JP2002322563A - プラズマ化学蒸着装置における放電電極の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高高周波（ＶＨＦ）を利用するプラズマ化学
蒸着装置において、定在波、シースキャパシタンス、セ
ルフクリーニング用ＮＦ_３ガス流れの不均一などで生じ
るプラズマ発生状況の不均一を防止し、大面積でプラズ
マ発生状況が均一となるようなプラズマ化学蒸着装置に
おける放電電極の構造の提供。 【解決手段】 ラダー型放電電極軸方向に対して垂直方
向にクロスバーを挿入し、定在波の形を変えてプラズマ
を均一化させること、電極径を小さくしてシースキャパ
シタンスを減少させ、定在波波長を増加させて放電電極
における電圧分布を均一化すること、放電電極を左右方
向に分割して電極左右方向の電力バランスを図ることな
どにより、定在波、シースキャパシタンス、セルフクリ
ーニング用ＮＦ_３ガス流れの不均一などで生じるプラズ
マ発生状況の不均一などを防止し、大面積でのプラズマ
発生状況を均一とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽電池や薄膜ト
ランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン、微
結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなど
の半導体の製膜や半導体膜のエッチング、及び、これら
製膜によってチェンバ内に堆積したアモルファスシリコ
ン（ａ−Ｓｉ）のＮＦ_３ガスのプラズマによるフッ素ラ
ジカルクリーニング（セルフクリーニング）などに用い
られるプラズマ化学蒸着装置（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にお
ける、放電電極の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】太陽電池や薄膜トランジスタなどに用い
られるアモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと称す
る）、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリ
コンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチングを行っ
たり、これら製膜によってチェンバ内に堆積したシリコ
ンを、ＮＦ_３ガスでセルフクリーニングするために用い
られるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発
生装置には、平行平板型電極を用いたものと、ラダー型
電極を用いたものの２種類がある。

【０００３】図６は平行平板型電極を用いた装置の一構
成例で、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持手段
６を設置して電気的に接地し、この基板加熱支持手段６
と対向させて例えば２０ｍｍ離した位置に平板電極６０
を設置する。そして平板電極６０に、外部の高周波電源
６１をインピーダンス整合器６２、および同軸ケーブル
６３を介して接続し、さらに基板加熱支持手段６と対向
する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにア
ースシールド５を設置する。

【０００４】そして、例えば２００℃に設定した基板加
熱支持手段６上にａ−Ｓｉ薄膜を製膜する基板７を設置
し、ガス導入管６４からシラン（ＳｉＨ_４）ガスを例え
ば流速５０ｓｃｃｍで導入し、真空排気管６５に接続し
た図示しない真空ポンプ系の排気速度を調整すること
で、プラズマ化学蒸着装置１内の圧力を例えば１００ｍ
Ｔｏｒｒに調節する。そして、高周波電力が効率良くプ
ラズマ発生部に供給されるようにインピーダンス整合器
６２を調整して高周波電源６１から高周波電力を供給す
ると、基板７と平板電極６０の間にプラズマ６６が発生
し、このプラズマ６６の中でシラン（ＳｉＨ_４）が分解
して基板７表面にａ−Ｓｉ模が製膜される。そのため、
例えば１０分間程度この状態で製膜を行うことにより、
必要な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。

【０００５】図７はラダー型電極７０を用いた装置の一
構成例を示し、図８は、ラダー型電極７０の構造がよく
分かるように図７のＡ方向から描いた図である。ラダー
型電極については、例えば特開平４−２３６７８１号公
報に詳細に述べられ、またラダー型電極を発展させた電
極形状として、複数の電極棒を平行に並べた電極群を２
つ直行させて配置させた網目状の電極を用いた構造が特
開平１１−１１１６２２号公報に報告されている。

【０００６】この図７における高周波プラズマ発生装置
においては、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持
手段６（図８には図示していない）を設置して電気的に
接地し、基板加熱支持手段６と対向して例えば２０ｍｍ
離した位置にラダー型電極７０を設置する。ラダー型電
極７０には、外部の高周波電源６１をインピーダンス整
合器６２および同軸ケーブル６３を介して接続し、基板
加熱支持手段６と対向する面と反対側に不要なプラズマ
が生成しないようにアースシールド５が設置してある。

【０００７】そして、例えば２００℃に設定した基板加
熱支持手段６上にａ−Ｓｉ膜を製膜する基板７を設置
し、ガス供給管からシラン（ＳｉＨ_４）ガスを例えば流
速５０ｓｃｃｍで導入する。そしてプラズマ化学蒸着装
置１内の圧力を、図示しない真空排気管に接続した真空
ポンプ系の排気速度で例えば１００ｍＴｏｒｒに調整す
る。この状態で高周波電力をラダー型電極７０に供給す
ると、基板７とラダー型電極７０の間にプラズマ７１が
発生するから、高周波電力が効率良くプラズマ７１の発
生部に供給されるようにインピーダンス整合器５を調整
する。するとプラズマ７１中ではシラン（ＳｉＨ_４）が
分解し、基板７にａ−Ｓｉ膜が製膜されるから、例えば
１０分程度この状態で製膜を行うことにより、必要な厚
さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。

【０００８】この図７の構成例は図６の構成例と比較
し、第一に電極として平板電極を用いずに円形断面の電
極捧を梯子型に組んだラダー型と呼ばれる電極を用いて
いるため、電極棒の間を原料のシラン（ＳｉＨ_４）ガス
が自由に流れて原料供給が均一に行われ、第二に給電を
電極の１箇所に行うのではなく、７２で示した複数（こ
こでは４点）箇所で行うことで、プラズマが均一に発生
できるようになっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このようにプラズマ化
学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置は構成され
ているが、現在、上記技術を用いて作製される太陽電池
用薄膜半導体、フラットパネルディスプレイ用薄膜トラ
ンジスタなどは、大面積（例えば１．５×１．２ｍ程
度）・高速製膜による低コスト化、および、低欠陥密
度、高結晶化率などの高品質化が求められ、また、この
ような大面積の製膜によってチェンバ内に堆積したａ−
ＳｉのＮＦ_３ガスによるセルフクリーニングも、製膜と
同様大面積・高速化が要求されている。

【００１０】そしてこれら要求を満たす新しいプラズマ
生成方法として、高周波電源の高高周波化（３０〜８０
０ＭＨｚ）がある。該高高周波化により製膜速度の高速
化と高品質化が両立されることが、例えば文献Ｍａｔ．
Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４２
４，ｐｐ．９，１９９７に記されている。特に、ａ−Ｓ
ｉに代る新しい薄膜として注目されている微結晶Ｓｉ薄
膜の高速高品質製膜に、この高高周波が適していること
が最近分かってきている。

【００１１】ところがこの高高周波による製膜は、均一
大面積製膜が難しいという欠点がある。これは、高高周
波の波長が電極サイズと同程度のオーダー以下であるこ
とから、電極両端から高高周波を互いに向かい合う方向
に供給することによる電極上定在波の発生、電極端など
で生じる反射波を主因とする電極上定在波の発生、浮遊
インダクタンスの存在による電圧分布への影響、プラズ
マと高周波との相互干渉、周波数増加に伴うシースキャ
パシタンス増加による定在波長の減少などでプラズマが
不均一となり、結果、製膜が不均一になるためである。
そのため、製膜における膜厚分布が、中央部において大
きく薄くなるという結果が生じる。また、セルフクリー
ニングに用いるＮＦ_３プラズマは、ＮＦ_３ガスが負性ガ
ス（電子を付着しやすい性質）であるため、プラズマ自
体が非常に不安定であると共に、ガス流れ（下流側にプ
ラズマ発生）や電極間隔の相違によって分布が不均一に
なる。

【００１２】このうち、平行平板電極を用いた場合の代
表例として示した図６の構成例においては、電極サイズ
が３０ｃｍ×３０ｃｍを越え、または、周波数が３０Ｍ
Ｈｚを越えると、上記定在波の影響が顕著となり、半導
体製膜上最低限必要な製膜膜厚均一性±１０％の達成が
困難になる。

【００１３】一方、ラダー型電極を用いた場合の代表例
としてあげた図７、図８は、ラダー型電極を用いている
ことに加え、１点給電では顕著に生じてしまう定在波
を、４点に給電することにより低減したことを特徴とす
るものである。しかしながら、この場合でも、電極サイ
ズが３０ｃｍを越え、または、周波数が８０ＭＨｚを越
えると均一な製膜の実現が難しくなってくる。

【００１４】以上のような問題は学会でも注目され、こ
れまでに例えば文献Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍ
ｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．３７７，ｐｐ．２７，１９９５
に記されているように、平行平板の給電側と反対側にロ
スのないリアクタンス（コイル）を接続することが提案
されている。これは、定在波の電極端からの反射条件を
変えることで、定在波の波形の中で分布が比較的平らな
部分、例えば正弦波の極大付近を電極上に発生させて、
電極に生じる電圧分布を少なくするものである。しかし
ながら、この方法は定在波を根本から無くすのではな
く、正弦波のうち平らな部分が電極上に発生するように
するだけであるため、均一部分が得られるのは波長の１
／８程度までであり、それを越える範囲の均一化は原理
的に不可能である。

【００１５】また、大面積で均一なプラズマを発生する
ための電極構造として、特開２０００−３８７８号公
報、特開２０００−５８４６５号公報、特開２０００−
３２３２９７号公報などに示された技術があるが、これ
らは最大８０ｃｍ×８０ｃｍ程度の電極に対応している
だけであり、本発明が目指しているような１．５ｍ×
１．２ｍというような大面積には対応できない。そのた
め、プラズマ化学蒸着装置において高高周波を用いてプ
ラズマを発生させる場合、従来の技術では、１ｍ×１ｍ
を越えるような非常に大きな基板を対象として、大面積
で均一なプラズマを発生させ、均一処理を行うことはで
きなかった。

【００１６】なお、本発明の類似技術として、２つの異
なる高周波を２つの放電電極にそれぞれ供給する技術が
あり、例えば、Ｍ．Ｎｏｉｓａｎ，Ｊ．Ｐｅｌｌｅｔｉ
ｅｒ，ｅｄ．，”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｅｘｃｉｔｅｄ
Ｐｌａｓｍａｓ”、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４，ｓｅ
ｃｏｎｄ ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｐｐ．４０１，Ｅｌ
ｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂ．Ｖ．１９９９に詳
述されている。

【００１７】しかし、この技術の目的は、１つの高周波
をプラズマ生成のために、他方の高周波を絶縁性基板の
表面バイアス電圧制御のために用い、基板への活性イオ
ン等の流入量、および入射エネルギーを制御することで
あり、本発明のように１ｍ×１ｍを越えるような非常に
大きな基板を対象として大面積において均一なプラズマ
を発生させ、均一処理を行う目的とは全く異なるもので
ある。

【００１８】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、高高周波（ＶＨＦ）を利用するプラ
ズマ化学蒸着装置において、定在波、シースキャパシタ
ンス、セルフクリーニング用ＮＦ_３ガス流れの不均一な
どで生じるプラズマ発生状況の不均一を防止し、大面積
でプラズマ発生状況が均一となるようなプラズマ化学蒸
着装置における放電電極の構造を提供することが課題で
ある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明においては、ラダー型放電電極において電極軸方
向に対して垂直方向にクロスバーを挿入し、定在波の形
を変えてプラズマを均一化させる、電極の径を小さくし
てシースキャパシタンスを減少させて定在波波長を増加
させ、放電電極における電圧分布を均一化する、放電電
極を左右方向に分割し、電極左右方向の電力バランスを
図る等の方法でプラズマの発生状況が大面積で均一とな
るようにした。

【００２０】そのため本発明においては、請求項１に記
載したように、プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ
発生用のラダー型放電電極の構造であって、前記ラダー
型放電電極の軸方向に対して垂直方向へクロスバーを付
加し、定在波形状を変化させて発生するプラズマを均一
化させたことを特徴とする。

【００２１】このようにすることにより、定在波の形状
が変化してプラズマ領域が拡大され、発生するプラズマ
が均一化される。

【００２２】そして請求項２に記載した発明は、プラズ
マ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用のラダー型放電
電極の構造であって、前記ラダー型放電電極軸方向に対
して垂直方向へクロスバーを付加し、かつ、定在波波長
を増加させる範囲で前記ラダー型放電電極径を小さく
し、発生するプラズマを均一化することを特徴とする。

【００２３】このように放電電極径を小さくすること
で、電極の周りに発生するシースキャパシタンスを減少
させることができ、定在波波長が増加してプラズマ領域
が拡大され、発生するプラズマが均一化される。

【００２４】そしてこのクロスバーは、請求項３に記載
したように、ラダー型放電電極の軸方向中点を中心に対
称位置に対で設けることで、放電電極両端に設けた給電
部から同一距離とし、効果を大きくすると共に、電極径
を小さくした場合の機械的強度の補強の役割を持たせる
ことができる。

【００２５】そしてこの放電電極は、請求項４に記載し
たように、プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生
用放電電極の構造であって、前記放電電極を軸方向に対
して垂直方向に複数に分割し、放電電極左右方向の電力
バランスを図ってプラズマ密度の偏重を低減するように
したことを特徴とする。

【００２６】このように放電電極を軸方向に対して垂直
方向に複数に分割することにより、ＮＦ_３ガスのように
放電が不安定なガスが片側に偏って流れた際に生じる放
電の集中によるプラズマの集中を押さえ、放電電極全面
にわたって均一な放電を得ることができる。

【００２７】そして分割した放電電極の給電部は、各分
割単位で安定して放電がおこなわれるよう請求項５に記
載のように、前記分割した放電電極毎に給電部を設ける
ことが好ましい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の
形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、そ
の相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの
発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる
説明例に過ぎない。

【００２９】図１は、本発明になる放電電極構造を有し
たプラズマ化学蒸着装置の一実施例概略ブロック図、図
２は本発明になる放電電極構造の実施例を示した概略
図、図３は本発明になる放電電極構造の一実施例を説明
するための図、図４は放電電極の給電部に、同一周波数
の高周波と異なった周波数の高周波を０：１から９：１
までの１０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況
の説明図、図５は給電部へ同一周波数を給電する際、一
方の高周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図
である。

【００３０】図１において、１は内部が気密に作られた
プラズマ化学蒸着装置、２は放電電極、３、４は放電電
極２へ高周波を給電するための第１と第２の給電部、５
は不要なプラズマが生成しないように設けたアースシー
ルド、６は放電電極２から例えば２０〜３４ｍｍ程度離
して設置し、基板７を保持、加熱するための図示してい
ない機構と加熱するためのヒータを内蔵している加熱支
持手段、８は図示しないガス供給源に連通し、例えば製
膜のためのシラン（ＳｉＨ_４）ガスやセルフクリーニン
グのためのＮＦ_３ガスなどの反応ガス９を導入するため
のガス導入管、１０は排気管、１１はプラズマ化学蒸着
装置１内の内圧を１×１０^−６Ｔｏｒｒ程度まで真空排
気可能な真空ポンプ、１２、１３は第１と第２の高周波
電源Ａ、Ｂを構成するＲＦアンプ、１４は例えば６０Ｍ
Ｈｚの高周波（ＲＦ）を発振して高周波電源（ＲＦアン
プ）Ａと切り替えスイッチ１６に送ると共に、どちらか
の高周波を位相変調することができるフェーズシフター
を有した第１の高周波（ＲＦ）発振器、１５は例えば５
８．５ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を発振すると共に、この
周波数を例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あ
るいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動
可能に構成したした第２の高周波（ＲＦ）発振器、１６
は第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波を
受け、これを切り替えて高周波電源Ｂ１３に供給する切
り替えスイッチ、１７は、切り替えスイッチ１６による
第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波の切
り替えに際し、これらの高周波の時間割合、すなわちデ
ューティ比を変化させるファンクションジェネレータで
ある。図２において２０、２１、２３、２４、２５、２
６、２８、２９はラダー型電極２に付加したクロスバ
ー、図３における３０はラダー型放電電極の１つの電極
を示したもの、３１、３２は高周波を放電電極３０に給
電する給電用ケーブル、３３はＤＣバイアス電源であ
る。

【００３１】このうち第１の高周波発振器１４は、例え
ば６０ＭＨｚの高周波を発振してこれを高周波電源Ａ１
２、切り替えスイッチ１６に送り、第２の高周波発振器
１５は例えば５８．５ＭＨｚの高周波を発振して切り替
えスイッチ１６に送る。そしてこの切り替えスイッチ１
６は、第１の高周波発振器１４から送られてきた６０Ｍ
Ｈｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．
５ＭＨｚの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電
源Ｂ１３に送る。そのため高周波電源Ａ１２は、６０Ｍ
Ｈｚの高周波を第１の給電部３に給電し、高周波電源Ｂ
１３は、一定サイクルで切り替わる６０ＭＨｚと５８．
５ＭＨｚの高周波を第２の給電部４に給電する。

【００３２】そして、この切り替えスイッチ１６による
第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと
第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨ
ｚの高周波の切り替えは、ガス圧やガス種などのガス条
件に応じたファンクションジェネレータ１７からの信号
で、その時間割合、すなわちデューティ比を変化できる
ようになっている。また第１の高周波発振器１４は、内
部にフェーズシフターを有し、高周波電源Ａ１２、また
は切り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他
方に送る高周波とは位相をずらせられるようにしてあ
り、更に第２の高周波発振器１５は、その発振周波数を
例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６
０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動可能に構
成してある。

【００３３】一方このプラズマ化学蒸着装置１の放電電
極２は、図２（Ａ）に示したように例えばラダー型に構
成され、第１の給電部３、第２の給電部４は、図のよう
に放電電極２の両端部に黒丸で示した例えば８ポイント
ずつで構成する。なお、この給電部３、４は８ポイント
のみに限らず、４ポイント、１６ポイントなど、必要に
応じてポイント数を設定できる。

【００３４】そして図２（Ｂ）は、本発明における放電
電極構造の第１の実施例を示したもので、このラダー型
放電電極２の軸方向中心に対して対称な位置にクロスバ
ー２０、２１を付加したものである。このようにクロス
バー２０、２１を付加することにより、定在波の形状が
変化してプラズマ領域が拡大して発生するプラズマが均
一化される。なお、この図２（Ｂ）においてはクロスバ
ーを２本として示したが、この本数は２本だけに限るこ
となく任意の本数とすることができる。

【００３５】また図２（Ｃ）は、本発明における放電電
極構造の第２の実施例を示したもので、放電電極２を左
右にｎ個に分割し、それぞれに給電部３_１、３_２、……
３_ｎ、４_１、４_２、……４_ｎを設けたものである。こそ
してこの図に示したように、各分割単位毎にクロスバー
２３、２４、２５、２６、２８、２９を設けても良い。
このように放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に
分割することにより、放電電極左右方向の電力バランス
が図られ、ＮＦ_３ガスのように放電が不安定なガスが片
側に偏って流れた場合、プラズマがその部分に集中して
電力を消費し、他の部分のプラズマが少なくなってしま
うのを防止し、放電電極全面にわたって均一な放電を得
ることができる。また、クロスバーを付加することによ
り、定在波の形状が変化してプラズマ領域が拡大して発
生するプラズマが均一化されるので、分割したことと相
まって、より均一なプラズマを得ることができる。な
お、この図２（Ｃ）においては本発明をラダー型電極の
場合を例に説明したが、電極は平板型でも良く、この場
合はクロスバーは付加しない。また、分割数も８分割だ
けに限られるものではなく、任意の数に分割可能であ
る。

【００３６】さらに図３は、本発明における放電電極構
造の第３の実施例を説明するための図であり、放電電極
３０の給電部３、または４へ高周波を給電する給電用ケ
ーブル２１、２２は、出口の軸方向をラダー型電極３０
の第１と第２の給電部３、４を結ぶ方向（軸方向）と一
致させて接続し、またこの放電電極３０には、ＤＣバイ
アス電源２３からＤＣバイアスを印加してある。そして
本発明においては、ラダー型電極３０の径を例えば６ｍ
ｍ程度に小さくし、シースキャパシタンスを減少させて
定在波波長を増加させ、プラズマ領域を拡大して発生す
るプラズマを均一化するようにした。シースキャパシタ
ンスというのは、プラズマが生成される過程でラダー型
電極３０の周りにシースと呼ばれる電子の集まりがで
き、この電子の集まりで一種の絶縁を保ったような状態
が生じて直流的な電流が流れず、あたかもコンデンサが
電極の周りにあるような状態になることをいう。そし
て、このシースキャパシタンスが大きくなると定在波波
長が小さくなり、プラズマの発生にムラが生じる。

【００３７】この定在波波長は、放電電極２内の高周波
電圧の伝搬速度ｖに比例しており、そしてこの伝搬速度
ｖは下記（１）式で表される。

【数１】 上記（１）式において、Ｌはラダー型電極の機械的幾何
学的形状で発生するインダクタンスで一定である。Ｃは
前記したシースキャパシタンスで、これは下記（２）式
で表される。 Ｃ＝ε×（ｓ／ｄ）…… （２） （ｓ：面積、ｄ：シースキャパシタンスの距離） そのため、ラダー型電極３０の径が小さくなるとこのｄ
が小さくなり、シースキャパシタンスＣが小さくなる。
すると（１）式により、放電電極３０内の高周波電圧の
伝搬速度ｖが大きくなり、それに伴って定在波の波長が
大きくなってプラズマが均一に発生する領域が増大す
る。

【００３８】但し、このようにラダー型電極３０の径を
小さくすると、本発明が目指している１．５ｍ×１．２
ｍのような大面積の場合には機械的な強度が減少する。
そのため本発明においては、前記図２の（Ｂ）、（Ｃ）
のようにクロスバーを併用することで、補強を行ってい
る。

【００３９】また、前記したように放電電極２の給電部
３、または４へ高周波を給電する給電用ケーブル３１、
３２の出口軸方向を放電用ラダー型電極３０の軸方向と
一致させて接続すると、給電パワーがスムーズにラダー
型電極３０に入ってゆき、電流リターン距離が最小化さ
れて給電部での電力ロスが低減し、プラズマ領域の拡大
を図ることができる。なお、この給電用ケーブル３１、
３２は同軸ケーブル、平行平板、平行線など、どのよう
な形状のものでも良い。また、この放電電極２にＤＣバ
イアス電源３３からＤＣバイアスを印加すると放電電極
２のシースキャパシタンスを減少させることができ、電
圧分布が均一化の方向に向かって定在波波長を増加さ
せ、プラズマ密度を平均化させることができる。

【００４０】このように構成した本発明のプラズマ化学
蒸着装置１を用い、ａ−Ｓｉ、微結晶シリコン、多結晶
薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や、こ
れらの製膜によってチェンバ内に堆積したａ−ＳｉのＮ
Ｆ_３ガスによるセルフクリーニングなどを行う場合、例
えば製膜においては、２００℃に設定した加熱支持手段
６に基板７を取り付け、ガス導入管８からシラン（Ｓｉ
Ｈ_４）ガスなどの反応ガス９を例えば流速５０ｓｃｃｍ
で導入し、排気管１０に接続した真空ポンプ１１の排気
速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置１内の圧
力を例えば１００ｍＴｏｒｒに調節する。

【００４１】そして、第１の高周波発振器１４からは例
えば６０ＭＨｚの高周波を、第２の高周波発振器１５か
らは例えば５８．５ＭＨｚの高周波を、それぞれ高周波
電源Ａ１２、切り替えスイッチ１６に送る。そしてこの
切り替えスイッチ１６により、第１の高周波発振器１４
から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５
から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波を一定サイク
ルで切り替え、高周波電源Ｂ１３に送る。すると高周波
電源Ａ１２は、６０ＭＨｚの高周波を第１の給電部３に
給電し、高周波電源Ｂ１３は、一定サイクルで切り替わ
る６０ＭＨｚと５８．５ＭＨｚの高周波を第２の給電部
４に給電する。

【００４２】すると放電電極２と基板７との間にプラズ
マが発生し、ガス導入管８から導入されたシラン（Ｓｉ
Ｈ_４）ガスなどの反応ガス９が分解し、基板７上にａ−
Ｓｉが製膜されてゆく。なお、前記したＮＦ_３ガスによ
るプラズマ化学蒸着装置１内のセルフクリーニングも全
く同様であり、ＮＦ_３ガスがプラズマによって分解して
フッ素ラジカルになり、クリーニングが行われる。

【００４３】そしてこのとき発生したプラズマは、第１
と第２の給電部３、４に同じ６０ＭＨｚの高周波が給電
された時と、第１の給電部３に６０ＭＨｚの高周波、第
２の給電部４に５８．５ＭＨｚという具合に異なる周波
数の高周波が給電された時とでは、図４に示したように
その発生状況が異なる。すなわちこの図４に示したグラ
フは、前記したようにプラズマ化学蒸着装置１にシラン
（ＳｉＨ_４）ガスなどの反応ガス９を導入し、放電電極
２の第１と第２の給電部３、４に同じ周波数（６０ＭＨ
ｚ）の高周波を給電した時間と、異なる周波数の高周波
を給電（第１の給電部３に６０ＭＨｚ、第２の給電部４
に５８．５ＭＨｚを給電）した時間の比を、０：１０か
ら９：１までの１０パターンで変化させ、プラズマの発
生状況を調べたものである。

【００４４】この図４において、横軸は第１の給電部３
（０ｃｍ）からの距離を示し、右端（１１０ｃｍ）が第
２の給電部４に相当する。縦軸はプラズマの電圧相対値
で、この値が高いほどプラズマ密度が高くなる。図中ａ
の線は、給電した周波数が異なる場合の時間を１０と
し、同一周波数を給電した場合の時間を０、すなわち給
電した周波数が異なる場合のみのプラズマ発生状況を示
し、ｂの線は同じく異なる周波数９に対して同じ周波数
が１の場合で、以下同様にｎの線は異なる周波数１に対
して同じ周波数が９の場合である。

【００４５】このグラフからわかるように、第１と第２
の給電部３、４に異なる周波数を給電したａでは、放電
電極２の両端部、すなわち給電部３、４付近で最もプラ
ズマ密度が高く、中央部で最もプラズマ密度が低くなっ
ている。それに対し、第１と第２の給電部３、４に同じ
周波数を給電した割合が最も高いｎでは、放電電極２の
中央部で最もプラズマ密度が高く、中央部から両端の給
電部３、４に近付くに従って低くなり、給電部３、４付
近でまた多少高くなっている。そして、第１と第２の給
電部３、４に異なる周波数を給電する時間と、同一周波
数を給電する時間を５対５の同じとしたｆでは、このａ
とｎのプラズマ発生状況が足し合わされ、放電電極２の
両端部でプラズマ密度が多少高くなっているが、中央部
の広範囲で均一なプラズマ発生状況となっている。

【００４６】すなわちこの図４のグラフは、６０ＭＨｚ
という高高周波において放電電極２の両端の給電部３、
４に同一周波数の高周波を給電した場合は中央部でプラ
ズマ密度が高くなり、異なる周波数の高周波を給電した
場合は中央部の密度が低くなることを示しており、これ
を適宜なサイクルで交互に行うことで、大面積において
プラズマ発生状況を均一化できる。なおこの給電部３、
４に同一周波数と異なる周波数の高周波を交互に給電す
るサイクルは、１Ｈｚから１０ＭＨｚまでほぼ同一の効
果が得られた。

【００４７】そしてこの状態において、さらに第２の高
周波発振器１５の発振周波数を、例えば５８．５ＭＨｚ
から５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６
１．５ＭＨｚのように、同位相のまま時間的に変動させ
てやる。するとこの周波数の変動によってプラズマ発生
状況を意図的に変えることができ、プラズマ密度をさら
に平均化することができる。

【００４８】また、第１の高周波発振器１４に含まれる
フェーズシフターにより、高周波電源Ａ１２、または切
り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他方に
送る高周波に対して位相をずらしてやる。すると、例え
ば図５に５０の実線で示したように、位相がずれていな
い時に放電電極２の中央部でプラズマ密度が低くなる給
電状態においては、位相をずらすことによって、プラズ
マ密度の低い位置を５１、または５２の破線、または一
点鎖線で示したように左右にずらすことができる。その
ため、時間平均で見るとさらに広範囲でプラズマ密度を
均一化できる。

【００４９】また、ガス圧やガス種などのガス条件が変
化した場合は、ファンクションジェネレータ１７から切
り替えスイッチ１６に信号を送り、切り替えスイッチ１
６に送られてくる第１の高周波発振器１４からの高周波
と、第２の高周波発振器１５からの高周波の高周波電源
Ｂ１３へのそれぞれの送出時間比、すなわちデューティ
比（Ｄｕｔｙ比）を図４に示したように変化させる。こ
のようにすることで、放電電極２の第１と第２の給電部
３、４における同一周波数の高周波が給電される時間
と、異なった周波数の高周波が給電される時間の比（デ
ューティ比）が変化し、それによって図４に示したよう
にプラズマの発生状況の比を種々に変化させることがで
きる。

【００５０】これは、ガス圧、ガス種などのガス条件に
よって同じデューティ比でもプラズマの発生状況が異な
ることに対処するためのもので、放電がおきやすいガス
条件の場合、放電電極２の両端部３、４から給電した電
力は放電電極２の中央部に達する前に放電してしまい、
中央部での放電が少なくなる。そのため、図４における
ａのグラフのように放電電極２の中央部でプラズマ発生
密度が低くなるから、この場合は、同一周波数の高周波
を給電する時間を長くし、逆に中央部のプラズマ密度が
高くなったときは同一周波数の高周波を給電する時間を
短くする。これによって、ガス圧、ガス種類などのガス
条件が変化しても、中央部のプラズマ密度がコントロー
ルでき、さらに均一化することが可能となる。

【００５１】なお、以上説明してきた方法で製膜やセル
フクリーニングを実施する際、製膜速度やセルフクリー
ニング速度等の条件を満たす範囲で、均一なプラズマが
発生しやすいＮ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等のガスを適正比
（０．１〜２５％程度）注入してやると、さらに均一な
製膜が実現できる。

【００５２】そしてこのような製膜やクリーニングにお
いて、本発明におけるプラズマ化学蒸着装置における放
電電極は、前記したようにラダー型放電電極軸方向に対
して垂直方向にクロスバーを挿入し、定在波の形を変え
てプラズマを均一化させること、電極径を小さくしてシ
ースキャパシタンスを減少させ、定在波波長を増加させ
て放電電極における電圧分布を均一化すること、放電電
極を左右方向に分割して電極左右方向の電力バランスを
図ることなどにより、定在波、シースキャパシタンス、
セルフクリーニング用ＮＦ_３ガス流れの不均一などで生
じるプラズマ発生状況の不均一などを防止し、さらに大
面積でのプラズマ発生状況を均一とすることができる。

【００５３】

【発明の効果】以上記載の如く本発明によるプラズマ化
学蒸着装置における放電電極構造によれば、定在波、シ
ースキャパシタンス、セルフクリーニング用ＮＦ_３ガス
流れの不均一などで生じるプラズマ発生状況の不均一を
防止し、大面積でプラズマ発生状況を均一とすることが
できる。また、圧力条件、流量条件などのガス条件が変
わった場合でもハードをさわることなく、高速で均一な
製膜、均一なセルフクリーニングをおこなうことが可能
となり、大面積製膜における製膜製品の歩留まりの向
上、コスト低減という大きな成果を得ることができ、さ
らに、ハード調整が少ないため初期調整が容易となって
ランニングコストも低減できるなど、大きな効果をもた
らすものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明になる放電電極の構造を有したプラズ
マ化学蒸着装置の一実施例概略ブロック図である。

【図２】 本発明になる放電電極の構造の実施例を示し
た概略図である。

【図３】 本発明になる放電電極の構造を説明するため
の図である。

【図４】 放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と
異なった周波数の高周波を０：１０から９：１までの１
０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図
である。

【図５】 給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高
周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図であ
る。

【図６】 従来の平行平板型電極を用いたプラズマ化学
蒸着装置の一構成例である。

【図７】 従来のラダー型電極を用いたプラズマ化学蒸
着装置の一構成例である。

【図８】 従来のラダー型電極の構造を説明するための
図である。

【符号の説明】

２ 放電電極 ３ 第１の給電部 ４ 第２の給電部 ２０〜２９ クロスバー

フロントページの続き (72)発明者 真島 浩 長崎市深堀町五丁目717番１号 三菱重工 業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 高塚 汎 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株式 会社長崎造船所内 (72)発明者 山内 康弘 長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工業株式 会社長崎造船所内 Ｆターム(参考） 4G075 AA30 BC01 BC06 BD14 CA47 EB41 EC21 4K030 AA06 BA29 BA30 BA40 BB03 FA03 KA15 KA30 LA15 LA16 5F045 AA08 AB04 AC01 AC02 AE09 CA13 CA15 DP03 DQ10 EB06 EH04 EH06 5F051 AA05 BA12 CA16 CA23 CA40

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ
   発生用のラダー型放電電極の構造であって、 前記ラダー型放電電極の軸方向に対して垂直方向へクロ
   スバーを付加し、定在波形状を変化させて発生するプラ
   ズマを均一化させたことを特徴とするプラズマ化学蒸着
   装置における放電電極構造。
2. 【請求項２】 プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ
   発生用のラダー型放電電極の構造であって、 前記ラダー型放電電極軸方向に対して垂直方向へクロス
   バーを付加し、かつ、定在波波長を増加させる範囲で前
   記ラダー型放電電極径を小さくし、発生するプラズマを
   均一化することを特徴とするプラズマ化学蒸着装置にお
   ける放電電極構造。
3. 【請求項３】 前記クロスバーを、ラダー型放電電極の
   軸方向中点を中心に対称位置に対で設けたことを特徴と
   する請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装
   置における放電電極構造。
4. 【請求項４】 プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ
   発生用放電電極の構造であって、 前記放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割
   し、放電電極左右方向の電力バランスを図ってプラズマ
   密度の偏重を低減するようにしたことを特徴とするプラ
   ズマ化学蒸着装置における放電電極構造。
5. 【請求項５】 前記分割した放電電極毎に給電部を設け
   たことを特徴とする請求項４に記載したプラズマ化学蒸
   着装置における放電電極構造。