特許 7489171 プラズマ発生装置

(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】

(24)【登録日】2024-05-15

(45)【発行日】2024-05-23

(54)【発明の名称】プラズマ発生装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/46 20060101AFI20240516BHJP

【ＦＩ】

H05H1/46 L

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019059157

(22)【出願日】2019-03-26

(65)【公開番号】P2020161319

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2021-10-06

【審判番号】

【審判請求日】2023-03-17

(73)【特許権者】

【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】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】納富 隼人

(72)【発明者】

【氏名】天立 茂樹

【合議体】

【審判長】波多江 進

【審判官】松川 直樹

【審判官】野村 伸雄

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５０９０４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－１６９５９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－４７１７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５３０８９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－２１７６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２９２６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H05H1/46

H05H1/30

H01L21/3065

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料ガスが導入され、内部にプラズマを発生するプラズマ管を備えるプラズマ発生装置であって、
前記プラズマ管は、外周に巻回され、該プラズマ管の内部に磁界を形成するコイルを備え、
前記プラズマ管には、外周面の全周に該プラズマ管の材料よりも熱伝導率の高い材料を含む伝熱膜が形成されており、
前記伝熱膜は、導電性を有する第１伝熱膜と、非導電性を有する第２伝熱膜とを備え、前記プラズマ管の外周面の全長に形成されており、
前記第２伝熱膜は、前記プラズマ管の前記コイルが巻回される部分に形成されている
プラズマ発生装置。

【請求項2】

材料ガスが導入され、内部にプラズマを発生するプラズマ管を備えるプラズマ発生装置であって、
前記プラズマ管は、外周に巻回され、該プラズマ管の内部に磁界を形成するコイルを備え、
前記プラズマ管の端部の先端から前記コイルが巻回される部分までの間のみには、外周面の全周に前記プラズマ管の材料よりも熱伝導率の高い材料を含む伝熱膜が形成されている
プラズマ発生装置。

【請求項3】

前記プラズマ管は、前記伝熱膜の外周に配設されたシール部材を備え、
前記伝熱膜は、前記シール部材の配設位置を含んで形成されている
請求項１又は請求項２に記載のプラズマ発生装置。

【請求項4】

前記プラズマ管の端部には冷却器が周設され、
前記伝熱膜は、前記冷却器の周設位置の少なくとも一部を含んで形成されている
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。

【請求項5】

前記第１伝熱膜には、周方向の一部に、長手方向に延びるスリットが形成されている
請求項１に記載のプラズマ発生装置。

【請求項6】

前記プラズマ管の端部の先端には、耐熱性および絶縁性を有する保護膜が、前記伝熱膜を周方向に覆うように形成されている
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はプラズマ発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造プロセスにおいては、プラズマを用いた半導体ウェハの成膜処理、エッチング処理等が行われている。プラズマは、例えば、材料ガスが導入され、内部にプラズマを発生するプラズマ管を備えるプラズマ発生装置を用いて生成される。プラズマ発生時、プラズマ管の内部は高温になる。そのため、プラズマ管の冷却が必要である。特許文献１には、プラズマ管に空冷用の金属線を螺旋状に巻付けることで冷却効果を高めたプラズマ発生装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－２４１８９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

プラズマ管の材料としては一般に石英が用いられるが、石英は熱伝導率が低い。このため、特許文献１のようにプラズマ管に金属線を巻付けて冷却する場合にあっては、金属線がプラズマ管に接触している部分の放熱は良好に行われるが、その他の部分の放熱は良好には行われない。従って、プラズマ管の全体を良好に冷却することができない。

【0005】

本開示は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、プラズマ管全体を良好に冷却することができるプラズマ発生装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係るプラズマ発生装置は、材料ガスが導入され、内部にプラズマを発生するプラズマ管を備えるプラズマ発生装置であって、前記プラズマ管の一部または全部には、外周面の全周に該プラズマ管の材料よりも熱伝導率の高い材料を含む伝熱膜が形成されている。

【0007】

本開示にあっては、プラズマ管の外周面に、プラズマ管よりも熱伝導率の高い材料製の伝熱膜が形成される。従って、プラズマ管の熱が、伝熱膜と周りの空気との熱交換によって放熱される。

【0008】

本開示に係るプラズマ発生装置は、前記プラズマ管は、前記伝熱膜の外周に配設されたシール部材を備え、前記伝熱膜は、前記シール部材の配設位置を含んで形成されている。

【0009】

本開示にあっては、プラズマ管はシール部材を備え、伝熱膜はプラズマ管とシール部材との間に形成されている。従って、シール部材が直接プラズマ管に接触せず、シール部材に熱が集中しない。

【0010】

本開示に係るプラズマ発生装置は、前記プラズマ管の端部には冷却器が周設され、前記伝熱膜は、前記冷却器の周設位置の少なくとも一部を含んで形成されている。

【0011】

本開示にあっては、プラズマ管の端部に冷却器を備え、伝熱膜は少なくとも冷却器に一部が接触する部分に形成されている。従って、プラズマ管の端部が、伝熱膜を通じて冷却される。

【0012】

本開示に係るプラズマ発生装置は、前記プラズマ管は、外周に巻回され、該プラズマ管の内部に磁界を形成するコイルを備え、前記伝熱膜は、前記プラズマ管の端部から前記コイルが巻回される部分までの間に形成されている。

【0013】

本開示にあっては、伝熱膜が、プラズマ管の端部からコイルに接触しない部分までに形成されている。従って、プラズマ管の端部の熱が伝熱膜を通じて放熱される。また、コイルが巻回された部分には伝熱膜が形成されていない。従って、コイルと伝熱膜との間で放電がおこることを抑制する。

【0014】

本開示に係るプラズマ発生装置は、前記プラズマ管は、外周に巻回され、該プラズマ管の内部に磁界を形成するコイルを備え、前記伝熱膜は、導電性を有し、前記プラズマ管の外周面の全長に形成されており、該プラズマ管の前記コイルが巻回される部分には、前記伝熱膜を覆う絶縁膜が形成されている。

【0015】

本開示にあっては、導電性を有する伝熱膜がプラズマ管の外周面の全長に形成されている。従って、コイルと冷却器との両方によりプラズマ管の全体が冷却される。さらに、プラズマ管のコイルが巻回される部分には、伝熱膜を覆う絶縁膜が形成されている。従って、コイルと伝熱膜との間で放電がおこることを抑制する。

【0016】

本開示に係るプラズマ発生装置は、前記プラズマ管は、外周に巻回され、該プラズマ管の内部に磁界を形成するコイルを備え、前記伝熱膜は、導電性を有する第１伝熱膜と、非導電性を有する第２伝熱膜とを備え、前記プラズマ管の外周面の全長に形成されており、前記第２伝熱膜は、前記プラズマ管の前記コイルが巻回される部分に形成されている。

【0017】

本開示にあっては、導電性を有する伝熱膜と、非導電性を有する伝熱膜とが、プラズマ管の外周面の全長に形成されている。従って、コイルと冷却器との両方によりプラズマ管の全体が冷却される。さらに、プラズマ管のコイルが巻回される部分に形成されている伝熱膜は非導電部である。従って、コイルと伝熱膜の間で放電がおこることを抑制する。

【0018】

本開示に係るプラズマ発生装置は、前記プラズマ管は、外周に巻回され、該プラズマ管の内部に磁界を形成するコイルを備え、前記伝熱膜は導電性を有し、該伝熱膜には、周方向の一部に、長手方向に延びるスリットが形成されている。

【0019】

本開示にあっては、プラズマ管の外周面に形成された導電性を有する伝熱膜の一部に、スリットを形成してある。従って、プラズマ管の周方向に伝熱膜が連続しない。

【0020】

本開示に係るプラズマ発生装置は、前記プラズマ管は、外周に巻回され、該プラズマ管の内部に磁界を形成するコイルを備え、該プラズマ管の端部には、耐熱性および絶縁性を有する保護膜が、前記伝熱膜を周方向に覆うように形成されている。

【0021】

本開示にあっては、プラズマ管の端部の伝熱膜を覆うように、耐熱性および絶縁性を有する保護膜が形成されている。従って、プラズマ管の端部の伝熱膜が保護される。

【発明の効果】

【0022】

本開示によれば、プラズマ管の熱は、外周面に形成された伝熱膜の全面と周りの空気との熱交換で放熱され、プラズマ管全体を良好に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】実施形態１に係るプラズマ発生装置の構成を示すブロック図である。

【図2】プラズマ発生装置の構成を示す斜視図である。

【図3】プラズマ管及びコイルの構成を示す斜視図である。

【図4】プラズマ管の端部の接続状態を示す側断面図である。

【図5】実施形態２に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管の端部の構成を示す側断面図である。

【図6】実施形態３に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管の構成を示す側断面図である。

【図7】実施形態４に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管の構成を示す側断面図である。

【図8】実施形態５に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管の構成を示す斜視図である。

【図9】実施形態６に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管の端部の構成を示す側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
図１は実施形態１に係るプラズマ発生装置の構成を示すブロック図である。実施形態１に係るプラズマ発生装置は、誘導結合プラズマ（ICP：Inductively Coupled Plasma）型のプラズマ発生装置である。プラズマ発生装置は、プラズマ管１とコイル２とを備える。プラズマ管１は、例えば石英等の非導電性材料製の管であり、長さ方向の一端部に材料ガスの導入口１ａを、他端部にプラズマ化したガスを送り出す送出口１ｂを備えている。コイル２は、例えば銅等の導電性材料製の導線を、プラズマ管１の長さ方向中央部に適長に亘って巻回して構成されており、インピーダンス整合回路４を介して高周波電源３に接続されている。

【0025】

このようなプラズマ発生装置では、高周波電源３から供給される高周波電流が、インピーダンス整合回路４を介して、プラズマ管１に巻回されたコイル２に流れる。プラズマ管１の内部は高真空に保たれており、導入口１ａから内部に材料ガスが供給される。コイル２に流れる高周波電流による誘導結合によって、内部の材料ガスがプラズマ化し、プラズマが生成される。生成されたプラズマは、送出口１ｂを通して例えば図示しないプラズマ処理室へと送出され、各種の処理（エッチング等）に使用される。なお、コイル２に流れる高周波電流の周波数は、例えば１～３ＭＨｚ程度である。

【0026】

図２はプラズマ発生装置の構成を示す斜視図である。コイル２は、矩形の中空断面を有する導線を用いたエッジワイズコイルである。導線の中空部内には冷媒管２ａが通してあり、コイル２の一端から他端へ冷媒が通流するように構成されている。

【0027】

プラズマ管１の両端部には、冷却器５が設けられている。冷却器５は、例えば金属等の高い熱伝導性を有する材料製である。冷却器５は、筒状部５１と、筒状部５１の一端部に周設された鍔部５２とを有し、筒状部５１を内側に向けてプラズマ管１に取り付けてある。筒状部５１と鍔部５２の境界部には、冷媒が通流する冷媒管５ａが巻回されている。冷媒管５ａは、筒状部５１をほぼ一周し鍔部５２に沿って引き出されている。筒状部５１には、周方向の一部に、長手方向に延びるスリット５３が形成されている。

【0028】

図３はプラズマ管１及びコイル２の構成を示す斜視図である。プラズマ管１には、両端部に小径の延長部１１が設けられている。プラズマ管１の外周面には、延長部１１の先端からコイル２に接触しない部分までに伝熱膜８が形成されている。伝熱膜８の形成範囲は、図３中にハッチングを施して示してある。伝熱膜８は、プラズマ管１の材料よりも高い熱伝導率を有する材料製の膜であり、溶射、蒸着などの成膜法により形成される。プラズマ管１における伝熱膜８が形成される部分は、伝熱膜８の密着性を高めるために研磨をおこなうとよい。伝熱膜８の成膜範囲を、コイル２に接触しない部分までとするのは、伝熱膜８が導電性を有する場合に、該伝熱膜８と高周波電流が流れるコイル２との間で放電がおこることを抑制するためである。

【0029】

本実施形態に係るプラズマ発生装置においては、プラズマ管１の内部はプラズマ発生時に熱が発生する。上記の構成によれば、プラズマ管１の外周面の両端部に、プラズマ管１の材料よりも高い熱伝導率を有する材料製の伝熱膜８が形成されている。従って、プラズマ管１の熱は、端部においては、伝熱膜８の全面と周りの空気との熱交換で放熱され、プラズマ管１を良好に冷却することができる。

【0030】

また、プラズマ管１は、両端部に形成された伝熱膜８に接触する冷却器５を備える。冷却器５は放熱フィンとしての役目を担う。さらに、冷却器５に設けられた冷媒管５ａの内部に冷媒を通流させることによって、冷媒との熱交換が行われるため、プラズマ管１の冷却性を向上することができる。

【0031】

更に、コイル２は、冷媒管２ａの内部に冷媒を通流していることによって、冷却器としても作用する。従って、プラズマ管１の熱は、中心部分はコイル２によって、その他の部分は、伝熱膜８によって放熱されることにより、プラズマ管１全体を良好に冷却することができる。

【0032】

更に、冷却器５の筒状部５１にはスリット５３が形成されている。冷却器５の材料が導電性を有する場合には、該冷却器５には、コイル２が形成する磁場によって誘導された渦電流が流れる虞がある。筒状部５１に設けたスリット５３は電流の経路を遮断し、渦電流が流れるのを防止することができる。

【0033】

以上の如く構成されたプラズマ管１は、一側においてプラズマ処理室に、他側において材料ガスの導入部に夫々接続される。図４はプラズマ管１の端部の接続状態を示す側断面図である。冷却器５の鍔部５２は、接続用のフランジとして利用され、プラズマ管１とプラズマ処理室（図示せず）とは、該プラズマ処理室に設けられた取り合いのフランジ６に、鍔部５２を合わせて接続される。

【0034】

この接続部にはシール部材７が巻装されている。シール部材７は、例えばＯリングであり、延長部１１に巻装され、該延長部１１の基端側の段差部と、フランジ６の内周縁に設けた凹溝とに弾接し、鍔部５２とフランジ６との間を気密に封止している。シール部材７は、ゴム等の弾性材料製であり、過熱により硬化又は変形し、封止機能が損なわれることがある。シール部材７が接する延長部１１の外周及び段差部には、伝熱膜８が形成されており、プラズマ管１の内部の発生熱は、前述のように伝熱膜８の形成域に分散して放熱されるから、シール部材７の過熱を抑え、封止機能の低下を防止することができる。

【0035】

なお、本実施形態１では両端部に冷却器５を備える例を説明したが、冷却器５は一端部にのみ備えられていてもよく、または端部に冷却器５を備えない構成であってもよい。また、冷却器５の形状も例示であって特に限定されるものではない。

【0036】

また、コイル２として、矩形断面の導線により構成されたエッジワイズコイルを例示したが、コイル２を構成する導線の断面形状は特に限定されるものではなく、他の任意の形状であってもよい。また、本実施の形態においては、コイル２の誘導結合を利用するＩＣＰ型のプラズマ発生装置を例示したが、プラズマ発生装置は、その他の形態の装置であってもよい。

【0037】

（実施形態２）
実施形態２に係るプラズマ発生装置は、実施形態１と伝熱膜８の形成態様が異なる。図５は実施形態２に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管１の端部の構成を示す側断面図である。実施形態１と同様な構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0038】

実施形態２に係るプラズマ発生装置は、プラズマ管１の延長部１１の外周面に伝熱膜８が形成されている。上記の構成によれば、プラズマ管１の熱は、端部においては伝熱膜８により放熱され、中心部においてはコイル２により放熱されることで、プラズマ管１全体を良好に冷却することができる。また、シール部材７が直接プラズマ管１に接触しないため、シール部材７の劣化や損傷を防ぐことができる。

【0039】

（実施形態３）
実施形態３に係るプラズマ発生装置は、実施形態１と伝熱膜８の形成態様が異なる。図６は実施形態３に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管１の構成を示す側断面図である。実施形態１と同様な構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0040】

実施形態３に係るプラズマ発生装置は、プラズマ管１の外周面に全長に亘って形成される伝熱膜８を備える。伝熱膜８は、例えば銅、アルミニウム等の導電性の材料製である。さらに、プラズマ管１のコイル２が巻回される部分には、伝熱膜８を覆うように、絶縁膜９が全周に形成されている。絶縁膜９の材料は、例えばセラミック、アルミナ（酸化アルミニウム）等である。

【0041】

上記の構成によれば、プラズマ管１の熱は、外周面の全長に亘って放熱される。さらに、伝熱膜８によって、コイル２及び冷却器５の冷却作用がプラズマ管１の全体に伝わるため、プラズマ管１全体を良好に冷却することができる。また、コイル２の巻回される部分に絶縁膜９が形成されることにより、コイル２と伝熱膜８との間で放電がおこることを抑制することができる。

【0042】

（実施形態４）
実施形態４に係るプラズマ発生装置は、実施形態１と伝熱膜８の形成態様が異なる。図７は、実施形態４に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管１の構成を示す側断面図である。実施形態１と同様な構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0043】

実施形態４に係るプラズマ発生装置は、プラズマ管１の外周面に全長に亘って形成される伝熱膜８を備える。伝熱膜８は、導電性材料製の第１伝熱膜８１と、例えばアルミナなどの非導電性材料製の第２伝熱膜８２とを備える。第１伝熱膜８１は、プラズマ管１の両端部からコイル２が巻回される部分までに全周に形成されている。第２伝熱膜８２は、プラズマ管１のコイル２が巻回される部分に全周に形成されている。

【0044】

上記の構成によれば、プラズマ管１の熱は、外周面の全長に亘って放熱される。さらに、伝熱膜８によって、コイル２及び冷却器５の冷却作用がプラズマ管１の全体に伝わるため、プラズマ管１全体を良好に冷却することができる。また、コイル２の巻回される部分に位置する第２伝熱膜８２は非導電性であり、導電性の第１伝熱膜８１との間には距離があるため、コイル２と第１伝熱膜８１との間で放電がおこることを抑制することができる。なお、プラズマ管１の外周面の全長に、非導電性材料製の第２伝熱膜８２が形成されてもよいが、実施形態１のように導電性材料により伝熱膜８を形成する方が、熱伝導率が高い。

【0045】

（実施形態５）
実施形態５に係るプラズマ発生装置は、伝熱膜８の一部にスリット８３が形成されている。図８は実施形態５に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管１の構成を示す斜視図である。実施形態１と同様な構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0046】

伝熱膜８には、プラズマ管１の周方向の一部に、長手方向に延びるスリット８３が形成されている。伝熱膜８の材料が導電性を有する場合には、該伝熱膜８には、コイル２が形成する磁場によって誘導された渦電流が流れる虞がある。上記の構成によれば、伝熱膜８に設けたスリット８３は電流の経路を遮断し、渦電流が流れるのを防止することができる。

【0047】

冷却器５にスリット５３が形成されている場合であって、伝熱膜８が冷却器５とプラズマ管１の間に形成されているときには、冷却器５のスリット５３と伝熱膜８のスリット８３を周方向において一致させるとよい。

【0048】

（実施形態６）
実施形態６に係るプラズマ発生装置は、伝熱膜８の一部にさらに保護膜１０が形成されている。図９は、実施形態６に係るプラズマ発生装置が備えるプラズマ管１の端部の構成を示す側断面図である。実施形態１と同様な構成については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

【0049】

実施形態６に係るプラズマ発生装置は、伝熱膜８の外周に保護膜１０が形成されている。保護膜１０は、プラズマ管１の端部に、伝熱膜８を覆う狭幅に設けられている。保護膜１０は、プラズマ管１の端面を覆うように形成されてもよい。保護膜１０は、例えばアルミナなどの、耐熱性および絶縁性に優れた材料製である。

【0050】

プラズマ管１の端部においては、材料ガスの流入時及びプラズマガスの流出時に、ガスが延長部１１の外周側に回り込み、該延長部１１の外周に形成された伝熱膜８に接触することがある。特にガス流出口側では、プラズマ化したガスの粒子は非常に細かいため、延長部１１の外周側に回り込んでくるおそれが高い。上記の構成によれば、端部に保護膜１０が形成されているため、伝熱膜８の損傷を防ぐことができる。

【0051】

上記の各実施形態において、プラズマ管１のコイル２が巻回される部分には、コイル２とプラズマとの静電結合の度合いを弱めるために、ファラデーシールド膜を形成するのが望ましい。さらにファラデーシールド膜を形成した場合において、コイル２とファラデーシールド膜間との放電を抑制するための絶縁膜を形成してもよい。

【0052】

また、上記の各実施形態において、導電性材料に非導電性材料が接触する場合には、異種接合になり、広い範囲で皮膜を形成することが困難になる可能性がある。そのような場合には、導電性材料と非導電性材料との中間的物性を有する傾斜機能材料からなる中間層を、導電性材料と非導電性材料間にそれぞれ形成するのが望ましい。

【0053】

今回開示した実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。各実施例にて記載されている技術的特徴は互いに組み合わせることができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲内での全ての変更及び特許請求の範囲と均等の範囲が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0054】

１ プラズマ管
２ コイル
５ 冷却器
７ シール部材
８ 伝熱膜
９ 絶縁膜
１０ 保護膜
８１ 第１伝熱膜
８２ 第２伝熱膜
８３ スリット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】