JP2011021210A - Ｅｃｒプラズマ源およびｅｃｒプラズマ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】細長くて均一かつ安定なプラズマを形成することができる、ＥＣＲプラズマ源の提供。
【解決手段】ＥＣＲプラズマ源は、細長い長方形状の誘電体窓(18)およびプラズマ引き出し用の開口(12a)を有し、誘電体窓(18)に平行な断面形状が長方形状であるプラズマ生成室(12)と、ＥＣＲ条件を満足するとともに開口(12a)からプラズマを引き出すための磁場を、プラズマ生成室(12)内に形成する磁気コイル(14)と、マイクロ波導入口からマイクロ波導出口にかけて幅寸法が大きくなるようなテーパ形状を有し、マイクロ波をほぼ等しい２つのマイクロ波に分岐するとともに、マイクロ波導出口を定在波の管内波長の長さ相当間隔で仕切る仕切り板(161a〜161c)を有するテーパ導波管(16)と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＥＣＲプラズマ源およびＥＣＲプラズマ装置に関する。

従来、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置などにおいては、ＴＥ１１モードの円筒状空洞共振器を用いたプラズマ発生室が設けられている。一般的には、プラズマ発生室の直径は２００ｍｍ程度であって、直径１２０ｍｍ程度のプラズマ引き出し孔から、発散磁界によってプラズマを反応室内部へ輸送するというものであった。プラズマ発生室の周囲には、磁場発生用の磁気コイルがプラズマ発生室の周囲を囲むように設けられている。

特開２００１−１９２８３８号公報

近年基板サイズの大型化が進行しており、フィルムやガラス基板ヘの成膜や、それらの基板の前処理としてのプラズマ処理では、少なくとも５００ｍｍ以上の幅に対して有効なプラズマ源が必要とされる。しかしながら、ＥＣＲプラズマ源においては、その中心領域にてＥＣＲ条件を満たすために磁場（２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対しては８７５ガウスの磁場）を発生させる必要があり、円筒状プラズマ源の直径を５００ｍｍ領域がカバーできる程度まで大きくすると、巨大なサイズの磁気コイルが必要となる。そのため、装置自体が大型化するとともに高価となり、大型基板を処理するプラズマ装置にＥＣＲを適用する上で大きな阻害要因となっていた。

請求項１の発明によるＥＣＲプラズマ源は、細長い長方形状のマイクロ波導入窓およびプラズマ引き出し口を有し、該マイクロ波導入窓に平行な断面形状が長方形状であるプラズマ生成室と、ＥＣＲ条件を満足するとともにプラズマ引き出し口からプラズマを引き出すための磁場を、プラズマ生成室内に形成する磁気コイルと、マイクロ波導入口からマイクロ波導出口にかけて幅寸法が大きくなるようなテーパ形状を有し、マイクロ波をほぼ等しい２つのマイクロ波に分岐するとともに、マイクロ波導出口を定在波の管内波長の長さ相当間隔で仕切る仕切り板を少なくとも一つ有するテーパ導波管と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のＥＣＲプラズマ源において、マイクロ波導出口の仕切り板で仕切られた各空間に、インピーダンス調整手段を各々設けたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のＥＣＲプラズマ源において、インピーダンス調整手段が、マイクロ波導出口から管内波長の略１／２の距離に配置され、管内挿入量が調整可能な金属棒であることを特徴とする。
請求項４の発明によるＥＣＲプラズマ装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマ源と、プラズマ引き出し口の長手方向に対してほぼ直交する方向に処理対象物を移動する移動装置と、を備え、移動する処理対象物を、プラズマ引き出し口から引き出されたプラズマによりプラズマ処理することを特徴とする。

本発明によれば、細長くて均一かつ安定なプラズマを形成することができ、大面積の対象に対して均一なＥＣＲプラズマ処理が可能となる。

ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す断面図である。 プラズマ発生部の部分を示す図であり、ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。 テーパ導波管１６の詳細図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はＣ矢視図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１，２は本発明によるプラズマ装置の一実施の形態を示す図であり、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す。図１は装置全体の断面図である。図２はプラズマ発生部の部分を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。なお、図１は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置１は、真空チャンバ１０と、真空チャンバ１０に連結されたプラズマ生成室１２とを備えている。図１において、プラズマ生成室１２を含む上側の構成がＥＣＲプラズマ源を構成している。真空チャンバ１０とプラズマ生成室１２とは開口１２ａを介して連通している。図１，２からも分かるように、プラズマ生成室１２は、横長の直方体形状を成している。プラズマ生成室１２の周囲には、プラズマ生成室１２内に磁場を生成するための磁気コイル１４が設けられている。

プラズマ生成室１２の上面には、テーパ導波管１６が接続されている。プラズマ生成室１２のテーパ導波管１６が接続されている部分には、石英等の誘電体で形成された長方形の誘電体窓１８が嵌め込まれている。テーパ導波管１６は導波管２０を介してマイクロ波出力部２２に接続されている。マイクロ波出力部２２で発生されたマイクロ波は、導波管２０によりテーパ導波管１６へと伝達され、誘電体窓１８を通してプラズマ生成室１２へと導入される。

例えば、マイクロ波出力部２２で生成されるマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚである場合には、磁気コイル１４により８７５ガウスの磁場が形成され、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）放電によるプラズマがプラズマ生成室１２に内に形成される。なお、図示は省略したが、マイクロ波出力部２２は、マイクロ波電源、マイクロ波発振器 、アイソレータ 、方向性結合器および整合器を備えている。

プラズマ生成室１２には、図示を省略したガス導入系により、成膜する薄膜に応じたガスが導入される。例えば、炭素系のＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜を成膜する場合には、プラズマ生成室１２内に炭化水素ガス（あるいは、炭化水素ガスとアルゴンガスとの混合ガス）が導入される。これらのガス分子がマイクロ波のエネルギーを吸収することにより、高密度、高活性なプラズマが形成される。磁気コイル１４により形成される磁場は、磁力線がプラズマ生成室１２から真空チャンバ１０の方向へと延びる発散磁界であり、プラズマ生成室１２内に生成された細長い断面形状を有するプラズマを、発散磁界により開口１２ａから真空チャンバ１０へと輸送する。

本実施の形態におけるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置１はフィルム２４に薄膜を成膜する装置であって、真空チャンバ１０内には、リール２６，２８およびキャンロール３０が設けられている。図示左側のリール２６には未成膜のフィルム２４が巻かれており、成膜されたフィルム２４はリール２８に巻き取られる。リール２６，２８は成膜対象であるフィルム２４を移動させる移動装置として機能する。

フィルム２４は、開口１２ａに対向する位置に配置されたキャンロール３０に架け回されるように、図示左方向から図示右方向へ移動する。そのため、フィルム２４が開口１２ａに対向する領域を通過する間に、開口１２ａから引き出されたイオンがフィルム２４上に照射され、フィルム２４に薄膜が形成される。なお、３２，３４はフィルム２４のテンションを調整するアイドラーである。

リール２６，２８およびアイドラー３２，３４はケーシング３６内に収納されている。ケーシング３６は、フィルム２４の出入り口がスリットとなっている以外は、真空チャンバ１０に対して隔離されている。ケーシング３６内および真空チャンバ１０は個別に真空排気されており、ケーシング３６内の圧力は真空チャンバ１０内の圧力よりも若干低めに設定されている。すなわち、真空チャンバ１０に対してケーシング３６を負圧にすることで、ケーシング３６の雰囲気（ガスやゴミ）によって真空チャンバ１０内が汚染されるのを防止している。

次に、テーパ導波管１６の構造について説明する。図３は、テーパ導波管１６を詳細に示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）はＣ矢視図である。なお、図３（ｂ）では一部を破断面とした。テーパ導波管１６に接続される導波管２０は標準の導波管であって、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する場合には、内径寸法が１０９．２２×５４．６１（ｍｍ）の導波管が接続される。そのため、テーパ導波管１６の入口側フランジ１６ａの開口寸法は、導波管２０の内径寸法と同一となっている。

テーパ導波管１６は、厚さ寸法（紙面に垂直な方向の寸法）を一定に維持したまま図示下方に向けて幅寸法（図示左右方向の寸法）が拡大している。本実施の形態におけるテーパ導波管１６は、単にテーパ形状になっているというものではなく、導入されたマイクロ波のＴＥ０１モードを維持しつつ、マイクロ波を複数に分岐して伝搬する構成となっている。そのために、仕切り板１６１ａ，１６１ｂ，１６１ｃを設けるとともに、インピーダンス調整手段としての金属棒４０が設けられている。

一般的に、入口側から出口側へと広がっているだけの単なるテーパ管では、入口からＴＥ１０モードのマイクロ波が導入された場合でも、ＴＥ１０モードがそのまま維持されず、テーパ管を伝搬する間に様々な高次モードが発生する。そのような場合、放電時にモードのジャンピングが発生する。例えば、ＴＥ１０モードで放電しているものが、急にＴＥ２０モードとかＴＥ４０モードとかに跳んでしまう。そのような放電状態のふらつきは、均一なプラズマ生成にとって障害となり、均一な膜の生成が困難となる。

一方、本実施の形態におけるテーパ導波管１６では、入口側から導入されたＴＥ１０モードのマイクロ波が、ＴＥ１０モードのままテーパ導波管１６の出口側まで伝搬されるように、仕切り板１６１ａ〜１６１ｃを設けた。テーパ導波管１６の出口開口は、仕切り板により４つの領域（開口）１６２ａ〜１６２ｄに区分されている。出口側フランジ１６ｂの開口１６２ａ〜１６２ｄの幅寸法は、定在波の管内波長λgとほぼ等しく設定されている。各仕切り板１６１ａ〜１６１ｃは、マイクロ波の進行方向に沿って延びている。それらの長さは、管内波長λgのほぼ整数倍に設定するのが好ましい。仕切り板１６１ａ〜１６１ｃは導入されたマイクロ波の分岐に関係するものであり、仕切り板１６１ａ，１６１ｃは等しい長さに設定され、中央の仕切り板１６１ｂは仕切り板１６１ａ，１６１ｃよりも長く設定されている。

また、出口側フランジ１６ｂの近傍には、各開口１６２ａ〜１６２ｄからプラズマ生成室１２に伝搬されるマイクロ波の位相を調整するインピーダンス調整手段として、金属棒４０が各々設けられている。金属棒４０には雄ネジが形成され、一方、金属棒４０が装着されるボス１６３には雌ネジが形成されている。そのため、金属棒４０を回転することにより、金属棒４０のテーパ導波管内部への挿入量を調整することができ、開口１６２ａ〜１６２ｄの出口におけるマイクロ波の位相を揃えることが可能となる。その結果、プラズマ生成室１２において安定な放電を得ることができる。

金属棒４０のフランジ１６ｂからの距離ｈは、例えば、管内波長λgの１／２に設定される。もちろん、寸法ｈはλg／２でなくても構わず、位相調整が可能な位置であれば良い。さらに、出口付近に設けられる金属棒４０に加えて、例えば、マイクロ波分岐が行われる位置の近傍（各仕切り板１６１ａ〜１６１ｃの上端近傍）に位相調整用のスタブを設けても構わない。

テーパ導波管１６の入口側から導入されたマイクロ波は、仕切り板１６１ｂの所で２つに分岐される。左側に分岐したマイクロ波は、仕切り板１６１ａのところで再び２つに分岐される。分岐した２つのマイクロ波はそれぞれ開口１６２ａ，１６２ｂから、誘電体窓１８を介してプラズマ生成室１２に導入される。一方、仕切り板１６１ｂの所で図示右側に分岐したマクロ波は、仕切り板１６１ｃのところで再び２つに分岐される。分岐した２つのマイクロ波はそれぞれ開口１６２ｃ，１６２ｄから、誘電体窓１８を介してプラズマ生成室１２に導入される。

このように、テーパ導波管１６においては、各仕切り板１６１ａ〜１６１ｃのところでマイクロ波が１／２に分割されるように構成されている。図３に示すテーパ導波管１６では、マイクロ波は仕切り板１６１ｂと仕切り板１６１ａ，１６２ｃとで２度分岐されて、総計で２^２個に分岐されることになる。その結果、ｙ方向に細長いプラズマ生成室１２に対して、位相の揃ったＴＥ１０モードのマイクロ波を均一に導入することができる。

プラズマ生成室１２は空洞共振器を構成しており、その形状に応じたモードのマイクロ波が存在する。上述したように、プラズマ生成室１２内には磁気コイル１４により８７５ガウスの磁場が形成されており、マイクロ波が導入されるとＥＣＲ放電によるプラズマがプラズマ生成室１２に内に形成される。

さらに、各開口１６２ａ〜１６２ｄの出口付近にマイクロ波の位相を調整するための金属棒４０を設けたので、例えば、機械的な寸法誤差によってテーパ導波管１６の出口における位相が揃わない場合であっても、金属棒４０の挿入量を調整することで位相を合わせることができる。

本実施の形態のプラズマ装置では、図１，２に示すように、移動する成膜対象（フィルム）に対して細長いプラズマ領域を生成する。この場合、プラズマ生成領域の長手方向寸法は、膜厚の均一性を確保するために、フィルム２４の幅寸法よりも若干大きな寸法とされる。なお、ここでは成膜対象としてフィルム２４を例に説明しているが、ガラス基板のような平面基板に関しても同様に適用することができる。その場合、平面基板をプラズマ生成領域の長手方向と直交する方向に移動させる移動装置を設けて、基板を移動させながら成膜を行う。

このように、成膜対称を移動させながら成膜を行う移動成膜装置においては、移動方向に関するプラズマの範囲を狭めることができる。そのため、本実施の形態では、標準的な導波管２０に対してテーパ導波管１６を接続し、マイクロ波を移動方向に対して直交する方向に分岐し、細長くて均一なプラズマ領域が得られるようにした。その結果、フィルムや長尺の平面基板に対して、均一な膜を容易に形成することが出来る。

以上説明したように、本実施の形態のプラズマ装置では、テーパ導波管１６の出口を定在波の管内波長λgの長さ相当の間隔で仕切り板１６１ａ〜１６１ｃを設け、仕切られた各空間にインピーダンス調整手段としての金属棒４０を配置することで、高次モードの発生を防止することができ、プラズマ発生室１２において安定な放電を得ることができる。また、放電の安定維持とともに長手方向のプラズマ密度の均一化を図ることができる。また、インピーダンス調整手段によって、広範なプロセス条件に対応して均一で安定な放電が可能となる。

なお、本実施の形態のプラズマ装置に設けられたプラズマ源は、主としてＣＶＤ成膜のために考案されたものであるが、Ａｒガス等の不活性ガスプラズマとした場合には、ＥＣＲプラズマの特徴でもある基板の低ダメージクリーニングができる。これによって同一真空中で成膜前処理が可能となり、膜密着性が飛躍的に向上する。これは、ＥＣＲ高密度プラズマのポテンシャルによって基板に５〜１５ｅＶ程度の自己バイアスを発生させ、基板に適度の運動エネルギーでイオンを入射させることができる為、基板にダメージを与えず基板表面に物理吸着したＨ２Ｏ等を除去できるからである。フィルム等のポリマーでは、この処理によって表面に官能基を生成できることが知られており、これも密着性向上効果が高い。一方、ＲＦプラズマによるイオンボンバードのようなクリーニング手法では、基板自己バイアス電位レベルが低くクリーニング効果が小さい。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述したＥＣＲプラズマ源は、ＣＶＤ装置に限らず、ＥＣＲプラズマを利用したエッチング装置などにも適用することができる。また、図３に示したテーパ導波管１６では、マイクロ波の分岐を２度行って２^２＝４個のマイクロ波に分岐したが、１度だけ分岐する構成であっても、３度以上分岐する構成であても構わない。マイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚに限らず９１５ＭＨｚ等であっても構わない。

１：ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置、１０：真空チャンバ、１２：プラズマ生成室、１２ａ，１６２ａ〜１６２ｄ：開口、１４：磁気コイル、１６：テーパ導波管、１８：誘電体窓、２０：導波管、２２：マイクロ波出力部、２４：フィルム、２６，２８：リール、３０：キャンロール、４０：金属棒、１６１ａ〜１６１ｃ：仕切り板

Claims (4)

1. 細長い長方形状のマイクロ波導入窓およびプラズマ引き出し口を有し、該マイクロ波導入窓に平行な断面形状が長方形状であるプラズマ生成室と、
   ＥＣＲ条件を満足するとともに前記プラズマ引き出し口からプラズマを引き出すための磁場を、前記プラズマ生成室内に形成する磁気コイルと、
   マイクロ波導入口からマイクロ波導出口にかけて幅寸法が大きくなるようなテーパ形状を有し、マイクロ波をほぼ等しい２つのマイクロ波に分岐するとともに、前記マイクロ波導出口を定在波の管内波長の長さ相当間隔で仕切る仕切り板を少なくとも一つ有するテーパ導波管と、を備えたことを特徴とするＥＣＲプラズマ源。
2. 請求項１に記載のＥＣＲプラズマ源において、
   前記マイクロ波導出口の前記仕切り板で仕切られた各空間に、インピーダンス調整手段を各々設けたことを特徴とするＥＣＲプラズマ源。
3. 請求項１または２に記載のＥＣＲプラズマ源において、
   前記インピーダンス調整手段は、前記マイクロ波導出口から前記管内波長の略１／２の距離に配置され、管内挿入量が可変な金属棒であることを特徴とするＥＣＲプラズマ源。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のＥＣＲプラズマ源と、
   前記プラズマ引き出し口の長手方向に対してほぼ直交する方向に処理対象物を移動する移動装置と、を備え、
   移動する前記処理対象物を、前記プラズマ引き出し口から引き出されたプラズマによりプラズマ処理することを特徴とするＥＣＲプラズマ装置。

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