高密度プラズマ源及び高密度プラズマ生成方法
【課題】低気圧から高気圧まで広い動作気圧に対応できる高密度プラズマ源、及び高密度プラズマ生成方法を提供する。
【解決手段】チャンバ2と、チャンバ2内に配置された第1の導電体3と、チャンバ2内に在って第1の導電体3に対向して配置された、複数の誘電体5で被覆された第2の導電体4[4A,4B,4C]と、複数の第2の導電体4にそれぞれ同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加する交流電源7と、第1の導電体3に負の直流バイアス電圧を印加する直流バイアス電源6とを有し、チャンバ2と第1の導電体3との間の直流放電と、第1導電体3と複数の第2の導電体4との間の誘電体バリア放電とからなる複合プラズマが発生する構成。
【解決手段】チャンバ2と、チャンバ2内に配置された第1の導電体3と、チャンバ2内に在って第1の導電体3に対向して配置された、複数の誘電体5で被覆された第2の導電体4[4A,4B,4C]と、複数の第2の導電体4にそれぞれ同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加する交流電源7と、第1の導電体3に負の直流バイアス電圧を印加する直流バイアス電源6とを有し、チャンバ2と第1の導電体3との間の直流放電と、第1導電体3と複数の第2の導電体4との間の誘電体バリア放電とからなる複合プラズマが発生する構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高密度プラズマ源及び高密度プラズマ生成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高密度プラズマ源は、例えば、半導体製造分野でのドライエッチング、薄膜形成のためのプラズマCVD(化学気相成長)、材料の表面改質あるいは鋼材の溶接、溶断、近年では目や歯の治療等、様々なところで用いられている。
【0003】
従来、高密度プラズマ源としては、低気圧動作の高密度プラズマ源、大気圧動作の高密度プラズマ源が知られている。低気圧動作の高密度プラズマ源としては、例えばマグネトロン型や電子サイクロトロン共鳴(ECR)型、低圧グロー放電型などを初めとして多数実用化されている。また、大気圧動作の高密度プラズマ源としては、例えば誘電体バリア型、ホローカソード型、マイクロ波放電型等、現在盛んに開発が進んでいる。
【0004】
低圧グロー放電型、誘電体バリア放電型のプラズマ源については、特許文献1に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特表2007−522914号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上述の各種の高密度プラズマ源は、それぞれ最適動作気圧が狭く汎用性に欠けている。
【0007】
本発明は、上述の点に鑑み、低気圧から高気圧まで広い動作気圧に対応できる高密度プラズマ源、及び高密度プラズマ生成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る高密度プラズマ源は、 チャンバと、チャンバ内に配置された第1の導電体と、チャンバ内に在って第1の導電体に対向して配置された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、複数の第2の導電体のそれぞれに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加する交流電源と、第1の導電体に負の直流バイアス電圧を印加する直流バイアス電源とを有し、チャンバと第1の導電体との間の直流放電と、第1導電体と複数の第2の導電体との間の誘電体バリア放電とからなる複合プラズマが発生するように構成したことを特徴とする。
【0009】
本発明の高密度プラズマ源では、第1の導電体とチャンバとの間に直流放電が発生し、第1の導電体と誘電体で被覆された第2の導電体との間で誘電体バリア放電が発生する。従って、第1の導電体の近傍空間に直流放電と誘電体バリア放電とからなる複合プラズマ、いわゆるハイブリッドプラズマが生成される。このハイブリッドプラズマは、直流放電と誘電体バリア放電の単純和以上に大きいイオン電流密度が得られ、また誘電体バリア放電のパワーを増加させることにより、より高い気圧で高密度のプラズマが生成される。
【0010】
本発明に係る高密度プラズマ生成方法は、チャンバ内において、負の直流バイアス電圧が印加された第1の導電体とチャンバとの間で直流放電を発生させ、互いに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧が印加された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、第1の導電体との間で誘電体バリア放電を発生させ、第1の導電体の近傍空間に直流放電と誘電体バリア放電からなる複合プラズマを生成させることを特徴とする。
【0011】
本発明の高密度プラズマ生成方法では、第1の導電体の近傍空間に直流放電と誘電体バリア放電とからなる複合プラズマ、いわゆるハイブリッドプラズマを生成することができる。このハイブリッドプラズマは、直流放電と誘電体バリア放電の単純和以上に大きいイオン電流密度が得られ、また誘電体バリア放電のパワーを増加させることにより、より高い気圧で高密度プラズマを生成することができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係る高密度プラズマ源、及び高密度プラズマ生成方法によれば、低気圧から高気圧までの広い気圧範囲で高密度プラズマを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す断面図である。
【図2】本発明の第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す側面図である。
【図3】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の説明に供する、放電形態のうちの同軸直流放電を示す模式図である。
【図4】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の説明に供する、放電形態のうちの誘電体バリア放電を示す模式図である。
【図5】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の放電形態であるハイブリッド放電を示す模式図である。
【図6】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源のイオン電流密度−気圧特性を、同軸直流放電、誘電体バリア放電それぞれ単独の場合と比較した特性図である。
【図7】イオン電流密度−気圧特性の測定用の測定回路を備えた高密度プラズマ源の概略構成図である。
【図8】イオン電流密度−気圧特性の測定の用いた高密度プラズマ装置の概略図である。
【図9】本発明の第2実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す断面図である。
【図10】本発明の第2実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0015】
[第1実施の形態]
図1及び図2に、本発明に係る高密度プラズマ源の第1実施の形態を示す。第1実施の形態に係る高密度プラズマ源1は、チャンバ2内に、第1の導電体2と、この第1の導電体3に対向して配置された複数の、表面が誘電体5で被覆された第2の導電体4[4A,4B,4C]とを有して成る。本例では、第1導電体3が1つ(1本)の線状体で形成され、第2の導電体4が3つ(3本)の線状体で形成される。また、チャンバ2は、円筒形をなし、例えばステンレスで形成される。
【0016】
3つの第2の導電体4A、4B、4Cは、第1の導電体3を等角間隔で取り囲むように配置される。また、3つの第2の導電体4A、4B、4Cは、第1の導電体3に対して所要の等しいギャップ長dをもって対向し、かつ第1の導電体3に平行して配置される。第1の導電体3は、円筒形のチャンバ2の中心に位置し、いわゆる円筒形のチャンバ2とは同軸的に配置される。
【0017】
第2の導電体4[4A,4B,4C]は金属部材で形成されるのが好ましく、例えばCuなどで形成され、表面の誘電体5は耐熱性部材例えば耐熱ガラスで形成されるのが好ましく、例えばパイレックス製チューブで形成される。第1の導電体3は、プラズマ処理される被プラズマ処理部材に応じて材料が選定される。
【0018】
さらに、高密度プラズマ源1は、第1の導電体3に負の直流バイアス電圧を印加するための負の直流バイアス電源6と、第2の導電体4[4A,4B,4C]のそれぞれに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加するための交流電源7を有する。この交流電源7は、いわゆる低周波電源あるいは三相交流電源である。チャンバ2は接地される。直流バイアス電源6のプラス側は接地される。負の直流バイアス電源6は、第1の導電体に接続され、より詳しくは第1の導電体3とチャンバ2との間に接続される。低周波電源7は、複数の第2の導電体4[4A,4B,4C]に接続され、より詳しくは第1の導電体3と複数の第2の導電体4[4A,4B,4C]との間に接続される。
【0019】
負の直流バイアス電源6としては、一例として0V〜−1kVの範囲で可変できるように構成される。交流電源7は、例えば周波数が60Hz〜100KHz、1kVpp〜10kVppの低周波パワーを供給できる低周波の電源で構成される。上記の周波数は、プラズマ密度の平方根に比例するイオンプラズマ周波数以下であればよい。
【0020】
次に、上述の高密度プラズマ源1の動作を、高密度プラズマ生成方法と共に説明する。高密度プラズマ源1では、第1の導電体3に負の直流バイアス電源6から負の直流バイアス電圧が印加され、複数の第2の導電体4[4A,4B,4C]に交流電源7から所要の低周波電圧あるいは三相交流電圧が印加される。両電源6,7からの電圧印加により、第1の導電体3とチャンバ2の壁との間に同軸直流放電が発生し、第1の導電体3と第2の導電体4[4A,4B,4C]との間に誘電体バリア放電が発生する。従って、第1の導電体3の近傍空間、すなわち第1の導電体3の周囲の空間に、同軸直流放電と誘電体バリア放電とからなる複合プラズマ、すなわちハイブリッドプラズマが生成される。第1実施の形態では3つの第2の導電体4A、4B、4Cが等角間隔に配置されているので、いわゆるトライアングルプラズマが生成される。
【0021】
図3〜図5は、第1実施の形態の高密度プラズマ源1において、直流バイアス電源6と交流電源7として低周波電源を用いてチャンバ2内でトライアングルプラズマを生成する場合に考えられる3つの放電形態の模式図である。図3は、第1の導電体3に負の直流バイアス電圧のみを印加した場合であり、接地されたチャンバ2の壁と第1の導電体3との間で同軸直流放電8が発生される。図4は、3つの第2の導電体4[4A,4B,4C]に低周波電圧のみを印加した場合であり、第2の導電体4[4A,4B,4C]と第1の導電体3との間、及び第2の導電体4[4A,4B,4C]とチャンバ2の壁との間に誘電体バリア放電9が発生される。図5は、直流バイアス電圧と低周波電圧の両方を印加した場合であり、図3の同軸直流放電8と図4の誘電体バリア放電9を合せた本実施の形態のハイブリッド放電10が発生される。
【0022】
図6に、同軸直流放電単独の場合と、誘電体バリア放電単独の場合と、同軸直流放電及び誘電体バリア放電を組み合わせた本実施の形態のハイブリッド放電の場合を比較した、イオン電流密度Ji[A/m2])−気圧P[Pa]特性を示す。イオン電流密度は、第1の導電体3に流入するイオン電流を測定して求めたものであり、プラズマ密度に略比例する。
【0023】
イオン電流の測定は、図7に示すように、負の直流バイアス電源6に1kΩの抵抗Rを直列に接続した測定回路で求めた。すなわち、抵抗Rの両端の電圧Vを測定することによって、負のバイアス電圧によって第1の導電体3に引き込まれるイオンを測定し、最終的に計測した電圧値を1kΩで除して、イオン電流を求めた。
【0024】
図8に、高密度プラズマ源の測定用の概略装置を示す。本装置11は、円筒形のチャンバ2内に、パイレックスガラスチューブによる誘電体5で被覆した銅(Cu)線からなる3つの第2の導電体4[4A,4B,4C]と、金属線からなる1つの第1の導電体3とが配置されて構成される。線状の3つの第2の導電体4[4A,4B,4C]は、それぞれが正三角形の各頂点に位置するように第1のホルダー12の各貫通孔13A、13B、13Cに挿通するようにして保持される。第1の導電体3は、第1のホルダー12に設けられた、上記正三角形の重心位置に対応する貫通孔14に挿通するように配置される。第1の導電体3は、その一端が第2のホルダー15に固定され、他端がスプリング17を介して第3のホルダー16に所要の張力を保って保持される。
【0025】
本装置11においては、第2の導電体4[4A,4B,4C]を支持する第1のホルダー12を取り替えることにより、第2の導電体4[4A,4B,4C]と第1の導電体3との間のギャップ長dを可変設定できる構成となっている。また、本装置11は、動作ガスとして、アルゴン(Ar)ガス18と酸素(O)ガス19を使用し、マスフローコントローラ21,22によりガス流量を調整し、ロータリポンプ23により動作気圧を制御し排気する。チャンバ2は接地される。放電用電源としては、第1の導電体3に接続する0V〜1kV間で可変可能な負の直流バイアス電源6と、各第2の導電体4[4A,4B,4C]に接続する13kHz、1kVpp〜10kVpp可変の低周波電源7が使用される。
【0026】
図6のイオン電流密度−気圧特性図においては、ギャップ長dが1.0mm、第1の導電体(タングステンワイヤ)3の直径0.25mm、第2の導電体(銅ワイヤ)4[4A,4B,4C]の直径2.0mm、誘電体5の外径4.0mmとした。
【0027】
曲線a(○)は負の直流バイアス電圧を−360Vとした同軸直流放電単独の特性である。曲線b(●)は低周波電圧を2kVppとした誘電体バリア放電単独の特性である。曲線cは負の直流バイアス電圧を−360V、低周波電圧を2kVppとしたハイブリッド放電の特性である。曲線dは負の直流バイアス電圧を−360V、低周波電圧を8kVppとしたハイブリッド放電の特性である。
【0028】
図6の特性図によれば、誘電体バリア放電(曲線b)と同軸直流放電(曲線a)のどちらか単独では第1の導電体3に入射するイオン電流密度が低いが、それらを同時に放電させたハイブリッド放電(曲線c、d)は、両者の単純和以上に大きなイオン電流密度が得られるシナジー効果が確認できる。また、ハイブリッド放電で、ハイブリッド放電のパワーを増加させることにより、より高い気圧でプラズマを生成できる。
【0029】
上述の第1実施の形態に係る高密度プラズマ源1によれば、ハイブリッド放電により低気圧から高気圧までの広い気圧範囲での高密度プラズマの生成が可能になる。
【0030】
第1実施の形態の高密度プラズマ源1において、第1の導電体3を被プラズマ処理部材とすることができる。このときは、第2の導電体4がいわゆる電極となり、この電極に対向する第1の導電体3が表面処理すべき被処理体となる。この構成においては、低気圧から高気圧までの広い気圧範囲での高密度プラズマ生成が可能になり、第1導電体3による被プラズマ処理部材に対し高速での処理、例えば、表面改質や表面皮膜のストリッピング(剥ぎ取り)などの表面処理、あるいは各種機能性膜のコーティング(いわゆる表面処理)、等を行うことができる。機能性膜のコーティングでは、チャンバ内に機能性膜を成膜するための所要のソースガスが導入される。
【0031】
[第2実施の形態]
図9及び図10に、本発明に係る高密度プラズマ源の第2実施の形態を示す。第2実施の形態に係る高密度プラズマ源31は、チャンバ2内に、1つの第1の導電体3と、この第1の導電体3を等角間隔で取り囲む3つ以上、本例では3つの誘電体5で被覆された第2の導電体4[4A,4B,4C]との組合せを1ユニット32として、複数のユニットを配置して構成される。この場合、複数のユニットは、誘電体5で被覆された第2の導電体4を隣接するユニット32間で共有するように配置される。
【0032】
各ユニット32における第1の導電体3には、負の直流バイアス電圧を印加するための共通の負の直流バイアス電源6(図示せず)が接続され、各ユニット32の第2の導電体4には、互いに同電位となるように高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加するための共通の低周波電源7(図示せず)が接続される。その他の構成は、第1実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。各ユニット32での放電形態は、第1実施の形態で説明したと同様のハイブリッド放電である。
【0033】
第2実施の形態に係る高密度プラズマ源31によれば、各ユニット32に同時にハイブリッド放電を生成することができる。また、各ユニット32の第1の導電体3を被プラズマ処理部材とするときには、複数の第1の導電体3による被プラズマ処理部材を同時に、かつ高速で表面処理することができ、処理時間の短縮が図れる。
【0034】
第1実施の形態及び第2実施の形態では、1つの第1の導電体3を、等角間隔で配した3つの第2の導電体4で取り囲むようにした構成としたが、その他の例として、第1、第2実施の形態において、1つの第1の導電体3を、等角間隔で配置した4つ以上の第2の導電体4で取り囲むようにした構成とすることができる。この構成においては、第1の導電体3の周りに、より均一化されたハイブリッド放電の生成が可能になる。但し、1つの第1の導電体3と3つの誘電体5で被覆された第2の導電体4の組合せの方が、構成の簡素化を図ることができる。
【0035】
[第3実施の形態]
第3実施の形態に係る高密度プラズマ源は、図示しないが、チャンバ内に、1つの第1の導電体と、この第1の導電体を両側から挟む2つの誘電体で被覆された第2の導電体とを配置して構成される。第1実施の形態と同様に、円筒形のチャンバに同軸的に線状の第1の導電体を配置し、第1の導電体に対して所要のギャップ長を介して対向するように、線状の2つの誘電体で被覆された第2の導電体を対称位置(180度の間隔)に配置することができる。チャンバは接地され、第1の導電体は負の直流バイアス電源に接続され、第2の導電体は低周波電源あるいは三相交流電源に接続される。第1の導電体を被プラズマ処理部材で構成することもできる。
【0036】
第3実施の形態に係る高密度プラズマ源においても、第1実施の形態で説明したと同様に、第1の導電体の周りの空間に上述のハイブリッド放電が生成される。第1の導電体を被プラズマ処理部材で構成するときは、この被プラズマ処理部材の全表面に対して、生成されたハイブリッドプラズマによる表面処理を行うことができる。
【0037】
上例では、第1の導電体3を線状体で形成したが、平板状体、可撓性薄板状体、リボン状体、その他の部材等で構成することも可能である。例えば、第1の導電3に半導体基板を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0038】
上述の本発明の高密度プラズマ源は、プラズマエッチング、プラズマCVDなどのプラズマ源として利用することができる。例えば、本発明の高密度プラズマ源は、シリコンインゴットからシリコンウェハを切り出す際に用いられるソーワイヤの表面処理に適用可能である。
【0039】
カーボン(C)添加の鉄(Fe)からなるソーワイヤは、表面にブラスめっき(Cu:65%、Zn:35%)皮膜が施されている。このブラスめっきは、ソーワイヤの伸線加工で必要となるめっき処理である。ソーワイヤでシリコンウェハを切り出す際に、ブラスめっきの主成分であるCuが拡散係数の大きな物質であるため、Cuがシリコンウェハ内に拡散する恐れがある。シリコンウェハにCuが拡散すると、シリコンの導電性が変化し、シリコン基板に回路素子を形成したときに、回路素子に対して流れるべき所以外へ電流が流入するなどの誤動作を生じさせる可能性がある。
【0040】
そのため、Cuフリーなソーワイヤが必要となる。このソーワイヤから表面のCu含有のブラスめっき皮膜を除去する処理として、現状では硫酸や塩酸を使用したウェットプロセスが用いられている。このウェットプロセスでは、アンモニア水と過酸化水素水を使用するため環境負荷が大きくなるという問題と、使用後の廃液処理が困難であるという問題がある。
【0041】
上記のウェットプロセスに代わり低温で高い反応速度が得られ、廃液処理が不要で、かつ使用後の排ガス処理が廃液処理に比べて容易な、プラズマを用いたドライプロセスが望まれている。上述の本発明に係る高密度プラズマ源が、ソーワイヤのブラスめっき皮膜を除去するドライプロセスのプラズマ源に応用することができる。この場合、第1の導電体が、表面処理すべきソーワイヤとなり、高密度プラズマ源中を移送される。このときドライプロセスは、動作気圧を高気圧〜中気圧程度とし、通常エッチングガスとして用いられる塩素ガスやフッ素ガスを動作ガスとて用いずにエッチングを行う。本発明の高密度プラズマ源では、例えば、動作ガスとしては、アルゴン(Ar)と酸素(O)の混合ガスを用いることができる。前述したイオン電流密度は、エッチングレートに略比例する。
【符号の説明】
【0042】
1,31・・高密度プラズマ源、2・・チャンバ、3・・第1の導電体、4[4A,4B,4C]・・第2の導電体、5・・誘電体、6・・直流バイアス電源、7・・低周波電源、8・・同軸直流放電、9・・誘電体バリア放電、10・・ハイブリッド放電、11・・の高密度プラズマ源の測定用の装置、32・・1ユニット
【技術分野】
【0001】
本発明は、高密度プラズマ源及び高密度プラズマ生成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高密度プラズマ源は、例えば、半導体製造分野でのドライエッチング、薄膜形成のためのプラズマCVD(化学気相成長)、材料の表面改質あるいは鋼材の溶接、溶断、近年では目や歯の治療等、様々なところで用いられている。
【0003】
従来、高密度プラズマ源としては、低気圧動作の高密度プラズマ源、大気圧動作の高密度プラズマ源が知られている。低気圧動作の高密度プラズマ源としては、例えばマグネトロン型や電子サイクロトロン共鳴(ECR)型、低圧グロー放電型などを初めとして多数実用化されている。また、大気圧動作の高密度プラズマ源としては、例えば誘電体バリア型、ホローカソード型、マイクロ波放電型等、現在盛んに開発が進んでいる。
【0004】
低圧グロー放電型、誘電体バリア放電型のプラズマ源については、特許文献1に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特表2007−522914号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、上述の各種の高密度プラズマ源は、それぞれ最適動作気圧が狭く汎用性に欠けている。
【0007】
本発明は、上述の点に鑑み、低気圧から高気圧まで広い動作気圧に対応できる高密度プラズマ源、及び高密度プラズマ生成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明に係る高密度プラズマ源は、 チャンバと、チャンバ内に配置された第1の導電体と、チャンバ内に在って第1の導電体に対向して配置された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、複数の第2の導電体のそれぞれに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加する交流電源と、第1の導電体に負の直流バイアス電圧を印加する直流バイアス電源とを有し、チャンバと第1の導電体との間の直流放電と、第1導電体と複数の第2の導電体との間の誘電体バリア放電とからなる複合プラズマが発生するように構成したことを特徴とする。
【0009】
本発明の高密度プラズマ源では、第1の導電体とチャンバとの間に直流放電が発生し、第1の導電体と誘電体で被覆された第2の導電体との間で誘電体バリア放電が発生する。従って、第1の導電体の近傍空間に直流放電と誘電体バリア放電とからなる複合プラズマ、いわゆるハイブリッドプラズマが生成される。このハイブリッドプラズマは、直流放電と誘電体バリア放電の単純和以上に大きいイオン電流密度が得られ、また誘電体バリア放電のパワーを増加させることにより、より高い気圧で高密度のプラズマが生成される。
【0010】
本発明に係る高密度プラズマ生成方法は、チャンバ内において、負の直流バイアス電圧が印加された第1の導電体とチャンバとの間で直流放電を発生させ、互いに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧が印加された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、第1の導電体との間で誘電体バリア放電を発生させ、第1の導電体の近傍空間に直流放電と誘電体バリア放電からなる複合プラズマを生成させることを特徴とする。
【0011】
本発明の高密度プラズマ生成方法では、第1の導電体の近傍空間に直流放電と誘電体バリア放電とからなる複合プラズマ、いわゆるハイブリッドプラズマを生成することができる。このハイブリッドプラズマは、直流放電と誘電体バリア放電の単純和以上に大きいイオン電流密度が得られ、また誘電体バリア放電のパワーを増加させることにより、より高い気圧で高密度プラズマを生成することができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係る高密度プラズマ源、及び高密度プラズマ生成方法によれば、低気圧から高気圧までの広い気圧範囲で高密度プラズマを生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す断面図である。
【図2】本発明の第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す側面図である。
【図3】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の説明に供する、放電形態のうちの同軸直流放電を示す模式図である。
【図4】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の説明に供する、放電形態のうちの誘電体バリア放電を示す模式図である。
【図5】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源の放電形態であるハイブリッド放電を示す模式図である。
【図6】第1実施の形態に係る高密度プラズマ源のイオン電流密度−気圧特性を、同軸直流放電、誘電体バリア放電それぞれ単独の場合と比較した特性図である。
【図7】イオン電流密度−気圧特性の測定用の測定回路を備えた高密度プラズマ源の概略構成図である。
【図8】イオン電流密度−気圧特性の測定の用いた高密度プラズマ装置の概略図である。
【図9】本発明の第2実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す断面図である。
【図10】本発明の第2実施の形態に係る高密度プラズマ源の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0015】
[第1実施の形態]
図1及び図2に、本発明に係る高密度プラズマ源の第1実施の形態を示す。第1実施の形態に係る高密度プラズマ源1は、チャンバ2内に、第1の導電体2と、この第1の導電体3に対向して配置された複数の、表面が誘電体5で被覆された第2の導電体4[4A,4B,4C]とを有して成る。本例では、第1導電体3が1つ(1本)の線状体で形成され、第2の導電体4が3つ(3本)の線状体で形成される。また、チャンバ2は、円筒形をなし、例えばステンレスで形成される。
【0016】
3つの第2の導電体4A、4B、4Cは、第1の導電体3を等角間隔で取り囲むように配置される。また、3つの第2の導電体4A、4B、4Cは、第1の導電体3に対して所要の等しいギャップ長dをもって対向し、かつ第1の導電体3に平行して配置される。第1の導電体3は、円筒形のチャンバ2の中心に位置し、いわゆる円筒形のチャンバ2とは同軸的に配置される。
【0017】
第2の導電体4[4A,4B,4C]は金属部材で形成されるのが好ましく、例えばCuなどで形成され、表面の誘電体5は耐熱性部材例えば耐熱ガラスで形成されるのが好ましく、例えばパイレックス製チューブで形成される。第1の導電体3は、プラズマ処理される被プラズマ処理部材に応じて材料が選定される。
【0018】
さらに、高密度プラズマ源1は、第1の導電体3に負の直流バイアス電圧を印加するための負の直流バイアス電源6と、第2の導電体4[4A,4B,4C]のそれぞれに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加するための交流電源7を有する。この交流電源7は、いわゆる低周波電源あるいは三相交流電源である。チャンバ2は接地される。直流バイアス電源6のプラス側は接地される。負の直流バイアス電源6は、第1の導電体に接続され、より詳しくは第1の導電体3とチャンバ2との間に接続される。低周波電源7は、複数の第2の導電体4[4A,4B,4C]に接続され、より詳しくは第1の導電体3と複数の第2の導電体4[4A,4B,4C]との間に接続される。
【0019】
負の直流バイアス電源6としては、一例として0V〜−1kVの範囲で可変できるように構成される。交流電源7は、例えば周波数が60Hz〜100KHz、1kVpp〜10kVppの低周波パワーを供給できる低周波の電源で構成される。上記の周波数は、プラズマ密度の平方根に比例するイオンプラズマ周波数以下であればよい。
【0020】
次に、上述の高密度プラズマ源1の動作を、高密度プラズマ生成方法と共に説明する。高密度プラズマ源1では、第1の導電体3に負の直流バイアス電源6から負の直流バイアス電圧が印加され、複数の第2の導電体4[4A,4B,4C]に交流電源7から所要の低周波電圧あるいは三相交流電圧が印加される。両電源6,7からの電圧印加により、第1の導電体3とチャンバ2の壁との間に同軸直流放電が発生し、第1の導電体3と第2の導電体4[4A,4B,4C]との間に誘電体バリア放電が発生する。従って、第1の導電体3の近傍空間、すなわち第1の導電体3の周囲の空間に、同軸直流放電と誘電体バリア放電とからなる複合プラズマ、すなわちハイブリッドプラズマが生成される。第1実施の形態では3つの第2の導電体4A、4B、4Cが等角間隔に配置されているので、いわゆるトライアングルプラズマが生成される。
【0021】
図3〜図5は、第1実施の形態の高密度プラズマ源1において、直流バイアス電源6と交流電源7として低周波電源を用いてチャンバ2内でトライアングルプラズマを生成する場合に考えられる3つの放電形態の模式図である。図3は、第1の導電体3に負の直流バイアス電圧のみを印加した場合であり、接地されたチャンバ2の壁と第1の導電体3との間で同軸直流放電8が発生される。図4は、3つの第2の導電体4[4A,4B,4C]に低周波電圧のみを印加した場合であり、第2の導電体4[4A,4B,4C]と第1の導電体3との間、及び第2の導電体4[4A,4B,4C]とチャンバ2の壁との間に誘電体バリア放電9が発生される。図5は、直流バイアス電圧と低周波電圧の両方を印加した場合であり、図3の同軸直流放電8と図4の誘電体バリア放電9を合せた本実施の形態のハイブリッド放電10が発生される。
【0022】
図6に、同軸直流放電単独の場合と、誘電体バリア放電単独の場合と、同軸直流放電及び誘電体バリア放電を組み合わせた本実施の形態のハイブリッド放電の場合を比較した、イオン電流密度Ji[A/m2])−気圧P[Pa]特性を示す。イオン電流密度は、第1の導電体3に流入するイオン電流を測定して求めたものであり、プラズマ密度に略比例する。
【0023】
イオン電流の測定は、図7に示すように、負の直流バイアス電源6に1kΩの抵抗Rを直列に接続した測定回路で求めた。すなわち、抵抗Rの両端の電圧Vを測定することによって、負のバイアス電圧によって第1の導電体3に引き込まれるイオンを測定し、最終的に計測した電圧値を1kΩで除して、イオン電流を求めた。
【0024】
図8に、高密度プラズマ源の測定用の概略装置を示す。本装置11は、円筒形のチャンバ2内に、パイレックスガラスチューブによる誘電体5で被覆した銅(Cu)線からなる3つの第2の導電体4[4A,4B,4C]と、金属線からなる1つの第1の導電体3とが配置されて構成される。線状の3つの第2の導電体4[4A,4B,4C]は、それぞれが正三角形の各頂点に位置するように第1のホルダー12の各貫通孔13A、13B、13Cに挿通するようにして保持される。第1の導電体3は、第1のホルダー12に設けられた、上記正三角形の重心位置に対応する貫通孔14に挿通するように配置される。第1の導電体3は、その一端が第2のホルダー15に固定され、他端がスプリング17を介して第3のホルダー16に所要の張力を保って保持される。
【0025】
本装置11においては、第2の導電体4[4A,4B,4C]を支持する第1のホルダー12を取り替えることにより、第2の導電体4[4A,4B,4C]と第1の導電体3との間のギャップ長dを可変設定できる構成となっている。また、本装置11は、動作ガスとして、アルゴン(Ar)ガス18と酸素(O)ガス19を使用し、マスフローコントローラ21,22によりガス流量を調整し、ロータリポンプ23により動作気圧を制御し排気する。チャンバ2は接地される。放電用電源としては、第1の導電体3に接続する0V〜1kV間で可変可能な負の直流バイアス電源6と、各第2の導電体4[4A,4B,4C]に接続する13kHz、1kVpp〜10kVpp可変の低周波電源7が使用される。
【0026】
図6のイオン電流密度−気圧特性図においては、ギャップ長dが1.0mm、第1の導電体(タングステンワイヤ)3の直径0.25mm、第2の導電体(銅ワイヤ)4[4A,4B,4C]の直径2.0mm、誘電体5の外径4.0mmとした。
【0027】
曲線a(○)は負の直流バイアス電圧を−360Vとした同軸直流放電単独の特性である。曲線b(●)は低周波電圧を2kVppとした誘電体バリア放電単独の特性である。曲線cは負の直流バイアス電圧を−360V、低周波電圧を2kVppとしたハイブリッド放電の特性である。曲線dは負の直流バイアス電圧を−360V、低周波電圧を8kVppとしたハイブリッド放電の特性である。
【0028】
図6の特性図によれば、誘電体バリア放電(曲線b)と同軸直流放電(曲線a)のどちらか単独では第1の導電体3に入射するイオン電流密度が低いが、それらを同時に放電させたハイブリッド放電(曲線c、d)は、両者の単純和以上に大きなイオン電流密度が得られるシナジー効果が確認できる。また、ハイブリッド放電で、ハイブリッド放電のパワーを増加させることにより、より高い気圧でプラズマを生成できる。
【0029】
上述の第1実施の形態に係る高密度プラズマ源1によれば、ハイブリッド放電により低気圧から高気圧までの広い気圧範囲での高密度プラズマの生成が可能になる。
【0030】
第1実施の形態の高密度プラズマ源1において、第1の導電体3を被プラズマ処理部材とすることができる。このときは、第2の導電体4がいわゆる電極となり、この電極に対向する第1の導電体3が表面処理すべき被処理体となる。この構成においては、低気圧から高気圧までの広い気圧範囲での高密度プラズマ生成が可能になり、第1導電体3による被プラズマ処理部材に対し高速での処理、例えば、表面改質や表面皮膜のストリッピング(剥ぎ取り)などの表面処理、あるいは各種機能性膜のコーティング(いわゆる表面処理)、等を行うことができる。機能性膜のコーティングでは、チャンバ内に機能性膜を成膜するための所要のソースガスが導入される。
【0031】
[第2実施の形態]
図9及び図10に、本発明に係る高密度プラズマ源の第2実施の形態を示す。第2実施の形態に係る高密度プラズマ源31は、チャンバ2内に、1つの第1の導電体3と、この第1の導電体3を等角間隔で取り囲む3つ以上、本例では3つの誘電体5で被覆された第2の導電体4[4A,4B,4C]との組合せを1ユニット32として、複数のユニットを配置して構成される。この場合、複数のユニットは、誘電体5で被覆された第2の導電体4を隣接するユニット32間で共有するように配置される。
【0032】
各ユニット32における第1の導電体3には、負の直流バイアス電圧を印加するための共通の負の直流バイアス電源6(図示せず)が接続され、各ユニット32の第2の導電体4には、互いに同電位となるように高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加するための共通の低周波電源7(図示せず)が接続される。その他の構成は、第1実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明を省略する。各ユニット32での放電形態は、第1実施の形態で説明したと同様のハイブリッド放電である。
【0033】
第2実施の形態に係る高密度プラズマ源31によれば、各ユニット32に同時にハイブリッド放電を生成することができる。また、各ユニット32の第1の導電体3を被プラズマ処理部材とするときには、複数の第1の導電体3による被プラズマ処理部材を同時に、かつ高速で表面処理することができ、処理時間の短縮が図れる。
【0034】
第1実施の形態及び第2実施の形態では、1つの第1の導電体3を、等角間隔で配した3つの第2の導電体4で取り囲むようにした構成としたが、その他の例として、第1、第2実施の形態において、1つの第1の導電体3を、等角間隔で配置した4つ以上の第2の導電体4で取り囲むようにした構成とすることができる。この構成においては、第1の導電体3の周りに、より均一化されたハイブリッド放電の生成が可能になる。但し、1つの第1の導電体3と3つの誘電体5で被覆された第2の導電体4の組合せの方が、構成の簡素化を図ることができる。
【0035】
[第3実施の形態]
第3実施の形態に係る高密度プラズマ源は、図示しないが、チャンバ内に、1つの第1の導電体と、この第1の導電体を両側から挟む2つの誘電体で被覆された第2の導電体とを配置して構成される。第1実施の形態と同様に、円筒形のチャンバに同軸的に線状の第1の導電体を配置し、第1の導電体に対して所要のギャップ長を介して対向するように、線状の2つの誘電体で被覆された第2の導電体を対称位置(180度の間隔)に配置することができる。チャンバは接地され、第1の導電体は負の直流バイアス電源に接続され、第2の導電体は低周波電源あるいは三相交流電源に接続される。第1の導電体を被プラズマ処理部材で構成することもできる。
【0036】
第3実施の形態に係る高密度プラズマ源においても、第1実施の形態で説明したと同様に、第1の導電体の周りの空間に上述のハイブリッド放電が生成される。第1の導電体を被プラズマ処理部材で構成するときは、この被プラズマ処理部材の全表面に対して、生成されたハイブリッドプラズマによる表面処理を行うことができる。
【0037】
上例では、第1の導電体3を線状体で形成したが、平板状体、可撓性薄板状体、リボン状体、その他の部材等で構成することも可能である。例えば、第1の導電3に半導体基板を用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【0038】
上述の本発明の高密度プラズマ源は、プラズマエッチング、プラズマCVDなどのプラズマ源として利用することができる。例えば、本発明の高密度プラズマ源は、シリコンインゴットからシリコンウェハを切り出す際に用いられるソーワイヤの表面処理に適用可能である。
【0039】
カーボン(C)添加の鉄(Fe)からなるソーワイヤは、表面にブラスめっき(Cu:65%、Zn:35%)皮膜が施されている。このブラスめっきは、ソーワイヤの伸線加工で必要となるめっき処理である。ソーワイヤでシリコンウェハを切り出す際に、ブラスめっきの主成分であるCuが拡散係数の大きな物質であるため、Cuがシリコンウェハ内に拡散する恐れがある。シリコンウェハにCuが拡散すると、シリコンの導電性が変化し、シリコン基板に回路素子を形成したときに、回路素子に対して流れるべき所以外へ電流が流入するなどの誤動作を生じさせる可能性がある。
【0040】
そのため、Cuフリーなソーワイヤが必要となる。このソーワイヤから表面のCu含有のブラスめっき皮膜を除去する処理として、現状では硫酸や塩酸を使用したウェットプロセスが用いられている。このウェットプロセスでは、アンモニア水と過酸化水素水を使用するため環境負荷が大きくなるという問題と、使用後の廃液処理が困難であるという問題がある。
【0041】
上記のウェットプロセスに代わり低温で高い反応速度が得られ、廃液処理が不要で、かつ使用後の排ガス処理が廃液処理に比べて容易な、プラズマを用いたドライプロセスが望まれている。上述の本発明に係る高密度プラズマ源が、ソーワイヤのブラスめっき皮膜を除去するドライプロセスのプラズマ源に応用することができる。この場合、第1の導電体が、表面処理すべきソーワイヤとなり、高密度プラズマ源中を移送される。このときドライプロセスは、動作気圧を高気圧〜中気圧程度とし、通常エッチングガスとして用いられる塩素ガスやフッ素ガスを動作ガスとて用いずにエッチングを行う。本発明の高密度プラズマ源では、例えば、動作ガスとしては、アルゴン(Ar)と酸素(O)の混合ガスを用いることができる。前述したイオン電流密度は、エッチングレートに略比例する。
【符号の説明】
【0042】
1,31・・高密度プラズマ源、2・・チャンバ、3・・第1の導電体、4[4A,4B,4C]・・第2の導電体、5・・誘電体、6・・直流バイアス電源、7・・低周波電源、8・・同軸直流放電、9・・誘電体バリア放電、10・・ハイブリッド放電、11・・の高密度プラズマ源の測定用の装置、32・・1ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項1】
チャンバと、
前記チャンバ内に配置された第1の導電体と、
前記チャンバ内に在って前記第1の導電体に対向して配置された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、
前記複数の第2の導電体のそれぞれに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加する交流電源と、
前記第1の導電体に負の直流バイアス電圧を印加する直流バイアス電源とを有し、
前記チャンバと前記第1の導電体との間の直流放電と、前記第1導電体と前記複数の第2の導電体との間の誘電体バリア放電とからなる複合プラズマが発生する
ことを特徴とする高密度プラズマ源。
【請求項2】
3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体が前記第1の導電体を等角間隔で取り囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の高密度プラズマ源。
【請求項3】
前記第1の導電体が線状の被プラズマ処理部材であり、
前記誘電体で被覆された第2の導電体が線状体である
ことを特徴とする請求項2記載の高密度プラズマ源。
【請求項4】
1つの前記第1の導電体と、該第1の導電体を等角間隔で取り囲む3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体との組み合わせを1ユニットとして、
複数のユニットが、前記誘電体で被覆された第2の導電体を隣接するユニット間で共有するように配置され、
各前記ユニットにおいて前記複合プラズマが発生する
ことを特徴とする請求項2記載の高密度プラズマ源。
【請求項5】
前記複数の誘電体で被覆された第2の導電体が前記第1の導電体を挟むように配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の高密度プラズマ源。
【請求項6】
前記第1の導電体が被プラズマ処理部材である
ことを特徴とする請求項1記載の高密度プラズマ源。
【請求項7】
チャンバ内において、
負の直流バイアス電圧が印加された第1の導電体と前記チャンバとの間で直流放電を発生させ、
互いに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧が印加された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、前記第1の導電体との間で誘電体バリア放電を発生させ、
前記第1の導電体に近い空間に前記直流放電と前記誘電体バリア放電からなる複合プラズマを生成させる
ことを特徴とする高密度プラズマ生成方法。
【請求項8】
3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体が前記第1の導電体を等角間隔で取り囲んで、各前記誘電体で被覆された第2の導電体と、前記第1の導電体との間で誘電体バリア放電を発生させる
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項9】
前記第1の導電体を線状の被プラズマ処理部材とし、
前記誘電体で被覆された第2の導電体を線状体とした
ことを特徴とする請求項8記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項10】
1つの前記第1の導電体と、該第1の導電体を等角間隔で取り囲む3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体との組み合わせを1ユニットとして、複数のユニットを、前記誘電体で被覆された第2の導電体が隣接するユニット間で共有するように配置し、
各ユニットにおいて前記複合プラズマを生成させる
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項11】
前記複数の誘電体で被覆された第2の導電体を、前記第1の導電体を挟むように配置する
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項12】
前記第1の導電体を被プラズマ処理部材とした
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項1】
チャンバと、
前記チャンバ内に配置された第1の導電体と、
前記チャンバ内に在って前記第1の導電体に対向して配置された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、
前記複数の第2の導電体のそれぞれに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧を印加する交流電源と、
前記第1の導電体に負の直流バイアス電圧を印加する直流バイアス電源とを有し、
前記チャンバと前記第1の導電体との間の直流放電と、前記第1導電体と前記複数の第2の導電体との間の誘電体バリア放電とからなる複合プラズマが発生する
ことを特徴とする高密度プラズマ源。
【請求項2】
3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体が前記第1の導電体を等角間隔で取り囲むように配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の高密度プラズマ源。
【請求項3】
前記第1の導電体が線状の被プラズマ処理部材であり、
前記誘電体で被覆された第2の導電体が線状体である
ことを特徴とする請求項2記載の高密度プラズマ源。
【請求項4】
1つの前記第1の導電体と、該第1の導電体を等角間隔で取り囲む3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体との組み合わせを1ユニットとして、
複数のユニットが、前記誘電体で被覆された第2の導電体を隣接するユニット間で共有するように配置され、
各前記ユニットにおいて前記複合プラズマが発生する
ことを特徴とする請求項2記載の高密度プラズマ源。
【請求項5】
前記複数の誘電体で被覆された第2の導電体が前記第1の導電体を挟むように配置されている
ことを特徴とする請求項1記載の高密度プラズマ源。
【請求項6】
前記第1の導電体が被プラズマ処理部材である
ことを特徴とする請求項1記載の高密度プラズマ源。
【請求項7】
チャンバ内において、
負の直流バイアス電圧が印加された第1の導電体と前記チャンバとの間で直流放電を発生させ、
互いに同電位の高電圧低周波電圧あるいは高電圧三相交流電圧が印加された、複数の誘電体で被覆された第2の導電体と、前記第1の導電体との間で誘電体バリア放電を発生させ、
前記第1の導電体に近い空間に前記直流放電と前記誘電体バリア放電からなる複合プラズマを生成させる
ことを特徴とする高密度プラズマ生成方法。
【請求項8】
3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体が前記第1の導電体を等角間隔で取り囲んで、各前記誘電体で被覆された第2の導電体と、前記第1の導電体との間で誘電体バリア放電を発生させる
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項9】
前記第1の導電体を線状の被プラズマ処理部材とし、
前記誘電体で被覆された第2の導電体を線状体とした
ことを特徴とする請求項8記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項10】
1つの前記第1の導電体と、該第1の導電体を等角間隔で取り囲む3つ以上の前記誘電体で被覆された第2の導電体との組み合わせを1ユニットとして、複数のユニットを、前記誘電体で被覆された第2の導電体が隣接するユニット間で共有するように配置し、
各ユニットにおいて前記複合プラズマを生成させる
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項11】
前記複数の誘電体で被覆された第2の導電体を、前記第1の導電体を挟むように配置する
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【請求項12】
前記第1の導電体を被プラズマ処理部材とした
ことを特徴とする請求項7記載の高密度プラズマ生成方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【公開番号】特開2010−177137(P2010−177137A)
【公開日】平成22年8月12日(2010.8.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−20752(P2009−20752)
【出願日】平成21年1月30日(2009.1.30)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.パイレックス
【出願人】(504205521)国立大学法人 長崎大学 (226)
【出願人】(597150599)ジャパンファインスチール株式会社 (11)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年8月12日(2010.8.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年1月30日(2009.1.30)
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.パイレックス
【出願人】(504205521)国立大学法人 長崎大学 (226)
【出願人】(597150599)ジャパンファインスチール株式会社 (11)
【Fターム(参考)】
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