JP5441083B1 - プラズマ処理装置およびそのシール方法 - Google Patents

Abstract

プラズマ処理により形成される膜の特性を改善できるプラズマ処理装置を提供する。密閉空間（１１）を画定する処理チャンバ（１０）と、密閉空間内に設けられたプラズマ形成用電極（３６）と、処理チャンバ（１０）の外部から、処理チャンバ（１０）に形成された開口（１３ｈ）を通じて、プラズマ形成用電極（３６）に向かって延在する内部導体（２１）と、内部導体（２１）の周囲を囲み、内部導体（２１）との間に空隙（２３）を画定するとともに、開口（１３ｈ）を画定する外部導体（２２，１３）と、内部導体（１２）および外部導体（２２，１３）に接続されて、空隙（２３）を大気側の空間と密閉空間（１１）に連通する空間とに隔てるための、絶縁体で形成されたシール部材（６０）と、空隙（２３）のうち、シール部材（６０）に対して密閉空間（１１）側に形成される空間を埋める放電防止用絶縁体（１００）とを有する。

Description

本発明は、基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびそのシール方法に関する。

平板ディスプレイ、太陽電池、半導体装置等の製造工程では、薄膜の形成やエッチング等にプラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置として、本発明者らは、特許文献１等に開示されたものを提案している。

ここで、図７は、特許文献１と同様のタイプのプラズマ処理装置の概略を示す断面図である。この装置は、密閉空間１１を画定する金属製の処理チャンバ１０、基板１６を載置するための処理チャンバ１０内に設置されたサセプタ１４、処理チャンバ１０の上部を形成する蓋体１３に接続された同軸管２０、サセプタ１４の上方であって蓋体１３の下面に設けられた誘電体板３４、誘電体板３４の表面に設置された電極３６を有する。同軸管２０の内部導体２１は蓋体１３の開口１３ｈを通じて誘電体板３４の上面まで延びており、筒状の外部導体２２の下端部のフランジは蓋体１３の開口１３ｈの周囲に接続されている。電極３６は、誘電体板３４の外周縁部３４ｐのみが密閉空間１１に対して露出するように、誘電体板３４の下面の大部分を覆うように設けられている。同軸管２０の内部導体２１と外部導体２２との間の空隙２３は大気に連通している。このため、密閉空間１１を密封するために、蓋体１３の下面と誘電体板３４との間には耐熱性を有するＯリング４０が設置されている。Ｏリング４０には、耐熱性、耐プラズマ性に優れた合成ゴム、例えば、パーフロロエラストマーが使用される。この装置では、内部導体２１に図示しないマイクロ波供給源から導入されたマイクロ波は、同軸管２０を伝搬し、誘電体板３４を透過し、誘電体板３４の外周縁部３４ｐから導体表面波ＴＭとして電極３６の表面３６ｆに沿って伝搬する。この電極３６の表面３６ｆを伝搬する導体表面波ＴＭとしてのマイクロ波によりプラズマが励起される。

特許第４９４４１９８号

上記したプラズマ処理装置では、耐熱性を有するエラストマーで形成されたＯリング４０を、閉空間１１を密封するために使用している。しかしながら、Ｏリング４０は、上記したように、マイクロ波の通り道に配置されているため、プラズマ処理中には、２００℃程度に加熱される。そして、Ｏリング４０は加熱された状態の下で、励起されたプラズマで形成される酸素ラジカルや水素ラジカルに晒されて化学反応を起こし、ガス化物質が密閉空間１１内に漏出することが分かった。処理チャンバ１０の密閉空間１１内に漏出したガス化物質は、当該処理チャンバ１０内でプラズマ処理により形成される基板１６上の膜に取り込まれ、この膜の特性に影響を及ぼすという問題が存在した。

本発明は、プラズマ処理により形成される膜の特性を改善できるプラズマ処理装置およびこのプラズマ処理装置に適用されるシール方法を提供する。

本発明のプラズマ処理装置は、密閉空間を画定する処理チャンバと、前記密閉空間内に設けられたプラズマ形成用電極と、前記処理チャンバの外部から、当該処理チャンバに形成された開口を通じて、前記プラズマ形成用電極に向かって延在する内部導体と、前記内部導体の周囲を囲み、前記内部導体との間に空隙を画定するとともに、前記開口を画定する外部導体と、前記内部導体および外部導体に接続されて、前記空隙を大気側の空間と前記密閉空間に連通する空間とに隔てるための、絶縁体で形成されたシール部材と、前記空隙のうち、前記シール部材に対して前記密閉空間側に形成される空間を埋める、絶縁体で形成された放電防止部材と、を有することを特徴とする。

本発明のシール方法は、密閉空間を画定する処理チャンバと、前記密閉空間内に設けられたプラズマ形成用電極と、前記処理チャンバの外部から、当該処理チャンバに形成された開口を通じて、前記プラズマ形成用電極に向かって延在する内部導体と、前記内部導体の周囲を囲み、前記内部導体との間に空隙を画定するとともに、前記開口を画定する外部導体と、を有するプラズマ処理装置のシール方法であって、絶縁体で形成されたシール部材を前記内部導体および外部導体に接続して、前記空隙を大気側の空間と前記密閉空間に連通する空間とに隔て、前記空隙のうち、前記シール部材に対して前記密閉空間側に形成される空間を絶縁体で埋める、ことを特徴とする。

本発明によれば、処理チャンバのプラズマ形成領域の近傍のシーリングに、エラストマー製のＯリングを使用しないので、ガス化物質が発生せず、プラズマ処理により基板上に形成される膜の特性を改善できる。また、本発明によれば、放電防止部材によって、シール部材に対して密閉空間側に形成される空間を埋めることで、当該空間が減圧された際に内部導体と外部導体との間で放電が発生するのを防止でき、その結果、高密度のプラズマを安定的に励起することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す断面図。 図１の電極の下面側から見た平面図。 本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の概略を示す断面図。 図３の要部の拡大断面図。 導電性弾性部材の斜視図。 図３のVI―VI線方向の断面図。 プラズマの形成領域周辺にエラストマー製Ｏリングを用いたプラズマ処理装置の概略を示す断面図。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施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。

第１実施形態
図１及び図２に示したプラズマ処理装置１（以下、装置１という。）は、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の各種プラズマ処理に用いられる。この装置１は、図７において説明したプラズマ処理装置と基本構造は同様である。すなわち、装置１は、図７において説明したと同様に、処理チャンバ１０、サセプタ１４、同軸管２０、誘電体板３４および電極３６を有する。本実施形態は、これらの構成に加えて、シール部材６０、シール用金属７０，７１、および、放電防止部材１００を有するが、誘電体板３４と上蓋１３との間をシールするＯリング４０は存在しない。

処理チャンバ１０は、アルミニウム合金、ステンレス等の導電性材料で形成され、基準電位に接続されている。処理チャンバ１０の底部には、処理チャンバ１０内の雰囲気を排気するための排気口２０が設けられ、この排気口２０に処理チャンバ１０の外部に設置された図示しない真空ポンプなどの排気装置が接続される。この排気装置により、密閉空間１１は減圧される。上蓋１３の下面の外周縁部と処理チャンバ１０の上端部との間には、エラストマー製のＯリング５０が設けられ、上蓋１３と処理チャンバ１０との間を密封している。このＯリング５０は、プラズマ形成領域から十分に離れているため、プラズマで形成される酸素ラジカルや水素ラジカルと化学反応を起こすことはない。

誘電体板３４は、酸化アルミニウム等の材料で形成され、上蓋１３の下面に設置されている。プラズマ形成用電極３６は、アルミニウム合金等の材料で形成され、誘電体板３４の下面に設置されている。なお、プラズマ形成用電極３６は、図示しないが、ボルト等の締結部材により、誘電体板３４とともに、上蓋１３に固定さている。誘電体板３４およびプラズマ形成用電極３６は、図２に示すように、正方形状の外形を有し、誘電体板３４がプラズマ形成用電極３６よりも若干大きくなるように形成され、誘電体板３４のうち、外周縁部３４ｐのみが密閉空間１１に対して露出するようになっている。

処理チャンバ１０は、上蓋１３も含めて、アルミニウム合金等の導電性材料で形成され、接地されている。処理チャンバ１０は、減圧可能な密閉空間１１を画定している。サセプタ１４は、例えば、窒化アルミニウムで形成され、載置される基板１６を静電吸着するとともに所定のバイアス電圧を印加するための図示しない給電部と、基板１６を所定の温度に加熱する図示しないヒータを内蔵している。

同軸管２０は、電極３６に向かって延在する丸棒状の内部導体２１と、内部導体２１の周囲を囲む円筒状の外部導体２２を含み、処理チャンバ１０の外部に設けられた図示しないマイクロ波供給源と接続され、マイクロ波電力の供給を受ける。内部導体２１および外部導体２２は、無酸素銅等の低抵抗材料で形成されている。内部導体２１は蓋体１３の開口１３ｈを通じて誘電体板３４の上面まで延びており、内部導体２１の下端面が誘電体板３４の上面に隣接している。内部導体２１と誘電体板３４との間に、常温で０．２〜０．４mm程度の狭い隙間を設けることが望ましい。これは、内部導体２１の熱膨張により内部導体２１の下端面が下方に移動したとても、また、内部導体２１の加工寸法がばらついたとしても、内部導体２１が誘電体板３４を押し下げて誘電体板３４を破損することがないようにするためである。外部導体２２の下端部のフランジは蓋体１３の開口１３ｈの周囲に接続されている。外部導体２２の下端部のフランジは、蓋体１３に固定され、両者は電気的に接続されている。蓋体１３に形成された開口１３ｈは、その内径が外部導体２２の内径とほぼ同じ寸法に形成され、内部導体２１と外部導体２２および開口１３ｈとの間には、空隙２３が形成されている。すなわち、蓋体１３の開口１３ｈは、空隙２３の一部を画定しており、本発明の外部導体の一部を構成している。空隙２３は、大気に通じている。

シール部材６０は、環状に形成され、内部導体２１と外部導体２２の間の空隙２３に配置され、空隙２３を大気側の空間と密閉空間１１に連通する空間とに隔てている。シール部材６０は、酸化アルミニウム等の絶縁体で形成されている。シール部材６０の上端の内周部と内部導体２１の外表面との間は、シール金属７０でシールされ、シール部材６０の下端の外周部と開口１３ｆの内壁面との間は、シール用金属７１でシールされている。シール金属７０、７１には、熱膨張率が比較的低い金属が用いられる。例えば、鉄にニッケルおよびコバルトを配合したコバールや、ニッケルをベースとして鉄、クロム、ニオブ、モリブデンなどを含むニッケル系合金（商品名：インコネル）などである。シール金属７０は、内部導体７０およびシール部材６０にそれぞれロウ付けされ、シール金属７１は、シール部材６０にロウ付けされるとともに開口１３ｆの内壁面に溶接されている。シール金属７０、７１は、内部導体２１の中心軸線方向の寸法をある程度確保するために、円筒状に形成されている。これは、シール金属７０、７１に接続された部材が熱膨張により変形するため、シール金属７０、７１に応力が繰り返し作用するが、中心軸線方向の寸法をある程度確保することで、その弾性により応力を受容し、シール金属７０、７１が破壊するのを防ぐためである。

放電防止部材１００は、リング状に形成され、中心部に形成された貫通孔１００ａの直径は、内部導体７０が嵌合するように形成され、上端側の外周面１００ｂは環状のシール用金属７０の内周に嵌るように形成され、下端側の外周面１００ｃは上蓋１３の開口１３ｈの内壁面に嵌るように形成されている。また、放電防止部材１００の高さ（内部導体７０の中心軸線方向の寸法）は、シール部材６０の下面と誘電体板３４の上面との距離とほぼ同じ寸法である。このように、放電防止部材１００は、シール部材６０とシール用金属７１、開口１３ｈの内壁面および誘電体板３４の上面により画定される、空隙２３の一部である空間ＳＰを埋める寸法に形成されている。放電防止部材１００は、絶縁体で形成され、好適には、マイクロ波の吸収性が低い材料を用いることが好ましい。例えば、石英、酸化アルミニウム、フッ化炭素樹脂（商品名：テフロン（登録商標））等を放電防止部材１００の形成材料に用いることができる。

ここで、放電防止部材１００の作用について説明する。上記した空間ＳＰは、大気側の空隙２３に対して、シール部材６０およびシール金属７０、７１によりシールされているとともに、処理チャンバ１０の密閉空間１１と連通している。処理チャンバ１０において、プラズマ処理が実行されると、密閉空間１１は減圧されて空間ＳＰも減圧された状態となり、この状態で、同軸管２０に強いマイクロ波が供給されると、マイクロ波は、同軸管２０を伝搬し、誘電体板３４を透過し、誘電体板３４の外周縁部３４ｐから導体表面波ＴＭとして電極３６の表面３６ｆに沿って伝搬する。この電極３６の表面３６ｆを伝搬する導体表面波ＴＭとしてのマイクロ波によりプラズマが励起される。このとき、空間ＳＰは、マイクロ波の通り道にあるため、空間ＳＰにおいて異常放電が容易に発生してしまう。異常放電が発生すると、マイクロ波電力が消費されるため、プラズマ形成用電極３６の表面上に正常にプラズマを励起することができなくなる。また、異常放電が発生する領域の周辺に存在する部材が加熱されて破損してしまうことがある。このため、本実施形態では、放電防止部材１００を空間ＳＰに設置して空間ＳＰを埋めることで、異常放電の発生を確実に防ぐ。すなわち、処理チャンバ１０の開口１３ｈをシーリングするために、従来のＯリング４０に代えて、シール部材６０およびシール金属７０、７１を用いると、ある程度の大きさを有する空間ＳＰがマイクロ波の通路に不可避的に形成されるが、この空間ＳＰを放電防止部材１００で埋めることにより、プラズマを安定的に励起でき、また、異常放電による装置の破損も防止できる。さらに、エラストマー製のＯリング４０を使用しないので、プラズマ処理により形成する膜の特性も改善できる。

第２実施形態
次に、図３〜図６を参照して、本発明の他の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。なお、図３〜図６において、第１実施形態と同様の構成部分については同様の符号を使用している。本実施形態では、放電防止部材の他の態様および同軸管の他の態様について説明する。

上記したように、シールされた空隙２３のうちプラズマ形成用電極３６の上方に形成される空間ＳＰを、放電防止部材で埋めることにより異常放電を防止できる。しかしながら、空間ＳＰが複雑な形状であったり、歪んでいたりすると、一体的に形成された絶縁体で空間ＳＰを埋めることが困難な場合がある。このため、本実施形態に係るプラズマ処理装置１Ａ（以下、装置１Ａ）は、放電防止部材として、上記した異常放電が発生する空間の形状に合致するように形成された第１の放電防止部材１００Ａに加えて、流動性を有するように形成された第２の放電防止部材１００Ｂを有する。図３および図４においてシール部材６０Ａは、シール用金属７０Ａにより内部導体２１Ａに接続されるとともに、シール用金属７１Ａにより、上蓋１３の開口１３ｈの外周縁部に接続されている。空隙２３は、シール部材６０Ａおよびシール用金属７０Ａ，７１Ａにより大気側と電極３６側とに隔てられ、電極３６側には、密閉空間１１に連通する空間が形成される。シール部材６０Ａの下端面と誘電体板３４の上面との間に形成される空間ＳＰ３は、当該空間ＳＰ３に合致するようにリング形状に形成された誘電体からなる第１の放電防止部材１００Ａによって埋められている。第２の放電部材１００Ｂは、内部導体２１Ａとシール部材６０Ａの内周面との間に形成される空間ＳＰ１と、シール部材６０Ａとシール用金属７１Ａと上蓋１３と第１の放電防止部材１００Ａとで囲まれた空間ＳＰ２とに収容されている。

第２の放電部材１００Ｂは、酸化アルミニウム、フッ化炭素樹脂（商品名：テフロン（登録商標））、石英等で形成された、多数の小粒状体（例えば、直径１mm程度の球状）であり、流動性をもつ。このため、収容される空間の形状に応じて当該空間を埋めることが可能であり、絶縁体を収容される空間の形状に合致するように加工する必要がない。第２の放電部材１００Ｂは、粒状体に限らず、粉体や液体であってもよい。液体の場合には、マイクロ波帯における誘電損失が小さな絶縁性液体、例えば、フッ素系液体（商品名：フロリナート、ガルデン等）で空間を埋めてもよい。

次に、同軸管の構成について説明する。第１の実施形態においては、内部導体２１の下端面と誘電体板３４の上面との間に、僅かな隙間を形成した。この隙間の大きさが、内部導体２１の温度変化により変化すると、同軸管２０側から電極３６までの負荷インピーダンスが大きく変化してしまい、プラズマに供給する電力の制御が困難となる。また、内部導体と誘電体板との間に隙間を形成すると、異常放電が発生する可能性がある。

上記問題を解決するために、本実施形態に係る装置１Ａは、同軸管２０Ａを構成する内部導体２１Ａの下端面と誘電体板３４の上面との間に、可動導体板２１Ｂを設け、可動導体板２１Ｂと内部導体２１Ａの下端面との間に導電性弾性部材１５０を設けている。また、同軸管２０Ａを構成する円筒状の外部導体２２の外周面に、内部導体２１Ａを空冷するためのシロッコファン２００を取り付けている。

可動導体板２１Ｂは、内部導体２１Ａとほぼ同じ直径を有する円盤状に形成され、上面に導電性弾性部材１５０を受け入れるリング状の溝２１Ｂｔが形成されている。可動導体板２１Ｂは、内部導体２１Ａと同様に、銅等の低抵抗材料で形成されている。図４に示すように、内部導体２１Ａの下端面と可動導体板２１Ｂの上面との間には、導電性弾性部材１５０が挿入されていることにより、隙間Ｇｐが形成される。

導電性弾性部材１５０は、図５に示すように、らせん状に巻いた線材をリング状に形成したばねである。この導電性弾性部材１５０は、ステンレス、リン青銅等の金属で形成されており、導電性を有する。導電性弾性部材１５０の存在により、内部導体２１Ａと可動導体板２１Ｂとは常時電気的に接続されている。導電性弾性部材１５０としては、線材の他、帯状のばね材を螺旋状に巻いてリング状に形成したもの、平板状のばね材を加工して板バネにしたもの、これらのばねにニッケル、金、銀等のメッキを施したもの等を採用可能である。また、樹脂製のＯリングに金属メッキを施したものも採用可能である。

導電性弾性部材１５０は、可動導体板２１Ｂを適度な弾性力で押し下げるとともに、可動導体板２１Ｂを誘電体板３４に密着させる。内部導体２１Ａの熱膨張により内部導体２１Ａの下面が下方に移動したとしても、また、加工寸法がばらついていても、変形やばらつきを弾性変形により受け入れつつ、可動導体板２１Ｂと誘電体板２１Ｂとの間に隙間が発生するのを防止できる。

図５に示すように、外部導体２２Ａのシロッコファン２００の排気口２０１が接続された壁面には、シロッコファン２００から供給される冷却用の空気を外部導体２２Ａ内に取り入れるための流入口２２ｈ１が複数形成され、また、外部導体２２Ａの壁面の内部導体２１Ａに関して流入口２２ｈ１とは反対側に、外部導体２２Ａの空気を外部に排出する流出口２２ｈ２が複数形成されている。プラズマ処理中に温度上昇する内部導体２１Ａへ流入口２２ｈ１を通じて冷却空気を導入することで、内部導体２１Ａの温度上昇を抑制できる。また、シロッコファン２００の風量をコントロールすることにより、内部導体２１Ａの温度を略一定にすることも可能である。内部導体２１Ａの温度上昇または温度変化を抑制できると、内部導体２１Ａの熱による変形を抑制でき、内部導体２１Ａの下端面と可動導体板２１Ｂの上面との間の隙間Ｇｐの大きさを一定に保つことができ、負荷インピーダンスの変動を抑制できる。

変形例
上記実施形態では、シール金属を用いて、シール部材を接続したが、これに限定されるわけではなく、シール部材をロウ付け、溶接等により、内部導体および外部導体に直接接続することも可能である。

上記実施形態では、シール部材と放電防止部材とを別材料で形成したが、同じ材料で形成してもよい。また、シール部材と放電防止部材とを別部材としたが、シール部材と放電防止部材とを一体化して、シール機能と空間ＳＰを埋める機能の両方を持たせてもよい。

上記実施形態では、放電防止部材の一部を、流動性を有する絶縁体で構成した場合について説明したが、放電防止部材の全部を、流動性を有する絶縁体で構成することも可能である。

上記実施形態では、シロッコファンを用いた空冷機構を第２の実施形態の装置に適用したが、この空冷機構は第１の実施形態に係る装置にも適用可能である。

上記実施形態では、電磁波としてマイクロ波を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、他の周波数帯の電磁波であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、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、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１，１Ａ プラズマ処理装置
１０ 処理チャンバ
１３ 蓋体（外部導体）
１３ｈ 開口
１４ サセプタ
２０，２０Ａ 同軸管
２１ 内部導体
２２ 外部導体
３４ 誘電体板
３６ 電極
６０ シール部材
７０，７１ シール用金属
１００ 放電防止部材
１５０ 導電性弾性部材
２００ シロッコファン

Claims (2)

1. 密閉空間を画定する処理チャンバと、
   前記密閉空間内に設けられたプラズマ形成用の電極と、
   前記処理チャンバの外部から、当該処理チャンバに形成された開口を通じて、前記プラズマ形成用の電極に向かって延在する内部導体と、
   前記内部導体の周囲を囲み、前記内部導体との間に空隙を画定するとともに、前記開口を画定する外部導体と、
   前記内部導体および外部導体に接続されて、前記空隙を大気側の空間と前記密閉空間に連通する空間とに隔てるための、絶縁体で形成されたシール部材と、
   前記空隙のうち、前記シール部材に対して前記密閉空間側に形成される空間を埋める、絶縁体で形成された放電防止部材と、を有し、
   前記シール部材は、シール用金属を介して、前記内部導体および外部導体にそれぞれ接続されている、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 密閉空間を画定する処理チャンバと、
   前記密閉空間内に設けられたプラズマ形成用の電極と、
   前記処理チャンバの外部から、当該処理チャンバに形成された開口を通じて、前記プラズマ形成用の電極に向かって延在する内部導体と、
   前記内部導体の周囲を囲み、前記内部導体との間に空隙を画定するとともに、前記開口を画定する外部導体と、を有するプラズマ処理装置のシール方法であって、
   絶縁体で形成されたシール部材を前記内部導体および外部導体に接続して、前記空隙を大気側の空間と前記密閉空間に連通する空間とに隔て、
   前記空隙のうち、前記シール部材に対して前記密閉空間側に形成される空間を絶縁体で埋め、
   シール用金属を介して、前記シール部材を前記内部導体および外部導体にそれぞれ接続する、ことを特徴とするプラズマ処理装置のシール方法。

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