JP5506826B2 - 大面積プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、均一性及びプラズマ密度が改善された大面積プラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理は、様々な用途−たとえば表面コーティング、フラットパネル又はソーラーパネルの製造−に対して非常によく用いられる。プラズマ処理は、エッチング処理、堆積処理、表面改質、表面官能化を有する。たとえばプラズマ化学気相成長(PECVD)法は一般に、たとえばフラットパネルディスプレイ用透明基板又は半導体ウエハのような基板上に薄膜を堆積するのに用いられる。

PECVDは、基板を含む真空チャンバへ前駆体気体又は気体混合物を導入することによって実現される。前駆体気体又は気体混合物は典型的には、チャンバ上部付近に設けられた分配板を介して下方へ向かって案内される。チャンバ内の前駆体気体又は気体混合物は、プラズマ源によって生成されるプラズマによって励起される。プラズマ源は、処理パラメータに依存して、様々な種類であって良い。主要な処理パラメータは、圧力範囲であっても良い。励起された気体又は気体混合物は反応して、通常は制御されている温度を有する基板ホルダ上に設けられた基板の表面上に材料層を形成する。反応中に生成される揮発性の副生成物は、排気システムを介してチャンバから排気される。

特許文献1及び2は、プラズマ化学気相成長用の平面はしご形アンテナを開示している。はしご形状のアンテナは、上側の導電性の棒、下側の導電性の棒、及び前記上側と下側の導電性の棒を結合する複数の平行な導電性の棒を有する。複数の電気ワイヤを備える電力分配器は、はしご形アンテナへ高周波電力を均一に分配するのに用いられる。はしご形アンテナへ高周波電力を均一に分配されることで、良好な膜厚の分布を得ることが可能となる。

しかし電力分配器でさえも、高処理速度でかつ均一な処理分布が得られるように大面積プラズマ処理を行うことは非常に難しい。

PECVDによって処理されるフラットパネルの表面を増大させることには一定の必要性がある。今日、約1m²の領域が処理され、かつ5m2に近づき、それを超えようとしている大面積基板が近い将来現れることが予想されている。処理中にフラットパネル全体にわたって均一な処理気体流を供するのに利用される分配板又は拡散板もまた、特に200mmや300mmの半導体ウエハに利用されている気体分配板と比較して、相対的に大きい。

基板のサイズが大きくなり続けているので、従来のPECVD装置によって製造される膜の厚さ制御及び特性制御は、より問題になってくる。

欧州特許第0949352B1号明細書 米国特許第6363881B2号明細書

従って本発明の目的は、制御された大規模処理であると同時にスループットが改善された処理を供することである。

本発明の他の目的は、好適には大規模かつ均一な処理を供することである。

上記及び他の目的を実現するため、本発明は、大面積プラズマ処理用装置を提案する。当該装置は、
a. 少なくとも1つの平面アンテナ、
b. 前記アンテナを励起する少なくとも1つの高周波発生装置、
c. 気体注入システム及び拡散器、
d. 前記アンテナに近接する処理チャンバ、
を有する。

e. 前記平面プラズマアンテナは、複数の相互接続した基本共振メッシュを有し、各メッシュは少なくとも2つの導電性脚部と少なくとも2つのキャパシタを有し、それにより前記アンテナは複数の共振周波数を有する。

f. 前記高周波発生装置は、前記アンテナを、該アンテナの共振周波数にまで励起させる。

前記平面アンテナは複数の基本共振メッシュを有し、かつ、前記アンテナは該アンテナの共振周波数にまで励起されるので、前記アンテナの基本共振メッシュ内での電流の振幅分布は、安定であり、かつ前記アンテナの表面全体にわたって非常に明確となりうる。

電流振幅の分布は、どのアンテナの共振周波数が前記高周波発生装置によって励起されるのかを選ぶことによって制御されて良い。

前記アンテナの表面全体にわたる非常に明確な電流振幅から、本発明のアンテナによって、非常に明確なプラズマの分布を生成することができる。前記プラズマが、高電流強度の領域から低電流強度の領域へ迅速に拡散することを考慮すると、本発明のアンテナによって、より均一なプラズマ分布を生成することができる。

好適には、前記導電性脚部は互いに平行であって良い。それにより各メッシュは、該メッシュの長手軸に沿ってより均一な分布を有する電磁場を発生させる。

前記アンテナは有利となるように基本共振メッシュを有して良い。前記基本共振メッシュは、2つの平行で長い導電性脚部を有する。前記2つの平行で長い導電性脚部の端部は、前記脚部の延在する方向に対する横方向の短い接続素子によって相互接続される。そのように基本共振素子の設計することで、大規模平面アンテナを構成する複数のメッシュの効率的な相互接続が可能となる。

本発明の第1実施例によると、前記横方向の短い接続素子は互いに対向するキャパシタを有する。

本発明の第2実施例によると、前記平行で長い導電性脚部は互いに対向するキャパシタを有する。各キャパシタは、各対応する脚部の長さの間で直列接続する。

前記第1実施例と第2実施例とは組み合わせられて良い。第1の対向するキャパシタは前記横方向の短い接続素子内部で接続し、かつ第2の対向するキャパシタは前記導電性脚部内部で接続する。

平行な導電性脚部を有する基本共振メッシュのそれらの実施例は有利となるように、共通の脚部によって相互接続することで、はしご形状の共振アンテナを形成して良い。そのように設計することで、前記アンテナの表面全体にわたって電流振幅分布が明確である非常に大きなアンテナを構成することが可能となる。

本発明による装置は有利となるように、前記アンテナに対して平行な導電性プレート又はシールド、及び、前記アンテナの共振周波数を調節できるように前記プレートの相対位置を調節する手段をさらに有して良い。

前記アンテナに対する前記導電性プレートの相対位置を調節することによって、前記アンテナの共振周波数は、前記発生装置の励起周波数に対応するように調節することができる。

さらに前記導電性プレートの相対位置を調節することによって、前記プラズマの境界条件が調節されても良い。

本発明の好適実施例によると、本発明の装置は、前記アンテナ付近に磁場を発生させる手段をさらに有して良い。

そのような磁場によって、面で分極したヘリコン状の波は前記プラズマ中で励起されて良い。それにより当該装置の処理速度は改善される。

磁場を発生させる手段の第1実施例によると、当該装置は永久磁石のアレイを有して良い。

磁場を発生させる手段の第2実施例によると、当該装置は、前記アンテナ内のDC電流（直流電流）を、前記高周波電流に重ね合わせるように注入する手段をさらに有して良い。それにより前記DC電流は、前記アンテナ付近に磁場を発生させる。

より大面積を処理するため、本発明による装置は、少なくとも1つの補助アンテナをさらに有して良い。

好適には前記アンテナは前記処理チャンバ内部に設けられる。

前記発生装置の出力でのRF（高周波）反射を防止するため、少なくとも1つの整合ネットワークが用いられて良い。

本発明の好適実施例によると、前記高周波発生装置は、2つの異なる注入点にて少なくとも2つの位相シフトしたRF出力信号を、前記アンテナに供給する。その結果、前記アンテナの脚部での電流分布時間が並進する。換言すると、この結果、電流分布が移動する。

従って前記プラズマ分布は、前記アンテナの表面全体にわたって時間と共に並進する。

この結果、より均一な処理分布となる。

さらに前記の移動する電流分布は、前記ヘリコン状波の励起を顕著に改善する。

平面アンテナ用の基本メッシュの第1実施例及び前記平面アンテナの等価電気回路を図示している。 平面アンテナ用の基本メッシュの第2実施例及び前記平面アンテナの等価電気回路を図示している。 平面アンテナ用の基本メッシュの第2実施例及び前記平面アンテナの等価電気回路を図示している。 本発明の第1実施例による直列接続する基本メッシュを備えるハイパスアンテナを図示している。 本発明の第2実施例による直列接続する基本メッシュを備えるローパスアンテナを図示している。 本発明の第3実施例による基本メッシュを備えるハイブリッドアンテナを図示している。 複数の共振周波数のうちの一つの共振周波数で励起された図4のアンテナにおける電流強度分布を図示している。 前記プラズマの共振周波数及び境界条件を調節する導電性プレートを備えるアンテナを図示している。 2つの位相シフトした信号が供給される本発明のアンテナを図示している。 前記アンテナに給電するのに用いることのできる整合ネットワークの等価電気回路を図示している。 平行な平均磁場を生成する2つの磁石を示す側面図である。 平面磁場を生成する磁石のアレイを示す上面図である。 前記アンテナへ電流注入する第1実施例を図示している。 前記アンテナへ電流注入する第2実施例を図示している。 アンテナの共振周波数のうちの一つと前記キャパシタのキャパシタンスとの間の関係の一例を図示している。 本発明の実施例による大面積プラズマ処理反応装置用の典型的で単純な構成を図示している。 前記アンテナへ2つの位相シフトした電流を注入する単純な電気回路を図示している。 前記アンテナへ直流電流を注入する単純な電気回路を図示している。

本発明の他の目的、特徴、及び利点は、添付図面を参照することにより与えられる具体的実施例についての以降の説明から明らかである。

本発明によると、複数の基本共振メッシュを有する平面アンテナが、ダ面積プラズマを発生させるプラズマ源として供される。

図1、図2、及び図3は、係る基本メッシュM1についての3つの実施例及び対応する電気回路E1を図示している。

各基本メッシュM1は2つの平行で長い導電性脚部1と2を有する。前記2つの平行で長い導電性脚部1と2の端部は、前記脚部1と2に対して横方向の短い接続素子3と4によって相互接続される。

長い導電性脚部1と2は、基本的には誘導部材として機能する。各基本メッシュは少なくとも2つの対向するキャパシタ5と6を有する。

図1のハイパスメッシュでは、対向するキャパシタ5と6が、短い接続素子3と4を構成する。

図2のローパスメッシュでは、対向するキャパシタ5と6はそれぞれ、各対応する導電性脚部1又は2の2つの長さ1aと1b若しくは2aと2bの間で直列に接続する。

図3のパスバンドメッシュでは、2つの第1対向するキャパシタ5と6は前記短い接続素子3と4を構成し、かつ、2つの第2キャパシタ5aと6aはそれぞれ、各対応する導電性脚部1又は2の2つの長さ1aと1b若しくは2aと2bの間で直列に接続する。

各基本メッシュは、対応する等価電気回路E1で図示されているように共振L-Cループを形成する。

複数の基本メッシュは、所望の寸法の平面アンテナを形成するように相互接続する。

たとえば図4は、図1による直列接続した基本ハイパスメッシュM1、M2、M3で構成され、かつはしご形状の共振アンテナを形成するようにハイパスアンテナAを図示している。

図5は、図2による直列接続したローパスメッシュM1、M2、M3で構成され、かつはしご形状の共振アンテナを形成するようにローパスアンテナAを図示している。

図6は、図3による直列接続した基本メッシュM1、M2、M3で構成され、かつはしご形状の共振アンテナを形成するようにハイブリッドアンテナAを図示している。

3つの実施例すべてにおいて、たとえばメッシュM1とM2のように隣接するメッシュは共通の導電性脚部2を有する。

NがアンテナAの脚部の数である場合、前記アンテナAはN-1の共振周波数を与える。これらの共振周波数の値は、脚部1,2の幾何学構造（長さ、直径、2つの隣接する脚部間の距離）及びキャパシタ5,6の値に依存する。

全てのキャパシタ5,6が同一のキャパシタンスを有し、かつ全ての脚部1,2が同一（のインダクタンス）である場合、各共振周波数は、たとえば図7に図示されているように、アンテナ脚部−たとえば脚部1,2−内での正弦波の電流分布に対応する。

ここでI₀は振幅、nは所与の脚部番号(n=[1:N])で、mは共振モード数(m=[1:N-1])である。これは電流振幅分布であり、かつ時間の観点から、脚部の電流の位相は振動することに留意して欲しい。図7は、m=4の共振モードに相当する共振周波数での電流振幅分布を図示している。

よって共振周波数で励起されるとき、このアンテナは、非常に明確な正弦状の空間構造を有する電磁(EM)場パターンを生成する。これにより、プラズマ中でのEM通常モード（通常モード=固有関数）の励起を顕著に制御することが可能となる。アンテナAが常に、共振周波数のうちの一つ（又は複数）で励起（又は給電）されるのは、本発明の特性である。

相当に多様なEM波がプラズマ中で励起されて良い。プラズマが磁化される場合、ある種の波−たとえば円筒形の構造におけるヘリコン波−しか存在しない。特にこの種の波は興味深い。なぜならこの種の波は、減衰するときに、プラズマの強い加熱を起こして、電子密度を高めるからである。

平面分極した「ヘリコン状の」波は、プラズマスラブ内において、典型的には高周波の範囲（1〜100MHz）で励起されて良い。従って好適実施例では、静磁場が、アンテナA及び処理チャンバ付近で印加される。このことは、本発明のアンテナAによって生成されるプラズマにとって厳密な要件ではないことに留意して欲しい。なぜならこのアンテナAは、静磁場がなくても、基本的にはプラズマと結合する誘導結合によって操作できものであるからである。

静磁場は、様々な手段−たとえば図11と12に図示された永久磁石又はDC（直流コイル）−によって発生されて良い。

図11では、2つの棒磁石10aと10bが、その棒磁石と平行な側部平均磁場10cを発生させている。

磁場が、アンテナA（又は基板）の面に対して平行な方向に印加される場合、永久磁石−たとえば磁石10aと10b−のアレイ10（図12の上面図）を巧く利用することができる。

本発明のアンテナAでは、アンテナAの付近で所望の静磁場を発生させるため、RF励起に加えて、脚部1,2へDC電流を注入しても良い。

図18は、DC電流を注入する単純な電気回路を図示している。アンテナAは、図4又は図9のハイパスアンテナと類似している。RF発生装置20は、2つの注入点21と23で、アンテナAにRF電流を供給する。DC発生装置60は、各導電性脚部の両端で、各対応するチョークコイルを介してDC電流をアンテナAに供給する。たとえば、導電性脚部1はチョークコイル61と62を介して給電され、かつ導電性脚部2はチョークコイル63と64を介して給電される。

プラズマの存在は、基本的には誘導結合するため、共振周波数値にわずかだが影響を及ぼす。周波数シフトを補償するため、導電性シールドS（又はプレート）が、アンテナAに近接して設けられて良い（図8）。アンテナAに対するシールドSの相対位置Pを調節することによって、共振周波数は、発生装置の励起周波数に対応するように調節されて良い。それに加えて、プラズマ中での波のエネルギーの堆積パターンは、シールドSの位置による影響を受けうる。またこの最後のシールドは、プラズマのEMノーマルモードの境界条件を調節する手段として用いられて良い。

RF発生装置がアンテナAの所望の共振周波数に対応する限り、RFエネルギーは、アンテナ構造のどの場所に注入されても良い。事実として、アンテナAが共振周波数で励起される場合、電流分布は、RF注入点の局在化による影響を受けない。しかしRF発生装置から「見た」アンテナインピーダンスは、これらの注入点に依存する。この観点から、たとえ必要でないとしても、図13又は14に図示されているように、アンテナ構造全体にわたって−つまり端部注入点で−アンテナに給電することは概して望ましい。図13では、発生装置20は、2つの対向する端点21と22でアンテナAに給電する。図14では、発生装置20は、下端注入点21と23でアンテナAに給電する。図13の構成は、mの値が偶数の場合での励起を可能にする一方で、図14の構成は、mの値が奇数の場合での励起を可能にすることに留意して欲しい。

大規模プラズマ処理にとって非常に重要な点は、基板上での処理（堆積、エッチング等）の均一性である。均一な処理を行うため、プラズマは、可能な限り均一でなければならない。場合によっては、反応装置内での動作圧力が高い（典型的には1mb）場合、空間的に一定の正弦状の電流分布により生成されるプラズマは、意図しない不均一生を与える恐れがある。プラズマをより均一にするため、アンテナAの四重（二相）給電が行われて良い。そのような構成の例が図9に図示されている。

この図では、アンテナAの第1脚部1及び最後の脚部100は、それぞれが補償キャパシタ33又は34を含む戻りライン31と32によって両端で一つとなるように接続しているのが分かる。補償キャパシタ33と34の値は、2つの対極する脚部1と100との間の距離を網羅するのに必要な長い導体31,32のインダクタンスを補償するように調節される。

二相給電の原理は、たとえば図9の注入点38と39のような2つの離れた注入点で注入される2つの位相シフトした信号でのアンテナAの励起で構成される。これらの位相シフトした信号は、複数のRF発生装置を結合することによって、又は、長い導体35中に電力分配器36と位相シフタ37を有する単一の発生装置20から発生する信号を分離することによって、得られて良い。

図17は非常に単純な構成を図示している。図17の構成は、単一の発生装置20のRF出力の分離を可能にし、かつ同時に、出力の分離から生じる2つの信号V_out1とV_out2との間での時間的な位相シフトを生じさせる。

アンテナの入力インピーダンスZ1=R1+iX1及びZ2=R2+iX2が、分配器/シフタ成分（iΨ及びiη）の関数なので、この系の単純さが明らかであるに過ぎないことに留意して欲しい。2つの入力電流I1とI2の振幅の比R_1,2は以下の関係式によって与えられる。

他方I1とI2との間での時間的な位相シフトφ_1,2は次式で与えられる。

Ψ及びηの値は、所望のR_1,2及びφ_1,2が得られるように決定される。

2つの信号間の位相シフトφ_1,2は任意に選ばれて良いが、一般的には±90°である。振幅の比R_1,2は一般的に1に固定される。これらの条件によって、Ψ及びηは非常に単純な表式をとることができる。
Ψ=-R2-X1、η=R1-X2（+90°の位相シフトの場合）
Ψ=R2-X1、η=-R1-X2（-90°の位相シフトの場合）
両信号についてのRF電力注入点38と39は、励起される共振モードmに依存する。適切に接続されているときには、このような給電構成となることで、図9に図示されているように、脚部1-100内での電流分布は正弦状となる。このように電流分布が進行することで、プラズマ加熱は非常に均一となる。

アンテナAは共振する。アンテナAのインピーダンスは、強い実部R−数百Ωにもなりうる−及び非常に小さな虚部iX−ゼロに近い−を与える。（複数の）発生装置でのRF反射を回避するため、インピーダンス整合ネットワークが用いられなければならない。従来の整合ネットワークが用いられても良いが、アンテナのインピーダンス特性（大きな実部と小さな虚部）を活かして、図10に図示された特殊な直列整合系40が実現されても良い。その整合系40は、調節可能な虚部インピーダンスibとia及び長さdを有する伝送ラインを有する。この系では、RF発生装置20から「見た」実部インピーダンスR_gは次式によって与えられる。

ここで、Z₀は伝送ライン41の特性インピーダンスで、βは伝送ライン41内での周波数ωでの信号の波数である（β=2π/λ、λは波長である）。よって適切な伝送ライン長dであれば、aの値を単独で調節することによって、R_gを発生装置の出力の実部インピーダンスにすることができる。よってRF発生装置20から「見える」インピーダンスの虚部は、bの値を調節することによってゼロにすることが可能となり、整合が行われる。

以降の段落では、動作中の平面アンテナに関する主要な関連パラメータについての典型的な大きさのオーダーが与えられる。例として、一カ所の電力注入がなされた22の脚部を有するハイパスアンテナを取り上げる。キャパシタも、全ての脚部も同一であるとする（長さ0.5m、直径6mm）。寸法を考慮すると、個々の脚部は約0.5μHのインダクタンスを表す。我々は、アンテナのm=6の共振モードを励起させたいと考えている。このm=6の共振が起こる周波数は、図15に図示されているように、当然アンテナキャパシタのキャパシタンスCに依存する。たとえば13.56MHzのRF発生装置20を用いる場合、この周波数でm=6の共振を観測するには大雑把に評価して800pFのキャパシタが必要となる。

図16は、大面積プラズマ処理反応装置50の単純な構成の典型例を図示している。周辺壁52及び反応装置上部プレート53を備える処理チャンバ51は、排気系54並びに放出気体及び処理前駆体（気体）注入系55と接続する。アンテナAは、反応装置の上部プレート53の周辺に設けられ、かつ考えられ得る整合ネットワークを備えるRF発生装置20によって給電される。被処理基板56は、反応装置チャンバ51内部において、アンテナAに対して実質的に平行な状態で、基板ホルダ57上に設けられている。プラズマ58は、基板56と反応装置の上部プレート53との間に生成される。静磁場発生装置10（図12）は図16には図示されていない。永久磁石のアレイ10が用いられたとすると、永久磁石のアレイ10はたとえば基板56の直下に設けられ、基板ホルダ57に内蔵されて良い。共振周波数の微調整を可能にする導電性シールドSも図示されていない。

Claims (14)

1. プラズマ処理用装置であって、
   当該装置は：
   少なくとも1つの平面アンテナ；
   前記平面アンテナを励起する少なくとも1つの高周波発生装置；
   気体注入システム及び拡散器；
   前記平面アンテナに近接する処理チャンバ、
   を有し
   前記平面アンテナは、複数の相互接続した基本共振メッシュを有し、
   前記基本共振メッシュの各々は少なくとも2つの導電性脚部と少なくとも2つのキャパシタを有し、それにより前記平面アンテナは複数の共振周波数を有し、
   前記高周波発生装置は、前記平面アンテナを、該平面アンテナの複数の共振周波数のうちの位置の共振周波数にまで励起させる、
   装置。
2. 前記少なくとも2つの導電性脚部は互いに平行である、請求項1に記載の装置。
3. 基本共振メッシュは2つの平行な導電性脚部を有し、
   前記2つの平行な導電性脚部の端部は、横方向の接続素子によって相互接続され、
   前記少なくとも2つの導電性脚部は、前記横方向の接続素子よりも長い、
   請求項2に記載の装置。
4. 前記横方向の接続素子は互いに対向するキャパシタを有する、請求項3に記載の装置。
5. 前記平行で長い導電性脚部は互いに対向するキャパシタを有し、
   各キャパシタは、各対応する導電性脚部の長さの間で直列接続する、
   請求項3又は4に記載の装置。
6. 前記基本共振メッシュは、共通の脚部によって相互接続することで、前記平面アンテナがはしご形状の共振アンテナとなる、請求項2に記載の装置。
7. 前記平面アンテナに対して平行な導電性プレート、及び、前記平面アンテナの共振周波数を調節できるように前記導電性プレートの相対位置を調節する手段をさらに有する、請求項1に記載の装置。
8. 前記平面アンテナ付近に磁場を発生させる手段をさらに有する、請求項1に記載の装置。
9. 前記磁場を発生させる手段が永久磁石のアレイを有する、請求項8に記載の装置。
10. 前記平面アンテナ内のDC電流を、高周波電流に重ね合わせるように注入する手段をさらに有する請求項8に記載の装置であって、
    前記アンテナ内のDC電流が前記高周波電流に重ね合わせるように注入されることで、前記DC電流は前記平面アンテナ付近に磁場を発生させる、
    装置。
11. 少なくとも1つの補助アンテナをさらに有する、請求項1に記載の装置。
12. 前記平面アンテナは前記処理チャンバ内部に設けられる、請求項1に記載の装置。
13. 少なくとも1つの整合ネットワークをさらに有する、請求項1に記載の装置。
14. 前記高周波発生装置は、2つの異なる注入点にて少なくとも2つの位相シフトしたRF出力信号を、前記平面アンテナに供給し、該供給の結果、前記平面アンテナの脚部での電流分布時間の並進が起こる、請求項1に記載の装置。

Images