CN102577629B - 等离子体生成装置 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体生成装置，对处理对象物照射在连接了电源的第1电极与和所述第1电极相向配置且接地的第2电极的电极间间隙中在100Pa以上大气压以下的气压之下所生成的等离子体，其中，所述第1电极是隔着在不与所述第2电极相向的面处设置的固体电介体而被接地了的导电性保持部件所保持的构造，在所述固体电介体的表面之中，在与所述导电性保持部件接触的规定范围的面和不与所述导电性保持部件接触的规定范围的面中连续地设置有导电膜。

Description

等离子体生成装置
技术领域
本发明涉及使反应气体成为等离子体状态的等离子体生成装置，特别是涉及产生低温等离子体的等离子体生成装置。
背景技术
在半导体器件、摄像器件、图像输入用线传感器等的制造工序中，进行薄膜形成、蚀刻、溅射、表面改性等处理的等离子体工艺成为必不可少的技术。在该等离子体工艺中，广泛使用气体温度为低温且仅电子温度为高温的低温等离子体。
在产生该低温等离子体的以往的等离子体生成装置中，在被接地的真空容器内，与真空容器绝缘地配置施加脉冲功率、高频功率的功率施加电极，与真空容器电连接地配置进行面对的另一个电极，并用被调整为几Pa～100Pa气压的反应气体来填满这些电极的配置空间。在该等离子体生成装置中，电极间的反应气体通过由在电极间产生的脉冲状电场、高频电场所引起的放电而电离，在电极间形成等离子体状态(低温等离子体)，其中，该等离子体状态为具有负电荷的电子、具有正电荷的离子以及电中性的自由基一边剧烈地运动一边混合存在的状态。
另外，在这样的结构的等离子体生成装置中，在真空容器与功率施加电极之间也产生电场，所以有时在那里也发生等离子体放电。在该真空容器与功率施加电极之间产生的放电是无用放电，成为妨碍等离子体产生效率提高的主要原因。因此，以往提出了抑制在真空容器与功率施加电极之间产生的无用放电的各种构造例(例如，专利文献1、2等)。
专利文献1：日本专利第3280052号公报(图1)
专利文献2：日本专利第3253122号公报(图1、图2)
发明内容
此处，上述以往的无用放电抑制构造例是针对将真空容器内的气压调整到几Pa～100Pa的范围内的情况进行说明的例子，但本发明计划得到即使将真空容器内的气压调整到比以往使用的压力范围(几Pa～100Pa)高的压力范围、具体而言100Pa以上大气压以下的压力范围内也不会引起无用放电的等离子体生成装置。
在该情况下，根据帕邢定律(paschen law)，通过气体压力与电极间空隙之积的函数来表示等离子体的放电开始电压，所以如果气体压力变高，则易于放电的电极间空隙变小。在气体压力是100Pa以上大气压以下的范围内，最易于引起放电的间隙是0.1mm～1mm的范围。
这样一来，在以往提出的上述无用放电抑制构造例中，存在或者会出现根据帕邢定律得到的形成最易于引起放电的间隙的部位，所以存在如下问题：如果使生成等离子体的放电在100Pa以上大气压以下的高气压的条件下发生，则还会发生上述无用放电。
具体而言，在专利文献1的图1所示的无用放电抑制构造例中，在使用该图1所示的识别符号来说明时，为了确保功率施加电极(2)的绝缘，需要对接地屏蔽物(5)与功率施加电极(2)确保间隙，所以在该间隙中产生无用放电。
另外，在专利文献2的图2所示的无用放电抑制构造例中，在使用该图2所示的识别符号来说明时，由于在功率施加电极(3)的周围配置了绝缘物(11)，所以能够防止功率施加电极(3)与接地屏蔽物(4)的短路，但会导致绝缘体(11)带电，所以在接地屏蔽物(4)与绝缘物(11)的间隙中发生放电。
而且，在专利文献2的图1所示的无用放电抑制构造例中，在使用该图1所示的识别符号来说明时，真空容器(1)与功率施加电极(3)通过绝缘物(11)而确保被绝缘，但在针对真空容器(1)能够安装和拆卸功率施加电极(3)的机械组装的构造中，在组装的尺寸公差方面， 无法避免在绝缘物(11)与真空容器(1)或者绝缘物(11)与功率施加电极(3)中产生间隙，在该间隙中发生无用的放电。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于得到一种即使以100Pa以上大气压以下的气压生成等离子体也能够防止无用部位处的放电、提高等离子体产生效率的等离子体生成装置。
为了达成上述目的，本发明的等离子体生成装置对处理对象物照射在连接了电源的第1电极与和所述第1电极相向配置且接地的第2电极的电极间间隙中在100Pa以上大气压以下的气压之下生成的等离子体，该等离子体生成装置的特征在于，所述第1电极是隔着在不与所述第2电极相向的面处设置的固体电介体而被接地了的导电性保持部件所保持的构造，在所述固体电介体的表面之中，在与所述导电性保持部件接触的规定范围的面和不与所述导电性保持部件接触的规定范围的面中连续地设置有导电膜。
根据本发明，如果使第1电极被接地了的导电性保持部件所支承，则与导电性保持部件接触的一侧的导电膜通过导电性保持部件而被接地，所以在不和导电性保持部件接触的一侧的导电膜与导电性保持部件的间隙中不会发生放电。因此，即使以100Pa以上大气压以下的高的气压来生成等离子体，也能够防止无用部位处的放电，所以起到提高等离子体产生效率这样的效果。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的等离子体生成装置的结构的截面示意图。
图2是示出本发明的实施方式2的等离子体生成装置的结构的截面示意图。
附图标记说明
1：反应容器(真空容器)；2：接地电极载置台；3：气体导入口；4：气体排出口；5、14、32、40、44：固体电介体；6、33：基板(处理对象物)；7、34：加热器；8、35：支柱；9：电极组件；10、36：保持板；11、41：圆形孔；12、42：功率施加电极；13、43：电极板；15：空洞；16、46：导电膜；17、47：间隙；18：匹配盒(阻抗匹配器)；19：电源；20：等离子体；30：基板载置台；31：反应容器的底部；37：第1电极组件；38：第2电极组件；39：接地电极；45：流路；48：反应气体的流入方向；49：电极间间隙；50：等离子体。
具体实施方式
以下，根据附图，详细说明本发明的实施方式的等离子体生成装置。另外，本发明不被本实施方式所限定。
实施方式1.
图1是示出本发明的实施方式1的等离子体生成装置的结构的截面示意图。在图1中，成为真空容器的反应容器1是使导电性部件形成为有底圆筒状的容器，电气性地接地。在反应容器1的底部，配置有电气性地接地的平板状的接地电极载置台2，另外，分别设置有气体导入口3以及气体排出口4。在接地电极载置台2的上表面，隔着固体电介体5而配置有作为处理对象的基板6。接地电极载置台2内置有加热器7，能够隔着固体电介体5对基板6进行加热。另外，在图1中，接地电极载置台2以与底部面并行的方式被反应容器1的底部的大致中央(在图示例中是圆筒中心的位置)处固定的规定高度的支柱8的端部所支承。该接地电极载置台2构成权利要求1中的第2电极。
并且，在反应容器1的开口端面固定有支承电极组件9的平板状的保持板10。电极组件9的外观为如下形状，即，包括：形成规定长度的圆柱状的插入部、以及在该插入部的引出端侧向插入部的径向凸出地设置的凸缘部。保持板10由导电性部件构成，且电气性地接地。在保持板10中设置有比电极组件9的插入部外径稍微大的圆形孔11。该圆形孔11的中心在图示例中与圆筒中心一致。另外，保持板10被用作将反应容器1的开口端进行堵塞的罩。
电极组件9包括功率施加电极12、电极板13、以及固体电介体 14。功率施加电极12是具有上述插入部和凸缘部的圆柱状的构造体。电极板13被粘贴到该功率施加电极12的插入部端面。固体电介体14连续地粘贴于除了该电极板13的配置区域以外的插入部外周和凸缘部的插入侧面。功率施加电极12在内部设置有空洞15，并在那里填充有水等制冷剂，能够将电极板13进行冷却。此处，功率施加电极12以及电极板13构成权利要求1中的第1电极。
电极组件9的长度为如下长度，即是将其插入端部嵌入到保持板10的圆形孔11并使设置于引出端侧的凸缘部抵接到圆形孔11周边的保持板10、从而使插入部端面的电极板13以与基板6维持适当的间隔而进行面对的状态被保持板10支承的长度。 
在电极组件9中，其引出端侧设置的凸缘部通过未图示的螺丝而气密性良好地固定于保持板10。由此，反应容器1成为能够抽出内部的所谓空气而进行减压的真空容器。另外，在图示例中，凸缘部虽然设置于功率施加电极12和固体电介体14这双方，但在原理上无需设置于功率施加电极12。但是，在图示的结构中，通过将功率施加电极12与固体电介体14一体地利用螺丝而固定到保持板10，从而能够减小固体电介体14破损的可能性。即，优选对功率施加电极12也设置凸缘部。
并且，在电极组件9中，在被保持板10支承的附近的固体电介体14的规定范围表面，通过后述的方法形成有导电膜16。如果将电极组件9嵌入到保持板10的圆形孔11，并使凸缘部被保持板10所支承，则形成于凸缘部的导电膜16被压接到保持板10，成为通过保持板10而与接地电连接的状态。由于以能够在与形成于插入部的导电膜16之间形成间隙17的程度具有余量地形成了保持板10的圆形孔11的内周直径，所以能够不使导电膜16与保持板10的圆形孔11干扰地，将电极组件9设置到反应容器1。这样，仅通过螺丝的连结和解除，就能够容易地安装和拆卸电极组件9和反应容器1。
对电极组件9的功率施加电极12，经由匹配盒(阻抗匹配器)18而连接有电源19。电源19例如是13.56MHz的高频电源、比它还高的几百MHz程度的高频电源、或者几kHz的脉冲电源等。
在以上的结构中，以在从气体排出口4排出反应容器1内的所谓空气而成为规定的真空度的状态下使反应容器1内的反应气体的压力成为100Pa以上大气压以下的范围内的一定值的方式，调整从气体导入口3导入的反应气体的供给量和从气体排出口4排出的反应气体的排气量，设为如下状态：向空洞15放入制冷剂而将电极板13冷却至某一温度，并使加热器7发热而将基板6加热至某一温度。在该状态下，如果从电源19通过匹配盒18对功率施加电极12施加规定的高频功率或者脉冲功率，则在作为功率施加电极12的一部分的电极板13与接地电极载置台2之间开始放电，生成等离子体20。通过使基板6暴露于该等离子体20，从而对基板6进行规定的等离子体处理。
例如，如果使用氢气作为反应气体，使用硅板作为电极板13，用大致15℃的制冷剂将电极板13进行冷却，将基板6加热至300℃左右，并将反应容器1内的气体压力大致调整为约0.9气压而生成等离子体20，则在基板6上形成硅膜。以上是在基板6上形成功能性薄膜的例子，但也可以通过同样的方法来进行基板6的表面改性处理。
在该情况下，即使在基板6被暴露于在电极板13与接地电极载置台2之间生成的等离子体20的状态下，也不会在间隙17的区域中发生等离子体放电。这是因为，间隙17的区域中的固体电介体14与处于接地电位的导电膜16之间的电场强度未达到放电所需的电场强度。但是，在导电膜16与功率施加电极12之间存在的固体电介体14被施加大的电场。因此，固体电介体14需要选择能够抵抗该大的电场强度的厚度和材质。例如，在使用氮化铝作为固体电介体14的情况下，从耐电压性以及机械强度的观点出发，固体电介体14的厚度优选为3mm以上。
接下来，说明应形成导电膜16的区域的确定方法。此处，研究是否需要在保持板10的圆形孔11的规定幅度内周面与固体电介体14相向的间隙17的区域以外的区域、即从保持板10的圆形孔11的下端朝向电极组件9的插入部前端的幅度L的带状区域中也形成导电膜。
如果反应容器1内的气压是大气压，则幅度L的尺寸是0mm即 可。即，导电膜16仅形成于间隙17的区域就足够了。另一方面，在使反应容器1内的气压小于大气压而设为100Pa的气压的情况下，通过将幅度L的尺寸设定为5mm以上，能够防止固体电介体14与反应容器1之间的放电。因此，导电膜16的从间隙17露出的幅度L的尺寸在大气压下是0mm即可，但为了在100Pa至大气压的宽的气体压力的范围内防止在反应容器1与固体电介体14之间产生等离子体，优选为5mm以上。另外，关于导电膜16的从间隙17露出的幅度L的尺寸，由于按照固体电介体14与接地的反应容器1的间隔距离进行设定，所以在保持构造发生了变化的情况下，在接地的保持板10与固体电介体14的间隔成为5mm以下的固体电介体14的表面形成导电膜16即可。
接下来，说明导电膜16的形成方法。首先，在固体电介体14中的没有形成导电膜16的区域中粘贴膜来进行掩蔽(masking)。将该掩蔽了的固体电介体14浸渍到镀镍液中，通过非电解镀层而形成几微米程度的厚度的镍膜。然后，为了防止该镍膜表面的氧化，对该镍膜表面进行镀金包覆，并剥去用于掩蔽的膜。由此，得到仅在期望的部位形成了作为导电膜16的镍/金膜的固体电介体14。另外，导电膜16的材质不限于以上所示的镍/金膜，只要是能够膜状地形成包覆并且表面不会氧化的材质即可。作为另一部件，例如在电介体表面涂敷包含锰和钼的膏，并在该膏膜上通过电镀来形成镍膜。也可以对该镍膜焊接钴合金，并将该钴合金焊接到作为导电性保持部件的保持板10。
此处，导电膜16的膜厚优选为0.1μm以上100μm以下。这是因为，在小于0.1μm的膜厚下将电极组件9嵌入到保持板10的圆形孔11时，该薄壁的导电膜16与圆形孔11的内周只要稍微接触，就会对导电膜16造成损伤，导致固体电介体14的表面在间隙17侧露出，无法防止无用放电。另外，在超过100μm的膜厚下，导电膜16的内部应力所致的膜形变变大，导致导电膜16从固体电介体14剥离，在导电膜16与固体电介体14之间产生间隙，并在该间隙中发生等离子体放电。
如上所述，根据本实施方式1，在对真空容器可安装和拆卸地安装了施加功率的电极(第1电极)的等离子体生成装置中，即使使在等离子体的生成中使用的反应气体的气压成为100Pa以上大气压以下的气压，也能够防止施加功率的电极(第1电极)与作为真空容器的一部分的保持板(导电性保持部件)之间的无用放电，仅在施加功率的电极(第1电极)与接地电极(第2电极)的电极间间隙中生成等离子体，所以提高了等离子体产生效率。
另外，在适合的范围(0.1μm～100μm)内确定用于防止无用放电的导电膜的膜厚，所以能够长期稳定地维持能够抑制无用放电的效果。
实施方式2.
图2是示出本发明的实施方式2的等离子体生成装置的结构的截面示意图。图2所示的匹配盒18和电源19与图1所示的部件相同。在图2中，虽然没有示出成为真空容器的图1所示的反应容器的整体，但匹配盒18和电源19以外的各要素收纳于反应容器内。
在图2中，电气性地接地的平板状的基板载置台30配置于反应容器的底部31。在基板载置台30的上表面，隔着固体电介体32配置有作为处理对象的基板33。基板载置台30内置有加热器34，能够隔着固体电介体32对基板33进行加热。另外，在图2中，平板状的基板载置台30以与底部面并行的方式被反应容器的底部31处固定的支柱35的端部所支承。
并且，在基板载置台30的上方，以被反应容器的侧壁所支承的形式配置有平板状的保持板36。保持板36由导电性部件构成且电气性地接地。形成规定长度的圆筒状的第1电极组件37与在该圆筒中心以相同的长度配置的圆棒状的第2电极组件38一体地固定于该保持板36。
具体地进行说明。第2电极组件38包括电气性地接地的圆棒状的接地电极39和将该接地电极39的外周进行包覆的固体电介体40。虽然未图示，但第2电极组件38与第1电极组件37隔着绝缘物连结而成为一体。接地电极39构成了权利要求2中的第2电极。
第1电极组件37的外观为如下形状，即，包括：形成规定长度的圆筒状的插入部、以及在该插入部的引出端侧向插入部的径向凸出地设置的凸缘部。在保持板36中，设置有比第1电极组件37的插入部外径稍微大的圆形孔41。第1电极组件37以及第2电极组件38的长度为如下长度，即是将第1电极组件37的插入端部嵌入到保持板36的圆形孔41并使设置于引出端侧的凸缘部抵接到圆形孔41周边的保持板36、从而使插入部端面以与基板33维持适当的间隔而进行面对的状态被保持板36所支承的长度。
第1电极组件37包括功率施加电极42、电极板43以及固体电介体44。功率施加电极42是具有上述插入部和凸缘部的呈现圆筒状的构造体。在与接地电极组件38进行面对的功率施加电极42的内周面，在其进行面对的幅度区域中粘贴有电极板43。在除了电极板43的配置区域以外的功率施加电极42的外周的大部分，粘贴有固体电介体44。功率施加电极42在内部设置有流路45，使水等制冷剂流过流路45而能够将电极板43进行冷却。功率施加电极42以及电极板43构成了权利要求2中的第1电极。
在第1电极组件37中，其引出端侧设置的凸缘部通过未图示的螺丝而固定于保持板36。由此，第1电极组件37和第2电极组件38被一体地固定于保持板36。另外，在第1电极组件37中，凸缘部设置于功率施加电极42和固体电介体44这双方，但如图1中所说明那样，为了减小固体电介体44破损的可能性，优选对功率施加电极42也设置凸缘部。
并且，在第1电极组件37中，在被保持板36支承的附近的固体电介体44的规定范围表面，通过实施方式1(图1)中说明的方法，形成有导电膜46。如果将第1电极组件37嵌入到保持板38的圆形孔41，并使凸缘部被保持板36所支承，则形成于凸缘部的导电膜46被压接到保持板36，成为通过保持板36而与接地电连接的状态。由于以能够在与形成于插入部的导电膜46之间形成间隙47的程度具有余量地形成了保持板36的圆形孔11的内周直径，所以能够不使导电膜 46与保持板36的圆形孔41干扰地，将第1电极组件37以及第2电极组件38固定到保持板36。如实施方式1(图1)中所说明那样，在0.1μm～100μm的范围内确定导电膜46的膜厚。
对第1电极组件37的功率施加电极42，经由匹配盒(阻抗匹配器)18而连接有电源19。电源19如在实施方式1(图1)中所说明那样例如是13.56MHz的高频电源、比其高的几百MHz程度的高频电源、或者几kHz的脉冲电源等。
此处，本实施方式2的等离子体生成装置除了将压力容器内的气压调整为100Pa以上大气压以下的范围内的一定值的机构以外，还具备形成如下气流的机构，其中，该气流是如箭头48所示那样使反应气体在第1电极组件37与第2电极组件38的电极间间隙49中从上端流入并朝向基板33侧的下端的气流。
在以上的结构中，如果在使电极间间隙49中产生箭头48所示的方向的气流的状态下对功率施加电极42施加规定的高频功率或者脉冲功率，则通过在电极板43与接地电极39之间开始的放电而在电极间间隙49中生成等离子体50。通过该等离子体50中的放电而生成的活性物质乘着气流而照射到基板33，对基板33进行规定的等离子体处理。
例如，在使用硅板作为电极板43、并使用氢气和氦气的混合气体作为向箭头48所示的方向流动的反应气体的情况下，通过由等离子体50产生的氢基，作为电极板43的硅板的硅被分解，其分解物到达被加热器34所加热的基板33，在基板33处形成硅膜。以上是在基板33上形成功能性薄膜的例子，但也可以通过同样的方法来进行基板33的表面改性处理。
在该情况下确认了如下效果：即使在电极间间隙49中生成了等离子体50时，在保持板36与导电膜46的间隙47中也不会发生等离子体放电，能够抑制无用的放电。对在导电膜46与功率施加电极42之间存在的固体电介体44，与图1所示的固体电介体14同样地施加大的电场。因此同样地，固体电介体44需要选择能够克服电场强度的 厚度和材质。例如，在使用氮化铝作为固体电介体44的情况下，从耐电压性以及机械强度的观点出发，厚度优选为3mm以上。
另外，在本实施方式2的等离子体生成装置中，如上所述，基板33配置于生成等离子体的电极间间隙49之外，能够通过气流而将在电极间间隙49中生成的等离子体照射到基板33，所以如果能够改变包括形成电极间间隙49的第1以及第2电极组件37、38的等离子体产生部与基板33的相对位置，就能够改变基板33上的等离子体照射位置。
例如，通过将保持板36与在X轴、Y轴、Z轴这3个方向上运动的致动器进行连接，能够实现在固定了基板33的状态下对基板33上的照射等离子体的区域进行扫描的结构。根据该结构，即使基板33是大面积基板，也能够通过使等离子体产生部进行动作，从而对大面积基板整体进行等离子体处理。
此时，如果保持板36是绝缘体，则有时绝缘体由于功率施加电极42而会带电，所以需要在与致动器连接的部位处采取防止触电的措施。通过使作为绝缘体的保持板36接地，能够简化防止触电的措施。但是，在使作为绝缘体的保持板36接地的情况下，需要抑制与功率施加电极42之间的放电。关于这点，在本实施方式2中如上所述，保持板36由导电性部件构成且接地，所以即使使本实施方式2的保持板36与致动器连接，也无需确保绝缘，能够通过简易的构造来构成扫描类型的等离子体生成装置。
如上所述，根据本实施方式2，在将处理对象物(例如基板)配置于生成等离子体的电极间间隙之外、并将在电极间间隙中生成的等离子体通过气流照射到处理对象物的等离子体生成装置中，与实施方式1同样地，即使使等离子体的生成中使用的反应气体的气压成为100Pa以上大气压以下的气压，也能够防止在施加功率的电极(第1电极)与作为真空容器的一部分的保持板(导电性保持部件)之间的无用放电，仅在施加功率的电极(第1电极)与接地电极(第2电极)的电极间间隙中生成等离子体，所以提高了等离子体产生效率。
并且，与实施方式1同样地，能够在合适的范围(0.1μm～100μm)中确定用于防止无用放电的导电膜的膜厚，所以能够长期稳定地维持能够抑制无用放电的效果。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的等离子体生成装置适用于即使以100Pa以上大气压以下的气压来生成等离子体也能够防止无用部位处的放电、并提高等离子体产生效率的等离子体生成装置。

Claims (6)

1.一种等离子体生成装置，对处理对象物照射在连接了电源的第1电极与第2电极的电极间间隙中在100Pa以上大气压以下的气压之下生成的等离子体，其中，所述第2电极和所述第1电极相向配置且接地，其特征在于，
所述第1电极是隔着在不与所述第2电极相向的面处设置的固体电介体而被接地了的导电性保持部件所保持的构造，在所述固体电介体的表面之中，在与所述导电性保持部件接触的规定范围的面和不与所述导电性保持部件接触的规定范围的面中连续地设置有导电膜。
2.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，
所述导电膜的膜厚是0.1μm以上100μm以下。
3.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，
在所述第1电极中，至少不与所述第2电极相向的面处设置的所述固体电介体以能够安装和拆卸的方式被所述导电性保持部件所支承。
4.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，
所述处理对象物配置于所述电极间间隙内。
5.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，
所述处理对象物配置于所述电极间间隙之外，通过在所述电极间间隙内产生的气流来照射所述等离子体。
6.根据权利要求5所述的等离子体生成装置，其特征在于，
所述第1电极和所述第2电极隔着相互维持所述电极间间隙的绝缘物而被一体化，
所述导电性保持部件针对所述处理对象物能够相对地进行移动。
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