JP2004304035A

JP2004304035A - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP2004304035A
Application number: JP2003096775A
Authority: JP
Inventors: Takashi Miyamoto; 本高志宮
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】放電管交換時のメンテナンスが簡便であり、電磁波漏れの装置トラブルが発生せず、しかも放電管の寿命を延ばせるプラズマ発生装置を提供する。
【解決手段】誘電体で形成された放電管２を有する放電管ユニットと、放電管２に接続されたマイクロ波導波管３と、放電管２とマイクロ波導波管３との接続部及びその周辺において放電管２の外周を包囲する冷却ブロック６を有する冷却手段５と、を備える。冷却ブロック６には貫通孔７が形成され、貫通孔７の内壁面の中央の部分７ａが錐面状を成している。放電管ユニットは、貫通孔７の錐面状の内壁面７ａに対応する錐面状の外周面２ａを有し、貫通孔７の錐面状の内壁面７ａと放電管ユニットの錐面状の外周面２ａとが互いに当接されている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ発生装置に係わり、特に、プロセスガスにマイクロ波を照射して生成したプラズマを利用して被処理物の処理を行うプラズマ処理装置に適したプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用のシリコンウエーハや液晶ディスプレイ用ガラス基板といった被処理物を処理するための装置として、マイクロ波プラズマを利用して被処理物上の導電体膜、絶縁膜等を処理するプラズマ処理装置がある。
【０００３】
このプラズマ処理装置の１つに、石英、アルミナ等の誘電体で形成された放電管の内部にプロセスガスを導入し、マイクロ波導波管を介して導かれたマイクロ波を放電管の内部のプロセスガスに照射し、放電管の内部にプラズマを発生させるようにしたプラズマ発生装置を備えたものがあり、このタイプのプラズマ処理装置は一般にケミカルドライエッチング装置と呼ばれている。
【０００４】
このケミカルドライエッチング装置においては、放電管の内部にプラズマを生成することによりプロセスガスから活性種を生成し、この活性種を真空容器の内部に形成された処理室に導いて被処理物の表面に供給し、ドライエッチング処理やアッシング処理等の表面処理が施される。
【０００５】
ところで、このタイプのプラズマ処理装置においては、放電管の内部にプラズマが発生すると、プラズマからの熱によって放電管が加熱される。そして、放電管内のプラズマによってフッ素ラジカル等を生成するような腐食系ガスをプロセスガスとして使用した場合、誘電体で形成された放電管はフッ素ラジカル等によってエッチングされて損耗する。このときのエッチング速度は放電管の温度に依存し、放電管の温度が高いほどエッチング速度が速くなる。
そこで、従来のケミカルドライエッチング装置（マイクロ波プラズマ処理装置）においては、放電管のエッチング速度を抑制するために放電管を冷却している。具体的には、例えば、図６に示したように、マイクロ波導波管５２に接続された放電管５０の周りに、アルミ等からなる冷却ブロック５１を配置し、循環水で冷却された冷却ブロックにより放電管５０を冷却する方法がある。この場合、放電管５０と冷却ブロック５１との間の伝熱効率を高めるために、両者の間のギャップＧ（１ｍｍ程度）に窒素ガス（Ｎ_２）等の安定なガスを供給しても良い。
【０００６】
また、放電管を冷却するための他の手段としては、放電管５０と冷却ブロック５１との間にシリコーンゴム等のように誘電体質で弾性のある高熱伝導材料を介装し、これにより放電管５０と冷却ブロック５１との間の伝熱効率を向上させる方法もある。伝熱効率が向上することにより、放電管５０のエッチングが抑制され、放電管５０の交換頻度を少なくすることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１３５４８５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように放電管のエッチングを抑制するために従来から種々の冷却方法が取られているが、それでもなお放電管のエッチングを完全に防止することはできない。そのため、エッチングによる放電管の損耗がある程度進んだ時点で、或いは定期的なメンテナンスとして、使用済みの放電管を新しい放電管と交換する必要がある。
【０００９】
図６から分かるように、従来のプラズマ発生装置においては、電磁波の漏洩を防止するために、また、ある程度広い範囲にわたって放電管５０を冷却するために、冷却ブロック５１は、放電管５０の管軸方向に沿って、ある程度の範囲にわたって延在している。
【００１０】
そして、誘電体からなる放電管５０の製作にあたっては寸法精度上の制約がある。そのため、前記の如くある程度の長さを有する冷却ブロック５１と、放電管５０との接触（特に、冷却ブロック５１の両端における接触）を回避するためには、図６に示したように放電管５０と冷却ブロック５１との間に１ｍｍ程度のギャップＧを設ける必要がある。
【００１１】
ところで、図７（ａ）に示したように、放電管５０の温度が上昇するにつれて放電管５０の寿命は短くなり、また、図７（ｂ）に示したように、放電管５０と冷却ブロック５１との間の間隙が大きくなるにつれて放電管５０の温度が上昇する。例えば、放電管５０と冷却ブロック５１との間の間隙が１ｍｍの場合、放電管５０の温度は２８６℃まで上昇する。
【００１２】
また、放電管５０と冷却ブロック５１との間に１ｍｍ程度のギャップＧがあると、窒素ガス（Ｎ_２）等をこのギャップＧに供給しても十分な冷却効果が得られず、放電管５０のエッチング速度を十分に抑制することができず、ひいては放電管５０の交換頻度が高くなって装置のランニングコストが増大してしまうという問題がある。
【００１３】
また、上述したように放電管５０と冷却ブロック５１との間に誘電体質のゴムシートを介在させることにより両者の伝熱効率を高め、放電管５０の交換頻度を低減することができるが、この場合には、放電管５０の交換作業に際して、放電管５０にゴムシートを巻き、水冷された二つの冷却ブロック５１を、これらの冷却ブロック５１によって、ゴムシートと共に放電管５０を挟むようにして取り付ける必要がある。このようにメンテナンス作業が極めて煩雑となってしまうばかりか、設置時の取り付け不良により二つの冷却ブロック５１の間に隙間があいてしまうと、この隙間から電磁波が漏れて装置トラブルの原因となってしまう。
【００１４】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであって、放電管交換時のメンテナンスが簡便であり、電磁波漏れの装置トラブルが発生せず、しかも、放電管に対する冷却能力を向上させて放電管の寿命を延ばすことができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によるプラズマ発生装置は、誘電体で形成され、その内部にプラズマ生成用ガスが導入される放電管を有する放電管ユニットと、前記放電管に直交して接続され、前記放電管の管軸方向に直交する方向に伝播するマイクロ波を前記放電管に向けて放射するスロットを有するマイクロ波導波管と、前記放電管を冷却するための冷却手段であって、前記放電管と前記マイクロ波導波管との接続部及びその周辺において前記放電管の外周を包囲する冷却ブロックを有する冷却手段と、を備え、前記冷却ブロックには、前記放電管が挿入された貫通孔が形成されており、前記貫通孔の内壁面は、少なくとも前記接続部及びその近傍の部分が錐面状を成しており、前記放電管ユニットは、前記貫通孔の錐面状の内壁面に対応する錐面状の外周面を有し、前記貫通孔の錐面状の内壁面と前記放電管ユニットの錐面状の外周面とが互いに当接されていることを特徴とする。
【００１６】
また、好ましくは、前記放電管ユニットの錐面状の外周面は、誘電体で形成された前記放電管の外周面である。
【００１７】
また、好ましくは、前記放電管は、その外周面の全体が錐面状を成している。
【００１８】
また、好ましくは、前記放電管は、前記放電管ユニットの錐面状の外周面を形成する部分以外の部分の外周面がストレート形状である。
【００１９】
また、好ましくは、前記放電管ユニットの錐面状の外周面は、前記放電管とは別体に形成されて前記放電管の周囲に設けられた弾性の誘電体材料から成る誘電体部材によって形成されている。
【００２０】
また、好ましくは、前記誘電体材料はシリコーンゴムである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態によるプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理装置について図面を参照して説明する。なお、このプラズマ処理装置は、マイクロ波プラズマを利用した放電室分離型のケミカルドライエッチング装置である。
【００２２】
図１に示したように本実施形態によるプラズマ発生装置１を備えたプラズマ処理装置は、プラズマ発生装置１に配管４１を介して接続された真空容器（エッチングチャンバ）３０を有する。真空容器３０の内部は排気弁３１を介して真空排気される。真空容器３０の内部には処理室３２が形成されており、処理室３２には、被処理物Ｓが載置される載置台３３が設けられている。被処理物Ｓは、半導体製造用のシリコンウエーハ、液晶表示用のガラス基板等である。
【００２３】
真空容器３０は、ゲートバルブ３４を介してロードロックチャンバ３５に接続されており、ロードロックチャンバ３５の内部には、ゲートバルブ３４を介して被処理物Ｓを処理室３２へ搬入し又は処理室３２から搬出するための搬送装置３６が設けられている。
【００２４】
ロードロックチャンバ３５は、ゲートバルブ３７を介して、被処理物Ｓを貯蔵する貯蔵チャンバ３８に接続されている。貯蔵チャンバ３８の内部には、複数の被処理物Ｓを収納するキャリア３９が配置され、このキャリア３９は昇降手段４０によって昇降される。
【００２５】
プラズマ発生装置１は、誘電体で形成された放電管２から成る放電管ユニットを有し、この放電管２にはマイクロ波導波管３が接続されている。放電管６を形成する誘電体としては、石英（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、サファイア、窒化アルミニウム等を使用することができる。放電管２の内部に、弁４１ａ、４１ｂ、４１ｃを介して、ＣＦ_４、Ｏ_２、Ｎ_２等のプロセスガスが供給される。なお、フッ素系のプロセスガスとしては、さらに、ＮＦ_３、Ｃ_３Ｆ_８等がある。
【００２６】
図２は、本実施形態によるプラズマ発生装置１を示した断面図であり、図２に示したようにマイクロ波導波管３は放電管２に対して直交して接続されている。また、マイクロ波導波管３は、放電管２の管軸方向に直交する方向に伝播させたマイクロ波を放電管２に向けて放射する環状のスロット４を備えている。
【００２７】
プラズマ発生装置１は、さらに、放電管２を冷却するための冷却手段５を備えている。この冷却手段５は、放電管２とマイクロ波導波管３との接続部及びその周辺において放電管２の外周を包囲する冷却ブロック６を備えている。この冷却ブロック６には、放電管２が挿入される貫通孔７が形成されている。貫通孔７の内壁面の中央の部分７ａ、即ち放電管２とマイクロ波導波管３との接続部及びその近傍の部分７ａが円錐状を成している。
【００２８】
一方、放電管２はその外周面の全体が円錐状を成しており、この放電管２の外周面の一部は、貫通孔７の円錐状の内壁面７ａに対応する円錐状の外周面２ａを形成している。そして、貫通孔７の円錐状の内壁面７ａと放電管２の円錐状の外周面２ａとが互いに当接されている。なお、放電管２の内径はその全長にわたって同一である。
【００２９】
上述したように貫通孔７の円錐状の内壁面７ａと放電管２の円錐状の外周面２ａとは互いに当接されているが、放電管２の制作時の寸法誤差等に起因して、放電管２の円錐状の外周面２ａと冷却ブロック６の貫通孔７の円錐状の内壁面７ａとの間には僅かな隙間が存在する。そこで、この僅かな隙間に窒素ガス等の冷却ガスを供給するための冷却用ガス供給路８が冷却ブロック６に形成されている。この冷却用ガス供給路８の断面積は、マイクロ波が漏洩しない程度に小さく設定されている。
【００３０】
上述の構成を備えた本実施形態によるプラズマ発生装置において使用済みの放電管２を新しい放電管２と交換する際には、冷却ブロック６の貫通孔７に挿通されている使用済みの放電管２を、図２中の右側方向に引き抜いて冷却ブロック６から取り外す。そして、新しい放電管２を、図２中の右側から左側方向に向けて冷却ブロック６の貫通孔７に挿通し、放電管２の円錐状の外周面２ａが冷却ブロック６の貫通孔７の円錐状の内壁面７ａに接触したら、その位置で放電管２を固定する。このように本実施形態によるプラズマ発生装置においては、放電管２の交換作業のために冷却ブロック６を分解する必要がない。
【００３１】
以上述べたように本実施形態によるプラズマ発生装置によれば、放電管２の円錐状の外周面２ａと冷却ブロック６の貫通孔７の円錐状の内壁面７ａとを当接させるようにしたので、放電管２と冷却ブロック６との間の間隙が極めて小さく若しくはゼロとなり、放電管２と冷却ブロック６との間の伝熱効率が向上する。これにより、放電管２の冷却能力が高まり、エッチングによる放電管２の損耗が抑制されて放電管２の寿命を延ばすことができる。
【００３２】
また、本実施形態によるプラズマ発生装置においては、放電管２の交換作業に際して冷却ブロック６を分解する必要がないので、放電管交換時のメンテナンスが極めて簡便であり、しかも、冷却ブロック６を分解する場合に問題となる電磁波漏れの装置トラブルを防止することができる。
【００３３】
上述の実施形態（図２）の一変形例としては、放電管２の外周面の全体を円錐状に形成するのではなく、図３に示したように、冷却ブロック６の貫通孔７の円錐状の内壁面７ａに対応する放電管２の部分２ａのみを円錐状として、それ以外の部分２ｂ、２ｃの外周面をストレート形状としても良い。
【００３４】
本変形例においても、図２に示した上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
次に、本発明の他の実施形態によるプラズマ発生装置について、図４及び図５を参照して説明する。なお、本実施形態は、図２に示した上述の実施形態における放電管ユニットの構成を変更したものである。
【００３６】
図４に示したように本実施形態によるプラズマ発生装置２０においては、放電管２の外周面はその全体がストレート状を成している。そして、この放電管２の外周面には、図４及び図５に示したように、冷却ブロック６の貫通孔７の円錐状の内壁面７ａに対応する部分に、シリコーンゴム等の弾性の誘電体材料から成る誘電体シート（誘電体部材）９が巻き付けられている。
【００３７】
本実施形態においては放電管２と誘電体シート９とによって放電管ユニット１０が構成され、この放電管ユニット１０の外周面全体のうち、誘電体シート９によって形成される部分の外周面１０ａが、冷却ブロック６の貫通孔７の円錐状の内壁面７ａに対応する円錐状を成している。そして、放電管ユニット１０の円錐状の外周面１０ａが、冷却ブロック６の貫通孔７の円錐状の内壁面７ａに当接されている。
【００３８】
本実施形態によるプラズマ発生装置においても、上述した実施形態と同様に、放電管２と冷却ブロック６との間の伝熱効率が向上し、放電管２の冷却能力が高まることにより、エッチングによる放電管２の損耗が抑制されて放電管２の寿命を延ばすことができる。特に、本実施形態においては弾性の誘電体シート９によって放電管ユニット１０の円錐状の外周面１０ａを形成したので、放電管ユニット１０と冷却ブロック６との間の密着性が高まり、放電管２の冷却効率をさらに高めることができる。
【００３９】
また、本実施形態によるプラズマ発生装置においては、上述した実施形態と同様に、放電管２の交換作業に際して冷却ブロック６を分解する必要がないので、交換交換時のメンテナンスが極めて簡便であり、しかも、冷却ブロック６を分解する場合に問題となる電磁波漏れの装置トラブルを防止することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によるプラズマ発生装置によれば、放電管ユニットの錐面状の外周面と冷却ブロックの貫通孔の錐面状の内壁面とを当接させるようにしたので、放電管ユニットと冷却ブロックとの間の伝熱効率が向上し、放電管の冷却能力が高まることにより、エッチングによる放電管の損耗が抑制されて放電管の寿命を延ばすことができる。
【００４１】
また、本発明によるプラズマ発生装置においては、放電管の交換作業に際して冷却ブロックを分解する必要がないので、放電管交換時のメンテナンスが極めて簡便であり、しかも、冷却ブロックを分解する場合に問題となる電磁波漏れの装置トラブルを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理装置の概略構成図。
【図２】本発明の一実施形態によるプラズマ発生装置を示した断面図。
【図３】図２に示した実施形態の一変形例によるプラズマ発生装置を示した断面図。
【図４】本発明の他の実施形態によるプラズマ発生装置を示した断面図。
【図５】図４に示した実施形態において放電管に誘電体シートを巻き付ける状態を示した図。
【図６】従来のプラズマ発生装置を示した断面図。
【図７】（ａ）は放電管の温度と寿命との関係を示した図、（ｂ）は放電管と冷却ブロックとの間隙の大きさと放電管の温度との関係を示した図。
【符号の説明】
１，２０プラズマ発生装置
２放電管
２ａ放電管の円錐状の外周面
３マイクロ波導波管
４環状のスロット
５冷却手段
６冷却ブロック
７冷却ブロックの貫通孔
７ａ冷却ブロックの貫通孔の円錐状の内壁面
８冷却用ガス供給路
９誘電体シート（誘電体部材）
１０放電管ユニット
１０ａ放電管ユニットの円錐状の外周面

Claims

誘電体で形成され、その内部にプラズマ生成用ガスが導入される放電管を有する放電管ユニットと、
前記放電管に直交して接続され、前記放電管の管軸方向に直交する方向に伝播するマイクロ波を前記放電管に向けて放射するスロットを有するマイクロ波導波管と、
前記放電管を冷却するための冷却手段であって、前記放電管と前記マイクロ波導波管との接続部及びその周辺において前記放電管の外周を包囲する冷却ブロックを有する冷却手段と、を備え、
前記冷却ブロックには、前記放電管が挿入された貫通孔が形成されており、
前記貫通孔の内壁面は、少なくとも前記接続部及びその近傍の部分が錐面状を成しており、
前記放電管ユニットは、前記貫通孔の錐面状の内壁面に対応する錐面状の外周面を有し、前記貫通孔の錐面状の内壁面と前記放電管ユニットの錐面状の外周面とが互いに当接されていることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記放電管ユニットの錐面状の外周面は、誘電体で形成された前記放電管の外周面である請求項１記載のプラズマ発生装置。
前記放電管は、その外周面の全体が錐面状を成している請求項２記載のプラズマ発生装置。
前記放電管は、前記放電管ユニットの錐面状の外周面を形成する部分以外の部分の外周面がストレート形状である請求項２記載のプラズマ発生装置。
前記放電管ユニットの錐面状の外周面は、前記放電管とは別体に形成されて前記放電管の周囲に設けられた弾性の誘電体材料から成る誘電体部材によって形成されている請求項１記載のプラズマ発生装置。
前記誘電体材料はシリコーンゴムである請求項５記載のプラズマ発生装置。