特許 6030867 プラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6030867

(24)【登録日】2016年10月28日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20161114BHJP

【ＦＩ】

   H05H1/46 A

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-140903(P2012-140903)

(22)【出願日】2012年6月22日

(65)【公開番号】特開2013-30478(P2013-30478A)

(43)【公開日】2013年2月7日

【審査請求日】2015年5月27日

(31)【優先権主張番号】特願2011-140435(P2011-140435)

(32)【優先日】2011年6月24日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504209655

【氏名又は名称】国立大学法人佐賀大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000192567

【氏名又は名称】神港精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090310

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 正俊

(72)【発明者】

【氏名】大津 康徳

(72)【発明者】

【氏名】加々見 丈二

(72)【発明者】

【氏名】川下 安司

(72)【発明者】

【氏名】竹内 達也

【審査官】 林 靖

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／０６９２１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００９／１４０４１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開昭６０−００５１００（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００１−２７１１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０２１１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３４５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０３７６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１２２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０３５６９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｈ １／００−１／５４

Ｃ２３Ｃ １４／００−１４／５８

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

Ｈ０１Ｌ ２１／３０２

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｈ０１Ｌ ２１／４６１

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３６５

Ｈ０１Ｌ ２１／４６９

Ｈ０１Ｌ ２１／８６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部にプラズマ処理対象物が配置され、内部からガスを排気するための排気口と、内部に処理ガスを供給するための処理ガス供給口とを、有する処理チャンバと、
前記処理チャンバ内に配置され、前記処理対象物を向いて開口した溝を少なくとも１つ有するホローカソードと、
前記ホローカソードに高周波電力を供給する電力供給部とを、
具備し、前記処理ガス供給口は、前記処理対象物と前記ホローカソードとの間に位置し、前記溝は、その開口から、前記処理対象物から離れる方向に向かうに従って溝が数段階の異なる幅で形成されており、溝幅が広い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が低い状態で高密度プラズマが形成可能な様に、かつ前記溝幅が狭い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が高い状態で高密度プラズマが形成可能な様に設計されている
プラズマ処理装置。

【請求項2】

請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記溝は、テーパー状に形成されているプラズマ処理装置。

【請求項3】

請求項１記載のプラズマ処理装置において、前記溝は、複数段階の段を有するプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ処理装置に関し、特にホローカソードを使用したものに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ホローカソードを使用したプラズマ処理装置としては、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。特許文献１の技術では、処理室内に設けられたホローカソードは、高周波電力を処理室内に放射するための誘電体窓を有し、この誘電体窓の下面にシャワープレートが取り付けられている。シャワープレートには、複数個の孔が形成され、シャワープレートと誘電体窓との間に設けたガス流路を介してガスがホローカソードに供給される。なお、特許文献１には、多数の孔に代えて溝を形成することが可能である旨と、孔として縦断面形状がテーパー状であるものを使用可能である旨の記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−６８７１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の技術は、ホローカソード放電によって電子の閉じ込め効果を得て、高密度プラズマを生成しようとするものであるが、処理室内でのガスの圧力とプラズマ密度との関係についての言及はない。

【0005】

本発明は、低い圧力から高い圧力までの広範囲のガス圧において、プラズマの高密度化を図ることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様のプラズマ処理装置は、処理チャンバを有している。処理チャンバの内部にはプラズマ処理対象物が配置されている。処理チャンバの内部からガスを排気するための排気口と、処理チャンバの内部に処理ガスを供給するための処理ガス供給口とが、処理チャンバに設けられている。前記処理チャンバ内にホローカソードが配置されている。ホローカソードは、前記処理対象物を向いて開口した溝を少なくとも１つ有している。電力供給部が前記ホローカソードに高周波電力を供給する。前記処理ガス供給口は、前記処理対象物と前記ホローカソードとの間に位置している。前記溝は、その開口から、前記被処理対象物から離れる方向に向かうに従って溝幅が連続的若しくは不連続的な数種類の幅を持って形成されている。前記溝幅の広い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が低い状態で高密度プラズマが形成され、前記溝幅の狭い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が高い状態で高密度プラズマが形成されている。

【0007】

このように構成されたプラズマ処理装置では、ホローカソードの溝幅の広い部分では、電子の平均自由行程が長くなる処理ガスの圧力が低い状態において、電子がトラップし、電子が高エネルギーを得て、ガス粒子と衝突するようになるので、プラズマの高密度化が可能である。また、溝幅の狭い部分では、電子の平均自由行程が短くなる処理ガスの圧力が高い状態において、電子がトラップし、電子が高エネルギーを得て、ガス粒子と衝突するようになるので、プラズマの高密度化が可能である。

【0008】

前記溝は、テーパー状に形成することもできるし、複数段階の段を有する段差型に形成することもできる。

【発明の効果】

【0009】

以上のように、本発明では、ホローカソードに形成した溝の形状を上述したように選択してあるので、ガス圧が低い状態から高い状態のいずれの状態においても、生成されるプラズマの高密度化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１の実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。

【図2】図１のプラズマ処理装置で使用するホローカソードの平面図と縦断面図である。

【図3】本発明の第２の実施形態で使用するホローカソードの平面図と縦断面図である。

【図4】従来のホローカソードの平面図と縦断面図である。

【図5】第１及び第２の実施形態並びに従来のプラズマ処理装置におけるプラズマ密度とガス圧との関係を示す図である。

【図6】平均自由行程とガス圧との関係を示す図である。

【図7】電子温度とガス圧との関係を示す図である。

【図8】第３乃至第５の実施形態で使用されるホローカソードの部分省略縦断面図である。

【図9】第２乃至第５の実施形態及び従来のプラズマ処理装置におけるプラズマ密度とガス圧との関係を示す図である。

【図10】図１のプラズマ処理装置で使用するホローカソードの他の例の平面図と縦断面図である。

【図11】図１０のホローカソード、第２の実施形態のホローカソード及び図４の従来のホローカソード及び平板型のカソードとにおけるプラズマ密度及び圧力の関係を示す図である。

【図12】図１１のプラズマ密度及び圧力の関係を測定した図１０のホローカソード、第２の実施形態のホローカソード及び図４の従来のホローカソード及び平板型のカソードの各部の寸法を示す図である。

【図13】逆テーパー型のホローカソードにおけるプラズマ密度と圧力との関係を示す図である。

【図14】逆テーパー型のホローカソードの平面図及び縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の第１実施形態のプラズマ処理装置は、図１に示すように、処理チャンバ２を有している。処理チャンバ２は、例えば金属製で、内部に被処理物４を支持する支持台６を有している。この支持台６と対向するようにホローカソード８が配置されている。ホローカソード８の詳細は後述するが、周囲にはシールドが設けられている。このホローカソード８は、電力供給部、例えばブロッキングキャパシタ１０及び整合器１２を介して高周波電力源、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源１４の一端に接続されている。この高周波電源１４の他端は、基準電位、例えば接地電位に接続され、処理チャンバ２も接地電位に接続されている。

【0012】

処理チャンバ２には、内部を排気するための真空ポンプ（図示せず）に接続するための排気部１６が形成されている。また、処理チャンバ２には、内部に処理ガス、例えば不活性ガス、具体的にはアルゴンガスを供給するためのアルゴンガス源（図示せず）に接続する処理ガス供給部１８も形成されている。排気部１６及びアルゴンガス供給部１８は、処理チャンバ２の周面に配置され、処理ガス供給部１８はホローカソード８と支持台６との間に位置している。

【0013】

ホローカソード８は、図２（ａ）に示すように、例えば円板状に形成され、被処理物４を向いた面に開口した環状の溝２０を有している。この溝２０は、図２（ｂ）に示すように、被処理物４から離れる方向（図２（ｂ）において下方向）に溝底を有し、開口からこの溝底に向かうに従って溝幅が徐々に小さくなっているテーパー型のものである。なお、ホローカソード８の各部の寸法の一例を図２（ａ）、（ｂ）に示す。

【0014】

また、本発明の第２の実施形態のプラズマ処理装置は、ホローカソード８ａの溝２０ａの形状が異なる以外、第１の実施形態のプラズマ処理装置と同様に構成されている。同一部分には、同一符号を付して、説明を省略する。溝２０ａは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、２段に構成された段差型のもので、１段目は、溝幅が開口から一定の幅で被処理物４から離れる方向に１段目の底まで進行している。２段目は、１段目の底の中央において、溝幅が前記１段目の溝幅よりも小さく、その小さい幅を維持したまま更に被処理物４から離れる方向に２段目の底まで進行している。ホローカソード８ａの各部の寸法の一例を図３（ａ）、（ｂ）に示す。

【0015】

第１及び第２の実施形態のプラズマ処理装置でのプラズマ処理では、支持台６上に被処理物４を配置した状態において、真空ポンプによって処理チャンバ２内を排気して、真空状態とする。次に、アルゴンガスを処理チャンバ２内に供給し、高周波電源１４を動作させることによって、プラズマを発生させ、このプラズマを被処理物４に導入することによって、被処理物４をプラズマ処理する。

【0016】

両実施形態のプラズマ処理装置では、ホローカソード８、８ａを使用しているので、高密度プラズマを生成することができる。即ち、ホローカソード８、８ａにイオンが衝突し、ホローカソード８、８ａから電子が放出される。電子はイオンよりも質量が軽く、移動速度が速いためホローカソード８、８ａは負に帯電する。負に帯電したホローカソード８、８ａにイオンが引きつけられ、イオンシース領域が溝２０、２０ａを含む領域に形成される。イオンの衝突により、ホローカソード８、８ａの一方の溝壁から放出された電子は、イオンシース領域で加速され、ホローカソード８、８ａの反対側の溝壁に移動し、ホローカソード８、８ａが負に帯電しているので、ホローカソード８、８ａのイオンシース領域で反射される。電子は、このような静電的な閉じ込めに寄り、ホローカソード８、８ａの溝内を往復運動しながら、イオンシースによって加速される。この結果、高エネルギー電子が閉じ込められ、電離確率が増加し、高密度プラズマが形成される。

【0017】

ホローカソード８、８ａの溝の形状を、溝２０、２０ａのように溝幅を深さ方向に変化させることによって、低いガス圧から高いガス圧の広範囲のガス圧範囲で高密度のプラズマを発生させることができる。

【0018】

ガス圧が高い範囲では、平均自由行程は短くなり、電子の移動距離が短くなる。図４に示す井戸型の溝２０ｂでは、平均自由行程に対して溝幅が広すぎて、電子が溝内でトラップされる前にガス粒子と衝突するため、高密度のプラズマを生成することができない。しかし、図２（ｂ）に示すテーパー型の溝２０や図３（ｂ）に示す段差型の溝２０ａでは、溝幅が狭い部分、即ち溝２０、２０ａの溝底に近い部分では、電子がトラップし、電子が高エネルギーを得て、ガス粒子と衝突するようになるので、プラズマの高密度化が可能である。従って、上述したように広範囲のガス圧で、高密度プラズマの生成が維持できる。

【0019】

図５（ａ）乃至（ｃ）に井戸型、テーパー型及び段差型の溝を有するホローカソードを有するプラズマ処理装置での様々なガス圧におけるプラズマ密度との測定結果を示す。プラズマ密度は、図１に破線で示すプローブを利用して測定した。プローブの位置は、ホローカソードの中心から半径方向ｒに３７．５ｍｍの位置で、ホローカソードの溝の開口面側からの距離ｚが５ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍの位置で測定している。処理ガスは、アルゴンガスで、その圧力は４０乃至４００ｍＴｏｒｒである。高周波電力は５０Ｗである。ホローカソード電極はいずれも直径が１００ｍｍ、厚さが２０ｍｍである。

【0020】

第１の実施形態のテーパー型のホローカソード８では、溝２０の開口側の外縁の直径が８５．４ｍｍ、溝２０の開口の溝幅は１０ｍｍである。従って、溝２０の開口側の内縁の直径が６４．６ｍｍである。溝２０の開口から溝２０の溝底までの距離、即ち深さは１０ｍｍで、溝底の幅は５ｍｍである。

【0021】

第２の実施形態の段差型のホローカソード８ａでは、溝２０ａの開口の外縁の直径が８０ｍｍ、内縁の直径が７０ｍｍである。従って、溝２０ａの開口幅は５ｍｍである。開口から５ｍｍまで溝の深さが一定の１段目であり、この１段目の底の中央から深さ５ｍｍだけ、溝の深さが一定で溝幅が２ｍｍの２段目が形成されている。

【0022】

井戸型のホローカソード８ｂでは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、溝２０ｂの開口の外縁の直径が８０ｍｍ、内縁の直径が７０ｍｍである。従って、溝２０ｂの開口幅は５ｍｍである。開口から溝底までの深さは１０ｍｍである。

【0023】

図５（ｃ）において、井戸型ホローカソードの場合、ガス圧を４０ｍＴｏｒｒから増加させていくと、２００ｍＴｏｒｒでプラズマ密度が最大となり、ガス圧を２００ｍＴｏｒｒから更に増加させていくと、プラズマ密度は減少した。テーパー型ホローカソードの場合、ガス圧を４０ｍＴｏｒｒから増加させていくと、２４０ｍＴｏｒｒでプラズマ密度が最大となり、ガス圧を２４０ｍＴｏｒｒから更に増加させると、プラズマ密度は若干減少した。段差型ホロー陰極の場合、ガス圧を４０ｍＴｏｒｒから増加させていくと、３６０ｍＴｏｒｒでプラズマ密度が最大となった。

【0024】

即ち、ガス圧２００ｍＴｏｒｒまでは井戸型ホローカソードのプラズマ密度が最も大きく、段差型のホローカソードのプラズマ密度が最も小さくなる。ガス圧が２００ｍＴｏｒｒ以上になると、段差型ホローカソードのプラズマ密度が最も大きく、井戸型のホローカソード電極のプラズマ密度が最も小さくなった。

【0025】

ガス圧と平均自由行程との間には、電子温度をパラメータとして図６に示すような関係があり、ガス圧が低い範囲では平均自由行程が長く、ガス圧が高い範囲では平均自由行程は短くなっている。また、電子温度とガス圧との間には、井戸型、テーパー型及び段差型によって、図７に示すような関係にあることが測定されている。

【0026】

２００乃至３００ｍＴｏｒｒの高いガス圧の範囲において、井戸型の電子温度は図７から明らかなように１．７乃至２ｅＶである。アルゴンガスの圧力が２００乃至３００ｍＴｏｒｒの状態から、図６から明らかなように平均自由行程が、溝幅５ｍｍよりも短くなるので、電子がトラップする前に、粒子と衝突し、ホロー効果が良好に働かず、プラズマ密度が減少したと考えられる。

【0027】

テーパー型の場合、高いガス範囲において、電子温度は図７から約１．２ｅＶであるので、図６から平均自由行程は、テーパー型溝底の溝幅５ｍｍ及び開口の溝幅１０ｍｍよりも長いので、ホロー効果が働き、プラズマ密度は減少しなかったと考えられる。低いガス範囲では、井戸型よりもプラズマ密度が低く、高いガス圧範囲で段差型よりもプラズマ密度が低くなったのは、テーパー型は電子が放出する方向に溝幅が徐々に広がり、電子が溝の外に拡散しやすいからであると考えられる。

【0028】

段差型の場合、低いガス圧範囲で井戸型よりもプラズマ密度が低くなっているのは、溝幅５ｍｍの深さが５ｍｍしかなく、低いガス圧だと平均自由行程が長くなるので、長さが足りず、ホロー効果がうまく働いていないためだと考えられる。一方、高いガス圧範囲では電子温度は１．２乃至１．５ｅＶで、２８０ｍＴｏｒｒ以上から平均自由行程が５ｍｍよりも短くなるが、下段の２ｍｍのところで電子がトラップすることができるので、ホロー効果が働き、プラズマ密度が減少しなかったと考えられる。

【0029】

図８（ａ）乃至（ｃ）に第３乃至第５の実施形態のプラズマ処理装置において使用するホローカソードの溝付近を示す。ホローカソードの他の大きさは、第１及び第２の実施形態のホローカソード８、８ａと同一である。第２の実施形態で使用した段差型のホローカソード８ａは、高いガス圧範囲でプラズマ密度が最も高かったが、低いガス圧範囲ではプラズマ密度が低くなったので、低いガス圧範囲でもプラズマ密度が高くなるように、改良を行ったのが、第３乃至第５の実施形態である。第３の実施形態では、図８（ａ）に示すように溝２０ｃの第１段目の開口幅を１０ｍｍに拡大させている。第４の実施形態では、同図（ｂ）に示すように溝２０ｄを、第３の実施形態における溝２０ｃの第２段目の幅を２ｍｍから５ｍｍに拡大させたものとしている。第５の実施形態の溝２０ｅでは、同図（ｃ）に示すように第４の実施形態における溝２０ｄの第２段目に加えて第３段目を形成し、その幅を２ｍｍ、長さを５ｍｍとしてある。

【0030】

図４に示した井戸型、図３に示した段差型、図８（ａ）乃至（ｃ）に示したホローカソードを使用したプラズマ処理装置におけるプラズマ密度とガス圧との関係を図９に示す。これから２００ｍＴｏｒｒ以下の低いガス圧範囲では、開口部の直径を１０ｍｍに拡大させることによりプラズマ密度が改善している。

【0031】

上記の各実施形態では、ホローカソードの溝は、一重に形成したが、同芯状に多重に形成することもできる。上記の各実施形態では、処理ガスとしてアルゴンガスを使用したが、これに限ったものではなく、他のガスを使用することもできる。

【0032】

また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、逆段差型の溝２０ｆを備えるホローカソード８ｆを使用することもできる。即ち、溝２０ｆは、２段に構成されているが、１段目は、溝幅が開口から一定の幅で被処理物４から離れる方向に所定の長さまで進行し、２段目は、１段目の底から、溝幅が前記１段目の溝幅よりも大きく、その大きい幅を維持したまま更に被処理物４から離れる方向に進行している。この構成では、ホローカソード８ｆの溝２０ｆでの圧力が高い時は、溝幅が短い開口側でホロー効果により高密度プラズマを発生させ、一方、ホローカソード８ｆの溝２０ｆでの圧力が低い時は、幅の広い底側でホロー効果を発生させ、そこで発生した高エネルギー電子が開口側付近でも電離を促進させて、プラズマの高密度化を図ることができる。即ち、溝幅が狭い開口側の１段目では、電子の移動距離が短く、ガス圧が高い場合に、プラズマを高密度化できる。溝幅が長い２段目の溝では、電極に囲まれている面積が広いので、電子がトラップされやすく、移動距離が長くなり、ガス圧が低い場合でもプラズマの高密度化を図ることができる。

【0033】

図１１は、図１２に示す逆段差型、平板、井戸型及び段差型のホローカソードを使用した場合のガス圧とプラズマ密度の関係を示したものである。図１２（ａ）に示すように、各ホローカソードは同じ直径同じ厚さのもので、例えば直径が１００ｍｍで、厚さが２０ｍｍである。各ホローカソードで形成される溝で最も直径が大きい部分が８５ｍｍ、次の直径が大きい部分が８０ｍｍ、その次に直径が大きい部分が７０ｍｍ、最も直径が小さい部分が６５ｍｍである。２段の溝を構成する場合、開口側の１段目の深さは５ｍｍで、２段目の深さは開口から１０ｍｍである。同図（ｃ）に示す逆段差型では、１段目の溝幅が５ｍｍ、１段目の溝の深さは５ｍｍ、２段目の開口からの深さは１０ｍｍ、溝底の幅は１０ｍｍである。同図（ｄ）に示す平板型では溝は全く形成されていない。同図（ｅ）に示す井戸型では、１段の溝のみ形成され、溝幅及び溝底の幅は５ｍｍで、深さは１０ｍｍである。同図（ｆ）に示す段差型では、１段目の溝幅が１０ｍｍ、１段目の溝の深さは５ｍｍ、２段目の開口からの深さは１０ｍｍ、溝底の幅は５ｍｍである。

【0034】

図１１は、入力高周波電力を５０Ｗとし、ホローカソードの中心から半径方向に３７．５ｍｍ位置であるｒで、開口面から溝内への距離が１２ｍｍであるｚにプローブを配置して、プラズマ密度を測定している。同図から、高圧時、例えば３２０ｍＴｏｒｒ未満では、逆段差型の溝を使用すると、最もプラズマ密度が高くなった。

【0035】

図１３は、図１４（ａ）、（ｂ）に示す逆テーパー型のホローカソードを使用した場合のガス圧とプラズマ密度の関係を示したものである。図１４（ｂ）に示すように、逆テーパー型のホローカソードは例えば直径が１００ｍｍで、厚さが２０ｍｍである。ホローカソードで形成される溝で最も直径が大きい部分が８５ｍｍ、次に直径が大きい部分が８０ｍｍ、その次に直径が大きい部分が７０ｍｍ、最も直径が小さい部分が６５ｍｍで、溝底の幅は１０ｍｍ、開口の幅は５ｍｍ、深さは５ｍｍである。

【0036】

図１３は、入力高周波電力を５０Ｗとし、ホローカソードの中心から半径方向に３７．５ｍｍの位置であるｒで、開口面から溝内への距離が１２ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍであるｚにプローブを配置して、プラズマ密度を測定している。同図から、逆テーパー電極を用いると、４０から２４０ｍＴｏｒｒまで圧力に比例してプラズマ密度が増加し、１０^１１ｃｍ^−３を超える高密度となっている。

【符号の説明】

【0037】

２ 処理チャンバ
４ 処理対象物
８ ８ａ ホローカソード
１４ 高周波電源
１６ 排気部
１８ ガス供給部
２０ ２０ａ 溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】