JP5073545B2 - プラズマ処理装置、プラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、処理対象である被処理体を真空系の一部に含み、この被処理体の内部にプラズマを誘導することにより、被処理体の内面に成膜処理を行うプラズマ処理装置に関する。
従来より、プラズマを用いて環状部材の内部に成膜等の処理を行う装置が提案されている。例えば、真空容器内に、筒状の被加工材料と棒状のターゲットを同心状に配設した装置において、真空容器の端部でＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）共鳴によって点火したプラズマを利用して負バイアスが印加されるターゲットの表面にプラズマシースを形成し、このプラズマシースによって生じるプラズマ粒子でターゲットを飛散（スパッタ）させることにより、被加工材料に成膜を行う処理手法がある（例えば、特許文献１参照）。
また、ホローカソードによるプラズマを用いて配管の内壁面に成膜を行う処理手法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−４７２０７号公報
米国特許第７，３００，６８４号
ところで、近年、半導体製造装置等の配管等の耐蝕性を向上させるために、内面に耐蝕性の高い皮膜を形成することが提案されている。半導体の製造工程では、反応性の高いガスや人体に有害なガスを利用する場合があるため、内面に耐蝕性の高い皮膜を形成した配管等の需要は今後増大する可能性がある。
しかしながら、従来の処理手法では、真空容器内で筒状の被加工材料に成膜を行うため、被加工材料の長さは真空容器の長さの制約を受け、配管等に用いることのできるような十分な長さを有する筒状部材の成膜は困難であるという課題があった。
また、真空容器内に筒状部材を収納して成膜するため、筒状部材の内周面のみでなく、外周面にまで成膜が行われてしまい、配管等に好適な内周面にのみ皮膜処理を行うことは困難であった。
また、ホローカソードによるプラズマを用いた成膜方法は印加電圧が高いために、プラズマの密度が軸方向に大きく非線形に不均一になってしまう課題があった。
また、ホローカソードによるプラズマを用いた成膜方法は印加電圧が高いために、プラズマの密度が軸方向に大きく非線形に不均一になってしまう課題があった。
例えばアノードからの距離が離れたアスペクト比の高い細菅のような被処理体の中央部分のプラズマ密度が低くなってしまうために被処理体全体に渡って均一な処理が困難であった。
そこで、本発明は、配管等に十分な長さを有する環状部材や複雑な内部形状を有する部材の内面だけに成膜処理を行うことのできるプラズマ処理装置、プラズマ処理方法、及びこの方法で処理された被処理体を提供することを目的とする。
本発明の一局面のプラズマ処理装置は、電磁波を発生する電磁波発生源と、前記電磁波をプラズマ点火領域に誘導する電磁波誘導部と、前記プラズマ点火領域に誘導される電磁波により、内部空間内でプラズマが点火される誘電体製の真空容器と、前記真空容器に接続され、内部空間が真空雰囲気に維持される被処理体の内部空間に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記被処理体の内部空間を排気する排気手段と、前記被処理体に接続され、前記被処理体に所定電圧を印加する電圧印加手段とを含み、前記所定電圧が印加される前記被処理体の内部空間に誘導される電磁波励起プラズマにより前記被処理体の内壁面を処理する。
また、電圧印加手段は、前記被処理体の外部に接続されてもよい。
また、前記電圧印加手段によって印加させる前記所定電圧によって前記被処理体の内部空間にはシースが形成され、前記シースによって前記被処理体の内部空間に誘導される電磁波励起プラズマを用いて前記被処理体の内壁面を処理してもよい。
また、前記真空容器は誘電体製の真空管であり、当該真空管の長手方向の一部における外周部には導電管が配設されており、前記電磁波誘導部は、前記導電管の外周に離間して配設され、前記導電管との間の空間を通じて前記電磁波を前記プラズマ点火領域に誘導するように構成されており、前記真空管内には、前記導電管と前記電磁波誘導部との間に発生する電界が印加されてもよい。
また、前記電磁波発生源から前記電磁波誘導部に電磁波を誘導する導波管をさらに含み、前記真空管は、前記導波管の内部から外部に向けて前記電磁波の到来方向に直交する方向に延伸し、前記導波管内で前記導電管に覆われており、前記電磁波誘導部は、前記導波管の側壁部から前記真空管の延伸方向に突出する突出部を有しており、前記真空管は、前記突出部内において前記導電管に覆われていない非被覆部を有し、前記非被覆部において、前記導電管と前記電磁波誘導部との間に発生する電界が内部空間に印加されてもよい。
また、前記電磁波発生源から前記電磁波誘導部に電磁波を誘導する導波管をさらに含み、前記真空管は、前記導波管の内部を前記電磁波の到来方向に直交する方向に貫通し、前記導波管内で前記導電管に覆われており、前記電磁波誘導部は、前記導波管の側壁部から前記真空管の貫通方向に突出する突出部を有しており、前記真空管は、前記突出部内において前記導電管に覆われていない非被覆部を有し、前記非被覆部において、前記導電管と前記電磁波誘導部との間に発生する電界が内部空間に印加されてもよい。
また、前記電圧印加手段は、前記所定電圧として前記被処理体にパルス電圧を印加してもよい。
また、前記電圧印加手段と前記電磁波発生源とに接続される同期回路をさらに含み、前記電圧印加手段から前記被処理体に印加される前記パルス電圧の周波数と、前記電磁波発生源で発生される電磁波の周波数は同一であり、かつ、前記同期回路によって同期が取られてもよい。
また、前記被処理体は、ステンレス鋼製であってもよい。
また、前記被処理体は、大気雰囲気中に配設されてもよい。
また、前記被処理体は、湾曲部を有していてもよい。
また、前記電磁波励起プラズマの密度は、１．０ｘ１０１１ｃｍ−３以上であってもよい。
また、前記電磁波の周波数は、５０ＭＨz〜５０ＧＨzであってもよい。
また、前記電磁波の周波数は２．４５ＧＨzであり、前記電磁波によって励起される電磁波励起プラズマの密度は１．０ｘ１０１１ｃｍ−３以上であってもよい。
また、前記真空容器は、セラミックス又は石英で構成されてもよい。
また、前記処理ガスは、炭素基を含んでもよい。
また、前記処理ガスは、テトラメチルシランを含んでもよい。
本発明の一局面のプラズマ処理方法は、電磁波を真空容器内のプラズマ点火領域に誘導し、プラズマを点火する第１工程と、前記真空容器に接続された被処理体の内部空間に前記プラズマにより表面波を誘導する第２工程と、前記被処理体に処理ガスを供給する第３工程と、前記被処理体を排気する第４工程と、前記被処理体に所定電圧を前記被処理体に印加する第５工程と、前記所定電圧が印加された前記被処理体に誘導される電磁波励起プラズマにより前記被処理体の内壁面を処理する第６工程とを含む。
また、前記所定電圧により前記被処理体の内部空間にはシースが形成され、前記シースによって前記被処理体の内部空間に誘導される電磁波励起プラズマを用いて前記被処理体の内壁面を処理してもよい。
本発明によれば、配管等に十分な長さを有する環状部材や複雑な内部形状を有する部材の内面だけに成膜処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供できるという特有の効果が得られる。
以下、本発明のプラズマ処理装置、プラズマ処理方法、及びこの方法で処理された被処理体を適用した実施の形態について説明する。
本実施の形態では、プラズマ点火領域とは、電磁波が減圧された内部空間を持つ誘電体を取り囲む導電体の狭いギャップに導かれるとき、その導電体のギャップ間で発生する高周波電場が誘電体を透過して減圧側に進入した前記ギャップの中点付近の領域をいう。
また、電磁波励起プラズマとは、電磁波からエネルギーを得て電離状態を維持するプラズマをいう。
また、表面波励起プラズマとは、プラズマと誘電体の界面に沿って伝わる表面波モードの電磁波からエネルギーを得て電離状態を維持するプラズマであって、投入電磁波の周波数とプラズマが接する誘電体の誘電率によって決定される、表面波の伝播可能な最低電子密度以上の電子密度を有するプラズマをいう。
また、シースとは、バルク中で電子密度とイオン密度が平衡した準中性のプラズマが固体壁と接する際に、正イオンを壁に引き込むような電場を形成するために壁近傍に電子密度がイオン密度に比べ少なくなるような正チャージ（＝低電子密度）領域が形成される領域をいう。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１のプラズマ処理装置の構成を示す図である。
図１は、実施の形態１のプラズマ処理装置の構成を示す図である。
実施の形態１のプラズマ処理装置１０は、導波管１１、導波管１１に接続される電磁波発生装置１２、導波管１１の側壁部から突出し、導波管１１内を伝搬する電磁波を図中右方向に誘導する誘導部１３、導波管１１を幅方向に貫通する石英管１４、導波管１１内で石英管１４を覆う導電管１５Ａ、石英管１４の内部に挿入される導電管１５Ｂ、継手１６を介して石英管１４に接続される金属管１７、金属管１７にパルス電圧を印加するパルス電圧源１８、及び電磁波の外部への漏洩を防ぐための金属メッシュ１９を含む。
導波管１１は、方形断面を有する金属製の中空導波管であり、電磁波発生装置１２から供給される２．４５（ＧＨｚ）の電磁波を伝搬するように構成される。
この導波管１１の内壁には、コーン型の反射板１１Ａが形成されるとともに、終端にはプランジャ１１Ｂが配設されている。
この反射板１１Ａは、電磁波発生装置１２から供給され、導波管１１内を伝搬する電磁波を伝搬方向（到来方向）と直交する方向に反射するためのコーン型の反射板である。この反射板１１Ａは、コーン形状の頂部を石英管１４及び導電管１５Ａが貫通し、コーン形状、石英管１４、導電管１５Ａ、及び誘導部１３のすべての中心軸が一致するように配設されている。なお、反射板１１Ａの外周面（反射面）と、導波管１１の側壁１１Ｃとのなす角αは４５度に設定される。
このような反射板１１Ａを有する導波管１１において、導波管１１の内部を図中下方向から上方向に伝搬する電磁波は、その一部が反射板１１Ａによって反射されて図中右方向に誘導される。すなわち、導波管１１内を伝搬する方向（到来方向）に対して直交する方向に誘導される。
また、導波管１１の内部のプランジャ１１Ｂで反射され、図中上方向から下方向に伝搬される電磁波は、反射板１１Ａによって反射されて図中右方向に誘導される。
以上のようにして、導波管１１内を伝搬する電磁波は、反射板１１Ａによって図中右方向に反射され、誘導部１３内を誘導される。
電磁波発生装置１２は、２．４５（ＧＨｚ）の電磁波を発生する装置であり、後述するダイアモンド薄膜を金属管１７の内面に成膜するために十分な密度のプラズマを発生させることが要求されるため、このプラズマを発生させるための電界を印加できる出力を有することが必要とされる。ここでは、例えば、１．３（ｋＷ）の電磁波を出力するように構成される。
誘導部１３は、導波管１１の側壁１１Ｄから突出し、導波管１１内を伝搬する電磁波を図中右方向に誘導する金属性の中空導波管である。この誘導部１３の内面１３ａは管状に形成されており、内面１３ａの開口断面は円形である。すなわち、誘導部１３の開口断面積は、電磁波の誘導方向における上流側と下流側で同一に設定されている。
また、誘導部１３の先端には孔部１３Ａが開口されており、この孔部１３Ａを通じて石英管１４が外部に延伸している。
なお、反射板１１Ａと誘導部１３は、導波管１１内を伝搬する電磁波を伝搬方向（到来方向）と直交する方向に誘導する電磁波誘導部として機能する。
石英管１４は、内部が真空雰囲気に維持される管状の真空容器であり、コーン型の反射板１１Ａの頂部と誘導部１３の孔部１３Ａを貫くように導波管１１を幅方向に貫通している。この石英管１４の右端は孔部１３Ａを通じて継手１６に接続されており、左端はガス混合器２０に接続されている。
また、この石英管１４の外周は、導波管１１と誘導部１３の内部では、誘導部１３の孔部１３Ａの近傍を除き、導電管１５Ａに覆われている。孔部１３Ａの近傍は導電管１５Ａに覆われておらず、非被覆部となっている。なお、石英管１４の比誘電率は約３．７である。
導電管１５Ａは、石英管１４の外周を覆う導電性のある管状部材であり、例えば、銅（Ｃｕ）で構成される。この導電管１５Ａは、上述のように、導波管１１と誘導部１３の内部において、孔部１３Ａの近傍を除く石英管１４の外周を被覆する。
導電管１５Ｂは、石英管１４の内周面を覆う導電性のある管状部材であり、例えば、銅（Ｃｕ）で構成される。この導電管１５Ｂは、長手方向の長さが導電管１５Ａよりも短く設定されており、導波管１１内において石英管１４の内周面を覆うとともに、誘導部１３内における端部が、石英管１４の非被覆部よりも導波管１１の側壁１１Ｄ側に位置するように（すなわち、誘導部１３内における端部が導電管１５Ａの端部よりも導波管１１の側壁１１Ｄ側に位置するように）配設されている。
なお、反射板１１Ａのコーン形状の中心軸、誘導部１３の開口内断面（円形）の中心軸、石英管１４の中心軸、及び導電管１５Ａの中心軸は、すべて一致するように配設されている。
継手１６は、石英管１４と金属管１７を真空接続するための金属製の継手である。
金属管１７は、内面にダイアモンド薄膜が成膜される被処理体であり、例えば、ステンレス鋼製であり、日本工業規格で規定されている長さ１００ｍｍ、外径６．３５ｍｍ、内径４．３５ｍｍ等の管状部材である。
この金属管１７の左端は継手１６によって石英管１４に接続され、右端にはロータリポンプ２１が接続される。ロータリポンプ２１によって真空引きが行われることにより、金属管１７と石英管１４の内部空間は、圧力が１．０（Pa）程度の真空雰囲気に維持される。すなわち、金属管１７自体が真空空間を生成するためのチャンバとなる。
また、金属管１７には、パルス電圧源１８が接続されており、パルス状の負電圧が印加されることにより、内面にはシースが形成される。この金属管１７の内壁近傍に生成されるシースの比誘電率は約１．０である。
パルス電圧源１８は、金属管１７の表面にシースを形成するために、パルス状の負電圧を印加するための電源であり、金属管１７との間にはスイッチ１８Ａが配設されている。このパルス電圧源１８は、金属管１７の外部（外周面）に接続されており、金属管１７の外周面から（矩形波状の）パルス状の負電圧を印加する。ここでは、例えば、デューティーレシオ３％で２００Ｈｚのパルス状の−２００Ｖの負電圧を印加する。
金属メッシュ１９は、銅製のメッシュであり、誘導部１３と継手１６との間で石英管１４の非被覆部を覆うように配設される。この金属メッシュ１９により、誘導部１３の孔部１３Ａから放出される電磁波を吸収し、外部への漏洩を防いでいる。
ガス混合器２０は、真空引きされる石英管１４及び導電管１５Ａの内部空間に供給するガスを混合するためのミキサである。このガス混合器２０には、処理ガスとしてメタン（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）、及びテトラメチルシラン（ＴＭＳ）が導入される。
ロータリポンプ２１は、石英管１４と金属管１７の内部空間を真空引きするための真空ポンプである。例えば、到達真空度が１．０（Ｐａ）程度のものを用いればよい。
このロータリポンプ２１を通じて排気されるガスは、防爆ファンを通じて大気に排出される。
また、電磁波発生装置１２とパルス電圧源１８には、パルス同期回路２２が接続されており、電磁波発生装置１２とパルス電圧源１８から発振されるパルス電圧の同期を取るように構成されている。
図２は、実施の形態１のプラズマ処理装置におけるプラズマ点火の原理を説明するための部分拡大図である。また、石英管１４及び金属管１７の内部には、図中左から右の方向に処理ガス（ＣＨ４、Ｈ２、Ａｒ、ＴＭＳ）が通流していることとする。
なお、図２に示す状態は、パルス電源１８のスイッチ１８Ａは開放されており、金属管１７にはパルス電圧は印加されていない。
導波管１１の反射板１１Ａによって反射された電磁波１００は、誘導部１３の内面１３ａと導電管１５Ａの外周面との間を孔部１３Ａの方向に誘導され、石英管１４の非被覆部に到達する。この非被覆部では、誘電部１３と導電管１５Ａのギャップにおいて電磁波による電界が発生し、この電界は石英管１４の内部に印加される。
石英管１４の内部に電圧が印加されると、石英管１４の内面に表面波（電磁波）２００が生成されるとともに、内部空間にプラズマ３００が点火される。このプラズマ３００はＣＨ４ガスが励起されることによって発生し、プラズマ粒子として、炭素、水素、アルゴン、シリコンの原子、イオンおよびそれらの組み合わせた分子、ラジカルが含まれる表面波プラズマである。
ここで、石英管１４の内部には導電管１５Ｂが配設されているので、表面波２００は導電管１５Ｂが配設されている領域には伝搬されず、プラズマ３００は図２に示す非被覆部を中心とする領域で点火される。
なお、このように、石英管１４の内部でプラズマ３００が点火される領域をプラズマ点火領域と称す。
図３は、実施の形態１のプラズマ処理装置におけるプラズマ誘導の原理を説明するための部分拡大図であり、（ａ）はスイッチ１８Aを閉成する直前の状態、（ｂ）はスイッチ１８Aを閉成した直後の状態を示す図である。
図３（ａ）に示すように、スイッチ１８Ａを閉成した直後には、金属管１７の内表面にシース４００が生成され、表面波２００は金属管１７の内部に生成されるシース４００に沿って金属管１７の内部に伝搬される。また、この表面波２００が金属管１７の内部に伝播されると、金属管１７内の処理ガスが励起され、これにより表面波励起プラズマが生成される。また同時にこの表面波励起プラズマと金属管１７の内壁との間にシースが生成されこれらの界面に沿って表面波が更に伝播する。
このようにして金属管１７に所定電圧を印加する前に発火点で生成した表面波励起プラズマは、電磁波の伝播を伴って金属管１７の一端に達する。
図３(b)に示すように、スイッチ１８Aを閉成して所定電圧を印加すると、金属管１７の内部空間のシースは更に内壁面からの厚みを増して金属管１７内壁面に沿って他端まで広がる。
表面波２００はこの所定電圧を印加されたことによって金属管１７内壁面に広がったシースと同じく金属管１７の内部に進入してきた表面波励起プラズマ３００の界面にそって金属管１７の他端まで伝播していく。
また同時に金属管１７の他端まで伝播した表面波２００によって処理ガスが励起されまた表面波励起プラズマが金属管１７の内部空間でその密度を増加させていく。
特に、パルス同期回路２２により、電磁波発生装置１２とパルス電圧源１８から供給されるパルスの同期が取られているので、表面波２００とシース４００の同期が取られるため、プラズマ３００が金属管１７の奥（図中右側）まで誘導されやすくなる。
このように、実施の形態１のプラズマ処理装置によれば、被処理体である金属管１７自体を真空チャンバとして用い、負バイアスを印加することにより、内部表面にシース４００を発生させ、このシース４００によって表面波２００及びプラズマ３００が内部空間に誘導されるので、細長い配管状の金属管１７の内面だけにダイアモンド薄膜を成膜することができる。
このように、内周面だけにダイアモンド薄膜が成膜された細長い配管状の金属管１７は、耐蝕性が非常に高いため、例えば、半導体製造装置において、反応性の高いガスや人体に有害なガスを供給するための配管として好適である。
以上では、導波管１１の内部にコーン型の反射板１１Ａを備える形態について説明したが、反射板１１Ａを備えなくても電磁波は誘導部１３内に誘導されるため、必ずしも反射板１１Ａを備えなくてもよい。
また、以上では、石英管１４の内側に導電管１５Ｂを備える形態について説明したが、導電管１５Ｂを備えない構成においても、金属管１７の内面にプラズマ３００を誘導してダイアモンド薄膜を成膜することができる。
また、以上では、金属管１７がステンレス鋼製である形態について説明したが、金属管１７の材質はステンレスに限られず、その他のあらゆる金属材料で構成することができる。
また、以上では、金属管１７が直線上の管状部材である形態について説明したが、金属管１７は、図４に示すように、折れ曲がっていてもよい。折れ曲がり方（角度、方向）はどのようでもよく、また、折れ曲がり部の数は幾つあってもよい。すなわち、金属管１７は、湾曲部を幾つ有していてもよく、湾曲部の数は幾つあってもよい。
また、以上では、金属管１７に（矩形波状の）パルス状の負電圧を印加するパルス電圧源１８を用いる形態について説明したが、このようなパルス状の負電圧の代わりに、正弦波状、三角波状、又は鋸波状の高周波電圧を印加してもよい。また、その周波数は、１０Ｈｚ〜１ＭＨｚ程度であってもよい。
また、パルス電圧源１８の代わりに直流の負電圧を印加する電源を用いてもよい。
また、パルス同期回路２２を必ずしも含む必要はなく、電磁波発生装置１２とパルス電圧源１８から発振されるパルス電圧の同期が取られていなくてもよい。
また、以上では、二つの端だけを持つ直管について処理ガスを供給する構成について説明したが、被処理体が三つ以上の端を持つ多岐管の場合、処理ガスは石英管１４と金属管１７の間（継手１６が配設される位置）から供給してもよいし、また複数の分岐端の内いずれを排気端、処理ガス供給端、または閉端として選択してもよい。
［実施の形態２］
図５は、実施の形態２のプラズマ処理装置の要部を示す図である。実施の形態２のプラズマ処理装置は、実施の形態１における導波管１１及び誘導部１３の代わりに、導波管５０、同軸ケーブル６０、及び高周波電源７０を含み、この同軸ケーブル６０に高周波電源７０から高周波電力が供給されることによって導波管５０内に電磁波が供給される点が実施の形態１のプラズマ処理装置１０と異なる。なお、この電磁波の周波数は、実施の形態１の電磁波に比べて１桁以上低く設定されている。
図５は、実施の形態２のプラズマ処理装置の要部を示す図である。実施の形態２のプラズマ処理装置は、実施の形態１における導波管１１及び誘導部１３の代わりに、導波管５０、同軸ケーブル６０、及び高周波電源７０を含み、この同軸ケーブル６０に高周波電源７０から高周波電力が供給されることによって導波管５０内に電磁波が供給される点が実施の形態１のプラズマ処理装置１０と異なる。なお、この電磁波の周波数は、実施の形態１の電磁波に比べて１桁以上低く設定されている。
導波管５０は、内部が方形断面形状を有する箱状の導波管であり、アルミニウム等の導電体で構成される。石英管１４、導電管１５Ａ、及び導電管１５Ｂは、導波管５０を貫通しており、また、側壁部５０ａの貫通孔５０ｂに同軸ケーブル６０が挿入されており、高周波電力が供給される芯線６０Ａの先端は、導電管１５Ａの外周に離間するように配設されている。同軸ケーブル６０のシールド線は接地されている。
なお、導波管５０の孔部５０Ａは、実施の形態１における誘導部１３の孔部１３Ａに相当する物であり、石英管１４、導電管１５Ａ、及び導電管１５Ｂと孔部５０Ａの位置関係は、実施の形態１における石英管１４、導電管１５Ａ、及び導電管１５Ｂと孔部１３Ａと同一に設定される。
このような構成のプラズマ処理装置において、高周波電源７０から同軸ケーブル６０に高周波電力が供給されると、同派館内に電磁波１００が発生し、石英管１４の周囲に電磁波が発生し、ガラス管１００の内面に表面波２００が生成され、プラズマ３００が点火される。
プラズマが点火された状態で、スイッチ１８Ａを閉成すれば、金属管１７にシース４００が形成され、プラズマ３００を金属管１７の内部に誘導することができる。これは、シース４００によって金属管１７の内部に伝搬される表面波２００により、金属管１７の内部で処理ガスが励起されて電磁波励起プラズマが生成されるためである。
これにより、実施の形態１と同様に、金属管１７の内面にダイアモンド薄膜を形成することができる。
このように、実施の形態２のように石英管１４に同軸ケーブル６０を巻回し、この同軸ケーブル６０に電磁波発生装置１２から電磁波を供給するプラズマの点火方法によっても、実施の形態１と同様に、金属管１７の内面にダイアモンド薄膜を形成することができる。
［実施の形態３］
図６は、実施の形態３のプラズマ処理装置の要部を示す図である。実施の形態３のプラズマ処理装置は、実施の形態１における金属管１７の代わりに、チャンバ４０を石英管１４に接続した点が実施の形態１のプラズマ処理装置１０と異なる。なお、説明の便宜上、図６には、石英管１４の先端のみを示すが、石英管１４には導波管１１及び誘導部１３を通じて電磁波が供給される。
図６は、実施の形態３のプラズマ処理装置の要部を示す図である。実施の形態３のプラズマ処理装置は、実施の形態１における金属管１７の代わりに、チャンバ４０を石英管１４に接続した点が実施の形態１のプラズマ処理装置１０と異なる。なお、説明の便宜上、図６には、石英管１４の先端のみを示すが、石英管１４には導波管１１及び誘導部１３を通じて電磁波が供給される。
チャンバ４０は、内部が入り組んだ複雑な形状をしており、上部は蓋４１によって密封される。この蓋４１には３つの孔部が開口されており、石英管１４、ガス導入管４２、及び排気管４３が密封された状態で貫通されている。
また、チャンバ４０には、スイッチ１８Ａを介してパルス電圧源１８が接続されており、内外面にシース４００を生成することができる。
このため、パルス電圧源１８からパルス電圧を印加してシース４００が生成されると、石英管１４から表面波２００がチャンバ４０の内面に行き渡り、チャンバ４０の内部で処理ガスが励起されて電磁波励起プラズマが生成されるので、複雑な内部形状を有するチャンバ４０の内面にダイアモンド薄膜を形成することができる。
なお、石英管１４の先端とチャンバ４０の内面との間の距離Ｄ１は、表面波２００及びプラズマ３００が誘導可能な距離に設定される必要がある。
以上、実施の形態３のプラズマ処理装置によれば、内部形状の複雑なチャンバ４０の内面にダイアモンド薄膜を形成することができる。このようなチャンバ４０を半導体製造装置のチャンバに用いれば、プラズマ等の半導体ウェーファの処理のために用いる物理的、化学的被爆からチャンバ表面を保護し、チャンバ表面への堆積物の低減、チャンバ表面からの異物の剥離が押さえられる、チャンバそのものの洗浄サイクルが長くなる、チャンバの寿命を長くすることが可能となる。
なお、チャンバ４０の内部形状は、どのような形状であってもよい。チャンバ４０は、湾曲部を幾つ有していてもよく、湾曲部の数は幾つあってもよい。例えば、自動車用の内燃機関のシリンダであってもよく、内壁面にダイアモンド薄膜を形成した内燃機関のシリンダを作製してもよい。
図７は、実施の形態３の変形例のプラズマ処理装置の要部を示す図である。このプラズマ処理装置は、石英管１４がチャンバ４０の内部の底面近傍にまで石英管１４が延伸している点が図６に示す処理装置床となる。その他の構成は、図６に示すプラズマ処理装置と同一である。
このプラズマ処理装置では、石英管１４の先端とチャンバ４０の内部の底面との間の距離Ｄ２が、表面波２００及びプラズマ３００が誘導可能な距離に設定される必要がある。
このような実施の形態３の変形例のプラズマ処理装置において、パルス電圧源１８からパルス電圧を印加してシース４００が生成されると、石英管１４から表面波２００がチャンバ４０の内面に行き渡り、チャンバ４０の内部で処理ガスが励起されて電磁波励起プラズマが生成されるので、複雑な内部形状を有するチャンバ４０の内面にダイアモンド薄膜を形成することができる。
以上、本発明の例示的な実施の形態のプラズマ処理装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
１０ プラズマ処理装置
１１ 導波管
１１Ａ 反射板
１１Ｂ プランジャ
１１Ｃ 側壁
１１Ｄ 側壁
１２ 電磁波発生装置
１３ 誘導部
１３ａ 内面
１３Ａ 孔部
１４ 石英管
１５Ａ 導電管
１６ 継手
１７ 金属管
１８ パルス電圧源
１８Ａ スイッチ
１９ 金属メッシュ
２０ ガス混合器
２１ ロータリポンプ
２２ パルス同期回路
３０ 同軸ケーブル
４０ チャンバ
４１ 蓋
４２ ガス導入管
４３ 排気管
１００ 電磁波
２００ 表面波
３００ プラズマ
４００ シース
１１ 導波管
１１Ａ 反射板
１１Ｂ プランジャ
１１Ｃ 側壁
１１Ｄ 側壁
１２ 電磁波発生装置
１３ 誘導部
１３ａ 内面
１３Ａ 孔部
１４ 石英管
１５Ａ 導電管
１６ 継手
１７ 金属管
１８ パルス電圧源
１８Ａ スイッチ
１９ 金属メッシュ
２０ ガス混合器
２１ ロータリポンプ
２２ パルス同期回路
３０ 同軸ケーブル
４０ チャンバ
４１ 蓋
４２ ガス導入管
４３ 排気管
１００ 電磁波
２００ 表面波
３００ プラズマ
４００ シース
Claims (19)
- 電磁波を発生する電磁波発生源と、
前記電磁波をプラズマ点火領域に誘導する電磁波誘導部と、
前記プラズマ点火領域に誘導される電磁波により、内部空間内でプラズマが点火される誘電体製の真空容器と、
前記真空容器に接続され、内部空間が真空雰囲気に維持される被処理体の内部空間に処理ガスを供給するガス供給手段と、
前記被処理体の内部空間を排気する排気手段と、
前記被処理体に接続され、前記被処理体に所定電圧を印加する電圧印加手段と
を含み、前記所定電圧が印加される前記被処理体の内部空間に誘導される電磁波励起プラズマにより前記被処理体の内壁面を処理する、プラズマ処理装置。 - 前記電圧印加手段は、前記被処理体の外部に接続される、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記電圧印加手段によって印加させる前記所定電圧によって前記被処理体の内部空間にはシースが形成され、前記シースによって前記被処理体の内部空間に誘導される電磁波励起プラズマを用いて前記被処理体の内壁面を処理する、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
- 前記真空容器は誘電体製の真空管であり、当該真空管の長手方向の一部における外周部には導電管が配設されており、
前記電磁波誘導部は、前記導電管の外周に離間して配設され、前記導電管との間の空間を通じて前記電磁波を前記プラズマ点火領域に誘導するように構成されており、
前記真空管内には、前記導電管と前記電磁波誘導部との間に発生する電界が印加される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電磁波発生源から前記電磁波誘導部に電磁波を誘導する導波管をさらに含み、
前記真空管は、前記導波管の内部から外部に向けて前記電磁波の到来方向に直交する方向に延伸し、前記導波管内で前記導電管に覆われており、
前記電磁波誘導部は、前記導波管の側壁部から前記真空管の延伸方向に突出する突出部を有しており、
前記真空管は、前記突出部内において前記導電管に覆われていない非被覆部を有し、前記非被覆部において、前記導電管と前記電磁波誘導部との間に発生する電界が内部空間に印加される、請求項４に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電磁波発生源から前記電磁波誘導部に電磁波を誘導する導波管をさらに含み、
前記真空管は、前記導波管の内部を前記電磁波の到来方向に直交する方向に貫通し、前記導波管内で前記導電管に覆われており、
前記電磁波誘導部は、前記導波管の側壁部から前記真空管の貫通方向に突出する突出部を有しており、
前記真空管は、前記突出部内において前記導電管に覆われていない非被覆部を有し、前記非被覆部において、前記導電管と前記電磁波誘導部との間に発生する電界が内部空間に印加される、請求項４に記載のプラズマ処理装置。 - 前記電圧印加手段は、前記所定電圧として前記被処理体にパルス電圧を印加する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記電圧印加手段と前記電磁波発生源とに接続される同期回路をさらに含み、
前記電圧印加手段から前記被処理体に印加される前記パルス電圧の周波数と、前記電磁波発生源で発生される電磁波の周波数は同一であり、かつ、前記同期回路によって同期が取られる、請求項７に記載のプラズマ処理装置。 - 前記被処理体は、ステンレス鋼製である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記被処理体は、大気雰囲気中に配設される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記被処理体は、湾曲部を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記電磁波励起プラズマの密度は、１．０ｘ１０１１ｃｍ−３以上である、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記電磁波の周波数は、５０ＭＨz〜５０ＧＨzである、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記電磁波の周波数は２．４５ＧＨzであり、前記電磁波によって励起される電磁波励起プラズマの密度は１．０ｘ１０１１ｃｍ−３以上である、請求項１乃至１１のいずれかの一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記真空容器は、セラミックス又は石英で構成される、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記処理ガスは、炭素基を含む、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
- 前記処理ガスは、テトラメチルシランを含む、請求項１乃至１６のいずれかの一項に記載のプラズマ処理装置。
- 電磁波を真空容器内のプラズマ点火領域に誘導し、プラズマを点火する第１工程と、
前記真空容器に接続された被処理体の内部空間に前記プラズマにより表面波を誘導する第２工程と、
前記被処理体に処理ガスを供給する第３工程と、
前記被処理体を排気する第４工程と、
前記被処理体に所定電圧を前記被処理体に印加する第５工程と、
前記所定電圧が印加された前記被処理体に誘導される電磁波励起プラズマにより前記被処理体の内壁面を処理する第６工程と
を含む、プラズマ処理方法。 - 前記所定電圧により前記被処理体の内部空間にはシースが形成され、前記シースによって前記被処理体の内部空間に誘導される電磁波励起プラズマを用いて前記被処理体の内壁面を処理する、請求項１８に記載のプラズマ処理方法。
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