JP6688199B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導結合型のプラズマ発生装置に関する。

プラズマ発生装置は、コーティング、微細加工、表面改質、汚染物除去等、様々な分野で利用されている。プラズマ発生装置は、容量結合型（ Capacitively Coupled Plasma、別名電界結合型）と誘導結合型（Inductively Coupled Plasma、別名磁界結合型）とが知られている。容量結合型では、プラズマ化させる材料ガスを流すチャンバ内に設けられた電極によって直接的に高周波電界を加えることでプラズマを発生させる。誘導結合型では、例えば細長い管状のチャンバを磁性コアに通し、磁性コアに巻回させた誘導コイルに高周波電流を流してチャンバ周囲に高周波磁界を発生させ、その高周波磁界によりチャンバ内に、長手方向の高周波電界を発生させることによりプラズマを発生させる。

特許文献１には、誘導結合型のプラズマ発生装置に関し、環状のチャンバの一部を包囲するように設けられた磁気コアに巻回させた一次巻線へ高周波電流を流し、環状チャンバの形状に沿った高周波電界を発生させる構成が開示されている。そして特許文献１のプラズマ発生装置では、その環状チャンバを金属製とすることによってプラズマ処理に通常用いられる特定の材料ガスによる化学反応及び高温に対して耐性を高めることができるとしている。

特許第４０７０１５２号公報

チャンバを金属製としたとしても、高温高出力のプラズマ発生装置では、プラズマによるスパッタ等によって内部が損傷を受ける。特に接続部分のシーリング材は損傷を受け易く、交換が頻回となる可能性がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、導電性材料のチャンバを用いたとしても装置の長寿命化を実現できるプラズマ発生装置を提供することを目的とする。

本開示に係るプラズマ発生装置は、導電性材料により環状に形成され、形状に沿って材料ガスの流路が内部に形成されてあるチャンバと、該チャンバへ高周波電流を供給する高周波電源とを備えるプラズマ発生装置であって、前記チャンバは、環形状の一部を欠落させた本体部分と、該本体部分と対応する断面形状を有して前記本体部分の欠落部に介装されている絶縁体と、該絶縁体の空洞部分に内嵌されており、絶縁性材料により形成された前記絶縁体よりも長い管体とを備える。

これにより本開示に係るプラズマ発生装置では、高周波電源から供給される高周波電流がチャンバの本体部分を流れる。更に欠落部を介して対向する端部同士がギャップ電極となって高電圧が印加されるために高温のプラズマが発生し易く、異常放電も発生し易く、更にはプラズマによるスパッタなどによる損傷も受けやすいところ、管体が内嵌されていることでチャンバの本体部分の内壁の損傷が抑制される。

本開示に係るプラズマ発生装置では、前記管体はセラミックス製である。

これにより本開示に係るプラズマ発生装置では、硬度が適切であってプラズマ発生に高い耐性を有するセラミックスを管体とすることで本体部分の損傷を抑制し、装置の長寿命化を実現する。

本開示に係るプラズマ発生装置では、前記管体の外周が、前記本体部分の欠落部に面する端面近くの内壁に設けられたシーリング材に弾接された封止構造を有する。

これにより本開示に係るプラズマ発生装置では、本体部分の端面寄りに設けられたシーリング材と、その管体の端面が本体部分の端面から奥まった位置となるほどに十分に長い管体とにより絶縁体の介装部分が封止される。これにより、本体部分及び管体内部で発生するプラズマ化したガスは内壁と管体との間の隙間に入り込んでシーリング材へ到達する可能性が低いため、シーリング材の劣化を抑制することが可能になる。

本開示のプラズマ発生装置による場合、チャンバを導電性材料によって形成し、高周波電源から高周波電流をチャンバの本体部分へ供給し、その本体部分の内側の放電空間にプラズマ電流が流れるから、環状の高周波電流及びプラズマ電流夫々の経路は近接し、略同軸である。したがって漏れ磁束を、チャンバの本体部分の内壁周辺に僅かに発生する程度に低減させることができ、結合力を強化させることができる。このように高電圧の高周波電流を流す構成としても、チャンバの内壁及びチャンバの接続部分のシーリング材の損傷が抑制され、装置の長寿命化を実現できる。

本実施の形態におけるプラズマ発生装置の概要を示す説明図である。 本実施の形態におけるチャンバの外観を示す斜視図である。 本実施の形態におけるチャンバの分解斜視図である。 図２中のＡ−Ｂ線によるチャンバの横断面図である。 図２中のＣ−Ｄ線によるチャンバの縦断面図である。 他の構成例の横断面図である。

本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

図１は、本実施の形態に係るプラズマ発生装置１の概要を示す説明図である。プラズマ発生装置１は、チャンバ２、磁性コア３、及び高周波電源４を備える。

チャンバ２は、図１に示す平面視において外形が略四角環状であり、環の縦断面は全周に亘って矩形状であり、中央に円形の孔が設けられている。チャンバ２は、一辺の中央部を適長欠落させた欠落部（図１のハッチング部分）を有する本体部分２０と、該欠落部に介装した絶縁体とを備える。本体部分２０は、例えばアルミニウム等の導電性に優れた金属材料製である。なお本体部分２０は、銅、鉄等の他の金属材料製であってもよく、適切な強度と導電性とを有していれば、金属以外の材料製であってもよい。絶縁体は、例えばセラミックス等の絶縁性材料によって形成されており、本体部分２０と同一の縦断面を有している。本体部分２０及び絶縁体に設けられた孔は、チャンバ２の内部に全周に亘って連続するガス流路２９を形成している。ガス流路２９は、本体部分２０の相対向する２つの角部に開設されたガス入口及びガス出口により外部に連通されている。ガス流路２９では、図１にＩＮ及びＯＵＴで示すように、ガス入口に供給された材料ガスが内部でプラズマ化され、ガス出口から後工程へ送出されるように流れる。

磁性コア３は、フェライト磁性体製の環状体である。磁性コア３は、本体部分２０の四辺夫々の外側に填め合わせてある。なお磁性コア３は必須ではなく、またその数は図１に示しているような４つに限られず、プラズマの発生状況に応じて適宜設計される。

高周波電源４は、欠落部（絶縁体）を挟んで対向する本体部分２０の端部の内、ガス入口側の端部に接続されている。なお本体部分２０のガス出口側の端部は接地されている。高周波電源４から供給される電流は、図１に実線の白抜き矢符で示すように、ガス入口側の端部からガス出口側の端部へ流れる。

以上の如く構成されるプラズマ発生装置１では、高周波電源４から供給される高周波電流がチャンバ２の本体部分を周方向（トロイダル方向）に流れ、本体部分２０の環の断面を周回する方向（ポロイダル方向）に沿って高周波磁界が発生する。なお磁気コア３が設けられていることで磁束の漏れが低減される。そして高周波磁界の電磁誘導の作用によって、図１に破線の白抜き矢符で示すように、本体部分２０の形状に沿って周方向に、本体部分２０を流れる上述の高周波電流とは逆向きの高周波電界がチャンバ２内のガス流路２９内に発生する。ガス入口からガス流路２９内に供給された材料ガスは、この高周波電界によってプラズマ化され、ガス出口から送出される。このようにプラズマ発生装置１では、チャンバ２の本体部分２０に流れる高周波電流を励磁電流として、誘導結合によりその本体部分２０の内側のガス流路２９にプラズマ電流が流れる。高周波電流及びその逆向きに流れるプラズマ電流夫々の経路は近接し、略同軸であって漏れ磁束を低減させることができ、結合力を強化させることができる。

以下このように、漏れ磁束を低減させつつ装置全体の小型化を実現し、更に高寿命化を実現できるチャンバ２の具体的構成について詳細に説明する。以下の説明においては、図１に示したプラズマ発生装置１の内、磁性コア３については説明を省略している。

図２は、本実施の形態におけるチャンバ２の外観を示す斜視図であり、図３はチャンバ２の分解斜視図であり、図４は、図２中のＡ−Ｂ線によるチャンバ２の横断面図、図５は図２中のＣ−Ｄ線によるチャンバ２の縦断面図である。

チャンバ２は、同一形状の分体２０ａ，２０ｂを絶縁体２３及びスペーサ２４を介して接続し、全体として四角環状をなすように構成されている。分体２０ａ，２０ｂは、アルミニウム等の導電性に優れた金属材料にて形成されている。分体２０ａ，２０ｂは、矩形の縦断面を有して屈曲成形（図２等ではコの字（Ｕの字）形に形成した例を示す）した基材に、各辺の中心を通る円形断面の貫通孔を形成し、コの字の角部（図４中に破線により示す部分）を斜めに切除して各辺の貫通孔の交差部を露出させた構成を有する。また分体２０ａ，２０ｂの一端部には、連結用のフランジ２８が一体に形成されている。フランジ２８の大きさは、分体２０ａ，２０ｂの縦断面の大きさと同一である。

絶縁体２３及びスペーサ２４は、分体２０ａ，２０ｂの断面外形と同一の外形を有する等厚の板であり、夫々の中心には、分体２０ａ，２０ｂの孔と同径の貫通孔の形成により空洞部分２３１，２４１が設けられている。絶縁体２３及びスペーサ２４は、分体２０ａ，２０ｂと同一の断面形状を有している。絶縁体２３は、例えばセラミックス等の適切な強度を有する絶縁性材料製である。スペーサ２４は、分体２０ａ，２０ｂと同一又は異なる導電性に優れた金属材料製である。なお絶縁体２３及びスペーサ２４の断面形状は夫々、空洞部分２３１，２４１が分体２０ａ，２０ｂの空洞部分と連通するような対応する形状であればよく、寸法も含めて分体２０ａ，２０ｂと同一形状でなくともよい。絶縁体２３及びスペーサ２４同士も同一形状でなくてよい。

チャンバ２は、分体２０ａ，２０ｂのフランジ２８が設けられた一端部と、分体２０ａ，２０ｂ夫々の他端部とを対向させ、対向する端面間に絶縁体２３、スペーサ２４を介装し、フランジ２８に通した複数本の固定ボルト２７により一体に接続して構成される。そして分体２０ａ，２０ｂの切除部分をインレットポート２１、アウトレットポート２２、及び２つの蓋板２５により覆うことで各々管状に形成する。これによりチャンバ２は、分体２０ａ，２０ｂの中心の孔と絶縁体２３及びスペーサ２４の中心の孔とにより管状に連続するガス流路２９を設けて構成される。

このように、同一形状の分体２０ａ，２０ｂの一端面間で絶縁体２３を介装し、他方の端面間の隙間には導電体製のスペーサ２４を介装することで、図１に示すような一部を欠落させた環状の本体部分２０を容易に作製することができる。分体２０ａ，２０ｂを同一形状とすることにより製作コストを低減させることができる。また分体２０ａ，２０ｂは、平坦面を広く含む形状とすることで取扱いも容易になる。なお分体２０ａ，２０ｂは、相互に同一形状とし、接続して環状（四角環に限らず六角環、八角環等の多角環、又は円環、楕円環等）とすることができれば、これに限られない。分体２０ａ，２０ｂは、屈曲した管状の部材であれば環状に接続することが可能であり、例えば図２〜図５に示した例のようなコの字のみならずＬ字状、円弧状の形状に形成されていてもよい。更に断面外形は方形であることには限られない。

更に、本実施の形態におけるチャンバ２では図４に示すように、本体部分２０の欠落部に対応する箇所に設けられる絶縁体２３の空洞部分２３１に、管体２６が内嵌されている。スペーサ２４の空洞部分２４１にももう１つの管体２６が内嵌されている。管体２６は、十分な強度を有した絶縁性材料により形成されており、絶縁体２３及びスペーサ２４の長さに比べて十分に長い。分体２０ａ，２０ｂ夫々の絶縁体２３又はスペーサ２４に接する端面近くの内周に設けられたＯリング２６１が、管体２６の外周に弾接されており、これにより絶縁体２３及びスペーサ２４の接続部分の気密性を保持している。

絶縁体２３を挟む分体２０ａの端面と分体２０ｂの端面との間には、高周波電源４により高電圧が印加されるから、絶縁体２３付近にプラズマが発生し易い。絶縁体２３の空洞部分２３１は、プラズマのスパッタ等による損傷も受け易く、更には高温となった状態で意図しない異常放電も発生し易い。管体２６は、絶縁体２３付近で分体２０ａ，２０ｂの内壁及び絶縁体２３の空洞部分２３１を覆うから、これらのプラズマによるスパッタ、高温、更に異常放電による焼損等の損傷を防止する。管体２６自体は損傷を受けるが、管体２６単体の交換を行なえばよく、チャンバ２の機能を維持するためにチャンバ２全体の修復を行なう必要がない。スペーサ２４の付近においても、スペーサ２４は分体２０ａ，２０ｂと一体ではないから他の部分よりも電位差が発生する可能性があり、意図しない放電等が発生して損傷を受け易い。しかしながら管体２６により、スペーサ２４の空洞部分２４１及びその周辺の分体２０ａ，２０ｂの内壁の損傷を防止することができる。このように管体２６により、絶縁体２３の空洞部分２３１、及びスペーサ２４の空洞部分２４１、並びに周辺の分体２０ａ，２０ｂの内壁はプラズマ及び高温に直接曝されず、損傷を受けにくいから、プラズマ発生装置１の長寿命化を実現することができる。なお管体２６は絶縁体２３の空洞部分２３１側のみに内嵌される構成としても損傷を防止するという効果を奏する。この場合、スペーサ２４の接続部分の気密性の保持は管体２６を用いることなく他の封止構造によって実現されてもよい。

また、管体２６の両端面は、分体２０ａ，２０ｂ夫々の絶縁体２３及びスペーサ２４に接する端面から十分に奥まった位置にまで延びている。一方でＯリング２６１は、分体２０ａ，２０ｂの端面寄りに位置している。Ｏリング２６１は、管体２６の端面から離れた位置で管体２６の外周に弾接している。管体２６の端面から離れた位置にＯリング２６１があるため、管体２６の端面から分体２０ａ，２０ｂの内壁と管体２６の外周との隙間にプラズマが入り込んでＯリング２６１へ到達する可能性が低い。Ｏリング２６１のようなゴム製又は樹脂製の部品は、プラズマによるスパッタ、高温下での異常放電による焼損等の損傷を最も受け易いが、上述したようにＯリング２６１へプラズマが到達する可能性が低いため、Ｏリング２６１の損傷を抑制することができる。このように部品の損傷を抑制してプラズマ発生装置１の長寿命化を実現することができる。

なお分体２０ａ，２０ｂと絶縁体２３及びスペーサ２４間の封止構造は、各々の合わせ面に介装したＯリングにより、管体２６を用いることなしに実現することはできる。しかしながらこの場合、分体２０ａ，２０ｂの内壁、絶縁体２３及びスペーサ２４の空洞部分２３１，２４１が高温のプラズマに曝されるばかりか、プラズマは合わせ面の間にも入り込み易く、Ｏリングもプラズマからの損傷を受け易い。このため合わせ面を大きくし、その外周近くにＯリングを設けることで、内壁からＯリングへの距離を長くし、Ｏリングの損傷を回避することができるがこの場合、分体２０ａ，２０ｂ、絶縁体２３、スペーサ２４が大型化するという問題がある。本実施の形態においては、管体２６を用いることによって、Ｏリング２６１の損傷防止と、チャンバ２、即ち装置全体の大型化回避とを両立させた封止構造を実現することができる。

なお管体２６がその長さ方向に移動することを規制するために、図６の他の構成例の横断面図に示すように、分体２０ａ，２０ｂの内壁に返し２０２を設けるとよい。ただしこの場合、絶縁体２３及びスペーサ２４の長さを短くするように設計を変更した場合、返し２０２の位置を変更する必要がある。

蓋板２５は、分体２０ａ，２０ｂの角部分の矩形に対応する金属製の平板である。蓋板２５の一方又は両方に、中央部にガラス製の窓２５１が設けられている。窓２５１は、ガス流路２９内部のプラズマ発生状態の観察を可能とする。

インレットポート２１は、分体２０ｂの角部分の矩形に対応する金属製の平板の中央に小径のガス管２１０が立設されて形成されており、材料ガスが通ることが可能である。アウトレットポート２２は、分体２０ａの角部分の矩形に対応する金属製の平板中央に大径のガス管２２０が立設されて形成されており、材料ガスが通ることが可能である。これにより分体２０ａ，２０ｂ内部に構成されるガス流路２９がインレットポート２１のガス管２１０及びアウトレットポート２２のガス管２２０を介して外部と連通する。

チャンバ２は更に、冷却部５を含む。冷却部５は、分体２０ａ，２０ｂの外面に沿って夫々密着固定させた熱伝導板５１と、該熱伝導板５１上に夫々固着させた冷却管５２とを含む。熱伝導板５１及び冷却管５２はいずれも、例えば銅などの熱伝導性に優れた材料製である。熱伝導板５１は例えば、分体２０ａ，２０ｂのＬ字状面と略同形に形成されている。冷却管５２は熱伝導板５１夫々の中心線上に沿って屈曲するように配管されている。各冷却管５２の一端は、分体２０ａ，２０ｂの外向きに夫々曲げて外側まで延ばしてあり、その延長端は、コネクタ５３を介して冷却媒体の供給装置（図示せず）に接続されている。また各冷却管５２の他端は、分体２０ａ，２０ｂの内向きに夫々曲げて内側まで延ばしてあり、その延長端はコネクタ５３，５３及び接続管５４により相互に接続されている。これにより供給装置から供給される冷却水等の冷却媒体は、例えば分体２０ａ側の冷却管５２の外側の延長端から冷却管５２内部を流れ、接続管５４を介して分体２０ｂ側の冷却管５２内部へ流れ、外側の延長端から再度供給装置へ戻るか又は排水される。これにより、冷却管５２に接触している熱伝導板５１が冷却され、熱伝導板５１により材料ガスのプラズマ化によって高温化する分体２０ａ，２０ｂの温度上昇を抑制する。

なお分体２０ａ側の冷却管５２と２０ｂ側の冷却管５２とは一本の屈曲管で構成されてもよいことは勿論である。また図２〜図５に示す例において、熱伝導板５１夫々の中心線上に１本の冷却管５２を屈曲させて配管されているが、熱伝導板５１上を蛇行するように配管されてもよいし、１枚の熱伝導板５１に２本以上の冷却管５２が配管される構成としてもよい。更には、冷却部５は熱伝導板５１を含まず、冷却管５２が直接的に分体２０ａ，２０ｂの外面夫々に固定されるようにしてもよい。この場合、冷却管５２は分体２０ａ，２０ｂの外面上で多くの熱交換の機会を得るべく蛇行するように構成されるか、又は複数の冷却管５２が用いられるように構成されるとよい。また、図２及び図３に示す例では冷却部５は分体２０ａ，２０ｂのＬ字状面の一方のみに設けられているが、他方の面にも設けられていてもよい。また図２に示す分体２０ａ，２０ｂは、Ｌ字状面以外にも平坦面を有しているからこれらの面（外側面及び内側面）にも熱伝導板（あるいは冷却管自体）を密着固定させ、該熱伝導板に冷却媒体が供給される冷却管を固着させるようにしてもよい。なお冷却部５を構成する熱伝導板５１は、分体２０ａ，２０ｂの外面に沿わせ得る形状であればよい。

このように、本実施の形態におけるチャンバ２では、冷却部５を直接的に分体２０ａ及，２０ｂに密着固定させるため、効率的に高温化を抑制することができる。特に分体２０ａ，２０ｂは、断面が矩形であってしかもコの字に成形されているために平坦面が多い。平坦面は、熱伝導板５１を密着固定させることが容易であり、低コストで冷却をより効率化させることが可能である。

チャンバ２は更に、導電部６を含む。導電部６は、例えば銅等の導電性に優れた金属製であって、接続した分体２０ａ，２０ｂ、即ちチャンバ２に沿って周回する細板状の導電体６０を含む。導電体６０の一端は、分体２０ｂのフランジ２８上に固定されている接続体６４に固定されている。接続体６４は導電性材料により形成されておりフランジ２８の厚みと略等しい厚みを有している。そして導電体６０はチャンバ２に沿うようにして、その本体部分２０の外周から出ないように、分体２０ａ，２０ｂの冷却部５側に、冷却部５の熱伝導板５１から所定の間隔を隔てて設けられている。具体的には、導電体６０の他端が、分体２０ｂ側の熱伝導板５１上の蓋板２５寄りの位置に固定されている支持体６２に支持され、中間部は分体２０ａ側の熱伝導板５１上の蓋板２５寄りの位置に固定されている支持体６３に支持されている。支持体６２，６３はいずれも絶縁性材料より形成されており、導電体６０と熱伝導板５１との間に所定の間隔を形成すると共に、冷却部５との電気的接触を回避する機能を発揮し、冷却管５２を避けた位置に固定されている。接続体６４、及び支持体６２，６３により固定された導電体６０は、接続された分体２０ａ，２０ｂの環形状の中心軸方向からみて、シルエットが分体２０ａ，２０ｂ内に収まる形状となるようにしてある。つまり本実施の形態における導電体６０は、接続された分体２０ａ，２０ｂによって構成される本体部分２０の外側面及び内側面を除く面（四角環状面）内に収まる形状である。つまり、前記環形状の中心軸方向から見たときの導電体６０の外周は本体部分２０の外周よりも小さく、それに加えて内周については本体部分２０の内周よりも大きい。導電体６０は少なくとも、前記中心軸方向から見た場合に本体部分２０の外形から外側へはみ出さない範囲の大きさとすることにより、チャンバの大型化を抑制できる。更に、支持体６２によって支持されている導電体６０の他端は、内向きに曲げられてチャンバ２の内側に延びており、延長端の先端に接続棒６１が立ち上がるように設けられている。導電体６０は、チャンバ２の中央上方に位置する接続棒６１から分体２０ｂの形状に沿って分体２０ａ側に渡り、更に分体２０ａの形状に沿って分体２０ｂ側に戻って該分体２０ｂのフランジ２８に接続している。

このように構成されるチャンバ２を用いるプラズマ発生装置１では、導電部６の接続棒６１に、高周波電源４を接続し、アウトレットポート２２の平板部分を接地電位に接続する。高周波電源４からの電圧を印加すると、接続棒６１から電流が導電体６０中を図２において反時計回りに伝わり、接続体６４を介して金属製の分体２０ｂのフランジ２８から、該フランジ２８が接している絶縁体２３とは反対側へ流れ、分体２０ｂの他端側からスペーサ２４を介して分体２０ａへ伝わる。分体２０ａに伝わった電流はアウトレットポート２２経由にて接地電位へ流れる。つまり導電体６０における電流と、分体２０ａ及び分体２０ｂ上を流れる電流とで向きは同一であり、接続棒６１から接地電位まで螺旋状に流れる。このとき導電部６０は、チャンバ２の本体部分２０（分体２０ａ，２０ｂ及びスペーサ２４）により形成されるインダクタンス成分に対する追加のインダクタンス成分としての機能を発揮する。

なお導電部６は必須の構成要件ではない。本開示の管体２６は導電部６を備えない構成としたチャンバへも適用することが可能である。

なお、上述のように開示された本実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ プラズマ発生装置
２ チャンバ
２０ 本体部分
２０ａ，２０ｂ 分体
２３ 絶縁体
２３１ 空洞部分
２４ スペーサ
２４１ 空洞部分
２６ 管体
２６１ Ｏリング（シーリング材）
２９ ガス流路
３ 磁性コア
４ 高周波電源
５ 冷却部

Claims (3)

1. 導電性材料により環状に形成され、形状に沿って材料ガスの流路が内部に形成されてあるチャンバと、該チャンバへ高周波電流を供給する高周波電源とを備えるプラズマ発生装置であって、
   前記チャンバは、
   環形状の一部を欠落させた本体部分と、
   該本体部分と対応する断面形状を有して前記本体部分の欠落部に介装されている絶縁体と、
   該絶縁体の空洞部分に内嵌されており、絶縁性材料により形成された前記絶縁体よりも長い管体と
   を備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記管体はセラミックス製である
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記管体の外周が、前記本体部分の欠落部に面する端面近くの内壁に設けられたシーリング材に弾接された封止構造を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。

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