JP2001023972A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 湾曲性のあるフィルムあるいは薄膜等の材料
のガスプラズマ処理の効率向上。 【解決手段】断面が円形または楕円形形状の管を有する
二重管電極構造をもち、その二重管電極の少なくとも一
方に試料を機械的クランプ、差圧真空吸着あるいは静電
吸着等の手法によって装着し、試料に対向する側の電極
に試料装着管と相似形の円管あるいは楕円管を配置し、
かつこれらの電極管の両端を絶縁を図りながら閉鎖する
ことによって電極間部分を密閉容器として減圧できる形
状にすることによってプラズマを生成せしめる装置構造
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、本装置より形成さ
れるプラズマがどの放電部位においても均一電界を持
ち、非点対称形状でかつ湾曲性のあるフィルムあるいは
薄膜材料のプラズマエッチングあるいは成膜を材料面に
対して均一電界内で処理することが可能であることか
ら、高い均一性のエッチングあるいは成膜処理が行え、
かつ処理に必要な減圧部分体積を最小化し、かつ処理利
用面積が最大限に利用できる形状にすることができ、高
い生産性が得られるようにしたことを特徴とするプラズ
マ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロエレクトロニクス分野におい
て、高周波ガスプラズマによる湾曲性のあるフィルムあ
るいは薄膜材料の表面処理、微細加工処理あるいは成膜
処理の需要は最終電子部品の薄膜化によって近年増加し
ており、その大きさも年々大きくなり、近年では５００
ミリ角程度のフィルムあるいは薄膜の加工必要性も出て
きている。これらに主に用いられるプラズマ装置は平行
平板電極型の高周波プラズマ装置が主であり、特に耐熱
高絶縁性薄膜は近年の電子部品製造において、ますます
利用用途が拡大していて、本材料のエッチング加工等に
際して、異方性のある処理形状が必要な場合が多く、多
くは平行平板電極リアクティブイオンエッチング装置が
用いられている（図１）。

【０００３】一般的に、処理対象試料は矩形形状が多
く、具体的には試料を平面電極に単枚あるいは複数枚装
着し、処理容器内を減圧し、反応性ガスを導入した上で
対向平面電極間との間にて１３．５６ＭＨｚ等の高周波
連続放電を行うことにより、物理的・化学的気相反応処
理を行う方法が一般的である。その場合、前記電極平板
を真空容器内に水平装着（図２）、あるいは垂直装着
（図３）の方法が一般的である。

【０００４】また微細加工エッチング処理においては、
処理途中の基板温度制御が必要で、試料装着方法及び治
具等の簡易性から処理試料の装着が平板電極平面上に行
われることが一般的に行われていて、かつエッチング加
工等においては必然的に異方性エッチング形状をもたら
すために高周波印加平板電極側に試料装着がなされるこ
とが一般的である。

【発明が解決しようとする課題】

【０００５】平行平板電極型プラズマ装置においては、
その処理の均一性は高周波印加電極間の電界強度の均一
性に依存する。一般的には電極コーナー部の電界不均一
が問題になる事が多く、このため電界均一の取りやすい
点対称円形電極が点対称非円形あるいは非点対称電極よ
り処理の均一性に対して有効となる。均一性の向上は処
理の信頼性に影響するだけでなく、より均一性が高いこ
とにより、処理材料内部のどの部位でも処理時間が同じ
になることから、処理生産性に直接関与する最重要な因
子でもある。

【０００６】通常、フィルムあるいは薄膜等の試料は点
対称非円形あるいは非点対称形の物が主であり、主に矩
形試料がほとんどである。また湾曲性のあるフィルムあ
るいは薄膜処理材料は通常絶縁材料が多く、フィルムあ
るいは薄膜等の試料を電極に装着した場合、装着電極が
点対称円形電極の場合においては装着部分と非装着部分
との高周波電界強度が異なり、結果として不均一処理と
なることから、非装着部分にフォーカスリングと称され
るような絶縁材料を装着することが多い。

【０００７】あるいは電極自体を当該試料形状と同形状
として極力電界均一を取ろうとする手法が用いられる
が、当該試料形状が非点対称形状が多いことから、当該
試料周囲部と中心部との処理速度不均一は免れず、圧
力、ガス流量、パワー等のプラズマ処理条件因子の最適
化によって処理条件を適合させる努力がなされている
が、これらの作業は２次的対処法であって根本的な解決
方法とは言えない。

【０００８】また一般的には、平行平板電極が装着され
ている真空容器自体が通常接地されている場合が多く、
高周波印加平板電極と接地されている真空容器壁面との
間にも電界が形成されるため、この影響を少なくするた
めに高周波印加平板電極と真空容器壁面との距離を大き
くして当該試料が一般的に装着されている高周波印加平
板電極上の電界の均一化を図っている場合が多い。

【０００９】前記のような問題点の対処方法としては、
電界不均一の影響を少なくするために、あえて電極を試
料より大きくして、電極周囲あるいは試料周囲の電界不
均一状態を解消しようとする試みが用いられることもあ
るが、これによって高周波印加平板電極上の電界密度を
維持するためにより大きな高周波電力投入が必要とな
り、また平板電極の大型化によって必然的に真空容器体
積が増加するため、プラズマ密度を維持するために、ガ
ス流量及び投入高周波電力の増加をさらに誘発し、排気
系自体もさらに大型化する必要があり、装置の生産性を
大幅に低下させかつ、装置を高価なものとする要因とな
る。

【００１０】さらに異方性エッチング処理の場合、試料
装着電極側に高周波セルフバイアスを発生させ、プラズ
マからのイオンの陰極降下による物理的エッチングを利
用することから、対向高周波接地電極を高周波印加電極
面積より大きくとることが有効なことから、通常真空容
器側が接地電極となっていてこの面積確保の為に真空容
器体積が大きくなるのが通常であるが、これによってさ
らに真空排気系の容量の増加が必要となって装置コスト
の上昇を招く結果となる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】プラズマ処理装置は、装
置全体の設計にできるだけ制約を与えることなく、非点
対称のフィルムあるいは薄膜を高均一性をもって異方性
エッチングを行うことができ、かつ生産性を維持するた
めに大面積のフィルムあるいは薄膜を複数枚処理するこ
とができ、真空容器体積をできるだけ小さくすることが
求められるが、これらの課題を克服するためには、フィ
ルムあるいは薄膜が湾曲し得ることを利用した装置設計
により、高均一電界をフィルムあるいは薄膜に対して与
えられる装置構造が必要となる。

【００１２】これらの課題を解決するために、従来の平
行平板電極ではなく、断面が円または楕円形状の管を電
極として用いて、湾曲するフィルムあるいは薄膜等の処
理試料を装着し、その前記の処理試料に対向する側に、
前記の処理試料が装着された管電極と断面が相似形の電
極管を、前記の処理試料装着面と等距離となるように配
置し、かつ電極間の絶縁を図りながら閉鎖し、電極間部
分を密閉容器として減圧できる形状にすることによっ
て、プラズマを生成せしめる二重管電極を有するプラズ
マ装置構造とする（図４）。尚、電極管への前記の処理
試料の装着は、機械的クランプ、差圧真空吸着あるいは
静電吸着等の手法によって行われる。

【００１３】特に二重管の断面のすべての位置において
電極間が等距離になるようなプラズマ装置では、管状の
高周波印加電極と接地電極間にはすべての位置において
フィルムあるいは薄膜に対して垂直な方向に同一強度の
電界が発生し、フィルムあるいは薄膜に対して高均一な
プラズマ処理加工が可能となる。

【００１４】また接地対向電極を外管に配置し、内管を
高周波印加電極とした場合、接地電極側面積は高周波印
加電極側面積に対して増加し、異方性エッチングに必要
な十分な陰極降下バイアスを高周波印加電極側にもたら
し、さらに両電極間はすべて連続的になめらかな曲面を
形成することから、電界集中等によるプラズマ不均一に
起因する異常放電現象等も起こらない形状となり装置の
信頼性がより向上する。

【００１５】また、真空減圧に必要な部位は、二重管電
極に挟まれた通常管壁間隔約３０ミリから５０ミリ程度
の隙間となり、真空減圧部位の体積を最小化することが
可能となる。これによって必要とされる供給反応ガス導
入量の低下と、減圧に必要な真空排気系の必要容量は最
小化され、高周波投入電力も処理有効電極面積が最大利
用できることから低下する。さらに真空容器形状が円ま
たは楕円管形状となるため、外圧強度が高く、真空隔壁
の必要厚も小さくなる。この結果から装置コスト並びに
運転コストの大幅な低下をもたらす。

【００１６】さらにフィルムあるいは薄膜の加工及び成
膜処理において、フィルムあるいは薄膜等の処理試料を
冷却あるいは加熱する必要がある場合は、外管電極、内
管電極の少なくとも一方に冷却機構あるいは加熱機構を
内蔵することができ、処理試料装着電極となる高周波印
加電極を内管電極に設置した場合、当該内管電極内面側
の体積は大きく、大きな熱容量を持ち得ることになり温
度制御の効率を向上せしめる構造が容易となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施態様を図面に
示す実施例に基づき説明する。

【００１８】

【第一実施例】図５において真空容器１１は、接地電極
となる外径３５０ミリ内径３００ミリ長さ１５０ミリの
円筒アルミ管１２と高周波印加電極となる外径２２０ミ
リ長さ１５０ミリの円筒アルミ１３及び厚み１５ミリの
アルミナ製両端絶縁板１４及び１５により閉鎖される部
分にて構成される。アルミナ製絶縁板１４には真空排気
口１６が設けられていて、真空圧調整バタフライバルブ
１７を経て排気速度約１０００リットル／分の油回転ロ
ータリー真空ポンプ３１に接続されている。アルミナ製
絶縁板１５には１／４インチ外径のガス導入管がオーリ
ングシールフィッティング１８により取りつけられ、流
量制御ユニット１９より酸素及び四弗化炭素ガスの８．
５：１．５混合比のガスが最大５００ｃｃ／分の流量に
て供給される。

【００１９】真空容器内の圧力は真空排気口１６と真空
圧調整バタフライバルブ１７との間に接続されているピ
ラニー真空計２０により測定される。真空容器のシール
は円筒アルミ管１２及び円筒アルミ１３とアルミナ製両
端絶縁板１４及び１５との間においてオーリングシール
２１により気密されている。高周波印加電極となる円筒
アルミ１３には冷却水ジャケット２２があり、冷却水が
供給され約２０度に冷却されている。高周波電力は１
３．５６ＭＨｚ、２Ｋｗ最大出力高周波電源２３よりパ
イ型自動マッチングネットワーク２４を経由して円筒ア
ルミ１３に接続されていて、接地側端子は円筒アルミ管
１２に接続されている。

【００２０】円筒アルミ１３の減圧側表面は静電吸着用
セラミック溶射型の双極型静電チャック２５が一面に処
理されていて表面は絶縁物状態となっている。前記静電
チャックには１３．５６ＭＨｚノイズフィルター２６を
経由して静電チャック用最大＋−３Ｋｖ、１ｍＡ直流電
源２７に接続されている。試料２８は厚み１８ミクロン
の銅箔上に厚み４０ミクロンのポリイミドフィルムが形
成されている幅１５０ミリ長さ３４５ミリの試料２枚
が、静電チャックにより円筒アルミ１３上に吸着設置さ
れている。試料装着後、円筒アルミ管１２及び円筒アル
ミ１３は中心軸が同じになるようにアルミナ製両端絶縁
板１４及び１５によりはめ込み位置決めされるように組
み立てられ、円筒アルミ管１２とアルミナ製両端絶縁板
１４及び１５はＭ５ネジ２９によって固定支持される。
その後真空容器保持架台３０にて安定するように荷重支
持され設置される。

【００２１】次に、作動状態を説明する。図５におい
て、真空圧調整バタフライバルブ１７を徐々に開けて全
開として容器真空圧力がベース圧力である５Ｐａとなる
まで減圧する。その後ガス流量制御ユニット１９を制御
して反応ガスとして酸素及び四弗化炭素ガスの８．５：
１．５混合比のガスを１００ｃｃ／分真空容器内に導入
し、さらに真空圧調整バタフライバルブ１７を調整して
真空容器圧力が７０Ｐａとする。高周波電源２３より１
３，５６ＭＨｚ、１Ｋｗの高周波電力を印加し、高周波
印加電極すなわち試料設置電極に約１Ｗ／平方センチの
パワー密度にてプラズマを生成せしめる。１０分間の処
理時間後、高周波電力をオフとし、その後反応ガス供給
を停止して、真空圧調整バルブを閉としてから、真空容
器大気開放のためのパージエアをガス流量制御ユニット
より導入して真空容器を大気圧に戻し、真空容器を形成
する円筒アルミ管１２とアルミナ製両端絶縁板１４及び
１５を固定しているＭ５ネジ２９を取り外し、試料を取
りだし、試料各点のエッチング処理後の厚みをマイクロ
メーターを用いて測定し、処理前厚との差によってエッ
チング速度並びに処理の均一性の評価を行った。

【００２２】本実施例での処理テストの結果ではエッチ
ング速度は約１．５ミクロン／分を得、試料の周囲より
１０ミリ内部位置８点及び中心点１点での９点での均一
性の評価では１０分間処理のエッチング量のばらつき
は、マイクロメーターの測定限界である１ミクロン以下
／１０分処理であり、高い均一性でエッチング処理が行
えた。

【００２３】

【比較例】本発明での効果を従来の方法と比較するため
に、図６の形式の従来の平行平板型プラズマ装置を用い
て前記同一試料を用いてエッチングを行った。使用した
装置真空容器はアルミ製の円筒形容器で外径１２００ミ
リ、内径８００ミリ、高さ１８０ミリで、２つの平行平
板電極は円形直径５００ミリ厚さ５０ミリの電極を使用
し、高周波印加電極側には試料面設置側一面を覆う静電
吸着用セラミック溶射型の双極型静電チャックを使用
し、さらに高周波電極側は下部より水冷ができる構造と
した。なお２つの電極間距離は４０ミリとした。さらに
真空容器の体積が大きいため、またガス流量を増加する
必要から約６０００リットル／分の排気速度をもつ真空
排気ポンプを用いた。

【００２４】前記実施例１と同様の試料を高周波印加電
極側に設置してから、容器真空圧力がベース圧力である
５Ｐａとなるまで減圧し、その反応ガスとして酸素及び
四弗化炭素ガスの８．５：１．５混合比のガスを４００
ｃｃ／分真空容器内に導入し、さらに真空圧調整バタフ
ライバルブを調整して真空容器圧力が７０Ｐａとする。
高周波電源より１３，５６ＭＨｚの高周波電力を２キロ
ワット印加し、高周波印加電極すなわち試料設置電極に
約１ワット／平方センチのパワー密度にてプラズマを生
成し、静電吸着を行い試料を高周波印加電極に吸着させ
エッチングを１０分間行った。

【００２５】本比較例での処理テストの結果ではエッチ
ング速度は約１．０ミクロン／分を得、試料の周囲より
１０ミリ内部位置８点及び中心点１点での９点での均一
性の評価ではエッチング量のばらつきは、矩形試料の４
隅のコーナー部分のエッチング量が中心部より速く、中
心部分のエッチング速度が約０．８５ミクロン／分に対
して、コーナー部分では約１．１ミクロン／分となっ
た。さらに圧力条件を変化させ均一性の向上を図った
が、圧力をより下げると徐々に改善は見られたが、同時
にエッチング速度が低下し、３５Ｐａ圧力ではエッチン
グ速度は０．６ミクロン／分となった。

【００２６】本比較例での処理の不均一は円形の試料設
置電極に対して、矩形の試料を用いたために発生したも
のと考えられるが、従来の平行平板型プラズマ装置で、
矩形形状の電極を使用する場合、円筒型真空容器ではさ
らに大きな真空容器が必要であり内部真空部体積が増大
し、また直方体型真空容器ではプラズマの均一性を維持
するために、電極周囲の間隔を大きく取る手法がとられ
ていて、いずれの場合も真空容器体積が増加し、装置コ
ストの増加とともに、真空ポンプの排気仕様を大きくす
る必要が生じて装置コストを上昇させることになる。

【００２７】また同一の電極面積に対する電力密度にお
いてエッチング速度が前記実施例に比べて低下するの
は、減圧部分容器体積に対する印加電力密度の低下すな
わちプラズマにより発生する試料処理部でのエッチング
種密度の低下と考えられるため、エッチング速度を得る
ためにさらに供給高周波電力を増加させる必要が生じる
と考えられる。この供給高周波電力の増加は高周波電源
並びに高周波整合機コストの増加をもたらす。

【００２８】前記第一実施例と本比較例を比較すると、
試料用設置電極面積に対して同一の高周波電力密度にお
いて、本発明による実施例ではエッチング速度では１．
５倍となり、均一性は大幅に改善される。

【００２９】また容器内減圧部分の体積は、前記第一実
施例の装置では、約４９００立方センチメートルに対し
て、本比較例の装置では、約１９６００立方センチメー
トルとなり体積比で４倍となり、これによって必要とさ
れるガス供給量は前記実施例に比べて４倍必要となり、
また真空ポンプの真空排気容量はガス流量の増加と容器
内減圧部分体積の増加で６倍必要とした。本発明による
装置の場合、従来の方法に比べると容器内必要減圧部分
の体積は少なくとも確実に５０％以下とすることができ
る。

【００３０】この容器内必要減圧部分体積の低下は、す
なわち真空排気ユニットの必要容量が小さくてすみ、ま
た装置の大幅な小型化が実現でき、かつ体積あたりの供
給高周波電力密度維持を考慮すると、供給高周波電力ユ
ニット容量も最小化でき、大面積の湾曲し得る試料を処
理するにあたって本発明の方法は有効である。

【００３１】

【その他の実施例】図７は第一実施例のものからの変形
で、２重管電極で構成される真空容器の外管電極内面及
び内管電極外面の断面形状の一部において相似形でかつ
当該外管電極内面と当該内管電極外面の距離が等間隔で
ある物を含む実施例である。

【００３２】図８はこれも第一実施例のものからの変形
で、２重管電極で構成される真空容器の外管電極の外部
より磁場を与えて、前記外管電極と前記内管電極との間
に生成せしめたプラズマの電子及びイオン密度を上げる
物を含む実施例である。

【００３３】本発明の応用分野は全てのフィルム及び薄
膜処理を行う分野で、エッチング，アッシング，洗浄、
ＣＶＤ，改質処理，表面処理等である。

【００３４】本発明は前記した実施例や実施態様に限定
されず、特許請求の精神および範囲を逸脱せずに種々の
変形を含む。

【００３５】

【発明の効果】本発明によるプラズマ処理装置の構成に
より湾曲しうるフィルム並びに薄膜材料の加工あるいは
成膜処理において、高均一電界分布構造により処理の高
均一性及び高信頼性の実現でき、処理面積に対する真空
容積の最小化が図れることから生産性の向上及び装置コ
スト及び運転コストの大幅低下が可能となる。さらには
円状あるいは楕円状２重管構造のため、装置のさらなる
大型化に際しても、処理部分の電極間隔に変化を及ぼす
ことなく管軸方向並びに管軸に垂直な方向に装置を大型
化することが可能であり、電界分布を変化せしめること
なく装置の大型化が可能であるため、装置全体の拡張性
に富む。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の平行平板電極型プラズマ処理装置の概略
断面図である。

【図２】従来の試料水平設置型の平行平板電極バッチ式
プラズマ処理装置の概略断面図である。

【図３】従来の試料垂直設置型の平行平板電極バッチ式
プラズマ処理装置の概略断面図である。

【図４】本発明のプラズマ処理装置形状を規定する為の
説明図である。

【図５】本発明の第一実施例を含むプラズマ処理装置の
鉛直断面図である。

【図６】比較例を含む従来の並行平板型プラズマ処理装
置の鉛直断面図である。

【図７】本発明の第二実施例を含むプラズマ処理装置の
水平断面図である。

【図８】本発明の第三実施例を含むプラズマ処理装置の
水平断面図である。

【符号の説明】

１…高周波電極Ａ（対向電極側） ２…高周波電極Ｂ（試料電極側） ３…真空容器 ４…処理試料 ５…高周波電力 ６…処理反応ガス導入部 ７…真空ポンプ １１…真空容器 １２…円筒アルミ管 １３…円筒アルミ １４…アルミナ絶縁板 １５…アルミナ絶縁板 １６…真空排気口 １７…真空圧調整バタフライバルブ １８…オーリングシールフィッティング １９…ガス流量制御ユニット ２０…ピラニー真空計 ２１…オーリングシール ２２…冷却水ジャケット ２３…高周波電源 ２４…マッチングネットワーク ２５…静電チャック ２６…ノイズフィルター ２７…直流電源 ２８…試料 ２９…ネジ ３０…真空容器保持架台 ３１…真空ポンプ ３２…アルミナ製絶縁リング ３３…磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 CA12 FA03 GA01 KA16 KA26 KA30 KA34 4K057 DA16 DA20 DD01 DE08 DG07 DG08 DG12 DG13 DM06 DM40 DN01 5F004 AA01 BA20 BB13 BC03 CA02 CA03 CA05 DA01 DA26 5F045 AA08 AC02 AC11 BB01 BB08 EC02 EG02 EH04 EH15 EM04 EM05

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外側が円筒または楕円筒形状の外管電極
   であって、内側が円筒または楕円筒あるいは円柱または
   楕円柱形状の内管電極であって、その外管電極と内管電
   極との間を減圧しうるように両端が閉鎖され、その外管
   電極と内管電極の管の延伸方向に垂直な断面の一部が相
   似形でかつその相似部分の外管電極と内管電極との距離
   が等間隔であって、その外管電極と内管電極とが電気的
   に絶縁されている二重管電極構造を有するプラズマ処理
   装置であり、その処理装置でもって二重管電極の外管電
   極内面または内管電極外面に湾曲性を有するフィルムあ
   るいは薄膜等の材料を装着し、その外管電極と内管電極
   との間の減圧された領域に反応性ガスを導入した後、そ
   の外管電極と内管電極との間に高周波電力を印加するこ
   とによってプラズマを発生させ、そのプラズマにより前
   記フィルムあるいは薄膜等の材料をエッチングまたは成
   膜処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 外側が円筒または楕円筒形状の外管電極
   であって、内側が円筒または楕円筒あるいは円柱または
   楕円柱形状の内管電極であって、その外管電極と内管電
   極との間を減圧しうるように両端が閉鎖され、その外管
   電極と内管電極の管の延伸方向に垂直な断面の全部が相
   似形でかつその相似部分の外管電極と内管電極との距離
   が等間隔であって、その外管電極と内管電極とが電気的
   に絶縁されている二重管電極構造を有するプラズマ処理
   装置であり、その処理装置でもって二重管電極の外管電
   極内面または内管電極外面に湾曲性を有するフィルムあ
   るいは薄膜等の材料を装着し、その外管電極と内管電極
   との間の減圧された領域に反応性ガスを導入した後、そ
   の外管電極と内管電極との間に高周波電力を印加するこ
   とによってプラズマを発生させ、そのプラズマにより前
   記フィルムあるいは薄膜等の材料をエッチングまたは成
   膜処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記フィルムあるいは薄膜等の材料を電
   極に装着する方法が、機械的クランプ、真空差圧吸着あ
   るいは静電吸着等の方法であることを特徴とする請求項
   １または２記載のプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】 前記外管電極、内管電極の少なくとも一
   方に冷却機構あるいは加熱機構を内蔵することを特徴と
   する請求項１、２または３記載のプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】 前記外管電極、内管電極の少なくとも１
   方より磁場を与え、前記外管電極と内管電極との間に生
   成せしめたプラズマの電子及びイオン密度を上げること
   を特徴とする請求項１、２、３または４記載のプラズマ
   処理装置。