JP6670625B2 - プラズマ処理装置及びシャワーヘッド - Google Patents
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Description
本発明は、載置台に載置された基板に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置と、プラズマ生成空間を介して基板と対向するように配置され、プラズマ生成空間へプラズマ生成用ガスを供給するシャワーヘッドに関する。
フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用のパネル製造工程では、プラズマ処理装置を用いて、ガラス基板等の基板に対してプラズマを用いた成膜処理やエッチング処理、アッシング処理等の微細加工を施すことにより、基板上に画素のデバイスや電極、配線等を形成している。プラズマ処理装置では、例えば、減圧可能な処理室の内部に配置された載置台の上に基板が載置され、処理室内の基板上方の空間であるプラズマ生成空間へ処理ガスを供給するシャワーヘッドが、プラズマ生成空間を介して基板と対向するように配置される。こうして、シャワーヘッドからプラズマ生成空間へ処理ガスを供給しながらプラズマ生成空間に高周波電界を発生させることによって、プラズマ生成空間にプラズマを生成させている。
シャワーヘッドはプラズマに晒されるため、プラズマによるシャワーヘッドの腐食を抑制する技術が、種々、提案されている。例えば、アルミニウムを母材とするシャワーヘッドのガス吐出孔にアルミナピースを挿入し、シャワーヘッドのプラズマ生成空間側の表面をアルミナコーティング膜により覆う構造が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、上記特許文献１に記載された技術のように、シャワーヘッドのガス吐出孔にアルミナピースを配置した構造とした場合でも、シャワーヘッドの使用可能な寿命が短くなっているという問題がある。具体的には、ガス吐出孔にアルミナピースが配置されていても、使用される処理ガスの多様化等に伴って、短期間のうちにガス吐出孔のプラズマ生成空間側の開口部においてアルミナピース及びアルミナコーティング膜に腐食が生じ、シャワーヘッドの母材が露出してしまうという問題が生じている。
この問題に対処する方法として、アルミナピースの径方向の肉厚を厚くする方法が考えられる。しかし、アルミナピースの径方向の肉厚を厚くすると、アルミナピースの端面上に密着性の高いアルミナコーティング膜を形成することが困難になる。これは、アルミナピースの表面は平滑度が高く、また、ブラスト処理等によっても表面を荒らすことが容易ではなく、更に、アルミナコーティング膜に対する濡れ性も高くないためである。そのため、短期間のうちにアルミナコーティング膜が剥離してしまい、シャワーヘッドの母材が露出してしまうという問題が生じる。
本発明の目的は、プラズマによる腐食に対する耐久性に優れたシャワーヘッドを提供することにある。また、本発明の目的は、耐久性に優れたシャワーヘッドを備えるプラズマ処理装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明のシャワーヘッドは、プラズマ処理装置に装備されるシャワーヘッドであって、前記シャワーヘッドは、処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、ステンレスからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有することを特徴とする。
上記目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、基板が載置される基板載置面を有する載置台と、前記載置台を内部に収容するチャンバと、前記載置台に載置された基板と対向するように配置され、前記チャンバ内に処理ガスを供給するシャワーヘッドと、前記チャンバの内部に前記処理ガスによるプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、を備え、前記載置台に載置された基板に対して前記プラズマによる処理を施すプラズマ処理装置であって、前記シャワーヘッドは、前記チャンバ内に前記処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、ステンレスからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、シャワーヘッドがプラズマ処理装置に装備された状態において、シャワーヘッドに設けられたガス吐出孔のプラズマ生成空間側に一定の高さと肉厚とを有するステンレスからなるスリーブを配置し、且つ、シャワーヘッドのプラズマ生成空間側の面に、スリーブ及びシャワーヘッドの基材に対して密着性の高い耐プラズマ皮膜が形成される。これにより、プラズマ処理に対する高い耐久性を備えたシャワーヘッドを実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１１を備える基板処理システム１０の概略構成を示す斜視図である。
基板処理システム１０は、ガラス基板等のＦＰＤ用の基板Ｇへプラズマ処理、例えば、プラズマエッチングを施す３つのプラズマ処理装置１１を備える。３つのプラズマ処理装置１１はそれぞれ、水平断面が多角形状（例えば、水平断面が矩形状）の搬送室１２の側面へゲートバルブ１３を介して連結される。なお、プラズマ処理装置１１の構成については、図２を参照して後述する。
搬送室１２には更に、ロードロック室１４がゲートバルブ１５を介して連結されている。ロードロック室１４には、基板搬出入機構１６がゲートバルブ１７を介して隣設される。基板搬出入機構１６には２つのインデックサ１８が隣設されている。インデックサ１８には、基板Ｇを収納するカセット１９が載置される。カセット１９には、複数枚（例えば、２５枚）の基板Ｇを収納することができる。
基板処理システム１０の全体的な動作は、不図示の制御装置によって制御される。基板処理システム１０において基板Ｇに対してプラズマエッチングを施す際には、まず、基板搬出入機構１６によってカセット１９に収納された基板Ｇがロードロック室１４の内部へ搬入される。このとき、ロードロック室１４の内部にプラズマエッチング済みの基板Ｇが存在すれば、そのプラズマエッチング済みの基板Ｇがロードロック室１４内から搬出され、未エッチングの基板Ｇと置き換えられる。ロードロック室１４の内部へ基板Ｇが搬入されると、ゲートバルブ１７が閉じられる。
次いで、ロードロック室１４の内部が所定の真空度まで減圧された後、搬送室１２とロードロック室１４の間のゲートバルブ１５が開かれる。そして、ロードロック室１４の内部の基板Ｇが搬送室１２の内部の搬送機構（不図示）によって搬送室１２の内部へ搬入された後、ゲートバルブ１５が閉じられる。
次いで、搬送室１２とプラズマ処理装置１１の間のゲートバルブ１３が開かれ、搬送機構によってプラズマ処理装置１１の内部に未エッチングの基板Ｇが搬入される。このとき、プラズマ処理装置１１の内部にプラズマエッチング済みの基板Ｇがあれば、そのプラズマエッチング済みの基板Ｇが搬出され、未エッチングの基板Ｇと置き換えられる。その後、プラズマ処理装置１１により搬入された基板Ｇにプラズマエッチングが施される。
図２は、プラズマ処理装置１１の概略構成を示す断面図である。プラズマ処理装置１１として、ここでは、誘導結合型のプラズマ処理装置を示している。プラズマ処理装置１１は、略矩形状のチャンバ２０（処理室）と、チャンバ２０内の下方に配置され、頂部である基板載置面に基板Ｇを載置する台状の載置台２１と、載置台２１と対向するようにチャンバ２０内の上方に誘電体又は金属からなる窓部材（不図示）を介して配置される渦巻き状の導体からなる誘導結合アンテナ５０と、窓部材の下方においてチャンバ２０内に処理ガスを供給するガス供給部であるシャワーヘッド２２とを備える。チャンバ２０の内部において、載置台２１とシャワーヘッド２２との間には、プラズマが生成されるプラズマ生成空間Ｓが形成される。
載置台２１は、導体からなるサセプタ２３を内蔵しており、サセプタ２３にはバイアス用高周波電源２４が整合器２５を介して接続されている。また、載置台２１の上部には、層状の誘電体から形成される静電吸着部２６が配置されており、静電吸着部２６は、上層の誘電体層と下層の誘電体層によって挟み込まれるように内包された静電吸着電極２７を有する。
静電吸着電極２７には直流電源２８が接続されており、直流電源２８から静電吸着電極２７へ直流電圧が印加されると、静電吸着部２６は静電気力によって載置台２１に載置された基板Ｇを吸着保持する。バイアス用高周波電源２４は、比較的低い周波数の高周波電力をサセプタ２３へ供給して、静電吸着部２６に静電吸着された基板Ｇに直流バイアス電位を生じさせる。なお、静電吸着部２６は、板部材として形成されてもよく、また、載置台２１上に溶射膜として形成されてもよい。
載置台２１は、載置された基板Ｇを冷却する冷媒流路２９を内蔵しており、冷媒流路２９は、伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給機構３０に接続されている。伝熱ガスとしては、例えば、Ｈｅガスが用いられる。伝熱ガス供給機構３０は、伝熱ガス供給源３１とガス流量制御器３２とを有し、伝熱ガスを載置台２１へ供給する。載置台２１は、上部において開口する複数の伝熱ガス穴３３と、それぞれの伝熱ガス穴３３及び伝熱ガス供給機構３０を連通させる伝熱ガス供給経路３４とを有する。載置台２１では、静電吸着部２６に静電吸着された基板Ｇの裏面と載置台２１の上部との間に微少な隙間が生じるが、伝熱ガス穴３３から供給される伝熱ガスがこの隙間に充填されることで、基板Ｇと載置台２１の熱伝達効率を向上させて、載置台２１による基板Ｇの冷却効率を向上させることができる。
シャワーヘッド２２は、載置台２１に載置される基板Ｇの全面に亘って対向するように配置されおり、処理ガス供給機構３５に接続されている。処理ガス供給機構３５は、処理ガス供給源３６、ガス流量制御器３７及び圧力制御バルブ３８を有する。シャワーヘッド２２は、処理ガス供給機構３５と連通するバッファ３９を内蔵しており、バッファ３９は多数のガス吐出孔４０を介してプラズマ生成空間Ｓと連通している。
処理ガス供給機構３５からバッファ３９へ供給された処理ガスは、ガス吐出孔４０からプラズマ生成空間Ｓへ導入される。複数のガス吐出孔４０は、載置台２１に載置される基板Ｇの全面に亘って対向するように分散配置されており、これにより基板Ｇ上のプラズマ生成空間Ｓに均一に処理ガスを導入することができる。なお、ガス吐出孔４０の詳細な構成については後述する。
誘導結合アンテナ５０には、整合器４２を介してプラズマ生成用高周波電源４１が接続されており、プラズマ生成用高周波電源４１は、比較的高い周波数のプラズマ生成用の高周波電力を誘導結合アンテナ５０へ供給する。プラズマ生成用の高周波電力が供給される誘導結合アンテナ５０は、プラズマ生成空間Ｓに電界を生じさせる。また、プラズマ処理装置１１は、チャンバ２０の内部と連通する排気管４３を備え、排気管４３を通してチャンバ２０の内部のガスを排出し、チャンバ２０の内部を所定の減圧状態とすることができる。
プラズマ処理装置１１の各構成要素の動作は、基板処理システム１０の制御装置による統括的な制御の下で、装置コントローラ４４が所定のプログラムを実行することによって制御される。プラズマ処理装置１１により基板Ｇに対してプラズマエッチングを施す際には、プラズマ生成空間Ｓが減圧され、処理ガスがプラズマ生成空間Ｓへ導入されると共に誘導結合アンテナ５０へプラズマ生成用の高周波電力が供給される。これにより、プラズマ生成空間Ｓに電界が生じる。プラズマ生成空間Ｓへ導入された処理ガスは、電界によって励起されてプラズマを生成し、プラズマ中の陽イオンは、載置台２１を介して基板Ｇに生じる直流バイアス電位によって基板Ｇへ引き込まれ、基板Ｇにプラズマエッチングを施す。また、プラズマ中のラジカルは、基板Ｇへ到達して基板Ｇにプラズマエッチングを施す。
プラズマ処理装置１１では、誘導結合アンテナ５０が基板Ｇの全面を覆うように配置されており、これにより、基板Ｇの全面を覆うようにプラズマを生成することができるため、基板Ｇの全面へ均一にプラズマエッチングを施すことができる。
次に、シャワーヘッド２２におけるガス吐出孔４０の構造について説明する。
図３（ａ）は、シャワーヘッド２２に設けられたガス吐出孔４０の第１の構造例を示す断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中に示す領域Ａの拡大断面図である。
シャワーヘッド２２の基材６０は、例えば、アルミニウムで構成されている。ガス吐出孔４０のプラズマ生成空間Ｓ側、つまり、ガス吐出孔４０のガス吐出口側には、円筒形状を有するセラミックススリーブ６１を配置するための凹部が形成されている。この凹部とガス吐出孔４０を形成する壁面には、アルマイト皮膜６５が形成されている。
基材６０に設けられた凹部には、セラミックススリーブ６１が嵌め込まれ、これにより、セラミックススリーブ６１の中心孔はガス吐出孔４０の一部を形成する。セラミックススリーブ６１は、シリカ系接着剤６４等を用いて凹部に接着、固定される。セラミックススリーブ６１としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）スリーブが用いられる。
セラミックススリーブ６１は、例えば、内径がφ１〜２ｍｍ、外径がφ４〜８ｍｍ、高さ（厚さ）が３ｍｍ〜５ｍｍの形状を有する。セラミックススリーブ６１の径方向の肉厚（＝（外径−内径）／２）は、１ｍｍ以上あることが望ましく、これにより、プラズマに対する所望の耐久性を得ることができる。なお、セラミックススリーブ６１の高さは、ガス吐出孔４０のどの深さにまでプラズマが侵入するかに応じて設定され、内径が大きい場合には、高さを高くすることが望ましい。
基材６０及びセラミックススリーブ６１のプラズマ生成空間Ｓ側の表面には、下地皮膜６２（アンダーコーティング皮膜）が形成されている。下地皮膜６２は、例えば、イットリア（以下、「イットリア下地皮膜」という）、又は、アルミニウム（以下、「アルミニウム下地皮膜」という）であり、その厚さは、１０μｍ〜５０μｍ、好ましくは、２０μｍ〜３０μｍである。
下地皮膜６２上に、耐プラズマ皮膜６３が形成されている。耐プラズマ皮膜６３は、例えば、アルミナ（以下、「耐プラズマアルミナ皮膜」という）、イットリア（以下、「耐プラズマイットリア皮膜」という）である。耐プラズマ皮膜６３の厚さは、５０μｍ〜４００μｍ、好ましくは、１００μｍ〜２００μｍである。
図３に示す構造のガス吐出孔４０を有するシャワーヘッド２２は、例えば、次の手順で作製することができる。最初に、ガス吐出孔４０と凹部が形成された基材６０に、一般的な陽極酸化処理等の方法によって、基材６０の表面にアルマイト皮膜６５を形成する。なお、ガス吐出孔４０や凹部は、ドリルやエンドミル等を用いた機械加工（切削加工）により容易に形成することができる。
そして、セラミックススリーブ６１を、シリカ系接着剤６４等を用いて凹部に接着する。このとき、セラミックススリーブ６１は、基材６０に機械加工等により形成された凹部に寸法精度に応じて位置決めされるため、セラミックススリーブ６１の接着に特別な治具等は必要なく、接着作業を容易に行うことができる。
続いて、基材６０においてセラミックススリーブ６１が配置された面（プラズマ処理装置１１に組み込まれた際にプラズマ生成空間Ｓ側となる面であって、セラミックススリーブ６１の表面を含む（以下、「基材６０の成膜面」という）にブラスト処理等を施す。これにより、基材６０の成膜面を荒らして表面粗度を大きくする。これは、アンカー効果によって下地皮膜６２の密着性を高めるために行われる。
なお、図３（ｂ）に示すように、本実施の形態では、基材６０の成膜面にアルマイト皮膜６５が形成されていない。これは、ブラスト処理によって基材６０の成膜面に形成されていたアルマイト皮膜６５が除去されたことによる。但し、基材６０の成膜面にアルマイト皮膜６５が残るようにブラスト処理を行ってもよい。
基材６０を構成するアルミニウム及びその表面に形成されたアルマイト皮膜と、セラミックススリーブ６１とでは、材質の違いから、ブラスト処理による加工速度が異なる。そのため、基材６０の部分が所定の表面粗さとなっても、セラミックススリーブ６１の表面は、これと同じ表面粗さにならないことが一般的である。その場合、仮に、ブラスト処理後の基材６０の成膜面に耐プラズマ皮膜６３を直接形成すると、耐プラズマ皮膜６３は、基材６０の部分ではアンカー効果により高い密着性が得られても、セラミックススリーブ６１の部分では、アンカー効果が得られずに密着性が低くなってしまう。そこで、セラミックススリーブ６１と耐プラズマ皮膜６３の双方に対して濡れ性の高い下地皮膜６２を、基材６０の成膜面に形成する。これにより、セラミックススリーブ６１の表面に、密着した耐プラズマ皮膜６３を形成することができる。
下地皮膜６２は、例えば、ＡＰＳ（Atmospheric Plasma Spraying）溶射法によって形成することができる。ここで、下地皮膜６２としてイットリア下地皮膜を形成した場合には、その後、そのままその表面に耐プラズマ皮膜６３を形成した場合でも、高い密着性を示す耐プラズマ皮膜６３を形成することができる。一方、下地皮膜６２としてアルミニウム下地皮膜を形成した場合、そのままその表面に耐プラズマ皮膜６３を形成することもできるが、好ましくは、その表面を荒らす程度にブラスト処理を施すことが好ましく、アンカー効果によって耐プラズマ皮膜６３の密着性の向上を図ることができる。なお、イットリア下地皮膜を形成した場合でも、その表面を荒らす程度のブラスト処理を行ってもよい。
こうして形成した下地皮膜６２上に、耐プラズマ皮膜６３を、例えば、ＡＰＳ溶射法等によって形成する。これにより、図３に示す第１の構造例のガス吐出孔４０を備えるシャワーヘッド２２を作製が完了する。
図４は、耐プラズマ皮膜６３の密着性を、セラミックススリーブ６１と下地皮膜６２との組み合わせで評価した結果を示す図である。なお、セラミックススリーブ６１は、アルミナスリーブである。下地皮膜６２は、イットリア下地皮膜とアルミニウム下地皮膜であるが、アルミニウム下地皮膜の場合には、耐プラズマ皮膜６３の形成前にブラスト処理を行っている。
なお、図４中に示す、耐プラズマ皮膜の「ＳＵＳ」は、耐プラズマ皮膜６３としてのＳＵＳ皮膜（以下、「耐プラズマＳＵＳ皮膜」という）であり、耐プラズマＳＵＳ皮膜の成膜方法には、ＡＰＳ溶射法を用いることができる。また、図４中に示す「ＳＵＳスリーブ」とその結果については、後述する。
耐プラズマ皮膜６３の密着性の評価は、耐プラズマ皮膜６３に対して接着剤で治具を取り付け、治具を一定の力で引っ張ったときの耐プラズマ皮膜６３の剥離のしやすさで判定しており、図中の「○」は、高い密着性が得られたことを示している。
セラミックススリーブ６１に、直接、耐プラズマ皮膜６３として耐プラズマアルミナ皮膜を形成した場合には密着性が低く、耐久性に問題がある。しかし、下地皮膜６２上に耐プラズマアルミナ皮膜を形成した場合には、耐プラズマアルミナ皮膜が高い密着性を示すことが確認された。
また、耐プラズマ皮膜６３として耐プラズマイットリア皮膜を形成した場合には、下地皮膜６２を形成しなくとも、高い密着性が得られる。これは、イットリアのアルミナに対する濡れ性が高いためと考えられる。この場合、ガス吐出孔４０の構造は、図５の断面図に示されるように、基材６０の成膜面に、下地皮膜６２を形成することなく、直接、耐プラズマ皮膜６３として耐プラズマイットリア皮膜６３Ａが形成された構造となる。なお、耐プラズマ皮膜６３の一例である耐プラズマＳＵＳ皮膜は、セラミックススリーブ６１に対して密着しない。
上記説明の通り、シャワーヘッド２２に設けられたガス吐出孔４０の第１の構造例では、ガス吐出孔４０のプラズマ生成空間Ｓ側に、一定の厚さと肉厚とを有するセラミックススリーブ６１を配置し、セラミックススリーブ６１に対して高い密着性を有する耐プラズマ皮膜６３を形成することができる。これにより、プラズマ処理に対して高い耐久性を有するシャワーヘッド２２を実現することができる。
図６（ａ）は、シャワーヘッド２２に設けられたガス吐出孔４０の第２の構造例を示す断面図である。
既に説明したように、セラミックススリーブ６１の表面に、直接、密着性の高い耐プラズマ皮膜６３を形成することは容易ではない。そのため、セラミックススリーブ６１の表面に密着性の高い耐プラズマ皮膜６３を形成するためには、下地皮膜６２を設けることが好ましい。一方で、基材６０のアルミニウムは、例えば、ブラスト処理等によって表面を荒らすことによって、下地皮膜６２を設けることなく、直接に耐プラズマ皮膜６３を形成することも可能である。
そこで、ガス吐出孔４０の第２の構造例では、高さ（厚さ）方向の一方の端面に予め下地皮膜６２が形成されたセラミックススリーブ６１を準備し、第１の構造例と同様に、基材６０に設けた凹部に接着する。その後、基材６０においてセラミックススリーブ６１が配置された面に、耐プラズマ皮膜６３を成膜する。これにより、基材６０及びセラミックススリーブ６１の両方に対して高い密着性を有する耐プラズマ皮膜６３を形成することができる。ガス吐出孔４０の第２の構造例では、基材６０に下地皮膜６２を形成する必要がないため、下地皮膜６２の形成に必要なコストを抑えることができる。
図６（ｂ）は、シャワーヘッド２２に設けられたガス吐出孔４０の第３の構造例を示す断面図である。第３の構造例は、基材６０に貫通孔を形成し、この貫通孔に、セラミックススリーブ６１Ａが挿入され、シリカ系接着剤等で固定された構造を有する点で、第１の構造例（図３）と異なるが、その他の構成は、第１の構造例と同じである。
第３の構造例では、セラミックススリーブ６１Ａの中心孔が、ガス吐出孔４０となる。セラミックススリーブ６１Ａは、外径が一定で、ガス吐出孔４０のガス吐出口側の肉厚が、ガス流入口側であるバッファ３９側の肉厚よりも厚くなるように部分的に内径差が設けられた形状を有する。これは、ガス吐出口側はプラズマに晒されるためにプラズマに対する耐久性を高める必要があり、一方、バッファ３９側はプラズマに晒される確率が低いため、肉厚が薄くてもよいことを考慮したものである。セラミックススリーブ６１Ａにおけるガス吐出口側の肉厚は、セラミックススリーブ６１と同様に、１ｍｍ以上であることが望ましい。
セラミックススリーブ６１Ａを用いることにより、セラミックススリーブ６１を用いたときに得られる効果に加えて、ガス吐出孔４０の内壁のプラズマに対する耐食性を高めることができると共に、使用されるガスに対する耐食性を向上させることもできる。なお、セラミックススリーブ６１Ａを挿入するために基材６０に設けた貫通孔の壁面には、アルマイト皮膜が形成されている必要はない。
ところで、セラミックススリーブ６１として、アルミナスリーブに代えて、イットリアからなるイットリアスリーブを用いることができる。その場合に、下地皮膜６２を形成するのであれば、同材料からなるイットリア下地皮膜を用いることが好ましい。また、耐プラズマ皮膜６３として耐プラズマイットリア皮膜を用いる場合には、下地皮膜６２を形成しなくともよい。
図７（ａ）は、シャワーヘッド２２に設けられたガス吐出孔４０の第４の構造例を示す断面図である。第４の構造例は、第１の構造例（図３）と比較して、セラミックススリーブ６１に代えて、ステンレスからなるＳＵＳスリーブ７１を用い、下地皮膜６２を設けることなく、基材６０の成膜面に、直接、耐プラズマ皮膜６３が形成されている点で、第１の構造例と異なる。以下、これらの相違点について説明する。
ＳＵＳスリーブ７１の形状は、セラミックススリーブ６１の形状と同等とすることができる。ＳＵＳスリーブ７１は、基材６０に設けられた凹部に嵌め込まれ、シリカ系接着剤等を用いて接着される。ＳＵＳスリーブ７１は、例えば、ブラスト処理によって表面を所定の表面粗さとすることにより、耐プラズマ皮膜６３を溶射法によって形成した場合の耐プラズマ皮膜６３との密着力を高めることができる。そのため、ＳＵＳスリーブ７１を用いる場合には、下地皮膜６２を必要としない。また、ステンレスの線膨張係数は、アルミニウムの線膨張係数に近い。そのため、ＳＵＳスリーブ７１の外径を大きくしても、基材６０との接合境界にクラックが発生し難く、シャワーヘッド２２にプラズマ処理によるヒートサイクルに対して優れた耐久性を示す。
耐プラズマ皮膜６３には、耐プラズマアルミナ皮膜、耐プラズマイットリア皮膜に加えて、耐プラズマＳＵＳ皮膜を用いることができる。耐プラズマＳＵＳ皮膜は、耐プラズマアルミナ皮膜及び耐プラズマイットリア皮膜と同様に、ＡＰＳ溶射法により形成することができ、その厚さは、５０μｍ〜４００μｍ、好ましくは、１００μｍ〜２００μｍである。
ＳＵＳスリーブ７１が配置されたガス吐出孔４０を有するシャワーヘッド２２の作製手順は、下地皮膜６２を形成しない点を除いて、第１の構造例（図３）について説明したシャワーヘッド２２の作成手順に準ずるため、説明を省略する。ＳＵＳスリーブ７１を用いたシャワーヘッド２２は、セラミックススリーブ６１を用いたシャワーヘッド２２と同様の効果を奏する。加えて、ＳＵＳスリーブ７１を用いたシャワーヘッド２２には、下地皮膜６２を形成しなくともよいため、作製工程を短縮することができる利点がある。
図４に示すように、ＳＵＳスリーブ７１に対して、耐プラズマアルミナ皮膜、耐プラズマイットリアコーティング、耐プラズマＳＵＳ皮膜の全て高い密着性を示すため、ＳＵＳスリーブ７１を用いることにより、耐プラズマ皮膜６３の選択自由度が大きくなる。
図７（ｂ）は、シャワーヘッド２２に設けられたガス吐出孔４０の第５の構造例を示す断面図である。第５の構造例は、基材６０に貫通孔を形成し、この貫通孔に、ＳＵＳスリーブ７１Ａが挿入され、シリカ系接着剤等で接着された構造を有する点で、第４の構造例（図７（ａ））と異なるが、その他の構成は第４の構造例と同じである。
第５の構造例では、上述した第３の構造例（図６（ｂ））と同様に、ＳＵＳスリーブ７１Ａの中心孔が、ガス吐出孔４０となる。ＳＵＳスリーブ７１Ａを用いることにより、ガス吐出孔４０の内壁のプラズマに対する耐食性を高めることができると共に、使用されるガスに対する耐食性を向上させることもできる。
図８（ａ），（ｂ）は、シャワーヘッド２２に設けられたガス吐出孔４０の第６の構造例を示す断面図である。上記第１の構造例乃至第５の構造例では、ガス吐出孔４０には、スリーブによって長さ方向（処理ガスが流れる方向）に段差が設けられている。例えば、複数種のガスからなる処理ガスを用いる場合には、この段差による絞り効果によって、処理ガスの均一化を高めることができる。但し、ガス吐出孔４０内の段差は、必ずしもガス吐出孔４０の長さ方向と直交している必要はない。
図８（ａ）は、中心孔に傾斜（テーパ）を設けたセラミックススリーブ６１Ｂを用いた構造例を示しており、セラミックススリーブ６１Ｂを用いたこと以外の構成は、第１の構造例（図３）の構成と同じである。また、図８（ｂ）は、中心孔にテーパを設けたＳＵＳスリーブ７１Ｂを用いた構造例を示しており、ＳＵＳスリーブ７１Ｂを用いたこと以外の構成は、第５の構造例（図７（ｂ））と同じである。
なお、同様に、セラミックススリーブ６１Ａの内周に設けられている段差を傾斜させてもよいし、ＳＵＳスリーブ７１の中心孔のテーパを設けてもよい。また、ガス吐出孔４０は、必ずしもその内部に段差を有している必要はないが、段差を設けない場合でも、プラズマ生成空間Ｓ側でのスリーブの径方向の肉厚を、プラズマに対する所望の耐久性が得られるように設定する必要がある。
以上、本発明について、上記実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、耐プラズマ皮膜６３はイットリアやアルミナのみで構成されたが、混合材によって構成されてもよい。ところで、耐プラズマ皮膜６３をイットリアのみで構成した場合、当該耐プラズマ皮膜６３のプラズマに対する耐性（以下、「耐プラズマ性」という）は向上するが、イットリアは酸に対する耐性（以下、「耐酸性」という）が低い。したがって、プラズマ処理装置１１のメンテナンス時にチャンバ２０が大気開放され、大気中の水分と、チャンバ２０内に残留するデポ（堆積物）やガスの塩化物とが反応して塩酸（ＨＣｌ）等の酸が生じると、該酸によって耐プラズマ皮膜６３が損傷するおそれがある。これに対応して、耐酸性を有するアルミナをイットリアに混合して耐プラズマ皮膜６３の耐酸性を向上させることも考えられるが、この場合、耐プラズマ皮膜６３においてアルミナやイットリアが粒状のまま存在し、粒界が生じるために耐プラズマ性が低下する。しかしながら、混合材に珪素（Ｓｉ）が溶融含有されると混合材の組織はガラス質に変質し、緻密化して粒界が生じにくくなる。そこで、耐酸性の向上を目的としてアルミナを含む混合材によって耐プラズマ皮膜６３を構成する場合、粒界の発生を抑制させるために珪素化合物、例えば、酸化珪素や窒化珪素を混合材に加えるのが好ましい。
図９は、構成材を変更したときの耐プラズマ皮膜６３の耐プラズマ性を評価した結果を示す図である。耐プラズマ皮膜６３はいずれの構成材においてもＡＰＳ溶射法等によって形成され、構成材としては、アルミナ単独（以下「アルミナ溶射」という）、イットリア単独（以下「イットリア溶射」という）、アルミナ、イットリア及び酸化珪素（ＳｉＯ２）の混合材（以下「混合溶射Ａ」という）、並びに、アルミナ、イットリア、酸化珪素及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）の混合材（以下「混合溶射Ｂ」という）が用いられた。また、プラズマとしては、塩化臭素（ＢＣｌ３）及び塩素（Ｃｌ２）の混合ガスから生じたプラズマを用い、当該プラズマへ各耐プラズマ皮膜６３を一定時間晒した後の削れ量を評価した。また、イットリア溶射の耐プラズマ皮膜６３の削れ量を１として各耐プラズマ皮膜６３の削れ量を規格化した。
図９に示すように、アルミナ溶射の耐プラズマ皮膜６３の削れ量は９であるのに対し、混合溶射Ａや混合溶射Ｂの耐プラズマ皮膜６３の削れ量は１であった。すなわち、混合溶射Ａや混合溶射Ｂはイットリア溶射と同等の耐プラズマ性を有することが分かった。また、混合溶射Ａや混合溶射Ｂの耐プラズマ皮膜６３の組織をＳＥＭで確認したところ、粒界が確認されず、組織がガラス質に変質して緻密化していることが確認された。これにより、混合溶射Ａや混合溶射Ｂの耐プラズマ皮膜６３では、イットリア以外の材料が混合されることによる耐プラズマ性の低下を組織の緻密化によって補っていることが分かった。
図１０は、混合溶射Ａ，Ｂの耐プラズマ皮膜６３の密着性を、セラミックススリーブ６１及びＳＵＳスリーブ７１と下地皮膜６２との組み合わせで評価した結果を示す図である。なお、ここでのセラミックススリーブ６１はアルミナスリーブ又はイットリアスリーブであり、下地皮膜６２はイットリア下地皮膜である。
図１０における耐プラズマ皮膜６３の密着性の評価は、図４における評価と同様に、耐プラズマ皮膜６３に対して接着剤で治具を取り付け、治具を一定の力で引っ張ったときの耐プラズマ皮膜６３の剥離のしやすさで判定しており、図中の「○」は、高い密着性が得られたことを示している。
セラミックススリーブ６１に、直接、混合溶射Ａ，Ｂの耐プラズマ皮膜６３を形成した場合には密着性が低く、耐久性に問題がある。しかし、下地皮膜６２上に混合溶射Ａ，Ｂの耐プラズマ皮膜６３を形成した場合には、耐プラズマ皮膜６３が高い密着性を示すことが確認された。一方、ＳＵＳスリーブ７１に、直接、又は下地皮膜６２を間に挟んで混合溶射Ａ，Ｂの耐プラズマ皮膜６３を形成した場合には、耐プラズマ皮膜６３が高い密着性を示すことが確認された。
以上より、耐プラズマ皮膜６３を混合溶射Ａ，Ｂによって構成すれば、含有するアルミナによって耐酸性を確保できるだけでなく、含有する珪素化合物に起因する組織の緻密化によって耐プラズマ性も確保することができることが分かった。また、セラミックススリーブ６１に混合溶射Ａ，Ｂの耐プラズマ皮膜６３を形成する場合、耐プラズマ皮膜６３の密着性の観点から、下地皮膜６２を形成するのが好ましい。一方、ＳＵＳスリーブ７１に混合溶射Ａ，Ｂの耐プラズマ皮膜６３を形成する場合は下地皮膜６２を形成してもしなくてもよい。
上述した混合溶射Ａは酸化珪素を含み、混合溶射Ｂは酸化珪素及び窒化珪素を含むが、組織の緻密化（ガラス質への変質）には珪素の寄与が大きいため、耐プラズマ皮膜６３はいずれかの珪素化合物を含有すれば組織を緻密化することができ、例えば、耐プラズマ皮膜６３を、酸化珪素を含まないアルミナ、イットリア及び窒化珪素の混合材で構成しても組織を緻密化することができる。
なお、耐プラズマ皮膜６３を混合溶射Ａ，Ｂで構成する場合、組織の緻密化を確実に行うために、アルミナ、イットリア、酸化珪素や窒化珪素のそれぞれの粉状体を混合し、そのまま溶射するのではなく、アルミナ、イットリア、酸化珪素や窒化珪素がスプレー造粒法によって配合された造粒粉を溶射するのが好ましい。
また、上記実施の形態では、プラズマ処理装置１１として誘導結合型のプラズマ処理装置を取り上げたが、これに限らず、プラズマ処理装置１１は、シャワーヘッド２２に高周波電力を供給することによってプラズマ生成空間Ｓにプラズマを生成させる容量結合型のプラズマ処理装置であってもよい。
また、プラズマ処理装置１１として、基板に対してプラズマエッチング装置を取り上げたが、これに限定されず、成膜装置やアッシング装置、イオン注入装置等の他のプラズマ処理装置であってもよい。また、基板Ｇとして、ＦＰＤ用のガラス基板を取り上げたが、その他の基板（例えば、半導体ウエハ）であっても、本発明の適用は可能である。
１１ プラズマ処理装置
２０ チャンバ
２１ 載置台
２３ サセプタ
２８ 直流電源
４０ ガス吐出孔
５０ 誘導結合アンテナ
６０ 基材
６１，６１Ａ，６１Ｂ セラミックススリーブ
６２ 下地皮膜
６３ 耐プラズマ皮膜
６３Ａ 耐プラズマイットリア皮膜
７１，７１Ａ，７１Ｂ ＳＵＳスリーブ
２０ チャンバ
２１ 載置台
２３ サセプタ
２８ 直流電源
４０ ガス吐出孔
５０ 誘導結合アンテナ
６０ 基材
６１，６１Ａ，６１Ｂ セラミックススリーブ
６２ 下地皮膜
６３ 耐プラズマ皮膜
６３Ａ 耐プラズマイットリア皮膜
７１，７１Ａ，７１Ｂ ＳＵＳスリーブ
Claims (16)
- プラズマ処理装置に装備されるシャワーヘッドであって、
前記シャワーヘッドは、
処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、
ステンレスからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有することを特徴とするシャワーヘッド。 - 前記基材はアルミニウムからなり、
前記ガス吐出孔を形成する壁面にアルマイト皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のシャワーヘッド。 - 前記耐プラズマ皮膜は、アルミナ皮膜、イットリア皮膜又はステンレス皮膜であることを特徴とする請求項１又は２記載のシャワーヘッド。
- 前記耐プラズマ皮膜は混合溶射膜からなり、前記混合溶射膜はアルミナ、イットリアに加え、酸化珪素及び窒化珪素の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のシャワーヘッド。
- プラズマ処理装置に装備されるシャワーヘッドであって、
前記シャワーヘッドは、
処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、
アルミナからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有し、
前記基材と前記スリーブのプラズマ生成空間側の面と前記耐プラズマ皮膜との間に、アルミニウム又はイットリアからなる下地皮膜が設けられ、
前記耐プラズマ皮膜は、アルミナ皮膜又はイットリア皮膜であることを特徴とするシャワーヘッド。 - プラズマ処理装置に装備されるシャワーヘッドであって、
前記シャワーヘッドは、
処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、
イットリア又はアルミナからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有し、
前記基材と前記スリーブのプラズマ生成空間側の面と前記耐プラズマ皮膜との間に、アルミニウム又はイットリアからなる下地皮膜が設けられ、
前記耐プラズマ皮膜は混合溶射膜からなり、前記混合溶射膜はアルミナ、イットリアに加え、酸化珪素及び窒化珪素の少なくとも１つを含むことを特徴とするシャワーヘッド。 - 前記スリーブは、内径がφ１ｍｍ〜φ２ｍｍ、外径が４ｍｍ〜８ｍｍ、高さが３ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシャワーヘッド。
- 前記スリーブの径方向の肉厚は１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項７記載のシャワーヘッド。
- プラズマ処理装置に装備されるシャワーヘッドであって、
前記シャワーヘッドは、
処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、
セラミックス又はステンレスからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有し 、
前記ガス吐出孔の前記基材における直径は、前記スリーブの内径よりも大きく、前記スリーブの外径よりも小さいことを特徴とするシャワーヘッド。 - プラズマ処理装置に装備されるシャワーヘッドであって、
前記シャワーヘッドは、
処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、
セラミックス又はステンレスからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有し 、
前記スリーブは、外径が一定で内径に差があり、前記ガス吐出孔のガス吐出口側の肉厚がガス流入口側の肉厚よりも厚いことを特徴とするシャワーヘッド。 - 基板が載置される基板載置面を有する載置台と、
前記載置台を内部に収容するチャンバと、
前記載置台に載置された基板と対向するように配置され、前記チャンバ内に処理ガスを供給するシャワーヘッドと、
前記チャンバの内部に前記処理ガスによるプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、を備え、
前記載置台に載置された基板に対して前記プラズマによる処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記シャワーヘッドは、
前記チャンバ内に前記処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、
ステンレスからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記耐プラズマ皮膜は、アルミナ皮膜、イットリア皮膜又はステンレス皮膜であることを特徴とする請求項１１記載のプラズマ処理装置。
- 前記耐プラズマ皮膜は混合溶射膜からなり、前記混合溶射膜はアルミナ、イットリアに加え、酸化珪素及び窒化珪素の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１記載のプラズマ処理装置。
- 基板が載置される基板載置面を有する載置台と、
前記載置台を内部に収容するチャンバと、
前記載置台に載置された基板と対向するように配置され、前記チャンバ内に処理ガスを供給するシャワーヘッドと、
前記チャンバの内部に前記処理ガスによるプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、を備え、
前記載置台に載置された基板に対して前記プラズマによる処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記シャワーヘッドは、
前記チャンバ内に前記処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成され た凹部とを有する基材と、
アルミナからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有し、
前記基材と前記スリーブのプラズマ生成空間側の面と前記耐プラズマ皮膜との間に、アルミニウム又はイットリアからなる下地皮膜が設けられ、
前記耐プラズマ皮膜は、アルミナ皮膜又はイットリア皮膜であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 基板が載置される基板載置面を有する載置台と、
前記載置台を内部に収容するチャンバと、
前記載置台に載置された基板と対向するように配置され、前記チャンバ内に処理ガスを供給するシャワーヘッドと、
前記チャンバの内部に前記処理ガスによるプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、を備え、
前記載置台に載置された基板に対して前記プラズマによる処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記シャワーヘッドは、
前記チャンバ内に前記処理ガスを吐出するガス吐出孔と、前記ガス吐出孔のガス吐出口側に形成された凹部とを有する基材と、
イットリア又はアルミナからなり、前記凹部に固定された円筒状のスリーブと、
前記スリーブの表面と前記基材において前記スリーブが配置された面を覆う耐プラズマ皮膜と、を有し、
前記基材と前記スリーブのプラズマ生成空間側の面と前記耐プラズマ皮膜との間に、アルミニウム又はイットリアからなる下地皮膜が設けられ、
前記耐プラズマ皮膜は混合溶射膜からなり、前記混合溶射膜はアルミナ、イットリアに加え、酸化珪素及び窒化珪素の少なくとも１つを含むことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記スリーブは、内径がφ１ｍｍ〜φ２ｍｍ、外径が４ｍｍ〜８ｍｍ、高さが３ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
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