JP2006024579A - Plasma generator - Google Patents
Plasma generator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006024579A JP2006024579A JP2005257086A JP2005257086A JP2006024579A JP 2006024579 A JP2006024579 A JP 2006024579A JP 2005257086 A JP2005257086 A JP 2005257086A JP 2005257086 A JP2005257086 A JP 2005257086A JP 2006024579 A JP2006024579 A JP 2006024579A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- antenna
- plasma
- vacuum vessel
- plasma generator
- linear conductors
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Drying Of Semiconductors (AREA)
Abstract
【課題】 大面積基板のエッチングや薄膜形成等の表面処理を行うのに有用な従来の誘導結合型プラズマ発生装置では、真空容器の外側に高周波アンテナを設けているため、放電室の径が大きくなるにつれ真空容器の絶縁体の厚みを大幅に増大させなければならなかった。
【解決手段】 プラズマ発生装置の真空容器17の内部にアンテナ全体を入れ、アンテナは複数個の線状導体18a〜18fで構成して、アンテナから放射される誘導電界の全てを有効利用できるようにするとともに、アンテナのインダクタンスを小さくして異常放電の発生を抑制し、高密度プラズマの安定化を図っている。また各線状導体の端部を独立の導入端子で真空容器の内壁に支持して外側で並列接続し、アンテナ配置の自由度を高めている。
【選択図】 図8PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the diameter of a discharge chamber in a conventional inductively coupled plasma generator useful for surface treatment such as etching of a large area substrate or thin film formation, since a high frequency antenna is provided outside a vacuum vessel. As a result, the thickness of the insulator of the vacuum vessel had to be greatly increased.
An entire antenna is placed inside a vacuum vessel 17 of a plasma generator, and the antenna is constituted by a plurality of linear conductors 18a to 18f so that all of the induction electric field radiated from the antenna can be used effectively. At the same time, the inductance of the antenna is reduced to suppress the occurrence of abnormal discharge to stabilize the high density plasma. In addition, the end portions of the respective linear conductors are supported on the inner wall of the vacuum vessel by independent lead-in terminals and connected in parallel on the outside to increase the degree of freedom of antenna arrangement.
[Selection] Figure 8
Description
本発明は、アンテナに高周波電流を供給して高周波電界を発生させ、その電界によりプラズマを発生して、基板面にエッチングや薄膜形成等の表面処理を行うプラズマ処理装置に有用なプラズマ発生装置に関わり、特に液晶用ガラス基板等の大面積基板を処理するのに適するものである。 The present invention provides a plasma generator useful for a plasma processing apparatus that supplies a high-frequency current to an antenna to generate a high-frequency electric field, generates plasma by the electric field, and performs surface treatment such as etching or thin film formation on a substrate surface. In particular, it is suitable for processing a large area substrate such as a glass substrate for liquid crystal.
半導体デバイスや液晶ディスプレイの製造工程で使用されるドライエッチング装置やアッシング装置、プラズマCVD装置等のプラズマを用いた処理装置の分野においては、近年の処理基板の大型化に伴い、処理装置のプラズマ源も大口径化が要求されている。また、一方では、エッチングレートや成膜速度、スループットを確保するため、高真空下でのプラズマの高密度化が要求されている。 In the field of processing equipment using plasma, such as dry etching equipment, ashing equipment, plasma CVD equipment, etc. used in the manufacturing process of semiconductor devices and liquid crystal displays, the plasma source of processing equipment has grown with the recent increase in size of processing substrates. However, there is a demand for larger diameters. On the other hand, in order to secure an etching rate, a film formation rate, and a throughput, it is required to increase the density of plasma under a high vacuum.
このうち、プラズマの高密度化に関しては、プラズマの励起効率を促進するために、高周波を用いて誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma、 以下ICPと略称)を発生させる方法が採用されている。ICPは主としてアンテナ励起用コイルに高周波電流を流し、これによって真空中に誘導電磁界を発生させ、プラズマを生成するものであり、高真空下において高密度プラズマを均一に生成することができる。 Among these, with respect to plasma densification, a method of generating inductively coupled plasma (hereinafter abbreviated as ICP) using a high frequency is employed in order to promote plasma excitation efficiency. The ICP mainly generates a plasma by generating an induction electromagnetic field in a vacuum by passing a high-frequency current through the coil for exciting the antenna, and can uniformly generate a high-density plasma under a high vacuum.
従来のICPを用いたプラズマ処理装置の1例を図9に示す。図9において、21は基板のエッチング処理等を行なう真空容器(プロセスチャンバー)、22は真空容器の一部に設けられた石英等の絶縁体隔壁、23は絶縁体隔壁22の大気側の壁面に沿ってループ状あるいはスパイラル状に設けられた1ターン以上の巻数を有する周回形状の高周波アンテナ、24は高周波アンテナに高周波電力を供給する高周波電源、25は排気口、26は放電プラズマが生成される放電室、27は基板電極である。
An example of a conventional plasma processing apparatus using ICP is shown in FIG. In FIG. 9, 21 is a vacuum chamber (process chamber) for performing substrate etching processing, 22 is an insulating partition wall such as quartz provided in a part of the vacuum chamber, and 23 is a wall on the atmosphere side of the insulating
しかし、図9の従来方式では、放電室26の径を400mmφ以上に大口径化しようとすれば、大気圧下にある外気と高真空下にある放電室内との圧力差に抗するのに必要となる機械的強度を得るために、絶縁体隔壁22の肉厚を10〜30mmもの厚みにしなくてはならず、このため高周波アンテナ23から放射される誘導電界強度は、アンテナから遠くなるに従って指数関数的に減少して放電効率が悪くなり、アンテナ23のインダクタンスが大きくなってアンテナに発生する高周波電圧が高くなってしまうこと等の問題があった。
However, in the conventional system of FIG. 9, if the diameter of the discharge chamber 26 is increased to 400 mmφ or more, it is necessary to resist the pressure difference between the outside air under atmospheric pressure and the discharge chamber under high vacuum. In order to obtain mechanical strength, the thickness of the
一方、このように放電室の側面を周回させるようにアンテナを設ける代わりに、真空容器の放電室上面を絶縁体の天板にして、その外側にアンテナを設置する方式もあった。しかしこの方式では、現状での放電室径が300mmφのものの天板の絶縁体の厚みが20mm程度であるのに対し、放電室径を400mmφ以上に大口径化しようとした場合には、機械的強度を確保するために30〜50mmもの厚みが必要となるという問題があった。 On the other hand, instead of providing an antenna so as to circulate around the side surface of the discharge chamber in this way, there has been a method in which the top surface of the discharge chamber of the vacuum vessel is used as a top plate of an insulator and the antenna is installed on the outside. However, in this method, the thickness of the insulator of the top plate of the current discharge chamber diameter of 300 mmφ is about 20 mm, but when the discharge chamber diameter is to be increased to 400 mmφ or more, the mechanical There is a problem that a thickness of 30 to 50 mm is required to ensure the strength.
真空容器の絶縁体隔壁あるいは天板の大気側の壁面に高周波アンテナを設置する従来の誘導結合型プラズマ発生装置では、放電室の径が大きくなるにつれ絶縁体の厚みを大幅に増大させなければならず、またアンテナから放射される誘導電界の内、真空容器の絶縁体隔壁あるいは天板に接する面の側に放射される誘導電界成分のみしか放電維持に利用されないため、投入される高周波電力の利用効率が悪いという問題があった。 In a conventional inductively coupled plasma generator in which a high-frequency antenna is installed on the wall of the insulator of the vacuum vessel or the atmosphere on the top plate, the thickness of the insulator must be increased significantly as the diameter of the discharge chamber increases. In addition, only the induction electric field component radiated to the side of the surface in contact with the insulating partition wall or the top plate of the vacuum vessel among the induction electric field radiated from the antenna is used for maintaining the discharge, so that the high-frequency power that is input is used. There was a problem of inefficiency.
上記の問題点を解決するために、本発明によるプラズマ発生装置においては、アンテナ自体を真空容器内部の任意の場所に設置し、つまり内部アンテナにしてアンテナの全表面が真空内にあるようにし、アンテナから放射される誘導電界の全てを有効利用できるようにするとともに絶縁体の隔壁や天板を用いる必要をなくしている。また同時に本発明では、内部アンテナの場合、アンテナに大きな電圧が印加されると異常放電を生じやすくなることから、アンテナのインダクタンスを極力小さくし、少なくともアンテナが周回しない構造としている。 In order to solve the above problems, in the plasma generator according to the present invention, the antenna itself is installed at an arbitrary location inside the vacuum vessel, that is, the entire surface of the antenna is in a vacuum as an internal antenna, This makes it possible to effectively use all of the induced electric field radiated from the antenna and eliminates the need to use an insulating partition or top plate. At the same time, according to the present invention, in the case of an internal antenna, abnormal discharge is likely to occur when a large voltage is applied to the antenna. Therefore, the antenna inductance is minimized and at least the antenna does not circulate.
さらに本発明では、上記したアンテナ自体の真空容器内部における配置の自由度を高めるため、アンテナを複数個の線状導体からなる構造とし、それら複数個の線状の導体のそれぞれの端部を、独立した導入端子を用いて真空容器の内壁面に支持するとともに、真空容器の外側で並列接続している。 Furthermore, in the present invention, in order to increase the degree of freedom of arrangement of the antenna itself inside the vacuum vessel, the antenna is configured by a plurality of linear conductors, and the end portions of the plurality of linear conductors are respectively While being supported on the inner wall surface of the vacuum vessel using an independent introduction terminal, they are connected in parallel outside the vacuum vessel.
以下に、本発明の原理について詳述する。 The principle of the present invention will be described in detail below.
アンテナを真空チャンバー内に導入した場合、アンテナ自体がプラズマに曝される為、アンテナに印加される電圧に依存してイオンや電子がアンテナに流入する。この時プラズマ中のイオンと電子の高周波電磁界に対する移動速度が大きく異なることから、時間平均では実効的にプラズマ中の電子がアンテナへ過剰に流入してプラズマ電位が上昇する。その結果、投入高周波電力の増加によるプラズマの高密度化に伴いアンテナ導体との静電結合によるプラズマ電位の上昇が顕著となり、真空容器内に異常放電を引き起こす。この様に内部アンテナ型のICPプラズマでは安定した高密度プラズマが得にくいという問題がある。また、静電結合の増加は、アンテナからシースを介してプラズマに印加される高周波電圧の振幅を大きくする。高周波電圧の振幅の増大は、プラズマの乱れ(プラズマ電位の高周波変動の増大)を誘発する。その結果、エッチングや薄膜形成時におけるプラズマの揺らぎが大きくなり(例えばイオン入射エネルギーの増大)、プラズマダメージの影響が懸念される。よって、内部アンテナ型のICPプラズマ生成においては、印加する高周波電圧の低動作電圧化が重要であり、そのためには、アンテナのインダクタンス低減および静電結合の抑制が必要である。 When the antenna is introduced into the vacuum chamber, since the antenna itself is exposed to plasma, ions and electrons flow into the antenna depending on the voltage applied to the antenna. At this time, the moving speed of the ions and electrons in the plasma with respect to the high-frequency electromagnetic field is greatly different, so that in terms of time average, the electrons in the plasma effectively flow into the antenna excessively and the plasma potential rises. As a result, the plasma potential rises due to electrostatic coupling with the antenna conductor as the plasma density increases due to the increase in input high-frequency power, causing abnormal discharge in the vacuum vessel. As described above, the internal antenna type ICP plasma has a problem that it is difficult to obtain a stable high-density plasma. Also, the increase in electrostatic coupling increases the amplitude of the high frequency voltage applied to the plasma from the antenna through the sheath. An increase in the amplitude of the high-frequency voltage induces plasma disturbance (increase in the high-frequency fluctuation of the plasma potential). As a result, plasma fluctuations during etching and thin film formation increase (for example, increase in ion incident energy), and there is a concern about the influence of plasma damage. Therefore, in the generation of ICP plasma of the internal antenna type, it is important to lower the operating voltage of the high frequency voltage to be applied. For this purpose, it is necessary to reduce the inductance of the antenna and suppress the electrostatic coupling.
以上により、本発明のプラズマ発生装置は、以下のように構成される。
(1) 高周波電力を印加して誘導電界を発生させるアンテナを真空容器の内部に設置した高周波放電による誘導結合方式のプラズマ発生装置であって、前記アンテナは、真空容器の内壁面に沿って周回しないで終端する複数個の線状の導体からなり、該複数個の線状の導体は、それぞれの端部が、独立した導入端子を介して真空容器の内壁面に支持されるとともに、真空容器の外側で並列接続されることを特徴とするプラズマ発生装置の構成。
(2) 前項1において、
前記複数個の線状導体には、直線状導体、コの字状導体、あるいは円弧状導体が含まれることを特徴とするプラズマ発生装置の構成。
(3) 前項(1)または(2)において、
前記複数個の線状導体は、真空容器の内壁面に沿って縦方向か横方向、あるいは2次元状に配列されていることを特徴とするプラズマ発生装置の構成。
(4) 前項(1)ないし(3)のいずれかにおいて、
前記真空容器の内壁面に沿って配列される複数個の線状導体は、その導体の方向が該内壁面の周長の方向に揃えられていることを特徴とするプラズマ発生装置の構成。
(5) 前項(1)ないし(4)のいずれかにおいて、
前記真空容器の外側に、プラズマ密度を一様にする磁界発生手段を設けたことを特徴とするプラズマ発生装置の構成。
(6) 前項(1)ないし(5)のいずれかにおいて、
前記複数個の線状導体の接地側の接続点と接地との間に、電気容量が固定または可変のコンデンサを挿入したことを特徴とするプラズマ発生装置の構成。
(7) 前項(1)ないし(6)のいずれかにおいて、
前記真空容器内に導入される雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いることを特徴とするプラズマ発生装置の構成。
As described above, the plasma generator of the present invention is configured as follows.
(1) An inductively coupled plasma generating apparatus using high frequency discharge in which an antenna for generating an induction electric field by applying high frequency power is installed inside a vacuum vessel, wherein the antenna circulates along an inner wall surface of the vacuum vessel A plurality of linear conductors terminated without being supported, and each of the plurality of linear conductors is supported on the inner wall surface of the vacuum container via an independent introduction terminal, and the vacuum container The structure of the plasma generator characterized by being connected in parallel outside.
(2) In the preceding paragraph 1,
The configuration of the plasma generating apparatus, wherein the plurality of linear conductors include a linear conductor, a U-shaped conductor, or an arc-shaped conductor.
(3) In the preceding paragraph (1) or (2),
The configuration of the plasma generating apparatus, wherein the plurality of linear conductors are arranged in the vertical direction, the horizontal direction, or two-dimensionally along the inner wall surface of the vacuum vessel.
(4) In any of the preceding paragraphs (1) to (3),
The structure of the plasma generator characterized in that the plurality of linear conductors arranged along the inner wall surface of the vacuum vessel have their conductors aligned in the circumferential direction of the inner wall surface.
(5) In any of the preceding paragraphs (1) to (4),
A structure of a plasma generating apparatus, characterized in that a magnetic field generating means for making the plasma density uniform is provided outside the vacuum vessel.
(6) In any of the preceding paragraphs (1) to (5),
A configuration of a plasma generating apparatus, wherein a capacitor having a fixed or variable electric capacity is inserted between a connection point on the ground side of the plurality of linear conductors and the ground.
(7) In any of (1) to (6) above,
Argon gas is used as the atmospheric gas introduced into the vacuum vessel.
本発明によるプラズマ発生装置の基本構成を、図1により説明する。なお、図1には、便宜上、本発明の1実施例装置の構成が示されているが、本発明はこれに限定されるものではない。 The basic structure of the plasma generator according to the present invention will be described with reference to FIG. For the sake of convenience, FIG. 1 shows the configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to this.
図1において、1は真空容器(プロセスチャンバー)、2は天板、3は排気口、4は基板電極、5は本発明によるアンテナ導体、6はアンテナ導体5の全表面を被覆する絶縁体チューブ、7はアンテナ導体5を接地から浮遊(フローティング)させる容量が固定あるいは可変のブロッキングコンデンサ、8、9はアンテナ導体5の各端部を支持するとともにアンテナ導体5に真空容器の外側から高周波電力を供給する導入端子である。 In FIG. 1, 1 is a vacuum vessel (process chamber), 2 is a top plate, 3 is an exhaust port, 4 is a substrate electrode, 5 is an antenna conductor according to the present invention, and 6 is an insulator tube covering the entire surface of the antenna conductor 5. , 7 is a blocking capacitor having a fixed or variable capacity for floating (floating) the antenna conductor 5 from the ground. 8, 9 supports each end of the antenna conductor 5 and applies high-frequency power to the antenna conductor 5 from the outside of the vacuum vessel. This is an introduction terminal to be supplied.
アンテナ導体5は、図では断面のみが示されているが、真空容器1の内壁面に沿って配置された複数個のコの字形あるいは円弧形等の種々の形状の線状導体で構成される。それらの線状導体は、いずれも真空容器1の内壁面を周回しない長さ、つまり内壁面を一周しないで終端する長さにつくられる。具体的には、例えば図8に示されているようなアンテナのパターンが適用できる。 Although only a cross section is shown in the drawing, the antenna conductor 5 is constituted by a plurality of linear conductors having various shapes such as a U-shape or an arc shape arranged along the inner wall surface of the vacuum vessel 1. The All of these linear conductors are formed to have a length that does not go around the inner wall surface of the vacuum vessel 1, that is, a length that ends without making a round around the inner wall surface. Specifically, for example, an antenna pattern as shown in FIG. 8 can be applied.
プラズマ励起用のアンテナ全体が真空容器1内に収容されているため、真空容器の一部を厚い絶縁体材料で形成する必要がなく、装置の大口径化が容易であり、アンテナの形状変更も任意かつ容易に行うことができる。 Since the entire antenna for plasma excitation is accommodated in the vacuum vessel 1, it is not necessary to form a part of the vacuum vessel with a thick insulator material, the diameter of the apparatus can be easily increased, and the shape of the antenna can be changed. It can be done arbitrarily and easily.
図示のように、真空容器1内でアンテナ導体5の全表面を絶縁体チューブ6で覆った場合、図2の等価回路に示すように、プラズマのシース領域に印加される電圧(Vsheath )は、アンテナに発生する電圧 (Vantenna ) と絶縁体における電位降下分(Vinsulator ) を用いて次式のように表すことができる。
Vsheath=Vantenna −Vinsulator
=Vantenna Zsheath/(Zinsulator +Zsheath) (1)
ここでZinsulator 及びZsheathは絶縁体及びシース領域のインピーダンスを示す。これらインピーダンスは主に抵抗成分と静電容量成分で構成されている。高周波電力を増大させプラズマの密度が増加した際、プラズマ中の等価抵抗(抵抗成分)の減少とシースの厚みの低下による静電容量の増加(注:シースの静電容量はシースの厚さに逆比例する。)のためにZsheathは減少する。(注:インピーダンスの静電容量成分は静電容量の逆数比例するため、シースの静電容量増加はインピーダンスの減少に寄与する。)これに対しZinsulator はプラズマ状態に関わらず一定であることにより、プラズマ密度が高くなるほどVsheathの値は小さくなる。この様にアンテナ表面を絶縁体で被覆することにより、アンテナへの電子流入が遮断され、アンテナとプラズマとの静電結合成分が抑制される。その結果、プラズマの高密度化に伴うプラズマ電位の急増が抑制され、異常放電を起こすことなく安定した高密度プラズマ生成が可能になる。また、シース電位が小さくなることにより、プラズマによる真空容器内壁やアンテナへのスパッタリングが抑制され、基材表面や薄膜中への不純物混入を低減できる。
As shown in the figure, when the entire surface of the antenna conductor 5 is covered with the insulator tube 6 in the vacuum vessel 1, the voltage (Vsheath) applied to the sheath region of the plasma is as shown in the equivalent circuit of FIG. Using the voltage (Vantenna) generated in the antenna and the potential drop (Vinsulator) in the insulator, it can be expressed as the following equation.
Vsheath = Vantenna -Vinsulator
= Vantenna Zsheath / (Zinsulator + Zsheath) (1)
Here, Zinsulator and Zsheath indicate impedances of the insulator and the sheath region. These impedances are mainly composed of a resistance component and a capacitance component. When the plasma density is increased by increasing the RF power, the equivalent resistance (resistance component) in the plasma decreases and the capacitance increases due to the decrease in sheath thickness. Zsheath decreases because of the inverse proportion.) (Note: Since the capacitance component of impedance is proportional to the reciprocal of capacitance, an increase in the capacitance of the sheath contributes to a decrease in impedance.) In contrast, Zinsulator is constant regardless of the plasma state. The value of Vsheath decreases as the plasma density increases. By covering the antenna surface with an insulator in this way, the inflow of electrons to the antenna is blocked and the electrostatic coupling component between the antenna and plasma is suppressed. As a result, a rapid increase in plasma potential accompanying the increase in plasma density is suppressed, and stable high-density plasma generation is possible without causing abnormal discharge. In addition, since the sheath potential is reduced, sputtering on the inner wall of the vacuum vessel and the antenna due to plasma is suppressed, and contamination of impurities on the substrate surface and the thin film can be reduced.
絶縁体の材質ならびに厚さの選択にあたっては、シースの等価インピーダンスよりも十分(例えば一桁以上)大きいインピーダンスを有する(Zinsulator >>Zsheath)ことが必要であり、さらにはプラズマに直接曝されても問題を生じない耐熱性、化学的安定性、機械的強度、電気絶縁性等を有することを要件とする。このため、例えば高純度アルミナ、石英、ジルコニア等の高抵抗、高絶縁性、低誘電率を同時に満たすことが可能なセラミックス誘電体群の材質で、厚みは2〜4mm程度であればよい。 In selecting the material and thickness of the insulator, it is necessary to have an impedance (Zinsulator >> Zsheath) that is sufficiently larger (for example, one digit or more) than the equivalent impedance of the sheath, and even if it is directly exposed to plasma It is required to have heat resistance, chemical stability, mechanical strength, electrical insulation, etc. that do not cause problems. For this reason, it is a material of a ceramic dielectric group that can simultaneously satisfy high resistance, high insulation, and low dielectric constant, such as high-purity alumina, quartz, zirconia, etc., and the thickness may be about 2 to 4 mm.
本発明で用いられる周回しないアンテナは、従来のループやコイルなどの周回する形状のアンテナに比べ、アンテナの持つインダクタンスを大幅に低減できる。その結果、高周波電力増大に伴う高周波電圧の増大を抑制することが出来る。 The antenna that does not circulate used in the present invention can significantly reduce the inductance of the antenna as compared with a conventional antenna that circulates such as a loop or a coil. As a result, it is possible to suppress an increase in high-frequency voltage accompanying an increase in high-frequency power.
図1のアンテナの接地側の導入端子9と接地との間には、ブロッキングコンデンサ7が挿入され、駆動側の導入端子8へは、図3(a)、(b)に示す整合器11を介して高周波電力が供給される。図3(a)、(b)は、接地電位に直接接続された接地型アンテナと、コンデンサを介して接地電位に接続された浮遊型アンテナの等価回路を示す。ここでLはアンテナのインダクタンス、rc はアンテナの内部抵抗、C0 、C1 、C2 はマッチングコンデンサ、Cb はブロッキングコンデンサ、ωは高周波電流の角周波数である。
A blocking capacitor 7 is inserted between the ground-side introduction terminal 9 and the ground of the antenna shown in FIG. 1, and a
図3(a)、(b)の何れの場合においても、高周波アンテナの高電位側電圧|VH |と低電位側電圧|VL |との間に発生する高周波電圧は、アンテナ電流Irf、アンテナのインダクタンスL、アンテナの内部抵抗rc を用いて、次の数1に示す式(2)で与えられる。 3A and 3B, the high-frequency voltage generated between the high-potential side voltage | V H | and the low-potential side voltage | V L | of the high-frequency antenna is the antenna current I rf. the antenna of the inductance L, by using the internal resistance r c of the antenna is given by equation (2) shown in the following equation 1.
|VL |=(1/ωCb )Irf (3)
|VH |=|1/jωCb +jωL|Irf (4)
図3(a)、(b)において共振条件が成立する時、LとC0 は
1/ω2 =[C0 C1 /(C0 +C1 )]L=C1 Lとなる。
| V L | = (1 / ωC b ) I rf (3)
| V H | = | 1 / jωC b + jωL | I rf (4)
When the resonance condition is satisfied in FIGS. 3A and 3B, L and C 0 are 1 / ω 2 = [C 0 C 1 / (C 0 + C 1 )] L = C 1 L.
また、一般に整合器11における入力インピーダンスは50オーム程度の低インピーダンスであるため、C0 >>C1 を満たす。さらに、アンテナとの整合時には1/C1 =1/C2 +1/Cb を満足する。その結果、図3(b)の浮遊型アンテナにおけるアンテナ両端の電圧比は次式(5)のように表せる。
In general, the input impedance of the
|VH /VL |=Cb /C2 (5)
図3(a)に示すアンテナの終端を接地電位に直接接続している接地型アンテナの場合における高電位側の高周波電圧の振幅は、低電位側が接地電位
(VL =0V)に固定されるのでωLrfとなる。
| V H / V L | = C b / C 2 (5)
In the case of a grounded antenna in which the terminal end of the antenna shown in FIG. 3A is directly connected to the ground potential, the high-frequency voltage amplitude on the high-potential side is fixed to the ground potential (VL = 0V). It becomes ωL rf .
これに対し図3(b)の浮遊型アンテナのアンテナ両端の電圧は、式(2)、(5)からωLIrfより小さくなる。そして終端容量が平衡条件を満たしてCb とC2 の比が1となる時、最小値VH =VL =ωLIrf/2が得られる。 ここで、プラズマへの高周波電流の漏洩が無視できる単純な場合を想定すると、図4(a)、(b)に示すように、アンテナ導体に沿って分布する高周波電圧は、VL からVH まで直線状に変化する。この場合、図3(b)に示すアンテナ終端にコンデンサ(Cb )を接続した浮遊型アンテナでは、アンテナ自体(L)と整合器内のマッチングコンデンサ(C2 )及び接地電位の間に挿入したブロッキングコンデンサ(Cb )の各インピーダンスが
ωL=2/ωCb =2/ωC2
を満足するとき、アンテナ高電位側の電圧VH の振幅は、図3(a)に示すアンテナを直接接地電位に接続した接地型アンテナの場合の振幅(ωLIrf)の半分となる。
On the other hand, the voltage across the antenna of the floating antenna shown in FIG. 3B is smaller than ωLI rf from the equations (2) and (5). When the termination capacitance satisfies the equilibrium condition and the ratio of C b to C 2 becomes 1, the minimum value V H = V L = ωLI rf / 2 is obtained. Here, assuming a simple case where the leakage of the high-frequency current to the plasma is negligible, as shown in FIGS. 4A and 4B, the high-frequency voltage distributed along the antenna conductor is from V L to V H. Changes linearly. In this case, in the floating antenna in which the capacitor (C b ) is connected to the terminal end of the antenna shown in FIG. 3B, it is inserted between the antenna itself (L), the matching capacitor (C 2 ) in the matching unit, and the ground potential. Each impedance of the blocking capacitor (C b )
ωL = 2 / ωC b = 2 / ωC 2
Is satisfied, the amplitude of the voltage V H on the antenna high potential side is half of the amplitude (ωLI rf ) in the case of a grounded antenna in which the antenna shown in FIG. 3A is directly connected to the ground potential.
そして、先に示したように、周回しない線状導体のアンテナへ高周波電流を供給することと、アンテナの終端にコンデンサを挿入してインピーダンスの整合を取ることを組み合わせることにより、アンテナにかかる高周波電圧の振幅を大きく低減できる。例えば、インダクタンスが1/2となれば、高周波電圧の対地振幅は約1/4となる。これは、アンテナに発生する対地電圧振幅として、従来方式と同程度の電圧が許される場合、従来方式に比べて16倍もの高出力の高周波電力を供給可能であることを示している。 As described above, the high-frequency voltage applied to the antenna is combined by supplying a high-frequency current to the non-circular linear conductor antenna and combining impedance by inserting a capacitor at the end of the antenna. Can be greatly reduced. For example, if the inductance is ½, the ground amplitude of the high-frequency voltage is about ¼. This indicates that, when the voltage equivalent to that of the conventional method is allowed as the ground voltage amplitude generated in the antenna, high-frequency power having a power 16 times higher than that of the conventional method can be supplied.
本発明では、プラズマ生成用のアンテナ自体を真空容器内に設置しているため、真空容器の外側に高周波アンテナを設けている従来装置のように放電室の形状や口径および長さがアンテナの大きさによって制限されるということがない。また、アンテナの大型化に伴うインダクタンスの増加を抑制するため、アンテナを直線状や、コの字状、円弧状などの周回しない複数個の線状の導体で構成して、いわゆるセグメント構造とし、さらにそれら複数個の線状の導体のそれぞれの端部を、独立した導入端子により真空容器の内壁面に支持するとともに、真空容器の外側で並列接続しているため、個々の線状導体の配置の自由度が高められ、ひいては放電室におけるプラズマ分布状態の制御を容易にすることができる。またアンテナ自体の作製とその取り付けや支持が容易となる。 In the present invention, since the plasma generating antenna itself is installed in the vacuum vessel, the shape, diameter, and length of the discharge chamber are the size of the antenna as in the conventional device in which a high frequency antenna is provided outside the vacuum vessel. There is no limit. In addition, in order to suppress an increase in inductance due to an increase in the size of the antenna, the antenna is configured with a plurality of linear conductors that do not circulate, such as a linear shape, a U-shape, or an arc shape, and a so-called segment structure is obtained. Furthermore, each end of the plurality of linear conductors is supported on the inner wall surface of the vacuum vessel by an independent introduction terminal, and is connected in parallel outside the vacuum vessel, so the arrangement of the individual linear conductors Therefore, it is possible to easily control the plasma distribution state in the discharge chamber. In addition, the antenna itself can be easily manufactured and attached or supported.
加えて本発明では、アンテナの終端と接地との間に電気容量が固定または可変のコンデンサを挿入して整合させることにより、高密度でプラズマ電位の低いプラズマが生成されるため、ダメージの少ないプラズマ処理を実現可能にするとともに、異常放電を発生させることなく大電力の高周波電力を供給できるため、プラズマの高密度化を図ることが容易である。 In addition, in the present invention, a plasma having a low density and a low plasma potential is generated by inserting a capacitor having a fixed or variable capacitance between the terminal of the antenna and the ground, thereby matching the plasma. Since the processing can be realized and high-frequency high-frequency power can be supplied without causing abnormal discharge, it is easy to increase the density of plasma.
アンテナの接地側に挿入したコンデンサの効果を検討するため、コンデンサを挿入した場合(浮遊型アンテナ)とアンテナ終端を直接接地電位に接続した場合(接地型アンテナ)について実験を行い比較した。 In order to examine the effect of the capacitor inserted on the ground side of the antenna, an experiment was conducted and compared when the capacitor was inserted (floating antenna) and when the antenna terminal was directly connected to the ground potential (grounded antenna).
図5に、浮遊型アンテナと接地型アンテナそれぞれのアンテナ状態における高周波投入電力(Prf)とプラズマ密度(np )との関係を示す。同図に見られるように、浮遊型アンテナ及び接地型アンテナ何れにおいてもPrfの増加に伴いnp は増大し、Prf=2.4kWで荷電粒子密度が5×1011(cm3 )の高密度プラズマが得られ、アンテナ接地状態の違いによるnp の違いは無いことがわかる。また、本実施例で得られるプラズマ密度は、従来方式による放電室径が300mmφ以下のプラズマ発生装置で得られているものと同程度かそれより高い値となっており、本発明のプラズマ発生方式によれば、従来方式のプラズマ発生装置に比べて大口径化した場合でも実用化レベルの高密度プラズマが容易に得られることを示している。 FIG. 5 shows the relationship between the high frequency input power (P rf ) and the plasma density (n p ) in the antenna state of each of the floating antenna and the grounded antenna. As seen in the figure, the floating-type antenna and n p with increasing P rf in any ground type antenna increases the charged particle density P rf = 2.4 kW is 5 × 10 11 of (cm 3) It can be seen that high-density plasma is obtained and there is no difference in n p due to the difference in antenna grounding state. In addition, the plasma density obtained in this example is the same as or higher than that obtained in a plasma generator having a discharge chamber diameter of 300 mmφ or less according to the conventional method, and the plasma generation method of the present invention. According to the above, it is shown that high-density plasma at a practical level can be easily obtained even when the diameter is increased as compared with the conventional plasma generator.
さらに図6には、同時にオシロスコープで計測した接地型アンテナと浮遊型アンテナそれぞれにおける高周波電圧(Vantenna )の変化を示す。接地型アンテナの場合、np が1×1011(cm3 )以上になるPrf500W以上の領域では、Prfの増加に依存してVantenna も増大する。これに対し高周波電圧平衡条件を満たす浮遊型アンテナの場合、接地型アンテナの場合の半分かそれ以下のVantenna 値を示す。そして、Prf=2.5kwの時、接地型アンテナではVantenna =約1800Vに対し、浮遊型アンテナでは、Vantenna =600Vと、約1/3の電圧に抑えられている。これらの結果から、アンテナの接地側に高周波電圧平衡条件を満たすコンデンサを挿入することは、プラズマ密度を低下させることなくアンテナにかかる電圧値の低減を可能にし、大電力投入による安定した高密度プラズマの生成を容易にする。 Further, FIG. 6 shows changes in high-frequency voltage (Vantenna) in the grounded antenna and the floating antenna simultaneously measured with an oscilloscope. In the case of a grounded antenna, Vantenna also increases depending on the increase of P rf in the region of P rf 500 W or more where n p is 1 × 10 11 (cm 3 ) or more. On the other hand, in the case of a floating antenna that satisfies the high-frequency voltage balance condition, a Vantenna value that is half or less than that of a grounded antenna is shown. When P rf = 2.5 kw, Vantenna = about 1800 V for the grounded antenna, and Vantenna = 600 V for the floating antenna, which is suppressed to about 3. From these results, it is possible to reduce the voltage value applied to the antenna without lowering the plasma density by inserting a capacitor that satisfies the high-frequency voltage equilibrium condition on the ground side of the antenna. Facilitates the generation of
図1の実施例と同様の装置を用いて、アルゴンガス(Ar ) を1.1 Paまで導入し、高周波電力を120W〜2400Wまで投入し、真空容器内にプラズマを発生させた。この時アンテナの終端は直接接地電位に接続した。またこの時アンテナ表面の絶縁体被覆の効果を検討するため、アンテナ表面に絶縁体を被覆した場合としない場合について同様の実験を行って比較した。 Using an apparatus similar to that in the embodiment of FIG. 1, argon gas (Ar) was introduced up to 1.1 Pa, high frequency power was introduced up to 120 W to 2400 W, and plasma was generated in the vacuum vessel. At this time, the end of the antenna was directly connected to the ground potential. At this time, in order to examine the effect of covering the surface of the antenna with the insulator, the same experiment was performed for the case where the surface of the antenna was not covered with the insulator and compared.
図7に、それぞれのアンテナ状態における高周波投入電力(Prf)に対するプラズマ密度(np )の変化を示す。絶縁体被覆無しのアンテナ状態の場合、Prf=500WまではPrfの増加に依存してプラズマ密度(np )は増加する。しかしPrf=500W以上になると真空容器内の至る所(例えば、導入端子部)で異常放電が多発し、安定したプラズマを得ることができなかった。これはプラズマ密度の増加に伴いプラズマ電位が急激に上昇し、その結果、真空容器内の各所で異常放電が生じたと考えられる。 FIG. 7 shows changes in plasma density (n p ) with respect to high frequency input power (P rf ) in each antenna state. In the antenna state without an insulator coating, the plasma density (n p ) increases depending on the increase of P rf up to P rf = 500W. However, when P rf = 500 W or more, abnormal discharge frequently occurred everywhere in the vacuum vessel (for example, the introduction terminal portion), and stable plasma could not be obtained. It is considered that this is because the plasma potential suddenly increased as the plasma density increased, and as a result, abnormal discharge occurred in various places in the vacuum vessel.
一方、絶縁体で被覆したアンテナではPrfの増加に対し異常放電を起こすことなくnp は増加し、Prf=2.4kwで5×1011(cm-3)の高密度プラズマが安定して得られている。これは、アンテナ表面を絶縁体にて被覆したことにより、プラズマからアンテナに流入する電子が遮断され、その結果プラズマ電位の上昇が抑制されたことに起因すると考えられる。この様に、アンテナ表面を絶縁体で被覆することにより安定した高密度プラズマが得られることが明らかになった。 On the other hand, n p without causing abnormal discharge to increase the P rf is an antenna coated with an insulator is increased and a high-density plasma P rf = 2.4 kW at 5 × 10 11 (cm -3) is stable It has been obtained. This is considered to be due to the fact that the electrons flowing from the plasma to the antenna are blocked by covering the antenna surface with an insulator, and as a result, the rise in plasma potential is suppressed. Thus, it became clear that stable high-density plasma can be obtained by coating the antenna surface with an insulator.
図8に示す実施例は、複数の直線状アンテナ18a〜18fを、真空容器17の内壁面に沿って縦方向か横方向、あるいは2次元状に配置したマルチ型直線状アンテナである。各直線状アンテナ18a〜18fのそれぞれの端子は図1に示された導入端子8,9と同様な独立した導入端子によって真空容器の内壁面に支持されるとともに、真空容器17の外側で並列接続され、整合器11とブロッキングコンデンサ7が接続される。図8の実施例ではマルチ型直線状アンテナが用いられており、特に大口径で長軸の真空容器内での高密度プラズマ生成を行うのに有効である。なお必要に応じて、各直線状アンテナ18a〜18fをコの字形あるいは円弧形のアンテナに変更することも可能である。
The embodiment shown in FIG. 8 is a multi-type linear antenna in which a plurality of
また図1、図8などの実施例において、真空容器の外壁に沿いマルチカスプ型の永久磁石を取り付けるなど、適当な磁界発生手段を付加することによって、プラズマ密度の一様性をさらに向上させることができる。 In the embodiments of FIGS. 1 and 8, the plasma density uniformity can be further improved by adding an appropriate magnetic field generating means such as attaching a multi-cusp permanent magnet along the outer wall of the vacuum vessel. it can.
1:真空容器
2:天板
3:排気口
4:基板電極
5:アンテナ導体
6:絶縁体チューブ
7:ブロッキングコンデンサ
8、9:導入端子
1: Vacuum container 2: Top plate 3: Exhaust port 4: Substrate electrode 5: Antenna conductor 6: Insulator tube 7: Blocking capacitor 8, 9: Introduction terminal
Claims (7)
前記複数個の線状導体には、直線状導体、コの字状導体、あるいは円弧状導体が含まれることを特徴とするプラズマ発生装置。 In the plasma generator shown in Claim 1,
The plasma generating apparatus, wherein the plurality of linear conductors include a linear conductor, a U-shaped conductor, or an arc-shaped conductor.
前記複数個の線状導体は、真空容器の内壁面に沿って縦方向か横方向、あるいは2次元状に配列されていることを特徴とするプラズマ発生装置。 In the plasma generator shown in Claim 1 or Claim 2,
The plasma generating apparatus, wherein the plurality of linear conductors are arranged in a vertical direction, a horizontal direction, or a two-dimensional shape along an inner wall surface of a vacuum vessel.
前記真空容器の内壁面に沿って配列される複数個の線状導体は、その導体の方向が該内壁面の周長の方向に揃えられていることを特徴とするプラズマ発生装置。 In the plasma generator shown in any one of claims 1 to 3,
The plasma generator according to claim 1, wherein the plurality of linear conductors arranged along the inner wall surface of the vacuum vessel have their conductors aligned in a circumferential direction of the inner wall surface.
前記真空容器の外側に、プラズマ密度を一様にする磁界発生手段を設けたことを特徴とするプラズマ発生装置。 In the plasma generator according to any one of claims 1 to 4,
A plasma generating apparatus characterized in that a magnetic field generating means for making the plasma density uniform is provided outside the vacuum vessel.
前記複数個の線状導体の接地側の接続点と接地との間に、電気容量が固定または可変のコンデンサを挿入したことを特徴とするプラズマ発生装置。 In the plasma generator according to any one of claims 1 to 5,
A plasma generating apparatus, wherein a capacitor having a fixed or variable electric capacity is inserted between a ground-side connection point of the plurality of linear conductors and the ground.
前記真空容器内に導入される雰囲気ガスとしてアルゴンガスを用いることを特徴とするプラズマ発生装置。
In the plasma generator shown in any one of Claims 1 thru / or 6,
A plasma generator characterized in that argon gas is used as the atmospheric gas introduced into the vacuum vessel.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005257086A JP3836866B2 (en) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | Plasma generator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005257086A JP3836866B2 (en) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | Plasma generator |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21223899A Division JP3836636B2 (en) | 1999-07-27 | 1999-07-27 | Plasma generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006024579A true JP2006024579A (en) | 2006-01-26 |
JP3836866B2 JP3836866B2 (en) | 2006-10-25 |
Family
ID=35797672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005257086A Expired - Lifetime JP3836866B2 (en) | 2005-09-05 | 2005-09-05 | Plasma generator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3836866B2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2009110226A1 (en) * | 2008-03-05 | 2011-07-14 | 株式会社イー・エム・ディー | High frequency antenna unit and plasma processing apparatus |
CN102326457A (en) * | 2009-05-19 | 2012-01-18 | 日新电机株式会社 | Plasma apparatus |
CN101740303B (en) * | 2008-11-05 | 2012-10-31 | 东京毅力科创株式会社 | Plasma processing apparatus |
JP5733460B1 (en) * | 2014-10-01 | 2015-06-10 | 日新電機株式会社 | Antenna for generating plasma and plasma processing apparatus including the same |
JP5874853B1 (en) * | 2015-04-17 | 2016-03-02 | 日新電機株式会社 | Plasma processing equipment |
-
2005
- 2005-09-05 JP JP2005257086A patent/JP3836866B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2009110226A1 (en) * | 2008-03-05 | 2011-07-14 | 株式会社イー・エム・ディー | High frequency antenna unit and plasma processing apparatus |
CN101740303B (en) * | 2008-11-05 | 2012-10-31 | 东京毅力科创株式会社 | Plasma processing apparatus |
CN102326457A (en) * | 2009-05-19 | 2012-01-18 | 日新电机株式会社 | Plasma apparatus |
JP5382115B2 (en) * | 2009-05-19 | 2014-01-08 | 日新電機株式会社 | Plasma device |
JP5733460B1 (en) * | 2014-10-01 | 2015-06-10 | 日新電機株式会社 | Antenna for generating plasma and plasma processing apparatus including the same |
JP5874853B1 (en) * | 2015-04-17 | 2016-03-02 | 日新電機株式会社 | Plasma processing equipment |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3836866B2 (en) | 2006-10-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3836636B2 (en) | Plasma generator | |
KR100602074B1 (en) | Plasma generator with transformer coupled balanced antenna | |
JP3090615B2 (en) | Inductive plasma generator and method for providing capacitive coupling | |
TWI239794B (en) | Plasma processing apparatus and method | |
US7567037B2 (en) | High frequency power supply device and plasma generator | |
CN101543141B (en) | Plasma processing apparatus | |
TWI611735B (en) | Plasma processing device (1) | |
US7098599B2 (en) | Plasma generator | |
TWI227510B (en) | Plasma processing apparatus | |
TWI324027B (en) | Plasma producing method and apparatus as well as plasma processing apparatus | |
JP4838612B2 (en) | Plasma processing equipment | |
TWI580325B (en) | Antenna for inductively coupled plasma generation, inductively coupled plasma generator, and method of driving the same | |
JP2001511945A (en) | Plasma processing machine for large workpieces | |
US11515119B2 (en) | Plasma processing device | |
TW201143547A (en) | Plasma processing apparatus | |
JP2005505130A (en) | Procedure and apparatus for generating plasma | |
JP2012018921A (en) | Plasma generating apparatus | |
JPH11135438A (en) | Semiconductor plasma processing apparatus | |
US20150371823A1 (en) | Plasma apparatus and substrate processing apparatus | |
JP2004039719A (en) | Plasma device, plasma control method, and plasma processing substrate | |
KR101626039B1 (en) | Consecutive substrate processing system using large-area plasma | |
JP3836866B2 (en) | Plasma generator | |
US9167680B2 (en) | Plasma processing apparatus, plasma generating apparatus, antenna structure and plasma generating method | |
JP3923323B2 (en) | Plasma processing apparatus and plasma processing method | |
KR101572100B1 (en) | Plasma reactor using multi-frequency |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060725 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060727 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3836866 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100804 Year of fee payment: 4 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110804 Year of fee payment: 5 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120804 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130804 Year of fee payment: 7 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |