CN112702829A - 等离子源 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感应耦合型的等离子源，其具有构造简易、且可抑制装置所需成本的天线的冷却机构。等离子源(10)是于真空容器(21)内生成等离子的装置，其具备设于真空容器(21)的壁(211)的框(天线固定框(12))、及固定于上述框内的面状的天线(11)。由于天线(11)的周围被上述框包围，故天线(11)所产生的热自其周围流出至框，进而自框流出至真空容器，因此高效地冷却。因此，无需使用液体或气体的冷媒，可使构造简化，且无需冷媒的温度管理装置或循环装置，因此可抑制装置所需的成本。

Description

等离子源

技术领域

本发明是关于感应耦合型的等离子源。

背景技术

于感应耦合型的等离子源中，将气体导入至生成等离子的空间后，使高频电流流动于配置在该空间附近或该空间内的天线，于该空间产生高频电磁场，由此使气体的分子解离为阳离子及电子而生成等离子。此时，由于高频电流流动于天线而产生焦耳热，因此需要冷却天线。于专利文献1中，记载有使用导电体制的管作为天线，使液体或气体的冷媒流动于该管内，由此冷却天线。天线以通过馈通构件安装于金属(例如不锈钢)制的盖构件，封堵设于真空容器的壁的开口的方式将盖构件固定于壁，由此安装于真空容器。

[先前技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本特开2010-212105号公报

发明内容

[发明所欲解决的课题]

专利文献1记载的等离子源中，必须于天线亦即导电体制的管的两端，连接用于导入高频电流的电极，且连接用以向管内导入液体或气体的冷媒的(与天线不同的)其他管，因此构造复杂。又，需要用以管理冷媒的温度的装置、或于使冷媒循环使用的情形时需要循环装置等，而产生装置所需的成本。

本发明所欲解决的课题在于：提供一种具有构造简易、且可抑制装置所需成本的天线的冷却机构的感应耦合型的等离子源。

[解决课题的技术手段]

为了解决上述课题而完成的本发明的等离子源是于真空容器内生成等离子的装置，其具备：

a)设于上述真空容器的壁的框、及

b)固定于上述框内的面状的天线。

于本发明的等离子源中，使面状的天线所产生的热经由固定有该天线的框传递至热浴亦即真空容器，由此冷却天线。由于该面状的天线的周围被框包围，故天线所产生的热自其周围流出至框，进而自框流出至真空容器，因此高效地冷却。因此，无需使用液体或气体的冷媒，可使构造简化，并且无需冷媒的温度管理装置或循环装置，因此可抑制装置所需的成本。

若为通常的等离子处理装置，真空容器由具有较大质量的金属体构成，因此由此种较大金属体(热浴)吸收天线所产生的热是十分可能的。由此，亦可减少向对天线供给电流的电源侧的热传导。

关于上述框的材料，自热传导率较高的方面而言，较佳为使用金属。或者，亦可使用金属以外的热传导率较高的材料，例如氮化铝(AlN)。

于本发明的等离子源中，上述框及上述天线可采用设于封堵上述真空容器所具有的开口的盖构件的构成。或者，上述框及上述天线亦可用作该开口的盖构件。由此，由于面状的天线配置于真空容器的开口，故不仅可使天线所产生的热经由框传导至真空容器，亦可自天线的面释放至真空容器之外。因此，可使天线更高效地冷却。

于上述框及上述天线设于上述盖构件的情形时，较佳为进一步具备介电窗，该介电窗为介电体制的板材，配置于上述天线的上述开口侧。由此，可自真空容器内的等离子保护天线。此处，介电窗自等离子接收热，但于本发明中该热亦可经由天线及框排出至真空容器。为了尽可能不削弱强度地于真空容器内产生高频电磁场，介电窗的厚度较佳为较薄，例如设为5mm以下。

于天线的开口侧配置有介电窗的情形时，较佳为进一步具备真空密封件，该真空密封件配置于上述开口的周围的上述壁与上述介电窗之间。由此，利用介电窗及真空密封件，开口被气密性地封闭。

又，于天线的开口侧配置有介电窗的情形时，较佳为进而于上述天线与上述介电窗之间填充有介电体制的接着剂。由此，介电窗的密接性较直接接触于天线的情形更佳，由于介电窗与接着剂接触，以及接着剂与天线接触，故介电窗可使自等离子接收的热经由接着剂高效地传导至天线(传导至天线的热如上所述，经由框流入真空容器)。作为此种接着剂，适合使用硅氧系树脂、环氧系树脂、特富龙(注册商标)系树脂等树脂制的接着剂、或烧结玻璃等玻璃制的接着剂，但并非限于此处所例示者。

于上述框及上述天线设于上述盖构件的情形时，较佳为进一步具备绝缘体板，该绝缘体板为绝缘体制的板材，与上述框接触。由此，可利用绝缘体板承受真空容器内与大气之间的压力差，并且可使天线与框电性绝缘。由于天线的热经由绝缘体板流向框，故绝缘体板的材料较较佳为使用由AlN等热传导率较高的材料所构成者。

于具备上述绝缘体板的情形时，较佳为进而于上述天线与上述绝缘体板之间填充有介电体制的接着剂。由此，与上述于天线与介电窗之间填充有接着剂的情形同样，可将天线所产生的热经由接着剂高效地传导至绝缘体板。此处所用的接着剂亦适合使用硅氧系树脂、环氧系树脂、特富龙系树脂等树脂制的接着剂、或烧结玻璃等玻璃制的接着剂，但并非限于此处所例示者。

于面状的天线中，高频电流由于集肤效应而仅流动于表面附近，因此将面状的天线设为较厚会浪费材料。因此，上述天线的厚度较佳为于可维持机械强度的范围内较薄，例如设为1～1000μm即可。再者，面状的天线并非限于平面状(未弯曲)者，亦可为曲面状。又，面状的天线亦可为具有可挠性者。

[发明的效果]

根据本发明，可使感应耦合型的等离子源中的天线的冷却机构的构造简化，从而抑制装置所需的成本。

附图说明

图1中的(a)部分是包含本发明的等离子源的第1实施方案的等离子处理装置的概略构成图，图1中的(b)部分是该等离子源及其周边的局部放大图。

图2是利用箭头表示第1实施方案的等离子源中的热的流向的图。

图3是利用箭头表示第1实施方案的等离子源中的天线中的电流的流向的图。

图4是表示通过第1实施方案的等离子源、及使用由现有的导电体制的管所构成的天线的等离子源所生成的等离子的电子密度的图表。

图5是表示本发明的等离子源的第2实施方案的概略构成图。

图6是利用箭头表示第2实施方案的等离子源中的热的流向的图。

图7是表示测定第2实施方案的等离子源生成等离子时的天线(a)、第1绝缘材(b)、第2绝缘材(c)、及介电窗(d)的温度变化所得的结果的图表。

附图标记说明：

1:等离子处理装置

10,10A:等离子源

11,11A:天线

110:积层体

12:天线固定框

121:框本体部

122:突出部

123:将天线固定框固定于真空容器的壁的螺栓

13:绝缘材

131A:第1绝缘材

132A:第2绝缘材

1321,1325:第2绝缘材的上表面的一部分区域

1322,1324:第2绝缘材的侧面

1323:第2绝缘材的底面

134:接着剂

14:介电窗(日文原文：誘電体窓)

15:高频电流供给条

151:馈电端子

1511,1512:高频电流供给块

152:馈电线

153:将高频电流供给块固定于第2绝缘材的螺栓

154:将高频电流供给块固定于第1绝缘材的螺栓

16:气密保持部

161:密封材料

21:真空容器

211:真空容器的壁

212:真空容器的内部空间

213:真空容器的开口

22:真空泵

23:气体供给部

24:基体保持部

25:基体搬入搬出口

251:基体搬入搬出口的盖构件

26:高频电源

27:阻抗匹配器

S:基体。

具体实施方式

使用图1～图7，对本发明的等离子源的实施方案进行说明。

(1)第1实施方案的等离子源的构成

图1是表示第1实施方案的等离子源10、及具有该等离子源10的等离子处理装置1的构成概略的图。该等离子处理装置1是利用等离子CVD法的成膜装置，除等离子源10以外，具有真空容器21、真空泵22、气体供给部23、基体保持部24、基体搬入搬出口25、高频电源26、及阻抗匹配器27。

首先，对等离子源10以外的等离子处理装置1的构成要素进行说明。真空容器21具有金属(例如不锈钢)制的壁211，在形成于壁211的内侧的真空容器21的内部空间212生成等离子。真空泵22是将内部空间212进行抽真空的泵构成。气体供给部23由气缸(省略图示)及气体导入管构成，将氩气或氢气等等离子生成气体、及成膜原料的气体供给至内部空间212。再者，于利用溅镀法所进行的成膜或使用等离子的基体S的洗净等，不使用成膜原料的气体而对基体S进行处理的情形时，自气体供给部23仅将等离子生成气体供给至内部空间212。基体保持部24保持基体S。基体搬入搬出口25设于壁211，其是于成膜前自真空容器21之外向基体保持部24搬入基体S时、及于成膜后自基体保持部24向真空容器21之外搬出基体S时，使基体S通过的搬入搬出口。除搬入搬出基体S时以外，基体搬入搬出口25以盖构件251密闭。高频电源26是向下述天线11供给高频电流的电源。阻抗匹配器27以将来自高频电源26的高频电流高效地导入至天线11的方式调整阻抗。

等离子源10在本实施方案中，于1台等离子处理装置1中设有2个。但是，等离子源10的个数并非限定于此，可仅为1个，亦可为3个以上。各等离子源10具有天线11、天线固定框(上述的框)12、板状的绝缘材13、板状的介电窗14、2根高频电流供给条15、及气密保持部16。

于本实施方案中，天线11使用由金属制的板构成的面状天线。于本实施方案中，天线11的材料使用铜，但亦可为铜以外的导电体。于天线11的一表面分别接触2根高频电流供给条15。该2根高频电流供给条15互相大致平行，通过馈电端子151及馈电线152连接于高频电源26及阻抗匹配器27。各高频电流供给条15的长度为30mm，2根高频电流供给条15的间隔为150mm。

于天线11的上述一表面，除高频电流供给条15所接触的部分以外，绝缘材13与其接触。于绝缘材13的与天线11接触的面，设有收容高频电流供给条15的缺口。于天线11的另一表面，介电窗14与其接触。因此，天线11成为由绝缘材13及介电窗14夹住的状态。换言之，形成绝缘材13、天线11、介电窗14依序积层而成的积层体110。积层体110将介电窗14的一侧朝向设于真空容器21的壁(上壁)211的开口213而配置。

绝缘材13的材料可使用氧化铝、氧化锆、氮化硅、氮化铝等。于所述材料中，就热传导率相对较高的方面而言，适合使用氮化铝。介电窗14亦可使用与绝缘材13相同的材料。

天线固定框12具有包围积层体110的侧面的框本体部121、及自该框本体部121向积层体110的绝缘材13侧的表面突出而覆盖该表面的一部分的突出部122。若将积层体110的绝缘材13侧设为上侧，则天线固定框12在垂直于积层体110的剖面呈现倒L字形的形状。于框本体部121设有自上表面贯穿至下表面的孔，通过插通至该孔的螺栓123，天线固定框12固定在位于开口213的周围的真空容器21的壁(上壁)211。于壁(上壁)211的上表面的较框本体部121更内侧，配置有气密保持部16，积层体110以由突出部122及气密保持部16上下夹住的状态固定。气密保持部16分别于框状的构件的上表面及下表面设有密封材(O环)161。上表面的密封材161压抵于介电窗14，下表面的密封材161压抵于壁(上壁)211。通过此种构成，等离子源10作为气密性地封闭开口213的盖构件而发挥功能。

为了使生成于真空容器21的内部空间212的高频电磁场较大，较佳为积层体110内的介电窗14较薄。又，于天线11中，高频电流由于集肤效应而仅流动于表面附近，因此将天线11设为较厚会浪费材料。另一方面，积层体110的介电窗14侧与真空的真空容器21的内部空间212接触，且绝缘材13侧与大气接触，而受到因真空与大气压的压力差所产生的力，因此需要具有能够抵抗该压力差的机械强度。因此，绝缘材13较佳为较厚。但是，若绝缘材13过厚，则天线11的热的发散效率降低。又，所需机械强度亦仰赖于真空容器21的开口213的大小。考虑以上方面来决定天线11、绝缘材13及介电窗14的厚度。于本实施方案中，开口213为长边210mm、短边160mm的长方形，将天线11的厚度设为0.6mm，将绝缘材13的厚度设为20mm，将介电窗14的厚度设为3mm。当然，能够适当变更其等的厚度。例如，可将天线11的厚度设为1～1000μm的范围内，将绝缘材13的厚度设为3～20mm的范围内，将介电窗14的厚度设为5mm以下的范围内，进而各构件的厚度亦可为此处所列举的范围之外。

再者，于本实施方案的等离子源10中，未设置通过流动冷媒来冷却天线11的冷却机构。

(2)第1实施方案的等离子源的动作

将第1实施方案的等离子源10的动作与具有该等离子源10的等离子处理装置1的动作一同进行说明。

首先，打开基体搬入搬出口25的盖构件251，将基体S搬入至真空容器21的内部空间212。其后，通过将基体S载置于基体保持部24之上，而使其被保持于该基体保持部24。之后，封闭基体搬入搬出口25的盖构件251，通过真空泵22使真空容器21的内部空间212为真空。进而，通过气体供给部23将等离子生成气体及成膜原料气体供给至内部空间212。继而，自高频电源26将高频电流导入至天线11。由此，于内部空间212生成高频电磁场，通过使等离子生成气体的分子解离而生成等离子。通过该等离子，成膜原料气体的分子被分解而沉积于基体S，从而进行成膜。

于进行此种成膜期间，由于高频电流流动而自天线11产生热。如此产生的热如图2中的箭头所示，通过绝缘材13及天线固定框12，流入真空容器21的壁211。此处，天线11的周围由天线固定框12包围，因此天线11所产生的热可自其周围高效地流出至天线固定框12。又，真空容器21的壁211具有足够大的热容量，并且与大气接触亦产生散热，因此可充分地散热而使天线11冷却。于该冷却时，无需使用通过流动冷媒来冷却天线11的冷却机构，因此本实施方案的等离子源10可抑制装置的初期成本及运转成本。

又，本实施方案中使用面状的天线11，向接触于该天线11的表面且相互大致平行的2根高频电流供给条15之间供给高频电流，因此高频电流如图3中的箭头所示，于面状天线的面扩散流动。因此，本实施方案的天线11中可流动较线状的天线大的电流。又，亦自面状的天线11的表面经由绝缘材13向大气散热，因此可使散热的效率更高。

以下，示出进行如下实验所得的结果：测定使用第1实施方案的等离子源所生成的等离子的电子密度。作为比较例，一同示出一面使冷媒流动于由现有的导电体制的管构成的管状天线的管内，一面测定所生成的等离子的电子密度所得的结果。管状天线于2处位置各弯折90°而为大致U字状的形状，该2处位置的间隔为100mm。于该实验中，第1实施方案的等离子源及管状天线分别各使用1个，以压力成为1.0Pa、流量成为10sccm的方式，导入作为等离子生成气体的氩气。其后，于50～400W的范围内向天线输入高频电力，于距离天线115mm的位置利用朗缪尔探针(langmuir probe)测定等离子的电子密度。

实验结果示于图4。第1实施方案、比较例均是电子密度与高频电力的大小成比例地变高。此意味着第1实施方案、比较例均是即便使高频电力增加，天线的冷却亦可顺利进行。因此，可谓根据第1实施方案的构成，在不设置使用冷媒的冷却机构的情况下，可与设有此种冷却机构的比较例同样地冷却天线，可获得更低成本的等离子源。又，关于电子密度，第1实施方案高于比较例。考虑其原因在于，第1实施方案的天线的电感小于比较例，因此高频电流变大。

(3)第2实施方案的等离子源的构成

于图5示出第2实施方案的等离子源10A的概略构成。该等离子源10A与第1实施方案的等离子源10同样，以封堵设于等离子处理装置1的真空容器21的开口213的方式，安装于该真空容器21的壁211。于图5中，等离子源10A以外的等离子处理装置的构成要素仅示出真空容器21的壁211的一部分及开口213，省略其等以外的图示。

等离子源10A具有天线11A、天线固定框12、第1绝缘材131A、第2绝缘材132A、介电窗14、2个高频电流供给块1511、1512、及气密保持部16。天线固定框12、介电窗14及气密保持部16的构成与第1实施方案所具有的构成相同。

第1绝缘材131A载置于介电窗14之上，具有挖通绝缘体制的板材的中央的框状的形状，于其框内配置有天线11A及第2绝缘材132A。

天线11A是由具有可挠性的厚度500μm的金属制的片材所构成的面状天线。作为此种片材，适合使用由铜或铝等构成的金属箔。

第2绝缘材132A由大致长方体的绝缘体构成。第2绝缘材132A的底面1323、4个侧面中的相对向的2个侧面1322、1324、及分别与该2个侧面1322、1324接触的上表面的一部分区域1321、1325与天线11A接触。换言之，天线11A以如下方式设置：自与一侧面1322接触的上表面的一部分区域1321起，卷绕于该侧面1322、底面1323、另一侧面1324、与该另一侧面1324接触的上表面的一部分区域1325。于该状态下，将第2绝缘材132A的底面1323作为下侧，以上述方式，于第1绝缘材131A的框内配置有天线11A及第2绝缘材132A。因此，天线11A中，卷绕于第2绝缘材132A的底面1323的部分面向介电窗14，卷绕于第2绝缘材132A的侧面1322、1324的部分面向第1绝缘材131A及其外侧的天线固定框12。

配置于第1绝缘材131A与天线11A之间、及天线11A与其下侧的介电窗14之间设有间隙，于该间隙填充有为介电体且由树脂亦即硅氧树脂滑脂构成的接着剂134。与第1绝缘材131A与天线11A、及天线11A与介电窗14直接接触的情形相比，通过该接着剂134使其等的热接触变得更良好。

于第1绝缘材131A，通过螺栓154固定有2个高频电流供给块1511、1512。因此，第1绝缘材131A与第2绝缘材132A通过高频电流供给块1511、1512而连接。

第1绝缘材131A的侧方被天线固定框12的框本体部121包围，第1绝缘材131A的上表面的一部分接触天线固定框12的突出部122。第1绝缘材131A、介电窗14、及气密保持部16于所述3个构成要素重叠的状态下，上下由突出部122及真空容器21的壁211的上表面夹住，框本体部121以螺栓123固定于壁211，由此，所述3个构成要素亦得到固定。介电窗14与气密保持部16之间、及气密保持部16与真空容器21的壁211的上表面之间分别设有密封材(O环)161。

2个高频电流供给块1511、1512皆为金属制的块体，其中一者连接于高频电源26的一电极，另一者连接于高频电源26的另一电极(于图5中省略高频电源26的图示)。一高频电流供给块1511于第2绝缘材132A的上表面的上述区域1321，将天线11A压抵于第2绝缘材132A，由此而固定；另一高频电流供给块1512于上述区域1325，将天线11A压抵于第2绝缘材132A，由此而固定。高频电流供给块1511、1512除了存在所述天线11A的区域以外，与第2绝缘材132A的上表面接触，通过螺栓153固定于第2绝缘材132A。

(4)第2实施方案的等离子源的动作

设有第2实施方案的等离子源10A的等离子处理装置利用与第1实施方案的等离子处理装置1相同的方法，将基体S保持于基体保持部24，于使真空容器21的内部空间212为真空后，自气体供给部23将等离子生成气体及成膜原料气体供给至真空容器21的内部空间212，自高频电源26向天线11A导入高频电流。由此，于真空容器21的内部空间212生成高频电磁场，利用该高频电磁场使等离子生成气体的分子解离，由此生成等离子。继而，由该等离子分解而成的成膜原料气体的分子沉积于基体S上，由此进行成膜。于真空容器21的内部空间212的高频电磁场的生成，主要由天线11A中的面向该内部空间212且卷绕于第2绝缘材132A的底面1323的部分所贡献。因此，该部分可理解为面状天线。

于进行成膜期间，由于高频电流流动而自天线11A产生的热如图6中的箭头所示，一部分通过第2绝缘材132A及高频电流供给块1511、1512流入至第1绝缘材131A，另一部分通过(不经由第2绝缘材132A)高频电流供给块1511、1512流入至第1绝缘材131A，又一部分通过接着剂134流入至第1绝缘材131A。如此以多种途径流入至第1绝缘材131A的热通过天线固定框12，流入至真空容器21的壁211。如上所述，真空容器21的壁211具有足够大的热容量，并且与大气接触亦产生散热，因此可使热自天线11A充分地散去，而使天线11A冷却。此处，天线11A的周围由天线固定框12包围，因此可使天线11A所产生的热高效地流出至天线固定框12。又，于本实施方案中，天线11A中的卷绕于第2绝缘材132A的侧面1322、1324的部分面向天线固定框12，因此可进一步提高使天线11A的热流出至天线固定框12的效率。进而，天线11A的热亦可通过第2绝缘材132A散至大气中。

第2实施方案的等离子源10A与第1实施方案同样，无需使用通过流动冷媒来冷却天线11A的冷却机构。因此，可抑制装置的初期成本及运转成本。

以下，为了确认第2实施方案的等离子源中的天线等的冷却效率，对如下实验的结果进行说明：分别将温度感测器贴附于天线11A、第1绝缘材131A、第2绝缘材132A、及介电窗14的各部分，测定等离子生成中的各部分的温度变化。并且，对未于天线11A与第1绝缘材131A之间、及天线11A与介电窗14的间隙填充接着剂134(保持间隙)的例子亦进行实验。此处，将该间隙的大小设为2mm，将接着剂134设为硅氧树脂滑脂，将等离子生成气体亦即氩气的压力设为1.0Pa，将该氩气的流量设为10sccm，将输入至天线11A的高频电力设为500W。各部位的温度于等离子点亮刚开始后(0分钟)、以及5分钟、10分钟、15分钟及30分钟后进行测定。

测定结果示于图7。将于间隙填充有接着剂134的情形与未填充的情形进行对比，发现：相对于第1绝缘材131A及第2绝缘材132A两者之间未见明显的温度差异，天线11A及介电窗14则于填充有接着剂134的情形时显著地发挥出温度抑制的效果。

本发明的等离子源并非限定于上述的实施方案，可于本发明的主旨的范围内进行变形。

Claims (10)

1.一种等离子源，其是于真空容器内生成等离子的装置，其具备：

a)设于上述真空容器的壁的框、及

b)固定于上述框内的面状的天线。

2.如权利要求1所述的等离子源，其中上述框的材料为金属。

3.如权利要求1或2所述的等离子源，其中上述框及上述天线设于封堵上述真空容器所具有的开口的盖构件。

4.如权利要求3所述的等离子源，其进一步具备介电窗，该介电窗是介电体制的板材，配置于上述天线的上述真空容器的内部侧。

5.如权利要求4所述的等离子源，其进一步具备真空密封件，该真空密封件配置于上述开口的周围的上述壁与上述介电窗之间。

6.如权利要求4所述的等离子源，其于上述天线与上述介电窗之间填充有介电体制的接着剂。

7.如权利要求4所述的等离子源，其中上述介电窗的厚度为5mm以下。

8.如权利要求3所述的等离子源，其进一步具备绝缘体板，该绝缘体板是绝缘体制的板材，配置于上述天线的上述真空容器的外部侧，与上述框接触。

9.如权利要求8所述的等离子源，其于上述天线与上述绝缘体板之间填充有介电体制的接着剂。

10.如权利要求1或2所述的等离子源，其中上述天线的厚度为1～1000μm。

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