JP2020523759A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

プラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置であって：前記処理が発生するプロセス室；前記プロセス室に対してプラズマを提供するプラズマ源；前記プロセス室内において前記基板を保持する基板マウントであって、複数の開口を有する面を備える、基板マウント；を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置に関する。本発明の具体的な１実施形態は、プラズマ積層装置に関する。例えば、プリント回路基板（ＰＣＢ）などの電子デバイスの共形コートを提供するものである。

プラズマ処理は以下を含む：プラズマ積層、プラズマ表面活性化、プラズマエッチングおよびプラズマ洗浄、など。処理タイプは、生じるプラズマ種によって決められる。プラズマ種は主に、フィードガスとプリカーソルによって制御／調整される。プラズマ積層は、基板（例えば電子部品）に対して共形コートを提供するための既知の方法である。プラズマ表面活性化は、基板の表面特性（例：エネルギー）を変化させる既知の方法である。プラズマエッチングは、基板にパターンをエッチングする既知の方法である（例：集積回路を製造する）。プラズマ洗浄は、基板の表面から材料を除去する既知の方法である。プラズマ処理装置は一般に、プロセス室を備えるとともに、プロセス室内でプラズマを提供するプラズマ源を備える。基板（例：ＰＣＢ）は室内に配置され、プラズマと相互作用する（すなわち処理される）。例えばプラズマ積層の場合において、プラズマから形成されるコート材料は、基板に積層される。

ただし、プラズマ処理（例：プラズマ積層による共形コート処理）の１つの制約は、基板全体にわたる処理の均一性がないことである（例：形成するコートの厚さ）。例えばプラズマ積層の場合、コート厚さは、プロセス室内の特定の位置に依拠して、望ましくない態様でばらつく。これにより、１つの基板全体にわたるコート厚さのばらつきに起因してコート品質が低下し、プロセス室内の使用不能エリアに起因して生産効率が低下する。

既存装置の別の制約は、所与のプラズマプリカーソル（例：ガス）における処理速度（例：基板上の材料積層レート）と、高品質および均一性を維持することである。

本発明の目的は、上記課題を少なくとも一部対処することである。

本発明の１側面は、プラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置を提供する。前記プラズマ処理装置は：前記処理が発生するプロセス室；前記プロセス室に対してプラズマを提供するプラズマ源；前記プロセス室内において前記基板を保持する基板マウントであって、複数の開口を有する面を備える、基板マウント；を備える。

オプションとして、前記開口の幅は、前記基板マウント上に形成されるプラズマシースの厚さの２倍と実質的に対応する。前記プラズマシースの厚さＳ_ｔは、以下の関係によって定まる：Ｓ_ｔ＝λ_ｄ［ｑ_ｅＶＴ_ｅ］^３／４、λ_ｄはプラズマのデバイ長、ｑ_ｅは電子電荷、Ｖは電極電圧、Ｔ_ｅは電子温度である。

オプションとして、前記開口は、最大１５ｍｍまたは最大１０ｍｍの幅を有する。

オプションとして、前記開口は、少なくとも１ｍｍまたは少なくとも３ｍｍの幅を有する。

オプションとして、前記開口は８ｍｍの幅を有する。

オプションとして、前記基板マウントにおける前記開口は、実質的に円形または実質的に正方形である。

オプションとして、前記開口は、前記基板マウントの表面上において、実質的に均一分布している。

オプションとして、前記基板マウントの表面は、実質的にシート形状である。

オプションとして、前記基板マウントは、グラウンド電極またはフローティング電極である。

オプションとして、前記装置はさらに、前記プロセス室内において電場を提供する少なくとも１つのＲＦ電極を備える。オプションとして、前記ＲＦ電極は複数の開口を備える。

本発明のさらなる特徴と利点は、実施形態および添付する図面を参照して説明する。

本発明に係るプラズマ処理装置の概略を示す。 図１の装置において用いる基板マウントの第１例の概略を示す。 図１の装置において用いる基板マウントの第２例の概略を示す。 図１の装置において用いる基板マウントの第３例の概略を示す。 開口なしの比較例として、プロセス室の前後方向における共形コートの厚さ変化を示すグラフである。 開口なしの比較例として、プロセス室の左右方向における共形コートの厚さ変化を示すグラフである。 別開口タイプのプロセス室の前後方向における共形コートの厚さ変化を示すグラフである。 別開口タイプのプロセス室の左右方向における共形コートの厚さ変化を示すグラフである。

図１に示すように、本発明の実施形態において、プラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置１は、プロセス室２（処理が発生する場所）を備えるとともに、プロセス室２に対してプラズマ６を提供するプラズマ源３、４、５を備える。プラズマ処理装置１は例えばプラズマ積層装置、プラズマ表面活性化装置、プラズマエッチング装置、またはプラズマ洗浄装置、である。

プラズマ源３、４、５は、エネルギー源５を備える。エネルギー源５は、１以上の入力材料（例：ガス）をプラズマ６へ変換するように構成された、任意の適当なデバイスを含む。エネルギー源５は、ヒータ、無線周波数（ＲＦ）生成器、および／または、マイクロ波生成器を備える。プラズマ源３、４、５によってプロセス室２へ提供されるプラズマ６は、イオン化ガスおよび中性ガス、イオン、電子、原子、ラジカル、および／または、その他プラズマ生成した中性化学種を含む。

プラズマ源３、４、５は、プロセス室２の内部または外部に配置された第１電極３を備える。エネルギー源５は、第１電極３に接続されている。第１電極３の形状は限定されるものではなく、例えば平板状または螺旋状である。プラズマ源３、４、５は、プロセス室２内に第２電極４を備える。エネルギー源は第２電極３に接続されている。第２電極３の形状は限定されるものではなく、例えば平板状または螺旋状である。第２電極４はこれに代えて、電気的に浮遊した電極または電気的にグラウンド接続された電極であってもよい。

プラズマ処理装置１は、真空排気システム（図示せず）を備えてもよい。真空排気システムは、プロセス室に対して真空環境を提供するように構成されている。プロセス室２は通常、１０^−３〜１０ｍｂａｒの圧力レンジへ排気される。１以上の入力材料（例：ガス）が、プロセス室２内へ入力される（例：制御した流入レートで注入される）。プラズマ源３、４、５は、安定したガスプラズマ６を生成する。

１以上のプリカーソル化合物（例：ガスおよび／または蒸気）がプロセス室２内のプラズマ相６へ導入される。これに代えてプリカーソル化合物を先に導入し、次に安定ガスプラズマ６を生成してもよい。プラズマ相６へ導入されると、プリカーソル化合物は通常、分解（および／またはイオン化）して、プラズマ６内で活性種（すなわちラジカル）を生成する。これら活性種は基板を処理する。例えばプラズマ積層装置の場合において、活性種は基板８の露出面上に積層して層を形成する。

プラズマ積層装置の場合において、積層する材料の正確な性質と組成は通常、以下のうち１以上の条件に依拠する：（ｉ）選択したプラズマガス；（ｉｉ）使用するプリカーソル化合物；（ｉｉｉ）プリカーソル化合物の量（プリカーソル化合物の圧力と、ガス注入の速度および態様との組み合わせによって定まる）；（ｉｖ）プリカーソル化合物の比率；（ｖ）プリカーソル化合物のシーケンス；（ｖｉ）プラズマ圧力；（ｖｉｉ）プラズマ駆動周波数；（ｖｉｉｉ）パワーパルスおよびパルス幅タイミング；（ｉｘ）コート時間；（ｘ）プラズマパワー（ピークおよび／または平均プラズマパワーを含む）；（ｘｉ）室内電極配置；および／または、（ｘｉｉ）入ってくる部品の準備状態。上記要因はその他タイプのプラズマ処理にも影響する。

パワー源５の駆動周波数は通常、１ｋＨｚ〜４ＧＨｚである。プラズマパワー密度は通常、０．００１〜５０Ｗ／ｃｍ^２であり、望ましくは０．０１Ｗ／ｃｍ^２〜０．０２Ｗ／ｃｍ^２であり、例えば約０．０１７５Ｗ／ｃｍ^２である。質量流量は通常、５〜１０００ｓｃｃｍであり、望ましくは５〜２０ｓｃｃｍであり、例えば約１０ｓｃｃｍである。動作圧力は通常、０．１〜１０００Ｐａ（０．００１〜１０ｍｂａｒ）であり、望ましくは１〜１００Ｐａ（０．０１〜１ｍｂａｒ）であり、例えば約７０Ｐａ（０．７ｍｂａｒ）である。コート時間は通常、１０秒〜＞６０分であり、例えば１０秒から６０分である。

プラズマ処理は、より大きいプロセス室２を用いることにより、容易にスケールアップできる。ただし当業者が理解するように、望ましい条件は、プロセス室２のサイズと形状に依拠する。したがって、使用するプロセス室２に依拠して、当業者が動作条件を変更するのが有用である。

プラズマ処理装置は、プロセス室２内で基板８を保持する基板マウント７を備える。場合によっては、基板マウント７は電気的に浮遊したまたは電気的にグランド接続された電極であり、あるいはＤＣ電圧によってバイアスされている。実施形態において基板マウント７は、上述の第２電極４として動作する。換言すると第２電極４は、基板８を保持するように構成できる。基板マウント７の表面は、実質的にシート形状（例：平板電極）であることが望ましい。基板マウント７は、厚さ約６〜１０ｍｍを有する。基板マウント７は、金属または導電金属合金（例えばアルミニウム）から形成できる。

図１に示すように、第１電極３および／または第２電極４は、グラウンド構成とＡＣ駆動構成との間で選択的にスイッチできる。図１に示すように、基板マウントは、グラウンド構成、ＡＣ駆動構成、ＤＣ駆動構成の間で選択的にスイッチできる。プロセス室２はグラウンド接続してもよい。

図１に示すように、本発明の基板マウント７は、複数の開口７を有する面を備える。本発明者等は、開口（基板マウント７にスルーホールを提供する）を形成した基板マウント７が、基板処理の有用な技術的効果を有することを発見した。この技術的効果を実現するメカニズムは、基板マウントの１面から他面へ向かうプラズマ７のフローが増加することに起因すると考えられる。

図２と図３は、開口７Ａの断面が円形である基板マウント７の例を示す。図２に示すように、開口７Ａは正方形グリッド構成で配置されている。例えば開口７Ａは、緊密配置正方形の中心に配置されている。これに代えて図３に示すように、開口７Ａは６角形グリッド構成で配置してもよい。例えば開口７Ａは、緊密配置６角形の中心に配置されている。

図４は、開口７Ａが正方形である基板マウント７の例を示す。図４に示すように、開口７Ａは正方形グリッド構成で配置されている。開口間における基板マウント７材料の形状は、正方形開口７Ａの両側部において同じである。

その他断面形状かつその他配置構成の開口を提供してもよい。例えば楕円、矩形、三角形の開口である。ただし開口７Ａは、基板マウント７の表面上において実質的に均一分布することが望ましい。場合によっては（例：基板の２つの対向面を同時処理する両面処理）、基板を基板マウントの切断部に配置し（開口７Ａとは異なる）、これにより基板の両側をプラズマに対して露出させてもよい。この場合、基板マウント７の表面上において実質的に均一分布する開口７Ａは、切断部を囲む（すなわち基板を囲む）基板マウント７の表面のことである。

開口の幅は、プラズマ室２内においてプラズマ６によって基板マウント７上に形成されるプラズマシースの厚さと実質的に対応するように、選択することができる。ここでいう幅とは、開口の断面サイズのことであり、具体的には開口７Ａの断面の加工円の直径である。したがって円形開口７Ａの場合においてこれは円の直径であり、正方形７Ａの場合においてこれは正方形の１辺の長さである。

基板マウント７の開口は、プラズマ種が基板マウント７の１面から他面へ移動するためのアクセス経路を与えることにより、プラズマ運動に対して影響する。これにより、プロセス室２内におけるプラズマ種の均一分布を改善できる。所与のプラズマにおいて、開口サイズは、選択性および開口７Ａの場合を通過できる種個数に対する決定的要因である。適切な開口幅の選択は、開口７Ａ内におけるアーク／着火を制御するための重要な要因である。着火とアークは、コート均一性と品質に対して直接影響する。

望ましい開口幅は、基板マウント７上に形成されるプラズマシースの厚さに基づき決定できる。衝突なしのプラズマを仮定することによって計算式を簡易化する場合、プラズマシースの厚さＳ_ｔは、以下の関係（１）によって定まる。λ_ｄはプラズマのデバイ長、ｑ_ｅは電子電荷、Ｖは電極電圧（これはプラズマシースの電圧に対して直接比例する）、Ｔ_ｅは電子温度である。参照：Yu. P. Raizer, Gas Discharge Physics, Springer-Verlag, 1997; and Yu. P. Raizer, M. N, Schneider, N. A. Yatsenko, Radio-frequency capacitive discharge, CRC Press London, 1995.
Ｓ_ｔ＝λ_ｄ［ｑ_ｅＶＴ_ｅ］^３／４ ・・・（１）
プラズマシースは、電荷を有する（通常は正電荷）薄層であり、プラズマに対して露出した任意の面を囲む。プラズマシースは通常、電子とイオンの運動性の違いに起因して生じる。プラズマに対して露出した面は通常、比較的重いイオンに比べて「軽い」初期電子束に起因して、負電荷にチャージされる。その結果、正種がその面に取り付き、負電荷が除去され、厚い正電荷層またはシースを形成する。シースはプラズマと接する面の影響を遮断し、シース層の厚さは上記式（１）が記載するパラメータに依拠する。プラズマシース（およびプリシース）において、電子とイオンが衝突し、一方で中性種は容易にシースを移動できる。シースを通過して移動する際に、中性種はイオン化される場合がある。

理論的には、シース厚さの計算結果は、特に衝突プラズマ（例：プラズマ積層において通常用いられるもの）において興味深い。上記式（１）は、衝突レンズシースを仮定することによって簡易化している。

開口７Ａの対向する内部面上に形成されたシースが重なるように開口７Ａの幅が構成されている場合、換言すると、開口７Ａの幅がシース厚さの２倍未満であれば、アーク／着火がより発生しやすい。したがって望ましくは、開口７Ａの幅はシース厚さの２倍未満である。

一方で、開口７Ａの対向する内部面上に形成されたシースが実質的に隔離されるように開口７Ａの幅が構成されている場合、換言すると開口７Ａの幅がシース厚さの２倍よりも実質的に大きい場合（例：１０％またはそれ以上大きい）、イオン、電子、中性種は容易に導電し得る。このようにプラズマ種の移動が制御されていない場合、処理均一性の改善は小さかった。

開口７Ａの幅がシース厚さの２倍と実質的に同じかまたは僅かに大きい（例：２〜１０％大きい）場合、アーク／着火の機会は最小となり、ホールを通過する粒子移動を制御できる。シース内部において、イオンと電子は衝突し、粒子束はシースによってカバーされた面に向かい、中性種は容易に通過する。

一般的なプラズマ処理装置において、開口７Ａは望ましくは、最大１５ｍｍの幅を有し、さらに望ましくは最大１０ｍｍの幅を有する。開口７Ａは望ましくは、少なくとも１ｍｍの幅を有し、さらに望ましくは少なくとも３ｍｍの幅を有する。例えば開口７Ａは、幅７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍを有し、最も望ましくは幅８ｍｍを有する。

図５〜図８は、通常のプラズマ積層装置を用いて、それぞれ異なる電極３、４と基板マウント７で実施した実験結果を示す。実験において、分光エリプソメータ（ＳＥ）と表面形状測定装置を用いて、積層レートを測定した。フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴＩＲ）を用いて、化学／結合属性などの材料特性を測定した。接触角ゴニオメータおよびＡｕｔｏＳＩＲテスタを用いたコートＰＣＢに対する液体浸漬テストを用いて、表面エネルギーを測定した。

グラフは、プラズマ室２内の異なる場所において基板８上に形成された材料コートの厚さ変化を示す。図７と図８は、プラズマ室の前後方向と左右方向における厚さを示す。図７と図８の三角形は、固体（開口なし）ＲＦ電極３、４および固体（開口なし）グラウンド基板マウント７の結果を示す。円は、メッシュ（正方形開口）ＲＦ電極３、４と固体（開口なし）グラウンド基板マウント７の結果を示す。ダイアモンドは、固体（開口なし）ＲＦ電極３、４とメッシュ（円形開口）グラウンド基板マウント７の結果を示す。正方形は、貫通（円形開口）ＲＦ電極３、４とメッシュ（正方形開口）グラウンド基板マウント７の結果を示す。比較例の固体基板を示す図５および図６と比較すると、開口がある基板ホルダのほうが、コート均一性が改善している。

基板マウント７の開口７Ａに加えて、上述のプラズマ源の１以上の電極３、４は、複数の開口を備えてもよい。この開口は、基板マウント７の開口７の開口について説明した形状および／または構成のうちいずれかを有することができる。この構成はさらにコート均一性を改善する。

Claims (15)

1. プラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置であって、
   前記処理が発生するプロセス室；
   前記プロセス室に対してプラズマを提供するプラズマ源；
   前記プロセス室内において前記基板を保持する基板マウントであって、複数の開口を有する面を備える、基板マウント；
   を備える
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記開口の幅は、前記基板マウント上に形成されるプラズマシースの厚さの２倍と実質的に対応する
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記開口は、最大１５ｍｍの幅を有する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記開口は、最大１０ｍｍの幅を有する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
5. 前記開口は、少なくとも１ｍｍの幅を有する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
6. 前記開口は、少なくとも３ｍｍの幅を有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
7. 前記開口は、８ｍｍの幅を有する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
8. 前記基板マウントにおける前記開口は、実質的に円形である
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
9. 前記基板マウントにおける前記開口は、実質的に正方形である
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
10. 前記開口は、前記基板マウントの表面上において、実質的に均一分布している
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
11. 前記基板マウントの表面は、実質的にシート形状である
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
12. 前記基板マウントは、グラウンド電極である
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
13. 前記基板マウントは、フローティング電極である
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
14. 前記プラズマ処理装置はさらに、前記プロセス室内において電場を提供する少なくとも１つのＲＦ電極を備える
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
15. 前記ＲＦ電極は、複数の開口を備える
    ことを特徴とする請求項１４記載のプラズマ処理装置。

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