JP6728502B2 - 活性ガス生成装置 - Google Patents

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Description

この発明は、高圧側誘電体電極と低圧側誘電体電極とを互いに平行に設置して、両電極間に高電圧を印加し、放電を発生させたエネルギーで活性ガスを得る活性ガス生成装置に関する。
活性ガス生成装置の一種類として、一対の誘電体電極間に形成される放電空間に発生する誘電体バリア放電を利用した活性ガス生成装置がある。上記誘電体バリア放電によって、半導体の窒化処理・酸化処理等に必要な活性ガスを発生させることができる。
このような誘電体バリア放電を利用する従来の活性ガス生成装置として例えば特許文献1で開示されたプラズマ発生装置がある。このプラズマ発生装置は、互いに対向した高圧側電極構成部,接地側電極構成部間に形成される放電空間にて誘電体バリア放電を発生させ、放電空間に原料ガスを通すことで活性ガスを生成する装置である。
特許第5694543号公報
しかしながら、誘電体バリア放電を利用する従来の活性ガス生成装置は、放電空間以外の意図しない部分で周辺ガスの絶縁破壊によって起こる放電である、異常放電が発生する可能性がある。
放電空間以外における異常放電が発生した場合、近傍部品の構成元素の蒸発を招く現象が生じ、近傍部品が金属元素を含む場合、上記現象が半導体成膜工程においてはメタルコンタミネーションの要因となってしまい、製造される半導体装置の性能を悪化させる問題点があった。
加えて、活性ガス生成装置を減圧下で使用する場合は、絶縁破壊に必要な電界強度が大気圧下よりも小さくなることから、異常放電がより起こりやすい使用環境となる。この環境下において、誘電体電極の表面のメタライズ処理で作られた金属電極の端部における電界強度が相対的に強くなるため、周辺のガスが絶縁破壊を引き起こしやすい部位、すなわち、異常放電が発生し易い部位となる。
本発明では、上記のような問題点を解決し、異常放電の発生を抑制する活性ガス生成装置の構造を提供することを目的とする。
この発明にかかる活性ガス生成装置は、放電空間に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスを生成する活性ガス生成装置であって、第1の電極構成部と前記第1の電極構成部の下方に設けられる第2の電極構成部と、前記第1及び第2の電極構成部に前記第1の電極構成部が高電圧となるように交流電圧を印加する交流電源部とを備え、前記交流電源部による前記交流電圧の印加により、前記第1及び第2の電極構成部間に形成される放電空間に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスが前記第2の電極構成部に設けられたガス噴出口から噴出され、前記第1の電極構成部は、第1の誘電体電極と前記第1の誘電体電極の上面上に選択的に形成される第1の金属電極とを有し、前記第2の電極構成部は、第2の誘電体電極と前記第2の誘電体電極の下面上に選択的に形成される第2の金属電極とを有し、前記活性ガス生成装置は、前記第1の金属電極の上方に設けられ、前記第1の金属電極に前記交流電圧を伝達する第1の給電部と、前記第2の金属電極の下方に設けられ、前記第2の金属電極に前記交流電圧を伝達する第2の給電部とをさらに備え、前記第1の給電部は平面視して前記第1の金属電極の全体を覆う形状を有することを特徴としている。
この発明における活性ガス生成装置の第1の給電部は平面視して第1の金属電極の全体を覆う形状を有するため、高電圧側の第1の金属電極の上方に配置された第1の給電部によって、第1の金属電極の端部周辺領域の電位を均すことにより、第1の金属電極における端部の電界強度を低く抑えることができる。
その結果、この発明における活性ガス生成装置は、第1の金属電極の端部における異常放電の発生を効果的に抑制することができる。
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
この発明の実施の形態である活性ガス生成装置の構成を示す説明図である。 図1の高電圧側電極構成部の平面構造を示す説明図である。 図1の接地側電極構成部の平面構造を示す説明図である。 従来の活性ガス生成装置によるシミュレーション結果を示す説明図(その1)である。 従来の活性ガス生成装置によるシミュレーション結果を示す説明図(その2)である。 実施の形態の活性ガス生成装置によるシミュレーション結果を示す説明図(その1)である。 実施の形態の活性ガス生成装置によるシミュレーション結果を示す説明図(その2)である。
<実施の形態>
(構成)
図1はこの発明の実施の形態である活性ガス生成装置の構成を示す説明図である。同図においてXYZ直交座標系を示している。
同図に示すように、実施の形態の活性ガス生成装置は、高電圧側電極構成部1、接地側電極構成部2、高周波電源5、金属筐体30(給電部33A及び33Bを含む)、給電体23、及び支持台41〜43を主要構成要素として含んでいる。なお、給電部33A及び33Bはそれぞれ、金属筐体30と電気的に接続する態様で、金属筐体30と別部品として構成しても良い。
第1の電極構成部である高電圧側電極構成部1と、第2の電極構成部である接地側電極構成部2とが互いに対向して平行に設けられ、接地側電極構成部2は、高電圧側電極構成部1の下方に設けられる。
交流電源部である高周波電源5は、高電圧側電極構成部1及び接地側電極構成部2に、高電圧側電極構成部1が高電圧となるように交流電圧を印加すべく、給電体23を介して高電圧側電極構成部1に高電圧を印加し、金属筐体30の給電部33を介して接地側電極構成部2を接地レベルに設定している。
高周波電源5による交流電圧の印加により、高電圧側電極構成部1及び接地側電極構成部2間の放電空間7に誘電体バリア放電を発生させることにより、この放電空間7に供給された原料ガス(図示せず)を活性化して得られる活性ガスが接地側電極構成部2に設けられたガス噴出口55から噴出される。
図2は高電圧側電極構成部1の平面構造を示す説明図であり、高電圧側電極構成部1を上方(+Z方向)から視た平面構造を示している。図3は接地側電極構成部2の平面構造を示す説明図であり、接地側電極構成部2を下方(−Z方向)から視た平面構造を示している。図1において、高電圧側電極構成部1は図2のA−A断面として、接地側電極構成部2は図3のB−B断面として示されている。なお、図2及び図3にそれぞれXYZ直交座標系を示している。
高電圧側電極構成部1は、第1の誘電体電極である誘電体電極11と誘電体電極11の上面上に選択的に形成される金属電極10A及び10B(第1の金属電極)とを有して構成される。
接地側電極構成部2は、第2の誘電体電極である誘電体電極21と誘電体電極21の下面上に選択的に形成される金属電極20A及び20B(第2の金属電極)とを有して構成される。
誘電体電極11及び21はそれぞれX方向を長手方向、Y方向を短手方向とした略長方形状の平板構造を呈している。
図1及び図3に示すように、金属電極20A及び20B(一対の第2の部分金属電極)は誘電体電極21の下面上に形成され、平面視して誘電体電極21の中央領域R22を挟んで互いに対向して配置される。金属電極20A及び20Bはそれぞれ平面視して略長方形状を呈し、X方向を長手方向とし、Y方向を互いに対向する方向としている。金属電極20A及び20Bは互いの平面視した大きさは同一であり、その配置は中央領域R22を中心として対称となっている。
同様にして、図1及び図2に示すように、金属電極10A及び10B(一対の第1の部分金属電極)は誘電体電極11の上面上に形成され、平面視して誘電体電極11の中央領域R12を挟んで互いに対向して配置される。金属電極10A及び10Bは平面視して略長方形状を呈し、X方向を長手方向とし、Y方向を互いに対向する方向としている。金属電極10A及び10Bは互いに平面視した大きさは同一であり、その配置は中央領域R12を中心として対称となっている。中央領域R12及び中央領域R22は互いに完全同一形状で平面視して完全重複する態様で設けられる。したがって、金属電極10A及び10Bは、平面視して金属電極20A及び20Bと重複する領域を有する位置関係となる。
なお、金属電極10A及び10B並びに金属電極20A及び20Bは、誘電体電極11の上面並びに誘電体電極21の下面にてメタライズ処理されることにより形成され、その結果、誘電体電極11と金属電極10A及び10Bとは一体形成されて高電圧側電極構成部1(第1の電極構成部)を構成し、誘電体電極21と金属電極20A及び20Bとは一体形成されて接地側電極構成部2(第2の電極構成部)を構成する。メタライズ処理として印刷焼成方法やスパッタリング処理、蒸着処理等を用いた処理が考えられる。
そして、図1及び図3に示すように、誘電体電極21の中央領域R22(平面視して金属電極10A及び10Bと金属電極20A及び20Bとが重複しない領域)に例えば5つのガス噴出口55がX方向に沿ってライン状に設けられる。
そして、本実施の形態の活性ガス生成装置は、図1に示すように、上述した構成の高電圧側電極構成部1及び接地側電極構成部2が金属筐体30内に収容されている。
接地側電極構成部2は、金属筐体30の底部に設けられた給電部33(給電部33A及び33B)及び金属筐体30の収容空間R30の底面上に離散して設けられた支持台41〜43によって下面から支持される。この際、給電部33Aの上面が金属電極20Aの下面に接触し、給電部33Bの上面が金属電極20Bの下面に接触するように配置される。なお、支持台42はガス噴出口55に合致した平面領域に開口部を有しており、ガス噴出口55及び上記開口部を介して放電空間7で得られた活性ガスを下方に噴出することができる。
そして、接地側電極構成部2の上方に高電圧側電極構成部1が配置される。高電圧側電極構成部1,接地側電極構成部2間の放電空間7のギャップ長は高電圧側電極構成部1,接地側電極構成部2間に設けられた一対のスペーサ9によって規定される。一対のスペーサ9は平面視してガス噴出口55を挟むように互いに対向して設けられ、各々がY方向に延びる複数の貫通口(図示せず)を有し、複数の貫通口を介して放電空間7で得られた活性ガスを誘電体電極21に設けられたガス噴出口55から噴出することができる。
高電圧側電極構成部1の上方に設けられる金属製の給電体23は、下方(−Z方向に)選択的に突出して設けられる突出部23A及び23Bを有し、突出部23Aの下面が金属電極10Aの上面に接触し、突出部23Bの下面が金属電極10Bの接触するように、高電圧側電極構成部1上に配置される。
したがって、第1の給電部である給電体23は、金属電極10A及び10Bの上方に設けられ、金属電極10A及び10Bに交流電圧を伝達することができる。なお、給電体23へ電源供給のための導入端子類は図1では図示していない。
図2に示すように、給電体23は、平面視して金属電極10A及び10Bの全体を覆う形状を有している。
一方、第2の給電部である給電部33(給電部33A及び33B)は、金属電極20A及び20Bの下方に設けられ、給電部33Aの上面が金属電極20Aの下面に接触し、給電部33Bの上面が金属電極20Bの下面に接触しているため、金属電極20A及び20Bに交流電圧の基準レベルとなる接地レベルを伝達することができる。
図3に示すように、給電部33Aは平面視して金属電極20Aの全体を覆う形状を有し、給電部33Bは平面視して金属電極20Bの全体を覆う形状を有する。すなわち、給電部33A及び33Bからなる給電部33は金属電極20A及び20Bの全体を覆う形状を有している。
図1及び図2に示すように、金属電極10Aの端部を全て覆うように、誘電体電極11の上面上から金属電極10Aの一部上にかけて、カバー誘電体15Aが形成され、金属電極10Bの端部を全て覆うように、誘電体電極11の上面上から金属電極10Bの一部下にかけて、カバー誘電体15Bが形成される。
このように、第1の金属電極である金属電極10A及び10Bそれぞれの端部を全て覆うように、誘電体電極21の上面上に、第1の誘電体膜となるカバー誘電体15A及び15Bが形成される。カバー誘電体15A及び15Bにより一対の第1の部分誘電体膜が構成される。
加えて、図1及び図3に示すように、金属電極20Aの端部を全て覆うように、誘電体電極21の下面上から金属電極20Aの一部上にかけて、カバー誘電体25Aが形成され、金属電極20Bの端部を全て覆うように、誘電体電極21の下面上から金属電極20Bの一部下にかけて、カバー誘電体25Bが形成される。
このように、第2の金属電極である金属電極20A及び20Bの端部の全てを覆うように、誘電体電極21の下面上に、第2の誘電体膜となるカバー誘電体25A及び25Bが形成される。カバー誘電体25A及び25Bにより一対の第2の部分誘電体膜が構成される。
なお、カバー誘電体15A及び15B並びにカバー誘電体25A及び25Bの構成材料としてはペーストガラスやアルミナ等が考えられるが、誘電率が高いものが望ましい。
このような構成の実施の形態1の活性ガス生成装置は、シリコンウェハー等の成膜対象物に対し成膜処理を行う図示しない処理チャンバー(図示せず)の直上に設置されている。
そして、本実施の形態の活性ガス生成装置は、高周波電源5から高電圧側電極構成部1,接地側電極構成部2間に10kHz〜100kHz、V0p(0ピーク値):2〜10kVの交流電圧を印加することにより、放電空間7に誘電体バリア放電を発生させている。
実施の形態1の活性ガス生成装置は、図示しないガス供給口を経由して窒素や酸素、希ガス類や水素、弗素類のガスを放電空間7内に供給している。これらのガスは、内部の放電空間7を経由して活性化され、この活性ガスを含んだガスは接地側電極構成部2の誘電体電極21に設けられたガス噴出口55から下方の処理チャンバーへと噴出される。そして、処理チャンバー内で成膜対象物に対する成膜処理が実行される。
(効果)
本実施の形態の活性ガス生成装置において、第1の給電部である給電体23が、平面視して第1の金属電極である金属電極10A及び10Bの全体を覆う形状を有することを第1の特徴している。本実施の形態の活性ガス生成装置は上記第1の特徴を有するため、金属電極10A及び10Bの上方に配置された給電体23によって、金属電極10A及び10Bの端部周辺領域の電位を均すことにより、金属電極10A及び10Bにおける端部の電界強度を低く抑えることができる。
その結果、本実施の形態の活性ガス生成装置は、金属電極10A及び10Bそれぞれの端部における異常放電の発生を効果的に抑制することができる効果を奏する。
さらに、本実施の形態の活性ガス生成装置において、第2の給電部である給電部33(給電部33A及び33B)が、平面視して金属電極20A及び20Bの全体を覆う形状を有することを第2の特徴としている。本実施の形態の活性ガス生成装置は上記第2の特徴を有するため、金属電極20A及び20Bの下方に配置された給電部33によって、金属電極20A及び20Bそれぞれの端部周辺領域の電位を均すことにより、金属電極20A及び20Bにおける端部の電界強度を低く抑えることができる。
その結果、本実施の形態の活性ガス生成装置は、金属電極20A及び20Bの端部における異常放電の発生を効果的に抑制することができる。
さらに、本実施の形態の活性ガス生成装置は、金属電極10A及び10Bの端部を全て覆うように、誘電体電極11の上面上に形成される第1の誘電体膜であるカバー誘電体15A及び15Bの存在により、金属電極10A及び10Bにおける端部の電界強度を弱めることができる。
加えて、本実施の形態の活性ガス生成装置は、金属電極20A及び20Bの端部を全て覆うように、誘電体電極21の下面上に形成される第2の誘電体膜であるカバー誘電体25A及び25Bの存在により金属電極20A及び20Bにおける端部の電界強度を弱めることができる。
その結果、本実施の形態の活性ガス生成装置は、金属電極10A及び10B並びに金属電極20A及び20Bそれぞれの端部における異常放電の発生をより一層抑制することができる。
さらに、本実施の形態の活性ガス生成装置は、高電圧側電極構成部1側に2つの金属電極10A及び10B(一対の第1の部分金属電極)を有し、接地側電極構成部2側に2つの金属電極20A及び20B(一対の第2の部分金属電極)を有する構造において、金属電極10A及び10Bそれぞれにおける異常放電の発生を効果的に抑え、かつ、金属電極20A及び20Bそれぞれにおける異常放電の発生を効果的に抑制することができる。
本実施の形態の活性ガス生成装置は、上述した効果をするため、異常放電が原因で発生するメタルコンタミネーションを防止することができる。
また、本実施の形態の活性ガス生成装置は、フィルター等の濾過器を使用することなく、比較的簡単な構成でメタルコンタミネーションを防止することができる効果も奏する。
(シミュレーション結果)
以下、本実施の形態の効果のシミュレーション結果を参照して説明する。図4及び図5は従来の活性ガス生成装置によるシミュレーション結果を示す説明図である。図4の着目領域R51の拡大図が図5となる。
図6及び図7は本実施の形態の活性ガス生成装置によるシミュレーション結果を示す説明図である。図6の着目領域R1の拡大図が図7である。なお、シミュレーション解析条件を以下に示す。
高周波電源5により供給する交流電圧の高電圧側の電圧は4400Vである。誘電体電極11及び誘電体電極21それぞれの構成材料としてセラミックを模擬(比誘電率9.9)している。カバー誘電体15A及び15B並びにカバー誘電体25A及び25Bそれぞれの比誘電率を4.4、厚みを70μmに設定している。
さらに、カバー誘電体15A及び15Bの形成幅W15A及びW15Bは、金属電極10A及び10Bの端部を中心として、金属電極10A及び10B上が1mmの長さ、誘電体電極11上が1mmの長さとなるように、計2mmの長さに設定している。
同様に、カバー誘電体25A及び25Bの形成幅W25A及びW25Bは、金属電極20A及び20Bの端部を中心として、金属電極20A及び20B上が1mmの長さ、誘電体電極21上が1mmの長さとなるように、計2mmの長さに設定している。
さらに、高電圧側電極構成部1,接地側電極構成部2間の放電空間7のギャップ長は1mm、誘電体電極11及び21それぞれの厚みは1mm、金属電極10A及び10B並びに金属電極20A及び20Bそれぞれの厚みは10μmに設定されている。
従来の活性ガス生成装置は、図4及び図5に示すように、給電体53(本実施の形態の給電体23に対応)及び給電体63(本実施の形態の給電部33に対応)がそれぞれ、金属電極形成領域M100の一部上及び一部下に設けられている。すなわち、給電体53は平面視して金属電極10A及び10Bの一部とのみ重複する形状であり、金属電極10A及び10Bの端部上には形成されておらず、給電体63は平面視して金属電極20A及び20Bの一部とのみ重複する形状であり、金属電極20A及び20Bの端部上には形成されていない。
したがって、従来の活性ガス生成装置は、図5に示すように、金属電極10B及び金属電極20Bの端部にカバー誘電体35(本実施の形態のカバー誘電体15Bに対応)及びカバー誘電体45(本実施の形態のカバー誘電体25Bに対応)を設けても、金属電極10B及び20Bの端部に発生する周辺ガス領域を絶縁破壊させる強度の電界発生領域E51及びE52はカバー誘電体35及び45の膜厚を超えた大きさとなってしまう。
すなわち、金属電極10Bの端部における高電圧側電極構成部1の上方、あるいは金属電極20Bの端部における接地側電極構成部2の下方の周辺ガス領域まで絶縁破壊を起こすレベルの電界強度が発生している。
このように、図4及び図5で示すシミュレーション結果から、従来の活性ガス生成装置は、金属電極10A及び10B並びに金属電極20A及び20Bそれぞれの端部における異常放電の発生を抑制できていないことがわかる。
一方、本実施の形態の活性ガス生成装置は、給電体23は平面視して金属電極10A及び10Bの全体を覆う形状を有する上記第1の特徴と、給電部33は平面視して金属電極20A及び20Bの全体を覆う形状を有する第2の特徴とを具備している。
したがって、本実施の形態の活性ガス生成装置は、図6及び図7に示すように、金属電極10B及び金属電極20Bの端部に発生する周辺ガス領域を絶縁破壊させる強度の電界発生領域E1及びE2はカバー誘電体15B及び25Bの膜厚内に確実に収まり、周辺ガス領域では、小さな電界強度に抑制できている。
このように、図6及び図7で示すシミュレーション結果から、金属電極10A及び10B並びに金属電極20A及び20Bそれぞれの端部における異常放電の発生を効果的に抑制できていることがわかる。
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
1 高電圧側電極構成部
2 接地側電極構成部
5 高周波電源
10A,10B,20A,20B 金属電極
11,21 誘電体電極
15A,15B,25A,25B カバー誘電体
23 給電体
30 金属筐体
33A,33B 給電部

Claims (4)

  1. 放電空間(7)に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスを生成する活性ガス生成装置であって、
    第1の電極構成部(1)と
    前記第1の電極構成部の下方に設けられる第2の電極構成部(2)と、
    前記第1及び第2の電極構成部に前記第1の電極構成部が高電圧となるように交流電圧を印加する交流電源部(5)とを備え、前記交流電源部による前記交流電圧の印加により、前記第1及び第2の電極構成部間に形成される放電空間に供給された原料ガスを活性化して得られる活性ガスが前記第2の電極構成部に設けられたガス噴出口(55)から噴出され、
    前記第1の電極構成部は、第1の誘電体電極(11)と前記第1の誘電体電極の上面上に選択的に形成される第1の金属電極(10A,10B)とを有し、前記第2の電極構成部は、第2の誘電体電極(21)と前記第2の誘電体電極の下面上に選択的に形成される第2の金属電極(20A,20B)とを有し、
    前記活性ガス生成装置は、
    前記第1の金属電極の上方に設けられ、前記第1の金属電極に前記交流電圧を伝達する第1の給電部(23)と、
    前記第2の金属電極の下方に設けられ、前記第2の金属電極に前記交流電圧を伝達する第2の給電部(33A,33B)とをさらに備え、
    前記第1の給電部は平面視して前記第1の金属電極の全体を覆う形状を有することを特徴とする、
    活性ガス生成装置。
  2. 請求項1記載の活性ガス生成装置であって、
    前記第2の給電部は平面視して前記第2の金属電極の全体を覆う形状を有することを特徴とする、
    活性ガス生成装置。
  3. 請求項1または請求項2記載の活性ガス生成装置であって、
    前記第1の金属電極の端部を全て覆うように、前記第1の誘電体電極の上面上に形成される第1の誘電体膜(15A,15B)と、
    前記第2の金属電極の端部を全て覆うように、前記第2の誘電体電極の下面上に形成される第2の誘電体膜(25A,25B)とをさらに備える、
    活性ガス生成装置。
  4. 請求項3記載の活性ガス生成装置であって、
    前記第2の金属電極は、平面視して前記第2の誘電体電極の中央領域(R22)を挟んで互いに対向して形成される一対の第2の部分金属電極(20A,20B)を含み、
    前記第1の金属電極は、平面視して前記一対の第2の部分金属電極と重複する領域を有する一対の第1の部分金属電極(10A,10B)を含み、
    前記第1の誘電体膜は、前記一対の第1の部分金属電極それぞれの端部を全て覆うように、前記第1の誘電体電極の上面上に形成される一対の第1の部分誘電体膜(15A,15B)を含み、
    前記第2の誘電体膜は、前記一対の第2の部分金属電極それぞれの端部を全て覆うように、前記第2の誘電体電極の下面上に形成される一対の第2の部分誘電体膜(25A,25B)を含み、
    前記ガス噴出口は前記中央領域に形成される、
    活性ガス生成装置。
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