JP2004235562A

JP2004235562A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2004235562A
Application number: JP2003024596A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Suzuki; 正康鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: KR100549453B1; US7234413B2; JP3870909B2; KR20040070103A; US20040221816A1

Abstract

【課題】プラズマ密度が均一に分布するプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置は、導波管２内を伝播するマイクロ波Ｍを磁界面Ｈに設けられた第１および第２のスロットアンテナからマイクロ波導入窓３に導き、表面波Ｓを形成し、表面波Ｓによってチャンバー４内のプロセスガスを励起して表面波励起プラズマＰを生成し、このプラズマＰにより被処理物を処理する。第１のスロットアンテナ５ａ〜５ｄは、開口の長手方向がマイクロ波Ｍの磁力線に沿ってほぼ延在する屈曲または屈折形状を有する。第２のスロットアンテナ６ａ〜６ｃは、長矩形の開口形状を有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面波励起プラズマを利用したプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造プロセスでは、成膜、エッチング処理、アッシング処理等にプラズマ技術が多く利用されている。また、太陽電池、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等の製造にもプラズマ技術が利用されている。最近ではパネルの大型化や大画面化に伴って、大面積のプラズマ処理技術が重要になってきている。そのためには、大面積の高密度プラズマを均一に生成することが必要である。プラズマ密度が均一であれば、被処理物全面に均一な処理ができる。
【０００３】
大面積の高密度プラズマを生成できるプラズマ処理装置としては、表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：ＳｕｒｆａｃｅＷａｖｅＰｌａｓｍａ）を利用する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、導波管内を伝播するマイクロ波をスロットアンテナから誘電体窓を通してプラズマ生成室内に導入し、誘電体窓に生じた表面波によってプラズマ生成室内のプロセスガスを励起するものである。表面波は誘電体窓の表面上を速やかに伝播し、誘電体窓の表面積に応じたプラズマ領域が容易に得られる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４８８９８号公報（第２頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の装置では、誘電体窓全面に表面波エネルギーが均一に伝わるとは言えず、プラズマ密度分布の均一化という点では不十分であった。このことは、スロットアンテナの開口形状、配置等がマイクロ波導波管内部に生ずる電磁界分布に必ずしも適合していないことによる。
【０００６】
本発明は、プラズマ領域が大きくプラズマ密度が均一に分布するプラズマ処理装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１のプラズマ処理装置は、導波管内を伝播するマイクロ波を磁界面に設けられたスロットアンテナからマイクロ波導入窓に導き、表面波を形成し、表面波によって気密容器内のプロセスガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、被処理物を処理するプラズマ処理装置において、スロットアンテナは、開口の長手方向がマイクロ波の磁力線に沿ってほぼ延在する屈曲または屈折形状を有する１以上の第１のスロットアンテナを含むことを特徴とする。
【０００８】
上記のプラズマ処理装置において、磁界面に長矩形の開口形状を有する１以上の第２のスロットアンテナを更に設けることが好ましい。
また、第１のスロットアンテナを２つ以上設け、導波管内を伝播するマイクロ波の管内波長をλｇとしたとき、各々のスロットアンテナの間隔をλｇ／２の整数倍とすることが好ましい。
第１のスロットアンテナに加え、第１のスロットアンテナと第２のスロットアンテナのうち少なくとも一方を含むスロットアンテナ群を２つ以上設け、導波管内を伝播するマイクロ波の管内波長をλｇとしたとき、各々の対の間隔をλｇ／２の整数倍とすることが好ましい。
さらに、第２のスロットアンテナの開口の長手方向の向きをマイクロ波の伝播方向と平行な軸に対して可変とすることが好ましい。
【０００９】
（２）請求項６のプラズマ処理装置は、導波管内を伝播するマイクロ波をスロットアンテナからマイクロ波導入窓に導き、表面波を形成し、前記表面波によって気密容器内のプロセスガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、被処理物を処理するプラズマ処理装置において、マイクロ波の伝播方向に沿って、マイクロ波の電界方向の距離を連続的に変化させるための調節部材を導波管内に設けたことを特徴とする。
上記のプラズマ処理装置は、調節部材の電界方向の距離を変化させる度合いを可変とする調整手段を備えていることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態によるプラズマ処理装置全体を模式的に示す概略構成図である。（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＩ− Ｉ断面図である。図２は、本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置において、スロットアンテナの形状、配置とマイクロ波導波管内の電磁界分布を示す模式図である。（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＩ− Ｉ断面図である。図３は、本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置のマイクロ波エネルギーの伝播状態を示す部分上面図である。
【００１１】
図１に示すプラズマ処理装置は、マイクロ波出力部１、マイクロ波導波管２、誘電体板３およびチャンバー４を備える。マイクロ波出力部１は、高圧電源とマイクロ波発振器を有し、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波Ｍを発振する。マイクロ波Ｍは、電磁波であり、マイクロ波導波管２の内部を伝播し、定在波を形成する。マイクロ波導波管２の底面Ｈ（以下、磁界面と呼ぶ）には、マイクロ波Ｍを誘電体板３へ導くスロットアンテナ５ａ〜５ｄ（第１のスロットアンテナ）と６ａ〜６ｃ（第２のスロットアンテナ）が形成されている。後述するように、スロットアンテナ６ａ〜６ｃは、円板１４ａ〜１４ｃに形成されている（図２参照）。
【００１２】
本実施の形態では、スロットアンテナ５ａ〜５ｄは、それぞれマイクロ波導波管２の側面Ｅ（以下、電界面と呼ぶ）側を凸とする弧状の長穴である。スロットアンテナ５ａ〜５ｄの詳細は、図５により後述する。磁界面Ｈ上で２つの電界面の中央の軸である中心軸７に対して、スロットアンテナ５ａと５ｂ、スロットアンテナ５ｃと５ｄがそれぞれ反対側に配置されている。また、スロットアンテナ６ａ〜６ｃは、それぞれ矩形状の長穴であり、中心軸７に沿ってスロットアンテナ６ａ、６ｂ、６ｃの順に配置されている。
【００１３】
マイクロ波導波管２の内部を伝播するマイクロ波Ｍは、スロットアンテナ５ａ〜５ｄ、６ａ〜６ｃを通過して誘電体板３に入射し、誘電体板３の表面を表面波として伝播し、チャンバー４内に放射する。誘電体板３は、石英、アルミナ、ジルコニア、パイレックスガラス（登録商標）等の誘電性材料から製造される。
表面波Ｓは、誘電体板３のチャンバー４側の表面を瞬時に伝播する。この表面波のエネルギーによってプラズマＰが生成し、表面波の伝播に伴ってプラズマ領域は拡大する。その結果、誘電体板３の表面積に応じた面積のプラズマを生成することができる。
【００１４】
チャンバー４にはガス導入口８と真空排気口９が設けられている。ガス導入口８からＯ_２，ＳｉＨ_４，Ｈ_２，Ｎ_２，ＳＦ_６，Ｃｌ_２，Ａｒ，Ｈｅ等のプロセスガスが導入される。プロセスガスを導入しながら真空排気口９から排気することによって、チャンバー４内の圧力を通常、０．１〜５０Ｐａ程度に保持する。このような減圧雰囲気で、プロセスガスは表面波エネルギーにより励起され、プラズマＰが生成する。図示されていないが、プラズマＰ中に被処理物を置くことによって、成膜、エッチング、アッシング等の処理が行われる。
【００１５】
ここで、図２を参照してマイクロ波導波管２内の電磁界分布について説明する。マイクロ波導波管２の寸法は、磁界面Ｈの幅ｗｈが１０９．２ｍｍ、電界面Ｅの幅ｗｅが５４．６ｍｍ、長さは、ＴＥ１０の定在波伝送モードを安定させるのに必要な寸法である（図１参照）。図２（ａ）には、マイクロ波導波管２内の磁界分布が複数本の磁力線ｈ（破線で表示）で示されている。図２（ｂ）には、電界分布が複数本の電流ｉ（実線で表示）で示されている。磁力線と電流は互いに直交している。
【００１６】
上述したとおり、マイクロ波導波管２の磁界面Ｈには、スロットアンテナ５ａ〜５ｄ、６ａ〜６ｃが設けられている。一般に、スロットアンテナは、開口の長手方向が磁力線に沿った状態になっている場合に最も効率良くマイクロ波電力を入射させることができる。図２（ａ）に示されるように、スロットアンテナ５ａ〜５ｄは、開口の長手方向が磁力線ｈに沿うような形状をなしているので、マイクロ波電力の取り出し効率が高い。
また、スロットアンテナ６ａ〜６ｃも開口の長手方向が磁力線ｈに概ね沿うように配置されている。
【００１７】
図３は、表面波エネルギーが強く伝播する領域を概念的に示す平面図である。
マイクロ波電力は、スロットアンテナの開口の長手方向に直交する方向に対して効率的に放射する。放射されたマイクロ波電力は、表面波エネルギーとして誘電体板３の表面を伝播してゆくので、マイクロ波電力の取り出し口であるスロットアンテナの形状や配置を適切に設定することが重要である。
【００１８】
図３により、弧状のスロットアンテナ５ａ〜５ｄに着目して、表面波エネルギーが伝わる状態を説明する。スロットアンテナ５ａによる伝播領域１１ａとスロットアンテナ５ｃによる伝播領域１１ｃは、中心軸７から離れるにつれて互いに重なり合っていく。同様に、スロットアンテナ５ｂによる伝播領域１１ｂとスロットアンテナ５ｄによる伝播領域１１ｄも、中心軸７から離れるにつれて互いに重なり合っていく。このようにして、表面波は誘電体板３の全面に拡がり、プラズマ領域を拡大していく。
表面波エネルギーは、スロットアンテナ５ａ〜５ｄの弧の中心に対して同心円状に拡散していく。表面波が重なり合うことによって、中心軸７から離れた場所でもエネルギー密度はそれほど低下しない。従って、エネルギー分布も均一になる。弧状のスロットアンテナ５ａ〜５ｄは、広範囲に表面波エネルギーを伝播させるとともに、直角方向のエネルギー分布の均一化にも寄与する。
【００１９】
再び図２を参照し、スロットアンテナの配置について説明する。スロットアンテナ群１２は、スロットアンテナ５ａ、５ｂとスロットアンテナ６ａ、６ｂから成る。また、スロットアンテナ群１３は、スロットアンテナ５ｃ、５ｄとスロットアンテナ６ｂ、６ｃから成る。スロットアンテナ６ｂは、スロットアンテナ群１２とスロットアンテナ群１３とで共有されている。マイクロ波導波管２の中心軸７上に配置されるスロットアンテナ６ａ〜６ｃは、マイクロ波伝播方向に表面波エネルギーを伝播する作用が主である。スロットアンテナ６ａ〜６ｃは、開口の長手方向がマイクロ波伝播方向に直角となったとき、マイクロ波伝播方向に最も多くマイクロ波電力を取り出せる。
【００２０】
図２に示されるように、本実施の形態では、スロットアンテナ群１２とスロットアンテナ群１３との間隔をλｇ／２としている。λｇは導波管内のマイクロ波の波長である。２つの群の間隔をλｇ／２とすることによって、マイクロ波導波管２内の定在波が形成されるピッチに適合し、効率良くマイクロ波電力を取り入れることができる。
また、スロットアンテナ群１２とスロットアンテナ群１３との間隔をλｇとすることも、３λｇ／２とすることも可能である。
【００２１】
本実施の形態では、スロットアンテナ６ａ〜６ｃの向きを可変にすることによって、誘電体板３のエネルギー分布の均一化をより一層改善することができる。
図２に示すように、スロットアンテナ６ａ、６ｂ、６ｃは、それぞれ円板１４ａ、１４ｂ、１４ｃに同じように形成されている。スロットアンテナ６ｃを例として説明する。スロットアンテナ６ｃは、例えば、アルミニウム合金等の非磁性導体材料の円板を放電加工によって矩形状に切り抜くことで製造される。スロットアンテナ６ｃを有する円板１４ｃは、磁界面Ｈを有する底板１５に回転できるように嵌め込まれている。回転角αは、マイクロ波導波管２の中心軸７を基準に０°〜１８０°の範囲で手動または自動で変化させることができる。円板１４ｃの回転角を自動で変える場合は、例えば、円板の外周近傍に細いワイヤを取り付け、モーターでワイヤを巻き取る。このような構成は、マイクロ波導波管２内の定在波伝送モードを乱すことがない。
【００２２】
図４は、本実施の形態の変形例であって、マイクロ波導波管内のスロットアンテナの配置を示す部分平面図である。前述したように、スロットアンテナ６ａ、６ｂ、６ｃをそれぞれ有する円板１４ａ、１４ｂ、１４ｃは底板１５に嵌め込まれている。スロットアンテナ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、それぞれプレート１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄに同じように形成されている。プレート１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄは、底板１５の両側に単に並べて配置されているので、容易に着脱できる。従って、各種の形状、寸法のスロットアンテナをプレートに設けておくことにより、マイクロ波出力や気密容器内の圧力等を変えた場合でも、誘電体板表面のエネルギー分布を均一にするために、容易に交換できる。また、スロットアンテナが形成されていないブランクのプレートを組み合わせて用いることもできる。なお、プレート１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと底板１５との隙間やプレート同士の隙間は、１ｍｍ程度以下であれば、マイクロ波導波管２内の定在波伝送モードを乱すことがない。
【００２３】
図５は、スロットアンテナの形状、寸法、位置についての具体例を示す図である。スロットアンテナ５ａを例として説明する。図５（ａ）に示されるように、Ａはスロットアンテナ５ａの長さ、Ｂはスロットアンテナ５ａを円弧としたときの曲率半径、Ｃはスロットアンテナ５ａの幅、Ｄは曲率中心Ｒの中心軸７からの距離である。図５（ｂ）に示されるように、マイクロ波導波管２の磁界面Ｈの幅ｗを１０９．２ｍｍとした場合、Ａ〜Ｄのそれぞれは、図５に示すｍｉｎからｍａｘまでの数値範囲にある。
【００２４】
本実施の形態では、スロットアンテナ５ａ〜５ｄ（第１のスロットアンテナ）は、開口形状が円弧状のもので説明したが、本発明はこれのみに限られない。
図６は、第１のスロットアンテナの他の開口形状を例示する模式図である。（ａ）は円弧より扁平な弧状、（ｂ）は開口の中央付近の１ヵ所が屈折した形状、（ｃ）は開口の中央付近の２ヶ所が屈折し、台に類似の形状である。これらの開口形状を有する第１のスロットアンテナは、開口の長手方向がマイクロ波の磁力線に沿うような形状をなしているので、上述した円弧状のスロットアンテナ５ａ〜５ｄと同様の作用効果を有する。
【００２５】
また、本実施の形態では、第１のスロットアンテナは４個（スロットアンテナ５ａ〜５ｄ）で説明したが、１個でもよい。さらに、第１のスロットアンテナの向きは電界面Ｅに凸であったが、開口の長手方向がマイクロ波の磁力線に沿うような形状をなしていれば、これのみに限られない。
【００２６】
本実施の形態によるプラズマ処理装置は、マイクロ波導波管内部に生ずる電磁界分布に適合するように、スロットアンテナの開口形状や配置が設定されているので、プラズマ領域が大きいだけではなくプラズマ密度分布の均一化も達成されている。
また、第２のスロットアンテナの向きを可変にすることによって、第１のスロットアンテナの作用を補完して、誘電体板表面のエネルギー分布をより一層均一にすることができ、プラズマ密度分布の均一化が達成される。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマ処理装置全体を模式的に示す概略構成図である。本実施の形態によるプラズマ処理装置は、マイクロ波Ｍの伝播方向に沿って、マイクロ波導波管２の電界方向の距離ｅが連続的に変化していくように構成されている。電界方向の距離ｅを変化させると、プラズマの励起状態が変化し、結果としてプラズマ密度の均一化を図ることができる。
【００２８】
マイクロ波導波管２内の電界方向の距離ｅを変化させるために、図７に示すように、マイクロ波導波管２の磁界面Ｈと対向する面、すなわち上面２１に調節部材（フラップ板）を取り付ける。フラップ板２２は、アルミニウム合金などの非磁性導体材料から加工され、上面２１の２箇所で調整ノブ２３，２４により取り付けられている。調整ノブ２３と２４は、互いに独立して回転し、上下方向にフラップ板２２移動させる。この結果、電界方向の距離ｅが変化し、傾斜角度βも変化する。
【００２９】
次に、フラップ板２２の取り付け位置、長さとスロットアンテナの位置との関係を説明する。マイクロ波導波管２において、マイクロ波Ｍの入り口側を上流、終端面側を下流と呼ぶことにする。スロットアンテナは、上流から下流に向かって地点ａ，ｄ，ｇの３ヵ所に設けられているとする。フラップ板２２の先端位置Ｘは、地点ｇよりも上流であれば任意に選ぶことができる。また、フラップ板２２の終端位置Ｙは、地点ｇよりも下流にあればよい。従って、フラップ板２２の先端位置Ｘと終端位置Ｙによってフラップ板２２の長さが規定される。
本実施の形態では、スロットアンテナの形状、寸法、個数を問わず、フラップ板２２の先端位置Ｘは、最も下流側のスロットアンテナよりも上流にあり、フラップ板２２の終端位置Ｙは、最も下流側のスロットアンテナよりも下流にある。
なお、フラップ板２２の幅は、マイクロ波導波管２の磁界面Ｈの幅とほぼ等しくするのが望ましいが、磁界面Ｈの幅より狭くともよい。
【００３０】
フラップ板２２の傾斜角度βは、先端２２ａまたは終端２２ｂが磁界面Ｈまたは上面２１に接するまで任意に変えることができる。それに応じて電界方向の距離ｅも変わる。結果的に、傾斜の度合いも変えることができる。図８により、この状態を具体的に説明する。
図８は、本発明の第２の実施の形態によるプラズマ処理装置のマイクロ波導波管内部を模式的に示す部分断面図である。（ａ）は、フラップ板２２が磁界面Ｈと上面２１に平行になっており、傾斜角度βは０°である。電界方向の距離ｅは任意に選ぶことができる。（ｂ）は、フラップ板２２が図７とは逆に傾斜している状態を示す。マイクロ波導波管２の上流から下流に向かって電界方向の距離ｅが増加する場合である。
【００３１】
調整ノブ２３，２４の回転動作は、手動でも自動でもよい。自動で回転させるためには、例えば、調整ノブ２３，２４の回転軸を各々独立にモーターの回転軸を直結する構成とすればよい。
【００３２】
本実施の形態によるプラズマ処理装置は、マイクロ波の伝播方向に沿ってマイクロ波の電界方向の距離を連続的に変化させることができるように、調節部材を導波管の内壁に設けたので、プラズマ領域が大きいだけではなく、各スロットアンテナにおけるエネルギー吸収率を平均化することで、プラズマ密度分布の均一化も達成されている。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマ領域が大きくプラズマ密度が均一に分布するプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置全体を模式的に示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置のスロットアンテナの形状、配置と電磁界分布を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置のマイクロ波エネルギーの伝播状態を示す部分上面図である。
【図４】本発明の変形例によるプラズマ処理装置のスロットアンテナの形状、配置を示す部分上面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るスロットアンテナの形状、寸法、位置についての具体例を示す上面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るスロットアンテナの形状を例示する模式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置を模式的に示す概略構成図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るプラズマ処理装置のマイクロ波導波管内部を模式的に示す部分断面図である。
【符号の説明】
１：マイクロ波出力部
２：マイクロ波導波管
３：誘電体板（マイクロ波導入窓）
４：チャンバー（気密容器）
５ａ〜５ｄ：スロットアンテナ
６ａ〜６ｃ：スロットアンテナ
２２：フラップ板（調節部材）
２３，２４：調整ノブ（調整手段）
Ｍ：マイクロ波
Ｓ：表面波
Ｐ：プラズマ
Ｈ：磁界面（底面）
Ｅ：電界面（側面）

Claims

導波管内を伝播するマイクロ波を磁界面に設けられたスロットアンテナからマイクロ波導入窓に導き、表面波を形成し、前記表面波によって気密容器内のプロセスガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、被処理物を処理するプラズマ処理装置において、
前記スロットアンテナは、開口の長手方向が前記マイクロ波の磁力線に沿ってほぼ延在する屈曲または屈折形状を有する１以上の第１のスロットアンテナを含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１のプラズマ処理装置において、
前記磁界面に長矩形の開口形状を有する１以上の第２のスロットアンテナを更に設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１のプラズマ処理装置において、
前記第１のスロットアンテナを２つ以上設け、前記導波管内を伝播するマイクロ波の管内波長をλｇとしたとき、各々のスロットアンテナの間隔をλｇ／２の整数倍としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３のプラズマ処理装置において、
前記第１のスロットアンテナと請求項２の第２のスロットアンテナのうち少なくとも一方を含むスロットアンテナ群を２つ以上設け、前記導波管内を伝播するマイクロ波の管内波長をλｇとしたとき、各々のスロットアンテナ群の間隔をλｇ／２の整数倍としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２または４のプラズマ処理装置において、
前記第２のスロットアンテナの開口の長手方向の向きを前記マイクロ波の伝播方向と平行な軸に対して可変としたことを特徴とするプラズマ処理装置。
導波管内を伝播するマイクロ波を磁界面に設けられたスロットアンテナからマイクロ波導入窓に導き、表面波を形成し、前記表面波によって気密容器内のプロセスガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、被処理物を処理するプラズマ処理装置において、
前記マイクロ波の伝播方向に沿って、前記マイクロ波の電界方向の距離を連続的に変化させるための調節部材を前記導波管内に設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項６のプラズマ処理装置において、
前記調節部材の電界方向の距離を変化させる度合いを可変とする調整手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項７のプラズマ処理装置において、
前記調節部材は、前記導波管の磁界面に対向する面に両端が独立に運動するように取り付けられているフラップ板であることを特徴とするプラズマ処理装置。