JP5138342B2

JP5138342B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5138342B2
Application number: JP2007296119A
Authority: JP
Inventors: 裕一節原; 明憲江部
Original assignee: EMD Corp
Current assignee: EMD Corp
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: KR101542270B1; KR20100096068A; WO2009063631A1; TWI450644B; CN101855947B; TW200939904A; CN101855947A; JP2009123513A

Description

本発明は、真空容器内において被処理基体の近傍にプラズマを生成し、そのプラズマを用いて被処理基体に堆積処理やエッチング処理等を行うプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置は堆積処理、エッチング処理、洗浄処理などに幅広く用いられている。例えば、シリコンと窒素を含むガスからプラズマを生成し、ガラス基板上に窒化ケイ素薄膜を堆積させることにより、液晶ディスプレイや太陽電池に用いられる基板が得られる。ここで窒化ケイ素薄膜は、ガラスからの不純物の拡散を防ぐためのパッシベーション膜としての機能を有する。また、このような基板を用いて液晶ディスプレイや太陽電池ユニットを製造する際には、その全面又は一部をエッチング処理し、或いは洗浄処理することも行われる。以後、プラズマ処理が施される基体（上述の例ではガラス基板）を被処理基体と呼ぶ。

近年、被処理基体が大型化し、あるいは被処理基体の大きさは従来通りであっても一度に処理される被処理基体の個数が増加する傾向が見られ、それに伴って、プラズマ処理装置の大型化が進んでいる。その中で、大型の被処理基体を処理する場合にはその全体に亘って、また、比較的小型の被処理基体を多数処理する場合にはその全てに対して、均等にプラズマを生成する必要がある。例えば、ガラス基板上に形成する薄膜の膜厚等の品質は限られた所定の範囲内に収めなければならない。そのため、プラズマ処理装置内に生成されるプラズマの密度のばらつきは、プラズマ生成領域の大型化に拘わらず、一定の範囲内に収めることが要求されている。

プラズマ処理装置には、ECR(電子サイクロトン共鳴)プラズマ方式のもの、マイクロ波プラズマ方式のもの、誘導結合型プラズマ方式のもの、容量結合型プラズマ方式のもの等がある。このうち誘導結合型プラズマ処理装置は、真空容器の内部にガスを導入し、高周波アンテナ（誘導コイル）に高周波電流を流すことにより真空容器の内部に誘導される誘導電界で電子を加速し、その電子とガス分子を衝突させることにより、ガス分子を電離させてプラズマを生成するものである。例えば、特許文献１には、真空容器の外側の天井上面に渦巻き状のコイルが１個載置された誘導結合型プラズマ処理装置が記載されている。しかし、特許文献１に記載のプラズマ処理装置において、プラズマ生成領域の大型化に合わせて渦巻き状コイルを単に大きくするだけでは、中心部と周辺部のプラズマ密度の差も単純に拡大するだけであるため、前記のようなプラズマ生成領域全体に亘る均一性の基準を満たさなくなってしまう。更に、アンテナを大型化すると、アンテナの導体が長くなり、それによりアンテナに定在波が形成されて高周波電流の強度分布が不均一になり、結果的にプラズマ密度分布が不均一になるおそれがある（非特許文献１参照）。

特許文献２及び非特許文献１には、複数個の高周波アンテナが真空容器の内壁に取り付けられたマルチアンテナ方式の誘導結合型プラズマ処理装置が記載されている。この装置によれば、複数のアンテナの配置を適切に設定することにより、真空容器内のプラズマの分布を制御することができる。また、個々のアンテナの導体の長さを短くすることができるため、定在波による悪影響を防ぐことができる。これらの理由により、特許文献２及び非特許文献１に記載のプラズマ処理装置は従来のものよりも均一性が高いプラズマを生成することができる。

特開2000-058297号公報（[0026]〜[0027]、図1）特開2001-035697号公報（[0050]、図11）節原裕一著、「次世代メートルサイズ大面積プロセス用プラズマ源」、Journal of Plasma and Fusion Reserch、第81巻第2号85〜93頁、2005年2月発行

特許文献２及び非特許文献１に記載のプラズマ処理装置により、真空容器内のプラズマ密度の均一性は高まる。しかし、これらの装置では、生成されたプラズマの約半分は真空容器の中心側ではなくそのアンテナを取り付けた内壁に向かって拡散するため、プラズマ処理に利用されない。更に、被処理基体に対して成膜を行うプラズマCVD装置においては、プラズマにより生成されたラジカル（膜前駆体）の約半分が真空容器内壁に付着してパーティクルとなり、それが落下して膜の品質を低下させる原因となる。そのため、定期的に真空容器内のクリーニングを行う必要が生じ、それにより装置の稼働率が低下する。また、高価なクリーニング用のガスを大量に用いる必要があることにより、ランニングコストが上昇する。

本発明が解決しようとする課題は、プラズマの利用効率がよく、且つランニングコストを抑えることができるプラズマ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ処理装置は、
a) 真空容器と、
b) 前記真空容器の内部空間内に突出するように設けられたプラズマ生成手段支持部と、
c) 前記プラズマ生成手段支持部の表面に取り付けられた複数個の、誘導結合型の高周波アンテナであるプラズマ生成手段と、
d) 前記プラズマ生成手段支持部を取り囲むように複数個の被処理基体を保持する基体保持部と、
を備えることを特徴とする。

プラズマ生成手段は真空容器内のガス分子を電離させることによりプラズマを生成するものである。プラズマ生成手段には種々のものを用いることができるが、その代表例として高周波アンテナを挙げることができる。また、マイクロ波導波管にスリットを設けたものや高周波電極等もプラズマ生成手段として用いることができる。

本発明において、「内部空間内に突出するように設けられたプラズマ生成手段支持部」には、内部空間を縦（横）断するものも含まれる。

本発明に係るプラズマ処理装置では、複数個の前記プラズマ生成手段を前記プラズマ生成手段支持部から前記真空容器の壁面に向けて放射状に配置することができる。例えば、プラズマ生成手段を高周波アンテナとし、円柱状のプラズマ生成手段支持部の側面あるいは球状のプラズマ生成手段支持部の表面に、それらの面から真空容器の壁面（円柱あるいは球の外側）に向けて複数個の高周波アンテナを設けることができる。

前記基体保持部は、前記被処理基体を前記プラズマ生成手段支持部の周りに回転させる公転部又は／及び前記被処理基体を自転させる自転部を備えることができる。

また、前記基体保持部の代わりに、フィルム状の基体が前記プラズマ生成手段支持部を取り囲むように該フィルム状基体を保持するフィルム状基体保持部を備えることができる。その場合には更に、帯状のフィルム状基体を前記フィルム状基体保持部に順次送出する送出部と、該フィルム状基体を前記フィルム状基体保持部から順次取り入れる取入部と、を備えることができる。

本発明に係るプラズマ処理装置では、プラズマ生成手段は、真空容器の内部空間に突出するように設けられたプラズマ生成手段支持部に取り付けられる。プラズマ生成手段支持部の表面積は、通常、真空容器の内壁の表面積よりも小さいため、特許文献２及び非特許文献１に記載のプラズマ処理装置のように真空容器の内壁に取り付けられる場合よりも、プラズマ生成手段が取り付けられる部分の総面積が小さくなる。このため、プラズマの利用効率が向上すると共に、プラズマCVD装置では真空容器の内壁に付着する堆積物を少なくすることができる。その結果、内壁のクリーニングの頻度を少なくすることができ、装置の稼働率を向上させることができると共にランニングコストを抑えることができる。

本発明に係るプラズマ処理装置が公転部を有する場合には、プラズマ処理中に被処理基体をプラズマ生成手段支持部の周りに公転させることにより、全ての被処理基体に対して同じ条件でプラズマ処理を行うことができる。

本発明に係るプラズマ処理装置が自転部を有する場合には、被処理基体を自転させることにより、各被処理基体の表面に一様にプラズマ処理を行うことができる。

本発明に係るプラズマ処理装置にフィルム状基体保持部を設けることにより、フィルム状の基体の表面に対して好適にプラズマ処理を行うことができる。特に、送出部及び取入部によりフィルム状基体を順次、プラズマが生成されている領域に送出し取り入れることにより、広い面積に亘ってプラズマ処理を行うことができる。

図１〜図４を用いて、本発明に係るプラズマ処理装置の実施例を説明する。

第１の実施例のプラズマ処理装置１０は棒状の被処理基体２１の表面にプラズマ処理を行うための装置である。本実施例のプラズマ処理装置１０は従来と同様の真空容器１１を有し、図１に示すように、この真空容器１１の上壁面の中央付近から真空容器１１の内部空間１１１内に突出するように、円柱状のアンテナ（プラズマ生成手段）支持部１２が１個設けられている。アンテナ支持部１２の外周面には円柱の縦方向に等間隔に4列、円周に沿って等間隔に4個、合計16個の高周波アンテナ１３が設けられている。各高周波アンテナ１３は線状の導体をＵ字形に曲げたものである。各高周波アンテナ１３は電源１４に並列に接続されており、全高周波アンテナ１３と電源１４の間には1個のインピーダンス整合器１５が設けられている。アンテナ支持部１２内は空洞になっており、その空洞内に前述の高周波アンテナ１３と電源１４を接続するための配線が設けられている。アンテナ支持部１２の空洞内は、真空容器１１と連通していてもよいし、逆に外部（大気）と連通していてもよい。

真空容器１１の底部には基体保持部１６が設けられている。基体保持部１６は、真空容器１１の底面に立設された支柱１６３の上に載置され支柱１６３を中心として回転する円板状の公転部１６１と、公転部１６１の上面の周囲に等間隔に（図２）に配置され中心の周りに回転可能な円板から成る6個の自転部１６２を有する。

その他、本プラズマ処理装置１０には、内部空間１１１を排気するための真空ポンプや、プラズマ原料ガスを導入するためのガス導入口などが設けられる。

本実施例のプラズマ処理装置１０の動作を説明する。まず、自転部１６２の上に、棒状の被処理基体２１を立てた状態で固定する。次に、真空ポンプにより内部空間１１１を排気したうえで、ガス導入口からプラズマ原料ガスを導入する。そして、公転部１６１及び自転部１６２を回転させつつ、電源１４から高周波アンテナ１３に高周波電力を導入し、真空容器１１内に高周波電磁界を生成する。この高周波電磁界により、プラズマ原料ガスの分子が電離してプラズマ状態となり、このプラズマにより、被処理基体２１の表面にエッチング処理や堆積処理等のプラズマ処理がなされる。

本実施例のプラズマ処理装置１０では、真空容器１１の内部空間１１１に突出させて設けたアンテナ支持部１２によりアンテナを取り付ける部分の面積を比較的小さくすることができるため、真空容器１１の壁面に高周波アンテナ１３を取り付ける場合よりも、取り付け面側に向かうプラズマのロスを抑えることができる。

また、本実施例のプラズマ処理装置１０では公転部１６１により被処理基体２１をアンテナ支持部１２の周りで公転させるため、全ての被処理基体２１に対して同じ条件でプラズマ処理を行うことができる。更に、本実施例のプラズマ処理装置１０では自転部１６２により被処理基体２１を自転させるため、各被処理基体２１の表面に一様にプラズマ処理を行うことができる。

特許文献２及び非特許文献１に記載の従来のプラズマ処理装置では、複数の高周波アンテナが真空容器の壁面に分散配置されている。そのため、少数の高周波電源やインピーダンス整合器に高周波アンテナを多数接続しようとすると配線が長くなって電力供給の際のパワーロスが大きくなり、このパワーロスを抑えるために高周波電源やインピーダンス整合器を多数配置するとコストが増加する、という問題があった。それに対して、本実施例のプラズマ処理装置では、アンテナ支持部１２に高周波アンテナ１３を集中的に配置するため、従来よりも短い配線で済み、パワーロスとコストの双方を抑えることができる。

なお、本実施例ではアンテナ支持部１２に円柱状のものを用いたが、四角柱などの他の形状のものを用いることもできる。アンテナ支持部１２の個数は本実施例のように１個のみであってもよいし、複数個であってもよい。高周波アンテナ１３を取り付ける部分の面積を小さくするため、及び高周波アンテナ１３に電力等を供給する際の損失を少なくするためには、アンテナ支持部１２の個数は少なく（望ましくは１個のみ）して高周波アンテナ１３を集中的に配置するのがよい。また、アンテナ支持部１２の位置も適宜変更することができる。高周波アンテナ１３の個数も、要求されるプラズマの密度の大きさや均一性により適宜変更することができる。これらのことは、以下に述べる他の実施例についても同様である。

図３に示した上面図を用いて、第２の実施例のプラズマ処理装置３０について説明する。本実施例のプラズマ処理装置３０は、平板状の被処理基体２２を真空容器３１の内部空間３１１に搬入し、プラズマ処理を行った後、真空容器３１から搬出する、という操作を行うための装置である。

本実施例のプラズマ処理装置３０は八角柱状の真空容器３１を有し、その上壁面の中央付近から真空容器３１の内部空間３１１内に突出するように、六角柱状のアンテナ（プラズマ生成手段）支持部３２が１個設けられている。アンテナ支持部３２の六角柱の各側面にはそれぞれ、高周波アンテナ（プラズマ生成手段）３３が複数個、上下方向に１列に並ぶように設けられている。各高周波アンテナ３３は、Ｕ字形のアンテナであり、アンテナ支持部３２にはＵ字の底の部分が真空容器３１の壁面側を向くように放射状に取り付けられている。また、全ての高周波アンテナ３３は、１個のインピーダンス整合器を介して１個の電源に並列に接続されている（図示せず）。

真空容器３１の８面の側壁のうちの１面にはロードロック室３８が設けられている。ロードロック室３８には、内部空間３１１との間で被処理基体２２の搬出入を行うための真空容器側搬出入口３８１と、その外部との間で被処理基体２２の搬出入を行うための外部側搬出入口３８２とが設けられており、その内部は真空容器３１の内部空間３１１とは独立に排気可能となっている。内部空間３１１には、ロードロック室３８から搬入された被処理基体２２を側壁に沿って１周させる基体搬送装置（図示せず）が設けられている。

その他、第１実施例と同様に真空ポンプやガス導入口などが設けられる。

本実施例のプラズマ処理装置３０の動作を説明する。第１実施例と同様に内部空間３１１にプラズマを生成する。そして、被処理基体２２を順次、外部からロードロック室３８を介して内部空間３１１に搬入し、基体搬送装置により所定の時間をかけて内部空間３１１を１周させ、プラズマ処理を施す。ロードロック室３８に到達した被処理基体２２は真空容器側搬出入口３８１からロードロック室３８に搬出され、真空容器側排出入口３８１の扉が閉じられた後、外部側搬出入口３８２が開放され、外部に搬出される。そして、次の被処理基体２２がロードロック室３８に搬入され、先ほどとは逆の手順で内部空間３１１に搬入される。こうして多数の被処理基体２２が順次連続的にプラズマ処理される。

本実施例のプラズマ処理装置３０は内部空間３１１にプラズマを生成した状態のままで被処理基体２２の搬入／搬出を行うため、プラズマ処理を中断することなく効率よく、しかも多数の被処理基体を連続的に処理することができる。また、全ての被処理基体２２に対して同じ条件でプラズマ処理を行うことができる。

図４に示した上面図を用いて、第３の実施例のプラズマ処理装置４０について説明する。本実施例のプラズマ処理装置４０は帯状のフィルムから成るフィルム状被処理基体２３の表面にプラズマ処理を行うための装置である。

本実施例のプラズマ処理装置４０は直方体状の真空容器４１を有し、その上壁面の中央付近から真空容器４１の内部空間４１１内に突出するように、六角柱状のアンテナ（プラズマ生成手段）支持部４２が１個設けられている。また、第２実施例のプラズマ処理装置３０と同様に、アンテナ支持部４２には高周波アンテナ４３が設けられ、１個のインピーダンス整合器を介して１個の電源に並列に接続されている（図示せず）。

アンテナ支持部４２を取り囲むように、フィルム状基体保持部４６が設けられている。フィルム状基体保持部４６は、アンテナ支持部４２に平行な円柱状の大ローラ４６１と、アンテナ支持部４２に平行であって大ローラ４６１よりも径が小さい円柱状の小ローラ４６２を有する。大ローラ４６１はアンテナ支持部４２の周囲に60°間隔で合計6個配置されている。小ローラ４６２は各大ローラ４６１の外周に１対ずつ、合計12個配置されている。また、隣り合う２つの大ローラ４６１の側方に、アンテナ支持部４２に平行に円柱状のローラから成る送出部４７１及び取入部４７２が設けられている。

その他、第１及び第２実施例と同様に、真空ポンプやガス導入口などが設けられる。

プラズマ処理装置４０の動作を説明する。まず、送出部４７１に巻き付けられたフィルム状被処理基体２３を以下のようにフィルム状基体保持部４６及び取入部４７２に取り付ける。まず、送出部４７１に隣接する第１小ローラ４６２Ａ、第１小ローラ４６２Ａに隣接する第１大ローラ４６１Ａ、第１大ローラ４６１Ａ及び第１小ローラ４６２Ａに隣接する第２小ローラ４６２Ｂ、...、取入部４７２に隣接する第１２小ローラ４６２Ｌの順に掛ける。そして、フィルム状被処理基体２３の一端を取入部４７２に固定する。

次に、真空ポンプにより内部空間４１１の空気を除去したうえで、ガス導入口からプラズマ原料ガスを導入し、電源から高周波アンテナ４３に高周波交流電流を導入することにより、内部空間４１１にプラズマを生成する。それと共に、取入部４７２のローラを回転させることにより、フィルム状被処理基体２３を送出部４７１からフィルム状基体保持部４６を経て取入部４７２に取り込む。この間、フィルム状被処理基体２３の一方の表面（被処理面）がプラズマに晒され、それにより被処理面にエッチングや堆積などのプラズマ処理が施される。

第３実施例のプラズマ処理装置により、被処理面の全面に亘ってプラズマ処理を行うことができる。その際、フィルム状被処理基体２３を順に移動させるため、フィルム状被処理基体２３表面での処理を均一に行うことができる。また、高周波アンテナ４３がフィルム状被処理基体２３に取り囲まれているため、生成されたプラズマもフィルム状被処理基体２３に取り囲まれ、その結果としてプラズマを無駄なくフィルム状被処理基体２３の処理に用いることができる。

第３実施例においても第１実施例と同様に、アンテナ支持部４２や高周波アンテナ４３の形状、個数、位置などは適宜変更することができる。

本発明の第１の実施例である、自転部及び公転部を備えた基体保持部を有するプラズマ処理装置を示す縦断面図。第１実施例のプラズマ処理装置を示す上面図。本発明の第２の実施例である、ロードロック室３８及び基体搬送装置を有するプラズマ処理装置３０を示す上面図。本発明の第３の実施例である、フィルム状基体保持部を有するプラズマ処理装置４０を示す上面図。

符号の説明

１０…第１実施例のプラズマ処理装置
１１、３１、４１…真空容器
１１１、３１１、４１１…内部空間
１２、３２、４２…アンテナ支持部（プラズマ生成手段支持部）
１３、３３、４３…高周波アンテナ（プラズマ生成手段）
１４…電源
１５…インピーダンス整合器
１６…基体保持部
１６１…公転部
１６２…自転部
１６３…支柱
２１…被処理基体
２２…平板状被処理基体
２３…フィルム状被処理基体
３０…第２実施例のプラズマ処理装置
３８…ロードロック室
３８１…真空容器側搬出入口
３８２…外部側搬出入口
４０…第３実施例のプラズマ処理装置
４６…フィルム状基体保持部
４６１…大ローラ
４６２…小ローラ
４７１…送出部
４７２…取入部

Claims

a) 真空容器と、
b) 前記真空容器の内部空間内に突出するように設けられたプラズマ生成手段支持部と、
c) 前記プラズマ生成手段支持部の表面に取り付けられた複数個の、誘導結合型の高周波アンテナであるプラズマ生成手段と、
d) 前記プラズマ生成手段支持部を取り囲むように複数個の被処理基体を保持する基体保持部と、
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記基体保持部が前記被処理基体を前記プラズマ生成手段支持部の周りに回転させる公転部を備え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。
前記基体保持部が前記被処理基体を自転させる自転部を備え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。
a) 真空容器と、
b) 前記真空容器の内部空間内に突出するように設けられたプラズマ生成手段支持部と、
c) 前記プラズマ生成手段支持部の表面に取り付けられた複数個の、誘導結合型の高周波アンテナであるプラズマ生成手段と、
d) フィルム状の基体が前記プラズマ生成手段支持部を取り囲むように該フィルム状基体を保持するフィルム状基体保持部と、
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
帯状の前記フィルム状基体を前記フィルム状基体保持部に順次送出する送出部と、該フィルム状基体を前記フィルム状基体保持部から順次取り入れる取入部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ生成手段支持部が柱状のものであって、
複数個の前記プラズマ生成手段が前記プラズマ生成手段支持部の側面に設けられている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
さらに、複数個の前記プラズマ生成手段が前記柱状のプラズマ生成手段支持部の周方向又は縦方向に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
複数個の前記プラズマ生成手段を前記プラズマ生成手段支持部から前記真空容器の壁面に向けて放射状に配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
前記真空容器内と該真空容器外の間で被処理基体を搬入／搬出するためのロードロック室を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。