プラズマ処理装置
【課題】直径３００ｍｍ以上の基板などの大型の被処理物を処理することができ、しかも均一でプラズマポテンシャルの低い高密度プラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置は、被処理物が収容されるプラズマ生成室１と、互いに対向する少なくとも１対の端面５ａ，５ｂを有する磁路構造体５と、磁路構造体５に巻きつけられたアンテナコイル１１と、アンテナコイル１１に高周波電流を供給する高周波発生源とを備え、プラズマ生成室１は、端面５ａ，５ｂの間に配置されている。
【解決手段】プラズマ処理装置は、被処理物が収容されるプラズマ生成室１と、互いに対向する少なくとも１対の端面５ａ，５ｂを有する磁路構造体５と、磁路構造体５に巻きつけられたアンテナコイル１１と、アンテナコイル１１に高周波電流を供給する高周波発生源とを備え、プラズマ生成室１は、端面５ａ，５ｂの間に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型の基板などを処理するプラズマ処理装置に関するものであり、特に直径が３００ｍｍ以上の大径のウエハ、大面積のフラットパネルディスプレイ、シート状の材料などを処理するドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、イオンビーム装置などに好適に適用可能なプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマの物理的・化学的性質を利用して薄膜の堆積やエッチングなどを行う技術は、従来から、半導体デバイス製造装置やプラズマディスプレイ製造装置などに応用されている。非特許文献１には、一般的なプラズマ生成装置の例が開示されている。この非特許文献１に記載されているプラズマ生成装置は、プラズマ生成室の外部に配置されたコイル状のアンテナを有しており、このアンテナに高周波電流を流すことでプラズマ生成室内にプラズマを生成する。この例では、円筒状のヘリカルコイルや平面状のスパイラルコイルがアンテナとして用いられている。このプラズマ生成装置では、アンテナはプラズマ生成室の外部に配置されているが、アンテナをプラズマ生成室の内部に配置するタイプもある。いずれのタイプも、プラズマを発生させる原理は同じである。
【０００３】
上述したような、コイル状のアンテナに高周波電流を流すタイプのプラズマ生成装置は、簡単な構造であるにもかかわらず、プラズマ密度１０１１／ｃｍ３以上の高密度プラズマを生成できるため、速い処理速度が得られ、その結果、加工時間を短くできるという利点があるため、産業上広く用いられている。
【０００４】
一般に、無磁場における高周波放電は、電界型放電（Ｅ放電）と磁界型放電（Ｈ放電）とに区分される。前者はアンテナ表面の電荷が形成する静電界Ｅによって放電するものであり、この放電により生成されるプラズマは容量結合プラズマ（または静電結合プラズマ）と呼ばれている。例えば、２枚の平行板電極に高周波電圧を印加して生成されるプラズマは、この容量結合プラズマである。一方、後者は、アンテナに流れる電流が作る磁界Ｈによって放電するものであり、この放電により生成されるプラズマは誘電結合プラズマと呼ばれている。上述したコイル状のアンテナを用いたプラズマ生成装置で生成されるプラズマは、この誘電結合プラズマを主に利用したものである。
【０００５】
ここで、誘導結合プラズマを発生させる原理について、平面状のスパイラルコイルを用いた上記プラズマ生成装置を参照して説明する。コイルに高周波電流を流すと、アンペールの法則（式１）より、コイルの周りに高周波磁界が発生する。
∇×Ｈ＝Ｊ＋∂Ｄ／∂ｔ （式１）
ただし、Ｈ：磁界、Ｊ：電流密度、Ｄ：変位電流
【０００６】
この高周波磁界Ｈは、次の（式２）から分かるように、プラズマ生成室内の磁束密度の経時的変化をもたらす。さらに、ファラデーの電磁誘導の法則（式３）より、磁束密度の変化が電界の変化をもたらす。そして、この電界によって、プラズマ生成室内の電子が加速される。
Ｂ＝μＨ （式２）
∇×Ｅ＝−∂Ｂ／∂ｔ （式３）
ただし、Ｂ：磁束密度、μ：プラズマ生成室内の媒質の透磁率（＝μrμ0≒μ0，μr：比透磁率，μ0：真空の透磁率）、Ｅ：電界
【０００７】
このようにして、スパイラルコイルを流れる電流により発生した磁界を打ち消すように、プラズマ生成室内の電子が、スパイラルコイルに流れる電流の向きとは逆回りに回転運動する。そして、このプラズマ生成装置の周方向に運動する電子と気体の分子や原子とが衝突することで解離や電離が起こり、プラズマが生成され、維持される。
【０００８】
最近では、半導体デバイスの集積回路の大規模化にともない、製造すべき高性能半導体チップの寸法が大きくなっている。半導体デバイスでは、Ｓｉウエハの直径を大きくしたほうが、１枚のＳｉウエハから切り出せる半導体チップの数を多くでき、かつ、利用できない半端な切れ端の面積を相対的に小さくできるので、低コスト化できる。したがって、Ｓｉウエハは更に大径化することが望まれており、フラットパネルディスプレイも大型化の一途をたどっている。また、一般に真空プロセスを含む基板処理では、真空排気時間や大気開放時間、プロセス時間が長いため、１回あたりに処理できる基板の面積が大きいほど処理コストは安くなる。
【０００９】
一方、誘導結合プラズマを用いるプラズマ処理装置において、基板が大きくなると、均一なプラズマの生成空間を広くするためにアンテナコイルの長さを長くしなければならない。しかしながら、コイルの長さが長くなると、コイルの給電側端子の電圧が数ｋＶ以上と高くなるため、コイルとプラズマとの間で容量結合が起こる。このような容量結合が起こると、プラズマ中の電子が静電界によりアンテナコイルに引き寄せられ、プラズマ生成室の壁面と衝突して死滅する電子の量が多くなる。この結果、プラズマ中の電子密度が低くなるため、生成されるラジカルやイオンの量が減り、処理時間が長くなるという問題があった。また、プラズマ生成室の壁近傍での電子密度が減少すると正電荷と負電荷のバランスが崩れ、相対的に正電荷密度が電子密度よりも高くなる。すると、ポアソンの方程式（式４）から、正イオンによる空間電位が形成され、プラズマポテンシャルが高くなる、すなわち、シース電圧が高くなる。
∇２Ｖ＝ρ／ε０ （式４）
ただし、Ｖ：空間電位，ρ：電荷密度，ε０：真空の誘電率
このため、正イオンがアンテナコイルに向かってプラズマ生成室の壁面に衝突するようになり、壁面の原子や分子がスパッタされて基板などの被処理物を汚染してしまう問題があった。さらに、正イオンの衝突により、壁面に付着していたラジカルが再脱離してプラズマの組成を乱すが、壁面に付着している物質の種類や厚みは、装置の運転履歴、壁面の温度に依存するため、プロセス制御パラメータが同じでも、加工結果が異なるという現象を引き起こし、ロット間ばらつきが大きくなるという問題もあった。
【００１０】
特許文献２には、高周波磁界の磁束線をプラズマ生成室の上面から側面に導くように構成された磁路構造体を有する誘導結合プラズマ生成装置が開示されている。このプラズマ生成装置では、磁束線がプラズマ生成室の上面から側面に導かれるようになっており、磁束線は帰路経路である側面リターン部および上面リターン部（特許文献２では背面リターン部）を通って上面に戻るようになっている。これによって、均一なプラズマを広い領域に形成することを可能としている。しかしながら、一般に、磁束密度は磁路構造体の空隙が小さいところに集中するため、空隙が大きいところの磁束密度は低くなる。したがって、このプラズマ生成装置の構成では、プラズマ生成室の周辺部のプラズマ密度が相対的に高く、中心部のプラズマ密度が低くなる。このため、プラズマ領域の拡大と均一なプラズマの形成とを同時に実現するのは困難であった。
【００１１】
【非特許文献１】菅井秀郎編著「プラズマエレクトロニクス」、オーム社、２０００年８月２５日、ｐ．１１６−１１７
【特許文献２】特開２００３−３２３９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、直径３００ｍｍ以上の円形基板や１辺の長さ３００ｍｍ以上の長方形基板、幅３００ｍｍ以上のロールシートなど、大型の被処理物を処理することができ、しかも均一でプラズマポテンシャルの低いプラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した目的を達成するために、本発明は、被処理物が収容されるプラズマ生成室と、互いに対向する少なくとも１対の端面を有する磁路構造体と、前記磁路構造体に巻きつけられたアンテナコイルと、前記アンテナコイルに高周波電流を供給する高周波発生源とを備え、前記プラズマ生成室は、前記端面の間に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記被処理物を、前記端面と平行に配置するように構成されたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記端面間の距離を局所的に調整することで、前記プラズマ生成室内のプラズマ密度分布を制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記プラズマ生成室の高さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
空隙の磁気抵抗は、端面間の距離（空隙の大きさ）に比例して大きくなる。プラズマ生成室の高さを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下と小さくすることで、アンテナコイルが発生する磁界を効率よくプラズマ生成室に伝達することができる。したがって、高いプラズマ密度を得ることができ、高い基板処理速度を得ることができる。
【００１５】
本発明によれば、アンテナコイルに高周波電流を流すことで、アンテナコイル内部に高周波磁界が発生し、この高周波磁界が磁路構造体中を通ってプラズマ生成室に伝達される。プラズマ生成室内では、高周波磁界に誘導された電界により、プラズマ生成室内の電子が加速され、これにより密度の均一な安定なプラズマが生成される。
【００１６】
本発明では、磁路構造体の中を通過するのは高周波磁界だけで、磁路構造体の端面間には電位差はほとんど発生しない。したがって、磁路構造体の端面の間では、磁束密度だけが変化し、電界の変化はほとんど生じない。このため、プラズマ生成室内では磁束密度の変化により誘導される電界で誘導結合プラズマが生成される。このプラズマは、磁路構造体と静電結合しないため、電子がプラズマ生成室の壁面に衝突しないので、死滅する電子の数が大幅に減少し、高周波発生源からアンテナコイルに供給した電力をプラズマ生成のために有効に利用できる。さらに、プラズマポテンシャルを低く安定に維持できるので、正イオンがプラズマ生成室の壁面に衝突することがなくなり、壁面材料や壁面付着物からのスパッタ物による基板汚染の問題や、再脱離したラジカルによるロット間ばらつき増大の問題を抑制できる。
【００１７】
また、磁路構造体の端面の面積を大きくすれば、大面積のプラズマを容易に生成することができる。磁路構造体の両端面が平行であれば、端面の間の空隙には均一な磁界が作られるので、大面積で均一なプラズマを作ることができる。さらに、端面間の距離（空隙の大きさ）を局所的に調整することで、プラズマ生成室内のプラズマ密度分布を制御することもできる。すなわち、端面の形状を微調整することで、大面積に渡ってプラズマ密度の均一性をより一層向上できるのはもちろんのこと、プラズマ生成室内に局所的にプラズマを生成することもできるし、プラズマ密度分布に密度勾配を設けることもできる。
【００１８】
本発明の好ましい態様は、前記端面は、前記プラズマ生成室の壁面を構成していることを特徴とする。
本発明によれば、端面間の距離（空隙の大きさ）を小さくすることができるので、磁束密度を高めることができる。
【００１９】
本発明の好ましい態様は、前記アンテナコイルに高周波電流を供給する際に前記プラズマ生成室に電子を供給するための電子供給機構をさらに備えたことを特徴とする。
上述した非特許文献１に記載のプラズマ生成装置では、アンテナコイルに電力を投入すると、電子がアンテナコイルと容量結合して高エネルギ電子がプラズマ生成室の壁面に衝突する。これにより、大量の２次電子が生じ、プラズマは容易に点火する。一方、アンテナコイルから高周波磁界だけをプラズマ生成室に導入する方式を採るプラズマ生成装置では、容量結合プラズマは生じることがない。したがって、アンテナコイルに電力を投入した直後にはプラズマ生成室中のごく少数の電子が誘導結合して径方向の電界で回転運動するが、このとき、電子と気体分子との衝突頻度は小さいため十分な電子なだれが起きず、安定した放電に至らないことがあった。本発明によれば、高周波電流の供給時に大量の電子をプラズマ生成室に供給することにより、気体分子と衝突して発生する電子の数を、壁と衝突して死滅する電子の数よりも多くすることができ、これによって安定した放電を起こすことができる。また、それ以降、電子供給機構からの電子供給を停止しても、安定なプラズマを維持できる。
【発明の効果】
【００２０】
上述したように、本発明によれば、均一でプラズマポテンシャルの低いプラズマを広い領域に亘って生成することが可能となる。したがって、３００ｍｍ以上の寸法を持つ大面積の基板を処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明による誘導結合プラズマ処理装置の一実施の形態を示す斜視図である。図２は図１に示すプラズマ処理装置の断面図である。図３は図１のIII−III線断面図である。
図１乃至図３に示すように、このプラズマ処理装置は、プラズマ生成室１及び２つのローラ室２Ａ，２Ｂを有する真空チャンバ３と、プラズマ生成室１を挟むように配置されたＵ字形の磁路構造体５とを備えている。プラズマ生成室１はローラ室２Ａ，２Ｂの間に位置しており、プラズマ室とこれらのローラ室２Ａ，２Ｂとは互いに連通している。プラズマ生成室１は扁平な形状を有しており、その高さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。ローラ室２Ａ，２Ｂには繰り出しローラ６及び巻取りローラ７がそれぞれ配置されており、繰り出しローラ６から繰り出されたシート材（被処理物）１０は、プラズマ生成室１を通って巻取りローラ７に巻き取られるようになっている。本実施形態では、シート材１０はプラスチックフィルムであり、その幅は約１ｍである。
【００２２】
磁路構造体５はフェライトなどの磁性体から構成されている。この磁路構造体５は、図１に示すように、円柱状の中心部５Ｃと、中心部５Ｃの両端から互いに平行に延びるアーム部５Ａ，５Ｂとから基本的に構成されている。磁路構造体５の両端面（アーム部５Ａ，５Ｂの各端面）５ａ，５ｂは互いに平行に対向しており、空隙の大きさ（端面５ａ，５ｂ間の距離）は３０ｍｍである。上記プラズマ生成室１は端面５ａ，５ｂの間に位置しており、プラズマ生成室１およびシート材１０は端面５ａ，５ｂと平行に配置される。磁路構造体５の中心部５Ｃには、アンテナコイル１１が１ターン以上（本実施形態では３ターン）巻きつけられている。アンテナコイル１１には、インピーダンス整合器１２と高周波発生源１３が接続されている。
【００２３】
本実施形態のプラズマ処理装置は、シート材１０の表面にＤＬＣ膜（Diamond Like Carbon film）をコーティングすることで、シート材１０の気密性を高めることを目的としている。真空チャンバ３にはガス供給口１５が設けられており、ここからプロセスガスとしてのメタンガスがプラズマ生成室１内に導入される。真空チャンバ３は真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ）１６により排気されている。排気速度は５，０００Ｌ／ｓであり、プロセスガスを導入しない状態では１０−３Ｐａ以下に排気されている。
【００２４】
図示しないマスフローコントローラにより流量が調整されたメタンガスは、ガス供給口１５からプラズマ生成室１に供給される。真空ポンプ１６は、プラズマ生成室１内の圧力が１Ｐａに維持されるように真空チャンバ３を真空排気する。そして、高周波発生源１３から５００ｋＨｚ、５，０００Ｗの高周波電力をアンテナコイル１１に与える。すると、プラズマ生成室１でプラズマが発生し、メタンが分解され、ラジカルやイオンとなってシート材１０にＤＬＣ膜を形成する。
【００２５】
このように、磁路構造体５を利用して誘導結合プラズマを生成することで、広い空間内に高密度の均一なプラズマを作ることができ、大面積の被処理物を高速に処理できる。なお、この例では高周波発生源１３の周波数を５００ｋＨｚとしたが、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で選択すればよい。
【００２６】
Ｈ放電のみの誘導結合プラズマ生成装置の場合には、端面５ａ，５ｂを垂直に貫く磁束成分だけがプラズマ生成室１内に浸透する。そして、その電磁誘導により回転電界が発生し、電子は扁平なプラズマ生成室１内でｚ軸（図３参照）の周りに回転する。このとき、電子と、アンテナコイル１１や磁路構造体５との間で静電気的結合力は働かないから、z軸方向に電子を加速する力は働かない。厳密には、プラズマポテンシャルと壁面ポテンシャルの間には数ボルト程度の電位差が生じ、両極性拡散現象によりイオンおよび電子が壁に向かって拡散して死滅する粒子損失があるが、圧力と高周波電源の周波数を適切に選ぶことで、プラズマ中で電離して生成されるイオンと電子の生成レートを相対的に高くすることができる。その結果、プラズマ生成室１の上下の壁面に電子が衝突して消滅する確率が著しく減少するので、扁平なプラズマ生成室１内でもプラズマを生成することができる。したがって、磁路構造体５の端面５ａ，５ｂ間の距離を短くでき、強い磁界をプラズマ生成室１に浸透させることができるので、高密度プラズマを生成でき、シート材１０を高速に処理できる。また、プラズマポテンシャルが低いことから、プラズマ生成室１の内壁に付着したラジカルが再脱離してプラズマの組成を乱すようなことがない。したがって、ロット間ばらつきが大きくなることもなく、長時間安定な成膜プロセスを実現できる。また、シート材１０に図示しない電源により基板バイアス電圧を印加すれば、プラズマ中のイオンを加速してシート材１０に衝突させることができる。その結果、ＤＬＣ膜の密着強度を高めることができるが、この場合も、プラズマポテンシャルが低いので、基板バイアス電圧の設定電圧を制御しやすい利点がある。
【００２７】
磁路構造体５の材料としては、高周波特性が良好な、つまり、ヒステリシス損および渦電流損の少ない高透磁率材料が用いられる。ヒステリシス損を小さくするためには、結晶粒の磁区の磁化の向きが反転するために必要なエネルギを小さくすればよく、渦電流損を小さくするためには、磁束が通る向きと垂直な方向の電気抵抗を高くすればよい。具体的には、結晶の抵抗値が高い、すなわち絶縁体の性質を持つ磁性体で、かつヒステリシス損の低いフェリ磁性体であるソフトフェライトを用いることが好ましい。より具体的には、スピネル型フェライトセラミックであるＭｎ−Ｚｎ系フェライトセラミックやＮｉ−Ｚｎ系フェライトセラミックが好適に用いられる。高周波特性をより改善するためには、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を同時に添加し、これらの絶縁物を粒界に偏析させることで比抵抗を大きくし、渦電流損を小さくすることが好ましい。
【００２８】
ヒステリシス損を低減させるには磁区の反転エネルギを低くすることが有効であるため、結晶粒径を大きくしたほうがよい。これは、結晶粒径が大きいと、磁壁間の距離が長くなるので、磁気モーメントが連続的になだらかに反転できるためである。しかし、結晶粒径を大きくすると、渦電流損が大きくなるので、粒径は１００μｍ以下とするのがよい。ただし、１μｍよりも結晶粒径が小さくなると磁壁のない状態のほうが安定となり、１つの磁区しか持たない単磁区粒子状態をとるようになる。単磁区粒子状態では、磁気モーメントが反転しない限り磁化反転できなくなるのでヒステリシス損が増大する。この場合は粒径を小さくしたほうが反転エネルギが低くなるため、ヒステリシス損を小さくできる。一方、粒径が３ｎｍ以下と極端に微細になると、超常磁性（スーパーパラ）となり磁性が消失するので磁性体として用いることができなくなる。したがって、結晶粒径を１μｍ以下とする場合は３ｎｍ〜１μｍ、好ましくは３ｎｍ〜１００ｎｍ、さらに好ましくは３ｎｍ〜１０ｎｍとするのがよい。そうすれば、ヒステリシス損と渦電流損の両方を小さくすることができる。
【００２９】
しかしながら、結晶粒径を小さくすると、飽和磁束密度が小さくなり、磁路構造体の中に高い磁束密度を通すことができなくなる。そこで、渦電流損とヒステリシス損を最小にしつつ、かつ、飽和磁束密度を高くして高い磁束密度を通すことを両立するために、単位結晶を、アスペクト比５以上のウィスカー状または繊維状などの異方性にして、結晶の長手方向と磁界の向きとが平行に近くなるように結晶を配向させることがより好ましい。
【００３０】
ここまでは、ヒステリシス損の少ないフェリ磁性体を用いて、ヒステリシス損、渦電流損が少なく、飽和磁束密度の高い磁路構造体を作る方法を記載したが、高い飽和磁束密度を持つ強磁性材料、好ましくは軟磁性材料を用いてもよい。材料として、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、ホウ素、シリコン、炭素などを用いることができる。この場合には、結晶を１μｍ以下に微細化し、前述したように、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を同時に添加し、これらの絶縁物を粒界に偏析させることで比抵抗を大きくすることでき、その結果、渦電流損を小さくすることができる。また、結晶をアモルファス化することでも比抵抗が大きくなるので、渦電流損を小さくできる。
【００３１】
内部損失により磁路構造体５の温度が上がることを防止するために、図４に示すように、磁路構造体５の内部に流路８を設け、その中に水、油などの冷却媒体を通して磁路構造体５を冷却することが好ましい。磁路構造体５を焼結により形成する場合は、あらかじめ中子を粉末の中に配置しておき、圧縮成形後、中子を除去することで流路を形成することができる。
【００３２】
磁路構造体５は、光造形法によっても形成することができる。光造形法とは、粉末にレーザ光を当てて粉末を一層ずつ固化させ、固化した層を積層することで所望の形状の構造物を成形する手法である。成形しようとする構造物の３次元モデルは予めコンピュータに入力され、レーザ光は３次元モデルの水平方向にスライスされた輪切り形状に沿って粉末をスキャンする。したがって、３次元モデルに予め流路を組み込んでおけば、磁路構造体５の内部に流路を作りこむことができる。光造形法を使えば、３次元的な複雑な形状の流路を作ることができるので、冷却効率をさらに高めることができる。
【００３３】
高周波発生源１３が出力した電力を効率よくプラズマに送るためには、磁路構造体５の空隙の大きさ（端面５ａ，５ｂ間の距離）をできるだけ小さくすることが好ましい。なぜならば、磁束密度は空隙の大きさに反比例して小さくなるからである。したがって、空隙を小さくするために、磁路構造体５の端面５ａ，５ｂをプラズマ生成室１の壁面の一部分として利用することにより、空隙を小さくすることができる。図５はその例を示したものである。すなわち、図５において、磁路構造体５の両端面５ａ，５ｂは、プラズマ生成室１の上面及び下面をそれぞれ構成している。
【００３４】
図６は、磁路構造体５の端面５ａ，５ｂの変形例を示す断面図である。互いに対向する端面５ａ，５ｂを平面とすることで均一なプラズマを形成することができるが、ガスの種類や処理の目的によっては、イオン密度やラジカル密度の空間分布を積極的に変化させたい場合がある。このようなプラズマ密度の空間的制御は、図６に示すように、磁路構造体５の端面５ａ（及び／又は端面５ｂ）に階段部５ｃを形成することによって実現できる。すなわち、空隙が小さい領域では磁束密度が高いので、誘導される電界強度が強くなり、生成されるプラズマ密度が高くなる。逆に、空隙が大きい領域ではプラズマ密度が低くなる。このように、空隙の大きさを局所的に変えることで、プラズマ密度の分布を積極的に制御できる。なお、図６に示す例では、空隙の大きさを変化させるために端面５ａを階段状に形成したが、端面５ａの形状はこれに限るものではない。例えば、滑らかな曲面形状や、長さが異なる複数の針状突起を端面５ａ（及び／又は端面５ｂ）に形成してもよい。さらには、図７に示すように、端面５ａ（及び／又は端面５ｂ）に複数の円柱状の突起５ｄを形成し、突起５ｄの部分だけにプラズマを形成するようにしてもよい。さらに、プラズマ生成室１の上側内面及び下側内面の一方または両方に突起を形成し、当該突起の部分だけにプラズマを形成するようにすれば、さらにプラズマを形成する領域を局所化できる。
【００３５】
さらには、磁路構造体５に複数対の端面（複数の空隙）を設け、各対の端面間にプラズマを形成してもよい。図８は、このような構成を持つプラズマ処理装置の構成例を示す平面図である。この例では、磁路構造体５のアーム５Ａ，５Ｂが３つに分割されており、１つのアンテナコイル１１が発生する磁束が３つの並列な磁気回路に分配されようになっている。このような構成によれば、各対の端面間にプラズマを形成することができる。
【００３６】
また、アンテナコイル１１が発生する磁界のみをプラズマ生成室１に供給した場合、プラズマ生成室１内ではＨ放電のみが起こるため、電子が不十分で放電を開始するのが困難な場合がある。このような場合には、放電を容易に開始するため、電子供給機構を設けることが好ましい。具体的には、ホローカソード電子源やフィラメントなどの電子供給機構を真空チャンバ３に設け、アンテナコイル１１に高周波電流を供給する際に電子供給機構により電子をプラズマ生成室１内に供給する。
【００３７】
図９はプラズマ処理装置に組み込まれた電子供給機構を示す模式図である。この電子供給機構２０は、プラズマ生成室１の側壁に設けられたタングステンフィラメント２２と、このタングステンフィラメント２２に接続された電源２３とを備えている。電源２３からはタングステンフィラメント２２に２０Ａ程度の電流が供給され、これによりプラズマ生成室１内に熱電子が供給される。
【００３８】
図１０は電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。この構成例は、ＲＦ（Radio
Frequency）放電を利用した電子供給機構である。図１０に示すように、この電子供給機構２０は、石英ガラスなどの誘電体で構成されたケーシング２４と、このケーシング２４の周りに配置されたアンテナコイル２５と、このアンテナコイル２５に高周波電力を供給する整合器２６および高周波発生源２７と、ケーシング２４の内部に配置された２枚の電極２８，２９と、これらの電極２８，２９に電圧を印加する電源２３とを備えている。アンテナコイル２５は３回程度ケーシング２４の周りに巻かれており、このアンテナコイル２５には、たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。
【００３９】
ケーシング２４はプラズマ生成室１の側壁に設けられており、ケーシング２４の内部はプラズマ生成室１に連通している。ケーシング２４内には、図示しないマスフローコントローラにより流量が調整された微量のＡｒガスが導入口２４ａを通じて導入される。このとき、アンテナコイル２５には高周波電力が供給され、これにより、ケーシング２４内で誘導結合放電させる。そして、電極２８，２９に電圧を印加することで、プラズマ中に生成された電子が引き出される。プラズマ生成室側の電極２９には小さなスキマー２９ａが設けてあり、このスキマー２９ａを通して、加速された電子がプラズマ生成室１に放出される。
【００４０】
図１１は電子供給機構のさらに他の構成例を示す模式図である。図１１に示すように、ケーシング２４の２つの側壁は誘電体板３２，３３により構成されている。プラズマ生成室側の誘電体板３３には電極２９が配置されており、誘電体板３２の裏側には、らせん状に延びるアンテナコイル３５が配置されている。ケーシング２４には導入口２４ａが設けられており、この導入口２４ａを通じてケーシング２４内に微量のＡｒガスが導入される。その他の構成は、図１０に示す電子供給機構とほぼ同一である。本構成例によれば、ケーシング２４を金属により形成することができるので、製作が容易になり好ましい。
【００４１】
図１２は電子供給機構のさらに他の構成例を示す模式図である。この電子供給機構２０は、いわゆるホローカソード電子源と呼ばれるものである。図１２に示すように、ケーシング２４のプラズマ生成室側の側壁は誘電体板３３により構成されており、この誘電体板３３には電極２９が配置されている。ケーシング２４は金属により形成されており、電極２９とケーシング２４には電源２３が接続されている。そして、ケーシング２４にマイナス電圧を印加し、電極２９を接地電位とすることで、ホローカソードプラズマを生成し、電子を引き出すことができる。これらの電子供給機構２０を用いることで、プラズマ生成室１内の気体分子と衝突して発生する電子の数が増えるので、安定した放電を起こすことができる。
【００４２】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による誘導結合プラズマ処理装置の一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置の断面図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】磁路構造体の変形例を示す断面図である。
【図５】磁路構造体の他の変形例を示す断面図である。
【図６】磁路構造体の他の変形例を示す断面図である。
【図７】磁路構造体の端面の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の他の構成例を示す平面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置に組み込まれた電子供給機構を示す模式図である。
【図１０】電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。
【図１１】電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。
【図１２】電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ プラズマ生成室
２Ａ，２Ｂ ローラ室
３ 真空チャンバ
５ 磁路構造体
５ａ，５ｂ 端面
５ｃ 階段部
５ｄ 突起
６ 繰り出しローラ
７ 巻取りローラ
８ 流路
１０ シート材（被処理物）
１１ アンテナコイル
１２ インピーダンス整合器
１３ 高周波発生源
１５ ガス供給口
１６ 真空ポンプ
２０ 電子供給機構
２２ タングステンフィラメント
２３ 電源
２４ ケーシング
２４ａ 導入口
２５，３５ アンテナコイル
２６ 整合器
２７ 高周波発生源
２８，２９ 電極
２９ａ スキマー
３２，３３ 誘電体板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型の基板などを処理するプラズマ処理装置に関するものであり、特に直径が３００ｍｍ以上の大径のウエハ、大面積のフラットパネルディスプレイ、シート状の材料などを処理するドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、スパッタ装置、イオンビーム装置などに好適に適用可能なプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマの物理的・化学的性質を利用して薄膜の堆積やエッチングなどを行う技術は、従来から、半導体デバイス製造装置やプラズマディスプレイ製造装置などに応用されている。非特許文献１には、一般的なプラズマ生成装置の例が開示されている。この非特許文献１に記載されているプラズマ生成装置は、プラズマ生成室の外部に配置されたコイル状のアンテナを有しており、このアンテナに高周波電流を流すことでプラズマ生成室内にプラズマを生成する。この例では、円筒状のヘリカルコイルや平面状のスパイラルコイルがアンテナとして用いられている。このプラズマ生成装置では、アンテナはプラズマ生成室の外部に配置されているが、アンテナをプラズマ生成室の内部に配置するタイプもある。いずれのタイプも、プラズマを発生させる原理は同じである。
【０００３】
上述したような、コイル状のアンテナに高周波電流を流すタイプのプラズマ生成装置は、簡単な構造であるにもかかわらず、プラズマ密度１０１１／ｃｍ３以上の高密度プラズマを生成できるため、速い処理速度が得られ、その結果、加工時間を短くできるという利点があるため、産業上広く用いられている。
【０００４】
一般に、無磁場における高周波放電は、電界型放電（Ｅ放電）と磁界型放電（Ｈ放電）とに区分される。前者はアンテナ表面の電荷が形成する静電界Ｅによって放電するものであり、この放電により生成されるプラズマは容量結合プラズマ（または静電結合プラズマ）と呼ばれている。例えば、２枚の平行板電極に高周波電圧を印加して生成されるプラズマは、この容量結合プラズマである。一方、後者は、アンテナに流れる電流が作る磁界Ｈによって放電するものであり、この放電により生成されるプラズマは誘電結合プラズマと呼ばれている。上述したコイル状のアンテナを用いたプラズマ生成装置で生成されるプラズマは、この誘電結合プラズマを主に利用したものである。
【０００５】
ここで、誘導結合プラズマを発生させる原理について、平面状のスパイラルコイルを用いた上記プラズマ生成装置を参照して説明する。コイルに高周波電流を流すと、アンペールの法則（式１）より、コイルの周りに高周波磁界が発生する。
∇×Ｈ＝Ｊ＋∂Ｄ／∂ｔ （式１）
ただし、Ｈ：磁界、Ｊ：電流密度、Ｄ：変位電流
【０００６】
この高周波磁界Ｈは、次の（式２）から分かるように、プラズマ生成室内の磁束密度の経時的変化をもたらす。さらに、ファラデーの電磁誘導の法則（式３）より、磁束密度の変化が電界の変化をもたらす。そして、この電界によって、プラズマ生成室内の電子が加速される。
Ｂ＝μＨ （式２）
∇×Ｅ＝−∂Ｂ／∂ｔ （式３）
ただし、Ｂ：磁束密度、μ：プラズマ生成室内の媒質の透磁率（＝μrμ0≒μ0，μr：比透磁率，μ0：真空の透磁率）、Ｅ：電界
【０００７】
このようにして、スパイラルコイルを流れる電流により発生した磁界を打ち消すように、プラズマ生成室内の電子が、スパイラルコイルに流れる電流の向きとは逆回りに回転運動する。そして、このプラズマ生成装置の周方向に運動する電子と気体の分子や原子とが衝突することで解離や電離が起こり、プラズマが生成され、維持される。
【０００８】
最近では、半導体デバイスの集積回路の大規模化にともない、製造すべき高性能半導体チップの寸法が大きくなっている。半導体デバイスでは、Ｓｉウエハの直径を大きくしたほうが、１枚のＳｉウエハから切り出せる半導体チップの数を多くでき、かつ、利用できない半端な切れ端の面積を相対的に小さくできるので、低コスト化できる。したがって、Ｓｉウエハは更に大径化することが望まれており、フラットパネルディスプレイも大型化の一途をたどっている。また、一般に真空プロセスを含む基板処理では、真空排気時間や大気開放時間、プロセス時間が長いため、１回あたりに処理できる基板の面積が大きいほど処理コストは安くなる。
【０００９】
一方、誘導結合プラズマを用いるプラズマ処理装置において、基板が大きくなると、均一なプラズマの生成空間を広くするためにアンテナコイルの長さを長くしなければならない。しかしながら、コイルの長さが長くなると、コイルの給電側端子の電圧が数ｋＶ以上と高くなるため、コイルとプラズマとの間で容量結合が起こる。このような容量結合が起こると、プラズマ中の電子が静電界によりアンテナコイルに引き寄せられ、プラズマ生成室の壁面と衝突して死滅する電子の量が多くなる。この結果、プラズマ中の電子密度が低くなるため、生成されるラジカルやイオンの量が減り、処理時間が長くなるという問題があった。また、プラズマ生成室の壁近傍での電子密度が減少すると正電荷と負電荷のバランスが崩れ、相対的に正電荷密度が電子密度よりも高くなる。すると、ポアソンの方程式（式４）から、正イオンによる空間電位が形成され、プラズマポテンシャルが高くなる、すなわち、シース電圧が高くなる。
∇２Ｖ＝ρ／ε０ （式４）
ただし、Ｖ：空間電位，ρ：電荷密度，ε０：真空の誘電率
このため、正イオンがアンテナコイルに向かってプラズマ生成室の壁面に衝突するようになり、壁面の原子や分子がスパッタされて基板などの被処理物を汚染してしまう問題があった。さらに、正イオンの衝突により、壁面に付着していたラジカルが再脱離してプラズマの組成を乱すが、壁面に付着している物質の種類や厚みは、装置の運転履歴、壁面の温度に依存するため、プロセス制御パラメータが同じでも、加工結果が異なるという現象を引き起こし、ロット間ばらつきが大きくなるという問題もあった。
【００１０】
特許文献２には、高周波磁界の磁束線をプラズマ生成室の上面から側面に導くように構成された磁路構造体を有する誘導結合プラズマ生成装置が開示されている。このプラズマ生成装置では、磁束線がプラズマ生成室の上面から側面に導かれるようになっており、磁束線は帰路経路である側面リターン部および上面リターン部（特許文献２では背面リターン部）を通って上面に戻るようになっている。これによって、均一なプラズマを広い領域に形成することを可能としている。しかしながら、一般に、磁束密度は磁路構造体の空隙が小さいところに集中するため、空隙が大きいところの磁束密度は低くなる。したがって、このプラズマ生成装置の構成では、プラズマ生成室の周辺部のプラズマ密度が相対的に高く、中心部のプラズマ密度が低くなる。このため、プラズマ領域の拡大と均一なプラズマの形成とを同時に実現するのは困難であった。
【００１１】
【非特許文献１】菅井秀郎編著「プラズマエレクトロニクス」、オーム社、２０００年８月２５日、ｐ．１１６−１１７
【特許文献２】特開２００３−３２３９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、直径３００ｍｍ以上の円形基板や１辺の長さ３００ｍｍ以上の長方形基板、幅３００ｍｍ以上のロールシートなど、大型の被処理物を処理することができ、しかも均一でプラズマポテンシャルの低いプラズマを生成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した目的を達成するために、本発明は、被処理物が収容されるプラズマ生成室と、互いに対向する少なくとも１対の端面を有する磁路構造体と、前記磁路構造体に巻きつけられたアンテナコイルと、前記アンテナコイルに高周波電流を供給する高周波発生源とを備え、前記プラズマ生成室は、前記端面の間に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１４】
本発明の好ましい態様は、前記被処理物を、前記端面と平行に配置するように構成されたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記端面間の距離を局所的に調整することで、前記プラズマ生成室内のプラズマ密度分布を制御することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記プラズマ生成室の高さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
空隙の磁気抵抗は、端面間の距離（空隙の大きさ）に比例して大きくなる。プラズマ生成室の高さを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下と小さくすることで、アンテナコイルが発生する磁界を効率よくプラズマ生成室に伝達することができる。したがって、高いプラズマ密度を得ることができ、高い基板処理速度を得ることができる。
【００１５】
本発明によれば、アンテナコイルに高周波電流を流すことで、アンテナコイル内部に高周波磁界が発生し、この高周波磁界が磁路構造体中を通ってプラズマ生成室に伝達される。プラズマ生成室内では、高周波磁界に誘導された電界により、プラズマ生成室内の電子が加速され、これにより密度の均一な安定なプラズマが生成される。
【００１６】
本発明では、磁路構造体の中を通過するのは高周波磁界だけで、磁路構造体の端面間には電位差はほとんど発生しない。したがって、磁路構造体の端面の間では、磁束密度だけが変化し、電界の変化はほとんど生じない。このため、プラズマ生成室内では磁束密度の変化により誘導される電界で誘導結合プラズマが生成される。このプラズマは、磁路構造体と静電結合しないため、電子がプラズマ生成室の壁面に衝突しないので、死滅する電子の数が大幅に減少し、高周波発生源からアンテナコイルに供給した電力をプラズマ生成のために有効に利用できる。さらに、プラズマポテンシャルを低く安定に維持できるので、正イオンがプラズマ生成室の壁面に衝突することがなくなり、壁面材料や壁面付着物からのスパッタ物による基板汚染の問題や、再脱離したラジカルによるロット間ばらつき増大の問題を抑制できる。
【００１７】
また、磁路構造体の端面の面積を大きくすれば、大面積のプラズマを容易に生成することができる。磁路構造体の両端面が平行であれば、端面の間の空隙には均一な磁界が作られるので、大面積で均一なプラズマを作ることができる。さらに、端面間の距離（空隙の大きさ）を局所的に調整することで、プラズマ生成室内のプラズマ密度分布を制御することもできる。すなわち、端面の形状を微調整することで、大面積に渡ってプラズマ密度の均一性をより一層向上できるのはもちろんのこと、プラズマ生成室内に局所的にプラズマを生成することもできるし、プラズマ密度分布に密度勾配を設けることもできる。
【００１８】
本発明の好ましい態様は、前記端面は、前記プラズマ生成室の壁面を構成していることを特徴とする。
本発明によれば、端面間の距離（空隙の大きさ）を小さくすることができるので、磁束密度を高めることができる。
【００１９】
本発明の好ましい態様は、前記アンテナコイルに高周波電流を供給する際に前記プラズマ生成室に電子を供給するための電子供給機構をさらに備えたことを特徴とする。
上述した非特許文献１に記載のプラズマ生成装置では、アンテナコイルに電力を投入すると、電子がアンテナコイルと容量結合して高エネルギ電子がプラズマ生成室の壁面に衝突する。これにより、大量の２次電子が生じ、プラズマは容易に点火する。一方、アンテナコイルから高周波磁界だけをプラズマ生成室に導入する方式を採るプラズマ生成装置では、容量結合プラズマは生じることがない。したがって、アンテナコイルに電力を投入した直後にはプラズマ生成室中のごく少数の電子が誘導結合して径方向の電界で回転運動するが、このとき、電子と気体分子との衝突頻度は小さいため十分な電子なだれが起きず、安定した放電に至らないことがあった。本発明によれば、高周波電流の供給時に大量の電子をプラズマ生成室に供給することにより、気体分子と衝突して発生する電子の数を、壁と衝突して死滅する電子の数よりも多くすることができ、これによって安定した放電を起こすことができる。また、それ以降、電子供給機構からの電子供給を停止しても、安定なプラズマを維持できる。
【発明の効果】
【００２０】
上述したように、本発明によれば、均一でプラズマポテンシャルの低いプラズマを広い領域に亘って生成することが可能となる。したがって、３００ｍｍ以上の寸法を持つ大面積の基板を処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明による誘導結合プラズマ処理装置の一実施の形態を示す斜視図である。図２は図１に示すプラズマ処理装置の断面図である。図３は図１のIII−III線断面図である。
図１乃至図３に示すように、このプラズマ処理装置は、プラズマ生成室１及び２つのローラ室２Ａ，２Ｂを有する真空チャンバ３と、プラズマ生成室１を挟むように配置されたＵ字形の磁路構造体５とを備えている。プラズマ生成室１はローラ室２Ａ，２Ｂの間に位置しており、プラズマ室とこれらのローラ室２Ａ，２Ｂとは互いに連通している。プラズマ生成室１は扁平な形状を有しており、その高さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。ローラ室２Ａ，２Ｂには繰り出しローラ６及び巻取りローラ７がそれぞれ配置されており、繰り出しローラ６から繰り出されたシート材（被処理物）１０は、プラズマ生成室１を通って巻取りローラ７に巻き取られるようになっている。本実施形態では、シート材１０はプラスチックフィルムであり、その幅は約１ｍである。
【００２２】
磁路構造体５はフェライトなどの磁性体から構成されている。この磁路構造体５は、図１に示すように、円柱状の中心部５Ｃと、中心部５Ｃの両端から互いに平行に延びるアーム部５Ａ，５Ｂとから基本的に構成されている。磁路構造体５の両端面（アーム部５Ａ，５Ｂの各端面）５ａ，５ｂは互いに平行に対向しており、空隙の大きさ（端面５ａ，５ｂ間の距離）は３０ｍｍである。上記プラズマ生成室１は端面５ａ，５ｂの間に位置しており、プラズマ生成室１およびシート材１０は端面５ａ，５ｂと平行に配置される。磁路構造体５の中心部５Ｃには、アンテナコイル１１が１ターン以上（本実施形態では３ターン）巻きつけられている。アンテナコイル１１には、インピーダンス整合器１２と高周波発生源１３が接続されている。
【００２３】
本実施形態のプラズマ処理装置は、シート材１０の表面にＤＬＣ膜（Diamond Like Carbon film）をコーティングすることで、シート材１０の気密性を高めることを目的としている。真空チャンバ３にはガス供給口１５が設けられており、ここからプロセスガスとしてのメタンガスがプラズマ生成室１内に導入される。真空チャンバ３は真空ポンプ（例えばターボ分子ポンプ）１６により排気されている。排気速度は５，０００Ｌ／ｓであり、プロセスガスを導入しない状態では１０−３Ｐａ以下に排気されている。
【００２４】
図示しないマスフローコントローラにより流量が調整されたメタンガスは、ガス供給口１５からプラズマ生成室１に供給される。真空ポンプ１６は、プラズマ生成室１内の圧力が１Ｐａに維持されるように真空チャンバ３を真空排気する。そして、高周波発生源１３から５００ｋＨｚ、５，０００Ｗの高周波電力をアンテナコイル１１に与える。すると、プラズマ生成室１でプラズマが発生し、メタンが分解され、ラジカルやイオンとなってシート材１０にＤＬＣ膜を形成する。
【００２５】
このように、磁路構造体５を利用して誘導結合プラズマを生成することで、広い空間内に高密度の均一なプラズマを作ることができ、大面積の被処理物を高速に処理できる。なお、この例では高周波発生源１３の周波数を５００ｋＨｚとしたが、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの範囲で選択すればよい。
【００２６】
Ｈ放電のみの誘導結合プラズマ生成装置の場合には、端面５ａ，５ｂを垂直に貫く磁束成分だけがプラズマ生成室１内に浸透する。そして、その電磁誘導により回転電界が発生し、電子は扁平なプラズマ生成室１内でｚ軸（図３参照）の周りに回転する。このとき、電子と、アンテナコイル１１や磁路構造体５との間で静電気的結合力は働かないから、z軸方向に電子を加速する力は働かない。厳密には、プラズマポテンシャルと壁面ポテンシャルの間には数ボルト程度の電位差が生じ、両極性拡散現象によりイオンおよび電子が壁に向かって拡散して死滅する粒子損失があるが、圧力と高周波電源の周波数を適切に選ぶことで、プラズマ中で電離して生成されるイオンと電子の生成レートを相対的に高くすることができる。その結果、プラズマ生成室１の上下の壁面に電子が衝突して消滅する確率が著しく減少するので、扁平なプラズマ生成室１内でもプラズマを生成することができる。したがって、磁路構造体５の端面５ａ，５ｂ間の距離を短くでき、強い磁界をプラズマ生成室１に浸透させることができるので、高密度プラズマを生成でき、シート材１０を高速に処理できる。また、プラズマポテンシャルが低いことから、プラズマ生成室１の内壁に付着したラジカルが再脱離してプラズマの組成を乱すようなことがない。したがって、ロット間ばらつきが大きくなることもなく、長時間安定な成膜プロセスを実現できる。また、シート材１０に図示しない電源により基板バイアス電圧を印加すれば、プラズマ中のイオンを加速してシート材１０に衝突させることができる。その結果、ＤＬＣ膜の密着強度を高めることができるが、この場合も、プラズマポテンシャルが低いので、基板バイアス電圧の設定電圧を制御しやすい利点がある。
【００２７】
磁路構造体５の材料としては、高周波特性が良好な、つまり、ヒステリシス損および渦電流損の少ない高透磁率材料が用いられる。ヒステリシス損を小さくするためには、結晶粒の磁区の磁化の向きが反転するために必要なエネルギを小さくすればよく、渦電流損を小さくするためには、磁束が通る向きと垂直な方向の電気抵抗を高くすればよい。具体的には、結晶の抵抗値が高い、すなわち絶縁体の性質を持つ磁性体で、かつヒステリシス損の低いフェリ磁性体であるソフトフェライトを用いることが好ましい。より具体的には、スピネル型フェライトセラミックであるＭｎ−Ｚｎ系フェライトセラミックやＮｉ−Ｚｎ系フェライトセラミックが好適に用いられる。高周波特性をより改善するためには、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を同時に添加し、これらの絶縁物を粒界に偏析させることで比抵抗を大きくし、渦電流損を小さくすることが好ましい。
【００２８】
ヒステリシス損を低減させるには磁区の反転エネルギを低くすることが有効であるため、結晶粒径を大きくしたほうがよい。これは、結晶粒径が大きいと、磁壁間の距離が長くなるので、磁気モーメントが連続的になだらかに反転できるためである。しかし、結晶粒径を大きくすると、渦電流損が大きくなるので、粒径は１００μｍ以下とするのがよい。ただし、１μｍよりも結晶粒径が小さくなると磁壁のない状態のほうが安定となり、１つの磁区しか持たない単磁区粒子状態をとるようになる。単磁区粒子状態では、磁気モーメントが反転しない限り磁化反転できなくなるのでヒステリシス損が増大する。この場合は粒径を小さくしたほうが反転エネルギが低くなるため、ヒステリシス損を小さくできる。一方、粒径が３ｎｍ以下と極端に微細になると、超常磁性（スーパーパラ）となり磁性が消失するので磁性体として用いることができなくなる。したがって、結晶粒径を１μｍ以下とする場合は３ｎｍ〜１μｍ、好ましくは３ｎｍ〜１００ｎｍ、さらに好ましくは３ｎｍ〜１０ｎｍとするのがよい。そうすれば、ヒステリシス損と渦電流損の両方を小さくすることができる。
【００２９】
しかしながら、結晶粒径を小さくすると、飽和磁束密度が小さくなり、磁路構造体の中に高い磁束密度を通すことができなくなる。そこで、渦電流損とヒステリシス損を最小にしつつ、かつ、飽和磁束密度を高くして高い磁束密度を通すことを両立するために、単位結晶を、アスペクト比５以上のウィスカー状または繊維状などの異方性にして、結晶の長手方向と磁界の向きとが平行に近くなるように結晶を配向させることがより好ましい。
【００３０】
ここまでは、ヒステリシス損の少ないフェリ磁性体を用いて、ヒステリシス損、渦電流損が少なく、飽和磁束密度の高い磁路構造体を作る方法を記載したが、高い飽和磁束密度を持つ強磁性材料、好ましくは軟磁性材料を用いてもよい。材料として、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、ホウ素、シリコン、炭素などを用いることができる。この場合には、結晶を１μｍ以下に微細化し、前述したように、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を同時に添加し、これらの絶縁物を粒界に偏析させることで比抵抗を大きくすることでき、その結果、渦電流損を小さくすることができる。また、結晶をアモルファス化することでも比抵抗が大きくなるので、渦電流損を小さくできる。
【００３１】
内部損失により磁路構造体５の温度が上がることを防止するために、図４に示すように、磁路構造体５の内部に流路８を設け、その中に水、油などの冷却媒体を通して磁路構造体５を冷却することが好ましい。磁路構造体５を焼結により形成する場合は、あらかじめ中子を粉末の中に配置しておき、圧縮成形後、中子を除去することで流路を形成することができる。
【００３２】
磁路構造体５は、光造形法によっても形成することができる。光造形法とは、粉末にレーザ光を当てて粉末を一層ずつ固化させ、固化した層を積層することで所望の形状の構造物を成形する手法である。成形しようとする構造物の３次元モデルは予めコンピュータに入力され、レーザ光は３次元モデルの水平方向にスライスされた輪切り形状に沿って粉末をスキャンする。したがって、３次元モデルに予め流路を組み込んでおけば、磁路構造体５の内部に流路を作りこむことができる。光造形法を使えば、３次元的な複雑な形状の流路を作ることができるので、冷却効率をさらに高めることができる。
【００３３】
高周波発生源１３が出力した電力を効率よくプラズマに送るためには、磁路構造体５の空隙の大きさ（端面５ａ，５ｂ間の距離）をできるだけ小さくすることが好ましい。なぜならば、磁束密度は空隙の大きさに反比例して小さくなるからである。したがって、空隙を小さくするために、磁路構造体５の端面５ａ，５ｂをプラズマ生成室１の壁面の一部分として利用することにより、空隙を小さくすることができる。図５はその例を示したものである。すなわち、図５において、磁路構造体５の両端面５ａ，５ｂは、プラズマ生成室１の上面及び下面をそれぞれ構成している。
【００３４】
図６は、磁路構造体５の端面５ａ，５ｂの変形例を示す断面図である。互いに対向する端面５ａ，５ｂを平面とすることで均一なプラズマを形成することができるが、ガスの種類や処理の目的によっては、イオン密度やラジカル密度の空間分布を積極的に変化させたい場合がある。このようなプラズマ密度の空間的制御は、図６に示すように、磁路構造体５の端面５ａ（及び／又は端面５ｂ）に階段部５ｃを形成することによって実現できる。すなわち、空隙が小さい領域では磁束密度が高いので、誘導される電界強度が強くなり、生成されるプラズマ密度が高くなる。逆に、空隙が大きい領域ではプラズマ密度が低くなる。このように、空隙の大きさを局所的に変えることで、プラズマ密度の分布を積極的に制御できる。なお、図６に示す例では、空隙の大きさを変化させるために端面５ａを階段状に形成したが、端面５ａの形状はこれに限るものではない。例えば、滑らかな曲面形状や、長さが異なる複数の針状突起を端面５ａ（及び／又は端面５ｂ）に形成してもよい。さらには、図７に示すように、端面５ａ（及び／又は端面５ｂ）に複数の円柱状の突起５ｄを形成し、突起５ｄの部分だけにプラズマを形成するようにしてもよい。さらに、プラズマ生成室１の上側内面及び下側内面の一方または両方に突起を形成し、当該突起の部分だけにプラズマを形成するようにすれば、さらにプラズマを形成する領域を局所化できる。
【００３５】
さらには、磁路構造体５に複数対の端面（複数の空隙）を設け、各対の端面間にプラズマを形成してもよい。図８は、このような構成を持つプラズマ処理装置の構成例を示す平面図である。この例では、磁路構造体５のアーム５Ａ，５Ｂが３つに分割されており、１つのアンテナコイル１１が発生する磁束が３つの並列な磁気回路に分配されようになっている。このような構成によれば、各対の端面間にプラズマを形成することができる。
【００３６】
また、アンテナコイル１１が発生する磁界のみをプラズマ生成室１に供給した場合、プラズマ生成室１内ではＨ放電のみが起こるため、電子が不十分で放電を開始するのが困難な場合がある。このような場合には、放電を容易に開始するため、電子供給機構を設けることが好ましい。具体的には、ホローカソード電子源やフィラメントなどの電子供給機構を真空チャンバ３に設け、アンテナコイル１１に高周波電流を供給する際に電子供給機構により電子をプラズマ生成室１内に供給する。
【００３７】
図９はプラズマ処理装置に組み込まれた電子供給機構を示す模式図である。この電子供給機構２０は、プラズマ生成室１の側壁に設けられたタングステンフィラメント２２と、このタングステンフィラメント２２に接続された電源２３とを備えている。電源２３からはタングステンフィラメント２２に２０Ａ程度の電流が供給され、これによりプラズマ生成室１内に熱電子が供給される。
【００３８】
図１０は電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。この構成例は、ＲＦ（Radio
Frequency）放電を利用した電子供給機構である。図１０に示すように、この電子供給機構２０は、石英ガラスなどの誘電体で構成されたケーシング２４と、このケーシング２４の周りに配置されたアンテナコイル２５と、このアンテナコイル２５に高周波電力を供給する整合器２６および高周波発生源２７と、ケーシング２４の内部に配置された２枚の電極２８，２９と、これらの電極２８，２９に電圧を印加する電源２３とを備えている。アンテナコイル２５は３回程度ケーシング２４の周りに巻かれており、このアンテナコイル２５には、たとえば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。
【００３９】
ケーシング２４はプラズマ生成室１の側壁に設けられており、ケーシング２４の内部はプラズマ生成室１に連通している。ケーシング２４内には、図示しないマスフローコントローラにより流量が調整された微量のＡｒガスが導入口２４ａを通じて導入される。このとき、アンテナコイル２５には高周波電力が供給され、これにより、ケーシング２４内で誘導結合放電させる。そして、電極２８，２９に電圧を印加することで、プラズマ中に生成された電子が引き出される。プラズマ生成室側の電極２９には小さなスキマー２９ａが設けてあり、このスキマー２９ａを通して、加速された電子がプラズマ生成室１に放出される。
【００４０】
図１１は電子供給機構のさらに他の構成例を示す模式図である。図１１に示すように、ケーシング２４の２つの側壁は誘電体板３２，３３により構成されている。プラズマ生成室側の誘電体板３３には電極２９が配置されており、誘電体板３２の裏側には、らせん状に延びるアンテナコイル３５が配置されている。ケーシング２４には導入口２４ａが設けられており、この導入口２４ａを通じてケーシング２４内に微量のＡｒガスが導入される。その他の構成は、図１０に示す電子供給機構とほぼ同一である。本構成例によれば、ケーシング２４を金属により形成することができるので、製作が容易になり好ましい。
【００４１】
図１２は電子供給機構のさらに他の構成例を示す模式図である。この電子供給機構２０は、いわゆるホローカソード電子源と呼ばれるものである。図１２に示すように、ケーシング２４のプラズマ生成室側の側壁は誘電体板３３により構成されており、この誘電体板３３には電極２９が配置されている。ケーシング２４は金属により形成されており、電極２９とケーシング２４には電源２３が接続されている。そして、ケーシング２４にマイナス電圧を印加し、電極２９を接地電位とすることで、ホローカソードプラズマを生成し、電子を引き出すことができる。これらの電子供給機構２０を用いることで、プラズマ生成室１内の気体分子と衝突して発生する電子の数が増えるので、安定した放電を起こすことができる。
【００４２】
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による誘導結合プラズマ処理装置の一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置の断面図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】磁路構造体の変形例を示す断面図である。
【図５】磁路構造体の他の変形例を示す断面図である。
【図６】磁路構造体の他の変形例を示す断面図である。
【図７】磁路構造体の端面の変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の他の構成例を示す平面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置に組み込まれた電子供給機構を示す模式図である。
【図１０】電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。
【図１１】電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。
【図１２】電子供給機構の他の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１ プラズマ生成室
２Ａ，２Ｂ ローラ室
３ 真空チャンバ
５ 磁路構造体
５ａ，５ｂ 端面
５ｃ 階段部
５ｄ 突起
６ 繰り出しローラ
７ 巻取りローラ
８ 流路
１０ シート材（被処理物）
１１ アンテナコイル
１２ インピーダンス整合器
１３ 高周波発生源
１５ ガス供給口
１６ 真空ポンプ
２０ 電子供給機構
２２ タングステンフィラメント
２３ 電源
２４ ケーシング
２４ａ 導入口
２５，３５ アンテナコイル
２６ 整合器
２７ 高周波発生源
２８，２９ 電極
２９ａ スキマー
３２，３３ 誘電体板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物が収容されるプラズマ生成室と、
互いに対向する少なくとも１対の端面を有する磁路構造体と
前記磁路構造体に巻きつけられたアンテナコイルと、
前記アンテナコイルに高周波電流を供給する高周波発生源とを備え、
前記プラズマ生成室は、前記端面の間に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記被処理物を、前記端面と平行に配置するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記端面間の距離を局所的に調整することで、前記プラズマ生成室内のプラズマ密度分布を制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記プラズマ生成室の高さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記端面は、前記プラズマ生成室の壁面を構成していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記アンテナコイルに高周波電流を供給する際に前記プラズマ生成室に電子を供給するための電子供給機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１】
被処理物が収容されるプラズマ生成室と、
互いに対向する少なくとも１対の端面を有する磁路構造体と
前記磁路構造体に巻きつけられたアンテナコイルと、
前記アンテナコイルに高周波電流を供給する高周波発生源とを備え、
前記プラズマ生成室は、前記端面の間に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記被処理物を、前記端面と平行に配置するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記端面間の距離を局所的に調整することで、前記プラズマ生成室内のプラズマ密度分布を制御することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記プラズマ生成室の高さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記端面は、前記プラズマ生成室の壁面を構成していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記アンテナコイルに高周波電流を供給する際に前記プラズマ生成室に電子を供給するための電子供給機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２９４４８３（Ｐ２００６−２９４４８３Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１１５３９９（Ｐ２００５−１１５３９９）
【出願日】平成１７年４月１３日（２００５．４．１３）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１３日（２００５．４．１３）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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