表面処理装置
【課題】 ３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの低ＵＨＦ帯のマイクロ波を使用することにより、広い領域に均一なプラズマを生成して、大面積の基板に均一な表面処理を行なう。
【解決手段】 ガス供給系５からガスを供給しながら、排気系６で排気して、処理容器３内を所定の圧力に保つ。マイクロ波発生器１で低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させ、空洞共振器２内でＴＭ010モードで共振させる。隔壁板２０に形成された長孔２５を通してマイクロ波を放電室４内に放射し、プラズマを形成する。このプラズマを利用して基板３０の表面に、エッチングやＣＶＤなどの処理を行なう。隔壁板２０の底面は上に凸状に窪んでいて、隔壁板２０と基板載置台３１との間のギャップは、基板３０の中心から半径方向に離れるほど狭くなっている。これにより、プラズマが均一になり、処理も均一になる。
【解決手段】 ガス供給系５からガスを供給しながら、排気系６で排気して、処理容器３内を所定の圧力に保つ。マイクロ波発生器１で低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させ、空洞共振器２内でＴＭ010モードで共振させる。隔壁板２０に形成された長孔２５を通してマイクロ波を放電室４内に放射し、プラズマを形成する。このプラズマを利用して基板３０の表面に、エッチングやＣＶＤなどの処理を行なう。隔壁板２０の底面は上に凸状に窪んでいて、隔壁板２０と基板載置台３１との間のギャップは、基板３０の中心から半径方向に離れるほど狭くなっている。これにより、プラズマが均一になり、処理も均一になる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ドライエッチングや化学的気相蒸着（ＣＶＤ）などのようにプラズマを利用して被処理体の表面に所定の処理を施す表面処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】プラズマを用いて被処理体の表面に処理を施すことは、ＬＳＩ（大規模集積回路）のような半導体素子や、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）のような表示装置を製作する際に頻繁に使用されている。プラズマは、大まかには、非平衡プラズマと平衡プラズマに分類される。平衡プラズマは、プラズマを構成している電子、イオン及び中性粒子（分子または原子）の温度がほぼ等しく、熱平衡状態にあるプラズマである。一方、非平衡プラズマは、電子の平均エネルギーがイオンや中性粒子の平均エネルギーよりも大きな状態にあるプラズマである。非平衡プラズマは荷電粒子（電子及びイオン）の熱運動がクーロン力による運動に比べて無視できる程度に小さいため、「低温プラズマ」と呼ばれることもある。非平衡プラズマないしは低温プラズマは、高いエネルギーの電子によって原料ガスを分解して必要なラジカルやイオンを生成することができる。このため、このようなラジカルやイオンを利用した微細加工や薄膜作成等の表面処理に盛んに応用されている。
【０００３】このような非平衡プラズマないしは低温プラズマを形成する方式として、高周波を利用する方式が従来より採用されている。高周波を用いてプラズマを形成する表面処理装置のひとつの例として、マイクロ波を利用するものが従来より開発されている。この場合、電子にエネルギーを注入する方法として、電子が磁場の作用によりサイクロトロン運動をするときの周波数を、マイクロ波の周波数と合致させて、共鳴状態にする方法と、マイクロ波を空洞共振器に導入してその振幅を大きくする方法とがある。以下、本願発明に関係する後者の方式の従来装置について述べる。
【０００４】空洞共振器を使用する表面処理装置の従来例としては、まず、特開昭５６-９６８４１号公報に示されたものがある。図６は、この公報に記載された従来の表面処理装置の正面断面図である。この表面処理装置では、マイクロ波発生器１で発生した周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が空洞共振器２に導入されて共振する。これによって形成されたプラズマにより、処理容器３内の基板載置台３１に載置された基板３０の表面処理が行われる。処理容器３には、ガス供給口３２及び排気口３３が設けられている。処理容器３内にガスが導入され、このガスにマイクロ波のエネルギーが与えられて上記プラズマが形成される。
【０００５】この図６に示す従来の表面処理装置では、空洞共振器２の内部でプラズマが形成されるため、プラズマの影響により空洞共振器２の共振条件が変化してしまう。その結果、プラズマが不安定であるという欠点があった。この欠点を解決するために次に登場したのが、特開平８-２４６１４６号公報あるいは特開平８-３１４４４号公報に示された装置である。図７は、一例として、特開平８-３１４４４号公報に示された従来の表面処理装置を示す正面断面図である。
【０００６】この図７に示す従来の表面処理装置では、空洞共振器２と処理容器３の間に誘電体板４１が設けられていて、両者を区画している。処理容器３の上端開口の縁には、容器フランジ３４が設けられている。ガス供給口３２は、この容器フランジ３４に形成されている。空洞共振器２の下端開口の縁は、この容器フランジ３４に接続されている。両者の接続部分はＯリングのようなシール部材９で真空シールされている。
【０００７】誘電体板４１は、その周囲が金属製フランジ４２で保持されている。金属製フランジ４２と誘電体板４１はろう付けにより気密に接合されている。容器フランジ３４と金属製フランジ４２との間には環状の隙間４３が形成されている。この隙間４３は、ガス供給口３２から供給されるガスのガス溜めである。ガス供給口３２から供給されるガスは上記隙間４３を満たすことになる。
【０００８】誘電体板４１の下側には、ガス拡散板５０が設けられている。ガス拡散板５０の内部にはガスの通路が形成されていて、ガス拡散板５０の下面にはガスの噴き出し孔が多数開口している。上記隙間４３に入ったガスは、このガス拡散板５０を経由して処理容器３内に噴き出す。
【０００９】誘電体板４１の処理容器３側の表面には、図８に示すように、金属メッキ膜２１が形成されている。この金属メッキ膜２１には２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長の半分以上の長さのスリット２１ｃが形成されている。空洞共振器２内で共振するマイクロ波は、金属メッキ膜２１のスリット２１ｃを通して処理容器３内に放射される。そして、処理容器３内のガス雰囲気中でプラズマが形成される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】最近の表面処理装置への要請のひとつに、処理領域の大面積化が挙げられる。この要請は、半導体素子の製作の場合には、一枚の大きな半導体ウェハから作られる半導体回路素子の数をできるだけ多くする必要性から生じる。ＬＣＤのような表示装置の場合には、大画面の表示装置を作るのに大型の基板を必要とするので、大きな処理領域が必要になってくる。
【００１１】マイクロ波を利用してプラズマを生成する上述のような表面処理装置においては、処理領域を大きくしようとした場合、マイクロ波の周波数を従来の２．４５ＧＨｚより低くした方が好ましいと考えられる。これは、以下のような理由による。
【００１２】空洞共振器の大きさは、処理領域の面積に合うように決定される。すなわち、処理領域が大きくなるに従って、空洞共振器の直径も大きくなる。この場合、高い周波数のマイクロ波を使うと、空洞共振器の大きさで定まる基本モードの共振周波数と比較して、マイクロ波の波長が相対的に短くなる。つまり、空洞共振器内では、高次モード（電界の山谷がたくさん形成された状態）でマイクロ波が共振することになる。このような高次モードで共振するマイクロ波を用いてプラズマを生成すると、空洞共振器の動作が不安定になり易くなる。したがって、処理領域が大きくなるに従い、より低い周波数のマイクロ波を用いることで、基本モードであるところのＴＭ010モードで共振させるようにしたほうが、安定性が高まることになる。
【００１３】このような理由から、本願の発明者は、上述した従来の２．４５ＧＨｚのマイクロ波よりも波長が長い低ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）の方が有利であると考えて、このような帯域のマイクロ波を使用する表面処理装置を試作した。図９は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を使用するものとして発明者が試作した表面処理装置の構造を示す正面断面図である。
【００１４】図９に示す表面処理装置は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生器１を有する。マイクロ波発生器１で発生したマイクロ波は、同軸線路１１及びループ１２を介して空洞共振器２に導入される。空洞共振器２には、誘電体板４１を介在させて処理容器３が接続されている。処理容器３にはガス供給口３２があり、ガス供給系５から処理容器３内にガスを供給できる。さらに、処理容器３には排気口３３があり、排気系６によって処理容器３内を排気できる。処理容器３内には基板載置台３１が設けられている。
【００１５】空洞共振器２は、マイクロ波がＴＭ010モード（ＴＭ：Transverse Magnetic）で共振する円筒形の共振器である。円筒の軸は紙面の上下方向であり、基板３０と同軸すなわち基板３０の中心を垂直に貫く軸と一致している。ＴＭ010モードでは電磁界の分布がほぼ完全な軸対称になるので、中心軸に対して垂直な面内に軸対称性の良いプラズマが生成される。この「中心軸に対して垂直な面」に平行に基板３０を載置することにより、基板３０の表面に軸対称性の良い処理を行なうことができる。
【００１６】図９に示す装置では、空洞共振器２から処理容器３にマイクロ波を放射する構造が図７に示す装置とは異なっている。誘電体板４１の空洞共振器２側には、空洞共振器２の下壁部を構成する放射板２２が設けられている。放射板２２は金属製の板であり、軸対称状に複数の円形の孔２３が形成されている。空洞共振器２内で共振するマイクロ波は、この円形の孔２３（以下、放射孔と呼ぶ）を通過すると共に誘電体板４１を透過して、処理容器３内に放射される。そして、放射されたマイクロ波は、処理容器３内でプラズマを発生させる。
【００１７】図９に示したような試作した表面処理装置では、発明者の検討の結果、以下のような二つの問題点があることが判明した。第１の問題点は、表面処理の面内分布（例えばエッチングレートの分布）が中央凸状の分布になり、基板の面内の表面処理の均一性が悪いことである。第２の問題点は、プラズマの点火性が悪いことである。
【００１８】本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を使用することにより、広い領域に均一なプラズマを生成して、大面積の被処理体に均一な表面処理を行なうことができる実用的な表面処理装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】発明者の考察によれば、上述の二つの問題点の原因として以下の点を指摘できる。第１の問題点である中央凸状のエッチングレート分布に対しては、第１の原因として放電室内の電界分布を指摘できる。被処理体が円形の基板であると仮定すると、放電室内のマイクロ波の電界分布は、次の（１）式のようになり、本質的に、基板の中央で強く周辺部で弱くなる。そして、この傾向は、基板の半径が大きいほど、また、マイクロ波の周波数ｆが高いほど、顕著になる。
【数１】Ｅ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ) …(1)ここで、Ｅ0＝定数Ｊ0はベッセル関数ｋ＝ω/ｃ＝２πｆ/ｃ （ｆは周波数、ｃは光速）
ｒは基板の中心からの半径方向の位置
【００２０】例えば、周波数が６０ＭＨｚ、３００ＭＨｚ、５００ＭＨｚの三つの場合について、半径１５０ｍｍ以内の電界分布を計算した例を図１０のグラフに示す。このグラフから分かるように、周波数５００ＭＨｚの場合には中央凸状の傾向が顕著である。
【００２１】さらに、図９において、空洞共振器２から処理容器３内に放射されたマイクロ波は、基板３０の上方の空間のみならず、基板載置台３１の側方及び下方にまで侵入するため、プラズマ領域が広がってしまい、特に基板３０の外周付近でのプラズマ密度が低下することが考えられる。
【００２２】第１の問題点の第２の原因としては、放射孔の形状を指摘できる。放射孔２３が円孔であるため、放電空間に放射されるマイクロ波の電力分布が、基板の外周付近で弱い傾向になっているためと考えられる。
【００２３】また、第２の問題点であるプラズマの点火性が悪いことについては、プラズマが無いときの放電室の電界が弱いことが原因として考えられる。
【００２４】これらの原因への対策として、発明者は次のように考えた。第１の問題点については、基板３０と放射板２２とで形成される平行平板形のギャップを、基板中心から離れるにつれて狭くすることにより、外周付近での電界強度の低下を防止できる。また、放射孔を円弧状の長孔にして、その形成位置を基板３０の外形寸法よりも大きい位置に移すことにより、マイクロ波が処理容器３の外周付近から放射されることになり、これによってエッチングレートが基板の外周付近で落ち込むことを防ぐことができる。
【００２５】第２の問題点については、円筒形の放電室の寸法をＴＭ010モードで共振するような寸法にして、プラズマが点火する前の放電室の電界を強くする。これによりプラズマの点火性が改善する。放電室の内径をＤ(ｍｍ)、マイクロ波の周波数をｆ(ＭＨｚ)とすれば、ＴＭ010モードの共振条件は、次の（２）式で与えられる。
【数２】Ｄ＝(２．３×１０5)/ｆ …(2)
【００２６】ただし、実際には、放電室には基板を搬送するための出し入れ口があけられるため共振周波数は上述の理論値よりも若干低下する。したがって、この低下分を見込んで、Ｄを次の（３）式の範囲内に設定するのがよい。
【数３】Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ …(3)
【００２７】上述の第１の問題点を解決するために、請求項１の発明に係る表面処理装置は、３００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲の低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、このマイクロ波発生手段で発生したマイクロ波がＴＭ010モードで共振するように形成された円筒形の空洞共振器と、マイクロ波発生手段から空洞共振器にマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、空洞共振器からマイクロ波が放射されるように空洞共振器に接続された気密な処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給系と、処理容器を排気する排気系と、処理容器内に配置されて被処理体を保持する保持手段とを備え、処理容器の内部の放電室が実質的に円筒形状であり、この円筒形状の放電室の、被処理体に対向する端面の中央部分が、外周付近よりも、被処理体から離れる方向に窪んでいることを特徴としている。これにより、放電室内の半径方向の電界分布が一様になる。なお、この明細書において、円筒形の空洞共振器とは、完全な円筒形の空洞共振器のほかに、その他の軸対称の空洞共振器も含むものとする。したがって、本発明における円筒形の空洞共振器には、リエントラント形の空洞共振器（くぼみ形空洞共振器）も含まれる。
【００２８】放電室のギャップについて、より具体的には、放電室の前記端面と被処理体との距離が、被処理体の中心からの半径方向の位置ｒに応じて、Ｊ0(ｋｒ)にほぼ比例して変化するようにする。ここで、Ｊ0はベッセル関数、ｋは半径方向の伝搬定数でｋ＝ω/ｃ、ωはマイクロ波の角周波数、ｃは光速である。
【００２９】放電室の前記端面は、空洞共振器と処理容器とを隔てる隔壁板の処理容器側の面で構成することができ、その場合に、この隔壁板の空洞共振器側の面を、中央部分が外周付近よりも被処理体から離れる方向に突き出すようにすることで、隔壁板の厚さを実質的に均一にできる。
【００３０】さらに、空洞共振器と処理容器とを隔てる隔壁板にはマイクロ波放射用の複数の円弧状の長孔を形成する。これらの長孔は被処理体の外形よりも外側の位置に形成し、これらの長孔は誘電体の板で気密に覆うようにしている。
【００３１】そして、上述の第２の問題点を解決するために、放電室の内径Ｄ(ｍｍ)は、マイクロ波の周波数ｆ(ＭＨｚ)に応じて、Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ の関係を満足するように設定している。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態の正面断面図である。図１において、この表面処理装置は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器１を有する。マイクロ波発生器１で発生したマイクロ波はマイクロ波導入手段１０により空洞共振器２に導入される。空洞共振器２は、気密な処理容器３に接続されている。処理容器３にはガス供給系５が接続され、ガス供給口３２から処理容器３内にガスを供給できる。処理容器３には排気系６が接続され、排気口３３から処理容器３内を排気できる。処理容器３には搬送口３５が形成され、基板３０を処理容器３から出し入れできる。処理容器３の内部には、基板３０を載置する基板載置台３１がある。
【００３３】マイクロ波発生器１としては、固体素子が通常採用され、その周波数は低ＵＨＦ帯、例えば５００ＭＨｚである。具体的には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用した素子を使用できる。このような固体素子としては、例えばモトローラ社製のＭＲＦ−３９３等が市販されている。この実施形態では、マイクロ波発生器１の出力は２ｋＷである。
【００３４】マイクロ波導入手段１０は、マイクロ波発生器１と空洞共振器２とをつなぐ同軸線路１１と、同軸線路１１の空洞共振器２への接続部分に設けられたループ１２とから主に構成されている。同軸線路１１は、マイクロ波を伝送する二線回路であり、内導体とこれを取り囲む同軸状の外導体とからなる。内導体と外導体との間には、必要に応じて誘電体が設けられる。
【００３５】同軸線路１１によって伝送されたマイクロ波は、ループ１２を介して磁界結合方式により空洞共振器２内に導入される。ループ１２により生じた磁界を基にして、空洞共振器２内には周状に磁界が発生し、マイクロ波の電磁界が空洞共振器２内で共振する。
【００３６】空洞共振器２は、アルミニウムまたはステンレスのような金属でできた円筒形またはリエントラント形（例えば、くぼみ形空洞共振器）の容器である。この空洞共振器２は、マイクロ波発生器１が発生させるマイクロ波が最低次のＴＭ010モードで共振するような共振器である。この基本モードの共振周波数ｆ0は、ａを空洞半径として、およそ次の（４）式で計算できる。ここで、λ0はマイクロ波の波長、ｃは真空中の光速である。
【数４】λ0＝２．６１ａ＝ｃ/ｆ0 …(4)
【００３７】この（４）式から、例えばａ＝２００ｍｍのとき、ｆ0＝５７５ＭＨｚとなる。なお、空洞共振器２の軸方向の長さは半径ａと同程度でよく、例えば１７５ｍｍである。
【００３８】図１に示した空洞共振器２はリエントラント形である。すなわち、純粋な円筒形空洞共振器の上部と下部に、円柱状の上部中心導体４５と下部中心導体４６とを設けたものである。中心導体４５、４６の軸方向の長さは１００ｍｍ程度で、直径は７０ｍｍである。中心導体４５、４６の軸方向の長さを調節することで、空洞共振器２の共振周波数を調整することができる。中心導体４５、４６の材質は空洞共振器２と同様の金属である。
【００３９】次に、空洞共振器２と処理容器３とを隔てる隔壁板２０の構造を説明する。図２（Ａ）は隔壁板２０の断面図（図２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図）であり、図２R>２（Ｂ）は隔壁板２０を下から見た底面図である。この隔壁板２０はアルミニウム製であり、円弧状の６個の長孔２５が同一円周上に等間隔に形成されている。長孔２５の幅は１０ｍｍ程度、長さは１００ｍｍ程度である。長孔２５の形成位置は、空洞共振器の中心軸から１６０ｍｍ程度離れた半径方向位置にあり、基板の半径（１５０ｍｍ）よりも外側に位置している。長孔２５は隔壁板２０を貫通していて、この長孔２５は空洞共振器から処理容器へとマイクロ波を放射する役割を果たしている。隔壁板２０の下面（基板に対向する面）は上に凸状に窪んでいる。この窪み２６の形状は、断面が三角形でも台形でもその他の多角形でもよい。図面に示す実施形態では窪み２６の断面形状は台形になっている。一番厚い部分の厚さは約２０ｍｍであり、一番薄い部分の厚さは約５ｍｍである。隔壁板２０の上面には、大径の誘電体リング２４が、長孔２５を覆うように、Ｏリングを挟んで気密に取り付けられている。誘電体リング２４は石英またはアルミナセラミック等で形成されている。この誘電体リング２４により、空洞共振器と処理容器は気密に隔てられている。空洞共振器内で共振するマイクロ波は、誘電体リング２４を透過し、さらに長孔２５を通過して、処理容器内に放射される。放射されたマイクロ波は、処理容器内でプラズマを発生させる。
【００４０】図１に戻って、処理容器３の上端開口の縁には容器フランジ３４が設けられており、この容器フランジ３４に隔壁板２０がＯリングを挟んで気密に取り付けられている。図２に示すように、ガス供給口３２は隔壁板２０の外周面に接続されている。ガス供給口３２から供給されるガスは、隔壁板２０の内部に形成された通路２７を通って環状空間２８に入り、多数のガス噴き出し孔２９から処理容器内に噴き出す。
【００４１】図１に戻って、ガス供給系５は、ガスボンベ５３と流量調整器５４とバルブ５２とそれらをつなぐ配管５１とを備えている。排気系６は、処理容器３の底面の排気口３３に接続されていて、ターボ分子ポンプのような真空ポンプを備えている。この排気系６は、ガス供給系５から処理容器３にガスを供給している状態で、処理容器３内を１Ｔｏｒｒ〜１０-3Ｔｏｒｒ程度の圧力に排気できる。
【００４２】処理容器３内のほぼ中央には、プラズマによって処理される位置に基板載置台３１が設けられている。この基板載置台３１は、被処理体である基板３０を保持する保持手段である。基板載置台３１は、ステンレスのような金属製であり、支柱３１１によって支えられている。支柱３１１は処理容器３の底面を気密に貫通している。
【００４３】この基板載置台３１は、基板３０に一定のバイアス電位を印加する電極の役割を兼ねている。基板載置台３１には、処理容器３の外部に設けられた高周波電源７が接続されている。高周波電源７が印加する高周波電圧とプラズマとの相互作用によって、基板載置台３１上の基板３０にはプラズマに対して負のバイアス電位が発生する。基板載置台３１及び支柱３１１の周囲を覆うようにして絶縁体３１２が設けられており、この絶縁体３１は処理容器３（接地されている）から基板載置台３１を電気的に絶縁している。
【００４４】絶縁体３１２の周囲には金属製のシールド部品３１３が装着されている。シールド部品３１３の上端部と処理容器３の間にはバッフル板３１４があり、シールド部品３１の上端はバッフル板３１４と処理容器３を介して接地されている。バッフル板３１４は金属製であり、多数の小孔が上下方向に貫通するように形成されている。このバッフル板３１４は放電室４の形状を円筒形状に限定している。放電室４の上方の境界は隔壁板２０であり、下方の境界はバッフル板３１４とシールド部品３１３の上端と絶縁体３１２の上端と基板載置台３１であり、側面の境界は処理容器３の内壁である。この円筒状の放電室４の内径Ｄ(ｍｍ)は、マイクロ波の周波数ｆ(ＭＨｚ)に対応して、Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ の関係を満足するように設定されている。例えば、周波数が５００ＭＨｚの場合には、放電室４の内径Ｄは４４０ｍｍとなる。これにより、プラズマが発生する前において、放電室がＴＭ010モードの共振条件を満足するようになり、電界強度が大きくなって、プラズマの点火性が改善する。
【００４５】次に、図１の装置の動作を説明する。基板３０を搬送口３５を通して処理容器３内に搬入し、基板載置台３１上に載置する。基板載置台３１内には必要に応じて静電吸着機構が設けられ、基板３０を静電吸着する。ガス供給系５によってガス供給口３２を通して処理容器３内に所定のガスを供給しながら、排気系６によって処理容器３内を排気し、処理容器３内を所定の圧力に保つ。この状態で、マイクロ波発生器１で低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させる。マイクロ波は同軸線路１１によって伝送されて、ループ１２を介して空洞共振器２に導入される。
【００４６】マイクロ波は空洞共振器２内でＴＭ010モードで共振しながら、隔壁板２０に形成された長孔２５を通して放電室４内に放射される。放射されたマイクロ波は、放電室４内に供給されたガスにそのエネルギーを注入して、プラズマを形成する。そして、このプラズマを利用して基板３０の表面に所望の処理が施される。例えば、プラズマ反応イオンエッチングを行なう場合には、プラズマ中で活性種例えばフッ素系活性種を生成するガスを供給し、活性種で基板３０をエッチングする。また、プラズマＣＶＤを行なう場合は、プラズマ中で分解反応する原料ガスを供給し、基板３０上に所望の薄膜を堆積させる。
【００４７】本実施形態で使用しているような低温プラズマでは、プラズマの電子温度は低く、基板３０に入射するイオンの加速電圧となるプラズマ電位も通常２０〜３０Ｖ程度である。この場合、高周波電源７によって基板３０に負のセルフバイアス電圧を発生させると、プラズマ中からイオンが引き出されて基板３０へ衝突するのが促進される。このような構成は、比較的大きなエネルギーを必要とするリアクティブイオンエッチングの場合に好適である。
【００４８】上述した動作において、図１に示すように、隔壁板２０の底面は上に凸状に窪んでいる。したがって、隔壁板２０と基板載置台３１との間の距離（ギャップ）は、基板３０の中心から半径方向に離れるほど狭くなっている。これによる効果を以下に説明する。図３（Ａ）は隔壁板２０の底面が平坦になっている場合における、隔壁板２０と基板３０との間のギャップと、そこでの電界分布を示したものである。電界は矢印で模式的に示してあり、矢印の密度が電界の強度を表わしている。隔壁板２０と基板３０の間の距離はどこでも同じであり、電界分布は基板の中心付近で強く、外周付近で弱くなっている。この電界分布は、上述の（１）式のＥ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ)で与えられるような中央凸状分布である。
【００４９】これに対して、図３（Ｂ）は本実施形態のように隔壁板２０の底面に窪みを設けた場合の電界分布である。隔壁板２０と基板３０との距離は、基板の中心付近で大きく、外周付近で小さくなっている。これにより、上述の中央凸状の電界分布が補正されて、基板の半径方向においてほぼ均一な電界分布が得られる（図面に示すように、電界を示す矢印の密度がほぼ一様である）。ところで、プラズマ中のイオンは基板３０に垂直に入射する。本実施形態では、プラズマが径方向に均一になることとあいまって、基板への電界が垂直になることから、基板３０へのイオン入射量も径方向に均一になる。このような点は、例えば基板３０の表面に形成された溝や穴の底部にイオンを多く到達させる必要がある場合に特に有利である。
【００５０】なお、図３に示した電界分布はプラズマが発生する前の状態であり、プラズマが発生すると電界分布は次のように変化すると考えられる。プラズマは導電性であるから、電界はプラズマの内部には入っていけず、基板とプラズマとの間にできるシース領域と、プラズマと隔壁板との間にできるシース領域とにおいて、電界分布が生じることになる。この場合、これらの二つのシース領域を新たな平行平板ギャップとみなすことができる。そして、図３（Ａ）に示す従来技術では、二つのシース領域における電界分布もまた、上述の（１）式のＥ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ)で与えられるような中央凸状分布になると考えられる。一方、図３（Ｂ）に示す本実施形態の場合には、二つのシース領域における電界分布もまた、基板の半径方向においてほぼ均一な電界分布になると考えられる。
【００５１】次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図４は第２の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。この図４に示す装置は、図１の装置と比較して、隔壁板２０ａの構造が異なっている。この隔壁板２０ａは、底面に窪みが形成されているのは図１と同じであるが、隔壁板２０の上面が図１では平坦であるのに対して、図４では隔壁板２０ａの厚さが一様になるように上面の中央部分が外周付近よりも基板３０から離れる方向に突き出している。こうすると、隔壁板２０の中央付近の厚さをあまり薄くせずにすみ、機械的強度を保つことができる。さらに、隔壁板２０ａの厚さが均一になるので、図２に示した環状空間２８を形成し易くなる。
【００５２】次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図５は第３の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。この５に示す装置も、図１の装置と比較して、隔壁板２０ｂの構造が異なっている。この隔壁板２０ｂは、その断面において、曲面状に上に凸に湾曲している。こうすることにより、上述の理論式のＥ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ)によって与えられる電界分布を理想的な形で補正できる。
【００５３】冒頭に述べたように、本発明は非平衡プラズマいわゆる低温プラズマを用いて表面反応を進行させる場合に利用されるが、これに限られるものではなく、その他のプラズマを用いたり、その他の表面処理を行なう場合にも有効である。
【００５４】また、被処理体であるところの基板は、円形の場合に限らず、液晶基板のように矩形であってもよい。矩形の基板の場合には、矩形の対角線の長さと同等かそれ以上の直径を有する空洞共振器を使用して、基板の中心と空洞共振器の中心軸とを一致させる。なお、円形や矩形以外の基板を被処理体としてもよいことはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】本発明によれば、円筒状の放電室のギャップが被処理体の中心から離れるにつれて狭くなっているので、ギャップが一様である場合に生じるような中央凸状の電界分布が補正されて、電界の面内分布が一様になる。これにより、均一なプラズマによる均一な表面処理が可能になる。また、空洞共振器と処理容器とを隔てる隔壁板の底面の中央に窪みを設けることで上述のようなギャップを形成する場合に、隔壁板の上面も同様に変化させることで隔壁板の厚さをほぼ一定にすれば、隔壁板の機械的強度を保つことができる。さらに、マイクロ波放射用の長孔を被処理体の外形よりも外側の位置に形成することにより、マイクロ波を処理容器の外周部付近から放射することができ、これにより例えばエッチングレートの被処理体端部での落ち込みを防止できる。さらに、放電室の内径をマイクロ波の周波数に応じて基本モードで共振するように定めることにより、放電室内の電界強度を高めて、プラズマの点火性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態の正面断面図である。
【図２】隔壁板の断面図と底面図である。
【図３】隔壁板と基板との間のギャップにおける電界分布を説明する説明図である。
【図４】第２の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。
【図５】第３の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。
【図６】従来の表面処理装置の正面断面図である。
【図７】従来の表面処理装置の別の例の正面断面図である。
【図８】従来の表面処理装置で使われている誘電体板の平面図である。
【図９】発明者が試作した表面処理装置の正面断面図である。
【図１０】平行平板ギャップの電界分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１ マイクロ波発生器
２ 空洞共振器
３ 処理容器
４ 放電室
５ ガス供給系
６ 排気系
１０ マイクロ波導入手段
２０ 隔壁板
２４ 誘電体リング
２５ 長孔
２６ 窪み
３０ 基板
３１ 基板載置台
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ドライエッチングや化学的気相蒸着（ＣＶＤ）などのようにプラズマを利用して被処理体の表面に所定の処理を施す表面処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】プラズマを用いて被処理体の表面に処理を施すことは、ＬＳＩ（大規模集積回路）のような半導体素子や、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）のような表示装置を製作する際に頻繁に使用されている。プラズマは、大まかには、非平衡プラズマと平衡プラズマに分類される。平衡プラズマは、プラズマを構成している電子、イオン及び中性粒子（分子または原子）の温度がほぼ等しく、熱平衡状態にあるプラズマである。一方、非平衡プラズマは、電子の平均エネルギーがイオンや中性粒子の平均エネルギーよりも大きな状態にあるプラズマである。非平衡プラズマは荷電粒子（電子及びイオン）の熱運動がクーロン力による運動に比べて無視できる程度に小さいため、「低温プラズマ」と呼ばれることもある。非平衡プラズマないしは低温プラズマは、高いエネルギーの電子によって原料ガスを分解して必要なラジカルやイオンを生成することができる。このため、このようなラジカルやイオンを利用した微細加工や薄膜作成等の表面処理に盛んに応用されている。
【０００３】このような非平衡プラズマないしは低温プラズマを形成する方式として、高周波を利用する方式が従来より採用されている。高周波を用いてプラズマを形成する表面処理装置のひとつの例として、マイクロ波を利用するものが従来より開発されている。この場合、電子にエネルギーを注入する方法として、電子が磁場の作用によりサイクロトロン運動をするときの周波数を、マイクロ波の周波数と合致させて、共鳴状態にする方法と、マイクロ波を空洞共振器に導入してその振幅を大きくする方法とがある。以下、本願発明に関係する後者の方式の従来装置について述べる。
【０００４】空洞共振器を使用する表面処理装置の従来例としては、まず、特開昭５６-９６８４１号公報に示されたものがある。図６は、この公報に記載された従来の表面処理装置の正面断面図である。この表面処理装置では、マイクロ波発生器１で発生した周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が空洞共振器２に導入されて共振する。これによって形成されたプラズマにより、処理容器３内の基板載置台３１に載置された基板３０の表面処理が行われる。処理容器３には、ガス供給口３２及び排気口３３が設けられている。処理容器３内にガスが導入され、このガスにマイクロ波のエネルギーが与えられて上記プラズマが形成される。
【０００５】この図６に示す従来の表面処理装置では、空洞共振器２の内部でプラズマが形成されるため、プラズマの影響により空洞共振器２の共振条件が変化してしまう。その結果、プラズマが不安定であるという欠点があった。この欠点を解決するために次に登場したのが、特開平８-２４６１４６号公報あるいは特開平８-３１４４４号公報に示された装置である。図７は、一例として、特開平８-３１４４４号公報に示された従来の表面処理装置を示す正面断面図である。
【０００６】この図７に示す従来の表面処理装置では、空洞共振器２と処理容器３の間に誘電体板４１が設けられていて、両者を区画している。処理容器３の上端開口の縁には、容器フランジ３４が設けられている。ガス供給口３２は、この容器フランジ３４に形成されている。空洞共振器２の下端開口の縁は、この容器フランジ３４に接続されている。両者の接続部分はＯリングのようなシール部材９で真空シールされている。
【０００７】誘電体板４１は、その周囲が金属製フランジ４２で保持されている。金属製フランジ４２と誘電体板４１はろう付けにより気密に接合されている。容器フランジ３４と金属製フランジ４２との間には環状の隙間４３が形成されている。この隙間４３は、ガス供給口３２から供給されるガスのガス溜めである。ガス供給口３２から供給されるガスは上記隙間４３を満たすことになる。
【０００８】誘電体板４１の下側には、ガス拡散板５０が設けられている。ガス拡散板５０の内部にはガスの通路が形成されていて、ガス拡散板５０の下面にはガスの噴き出し孔が多数開口している。上記隙間４３に入ったガスは、このガス拡散板５０を経由して処理容器３内に噴き出す。
【０００９】誘電体板４１の処理容器３側の表面には、図８に示すように、金属メッキ膜２１が形成されている。この金属メッキ膜２１には２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長の半分以上の長さのスリット２１ｃが形成されている。空洞共振器２内で共振するマイクロ波は、金属メッキ膜２１のスリット２１ｃを通して処理容器３内に放射される。そして、処理容器３内のガス雰囲気中でプラズマが形成される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】最近の表面処理装置への要請のひとつに、処理領域の大面積化が挙げられる。この要請は、半導体素子の製作の場合には、一枚の大きな半導体ウェハから作られる半導体回路素子の数をできるだけ多くする必要性から生じる。ＬＣＤのような表示装置の場合には、大画面の表示装置を作るのに大型の基板を必要とするので、大きな処理領域が必要になってくる。
【００１１】マイクロ波を利用してプラズマを生成する上述のような表面処理装置においては、処理領域を大きくしようとした場合、マイクロ波の周波数を従来の２．４５ＧＨｚより低くした方が好ましいと考えられる。これは、以下のような理由による。
【００１２】空洞共振器の大きさは、処理領域の面積に合うように決定される。すなわち、処理領域が大きくなるに従って、空洞共振器の直径も大きくなる。この場合、高い周波数のマイクロ波を使うと、空洞共振器の大きさで定まる基本モードの共振周波数と比較して、マイクロ波の波長が相対的に短くなる。つまり、空洞共振器内では、高次モード（電界の山谷がたくさん形成された状態）でマイクロ波が共振することになる。このような高次モードで共振するマイクロ波を用いてプラズマを生成すると、空洞共振器の動作が不安定になり易くなる。したがって、処理領域が大きくなるに従い、より低い周波数のマイクロ波を用いることで、基本モードであるところのＴＭ010モードで共振させるようにしたほうが、安定性が高まることになる。
【００１３】このような理由から、本願の発明者は、上述した従来の２．４５ＧＨｚのマイクロ波よりも波長が長い低ＵＨＦ帯（３００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）の方が有利であると考えて、このような帯域のマイクロ波を使用する表面処理装置を試作した。図９は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を使用するものとして発明者が試作した表面処理装置の構造を示す正面断面図である。
【００１４】図９に示す表面処理装置は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるためのマイクロ波発生器１を有する。マイクロ波発生器１で発生したマイクロ波は、同軸線路１１及びループ１２を介して空洞共振器２に導入される。空洞共振器２には、誘電体板４１を介在させて処理容器３が接続されている。処理容器３にはガス供給口３２があり、ガス供給系５から処理容器３内にガスを供給できる。さらに、処理容器３には排気口３３があり、排気系６によって処理容器３内を排気できる。処理容器３内には基板載置台３１が設けられている。
【００１５】空洞共振器２は、マイクロ波がＴＭ010モード（ＴＭ：Transverse Magnetic）で共振する円筒形の共振器である。円筒の軸は紙面の上下方向であり、基板３０と同軸すなわち基板３０の中心を垂直に貫く軸と一致している。ＴＭ010モードでは電磁界の分布がほぼ完全な軸対称になるので、中心軸に対して垂直な面内に軸対称性の良いプラズマが生成される。この「中心軸に対して垂直な面」に平行に基板３０を載置することにより、基板３０の表面に軸対称性の良い処理を行なうことができる。
【００１６】図９に示す装置では、空洞共振器２から処理容器３にマイクロ波を放射する構造が図７に示す装置とは異なっている。誘電体板４１の空洞共振器２側には、空洞共振器２の下壁部を構成する放射板２２が設けられている。放射板２２は金属製の板であり、軸対称状に複数の円形の孔２３が形成されている。空洞共振器２内で共振するマイクロ波は、この円形の孔２３（以下、放射孔と呼ぶ）を通過すると共に誘電体板４１を透過して、処理容器３内に放射される。そして、放射されたマイクロ波は、処理容器３内でプラズマを発生させる。
【００１７】図９に示したような試作した表面処理装置では、発明者の検討の結果、以下のような二つの問題点があることが判明した。第１の問題点は、表面処理の面内分布（例えばエッチングレートの分布）が中央凸状の分布になり、基板の面内の表面処理の均一性が悪いことである。第２の問題点は、プラズマの点火性が悪いことである。
【００１８】本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を使用することにより、広い領域に均一なプラズマを生成して、大面積の被処理体に均一な表面処理を行なうことができる実用的な表面処理装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】発明者の考察によれば、上述の二つの問題点の原因として以下の点を指摘できる。第１の問題点である中央凸状のエッチングレート分布に対しては、第１の原因として放電室内の電界分布を指摘できる。被処理体が円形の基板であると仮定すると、放電室内のマイクロ波の電界分布は、次の（１）式のようになり、本質的に、基板の中央で強く周辺部で弱くなる。そして、この傾向は、基板の半径が大きいほど、また、マイクロ波の周波数ｆが高いほど、顕著になる。
【数１】Ｅ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ) …(1)ここで、Ｅ0＝定数Ｊ0はベッセル関数ｋ＝ω/ｃ＝２πｆ/ｃ （ｆは周波数、ｃは光速）
ｒは基板の中心からの半径方向の位置
【００２０】例えば、周波数が６０ＭＨｚ、３００ＭＨｚ、５００ＭＨｚの三つの場合について、半径１５０ｍｍ以内の電界分布を計算した例を図１０のグラフに示す。このグラフから分かるように、周波数５００ＭＨｚの場合には中央凸状の傾向が顕著である。
【００２１】さらに、図９において、空洞共振器２から処理容器３内に放射されたマイクロ波は、基板３０の上方の空間のみならず、基板載置台３１の側方及び下方にまで侵入するため、プラズマ領域が広がってしまい、特に基板３０の外周付近でのプラズマ密度が低下することが考えられる。
【００２２】第１の問題点の第２の原因としては、放射孔の形状を指摘できる。放射孔２３が円孔であるため、放電空間に放射されるマイクロ波の電力分布が、基板の外周付近で弱い傾向になっているためと考えられる。
【００２３】また、第２の問題点であるプラズマの点火性が悪いことについては、プラズマが無いときの放電室の電界が弱いことが原因として考えられる。
【００２４】これらの原因への対策として、発明者は次のように考えた。第１の問題点については、基板３０と放射板２２とで形成される平行平板形のギャップを、基板中心から離れるにつれて狭くすることにより、外周付近での電界強度の低下を防止できる。また、放射孔を円弧状の長孔にして、その形成位置を基板３０の外形寸法よりも大きい位置に移すことにより、マイクロ波が処理容器３の外周付近から放射されることになり、これによってエッチングレートが基板の外周付近で落ち込むことを防ぐことができる。
【００２５】第２の問題点については、円筒形の放電室の寸法をＴＭ010モードで共振するような寸法にして、プラズマが点火する前の放電室の電界を強くする。これによりプラズマの点火性が改善する。放電室の内径をＤ(ｍｍ)、マイクロ波の周波数をｆ(ＭＨｚ)とすれば、ＴＭ010モードの共振条件は、次の（２）式で与えられる。
【数２】Ｄ＝(２．３×１０5)/ｆ …(2)
【００２６】ただし、実際には、放電室には基板を搬送するための出し入れ口があけられるため共振周波数は上述の理論値よりも若干低下する。したがって、この低下分を見込んで、Ｄを次の（３）式の範囲内に設定するのがよい。
【数３】Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ …(3)
【００２７】上述の第１の問題点を解決するために、請求項１の発明に係る表面処理装置は、３００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲の低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、このマイクロ波発生手段で発生したマイクロ波がＴＭ010モードで共振するように形成された円筒形の空洞共振器と、マイクロ波発生手段から空洞共振器にマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、空洞共振器からマイクロ波が放射されるように空洞共振器に接続された気密な処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給系と、処理容器を排気する排気系と、処理容器内に配置されて被処理体を保持する保持手段とを備え、処理容器の内部の放電室が実質的に円筒形状であり、この円筒形状の放電室の、被処理体に対向する端面の中央部分が、外周付近よりも、被処理体から離れる方向に窪んでいることを特徴としている。これにより、放電室内の半径方向の電界分布が一様になる。なお、この明細書において、円筒形の空洞共振器とは、完全な円筒形の空洞共振器のほかに、その他の軸対称の空洞共振器も含むものとする。したがって、本発明における円筒形の空洞共振器には、リエントラント形の空洞共振器（くぼみ形空洞共振器）も含まれる。
【００２８】放電室のギャップについて、より具体的には、放電室の前記端面と被処理体との距離が、被処理体の中心からの半径方向の位置ｒに応じて、Ｊ0(ｋｒ)にほぼ比例して変化するようにする。ここで、Ｊ0はベッセル関数、ｋは半径方向の伝搬定数でｋ＝ω/ｃ、ωはマイクロ波の角周波数、ｃは光速である。
【００２９】放電室の前記端面は、空洞共振器と処理容器とを隔てる隔壁板の処理容器側の面で構成することができ、その場合に、この隔壁板の空洞共振器側の面を、中央部分が外周付近よりも被処理体から離れる方向に突き出すようにすることで、隔壁板の厚さを実質的に均一にできる。
【００３０】さらに、空洞共振器と処理容器とを隔てる隔壁板にはマイクロ波放射用の複数の円弧状の長孔を形成する。これらの長孔は被処理体の外形よりも外側の位置に形成し、これらの長孔は誘電体の板で気密に覆うようにしている。
【００３１】そして、上述の第２の問題点を解決するために、放電室の内径Ｄ(ｍｍ)は、マイクロ波の周波数ｆ(ＭＨｚ)に応じて、Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ の関係を満足するように設定している。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態の正面断面図である。図１において、この表面処理装置は、低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生器１を有する。マイクロ波発生器１で発生したマイクロ波はマイクロ波導入手段１０により空洞共振器２に導入される。空洞共振器２は、気密な処理容器３に接続されている。処理容器３にはガス供給系５が接続され、ガス供給口３２から処理容器３内にガスを供給できる。処理容器３には排気系６が接続され、排気口３３から処理容器３内を排気できる。処理容器３には搬送口３５が形成され、基板３０を処理容器３から出し入れできる。処理容器３の内部には、基板３０を載置する基板載置台３１がある。
【００３３】マイクロ波発生器１としては、固体素子が通常採用され、その周波数は低ＵＨＦ帯、例えば５００ＭＨｚである。具体的には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用した素子を使用できる。このような固体素子としては、例えばモトローラ社製のＭＲＦ−３９３等が市販されている。この実施形態では、マイクロ波発生器１の出力は２ｋＷである。
【００３４】マイクロ波導入手段１０は、マイクロ波発生器１と空洞共振器２とをつなぐ同軸線路１１と、同軸線路１１の空洞共振器２への接続部分に設けられたループ１２とから主に構成されている。同軸線路１１は、マイクロ波を伝送する二線回路であり、内導体とこれを取り囲む同軸状の外導体とからなる。内導体と外導体との間には、必要に応じて誘電体が設けられる。
【００３５】同軸線路１１によって伝送されたマイクロ波は、ループ１２を介して磁界結合方式により空洞共振器２内に導入される。ループ１２により生じた磁界を基にして、空洞共振器２内には周状に磁界が発生し、マイクロ波の電磁界が空洞共振器２内で共振する。
【００３６】空洞共振器２は、アルミニウムまたはステンレスのような金属でできた円筒形またはリエントラント形（例えば、くぼみ形空洞共振器）の容器である。この空洞共振器２は、マイクロ波発生器１が発生させるマイクロ波が最低次のＴＭ010モードで共振するような共振器である。この基本モードの共振周波数ｆ0は、ａを空洞半径として、およそ次の（４）式で計算できる。ここで、λ0はマイクロ波の波長、ｃは真空中の光速である。
【数４】λ0＝２．６１ａ＝ｃ/ｆ0 …(4)
【００３７】この（４）式から、例えばａ＝２００ｍｍのとき、ｆ0＝５７５ＭＨｚとなる。なお、空洞共振器２の軸方向の長さは半径ａと同程度でよく、例えば１７５ｍｍである。
【００３８】図１に示した空洞共振器２はリエントラント形である。すなわち、純粋な円筒形空洞共振器の上部と下部に、円柱状の上部中心導体４５と下部中心導体４６とを設けたものである。中心導体４５、４６の軸方向の長さは１００ｍｍ程度で、直径は７０ｍｍである。中心導体４５、４６の軸方向の長さを調節することで、空洞共振器２の共振周波数を調整することができる。中心導体４５、４６の材質は空洞共振器２と同様の金属である。
【００３９】次に、空洞共振器２と処理容器３とを隔てる隔壁板２０の構造を説明する。図２（Ａ）は隔壁板２０の断面図（図２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図）であり、図２R>２（Ｂ）は隔壁板２０を下から見た底面図である。この隔壁板２０はアルミニウム製であり、円弧状の６個の長孔２５が同一円周上に等間隔に形成されている。長孔２５の幅は１０ｍｍ程度、長さは１００ｍｍ程度である。長孔２５の形成位置は、空洞共振器の中心軸から１６０ｍｍ程度離れた半径方向位置にあり、基板の半径（１５０ｍｍ）よりも外側に位置している。長孔２５は隔壁板２０を貫通していて、この長孔２５は空洞共振器から処理容器へとマイクロ波を放射する役割を果たしている。隔壁板２０の下面（基板に対向する面）は上に凸状に窪んでいる。この窪み２６の形状は、断面が三角形でも台形でもその他の多角形でもよい。図面に示す実施形態では窪み２６の断面形状は台形になっている。一番厚い部分の厚さは約２０ｍｍであり、一番薄い部分の厚さは約５ｍｍである。隔壁板２０の上面には、大径の誘電体リング２４が、長孔２５を覆うように、Ｏリングを挟んで気密に取り付けられている。誘電体リング２４は石英またはアルミナセラミック等で形成されている。この誘電体リング２４により、空洞共振器と処理容器は気密に隔てられている。空洞共振器内で共振するマイクロ波は、誘電体リング２４を透過し、さらに長孔２５を通過して、処理容器内に放射される。放射されたマイクロ波は、処理容器内でプラズマを発生させる。
【００４０】図１に戻って、処理容器３の上端開口の縁には容器フランジ３４が設けられており、この容器フランジ３４に隔壁板２０がＯリングを挟んで気密に取り付けられている。図２に示すように、ガス供給口３２は隔壁板２０の外周面に接続されている。ガス供給口３２から供給されるガスは、隔壁板２０の内部に形成された通路２７を通って環状空間２８に入り、多数のガス噴き出し孔２９から処理容器内に噴き出す。
【００４１】図１に戻って、ガス供給系５は、ガスボンベ５３と流量調整器５４とバルブ５２とそれらをつなぐ配管５１とを備えている。排気系６は、処理容器３の底面の排気口３３に接続されていて、ターボ分子ポンプのような真空ポンプを備えている。この排気系６は、ガス供給系５から処理容器３にガスを供給している状態で、処理容器３内を１Ｔｏｒｒ〜１０-3Ｔｏｒｒ程度の圧力に排気できる。
【００４２】処理容器３内のほぼ中央には、プラズマによって処理される位置に基板載置台３１が設けられている。この基板載置台３１は、被処理体である基板３０を保持する保持手段である。基板載置台３１は、ステンレスのような金属製であり、支柱３１１によって支えられている。支柱３１１は処理容器３の底面を気密に貫通している。
【００４３】この基板載置台３１は、基板３０に一定のバイアス電位を印加する電極の役割を兼ねている。基板載置台３１には、処理容器３の外部に設けられた高周波電源７が接続されている。高周波電源７が印加する高周波電圧とプラズマとの相互作用によって、基板載置台３１上の基板３０にはプラズマに対して負のバイアス電位が発生する。基板載置台３１及び支柱３１１の周囲を覆うようにして絶縁体３１２が設けられており、この絶縁体３１は処理容器３（接地されている）から基板載置台３１を電気的に絶縁している。
【００４４】絶縁体３１２の周囲には金属製のシールド部品３１３が装着されている。シールド部品３１３の上端部と処理容器３の間にはバッフル板３１４があり、シールド部品３１の上端はバッフル板３１４と処理容器３を介して接地されている。バッフル板３１４は金属製であり、多数の小孔が上下方向に貫通するように形成されている。このバッフル板３１４は放電室４の形状を円筒形状に限定している。放電室４の上方の境界は隔壁板２０であり、下方の境界はバッフル板３１４とシールド部品３１３の上端と絶縁体３１２の上端と基板載置台３１であり、側面の境界は処理容器３の内壁である。この円筒状の放電室４の内径Ｄ(ｍｍ)は、マイクロ波の周波数ｆ(ＭＨｚ)に対応して、Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ の関係を満足するように設定されている。例えば、周波数が５００ＭＨｚの場合には、放電室４の内径Ｄは４４０ｍｍとなる。これにより、プラズマが発生する前において、放電室がＴＭ010モードの共振条件を満足するようになり、電界強度が大きくなって、プラズマの点火性が改善する。
【００４５】次に、図１の装置の動作を説明する。基板３０を搬送口３５を通して処理容器３内に搬入し、基板載置台３１上に載置する。基板載置台３１内には必要に応じて静電吸着機構が設けられ、基板３０を静電吸着する。ガス供給系５によってガス供給口３２を通して処理容器３内に所定のガスを供給しながら、排気系６によって処理容器３内を排気し、処理容器３内を所定の圧力に保つ。この状態で、マイクロ波発生器１で低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させる。マイクロ波は同軸線路１１によって伝送されて、ループ１２を介して空洞共振器２に導入される。
【００４６】マイクロ波は空洞共振器２内でＴＭ010モードで共振しながら、隔壁板２０に形成された長孔２５を通して放電室４内に放射される。放射されたマイクロ波は、放電室４内に供給されたガスにそのエネルギーを注入して、プラズマを形成する。そして、このプラズマを利用して基板３０の表面に所望の処理が施される。例えば、プラズマ反応イオンエッチングを行なう場合には、プラズマ中で活性種例えばフッ素系活性種を生成するガスを供給し、活性種で基板３０をエッチングする。また、プラズマＣＶＤを行なう場合は、プラズマ中で分解反応する原料ガスを供給し、基板３０上に所望の薄膜を堆積させる。
【００４７】本実施形態で使用しているような低温プラズマでは、プラズマの電子温度は低く、基板３０に入射するイオンの加速電圧となるプラズマ電位も通常２０〜３０Ｖ程度である。この場合、高周波電源７によって基板３０に負のセルフバイアス電圧を発生させると、プラズマ中からイオンが引き出されて基板３０へ衝突するのが促進される。このような構成は、比較的大きなエネルギーを必要とするリアクティブイオンエッチングの場合に好適である。
【００４８】上述した動作において、図１に示すように、隔壁板２０の底面は上に凸状に窪んでいる。したがって、隔壁板２０と基板載置台３１との間の距離（ギャップ）は、基板３０の中心から半径方向に離れるほど狭くなっている。これによる効果を以下に説明する。図３（Ａ）は隔壁板２０の底面が平坦になっている場合における、隔壁板２０と基板３０との間のギャップと、そこでの電界分布を示したものである。電界は矢印で模式的に示してあり、矢印の密度が電界の強度を表わしている。隔壁板２０と基板３０の間の距離はどこでも同じであり、電界分布は基板の中心付近で強く、外周付近で弱くなっている。この電界分布は、上述の（１）式のＥ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ)で与えられるような中央凸状分布である。
【００４９】これに対して、図３（Ｂ）は本実施形態のように隔壁板２０の底面に窪みを設けた場合の電界分布である。隔壁板２０と基板３０との距離は、基板の中心付近で大きく、外周付近で小さくなっている。これにより、上述の中央凸状の電界分布が補正されて、基板の半径方向においてほぼ均一な電界分布が得られる（図面に示すように、電界を示す矢印の密度がほぼ一様である）。ところで、プラズマ中のイオンは基板３０に垂直に入射する。本実施形態では、プラズマが径方向に均一になることとあいまって、基板への電界が垂直になることから、基板３０へのイオン入射量も径方向に均一になる。このような点は、例えば基板３０の表面に形成された溝や穴の底部にイオンを多く到達させる必要がある場合に特に有利である。
【００５０】なお、図３に示した電界分布はプラズマが発生する前の状態であり、プラズマが発生すると電界分布は次のように変化すると考えられる。プラズマは導電性であるから、電界はプラズマの内部には入っていけず、基板とプラズマとの間にできるシース領域と、プラズマと隔壁板との間にできるシース領域とにおいて、電界分布が生じることになる。この場合、これらの二つのシース領域を新たな平行平板ギャップとみなすことができる。そして、図３（Ａ）に示す従来技術では、二つのシース領域における電界分布もまた、上述の（１）式のＥ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ)で与えられるような中央凸状分布になると考えられる。一方、図３（Ｂ）に示す本実施形態の場合には、二つのシース領域における電界分布もまた、基板の半径方向においてほぼ均一な電界分布になると考えられる。
【００５１】次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図４は第２の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。この図４に示す装置は、図１の装置と比較して、隔壁板２０ａの構造が異なっている。この隔壁板２０ａは、底面に窪みが形成されているのは図１と同じであるが、隔壁板２０の上面が図１では平坦であるのに対して、図４では隔壁板２０ａの厚さが一様になるように上面の中央部分が外周付近よりも基板３０から離れる方向に突き出している。こうすると、隔壁板２０の中央付近の厚さをあまり薄くせずにすみ、機械的強度を保つことができる。さらに、隔壁板２０ａの厚さが均一になるので、図２に示した環状空間２８を形成し易くなる。
【００５２】次に、本発明の第３の実施形態を説明する。図５は第３の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。この５に示す装置も、図１の装置と比較して、隔壁板２０ｂの構造が異なっている。この隔壁板２０ｂは、その断面において、曲面状に上に凸に湾曲している。こうすることにより、上述の理論式のＥ＝Ｅ0Ｊ0(ｋｒ)によって与えられる電界分布を理想的な形で補正できる。
【００５３】冒頭に述べたように、本発明は非平衡プラズマいわゆる低温プラズマを用いて表面反応を進行させる場合に利用されるが、これに限られるものではなく、その他のプラズマを用いたり、その他の表面処理を行なう場合にも有効である。
【００５４】また、被処理体であるところの基板は、円形の場合に限らず、液晶基板のように矩形であってもよい。矩形の基板の場合には、矩形の対角線の長さと同等かそれ以上の直径を有する空洞共振器を使用して、基板の中心と空洞共振器の中心軸とを一致させる。なお、円形や矩形以外の基板を被処理体としてもよいことはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】本発明によれば、円筒状の放電室のギャップが被処理体の中心から離れるにつれて狭くなっているので、ギャップが一様である場合に生じるような中央凸状の電界分布が補正されて、電界の面内分布が一様になる。これにより、均一なプラズマによる均一な表面処理が可能になる。また、空洞共振器と処理容器とを隔てる隔壁板の底面の中央に窪みを設けることで上述のようなギャップを形成する場合に、隔壁板の上面も同様に変化させることで隔壁板の厚さをほぼ一定にすれば、隔壁板の機械的強度を保つことができる。さらに、マイクロ波放射用の長孔を被処理体の外形よりも外側の位置に形成することにより、マイクロ波を処理容器の外周部付近から放射することができ、これにより例えばエッチングレートの被処理体端部での落ち込みを防止できる。さらに、放電室の内径をマイクロ波の周波数に応じて基本モードで共振するように定めることにより、放電室内の電界強度を高めて、プラズマの点火性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態の正面断面図である。
【図２】隔壁板の断面図と底面図である。
【図３】隔壁板と基板との間のギャップにおける電界分布を説明する説明図である。
【図４】第２の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。
【図５】第３の実施形態の表面処理装置を示す正面断面図である。
【図６】従来の表面処理装置の正面断面図である。
【図７】従来の表面処理装置の別の例の正面断面図である。
【図８】従来の表面処理装置で使われている誘電体板の平面図である。
【図９】発明者が試作した表面処理装置の正面断面図である。
【図１０】平行平板ギャップの電界分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１ マイクロ波発生器
２ 空洞共振器
３ 処理容器
４ 放電室
５ ガス供給系
６ 排気系
１０ マイクロ波導入手段
２０ 隔壁板
２４ 誘電体リング
２５ 長孔
２６ 窪み
３０ 基板
３１ 基板載置台
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ３００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲の低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、このマイクロ波発生手段で発生したマイクロ波がＴＭ010モードで共振するように形成された円筒形の空洞共振器と、マイクロ波発生手段から空洞共振器にマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、空洞共振器からマイクロ波が放射されるように空洞共振器に接続された気密な処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給系と、処理容器を排気する排気系と、処理容器内に配置されて被処理体を保持する保持手段とを備え、処理容器の内部の放電室が実質的に円筒形状であり、この円筒形状の放電室の、被処理体に対向する端面の中央部分が、外周付近よりも、被処理体から離れる方向に窪んでいることを特徴とする表面処理装置。
【請求項２】 放電室の前記端面と被処理体との距離が、被処理体の中心からの半径方向の位置ｒに応じて、Ｊ0(ｋｒ)にほぼ比例して変化することを特徴とする請求項１記載の表面処理装置。ここで、Ｊ0はベッセル関数、ｋは半径方向の伝搬定数でｋ＝ω/ｃ、ωはマイクロ波の角周波数、ｃは光速である。
【請求項３】 空洞共振器と処理容器は隔壁板で隔てられており、この隔壁板の処理容器側の面が、放電室の前記端面を構成しており、この隔壁板の空洞共振器側の面は、その中央部分が外周付近よりも被処理体から離れる方向に突き出しており、これにより隔壁板の厚さが実質的に均一になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項４】 空洞共振器と処理容器とは隔壁板で隔てられており、この隔壁板にはマイクロ波放射用の複数の円弧状の長孔が形成されていて、これらの長孔は被処理体の外形よりも外側の位置に形成され、かつ、これらの長孔は誘電体の板で気密に覆われていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装置。
【請求項５】 放電室の内径Ｄ(ｍｍ)は、マイクロ波の周波数ｆ(ＭＨｚ)に応じて、Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ の関係を満足するように設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面処理装置。
【請求項１】 ３００ＭＨｚから１ＧＨｚの範囲の低ＵＨＦ帯のマイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、このマイクロ波発生手段で発生したマイクロ波がＴＭ010モードで共振するように形成された円筒形の空洞共振器と、マイクロ波発生手段から空洞共振器にマイクロ波を導入するマイクロ波導入手段と、空洞共振器からマイクロ波が放射されるように空洞共振器に接続された気密な処理容器と、処理容器内にガスを供給するガス供給系と、処理容器を排気する排気系と、処理容器内に配置されて被処理体を保持する保持手段とを備え、処理容器の内部の放電室が実質的に円筒形状であり、この円筒形状の放電室の、被処理体に対向する端面の中央部分が、外周付近よりも、被処理体から離れる方向に窪んでいることを特徴とする表面処理装置。
【請求項２】 放電室の前記端面と被処理体との距離が、被処理体の中心からの半径方向の位置ｒに応じて、Ｊ0(ｋｒ)にほぼ比例して変化することを特徴とする請求項１記載の表面処理装置。ここで、Ｊ0はベッセル関数、ｋは半径方向の伝搬定数でｋ＝ω/ｃ、ωはマイクロ波の角周波数、ｃは光速である。
【請求項３】 空洞共振器と処理容器は隔壁板で隔てられており、この隔壁板の処理容器側の面が、放電室の前記端面を構成しており、この隔壁板の空洞共振器側の面は、その中央部分が外周付近よりも被処理体から離れる方向に突き出しており、これにより隔壁板の厚さが実質的に均一になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理装置。
【請求項４】 空洞共振器と処理容器とは隔壁板で隔てられており、この隔壁板にはマイクロ波放射用の複数の円弧状の長孔が形成されていて、これらの長孔は被処理体の外形よりも外側の位置に形成され、かつ、これらの長孔は誘電体の板で気密に覆われていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面処理装置。
【請求項５】 放電室の内径Ｄ(ｍｍ)は、マイクロ波の周波数ｆ(ＭＨｚ)に応じて、Ｄ＝[(２．０〜２．３)×１０5]/ｆ の関係を満足するように設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図９】
【公開番号】特開２０００−７３１７５（Ｐ２０００−７３１７５Ａ）
【公開日】平成１２年３月７日（２０００．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−２５７６４４
【出願日】平成１０年８月２８日（１９９８．８．２８）
【出願人】（０００２２７２９４）アネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年３月７日（２０００．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年８月２８日（１９９８．８．２８）
【出願人】（０００２２７２９４）アネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
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