JP2006185921A - プラズマ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反応空間内にプラズマを均一に生成でき、かつチャンバの構成部品の長寿命化を実現できるプラズマ装置を提供する。
【解決手段】底面が閉じられた筒状のチャンバ11の上部を、適度に薄い導体板３１で密閉する。導体板３１は絶縁部４１によりチャンバ１１の側壁から電気的に分離される。導体板３１の上方にはコイル２１がチャンバ１１と同軸に設置される。チャンバ１１の底面には処理対象の基板６１が設置される。電源部２２がコイル２１に高周波電流を流すとき、十分な強度の変動磁場が導体板３１を通してチャンバ１１内の反応空間を貫く。それにより、反応空間内にはプラズマが生成される。一方、プラズマが生成される間、導体板３１、特に反応空間に面した内表面全体が等電位に維持される。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマ装置に関し、特に、プラズマエッチング、物理的または化学的気相蒸着（ＰＶＤ、ＣＶＤ）、及びフォトレジスト剥離等でプラズマ源として利用されるプラズマ装置に関する。

半導体プロセス、薄型ディスプレイ（ＦＰＤ：Flat Panel Display）や印刷回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）の製造工程、及びその他の薄膜加工工程では、プラズマエッチング、ＰＶＤ、ＣＶＤ、及びフォトレジスト剥離等、プラズマを用いた表面処理方法が利用される。プラズマ装置は、それらの表面処理工程でプラズマの生成に利用される。

プラズマの生成方式は主に、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitive Coupled Plasma）方式と誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Induced Coupled Plasma）方式とに分けられる。特にＩＣＰ方式には、「コイルに高周波電流を流してプラズマ内に電場を誘導することでプラズマの密度を更に高めることができる」という長所がある。ＩＣＰ方式を採用する従来のプラズマ装置は、チャンバ、及びその外部に設置されたコイルと電源部とを有する（例えば非特許文献１参照）。従来のプラズマ装置は特に、コイルに面したチャンバの壁に誘電体板を含む。誘電体板は通常、石英やセラミックから成る。チャンバ内の空間（反応空間という）に処理対象の基板が設置された後、反応空間内に外部から特定の気体が送り込まれる。その状態で、電源部がコイルに高周波電流を流し、コイルの周りに変動磁場を発生させる。変動磁場は特に、誘電体板を通して反応空間内を貫くので、反応空間内には電場が誘導される。一方、誘電体板を変動磁場が貫くことで、誘電体板の表面には電荷が誘起される。こうして、反応空間内の変動磁場により誘導される電場と、誘電体板の表面に誘起される電荷から及ぼされる電場との両方が、反応空間内でのプラズマの生成に寄与する。特に、変動磁場による誘導電場がプラズマの高密度化に大きく寄与することは良く知られている。
丹呉浩侑著、「半導体工学シリーズ9 半導体プロセス技術」、初版、株式会社培風館、1998年11月30日、p.113−116

上記のような従来のプラズマ装置では、コイルに面したチャンバの壁に誘電体板を設置することで、コイルにより生成された変動磁場をほとんど減衰させることなく、反応空間内に導入する。更に、誘電体板の表面に誘起される電荷による電場がプラズマを誘電体板全面に拡げるので、生成された高密度のプラズマが広範囲で均一化される。しかし、誘電体板の表面では誘起された電荷が不均一に分布するので、反応空間内の誘電体板近傍では電場が不均一である。その結果、反応空間に面した誘電体板の表面、特にコイルの位置の裏側に当たる部分にはポリマーが沈積しやすく、または、その部分がエッチングを受けやすい。プラズマ装置の使用時間の経過に伴い、沈積されるポリマーの量、またはエッチングの量が増大する。それらの増大は誘電体板近傍の電場の不均一性を高め、生成されるプラズマの均一性を損なうおそれがある。更に、過剰なポリマーは処理対象の基板の表面に落ちてその基板に不良を誘発するおそれがある。その上、過剰なエッチングは誘電体板の強度を劣化させて誘電体板の変形や破壊を誘発するおそれがある。これらの危険性から誘電体板の更なる長寿命化が困難である。それにより、従来のプラズマ装置では、信頼性を高く維持したまま、誘電体板の交換頻度を更に低減させて操作性を更に向上させることが困難である。

本発明は、反応空間内にプラズマを更に均一に生成でき、かつチャンバの構成部品の更なる長寿命化を実現できるプラズマ装置、の提供を目的とする。

本発明によるプラズマ装置は、
第一と第二との端部を含む筒状部材であり、その第一の端部の内側に処理対象の基板が設置可能であるチャンバ、
チャンバの第二の端部の外側に設置されたコイル、
コイルに高周波電流を流す電源部、及び、
チャンバの第二の端部を密閉し、コイルに上記の高周波電流が流れるとき、内部に誘導電流が流れる導体板、
を有する。ここで、上記の高周波電流の周波数は好ましくは1MHz以下であり、更に好ましくは500KHz以下である。導体板は好ましくはチャンバ内の空間、すなわち反応空間の全体を覆う。導体板の大きさは1m×1mより大きいことが望ましく、導体板の厚さは3cm以下であることが望ましい。更に、導体板が好ましくは、アルミ、鉄、銅、銀、ニッケルのうち、少なくとも一つを含む。一方、コイルが好ましくは、導体板の全面に配置される。

本発明による上記のプラズマ装置は好ましくは、導体板の周囲とチャンバの第二の端部との間に絶縁部を有する。絶縁部は好ましくはセラミック物質で形成される。その他に、チャンバの第一の端部の内側に設けられた板状の下部電極、及びその下部電極に対して高周波電圧を印加する下部電源部がさらに含まれても良い。好ましくは、下部電極が導体板と平行である。さらに好ましくは、下部電極が処理対象の基板を固定可能である。

本発明によるプラズマ装置は上記の通り、従来のプラズマ装置とは異なり、コイルに面したチャンバの壁に、誘電体板ではなく、導体板を含む。導体板は、反応空間内に生成されるプラズマを均一化させる。一方、導体板では誘電体板とは異なり、ポリマーの沈積やエッチングが生じにくいので、導体板は誘電体板より寿命が長い。その結果、部品の交換頻度が更に低減されるので、本発明によるプラズマ装置は信頼性と操作性とが更に高い。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について、好ましい例を説明する。
≪実施例１≫
図１と図２とはそれぞれ、本発明の第１実施例によるプラズマ装置の斜視図と断面図とである。このプラズマ装置1は好ましくは、プラズマエッチング、ＰＶＤ、ＣＶＤ、及びフォトレジスト剥離等、プラズマを用いた表面処理工程でプラズマ源として利用される。ここで、その処理対象の基板は好ましくは、半導体ウェハ、または液晶表示装置の薄膜トランジスタ基板やカラーフィルタ基板である。プラズマ装置1は、チャンバ11、コイル21、電源部22、インピーダンス整合回路（ＩＭＵ：Impedance Matching Unit）23、導体板31、絶縁部41、下部電極51、下部電源部52、及び下部インピーダンス整合回路53を含む。

チャンバ11は実質的に直方体形状の筒である。チャンバ11の第一の端部は閉じていて、底面が形成されている。その底面の上に処理対象の基板61が設置される。一方、第二の端部は開いていて、導体板31を嵌め込むことで密閉される。その結果、チャンバ11の内部の空間（以下、反応空間という）12が外部から隔離されている。好ましくはチャンバ11の側面の上部に流入口13が設けられ、そこからソースガスが反応空間12内に流入する。例えば処理目的がエッチングである場合、ソースガスは好ましくは、SF₆、塩素（Cl₂）、塩酸（HC1）、CF₄、酸素、窒素、ヘリウム、アルゴンのうち、少なくとも一つ以上を含む。一方、処理目的が蒸着である場合、ソースガスは好ましくは、シラン（SiH₄）、メタン（CH₄）、アンモニウム（NH₃）、窒素のうち、少なくとも一つ以上を含む。流入口13はチャンバ11の側面の上部の他に、導体板31に形成されても良い。更に、流入口が複数設けられ、反応空間12内にソースガスが均一に供給されても良い。チャンバ11の底面には流出口14が設けられ、そこから反応を終えたソースガスやエッチングの副産物等が反応空間12の外に流出する。流入口13と同様に、流出口14の位置や個数は多様に変形され得る。流出口14は好ましくは真空ポンプ（図示せず）に連結される。真空ポンプは、反応を終えたソースガス及びエッチングの副産物を反応空間12の外に効率良く流出させ、反応空間12内の真空度を適切に維持する。

導体板31の外部にはコイル21が設置されている。コイル21は好ましくは渦巻状であり、チャンバ11と同軸に、かつ導体板31と平行に、導体板31から所定の距離を置いて固定されている。配置されている。更に好ましくは、コイル21の全体が導体板31の全面に設置されている。コイル21にはＩＭＵ23を通して電源部22が連結されている。電源部22はコイル21に高周波電流を流す。

導体板31はコイル21を反応空間12から隔離している。導体板31は好ましくは金属製であり、更に好ましくは、アルミ、鉄、銅、銀、ニッケルのうち、少なくとも一つを含む。導体板31は好ましくは、長方形の板であり、かつその厚さd1が3cm以下である。それにより、後述の通り、反応空間12に面した導体板31の内表面付近にも十分な大きさの誘導電流が流れ得る。導体板31の長さL1と幅とは、好ましくはいずれも1m以上である。それにより、特に処理対象の基板61が液晶表示装置用である場合、本発明の実施例１によるプラズマ装置は液晶表示装置の更なる大型化に十分に対応できる。

チャンバ11の第一の端部と導体板31の周囲との間には絶縁部41が設置されている。絶縁部41は好ましくは、四角い枠状の帯であり、セラミックなどの絶縁物質から成る。絶縁部41によりチャンバ11と導体板31との間が電気的に分離されている。導体板31はコイル21からも電気的に分離されているので、導体板31はいわゆるフローティング状態に維持される。導体板31と絶縁部41との間、及びチャンバ11と絶縁部41との間はいずれも密閉されているので、流出口14を通した排気により、反応空間12内が一定の真空度に維持され得る。

チャンバ11の底面には下部電極51が設置されている。下部電極51は好ましくはアルミ製の板であり、導体板31と平行に配置されている。更に好ましくは、下部電極51の上に処理対象の基板61が固定される。従って、下部電極51は処理対象の基板61より大きい。下部電極51は下部ＩＭＵ53を通して下部電源部52に連結されている。下部電源部52は下部電極51に対して高周波電圧を印加する。それにより、反応空間12内に生成されたプラズマが処理対象の基板61の表面全体に高精度で均一に分布する。

本発明の実施例１によるプラズマ装置1は特にコイル21を用いて、以下のように、導体板31を通して反応空間12内に電場を印加する。電源部22がコイル21に高周波電流を流す。そのとき、コイル21の周囲には変動磁場が発生する。ここで、導体板31が後述のように適度に薄いので、十分な強度の変動磁場が導体板31を通して反応空間12内まで到達し得る。変動磁場が反応空間12内を貫くことにより、反応空間12内に電場が誘導される。その誘導電場がソースガスに含まれる荷電粒子（イオンや電子）を加速する。更に、加速された荷電粒子が他のガス分子に衝突してそのガス分子を電離させ、新たな荷電粒子を生成する。以上の現象が繰り返されることで、反応空間12内に多量の荷電粒子が生成され、すなわちプラズマが生成される。

導体板31は導電性を持つので、上記の変動磁場が導体板31を貫く間、導体板31の全体が等電位に維持される。すなわち、従来のプラズマ装置に含まれる誘電体板の表面とは異なり、導体板31の表面には電荷の不均一な分布が発生しない。従って、導体板31の表面では局所的なポリマーの沈積やエッチングが生じない。それ故、導体板31近傍では、プラズマ装置1の使用時間の経過に関わらず、電場が高い均一性を維持するので、生成されるプラズマの高い均一性が更に長く持続する。すなわち、導体板31は従来の誘電体板より寿命が長い。こうして、本発明の実施例１によるプラズマ装置は操作性と信頼性とがいずれも高い。特に、導体板31はかなり大きいサイズでも全体が十分に等電位に維持され得るので、反応空間12のサイズがかなり大きくても生成されるプラズマの均一性が高い。それ故、本発明の実施例１によるプラズマ装置は、特に液晶表示装置の薄膜トランジスタ基板とカラーフィルタ基板との更なる大型化にも容易に対応できる。

上記の変動磁場が導体板31を貫くとき、導体板31には誘電体板とは異なり、次のような誘導電流（渦電流ともいう）が流れる。例えば図3に示されているように、導体板31の上方に対して反時計方向に流れるコイル21の電流Icが増大するとき、コイル21の中心部では下から上へ向かう磁場Hが増大する。この磁場Hは特に、導体板31を反応空間12内から外へ貫通する。そのとき、導体板31の内部には電磁誘導により起電力が生じ、それにより、磁場Hの増大を妨げる方向、すなわちコイル21を流れる電流Icの方向とは反対の時計方向に誘導電流Iiが流れる。導体板31内では誘導電流Iiの発生に伴い、磁場Hが減衰する。特に導体板31が厚いほど誘導電流Ii、すなわち磁場Hが大きく減衰する（図4参照）。従って、反応空間12内に到達し得る変動磁場を十分に強く維持し、プラズマの生成効率を十分に高く維持するには、導体板31を十分に薄くしなければならない。一方、反応空間12は高い真空度に維持されるので、導体板31は一定の強度を維持しなければならない。それらの条件が比較考量されることで、導体板31の最適な厚さが選択される。

図４に示されているように、導体板31の内部では、コイル21に面した外表面31Aから反応空間12に面した内表面31Bへ近づくにつれて、誘導電流が弱まる。ここで、一定の厚さの導体板31内での誘導電流、すなわち変動磁場の減衰量は、次のように、コイル21を流れる高周波電流の周波数によって異なる。誘導電流の強さが外表面31Aでの強さの1／e倍（自然対数の底e＝2.718…）まで減衰する深さ（以下、スキップ深さという）δは、コイル21を流れる高周波電流の周波数f、及び導体板31の透磁率μと電気伝導度σと次式(1)の関係を満たす：

ここで、コイル21を流れる高周波電流の角周波数ωは周波数fの2π倍である：ω＝2πf。内表面31B付近で十分な強度の誘導電流を維持したまま導体板31を厚くするには、スキップ深さδを大きくしなければならない。式(1)から明らかなように、スキップ深さδを大きくするには、高周波電流の周波数f（すなわちω）を低く抑え、透磁率μと電気伝導度σとが共に低い物質で導体板31を製造すれば良い。

本発明の実施例１では、式(1)に基づき、高周波電流の周波数fが好ましくは1MHz以下に設定され、更に好ましくは500MHz以下に設定される。一方、導体板31の厚さが好ましくは3cm以下に設定される。この周波数範囲は、従来のプラズマ装置で一般に利用される高周波電源の周波数13.56MHzよりかなり低い。しかし、導体板31の厚さを上記の範囲に設定することで、反応空間12内では変動磁場の強度が十分に高く、それにより誘導される電場の強度が十分に高い。尚、導体板31の厚さや材質の決定では、誘導電流の強度だけでなく、導体板31の大きさと形態とが更に考慮される。具体的には、導体板31が大きいほど、導体板31の厚さが大きく設定され、強度の高い材質が選択される。それにより、導体板31全体の形態が平板形状を良好に維持できる。

本発明の実施例１によるプラズマ装置は多様に変形され得る。例えば、チャンバ11の形状が図1、2に示されている直方体の他に、多角柱や円柱であっても良い。この場合、更に、コイル21、導体板31、及び絶縁部41がチャンバ11の形状に合わせて変形されても良い。

≪実施例２≫
図５は本発明の実施例２によるプラズマ装置の斜視図である。図６は、図５に示されている破線Aで囲まれた部分の拡大断面図である。図5、6では、上記の実施例１の構成要素と同様な構成要素に対し、実施例１の構成要素に付されている符号と同じ符号を付す。更に、それら同様な構成要素についての説明は、実施例１についての説明を援用する。

本発明の実施例２によるプラズマ装置1では、コイル21の上部に一対の支持部材70が設けられている（図5参照）。支持部材70は固定部71と支持バー72とを含む。固定部71はチャンバ11の側壁に、好ましくはネジ75で固定されている（図6参照）。支持バー72は導体板31の上方を横切り、チャンバ11の一つの側壁に固定された固定部71を、その側壁に対向するチャンバ11の別の側壁に固定された固定部71に連結する。固定部71と支持バー72とは好ましくは一体成形される。更に好ましくは、固定部71と支持バー72とが強度の高い物質、特に金属で形成される。

導体板31の外表面31Aに面した支持バー72の表面には複数の固定リング73が一定間隔で並んでいる（図6参照）。各固定リング73には接続リング74が絡んでいる。一方、支持バー72に面した導体板31の外表面31Aには、フック32が好ましくは溶接で固定されている。支持部材70の各接続リング74が導体板31の各フック32に係合される。それにより、支持部材70が導体板31を支持する。固定リング73、接続リング74、及びフック32は好ましくは、絶縁物質から成る。そのとき、更に好ましくは、支持バー72の表面が絶縁物質で被覆され、または支持バー72自体が強度の高い絶縁物質から形成される。それにより、支持部材70とコイル21との間での放電による絶縁破壊が防止される。

処理対象の基板61が例えば液晶表示装置の薄膜トランジスタ基板やカラーフィルタ基板のように大型である場合、導体板31はその基板61以上に大きい。その場合、導体板31の周りを絶縁部41で支持すると共に、導体板31の中央部分を上記の支持部材70で支持する。それにより、導体板31が、自重や反応空間12と外部空間との間の圧力差に関わらず、反応空間12に向かって窪むことなく、平板形状を安定に維持する。特に、支持部材70はコイル21の上部に位置するので、コイル21と導体板31との間隔が変化しない。すなわち、導体板31の内部を流れる誘導電流の強度には実質的な変化が生じない。従って、導体板31を十分に薄くして誘導電流の適切な強度を維持できる。

支持部材70は多様に変形できる。例えば、支持部材70の個数や設置の方向が図5、6に示されているものとは異なっても良い。その他に、支持部材70自体の曲がりを防止するために、支持バー72同士を連結しても良い。更に、支持バー72の中間部分を支持する別の構成要素を追加しても良い。

本発明の実施例１によるプラズマ装置の斜視図である。 本発明の実施例１によるプラズマ装置の断面図である。 コイルの磁場が導体板の内部に電流を誘導する様子を示す模式図である。 導体板の厚さによる誘導電流の強度変化を示す模式図である。 本発明の実施例２によるプラズマ装置の斜視図である。 図５に示されている破線Aで囲まれた部分の拡大断面図である。

符号の説明

1 プラズマ装置
11 チャンバ
12 反応空間
13 流入口
14 流出口
21 コイル
22 電源部
23 インピーダンス整合回路
31 導体板
31A 導体板31の外表面
31B 導体板31の内表面
32 フック
41 絶縁部
51 下部電極
52 下部電源部
53 下部インピーダンス整合回路
61 処理対象の基板
70 支持部材
71 固定部
72 支持バー
73 固定リング
74 接続リング
75 ネジ

Claims (13)

1. 第一と第二との端部を含む筒状部材であり、前記第一の端部の内側に処理対象の基板が設置可能であるチャンバ；
   前記チャンバの第二の端部の外側に設置されたコイル；
   前記コイルに高周波電流を流す電源部；及び、
   前記チャンバの第二の端部を密閉し、前記コイルに前記高周波電流が流れるとき、内部に誘導電流が流れる導体板、
   を有するプラズマ装置。
2. 前記高周波電流の周波数が1MHz以下である、請求項１に記載のプラズマ装置。
3. 前記高周波電流の周波数が500KHz以下である、請求項２に記載のプラズマ装置。
4. 前記導体板が前記チャンバ内の空間全体を覆う、請求項１に記載のプラズマ装置。
5. 前記導体板の大きさが1m×1mより大きい、請求項１に記載のプラズマ装置。
6. 前記導体板の厚さが3cm以下である、請求項１に記載のプラズマ装置。
7. 前記導体板が、アルミ、鉄、銅、銀、ニッケルのうち、少なくとも一つを含む、請求項１に記載のプラズマ装置。
8. 前記コイルが前記導体板の全面に配置されている、請求項１に記載のプラズマ装置。
9. 前記導体板の周囲と前記チャンバの第二の端部との間に設置された絶縁部、を更に有する、請求項１に記載のプラズマ装置。
10. 前記絶縁部がセラミック物質で形成される、請求項９に記載のプラズマ装置。
11. 前記チャンバの第一の端部の内側に設けられた板状の下部電極、及び、前記下部電極に対して高周波電圧を印加する下部電源部、をさらに有する、請求項１に記載のプラズマ装置。
12. 前記下部電極が前記導体板と平行である、請求項１１に記載のプラズマ装置。
13. 前記下部電極が前記処理対象の基板を固定可能である、請求項１１に記載のプラズマ装置。