JP2015215942A - プラズマ発生装置およびプラズマ発生方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】中心軸Cの周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有するガス流通管2内にプラズマ発生ガス注入口4からプラズマ発生ガスを注入し、それぞれ中心軸Cの周りを囲むように巻回され且つガス流通管2を挟み込む一対の巻き線部31,32を有する空心コイル3に高周波電源6から高周波電力を供給して一対の巻き線部31,32の間に電界を形成すると共に中心軸Cに沿った磁界を形成することでガス流通管2内に誘導熱プラズマを発生させ、ガス流通管2の一対の開口端から真空チャンバ1内に誘導熱プラズマを射出する。
【選択図】図1
Description
従来の高周波誘導熱プラズマ装置は、円筒状のプラズマトーチの外周部に誘導コイルが巻回された構成を有し、プラズマトーチの内部にアルゴンガス等の不活性ガスを流すと共に誘導コイルに高周波電力を供給しつつ、プラズマトーチの内部に高電圧を印加して放電を発生させることで、プラズマが点火される。その後、プラズマトーチの内部に原料物質を供給することで、各種の化学反応を行うことができる。
そして、プラズマ処理を行う際には、処理ガスがプラズマ生成領域内に注入され、プラズマにより生成されたラジカルまたはイオン化ガスが出口ポートを通ってプラズマ生成領域から排出され、さらにシャワーヘッドを介して基板の表面に供給される。
また、コアを用いてプラズマ生成領域内にプラズマを誘導生成しているため、磁気飽和および鉄損を考慮しなければならず、さらに、コアの冷却も必要になり、装置の構成が複雑になるという問題がある。
ガス流通管は、一対の開口端からそれぞれガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差するように、中心角が180度より大きい円弧形状を有することが好ましい。さらに、ガス流通管は、円弧形状の内側部の中心角が円弧形状の外側部の中心角以上となるように形成することができる。
また、好ましくは、一対の開口端からそれぞれガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差する位置と一対の開口端との間に基板を保持するための基板保持部をさらに備え、ガス流通管内と、一対の開口端から基板保持部に保持された基板の表面まで延びるガス流通管の接線上と、基板保持部に保持された基板の表面上を通る閉路プラズマ電流が形成される。
一対の開口端に対して基板保持部を移動させる移動機構をさらに備えることもできる。
好ましくは、空心コイルの一対の巻き線部は、ループ管の半径とほぼ同一の巻回半径を有して互いに同一方向に巻回されると共に、それぞれ、ガス流通管に近接した第1の端部とループ管の中心軸に沿ってガス流通管から離れた第2の端部を有し、一対の巻き線部の第2の端部同士が互いに短絡され、一対の巻き線部の第1の端部の間に高周波電源が接続されている。
以下、この発明の実施の形態1を添付図面に基づいて説明する。
図1に、実施の形態1に係るプラズマ発生装置の構成を示す。プラズマ発生装置は、真空チャンバ1を有し、真空チャンバ1にループ状のガス流通管2が連結されている。ガス流通管2は、中心軸Cの周りを囲み且つ中心軸C上の点を中心とする真円に沿った円環状のループ管の一部を切り欠いた形状を有しており、ガス流通管2の切り欠き部分が真空チャンバ1に連結されている。さらに、ガス流通管2の近傍に、ガス流通管2を形成するループ管と共通の中心軸Cを有する空心コイル3が配置されている。
また、ループ状のガス流通管2の中間部にプラズマ発生ガス注入口4が形成されると共に、真空チャンバ1に原料物質導入口5が形成されている。
図2に示されるように、プラズマ発生ガス注入口4は、真空チャンバ1からもっとも離れたガス流通管2の中間部に配置されており、原料物質導入口5は、真空チャンバ1に連結されたガス流通管2の切り欠き部分の中央に配置されている。
また、真空チャンバ1には、排気口10が形成されており、この排気口10に真空ポンプ等からなる真空排気部11が接続されている。
まず、真空排気部11で真空チャンバ1内を減圧し、プラズマ発生ガス供給部7からプラズマ発生ガス注入口4を介してガス流通管2内にプラズマ発生ガスを注入すると、プラズマ発生ガス注入口4がループ状のガス流通管2の中間部に配置されているため、プラズマ発生ガスは、ガス流通管2内で2方向に分岐されてそれぞれガス流通管2内を流れ、一方がガス流通管2の開口端2aから円C2の接線T1に沿って真空チャンバ1内に射出され、他方がガス流通管2の開口端2bから円C2の接線T2に沿って真空チャンバ1内に射出される。
このようにして発生した誘導熱プラズマZは、図5に示されるように、プラズマ発生ガスの流れに対応して、ガス流通管2の一対の開口端2aおよび2bから円C2の接線T1およびT2に沿って真空チャンバ1内に射出されることとなる。
原料物質供給部8から供給される原料物質としては、固体、液体、ガス、あるいはこれらの混合物質等、各種の物質を用いることができる。具体的には、チタン粉体、黒鉛粉体等の固体物質、ベンゼン、エタノール等の液体物質、窒素、酸素、水素等のガス物質が、それぞれの処理目的に応じて使用される。例えば、原料物質として窒素ガスを供給することにより、基板Sの表面に対して窒化処理を行うことができ、また、原料物質として酸素ガスを供給することにより、基板Sの表面に対して酸化処理を行うことができる。さらに、各種の原料物質を供給することで、基板Sの表面上に膜形成を行うこともできる。
例えば、互いに振幅が異なる2種類の高周波電流を交互に繰り返して空心コイル3に供給することで、基板Sの表面温度を基板Sが熱的ダメージを受けない所定範囲内に維持しながら、誘導熱プラズマZ中のラジカル量が異なる2つの処理を交互に施して、効率よく基板Sの表面処理を行うことも可能となる。
この実施の形態1においては、円環状のループ管Lの一部を切り欠いた構造のガス流通管2の内部にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させ、ガス流通管2の一対の開口端2aおよび2bから真空チャンバ1内に射出される誘導熱プラズマに原料物質を導入するように構成されているので、ガス流通管2の内部にはプラズマ発生ガスのみが存在することになり、原料物質の供給を伴っても、極めて安定した誘導熱プラズマを得ることが可能となる。
ガス流通管2を形成するループ管の半径および空心コイル3の巻回半径を共に100mm、ガス流通管2の中心角θ=270度、空心コイル3の巻き線部31の第1の端部31aと巻き線部32の第1の端部32aの間隔を30mmとして、実施の形態1に係るプラズマ発生装置を製作した。ガス流通管2の一対の開口端2aおよび2bの間隔は、約80mmである。
また、X軸上の各点における温度を測定したところ、図8に示される結果が得られた。温度1900〜3500Kに分布しており、高温の誘導熱プラズマZが形成されたことが確認された。
また、コアを使用しないため、磁気飽和および鉄損の問題を考慮する必要がなく、さらに、コアの冷却も不要となり、簡単な構成を有するプラズマ発生装置が実現される。
空心コイル3の外周部、特に、巻き線部31および32の外周部は、隣接する巻き線の間で放電が生じることを防止するために放電防止用の被膜でコーティングされていることが望ましい。
さらに、内部に冷却水を流通させて冷却することができる構造のコイルを使用することが好ましい。また、真空チャンバ1、ガス流通管2および空心コイル3を水冷タンク内で流水中に晒して冷却する構造を採用することもできる。
また、ガス流通管2の内部にも高温の誘導熱プラズマが形成されるが、プラズマ発生ガス注入口4から注入されるプラズマ発生ガスの流量を高めることにより、ガス流通管2の内壁への誘導熱プラズマの接触を防止することができる。
上記の実施の形態1では、ガス流通管2の一対の開口端2aおよび2bの間に1つの原料物質導入口5が配置されていたが、これに限るものではなく、例えば図9に示されるように、開口端2aおよび2bの外側にそれぞれ原料物質導入口51および52を追加して配置することができる。これらの原料物質導入口51および52は、それぞれ、一対の開口端2aおよび2bの間の直下に形成される誘導熱プラズマZに原料物質を導入するために、開口端2aおよび2bの下方に向けて傾斜した状態で真空チャンバ1に形成されている。
また、真空チャンバ1の壁部に多数の貫通孔を形成することにより、例えば一対の開口端2aおよび2bの間に、いわゆるシャワーヘッド構造の原料物質導入口を配置し、この原料物質導入口を介して原料物質を真空チャンバ1内に注入すれば、さらにプラズマ発生ガスと原料物質の混合を均一化することができる。
図11に、実施の形態3に係るプラズマ発生装置に用いられたガス流通管12を示す。このガス流通管12は、一方の開口端2aから他方の開口端2bに至る円弧形状の内側部の中心角θ1が円弧形状の外側部の中心角θ2よりも大きくなるように設定されたものである。
このようなガス流通管12を用いても、プラズマ発生ガス注入口4からガス流通管12内に注入されたプラズマ発生ガスの流れに対応して、一対の開口端2aおよび2bから円C2の接線方向に誘導熱プラズマZを射出させることができる。
また、図12に示されるガス流通管13のように、円弧形状の内側部の中心角θ1と外側部の中心角θ2が互いに等しくなるように設定しても、同様にして、一対の開口端2aおよび2bから円C2の接線方向に誘導熱プラズマZを射出させることができる。
さらに、図13に示されるガス流通管14のように、内側部が円を描いて360度の中心角を有し、円弧形状の外側部が360度よりも小さな中心角θ2を有していてもよい。この場合、ガス流通管14の内側部の一部が真空チャンバ1内に露出することとなるが、この内側部の露出部分に原料物質導入口5を形成することができる。
図14に、実施の形態4に係るプラズマ発生装置の構成を示す。このプラズマ発生装置は、図1に示した実施の形態1のプラズマ発生装置において、真空チャンバ1の代わりに真空チャンバ21を用い、真空チャンバ21内で、ガス流通管2の一対の開口端2aおよび2bに対し、基板保持部9を基板Sと共に移動し得るように構成したものである。真空チャンバ21以外の部材は、実施の形態1のプラズマ発生装置で用いられた部材と同一である。
スライドシャフト23、移動体24、回転シャフト25、走行モータM1および回転モータM2により、ガス流通管2の一対の開口端2aおよび2bに対して基板保持部9を移動させる移動機構が構成されている。
さらに、原料物質供給部8から原料物質導入口5を介して真空チャンバ1内に原料物質を注入することにより、基板Sの円形の領域に対して、窒化処理、酸化処理、製膜処理等、原料物質に対応した処理を行うことができる。
実施の形態1に記載したように、例えば、ガス流通管2の径を250mmとして、基板Sの表面の200mm×10mm程度の領域に誘導熱プラズマを照射させつつ、この実施の形態2により、基板Sを回転シャフト25の周りに回転させれば、径200mmの半導体ウエハの全面上に誘導熱プラズマを直接照射させて各種の処理を行うことが可能となる。
Claims (9)
- 真空チャンバと、
中心軸の周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有すると共に前記一対の開口端を介して前記真空チャンバ内に連通するガス流通管と、
前記ガス流通管の中間部に形成されたプラズマ発生ガス注入口と、
それぞれ前記ループ管の前記中心軸の周りを囲むように巻回され且つ前記ガス流通管を挟み込む一対の巻き線部を有する空心コイルと、
前記プラズマ発生ガス注入口から前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で前記空心コイルに高周波電力を供給して前記一対の巻き線部の間に電界を形成すると共に前記ループ管の前記中心軸に沿った磁界を形成することで前記ガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させる高周波電源と
を備え、前記誘導熱プラズマが前記ガス流通管の前記一対の開口端から前記真空チャンバ内に射出されることを特徴とするプラズマ発生装置。 - 前記ガス流通管を形成する前記ループ管は、真円に沿った形状を有する請求項1に記載のプラズマ発生装置。
- 前記ガス流通管は、前記一対の開口端からそれぞれ前記ガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差するように、中心角が180度より大きい円弧形状を有する請求項1または2に記載のプラズマ発生装置。
- 前記ガス流通管は、円弧形状の内側部の中心角が円弧形状の外側部の中心角以上となるように形成されている請求項3に記載のプラズマ発生装置。
- 前記一対の開口端からそれぞれ前記ガス流通管の接線方向に射出された誘導熱プラズマが互いに交差する位置と前記一対の開口端との間に基板を保持するための基板保持部をさらに備え、
前記ガス流通管内と、前記一対の開口端から前記基板保持部に保持された前記基板の表面まで延びる前記ガス流通管の接線上と、前記基板保持部に保持された前記基板の表面上を通る閉路プラズマ電流が形成される請求項3または4に記載のプラズマ発生装置。 - 前記一対の開口端に対して前記基板保持部を移動させる移動機構をさらに備えた請求項5に記載のプラズマ発生装置。
- 前記一対の開口端から前記真空チャンバ内に射出された誘導熱プラズマに原料物質を導入するための少なくとも1つの原料物質導入口をさらに備えた請求項1〜6のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
- 前記空心コイルの前記一対の巻き線部は、前記ループ管の半径とほぼ同一の巻回半径を有して互いに同一方向に巻回されると共に。それぞれ、前記ガス流通管に近接した第1の端部と前記ループ管の前記中心軸に沿って前記ガス流通管から離れた第2の端部を有し、前記一対の巻き線部の前記第2の端部同士が互いに短絡され、前記一対の巻き線部の前記第1の端部の間に前記高周波電源が接続されている請求項1〜7のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
- 中心軸の周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有するガス流通管内にガス流通管の中間部からプラズマ発生ガスを注入し、
それぞれ前記ループ管の前記中心軸の周りを囲むように巻回され且つ前記ガス流通管を挟み込む一対の巻き線部を有する空心コイルに高周波電力を供給して前記一対の巻き線部の間に電界を形成すると共に前記ループ管の前記中心軸に沿った磁界を形成することで前記ガス流通管内に誘導熱プラズマを発生させ、
前記ガス流通管の前記一対の開口端から誘導熱プラズマを射出する
ことを特徴とするプラズマ発生方法。
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