ｋとなるので、直径５０ｍｍの円の領域Ａの面積（２５×２５×π）で積算すると、垂直衝突噴流の冷却量は、約９８１７４８となる。
【００５２】
又、ノズルを２２°傾斜させたときの噴流の冷却量について、天井板１３に垂直な成分は、おおよそ、上述した垂直衝突噴流の冷却量のコサイン成分（ｃｏｓ２２°）を考慮すればよいので、その冷却量は、約９１０２６１となる。又、天井板１３に平行な成分は、その噴流（層流）の速度として、垂直衝突噴流の速度のサイン成分（ｓｉｎ２２°）を考慮すると、約２１ｍ／ｓとなり、速度２１ｍ／ｓの層流の熱伝達率αが約１８３Ｗ／ｍ2Ｋとなる。これを、層流の流れる領域Ｓｍの面積（５×１００×π）で積算すると、その冷却量は、約２８７２１２となる。そして、規格化冷却量は、（９１０２６１＋２８７２１２）／９８１７４８＝１．２２となり、垂直衝突噴流の場合より冷却量が大きい、つまり、冷却効率が向上することがわかる。
【００５３】
同様の計算を各角度について行った結果が図９に示すグラフであり、ノズルの傾斜角度は、天井板１３に垂直な方向に対して、１°以上、５５°以下の範囲でノズルを傾斜させれば、垂直衝突噴流のみの場合より冷却効率が向上し、２２°のときに最も冷却効率が高いことがわかる。又、ノズルを傾斜させた場合、噴流が直接衝突する位置での冷却量の低減を抑えることを考慮すると、例えば、具体的には、垂直衝突噴流の場合の冷却量の５％以下の低減に抑えることを考慮すると、更には、ノズルの傾斜角度を１８°以下とすることが望ましい。
【００５４】
このように、ノズルの傾斜角度を１°以上、５５°以下の範囲、更に、１°以上、２２°以下の範囲、更には、１°以上、１８°以下の範囲とすることで、冷却効率が向上するので、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、ランニングコストの低減、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００５５】
（実施例５）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例３で示したプラズマＣＶＤ装置を前提とし、後述するように、ノズル（又は噴出孔）と排出パイプとの関係を規定している。従って、ここでは、実施例１〜３と重複する説明は省略するが、実施例１〜３と同等の構成には同じ符号を付して、図１０〜図１１を参照して、説明を行う。なお、図１０は、本実施例におけるノズルと排出パイプの配置関係を説明する図であり、図１１は、図１０において、ノズルから排出パイプへの流れを説明する図である。なお、ここでも、ノズルを用いて説明を行うが、噴出孔にも適用可能である。
【００５６】
本実施例においては、ノズル３３の個数と排出パイプ３４の個数について、数が合うように、具体的には、いずれか一方の個数をいずれか他方の個数で割ったときに割り切れるような個数となるようにしている。例えば、一例として、図１０では、ノズル３３ａ、３３ｂを合計８個、排出パイプ３４を合計４個設けており、ノズル３３ａ、３３ｂの個数８を排出パイプ３４の個数４で割ると、きれいに割り切れる個数となる。
【００５７】
又、天井板１３の領域を均等にｎ分割し（ｎは２以上の整数）、各々の領域に少なくとも１つのノズル３３及び排出パイプ３４を配置すると共に、個々のノズル３３、排出パイプ３４を、各々、１／ｎ周毎に配置する。例えば、一例として、図１０では、天井板１３の領域を均等に４分割し、各々の領域に２つのノズル３３ａ、３３ｂ、１つの排出パイプ３４を配置すると共に、個々のノズル３３ａ、ノズル３３ｂ、排出パイプ３４を、各々、１／４周毎に配置している。この場合、例えば、図６で示した旋回流Ｓ２は、おおよそ、天井板１３上を１／４周して回収されることになる。
【００５８】
このような個数、配置とすることにより、旋回流Ｓ２の流れがスムーズとなり、冷却される天井板１３において、より均一な温度分布を得ることができる。
【００５９】
更に、冷却に使用した空気は、熱膨張により体積が大きくなるので、排出パイプ３４の総断面積をノズル３３の総断面積より大きくすればよい。上昇する温度によって異なるが、例えば、２０℃で噴出した空気を５０℃で回収する場合には、７％程度体積が熱膨張するため、排出パイプ３４の総断面積をノズル３３の総断面積より７％程度大きくすればよい。
【００６０】
更に、天井板１３の中心と同心の円周において、ノズル３３の向きをその円周方向より内側に向けると、ノズル３３から噴出された冷却用空気が、直ぐに排出パイプ３４から排出されにくくなるので、排出されるまでの時間（移動距離）が長くなり、より多くの熱を吸収することが可能となる。
【００６１】
更に、実施例１で説明したように、天井板１３が最も熱くなるアンテナ１５の周囲を優先的に冷却するように、ノズル（又は噴出孔）をアンテナ１５の周囲で密に配置しているが、この主となるノズル３３ａより内側に、ノズル３３ａより内側を冷却するためのノズル３３ｂを設け、このノズル３３ｂにより、ノズル３３ａによる旋回流を外側へ押し出すようにしてもよい。例えば、図１１に示すように、ノズル３３ａからの冷却用空気の流れとして、メインの流れＳ３ｍ、サブの流れＳ３ｓを、ノズル３３ｂからの冷却用空気の流れとして、メインの流れＳ４ｍ、サブの流れＳ４ｓを説明上規定すると、ノズル３３ａからのメインの流れＳ３ｍは、ノズル３３ｂからのメインの流れＳ４ｍ、サブの流れＳ４ｓにより外周側へ押し出されることになり、１／４周程度旋回して流れて、排出パイプ３４から排出されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、電磁波をチャンバ内部に入射する入射窓を有するプラズマ処理装置全てに適用可能であり、例えば、ＩＣＰ型のプラズマ生成機構を有するプラズマＣＶＤ装置、プラズマエッチング装置に好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ プラズマＣＶＤ装置
１３ 天井板
１４ 成膜室
１５ アンテナ
２７ カバー
２９ ブロア
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ生成のための電磁波をチャンバ内部に入射するための入射窓を有するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置は、チャンバ内部にプラズマを生成するためのプラズマ生成機構を有している。中でも、入射窓を介して、高周波電磁波（例えば、ＲＦ（Radio Frequency））をチャンバ内部に入射するＩＣＰ（Inductively-Coupled Plasma）型のプラズマ生成機構は、高密度のプラズマを生成できることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３５７６４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、図１２を参照して、プラズマＣＶＤ装置におけるＩＣＰ型のプラズマ生成機構の構成を説明し、その後、その問題点について説明する。
【０００５】
プラズマＣＶＤ装置５０は、円筒形状の真空容器５１と、その下部を閉塞する基部（図示省略）と、その上部を閉塞するセラミクス製の天井板５２を有しており、真空容器５１、基部及び天井板５２に囲まれる領域が、半導体基板（図示省略）に成膜を行う成膜室５３となっている。天井板５２の上部には、円形リング形状の複数のアンテナ５４が配置されており、このアンテナ５４に整合器、高周波電源（共に図示省略）が接続されて、電源が供給されている。所謂、ＩＣＰ型のプラズマ生成機構である。
【０００６】
成膜室５３にプラズマを生成する際には、アンテナ５４に電源を供給し、天井板５２を介して、アンテナ５４からのＲＦを成膜室５３に入射して、プラズマが生成されることになり、この天井板５２が、ＲＦを成膜室５３に入射する入射窓となる。このとき、プラズマの生成に伴い、天井板５２が高温となってしまう。そのため、アンテナ５４を含めて、天井板５２の上方を覆うカバー５５を設けると共に、天井板５２を冷却する空気を供給するノズル５６と、供給した空気を排出する排出孔５７を設けている。
【０００７】
具体的には、ノズル５６は、図１２に示すように、天井板５２の上方に配置されると共に、アンテナ５４の位置を避けて配置されており、アンテナ５４同士の間から天井板５２の上面に垂直に空気を吹きかけて、天井板５２を冷却している。そして、吹きかけた空気は、カバー５５の上面外周側に設けた排出孔５７から排出している。このような構成により、天井板５２の冷却を行っているが、天井板５２に垂直に衝突する噴流（以降、垂直衝突噴流と呼ぶ。）同士の衝突による冷却ムラが発生し、温度分布ができたり、冷却効率が悪かったりする問題点があった。
【０００８】
特に、上述した構成のノズル５６を用いて冷却する場合、個々のノズル５６の冷却範囲がスポット的で効率が悪いため、最も高い温度に合わせて冷却を行うと、冷却用空気が大量に必要となり、冷却用空気を大量に供給できる大型のブロア（空気供給装置）が必要であった。
【０００９】
従って、天井板５２の冷却ムラを抑制することで、より均一な温度分布を得ることができ、かつ、冷却に使用する空気流量を減らすことで、ブロアに必要な能力を下げて、コストダウンや装置の小型化を図ったプラズマ処理装置が望まれている。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、電磁波を入射する入射窓の冷却ムラを抑制し、かつ、冷却に使用する空気流量を減らすことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明に係るプラズマ処理装置は、
処理室の上部となる円板形状の天井板の上方に、少なくとも１つの円形リング形状のアンテナを有し、前記アンテナからの電磁波を、前記天井板を介して入射することにより、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ処理装置において、
前記アンテナの上方に、前記天井板を冷却する空気を供給する噴出孔又はノズルを複数設けると共に、前記噴出孔又は前記ノズルを、前記アンテナの周囲で密に配置したことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第２の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第１の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルを、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上５５°以下の範囲で傾斜させると共に、全て同じ周方向としたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第３の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第２の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルの傾斜を、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上２２°以下の範囲としたことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第４の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板及び前記アンテナの周囲を覆う円筒状のカバーを設け、前記噴出孔又は前記ノズルから供給された空気を排出する排出パイプを前記カバーに設けると共に、前記排出パイプの軸方向を前記カバーの側周面の接線方向としたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第５の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第４の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板を均等にｎ（ｎは２以上の整数）分割すると共に、前記噴出孔又は前記ノズルと前記排出パイプとを、各々、１／ｎ周毎に配置したことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第６の発明に係るプラズマ処理装置は、
上記第４又は第５の発明に記載のプラズマ処理装置において、
前記排出パイプの総断面積を前記噴出孔又は前記ノズルの総断面積より大きくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電磁波を入射する入射窓の冷却ムラを抑制し、かつ、冷却に使用する空気流量を減らすことができる。その結果、より均一な温度分布を得ることができ、又、ブロアに必要な能力を下げることができ、コストダウンや装置の小型化を図ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の一例（実施例１）を説明する概略構成図である。
【図２】図１に示したプラズマ処理装置における中板の上面図である。
【図３】図１に示したプラズマ処理装置における天井板の温度分布を示す図である。
【図４】図１に示したプラズマ処理装置の変形例を示す図である。
【図５】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例２）を説明する概略構成図である。
【図６】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例３）を説明する概略構成図である。
【図７】天井板における垂直衝突噴流と層流を説明する図である。
【図８】垂直衝突噴流（軸対象衝突噴流）と層流の熱伝達率を示すグラフである。
【図９】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例４）を説明するグラフであり、ノズルの傾斜角度に対する規格化冷却量を示すグラフである。
【図１０】本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態の他の一例（実施例５）を説明する図であり、ノズルと排出パイプの配置関係を示す概略図である。
【図１１】図１０に示したノズルと排出パイプとの配置関係において、ノズルから排出パイプへの流れを説明する図である。
【図１２】従来のプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態のいくつかを、図１〜図１１を参照して説明を行う。なお、ここでは、一例として、プラズマＣＶＤ装置を例示するが、電磁波をチャンバ内部に入射する入射窓を有するプラズマ処理装置であれば、他のプラズマ処理装置、例えば、プラズマエッチング装置等にも適用可能である。
【００２０】
（実施例１）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置について、図１〜図４を参照して説明を行う。なお、図１は、本実施例のプラズマＣＶＤ装置を説明する概略構成図であり、図２は、その中板の上面図であり、図３は、天井板の温度分布を示す図であり、図４は、本実施例の変形例を示す図である。
【００２１】
プラズマＣＶＤ装置１０は、図１に示すように、円筒形状の真空容器１１と、その下部を閉塞する基部１２と、その上部を閉塞するセラミクス製の円板形状の天井板１３を有しており、真空容器１１、基部１２及び天井板１３に囲まれる領域が、半導体基板Ｗに成膜を行う成膜室１４となっている。
【００２２】
天井板１３の上部には、円形リング形状のアンテナ１５が１つ以上配置されており、このアンテナ１５に、整合器１６、高周波電源１７が接続されて、電源が供給されている。所謂、ＩＣＰ型のプラズマ生成機構である。
【００２３】
半導体基板Ｗは載置台１８上に載置されており、載置台１８は支持台１９に支持されて基部１２に固定されている。又、載置台１８の内部には、半導体基板Ｗにバイアスを印加するための電極２０が設けられており、この電極２０に、整合器２１、バイアス電源２２が接続されて、電源が供給されている。又、この電極２０には、ローパスフィルタ２３を介して、静電吸着のための直流電源２４が接続されており、これにより、半導体基板Ｗを載置台１８に静電吸着させている。
【００２４】
真空容器１１の側壁には、当該側壁を貫通するガスノズル２５が複数設けられており、このガスノズル２５により、所望のガスが成膜室１４内部に供給される。又、成膜室１４の下部には、成膜室１４内のガスを、真空排気装置（図示省略）により排気する排気口２６が設けられている。
【００２５】
成膜室１４にプラズマを生成する際には、ガスノズル２５から成膜に必要なガスを供給し、アンテナ１５に電源を供給し、天井板１３を介して、アンテナ１５からのＲＦを成膜室１４に入射して、プラズマが生成されることになり、この天井板１３が、ＲＦを成膜室１４に入射する入射窓となる。
【００２６】
そして、プラズマの生成に伴い、天井板１３が高温になるのを防止するため、アンテナ１５を含めて、天井板１３の上方を覆う円筒状のカバー２７が設けられており、このカバー２７に、供給ダクト２８を介して、ブロア２９（空気供給装置）が接続されて、天井板１３を冷却する空気を供給している。なお、ここでは図示していないが、カバー２７には、供給した空気を排出する排出孔も設けられている。
【００２７】
更に、カバー２７の内部であって、アンテナ１５の上方に、円板形状の中板３０が配置されており、この中板３０にアンテナ１５へ空気を噴出する複数の噴出孔３１（３１ａ〜３１ｆ）が、その表面に垂直に形成されている。噴出孔３１ａ〜３１ｆ同士は、場所によって、その間隔（設置密度）を変えており、具体的には、図２に示すように、アンテナ１５の周囲（近傍の場所）では狭いピッチとしており（噴出孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）、アンテナ１５から離れた場所では広いピッチとしている（噴出孔３１ｃ、３１ｆ）。
【００２８】
このような配置とした理由は、成膜室１４の内部に生成されるプラズマは、天井板１３上部のアンテナ１５の位置に応じた分布を有しており、この分布に応じて、天井板１３も温度分布を持つことになるからである。例えば、図３に示すように、天井板１３は、アンテナ１５の直下の温度が最も高くなる温度分布を持つことになる。なお、図３においては、説明を簡単にするため、１つの円形リング形状のアンテナ１５に対する天井板１３の温度分布を示している。又、温度が高い方を密度が高いドットで示し、温度が低い方を密度が低いドットで示している。
【００２９】
このように、天井板１３は、アンテナ１５の位置に応じた温度分布を持つことになるため、この温度分布に対応し、温度が低い場所より温度が高い場所をより強く冷却できるように、温度が低い場所、つまり、アンテナ１５から離れた場所では噴出孔３１ｃ、３１ｆ同士のピッチを広くし、温度が高い場所、つまり、アンテナ１５近傍の場所では噴出孔３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ同士のピッチを狭くしている。
【００３０】
上記構成においても、天井板１３に垂直に冷却用空気が吹き付けられているが、天井板１３の温度分布、即ち、アンテナ１５の配置位置に対応して、噴出孔３１ａ〜３１ｆを配置しているので、流速や流量の配分を変える（制御する）ことなく、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００３１】
なお、図１、図２においては、天井板１３の冷却のため、円板形状の中板３０に噴出孔３１ａ〜３１ｆを設けているが、噴出孔３１ａ〜３１ｆに替えて、例えば、図４に示すノズル３２を中板３０に設けるようにしてもよい。その場合でも、天井板１３の温度分布に対応して、即ち、アンテナ１５の配置位置に対応して、ノズル３２を配置すればよい。
【００３２】
（実施例２）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例１で示したプラズマＣＶＤ装置と略同等の構成であるが、後述するように、ノズル（噴出孔）の構成が実施例１とは相違する。従って、ここでは、実施例１と重複する説明は省略するが、実施例１と同等の構成には同じ符号を付して、図５を参照して、説明を行う。なお、図５（ａ）、（ｂ）は、本実施例のプラズマＣＶＤ装置において、その天井板冷却用のノズル周囲の構成と冷却用空気の流れを説明する図である。又、図５（ａ）、（ｂ）では、概念的には、ノズルの方が理解し易いため、ノズルを図示して説明しているが、噴出孔にも適用可能である。
【００３３】
従来は、図１２に示したように、天井板５２の上面に対してノズル５６を垂直に配置していたが、本実施例では、図５（ａ）に示すように、天井板１３の上面に垂直な方向に対して全てのノズル３３を１°以上傾斜させており、その傾斜の方向を全て同じ周方向としている。なお、全て同じ周方向であれば、時計方向でもよいし、反時計方向でもよい。
【００３４】
これは、全てのノズル３３を同じ周方向に傾斜させることで、噴出した冷却用空気により、天井板１３の上面に平行な旋回流Ｓ１を強制的に生じさせるためであり、その結果、噴流同士の直接的な衝突を避けるようにして、冷却ムラを防止すると共に、その熱伝達率を向上させることができる。
【００３５】
具体的には、冷却用空気が直接吹き付けられた天井板１３の領域は、その冷却用空気の流速に対応した噴流の熱伝達率で冷却され、更に、旋回流Ｓ１が流れる天井板１３の領域は、旋回流Ｓ１の流速に対応した層流（以降、天井板１３の上面に平行な流れを層流と呼ぶ。）の熱伝達率で冷却されることになる。詳細は、後述の図７、図８で説明するが、本実施例の場合の熱伝達率は、垂直衝突噴流の熱伝達率と略同等の熱伝達率に、層流による熱伝達率を加えたものとなり、垂直衝突噴流のみの場合より向上させることができる。このように、熱伝達率が向上した結果、冷却用空気の流量の低減を図ることもできる。
【００３６】
上記構成により、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる共に、垂直衝突噴流の熱伝達率と略同等の熱伝達率に層流による熱伝達率を加えることになり、熱伝達率を向上させることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、又、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００３７】
なお、本実施例は、実施例１と組み合わせた構成とすると更によい。具体的には、実施例１のように、噴出孔３１又はノズル３２が天井板１３の上面に対して垂直に配置されている場合、アンテナ１５と干渉するため、噴出孔３１又はノズル３２を設置できない、若しくは、設置しても、冷却効率を向上させることが難しくなる。これに対して、本実施例と実施例１とを組み合わせた構成、即ち、天井板１３の温度分布（＝アンテナ１５の配置位置）に対応して、ノズル３３を配置すると共に、全てのノズル３３を同じ周方向に傾斜させた構成とすることで、アンテナ１５との干渉を避けて、ノズル３３を設置することができ、かつ、天井板１３の上面に平行な旋回流Ｓ１を強制的に生じさせることもできる。
【００３８】
特に、アンテナ１５との干渉を避けて、アンテナ１５直下の天井板１３の領域を狙って、ノズル３３を傾斜させた場合には、高温となるアンテナ１５直下の天井板１３の領域を、垂直衝突噴流の熱伝達率と略同等の熱伝達率で冷却することになる上、アンテナ１５の近傍ではノズル３３の設置密度も高くなるので、更に、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、又、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００３９】
（実施例３）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例２で示したプラズマＣＶＤ装置を前提とし、後述するように、排出孔の構成が実施例１、２とは相違する。従って、ここでは、実施例１、２と重複する説明は省略するが、実施例１、２と同等の構成には同じ符号を付して、図６を参照して、説明を行う。なお、図６（ａ）、（ｂ）は、本実施例のプラズマＣＶＤ装置において、その天井板冷却用のノズル周囲の構成と冷却用空気の流れを説明する図である。又、図６（ａ）、（ｂ）では、概念的には、ノズルの方が理解し易いため、ノズルを図示して説明しているが、噴出孔にも適用可能である。
【００４０】
従来は、図１２に示したように、カバー５５の上面外周側に排出孔５７を設けている。又、上記実施例１、２において、排出孔の位置は特に特定しておらず、冷却に用いた冷却用空気を排出できれば、どこに設けても構わない。これに対して、本実施例では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒状のカバー２７の側周面に排出パイプ３４を設けると共に、排出パイプ３４の軸方向がカバー２７の側周面の接線方向となるように配置している。なお、排出パイプ３４は、天井板１３の上面に沿う旋回流Ｓ２の流れを考慮して、天井面１３の上面近傍の高さ位置に配置してもよい。
【００４１】
実施例２では、冷却用空気を強制的に旋回させているが、その排気の位置を考慮しないと、噴流や層流同士の衝突により、冷却用空気が滞留する部分が生じ、熱伝導効率の悪化、冷却ムラが生じる可能性がある。
【００４２】
そこで、本実施例では、旋回流Ｓ２に沿う方向となるように、排出パイプ３４をカバー２７の側周面の接線方向に設けることで、旋回流Ｓ２の排出をスムーズにしており、その結果、実施例２の場合より、旋回流Ｓ２の旋回性を向上させると共に、旋回流Ｓ２の滞留を抑制することができる。例えば、図６（ｂ）に示すように、旋回流Ｓ２に沿う方向に排出パイプ３４を配置した場合、旋回流Ｓ２は渦巻状となる。このような位置に排出パイプ３４を配置することにより、旋回流Ｓ２の旋回性が向上すると共にその滞留が抑制されるので、噴流や層流同士の衝突による冷却ムラを防止することができる上、旋回流Ｓ２の流速が向上して、熱伝達率も向上し、又、その圧損の低減も図ることができる。
【００４３】
上記構成により、冷却ムラを抑制して、より均一な温度分布を得ることができる共に、熱伝達率を向上させることができる。その結果、冷却効率が向上し、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００４４】
（実施例４）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例２で示したプラズマＣＶＤ装置を前提とし、後述するように、ノズル（又は噴出孔）の傾斜を適切な傾きとしている。従って、ここでは、実施例１、２と重複する説明は省略するが、実施例１、２と同等の構成には同じ符号を付して、図７〜図９を参照して、説明を行う。なお、図７は、天井板における垂直衝突噴流と層流を説明する図であり、図８は、垂直衝突噴流（図中では軸対象衝突噴流と表記）と層流の熱伝達率を示すグラフであり、図９は、ノズルの傾斜角度に対する規格化冷却量を示すグラフである。この規格化冷却量は、垂直衝突噴流の熱伝達率を面積で積算した量を１とし、これを基準として、各傾斜角度における噴流の熱伝達率を面積で積算した量を比で表したものである。なお、ここでは、ノズルを用いて説明を行うが、噴出孔にも適用可能である。
【００４５】
まず、図７を参照して、天井板１３に垂直に吹き付けられた垂直衝突噴流の冷却量と、ノズルを傾斜させたときの噴流の冷却量を説明する。なお、ここでは、一例として、天井板１３の直径を３００ｍｍとし、ノズルの直径を５ｍｍとして説明する。
【００４６】
垂直衝突噴流の場合、その冷却の効果は、主に、ノズル径の５〜１０倍の範囲まで及ぶ。ここでは、垂直衝突噴流の速度に対応する熱伝達率を、ノズル径の１０倍となる直径５０ｍｍの円の領域Ａの面積で積算し、冷却量として算出した。
【００４７】
一方、ノズルを傾斜させたときの噴流は、天井板１３に直接衝突する噴流と、その後、天井板１３に平行な方向に流れる噴流（層流）を考慮する必要がある。まず、天井板１３に直接衝突する噴流については、主に、天井板１３に垂直な成分を考慮する。本実施例の場合、天井板１３に衝突する噴流の速度が垂直衝突噴流の場合より減少するので、その減少した速度に対応する垂直衝突噴流の熱伝達率を、直径５０ｍｍの円の領域Ａの面積で積算し、冷却量として算出した。
【００４８】
又、天井板１３に平行な方向に流れる噴流（層流）については、主に、天井板１３に平行な成分を考慮する。本実施例の場合、天井板１３に平行な方向に流れる噴流（層流）の速度が垂直衝突噴流の場合より減少しており、更に、垂直衝突噴流ではなく、層流としての熱伝達率を考慮する必要がある。従って、減少した速度に対応する層流の熱伝達率を、その層流の流れる領域Ｓｍの面積で積算し、冷却量として算出した。この領域Ｓｍは、ノズルの直径５ｍｍの幅の層流が、その旋回径（図７では直径２００ｍｍ（半径１００ｍｍ）の旋回径）を半周流れる範囲である。
【００４９】
又、垂直衝突噴流（軸対象衝突噴流）の熱伝達率、層流の熱伝達率は、図８に示すように、速度に応じて変化し、速度が大きいほど、熱伝達率が大きくなることが知られており、上記計算では、図８に示された数値を用いて計算を行った。
【００５０】
ここで、一例として、上述した条件に基づいて、垂直衝突噴流の冷却量を算出すると共に、ノズルを２２°傾斜させたときの噴流の冷却量を算出し、その規格化冷却量を算出する。なお、垂直衝突噴流の速度は５５ｍ／ｓとした。
【００５１】
まず、垂直衝突噴流の冷却量については、速度５５ｍ／ｓの垂直衝突噴流の熱伝達率αが約５００Ｗ／ｍ2Ｋとなるので、直径５０ｍｍの円の領域Ａの面積（２５×２５×π）で積算すると、垂直衝突噴流の冷却量は、約９８１７４８となる。
【００５２】
又、ノズルを２２°傾斜させたときの噴流の冷却量について、天井板１３に垂直な成分は、おおよそ、上述した垂直衝突噴流の冷却量のコサイン成分（ｃｏｓ２２°）を考慮すればよいので、その冷却量は、約９１０２６１となる。又、天井板１３に平行な成分は、その噴流（層流）の速度として、垂直衝突噴流の速度のサイン成分（ｓｉｎ２２°）を考慮すると、約２１ｍ／ｓとなり、速度２１ｍ／ｓの層流の熱伝達率αが約１８３Ｗ／ｍ2Ｋとなる。これを、層流の流れる領域Ｓｍの面積（５×１００×π）で積算すると、その冷却量は、約２８７２１２となる。そして、規格化冷却量は、（９１０２６１＋２８７２１２）／９８１７４８＝１．２２となり、垂直衝突噴流の場合より冷却量が大きい、つまり、冷却効率が向上することがわかる。
【００５３】
同様の計算を各角度について行った結果が図９に示すグラフであり、ノズルの傾斜角度は、天井板１３に垂直な方向に対して、１°以上、５５°以下の範囲でノズルを傾斜させれば、垂直衝突噴流のみの場合より冷却効率が向上し、２２°のときに最も冷却効率が高いことがわかる。又、ノズルを傾斜させた場合、噴流が直接衝突する位置での冷却量の低減を抑えることを考慮すると、例えば、具体的には、垂直衝突噴流の場合の冷却量の５％以下の低減に抑えることを考慮すると、更には、ノズルの傾斜角度を１８°以下とすることが望ましい。
【００５４】
このように、ノズルの傾斜角度を１°以上、５５°以下の範囲、更に、１°以上、２２°以下の範囲、更には、１°以上、１８°以下の範囲とすることで、冷却効率が向上するので、冷却に使用する空気流量を減らすことができ、ブロアに必要な能力を下げることができ、省電力、ランニングコストの低減、装置のコストダウン、装置の小型化等を図ることができる。
【００５５】
（実施例５）
本実施例のプラズマＣＶＤ装置は、実施例３で示したプラズマＣＶＤ装置を前提とし、後述するように、ノズル（又は噴出孔）と排出パイプとの関係を規定している。従って、ここでは、実施例１〜３と重複する説明は省略するが、実施例１〜３と同等の構成には同じ符号を付して、図１０〜図１１を参照して、説明を行う。なお、図１０は、本実施例におけるノズルと排出パイプの配置関係を説明する図であり、図１１は、図１０において、ノズルから排出パイプへの流れを説明する図である。なお、ここでも、ノズルを用いて説明を行うが、噴出孔にも適用可能である。
【００５６】
本実施例においては、ノズル３３の個数と排出パイプ３４の個数について、数が合うように、具体的には、いずれか一方の個数をいずれか他方の個数で割ったときに割り切れるような個数となるようにしている。例えば、一例として、図１０では、ノズル３３ａ、３３ｂを合計８個、排出パイプ３４を合計４個設けており、ノズル３３ａ、３３ｂの個数８を排出パイプ３４の個数４で割ると、きれいに割り切れる個数となる。
【００５７】
又、天井板１３の領域を均等にｎ分割し（ｎは２以上の整数）、各々の領域に少なくとも１つのノズル３３及び排出パイプ３４を配置すると共に、個々のノズル３３、排出パイプ３４を、各々、１／ｎ周毎に配置する。例えば、一例として、図１０では、天井板１３の領域を均等に４分割し、各々の領域に２つのノズル３３ａ、３３ｂ、１つの排出パイプ３４を配置すると共に、個々のノズル３３ａ、ノズル３３ｂ、排出パイプ３４を、各々、１／４周毎に配置している。この場合、例えば、図６で示した旋回流Ｓ２は、おおよそ、天井板１３上を１／４周して回収されることになる。
【００５８】
このような個数、配置とすることにより、旋回流Ｓ２の流れがスムーズとなり、冷却される天井板１３において、より均一な温度分布を得ることができる。
【００５９】
更に、冷却に使用した空気は、熱膨張により体積が大きくなるので、排出パイプ３４の総断面積をノズル３３の総断面積より大きくすればよい。上昇する温度によって異なるが、例えば、２０℃で噴出した空気を５０℃で回収する場合には、７％程度体積が熱膨張するため、排出パイプ３４の総断面積をノズル３３の総断面積より７％程度大きくすればよい。
【００６０】
更に、天井板１３の中心と同心の円周において、ノズル３３の向きをその円周方向より内側に向けると、ノズル３３から噴出された冷却用空気が、直ぐに排出パイプ３４から排出されにくくなるので、排出されるまでの時間（移動距離）が長くなり、より多くの熱を吸収することが可能となる。
【００６１】
更に、実施例１で説明したように、天井板１３が最も熱くなるアンテナ１５の周囲を優先的に冷却するように、ノズル（又は噴出孔）をアンテナ１５の周囲で密に配置しているが、この主となるノズル３３ａより内側に、ノズル３３ａより内側を冷却するためのノズル３３ｂを設け、このノズル３３ｂにより、ノズル３３ａによる旋回流を外側へ押し出すようにしてもよい。例えば、図１１に示すように、ノズル３３ａからの冷却用空気の流れとして、メインの流れＳ３ｍ、サブの流れＳ３ｓを、ノズル３３ｂからの冷却用空気の流れとして、メインの流れＳ４ｍ、サブの流れＳ４ｓを説明上規定すると、ノズル３３ａからのメインの流れＳ３ｍは、ノズル３３ｂからのメインの流れＳ４ｍ、サブの流れＳ４ｓにより外周側へ押し出されることになり、１／４周程度旋回して流れて、排出パイプ３４から排出されることになる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、電磁波をチャンバ内部に入射する入射窓を有するプラズマ処理装置全てに適用可能であり、例えば、ＩＣＰ型のプラズマ生成機構を有するプラズマＣＶＤ装置、プラズマエッチング装置に好適である。
【符号の説明】
【００６３】
１０ プラズマＣＶＤ装置
１３ 天井板
１４ 成膜室
１５ アンテナ
２７ カバー
２９ ブロア
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室の上部となる円板形状の天井板の上方に、少なくとも１つの円形リング形状のアンテナを有し、前記アンテナからの電磁波を、前記天井板を介して入射することにより、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ処理装置において、
前記アンテナの上方に、前記天井板を冷却する空気を供給する噴出孔又はノズルを複数設けると共に、前記噴出孔又は前記ノズルを、前記アンテナの周囲で密に配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルを、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上５５°以下の範囲で傾斜させると共に、全て同じ周方向としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルの傾斜を、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上２２°以下の範囲としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板及び前記アンテナの周囲を覆う円筒状のカバーを設け、前記噴出孔又は前記ノズルから供給された空気を排出する排出パイプを前記カバーに設けると共に、前記排出パイプの軸方向を前記カバーの側周面の接線方向としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板を均等にｎ（ｎは２以上の整数）分割すると共に、前記噴出孔又は前記ノズルと前記排出パイプとを、各々、１／ｎ周毎に配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記排出パイプの総断面積を前記噴出孔又は前記ノズルの総断面積より大きくしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１】
処理室の上部となる円板形状の天井板の上方に、少なくとも１つの円形リング形状のアンテナを有し、前記アンテナからの電磁波を、前記天井板を介して入射することにより、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ処理装置において、
前記アンテナの上方に、前記天井板を冷却する空気を供給する噴出孔又はノズルを複数設けると共に、前記噴出孔又は前記ノズルを、前記アンテナの周囲で密に配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルを、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上５５°以下の範囲で傾斜させると共に、全て同じ周方向としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記噴出孔又は前記ノズルの傾斜を、前記天井板に垂直な方向に対して、１°以上２２°以下の範囲としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板及び前記アンテナの周囲を覆う円筒状のカバーを設け、前記噴出孔又は前記ノズルから供給された空気を排出する排出パイプを前記カバーに設けると共に、前記排出パイプの軸方向を前記カバーの側周面の接線方向としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
前記天井板を均等にｎ（ｎは２以上の整数）分割すると共に、前記噴出孔又は前記ノズルと前記排出パイプとを、各々、１／ｎ周毎に配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記排出パイプの総断面積を前記噴出孔又は前記ノズルの総断面積より大きくしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２１１３５９（Ｐ２０１２−２１１３５９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７０５１（Ｐ２０１１−７７０５１）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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