JP2020087891A - アンテナ及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ電圧又はその分布及びアンテナ電流分布を抑制する。【解決手段】プラズマＰを発生させるためのアンテナ３であって、プラズマ非点灯時の単位長さ当たりのアンテナインピーダンスの虚数部ωＬＣ／ｌ［Ω］が、０＜ωＬＣ／ｌ＜1／ωＣ０を満たす。但し、ωは投入される電力の角周波数であり、Ｃ０はアンテナ３とプラズマＰとの間の単位長さ当たりの容量であり、ｌはアンテナ３とプラズマＰとの間に容量を持つ長さである。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導結合型のプラズマを生成するためのアンテナ、及び、当該アンテナを用いたプラズマ処理装置に関するものである。

従来、誘導結合型のプラズマを生成するためのアンテナとして、特許文献１に示すように、誘導素子（Ｌ）と容量素子（Ｃ）とが直列接続されたＬＣアンテナが考えられている。このＬＣアンテナは、導体パイプを重ねることにより、容量素子（Ｃ）を構成するものである。

しかしながら、プラズマ生成時にアンテナインピーダンスは変化することから、アンテナ電圧が変化してしまう。また、アンテナとプラズマとの間には静電容量が存在するため、その静電容量に電流が流れることでアンテナ電流に分布ができてしまう。その結果、アンテナ電圧又はその分布が大きくなり、又は、アンテナ電流分布が大きくなり、均質な膜が成膜できない恐れがある。

国際公開２０１１／０４１０８７号

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、アンテナ電圧又はその分布及びアンテナ電流分布を抑制することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るアンテナは、誘導結合型のプラズマを発生させるためのアンテナであって、プラズマ非点灯時の単位長さ当たりのアンテナインピーダンスの虚数部（リアクタンス）ωＬ_Ｃ／ｌ［Ω］が、０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜1／ωＣ_０を満たすことを特徴とする。
但し、ωは投入される電力の角周波数であり、Ｃ_０はアンテナとプラズマとの間の単位長さ当たりの容量であり、ｌはアンテナとプラズマとの間に容量を持つ長さである。

以下に、本発明のメカニズムについて説明する。
（１）プラズマ点灯時のアンテナインピーダンスを小さく抑制することで、アンテナ電圧又はその分布を小さく抑制することができる。
誘導結合型のプラズマは、アンテナのリアクタンスを下げる働きをする。したがって、プラズマ点灯時のアンテナインピーダンスを小さくするには、プラズマ非点灯時のアンテナリアクタンスは少なくとも正に設定する必要がある。

（２）プラズマ点灯時のアンテナインピーダンスをアンテナとプラズマとの間の容量性リアクタンスよりも小さくすることで、アンテナ電流をアンテナとプラズマとの間の容量に流れる電流よりも大きくし、アンテナ電流分布を抑制することができる。

アンテナとプラズマとの間の静電容量は単位長さ当りＣ_０であり、プラズマ点灯時の単位長さ当りのアンテナインピーダンスＺ^＊ _Ｃ／ｌ（複素数）の大きさがアンテナ−プラズマ間のリアクタンス−１／ωＣ_０［Ω］の大きさよりも小さければよい（図２参照）。よって単位長さ当りのアンテナインピーダンスＺ^＊ _Ｃ／ｌ（複素数）が満たすべき条件は次式で表される。

プラズマによるアンテナリアクタンス減少分を−Ｍ´ωＬ_Ｐ［Ω］とすると、プラズマ点灯時のアンテナリアクタンスはωＬ_Ｃ−Ｍ´ωＬ_Ｐ［Ω］であり、Ｍ´ωＬ_ＰがωＬ_Ｃの２倍を上回らない限り、｜ωＬ_Ｃ−Ｍ´ωＬ_Ｐ｜＜｜ωＬ_Ｃ｜が満たされる。

よって、アンテナリアクタンスがアンテナ−プラズマ間の容量性リアクタンスよりも小さくなるためには、次式を満たしておけば十分である。

ここで、Ｃ_０はアンテナとプラズマの形状によって決まる。

プラズマ点灯時のアンテナインピーダンスは、虚数部だけでなく実数部も発生する恐れがある。その場合、虚数部のように相殺できないので、完全にアンテナ電圧をゼロにすることはできない。ただしその場合にも、虚数部を完全に相殺するとアンテナ電圧が最小値を取ると考えられる。

また、アンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えて、アンテナに高周波電流を流れやすくし、プラズマを効率良く発生させるためには、アンテナは複数の導体要素と互いに隣り合う導体要素の間に設けられてそれらを絶縁するとともに内部に容量素子が設けられた絶縁要素とを有するものが考えられる。
この構成において、プラズマ非点灯時の単位長さ当たりのアンテナインピーダンスの虚数部（リアクタンス）ωＬ_Ｃ／１［Ω］が、０＜ωＬ_Ｃ／１＜1／ωＣ_０を満たすためには、前記絶縁要素１個のリアクタンスＸ_Ｃ１［Ω］が、−４４．８／ｎ＜Ｘ_Ｃ１＜−１３．９／ｎを満たすことが望ましい。但し、ｎは単位長さあたりの絶縁要素の数である。

このように構成した本発明によれば、アンテナ電圧又はその分布及びアンテナ電流分布を抑制することができる。

本発明に係る一実施形態のプラズマ処理装置を模式的に示す図である。 単位長さ当たりのアンテナリアクタンスと、アンテナ及びプラズマの間の静電容量を示す図である。 アンテナ及びプラズマが同軸型の場合の静電容量を示す図である。 アンテナ保護管とアンテナの径の比に対する単位長さ当たりのアンテナリアクタンス設定範囲を示すグラフである。 アンテナと角形保護管との間の静電容量測定を示す図である。 実施例におけるアンテナの構成例を示す図である。 アンテナリアクタンスの測定方法及び測定結果例を示す図である。 同実施例のアンテナを用いて成膜した場合の膜厚分布を示す図である。 膜厚分布における膜厚測定位置を示す図である。 単位長さあたりのＣ部の数nに対するＣ部１個のリアクタンスＸ_Ｃ１の制限を示す図である。

以下、本発明に係るアンテナを用いたプラズマ処理装置の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。

＜装置構成＞
本実施形態のプラズマ処理装置１００は、誘導結合型のプラズマＰを用いて基板Ｗに処理を施すものである。ここで、基板Ｗ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等である。また、基板Ｗ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。

なお、このプラズマ処理装置１００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。

具体的にプラズマ処理装置１００は、図１に示すように、真空排気され且つガス７が導入される真空容器２と、真空容器２内に配置された直線状のアンテナ３と、真空容器２内に誘導結合型のプラズマＰを生成するための高周波をアンテナ３に印加する高周波電源４とを備えている。なお、アンテナ３に高周波電源４から高周波を印加することによりアンテナ３には高周波電流ＩＲが流れて、真空容器２内に誘導電界が発生して誘導結合型のプラズマＰが生成される。

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６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、例えば流量調整器（図示省略）及びアンテナ３に沿う方向に配置された複数のガス導入口２１を経由して、ガス７が導入される。ガス７は、基板Ｗ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Ｗに膜形成を行う場合には、ガス７は、原料ガス又はそれを希釈ガス（例えばＨ_２）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ＳｉＨ_４の場合はＳｉ膜を、ＳｉＨ_４＋ＮＨ_３の場合はＳｉＮ膜を、ＳｉＨ_４＋Ｏ_２の場合はＳｉＯ_２膜を、ＳｉＦ_４＋Ｎ_２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Ｗ上に形成することができる。

また、真空容器２内には、基板Ｗを保持する基板ホルダ８が設けられている。この例のように、基板ホルダ８にバイアス電源９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Ｐ中の正イオンが基板Ｗに入射する時のエネルギーを制御して、基板Ｗ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８内に、基板Ｗを加熱するヒータ８１を設けておいても良い。

アンテナ３は、真空容器２内における基板Ｗの上方に、基板Ｗの表面に沿うように配置されている。本実施形態では、直線状のアンテナ３を複数、基板Ｗに沿うように（例えば、基板Ｗの表面と実質的に平行に）並列に配置している。このようにすると、より広い範囲で均一性の良いプラズマＰを発生させることができ、従ってより大型の基板Ｗの処理に対応することができる。

アンテナ３の両端部付近は、図１に示すように、真空容器２の相対向する一対の側壁２ａ、２ｂをそれぞれ貫通している。アンテナ３の両端部を真空容器２外へ貫通させる部分には、絶縁部材１１がそれぞれ設けられている。この各絶縁部材１１を、アンテナ３の両端部が貫通しており、その貫通部は例えばパッキン１２によって真空シールされている。この絶縁部材１１を介してアンテナ３は、真空容器２の相対向する側壁２ａ、２ｂに対して電気的に絶縁された状態で支持される。各絶縁部材１１と真空容器２との間も、例えばパッキン１３によって真空シールされている。なお、絶縁部材１１の材質は、例えば、アルミナ等のセラミックス、石英、又はポリフェニレンサルファイド（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。

また、アンテナ３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。なお、アンテナ３を中空にして、その中に冷却水等の冷媒を流し、アンテナ３を冷却するようにしても良い。

さらに、アンテナ３において、真空容器２内に位置する部分は、直管状の絶縁カバー（アンテナ保護管）１０により覆われている。この絶縁カバー１０の両端部は絶縁部材１１によって支持されている。なお、絶縁カバー１０の両端部と絶縁部材１１間はシールしなくても良い。絶縁カバー１０内の空間にガス７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、通常は空間にプラズマＰは発生しないからである。なお、絶縁カバー１０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。

絶縁カバー１０を設けることによって、プラズマＰ中の荷電粒子がアンテナ３を構成する金属パイプ３１に入射するのを抑制することができるので、金属パイプ３１に荷電粒子（主として電子）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、金属パイプ３１が荷電粒子（主としてイオン）によってスパッタされてプラズマＰおよび基板Ｗ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。

アンテナ３は、図１に示すように、アンテナ方向（長手方向Ｘ）において高周波が給電される給電端部３ａと、接地された接地端部３ｂとを有している。具体的には、各アンテナ３の長手方向Ｘの両端部において一方の側壁２ａ又は２ｂから外部に延出した部分が給電端部３ａとなり、他方の側壁２ａ又は２ｂから外部に延出した部分が接地端部３ｂとなる。

ここで、各アンテナ３の給電端部３ａには、高周波電源４から整合器４１を介して高周波が印加される。高周波の周波数は、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。

そして、本実施形態のアンテナ３は、プラズマ非点灯時の単位長さ当たりのアンテナインピーダンスの虚数部（リアクタンス）ωＬ_Ｃ／ｌ［Ω］が、０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜1／ωＣ_０を満たすように構成されている。
但し、ωは投入される電力の角周波数であり、Ｃ_０はアンテナとプラズマとの間の単位長さ当たりの容量であり、ｌはアンテナとプラズマとの間に容量を持つ長さである。

例えば図３のような同軸型であれば次式で表される。

ここで、εは、誘電率である。

したがって、Ｃ_０とプラズマ非点灯時の単位長さ当りのアンテナリアクタンス設定の上限１／ωＣ_０は、アンテナ保護管とアンテナの径の比ｂ／ａによって決まり、例えば電源周波数ｆ＝１３．５６ｋＨｚ、ε＝８．８５×１０^−１２の場合、図４の斜線部の範囲が単位長さ当たりのアンテナリアクタンス設定範囲となる。

また、例えば角型のアンテナ保護管の場合、同軸型のように単純にＣ_０を算出することはできない。そこで、アルミ箔をプラズマに見立ててアンテナとプラズマとの間の静電容量を直接測定した例を示す。

図５のような形状のアンテナと角管で、チャンバー内壁の長辺が２．２ｍの場合を想定し、角管の中央から１．１ｍずつの２．２ｍの範囲にアルミ箔を巻きプラズマと見立てて測定した。結果、Ｃ_０ｌ＝２６３ｐＦであった。したがって、Ｃ_０＝１２０ｐＦである。このアンテナのプラズマ非点灯時のリアクタンス設定値は次式の範囲になる。

０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜１／（ω１２０×１０^−１２）
⇔０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜９８［Ω］（ＲＦの場合）

＜本実施形態の効果＞
このように構成されたアンテナ３によれば、プラズマ非点灯時の単位長さ当たりのアンテナインピーダンスの虚数部ωＬ_Ｃ／ｌ［Ω］を０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜1／ωＣ_０を満たすように構成しているので、アンテナ電圧又はその分布及びアンテナ電流分布を抑制することができる。

＜実施例＞
次に、図６に示すアンテナを６本平行に設けたプラズマ処理装置（Ｇ４ＣＶＤ装置）において、プラズマ非点灯時の単位長さ当たりのアンテナインピーダンスの虚数部ωＬ_Ｃ／ｌ［Ω］が、０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜1／ωＣ_０の関係を満たすこと、及び、当該プラズマ処理装置による膜厚分布例を示す。

１．アンテナ構成例
本実施例のアンテナは、図６に示すように、複数の導体管（Ｌ部）と互いに隣り合う導体管の間に設けられてそれらを絶縁するとともに内部に容量素子が設けられた絶縁管（Ｃ部）とを有している。容量素子は、円筒同軸型コンデンサであり、互いに隣り合う導体管に直列接続されている。また、アンテナは内部に冷却水が流れるように構成されており、当該冷却水がＣ部の容量素子の誘電体となる。Ｌ部及びＣ部はタップにより接続されており、Ｌ部にオス部が形成され、Ｃ部にメス部が形成されている。

Ｌ部の具体的寸法は、図６の下図に示すように、外径φ１９ｍｍ、長さ２５８ｍｍ（オス部を含むと３０６ｍｍ）である。アンテナの両端のＬ部は、その他よりも短く、それぞれ１５５ｍｍと１１８ｍｍである（図６の上図参照）。また、Ｃ部の具体的寸法は、長さ１２９ｍｍである。

２．アンテナリアクタンスの測定方法及び測定結果例
アンテナを装置より取り出し、内部に水を流す。Ｌ部とＣ部それぞれのリアクタンスを測定し、合計することでアンテナ１本のリアクタンスを取得する。Ｌ部を測定する場合はＬ部の一端部から他端部の間を測定する（図７の上図のａ）。Ｃ部を測定する場合はＣ部の両隣のＬ部の端部から端部の間を測定する（図７の上図のｂ）。このアンテナにはＰＦ電力が印加されるので、周波数１３．５６ＭＨｚにおけるリアクタンスを測定する。

これによって得られた測定結果の例を図７の表に示す。
６本のアンテナリアクタンスの測定結果は２２．７〜２６．８Ωで、平均値は２４．３Ωである。アンテナ全長は１５６３ｍｍなので、単位長さあたりのリアクタンスＸ_０は、Ｘ_０＝Ｘ／１．５６３から、１４．５〜１７．２Ω／ｍとなり、平均値は１５．５Ω／ｍとなる。

３．アンテナ−プラズマ間静電容量
アンテナにＬ部とＣ部が存在するが、簡単にφ１９ｍｍの導体管と見なす。（このモデルでは、Ｃ部については実際よりもアンテナ−プラズマ間静電容量が大きく見積もられ、リアクタンスは小さく見積もられる。したがって、アンテナのリアクタンス設定範囲は狭くなり、設定範囲を満たすアンテナを用いれば十分均一なプラズマを生成できる。）Ｇ４ＣＶＤ装置のアンテナ保護管はφ２１×２５ｍｍの石英パイプである。したがってアンテナ−プラズマ間は真空層と石英層の直列となる。

よってアンテナ−プラズマ間の単位長さ当りの静電容量Ｃ_０は、真空層の単位長さ当りの静電容量Ｃ_ｖａｃと石英パイプの単位長さ当りの静電容量Ｃ_Ｑを用いて次式で表される。

また、同軸円筒型のコンデンサの静電容量は次式で表される。

ε_０：真空の誘電率
ε_Ｓ：誘電体の比誘電率
ｌ：コンデンサの長さ
ｂ：外側導体の内径
ａ：内側導体の外径

それぞれ係数を代入すると、

リアクタンスとしては、−１／ωＣ_０＝−３０．９Ω／ｍとなる。
２．の測定結果では、ωＸ_Ｃ／ｌ＝１４．５〜１７．２Ω／ｍであり、いずれも十分に０＜ωＸ_Ｃ／ｌ＜１／ωＣ_０を満たす。

４．膜厚分布例
図７の表に示すリアクタンスを持つアンテナを用いてプラズマを生成し成膜した時の膜厚分布を図８に示す。なお、この膜厚分布における膜厚測定位置は図９に示すとおりである。このアンテナを用いて成膜した場合の膜厚分布の均一性は、±３．７%であった。

５．アンテナにおけるＣ部の数制限について
２５８ｍｍのＬ部のリアクタンス測定値は、図７の表から、１１．０８〜１２．０１Ωであり、それらの平均値は１１．５５Ωである。つまり、Ｌ部の単位長さ当たりのリアクタンスは４２．９〜４６．５Ω／mとなり、平均値は４４．８Ω／mとなる。

上記の平均値をＬ部の単位長さ当たりのリアクタンスとし、単位長さ当たりのＣ部のリアクタンス合計をＸ_Ｃｓｕｍとすると、単位長さ当たりアンテナリアクタンスωＬ_Ｃ／ｌは次式で表される。

従って、Ｘ_Ｃｓｕｍの制限は次式で表される。

例えばＧ４ＣＶＤ装置では、Ｃ_０＝３８０ｐＦ、１／ωＣ_０＝３０．９Ω／ｍなので、Ｘ_Ｃｓｕｍの制限は次式で表される。

Ｃ部1個のリアクタンスＸ_Ｃ１と単位長さあたりのＣ部の数ｎはＸ_Ｃｓｕｍ＝ｎ・Ｘ_Ｃ１を満たすので、

この関係を図１０に図示する。図１０の斜線部の値を満たすことによって、アンテナのリアクタンスωＬ_Ｃ／ｌ［Ω］が、０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜1／ωＣ_０の関係を満たすことになる。

なお、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・プラズマ処理装置
Ｐ・・・プラズマ
３・・・アンテナ

Claims (3)

1. 誘導結合型のプラズマを発生させるためのアンテナであって、
   プラズマ非点灯時の単位長さ当たりのアンテナのリアクタンスωＬ_Ｃ／ｌ［Ω］が、
   ０＜ωＬ_Ｃ／ｌ＜1／ωＣ_０
   を満たすアンテナ。
   但し、ωは投入される電力の角周波数であり、Ｃ_０はアンテナとプラズマとの間の単位長さ当たりの容量であり、ｌはアンテナとプラズマとの間に容量を持つ長さである。
2. 複数の導体要素と互いに隣り合う導体要素の間に設けられてそれらを絶縁するとともに内部に容量素子が設けられた絶縁要素とを有しており、
   前記絶縁要素１個のリアクタンスＸ_Ｃ１［Ω］が、
   −４４．８／ｎ＜Ｘ_Ｃ１＜−１３．９／ｎ
   を満たす、請求項１記載のアンテナ。
   但し、ｎは単位長さあたりの絶縁要素の数である。
3. 請求項１又は２記載のアンテナを備えたプラズマ処理装置。