JP2024007046A - プラズマ発生装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】１ＭＨｚ以下の高周波電力を用いた場合においても、あるいは減圧状態においても、効率よく長尺のプラズマを発生することができるプラズマ発生装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。【解決手段】チャンバと、両側の開口端を前記チャンバに連通させたガス流通管とを備え、前記ガス流通管は第一直線部と、前記第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部を介して内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部と第三直線部の端部に前記開口端を有し、前記ガス流通管の両側面に対向配置した一対の空心コイルと、前記空心コイルに高周波電力を供給することで、前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させる高周波電源を有し、前記接続角θ１及びθ２は４５±１０度であることを特徴とする。【選択図】 図２
Description
本発明はプラズマ発生装置に関し、特に高周波誘導熱プラズマの発生装置及びそれを用いたプラズマ処理方法に係る。
高周波誘導熱プラズマは、高温で且つ高い反応性を有する熱プラズマ空間を無電極状態で形成することができるため、電極金属の溶融等に起因する不純物の混入が抑制されることから、各種の表面処理方法や成膜方法として広く応用されている。
従来の高周波誘導熱プラズマ装置は、円筒状のプラズマトーチの外周部に誘導コイルが巻回された構成を有し、プラズマトーチの内部にアルゴンガス等の不活性ガスを流すと共に誘導コイルに高周波電力を供給しつつ、プラズマトーチの内部に高電圧を印加して放電を発生させることで、プラズマが点火される。
その後、プラズマトーチの内部に原料物質を供給することで、各種の化学反応を行うことができる。
その後、プラズマトーチの内部に原料物質を供給することで、各種の化学反応を行うことができる。
このような円筒状のプラズマトーチを使用する装置では、近年の半導体ウエハの大型化および液晶画面の大型化に対応して、プラズマによる処理面積の拡大を図ることが困難であった。
すなわち、円筒状のプラズマトーチの径を拡大すると、誘導コイルに供給する高周波電力の増大および冷却効率の向上が必要となり、処理面積の拡大には限界があった。
すなわち、円筒状のプラズマトーチの径を拡大すると、誘導コイルに供給する高周波電力の増大および冷却効率の向上が必要となり、処理面積の拡大には限界があった。
そこでプラズマ処理の広領域化を目的に例えば特許文献１には、中心軸の周りを囲む円環状のループ管の一部を切り欠くことにより一対の開口端が形成された形状を有するガス流通管からプラズマを真空チャンバ内に射出する技術を開示する。
この技術は、ある程度の広領域化を図るのには有効であるものの、しかし大型基板を処理すべく、基板に照射するプラズマの長さを長くしようとすると、円形のループを大型化する必要があり、結果として基板に直接作用しない、すなわち、基板の処理に寄与しないプラズマが非常に長くなり、装置を構成する部材や、プラズマの発生に用いる高周波電力の無駄が多くなってしまう恐れがあり、さらなる改善の余地があった。
この技術は、ある程度の広領域化を図るのには有効であるものの、しかし大型基板を処理すべく、基板に照射するプラズマの長さを長くしようとすると、円形のループを大型化する必要があり、結果として基板に直接作用しない、すなわち、基板の処理に寄与しないプラズマが非常に長くなり、装置を構成する部材や、プラズマの発生に用いる高周波電力の無駄が多くなってしまう恐れがあり、さらなる改善の余地があった。
また、非特許文献１および特許文献２にはレーストラック形のチャンバを用いる技術を開示するが同装置（いずれも１３．５６ＭＨｚ、大気圧での運転について報告・例示されている）では、部材や高周波電力の無駄は解消されるものの、比較的扱いが容易な１ＭＨｚ以下の高周波電力を用いたプラズマ発生、とくに大気圧でなく、減圧下におけるプラズマ発生ができないという問題点があった。
Ｔｏｍｏｈｉｒｏ Ｏｋｕｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．， Ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｏｎｇａｔｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｔｏｒｃｈ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｐｌａｓｍａ－ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｄａｍａｇｅ， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．５３， Ｎｏ．３Ｓ２（２０１４）
本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、１ＭＨｚ以下の高周波電力を用いた場合においても、あるいは減圧状態においても、効率よく長尺のプラズマを発生することができるプラズマ発生装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
本発明に係るプラズマ発生装置は、チャンバと、両側の開口端を前記チャンバに連通させたガス流通管とを備え、前記ガス流通管は第一直線部と、前記第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部を介して内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部と第三直線部の端部に前記開口端を有し、前記ガス流通管の両側面に対向配置した一対の空心コイルと、前記空心コイルに高周波電力を供給することで、前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させる高周波電源を有し、前記接続角θ１及びθ２は４５±１０度であることを特徴とする。
ここで、第一直線部の長さによりチャンバに連通させる両側の第二直線部と第三直線部との開口端の距離を調整することができ、従来のループ構造よりも長くできる。
従って、第二直線部と第三直線部の長さは第一直線部の長さよりも短くなっている。
また、第一直線部にプラズマ発生ガスの注入口を設け、チャンバに直接原料物質の導入口を設けることもできその場合にガス流通管には原料物質が含まれていないので誘導熱プラズマ状態が安定する。
従って、第二直線部と第三直線部の長さは第一直線部の長さよりも短くなっている。
また、第一直線部にプラズマ発生ガスの注入口を設け、チャンバに直接原料物質の導入口を設けることもできその場合にガス流通管には原料物質が含まれていないので誘導熱プラズマ状態が安定する。
本発明において、前記チャンバの内部を減圧する減圧手段を有しているのが好ましい。
本発明において、前記高周波電源は、出力周波数が１ＭＨｚ以下であるのが好ましい。
上記プラズマ発生装置を用いると、チャンバ内におけるプラズマ領域が広く、長尺の基材（基板）に対しても対応できるプラズマ処理方法となる。
したがって、本発明に係るプラズマ処理方法は、チャンバと、両側の開口端を前記チャンバに連通させたガス流通管とを備え、前記ガス流通管は第一直線部と、前記第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部を介して内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部と第三直線部の端部に前記開口端を有し、前記ガス流通管の両側面に対向配置した一対の空心コイルと、前記空心コイルに高周波電力を供給することで、前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させる高周波電源を有し、前記接続角θ１及びθ２は４５±１０度である。
ここで、本発明に係るプラズマ処理方法は、前記チャンバの内部を減圧する減圧手段を有しているのが好ましく、前記高周波電源は出力周波数が１ＭＨｚ以下であるのが好ましい。
したがって、本発明に係るプラズマ処理方法は、チャンバと、両側の開口端を前記チャンバに連通させたガス流通管とを備え、前記ガス流通管は第一直線部と、前記第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部を介して内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部と第三直線部の端部に前記開口端を有し、前記ガス流通管の両側面に対向配置した一対の空心コイルと、前記空心コイルに高周波電力を供給することで、前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させる高周波電源を有し、前記接続角θ１及びθ２は４５±１０度である。
ここで、本発明に係るプラズマ処理方法は、前記チャンバの内部を減圧する減圧手段を有しているのが好ましく、前記高周波電源は出力周波数が１ＭＨｚ以下であるのが好ましい。
本発明に係るプラズマ発生装置は、チャンバと、両側の開口端を前記チャンバに連通させたガス流通管とを備え、前記ガス流通管は第一直線部と、前記第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部を介して内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部と第三直線部の端部に前記開口端を有し、前記ガス流通管の両側面に対向配置した一対の空心コイルと、前記空心コイルに高周波電力を供給することで、前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させる高周波電源を有し、前記接続角θ１及びθ２は４５±１０度であるので、チャンバ内に保持させた基材の表面上にて両側の開口端から射出された熱プラズマが重なり合い、この基材表面に均一なプラズマ領域が形成される。
接続角θ１，θ２の設定理由は、実施の形態にて詳しく説明する。
接続角θ１，θ２の設定理由は、実施の形態にて詳しく説明する。
以下、この発明の実施の形態１を添付図面に基づいて説明する。
図１に、プラズマ装置の構成図を模式的に、図２にガス流通管及びチャンバ内の断面図、図３に空心コイルの側面図を示す。
本発明に係るプラズマ発生装置は、チャンバ１と両側の開口端（２ａ，２ｂ）をチャンバ１に連通させたガス流通管２とを備え、ガス流通管２は第一直線部２Ｃと、第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部（第一屈曲部２Ｆ，第二屈曲部２Ｇ）を介して、内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部２Ｄと、第三直線部２Ｅの端部に開口端（２ａ，２ｂ）を有し、ガス流通管２の両側面に対向配置した一対の空心コイル３と、空心コイル３に高周波電力を供給することで、ガス流通管２内にプラズマ発生ガスを流した状態で、誘導熱プラズマを発生させる高周波電源６を有し、接続角θ１及びθ２は４５±１０度になっている。
以下、プラズマ発生装置の構成内容を具体的に説明する。
図１に、プラズマ装置の構成図を模式的に、図２にガス流通管及びチャンバ内の断面図、図３に空心コイルの側面図を示す。
本発明に係るプラズマ発生装置は、チャンバ１と両側の開口端（２ａ，２ｂ）をチャンバ１に連通させたガス流通管２とを備え、ガス流通管２は第一直線部２Ｃと、第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部（第一屈曲部２Ｆ，第二屈曲部２Ｇ）を介して、内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部２Ｄと、第三直線部２Ｅの端部に開口端（２ａ，２ｂ）を有し、ガス流通管２の両側面に対向配置した一対の空心コイル３と、空心コイル３に高周波電力を供給することで、ガス流通管２内にプラズマ発生ガスを流した状態で、誘導熱プラズマを発生させる高周波電源６を有し、接続角θ１及びθ２は４５±１０度になっている。
以下、プラズマ発生装置の構成内容を具体的に説明する。
プラズマ発生装置は、チャンバ１を有し、チャンバ１にガス流通管２が連結されている。
ガス流通管２は、一対の開口端（２ａ，２ｂ）においてチャンバ１に連結されている。
さらに、ガス流通管２の近傍両側部には、一対の巻き線部を有する空心コイル３が配置されている。
また、ガス流通管２の中間部にプラズマ発生ガス注入口４が形成され、チャンバ１に原料物質導入口５が形成されている。
ガス流通管２は、一対の開口端（２ａ，２ｂ）においてチャンバ１に連結されている。
さらに、ガス流通管２の近傍両側部には、一対の巻き線部を有する空心コイル３が配置されている。
また、ガス流通管２の中間部にプラズマ発生ガス注入口４が形成され、チャンバ１に原料物質導入口５が形成されている。
空心コイル３は、一対の巻き線部３１および３２を有しており、これら一対の巻き線部３１および３２がガス流通管２の両側面から挟み込むように互いに対向配置されている。
一対の巻き線部３１および３２は、ガス流通管２の両側面に沿って巻回され、それぞれ、ガス流通管２に近接した第１の端部３１ａおよび３２ａと、中心軸Ｃに沿ってガス流通管２から離れた第２の端部３１ｂおよび３２ｂを有している。
そして、双方の巻き線部３１および３２の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に高周波電源６が接続され、双方の巻き線部３１および３２の第２の端部３１ｂおよび３２ｂは短絡部３３を介して互いに短絡されている。
一対の巻き線部３１および３２は、ガス流通管２の両側面に沿って巻回され、それぞれ、ガス流通管２に近接した第１の端部３１ａおよび３２ａと、中心軸Ｃに沿ってガス流通管２から離れた第２の端部３１ｂおよび３２ｂを有している。
そして、双方の巻き線部３１および３２の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に高周波電源６が接続され、双方の巻き線部３１および３２の第２の端部３１ｂおよび３２ｂは短絡部３３を介して互いに短絡されている。
さらに、プラズマ発生ガス注入口４にプラズマ発生ガス供給部７が接続され、原料物質導入口５に原料物質供給部８が接続されている。
本実施例のプラズマ発生ガス注入口４は、チャンバ１からもっとも離れたガス流通管２の中間部に配置されており、原料物質導入口５は、チャンバ１に連結されたガス流通管２の一対の開口端（２ａ，２ｂ）の中央に配置されている例になっている。
本実施例のプラズマ発生ガス注入口４は、チャンバ１からもっとも離れたガス流通管２の中間部に配置されており、原料物質導入口５は、チャンバ１に連結されたガス流通管２の一対の開口端（２ａ，２ｂ）の中央に配置されている例になっている。
図２に示されるように、ガス流通管２は、チャンバ１内に配置する基板Ｓの長手方向に平行な長さＬ１の第一直線部２Ｃと、第一直線部２Ｃの両側にそれぞれ第一直線部２Ｃよりも短い長さＬ２の第二直線部２Ｄおよび第三直線部２Ｅとを有し、第一直線部２Ｃと第二直線部２Ｄとを内側方向所定の接続角θ１の角度で接続する第一屈曲部２Ｆと、第一直線部２Ｃと第三直線部２Ｅとを内側方向所定の接続角θ２の角度で接続する第二屈曲部２Ｇとからなり、第二直線部２Ｄに設けられた開口端２ａおよび第三直線部２Ｅに設けられた開口端２ｂからなる一対の開口端を有している。
したがって、接続角θ１，θ２は、第二直線部２Ｄ，第三直線部２Ｅのチャンバ１に対する外側の連結角に対応する。
これらの開口端２ａおよび２ｂを介してガス流通管２の内部がチャンバ１内に連通している。
また、原料物質導入口５は、一対の開口端２ａおよび２ｂの間でチャンバ１内に連通している。
したがって、接続角θ１，θ２は、第二直線部２Ｄ，第三直線部２Ｅのチャンバ１に対する外側の連結角に対応する。
これらの開口端２ａおよび２ｂを介してガス流通管２の内部がチャンバ１内に連通している。
また、原料物質導入口５は、一対の開口端２ａおよび２ｂの間でチャンバ１内に連通している。
なお、本実施例は接続角θ１および接続角θ２はいずれも４５度±１０度の範囲である。
さらに、チャンバ１内には、プラズマ処理を行う基材（基板）Ｓを保持するための基板保持部９が配置されている。
基板保持部９は、基板Ｓの表面が、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂと、第二直線部２Ｄおよび第三直線部２Ｅの中心軸に沿って延長した中心線Ｔ１およびＴ２が交差する点Ｐとの間に位置するように、基板Ｓを保持する。
基板保持部９は、基板Ｓの表面が、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂと、第二直線部２Ｄおよび第三直線部２Ｅの中心軸に沿って延長した中心線Ｔ１およびＴ２が交差する点Ｐとの間に位置するように、基板Ｓを保持する。
また、チャンバ１には内部を減圧する減圧手段を有し、具体的には排気口１０が形成されており、この排気口１０に真空ポンプ等からなる真空排気部１１が接続されている。
図３に示されるように、空心コイル３の一対の巻き線部３１および３２は、互いに同一方向に巻回され、中心軸Ｃ方向にガス流通管２から離れた第２の端部３１ｂおよび３２ｂが短絡部３３を介して互いに短絡されているので、ガス流通管２に近接した第１の端部３１ａおよび３２ａに高周波電源６から高周波電力を供給すると、空心コイル３の中心を貫く中心軸Ｃに沿って時間と共に大きさと方向が変化する磁界Ｂ、いわゆる交番磁界が形成される。
高周波電源６は、出力周波数が１ＭＨｚ以下であるのが好ましい。
高周波電源６は、出力周波数が１ＭＨｚ以下であるのが好ましい。
また、ガス流通管２に近接した第１の端部３１ａおよび３２ａに高周波電源６から高周波電力が供給されるため、互いに対向する巻き線部３１の第１の端部３１ａと巻き線部３２の第１の端部３２ａの間に時間と共に大きさと方向が変化する電界Ｅが形成される。
ここで、巻き線部３１および３２は、ガス流通管２の側面に沿って配置されているので、ガス流通管２のすべての箇所に中心軸Ｃと平行な電界Ｅが形成されることとなる。
ここで、巻き線部３１および３２は、ガス流通管２の側面に沿って配置されているので、ガス流通管２のすべての箇所に中心軸Ｃと平行な電界Ｅが形成されることとなる。
次に、本実施例１に係るプラズマ発生装置の動作について説明する。
まず、真空排気部１１でチャンバ１内を減圧し、プラズマ発生ガス供給部７からプラズマ発生ガス注入口４を介してガス流通管２内にプラズマ発生ガスを注入すると、プラズマ発生ガス注入口４が第一直線部２Ｃの中間部に配置されているため、プラズマ発生ガスは、ガス流通管２内で２方向に分岐されてそれぞれガス流通管２内を流れ、一方が第一屈曲部２Ｆ、第二直線部２Ｄを通ってガス流通管２の開口端２ａから中心線Ｔ１に沿ってチャンバ１内に射出され、他方が第二屈曲部２Ｇ、第三直線部２Ｅを通ってガス流通管２の開口端２ｂから中心線Ｔ２に沿ってチャンバ１内に射出される。
まず、真空排気部１１でチャンバ１内を減圧し、プラズマ発生ガス供給部７からプラズマ発生ガス注入口４を介してガス流通管２内にプラズマ発生ガスを注入すると、プラズマ発生ガス注入口４が第一直線部２Ｃの中間部に配置されているため、プラズマ発生ガスは、ガス流通管２内で２方向に分岐されてそれぞれガス流通管２内を流れ、一方が第一屈曲部２Ｆ、第二直線部２Ｄを通ってガス流通管２の開口端２ａから中心線Ｔ１に沿ってチャンバ１内に射出され、他方が第二屈曲部２Ｇ、第三直線部２Ｅを通ってガス流通管２の開口端２ｂから中心線Ｔ２に沿ってチャンバ１内に射出される。
この状態で、空心コイル３の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に高周波電源６から高周波電力を供給して中心軸Ｃに沿った交番磁界を形成しつつ、図示しない高電圧印加装置によりガス流通管２に高電圧を印加して放電を発生させることで、ガス流通管２内にプラズマが点火される。
なお、このとき、高周波電源６から空心コイル３の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に供給される高周波電力に起因して、空心コイル３の一対の巻き線部３１および３２の間に位置するガス流通管２の内部に中心軸Ｃと平行な電界Ｅが形成されているため、静電的なプラズマがつきやすくなり、容易にプラズマを点火することが可能となる。
なお、このとき、高周波電源６から空心コイル３の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に供給される高周波電力に起因して、空心コイル３の一対の巻き線部３１および３２の間に位置するガス流通管２の内部に中心軸Ｃと平行な電界Ｅが形成されているため、静電的なプラズマがつきやすくなり、容易にプラズマを点火することが可能となる。
点火されたプラズマは、高周波の電磁界の変化に追随することができず、あたかも導電性金属柱のように振る舞い、電磁誘導作用によりプラズマに渦電流が流れ、この渦電流により生ずるジュール熱に起因して誘導熱プラズマが発生する。
このようにして発生した誘導熱プラズマＺは、図２に示されるように、プラズマ発生ガスの流れに対応して、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂから中心線Ｔ１およびＴ２に沿ってチャンバ１内に射出されることとなる。
そして、図２に示されるように、基板Ｓを基板保持部９に保持させることにより、ガス流通管２の開口端２ａおよび２ｂにおける中心線Ｔ１およびＴ２が交差する点Ｐと、これらの開口端２ａおよび２ｂとの間に基板Ｓの表面を位置させると、開口端２ａおよび２ｂからチャンバ１内に射出されていた誘導熱プラズマＺが基板Ｓの表面上で互いに向き合うように延びて重なり合う。
その結果、ガス流通管２の内部と、一対の開口端２ａおよび２ｂから基板Ｓの表面まで延びる中心線Ｔ１およびＴ２上と、基板Ｓの表面上を通る閉路プラズマ電流が形成される。
これにより、中心線Ｔ１およびＴ２が基板Ｓの表面と交わる点ＡおよびＢを結ぶ直線状の領域が、均一な誘導熱プラズマＺによって直接照射され、基板Ｓの表面に対して熱処理を施すことが可能となる。
そして、図２に示されるように、基板Ｓを基板保持部９に保持させることにより、ガス流通管２の開口端２ａおよび２ｂにおける中心線Ｔ１およびＴ２が交差する点Ｐと、これらの開口端２ａおよび２ｂとの間に基板Ｓの表面を位置させると、開口端２ａおよび２ｂからチャンバ１内に射出されていた誘導熱プラズマＺが基板Ｓの表面上で互いに向き合うように延びて重なり合う。
その結果、ガス流通管２の内部と、一対の開口端２ａおよび２ｂから基板Ｓの表面まで延びる中心線Ｔ１およびＴ２上と、基板Ｓの表面上を通る閉路プラズマ電流が形成される。
これにより、中心線Ｔ１およびＴ２が基板Ｓの表面と交わる点ＡおよびＢを結ぶ直線状の領域が、均一な誘導熱プラズマＺによって直接照射され、基板Ｓの表面に対して熱処理を施すことが可能となる。
このとき、一対の開口端２ａおよび２ｂの間に配置されている原料物質導入口５は、基板Ｓの表面における点ＡおよびＢを結ぶ直線の直上に位置しているので、原料物質供給部８から原料物質導入口５を介してチャンバ１内に原料物質を注入すると、原料物質は基板Ｓの表面上に形成された誘導熱プラズマＺに導入されて化学反応し、基板Ｓの表面に対して原料物質に対応した処理が行われる。
原料物質供給部８から供給される原料物質としては、固体、液体、ガス、あるいはこれらの混合物質等、各種の物質を用いることができる。
具体的には、チタン粉体、黒鉛粉体等の固体物質、ベンゼン、エタノール等の液体物質、窒素、酸素、水素等のガス物質が、それぞれの処理目的に応じて使用される。
例えば、原料物質として窒素ガスを供給することにより、基板Ｓの表面に対して窒化処理を行うことができ、また、原料物質として酸素ガスを供給することにより、基板Ｓの表面に対して酸化処理を行うことができる。
さらに、各種の原料物質を供給することで、基板Ｓの表面上に膜形成を行うこともできる。
具体的には、チタン粉体、黒鉛粉体等の固体物質、ベンゼン、エタノール等の液体物質、窒素、酸素、水素等のガス物質が、それぞれの処理目的に応じて使用される。
例えば、原料物質として窒素ガスを供給することにより、基板Ｓの表面に対して窒化処理を行うことができ、また、原料物質として酸素ガスを供給することにより、基板Ｓの表面に対して酸化処理を行うことができる。
さらに、各種の原料物質を供給することで、基板Ｓの表面上に膜形成を行うこともできる。
また、高周波電源６から空心コイル３の第１の端部３１ａおよび３２ａの間に供給される高周波電流の振幅を変調することにより、誘導熱プラズマＺから処理対象物であるチャンバ１内の基板Ｓへ向かう熱流束およびラジカル流束を制御することができる。
例えば、互いに振幅が異なる２種類の高周波電流を交互に繰り返して空心コイル３に供給することで、基板Ｓの表面温度を基板Ｓが熱的ダメージを受けない所定範囲内に維持しながら、誘導熱プラズマＺ中のラジカル量が異なる２つの処理を交互に施して、効率よく基板Ｓの表面処理を行うことも可能となる。
なお、誘導熱プラズマを発生させるためのプラズマ発生ガスとしては、アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができる。
本実施例１においては、ガス流通管２の内部にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させ、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂからチャンバ１内に射出される誘導熱プラズマに原料物質を導入するように構成されているので、ガス流通管２の内部にはプラズマ発生ガスのみが存在することになり、原料物質の供給を伴っても、極めて安定した誘導熱プラズマを得ることが可能となる。
ここで、プラズマ発生装置を実際に製作して行った誘導熱プラズマの発生の実験について説明する。
第一直線部２Ｃの長さＬ１を１００ｍｍ、第二直線部２Ｄおよび第三直線部２Ｅの長さＬ２を２０ｍｍ、接続角θ１およびθ２を４５度として、プラズマ発生装置を製作した。
一対の開口端２ａおよび２ｂの間隔は、約８０ｍｍである。
一対の開口端２ａおよび２ｂの間隔は、約８０ｍｍである。
まず、真空排気部１１によりチャンバ１内を減圧して圧力１３３０Ｐａ（Ｎ／ｍ２）とし、プラズマ発生ガスとして流量１リットル／分（１．６６７×１０－５ｍ３／秒）のアルゴンガスをプラズマ発生ガス注入口４からガス流通管２内に供給し、電力６ｋＷ、周波数２９５ｋＨｚの高周波電力を高周波電源６から空心コイル３に供給してプラズマを発生させたところ、アルゴンガスの発光状態から、ガス流通管２の内部と一対の開口端２ａおよび２ｂから延びる中心線Ｔ１およびＴ２上に安定した誘導熱プラズマＺが形成されたことが確認された。
さらに、基板Ｓを一対の開口端２ａおよび２ｂに接近させて配置することで、基板Ｓの表面上に８０ｍｍ×１０ｍｍ程度の直線状の領域にわたって誘導熱プラズマＺを照射することができた。
ただし、上記の実験で製作されたプラズマ発生装置は、一例に過ぎず、例えば、ガス流通管２の第一直線部２Ｃの長さＬ１を２５０ｍｍ程度とすれば、基板Ｓの表面上に２００ｍｍ×１０ｍｍ程度の領域にわたって誘導熱プラズマＺを照射することができる。
つまり、ガス流通管２の第一直線部２Ｃを長くして一対の開口端２ａおよび２ｂの間隔を拡げることで、基板Ｓに対する誘導熱プラズマＺの照射領域をより長くすることが可能となる。
ただし、上記の実験で製作されたプラズマ発生装置は、一例に過ぎず、例えば、ガス流通管２の第一直線部２Ｃの長さＬ１を２５０ｍｍ程度とすれば、基板Ｓの表面上に２００ｍｍ×１０ｍｍ程度の領域にわたって誘導熱プラズマＺを照射することができる。
つまり、ガス流通管２の第一直線部２Ｃを長くして一対の開口端２ａおよび２ｂの間隔を拡げることで、基板Ｓに対する誘導熱プラズマＺの照射領域をより長くすることが可能となる。
なお、コアを有しない空心コイル３を使用しているので、空心コイル３の一対の巻き線部３１および３２の間に原料物質導入口５を配置して、原料物質を原料物質導入口５からチャンバ１内に直接注入することができる。
このため、ガス流通管２の中間部に位置するプラズマ発生ガス注入口４から注入したのでは、チャンバ１内に到達するまでに消失してしまうような寿命が短い活性種を含む原料物質であっても、確実にチャンバ１内で誘導熱プラズマに導入されることとなる。
このため、ガス流通管２の中間部に位置するプラズマ発生ガス注入口４から注入したのでは、チャンバ１内に到達するまでに消失してしまうような寿命が短い活性種を含む原料物質であっても、確実にチャンバ１内で誘導熱プラズマに導入されることとなる。
また、コアを使用しないため、磁気飽和および鉄損の問題を考慮する必要がなく、さらに、コアの冷却も不要となり、簡単な構成を有するプラズマ発生装置が実現される。
なお、チャンバ１およびガス流通管２は、例えば、石英、セラミックス等の耐熱性に優れた材料から形成されることが望ましい。
空心コイル３の外周部、特に、巻き線部３１および３２の外周部は、隣接する巻き線の間で放電が生じることを防止するために放電防止用の被膜でコーティングされていることが望ましい。
さらに、内部に冷却水を流通させて冷却することができる構造のコイルを使用することが好ましい。
また、チャンバ１、ガス流通管２および空心コイル３を水冷タンク内で流水中に晒して冷却する構造を採用することもできる。
また、チャンバ１、ガス流通管２および空心コイル３を水冷タンク内で流水中に晒して冷却する構造を採用することもできる。
また、ガス流通管２の内部にも高温の誘導熱プラズマが形成されるが、プラズマ発生ガス注入口４から注入されるプラズマ発生ガスの流量を高めることにより、ガス流通管２の内壁への誘導熱プラズマの接触を防止することができる。
また、接続角θ１および接続角θ２がいずれも４５度である場合を例示したが、接続角θ１および接続角θ２はいずれも４５±１０度であることが好ましい。
３５度よりも小さい場合は、図４に示すように、誘導熱プラズマＺが基板Ｓから離れ、中央部付近でチャンバ１がなす直方体部の上面に接触する可能性が高くなる。
おそらく、開口端２ａおよび２ｂから噴出されるガス流れが基板Ｓの中央付近で衝突することが原因と推定される。
３５度よりも小さい場合は、図４に示すように、誘導熱プラズマＺが基板Ｓから離れ、中央部付近でチャンバ１がなす直方体部の上面に接触する可能性が高くなる。
おそらく、開口端２ａおよび２ｂから噴出されるガス流れが基板Ｓの中央付近で衝突することが原因と推定される。
逆に、接続角θ１および接続角θ２が５５度よりも大きい場合、誘導熱プラズマを安定して生成することができない。
特許文献２に記載の装置では、接続角θ１および接続角θ２は約９０度であり、非特許文献１に記載の装置では、接続角θ１および接続角θ２は約６０度であるが、誘導熱プラズマが安定して生成できるとされている。
その違いは、おそらく装置の動作圧力および駆動周波数に起因するものと推定される。
装置を減圧した状態でプラズマを発生させる場合、より具体的には、チャンバ内の圧力を１０，０００Ｐａ以下に減圧した状態でプラズマを発生させる場合、及び／又は高周波電力の周波数が１ＭＨｚ以下である場合、より具体的には、高周波電力の周波数が１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である場合、接続角θ１および接続角θ２はいずれも４５±１０度とすべきである。
特許文献２に記載の装置では、接続角θ１および接続角θ２は約９０度であり、非特許文献１に記載の装置では、接続角θ１および接続角θ２は約６０度であるが、誘導熱プラズマが安定して生成できるとされている。
その違いは、おそらく装置の動作圧力および駆動周波数に起因するものと推定される。
装置を減圧した状態でプラズマを発生させる場合、より具体的には、チャンバ内の圧力を１０，０００Ｐａ以下に減圧した状態でプラズマを発生させる場合、及び／又は高周波電力の周波数が１ＭＨｚ以下である場合、より具体的には、高周波電力の周波数が１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である場合、接続角θ１および接続角θ２はいずれも４５±１０度とすべきである。
また、チャンバ１内で、ガス流通管２の一対の開口端２ａおよび２ｂに対し、基板保持部９を基板Ｓと共に移動し得るように構成し、直線状の誘導熱プラズマを基板Ｓのあらゆる部分に次々に照射することにより、基板Ｓの表面全体に対してプラズマ処理を施すことを可能とする構成としてもよい。
次に実施の形態２（実施例２）について説明する。
本実施例２の構成を図５に示す。
ガス流通管２の上部の中央部に設けたプラズマ発生ガス注入口からＡｒ（流量１．０ｓｌｐｍ）を注入した。
本実施例２はチャンバに原料物質導入口を２ヶ所に設け、多孔質セラミック（Ｐｏｒｏｕｓ ｃｅｒａｍｉｃ）を通して基板上に吹き付けるようにした。
原料物質としてはＡｒ／Ｎ２流量：０．６／０．１ｓｌｐｍとした。
本実施例２は、空心コイル３として３パターンコイルを用い、投入電力６ｋｗ、チャンバ内圧力１０ＴｏｒｒとしＡｒ／Ｎ２プラズマを発生及び維持した。
本実施例２の構成を図５に示す。
ガス流通管２の上部の中央部に設けたプラズマ発生ガス注入口からＡｒ（流量１．０ｓｌｐｍ）を注入した。
本実施例２はチャンバに原料物質導入口を２ヶ所に設け、多孔質セラミック（Ｐｏｒｏｕｓ ｃｅｒａｍｉｃ）を通して基板上に吹き付けるようにした。
原料物質としてはＡｒ／Ｎ２流量：０．６／０．１ｓｌｐｍとした。
本実施例２は、空心コイル３として３パターンコイルを用い、投入電力６ｋｗ、チャンバ内圧力１０ＴｏｒｒとしＡｒ／Ｎ２プラズマを発生及び維持した。
この状態のＡｒ／Ｎ２誘導熱プラズマ（ＩＣＴＰ）の発光様相を図６に示す。
基板ホルダ上空間に紫がかった短い発光が観察された。
これは、Ｎ２＋の発光スペクトル（３５５～４３０ｎｍ）によると考えられる。
分光観察からＮ原子の発光スペクトル７４７．３，８２１．１ｎｍも確認できた。
図７に基板ホルダ上，１ｍｍ間隔２１点に対してＮ原子スペクトル（８２１．１ｎｍ）のｘ方向の分布図を示す。
図７のＮ原子スペクトル（８２１．１ｎｍ）のｘ方向分布図からも、本発明によるプラズマ発生装置のスペクトル強度分布が一様になっていることが分かる。
基板ホルダ上空間に紫がかった短い発光が観察された。
これは、Ｎ２＋の発光スペクトル（３５５～４３０ｎｍ）によると考えられる。
分光観察からＮ原子の発光スペクトル７４７．３，８２１．１ｎｍも確認できた。
図７に基板ホルダ上，１ｍｍ間隔２１点に対してＮ原子スペクトル（８２１．１ｎｍ）のｘ方向の分布図を示す。
図７のＮ原子スペクトル（８２１．１ｎｍ）のｘ方向分布図からも、本発明によるプラズマ発生装置のスペクトル強度分布が一様になっていることが分かる。
１ チャンバ
２ ガス流通管
２ａ，２ｂ 開口端
３ 空心コイル
４ プラズマ発生ガス注入口
５ 原料物質導入口
６ 高周波電源
７ プラズマ発生ガス供給部
８ 原料物質供給部
９ 基板保持部
１０ 排気口
１１ 真空排気部
３１，３２ 巻き線部
３１ａ，３２ａ 第１の端部
３１ｂ，３２ｂ 第２の端部
３３ 短絡部
Ｃ 中心軸
２Ｃ 第一直線部
２Ｄ 第二直線部
２Ｅ 第三直線部
２Ｆ 第一屈曲部
２Ｇ 第二屈曲部
θ１ 第一直線部と第二直線部との接続角
θ２ 第一直線部と第三直線部との接続角
Ｔ１，Ｔ２ 中心線
Ｐ 中心線が交差する点
Ｓ 基板
Ｂ 磁界
Ｅ 電界
Ｚ 誘導熱プラズマ
Ａ，Ｂ 中心線が基板表面と交わる点
２ ガス流通管
２ａ，２ｂ 開口端
３ 空心コイル
４ プラズマ発生ガス注入口
５ 原料物質導入口
６ 高周波電源
７ プラズマ発生ガス供給部
８ 原料物質供給部
９ 基板保持部
１０ 排気口
１１ 真空排気部
３１，３２ 巻き線部
３１ａ，３２ａ 第１の端部
３１ｂ，３２ｂ 第２の端部
３３ 短絡部
Ｃ 中心軸
２Ｃ 第一直線部
２Ｄ 第二直線部
２Ｅ 第三直線部
２Ｆ 第一屈曲部
２Ｇ 第二屈曲部
θ１ 第一直線部と第二直線部との接続角
θ２ 第一直線部と第三直線部との接続角
Ｔ１，Ｔ２ 中心線
Ｐ 中心線が交差する点
Ｓ 基板
Ｂ 磁界
Ｅ 電界
Ｚ 誘導熱プラズマ
Ａ，Ｂ 中心線が基板表面と交わる点
Claims (4)
- チャンバと、
両側の開口端を前記チャンバに連通させたガス流通管とを備え、
前記ガス流通管は第一直線部と、前記第一直線部の両側にそれぞれ屈曲部を介して内側方向所定の接続角θ１，θ２にて接続した第二直線部と第三直線部の端部に前記開口端を有し、
前記ガス流通管の両側面に対向配置した一対の空心コイルと、
前記空心コイルに高周波電力を供給することで、前記ガス流通管内にプラズマ発生ガスを流した状態で誘導熱プラズマを発生させる高周波電源を有し、
前記接続角θ１及びθ２は４５±１０度であることを特徴とするプラズマ発生装置。 - 前記チャンバの内部を減圧する減圧手段を有していることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
- 前記高周波電源は、出力周波数が１ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生装置。
- 請求項１～３のいずれかに記載のプラズマ発生装置を用いたことを特徴とする基材のプラズマ処理方法。
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|---|---|---|---|
| JP2022108228A JP2024007046A (ja) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | プラズマ発生装置およびプラズマ処理方法 |
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