JP6832500B2

JP6832500B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP6832500B2
Application number: JP2016194763A
Authority: JP
Inventors: 基子原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2036-09-30
Also published as: JP2018051549A

Description

本発明は、プラズマを利用して処理対象物のクリーニングやエッチングを行うプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置は、一般に、天井部および天井部の周囲から延出する側壁を有する蓋と、電極体および電極体を支持する基体を有するベースと、を備える。プラズマ処理の対象物（処理対象物）を電極体に対向するように配置した後、側壁の端面と基体の周縁とを密着させることにより、密閉空間が形成される。形成された密閉空間内を減圧して、プロセスガスを供給するとともに、電極体に高周波電力を印加することにより、密閉空間にプラズマが発生する。これにより、電極体に対向するように配置された処理対象物はプラズマ処理される。

密閉空間内で処理対象物を位置決めする方法として、特許文献１には、処理対象物を支持する複数のレールと、複数のレールを一体に保持するレール保持体を用いることが教示されている。レール保持体は、バネ等の付勢手段により、蓋とベースとの間で電極体に対して昇降する。処理対象物は、プラズマ処理装置の外部に配置された外部レールにより搬送された後、レール保持体に保持されているレール（内部レール）に受け渡されて、位置決めされる。このとき、レール保持体は、上昇位置にある。内部レールが処理対象物を受け取ると、レール保持体は降下し、処理対象物は電極体に対向するように配置される。

特開２０１５−１２０４５号公報

レール保持体は、強度、軽量化および加工性などの理由から、アルミニウム、ステンレス鋼などの導電性材料（導体）で形成されている。さらに、付勢手段も導体で形成し、レール保持体と基体とを、付勢手段を介して導通させている。高周波電力の印加によってレール保持体に溜まった電荷を、基体を介して外部に逃がすことにより、プラズマを安定化させるためである。しかし、特に、高圧下および／または高出力下でプラズマ処理を行う場合、プラズマが不安定になることがある。

レール保持体は、プラズマに晒されると、プラズマ中の電荷を持つ粒子により帯電する。帯電した電荷は、導体である付勢手段を通じて、レール保持体から接地されている基体に電流として流れる。ここで、付勢手段と基体との接触面積は非常に小さい。そのため、付勢手段を通じて基体に電流が流れる際、火花放電が発生しやすく、これをきっかけにプラズマの放電が不安定になると考えられる。

また、上記のように、付勢手段によりレール保持体を昇降させる場合、レール保持体に溜まった電荷の通り道は、付勢手段のみである。したがって、電流は、付勢手段に集中して流れるため、付勢手段の劣化も大きくなる。

本発明の一局面は、天井部および前記天井部の周囲から延出する側壁を有する蓋と、電極体および前記電極体を支持する基体を有する、ベースと、を備え、前記側壁の端面と前記基体の周縁とが密着して形成される密閉空間に、プラズマを発生させて、前記電極体に対向するように配置される処理対象物のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、さらに、前記密閉空間内で前記処理対象物を位置決めする位置決め部材と、前記位置決め部材と前記基体との間に介在し、前記位置決め部材を前記蓋と前記ベースとの間で昇降可能にする付勢手段と、を有する昇降ユニットを備えており、前記基体は接地されており、かつ、前記電極体と絶縁されており、前記昇降ユニットは、前記蓋および前記基体と絶縁されている、プラズマ処理装置に関する。

本発明によれば、付勢手段により位置決め部材を昇降させる機構を備えるプラズマ処理装置において、高圧下および／または高出力下でプラズマ処理を行う場合であっても、プラズマが安定化されるとともに、付勢手段の劣化を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の外観を模式的に示す斜視図である。同プラズマ処理装置のベースおよび昇降ユニットを模式的に示す斜視図である。同プラズマ処理装置のベースおよび昇降ユニットを模式的に示す上面図である。チャンバを開放した状態の同プラズマ処理装置を、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。チャンバを閉じた状態の同プラズマ処理装置を、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。昇降ユニットを模式的に示す斜視図である。図４に示すプラズマ処理装置の付勢手段近傍を拡大して示す断面図である。図５に示すプラズマ処理装置の付勢手段近傍を拡大して示す断面図である。

本発明に係るプラズマ処理装置は、天井部および天井部の周囲から延出する側壁を有する箱型の蓋と、電極体および電極体を支持する基体を有するベースと、を備える。側壁の端面と基体の周縁とを密着させることにより、密閉空間（以下、チャンバと称す）が形成される。チャンバ内を減圧し、プロセスガスを供給するとともに、電極体に高周波電力を印加する。これにより、チャンバ内部にプラズマが発生し、電極体に載置された処理対象物がプラズマ処理される。

プラズマ処理装置は、さらに、処理対象物を昇降させる昇降ユニットを備えている。処理対象物は、昇降ユニットによって、蓋とベースとの間を電極体に対向しながら昇降する。昇降ユニットは、チャンバ内で処理対象物を位置決めする位置決め部材と、位置決め部材と基体との間に介在し、位置決め部材を蓋とベースとの間で昇降可能にする付勢手段と、を有する。

基体は接地されている。昇降ユニットは、蓋および基体と絶縁されている。すなわち、プラズマ処理装置において、昇降ユニットは電気的に独立している（フローティング状態）。そのため、電極体に高周波電力が印加されている間、昇降ユニットは帯電したままであり、昇降ユニットと基体との間に電流は流れない。そして、上記印加の終了後、昇降ユニットに溜まった電荷は、チャンバ内を大気圧に戻す工程において自然放電される。なお、蓋も接地されている。

昇降ユニットから基体に電流が流れる場合、電流は付勢手段を介して流れる。つまり、昇降ユニットと基体との間に電流が流れないことにより、電流が付勢手段に流れることが回避される。すなわち、昇降ユニットを電気的にフローティング状態にすることにより、電流の集中的（あるいは局所的）な流出は回避される。そのため、チャンバ内のプラズマが安定化するとともに、付勢手段の劣化が抑制される。よって、高圧下（例えば、５０Ｐａ以上、さらには、１００Ｐａ以上）および／または高出力下（例えば、７００Ｗ以上、さらには、１０００Ｗ以上）でプラズマ処理を行うことができる。

位置決め部材の形態は特に限定されず、チャンバ内で処理対象物を支持する複数のレールと、複数のレールを一体に保持するレール保持体と、を有していてもよい。この場合、レール保持体が付勢手段によって支持されながら、蓋とベースとの間を昇降する。このような位置決め部材は、処理対象物をチャンバ内に搬入したり、チャンバ外に搬出したりする搬送機構を兼ねている。また、位置決め部材は、他の搬送機構によりチャンバ内に搬入された処理対象物を受け取り、電極体上の所定の位置に載置するガイドであってもよい。この場合、ガイドは、例えば電極体の周囲に配置されており、チャンバ内で処理対象物の外縁を支持するとともに、付勢手段によって支持されている。後者の場合であって、処理対象物がフレームとフレームの開口を覆う保持シートとを有する搬送キャリアに保持されている場合、ガイドは、チャンバ内で搬送キャリアのフレームを支持する。

以下、図１〜５を参照しながら、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置について、具体的に説明する。本実施形態において、位置決め部材は、チャンバ内で処理対象物を支持する複数のレールと、これら複数のレールを一体に保持するレール保持体とを有するが、位置決め部材の形態は、これに限定されるものではない。

図１は、プラズマ処理装置１００の外観を模式的に示す斜視図である。図２は、ベース１１０と昇降ユニット１３０とを模式的に示す斜視図である。図２において、ベース１１０は外部レール２００と連結されており、昇降ユニット１３０は、処理対象物３００を保持するとともに、上昇位置にある。図３は、図２の上面図である。ただし、図３では、外部レール２００を省略している。図４は、チャンバを開放した状態のプラズマ処理装置１００を、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。このとき、昇降ユニット１３０は上昇位置にある。図５は、チャンバを閉じた状態のプラズマ処理装置１００を、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。このとき、昇降ユニット１３０は下降位置にある。

プラズマ処理装置１００は、ベース１１０と、蓋１２０と、昇降ユニット１３０とを備える。蓋１２０は、天井部および天井部の周囲から延出する側壁を有する箱型であり、蓋１２０の側壁の端面とベース１１０の基体１１１の周縁とが密着することにより、内部に、例えば箱型のチャンバが形成される。

昇降ユニット１３０は、処理対象物３００を、蓋１２０とベース１１０との間で、基体１１１が支持する電極体１１２に対向させながら昇降させる。昇降ユニット１３０は、チャンバ内で処理対象物３００を支持する複数のレール（以下、内部レール１３１）と、複数の内部レール１３１を一体に保持するレール保持体１３２と、レール保持体１３２を昇降可能にするとともに、レール保持体１３２と基体１１１とで挟持される付勢手段１３３と、を有する。すなわち、処理対象物３００は、内部レール１３１に支持された状態で、付勢手段１３３によって電極体１１２の上方を昇降する。

レール保持体１３２が上昇位置にあるとき、内部レール１３１は、プラズマ処理装置１００の外部に配置される外部レール２００と連結し、外部レール２００とともに、処理対象物３００を搬送する搬送経路を形成する。すなわち、処理対象物３００は、外部レール２００から内部レール１３１に受け渡されることによりチャンバ内に搬入され、プラズマ処理された後、内部レール１３１から外部レール２００に受け渡されることによりチャンバ外に搬出される。一方、レール保持体１３２が下降位置にあるとき、処理対象物３００は、電極体１１２の上面に接触あるいは接近した状態になる。

ベース１１０は、蓋１２０と対向する面に電極体１１２を備えている。電極体１１２は、基体１１１に支持される。電極体１１２は電源部４００と接続している一方、基体１１１とは絶縁している。プロセスガスの存在下で、電源部４００から電極体１１２に高周波電力を印加することにより、チャンバ内にプラズマが発生する。蓋１２０は、電極体１１２の対極としての機能を有している。電源部４００は、例えば高周波電源４０１と、自動整合器４０２とで構成されている。自動整合器４０２は、電極体１１２と蓋１２０との間に印加される高周波の反射波による干渉を防止する作用を有する。

チャンバ内は、チャンバと連通する排気口１１７を介して、減圧雰囲気に維持可能である。排気口１１７は、図示しない真空吸引手段と連通している。真空吸引手段は、真空ポンプ、排気配管、圧力調整バルブなどで構成されている。基体１１１の周縁と蓋１２０の側壁の端面との間にはシール部材１１６が設けられ、チャンバ内の密閉性が高められる。なお、図示しないが、プラズマ処理装置１００は、プラズマ原料となるプロセスガスをチャンバ内に導入するためのガス供給手段を具備する。ガス供給手段は、アルゴン、酸素、窒素などのプロセスガスを供給するガスボンベ、チャンバ内にプロセスガスを導入する配管などで構成されている。

処理対象物３００のチャンバ内への搬入時およびチャンバ外への搬出時には、図４に示すように、蓋１２０をベース１１０から離間させて、チャンバが開放される。一方、処理対象物３００をプラズマ処理する際には、図５に示すように、蓋１２０の側壁の端面と基体１１１の周縁とを密着させて、チャンバが閉じられる。チャンバの開閉は、蓋１２０が昇降することにより行われる。蓋１２０の昇降は、図示しない所定の駆動源によって制御される。

電極体１１２は、第１絶縁部材１１４を介して、基体１１１に支持されている。電極体１１２は、プラズマ処理の際に処理対象物３００に面する上部電極体１１２ａと、第１絶縁部材１１４を介して基体１１１に面する下部電極体１１２ｂとで構成されている。上部電極体１１２ａおよび下部電極体１１２ｂは、いずれも導電性材料（導体）で形成されている。電極体１１２の外縁部には、上部電極体１１２ａと下部電極体１１２ｂとの間に挟持されるように、枠状の第２絶縁部材１１５が装着されている。これにより、電極体１１２の外縁部の側面は、その全周に亘って第２絶縁部材１１５で覆われ、枠状のレール保持体１３２は、電極体１１２と第２絶縁部材１１５で絶縁される。

電極体１１２の上面は、レール保持体１３２が下降位置にあるときに内部レール１３１を収容する、溝１１２ｇを有する。溝１１２ｇの深さは、レール保持体１３２が下降位置にあるときに、内部レール１３１の下面が、電極体１１２の上面と同程度になるように設計されている。

複数の内部レール１３１と、これらを一体に保持するレール保持体１３２を有する昇降ユニット１３０について、図６〜図８を参照しながら、さらに詳細に説明する。図６は、昇降ユニット１３０を模式的に示す斜視図である。図７は、図４に示すプラズマ処理装置１００の付勢手段近傍を拡大して示す断面図である。図８は、図５に示すプラズマ処理装置１００の付勢手段近傍を拡大して示す断面図である。

複数の内部レール１３１は、電極体１１２を囲むように配置される枠状のレール保持体１３２に一体に保持されている。具体的には、内部レール１３１は、その長手方向の両端部において、レール保持体１３２に固定されている。レール保持体１３２は、付勢手段１３３によって、蓋１２０とベース１１０との間で、電極体１１２に対して昇降可能である。内部レール１３１および内部レール１３１に支持される処理対象物３００も、レール保持体１３２とともに昇降する。レール保持体１３２は、レール保持体１３２から基体１１１に向かって立設するシャフト１３５に誘導されながら昇降する。そのため、処理対象物３００は、電極体１１２に対向しながら昇降することができる。基体１１１のシャフト１３５に対応する位置には、シャフト１３５に係合する開口（図示せず）が設けられている。付勢手段１３３が、コイル状のバネのように内部に中空を有している場合、中空部に支柱１３４を挿入して、付勢手段１３３を支持してもよい。支柱１３４は、例えば、その周面にネジが切られており、基体１１１にねじ止めされる。

付勢手段１３３の付勢力は、処理対象物３００を電極体１１２に対して離間させる方向に作用する。すなわち、付勢手段１３３は、無負荷状態において、レール保持体１３２を上昇させる。付勢手段１３３としては特に限定されないが、例えば、バネが挙げられる。本実施形態によれば、付勢手段１３３に電流が流れることが回避されるため、付勢手段１３３の劣化が抑制される。よって、バネのように、弾性を利用して付勢する場合であっても、付勢力が低下し難い。付勢手段１３３の数および配置も特に限定されないが、レール保持体１３２を安定した状態で昇降できる点で、等間隔に複数配置されることが好ましい。図示例のようにレール保持体１３２が矩形の枠体である場合、少なくとも４つの角に、それぞれ付勢手段１３３を配置することが好ましい。

付勢手段１３３に負荷をかけることにより、レール保持体１３２は下降する。付勢手段１３３への負荷は、例えば、蓋本体１２１に設けられた連動手段１２２により行われる。連動手段１２２は、チャンバが閉じた状態になったときに、連動手段１２２とレール保持体１３２とが当接するような位置に設置する。これにより、蓋１２０の昇降運動に連動して、レール保持体１３２を昇降させることができる。連動手段１２２は、例えば、蓋本体１２１の内壁面に装着された突起部材である。突起部材の形状は特に限定されない。連動手段１２２は、レール保持体１３２が下降位置にあるとき、支柱１３４に接触しない位置に設置する。

内部レール１３１は、処理対象物３００の搬送方向に延在するようにレール保持体１３２に架け渡されている。一対の内部レール１３１の互いに対向する側面のそれぞれには、溝が形成されており、処理対象物３００は、この溝に嵌め込まれて支持される。なお、内部レール１３１の形状はこれに限定されない。例えば、内部レール１３１は、溝を有さないシンプルな棒状であってもよい。

本実施形態では、昇降ユニット１３０を、プラズマ処理装置１００において電気的に独立した、フローティング状態にする。すなわち、上昇位置および下降位置にある昇降ユニット１３０を、蓋１２０および基体１１１と絶縁させる。これにより、昇降ユニット１３０から、電流が局所的に流出することが回避される。

レール保持体１３２は、強度、軽量化および加工性などの理由から、通常、導体で形成される。ただし、レール保持体１３２は、基体１１１と直接的に接触しない。そのため、昇降ユニット１３０と基体１１１とを絶縁させるには、昇降ユニット１３０を構成する部材のうち、レール保持体１３２以外であって基体１１１と接触する部材、つまり、付勢手段１３３および支柱１３４と、基体１１１とを絶縁させる。

ここで、支柱１３４は、上記と同様の観点から、導体で形成されることが好ましい。また、付勢手段１３３も、弾性を考慮すると、金属等の導体で形成されることが好ましい。つまり、昇降ユニット１３０としての機能および昇降ユニット１３０の生産性の観点から構成部材の材料を選択すると、昇降ユニット１３０は、レール保持体１３２に溜められた電荷が、支柱１３４および／または付勢手段１３３に集中して流れ易くなる構成になる。

そこで、例えば、図７および図８に示すように、付勢手段１３３と基体１１１との間に第３絶縁部材１３６を配置する。さらに、付勢手段１３３とレール保持体１３２との間にも第３絶縁部材１３６を配置することが好ましい。昇降ユニット１３０と基体１１１との絶縁を、確実にするためである。第３絶縁部材１３６は、例えば、リング状のポリイミド樹脂である。同様の観点から、支柱１３４の周囲に絶縁加工（例えば、硬質アルマイト処理加工）を施すことが好ましい。これにより、昇降ユニット１３０の構成部材として導体を用いながら、昇降ユニット１３０と基体１１１との間の導通を回避することができる。

レール保持体１３２、支柱１３４および付勢手段１３３を形成する導体としては、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。このような導体により形成される部材は、上記のように、その表面が絶縁加工されていてもよい。一方、内部レール１３１は、プラズマ処理中にプラズマに晒されるため、通常、硬度の高い絶縁材料で形成される。絶縁材料としては、例えば、アルミナ、シリカなどの金属酸化物、窒化珪素、窒化アルミニウムなどの金属窒化物、その他の絶縁性セラミック材料等が挙げられる。基体１１１、蓋本体１２１および連動手段１２２は、耐プラズマ性および絶縁性の観点から、通常、表面が絶縁加工されたアルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料で形成される。

以下、プラズマ処理装置１００を用いて、処理対象物３００にプラズマ処理を施す方法について説明する。
まず、チャンバが開放された状態で、処理対象物３００が外部レール２００から内部レール１３１に受け渡される。処理対象物３００は、内部レール１３１に支持されながら、電極体１１２と対向する位置まで搬送される。このとき、レール保持体１３２は、付勢手段１３３からの付勢力によって押し上げられており、上昇位置にある（図４、図７参照）。

次に、蓋１２０を下降させてチャンバを閉じる。このとき、蓋１２０に設けられた連動手段１２２の先端がレール保持体１３２に当接し、蓋１２０の下降に連動して、レール保持体１３２を下方に押し下げる（図５、図８参照）。これにより、レール保持体１３２は、下降位置に配置される。これに伴い、内部レール１３１および処理対象物３００も下方に押し下げられる。内部レール１３１が電極体１１２の溝１１２ｇの底面に当接すると、処理対象物３００と電極体１１２とが接触し、処理対象物３００は電極体１１２に載置される。

次に、密閉状態のチャンバ内の空気を、吸引手段を用いて排気し、所定の減圧状態に至った時点で、例えばベース１１０の内部に装着されたガス供給手段からチャンバ内にアルゴンなどのプロセスガスが導入される。

チャンバ内が所定の圧力に達した時点で、電源部４００により、電極体１１２と蓋１２０との間に、高周波電力が印加される。これにより、チャンバ内のプロセスガスがプラズマ化される。その結果、処理対象物３００の表面は、プラズマに暴露され、処理対象物３００の表面が洗浄される。

プラズマによる処理対象物３００の洗浄が終了すると、チャンバ内が大気に開放され、減圧状態が解除される。次に、蓋１２０を上昇させると、連動手段１２２によるレール保持体１３２への付勢力が解除され、処理対象物３００を支持した内部レール１３１がレール保持体１３２とともに上昇する。これにより、内部レール１３１と外部レール２００とが連結され、処理対象物３００が外部レール２００に受け渡されて搬出される。

なお、上記実施形態では、プラズマ処理装置１００を用いて処理対象物３００を洗浄する場合を説明したが、処理対象物３００に対してエッチング加工を行う場合にも、上記方法に準じてエッチングを行うことができる。

また、図示例では、処理対象物３００を電極体１１２に接触するように載置する場合を示したが、これに限定されない。処理対象物３００と電極体１１２とは、接触せずに、接近していてもよい。連動手段１２２を取り付ける位置（高さ）を可変にしたり、サイズの異なる複数種の連動手段１２２から任意の連動手段を選択して蓋本体１２１に取り付け可能にしたりすることで、処理対象物３００と電極体１１２との距離を変えることができる。

本発明に係るプラズマ処理装置は、付勢手段によりレール保持体を昇降させる場合であって、特に、高出力の電力および／または高圧下でプラズマ処理を行うことが望まれる場合に適している。

１００：プラズマ処理装置
１１０：ベース
１１１：基体
１１２：電極体
１１２ａ：上部電極体
１１２ｂ：下部電極体
１１２ｇ：溝
１１４：第１絶縁部材
１１５：第２絶縁部材
１１６：シール部材
１１７：排気口
１２０：蓋
１２１：蓋本体
１２２：連動手段
１３０：昇降ユニット
１３１：内部レール
１３２：レール保持体
１３３：付勢手段
１３４：支柱
１３５：シャフト
１３６：第３絶縁部材
２００：外部レール
３００：処理対象物
４００：電源部
４０１：高周波電源
４０２：自動整合器

Claims

天井部および前記天井部の周囲から延出する側壁を有する蓋と、
電極体および前記電極体を支持する基体を有する、ベースと、を備え、
前記側壁の端面と前記基体の周縁とが密着して形成される密閉空間に、プラズマを発生させて、前記電極体に対向するように配置される処理対象物のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置であって、
さらに、
前記密閉空間内で前記処理対象物を支持する複数のレールと複数の前記レールを一体に保持するレール保持体とを備える位置決め部材と、前記レール保持体と前記基体との間に介在し、前記位置決め部材を前記蓋と前記ベースとの間で昇降可能にする付勢手段であってその内部に中空部を備える付勢手段と、を有する昇降ユニットと、
前記付勢手段の前記中空部に挿入されることにより前記付勢手段を支持する支柱と、を備えており、
前記基体は接地されており、かつ、前記電極体と絶縁されており、
前記昇降ユニットは、前記蓋および前記基体と絶縁されており、
前記レール保持体および前記付勢手段は導体で形成されており、
複数の前記レールは絶縁材料で形成されており、
前記付勢手段は、金属製のバネであり、
前記付勢手段に電流が流れないように前記付勢手段が前記基体に第１絶縁部材を介して当接することにより、前記付勢手段と前記基体とが絶縁されている、プラズマ処理装置。
前記付勢手段と前記レール保持体との間に第２絶縁部材が配置されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記支柱は表面に絶縁加工が施されている、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
前記蓋は、前記位置決め部材を上昇位置から下降位置に押し下げる連動手段を備え、
前記連動手段はその表面が絶縁加工されていることにより、前記昇降ユニットは前記蓋と絶縁される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。