JP2008223112A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シート形状のプラズマを用い、処理対象が３次元構造である場合でも処理を均一に行うことのできるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】中間電極から陽極に向かって引き出されたプラズマに対して、対向する方向からプラズマ軸に向かう一対の磁界を印加して該方向に交差する方向にプラズマ径を広げ、プラズマの断面形状を扁平にする。一対の磁界の印加方向を軸を中心に回転させ、プラズマの扁平な方向を軸を中心に傾斜させる。これにより、立体構造の基板の端部（側面部）にプラズマを傾斜させて接近させることができるため、基板の中央部と端部の処理速度の分布を低減し、処理速度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、特に、直流高密度プラズマを用いた処理装置に関する。

高密度プラズマを用いて成膜等を行うプラズマ処理装置としては、プラズマ源から引き出したプラズマに成膜原料ガスを供給し、反応生成物等を基板上に付着させる化学的気相成長（ＣＶＤ）装置や、プラズマによってイオン化した材料を蒸着するイオンプレーティング装置等が知られている。プラズマ生成法としては、アーク放電を用いることにより、高密度プラズマを生成できることが知られている。特に、プラズマ生成室と成膜室との間に、オリフィスを兼用する中間電極を配置し、プラズマ生成室内の圧力を成膜室の圧力より高くする圧力勾配型放電は、成膜室の反応ガスや逆流イオンがプラズマ生成室に逆流するのを防ぐことができ、反応ガスによる陰極の化学的損傷および逆流イオンによる陰極の物理的損傷を防止することができることが非特許文献１等に開示されている。

また、上記非特許文献１には、中間電極を通って成膜室側に引き出された円柱状のプラズマを挟むように、二枚の角型永久磁石を配置することにより、永久磁石の磁界によりプラズマの幅を広げ、巾が広く、厚みの薄いシート状のプラズマに変換できることが開示されている。一般にプラズマは、その表面のみが利用されているため、平面状基板の近くにシート状プラズマを生じさせることにより、プラズマを高効率で利用でき、平面状基板等に高効率で成膜を行うことが可能となる。

溶融塩 Vol.31 No.2 別刷 1988年5月

上述のようにプラズマ形状を、巾が広く、厚さの薄いシート状プラズマに変換することにより、平面状基板に対する成膜効率を向上させることが可能であるが、成膜対象（ワーク）が３次元の複雑な構造である場合には、シート状プラズマからワークまでの距離が均一ではないため、均一に成膜することができない。

本発明の目的は、シート形状のプラズマを用い、処理対象が３次元構造である場合でも処理を均一に行うことのできるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のようなプラズマ処理装置が提供される。すなわち、所定の軸に沿って順に配置された、陰極、中間電極および陽極と、中間電極と陽極との間の空間に基板を保持する基板保持部と、中間電極から陽極に向かって引き出されたプラズマに対して、プラズマ軸に向かう一対の磁界を対向する方向から印加して該方向に交差する方向にプラズマ径を広げる磁界印加部とを有する。磁界印加部は、一対の磁界の印加方向を軸を中心に回転させ、プラズマ径を広げる方向を軸を中心に傾斜させる手段を備える。これにより、立体構造の基板の端部（側面部）にプラズマを傾斜させて接近させることができるため、基板の中央部と端部の処理速度の分布を低減し、処理速度を向上させることができる。

磁界印加部は、一対の磁界を印加するために、軸を挟んで対向配置された一対の磁界発生部と、一対の磁界発生部を相互の位置関係を保ったまま軸を中心に回転させる回転機構部とを備える構成にすることができる。一対の磁界発生部を回転させることにより、プラズマを傾斜させることができる。

回転機構部には、回転機構部を回転駆動する駆動部と、駆動部を制御する制御部とが接続された構成にすることができる。この場合、制御部は、プラズマ処理中に予め定めた角度にプラズマを傾斜させることにより、処理速度の分布を均一化することができる。

基板保持部が、プラズマ軸に対して交差する方向に基板を搬送する搬送機構を備える場合には、制御部は、搬送機構により搬送されている基板の位置に応じて、予め定めた角度にプラズマを傾斜させる構成にすることができる。これにより、インライン装置で搬送しながらプラズマ処理をする場合であっても、処理速度の分布を低減することができる。

このように、本発明では、シート形状のプラズマを傾斜させることにより、３次元構造の処理対象の各部位に接近させることができるため、プラズマ処理を均一に行うことができる。

本発明の一実施の形態の直流高密度プラズマを用いた処理装置について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の直流高密度プラズマを用いた処理装置は、プラズマＣＶＤ法により成膜を行う装置である。この成膜装置の構成について図１〜図３を用いて説明する。図１に示したように、この成膜装置は、連結されたプラズマ室１と成膜室７とを有している。プラズマ室１には、陰極２および第１および第２の中間電極３がプラズマ軸（図１のｚ軸）に沿って順に配置されている。陰極２は、グロー放電（プラズマ）からアーク放電（直流高密度プラズマ１１）に移行させるのに適した公知の複合陰極構造である。第１および第２の中間電極３は、プラズマ１１を通過させるための貫通孔をその中心に有する。プラズマ室１には、放電ガス４を導入するための放電ガス導入口４ａが備えられている。第１および第２の中間電極３の貫通孔は、オリフィスとしても作用し、プラズマ室１の圧力を成膜室７の圧力よりも高く維持し、圧力勾配を形成する。

成膜室７には、ｚ軸上に陽極５が配置されている。成膜室７には、陽極５とプラズマ室１との間の空間に、原料ガス８を導入するための原料ガス導入管８ａと、基板６を保持する基板ホルダ１６が備えられている。成膜室７に設けられた排気口９は、不図示の真空排気装置に接続されている。

陰極２、第１および第２の中間電極３、および陽極５には、電源１０が接続されている。第１および第２の中間電極３には、陰極２の電位と陽極５の電位の間の中間電位が印加され、プラズマ１１に電位勾配を与えてプラズマを陰極２から陽極５へスムーズに導く作用をする。

プラズマ室１の外側、ならびに、成膜室７の外側にはそれぞれ、中心軸がｚ軸に一致するように電磁石１２が配置されている。電磁石１２は、ｚ軸方向の磁場を形成することにより、陰極２から生じたプラズマ１１をｚ軸を中心にビーム状に収束させる。これにより、プラズマ１１は、第１および第２中間電極３の中央の穴を通過し、陽極５方向に引き出される。

中間電極３と基板６との間には、プラズマ室１と成膜室７との連結部近傍に、図１に示すようにプラズマ室１を挟んで向かい合う一対の直方体形状の永久磁石１３が配置されている。一対の永久磁石１３の長手方向は、ｚ軸に直交する方向（図２ではｘ軸に平行な方向）に配置され、互いに向かい合う面がN極、外側の面がS極となるように着磁されている。

一対の永久磁石１３は、図２に示すように、プラズマ室１の外側に配置されたリング状の回転機構１４に搭載されており、リング状回転機構１４の回転中心軸は、プラズマ室１の中心軸（ｚ軸）と一致している。リング状回転機構１４には、これを回転駆動するモーター等の駆動部２１と、駆動部２１を制御する制御部２２が接続されている。よって、制御部２２の制御下で駆動部２１が、リング状回転機構１４を回転させることにより、一対の永久磁石１３を相互の位置関係を維持した状態で所定の角度まで回転させることができる。

一対の永久磁石１３は、互いに向かい合う面がＮ極となるように着磁されているため、これらによって形成される磁界は図３（ａ），（ｂ）のようになる。ただし、図３（ａ），（ｂ）は、一対の永久磁石１３がいずれもｙ軸上に配置されている場合について図示しており、図３（ａ）は、ｘ軸方向から見た磁力線を、図３（ｂ）は、ｙ軸方向から見た磁力線を示している。図３（ａ）からわかるように、一対の永久磁石１３のＮ極からｙ軸に沿って出た磁力線はそれぞれ、プラズマ１１の中心軸（ｚ軸方向）に向かった後、中心軸に沿う方向に向きを変える。これにより、プラズマ１１は、ｙ軸方向については、磁界によって閉じこめる方向の力を受け、プラズマ１１の径はｙ軸方向について押し縮められる。一方、ｘ軸方向については、図３（ｂ）に示したように磁力線は広がる方向に進むため、プラズマ１１の径はｘ軸方向に広がる。

このようにプラズマ１１は、一対の永久磁石１３の磁界によってｙ軸方向に圧縮され、ｘ軸方向については広げられるため、ｙ軸方向の厚さが薄く、ｘ軸方向に幅広のシート形状のプラズマになる。プラズマ１１のｘｙ面に平行な断面は、図４（ｂ）に示したように、ｘ方向に薄く広がった扁平な形状となる。

図３（ａ）、（ｂ）および図４（ｂ）に示したプラズマ１１は、一対の永久磁石対１３がｙ軸方向に沿って上下に対向配置されている状態であるが、リング状回転機構１４を回転させることにより、一対の永久磁石１３を対向させたまま、その向きをｚ軸を中心に回転させると、それに応じて磁界も傾斜するため、シート形状のプラズマ１１も傾斜する。すなわち、図４（ａ）および図４（ｃ）のように永久磁石対をｙ軸に対して傾斜させると、シート形状のプラズマ１１もその主平面方向が永久磁石１３の長手方向と平行になるように傾斜する。

このように一対の永久磁石１３を回転させ、シート形状のプラズマ１１を傾斜させることにより、基板６の側面部にシート形状のプラズマ１１を接近させることができる。よって、基板６の形状に合わせてプラズマ１１を傾斜させることにより、基板６の所望の部位にプラズマ１１を接近させることができる。

以下、本実施の形態の直流高密度プラズマを用いた成膜装置を用いて、基板６にＣＶＤ法により成膜する場合の各部の動作について説明する。ここでは、基板６として、円筒を軸方向に沿って２分割した半円筒形状の基板を用い、その外周面に成膜する場合について説明する。

まず、半円筒形状の基板６を、シート状のプラズマ１１の中心軸（ｚ軸）に対して凸、すなわち半円筒の外周面がプラズマ１１に向くように基板ホルダ１６に取り付ける。成膜室７およびプラズマ室１を排気口９から所定の真空度まで排気する。プラズマ室１にアルゴン、ヘリウム等の放電ガス４を導入し、電源１０から陰極２と陽極５間に直流電圧を印加し、グロー放電によるプラズマを生じさせる。放電開始直後３〜５分程度はグロー放電であるが、グロー放電を続けると、陰極２が加熱され熱電子を放出するようになり、これによりグロー放電の電離度が上昇して高密度放電すなわちアーク放電に移行し、直流高密度プラズマ１１が生じる。電源１０により電圧が印加され、抵抗が接続された第１および第２の中間電極３は、プラズマ１１に電位勾配を与え、陰極２から陽極５にスムーズに導く。また、第１および第２の中間電極３は、オリフィス作用によりプラズマ室１の圧力を成膜室７の圧力よりも高く維持し、その圧力勾配により、成膜室の反応ガスや逆流イオンがプラズマ生成室に逆流するのを防ぐ。

プラズマ室１および成膜室７の外部に配置された電磁石１２はｚ軸を中心にプラズマ１１を絞り、プラズマ１１をビーム状に収束することにより、第１および第２中間電極３の中央の穴を通過させるようにガイドするとともに、陽極５にプラズマ１１を導く。

第１および第２の中間電極３から引き出されたプラズマ１１は、一対の永久磁石１３の磁界によって、シート形状に広げられて成膜室７に引き出される。

成膜室７内に原料ガス導入管８ａから原料ガス８を供給すると、成膜室７内に引き出されたシート形状のプラズマ１１に原料ガス８が曝され、分解物や反応生成物等が生じ、基板６の外周面に堆積する。プラズマ１１による原料ガス８の分解反応や生成反応は、プラズマ１１の表面において生じるため、シート形状に広げられたプラズマ１１を用いることにより、プラズマ１１を高効率で利用して反応を生じさせることができ、成膜速度を向上させることができる。

成膜の途中で、制御部２２が回転機構１４を回転させることにより一対の永久磁石１３の向きを変え、プラズマ１１を傾斜させることにより、立体形状の基板６の外周面の周方向端部における処理速度（成膜速度）を向上させることができる。これにより、外周面全体の成膜速度の分布を低減し、外周面全体の成膜速度を向上させることができる。

具体的には、図４（ｂ）のように、一対の永久磁石１３の長手方向をｘ軸方向に平行に配置している場合に、シート形状のプラズマ１１の主平面はｘｚ平面に平行であり、基板６の外周面のうちｙ軸上の領域（中央領域）４０とプラズマ１１との距離が最も近くなる。このため、基板６の中央領域４０の成膜速度が大きくなり、左右端部４３ａ、４３ｂは、成膜速度の最も小さい領域となる。つぎに、図４（ａ）のように、一対の永久磁石１３をｚ軸を中心に所定の角度だけ傾斜させると、シート形状のプラズマ１１の主平面もそれに対応して所定の角度だけ傾斜するため、基板６の外周面のうち中央領域４０よりも所定の角度だけずれた領域４１がプラズマ１１に最も接近する。これにより、領域４１の成膜速度が最大となり、左端部４３ａの成膜速度は、図４（ｂ）よりも大きくなる。さらに、図４（ｃ）のように、一対の永久磁石１３を図４（ａ）の場合とは逆向きに所定の角度だけ傾斜させると、シート形状のプラズマ１１の主平面もそれに応じて図４（ａ）とは逆向きに所定の角度だけ傾斜するため、基板６の外周面のうち中央領域４０から図４（ａ）とは逆向きに所定の角度だけずれた領域４２がプラズマ１１に最も接近する。これにより、領域４２の成膜速度が最大となり、右端部４３ｂの成膜速度は図４（ｂ）よりも大きくなる。

よって、制御部２２は、成膜中に図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の傾斜状態に変化させ、各傾斜状態でそれぞれ所定の時間ずつ成膜を行う方法、または、成膜中にリング状回転機構１４を所定の角度範囲で連続的に揺動させる方法を行うことにより、基板６の外周面の周方向端部と中央部との成膜速度差を低減できる。これにより、所定の膜厚以上の膜が外周面全体に形成されるのに要する時間を短縮できる。

成膜を行った後、プラズマ１１を停止させ、成膜室７およびプラズマ室１を大気圧まで戻し、基板６を取り出す。

このように、本実施の形態の成膜装置は、シート形状にプラズマ１１を広げ、しかも、プラズマ１１を基板６に対して傾斜させることができるため、立体形状の基板６の側面方向にプラズマ１１を接近させることができる。これにより、基板の外周面全体の成膜速度の分布を低減でき、成膜に要する時間を短縮できる。また、中央領域４０と左右端部４３ａ、４３ｂの膜厚の差を低減でき、均一な膜を成膜することができる。

発明者らの実験によると、プラズマ１１を図４（ｂ）の状態に固定していた場合、中央領域４０の成膜速度は、端部４３ａ、４３ｂの成膜速度よりも５０％程度大きかったが、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）の状態にプラズマ１１を順に傾斜させた場合、中央領域４０の成膜速度が、端部４３ａ、４３ｂの成膜速度よりも２０％大きい程度まで成膜速度差を低減することができた。このように、プラズマ１１を傾斜させることにより、膜厚速度の分布が低減されることが確認された。

なお、制御部２２は、プラズマの回転を連続的に行うかもしくは断続的に行うか、連続的に行う場合には、揺動の周期や振幅の値をどうするか等について、ユーザから指示を受け取り、実行するように構成することができる。なお、永久磁石１３のリング状回転機構１４は、手動で回転させることも可能である。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態として、インライン成膜装置について説明する。インライン成膜装置は、第１の実施の形態の図１の成膜装置の構成と基本構造は同じであるが、成膜室７には、真空を保ったまま基板を搬入および搬出するためのロードロック室が連結されている。また、図示しないが、成膜室７内には、基板ホルダ１６をｘ軸方向に移動させる基板搬送機構が配置されている。

基板搬送機構は、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したように、成膜室７内で基板６を連続してｘ軸方向に移動させる。基板６は、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に移動しながら成膜処理が施される。リング状回転機構１４には、回転駆動部２１と、制御部２２とが接続されている。他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

制御部２２は、基板の搬送位置に合わせて、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）のように順に一対の永久磁石１３を傾斜させることにより、基板６の外周面における成膜の均一性を向上させる。制御部２２は、搬送に連動させて図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の角度に段階的にプラズマ１１を傾斜させることも可能であるし、搬送に連動させて連続的にプラズマ１１を傾斜させる（揺動させる）ことも可能である。

第２の実施の形態のインライン装置では、図５（ａ）、（ｃ）に示したように基板６がｙ軸から離れている位置では、基板６がｙ軸上に位置する時よりも、プラズマ１１を大きく傾斜させることができる。このため、図５（ａ）、（ｃ）では基板６の端部４３ａ、４３ｂとプラズマ１１との距離を、図４（ａ）、（ｃ）の場合よりも小さくすることができ、端部４３ａ、４３ｂにおける成膜速度をより向上させることができる。よって、中央領域４０と端部４３ａ、４３ｂとで成膜速度の差が小さく、均一な膜を成膜することができる。

発明者らの実験によると、インライン装置で、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）の状態にプラズマ１１を順に回転させながら成膜を行った場合、中央領域４０の成膜速度と、端部４３ａ、４３ｂの成膜速度との差を１０％程度以下にまで低減できることが確認された。

このように、第２の実施の形態では、成膜装置をインライン装置にした場合に、プラズマ１１を傾斜させることにより、立体構造の基板６に対して、成膜速度の分布を低減でき、成膜に要する時間を短縮できるとともに、膜厚を均一化することができる。

なお、第１および第２の実施の形態では、シート状のプラズマを用いてプラズマＣＶＤ法により成膜を行う成膜装置について説明したが、本発明は、プラズマＣＶＤ法による成膜装置に限られるものではなく、イオンプレーティング法により成膜を行う装置や、シート状のプラズマを用いて基板６の表面改質処理等の他の処理を行う装置に適用することも可能である。

第１の実施の形態の直流高密度プラズマを用いた成膜装置の構成を示すブロック図。 図１の成膜装置のＡ−Ａ断面図。 図１の成膜装置の一対の永久磁石１３について、（ａ）ｘ方向から見た磁界の磁力線を示す説明図、（ｂ）ｙ方向から見た磁界の磁力線を示す説明図。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）図１の成膜装置の一対の永久磁石対１３を回転させた場合のプラズマ１１と基板６との位置関係を示す説明図。 第２の実施の形態のインライン成膜装置において、一対の永久磁石対１３を回転させた場合のプラズマ１１と基板６との位置関係を示す説明図。

符号の説明

１…プラズマ室、２…陰極、３…第１および第２の中間電極、４…放電ガス、４ａ…放電ガス導入管、５…陽極、６…基板、７…成膜室、８…原料ガス、８ａ…原料ガス導入管、９…排気口、１０…電源、１１…プラズマ、１２…電磁石、１３…永久磁石、１６…基板ホルダ。

Claims (4)

1. 所定の軸に沿って順に配置された、陰極、中間電極および陽極と、前記中間電極と陽極との間の空間に基板を保持する基板保持部と、前記中間電極から陽極に向かって引き出されたプラズマに対して、前記軸に向かう一対の磁界を対向する方向から印加して該方向に交差する方向にプラズマ径を広げる磁界印加部とを有し、
   前記磁界印加部は、前記一対の磁界の印加方向を前記軸を中心に回転させ、前記プラズマ径を広げる方向を前記軸を中心に傾斜させる手段を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置おいて、前記磁界印加部は、前記一対の磁界を印加するために、前記軸を挟んで対向配置された一対の磁界発生部と、前記一対の磁界発生部を相互の位置関係を保ったまま前記軸を中心に回転させる回転機構部とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記回転機構部には、前記回転機構部を回転駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とが接続され、該制御部は、プラズマ処理中に予め定めた角度に前記プラズマを傾斜させることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、前記基板保持部は、前記プラズマ軸に対して交差する方向に基板を搬送する搬送機構を備え、前記制御部は、前記搬送機構により搬送されている基板の位置に応じて、予め定めた角度に前記プラズマを傾斜させることを特徴とするプラズマ処理装置。

Images