JP2022023394A

JP2022023394A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2022023394A
Application number: JP2020126316A
Authority: JP
Inventors: 靖典安東; Yasunori Ando; 大輔松尾; Daisuke Matsuo
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2040-07-27
Also published as: JP7488464B2

Abstract

【課題】処理室の外部にアンテナを配置するプラズマ処理装置において、処理室に生成されるプラズマ密度の分布を制御する。【解決手段】処理室に配置された被処理物をプラズマを用いて真空処理するプラズマ処理装置１００であって、前記処理室を形成する真空容器２と、前記真空容器の外部に設けられたアンテナ３と、前記真空容器の外壁において前記アンテナに臨む位置に設けられた誘電体板２２２とを備え、前記誘電体板が、前記アンテナ側から前記処理室側に向かって凸形状を成す、又は前記処理室側から前記アンテナ側に向かって凸形状を成すように形成されたプラズマ処理装置。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いて被処理物を処理するプラズマ処理装置に関するものである。

アンテナに高周波電流を流し、それによって生じる誘導電界によって誘導結合型のプラズマ（略称ＩＣＰ）を発生させ、この誘導結合型のプラズマを用いて基板等の被処理物に処理を施すプラズマ処理装置が従来から提案されている。このようなプラズマ処理装置として、特許文献１には、アンテナを真空容器の外部に配置し、真空容器の側壁の開口を塞ぐように設けた誘電体板を通じてアンテナから生じた高周波磁場を真空容器内に透過させることで、処理室内にプラズマを発生させるものが開示されている。

特開２０１７－００４６６５号公報

上記したような所謂外部アンテナ型のプラズマ処理装置は、アンテナと誘電体窓とを近接させることで、誘電体板におけるアンテナとは反対側の位置に強い高周波磁場を生じさせることができる。しかしながら、処理室内に形成される高周波磁場は、誘電体板に沿ってアンテナに直交する方向に遠ざかるにつれて弱くなる。そのため処理室内で生成されるプラズマ密度はアンテナの直下で最大となり、アンテナから遠ざかるにつれて低下してしまう。このようなプラズマ密度の低下は所謂内部アンテナ型のプラズマ処理装置に比べて顕著であり、そのため外部アンテナのプラズマ処理装置では、内部アンテナ型のものに比べてプラズマ密度の拡がりが小さくなり、処理室におけるプラズマ密度の均一度が低下するという問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、処理室の外部にアンテナを配置するプラズマ処理装置において、処理室に生成されるプラズマ密度の分布を制御することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るプラズマ処理装置は、処理室に配置された被処理物をプラズマを用いて真空処理するものであって、前記処理室を形成する真空容器と、前記真空容器の外部に設けられたアンテナと、前記真空容器の外壁において前記アンテナに臨む位置に設けられた誘電体板とを備え、前記誘電体板が、前記アンテナ側から前記処理室側に向かって凸形状を成す、又は前記処理室側から前記アンテナ側に向かって凸形状を成すように形成されていることを特徴とする。

このように構成されたプラズマ処理装置によれば、誘電体板の形状を、平板状ではなく、アンテナ側から処理室側に向かって凸形状、あるいは処理室側からアンテナ側に向かって凸形状を成すようにすることで、アンテナ周りの誘電体板との間の距離を調整できるので、処理室に生成されるプラズマ密度の分布を制御することができる。
すなわち、誘電体板をアンテナ側から処理室側に向かって凸形状を成すようにすれば、誘電体板が平板状であるものに比べて、アンテナ周りの誘電体板との距離を近づけることができる。これにより、平板状の誘電体板を用いる場合に比べて、アンテナに直交する方向におけるプラズマ密度を高くすることができ、処理室に生成されるプラズマ密度の分布をブロードにすることができる。
逆に、誘電体板を処理室側からアンテナ側に向かって凸形状を成すようにすれば、誘電体板が平板状であるものに比べて、アンテナ周りの誘電体板との距離を遠ざけることができる。これにより、平板状の誘電体板を用いる場合に比べて、アンテナに直交する方向におけるプラズマ密度を低くすることができ、処理室に生成されるプラズマ密度の拡がりを狭くし、アンテナ直下において局所的に強くすることができる。

前記誘電体板が前記アンテナ側から前記処理室側に向かって凸形状を成すように形成されており、前記アンテナの長手方向から視て、前記誘電体板が前記アンテナの側面の一部を取り囲むように形成されていることが好ましい。
このようにすれば、アンテナ周りの所定範囲において誘電体板までの距離を短くすることができ、処理室に生成されるプラズマ密度の分布をよりブロードにすることができる。

上述した作用効果をより顕著に発揮させるためには、前記アンテナの長手方向から視て、前記アンテナの断面形状が円形状であり、前記誘電体板の一部が前記アンテナと同心円状を成すように形成されていることが好ましい。
このようにすれば、アンテナ周りの所定範囲において誘電体板までの距離を等距離にすることができ、処理室内に生成されるプラズマ密度の拡がりをよりブロードにすることができる。

前記誘電体板が前記処理室側から前記アンテナ側に向かって凸形状を成すように形成されている態様としては、前記誘電体板の頂部に対向する位置に前記アンテナが配置されているものが挙げられる。

前記プラズマ処理装置は、前記誘電体板が、複数のスリットが形成されてなるスリット板に載置されていることが好ましい。
このような構成であれば、スリット板と誘電体板とを重ね合わせて磁場透過窓が形成されるので、誘電体板のみに磁場透過窓としての機能を担わせる場合に比べて磁場透過窓の厚みを小さくすることができる。これにより、アンテナから真空容器内までの距離を短くすることができ、アンテナから生じた高周波磁場を効率良く真空容器内に供給することができる。

このようにした本発明によれば、処理室の外部にアンテナを配置するプラズマ処理装置において、処理室に生成されるプラズマ密度の分布を制御することができる。

本実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す模式図。同実施形態のプラズマ処理装置の磁場透過窓の構成を示す模式図。同実施形態のプラズマ処理装置によるプラズマ密度の分布を説明する模式図。他の実施形態のプラズマ処理装置の磁場透過窓の構成を示す模式図。他の実施形態のプラズマ処理装置の磁場透過窓の構成を示す模式図。他の実施形態のプラズマ処理装置の磁場透過窓の構成を示す模式図。他の実施形態のプラズマ処理装置の磁場透過窓の構成を示す模式図。他の実施形態のプラズマ処理装置の磁場透過窓の構成を示す模式図。

以下に、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置について、図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、誘導結合型のプラズマＰを用いて基板等の被処理物Ｗに真空処理を施すものである。ここで基板は、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。

なお本実施形態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Ｇが導入される処理室１が内側に形成された真空容器２と、処理室１の外部に設けられたアンテナ３と、アンテナ３に高周波を印加する高周波電源４とを備えている。真空容器２には、アンテナ３から生じた高周波磁場を処理室１内に透過させる磁場透過窓５がアンテナ３に臨む位置に形成されている。高周波電源４からアンテナ３に高周波を印加すると、アンテナ３から発生した高周波磁場が磁場透過窓５を透過して処理室１内に形成されることで処理室１内の空間に誘導電界が発生し、これにより誘導結合型のプラズマＰが生成される。

真空容器２は、容器本体２１と、磁場透過窓５を形成する窓部材２２とを備えている。

容器本体２１は例えば金属製の容器であり、その壁（内壁）によって処理室１が内側に形成されている。容器本体２１の壁（ここでは上壁２１ａ）には、厚さ方向に貫通する開口部２１１が形成されている。窓部材２２はこの開口部２１１を塞ぐように容器本体２１に着脱可能に取り付けられている。なお容器本体２１は電気的に接地されており、窓部材２２と容器本体２１との間はＯリング等のガスケットや接着剤により真空シールされている。

窓部材２２は、処理室１側からアンテナ３側に向かって順に設けられた金属板（請求項でいうスリット板である）２２１と誘電体板２２２とを備える。金属板２２１は、その厚さ方向に貫通する複数のスリット２２１ｓが形成されており、容器本体２１の開口部２１１を塞ぐように設けられている。誘電体板２２２は、金属板２２１に接触して支持され、スリット２２１ｓを処理室１の外部側（すなわちアンテナ３側）から塞ぐように、金属板２２１のアンテナ３側の表面に設けられている。本実施形態のプラズマ処理装置１００では、金属板２２１のスリット２２１ｓとこれを塞ぐ誘電体板２２２によって磁場透過窓５が形成されている。

誘電体板２２２を構成する材料は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のセラミックス、石英ガラス、無アルカリガラス等の無機材料、フッ素樹脂（例えばテフロン）等の樹脂材料等の既知の材料であってよい。

真空容器２は、真空排気装置６によって処理室１が真空排気されるように構成されている。また真空容器２は、例えば流量調整器（図示省略）及び容器本体２１に設けられた複数のガス導入口２１２を経由して、処理室１にガスＧが導入されるように構成されている。ガスＧは、基板Ｗに施す処理内容に応じたものにすればよい。例えば、プラズマＣＶＤ法によって基板に膜形成を行う場合には、ガスＧ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７が設けられている。この例のように、基板ホルダ７にバイアス電源８からバイアス電圧を印加するようにしてもよい。バイアス電圧は、例えば負の直流電圧、負のバイアス電圧等であるが、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７内に、基板Ｗを加熱するヒータ７１を設けておいてもよい。

図１及び図２に示すように、アンテナ３は複数本設けられており、各アンテナ３は磁場透過窓５に対向するように処理室１の外部に配置されている。各アンテナ３は、処理室１に設けられる基板Ｗの表面と実質的に平行になるように配置されている。

各アンテナ３は同一構成のものであり、外観視して長さが数十ｃｍ以上の直線状をなし、その断面形状が円形状をなすものである。アンテナ３の長手方向一端部は、整合回路４１を介して高周波電源４が接続されており、他端部は直接接地されている。なお、アンテナ３の一端部又は他端部に、可変コンデンサ又は可変リアクトル等のインピーダンス調整回路を設けて、各アンテナ３のインピーダンスを調整するように構成しても良い。このように各アンテナ３のインピーダンスを調整することによって、アンテナ３の長手方向におけるプラズマＰの密度分布を均一化することができ、アンテナ３の長手方向の膜厚を均一化することができる。

また、各アンテナ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よい。

高周波電源４は、整合回路４１を介してアンテナ３に高周波電流ＩＲを流すことができる。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く適宜変更してもよい。

ここで本発明のプラズマ処理装置１００は、図１及び図２に示すように、誘電体板２２２が、各アンテナ３に臨む位置において、アンテナ３側（大気側）から処理室１側に向かって凸形状を成すように（膨出するように）形成されていることを特徴とする。

より詳細に説明すると、アンテナ３の長手方向から視て、誘電体板２２２は処理室１側に突出し、アンテナ３の側周面の少なくとも一部を取り囲み、これを内側に収容するように概略Ｕ字形状を成している。具体的に誘電体板２２２は、各アンテナ３に臨む位置において、アンテナ３を挟んで対向する一対の側壁部２２２ａと、各側壁部２２２ａの下端（ここでは処理室側の端部）を連結する底部２２２ｂとを備えている。一対の側壁部２２２ａは、互いに平行であって、かつアンテナ３から被処理物Ｗに向かう線Ｌに対して平行になるように形成されている。底部２２２ｂは、アンテナ３側から処理室１側に向かって膨らむように、半円状を成すように湾曲して形成されている。この底部２２２ｂは、そのアンテナ３側及び処理室１側の表面とアンテナ３との間の距離が等距離になるように、アンテナ３に対して同心円状になるように形成されている。ここでは、一対の側壁部２２２ａと底部２２２ｂはアンテナ３に対して線対称となるように形成されており、一対の側壁部２２２ａは、アンテナ３からの距離がそれぞれ等しくなるように形成されている。

また本実施形態では金属板２２１は、各アンテナ３に臨む位置において、誘電体板２２２の形状に合わせて、アンテナ３側（大気側）から処理室１側に向かって凸形状を成し、アンテナ３の側周面の少なくとも一部を取り囲むように形成されている。図２に示すように、スリット２２１ｓもまた、アンテナ３の側周面を囲むように形成されている。

＜本実施形態の効果＞
このように構成された本実施形態のプラズマ処理装置１００によれば、誘電体板２２２の形状を、アンテナ３と対向する位置において、アンテナ３側から処理室１側に向かって凸形状を成すようにし、底部２２２ｂにおいてアンテナ３との距離が等距離になるように形成しているので、誘電体板２２２が平板状であるものに比べて、アンテナ３周りの誘電体板２２２との距離を近づけることができる。これにより、図３に示すように、平板状の誘電体板を用いる場合に比べて、アンテナ３に直交する方向におけるプラズマ密度を高くすることができ、処理室１に生成されるプラズマＰの拡がりをブロードにし、プラズマ密度の均一性を向上することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態の誘電体板２２２は、底部２２２ｂがアンテナ３と同心円状を成すように形成されていたがこれに限らない。図４に示すように、他の実施形態の誘電体板２２２は、底部２２２ｂがアンテナ３と同心円状を成してなくてもよい。また誘電体板２２２は、アンテナ３と一対の側壁部２２２ａとの間の距離が、アンテナ３と底部２２２ｂとの間の距離よりも短くなるように形成されてもよい。このようにすれば、アンテナ３から視て側壁部２２２ａ側に生成されるプラズマＰの密度を高くすることができ、例えば複数のアンテナ３の間にスパッタリングターゲットが配置されている場合に、スパッタ効率を高めることができる。

また前記実施形態ではアンテナ３は断面形状が円形状をなすものであったが、これに限らず、楕円状、平坦状、湾曲形状等、様々な形状であってもよい。例えば図５に示すように、アンテナ３は、横方向に延びる扁平形状であってもよい。

また前記実施形態では、一対の側壁部２２２ａは互いに平行になるように形成されていたが、これに限らない。他の実施形態の誘電体板２２２は、図５に示すように、一対の側壁部２２２ａは、アンテナ３側から処理室１側に向かうにつれて合い寄るように傾斜していてもよい。このようにしても、側壁部２２２ａ側に生成されるプラズマＰの密度を高くすることができる。

また前記実施形態の誘電体板２２２は、アンテナ３側（大気側）から処理室１側に向かって凸形状を成すように形成されていたが、これに限らない。例えば図６や図７に示すように、誘電体板２２２は、処理室１側からアンテナ３側に向かって凸形状を成すように形成されていてもよい。

この場合、誘電体板２２２は各アンテナ３に臨む位置において、アンテナ３を挟んで対向する一対の側壁部２２２ａと、各側壁部の上端（アンテナ側の端部）を連結する頂部２２２ｔとを備えるようにしてよい。一対の側壁部２２２ａは、図６に示すように、互いに平行であって、かつアンテナ３から被処理物Ｗに向かう線Ｌに対して平行になるように形成されてよく、図７に示すように、処理室１側からアンテナ３側に向かうにつれて合い寄るように傾斜していてもよい。頂部２２２ｔは、処理室１側からアンテナ３側に向かって膨らむように、半円状を成すように湾曲して形成されてよい。ここで、一対の側壁部２２２ａと頂部２２２ｔとは、アンテナ３に対して線対称となるように形成されていることが好ましい。この場合アンテナ３は、頂部２２２ｔに対向し、かつ一対の側壁部２２２ａからの距離が等距離になるように配置される。誘電体板２２２をこのように構成すれば、アンテナ３の直下においてプラズマ密度を局所的に高くすることができる。

前記実施形態では、一対の側壁部２２２ａは、アンテナ３からの距離が等距離になるように形成されていたが、これに限らない。すなわち、誘電体板２２２は、アンテナ３に対向する位置において、アンテナ３に対して線対称でなくてもよく、アンテナ３からの距離が等距離になるように形成されていなくてもよい。

また前記実施形態の誘電体板２２２は底部２２２ｂが半円状であったが、これに限らない。一対の側壁部２２２ａと底部２２２ｂにより構成される形状が、アンテナ３側から処理室１側に凸形状を成すようなものであれば、例えば図８に示すように底部２２２ｂは平板状でもよく、例えば弓状等の湾曲した形状であってもよい。頂部２２２ｔについても同様である。

また前記実施形態では、金属板２２１のスリット２２１ｓとこれを塞ぐ誘電体板２２２によって磁場透過窓５が形成されていたがこれに限らない。他の実施形態では、窓部材２２は金属板２２１を備えておらず、誘電体板２２２のみによって磁場透過窓５が形成されてもよい。

前記実施形態のプラズマ処理装置１００は、アンテナ３を複数本備えていたが、これに限らずアンテナ３を１本のみ備えていてもよい。

前記実施形態ではアンテナ３は直線状の導体であったが、これに限らず、スパイラル型の導体やドーム状コイルであってもよい。

その他、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
１・・・処理室
２・・・真空容器
２２２・・・誘電体板
３・・・アンテナ
４・・・高周波電源
５・・・磁場透過窓
Ｗ・・・被処理物
Ｐ・・・プラズマ

Claims

処理室に配置された被処理物をプラズマを用いて真空処理するプラズマ処理装置であって、
前記処理室を形成する真空容器と、
前記真空容器の外部に設けられたアンテナと、
前記真空容器の外壁において前記アンテナに臨む位置に設けられた誘電体板とを備え、
前記誘電体板が、前記アンテナ側から前記処理室側に向かって凸形状を成す、又は前記処理室側から前記アンテナ側に向かって凸形状を成すように形成されたプラズマ処理装置。
前記誘電体板が前記アンテナ側から前記処理室側に向かって凸形状を成すように形成されており、
前記アンテナの長手方向から視て、前記誘電体板が前記アンテナの側面の一部を取り囲むように形成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記アンテナの長手方向から視て、
前記アンテナの断面形状が円形状であり、前記誘電体板の一部が前記アンテナと同心円状を成すように形成されている請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記誘電体板が前記処理室側から前記アンテナ側に向かって凸形状を成すように形成されており、
前記誘電体板の頂部に対向する位置に前記アンテナが配置されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記誘電体板が、複数のスリットが形成されてなるスリット板に支持されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。