JP4931716B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ生成室 - Google Patents

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Description

本発明は,処理ガスを励起して発生したプラズマを用いて被処理基板に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ生成室に関する。
例えば半導体製造プロセスにおいては,被処理基板例えば半導体ウエハ(以下,単に「ウエハ」という)上の所定の膜をその表面に形成したレジスト膜をマスクとして用いて選択的にエッチング除去してコンタクトホールなどを形成し,その後にレジスト膜をアッシング除去する処理が行われる。また,コンタクトホールなどに成膜処理を行う前にそのホール内の下地の自然酸化膜を除去する処理が行われることもある。このようなアッシング処理や自然酸化膜の除去処理などには,従来より酸素含有ガスを励起して発生した酸素含有プラズマが用いられている。
このように,酸素含有プラズマによってウエハの処理を行うプラズマ処理装置としては,例えばウエハを保持する載置台を備える処理室と,この処理室の上部に連続して設けられ,酸素含有する処理ガスを励起させて酸素含有プラズマを発生させるプラズマ生成室としての略円筒状のベルジャーとを備えるものが知られている(例えば特許文献1参照)。ベルジャーは,例えば石英ガラスなどの絶縁材料で形成し,その側壁の周囲に高周波電源に接続するアンテナ部材としてのコイルを券回する。これによれば,ベルジャー内に酸素を含む処理ガスを供給しつつ,コイルに高周波電力を供給することにより,ベルジャーの側壁とコイルは高周波(RF)回路の一部として機能し,ベルジャー内に誘導電磁界を形成させることができ,これにより酸素含有プラズマを生成させることができる。こうして生成された酸素含有プラズマによって例えばウエハの表面に付着した自然酸化膜を除去する処理が行われる。
また,近年の半導体素子の更なる多層化の要求に応えるため,多層配線構造に適した膜として例えばLow−k膜などの低誘電率絶縁膜が多用されている。このような低誘電率絶縁膜は,酸素含有プラズマによるダメージを受けやすいため,低誘電率絶縁膜が形成されるウエハに対する処理(例えばエッチング処理,アッシング処理,自然酸化膜の除去処理など)には,よりダメージを抑えることのできる水素含有プラズマが用いられている。(例えば特許文献2参照)
特開2004−158828号公報 特開2006−73722号公報 特開平7−254499号公報
ところで,ベルジャー内に供給する処理ガスの種類によっては,その処理ガスを励起して生成されるプラズマから強力な紫外光が発生する場合がある。例えば水素含有処理ガスを励起して生成されるプラズマからは,酸素含有処理ガスを励起して生成されるプラズマからよりも強力な紫外光が発生していることがわかってきた。
一方,上述したようなベルジャーのように,側壁の周囲を巻回したコイルに高周波電力を印加して誘導電磁界を発生させてプラズマを生成するプラズマ生成室では,その側壁は誘導電磁界を発生させる高周波回路の一部を構成するので,通常は石英ガラスなどの絶縁材料により構成されている。ところが,一般に石英ガラスなどの絶縁材料は紫外光のような短い波長の光を透過し易い性質があるので,石英ガラスなどで構成された側壁の内側に水素含有プラズマを発生させると,そのプラズマから発生した強力な紫外光が側壁を透過して外部に漏れ出してしまう虞がある。
また,石英ガラスなどの厚みが厚ければ,紫外光は石英ガラスの内部で減衰して外側には漏れ出さないとも考えられる。ところが,プラズマ生成室に用いられる側壁は薄くする方が,効率よく誘導電磁界を発生させることができるとともに壊れにくくなる。従って,石英ガラスなどで側壁を構成する場合にはできるだけ薄い方が好ましい反面,側壁の厚みが薄いほど紫外光が外側に漏れ易くなってしまう。
このように,紫外光が側壁を透過してその側壁の外側の大気中にまで漏れ出してしまうと,大気中の酸素と反応してオゾンが発生する問題がある。漏れ出す紫外光の量が多くなるほどオゾンの発生量も多くなるので,これを防ぐための対策が重要となっている。
この点,特許文献3に記載のマイクロ波プラズマ処理装置では,紫外光がマイクロ波導入窓を透過して漏れ出すのを防ぐために,マイクロ波導入窓の上部に紫外光遮断板を設置している。
ところが,上述したベルジャーのようなプラズマ生成室の側壁は,特許文献3のマイクロ波導入窓と異なり,側壁自体がその周囲に巻回されるコイルとともに処理ガスをプラズマ励起する誘導電磁界を発生させるための高周波回路の一部を構成する。このため,そのような側壁とコイルとの間には,単に紫外光を遮蔽するためだけの板状部材を設置しても,その板状部材の材質や厚み,板状部材の設置状態などによって,上記高周波回路のキャパシタンスなどが変わってしまうため,所定の誘導電磁界を発生させることができなくなる虞がある。これでは,生成されるプラズマの状態も変わってしまうため,ウエハの処理結果にも影響を与えかねない。
また,紫外光を遮光する観点だけからは,プラズマ生成室の側壁自体の厚みを厚くしたり,側壁自体の材質を変えたりすることも考えられるが,高周波回路の一部を構成する側壁自体の材質や形状を変えてしまうと,高周波回路のキャパシタンスなどが変わってしまい,所定の誘導電磁界を発生させることができなくなってしまう。
さらに,もし紫外光を遮蔽する部材を,高周波回路の一部を構成する側壁とコイルとの間に設置する場合には,その遮光部材の材質が導電性を有するものであれば高周波回路がショートするなど不具合が生じるので,絶縁材料でなければならない。また,側壁と紫外光を遮蔽する部材の隙間に空気があるとオゾンが発生する可能性があるため,側壁と隙間なく密着させなければならない。ところが,側壁の外側の温度は,コイルに供給する高周波電力のパワーが大きいほど高温(例えば400℃以上)になるので,紫外光を遮蔽する部材はそのような高温にも耐えられる耐熱性を有する必要がある。このように,紫外光を遮蔽する部材は,高周波回路の一部を構成する側壁とコイルとの間に設けるので種々の制約があり,これらの条件を満たす必要がある。
そこで,本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的とするところは,プラズマ生成室内に発生させる誘導電磁界に影響を与えることなく,そのプラズマより発生する紫外光を外部に漏れることを防止できるプラズマ処理装置を提供することにある。
上記課題を解決するために,本発明のある観点によれば,水素を含む処理ガスを励起して生成されたプラズマにより被処理基板に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置であって,前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と,前記プラズマ生成室に連通する処理室と,前記処理室内に配置され,前記被処理基板を載置する載置台と,を備え,前記プラズマ生成室は,筒状の側壁を有する反応容器と,前記反応容器内に処理ガスを導入する処理ガス導入部と,前記側壁の周りに巻回して配設され,所定の高周波電力を印加するコイルと,前記側壁の外側表面を被覆する被覆膜と,を備え,前記被覆膜は,前記反応容器内に生成されるプラズマからの紫外光を遮光するとともに,耐熱性を有する絶縁材料からなる薄膜であることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
上記課題を解決するために,本発明の別の観点によれば,水素を含む処理ガスを励起してプラズマを生成させるプラズマ生成室であって,前記処理ガスを導入する処理ガス導入部と,筒状の側壁を有する反応容器と,前記反応容器内に処理ガスを導入する処理ガス導入部と,前記側壁の周りに巻回して配設され,所定の高周波電力を印加するコイルと,前記側壁の外側表面を被覆する被覆膜と,を備え,前記被覆膜は,前記反応容器内に生成されるプラズマからの紫外光を遮光するとともに,耐熱性を有する絶縁材料からなる薄膜であることを特徴とするプラズマ生成室が提供される。
このような本発明によれば,プラズマ生成室を構成する反応容器の側壁の外側表面を紫外光を遮光する被覆膜で被覆したことにより,反応容器内で発生したプラズマからの紫外光が側壁の外側の大気中に漏れ出さないようにすることができるので,紫外光と大気中の酸素とが反応してオゾンが発生することを防止できる。
また,上記被覆膜は耐熱性を有する絶縁材料からなる薄膜によって構成したので,プラズマ生成室内に処理ガスをプラズマ励起する誘導電磁界を発生させるための高周波回路の一部を構成する側壁とコイルとの間に設けても,高周波回路として想定通りに機能させることができる。このため,プラズマ生成室内に所定の誘導電磁界を発生させることができるので,生成されるプラズマの状態に影響を与えることなく,そのプラズマより発生する紫外光が外部に漏れることを防止できる。すなわち,被覆膜を導電性材料ではなく,絶縁材料で構成することによって,コイルに高周波電力を印加したときに上記高周波回路が短絡(ショート)することを防止でき,被覆膜を薄膜で構成することによって側壁の厚みを変えなくて済むので高周波回路のキャパシタンスなどが変わることもない。また,側壁と被覆膜との間の密着性を高めることもできるので,側壁と被覆膜との間にオゾンが発生することもない。
さらに,上記被覆膜は耐熱性を有するので,プラズマが生成されたときに温度が上昇する反応容器の側壁に密着させても耐えることができる。実用的には例えば400℃以上の耐熱性を有することにより,被処理基板の様々な処理に適用することができる。
また,上記反応容器の側壁は,その内側表面と外側表面を粗面加工し,前記粗面加工後の外側表面に前記被覆膜を成膜するようにしてもよい。これによれば,プラズマから発生する紫外光を含む光を側壁の内側表面と外側表面で乱反射させることができるので側壁の一部に集中することを防止でき,粗面加工後の側壁の外側表面に被覆膜を成膜するので側壁と被覆膜との密着度を向上させることができる。これにより,被覆膜のひび割れを防止できる。
この場合,上記反応容器の側壁は,その内側表面と外側表面の全面に前記粗面加工を施すようにしてもよく,また,上記反応容器の側壁は,その外側表面の全面に前記粗面加工を施すとともに,前記側壁の内側表面の一部に前記粗面加工を施すようにしてもよい。
なお,上記反応容器の側壁の内側表面の一部に前記粗面加工を施す場合には,その内側表面のうち,反応容器内に生成されるプラズマの位置に応じてそのプラズマの周囲を囲む部位に前記粗面加工を施すようにしてもよい。これによれば,側壁の内側表面のうち,プラズマから発生した紫外光を含む強い光が集中し,被覆膜のひび割れの可能性が高い部位に粗面加工を施して乱反射させることができる。被覆膜のひび割れを十分に防止しながらも,側壁の内側表面において粗面加工を施す部位を極力少なくすることができる。これにより,側壁の内側表面に反応生成物などのパーティクルなどが付着することを極力防止できる。
上記課題を解決するために,本発明の別の観点によれば,水素を含む処理ガスを励起して生成されたプラズマにより被処理基板に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置であって,前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と,前記プラズマ生成室に連通する処理室と,前記処理室内に配置され,前記被処理基板を載置する載置台と,を備え,前記プラズマ生成室は,絶縁材料からなる複数の筒状部材をそれぞれ真空の密閉空間を空けて重ねて一体化した側壁を有する反応容器と,前記反応容器内に前記処理ガスを導入する処理ガス導入部と,前記側壁の周りに巻回して配設され,所定の高周波電力を印加するコイルと,前記側壁の外側表面を被覆する被覆膜と,を備え,前記被覆膜は,前記反応容器内に生成されるプラズマからの紫外光を遮光するとともに,耐熱性を有する絶縁材料からなる薄膜であることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
このような本発明によれば,反応容器内で発生したプラズマからの紫外光が側壁の外側の大気中に漏れ出さないようにすることができ,紫外光と大気中の酸素とが反応してオゾンが発生することを防止できる。しかも,反応容器の側壁を筒状部材を重ねた多重構造にしたことにより,反応容器内にプラズマを生成させた場合の側壁の外側表面の温度を下げることができるので,被覆膜の強度劣化によるひび割れを防止できる。
また,上記各筒状部材は,その内側表面と外側表面を粗面加工し,最も外側に配置される筒状部材の粗面加工後の外側表面に前記被覆膜を成膜するようにしてもよい。これにより,プラズマPから紫外光を含む光が側壁の一部に集中することを防止することができるので,被覆膜のひび割れ防止効果を一層高めることができる。
上述した被覆膜として最適な材料を見つけ出すのに,本発明者らは試行錯誤を繰り返した結果,例えばシリカ含有アモルファスカーボン系膜を用いることが好ましいことが判明した。シリカ含有アモルファスカーボン系膜は,紫外光を含む300nm以下の波長の光を通さない紫外光遮蔽性の高い材料であり,しかも絶縁材料であるとともに,500℃以上の高温に耐え得る耐熱性も有している。しかも,CVD法による成膜によって側壁に薄膜形成が可能であるため,側壁の外側表面に隙間なく密着させることができる。
なお,本明細書中1Torrは(101325/760)Paとする。
本発明によれば,プラズマ生成室内に発生させるプラズマの状態に影響を与えることなく,そのプラズマより発生する紫外光を外部に漏れることを防止できるプラズマ処理装置等を提供できる。
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書及び図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(プラズマ処理装置の構成例)
先ず,本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成例について図面を参照しながら説明する。ここでは,水素を含む処理ガスを励起させて発生したプラズマ(以下,「水素プラズマ」ともいう)により生成された水素ラジカルを用いたダウンフロータイプのプラズマ処理装置を例に挙げる。図1は,本実施形態にかかるプラズマ処理装置100の概略構成を示す縦断面図である。プラズマ処理装置100は,例えばLow−k膜などの低誘電率絶縁膜を有するウエハWに対して水素ラジカルを供給して,低誘電率絶縁膜上に形成されているフォトレジスト膜をアッシング除去する処理を行うようになっている。
図1に示すように,プラズマ処理装置100は,ウエハWの処理を行う処理室102と,この処理室102に連通し,処理ガスを励起させてプラズマを生成する略円筒状のプラズマ生成室104を備える。プラズマ生成室104は,処理室102の上方に連続して設けられ,誘導結合プラズマ(ICP)方式によって導入される処理ガスのプラズマを生成するように構成されている。
処理室102内にはウエハWを水平に支持する円板状の載置台106が設けられている。載置台106は,処理室102の底部に設けられた円筒状の支持部材108に支持されている。載置台106は,例えば窒化アルミニウムなどのセラミックスからなる。なお,載置台106の外縁部に,載置台106に載置されたウエハWをクランプする図示しないクランプリングを設けるようにしてもよい。
載置台106内にはウエハWを加熱するためのヒータ112が埋設されており,このヒータ112はヒータ電源114から給電されることによりウエハWを所定の温度(例えば300℃)に加熱できるようになっている。このときの温度は,低誘電率絶縁膜が大きなダメージを受けない程度の温度,例えば250℃〜400℃程度の範囲で設定されることが好ましい。
処理室102の底壁には排気管126が接続されており,この排気管126には真空ポンプを含む排気装置127が接続されている。排気装置127を作動させることにより処理室102及びプラズマ生成室104内を所定の真空度まで減圧することができる。
また,処理室102の側壁には,ゲートバルブ130によって開閉自在な搬出入口132が形成されている。ウエハWの搬出入は,例えば図示しない搬送アームなどの搬送機構によって行われる。
上記プラズマ生成室104は,上下に開口端を有する筒状の側壁142と,側壁142の上側の開口端を気密に閉塞する蓋体144とにより構成される反応容器140を備える。側壁142の下側の開口端は処理室102の上側に形成された開口端に取付けられており,プラズマ生成室104の内部空間が処理室102の内部空間に連続するようになっている。例えば図1に示すように側壁142は,その下側の開口端に設けられた下部フランジ142bをボルトなどの締結部材により処理室102に固定することで,処理室102に着脱自在に取り付けられている。
上記蓋体144は,例えば図1に示すように側壁142の上側の開口端に設けられた上部フランジ142aにボルトなどの締結部材で着脱自在に取り付けられている。蓋体144には処理ガス導入部が接続されている。具体的には,蓋体144にはガス導入口122が形成されており,ガス供給源120から所定の処理ガスがこのガス導入口122を介して反応容器140内に導入されるようになっている。ガス供給源120とガス導入口122を接続するガス配管124には,図示はしないが,ガス配管124を開閉するための開閉バルブ,処理ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラなどが設けられている。
蓋体144には,ガス導入口122から導入される処理ガスの流れを調整するための整流板128が設けられている。具体的には例えば図1に示すように,整流板128は蓋体144の下面から離間して取り付けられる。これによれば,図1に示す矢印のようにガス導入口122からの処理ガスは整流板128によって,反応容器140の水平面内の中心付近からその周縁付近へ向けて放射線状に広がって,整流板128と側壁142との間の隙間から下方に流れるようになる。これにより,例えば反応容器140内に水平面内の中心付近よりも周縁付近の方が高密度になる,いわゆるドーナツ状のプラズマが生成される場合には,反応容器140内の中心付近よりも周縁付近に多くの処理ガスを流すことができるので,処理ガスの無駄を防止でき,効率よくプラズマを生成することができる。なお,整流板128は必ずしも設けなくてもよく,また反応容器140内に生成するプラズマもドーナツ状のものに限定されるものではない。
上記処理ガスとしては,水素を含有するガスであって水素ラジカル(H)を発生させるガスを用いる。例えば水素ガス単体でもよく,また水素ガスと不活性ガスとの混合ガスであってもよい。この場合の不活性ガスとしては,例えばヘリウムガス,アルゴンガス,ネオンガスが挙げられる。なお,水素ガスと不活性ガスの混合ガスを処理ガスとして用いる場合には,水素ガスの混合比は,例えば4%に調整される。
反応容器140の側壁142は,例えば石英ガラス,セラミックス等の絶縁材料により構成され,側壁142の外周にはアンテナ部材としてのコイル116が巻回して配置される。コイル116には高周波電源118が接続されている。高周波電源118は,300kHz〜60MHzの所定のパワーの高周波電源を出力することができる。例えばコイル116に供給する高周波電力の周波数(共振モード)に応じて反応容器140の高さ方向に複数のプラズマが発生する。例えば反応容器140の高さ方向にそれぞれ離間して3つのドーナツ状のプラズマを発生させることができる。
このような構成のプラズマ生成室104においては,高周波電源118からコイル116に例えば450kHzの高周波電力を供給することにより,反応容器140の内部,すなわち側壁142の内側に誘導電磁界が形成される。これにより,反応容器140内に導入された処理ガスが励起されてプラズマが生成される。
このように,石英ガラスなどの絶縁材料で構成される側壁142はコイル116とともに,側壁142の内側にプラズマを生成するための誘導電磁界を形成する反応容器140の高周波(RF)回路の一部を構成する。これに対して例えば反応容器140の蓋体144については,側壁142の場合とは異なり,上記高周波回路の一部を構成するものではない。このため,蓋体144は側壁142のように絶縁材料で構成する必要はない。すなわち,蓋体144は側壁142と同じ材質であってもよく,異なる材質であってもよい。また,蓋体144の厚みや形状についても側壁142と同じにする必要はない。
反応容器140内にプラズマが生成されると,このプラズマからは,大気中の酸素と反応してオゾンを発生させるような紫外光が発生する。特に水素含有処理ガスを励起して生成されるプラズマからは,酸素含有処理ガスを励起して生成されるプラズマからよりもはるかに強力な紫外光が発生することが本発明者らの実験等により明らかになった。
反応容器140は側壁142によって,所定の真空圧力まで減圧されて真空の内側空間と大気の外側空間とが区画されるので,その側壁142の内側で生成されたプラズマからの紫外光が側壁142を透過して外側の大気中に漏れ出してしまうと,大気中の酸素と紫外光が反応してオゾンが発生する虞がある。このような水素含有処理ガスによるプラズマからの紫外光が大気中の酸素と反応して発生するオゾンの量を実験により測定してみたところ,酸素含有処理ガスによるプラズマからの紫外光の場合に比して約5倍も発生することがわかった。
そこで,本実施形態にかかるプラズマ生成室104では,反応容器140の側壁142の外側表面を,反応容器140内に生成されるプラズマからの紫外光を外部に漏らさないように遮光する被覆膜150で被覆する。ここでいう紫外光とは,プラズマから発光され,大気中の酸素と反応してオゾンを発生し得る可視光よりも短い波長の光であり,例えば大気中の紫外光のような波長の光のみならず,さらに短い真空紫外光のような波長の光も含まれる。本実施形態によれば,このようなプラズマからの紫外光は被覆膜150で遮光され,側壁142よりも外側の大気中に漏れることを防止できるので,反応容器140の外側でオゾンを発生させないようにすることができる。
また,ここでの被覆膜150は,上述したように反応容器140の高周波回路の一部を構成する側壁142とコイル116との間に形成するものであるため,単に紫外光を遮蔽できるだけでは足りず,高周波回路として想定通りに機能するように構成する必要がある。
具体的には,先ず被覆膜150は,絶縁性材料からなる薄膜で構成する。被覆膜150はコイル116の内側に存在するため,もし被覆膜150を導電性材料で構成すると,コイル116に高周波電力を印加したときに反応容器140の高周波回路が短絡して機能を果たさなくなる虞があるので,これを防止するためである。具体的には被覆膜150は反応容器140の側壁142を構成する絶縁性材料に近い体積抵抗率を有するほど好ましいが,必ずしも同程度の体積抵抗率でなくてもよい。例えば体積抵抗率としては,1010オーム・cmオーダー以上の絶縁性材料が好ましく,1012オーム・cmオーダー以上の絶縁性材料がより好ましい。
また,被覆膜150を例えばCVD(化学気相成長)法などによって成膜した薄膜で構成することによって,反応容器140の側壁142の厚みを変えることなく,紫外光を遮蔽できる。例えば側壁142の厚みが数mm程度の場合,被覆膜150の厚みは数μm程度であることが好ましい。
もし反応容器140の側壁142に被覆膜150を設けずに,側壁142の厚みを厚くすることによって紫外光を遮蔽しようとすれば,例えば側壁142の厚みが数mm程度であれば,その厚みを例えば2倍以上にするなど大幅に厚くしなければならなくなる。ところが側壁142の厚みを厚くするほど,反応容器140の高周波回路のキャパシタンスなどの電気的特性が大きく変わってしまうという問題がある。また,側壁142の厚みを厚くするほど,側壁142の内側表面と外側表面の温度差も大きくなるので,熱応力などの内部応力も大きくなって側壁142自体が壊れやすくなってしまうという問題もある。
これに対して,本実施形態による被覆膜150で側壁142を被覆しても,側壁142の厚みは変わらないため,反応容器140の高周波回路のキャパシタンスなどの電気的特性も変わることはなく,所定の誘導電磁界を発生させることができる。このため,発生するプラズマの状態(例えばプラズマの発生位置,プラズマの面内方向の密度,プラズマの強さなど)も変わることなく,所定のウエハの処理結果が得られる。
また,本実施形態による紫外光を遮光する被覆膜150は例えばCVD(化学気相成長)法などによって成膜することにより,側壁142の外側表面全体に隙間なく密着させることができる。これにより,側壁142と被覆膜150と間に空気がない状態にすることができるので,側壁142と被覆膜150と間にオゾンが発生することを防止できる。
但し,このように反応容器140の側壁142を被覆膜150で被膜するので,被覆膜150は側壁142の外側表面の温度に耐え得る程度の耐熱性を有する必要がある。側壁142の外側表面の温度は,コイル116に供給する高周波電力のパワーが大きいほど高温(例えば400℃以上)になる。側壁142の外側表面の温度は,その材質や厚みによっても異なるが,高周波電力のパワーが例えば3kW程度で400℃くらいまで昇温し,さらに5kW程度では500℃〜600℃くらいまで昇温する。従って,被覆膜150としては,実用的には例えば400℃以上の耐熱性を有することが好ましい。
また,側壁142を被覆膜150で被覆するので,被覆膜150の熱膨張率は側壁142の熱膨張率にできるだけ近いことが好ましい。これは側壁142の外側表面は例えば400℃以上の高温になるので,被覆膜150と側壁142との熱膨張率の差が大きいほど,側壁142と被覆膜150との縦方向の熱膨張量に大きな差が生じ易いからである。このような熱膨張量の差に応じて側壁142と被覆膜150との間に発生する内部応力の大きさが大きいほど,側壁142又は被覆膜150にひび割れなどが発生する虞が高くなるので,これを防止するためである。
但し,例えば側壁142の外側表面の温度状況(例えば温度の高さや温度の変化の繰り返し状況)によっては,被覆膜150と側壁142との熱膨張率に差があっても,ひび割れなどは発生しないので,使用状況に応じて被覆膜150の熱膨張率の差が許容される範囲も広がる。また,側壁142と被覆膜150との密着力が高ければ,被覆膜150と側壁142との熱膨張率に差があっても,側壁142又は被覆膜150にひび割れなどが発生することはない。特に本実施形態にかかる被覆膜150を例えばCVD法で側壁142に成膜することにより,被覆膜150の密着力を高めることができるので,被覆膜150と側壁142との熱膨張率に多少の差(例えば10/℃〜10/℃オーダーの差)があっても,側壁142又は被覆膜150にひび割れなどの発生を十分に防止できる。
このように,被覆膜150と側壁142との熱膨張率はできるだけ近いことが好ましいが,必ずしも同程度でなくてもよい。すなわち,被覆膜150の材質は側壁142との熱膨張量の差が大きくなり過ぎないような熱膨張率を有していれば足りる。例えば側壁142が石英ガラス(熱膨張率は10−8/℃オーダー)で構成される場合には,被覆膜150は10−6/℃〜10−5/℃オーダー以下の熱膨張率を有していることが好ましい。
このような本実施形態にかかる被覆膜150としては,例えばシリカ含有アモルファスカーボン系膜を用いることが好ましい。シリカ含有アモルファスカーボン系膜は,紫外光を含む300nm以下の波長の光を通さない紫外光遮蔽性の高い材料であり,体積抵抗率が1012オーム・cmオーダーの絶縁材料であるとともに,500℃以上の高温に耐え得る耐熱性も有している。しかも,CVD法による成膜によって側壁142に薄膜形成が可能である。
なお,本実施形態にかかる被覆膜150としては,上記シリカ含有アモルファスカーボン系膜に限られるものではないことは言うまでもない。上述した絶縁性,耐熱性を有する薄膜であれば,例えば側壁142の温度状況,コイル116へ印加する高周波電力,プラズマから発生する紫外光の波長などに応じて,被覆膜150を構成する材料を適宜選択することができる。例えばプラズマから発生する紫外光として,200μm以下の波長の紫外光が側壁142を透過してオゾン発生の要因になるような場合には,その範囲の紫外光を遮蔽できる薄膜,例えばY系緻密膜を被覆膜150として側壁142の外側表面に成膜してもよい。
また,反応容器140の側壁142の上部フランジ142aと下部フランジ142bの外側表面には被覆膜150を設けなくてもよい。この上部フランジ142aと下部フランジ142bの部分にはプラズマからの紫外光が到達し難く,また一般に上部フランジ142aと下部フランジ142bの厚みは,これらの間の部分(側壁142の側部)の厚みよりも厚いことから,たとえ上部フランジ142aや下部フランジ142bの部分まで紫外光が到達したとしても,その外側に至るまでに大きく減衰するので,これら上部フランジ142aと下部フランジ142bから紫外光が漏れ出すことはないからである。
従って,例えば図1に示すように上部フランジ142aと下部フランジ142bの間の部分(側壁142の側部)の外側表面のみに被覆膜150を形成すれば十分である。但し,これら上部フランジ142aと下部フランジ142bについても厚みを薄くする場合には,上部フランジ142aと下部フランジ142bの外側表面についても,被覆膜150を形成するようにしてもよい。なお,反応容器140の側壁142に,必ずしも上部フランジ142aと下部フランジ142bを設けなくてもよい。
このようなプラズマ処理装置100において,ウエハWに対して水素ラジカルを用いた処理を行う場合,まずゲートバルブ130を開いて,搬出入口132から処理室102内にウエハWを搬入する。
次に,ゲートバルブ130を閉じて,排気装置127によって処理室102内及びプラズマ生成室104内を排気して所定の減圧状態にする。ウエハWが所定の温度(例えば300℃)になるように,ヒータ電源114からヒータ112に供給する電力を設定する。
続いて,ガス供給源120からプラズマ生成室104内にガス導入口122を介して処理ガスとしての水素含有ガスを供給しつつ,高周波電源118からコイル116に高周波電力(例えば4000W)を供給して,プラズマ生成室104内に誘導電磁界を形成すると,プラズマ生成室104内に水素プラズマが生成される。こうして反応容器140内に生成された水素プラズマにより処理室102内のウエハWの表面は,例えばウエハW上のフォトレジスト膜のアッシング処理など所定の処理が実行される。
このとき,図2に示すようにプラズマ生成室104内で生成されたプラズマPからは紫外光(図2中矢印)が発生して反応容器140の側壁142にも照射されるものの,被覆膜150により遮蔽されて側壁142の外側の大気中に紫外光が漏れ出すことはない。これにより,側壁142の外側にオゾンが発生することを防止できる。
(実験結果)
ここで,本実施形態にかかるプラズマ処理装置100を用いてオゾン発生防止効果を確認する実験を行った結果について説明する。先ず,反応容器140の側壁142にシリカ含有アモルファスカーボン系膜からなる被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)について,被覆膜150を成膜しない場合(被覆膜なし)と比較する実験を行った結果を下記表1に示す。ここでの実験の処理条件は以下の通りである。すなわち,使用した処理ガスは,水素ガスと不活性ガスの混合ガスであって,水素ガスの混合比を4%に調整したものであり,処理室内の圧力は1.5Torrとし,コイル116に印加する高周波電力のパワーを3kWとした。このような処理条件で側壁142に被覆膜150を成膜した場合と,被覆膜150を成膜しない場合についてそれぞれプラズマ処理装置100を稼働し,稼働前と稼働後における側壁142の外側のオゾン量を測定する実験を行った。
なお,本実験でオゾン量を測定した部位については,反応容器140内に最も強いプラズマが発生する部位,例えば図1に示すプラズマ生成室104の高さ方向の中央付近における側壁142の外側部位でオゾン量を測定した。また,オゾン量を測定したタイミングについては,コイル116に高周波電力印加後30秒後である。これはプラズマからの紫外光によって発生するオゾンの量は,コイル116に高周波電力印加し始めてプラズマの状態が安定するまでくらい(例えば30秒後〜60秒後くらい)が最も大きくなり,その後は徐々に減少する傾向にあることが他の実験によって確認できたので,オゾンの量が最も多くなる可能性の高いタイミング(ここでは30秒後)にオゾン量の測定したものである。
Figure 0004931716
上記表1に示す結果によれば,被覆膜150を成膜しない場合(被覆膜なし)の場合には,未だプラズマが発生していない稼働前のオゾン量(バックグラウンドのオゾン量)は,0.012ppmから見て,プラズマが発生した稼働後のオゾン量は0.570ppmまで増加している。これは,プラズマから発生した紫外光が側壁142を透過して外側へ漏れ出して,大気中の酸素と反応してオゾンが発生したものと考えられる。
これに対して,被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)の場合には,0.012ppmであり,稼働前のオゾン量から変化していない。これらの実験結果によれば,被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)の場合には,例えば図2に示すように,プラズマPから発生した紫外光が被覆膜150により遮光されて側壁142の外側へ漏れなくなり,オゾンの発生を防止できたことがわかる。
次に,上記と同様の処理条件でプラズマ処理装置100を稼働し,コイル116に印加する高周波電力のパワーだけを変えて実験を行った結果を下記表2に示す。ここでは,反応容器140の側壁142にシリカ含有アモルファスカーボン系膜からなる被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)について,コイル116に印加する高周波電力のパワーを,1.5kW,4kW,5kWの場合についてそれぞれ,プラズマ処理装置100を稼働し,上記と同様に稼働前と稼働後のオゾン量を測定する実験を行った。
Figure 0004931716
上記表2に示す実験結果によれば,コイル116に印加する高周波電力が1.5kW,4kW,5kWの場合のそれぞれについて,稼働前と稼働後とでオゾン量がほとんど変化していない。これによれば,コイル116に印加する高周波電力を変えても,被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)の場合には,プラズマが発生した紫外光が被覆膜150により遮光されて側壁142の外側へ漏れなくなり,オゾンの発生を防止できたことがわかる。
ここで,実際にプラズマからの紫外光が遮光されているか否かを確認した実験結果について説明する。ここでは,シリカ含有アモルファスカーボン系膜からなる被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)と被覆膜150を成膜しない場合(被覆膜なし)の場合のそれぞれについて,コイル116に印加する高周波電力は1.5kW〜5kWの範囲,4%の水素ガスを含む不活性ガスを処理ガスとしてその流量は3L〜9Lの範囲とし,これらの範囲で,高周波電力と処理ガス流量の組合せを変えて,それぞれについて側壁142の外側で受光した光のスペクトル(200nm〜800nm)を測定した。これらすべての実験結果について実際に紫外光がオゾンを発生させない程度に十分遮光されていることが確認できた。また,いずれの実験結果においても紫外光遮蔽効果は同様であったため,ここでは,コイル116に印加する高周波電力を1.5kW,処理ガスを3Lとした場合の実験結果を図3に示す。
図3に示す実験結果によれば,紫外光の波長領域(例えば400nm以下の波長領域)では,被覆膜150を成膜しない場合(被覆膜なし)には全体的に強度が高くなっているとともに波長によってはピーク的な強度も見られるのに対して,被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)には全体的に強度が低くなるとともにピーク的な強度もなくなっている。このように,被覆膜150を成膜した場合(被覆膜あり)には,被覆膜150を成膜しない場合(被覆膜なし)に比して,オゾン発生の要因となる紫外光が側壁142の外部に漏れないように遮光できる。
ところで,ウエハWの処理を行う場合にはプラズマを生成させるので側壁142の温度も高温(例えば400℃以上)になり,ウエハWの処理が終了するとプラズマを消失させるので側壁142の温度も常温(例えば25℃)に戻る。このようなウエハWの処理を繰り返すと,側壁142の温度も高温と常温が繰り返され,その温度変化によって側壁142の被覆膜150も熱膨張が繰り返されるので,繰り返し回数が多いほど,またウエハWの処理時と被処理時の温度差が大きいほど,被覆膜150の強度が劣化してひび割れが生じ易くなる。特に,被覆膜150の熱膨張率が側壁142の熱膨張率と異なる場合には,上述したように被覆膜150と側壁142との間に膨張量の差に応じた応力が生じるため,被覆膜150の強度が劣化し易くなる。
この場合,例えば被覆膜150の熱膨張率が側壁142の熱膨張率よりも大きい場合には,図4に示すように被覆膜150の方が伸縮が大きくなるので,被覆膜150にひび割れが生じると,その部分が互いに重なり合うようになる。しかも,図4に示すA部のように,プラズマPが最も強く発生する位置に近い部位ほど,被覆膜150にひび割れが生じやすい。これはプラズマPから近い部位ほど,そのプラズマPから発生した紫外光を含む強い光が集中するからと考えられる。
そこで,このような被覆膜150の強度劣化によるひび割れを防止するため,例えば図5に示すように,反応容器140の側壁142は,その内側表面と外側表面の全面に粗面加工を施し,粗面加工後の外側表面に被覆膜150を成膜するようにしてもよい。このように側壁142の内側表面と外側表面に粗面加工を施すことにより,例えば図6に示すようにプラズマPから発生する紫外光を含む光を側壁142の内側表面と外側表面で乱反射させることができるので,側壁142の一部(例えば図6に示すA部)に集中することを防止できる。また,粗面加工後の側壁142の外側表面に被覆膜150を成膜するので,側壁142と被覆膜150との密着度を向上させることができる。これにより,被覆膜150のひび割れを防止できる。
なお,図5では側壁142の表面のうち,被覆膜150が成膜される外側表面の全面に粗面加工を施すとともに,内側表面の全面にも粗面加工を施した場合の具体例を挙げたが,必ずしもこれに限定されるものではなく,側壁142の内側表面についてはその一部に粗面加工を施すようにしてもよい。この場合,側壁142の内側表面のうち,反応容器140内に生成されるプラズマの位置に応じてそのプラズマの周囲を囲む部位のみに粗面加工を施すことが好ましい。例えば図6に示すように側壁142の高さ方向の中央部位にプラズマが生成される場合には,側壁142の内側表面のうち,プラズマを囲む中央部位のみに粗面加工を施すことが好ましい。
これによれば,側壁142の内側表面のうち,プラズマから発生した紫外光を含む強い光が集中し,被覆膜150のひび割れの可能性が高い部位に粗面加工を施して乱反射させることができる。被覆膜150のひび割れを十分に防止しながらも,側壁142の内側表面において粗面加工を施す部位を極力少なくすることができる。これにより,側壁142の内側表面に反応生成物などのパーティクルなどが付着することを極力防止できる。
なお,反応容器140内の高さ方向に複数のプラズマが発生する場合には,側壁142の内側表面のうち,各プラズマを囲む部位に粗面加工を施すようにしてもよく,また最も強く発生するプラズマを囲む部位に粗面加工を施すようにしてもよい。例えば上述したように反応容器140の高さ方向の中央とその上下に離間して合計3つのドーナツ状のプラズマが発生する場合には,中央に生成されるプラズマが最も強くなるので,そのプラズマを囲む部位,すなわち側壁142の内側表面のうち反応容器140の高さ方向の中央部位に粗面加工を施すことが好ましい。
また,上記のように側壁142の内側表面の一部を粗面加工する場合でも,側壁142の外側表面については全面を粗面加工することが望ましい。側壁142の外側表面は,パーティクルなどの付着を考える必要がないばかりか,側壁142の外側表面の全面を粗面加工することで被覆膜150の密着性を高めることができるからである。
上記の他,例えば反応容器140の側壁142を多重構造にすることで反応容器140内にプラズマを生成させた場合の側壁142の外側表面の温度を下げることができるので,これによっても被覆膜150の強度劣化によるひび割れを防止できる。例えば側壁142を絶縁部材からなる複数の筒状部材をそれぞれ真空の密閉空間を空けて重ねて一体化して構成し,側壁142の最も外側の表面に被覆膜150を成膜するようにしてもよい。
ここで,反応容器140の側壁142を2重構造にした場合の具体例を図7に示す。図7に示す側壁142は,絶縁部材からなる2つの筒状部材146,148を真空の密閉空間147を空けて重ねて一体化して構成したものである。被覆膜150は,側壁142の最も外側の筒状部材148の外側表面に成膜する。
これによれば,反応容器140内で生成されたプラズマから発生する紫外光を含む光が側壁に照射されても,これらの光は内側の筒状部材146,真空の密閉空間147,外側の筒状部材148を通って大きく減衰するため,側壁142の外側表面の温度を,1つの側壁142で構成する場合よりも低下させることができる。しかも,各筒状部材146,148の間に真空の密閉空間147を設けることにより,断熱効果も高まるので,側壁142の外側表面の温度をより低下させることができる。これにより,側壁142の外側表面について,プラズマが生成されている場合と生成されていない場合との温度差を低くすることができるので,被覆膜150のひび割れを防止できる。また,被覆膜150を成膜する側壁142の外側表面の温度を低下させることができるので,被覆膜150自体についても,より低い耐熱性の材料で構成することができる。
なお,このように側壁142を多重構造にした場合に,さらに側壁142を構成する各筒状部材の内側表面と外側表面を粗面加工するようにしてもよい。これにより,プラズマPから紫外光を含む光が側壁142の一部に集中することを防止することができる。例えば図7に示す2重構造の側壁142の各筒状部材146,148の内側表面と外側表面を粗面加工したものを図8に示す。これによれば,プラズマから発生する紫外光を含む光を筒状部材146,148の両方の内側表面と外側表面で乱反射させることができるので,被覆膜150のひび割れ防止効果を一層高めることができる。
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は,プラズマを用いて被処理基板に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置及びプラズマ生成室に適用可能である。
本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置の構成例を示す断面図である。 図1に示す反応容器の側壁内に生成されたプラズマからの紫外光が遮光される様子を模式的に表した図である。 反応容器の側壁の外側で測定した光のスペクトルを示す図であって,側壁に被覆膜を成膜した場合と被覆膜を成膜しない場合とを比較するための図である。 同実施形態にかかる被覆膜の膜質が劣化してひび割れが発生した場合を模式的に表した図である。 同実施形態にかかる反応容器の側壁の変形例であり,内側表面と外側表面を粗面加工した場合を模式的に表した図である。 図5に示す反応容器の側壁内にプラズマが生成されたプラズマからの紫外光が遮光される様子を模式的に表した図である。 同実施形態にかかる反応容器の側壁の他の変形例であり,側壁を2つの筒状部材を重ねて2重構造にした場合を模式的に表した図である。 図7に示す反応容器の側壁を構成する各筒状部材について内側表面と外側表面を粗面加工した場合を模式的に表した図である。
符号の説明
100 プラズマ処理装置
102 処理室
104 プラズマ生成室
106 載置台
108 支持部材
110 クランプリング
112 ヒータ
114 ヒータ電源
116 コイル
118 高周波電源
120 ガス供給源
122 ガス導入口
124 ガス配管
126 排気管
127 排気装置
128 整流板
130 ゲートバルブ
132 搬出入口
140 反応容器
142 側壁
142a 上部フランジ
142b 下部フランジ
144 蓋体
146,148 筒状部材
147 密閉空間
150 被覆膜
W ウエハ

Claims (10)

  1. 水素を含む処理ガスを励起して生成されたプラズマにより被処理基板に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置であって,
    前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と,
    前記プラズマ生成室に連通する処理室と,
    前記処理室内に配置され,前記被処理基板を載置する載置台と,を備え,
    前記プラズマ生成室は,
    筒状の側壁を有する反応容器と,
    前記反応容器内に処理ガスを導入する処理ガス導入部と,
    前記側壁の周りに巻回して配設され,所定の高周波電力を印加するコイルと,
    前記側壁の外側表面を被覆する被覆膜と,を備え,
    前記被覆膜は,前記反応容器内に生成されるプラズマからの紫外光を遮光するとともに,耐熱性を有する絶縁材料からなる薄膜であり,前記反応容器の側壁は,その内側表面と外側表面を粗面加工し,前記粗面加工後の外側表面に前記被覆膜を成膜したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記被覆膜は,少なくとも400℃以上の耐熱性を有することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記被覆膜は,シリカ含有アモルファスカーボン系膜であることを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記反応容器の側壁は,その内側表面と外側表面の全面に前記粗面加工を施したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記反応容器の側壁は,その外側表面の全面に前記粗面加工を施すとともに,前記側壁の内側表面の一部に前記粗面加工を施したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  6. 前記反応容器の側壁は,その内側表面のうち,前記反応容器内に生成されるプラズマの位置に応じてそのプラズマの周囲を囲む部位に前記粗面加工を施したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
  7. 水素を含む処理ガスを励起して生成されたプラズマにより被処理基板に対して所定の処理を施すプラズマ処理装置であって,
    前記処理ガスを励起させてプラズマを生成するプラズマ生成室と,
    前記プラズマ生成室に連通する処理室と,
    前記処理室内に配置され,前記被処理基板を載置する載置台と,を備え,
    前記プラズマ生成室は,
    絶縁材料からなる複数の筒状部材をそれぞれ真空の密閉空間を空けて重ねて一体化した側壁を有する反応容器と,
    前記反応容器内に前記処理ガスを導入する処理ガス導入部と,
    前記側壁の周りに巻回して配設され,所定の高周波電力を印加するコイルと,
    前記側壁の外側表面を被覆する被覆膜と,を備え,
    前記被覆膜は,前記反応容器内に生成されるプラズマからの紫外光を遮光するとともに,耐熱性を有する絶縁材料からなる薄膜であり,前記各筒状部材は,その内側表面と外側表面を粗面加工し,最も外側に配置される筒状部材の粗面加工後の外側表面に前記被覆膜を成膜したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 前記被覆膜は,少なくとも400℃以上の耐熱性を有することを特徴とする請求項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記被覆膜は,シリカ含有アモルファスカーボン系膜であることを特徴とする請求項7又は8に記載のプラズマ処理装置。
  10. 水素を含む処理ガスを励起してプラズマを生成させるプラズマ生成室であって,
    前記処理ガスを導入する処理ガス導入部と,
    筒状の側壁を有する反応容器と,
    前記反応容器内に処理ガスを導入する処理ガス導入部と,
    前記側壁の周りに巻回して配設され,所定の高周波電力を印加するコイルと,
    前記側壁の外側表面を被覆する被覆膜と,を備え,
    前記被覆膜は,前記反応容器内に生成されるプラズマからの紫外光を遮光するとともに,耐熱性を有する絶縁材料からなる薄膜であり,前記反応容器の側壁は,その内側表面と外側表面を粗面加工し,前記粗面加工後の外側表面に前記被覆膜を成膜したことを特徴とするプラズマ生成室。
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