JP2013206652A - Antenna device, and plasma processing apparatus and sputtering apparatus having the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、真空容器内において誘導結合型プラズマを発生させるためのアンテナ装置、それを備えるプラズマ処理装置およびスパッタリング装置に関する。なお、イオンは、この出願中では正イオンを意味する。 The present invention relates to an antenna apparatus for generating inductively coupled plasma in a vacuum vessel, a plasma processing apparatus including the antenna apparatus, and a sputtering apparatus. The ion means a positive ion in this application.
真空容器内に設けられたコイル状で金属パイプ製のアンテナに、高周波電源から整合回路を介して高周波電流を流し、それによって生じる誘導電界によって真空容器内において誘導結合型プラズマ(略称ICP)を発生させるアンテナ装置が従来から提案されている。例えば、特許文献1に記載のスパッタリング装置は、上記のようなアンテナ装置を備えている。 A high-frequency current is passed from a high-frequency power source through a matching circuit to a coil-shaped metal pipe antenna provided in the vacuum vessel, and an inductively coupled plasma (abbreviated as ICP) is generated in the vacuum vessel by an induced electric field generated thereby. Conventionally, an antenna device has been proposed. For example, the sputtering apparatus described in Patent Document 1 includes the antenna device as described above.
上記のような従来のアンテナ装置によってプラズマを発生させる場合、アンテナの一端を接地していても、高周波電力の給電側は、アンテナに流れる高周波電流とアンテナのインピーダンスとの積によって決まる電圧振幅で、かつ高周波電力の周波数で、接地電位に対して振動するので、プラズマ中からアンテナへイオンよりも電子の方が多く入射して、プラズマ電位が大きく上昇する(正のプラズマ電位になる)。これは簡単に言えば、イオンは電子よりも重くて電界の変動に追随できず、イオンがプラズマ中に取り残されるからであり、従ってプラズマ電位はアンテナの電位変動に追従せず、高いままに保たれる。一例を挙げると、プラズマ電位は+1kV〜+3kV程度になる。 When plasma is generated by the conventional antenna device as described above, even if one end of the antenna is grounded, the power supply side of the high frequency power has a voltage amplitude determined by the product of the high frequency current flowing through the antenna and the impedance of the antenna, In addition, since it vibrates with respect to the ground potential at the frequency of the high frequency power, more electrons enter the antenna than the ions from the plasma, and the plasma potential rises greatly (becomes a positive plasma potential). Simply put, ions are heavier than electrons and cannot follow the fluctuations in the electric field, leaving the ions in the plasma, so the plasma potential does not follow the antenna potential fluctuations and remains high. Be drunk. As an example, the plasma potential is about +1 kV to +3 kV.
上記のようにプラズマ電位が大きく上昇すると、当該プラズマ電位によって、プラズマ中の荷電粒子(例えばイオン)が高いエネルギーで基板に入射衝突するので、基板上に形成する膜に与えるダメージが大きくなり、膜質が低下する。 When the plasma potential is greatly increased as described above, charged particles (for example, ions) in the plasma impinge on and collide with the substrate with high energy due to the plasma potential, so that damage to the film formed on the substrate increases and the film quality increases. Decreases.
また、上記のようにプラズマ電位が大きく上昇すると、真空容器の内壁に付着しているゴミ等に大きな電圧が印加されることになるので、このゴミ等の部分で放電(アーキング)が生じやすくなる。しかも、このゴミ等は不安定であるので、この放電も不安定であり、この放電が、プラズマを不安定にさせる要因になる。 In addition, when the plasma potential is greatly increased as described above, a large voltage is applied to dust or the like adhering to the inner wall of the vacuum vessel, so that discharge (arcing) easily occurs in the dust or the like. . Moreover, since this dust and the like are unstable, this discharge is also unstable, and this discharge causes the plasma to become unstable.
そこでこの発明は、誘導結合型プラズマを発生させることができ、しかもプラズマ電位の上昇を抑制することができるアンテナ装置を提供することを主たる目的としている。 Accordingly, the main object of the present invention is to provide an antenna device that can generate inductively coupled plasma and can suppress an increase in plasma potential.
この発明に係るアンテナ装置は、真空容器内において誘導結合型プラズマを発生させるためのアンテナ装置であって、前記真空容器内に位置するアンテナ、当該アンテナに高周波電流を流す高周波電源および当該アンテナと高周波電源との間の整合を取る整合回路を備えており、前記アンテナは、内部導体、その外側を少なくとも前記真空容器内に位置する全長に亘って覆う外部導体および当該内部導体と外部導体との間に設けられていて両導体間を電気絶縁する誘電体を有する同軸構造をしており、かつ当該内部導体および外部導体の少なくとも一方の内部に冷却水を流して当該アンテナを冷却する水冷構造をしており、前記アンテナの内部導体の一端部に前記整合回路を介して前記高周波電源が接続され、当該内部導体の他端部は接地されており、前記アンテナの外部導体は非磁性体から成り、かつ当該外部導体はその片端部のみで接地されている、ことを特徴としている。 An antenna device according to the present invention is an antenna device for generating inductively coupled plasma in a vacuum vessel, wherein the antenna is located in the vacuum vessel, a high-frequency power source for supplying a high-frequency current to the antenna, and the antenna and the high-frequency wave The antenna includes a matching circuit for matching with a power source, and the antenna includes an inner conductor, an outer conductor that covers at least the entire length of the outer conductor located in the vacuum vessel, and between the inner conductor and the outer conductor. A water-cooling structure that cools the antenna by flowing cooling water into at least one of the inner conductor and the outer conductor. The high frequency power supply is connected to one end of the inner conductor of the antenna via the matching circuit, and the other end of the inner conductor is grounded. And, the outer conductor of the antenna is made of non-magnetic material, and the external conductor is grounded only at its one end portion, and characterized in that.
このアンテナ装置においては、アンテナの外部導体は非磁性体から成るので、しかも当該外部導体はその片端部のみで接地されていて接地を経由しての電気的な閉ループを形成していないので、当該外部導体を設けていても、内部導体を流れる高周波電流が作る高周波磁界を減衰させる作用は非常に小さい。従って、内部導体を流れる高周波電流が作る高周波磁界による誘導電界によって、誘導結合型プラズマを発生させることができる。 In this antenna device, since the outer conductor of the antenna is made of a non-magnetic material, the outer conductor is grounded only at one end thereof, and does not form an electrical closed loop via the ground. Even if the outer conductor is provided, the action of attenuating the high-frequency magnetic field generated by the high-frequency current flowing through the inner conductor is very small. Therefore, inductively coupled plasma can be generated by an induction electric field generated by a high frequency magnetic field generated by a high frequency current flowing through the inner conductor.
しかも、電気的に接地された外部導体によって、内部導体の外側を少なくとも真空容器内に位置する全長に亘って覆っているので、内部導体とプラズマとの間の電界を遮蔽することができる。従って、内部導体の電位はプラズマ電位に影響を及ぼさない。かつ、外部導体は接地電位に固定されていて、外部導体の電位が従来のアンテナのように高周波で振動することはないので、生成されたプラズマから外部導体への電子の流入は、拡散と小さいプラズマシース電圧によるものであり、従ってプラズマ電位の上昇は小さい。上記作用によって、プラズマ電位の上昇を抑制することができる。 In addition, since the outer side of the inner conductor is covered over the entire length located in the vacuum vessel by the electrically grounded outer conductor, the electric field between the inner conductor and the plasma can be shielded. Therefore, the potential of the inner conductor does not affect the plasma potential. In addition, since the outer conductor is fixed to the ground potential and the potential of the outer conductor does not vibrate at a high frequency as in the conventional antenna, the inflow of electrons from the generated plasma to the outer conductor is small as diffusion. This is due to the plasma sheath voltage, and therefore the rise in plasma potential is small. The above action can suppress an increase in plasma potential.
更に、アンテナを上記のような水冷構造にしているので、アンテナの温度上昇を抑えることができる。 Furthermore, since the antenna has a water cooling structure as described above, an increase in temperature of the antenna can be suppressed.
アンテナは、外部導体の外側を少なくとも真空容器内に位置する全長に亘って覆う誘電体層を更に有していても良い。 The antenna may further include a dielectric layer that covers the outside of the outer conductor over at least the entire length located in the vacuum vessel.
請求項1に記載の発明によれば、アンテナの外部導体は非磁性体から成るので、しかも当該外部導体はその片端部のみで接地されていて接地を経由しての電気的な閉ループを形成していないので、当該外部導体を設けていても、内部導体を流れる高周波電流が作る高周波磁界を減衰させる作用は非常に小さい。従って、内部導体を流れる高周波電流が作る高周波磁界による誘導電界によって、誘導結合型プラズマを発生させることができる。 According to the first aspect of the present invention, since the outer conductor of the antenna is made of a non-magnetic material, the outer conductor is grounded only at one end thereof to form an electrical closed loop via the ground. Therefore, even if the outer conductor is provided, the action of attenuating the high-frequency magnetic field generated by the high-frequency current flowing through the inner conductor is very small. Therefore, inductively coupled plasma can be generated by an induction electric field generated by a high frequency magnetic field generated by a high frequency current flowing through the inner conductor.
しかも、電気的に接地された外部導体によって、内部導体の外側を少なくとも真空容器内に位置する全長に亘って覆っているので、内部導体とプラズマとの間の電界を遮蔽することができる。従って、内部導体の電位はプラズマ電位に影響を及ぼさない。かつ、外部導体は接地電位に固定されていて、外部導体の電位が従来のアンテナのように高周波で振動することはないので、生成されたプラズマから外部導体への電子の流入は、拡散と小さいプラズマシース電圧によるものであり、従ってプラズマ電位の上昇は小さい。上記作用によって、プラズマ電位の上昇を抑制することができる。その結果、安定したプラズマ生成を行うことができる。また、プラズマから基板に入射する荷電粒子のエネルギーを小さく抑えることができる。それによって例えば、基板上に形成する膜に与えるダメージを小さく抑えて、膜質向上を図ることができる。 In addition, since the outer side of the inner conductor is covered over the entire length located in the vacuum vessel by the electrically grounded outer conductor, the electric field between the inner conductor and the plasma can be shielded. Therefore, the potential of the inner conductor does not affect the plasma potential. In addition, since the outer conductor is fixed to the ground potential and the potential of the outer conductor does not vibrate at a high frequency as in the conventional antenna, the inflow of electrons from the generated plasma to the outer conductor is small as diffusion. This is due to the plasma sheath voltage, and therefore the rise in plasma potential is small. The above action can suppress an increase in plasma potential. As a result, stable plasma generation can be performed. In addition, the energy of charged particles incident on the substrate from the plasma can be reduced. Thereby, for example, damage to the film formed on the substrate can be suppressed to a small level, and the film quality can be improved.
更に、アンテナを上記のような水冷構造にしているので、アンテナの温度上昇を抑えることができる。その結果例えば、アンテナからの熱輻射による基板の温度上昇を抑制することができる。 Furthermore, since the antenna has a water cooling structure as described above, an increase in temperature of the antenna can be suppressed. As a result, for example, an increase in the temperature of the substrate due to heat radiation from the antenna can be suppressed.
請求項2に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、アンテナは、外部導体の外側を少なくとも真空容器内に位置する全長に亘って覆う誘電体層を更に有していて、この誘電体層の表面にプラズマから電子およびイオンが流入することによって当該誘電体層の表面の電位は直ぐにプラズマ電位とほぼ釣り合うので、誘電体層の表面とプラズマとの電位差は小さくなる。その結果、アンテナの表面でアーキング等の不安定性要因が発生するのを防止することができる。
According to invention of
請求項3に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、アンテナ装置は、上記作用によってプラズマ電位の上昇を抑制して、生成したプラズマ中のイオンによるアンテナのスパッタリングを抑制することができるので、基板や、当該基板の表面に膜を形成する場合の当該膜の汚染を抑制することができる。 According to invention of Claim 3, there exists the following further effect. That is, the antenna device can suppress the rise of the plasma potential by the above action and suppress the sputtering of the antenna by the ions in the generated plasma. Therefore, in the case of forming a film on the substrate or the surface of the substrate Contamination of the film can be suppressed.
請求項4に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、アンテナ装置は、上記作用によってプラズマ電位の上昇を抑制して、生成したプラズマ中のイオンによるアンテナのスパッタリングを抑制することができるので、ターゲット、基板およびその表面に形成される膜の汚染を抑制することができる。
According to invention of
この発明に係るアンテナ装置を備えているプラズマ処理装置の一例を図1、図2に示す。図1では、アンテナ30への高周波電流IR の給電部分は概念的に図示しており、アンテナ30の両端部付近は具体的には図2に示す構造をしている。
An example of a plasma processing apparatus provided with the antenna device according to the present invention is shown in FIGS. In FIG. 1, the feeding portion of the high-frequency current I R to the
このプラズマ処理装置は、アンテナ装置20によって発生させたプラズマ16を用いて基板10に処理を施す装置である。
This plasma processing apparatus is an apparatus for processing the
このプラズマ処理装置は、例えば金属製の真空容器2を備えており、その内部は真空排気装置4によって真空排気される。真空容器2は電気的に接地されている。
The plasma processing apparatus includes, for example, a
真空容器2内には、ガス導入管6を通してガス8が導入される。ガス8は、基板10に施す処理内容に応じたものにすれば良い。例えば、プラズマCVD法によって基板10に膜形成を行う場合は、ガス8は、原料ガスまたはそれを希釈ガス(例えばH2 )で希釈したガスである。より具体例を挙げると、原料ガスがSiH4 の場合はSi 膜を、SiH4 +NH3 の場合はSiN膜を、SiH4 +O2 の場合はSiO2 膜を、それぞれ基板10の表面に形成することができる。
A
真空容器2内に、基板10を保持するホルダ12が設けられている。この例のように、ホルダ12に基板バイアス電源14からバイアス電圧を印加するようにしても良い。バイアス電圧は、負の直流電圧でも良いし、負のパルス電圧、交流電圧等でも良い。50は、真空シール機能を有する絶縁部である。
A
このプラズマ処理装置は、真空容器2内において誘導結合型のプラズマ16を発生させるためのアンテナ装置20を備えている。
The plasma processing apparatus includes an
アンテナ装置20は、真空容器2内に位置するアンテナ30、当該アンテナ30に高周波電流IR を流す高周波電源40および当該アンテナ30と高周波電源40との間の整合(具体的にはインピーダンス整合)を取る整合回路42を備えている。
The
アンテナ30は、この例では、長方形の基板10の長辺に沿うものが、基板10の短辺に沿う方向に複数本(具体的には3本)並べられており、各アンテナ30に(具体的にはその内部導体32に)、高周波電源40から整合回路42を介して高周波電流IR が並列に供給される。但し、アンテナ30は1本以上で良く、何本にするかは基板10の形状、寸法等に応じて適宜決めれば良い。
In this example, a plurality of antennas 30 (specifically three) are arranged along the long side of the
各アンテナ30は、内部導体32、その外側を少なくとも真空容器2内に位置する全長に亘って覆う外部導体34および内部導体32と外部導体34との間に設けられていて両導体32、34間を電気絶縁する誘電体36を有する同軸構造をしている。かつこの例では、内部導体32内に冷却水38を流して当該アンテナ30を冷却する水冷構造をしている。
Each
各アンテナ30の両端部は、この例では上方に曲げられて、真空容器2の天井面を貫通して真空容器2外に位置している。各アンテナ30が真空容器2を貫通する部分には、真空シール機能を有する絶縁部51が設けられている。
In this example, both end portions of each
アンテナ装置20の構成を、1本のアンテナ30を例に、図3を参照してより詳しく説明する。図3では、図示を簡略化するために、アンテナ30は長さを短くして図示している。かつアンテナ30は直線状で示しているが、それに限られるものではない。後述する他の例においても同様である。
The configuration of the
このアンテナ30は、管状の内部導体32と、その外側を少なくとも前記真空容器2内に位置する全長に亘って覆う外部導体34と、当該内部導体32と外部導体34との間に設けられていて両導体32、34間を電気絶縁する誘電体36を有する同軸構造をしている。誘電体36は、この例では、外部導体34の内側に位置する内部導体32の全長を覆っている。
The
アンテナ30は、内部導体32内に冷却水38を流して当該アンテナ30を冷却する水冷構造をしている。より詳しく説明すると、内部導体32と誘電体36との間、および、誘電体36と外部導体34との間は、それぞれ、熱接触(即ち、熱伝導が生じる接触)させている。従って、内部導体32内に冷却水38を流すことによって、熱伝導によって、誘電体36および外部導体34をも効率良く冷却することができる。
The
材質の例を示すと、内部導体32は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス鋼等から成る。
For example, the
外部導体34は、例えば、銅、アルミニウム、非磁性ステンレス鋼等の非磁性体から成る。非磁性体にする理由は後述する。
The
誘電体36は、例えば、石英、アルミナ(Al2O3 )、フッ素樹脂、ポリエチレン等から成る。 The dielectric 36 is made of, for example, quartz, alumina (Al 2 O 3 ), fluorine resin, polyethylene, or the like.
内部導体32の一端部32aに整合回路42を介して高周波電源40が接続されており、内部導体32の他端部32bは接地されている。より具体的には、高周波電源40は出力端41aおよび接地端41bを有しており、出力端41aは整合回路42を介して内部導体32の一端部32aに接続されている。接地端41bは接地されている。これによって、高周波電源40から、整合回路42を介して、内部導体32に高周波電流IR を流すことができる。
A high
高周波電源40から出力する高周波電力、高周波電流IR の周波数は、例えば、一般的な13.56MHzであるが、これに限られるものではない。
High-frequency power outputted from the high
整合回路42は、ラインに直列のコンデンサ43および並列のコンデンサ44を有している。両コンデンサ43、44はこの例では容量可変である。
The matching
外部導体34は、その片端部のみで接地している。その理由は後述する。この例では、外部導体34の他端部34b、即ち内部導体32の接地側と同じ側の端部のみで接地している。これの代りに、外部導体34の一端部34a、即ち内部導体32への給電側と同じ側の端部のみで接地しても良い。
The
このアンテナ装置20においては、アンテナ30の外部導体34は非磁性体から成るので、しかも当該外部導体34はその片端部のみで接地されていて接地を経由しての電気的な閉ループを形成していないので、当該外部導体34を設けていても、内部導体32を流れる高周波電流IR が作る高周波磁界を減衰させる作用は非常に小さい。
In this
上記のことを確かめた実験結果を、図10、図11を参照して説明する。 The experimental results confirming the above will be described with reference to FIGS.
実験では、図10に示すアンテナ装置を用いた。上述したような同軸構造のアンテナ30は、この例では、発生磁界を強くして測定しやすくするために、直径が80mmの4ターンのコイル状とした。このアンテナ30の内部導体32の一端部32aに整合回路42を介して高周波電源40を接続し、他端部32bを接地して、内部導体32に高周波電流IR を流した。この高周波電流IR の大きさだけでなく、周波数も100kHz、500kHz、1MHz、2MHzと変えてみた。外部導体34は、材質を銅とし、(A)それを給電側すなわち一端部34aのみで接地した場合と、(B)その反対側の他端部34bのみで接地した場合と、(C)外部導体34を設けない場合とで実験した。
In the experiment, the antenna device shown in FIG. 10 was used. In this example, the
上記の場合にアンテナ30が発生する高周波磁界を、コイルの端面の中心付近に配置したピックアップコイル76で検出して、その出力電圧で評価した。その結果を図11に示す。
The high frequency magnetic field generated by the
図11は、上記(A)の場合のピックアップコイル出力を比較の基準として(横軸)、上記(B)の場合と上記(C)の場合の各周波数におけるピックアップコイル出力(縦軸)をグラフ化したものである。上記(B)の場合の結果は直線B(y=0.9649x)上に、上記(C)の場合の結果は直線C(y=1.0535x)上に乗っている。 FIG. 11 is a graph showing the pickup coil output (vertical axis) at each frequency in the cases (B) and (C) with the pickup coil output in the case (A) as a reference for comparison (horizontal axis). It has become. The result in the case of (B) is on the straight line B (y = 0.9649x), and the result in the case of (C) is on the straight line C (y = 1.0535x).
外部導体34の影響が全くない理想的な場合は、ピックアップコイル出力はy=xの直線上に乗るけれども、外部導体34を設けても、直線B、Cから分るように、理想的な場合と3%〜5%程度の差しかなく、このことから、外部導体34を設けていても、内部導体32を流れる高周波電流IR が作る高周波磁界を減衰させる作用は非常に小さいことが分る。また、直線Bから、外部導体34をどちらの片端で接地しても大差ないことが分る。
In the ideal case where there is no influence of the
再び図1〜図3を参照して、上記アンテナ装置20においては、上記のように外部導体34を設けていても、内部導体32を流れる高周波電流IR が作る高周波磁界を減衰させる作用は非常に小さいので、内部導体32を流れる高周波電流IR が作る高周波磁界による誘導電界によって、誘導結合型のプラズマ16を発生させることができる。即ち、内部導体32を流れる高周波電流IR によって、アンテナ30の周囲に高周波磁界が発生し、それによって高周波電流IR と逆方向に誘導電界が発生する。この誘導電界によって、真空容器2内において、電子が加速されてアンテナ30の近傍のガス8を電離させてアンテナ30の近傍にプラズマ16が発生する。
Referring again to FIGS. 1 to 3, in the
しかも、電気的に接地された外部導体34によって、内部導体32の外側を少なくとも真空容器2内に位置する全長に亘って覆っているので、内部導体32とプラズマ16との間の電界を遮蔽することができる。従って、内部導体32の電位はプラズマ電位に影響を及ぼさない。かつ、外部導体34は接地電位に固定されていて、外部導体34の電位が従来のアンテナのように高周波で振動することはないので、生成されたプラズマ16から外部導体34への電子の流入は、拡散と小さいプラズマシース電圧(これは例えば数十V程度)によるものであり、従ってプラズマ電位の上昇は小さい。上記作用によって、プラズマ電位の上昇を抑制することができる。
In addition, since the
その結果、安定したプラズマ生成を行うことができる。即ち、プラズマ電位の上昇を抑制することができるので、従来のアンテナ装置においてプラズマ不安定性要因となっていた、真空容器の内壁に付着しているゴミ等の部分で放電が生じること等を防止することができる。 As a result, stable plasma generation can be performed. That is, since the rise of the plasma potential can be suppressed, it is possible to prevent the occurrence of discharge at a portion such as dust attached to the inner wall of the vacuum vessel, which has been a factor of plasma instability in the conventional antenna device. be able to.
また、プラズマ16から基板10に入射する荷電粒子(例えばイオン)のエネルギーを小さく抑えることができる。それによって例えば、プラズマ16によって基板10上に膜を形成する場合、当該膜に与えるダメージを小さく抑えて、膜質向上を図ることができる。
In addition, the energy of charged particles (for example, ions) incident on the
更に、アンテナ30を上記のような水冷構造にしているので、アンテナの温度上昇を抑えることができる。その結果例えば、アンテナ30からの熱輻射による基板10の温度上昇を抑制することができる。
Furthermore, since the
アンテナ30は、内部導体32および外部導体34の少なくとも一方の内部に冷却水38を流して当該アンテナ30を冷却する水冷構造をしていれば良い。例えば、図4に示す例のように、内部導体32内と外部導体34内の両方に冷却水38を流してアンテナ30を冷却するようにしても良い。そのようにするとアンテナ30の冷却作用をより高めることができる。この場合は、誘電体36と外部導体34とが熱接触している必要はない。また、外部導体34内だけに冷却水38を流してアンテナ30を冷却するようにしても良い。
The
なお、プラズマ16の生成に伴って外部導体34の表面に被膜が形成されても、安定したプラズマ生成を行うことができる。即ち、外部導体34の表面に例えば誘電体被膜(換言すれば絶縁性被膜)が堆積した場合は、当該誘電体被膜の表面にプラズマ16から電子およびイオンが流入することによって誘電体被膜表面の電位は直ぐにプラズマ電位とほぼ釣り合うので、誘電体被膜表面の電位は大きくてもプラズマ電位程度にしかならない。しかもこのアンテナ装置20による場合のプラズマ電位は、前述したように、大きな上昇はなく低いので、アンテナ30は基本的に表面電位上昇の小さなアンテナであると言うことができる。従って、アンテナ表面でのアーキング等の不安定性要因が発生するのを防止することができる。
Even if a film is formed on the surface of the
また、外部導体34の表面に金属等の導電性被膜が堆積した場合は、当該被膜と外部導体34とは電気的に導通しているので、外部導体34のみの場合と差はない。
Further, when a conductive film such as a metal is deposited on the surface of the
図5に示す例のように、外部導体34の外側を少なくとも前記真空容器2内に位置する全長に亘って覆う誘電体層39を設けておいても良い。図4を参照して説明した水冷構造を採用する場合も同様である。
As in the example shown in FIG. 5, a
誘電体層39は、例えば、石英、アルミナ、イットリア(酸化イットリウムY2O3 )等から成る。
The
上記誘電体層39を設けておくと、誘電体層39の表面にプラズマ16から電子およびイオンが流入することによって当該誘電体層39の表面の電位は直ぐにプラズマ電位とほぼ釣り合うので、誘電体層39の表面とプラズマ16との電位差は小さくなる。その結果、アンテナ30の表面でアーキング等の不安定性要因が発生するのを防止することができる。
When the
また、誘電体層39の材質を、基板10上に形成する膜と同様の材質にすることができ、そのようにすると、基板10上に形成する膜の汚染の可能性をより軽減することができる。
In addition, the material of the
アンテナ30の形状は、図1〜図5に示したような直線状でも良いし、それ以外の形状でも良い。例えば、アンテナ30は、U字状、コ字状、1回以上巻いた円形、楕円形、レーストラック形等のコイル状、等のいずれでも良い。図8に示す例のように、1回折り返した細長いコイル状でも良い。コイル状にすると、発生磁場をより強くすることができる。後述するスパッタリング装置に用いるアンテナ装置20においても同様である。
The shape of the
図1、図2に示したプラズマ処理装置について、既に説明をしたアンテナ装置20以外の部分の説明をすると、アンテナ装置20によって発生させたプラズマ16を用いて、基板10に処理を施すことができる。
In the plasma processing apparatus shown in FIG. 1 and FIG. 2, parts other than the
基板10は、例えば、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ(FPD)用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板、太陽電池等の半導体デバイス用の基板等であるが、これに限られるものではない。
The
基板10の平面形状は、例えば円形、四角形等であり、特定の形状に限定されない。
The planar shape of the
基板10に施す処理は、例えば、プラズマCVD法による膜形成、エッチング、アッシング、スパッタリング等である。
The processing applied to the
このプラズマ処理装置は、プラズマ16を用いて、プラズマCVD法によって膜形成を行う場合はプラズマCVD装置、エッチングを行う場合はプラズマエッチング装置、アッシングを行う場合はプラズマアッシング装置、スパッタリングを行う場合はスパッタリング装置とも呼ばれる。スパッタリング装置のより具体例は以下に説明する。
This plasma processing apparatus uses
上記のようなアンテナ装置20を備えているスパッタリング装置の一例を図6、図7に示す。図6では、アンテナ30への高周波電流IR の給電部分は概念的に図示しており、アンテナ30の両端部付近は具体的には図7に示す構造をしている。
An example of a sputtering apparatus provided with the
このスパッタリング装置は、上記のようなアンテナ装置20を備えていて、それによって発生させたプラズマ16によってターゲット60をスパッタさせて基板10の表面に膜を形成する装置である。以下においては、図1、図2を参照して説明したプラズマ処理装置との相違点を主体に説明する。
This sputtering apparatus includes the
このスパッタリング装置は、真空容器2内であって基板10に対向する位置に設けられたターゲット60を備えている。ターゲット60は、この例では一例として、平面形状が長方形をしている。ターゲット60は、真空容器2の天井部に設けられたターゲットホルダ(バッキングプレート)62に保持されている。ターゲットホルダ62は、冷却水を流す通水路(図示省略)を内部に有しており、それによってターゲット60を水冷する構造になっている。ターゲットホルダ62と真空容器2との間には、真空シール機能を有する絶縁部52が設けられている。
This sputtering apparatus includes a
ターゲット60の材質は、基板10の表面に形成する膜に応じたものにすれば良い。ターゲット60は、例えば、石英、アルミナ、IGZO(In −Ga −Zn −O組成を持つ酸化物半導体)、ZnO(酸化亜鉛)等である。
The material of the
ターゲット60には、ターゲットホルダ62を介して、ターゲットバイアス電源64が接続されている。ターゲットバイアス電源64は、この例では、ターゲット60に整合回路68を介して交流電圧を印加する交流電源66と、ターゲット60に負の直流電圧を印加する直流電源70と、両者を切り換える切換スイッチ72とを備えているが、交流電圧と直流電圧のいずれか一方のみを印加するものでも良い。交流電源66は、例えば、高周波電源40の出力よりも低い周波数(例えば10kHz〜100kHz程度)の低周波電源である。そのようにすると、高周波電源40を用いたプラズマ生成動作との干渉を避けることができる。
A target
ターゲット60の表面近傍に、前述したアンテナ装置20のアンテナ30が配置されている。より具体的には、2本のアンテナ30が、ターゲット60の各長辺に沿ってそれぞれ配置されている。各アンテナ30に(具体的にはその内部導体32に)、高周波電源40から整合回路42を介して高周波電流IR が並列に供給される。
In the vicinity of the surface of the
なお、この例のように2本のアンテナ30を上記のように配置すると、ターゲット60の表面をより一様に利用することができるのでより好ましいけれども、1本のアンテナ30をターゲット60の片側の長辺に沿って配置しても良い。
Although it is preferable to arrange the two
真空容器2内に導入するガス8は、この例の場合はスパッタリング用のガスである。例えば、ガス8は、アルゴンガスである。反応性スパッタリングを行う場合は、ガス8は、アルゴンガスと活性ガス(例えば酸素ガス、窒素ガス等)との混合ガスである。
In this example, the
アンテナ装置20によって上記ガス8を電離させて、誘導結合型のプラズマ16を発生させる作用およびそれによる効果(簡単に言えば、プラズマ電位の上昇抑制、安定したプラズマ生成、プラズマ中の荷電粒子入射による膜に与えるダメージの抑制、アンテナ30からの熱輻射による基板10の温度上昇抑制等)は、前述したものと同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。アンテナ30のスパッタリングを抑制することができることによって、ターゲット60、基板10および基板10の表面に形成される膜の汚染を抑制することができる。
The operation of generating the inductively coupled
このスパッタリング装置の場合、アンテナ装置20によって、ターゲット60の表面近傍に、誘導結合型のプラズマ16が生成される。このプラズマ16中のイオンを、例えば交流電源66および整合回路68からターゲット60に印加した交流電圧で引き込むことができ、それによってターゲット60の表面をスパッタさせて、ターゲット60に対向配置された基板10の表面に膜を形成(堆積)させることができる。ターゲット60が導電性の場合は、交流電圧に代えて、直流電源70からターゲット60に負の直流電圧を印加しても良い。
In the case of this sputtering apparatus, inductively coupled
このスパッタリング装置においては、誘導結合型のプラズマ生成によって、高密度のプラズマ16をターゲット60の表面近傍に広い範囲で生成することができるので、マグネトロン放電を利用するスパッタリング装置に比べて、ターゲット60の表面を広い範囲で一様に使用することができる。マグネトロン放電を利用する場合は、ターゲット表面は、電場と磁場が直交する特定領域のみがドーナツ状に削られるのに対して、このスパッタリング装置の場合はそのような制限はない。従って、ターゲット60の利用効率を高めることができる。
In this sputtering apparatus, high-
図8に示す例のように折り返した細長いコイル状のアンテナ30を有するアンテナ装置20をスパッタリング装置に用いる場合、アンテナ30は、折り返し前後の部分が左右方向(ターゲット60の表面に平行な方向)に位置するように配置するよりも、図9に示す例のように、折り返し前後の部分が上下方向(ターゲット60の表面に立てた垂線に平行な方向)に位置するように配置する方が好ましい。
When the
そのようにすると、各アンテナ30が発生させる磁界(それを磁力線74で模式的に示している)はターゲット60の表面に沿う方向に広がるので、ターゲット60の表面に沿う広い領域で強い高周波磁界を発生させて、ターゲット60の表面に沿う広い領域で高密度のプラズマ16を発生させることができる。それによって、ターゲット60をより効果的にスパッタさせることができる。
In such a case, the magnetic field generated by each antenna 30 (which is schematically shown by the lines of magnetic force 74) spreads in the direction along the surface of the
また、複数のターゲット60を並べる場合(いわゆるマルチターゲットの場合)、二つのターゲット60の間に上記アンテナ30を一つずつ配置することによって、一つのアンテナ30をその左右両側の二つのターゲット60のスパッタリングに用いることができるので、構成の簡素化を図ることができる。
Further, when a plurality of
なお、以上においては、ターゲット60の平面形状が長方形の場合を例示したけれども、ターゲット60の平面形状はそれに限られるものではない。例えば、ターゲット60の平面形状は、正方形、円形等でも良い。アンテナ30の形状は、直線状でも良いし、ターゲット60の平面形状に応じた形状でも良い。例えば、ターゲット60の平面形状が円形の場合は、アンテナ30の平面形状を円形にしても良い。
In addition, although the case where the planar shape of the
2 真空容器
10 基板
16 プラズマ
20 アンテナ装置
30 アンテナ
32 内部導体
34 外部導体
36 誘電体
38 冷却水
39 誘電体層
40 高周波電源
42 整合回路
60 ターゲット
2
Claims (4)
前記真空容器内に位置するアンテナ、当該アンテナに高周波電流を流す高周波電源および当該アンテナと高周波電源との間の整合を取る整合回路を備えており、
前記アンテナは、内部導体、その外側を少なくとも前記真空容器内に位置する全長に亘って覆う外部導体および当該内部導体と外部導体との間に設けられていて両導体間を電気絶縁する誘電体を有する同軸構造をしており、かつ当該内部導体および外部導体の少なくとも一方の内部に冷却水を流して当該アンテナを冷却する水冷構造をしており、
前記アンテナの内部導体の一端部に前記整合回路を介して前記高周波電源が接続され、当該内部導体の他端部は接地されており、
前記アンテナの外部導体は非磁性体から成り、かつ当該外部導体はその片端部のみで接地されている、ことを特徴とするアンテナ装置。 An antenna device for generating inductively coupled plasma in a vacuum vessel,
An antenna located in the vacuum vessel, a high-frequency power source for supplying a high-frequency current to the antenna, and a matching circuit for matching between the antenna and the high-frequency power source,
The antenna includes an inner conductor, an outer conductor that covers at least the entire length of the inner conductor located in the vacuum vessel, and a dielectric that is provided between the inner conductor and the outer conductor to electrically insulate between the two conductors. A water-cooling structure that cools the antenna by flowing cooling water into at least one of the inner conductor and the outer conductor,
The high frequency power source is connected to one end of the inner conductor of the antenna via the matching circuit, and the other end of the inner conductor is grounded,
The antenna device according to claim 1, wherein the outer conductor of the antenna is made of a non-magnetic material, and the outer conductor is grounded only at one end thereof.
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