JP7406775B1

JP7406775B1 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP7406775B1
Application number: JP2022576444A
Authority: JP
Inventors: 功一能勢; 浩幸上山
Original assignee: ICHIURA, Masakazu; SHINKU PLASMA CO., LTD.
Current assignee: ICHIURA, Masakazu; SHINKU PLASMA CO., LTD.
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2042-07-04
Also published as: WO2024009357A1

Abstract

広い範囲に対して効率よく処理を行うことが可能なプラズマ処理装置を提供するプラズマ処理装置（１０）は、被処理材を保持するホルダ（１６）、板面をホルダ（１６）へ向けた２枚で一対の電極板（３０）、電極板（３０）を貫通する複数の貫通孔（４２）、電極板（３０）の一方に対して高周波で電圧を印加することによりプラズマを発生させる高周波電源（７４）、電極板（３０）を挟んで被処理材と対向する位置に設けられ、電極板（３０）の近傍の電子密度を高めることにより、プラズマの密度を高める電磁石（３２）を備える。

Description

本発明は、被処理物にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関する。

基板などの被処理材に対し、プラズマを用いて、デスミア処理、エッチング処理、成膜処理などの各種プラズマ処理を行うプラズマ処理装置が広く知られている。例えば、下記特許文献１には、プラズマを発生させる２枚の平行電極板を、板面を被処理材とは垂直な方向へ向けて配置した装置が記載されている。また、下記特許文献２には、複数の貫通孔を有する２枚の平行電極板を、板面を被処理材へ向けて配置した装置が記載されている。

国際公開第２０１４／１４２０２３号国際公開第２０１７／１５９８３８号

しかしながら、上記特許文献１のように、板面を被処理材とは垂直な方向へ向けた場合、狭い範囲に対してしか処理を行えないといった問題があった。また、特許文献２のように、板面を被処理材へ向けた場合、処理範囲は広くなるものの、プラズマ密度が低く処理効率が悪いといった問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、広い範囲に対して効率よく処理を行うことが可能なプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、被処理材を保持するホルダと、表面を前記ホルダへ向けて配置された第１電極板と、前記第１電極板の裏面側に前記第１電極板とは平行に配置された第２電極板と、からなる２枚で一対の電極板と、前記第１、第２電極板の両方を貫通する複数の貫通孔と、前記電極板の一方に対して高周波で電圧を印加することにより前記電極板の近傍にプラズマを発生させる高周波電源と、前記電極板を挟んで前記被処理材と対向する位置に設けられ、前記電極板の近傍の電子密度を高めることにより、前記プラズマの密度を高める磁石と、を備える。

前記磁石を、前記貫通孔に対応して複数設けてもよい。

前記磁石は、供給する電力により磁力が変化する電磁石であってもよい。

前記磁石により、前記プラズマの密度が低い領域の磁力を他の領域よりも高くしてもよい。

前記電極板を移動させることにより、前記ホルダとの距離を調整する調整機構を設けてもよい。

前記第１電極板を接地して前記第２電極板に前記高周波電源から電圧を印加する第１状態と、前記第２電極板及び前記ホルダを接地して前記第１電極板に前記高周波電源から電圧を印加する第２状態と、を切り替える切り替え機構を備え、前記第１状態においては、前記電極板の近傍にプラズマ発生用の気体を供給することによって、前記第２電極板の近傍にホローカソード放電によるプラズマを発生させ、前記第２状態においては、前記第１電極板から前記ホルダへ向かうグロー放電によるプラズマを発生させてもよい。

前記第２状態においては、前記グロー放電によるプラズマに加えて、前記電極板の近傍に前記気体を供給することによって、前記第２電極板の近傍にホローカソード放電によるプラズマを発生させてもよい。

本発明のプラズマ処理装置によれば、広い範囲に対して効率よく処理を行うことができる。

プラズマ処理装置の概略的な構成図である。プラズマ発生器の説明図である。電極板と電磁石の説明図である。電極板と永久磁石の説明図である。電極板と永久磁石の説明図である。電極板と永久磁石の説明図である。電極板と永久磁石の説明図である。プラズマ発生器の電気的な構成の概略を示す説明図である。第１状態を示す説明図である。第２状態を示す説明図である。第２状態でプラズマ生成用のガスを供給した場合を示す説明図である。磁石有りの場合における、電流、電圧の特性、プラズマ密度、電子温度、プラズマ電位、飽和イオン電流、及び、飽和電子電流を示す説明図である。磁石無しの場合における、電流、電圧の特性、プラズマ密度、電子温度、プラズマ電位、飽和イオン電流、及び、飽和電子電流を示す説明図である。

＜装置概要＞
図１において、本発明のプラズマ処理装置１０は、被処理材である基板１２の表面に対してプラズマ処理を行うものである。プラズマ処理装置１０は、プラズマを発生させるプラズマ発生器１４、基板１２がセットされるホルダ１６を備え、これらがチャンバ１８内に収められている。チャンバ１８には真空ポンプ２０が接続されており、プラズマ処理を行う場合は、真空ポンプ２０を作動させ、ヂャンバ１８内が所定の真空度に維持される。なお、本例では、被処理材が基板１２である例で説明を行うが、被処理材は基板１２以外であってもよい。また、被処理材の形状は板状に限定されず、凹凸や段差、湾曲を含む立体的な形状であってもよい。

チャンバ１８には、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）２２、２４が接続されている。ＭＦＣ２２は、プラズマ発生器１４と基板１２との間に、成膜用のガスを供給する。成膜用のガスは、例えばメタン、アセチレン、ブタジエン、チタニウムテトライソプロポキシド（ＴＴＩＰ）、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、テトラメチルシラン（ＴＭＳ）などを選択して供給される。

他方、ＭＦＣ２４は、配管２６を介してプラズマ発生器１４に接続されており、プラズマ発生器１４の内部、より具体的には、後述する電極板３０の近傍に、プラズマ生成用のガスを供給する。プラズマ生成用のガスは、プラズマにより処理する方法に応じて選択され、例えばアルゴンやアルゴンと酸素の混合ガス、酸素或いは窒素の単独などであり、さらにはヘリウム、二酸化炭素、亜酸化窒素、水素、空気およびそれらの混合ガスでもよい。

＜電極板－ホルダ間距離調整機構＞
プラズマ発生器１４は、前述した配管２６の他、電極板３０、電磁石３２、を備え、これらがベース３４に取り付けられて一体化されている。プラズマ発生器１４は、ベース３４がステー３６を介してチャンバ１８内に設けられたスライドレール３８にスライド自在に支持されており、サーボアクチュエータ４０から駆動力の供給を受けて、ホルダ１６へ向かう方向、及び、ホルダ１６から遠ざかる方向へとスライド移動する。これにより、プラズマ発生器１４（電極板３０）とホルダ１６（基板１２）との間の距離が変化する。このように、スライドレール３８とサーボアクチュエータ４０とによりプラズマ発生器１４（電極板３０）をスライド自在に支持する機構は、電極板３０を移動させることによりホルダ１６との距離を調整する、本発明の調整機構として機能する。

電極板３０とホルダ１６との間の距離は、プラズマ処理の種類や被処理材の種類、過去の処理において得られたデータなどに基づき最適な位置に決定される。そして、決定された位置に電極板３０を移動してプラズマ処理が行われる。なお、プラズマ処理中は、電極板３０の位置を固定する構成であってもよいし、プラズマ処理中にプラズマの発生状態やプラズマ処理の進行状態をモニタリングし、モニタリング結果に基づいてプラズマ処理中にリアルタイムで電極板３０の位置を制御してもよい。また、本例では、電極板３０（プラズマ発生器１４）を移動させる例で説明をしたが、ホルダ１６を移動させることにより電極板３０とホルダ１６との間の距離を調整する構成としてもよい。

＜電極板の構造＞
図２に示すように、電極板３０は、表面をホルダ１６へ向けた第１電極板３０ａと、第１電極板３０ａの裏面側に第１電極板３０ａとは平行に配置された第２電極板３０ｂとの２枚で一対となっている。このように、電極板３０の板面を基板１２へ向けることにより、広い範囲に対してプラズマ処理を行うことが可能となる。なお、第１電極板３０ａと第２電極板３０ｂは隙間を空けて配置され、本例ではこの隙間にプラズマ生成用のガスを供給している。また、本例では、電極板３０（第１、第２電極板３０ａ、３０ｂ）を円板状に形成し、電極板３０の中心部（円の中心部）からプラズマ生成用のガスを供給している。

電極板３０には、第１、第２電極板３０ａ、３０ｂの両方を貫通する複数の貫通孔４２が設けられている。そして、本例では、電極板３０中心部（円の中心部）から放射状に貫通孔４２を設けている。また、本例では、電極板３０の中心部から外側へ向かうほど、単位面積あたりの孔数が増加するように、貫通孔４２を設けている。こうすることで、各貫通孔４２で均質なプラズマを生成することができる。つまり、電極板３０の側縁部はベース３４によって封止されているため、電極板３０の中心部から供給されたプラズマ生成用のガスは電極板３０の側縁部に溜まり（濃度（圧力）が高くなり）、電極板３０の中心部と側縁部とでプラズマ生成用のガスの濃度差（圧力差）が生じる傾向があるが、側縁部のほうが貫通孔４２の孔数を多くすることにより、前述した濃度差（圧力差）を減少させて各貫通孔４２で均質なプラズマを生成することができる。なお、電極板３０の形状は、円板状（円形）に限定されず、楕円形状や矩形であってもよい。また、貫通孔４２の具体的な位置や個数については、本例に限定されず適宜変更できる。

＜磁力によるプラズマ制御＞
図３に示すように、電極板３０の裏面側かつ電極板３０の近傍には電磁石３２が設けられている。本例では、貫通孔４２の孔数に対応する数の電磁石３２を用意し、各貫通孔４２の背後に1つずつ電磁石３２を配置している。各電磁石３２には、それぞれ可変コンバータ５２が接続されている。各可変コンバータ５２は、電源５４から電力の供給を受けて作動し、各電磁石３２が発生する磁力の大きさを個別に制御する。このように、電極板３０の近傍で磁力を発生させることにより、電極板３０の近傍の電子密度を向上させることができ、これに伴ってプラズマの密度も向上させることができる。

また、本例では、各電磁石３２の磁力を可変コンバータ５２によって個別に制御可能なため、位置に応じて磁力を異ならせることにより、位置毎のプラズマ密度の均質化や、所望の位置のみプラズマ密度を向上させるといったことが可能である。なお、各電磁石３２の磁力は、プラズマ処理の種類や被処理材の種類、過去の処理において得られたデータなどに基づき最適な大きさに決定される。そして、決定した磁力を維持した状態でプラズマ処理が行われる。

このように、各電磁石３２の磁力は、適宜変更できるが、電極板３０の外側へ向かうほど低く（中心へ向かうほど高く）することが好ましい。こうすることで、電極板３０の中心と外側とでプラズマ密度を均質化できる。つまり、前述のように、本例では、電極板３０の外側へ向かうほどプラズマ生成用のガスの濃度（圧力）が高くなる（プラズマ密度が高くなる）傾向にある。このため、電極板３０の中心へ向かうほど磁力を高くすることにより、電極板３０の中心へ向かうほど電子の密度を高く（電子の量を多く）してプラズマ密度を高めることができ、電極板３０の中心と外側とでプラズマ密度を均質化できる。

なお、本発明は、プラズマ処理中に磁力を固定する（各電磁石３２の磁力を変化させない）構成に限定されない。プラズマ処理中にプラズマの発生状態やプラズマ処理の進行状態をモニタリングし、モニタリング結果に基づいてプラズマ処理中にリアルタイムで各電磁石３２の磁力を制御してもよい。

また、本例では、各貫通孔４２に対応する位置に電磁石３２を配置した例で説明をしたが、電磁石３２の配置位置や設置個数は適宜変更できる。さらに、各電磁石３２の極性（Ｎ極、Ｓ極のいずれを電極板３０へ向けるか）についても適宜変更できるので、例えば、電磁石３２の全てをＮ極を電極板３０へ向けてもよいし、反対に、電磁石３２の全てをＳ極を電極板３０へ向けてもよい。また、中心側の電磁石３２はＳ極を電極板３０へ向け、外側の電磁石３２はＮ極を電極板３０へ向けるといったように、位置に応じて極性を異ならせてもよい。もちろん、プラズマ処理中にプラズマの発生状態やプラズマ処理の進行状態をモニタリングし、モニタリング結果に基づいてプラズマ処理中にリアルタイムで各電磁石３２の極性を変化させてもよい。

なお、本例では、磁力が可変の電磁石３２を用いる例で説明をしたが、電磁石３２に変えて永久磁石を用いてもよい。永久磁石を用いる場合、例えば、図４に示すように、各貫通孔４２に対応する位置に、Ｎ極を電極板３０へ向けた状態で永久磁石６０を配置するといったことが考えられる。また、図５に示すように、図４に対して、一部の永久磁石６０の極性を逆転させてもよい（一部の永久磁石６０をＳ極を電極板３０へ向けた状態で配置してもよい）。

さらに、図６に示すように、ドーナツ型（リング状）の２つの永久磁石６２、６４を同心円状に設けてもよい。図６の例では、内側の永久磁石６２についてはＳ極を電極板３０へ向けて配置し、外側の永久磁石６４についてはＮ極を電極板３０へ向けて配置している。

また、図７に示すように、ドーナツ型の１つの永久磁石６６のみを設けてもよい。図７の例では、Ｎ極を電極板３０へ向けて永久磁石６６を配置するとともに、外側へ向かうほど永久磁石６６の厚みを薄くすることにより、外側へ向かうほど磁力が低くなるように（中心へ向かうほど磁力が高くなるように）構成している。こうすることで、位置毎のプラズマ密度を均質化できる。つまり、前述のように、本例では、電極板３０の外側へ向かうほどプラズマ生成用のガスの濃度（圧力）が高くなる（プラズマ密度が高くなる）傾向にある。これに対し、電極板３０の中心へ向かうほど磁力を高くすることにより、電極板３０の中心へ向かうほど電子の量を多くしてプラズマ密度を高めることができ、電極板３０の中心と外側とでプラズマ密度を均質化できる。

＜パワーインプット切り替えによるプラズマ制御＞
図８に示すように、ホルダ１６は、バイアス電源７０を介して接地（アース）されている。また、電極板３０には、切り替え回路７２（切り替え機構）を介して、高周波電源７４が接続されている。さらに、電極板３０は、切り替え回路７２を介して、接地されている。高周波電源７４は、高周波で電圧を供給する（パワーアウトプットする）ものであり、例えば、ＲＦ（Radio Frequency）電源（高周波電源）、ＭＦ（Medium Frequency）電源（高周波電源）、プラズマとの整合性を得るためのＭＢ（マッチングボックス）などから構成される。

切り替え回路７２は、回路切り替え用のスイッチなどを含んで構成され、図９に示すように、第１電極板３０ａを接地し、第２電極板３０ｂにパワーインプットする（高周波電源７４からの電圧を印加する）第１状態と、図１０に示すように、第１電極板３０ａにパワーインプットし、第２電極板３０ｂを接地する第２状態との間で、パワーインプット及び接地の切り替えを行う。このように、プラズマ処理装置１０では、切り替え回路７２で、第１状態と第２状態とを切り替えることにより、各状態で異なる態様のプラズマを発生させる。

具体的には、図９に示す第１状態では、ＭＦＣ２４（配管２６）からプラズマ生成用のガスを供給した場合に、第２電極板３０ｂの近傍にホローカソード放電によるプラズマが発生する。このとき、このプラズマ（ホローカソード放電によるプラズマ）は、２点鎖線で示す領域８０で発生する。第１状態では、基板１２側の第１電極板３０ａを接地電極とすることで、プラズマの中に基板１２が暴露しない構成であり、プラズマシースによる影響を抑制して基板１２への負荷を軽減できるので、プラズマ処理としてプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）など成膜を行う場合に適している。

他方、図１０に示す第２状態では、第１電極板３０ａからホルダ１６へ向かうグロー放電によるプラズマが発生する。このとき、このプラズマ（グロー放電によるプラズマ）は、２点鎖線で示す領域８２で発生する。第２状態では、第１状態とは逆に、接地されたホルダ１６へ向けてプラズマが発生し、プラズマの中に基板１２が暴露される構成であり、基板１２への負荷は大きくなるが、プラズマ処理としてデスミア処理やエッチング処理などを行う場合に適している。

また、第２状態においては、プラズマ生成用のガスを未供給の状態であっても、チャンバ１８内に残留するガスによって前述のように領域８２にグロー放電によるプラズマが発生するが、ＭＦＣ２４（配管２６）らプラズマ生成用のガスを供給した場合には、図１１に示すように、領域８２において、グロー放電によるプラズマが発生することに加えて、第１電極板３０ａの近傍の２点鎖線で示す領域８４において、第１状態と同様のホローカソード放電によるプラズマも発生する。この状態（第２状態においてプラズマ生成用ガスを供給することにより、グロー放電によるプラズマとホローカソード放電によるプラズマとの２種類のプラズマを発生させた状態）では、２種類のプラズマを発生させることによりプラズマ密度を高めることができるので、処理効率の向上が可能である。

以上のように、プラズマ処理装置１０では、第１状態においてホローカソード放電によるプラズマを発生させる態様（第１態様）と、第２状態においてプラズマ生成用のガスを提供せずにグロー放電によるプラズマのみを発生させる態様（第２態様）と、第２状態においてプラズマ生成用のガスを提供してグロー放電によるプラズマに加えてホローカソード放電によるプラズマを発生させる態様（第３態様）との３つの態様でプラズマを発生させることが可能である。これにより、プラズマ処理装置１０によれば、プラズマ処理の種類や被処理材の種類、プラズマの発生状況やプラズマ処理の進行状況などに応じて最適な態様を選択でき、プラズマ処理プロセスの応用範囲を広げることができる。

また、プラズマ処理として、例えば、１つの（共通の）被処理材に対し、成膜処理を行った後にエッチング処理を行うなど、処理の特性（プラズマ処理装置に対する要求）が異なる複数のプラズマ処理を連続して行う場合、従来であれば、複数のプラズマ処理のそれぞれに対応した複数のプラズマ処理装置を用いたり、一方のプラズマ処理を行った後に、プラズマ処理装置の大掛かりな仕様変更を行ってから他方のプラズマ処理を行うなどの必要があり多大な手間がかかってしまうといった問題があった。これに対し、本発明のプラズマ処理装置１０によれば、切り替え回路７２によりパワーインプット及び接地の切り替えを行うといった簡単な作業で特性の異なる複数のプラズマ処理を１台の装置により行うことが可能であり、プラズマ処理プロセスの応用範囲を広げることができる。

＜効果の確認＞
以下、図１２、図１３を用い、本発明の効果の確認結果について説明を行う。効果の確認は、本発明のプラズマ処理装置１０（図１－図３参照）を用い、電磁石３２に電圧を印加して磁力を発生させた場合（磁石有りの場合）と、電磁石３２に電圧を印加せずに磁力を発生させなかった場合（磁石無しの場合）と、でプラズマ密度の違いを調べることにより行った。

プラズマ密度は、ラングミュアプローブを用いて測定した。具体的には、磁石無しの場合と磁石有りの場合とのそれぞれでプラズマを発生させた。そして、それぞれの場合で共通の位置にプローブを挿入し、印加電圧を掃引することにより得られた電流［Ａ］と電圧［Ｖ］の特性に基づき、プラズマ密度［個／ｃｍ^３］、電子温度［ｅＶ］、プラズマ電位［Ｖ］、飽和イオン電流［ｍＡ］、及び、飽和電子電流［ｍＡ］を求めた。結果は図１２、図１３に示す通りである。

図１２、図１３に示すように、プラズマ密度は、磁石有りの場合は１立方センチメートルあたり「７．１３９Ｅ^１１」個であるのに対し、磁石無しの場合は１立方センチメートルあたり「１．１０３Ｅ^９」個であり、本発明ように磁石有りとする（磁力により電極板の近傍の電子密度を向上させる）ことにより、磁石無しの場合と比較して格段にプラズマ密度を高くできることが確認できた。

１０プラズマ処理装置
１２基板（被処理材）
１４プラズマ発生器
１６ホルダ
１８チャンバ
２０真空ポンプ
２２、２４ＭＦＣ
２６配管
３０電極板
３０ａ第１電極板
３０ｂ第２電極板
３２電磁石
３４ベース
３６ステー
３８スライドレール
４０サーボアクチュエータ
４２貫通孔
５２可変コンバータ
５４電源
６０、６２、６４、６６永久磁石
７０バイアス電源
７２切り替え回路（切り替え機構）
７４高周波電源
８０、８２、８４領域（プラズマ発生領域）

Claims

被処理材を保持するホルダと、
表面を前記ホルダへ向けて配置された第１電極板と、前記第１電極板の裏面側に前記第１電極板とは平行に配置された第２電極板と、からなる２枚で一対の電極板と、
前記第１、第２電極板の両方を貫通する複数の貫通孔と、
前記電極板の一方に対して高周波で電圧を印加することにより前記電極板の近傍にプラズマを発生させる高周波電源と、
前記電極板を挟んで前記被処理材と対向する位置に設けられ、前記電極板の近傍の電子密度を高めることにより、前記プラズマの密度を高める磁石と、
を備える、とともに、
前記第１電極板を接地して前記第２電極板に前記高周波電源から電圧を印加する第１状態と、前記第２電極板及び前記ホルダを接地して前記第１電極板に前記高周波電源から電圧を印加する第２状態と、を切り替える切り替え機構を備え、
前記第１状態においては、前記電極板の近傍にプラズマ発生用の気体を供給することによって、前記第２電極板の近傍にホローカソード放電によるプラズマを発生させ、
前記第２状態においては、前記第１電極板から前記ホルダへ向かうグロー放電によるプラズマを発生させる、プラズマ処理装置。
前記磁石を、前記貫通孔に対応して複数設けた、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記磁石は、供給する電力により磁力が変化する電磁石である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記磁石により、前記プラズマの密度が低い領域の磁力を他の領域よりも高くする、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記電極板を移動させることにより、前記ホルダとの距離を調整する調整機構を備えた、請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記第２状態においては、前記グロー放電によるプラズマに加えて、前記電極板の近傍に前記気体を供給することによって、前記第２電極板の近傍にホローカソード放電によるプラズマを発生させる、請求項１に記載のプラズマ処理装置。