CN102349357B - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置，其中，在真空容器内形成强的高频感应电场且能够使等离子体的密度分布更加均匀，并且，能够防止因颗粒的发生或高频天线的导体的溅射而引起的基体污染。本发明的等离子体处理装置(10)是基于高频放电的感应耦合方式的等离子体处理装置，其特征在于，具备：真空容器(11)、在所述真空容器(11)的壁的内面(111B)和外面(111A)之间所设置的天线配置部(12)、配置于所述天线配置部(12)的且不卷绕成圈地形成终端的一个高频天线、将所述天线配置部(12)和所述真空容器的内部(112)隔开的电介质制的分隔件(15)，所述高频天线(13)的长度比该高频波的1/4波长的长度短。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种能够在基体表面处理等所使用的感应耦合型的等离子体处理装置。 
背景技术
为了进行对基体表面的薄膜形成或蚀刻处理，使用感应耦合型等离子体处理装置。在感应耦合型等离子体处理装置中，向真空容器内导入氢气等等离子体生成气体之后，通过生成高频感应电场，而使等离子体生成气体分解，且生成等离子体。而且，与等离子体生成气体不同地，另外在真空容器内导入制膜原料气体或者蚀刻气体，通过等离子体将制膜原料气体的分子分解并将其堆积于基体上、或者将蚀刻气体的分子分解生成用于蚀刻的离子或基团。 
在专利文献1中记载有一种外部天线方式的等离子体处理装置，其将用于生成高频感应电场的高频天线放置于真空容器的顶部的上方，将上述顶部内的高频天线的正下方部分作为用于使高频感应电场通过的电介质制的窗户。在外部天线方式中，对应近年来的被处理基体的大型化而谋求等离子体处理装置大型化，为了确保机械强度，需要加厚电介质制的窗口，因而，真空容器内所导入的高频感应电场的强度会变小。因此，采用将高频天线设置于真空容器内部的内部天线方式的等离子体处理装置(专利文献2～4)。 
另外，在专利文献3及4所述的发明中，采用如U字形或半圆形等那样、线状导体不卷绕成圈地形成终端的高频天线(相当于圈数不足1的感应耦合天线)。根据这种高频天线，由于其电感比圈数为1以上的感应耦合天线低，因此，高频天线的两端产生的高频电压降低，可抑制伴随趋向生成的等离子体的静电耦合的等离子体电位的高频摆动。因此，可降低随着向对地电位的等离子体电位摆动的过剩的电子损失，可降低等离子体电位。 由此，基板上的低离子损失的薄膜形成工艺成为可能。 
此外，在专利文献4所述的发明中，将天线导体的长度设定为比高频波的1/4波长的长度短。由此，能够抑制在天线导体中驻波的发生，能够提高所生成的等离子体的均匀性。 
专利文献1：日本特开平08-227878号公报([0010]，图5) 
专利文献2：日本特开平11-317299号公报([0044]-[0046]，图1-2) 
专利文献3：日本特开2001-035697号公报([0050]-[0051]，图11) 
专利文献4：日本特开2004-039719号公报([0019]-[0021]，图3) 
非专利文献1：節原裕一、江部明宪，“面向米制大小的大面积工艺的等离子体技术”，表面技术，表面技术协会，2005年5月，第56卷，第5号，pp.18-25 
在内部天线方式中，通过在高频天线的导体和等离子体之间所产生的直流自偏置流电压，等离子体中的离子向高频天线被加速。因此，若天线导体露出，则高频天线导体自身被溅射，除其寿命缩短外，还产生所溅射的导体的原子及离子混入到等离子体中、附着于被处理基体的表面及真空容器的内壁、作为杂质混入薄膜或被蚀刻基体的问题。因此，在专利文献2所述的发明中，用由比作为高频天线的导体的铜或铝等更难以被溅射的陶瓷或石英等构成的电介质(绝缘体)的管覆盖高频天线。在此，之所以使用管，是为了以防止天线导体的温度上升为目的而使冷却水流动。但是，在这种构成中，由于需要在天线导体及电介质管的端部设置用于输入高频电力的电连接部和冷却水的给排水的连接部双方，因而结构变得复杂，在天线的装卸及检查维护中带来不便。 
另外，在内部天线方式中，在真空容器的内部空间高频天线突出，因此，在高频天线的跟前生成等离子体。由此，等离子体的密度在高频天线的跟前特别高，密度分布的均匀性降低。与此同时，制膜时的薄膜材料及蚀刻时的副产物有时会附着在高频天线(或其周围的电介质管)的表面这样的问题也产生。这种附着物落在基体表面而成为产生颗粒的原因。 
此外，在内部天线方式中，为了确保在真空容器内配置高频天线的空 间，相比外部天线方式，需要增大真空容器的容积。因此，气体或等离子体扩散而到达基板的离子及游离基团减少，因而，制膜速度或者蚀刻速度下降。 
发明内容
本发明要解决的课题是提供一种等离子体处理装置，其能够在真空容器内形成强的高频感应电场，且使等离子体的密度分布更加均匀，同时，能够防止因颗粒的产生或高频天线导体的溅射而造成的基体的污染。 
为解决上述课题而形成的本发明的等离子体处理装置，是基于高频放电的感应耦合方式的等离子体处理装置，其特征为，具备： 
a)真空容器； 
b)在所述真空容器的壁的内面和外面之间所设置的天线配置部； 
c)配置于所述天线配置部、且不卷绕成圈地形成终端的一个高频天线； 
d)将所述天线配置部和所述真空容器的内部隔开的电介质制的分隔件； 
所述高频天线的长度比该高频波的1/4波长的长度短。 
在本发明的等离子体处理装置中，在真空容器的壁的内面和外面之间设置有天线配置部。配置于这种天线配置部内的高频天线，能够在真空容器的内部生成与内部天线方式几乎不变的强的高频感应电场。 
另一方面，不同于现有的内部天线方式，由于是用电介质制的分隔件将高频天线和真空容器内隔开，因而能够防止颗粒的产生或高频天线被溅射。另外，还能够抑制高频天线的温度上升。 
另外，由于真空容器内不需要配置高频天线的空间，因而较之内部天线方式的场合能够减小真空容器的容积。因此，由于气体及等离子体的扩散被抑制，到达基板的离子及基团增加，因此制膜速度或者蚀刻速度提高。 
此外，由于通过这样将生成等离子体的区域和高频天线分离，在高频天线附近等离子体的密度变得特别高的情况不存在，因此能够防止如内部天线方式那样密度分布的均匀性降低的情况。此外，就天线的长度比高频波的1/4波长短而不会生成驻波这一点而言，也能够防止密度分布均匀性 的降低。 
分隔件能够使用不同于真空容器的壁的其它电介质制的部件。另外，在真空容器的壁为电介质制的情况下，也能够将其壁的一部分用作分隔件。 
所述高频天线虽然能够埋入真空容器的壁中，但是在设置于所述内面和所述外面之间的空洞内配置更为容易。在前者的情况下，真空容器的壁中埋入高频天线的部分相当于天线配置部，在后者的情况下，空洞相当于天线配置部。 
所述空洞能够使用被密闭的空洞。由此，能够防止异物侵入空洞内。另外，若密闭的空洞内为真空或者被惰性气体充满，则能够防止在空洞内产生不需要的放电。 
所述空洞内也可以由固体电介质充满。由此，能够防止在空洞内产生不需要的放电。该情况下，不需要将空洞内密闭。另外，还能够替代使用空洞，而采用所述壁的至少一部分由固体电介质构成，且所述高频天线被埋入该电介质内的结构。 
也可以在所述空洞的所述外面侧设置盖。若使用这样的盖，则在检查维护等时通过打开盖，就能够在真空容器的壁的外面侧和空洞内之间容易地取出、放入高频天线。另外，还能够将所述高频天线安装在所述盖上。由此，只要将盖盖上、脱开，就能够更容易地取出、放入高频天线。 
本发明的等离子体处理装置能够具备多个天线配置部。由此，能够进一步提高真空容器内形成的等离子体的密度的均匀性。 
根据本发明的等离子体处理装置，能够在真空容器内形成强的高频感应电场，且能够使等离子体的密度分布更加均匀，同时，能够防止颗粒的发生及因高频天线导体的溅射而造成的基体的污染。 
附图说明
图1是表示本发明的等离子体处理装置的第一实施例的纵剖面图(a)及天线配置部12附近的放大图(b)； 
图2是表示高频天线和高频电源连接之一例的俯视图； 
图3是表示本发明的等离子体处理装置的第二实施例的放大纵剖面 图； 
图4是表示第二实施例的等离子体处理装置的第一变形例的放大纵剖面图； 
图5是表示第二实施例的等离子体处理装置的第二变形例的放大纵剖面图； 
图6是表示本发明的等离子体处理装置的第三实施例的放大纵剖面图； 
图7是表示将高频天线在外面111A和内面111B之间埋入的例子的纵剖面图； 
图8是表示高频天线的一部分使用板状部件的例子的侧面图及俯视图； 
图9是表示求取高频电力的输出变化引起的等离子体密度的变化的实验结果的曲线图。 
具体实施方式
下面，利用图1～图9说明本发明的等离子体处理装置的实施例。 
实施例1 
首先，利用图1及图2说明第一实施例的等离子体处理装置10。等离子体处理装置10具有：真空容器11、设置于真空容器11的上壁111的外面111A和内面111B之间的天线配置部12、配置于天线配置部12内的高频天线13、在天线配置部12内填埋高频天线13以外的空间的块状电介质制填充材料14、设置于天线配置部12的上壁内面111B侧的电介质制分隔件(隔板)15、从上壁外面111A侧覆盖天线配置部12的盖16、设置于真空容器11的侧壁的气体排出口17及气体导入口18、配置于真空容器的内部空间112的基体保持部19。 
具体而言，天线配置部12以如下方式构成。在真空容器11的上壁111的一部分设置有贯通孔，板状支承部件121以填埋该贯通孔的方式安装于上壁111上。而且，在该支承部件121上从上侧挖出空间。该空间为天线配置部12。在天线配置部12内，以上述方式设置有高频天线13和电介质制填充材料14。盖16的缘固定于支承部件121的上面。 
高频天线13为将金属制的管弯曲成U字形的结构。金属制管的长度为35cm。在此，在商用高频电源中经常使用的频率13.56MHz的高频波的传播波长，在自由空间为22m，而在考虑到与等离子体的耦合的传播模式中预计为约13m(非专利文献1)。因而，上述金属制管的长度比频率13.56MHz的高频波的传播波长的1/4短。高频天线13的两端经由馈孔161安装于盖16上。高频天线13的管具有通过在等离子体处理装置10使用时使水等制冷剂穿过而对高频天线13进行冷却的功能。 
分隔件15用于防止天线配置部12内被等离子体晒射，而其自身被等离子体晒射。因此，理想的是分隔件15的材料使用石英等耐等离子体性高的材料。另一方面，就电介质制填充材料14而言，由于分隔件15的存在而不被等离子体晒射，因此理想的是，与其耐等离子体性莫如加工性更优异的材料。这种加工性优异的材料有聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)及其他的树脂。当然也可以使用氧化铝、硅石及其他的陶瓷。 
在上壁111和支承部件121之间、支承部件121和盖16之间及盖16和馈孔161之间设置有真空密封垫。另一方面，分隔件15安装于支承部件121上，但分隔件15和支承部件121之间没有真空密封垫。 
气体排出口17与真空泵连接，通过真空泵将真空容器的内部空间112的空气或水蒸气等从气体排出口17排出。气体导入口18用于向真空容器的内部空间112导入氢气等等离子体生成气体及制膜原料的气体。被保持于基体保持部19的基体S，从设置于真空容器11的侧壁的基体搬出搬入口113搬入到真空容器的内部空间112、或者从真空容器的内部空间搬出。基体搬出搬入口113在基体S的搬出搬入时以外被气密地闭锁。 
其次，参照图2说明连接高频天线13和高频电源的构成之一例。在实施方式中，使用在八个天线配置部12内按各自一个所收容的、合计八个的高频天线13。这八个高频天线13按各组四个的方式被分为两组，且每组连接一个高频电源。在各高频天线13的一端部(供电侧端部131)连接有从供电点133向四个方向延伸的四条供电棒134，该供电点133连接高频电源。各高频天线13的另一端部(接地侧端部132)接地。 
以使基体S上堆积有制膜物质的场合为例，说明实施方式的等离子体处理装置10的动作。首先，将基体S从基体搬出搬入口113搬入真空容 器的内部空间112，将其载置于基体保持部19上。其次，将基体搬出搬入口113闭锁，使用真空泵将真空容器的内部空间112的空气及水蒸气等从气体排出口17排出。接着，从气体导入口18导入等离子体生成用气体及制膜原料气体。而且，边将制冷剂流入高频天线13的管边向高频天线13输入高频电力。通过该高频电力的输入，在高频天线13的周围生成高频感应电场。该高频感应电场通过电介质制的分隔件15被导入真空容器的内部空间112，对等离子体生成用气体进行电离。由此生成等离子体。与等离子体生成用气体一起导入真空容器的内部空间112的制膜原料气体，被等离子体分解而堆积于基体S上。 
在本实施方式的等离子体处理装置10中，由于将高频天线13配置于在真空容器的上壁111的外面111A和内面111B之间所设置的天线配置部12，因而较之外部天线方式的场合，能够在真空容器11的内部空间112中生成强的高频感应电场。另外，由于配置有高频天线13的天线配置部12和生成等离子体的真空容器的内部空间112被分隔件分开，因而能够防止等离子体腐蚀高频天线13造成高频天线13的寿命缩短、及高频天线13的材料作为杂质混入薄膜或者被处理基体中。此外，由于在天线配置部12内填充有电介质制填充材料14，因此能够防止在天线配置部12内产生不需要的放电。 
虽然在上述第一实施例中使用了有别于电介质制填充材料14的电介质制的分隔件(隔板)15，但是，在电介质制填充材料14由耐等离子体性高的材料构成且在真空容器的内部空间112和高频天线13之间存在足够厚的电介质制填充材料14的情况下，由于电介质制填充材料14兼具分隔件的作用，因而能够省略(有别于电介质制填充材料14的)分隔件15。 
另外，虽然在上述第一实施例中使用了块状的电介质制填充材料14，但也能够替代填充材料14而使用电介质粉末。该情况下，为了不使粉末从天线配置部12漏出而将天线配置部12密闭。 
实施例2 
其次，利用图3说明第二实施例的等离子体处理装置。在此，与第一实施例的等离子体处理装置10相同的构成要素在图3上添加与图1相同的符号而省略说明。在本实施例中，在真空容器11的上壁111的外面111A 和内面111B之间设置有作为天线配置部的空洞22。 
在空洞22的内面111B侧设置有电介质制的分隔件25，在外面111A侧设置有盖26。分隔件25在空洞22的内周面的下端以载置于向内侧突出的段111C上的方式进行安装。在盖26的下面以从真空容器11的外侧与空洞22嵌合的方式设置有凸部。另外，在盖26上经由馈孔261安装有高频天线13的两端，该高频天线13能够通过盖26的装卸容易地与等离子体处理装置装卸。 
空洞22通过设置于盖26和上壁111之间及分隔件25和上壁111之间的真空密封垫而密闭。另外，盖26上设置有空洞排气口27，能够与真空容器的内部空间112分开独立地使空洞22成为真空状态。 
第二实施例的等离子体处理装置的动作基本上与第一实施例的等离子体处理装置10同样。与第一实施例的不同之处在于，在向高频天线13输入高频电力之前，通过从空洞排气口27将空洞22内的气体排出到外部使空洞22内达到真空。由此，能够防止在空洞22内产生不需要的放电。 
其次，利用图4说明上述第二实施例的第一变形例。在本变形例中没有段111C，而以从真空容器的内部空间112侧覆盖空洞22的方式设置有分隔件25A。由此，能够将空洞22向真空容器的内部空间112侧扩大，使高频天线13的位置靠近真空容器的内部空间112。其它构成与上述第二实施例相同。 
利用图5说明上述第二实施例的第二变形例。在本变形例中，通过设置从上壁111的下面不贯通上壁111的孔而形成空洞22A。因此，在空洞22A上原封不动地残留有上壁111的一部分。在残留有其上壁111的部分，经由馈孔安装有高频天线13，并且安装有空洞排气口27A。其它构成与上述第二实施例的第一变形例相同。 
实施例3 
其次，利用图6说明第三实施例的等离子体处理装置。在本实施例中，替代第二实施例中的空洞排气口27，在盖36上设置有空洞惰性气体导入口37A及空洞气体排气口37B。通过从空洞惰性气体导入口37A导入氩气或氮气等惰性气体，将空洞22内的空气及水蒸气通过惰性气体置换而从空洞气体排气口37B排出，而使惰性气体充满空洞22内。由此，与对 空洞22内进行真空排气的场合同样，能够防止产生不需要的放电。其它构成与上述第二实施例相同。 
实施例4 
上面例示了在真空容器的外面111A和内面111B之间设置有电介质制填充材料14及空洞22的例子，但是，如图7所示，还能够不使用空洞而将高频天线13埋入外面111A和内面111B之间的位置(天线配置部42)。该情况下，将高频天线13和上壁111电绝缘，并且，为了防止在高频天线13的附近产生不需要的放电，在两者之间插入电介质或者将上壁111自身做成电介质制。在为后者的情况下，虽然也可以将上壁111的整体做成电介质制，但是，上壁111中只是将高频天线13的附近做成电介质制的方法能够抑制成本。此处的电介质材料可以使用与上述的电介质制填充材料14相同的材料。另外，还能够通过将上壁111中位于高频天线13和真空容器的内部空间112之间的部分设计成电介质制而构成分隔件45。 
上述各实施例共同的变形例 
在上述各实施例中，还可以替代棒状(管状)的高频天线，使用板状的高频天线及将棒状部件和板状部件组合的高频天线。这样，通过分别使用棒状部件和板状部件或者将它们进行组合，能够调整天线的阻抗。图8表示在底部平坦的U字形金属管的下部安装有板状部件51的高频天线。能够根据该板状部件51的宽度及厚度调整天线的阻抗。 
另外，在上述各实施例中，将高频天线的形状做成U字形，但还能够使用半圆形等圆弧状的高频天线。这些U字形或者圆弧状的高频天线为卷数不足1圈的感应耦合天线，由于感应系数比卷数为1圈以上的场合小，因而在供给规定的高频电力时能够减小在天线上产生的电压，有效地生成等离子体。另外，在上述实施例中，设天线配置部的个数为八个，但是，其个数可以根据真空容器的容量等来确定。在真空容器的容量较小的情况下，也可以只设置一个天线配置部。另外，在上述实施方式中是将天线配置部设置于真空容器的上壁，但也可以设置于侧壁等上壁以外的壁上。 
实验1 
在第二实施例中，对只设置了一个天线配置部的等离子体处理装置，测量了在真空容器内生成的等离子体的密度。在高频天线13中使用外径 6mm的铜管制、且在U字的底部具有遍及长度150mm与上壁111平行的部分。高频天线13的底部的位置与上壁111的内壁面的位置一致(图4)。分隔件25A使用石英制的厚度为6mm的材料。
将真空容器11内抽成真空后，以1Pa的压力向真空容器11内导入氢气和氩气的混合气体。而且，边使冷却水在高频天线13的管内流动，边供给输出功率为1kW、频率为13.56MHz的高频电力。其结果是，在真空容器11内充满等离子体，距高频天线13的U字的底部20cm的位置的等离子体密度为1.2×1011／cm3。另外，在使高频电力的输出功率在1kW～3kW的范围内变化时，上述位置的等离子体密度与高频电力的输出成正比地发生变化(图9)。 
实验2 
在实验1中所使用的高频天线13的底部，平行地朝向上壁111接合长度为150mm、宽度为30mm的铜板。其中，与实验1相比而使高频天线13移动到上方，使铜板的位置与上壁111下面的位置一致。在使用该高频天线进行与实验1相同的实验时，距铜板20cm的位置的等离子体密度为1.4×1011／cm3，比没有铜板的实验1高。认为这是由于安装了宽度比铜制管的管径大的铜板，天线的阻抗降低，流过高频天线(铜制管及铜板)的电流增加的缘故。 
其次，为了对比而卸下分隔件25A进行同样的实验，结果是，上述位置的等离子体密度为1.6×1011／cm3。这样可确认即使使用分隔件25A对等离子体的生成的影响也小。 
实验3 
如图2所示，使用八组在实验1所使用的高频天线，从各高频电源向供电点133供给输出功率为2kW、频率为13.56MHz的高频电力。其它条件与实验1及2相同。对每个高频天线单元测定了距高频天线13的U字底部20cm的位置的等离子体密度，其结果是，可确认所有的高频天线都生成了大致同强度的等离子体。通过使用多个可这样生成同强度的等离子体的高频天线(配置高频天线的天线配置部)，能够提高真空容器11内的等离子体的均匀性。 
符号说明 
10…等离子体处理装置 
11…真空容器 
111…真空容器11的上壁 
111A…上壁111的外面 
111B…上壁111的内面 
111C…内面111B的段 
112…内部空间 
113…基体搬出搬入口 
12、42…天线配置部 
121…支承部件 
13…高频天线 
131…供电侧端部 
132…接地侧端部 
133…供电点 
134…供电棒 
14…电介质制填充材料 
15、15A、25、25A、45…分隔件 
16、26、36…盖 
161、261…馈孔 
17…气体排出口 
18…气体导入口 
19…基体保持部 
22、22A…空洞 
27、27A…空洞排气口 
37A…空洞惰性气体导入口 
37B…空洞气体排气口 
51…板状部件 
S…基体 

Claims (6)

1.一种等离子体处理装置，是基于高频放电的感应耦合方式的等离子体处理装置，其特征在于，具备：
a)真空容器；
b)多个天线配置部，其是由在所述真空容器的壁的内面和外面之间所分别设置的空洞构成；
c)高频天线，其在所述多个天线配置部分别按各自一个的方式配置、且不卷绕成圈地形成终端；
d)电介质制的分隔件，其将所述天线配置部和所述真空容器的内部隔开；和
e)盖，其在所述多个天线配置部分别按各自一个的方式配置、且设置在所述空洞的所述外面侧，
并且，所述高频天线的长度比该高频波的1/4波长的长度短。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述空洞被所述盖密闭。
3.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述空洞内由固体电介质充满。
4.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述空洞内由惰性气体充满。
5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述高频天线被安装于所述盖。
6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述高频天线为U字形。
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