特開 2023-140543 プラズマ発生器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023140543

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】プラズマ発生器

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20230928BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022046433

(22)【出願日】2022-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】納富 隼人

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 豊

(72)【発明者】

【氏名】天立 茂樹

【テーマコード（参考）】

2G084

【Ｆターム（参考）】

2G084AA02

2G084BB01

2G084BB06

2G084BB37

2G084CC04

2G084CC13

2G084CC33

2G084DD03

2G084DD13

2G084DD55

2G084DD65

2G084DD68

2G084FF01

2G084FF02

2G084FF22

2G084FF32

2G084FF33

2G084FF39

(57)【要約】

【課題】誘導結合プラズマを発生させるガス圧力およびガス流量の範囲を広くする。
【解決手段】プラズマ発生器は、ガスが内部に導入され、内部においてプラズマを発生する。プラズマ発生器は、放電管と、放電管の外周に巻かれたコイルと、放電管の一方の開口を塞ぐ蓋部とを備える。蓋部は、放電管の中心軸に対応する位置に、外部から放電管の内部へとガスを導入するためのガス導入孔が形成される。蓋部の下端部からコイルの端部までの上流部における中心軸方向の長さは、コイルの中心軸方向の長さ以下である。コイルのうち、電流が流れる電流経路部のコイルの中心軸方向の長さは、上流部における中心軸方向の長さよりも短い。蓋部の下端部から電流経路部の端部までの中心軸方向の長さは、電流経路部の中心軸方向の長さよりも長い。放電管の内径は、上流部における中心軸方向の長さよりも短い。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスが内部に導入され、内部においてプラズマを発生するプラズマ発生器であって、
絶縁体で構成された円筒状の放電管と、
前記放電管の外周に、前記放電管の中心軸を中心に巻かれた導電体のコイルと、
前記放電管の一方の開口を塞ぐ蓋部と
を備え、
前記蓋部は、前記放電管の中心軸に対応する位置に、外部から前記放電管の内部へと前記ガスを導入するためのガス導入孔が形成され、
前記蓋部の下端部から前記コイルの端部までの上流部における中心軸方向の長さは、前記コイルの中心軸方向の長さ以下であり、
前記コイルのうち、電流が流れる電流経路部の前記コイルの中心軸方向の長さは、前記上流部における中心軸方向の長さよりも短く、
前記コイルの一部が前記電流経路部になっており、前記蓋部の下端部から前記電流経路部の端部までの中心軸方向の長さは、前記電流経路部の中心軸方向の長さよりも長く、
前記放電管の内径は、前記上流部における中心軸方向の長さよりも短い
プラズマ発生器。

【請求項2】

前記ガス導入孔の内径は４ｍｍの円形であり、
前記上流部における中心軸方向の長さは１２６ｍｍであり、
前記放電管の内径は７３ｍｍであり、
前記コイルは、断面が１０ｍｍ角の正方形の導電体を１３ｍｍのピッチで１０回巻かれて構成されており、そのうち６回分が前記電流経路部となっている
請求項１に記載のプラズマ発生器。

【請求項3】

前記コイルは中空で内部を冷媒が流れるように構成されている
請求項１または２に記載のプラズマ発生器。

【請求項4】

前記コイルは、１．７ＭＨｚ以上、２．３ＭＨｚ以下の高周波電圧が印加される
請求項１から３の何れか１項に記載のプラズマ発生器。

【請求項5】

前記ガスは、Ｏ_２である
請求項１から４の何れか１項に記載のプラズマ発生器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ発生器に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセスでは、プラズマを用いた処理が行われる。プラズマは、プロセスガスが内部に導入され、内部においてプラズマを発生する放電管を有するプラズマ発生器を用いて生成される。特許文献１および特許文献２には、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生させるプラズマ発生器が記載されている。

【0003】

ところで、従来のプラズマ発生器は、コイルと結合すべきプラズマが下流側に流されて効率が低下し、ＩＣＰを安定的に発生することができない場合があった。このため、従来のプラズマ発生器は、ＩＣＰを発生させることができるガス圧力およびガス流量の範囲が狭く、ＩＣＰを安定的に発生させることができる条件が厳しかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１６１３１９号公報

【特許文献2】特開２０２０－０５７４６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、誘導結合プラズマを発生させるガス圧力およびガス流量の範囲が広いプラズマ発生器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るプラズマ発生器は、ガスが内部に導入され、内部においてプラズマを発生するプラズマ発生器であって、絶縁体で構成された円筒状の放電管と、前記放電管の外周に、前記放電管の中心軸を中心に巻かれた導電体のコイルと、前記放電管の一方の開口を塞ぐ蓋部とを備え、前記蓋部は、前記放電管の中心軸に対応する位置に、外部から前記放電管の内部へと前記ガスを導入するためのガス導入孔が形成され、前記蓋部の下端部から前記コイルの端部までの上流部における中心軸方向の長さは、前記コイルの中心軸方向の長さ以下であり、前記コイルのうち、電流が流れる電流経路部の前記コイルの中心軸方向の長さは、前記上流部における中心軸方向の長さよりも短く、前記コイルの一部が電流経路部になっており、前記蓋部の下端部から前記電流経路部の端部までの中心軸方向の長さは、前記電流経路部の中心軸方向の長さよりも長く、前記放電管の内径は、前記上流部における中心軸方向の長さよりも短い。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、誘導結合プラズマを発生させるガス圧力およびガス流量の範囲を広くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係るプラズマ発生装置の構成を示す図である。

【図2】図２は、実施形態に係るプラズマ発生器の外観を示す図である。

【図3】図３は、実施形態に係るプラズマ発生器の断面を示す図である。

【図4】図４は、実施形態に係るプラズマ発生器の寸法を示す図である。

【図5】図５は、前記蓋部の下端部からコイルの上端までの長さを１００ｍｍにした場合、ガス流量およびガス圧力の条件毎のプラズマ発生状態を示す図である。

【図6】図６は、実施形態に係るプラズマ発生器における、ガス流量およびガス圧力の条件毎のプラズマ発生状態を示す図である。

【図7】図７は、蓋部の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に添付図面を参照して、実施形態に係るプラズマ発生装置１０を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

【0010】

図１は、実施形態に係るプラズマ発生装置１０の構成を示す図である。実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を発生させる装置である。

【0011】

実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、高周波電源１２と、インピーダンス整合回路１４と、プラズマ発生器２０とを備える。

【0012】

高周波電源１２は、ＲＦ（Radio Frequency）帯域の周波数の高周波電力を出力する。インピーダンス整合回路１４は、高周波電源１２から出力された高周波電力をインピーダンス整合してプラズマ発生器２０へと供給する。

【0013】

プラズマ発生器２０は、ガスが内部に導入され、内部においてプラズマを発生する。プラズマ発生器２０により発生されたプラズマは、例えばプラズマ処理室へと送出され、エッチング等の各種の処理に用いられる。

【0014】

プラズマ発生器２０は、円筒状の放電管２２と、導電体のコイル２４と、蓋部２６とを備える。放電管２２は、石英、アルミナ等の絶縁体で構成される。

【0015】

コイル２４は、放電管２２の外周に、放電管２２の中心軸を中心に巻かれる。コイル２４は、高周波電源１２からインピーダンス整合回路１４を介して高周波電力が供給される。

【0016】

蓋部２６は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管２２の一方の開口を塞ぐ。さらに、蓋部２６は、放電管２２の中心軸に対応する位置に、外部から放電管２２の内部へとガスを導入するためのガス導入孔２８が形成されている。

【0017】

このようなプラズマ発生器２０は、放電管２２の内部が高真空状態に保たれ、ガス導入孔２８からガスが内部に導入される。そして、プラズマ発生器２０は、コイル２４に流れる高周波電流により発生する変動磁場との誘導結合によって放電管２２の内部のガスをプラズマ化し、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生する。発生したプラズマは、放電管２２における、ガス導入孔２８とは反対側の開口から、プラズマ処理室等へと送出される。

【0018】

図２は、実施形態に係るプラズマ発生器２０の外観を示す図である。図３は、実施形態に係るプラズマ発生器２０の断面を示す図である。

【0019】

プラズマ発生器２０は、図中上側からガスが導入され、図中下側からプラズマを送出する。プラズマ発生器２０に流れるガスの上流側を上側、ガスの下流側を下側とする。

【0020】

プラズマ発生器２０は、放電管２２と、上側フランジ４２と、上側連結筒４４と、蓋部２６を備える。

【0021】

放電管２２は、石英、アルミナ等の絶縁体である。放電管２２は、内部に、プラズマの材料となるガスが中心軸方向に通過する。

【0022】

上側フランジ４２は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管２２の外周における、放電管２２の上側の近傍に設けられる。上側フランジ４２は、外周が円形であり、中心が円状に開口している。また、上側フランジ４２は、中心の開口が放電管２２の外周と一致しており、放電管２２が開口に挿入された状態で取り付けられる。

【0023】

上側連結筒４４は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管２２における上側に取り付けられる。上側連結筒４４は、略円筒状であって、内周が放電管２２の外周と一致しており、内部に放電管２２が挿入される。また、上側連結筒４４は、下部位置において外周方向に延びている。この延出された部分が第１フランジ４６として機能する。また、上側連結筒４４は、上部位置において外周方向に延びている。この延出された部分が第２フランジ４８として機能する。

【0024】

また、上側連結筒４４の下端位置の内側（放電管２２側）には切り欠きが形成されており、Ｏリング９１が挿入される。第１フランジ４６と上側フランジ４２とをボルト等で固定することによって、Ｏリング９１が第１フランジ４６と上側フランジ４２との間に挟み込まれる状態となり、Ｏリング９１が変形するので、放電管２２と第１フランジ４６との間が塞がれる。これにより、放電管２２の上方における気密性が保たれる。

【0025】

蓋部２６は、円板状である。蓋部２６は、円の縁が、上側連結筒４４に形成された第２フランジ４８の上に乗せ置かれた状態で、上側連結筒４４に固定される。これにより、蓋部２６は、放電管２２の一方の開口を塞ぐことができる。

【0026】

さらに、蓋部２６は、放電管２２の中心軸に対応する位置に、ガス導入孔２８が形成されている。これにより、蓋部２６は、放電管２２の内部の圧力を保ちつつ、放電管２２の外部から内部へとガスを導入させることができる。なお、図中において、ガス導入孔２８の周囲に４つの穴が形成されているが、これら４つの穴は、貫通しておらず、蓋部２６の取り付けの際に用いられる。

【0027】

蓋部２６と第２フランジ４８との間には、接続部材４９が設けられている。接続部材４９は、アルミニウム等の金属で構成された環状の部材であり、環状のインナーリング、アウターリング及び両者の間に設けられたＯリングによって構成されている。このような接続部材４９を蓋部２６と第２フランジ４８との間に挟んだ状態で、蓋部２６と第２フランジ４８とを取り付けると、Ｏリングによって蓋部２６と第２フランジ４８との間の気密性を保つことができる。なお、蓋部２６と第２フランジ４８とを一体形成してもよい。このようにすれば、接続部材４９が不要となり、コストを低減することができる。

【0028】

さらに、プラズマ発生器２０は、コイル２４を備える。コイル２４は、放電管２２における中心軸方向における中央領域に設けられる。コイル２４は、断面の外周形状が矩形、例えば正方形である。コイル２４は、線状の導電体であって、放電管２２の外周に、放電管２２の中心軸を中心に所定のピッチで、所定の周回数分巻かれる。これにより、コイル２４は、放電管２２の外周に、放電管２２の中心軸を中心に巻かれた状態となる。

【0029】

コイル２４は、内部が中空であって、内部に冷媒が流れる冷却管５２を含む。また、コイル２４は、一方の端部に第１接続部５４が設けられ、他方の端部に第２接続部５６が設けられる。第１接続部５４および第２接続部５６の一方は、冷媒をコイル２４の内部の冷却管５２に導入するための接続治具であり、他方が冷媒をコイル２４の冷却管５２から送出させるための接続治具である。これにより、コイル２４内の冷却管５２は、一方の端部から他方の端部まで、内部に冷媒を流し、コイル２４および放電管２２を冷却することができる。コイル２４は、このような冷却管５２を含むことにより、コイル２４による発熱を効率良く冷却することができる。

【0030】

また、コイル２４は、一方の端部から他方の端部までの間の途中に、第１電極６２および第２電極６４が設けられる。第１電極６２および第２電極６４には、インピーダンス整合回路１４から高周波電力が供給される。これにより、コイル２４は、第１電極６２と第２電極６４との間に高周波電力に応じた電流が流され、高周波磁界を発生させることができる。

【0031】

さらに、プラズマ発生器２０は、下側フランジ７２と、下側連結筒７４とを備える。

【0032】

下側フランジ７２は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管２２の外周における、放電管２２の下側の近傍に設けられる。下側フランジ７２は、外周が円形であり、中心が円状に開口している。また、下側フランジ７２は、中心の開口が放電管２２の外周と一致しており、放電管２２が開口に挿入された状態で取り付けられる。

【0033】

下側連結筒７４は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管２２における下側に取り付けられる。下側連結筒７４は、略円筒状であって、内周が放電管２２の外周と一致しており、内部に放電管２２が挿入される。また、下側連結筒７４は、上部位置において外周方向に延びている。この延出された部分が第３フランジ７６として機能する。また、上側連結筒４４は、下部位置において外周方向に延びている。この延出された部分が第４フランジ７８として機能する。

【0034】

さらに、プラズマ発生器２０は、冷却管支持部８２と、下側冷却管８４とを備える。

【0035】

冷却管支持部８２は、アルミニウム等の金属で構成されており、放電管２２の外周における、下側フランジ７２の上側に設けられる。冷却管支持部８２は、下側冷却管８４を保持する。また、放電管２２の外周に沿って上方に伸びた形状をしている。

【0036】

また、冷却管支持部８２の下端位置の内側（放電管２２側）には切り欠きが形成されており、Ｏリング９２が挿入される。冷却管支持部８２と下側フランジ７２とをボルト等で固定することによって、Ｏリング９２が冷却管支持部８２と下側フランジ７２との間に挟み込まれる状態となり、Ｏリング９２が変形するので、放電管２２と冷却管支持部８２との間が塞がれる。これにより、放電管２２の下方における気密性が保たれる。

【0037】

下側冷却管８４は、下側フランジ７２の上側部分の放電管２２の外周に略１周巻かれる。

【0038】

下側冷却管８４は、一方の端部に第３接続部８６が設けられ、他方の端部に第４接続部８８が設けられる。第３接続部８６および第４接続部８８の一方は、冷媒を下側冷却管８４に導入するための接続治具であり、他方が冷媒を下側冷却管８４から送出させるための接続治具である。これにより、下側冷却管８４は、放電管２２を冷却することができる。

【0039】

このような構成のプラズマ発生器２０は、ガス導入孔２８からプラズマの材料となるガスが内部に導入されるとともに、コイル２４に高周波電力を供給される。まず、プラズマ発生器２０は、コイル２４の電圧により、真空状態とされた放電管２２内部でガスを電離させて容量性結合プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）を発生させる。そして、プラズマ発生器２０は、コイル２４に流れる電流が増加されると、誘導磁界を発生させ、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ）を発生させる。本実施形態に係るプラズマ発生器２０は、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ）を安定的に発生し、発生を維持することができる。

【0040】

図４は、広範囲のガス圧力およびガス流量により誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ）を安定的に発生し、発生を維持することができる条件の一例を説明するための図である。

【0041】

ここで、蓋部２６の下端部からコイル２４の上流側の端部までを、上流部１０２とする。上流部１０２における中心軸方向の長さは、コイル２４の中心軸方向の長さ以下である。コイル２４の中心軸方向の長さは、コイル２４における第１接続部５４が接続された端部から、第２接続部５６が接続された端部までの、中心軸方向の長さである。

【0042】

また、コイル２４における電流が流れる部分、すなわち、第１電極６２から第２電極６４までの部分を、電流経路部１０４とする。電流経路部１０４における中心軸方向の長さは、上流部１０２における中心軸方向の長さよりも短い。

【0043】

また、蓋部２６の下端部から、電流経路部１０４における上流側の端部までの中心軸方向の長さは、電流経路部１０４における中心軸方向の長さよりも長い。

【0044】

また、放電管２２における内径は、上流部１０２における中心軸方向の長さよりも短い。

【0045】

以上の構成により、プラズマ発生器２０は、誘導性結合プラズマ（ＩＣＰ）を安定的に発生し、発生を維持することができる。

【0046】

以下、さらに具体的な寸法例等を示す。

【0047】

まず、放電管２２の内径は、７３ｍｍである。また、ガス導入孔２８は、円形であり、内径が４ｍｍである。上流部１０２における中心軸方向の長さは、１２６ｍｍである。コイル２４の中心軸方向の長さは、１３０ｍｍである。

【0048】

コイル２４は、断面が１０ｍｍ角の正方形である。コイル２４は、１３ｍｍのピッチで１０回巻かれて構成される。そして、電流経路部１０４は、１０回巻かれたうちの６回分である。例えば、電流経路部１０４は、上から３巻目から８巻目までの部分である。従って、コイル２４の電流経路部１０４における中心軸方向の長さは、７８ｍｍである。また、蓋部２６の下端部から、電流経路部１０４における上流側の端部までの中心軸方向の長さは、１５２ｍｍである。

【0049】

また、コイル２４は、１．７ＭＨｚ以上、２．３ＭＨ以下の高周波電圧が印加される。さらに、ガス導入孔２８から導入されるガスは、Ｏ^２である。

【0050】

図５は、蓋部２６の下端部からコイル上端までの長さを１００ｍｍにした従来装置における、ガス流量およびガス圧力の条件毎のプラズマ発生状態を示す図である。図６は、図４に示した条件で作成したプラズマ発生器２０における、ガス流量およびガス圧力の条件毎のプラズマ発生状態を示す図である。

【0051】

図５および図６は、縦軸にガス流量（ｓｃｃｍ）、横軸にガス圧力（Ｐａ）を示し、ガス流量およびガス圧力毎に、プラズマの着火が可能であるか、プラズマが着火しないか、プラズマが着火するが放電を維持できないかを示す。さらに、図５および図６は、ガスとしてＯ^２を導入し、インピーダンス整合を取りながら１．７ＭＨｚ以上、２．３ＭＨ以下の高周波電圧が印加されるように制御をした場合のプラズマ発生状態を示す。

【0052】

図５に示すよう、蓋部２６の下端部からコイル上端までの長さを１００ｍｍにした従来装置は、ガス流量が４０００ｓｃｃｍの場合には、１８０Ｐａ～２１０Ｐａの範囲でプラズマの着火が可能であるが、ガス流量が５０００ｓｃｃｍ以上の場合には、プラズマの放電を維持することができない。

【0053】

これに対して、図６に示すように、実施形態に係るプラズマ発生器２０は、ガス流量が１００００ｓｃｃｍであっても、１８０Ｐａ～２５０Ｐａの範囲でプラズマの着火が可能となっている。このように、実施形態に係るプラズマ発生器２０は、プラズマの着火および放電の維持可能なガス圧力およびガス流量の範囲が大幅に広くなっている。特に、図５および図６を比較した場合、実施形態に係るプラズマ発生器２０は、２倍以上のガス流量を流しても、プラズマの着火および放電の維持可能となっている。

【0054】

図７は、蓋部２６の変形例を示す図である。

【0055】

変形例に係る蓋部２６は、図７に示すように、上側連結筒４４と一体的に構成されてもよい。変形例に係る蓋部２６は、一方の開口が、蓋１２０により閉塞された円筒状である。変形例に係る蓋部２６は、内径が、放電管２２の外径と一致しており、放電管２２の上端が挿入される。また、蓋部２６は、上側連結筒４４に形成された第１フランジ４６と同様のフランジが、開口側の端部の外周に設けられている。

【0056】

また、変形例に係る蓋部２６は、蓋１２０は、放電管２２の中心軸に対応する位置に、ガス導入孔２８が形成されている。

【0057】

このような変形例に係る蓋部２６は、放電管２２における上側に、上側連結筒４４に代えて取り付けられる。これにより、蓋部２６は、放電管２２の内部の圧力を保ちつつ、放電管２２の外部から内部へとガスを導入させることができる。

【0058】

このようなプラズマ発生器２０は、部品数を減らすことができるとともに、取り付け作業等を容易にすることができる。

【0059】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実施形態は、種々の変更を行うことができる。

【符号の説明】

【0060】

１０ プラズマ発生装置、１２ 高周波電源、１４ インピーダンス整合回路、２０ プラズマ発生器、２２ 放電管、２４ コイル、２６ 蓋部、２８ ガス導入孔、４４ 上側連結筒、５２ 冷却管、７４ 下側連結筒、１０２ 上流部、１０４ 電流経路部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】