JP7398630B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関するものである。

プラズマ処理装置としては、特許文献１に示すように、誘導結合型のプラズマ（略称ＩＣＰ）を発生させて、この誘導結合型のプラズマを用いて基板に処理を施すものがある。

具体的にこのプラズマ処理装置は、基板が収容される真空容器と、真空容器内において基板に対向するように設けられたアンテナとを備え、真空容器内に成膜用ガスを供給するとともに、アンテナに高周波電流を流して誘導結合型のプラズマを発生させることで、基板に成膜等の処理を施すように構成されている。

ところが、成膜用ガスとして例えばＮ_２ガスなどの結合が強いものを用いる場合、ガスを十分に分解することができないことがあり、結合の弱いガスとを併用する場合には、例えば結合が弱いガスの分解が進みやすいことなどに起因して、所望の膜質を得られないといった問題が生じ得る。

特開２０１８－１５６８８０号公報

そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、成膜用ガスが結合の強いガスであっても十分に分解できるようにすることを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るプラズマ処理装置は、真空容器内に配置されたアンテナに高周波電流を流すことによって前記真空容器内に誘導結合型プラズマを生成し、当該誘導結合型プラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置であって、第１ガスが流れる第１ガス流路を有し、前記第１ガスを前記誘導結合型プラズマに導入する第１ガス導入部材と、前記第１ガス導入部材に負の電圧を印加する電源とを備え、前記第１ガス導入部材が、前記負の電圧により、電子を前記第１ガス流路内に閉じ込めるホローカソードとして機能することを特徴とするものである。

このように構成されたプラズマ処理装置によれば、第１ガス導入部材がホローカソードとして機能するので、第１ガスが結合の強いガスであっても、第１ガス流路に閉じ込められた電子によって第１ガスを十分に分解させることができる。

ホローカソードとしての機能を発揮させるための具体的な構成としては、前記第１ガス導入部材が、前記第１ガスが導入される導入口と、前記導入口よりも大きく、前記第１ガスを導出する導出口とを有し、前記第１ガス流路が、前記導入口に接続された上流側流路と、前記上流側流路よりも流路断面が大きく、前記導出口に接続された下流側流路とを有する構成を挙げることができる。
このような構成であれば、上流側流路よりも下流側流路の流路断面を大きくしているので、この下流側流路に電子を閉じ込めることができ、この下流側流路を通過する際に第１ガスを十分に分解させることができる。

より具体的な実施態様としては、前記下流側流路は、円筒形状をなし、直径が３ｍｍ以上４０ｍｍ以下、軸方向長さが前記直径の１倍以上１．５倍以下である態様を挙げることができる。

前記第１ガスとは別の第２ガスが流れる第２ガス流路を有し、前記第２ガスを前記誘導結合型プラズマに導入する第２ガス導入部材をさらに備え、前記第１ガスが、前記第２ガスよりも結合の強いガスであることが好ましい。
このような構成であれば、複数種類の成膜用ガスを用いて成膜する構成において、結合の強いガス（第１ガス）を十分に分解させたうえで成膜処理をすることができる。

複数種類の成膜用ガスを用いて均質な膜を成膜できるようにするためには、前記第１ガス導入部材が、複数の前記第１ガス流路を有する長尺状のものであり、前記第２ガス導入部材が、複数の前記第２ガス流路を有する長尺状のものであり、複数の前記第１ガス導入部材及び複数の前記第２ガス導入部材が、前記アンテナの長手方向に沿って、又は、前記アンテナの長手方向と直交する方向に沿って交互に設けられていることが好ましい。

本発明の作用効果がより顕著に発揮される態様としては、前記第１ガスが、Ｎ_２、Ｏ_２、ＨＦ_Ｘ、ＳｉＦ_Ｘ、ＳＦ_Ｘ、又はＣＦ_Ｘの少なくとも１つである場合を挙げることができる。

このように構成した本発明によれば、成膜用ガスが結合の強いガスであっても十分に分解させることができる。

本実施形態のプラズマ処理装置を上方から視た構成を示す模式図。 同実施形態のプラズマ処理装置の内部構成を示すＡ－Ａ’線断面図。 同実施形態のプラズマ処理装置の内部構成を示すＢ－Ｂ’線断面図。 変形実施形態のプラズマ処理装置の内部構成を示すＢ－Ｂ’線断面図。 変形実施形態のプラズマ処理装置の内部構成を示すＢ－Ｂ’線断面図。 変形実施形態のプラズマ処理装置を上方から視た構成を示す模式図。

以下に、本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態のプラズマ処理装置１００は、図１及び図２に示すように、誘導結合型プラズマＰを用いて基板Ｗに処理を施すものである。ここで、基板Ｗは、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板等である。また、基板Ｗに施す処理は、例えば、プラズマＣＶＤ法による膜形成、エッチング、アッシング、スパッタリング等である。

なお、このプラズマ処理装置１００は、プラズマＣＶＤ法によって膜形成を行う場合はプラズマＣＶＤ装置、エッチングを行う場合はプラズマエッチング装置、アッシングを行う場合はプラズマアッシング装置、スパッタリングを行う場合はプラズマスパッタリング装置とも呼ばれる。

具体的にプラズマ処理装置１００は、図１及び図２に示すように、真空排気される真空容器２と、真空容器２内に配置された直線状のアンテナ３と、真空容器２内に誘導結合型のプラズマＰを生成するための高周波をアンテナ３に印加する高周波電源４とを備えている。なお、アンテナ３に高周波電源４から高周波を印加することによりアンテナ３には高周波電流ＩＲが流れて、真空容器２内に誘導電界が発生して誘導結合型プラズマＰ（以下では、単にプラズマＰともいう）が生成される。

真空容器２は、図２に示すように、例えば金属製の容器であり、その内部は真空排気装置６によって真空排気される。真空容器２はこの例では電気的に接地されている。

真空容器２内には、基板Ｗを保持する基板ホルダ８が設けられている。この例のように、基板ホルダ８にバイアス電源９からバイアス電圧を印加するようにしても良い。バイアス電圧は、例えば負の直流電圧、負のバイアス電圧等であるが、これに限られるものではない。このようなバイアス電圧によって、例えば、プラズマＰ中の正イオンが基板Ｗに入射する時のエネルギーを制御して、基板Ｗの表面に形成される膜の結晶化度の制御等を行うことができる。基板ホルダ８内に、基板Ｗを加熱するヒータ（不図示）を設けておいても良い。

アンテナ３は、真空容器２内における基板Ｗの上方に、基板Ｗの表面に沿うように（例えば、基板Ｗの表面と実質的に平行に）配置されている。なお、アンテナ３の数は、特に限定されず、１本でも良いし、複数本のアンテナ３を互いに平行に配設しても良い。

アンテナ３の両端部付近は、図２に示すように、真空容器２の相対向する一対の側壁２ａ、２ｂをそれぞれ貫通している。アンテナ３の両端部を真空容器２外へ貫通させる部分には、絶縁部材１１がそれぞれ設けられている。この各絶縁部材１１を、アンテナ３の両端部が貫通しており、その貫通部は例えばパッキンによって真空シールされている。この絶縁部材１１を介してアンテナ３は、真空容器２の相対向する側壁２ａ、２ｂに対して電気的に絶縁された状態で支持される。なお、絶縁部材１１の材質は、例えば、アルミナ等のセラミックス、石英、又はポリフェニンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチック等である。

また、各アンテナ３の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等であるが、これに限られるものではない。なお、アンテナ３を中空にして、その中に冷却水等の冷媒を流し、アンテナ３を冷却するようにしても良い。

さらに、アンテナ３において、真空容器２内に位置する部分は、直管状の絶縁カバー１０により覆われている。この絶縁カバー１０の両端部は絶縁部材１１によって支持されている。なお、絶縁カバー１０の材質は、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等である。

絶縁カバー１０を設けることによって、プラズマＰ中の荷電粒子がアンテナ３に入射するのを抑制することができるので、アンテナ３に荷電粒子（主として電子）が入射することによるプラズマ電位の上昇を抑制することができると共に、アンテナ３が荷電粒子（主としてイオン）によってスパッタされてプラズマＰおよび基板Ｗに対して金属汚染（メタルコンタミネーション）が生じるのを抑制することができる。

各アンテナ３は、図１に示すように、アンテナ方向（長手方向Ｘ）において高周波が給電される給電端部３ａと、接地された接地端部３ｂとを有している。具体的には、各アンテナ３の長手方向Ｘの両端部において一方の側壁２ａ又は２ｂから外部に延出した部分が給電端部３ａとなり、他方の側壁２ａ又は２ｂから外部に延出した部分が接地端部３ｂとなる。

ここで、各アンテナ３の給電端部３ａには、高周波電源４から整合器４１を介して高周波が印加される。高周波の周波数は、例えば、一般的な１３．５６ＭＨｚであるが、これに限られるものではない。

更にこのプラズマ処理装置１００は、図１及び図２に示すように、真空容器２内において、アンテナ３に対して基板Ｗとは反対側の対向壁２ｃ（以下、上壁２ｃともいう）に、真空容器２内に成膜用ガスを供給するためのガス供給ポート２ｘが設けられている。

本実施形態のプラズマ処理装置１００は、複数種類の成膜用ガスを用いて基板Ｗに成膜する場合に特に資するものであり、複数種類の成膜用ガスを別個に（独立して）真空容器２内に供給できるようにするべく、図１に示すように、複数のガス供給ポート２ｘ（１）、２ｘ（２）を設けてある。

以下では、結合の強さが互いに異なる２種類の成膜用ガスを用いる場合について説明する。
より具体的には、一方の成膜用ガス（以下、第１ガスともいう）は、他方の成膜用ガス（以下、第２ガスともいう）よりも結合が強いガスであり、第１ガスとしては、例えばＮ_２、Ｏ_２、ＨＦ_Ｘ、ＳｉＦ_Ｘ、ＳＦ_Ｘ、又はＣＦ_Ｘなどを挙げることができ、第２ガスとしては、例えばＳｉＨ_４、Ｈ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｏ、ＮＦ_３、又はＡｒなどを挙げることができる。なお、ｘは１以上の自然数である。

ここで、本実施形態のプラズマ処理装置１００は、第１ガスの導入に特徴があるので、まずは第２ガスを導入するための構成について説明し、その後に第１ガスを導入するための構成について説明する。

プラズマ処理装置１００は、図２に示すように、第２ガス用のガス供給ポート２ｘ（２）から供給された第２ガスを誘導結合型プラズマＰに導入する第２ガス導入部材５を備えている。

より具体的に説明すると、本実施形態の真空容器２内には、第２ガス用のガス供給ポート２ｘ（２）に連通して第２ガスが充満する第２ガス空間５Ｓが設けられており、この第２ガス空間５Ｓに充満した第２ガスが第２ガス導入部材５を介して誘導結合型プラズマＰに導入される。

第２ガス導入部材５は、真空容器２内に配置されて、誘導結合型プラズマＰが生成されるプラズマ生成空間ＰＳと、上述した第２ガス空間５Ｓとを隔てるものである。かかる第２ガス導入部材５としては、例えば真空容器２と一体的に構成された金属製のものを挙げることができる。ただし、第２ガス導入部材５は、真空容器２とは別体であっても良いし、材質は金属に限定されるものではない。

具体的に第２ガス導入部材５は、第２ガス空間５Ｓに向かって開口し第２ガスが導入される第２ガス導入口５ａと、プラズマ生成空間ＰＳに向かって開口し第２ガスを導出する第２ガス導出口５ｂと、第２ガス導入口５ａ及び第２ガス導出口５ｂを連通する第２ガス流路５ｃとを有する。

本実施形態の第２ガス導入部材５は、長尺状の例えば平板部材であり、ここではアンテナ３に沿って、すなわちアンテナ３の長手方向と略平行に配置されている。

この第２ガス導入部材５は、その上面に複数の第２ガス導入口５ａが形成されるとともに、その下面に各第２ガス導入口５ａに対応させて複数の第２ガス導出口５ｂが形成されている。すなわち、本実施形態の第２ガス導入部材５は、複数の第２ガス流路５ｃを有するものであり、これらの第２ガス流路５ｃは、この実施形態では互いに同じ形状に形成されている。

具体的に第２ガス流路５ｃは、流路断面が第２ガス導入口５ａから第２ガス導出口５ｂに亘って等断面な形状をなすものであり、例えば直径が０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の円柱状をなす。なお、本明細書における流路断面とは、流路の流れ方向と直交する断面、すなわち流路の横断面である。

然して、本実施形態のプラズマ処理装置１００は、図３に示すように、第１ガス用のガス供給ポート２ｘ（１）から供給された第１ガスを誘導結合型プラズマＰに導入する第１ガス導入部材７と、第１ガス導入部材７に負の電圧を印加する電源Ｖとをさらに備えてなり、第１ガス導入部材７が、上述した電源Ｖから負の電圧を印加されることにより、電子を閉じ込めるホローカソードとして機能するように構成されている。

より具体的に説明すると、本実施形態の真空容器２内には、第１ガス用のガス供給ポート２ｘ（１）に連通して第１ガスが充満する第１ガス空間７Ｓが設けられており、この第１ガス空間７Ｓに充満した第１ガスが第１ガス導入部材７を介して誘導結合型プラズマＰに導入される。なお、ここでは第１ガス用のガス供給ポート２ｘ（１）は、第２ガス用のガス供給ポート２ｘ（２）よりも大きい。

第１ガス導入部材７は、真空容器２内に配置されて、誘導結合型プラズマＰが生成されるプラズマ生成空間ＰＳと、上述した第１ガス空間７Ｓとを隔てるものである。

この第１ガス導入部材７は、真空容器２とは絶縁部材Ｚを介して絶縁された金属製のものである。

具体的に第１ガス導入部材７は、第１ガス空間７Ｓに向かって開口し第１ガスが導入される第１ガス導入口７ａと、プラズマ生成空間ＰＳに向かって開口し第１ガスを導出する第１ガス導出口７ｂと、第１ガス導入口７ａ及び第１ガス導出口７ｂを連通する第１ガス流路７ｃとを有する。

本実施形態の第１ガス導入部材７は、長尺状の例えば平板部材であり、ここではアンテナ３に沿って、すなわちアンテナ３の長手方向と略平行に配置されている。この実施形態では、第１ガス導入部材７及び第２ガス導入部材５が、アンテナ３の長手方向と直交する方向に沿って交互に設けられている（図１参照）。

この第１ガス導入部材７は、その上面に複数の第１ガス導入口７ａが形成されるとともに、その下面に各第１ガス導入口７ａに対応させて複数の第１ガス導出口７ｂが形成されている。すなわち、本実施形態の第１ガス導入部材７は、複数の第１ガス流路７ｃを有するものであり、これらの第１ガス流路７ｃは、この実施形態では互いに同じ形状に形成されている。

ここで、第１ガス導出口７ｂは、第１ガス導入口７ａよりも大きく形成されており、第１ガス流路７ｃは、第１ガス導入口７ａに接続された上流側流路７ｃ１と、第１ガス導出口７ｂに接続されるとともに、上流側流路７ｃ１よりも流路断面が大きい下流側流路７ｃ２とを有する。すなわち、第１ガス流路７ｃは、アンテナ３に向かって開口する窪み部（凹部）が形成されたものであり、この窪み部が下流側流路７ｃ２となる。

上流側流路７ｃ１は、流路断面が一端部から他端部に亘って等断面な形状をなすものであり、例えば直径が０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の円柱状をなす。なお、ここでの上流側流路７ｃ１の径寸法は、上述した第２ガス流路５ｃの径寸法と等しくしてある。

下流側流路７ｃ２は、流路断面が一端部から他端部に亘って等断面な形状をなすものであり、流路断面のサイズ及び流路長さの一方又は両方は、電子の平均自由行程よりも長いことが好ましい。なお、電子の平均自由行程は、第１ガスの分子の平均自由行程や、第１ガスの分子の直径などに基づき算出されるものである。

本実施形態の下流側流路７ｃ２は、例えば直径が３ｍｍ以上４０ｍｍ以下の円柱状をなすものであり、軸方向長さは、例えば直径の１倍以上１．５倍以下である。そして、第１ガス導入部材７に上述した電源Ｖから負の電圧が印加されることで、この下流側流路７ｃ２が、誘導結合型プラズマＰから放出された電子を閉じ込めるホローカソードとしての機能を発揮することになる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のプラズマ処理装置１００によれば、第１ガス導入部材７が、ホローカソードとして機能して電子を閉じ込めるので、結合の強い例えばＮ_２等の第１ガスを十分に分解させたうえで成膜処理をすることができる。

具体的には、上流側流路７ｃ１よりも下流側流路７ｃ２の流路断面を大きくしているので、この下流側流路７ｃ２に電子を閉じ込めることができ、この下流側流路７ｃ２を通過する際に第１ガスを十分に分解させることができる。

さらに、第１ガス導入部材７及び第２ガス導入部材５を交互に配置しているので、均質な膜を成膜することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、下流側流路７ｃ２の流路断面が一端部から他端部に亘って等断面な形状をなすものであったが、図４に示すように、一端部（上流側）から他端部（下流側）に向かうにつれて流路断面が大きくなる形状であっても良いし、図示していないが第１ガス導出口７ｂがオリフィス等によって絞られていても良い。

また、前記実施形態では、複数の第１ガス流路７ｃが互いに同じ形状であったが、図５に示すように、例えば長手方向両端部の第１ガス流路７ｃの流路断面を、中央部の第１ガス流路７ｃの流路断面よりも大きくするなど、複数の第１ガス流路７ｃの流路断面や流路長等を異なるサイズにしても良い。

さらに、前記実施形態では、第１ガス導入部材７及び第２ガス導入部材５が、アンテナ３の長手方向に沿って設けられていたが、図６に示すように、第１ガス導入部材７及び第２ガス導入部材５が、アンテナ３の長手方向と直交する方向に沿って設けられていても良い。

前記実施形態では、成膜用ガスを上壁２ｃから導入していたが、側壁２ａ、ｂから導入しても良い。

前記実施形態では、第１ガス導入部材７の全体を金属製のものとして説明したが、少なくとも下流側流路７ｃ２を形成する部分が金属製であれば、その部分に負の電圧を印加することができるので、必ずしも全体を金属製にする必要はない。

また、前記実施形態では複数種類（例えば２種類）の成膜用ガスを独立して真空容器２に導入する場合について説明したが、例えば結合の強いガスと結合の弱いガスとの混合ガスを真空容器２に導入しても良い。この場合のプラズマ処理装置１００としては、第２ガス導入部材５を備えていないものとしても良い。

さらに、第１ガス流路７ｃとしては、第１ガス導入口７ａから第１ガス導出口７ｂまでの流路断面を等断面として、その流路断面を前記実施形態の下流側流路７ｃ２と同様のサイズにしても良い。すなわち、第１ガス流路７ｃとしては、ホローカソードとして機能するサイズの流路断面を有するものであれば、必ずしも窪み部が設けられていなくても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・プラズマ処理装置
Ｗ ・・・基板
Ｐ ・・・誘導結合プラズマ
２ ・・・真空容器
３ ・・・アンテナ
２ｘ ・・・ガス供給ポート
５ ・・・第２ガス導入部材
５ａ ・・・第２ガス導入口
５ｂ ・・・第２ガス導出口
５ｃ ・・・第２ガス流路
５Ｓ ・・・第２ガス空間
ＰＳ ・・・プラズマ生成空間
７ ・・・第１ガス導入部材
７ａ ・・・第１ガス導入口
７ｂ ・・・第１ガス導出口
７ｃ ・・・第１ガス流路
７ｃ１・・・上流側流路
７ｃ２・・・下流側流路
７Ｓ ・・・第１ガス空間
Ｚ ・・・絶縁部材
Ｖ ・・・電源

Claims (5)

1. 真空容器内に配置されたアンテナに高周波電流を流すことによって前記真空容器内に誘導結合型プラズマを生成し、当該誘導結合型プラズマを用いて基板を処理するプラズマ処理装置であって、
   第１ガスが流れる第１ガス流路を有し、前記第１ガスを前記誘導結合型プラズマに導入する第１ガス導入部材と、
   前記第１ガス導入部材に負の電圧を印加する電源とを備え、
   前記第１ガス導入部材が、
   前記第１ガスが導入される導入口と、
   前記導入口よりも大きく、前記第１ガスを導出する導出口とを有し、
   前記第１ガス流路が、
   前記導入口に接続された上流側流路と、
   前記上流側流路よりも流路断面が大きく、前記導出口に接続された下流側流路とを有し、
   前記下流側流路が、前記負の電圧により、電子を前記第１ガス流路内に閉じ込めるホローカソードとして機能することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記下流側流路は、円筒形状をなし、直径が３ｍｍ以上４０ｍｍ以下、軸方向長さが前記直径の１倍以上１．５倍以下である、請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１ガスとは別の第２ガスが流れる第２ガス流路を有し、前記第２ガスを前記誘導結合型プラズマに導入する第２ガス導入部材とをさらに備え、
   前記第１ガスが、前記第２ガスよりも結合の強いガスである、請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第１ガス導入部材が、複数の前記第１ガス流路を有する長尺状のものであり、
   前記第２ガス導入部材が、複数の前記第２ガス流路を有する長尺状のものであり、
   複数の前記第１ガス導入部材及び複数の前記第２ガス導入部材が、前記アンテナの長手方向に沿って、又は、前記アンテナの長手方向と直交する方向に沿って交互に設けられている、請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第１ガスが、Ｎ_２、Ｏ_２、ＨＦ_Ｘ、ＳｉＦ_Ｘ、ＳＦ_Ｘ、又はＣＦ_Ｘの少なくとも１つである、請求項１乃至４のうち何れか一項に記載のプラズマ処理装置。