JP4499005B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、プロセスガスを放電空間に導入し基板のプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置に関する。

例えば特許文献１に記載のプラズマ処理装置は、電源に接続された電極と接地された電極を例えば上下に対向配置してある。各電極は、樹脂等の絶縁材料からなるホルダを介して金属製のフレームに収容されている。これら電極間に常圧のプラズマ放電空間を形成し、この放電空間に基板を配置してプラズマ処理を行なう。
特開２００４−２２８１３６号公報

上掲文献装置のホルダは、電極と金属フレームを絶縁するためのものであるが、確実な絶縁性を奏するようにするにはそれなりの材料や厚さにしなければならず、コストがかかる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、
プロセスガスを放電空間に導入してプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置であって、
長手方向に沿う外面のうち前記放電空間を形成すべき面に固体誘電体板が設けられた電極と、
前記固体誘電体板の前記放電空間に面する面を露出させるようにして前記電極を囲んで収容する筐体と、を備え、
前記固体誘電体板の前記長手方向と直交する幅方向の両側部が、前記電極より前記幅方向に突出し、前記電極の前記放電空間形成面以外の前記外面すなわち前記放電空間形成面とは反対側の面及び前記幅方向の両側面と、前記固体誘電体板の前記幅方向の両側部の前記放電空間に面する面とは反対側の面と、前記筐体の内面とによって電極外空間が形成され、
この電極外空間が窒素ガスにて満たされていることを特徴とする。
これによって、樹脂等の絶縁部材に依らなくても電極と筐体との間の絶縁性を高めることができ、異常放電の発生を防止できる。また、電極を外側から温調することもできる。

前記電極外空間には、窒素ガスの導入路と導出路が連ねられ、前記窒素ガスが前記電極外空間内を前記長手方向に流れることが望ましい。
これによって、プロセスガスが電極外空間に浸み込んできても窒素ガスと一緒に流通させて導出路から排出でき、電極外空間での異常放電を確実に防止できる。また、電極の外側からの温調効率を高めることができる。

前記電極外空間内の窒素ガス圧が、放電空間のガス圧より高いことが望ましい。
これによって、プロセスガスが電極外空間に浸み込んで来るのを確実に防止でき、異常放電を一層確実に防止することができる。

前記電極の内部に、該電極の温調のための電極内通路が形成され、この電極内通路に窒素ガスが通されることが望ましい。
これによって、電極を同じ媒体で内側と外側から温調できる。

前記電極が、前記放電空間形成面を有する金属製の板と、この板の放電空間形成面とは逆側の面に設けられた角パイプとを有し、この角パイプの内部が、前記電極内通路となっていることが望ましい。
これによって、温調用の内部通路を有する電極を簡単かつ低コストで製造することができる。

本発明は、略常圧（大気圧近傍）の圧力環境での常圧プラズマ処理に特に効果的である。ここで、略常圧とは、１．０１３×１０⁴〜５０．６６３×１０⁴Ｐａの範囲を言い、圧力調整の容易化や装置構成の簡便化を考慮すると、１．３３３×１０⁴〜１０．６６４×１０⁴Ｐａが好ましく、９．３３１×１０⁴〜１０．３９７×１０⁴Ｐａがより好ましい。

本発明によれば、電極と筐体との間の絶縁性を高めることができ、異常放電の発生を防止できるとともに、電極を外側から温調することも可能になる。

以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、常圧プラズマ処理装置Ｍは、左右２つ（複数）の処理ヘッド１０Ｌ，１０Ｒ（プラズマ処理部）を有している。これら処理ヘッド１０Ｌ，１０Ｒの間には、狭い隙間１１が形成されている。隙間１１の厚さは、例えば１ｍｍ程度である。この隙間１１の上端部にプロセスガス源２が接続されている。隙間１１は、プロセスガスの導入路として提供されている。プロセスガスは、処理内容に応じたガス種が用いられる。例えば、エッチング処理では、ＣＦ_４等のフッ素系ガスを主成分とし、これに微量の水等を添加した混合ガス等が用いられる。

２つの処理ヘッド１０Ｌ，１０Ｒの下方には、処理すべき基板Ｗが配置されるようになっている。これによって、処理ヘッド１０Ｌ，１０Ｒと基板Ｗとの間に、中央部から左右方向へ向かう処理通路１２が形成されるようになっている。処理通路１２の厚さ（ワーキングディスタンス）は、例えば１ｍｍ〜２ｍｍである。
基板Ｗまたはそれを設置するステージ（図示せず）は、電気的に接地され、後記印加電極３０に対する接地電極となる。

２つの処理ヘッド１０Ｌ，１０Ｒは、左右対称状をなしている。以下、特に断らない限り、左側の処理ヘッド１０Ｌについて説明する。
図１及び図２に示すように、処理ヘッド１０Ｌは、処理ヘッド本体としての筐体２０と、この筐体２０の内部に収容された電極３０とを備え、前後方向（図１の紙面と直交する方向、図２の左右方向）に長く延びている。

筐体２０は、図示しない架台に支持された筐体本体２１と、この筐体本体２１の内周面に設けられた内張り部材４０とを有している。
筐体本体２１は、左右の壁２２と、前後の壁２３と、上板２５とを有し、底部が開放されている。この筐体本体２１の各構成部材２２，２３，２５は、ステンレス等の金属にて構成されている。筐体本体２１の左右方向の外幅は、例えば１００ｍ程度であり、前後方向の長さは、例えば２ｍ以上である。

内張り部材４０は、筐体本体２１の左右の壁２２の内側面に設けられた内壁部４２と、前後の壁２３の内側面に設けられた内壁部４３，４４と、上板２５の下面に設けられた天井部４５とを含んでいる。この内壁部材４０の各構成部材４２，４３，４４，４５は、樹脂などの絶縁性の材料にて構成されている。

筐体本体２１の下部には、アルミナや石英等のセラミックからなる固体誘電体の板５０が設けられている。固体誘電体板５０は、前後方向に長く延びる薄い平板状をなしており、その厚さは、例えば２ｍｍ程度であり、幅は、例えば６０ｍｍ程度であり、長さは、上記筐体２０とほぼ同じで２ｍ以上に及んでいる。この固体誘電体板５０によって筐体本体２１の底部が塞がれている。

固体誘電体板５０は、次のようにして支持されている。
図１に示すように、固体誘電体板５０の幅方向の両端面は、下向きの斜面になっている。一方、筐体本体２１の左右の壁２２の下端部には、一対の板支持部材６１，６２がボルト締めにて固定されている。これら板支持部材６１，６２の下端部には、互いに向き合う方向に突出する板支持部６１ａ，６２ａがそれぞれ設けられている。板支持部６１ａ，６２ａの端面は、上向きの斜面になっている。これら板支持部６１ａ，６２ａの上向き斜端面（板支持面）の上に、固体誘電体板５０の下向き斜端面がそれぞれ当接されている。これによって、固体誘電体板５０が、両側の板支持部材６１，６２間に架け渡されるようにして支持されている。この支持状態で、固体誘電体板５０が長手方向に変位可能になっている。固体誘電体板５０の前端部又は後端部と筐体２０の内壁部４３又は４４との間には変位を許容するクリアランスが形成されている。

固体誘電体板５０の上面の左右両側部は、筐体本体２１の左右の壁２２の下端面に当接されている。図示は省略するが、この固体誘電体５０と壁２２の下端面の間には、シール部材（図示せず）が介在されている。

処理ヘッド１０Ｌの右側すなわち処理通路１２の上流部分の板支持部材６１は、筐体本体２１と同じ金属（例えばステンレス）にて構成されている。処理ヘッド１０Ｌの左側すなわち処理通路１２の下流部分の板支持部材６２は、樹脂にて構成されている。この板支持部材６２を構成する樹脂材料は、オゾンやＨＦ系ガス等の腐食性物質に対する耐腐食性の良好なものが望ましい。そのような樹脂として、テフロン（登録商標）系の樹脂が好適であり、ＰＶＤＦ（ポリ弗化ビニリデン）がより好適である。ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）も好適である。樹脂製の板支持部材６２は、金属製の板支持部材６１より軟質であることは勿論、セラミック製の固体誘電体板５０よりも軟質になっている。

金属製の板支持部材６１の下面は、固体誘電体板５０の右側部及び基板Ｗと協働して、処理通路１２における後記放電空間１２ａより上流側の空間１２ｂを画成している。
耐腐食性樹脂製の板支持部材６２の下面は、固体誘電体板５０の左側部及び基板Ｗと協働して、処理通路１２における後記放電空間１２ａより下流側の空間１２ｃを画成している。

次に、処理ヘッド１０Ｌ内の電極３０について説明する。
図１及び図２に示すように、電極３０は、アルミ等の金属にて構成され、断面四角形状をなして前後に長く延びている。この電極３０の長さは、約２ｍである。電極３０の上部には、リブ３３が設けられている。リブ３３の電極３０への固定手段は、ボルト（図示せず）等が用いられている。リブ３３は、電極３０と同方向に延び、電極３０を補強し撓みを防止している。リブ３３は、電極３０と同じ金属（ステンレス等）にて構成され、電極３０と電気的に一体になっている。図示は省略するが、リブ３３に給電ピンが突出され、この給電ピンから給電線が延び、電源に接続されている。これによって、電極３０への給電がなされるようになっている。この給電によって、電極３０とその下方の接地電極としての基板Ｗ等との間（処理通路１２の中央部分１２ａ）に常圧グロー放電プラズマが立ち、処理通路１２の中央部分１２ａが放電空間となるようになっている。電極３０の下面は、「放電空間形成面」となる。

電極３０（リブ３３を含む）の単位長さあたりの重さは、例えば３０〜６０ｇ／ｃｍである。この電極３０が、筐体２０内に収容されるとともに、固体誘電体板５０の上に非固定状態で単に載置されている。これにより、電極３０（リブ３３を含む）の全自重が、固体誘電体板５０に掛かっている。この電極３０の自重による押し当て力により、電極３０の平らな下面の全体が、固体誘電体板５０の平らな上面にぴったり押し当てられている。２ｍｍ厚のセラミック製の固体誘電体板５０は、この電極荷重に十分耐え得る強度を有している。

電極３０の前端部は、筐体２０の前側の内壁部４３で位置決めされている。一方、電極３０の後端部と筐体２０の後側の内壁部４４との間にはクリアランスが形成されている。これによって、電極３０は、長手方向にフリーになっている。

筐体２０の天井部４５には、絶縁樹脂からなる電極規制部材４６が垂設されている。電極規制部材４６の下面には、左右一対の電極規制部４６ａが下に突出するように設けられている。これら左右の電極規制部４６ａの間に、リブ３３の上端部が差し入れられている。これら電極規制部４６ａとリブ３３との間には、ある程度（例えば０．５ｍｍ程度）の遊びが設けられている。左右の電極規制部４６ａは、この遊びを許容しつつ、電極３０の左右方向の位置を規制している。

電極３０の内部には、２条の通路３１，３２が形成されている。これら電極内通路３１，３２は、互いに左右に並べられ、電極３０の全長にわたって前後に延びている。一方の電極内通路３１の前側（図２において左側）の端部は、前側の内壁部４３と上板２５に形成された窒素導入路７１ａ及び窒素導入コネクタ７１ｃを介して、窒素供給管７１に接続されている。窒素供給管７１は、図示しない窒素ガス源に接続されている。窒素ガス源には、実質的に純正（不可避的不純物を含む）の窒素ガスが圧縮されて蓄えられている。電極内通路３１の後側の端部は、後側の内壁部４４に形成された連通路４４ａを介して、もう１つの電極内通路３２の後側の端部に連なっている。この電極内通路３２の前側の端部は、前側の内壁部４３と上板２５に形成された窒素導出路７２ａ及び窒素導出コネクタ７２ｃを介して、窒素回収路７２に接続されている。

筐体２０の内張り部材４０と電極３０との間には、２つの電極外空間１３，１４が画成されている。２つの電極外空間１３，１４は、電極３０（リブ３３を含む）及び電極規制部材４６を挟んで左右両側に分かれている。一方の電極外空間１３の前側の端部は、前側の内壁部４３と上板２５に形成された窒素導入路７３ａ及び窒素導入コネクタ７３ｃを介して、窒素供給管７３に接続されている。窒素供給管７３は、上記窒素ガス源に接続されている。電極外空間１３の後側の端部は、後側の内壁部４４に形成された連通路４４ｂを介して、もう１つの電極外空間１４の後側の端部に連なっている。この電極外空間１４の前側の端部は、前側の内壁部４３と上板２５に形成された窒素導出路７４ａ及び窒素導出コネクタ７４ｃを介して、窒素回収路７４に接続されている。

上記構成のプラズマ処理装置Ｍによって基板Ｗをプラズマ処理する際は、処理ヘッド１０Ｌ，１０Ｒの下方に基板Ｗを配置するとともに、プロセスガス源２のＣＦ_４等を含むプロセスガスをガス導入路１１に送り込む。このプロセスガスは、ガス導入路１１を通って左右の処理通路１２に分流し、該処理通路１２の上流側部分１２ｂを経て、中央部分１２ａへ入ってくる。併行して、電源から電極３０に電圧供給する。これにより、処理通路１２の中央部分１２ａが、常圧のプラズマ放電空間になり、プロセスガスをプラズマ化できる。このプラズマ化されたプロセスガスが基板Ｗの表面に当たることにより、エッチング等のプラズマ処理を常圧下で行なうことができる。

この処理反応によってオゾンやＨＦ系ガス等の腐食性物質が発生する。この腐食性物質を含む処理済みのガスは、放電空間１２ａより下流側の通路空間１２ｃを通り、図示しない排気系によって排気される。ここで、下流側の通路空間１２ｃを画成する板支持部材６２は、耐腐食性であるので、上記腐食性物質に曝されても腐食を来たさないようにすることができる。これによって、コンタミネーションの発生を防止することができる。

電極３０は、上記の放電によって熱を持ち、主に長手方向に膨張しようとする。この電極３０は、長手方向にフリーになっており、長手方向に自由熱膨張できるので、内部に筐体２０の拘束による熱応力が発生することがない。同様に、固体誘電体板５０も、長手方向に自由熱膨張でき、筐体２０による熱応力が生じることがない。しかも、電極３０が固体誘電体板５０の上に非固定状態で単に載せられているだけであるので、電極３０と固体誘電体板５０は互いに独立して熱膨張でき、互いの熱膨張差による熱応力を及ぼし合うことがない。したがって、電極３０は、長手方向にまっすぐ伸び変形するだけで撓み変形を来たすことがなく、固体誘電体板５０も撓まないようにすることができる。しかも、電極３０が自重で固体誘電体板５０にのし掛かっているので、電極３０の下面と固体誘電体板５０の上面との接触状態を常に維持することができる。これによって、電極３０と固体誘電体板５０の間に隙間が形成されるのを確実に防止することができる。この結果、電極３０と固体誘電体板５０の間にアーキングが発生するのを防止することができる。

上述のように、固体誘電体板５０は、電極３０との熱膨張差による熱応力を受けることがないのに加えて、左右両端部の支持機構と前後端面のクリアランスによって長手方向の変位を許容されているので、筐体２０等の拘束による熱応力を受けることもない。これによって、固体誘電体板５０が熱応力で割れるのを防止することができる。

上記プロセスガスの流通と併行して、上記窒素ガス源の純正窒素ガスを流通させる。この窒素ガスの一部は、窒素供給管７１、窒素導入コネクタ７１ｃ、窒素導入路７１ａを順次経て、電極３０内の一方の通路３１の前端部に導入される。そして、電極内通路３１を前端部から後端部へ流れる。次いで、連通路４４ａを経て、他方の電極内通路３２を後端部から前端部へ流れる。そして、窒素導出路７２ａから窒素導出コネクタ７２ｃを経て、窒素回収路７２へ送出される。これによって、電極３０を内部から冷却・温調することができる。しかも、電極３０の長手方向に沿って窒素が往復することになるので、電極３０の全体を偏り無く均一に冷却・温調でき、温度分布が形成されるのを防止できる。冷媒（温調媒体）として窒素を用いているので、漏電等を起こす心配が無い。

更に、上記窒素ガス源の窒素ガスの他の一部は、窒素供給管７３、窒素導入コネクタ７３ｃ、窒素導入路７３ａを順次経て、電極３０の外側の通路１３の前端部に導入される。そして、電極外通路１３を前端部から後端部へ流れる。次いで、連通路４４ｂを経て、他方の電極外通路１４を後端部から前端部へ流れる。そして、窒素導出路７４ａから窒素導出コネクタ７４ｃを経て、窒素回収路７４へ送出される。これによって、電極３０を外側からも冷却・温調することができる。しかも、内部と同様に偏り無く均一に冷却・温調できる。これによって、電極３０の冷却・温調効率を向上できるとともに、電極３０の長さ方向は勿論、厚さ方向にも温度分布が形成されるのを防止することができる。

金属製の筐体本体２１の内側には樹脂製の内張り部材４０が設けられているだけでなく、この内張り部材４０と電極３０との間に電極外空間１３，１４が形成されているので、電極３０と筐体本体２１との絶縁を確保することができる。加えて、空間１３，１４内は、純正の窒素ガスで満たされるようになっているので、絶縁性を一層高めることができる。これによって、電極３０と筐体本体２１の間で異常放電が起きるのを確実に防止することができる。
更には、電極３０と固体誘電体板５０の間に、万が一、隙間が形成されたとしても、そこに窒素ガスが入り込むことになって、アーキングの発生を防止することができる。

しかも、上記窒素ガスに圧を与えることによって、電極外空間１３，１４をプロセスガス導入路１１及び処理通路１２より高圧にでき、プロセスガスが電極外空間１３，１４内に浸み込むのを確実に防止できる。これによって、電極３０と筐体本体２１の間の絶縁性を確実に維持でき、異常放電を一層確実に防止することができる。更に、窒素ガスは、上述した通り、一方の電極外空間１３を往路とし、他方の電極外空間１４を復路として流通しているので、たとえプロセスガスが電極外空間１３，１４内に浸み込んで来たとしても、上記の窒素ガスと一緒に速やかに排出することができる。これによって、電極３０と筐体本体２１の間の絶縁性を一層確実に維持でき、異常放電をより一層確実に防止することができる。

筐体本体２１は、金属にて構成され、断面門型をなしているので、撓みに対する剛性を確実に発揮することができ、長尺化が可能となる。
固体誘電体板５０は、平板状であり、形状が単純であるので、製造が容易であり、２ｍ以上にわたる長尺寸法にも容易に対応することができる。
固体誘電体板５０の下向き斜面をなす一端部に対する支持部材６１は、金属にて構成される一方、他端部に対する支持部材６２は、樹脂にて構成されているので、固体誘電体板５０や支持部材６１，６２等の寸法誤差があっても、固体誘電体板５０の下向き斜面部に無理な力が掛からないようにすることができる。これによって、セラミック製の固体誘電体板５０を装置Ｍに組み付け等する際、その下向き斜面部が破損するのを防止することができる。

図３は、電極の他の態様を示したものである。
この電極８０は、断面四角形状をなす２本の金属製角パイプ８１，８２を平行に並べ、これら角パイプ８１，８２を金属製平板８３，８４にて上下から挟むことによって構成され、前後方向に長く延びている。上側の平板８３の上面には、金属製リブ８５が長手方向に沿って設けられている。この電極８０が、固体誘電体板５０（図示省略）上に単に載置され、下側の平板８４の放電空間形成面としての下面が、固体誘電体板５０の上面に当接される。

角パイプ８１，８２は、市販のものを使用することができる。角パイプ８１，８２の内部空間は、窒素ガスを通す電極内通路として提供される。したがって、前述した実施形態の電極３０のように、２ｍに及ぶ電極内通路をざぐり加工等で開穿する必要がなく、コストの低廉化を図ることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をなすことができる。
筐体本体２１における処理通路１２の下流側の外側面に、テフロン（登録商標）等からなる耐腐食性のコーティングを施すことにしてもよい。
セラミック製の固体誘電体５０の破損を防止するとの観点からは、処理通路１２の下流側の板支持部材６２を金属にする一方、上流側の板支持部材６１を固体誘電体５０より軟質の樹脂等で構成してもよく、２つの部材６１，６２を共に固体誘電体５０より軟質の樹脂等で構成してもよい。
金属製の板支持部材６１は、筐体本体２１と一体になっていてもよい。
本発明は、上記実施形態のように基板を放電空間内に配置する所謂ダイレクト式のプラズマ処理に限られず、基板を放電空間の外部に配置し、これに向けてプラズマガスを吹付ける所謂リモート式のプラズマ処理にも適用できる。
本発明は、エッチング、成膜、表面改質等の種々のプラズマ処理に適用でき、常圧プロセスに限らず、減圧プロセスにも適用できる。

本発明は、例えば半導体製造における基板のプラズマ表面処理に利用可能である。

本発明の一実施形態に係る常圧プラズマ処理装置を示し、図２のI−I線に沿う正面断面図である。 図１のII−II線に沿う上記常圧プラズマ処理装置の側面断面図である。 上記常圧プラズマ処理装置の電極の変形態様を示す斜視図である。

符号の説明

Ｍ プラズマ処理装置Ｍ
Ｗ 基板
１０Ｌ，１０Ｒ 処理ヘッド（プラズマ処理部）
１１ プロセスガス導入路
１２ 処理通路
１２ａ 放電空間
１２ｂ 処理通路における放電空間の上流側に連なる空間
１２ｃ 処理通路における放電空間の下流側に連なる空間
１３，１４ 電極外空間
２０ 筐体
３０ 電極
３１，３２ 電極内通路
４６ａ 電極規制部
５０ 固体誘電体板
６１ 上流側の金属製板支持部材（上流部材）
６１ａ 上流側の板支持部
６２ 下流側の樹脂製板支持部材（下流部材）
６２ａ 下流側の板支持部
７３ａ 窒素導入路
７４ａ 窒素導出路

Claims (5)

1. プロセスガスを放電空間に導入してプラズマ処理を行なうプラズマ処理装置であって、
   長手方向に沿う外面のうち前記放電空間を形成すべき面に固体誘電体板が設けられた電極と、
   前記固体誘電体板の前記放電空間に面する面を露出させるようにして前記電極を囲んで収容する筐体と、を備え、
   前記固体誘電体板の前記長手方向と直交する幅方向の両側部が、前記電極より前記幅方向に突出し、前記電極の前記放電空間形成面以外の前記外面すなわち前記放電空間形成面とは反対側の面及び前記幅方向の両側面と、前記固体誘電体板の前記幅方向の両側部の前記放電空間に面する面とは反対側の面と、前記筐体の内面とによって電極外空間が形成され、
   この電極外空間が窒素ガスにて満たされていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記電極外空間には、窒素ガスの導入路と導出路が連ねられ、前記窒素ガスが前記電極外空間内を前記長手方向に流れることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記電極外空間内の窒素ガス圧が、放電空間のガス圧より高いことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記電極の内部に、該電極の温調のための電極内通路が形成され、この電極内通路に窒素ガスが通されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記電極が、前記放電空間形成面を有する金属製の板と、この板の放電空間形成面とは逆側の面に設けられた角パイプとを有し、この角パイプの内部が、前記電極内通路となっていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。

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