JP3930691B2

JP3930691B2 - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP3930691B2
Application number: JP2001095354A
Authority: JP
Inventors: 本高志宮
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: JP2002299317A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ発生装置に係わり、特に、プロセスガスにマイクロ波を照射して生成したプラズマを利用して被処理物の処理を行うプラズマ処理装置に用いられるプラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用のシリコンウエーハや液晶ディスプレイ用ガラス基板といった被処理物を処理するための装置として、マイクロ波プラズマを利用して被処理物上の導電体膜、絶縁膜等を処理するプラズマ処理装置がある。
【０００３】
このプラズマ処理装置の１つに、誘電体で形成された放電管の内部にプロセスガスを導入し、マイクロ波導波管を介して導かれたマイクロ波を放電管の内部のプロセスガスに照射し、放電管の内部にプラズマを発生させるようにしたプラズマ発生装置を備えたものがあり、このタイプのプラズマ処理装置は一般にケミカルドライエッチング装置（以下「ＣＤＥ装置」と言う。）と呼ばれている。
【０００４】
このＣＤＥ装置においては、放電管の内部にプラズマを生成することにより、プロセスガスから活性種を生成し、この活性種を真空容器の内部に形成された処理室に導いて被処理物の表面に供給し、ドライエッチング処理やアッシング処理等の表面処理が施される。
【０００５】
ところで、このタイプのプラズマ処理装置においては、放電管の内部にプラズマが発生すると、プラズマからの熱によって放電管が加熱される。そして、放電管内のプラズマによってフッ素ラジカル等を生成するような腐食系ガスをプロセスガスとして使用した場合、誘電体で形成された放電管はエッチングされる。このときのエッチング速度は放電管の温度に依存し、放電管の温度が高いほどエッチング速度が大きくなる。
そこで、従来のマイクロ波プラズマ処理装置においては、放電管のエッチング速度を抑制するために放電管を冷却している。具体的には、放電管の外周面に窒素ガス（Ｎ_２）等の安定なガスを噴射して放電管を直接冷却する方法がある。或いは、シリコーンゴム等の誘電体質のゴムシートを放電管に密着させ、その周りに配置したアルミブロックを水冷して放電管を冷却する方法もある。
また、プラズマ処理装置の他の例としては、処理室を内部に形成する真空容器の内部にプラズマを生成するようにしたプラズマ発生装置を備えたものがある。このタイプのプラズマ処理装置においては、真空容器の開口部がマイクロ波透過板にて封止されており、このマイクロ波透過板にマイクロ波導波管が添設されている。そして、マイクロ波導波管から放射されたマイクロ波がマイクロ波透過板を透過して真空容器内に導入される。すると、真空容器内を流れるプロセスガスにマイクロ波が印加され、プロセスガスが励起されてプラズマが発生する。
【０００６】
このタイプのプラズマ処理装置においても、プラズマに近接するマイクロ波透過板のエッチングによる損傷を防止するために、マイクロ波透過板の外側表面に窒素ガス（Ｎ_２）等の安定なガスを噴射して直接冷却したり、シリコーンゴム等の誘電体質のゴムシートをマイクロ波透過板に密着させ、その上に配置したアルミブロックを水冷してマイクロ波透過板を冷却する方法がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来のプラズマ発生装置における放電管やマイクロ波透過板の冷却方法においては、気体を媒体とした冷却では十分な冷却効率は得られず、また水冷方式の場合でも、水冷されている部分と放電管又はマイクロ波透過板との間に熱伝導率の小さな部材（誘電体質のゴムシート）が介在する間接冷却であるために十分な冷却効率は得られなかった。
【０００８】
なお、水はマイクロ波を吸収しやすい性質を有するために、冷却水を放電管やマイクロ波透過板に直接接触させるとマイクロ波の一部が冷却水に吸収され、投入電力に対する効率が著しく悪くなってしまう。このため、冷却水を放電管やマイクロ波透過板に直接接触させて冷却効率を高めるようにすることはできなかった。
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであって、放電管やマイクロ波透過板の寿命を延ばすことができるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、誘電体で形成され、その内部にプラズマ生成用ガスが導入される放電管と、前記放電管に向けてマイクロ波を放射する開口が形成されたマイクロ波導波管と、前記放電管を冷却するための冷却手段と、を備え、前記放電管の外周面には、前記マイクロ波導波管の前記開口から放射されたマイクロ波を前記放電管の内部に導入するためのマイクロ波透過窓部分を残すようにして、導電性材料より成る被膜が形成されており、前記冷却手段は、前記放電管の外周面の前記被膜に液体の冷却媒体を循環させながら接触させることを特徴とする。
【００１０】
また、好ましくは、前記冷却手段は、前記放電管を挟み込んで押さえる一対の押さえブロックと、前記押さえブロックと前記放電管との間に配置されたＯリングと、を備え、前記Ｏリングの内側に形成された液密空間に前記液体の冷却媒体を循環させる。
【００１１】
また、好ましくは、前記マイクロ波導波管と前記放電管の外周面の前記被膜とが電気的に接続されている。
【００１２】
上記課題を解決するために本発明は、誘電体で形成され、真空容器の開口部を封止するマイクロ波透過板と、前記マイクロ波透過板に向けてマイクロ波を放射する開口が形成されたマイクロ波導波管と、前記マイクロ波透過板を冷却するための冷却手段と、を備え、前記マイクロ波透過板の前記マイクロ波導波管に面する側の表面には、前記マイクロ波導波管の前記開口から放射されたマイクロ波を前記真空容器の内部に導入するためのマイクロ波透過窓部分を残すようにして、導電性材料より成る被膜が形成されており、前記冷却手段は、前記マイクロ波透過板の表面の前記被膜に液体の冷却媒体を循環させながら接触させることを特徴とする。
【００１３】
また、好ましくは、前記冷却手段は、前記マイクロ波透過板と前記マイクロ波導波管との間に配置された平板部材と、前記平板部材と前記マイクロ波透過板との間に配置された第１及び第２のＯリングと、を備え、前記第１のＯリングは前記マイクロ波透過窓部分の周囲に配置され、前記第２のＯリングは前記マイクロ波透過板の周縁部に配置され、前記第１のＯリングと前記第２のＯリングとの間に形成された液密空間に前記液体の冷却媒体を循環させる。
【００１４】
また、好ましくは、前記マイクロ波導波管と前記マイクロ波透過板の表面の前記被膜とが電気的に接続されている。
【００１５】
また、好ましくは、前記被膜は、アルミニウム又は銅のような高い導電性を持つ材料を蒸着して形成されたものである。
【００１６】
また、好ましくは、前記被膜は、導電性シートを密着させて形成されたものである。
【００１７】
また、好ましくは、前記液体の冷却媒体は水である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施形態によるプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理装置について図面を参照して説明する。なお、このプラズマ処理装置は、スロットアンテナ方式で生成したマイクロ波プラズマを利用したケミカルドライエッチング装置（ＣＤＥ装置）である。
【００１９】
図１に示したように本実施形態によるプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理装置は、排気口８を介して内部を真空排気できる真空容器１を備えており、この真空容器１の内部には処理室２が形成され、この処理室２の内部には被処理物３を載置するための載置台４が設けられている。ここで、被処理物３は、半導体製造用のシリコンウエーハ、液晶表示用のガラス基板等である。
【００２０】
真空容器１には活性種輸送管５を介して誘電体材料より成る放電管６が接続されており、放電管６はプロセスガスＧを導入するためのガス導入口７を備え、放電管６の内部にはプラズマ発生領域９が形成されている。放電管６を形成する誘電体としては、石英（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、サファイア、窒化アルミニウム等を使用することができる。放電管６には、マイクロ波Ｍを放電管６の内部に供給するための断面方形のマイクロ波導波管１０が添設されている。
【００２１】
図２に示したようにマイクロ波導波管１０のＥ面又はＨ面には、マイクロ波導波管１０の管軸方向に沿ってスロット１２が形成されており、このスロット１２を介して放電管６に向けてマイクロ波が放出される。すると、ガス導入口７から放電管６内に供給されたプロセスガスにマイクロ波が照射されて、放電管６の内部でプロセスガスが励起されてプラズマが生成され、プロセスガス中に活性種が生成される。この活性種が活性種輸送管５を経由して処理室２内の被処理物３の表面に供給され、エッチング処理やアッシング処理等の表面処理が施される。
【００２２】
プロセスガスとしては、例えば被処理物３表面の薄膜のエッチングを行う場合には、酸素ガス（Ｏ_２）単体、或いは酸素ガスにＣＦ_４、ＮＦ_３、ＳＦ_６等のフッ素系ガスを添加した混合ガス、又はこれらのガスに水素ガスを添加したガスが使用される。
【００２３】
また、図２に示したように本実施形態によるプラズマ発生装置においては、放電管６の外周面に、マイクロ波導波管１０のスロット１２から放射されたマイクロ波を放電管６の内部に導入するためのマイクロ波透過窓１３の部分を残すようにして、導電性材料より成る被膜１４が形成されている。
【００２４】
この被膜１４は、アルミニウム又は銅のような高い導電性を持つ材料を蒸着して形成されたものである。被膜１４の厚さは、マイクロ波の表皮効果との関係で決定される。例えば、１０ＧＨｚのマイクロ波を使用し、銅材質の被膜１４を形成する場合には、被膜１４の厚さは約０．７μｍ以上となる。
【００２５】
また、変形例として、被膜１４は導電性シートを密着させて形成することもできる。冷却効率を高めるために、導電性シートはなるべく薄い方が好ましい。
【００２６】
マイクロ波導波管１０と放電管６の外周面の被膜１４とは電気的に接続されており、好ましくは両者が溶着により固定されている。
【００２７】
さらに、図２に示したように本実施形態によるプラズマ発生装置は、放電管６を冷却するための冷却手段２０を備えており、この冷却手段２０は、放電管６の外周面の被膜１４に水を循環させながら接触させるようにしたものである。具体的には、冷却手段２０は、放電管６を挟み込んで押さえる一対の押さえブロック２１と、押さえブロック２１と放電管６との間に配置されたＯリング２２と、を備える。Ｏリンク２２には、導電性材料より成るものを使用することが好ましい。また、押さえブロック２１の内面に、Ｏリング２２を受け入れて固定するための溝を形成することが好ましい。
【００２８】
押さえブロック２１には、冷却水入口２３及び冷却水出口２４が形成されている。そして、冷却水入口２３から押さえブロック２１の内側に導入された水は、Ｏリング２２の内側に形成された液密空間２５に供給され、この液密空間２５を通って冷却水出口２４から流出する。このようにして、Ｏリング２２の内側の液密空間２５内に水を循環させ、これにより放電管６を冷却する。
【００２９】
このように本実施形態においては、放電管６の表面に形成した被膜１４に水を直接接触させて循環させるようにしたので、極めて高い冷却効率の下で放電管６を冷却することが可能であり、ひいては、エッチングによる放電管６の損傷を抑制してその寿命を従来よりも延ばすことができる。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施形態によるプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理装置について図３を参照して説明する。
【００３１】
図３に示したプラズマ処理装置は、誘電体で形成され、真空容器３０の上面開口部を封止するマイクロ波透過板３１と、マイクロ波透過板３１に向けてマイクロ波Ｍを放射するスロット３２が形成されたマイクロ波導波管３３と、を備えている。真空容器３０の内部に形成された処理室３７は排気口３６を介して真空排気され、真空状態の処理室３７の内部でプラズマＰが生成される。
【００３２】
マイクロ波透過板３１のマイクロ波導波管３３に面する側の表面には、マイクロ波導波管から３３のスロット３２から放射されたマイクロ波Ｍを真空容器３０の内部に導入するためのマイクロ波透過窓３４の部分を残すようにして、導電性材料より成る被膜３５が形成されている。
【００３３】
この被膜３５は、アルミニウム又は銅のような高い電導性を持つ材料を蒸着して形成されたものである。
【００３４】
また、変形例として、被膜３５は導電性シートを密着させて形成することもできる。冷却効率を高めるために、導電性シートはなるべく薄い方が好ましい。
【００３５】
さらに、図３に示したプラズマ処理装置は、マイクロ波透過板３１を冷却するための冷却手段４０を備えている。この冷却手段４０は、マイクロ波透過板３１の表面の被膜３５に水を循環させながら接触させるようにしたものである。
【００３６】
冷却手段４０は、マイクロ波透過板３１とマイクロ波導波管３３との間に配置された平板部材４１を有する。平板部材４１とマイクロ波透過板３１との間には、第１のＯリング４２及び第２のＯリング４３が配置されている。第１のＯリング４２はマイクロ波透過窓３４の周囲に配置され、第２のＯリング４３はマイクロ波透過板３１の周縁部に配置されている。
【００３７】
マイクロ波導波管３３とマイクロ波透過板３１の表面の被膜３５とは、平板部材４１を介して電気的に接続されている。
【００３８】
平板部材４１には、冷却水入口４４及び冷却水出口４５が形成されている。そして、冷却水入口４４から平板部材４１の下面側に導入された水は、第１のＯリング４２と第２のＯリング４３との間に形成された液密空間４６に供給され、この液密空間４６を通って冷却水出口４５から流出する。このようにして液密空間４６内に水を循環させ、これによりマイクロ波透過板３１を冷却する。
【００３９】
このように本実施形態においては、マイクロ波透過板３１の表面に形成した被膜３５に水を直接接触させ循環させるようにしたので、極めて高い冷却効率の下でマイクロ波透過板３１を冷却することが可能であり、ひいては、エッチングによるマイクロ波透過板３１の損傷を抑制してその寿命を従来よりも延ばすことができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によるプラズマ発生装置によれば、誘電体より成る放電管又はマイクロ波透過板の表面に形成した導電性の被膜に水を直接接触させて循環させるようにしたので、極めて高い冷却効率の下で放電管又はマイクロ波透過板を冷却することが可能であり、ひいては、エッチングによる放電管又はマイクロ波透過板の損傷を抑制してその寿命を従来よりも延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理装置の概略構成図。
【図２】本発明の第１実施形態によるプラズマ発生装置の主要部を拡大して示した分解斜視図。
【図３】本発明の第２実施形態によるプラズマ発生装置を備えたプラズマ処理装置の概略構成図。
【符号の説明】
１、３０真空容器
２、３７処理室
３被処理物
４載置台
６放電管
９プラズマ発生領域
１０、３３マイクロ波導波管
１２、３２スロット
１３、３４マイクロ波透過窓
１４、３５被膜
２０、４０冷却手段
２１押さえブロック
２２、４２、４３Ｏリング
２３、４４冷却水入口
２４、４５冷却水出口
２５、４６液密空間
３１マイクロ波透過板
４１平板部材
Ｍマイクロ波
Ｐプラズマ

Claims

誘電体で形成され、その内部にプラズマ生成用ガスが導入される放電管と、
前記放電管に向けてマイクロ波を放射する開口が形成されたマイクロ波導波管と、
前記放電管を冷却するための冷却手段と、を備え、
前記放電管の外周面には、前記マイクロ波導波管の前記開口から放射されたマイクロ波を前記放電管の内部に導入するためのマイクロ波透過窓部分を残すようにして、導電性材料より成る被膜が形成されており、
前記冷却手段は、前記放電管を挟み込んで押さえる一対の押さえブロックと、前記押さえブロックと前記放電管との間に配置されたＯリングと、を備え、前記Ｏリングの内側に形成された液密空間に液体の冷却媒体を循環させることで前記放電管の外周面の前記被膜に前記液体の冷却媒体を循環させながら接触させることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記マイクロ波導波管と前記放電管の外周面の前記被膜とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
誘電体で形成され、真空容器の開口部を封止するマイクロ波透過板と、
前記マイクロ波透過板に向けてマイクロ波を放射する開口が形成されたマイクロ波導波管と、
前記マイクロ波透過板を冷却するための冷却手段と、を備え、
前記マイクロ波透過板の前記マイクロ波導波管に面する側の表面には、前記マイクロ波導波管の前記開口から放射されたマイクロ波を前記真空容器の内部に導入するためのマイクロ波透過窓部分を残すようにして、導電性材料より成る被膜が形成されており、
前記冷却手段は、前記マイクロ波透過板の表面の前記被膜に液体の冷却媒体を循環させながら接触させることを特徴とするプラズマ発生装置。
前記冷却手段は、前記マイクロ波透過板と前記マイクロ波導波管との間に配置された平板部材と、前記平板部材と前記マイクロ波透過板との間に配置された第１及び第２のＯリングと、を備え、前記第１のＯリングは前記マイクロ波透過窓部分の周囲に配置され、前記第２のＯリングは前記マイクロ波透過板の周縁部に配置され、前記第１のＯリングと前記第２のＯリングとの間に形成された液密空間に前記液体の冷却媒体を循環させることを特徴とする請求項３記載のプラズマ発生装置。
前記マイクロ波導波管と前記マイクロ波透過板の表面の前記被膜とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ発生装置。
前記被膜は、アルミニウム又は銅を蒸着して形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
前記被膜は、導電性シートを密着させて形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
前記液体の冷却媒体は水であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。