JP5067749B2 - Microwave plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ波電力によりプラズマを発生させて、ウエハ等の被処理基板に、プラズマを使用したCVD(化学蒸着)、エッチング、アッシング(レジスト灰化処理)等の処理を施す、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。 In the present invention, plasma is generated by microwave power, and a substrate such as a wafer is subjected to processing such as CVD (chemical vapor deposition), etching, ashing (resist ashing) using plasma. The present invention relates to a processing apparatus.
半導体又はマイクロマシン等を製造するプロセスにおいて、反応ガスに外部からエネルギーを与えた際に発生するプラズマが広く用いられている。特に近年ではウエハの大口径化・大量生産等の要望により、プラズマによる大面積の基板処理を行うことが可能な装置の開発が必須となっている。 In a process for manufacturing a semiconductor, a micromachine, or the like, plasma generated when energy is applied to the reaction gas from the outside is widely used. In recent years, in particular, due to demands for larger diameter wafers, mass production, etc., it has become essential to develop an apparatus capable of performing large-area substrate processing using plasma.
その中で、放電容器にマイクロ波電力が導入されて発生する表面波によりプラズマを発生・維持させるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置が、以下の特性により注目されている。ここで表面波とは、マイクロ波のエネルギーがプラズマ表面近傍領域に集中しており、プラズマの内部に向かう方向には減衰するような特徴を有する波を意味している。
(1)外部磁界の印加が不要なこと。
(2)マイクロ波(2.45GHz)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励起するため、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(<100 mTorr(1Torr=133Pa))においても高密度(>1011cm-3)プラズマが得られること。
Among them, a microwave surface wave excitation plasma processing apparatus that generates and maintains plasma by surface waves generated by introducing microwave power into a discharge vessel has attracted attention due to the following characteristics. Here, the surface wave means a wave having a characteristic that microwave energy is concentrated in a region near the plasma surface and attenuates in a direction toward the inside of the plasma.
(1) It is not necessary to apply an external magnetic field.
(2) Utilizing microwaves (2.45 GHz), magnetron is inexpensive, impedance matching is easy, electrodes necessary for generating plasma are unnecessary, and so-called electrodeless operation is possible.
(3) Since the plasma is excited by surface waves, it is possible to generate large-area plasma with high uniformity, and high density (> 10 11 cm -3 ) even at low pressure (<100 mTorr (1 Torr = 133 Pa)) Plasma can be obtained.
図10にマイクロ波表面波励起プラズマ装置の一例を示す。マイクロ波表面波励起プラズマ装置40は、導波管101、導波管101に囲まれているテフロン(登録商標)製のリング状の誘電体アンテナ102、導波管101の底面に沿って設置されている数個のスロット103、およびその下部に設置されている円型の誘電体窓104と金属製の真空容器105とで構成され、真空容器105内には、基板106を載置する基板ホルダー107と、処理室10内を所要の真空度に設定するガス排気口109と、所要の反応ガスを供給するためのガス導入口108とが設置されている。
FIG. 10 shows an example of a microwave surface wave excitation plasma apparatus. The microwave surface wave
このマイクロ波表面波励起プラズマ装置40では、導波管101から導入されたマイクロ波が、誘電体アンテナ102に定在波を形成し、導波管101の底面に沿って設置されているスロット103、およびその下部に設置された誘電体窓104を通して真空容器105内に入射し、誘電体窓104の近くにプラズマを生成する。プラズマは、誘電体窓104とプラズマとの境界面を伝搬する表面波により、スロット103が設置されている真空容器105の周りから中央へ広がる。また、誘電体窓104の付近に生成された表面波励起プラズマは、拡散現象により真空容器105全体に広がるように構成されている。 このような構成のマイクロ波表面波励起プラズマ装置40を用いて、基板ホルダー107の上に載置された基板106にCVD等の処理を施す場合、ガス排気口109から真空容器105内の空気を排気した後、ガス導入口108から反応ガスを供給する。マイクロ波発振器(図示せず。)で発生したマイクロ波が、誘電体アンテナ102に定在波を形成し、導波管101の底面に沿って設置されているスロット103、およびその下部に設置された誘電体窓104を通して処理室10内に導入されると、処理室10内部にプラズマが生成され、そのプラズマにより基板106にCVD等の処理を行う。
In this microwave surface wave
ところで、1Torr以下の低圧力においてプラズマCVDで高品質の薄膜を高速で形成するには、薄膜形成に必要なラジカル(radical)を大量に生成する必要がある。プラズマ中のラジカルは主に電子エネルギーによって生成されるので、ラジカルを大量に生成するには高い電子温度が必要であり、そのために高い電子温度を持つプラズマが要求される。 By the way, in order to form a high-quality thin film at high speed by plasma CVD at a low pressure of 1 Torr or less, it is necessary to generate a large amount of radicals necessary for forming the thin film. Since radicals in plasma are mainly generated by electron energy, a high electron temperature is required to generate a large amount of radicals. For this reason, plasma having a high electron temperature is required.
一方、基板へのイオン衝撃は薄膜形成に大きな影響を与えるパラメーターであるため、基板前面におけるイオン加速のシース電圧を制御する必要がある。一般的にシース電圧の制御は基板にバイアス電圧を印加することで行うが、外部からバイアス電圧を印加してシース電位を容易に制御するためには、プラズマの電子温度が低い方が有利(プラズマから基板表面に入るイオン電流密度と浮遊電位は電子温度の関数であり、それらは電子温度が低いほど小さくなるためである。)である。 On the other hand, since ion bombardment to the substrate is a parameter that greatly affects thin film formation, it is necessary to control the sheath voltage of ion acceleration on the front surface of the substrate. Generally, the sheath voltage is controlled by applying a bias voltage to the substrate. However, in order to easily control the sheath potential by applying a bias voltage from the outside, it is advantageous that the plasma electron temperature is low (plasma This is because the ionic current density and the floating potential that enter the substrate surface from are a function of the electron temperature, and they are smaller as the electron temperature is lower.
以上より、プラズマCVDで高品質の薄膜を形成するためには、同じ処理室内で、ラジカル発生成領域では高電子温度のプラズマが、成膜領域では低電子温度のプラズマが必要となる。 As described above, in order to form a high-quality thin film by plasma CVD, high electron temperature plasma is required in the radical generation region and low electron temperature plasma is required in the film formation region.
図10に示すような構成のマイクロ波表面波励起プラズマ装置40は、マイクロ波を導入する誘電体窓104の付近では、誘電体窓104とプラズマの境界面で発生する表面波の電界により、高い電子温度のプラズマが発生する。誘電体窓104からプラズマ内へ少し離れると表面波の電界が大きく減衰し、主に拡散現象により支配される低い電子温度のプラズマが存在していることから、薄膜形成用のCVD装置として最適なプラズマ特性を持っている。その応用例として、100 mTorr以下のガス圧力におけるダイヤモンド薄膜形成用のプラズマCVDがある。
The microwave surface wave
100 mTorr以下のガス圧力におけるダイヤモンド薄膜形成技術は、従来のガス圧力10〜100 Torrで行う場合に比べて次のメリットが期待され、最近注目されている技術である。
(1)大面積のプラズマ発生が可能なことにより、大面積の薄膜形成が可能である。
(2)ダイヤモンド薄膜形成に必要とされる基板温度を低くできる。
(3)中性ガスの温度が低いので真空容器の壁からの不純物混入が減少する。
(4)CVDのパラメーター(ガス圧力、基板温度、電力等)の独立および精密な制御が可能である。
(5)ダイヤモンドの核密度が増加する。
(6)膜厚の原子レベルで制御が可能である。
(7)様々なプラズマ測定技術が使えるので、ダイヤモンド薄膜形成in-situの測定が可能である。
(8)半導体用にダイヤモンド薄膜形成する際、不純物Doping濃度の精密な制御が可能である。
The diamond thin film formation technique at a gas pressure of 100 mTorr or less is a technique that has recently been attracting attention because it is expected to have the following advantages over the conventional gas pressure of 10 to 100 Torr.
(1) Since a large-area plasma can be generated, a large-area thin film can be formed.
(2) The substrate temperature required for diamond thin film formation can be lowered.
(3) Since the temperature of the neutral gas is low, mixing of impurities from the wall of the vacuum vessel is reduced.
(4) Independent and precise control of CVD parameters (gas pressure, substrate temperature, power, etc.) is possible.
(5) The nuclear density of diamond increases.
(6) The film thickness can be controlled at the atomic level.
(7) Since various plasma measurement techniques can be used, in-situ measurement of diamond thin film formation is possible.
(8) When forming a diamond thin film for a semiconductor, the impurity doping concentration can be precisely controlled.
しかし、100mTorr以下の圧力では、グラファイト成分が増えてダイヤモンド薄膜形成が難しいのが現状である。ICP(inductively coupling plasma)とECR(electron cyclotron resonance)プラズマを用いて100 mTorr以下でダイヤモンド合成を行った例があるが、完全な層状の膜に成長せず、実用化可能な品質まで至ってない。その原因としては低いラジカル密度と基板へのイオン衝撃の影響が考えられる。 However, at a pressure of 100 mTorr or less, the present condition is that it is difficult to form a diamond thin film due to an increase in graphite components. There is an example of diamond synthesis using ICP (inductively coupling plasma) and ECR (electron cyclotron resonance) plasma at 100 mTorr or less, but it does not grow into a perfect layered film and has not yet reached a practical quality. The cause is considered to be the low radical density and the influence of ion bombardment on the substrate.
100 mTorr以下の圧力におけるプラズマでは無衝突シースが形成され、プラズマからのイオンがシース電位により加速され、そのまま基板表面に衝突するので、数十Torrの圧力におけるプラズマに比べて基板表面に対するイオン衝撃は大きくなる。イオン衝撃は成長中のダイヤモンド薄膜形成に有害な諸反応を起こすことが知られている。ダイヤモンド薄膜形成プロセスにおいてイオン衝撃を抑えるため、図11に示す基板106に正の直流バイアス電圧を印加してシース電位を下げる方法が一般的に使われている。図11のマイクロ波表面波励起プラズマ装置50では、バイアス電源200で基板106に正の直流バイアス電圧を印加し、真空容器105の内部壁をアース電極となすように構成されている。
In plasma at a pressure of 100 mTorr or less, a collisionless sheath is formed, and ions from the plasma are accelerated by the sheath potential and collide with the substrate surface as it is. growing. Ion bombardment is known to cause detrimental reactions to growing diamond film formation. In order to suppress ion bombardment in the diamond thin film formation process, a method of applying a positive DC bias voltage to the
しかし、この方法ではバイアス電圧を上げることによりプラズマ空間電位も上がってしまうので、プラズマが不安定になり、さらに真空容器(放電容器)の内壁にアーク放電を発生することがあり、バイアス電圧の印加には限界がある。 However, with this method, increasing the bias voltage also increases the plasma space potential, so the plasma becomes unstable, and arc discharge may occur on the inner wall of the vacuum vessel (discharge vessel). Has its limits.
一方、図10に示したマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置40の上述した電子温度の空間的な不均一性を利用し、基板表面付近のシース電位を下げる方法が開発されている(特許文献1)。図12に特許文献1に示されたマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す。マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60は、図10に示したマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置40の基本構造に加えて、高電子温度プラズマがある誘電体窓104の下に特殊形状の導体板を密着させて上部電極203とし、アースとなっている真空容器105と基板106に対して、バイアス電源200により上部電極203に負の直流バイアス電圧を印加するように構成されている。この場合、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60の真空容器105の内壁の80%以上が、絶縁体膜116によって被覆されている。マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60では、かなりの部分のプラズマ空間電位が制御でき、これによりアースとした基板106付近のシース電位の制御が可能になる。また、基板106がおかれてCVDが行われるプラズマの電子密度が高く、電子温度は低くなる。マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60では、核生成を促進する前処理として機械的に表面をスクラッチしたシリコン基板上に30mTorrの圧力、約650℃の基板温度において完全な層状の平坦な表面をもつナノクリスタルダイヤモンド薄膜形成に成功している。また、ガス種とプラズマ空間電位を制御して、カーボンナノウォール、カーボンナノ粒子などのカーボンナノ物質の合成にも成功している。表面波励起プラズマにおける電子温度の空間差を利用し、プラズマ空間電位の制御する負のバイアス印加方法の有効性が実験的に確認されている。
しかしながら、より高品質のダイヤモンド薄膜形成、より低圧力および低基板温度におけるダイヤモンド薄膜形成、シース電位を制御し望むカーボン物質を合成するため、さらにプラズマ空間電位(基板付近のシース電位)を大幅に制御する必要がある。 However, higher quality diamond film formation, diamond film formation at lower pressure and substrate temperature, sheath potential is controlled and the desired carbon material is synthesized to further control plasma space potential (sheath potential near substrate). There is a need to.
また、薄膜形成プロセス中では、プラズマ空間電位を変えながらプロセスを行う必要がある場合も多い。例えば、ダイヤモンドの核生成促進前処理としてBias enhanced nucleation (BEN)方法を利用するプロセスでは、第1ステップ(核生成段階)として基板付近のシース電位を上げるために負のバイアス電圧を印加して基板表面にイオン衝撃を与え、第2ステップ(成長段階)ではシース電位を下げるために正のバイアス電圧を印加する。 In addition, during the thin film formation process, it is often necessary to perform the process while changing the plasma space potential. For example, in a process that uses the Bias enhanced nucleation (BEN) method as a pretreatment for promoting diamond nucleation, a negative bias voltage is applied to increase the sheath potential near the substrate as the first step (nucleation stage). An ion bombardment is applied to the surface, and in the second step (growth stage), a positive bias voltage is applied to lower the sheath potential.
これらのプラズマ処理装置に対する要求に対応できる、新しいプラズマ空間電位(基板付近のシース電位)の制御技術の開発が必要になっている。 Development of a new plasma space potential (sheath potential near the substrate) control technology that can meet the demands for these plasma processing apparatuses is required.
一方、表面波励起プラズマの特徴である誘電体窓付近の表面領域とCVDが行われるバルク領域との電子温度差を用いて、負のバイアス電圧印加方法でプラズマ空間電位が制御されることをプラズマのシース理論によりその原理を解析すると、バイアス電圧以外にプラズマと接する両電極の表面積比の変化により、基板付近のプラズマ空間電位が制御できることが分かる。 On the other hand, the plasma space potential is controlled by a negative bias voltage application method using the electron temperature difference between the surface region near the dielectric window, which is a characteristic of surface wave excitation plasma, and the bulk region where CVD is performed. When the principle is analyzed by the sheath theory, it is understood that the plasma space potential in the vicinity of the substrate can be controlled by changing the surface area ratio of both electrodes in contact with the plasma in addition to the bias voltage.
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、優れた特性を持つプラズマの発生と制御を可能として、薄膜形成およびエッチングなどの処理に最適なプラズマ処理方法およびその装置を提供すること、より具体的には、処理室内に設置された両電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、プラズマ空間電位が制御可能なマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and provides a plasma processing method and apparatus optimal for processing such as thin film formation and etching, enabling generation and control of plasma having excellent characteristics, More specifically, an object of the present invention is to provide a microwave plasma processing apparatus capable of changing the surface area in contact with the plasma of both electrodes installed in the processing chamber outside the processing chamber and controlling the plasma space potential.
本発明は、バイアス電圧を印加するためにプラズマ処理室内に設置された両電極のプラズマと接する表面積を処理室外で制御が可能とし、これにより、プラズマ空間電位が制御可能なマイクロ波プラズマ処理装置である。すなわち、本発明は以下の通りである。 The present invention provides a microwave plasma processing apparatus in which the surface area in contact with the plasma of both electrodes installed in the plasma processing chamber for applying a bias voltage can be controlled outside the processing chamber, thereby controlling the plasma space potential. is there. That is, the present invention is as follows.
本発明における請求項1記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、基板を収納する処理室を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓が気密に設けられた真空容器と、導波管を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器内に導入するアンテナと、前記処理室内の前記誘電体窓に沿って設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されると共に、前記マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記処理室内に設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されている内部容器と、前記内部容器とは電気的に絶縁され、前記内部容器内に設置されている複数の導体とを有し、前記導体板と前記内部容器と前記複数の導体のそれぞれに電気リード線が設けられ、一方が前記電気リード線に接続されているスイッチの他方は前記真空容器外部のアース回路とつながっていることを特徴とする。
The microwave plasma processing apparatus according to
本発明における請求項2記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記導体板は互いに電気的に絶縁された複数の部分からなり、前記複数の部分に電気リード線が設けられ、一方が前記電気リード線に接続されているスイッチの他方は前記真空容器外部のアース回路とつながっていることを特徴とする。 In the microwave plasma processing apparatus according to claim 2 of the present invention, the conductor plate includes a plurality of portions that are electrically insulated from each other, and the plurality of portions are provided with electric lead wires, one of which is the electric lead wire. The other switch connected to is connected to a ground circuit outside the vacuum vessel.
本発明における請求項3記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記導体板にバイアス電圧を印加する電源を有することを特徴とする。 The microwave plasma processing apparatus according to claim 3 of the present invention is characterized by having a power source for applying a bias voltage to the conductor plate.
本発明における請求項4記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記誘電体窓は前記処理室内側に環状突起を有し、前記導体板が前記環状突起の内側に設置されていることを特徴とする。 The microwave plasma processing apparatus according to claim 4 of the present invention is characterized in that the dielectric window has an annular protrusion on the inside of the processing chamber, and the conductor plate is disposed inside the annular protrusion. .
本発明の請求項1記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、処理室内に設置された下部電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、プラズマ空間電位を制御することで、高品質、低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。 According to the microwave plasma processing apparatus of the first aspect of the present invention, the surface area in contact with the plasma of the lower electrode installed in the processing chamber can be changed outside the processing chamber, and by controlling the plasma space potential, Quality, low pressure and low substrate temperature plasma processing is possible.
本発明の請求項2記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、更に、上部電極のプラズマと接する表面積の値を処理室外で変更することができ、広範囲にプラズマ空間電位を制御することで、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。 According to the microwave plasma processing apparatus of the second aspect of the present invention, the value of the surface area in contact with the plasma of the upper electrode can be changed outside the processing chamber, and by controlling the plasma space potential over a wide range, High quality, lower pressure and lower substrate temperature plasma processing is possible.
本発明の請求項3記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、更に、上部電極にバイアス電圧を印加することで、より広範囲にプラズマ空間電位を制御することでき、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。 According to the microwave plasma processing apparatus of the third aspect of the present invention, by further applying a bias voltage to the upper electrode, it is possible to control the plasma space potential over a wider range, resulting in higher quality, lower pressure and Plasma processing at a low substrate temperature is possible.
本発明の請求項4記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、アーク放電を抑えながら上記効果を発揮することができる。 According to the microwave plasma processing apparatus of the fourth aspect of the present invention, the above effect can be exhibited while suppressing arc discharge.
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の第1の実施例を図1に示す。このマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1は、上端が開口した円筒型の金属製の真空容器105と、真空容器105の上端部に気密に取り付けられたマイクロ波が透過可能な誘電体窓(例えば石英、アルミナなど)104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)として導波管101に囲まれたリング状の誘電体アンテナ102とリング状の誘電体アンテナ102の下面にマイクロ波が透過可能なスロット103とを有する。
A first embodiment of the present invention is shown in FIG. This microwave surface wave-excited
真空容器105内には、真空容器105内を所要の真空度に設定するガス排気口109と、所要の反応ガスを供給するためのガス導入口108と、真空容器105の内部壁と電気的に絶縁されて設置されている上端が開口した円筒型の内部容器201と、内部容器201と電気的に絶縁されて設置されている複数の円筒型の導体202と、基板106と、基板106を載置する基板ホルダー107と、内部容器201および円筒型の導体202から電気的に絶縁されて誘電体窓104の下面につけられている導体板203を有する。ここで、内部容器201は、導体容器、誘電体容器、あるいは、真空容器105の内部壁を絶縁体膜で被覆したものを用いても良い。すなわち、プラズマと接する真空容器の内部壁を電気的に浮遊させることができるものであれば良い。
In the
真空容器105と基板ホルダー107には電気リード線210が取り付けられアース回路を構成しており、内部容器201と個々の円筒型の導体202には電気リード線210を設けて、それぞれ真空容器105の外部に設置されたON/OFFスイッチ211とスイッチ212およびアース回路につながっている。一方を電気リード線に接続し、他方をアース回路に接続したスイッチ211とスイッチ212の開閉により、内部容器201と個々の円筒型の導体202が電気的にアースまたはフローティング(浮遊電位状態、不動電位状態)が可能なように構成されている。同様に導体板203にもスイッチ213の一方を電気リード線を介して接続し、スイッチ213の他方がアース回路に接続されており、スイッチ213の開閉により導体板203が電気的にアースまたはフローティングが可能なように構成されている。
An
以上の構成において、このマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1を用いて、以下の手順で基板106にCVD等の処理を施すことができる。
In the above configuration, using the microwave surface wave excitation
マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1の処理室10内において、基板ホルダー107の上に載置された基板106にCVDの処理を施す場合、まず、ガス排気口109から処理室10内の空気を排気した後、ガス導入口108から反応ガスを供給する。次に、マイクロ波電源(図示せず。)から導波管101を通ってリング状の誘電体アンテナ102内に導入されたマイクロ波が定在波を生成すると、その定在波は、スロット103と誘電体窓104を経て真空容器105にプラズマを生成する。このプラズマにより基板106にCVD処理を行う。
When performing the CVD process on the
真空容器105に生成されたプラズマは、誘電体窓104の付近(表面領域)で表面波により高い電子温度をもつ。一方、内部容器201の内(バルク領域)には低い電子温度をもつ。このような電子温度の空間的な分布の差はマイクロ波表面波励起プラズマ装置の顕著な特徴である。
The plasma generated in the
空間的に電子温度と電子密度が均一なプラズマ内に二つの電極Iと電極IIを設置し、両電極を電気的につなげても電流は流れない。それは、電極Iに入る電子電流とイオン電流が両拡散現象により同じとなり、さらに電極IIに入る電子電流とイオン電流との場合も同じになるのでプラズマから両電極に流れる電子とイオンの数が釣り合うためである。したがって、プラズマ空間電位は両電極の表面積比が変わってもフローティング電位となり一定となる。 Even if two electrodes I and II are installed in a plasma having a spatially uniform electron temperature and electron density and the electrodes are electrically connected, no current flows. That is, the electron current and ion current entering the electrode I become the same due to both diffusion phenomena, and the electron current and ion current entering the electrode II are also the same, so the number of electrons and ions flowing from the plasma to both electrodes is balanced. Because. Therefore, the plasma space potential becomes a floating potential and is constant even if the surface area ratio of both electrodes changes.
ところが、マイクロ波表面波励起プラズマのように電子温度の空間分布差が大きいプラズマ内の高電子温度領域に電極Iを、低電子温度領域に電極IIを設置した場合は、両電極が接しているプラズマの電子温度の差により、高電子温度のプラズマ領域から低電子温度のプラズマ領域に電流が流れる。すなわち、プラズマから電極Iには主に電子電流が流れ、プラズマから電極IIにはイオン電流が流れることになる。電極Iに流れる電子電流は電極IIに流れるイオン電流により制限される。もし、電極IIの表面積を大きくするとイオン電流も表面積に比例して大きくなるので、プラズマの全体の電気的な中性が維持されるためには電極Iに流れる電子電流は電極IIに流れるイオン電流の増加分のみ増えなければならない。その結果、プラズマ空間電位が下がる。 However, when the electrode I is installed in the high electron temperature region and the electrode II is installed in the low electron temperature region in the plasma with a large difference in the spatial distribution of electron temperature, such as microwave surface wave excitation plasma, both electrodes are in contact with each other. Due to the difference in plasma electron temperature, a current flows from a plasma region having a high electron temperature to a plasma region having a low electron temperature. That is, an electron current mainly flows from the plasma to the electrode I, and an ion current flows from the plasma to the electrode II. The electron current flowing through the electrode I is limited by the ionic current flowing through the electrode II. If the surface area of the electrode II is increased, the ion current also increases in proportion to the surface area. Therefore, in order to maintain the overall electrical neutrality of the plasma, the electron current flowing to the electrode I is the ion current flowing to the electrode II. You must increase only the amount of increase. As a result, the plasma space potential decreases.
本発明のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1を用いたCVD処理では、導体板203を上部電極とし、内部容器201と円筒型の導体202と基板ホルダー107と基板106を下部電極とすると、上部電極は、上述の説明の電極Iに、下部電極は上述の説明の電極IIに相当することになる。したがって、スイッチ211とスイッチ212とスイッチ213を開閉することにより、プラズマと接する上部電極と下部電極の表面積比を制御することにより、プラズマ空間電位、すなわち、基板106付近のシース電位も制御可能となる。
In the CVD process using the microwave surface wave excitation
例えば、スイッチ213を閉(以下、ON状態と称す。)とし、スイッチ211を開(以下、OFF状態と称す。)とし、スイッチ212a、212b、212c、212d、212eをいずれもOFFとした場合(表1のステップ1)は、下部電極の表面積は最小となり、上部電極と下部電極の表面積比も最小となり、基板106付近のシース電位が最も高くなる。次に、スイッチ212a、212b、212c、212d、212eを順にOFFからONに切り換えていくと(表1のステップ2)、ONになったスイッチに接続されている円筒型の導体202の面積分だけ下部電極の表面積が大きくなり、上部電極と下部電極の表面積比もそれに対応して大きくなり、基板106付近のシース電位が下がる。同様に、スイッチ212を全てONにしたまま、スイッチ211をONにすると(表1のステップ3)、下部電極の表面積は内部容器201の面積の分だけ大きくなり、上部電極と下部電極の表面積比もそれに対応して大きくなり、基板106付近のシース電位はさらに下がる。ここで、スイッチ213をOFFとすると(表1のステップ4)、スイッチ211とスイッチ212のON・OFF状態に関係なく、上部電極と下部電極との間に電流が流れなくなり、基板付近106のシース電位は電子温度により決まるフローティング電位となり、最小となる。
For example, when the
以上の手順でスイッチを操作することにより、基板付近106のシース電位が高い方から段階的に低い方に制御することが可能になる。表1に各ステップの各スイッチのON・OFF状態をまとめて示す。
By operating the switch in the above procedure, it becomes possible to control the sheath potential in the vicinity of the
実験(1)
本実施例の適用例として、ガス圧力30mTorrにおいてダイヤモンド薄膜形成を行った結果を以下に示す。
Experiment (1)
As an application example of this example, the result of forming a diamond thin film at a gas pressure of 30 mTorr is shown below.
従来の技術では、基板表面にダイヤモンド核生成密度を上げるために、核生成促進前処理として機械的なスクラッチを行い、基板表面を洗浄した後、プラズマCVD処理装置内の基板ホルダーに基板をおいてダイヤモンド薄膜形成を行うか、あるいは、スクラッチ処理を行わずに基板の表面を洗浄し、プラズマCVD処理装置内の基板ホルダーに基板をおいてプラズマを生成させ、核生成促進前処理として、アースとした真空容器に対して基板に負の直流バイアス電圧を数分から数十分間印加してイオン衝撃を基板に与える処理(bias enhanced nucleation: BEN)を行った後、ダイヤモンド薄膜形成を行う必要が有った。 In the conventional technology, in order to increase the diamond nucleation density on the substrate surface, mechanical scratching is performed as a pretreatment for promoting nucleation, and after cleaning the substrate surface, the substrate is placed on the substrate holder in the plasma CVD processing apparatus. Either the diamond thin film is formed or the surface of the substrate is cleaned without scratching, the substrate is placed on the substrate holder in the plasma CVD processing apparatus to generate plasma, and grounding is performed as a pretreatment for promoting nucleation. After applying a negative DC bias voltage to the substrate for several minutes to several tens of minutes to the vacuum vessel to apply ion bombardment to the substrate (bias enhanced nucleation: BEN), it is necessary to form a diamond thin film. It was.
これに対して、本実施例では基板106の表面をスクラッチ処理せずに洗浄のみを行い、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1内の基板ホルダー107において、H2とCO混入ガスのプラズマを生成させ、まず、表1に示すステップ1の状態を数十分間行った後、ステップ4の状態でダイヤモンド薄膜形成(実験条件:ガス圧力30mTorr、基板温度650℃)を行い、ダイヤモンド薄膜形成に成功した。
In contrast, in this embodiment, only the surface of the
本実験では、最初の数十分間、下部電極の面積を小さくすることでプラズマ空間電位を高くしイオン衝撃を基板表面に与えることで、従来のBEN処理と違う手段で核生成促進前処理を行った。すなわち、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1では、従来の直流バイアス電源を用いて行ったBEN処理が、直流電源なしで、単にスイッチを制御することで可能であり、前処理プロセスの手間を簡単にできる。
In this experiment, by reducing the area of the lower electrode for the first tens of minutes, the plasma space potential is increased and ion bombardment is applied to the substrate surface, so that nucleation promotion pretreatment is performed by means different from conventional BEN treatment. went. That is, in the microwave surface wave excitation
以上のように、本実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1は、基板106を収納する処理室10を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓104が気密に設けられた真空容器105と、導波管101を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器105内に導入する誘電体アンテナ102と、前記処理室10内の前記誘電体窓104に沿って設置され、前記真空容器105とは電気的に絶縁され、マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板203とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記処理室10内に設置され前記真空容器105とは電気的に絶縁されている内部容器201と、前記内部容器201とは電気的に絶縁され、前記内部容器201内に設置されている複数の導体202を有し、前記導体板203と前記内部容器201と前記複数の導体202のそれぞれに電気リード線210が設けられ、一方が前記電気リード線210に接続されているスイッチ211、212、213の他方は前記真空容器105外部のアース回路とつながっていることを特徴とすることで、処理室10内に設置された下部電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、プラズマ空間電位を制御することで、高品質、低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。
As described above, the microwave surface wave excitation
次に、第2の実施例ついて説明する。 Next, a second embodiment will be described.
第2の実施例は、第1の実施例と比較した場合、誘電体窓104の下面に取り付ける導体板203を図2に示すように複数の導体板203a、203b、203c、203dで形成し、それぞれにスイッチ213a、213b、213c、213dを設けている点で相違する。スイッチ213a、213b、213c、213dを各々ON・OFFすることにより上部電極203の表面積を変えることができ、これによりプラズマ空間電位の段階的な制御が可能である。実施例2のその他の構成と効果は実施例1と同様である。
In the second embodiment, when compared with the first embodiment, the
以上のように、本実施例ではマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1の前記導体板203を、互いに電気的に絶縁された複数の部分203a、203b、203c、203dとし、前記複数の部分に電気リード線210が設けられ、一方が前記電気リード線210に接続されているスイッチ213a、213b、213c、213dの他方は前記真空容器105外部のアース回路とつながっていることを特徴とすることで、更に、上部電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、広範囲にプラズマ空間電位を制御することで、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。
As described above, in this embodiment, the
次に、図1と同一の符号を付した図3に示した第3の実施例ついて説明する。
第3の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20は、第1の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置10と比較した場合、導体板203にバイアス電源200が設けられている点が相違する。
Next, the third embodiment shown in FIG. 3 with the same reference numerals as those in FIG. 1 will be described.
The microwave surface wave excitation
スイッチ213間に接続されるバイアス電源200で、導体板203へバイアス電圧を印加することにより、プラズマ空間電位を制御することができる。例えば、スイッチ213をOFF、スイッチ214をONとし、導体板203に負の直流バイアスを印加するとプラズマ空間電位が制御され、基板付近のシース電位をフローティング電位以下に下げることが可能となる。また、例えば、スイッチ211とスイッチ212とスイッチ213をOFFとし、下部電極の表面積を小さくするほど基板付近のシース電位をさげることが可能となる。
By applying a bias voltage to the
図3に示すマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20では、導体板203にバイアス電圧を印加する際に、誘電体窓104のすぐ下になる真空容器105の開口のところはプラズマと電気的に接するので、そこの内部壁と導体板203の間にアーク放電が発生する場合がある。そのアーク放電の発生を抑えるため、何らかの方法で真空容器105の開口のところがプラズマと電気的に接しないようにすることが必要である。例えば、絶縁体(例えば、アルミナ(Al2O3)膜)を被覆することで、アーク放電の発生を抑えることができる。また、図4と図5に示すようなリング状突起114aを設けた誘電体窓114を用いて、リング状突起114aの穴に導体板203を設置することにより、放電容器壁とのアーク放電を抑えながら、大きいバイアス電圧を印加することが可能となる。
In the microwave surface wave excitation
実験(2)
本実施例の適用例として、ガス圧力30mTorr、基板温度400℃においてダイヤモンド薄膜形成を行った結果を以下に示す。
Experiment (2)
As an application example of this example, the result of diamond thin film formation at a gas pressure of 30 mTorr and a substrate temperature of 400 ° C. is shown below.
従来の技術では、基板表面にダイヤモンド核生成密度を上げるために、核生成促進前処理として機械的なスクラッチを行い、基板表面を洗浄した後、プラズマCVD処理装置内の基板ホルダーに基板をおいてダイヤモンド薄膜形成を行うか、あるいは、スクラッチ処理を行わずに基板の表面を洗浄し、プラズマCVD処理装置内の基板ホルダーに基板をおいてプラズマを生成させ、核生成促進前処理として、アースとした真空容器に対して基板に負の直流バイアス電圧を数分から数十分間印加してイオン衝撃を基板に与える処理(bias enhanced nucleation: BEN)を行った後、ダイヤモンド薄膜形成を行う必要が有った。 In the conventional technology, in order to increase the diamond nucleation density on the substrate surface, mechanical scratching is performed as a pretreatment for promoting nucleation, and after cleaning the substrate surface, the substrate is placed on the substrate holder in the plasma CVD processing apparatus. Either the diamond thin film is formed or the surface of the substrate is cleaned without scratching, the substrate is placed on the substrate holder in the plasma CVD processing apparatus to generate plasma, and grounding is performed as a pretreatment for promoting nucleation. After applying a negative DC bias voltage to the substrate for several minutes to several tens of minutes to the vacuum vessel to apply ion bombardment to the substrate (bias enhanced nucleation: BEN), it is necessary to form a diamond thin film. It was.
これに対して、本実施例では基板106の表面をスクラッチ処理せずに洗浄のみを行い、マイクロ波プラズマ処理装置1内の基板ホルダー107において、H2とCO混入ガスのプラズマを生成させ、まず、下部電極の表面積を最小になるようにスイッチを操作し(表1のステップ4の状態)、導体板(上部電極)203に−150V以上の直流バイアス電圧を印加することにより、ガス圧力30mTorr、基板温度400℃の実験条件において、単に一つのCVDステップ(上部電極に負のバイアス印加)のみで完全な層状態のナノクリスタルダイヤモンド薄膜形成に成功した。尚、形成した薄膜がナノクリスタルダイヤモンド薄膜であることは、X線回折法(XRD:X-ray diffraction)により確認した。
In contrast, in this embodiment, only the surface of the
従来のダイヤモンドCVD技術で必要であった核生成促進前処理はプロセスに手間がかかる問題に加えて、基板表面が損傷するためダイヤモンド薄膜の半導体やナノマイクロマシンなどの分野への応用において問題になっている。また、従来の技術では、ダイヤモンド薄膜形成に700℃〜1000℃の基板温度が必要とされ、耐熱性の問題で基板材料選択の範囲が狭かった。 The nucleation-promoting pretreatment required by conventional diamond CVD technology is not only a troublesome process but also a problem in the application of diamond thin films to semiconductors and nano-micromachines because the substrate surface is damaged. Yes. Further, in the conventional technique, a substrate temperature of 700 ° C. to 1000 ° C. is required for forming a diamond thin film, and the range of substrate material selection is narrow due to the problem of heat resistance.
本実施例の実験結果は、本発明が従来のダイヤモンドCVD技術の問題の限界を解決する革新的な技術であることを示すものである。 The experimental results of this example show that the present invention is an innovative technology that solves the limitations of the conventional diamond CVD technology.
実験(3)
本実施例の適用例として、導体板203に−70Vの直流電圧を印加し、2%のCH4と98%のH2とからなる混合ガスを用いたダイヤモンド薄膜形成を行った結果の表面SEM写真を図6と図7に示す。図6の場合は、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20のスイッチ211、212a、212b、212c、212d、212eを全てOFF、図7の場合はマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20のスイッチ211、212a、212b、212c、212d、212eを全てONにしてCVDを行ったものである。成膜処理は8時間行った。
Experiment (3)
As an application example of the present example, a surface SEM obtained as a result of forming a diamond thin film using a mixed gas composed of 2% CH 4 and 98% H 2 by applying a DC voltage of −70 V to the
図6に示した薄膜では、約30nmオーダの粒が基板の全面に生成され、その上に厚み約20nmで長さ数百nmのシート状の物が形成されている。 In the thin film shown in FIG. 6, grains having an order of about 30 nm are generated on the entire surface of the substrate, and a sheet-like material having a thickness of about 20 nm and a length of several hundreds of nanometers is formed thereon.
これに対し、図7に示した薄膜は、厚みが約20nmで長さが150nm程度のシート状の小さい粒が厚く重なっている様子で、基板の全面に均一に生成されている。これはカーボンがシード状に成長し、ある大きさで成長が止まり、それの上に次々と新しいシート状の粒が成長したと考えられる。 In contrast, the thin film shown in FIG. 7 is uniformly formed on the entire surface of the substrate in such a manner that small sheet-like grains having a thickness of about 20 nm and a length of about 150 nm are thickly overlapped. This is thought to be because carbon grew into seeds, stopped growing at a certain size, and new sheet-like grains grew one after another.
本実験により、本実施例で、スイッチにより下部電極の面積を変え、プラズマ空間電位を変えることでダイヤモンド薄膜の膜質を制御できることが確認された。 From this experiment, it was confirmed in this example that the film quality of the diamond thin film can be controlled by changing the area of the lower electrode with a switch and changing the plasma space potential.
以上のように、本実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20は、前記導体板にバイアス電圧を印加する電源を有することを特徴とすることで、更に、上部電極203にバイアス電圧を印加することで、より広範囲にプラズマ空間電位を制御することでき、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。
As described above, the microwave surface wave excitation
次に、第4の実施例について説明する。 Next, a fourth embodiment will be described.
マイクロ波表面波励起プラズマは多様な構造の装置において発生できるが、プラズマの特性は構造によらずに類似の特徴を有する。すなわち、誘電体窓付近の表面領域には高電子温度のプラズマを、バルク領域には低電子温度のプラズマを生成する。この特性を理解して、本発明を適用すると装置の構造によらず、上記のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置と同じ効果が得られる。 Although the microwave surface wave excitation plasma can be generated in devices having various structures, the characteristics of the plasma have similar characteristics regardless of the structure. That is, high electron temperature plasma is generated in the surface region near the dielectric window, and low electron temperature plasma is generated in the bulk region. By understanding this characteristic and applying the present invention, the same effect as the above microwave surface wave excitation plasma processing apparatus can be obtained regardless of the structure of the apparatus.
図1と同一の符号を付した図8に第4の実施例であるマイクロ波励起プラズマ処理装置30を示す。また、図9は、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30の上部平面図を示す。
A microwave-excited
第4の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30は、誘電体アンテナ102とマイクロ波導入誘電体窓104との間にスロット103を有してない点で、第1の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置10と異なる。このマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30でも、表面領域とバルク領域に設置した電極の表面積比を変えることによる、プラズマ空間電位の制御が認められる。
The microwave surface wave excitation
以上のように、本実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30は、基板106を収納する処理室10を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓104が気密に設けられた真空容器105と、導波管101を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器105内に導入する誘電体アンテナ102と、前記処理室10内の前記誘電体窓104に沿って設置され、前記真空容器105とは電気的に絶縁され、マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板203とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記処理室10内に設置され前記真空容器105とは電気的に絶縁されている内部容器201と、前記内部容器201とは電気的に絶縁され、前記内部容器201内に設置されている複数の導体202を有し、前記導体板203と前記内部容器201と前記複数の導体202のそれぞれに電気リード線210が設けられ、前記電気リード線210に接続されているスイッチ211、212、213の他方は前記真空容器105外部のアースと回路的につながっていることを特徴とすることで、処理室10内に設置された下部電極のプラズマと接する表面積を処理室10外で変更することができ、プラズマ空間電位を制御することで、高品質、低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。
As described above, the microwave surface wave excitation
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、アンテナは誘電体アンテナを用いたが、誘電体で開口部の気密が確保されたスロットアンテナ、あるいは金属のアンテナ等も用いることができる。また、誘電体窓と基板とを上下逆転した装置も可能である。この場合は負バイアスを加える上部電極と呼ばれた電極は下部電極と呼ばれるものとなって誘電体窓の上に置けばよいので、その落下防止のための特別な支持具が不要となる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible. For example, in the embodiments, a dielectric antenna is used as the antenna, but a slot antenna in which an opening is secured with a dielectric, a metal antenna, or the like can also be used. An apparatus in which the dielectric window and the substrate are turned upside down is also possible. In this case, an electrode called an upper electrode to which a negative bias is applied is called a lower electrode and may be placed on the dielectric window, so that a special support for preventing the fall is not necessary.
実施例で示したナノクリスタルダイヤモンド薄膜等のダイヤモンド薄膜に加えて、さらに、ガス種や基板温度の制御と共に、本発明を利用して段階的なプラズマ空間電位の制御をすることにより、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノ粒子などのカーボンナノ物質の合成も可能となる。 In addition to the diamond thin film such as the nanocrystal diamond thin film shown in the examples, in addition to the control of the gas species and the substrate temperature, by controlling the stepwise plasma space potential using the present invention, the carbon nanotube, It is also possible to synthesize carbon nanomaterials such as carbon nanowalls and carbon nanoparticles.
また、本発明は、従来のプラズマを使用した様々材料の薄膜形成、エッチング、アッシング、個体表面処理、プラズマイオン注入などを施す、マイクロ波プラズマ処理装置においても有効な効果を与える。 The present invention also provides an effective effect in a microwave plasma processing apparatus which performs thin film formation of various materials using conventional plasma, etching, ashing, solid surface treatment, plasma ion implantation, and the like.
1、20、30、40、50 マイクロ波(表面波励起)プラズマ処理装置
10 処理室
101 導波管
102 (誘電体)アンテナ
103 スロット
104 誘電体窓
105 真空容器
106 基板
107 基板ホルダー
108 ガス導入口
109 ガス排気口
114 リング状突起を設けた誘電体窓
114a リング状突起(環状突起)
115 Oリング
116 絶縁体膜
200 バイアス電源
201 内部容器
202 導体(下部電極)
203、203a、203b、203c、203d 導体板(上部電極)
210 電気リード線
211、212、212a、212b、212c、212d、212e 213、213a、213b、213c、213d、ON/OFFスイッチ
1, 20, 30, 40, 50 Microwave (surface wave excitation) plasma processing equipment
10 Processing chamber
101 waveguide
102 (Dielectric) antenna
103 slots
104 Dielectric window
105 vacuum vessel
106 substrates
107 Board holder
108 Gas inlet
109 Gas outlet
114 Dielectric window with ring-shaped projections
114a Ring-shaped protrusion (annular protrusion)
115 O-ring
116 Insulator film
200 bias power supply
201 inner container
202 Conductor (lower electrode)
203, 203a, 203b, 203c, 203d Conductor plate (upper electrode)
210 Electrical leads
211, 212, 212a, 212b, 212c, 212d,
Claims (4)
導波管を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器内に導入するアンテナと、
前記処理室内の前記誘電体窓に沿って設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されると共に、前記マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記処理室内に設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されている内部容器と、前記内部容器とは電気的に絶縁され、前記内部容器内に設置されている複数の導体とを有し、
前記導体板と前記内部容器と前記複数の導体のそれぞれに電気リード線が設けられ、一方が前記電気リード線に接続されているスイッチの他方は前記真空容器外部のアース回路とつながっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。 A vacuum chamber having a processing chamber for storing a substrate, and a dielectric window capable of transmitting microwaves in part in an airtight manner;
An antenna for introducing a microwave propagating through a waveguide into the vacuum vessel;
The microwave plasma processing apparatus is provided along a dielectric window in the processing chamber, and is electrically insulated from the vacuum vessel and includes a conductor plate having a portion through which the microwave can pass. And
An inner container installed in the processing chamber and electrically insulated from the vacuum container; and a plurality of conductors electrically insulated from the inner container and installed in the inner container. ,
An electrical lead wire is provided for each of the conductor plate, the inner container, and the plurality of conductors, and one of the switches connected to the electrical lead wire is connected to an earth circuit outside the vacuum container. A featured microwave plasma processing apparatus.
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