TWI494031B - High frequency antenna unit and plasma processing device - Google Patents

Description

高頻天線單元及電漿處理裝置

本發明係有關於一種感應耦合型高頻天線及使用該高頻天線的基板表面處理裝置。

近年來，在真空容器內配置高頻天線的內置天線方式的電漿處理裝置被開發且被實用化。在此電漿處理裝置中，透過在高頻天線上流動高頻電流而在高頻天線的周邊形成感應電場，以在真空容器內激發放電電漿。使用此放電電漿，可在被處理物體表面上形成期望的薄膜，且蝕刻處理被處理物體表面。

在內置天線方式的電漿處理裝置中，因為在高頻天線及放電電漿之間形成靜電場，在高頻天線中對於電漿產生負的直流自給偏壓。由於此偏壓，電漿中的離子被加速以入射至高頻天線，且高頻天線本身被濺鍍。因為如此被濺鍍的高頻天線的材料的原子及離子被混入至放電電漿中，在這些一旦被直接附著於真空容器的內壁等之後，會導致附著於被處理物體的表面之問題。

為了防止此種高頻天線的濺鍍，目前係以絕緣體製(例如石英製)的保護管覆蓋高頻天線的外周。例如，在專利文獻1中揭示以直徑15mm的石英製保護管覆蓋直徑6mm之銅導管的高頻天線的周圍之內置天線。

不過，在專利文獻1記載的構成中，在高頻天線及保護管之間的空間內的壓力成為與製程氣壓相同的壓力。因此，即使在該空間內也發生放電，結果，從高頻天線被放射的感應電場被消耗於在上述空間中的放電，而產生做為目的之在真空容器內產生電漿變得困難的問題。

[專利文獻1]特開平11-317299號公報

為了解決上述問題，本發明的課題係提供高頻天線單元，其抑制在高頻天線及保護管之間發生放電，且在真空容器內產生高密度的放電電漿。又，以提供使用這些高頻天線單元的電漿處理裝置為課題。

為了解決上述問題之本發明的高頻天線單元係在被使用於用以在真空容器內產生電漿的裝置的高頻天線單元中，其特徵在於包括：

a)高頻天線，用以流動高頻電流；

b)絕緣體製作的保護管，被設置在存在於前述高頻天線的真空容器內的部分之周圍；及

c)緩衝區域，前述高頻天線與前述保護管之間。

在此，「緩衝區域」表示抑制電子加速的區域，例如，可由真空或絕緣體形成。在此，絕緣體也可係固體、液體、氣體的任一狀態。又，緩衝區域也可由纖維狀或粉末狀等具有間隙的絕緣體形成。例如，市售的玻璃棉中，個別的玻璃纖維係絕緣體，且在玻璃纖維之間具有數十~數百μm(不壓縮而直接使用時)的間隙。即使製程氣體進入此種間隙，透過存在玻璃纖維，可抑制高頻電場造成之電子的加速及由其導致的製程氣體的離子化。

因為透過如此在緩衝區域中抑制電子的加速，可抑制在此區域中發生持續的放電，故可防止由高頻天線產生的電磁波的能量被無益地消耗。結果，可更有效率地在真空容器內產生電漿。

在本發明中，雖然如上述製程氣體很可能侵入緩衝區域內，為了更進一步抑制放電，最好在前述保護管及前述真空容器之間包括氣封。透過使用此種氣封，可與真空容器內分開地調整緩衝區域內的氣體的壓力。若使緩衝區域成為真空，則可幾近完全地防止在緩衝區域內的放電。另一方面，也可使緩衝區域與真空容器外連通，而使得緩衝區域內變成大氣壓。在大氣壓之下，因為壓力比一般電漿處理中的製程氣體高，電子以更高的頻率撞擊氣體分子。因此，電子未被充分地加速，故可防止持續地放電。

對於前述保護管，可使用在成為基底的管的表面上施加由對電漿的耐受性比該基底管的材料高之材料構成的高耐受性被覆者。結果，透過高耐受性被覆確保高的耐電漿性，而可以耐電漿性以外的觀點選擇基底管的材料。

例如，在產生鹵素電漿時，基底管的材料可使用雖然對鹵素電漿的耐受性比較低但加工性優異的石英，高耐受性被覆的材料可使用氧化物陶瓷(氧化鋁、氧化釔等)、氟化物陶瓷(氟化鎂及氟化釔等)、氮化物陶瓷(氮化矽、氮化鋁等)、碳化物陶瓷(碳化矽等)、矽的任一種或其二個以上的混合物。

對於前述高頻天線，可使用在成為基底的金屬材料的表面上施加由導電性比該基底金屬材料的材料高之金屬構成的高導電性被覆者。由於高頻電流在流過導體時集中於導體表面(集膚效應)，被施加有此種高導電性被覆的高頻天線具有與基底金屬材料的材料無關之高導電性。因此，基底金屬材料的材料可使用具有導電性以外的特點(耐腐蝕性、加工的容易性、價格等)者。

前述高頻天線最好係使冷媒通過的管狀者。從而，可防止高頻天線的溫度上升，電阻變高。

做為此種管狀的高頻天線，可使用在由對前述冷媒的耐蝕性比銅高之高耐蝕性金屬構成的管(前述基底金屬材料)的表面上，施加由導電性比該耐蝕性金屬高的金屬構成的高導電性被覆者。雖然銅具有導電性高且比較便宜的特點，但有與水等的冷媒反應而腐蝕的危險。於是，透過使用由前述高耐蝕性金屬構成的管，可防止由與冷媒反應造成的腐蝕。又，經由前述高導電性被覆，與僅使用由高耐蝕性金屬構成的管的情況相比，可提高其導電性。前述高耐蝕性金屬可適當地使用不鏽鋼，前述高導電性被覆可適當地使用金或鉑。

前述高頻天線最好係開路環型者。開路環型的高頻天線係相當於匝數小於一圈的線圈，且具有電感低而可流通大電流的特點。開路環型的高頻天線可包含矩形、U字形、半圓形、缺少部分圓弧的形狀等。

在前述高頻天線單元中，具有用以將前述開路環型高頻天線安裝至前述真空容器之安裝工具，其保持該開路環型高頻天線的兩端，且可採取將與前述緩衝區域連通的連通孔設置於該安裝工具的構成。連通孔可用以做為將緩衝區域內抽成真空的排氣口，且可做為使緩衝區域內變成大氣壓之空氣的導入口。

透過本發明之高頻天線單元，可抑制在高頻天線及保護管之間發生放電。從而，可更有效率地在真空容器內產生高密度的放電電漿，且可提供高生產率的電漿處理裝置。

下面，參閱附圖，詳細說明本發明之實施例。

[實施例1]

使用圖1，說明本發明之高頻天線單元的第1實施例。本實施例之高頻天線單元係具有高頻天線11、覆蓋高頻天線11的保護管12、及高頻天線11與保護管12之間的緩衝區域13。在本實施例中，將由此三個構成元件構成的物品定義為狹義的高頻天線單元10A。狹義的高頻天線單元10A係經由導通孔14被安裝於安裝工具(真空法蘭)15。安裝工具15係與被設置在真空容器21(圖2)的壁上之相對側法蘭(未圖示)接續。在本實施例中，結合狹義的高頻天線單元10A、導通孔14及安裝工具15，並且定義為(廣義的)高頻天線單元10。

高頻天線11係由銅製的導管構成，在導管的內部可流通冷卻水(未圖示)。高頻天線11的形狀係矩形，朝向真空容器內的突出部分的長度係10cm，與真空容器壁平行的部分的長度係12cm，外徑為6mm。高頻天線11的一端被接續至高頻電源16，另一端接地。

保護管12係由介電率約9.0的氧化鋁導管製作，其內徑為16mm。因此，保護管12的內壁面及高頻天線11的外壁面之間的距離，亦即緩衝區域13的厚度為5mm。在緩衝區域13中填充實質的介電率為1.1~1.3的玻璃棉。在填充的狀態中之玻璃棉的纖維之平均間隔為數十μm~數百μm。

使用圖2，說明具有第1實施例的高頻天線單元10之電漿處理裝置的一例。此電漿處理裝置20在真空容器31的側壁上具有複數個安裝高頻天線單元10的孔(高頻天線單元安裝孔)22。高頻天線單元10係從真空容器21的外側插入至高頻天線單元安裝孔22，在安裝工具15及真空容器21之間夾著真空密封，且透過固定安裝工具15安裝於真空容器21。各高頻天線單元10的高頻天線11之一端經由匹配器23被接續至高頻電源16，另一端被接地。一個高頻電源16與複數個高頻天線11接續。

雖然圖2係繪示將高頻天線單元10設置在真空容器的側壁的例子，但也可設置於頂部，或設置於側壁及頂部。又，使用後述的第2及第3實施例之高頻天線單元30及40時，也可構成與第1實施例相同的電漿處理裝置。

說明使用本實施例的高頻天線單元10進行的實驗的結果。在此實驗中，在將高頻天線單元10安裝於真空容器的頂部，將高頻天線的一端經由匹配器(未圖示)接續至頻率13.56MHz的高頻電源16，並將另一端接地，且將氬及氫的混合氣體導入至真空容器內之後，使氣體壓力在0.5~30Pa的範圍中變化，以在真空容器內發生放電電漿。結果，在氣體壓力為任一值時，在緩衝區域13不產生放電，並且確認被投進的高頻電力係有效地被消耗於在真空容器內產生放電電漿。這是因為透過存在於緩衝區域13內的玻璃棉的纖維，電子的加速被抑制，而可認為氣體不至於被離子化。

[實施例2]

使用圖3，說明本發明之第2實施例的高頻天線單元30。高頻天線31及保護管32的形狀及尺寸係與第1實施例相同。又，在高頻天線31及保護管32之間填充玻璃棉也與第1實施例相同。在本實施例中，保護管32的端面係夾著真空密封37被固定於安裝工具35。緩衝區域33係與被設置在安裝工具35上的連通孔381連通，而可透過被接續至連通孔381的排氣裝置38將內部排氣以變成0.1Pa以下的高真空。

在將本實施例之(廣義的)高頻天線單元30安裝至真空容器的頂部，進行與第1實施例相同之對高頻電源的接續及接地，且將氬及氫的混合氣體導入至真空容器內之後，在真空容器內發生放電電漿。在本實施例中係將緩衝區域33的壓力保持於0.05Pa以下。雖然使真空容器內的壓力在0.5~30Pa的範圍中變化以進行實驗，但當氣體壓力為任一值時，在緩衝區域33不產生放電，並且確認被投進的高頻電力係有效地被消耗於在真空容器內產生放電電漿。

[實施例3]

使用圖4，說明本發明之第3實施例的高頻天線單元40。除了連通孔381對大氣開放之外，本實施例之高頻天線單元40具有與第2實施例的高頻天線單元30相同的構成。

在隔著空間配置的2個電極間產生放電時的最低電壓(火花電壓)V_S 係遵守帕森定律。根據帕森定律，如第2實施例，在將空間(緩衝區域33)排氣成真空而使氣體壓力變得夠小時，火花電壓V_S 變高，且放電變得難以發生。同時，在使p變得夠大時，火花電壓V_S 也變高。這是由於氣體壓力p變得越大，電子越容易撞擊氣體分子而無法充分加速。不過，發生放電的困難不僅取決於氣體壓力p，也取決於電極間的距離。

在內置天線方式的電漿處理裝置中，高頻天線及真空容器的壁(通常此壁被接地)之間，特別是在兩者的距離最短的高頻天線的根部與此壁之間的放電電壓變成問題，此最短距離一般為數mm~數cm。在此種距離範圍中，若緩衝區域為大氣壓，則滿足上述氣體壓力p夠高的條件，而可抑制放電的發生。因此，如同第3實施例，透過將連通孔381開放至大氣之簡單的構成，可抑制放電的發生。

[實施例4]

使用圖5，說明本發明之第4實施例的高頻天線單元50。取代第1實施例的高頻天線單元10內之氧化鋁製的保護管12，本實施例的高頻天線單元50使用在石英製的基底管521的表面上施加氧化鋁製的高耐受性被覆522之保護管52。由高頻天線11、保護管52及緩衝區域13構成狹義的高頻天線單元50A。其他的高頻天線單元50的構成係與第1實施例的高頻天線單元10相同。

因為石英的加工性比氧化鋁優秀，透過使用石英製的基底管521，可更容易地使其形狀與高頻天線11的U字形的形狀匹配。又，因為氧化鋁對鹵素電漿的耐受性比石英高，透過使用氧化鋁製的高耐受性被覆522，可阻止保護管52在該種電漿中被蝕刻。

對於使用第4實施例之高頻天線單元50的情況及使用保護管僅由石英製的基底管521構成之高頻天線單元的情況，在高頻天線單元的周圍產生氟電漿時測定保護管的直徑之時間變化。在此實驗中，在真空容器內設置1個高頻天線單元，在真空容器內供給CF₄ 氣體及O₂ 氣體以使其流量比為1：5、壓力為1.0Pa，在40分鐘內持續地對高頻天線投入1000W的高頻電力。結果，如圖6所示，在使用保護管僅由石英製的管構成的高頻天線單元時，相對於隨著時間的經過而保護管的直徑慢慢地變小，在第4實施例的高頻天線單元50中，保護管52的直徑幾乎沒有變化，且確認保護管52對於氟電漿具有高耐受性。

[實施例5]

使用圖7，說明本發明之第5實施例的高頻天線單元60。取代第4實施例的高頻天線單元50內的氧化鋁製的高耐受性被覆522，本實施例的高頻天線單元60係使用施加矽製的高耐受性被覆622的保護管62。其他的構成係與第4實施例的高頻天線單元50相同。本實施例的高頻天線單元60，在進行矽製的基板之蝕刻及矽薄膜的堆積等與矽有關的電漿處理時，可適當地使用以防止保護管的材料成為不純物被混入至被處理物體中。

[實施例6]

使用圖8，說明本發明之第6實施例的高頻天線單元70。取代第1實施例的高頻天線單元10內之銅導管製的高頻天線單元11，本實施例的高頻天線單元70係使用在不鏽鋼製的高耐蝕性管711的表面上施加金製的高導電性被覆712者。其他的構成係與第1實施例的高頻天線單元10相同。因為與冷卻水連接者係不鏽鋼製的高耐蝕性管711，本實施例的高頻天線單元70比使用銅製管之高頻天線的情況更不易被腐蝕。又，透過施加金製的高導電性被覆712，可確保高導電性。

對於第6實施例的高頻天線單元70以及除了使用在銅製的管的表面上施加金製的被覆之高頻天線之外與第6實施例具有相同構成的高頻天線單元，進行下面的實驗。首先，不鏽鋼製的高耐蝕性管711及銅製的管的厚度為1mm，兩者之金製的被覆的厚度均為40μm。將這些高頻天線單元每次1個分別安裝於真空容器內。在真空容器內供給1.3Pa的氫氣，且在這些管內供給冷卻水，以持續1000小時將2000W的高頻電力投入至高頻天線。然後，在測定不鏽鋼製的高耐蝕性管711及銅製的管的厚度時，相對於銅製的管減少至0.82mm，不鏽鋼製的高耐蝕性管711仍為1mm。

在第1~第6實施例中，雖然使用玻璃棉做為填滿緩衝區域的絕緣體，但並不限定於此。即使以例如微小的介電球、介電微粒子等填充也達成相同的效果。又，透過以絕緣性液體或氣體(例如絕緣油)填充緩衝區域，可得到相同的效果。透過循環這些絕緣性液體或氣體，可冷卻高頻天線。

在第1~第6實施例中，雖然顯示使用矩形的高頻天線的例子，但高頻天線可採用U字形、半圓形、圓形、直線形等任意的形狀。

10、30、40、50、60、70．．．高頻天線單元

10A、30A、50A、60A、70A．．．(狹義的)高頻天線單元

11、31．．．高頻天線

12、32、52、62．．．保護管

13、33．．．緩衝區域

14、34．．．導通孔

15、35．．．安裝工具

16．．．高頻電源

20．．．電漿處理裝置

21．．．真空容器

22．．．高頻天線單元安裝孔

23．．．匹配器

37．．．真空密封

38．．．排氣裝置

381．．．連通孔

521．．．基底管

522、622．．．高耐受性被覆

711‧‧‧高耐蝕性管

712‧‧‧高導電性被覆

圖1係繪示本發明之高頻天線單元的第1實施例的剖面圖。

圖2係繪示本發明之電漿處理裝置的一實施例的概略構成圖。

圖3係繪示本發明之高頻天線單元的第2實施例的剖面圖。

圖4係繪示本發明之高頻天線單元的第3實施例的剖面圖。

圖5係繪示本發明之高頻天線單元的第4實施例的剖面圖。

圖6係繪示對於使用第4實施例之高頻天線單元的情況及使用保護管僅由石英製的管構成之高頻天線單元的情況，在產生氟電漿時測定保護管的直徑之時間變化的結果的圖式。

圖7係繪示本發明之高頻天線單元的第5實施例的剖面圖。

圖8係繪示本發明之高頻天線單元的第6實施例的剖面圖。

10．．．高頻天線單元

10A．．．狹義的高頻天線單元

11．．．高頻天線

12．．．保護管

13．．．緩衝區域

14．．．導通孔

15．．．安裝工具

16．．．高頻電源

Claims (12)

1. 一種高頻天線單元，被使用於用以在真空容器內產生電漿的裝置，其特徵在於包括：a)高頻天線，用以流動高頻電流；b)絕緣體製作的保護管，被設置在存在於前述高頻天線的真空容器內的部分之周圍；及c)緩衝區域，前述高頻天線與前述保護管之間；在前述真空容器內的空間及前述緩衝區域之間，具有與保護管分別設置的氣封構造。
2. 如申請專利範圍第1項所述的高頻天線單元，其中前述緩衝區域係真空。
3. 如申請專利範圍第1項所述的高頻天線單元，其中前述緩衝區域內的壓力係大氣壓。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的高頻天線單元，其中前述保護管係在成為基底的管的表面上施加由對電漿的耐受性比該基底管的材料高之材料構成的高耐受性被覆者。
5. 如申請專利範圍第4項所述的高頻天線單元，其中前述基底管的材料係石英，前述高耐受性被覆的材料係氧化物陶瓷、氟化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、矽的任一種，或其二個以上的混合物。
6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的高頻天線單元，其中前述高頻天線係在成為基底的金屬材料的表 面上施加由導電性比該基底金屬材料的材料高之金屬構成的高導電性被覆者。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的高頻天線單元，其中前述高頻天線係使冷媒通過的管狀者。
8. 如申請專利範圍第7項所述的高頻天線單元，其中前述高頻天線係在由對前述冷媒的耐蝕性比銅高之高耐蝕性金屬構成的管的表面上，施加由導電性比該耐蝕性金屬高的金屬構成的高導電性被覆者。
9. 如申請專利範圍第8項所述的高頻天線單元，其中前述高耐蝕性金屬係不鏽鋼，且前述高導電性被覆係由金或鉑構成。
10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的高頻天線單元，其中前述高頻天線係開路環型者。
11. 如申請專利範圍第10項所述的高頻天線單元，其中具有用以將前述開路環型高頻天線安裝至前述真空容器之安裝工具，其保持該開路環型高頻天線的兩端，且與前述緩衝區域連通的連通孔被設置於該安裝工具。
12. 一種電漿處理裝置，其特徵在於：具有真空容器，以及至少一如申請專利範圍第1至11項中任一項所述的高頻天線單元，其中，在前述真空容器內配置有前述高頻天線、前述保護管、以及前述緩衝區域。