JP2011071187A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理室内の温度上昇を抑制することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】原料ガスを導入して交流電圧を印加可能に構成された処理室３と、処理室内を原料ガスが導入されるガス導入室３２と、基板１０が配置される反応室３１と、に区画するシャワープレート５と、を備えたプラズマ処理装置１において、ガス導入室内に、冷却装置５０が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関するものである。

従来から、プラズマを用いて原料ガスを分解し、基板の被成膜面に薄膜を形成するプラズマ処理装置（成膜装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。図９に示すように、従来のプラズマ処理装置１０１は、例えば、処理室１０３内の空間が複数の噴出口１０６を有するシャワープレート１０５によって、基板１１０を配置する成膜空間（反応室）１３１と、原料ガス（成膜ガス）を導入するガス導入室１３２と、に区画されている。また、処理室１０３には、高周波電源１０９が接続され、シャワープレート１０５がカソード電極として機能している。

そして、ガス導入室１３２に導入された原料ガスは、シャワープレート１０５の各噴出口１０６から成膜空間１３１に噴出される。このとき、成膜空間１３１内にプラズマを発生させ、プラズマによって分解された原料ガスが基板１１０の被成膜面１１０ａに到達することにより所望の膜が形成される。

特開平１０−３１０８６６号公報

ところで、上述のプラズマ処理装置１０１を用いて、複数の基板１１０の被成膜面１１０ａに対して連続的に成膜するためにバッチ処理を行うと、処理室１０３内の温度が徐々に上昇するため、膜の品質が低下するという問題がある。また、処理室１０３内の温度が異なると、膜の品質が基板１１０ごとに異なってしまい、基板１１０ごとに性能誤差が生じるという問題がある。
さらに、従来のプラズマ処理装置では、処理室１０３の筐体の壁部内に温度上昇を抑制するための冷却配管が設けられていたが、この場合にはシャワープレート１０５の周縁部は冷却できるものの、シャワープレート１０５の平面視中央部付近を冷却することが困難であった。

そこで、本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、処理室内の温度上昇を抑制することができるプラズマ処理装置を提供するものである。

請求項１に記載した発明は、原料ガスを導入して交流電圧を印加可能に構成された処理室と、該処理室内を前記原料ガスが導入されるガス導入室と、基板が配置される反応室と、に区画するシャワープレートと、を備えたプラズマ処理装置において、前記ガス導入室内に、冷却装置が設けられていることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、冷却装置により処理室内の温度が上昇するのを抑制することができる。したがって、連続的に基板に成膜を施す際に、膜質の低下を抑制することが可能となる。

請求項２に記載した発明は、前記冷却装置は、冷却水が通流可能な冷却配管と、該冷却配管を支持するための冷却板と、該冷却板と前記シャワープレートとの間に配された伝熱板と、を備え、前記冷却板および前記伝熱板には、前記原料ガスが通過するためのガス流路が形成されていることを特徴としている。

請求項２に記載した発明によれば、冷却配管に冷却水を流すことで、処理室内に生じている熱を吸熱することができる。したがって、処理室内の温度上昇を抑制することができる。また、伝熱板をシャワープレートと冷却板との間に配することにより、シャワープレートの熱をより効果的に吸熱することができる。

請求項３に記載した発明は、前記冷却配管に通流させる前記冷却水の流量を可変可能に構成されていることを特徴としている。

請求項３に記載した発明によれば、冷却水の流量を可変させることにより、処理室内の温度を略一定に保持することができる。したがって、連続的に基板に成膜を施す際に、反応室内の温度を略均一に保持することが可能となるため、膜質を略均一に保持することができる。

請求項４に記載した発明は、前記冷却板が、第１冷却板と第２冷却板とに分割可能に構成されており、前記第１冷却板と前記第２冷却板との間に前記冷却配管を配置可能に構成されていることを特徴としている。

請求項４に記載した発明によれば、冷却配管を確実に支持することができるとともに、メンテナンス性を向上させることができる。また、冷却配管を覆うように第１冷却板および第２冷却板が配されるため、吸熱面積を大きく確保することができる。したがって、処理室内の温度上昇を抑制することができる。

本発明によれば、冷却装置により処理室内の温度が上昇するのを抑制することができる。したがって、連続的に基板に成膜を施す際に、膜質の低下を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成図である。 図１のＡ部拡大図である。 本発明の実施形態における伝熱板の部分斜視図である。 本発明の実施形態におけるシャワープレートのガス噴出口と伝熱板の貫通孔との位置関係を説明する部分平面図である。 本発明の実施形態における冷却板の部分斜視図である。 本発明の実施形態における伝熱板の貫通孔と冷却板の貫通孔との位置関係を説明する部分平面図である。 本発明の実施形態における冷却装置の平面図であり、冷却配管の配管径路を説明する図である。 図７のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 従来のプラズマ処理装置の概略構成図である。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置について、図１〜図８に基づいて説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図１は、本実施形態におけるプラズマ処理装置１の概略構成図である。
図１に示すように、プラズマＣＶＤ法を実施するプラズマ処理装置１は、絶縁フランジ８１を挟んで真空チャンバ２と電極フランジ４から構成される処理室３を有している。処理室３の内部は、シャワープレート５により基板１０が配置される反応室３１と、原料ガスが導入されるガス導入室３２と、に区画されている。

真空チャンバ２の下部には、真空チャンバ２の底部１１を挿通するように支柱２５が配置されており、支柱２５における真空チャンバ２の内部側の先端には、板状のヒータ１５が接続されている。また、真空チャンバ２には、排気管２７が接続されている。この排気管２７には、真空ポンプ２８が設けられおり、真空チャンバ２内を真空状態にすることができるように構成されている。

また、支柱２５は、真空チャンバ２の外部に設けられた図示しない昇降機構に接続されており、上下方向に移動可能に構成されている。つまり、支柱２５の先端に接続されているヒータ１５を上下方向に昇降可能に構成されており、基板１０の出し入れが容易になるように構成されている。なお、真空チャンバ２の外部において、支柱２５の周縁には、これを被覆するベローズ（不図示）などが設けられている。

電極フランジ４は有頂容器状に形成されており、開口部には、これを閉塞するようにシャワープレート５が取り付けられている。これにより、電極フランジ４とシャワープレート５との間に、ガス導入室３２が形成されている。また、電極フランジ４には、シャワープレート５と対向する上壁４１にガス導入口４２が設けられており、ここにガス導入管７の一端が接続されている。ガス導入管７の他端には、真空チャンバ２の外部に設けられた原料ガス供給部２１が接続されており、この原料ガス供給部２１からガス導入室３２に原料ガスを供給することができるようになっている。

電極フランジ４とシャワープレート５は、それぞれ導電材で構成されており、電極フランジ４は真空チャンバ２の外部に設けられたＲＦ電源（高周波電源）９に接続されている。すなわち、電極フランジ４、およびシャワープレート５はカソード電極７１として構成されている。なお、ＲＦ電源９よりシャワープレート５には、例えば２７．１２ＭＨｚの高周波電圧が印加可能に構成されている。

そして、シャワープレート５には、複数のガス噴出口６が形成されている。ガス導入室３２内に導入された原料ガスはガス噴出口６から真空チャンバ２内の反応室３１に噴出されるように構成されている。

ここで、ガス導入室３２内に冷却装置５０が設けられている。冷却装置５０は、シャワープレート５上に載置された伝熱板５１と、伝熱板５１上に載置された冷却板５２と、冷却板５２の内部および処理室３の外部に敷設された冷却配管５３と、冷却配管５３内の冷却水を循環させるための循環ポンプ５４と、冷却配管５３内を通流する冷却水の流量を調整するバルブ５５と、を備えている。

図２、図３に示すように、伝熱板５１は、例えばアルミにウムで形成されており、シャワープレート５と略同一の平面形状を有した金属製の板状部材である。伝熱板５１は、シャワープレート５のガス導入室３２側の面に当接されている。伝熱板５１には、シャワープレート５のガス噴出口６に対応した位置に貫通孔６１が複数形成されている。

また、図４に示すように、伝熱板５１の貫通孔６１は、例えば矩形状に形成されており、９個のガス噴出口６に対して１個の貫通孔６１が対応するように形成されている。つまり、貫通孔６１が原料ガスのガス流路の一部として機能しており、貫通孔６１が形成されていない箇所がシャワープレート５と当接しているため、伝熱板５１はシャワープレート５の熱を吸熱してその熱を冷却板５２に伝熱する伝熱部として機能している。なお、図４では伝熱板５１の伝熱部（貫通孔６１以外の領域）が、平面視においてガス噴出口６の一部を閉塞するように配置されているが、伝熱部の面積を確保するために構成したものである。このように構成してもガス噴出口６からは所定量の原料ガスが噴出できるようになっている。

図２、図５に示すように、冷却板５２は、例えば、アルミニウムで形成されており、シャワープレート５および伝熱板５１と略同一の平面形状を有した金属製の板状部材である。冷却板５２は、さらに２枚に分割されており、伝熱板５１上に載置された第１冷却板５２Ａと、第１冷却板５２Ａ上に載置された第２冷却板５２Ｂと、を有している。そして、第１冷却板５２Ａと第２冷却板５２Ｂとの間に冷却配管５３が敷設されている。

また、第１冷却板５２Ａおよび第２冷却板５２Ｂには、伝熱板５１の貫通孔６１に対応した位置に貫通孔６２が複数形成されている。図６に示すように、冷却板５２（第１冷却板５２Ａおよび第２冷却板５２Ｂ）の貫通孔６２は、例えば円筒状に形成されており、１個の貫通孔６１に対して２個の貫通孔６２が対応するように形成されている。つまり、貫通孔６２が原料ガスのガス流路の一部として機能しており、貫通孔６２が形成されていない箇所が伝熱板５１の熱を吸熱可能な伝熱部として機能している。

図１、図７、図８に示すように、冷却配管５３は、例えばＳＵＳ配管で形成されており、第１冷却板５２Ａと第２冷却板５２Ｂとの間に敷設されるとともに、処理室３の外部へ導かれたループ状に構成されている。処理室３の外部において、冷却配管５３には循環ポンプ５４およびバルブ５５が設けられている。冷却配管５３内に、例えば冷却水として純水を供給し、循環ポンプ５４を駆動させることで純水を循環させることができる。また、バルブ５５の開度を調節することにより、冷却配管５３内を循環する純水の流量を調節することができ、処理室３内を所定温度で保持することができるように構成されている。純水の温度は、約３０℃〜８０℃の間に設定しておくことが好ましい。

なお、処理室３内を所定温度で保持するには、例えば、処理室３に温度計（不図示）を設け、温度計の値からバルブ５５の開度や循環ポンプ５４の出力を調節するように構成すればよい。また、処理室３の外部において、熱交換装置（不図示）を設け、処理室３内から出てきた冷却水を熱交換装置において熱交換（冷却）し、熱交換された冷却水を再度処理室３内へ流入するように構成してもよい。さらに、冷却水は循環させずに、常に新しい冷却水を処理室３内へ供給するように構成してもよい。

冷却配管５３は、平面視において冷却板５２の側面に形成された流入口６３から第１冷却板５２Ａと第２冷却板５２Ｂとの間に入り、冷却板５２の平面視周縁部を略半周した後、中央部を略一周するように敷設された後に再度上述した周縁部とは逆側の周縁部へ戻り、略半周した後、流入口６３の近傍に形成された排出口６４から出てくるように構成されている。なお、冷却配管５３は、貫通孔６２を避けるように配管径路が設定されている。

また、図１に戻り、真空チャンバ２の反応室３１には、別のガス導入管８が接続されている。ガス導入管８にはフッ素ガス供給部２２とラジカル源２３とが設けられており、フッ素ガス供給部２２から供給されたフッ素ガスをラジカル源２３で分解し、これによるフッ素ラジカルを、真空チャンバ２内の反応室３１に供給するように構成されている。

ヒータ１５は上面が平坦に形成された板状の部材であって、この上面に基板１０が載置可能に構成されている。ヒータ１５は、接地電極、つまりアノード電極７２として機能する。このため、導電性を有する、例えば、アルミニウム合金で形成されている。

基板１０をヒータ１５上に配置すると、基板１０とシャワープレート５とは互いに近接して平行に位置するように構成されている。また、基板１０の被成膜面１０ａとシャワープレート５との間の離間距離は可変可能に構成されている。そして、ヒータ１５上に基板１０を配置した状態で、ガス噴出口６から原料ガスを噴出させると、その原料ガスは基板１０の被成膜面１０ａに吹き付けられるように構成されている。

また、ヒータ１５は、その内部にヒータ線１６が内包されており、温度制御機能を有している。ヒータ線１６は、ヒータ１５の平面視略中央部の底面１７から突出されており、支柱２５の内部を挿通して、真空チャンバ２の外部へと導かれている。また、ヒータ線１６は真空チャンバ２の外部にて図示しない電源と接続され、温度調節がなされるように構成されている。このヒータ１５により基板１０の温度を調節できるようになっている。

さらに、ヒータ１５の外周縁には、このヒータ１５と真空チャンバ２との間を接続するように複数のアース３０が略等間隔で配設されている。アース３０は、例えば、ニッケル系合金やアルミ合金などで構成されている。

次に、プラズマ処理装置１を用いて基板１０の被成膜面１０ａに膜を形成する場合について説明する。
まず、真空ポンプ２８で真空チャンバ２内を真空排気する。真空チャンバ２内を真空状態に維持した状態で、基板１０を真空チャンバ２内の反応室３１に搬入し、ヒータ１５上に載置する。ここで、基板１０を載置する前は、ヒータ１５は真空チャンバ２内の下方に位置している。つまり、ヒータ１５とシャワープレート５との間隔が広くなっており、基板１０をヒータ１５上に載置しやすい状態に保持されている。

続いて、基板１０をヒータ１５上に載置した後に、図示しない昇降機構を起動させてヒータ１５上に載置された基板１０をシャワープレート５が配された方向に向かって移動させる。基板１０を上昇させて、基板１０とシャワープレート５との間隔を、成膜を行うのに適正な距離に保持する。また、ヒータ１５を駆動して基板１０を所望の温度に調節しておく。

続いて、原料ガス供給部２１からガス導入管７およびガス導入口４２を介してガス導入室３２に原料ガスを導入する。すると、ガス導入室３２に原料ガスが充満し、冷却装置５０に形成されたガス流路（貫通孔６１および貫通孔６２）を通過した後、シャワープレート５のガス噴出口６を通って真空チャンバ２内の反応室３１に原料ガスが噴出される。

ここで、冷却装置５０の冷却配管５３には約３０℃〜８０℃の間の温度の保持された純水を循環させる。純水を循環させることで、シャワープレート５やガス導入室３２の温度を適正温度に維持する。

続いて、ＲＦ電源９を起動して電極フランジ４に例えば２７．１２ＭＨｚの高周波電圧を印加する。このとき、電極フランジ４は絶縁フランジ８１を介して真空チャンバ２と絶縁されており、真空チャンバ２は接地電位に接続した状態になっている。

すると、シャワープレート５とヒータ１５との間に高周波電圧が印加されて放電が生じ、電極フランジ４に設けられているシャワープレート５と基板１０の被成膜面１０ａとの間にプラズマが発生する。こうして発生したプラズマ内で原料ガスが分解（プラズマ化）され、基板１０の被成膜面１０ａで気相成長反応が起こることにより、薄膜が成膜される。なお、高周波電圧は、電極フランジ４の外表面を通ってシャワープレート５に伝達される。

ここで、本実施形態では冷却装置５０を設けて、反応室３１やガス導入室３２内の温度を所定温度に保持するようにしているため、複数枚の基板１０に対して連続的にバッチ処理により成膜を施しても、略均一な成膜条件で基板１０の被成膜面１０ａに成膜することができる。つまり、バッチ処理により複数の基板１０に対して連続的に成膜する際にも、反応室３１やガス導入室３２の温度が必要以上に上昇するのを抑制することができ、全ての基板１０に対して略均一な膜質で成膜することができる。したがって、連続バッチ処理により基板１０の被成膜面１０ａに成膜を施しても、基板１０ごとに膜質が異ならない、一定の品質を有する基板１０を提供することができる。

また、基板１０への成膜が何度か繰り返されると、真空チャンバ２の内壁面３３などに成膜材料が付着するため、真空チャンバ２内を定期的にクリーニングする。クリーニングは、真空チャンバ２に接続されたガス導入管８に設けられたフッ素ガス供給部２２から供給されたフッ素ガスをラジカル源２３で分解し、これによるフッ素ラジカルを、真空チャンバ２内の成膜空間に供給し、化学反応させることにより付着物を除去する。

本実施形態によれば、ガス導入室３２内に、冷却装置５０を設けたため、冷却装置５０により処理室３内の温度が上昇するのを抑制することができる。したがって、連続的に基板１０に成膜を施す際に、膜質の低下を抑制することが可能となる。

また、冷却装置５０の冷却配管５３に冷却水（純水）を流すことで、処理室３内に生じている熱を吸熱することができる。したがって、処理室３内の温度上昇を抑制することができる。また、伝熱板５１をシャワープレート５と冷却板５２との間に配することにより、シャワープレート５の熱をより効果的に吸熱することができる。

また、冷却配管５３に通流させる冷却水の流量を可変可能に構成したため、処理室３内の温度を略一定に保持することができる。したがって、連続的に基板１０に成膜を施す際に、反応室３１内の温度を略均一に保持することが可能となるため、膜質を略均一に保持することができる。

さらに、冷却板５２を第１冷却板５２Ａと第２冷却板５２Ｂとに分割可能に構成し、その間に冷却配管５３を配置可能に構成したため、冷却配管５３を確実に支持することができるとともに、メンテナンス性を向上させることができる。また、冷却配管５３を覆うように第１冷却板５２Ａおよび第２冷却板５２Ｂが配されるため、吸熱面積を大きく確保することができる。したがって、処理室３内の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態では、プラズマ処理装置に冷却装置のみを配置した場合の説明をしたが、従来のように電極フランジ内にも冷却配管を設けて、冷却装置および冷却配管の両方でシャワープレートや処理室内の温度を調節するように構成してもよい。

１…プラズマ処理装置 ３…処理室 ５…シャワープレート １０…基板 ３１…反応室 ３２…ガス導入室 ５０…冷却装置 ５１…伝熱板 ５２…冷却板 ５２Ａ…第１冷却板 ５２Ｂ…第２冷却板 ５３…冷却配管 ６１…貫通孔（ガス流路） ６２…貫通孔（ガス流路）

Claims (4)

1. 原料ガスを導入して交流電圧を印加可能に構成された処理室と、
   該処理室内を前記原料ガスが導入されるガス導入室と、基板が配置される反応室と、に区画するシャワープレートと、を備えたプラズマ処理装置において、
   前記ガス導入室内に、冷却装置が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記冷却装置は、
   冷却水が通流可能な冷却配管と、
   該冷却配管を支持するための冷却板と、
   該冷却板と前記シャワープレートとの間に配された伝熱板と、を備え、
   前記冷却板および前記伝熱板には、前記原料ガスが通過するためのガス流路が形成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装置。
3. 前記冷却配管に通流させる前記冷却水の流量を可変可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記冷却板が、第１冷却板と第２冷却板とに分割可能に構成されており、前記第１冷却板と前記第２冷却板との間に前記冷却配管を配置可能に構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のプラズマ処理装置。

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