JP2012169153A

JP2012169153A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2012169153A
Application number: JP2011029401A
Authority: JP
Inventors: Akinori Ebe; 明憲江部; Yuichi Setsuhara; 裕一節原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2012-09-06

Abstract

【課題】１パスカル以下の低ガス圧でも放電開始や放電維持が容易で、基材表面へのプラズマダメージを最小限にするプラズマ処理装置を提供する。また、大面積プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理容器内に低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体を装着したプラズマ処理装置において、前記低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体に高周波電力を給電する高周波電源として、放電プラズマを持続するための第１の高周波電源と、該第1の高周波電源の周波数より大きな周波数の高周波電力を給電する第２の高周波電源で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低インダクタンス誘導結合型アンテナを用いたプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイス、液晶ディスプレイや太陽電池の製造工程でプラズマＣＶＤ装置やドライエッチング装置、アッシング装置などのプラズマ処理装置が使用される。これらの装置においては、高精細な加工、生産性の向上などの目的を達成するために、広い面積に亘って高密度で均一性の優れた放電プラズマを生成する技術が求められている。
近年、ディスプレイ用ガラス基板等の著しい大型化によって電極板サイズも非常に大きくなり、印加する高周波電力の波長効果が無視できなくなってきた。その結果、電極板の面内での不均一性が現れるようになった。平行平板電極間に高周波電圧を給電して放電プラズマを発生させる容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitive Coupled Plasma）方式の難点を克服する方法として、複数の小型アンテナに高周波電流を流して発生する電磁界を用いて放電プラズマを発生させる誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）方式が開発されている(特許文献１及び２を参照)。一般的に、ＩＣＰはＣＣＰに較べて低ガス圧力下でも高密度で、電子温度が低く、イオンエネルギーの小さいプラズマが得られる技術として知られている。

しかし、プラズマダメージの影響を考慮して、例えば、アンテナ長を短くしてアンテナ導体のインダクタンスを小さくした低インダクタンス誘導結合型アンテナ（以下、ＬＩＣＰアンテナとも略す）を用いて、１パスカル以下の低ガス圧でプラズマ処理する場合、放電開始や放電維持が困難になる。そのため、プラズマ点灯時にはプロセスガス圧力をプラズマ処理ガス圧よりも高く設定し、点灯後にプラズマ処理ガス圧に下げる、或いは所定の高周波電力よりも大きな電力でプラズマを点灯し、点灯後に所定のガス圧、或いは高周波電力に調整するなどの方法がとられている。その結果、プロセス開始時のプラズマ状態の不安定性や大きな高周波電力の投入によるアンテナ電圧の増大に伴って基板表面へのプラズマダメージが増大する。プラズマダメージの増大は基材表面や基材と成長膜の界面構造に悪影響を及ぼす、例えば、結晶核形成に悪影響を及ぼすなどの課題があった。

特願２００５−３１２６８１号公報特願２００８−１３３８８１号公報

本発明が解決しようとする課題は、１パスカル以下の低ガス圧でも放電開始が容易で安定な放電が持続され、放電開始時における基板表面への悪影響を抑制できるプラズマ処理装置を提供することである。また、大面積プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置を安価に提供することである。

本願発明者らは、プラズマ処理装置の真空容器の上部を閉塞する天板又は側壁面に設けた開口部にフィードスルーを介してＬＩＣＰアンテナ導体を前記真空容器内に導入し、前記ＬＩＣＰアンテナ導体の一方の端部を整合器を介して高周波電源に接続し、他方の端部を接地して前記ＬＩＣＰアンテナ導体に高周波電流を流して放電プラズマを発生させる誘導結合型プラズマ発生装置及びプラズマ処理装置を開発してきた（特許文献１、２を参照）。本発明は、大面積にわたって高密度、且つプラズマダメージの少ないプラズマ発生装置を開発する過程で成されたもので、下記の発明を提供する。

請求項１に係る発明は、放電プラズマを形成する真空容器と、前記真空容器の上部を閉塞する天板又は側壁に設けられた開口部に装着されたＬＩＣＰアンテナ導体と、前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と、前記アンテナ導体に高周波電力を給電する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記高周波電源が放電プラズマを持続するための第１の高周波電源と、当該第1の高周波電源の周波数より大きな周波数の高周波電力を発振する第２の高周波電源とから構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の前記第２の高周波電源の出力周波数が、前記第１の高周波電源の出力周波数の２倍乃至６倍であることを特徴とするプラズマ処理装置である。

請求項３に係る発明は、請求項１及び２に記載の前記ＬＩＣＰアンテナ導体の給電端子がローパスフィルタを介して前記第１の高周波電源に接続され、且つハイパスフィルタを介して前記第２の高周波電源に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。

請求項４に係る発明は、前記第２の高周波電源が持続時間２０μｓ乃至２００μｓの高周波電力を間欠的に出力する高周波電源であって、その繰り返し周波数が５００Ｈｚ乃至１０ｋＨｚであることを特徴とするプラズマ処理装置である。

請求項５に係る発明は、放電プラズマを形成する真空容器と、前記真空容器の上部を閉塞する天板又は側壁面に設けられた複数個の開口部に装着されたＬＩＣＰアンテナ導体と、前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と、前記アンテナ導体に高周波電力を給電する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記複数個のＬＩＣＰアンテナ導体の給電端子は前記第１の高周波電源に接続され、少なくともいずれか１個のＬＩＣＰアンテナ導体の給電端子は前記第２の高周波電源に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。

請求項６に係る発明は、請求項５記載のプラズマ処理装置において、前記複数個の各ＬＩＣＰアンテナ導体の給電端子はローパスフィルタを介して前記第１の高周波電源に接続され、少なくともいずれか１個のＬＩＣＰアンテナ導体の給電端子はハイパスフィルタを介して前記第２の高周波電源に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。

前記第２の高周波電力を重畳することによって１パスカル以下の低ガス圧でも放電開始や放電維持を容易にし、放電開始時における基材表面への悪影響を抑制できるプラズマ処理装置を提供することができる。また、大面積プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置を安価に提供することができる。

本発明に係るプラズマ処理装置の概略断面図である。本発明に係る複数のＬＩＣＰアンテナを具備するプラズマ処理装置の概略断面図である。プラズマ点灯領域のガス圧と高周波電力の周波数依存性を示す図である。本発明に係るプラズマ処理装置のプラズマ点灯領域の周波数依存性を示す図である。放電開始ガス圧力と点灯時のプラズマ密度との関係を示す図である。複数のＬＩＣＰアンテナによる放電プラズマのプラズマ密度分布を示す図である。

本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を図１に示す。この発明に係るプラズマ処理装置は、放電プラズマを形成する真空容器１１と、前記真空容器の天板１２或いは側壁１１に設けられた１個以上の各開口部にフィードスルー１５を介して前記真空容器１１内に導入されたＬＩＣＰアンテナ導体１４と、前記真空容器内のガスを排気する排気手段（図示せず）と、前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段１９と、前記アンテナ導体に高周波電力を給電する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置であって、前記ＬＩＣＰアンテナ導体１４に高周波電力を給電する第１の高周波電源１６ａと、前記第１の高周波電源の出力周波数の２倍乃至６倍の周波数の高周波電力を給電する第２の高周波電源１６ｂを備える。

前記ＬＩＣＰアンテナ導体１４には、前記第１の高周波電源１６ａから整合器１７ａとローパスフィルタ１８ａとを介して高周波電力を給電し、前記第２の高周波電源１６ｂから整合器１７ｂとハイパスフィルタ１８ｂを介して周波数の大きい高周波電力を給電することによって両高周波電力の干渉を抑制することができる。前記第２の高周波電源１６ｂの高周波電力は連続発振、又は周期的に所定時間発振する高周波電力（以下、高周波バーストとも記す）を用いることができる。

本発明の他の実施形態では、前記天板に複数個のＬＩＣＰアンテナ導体を２次元的に配置して装着し、各ＬＩＣＰアンテナ導体に高周波電力を給電する大面積プラズマ生成装置、或いはプラズマ処理装置に適用することができる。複数個のＬＩＣＰアンテナ導体に高周波電力を給電して放電プラズマを発生させる場合、例えば図２に示すように３個のＬＩＣＰアンテナ導体を配列した場合、少なくとも１個のＬＩＣＰアンテナ導体１４ｂには前記第２の高周波電源１６ｂから整合器１７ｂを介して高周波電力を給電し、他のＬＩＣＰアンテナ導体１４ａ、１４ｃには前記第１の高周波電源１６ａから整合器１７ａを介して高周波電力を給電することができる。この実施形態では前記フィルタを使用する必要はない。

電極間隔１．８ｃｍの平行平板電極に波高値３００Ｖの高周波電圧を印加した場合に励起されるプラズマの放電開始ガス圧と周波数との関係を図３に示す。図３の曲線の右上領域で放電が励起されることを示している。同図から分かるように、高周波電力の周波数が大きいほど低ガス圧領域でも放電が励起され、安定な放電が持続されることが分かる。

基板表面をプラズマ処理するための前記第１の高周波電源１６ａに周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を採用する場合、低電力で放電プラズマを励起し、安定化するための前記第２の高周波電源１６ｂの周波数として、前記第１の高周波電源の２倍乃至６倍の高調波電力を用いることができる。また、前記高調波電力の印加はプラズマ処理室内に容易に主放電を励起するためのもので、連続発振の高周波である必要はなく、周期的に発振する高周波バーストであってもよい。前記第２の高周波電源として持続時間が２０μｓ乃至２００μｓ、その繰り返し周波数が５００Ｈｚ乃至１０ｋＨｚの高周波を出力する高周波電源とすることができる。

本発明に係る第１実施例に用いたプラズマ処理装置の概略断面図を図１に示す。本実施例で用いたＬＩＣＰアンテナ導体１４は外径６．４ｍｍの銅パイプをコの字形に加工したもので、天板１２に平行な部分の長さは１０ｃｍとした。フィードスルー板１５にはピーク材（ＰＥＥＫ：ポリエーテルエーテルケトン）を用い、前記ＬＩＣＰアンテナ導体はシール部材を用いて貫通係止し、一体化してＬＩＣＰアンテナユニット１３を構成した。該ＬＩＣＰアンテナユニット１３を天板に設けた開口部に真空シール部材を介挿して装着した。ＬＩＣＰアンテナ導体の前記真空容器内に突出した部分は石英パイプを被せてアンテナ導体とプラズマとの接触を防止した。また、前記ＬＩＣＰアンテナ導体パイプには冷却水を循環させて冷却した。

本実施例では、真空容器内を１×１０^−３Ｐａ以下まで排気した後、真空容器内にアルゴンガスを導入し、ガス圧０．０３Ｐａ乃至７Ｐａの範囲でプラズマ点灯検証を行った。ＬＩＣＰアンテナ導体に周波数１３．５６ＭＨｚ、出力１００〜１２００Ｗの高周波電力と周波数２７．１２ＭＨｚ、出力１００〜２５０Ｗの高周波電力を給電して真空容器内にプラズマを発生させた。

測定結果を図４に示す。ＬＩＣＰアンテナ導体に１３．５６ＭＨｚの高周波電力のみ給電した場合、曲線１に示す結果が得られた。アルゴンガス圧０．２Ｐａ以上の領域では高周波電力４００Ｗで点灯したが、０．２Ｐａ未満の領域では高周波電力を１０００Ｗまで上げてもプラズマは励起されなかった。一方、２７．１２ＭＨｚ、１００Ｗの高周波電力を重畳して給電した場合は曲線２で示すように、ガス圧０．０５Ｐａでもプラズマを安定に励起することができた。

前記ＬＩＣＰアンテナ導体に２７．１２ＭＨｚ、１０００Ｗの高周波電力を給電し、前記真空容器内のアルゴンガス圧を上昇させたときの放電開始ガス圧力と点灯時のプラズマ密度との関係を図５に示す。前記高周波電力では放電開始ガス圧力の最小値は０．００３Ｐａであった。周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力のみの場合に比較して約２桁低いガス圧領域まで放電点灯領域を広げることが可能になる。周波数１３．５６ＭＨｚの汎用高周波電力に該高周波電力より大きな周波数の高周波電力を重畳給電することによって、ガス圧０．０１Ｐａ乃至０．１Ｐａ領域においても確実に点灯でき、安定な放電を維持することができる。

本発明の他の実施形態に用いたプラズマ処理装置の概略断面図を図２に示す。この実施形態では、実施例１で用いたＬＩＣＰアンテナユニット１３を天板１２に設けた３個の開口部に真空シール部材を介挿して装着した。各ＬＩＣＰアンテナユニットの間隔は３０ｃｍとした。ＬＩＣＰアンテナ導体１４ａと１４ｃの給電端子には第１の高周波電源１６ａから整合器１７ａを介して１３．５６ＭＨｚ、５００Ｗの高周波電力を給電し、ＬＩＣＰアンテナ導体１４ｂの給電端子には第２の高周波電源１６ｂから整合器１７ｂを介して２７．１２ＭＨｚ、１００Ｗ乃至２５０Ｗの高周波電力を給電した。本実施例では、各ＬＩＣＰアンテナ導体には周波数の異なる高周波電力を重畳して給電しないので、前記ローパスフィルタ及びハイパスフィルタは使用しなかった。

真空容器内を予め１×１０^−３Ｐａ以下まで排気した後、真空容器内にアルゴンガスを導入し、ガス圧力を０．５Ｐａに調整して前記高周波電力を給電して放電プラズマを励起した。前記ＬＩＣＰアンテナ導体の直下１５ｃｍの位置に基板支持台２１を設置して、その表面におけるプラズマ密度を測定した。

測定結果を図６に示す。曲線１はＬＩＣＰアンテナ１４ａと１４ｃに周波数１３．５６ＭＨｚ、５００Ｗの高周波電力を給電し、ＬＩＣＰアンテナ１４ｂに周波数２７．１２ＭＨｚ、１００Ｗの高周波電力を給電した場合のプラズマ密度分布を示す。曲線２はＬＩＣＰアンテナ１４ｂに１６０Ｗの高周波電力を給電した場合のプラズマ密度分布を示す。同図から明らかなように、低電力の高周波電力でプラズマが点灯すると同時に、ＬＩＣＰアンテナ１４ｂに給電する高周波電力によってプラズマ密度の分布が変化する。ＬＩＣＰアンテナ１４ｂに給電する高周波電力を制御することによって放電プラズマの密度分布を均一化することが可能である。
「実施形態の効果」
前記実施例では、第２の高周波電源の発振周波数として第１の高周波電源の発振周波数の２倍の第２高調波を用いたが、更に高い周波数の高周波電力を用いればより効果的である。また、点灯時の高周波電力を低減できることから基材表面や基材と成長膜の界面構造に悪影響を及ぼすプラズマダメージを最小限にするプラズマ処理装置を提供することができる。
「他の実施形態」
図２の実施形態では、天板１２に３個のＬＩＣＰアンテナユニット１３を設けたが、前記天板に複数の前記ＬＩＣＰアンテナユニットを二次元的に装着した大面積プラズマ生成装置、或いはプラズマ処理装置に本発明を適用すれば、前記複数個のＬＩＣＰアンテナユニットの少なくとも１個に周波数の高い高周波電力を重畳、又は単独に給電して駆動することによって、１パスカル以下の低ガス圧でも放電開始が容易で、安定な放電プラズマを発生する大面積プラズマ生成装置及びプラズマ処理装置を提供することができる。

１１：真空容器、１２：天板、１３：ＬＩＣＰアンテナユニット、１４：ＬＩＣＰアンテナ導体、１５：フィードスルー板、１６ａ：第１の高周波電源、１６ｂ：第２の高周波電源、１７ａ、１７ｂ：整合器、１８ａ：ローパスフィルタ、１８ｂ：ハイパスフィルタ、１９：ガス導入手段、２０：排気口、２１：基板支持台、

Claims

放電プラズマを形成する真空容器と、前記真空容器の上部を閉塞する天板又は側壁面に設けられた開口部に装着された低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体と、前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と、前記アンテナ導体に高周波電力を給電する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記高周波電源が、放電プラズマを持続するための第１の高周波電源と、該第1の高周波電源の周波数より大きな周波数の高周波電力を発振する第２の高周波電源とから構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記第２の高周波電源の出力周波数が前記第１の高周波電源の出力周波数の２倍乃至６倍であ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。
前記低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体の給電端子は、ローパスフィルタを介して前記第１の高周波電源に接続され、且つハイパスフィルタを介して前記第２の高周波電源に接続されていることを特徴とする請求項１および２に記載のプラズマ処理装置。
前記第２の高周波電源は、持続時間が２０μｓ乃至２００μｓの高周波電力を間欠的に出力する高周波電源であって、その繰り返し周波数が５００Ｈｚ乃至１０ｋＨｚであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
放電プラズマを形成する真空容器と、前記真空容器の上部を閉塞する天板又は側壁に設けられた複数個の開口部に装着（フィードスルーを介して前記真空容器内に導入）された低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体と、前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と、前記複数のアンテナ導体に高周波電力を給電する高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記複数個の低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体の給電端子は前記第１の高周波電源に接続され、少なくともいずれか１個の低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体の給電端子は前記第２の高周波電源に接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
請求項５記載のプラズマ処理装置において、前記複数個の各低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体の給電端子はローパスフィルタを介して前記第１の高周波電源に接続され、少なくともいずれか１個の低インダクタンス誘導結合型アンテナ導体の給電端子はハイパスフィルタを介して前記第２の高周波電源に接続されていることを特徴とするプラズマ処理装置。