JP3751909B2 - Plasma apparatus and plasma processing substrate - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ装置及びプラズマ処理基体に関し、特に、アンテナに高周波電流を供給して高周波電界を発生させ、その電界によりプラズマを発生して、大面積の基板面にエッチングや薄膜形成等の表面処理を安定に行う誘導結合方式のプラズマ装置及びプラズマ処理基体に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体デバイスや液晶ディスプレイの製造工程で使用されるドライエッチング装置やアッシング装置、プラズマCVD装置等のプラズマを用いた処理装置の分野においては、近年の処理基板の大型化に伴い、処理装置のプラズマ源も大口径化が要求されている。また、一方では、エッチングレートや成膜速度、スループットを確保するため、高真空下でのプラズマの高密度化が要求されている。
【0003】
このうち、プラズマの高密度化に関しては、プラズマの励起効率を促進するために、高周波を用いて誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma、以下ICPと略称)を発生させる方法が採用されている。ICPは主としてアンテナ励起用コイルに高周波電流を流し、これによって真空中に誘導電磁界を発生させ、プラズマを生成するものであり、高真空下において高密度プラズマを均一に生成することができる。
【0004】
しかし、従来の真空容器の絶縁体隔壁又は天板の大気側の壁面に高周波アンテナを設置する誘導結合型プラズマ発生装置では、放電室の径が大きくなるにつれ絶縁体の厚みを大幅に増大させなければならず、またアンテナから放射される誘導電界の内、真空容器の絶縁体隔壁又は天板に接する面の側に放射される誘導電界成分のみしか放電維持に利用されないため、投入される高周波電力の利用効率が悪いという問題があった。
【0005】
そこで、本発明者は、先に、高周波放電による誘導結合方式のプラズマ装置であって、アンテナを真空容器内に設けると共に、当該アンテナを複数本の小さいアンテナに分割して設ける技術を提案している(特開2001−35697号公報)。これによれば、内部アンテナを用いることにより、アンテナから放射される誘導電界の全てを有効利用できるようにし、絶縁体の隔壁や天板を用いる必要をなくしている。更に、内部アンテナは大きな電圧が印加されると異常放電を生じやすいが、アンテナを分割することにより個々のアンテナのインダクタンスを小さくして、少なくともアンテナが周回しない構造としている。これにより、放電室の形状や口径および長さに制限されることなく、高密度の大口径プラズマを得ることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、太陽電池や平面ディスプレイへの実用という面から考えると、およそ1メートル×1メートルの大きさの大面積の薄膜を、より高い結晶性、より高い均質性、より高速の成膜性で生成することが要求される。この場合、プラズマ源には、より一層低圧力であること、高密度であること、低電子温度であること、大面積であることが要求される。
【0007】
本発明は、大面積のプラズマを安定に生成することができる誘導結合方式のプラズマ装置を提供することを目的とする。
【0009】
また、本発明は、大面積のプラズマを安定に生成することができる誘導結合方式のプラズマ装置により製造したプラズマ処理基体を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ装置は、高周波放電による誘導結合方式のプラズマ装置において、高周波電力を供給されるアンテナであって、その各々が表面が絶縁体で被覆され真空容器を周回しないで終端し高周波の1/ 4波長の長さよりも短い線状又は板状の導体からなる複数本のアンテナを真空容器内に備え、前記1又は複数本のアンテナの各々に、高周波電源から、前記真空容器の外部に設けられた板状導体により、高周波電力を並列に供給し、前記板状導体は、当該高周波給電点と1又は複数本のアンテナの各々とを直線で結んだ距離が高周波の1 / 4波長の長さよりも短くなるように設けられる。
【0011】
また、好ましくは、本発明のプラズマ装置においては、前記複数本のアンテナを各々が1又は複数本のアンテナからなる複数のグループに分け、グループの各々に対応する高周波電源を設け、グループの各々において当該グループに属する1又は複数本のアンテナの各々に当該グループに対応して設けられた高周波電源から板状導体により高周波電力を並列に供給する。
【0012】
また、好ましくは、本発明のプラズマ装置においては、板状導体は、高周波電源に対応して設けられ、その各々が、矩形とされ、当該対応する1又は複数本のアンテナの並ぶ方向を長さ方向としこれに垂直な方向を幅方向とした場合に、当該高周波給電点と対応する1又は複数本のアンテナの各々とを直線で結んだ距離が高周波の1/ 4波長の長さよりも短くなる幅を有する。
また、好ましくは、本発明のプラズマ装置においては、真空容器は、平面形状が矩形であり、矩形の真空容器の4辺の各々に複数本のアンテナを設けてグループとし、4辺の各々に対応して高周波電源を設けることにより、4辺に設けられた複数本のアンテナに高周波電力を並列に供給する。
また、好ましくは、本発明のプラズマ装置においては、グループの各々に対応する高周波電源毎に、投入する高周波電力を調整する。
また、好ましくは、本発明のプラズマ装置においては、前記真空容器は平面形状が矩形であり、矩形の真空容器の4辺の各々に複数本のアンテナを設け、矩形の長辺への高周波電力が矩形の短辺への高周波電力よりも大きくされる。
【0014】
また、好ましくは、本発明のプラズマ装置は、4辺の各々に対応して設けられた高周波電源の各々に対応して設けられ当該対応する高周波電源から供給される高周波の位相を検出する位相検出器と、位相検出器の各々からの検出の結果に基づいて高周波電源の各々の間における高周波の位相差を調整する位相調整器を備える。
【0018】
本発明のプラズマ処理基体は、前述のようなプラズマ装置を用いて生成したプラズマを用いて、当該基体上に薄膜が形成され又はエッチング加工が施されている。
【0019】
【発明の実施の形態】
図1乃至図3は、プラズマ装置構成図であり、図1は本発明のプラズマ装置の断面の構成を示し、図2は本発明のプラズマ装置の一部断面の構成を示し、図3は本発明のプラズマ装置の平面の構成の概略を示す。
【0020】
本発明のプラズマ装置は、図3に示すように、平面形状が矩形(長方形)の真空チャンバー(真空容器又はプロセスチェンバー)1を備える。例えば、矩形の長辺が910mm(ミリメートル)で、短辺が780mmである。なお、高さは366mmであり、真空チャンバー1はほぼ直方体である。
【0021】
真空チャンバー1の側壁12の各々より、図1及び図3に示すように、導入フランジ51を介して、アンテナ5を内部に導入している。矩形の真空チャンバー1の2つの長辺から4本、2つの短辺から3本、合計で14本のアンテナ5が導入される。アンテナ5において、真空チャンバー1の内部で真空に晒される部分は、特に図示はしないが、その表面を絶縁体で被覆される。この構造及び絶縁体等については、特開2001−35697号公報に詳しい。
【0022】
各々のアンテナ5は、図3に示すように、矩形状(又はコの字状あるいはU字状)であって、真空チャンバー1の内部を周回せず終端し、これに印加される高周波の1/ 4波長の長さよりも短い線状又は板状の導体からなる小型のループアンテナからなる。周回しないアンテナ5は、そのインダクタンスを大幅に低減できるので、高周波電力の増大に伴う高周波電圧の増大を抑制することができる。また、当該高周波の1/ 4波長の長さよりも短くされるので、定在波が生じることを防止して、定在波によりプラズマの均一性が損なわれることを防止することができる。
【0023】
また、プラズマ発生(励起)用の高周波(RF)電源7は、図3に示すように、真空チャンバー1の側壁12毎(辺毎)に1台設けられ、合計で4台設けられる。高周波電源7の出力する高周波の周波数は、例えば13.56MHzである。各々の高周波電源7から、対応する3本もしくは4本のアンテナ5へ、対応するインピーダンス整合器6を介して、高周波電力(電流)を、並列に供給する。この際、インピーダンス整合器6から個々のアンテナ5への分岐は、できるだけインピーダンス(特に抵抗とインダクタンス)が小さくなるようにする必要がある。
【0024】
このために、図2に示すように、高周波電源7と対応するアンテナ5との接続には、十分に幅の広い1枚の矩形の板状導体52を用いる。板状導体52は、各々、真空チャンバー1の側壁12に沿うように設けられ、例えば銅板からなる。板状導体52の幅Wは、インピーダンス整合器6からの高周波給電点と各アンテナ5(電力分岐点)との距離(図2に点線で示す)が、当該高周波の1/4波長よりも短くなるように調整される。例えば、板状導体52の幅Wは110mmであり、長さ(幅Wと垂直の方向)は長辺側で850mm、端辺側で650mmである。
【0025】
なお、図2において、アンテナ5の一端(入力端)及び他端(終端)を、白丸で示す。前記距離を示す点線が到達している側が入力端であり、他方が終端である。例えば、1個のアンテナ5の入力端と終端との距離は150mmであり、隣接するアンテナ5の距離は100mmである。
【0026】
各々のアンテナ5の一端(入力端)には、このように高周波電源7から高周波電力が供給される。各々のアンテナ5の他端(終端)は、例えば、真空チャンバー1の側壁12に接続される。これにより、真空チャンバー1の側壁12は接地されているので、各々のアンテナ5の他端が接地される。なお、アンテナ5の入力端側に、接地から浮遊(フローティング)させる固定又は可変のブロッキングコンデンサ(例えば、400pFの静電容量)を挿入するようにしてもよい。
【0027】
なお、複数本のアンテナ5、1個のインピーダンス整合器6、1個の高周波電源7(及び、板状導体)で、1個の電源ユニットを構成する。従って、真空チャンバー1の側壁12毎に1個の電源ユニットを設けている。しかし、これに限られることなく、例えば、電源ユニットを矩形の真空チャンバー1の長辺に2個、短辺に1個設けるようにしてもよい。また、必要に応じて、これらの個数を増やしてもよい。
【0028】
真空チャンバー1の下部には、図1に示すように、真空チャンバー1内の排気を行う為の排気用ポート3と基板加熱用のヒータ(図示せず)が埋め込まれた基板ホルダー4が設けられる。これにより、基板ホルダー4上に処理基体(基板)20を設置すると、処理基板20の加熱を行いながらプラズマ処理を行うことができる。処理基板20は、例えば低温で大面積の処理に適した各種のプラスチック又はガラスからなる。処理基板20上には、本発明のプラズマ装置又はプラズマ制御方法を用いて生成したプラズマを用いて、種々の薄膜が形成され又はエッチング加工が施される。これにより、これを用いて種々のデバイスを形成した場合、良好な電気的特性を得ることができる。
【0029】
プラズマの生成は、排気用ポート3から所定の真空度(例えば、1×10-4Pa)まで真空チャンバー1を排気した後、ガス導入パイプ2から目的に応じたガスを真空チャンバー1に導入し、その後、各高周波電源7から各アンテナ5へ高周波電力を供給し、プラズマを発生させる。複数のアンテナ5への高周波給電によるプラズマの生成については、特開2001−35697号公報に詳しい。
【0030】
図4は、図1乃至図3のプラズマ装置において、アルゴン(Ar)プラズマ(Arガス流量:50ccm、ガス圧:1.33Pa)を生成した際、真空チャンバー1の中心部(例えば、天板(天井)11の内壁から鉛直下側へ160mmの位置)のプラズマ状態についてラングミュアプローブ法を用いて計測した結果を示す。ラングミュアープローブは、真空チャンバー1に設けられている導入フランジ(図示せず)を用いて導入し、プラズマ状態を計測した。
【0031】
図4(A)において、縦軸はプラズマ電位Vp (ボルト;V)及びフローティング電位Vf (V)であり、横軸は高周波電力RFpower (ワット;W)である。図4(A)に示されるように、プラズマ電位Vp 及びフローティング電位Vf は、アンテナ5に投入した高周波電力RFpower の増加に応じて減少傾向を示す。図4(B)において、縦軸はプラズマイオン密度Ni 及び電子密度Ne (cm-1)及び電子温度Te (eV)であり、横軸は高周波電力RFpower (W)である。図4(B)に示されるように、プラズマイオン密度Ni 及び電子温度Ne は、高周波電力RFpower に依存して増加する傾向が見られる。
【0032】
このように、多数の周回しないアンテナ5に並列で高周波電力を供給することにより、各種のプラズマプロセスに適した高密度で低プラズマ電位のプラズマを生成することができる。
【0033】
図5は、図4と同様の条件で、同じくラングミュアプローブ法を用いて真空チャンバー1内(の例えば天板11の内壁から鉛直下側へ195mmの位置)のプラズマ均一性を計測した結果を示す。
【0034】
プラズマ均一性は、ラングミュアプローブ法で得たイオン飽和電流密度(μA/cm2 )にて評価した。イオン飽和電流密度はイオン密度に相当する値である。図5は、矩形の真空チャンバー1を図3のように見た場合におけるプラズマのイオン飽和電流密度を示す。なお、図5において、▲1▼、▲2▼、・・・、A、B、・・・等はプラズマの位置への依存性を判りやすくするために参考に示した仮想的なグリッドである。
【0035】
図5(A)には、真空チャンバー1の各側壁12に配置された高周波(RF)電源7A、7B、7C及び7Dの各々から同一の高周波電力1000Wずつを投入した場合における、イオン飽和電流密度分布を示す。図5(A)では、3本のアンテナ5が配置された高周波電源7B及び7Dの側壁12におけるアンテナ5付近の密度が高く、ほぼU字型の(中央部の窪んだ)分布となっていることが判る。
【0036】
一方、図5(B)では4本のアンテナ5が配置された高周波電源7A及び7Cから投入する高周波電力を1300W、3本のアンテナ5が配置された高周波電源7B及び7Dから投入する高周波電力を700Wとした場合における、イオン飽和電流密度分布を示す。図5(B)では、先に示した図5(A)に比べ、電流密度の分布は少なくなり、真空チャンバー1の形状に類似した矩形状の密度分布となっていることが判る。そして、グリッド▲2▼〜▲4▼及びグリッドB〜Dの領域(例えば、基体20の中央部分の領域)を、ほぼ均一なプラズマ状態とすることができる。
【0037】
このように、電源ユニット毎に投入する高周波電力を調整することにより、プラズマの均一性を制御することができる。また、矩形の真空チャンバー1の長辺への高周波電力が短辺のそれよりも大きくなるように調整することにより、プラズマの均一性を実現することができる。
【0038】
図6は、図1乃至図3のプラズマ装置において、更に、各電源ユニット毎に高周波電源7から発信される高周波の位相差を調節する機能を備えるプラズマ装置の構成を示す。
【0039】
図6に示すプラズマ装置では、各真空チャンバー1の側壁12に配置したインピーダンス整合器6の各々の出力側に波形検出器(又は位相検出器)8が設けられる。波形検出器8は、アンテナ5へ供給される高周波の波形を随時取り込み、その波形信号を位相調整器9へ送る。位相調整器9は、取り込んだ波形信号から各々の対応す高周波電源7との位相差を検出し、 その結果に基づいて、予め設定した位相差になるように各高周波電源7に位相制御信号を送る。検出される位相差は、高周波電源7Aを基準とした場合、高周波電源7Aと高周波電源7Bの位相差、高周波電源7Bと高周波電源7Cの位相差、高周波電源7Cと高周波電源7Dの位相差である。そして、各高周波電源7は、各々の位相制御信号に従って、出力する高周波の位相を調整し発振出力する。これにより、各高周波電源7の間における位相差を制御することができる。
【0040】
図7は、図6のプラズマ装置において、高周波電源7の各々の間の位相差を変化させた時のアルゴンプラズマ(ガス流量:50ccm、ガス圧:1.33Pa、RFpower =1000W×4=4000W)におけるプラズマ密度の変化を示す。
【0041】
図7において、縦軸はプラズマの電子密度Ne(cm-3)であり、横軸は高周波の位相差(°)である。なお、位相差が90°であれば、高周波電源7Aを基準とした場合、高周波電源7Aと7Bの位相差、高周波電源7Bと7Cの位相差、高周波電源7Cと7Dの位相差(従って、高周波電源7Dと7Aの位相差)が、各々、90°である。図7に示されるように、位相差を変化させることにより、プラズマ密度が増加することが判る。これは、各面のアンテナ5間の位相差が大きくなることにより、各高周波間の干渉が少ない効率良くプラズマへ電力が供給されることに起因すると考えられる。また、真空チャンバー1の各側壁12の間の位相がずれていることにより、各側壁12におけるアンテナ5間での電子加速が生じると考えられ、その結果、プラズマ密度が増加すると考えられる。そして、矩形の真空チャンバー1の場合、各々の壁面12に設けた4個の高周波電源の間の位相差は90°が好ましいと考えられる。このような各側壁12におけるアンテナ5間における電子加速はアンテナ5の形状やアンテナ5間距離、ガス圧、真空チャンバー1のサイズ等の様々な要因によって変化する。従って、その都度、最適な位相差が存在すると考えられるので、当該最適な位相差となるように調整する。
【0042】
図8及び図9は、図1乃至図3のプラズマ装置において、アンテナ5の形状(真空チャンバー1の側壁12に沿った方向の長さ)を変化させた際のプラズマ装置の構成の概略を示す。なお、図8及び図9において、図示の便宜上、基板ホルダー4を省略し、処理基体20を点線で示す。
【0043】
図8(A)は、アンテナ5を各真空チャンバー1の側壁12から各々3本もしくは4本、 合計14本導入した例である(図1乃至図3に相当)。また、図8(B)は、アンテナ5の真空チャンバー1の側壁12方向の長さを長くしたアンテナ5を側壁12の各々から2本、合計8本導入した例である。図9は、更に、真空チャンバー1の側壁12方向の長さが大きいアンテナ5を側壁12の各々から1本、合計4本導入した例を示す。このように、アンテナ5の長さを大きくすると、アンテナ5自体のインダクタンスが大きくなる。また、並列に接続されるアンテナ5の本数が減ることにより、1本当りに供給される高周波電力は大きくなる。従って、アンテナ5の真空チャンバー1内の導体部分の長さを調整することにより、プラズマの状態を制御することができる。
【0044】
図10は、図8及び図9の各々のアンテナ5の形状の場合において、Arプラズマ(ガス流量:50ccm、ガス圧:1.33Pa、RFpower =1000×4=4000W)を生成した場合における、プラズマ電位及びフローティング電位の振幅(これはプラズマの揺らぎの程度を表す代表値である)の変化を示す。
【0045】
図10において、縦軸はプラズマ電位及びフローティング電位の振幅(V)であり、横軸はアンテナ形状である。なお、アンテナ形状において、アンテナAは図8(A)のアンテナ形状であり、アンテナBは図8(B)のアンテナ形状であり、アンテナCは図9のアンテナ形状である。図10では、アンテナ5の真空チャンバー1の側壁12方向の長さを大きくした場合ほど、プラズマ電位及びフローティング電位の振幅が大きくなることが判る。また、この時プラズマ密度もアンテナ5の長さが大きくなる程、大きくなる傾向が見られた。
【0046】
このようなアンテナ5の形状に伴うプラズマ状態の変化は、アンテナ5長さの増加に伴いアンテナ5のインダクタンスが増加し、高周波電力を給電した際にアンテナ5に発生する電位が大きくなったことに起因すると考えられ、その結果、プラズマ電位やフローティング電位の振幅が大きくなったと考えられる。特に、アンテナC(図9)のようなアンテナ5の形状を持つプラズマ装置は、プラズマ電位が大きくなり、フローティング電位の振幅が大きくなる。このため、プラズマプロセス中のイオンダメージが懸念されるが、一方、水素やヘリウムなどイオン化エネルギーの高いガスプラズマを生成する場合には有効である。このように、本発明のプラズマ装置では、プラズマ生成の目的やガス種にあわせてアンテナ5の形状を変化させ、プラズマ状態を制御することができる。
【0047】
以上、本発明をその実施の態様により説明したが、本発明は、その主旨の範囲内において、種々の変形が可能である。
【0048】
例えば、真空チャンバー1の平面形状は、矩形ではなく、円形であってもよい。この場合、複数本のアンテナ5は、各々、円形の真空チャンバー1の内周より小さい同心円をn等分した円弧(相互に分離及び絶縁されているものとする)であって、当該高周波の1/ 4波長の長さよりも短い円弧とされる。また、高周波電源7は、複数個設けられる。
【0049】
更に、高周波電源7をm個設けるようにして、真空チャンバー1を1周して位相が360°ずれるように順次位相をずらすように制御してもよい。この場合、mは360(°)の約数(例えば、2〜6、8〜10、12)であればよい。
【0050】
また、複数本のアンテナ5は、真空チャンバー1の側壁12のみでなく、これに加えて真空チャンバー1の天板11から導入するようにしてもよい。この場合、天板11から導入した複数本のアンテナ5に対する高周波電源7は、1個又は複数個設けられる。
【0051】
また、図1乃至図3、図6のプラズマ装置において、真空チャンバー1の側壁12の外壁に沿ってマルチカスプ型の永久磁石を取り付ける等、適当な磁界発生手段を付加することによって、プラズマ密度の一様性をさらに向上させることができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ装置において、アンテナを周回せず終端し当該高周波の1/ 4波長の長さよりも短くしているので、アンテナのインダクタンスを大幅に低減して高周波電圧の増大を抑制し、また、定在波の発生を防いでプラズマの均一性が損なわれることを防止し、良好なプラズマを得ることができる。
【0053】
また、本発明によれば、プラズマ装置において、電源ユニット毎に設けた高周波電源から高周波電力を複数本のアンテナに並列に供給し制御するので、高密度で低プラズマ電位のプラズマをほぼ均一に生成することができ、かつ、アンテナを当該高周波の1/ 4波長よりも短くしているので、高周波電圧の増大を抑制し、定在波の発生を防いでプラズマの均一性が損なわれることを防止し、良好なプラズマを得ることができる。
また、本発明によれば、プラズマ装置において、高周波給電点と1又は複数本のアンテナの各々とを直線で結んだ距離が高周波の1 / 4波長の長さよりも短くなるように設けられた板状導体により、高周波電源からアンテナに高周波電力を供給するので、そのインピーダンスを小さくすることができる。
【0055】
また、本発明によれば、プラズマ処理基体において、前述のようなプラズマ装置を用いて生成したプラズマを用いて薄膜が形成され又はエッチング加工が施されているので、これを用いた場合に良好な電気的特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ装置構成図であり、その断面構造を示す。
【図2】本発明のプラズマ装置構成図であり、その一部断面構造を示す。
【図3】本発明のプラズマ装置構成図であり、その平面構造を示す。
【図4】本発明のプラズマ装置の真空チャンバー中心部のプラズマ状態について計測した結果を示す。
【図5】本発明のプラズマ装置の真空チャンバー内のプラズマ均一性を計測した結果を示す。
【図6】高周波電源の各々から発信される高周波の位相差を調節する機能を具備したプラズマ装置の概略図を示す。
【図7】高周波電源の各々の間の位相差を変化させた時のアルゴンプラズマにおけるプラズマ密度の変化を示す。
【図8】アンテナ形状を変化させた際のプラズマ装置の概略図を示す。
【図9】アンテナ形状を変化させた際のプラズマ装置の概略図を示す。
【図10】それぞれのアンテナ形状の場合におけるプラズマ電位及びフローティング電位の振幅の変化を示す。
【符号の説明】
1 真空チャンバー
2 ガス導入パイプ
3 排気用ポート
4 基板ホルダー
5 アンテナ
6 インピーダンス整合器
7 高周波電源
8 波形検出器
9 位相調整器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma apparatus and a plasma processing substrate, and in particular, a high frequency electric field is supplied to an antenna to generate a high frequency electric field, and plasma is generated by the electric field, and a surface such as etching or thin film formation on a large substrate surface. The present invention relates to an inductively coupled plasma apparatus and a plasma processing substrate that perform processing stably.
[0002]
[Prior art]
In the field of processing equipment using plasma, such as dry etching equipment, ashing equipment, plasma CVD equipment, etc. used in the manufacturing process of semiconductor devices and liquid crystal displays, the plasma source of processing equipment has grown with the recent increase in size of processing substrates. However, there is a demand for larger diameters. On the other hand, in order to secure an etching rate, a film formation rate, and a throughput, it is required to increase the density of plasma under a high vacuum.
[0003]
Among these, with respect to plasma densification, a method of generating inductively coupled plasma (hereinafter abbreviated as ICP) using high frequency is employed in order to promote plasma excitation efficiency. The ICP mainly generates a plasma by generating an induction electromagnetic field in a vacuum by passing a high-frequency current through the coil for exciting the antenna, and can uniformly generate a high-density plasma under a high vacuum.
[0004]
However, in a conventional inductively coupled plasma generator in which a high frequency antenna is installed on the wall of the insulator of the vacuum vessel or the atmosphere on the top plate, the thickness of the insulator must be greatly increased as the diameter of the discharge chamber increases. In addition, only the induction electric field component radiated from the side of the surface in contact with the insulating partition wall or top plate of the vacuum vessel among the induction electric field radiated from the antenna is used for maintaining the discharge. There was a problem that use efficiency of was bad.
[0005]
In view of this, the present inventor previously proposed a technique for an inductively coupled plasma apparatus using high frequency discharge, in which an antenna is provided in a vacuum vessel and the antenna is divided into a plurality of small antennas. (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-35697). According to this, by using the internal antenna, all of the induced electric field radiated from the antenna can be effectively used, and it is not necessary to use an insulating partition or a top plate. Further, the internal antenna is likely to cause abnormal discharge when a large voltage is applied, but the antenna is divided so that the inductance of each antenna is reduced so that at least the antenna does not circulate. Thereby, a high-density large-diameter plasma can be obtained without being limited by the shape, diameter and length of the discharge chamber.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, from the viewpoint of practical use for solar cells and flat displays, a thin film with a large area of approximately 1 meter x 1 meter is produced with higher crystallinity, higher homogeneity, and faster film formation. It is required to do. In this case, the plasma source is required to have a lower pressure, a higher density, a lower electron temperature, and a larger area.
[0007]
An object of the present invention is to provide an inductively coupled plasma apparatus capable of stably generating a large-area plasma.
[0009]
The present invention also aims to provide a plasma processing substrate produced by the plasma for an induction coupling system which is capable of stably generating a large-area plasma.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The plasma device of the present invention is an inductively coupled plasma device using high frequency discharge, which is an antenna to which high frequency power is supplied, each of which is coated with an insulator and terminates without going around the vacuum vessel, and has
[0011]
Preferably, in the plasma apparatus of the present invention, the divided plurality a plurality of groups each antenna is composed of one or a plurality of antennas, provided a high-frequency power source corresponding to each of the groups, in each group High-frequency power is supplied in parallel by a plate-like conductor from a high-frequency power source provided corresponding to the group to each of one or a plurality of antennas belonging to the group.
[0012]
Preferably, in the plasma device of the present invention, the plate-like conductor is provided corresponding to the high-frequency power source, each of which is rectangular, and has a length in the direction in which the corresponding one or more antennas are arranged. When the direction and the direction perpendicular to the direction are the width direction, the distance connecting the high-frequency feeding point and each of the corresponding one or more antennas by a straight line is shorter than the length of 1/4 wavelength of the high frequency. Have a width.
Preferably, in the plasma apparatus according to the present invention, the vacuum vessel has a rectangular planar shape, and a plurality of antennas are provided on each of the four sides of the rectangular vacuum vessel to form a group, corresponding to each of the four sides. By providing a high frequency power supply, high frequency power is supplied in parallel to a plurality of antennas provided on four sides .
Preferably, in the plasma apparatus of the present invention, the high frequency power to be input is adjusted for each high frequency power supply corresponding to each group.
Preferably, in the plasma apparatus of the present invention, the vacuum vessel has a rectangular planar shape, and a plurality of antennas are provided on each of the four sides of the rectangular vacuum vessel so that high-frequency power to the long side of the rectangle is generated. It is made larger than the high frequency power to the short side of the rectangle .
[0014]
Also, preferably, the plasma apparatus of the present invention, the phase detector for detecting a high-frequency phase supplied from the high frequency power supply to which the corresponding provided corresponding to each of the high-frequency power supply provided corresponding to each of the four sides And a phase adjuster that adjusts the phase difference of the high frequency between each of the high frequency power supplies based on the detection results from each of the phase detectors.
[0018]
The plasma processing substrate of the present invention has a thin film formed or etched on the substrate using plasma generated by using the plasma apparatus as described above.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 to FIG. 3 are plasma device configuration diagrams, FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of the plasma device of the present invention, FIG. 2 shows a partial cross-sectional configuration of the plasma device of the present invention, and FIG. The outline of the plane composition of the plasma device of the invention is shown.
[0020]
As shown in FIG. 3, the plasma apparatus of the present invention includes a vacuum chamber (vacuum container or process chamber) 1 having a rectangular planar shape. For example, the long side of the rectangle is 910 mm (millimeters) and the short side is 780 mm. The height is 366 mm, and the
[0021]
As shown in FIGS. 1 and 3, the
[0022]
As shown in FIG. 3, each
[0023]
Further, as shown in FIG. 3, one radio frequency (RF)
[0024]
Therefore, as shown in FIG. 2, a rectangular plate-
[0025]
In FIG. 2, one end (input end) and the other end (termination) of the
[0026]
The one end (input end) of each
[0027]
A plurality of
[0028]
As shown in FIG. 1, an
[0029]
The plasma is generated by evacuating the
[0030]
FIG. 4 shows the central part of the vacuum chamber 1 (for example, the top plate (for example, top plate)) when argon (Ar) plasma (Ar gas flow rate: 50 ccm, gas pressure: 1.33 Pa) is generated in the plasma apparatus of FIGS. The results of measurement using the Langmuir probe method for the plasma state of the ceiling) (at a
[0031]
In FIG. 4A, the vertical axis represents the plasma potential Vp (volts; V) and the floating potential Vf (V), and the horizontal axis represents the high frequency power RFpower (watts; W). As shown in FIG. 4A, the plasma potential Vp and the floating potential Vf tend to decrease as the high-frequency power RFpower applied to the
[0032]
In this way, by supplying high-frequency power in parallel to a large number of
[0033]
FIG. 5 shows the result of measuring the plasma uniformity in the vacuum chamber 1 (for example, a position of 195 mm vertically downward from the inner wall of the top plate 11) using the Langmuir probe method under the same conditions as in FIG. .
[0034]
The plasma uniformity was evaluated by the ion saturation current density (μA / cm 2 ) obtained by the Langmuir probe method. The ion saturation current density is a value corresponding to the ion density. FIG. 5 shows the ion saturation current density of the plasma when the
[0035]
FIG. 5A shows the ion saturation current density when 1000 W of the same high frequency power is supplied from each of the high frequency (RF)
[0036]
On the other hand, in FIG. 5B, the high-frequency power input from the high-
[0037]
In this way, the uniformity of plasma can be controlled by adjusting the high-frequency power input for each power supply unit. Further, by adjusting the high frequency power to the long side of the
[0038]
FIG. 6 shows the configuration of the plasma apparatus of FIGS. 1 to 3 that further has a function of adjusting the phase difference of the high frequency transmitted from the high
[0039]
In the plasma apparatus shown in FIG. 6, a waveform detector (or phase detector) 8 is provided on the output side of each
[0040]
FIG. 7 shows argon plasma (gas flow rate: 50 ccm, gas pressure: 1.33 Pa, RFpower = 1000 W × 4 = 4000 W) when the phase difference between each of the high-
[0041]
In FIG. 7, the vertical axis represents the plasma electron density Ne (cm −3 ), and the horizontal axis represents the high-frequency phase difference (°). If the phase difference is 90 °, when the high
[0042]
8 and 9 schematically show the configuration of the plasma apparatus when the shape of the antenna 5 (the length in the direction along the
[0043]
FIG. 8A shows an example in which three or four
[0044]
FIG. 10 shows the plasma in the case of generating the Ar plasma (gas flow rate: 50 ccm, gas pressure: 1.33 Pa, RFpower = 1000 × 4 = 4000 W) in the case of the shape of each
[0045]
In FIG. 10, the vertical axis represents the amplitude (V) of the plasma potential and the floating potential, and the horizontal axis represents the antenna shape. In the antenna shape, the antenna A is the antenna shape of FIG. 8A, the antenna B is the antenna shape of FIG. 8B, and the antenna C is the antenna shape of FIG. FIG. 10 shows that the amplitude of the plasma potential and the floating potential increases as the length of the
[0046]
The change in the plasma state accompanying the shape of the
[0047]
As mentioned above, although this invention was demonstrated by the aspect of this invention, a various deformation | transformation is possible for this invention within the range of the main point.
[0048]
For example, the planar shape of the
[0049]
Further, m high-
[0050]
The plurality of
[0051]
Further, in the plasma apparatus of FIGS. 1 to 3 and 6, the plasma density can be reduced by adding an appropriate magnetic field generating means such as attaching a multicusp permanent magnet along the outer wall of the
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the plasma device, the antenna is terminated without being circulated and is made shorter than a quarter wavelength of the high frequency, so that the inductance of the antenna is greatly reduced and the high frequency is reduced. It is possible to suppress the increase in voltage and prevent the occurrence of standing waves to prevent the uniformity of plasma from being lost, and to obtain a good plasma.
[0053]
In addition, according to the present invention, in the plasma apparatus, high-frequency power is supplied from a high-frequency power source provided for each power supply unit to a plurality of antennas in parallel and controlled, so that high-density and low plasma potential plasma is generated almost uniformly. And the antenna is made shorter than a quarter wavelength of the high frequency, thereby suppressing the increase of the high frequency voltage and preventing the standing wave from being generated, thereby preventing the uniformity of the plasma from being impaired. And good plasma can be obtained.
Further, according to the present invention, a plasma device, provided as the distance connecting the respective radio-frequency feed point and one or more antennas in a straight line is shorter than the length of 1/4-wavelength high-frequency plate Since the high-frequency power is supplied from the high-frequency power source to the antenna by the shaped conductor, the impedance can be reduced.
[0055]
Further, according to the present invention, since a thin film is formed or etched using plasma generated by using the plasma apparatus as described above in the plasma processing substrate, it is good when this is used. Electrical characteristics can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a plasma apparatus according to the present invention, showing a cross-sectional structure thereof.
FIG. 2 is a configuration diagram of the plasma apparatus of the present invention, showing a partial cross-sectional structure thereof.
FIG. 3 is a configuration diagram of the plasma apparatus of the present invention and shows a planar structure thereof.
FIG. 4 shows the results of measurement of the plasma state at the center of the vacuum chamber of the plasma apparatus of the present invention.
FIG. 5 shows the result of measuring the plasma uniformity in the vacuum chamber of the plasma apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view of a plasma apparatus having a function of adjusting a phase difference of a high frequency transmitted from each high frequency power source.
FIG. 7 shows a change in plasma density in argon plasma when the phase difference between each of the high-frequency power sources is changed.
FIG. 8 is a schematic view of a plasma apparatus when the antenna shape is changed.
FIG. 9 is a schematic view of a plasma apparatus when the antenna shape is changed.
FIG. 10 shows changes in amplitudes of plasma potential and floating potential in the case of each antenna shape.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
高周波電力を供給されるアンテナであって、その各々が表面が絶縁体で被覆され真空容器を周回しないで終端し当該高周波の1/ 4波長の長さよりも短い線状又は板状の導体からなる複数本のアンテナを真空容器内に備え、
前記1又は複数本のアンテナの各々に、高周波電源から、前記真空容器の外部に設けられた板状導体により、高周波電力を並列に供給し、
前記板状導体は、当該高周波給電点と前記1又は複数本のアンテナの各々とを直線で結んだ距離が高周波の1/ 4波長の長さよりも短くなるように設けられる
ことを特徴とするプラズマ装置。In an inductively coupled plasma device using high frequency discharge
Antennas to which high-frequency power is supplied, each of which is made of a linear or plate-like conductor whose surface is covered with an insulator and ends without going around the vacuum vessel and shorter than a quarter wavelength of the high frequency. Equipped with multiple antennas in the vacuum vessel,
High frequency power is supplied in parallel to each of the one or more antennas from a high frequency power source by a plate-like conductor provided outside the vacuum vessel,
The plate-like conductor is provided so that a distance obtained by connecting the high-frequency feeding point and each of the one or more antennas with a straight line is shorter than a quarter-wave length of a high frequency. apparatus.
前記グループの各々に対応する高周波電源を設け、
前記グループの各々において、当該グループに属する1又は複数本のアンテナの各々に、当該グループに対応して設けられた高周波電源から、前記板状導体により、高周波電力を並列に供給する
ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ装置。Dividing the plurality of antennas into a plurality of groups each consisting of one or more antennas;
A high frequency power supply corresponding to each of the groups is provided,
In each of the groups, high-frequency power is supplied in parallel to each of one or a plurality of antennas belonging to the group from the high-frequency power source provided corresponding to the group by the plate conductor. The plasma apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ装置。The plate-like conductors are provided corresponding to the high-frequency power source, each of which is rectangular, and the direction in which the corresponding one or more antennas are arranged is the length direction and the direction perpendicular thereto is the width direction. In this case, the distance obtained by connecting the high-frequency feeding point and each of the corresponding one or more antennas with a straight line has a width that is shorter than the length of a quarter wavelength of the high frequency. Or the plasma apparatus of 2.
前記矩形の真空容器の4辺の各々に複数本のアンテナを設けて前記グループとし、前記4辺の各々に対応して前記高周波電源を設けることにより、前記4辺に設けられた複数本のアンテナに高周波電力を並列に供給する
ことを特徴とする請求項2に記載のプラズマ装置。The vacuum vessel has a rectangular planar shape,
A plurality of antennas provided on the four sides by providing a plurality of antennas on each of the four sides of the rectangular vacuum container to form the group, and providing the high-frequency power source corresponding to each of the four sides. The plasma apparatus according to claim 2, wherein high-frequency power is supplied in parallel.
ことを特徴とする請求項2に記載のプラズマ装置。The plasma apparatus according to claim 2, wherein the high-frequency power to be supplied is adjusted for each high-frequency power supply corresponding to each of the groups.
前記矩形の真空容器の4辺の各々に複数本のアンテナを設け、前記矩形の長辺への高周波電力を、前記矩形の短辺への高周波電力よりも大きくした
ことを特徴とする請求項5に記載のプラズマ装置。The vacuum vessel has a rectangular planar shape,
A plurality of antennas in each of the four sides of the vacuum vessel of the rectangular, claim the RF power to the rectangular long side, characterized by being larger than the high-frequency power to said rectangular short side 5 The plasma apparatus according to 1.
前記位相検出器の各々からの検出の結果に基づいて、前記高周波電源の各々の間における高周波の位相差を調整する位相調整器を備える
ことを特徴とする請求項4に記載のプラズマ装置。A phase detector provided corresponding to each of the high-frequency power sources provided corresponding to each of the four sides, and detecting a phase of a high frequency supplied from the corresponding high-frequency power source;
The plasma apparatus according to claim 4, further comprising: a phase adjuster that adjusts a high-frequency phase difference between each of the high-frequency power sources based on a detection result from each of the phase detectors.
ことを特徴とするプラズマ処理基体。A plasma-treated substrate, wherein a thin film is formed or etched on the substrate using the plasma generated using the plasma apparatus according to claim 1.
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