JP6030867B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

Plasma processing equipment Download PDF

Info

Publication number
JP6030867B2
JP6030867B2 JP2012140903A JP2012140903A JP6030867B2 JP 6030867 B2 JP6030867 B2 JP 6030867B2 JP 2012140903 A JP2012140903 A JP 2012140903A JP 2012140903 A JP2012140903 A JP 2012140903A JP 6030867 B2 JP6030867 B2 JP 6030867B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
groove
hollow cathode
plasma
processing
gas
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.)
Active
Application number
JP2012140903A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013030478A (en
Inventor
康徳 大津
康徳 大津
加々見 丈二
丈二 加々見
安司 川下
安司 川下
竹内 達也
達也 竹内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY
Shinko Seiki Co Ltd
Original Assignee
NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY
Shinko Seiki Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY, Shinko Seiki Co Ltd filed Critical NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY
Priority to JP2012140903A priority Critical patent/JP6030867B2/en
Publication of JP2013030478A publication Critical patent/JP2013030478A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6030867B2 publication Critical patent/JP6030867B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、特にホローカソードを使用したものに関する。   The present invention relates to a plasma processing apparatus, and more particularly to one using a hollow cathode.

従来、ホローカソードを使用したプラズマ処理装置としては、例えば特許文献1に開示されているようなものがある。特許文献1の技術では、処理室内に設けられたホローカソードは、高周波電力を処理室内に放射するための誘電体窓を有し、この誘電体窓の下面にシャワープレートが取り付けられている。シャワープレートには、複数個の孔が形成され、シャワープレートと誘電体窓との間に設けたガス流路を介してガスがホローカソードに供給される。なお、特許文献1には、多数の孔に代えて溝を形成することが可能である旨と、孔として縦断面形状がテーパー状であるものを使用可能である旨の記載がある。   Conventionally, as a plasma processing apparatus using a hollow cathode, there is one as disclosed in Patent Document 1, for example. In the technique of Patent Document 1, the hollow cathode provided in the processing chamber has a dielectric window for radiating high-frequency power into the processing chamber, and a shower plate is attached to the lower surface of the dielectric window. A plurality of holes are formed in the shower plate, and gas is supplied to the hollow cathode through a gas flow path provided between the shower plate and the dielectric window. Patent Document 1 describes that grooves can be formed instead of a large number of holes, and that holes having a taper shape in the longitudinal section can be used.

特開2003−68716号公報JP 2003-68716 A

特許文献1の技術は、ホローカソード放電によって電子の閉じ込め効果を得て、高密度プラズマを生成しようとするものであるが、処理室内でのガスの圧力とプラズマ密度との関係についての言及はない。   The technique of Patent Document 1 attempts to generate a high-density plasma by obtaining an electron confinement effect by hollow cathode discharge, but there is no mention of the relationship between the gas pressure in the processing chamber and the plasma density. .

本発明は、低い圧力から高い圧力までの広範囲のガス圧において、プラズマの高密度化を図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。   An object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus capable of increasing the density of plasma in a wide range of gas pressures from a low pressure to a high pressure.

本発明の一態様のプラズマ処理装置は、処理チャンバを有している。処理チャンバの内部にはプラズマ処理対象物が配置されている。処理チャンバの内部からガスを排気するための排気口と、処理チャンバの内部に処理ガスを供給するための処理ガス供給口とが、処理チャンバに設けられている。前記処理チャンバ内にホローカソードが配置されている。ホローカソードは、前記処理対象物を向いて開口した溝を少なくとも1つ有している。電力供給部が前記ホローカソードに高周波電力を供給する。前記処理ガス供給口は、前記処理対象物と前記ホローカソードとの間に位置している。前記溝は、その開口から、前記被処理対象物から離れる方向に向かうに従って溝幅が連続的若しくは不連続的な数種類の幅を持って形成されている。前記溝幅の広い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が低い状態で高密度プラズマが形成され、前記溝幅の狭い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が高い状態で高密度プラズマが形成されている。 The plasma processing apparatus of one embodiment of the present invention includes a processing chamber. A plasma processing object is disposed inside the processing chamber. An exhaust port for exhausting gas from the inside of the processing chamber and a processing gas supply port for supplying processing gas to the inside of the processing chamber are provided in the processing chamber. A hollow cathode is disposed in the processing chamber. The hollow cathode has at least one groove opened toward the object to be treated. A power supply unit supplies high-frequency power to the hollow cathode. The processing gas supply port is located between the processing object and the hollow cathode. The groove is formed with several kinds of widths in which the groove width is continuous or discontinuous from the opening toward the direction away from the object to be processed. The wide groove portion is formed with high density plasma in a state where the pressure of the processing gas in the processing chamber is low, and the narrow groove portion has a pressure of the processing gas in the processing chamber. High density plasma is formed in a high state.

このように構成されたプラズマ処理装置では、ホローカソードの溝幅の広い部分では、電子の平均自由行程が長くなる処理ガスの圧力が低い状態において、電子がトラップし、電子が高エネルギーを得て、ガス粒子と衝突するようになるので、プラズマの高密度化が可能である。また、溝幅の狭い部分では、電子の平均自由行程が短くなる処理ガスの圧力が高い状態において、電子がトラップし、電子が高エネルギーを得て、ガス粒子と衝突するようになるので、プラズマの高密度化が可能である。   In the plasma processing apparatus configured in this way, in the portion where the hollow width of the hollow cathode is wide, electrons are trapped in a state where the pressure of the processing gas in which the mean free path of electrons becomes long and the electrons gain high energy. Since it comes to collide with gas particles, it is possible to increase the density of plasma. Also, in the narrow groove portion, electrons are trapped and the electrons gain high energy and collide with gas particles in a state where the pressure of the processing gas is high, where the mean free path of electrons becomes short. The density can be increased.

前記溝は、テーパー状に形成することもできるし、複数段階の段を有する段差型に形成することもできる。   The groove may be formed in a taper shape, or may be formed in a step type having a plurality of steps.

以上のように、本発明では、ホローカソードに形成した溝の形状を上述したように選択してあるので、ガス圧が低い状態から高い状態のいずれの状態においても、生成されるプラズマの高密度化を図ることができる。   As described above, in the present invention, since the shape of the groove formed in the hollow cathode is selected as described above, the density of the generated plasma is high regardless of whether the gas pressure is low or high. Can be achieved.

本発明の第1の実施形態のプラズマ処理装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the plasma processing apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 図1のプラズマ処理装置で使用するホローカソードの平面図と縦断面図である。It is the top view and longitudinal cross-sectional view of a hollow cathode used with the plasma processing apparatus of FIG. 本発明の第2の実施形態で使用するホローカソードの平面図と縦断面図である。It is the top view and longitudinal cross-sectional view of the hollow cathode used in the 2nd Embodiment of this invention. 従来のホローカソードの平面図と縦断面図である。It is the top view and longitudinal cross-sectional view of the conventional hollow cathode. 第1及び第2の実施形態並びに従来のプラズマ処理装置におけるプラズマ密度とガス圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the plasma density and gas pressure in 1st and 2nd embodiment and the conventional plasma processing apparatus. 平均自由行程とガス圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a mean free path and gas pressure. 電子温度とガス圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between electron temperature and gas pressure. 第3乃至第5の実施形態で使用されるホローカソードの部分省略縦断面図である。FIG. 6 is a partially omitted vertical sectional view of a hollow cathode used in the third to fifth embodiments. 第2乃至第5の実施形態及び従来のプラズマ処理装置におけるプラズマ密度とガス圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the plasma density and gas pressure in 2nd thru | or 5th embodiment and the conventional plasma processing apparatus. 図1のプラズマ処理装置で使用するホローカソードの他の例の平面図と縦断面図である。It is the top view and longitudinal cross-sectional view of another example of the hollow cathode used with the plasma processing apparatus of FIG. 図10のホローカソード、第2の実施形態のホローカソード及び図4の従来のホローカソード及び平板型のカソードとにおけるプラズマ密度及び圧力の関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between plasma density and pressure in the hollow cathode of FIG. 10, the hollow cathode of the second embodiment, and the conventional hollow cathode and flat plate cathode of FIG. 図11のプラズマ密度及び圧力の関係を測定した図10のホローカソード、第2の実施形態のホローカソード及び図4の従来のホローカソード及び平板型のカソードの各部の寸法を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing dimensions of the respective parts of the hollow cathode of FIG. 10, the hollow cathode of the second embodiment, the conventional hollow cathode of FIG. 4 and the flat cathode of FIG. 逆テーパー型のホローカソードにおけるプラズマ密度と圧力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the plasma density and pressure in a reverse taper type | mold hollow cathode. 逆テーパー型のホローカソードの平面図及び縦断面図である。It is the top view and longitudinal cross-sectional view of a reverse taper type | mold hollow cathode.

本発明の第1実施形態のプラズマ処理装置は、図1に示すように、処理チャンバ2を有している。処理チャンバ2は、例えば金属製で、内部に被処理物4を支持する支持台6を有している。この支持台6と対向するようにホローカソード8が配置されている。ホローカソード8の詳細は後述するが、周囲にはシールドが設けられている。このホローカソード8は、電力供給部、例えばブロッキングキャパシタ10及び整合器12を介して高周波電力源、例えば13.56MHzの高周波電源14の一端に接続されている。この高周波電源14の他端は、基準電位、例えば接地電位に接続され、処理チャンバ2も接地電位に接続されている。   The plasma processing apparatus according to the first embodiment of the present invention has a processing chamber 2 as shown in FIG. The processing chamber 2 is made of, for example, metal and has a support base 6 that supports the workpiece 4 inside. A hollow cathode 8 is disposed so as to face the support base 6. Although details of the hollow cathode 8 will be described later, a shield is provided around the hollow cathode 8. The hollow cathode 8 is connected to one end of a high frequency power source, for example, a 13.56 MHz high frequency power source 14 via a power supply unit, for example, a blocking capacitor 10 and a matching unit 12. The other end of the high frequency power source 14 is connected to a reference potential, for example, a ground potential, and the processing chamber 2 is also connected to the ground potential.

処理チャンバ2には、内部を排気するための真空ポンプ(図示せず)に接続するための排気部16が形成されている。また、処理チャンバ2には、内部に処理ガス、例えば不活性ガス、具体的にはアルゴンガスを供給するためのアルゴンガス源(図示せず)に接続する処理ガス供給部18も形成されている。排気部16及びアルゴンガス供給部18は、処理チャンバ2の周面に配置され、処理ガス供給部18はホローカソード8と支持台6との間に位置している。   The processing chamber 2 is formed with an exhaust portion 16 for connection to a vacuum pump (not shown) for exhausting the inside. The processing chamber 2 is also formed with a processing gas supply unit 18 connected to an argon gas source (not shown) for supplying a processing gas, for example, an inert gas, specifically, an argon gas. . The exhaust unit 16 and the argon gas supply unit 18 are disposed on the peripheral surface of the processing chamber 2, and the processing gas supply unit 18 is located between the hollow cathode 8 and the support base 6.

ホローカソード8は、図2(a)に示すように、例えば円板状に形成され、被処理物4を向いた面に開口した環状の溝20を有している。この溝20は、図2(b)に示すように、被処理物4から離れる方向(図2(b)において下方向)に溝底を有し、開口からこの溝底に向かうに従って溝幅が徐々に小さくなっているテーパー型のものである。なお、ホローカソード8の各部の寸法の一例を図2(a)、(b)に示す。   As shown in FIG. 2A, the hollow cathode 8 is formed in a disk shape, for example, and has an annular groove 20 opened on the surface facing the object 4 to be processed. 2B, the groove 20 has a groove bottom in a direction away from the workpiece 4 (downward in FIG. 2B), and the groove width increases from the opening toward the groove bottom. It is a tapered type that gradually becomes smaller. In addition, an example of the dimension of each part of the hollow cathode 8 is shown to Fig.2 (a), (b).

また、本発明の第2の実施形態のプラズマ処理装置は、ホローカソード8aの溝20aの形状が異なる以外、第1の実施形態のプラズマ処理装置と同様に構成されている。同一部分には、同一符号を付して、説明を省略する。溝20aは、図3(a)、(b)に示すように、2段に構成された段差型のもので、1段目は、溝幅が開口から一定の幅で被処理物4から離れる方向に1段目の底まで進行している。2段目は、1段目の底の中央において、溝幅が前記1段目の溝幅よりも小さく、その小さい幅を維持したまま更に被処理物4から離れる方向に2段目の底まで進行している。ホローカソード8aの各部の寸法の一例を図3(a)、(b)に示す。   The plasma processing apparatus according to the second embodiment of the present invention is configured in the same manner as the plasma processing apparatus according to the first embodiment except that the shape of the groove 20a of the hollow cathode 8a is different. The same parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. As shown in FIGS. 3A and 3B, the groove 20a is of a step type configured in two stages, and the first stage is separated from the workpiece 4 with a constant groove width from the opening. It progresses to the bottom of the first step in the direction. In the second stage, the groove width is smaller than the first stage groove width at the center of the bottom of the first stage, and further to the second stage bottom in a direction away from the workpiece 4 while maintaining the small width. Progressing. An example of the dimension of each part of the hollow cathode 8a is shown in FIGS.

第1及び第2の実施形態のプラズマ処理装置でのプラズマ処理では、支持台6上に被処理物4を配置した状態において、真空ポンプによって処理チャンバ2内を排気して、真空状態とする。次に、アルゴンガスを処理チャンバ2内に供給し、高周波電源14を動作させることによって、プラズマを発生させ、このプラズマを被処理物4に導入することによって、被処理物4をプラズマ処理する。   In the plasma processing in the plasma processing apparatus of the first and second embodiments, the processing chamber 2 is evacuated by a vacuum pump in a state where the workpiece 4 is disposed on the support base 6 to be in a vacuum state. Next, argon gas is supplied into the processing chamber 2 and the high-frequency power source 14 is operated to generate plasma. By introducing this plasma into the processing object 4, the processing object 4 is subjected to plasma processing.

両実施形態のプラズマ処理装置では、ホローカソード8、8aを使用しているので、高密度プラズマを生成することができる。即ち、ホローカソード8、8aにイオンが衝突し、ホローカソード8、8aから電子が放出される。電子はイオンよりも質量が軽く、移動速度が速いためホローカソード8、8aは負に帯電する。負に帯電したホローカソード8、8aにイオンが引きつけられ、イオンシース領域が溝20、20aを含む領域に形成される。イオンの衝突により、ホローカソード8、8aの一方の溝壁から放出された電子は、イオンシース領域で加速され、ホローカソード8、8aの反対側の溝壁に移動し、ホローカソード8、8aが負に帯電しているので、ホローカソード8、8aのイオンシース領域で反射される。電子は、このような静電的な閉じ込めに寄り、ホローカソード8、8aの溝内を往復運動しながら、イオンシースによって加速される。この結果、高エネルギー電子が閉じ込められ、電離確率が増加し、高密度プラズマが形成される。   In the plasma processing apparatus of both embodiments, since the hollow cathodes 8 and 8a are used, high-density plasma can be generated. That is, ions collide with the hollow cathodes 8 and 8a, and electrons are emitted from the hollow cathodes 8 and 8a. Since electrons have a lighter mass and faster moving speed than ions, the hollow cathodes 8 and 8a are negatively charged. Ions are attracted to the negatively charged hollow cathodes 8 and 8a, and an ion sheath region is formed in a region including the grooves 20 and 20a. Electrons emitted from one groove wall of the hollow cathodes 8 and 8a due to ion collision are accelerated in the ion sheath region and move to the groove wall on the opposite side of the hollow cathodes 8 and 8a. Since it is negatively charged, it is reflected by the ion sheath region of the hollow cathode 8, 8a. Electrons are accelerated by the ion sheath while reciprocating in the grooves of the hollow cathodes 8 and 8a, approaching such electrostatic confinement. As a result, high-energy electrons are confined, the ionization probability is increased, and high-density plasma is formed.

ホローカソード8、8aの溝の形状を、溝20、20aのように溝幅を深さ方向に変化させることによって、低いガス圧から高いガス圧の広範囲のガス圧範囲で高密度のプラズマを発生させることができる。   By changing the groove shape of the hollow cathodes 8 and 8a in the depth direction like the grooves 20 and 20a, high-density plasma is generated in a wide gas pressure range from low gas pressure to high gas pressure. Can be made.

ガス圧が高い範囲では、平均自由行程は短くなり、電子の移動距離が短くなる。図4に示す井戸型の溝20bでは、平均自由行程に対して溝幅が広すぎて、電子が溝内でトラップされる前にガス粒子と衝突するため、高密度のプラズマを生成することができない。しかし、図2(b)に示すテーパー型の溝20や図3(b)に示す段差型の溝20aでは、溝幅が狭い部分、即ち溝20、20aの溝底に近い部分では、電子がトラップし、電子が高エネルギーを得て、ガス粒子と衝突するようになるので、プラズマの高密度化が可能である。従って、上述したように広範囲のガス圧で、高密度プラズマの生成が維持できる。   In the range where the gas pressure is high, the mean free path is shortened and the electron moving distance is shortened. In the well-type groove 20b shown in FIG. 4, since the groove width is too wide with respect to the mean free path, electrons collide with gas particles before being trapped in the groove, so that high-density plasma can be generated. Can not. However, in the tapered groove 20 shown in FIG. 2B and the step-type groove 20a shown in FIG. Since trapping and electrons gain high energy and collide with gas particles, the plasma density can be increased. Therefore, as described above, generation of high-density plasma can be maintained with a wide range of gas pressures.

図5(a)乃至(c)に井戸型、テーパー型及び段差型の溝を有するホローカソードを有するプラズマ処理装置での様々なガス圧におけるプラズマ密度との測定結果を示す。プラズマ密度は、図1に破線で示すプローブを利用して測定した。プローブの位置は、ホローカソードの中心から半径方向rに37.5mmの位置で、ホローカソードの溝の開口面側からの距離zが5mm、8mm、12mmの位置で測定している。処理ガスは、アルゴンガスで、その圧力は40乃至400mTorrである。高周波電力は50Wである。ホローカソード電極はいずれも直径が100mm、厚さが20mmである。   FIGS. 5A to 5C show measurement results of plasma density at various gas pressures in a plasma processing apparatus having a hollow cathode having well-type, tapered-type and step-type grooves. The plasma density was measured using a probe indicated by a broken line in FIG. The position of the probe is measured at a position of 37.5 mm in the radial direction r from the center of the hollow cathode, and the distance z from the opening surface side of the groove of the hollow cathode is 5 mm, 8 mm, and 12 mm. The processing gas is argon gas, and its pressure is 40 to 400 mTorr. The high frequency power is 50W. Each hollow cathode electrode has a diameter of 100 mm and a thickness of 20 mm.

第1の実施形態のテーパー型のホローカソード8では、溝20の開口側の外縁の直径が85.4mm、溝20の開口の溝幅は10mmである。従って、溝20の開口側の内縁の直径が64.6mmである。溝20の開口から溝20の溝底までの距離、即ち深さは10mmで、溝底の幅は5mmである。   In the tapered hollow cathode 8 of the first embodiment, the diameter of the outer edge on the opening side of the groove 20 is 85.4 mm, and the groove width of the opening of the groove 20 is 10 mm. Therefore, the diameter of the inner edge on the opening side of the groove 20 is 64.6 mm. The distance from the opening of the groove 20 to the groove bottom of the groove 20, that is, the depth is 10 mm, and the width of the groove bottom is 5 mm.

第2の実施形態の段差型のホローカソード8aでは、溝20aの開口の外縁の直径が80mm、内縁の直径が70mmである。従って、溝20aの開口幅は5mmである。開口から5mmまで溝の深さが一定の1段目であり、この1段目の底の中央から深さ5mmだけ、溝の深さが一定で溝幅が2mmの2段目が形成されている。   In the step-type hollow cathode 8a of the second embodiment, the diameter of the outer edge of the opening of the groove 20a is 80 mm, and the diameter of the inner edge is 70 mm. Therefore, the opening width of the groove 20a is 5 mm. The depth of the groove is constant from the opening to 5 mm, and the second step is formed with a depth of 5 mm from the center of the bottom of the first step, the groove depth being constant and the groove width being 2 mm. Yes.

井戸型のホローカソード8bでは、図4(a)、(b)に示すように、溝20bの開口の外縁の直径が80mm、内縁の直径が70mmである。従って、溝20bの開口幅は5mmである。開口から溝底までの深さは10mmである。   In the well-type hollow cathode 8b, as shown in FIGS. 4A and 4B, the diameter of the outer edge of the opening of the groove 20b is 80 mm, and the diameter of the inner edge is 70 mm. Therefore, the opening width of the groove 20b is 5 mm. The depth from the opening to the groove bottom is 10 mm.

図5(c)において、井戸型ホローカソードの場合、ガス圧を40mTorrから増加させていくと、200mTorrでプラズマ密度が最大となり、ガス圧を200mTorrから更に増加させていくと、プラズマ密度は減少した。テーパー型ホローカソードの場合、ガス圧を40mTorrから増加させていくと、240mTorrでプラズマ密度が最大となり、ガス圧を240mTorrから更に増加させると、プラズマ密度は若干減少した。段差型ホロー陰極の場合、ガス圧を40mTorrから増加させていくと、360mTorrでプラズマ密度が最大となった。   5C, in the case of a well-type hollow cathode, when the gas pressure is increased from 40 mTorr, the plasma density is maximized at 200 mTorr, and when the gas pressure is further increased from 200 mTorr, the plasma density is decreased. . In the case of a tapered hollow cathode, when the gas pressure was increased from 40 mTorr, the plasma density was maximized at 240 mTorr, and when the gas pressure was further increased from 240 mTorr, the plasma density was slightly reduced. In the case of a stepped hollow cathode, when the gas pressure was increased from 40 mTorr, the plasma density reached a maximum at 360 mTorr.

即ち、ガス圧200mTorrまでは井戸型ホローカソードのプラズマ密度が最も大きく、段差型のホローカソードのプラズマ密度が最も小さくなる。ガス圧が200mTorr以上になると、段差型ホローカソードのプラズマ密度が最も大きく、井戸型のホローカソード電極のプラズマ密度が最も小さくなった。   That is, up to a gas pressure of 200 mTorr, the plasma density of the well-type hollow cathode is the highest, and the plasma density of the step-type hollow cathode is the lowest. When the gas pressure was 200 mTorr or higher, the plasma density of the step-type hollow cathode was the highest, and the plasma density of the well-type hollow cathode electrode was the lowest.

ガス圧と平均自由行程との間には、電子温度をパラメータとして図6に示すような関係があり、ガス圧が低い範囲では平均自由行程が長く、ガス圧が高い範囲では平均自由行程は短くなっている。また、電子温度とガス圧との間には、井戸型、テーパー型及び段差型によって、図7に示すような関係にあることが測定されている。   There is a relationship between the gas pressure and the mean free path as shown in FIG. 6 using the electron temperature as a parameter. The mean free path is long in the range where the gas pressure is low, and the mean free path is short in the range where the gas pressure is high. It has become. Further, it has been measured that there is a relationship as shown in FIG. 7 between the electron temperature and the gas pressure by a well type, a taper type and a step type.

200乃至300mTorrの高いガス圧の範囲において、井戸型の電子温度は図7から明らかなように1.7乃至2eVである。アルゴンガスの圧力が200乃至300mTorrの状態から、図6から明らかなように平均自由行程が、溝幅5mmよりも短くなるので、電子がトラップする前に、粒子と衝突し、ホロー効果が良好に働かず、プラズマ密度が減少したと考えられる。   In the high gas pressure range of 200 to 300 mTorr, the well-type electron temperature is 1.7 to 2 eV as apparent from FIG. From the state where the pressure of the argon gas is 200 to 300 mTorr, the mean free path becomes shorter than the groove width of 5 mm as apparent from FIG. 6, so that the electrons collide with the particles before trapping, and the hollow effect is excellent. It is thought that the plasma density was reduced.

テーパー型の場合、高いガス範囲において、電子温度は図7から約1.2eVであるので、図6から平均自由行程は、テーパー型溝底の溝幅5mm及び開口の溝幅10mmよりも長いので、ホロー効果が働き、プラズマ密度は減少しなかったと考えられる。低いガス範囲では、井戸型よりもプラズマ密度が低く、高いガス圧範囲で段差型よりもプラズマ密度が低くなったのは、テーパー型は電子が放出する方向に溝幅が徐々に広がり、電子が溝の外に拡散しやすいからであると考えられる。   In the case of the taper type, the electron temperature is about 1.2 eV from FIG. 7 in a high gas range. From FIG. 6, the mean free path is longer than the groove width of 5 mm at the taper type groove bottom and the groove width of 10 mm at the opening. It is considered that the hollow effect worked and the plasma density did not decrease. In the low gas range, the plasma density is lower than in the well type, and in the high gas pressure range, the plasma density is lower than in the step type. The taper type gradually increases the groove width in the direction in which electrons are emitted, and This is considered to be because it is easy to diffuse out of the groove.

段差型の場合、低いガス圧範囲で井戸型よりもプラズマ密度が低くなっているのは、溝幅5mmの深さが5mmしかなく、低いガス圧だと平均自由行程が長くなるので、長さが足りず、ホロー効果がうまく働いていないためだと考えられる。一方、高いガス圧範囲では電子温度は1.2乃至1.5eVで、280mTorr以上から平均自由行程が5mmよりも短くなるが、下段の2mmのところで電子がトラップすることができるので、ホロー効果が働き、プラズマ密度が減少しなかったと考えられる。   In the case of the step type, the plasma density is lower than that of the well type in a low gas pressure range because the depth of the groove width is only 5 mm and the mean free path becomes long at a low gas pressure. This is probably because the hollow effect is not working well. On the other hand, in the high gas pressure range, the electron temperature is 1.2 to 1.5 eV, and the mean free path is shorter than 5 mm from 280 mTorr or more. However, since the electrons can be trapped at the lower 2 mm, the hollow effect is improved. It is thought that the plasma density did not decrease.

図8(a)乃至(c)に第3乃至第5の実施形態のプラズマ処理装置において使用するホローカソードの溝付近を示す。ホローカソードの他の大きさは、第1及び第2の実施形態のホローカソード8、8aと同一である。第2の実施形態で使用した段差型のホローカソード8aは、高いガス圧範囲でプラズマ密度が最も高かったが、低いガス圧範囲ではプラズマ密度が低くなったので、低いガス圧範囲でもプラズマ密度が高くなるように、改良を行ったのが、第3乃至第5の実施形態である。第3の実施形態では、図8(a)に示すように溝20cの第1段目の開口幅を10mmに拡大させている。第4の実施形態では、同図(b)に示すように溝20dを、第3の実施形態における溝20cの第2段目の幅を2mmから5mmに拡大させたものとしている。第5の実施形態の溝20eでは、同図(c)に示すように第4の実施形態における溝20dの第2段目に加えて第3段目を形成し、その幅を2mm、長さを5mmとしてある。   FIGS. 8A to 8C show the vicinity of a groove of a hollow cathode used in the plasma processing apparatuses of the third to fifth embodiments. Other sizes of the hollow cathode are the same as those of the hollow cathodes 8 and 8a of the first and second embodiments. The step-type hollow cathode 8a used in the second embodiment has the highest plasma density in the high gas pressure range, but the plasma density is low in the low gas pressure range. Therefore, the plasma density is low even in the low gas pressure range. The third to fifth embodiments have been improved so as to be higher. In the third embodiment, as shown in FIG. 8A, the opening width of the first stage of the groove 20c is increased to 10 mm. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 4B, the groove 20d is formed by expanding the width of the second stage of the groove 20c in the third embodiment from 2 mm to 5 mm. In the groove 20e of the fifth embodiment, a third stage is formed in addition to the second stage of the groove 20d in the fourth embodiment, as shown in FIG. Is 5 mm.

図4に示した井戸型、図3に示した段差型、図8(a)乃至(c)に示したホローカソードを使用したプラズマ処理装置におけるプラズマ密度とガス圧との関係を図9に示す。これから200mTorr以下の低いガス圧範囲では、開口部の直径を10mmに拡大させることによりプラズマ密度が改善している。   FIG. 9 shows the relationship between the plasma density and the gas pressure in the plasma processing apparatus using the well type shown in FIG. 4, the step type shown in FIG. 3, and the hollow cathode shown in FIGS. . From now on, in the low gas pressure range of 200 mTorr or less, the plasma density is improved by expanding the diameter of the opening to 10 mm.

上記の各実施形態では、ホローカソードの溝は、一重に形成したが、同芯状に多重に形成することもできる。上記の各実施形態では、処理ガスとしてアルゴンガスを使用したが、これに限ったものではなく、他のガスを使用することもできる。   In each of the above embodiments, the hollow of the hollow cathode is formed in a single layer, but it can be formed in a concentric manner in multiple layers. In each of the above embodiments, the argon gas is used as the processing gas. However, the present invention is not limited to this, and other gases may be used.

また、図10(a)、(b)に示すように、逆段差型の溝20fを備えるホローカソード8fを使用することもできる。即ち、溝20fは、2段に構成されているが、1段目は、溝幅が開口から一定の幅で被処理物4から離れる方向に所定の長さまで進行し、2段目は、1段目の底から、溝幅が前記1段目の溝幅よりも大きく、その大きい幅を維持したまま更に被処理物4から離れる方向に進行している。この構成では、ホローカソード8fの溝20fでの圧力が高い時は、溝幅が短い開口側でホロー効果により高密度プラズマを発生させ、一方、ホローカソード8fの溝20fでの圧力が低い時は、幅の広い底側でホロー効果を発生させ、そこで発生した高エネルギー電子が開口側付近でも電離を促進させて、プラズマの高密度化を図ることができる。即ち、溝幅が狭い開口側の1段目では、電子の移動距離が短く、ガス圧が高い場合に、プラズマを高密度化できる。溝幅が長い2段目の溝では、電極に囲まれている面積が広いので、電子がトラップされやすく、移動距離が長くなり、ガス圧が低い場合でもプラズマの高密度化を図ることができる。   Further, as shown in FIGS. 10A and 10B, a hollow cathode 8f having a reverse step type groove 20f can be used. That is, the groove 20f is configured in two stages, but the first stage advances to a predetermined length in the direction away from the workpiece 4 with a constant width from the opening. From the bottom of the step, the groove width is larger than the groove width of the first step, and further proceeds away from the workpiece 4 while maintaining the large width. In this configuration, when the pressure in the groove 20f of the hollow cathode 8f is high, high-density plasma is generated by the hollow effect on the opening side where the groove width is short, while when the pressure in the groove 20f of the hollow cathode 8f is low. The hollow effect is generated on the wide bottom side, and the high-energy electrons generated there promote ionization near the opening side, so that the plasma density can be increased. That is, in the first stage on the opening side where the groove width is narrow, the plasma can be densified when the electron moving distance is short and the gas pressure is high. In the second-stage groove having a long groove width, the area surrounded by the electrodes is wide, so that electrons are easily trapped, the moving distance is long, and the plasma density can be increased even when the gas pressure is low. .

図11は、図12に示す逆段差型、平板、井戸型及び段差型のホローカソードを使用した場合のガス圧とプラズマ密度の関係を示したものである。図12(a)に示すように、各ホローカソードは同じ直径同じ厚さのもので、例えば直径が100mmで、厚さが20mmである。各ホローカソードで形成される溝で最も直径が大きい部分が85mm、次の直径が大きい部分が80mm、その次に直径が大きい部分が70mm、最も直径が小さい部分が65mmである。2段の溝を構成する場合、開口側の1段目の深さは5mmで、2段目の深さは開口から10mmである。同図(c)に示す逆段差型では、1段目の溝幅が5mm、1段目の溝の深さは5mm、2段目の開口からの深さは10mm、溝底の幅は10mmである。同図(d)に示す平板型では溝は全く形成されていない。同図(e)に示す井戸型では、1段の溝のみ形成され、溝幅及び溝底の幅は5mmで、深さは10mmである。同図(f)に示す段差型では、1段目の溝幅が10mm、1段目の溝の深さは5mm、2段目の開口からの深さは10mm、溝底の幅は5mmである。   FIG. 11 shows the relationship between the gas pressure and the plasma density when the reverse step type, flat plate, well type and step type hollow cathodes shown in FIG. 12 are used. As shown in FIG. 12A, the hollow cathodes have the same diameter and the same thickness, for example, a diameter of 100 mm and a thickness of 20 mm. In the groove formed by each hollow cathode, the largest diameter portion is 85 mm, the next largest diameter portion is 80 mm, the next largest diameter portion is 70 mm, and the smallest diameter portion is 65 mm. When a two-step groove is formed, the depth of the first step on the opening side is 5 mm, and the depth of the second step is 10 mm from the opening. In the reverse step type shown in FIG. 5C, the first-stage groove width is 5 mm, the first-stage groove depth is 5 mm, the depth from the second-stage opening is 10 mm, and the groove bottom width is 10 mm. It is. In the flat plate type shown in FIG. 4D, no groove is formed. In the well type shown in FIG. 5E, only one-stage groove is formed, the groove width and the groove bottom width are 5 mm, and the depth is 10 mm. In the step type shown in FIG. 5 (f), the first-stage groove width is 10 mm, the first-stage groove depth is 5 mm, the depth from the second-stage opening is 10 mm, and the groove bottom width is 5 mm. is there.

図11は、入力高周波電力を50Wとし、ホローカソードの中心から半径方向に37.5mm位置であるrで、開口面から溝内への距離が12mmであるzにプローブを配置して、プラズマ密度を測定している。同図から、高圧時、例えば320mTorr未満では、逆段差型の溝を使用すると、最もプラズマ密度が高くなった。   In FIG. 11, the input high-frequency power is 50 W, the probe is arranged at z where the distance from the opening surface to the groove is 12 mm at r which is 37.5 mm in the radial direction from the center of the hollow cathode, and the plasma density Is measuring. From the figure, at high pressure, for example, less than 320 mTorr, the plasma density was highest when the reverse-step groove was used.

図13は、図14(a)、(b)に示す逆テーパー型のホローカソードを使用した場合のガス圧とプラズマ密度の関係を示したものである。図14(b)に示すように、逆テーパー型のホローカソードは例えば直径が100mmで、厚さが20mmである。ホローカソードで形成される溝で最も直径が大きい部分が85mm、次に直径が大きい部分が80mm、その次に直径が大きい部分が70mm、最も直径が小さい部分が65mmで、溝底の幅は10mm、開口の幅は5mm、深さは5mmである。   FIG. 13 shows the relationship between the gas pressure and the plasma density when the inversely tapered hollow cathode shown in FIGS. 14A and 14B is used. As shown in FIG. 14B, the inversely tapered hollow cathode has a diameter of, for example, 100 mm and a thickness of 20 mm. In the groove formed by the hollow cathode, the largest diameter portion is 85 mm, the next largest diameter portion is 80 mm, the next largest diameter portion is 70 mm, the smallest diameter portion is 65 mm, and the width of the groove bottom is 10 mm. The width of the opening is 5 mm and the depth is 5 mm.

図13は、入力高周波電力を50Wとし、ホローカソードの中心から半径方向に37.5mmの位置であるrで、開口面から溝内への距離が12mm、15mm、20mmであるzにプローブを配置して、プラズマ密度を測定している。同図から、逆テーパー電極を用いると、40から240mTorrまで圧力に比例してプラズマ密度が増加し、1011cm−3を超える高密度となっている。 In FIG. 13, the input high-frequency power is 50 W, the probe is arranged at z where the distance from the opening surface to the groove is 12 mm, 15 mm, and 20 mm at r which is 37.5 mm in the radial direction from the center of the hollow cathode Then, the plasma density is measured. From the figure, when a reverse taper electrode is used, the plasma density increases in proportion to the pressure from 40 to 240 mTorr, and the density exceeds 10 11 cm −3 .

2 処理チャンバ
4 処理対象物
8 8a ホローカソード
14 高周波電源
16 排気部
18 ガス供給部
20 20a 溝
2 Processing chamber 4 Processing object 8 8a Hollow cathode 14 High frequency power supply 16 Exhaust part 18 Gas supply part 20 20a Groove

Claims (3)

内部にプラズマ処理対象物が配置され、内部からガスを排気するための排気口と、内部に処理ガスを供給するための処理ガス供給口とを、有する処理チャンバと、
前記処理チャンバ内に配置され、前記処理対象物を向いて開口した溝を少なくとも1つ有するホローカソードと、
前記ホローカソードに高周波電力を供給する電力供給部とを、
具備し、前記処理ガス供給口は、前記処理対象物と前記ホローカソードとの間に位置し、前記溝は、その開口から、前記処理対象物から離れる方向に向かうに従って溝が数段階の異なる幅で形成されており、溝幅が広い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が低い状態で高密度プラズマが形成可能な様に、かつ前記溝幅が狭い部分は、前記処理ガスの前記処理チャンバ内での圧力が高い状態で高密度プラズマが形成可能な様に設計されている
プラズマ処理装置。
A processing chamber having a plasma processing object disposed therein and having an exhaust port for exhausting gas from the inside and a processing gas supply port for supplying a processing gas to the inside;
A hollow cathode disposed in the processing chamber and having at least one groove opened toward the object to be processed;
A power supply unit for supplying high-frequency power to the hollow cathode;
And the processing gas supply port is located between the processing object and the hollow cathode, and the groove has different widths in several steps from the opening toward the direction away from the processing object. The portion having a wide groove width is formed so that high-density plasma can be formed in a state where the pressure of the processing gas in the processing chamber is low, and the portion having a narrow groove width is the processing gas. The plasma processing apparatus is designed so that a high-density plasma can be formed with a high pressure in the processing chamber.
請求項1記載のプラズマ処理装置において、前記溝は、テーパー状に形成されているプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the groove is formed in a tapered shape. 請求項1記載のプラズマ処理装置において、前記溝は、複数段階の段を有するプラズマ処理装置。   The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the groove has a plurality of stages.
JP2012140903A 2011-06-24 2012-06-22 Plasma processing equipment Active JP6030867B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012140903A JP6030867B2 (en) 2011-06-24 2012-06-22 Plasma processing equipment

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011140435 2011-06-24
JP2011140435 2011-06-24
JP2012140903A JP6030867B2 (en) 2011-06-24 2012-06-22 Plasma processing equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013030478A JP2013030478A (en) 2013-02-07
JP6030867B2 true JP6030867B2 (en) 2016-11-24

Family

ID=47787290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012140903A Active JP6030867B2 (en) 2011-06-24 2012-06-22 Plasma processing equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6030867B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104507248B (en) * 2014-12-31 2017-06-13 中国科学院空间科学与应用研究中心 A kind of generation device of combined type plasma sheet

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS605100U (en) * 1983-06-23 1985-01-14 日本電子株式会社 Hollow cathode discharge type plasma generator
JP3069700B1 (en) * 1999-07-22 2000-07-24 静岡大学長 Discharge vessel and plasma radical generator provided with the discharge vessel
JP4212215B2 (en) * 2000-03-24 2009-01-21 株式会社小松製作所 Surface treatment equipment
WO2009069211A1 (en) * 2007-11-29 2009-06-04 Shimadzu Corporation Plasma process electrode and plasma process device
EP2286001A4 (en) * 2008-05-13 2011-10-19 Sub One Technology Inc Method of coating inner and outer surfaces of pipes for thermal solar and other applications
KR100978859B1 (en) * 2008-07-11 2010-08-31 피에스케이 주식회사 Apparatus for generating hollow cathode plasma and apparatus for treating a large area substrate by hollow cathode plasma
KR101046335B1 (en) * 2008-07-29 2011-07-05 피에스케이 주식회사 Hollow cathode plasma generation method and large area substrate processing method using hollow cathode plasma
JP5308733B2 (en) * 2008-08-07 2013-10-09 富士電機株式会社 Non-integrated cathode electrode and plasma CVD apparatus
JP2010212277A (en) * 2009-03-06 2010-09-24 Sharp Corp Film forming apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013030478A (en) 2013-02-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6441434B2 (en) Dual chamber pulse plasma chamber
US7564042B2 (en) Ion beam apparatus having plasma sheath controller
JP6230898B2 (en) Etching method
JP2014531753A5 (en)
JP2004281230A (en) Beam source and beam treatment device
JP5305287B2 (en) Semiconductor manufacturing equipment
KR20120023035A (en) Film-forming method and film-forming apparatus
JP6030867B2 (en) Plasma processing equipment
KR102278074B1 (en) Apparatus and method for treating substrate
JP4382505B2 (en) Method for manufacturing dielectric plate of plasma etching apparatus
JP2006236772A (en) Neutral particle beam source and neutral particle beam processing apparatus
US20140235062A1 (en) Plasma processing method and plasma processing apparatus
CN101431003A (en) Exhaustion ring and plasma processing device
KR102621462B1 (en) Profiled sputtering target and method of manufacturing same
JP4675182B2 (en) Mounting table and plasma processing apparatus
JP7312316B2 (en) Device for directional processing
JP2002050616A (en) Method and apparatus for plasma processing
JP2021132126A (en) Substrate processing method and substrate processing device
KR20220061203A (en) Plasma processing apparatus comprising a plurality of electron sources
Thuillier et al. Effect of the plasma chamber radius on the high charge state production in an ECR ion source
CN113903644A (en) Stopper for ion beam etching cavity
KR101784387B1 (en) Plasma chamber being capable of controlling the homogenization of plasma potential distribution for a charged particle beam output apparatus
US12002659B2 (en) Apparatus for generating etchants for remote plasma processes
Orlov et al. RF electrode sheath formation near a concave electrode
KR100946385B1 (en) Mold cleaning apparatus for high density semiconductor inductive coupled plasma type

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150527

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160216

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160413

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: 20161018

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161021

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6030867

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250