JP2006041250A - プラズマ処理装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 プラズマ中のイオンを被処理基体全面に短時間で均一に注入する。
【解決手段】 被処理基体２を反応容器１内でプラズマにより処理する際、反応容器内のガス圧力を増加する、プラズマ発生部と被処理基体との距離を離す、被処理基体を一時的に反応室外へ置く、プラズマ発生部と被処理基体との間にシャッタを配置する等により、プラズマ発生開始時の所定時間プラズマ中のイオンの被処理基体への入射を実質的に遮断する。
【選択図】図１
【解決手段】 被処理基体２を反応容器１内でプラズマにより処理する際、反応容器内のガス圧力を増加する、プラズマ発生部と被処理基体との距離を離す、被処理基体を一時的に反応室外へ置く、プラズマ発生部と被処理基体との間にシャッタを配置する等により、プラズマ発生開始時の所定時間プラズマ中のイオンの被処理基体への入射を実質的に遮断する。
【選択図】図１
Description
本発明は、プラズマ中のイオンを被処理面全面に短時間で均一に注入するプラズマ処理装置および方法に関する。このような装置および方法は、ＵＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等の微細パターンを有するデバイスの製造に用いて好適なものである。
近年、半導体装置の高集積化に伴い、シリコン酸窒化膜を、厚さ３ｎｍ以下のゲート絶縁膜に応用しつつある。シリコン酸窒化膜は、シリコン酸化膜中に窒素を導入して製造するものである。シリコン酸窒化膜は、高比誘電率であり、リーク電流抑制効果やゲート電極からのボロン拡散防止効果を有し、その優れた特性により注目されている。
シリコン酸化膜を窒化処理する方法に、熱処理、リモートプラズマ処理およびマイクロ波プラズマ処理等が検討されている。
シリコン酸化膜を窒化処理する方法に、熱処理、リモートプラズマ処理およびマイクロ波プラズマ処理等が検討されている。
第１の熱処理によるシリコン酸窒化膜製法としては、例えば、一酸化窒素ガス雰囲気中で、数時間、ウエハを加熱するといった方法が提案されている（非特許文献１）。この方式は、シリコン酸化膜を熱窒化するものである。
しかし、この熱窒化には８００から１０００℃という高温が必要であるため、窒素はシリコン酸化膜中を容易に移動し、シリコン酸化膜とシリコンの界面に到達する。シリコン酸化膜とシリコンでは拡散のしやすさが異なるため、窒素は、シリコン酸化膜とシリコンの界面に蓄積する。よって、熱窒化によるシリコン酸化膜中の深さ方向窒素濃度分布は、表面に窒素が局在せず、シリコンとシリコン酸化膜の界面の窒素濃度が高くなる。シリコン酸化膜とシリコンの界面の窒素濃度が高いので、素子特性が悪い。また、８００から１０００℃という高温でウエハを処理するため、窒素以外の物質も一緒に拡散させ、更に素子特性を悪化させやすい。また、処理時間が非常に長いといった問題がある。
しかし、この熱窒化には８００から１０００℃という高温が必要であるため、窒素はシリコン酸化膜中を容易に移動し、シリコン酸化膜とシリコンの界面に到達する。シリコン酸化膜とシリコンでは拡散のしやすさが異なるため、窒素は、シリコン酸化膜とシリコンの界面に蓄積する。よって、熱窒化によるシリコン酸化膜中の深さ方向窒素濃度分布は、表面に窒素が局在せず、シリコンとシリコン酸化膜の界面の窒素濃度が高くなる。シリコン酸化膜とシリコンの界面の窒素濃度が高いので、素子特性が悪い。また、８００から１０００℃という高温でウエハを処理するため、窒素以外の物質も一緒に拡散させ、更に素子特性を悪化させやすい。また、処理時間が非常に長いといった問題がある。
第２のリモートプラズマ処理によるシリコン酸窒化膜製法としては、窒素プラズマのうち窒素イオンを十分減らし窒素活性種のみをウエハに輸送し、シリコン酸化膜を窒化するといった方法が提案されている（非特許文献２）。この方式は、反応性の高い窒素活性種を利用することにより、比較的低い４００℃程度で、シリコン酸化膜を窒化できる。反応容器を高圧に保ったり、プラズマ発生部とウエハを大きく離したりし、プラズマ中の窒素イオンを減じ窒素活性種のみを利用している。リモートプラズマ処理によるシリコン酸化膜中の深さ方向窒素濃度分布は、表面ほど大きく、シリコンとシリコン酸化膜の界面で小さくすることができる。
しかし、リモートプラズマ処理においては、プラズマ中の窒素イオンと一緒に必要な窒素活性種も減るため、十分な窒素活性種を得られず、処理時間が非常に長い。また、シリコン酸化膜中の深さ方向窒素濃度分布は、深さに伴い急減するので、窒素面密度を高めることが難しいなどの問題がある。
しかし、リモートプラズマ処理においては、プラズマ中の窒素イオンと一緒に必要な窒素活性種も減るため、十分な窒素活性種を得られず、処理時間が非常に長い。また、シリコン酸化膜中の深さ方向窒素濃度分布は、深さに伴い急減するので、窒素面密度を高めることが難しいなどの問題がある。
また、第３のマイクロ波プラズマによるシリコン酸窒化膜製法としては、シリコン酸化膜へ窒素イオンを５ｅＶ以下の低入射エネルギーで注入し、シリコン酸化膜を窒化するといった方法が提案されている。
マイクロ波プラズマによるシリコン酸窒化膜製法では、上述した２つの方式と比較し、マイクロ波プラズマが、数ｅＶと低い電子温度であるので、イオン入射エネルギーを５ｅＶ以下にすることができ、シリコン酸化膜の極表層２ｎｍにほぼ窒素を局在化させ、シリコン酸化膜とシリコンの界面にほとんど窒素がない状態にすることができる。また、イオンを主体とした高密度プラズマでウエハを処理するので、処理時間を短くできるといった利点がある。
しかしながら、このようなプラズマの処理方法には、局所的に発生したプラズマが誘電体窓全面に広がるまでの僅かな時間に、当該プラズマ中のイオンがシリコン酸化膜を局所的に窒化してしまい、シリコン酸化膜の窒化均一性を悪化させるという問題があった。また、高密度プラズマでシリコン酸化膜を窒化処理するので、所望窒素濃度のシリコン酸窒化膜を製造するに必要な時間が、この僅かな時間を無視できない程、短いという問題があった。
第６２回応用物理学会学術講演会講演予稿集 Ｎｏ２ Ｐ６３０ 第６２回応用物理学会学術講演会講演予稿集 Ｎｏ２ Ｐ６３１ 特登録２９２５５３５号公報
マイクロ波プラズマによるシリコン酸窒化膜製法では、上述した２つの方式と比較し、マイクロ波プラズマが、数ｅＶと低い電子温度であるので、イオン入射エネルギーを５ｅＶ以下にすることができ、シリコン酸化膜の極表層２ｎｍにほぼ窒素を局在化させ、シリコン酸化膜とシリコンの界面にほとんど窒素がない状態にすることができる。また、イオンを主体とした高密度プラズマでウエハを処理するので、処理時間を短くできるといった利点がある。
しかしながら、このようなプラズマの処理方法には、局所的に発生したプラズマが誘電体窓全面に広がるまでの僅かな時間に、当該プラズマ中のイオンがシリコン酸化膜を局所的に窒化してしまい、シリコン酸化膜の窒化均一性を悪化させるという問題があった。また、高密度プラズマでシリコン酸化膜を窒化処理するので、所望窒素濃度のシリコン酸窒化膜を製造するに必要な時間が、この僅かな時間を無視できない程、短いという問題があった。
第６２回応用物理学会学術講演会講演予稿集 Ｎｏ２ Ｐ６３０ 第６２回応用物理学会学術講演会講演予稿集 Ｎｏ２ Ｐ６３１
本発明は、これら従来技術の問題点に鑑みなされたもので、プラズマ中のイオンを被処理基体全面に短時間で均一に注入することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明では、被処理基体を反応容器内でプラズマにより処理する際、プラズマ発生開始時の所定時間プラズマ中のイオンの被処理基体への入射を実質的に遮断することを特徴とする。
ここで、所定時間とはプラズマの発生を開始してプラズマの分布が被処理基体の窒化均一性を損ねない程度に安定するまでの時間であり、実測により求めることができるが、例えば１秒〜５秒である。また、実質的に遮断するとはイオンフラックスを本処理時の略１／１０以下にすることである。
ここで、所定時間とはプラズマの発生を開始してプラズマの分布が被処理基体の窒化均一性を損ねない程度に安定するまでの時間であり、実測により求めることができるが、例えば１秒〜５秒である。また、実質的に遮断するとはイオンフラックスを本処理時の略１／１０以下にすることである。
前記遮断手段としては、例えば、イオンを実質的に遮断する際、前記反応容器内のガス圧力を増加する圧力制御手段、プラズマ発生部と前記被処理基体との間に配置されるシャッタ手段、イオンが照射されない位置に前記被処理基体を退避させるステージ手段、および被処理基体を移動してプラズマ発生部から引き離すステージ手段のいずれかを用いることができる。
圧力制御手段は、イオン遮断時、前記反応容器内のガス圧力を通常処理時の５倍以上かつ１００Ｐａ以上とするとよい。
圧力制御手段は、イオン遮断時、前記反応容器内のガス圧力を通常処理時の５倍以上かつ１００Ｐａ以上とするとよい。
前記プラズマはマイクロ波プラズマであることが好ましい。特に、発生部プラズマ密度が略１０１１/ｃｍ３以上であるマイクロ波表面波プラズマが特に効果的である。
マイクロ波表面波プラズマは、高密度であるので、被処理基体に注入するイオン量を少なくしたいとき、数秒程度の処理で済む。しかし、このような短時間処理においては、局所的に発生したプラズマによる局所的な被処理基体の処理を無視できない。よって、マイクロ波表面波プラズマのような高密度プラズマでは、発生初期のプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないことが均一性において重要である。
マイクロ波表面波プラズマ処理装置を用いた窒化処理は、特許文献１等に触れられているが、窒化処理するための諸条件、特に局所的に発生するプラズマ中のイオンを被処理基体に実質的に入射させないことで被処理基体を均一に処理する効果を開示していない。よって、本発明は、公知例から容易に類推されるものではなく、新規性および進歩性を有するものである。
マイクロ波表面波プラズマは、高密度であるので、被処理基体に注入するイオン量を少なくしたいとき、数秒程度の処理で済む。しかし、このような短時間処理においては、局所的に発生したプラズマによる局所的な被処理基体の処理を無視できない。よって、マイクロ波表面波プラズマのような高密度プラズマでは、発生初期のプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないことが均一性において重要である。
マイクロ波表面波プラズマ処理装置を用いた窒化処理は、特許文献１等に触れられているが、窒化処理するための諸条件、特に局所的に発生するプラズマ中のイオンを被処理基体に実質的に入射させないことで被処理基体を均一に処理する効果を開示していない。よって、本発明は、公知例から容易に類推されるものではなく、新規性および進歩性を有するものである。
本発明によれば、プラズマの発生を開始してからプラズマが安定するまでの間、プラズマ中のイオンを被処理基体に実質的に入射させないので、被処理基体全面を均一なイオン濃度で処理することができる。したがって、高密度プラズマを用いることができ、プラズマ中のイオンを被処理基体全面に短反時間で均一に注入することができる。
本発明では、被処理基体表面をプラズマにより処理する際、発生初期のプラズマ中のイオンのみを被処理基体に実質的に入射させないようにしている。概ね、プラズマ発生時に被処理基体に到達するイオンフラックスを本処理時の略１／１０以下にすることで、被処理基体を均一に処理することができる。
［実施態様１］
本発明の好ましい第１の実施の形態では、反応容器内ガス圧力を本処理時の１０倍以上かつ１００Ｐａ以上にした後、プラズマを発生させ、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにする。プラズマ放電安定化後、前記ガス圧力を下げてイオンフラックスを被処理基体に到達させ、本処理（プラズマ処理）を実行する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波表面波プラズマ処理装置の構成を示す。同図において、１はプラズマ処理室、２は被処理基体、３は被処理基体２を保持する被処理基体載置台、４はヒーター、５は処理用ガス導入手段、６は排気口、８はマイクロ波をプラズマ処理室１に導入するためのスロット付無終端環状導波管、１１は無終端環状導波管８にマイクロ波管内波長の１／２または１／４毎に設けられたスロット、７はプラズマ処理室１内にマイクロ波を導入する誘電体窓、１０は無終端環状導波管８に内蔵された冷却水路である。プラズマ処理室１の内壁および誘電体窓７は、被処理基体２への金属コンタミの恐れのない石英製である。被処理基体戴置台３は、内蔵ヒーター４の熱伝導と金属コンタミを考慮し、窒化アルミニウムを主成分としたセラミック製である。２４はプラズマ処理室１内の圧力を検出する圧力検出器、２５はプラズマ処理室１内の圧力を弁の開き具合で調整する圧力調整弁、２６はプラズマ処理室１内から排気する真空ポンプである。圧力検出器２４は、市販のバラトロン圧力計（ＭＫＳ製）等で良い。圧力調整弁２５は、市販の排気スロットルバルブ（ＭＫＳ製）等で良い。真空ポンプは、市販のドライポンプ（樫山製作所）等で良い。
本発明の好ましい第１の実施の形態では、反応容器内ガス圧力を本処理時の１０倍以上かつ１００Ｐａ以上にした後、プラズマを発生させ、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにする。プラズマ放電安定化後、前記ガス圧力を下げてイオンフラックスを被処理基体に到達させ、本処理（プラズマ処理）を実行する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波表面波プラズマ処理装置の構成を示す。同図において、１はプラズマ処理室、２は被処理基体、３は被処理基体２を保持する被処理基体載置台、４はヒーター、５は処理用ガス導入手段、６は排気口、８はマイクロ波をプラズマ処理室１に導入するためのスロット付無終端環状導波管、１１は無終端環状導波管８にマイクロ波管内波長の１／２または１／４毎に設けられたスロット、７はプラズマ処理室１内にマイクロ波を導入する誘電体窓、１０は無終端環状導波管８に内蔵された冷却水路である。プラズマ処理室１の内壁および誘電体窓７は、被処理基体２への金属コンタミの恐れのない石英製である。被処理基体戴置台３は、内蔵ヒーター４の熱伝導と金属コンタミを考慮し、窒化アルミニウムを主成分としたセラミック製である。２４はプラズマ処理室１内の圧力を検出する圧力検出器、２５はプラズマ処理室１内の圧力を弁の開き具合で調整する圧力調整弁、２６はプラズマ処理室１内から排気する真空ポンプである。圧力検出器２４は、市販のバラトロン圧力計（ＭＫＳ製）等で良い。圧力調整弁２５は、市販の排気スロットルバルブ（ＭＫＳ製）等で良い。真空ポンプは、市販のドライポンプ（樫山製作所）等で良い。
プラズマ発生初期、局所的に発生したプラズマが誘電体窓７全面に広がるまでの間、例えばプラズマ処理室１の圧力を略１３０Ｐａ以上にすると、局所的に発生したプラズマ中のイオンは被処理基体２に到達しないので、被処理基体２を局所的に処理することがない。
また、プラズマ放電安定化後、プラズマ処理室１圧力を略１３０Ｐａ以下にすると、プラズマ中のイオンは被処理基体２に到達し、被処理基体２を均一に処理できる。
よって、反応容器内ガス圧力を略１３０Ｐａ以上にした後、プラズマを発生させ、前記ガス圧力を略１３０Ｐａより下げる工程により、被処理基体の局所にイオンを入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
また、プラズマ放電安定化後、プラズマ処理室１圧力を略１３０Ｐａ以下にすると、プラズマ中のイオンは被処理基体２に到達し、被処理基体２を均一に処理できる。
よって、反応容器内ガス圧力を略１３０Ｐａ以上にした後、プラズマを発生させ、前記ガス圧力を略１３０Ｐａより下げる工程により、被処理基体の局所にイオンを入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
マイクロ波プラズマ処理では、マイクロ波導入部である誘電体窓近辺でプラズマを生成し、ここから拡散により被処理基体へプラズマを輸送し、被処理基体を処理している。
図２は誘電体窓からの距離とイオン濃度の関係の一例を示す。同図において、プラズマ中のイオンは、ガス圧力を略１３０Ｐａ以上にするとプラズマ発生部から離れるに従い電子との再結合消滅や拡散長の低下により急速に減少し、プラズマ発生部（誘電体窓近辺）から略１０ｃｍの地点では略１／１００以下に減少する。よって、ガス圧力を略１３０Ｐａにした後プラズマを発生させることで、局所的に発生したプラズマによる被処理基体の局所的処理のみを少なくでき、被処理基体を短時間処理する場合であっても十分な均一性を得ることができる。そして続いて、ガス圧力を略１３０Ｐａより低い所望の圧力にすることで、プラズマ中のイオンを減少させることなく効率良く被処理基体に輸送し、被処理基体を短時間で処理できる。特に、ガス圧力を略１３Ｐａより低くすると、プラズマ発生部から略１０ｃｍ離れた地点でプラズマ中のイオンはプラズマ発生部の数分の１程度の減少で済むので、被処理基体をより短時間で処理することができる。
この実施形態１の装置を用いたプラズマ処理例を後述の実施例１にて説明する。
図２は誘電体窓からの距離とイオン濃度の関係の一例を示す。同図において、プラズマ中のイオンは、ガス圧力を略１３０Ｐａ以上にするとプラズマ発生部から離れるに従い電子との再結合消滅や拡散長の低下により急速に減少し、プラズマ発生部（誘電体窓近辺）から略１０ｃｍの地点では略１／１００以下に減少する。よって、ガス圧力を略１３０Ｐａにした後プラズマを発生させることで、局所的に発生したプラズマによる被処理基体の局所的処理のみを少なくでき、被処理基体を短時間処理する場合であっても十分な均一性を得ることができる。そして続いて、ガス圧力を略１３０Ｐａより低い所望の圧力にすることで、プラズマ中のイオンを減少させることなく効率良く被処理基体に輸送し、被処理基体を短時間で処理できる。特に、ガス圧力を略１３Ｐａより低くすると、プラズマ発生部から略１０ｃｍ離れた地点でプラズマ中のイオンはプラズマ発生部の数分の１程度の減少で済むので、被処理基体をより短時間で処理することができる。
この実施形態１の装置を用いたプラズマ処理例を後述の実施例１にて説明する。
［実施態様２］
本発明の好ましい第２の実施の形態では、プラズマ中のイオンを被処理基体に実質的に入射させないようにプラズマ発生部と被処理基体の間に物体を配置した後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ中のイオンを被処理基体に入射するように前記物体を配置することにより、プラズマ発生初期に局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにしている。
本発明の好ましい第２の実施の形態では、プラズマ中のイオンを被処理基体に実質的に入射させないようにプラズマ発生部と被処理基体の間に物体を配置した後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ中のイオンを被処理基体に入射するように前記物体を配置することにより、プラズマ発生初期に局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにしている。
図３は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波表面波プラズマ処理装置の構成を示す。また、図４は、図３の可動石英窓機構を説明するための図３のＡＡ’の断面である。
図３および４において、３１は固定され複数の穴を開けた石英板、３２は複数の穴を開けた往復可動な石英板、３０は可動石英板３２の動作部と被処理基体とを仕切る石英円筒管、３３は可動石英板３２に設けられた穴、３４は固定石英板３１に設けられた穴、３５は蛇腹、３６は可動石英板３２を往復動させる直線動器（リニアアクチュエータ）である。直線動器３６は大気側に設置されている。実施形態１と共通の要素には同一の符号を付して詳細な説明は割愛する。
可動石英板３２は、可動石英板３２の穴３３と固定石英板３１の穴３４が重なってコンダクタンスが最大になる位置Ｂと、可動石英板３２の穴３３と固定石英板３１の穴３４がずれてコンダクタンスが最小になる位置Ｃを、直線動器３６により往復動する。
図３および４において、３１は固定され複数の穴を開けた石英板、３２は複数の穴を開けた往復可動な石英板、３０は可動石英板３２の動作部と被処理基体とを仕切る石英円筒管、３３は可動石英板３２に設けられた穴、３４は固定石英板３１に設けられた穴、３５は蛇腹、３６は可動石英板３２を往復動させる直線動器（リニアアクチュエータ）である。直線動器３６は大気側に設置されている。実施形態１と共通の要素には同一の符号を付して詳細な説明は割愛する。
可動石英板３２は、可動石英板３２の穴３３と固定石英板３１の穴３４が重なってコンダクタンスが最大になる位置Ｂと、可動石英板３２の穴３３と固定石英板３１の穴３４がずれてコンダクタンスが最小になる位置Ｃを、直線動器３６により往復動する。
本実施形態では、以下のように処理する。まず、直線動器３６により可動石英板３２を位置Ｃに置き、続いて実施形態１と同様にプラズマを発生させる。プラズマが誘電体窓７全面に広がった後、可動石英板３２を位置Ｂに置く。
局所的に発生したプラズマが誘電体窓７全面に広がるまでの間、可動石英板３２を位置Ｃに置くと、局所的に発生したプラズマ中のイオンは被処理基体２に到達しないので、被処理基体２を局所的に処理することがない。
また、可動石英板３２を位置Ｂに置くと、プラズマ中のイオンは被処理基体２に拡散し、被処理基体２を均一に処理できる。
よって、プラズマ中のイオンを被処理基体に実質的に入射させないようにプラズマ発生部と被処理基体の間に物体を配置した後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ中のイオンを被処理基体に入射するように前記物体を配置する工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
局所的に発生したプラズマが誘電体窓７全面に広がるまでの間、可動石英板３２を位置Ｃに置くと、局所的に発生したプラズマ中のイオンは被処理基体２に到達しないので、被処理基体２を局所的に処理することがない。
また、可動石英板３２を位置Ｂに置くと、プラズマ中のイオンは被処理基体２に拡散し、被処理基体２を均一に処理できる。
よって、プラズマ中のイオンを被処理基体に実質的に入射させないようにプラズマ発生部と被処理基体の間に物体を配置した後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ中のイオンを被処理基体に入射するように前記物体を配置する工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
［実施態様３］
本発明の好ましい第３の実施の形態では、反応容器内にプラズマを発生させてプラズマ放電が安定した後、被処理基体を反応容器内に搬入することにより、プラズマ発生初期に局所的に発生するプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにしている。
本発明の好ましい第３の実施の形態では、反応容器内にプラズマを発生させてプラズマ放電が安定した後、被処理基体を反応容器内に搬入することにより、プラズマ発生初期に局所的に発生するプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにしている。
図５は、本発明の第３の実施形態に係るマイクロ波表面波プラズマ処理装置の構成を示す。
同図において、４０は前室、３５は蛇腹、３６は被処理基体戴置台３を往復動させる直線動器である。直線動器は大気側に設置されている。実施形態１と共通の要素には同一の符号を付して詳細な説明は割愛する。
被処理基体戴置台３は、被処理基体２がプラズマ中のイオンに曝される位置Ｄと被処理基体２がプラズマ中のイオンに曝され難い前室４０内の位置Ｅを直線動器３６により往復動する。位置Ｅにおいて、被処理基体戴置台３上面と前室との隙間を数ｍｍから１ｃｍにすることで、プラズマ中のイオンが被処理基体２に到達し難くしている。
同図において、４０は前室、３５は蛇腹、３６は被処理基体戴置台３を往復動させる直線動器である。直線動器は大気側に設置されている。実施形態１と共通の要素には同一の符号を付して詳細な説明は割愛する。
被処理基体戴置台３は、被処理基体２がプラズマ中のイオンに曝される位置Ｄと被処理基体２がプラズマ中のイオンに曝され難い前室４０内の位置Ｅを直線動器３６により往復動する。位置Ｅにおいて、被処理基体戴置台３上面と前室との隙間を数ｍｍから１ｃｍにすることで、プラズマ中のイオンが被処理基体２に到達し難くしている。
本実施形態では、以下のように処理する。まず、直線動器３６により被処理基体戴置台３を位置Ｅに置き、続いて実施形態１同様にプラズマを発生させる。プラズマが誘電体窓７全面に広がった後、被処理基体戴置台３を位置Ｄに置く。
局所的に発生したプラズマが誘電体窓７全面に広がるまでの間、被処理基体戴置台３を位置Ｅに置くと、局所的に発生したプラズマ中のイオンは被処理基体２に到達しないので、被処理基体２を局所的に処理することがない。
また、被処理基体戴置台３を位置Ｄに置くと、プラズマ中のイオンは被処理基体２に拡散し、被処理基体２を均一に処理できる。
よって、反応容器内にプラズマを発生した後、被処理基体を反応容器内に搬入する工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
局所的に発生したプラズマが誘電体窓７全面に広がるまでの間、被処理基体戴置台３を位置Ｅに置くと、局所的に発生したプラズマ中のイオンは被処理基体２に到達しないので、被処理基体２を局所的に処理することがない。
また、被処理基体戴置台３を位置Ｄに置くと、プラズマ中のイオンは被処理基体２に拡散し、被処理基体２を均一に処理できる。
よって、反応容器内にプラズマを発生した後、被処理基体を反応容器内に搬入する工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
［実施態様４］
本発明の好ましい第４の実施の形態では、プラズマ発生部と被処理基体を離間させた後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ発生部と被処理基体を接近させることにより、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにしている。
例えばガス圧力１３Ｐａにおいて、プラズマ発生部から略２０ｃｍ離れた地点でプラズマ中のイオンは、図２から外挿すると、略１／１００以下に減少する。よって、プラズマ発生部から被処理基体を略２０ｃｍ離してからプラズマを発生させることで、局所的に発生したプラズマによる局所的処理のみを少なくでき、被処理基体を均一に処理することができる。そして続いて、被処理基体をプラズマ発生部から略２０ｃｍより近づけることで、プラズマ中のイオンを減少させることなく効率良く被処理基体に輸送し、被処理基体を短時間で処理できる。特に、被処理基体をプラズマ発生部から略１０ｃｍに近づけると、プラズマ中のイオンはプラズマ発生部の数分の１程度の減少で済むので、被処理基体をより短時間で処理できる。ガス圧力をより高くすると、プラズマ発生時のプラズマ発生部と被処理基体間をより短くしても同様の効果を得ることができる。
本発明の好ましい第４の実施の形態では、プラズマ発生部と被処理基体を離間させた後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ発生部と被処理基体を接近させることにより、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させないようにしている。
例えばガス圧力１３Ｐａにおいて、プラズマ発生部から略２０ｃｍ離れた地点でプラズマ中のイオンは、図２から外挿すると、略１／１００以下に減少する。よって、プラズマ発生部から被処理基体を略２０ｃｍ離してからプラズマを発生させることで、局所的に発生したプラズマによる局所的処理のみを少なくでき、被処理基体を均一に処理することができる。そして続いて、被処理基体をプラズマ発生部から略２０ｃｍより近づけることで、プラズマ中のイオンを減少させることなく効率良く被処理基体に輸送し、被処理基体を短時間で処理できる。特に、被処理基体をプラズマ発生部から略１０ｃｍに近づけると、プラズマ中のイオンはプラズマ発生部の数分の１程度の減少で済むので、被処理基体をより短時間で処理できる。ガス圧力をより高くすると、プラズマ発生時のプラズマ発生部と被処理基体間をより短くしても同様の効果を得ることができる。
図６は、本発明の第４の実施形態に係るマイクロ波表面波プラズマ処理装置の構成を示す。
同図において、３５は蛇腹、３６は被処理基体戴置台３を上下動させる直線動器である。直線動器は大気側に設置されている。実施形態１と共通の要素には同一の符号を付して詳細な説明は割愛する。
被処理基体戴置台３は、誘電体窓７から略１０ｃｍの位置Ｆと略２０ｃｍの位置Ｇを直線動器３６により上下動する。この時の処理圧力を１３Ｐａとする。
ガス圧力１３Ｐａの場合、図２から外挿すると、プラズマ発生部から略２０ｃｍの位置Ｇでプラズマ中のイオンは、略１／１００以下に減少する。また、プラズマ発生部から略１０ｃｍの位置Ｆでプラズマ中のイオンはプラズマ発生部の数分の１程度の減少する。よって、位置Ｇにおける処理量は位置Ｆの数十分の一である。
局所的に発生したプラズマが誘電体窓７全面に広がるまでの間、被処理基体戴置台３を位置Ｇに置くことで、局所的に発生したプラズマ中のイオンによる局所的被処理基体２処理量を、位置Ｆにおける処理量の数十分の一に抑えることができる。
よって、被処理基体戴置台３を位置Ｇに置いた後、プラズマを発生させ、更に被処理基体戴置台３を位置Ｆに置くことで、被処理基体２のプラズマ発生時の局所的処理量を数十分の一から数百分の一に抑えることができる。
このように、プラズマ発生部と被処理基体を離間させた後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ発生部と被処理基体を接近させる工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
同図において、３５は蛇腹、３６は被処理基体戴置台３を上下動させる直線動器である。直線動器は大気側に設置されている。実施形態１と共通の要素には同一の符号を付して詳細な説明は割愛する。
被処理基体戴置台３は、誘電体窓７から略１０ｃｍの位置Ｆと略２０ｃｍの位置Ｇを直線動器３６により上下動する。この時の処理圧力を１３Ｐａとする。
ガス圧力１３Ｐａの場合、図２から外挿すると、プラズマ発生部から略２０ｃｍの位置Ｇでプラズマ中のイオンは、略１／１００以下に減少する。また、プラズマ発生部から略１０ｃｍの位置Ｆでプラズマ中のイオンはプラズマ発生部の数分の１程度の減少する。よって、位置Ｇにおける処理量は位置Ｆの数十分の一である。
局所的に発生したプラズマが誘電体窓７全面に広がるまでの間、被処理基体戴置台３を位置Ｇに置くことで、局所的に発生したプラズマ中のイオンによる局所的被処理基体２処理量を、位置Ｆにおける処理量の数十分の一に抑えることができる。
よって、被処理基体戴置台３を位置Ｇに置いた後、プラズマを発生させ、更に被処理基体戴置台３を位置Ｆに置くことで、被処理基体２のプラズマ発生時の局所的処理量を数十分の一から数百分の一に抑えることができる。
このように、プラズマ発生部と被処理基体を離間させた後、プラズマを発生させ、プラズマ放電安定化後、プラズマ発生部と被処理基体を接近させる工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一なイオン濃度にすることができる。
図１の装置を用いてプラズマ処理する実施例を以下に説明する。
冷却水路１０に冷却水が流れ無終端環状導波管８を室温に冷却している。プラズマ処理室１内圧力を圧力検出器２４で検出しながら、真空ポンプ２６を運転し、圧力調節弁２５により０．１Ｐａ以下にする。被処理基体戴置台３をヒーター４により加熱し２００℃にする。表面に厚さ２ｎｍのシリコン酸化膜の付いた被処理基体２を被処理基体保持台３に搬送して載置する。続いて、窒素ガスを処理用ガス導入手段５を介して２００ｓｃｃｍの流量でプラズマ処理室１に導入する。次に、圧力調整弁を調整し、プラズマ処理室１内を１３３Ｐａに保持する。マイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を、無終端環状導波管８および誘電体７を介して、プラズマ処理室１内に供給し、プラズマ処理室１内でプラズマを発生させる。無終端環状導波管８内に導入されたマイクロ波は、左右に二分配され、スロット１１から誘電体７を介してプラズマ処理室１に導入され、プラズマを生成する。このプラズマは局所的に発生し、誘電体窓７全面に広がるが、１３３Ｐａという圧力のため誘電体窓７から離れるに従い急速に減少し、１０ｃｍ離れた被処理基体２表面でほとんど無視できるほど少なくなる。
冷却水路１０に冷却水が流れ無終端環状導波管８を室温に冷却している。プラズマ処理室１内圧力を圧力検出器２４で検出しながら、真空ポンプ２６を運転し、圧力調節弁２５により０．１Ｐａ以下にする。被処理基体戴置台３をヒーター４により加熱し２００℃にする。表面に厚さ２ｎｍのシリコン酸化膜の付いた被処理基体２を被処理基体保持台３に搬送して載置する。続いて、窒素ガスを処理用ガス導入手段５を介して２００ｓｃｃｍの流量でプラズマ処理室１に導入する。次に、圧力調整弁を調整し、プラズマ処理室１内を１３３Ｐａに保持する。マイクロ波電源より１．５ｋＷのマイクロ波を、無終端環状導波管８および誘電体７を介して、プラズマ処理室１内に供給し、プラズマ処理室１内でプラズマを発生させる。無終端環状導波管８内に導入されたマイクロ波は、左右に二分配され、スロット１１から誘電体７を介してプラズマ処理室１に導入され、プラズマを生成する。このプラズマは局所的に発生し、誘電体窓７全面に広がるが、１３３Ｐａという圧力のため誘電体窓７から離れるに従い急速に減少し、１０ｃｍ離れた被処理基体２表面でほとんど無視できるほど少なくなる。
続いて５秒経過後、圧力調節弁２５によりプラズマ処理室内圧力を１３Ｐａに変更する。更に、１０秒経過後、マイクロ波電源を停止し、窒素ガスを停止し、プラズマ処理室１内を０．１Ｐａ以下まで真空排気した後、被処理基体２をプラズマ処理室１外へ搬送する。
この被処理基体の窒素濃度分布を光学式膜厚計で測定したところ、１３Ｐａのみで処理した場合と比較し、均一性が略２割改善していた。
また、プラズマ中の窒素イオンは、図２に例示するように、１３０Ｐａでプラズマ発生部から離れるに従い急速に減少する。また、１３Ｐａでは、穏やかに減少している。誘電体窓７と被処理基体２の距離を１０ｃｍにすると、１３３Ｐａのイオン濃度は１３Ｐａの５％である。
よって、反応容器内ガス圧力を略１３０Ｐａ以上にした後、プラズマを発生させ、前記ガス圧力を略１３０Ｐａより下げる工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一な窒素濃度にすることができる。
この被処理基体の窒素濃度分布を光学式膜厚計で測定したところ、１３Ｐａのみで処理した場合と比較し、均一性が略２割改善していた。
また、プラズマ中の窒素イオンは、図２に例示するように、１３０Ｐａでプラズマ発生部から離れるに従い急速に減少する。また、１３Ｐａでは、穏やかに減少している。誘電体窓７と被処理基体２の距離を１０ｃｍにすると、１３３Ｐａのイオン濃度は１３Ｐａの５％である。
よって、反応容器内ガス圧力を略１３０Ｐａ以上にした後、プラズマを発生させ、前記ガス圧力を略１３０Ｐａより下げる工程により、局所的に発生したプラズマ中のイオンのみを被処理基体に入射させず、被処理基体全面を均一な窒素濃度にすることができる。
上述の実施例においては、シリコン酸化膜中に窒素を注入する場合を述べたが、窒素に限らず、水素、酸素、Ｂ、Ｐ、Ａｓ、ハロゲンなどの注入にも有効である。また、シリコン酸化膜を表面に備えた基体に限らず、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｔａ、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｃ、Ｚｒ、Ｂａ、Ｙｂ、Ｐｂ、Ｍｇ、Ｋ、Ｎｂなどの基体や、これらを含んだ化合物の基体、また、これらの酸化膜、窒化膜、これらを含んだ化合物膜を表面に備えた基体への注入にも有効である。
１：プラズマ処理室
２：被処理基体
３：被処理基体戴置台
４：ヒーター
５：処理用ガス導入手段
６：排気口
７：誘電体窓
８：環状導波管
１０：冷却水路
１１：スロット
２４：圧力検出器
２５：圧力調整弁
２６：真空ポンプ
３０：石英円筒管
３１：固定石英板
３２：可動石英板
３３：可動石英板穴
３４：固定石英板穴
３５：蛇腹
３６：直線動器
４０：前室
Ｂ：コンダクタンス最大になる位置
Ｃ：コンダクタンス最小になる位置
Ｄ：プラズマに曝される位置
Ｅ：プラズマに曝せれにくい位置
Ｆ：誘電体窓に近接した位置
Ｇ：誘電体窓から離間した位置
２：被処理基体
３：被処理基体戴置台
４：ヒーター
５：処理用ガス導入手段
６：排気口
７：誘電体窓
８：環状導波管
１０：冷却水路
１１：スロット
２４：圧力検出器
２５：圧力調整弁
２６：真空ポンプ
３０：石英円筒管
３１：固定石英板
３２：可動石英板
３３：可動石英板穴
３４：固定石英板穴
３５：蛇腹
３６：直線動器
４０：前室
Ｂ：コンダクタンス最大になる位置
Ｃ：コンダクタンス最小になる位置
Ｄ：プラズマに曝される位置
Ｅ：プラズマに曝せれにくい位置
Ｆ：誘電体窓に近接した位置
Ｇ：誘電体窓から離間した位置
Claims (8)
- 被処理基体を反応容器内でプラズマにより処理する装置であって、
プラズマ発生開始時の所定時間プラズマ中のイオンの被処理基体への入射を実質的に遮断する手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 前記遮断手段は、イオンを実質的に遮断する際、前記反応容器内のガス圧力を増加する圧力制御手段であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記遮断手段は、イオンを実質的に遮断する際、プラズマ発生部と前記被処理基体との間に配置されるシャッタ手段であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記遮断手段は、イオンを実質的に遮断する際、イオンが照射されない位置に前記被処理基体を退避させるステージ手段であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記遮断手段は、イオンを実質的に遮断する際、前記被処理基体を移動してプラズマ発生部から引き離すステージ手段であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 前記プラズマがマイクロ波プラズマであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
- 被処理基体を反応容器内でプラズマにより処理する方法であって、
プラズマ発生開始時の所定時間プラズマ中のイオンの被処理基体への入射を実質的に遮断することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 前記プラズマがマイクロ波プラズマであることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ処理方法。
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