JP5874854B1 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 金属製の真空容器内に配置されたアンテナに高周波電流を流すことによって誘導結合型のプラズマを生成するプラズマ処理装置において、真空容器内のアンテナよりも基板とは反対側の上部空間においてプラズマが生成されるのを防止する。【解決手段】 金属製の真空容器２内にアンテナ２０が配置されている。そして真空容器２内の空間の内、アンテナ２０よりも基板１０側の空間を下部空間６２、基板１０とは反対側の空間を上部空間６１と呼ぶと、上部空間６１に、上部空間６１におけるプラズマ生成を阻止する誘電体６６を配置している。【選択図】 図１
Description
この発明は、金属製の真空容器内に配置されたアンテナに高周波電流を流すことによって真空容器内に誘導電界を発生させて誘導結合型のプラズマを生成し、当該プラズマを用いて基板に処理を施すプラズマ処理装置に関する。基板に施す処理は、例えば、プラズマＣＶＤ法等による膜形成、エッチング、アッシング、スパッタリング等である。
アンテナに高周波電流を流し、それによって生じる誘導電界によって金属製の真空容器内において誘導結合型のプラズマ（略称ＩＣＰ）を発生させるプラズマ処理装置が従来から提案されている。
例えば、特許文献１には、絶縁パイプとその中に配置されたアンテナ本体とを備えているアンテナを、金属製の真空容器内に配置した構造のプラズマ処理装置が提案されている。より具体的には、直線状のアンテナを複数、金属製の真空容器内の基板の表面に沿う方向に並列に配置した構造のプラズマ処理装置が提案されている。このように真空容器内に配置されたアンテナは、内部アンテナとも呼ばれる。真空容器は電気的に接地されている。
アンテナ本体は金属パイプから成る場合もあるが、上記特許文献１では、アンテナ本体は、（ａ）複数の金属パイプを、隣り合う金属パイプ間に中空絶縁体を介在させて直列接続した構造をしており、（ｂ）かつ中空絶縁体の部分に設けられたコンデンサを有していて、中空絶縁体の両側の金属パイプと当該コンデンサとを電気的に直列接続した構造をしている。
上記のようなアンテナ（内部アンテナ）を用いてプラズマ生成を行うと、アンテナ周辺に生成されるプラズマによって、アンテナと金属製の真空容器内壁との間に生じるプラズマによる導電性領域と、当該領域に続いていて真空容器内壁に接してできるプラズマシースによる容量性領域とが生じる。これらは、アンテナが前記絶縁パイプを有していても生じる。
真空容器内の空間の内、アンテナよりも基板側を下部空間、基板とは反対側の空間を上部空間と呼ぶと、空間の大きさは、上部空間を下部空間よりも小さくするのが好ましく、通常はそのようにしている。具体的には、上部空間におけるアンテナと真空容器の天井部間の距離を、下部空間におけるアンテナと基板間の距離よりも小さくしている。これは、上部空間は、基板処理に用いるプラズマを生成するための空間ではなく、当該プラズマ生成の観点からは不要な空間であり、そのような不要な空間をできるだけ小さくするのが、装置のコンパクト化の観点から好ましいからである。また、当該上部空間でプラズマを生成させない方が、基板処理に用いるプラズマを生成する下部空間における高周波電力の利用効率も高まる。
一方、下部空間は、アンテナ付近で生成されたプラズマが適度に拡散して基板付近に到達するようにするために、ある程度大きくするのが好ましい。特に、複数本のアンテナを並設している場合は、基板付近におけるプラズマ密度の均一性を高めるために、下部空間はある程度大きくする（例えば、アンテナと基板間の距離を、アンテナピッチの半分程度以上にする）のが好ましい。
前述した上部空間にプラズマが生成されると、プラズマが生成されない状態に比べて、上部空間のインピーダンスが大きく低下する。これは、プラズマ生成によって、上部空間に前記導電性領域および容量性領域が生じるからである。特に、上記理由から上部空間を下部空間よりも小さくしていると、プラズマが生成された場合の上部空間のインピーダンス低下は著しい。これは、簡単に言えば、上部空間に生成されるプラズマの前記導電性領域における比抵抗を一定とすると、上部空間が小さくてアンテナと真空容器の天井部間の距離が小さいほど、前記導電性領域の抵抗ひいてはインピーダンスも小さくなるからである。
上記のようにして上部空間のインピーダンスが低下すると、アンテナを流れる高周波電流は、低インピーダンス化した上部空間を通して金属製の真空容器に流出しやすくなる。その結果、（ａ）アンテナを流れる高周波電流の大きさが、アンテナに沿う方向において不均一になる。（ｂ）それによって、アンテナに沿う方向におけるプラズマ密度分布が不均一になる。その結果、例えばプラズマを用いて基板上に膜を形成する場合、基板上における成膜速度の不均一、ひいては膜厚分布の不均一が生じる。（ｃ）また、高周波電力の損失が増大して、高周波電力を下部空間でのプラズマ生成に効率良く使うことができなくなり、高周波電力の利用効率およびプラズマ生成効率が低下する。
そこでこの発明は、金属製の真空容器内に配置されたアンテナに高周波電流を流すことによって誘導結合型のプラズマを生成するプラズマ処理装置において、真空容器内のアンテナよりも基板とは反対側の上部空間においてプラズマが生成されるのを防止することを主たる目的としている。
この発明に係るプラズマ処理装置は、金属製の真空容器内に配置されたアンテナに高周波電流を流すことによって前記真空容器内に誘導電界を発生させて誘導結合型のプラズマを生成し、当該プラズマを用いて基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、前記アンテナは、絶縁パイプと、その中に配置されたアンテナ本体とを備えており、前記真空容器内の空間の内、前記アンテナよりも基板側の空間を下部空間、基板とは反対側の空間を上部空間と呼ぶと、当該上部空間に、当該上部空間におけるプラズマ生成を阻止する誘電体を配置しており、前記誘電体は、間隙をあけて層状に配置された複数枚の誘電体板で構成されている、ことを特徴としている。
このプラズマ処理装置によれば、真空容器内の上部空間に、当該上部空間におけるプラズマ生成を阻止する誘電体を配置しているので、当該上部空間においてプラズマが生成されるのを防止することができる。それによって、上部空間を通してアンテナからそれに対向する真空容器内壁に流出する高周波電流を抑制することができる。
前記上部空間は前記下部空間よりも小さく、かつ前記誘電体は当該上部空間の実質的に全体に及ぶ大きさを有している、という構成を採用しても良い。
当該装置は、前記プラズマを用いて前記基板上に膜を形成するものであり、前記誘電体の少なくとも基板側の面は、前記膜を構成する物質で形成されている、という構成を採用しても良い。
その他の変形例を採用しても良い。
請求項１に記載の発明によれば、真空容器内の上部空間に、当該上部空間におけるプラズマ生成を阻止する誘電体を配置しているので、当該上部空間においてプラズマが生成されるのを防止することができる。それによって、上部空間を通してアンテナからそれに対向する真空容器内壁に流出する高周波電流を抑制することができる。
その結果、（ａ）アンテナを流れる高周波電流の大きさの、アンテナに沿う方向における均一性を高めることができる。（ｂ）それによって、アンテナに沿う方向におけるプラズマ密度分布の均一性を高めることができる。（ｃ）更に、高周波電力の損失が減少して、高周波電力を下部空間でのプラズマ生成に効率良く使うことができるので、高周波電力の利用効率およびプラズマ生成効率を向上させることができる。
更に、前記誘電体は間隙をあけて層状に配置された複数枚の誘電体板で構成されているので、全体が誘電体物質で構成されている場合に比べて、誘電体を軽量化することができる。また、誘電体板の材料の選定範囲が広がるので、成膜、エッチング等の処理目的または対象基板に応じて誘電体板の材料選定を行うことが容易になる。
更に、誘電体板間の間隙は空間であり、そこにプラズマが点灯しない限りどの誘電体材料に比べても最も誘電率が小さいので、全体が誘電体物質で構成されている場合に比べて、前記誘電体全体としての誘電率をより小さくすることができ、それによって、当該誘電体を通してアンテナから真空容器内壁へ流出する高周波電流をより小さくすることができる。その結果、前記（ａ）〜（ｃ）に示した効果をより高めることができる。
更に、前記誘電体は間隙をあけて層状に配置された複数枚の誘電体板で構成されているので、全体が誘電体物質で構成されている場合に比べて、誘電体を軽量化することができる。また、誘電体板の材料の選定範囲が広がるので、成膜、エッチング等の処理目的または対象基板に応じて誘電体板の材料選定を行うことが容易になる。
更に、誘電体板間の間隙は空間であり、そこにプラズマが点灯しない限りどの誘電体材料に比べても最も誘電率が小さいので、全体が誘電体物質で構成されている場合に比べて、前記誘電体全体としての誘電率をより小さくすることができ、それによって、当該誘電体を通してアンテナから真空容器内壁へ流出する高周波電流をより小さくすることができる。その結果、前記（ａ）〜（ｃ）に示した効果をより高めることができる。
請求項２に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、上部空間を下部空間よりも小さくしているので、装置のコンパクト化の点で有利であり、かつ下部空間は上部空間よりも大きいので、下部空間で生成されたプラズマを適度に拡散させて、基板付近におけるプラズマ密度分布の均一性を高めることが容易になる。
また、上部空間が小さいと、そこでプラズマが生成された場合の上部空間のインピーダンス低下は著しくなるけれども、前記誘電体は上部空間の実質的に全体に及ぶ大きさを有しているので、上部空間におけるプラズマ生成をより確実に阻止することができる。その結果、請求項１に記載の発明の前記効果をより確実に奏することができる。しかも、上部空間が小さいので、前記誘電体も小さくて済む。
請求項３に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、前記誘電体の少なくとも基板側の面を、基板上に形成する膜を構成する物質で形成しているので、当該誘電体の基板側の面が下部空間に生成されるプラズマでスパッタされたとしても、基板上に形成する膜を構成する物質以外の不純物が当該膜中に混入するのを抑制することができる。従って、不純物混入の少ない良質の膜を形成することができる。
請求項４に記載の発明によれば次の更なる効果を奏する。即ち、直線状のアンテナを複数、基板の表面に沿う方向に並列に配置しているので、より広い領域で均一性の良いプラズマを発生させることができ、従ってより大型の基板処理に対応することができる。
図１に、この発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示し、当該プラズマ処理装置の概略横断面図を図３に示す。方向の理解を容易にするために、各図中に、１点で互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を図示している。例えば、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は垂直方向である。
このプラズマ処理装置は、金属製の真空容器２内に配置されたアンテナ２０に、高周波電源５６から整合回路５８を経由して高周波電流ＩR を流すことによって、真空容器２内に誘導電界を発生させて誘導結合型のプラズマ１６を生成し、当該プラズマ１６を用いて基板１０に処理を施すように構成されている。
即ち、アンテナ２０に高周波電流ＩR を流すことによって、アンテナ２０の周囲に高周波磁界が発生し、それによって高周波電流ＩR と逆方向に誘導電界が発生する。この誘導電界によって、真空容器２内において、電子が加速されてアンテナ２０の近傍のガス（後述するガス８）を電離させてアンテナ２０の近傍にプラズマ（即ち誘導結合型のプラズマ）１６が発生する。このプラズマ１６は基板１０の近傍まで拡散し、このプラズマ１６によって基板１０に処理を施すことができる。
真空容器２はこの例では電気的に接地されており、その内部は真空排気装置４によって真空排気される。
基板１０は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板等であるが、これに限られるものではない。
基板１０に施す処理は、例えば、プラズマＣＶＤ法等による膜形成、エッチング、アッシング、スパッタリング等である。
このプラズマ処理装置は、プラズマＣＶＤ法によって膜形成を行う場合はプラズマＣＶＤ装置、エッチングを行う場合はプラズマエッチング装置、アッシングを行う場合はプラズマアッシング装置、スパッタリングを行う場合はプラズマスパッタ装置とも呼ばれる。
真空容器２内に、例えば流量調節器（図示省略）およびガス導入管６を経由して、ガス８が導入される。ガス８は、真空容器２内に、１箇所から導入しても良いし、複数箇所から導入しても良い。ガス８は、基板１０に施す処理内容に応じたものにすれば良い。例えば、プラズマＣＶＤ法によって基板１０に膜形成を行う場合は、ガス８は、原料ガスを希釈ガス（例えばＨ2 ）で希釈したガスである。より具体例を挙げると、原料ガスがＳiＨ4 の場合はＳi 膜を、ＳiＨ4 ＋ＮＨ3 の場合はＳiＮ膜を、ＳiＨ4 ＋Ｏ2 の場合はＳiＯ2 膜を、ＳiＦ4 ＋Ｎ2 の場合はＳiＮ：Ｆ膜（フッ素化シリコン窒化膜）を、それぞれ基板１０の表面に形成することができる。
真空容器２内に、基板１０を保持する基板ホルダ１２が設けられている。この例のように、基板ホルダ１２にバイアス電源１４からバイアス電圧を印加するようにしても良い。またこの例のように、基板ホルダ１２内に、基板１０を加熱するヒータ１３を設けておいても良い。
アンテナ２０は、この例では直線状のアンテナであり、真空容器２内の上部付近に、基板１０の表面に沿うように（例えば基板１０の表面と実質的に平行に）配置されている。真空容器２内に配置するアンテナ２０は、一つでも良いし、複数でも良い。この実施形態では、直線状のアンテナ２０を複数、基板１０の表面に沿う方向に（例えば基板１０の表面と実質的に平行に）並列に配置している。このようにすると、より広い領域で均一性の良いプラズマ１６を発生させることができ、従ってより大型の基板１０の処理に対応することができる。図３はアンテナ２０が４本の例を示しているが、それに限られるものではない。
アンテナが複数の場合、各アンテナの大気中にある給電端部５１には、図３に示す例のように、共通の高周波電源５６および整合回路５８から高周波電流ＩR を供給しても良いし、複数の高周波電源５６および整合回路５８から高周波電流ＩR を供給しても良い。各アンテナ２０の大気中にある終端部５２は、図３に示す例のように直接接地しても良いし、コンデンサまたはコイル等を介して接地しても良い。高周波電流ＩR の周波数は、例えば一般的な１３．５６ＭＨｚであるが、これに限られるものではない。
アンテナ２０は、絶縁パイプ２２と、その中に配置されたアンテナ本体２４とを備えている。この例ではアンテナ本体２４の内部に冷却水４４が流される。
絶縁パイプ２２の材質は、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等であるが、これらに限られるものではない。
絶縁パイプ２２を設ける理由は次のとおりである。即ち、公知のように、導体と高周波プラズマとが近接する構造の場合、プラズマ中のイオンよりも電子の方が軽くて遥かに多く導体に入射するので、プラズマ電位が導体よりも正側に上昇する。これに対して、上記のような絶縁パイプ２２を設けておくと、絶縁パイプ２２によって、プラズマ１６中の荷電粒子がアンテナ本体２４を構成する金属パイプ（例えば以下に述べる金属パイプ２６）に入射するのを抑制することができるので、金属パイプに荷電粒子（主として電子）が入射することによるプラズマ電位の上昇を抑制することができると共に、金属パイプが荷電粒子（主としてイオン）によってスパッタされてプラズマ１６および基板１０に対して金属汚染（メタルコンタミネーション）が生じるのを抑制することができる。
アンテナ本体２４は、金属パイプで構成されていても良いし、この例のように（図４も参照）、（ａ）複数の金属パイプ２６を、隣り合う金属パイプ２６間に中空絶縁体２８を介在させて直列接続した構造をしていて、各接続部は真空および冷却水４４に対するシール機能を有しており、（ｂ）かつ中空絶縁体２８の両側の金属パイプ２６と電気的に直列につながるコンデンサ３０を有している構造のものでも良い。
上記シール機能は、公知のシール手段で実現することができる。例えば、パッキンを用いても良いし、公知の管用テーパねじ構造を用いても良い。
アンテナ本体２４の両端部を真空容器２外へ貫通させており、その貫通部分には絶縁物４６が設けられている。アンテナ本体２４の金属パイプ２６と絶縁物４６との間および絶縁物４６と真空容器２との間はパッキン４８および５０によってそれぞれ真空シールされている。絶縁パイプ２２は、その全体が真空容器２内に設けられている。
直列接続する金属パイプの数ｎ（ｎは２以上の整数）ならびに中空絶縁体２８およびコンデンサ３０の数（ｎ−１）は、図示例ではｎ＝２であるが、ｎは３以上でも良い。
金属パイプ２６の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等であるが、これらに限られるものではない。
中空絶縁体２８の材質は、例えば、ガラス、アルミナ等のセラミックス、フッ素樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、エンジニアリングプラスチック（例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）など）等であるが、これらに限られるものではない。
コンデンサ３０は、例えば図４に示すような構造のものでも良い。このコンデンサ３０は、中空絶縁体２８の外周部に配置された層状のコンデンサであり、（ａ）中空絶縁体２８の外周部に配置された電極であって、当該中空絶縁体２８の一方側に接続された金属パイプ２６に電気的に接続された第１の電極３２と、（ｂ）中空絶縁体２８の外周部に、第１の電極３２と重なるように配置された電極であって、当該中空絶縁体２８の他方側に接続された金属パイプ２６に電気的に接続された第２の電極３４と、（ｃ）第１の電極３２および第２の電極３４間に配置された誘電体３６とを有している。
コンデンサ３０は、フィルム状の誘電体３６の両主面に電極３２、３４を金属蒸着等によって形成したものを、中空絶縁体２８の外周部に所定回数巻き付けた構造のものでも良いし、その他の構造のものでも良い。
アンテナ本体２４を、上記のように複数の金属パイプ２６をコンデンサ３０で電気的に直列接続した構造にすると、アンテナ本体２４の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になるので、アンテナ２０のインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナ２０を長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができる。従って、当該アンテナ２０の両端部間に大きな電位差が発生するのを抑えることができる。それによって均一性の良いプラズマ１６を発生させることが可能になる。ひいては基板１０の処理の均一性を高めることができる。
また、アンテナ２０を長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができるので、アンテナ２０に高周波電流ＩR が流れやすくなり、誘導結合型のプラズマ１６を効率良く発生させることが可能になる。ひいては基板１０の処理の効率を高めることができる。
更にこのプラズマ処理装置は、真空容器２内の空間の内、アンテナ２０を境にして、アンテナ２０よりも基板１０側の空間６２を下部空間、基板１０とは反対側の空間６１を上部空間と呼ぶと、上部空間６１に、当該上部空間６１におけるプラズマの生成を阻止する誘電体６６を配置している。
上部空間６１は、より具体的には、アンテナ２０とそれに対向する真空容器２の内壁（具体的には天井部３の内壁）との間の空間であり、この上部空間６１の高さ（深さと呼ぶこともできる）を図中にＤ1 で示している。下部空間６２は、より具体的には、アンテナ２０とそれに対向する基板１０の表面が属する平面との間の空間であり、この下部空間６２の高さ（深さと呼ぶこともできる）を図中にＤ2 で示している。
誘電体６６は、この実施形態では、それ全体が誘電体物質で構成されている。
誘電体６６の材質は、低誘電率のものが好ましい。そのようにすると、アンテナ２０と真空容器２の内壁間の静電容量がより小さくなって、誘電体６６を通してアンテナ２０から真空容器２の内壁へ流出する高周波電流ＩR がより小さくなるからである。例えば、誘電体６６の材質は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のセラミックス、石英ガラス、無アルカリガラス、その他の無機材料、あるいはシリコン等である。
このプラズマ処理装置によれば、真空容器２内の上部空間６１に、当該上部空間６１におけるプラズマ生成を阻止する誘電体６６を配置しているので、当該上部空間６１においてプラズマが生成されるのを防止することができる。それによって、上部空間６１を通してアンテナ２０からそれに対向する真空容器２の内壁に、具体的には真空容器２の天井部３の内壁に流出する高周波電流ＩR を抑制することができる。
その結果、アンテナ２０を流れる高周波電流ＩR の大きさの、アンテナ２０に沿う方向（この例ではＸ方向）における均一性を高めることができる。それによって、アンテナ２０に沿う方向におけるプラズマ１６の密度分布の均一性を高めることができる。その結果、アンテナ２０に沿う方向における基板処理の均一性を高めることができる。例えば、プラズマ１６を用いて基板１０上に膜を形成する場合、基板１０上における成膜速度の均一性ひいては膜厚分布の均一性を高めることができる。
更に、高周波電力の損失が減少して、高周波電源５６からの高周波電力を下部空間６２でのプラズマ１６の生成に効率良く使うことができるので、高周波電力の利用効率およびプラズマ１６の生成効率を向上させることができる。その結果、基板処理の効率を高めることができる。例えば、プラズマ１６を用いて基板１０上に膜を形成する場合、成膜速度を高めることができる。
また、上部空間６１にプラズマが生成されないことで、アンテナ２０と真空容器２の内壁（主として天井部３の内壁）との間のキャパシタンスひいては当該空間のインピーダンスは、インピーダンスの不確実なプラズマの影響を考慮せずに設計することができるようになる。従ってこの観点からも、アンテナ２０を流れる高周波電流ＩR のアンテナ２０に沿う方向における均一性を高めることが容易になり、それによってアンテナ２０に沿う方向におけるプラズマ密度分布の均一性を高めることが容易になる。
誘電体６６は、必ずしも上部空間６１の全体を完全に埋める必要はないが、上部空間６１のできるだけ広い範囲を埋めて、誘電体６６で埋めずに残っている空間をできるだけ小さくするのが好ましい。即ち誘電体６６は、図１〜図３に示す例のように、上部空間６１の実質的に全体に及ぶ大きさを有しているのが好ましい。「実質的に全体に及ぶ」というのは、上部空間６１の周縁部に、換言すれば誘電体６６とその周りの真空容器２およびアンテナ２０との間に、若干の空間が残っていても構わないという意味である。どの程度の空間が残っていても良いかは、上部空間６１のガス圧、ガス種等に依存していて数値等で一概に決めることはできないが、要は当該残っている空間でプラズマが生成されるのを防止できる程度ならば良い。以上のことは、図２に示す実施形態においても同様である。
また、上部空間６１は、この実施形態のように、下部空間６２よりも小さくするのが好ましい。具体的にはこの実施形態では、真空容器２の横断面形状は上下方向（Ｚ方向）においてほぼ一定であり、上部空間６１におけるアンテナ２０と天井部３との間の高さＤ1 を、下部空間６２におけるアンテナ２０と基板１０の表面との間の高さＤ2 よりも小さくしている。これは、図２に示す実施形態においても同様である。
前述したように、上部空間６１は基板１０の処理に用いるプラズマ１６の生成の観点からは不要な空間であるので、上部空間６１を小さくすると、装置のコンパクト化の点で有利である。また、下部空間６２を大きくすると、アンテナ２０付近で生成されたプラズマ１６が適度に拡散して基板１０付近に到達するようになるので、基板１０付近におけるプラズマ密度の均一性を高めることが容易になる。例えば、この実施形態のように複数本のアンテナ２０を並設している場合は、下部空間６２の上記高さＤ2 は、ある程度大きくするのが好ましい。例えば、アンテナピッチの半分程度以上にするのが好ましい。そのようにすると、アンテナ２０を複数本並設している場合でも、基板１０付近におけるプラズマ密度分布の均一性を高めることができる。
また、上部空間６１が小さいと、前述したようにそこでプラズマが生成された場合の上部空間６１のインピーダンス低下は著しくなるけれども、この実施形態では誘電体６６は上部空間６１の実質的に全体に及ぶ大きさを有しているので、上部空間６１におけるプラズマ生成をより確実に阻止することができる。その結果、上部空間６１を通してアンテナ２０からそれに対向する真空容器２の内壁に流出する高周波電流ＩR を抑制することができる等の前述した効果をより確実に奏することができる。しかも、上部空間６１が小さいので、誘電体６６も小さくて済む。
更にこの実施形態では、誘電体６６はそれ全体が誘電体物質で構成されているので、例えば図２に示す実施形態のように間隙７０をあけて層状に配置された複数枚の誘電体板６８で構成されている場合に比べて、層間７０でのプラズマ生成の可能性を考慮する必要がなく、従って真空容器２内における基板処理のためのプラズマ生成条件範囲（例えばガス圧等）を広くすることができる。
図２に、この発明に係るプラズマ処理装置の他の実施形態を示す。横断面図は図３に示すとおりである。
図１に示した実施形態との相違点を主に説明すると、この実施形態では、誘電体６６は、間隙７０をあけて層状に配置された複数枚の誘電体板６８で構成されている。
この誘電体６６も、上部空間６１の実質的に全体に及ぶ大きさを有しているのが好ましい。その詳細は、図１に示した誘電体６６の場合と同じであるので、ここでは重複説明を省略する。
各誘電体板６８の材質は、図１に示した誘電体６６と同様に、低誘電率のものが好ましい。その具体例は、図１に示した誘電体６６について例示したものと同じである。
間隙７０の寸法は、そこでプラズマが生成されないものにする。そのような寸法は、上部空間６１のガス圧、ガス種等によって異なるけれども、概略例を挙げると、間隙７０の寸法は約２ｍｍ〜１０ｍｍ程度にするのが好ましい。
誘電体板６８の数Ｎ（Ｎは２以上の整数）は、図示例では２であるが、Ｎは３以上でも良い。間隙７０の数は（Ｎ−１）となる。例えば、間隙７０の好ましい寸法は上記のとおりであるので、上部空間６１の高さＤ1 に応じて、間隙７０の上記寸法を確保することができる数Ｎにすれば良い。
誘電体６６を上記構成にすると、図１に示した実施形態のように誘電体６６の全体が誘電体物質で構成されている場合に比べて、誘電体６６を軽量化することができる。また、誘電体板６８の材料の選定範囲が広がるので、成膜、エッチング等の処理目的または対象基板１０に応じて誘電体板６８の材料選定を行うことが容易になる。
更に、誘電体板６８間の間隙７０は空間であり、そこにプラズマが点灯しない限りどの誘電体材料に比べても最も誘電率が小さいので、例えば図１に示す実施形態のように全体が誘電体物質で構成されている場合に比べて、誘電体６６全体としての誘電率をより小さくすることができ、それによって、当該誘電体６６を通してアンテナ２０から真空容器２の内壁へ流出する高周波電流ＩR をより小さくすることができる。その結果、上部空間６１を通してアンテナ２０からそれに対向する真空容器２の内壁に流出する高周波電流ＩR を抑制することができる等の前述した効果をより高めることができる。
上記いずれの実施形態の場合も、当該プラズマ処理装置が、プラズマ１６を用いて基板１０上に膜を形成する装置の場合、誘電体６６の少なくとも基板１０側の面は、当該膜を形成する物質で形成されているのが好ましい。より具体的には、図１を参照して説明した誘電体６６の場合は、当該誘電体６６の少なくとも基板１０に対向する面は、上記膜を構成する物質で形成されているのが好ましい。図２を参照して説明した誘電体６６の場合は、最も基板１０側の誘電体板６８の少なくとも基板１０に対向する面は、上記膜を構成する物質で形成されているのが好ましい。
上記のようにすると、誘電体６６の基板１０側の面が下部空間６２に生成されるプラズマ１６でスパッタされたとしても、それによって放出されるのは基板１０上に形成する膜を構成する物質であるので、基板１０上に形成する膜を構成する物質以外の不純物が当該膜中に混入するのを抑制することができる。従って、不純物混入の少ない良質の膜を形成することができる。
例えば、上記ガス８として前述したＳiＦ4 （四フッ化ケイ素）、Ｎ2 （窒素）およびＨ2 （水素）の混合ガスを用いて、基板１０上にフッ素化シリコン窒化膜（ＳiＮ：Ｆ膜）を形成する場合、誘電体６６として例えば石英を用いていると、プラズマ１６中の水素またはフッ素が石英から酸素を放出させるために、それが不純物として膜中に混入して、成膜したフッ素化シリコン窒化膜中の酸素量が不所望に増加する場合がある。
これに対して、誘電体６６の少なくとも基板１０側の面を、基板１０上に形成するフッ素化シリコン窒化膜を構成する物質、例えばシリコン（Ｓi ）で形成しておくと、より具体的には当該面をシリコン膜で被覆しておくと、誘電体６６である石英からの酸素の放出を抑えて、成膜したフッ素化シリコン窒化膜中の酸素量が不所望に増加するのを防止して、良質のフッ素化シリコン窒化膜を形成することができる。シリコンの代わりに、基板１０上に形成する膜と同じ物質であるフッ素化シリコン窒化膜形成（被覆）しておいても良い。上記と同様の理由による。
次に、実験結果の幾つかを図５〜図９に示す。
まず、各実験に共通な事項を説明すると、図２および図３に示す構成のプラズマ処理装置に相当するプラズマ処理装置を用いてプラズマ１６を生成する実験を行った。そして、上部空間６１に複数枚の誘電体板６８を層状配置した構造の誘電体６６を設置して上部空間６１でプラズマが生成されないようにした場合（実施例）と、上部空間６１に誘電体６６を設置せず上部空間６１でプラズマを生成させた場合（比較例）とを比較した。誘電体６６以外は同じ条件にした。各図中の「誘電体設置」は前者（実施例）の場合を表しており、「誘電体設置せず」は後者（比較例）の場合を表している。
誘電体６６を構成する誘電体板６８には、無アルカリガラス板を用いた。アンテナ２０の数は６本とし、各アンテナ２０はコンデンサ３０部分を３個有するものとし、各アンテナ２０の終端部５２は直接接地した。高周波電源５６からアンテナ２０に供給する高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚとした。図中の高周波電力、高周波電流は、それぞれアンテナ１本当たりのものである。真空容器２内には、ガス８としてＳiＦ4 、Ｎ2 およびＨ2 の混合ガスを導入し、その流量はＳiＦ4 ／Ｎ2 ／Ｈ2 ＝６００／６００／５００ｃｃｍとした。真空容器２内の圧力は約２．６６Ｐａとした。
図５は、下部空間６２におけるプラズマ１６からの発光強度を、より具体的にはプラズマ１６中のＳiＦの発光（波長４３９．６ｎｍ）および水素Ｈの発光（波長６５５．８ｎｍ）の強度を測定した結果を示すものである。どの場合も、アンテナ２０に供給する高周波電力を増加させると発光強度が強くなる（即ちプラズマ密度が高くなる）が、上部空間６１に誘電体６６を設置せず上部空間６１でプラズマを生成させた場合に比べて、上部空間６１に誘電体６６を設置して上部空間６１でプラズマが生成されないようにした場合の方が、ＳiＦ、水素共に下部空間６２における発光強度が強くなっている。これによって、上部空間６１でプラズマが生成されないようにすると、下部空間６２におけるプラズマ１６の生成効率が向上することが確認できた。
図６は、アンテナ２０の給電端部５１および終端部５２を流れる高周波電流ＩR を測定した結果を示すものである。どの高周波電力の場合も、上部空間６１に誘電体６６を設置せず上部空間６１でプラズマを生成させた場合、給電端部５１での電流値は大きいけれども終端部５２では小さくなっている。これは、上部空間６１でプラズマが生成されると、当該空間のインピーダンスが小さくなり、給電端部５１に近い領域でアンテナ２０から真空容器２の内壁にプラズマを通して高周波電流ＩR が多く流出しているからであると考えられる。
一方、上部空間６１に誘電体６６を設置して上部空間６１でプラズマが生成されないようにした場合、給電端部５１と終端部５２とで同程度の電流値が計測されている。これは、上部空間６１でプラズマが生成されなければ、アンテナ２０から真空容器２の内壁に流出する電流が殆ど無くなり、アンテナ２０の両端部での差異が小さくなったものと考えられる。これによって、上部空間６１でプラズマが生成されないようにすると、アンテナ２０を流れる高周波電流ＩR の大きさの、アンテナ２０に沿う方向における均一性が高まることが確認できた。
なお、高周波電力は、１５０Ｗおよび２００Ｗでも実験したが、図中に記載の１００Ｗと２５０Ｗとの間の傾向を示した。図７においても同様である。
図７は、アンテナ２０の給電端部５１および終端部５２における高周波電圧を測定した結果を示すものである。どの場合も、終端部５２で接地電位に近い低い電圧が計測されている。０Ｖにならないのは、終端部５２を接地するための接地線のインピーダンスによるものと考えられる。一方、給電端部５１では高い電圧が計測されており、これはアンテナ２０のインピーダンスに応じた電圧が発生しているからであると考えられる。
また、上部空間６１に誘電体６６を設置せず上部空間６１でプラズマを生成させた場合、上部空間６１に誘電体６６を設置して上部空間６１でプラズマを生成させないようにした場合に比べて、計測電圧が低くなっているのは、上部空間６１で生成されたプラズマのインピーダンスによるアンテナ２０の給電端部５１と終端部５２間のインピーダンス低下によるものと考えられる。
図８は、基板１０へのフッ素化シリコン窒化膜（ＳiＮ：Ｆ膜）の成膜速度を測定した結果を示すものである。上部空間６１に誘電体６６を設置せず上部空間６１でプラズマを生成させた場合に比べて、上部空間６１に誘電体６６を設置して上部空間６１でプラズマを生成させないようにした方が成膜速度は約１．８倍大きい。これは、上部空間６１でプラズマが生成されないようにすることによって、下部空間６２におけるプラズマ１６の生成効率が向上した結果であると考えられる。
図９は、基板１０へのフッ素化シリコン窒化膜（ＳiＮ：Ｆ膜）の成膜速度と下部空間６２におけるプラズマ１６からの発光強度（より具体的にはＳiＦおよび水素Ｈの発光強度）との関係を測定した結果を示すものである。上部空間６１に誘電体６６を設置せず上部空間６１でプラズマを生成させると、下部空間６２におけるプラズマ１６からの発光強度は小さく、基板１０への成膜速度も小さい。一方、上部空間６１に誘電体６６を設置して上部空間６１でプラズマが生成されないようにすると、下部空間６２における発光強度は大きく、基板１０への成膜速度も大きい。これは、上部空間６１でプラズマが生成されないようにすることによって、下部空間６２におけるプラズマ１６の生成効率が向上した結果であると考えられる。
２ 真空容器
８ ガス
１０ 基板
１６ プラズマ
２０ アンテナ
５６ 高周波電源
６１ 上部空間
６２ 下部空間
６６ 誘電体
６８ 誘電体板
７０ 間隙
８ ガス
１０ 基板
１６ プラズマ
２０ アンテナ
５６ 高周波電源
６１ 上部空間
６２ 下部空間
６６ 誘電体
６８ 誘電体板
７０ 間隙
Claims (4)
- 金属製の真空容器内に配置されたアンテナに高周波電流を流すことによって前記真空容器内に誘導電界を発生させて誘導結合型のプラズマを生成し、当該プラズマを用いて基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記アンテナは、絶縁パイプと、その中に配置されたアンテナ本体とを備えており、
前記真空容器内の空間の内、前記アンテナよりも基板側の空間を下部空間、基板とは反対側の空間を上部空間と呼ぶと、当該上部空間に、当該上部空間におけるプラズマ生成を阻止する誘電体を配置しており、
前記誘電体は、間隙をあけて層状に配置された複数枚の誘電体板で構成されている、ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記上部空間は前記下部空間よりも小さく、かつ前記誘電体は、当該上部空間の実質的に全体に及ぶ大きさを有している請求項１記載のプラズマ処理装置。
- 当該装置は、前記プラズマを用いて前記基板上に膜を形成するものであり、
前記誘電体の少なくとも基板側の面は、前記膜を構成する物質で形成されている請求項１または２記載のプラズマ処理装置。 - 前記アンテナは直線状のアンテナであり、当該アンテナを複数、前記基板の表面に沿う方向に並列に配置している請求項１、２または３記載のプラズマ処理装置。
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