JP2004186532A

JP2004186532A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2004186532A
Application number: JP2002353396A
Authority: JP
Inventors: Hideo Takei; 日出夫竹井; Satoshi Ikeda; 智池田; Yoshiyuki Ukishima; 禎之浮島; Susumu Sakio; 進崎尾; Akira Ishibashi; 暁石橋; Hitoshi Ikeda; 均池田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-05
Also published as: JP4087234B2

Abstract

【課題】処理速度が大きく、均一性の高いプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】第一、第二の放電電極７１、７２_１〜７２_４によって形成される放電空間にプラズマ用の第一のガスを放出する第一の導入口６１_１〜６１_４を設け、放電空間と処理対象物８との間の位置に、反応性を有する第二のガスを放出する第二の導入口６２_１〜６２_３を設ける。処理対象物８の表面に、放電空間からプラズマが照射され、第二の導入口６２_１〜６２_３から第二のガスが吹き付けられると、処理対象物８の表面又は表面近傍で化学反応が進行し、酸化、窒化、エッチング又は成膜等のプラズマ処理を高速に行うことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置に関し、特に、真空槽内にプラズマ生成用ガスと反応性ガスとを導入し、処理対象物を処理する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６の符号１００は従来技術のプラズマ処理装置であり、ここでは、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を例にとって説明する。
【０００３】
このプラズマ処理装置１００は、真空槽１１０と、真空槽１１０内に配置された第一、第二の放電電極１０１、１０２を有している。
【０００４】
第一の放電電極１０１は真空槽１１０の天井側に配置されており、第二の放電電極１０２は、第一の放電電極１０１の直下の位置に配置されている。
【０００５】
第一の放電電極１０１は、マッチングボックス１４を介して高周波電源１０５に接続されており、第二の放電電極１０２と真空槽１１０とは、接地電位に接続されている。
【０００６】
また、第一の放電電極１０１はガスソース１０６に接続され、真空槽１１０は真空排気系１０７に接続されており、真空槽１１０内を所定圧力まで真空排気し、第二の放電電極１０２上に処理対象物１０３を配置した状態で、ガスソース１０６から原料ガスとプラズマガスを導入し、第一の放電電極１０１に高周波電圧を印加すると、第一の放電電極１０１と第二の放電電極１０２の間にプラズマが形成され、活性化された原料ガスによって処理対象物１０３表面に薄膜が形成される。
【０００７】
例えば、処理対象物としてガラス基板等の基板を用い、原料ガスとしてシランガスを導入した場合には、２０〜３０Å／秒の堆積速度で、基板表面にａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜を形成することができる。
【０００８】
ところが、上記のような構成のプラズマ処理装置１００で堆積速度を大きくするため、高周波電力量を増加させると、プラズマ中に発生した原料ガス同士の気相反応が優勢となり、膜構造が不均一になる。
【０００９】
また、プラズマ中で生成されるイオンが成長中の薄膜に入射するときの入射エネルギーは、高周波電力量を大きくすると大きくなるため、膜中に欠陥が生じやすくなる。
【００１０】
上記のような理由により、堆積速度向上のため、高周波電力量を増加させることはできない。
【００１１】
一方、シランに代わり、ジシランやトリシランを原料ガスに用いて堆積速度を向上させようとする試みもあるが、これらのガスは危険性が高いため取り扱いが面倒であり、また、高価且つ純度の点でも問題がある。従って、量産装置への使用には不適当である。
【００１２】
また、上記のような平行平板型のプラスマ処理装置１１０は、エッチングにも用いられるが、高周波電力量を大きくしてエッチング速度を向上させようとしたときにも、エッチングの不均一が生じる等の問題がある。
【００１３】
なお、本発明装置と同じ第一、第二の放電電極を用いた装置は、特開２０００−３１１２１号公報に記載がある。
【特許文献１】特開２０００−３１１２１号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の技術の課題を解決するために創作されたもので、その目的は、処理速度が大きく、均一性の高いプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、真空槽と、前記真空槽内で互いに対向して配置され、放電空間を形成する第一、第二の放電電極と、前記放電空間内に第一のガスを導入する第一の導入口と、前記放電空間内で生成された前記第一のガスのプラズマを、前記真空槽内で処理対象物が配置された位置に向けて放出する放出口とを有するプラズマ処理装置であって、前記真空槽内には、前記放電空間とは異なる位置であって、前記放電空間と前記処理対象物が配置される位置の間の位置に、第二のガスを導入する第二の導入口が配置されたプラズマ処理装置である。
請求項２記載の発明は、前記第二の放電電極は、第一の放電電極によって取り囲まれ、前記第一、第二の導入口は、前記第一の放電電極に設けられた請求項１記載のプラズマ処理装置である。
請求項３記載の発明は、前記処理対象物が配置される位置と前記放出口との間の位置には、前記第一のガスのプラズマが通行可能な網状の安定化電極が設けられた請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のプラズマ処理装置である。
請求項４記載の発明は、前記第二の導入口は、前記安定化電極と前記処理対象物が配置される位置との間の位置に配置された請求項３記載のプラズマ処理装置である。
【００１６】
本発明は上記のように構成されており、第一のガスに希ガス等の反応性の低いガスを用い、第二のガスに、酸素や窒素等の反応性ガスの他、シランなどの薄膜原料ガスを用い、第一のガスのプラズマを生成し、第二のガスを、第一のガスのプラズマによって活性化させ、処理対象物表面を酸化処理、窒化処理、エッチング処理、又は薄膜形成等のプラズマ処理を行うことが出来る。
【００１７】
第二のガスは放電空間内に導入されるのではなく、処理対象物に向けて放出されるから、処理対象物の表面又は表面近傍で化学反応が進行し、効率の良いプラズマ処理を行うことが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下で、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１を参照し、符号３は、本発明の第一例のプラズマプラズマ処理装置であり、真空槽５１を有している。
【００１９】
真空槽５１は、容器３１と、高周波電極７３を有している。
容器３１は、容器３１の底面を下方に向けて水平に配置されており、その開口には、板状の第一の放電電極７１が取り付けられている。
【００２０】
図３は、第一の放電電極７１を、容器３１の底面側から見た平面図である。この図３に示すように、第一の放電電極７１には貫通孔７７が複数個形成されており、各貫通孔７７には、棒状の第二の放電電極７２が鉛直に挿入されている。図１では符号７７_１〜７７_４の四個の貫通孔と、それら各貫通孔７７_１〜７７_４に挿入された四個の第二の放電電極７２_１〜７２_４が示されている。
【００２１】
図５は、一個の第二の放電電極７２の付近を拡大した図面である。
複数の第二の放電電極７２_１〜７２_４の下端部は、貫通孔７７_１〜７７_４の下端部よりもそれぞれ上方に位置しており、即ち、各第二の放電電極７２_１〜７２_４の下端部は貫通孔７７_１〜７７_４の内部に位置している。
【００２２】
各第二の放電電極７２_１〜７２_４の上部は、第一の放電電極７１よりも上方に突き出されており、その上端部分は、貫通孔７７_１〜７７_４よりも大径のフランジ状に成形されている。符号７８_１〜７８_４はそのフランジ部分を示している。フランジ部分７８_１〜７８_４は、絶縁物によって電気的に絶縁された状態で第一の放電電極７１の上部表面に取り付けられている。
【００２３】
容器３１の外部には、第一、第二の高周波電源１４、１５が配置されており、各第二の放電電極７２_１〜７２_４はマッチングボックス１２を介して第一の高周波電源１４に接続されている。
【００２４】
高周波電極７３は板状であり、容器３１の底壁に絶縁物を介して取り付けられている。その絶縁物により、高周波電極７３は、容器３１とは絶縁されると共に、マッチングボックス１３を介して第二の高周波電源１５に接続されている。
【００２５】
容器３１と第一の放電電極７１とは電気的に接続されており、容器３１と第一の放電電極７１を所望の電位（ここでは接地電位）に置いた状態で、第一、第二の高周波電源１４、１５を起動すると、第一の放電電極７１と高周波電極７３に、それぞれ独立して高周波電圧を印加できるように構成されている。
【００２６】
容器３１と第一の放電電極７１の間や、高周波電極７３と容器３１の間等は、オーリングや絶縁物によって気密にされており、容器３１と第一、第二の放電電極７１、７２と、高周波電極７３とで囲まれた真空槽５１の内部空間は、外部雰囲気から遮断されている。従って、容器３１に接続された真空排気系３５を起動すると真空槽５１の内部は真空雰囲気にできる。
【００２７】
符号８は、板状の基板であり、本プラズマ処理装置３によって処理を行う処理対象物である。容器３１内部の真空雰囲気を維持しながら、この処理対象物８を高周波電極７３の第一の放電電極７１と相対する表面に載置し、クランプ６４によって処理対象物８の表面を押さえ、裏面を高周波電極７３の表面に密着させる。
【００２８】
各貫通孔７７_１〜７７_４の内周面には、一又は二以上の第一の導入口６１_１〜６１_４がそれぞれ設けられており、また、第一の放電電極７１の高周波電極７３と相対する表面には、複数個（ここでは三個）の第二の導入口６２_１〜６２_３が設けられている。図３の符号６２も第二の導入口を示しており、ここでは少なくとも各貫通孔７７の間の位置に、一又は二個以上が配置されている。
【００２９】
第一の導入口６１_１〜６１_４と、第二の導入口６２_１〜６２_３とは、異なるガスボンベに接続されており、異なるガスを導入できるように構成されている。
【００３０】
真空槽５１の内部が所定圧力の真空雰囲気になった後、第一の放電電極７１と第二の放電電極７２_１〜７２_４の間に第一の導入口６１_１〜６１_４から第一のガスを導入し、第一、第二の放電電極７１、７２_１〜７２_４の間に高周波電圧を印加すると、各貫通孔７７_１〜７７_４の内部であって、第一、第二の放電電極７１、７２_１〜７２_４が相対向する部分の空間が放電空間となり、その部分に放電が生じる。
【００３１】
第一の放電電極７１には、磁石１７が埋設されている。この磁石１７は、放電空間を取り囲むように配置されており、放電の際に第一又は第二の放電電極７１、７２_１〜７２_４から放出された電子の軌道が磁石１７によって曲げられ、第一のガスの分子に衝突し、放電空間内で第一のガスのプラズマが生成される。第一のガスはプラズマ生成用であり、反応性を有さないことが望ましいから、アルゴンガス等の希ガスが適当である。
【００３２】
各貫通孔７７_１〜７７_４の内周面は処理対象物８に対して垂直になっており、各貫通孔７７_１〜７７_４の下端部の開口は、処理対象物８に対して面する位置（ここでは処理対象物８の鉛直上方の位置）に存している。
【００３３】
放電空間内のプラズマから第一のガスのイオンやラジカルが生成され、各貫通孔７７_１〜７７_４の開口が放出口となり、第一のガスのイオンやラジカルが容器３１の内部空間向けて放出される。
【００３４】
このとき、第二のガス導入口６２から、薄膜の原料ガスである第二のガスが導入されており、第二のガスが、第一のガスのイオンやラジカルによって化学反応（第二のガスの分解反応や重合反応等）を起こし、処理対象物８の表面に薄膜が形成される。第二のガスは、第二の導入口６２_１〜６２_３から導入され、処理対象物８に吹き付けられているので、化学反応は処理対象物８の表面及び表面近傍で効率よく進行する。
【００３５】
第二の放電電極７２と高周波電極７３の内部には、冷却媒体の循環路１８、１９が設けられており、成膜処理の際に、第二の放電電極７２や高周波電極７３が高温にならないようにされている。
【００３６】
また、高周波電極７３の内部には冷却ガスの放出路１０が設けられており、高周波電極７３と処理対象物８の間に冷却ガスを供給し、処理対象物８を一定温度に維持するように構成されている。
【００３７】
なお、上記第二の導入口６２_１〜６２_３は、第一の放電電極７１に設けられていたが、他の部分に設けることができる。
【００３８】
また、第一及び第二の放電電極７１、７２_１〜７２_４と高周波電極７３との間の位置には、網状の安定化電極を設けることが出来る。
【００３９】
図２の符号４は、その安定化電極５を有する本発明の第二例のプラズマ処理装置を示しており、上記図１のプラズマ処理装置３と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
【００４０】
この安定化電極５は、第一及び第二の放電電極７１、７２_１〜７２_４と高周波電極７３との間であって、第一及び第二の放電電極７１、７２_１〜７２_４の近傍位置に置されておいる。
【００４１】
安定化電極５は、第一の放電電極７１に電気的に接続されており、それにより、第二の放電電極７２_１〜７２_４に印加される高周波電圧が干渉しないようになっている。
【００４２】
符号６３_１〜６３_５は、このプラズマ処理装置４の第二の導入口を示しており、各第二の導入口６３_１〜６３_５は安定化電極５と高周波電極７３の間に位置し、安定化電極５に影響されずに、第二のガスを処理対象物８に向けて放出できるように構成されている。
【００４３】
放電空間内で生成された第一のガスのプラズマは、安定化電極５の網目部分を通って処理対象物８表面に到達すると、図１のプラズマ処理装置３の場合と同様に、表面及びその近傍で、第二のガスの化学反応が進行する。
【００４４】
上記各実施例のプラズマ処理装置３、４では、複数の第二の放電電極７２に投入する電力は同量であったが、処理対象物８の中心付近の上に位置するものと、外周付近の上に位置するものとの間で異ならせ、処理対象物８の処理の面内分布を均一にすることができる。例えば、成膜処理やエッチング処理の場合、中心付近の電力は少なくすると、面内分布が均一になる。
【００４５】
また、上記各実施例のプラズマ処理装置３、４では、処理対象物を配置する高周波電極７３を鉛直下方、第一、第二の放電電極７１、７２を鉛直上方に配置したが、それを逆転させ、高周波電極７３を鉛直上方、第一、第二の放電電極７１、７２を鉛直下方に配置してもよい。この場合、処理対象物８が落下しないようにする必要がある。
【００４６】
また、図３では、複数の貫通孔７７及びそれに挿通された第二の放電電極７２は行列状に配置されていたが、図４に示すように千鳥状に配置してもよい。
【００４７】
【実施例】
第二例のプラズマ処理装置４において、第一のガスとしてアルゴンガス、第二のガスとしてＳｉＨ_４ガスを用い、１３００ｍｍ×１１５０ｍｍ×０．７ｍｍのガラス基板の表面に、アモルファスシリコン膜を形成した。第二のガスは、安定化電極５と処理対象物８の間に導入した。第一、第二のガスの導入量は５０ｓｃｃｍである。
【００４８】
第一の放電電極７１は接地させ、各第二の放電電極７２に０．５Ｗ／ｃｍ^２の電力密度で８０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの高周波電圧を印加した。高周波電極７３は接地電位に接続した。
【００４９】
成膜中の圧力は１ｍＴｏｒｒ、処理対象物８の温度は１００℃に維持した。
【００５０】
１分間の放電により、３８００Åの水素化アモルファスシリコン膜が得られた。面内の膜厚分布は±３％であった。
【００５１】
【実施例】
第一例のプラズマ処理装置３において、第一のガスとしてアルゴンガス、第二のガスとしてＨＩガス（ヨウ化水素ガス）を用い、１３００ｍｍ×１１５０ｍｍ×０．７ｍｍのガラス基板の表面に形成されたＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜をエッチングした。第一、第二のガスの導入量は５０ｓｃｃｍである。
【００５２】
第一の放電電極７１は接地させ、各第二の放電電極７２に０．８Ｗ／ｃｍ^２の電力密度で８０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの高周波電圧を印加した。高周波電極７３にも０．８Ｗ／ｃｍ^２の電力密度で１３．５６ＭＨｚ高周波電圧を印加した。
【００５３】
エッチング中の圧力は１５ｍＴｏｒｒ、処理対象物８の温度は８０℃に維持した。その結果、４５００Å／分のエッチング速度が得られた。面内のエッチング量の分布は±５％であった。
【００５４】
【実施例】
第一のガスとしてアルゴンガスを用い、第二のガスとして酸素ガスを用い、シリコン基板表面を酸化し、ＳｉＯ_ｘ薄膜を形成した。第一のガスの導入量は５０ｓｃｃｍ、第二のガスの導入量は１００ｓｃｃｍである。成膜中の圧力は１×１０^−４Ｐａであり、基板温度は４００℃にした。４００ÅのＳｉＯ_ｘ薄膜が形成された。
【００５５】
【実施例】
第一例のプラズマ処理装置３において、第一のガスとしてアルゴンガス、第二のガスとして酸素ガスを用い、アルミニウム基板表面を酸化し、ＡｌＯ_ｘ薄膜を形成した。第一のガスの導入量は５０ｓｃｃｍ、第二のガスの導入量は１００ｓｃｃｍである。成膜中の圧力は１×１０^−４Ｐａ、基板温度は２００℃にした。２５０ÅのＡｌＯ_ｘ薄膜が形成された。
【００５６】
【実施例】
第一例のプラズマ処理装置３において、第一のガスとしてアルゴンガス、第二のガスとして窒素ガスを用い、シリコン基板表面を窒化し、ＳｉＮ_ｘ薄膜を形成した。第一のガスの導入量は５０ｓｃｃｍ、第二のガスの導入量は１００ｓｃｃｍである。成膜中の圧力は１×１０^−４Ｐａ、基板温度は５００℃にした。２００ÅのＳｉＮ_ｘ薄膜が形成された。
【００５７】
【発明の効果】
処理対象物が大面積になっても、放電空間を増設することで均一なプラズマ処理を行うことができる。
そのプラズマ処理は、反応性を有する第二のガスを処理対象物の表面に向けて吹き付けるから、基板表面又はその表面近傍で反応が進行し、プラズマ処理を高速化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一例のプラズマプラズマ処理装置を説明するための図
【図２】本発明の第二例のプラズマプラズマ処理装置を説明するための図
【図３】第二の放電電極の配置例（１）
【図４】第二の放電電極の配置例（２）
【図５】第二の放電電極とその付近の拡大図
【図６】従来技術のプラズマプラズマ処理装置を説明するための図
【符号の説明】
３、４……プラズマ処理装置
５……安定化電極
５１……真空槽
６１（６１_１〜６１_４）……第一の導入口
６２（６２_１〜６２_３）、６３_１〜６３_５……第二の導入口
７１……第一の放電電極
７２（７２_１〜７２_４）……第二の放電電極
７３……高周波電極

Claims

真空槽と、
前記真空槽内で互いに対向して配置され、放電空間を形成する第一、第二の放電電極と、
前記放電空間内に第一のガスを導入する第一の導入口と、
前記放電空間内で生成された前記第一のガスのプラズマを、前記真空槽内で処理対象物が配置された位置に向けて放出する放出口とを有するプラズマ処理装置であって、
前記真空槽内には、前記放電空間とは異なる位置であって、前記放電空間と前記処理対象物が配置される位置の間の位置に、第二のガスを導入する第二の導入口が配置されたプラズマ処理装置。
前記第二の放電電極は、第一の放電電極によって取り囲まれ、前記第一、第二の導入口は、前記第一の放電電極に設けられた請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記処理対象物が配置される位置と前記放出口との間の位置には、前記第一のガスのプラズマが通行可能な網状の安定化電極が設けられた請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
前記第二の導入口は、前記安定化電極と前記処理対象物が配置される位置との間の位置に配置された請求項３記載のプラズマ処理装置。