CN103202105B - 等离子处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种等离子处理装置，其能够以比外部天线方式的等离子处理装置高的密度生成等离子，并且能够抑制作为内部天线方式的问题点的、杂质向被处理物的混入或颗粒的产生。本发明的等离子处理装置具有金属制的真空容器(11)、在真空容器(11)的上壁(112)设置的贯通孔(空洞)的内部配置有高频天线(18)的天线配置部(14)、以及覆盖上壁(112)的内表面(1121)整体的电介质制的分隔板(15)。在该等离子处理装置中，通过上壁(112)的内表面(1121)侧整体由分隔板(15)覆盖，由此在内表面(1121)与分隔板(15)之间不会产生台阶，因此能够防止在台阶部分产生附着物引起的颗粒的产生。

Description

等离子处理装置
技术领域
本发明涉及能够在基体的表面处理等中使用的感应耦合型的等离子处理装置。
背景技术
以往，为了进行在基体上形成薄膜的制膜处理、和/或针对基体表面的蚀刻处理，而使用等离子处理装置。关于等离子处理装置，存在利用在电极间施加高频电压而产生的电场来生成等离子的电容耦合型等离子处理装置、和/或利用使高频电流流过高频天线(线圈)而产生的感应电磁场来生成等离子的感应耦合型等离子处理装置等。其中，感应耦合型等离子处理装置具有能够生成虽为高密度但电子温度低、离子能量小(即，制膜速度快，对被处理物的损伤小)的等离子这样的优点。
在感应耦合型等离子处理装置中，向真空容器内导入氢等等离子生成气体后，生成感应电磁场，由此使等离子生成气体分解而生成等离子。然后，与等离子生成气体不同而将制膜原料气体或蚀刻气体导入真空容器内，通过等离子使制膜原料气体的分子分解而使其堆积在基体上，或者使蚀刻气体的分子分解来生成用于蚀刻的离子或自由基。
在现有的感应耦合型等离子处理装置中，大多使用外部天线方式的等离子处理装置，该外部天线方式的等离子处理装置将用于生成感应电磁场的高频天线配置在真空容器的外侧，通过在真空容器的壁的一部分上设置的电介质制的壁或窗，而将该感应电磁场导入到真空容器的内部(例如，参照专利文献1)。然而，近些年，由于基体及在基体上形成的薄膜的大面积化进展，与此相伴而使得真空容器大型化，所以因真空容器内外的压力差的关系而使电介质制的壁(或窗)变厚。由此，产生向真空容器内导入的感应电磁场的强度变小，从而生成的等离子的密度降低这样的问题。
与此相对，在如专利文献2所记载的那样将高频天线设置在真空容器的内部的内部天线方式的感应耦合型等离子处理装置中，与电介质制的壁(或窗)的厚度无关而能够容易提高等离子的密度。因此，适合于基体及薄膜的大面积化。
在先技术文献
专利文献
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2001-035697号公报([0050]-[0051]、图11)
发明内容
发明要解决的课题
然而，在天线表面部由电介质等覆盖的内部天线方式的感应耦合型等离子处理装置中，高频天线与等离子电容耦合，由此电子流入天线，因此在天线上产生直流的自偏置电压。并且，因在天线中产生的直流的自偏置电压使等离子中的离子加速而向高频天线入射，从而存在天线表面被溅射这样的问题。由此，高频天线的寿命缩短，而且被溅射的高频天线的材料作为杂质而混入到被处理物中。
另外，在内部天线方式中，制膜材料或蚀刻时的副生成物附着于高频天线的表面，因该附着物落下而可能在基体的表面产生颗粒状的异物(颗粒)。
本发明要解决的课题在于提供一种等离子处理装置，该等离子处理装置能够以比外部天线方式的等离子处理装置高的密度生成等离子，并且能够抑制作为内部天线方式的问题点的杂质向被处理物的混入、和/或颗粒的产生。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题而作成的本发明的等离子处理装置的特征在于，具备：
a)密闭容器，其在内部用于进行等离子处理，且具有周围由大致正交棱线包围的壁；
b)天线配置部，其设置在所述壁的内表面与外表面之间，且由在内表面侧具有开口的空洞构成；
c)高频天线，其配置在所述天线配置部内；以及
d)电介质制的分隔板，其覆盖所述壁的内表面的由所述大致正交棱线包围的部分整体。
在此，“大致正交棱线”是指所述壁的内表面与其周围的壁的内表面相交的线，其内角为70～120°。
本发明的等离子处理装置中，在密闭容器的壁的内表面与外表面之间设置天线配置部，在天线配置部的内部配置高频天线。通过采用这样的结构，能够在密闭容器内生成比外部天线方式的情况强的感应电磁场。
并且，通过高频天线和密闭容器的内部由电介质制的分隔板分隔，由此能够防止高频天线被溅射，或者在高频天线上附着制膜材料或蚀刻时的副生成物而产生颗粒的情况。并且，通过设有天线配置部的壁的内表面侧整体由分隔板覆盖，由此在壁面和分隔板上不会产生台阶。通常，当在密闭容器内存在台阶那样的凹凸时，在该部分附着制膜材料或副生成物而成为产生颗粒的原因，但在本发明中，由于在密闭容器内不会产生无益的台阶，因此能够消除产生这样的颗粒的原因。
另外，优选所述天线配置部内为真空或由电介质构件填充。由此，在天线配置部内能够防止不需要的放电。在由电介质构件填充的情况下，优选在天线配置部内尽量不产生间隙，但也可以产生少许的间隙。另外，还可以使用将由电介质构件填充后的天线配置部内进一步进行真空排气这样的结构。
所述天线配置部可以在同一壁的内部设置多个。由此，在密闭容器内能够从多个高频天线生成感应电磁场，因此能够进行更大面积的薄膜的制作或更大面积的被处理基体的处理。
发明效果
本发明的等离子处理装置形成为如下结构：在密闭容器的壁的内表面与外表面之间设置的天线配置部内配置高频天线，且该天线配置部的内部空间和密闭容器的内部空间由电介质制的分隔板进行分隔。通过采用这样的结构，能够将比现有的外部天线方式的等离子处理装置强的感应电磁场向密闭容器的内部导入，并且能够防止高频天线被溅射，或者在高频天线上附着制膜材料或蚀刻时的副生成物而产生颗粒的情况。另外，由于设有天线配置部的壁的内表面整体由分隔板覆盖，因此不会因设置分隔板而产生台阶，从而能够防止在台阶的部分附着制膜材料或副生成物而产生颗粒的情况。
附图说明
图1是表示本发明的等离子处理装置的第一实施例的纵向剖视图。
图2是比较例的等离子处理装置的主要部分纵向剖视图。
图3是表示本实施例的等离子处理装置中使用的真空容器的一例的纵向剖视图。
图4是表示本发明的等离子处理装置的第二实施例的纵向剖视图。
图5是比较例的等离子处理装置的主要部分纵向剖视图。
图6是表示本发明的等离子处理装置的第三实施例的主要部分纵向剖视图。
图7是表示第三实施例的变形例的主要部分纵向剖视图。
图8(a)是在本发明的等离子处理装置的第四实施例中表示高频天线的作用部与在真空容器的壁的内部设置的空洞的壁面的关系的图，图8(b)是表示使作用部与空洞的壁面的距离x变化时的在作用部周边形成的感应电磁场的变化的图，图8(c)是表示距离x与磁场强度的变化的曲线图。
图9是表示在x＝20mm和x＝83mm这两种情况下使高频电力变化时的电子密度的变化的曲线图。
图10是表示第四实施例的变形例的主要部分纵向剖视图。
图11是表示第四实施例的另一变形例的主要部分纵向剖视图。
图12是表示实施例1的变形例的主要部分纵向剖视图。
图13是表示实施例1的另一变形例的主要部分纵向剖视图。
具体实施方式
使用图1～图13，对本发明的等离子处理装置的实施例进行说明。
实施例1
首先，对实施例1的等离子处理装置10进行说明。如图1所示，等离子处理装置10具有：金属制的真空容器11；在真空容器的内部空间111中配置的基体保持部12；在真空容器11的侧壁设置的气体导入口131；在真空容器11的下壁设置的气体排出口132；天线配置部14，其在真空容器11的上壁112设置的贯通孔(空洞)的内部配置有高频天线18；以及覆盖该上壁112的内表面1121整体的电介质制的分隔板15。另外，在本实施例中，内表面1121是指由大致正交棱线113包围的区域，上壁112是指与该内表面1121对应的壁。另外，作为分隔板15的材料，可以使用氧化物、氮化物、碳化物、氟化物等。在这些材料中，能够适合使用石英、氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硅或碳化硅。
天线配置部14形成为通过堵塞上壁112的内表面1121侧的开口的分隔板15、堵塞外表面1122侧的开口的盖16、在内表面1121与分隔板15之间以及外表面1122与盖16之间设置的气密封件17来将内部空间密闭的结构。在盖16上设有真空排气口161，经由真空排气口161来将内部空间的空气排出，由此能够使天线配置部14内成为真空。
本实施例中使用的高频天线18是将棒状导体成形为U字形而得到的构件。在由这样的缠绕数不足一圈的线圈构成的高频天线中，能够将电感抑制得较低，因此高频电力的投入时施加在高频天线18上的电压降低，其结果是，能够防止被处理基体因等离子而受到损伤的情况。另外，作为天线导体，可以使用管状的导体，且在管内流过冷却水等制冷剂。
高频天线18的两端经由馈通体(feedthrough)162而安装于盖16。因此，仅通过将盖16装拆，就能够容易将高频天线18从等离子处理装置装拆。高频天线18的一端与高频电源连接，另一端接地。
以在保持于基体保持部12的基体S上形成薄膜的制膜处理为例来说明本实施例的等离子处理装置10的动作。首先，使基体S保持在基体保持部12上，将内部空间111的空气、水蒸气等从气体排出口132排出，并且将天线配置部14内的空气、水蒸气等从真空排气口161排出，由此使内部空间111及天线配置部14内形成为真空。接着，从气体导入口131导入等离子生成用气体及制膜原料气体。然后，使高频电流流过高频天线18，由此在高频天线18的周围生成感应电磁场。该感应电磁场通过分隔板15而向内部空间111导入，将等离子生成用气体电离。由此，生成等离子。与等离子生成用气体一起导入到内部空间111的制膜原料气体被等离子分解，而堆积在基体S上。
另外，进行蚀刻处理时的等离子处理装置10的动作除了不从气体导入口131导入制膜原料气体而导入用于蚀刻的等离子生成用气体这一点之外，与上述的制膜处理同样。
在本实施例的等离子处理装置10中，作为特征的结构而存在如下结构：设有天线配置部14的上壁112的内表面1121侧整体由分隔板15覆盖，由此在内表面1121与分隔板15之间不产生台阶。在例如图2所示的比较例那样将分隔板15A仅设置在天线配置部14A的正下方的部分的情况下，在分隔板15A与内表面1121之间形成台阶115。在该台阶115的部分容易附着制膜材料或蚀刻时的副生成物。这样的附着物向基体S的表面落下而成为产生颗粒的原因。与此相对，本实施例的等离子处理装置10以覆盖内表面1121的整面的方式设置分隔板15，因此没有图2的比较例那样的台阶，难以产生附着物。
图3表示第一实施例的变形例。图3是在具有由大致正交棱线113包围的弯曲状的上壁114的真空容器11中，在该弯曲状的上壁114的内表面1141与外表面1142之间设有多个天线配置部14的例子。另外，大致正交棱线的内角θ取何值在理论上都没关系，但实用上为70°～120°左右(在上述第一实施例中，θ＝90°)。分隔板15如第一实施例所示，以覆盖内表面1141整体的方式设置，但在设置分隔板15的部位如图3(a)那样弯曲的情况下，优选分隔板15的形状也与之匹配而弯曲。
实施例2
使用图4，对实施例2的等离子处理装置10A进行说明。本实施例的等离子处理装置10A中，在上壁112设有多个天线配置部14。高频天线18在各天线配置部14各设有一个。这些高频天线18与一个高频电源并联连接。附属于天线配置部14的盖16、真空排气161、馈通体162及气密封件17分别设置于各天线配置部14。但是，分隔板15在全部的天线配置部14中共用而仅设有一张，并以覆盖内表面1121的整面的方式设置。另外，本实施例及以下的实施例中叙述的上壁112及其内表面1121的定义与第一实施例相同。
本实施例的等离子处理装置10A的动作与实施例1的等离子处理装置10的动作相同。在本实施例中，由于能够从多个高频天线18生成感应电磁场，因此能够进行更大面积的薄膜的形成或对更大面积的被处理基体的处理。
另外，在如图5所示的比较例那样，将分隔板15A仅设置在天线配置部14A的正下方的部分的情况下，在各天线配置部14A中，在分隔板15A与内表面1121之间产生台阶115，与此相对，在本实施例的等离子处理装置10A中不产生这样的台阶，从而难以产生颗粒。
实施例3
使用图6，对实施例3的等离子处理装置10B进行说明。本实施例的等离子处理装置10B除了实施例1的等离子处理装置10的结构之外，还在天线配置部14内填充有电介质构件21。电介质构件21的材料可以使用聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)及其他树脂、氧化铝、二氧化硅等陶瓷等。电介质构件21优选无间隙地填充在天线配置部14内，但实际制作时，在金属制的真空容器的壁或高频天线18与电介质构件21之间大多产生间隙22。因此，在本实施例中，与实施例1的等离子处理装置10同样，在盖16上设置真空排气口161，从真空排气口161排出空气，从而将天线配置部14内形成为真空。由此，能够防止在间隙22中产生不需要的放电。另外，在图6中，为了方便说明，将间隙22夸张示出。
在图6中，示出仅设置一个天线配置部14的例子，但如图7所示，也可以采用如下结构：与实施例2同样地设置多个天线配置部14，在各天线配置部14中填充电介质构件21。
实施例4
在本发明的等离子处理装置中，为了效率良好地生成等离子，使在高频天线18中流过高频电流而生成的感应电磁场有助于效率良好地等离子生成很重要。在本实施例中，示出能够效率良好地生成等离子的天线配置部(空洞)14的结构。
在天线配置部14内配置的高频天线18的U字形导体中，最有助于等离子的生成及向基体S的表面处理的不是平行的两根直线部182的导体，而是将它们连接的部分的导体。以下，将最有助于等离子的生成及向基体S的表面处理的部分的导体称为“作用部”。在本实施例中，首先着眼于该作用部181与空洞14的壁面141之间的距离x(图8(a))。
图8(b)是使x变化而模拟在作用部181的周围生成的感应电磁场的结果。另外，向作用部181的天线导体投入的高频电力的频率为13.56MHz，流过天线导体的电流为10Arms，天线导体的直径为6.35mm，天线导体的导电性为1000000S/m。
如图8(b)所示，在x＝20mm的情况下，感应电磁场大多被壁面141遮挡，由此向真空容器11的内部空间放出的感应电磁场变少。与此相对，可知当x＝40mm时，向内部空间放出的感应电磁场比x＝20mm的情况变多，当扩宽到x＝80mm时，几乎不被壁面141遮挡，能够效率良好地向真空容器11的内部空间放出。
图8(c)中是以x为无限远的情况下向真空容器11的内部空间放出的感应电磁场的量为基准(100％)，通过模拟来比较x变化时的向内部空间放出的感应电磁场的量的结果。x＝20mm时，仅向内部空间放出无限远时的约30％左右，但当扩大到x＝80mm时，向真空容器11的内部空间放出无限远时的约90％左右的感应电磁场。在本实施例中，以x≥30mm的方式设置天线配置部14，从而向内部空间放出无限远时的50％以上的感应电磁场。
图9中表示比较实际上使天线配置部14为x＝20mm或83mm时的等离子密度相对于高频电力的变化的结果。在图9的实验结果中，x＝20mm和x＝83mm时等离子密度差异较大，x＝83mm时的等离子密度为x＝20mm时的等离子密度的约200倍。由该结果可知，与例如使向高频天线18投入的高频电力成为4倍相比，使x成为4倍在提高等离子的电子密度上效率良好。由此，能够以低成本生成高密度的等离子。
图10表示本实施例的等离子处理装置的变形例。本变形例是着眼于天线配置部14的形状的变形例，如图10的(a)～(c)所示，具有真空容器11的内表面1121侧的宽度比外表面1122侧的宽度宽的结构。通过这样的结构，也能够使在高频天线18的作用部181的周围形成的感应电磁场容易向真空容器11的内部空间放出。另外，虽然未图示，但优选天线配置部14的内部由电介质材料填充。
另外，还考虑使用图11所示的变形例。本变形例中，在天线配置部14的内部沿着高频天线18的作用部181而配置有磁性体构件19，该磁性体构件19在真空容器11的内表面1121侧具有开口且由铁素体等构成。通过该磁性体构件19，向真空容器11的外表面1122侧放出的感应电磁场通过磁性体构件19的内部而向真空容器11的内部空间放出，因此能够有助于使从作用部181放出的感应电磁场效率良好地生成等离子。
实施例5
本发明不局限于上述实施例1～4所示的结构。例如，在上述实施例1～4中，都在盖16上设置用于使天线配置部14内成为真空的真空排气口161，但也可以代替于此而如图12所示，在盖16上设置不活泼气体导入口163及不活泼气体排出口164。在图12的例子中，通过从不活泼气体导入口163导入氩或氮等不活泼气体，将天线配置部14内的空气或水蒸气，用不活泼气体置换并将空气或水蒸气从不活泼气体排出口164排出，由此使天线配置部14内由不活泼气体充满。由此，能够防止在天线配置部14内产生不需要的放电。
另外，在上述实施例1～4中，天线配置部14均具有在上壁112上设置的贯通孔的外表面1122侧设置盖16的结构，但也可以如图13所示，采用通过设置仅在上壁112的内表面1121侧具有开口的空洞来形成天线配置部14B这样的结构。该情况下，高频天线18的两端固定在上壁112的未被贯通而残留的部分上。
符号说明：
10、10A、10B…等离子处理装置
11…真空容器
111…内部空间
112、114…上壁
1121、1141…内表面
1122、1142…外表面
113…大致正交棱线
12…基体保持部
131…气体导入口
132…气体排出口
14、14A、14B…天线配置部(空洞)
141…天线配置部(空洞)的壁面
15、15A···分隔板
115…台阶
16…盖
161…真空排气口
162…馈通体
163…不活泼气体导入口
164…不活泼气体排出口
17…气密封件
18…高频天线
181…作用部
182…直线部
19…磁性体构件
21···电介质构件
22…间隙
S…基体

Claims (12)

1.一种等离子处理装置，其特征在于，
具备：
a)密闭容器，其用于在内部进行等离子处理，且具有周围由大致正交棱线包围的壁；
b)天线配置部，其设置在所述壁的内表面与外表面之间，且由在内表面侧具有开口的空洞构成；
c)高频天线，其配置在所述天线配置部内；
d)电介质制的分隔板，其覆盖所述壁的内表面的由所述大致正交棱线包围的部分整体，且使所述开口仅由一张该分隔板覆盖。
2.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述空洞在所述外表面侧具有开口，该外表面侧开口由盖密闭。
3.根据权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述高频天线安装于所述盖。
4.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述天线配置部被密闭。
5.根据权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述天线配置部内为真空。
6.根据权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述天线配置部内由不活泼气体充满。
7.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
在所述天线配置部内填充有电介质构件。
8.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
在同一壁上设有多个所述天线配置部。
9.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述高频天线的作用部和与流过该作用部的电流相垂直的方向上的所述空洞的壁之间的距离为30mm以上。
10.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述空洞以宽度从所述外表面侧朝向所述内表面侧变宽的方式形成。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的等离子处理装置，其特征在于，
在所述天线配置部内，所述高频天线的作用部的周围除了所述内表面侧以外由磁性体构件覆盖。
12.根据权利要求11所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述磁性体构件的材料为铁素体。
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