JPWO2009110226A1 - 高周波アンテナユニット及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、真空容器内に高密度な放電プラズマを生成することができる高周波アンテナユニットを提供することを目的としている。本発明に係る高周波アンテナユニットは、高周波電流を流すための高周波アンテナ１１と、高周波アンテナのうち真空容器内に存在する部分の周囲に設けられた絶縁体製の保護管１２と、前記高周波アンテナ１１と前記保護管１２の間の緩衝領域１３と、を備えることを特徴としている。ここで「緩衝領域」とは電子の加速を抑制する領域を意味し、例えば真空あるいは絶縁体により形成することができる。このような構成により、アンテナ１１と保護管１２の間で放電が生じることを抑制することができるため、真空容器内に高密度な放電プラズマを生成することができる。

Description

本発明は、誘導結合型高周波アンテナ及び該高周波アンテナを用いた基板表面処理装置に関する。

近年、真空容器内に高周波アンテナを配置した内部アンテナ方式のプラズマ処理装置が開発され、実用化されている。このプラズマ処理装置では、高周波アンテナに高周波電流を流して高周波アンテナ周辺に誘導電界を形成することにより、真空容器内に放電プラズマが励起される。この放電プラズマを用いて、被処理体表面に所望の薄膜を形成したり、被処理体表面をエッチング処理したりすることができる。

内部アンテナ方式のプラズマ処理装置では、高周波アンテナと放電プラズマの間に静電界が形成されるため、高周波アンテナにはプラズマに対して負の直流セルフバイアスが生じる。このバイアス電圧により、プラズマ中のイオンが加速されて高周波アンテナに入射し、高周波アンテナ自身がスパッタリングされる。このようにスパッタされた高周波アンテナの材料の原子やイオンが放電プラズマ中に混入するため、これらが直接、又は一旦真空容器の内壁等に付着した後に、被処理体の表面に付着する、という問題が生じる。

このような高周波アンテナのスパッタリングを防止するため、従来より、高周波アンテナの外周を絶縁体製、例えば石英製の保護管で覆うことが行われている。例えば、特許文献１には、直径6mmの銅パイプの高周波アンテナの周囲を直径15mmの石英製保護管で覆った内部アンテナが開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の構成では高周波アンテナと保護管の間の空間における圧力がプロセスガス圧と同じ圧力になる。そのため、その空間内でも放電が発生してしまい、その結果、高周波アンテナから放射される誘導電界は上記空間での放電に消費され、目的とする真空容器内でのプラズマ生成が困難になるという問題が生じる。

特開平１１−３１７２９９号公報

本発明は上記問題を解決するため、高周波アンテナと保護管の間での放電発生を抑制し、真空容器内に高密度な放電プラズマを生成する高周波アンテナユニットを提供することを課題としている。また、これらの高周波アンテナユニットを用いたプラズマ処理装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために成された本発明に係る高周波アンテナユニットは、真空容器内にプラズマを発生させるための装置で用いられる高周波アンテナユニットにおいて、
a) 高周波電流を流すための高周波アンテナと、
b) 前記高周波アンテナのうち真空容器内に存在する部分の周囲に設けられた絶縁体製の保護管と、
c) 前記高周波アンテナと前記保護管の間の緩衝領域と、
を備えることを特徴とする。

ここで「緩衝領域」とは電子の加速を抑制する領域を意味し、例えば真空あるいは絶縁体により形成することができる。ここで絶縁体は固体、液体、気体のいずれの状態であってもよい。また、緩衝領域は繊維状や粉末状など、隙間を持つ絶縁体により形成することもできる。例えば、市販のガラスウールは、個々のガラス繊維は絶縁体であり、ガラス繊維間には数十〜数百μm（圧縮することなくそのまま用いた場合）の隙間を有する。仮にこのような隙間にプロセスガスが入り込んだとしても、ガラス繊維が存在することにより、高周波電界による電子の加速及びそれにより生じるプロセスガスのイオン化を抑えることができる。

このように緩衝領域において電子の加速を抑制することにより、この領域において持続的な放電が生じることを抑えることができるため、高周波アンテナにより生成される電磁波のエネルギーが無駄に消費されることを防ぐことができる。これにより、真空容器内にプラズマを効率よく生成することができる。

本発明においては上述のように緩衝領域内にプロセスガスが侵入する場合もあり得るが、放電をより一層抑制するために、前記保護管と前記真空容器の間にガスシールを備えることが望ましい。このようなガスシールを用いることにより、緩衝領域内のガスの圧力を真空容器内とは独立に調整することができる。緩衝領域を真空にすれば緩衝領域内での放電をより完全に近い状態で防ぐことができる。一方、緩衝領域を真空容器外と連通させ、緩衝領域内を大気圧にしてもよい。大気圧では、通常のプラズマ処理におけるプロセスガスよりも圧力が高いことから、より高い頻度で電子がガス分子に衝突する。そのため、電子が十分には加速されず、持続的放電を防ぐことができる。

前記保護管には、ベースとなる管の表面に該ベース管の材料よりもプラズマに対する耐性が高い材料から成る高耐性被覆が施されたものを用いることができる。これにより、高耐性被覆によって高い耐プラズマ性を確保しつつ、耐プラズマ性以外の観点でベース管の材料を選択することができる。

例えば、ハロゲン系のプラズマを生成する場合において、ベース管の材料にはハロゲン系プラズマに対する耐性が比較的低いものの加工性が優れている石英を用い、高耐性被覆の材料には酸化物セラミックス（アルミナ、イットリアなど）、フッ化物セラミックス（フッ化マグネシウムやフッ化イットリウムなど）、窒化物セラミックス（窒化ケイ素、窒化アルミニウムなど）、炭化物セラミックス（炭化ケイ素など）、シリコンのいずれか又はそれらの２つ以上の混合物を用いることができる。

前記高周波アンテナには、ベースとなる金属部材の表面に該ベース金属部材の材料よりも導電性が高い金属から成る高導電性被覆が施されたものを用いることができる。高周波電流が導体を流れる際に導体表面に集中すること（表皮効果）から、このような高導電性被覆が施された高周波アンテナはベース金属部材の材料に関わらず高い導電性を有する。そのため、ベース金属部材の材料には導電性以外の特長（耐腐食性、加工の容易性、価格など）を有するものを用いることができる。

前記高周波アンテナは冷媒を通過させる管状のものであることが望ましい。これにより、高周波アンテナの温度が上昇して電気抵抗が高くなることを防ぐことができる。
このような管状の高周波アンテナとして、前記冷媒に対する耐食性が銅よりも高い高耐食性金属から成る管（前記ベース金属部材）の表面に、該耐食性金属よりも導電性が高い金属から成る高導電性被覆が施されているものを用いることができる。銅は導電性が高く且つ比較的安価であるという特長を有するが、水などの冷媒と反応して腐食するおそれがある。そこで、前記高耐食性金属から成る管を用いることにより、冷媒との反応による腐食を防ぐことができる。また、前記高導電性被覆により、高耐食性金属から成る管のみを用いた場合よりも導電性を高めることができる。前記高耐食性金属にはステンレス鋼を、前記高導電性被覆には金又は白金を好適に用いることができる。

前記高周波アンテナは開放ループ形のものであることが望ましい。開放ループ形の高周波アンテナは巻数が１回未満のコイルに相当し、インダクタンスが低く大電流を流すことができるという特長を有する。開放ループ形の高周波アンテナには、矩形のもの、Ｕ字形のもの、半円形のもの、円弧の一部を欠いた形状のもの、等が含まれる。

前記高周波アンテナユニットにおいて、前記開放ループ形高周波アンテナを前記真空容器に取り付けるためのものであって該開放ループ形高周波アンテナの両端を保持する取付具を有し、該取付具に前記緩衝領域と連通する連通孔が設けられている構成をとることができる。連通孔は緩衝領域内を真空引きするための排気口として用いることもできるし、緩衝領域内を大気圧にするための空気の導入口とすることもできる。

本発明に係る高周波アンテナユニットによって、高周波アンテナと保護管の間での放電の発生を抑制することができる。これにより、真空容器内に高密度な放電プラズマを効率よく生成することができ、生産性の高いプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明に係る高周波アンテナユニットの第１実施例を示す断面図。 本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を示す概略構成図。 本発明に係る高周波アンテナユニットの第２実施例を示す断面図。 本発明に係る高周波アンテナユニットの第３実施例を示す断面図。 本発明に係る高周波アンテナユニットの第４実施例を示す断面図。 第４実施例の高周波アンテナユニットを用いた場合と、保護管が石英製の管のみから成る高周波アンテナユニットを用いた場合について、フッ素プラズマを生成した際の保護管の直径の時間変化を測定した結果を示すグラフ。 本発明に係る高周波アンテナユニットの第５実施例を示す断面図。 本発明に係る高周波アンテナユニットの第６実施例を示す断面図。

符号の説明

１０、３０、４０、５０、６０、７０…高周波アンテナユニット
１０Ａ、３０Ａ、５０Ａ、６０Ａ、７０Ａ…（狭義の）高周波アンテナユニット
１１、３１…高周波アンテナ
１２、３２、５２、６２…保護管
１３、３３…緩衝領域
１４、３４…フィールドスルー
１５、３５…取付具
１６…高周波電源
２０…プラズマ処理装置
２１…真空容器
２２…高周波アンテナユニット取付孔
２３…整合器
３７…真空シール
３８…排気手段
３８１…連通孔
５２１…ベース管
５２２、６２２…高耐性被覆
７１１…高耐食性管
７１２…高導電性被覆

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１を用いて、本発明に係る高周波アンテナユニットの第１実施例を説明する。本実施例の高周波アンテナユニットは、高周波アンテナ１１と、高周波アンテナ１１を覆う保護管１２と、高周波アンテナ１１と保護管１２の間の緩衝領域１３を有する。本実施例では、これら３つの構成要素から成る物を狭義の高周波アンテナユニット１０Ａと定義する。狭義の高周波アンテナユニット１０Ａは、フィールドスルー１４を介して取付具（真空フランジ）１５に取り付けられている。取付具１５は、真空容器２１（図２）の壁に設けられた相手側フランジ（図示せず）と接続される。本実施例では、狭義の高周波アンテナユニット１０Ａ、フィールドスルー１４及び取付具１５を合わせて、（広義の）高周波アンテナユニット１０と定義する。

高周波アンテナ１１は銅製のパイプから成り、パイプの内部には冷却水（図示せず）を流すことができる。高周波アンテナ１１の形状は矩形であり、真空容器内への突出部分の長さは10cm、真空容器壁と平行な部分の長さは12cm、外径は6mmである。高周波アンテナ１１の一端は高周波電源１６に接続され、もう一方の端は接地される。

保護管１２は誘電率約9.0のアルミナパイプ製であって、その内径は16mmである。従って、保護管１２の内壁面と高周波アンテナ１１の外壁面との間の距離、即ち緩衝領域１３の厚さは5mmである。緩衝領域１３には実質的な誘電率が1.1〜1.3のガラスウールが充填されている。充填された状態でのガラスウールの繊維の平均間隔は数十μm〜数百μmである。

図２を用いて、第１実施例の高周波アンテナユニット１０を有するプラズマ処理装置の一例を説明する。このプラズマ処理装置２０は、真空容器３１の側壁に高周波アンテナユニット１０を取り付ける孔（高周波アンテナユニット取付孔）２２を複数有する。高周波アンテナユニット１０は、真空容器２１の外側から高周波アンテナユニット取付孔２２に挿入し、取付具１５と真空容器２１の間に真空シールを挟んで取付具１５を固定することにより真空容器２１に取り付ける。各高周波アンテナユニット１０の高周波アンテナ１１は、一方の端が整合器２３を介して高周波電源１６に接続され、他方の端が接地される。１個の高周波電源１６には複数個の高周波アンテナ１１が接続される。

図２には高周波アンテナユニット１０を真空容器の側壁に設けた例を示したが、天井に設けることや、側壁と天井の双方に設けることも可能である。また、後述の第２及び第３実施例の高周波アンテナユニット３０及び４０を用いた場合にも第１実施例と同様のプラズマ処理装置を構成することができる。

本実施例の高周波アンテナユニット１０を用いて行った実験の結果について述べる。この実験では、高周波アンテナユニット１０を真空容器の天井に装着し、高周波アンテナの一端を整合器（図示せず）を介して周波数13.56MHzの高周波電源１６に接続して他端を接地し、真空容器内にアルゴンと水素の混合ガスを導入したうえで、ガス圧力を0.5〜30Paの範囲で変化させつつ真空容器内に放電プラズマを発生させた。その結果、ガス圧力がいずれの値の場合にも、緩衝領域１３に放電が誘起されることはなく、投入された高周波電力が有効に真空容器内の放電プラズマ生成に消費されていることが確認された。これは、緩衝領域１３内に存在するガラスウールの繊維により電子の加速が抑えられるため、ガスがイオン化されるまでには至らないことによると考えられる。

図３を用いて、本発明に係る第２実施例の高周波アンテナユニット３０を説明する。高周波アンテナ３１及び保護管３２の形状及び寸法は第１実施例と同様である。また、高周波アンテナ３１と保護管３２の間にガラスウールが充填されている点も第１実施例と同様である。本実施例では、保護管３２の端面は真空シール３７を挟んで取付具３５に固定されている。緩衝領域３３は、取付具３５に設けられた連通孔３８１と連通し、連通孔３８１に接続された排気手段３８によって内部を排気して0.1Pa以下の高真空にすることができる。

本実施例の（広義の）高周波アンテナユニット３０を真空容器の天井に装着し、第１実施例と同様に高周波電源への接続及び接地を行い、真空容器内にアルゴンと水素の混合ガスを導入したうえで、真空容器内に放電プラズマを発生させた。本実施例では緩衝領域３３の圧力を0.05Pa以下に保持した。真空容器内の圧力を0.5〜30Paの範囲で変化させつつ実験を行ったが、ガス圧力がいずれの値の場合にも、緩衝領域３３に放電が誘起されることはなく、投入された高周波電力が有効に真空容器内の放電プラズマ生成に消費されていることが確認された。

図４を用いて、本発明に係る第３実施例の高周波アンテナユニット４０を説明する。本実施例の高周波アンテナユニット４０は、連通孔３８１を大気に開放している点を除いて第２実施例の高周波アンテナユニット３０と同じ構成を有する。

空間を隔てて配置された２つの電極間で放電が生じる際の最低電圧（火花電圧）Ｖ_sはパッシェンの法則に従う。パッシェンの法則によれば、第２実施例のように空間（緩衝領域３３）を真空排気してガス圧力を十分に小さくした場合には、火花電圧Ｖ_sが高くなり、放電が生じ難くなる。一方、ｐを十分に大きくした場合にも、火花電圧Ｖ_sが高くなる。これは、ガス圧力ｐが大きくなるほど、電子がガス分子に衝突しやすくなり十分に加速されないことによる。但し、放電の生じ難さはガス圧力ｐだけではなく電極間の距離にも依存する。

内部アンテナ方式のプラズマ処理装置では、高周波アンテナと真空容器の壁（通常はこの壁が接地されている）の間、特に両者の距離が最短になる高周波アンテナの根元とこの壁の間での放電電圧が問題となるが、この最短距離は一般的には数mm〜数cmである。このような距離範囲では、緩衝領域を大気圧にすれば上記ガス圧力ｐが十分に高いという条件を満たし、放電の発生を抑制することができる。従って、第３実施例のように、連通孔３８１を大気に開放するという簡単な構成により、放電の発生を抑制することができる。

図５を用いて、本発明に係る第４実施例の高周波アンテナユニット５０を説明する。本実施例の高周波アンテナユニット５０は、第１実施例の高周波アンテナユニット１０におけるアルミナ製の保護管１２の代わりに、石英製のベース管５２１の表面にアルミナ製の高耐性被覆５２２を施した保護管５２を用いたものである。高周波アンテナ１１、保護管５２及び緩衝領域１３により、狭義の高周波アンテナユニット５０Ａが構成される。それ以外の高周波アンテナユニット５０の構成は第１実施例の高周波アンテナユニット１０と同様である。

石英はアルミナよりも加工性が優れているため、石英製のベース管５２１を用いることによりその形状を高周波アンテナ１１のＵ字形の形状に合わせることが容易になる。また、アルミナは石英よりもハロゲン系のプラズマに対する耐性が高いため、アルミナ製の高耐性被覆５２２を用いることにより、そのようなプラズマで保護管５２がエッチングされることを抑えることができる。

第４実施例の高周波アンテナユニット５０を用いた場合と、保護管が石英製のベース管５２１のみから成る高周波アンテナユニットを用いた場合について、高周波アンテナユニットの周囲にフッ素プラズマを生成した際の保護管の直径の時間変化を測定した。この実験では、真空容器内に高周波アンテナユニットを１個設け、真空容器内にCF₄ガスとO₂ガスを流量比1:5、圧力1.0Paになるように供給し、高周波アンテナに1000Wの高周波電力を40分間投入し続けた。その結果、図６に示すように、保護管が石英製の管のみから成る高周波アンテナユニットを用いた場合には、時間の経過と共に保護管の直径が徐々に小さくなっているのに対して、第４実施例の高周波アンテナユニット５０では保護管５２の直径はほとんど変化せず、フッ素プラズマに対して保護管５２が高い耐性を有することが確認された。

図７を用いて、本発明に係る第５実施例の高周波アンテナユニット６０を説明する。本実施例の高周波アンテナユニット６０は、第４実施例の高周波アンテナユニット５０におけるアルミナ製の高耐性被覆５２２の代わりにシリコン製の高耐性被覆６２２を施した保護管６２を用いたものである。それ以外の構成は第４実施例の高周波アンテナユニット５０と同様である。本実施例の高周波アンテナユニット６０は、シリコン製の基体のエッチングやシリコン薄膜の堆積など、シリコンに関するプラズマ処理を行う際に、保護管の材料が被処理物に不純物として混入することを防ぐために好適に用いることができる。

図８を用いて、本発明に係る第６実施例の高周波アンテナユニット７０を説明する。本実施例の高周波アンテナユニット７０は、第１実施例の高周波アンテナユニット１０における銅パイプ製の高周波アンテナ１１の代わりに、ステンレス製の高耐食性管７１１の表面に金製の高導電性被覆７１２が施されているものを用いたものである。それ以外の構成は第１実施例の高周波アンテナユニット１０と同様である。本実施例の高周波アンテナユニット７０は、冷却水と接するのがステンレス製の高耐食性管７１１であるため、銅製の管を用いた高周波アンテナの場合よりも腐食し難い。また、金製の高導電性被覆７１２が施されていることにより、高い導電性を確保することができる。

第６実施例の高周波アンテナユニット７０と、銅製の管の表面に金製の被覆を施した高周波アンテナを用いた点を除いて第６実施例と同様の構成を有する高周波アンテナユニットについて、以下の実験を行った。まず、ステンレス製の高耐食性管７１１及び銅製の管の肉厚を1mmとし、金製の被覆の厚みを両者共に40μmとした。これらの高周波アンテナユニットをそれぞれ真空容器内に１個ずつ取り付けた。そして、真空容器内に水素ガスを1.3Pa供給し、これらの管内に冷却水を供給しつつ、高周波アンテナに2000Wの高周波電力を1000時間に亘って投入し続けた。その後、ステンレス製の高耐食性管７１１及び銅製の管の肉厚を測定したところ、銅製の管では0.82mmに減少していたのに対して、ステンレス製の高耐食性管７１１では1mmのままであった。

第１〜第６実施例では緩衝領域を満たす絶縁体としてガラスウールを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば誘電体微小球、誘電体微粒子などで充填しても同様な効果を奏する。また、緩衝領域を絶縁性液体又は気体、例えば絶縁油で充填することによって、同様の効果を得ることができる、これら絶縁性液体又は気体を循環させることによって、高周波アンテナを冷却することもできる。

第１〜第６実施例では矩形の高周波アンテナを用いる例を示したが、高周波アンテナはＵ字形、半円形、円形、直線状など、任意の形状をとることができる。

Claims (13)

1. 真空容器内にプラズマを発生させるための装置で用いられる高周波アンテナユニットにおいて、
   a) 高周波電流を流すための高周波アンテナと、
   b) 前記高周波アンテナのうち真空容器内に存在する部分の周囲に設けられた絶縁体製の保護管と、
   c) 前記高周波アンテナと前記保護管の間の緩衝領域と、
   を備えることを特徴とする高周波アンテナユニット。
2. 前記緩衝領域と前記真空容器の間にガスシール構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の高周波アンテナユニット。
3. 前記緩衝領域が真空であることを特徴とする請求項２に記載の高周波アンテナユニット。
4. 前記緩衝領域内の圧力が大気圧であることを特徴とする請求項２に記載の高周波アンテナユニット。
5. 前記保護管が、ベースとなる管の表面に該ベース管の材料よりもプラズマに対する耐性が高い材料から成る高耐性被覆が施されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高周波アンテナユニット。
6. 前記ベース管の材料が石英であり、前記高耐性被覆の材料が酸化物セラミックス、フッ化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物セラミックス、シリコンのいずれか又はそれらの２つ以上の混合物であることを特徴とする請求項５に記載の高周波アンテナユニット。
7. 前記高周波アンテナが、ベースとなる金属部材の表面に該ベース金属部材の材料よりも導電性が高い金属から成る高導電性被覆が施されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高周波アンテナユニット。
8. 前記高周波アンテナが冷媒を通過させる管状のものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の高周波アンテナユニット。
9. 前記高周波アンテナが、前記冷媒に対する耐食性が銅よりも高い高耐食性金属から成る管の表面に、該耐食性金属よりも導電性が高い金属から成る高導電性被覆が施されているものであることを特徴とする請求項８に記載の高周波アンテナユニット。
10. 前記高耐食性金属がステンレス鋼であり、前記高導電性被覆が金又は白金から成ることを特徴とする請求項９に記載の高周波アンテナユニット。
11. 前記高周波アンテナが開放ループ形のものであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の高周波アンテナユニット。
12. 前記開放ループ形高周波アンテナを前記真空容器に取り付けるための、該開放ループ形高周波アンテナの両端を保持する取付具を有し、該取付具に前記緩衝領域と連通する連通孔が設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の高周波アンテナユニット。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の高周波アンテナユニットを少なくとも一つ有することを特徴とするプラズマ処理装置。

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