JP2004247485A

JP2004247485A - プラズマ生成装置、プラズマプロセス装置、プラズマ生成方法及びプラズマプロセス方法

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Publication number: JP2004247485A
Application number: JP2003035296A
Authority: JP
Inventors: Hajime Shirai; 肇白井
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】プラズマ生成装置の大小に関係なく、高密度のプラズマを廉価に生成する。
【解決手段】真空容器２１の内部空間において、その壁面と略平行となるように延在した、銅などの導電性材料からなる金属棒２２と、金属棒２２の側部と略平行に対向するようにして配置されたメッシュ電極２５と、金属棒２２とメッシュ電極２５とで形成された空間領域Ａ及びその近傍領域に配置された複数の誘電体球２３とからプラズマ生成装置２０を構成する。そして、プラズマガス導入管２４よりプラズマ生成ガスを真空容器２１内に所定の圧力となるように充填するとともに、真空容器２１の右方において金属棒２２と連結して設けられた、真空窓同軸変換器２７を介して、所定のマイクロ波を金属棒２２内に導入し、前記プラズマ生成ガスを励起してプラズマ化する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ生成装置、プラズマプロセス装置、プラズマ生成方法及びプラズマプロセス方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体プロセス技術への応用を目的に新規な高密度・低電子温度プラズマ生成装置の研究開発が盛んに行われている。このようなプラズマ生成装置の代表的なものとしては、誘導結合型ｒｆプラズマ（ＩＣＰ）生成装置、表面波プラズマ（ＳＷＰ）生成装置、超高周波プラズマ（Ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｌａｓｍａ：ＵＨＦ）生成装置、スポークアンテナ型マイクロ波プラズマ生成装置などが注目されている。これらのプラズマ生成装置を用いれば、電磁石やループアンテナなどの複雑な装置構成を必要とせず、装置構成を単純化することができる。
【０００３】
図１は、従来の誘電体窓型のプラズマ生成装置の一例を示す構成図である。図１に示すプラズマ生成装置１０は、プロセス容器１１とアンテナ１２とが誘電体窓１３を介して接続されており、プロセス容器１１内にガス導入管１４よりプラズマ生成ガスを導入するとともに、アンテナ１２を介して所定の電磁波を導入することにより、プロセス容器１１の、誘電体窓１３に近接した領域にプラズマＰを生成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に記載のプラズマ生成装置においては、誘電体窓１３を介して電磁波とプラズマとを結合させるため、半導体などのプロセス効率を向上させるなどの目的で装置全体を大型化しようとすると、装置全体にある程度の耐性を付与すべく、誘電体窓１３を厚く形成する必要が生じる。この結果、電磁波とプラズマとの結合割合が減少し、生成したプラズマＰの密度が劣化してしまうという問題があった。また、誘電体窓１３を構成する材料は比較的高価であるため、装置の大型化に伴って、誘電体窓１３が大きく、厚くなってしまうと、装置全体が高価になってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、プラズマ生成装置の大小に関係なく、高密度のプラズマを廉価に生成することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の真空容器と、
前記真空容器の内部空間において、前記真空容器の壁面と略平行となるように延在した金属棒と、
前記金属棒の側部と略平行に対向するようにして配置されたメッシュ電極と、
前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された空間領域の近傍に配置された複数の誘電体球と、
を具えることを特徴とする、プラズマ生成装置に関する。
【０００７】
また、本発明は、
所定の真空容器の内部空間において、前記真空容器の壁面と略平行となるように金属棒を延在させる工程と、
前記金属棒の側部と略平行に対向するようにしてメッシュ電極を配置する工程と、
前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された空間領域及びその近傍領域に複数の誘電体球を配置する工程と、
前記金属棒に対して電磁波を導入するとともに、前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された前記空間領域及び前記近傍領域にプラズマ生成ガスを導入し、前記空間領域及び前記近傍領域においてプラズマを生成する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマ生成方法に関する。
【０００８】
本発明によれば、図１に示すような従来のプラズマ生成装置とは異なり、反応容器とは別の真空容器を準備し、この真空容器内において、その壁面と略平行となるように金属棒を延在させるとともに、この金属棒の側部と略平行に対向するようにしてメッシュ電極を配置し、さらに前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成される空間領域及びその近傍領域に誘電体球を配置し、前記空間領域及び前記近傍領域でプラズマを生成するようにしている。したがって、前記金属棒及び前記メッシュ電極の大きさや、前記誘電体球の配置領域及び配置密度を適宜に調節することによって、生成するプラズマの大きさや密度を適宜に制御することができる。
【０００９】
なお、本発明のプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法においては、生成した前記プラズマに対して前記メッシュ電極は隣接するようにして存在する。したがって、生成した前記プラズマより所望のラジカル種を簡易に取り出すことができ、所望のプロセスに供することができる。
【００１０】
したがって、上述した本発明のプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法を半導体プロセスなどのプロセス技術に適用した場合に、プロセス効率を向上させるなどの目的でプロセス装置の大きさを拡大したような場合においても、前記プロセス装置の大きさに適応させたプラズマを簡易に形成することができる。そして、生成した前記プラズマより所望のラジカル種を取り出して、目的とするプロセスに供することができるようになる。
【００１１】
また、本発明によれば、従来のプラズマ生成装置などのように誘電体窓を用いる必要がないため、上述のようにプロセス装置を大きくしたような場合においても、装置のコスト増大を抑制して、目的とする大きさ及び密度のプラズマを廉価に生成することができる。
【００１２】
さらに、電磁波とプラズマとの結合が、誘電体窓などを介することなく、真空容器内で直接的に行われることから、目的とするプラズマを高効率で生成することができるようになる。
【００１３】
また、誘電体球はバッチ毎の交換が可能であることから、使用によって劣化した誘電体球の交換を簡易に行うことができ、常時目的とするプラズマを安定して生成することができる。
【００１４】
なお、上述した「金属棒とメッシュ電極とで形成された空間領域」とは、前記金属棒を通ってメッシュ電極と略平行な平面と前記メッシュ電極とで形成された空間領域を意味するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を発明の実施の形態に即して詳細に説明する。
図２は、本発明のプラズマ生成装置の一例を概略的に示す構成図である。図２に示すプラズマ生成装置２０は、真空容器２１と、この真空容器２１の内部空間において、その壁面と略平行となるように延在した、銅などの導電性材料からなる金属棒２２と、金属棒２２の側部と略平行に対向するようにして配置されたメッシュ電極２５とを有している。また、金属棒２２を通ってメッシュ電極２５と略平行な平面とメッシュ電極２５との間に形成された空間領域Ａと、この空間領域Ａの近傍において複数の誘電体球２３が配置されている。
【００１６】
真空容器２１は所定の真空度まで排気され、次いで、プラズマガス導入管２４よりプラズマ生成ガスを真空容器２１内に所定の圧力となるように充填する。次いで、真空容器２１の右方において金属棒２２と連結して設けられた、電磁波導入部としての真空窓同軸変換器２７を介して、所定のマイクロ波を金属棒２２内に導入する。すると、前記プラズマ生成ガスは前記電磁波によって励起され、プラズマ化される。
【００１７】
生成する前記プラズマの大きさ及び密度は、金属棒２２及びメッシュ電極２５の大きさや、誘電体球２３の大きさ及び配置密度などに変化する。したがって、金属棒２２及びメッシュ電極２５の大きさや、誘電体球２３の配置領域及び配置密度を適宜に調節することによって、生成するプラズマの大きさや密度を適宜に制御することができる。
【００１８】
前記プラズマはメッシュ電極２５と隣接して存在するので、前記プラズマを所定のプロセスに適用する場合は、所望のラジカル種をメッシュ電極２５を介して外部に取り出す。
【００１９】
なお、金属棒２２に対して導入した電磁波と、生成したプラズマとの結合は、従来のように誘電体窓などを介することなく、真空容器２１内で直接的に行われるため、前記プラズマを高効率で生成することができるようになる。
【００２０】
また、誘電体球２３はバッチ毎の交換が可能であることから、使用によって劣化した誘電体球２３の交換を簡易に行うことができ、常時目的とするプラズマを安定して生成することができる。
【００２１】
前記プラズマを空間領域Ａ及びその近傍で安定的に生成させるためには、誘電体球２３の直径を１ｍｍ〜１０ｍｍに設定することが好ましい。また、誘電体球２３の配置密度を１個／ｃｍ^２〜２００個／ｃｍ^２に設定することが好ましい。プラズマ密度を増大させるためには、このような配置密度の範囲内で、誘電体球２３の配置密度を低減する。プラズマ密度を低減させるためには、上述した配置密度の範囲内で、誘電体球２３の配置密度を増大させる。
【００２２】
また、誘電体球２３は任意の誘電体から構成することができるが、廉価であることと、プラズマ生成技術における長年の使用実績などを勘案すると、石英又はアルミナから構成することが好ましい。
【００２３】
金属棒２２の断面の大きさは特に限定されるものではないが、誘電体球２３の大きさを上述したように設定した場合は、１ｃｍ〜５０ｃｍであることが好ましい。なお、前記断面の大きさとは、金属棒２２の断面が円形の場合はその直径を表し、金属棒２２の断面が矩形の場合はその一辺の長さを表す。
【００２４】
また、金属棒２２の長さについても特に限定されるものではなく、生成すべきプラズマの大きさなどに応じて任意に決定することができる。しかしながら、極端に短かったり極端に長かったりすると、均一なプラズマを安定的に生成することができない。したがって、誘電体球２３の直径及び配置密度を上述の範囲内に設定し、金属棒２２の断面の大きさを上述の範囲内に設定した場合においては、４ｃｍ〜５０ｃｍの範囲に設定することが好ましい。
【００２５】
図３は、図２に示すプラズマ生成装置を組み込んだプラズマプロセス装置の一例を概略的に示す構成図である。図３に示すプラズマプロセス装置３０は、図２に示すプラズマ生成装置２０を構成する真空容器２１が下方に延在しており、延在した真空容器２１内の、メッシュ電極２５の下方領域において、プロセスに供するべくサンプルＸを設置した支持台３１が設けられている。すなわち、図３に示すプラズマ生成装置３０において、真空容器２１は、プラズマ生成容器とプロセス容器との双方の役割を兼ねている。
【００２６】
真空容器２１の内部は、排気口３２を介して図示しない真空ポンプによって排気され、所定の真空度に保持されている。
【００２７】
上述したようにして、プラズマ生成装置２０内部において所定のプラズマが生成されると、メッシュ電極２５を介して所定のラジカル種Ｒが図中矢印で示すように、真空容器２１の下方領域に抽出される。そして、ラジカル種ＲはサンプルＸ上に照射され、例えば膜形成やエッチング、表面改質、及び高分子や液晶などのソフト材料プロセスなどの諸プロセスが実行される。
【００２８】
プロセス効率を向上させるなどの目的で、図３に示すプラズマプロセス装置３０の大きさを拡大したような場合においても、プラズマ生成装置２０内における金属棒２２及びメッシュ電極２５の大きさや、誘電体球２３の大きさ及び配置密度を変化させるのみで、前記プロセス装置３０の大きさに適応させたプラズマを簡易に形成することができる。そして、生成した前記プラズマより所望のラジカル種を取り出して、目的とするプロセスに供することができるようになる。
【００２９】
また、図３に示すプラズマプロセス装置３０においては、従来のプラズマ生成装置などのように誘電体窓を用いる必要がないため、上述のようにプロセス装置を大きくしたような場合においても、装置のコスト増大を抑制して、目的とする大きさ及び密度のプラズマを廉価に生成することができる。
【００３０】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置の大小に関係なく、高密度のプラズマを廉価に生成することができるプラズマ生成装置及びプラズマ生成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のプラズマ生成装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図２】本発明のプラズマ生成装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図３】図２に示すプラズマ生成装置を組み込んだプラズマプロセス装置の一例を概略的に示す構成図である。
【符号の説明】
１０、２０プラズマ生成装置
１１、２１真空容器
１２アンテナ
１３誘電体窓
１４、２４ガス導入管
２２金属棒
２３誘電体球
２５メッシュ電極
３０プラズマプロセス装置
３１支持台
３２排気口
Ｐプラズマ
Ｒラジカル種
Ｘサンプル

Claims

所定の真空容器と、
前記真空容器の内部空間において、前記真空容器の壁面と略平行となるように延在した金属棒と、
前記金属棒の側部と略平行に対向するようにして配置されたメッシュ電極と、
前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された空間領域及びその近傍領域に配置された複数の誘電体球と、
を具えることを特徴とする、プラズマ生成装置。
前記金属棒と連結された電磁波導入部を具えることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマ生成装置。
前記誘電体球の直径が１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
前記誘電体球の配置密度が、１個／ｃｍ^２〜２００個／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載のプラズマ生成装置。
前記誘電体球は石英及びアルミナの少なくとも一方から構成されたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載のプラズマ生成装置。
前記金属棒の断面の大きさが１ｃｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一に記載のプラズマ生成装置。
前記金属棒の長さが４ｃｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする、請求項６に記載のプラズマ生成装置。
請求項１〜７のいずれか一に記載のプラズマ生成装置を含むことを特徴とする、プラズマプロセス装置。
所定の真空容器の内部空間において、前記真空容器の壁面と略平行となるように金属棒を延在させる工程と、
前記金属棒の側部と略平行に対向するようにしてメッシュ電極を配置する工程と、
前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された空間領域及びその近傍領域に複数の誘電体球を配置する工程と、
前記金属棒に対して電磁波を導入するとともに、前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された前記空間領域及び前記近傍領域にプラズマ生成ガスを導入し、前記空間領域及び前記近傍領域においてプラズマを生成する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマ生成方法。
前記誘電体球の直径が１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項９に記載のプラズマ生成方法。
前記誘電体球の配置密度が、１個／ｃｍ^２〜２００個／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項９又は１０に記載のプラズマ生成方法。
前記誘電体球は石英及びアルミナの少なくとも一方から構成することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一に記載のプラズマ生成方法。
前記金属棒の断面の大きさが１ｃｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一に記載のプラズマ生成方法。
前記金属棒の長さが４ｃｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする、請求項１３に記載のプラズマ生成方法。
所定の真空容器の内部空間において、前記真空容器の壁面と略平行となるように金属棒を延在させる工程と、
前記金属棒の側部と略平行に対向するようにしてメッシュ電極を配置する工程と、
前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された空間領域及びその近傍領域に複数の誘電体球を配置する工程と、
前記真空容器の前記内部空間において、前記メッシュ電極の下方に支持台を設ける工程と、
前記金属棒に対して電磁波を導入するとともに、前記金属棒と前記メッシュ電極とで形成された前記空間領域及び前記近傍領域にプラズマ生成ガスを導入し、前記空間領域及び前記近傍領域においてプラズマを生成する工程と、
前記プラズマより前記メッシュ電極を介して中性ラジカル種を抽出し、前記支持台上に設置した部材に対して照射する工程と、
を具えることを特徴とする、プラズマプロセス方法。
前記誘電体球の直径が１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１５に記載のプラズマプロセス方法。
前記誘電体球の配置密度が、１個／ｃｍ^２〜２００個／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載のプラズマプロセス方法。
前記誘電体球は石英及びアルミナの少なくとも一方から構成することを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか一に記載のプラズマプロセス方法。
前記金属棒の断面の大きさが１ｃｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか一に記載のプラズマプロセス方法。
前記金属棒の長さが４ｃｍ〜５０ｃｍであることを特徴とする、請求項１９に記載のプラズマプロセス方法。