JP2012064935A

JP2012064935A - 微粒子捕集装置及び真空処理装置

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Publication number: JP2012064935A
Application number: JP2011178849A
Authority: JP
Inventors: Wataru Sekine; 航関根; Erm Kikuchi; 彫菊地; Soji Shinohara; 聡始篠原
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2031-08-18
Also published as: JP5846805B2

Abstract

【課題】効率的に微粒子を捕集することが可能な捕集装置を提供する。また、微粒子を効率よく回収することが可能な真空処理装置を提供する。
【解決手段】光源装置と、光源装置に接続され、光源装置で発光した光を伝搬する光ファイバと、該光ファイバで光が照射された観察対象物を撮像する撮像部と、電源装置に接続され、電圧が印加される電極針とを有する微粒子捕集装置である。なお、光ファイバ、撮像部、及び電極針は被覆材に覆われている。また、電極及び微粒子捕集装置の一部を有する処理室と、処理室に接続される電源装置、ガス供給源及び排気装置とを有し、微粒子捕集装置は、光源装置と、光源装置に接続され、光源装置で発光した光を伝搬する光ファイバと、該光ファイバで光が照射された観察対象物を撮像する撮像部と、電源装置に接続され、電圧が印加される電極針とを有する真空処理装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子を捕集する微粒子捕集装置、及び真空処理装置に関する。

半導体集積回路や液晶パネルなどの半導体装置の微細化に伴い、その製造工程における雰囲気中の粉塵、微粒子等のパーティクルの存在は、半導体装置の特性や収率を左右する。このため、半導体装置の製造工程で発生するパーティクルを除去することは重要な課題である。

半導体装置の製造工程の雰囲気中に発生するパーティクルの一つとして、ＣＶＤ装置やエッチング装置でのプラズマ雰囲気中で発生する微粒子がある。プラズマ雰囲気中で発生する微粒子は、プラズマ雰囲気に含まれる電子、中性ラジカル等の活性種の反応により生成される。微粒子は、処理室中を浮遊し、処理室内を汚染すると共に、基板上に形成される薄膜中に取り込まれてしまい、薄膜の質の低下の原因となる。

そこで、処理室内部の圧力を減圧すると同時に、処理室内の圧力を上げることなく、処理室へ導入する不活性ガスの流量を増大させて、排気系に掃引される不活性ガス流に、プラズマ雰囲気中で発生した微粒子を掃引させて、処理室内から微粒子を除去する技術が提案されている（特許文献１参照。）。

特開平６−８４８５３号公報

しかしながら、基板の一部は、排気系に掃引される途中の不活性ガス流に曝されるため、不活性ガス流中の微粒子が、基板上に形成される薄膜中に混入してしまう。

そこで、本発明の一態様では、効率的に微粒子を捕集することが可能な捕集装置を提供することを課題とする。また、本発明の一態様では、微粒子を効率よく回収することが可能な真空処理装置を提供することを課題とする。

本発明の一形態は、光源装置と、光源装置に接続され、光源装置で発光した光を伝搬する光ファイバと、該光ファイバで光が照射された観察対象物を撮像する撮像部と、電源装置に接続され、電圧が印加される電極針とを有する微粒子捕集装置である。なお、光ファイバ、撮像部、及び電極針は被覆材に覆われている。

また、本発明の一形態は、一対の電極及び微粒子捕集装置の一部を有する処理室と、処理室に接続される電源装置、ガス供給源及び排気装置とを有し、微粒子捕集装置は、光源装置と、光源装置に接続され、光源装置で発光した光を伝搬する光ファイバと、該光ファイバで光が照射された観察対象物を撮像する撮像部と、電源装置に接続され、電圧が印加される電極針とを有する。また、処理室内に設けられる微粒子捕集装置の一部は、光ファイバ、撮像部及び電極針である。

電極針は、柱状または針状のタングステン、白金、金等である。

撮像部は、複数のコア及び共通のクラッドからなる光ファイバ、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ等である。なお、被覆材内において、撮像部と共に、レンズを有してもよい。

プラズマ雰囲気で発生した微粒子は、負の電荷を帯びる。このため、処理室内に設けられた微粒子捕集装置の電極針に正の電圧を印加することで、負の電荷を帯びる微粒子を電気的に引き寄せ、電極針で捕集することができる。また、撮像部で撮像した微粒子の方向に電極を向けることで、プラズマ中で発生した微粒子を効率よく捕集することができる。

本発明の一態様により、効率的に微粒子を捕集することが可能な捕集装置を提供することができる。また、本発明の一態様により、微粒子を効率よく回収することが可能な真空処理装置を提供することができる。

微粒子捕集装置を説明するための図である。真空処理装置を説明するための図である。真空処理装置及びその電位を説明するための図である。

本発明の実施の形態の一例について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではないとする。なお、説明中に図面を参照するにあたり、同じものを指す符号は異なる図面間でも共通して用いる場合がある。また、同様のものを指す際には同じハッチパターンを使用し、特に符号を付さない場合がある。

本実施の形態では、本発明の一態様である微粒子捕集装置、及び該微粒子捕集装置を有する真空処理装置について説明する。

微粒子捕集装置の一形態について図１を用いて説明する。

図１（Ａ）は、微粒子捕集装置の模式図である。微粒子捕集装置１０１は、撮像部、微粒子を捕集する電極（以下、電極針と示す。）を有する電極部、及び光源装置で発光した光を伝搬する光ファイバを有する捕集部１０３、光源装置１０７、撮像部で撮像された画像を処理する信号処理装置１０９、並びに電極針に電圧を印加する電源装置１１１を有する。

光源装置１０７は、レーザ発振器を用いる。レーザ発振器としては、アルゴンイオンレーザ、半導体レーザ、色素レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｈｏ：ＹＡＧレーザ等の可視域から近赤外域までの波長のいずれかを有するレーザ光を発光するレーザ発振器を適宜用いることが好ましい。

信号処理装置１０９は、撮像部で撮影された画像信号を処理し、画像を生成する装置である。信号処理装置１０９で生成した画像は、内蔵または外付けの表示装置１１０で表示される。なお、表示装置１１０としては、アイピース、モニター等がある。

電源装置１１１は、電極部の電極針に任意の直流電圧を印加するための電源であり、直流電源を用いる。

なお、微粒子捕集装置１０１は、捕集部１０３と、光源装置１０７、信号処理装置１０９、及び電源装置１１１との間に、湾曲部１０５を有してもよい。湾曲部１０５は、多数のリングを連ねており、当該リングに湾曲部１０５を湾曲させるためのワイヤが連結されている。湾曲部１０５を有することで、捕集部１０３を任意の向きに変化させることができる。

次に、捕集部１０３の詳細について、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）を用いて説明する。図１（Ｂ）は、捕集部１０３の長手方向の断面模式図である。

図１（Ｂ）に示すように、捕集部１０３は、円筒状の被覆材１１２内に、撮像部１１３と、微粒子を捕集するための電極針を有する電極部１１５と、光源装置で発光した光を伝搬する光ファイバ１１７とを有する。また、捕集部１０３には、撮像部１１３で撮像する像を見やすくするためのレンズ１１９を有してもよい。ここでは、対物側にレンズ１１９を設けているが、信号処理装置１０９（図１（Ａ）参照。）側にレンズ１１９を設けてもよい。

被覆材１１２は、石英ガラス、アルミナ、フッ素樹脂、ポリイミド等の絶縁性を有し、且つ反応性の低い材料で形成される。また、被覆材１１２を金属及び絶縁物の積層構造としてもよい。この場合、絶縁物を外層とすることが好ましい。

次に、図１（Ｃ）を用いて、撮像部１１３、電極部１１５、及び光ファイバ１１７の詳細を説明する。図１（Ｃ）は捕集部１０３の径方向の断面模式図である。

撮像部１１３は、光ファイバ、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等を用いることができる。ここでは、撮像部１１３として、多数の光ファイバが溶着された光ファイバを用いる。被覆材１２３内に、充填されたクラッド１２７と、クラッド１２７内に形成される複数のコア１２５で形成される光ファイバを示す。コア１２５はゲルマニウム、リン等をドープした石英ガラスからなる。クラッド１２７は、コア１２５より屈折率の低い石英ガラスを用いることで、コア１２５及びクラッド１２７の界面で光を全反射させ、光を伝搬させることができる。クラッド１２７は、フッ素、ホウ素等がドープされた石英ガラスからなる。

コア１２５は撮像部１１３により得られる画像の画素となる。このため、コア１２５は１０００〜１０００００個と、多数のコアを有することで、より鮮明に撮像することができる。また、コア１２５の径は３〜１２μｍとし、コア１２５の間隔はコア１２５の径の１〜２倍とすることが好ましい。

なお、撮像部１１３がＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサで構成される場合、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサで撮像した画像信号を信号処理装置１０９（図１（Ａ）参照。）に伝搬する配線が、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサに接続される。

微粒子捕集装置１０１に撮像部１１３を設けることで、微粒子の詳細な位置を特定することができる。また、微粒子の形状や大きさを分析することが可能であり、プラズマ反応に関する情報を得ることができる。

光源装置で発光された光を伝搬する光ファイバ１１７は、被覆材１３３内に、充填されたクラッド１３７と、クラッド１３７内に設けられるコア１３５とを有する。コア１３５及びクラッド１３７はそれぞれ、撮像部１１３に示すコア１２５及びクラッド１２７と同様の材料を適宜用いることができる。

光ファイバ１１７は、図１（Ａ）に示す光源装置１０７と接続しており、光源装置１０７で発光した光を伝搬させ、観察物に該光を照射することができる。また、微粒子による光の散乱効果を利用し、微粒子の位置を特定することができる。

電極部１１５は、被覆材１４３内に、電極針１４５を有する。電極針１４５は、針状または柱状である。電極針１４５は、図１（Ａ）に示す電源装置１１１に接続しており、電源装置１１１により、電圧が印加される。

電極針１４５は、径が１ｍｍ以下の金属を用いることが好ましく、代表的はタングステン、金、白金などで形成される。なお、微粒子をより微粒子捕集装置の内部に引き寄せるために、電極針１４５の先端は、捕集部１０３の先端より内側に存在することが好ましい。

なお、図示しないが、微粒子捕集装置１０１には、捕集部１０３の位置を制御する制御部、光源装置１０７の起動用スイッチ、電源装置１１１の起動用スイッチ、撮像部１１３によって画像を観察及び撮影するスイッチ等を有する操作部を有する。

次に、図１に示す微粒子捕集装置を有する真空処理装置について、図２を用いて説明する。

図２は真空処理装置の一構成を示す。ここでは、真空処理装置として、プラズマＣＶＤ装置を示す。

処理室１５１はアルミニウムまたはステンレスなど剛性のある素材で形成され、内部を真空排気できるように構成されている。本実施の形態で示すプラズマ処理装置は、機械的強度を高めるために処理室の素材をステンレスとし、内面にアルミニウム溶射を施したものである。処理室１５１には第１の電極１５３（上部電極とも呼ぶ。）と、第１の電極１５３と対向する第２の電極１５５（下部電極とも呼ぶ。）が備えられている。

第１の電極１５３には高周波電源装置１５７が連結されている。第２の電極１５５は接地され、基板１５９を載置できるように構成されている。

高周波電源装置１５７には、整合器及び高周波カットフィルタが接続されている。高周波電源装置１５７から供給される高周波電力は、第１の電極１５３に供給される。また、第２の電極１５５に載置される基板が第７世代以上の大面積基板の場合は、高周波電源装置１５７として、波長として概ね１０ｍ以上の高周波を発振することが好ましい。代表的には、１３．５６ＭＨｚ以下、代表的には３ＭＨｚ以上１３．５６ＭＨｚ以下の周波数を発振することが好ましい。高周波電源装置１５７が、上記範囲の周波数を発振することで、第７世代以上の大面積基板を第２の電極１５５に載置してグロー放電を行っても、表面定在波の影響を受けることなく大面積基板上で均一なプラズマを発生させることができるため、基板全体に均質で良質な膜を形成することができる。

なお、図２では、第１の電極１５３と第２の電極１５５を有する容量結合型（平行平板型）の構成を示しているが、これに限定されない。高周波電力を供給して処理室１５１の内部にグロー放電プラズマを発生させることができるものであれば、誘導結合型など他の構成を適用してもよい。

第１の電極１５３には、ガス供給源１６１に接続される。ガス供給源１６１は、ガスが充填されたシリンダ、圧力調整弁、ストップバルブ、マスフローコントローラなどで構成されている。また、第１の電極１５３は中空構造となっており、第２の電極１５５と対応する面において複数の孔が形成され、当該孔から原料ガスを処理室１５１内に導入できる。

ヒータコントローラにより温度制御される基板加熱ヒータ１６３は、第２の電極１５５に設けられている。基板加熱ヒータ１６３が第２の電極１５５内に設けられる場合、熱伝導加熱方式が採用される。基板加熱ヒータ１６３は、例えばシーズヒータで構成される。

処理室１５１に接続されている排気装置１６５は真空排気する機能と、反応ガスを流す場合に処理室１５１内を所定の圧力に保持するように制御する機能とが含まれている。排気装置１６５の構成としては、バタフライバルブ、ストップバルブ、ターボ分子ポンプ、ドライポンプなどを適宜選択して接続する。

第１の電極１５３と第２の電極１５５の間隔（ギャップ間隔とも呼ぶ。）は適宜変更できるように構成されている。このギャップ間隔の調節は、第２の電極１５５に接続されるベローズ（図示しない。）により、処理室１５１内を真空に保持しつつ、ギャップ間隔の調節を行うことができる。

微粒子捕集装置１０１は、図１に示す微粒子捕集装置１０１において、少なくとも捕集部及び湾曲部を処理室１５１内に設ける。なお、微粒子捕集装置１０１の捕集部の高さ調整は、処理室１５１に設けられたベローズ１６７を用いて調節することができる。

また、微粒子捕集装置１０１は、光源装置１０７、撮像部で撮像された画像を処理する信号処理装置１０９、並びに電極針に電圧を印加する電源装置１１１に接続される。また、信号処理装置１０９で生成した画像は、内蔵または外付けの表示装置１１０で表示される。

なお、ここでは、微粒子捕集装置１０１を真空処理装置に１つ設けたが、複数設けてもよい。さらには、基板１５９を介して対向するように、一対または複数対の微粒子捕集装置を設けてもよい。一対または複数対の微粒子捕集装置を設けることで、微粒子を効率よく捕集することができる。

ここで、第１の電極１５３及び第２の電極１５５の間でプラズマを発生させたときに、発生する微粒子の浮遊位置について、図３を用いて説明する。

図３（Ａ）は、図２に示す第１の電極１５３及び第２の電極１５５の間にプラズマを発生させたときの、プラズマ及び第２の電極の近傍の拡大模式図である。なお、図３（Ａ）においては、図２に示す真空処理装置を右に９０度回転している。破線で示す第２の電極１５５上に設けられた、破線で示す基板１５９とプラズマ１７１の間にシース１７３が形成される。

第２の電極１５５はＧＮＤに接続されている。また、プラズマ１７１中では、イオン、電子及びラジカルが存在するが、電子は質量が軽く、イオン及びラジカルより速く拡散するため、プラズマ１７１及び第２の電極１５５の間に、シース１７３が形成される。このとき、シース１７３に存在する微粒子に電子が衝突するため、微粒子は負に帯電する。

ここで、シースにおける電位について、図３（Ｂ）を用いて説明する。図３（Ｂ）において、縦軸は電位φを表し、横軸は基板１５９表面からの距離ｘを示す。

φ_ｐをプラズマの電位、φ_ｅを第２の電極の電位とすると、（φ_ｐ−φ_ｅ）がシースの電位（φ_ｓ）となり、曲線１７５で示される。また、シースの電位を示す曲線１７５の接線の傾きがシース１７３の電場となる。図３（Ｂ）の矢印１７７と矢印１７９で示すように、シースの位置によって電場が異なる。即ち、プラズマ１７１側では、矢印１７７に示すように傾きが小さく、電場が弱い。一方、第２の電極１５５側では、矢印１７９に示すように傾きが大きく、電場が強い。

シースにおいて微粒子が帯びる静電気Ｆ_ｅは数式１で示される。
Ｆ_ｅ＝Ｑ×Ｅ（数式１）
式中、Ｑは微粒子の電荷量であり、Ｅはシースの電場である。

また、シースにおいて微粒子にかかる重力Ｆ_ｇは数式２で示される。
Ｆ_ｇ＝ｍ×ｇ（数式２）
式中、ｍは微粒子の質量、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓ^２）である。

矢印１７７で示す領域の電場Ｅ_１７７は、電場が弱いため、微粒子が帯びる静電気より重力の方が大きくなり、微粒子は第２の電極１５５側へ引き寄せられる。一方、矢印１７９で示す領域の電場Ｅ_１７９は、電場が強いため、微粒子にかかる重力より静電気の方が大きくなり、微粒子はプラズマ１７１側へ引き寄せられる。このような静電気及び重力の関係から、微粒子はシース１７３内を浮遊する。

なお、微粒子は質量及び半径が大きいため、プラズマ１７１中では浮遊しない。

次に、図２に示す真空処理装置を用いて、基板上に微結晶シリコン膜を成膜する方法、及び当該工程において、微粒子を捕集する方法について説明する。

図２において、第２の電極１５５上に基板１５９を設置した後、微粒子捕集装置１０１を基板１５９近傍に配置する。このとき、微粒子捕集装置１０１は基板１５９に重ならないようにすることで、基板１５９上に均一に膜を成膜することができる。

次に、排気装置１６５を制御して、処理室１５１内を所定の圧力とする。

次に、ガス供給源１６１から処理室１５１内に原料ガスを導入する。ここでは、原料ガスとして、シラン及び水素を用いる。なお、原料ガスにシラン及び水素の他に、ヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトン等の希ガスを用いてもよい。

次に、高周波電源装置１５７から第１の電極１５３に電力を供給し、第１の電極１５３及び第２の電極１５５の間にグロー放電させ、プラズマを生じさせる。プラズマ中において、高エネルギーの電子がシラン及び水素に衝突し、ＳｉＨ_３ラジカル、ＳｉＨ_２ラジカル、ＳｉＨラジカル、Ｓｉラジカル、Ｈラジカル等のラジカルや、イオン種が発生する。

ＳｉＨ_２ラジカル及びＳｉＨラジカルは反応性が高いため、反応して、高次シランが発生する。高次シランは微粒子となって、基板１５９近傍のシースを浮遊する。

次に、光源装置１０７で光を発光させ、当該光を微粒子捕集装置１０１から基板１５９近傍、即ちシースに照射する。シース中を浮遊する微粒子により該レーザ光は散乱され、微粒子の位置が把握できる。

次に、微粒子捕集装置１０１の撮像部で得られた映像をモニターで確認することで、微粒子の位置をより明確にする。また、モニターに映し出された微粒子の方向に、微粒子捕集装置１０１の先端を向ける。

次に、電源装置１１１の電圧を所定の電圧とし、微粒子捕集装置１０１の電極針に正の電圧を印加する。シースを浮遊する微粒子は負に帯電しているため、微粒子捕集装置１０１の電極針に微粒子が引き寄せられる。この結果、微粒子捕集装置１０１で微粒子を捕集することができる。

本実施の形態に示す微粒子捕集装置１０１は、撮像部で撮像した画像から、微粒子の位置にあわせて微粒子捕集装置１０１の位置や方向を変化させることができるため、効率よく微粒子を捕集することができる。また、局所的にまた選択的に微粒子の回収が可能であり、位置による微粒子の形状や大きさ、成分の違いなどを調査することが可能となる。

また、ＳｉＨ_３ラジカルやＨラジカルが基板１５９上で反応しつつ堆積して、基板１５９上に微結晶シリコン膜が形成される。当該工程において、高次シランである微粒子は、基板１５９近傍に設けられた微粒子捕集装置１０１に捕集されるため、基板１５９上に膜質の良好な微結晶シリコン膜を形成することができる。

当該微結晶シリコン膜を用いて薄膜トランジスタや太陽電池を作製することで、電気特性の良好な薄膜トランジスタや太陽電池を作製することができる。

なお、本実施の形態では、プラズマＣＶＤ装置に微粒子捕集装置を設けたが、エッチング装置に微粒子捕集装置を設けてもよい。

Claims

光源装置と、
光源装置で発光する光を伝搬する光ファイバと、
撮像部と、
電極針と、
前記電極針に電力を供給する電源装置と、
前記光ファイバ、前記撮像部及び前記電極針を覆う被覆材と、
を有することを特徴とする微粒子捕集装置。
請求項１において、前記電極針は、柱状または針状で有ることを特徴とする微粒子捕集装置。
請求項１または請求項２において、前記撮像部は、複数のコア及び共通のクラッドからなる光ファイバであることを特徴とする微粒子捕集装置。
請求項１または請求項２において、前記撮像部は、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサであることを特徴とする微粒子捕集装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記被覆材内においてレンズを有することを特徴とする微粒子捕集装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記撮像部で撮像した画像を処理する信号処理装置を有することを特徴とする微粒子捕集装置。
電極と、
微粒子捕集装置の一部とを有する処理室と、
前記電極に接続される電源装置と、
前記処理室に接続されたガス供給源及び排気装置と、
を有し、
前記微粒子捕集装置は、
光源装置と、
光源装置で発光する光を伝搬する光ファイバと、
撮像部と、
電極針と、
前記電極針に電力を供給する電源装置と、
前記光ファイバ、前記撮像部及び前記電極針を覆う被覆材と、を有し、
前記処理室に設けられた微粒子捕集装置の一部は、前記光ファイバ、前記撮像部、前記電極針、及び被覆材であることを特徴とする真空処理装置。
請求項７において、前記電極針は、柱状または針状で有ることを特徴とする真空処理装置。
請求項７または請求項８において、前記撮像部は、複数のコア及び共通のクラッドからなる光ファイバであることを特徴とする真空処理装置。
請求項７または請求項８において、前記撮像部は、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサであることを特徴とする真空処理装置。
請求項７乃至請求項１０のいずれか一項において、前記被覆材内においてレンズを有することを特徴とする真空処理装置。
請求項７乃至請求項１１のいずれか一項において、前記撮像部で撮像した画像を処理する信号処理装置を有することを特徴とする真空処理装置。