JP6468521B2 - 誘導結合型アンテナユニット及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いて被処理基板の表面に薄膜形成やエッチング等の処理を施すプラズマ処理装置及びそのプラズマ処理装置に用いられる誘導結合型アンテナユニットに関するものである。

被処理基板の表面をプラズマ処理する装置としては、高周波電力の印加によって真空チャンバ内にプラズマを発生させる高周波アンテナを具備するプラズマ処理装置が一般的に使用されている。

特許文献１には、誘電体筐体と、該筐体の蓋体と、該蓋体に装着したＵ字形のアンテナ導体とからなり、該アンテナ導体のＵ字形部分が前記筐体内に収容され、一体化された構造の誘導結合型アンテナユニット技術が開示されている。当該技術によれば、アンテナ導体の一方の端部に給電し、他方の端部を接地する給電方式である。従って、大面積の基板を処理するプラズマ処理装置に使用する場合、アンテナ導体が長くなり、高周波電流路のインピーダンスが大きくなる。従って、両端の電位差が大きくなり、前記アンテナ導体の長手方向に対して不均一な密度の放電プラズマが発生する。また、給電端子近傍で異状放電が発生する、などの課題があった。

特開２０１０−２２５２９６号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであって、均一かつ高密度なプラズマを発生させる誘導結合型アンテナユニットを提供し、当該アンテナユニットを装着した安価なプラズマ処理装置を提供することを主たる課題とする。また、このプラズマ処理装置により大面積基板の表面処理を可能とするものである。

本発明は、下記の誘導結合型アンテナユニット及び当該誘導結合型アンテナユニットを用いたプラズマ処理装置を提供する。本発明に係る誘導結合型アンテナユニットはプラズマ処理装置等の真空チャンバの壁面に設けた開口部に気密を保って装着される誘導結合型アンテナユニットであって、１又は複数のアンテナ導体の中央部に高周波電力を給電し、前記アンテナ導体の両端部を接地する構成であることを特徴とする。従って、前記アンテナ導体の中央部から左右に延びる２本のアンテナ導体部に１台の高周波電源で給電することができる。従来のアンテナ導体の一方の端部に高周波電力を給電し、他方の端部を接地する誘導結合型アンテナの給電方式と比較すれば、アンテナ導体の長さを実質的に２分の１にすることができる。従って、本発明は従来方式の課題であった高周波電流路のインピーダンスを略２分の１に低減することができ、アンテナ導体両端の電位差を小さくできる。従って、均一性に優れた放電プラズマを生成することができるものである。本発明は下記の発明項目を含む。

請求項１に係る発明は、気密を保持して前記開口部を覆う蓋体、１又は複数の誘導結合型アンテナ導体とを有し、前記アンテナ導体が前記蓋体の内面にほぼ平行に配置され、前記アンテナ導体の中央部が給電端子板に接続され、前記アンテナ導体の両端部が前記蓋体に固定され、当該蓋体を介して接地電位に接続されていることを特徴とする誘導結合型アンテナユニットである。
この構成ならば、アンテナ導体のインピーダンスを略２分の１に低減でき、均一な放電プラズマを励起できるだけでなく、１台の高周波電源と整合器で複数のアンテナ導体を駆動することができる。また、最短距離の給電路でアンテナ導体に給電でき、最短距離の接地路で接地できるため、高周波電力を無駄なくプラズマ励起に投入できる。更に、プラズマ処理装置への脱着やアンテナユニットのクリーニング等が容易になる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の前記蓋体の内面と前記アンテナ導体の中央部との間隔が、前記蓋体の内面と前記アンテナ導体の両端部との間隔よりも大きいＶ字形状、或いは円弧形状であることを特徴とする誘導結合型アンテナユニットである。
この構成ならば、前記アンテナ導体の両端部のプラズマ密度を抑制することができ、アンテナ導体の全面に亘って均一な密度のプラズマを励起することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載のアンテナ導体が金属パイプであって一方の端部から他方の端部へと冷却媒体を流してアンテナ導体を冷却できる構成であることを特徴とする誘導結合型アンテナユニットである。
この構成ならば、前記アンテナ導体を水冷することができ、高周波電流による前記アンテナ導体の温度上昇を抑制できる効果がある。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の前記アンテナ導体が誘電体管又は誘電体材料で被覆されていることを特徴とする誘導結合型アンテナユニットである。
この構成ならば、前記アンテナ導体のスパッタリングによる金属不純物の飛散を防止することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の誘導結合型アンテナユニットが長方形の金属枠体とその底壁に設けた誘電体窓板とからなる筐体内に前記アンテナ導体を収容したことを特徴とするものである。
この構成ならば、前記アンテナ導体が放電プラズマに曝されることはなく、スパッタリングによる不純物の飛散を防止することができる。

請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の前記蓋体が前記真空チャンバの壁の一部であることを特徴とするものである。
この構成ならば、前記アンテナ導体の着脱が容易になるためプラズマ処理装置のメンテナンスが容易になる。

請求項７に係る発明は、前記真空チャンバの壁に設けた１又は複数の開口部又は内壁面に、請求項１から６のいずれか一項に記載の誘導結合型アンテナユニットを装着していることを特徴とするプラズマ処理装置である。
この構成ならば、複数個の前記誘導結合型アンテナユニットを真空チャンバの壁面に並列に装着することによって、大面積に亘って均一な高密度の放電プラズマを励起することができる。

本発明によれば、アンテナ導体の中央部に高周波電力を給電し、両端部を接地する構成であるため，（ａ）アンテナ導体のインピーダンスを実質的に２分の１に低減でき、（ｂ）１台の高周波電源と整合器で複数のアンテナ導体を駆動できる。従って、（ｃ）均一かつ高密度のプラズマを発生させることができ、被処理基板に所望のプラズマ処理を施すことができる。また、（ｄ）誘導結合型アンテナユニットの着脱が容易であり、クリーニング等が容易になる。

本発明に係る一実施形態であるプラズマ処理装置の要部構成を模式的に示す図である。 同実施形態の誘導結合型アンテナニットを説明するための模式図である。 誘導結合型アンテナ導体の一実施形態を説明するための模式図である。 誘導結合型アンテナユニットの他の実施形態を説明するための模式図である。 誘導結合型アンテナユニットの他の実施形態を説明するための模式図である。 アンテナ導体の長手方向のプラズマ密度分布を示す図である。

以下に本発明に係る誘導結合型アンテナユニット（以下、ＩＣＰアンテナユニットとも記す）及び当該アンテナユニットを装着したプラズマ処理装置の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る誘導結合型アンテナユニット２００を装着したプラズマ処理装置１００を図１に示す。誘導結合型アンテナ導体２１（以下、アンテナ導体とも記す）に高周波電流を流すことで発生する電磁界を用いて放電プラズマを励起させる、いわゆる誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）方式によるものである。

図１に前記ＩＣＰアンテナユニット２００を装着したプラズマ処理装置１００の模式図を示す。前記プラズマ処理装置１００は、例えば液晶ディスプレイに用いられる基板等の被処理基板１２を収容する真空チャンバ１１と、当該真空チャンバ内に高周波放電プラズマを励起させるＩＣＰアンテナユニット２００とを具備するものである。また、図示しない真空排気手段と作業ガスを導入するためのガス導入手段を具備する。

前記ＩＣＰアンテナユニット２００は蓋体２３と誘導結合型アンテナ導体２１及び高周波電力を給電する給電線２６からなる。前記アンテナ導体２１の両端部は前記蓋体２３に固定され、蓋体２３を介して接地電位にある真空チャンバの上壁１１１に接続されている。また、前記ＩＣＰアンテナ導体の中央部は給電線２６を介して整合器４２及び高周波電源４１に接続されている。図１に示すように、前記真空チャンバ１１の上壁１１１に上方から見て長方形の開口部１１２が形成されており、この開口部１１２に前記ＩＣＰアンテナユニット２００を真空シール部材２４を狭持して嵌め込むことにより真空チャンバ内部を密閉するように構成されている。前記真空チャンバ１１内には前記ＩＣＰアンテナユニット２００に対向して被処理基板１２が配置されている。被処理基板は架台１４に取り付けられた基板支持具１３表面に載置されている。

真空チャンバ１１内は、前記真空排気手段と前記ガス導入手段によって所定の真空度に設定される。例えばアルゴンと水素との混合ガスを導入して所定の圧力、例えば１Ｐａに調整し、前記ＩＣＰアンテナユニット２００の蓋体２３に取り付けられたアンテナ導体２１に高周波電流を流すことによって前記真空チャンバ１１内に放電プラズマを励起するものである。

図１に示すＩＣＰアンテナユニット２００及び図２に示すＩＣＰアンテナユニット３００は、１又は複数のアンテナ導体２１と、当該アンテナ導体を固定し、前記開口部１１２を覆う蓋体２３とからなる。前記アンテナ導体２１は前記蓋体２３の内壁面と所定間隔を保ってほぼ平行に配置され、前記アンテナ導体２１の中央部は給電端子板２５で連結されている。前記アンテナ導体２１の両端部は前記蓋体２３に固定されて一体化されている。前記蓋体２３は導電性材料、例えばステンレス鋼板やアルミニウム材で構成され、処理チャンバの上壁１１１に真空シール部材２４を狭持して図示しない螺子等により着脱可能に取り付けられて接地されている。前記給電端子板２５は、例えばフィードスルー２７を介して給電線２６に接続されている。給電線２６は整合器４２を介して高周波電源４１に接続されている。

前記誘導結合型アンテナ導体の一実施形態を図３に示す。図３に示すＩＣＰアンテナ２０１は、図１及び図２に示すＩＣＰアンテナユニット２００、３００のアンテナ導体２１を上方から見たときの概略図である。本実施形態では、ほぼ平行に配置した２本のアンテナ導体２１を中央部で給電端子板２５によって連結したものである。前記２本のアンテナ導体２１が作る平面が前記蓋体２３の内面に略平行に設置される。前記アンテナ導体２１の両端部はそれぞれ折り曲げて蓋体２３に直接固定することができる。従って、前記アンテナ導体２１と蓋体２３とは一体化され、図示しない螺子等によって前記上壁１１１の開口部１１２に取り付けられている。前記アンテナ導体２１の両端部を、それぞれ蓋体に直接接地することによって、各アンテナ導体に均等な高周波電流を流すことができる。前記アンテナ導体２１を冷却、例えば水冷する場合は、管状のアンテナ導体の両端部を折り曲げて真空シール部材、例えばＯリング２８等を狭持して図示しない固定治具によって蓋体２３に取り付けることができる。

前記アンテナ導体２１の素材は特定されるものではないが、高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を給電するため、導電性のよい金属材料、例えば銅材やアルミニウム材等であることが好ましい。また、アンテナ導体は高周波電流を流すと数１００℃に加熱されるため冷却、例えば水冷等が可能な金属パイプであることが好ましい。本発明によれば、アンテナ導体の両端が接地される構成であるため水冷等による冷却が容易である。

本実施形態では前記アンテナ導体２１は真空チャンバ内に装着されるため放電プラズマ中に曝される。従って、処理条件によってはアンテナ導体２１の表面はイオン照射によってスパッタリングされ、アンテナ導体金属が不純物として飛散する恐れがある。スパッタリングによる汚染を抑制するためには前記アンテナ導体表面を誘電体材料、例え石英管２２等で被覆することが好ましい。

前記蓋体２３に取り付けるアンテナ導体２１の数、長さ及び各アンテナ導体の間隔等は特定されるものではなく、プラズマ処理の目的やプラズマ処理装置の仕様等によって決定されるべきものである。図１に示すように略直線状のＩＣＰアンテナの場合、アンテナ導体の長さが比較的短い、例えば３０ｃｍ以下であればアンテナ導体の長手方向のプラズマ密度に大きな差は生じないが、例えば５０ｃｍ以上のアンテナ導体を有するＩＣＰアンテナの場合、図６に点線で示すように、アンテナ導体の中央部のプラズマ密度が両端部領域の密度より小さくなる。この原因は高周波電力の給電端子領域では電界強度が大きくプラズマの拡散損失が大きいためと考えられている。特に、長尺のアンテナ導体の場合に大きな課題である。

図２に示すＩＣＰアンテナユニット３００は前記アンテナ導体２１をＶ字形状或いは円弧形状にしたものである。本願発明によれば、アンテナ導体をＶ字形状にすることによって中央部のプラズマ密度と両端部の密度とが略等しくなることが明らかになった。Ｖ字形状のアンテナ導体全長に亘って均一なプラズマ密度を得るには、アンテナ導体の長さにも依存するが、アンテナ導体の蓋体内面に対する傾斜角度が１〜１５度であることが好ましい。より好適な角度は２〜１０度である。

本願発明に係るＩＣＰアンテナユニットの他の実施形態ついて説明する。本実施形態は図４に示すように、真空チャンバの上壁１１１に設けた開口部１１２に前記ＩＣＰアンテナ２０１を収容したＩＣＰアンテナユニット４００を嵌め込むものである。該ＩＣＰアンテナユニット４００はＩＣＰアンテナ２０１を収容する枠体３１と誘電体窓板３２及び蓋体２３とからなる。即ち、図４に示すように枠体３１を金属材、例えばステンレス鋼材やアルミニウム材で構成し、当該枠体の底壁３５に真空シール部材２４を挟持して前記誘電体窓板３２を取り付けた構成である。

前記ＩＣＰアンテナユニット４００は概略直方体形状をなす筐体であり、内部に図３に示すＩＣＰアンテナ２０１を収容する。ＩＣＰアンテナユニット４００は高周波電力を前記真空チャンバ１１内に誘導するため、少なくとも前記窓板３２は誘電体材料である必要がある。窓板３２は高周波電界に対して誘電体損失の小さい誘電体材料であることが望ましい。好適な誘電体材料としては石英、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化硅素などである。また、前記枠体３１は、その開口部周辺に鍔部３３を有し、該鍔部は真空チャンバ１１の上壁部１１１にシール部材２４を挟持して固定され、前記開口部１１２に着脱可能に装着できる構造である。

本発明の他の実施形態について図５を用いて説明する。図５に示すＩＣＰアンテナユニット５００は、前記蓋体２３を前記真空チャンバ１１の上壁１１１で代替するもので、前記上壁１１１の内面にアンテナ導体２１を図示しない螺子等によって取り付けたものである。前記アンテナ導体の中央部に対応する部分の上壁にフィードスルー２７を配置し、当該フィードスルーを介して前記アンテナ導体２１に給電できる構成である。前記上壁面とアンテナ導体との間隔は特定されるものではないが、高周波電力の容量結合を抑制できる程度の間隔があればよい。具体的には、１〜１０ｃｍ、より好ましくは３〜７ｃｍである。

図５に示すＩＣＰアンテナユニット５００はアンテナ導体として棒状又は板状の導体を用いた実施形態を示すが、アンテナ導体の冷却が必要な場合は、前記実施例と同様に金属パイプを用いてもよい。また、必要に応じて前記アンテナ導体を誘電体材料で被覆することができる。

更に、本発明によれば前記真空チャンバの壁の一部、例えば、上壁部１１１に一定間隔で複数の開口部１１２を設け、各開口部に前記ＩＣＰアンテナユニットを装着して各アンテナ導体に高周波電力を給電すれば、大面積の真空チャンバ内に略均一な放電プラズマを発生させることができる。また、各ＩＣＰアンテナユニットに給電する高周波電力を制御することによって放電プラズマの密度分布を調整し、均一化するこができる。

また、前記真空チャンバ１１の任意の内壁面に図５に示すアンテナ導体２１とフィードスルー２７を取り付けることによって、真空チャンバ１１内に高周波放電プラズマを励起することができる。

本願発明によれば、１又は複数のアンテナ導体２１の中央部に高周波電力を給電し、両端部を直接接地する構成にすることによって、給電路及び接地路の長さを数ｃｍ以下に短縮することができるため高周波電力の電送路による損失を１０％以下にすることができる。また、アンテナ導体の中央部に給電し、端部を直接接地することによって左右複数本のアンテナ導体に同一の高周波電流を流すことができる。本願発明の長所は１台の高周波電源と整合器で複数のアンテナ導体を駆動でき、均一かつ高密度の放電プラズマを励起できることである。
＜実施例１＞

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施例では図１に示すプラズマ処理装置１００を用い、上壁１１１に長さ６６ｃｍ、幅１４ｃｍの開口部１１２を設け、ＩＣＰアンテナユニット２００を装着して実施した。ＩＣＰアンテナユニット２００は、長さ７０ｃｍ、幅２０ｃｍの蓋体２３に外径１．２７ｃｍ、平坦部の長さ６０ｃｍの銅パイプ２本を採用し、中央部を給電端子板２５で連結し、両端部は折り曲げて蓋体２３に直接固定した。２本のアンテナ導体の間隔は１０ｃｍとし、前記蓋体内面との間隔を２．５ｃｍ（平行アンテナ）とした。蓋体の中央部にフィードスルー２７を配置し、給電線２６と前記給電端子板２５とを接続した。

上記ＩＣＰアンテナユニットを前記処理チャンバの上壁１１１に設けた開口部１１２に真空シール部材２４を挟持して装着し、ガス漏れが起こらないようにした。真空排気手段によって予め真空チャンバ内を１×１０^−３Ｐａ以下の高真空に排気した。引き続いてガス導入手段によって真空チャンバ１１内にアルゴンと水素の混合ガスを導入してガス圧力を約１Ｐａに調整した。

前記給電線２６に周波数１３．５６ＭＨｚ、出力１ｋＷの高周波電力を給電して真空チャンバ内に放電プラズマを発生させた。放電プラズマは真空チャンバ１１内に充満した。前記アンテナ導体２１面から１０ｃｍ離れた位置におけるプラズマ密度は約６×１０^１０／ｃｍ^３であった。図６に点線（平行アンテナ導体)で示すように、アンテナ導体２１の中央部（給電部領域）のプラズマ密度が両端部（接地部領域）より約１０％低い結果が得えられた。
＜実施例２＞

実施例２では、図２に示すように前記アンテナ導体２１をＶ字形状に湾曲し、中央部が真空チャンバ内に突出する形状としたＩＣＰアンテナユニット３００を用いた。具体的には、前記蓋体内面に対してアンテナ導体２１の張る角度を約４°とし、左右両端部の蓋体内面からの間隔を約２．５ｃｍ、中央部の間隔を約４．６ｃｍとした。また、前記アンテナ導体の両端部はＯリング２８を狭持して気密を保って蓋体に取り付け、水冷ホースを接続して水冷した。その他の実施態様は実施例１と同じとした。

実施例１と同じプラズマ励起条件で実施した結果を図６に示す。同図に実線（Ｖ字アンテナ導体）で示すように、アンテナ導体２１の中央部と両端部のプラズマ密度は略±３％以内であることが確認された。

上記実施例では、高周波電力として周波数１３．５６ＭＨｚの高周波を用いたが、これに特定されるものではなく、周波数３０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚの高周波電力を適用することができる。また、上記実施例では２本のアンテナ導体２１を用いたが、2本に特定されるものではなく、1本または3本以上であってもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。前記ＩＣＰアンテナユニットの装着は真空チャンバの上壁に特定されるものではなく、プラズマ処理装置の形態によって、例えば処理装置の側壁或いは下壁に装着してもよい。

１１・・真空チャンバ、１２・・被処理基板、１００・・プラズマ処理装置、２１・・アンテナ導体、２３・・蓋体、２５・・給電端子板、２００、３００、４００，５００・・ＩＣＰアンテナユニット、２０１・・ＩＣＰアンテナ、３１・・枠体、３２・・窓板、３５・・底壁、４１・・高周波電源、４２・・整合器

Claims (7)

1. プラズマ処理装置の真空チャンバの壁面に設けられた開口部に気密を保持して装着される誘導結合型アンテナユニットであって、気密を保持して前記開口部を覆う蓋体と、１又は複数の誘導結合型アンテナ導体とを有し、前記誘導結合型アンテナ導体が前記蓋体に沿って前記真空チャンバ内に配置され、前記誘導結合型アンテナ導体の中央部が給電端子板に接続され、前記誘導結合型アンテナ導体の両端部が接地されている前記蓋体に接触した状態で固定されて電気的に直接接続されていることを特徴とする誘導結合型アンテナユニット。
2. 前記蓋体の内面と前記誘導結合型アンテナ導体の中央部との間隔が、前記蓋体の内面と前記誘導結合型アンテナ導体の両端部の間隔より大であるＶ字形状、或いは円弧形状であることを特徴とする請求項１に記載の誘導結合型アンテナユニット。
3. 前記誘導結合型アンテナ導体が金属パイプであって一方の端部から他方の端部へと冷却媒体を流して前記誘導結合型アンテナ導体を冷却できる構成であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導結合型アンテナユニット。
4. 前記誘導結合型アンテナ導体が誘電体管又は誘電体材料で被覆されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の誘導結合型アンテナユニット。
5. 長方形の金属枠体とその底壁に設けた誘電体窓板とからなる筐体内に前記誘導結合型アンテナ導体を収容したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の誘導結合型アンテナユニット。
6. 前記蓋体が前記真空チャンバの内壁の一部であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の誘導結合型アンテナユニット。
7. 真空チャンバの壁に設けた１又は複数の開口又は内壁面に、請求項１から６のいずれか一項に記載の前記誘導結合型アンテナユニットを装着していることを特徴とするプラズマ処理装置。