JP6863608B2 - プラズマ源及びプラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、成膜装置やエッチング装置等において処理室にプラズマを供給するためのプラズマ源、及び該プラズマ源を用いたプラズマ処理装置に関する。
一般的なプラズマ処理装置では、被処理基体が設置された処理室内にガス（以下、「プラズマ原料ガス」と呼ぶ）を導入したうえで、処理室内に高周波電磁界を形成して該ガスをプラズマ化し、解離したガス分子を被処理基体に入射させることにより、被処理基体の表面に成膜、物理エッチング、化学エッチング等の処理を行う。
それに対して特許文献１には、処理容器（処理室）と、当該処理容器と開口により連通し当該処理容器よりも容積が小さいプラズマ形成ボックス（プラズマ生成室）を設け、プラズマ形成ボックスの周囲に誘導結合型の高周波アンテナを設けると共に、プラズマ形成ボックス内にプラズマ原料ガスを供給するガス供給手段を設けた装置が記載されている。この装置では、プラズマ形成ボックス内でプラズマを生成し、開口を通してそのプラズマを処理容器内に供給することにより、処理容器内においてプラズマを用いた処理が行われる。このように処理容器よりも容積が小さいプラズマ形成ボックス内でプラズマを生成することにより、処理容器内でプラズマを生成するよりも、高周波電磁界のエネルギーの利用効率を高くすることができる。
特許文献１に記載のプラズマ形成ボックス、高周波アンテナ及びガス供給手段を合わせたものは、処理容器へのプラズマの供給源として機能する。本明細書では、このような処理容器（処理室）へのプラズマの供給源を「プラズマ源」と呼ぶ。
特開2009-076876号公報
しかしながら、特許文献１の装置では、プラズマだけではなく、プラズマ形成ボックス内において未だプラズマ化されていないガスの一部も、開口を通って処理容器内に流入してしまう。処理容器内に流入したガスは、プラズマ形成ボックスの周囲にある高周波アンテナからほとんど高周波電磁界を受けることができなくなるため、プラズマ化することができない。
本発明が解決しようとする課題は、ガスを十分に電離した状態で処理容器又は処理室にプラズマを供給することができるプラズマ源、及び該プラズマ源を用いたプラズマ処理装置を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ源は、プラズマを用いた処理を行うプラズマ処理空間にプラズマを供給するための装置であって、
a) プラズマを生成するプラズマ生成空間と、該プラズマ生成空間と前記プラズマ処理空間とを区切る壁とを有するプラズマ生成室と、
b) 前記壁に設けられた、前記プラズマ生成空間とプラズマ処理空間を連通させる開口と、
c) プラズマを生成するのに必要な所定強度の高周波電磁界を前記プラズマ生成空間内に生成可能な位置に設けられた、巻数が1回未満のコイルである高周波アンテナと、
d) 前記壁のうち前記開口の内壁面に、該開口の空間を挟むように設けられた1対の電圧印加電極と、
e) 前記プラズマ生成空間内の、前記電圧印加電極よりも前記開口の反対側寄りの位置にプラズマ原料ガスを供給するガス供給部と
を備えることを特徴とする。
本発明に係るプラズマ源では、高周波アンテナとして巻数が１回未満のコイルを用いることより、巻数が１回以上のコイルよりも高周波アンテナのインダクタンスを小さくすることができ、高周波電力の損失を抑えて効率良くエネルギーをプラズマ生成に用いることができる。これにより、ガス供給部からプラズマ生成室内に供給されるガス分子が効率良く電離してプラズマ化する。そして、電圧印加電極間に電圧を印加することにより、開口の反対側寄りにあるガス供給部から供給されて電圧印加電極間に到達したガス分子の電離が促進され、未だプラズマ化されていないガスが開口からプラズマ処理空間に流出することを防ぐことができる。
本発明に係るプラズマ源には、上記のガス分子の電離を促進するという利点と共に、電圧印加電極間に印加された電圧によってプラズマが着火し易くなるという利点もある。この利点のみを利用する場合には、プラズマが着火した後に電圧印加電極間への電圧の印加を停止又は電圧を低下させてもよい。
電圧印加電極に印加する電圧は、直流電圧よりも高周波電圧の方が望ましい。高周波電圧を用いることにより、ガス分子の電離がより促進されると共に、低いプロセス圧力でもプラズマを着火することができる。
高周波アンテナは、強い高周波電磁界をプラズマ生成室内に生成するためには、プラズマに対する耐性を有する材料から成る保護部材を周囲に設けたうえでプラズマ生成室内に設ければよい。一方、高周波アンテナをプラズマ生成室外に設ければ、プラズマ生成室内の高周波電磁界は弱くなるものの、保護部材を用いる必要がなく、構成を簡単化することができる。あるいは、プラズマ生成室と外部とを仕切る壁内に高周波アンテナを設けることにより、高周波アンテナがプラズマに晒されることを防止しつつ、ある程度強い高周波電磁界をプラズマ生成室内に生成することができる。
高周波アンテナに導入する高周波電流の周波数は特に問わない。当該周波数は、典型的には商用の高周波電源で用いられている13.56kHzとすることができる。電圧印加電極に高周波電圧を印加する場合には、その周波数は特に問わないが、電圧値が低くとも電離が継続的に進行するように、当該周波数が高い方が望ましい。取り扱いが容易であって且つ放電し易いという点で、高周波電圧の周波数は、VHF帯である10MHz〜100MHzとすることが望ましい。
本発明に係るプラズマ源は、前記プラズマ生成室の外側の前記開口に対向する位置、又は前記プラズマ生成室の内側であって前記電圧印加電極よりも前記開口側の位置に設けられた、孔を有する加速電極を備えることができる。この構成によれば、プラズマ処理空間（プラズマ源の外）に配置された被処理物に陽イオンを照射するイオン源として用いることができる。具体的には、被処理物又は該被処理物を保持する被処理物ホルダを接地したうえで加速電極に正の電位を付与することにより、プラズマ生成室内でガス分子が電子と電離して生成された陽イオンが加速電極の孔を通過して該対象物に向けて加速される。加速電極に設けられる孔は１個のみであってもよいし、複数個であってもよい。
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記プラズマ源と、内部が前記プラズマ処理空間であるプラズマ処理室とを備えることを特徴とする。
本発明に係るプラズマ源により、ガスを十分に電離した状態でプラズマをプラズマ処理空間に供給することができる。
本発明に係るプラズマ源の一実施例を示す断面図。 高周波アンテナを複数個用いた本発明に係るプラズマ源の例を示す斜視図(a)、正面に平行な断面図(b)及び側面に平行な断面図(c)。 プロセス圧力に対するイオン飽和電流密度の実験データを示すグラフ。 高周波アンテナの高周波電力に対するイオン飽和電流密度の実験データを示すグラフ。 本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を示す断面図。 本実施例のプラズマ源の変形例を示す断面図。 本実施例のプラズマ源の他の変形例を示す部分拡大断面図。
図１〜図７を用いて、本発明に係るプラズマ源及びプラズマ処理装置の実施例を説明する。
本実施例のプラズマ源１０は、図１に示すように、プラズマ生成室１１、開口１２、高周波アンテナ１３、電圧印加電極１４、ガス供給管１５、及び加速電極１６を有する。
プラズマ生成室１１は、誘電体から成る壁１１１で覆われた空間であり、その内部に高周波アンテナ１３及びガス供給管１５の一端が配置されている。開口１２はプラズマ生成室の壁１１１に設けられており、図１の上側から見てスリット状の形状を有する。プラズマ生成室１１から見て開口１２の外側が上述のプラズマ処理空間に相当する。
高周波アンテナ１３は、線状の導体をＵ字形に曲げたものであり、巻数が１回未満のコイルに該当する。高周波アンテナ１３の両端部は、開口１２に対向するプラズマ生成室１１の壁１１１に取り付けられている。高周波アンテナ１３の周囲は誘電体製の保護管１３１で覆われている。保護管１３１は、後述のようにプラズマ生成室１１内に生成されるプラズマから高周波アンテナ１３を保護するために設けられている。高周波アンテナ１３の一方の端部は第１高周波電源１６１に接続されており、他方の端部は接地されている。第１高周波電源１６１は、周波数13.56MHzで100〜1000Wの高周波電力を高周波アンテナ１３に供給する。
プラズマ生成室１１の壁１１１のうち、開口１２の内壁面に該当する部分に、１対の電圧印加電極１４が設けられている。この電圧印加電極１４は開口１２近傍のプラズマ生成室１１内の空間を挟むように設けられており、一方の電極は第２高周波電源１６２に接続され、他方の電極は接地されている。第２高周波電源１６２は、周波数60MHzで50〜500Wの高周波電力を電極間に供給する。
ガス供給管１５は、開口１２に対向するプラズマ生成室１１の壁１１１を貫くように設けられたステンレス鋼製の管である。プラズマ生成室１１内のガス供給管１５の先端１５１は、高周波アンテナ１３におけるＵ字の内側に配置されており、電圧印加電極１４から見ると開口１２の反対側に位置する。この先端１５１からプラズマ原料ガスがプラズマ生成室１１内に供給される。ガス供給管１５は接地されている。ガス供給管１５から供給されるプラズマ原料ガスには、成膜原料のガス、化学エッチングや物理エッチングに用いるイオンを生成するためのガス、イオンビームを生成するためのガスなど、種々のガスを用いることができる。
プラズマ生成室１１の外側には、開口１２に対向する位置に、接地された被処理物ホルダ（図示せず）が配置されており、開口１２と被処理物ホルダの間であって開口１２の近傍の位置に加速電極１６が設けられている。なお、被処理物ホルダはプラズマ源１０には含まれず、プラズマ源１０と被処理物ホルダを合わせてプラズマ処理装置が構成される。加速電極１６はタングステン製の板状の部材に孔を多数（複数）個設けたものである。なお、タングステンの代わりに、モリブデンやカーボン製の板状部材を用いてもよい。加速電極１６には、接地に対して100〜2000Vの正の電位を与える直流電源１６３が接続されている。この構成により、加速電極１６と被処理物ホルダの間に、正のイオンを被処理物ホルダ側に向けて加速させる直流電界が形成される。
本実施例のプラズマ源１０の動作を説明する。ガス供給管１５の先端１５１からプラズマ生成室１１内にプラズマ原料ガスを供給しつつ、第１高周波電源１６１から高周波アンテナ１３に高周波電力を供給すると共に第２高周波電源１６２から電圧印加電極１４間に高周波電力を供給する。これにより、プラズマ生成室１１内でプラズマが着火し、高周波アンテナ１３の近傍においてプラズマ原料ガスの分子が電離して、プラズマが生成されると共に、電圧印加電極１４間でプラズマ中のガス分子の電離が促進される。こうして生成されたプラズマ中には、正のイオンと電子が存在する。生成されたプラズマは、開口１２を経て、加速電極１６に設けられた孔を通過する。そして、直流電源１６３により接地に対して正の電位を加速電極１６に与えることにより、プラズマ中の正のイオンが加速電極１６から被処理物ホルダに向かって加速され、加速電極１６に設けられた孔を通過してプラズマ処理空間に供給される。
本実施例のプラズマ源１０は、上記のように加速電極１６を用いて正のイオンを加速することにより、イオンビームを生成することができる。このようなイオンビームは、被処理物ホルダに被処理物を配置しておくことにより、被処理物のエッチングやイオン注入等の処理に好適に用いることができる。
高周波アンテナ１３の個数は1個には限定されず、例えば図２に示すように複数個設けてもよい。図２に示したプラズマ源１０Ａでは、高周波アンテナ１３は、開口１２のスリットに沿って複数個（同図では5個示したが、個数は限定されない）並べて配置されている。本実施例では、高周波アンテナ１３のＵ字の面は前記スリットに平行に向いている（すなわち、高周波アンテナ１３のＵ字の面の法線方向は、前記スリットの長手方向に直交している）。但し、該Ｕ字の面の向きはこの例には限定されない。電圧印加電極１４は、開口１２のスリットの長手方向に沿って延びる1組（2枚）の電極を用いている。このように複数個の高周波アンテナ１３を用いることにより、広いプラズマ処理空間に対してプラズマを供給することができる。なお、図２では各電源の図示を省略している。また、図２には加速電極は示していないが、図１の例と同様に加速電極を設けてもよい。
以下、本実施例のプラズマ源１０を用いて実験を行った結果を示す。
まず、高周波アンテナ１３に供給する高周波電力を1000W（周波数は13.56MHz）、電圧印加電極１４に供給する高周波電力を200W（周波数は60MHz）に固定し、複数のプロセス圧力において、生成されたプラズマのイオン飽和電流密度を測定した。比較のために、電圧印加電極１４への高周波電力の供給を停止して高周波アンテナ１３のみに高周波電力（1000W、13.56MHz）を供給した場合と、高周波アンテナ１３への高周波電力の供給を停止して電圧印加電極１４のみに高周波電力（200W、60MHz）を供給した場合についても同様の実験を行った。それらの実験結果を図３に示す。これらの実験結果から、測定範囲内のどの圧力においても、高周波アンテナ１３と電圧印加電極１４のうちいずれか一方のみに高周波電力を供給した場合にはほとんどプラズマを生成することができなかったのに対して、高周波アンテナ１３と電圧印加電極１４の双方に高周波電力を供給した場合にはプラズマを生成することができることが確認された。
次に、電圧印加電極１４に供給する高周波電力を200W（周波数は60MHz）に固定し、プロセス圧力を0.2Pa（図３における最低圧力）に固定したうえで、高周波アンテナ１３に供給する高周波電力が異なる複数の場合について、生成されたプラズマのイオン飽和電流密度を測定した。実験結果を図４に示す。高周波アンテナ１３に供給する高周波電力が大きくなるほどプラズマのイオン飽和電流密度が高くなった。この結果から、高周波アンテナ１３がプラズマの生成に有効に機能していることが確認された。
図５に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を示す。このプラズマ処理装置２０は、上述のプラズマ源１０と、内部空間が該プラズマ源１０の開口１２に連通するプラズマ処理室２１と、プラズマ処理室２１内に設けられた、被処理物Ｓを載置する被処理物台２２と、プラズマ処理室２１内にプラズマ処理ガスを導入するプラズマ処理ガス導入管２３と、プラズマ処理室２１内のガスを排気する排気管２４を有する。プラズマ処理室２１の内部空間が前述のプラズマ処理空間に相当する。なお、プラズマ処理ガス導入管２３は、例えば薄膜の原料となる原料ガスの分子をプラズマで分解したうえで被処理物（基板）Ｓ上に堆積させる場合に当該原料ガスを供給する際に用いられる。プラズマ源１０からのプラズマで被処理物Ｓを直接エッチングする場合等には、プラズマ処理ガス導入管２３を省略することができる。
このプラズマ処理装置２０では、まず、真空ポンプ（図示せず）を用いてプラズマ処理室２１内のガス（空気）を排気管２４を通して排出したうえで、必要な場合にはプラズマ処理ガス導入管２３から所定のガスをプラズマ処理室２１内に供給する。そして、上述のようにプラズマ源１０を動作させることにより、開口１２からプラズマ処理室２１内にプラズマを導入し、被処理物Ｓに対して薄膜材料の堆積やエッチング等の処理を行う。
ここではプラズマ処理装置においてプラズマ源１０を用いる例を説明したが、上述のプラズマ源１０Ａを用いてもよい。これにより、プラズマ源１０Ａを用いれば、スリット状の開口１２からプラズマがプラズマ処理室内に供給され、長尺の被処理物に対して薄膜材料の堆積やエッチング等の処理を行うことができる。
本発明は上記実施例には限定されない。
例えば高周波アンテナ１３の形状は、上記のＵ字形の他にも、半円等の部分円形のものや、矩形のものなど、巻き数が１回以下である種々の形状を取ることができる。
また、高周波アンテナ１３はプラズマ生成室１１の外に設けてもよいし、壁１１１内に設けてもよい。それらの場合には、高周波アンテナ１３の周囲に保護管１３１を設ける必要はなく、壁１１１に誘電体製のものを用いればよい。
第１高周波電源１６１から高周波アンテナ１３に、あるいは第２高周波電源１６２により電圧印加電極１４間に供給する高周波電力の大きさ及び周波数、並びに直流電源１６３から加速電極１６に与える電位の大きさはいずれも前述のものには限定されない。また、電圧印加電極１４には、高周波電圧の代わりに直流電圧を印加してもよい。
ガス供給管１５の先端１５１は、電圧印加電極１４よりも開口１２の反対側に設ければよく、例えば図６に示すプラズマ源１０Ｂのように、高周波アンテナ１３よりも開口１２側の位置に設けてもよい。
加速電極１６は、電圧印加電極１４よりも開口１２側に設ければよく、例えば図６に示すように、プラズマ生成室１１の内側に設けても良い。また、加速電圧１６に設ける孔は、前述のように複数個であってもよいし、１個のみであってもよい。さらには、加速電圧１６を省略して、開口から自然にプラズマ処理空間に流入するプラズマを利用するようにしてもよい。
また、図７に示すように、複数枚の電極から成る加速電極を開口１２側に設けてもよい。この例では、開口１２寄りの位置から順に第１加速電極１６Ａ１〜第４加速電極１６Ａ４の4枚の電極から成る加速電極１６Ａを用いている。第１加速電極１６Ａ１には正のイオンの加速に必要な正の電位を第１直流電源１６３Ａ１により付与し、第２加速電極１６Ａ２にはプラズマのシース形状を調整するために第１加速電極１６Ａ１とは逆符号である負の電位を第２直流電源１６３Ａ２により付与し、第３加速電極１６Ａ３にはビームの拡がりを調整するために第２加速電極１６Ａ２と同符号である負の電位を第３直流電源１６３Ａ３により付与し、第４加速電極１６Ａ４は接地電位としている。
ここまでに述べたプラズマ源の変形例はいずれも、言うまでもなく上記プラズマ処理装置におけるプラズマ源として用いることができる。
１０、１０Ａ、１０Ｂ…プラズマ源
１１…プラズマ生成室
１１１…プラズマ生成室の壁
１２…開口
１３…高周波アンテナ
１３１…保護管
１４…電圧印加電極
１５…ガス供給管
１５１…ガス供給管の先端
１６…加速電極
１６１…第１高周波電源
１６２…第２高周波電源
１６３…直流電源
１６３Ａ１…第１直流電源
１６３Ａ２…第２直流電源
１６３Ａ３…第３直流電源
２１…プラズマ処理室
２２…被処理物台
２３…プラズマ処理ガス導入管
２４…排気管
Ｓ…被処理物

Claims (6)

  1. プラズマを用いた処理を行うプラズマ処理空間にプラズマを供給するための装置であって、
    a) プラズマを生成するプラズマ生成空間と、該プラズマ生成空間と前記プラズマ処理空間とを区切る壁とを有するプラズマ生成室と、
    b) 前記壁に設けられた、前記プラズマ生成空間とプラズマ処理空間を連通させる開口と、
    c) プラズマを生成するのに必要な所定強度の高周波電磁界を前記プラズマ生成空間内に生成可能な位置に設けられた、巻数が1回未満のコイルである高周波アンテナと、
    d) 前記壁のうち前記開口の内壁面に、該開口の空間を挟むように設けられた1対の電圧印加電極と、
    e) 前記プラズマ生成空間内の、前記電圧印加電極よりも前記開口の反対側寄りの位置にプラズマ原料ガスを供給するガス供給部と
    を備えることを特徴とするプラズマ源。
  2. 前記電圧印加電極に、高周波電圧を印加する高周波電源が接続されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ源。
  3. 前記高周波電圧が10MHz〜100MHzの周波数を有することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ源。
  4. 前記プラズマ生成空間の外の前記開口に対向する位置、又は前記プラズマ生成空間内であって前記電圧印加電極よりも前記開口側の位置に設けられた、孔を有する加速電極を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ源。
  5. 前記開口はスリットの形状を有し、
    前記1対の電圧印加電極の各々は前記スリットに平行な面を有し、該面が互いに該スリットを挟んで対向するように設けられている
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ源。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ源と、内部が前記プラズマ処理空間であるプラズマ処理室とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
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