CN101971715A

CN101971715A - 高频天线单元及等离子处理装置

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Publication number: CN101971715A
Application number: CN200980107376.XA
Authority: CN
Inventors: 节原裕一; 江部明宪
Original assignee: EMD Corp
Current assignee: EMD Corp
Priority date: 2008-03-05
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: WO2009110226A1; KR20100134629A; JP5749769B2; JP2013258153A; WO2009110226A9; TW200952566A; US20110080094A1; CN101971715B; KR101594636B1; US9078336B2; JPWO2009110226A1; TWI494031B

Abstract

本发明的目的在于提供一种高频天线单元，其可在真空容器内产生高密度的放电等离子。本发明的高频天线单元的特征为，包括用以流动高频电流的高频天线(11)、被设置在高频天线之中位于真空容器内的部分的周围的绝缘体制作的保护管(12)、及上述高频天线(11)与上述保护管(12)之间的缓冲区域(13)。在此，“缓冲区域”表示抑制电子加速的区域，例如，可由真空或绝缘体形成。通过这种构成，因为可抑制在天线(11)及保护管(12)之间发生放电，故可在真空容器内产生高密度的放电等离子。

Description

高频天线单元及等离子处理装置

技术领域

本发明涉及一种感应耦合型高频天线及使用该高频天线的基板表面处理装置。

背景技术

近年来，在真空容器内配置高频天线的内置天线方式的等离子处理装置被开发且不断实用化。在该离子处理装置中，通过在高频天线上流动高频电流而在高频天线的周边形成感应电场，从而在真空容器内激发放电等离子。使用此放电等离子，可在被处理物体表面上形成期望的薄膜，或蚀刻处理被处理物体表面。

在内置天线方式的等离子处理装置中，因为在高频天线及放电等离子之间形成静电场，在高频天线中对于等离子产生负的直流自给偏压。由于此偏压，等离子中的离子被加速后入射至高频天线，且高频天线本身被溅镀(sputtering)。因为如此被溅镀的高频天线的材料的原子及离子被混入至放电等离子中，在这些直接或一旦附着于真空容器的内壁等之后，会导致附着于被处理物体表面的问题。

为了防止这种高频天线的溅镀，目前以绝缘体制(例如石英制)的保护管覆盖高频天线的外周。例如，在专利文献1中，公开了一种内置天线，以直径15mm的石英制保护管覆盖直径6mm的铜导管的高频天线的周围。

不过，在专利文献1记载的构成中，在高频天线及保护管之间的空间内的压力为与制程气压相同的压力。因此，在该空间内也会发生放电，结果，从高频天线放射的感应电场被消耗于上述空间中的放电，产生的问题是在真空容器内产生等离子这一目的难以实现。

[专利文献1]特开平11-317299号公报

为了解决上述问题，本发明的课题在于提供一种高频天线单元，其抑制在高频天线与保护管之间发生放电，且在真空容器内产生高密度的放电等离子。另外，课题还在于提供使用这些高频天线单元的等离子处理装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的高频天线单元，在用以在真空容器内产生等离子的装置中使用，其特征在于，包括：

a)高频天线，用以流动高频电流；

b)绝缘体制作的保护管，被设置在上述高频天线之中位于真空容器内的部分的周围；及

c)上述高频天线与上述保护管之间的缓冲区域。

在此，“缓冲区域”表示抑制电子加速的区域，例如，可由真空或绝缘体形成。在此，绝缘体也可系固体、液体、气体的任一状态。另外，缓冲区域也可由纤维状或粉末状等具有间隙的绝缘体形成。例如，市售的玻璃棉中，各个玻璃纤维为绝缘体，且在玻璃纤维之间具有数十～数百μm(不压缩而直接使用时)的间隙。即使制程气体进入这种间隙，通过存在玻璃纤维，可抑制高频电场造成之电子的加速及由其导致的制程气体的离子化。

因为通过如此在缓冲区域中抑制电子的加速，可抑制在此区域中发生持续的放电，故可防止由高频天线产生的电磁波的能量被无益地消耗。结果，可更有效率地在真空容器内产生等离子。

在本发明中，虽然如上述制程气体很可能侵入缓冲区域内，为了更进一步抑制放电，最好在上述保护管及上述真空容器之间包括气密封。通过使用这种气密封，可独立于真空容器调整缓冲区域内的气体的压力。若使缓冲区域成为真空，则可几近完全地防止在缓冲区域内的放电。另一方面，也可使缓冲区域与真空容器外连通，使得缓冲区域内变成大气压。在大气压之下，因为压力比一般等离子处理中的制程气体高，电子以更高的频率撞击气体分子。因此，电子不会被充分地加速，故可防止持续地放电。

对于上述保护管，可使用在成为基底的管的表面上施以由对等离子的耐受性比该基底管的材料高之材料构成的高耐受性被覆而成的构件。结果，通过高耐受性被覆确保高的耐等离子性，而可以基于耐等离子性以外的观点选择基底管的材料。

例如，在产生卤素等离子时，基底管的材料可使用虽然对卤素等离子的耐受性比较低但加工性优异的石英，高耐受性被覆的材料可使用氧化物陶瓷(氧化铝、氧化钇等)、氟化物陶瓷(氟化镁及氟化铝等)、氮化物陶瓷(氮化硅、氮化铝等)、碳化物陶瓷(碳化硅等)、硅的任一种或其二个以上的混合物。

对于上述高频天线，可使用在成为基底的金属部件的表面上施以由导电性比该基底金属部件的材料高之金属构成的高导电性被覆而成的构件。由于高频电流在流过导体时集中于导体表面(集肤效应)，被施以这种高导电性被覆的高频天线，无论基底金属部件的材料如何都具有高导电性。因此，基底金属部件的材料可使用具有导电性以外的特点(耐腐蚀性、加工的容易性、价格等)的材料。

上述高频天线最好是使冷媒通过的管状构件。从而，可防止高频天线的温度上升，电阻变高。

作为这种管状的高频天线，可使用在由对上述冷媒的耐蚀性比铜高的高耐蚀性金属构成的管(上述基底金属部件)的表面上，施以由导电性比该耐蚀性金属高的金属构成的高导电性被覆而成的构件。虽然铜具有导电性高且比较便宜的特点，但有与水等的冷媒反应而腐蚀的危险。于是，通过使用由上述高耐蚀性金属构成的管，可防止由与冷媒反应造成的腐蚀。另外，通过上述高导电性被覆，与仅使用由高耐蚀性金属构成的管的情况相比，可提高其导电性。上述高耐蚀性金属可适当地使用不锈钢，上述高导电性被覆可适当地使用金或铂。

上述高频天线最好系开路环型。开路环型的高频天线系相当于匝数小于一圈的线圈，且具有电感低而可流通大电流的特点。开路环型的高频天线可包含矩形、U字形、半圆形、缺少部分圆弧的形状等。

在上述高频天线单元中，具有用以将上述开路环型高频天线安装至上述真空容器之安装工具，其保持该开路环型高频天线的两端，且设置有与上述缓冲区域连通的连通孔。连通孔可用以将缓冲区域内抽成真空的排气口，且可作为使缓冲区域内变成大气压之空气的导入口。

通过本发明的高频天线单元，可抑制在高频天线与保护管之间发生放电。从而，可更有效率地在真空容器内产生高密度的放电等离子，提供高生产率的等离子处理装置。

附图说明

图1是表示本发明的高频天线单元的第1实施例的剖面图。

图2是表示本发明的等离子处理装置的一实施例的概略构成图。

图3是表示本发明的高频天线单元的第2实施例的剖面图。

图4是表示本发明的高频天线单元的第3实施例的剖面图。

图5是表示本发明的高频天线单元的第4实施例的剖面图。

图6是表示对于使用第4实施例的高频天线单元的情况、及使用保护管仅由石英制的管构成的高频天线单元的情况，在产生氟等离子时测定保护管的直径的时间变化的结果的图表。

图7是表示本发明的高频天线单元的第5实施例的剖面图。

图8是表示本发明的高频天线单元的第6实施例的剖面图。

图中：

10、30、40、50、60、70～高频天线单元；

10A、30A、50A、60A、70A～(狭义的)高频天线单元；

11、31～高频天线；

12、32、52、62～保护管；

13、33～缓冲区域；

14、34～导通孔(フイ一ルドスル一)；

15、35～安装工具；

16～高频电源；

20～等离子处理装置；

21-真空容器；

22～高频天线单元安装孔；

23～匹配器；

37～真空密封；

38～排气装置；

381～连通孔；

521～基底管；

522、622～高耐受性被覆；

711～高耐蚀性管；

712～高导电性被覆。

具体实施方式

下面，参阅附图，详细说明本发明的实施例。

[实施例1]

使用图1，说明本发明的高频天线单元的第1实施例。本实施例的高频天线单元，具有高频天线11、覆盖高频天线11的保护管12、及高频天线11与保护管12之间的缓冲区域13。在本实施例中，将由此三个构成元件构成的物品定义为狭义的高频天线单元10A。狭义的高频天线单元10A，经由导通孔14被安装于安装工具(真空法兰)15。安装工具15与被设置在真空容器21(图2)的壁上的相对侧法兰(未图示)连接。在本实施例中，将狭义的高频天线单元10A、导通孔14及安装工具15，一并定义为(广义的)高频天线单元10。

高频天线11.由铜制的导管构成，在导管的内部可流通冷却水(未图示)。高频天线11的形状系矩形，朝向真空容器内的突出部分的长度为10cm，与真空容器壁平行的部分的长度为12cm，外径为6mm。高频天线11的一端被连接至高频电源16，另一端接地。

保护管12由介电常数约9.0的氧化铝导管制作，其内径为16mm。因此，保护管12的内壁面与高频天线11的外壁面之间的距离，即缓冲区域13的厚度为5mm。在缓冲区域13中填充实质的介电常数为1.1～1.3的玻璃棉。在填充状态下的玻璃棉的纤维之平均间隔为数十μm～数百μm。

使用图2，说明具有第1实施例的高频天线单元10的等离子处理装置的一例。该离子处理装置20在真空容器31的侧壁上具有多个安装高频天线单元10的孔(高频天线单元安装孔)22。高频天线单元10，从真空容器21的外侧插入至高频天线单元安装孔22，在安装工具15及真空容器21之间夹着真空密封，且通过固定安装工具15安装于真空容器21。各高频天线单元10的高频天线11，一端经由匹配器23连接至高频电源16，另一端被接地。一个高频电源16与多个高频天线11连接。

虽然图2表示了将高频天线单元10设置在真空容器的侧壁的例子，但也可设置于顶部，或设置于侧壁及顶部。另外，使用后述的第2及第3实施例的高频天线单元30及40时，也可构成与第1实施例相同的等离子处理装置。

说明使用本实施例的高频天线单元10进行的实验的结果。在此实验中，在将高频天线单元10安装于真空容器的顶部，将高频天线的一端经由匹配器(未图示)连接至频率13.56MHz的高频电源16，并将另一端接地，且将氩及氢的混合气体导入至真空容器内之后，使气体压力在0.5～30Pa的范围中变化，同时在真空容器内发生放电等离子。结果，无论气体压力值是多少，在缓冲区域13都不产生放电，并且确认被接通的高频电力有效地被消耗于真空容器内的放电等离子产生。这是因为通过存在于缓冲区域13内的玻璃棉的纤维，电子的加速被抑制，气体不至于被离子化。

[实施例2]

使用图3，说明本发明的第2实施例的高频天线单元30。高频天线31及保护管32的形状及尺寸与第1实施例相同。另外，在高频天线31与保护管32之间填充玻璃棉这一点也与第1实施例相同。在本实施例中，保护管32的端面夹着真空密封37被固定于安装工具35。缓冲区域33与被设置在安装工具35上的连通孔381连通，能够通过被连接至连通孔381的排气装置38将内部排气形成0.1Pa以下的高真空。

在将本实施例的(广义的)高频天线单元30安装至真空容器的顶部，与第1实施例同样进行对高频电源的连接及接地，且将氩及氢的混合气体导入至真空容器内之后，在真空容器内发生放电等离子。在本实施例中，将缓冲区域33的压力保持于0.05Pa以下。虽然使真空容器内的压力在0.5～30Pa的范围中变化以进行实验，但无论气体压力的值如何，在缓冲区域33都不产生放电，并且确认被接通的高频电力有效地被消耗于在真空容器内产生放电等离子。

[实施例3]

使用图4，说明本发明的第3实施例的高频天线单元40。除了连通孔381对大气开放之外，本实施例的高频天线单元40具有与第2实施例的高频天线单元30相同的构成。

在隔着空间配置的2个电极间产生放电时的最低电压(火花电压)V_s，遵守帕森定律。根据帕森定律，如第2实施例，在将空间(缓冲区域33)排气成真空而使气体压力变得足够小时，火花电压V_s变高，且放电变得难以发生。同时，在使p变得足够大时，火花电压V_s也变高。这是由于气体压力p变得越大，电子越容易撞击气体分子而无法充分加速。不过，发生放电的难度不仅取决于气体压力p，也取决于电极间的距离。

在内置天线方式的等离子处理装置中，高频天线与真空容器的壁(通常此壁被接地)之间，特别是在两者距离最短的高频天线的根部与此壁之间的放电电压成为问题，但此最短距离一般为数mm～数cm。在这种距离范围中，若缓冲区域为大气压，则满足上述气体压力p足够高的条件，可抑制放电的发生。因此，如第3实施例，通过将连通孔381开放至大气这种简单的构成，可抑制放电的发生。

[实施例4]

使用图5，说明本发明的第4实施例的高频天线单元50。取代第1实施例的高频天线单元10中的氧化铝制的保护管12，本实施例的高频天线单元50使用在石英制的基底管521的表面上施以氧化铝制的高耐受性被覆522的保护管52。由高频天线11、保护管52及缓冲区域13构成狭义的高频天线单元50A。其他的高频天线单元50的构成与第1实施例的高频天线单元10相同。

因为石英的加工性比氧化铝更好，通过使用石英制的基底管521，可更容易地使其形状与高频天线11的U字形的形状匹配。另外，因为氧化铝对卤素等离子的耐受性比石英高，通过使用氧化铝制的高耐受性被覆522，可阻止保护管52被该种等离子蚀刻。

对于使用第4实施例的高频天线单元50的情况及使用保护管仅由石英制的基底管521构成的高频天线单元的情况，在高频天线单元的周围产生氟等离子时测定保护管的直径的时间变化。在此实验中，在真空容器内设置1个高频天线单元，对真空容器内供给CF₄气体及O₂气体使其流量比为1∶5、压力为1.0Pa，在40分钟内持续地对高频天线投入1000W的高频电力。结果，如图6所示，在使用保护管仅由石英制的管构成的高频天线单元时，随着时间的经过保护管的直径慢慢地变小，而在第4实施例的高频天线单元50中，保护管52的直径几乎没有变化，确认保护管52对于氟等离子具有高耐受性。

[实施例5]

使用图7，说明本发明的第5实施例的高频天线单元60。取代第4实施例的高频天线单元50中的氧化铝制的高耐受性被覆522，本实施例的高频天线单元60系使用施加硅制的高耐受性被覆622的保护管62。其他的构成与第4实施例的高频天线单元50相同。本实施例的高频天线单元60，适合在进行硅制的基体的蚀刻及硅薄膜的堆积等与硅有关的等离子处理时使用，以防止保护管的材料成为杂质被混入至被处理物体中。

[实施例6]

使用图8，说明本发明的第6实施例的高频天线单元70。取代第1实施例的高频天线单元10中的铜导管制的高频天线单元11，本实施例的高频天线单元70，使用在不锈钢制的高耐蚀性管711的表面上施以金制的高导电性被覆712的构件。其他的构成系与第1实施例的高频天线单元10相同。因为与冷却水连接的是不锈钢制的高耐蚀性管711，本实施例的高频天线单元70比使用铜制管之高频天线的情况更不易被腐蚀。另外，通过施以金制的高导电性被覆712，可确保高导电性。

对于第6实施例的高频天线单元70，以及除了使用在铜制的管的表面上施以金制的被覆的高频天线之外与第6实施例具有相同构成的高频天线单元，进行下面的实验。首先，设不锈钢制的高耐蚀性管711及铜制的管的壁厚为1mm，金制的被覆的厚度两者均为40μm。将这些高频天线单元逐一安装于真空容器内。然后，对真空容器内供给1.3Pa的氢气，且在这些管内供给冷却水，并持续1000小时将2000W的高频电力接通至高频天线。然后，在测定不锈钢制的高耐蚀性管711及铜制的管的厚度时，铜制的管减少至0.82mm，而不锈钢制的高耐蚀性管711仍为1mm。

在第1～第6实施例中，虽然使用玻璃棉做为填满缓冲区域的绝缘体，但并不限定于此。例如以微小的介电球、介电微粒子等填充也达成相同的效果。另外，通过以绝缘性液体或气体(例如绝缘油)填充缓冲区域，可得到相同的效果。通过循环这些绝缘性液体或气体，可冷却高频天线。

在第1～第6实施例中，虽然表示使用矩形的高频天线的例子，但高频天线可采用U字形、半圆形、圆形、直线形等任意的形状。

Claims

1.一种高频天线单元，在用以在真空容器内产生等离子的装置中使用，其特征在于，包括：

a)高频天线，用以流动高频电流；

c)上述高频天线与上述保护管之间的缓冲区域。

2.如权利要求1所述的高频天线单元，其特征在于，

在上述缓冲区域与上述真空容器之间具有气密封构造。

3.如权利要求2所述的高频天线单元，其特征在于，

上述缓冲区域为真空。

4.如权利要求2所述的高频天线单元，其特征在于，

上述缓冲区域内的压力为大气压。

5.如权利要求1～4中任一项所述的高频天线单元，其特征在于，

上述保护管，是在成为基底的管的表面上施以高耐受性被覆而成，该高耐受性被覆由对等离子的耐受性比该基底管的材料高的材料构成。

6.如权利要求5所述的高频天线单元，其特征在于，

上述基底管的材料为石英，上述高耐受性被覆的材料为氧化物陶瓷、氟化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅的任一种，或其二种以上的混合物。

7.如权利要求1～6中任一项所述的高频天线单元，其特征在于，

上述高频天线，是在成为基底的金属部件的表面上施以高导电性被覆而成，该高导电性被覆由导电性比该基底金属部件的材料高的金属构成。

8.如权利要求1～7中任一项所述的高频天线单元，其特征在于，

上述高频天线是使冷媒通过的管状构件。

9.如权利要求8所述的高频天线单元，其特征在于，

上述高频天线，是在由对上述冷媒的耐蚀性比铜高的高耐蚀性金属构成的管的表面上，施以由导电性比该耐蚀性金属高的金属构成的高导电性被覆而成。

10.如权利要求9所述的高频天线单元，其特征在于，

上述高耐蚀性金属为不锈钢，且上述高导电性被覆由金或铂构成。

11.如权利要求1～10中任一项所述的高频天线单元，其特征在于，

上述高频天线为开路环型。

12.如权利要求11项所述的高频天线单元，其特征在于，

该高频天线单元具有用以将上述开路环型高频天线安装至上述真空容器的安装工具，其保持该开路环型高频天线的两端，且在上述安装工具上设置有与上述缓冲区域连通的连通孔。

13.一种等离子处理装置，其特征在于：

至少具有如权利要求1至12中任一项所述的高频天线单元。