JP4793662B2 - マイクロ波プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
(1)外部磁界の印加が不要なこと。
(2)マイクロ波(2.45 GHz)を利用し、マグネトロンが安価であり、インピーダンスマッチングが容易で、プラズマを発生させるために必要な電極が不要であり、いわゆる無電極運転が可能なこと。
(3)表面波によりプラズマを発生・維持するため、均一性が高い大面積のプラズマ発生が可能であり、低圧力(<1Torr(1Torr=133Pa))においても高密度(〜1012cm−3)プラズマが得られること。
図14は、導波管の管軸方向に沿って切断したプラズマ処理装置の概要を示す図であり、図15は、図14上のA−Aに沿って切断した同プラズマ処理装置の断面図である。
結合孔はマイクロ波電力をプラズマ処理室16内に放射させる円形の放射孔として形成してあり、図14に示したように、導波管20の管軸方向に3つの結合孔21a、21b、21cが等間隔に形成してある。そして、これらの結合孔21a、21b、21cは、マイクロ波電力の供給側から導波管20の先端側に向かって順次直径を大きくした円形孔としてある。
なお、図14では導波管20とその結合孔21a、21b、21cのみを示しているが、導波管30には結合孔31a、31b、31c(結合孔31a、31cは図示省略)が、導波管40には結合孔41a、41b、41c(結合孔41a、41cは図示省略)が同様に設けてある。
一方、プラズマ発生室16の上壁には結合孔各々に連通させる円形孔又は角形孔を形成し、この円形孔各々の孔縁に誘電体窓(石英板、アルミナ板など)を装着し、プラズマ発生室16と大気とを遮断する誘電体窓50として構成としてある。
なお、金属材の放電容器12内には、基板13を設置する基板ステージ10と、処理室16内を所要の真空度に設定するガス排気口15と、所要の反応ガスを供給するためのガス導入口14とが設置されている。
(理由1)誘電体窓50の熱は自然冷却により放熱されているので、マイクロ波電力が強くなると、プラズマ処理室16に発生したプラズマからの熱により誘電体窓50の温度が上昇するため、誘電体窓50が熱破壊する。
(理由2)従来の結合孔の形状が円形又は角形であるため、マイクロ波電力が結合孔の真下に強く集中し、誘電体窓50が局所的に加熱されて熱損傷する。
(理由3)マイクロ波電力が強くなると、結合孔内に異常放電(アーク放電)が発生して結合孔縁に装着している誘電体窓50に局所的に熱損傷を与えるため、結果的に誘電体窓50が破壊に至る。
(理由4)導波管20、30、40と放電容器12の熱は水冷等により放熱されている。したがって、誘電体窓50において、導波管20、30、40と放電容器12と接している部分はよく放熱されて温度が低いが、結合孔の真下にある誘電体の部分はマイクロ波の集中により温度が高い。そのため、誘電体窓50に大きい温度勾配が発生し、誘電体窓50が熱破壊する。
このようなプラズマ装置において、このような空気の導入によって、空気自身による冷却および断面積の小さい隙間への空気の流れにより誘電体窓から隙間の周りの金属壁への熱伝達が増加されるためプラズマの発生に伴って加熱された誘電体窓を効果的に冷却することができ、前記(理由1)と(理由4)による問題はある程度解決できる。
しかしながら、大電力運転、かつ長時間運転においては、誘電体窓を冷却してもマイクロ波電力や熱の局所的な集中により、誘電体窓の温度勾配が大きくなり、誘電体窓が割れることがあった。
マイクロ波プラズマ処理装置を大電力で、かつ長時間運転すると、マイクロ波電力により強くプラズマが発生する部分の近傍に位置する誘電体窓が急激に著しく加熱されるため、図16に示すようなマイクロ波結合孔ごとに設けられた従来の誘電体窓では、全体的に高温になるばかりでなく、局所的に非常に高温になってしまう。その結果、誘電体窓内での温度勾配が大きくなり、熱応力が発生して誘電体窓が破壊する。
[1]マイクロ波電力を供給して処理室にプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置であって、
マイクロ波電力を供給するための導波管と、
前記導波管の下面に、管軸方向に沿って前記導波管内に形成されるマイクロ波の定在波の半波長の間隔で配設された複数個のマイクロ波結合孔と、
該マイクロ波結合孔の下方に配設された1枚板からなるマイクロ波が透過可能な誘電体窓と、
該誘電体窓を冷却するための冷却手段と、
を備えており、
前記複数個のマイクロ波結合孔の各々は、二つ以上の複数の孔に分けて構成され、中央部に島状の遮蔽物を有する環状形状を備え、その中心が前記定在波の電界値がピーク値になるところに配置されていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
[2]前記導波管が、平行に配設された複数個の導波管からなり、前記誘電体窓は、該複数個の導波管の各々に対して設けられていることを特徴とする[1]に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
[3]前記複数個のマイクロ波結合孔は、各々の環状形状の外径及び/又は内径を制御することにより、処理装置内のプラズマ密度の一様性を高めるように調整されていることを特徴とする[1]又は[2]に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
[4]前記冷却手段は、前記複数個のマイクロ波結合孔と前記誘電体窓との間に隙間を形成して該隙間に冷却ガスを流すものであることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
[5]前記冷却ガスを前記導波管内に供給する手段を備え、該導波管内に導入された冷却ガスの少なくとも一部は前記マイクロ波結合孔を通って前記隙間に供給されることを特徴とする[4]に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
[6]前記導波管の上面に冷却ガス供給口が設けられていることを特徴とする[5]に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
[7]前記導波管の上面の、一端に冷却ガス供給口が設けられ、他端に冷却ガス排気口が設けられていることを特徴とする[5]に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
図1は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の一つの実施形態を模式的に示すものであって、導波管の管軸方向に沿って切った装置の断面図である。図2は、図1に示すマイクロ波プラズマ処理装置70を、上面から見た場合の導波管の配置と結合孔の位置を示す図である。図中、10は基板ステージ、12は放電容器、13は基板、14はガス導入口、15はガス排気口、16は処理室、20は導波管、71a〜71eはマイクロ波結合孔、72は矩形誘電体窓、73はファンモータ、75は冷却ガス供給孔、76は冷却ガス排気孔、77は隙間、を示している。
以下、図1、2に示す装置及びその機能等について詳述する。
マイクロ波電源から導波管20に導入されたマイクロ波は導波管20の端で反射され、導波管20内に定在波を形成する。そのマイクロ波は導波管20の下面に設けられているマイクロ波結合孔71a、71b、71c、71d、71eと隙間77と誘電体窓72を通って放電容器12内に導入され、誘電体窓72の近傍にプラズマを生成する。生成したプラズマは表面波の伝搬と共に誘電体窓72の全面に広がる。このような原理で、各々の誘電体窓には均一な密度分布を持ったプラズマが生成する。
誘電体窓の近傍に発生したプラズマは拡散して処理室16全体に広がり、基板13の上面に密度の高い均一性と高密度、かつ大面積のプラズマが供給される。
本発明の特徴の1つとして、導波管の管軸方向に沿って設けられた複数の結合孔に対して1枚の誘電体窓72を用いる。
これにより、導波管20の管軸方向、すなわち、誘電体窓72の管軸方向の温度勾配を緩和することができた。さらに、この構造では誘電体窓72と結合孔71との間に設けた隙間77に冷却ガスの流れが良くなり、誘電体窓の放熱が容易であり、冷却効率を向上することができた。その結果、誘電体窓72の熱破損を著しく緩和することに成功した。
さらに、これにより、従来(特許文献1)の導波管の管軸方向に対する各々の誘電体窓と誘電体窓との間の金属枠によるプラズマ密度の不均一性の問題が改善された。すなわち、表面波がプラズマ内の誘電体窓の境界を沿って誘電体窓の全面に広がることにより、プラズマ密度の均一性が高くなった。
本発明の他の特徴は、マイクロ波結合孔として、環状形状をした結合孔を用いる点にある。
図3は、本発明における環状形状を模型的に示した図である。該図に示すように、本発明において、環状形状における該「環」の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、円形又は楕円であっても、或いは正方又は長方のいずれかの矩形に近いものであってもよく、要は、中央部分に何らかの島状の遮蔽物を有するものであればよい。
なお、完全な環状、言い換えれば島を形成するのは、製造上困難であるので、実際には、該結合孔の形状は、二つ以上の複数の孔に分けて製造される。具体的な1例として、図4に四つの孔に分けて構成したマイクロ波結合孔を示す。
例えば、リング形結合孔71a、71b、71c、71d、71eは、導波管20内に形成されたマイクロ波の定在波の半波長の間隔で配設されている。すなわち、各々の結合孔のリングの中心を定在波の電界値がピーク値になるところに配置させ、リング形結合孔が導波管の下面に流れる表面電流を垂直方向で切るように構成される。
表1におけるマイクロ波結合孔の組合せタイプIないしVIの模型図を、それぞれ図5ないし図10に示す。
ファンモータ73により冷却ガス供給孔75を通って導波管20内に供給された冷却ガスは、一部は導波管20内を、一部は結合孔を通って隙間77に導入されて隙間77内を導波管20の管軸方向に流れ、排気用のファンモータにより冷却ガス排気孔76を通って外部に排気される。
これにより、導波管20内部と誘電体窓72の熱が強制的に冷却でき、高電力の運転においても誘電体窓の熱破壊を防止することができる。ここで、冷却ガスとしては空気、窒素、ネオンなどが使える。また、導波管内部に冷却ガスを吹き入れる機構としてファンモータの代わりにエアーコンプレッサー等が使える。
なお、以下に示す本実施例では隙間77の高さは2mmとしているが、冷却ガスの流れとマイクロ波の電界モードを考慮して適当な値で決めるのが望ましい。
図11はマイクロ波プラズマ処理装置80を導波管の管軸方向に沿って切った装置の断面図であり、図12は、図11に示すマイクロ波プラズマ処理装置80を上面から見た場合の導波管の配置と結合孔の位置を示す図である。
図中、10は基板ステージ、13は基板、14はガス導入口、15はガス排気口、16は処理室、20は導波管、22は放電容器、73はファンモータ、75は冷却ガス供給孔、76は冷却ガス排気孔、87は隙間、81a〜81dは結合孔、82は円形誘電体窓、88は誘電体窓フタ、を示している。
(構成)
このマイクロ波プラズマ処理装置70は、上端が開口した金属製の矩形真空容器12 と、真空容器12の上端部に気密に取り付けられ、所定間隔で平行に配置されたマイクロ波が透過可能な四つの矩形誘電体窓(例えば石英、アルミナなど)72と、その上部に取り付けられたマイクロ波ランチャー(microwave launcher)として、所定間隔で平行に配置された四つの矩形導波管20と各々の矩形導波管20に対応してその下面に設けられたマイクロ波が透過可能な五つのリング形結合孔71a、71b、71c、71d、71eと、誘電体窓72とリング形結合孔71a、71b、71c、71d、71eとの間に設けられた隙間77と、を有する。ここで、四つの導波管の配置方向はマイクロ波導入口が同じ方向に向けるように配置してもいいが、図2に示すようにジグザグで配置することも良い。
(1)装置の構成に関する状況
結合孔の組合せタイプは前記表1に示している組合せタイプI、II、III、IVを用いてそれぞれプラズマの電子密度の空間分布を測定した。電子密度はダブルプローブ法を用いた。誘電体窓から10mmは離れたところの導波管の管軸方向に対する電子密度の水平分布を示している。
(2)実験条件
(a)ガス:水素
(b)圧力:8Pa
(c)マイクロ波ランチャー一つのみ運転。
(3)実験結果
測定結果を図13に示す。この結果から、各々結合孔の外径と内径の寸法を変えることにより、プラズマ密度の空間分布が制御できることが実現的に証明された。
(1)装置の構成に関する状況
本発明を適用した構成をしている。
ただし、誘電体窓と導波管下面との間に2mmの隙間を設けた、結合孔の組合せタイプは上記の組合せタイプIVを用いた。
(2)実験条件
(a)ガス:水素(90%)/メタン(5%)/二酸化炭素ガス(5%)
(b)圧力:9Pa
(c)基板:シリコンウェハー
(d)基板置く位置:誘電体窓から100mm離れたところ
(3)実験結果
本実験では、一つの導波管にマイクロ波電力5kWを印加し、すなわち、合計20kWを印加した状態で長時間(10時間以上)連続運転を行っても誘電体窓の熱損傷は見られなかった。実験結果、300mm×600mmの基板面積に一様なナノクリスタルダイヤモンド薄膜合成に成功した。さらに、従来、マイクロ波電力3kWで薄膜合成を行った場合、20nm/hourであった薄膜の成長レートが300nm/hourと著しく向上した。
12 放電容器
13 基板
14 ガス導入口
15 ガス排気口
16 処理室
20、30、40 導波管
21a、21b、21c、31b、41b 結合穴
50 誘電体窓
71a、71b、71c、71d、71e 結合孔
72 矩形誘電体窓
73 ファンモータ
75 冷却ガス供給孔
76 冷却ガス排気孔
77、87 隙間
81a、81b、81c、81d 結合孔
82 円形誘電体窓
88 誘電体窓フタ
Claims (7)
- マイクロ波電力を供給して処理室にプラズマを発生させるマイクロ波プラズマ処理装置であって、
マイクロ波電力を供給するための導波管と、
前記導波管の下面に、管軸方向に沿って前記導波管内に形成されるマイクロ波の定在波の半波長の間隔で配設された複数個のマイクロ波結合孔と、
該マイクロ波結合孔の下方に配設された1枚板からなるマイクロ波が透過可能な誘電体窓と、
該誘電体窓を冷却するための冷却手段と、
を備えており、
前記複数個のマイクロ波結合孔の各々は、二つ以上の複数の孔に分けて構成され、中央部に島状の遮蔽物を有する環状形状を備え、その中心が前記定在波の電界値がピーク値になるところに配置されていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 - 前記導波管が、平行に配設された複数個の導波管からなり、前記誘電体窓は、該複数個の導波管の各々に対して設けられていることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 前記複数個のマイクロ波結合孔は、各々の環状形状の外径及び/又は内径を制御することにより、処理装置内のプラズマ密度の一様性を高めるように調整されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 前記冷却手段は、前記複数個のマイクロ波結合孔と前記誘電体窓との間に隙間を形成して該隙間に冷却ガスを流すものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 前記冷却ガスを前記導波管内に供給する手段を備え、該導波管内に導入された冷却ガスの少なくとも一部は前記マイクロ波結合孔を通って前記隙間に供給されることを特徴とする請求項4に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 前記導波管の上面に冷却ガス供給口が設けられていることを特徴とする請求項5に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
- 前記導波管の上面の、一方端に冷却ガス供給口が設けられ、他端に冷却ガス排気口が設けられていることを特徴とする請求項5に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
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