JP2006331740A - プラズマプロセス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高周波電源の周波数を増大させた場合においても電界分布を均一にして均一なプラズマを発生し、大きな被処理基板に対しても均一に処理を行うことができるプラズマプロセス装置を提供する。
【解決手段】 被処理基板１２にプラズマ処理を施すプラズマプロセス装置１１は、プラズマ放電発生部１４を備え、そのプラズマ放電発生部１４は、被処理基板１２の被処理面１２ａに対して略平行に設けられる第１電極１７と、被処理面１２ａと第１電極１７との間にＹ方向に延びてストライプ状に設けられる第２電極１８とを含んで構成される。第１電極１７と第２電極１８とは、第１電極１７と第２電極１８との互いに対向する側の面同士で形成される間隔ｄ１が、給電点２８から遠ざかるのにつれて小さくなるように設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマプロセス装置に関する。

プラズマを使用して半導体膜等を成膜し、集積回路、液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンス素子、太陽電池などの電子デバイスを製造する方法、いわゆるプラズマ励起化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法は、簡便性および操作性に優れるので、さまざまな電子デバイスの製造に使用されている。

以下、プラズマ励起ＣＶＤ法に用いられる従来の装置（プラズマＣＶＤ装置と呼ぶ）について例示する。図１５は従来のプラズマＣＶＤ装置１の構成を模式的に示す断面図であり、図１６は図１５に示すプラズマＣＶＤ装置１に備わるプラズマ放電発生部の斜視図である。

プラズマＣＶＤ装置１は、閉空間を構成する処理室（真空容器）２と、互いに電気的に絶縁されて処理室２の中に設けられる給電電極３および接地電極４と、電極に電力を供給する高周波電源５と、処理室２の内部へガスを供給するガス供給部６とを含んで構成される。

給電電極３および接地電極４は、それぞれ導体板からなり、処理室２内で略平行になるように設けられる。接地電極４は、接地電位とされ、接地電極４に対向する給電電極３に対して高周波電源５から電圧を印加して、給電電極３と接地電極４との間に電界を発生させ、その絶縁破壊現象によりグロー放電現象としてプラズマ７を生成する。電圧が印加される側の給電電極３、すなわち電気的エネルギーが供給される給電電極３をカソード電極と呼ぶことがある。また接地電極４をアノード電極と呼ぶことがある。

接地電極４の給電電極３を臨む側の面に被処理基板８を装着し、上記のプラズマ７を生成させた状態で、給電（カソード）電極３近傍に大きな電界が形成されるので、その電界で加速されるプラズマ７中の電子が、ガス供給部６から供給される材料ガスの解離を促してラジカルを生成する。生成されたラジカルは、矢符９で示すように接地電極４へ向って流れ、接地電極４に装着される被処理基板８の表面で化学反応を起こし、半導体膜などを成膜する。

プラズマＣＶＤ装置１において、カソード電極３近傍の大きな電界が形成される放電部分をカソードシース部と呼ぶ。接地（アノード）電極４の近傍にも、ある程度の大きさの電界が形成され、その部分をアノードシース部と呼ぶ。このように、互いに平行な２つのカソード電極３とアノード電極４との間でプラズマ７を生成し、アノード電極４上の被処理基板８に成膜する装置を、以後「平行平板型装置」と呼ぶことがある。

このような平行平板型装置であるプラズマＣＶＤ装置１を用いるプラズマＣＶＤ法は、様々な産業で作製されるＴＦＴ（Thin Film Transistor）パネル、太陽電池などの電子デバイスの製造に広く利用されている。材料ガスをエッチングガスに変更して、プラズマＣＶＤ装置１と同様にプラズマを発生させ、薄膜のエッチングを行うドライエッチング装置、またレジストの除去を行うアッシング装置も、プラズマプロセス装置として知られている。これらの装置におけるプラズマ発生およびラジカル生成などは、プラズマＣＶＤ装置１の場合と同様のメカニズムであり、被処理基板８へ到達したラジカルやイオンが薄膜等の除去を行う。

一般的にプラズマＣＶＤ装置においてプラズマを発生させる高周波電源としては、周波数：１３．５６ＭＨｚのものが多用されている。ところで、平行平板型装置を用いて作製されるＴＦＴ用薄膜、太陽電池用薄膜半導体などには、高速成膜による低コスト化、低欠陥密度、高結晶化率などの高品質化が求められ、これらの要求を満たすためには、電力供給源である高周波電源の周波数を、１３ＭＨｚ程度の周波数よりも高い３０〜８００ＭＨｚに高周波化すれば良いとの知見が得られている。

また、被処理基板サイズの大型化にも拍車がかかっている。被処理基板サイズを大型化することによって、たとえば液晶パネルにおいては、基板サイズが小さいときの所要工程数と同工程数であっても製造されるパネル数を増加することができるので、生産性の向上が期待できる。したがって、被処理基板のサイズは、液晶パネル業界において、第４世代（７００×９００ｍｍ級）、第５世代（１１００×１３００ｍｍ級）から第６世代（１５００×１８００ｍｍ級）、第７世代（１９００×２２００ｍｍ級）、さらには第８世代（２５００×３０００ｍｍ級）へと急速な移行が検討されている。

上記のような電源周波数の増大また被処理基板サイズの大型化は、被処理面内における均一処理が困難になるという問題を惹起する。これは、高周波の波長が電極サイズと同程度のオーダーになるので、電極端などで生じる反射波が主因となって電極上に定在波が発生し、電界分布にばらつきが生じ、電界分布のばらつきを反映してプラズマが不均一になり、その結果成膜などのプラズマ処理において不均一が生じることによる。

一般に、プラズマＣＶＤ法で作製される半導体成膜について例示すると、膜厚分布におけるばらつきは±１０％以内が好ましいとされている。しかしながら、半導体成膜において、膜厚分布のばらつきを±１０％以内に抑えようとすると、電界分布を一層均一にする必要がある。プラズマが発生することによって定在波の波長は、真空中における定在波の波長よりも短くなると考えられている（たとえば、非特許文献１参照）ので、プラズマが発生している状態で電界分布のばらつきを±１０％以内に抑えるためには、プラズマが発生していない状態における電界分布のばらつきを±５％以内に抑えることが好ましいと考えられる。

電界分布のばらつきを低減するために平行平板型装置以外の構成が提案されている。たとえば、放電用電極を数本の線材からなるはしご状の平面形コイルで形成し、被処理基板をはしご状の放電用電極と平行に支持することが提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に開示されるはしご状電極においても、電極端などで生じる反射波は存在し、平行平板型装置と同様に電極上に定在波が生じてしまう。むしろはしご状電極とすることによって、電力供給箇所から放電箇所までの電極に形成される最短経路が平行平板型装置の場合よりも大きくなるので、電界分布に一層大きなばらつきが生じるという問題がある。

またもう一つの従来技術では、放電電極の主面を網目状とし、かつ給電点を放電電極の中央にすることが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に開示されるような網目状電極を用いることによって、電力給電箇所と放電箇所とを結ぶ電極の経路は、特許文献１に記載のはしご状電極よりは短くなる。しかしながら、放電電極を網目状とする構成であっても、平行平板型装置と同様、根本的に定在波の除去を行う構成では無いので、被処理基板の大型化および給電周波数の高周波化に伴い、電界分布のばらつきが大きくなるという問題がある。

電界分布のばらつきに及ぼす要因の影響についてさらに説明する。プラズマＣＶＤ法を用いる成膜において、膜厚が不均一になる原因は、反応装置内における膜形成種の流れによるものと、電極上の浮遊インダクタンスの存在による電界への影響と、電極上の定在波の発生などが重畳していると考えられる。これらの原因の中で、基板の大型化および電源周波数の高周波化により、膜厚の不均一に大きな影響を及ぼすのは、電極内における定在波の発生である。これは、高周波の波長が装置サイズと同じオーダーになるので、供給される電磁波の定在波の影響が顕著に露呈するためである。

電界Ｅの入射波と反射波とによって発生する定在波の式を簡略的に表すと式（１）のようになる。式（１）は、円形の平板電極を有する平行平板型装置において、給電電極の中心に給電を行った場合の電界分布とよく合致する。

ここで、Ｘは円形の平板電極の中心を零（０）としたときの半径方向の位置であり、λ_０は真空中を伝播する電磁波の波長であり、Ｅ_０はＸ＝０のときの電界値である。

式（１）によれば、半径方向の位置を示すＸの値が大きくなり、給電周波数が高くなる（換言すれば波長λ_０が小さくなる）と、電界強度分布は余弦関数を描いて変化することが判る。

たとえば、平行平板型装置において、装置の中心から給電を行うとき、直径２ｍの円形基板において電源周波数を１５ＭＨｚとして式（１）に基づいて電界分布を計算すると、その分布上のばらつきは±３％程度である。しかしながら、電源周波数を６０ＭＨｚにすると、電界分布のばらつきが±５３％と大幅に増加する。

このことから、大型基板のプラズマ処理を可能にし、高速成膜等を目的として電源周波数を高くするに際しては、定在波の発生を補償し、電界分布のばらつきを抑制して均一にプラズマを発生させることが希求されている。

エー・ペレット他、アプライド・フィジックス・レターズ（APPLIED PHYSICS LETTERS）、米国、アメリカン・インスチチュート・オブ・フィジックス（American Institute of Physics）、２００３年７月１４日、第８３巻、第２号、ｐ２４３−２４５ 特開平４−２３６７８１号公報 特開平１１−１１１６２２号公報

本発明の目的は、電極上に発生する定在波を積極的に制御することによって、高周波電源の周波数を増大させた場合においても電界分布を均一にして均一なプラズマを発生し、大きな被処理基板に対しても均一に処理を行うことができるプラズマプロセス装置を提供することである。

本発明は、被処理基板が内部に配置される処理室と、処理室の内部に設けられ、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ放電発生部とを備えるプラズマプロセス装置において、
プラズマ放電発生部は、
被処理基板のプラズマ処理が施される被処理面に対して略平行に設けられ、処理室内にガスを導入させるガス導入口が形成される第１電極と、
被処理基板の被処理面と第１電極との間に設けられる第２電極であって、予め定める方向に延びるストライプ状、または格子状に設けられる第２電極とを含み、
第１電極と第２電極とは、第１電極と第２電極との互いに対向する側の面同士で形成される間隔が、被処理面上に投影される位置に応じて異なるように設けられることを特徴とするプラズマプロセス装置である。

また本発明は、被処理基板が内部に配置される処理室と、処理室の内部に設けられ、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ放電発生部とを備えるプラズマプロセス装置において、
プラズマ放電発生部は、
被処理基板のプラズマ処理が施される被処理面に対して略平行に設けられる電極基部と電極基部から被処理面に向う方向に突出して形成される電極突起部とを有し、処理室内にガスを導入させるガス導入口が形成される第１電極と、
被処理基板の被処理面と第１電極との間に設けられる第２電極であって、予め定める方向に延びるストライプ状、または格子状に設けられる第２電極とを含み、
第１電極と第２電極とは、第１電極の電極突起部の先端と第２電極の第１電極を臨む側の面とで形成される間隔が、被処理面上に投影される位置に応じて異なるように設けられることを特徴とするプラズマプロセス装置である。

また本発明は、第２電極は、第１電極を臨む側の面と被処理基板の被処理面との距離が、被処理面上に投影される位置に応じて異なるように設けられることを特徴とする。

また本発明は、第２電極は、被処理基板を臨む側の面と被処理基板の被処理面との距離が、等しくなるように設けられることを特徴とする。

また本発明は、第１電極と第２電極との間に絶縁体が介在することを特徴とする。
また本発明は、第１電極と第２電極とは、
第１電極に対して電力が供給される点である給電点から遠ざかるのにつれて、前記間隔が小さくなるように設けられることを特徴とする。

本発明によれば、第１電極と第２電極との間隔、または第１電極に形成される電極突起部と第２電極との間隔が、被処理面上に投影される位置に応じて異なるように、第１電極と第２電極とが設けられるので、高周波電源の周波数を増大させた場合においても、電界分布を均一にして均一なプラズマを発生し、大きな被処理基板に対しても均一に処理を行うことができるプラズマプロセス装置が実現される。

また本発明によれば、第１電極と第２電極との間に絶縁体を介在させるので、第２電極の第１電極を臨む側の面に膜が形成されることを防止できる。このように、第２電極の第１電極を臨む側の面に膜が形成し堆積されることがないので、第２電極から膜が剥がれ落ちて被処理面がパーティクル汚染されることを防止できる。

また本発明によれば、第１電極と第２電極とは、第１電極に対して電力が供給される給電点から遠ざかるのにつれて、両者の間隔が小さくなるように設けられるので、給電点から遠い部分における電界強度の低下を補償し、広範囲にわたって均一な電界分布を生じさせることができる。

図１は本発明の実施の第１形態であるプラズマプロセス装置１１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図であり、図２は図１に示すプラズマプロセス装置１１のＹ−Ｚ断面図である。

プラズマプロセス装置１１は、大略、被処理基板１２が内部に配置される処理室１３と、処理室１３の内部に設けられ、被処理基板１２にプラズマ処理を施すプラズマ放電発生部１４と、プラズマ放電発生部１４に電力を供給する電源１５とを備える。プラズマ放電発生部１４は、被処理基板１２のプラズマ処理が施される被処理面１２ａに対して略平行に設けられ、処理室１３内にガスを導入させるガス導入口１６が形成される第１電極１７と、被処理面１２ａと第１電極１７との間に設けられる第２電極１８であって、予め定める方向に延びるストライプ状に設けられる第２電極１８とを含み、第１電極１７と第２電極１８とは、第１電極１７と第２電極１８との互いに対向する側の面同士で形成される間隔ｄ１が、被処理面１２ａ上に投影される位置に応じて異なるように設けられる。

このプラズマプロセス装置１１は、たとえばプラズマ励起化学気相成長法による半導体膜や絶縁膜の薄膜製造のためのプラズマ化学蒸着装置、半導体膜や導体膜の薄膜パターン形成のためのドライエッチングを行うドライエッチング装置、薄膜パターン形成に用いるレジストを除去するアッシング装置などとして使用される。

ここで、図１および図２において示すＸ−Ｙ−Ｚ方向について説明する。Ｘ−Ｙの２方向で規定される平面は水平面に相当し、図１の紙面上ではＸ方向が左右方向であり、Ｙ方向が紙面に対して垂直な方向でありかつ前記第２電極１８がストライプ状に延びる方向である。Ｚ方向は、Ｘ−Ｙの両方向に垂直な方向であり鉛直方向に相当する。なお、このＸ−Ｙ−Ｚ方向の定義は、本明細書中で共通に用いられる。

したがって、図１はプラズマプロセス装置１１のＸ−Ｚ断面を見た図であり、図２はプラズマプロセス装置１１のＹ−Ｚ断面を見た図である。

処理室１３は、内部が中空の略直方体形状を有し、たとえばステンレス鋼などで形成される耐圧容器である。処理室１３の上部には、天板１３ａを貫通する貫通孔が形成され、該貫通孔部分に処理室１３の内部に材料ガスを供給するガス供給部２１が設けられる。ガス供給部２１は、たとえばエアコンプレッサまたは高圧ガスボンベと圧力／流量調整弁とによって実現される。また処理室１３の下部には、底板１３ｂを貫通する貫通孔が形成され、該貫通孔部分に処理室１３内のガスを排出するガス排出部２２が設けられる。ガス排出部２２は、たとえばメカニカル・ブースター・ポンプまたはロータリーポンプなどによって実現される。

なお、本実施形態では、ガス排出部２２は、処理室１３の底板１３ｂの略中心に接続されるように設けられる構成であるけれども、これに限定されることなく、特にプラズマプロセス装置が大きくなった場合は、等間隔に複数個が設けられる構成であってもよい。

被処理基板１２は、処理室１３の内部空間の下部に配置される基板ホルダ２３に載置され、さらに被処理基板１２と基板ホルダ２３とが、被処理基板１２を加熱するためのヒータを内蔵するサセプタ２４に保持される。

本実施の形態では、第１電極１７は、たとえばアルミニウム合金またはステンレス鋼などの導電性素材からなる平板であり、前述のようにサセプタ２４に保持される被処理基板１２の被処理面１２ａに対して略平行に設けられる。ここで略平行とは、装置における装着精度および設置上の誤差等により、被処理面１２ａに対して第１電極１７がわずかに傾斜角を有する場合も含む意味に用いる。

第１電極１７には、その厚さ方向に貫通して複数のガス導入口１６が形成される。ガス導入口１６の個数および配置は、特に限定されるものではなく、処理室１３内へ導入される材料ガスが、処理室１３の全体で均一化が図れるように配慮されればよい。また第１電極１７の被処理面１２ａを臨む側の面と反対側を覆うようにして、材料ガスの流過空間を形成するガス缶体２５が設けられる。ガス缶体２５の内部に、材料ガスを拡散し、均一に処理室１３に供給するための不図示の略拡散板を複数枚設置する。ガス供給部２１からガス導入管２６を流過してガス缶体２５の内部空間へ供給される材料ガスは、矢符２７に示す方向に第１電極１７に形成されるガス導入孔１６を通って処理室１３の内部へ導入される。

処理室１３の外部には、前述の電源１５であって、この第１電極１７に接続されプラズマ放電発生部１４に対して電力を供給する高周波電源１５が設けられる。本実施の形態では、高周波電源１５が第１電極１７に接続されて電力を供給する給電点２８は、第１電極１７の平面図上における中央部に設けられる。このように、高周波電源１５から電力供給される電極であることから、第１電極１７を給電電極１７と呼ぶことがある。

第２電極１８は、被処理基板１２の被処理面１２ａと第１電極１７との間に、Ｙ方向に延びてストライプ状（本実施形態では６個が離隔距離Ｇ１をあけて平行にＹ方向に延びるように）に設けられる。また第２電極１８は、第１電極１７に対して、第１電極１７と第２電極１８との互いに対向する側の面同士で形成される間隔ｄ１が、被処理面１２ａ上に投影される位置に応じて、すなわちＸ−Ｙ平面上の座標位置に応じて異なるように設けられることを特徴とする。

第２電極１８は、Ｘ−Ｚ断面上にて見るとき、給電点２８に最も近いものの間隔ｄ１が最も大きく、給電点２８から遠ざかるのにつれて順次間隔ｄ１が小さくなるように設けられる。なお、順次小さくなる間隔を、特にそれぞれ区別する場合には、間隔ｄ１ａ、ｄ１ｂおよびｄ１ｃ（ｄ１ａ＞ｄ１ｂ＞ｄ１ｃ）と呼び、間隔を総称する場合ｄ１と呼ぶ。なお、第２電極１８は、給電点２８を含むＹ−Ｚ平面に関して面対称に形成される。またＹ−Ｚ断面上において、第２電極１８は、Ｙ方向に延びて設けられ、第１電極１７との間隔ｄ１は、やはり給電点２８に最も近い所で最大値を有し、給電点２８から遠ざかるのにつれて連続的に小さくなるように形成される。たとえば、最も給電点２８に近く設けられる第２電極１８では、給電点２８に最も近い所の間隔がｄ１ａ、給電点２８から最も遠い所の間隔がｄ１ｃになるように設けられる。

なお本実施の形態のプラズマプロセス装置１１では、第１電極１７と第２電極１８との間には、第２電極１８と同様にＹ方向に延びてストライプ状に設けられる絶縁体１９が介在する。絶縁体１９は、第１電極１７の被処理基板１２を臨む側の面上に、該面から立ち上がるようにして、かつ給電点２８から遠ざかるのにつれて、第１電極１７の上記面からの立ち上がり高さが小さくなるように設けられる。この絶縁体１９の第１電極１７の面からの立ち上がり高さが、前述の第１電極１７と第２電極１８との対向面同士による間隔ｄ１に一致する。

すなわち、Ｘ−Ｚ断面上においては、絶縁体１９は、幅ｗ１の板状に形成され、給電点２８から遠ざかるのにつれて高さがｄ１ａからｄ１ｃまで順次小さくなるように、離隔距離Ｇ１をあけてストライプ状に設けられる。また、Ｙ−Ｚ断面上においては、給電点２８に最も近いものについて例示すると、絶縁体１９は、その高さが給電点２８に最も近い所で最大値を有し、給電点２８から遠ざかるのにつれて連続的に小さくなるように、長さＬ１にわたって形成される。

したがって、本実施形態のプラズマプロセス装置１１では、絶縁体１９の被処理基板１２を臨む側の端面上に、幅ｗ１および厚さｔ１（この厚さは鉛直方向であるＺ方向の長さになるので、以後便宜上第２電極の高さと呼ぶ）の第２電極１８が、Ｙ方向にストライプ状に延びて設けられる。この第２電極１８は、たとえばアルミニウム合金またはステンレス鋼などの導電性素材からなり、ストライプ方向に延びる端部において処理室１３の壁面などの金属部に接地されて接地電位に保たれるので、接地電極と呼ばれることがある。

絶縁体１９には、たとえばアルミナなどのセラミックが用いられる。なお、第２電極（接地電極）１８を、第１電極１７から間隔ｄ１をあけて撓ませることなく設けることができるのであれば、絶縁体１９を設ける必要はない。しかしながら、たとえばＣＶＤでは、絶縁体１９が無いと、第２電極１８の第１電極１７を臨む側の面に膜が堆積し、その膜が剥がれ落ちることによって被処理面１２ａをパーティクル汚染する恐れがあるので、絶縁体１９が設けられることが好ましい。

なお、給電電極１７とガス供給部２１側の処理室１３とで囲まれる空間、より厳密にはガス缶体２５のガス供給部２１を臨む側とガス供給部２１側の処理室１３とで囲まれる空間には、異常放電等および不必要な放電を防止するために図示していないアルミナ等の誘電体が敷き詰めてある。

複数設けられる絶縁体１９の立ち上がり高さを、電極に発生する電界の定在波分布を補償するように、給電点２８から遠ざかるのにつれて小さくなるように形成することによって、絶縁体１９の被処理基板１２を臨む側の端面に設けられる第２電極１８と、第１電極１７との間隔ｄ１を調整することができる。このように、第１電極１７と第２電極１８との間隔ｄ１が調整された構成とすることによって、Ｘ−Ｙ平面すなわち被処理面１２ａと平行な平面における電界分布を均一化することができる。

以下、電界分布均一化の原理について簡単に等価回路を用いて説明する。図３は、等価回路を簡略化して示す図である。本発明のプラズマプロセス装置１１は、簡略的に図３に示すような等価回路で示される。図３では、分布定数回路で示されるところの回路の単位長さ当りの抵抗、インダクタンス、コンダクタンスおよびキャパシタンスは省略しており、プラズマが発生する第２電極（接地電極）１８と、その近隣の第１電極（給電電極）１７との間の放電部分の容量成分のみを表している。また図３では、Ｘ方向の等価回路を示しているが、放電部分の容量を単位長さ当りの値と考えることによって、Ｙ方向の等価回路であっても同様に表現することができる。

たとえば、複数ある絶縁体の高さが全て等しい、すなわち給電電極と接地電極との間隔が被処理基板の被処理面上の投影位置に関らず等しい場合、給電点からの入射波と電極端等における反射波とが干渉することによって、分布定数回路上で示されるところの抵抗および容量成分により定まる定在波が発生し、給電点からＸ方向またはＹ方向に遠ざかるにつれて電圧は低下し、プラズマ放電部の電界も減少して電界分布にばらつきが生じる。

しかし、本発明のプラズマプロセス装置１１におけるように、被処理面１２ａに平行なＸ−Ｙ平面内において、絶縁体１９の高さ、すなわち第１電極１７と第２電極１８との間隔ｄ１を、被処理面１２ａ上の投影位置、すなわちＸ−Ｙ座標位置に応じて異なるように調整することによって、給電点２８からＸまたはＹ方向へ遠ざかるのにつれて電圧が徐々に低下するけれども、その分、第２電極１８と第１電極１７との間隔ｄ１を小さくして距離を近づけて、プラズマ放電部分の電界を大きくすることができ、Ｘ−Ｙ平面内の電界分布を均一化することが可能になる。

以下、プラズマ放電発生部１４の構成についての具体的な事例を示すとともに、該構成例について３次元高周波電磁界シミュレーション解析を行った結果について説明する。なお、この具体的構成例は、あくまでも本発明の一例を示すにすぎず、本発明範囲を限定するものではない。

図４は、解析に用いたプラズマ放電発生部１４の具体的構成例を示す断面図である。なお、図４では、プラズマ放電発生部１４が面対象に構成されるので、Ｘ−Ｚ断面における２分の１断面にて図示する。図４は、たとえば基板サイズ１８００ｍｍ×１５００ｍｍに対応するプラズマプロセス装置１１に搭載されるプラズマ放電発生部１４について例示する。

第１電極（給電電極）１７は、平面寸法が１９００ｍｍ×１６００ｍｍ、厚さ１０ｍｍであり、その外周に適宜配置される空気ならびに厚さ１５ｍｍのアルミナおよびポリテトラフルオロエチレンで構成される絶縁部材３１によって、処理室１３の内壁面から絶縁される。

絶縁体１９は、３０ｍｍピッチ（離隔距離Ｇ１＝３０ｍｍ）で互いに平行になるようにＹ方向に延び、給電電極１７の被処理面１２ａを臨む側の面に配置される。この絶縁体１９は、比誘電率：９．２のアルミナからなり、幅ｗ１が５ｍｍ、長さＬ１が１９００ｍｍ、高さｄ１が３〜１５ｍｍである。給電電極１７の平面寸法が１９００ｍｍ×１６００ｍｍの場合、絶縁体１９は、ピッチを３０ｍｍとすると、５５本程度が、Ｙ方向に延びＸ方向に平行に配列される。

絶縁体１９を介して給電電極１７と対向するようにして第２電極（接地電極）１８が設けられる。接地電極１８の寸法を表１に示す。

高周波電源１５による給電電極１７に対する電力供給部すなわち給電点２８は、給電電極１７の平面図上における中心付近に設けられる。給電点２８には、直径：３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの円柱金属が接続され、円柱金属はさらにプラズマプロセス装置外周部と絶縁するために直径５０ｍｍの円筒状のポリテトラフルオロエチレンによって被覆される。

サセプタ２４は、接地電極１８から平均距離で３０ｍｍ離間し、かつ給電電極１７に対して平行になるように配置され、平面寸法が１９００ｍｍ×１６００ｍｍ、厚さ１０ｍｍである。このサセプタ２４は、金属部材３２によって処理室１３の内壁面に連結される。なお基板ホルダ２３および被処理基板１２はシミュレーション解析の簡略化のため省略した。

電界分布のシミュレーションに際し、給電電極１７および接地電極１８は完全導体と仮定し、給電電極１７とサセプタ２４との間に構成される空間は真空からなると仮定した。シミュレータには、高周波３次元電磁界シミュレータ［ＨＦＳＳ（High-Frequency
Structure Simulator）、Ｖｅｒ．８．５．０４：アンソフト製］を用い、シミュレーション条件として表２に示す条件を用いて、３次元高周波電磁界シミュレーション解析を行った。

なお、本発明例の電界分布と比較するために、給電電極と接地電極との間隔（絶縁体の高さ）が６ｍｍ一定であること以外は上記の設定と同一である比較例の場合についても、３次元高周波電磁界シミュレーション解析を行った。シミュレーション解析を行ったケース分けを表３に示す。解析結果は、給電電極１７と接地電極１８との中間位置の仮想Ｘ−Ｙ平面上の電界強度を、隣り合う接地電極１８同士の離隔距離Ｇ１である３０ｍｍで平均した平均電界強度として算出した。以下断りが無い限り、電界強度は平均電界強度を示すものとする。

図５は、シミュレーション結果を示す図である。図５は、表３に示す発明例と比較例とのそれぞれの場合について、表３に示すＸ方向およびＹ方向の電界強度を算出した結果を、給電点を中心Ｏとして示す。

電極サイズが１６００ｍｍ×１９００ｍｍのように大きい場合、給電電極と接地電極との間隔ｄ１（絶縁体の高さ）を６ｍｍと一定にすると、図５中のライン３３，３４に見られるように、電界強度は、Ｘ方向およびＹ方向のいずれであっても給電点から遠ざかるのに伴って、平行平板型のプラズマプロセス装置と同様に電界強度が低下するという典型的な定在波の影響が表れる。

一方、本発明例のように、たとえば給電電極１７と接地電極１８との間隔ｄ１を、給電点２８から遠ざかるのにつれて１５ｍｍから３ｍｍへと減少させると、図５中のライン３５，３６に見られるように、間隔ｄ１が小さい所では逆に電界強度が増加する結果が得られた。

このように、給電電極１７と接地電極１８との間隔ｄ１（絶縁体１９の高さ）をＸ方向およびＹ方向において、給電点２８から遠ざかるのにつれて１５ｍｍから３ｍｍへと減少させることによって、給電電極１７の周縁部すなわち被処理基板１２の周縁部における電界強度の低下を防止することができ、間隔ｄ１の大きさによっては電界強度を逆に増加させることができる。したがって、絶縁体１９の高さを適切に調整し、給電電極１７と接地電極１８との間隔ｄ１を適切に調整することによって、電界強度分布の均一化を実現することができる。

さらなる３次元高周波電磁界シミュレーション解析を行った結果、電極サイズ１６００ｍｍ×１９００ｍｍの場合、給電点近接部における間隔ｄ１を１５ｍｍとし、給電電極周縁部における間隔ｄ１を９ｍｍとするとき、給電電極１７の平面領域内における電界強度分布のばらつきを±１％以内に抑えることができ、電界分布の均一化を実現することができる。

次に、給電電極１７と接地電極１８との間隔ｄ１を、３次元高周波電磁界シミュレーション解析から導かれる上記の好適値になるように調整したプラズマプロセス装置１１によって、サイズ１８００ｍｍ×１５００ｍｍの被処理基板１２上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜した結果を説明する。

成膜に用いた材料ガスは、ＳｉＨ_４（２ｓｌｍ）、Ｈ_２（１０ｓｌｍ）およびＮ_２（２０ｓｌｍ）である。ここで、「ｓｌｍ」とは、０℃において毎分流れるリットル単位のガス流量である。プラズマプロセス装置１１内の材料ガス雰囲気圧力は１００Ｐａから３００Ｐａとし、被処理基板１２の温度を２００度とし、高周波電源１５による供給電力を１０ｋＷから２０ｋＷ、周波数を１０〜１００ＭＨｚとした。

成膜後、ガラス基板を４分割に裁断し、被処理基板１２上に形成されたＳｉＮの膜厚分布を、分光エリプソメータにて測定した結果、膜厚はプロセス条件に依存するけれども、安定なプラズマ放電が得られる周波数２７ＭＨｚ、材料ガス圧力１５０〜２５０Ｐａにおいて膜厚分布のばらつきが±１０％以内に納まることが判った。すなわち、間隔ｄ１を、給電点２８から給電電極１７の周縁部に向かって適正に減少させることによって、電界分布の均一化を実現し、均一なプラズマを生成させて膜厚が均等になるようにプラズマプロセス処理を施すことが可能になる。

なお、給電電極と接地電極との間隔ｄ１を６ｍｍと一定にしたこと以外は上記と同様にして、ＳｉＮの成膜を行ったところ、成膜後の膜厚分布のばらつきが±２５〜４５％もあり、電界分布の均一性に問題があり、均一なプラズマプロセス処理が行えていないことが判った。

図６は本発明の実施の第２形態であるプラズマプロセス装置４１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図であり、図７は図６に示すプラズマプロセス装置４１のＹ−Ｚ断面図である。本実施の形態のプラズマプロセス装置４１は、実施の第１形態のプラズマプロセス装置１１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

プラズマプロセス装置４１において注目すべきは、プラズマ放電発生部４２の第２電極４３は、第１電極１７を臨む側の面と被処理面１２ａとの距離が、被処理面１２ａ上に投影される位置に応じて異なり、かつ被処理基板１２を臨む側の面と被処理面１２ａとの距離Ｇ２が等しくなるように設けられることである。

本実施の形態では、図６に示すＸ−Ｚ断面上にて見るとき、第２電極４３は、給電点２８に最も近いものの高さｔ１が最も小さく、給電点２８から遠ざかるのにつれて順次高さｔ１が大きくなるように設けられる。なお、順次大きくなる高さを、特にそれぞれ区別する場合には、高さｔ１ａ、ｔ１ｂおよびｔ１ｃ（ｔ１ａ＜ｔ１ｂ＜ｔ１ｃ）と呼び、高さを総称する場合ｔ１と呼ぶ。

したがって、プラズマ放電発生部４２を構成する第１電極１７と第２電極４３とは、次の関係を満足する。給電点２８から遠ざかるのにつれて、第２電極４３の高さｔ１が大きくなることによって第１電極１７と第２電極４３との間隔ｄ１が小さくなり、かつ間隔ｄ１と第２電極４３の高さｔ１との和（＝ｄ１＋ｔ１）が、被処理面１２ａ上に投影される位置に関らず一定になる。

このような構成とすることによって、第１電極１７と絶縁体１９と第２電極とで囲まれる空間であって、プラズマが発生する空間４４（便宜上プラズマ空間と略称する）の容積を等しくすることができるので、一層均一なプラズマの発生を可能にし、均一な膜厚分布の成膜を実現することができる。

プラズマプロセス装置４１によって、周波数２７ＭＨｚ、材料ガス雰囲気圧力を２００Ｐａにして成膜を行ったところ、膜厚分布のばらつきを±５％以内に抑制できることを確認した。

図８は本発明の実施の第３形態であるプラズマプロセス装置５１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図であり、図９は図８に示すプラズマプロセス装置５１のＹ−Ｚ断面図である。本実施の形態のプラズマプロセス装置５１は、実施の第２形態のプラズマプロセス装置４１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

プラズマプロセス装置５１は、プラズマ放電発生部５２を構成する第１および第２電極５３，５４の構成と配置とに特徴を有する。第１電極５３は、ガス導入口１６が形成され被処理面１２ａに対して略平行に設けられる平板状の電極基部５５と、電極基部５５から被処理面１２ａに向う方向に突出してリブ状に形成される電極突起部５６とを有する。

本実施の形態では、電極突起部５６は、たとえばアルミニウム合金またはステンレス鋼製であり、断面が直角３角形の角柱形状を有し、Ｙ方向に延びてストライプ状に絶縁体５７を挟んで両側に設けられる。この電極突起部５６の電極基部５５からの立ち上がり高さを電極突起部５６の高さｈ１と呼ぶ。電極突起部５６は、その高さｈ１が給電点２８から遠ざかるのにつれて、高くなるように形成される。電極突起部５６は、図８に示すＸ−Ｚ断面上にて見るとき、給電点２８に最も近いものの高さｈ１が最も低く、給電点２８から遠ざかるのにつれて順次高さｈ１が高くなるように形成される。なお、順次高くなる高さを、特にそれぞれ区別する場合には、高さｈ１ａ、ｈ１ｂおよびｈ１ｃ（ｈ１ａ＜ｈ１ｂ＜ｈ１ｃ）と呼び、高さを総称する場合ｈ１と呼ぶ。

なお、電極突起部５６は、給電点２８を含むＹ−Ｚ平面に関して面対称に形成される。また図９に示すＹ−Ｚ断面上において、電極突起部５６は、Ｙ方向に延びて設けられ、立ち上がり高さｈ１は、やはり給電点２８に最も近い所で最低値を有し、給電点２８から遠ざかるのにつれて連続的に高くなるように形成される。たとえば、最も給電点２８に近く設けられる電極突起部５６では、給電点２８に最も近い所の高さｈ１ａ、給電点２８から最も遠い所の高さがｈ１ｃになるように形成される。なお、第１電極５３は、電極基部５５と電極突起部５６とが一体もので作製される構成であってもよい。

第２電極５４は、幅ｗ１と高さｔ１とが一定の角棒状に形成され、被処理面１２ａと第１電極５３との間に、Ｙ方向に延びてストライプ状に設けられる。第１電極５３と第２電極５４とは、第１電極５３の電極突起部５６の先端と第２電極５４の第１電極５３を臨む側の面とで形成される間隔ｄ１が、被処理面１２ａ上に投影される位置に応じて異なるように、すなわち給電点２８から遠ざかるのにつれて小さくなるように設けられる。

本実施形態のプラズマプロセス装置５１においては、絶縁体５７の高さＨと前記間隔ｄ１とは一致しない。絶縁体５７の高さＨは一定に保たれるので、同じく高さｔ１が一定の第２電極５４と絶縁体５７との高さの和（＝Ｈ＋ｔ１）が、被処理面１２ａ上の投影位置によらず一定である。

したがって、プラズマプロセス装置５１は、電極突起部５６の電極基部５５からの立ち上がり高さｈ１が給電点２８から遠ざかるのにつれて大きくなるようにすることによって、第２電極５４と第１電極５３の電極突起部５６との間隔ｄ１が、給電点２８から遠ざかるのにつれて小さくなるように構成される。

このような構成とすることによって、プラズマプロセス装置５１においても、電界分布の均一化に関する原理は保たれるので、電極端等の反射により発生する電磁波の定在波のため生じる電界分布のばらつきを抑制することができる。また、電極突起部５６を設けることによって、プラズマ空間４４内に発生する平均電界強度を大きくすることができ、一層高密度なプラズマ放電が可能となる。したがって、均一成膜と同時に高速成膜が可能となり、装置の高スループット化が期待できる。

図１０は、第１電極の電極突起部の変形例を示す断面図である。実施の第３形態のプラズマプロセス装置５１では、第１電極５３の電極突起部５６が、断面が直角３角形の角柱状に形成され、直角三角形の底辺と斜辺との間の角度を調整することによって高さｈ１を調整しているけれども、それに限定されるものでは無い。たとえば、図１０（ａ）に示すように、断面形状が直角３角形の電極突起部５６ａを、断面の三角形の相似形を維持したまま拡大／縮小することによって高さｈ１を調整する方法であってもよい。また、図１０（ｂ）のように、断面形状が台形の電極突起部５６ｂを、断面の台形の底辺の長さを調整することによって高さｈ１を調整する方法であってもよい。また、図１０（ｃ）のように、断面形状が直角３角形の斜辺を曲線にした電極突起部５６ｃを、拡大／縮小することによって高さｈ１を調整する方法であってもよい。

図１１は本発明の実施の第４形態であるプラズマプロセス装置６１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図であり、図１２は図１１に示すプラズマプロセス装置６１のＹ−Ｚ断面図である。本実施の形態のプラズマプロセス装置６１は、実施の第２および第３形態のプラズマプロセス装置４１，５１に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

本実施形態のプラズマプロセス装置６１のプラズマ放電発生部６２は、実施の第２形態の絶縁体１９および第２電極４３に、電極基部６４と電極突起部６５とからなる第１電極６３を組合せた構成を有する。

第１電極６３の電極基部６４は、実施の第３形態の第１電極５３の電極基部５５と同一に形成される。第１電極６３の電極突起部６５は、断面が直角三角形の三角柱状に形成され、１つの絶縁体１９と、１つの第２電極４３と、１つの絶縁体１９を挟んで対向して設けられる一対の電極突起部６３とからなる１つのプラズマ放電発生ユニットにおいては、高さｈ１がＹ方向に一定になるように形成される。したがって、上記の１つのプラズマ放電発生ユニットにおいて、電極突起部６３の先端部と第２電極４３との間隔ｄ１のＹ方向における変化は、第２電極４３の高さｔ１が、給電点２８から遠ざかるのにつれて大きくなるように形成されることによって実現される。

一方、プラズマ放電発生部６２の電極突起部６３の先端部と第２電極４３との間隔ｄ１のＸ方向における変化は、第２電極４３の高さｔ１が、給電点２８から遠ざかるのにつれて大きくなるように形成されることに加えて各絶縁体１９を挟んで、ストライプ状に設けられる電極突起部６５の高さｈ１が、給電点２８から遠ざかるのにつれて大きくなるように形成されることによって実現される。

このような構成とすることによって、第１電極６３の電極突起部６５と第２電極４３とによって形成される間隔ｄ１が、被処理面１２ａ上に投影される位置に応じて異なるように設けることを実現する上で、自由度の高い設計が可能となる。したがって、プラズマ放電発生部を製作する時のコストならびに製作するデバイス等の膜厚分布仕様および成膜速度に応じて、最適な組み合わせを多様に実現することができる。

本発明のプラズマプロセス装置は、大型の被処理基板に対して均等なプラズマプロセス処理を施すことができるものであるけれども、広い領域に均一にプラズマプロセス処理を施すことだけにその使用が限定されるものではない。

プラズマ放電発生部の第１電極と第２電極との間隔ｄ１、または第１電極の電極突起部と第２電極との間隔ｄ１を、所望の部位において意図的に小さくすることによって、また意図的に大きくすることによって、電界強度の強弱を調整することが可能である。このように電界強度分布を調整することによって、被処理基板の表面に所望の膜厚分布を有する成膜処理を施すことも可能である。

図１３および図１４は、プラズマプロセス処理で成膜された被処理基板の事例を示す平面図である。たとえば、図１３に示す被処理基板１２は、被処理基板１２の周縁部付近においてのみ、リング状の領域Ａを他の部分より厚膜にすることや他の部分より多くエッチングすることなど、他の部分よりも強いプラズマプロセス処理が施されたものである。また、図１４に示す被処理基板１２は、局所的に区画される３つの選択領域Ｕ，Ｖ，Ｗにのみ、強いプラズマプロセス処理が施されたものである。

以上に述べたように、本実施の形態では、プラズマ放電発生部は、その第２（接地）電極、絶縁体、電極突起部が、Ｙ方向に延びるストライプ状に形成されるけれども、これに限定されることなく、たとえば給電点を中心として９０°角変位した位置に同一構成のものが設けられて、Ｘ方向とＹ方向とに延びて格子状に形成される構成であっても良い。プラズマ放電発生部の第２電極、絶縁体、電極突起部が格子状に設けられることによって、さらなる高密度で均一なプラズマを発生させることが可能になるので、一層高能率なプラズマプロセス処理を実現することができる。

また高周波電源から第１電極（給電電極）に対する電力供給は、給電電極の平面図上におけるほぼ中央に設けられる給電点を通じて行われるけれども、これに限定されることなく、任意の部分に給電点が設けられる構成であってもよい。たとえば、中心付近以外にも給電電極の端部での接続、また分岐して複数箇所に給電点を設ける等の接続であってもよい。この場合、給電点を増やしたり、給電場所を変えたりしても電磁波は干渉し合うので、電極に定在波が発生するけれども、それを補償するように給電電極と接地電極との間隔ｄ１を調整すればよい。

またプラズマプロセス処理は、成膜処理を事例としたけれども、これに限定されることなく、プラズマプロセス装置は、成膜以外にも、ドライエッチング、アッシングなどのプラズマプロセス処理にも利用することができる。

本発明の実施の第１形態であるプラズマプロセス装置１１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図である。 図１に示すプラズマプロセス装置１１のＹ−Ｚ断面図である。 等価回路を簡略化して示す図である。 解析に用いたプラズマ放電発生部１４の具体的構成例を示す断面図である。 シミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の第２形態であるプラズマプロセス装置４１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図である。 図６に示すプラズマプロセス装置４１のＹ−Ｚ断面図である。 本発明の実施の第３形態であるプラズマプロセス装置５１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図である。 図８に示すプラズマプロセス装置５１のＹ−Ｚ断面図である。 第１電極の電極突起部の変形例を示す断面図である。 本発明の実施の第４形態であるプラズマプロセス装置６１の構成を簡略化して示すＸ−Ｚ断面図である。 図１１に示すプラズマプロセス装置６１のＹ−Ｚ断面図である。 プラズマプロセス処理で成膜された被処理基板１２の事例を示す平面図である。 プラズマプロセス処理で成膜された被処理基板の事例を示す平面図である。 従来のプラズマＣＶＤ装置１の構成を模式的に示す断面図であり、 図１５に示すプラズマＣＶＤ装置１に備わるプラズマ放電発生部の斜視図である。

符号の説明

１１，４１，５１，６１ プラズマプロセス装置
１２ 被処理基板
１３ 処理室
１４，４２，５２，６２ プラズマ放電発生部
１５ 電源
１６ ガス導入口
１７，５３，６３ 第１電極
１８，４３，５４ 第２電極
１９，５７ 絶縁体
２１ ガス供給部
２２ ガス排出部
２３ 基板ホルダ
２４ サセプタ
２８ 給電点
４４ プラズマ空間
５５，６４ 電極基部
５６，６５ 電極突起部

Claims (6)

1. 被処理基板が内部に配置される処理室と、処理室の内部に設けられ、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ放電発生部とを備えるプラズマプロセス装置において、
   プラズマ放電発生部は、
   被処理基板のプラズマ処理が施される被処理面に対して略平行に設けられ、処理室内にガスを導入させるガス導入口が形成される第１電極と、
   被処理基板の被処理面と第１電極との間に設けられる第２電極であって、予め定める方向に延びるストライプ状、または格子状に設けられる第２電極とを含み、
   第１電極と第２電極とは、第１電極と第２電極との互いに対向する側の面同士で形成される間隔が、被処理面上に投影される位置に応じて異なるように設けられることを特徴とするプラズマプロセス装置。
2. 被処理基板が内部に配置される処理室と、処理室の内部に設けられ、被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ放電発生部とを備えるプラズマプロセス装置において、
   プラズマ放電発生部は、
   被処理基板のプラズマ処理が施される被処理面に対して略平行に設けられる電極基部と電極基部から被処理面に向う方向に突出して形成される電極突起部とを有し、処理室内にガスを導入させるガス導入口が形成される第１電極と、
   被処理基板の被処理面と第１電極との間に設けられる第２電極であって、予め定める方向に延びるストライプ状、または格子状に設けられる第２電極とを含み、
   第１電極と第２電極とは、第１電極の電極突起部の先端と第２電極の第１電極を臨む側の面とで形成される間隔が、被処理面上に投影される位置に応じて異なるように設けられることを特徴とするプラズマプロセス装置。
3. 第２電極は、
   第１電極を臨む側の面と被処理基板の被処理面との距離が、被処理面上に投影される位置に応じて異なるように設けられることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマプロセス装置。
4. 第２電極は、
   被処理基板を臨む側の面と被処理基板の被処理面との距離が、等しくなるように設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のプラズマプロセス装置。
5. 第１電極と第２電極との間に絶縁体が介在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズマプロセス装置。
6. 第１電極と第２電極とは、
   第１電極に対して電力が供給される点である給電点から遠ざかるのにつれて、前記間隔が小さくなるように設けられ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プロセス装置。

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