JP2007250478A - プラズマ処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ密度および気体の供給濃度を効果的に高めて真空チャンバ内へ均一に分布させるプラズマ処理システムを提供する。
【解決手段】プラズマ処理システムの真空チャンバ内に配置されている電極装置２５０は、複数の電極組２５１を含む。そして各電極組２５１は、第１の電極および第２の電極を含む。第１の電極および第２の電極は、電源供給装置の出力端２４１，２４２へ接続され、各電極組２５１は、それぞれ対応するように間隔を置いて配置され、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、真空チャンバ内の隣接する二つの電極組２５１の間にある加工部品２６０に表面処理を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、プラズマ処理システムに関し、特にプラズマ密度（plasma density）および気体の供給濃度を効果的に高めて真空チャンバ内へ均一に分布させるプラズマ処理システムに関する。

図１は、従来技術のプラズマ処理システムを示す模式図である。図１に示すように、従来技術のプラズマ処理システム１００には、電極装置１１０および真空チャンバ１２０が含まれている。

図２に示すように、電極装置１１０をプラズマ処理システムの真空チャンバ１２０内に配置し、プラズマを発生させて真空チャンバ１２０内の加工部品１３０に表面処理を行う。電極装置１１０には、第１の電極板１１１および第２の電極板１１２が含まれる。第１の電極板１１１は直流プラス電源に接続され、第２の電極板１１２は直流マイナス電源に接続されている。これにより、第１の電極板１１１と第２の電極板１１２との間に電界を発生させることができる。

しかし、加工部品１３０は、第１の電極板１１１と第２の電極板１１２との間に配置され、第１の電極板１１１および第２の電極板１１２と並んだ状態となっている。そのため、第１の電極板１１１と第２の電極板１１２とで形成されている中間領域の電界強度は、第１の電極板１１１および第２の電極板１１２の外周領域の電界強度よりも遥かに弱い。この理由は、第１の電極板１１１および第２の電極板１１２の外周領域の電界強度が、これら二つの電極板の外周と真空チャンバとの間の放電により影響されるからである。これにより第１の電極板１１１および第２の電極板１１２の外周領域の電界強度が強くなり電界を不均一にする現象が発生した。

従来のプラズマ処理システム中の電極装置は、外付け中周波の電源供給装置により、電界の均一度を改善することができる。電極装置１１０中の第１の電極板１１１および第２の電極板１１２には、完全に位相が異なる電源をさらに二つ加え、二つの電極板間の電界強度を倍増することができる。そしてこの設計により電極装置１１０は、第１の電極板１１１と第２の電極板１１２との中間部分にある電界が不均一になる現象を改善することができる。ただし、第１の電極板１１１および第２の電極板１１２の外周領域は、電極板の外周と真空チャンバとの間の放電の影響を受けるため、その電界は依然として不均一であった。

上述した電極装置１１０は、静電容量式のプラズマ発生方法を使用するため、それにより発生されるプラズマ密度（plasma density）は低く、加工部品の周囲の電界分布が不均一なため、真空チャンバ内の加工部品に対する処理効率および均一性は悪く、処理時間も長かった。

また、真空チャンバ１２０は、真空吸気装置により必要な真空度を保持し、気体供給装置１２２により真空チャンバ１２０の一側に必要な反応気体を提供してプラズマ処理を行っていた。

しかし上述したような真空チャンバ１２０の一側で気体を提供する構造または方式では、反応気体を真空チャンバ１２０内で均一に分布させる時間が長くなり効率は良くなかった。

そのため、上述の問題を解決するため、本発明は、プラズマ処理システムに応用する電極装置および気体供給装置を提供する。

本発明の目的は、プラズマ密度および気体の供給濃度を効果的に高めて真空チャンバ内へ均一に分布させるプラズマ処理システムを提供することにある。

本発明のプラズマ処理システムの電極装置は、プラズマ処理システムの真空チャンバ内に配置されている電極装置が複数の電極組を含む。そして各電極組は、第１の電極および第２の電極を含む。第１の電極および第２の電極は、電源供給装置の出力端へ接続され、各電極組は、それぞれ対応するように間隔を置いて配置され、真空チャンバ内にプラズマを発生させて真空チャンバ内の隣接する二つの電極組の間にある加工部品に表面処理が行われる。

本発明の電極装置は、二重層の第１の電極および第２の電極を少なくとも含んで電極間を狭くしたり同時に電位を変化させることにより、それぞれの電界強度を増やしたり中空陰極効果を増やしたりしてプラズマの密度および全体の均一度を増大させる。もし電極組内の電極形式が、例えば誘導結合式電極、中空陰極式電極などの高密度プラズマ電極へ属すると同時に少なくとも二つ以上の電極を含む場合、この電極組内には二つ以上の高密度プラズマ源からなる電極組が含まれ、プラズマの密度および均一度を増大させることができる。これにより加工部品の処理効率を高め、真空チャンバ内の電界を均一に分布させて加工部品の表面処理の品質を高める。

本発明のプラズマ処理システムは、真空チャンバ、真空吸気装置、気体供給装置、電源供給装置および電極装置を備える。真空吸気装置は、真空チャンバを真空にする。気体供給装置の気体供給口は、真空チャンバの両側または前後へ相対的に配置されている気体供給口を少なくとも二組有する。電源供給装置は、出力端または第１の出力端および第２の出力端を有する。電極装置は、一つまたは複数の電極組を有して真空チャンバ内へ配置され、各電極組は第１の電極および第２の電極を少なくとも含む。第１の電極および第２の電極は、電源供給装置の出力端へ接続され、各電極組は対応するように間隔を置いて配置され、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、真空チャンバ内の隣接する二つの電極組の間に配置されている加工部品に表面処理を行う。

上述したことから分かるように、本発明のプラズマ処理システムは、プラズマ密度および気体の供給濃度を効果的に高めて真空チャンバ内へ均一に分布させることができる。

図３に示すように、本実施形態のプラズマ処理システム２００には、真空チャンバ２１０、真空吸気装置２２０、気体供給装置２３０、電源供給装置２４０および電極装置２５０が含まれる。

本実施形態のプラズマ処理システム２００は、真空チャンバ２１０内にプラズマを発生させ、真空チャンバ２１０内の加工部品に対して表面処理を行う。図３および図４に示すように、真空吸気装置２２０は、第１の吸気口２２１および第２の吸気口２２２により、真空チャンバ２１０の両側または前後に接続したり、上下または任意の対角線上へそれぞれ接続したりしてもよく、第１の吸気口２２１および第２の吸気口２２２を相対的に配置したり非相対的に配置したりして、真空モータにより真空チャンバ２１０を真空にする。気体供給装置２３０の第１の気体供給口２３１および第２の気体供給口２３２のそれぞれは、真空チャンバ２１０の両側または前後へ接続してもよいし、上下または任意の対角線上へ接続してもよい。また、第１の気体供給口２３１および第２の気体供給口２３２は、相対的に配置したり非相対的に配置したりしてもよい。

気体供給装置２３０は、第１の気体供給口２３１、第２の気体供給口２３２に接続され、それぞれ単独で反応気体を供給したり、真空チャンバ２１０内の反応気体をスピーディかつ効率的に供給するために反応気体を同時に供給したりしてもよい。

なお第１の吸気口２２１および第２の吸気口２２２を相対的に配置したり、第１の気体供給口２３１および第２の気体供給口２３２を相対的に配置したりすると、反応気体をスピーディかつ効率良く供給することができる。特に、真空チャンバ２１０の空間が大きくなるに従いその効果も大きくなり、反応気体を供給して、全体の真空チャンバ２１０をスピーディかつ均一に充満することができる。反応気体を供給するとき、第１の気体供給口２３１、第２の気体供給口２３２の下に設けられている第１の吸気口２２１、第２の吸気口２２２を対角線上に配置して吸気を行うと、反応気体で真空チャンバ２１０全体を充満させる時間をより速く効率的に行うことができる。

なお反応気体は、Ｏ_２、Ｎ_２、Ｈ_２、ＣＦ_４、Ａｒ、空気など、その他の反応気体や各種反応気体を組み合わせたものでもよい。

気体供給装置２３０の第１の気体供給口２３１および第２の気体供給口２３２を配置する方向は、電極装置２５０の電極板と平行または非平行でもよいが、平行であることが好ましい。

本実施形態は電源供給装置２４０により電極装置２５０に必要な電力を供給するが、この電源供給装置は１台だけに限定されるわけではなく、２台以上にしてもよい。電源供給装置２４０は、出力端または第１の出力端２４１および第２の出力端２４２を有する。電源供給装置２４０の種類は、直流の電源供給装置、直流パルスの電源供給装置、低周波の電源供給装置、中周波の電源供給装置または高周波の電源供給装置などといった電源供給装置である。電源供給装置２４０の第１の出力端２４１および第２の出力端２４２の位相差は０〜１８０度にしてもよい。また、それらを同じ位相にして真空チャンバ２１０内に中空陰極効果を発生させてプラズマ密度を高めたり、両者の位相差を１８０度にして電界強度を増加させてもよい。

図５は、本発明の第１実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置２５０を示す斜視図である。電極装置２５０は複数（一つでもよい）の電極組２５１を有し、各電極組２５１は第１の電極、第２の電極からなり、各電極組２５１の間には処理する加工部品２６０が配置されている。本実施形態の電極装置２５０は、真空チャンバ内の空間を十分に大きくすると、比較的多い電極および加工部品を配置し、真空チャンバ内において複数の加工部品の表面処理を行うことができる。なお本実施形態の電極組は、二つの電極の配置だけには限定されず、実際の必要に応じて三つや四つ、更にはそれ以上の電極により形成してもよい。

電極装置２５０は、二つの電極を電極組２５１と見なし、処理する加工部品２６０を互いに隣接する二つの電極組２５１の間に配置する。電極装置２５０の電極をこのように配置した場合、二つの電極間は狭くなるため電極間の電界強度を増大させ、プラズマ密度および均一度を相対的に高めることができる。電極組内の二つの電極は、同じ位相の電源へ接続され、二つの電極間には中空陰極効果が発生してプラズマ密度を増大させる。電極組内の二つの電極は、異なる位相（位相差は１８０度であることが最も好ましい）の電源に接続され、二つの電極間の電界強度を高めてプラズマ密度を高める。電極組内の電極形式は、例えば、誘導結合式電極、中空陰極式電極などの高密度のプラズマ電極に属し、同時に少なくとも二つ以上の電極を含む。この電極組内では、二つ以上の高密度プラズマ源からなる電極組を含み、プラズマ密度を増大させる。

本発明の第１実施形態による電極組２５１の第１の電極および第２の電極は、誘導結合式電極が渦巻き状であるが、形状はこれだけに限定されるわけではなく、方形、円形、楕円形などの形状にすることもできる。図６は、本発明の第２実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置２５０を示す斜視図である。本発明の第２実施形態による電極装置２５０の電極は誘導結合式電極に属し、螺旋状の電極組が形成されている。図７に示すように、本発明の第３実施形態による電極装置２５０の電極組の螺旋状電極は、その内径が大から小へ向かう螺旋状でもよいし、小から大へ向かう螺旋状でもよい。

図８に示すように、空間を小さくすると同時に電極間の距離を小さくして電界強度およびプラズマ密度を高めるため、螺旋状電極の内径を異なるようにしてもよい。本発明の第４実施形態による電極装置２５０の電極組を例にすると、第１の電極の螺旋状の内径を第２の電極の螺旋状の内径よりも大きくして第２の電極を第１の電極内へ収納する。

図９〜図１１に示すように、本発明の第５実施形態から第８実施形態では、電極装置の電極が誘導結合式電極の放射線状または静電容量式電極の柵状、網状および中空陰極状である。図１２に示すように、電極装置の第１の中空陰極電極および第２の中空陰極電極は第１の電極組を形成する。本実施形態は、各中空陰極電極自体が中空陰極効果を形成し、印加電源の位相が同じか異なる状況において、第１の中空陰極電極と第２の中空陰極電極との間には、それぞれ中空陰極効果または電界増加効果を形成することによりプラズマ密度をさらに増大させることができる。

図１３に示すように、本発明の第９実施形態による電極装置は、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極を有する。第１の電極および第３の電極は、電源供給装置２４０の第１の出力端２４１へ並列に接続され、渦巻き状に形成されている。第２の電極および第４の電極は、電源供給装置の第２の出力端２４２へ接続され、第２の電極および第４の電極は渦巻き状に形成されている。

第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極は、互いに対応するように間隔を置いて配置されている。第１の電極と第２の電極との間には第１の処理する加工部品が配置され、第２の電極と第３の電極との間には第２の処理する加工部品が配置され、第３の電極と第４の電極との間には第３の処理する加工部品が配置されている。これにより、真空チャンバ内で、複数の加工部品の表面処理を行うことができる。

図１３に示すように、本実施形態の第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極は、互いに対応するように間隔を置いて配置されている。しかし、これらの電極は交錯した状態で特定の位置または距離を置いて配置されてもよい。

本発明の第９実施形態の電極は、誘導結合式の渦巻き状、螺旋状、放射線状だけに限定されるわけではなく、静電容量式の柵状や網状にしたり、電極を中空陰極状にしたりしてもよい。

また、磁石を加えて磁界を発生させ、プラズマの密度および均一度を高めてもよい。磁石を加えて発生させる磁界の方向は、電極面に対して平行でも垂直でもよく、加える磁石は永久磁石または電磁石でもよい。

真空チャンバは、システム全体の温度を高めて化学反応を行うために加熱システムを接続してもよい。真空チャンバ内の加工部品、基板または各種形式は、例えば接地、非接地、浮動（floating）または外接バイアスでもよい。外接バイアスが使用する電源供給装置は、直流の電源供給装置、直流パルスの電源供給装置、低周波の電源供給装置、中周波の電源供給装置または高周波の電源供給装置などでもよい。

本実施形態のプラズマ処理システムは、電極により真空チャンバ内にプラズマが発生するため、電極により発生する高熱は、冷却水により冷却しなければならなかった。そのため、本実施形態は電極装置の電極内に冷却水を通して電極を冷却させなければならないが、温度が余り高くないときは電極内に冷却水を通さなくてもよい。

本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

従来技術のプラズマ処理システムを示す模式図である。 従来技術のプラズマ処理システムの電極装置を示す模式図である。 本発明の一実施形態によるプラズマ処理システムの全体を示す模式図である。 本発明の一実施形態によるプラズマ処理システムの真空チャンバの吸気口および気体供給口を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第５実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第６実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第７実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第８実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。 本発明の第９実施形態によるプラズマ処理システムの電極装置を示す斜視図である。

符号の説明

１００、２００…プラズマ処理システム
１１０、２５０…電極装置
１１１…第１の電極板
１１２…第２の電極板
１２０、２１０…真空チャンバ
１２１、２２０…真空吸気装置
１２２、２３０…気体供給装置
１３０…加工部品
２２１…第１の吸気口
２２２…第２の吸気口
２３１…第１の気体供給口
２３２…第２の気体供給口
２４０…電源供給装置
２４１…第１の出力端
２４２…第２の出力端
２５１…電極組
２６０…処理する加工部品

Claims (18)

1. プラズマ処理システムの真空チャンバ内に配置されている電極装置が電極組を備え、
   前記電極組は、第１の電極および第２の電極を有し、
   前記第１の電極および前記第２の電極は、電源供給装置の出力端へ接続され、
   前記電極組は対応するように間隔を置いて配置され、前記真空チャンバ内へプラズマを発生させ、前記真空チャンバ内の隣接する二つの前記電極組の間に配置されている加工部品に表面処理を行うことを特徴とするプラズマ処理システムの電極装置。
2. 前記電極組は複数であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システムの電極装置。
3. 前記電源供給装置の出力端は、一つの出力端または第１の出力端および第２の出力端であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システムの電極装置。
4. 前記第１の電極および前記第２の電極は、同一位相の電源供給装置の同一の出力端または第１の出力端および第２の出力端へ接続されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システムの電極装置。
5. 前記第１の電極および前記第２の電極は、渦巻き状、螺旋状、放射線状、柵状、網状または中空陰極状であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システムの電極装置。
6. 磁場を発生させる少なくとも二つの磁石を有し、
   前記磁場は、前記第１の電極および前記第２の電極の電極面に平行または垂直であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システムの電極装置。
7. 真空チャンバと、該真空チャンバを真空にする真空吸気装置と、出力端を有する電源供給装置と、前記真空チャンバ内に配置されている電極装置とを備えるプラズマ処理システムであって、
   前記電極装置は、第１の電極および第２の電極を有する電極組を含み、
   前記第１の電極および前記第２の電極は、前記電源供給装置の前記出力端へ接続され、
   前記電極組のそれぞれは対応するように間隔を置いて配置され、前記真空チャンバ内にプラズマを発生させ、前記真空チャンバ内の隣接する二つの電極組の間に配置されている加工部品に表面処理を行うことを特徴とするプラズマ処理システム。
8. 真空チャンバと、該真空チャンバを真空にするために第１の吸気口および第２の吸気口を有する真空吸気装置と、前記真空チャンバに必要な気体を供給する第１の気体供給口および第２の気体供給口を有する気体供給装置と、出力端を有する電源供給装置と、前記真空チャンバ内に配置されている電極装置とを備えるプラズマ処理システムであって、
   前記電極装置は、第１の電極および第２の電極を有する電極組を含み、
   前記第１の電極および前記第２の電極は、前記電源供給装置の出力端へ接続され、前記電極組のそれぞれは対応するように間隔を置いて配置され、前記真空チャンバ内にプラズマを発生させ、前記真空チャンバ内の隣接する二つの電極組の間に配置されている加工部品に表面処理を行うことを特徴とするプラズマ処理システム。
9. 前記真空吸気装置の第１の吸気口および第２の吸気口のそれぞれは、前記真空チャンバの両側または前後へ接続されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理システム。
10. 前記気体供給装置の気体は、Ｏ_２、Ｎ_２、Ｈ_２、ＣＦ_４、Ａｒ、空気を含む反応気体から選択された一つまたは組み合わせを含むことを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理システム。
11. 前記気体供給装置の第１の気体供給口および第２の気体供給口のそれぞれは、前記真空チャンバの両側または前後端へ接続されていることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理システム。
12. 前記気体供給装置の第１の気体供給口および第２の気体供給口が配置されている方向は、前記電極装置の電極と平行または非平行であることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理システム。
13. 前記電極装置は、磁場を発生させる少なくとも二つの磁石を含み、
    前記磁場は、前記第１の電極および前記第２の電極の電極面に平行または垂直であることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ処理システム。
14. 前記電源供給装置の前記出力端は一つの出力端であることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ処理システム。
15. 前記電源供給装置の前記出力端は、第１の出力端および第２の出力端であることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ処理システム。
16. 前記第１の電極および前記第２の電極は、同一位相の電源供給装置の同一の出力端または第１の出力端および第２の出力端へ接続されていることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ処理システム。
17. 前記第１の電極および前記第２の電極は、渦巻き状、螺旋状、放射線状、柵状、網状または中空陰極状であることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ処理システム。
18. 磁場を発生させる少なくとも二つの磁石を含み、
    前記磁場は、前記第１の電極および前記第２の電極の電極面に平行または垂直であることを特徴とする請求項７または８に記載のプラズマ処理システム。
    

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