JP2011108615A

JP2011108615A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2011108615A
Application number: JP2010051761A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Takahashi; 大輔高橋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-06-02

Abstract

【課題】プラズマの副生成物生成がなく、電極周辺部材のなどの形状やガスの流れに起因した処理ムラが生じることがない大気開放型のプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】第１および第２電極と、ガス供給路と、ガス供給路に設けられガスの流れを均一化する多孔質誘導体３とを備え、第１および第２電極により電界を形成すると共にガス供給路から均一化したガスを供給してプラズマ生成領域にプラズマ９を生成し、被処理基材１０を処理する。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、とくに、被処理基体表面の改質やクリーニング、レジスト膜などの有機物のアッシング、シリコン膜などのエッチングや加工、基板への成膜など、プラズマを用いた処理をおこなうプラズマ処理装置や、チャンバーやポンプなどの真空排気設備を不要とする大気開放型のプラズマ処理装置に関する。

近年、真空排気設備を必要としない大気開放型の装置によるプラズマ処理が広く行われている。このようなプラズマ処理装置の一例としては、図１に示すようなものが知られている。

このプラズマ処理装置は、一対の対向した電極１００，１０１間に高電圧電源１０２から電圧を印加すること、電極１００，１０１間に誘電体１０３，１０４を設けること、ヘリウムガス１０５を使用すること、および印加電圧をパルス状とすることにより、電極１００，１０１間に安定した非平衡プラズマＰを生成し、この生成されたプラズマ空間内に被処理物１０６を配置、あるいは通過させることで処理をおこなう。

しかしながら、この種のプラズマ処理装置では、プラズマＰを生成する電極１００，１０１間のギャップが大きすぎると放電が不安定になってしまうため、おおよそ１〜５ｍｍ程度のギャップに限られたものとなる。

このために被処理物１０６を簡単に配置あるいは通過させることが難しくなるが、ギャップを広げても放電を安定化させようとすると、さらなる印加電圧の高電圧化や、ガス流量の増加などの対策も必要となり、コスト的な負担が大きくなってしまう。

また、プラズマＰを生成するための電界は、被処理物１０６の表面に対して略垂直な方向に生じているため、放電の不安定などによって火花放電やストリーマ放電が発生すると、被処理物１０６の表面に高エネルギーのプラズマが直接あたるので重大なダメージを引き起こす可能性が高い。

このため、図２に示すようにプラズマＰを被処理物１０６とは別の場所で生成して吹き付ける、いわゆるリモートタイプのプラズマ処理装置を用いることで、被処理物１０６へのダメージを低減した処理がおこなわれている。さらにダメージを低減するために、例えば被処理物側の誘電体を厚くしてさらにダメージを低減させるプラズマ処理装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような装置ではプラズマが直接作用しないため処理能力が劣ること、処理能力を上げようとすると吹きつけるガスの流量を多くさせるためランニングコストが増大することが課題として挙げられる。

このため、高誘電率の球体等を電極間に敷き詰めることにより、電極間ギャップを広げることで処理面積の増加による処理能力の向上や、ガスの流量を低減させるプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３８２３０３７号公報特許第４０２６５３８号公報

しかしながら、このような処理装置では、高誘電率の球体を敷き詰めた電極間での放電空間をガスが通過する過程において、放電空間内でのガスの滞在時間が長いためにプラズマの副生成物が生成・成長しやすく、副生成物が下流の被処理基材に降り積もる恐れがある。また、球体を支える保持部材が必要である上、保持部材がプラズマと被処理基材の間にあることで、球体や保持部材のパターンに起因した処理ムラが生じるといった問題がある。

この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、プラズマによる副生成物の生成が抑制され、均一にプラズマ処理を行うことが可能なプラズマ処理装置を提供するものである。

この発明は、第１および第２電極と、ガス供給路と、ガス供給路に設けられガスの流れを均一化する多孔質誘導体とを備え、第１および第２電極により電界を形成すると共にガス供給路から均一化したガスを供給してプラズマ生成領域にプラズマを生成し、被処理基材を処理するプラズマ処理装置を提供するものである。

この発明によれば、ガス供給路に設けられた多孔質誘電体によりガスの流れが均一化されるので、プラズマ処理装置に必要な基本的処理能力を確保しつつ、電極近傍でのプラズマによる副生成物の生成が抑えられ、プラズマと被処理基材との間に不要な部材がなく、均一なプラズマを生成することができる。

従来のプラズマ処理装置の一例を示した断面図である。従来のプラズマ処理装置の一例を示した断面図である。この発明に基づく実施形態１におけるプラズマ処理装置の断面図である。この発明に基づく実施形態２におけるプラズマ処理装置の断面図である。この発明に基づく実施形態３におけるプラズマ処理装置の断面図である。この発明に基づく実施形態４におけるプラズマ処理装置の断面図である。

この発明のプラズマ処理装置は、第１および第２電極と、ガス供給路と、ガス供給路に設けられガスの流れを均一化する多孔質誘導体とを備え、第１および第２電極により電界を形成すると共にガス供給路から均一化したガスを供給してプラズマ生成領域にプラズマを生成し、被処理基材を処理することを特徴とする。

ここで、多孔質誘電体にはアルミナ、炭化ケイ素などのセラミックス材料からなる多孔体を用いることができる。
多孔質のセラミクス材料は、一般的に、Siウエハ等の基板を固定するポーラスチャックや、真空チャンバーを大気圧にベントする際にパーティクルの舞い上がりを防ぐためのフィルター等として用いられているものであるが、セラミクス材料は耐熱性が良好なため、本発明のようにプラズマに接するような箇所で使用するのに適している。
また、気孔径として、アルミナ多孔体を例にとると、平均孔径が1μm未満の非常に小さなものから、1ｍｍ程度の大きさのものまであるため、本発明で必要としている1μｍから100μｍ程度の気孔径のものが用意できる。

多孔質誘電体は、プラズマ生成可能な気孔径よりも小さい気孔径からなるものがよい。プラズマ生成が可能な気孔径が存在すると、気孔内でのプラズマによって副生成物が発生して気孔が詰ってしまうなどの不具合が生じる恐れがある。

被処理基材が水平に設置された基板からなり、第１および第２電極は前記基板上部に基板から一定距離だけ離れて互いに間隔をおいて対向し、その間隔にガス供給路が基板に垂直に形成されてもよい。

多孔質誘電体がガス供給路に挿入され、かつ、多孔質誘電体の基板側の面に沿ってプラズマ生成領域が生成されてもよい。

多孔質誘電体がガス供給路に挿入され、かつ、第１および第２電極間にプラズマ生成領域が生成されてもよい。

第１および第２電極が誘電体で覆われていてもよい。

第１および第２電極間に互いに逆位相の第１および第２高周波電源を直列にして接続し、第１および第２高周波電源の接続点を接地してもよい。

被処理基板上の生成物の原料成分を含んだ原料ガスを多孔質誘電体を経ないでプラズマ生成領域に供給する原料ガス供給路をさらに設けてもよい。
以下、図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳述する。

実施形態１
図３を参照して実施形態１のプラズマ処理装置について説明する。
このプラズマ処理装置２０では、緻密誘電体１Ａ、１Ｂで被覆された電極２Ａ、２Ｂが多孔質誘電体３を挟むような状態で対向して配置されている。

電極２Ａ，２Ｂ間には高周波電源４が接続され、電極２Ｂは接地されている。さらに多孔誘電体３の上面にはガス供給室５が設けられ、プラズマ処理に必要な所望のガスを供給するガスシリンダー６からガス配管７を通じてプロセスガスが導入される。この実施例では、Ｈｅガスに空気を２％混合させたガスを使用し、電極２Ａ−２Ｂ間の距離（以下、ギャップという）は１８ｍｍに設定される。

ガス配管７の途中には、プロセスガスの供給流量を監視して制御する流量調節器８が設けられていて、この流量調節器８で流量が調整されたプロセスガスがガス供給室５を通じて多孔質誘電体３に導入される。

多孔質誘電体３内に導入されたプロセスガスは多孔質誘電体３内を拡散し、多孔質誘電体３の下端面付近では均一なガス流として放出されるようになる。また、多孔質誘電体３自体に電界が形成されているため、偶発電子の存在により一部のガス分子あるいは原子が電離されるが、プラズマが生成されるには孔のサイズが小さく、プラズマは生成されない。

なお、プラズマ生成が抑制される多孔質誘電体の孔径の目安としては、導入されるガスの圧力が１気圧から１００気圧の場合で１００μｍから１μｍ程度であり、導入するガスの圧力が高いほど小さな孔径とする必要がある。

多孔質誘電体３から放出されたプロセスガスは対向した電極２Ａ、２Ｂ間の電界により多孔質誘電体３の下端面でプラズマ化され、プラズマ９を形成し、プラズマ９の下部に配置され矢印方向に搬送される被処理基体、つまり被処理基板１０を処理する。

ここで、プラズマ９の形成では電極２Ａ、２Ｂより下に多孔質誘電体３の下端面があることにより、この下端面を伝わって電流が流れる形態の放電現象、すなわち沿面放電が起きる。この沿面放電は、電子が表面に衝突することで２次電子が放出し負極から正極側に向かっていくプロセス、電子と衝突してイオン化した気体分子が負極に向かっていくプロセスなどが複合した現象であると考えられる。
このため、単純に電極が対向した状態では放電できないような電極間距離と電圧条件下においても、このような形態では放電が可能となっている。

緻密誘電体１Ａ、１Ｂはアルミナ、チタニア、ジルコニア、窒化アルミ、窒化ケイ素、酸化ケイ素などのセラミックス材料を電極２の表面に溶射法により形成するか、上記セラミックス材料で電極２Ａ、２Ｂの少なくともプラズマ９と接する面を覆うようなケースを作製する。あるいは、耐久性を考慮して、溶射法により誘電体を溶射した電極を、さらに、セラミックス材料で形成したケースで覆ってもよい。

また、この緻密誘電体１Ａ、１Ｂを形成するセラミックス材料は気孔のない緻密な材質である必要がある。それは、気孔の存在によって電極２Ａ，２Ｂとプラズマ９が直接に接するような箇所があると、その点に放電が集中してアーク放電となり、電極や誘電体が溶融するなどの装置へのダメージが起きるからである。

電極２Ａ、２Ｂは、アルミニウム、銅、真鍮、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４など）、又はチタンなどの導電性の金属材料を用いて幅方向（図３において紙面と直交する方向）に長い略角棒状に形成されている。

また、電極２Ａ，２Ｂには高周波電源４から高周波電力が印加されるため、電極２Ａ，２Ｂには冷却水循環パイプを設けることが好ましい。多孔質誘電体３は、セラミックス材料からなり、これには、例えば、株式会社リード社製のセラミックポーラス体を好適に用いることができる。
上記装置構成および条件にてプラズマを生成した場合、着火電圧は5.6ｋVとなった。一方、多孔質誘電体３を除いた装置構成および条件にてプラズマを生成した場合では同6.2ｋVであった。

実施形態２
図４を参照してこの発明の実施形態２のプラズマ処理装置について説明する。
実施形態２は実施形態１に示した形態と同様であるが、多孔質誘電体３の下端面が電極２Ａ、２Ｂの下端面より上方に位置している点が異なる。また、この実施形態では、Ｈｅガスに空気を１％混合させたガスを使用し、ギャップは１３ｍｍおよび１８ｍｍとした。それ以外の構成は実施形態１と同等である。

一般的に、誘電体における誘電損失は、緻密質のものに比べ多孔質のものでは大きくなる。また、高周波電源から印加される電圧の周波数が高くなった場合においても誘電損失が大きくなる。このため、実施形態１のように電極２Ａ−２Ｂ間に存在する多孔誘電体の体積が大きくなると、それに比例して損失も大きくなってしまう。

このため、実施形態１の電極２Ａ、２Ｂ間に存在する多孔質誘電体３のうち、下方部分を図４に示すように除去し、その部分をプラズマ生成空間とすることで、損失が低減される。

このような電極形態となった場合でも、電極２Ａ、２Ｂ間の距離が、単純に電極が対向した状態では放電できないような距離となっていても、上述した沿面放電の効果のため、放電が可能となる。

このような実施形態は、高周波電源の周波数を高くして使用する条件下で使用する場合や、プラズマを直接作用させて処理能力を上げるよりも多孔質誘電体での温度上昇による不具合抑制や効率を重視する場合において、多孔質誘電体での損失を低減でき有利である。
上記装置構成および条件にてプラズマを生成した場合の電圧は、ギャップ13ｍｍで3.1ｋV、18ｍｍで3.3ｋVとなった。一方、多孔質誘電体３を除いた装置構成および条件にてプラズマを生成した場合ではギャップ13ｍｍで3.5ｋV、18ｍｍで5.6ｋVであった。

実施形態３
図５を参照して本発明の実施形態３のプラズマ処理装置について説明する。
この実施形態はほぼ実施形態２と同様であるが、直列接続された高周波電源４ａ，４ｂから電極２Ａ、２Ｂ間に電圧が印加され、電源４ａ，４ｂの接続点Ｑが接地されている。なお、電源４ａ，４ｂは電圧が逆位相となっている。その他の構成は実施形態２と同等である。

このように電極２Ａ、２Ｂに逆位相の電源４ａ，４ｂを接続して接続点Ｑを接地することで、図４のように電極２Ａ，２Ｂ間に１つの電源から接地に対して高い電圧を印加するよりも、接地に対して低い電圧で電極２Ａ，２Ｂ間に同じ電位差を形成することができ、図４と同様にプラズマを生成することができる。
上記装置構成および条件にてプラズマを生成した場合の電圧は、ギャップ13ｍｍで電源4a：1.55ｋV、電源4ｂ：1.55ｋV、18ｍｍで電源4a：1.75ｋV、電源4ｂ：1.75ｋVとなった。一方、多孔質誘電体３を除いた装置構成および条件にてプラズマを生成した場合ではギャップ13ｍｍで電源4a：1.9ｋV、電源4ｂ：1.9ｋV、 18ｍｍで電源4a：2.8ｋV、電源4ｂ：2.8ｋVであった。

このような実施形態は、電極２Ａ，２Ｂの下方に設置される被処理基板１０との距離が小さく、図４に示すような形態では電極２Ａと被処理基板１０との間で放電が起きてしまう条件下でも、本実施形態とすることで、被処理基板１０との放電が抑制できる。

実施形態４
図6を参照して本発明の実施形態4のプラズマ処理装置について説明する。
この実施形態でのプラズマ処理装置は、実施形態２の変形であり、実施形態２の電極２Ａが電極２Ａａ、２Ａｂとして上下に２分割されている。電極２Aａ、２Bが多孔質誘電体３の両側で対向し、電極２Ａａ、２Ａｂの間に原料ガス供給路１１が配置されている。
ガス供給室5へはガスシリンダー６から流量調整器８を介してガス配管７によってHe、Ar等の希ガスやH₂、O₂、N₂等の反応ガスからなるガスが供給される。

一方、原料ガス供給路１１へはガスシリンダー６ａから流量調整器８ａを介してガス配管７ａによって薄膜や微粒子の形成原料となる原料ガスが供給される。原料ガスは例えば、SiH₄、ＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣ₂ Ｈ₅）₄ ）等のケイ素を含むガス、ＣＯ₂、ＣＨ₄ 、ＣＨ₃ＯＨ等の炭素を含むガス、Znのβジケトン化合物、アルコキシド化合物等の亜鉛を含むガス、といったものが挙げられる。
また原料ガスは、He、Ar等の希ガスやH₂等のガスにより希釈したり、原料となる液体材料中にガスを通過させ、ガス中に液体材料の蒸気圧分を含ませた状態で供給したり、液体原料を超音波発振器等でミスト状にしてそのミストを搬送用のガスで供給するという方法等で供給してもよい。その他の構成は実施形態２と同等である。

ガス供給室5から多孔質誘電体３内に導入されたガスは実施形態１に詳述したように多孔質誘電体３内を拡散し、多孔質誘電体３の下端面付近では均一なガス流として放出される。一方、原料ガス供給路１１から出射される原料ガスはこの均一なガス流中に拡散され、その直後に電極２Ｂ−２Ａｂ間で形成されるプラズマ領域にて分解され、下流の基板１０まで到達し成膜される。
ここで原料ガスの流量は、多孔質誘電体３から放出される均一なガス流を乱さない程度に十分少なく、おおよそその1/10以下である。

また、電極２Ｂ−２Ａｂ間に生じるプラズマは、多孔質誘電体３から放出されるガスが一度電極２Aａ−２B間でプラズマ化し励起されていることにより安定化される。このため、原料ガス供給路１１が形成される電極２Ａａ−２Ａｂ間の間隔は可能な限り狭い方が良いが、電極２Ａａ−２Ａｂ間で供給路１１の開口面積を急激に絞るとガスの滞留による原料の堆積が起きる。従って、原料ガス供給路１１は円筒形状からスリット形状に連続的に変化する形状であることが望ましい。
この実施形態では、多孔質誘電体３から放出されるガスは、特にHeを含んだガスであることが望ましい。これは、Heは励起状態の寿命が長く、プラズマ領域も他ガスのプラズマより広がりを持ったものとなるためである。

また、この実施形態では、原料をプラズマで分解し、化学的な反応で膜形成をおこなうプロセスにおいても、ガス供給経路中、特に多孔質誘電体付近での原料の堆積を抑制しつつ、被処理基板１０の幅方向（搬送方向に直交する方向）で均一なガスの流れを形成できるため、膜厚ムラの少ない成膜が可能となる。

本発明のプラズマ処理装置を用いることにより、被処理基体表面の改質やクリーニング、レジスト膜などの有機物のアッシング、シリコン膜などのエッチングや加工、基板への成膜などを、処理のスループットを維持しつつ、被処理基体の表面に熱的なダメージを与えずにプラズマ処理することができる。

また、大気開放系のであるため、液晶パネルあるいはそれを形成するガラス基板、ＴＦＴ基板、カラーフィルタ基板や、プラズマテレビ用の基板、有機ＥＬパネル、薄膜太陽電池用基板、等の大型であるために真空設備の導入に大きなコストがかかる被処理基体をプラズマ処理するのに適している。

１Ａ，１Ｂ，１C 誘電体
２Ａ，２Ｂ，２C，２Ａａ，２Ａｂ電極
３多孔質誘電体
４高周波電源
５ガス供給室
６ガスシリンダー
７ガス配管
８流量調節器
９プラズマ
１０被処理基板
１１原料ガス供給路

Claims

第１および第２電極と、ガス供給路と、ガス供給路に設けられガスの流れを均一化する多孔質誘導体とを備え、第１および第２電極により電界を形成すると共にガス供給路から均一化したガスを供給してプラズマ生成領域にプラズマを生成し、被処理基材を処理するプラズマ処理装置。
多孔質誘電体は、プラズマ生成可能な気孔径よりも小さい気孔径を有する請求項１記載のプラズマ処理装置。
被処理基材が水平に設置された基板からなり、第１および第２電極は前記基板上部に基板から一定距離だけ離れて互いに間隔をおいて対向し、その間隔にガス供給路が基板に垂直に形成されてなる請求項１記載のプラズマ処理装置。
多孔質誘電体がガス供給路に挿入され、かつ、多孔質誘電体の基板側の面に沿ってプラズマ生成領域が形成される請求項３記載のプラズマ処理装置。
多孔質誘電体がガス供給路に挿入され、かつ、第１および第２電極間にプラズマ生成領域が形成される請求項３記載のプラズマ処理装置。
第１および第２電極が誘電体で覆われてなる請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
第１および第２電極間に互いに逆位相の第１および第２高周波電源を直列にして接続し、第１および第２高周波電源の接続点を接地してなる請求項１〜６のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
被処理基板上の生成物の原料成分を含んだ原料ガスを多孔質誘電体を経ないでプラズマ生成領域に供給する原料ガス供給路をさらに備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。