JP4452061B2 - プラズマ発生装置用アンテナの整合方法及びプラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体、液晶、太陽電池におけるＣＶＤ（成膜）、エッチング、スパッタリング等で使用される大面積のプラズマ発生装置用アンテナの整合方法及びプラズマ発生装置に関する。

プラズマを利用したＣＶＤ（化学的気相成長法）装置やエッチング装置等の半導体製造装置では、プラズマの発生用にマイクロ波や無線高周波（ＲＦ）を用いているが、このＲＦプラズマを利用したプラズマ処理装置において、液晶ディスプレイ等の製作等では、近年では加工基板が１ｍ×１ｍ以上になる等大型化し、それに連れて、プラズマプロセスに用いられている真空チャンバーも大型化し、大面積のプラズマ発生装置が必要になってきている。

また、既に様々な分野で利用されている、アモルファスタイプや結晶タイプの薄膜太陽電池においても、１ｍ×１ｍ以上の大きな面積のものが要求されるようになってきており、このような大面積の薄膜太陽電池は、シラン等の原料ガスをプラズマ状態にして分解し、シリコン等を生成・堆積させる低温被膜プロセスのプラズマＣＶＤ装置等によって製造されている。

このように大型化したプラズマ発生装置では、使用する無線高周波の周波数が１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚと高いため、アンテナから放射する電波の波長が真空チャンバーの容器のサイズと同じオーダーになってきている。そして、アンテナから放射する電波の空間分布が、プラズマの均一性更にはプロセスの均一性にとって重要な要素となってきている。

そして、従来の技術では、一般的には、平行平板電極によりプラズマの生成を行う高周波プラズマ処理装置等が使用されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この場合電極の大きさは用いているＲＦ電源の使用周波数から決まる波長に比べて十分小さくなければならない。即ち、電極面での電波の強度分布が無視できるほど小さい必要があり、およそ波長の１／１０以下程度でなければならない。さもなくば、平行平板を集中定数回路としてのコンデンサとして使用することができなくなり、均一なプラズマを生成することができなくなる。そのため、１０ＭＨ以上の高周波で大面積で均一なプラズマを得る方法としては適していないという問題がある。

また、ラダー型の放電電極によりプラズマ生成を行うもの（例えば、特許文献２参照。）や、Ｕ字型電極によりプラズマ生成を行うものもある（例えば、特許文献３参照。）。

しかし、この２つのプラズマ処理装置では、プラズマ中で電極をアンテナとして共振させる構造を持っておらず、更に、なんらプラズマによる遮蔽効果、即ち、プラズマが電気の良導体であることから、アンテナに高周波を給電しても、給電口から先にエネルギーが伝播しないという現象を考慮していない。そのため、大面積で均一にプラズマを発生させることは困難であるという問題を有している。

これに関して、柱状アンテナをアレイ化することにより、電波の空間分布を一様にし、また、誘電体シース構造により、プラズマのＲＦ遮蔽効果を克服する装置が提案されている（例えば、特許文献４参照。）。

しかしながら、アンテナ素子が発生したプラズマの影響を受けて、アンテナ素子のインピーダンスが変化するため、プラズマを励起する所定の周波数においてアンテナ側のインピーダンスを、給電ケーブル等の給電側のインピーダンス（通常５０Ω程度）に常時整合させることが難しいという問題がある。

そして、このインピーダンスの不整合から生じるアンテナからの反射波により、プラズマ励起効率が悪化したり、給電ケーブルが異常過熱したり、高周波電源が故障したりするので、このアンテナ素子のインピーダンスと給電側のインピーダンスを整合させることが強く要求される。

なお、平行平板電極に対する整合回路やそれを設けた装置もあるが（例えば、特許文献５参照。）、この整合回路では、平行平板電極を集中定数素子、つまりコンデンサとして取り扱っているため、この整合回路によって、柱状アンテナのような分布定数素子の整合を図れるか難しいという問題がある。
特開２００２−３１９５７６号公報 特開２００２−３２７２７６号公報 特開２００２−２６０８９９号公報 特開２００３−８６５８１号公報 特開２０００−２５２０９９号公報

本発明は、分布定数素子である柱状アンテナ（誘電シース付き柱状アンテナ）のプラズマを励起する前のインピーダンス、又は、プラズマ励起中に変化するインピーダンスを、励起周波数において、給電ケーブルのインピーダンス（通常、５０Ω）に整合させることができる。プラズマ発生装置用アンテナの整合方法及びプラズマ発生装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のプラズマ発生装置用アンテナの整合方法は、表面を誘電体で覆った柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、先端を開放して後端を接地し、前記先端と前記後端の間で給電するように、交互に給電方向を逆にして平行に配置した面状のアンテナを備え、通気性を有する導電体で形成された面状のグランドを、前記アンテナと平行に配設したプラズマ発生装置において、前記グランドと前記アンテナ素子との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子相互間の距離Ｄとの関係を２Ｈ＜Ｄとすると共に、前記先端からアース位置までのアンテナの長さを、ｎを正数とした時に、前記アンテナに供給する高周波電力の波長λの（２ｎ−１）／４倍とすることができるように、前記アンテナ素子の前記後端と給電部の間に移動可能なアース部を設け、前記アンテナ素子の前記先端と前記アース部の間の長さを調整可能に構成し、前記アンテナ素子の前記後端側部分と前記給電部からの給電ケーブルとの接合部の部分に設けられ、かつ、前記アンテナ素子の前記先接合部より前記先端側で前記接合部の近傍に設けた可変コンデンサ又は可変インダクタを備えたインピーダンス整合装置で、前記アンテナ素子のインピーダンスと給電ケーブルのインピーダンスを整合することを特徴とする。

そして、上記のプラズマ発生装置用アンテナの整合方法において、前記アンテナ素子のインピーダンスと給電ケーブルのインピーダンスの整合を、前記アンテナ素子の先端側の前記接合部近傍に設けた第１可変コンデンサと、前記給電ケーブルの前記接合部近傍に設けた第２可変コンデンサのインピーダンスを調整することにより行うことを特徴とする。

あるいは、上記のプラズマ発生装置用アンテナの整合方法において、前記アンテナ素子のインピーダンスと給電ケーブルのインピーダンスの整合を、前記アンテナ素子の先端側の前記接合部近傍に設けた第１可変コンデンサと、前記アンテナ素子の前記接合部より後端側で、かつ、前記接合部近傍に設けた第３可変コンデンサのインピーダンスを調整することにより行うことを特徴とする。

また、上記のプラズマ発生装置用アンテナの整合方法において、前記アンテナ素子のインピーダンスと給電ケーブルのインピーダンスの整合を、前記アンテナ素子の先端側の前記接合部近傍に設けた第１可変コンデンサと、前記給電ケーブルの前記接合部近傍に設けた第２可変コンデンサと、前記アンテナ素子の前記接合部より後端側で、かつ、前記接合部近傍に設けた第３可変コンデンサのインピーダンスを調整することにより行うことを特徴とする。

また、前記の目的を達成するための本発明のプラズマ発生装置は、表面を誘電体で覆った柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、先端を開放して後端を接地し、前記先端と前記後端の間で給電するように、交互に給電方向を逆にして平行に配置した面状のアンテナを備え、通気性を有する導電体で形成された面状のグランドを、前記アンテナと平行に配設したプラズマ発生装置において、前記グランドと前記アンテナ素子との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子相互間の距離Ｄとの関係を２Ｈ＜Ｄとすると共に、前記先端からアース位置までのアンテナの長さを、ｎを正数とした時に、前記アンテナに供給する高周波電力の波長λの（２ｎ−１）／４倍とすることができるように、前記アンテナ素子の前記後端と給電部の間に移動可能なアース部を設け、前記アンテナ素子の前記他端と前記アース部の間の長さを調整可能に構成し、前記アンテナ素子の前記後端側部分と前記給電部からの給電ケーブルとの接合部の部分に、前記アンテナ素子の前記先接合部より前記先端側で前記接合部の近傍に設けた可変コンデンサ又は可変インダクタを備えたインピーダンス整合装置を設けて構成される。この構成により、アンテナ素子に供給される高周波電力に共振させることができ、効率よく電磁波を発生して、プラズマを発生できる。

そして、上記のプラズマ発生装置において、前記インピーダンス整合装置を、前記アンテナ素子の先端側の前記接合部近傍に設けた第１可変コンデンサと、前記給電ケーブルの前記接合部近傍に設けた第２可変コンデンサとで形成する。

あるいは、上記のプラズマ発生装置において、前記インピーダンス整合装置を、前記アンテナ素子の先端側の前記接合部近傍に設けた第１可変コンデンサと、前記アンテナ素子の前記接合部より後端側で、かつ、前記接合部近傍に設けた第３可変コンデンサとで形成する。

又は、前記インピーダンス整合装置を、前記アンテナ素子の先端側の前記接合部近傍に設けた第１可変コンデンサと、前記給電ケーブルの前記接合部近傍に設けた第２可変コンデンサと、前記アンテナ素子の前記接合部より後端側で、かつ、前記接合部近傍に設けた第３可変コンデンサとで形成する。

これらの構成によれば、プラズマ発生装置において、アンテナ素子の給電部側にインピーダンス整合装置を設けているので、このインピーダンス整合装置の第１可変コンデンサ、第２可変コンデンサ、第３可変コンデンサのインピーダンスの値を調整することによって、発生するプラズマの影響をアンテナ素子が受けても、このプラズマの影響を含めてアンテナ側のインピーダンスを給電側のインピーダンスに整合させることができる。

また、前記可変コンデンサの代わりに、インピーダンスを変化できる可変インダクタを用いることもできる。この可変インダクタは、インダクタンスの可変機構を持つコイル等で形成され、可変コンデンサが、リアクタンスを変化させるのと同様に、可変インダクタがリアクタンスを変化させる。

そして、上記のインピーダンス整合装置において、アース部の長さやインピーダンス特性もインピーダンス整合時の第１〜第３コンデンサの値に影響を与える。従って、前記アンテナ素子の給電部側に移動可能なアース部を設け、前記アンテナ素子の先端と前記アース部の間の長さを調整可能に構成することにより、このアース部の長さとインピーダンスを調整することによって、インピーダンス整合時の第１〜第３コンデンサの値を調整できる。

以上の説明から明らかなように、本発明に係るプラズマ発生装置用アンテナの整合方法及びプラズマ発生装置によれば、次のような効果を奏することができる。

アンテナ素子の後端部に設けたインピーダンス整合装置により、発生するプラズマの影響を含めてアンテナ側のインピーダンスと給電側のインピーダンスを整合させることができ、アンテナ側から給電側への反射波を無くすことができるので、この反射波に起因するプラズマ励起効率の悪化、給電ケーブルの異常過熱、高周波電源の故障等を回避できる。

つまり、分布定数素子である柱状アンテナ（誘電シース付き柱状アンテナ）のプラズマを励起する前のインピーダンス、または、プラズマ励起中に変化するインピーダンスを、励起周波数において、給電ケーブルのインピーダンス（通常、５０Ω）に整合させることができる。

以下図面を参照して本発明に係るプラズマ発生装置用アンテナの整合方法及びプラズマ発生装置の実施の形態について説明する。

図１に示すように、この実施の形態では、プラズマ発生装置１０として、ガラス板、シリコンウェハ等の被処理材２の表面にＣＶＤにより薄膜を生成させるプラズマＣＶＤ装置を例にしており、このプラズマ発生装置１０は、金属製のチャンバー１１内の下側に配置された基板台（試料台）１２と、この基板台１２の上側に配置されたアンテナ２０と、このアンテナ２０と平行にアンテナ２０の上側に配置されたグランド２２とを有して構成される。

このグランド２２の上側には、ガス分散室１３と、このガス分散室１３処理ガス（プロセスガス）Ｇを分散供給するためのガス供給装置１５が配置され、更に、このガス供給装置１５には、ガス供給管１６が接続されている。また、アンテナ２０の下側にはプラズマ処理室１４が設けられている。

このプラズマ処理室１４には基板台１２が配置され、真空発生用の排気管１７が接続される。この基板台１２は、ガラス等の蒸着用基板（被処理材：被処理基板）２を載せる台であり、蒸着用基板２を加熱するための発熱体（図示しない）を有して構成され、更に、電気的に接地されるか、バイアス用電源（図示しない）に接続される。

また、このアンテナ２０は、アンテナとして使用する長さＬを供給される高周波電力の波長λ、即ち、発生する電波の波長λの（２ｎ−１）／４倍（ここでｎは正数）とした柱状のアンテナ素子２１から成るアレイアンテナである。

図２に示すように、この各アンテナ素子２１は、給電方向が交互に逆方向を向き、しかも、互いに平行に配置され、全体として面状に配置される。このアンテナ２０の配置は、通常は、矩形平面に形成されるが、これに限定されず、円筒面状や球面状等の様々な形状とすることができる。

このアンテナ素子２１のそれぞれに給電用部材３０が配置され、アンテナ素子２１毎に１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚの内の特定の周波数の高周波電力が同相電力分配器４２から同軸フィーダー４１により分配供給される。なお、この同相電力分配器４２には交流電源４３から電力が供給される。

また、図１及び図２に示すように、このアンテナ素子２１は棒状又はパイプ状の銅，アルミニウム，白金等の非磁性の電気良導体で形成される柱状の電極２１ａと、この電極２１ａの表面を被覆した石英等の誘電体シース（絶縁体）２１ｂとで形成される。この誘電体シース２１ｂと電極２１ａの間には隙間が有っても無くてもよいが、隙間がある場合には、処理ガスＧが誘電体シース２１ｂの内側に入って電極２１ａの表面やアース部Ｅにおいて異常放電が起こるのを防止するため、真空状態でシールしたり、空気等を密封シールしたりする。また、誘電体シース２１ｂの誘電体には、通常は石英ガラスが使用されるが、絶縁性能とシール性能を持ち、処理プロセスに影響が少ないものであれば良い。

この誘電体２１ｂの厚さは、特許文献１において決定される、プラズマによるＲＦ遮蔽効果を克服する厚みが必要である。なお、図示していないが、電極２１ａをパイプ状に形成し、パイプ内部に水又は空気等の冷却用媒体Ｃを通して、アンテナ素子２１を冷却する場合もある。

そして、アンテナ素子２１の電力供給側には、チャンバー１１の側壁１１ａの外側に給電部３０が設けられる。このアンテナ素子２１は、絶縁性の材質（例えば、耐熱プラスチック）で形成される固定具により、チャンバー１１の側壁１１ａに固定される。

また、給電部３０においては、アース部Ｅが構成され、チャンバー１１に電気的に接続されたり、あるいは、グランド２２に電気的に接続されたりして接地されている。このアース部Ｅを所定の範囲Ｒで移動できるように、即ち、アース部Ｅの位置は可変にできるようにすることが好ましい。

このアース位置Ｅの移動と位置決めにより、アンテナ素子２１の先端Ｔからアース位置Ｅまでアンテナ長さＬを、正確に、供給される高周波電力の波長λ、即ち、発生する電波の波長λの（２ｎ−１）／４倍（ここでｎは正数）、実用的には１／４倍とすることができる。そして、周波数はアンテナ長さＬによって決まり、給電部３０とアース位置Ｅとの距離Ｌ２とアンテナ長さＬの比Ｌ２／ＬからＱ値（振動系の共振に鋭さを表す量）は決まるので、これらにより、アンテナ素子２１及びアンテナ２０の共振周波数においてＱ値を大きくし、アンテナ２０からの不要な反射を減少させて、無線高周波によるプラズマ励起効率を改善できる。

つまり、アース部Ｅを移動してアンテナ素子２１の先端Ｔとアース部Ｅとの間の長さＬを正確に高周波の波長λの１／４倍にすることにより、定在波の節の部分を強制的に接地できるので、定在波を安定させることができ、効率よく共振現象を発生させることができる。従って、無線高周波によるプラズマ励起効率を向上することができる。

この給電部３０のアース部Ｅを移動可能にする構成は、特に限定する必要はなく、様々な構成が考えられるが、電極２１ａの有効長さＬを正確に電波の波長λの１／４倍とし、効率良く共振させるために、電極２１ａとグランド２２との間を繋いでいるアース部Ｅの長さＬ２は電極２１ａの長さＬに比べて適当に短く形成する必要がある。

また、この給電部３０内において、アンテナ素子２１は同軸フィーダー４１の芯線に接続し、同相電力分配器４２からＶＨＦの高周波電力が供給される構造となっている。

また、アンテナ素子２１の電力供給側と反対側の先端支持側は、絶縁体を介してチャンバー１１の側壁１１ｂに固定される。

そして、グランド２２は、通気性を有する導電体で面状に形成される。このグランド２２は、パンチングプレートや多孔板やスリット板等で形成され、平行かつ面状に配列されたアンテナ素子２１群からなるアンテナ２０に平行に配置される。このグランド２２は、ガス分散室１３とプラズマ処理室１４を区分し、処理ガスＧの通過を調整する隔壁を兼ねるが、特に形状を限定する必要はなく、アンテナ２０の形状に応じて、矩形平面や円筒面状や球面状やスリット形状等の様々な形状を用いることができる。しかし、良好な鏡像効果を得るためにアンテナ素子２１群と平行に配置する必要がある。

このグランド２２はチャンバー（ＧＮＤ）１１に接地されて同一電位に維持され、図７に示すように、アンテナ素子２１に対して、鏡像２１Ｍを発生させる機能を有する。このグランド２０とアンテナ素子２１との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子２１相互間の距離Ｄとの関係を、２Ｈ＜Ｄとすることにより、アンテナ素子２１，２１の相互間の距離Ｄよりも、アンテナ素子２１と鏡像２１Ｍとの距離２Ｈが短いため、アンテナ素子２１とこの鏡像２１Ｍとの間に電界の閉じた系ができ、隣接するアンテナ素子２１への影響が少なくなり、アンテナ素子２１，２１の相互間の干渉が緩和される。

この構成によれば、アンテナ２０と平行にグランド２２を設けているので、このグランド２２の存在による鏡像効果により、アンテナ素子２１によって発生する電波と隣接するアンテナ素子２１が発生する電波との干渉、つまり、アンテナ素子２１，２１相互間の連成モードの発生を防止でき、プラズマを安定させることができる。

従って、アンテナ素子２１，２１の相互間の距離Ｄを小さくして、電界密度を高め、プラズマの発生効率を向上できる。さらに、空間分布の均一性も向上できる。

なお、グランド２０とアンテナ素子２１との隙間ｈは、アンテナ２０や被処理材２の大きさにもよるが、０ｍｍ〜１０ｍｍ程度あるいは電極２１ａの直径以内の程度のほぼ接していると言える状態に設定される。これにより、例えば、長さが８００ｍｍのアンテナ素子２１に対して、Ｄが２０ｍｍ〜１００ｍｍの間隔で配置できるようになる。

図８にグランド２２の配設がなく、鏡像効果のない場合を示す。この場合には、アンテナ素子２１，２１の相互間に干渉が生じるため、安定した電界の励起ができない。

このプラズマ処理装置１０では、チャンバー１１の左端に、第１可変コンデンサ５１と第２可変コンデンサ５２を備えたインピーダンス整合装置５０が設けられている。

そして、図３にインピーダンス整合装置５０の簡単な回路を示す。アンテナ素子２１に第１可変コンデンサ５１が設けられ、給電ケーブル４１に第２可変コンデンサ５２が設けられているが、更に、給電ケーブル４１の電圧電流を検出し、この検出値をコントローラ６０に入力する。そして、このコントローラ６０の制御信号により、第１モータ５１Ｍを駆動し、第１可変コンデンサ５１の一方の電極を他方の電極に対して回転させることにより、第１可変コンデンサ５１のキャパシタンスＣ１の値、延いては、インピーダンスの値Ｚｃ１を調整し、第２モータ５２Ｍを駆動し、第２可変コンデンサ５２の一方の電極を他方の電極に対して回転させることにより、第２可変コンデンサ５２のキャパシタンスＣ２の値、延いては、インピーダンスの値Ｚｃ２を調整する。

次に、このプラズマＣＶＤ装置１０で、ガラス板等の被処理材２の表面に化学的気相成長法（ＣＶＤ）により薄膜を形成する場合について説明する。

先ず、チャンバー１１を開放して被処理材２を基板台１２の上に載せた後、チャンバー１１を閉じる。このチャンバー１１は、真空発生用の排気管１７に接続する真空ポンプ（図示しない）により内部の真空度を通常０．１３Ｐａ〜０．１３ｋＰａ（１ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）となるようにする。それと共に、被処理材２は基板台１２の加熱装置（図示しない）により、所定温度に保持される。

次に、ガス分散室１３にシランガス等の処理ガスＧが供給されるが、この処理ガスＧは、ガス供給管１６からガス供給装置１５内を通過して、グランド２２の表面に分散供給され、グランド２２とアンテナ２０を通過して、プラズマ処理室１４に入る。

この処理ガスＧの供給と共に、アンテナ素子２１には、高周波電力が供給され、アンテナ素子２１から電波を放射させる。この場合に、アンテナ素子２１の長さＬを高周波電力の波長λの（２ｎ−１）／4 倍とすることにより、共振器として作動する。実用的にはｎ＝１の１／４倍とする。つまり、Ｌ＝λ／４とする。例えば、高周波電流の周波数を、１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚとすると、このアンテナ素子２１の長さＬは５０００ｍｍ〜２０ｍｍとなる。

この共振により、アンテナ素子２１の周囲には交番磁界及び交番電界が生じ、アンテナ素子２１から周囲に電波が放射され、チャンバー１１内に供給された処理ガスＧが電離してプラズマが発生する。

このプラズマは導電性を有しているので、チャンバー１１内にプラズマが充満して全体の導電性が増すと、放射された電波はプラズマに反射されるので、アンテナ２０の周辺に閉じ込められ、この部分にプラズマ加熱領域が限定されるようになる。

そして、図１０に示すように、この共振では、電界強度が電力供給側のアース部Ｅ（Ｘ＝０、又は、Ｌ）が節となり、先端Ｔ（Ｘ＝Ｌ、又は、０）が腹となる定在波、即ち、各位置Ｘにおける振幅がｓｉｎ（πＸ／２Ｌ）（線Ａ）やｃｏｓ（πＸ／２Ｌ）（線Ｂ）に比例する定在波が発生する。そのため、アンテナ素子２１の長手方向の電力分布は、電界の２乗に比例し、アース位置Ｅがゼロとなり、先端部Ｔが最も高くなり、ｓｉｎ（πＸ／２Ｌ）の２乗（線Ｃ）、又は、ｃｏｓ（πＸ／２Ｌ）の２乗（線Ｄ）に比例するようになる。

隣接する２本のアンテナ素子２１，２１によって分布する電力の強度は、これらの和となり、正弦の２乗と余弦の２乗の和は１（線Ｅ）となるので長さ方向（Ｘ方向）に略均一となる。

そのため、アンテナ２０としては、それぞれのアンテナ素子２１に、互いに反対方向から高周波電力を供給することにより、各アンテナ素子２１が放射する電力が合成されて均一な電力分布を発生できるので、チャンバー１１内に供給された処理ガスＧが電離したプラズマのチャンバー１１内の空間密度を均一にすることができる。この均一なプラズマにより、膜厚が均一な蒸着膜が得られる。

次に、アンテナ側のインピーダンスＺａと給電側のインピーダンスＺｓを整合するためのインピーダンス整合装置（インピーダンスマッチング装置）５０を設けることについてより詳細に説明する。

このインピーダンス整合装置５０が設けられていないと、電気的には、図９に模式的に示すような構成となっており、アンテナ素子２１が発生したプラズマの影響を受けて、アンテナ素子２１のインピーダンスが変化するため、プラズマを励起する所定の周波数においてアンテナ側のインピーダンスを、給電ケーブル等の給電側のインピーダンス（通常５０Ω程度）に常時に整合させることが難しい。

そのため、このインピーダンスの不整合から生じるアンテナ素子２１からの反射波により、プラズマ励起効率が悪化したり、給電ケーブル４１が異常過熱したり、高周波電源３０が故障したりするので、このアンテナ素子２１のインピーダンスと給電側のインピーダンスを整合させる必要がある。

そこで、図４〜図６に模式的に示すように、アンテナ素子２１の後端側即ち給電部３０側において、アンテナ素子２１の後端側部分と高周波電力を供給するための給電部（給電用部材）３０からの給電ケーブル（同軸フィ−ダー）４１とが接続する接合部Ｊの部分に、アンテナ側のインピーダンスＺａと給電側のインピーダンスＺｓを整合するためのインピーダンス整合装置５０を設ける。

図４のインピーダンス整合装置５０では、アンテナ素子２１の接合部Ｊより先端側で、かつ、接合部Ｊの近傍に設けた第１可変コンデンサ５１と、給電ケーブル４１の接合部Ｊの近傍に設けた第２可変コンデンサ５２とで形成する。つまり、第１可変コンデンサ５１は、給電ケーブル４１とアンテナ素子２１との接合点Ｊよりも僅かにアンテナ素子２１の先端Ｔ側に配置され、第２可変コンデンサ５２は、給電ケーブル４１とアンテナ素子２１との接合点Ｊよりも僅かに給電部３０側に配置される。

このインピーダンス整合装置５０では、第１可変コンデンサ５１のインピーダンスＺｃ１とアンテナ２０のインピーダンスＺａ１の合成となるアンテナ側のインピーダンスＺａを、第２可変コンデンサ５２のインピーダンスＺｃ２と給電ケーブル４１のインピーダンスＺｓ１との合成からなる給電側のインピーダンス（通常５０Ω）Ｚｓに整合させることになる。

ここで、Ｌ１の領域のコンデンサを含むインピーダンスをＺ１’、Ｌ２の領域のインピーダンスをＺ２’とすると、インピーダンス整合回路を含むアンテナのインピーダンスＺｍ’は以下の（１）〜（４）式で第１可変コンデンサのキャパシタンス（キャパシテイ）Ｃ1 と第２可変コンデンサのキャパシタンスＣ2 の関数として表現できる。なお、Ｌ１は誘電体シース部の長さ、Ｌ２はアース部の長さで、Ｚａ１は誘電体シース部のインピーダンス、Ｚａ２はアース部のインピーダンスであり、ｆは周波数、α1 はＬ１の領域の減衰定数、β1 はＬ１の領域の波長定数、α2 はＬ２の領域の減衰定数、β2 はＬ２の領域の波長定数である。

また、図５のインピーダンス整合装置５０Ａでは、図４のインピーダンス整合装置５０と同じ位置に配置される第１可変コンデンサ５１と、アンテナ素子２１の接合部Ｊよりアース側（後端側）で、かつ、接合部Ｊの近傍に設けた第３可変コンデンサ５３とで形成する。つまり、第１可変コンデンサ５１は、給電ケーブル４１とアンテナ素子２１との接合点Ｊよりも僅かにアンテナ素子２１の先端Ｔ側に配置され、第３可変コンデンサ５３は、接合点Ｊよりも僅かにアンテナ素子２１のアース部Ｅ側に配置される。

このインピーダンス整合装置５０Ａでは、第１可変コンデンサ５１のインピーダンスＺｃ１と、第３可変コンデンサ５３のインピーダンスＺｃ３と、アンテナ２０のインピーダンスＺａ１の合成となるアンテナ側のインピーダンスＺａを、給電ケーブル４１のインピーダンスＺｓ１が主となる給電側のインピーダンス（通常５０Ω）Ｚｓに整合させることになる。

ここで、Ｌ１の領域のコンデンサを含むインピーダンスをＺ１’、Ｌ２の領域のインピーダンスをＺ２’とすると、インピーダンス整合回路を含むアンテナのインピーダンスＺｍ’は以下の（５）〜（８）式で第１可変コンデンサのキャパシタンスＣ1 と第３可変コンデンサのキャパシタンスＣ3 の関数として表現できる。なお、Ｌ１は誘電体シース部の長さ、Ｌ２はアース部の長さで、Ｚａ１は誘電体シース部のインピーダンス、Ｚａ２はアース部のインピーダンスであり、ｆは周波数、α1 はＬ１の領域の減衰定数、β1 はＬ１の領域の波長定数、α2 はＬ２の領域の減衰定数、β2 はＬ２の領域の波長定数である。

そして、図６のインピーダンス整合装置５０Ｂでは、第１可変コンデンサ５１と第２可変コンデンサ５２と第３可変コンデンサ５３とがそれぞれ上記と同じ位置の配置される。

これらの第１可変コンデンサ５１と第２可変コンデンサ５２と第３可変コンデンサ５２のインピーダンスの値Ｚｃ１，Ｚｃ２，Ｚｃ３を調整することによって、アンテナ２０によって発生するプラズマの影響も含めて給電側のインピーダンス（通常５０Ω）Ｚｓに整合させることができる。

このインピーダンス整合装置５０Ｂでは、第１可変コンデンサ５１のインピーダンスＺｃ１と、第３可変コンデンサ５３のインピーダンスＺｃ３と、アンテナ２０のインピーダンスＺａ１の合成となるアンテナ側のインピーダンスＺａを、第２可変コンデンサ５２のインピーダンスＺｃ２と給電ケーブル４１のインピーダンスＺｓ１との合成からなる給電側のインピーダンス（通常５０Ω）Ｚｓに整合させることになる。

ここで、Ｌ１の領域のコンデンサを含むインピーダンスをＺ１’、Ｌ２の領域のインピーダンスをＺ２’とすると、インピーダンス整合回路を含むアンテナのインピーダンスＺｍ’は以下の（９）〜（１２）式で第１可変コンデンサのキャパシタンスＣ1 と第２可変コンデンサのキャパシタンスＣ2 と第３可変コンデンサのキャパシタンスＣ3 の関数として表現できる。なお、Ｌ１は誘電体シース部の長さ、Ｌ２はアース部の長さで、Ｚａ１は誘電体シース部のインピーダンス、Ｚａ２はアース部のインピーダンスであり、ｆは周波数、α1 はＬ１の領域の減衰定数、β1 はＬ１の領域の波長定数、α2 はＬ２の領域の減衰定数、β2 はＬ２の領域の波長定数である。

そして、このアース部Ｅと接合部Ｊの間のアース長Ｌ２を、可変に形成すると、このアース長Ｌ２及びアース長Ｌ２の部分のインピーダンスＺａ２を変化させることによって、インピーダンス整合時の第１可変コンデンサ５１、第２可変コンデンサ５２、及び第３可変コンデンサ５３のインピーダンスの値Ｚｃ１，Ｚｃ２，Ｚｃ３を調整することができる。

従って、アンテナ側のインピーダンスＺａの粗調整をアース長Ｌ２とアース長Ｌ２部分のインピーダンスＺａ２の設定で行い、微調整を各可変コンデンサ５１，５２，５３の各インピーダンスの値Ｚｃ１，Ｚｃ２で行うことができる。

つまり、プラズマの影響下にあるＬ１の領域の誘電率、減衰定数の変化に応じて、変化するアンテナのインピーダンスを（１）〜（４）式、（５）〜（８）式、又は、（９）〜（１２）式に従ってインピーダンス制御を行って、アンテナ２０のインピーダンスＺｍ’を任意の入力インピーダンス（通常は５０Ω）に整合させる。

また、上記の可変コンデンサの代わりに、インピーダンスを変化できる可変インダクタを用いることもできる。この可変インダクタは、インダクタンスの可変機構を持つコイル等で形成され、可変コンデンサがキャパシタンスを変化させるのに対して、可変インダクタはインダクタンスを変化させて、インピーダンスを調整する。

そして、上記構成のプラズマ発生装置用アンテナの整合方法及びプラズマ発生装置によれば、アンテナ素子２１の後端部に設けたインピーダンス整合装置５０により、発生するプラズマの影響を含めてアンテナ側のインピーダンスと給電側のインピーダンスを整合させることができ、アンテナ側から給電側への反射波を無くすことができるので、この反射波に起因するプラズマ励起効率の悪化、給電ケーブルの異常過熱、高周波電源の故障等を回避できる。

次に、図７のインピーダンス整合装置に関して、（１）〜（４）式に従って、シミュレーション計算で求めた整合時のＣ1 とＣ2 の値を表１〜表４に示す。なお、誘電体シース２１ｂの誘電率を１．０とし、Ｌ１＝４１０ｍｍ，Ｚａ２＝１００Ωとしている。

本発明に係る実施の形態のプラズマ発生装置の構成図である。 図１のプラズマ発生装置のアンテナ素子の配列を示す図である。 第１の実施の形態のインピーダンス整合装置の構成を模式的に示す図である。 第２の実施の形態のインピーダンス整合装置の構成を模式的に示す図である。 第３の実施の形態のインピーダンス整合装置の構成を模式的に示す図である。 図７のインピーダンス整合装置の簡単な回路を模式的に示す図である。 グランドによる鏡像効果を説明するための図である。 グランドが配設されていない場合のアンテナ素子相互間の干渉を説明するための図である。 インピーダンス整合装置を備えていないアンテナの構成を模式的に示す図である。 電磁場の均一性を説明するための図である。

符号の説明

２ 被処理材
１０ プラズマ発生装置
１１ チャンバー
１２ 基板台
２０ アンテナ
２１ アンテナ素子
２１ａ 電極
２１ｂ 誘電体シース
２２ グランド
３０ 給電部
４１ 給電ケーブル（同軸フイーダー）
５０ インピーダンス整合装置
５１ 第１可変コンデンサ
５２ 第２可変コンデンサ
５３ 第３可変コンデンサ
Ｅ アース部（アース位置）
Ｇ 処理ガス
Ｌ アンテナの有効長さ
Ｌ１ アンテナ部長さ
Ｌ２ アース長さ

Claims (4)

1. 表面を誘電体で覆った柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、先端を開放して後端を接地し、前記先端と前記後端の間で給電するように、交互に給電方向を逆にして平行に配置した面状のアンテナを備え、通気性を有する導電体で形成された面状のグランドを、前記アンテナと平行に配設したプラズマ発生装置において、
   前記グランドと前記アンテナ素子との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子相互間の距離Ｄとの関係を２Ｈ＜Ｄとすると共に、
   前記先端からアース位置までのアンテナの長さを、ｎを正数とした時に、前記アンテナに供給する高周波電力の波長λの（２ｎ−１）／４倍とすることができるように、前記アンテナ素子の前記後端と給電部の間に移動可能なアース部を設け、前記アンテナ素子の前記先端と前記アース部の間の長さを調整可能に構成し、
   前記アンテナ素子の前記後端側部分と前記給電部からの給電ケーブルとの接合部の部分に設けられ、かつ、前記アンテナ素子の前記先接合部より前記先端側で前記接合部の近傍に設けた可変コンデンサ又は可変インダクタを備えたインピーダンス整合装置で、前記アンテナ素子のインピーダンスと給電ケーブルのインピーダンスを整合することを特徴とするプラズマ発生装置用アンテナの整合方法。
2. 前記プラズマ発生装置が、前記グランドと前記アンテナ素子を同一チャンバー内に設けて、処理ガスが、前記グランドと前記アンテナを通過して被処理材に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置用アンテナの整合方法。
3. 表面を誘電体で覆った柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、先端を開放して後端を接地し、前記先端と前記後端の間で給電するように、交互に給電方向を逆にして平行に配置した面状のアンテナを備え、通気性を有する導電体で形成された面状のグランドを、前記アンテナと平行に配設したプラズマ発生装置において、
   前記グランドと前記アンテナ素子との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子相互間の距離Ｄとの関係を２Ｈ＜Ｄとすると共に、
   前記先端からアース位置までのアンテナの長さを、ｎを正数とした時に、前記アンテナに供給する高周波電力の波長λの（２ｎ−１）／４倍とすることができるように、前記アンテナ素子の前記後端と給電部の間に移動可能なアース部を設け、前記アンテナ素子の前記他端と前記アース部の間の長さを調整可能に構成し、
   前記アンテナ素子の前記後端側部分と前記給電部からの給電ケーブルとの接合部の部分に、前記アンテナ素子の前記先接合部より前記先端側で前記接合部の近傍に設けた可変コンデンサ又は可変インダクタを備えたインピーダンス整合装置を設けたことを特徴とするプラズマ発生装置。
4. 前記グランドと前記アンテナ素子を同一チャンバー内に設けて、処理ガスが、前記グランドと前記アンテナを通過して被処理材に供給されるように構成したことを特徴とする請求項３記載のプラズマ発生装置。

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