JP2016149287A - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高周波アンテナを長くする場合でも誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】 このプラズマ処理装置は、真空排気されかつガス8が導入される真空容器2内に配置された高周波アンテナ18を備えている。更に、真空容器2内に高周波アンテナ18に沿って配置されかつその両端部付近が絶縁物22を介して真空容器2から支持されていて、電気的にフローティング状態に置かれている副アンテナ20と、真空容器2内に位置する部分の両アンテナ18、20を一括して覆う絶縁カバー24とを備えている。【選択図】 図1

Description

この発明は、高周波アンテナに高周波電源から高周波電流を流すことによって真空容器内に誘導電界を発生させてプラズマ(誘導結合型のプラズマ。略称ICP)を生成し、当該プラズマを用いて基板に、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、スパッタリング等の処理を施す誘導結合型のプラズマ処理装置に関する。
誘導結合型のプラズマ処理装置の一例として、特許文献1には、平板状の高周波アンテナを真空容器の開口部に絶縁枠を介して取り付け、当該高周波アンテナの一端と他端間に高周波電源から高周波電力を供給して高周波電流を流し、それによって発生する誘導電界によってプラズマを生成し、当該プラズマを用いて基板に処理を施すプラズマ処理装置が記載されている。
国際公開第WO 2009/142016号パンフレット(段落0024−0026、図1)
上記従来のプラズマ処理装置においては、大型の基板に対応する等のために高周波アンテナを長くすると、当該高周波アンテナのインピーダンス(特にインダクタンス)が大きくなって高周波電流が流れにくくなり、それによって高周波アンテナが発生させる誘導電界が抑制されるため、誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることが困難になるという課題がある。
そこでこの発明は、高周波アンテナを長くする場合でも誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることができるプラズマ処理装置を提供することを主たる目的としている。
この発明に係るプラズマ処理装置は、真空排気されかつガスが導入される真空容器内に配置された高周波アンテナに高周波電源から高周波電流を流すことによって当該真空容器内に誘導電界を発生させてプラズマを生成し、当該プラズマを用いて基板に処理を施す誘導結合型のプラズマ処理装置であって、前記真空容器内に前記高周波アンテナに沿って配置された副アンテナであって、その両端部付近が絶縁物を介して前記真空容器から支持されていて、電気的にフローティング状態に置かれている副アンテナと、前記真空容器内に位置する部分の前記高周波アンテナおよび前記副アンテナを一括して覆う絶縁カバーとを備えていることを特徴としている。
このプラズマ処理装置によれば、高周波アンテナに高周波電流を流すことによって副アンテナに誘導起電力が生じ、それによって、副アンテナを電気的にフローティング状態に置いていても、主として副アンテナの両端部付近の絶縁物部分に自然に存在する静電容量を経由して副アンテナに誘導電流が流れる。この副アンテナに流れる誘導電流による誘導電界と、高周波アンテナに流れる高周波電流による誘導電界とが協働して、誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることができる。従って、高周波アンテナを長くする場合でも誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることができる。
前記高周波アンテナの表面と前記副アンテナの表面との間の距離を25mm以下(0は含まない)にしても良い。
前記高周波アンテナおよび前記副アンテナは、前記絶縁カバー内に空間を介して配置されていても良い。
請求項1に記載の発明によれば、高周波アンテナに高周波電流を流すことによって副アンテナに誘導起電力が生じ、それによって、副アンテナを電気的にフローティング状態に置いていても、主として副アンテナの両端部付近の絶縁物部分に自然に存在する静電容量を経由して副アンテナに誘導電流が流れる。この副アンテナに流れる誘導電流による誘導電界と、高周波アンテナに流れる高周波電流による誘導電界とが協働して、誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることができる。従って、高周波アンテナを長くする場合でも誘導結合型のプラズマを効率良く発生させることができる。
しかも、真空容器内に位置する部分の高周波アンテナおよび副アンテナを一括して絶縁カバーで覆っているので、高周波アンテナと副アンテナとの間にプラズマが発生するのを防止して、真空容器内にプラズマを発生させた時にも、副アンテナの電気的フローティング状態を確保することができる。更に、プラズマ中の荷電粒子が高周波アンテナおよび副アンテナに入射するのを防止することができるので、両アンテナにプラズマが入射することによるプラズマ電位の上昇を抑制することができると共に、両アンテナがプラズマ中の荷電粒子によってスパッタされてプラズマおよび基板に対して金属汚染(メタルコンタミネーション)が生じるのを抑制することができる。
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、高周波アンテナの表面と副アンテナの表面との間の距離を25mm以下(0は含まない)にしているので、両アンテナが十分に近くなって、副アンテナに流れる誘導電流による誘導電界と、高周波アンテナを流れる高周波電流による誘導電界との協働によって誘導結合型のプラズマを効率良く発生させる作用効果をより高めることができる。更に、絶縁カバー内にガスが入ったとしても、両アンテナ間の距離が小さくて電子の移動距離が短いので、両アンテナ間にプラズマが発生するのを防止して、副アンテナの電気的フローティング状態をより確実なものにすることができる。
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、高周波アンテナおよび副アンテナは絶縁カバー内に空間を介して配置されているので、当該空間の存在によって絶縁カバー表面の電位上昇を抑えることができ、それによってプラズマ電位の上昇を抑えることができる。
この発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示す概略断面図である。 異なった構成で基板上にフッ素化シリコン窒化膜を形成したときの成膜速度を測定した結果の一例を示す図である。 図2の結果が得られた理由を説明するためのアンテナ周りの等価回路図である。
図1に、この発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示す。このプラズマ処理装置は、真空排気されかつガス8が導入される真空容器2内に配置された高周波アンテナ18に高周波電源26から高周波電流IR を流すことによって当該真空容器2内に誘導電界を発生させてプラズマ(誘導結合型のプラズマ)30を生成し、当該プラズマ30を用いて基板10に処理を施すように構成されている。
基板10は、例えば、半導体装置や太陽電池を構成する基板、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)を構成する基板等であるが、これに限られるものではない。
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。
このプラズマ処理装置は、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プラズマスパッタリング装置とも呼ばれる。
真空容器2は、例えば金属製の容器であり、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はこの例では電気的に接地されている。
真空容器2内に、例えば流量調節器(図示省略)および高周波アンテナ18に沿う方向に配置された複数のガス導入口6を経由して、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、SiF4 +N2 の場合はSiN:F膜(フッ素化シリコン窒化膜)を、それぞれ基板10上に形成することができる。
真空容器2内に、基板10を保持する基板ホルダ12が設けられている。この例のように、基板ホルダ12にバイアス電源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、例えば負の直流電圧、負のパルス電圧等であるが、これに限られるものではない。このようなバイアス電圧によって、例えば、プラズマ30中の正イオンが基板10に入射するときのエネルギーを制御して、基板10の表面に形成される膜の結晶化度の制御等を行うことができる。基板ホルダ12内に、基板10を加熱するヒータを設けておいても良い。
高周波アンテナ18は、この例では直線状のアンテナであり、真空容器2内における基板10の上方に、基板10の表面に沿うように(例えば、基板10の表面と実質的に平行に)配置されている。この高周波アンテナ18の両端部付近は、真空容器2の相対向する壁面に設けられた二つの開口部16をそれぞれ貫通している。各開口部16には、各開口部16を気密に塞ぐように絶縁物(例えば絶縁フランジ)22が設けられている。高周波アンテナ18の両端部付近はこの各絶縁物22を貫通していて、各絶縁物22を介して真空容器2から支持されている。
高周波アンテナ18から基板ホルダ12までの距離は、例えば、50mm〜250mm程度であり、より具体的には一例として100mmであるが、これに限られるものではない。
なお、各絶縁物22と真空容器2との間、高周波アンテナ18と絶縁物22との間および後述する副アンテナ20と絶縁物22との間には、真空シール用のパッキン(例えばOリング)が設けられているが、これらの図示を省略している。
高周波アンテナ18には、高周波電源26から整合回路28を介して高周波電流IR が流される。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。
真空容器2内に、高周波アンテナ18に沿って(例えば実質的に平行に)、副アンテナ20が配置されている。この副アンテナ20も、この例では高周波アンテナ18に合わせて直線状をしている。副アンテナ20は、例えば高周波アンテナ18と同程度の長さにすれば良い。副アンテナ20は、その両端部付近が上記絶縁物22を介して真空容器2から支持されていて、電気的にフローティング状態(浮いた状態)に置かれている。
高周波アンテナ18に対する副アンテナ20の位置は、高周波アンテナ18の上下、左右のいずれでも良いけれども、この例のように、高周波アンテナ18の上方、即ち高周波アンテナに対して基板10とは反対側に配置するのが好ましい。そのようにすると、高周波電流IR を流してプラズマ30を主に発生させる高周波アンテナ18を基板10により近づけることができるので、基板10の処理にプラズマ30をより効率良く用いることができる。
なお、図1に示す例では副アンテナ20の両端部付近が各絶縁物22を貫通しているけれども、これは後述する副アンテナ20の両端接地の実験を行う等のためであり、必ずしも貫通していなくても良い。また、絶縁物22を、高周波アンテナ18を支持するものと副アンテナ20を支持するものとに分けても良い。
高周波アンテナ18および副アンテナ20の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等であるが、これに限られるものではない。
高周波アンテナ18を中空にして、その中に冷却水等の冷媒を流し、高周波アンテナ18を冷却するようにしても良い。副アンテナ20についても同様である。
両アンテナ18、20の直径(外径)は、大きくする方がインピーダンス(特にインダクタンス)が小さくなるので好ましい。例えば、両アンテナ18、20の直径は12mm以上にしても良い。両アンテナ18、20の直径は、互いに同じにしても良いし、高周波アンテナ18の直径を副アンテナ20の直径よりも大きくしても良い。後者のようにすると、主たるアンテナである高周波アンテナ18のインピーダンス(特にインダクタンス)がより小さくなるので、高周波アンテナ18に高周波電流IR が流れやすくなる。
絶縁物22の材質は、例えば、アルミナ等のセラミックス、石英、またはポリフェニンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等のエンジニアリングプラスチック等であるが、これに限られるものではない。
このプラズマ処理装置は、更に、真空容器2内に位置する部分の高周波アンテナ18および副アンテナ20を一括して覆うものであって、絶縁物製で筒状の絶縁カバー24を備えている。絶縁カバー24の両端部と真空容器2との間はシールしなくても良い。絶縁カバー24内の空間にガス8が入っても、当該空間は小さくて電子の移動距離が短いので、通常は当該空間にプラズマは発生しないからである。
絶縁カバー24の材質は、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等であるが、これらに限られるものではない。
このプラズマ処理装置においては、高周波アンテナ18に高周波電流IR を流すことによって、高周波アンテナ18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、電子が加速されて高周波アンテナ18の近傍のガス8を電離させて高周波アンテナ18の近傍にプラズマ(即ち誘導結合型のプラズマ)30が発生する。このプラズマ30は基板10の近傍まで拡散し、このプラズマ30によって基板10に前述した処理を施すことができる。
更に、このプラズマ処理装置によれば、高周波アンテナ18に高周波電流IR を流すことによって副アンテナ20に誘導起電力が生じ、それによって、副アンテナ20を電気的にフローティング状態に置いていても、主として副アンテナ20の両端部付近の絶縁物22部分に自然に存在する静電容量を経由して副アンテナ20に誘導電流(図3(C)中の誘導電流I2 参照)が流れる。この副アンテナ20に流れる誘導電流による誘導電界と、高周波アンテナ18に流れる高周波電流IR による誘導電界とが協働して、誘導結合型のプラズマ30を効率良く発生させることができる。従って、高周波アンテナ18を長くする場合でも誘導結合型のプラズマ30を効率良く発生させることができる。その結果、高周波アンテナ18を長くして基板10の大型化等に対応することが容易になる。例えば、高周波アンテナ18の長さが2000mmを超えるような場合にも適用することが可能になる。
しかも、真空容器2内に位置する部分の高周波アンテナ18および副アンテナ20を一括して絶縁カバー24で覆っているので、高周波アンテナ18と副アンテナ20との間にプラズマが発生するのを防止して、真空容器2内にプラズマ30を発生させた時にも、副アンテナ20の電気的フローティング状態を確保することができる。更に、プラズマ30中の荷電粒子が高周波アンテナ18および副アンテナ20に入射するのを防止することができるので、両アンテナ18、20にプラズマ30が入射することによるプラズマ電位の上昇を抑制することができると共に、両アンテナ18、20がプラズマ30中の荷電粒子によってスパッタされてプラズマ30および基板10に対して金属汚染(メタルコンタミネーション)が生じるのを抑制することができる。
上述したプラズマ30を効率良く発生させることができることについて、実験結果を参照して以下により詳しく説明する。
図1に示す構成のプラズマ処理装置において、高周波アンテナ18および副アンテナ20の長さを共に1340mmとし、両アンテナ18、20の表面間の距離Dを25mmとし、ガス8としてSiF4 (四フッ化シリコンガス)およびN2 ガス(窒素ガス)の混合ガスを用い、高周波電源26から13・56MHzの高周波電流IR を高周波アンテナ18に供給して、前述した誘導電界によって真空容器2内に誘導結合型のプラズマ30を発生させ、基板10上にSiN:F膜(フッ素化シリコン窒化膜)を形成した。そして、このSiN:F膜の成膜速度を測定した結果の一例を、図2中の(C)実施例として示す。この実施例のアンテナ周りの等価回路を図3(C)に示す。なお、図示を簡略化するために、図3では整合回路28(図1参照)の図示を省略している。
また、この実施例との比較のために、上記副アンテナ20を取り外した場合の成膜速度を測定した結果を、図2中の(A)比較例1として示す。この比較例1のアンテナ周りの等価回路を図3(A)に示す。この比較例1は、副アンテナ20を有していないので、前述した特許文献1に記載の技術と同様の従来技術に相当する。更に、上記副アンテナ20の両端部を接地した場合の成膜速度を測定した結果を、図2中の(B)比較例2として示す。この比較例2のアンテナ周りの等価回路を図3(B)に示す。なお、比較例1および2においては、副アンテナ20に関するもの以外は、上記実施例の場合と同じ成膜条件にした。
図2に示すように、比較例1の成膜速度が最も小さかった。また、比較例2の成膜速度は、比較例1に比べて1割程度増加した。一方、実施例の成膜速度は、比較例1および2に比べて大きく増加した。
高周波アンテナ18に上記のような高周波電流IR を流した時の高周波アンテナ18近傍の高周波の挙動の解析は容易ではないが、上記のような測定結果が得られた理由は次のようなものであると考えられる。
図3(A)に示す比較例1の場合は、アンテナは高周波アンテナ18のみであり、前述したようにその長さが長くなるとそのインピーダンスZ1 、特にその自己インダクタンスL1 が大きくなって高周波電流IR が流れにくくなるので、プラズマ30の密度が小さく、従って成膜速度も小さい。
これに対して、図3(C)に示す実施例の場合は、副アンテナ20を電気的にフローティング状態に置いていても、主として副アンテナ20の両端部付近の絶縁物22(図1参照)の部分に静電容量C2 がそれぞれ自然に存在する(これは、特にコンデンサを設けなくても存在するという意味である)。そして両静電容量C2 は、金属製の真空容器2等の接地回路を経由して副アンテナ20の両端部間に直列に接続された形になり、副アンテナ20と共に閉回路を形成している。両静電容量C2 の値は、略言すれば互いにほぼ等しいと考えても良く、互いに直列接続された二つの静電容量C2 の合成の静電容量C0 は次式で表される。
[数1]
0 =C2 /2
高周波アンテナ18に高周波電源26から高周波電流IR を流すことによって、それによる磁束φと鎖交する副アンテナ20には、ファラデーの法則により、次式で表される誘導起電力V2 が生じる。ここで、ωは高周波電流IR の角周波数、Mは両アンテナ18、20間の相互インダクタンス、jは虚数単位である。
[数2]
2 =−dφ/dt=−jωMIR
副アンテナ20の抵抗は、通常はその自己インダクタンスL2 によるリアクタンスに比べて十分に小さいので、副アンテナ20を含む閉回路のインピーダンスZ2 をリアクタンスを用いて近似的に表すと、上記誘導起電力V2 によって、副アンテナ20には次式で表される誘導電流I2 が流れる。C0 は数1に示した合成の静電容量である。なお、ここでは図3に示した高周波電流IR および誘導電流のI2 の向きを正としている。
[数3]
2 =V2 /Z2
≒−jωMIR /j(ωL2 −1/ωC0
≒−ωMIR /(ωL2 −1/ωC0
上記静電容量C2 は、前述したように主として副アンテナ20の両端部付近の絶縁物22部分に自然に存在する静電容量であるので通常は小さく、従ってその合成の静電容量C0 も小さい。従って、上記数3中のリアクタンス(ωL2 −1/ωC0 )は負の値になり、その結果、誘導電流I2 は正の値になる。つまり、副アンテナ20には、図3(C)に示すとおり、高周波アンテナ18を流れる高周波電流IR と同じ向きの誘導電流I2 が流れる。
誘導電流I2 が高周波電流IR と同じ向きに流れると、高周波アンテナ18のインピーダンスZ1 を構成するインダクタンスは、自己インダクタンスL1 よりも相互インダクタンスMを加味して幾分大きくなることが考えられるけれども、高周波アンテナ18を流れる高周波電流IR が発生させる高周波磁界と、副アンテナ20を流れる誘導電流I2 が発生させる高周波磁界とが同方向になって、高周波アンテナ18を流れる高周波電流IR による誘導電界を、副アンテナ20を流れる誘導電流I2 による誘導電界が増強するように作用するので、誘導結合型のプラズマ30を効率良く発生させることができる。上記のような作用を総合した結果、プラズマ30の密度が大きく増加して、成膜速度が比較例1、2に比べて大きく増加したものと考えられる。
しかもこの実施例の場合は、電気的にフローティング状態に置いている副アンテナ20の両端部付近の絶縁物22部分に自然に存在する静電容量C2 をうまく利用しており、副アンテナ20と共に閉回路を形成するコンデンサを特に設けなくて済む。従って、コンデンサを設ける場合に比べて、部品点数の削減、組立作業工程の削減等を図ることができる。
一方、図3(B)に示す比較例2の場合は、副アンテナ20の両端部を接地しているため、上記静電容量C2 は存在せず、従って数3中のリアクタンス1/ωC0 は0になるので、誘導電流I2 は負の値になる。つまり、副アンテナ20には、図3(B)に示すものとは逆向きに、即ち高周波アンテナ18を流れる高周波電流IR と逆向きに誘導電流I2 が流れる。しかもこの誘導電流I2 は、上記実施形態の場合よりも大きくなる。
誘導電流I2 が高周波電流IR と逆向きに流れると、高周波アンテナ18のインピーダンスZ1 を構成インダクタンスは、自己インダクタンスL1 よりも相互インダクタンスMを加味して幾分小さくなり、それによって高周波アンテナ18に高周波電流IR が流れやすくなる反面、高周波アンテナ18を流れる高周波電流IR による誘導電界を、副アンテナ20を流れる誘導電流I2 による誘導電界が弱めるように作用する。上記のような作用を総合した結果、プラズマ30の密度はあまり増加せず、従って成膜速度も比較例1に比べてあまり増加しなかったものと考えられる。
再び図1を参照して、高周波アンテナ18の表面と副アンテナ20の表面との間の距離Dを25mm以下(0は含まない)にするのが好ましい。そのようにすると、両アンテナ18、20が十分に近くなって、副アンテナ20に流れる誘導電流I2 による誘導電界と、高周波アンテナ18を流れる高周波電流IR による誘導電界との協働によって誘導結合型のプラズマ30を効率良く発生させる前述した作用効果をより高めることができる。更に、絶縁カバー24内にガス8が入ったとしても、両アンテナ18、20間の距離が小さくて電子の移動距離が短いので、両アンテナ18、20間にプラズマが発生するのを防止して、副アンテナ20の電気的フローティング状態をより確実なものにすることができる。
前記絶縁カバー24内の両アンテナ18、20以外の部分に、樹脂等の絶縁物が充填されていても良い。そのようにすると、絶縁カバー24内でプラズマが発生するのをより確実に防止することができる。
また、高周波アンテナ18および副アンテナ20は、この実施形態のように、絶縁カバー24内に空間23を介して配置しておいても良い。そのようにすると、当該空間23の存在によって絶縁カバー24の表面の電位上昇を抑えることができ、それによってプラズマ30の電位の上昇を抑えることができる。
副アンテナ20を曲げること等によって、高周波アンテナ18と副アンテナ20との間の上記距離Dを、上記範囲内において、例えば5mm〜25mmの範囲内において、高周波アンテナ18の長手方向において変化させても良い。そのようにすると、高周波アンテナ18の長手方向におけるプラズマ30の密度分布を制御して、基板10上に形成される膜の密度分布を制御することが可能になる。
絶縁カバー24で覆われた高周波アンテナ18および副アンテナ20を一つのアンテナユニットとして、基板10の大きさ等に応じて、複数のアンテナユニットを基板10の表面に沿う方向に並設しても良い。そのようにすると、面積のより大きいプラズマ30を発生させて、より大型の基板10に処理を施すことが可能になる。
2 真空容器
8 ガス
10 基板
18 高周波アンテナ
20 副アンテナ
22 絶縁物
24 絶縁カバー
26 高周波電源
30 プラズマ

Claims (3)

  1. 真空排気されかつガスが導入される真空容器内に配置された高周波アンテナに高周波電源から高周波電流を流すことによって当該真空容器内に誘導電界を発生させてプラズマを生成し、当該プラズマを用いて基板に処理を施す誘導結合型のプラズマ処理装置であって、
    前記真空容器内に前記高周波アンテナに沿って配置された副アンテナであって、その両端部付近が絶縁物を介して前記真空容器から支持されていて、電気的にフローティング状態に置かれている副アンテナと、
    前記真空容器内に位置する部分の前記高周波アンテナおよび前記副アンテナを一括して覆う絶縁カバーとを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記高周波アンテナの表面と前記副アンテナの表面との間の距離を25mm以下(0は含まない)にしている請求項1記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記高周波アンテナおよび前記副アンテナは、前記絶縁カバー内に空間を介して配置されている請求項1または2記載のプラズマ処理装置。
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