JP4471589B2

JP4471589B2 - プラズマ発生用アンテナ装置及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4471589B2
Application number: JP2003147712A
Authority: JP
Inventors: 康成森; 憲明木村; 恭二土井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: JP2004349199A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＶＤ、液晶製膜、半導体エッチング等で使用される大面積のプラズマ発生用アンテナ装置及びそれを使用したプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを利用したＣＶＤ（化学的気相成長法）装置やエッチング装置等の半導体製造装置では、プラズマの発生用にマイクロ波や無線高周波（ＲＦ）を用いているが、このＲＦプラズマを利用したプラズマ処理装置において、液晶ディスプレイ等の製作等では、近年では加工基板が１ｍ×１ｍ以上になる等大型化し、それに連れて、プラズマプロセスに用いられている真空チャンバーも大型化し、大面積のプラズマ発生用アンテナ装置が必要になってきている。
【０００３】
また、既に様々な分野で利用されている、アモルファスタイプや結晶タイプの薄膜太陽電池においても、１ｍ×１ｍ以上の大きな面積のものが要求されるようになってきており、このような大面積の薄膜太陽電池は、シラン等の原料ガスをプラズマ状態にして分解し、シリコン等を生成・堆積させる低温被膜プロセスのプラズマＣＶＤ装置等によって製造されている。
【０００４】
このように大型化したプラズマ発生用アンテナ装置では、使用する無線高周波の周波数が１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚと高いため、アンテナから放射する電波の波長が真空チャンバーの容器のサイズと同じオーダーになってきている。そして、アンテナから放射する電波の空間分布が、プラズマの均一性更にはプロセスの均一性にとって重要な要素となってきている。
【０００５】
これに関して、柱状アンテナをアレイ化することにより、電波の空間分布を一様にし、また、誘電体シース構造により、プラズマのＲＦ遮蔽効果を克服する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−８６５８１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の柱状アンテナを面状に配列したアレイアンテナにおいては、プラズマの発生量を増加するため、さらには、均一性を上げるために、アンテナ素子の間を狭くして、アンテナ素子相互間に干渉が生じ、電波の不安定モード（連成モード）が生じ、プラズマの励起効率が低下してしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、プラズマ生成に用いられる電波の１／４波長程度、あるいは波長程度のサイズの金属容器中にて、柱状アンテナを共振させてプラズマを効率よく発生できるプラズマ発生用アンテナ装置及びプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明のプラズマ発生用アンテナ装置は、表面を誘電体で覆った柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、一端を接地して他端を開放とし、前記一端と前記他端の間で給電するように、交互に給電方向を逆にして平行に配置した面状のアンテナを備えたプラズマ発生用アンテナ装置において、前記アンテナ素子の前記他端となる先端とアース部の間の長さを、ｎを正数とした時に、前記アンテナ素子に供給する高周波電力の波長の（２ｎ−１）／４倍とすることができるように、前記アンテナ素子の給電部側に移動可能なアース部を設けて、前記アンテナ素子の先端と前記アース部の間の長さを調整可能に構成すると共に、通気性を有する導電体で形成された面状のグランドを、前記アンテナと平行に配設し、前記グランドと前記アンテナ素子との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子相互間の距離Ｄとの関係を２Ｈ＜Ｄとして構成される。
【００１０】
この構成によれば、アンテナと平行なグランドを設けることにより、グランドによる電極に関する鏡像効果により電界分布を安定化してプラズマを安定させることができ、また、この鏡像効果によってアンテナを複数個アレイ化した場合のアンテナ相互間の干渉を緩和し、アンテナ相互間の不要な連成モードの生成を防止できる。
【００１２】
この構成により、プラズマ発生用の電波の波長の１／４の長さに一致するように柱状アンテナの先端からアースまでの長さを正確に決めることができ、アンテナの共振周波数においてＱ値を大きくし、アンテナからの不要な反射を減少させて、無線高周波（ＲＦ）によるプラズマ励起効率を改善できる。
【００１４】
この構成により、アンテナ素子において、アンテナ素子に供給される高周波電力に共振させることができ、効率よく電磁波を発生して、プラズマを発生できる。
【００１５】
更に、上記のプラズマ発生用アンテナ装置において、前記アース部を、テーパー部を外周側に有し、かつ、少なくとも一部が導電体で形成される内側部材と、テーパー部を内周側に有する外側部材とを有して形成し、前記アンテナ素子の前記導電体の外側に前記内側部材を配置すると共に、前記内側部材の外側に前記外側部材を配置して、前記内側部材と前記外側部材を前記導電体の外側で前記導電体の軸方向にスライドし、前記内側部材のテーパー部と前記外側部材のテーパー部を当接した状態でネジ止めすることにより、前記アース部の位置を可変にして固定できるように構成する。
【００１６】
この構成により、アンテナ素子の給電部側に移動可能なアース部を設けることができる。
【００１７】
そして、上記のプラズマ発生用アンテナ装置を使用したプラズマ処理装置は、上記のプラズマ発生用アンテナ装置をチャンバー内に設け、前記グランド側に処理ガスを導入すると共に、前記アンテナ素子に高周波電力を供給し、前記処理ガスを前記グランド及び前記アンテナを通過させながらプラズマ化して、前記チャンバー内に配置された基板台に載置された被処理材を加工するように構成される。この構成により、小型で高性能のプラズマＣＶＤ装置やエッチング装置等のプラズマ処理装置を提供できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係るプラズマ発生用アンテナ装置及びプラズマ処理装置の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、この実施の形態では、プラズマ処理装置１０として、ガラス板、シリコンウェハ等の被処理材２の表面にＣＶＤにより薄膜を生成させるプラズマＣＶＤ装置を例にしており、このプラズマ処理装置１０は、金属製のチャンバー１１内の下側に配置された基板台（試料台）１２と、この基板台１２の上側に配置されたアンテナ２０と、このアンテナ２０と平行にアンテナ２０の上側に配置されたグランド２２とを有して構成される。
【００２０】
このグランド２２とアンテナ２０により、チャンバー１１の内部は、グランド２２の上側のガス分散室１３と、アンテナ２０の下側のプラズマ処理室１４とに仕切られる。
【００２１】
そして、処理ガス（プロセスガス）Ｇを分散供給するためのガス供給装置１５が配置され、これにガス供給管１６が接続されている。
【００２２】
また、プラズマ処理室１４には基板台１２が配置され、真空発生用の排気管１７が接続される。この基板台１２は、ガラス等の蒸着用基板（被処理材：被処理基板）２を載せる台であり、蒸着用基板２を加熱するための発熱体（図示しない）を有して構成され、更に、電気的に接地されるか、バイアス用電源（図示しない）に接続される。
【００２３】
図２に示すように、このアンテナ２０は、アンテナとして使用する長さＬを供給される高周波電力の波長λ、即ち、発生する電波の波長λの（２ｎ−１）／４倍（ここでｎは正数）とした柱状のアンテナ素子２１から成るアレイアンテナである。この各アンテナ素子２１は、給電方向が交互に逆方向を向き、しかも、互いに平行に配置され、全体として面状に配置される。このアンテナ２０の配置は、通常は、矩形平面に形成されるが、これに限定されず、円筒面状や球面状等の様々な形状とすることができる。
【００２４】
このアンテナ素子２１のそれぞれに給電用部材３０が配置され、アンテナ素子２１毎に１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚの内の特定の周波数の高周波電力が同相電力分配器４２から同軸フィーダー４１により分配供給される。なお、この同相電力分配器４２には交流電源４３から電力が供給される。
【００２５】
また、図１〜図３に示すように、このアンテナ素子２１は棒状又はパイプ状の銅，アルミニウム，白金等の非磁性の電気良導体で形成される柱状の電極２１ａと、この電極２１ａの表面を被覆した石英等の誘電体シース（絶縁体）２１ｂとで形成される。この誘電体シース２１ｂと電極２１ａの間には隙間が有っても無くてもよいが、隙間がある場合には、処理ガスＧが誘電体シース２１ｂの内側に入って電極２１ａの表面やアース部Ｅにおいて異常放電が起こるのを防止するため、真空状態でシールしたり、空気等を密封シールしたりする。また、誘電体シース２１ｂの誘電体には、通常は石英ガラスが使用されるが、絶縁性能とシール性能を持ち、処理プロセスに影響が少ないものであれば良い。
【００２６】
この誘電体２１ｂの厚さは、特許文献１において決定される、プラズマによるＲＦ遮蔽効果を克服する厚みが必要である。なお、図１及び図３では電極２１ａをパイプ状に形成し，パイプ内部に水又は空気等の冷却用媒体Ｃを通している。
【００２７】
そして、アンテナ素子２１の電力供給側には、チャンバー１１の側壁１１ａの外側に給電部３０が設けられる。このアンテナ素子２１は、Ｏリング３６とこのＯリング３６を締付ける絶縁性の材質（例えば、耐熱プラスチック）で形成される固定具３７により、チャンバー１１の側壁１１ａに固定される。
【００２８】
また、給電部３０においては、フランジ３１ａを有する取付部３１と、テーパー部を外周側に有し、かつ、少なくとも一部が導電体で形成される内側部材３２と、テーパー部を内周側に有した外側部材３３と、この内側部材３２と螺合するロックナット３４と、外側部材３３と螺合するロックナット３５とが設けられ、これらによりアース部Ｅが構成されている。このアース部Ｅは、内側部材３２の導電体で形成されている部分がグランド２２に電気的に接続されたり、あるいは、チャンバー１１に電気的に接続されたりして接地されている。なお、取付部３１、内側部材３２、外側部材３３を導電体で形成することにより、簡単に、アンテナ電極２１ａをチャンバー１１に電気的に接続できる。
【００２９】
そして、アンテナ素子２１の導電体である電極２１ａの外側に内側部材３２を配置すると共に、内側部材３２のテーパー部と外側部材３３のテーパー部を当接して内側部材３２の外側に外側部材３３を配置して、内側部材３２と外側部材３３を電極２１ａの外側で電極２１ａの軸方向（Ｘ方向）にスライドすることにより、アース部Ｅの位置を可変にする。この外側部材３３のテーパー部に内側部材３２のテーパー部を当接することによりすり締め構造を形成する。
【００３０】
そして、内側から、アンテナ素子２１、内側部材３２、外側部材３３、取付部３１と配置され、ロックナット３３，３４の緩めと締めによりアース部Ｅを所定の範囲Ｒで移動でき、また、位置固定をすることができる。また、給電部３０を電極２１ａの可動機構としているので電極２１ａの位置も左右にずらすことができる。
【００３１】
このアース位置Ｅの移動と位置決めにより、アンテナ素子２１の先端Ｔからアース位置Ｅまでアンテナ長さＬを、正確に、供給される高周波電力の波長λ、即ち、発生する電波の波長λの（２ｎ−１）／４倍（ここでｎは正数）、実用的には１／４倍とすることができる。そして、周波数はアンテナ長さＬによって決まり、給電部３０とアース位置Ｅとの距離Ｌ’とアンテナ長さＬの比Ｌ’／ＬからＱ値（振動系の共振に鋭さを表す量）は決まるので、これらにより、アンテナ素子２１及びアンテナ２０の共振周波数においてＱ値を大きくし、アンテナ２０からの不要な反射を減少させて、無線高周波によるプラズマ励起効率を改善できる。
【００３２】
この給電部３０のアース部Ｅを移動可能にする構成は、特に限定する必要はなく、図１及び図２以外の様々な構成が考えられるが、電極２１ａの有効長さＬを正確に電波の波長λの１／４倍とし、効率良く共振させるために、電極２１ａとグランド２０との間を繋いでいるアース部Ｅの長さは電極２１ａの長さＬに比べて適当に短く形成する必要がある。
【００３３】
また、この給電部３０内において、アンテナ素子２１は同軸フィーダー４１の芯線に接続し、同相電力分配器４２からＶＨＦの高周波電力が供給される構造となっている。
【００３４】
また、アンテナ素子２１の電力供給側と反対側の先端支持側は、Ｏリング３６とこのＯリング３６を締付ける固定具３７により、チャンバー１１の側壁１１ｂに固定される。
【００３５】
そして、グランド２２は、通気性を有する導電体で面状に形成される。このグランド２２は、パンチングプレートや多孔板やスリット板等で形成され、平行かつ面状に配列されたアンテナ素子２１群からなるアンテナ２０に平行に配置される。このグランド２２は、ガス分散室１３とプラズマ処理室１４を区分し、処理ガスＧの通過を調整する隔壁を兼ねるが、特に形状を限定する必要はなく、アンテナ２０の形状に応じて、矩形平面や円筒面状や球面状やスリット形状等の様々な形状を用いることができる。しかし、良好な鏡像効果を得るためにアンテナ素子２１群と平行に配置する必要がある。
【００３６】
このグランド２２はチャンバー（ＧＮＤ）１１に接地されて同一電位に維持され、図４に示すように、アンテナ素子２１に対して、鏡像２１Ｍを発生させる機能を有する。このグランド２０とアンテナ素子２１との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子２１相互間の距離Ｄとの関係を、２Ｈ＜Ｄとすることにより、アンテナ素子２１，２１の相互間の距離Ｄよりも、アンテナ素子２１と鏡像２１Ｍとの距離２Ｈが短いため、アンテナ素子２１とこの鏡像２１Ｍとの間に電界の閉じた系ができ、隣接するアンテナ素子２１への影響が少なくなり、アンテナ素子２１，２１の相互間の干渉が緩和される。
【００３７】
従って、アンテナ素子２１，２１の相互間の距離Ｄを小さくして、電界密度を高め、プラズマの発生効率を向上できる。さらに、空間分布の均一性も向上できる。
【００３８】
なお、グランド２０とアンテナ素子２１との隙間ｈは、アンテナ２０や被処理材２の大きさにもよるが、０ｍｍ〜１０ｍｍ程度あるいは電極２１ａの直径以内の程度のほぼ接していると言える状態に設定される。これにより、例えば、長さが８００ｍｍのアンテナ素子２１に対して、Ｄが２０ｍｍ〜１００ｍｍの間隔で配置できるようになる。
【００３９】
図５にグランド２２の配設がなく、鏡像効果のない場合を示す。この場合には、アンテナ素子２１，２１の相互間に干渉が生じるため、安定した電界の励起ができない。
【００４０】
次に、このプラズマＣＶＤ装置１０で、ガラス板等の被処理材２の表面に化学的気相成長法（ＣＶＤ）により薄膜を形成する場合について説明する。
【００４１】
先ず、チャンバー１１を開放して被処理材２を基板台１２の上に載せた後、チャンバー１１を閉じる。このチャンバー１１は、真空発生用の排気管１７に接続する真空ポンプ（図示しない）により内部の真空度を通常０．１３Ｐａ〜１．３ｋＰａ（１ｍＴｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ）となるようにする。それと共に、被処理材２は基板台１２の加熱装置（図示しない）により、所定温度に保持される。
【００４２】
次に、ガス分散室１３にシランガス等の処理ガスＧが供給されるが、この処理ガスＧは、ガス供給管１６からガス供給装置１５内を通過して、グランド２２の表面に分散供給され、グランド２２とアンテナ２０を通過して、プラズマ処理室１４に入る。
【００４３】
この処理ガスＧの供給と共に、アンテナ素子２１には、高周波電力が供給され、アンテナ素子２１から電波を放射させる。この場合に、アンテナ素子２１の長さＬを高周波電力の波長λの（２ｎ−１）／4 倍とすることにより、共振器として作動する。実用的にはｎ＝１の１／４倍とする。つまり、Ｌ＝λ／４とする。例えば、高周波電流の周波数を、１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚとすると、このアンテナ素子２１の長さＬは５０００ｍｍ〜２０ｍｍとなる。
【００４４】
この共振により、アンテナ素子２１の周囲には交番磁界及び交番電界が生じ、アンテナ素子２１から周囲に電波が放射され、チャンバー１１内に供給された処理ガスＧが電離してプラズマが発生する。
【００４５】
このプラズマは導電性を有しているので、チャンバー１１内にプラズマが充満して全体の導電性が増すと、放射された電波はプラズマに反射されるので、アンテナ２０の周辺に閉じ込められ、この部分にプラズマ加熱領域が限定されるようになる。
【００４６】
そして、図６に示すように、この共振では、電界強度が電力供給側のアース部Ｅ（Ｘ＝０、又は、Ｌ）が節となり、先端Ｔ（Ｘ＝Ｌ、又は、０）が腹となる定在波、即ち、各位置Ｘにおける振幅がｓｉｎ（πＸ／２Ｌ）（線Ａ）やｃｏｓ（πＸ／２Ｌ）（線Ｂ）に比例する定在波が発生する。そのため、アンテナ素子２１の長手方向の電力分布は、電界の２乗に比例し、アース位置Ｅがゼロとなり、先端部Ｔが最も高くなり、ｓｉｎ（πＸ／２Ｌ）の２乗（線Ｃ）、又は、ｃｏｓ（πＸ／２Ｌ）の２乗（線Ｄ）に比例するようになる。
【００４７】
隣接する２本のアンテナ素子２１，２１によって分布する電力の強度は、これらの和となり、正弦の２乗と余弦の２乗の和は１（線Ｅ）となるので長さ方向（Ｘ方向）に略均一となる。
【００４８】
そのため、アンテナ２０としては、それぞれのアンテナ素子２１に、互いに反対方向から高周波電力を供給することにより、各アンテナ素子２１が放射する電力が合成されて略均一な電力分布を発生できるので、チャンバー１１内に供給された処理ガスＧが電離したプラズマのチャンバー１１内の空間密度を均一にすることができる。この均一なプラズマにより、膜厚が均一な蒸着膜が得られる。
【００４９】
そして、本発明によれば、アンテナ２０と平行にグランド２２を設けているので、このグランド２２の存在による鏡像効果により、アンテナ素子２１によって発生する電波と隣接するアンテナ素子２１が発生する電波との干渉、つまり、アンテナ素子２１，２１相互間の連成モードの発生を防止でき、プラズマを安定させることができる。
【００５０】
また、アース部Ｅを移動してアンテナ素子２１の先端Ｔとアース部Ｅとの間の長さＬを正確に高周波の波長λの１／４倍にすることにより、定在波の節の部分を強制的に接地できるので、定在波を安定させることができ、効率よく共振現象を発生させることができる。従って、無線高周波によるプラズマ励起効率を向上することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係るプラズマ発生用アンテナ装置及びプラズマ処理装置によれば、次のような効果を奏することができる。
【００５２】
アンテナと平行なグランドを設けることにより、グランドによる電極の鏡像効果によりプラズマを安定させることができ、また、アンテナを複数個アレイ化した場合のアンテナ相互間の不要な連成モードを防止できる。
【００５３】
また、給電部付近にアースを設け、このアースを移動可能及び位置決め可能に構成したことにより、プラズマ発生用の高周波の波長の１／４の長さに一致するように柱状アンテナの先端からアースまでの長さを正確に決めることができ、アンテナの共振周波数においてＱ値を大きくし、アンテナからの不要な反射を減少させて、無線高周波（ＲＦ）によるプラズマ励起効率を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態のプラズマ発生装置の構成図である。
【図２】図１の給電部材の詳細を示す図である。
【図３】図１のプラズマ発生装置のアンテナ素子の配列を示す図である。
【図４】グランドによる鏡像効果を説明するための図である。
【図５】グランドが配設されていない場合のアンテナ素子相互間の干渉を説明するための図である。
【図６】電磁場の均一性を説明するための図である。
【符号の説明】
２被処理材
１０プラズマ処理装置
１１チャンバー
１２基板台
２０アンテナ
２１アンテナ素子
２１ａ電極
２１ｂ誘電体シース
２２グランド
３０給電部
３２内側部材
３３外側部材
Ｃ冷却用媒体
Ｅアース部（アース位置）
Ｇ処理ガス
Ｌアンテナの有効長さ

Claims

表面を誘電体で覆った柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、一端を接地して他端を開放とし、前記一端と前記他端の間で給電するように、交互に給電方向を逆にして平行に配置した面状のアンテナを備えたプラズマ発生用アンテナ装置において、
前記アンテナ素子の前記他端となる先端とアース部の間の長さを、ｎを正数とした時に、前記アンテナ素子に供給する高周波電力の波長の（２ｎ−１）／４倍とすることができるように、前記アンテナ素子の給電部側に移動可能なアース部を設けて、前記アンテナ素子の先端と前記アース部の間の長さを調整可能に構成すると共に、
通気性を有する導電体で形成された面状のグランドを、前記アンテナと平行に配設し、前記グランドと前記アンテナ素子との距離Ｈと、隣接するアンテナ素子相互間の距離Ｄとの関係を２Ｈ＜Ｄとしたことを特徴とするプラズマ発生用アンテナ装置。
前記アース部を、テーパー部を外周側に有し、かつ、少なくとも一部が導電体で形成される内側部材と、テーパー部を内周側に有する外側部材とを有して形成し、前記内側部材の外側に前記外側部材を配置して、前記内側部材と前記外側部材を前記導電体の外側で前記導電体の軸方向にスライドし、前記内側部材のテーパー部と前記外側部材のテーパー部を当接した状態でネジ止めすることにより、前記アース部の位置を可変にして固定できるようにしたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ発生用アンテナ装置。
請求項１又は２に記載のプラズマ発生用アンテナ装置をチャンバー内に設け、前記フランド側に処理ガスを導入すると共に、前記アンテナ素子に高周波電力を供給し、前記処理ガスを前記グランド及び前記アンテナを通過させながらプラズマ化して、前記チャンバー内に配置された基板台に載置された被処理材を加工することを特徴とするプラズマ処理装置。