JP2007317499A - 表面波プラズマ源 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体に求められる許容応力を低減し、また、誘電体の破損のリスクを低減する。
【解決手段】表面波プラズマ源１は、マイクロ波で形成した表面波によって表面波励起プラズマを生成する表面波プラズマ源において、少なくとも１つのスロットアンテナ３を備えるマイクロ波導波管２と、マイクロ波で形成した表面波によりプラズマを励起する気密室（プラズマチャンバ２１）とを備え、各スロットアンテナ３に対して、マイクロ波導波管２と気密室（プラズマチャンバ２１）との間を連通する窓部４を設け、この窓部４毎に窓部の周囲にＯリング８を配置して真空シール部を構成する。各スロットアンテナ３を単位として窓部４及び真空シール部を構成することで窓部の面積を低減し、誘電体に求められる許容応力を低減し、また、誘電体の破損のリスクを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面波励起プラズマを発生する表面波プラズマ源に関する。

表面波プラズマ源は、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を利用したプラズマ処理装置や高密度プラズマ応用装置に適用される。高密度プラズマ応用装置としては、アッシング装置、ドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、イオンビームスパッタリング装置、イオンビームエッチング装置、イオンビームアシスト装置、ＳＷＰスパッタリング装置、その他のリモートプラズマ源、プラズマ滅菌装置等がある。

例えば、半導体製造プロセスでは、成膜、エッチング処理、アッシング処理等にプラズマ技術が多く利用されている。また、太陽電池、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等の製造にもプラズマ技術が利用されている。パネルの大型化や大画面化に伴って、大面積の高密度プラズマを均一に生成することが必要である。プラズマ密度を均一とすることで、被処理物全面を均一処理することができる。

大面積の高密度プラズマを生成できるプラズマ処理装置として、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ）を利用する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、導波管内を伝播するマイクロ波をスロットアンテナから誘電体の窓を通してプラズマ生成室内に導入し、誘電体の窓面に生じた表面波によってプラズマ生成室内のプロセスガスをプラズマ励起する。表面波は誘電体の窓の表面上を速やかに伝播し、誘電体窓の表面積に応じたプラズマ領域が得られる。

上記した表面波プラズマを励起させる表面波プラズマ源において、従来種々の提案がされている。

例えば、上記したスロットアンテナにおいて、誘電体窓全面に表面波エネルギーを均一に伝え、プラズマ密度分布を均一化するために、スロットアンテナの開口形状や配置をマイクロ波導波管内部に生じる電磁界分布に適合させるもの提案がされている（例えば、特許文献２参照）。

また、プラズマ処理装置では、気密容器内の圧力を０．１〜５０Ｐａ程度の減圧状態に保持した状態でプラズマ処理を行う。この減圧雰囲気を保持するために、誘電体窓の外周に使い場所に真空シールを施している。この真空シールでは、誘電体窓の中央部に最大応力が生じ、誘電体窓の面積を広げる際に、誘電体窓の材料を高強度としたり、誘電体窓の厚さを増すといった問題に対処するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２０００−３４７７９８号公報 特開２００４−２３５５６２号公報 特開２００４−２８９０９９号公報

図５，図６は従来の表面波プラズマ源の一構成を説明するための図であり、図５はマイクロ波導波管の長さ方向の断面を示す表面波プラズマ源の断面図であり、図６は、表面波プラズマ源のスロットアンテナと誘電体の配置を示す図である。

図５において、表面波プラズマ源１０１は、マイクロ波導波管１０２と誘電体板１０５〜１０７を備え、マイクロ波導波管１０２の磁界面を構成する底面には、マイクロ波を誘電体板１０５へ導くスロットアンテナ１０３が形成されている。誘電体１０５〜１０７は、金属製の取り付けネジ１１３によってフランジ１１０に固定され、プラズマ処理装置１２０のプラズマチャンバ１２１内に設けられる。プラズマチャンバ２１内には、処理対象の基板を保持する基板ステージ１２２が設けられる。誘電体１０５とフランジ１１０との間はＯリング１０４によって真空シールが形成される。また、フランジ１１０とプラズマチャンバ１２１との間には、Ｏリング１０８が設けられる。

図６は、誘電体１０５〜１０７をマイクロ波導波管１０２側からプラズマチャンバ１２１側を見た状態を示している。Ｏリング１０４は、マイクロ波導波管１０２に形成された複数のスロットアンテナ１０３を囲むようにフランジ１１０に形成された溝内に設置され、取り付けネジ１１３によって誘電体１０５，１０６をフランジ１１０に押し付けることで真空シールを構成している。

ここで、誘電体１０５において、Ｏリング１０４により真空シールが形成される面積は、ａ＊ｂで表される。誘電体１０５の一方のマイクロ波導波管側は大気圧力であり、他方のプラズマチャンバ側は減圧状態にあるため、ａ＊ｂで表される面積部分にはほぼ大気圧力が印加される。そのため、誘電体１０５、１０６は、この大気圧力に耐えるに十分な機械強度が必要であるという問題がある。

また、誘電体１０５を固定する取り付けネジ１１３には、ａ＊ｂの面積の大気圧力、誘電体１０５、１０６の荷重、Ｏリング１０４のつぶし力等の負荷が印加される。そのため、取り付けネジ１１３においても、この負荷に耐えるに十分な機械強度と数量が必要であるという問題がある。

そこで、十分な機械強度を得るために取り付けネジ１１３は金属製のものが採用されているが、酸素プラズマ雰囲気や大きなマイクロ波電力によって、この金属製の取り付けネジ１１３が発熱するという問題が発生する。

また、誘電体１０５はａ＊ｂの面積を１枚の誘電体板で作成する必要があり、部品コストが高くなるという問題がある。特に、１ｍを超える長さの部品を作成することは容易ではなく、さらに、誘電体１０５は厚さが４ｍｍ程度であるため割れやすいという問題がある。

上記した特許文献３には、誘電体を板面内で分割することによって、熱膨張量を小さくして、熱により発生する内部応力を低減させる構成が示されているが、マイクロ波導波管の接する誘電体窓は、気密性を保持するために分割することができない。したがって、マイクロ波導波管の接する誘電体は、ａ＊ｂの面積を１枚の誘電体板で作成する必要がある。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、誘電体に求められる許容応力を低減し、また、誘電体の破損のリスクを低減することを目的とする。また、取り付けネジでの発熱を抑制することを目的とする。

本発明の表面波プラズマ源は、マイクロ波で形成した表面波によって表面波励起プラズマを生成する表面波プラズマ源において、少なくとも１つのスロットアンテナを備えるマイクロ波導波管と、マイクロ波で形成した表面波によりプラズマを励起する気密室とを備え、各スロットアンテナに対して、マイクロ波導波管と前記気密室との間を連通する窓部を設け、この窓部毎に窓部の周囲にＯリングを配置して真空シール部を構成する。

上記構成とすることによって、各スロットアンテナを単位として窓部及び真空シール部を構成することができるため、窓部の面積を低減させることができる。

この窓部の少なくとも一つを第１の誘電体により封止し、この第１の誘電体を介してマイクロ波導波管から気密室内にマイクロ波を導出する。

窓部に設ける誘電体の面積は窓部の面積に依存するため、上記構成によって窓部の面積を低減することで誘電体の面積を低減することができる。誘電体の面積を低減することで、誘電体の許容応力を低減し、誘電体の破損のリスクを低減することができる。

また、窓部の残余は金属板によって封止することができる。この金属板は、マイクロ波の気密室内への導出を阻止するブラインドプレートを構成する。複数のスロットアンテナに対応して複数の窓部を設け、これらの複数の窓部の内から第１の誘電体によって封止する窓部と、金属板によって封止する窓部とを選択することによって、マイクロ波導波管から気密室内に導入するマイクロ波の導入位置を選択して表面波の発生位置をプロセス条件に応じて調整することができる。

また、第１の誘電体はスロットアンテナ毎に分割して設けられ、分割された各第１の誘電体の気密室側の面は第２の誘電体に密着して配置される。第２の誘電体を、気密室を密閉状態とするフランジに固定する際には、誘電体からなる締結部材を用いることができる。締結部材を誘電体とすることによって、酸素プラズマ雰囲気や大きなマイクロ波電力であっても、締結部材での発熱を抑制することができる。

また、第２の誘電体の気密室側の面に密着して配置される第３の誘電体を備える構成において、第２の誘電体と第３の誘電体とを、誘電体からなる締結部材により、気密室を密閉状態とするフランジに固定してもよい。この構成においても、締結部材を誘電体とすることによって締結部材での発熱を抑制することができる。

上記した第１〜第３の誘電体、及び締結部材を構成する誘電体は、石英あるいはアルミナセラミックの素材を用いることができる。

本発明によれば、スロットアンテナに対応した窓部毎に真空シール部を構成することにより、各窓部の面積を低減しこの窓部に設ける誘電体の面積を低減することによって、誘電体に求められる許容応力を低減することができ、また、誘電体の破損のリスクを低減することができる。

また、本発明によれば、取り付けネジの締結部材を誘電体で構成することによって、渦電流による発熱を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。図１〜図４は、本発明の表面波プラズマ源の概略構成を説明するための図であり、図１はマイクロ波導波管の長さ方向の断面を示す表面波プラズマ源の断面図であり、図２は表面波プラズマ源のスロットアンテナと誘電体の配置を示す図であり、図３は窓部の構成を説明するための断面図であり、図４は誘電体板の取り付けを説明するための断面図である。

図１において、表面波プラズマ源１は、マイクロ波導波管２と、第１の誘電体５〜第３の誘電体７を備え、マイクロ波導波管２の磁界面を構成する底面には、マイクロ波を第１の誘電体５５へ導く複数のスロットアンテナ３が形成されている。表面波プラズマ源１は、例えば、プラズマ装置２０に設けることで、プラズマ装置２０が備えるプロセスチャンバ２１内にマイクロ波を導入し、このマイクロ波で形成した表面波によってプロセスガスを励起してプラズマを発生させる。なお、プロセスチャンバ２１内には、基板等の処理対象物を支持する基板ステージ２２が設けられ、図示しない排気装置によって真空排気されると共に、図示しないガス源からプロセスガスが導入される。また、プロセスチャンバ２１のマイクロ波導波管２側にはフランジ１０が設けられ、Ｏリング１４等によって密閉状態とされる。

マイクロ波導波管２には、図示しないマイクロ波出力部からマイクロ波が導入される。マイクロ波出力部は、高圧電源とマイクロ波発振器を有し、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍを発振する。導入されたマイクロ波はマイクロ波導波管２の内部を伝播して定在波を形成する。なお、マイクロ波導波管２の寸法は、例えば、磁界面の幅を１０９．２ｍｍ、電界面の幅を５４．６ｍｍとし、長さはＴＥ１０の定在波伝送モードを安定させるのに必要な寸法とすることができる。

本発明の表面波プラズマ源１は、マイクロ波導波管２の底面に設けられる各スロットアンテナ３に対して、複数の窓部４を備える。この窓部４は、各スロットアンテナ３に対して設けられ、スロットアンテナ３を通して、マイクロ波導波管２とプロセスチャンバ２１との間を連通する。

図３に示す断面図は一つの窓部４の構成のみを示している。図３において、上方Ａはマイクロ波導波管の管内を示し、下方Ｂはプロセスチャンバ２１内を示している。

窓部４は、マイクロ波導波管２の底面に設けられたスロットアンテナ３と対向する位置において、上端はスロットアンテナ３に、下端はプロセスチャンバ２１側につながって、スロットアンテナ３とプロセスチャンバ２１とを連通する開口部を形成している。

この窓部４内は第１の誘電体５が封止される。この第１の誘電体５の上端は、スロットアンテナ３を形成する構成部材と接し、接触面にＯリング８が設けられ、真空シール部が構成されている。なお、図３では、Ｏリング８はフランジ１０に形成された溝内に配置される。また、第１の誘電体５は、抑え部材１１を取り付けネジ９でフランジ１０に取り付けることによって固定される。

Ｏリング８は、取り付けネジ９の締結によって押された抑え部材１１が第１の誘電体５をフランジ１０側に押し付ける力によって弾性変形し、これによって。第１の誘電体５とフランジ１０との気密を保持する。このＯリング８による真空シール部は、各スロットアンテナ３に対して設けられた窓部４毎に設けられる。

一方、第１の誘電体５のプロセスチャンバ２１側には、第２の誘電体６及び第３の誘電体７からなる誘電体板が設けられる。第２の誘電体６の誘電体板の一方の面は第１の誘電体５の誘電体板及びフランジ１０と接して取り付けられ、他方の面には第３の誘電体７の誘電体板が接して取り付けられている。

図４において、第２の誘電体６の誘電体板は、誘電体の素材からなる取り付けネジ１２によってフランジ１０に固定される。図４では、第３の誘電体７の誘電体板に形成した切り欠き部１３に取り付けネジ１２の頭部を嵌め込む構成とすることで、第３の誘電体７の誘電体板のプロセスチャンバ２１側の面を平坦としているが、取り付けネジ１２によって、第２の誘電体６及び第３の誘電体７の両誘電体板をフランジ１０に取り付ける構成としてもよい。ここで、第１の誘電体５〜第３の誘電体７は、石英、アルミナ、ジルコニア、パイレックス（登録商標）ガラス、テフロン（登録商標）等の誘電性材料から製造される。また、プロセスチャンバ２１の容器本体やフランジ１０は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等の非磁性金属で形成することができる。

マイクロ波導波管２の内部を伝播するマイクロ波は、スロットアンテナ３を通過して、各スロットアンテナ３に対応する窓部４に設けられた第１の誘電体５、及び第２，３の誘電体６，７の誘電体板に入射し、第３の誘電体７の誘電体板の表面を表面波として伝播し、プロセスチャンバ２１内に放射する。

表面波は、第３の誘電体７の誘電体板のプロセスチャンバ２１側の表面を瞬時に伝播する。この表面波のエネルギーによってプラズマが生成する。プラズマ領域は、表面波の伝播に伴って拡大する。

プロセスチャンバ２１には図示しないプロセスガス導入口と真空排気口が設けられている。プロセスガス導入口から、Ｏ_２，ＳｉＨ_４，Ｈ_２，Ｎ_２，ＳＦ_６，Ｃｌ_２，Ａｒ，Ｈｅ等のプロセスガスが導入される。プロセスガスを導入しながら真空排気口から排気することによって、プロセスチャンバ２１内の圧力を通常、０．１〜５０Ｐａ程度に保持する。このような減圧雰囲気で、プロセスガスは表面波エネルギーにより励起され、プラズマが生成する。

このとき、プロセスチャンバ２１内の基板ステージ２２上に基板等の被処理物を配置することによって、成膜、エッチング、アッシング等の処理が行われる。

図２は、マイクロ波導波管側からプロセスチャンバ側を見たときのスロットアンテナと誘電体との関係を示している。図２において、マイクロ波導波管側には、複数のスロットアンテナ３を形成する開口部が形成されている。なお、スロットアンテナ３は、マイクロ波導波管を構成する部材、プロセスチャンバ側のフランジを構成する部材、あるいはマイクロ波導波管側と接する部材に形成することができる。また、図２に示すスロットアンテナは２つの形状を有する構成を示している。スロットアンテナ３の一形態は、マイクロ波導波管２の電界面を形成する側面側を凸とする弧状の長穴であり、磁界面上において２つの電界面の中央の軸である中心軸１５に対して、それぞれ反対側に配置されている。また、スロットアンテナ３の他の一形態は、矩形状の長穴であり、中心軸１５に沿って配置されている。なお、一般に、スロットアンテナは開口の長手方向が磁力線に沿った状態であるとき、マイクロ波電力の入射効率を高いため、上記長穴についても、長手方向が磁力線に沿って形状とすることが望ましい。

ここで、各スロットアンテナ３に対して設けられた窓部４について見ると、窓部４の開口部分において、Ｏリングで囲まれる部分の寸法は、弧状の長穴のスロットアンテナの場合にはｃ１＊ｄ１であり、矩形状の長穴のスロットアンテナの場合にはｃ２＊ｄ２であり、いずれも、図６で示した従来構成の場合のａ＊ｂと比較して各段に小さな面積とすることができる。

上記した構成によれば、マイクロ波導波管２側の大気圧とプロセスチャンバ２１側の減圧（例えば、０．１〜５０Ｐａ）との圧力差は、主に窓部４に設けた第１の誘電体５に印加される。本発明の窓部４は、スロットアンテナ３毎に設ける構成とすることによって面積を減少させることができるため、第１の誘電体５に印加される応力を低減させることができ、破損の危険性を低下させることができる。

また、図２において、マイクロ波導波管２に設けられた複数のスロットアンテナに対して設けられた複数の窓部４の内で、何れの窓部に第１の誘電体５を設けるかはプロセス条件に応じて任意に定めることができる。複数の窓部４の内で、第１の誘電体５を設けない窓部については、ステンレスやアルミニウム等の金属板を設け、これによって、スロットアンテナのブラインドプレートを構成することができる。

本発明の表面波プラズマ源は、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）を利用したプラズマ処理装置や高密度プラズマ応用装置に適用される。高密度プラズマ応用装置としては、アッシング装置、ドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、イオンビームスパッタリング装置、イオンビームエッチング装置、イオンビームアシスト装置、ＳＷＰスパッタリング装置、その他のリモートプラズマ源、プラズマ滅菌装置などに適用することができる。

マイクロ波導波管の長さ方向の断面を示す本発明の表面波プラズマ源の断面図である。 本発明の表面波プラズマ源のスロットアンテナと誘電体の配置を示す図である。 本発明の表面波プラズマ源の窓部の構成を説明するための断面図である。 本発明の誘電体板の取り付けを説明するための断面図である。 マイクロ波導波管の長さ方向の断面を示す表面波プラズマ源の断面図である。 従来の表面波プラズマ源の一構成を説明するための図であり、表面波プラズマ源のスロットアンテナと誘電体の配置を示す図である。

符号の説明

１…表面波プラズマ源、２…マイクロ波導波管、３…スロットアンテナ、４…窓部、５…第１の誘電体、６…第２の誘電体、７…第３の誘電体、８…Ｏリング、９…取り付けネジ、１０…フランジ、１１…抑え部材。１２…取り付けネジ、１３…切り欠き部、１４…Ｏリング、１５…中心軸、２０…プラズマ処理装置、２１…プラズマチャンバ、２２…基板ステージ、１０１…表面波プラズマ源、１０２…マイクロ波導波管、１３０…スロットアンテナ、１０４…Ｏリング、１０５…第１の誘電体板、１０６…第２の誘電体板、１０７…第３の誘電体板、１０８…Ｏリング、１１０…フランジ、１２０…プラズマ処理装置、１２１…プラズマチャンバ。

Claims (7)

1. マイクロ波で形成した表面波によって表面波励起プラズマを生成する表面波プラズマ源において、
   少なくとも１つのスロットアンテナを備えるマイクロ波導波管と、
   マイクロ波で形成した表面波によりプラズマを励起する気密室とを備え、
   各スロットアンテナに対して、前記マイクロ波導波管と前記気密室との間を連通する窓部を設け、当該窓部毎に窓部の周囲にＯリングを配置して真空シール部を構成することを特徴とする、表面波プラズマ源。
2. 前記窓部の少なくとも一つは第１の誘電体により封止し、当該第１の誘電体を介してマイクロ波導波管から気密室内にマイクロ波を導出することを特徴とする、請求項１に記載の表面波プラズマ源。
3. 前記窓部の残余は金属板により封止し、当該金属板は、マイクロ波の気密室内への導出を阻止するブラインドプレートを構成することを特徴とする、請求項２に記載の表面波プラズマ源。
4. 前記第１の誘電体はスロットアンテナ毎に分割して設けられ、分割された各第１の誘電体の気密室側の面は第２の誘電体に密着して配置されることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一つに記載の表面波プラズマ源。
5. 前記第２の誘電体を、誘電体からなる締結部材により、気密室を密閉状態とするフランジに固定することを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか一つに記載の表面波プラズマ源。
6. 前記第２の誘電体の気密室側の面に密着して配置される第３の誘電体を備え、第２の誘電体と第３の誘電体とを、誘電体からなる締結部材により、気密室を密閉状態とするフランジに固定することを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか一つに記載の表面波プラズマ源。
7. 前記誘電体は、石英又はアルミナセラミックであることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の表面波プラズマ源。

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