CN107079575B - 放电发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使是大面积的被处理体也能够实施均匀的使用了自由基气体的处理的放电发生器及其电源装置。本发明所涉及的放电发生器及其电源装置具备自由基气体生成装置(100)、处理室装置(200)和n相逆变器电源装置(9)。在处理室装置(200)相邻配置自由基气体生成装置(100)，自由基气体生成装置(100)具有多个(n个)放电单元(70)。n相逆变器电源装置(9)采用具有能够对n相的交流电压进行输出控制的手段的电源电路结构，对应于所述放电单元(70)的设置位置对各相的交流电压进行可变控制。

Description

放电发生装置
技术领域
本发明涉及能够进行自由基气体(radical gas)生成，并进行利用了该自由基气体的处理的、包含电源装置的放电发生器及其电源装置，例如，能够在对被处理体成膜高性能的膜时使用。
背景技术
在包括半导体制造领域的多用途的领域中，寻求多功能且高品质的薄膜(例如，高绝缘薄膜、半导体薄膜、高介电薄膜、发光薄膜、高磁性体薄膜、超硬薄膜等)。
例如，在半导体装置的制造的场合，在半导体芯片内，设置有相当于电路布线的低阻抗的高导电膜、具有电路的布线线圈功能或磁铁功能的高磁性膜、具有电路的电容器功能的高介电膜、以及具有漏电流较少的高绝缘功能的高绝缘膜等。
作为这些膜的进行成膜的现有技术，例如，使用热CVD(化学气相生长：ChemicalVapor Deposition)装置、光CVD装置或等离子体CVD装置，尤其大多使用等离子体CVD装置。这是因为，例如与热/光CVD装置相比，等离子体CVD装置的成膜温度更低，并且，成膜速度更大，能够实现短时间内的成膜处理。
例如，在将氮化膜(SiON、HfSiON等)、氧化膜(SiO2、HfO2)等栅极绝缘膜成膜于半导体基板的情况下，一般采用使用了等离子体CVD装置的以下的技术。
即，NH3(氨)或N2、O2、O3(臭氧)等气体和硅、铪等前体气体，被直接供给至实施CVD处理的处理室装置。在处理室装置内，使前体气体离解，生成金属粒子，通过该金属粒子与上述的NH3(氨)等气体的化学反应，从而在被处理体上成膜氮化膜或氧化膜等薄膜。
另一方面，在等离子体CVD装置中，在处理室装置内，直接产生了高频等离子体、微波等离子体。因此，被处理体被暴露于自由基气体、具有高能量的等离子体离子(或电子)。
另外，作为公开了与等离子体CVD装置相关的技术的先行文献，例如存在专利文献1。
但是，在等离子体CVD装置内的成膜处理中，如上所述，被处理体被直接暴露于等离子体。因此，该被处理体由于等离子体(离子或电子)而很大程度地受到使半导体功能的性能下降等损害。
另一方面，在使用了热/光CVD装置的成膜处理中，被处理体不会受到等离子体(离子或电子)的损害，可成膜出高品质的氮化膜或氧化膜等。但是，在该成膜处理中，难以得到高浓度且大量的自由基气体源，结果，存在成膜时间需要非常长的问题。
在最近的热/光CVD装置中，作为原料气体，使用了通过热或光的照射而容易离解的、高浓度的NH3气体或O3气体。进而，在CVD室装置内，设置有加热催化剂。由此，在该热/光CVD装置中，通过催化剂作用，气体的离解得到促进，也能够在短时间内对氮化膜、氧化膜等进行成膜。但是，该时间的缩短化有限，大幅的成膜时间的改善很困难。
因此，作为能够减轻由等离子体引发的被处理体的损害且能够实现成膜时间的进一步的缩短化的装置，存在远程等离子体型成膜处理装置(例如，参照专利文献2)。
在该专利文献2所涉及的技术中，等离子体生成区域和被处理材料处理区域通过隔壁(等离子体限制电极：plasma confining electrode)而分离。具体而言，在专利文献2所涉及的技术中，在高频施加电极与设置了被处理体的对置电极之间，设置有该等离子体限制电极。由此，在专利文献2所涉及的技术中，仅中性活性种被供给到被处理体上。
此外，在专利文献3所涉及的技术中，在远程等离子体源中，通过等离子体而使原料气体的一部分活性化。在此，气体的流路在该远程等离子体源内环绕。在远程等离子体源中生成的活性气体被释放，并被供给到被处理体存在的装置侧。
在专利文献3这样的薄膜技术中，利用了氮、氧、臭氧或氢等各种各样的原料气体。而且，从该原料气体生成被活性化的自由基气体，通过该自由基气体在被处理体上成膜薄膜。
自由基气体反应性非常高。因此，通过使微量(约1％：10000ppm)以下的浓度的自由基气体接触被处理体，能够促进在被处理体上的化学反应，能够在短时间内高效地制作出氮化薄膜、氧化薄膜或氢键薄膜等。
在自由基气体生成装置中，配设有放电单元(发生器)，在该放电单元中，通过与大气压等离子体相当的介电势垒放电，来实现高电场的等离子体。由此，从暴露于放电单元的等离子体的原料气体，生成高品质的自由基气体。此外，在自由基气体生成装置中，配设多个放电单元，使在多方面生成的自由基气体喷出，并具有利用该喷出的自由基气体的用途。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2007-266489号公报
专利文献2：JP特开2001-135628号公报
专利文献3：JP特开2004-111739号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，现有的自由基气体生成装置，无法生成反应性非常高的有效的自由基气体。此外，难以得到大量的自由基气体，且供给来自1个方向的自由基气体。与此同时，所生成的自由基气体寿命非常短。因此，难以在抑制浓度的下降的同时将自由基气体从自由基气体生成装置引导到与该自由基气体生成装置分别设置的自由基气体处理场(是薄膜生成场、处理室装置)。
例如，为了使从自由基气体生成装置喷出的自由基气体在短时间内接触处理室装置内的被处理体，可以考虑将自由基气体的出口设为孔口(orifice)状的方法。即，可以考虑在从自由基气体生成装置连接到处理室装置的作为自由基气体的传输路径的开口部，缩小该开口部的开口直径的方法。由此，若使处理室装置内的压力成为减压状态(真空状态)，则产生自由基气体生成装置内的压力与处理室装置内的压力之差，能够高速地使自由基气体向处理室装置内喷出。即，能够在维持高浓度的状态下，将自由基气体从自由基气体生成装置引导到处理室装置内。
在采用了上述方法的情况下，需要将开口部的直径设为例如数十mm程度。但是，在采用了该尺寸的开口部时，对处理室装置内的被处理体照射自由基气体的区域有限。即，难以以大面积(例如，200mm直径以上的被处理体)成膜均匀的薄膜。
因此，本发明的目的在于，提供一种如下的放电发生器及其电源装置：在自由基气体生成装置和处理室装置分开或相邻配设的自由基气体产生系统(远程等离子体型成膜处理系统、放电发生器及其电源装置)中，能够将自由基气体从自由基气体生成装置引导至处理室装置，并能够从多方面使任意的自由基浓度的自由基气体向处理室装置内喷出，例如即使是大面积的被处理体，也能够实施均匀的使用了自由基气体的处理，并能够高速地实施使用了自由基气体的处理。
解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明所涉及的放电发生器及其电源装置，具备：自由基气体生成装置，其利用介电势垒放电，从原料气体生成自由基气体；处理室装置，其与所述自由基气体生成装置连接，在内部配设有被处理体，对该被处理体实施利用了所述自由基气体的处理；和电源装置，其对所述自由基气体生成装置施加交流电压，所述处理室装置具有：工作台，其载置所述被处理体，并使该被处理体旋转，所述自由基气体生成装置具有：多个放电单元，其产生所述介电势垒放电；和原料气体供给部，其向该自由基气体生成装置内供给所述原料气体，所述放电单元具有：第一电极部，其具有第一电极构件；第二电极部，其与所述第一电极部对置配设，并具有第二电极构件；和开口部，其与所述处理室装置内连接，面向配设在所述工作台上的所述被处理体，并输出通过所述介电势垒放电而从所述原料气体生成的所述自由基气体，所述电源装置采用输入1个交流电压并且能够对n相的交流电压进行输出控制的电源电路结构，将各相的所述交流电压施加于各所述放电单元，并对应于所述放电单元的设置位置对施加于所述放电单元的所述交流电压进行可变控制。在此，n是与所述放电单元的数量对应的数。
发明效果
本发明所涉及的放电发生器及其电源装置，具备：自由基气体生成装置，其利用介电势垒放电，从原料气体生成自由基气体；处理室装置，其与所述自由基气体生成装置连接，在内部配设有被处理体，对该被处理体实施利用了所述自由基气体的处理；和电源装置，其对所述自由基气体生成装置施加交流电压，所述处理室装置具有：工作台，其载置所述被处理体，并使该被处理体旋转，所述自由基气体生成装置具有：多个放电单元，其产生所述介电势垒放电；和原料气体供给部，其向该自由基气体生成装置内供给所述原料气体，所述放电单元具有：第一电极部，其具有第一电极构件；第二电极部，其与所述第一电极部对置配设，并具有第二电极构件；和开口部，其与所述处理室装置内连接，面向配设在所述工作台上的所述被处理体，并输出通过所述介电势垒放电而从所述原料气体生成的所述自由基气体，所述电源装置采用输入1个交流电压并且能够对n相的交流电压进行输出控制的电源电路结构，将各相的所述交流电压施加于各所述放电单元，并对应于所述放电单元的设置位置对施加于所述放电单元的所述交流电压进行可变控制。在此，n是与所述放电单元的数量对应的数。
因此，能够将自由基气体从自由基气体生成装置引导到处理室装置，并且，能够实现低成本且低设置面积，同时能够对大面积的被处理体实施均匀的自由基气体处理。
因此，能够将多个自由基气体从自由基气体生成装置引导到处理室装置。进而，能够利用1个交流电源，从多个放电单元输出以任意的流量生成的自由基气体，并能够将该自由基气体引导到处理室装置。因此，本发明所涉及的自由基气体产生系统，能够以低成本，在较小的自由基气体生成装置中，在比较短的时间内对大面积的被处理体实施均匀的自由基气体处理。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的自由基气体产生系统500的构成例的图。
图2是表示本发明所涉及的放电单元70的构成例的放大剖面图。
图3是表示用于驱动各逆变器元件902的驱动脉冲周期、脉冲宽度信号波形和输出到放电单元70的交流电压波形的图。
具体实施方式
如上所述，在远程等离子体型成膜处理系统中，作为能够利用一个交流电源，将多个自由基气体在维持高浓度的状态下从自由基气体生成装置引导到处理室装置内的构成，发明者们发现了在进行了对置电极配置的放电空间内，生成自由基气体，并且，减小所喷出的自由基气体的开口部的开口直径的放电单元构成。
在此，自由基气体生成装置和处理室装置上下相邻，使得自由基气体生成装置位于上段，开口部是从自由基气体生成装置连接到处理室装置的自由基气体的传输路径。此外，该开口部配设有多个。另外，各开口部面向被处理体的主面。
但是，如上所述，在采用了该构成的情况下，难以对处理室装置内的被处理体均匀地进行使用了自由基气体的处理(以下，作为一例称为成膜处理)。通过增加开口部的数量，虽然不均匀性多少得到消除，但还是存在不均匀性的问题。
作为消除上述这种不均匀的成膜的手段，采用了在处理室装置内使被处理体在俯视下旋转的构成。但是，在该构成中，也随着从旋转中心沿平面方向远离，而该位置处的被处理体的速度变大(v(速度)＝r(半径)×ω(角速度))。因此，即使采用使被处理体旋转的构成，并使自由基气体从各开口部向处理室装置内喷出，也难以完全解决上述不均匀的成膜处理这样的问题。
作为进一步消除成膜的不均匀性的方法，也可以考虑如下构成。即，如上所述，作为自由基气体的喷出部的开口部为多个。于是，构成为与各开口部对应地设置放电单元，在各放电单元中，对产生的自由基气体量(自由基气体浓度)进行控制。
作为在各放电单元改变自由基气体量(自由基气体浓度)的方法，可以考虑按照每个放电单元设置交流电源，并按照每个放电单元来控制(改变)从交流电源供给的功率的方法。但是，在该方法中，必须设置多个交流电源。因此，存在自由基气体产生系统整体大型化且高成本的问题点。
此外，作为在各放电单元改变自由基气体量的方法，也可以考虑在各放电单元中改变开口部的开口直径(改变孔口的孔径)的方法。但是，若使自由基气体的开口部的开口直径变化(若改变孔口的孔径)，则在各放电单元中，从开口部喷出的自由基气体的气体流速自身也发生变化。该气体流速的变化是妨碍均匀的成膜的主要原因。
因此，作为在各放电单元改变自由基气体量的构成，发明者们采用了如下构成，即，在下述的1个电源中，通过逆变器元件，能够使输出的交流电压具有独立的n相的相位的逆变器电源构成。所输出的n相的交流电压的频率是固定频率。而且，使得在各相中仅能够任意地设定振幅值E。将该电源称作n相逆变器电源装置。以下，对本发明基于表示其实施方式的附图来具体进行说明。
<实施方式>
图1是表示具备电源装置的、本实施方式所涉及的自由基气体产生系统(放电发生器及其电源装置)500的构成例的图。此外，图2是表示本发明所涉及的放电单元70的构成例的放大剖面图。此外，图3是表示用于对具有输出n个输出交流电压的手段的n相逆变器电源装置9中的各逆变器元件902进行驱动的驱动脉冲周期和脉冲宽度信号波形以及输出到放电单元70的交流电压波形的1个实施例图。
以下，使用图1、2、3，对本实施方式所涉及的自由基气体产生系统500的构成进行说明。
如图1所示，自由基气体产生系统500由自由基气体生成装置100、处理室装置200、能够输出n相交流电压的一个n相逆变器电源装置9以及真空泵300构成。
在此，n相的“n”与作为配设在自由基气体生成装置100内的放电单元70的数量的“n”相同。
自由基气体产生系统500是将进行自由基气体G2的生成的自由基气体生成装置100、和进行使用了所生成的自由基气体G2的成膜处理等的处理室装置200分开设置的远程等离子体型成膜处理系统。
如图1所示，自由基气体生成装置100的底面侧与处理室装置200的上表面侧相接。另外，如后所述，自由基气体生成装置100内与处理室装置200内经由开口部102连接。如上所述，开口部102形成有多个。
在自由基气体生成装置100内，利用介电势垒放电，从原料气体G1生成该原料气体G1的一部分通过放电而发生了自由基气体化的自由基气体G2。
如图1所示，在自由基气体生成装置100内，配设有多个放电单元70。具体而言，各放电单元70设置在自由基气体生成装置100的底面上。
如图2所示，各放电单元70由第一电极部1、2和第二电极部5、31、3构成。第一电极部1、2隔开给定的间隔与第二电极部5、31、3相对。
即，在第一电极部1、2与第二电极部5、31、3之间，形成有产生介电势垒放电的放电空间40。另外，为了将放电空间40中的间隙长度(在图2中，第一电极部1、2与第二电极部5、31、3之间的距离)维持固定，在第一电极部1、2与第二电极部5、31、3之间，配设有1个以上的间隔件4。
如图2所示，第一电极部1、2由低电压电极(可以看作第一电极构件)1和第一电介质2构成。
在此，低电压电极1成为接地电位，且配设在自由基气体生成装置100的底面上。此外，在全部的放电单元70中，共享一个低电压电极1。此外，第一电介质2形成在低电压电极1上。
此外，第二电极部5、31、3由高电压电极块5、高电压电极(可以看作第二电极构件)31以及第二电介质3构成。
在此，在第二电介质3上形成有高电压电极31，在该高电压电极31上连接有高电压电极块5。对高电压电极块5供给交流电压的高电压。此外，由于高电压电极块5与高电压电极31被电连接，因此高电压也被施加于高电压电极31。
此外，如图1所示，在放电单元70穿设有作为孔口而发挥作用的开口部102。
在此，开口部102形成为贯通第一电介质2以及低电压电极1。另外，开口部102形成在第一电介质2的中央部。此外，开口部102将自由基气体生成装置100(更具体来说，放电空间40)内与处理室装置200内连接。因此，在放电空间40内生成的自由基气体G2经由该开口部102输出到处理室装置200内。另外，开口部102面向配设在处理室装置200内的被处理体202的处理面。
作为一个实施例，俯视时的放电单元70的轮廓形状为圆盘状或者同轴状的圆锥状。即，第一电介质2和第二电介质3都为圆盘或者圆锥形状，两者2、3平行或者呈同轴状对置配置(另外，高电压电极31也为圆盘或者圆锥形状)。从上表面观察了放电单元70时，第一电介质2的外周端与第二电介质3的外周端对齐。另外，俯视时的放电单元70的轮廓形状不必一定为圆盘状或者圆锥，只要能够发挥同样的效果，则也可以为其他形状。
在各放电单元70中，该轮廓形状相同。例如，如上所述，若放电单元70的轮廓形状为圆盘状，则俯视时的放电单元70的轮廓尺寸由第一电介质2(同样地，由第二电介质3)的直径来决定。
n相逆变器电源装置9具有：整流电路901；n个逆变器元件902；n个限流电抗器903；n个变压器904；对流过各逆变器元件902的电流进行检测的电流检测器906；对各逆变器元件902的接通-断开(ON-OFF)指令信号进行驱动的栅极电路905；以及对n相逆变器电源装置9进行控制的控制电路907。
参照图1，在n相逆变器电源装置9中，商用的三相交流电压(图示示出了三相交流电压，但也可以为单相交流电压)被输入到整流电路901。由此，整流电路901的输出电压变换为被整流且被直流化后的直流电压。该直流电压被施加于多个(n个)并联逆变器元件902。
逆变器元件902通过将功率晶体管等2个开关元件串联配置而构成。对2个开关元件的栅极输入来自栅极电路905的交替地进行了接通-断开变化的信号。通过该信号的输入，从而对限流电抗器903输入通过直流电压被接通-断开而生成的交流脉冲电压。该交流脉冲电压经由限流电抗器903被输入到变压器904的一次侧。
在n个变压器904的一次侧，n个变压器通过Δ接线而结合。通过输入到各变压器的一次电压，变压器904的二次侧电压被升压为高电压并被输出。变压器904的二次侧通过采用以n个变压器的一端为公共的Y接线，从而使低压电压(LV)电压相同。对另一端的各变压器904的二次侧端子，分别输出相位不同的交流高电压(HV)。对各放电单元70分别施加该相位不同的交流高电压(HV)。
然后，参照图1，n相逆变器电源装置9能够对自由基气体生成装置100(更具体来说，对各放电单元70)输出用于使其放电的多个交流高电压。若对各放电单元70施加多个交流高电压，则在各放电单元70的放电空间40中，产生介电势垒放电。然后，通过在各放电空间40内通过的原料气体G1和介电势垒放电的作用，从而在各放电空间40生成自由基气体G2。即，在自由基气体生成装置100内，利用介电势垒放电，生成原料气体G1的一部分通过放电而发生了自由基气体化的气体G2。
此外，原料气体供给部101配设在自由基气体生成装置100的上表面部。从该原料气体供给部101向自由基气体生成装置100内供给成为自由基气体G2的原料的原料气体G1。另外，从原料气体供给部101供给的原料气体G1充满自由基气体生成装置100内，并从各放电单元70的外侧以均匀量侵入各放电单元70内，在各放电空间40内流动。
向处理室装置200内喷出由自由基气体生成装置100生成的自由基气体G2。在处理室装置200中，利用该自由基气体，对被处理体202的主面实施薄膜形成等处理。
例如，假定对自由基气体生成装置100供给氮气作为原料气体G1。在此情况下，在自由基气体生成装置100的各放电单元70内，从该氮气生成氮自由基气体作为自由基气体G2。因此，在处理室装置200中，利用从自由基气体生成装置100喷出的氮自由基气体G2，对被处理体202成膜氮化膜。
此外，假定对自由基气体生成装置100供给臭氧气体或者氧气作为原料气体G1。在此情况下，在自由基气体生成装置100的各放电单元70内，从该臭氧气体或者该氧气生成氧自由基气体作为自由基气体G2。因此，在处理室装置200中，利用从自由基气体生成装置100喷出的氧自由基气体G2，对被处理体202成膜氧化膜。
此外，假定对自由基气体生成装置100供给氢气或者水蒸气作为原料气体G1。在此情况下，在自由基气体生成装置100的各放电单元70内，从该氢气生成氢自由基气体作为自由基气体G2。或者，在自由基气体生成装置100的各放电单元70内，从该水蒸气气体生成OH自由基气体(羟基自由基气体)作为自由基气体G2。因此，在处理室装置200中，利用从自由基气体生成装置100喷出的氢自由基气体G2或者OH自由基气体G2，对被处理体202成膜氢还原膜(促进了氢键(hydrogen bonding)的金属膜)。
此外，在处理室装置200的下方侧面，配设有与真空泵300相连的气体排出部203。通过基于该真空泵300的气体的排气，处理室装置200内的压力被维持在约数torr～数十torr(数kPa)程度。此外，通过真空泵300，还形成了从自由基气体生成装置100向处理室装置200的气体的流动。另外，由于开口部102作为孔口而发挥作用，因此在自由基气体生成装置100内与处理室装置200内之间，能够形成压力划分。
如图1所示，在处理室装置200配设有工作台201。而且，在该工作台201上载置被处理体202。使从自由基气体生成装置100的开口部102喷出的自由基气体G2接触该被处理体202。然后，对被处理体202实施利用了自由基气体G2的处理(例如，形成薄膜)。另外，工作台201在载置有被处理体202的状态下，在俯视下，顺时针或逆时针旋转。通过该工作台201的旋转，被处理体202也同样地旋转。
另外，如上所述，各放电单元70的轮廓相同。此外，在各放电单元70形成的开口部102的开口直径也相同。故而，气体流动所引起的压力损耗在各放电单元70以及开口部102中相同。因此，在各放电单元70中均等地流动气体，向处理室装置200内喷出的自由基气体G2的喷出速度也固定。
如图1所示，n相逆变器电源装置9的LV输出端子经由端子8与低电压电极1连接。另外，如上所述，在各放电单元70中，低电压电极1是公共的，且为接地电位。此外，n相逆变器电源装置9的各HV输出端子经由n个端子7a、7b、···7n与各放电单元70的高电压电极块5分别连接。通过该连接关系，n相逆变器电源装置9能够对各放电单元70施加n相的交流的高电压。
如上所述，一个n相逆变器电源装置9对各放电单元70施加相位不同的多个交流高电压(HV)。此外，在低电压电极1内以及高电压电极块5内，形成了用冷却水等进行冷却而能够对所产生的热进行冷却的构造，但出于附图简化的观点，与该冷却相关的构成省略了图示。
这样，在各放电单元70中，高电压电极31与低电压电极1相对的区域成为放电空间40。n相逆变器电源装置9的LV输出端子连接于低电压电极1，n相逆变器电源装置9的各HV输出端子经由各端子7a、7b、···7n以及各高电压电极块5，连接于各高电压电极31。于是，若在低电压电极1与各高电压电极31之间施加交流高电压，则在各放电空间40中产生介电势垒放电。然后，如上所述，通过原料气体G1和该介电势垒放电，在各放电空间40中生成原料气体G1的一部分通过放电而发生了自由基气体化的气体G2。
此外，如上所述，所生成的自由基气体G2经由各开口部102，对处理室装置200内的被处理体202喷出。在此，向处理室装置200内喷出的自由基气体G2的浓度通常不足1％(10000ppm)，占据其余大部分的气体是原料气体G1。因此，原料气体G1起到了将所生成的自由基化后的自由基气体G2在短时间内从各放电单元70运送到处理室装置200内的载气的作用。
即，从各放电单元70的开口部102喷出的自由基气体G2的喷出速度由原料气体G1来决定。因此，若该喷出速度较慢，则自由基气体G2到达被处理体202需要花费时间，所生成的自由基气体G2的一部分消失的可能性变高，会使自由基气体量(自由基气体浓度)低的自由基气体G2接触被处理体202。这意味着针对被处理体202的使用了自由基气体G2的处理效率下降。
根据以上情况，有必要将从各放电单元70的开口部102喷出的自由基气体G2的喷出速度确保在一定以上，优选将开口部102的开口直径设为较小的孔口形状。
然后，若减小开口部102的开口直径，则自由基气体G2的喷出速度增加，能够抑制自由基气体G2的消失。但是，自由基气体G2在被处理体202上的照射的面积却有限。虽然在各放电单元70中都形成了开口部102，但若自由基气体G2照射的区域有限，则难以对被处理体202均匀地照射自由基气体G2。
另一方面，优选在各放电单元70中使自由基气体G2的喷出速度固定。于是，为了使自由基气体G2的喷出速度固定，在多个放电单元70中，使放电单元70的轮廓形状相同，并且，使各开口部102的开口直径也相同。
即，在各放电单元70中，不期望改变自由基气体G2的喷出速度。另一方面，虽然为了自由基气体G2的高速喷出，需要减小开口部102的开口直径，但若开口直径变小，则均匀的自由基气体处理变得困难。
因此，在本发明中，通过以下的构成，能够在各放电单元70中，将自由基气体G2的喷出速度维持高速且固定，同时实现对被处理体202的均匀的自由基气体处理。
首先，在自由基气体G2的照射时，通过工作台201使被处理体202以一定速度旋转。在此，在自由基气体生成装置100配设有多个放电单元70，在各放电单元70配设有开口部102。该开口部102的位置固定。
因此，若一面使自由基气体G2从各开口部102喷出，一面使被处理体202旋转，则能够实现被处理体202的更大范围内的自由基气体处理。但是，通过被处理体202的旋转，圆周速度根据距被处理体202的旋转中心的位置而不同。若从放电单元70喷出的自由基气体G2的流量相同且圆周速度不同，则根据距被处理体202的旋转中心的距离，对被处理体202的自由基气体处理会成为不同的结果。
因此，需要以被处理体202的旋转中心为起点，使从各放电单元70喷出的自由基气体G2的流量进行变化/调整。换言之，从对被处理体202的自由基气体处理的均匀性的观点出发，需要根据被处理体202(工作台201)的旋转的圆周速度，对从各放电单元70喷出的自由基气体G2的自由基化后的流量成分进行控制。
在本发明中，如下进行该自由基气体G2的流量控制：在俯视下，越是远离被处理体202的旋转中心位置而配设的放电单元70，越在高电压电极31与低电压电极1之间施加电压更高的交流电压。通过进行这种电压施加，从而能够向放电空间40供给的负载电流增大，向放电单元70供给的放电功率提高，自由基气体G2的生成量也增加。因此，能够根据放电单元70的配设位置，使自由基气体G2的自由基化后的流量成分发生变化。
由于在远离被处理体202的旋转中心的位置，圆周速度变快，因此自由基气体G2的照射时间变短。另一方面，在靠近被处理体202的旋转中心的位置，圆周速度变慢，因此自由基气体G2的照射时间变长。在此，被处理体202的旋转速度(角速度)固定。使施加于各放电单元70的交流电压值发生变化，以使得在放电单元70产生的自由基气体量(自由基气体浓度)与按放电单元70的配设位置决定的照射时间成反比地变化。
例如，假设关注于两个放电单元70。一个放电单元70在俯视下从被处理体202的旋转中心离开第一距离。相对于此，另一个放电单元70在俯视下从被处理体202的旋转中心离开第二距离。在此，第一距离小于第二距离。
在此情况下，n相逆变器电源装置9使在另一个放电单元70中的高电压电极31与低电压电极1之间所施加的交流电压值，高于在一个放电单元70中的高电压电极31与低电压电极1之间所施加的交流电压值。由此，使注入到另一个放电单元70的放电电量与注入到一个放电单元70的放电电量相比增加，对于放电所生成的自由基气体量(自由基气体浓度)而言，也与一个放电单元70相比，在另一个放电单元70中增加。即，能够使从另一个放电单元70的开口部102喷出的自由基气体G2的流量成分比从一个放电单元70的开口部102喷出的自由基气体G2的流量成分更大。
由上述可知，为了使在放电空间40内生成的自由基气体G2的浓度根据放电单元70距离上述旋转中心的位置而变化，n相逆变器电源装置9根据放电单元70距离上述旋转中心的位置，使不同的电压值的交流电压施加于各放电单元70。以下利用图1、3对能够进行这样的电压施加的n相逆变器电源装置9的构成以及动作进行说明。
在图1所示的n相逆变器电源装置9中，由整流电路901将输入侧的商用交流电源(例如，60Hz，三相200V)临时直流化，使直流化后的电压分别输入到并联连接的n个逆变器元件902。另一方面，在各逆变器元件902中，通过来自各栅极电路905的接通-断开驱动信号，能够从n个逆变器元件902输出任意的脉冲电压。该输出的脉冲电压经由各限流电抗器903输入到各变压器904。然后，在各变压器904中，与来自各逆变器元件902的脉冲电压相应的交流电压被升压。然后，各升压后的交流高电压被施加于各放电单元70。
若使输入到各逆变器元件902的来自各栅极电路905的接通-断开驱动信号成为图3所示的a、b、c、d···n那样，则在各变压器904的输出部，能够输出不同振幅的交流电压(参照图3的最下段所示的n相交流电压波形)。
在电源的控制电路907中，进行接通-断开的脉冲周期T在各信号中设定为大致固定值(使逆变器的输出频率f(＝1/T)固定)。然后，使各脉冲的接通(ON)周期(相位)错开针对角相位2π进行了n分割的相位(＝2·π/n)。由此，上述接通-断开驱动信号成为图3所示的a、b、c、d···n所示的各脉冲信号。
进而，通过按照每个相将图3所示的a、b、c、d···n所示的各脉冲信号的脉冲宽度τ增大，从而能够改变各n相的交流电压的振幅。
进而，为了即使负载条件由于放电单元70的气氛温度、所供给的原料气体流量、放电单元70内的气体压力以及处理室压力等而改变，也使给定的放电功率输出到各放电单元70，电流检测器906按照每个交流电压来检测电流值等。然后，电流检测器906将该检测结果反馈给控制电路907。在控制电路907内，使用该检测结果，对所设定的脉冲宽度τ或者脉冲周期T，实施PID(Proportional-Integral-Derivative：比例-积分-微分)控制。由此，能够使对各相供给的电量更加稳定化。
即，在控制电路907中，根据所反馈的电流值与作为目标的各相上的电流值之间的偏差量，来执行脉冲宽度τ的PID控制。通过该PID控制，能够精度良好地控制对每个相供给的电量。
由各逆变器元件902分割为n相的脉冲电压经由限流电抗器903被供给至多个变压器904的一次侧。多个变压器904的一次侧，例如被Δ接线或者Y接线，与二次侧绕组磁耦合，输入到一次侧的电压以一次匝数与二次匝数之比被升压。二次侧的输出由于低电压值LV设为相同，仅高电压HV设为独立的相位不同的高电压，因此作为变压器的二次侧接线，优选采用Y接线。
在此，自由基气体G2的喷出速度主要根据图2中电介质2、3的外形来决定。因此，在图2中，虽然说明了出于自由基气体G2的喷出速度相同的观点而优选在各放电单元70中为相同的轮廓外形，但在各放电单元70中，只要电介质2、3的外形相同，即使改变高电压电极31的外形，也能够使从各放电单元70喷出的自由基气体G2的喷出速度相同。
如上，在本实施方式所涉及的自由基气体产生系统500中，在自由基气体生成装置100内配设有多个放电单元70，对各放电单元70配设有开口部102。此外，经由开口部102将多个自由基气体G2从自由基气体生成装置100引导到处理室装置200。而且，使被处理体202旋转。进而，1台n相逆变器电源装置9对各放电单元70输出独立的n相的相位不同的交流高电压，并根据距被处理体202的旋转中心的距离使施加于放电单元70的交流电压的振幅发生变化，使投入到放电空间40的放电功率密度发生变化。
因此，通过如上述那样使放电功率密度发生变化，从而能够经由开口部102，使由自由基气体生成装置100生成的自由基气体G2的自由基量(自由基气体浓度)发生变化。此外，针对一个自由基气体生成装置100，无需配设多个交流高电压电源，利用1台n相逆变器电源装置9，就能够控制从各放电单元70喷出的自由基气体G2的自由基气体量(浓度)。因此，能够实现低成本且低设置面积，同时能够对大面积的被处理体202实施均匀的自由基气体处理。
此外，在图2中，多个放电单元70的轮廓外形(特别是，电介质2、3的外形)在各放电单元70中都是相同的，各开口部102的开口直径在各放电单元70中也是相同的。因此，在放电空间40生成的自由基量(浓度)成为最多不足1％的可变控制，因此能够将从开口部102喷出的气体速度维持在大致相同的状态，同时能够根据放电单元70的配设位置来控制自由基量(浓度)。
此外，即使在各放电单元70的温度、气体流量、气体压力等放电负载状态多少可变的情况下，也对在各相检测出的电流值进行反馈，由控制电路907实施PID控制。由此，能够实现更稳定的交流电压的施加，能够在各放电单元70控制供给电量。
此外，由于使被处理体202旋转，因此能够减小喷出自由基气体G2的开口部102的开口直径，能够实现自由基气体G2的更高速化。因此，能够使自由基气体G2在短时间内到达被处理体202，能够抑制在到达被处理体202之前自由基气体G2消失的情况。
另外，在各放电单元70中，面向放电空间40而配设的各电介质2、3也可以由单晶蓝宝石或石英构成。
在放电空间40中，发生介电势垒放电，由于该介电势垒放电，电介质2、3会受到放电损害。因此，若使各电介质2、3为单晶蓝宝石制或石英制，则电介质2、3的放电耐性提高，结果，能够抑制介电势垒放电所引起的从电介质2、3析出的微粒子量。
另外，在自由基气体生成装置100中，为了通过在放电空间40中的介电势垒放电来生成优质的自由基气体G2，需要使放电空间40成为高电场等离子体状态。放电空间40的电场取决于放电空间40的气体压力与放电空间40中的间隙长度的积值，为了成为高电场等离子体状态，要求“P·d(kPa·cm)”积值为给定的值以下。即，P对应于自由基气体生成装置100内的压力，d是各放电单元70中的间隙长度(是从第一电介质2到第二电介质3的距离，在各放电单元70中都是相同的)。
在自由基气体的情况下，在P·d积值为相同值时，在大气压+短间隙长度的条件(称为前者的情况)、和减压+长间隙长度的条件(称为后者的情况)的情况下，后者的情况在下述方面有益。即，后者的情况在放电空间40中流动的气体流速被提高，并且，间隙长度(放电面的壁)变大，自由基气体G2向壁的碰撞量所引起的损耗被抑制(即，能够抑制所产生的自由基气体量(自由基浓度)的降低)。
根据以上这种情况，出于能够稳定地驱动介电势垒放电、且能够得到良好的自由基气体这一观点，发明者们发现了自由基气体生成装置100优选满足以下的条件。
即，在自由基气体生成装置100中，优选将内部的气体压力P设定为约10kPa～30kPa程度，将放电空间40的间隙长度d设定为约0.3～3mm，从而将P·d积值设为约0.3～9(kPa·cm)。
在上述中，在使被处理体202旋转的处理室装置200设置了自由基气体生成装置100。而且，在该自由基气体生成装置100内，配设有多个放电单元70。通过使从各放电单元70的开口部102喷出的自由基气体产生量对应于被处理体202的旋转角速度位置而变化，从而在大范围的被处理体202的面上，在短时间内成膜了均匀的膜。另一方面，也能够应用于在处理室装置200设置设有多个放电单元70的自由基气体生成装置100，并具有能够对多个放电单元70施加任意的交流电压的电源装置的自由基气体产生系统。
作为一个实施例，对包含电源装置的用于进行成膜的自由基气体产生系统进行了说明，但也可以应用于其他自由基气体发生器用途或放电发生器的电源装置。
符号说明
1 低电压电极
2 第一电介质
3 第二电介质
4 间隔件
5 高电压电极块
9 n相逆变器电源装置
31 高电压电极
40 放电空间
70 放电单元
101 原料气体供给部
102 开口部
100 自由基气体生成装置
200 处理室装置
201 工作台
202 被处理体
203 气体排出部
300 真空泵
500 自由基气体产生系统
901 整流电路
902 逆变器元件
903 限流电抗器
904 变压器
905 栅极电路
906 电流检测器
907 控制电路
G1 原料气体
G2 自由基气体

Claims (8)

1.一种放电发生装置，其特征在于，具备：
自由基气体生成装置(100)，其利用介电势垒放电，从原料气体(G1)生成自由基气体(G2)；
处理室装置(200)，其与所述自由基气体生成装置连接，在内部配设有被处理体(202)，对该被处理体实施利用了所述自由基气体的处理；和
电源装置(9)，其对所述自由基气体生成装置施加交流电压，
所述处理室装置具有：
工作台(201)，其载置所述被处理体，并使该被处理体旋转，
所述自由基气体生成装置具有：
多个放电单元(70)，其产生所述介电势垒放电；和
原料气体供给部(101)，其向该自由基气体生成装置内供给所述原料气体，
所述放电单元具有：
第一电极部(1，2)，其具有第一电极构件(1)，被配设在所述自由基气体生成装置的底面上；
第二电极部(3，5，31)，其与所述第一电极部对置配设，并具有第二电极构件(5，31)；和
开口部(102)，其被设置于所述第一电极部，贯通所述第一电极部，从而将所述自由基气体生成装置内与所述处理室装置内连接，面向配设在所述工作台上的所述被处理体，并输出通过所述介电势垒放电而从所述原料气体生成的所述自由基气体，
第一电极部被共同地设置于所述多个放电单元的全部放电单元，第二电极部与多个放电单元之中的一个放电单元对应地被设置，
所述电源装置采用输入1个交流电压并且能够对n相的交流电压进行输出控制的电源电路结构，将各相的所述交流电压施加于各所述放电单元，与所述放电单元相对于配设所述被处理体的所述工作台的旋转中心的设置位置对应地，对施加于所述放电单元的所述交流电压进行可变控制，在此，n是与所述放电单元的数量对应的数。
2.根据权利要求1所述的放电发生装置，其特征在于，
所述电源装置的电源电路结构包含n相逆变器和n相变压器，将各相的所述交流电压施加于各所述放电单元，在所述被处理体的俯视下，越是远离所述被处理体的旋转的中心位置而配设的所述放电单元，就越提高施加于该放电单元的所述交流电压。
3.根据权利要求2所述的放电发生装置，其特征在于，
所述电源装置对分割到各相的直流电流进行检测，并利用该检测的结果，对所述逆变器的脉冲宽度或者脉冲周期进行PID控制。
4.根据权利要求1所述的放电发生装置，其特征在于，
所述放电单元还具有：
电介质(2，3)，其面向发生所述介电势垒放电的放电空间而配设，
所述电介质由单晶蓝宝石或石英构成。
5.根据权利要求1所述的放电发生装置，其特征在于，
在所述自由基气体生成装置中，
内部的气体压力为10kPa～30kPa，
所述第一电极部与所述第二电极部的距离为0.3～3mm。
6.根据权利要求1所述的放电发生装置，其特征在于，
所述原料气体为氮气，
所述自由基气体生成装置从所述氮气生成氮自由基气体作为所述自由基气体，
所述处理室装置利用所述氮自由基气体，对所述被处理体成膜氮化膜。
7.根据权利要求1所述的放电发生装置，其特征在于，
所述原料气体为臭氧气体或者氧气，
所述自由基气体生成装置从所述臭氧气体或者氧气生成氧自由基气体作为所述自由基气体，
所述处理室装置利用所述氧自由基气体，对所述被处理体成膜氧化膜。
8.根据权利要求1所述的放电发生装置，其特征在于，
所述原料气体为氢气或者水蒸气，
所述自由基气体生成装置从所述氢气或者水蒸气生成氢自由基气体或者OH自由基气体作为所述自由基气体，
所述处理室装置利用所述氢自由基气体或者OH自由基气体，对所述被处理体成膜促进了氢键的金属膜。
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