JP2006169588A - 表面波励起プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大面積の基板に均一厚さ且つ均質な薄膜を成膜できる表面波励起プラズマＣＶＤ装置を提供すること。
【解決手段】 表面波励起プラズマＣＶＤ装置１００は、材料ガス導入システム１０と放電ガス導入システム３０を備え、表面波励起プラズマＰにより材料ガスＧ１を乖離して基板Ｓに成膜する。材料ガスＧ１は、分岐点Ｑ１で複数に分岐されたガス導入管１２，２２，２３を通ってシャワーヘッド１５ａ，２４ａ，２７ａからチャンバー１内に導入される。ガス導入管１２，２２，２３を通る材料ガスＧ１の流量を、それぞれニードルバルブ１２ａ，２２ａ，２３ａで調節することにより、シャワーヘッド１５ａ，２４ａ，２７ａからチャンバー１内へ導入する量を等しくし、チャンバ１内の材料ガスの濃度分布を均一化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面波励起プラズマを利用して被処理基板に成膜する表面波励起プラズマＣＶＤ装置に関する。

高密度で均一なプラズマを生成できるプラズマ処理装置としては、表面波励起プラズマを利用する装置が知られている。この装置は、導波管内を伝播するマイクロ波を誘電体窓（マイクロ波導入窓）を通してプラズマ生成室内に導入し、誘電体窓の表面に生じた表面波によってプラズマ生成室内の触媒ガス（プロセスガス）を励起し、表面波励起プラズマを生成する。被処理物を処理する反応性のメインガスは、プラズマ生成室の側面に設けられた１つのガス導入口からプラズマ生成室内に導入される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３４８８９８号公報（第４頁、図１）

上記の特許文献１の技術では、ガス導入口を１つしか設けていないので、プラズマ生成室内でのメインガスの濃度分布が不均一となり、特に大面積の被処理物に対して均一厚さ且つ均質な薄膜を成膜できないという問題がある。

（１）本発明の請求項１の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、成膜チャンバー内にマイクロ波を導入して表面波を形成し、前記表面波により放電ガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、前記表面波励起プラズマにより材料ガスを乖離して被処理基板に成膜する表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、成膜チャンバーへ材料ガスを導入するための複数系統の材料ガス導入系と、材料ガス導入系に対応して設けられ、そのガス流量を制御する材料ガス用コンダクタンス制御手段とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、請求項１の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、成膜チャンバーへ放電ガスを導入するための複数系統の放電ガス導入系と、放電ガス導入系に対応して設けられ、そのガス流量を制御する放電ガス用コンダクタンス制御手段とをさらに備えることを特徴とする。
（３）請求項３の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、請求項１または２の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、材料ガス用コンダクタンス制御手段は、成膜チャンバー内の各々の所定領域で材料ガス濃度が均一となるように、材料ガスの流量を独立に変化させることを特徴とする。

本発明によれば、成膜チャンバーへ材料ガスを導入するための複数系統の材料ガス導入系のそれぞれにガス流量を制御する材料ガス用コンダクタンス制御手段を付加したので、成膜チャンバー内のガス濃度分布を均一化し、均一厚さ且つ均質な薄膜を成膜できる。

以下、本発明の実施の形態による表面波励起プラズマ（Surface Wave Plasma）ＣＶＤ装置（以下、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置と略す）について図１〜３を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ−ＣＶＤ装置の概略を模式的に示す全体構成図である。図２は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ−ＣＶＤ装置の材料ガス導入システムを模式的に示す平面図である。図３は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ−ＣＶＤ装置の放電ガス導入システムとチャンバー内の状態を模式的に示す平面図である。図１〜３では、同じ構成部品には同一符号を付し、３次元直交座標で方向を表す。

本実施の形態では、チャンバー内に４つのゾーンを設定し、各ゾーンで材料ガス、放電ガスの濃度分布を均一にするものである。
図１を参照すると、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００は、チャンバー１、マイクロ波導波管２、誘電体板３、排気管４、基板ステージ５、材料ガス導入システム１０および放電ガス導入システム３０を備える。チャンバー１は、その内部空間に生成するプラズマＰを利用して、基板ステージ５に保持された基板Ｓの表面に成膜するための密閉容器である。

マイクロ波導波管２はチャンバー１の上側に載置されている。誘電体板３は、マイクロ波導波管２の底板に接してチャンバー１内に気密空間を形成するように、チャンバー１に取り付けられている。チャンバー１の下面に配管された排気管４は、不図示の真空ポンプに接続されている。基板ステージ５は、誘電体板３との距離を可変とするように、不図示の昇降機構により昇降可能に構成されている。

材料ガス導入システム１０は、基板Ｓ表面に成膜される薄膜の原料となる材料ガスＧ１をチャンバー１内部に導入するガス導入システムである。材料ガス導入システム１０は、複数のガス導入管１２，２２，２３を通して並列にチャンバー１へ材料ガスＧ１を導入する。材料ガスＧ１は、例えばＳｉＨ_４，ＮＨ_３，ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho-Silicate：Ｓｉ(ＯＣ_２Ｈ_３）_４）などである。

放電ガス導入システム３０は、プラズマＰを生成するための放電ガスＧ２をチャンバー１内部に導入するガス導入システムである。放電ガス導入システム３０は、誘電体板３を上下に貫通する複数のガス噴出口３３ｃ，３４ｃを通してチャンバー１の上面から放電ガスＧ２を導入する。放電ガスＧ２は、例えばＮ_２，Ｏ_２，Ｈ_２等の反応性活性種の原料となるガスおよびＡｒ等の希ガスである。

図２および図３を参照しながら、材料ガス導入システム１０および放電ガス導入システム３０の詳細を説明する。
材料ガス導入システム１０では、図２中、不図示のガス供給源に配管された本管１０ａは、分岐点Ｑ１でチャンバー１の左右（ｘ方向）からガスを導入するガス導入管１１と上下（ｙ方向）からガスを導入するガス導入管２１とに分岐している。ガス導入管１１は、さらに分岐点Ｑ２でガス導入管１２と１３に分岐している。ガス導入管１２は、ニードルバルブ１２ａを介して分岐管１４，１５，１６に配管接続され、分岐管１４，１５，１６は、それぞれシャワーヘッド１４ａ，１５ａ，１６ａに配管接続されている。ガス導入管１３は、ニードルバルブ１３ａを介して分岐管１７，１８，１９に配管接続され、分岐管１７，１８，１９は、それぞれシャワーヘッド１７ａ，１５ａ，１９ａに配管接続されている。

また、ガス導入管２１は、分岐点Ｑ３でガス導入管２２と２３に分岐している。ガス導入管２２は、ニードルバルブ２２ａを介して分岐管２４，２５に配管接続され、分岐管２４，２５は、それぞれシャワーヘッド２４ａ，２５ａに配管接続されている。ガス導入管２３は、ニードルバルブ２３ａを介して分岐管２６，２７に配管接続され、分岐管２６，２７は、それぞれシャワーヘッド２６ａ，２７ａに配管接続されている。すなわち、材料ガスＧ１は、２系統Ａ１，Ａ２と２系統Ａ３，Ａ４の計４系統のガス導入系を通ってチャンバー１内に導入される。

次に、放電ガス導入システム３０では、図３中、チャンバー１の上面から−ｚ方向に放電ガスＧ２を導入する。不図示のガス供給源に配管された本管３０ａは、チャンバー１の上面中央の分岐点Ｒ１でガス導入管３１と３２に分岐し、さらに、ガス導入管３１は、分岐点Ｒ２でガス導入管３３と３４に分岐し、ガス導入管３２は、分岐点Ｒ３でガス導入管３５と３６に分岐している。ガス導入管３３は、ニードルバルブ３３ａを介して誘電体板３の内部に形成されたガス流路３３ｂに通じている。ガス流路３３ｂは、４つのガス噴出口３３ｃを有する。ガス導入管３４は、ニードルバルブ３４ａを介して誘電体板３の内部に形成されたガス流路３４ｂに通じている。ガス流路３４ｂは、４つのガス噴出口３４ｃを有する。また、ガス導入管３５は、ニードルバルブ３５ａを介して誘電体板３の内部に形成されたガス流路３５ｂに通じている。ガス流路３５ｂは、４つのガス噴出口３５ｃを有する。ガス導入管３６は、ニードルバルブ３６ａを介して誘電体板３の内部に形成されたガス流路３６ｂに通じている。ガス流路３６ｂは、４つのガス噴出口３６ｃを有する。すなわち、放電ガスＧ２は、４系統Ｂ１〜Ｂ４のガス導入系を通ってチャンバー１内に導入される。

再び図１を参照しながら、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００の作用・効果について説明する。
材料ガスＧ１は、材料ガス導入システム１０によりチャンバー１内に導入され、放電ガスＧ２は、放電ガス導入システム３０によりチャンバー１内に導入され、ガス導入を行いながら排気管４を通して不図示の真空ポンプにより排気することにより、チャンバー１内の圧力は０．１〜５０Ｐａ程度の所定圧力に保持される。

不図示のマイクロ波出力部から発振された例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、マイクロ波導波管２の内部を図１の紙面の垂直方向に進行しながら誘電体板３に入射する。これにより、表面波が誘電体板３のチャンバー本体側の表面を伝播し、誘電体板３の全面に拡がって放電ガスＧ２を励起し、高密度のプラズマＰが生成する。プラズマＰは、概ね、表面波の伝播領域に生成する。このプラズマＰの領域では、材料ガスＧ１が分解したり化学反応を起こし、プラズマＰに接触または近接させて基板Ｓを保持することにより、基板Ｓの表面に薄膜が形成される。実用的な薄膜形成領域は、プラズマＰの面積程度であるので、大面積の基板Ｓに成膜する場合は大面積のプラズマＰを生成させなければならない。

形成される薄膜の膜厚、膜質（結晶性、屈折率、内部応力など）の均一性は、プラズマ密度分布や材料ガスの濃度分布に大きく依存する。本発明のＳＷＰ−ＣＶＤ装置は、材料ガスＧ１の濃度分布の均一化を図ることにより、薄膜の膜厚、膜質の均一性を確保するものである。

図２および図３に示されるように、材料ガスＧ１は、ｘ方向にガスを放出するガス導入系Ａ１，Ａ２とｙ方向にガスを放出するガス導入系Ａ３，Ａ４の計４系統のガス導入系を通ってチャンバー１内に導入される。ガス導入系Ａ１〜Ａ４の配管の内径が同じであるとすると、ガス導入系Ａ１〜Ａ４のそれぞれのコンダクタンスは、最初の分岐点Ｑ１からそれぞれのシャワーヘッドまでの長さに依存する。コンダクタンスとはガスの流れ易さを表す値であり、主として、配管の内径に比例し、配管の長さに反比例する量である。従って、ガス導入系Ａ１〜Ａ４のコンダクタンスを等しくすることにより、ガス導入系Ａ１〜Ａ４は、等しい量の材料ガスをチャンバー１内に導入することができる。

このコンダクタンスの制御には、ニードルバルブ１２ａ，１３ａ，２２ａ，２３ａが用いられ、ニードルバルブの開放量（ガスを通過させる開口の面積）を変化させることにより実行される。ニードルバルブ１２ａ，１３ａ，２２ａ，２３ａは、互いに独立に開放量を調節でき、ガス導入系Ａ１〜Ａ４は、それぞれニードルバルブ１２ａ，１３ａ，２２ａ，２３ａによりコンダクタンスが等しくなるように制御される。例えば、ガス導入系Ａ１の方がガス導入系Ａ３よりも分岐点Ｑ１からシャワーヘッドまでの長さが長い場合は、ニードルバルブ１２ａの開放量をニードルバルブ２２ａの開放量よりも大きくすればよい。

材料ガスＧ１は、最終的にはチャンバー１内のシャワーヘッド１４ａ，１６ａから＋ｘ方向に放出され、シャワーヘッド１７ａ，１９ａから−ｘ方向に放出される。また、材料ガスＧ１は、チャンバー１内のシャワーヘッド２４ａ，２５ａから−ｙ方向に放出され、シャワーヘッド２６ａ，２７ａから＋ｙ方向に放出され、シャワーヘッド１５ａからは±ｙ方向、つまり図２の紙面の上下両方向に放出される。

このように、チャンバー１内の４つのゾーンＺ１〜Ｚ４の各ゾーンでは、それぞれｘ−ｙ面の３方向から材料ガスＧ１が放出される。今、ゾーンＺ１に注目すると、ゾーンＺ１は、ガス導入系Ａ１に連通するシャワーヘッド１４ａ、ガス導入系Ａ１とＡ２に連通するシャワーヘッド１５ａ、ガス導入系Ａ３に連通するシャワーヘッド２４ａのそれぞれから材料ガスＧ１が導入されるために、ガス濃度分布が均一になりやすい。ゾーンＺ２〜Ｚ４についても同様である。ガス導入系Ａ１〜Ａ４のそれぞれのコンダクタンスを等しくなるように調節することにより、チャンバー１内の４つのゾーンＺ１〜Ｚ４の各ゾーンでは、ガス濃度分布は均一になり、その結果、誘電体板３の下側の全領域でガス濃度分布が均一となり、薄膜の膜厚、膜質の均一性が確保される。

また、放電ガスＧ２についても同様に、ガス導入系Ｂ１〜Ｂ４のそれぞれのコンダクタンスがニードルバルブ３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａによって制御される。ニードルバルブ３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａは、互いに独立に流量を調節でき、放電ガスＧ２は、最終的には４系統のガス導入系Ｂ１〜Ｂ４にそれぞれ４つ設けられたガス噴出口３３ｃ，３４ｃ，３５ｃ，３６ｃから−ｚ方向に等しい量が放出される。その結果、チャンバー１内の４つのゾーンＺ１〜Ｚ４の各ゾーンでは、放電ガスＧ２の濃度分布は均一になり、誘電体板３の下側の全領域でガス濃度分布が均一となり、大面積でプラズマ密度分布が均一なプラズマＰが生成する。

本実施の形態のＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００によれば、チャンバー１内の４つの全部のゾーンＺ１〜Ｚ４で材料ガスＧ１の濃度分布が均一になり、さらに、ゾーンＺ１〜Ｚ４で放電ガスＧ２の濃度分布が均一になるので、大面積の誘電体板３に対してプラズマ密度分布が均一なプラズマＰを生成させ、材料ガスＧ１の乖離を均一に行うことができ、大面積の基板Ｓに均一な膜厚、膜質の薄膜を形成することができる。また、ニードルバルブを用いて材料ガスＧ１の流量を独立に調節できるので、分岐点Ｑ１からシャワーヘッドまでの長さがガス導入系Ａ１〜Ａ４で異なっていても、チャンバー１へのガス導入量をコントロールでき、ガス導入系Ａ１〜Ａ４の配管レイアウトの自由度が増す。

以上説明した本実施の形態によるＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００によれば、例えば１ｍ×１ｍの大面積の基板Ｓに均一な膜厚、膜質の薄膜を形成することができる。ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００を用いて、近年大面積化が要望されている有機ＥＬの保護膜（ＳｉＮ_ｘ，ＳｉＯ_ｘ，ＳｉＯＮ）、太陽電池の反射防止膜（ＳｉＮ）の成膜が可能であり、また、ＴＦＴのゲート酸化膜および層間絶縁膜（ＳｉＯ_２）などの成膜も可能である。

なお、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００に、放電ガス導入システム３０を用いず、通常の放電ガス導入システムを用いた場合でも、材料ガス導入システム１０によりチャンバー１内の材料ガスＧ１の濃度分布が均一になるので、大面積の基板Ｓに均一な膜厚、膜質の薄膜を形成することができる。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されず、例えば、本実施の形態では、コンダクタンスの制御にニードルバルブを用いたが、ニードルバルブに代えてオリフィス板やマスフローコントローラーを用いることができる。また、本実施の形態では、チャンバー１内を４つのゾーンＺ１〜Ｚ４に分けて各ゾーンでガス濃度分布の均一化を図っているが、ゾーンの数は４つでなくてもよいし、材料ガス導入システム１０のゾーンと放電ガス導入システム３０のゾーンとは１対１で対応していなくてもよい。

なお、特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係については、ニードルバルブ１２ａ，１３ａ，２２ａ，２３ａが材料ガス用コンダクタンス制御手段に対応し、ニードルバルブ３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａが放電ガス用コンダクタンス制御手段に対応する。以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明の実施の形態に係るＳＷＰ−ＣＶＤ装置の概略を模式的に示す全体構成図である。 本発明の実施の形態に係るＳＷＰ−ＣＶＤ装置の材料ガス導入システムを模式的に示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るＳＷＰ−ＣＶＤ装置の放電ガス導入システムとチャンバー内の状態を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１：チャンバー
２：マイクロ波導波管
３：誘電体板
１０：材料ガス導入システム
１１〜１３：ガス導入管
１２ａ，１３ａ：ニードルバルブ
１４〜１９：分岐管
１４ａ〜１９ａ：シャワーヘッド
２１〜２３：ガス導入管
２２ａ，２３ａ：ニードルバルブ
２４〜２７：分岐管
２４ａ〜２７ａ：シャワーヘッド
３０：放電ガス導入システム
３１〜３６：ガス導入管
３３ａ〜３６ａ：ニードルバルブ
３３ｂ〜３６ｂ：ガス流路
３３ｃ〜３６ｃ：ガス噴出口
１００：ＳＷＰ−ＣＶＤ装置
Ａ１〜Ａ４：ガス導入系（材料ガス）
Ｂ１〜Ｂ４：ガス導入系（放電ガス）
Ｇ１：材料ガス
Ｇ２：放電ガス
Ｐ：プラズマ
Ｓ：基板
Ｚ１〜Ｚ４：ゾーン

Claims (3)

1. 成膜チャンバー内にマイクロ波を導入して表面波を形成し、前記表面波により放電ガスを励起して表面波励起プラズマを生成し、前記表面波励起プラズマにより材料ガスを乖離して被処理基板に成膜する表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
   前記成膜チャンバーへ前記材料ガスを導入するための複数系統の材料ガス導入系と、
   前記材料ガス導入系に対応して設けられ、そのガス流量を制御する材料ガス用コンダクタンス制御手段とを備えることを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
2. 請求項１に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
   前記成膜チャンバーへ前記放電ガスを導入するための複数系統の放電ガス導入系と、
   前記放電ガス導入系に対応して設けられ、そのガス流量を制御する放電ガス用コンダクタンス制御手段とをさらに備えることを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
3. 請求項１または２に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
   前記材料ガス用コンダクタンス制御手段は、前記成膜チャンバー内の各々の所定領域で前記材料ガス濃度が均一となるように、前記材料ガスの流量を独立に変化させることを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。

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