JP2007149638A - プラズマ生成方法及び装置並びにプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導結合型プラズマを発生させるプラズマ生成方法及び装置であって、プラズマの電子温度を低く抑制することができる方法及び装置を提供する。かかるプラズマ生成装置を利用したプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ生成室１、室１内に設置された少なくとも一本の高周波アンテナ２及び高周波電力供給装置（電源４１等）を有し、高周波電力供給装置から供給される高周波電力を高周波アンテナ２から室１内ガスに印加して誘導結合型プラズマを発生させるプラズマ生成方法及び装置、並びに該装置を利用したプラズマ処理装置。高周波アンテナ２はインピーダンス４５Ω以下に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明はガスプラズマを生成させるプラズマ生成方法及び装置並びにかかるプラズマ生成装置を利用したプラズマ処理装置、すなわち、被処理物にプラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置に関する。

プラズマは、例えばプラズマのもとで膜形成するプラズマＣＶＤ方法及び装置、プラズマのもとでスパッタターゲットをスパッタリングして膜形成する方法及び装置、プラズマのもとでエッチングを行うプラズマエッチング方法及び装置、プラズマからイオンを引き出してイオン注入やイオンドーピングを行う方法及び装置等に利用され、さらには、そのような方法や装置を利用して各種半導体デバイス（例えば液晶表示装置等に利用される薄膜トランジスタ）或いはそれ用の材料基板等を製造する装置などのように、プラズマを利用する各種装置に利用される。

プラズマ生成方法及び装置としては、例えば、容量結合型プラズマを生成するもの、誘導結合型プラズマを生成するもの、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマを生成するもの、マイクロ波プラズマを生成するものなど、種々のタイプのものが知られている。

これらのうち、誘導結合型プラズマを生成するプラズマ生成方法及び装置は、プラズマ生成室内にできるだけ高密度で均一なプラズマを得るために、プラズマ生成室に対し高周波アンテナを設け、該高周波アンテナから該室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを生成するものである。さらに言えば、高周波アンテナに高周波電力を印加することでプラズマ生成室内に誘導電磁界を発生させ、該誘導電磁界の作用で誘導結合型プラズマを生成するものである。

かかる高周波アンテナは、プラズマ生成室外に配置されることもあるが、投入される高周波電力の利用効率を向上させる等のために、プラズマ生成室内に配置することも提案されている。
例えば、特開２００１−３５６９７号公報には、投入される高周波電力の利用効率を向上させるために高周波アンテナをプラズマ生成室内に設置することが記載されている。

また、同公報には、アンテナをプラズマ生成室内に配置した場合、(1) 投入高周波電力の増加によるプラズマの高密度化に伴いアンテナ導体の静電結合によるプラズマ電位の上昇が顕著となり、プラズマ生成室内に異常放電が発生すること、(2) 静電結合の増加はプラズマに印加される高周波電圧の振幅を大きくし、プラズマの乱れを誘発し、エッチングや薄膜形成時におけるプラズマの揺らぎが大きくなり（例えばイオン入射エネルギーの増大）、被処理物等のプラズマダメージが懸念されること、(3) よって、印加する高周波電圧の低動作電圧化が重要であり、そのためには、アンテナのインダクタンス低減及び静電結合の抑制が必要であること、の記載がある。

そして、アンテナの大型化に伴うインダクタンスの増加を抑制するため、高周波アンテナは、周回しないで終端する線状の導体で平面的構造（２次元構造）に構成し、これによりアンテナのインダクタンスを低減すること、が記載されている。

ところで、プラズマに於ける電子温度（換言すれば電子のエネルギー）は、プラズマに曝される物質の原子間結合の切断に影響し、電子温度が高いと原子間結合が切断されやすくなる。従って、プラズマ処理においては、被処理物等のプラズマに起因するダメージを抑制したり、所望の良好なエッチング処理を行うために、プラズマの電子温度を制御すること、特にそれを低い値にすることが望ましい。例えば、プラズマＣＶＤ法によりボトムゲート型ＴＦＴ用シリコン薄膜を形成する場合、一般的には、ゲート絶縁膜（例えば、窒化シリコン、酸化シリコン、又はこれらの混合物からなる膜）を堆積させた基板上に該シリコン薄膜を形成するのであるが、このシリコン薄膜形成においてプラズマの電子温度が高いと、例えばゲート絶縁膜における欠陥、或いはシリコン薄膜自体における欠陥が発生することがある。

この点については、例えば特開平１１−７４２５１号公報に、プラズマＣＶＤ法では、プラズマにおける電子温度が３ｅＶ以下になると、イオン温度も低下するので、プラズマＣＶＤにおける被処理基板のイオンダメージを低減することができる旨記載されている。 そして、電子温度を３ｅＶ以下に設定する手法として、プラズマ状態を制御するための静磁界が存在しないプラズマ生成室（真空容器）の凸部に、被成膜基板付近より高密度プラズマを発生させることが記載されている。

また、特開２００４−３１１９７５号公報に、プラズマＣＶＤ法において、プラズマ発生空間における電子温度を３ｅＶ以下とすることで、原料ガスの過度の分解を防止して良好な絶縁膜を形成できることが記載されている。
そして、電子温度を３ｅＶ以下に設定する手法として、マイクロ波プラズマを生成し、該マイクロ波の導波管に接続された平面アンテナに周方向に沿って多数のスリットを形成することが記載されている。

特開２００１−３５６９７号公報 特開平１１−７４２５１号公報 特開２００４−３１１９７５号公報

しかし、前記特開２００１−３５６９７号公報は、電子温度を低く抑制することについて言及していない。
また、特開平１１−７４２５１号公報及び特開２００４−３１１９７５号公報は、電子温度を低く抑制することに言及しているが、そのための手法は、前者では、プラズマ状態を制御するための静磁界が存在しないプラズマ生成室（真空容器）の凸部に、被成膜基板付近より高密度プラズマを発生させる、というものであり、プラズマ生成室（真空容器）にわざわざプラズマ状態を制御するための静磁界が存在しない凸部を形成しなければならない。

後者では、マイクロ波プラズマを生成し、該マイクロ波の導波管に接続された平面アンテナに周方向に沿って多数のスリットを形成する、というものであり、わざわざかかる平面アンテナを準備しなければならない。

そこで本発明は、プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成方法であって、従来に比べると簡易にプラズマの電子温度を低く抑制することができるプラズマ生成方法を提供することを第１の課題とする。

また本発明は、プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成装置であって、従来に比べると簡易にプラズマの電子温度を低く抑制することができるプラズマ生成装置を提供することを第２の課題とする。

また本発明は、被処理物に対する目的とする処理を、被処理物等のプラズマによるダメージを抑制する等して良好に行えるプラズマ処理装置を提供することを第３の課題とする。

また本発明は、被処理物に対する目的とする処理を、被処理物等のプラズマによるダメージを抑制する等して良好に行うことができ、さらに、好ましくない不純物の付着や混入を抑制してプラズマ処理を実施できるプラズマ処理装置を提供することを第４の課題とする。

本発明者はかかる課題を解決するため研究を重ね、次のことを知見するに至った。
すなわち、プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成方法及び装置においては、高周波アンテナと誘導結合プラズマの電子温度との間に１次関数的な相関関係があり、その関係に基づいて、各高周波アンテナのインピーダンスを４５Ω以下、より好ましくは１５Ω以下に設定すれば、プラズマの電子温度を比較的簡易に低く（例えば、３ｅＶ以下、より好ましくは１ｅＶ以下に）抑制することができる。アンテナの数を複数本とする場合でも、各アンテナのインピーダンスを４５Ω以下、より好ましくは１５Ω以下に設定すれば、プラズマの電子温度を低く（例えば、３ｅＶ以下、より好ましくは１ｅＶ以下に）抑制することができる。

本発明は、かかる知見に基づき、前記第１、第２の課題を解決するため次のプラズマ生成方法及び装置を提供する。
（１）プラズマ生成方法
プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成方法であり、該各高周波アンテナのインピーダンスを４５Ω以下に設定するプラズマ生成方法。
（２）プラズマ生成装置
プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成装置であり、該各高周波アンテナのインピーダンスが４５Ω以下に設定されているプラズマ生成装置。

誘導結合プラズマの目的等に応じて、誘導結合プラズマにおける電子温度をさらに低く抑制するために、各高周波アンテナのインピーダンスを１５Ω以下に設定してもよい。

なお、ここで高周波アンテナのインピーダンスＺは、アンテナが抵抗且つコイルとして作用するので、Ｚ＝Ｒ（アンテナの抵抗成分）＋ｊωＬで表される。
ここで、「Ｌ」はアンテナのインダクタンス成分、「ω」は周波数であり、「ｊ」についてはｊ² ＝−１である。

前記高周波アンテナを複数本設置する場合は、それら高周波アンテナを並列に接続し、各高周波アンテナのインピーダンスを４５Ω以下に設定すればよい。

前記各高周波アンテナとしては、周回しないで終端する２次元構造アンテナ（平面的構造のアンテナ）を例示できる。例えば線状或いは帯状の導体を曲げてなる（例えばＵ字状或いはコの字状等に曲げてなる）アンテナを例示できる。

本発明はまた、前記第３の課題を解決するため、被処理物にプラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、本発明に係るプラズマ生成装置を含むプラズマ処理装置を提供する。

本発明に係るプラズマ処理装置は、本発明に係るプラズマ生成装置を利用したものであり、プラズマ電子温度を低く抑制できるから、それだけ、被処理物等のプラズマによるダメージを抑制する等して被処理物に目的とする処理を施せる。

また本発明は、前記第４の課題を解決するため、かかるプラズマ処理装置であって、前記被処理物のプラズマ処理対象面を前記高周波アンテナへ向けて保持するためのホルダが前記プラズマ生成室内に配置されており、該プラズマ生成室の室壁内面のうち少なくとも一部が電気絶縁性部材で覆われたプラズマ処理装置を提供する。

プラズマ生成室壁がプラズマに曝されると、室壁構成物が物理的及び（又は）化学的に室壁から持ち出されて被処理物或いは被処理物に形成される膜（プラズマ処理装置が成膜装置の場合）等に付着したり混入したりして所望のプラズマ処理が妨げられることがある。この点、プラズマ生成室の室壁内面のうち少なくとも一部を電気絶縁性部材で覆っておくことで、それだけ室壁から好ましくない室壁構成物が持ち出されることを抑制することができる。

よって、このプラズマ処理装置によると、前記第３の課題を解決するプラズマ処理装置と同様に被処理物に対する目的とする処理を、被処理物等のプラズマによるダメージを抑制する等して良好に行うことができ、さらに、好ましくない不純物の付着や混入を抑制してプラズマ処理を実施できる。

このプラズマ処理装置においては、プラズマ生成室壁全体の内面を全部電気絶縁性部材で覆ってしまってもよいが、そのように室壁内面全体を電気絶縁性部材で覆ってしまうとプラズマ電位が上昇し、被処理物或いは被処理物に形成される膜（プラズマ処理装置が成膜装置の場合）等のプラズマによるダメージが無視できないものとなることがある。

そこで、室壁内面の電気絶縁性部材による被覆の好ましい例として次のものを例示することができる。以下の例は、室壁内面のうち、プラズマ密度が高くなるアンテナ近傍の室壁内面部分を電気絶縁性部材で覆うものである。
（１）前記プラズマ生成室壁のうち、前記高周波アンテナが設置され、前記ホルダに保持される被処理物のプラズマ処理対象面が対向する壁の内面が前記電気絶縁性部材で覆われている。
（２）前記プラズマ生成室壁のうち、前記高周波アンテナが設置され、前記ホルダに保持される被処理物のプラズマ処理対象面が対向する壁の内面及び前記ホルダを側方から囲む側周壁の内面が前記電気絶縁性部材で覆われている。
（３）前記プラズマ生成室壁のうち前記高周波アンテナを設置した壁の内面における各高周波アンテナに隣り合う部分を含む各アンテナ周囲部分が局所的に前記電気絶縁性部材で覆われている。

いずれにしてもプラズマ処理装置の例として、プラズマＣＶＤ装置、プラズマのもとでスパッタターゲットをスパッタリングして膜形成する装置、プラズマによるエッチング装置、プラズマからイオンを引き出してイオン注入やイオンドーピングを行う装置、さらには、そのような装置を利用して各種半導体デバイス（例えば液晶表示装置等に利用される薄膜トランジスタ）或いはそれ用の材料基板等を製造する装置などのように、プラズマを利用する各種装置を例示できる。

具体例として、前記プラズマ生成室内に膜形成のためのガスを供給するガス供給部を備えており、該ガス供給部から該プラズマ生成室内に供給されるガスに前記高周波アンテナから高周波電力を印加して誘導結合型プラズマを発生させ、該プラズマのもとで前記被処理物に薄膜を形成する薄膜形成装置であるプラズマ処理装置を挙げることができる。

さらに具体例として、前記ガス供給部は前記被処理物のプラズマ処理対象面にシリコン膜を形成するためのガスを前記プラズマ生成室内へ供給するものであり、前記被処理物に形成される膜はシリコン膜であるプラズマ処理装置を挙げることができる。

いずれにしても前記電気絶縁性部材としては、本発明においては比抵抗が１×１０⁴ Ω・ｃｍ以上の材料からなる部材を例示できる。比抵抗が１×１０⁴ Ω・ｃｍ以上の材料としては、石英（ＳｉＯ₂ ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、窒化アルミニゥム（ＡｌＮ）、イットリア（Ｙ₂ Ｏ₃ ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）から選ばれた少なくとも一種の材料を例示できる。

以上説明したように本発明によると、プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成方法であって、従来に比べると簡易にプラズマの電子温度を低く抑制することができるプラズマ生成方法を提供することができる。

また本発明によると、プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成装置であって、従来に比べると簡易にプラズマの電子温度を低く抑制することができるプラズマ生成装置を提供することができる。

本発明によると、さらに、被処理物に対する目的とする処理を、被処理物等のプラズマによるダメージを抑制する等して良好に行えるプラズマ処理装置を提供することができる。

また本発明によると、被処理物に対する目的とする処理を、被処理物等のプラズマによるダメージを抑制する等して良好に行うことができ、さらに、好ましくない不純物の付着や混入を抑制してプラズマ処理を実施できるプラズマ処理装置を提供することができる。

以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明に係るプラズマ生成装置の１例を示している。図３は本発明に係るプラズマ生成装置の他の例を示している。

図１のプラズマ生成装置は、プラズマ生成室１を備えている。プラズマ生成室１の天井壁１１から室内へ１本の高周波アンテナ２が挿入設置されている。高周波アンテナは絶縁性部材２０で被覆されており、該部材２０ごと室天井壁１１に設けた絶縁性部材１０に挿通されている。アンテナ２は、本例ではＵ字形状或いはコの字形状とも言えるものである。

図１のプラズマ生成装置におけるアンテナ２の室天井壁１１から室外へ突出した部分２１、２１’のうち一方の部分２１は給電ブスバーＢ１に接続されており、ブスバーＢ１はマッチングボックス３１を介して高周波電源４１に接続されている。他方の部分２１’は接地されている。

図３のプラズマ生成装置も、プラズマ生成室１を備えている。プラズマ生成室１の天井壁１１から室内へ２本の高周波アンテナ２が挿入設置されている。各高周波アンテナは、図１のアンテナと同じく絶縁性部材２０で被覆されており、該部材２０ごと室天井壁１１に設けた絶縁性部材１０に挿通されている。

図３のプラズマ生成装置における各アンテナ２は、図１に示すアンテナ同様、Ｕ字形状のものである。２本のアンテナ２は同じ大きさのものであり、同じ平面上に間隔ｐをおいて、直列的に隣り合わせて配置されている。

図３のプラズマ生成装置における２本のアンテナ２は、それらの室外突出部分２１、２１’のうち、互いに隣り合う部分２１、２１が両者に共通の給電ブスバーＢ２に接続されており、該ブスバーはマッチングボックス３２を介して高周波電源４２に接続されている。各アンテナ２の他方の突出部分２１’は接地されている。すなわち、これら２本のアンテナ２は並列接続されている。

また、図１、図３のプラズマ生成装置のいずれも、プラズマ生成室１内へ所定のガスを導入するガス導入部Ｇ及び室内から排気して室内を所定のプラズマ生成圧に設定するための排気装置５を備えている。

再びアンテナについて説明すると、図１、図３のプラズマ生成装置のいずれにおいても、アンテナ２は導電性管体からなる。アンテナ２を被覆する絶縁性部材２０は絶縁性管である。

図１に示すプラズマ生成装置では、図示のとおり、アンテナ２に冷媒循環装置９１にて冷媒（本例では冷却水）を循環させて冷却できるようにしてある。図３に示すプラズマ生成装置においても、図示のとおり、各アンテナ２に冷媒循環装置９２にて冷媒（本例では冷却水）を循環させて冷却できるようにしてある。

アンテナ２を構成している導電性管体は、本例では銅製の断面円形管である。しかし、それに限定される必要はなく、アルミニウム等の他の導電性材料からなる管体でもよい。また、アンテナは管体で形成される必要はなく、例えば、銅、アルミニウム等の導電性材料からなる、断面円形等の棒体から形成されてもよい。

アンテナ２を被覆している絶縁性管は、本例では石英管であるが、それに限定される必要はなく、アルミナ等の他の絶縁性材料からなる管体でもよい。また、絶縁性部材２０は管体で形成される必要はなく、絶縁性材料をアンテナ２にコーティングして形成したものでもよい。

図１のプラズマ生成装置においては、１本のアンテナ２のインピーダンスＺは４５Ω以下に設定され、図３のプラズマ生成装置においては、２本のアンテナ２のそれぞれについてアンテナインピーダンスが４５Ω以下に設定される。

以上説明した図１、図３に示すプラズマ生成装置によると、排気装置５にてプラズマ生成室１から排気し、室内を所定のプラズマ生成圧より低圧まで減圧し、次いでガス導入部Ｇから室１内へ所定のガスを導入するとともに排気装置５にて室内を所定のプラズマ生成圧に設定、維持しつつ、高周波電源からアンテナ２へそれぞれ高周波電力を供給することで、室１内に電子温度が低く抑制された誘導結合プラズマが形成される。

次に、１本のアンテナを用いるときはそのアンテナのインピーダンスＺを４５Ω以下に設定することで、２本以上のアンテナを用いるときは各アンテナのインピーダンスを４５Ω以下に設定することで、プラズマの電子温度を低く抑制できることを知見するにいたった経緯について説明する。

まず、図１に示すタイプのプラズマ生成装置（アンテナが１本の装置）を用い、サイズを種々変えた５種類のアンテナを準備し、各アンテナを用いて、アンテナを除けば同じ条件でプラズマを生成させ、アンテナインピーダンスＺ（Ω）と、生成されるプラズマの電子温度（ｅＶ）との関係を調べる実験（実験１）を行った。

また、図３に示すタイプのプラズマ生成装置（アンテナが２本の装置）を用い、アンテナについては実験１で用いた５種類のサイズのアンテナをそれぞれ２本ずつ用いて、アンテナを除けば同じ条件でプラズマを生成させ、アンテナインピーダンスＺ（Ω）と、生成されるプラズマの電子温度（ｅＶ）との関係を調べる実験（実験２）を行った。

実験１、実験２で用いた５種類の第１〜第５のアンテナは、いずれも、外径１／４インチ（約６．３５ｍｍ）、肉厚１ｍｍの銅製丸管をＵ字形状に屈曲させたもので、内部に冷却水を通すことができる。アンテナを被覆する絶縁管は外径１６ｍｍ、内径１２ｍｍの石英管であり、アンテナサイズは以下のとおりである。

水平方向幅ｗ 鉛直方向長（室内鉛直方向長ｈ） アンテナ全長
第１アンテナ ５５ｍｍ ２２５ｍｍ（７５ｍｍ） ５０５ｍｍ
第２アンテナ ５５ｍｍ ２５０ｍｍ（１００ｍｍ） ５５５ｍｍ
第３アンテナ １００ｍｍ ３００ｍｍ（１５０ｍｍ） ７００ｍｍ
第４アンテナ １５０ｍｍ ３００ｍｍ（１５０ｍｍ） ７５０ｍｍ
第５アンテナ １５０ｍｍ ３５０ｍｍ（２００ｍｍ） ８５０ｍｍ

以下に実験１、実験２について説明する。
（１）実験１（アンテナ１本使用）
＜プラズマ発生条件＞
高周波電力：アンテナに１３．５６ＭＨｚ、１２５０Ｗを供給
プラズマ生成圧：１．８Ｐａ
ガス種及び供給量：水素ガス、３００ｃｃ／分
なお、当初はプラズマ生成室内から１０^-5Ｐａオーダーまで排気し、その後に水素ガスを３００ｃｃ／分導入するとともに室内圧を１．８Ｐａに維持した。

以上の条件で、サイズの異なる前記第１〜第５の各アンテナを用いて誘導結合プラズマを生成させ、アンテナインピーダンスＺ（Ω）及びプラズマの電子温度（ｅＶ）を測定し、アンテナのインピーダンスＺとプラズマの電子温度（ｅＶ）の関係を求めた。

アンテナインピーダンスＺは、ネットワークアナライザ（Agilent Technologies社製E5061A) を用いて、１３．５６ＭＨｚに対する値を測定した。該ネットワークアナライザでは抵抗ＲとｊωＬが個別に測定されるが、本実験では、抵抗成分Ｒは１Ω未満と無視できる値であったので、Ｚ＝ｊωＬとして、各アンテナのインピーダンスを定義した。

電子温度の測定は、ラングミューアプローブＰを、図１に示すように、アンテナの幅方向の中心の直下に、アンテナ下端から距離ａ（図１参照）＝１７５ｍｍの位置に配置して測定した。

測定結果は以下のとおりであった。

電子温度（ｅＶ） インピーダンス（Ω）

第１アンテナ １．７ ２４．６
第２アンテナ １．８ ２７．７
第３アンテナ ２．３ ３７．４
第４アンテナ ３．０ ４３．８
第５アンテナ ３．２ ４７．１

図２は、この測定結果を縦軸Ｙ（電子温度）、横軸Ｘ（インピーダンス）の座標に記したものである。
Ｙ（電子温度）とＸ（インピーダンス）の関係は、最小二乗法により概ね Ｙ＝０．０６６６Ｘと表せる。
このように、アンテナインピーダンスと電子温度とは一次関数的相関関係を示す。
従って、インピーダンスを制御することでプラズマの電子温度を制御できることがわかる。

また、ｙ＝０．０６６６ｘの関係から、電子温度として好ましい３ｅＶ以下を得るにはインピーダンスを４５Ω以下にすればよいこと、さらに好ましい電子温度１ｅｖ以下を得るにはインピーダンスを１５Ω以下にすればよいことがわかる。

（２）実験例２（アンテナ２本並列接続使用）
＜プラズマ発生条件＞ 高周波電力：２本のアンテナに対し、１３．５６ＭＨｚ、２５００Ｗを供給
プラズマ生成圧：１．８Ｐａ
ガス種及び供給量：水素ガス、３００ｃｃ／分
なお、当初はプラズマ生成室内から１０^-5Ｐａオーダーまで排気し、その後に水素ガスを３００ｃｃ／分導入するとともに室内圧を１．８Ｐａに維持した。

以上の条件で、サイズの異なる前記第１〜第５の各アンテナをそれぞれ２本並列接続して誘導結合プラズマを生成させ、２本の並列接続されたアンテナについてのインピーダンスＺ（Ω）及びプラズマの電子温度（ｅＶ）を測定し、２本のアンテナについてのインピーダンスＺとプラズマの電子温度（ｅＶ）の関係を求めた。

アンテナインピーダンスＺは、ネットワークアナライザ（Agilent Technologies社製E5061A) を用いて、１３．５６ＭＨｚに対する値を測定した。本実験では、抵抗成分Ｒは１Ω未満と無視できる値であったので、Ｚ＝ｊωＬとして、各アンテナのインピーダンスを定義した。

電子温度の測定は、ラングミューアプローブＰを、図３に示すように、２本のアンテナの間隔ｐ（本例では１６０ｍｍ）の中心の直下に、アンテナ下端から距離ａ（図３参照）＝１７５ｍｍの位置に配置して測定した。

測定結果は以下のとおりであった。

電子温度（ｅＶ） アンテナインピーダンス（Ω）
第１アンテナ（２本） １．７ １４．０
第２アンテナ（２本） １．８ １５．６
第３アンテナ（２本） ２．４ ２０．３
第４アンテナ（２本） ３．０ ２４．０
第５アンテナ（２本） ３．１ ２５．２

図４は、この測定結果を縦軸Ｙ（電子温度）、横軸Ｘ（インピーダンス）の座標に記したものである。
Ｙ（電子温度）とＸ（インピーダンス）の関係は、最小二乗法により概ね
Ｙ＝０．１２１６Ｘと表せる。
このように、２本並列接続のアンテナ全部についてのインピーダンスと電子温度とは一次関数的相関関係を示す。従って、インピーダンスを制御することでプラズマの電子温度を制御できることがわかる。

また、Ｙ＝０．１２１６Ｘの関係から、電子温度として好ましい３ｅＶ以下を得るにはアンテナインピーダンスを２４．７Ω以下にすればよいこと、さらに好ましい電子温度１ｅｖ以下を得るにはインピーダンスを８．２Ω以下にすればよいことがわかる。

ここで、１本のアンテナを用いた場合のアンテナインピーダンスと２本のアンテナを並列接続して用いた場合のアンテナインピーダンスの関係を、２本アンテナ並列接続使用時インピーダンスをＹとし、１本使用時インピーダンスをＸとしてＸ−Ｙ座標に示すと図５に示すようになる。
最小二乗法によって、Ｙ＝０．５４６７Ｘの関係が導かれる。

この関係式から、例えば、アンテナ１本使用時に電子温度１ｅＶ以下を得ることができたインピーダンス１５Ωは、アンテナ２本並列接続使用時には、０．５４６７×１５Ω＝８．２Ωとなり、これを２本使用時の前記関係式Ｙ＝０．１２１６ＸのＸ値とすれば、０．１２１６×８．２＝１ｅＶが得られる。すなわち、２本使用時の場合でも、電子温度１ｅＶ以下を得るには、２本のアンテナのそれぞれについてのインピーダンスを１５Ω以下とすればよいことがわかる。

同様に、２本使用時の場合でも、電子温度３ｅＶ以下を得るには、２本のアンテナのそれぞれについてのインピーダンスを４５Ω以下とすればよいことがわかる。
例えば、１本のインピーダンスが４５Ωのアンテナを２本並列接続して用いる場合、０．５４６７×４５Ω＝２４．６Ωとなり、これを２本使用時の前記関係式Ｙ＝０．１２１６ＸのＸ値とすれば、０．１２１６×２４．６＝２．９９ｅＶとなり３ｅＶ以下が得られる。

アンテナインピーダンスの下限については、それとは限定されないが、前記実験からして、例えば、９Ω程度を例示できる。
すなわち、アンテナの全長を横軸ｘとし、アンテナインピーダンスを縦軸ｙとして、このｘ−ｙ座標上に、前記第１〜第５の各アンテナについて、アンテナ全長（２本使用時は各アンテナ全長×２）と、そのアンテナのインピーダンスをプロットし、最小二乗法によりアンテナ全長とアンテナインピーダンスの関係を求めると、実験１のアンテナ１本使用時にはｙ＝０．０５４２ｘの関係が得られ、実験２のアンテナ２本並列接続使用時にはｙ＝０．０２９７ｘの関係が得られる。

ここで、実用的観点から、アンテナの加工、アンテナへの給電、アンテナと接地金具との接続等を考慮して１本のアンテナ全長の最低寸法を例えば１７０ｍｍ程度とすると、アンテナ１本使用時のｙ＝０．０５４２ｘの関係からインピーダンスｙ＝０．０５４２×１７０＝９．２Ωとなる。

従って、実用的観点から、１本のアンテナ全長の最低長を１７０ｍｍ或いはそれより少し短めに設定するとすれば、１本のアンテナインピーダンスの下限は９Ω程度となる。
そして、１本のアンテナインピーダンスを９Ωとすれば、前記実験１で求めた電子温度ＹとアンテナインピーダンスＸの関係式Ｙ＝０．０６６６Ｘより、電子温度０．６ｅＶ程度が得られる。

かかるアンテナを２本並列接続使用するときのアンテナインピーダンスは、図５に示す関係式から０．５４６７×９＝４．９Ωとなり、前記実験２で求めた電子温度Ｙと２本アンテナインピーダンスＸの関係式Ｙ＝０．１２１６Ｘ（図４参照）から、電子温度０．６ｅＶ程度が得られる。

なお、実験はガス種として水素ガスを用いて行ったが、ガス種がＡｒガス等の希ガス、シランガス、メタンガス、チッソガス、酸素ガス等の他のガス種であっても、各アンテナのインピーダンスを４５Ω以下に設定することでプラズマ電子温度を３ｅＶ以下とすることが可能である。
また、以上説明した実験では、アンテナ長さを種々変えることでアンテナインピーダンスの異なる第１〜第５のアンテナを準備したが、アンテナインピーダンスは、アンテナの太さ調整や、アンテナの太さ及び長さの調整によっても、調整できる。

以上説明したプラズマ生成装置では、２本の高周波アンテナを採用する場合、図３に示すようにそれらを同じ平面上に直列的に隣り合わせ配列したが、図６に示すように、互いに向かい合わせて並列配置してもよい。また、図示を省略しているが、２本のアンテナの幅方向部分が互いに横切るような配置でもよい。いずれにしても、２本以上のアンテナを採用する場合それらアンテナは並列接続すればよい。

以上説明したプラズマ生成装置は、これを利用して各種プラズマ処理装置を提供できる。例えば、プラズマＣＶＤ装置、プラズマのもとでスパッタターゲットをスパッタリングして膜形成する装置、プラズマによるエッチング装置、プラズマからイオンを引き出してイオン注入やイオンドーピングを行う装置、さらには、そのような装置を利用して各種半導体デバイス（例えば液晶表示装置等に利用される薄膜トランジスタ）或いはそれ用の材料基板等を製造する装置などを提供できる。

図７は、図１に示すプラズマ生成装置を利用したプラズマＣＶＤ装置の１例を示している。図７のプラズマＣＶＤ装置は、図１のプラズマ生成装置において、プラズマ生成室１に成膜室を兼ねさせ、室１内に被成膜基板Ｓのホルダ６（ヒータ６１を内蔵）を配置し、ガス導入部として、ガス導入管７、８を採用し、管７にはモノシランガス供給装置７０を、管８には水素ガス供給装置８０を接続したもので、基板Ｓにシリコン薄膜を形成できるシリコン薄膜形成装置である。

ところで、例えば、図７のようなシリコン薄膜形成装置においては、シリコン膜形成においてプラズマ生成室壁にも堆積するシリコンをクリーニングガスのプラズマでクリーニングするためにプラズマ生成室１の室壁を、該クリーニングガスに対し耐食性の高いアルミニウム合金で形成することが多々ある。その場合、基板Ｓへのシリコン膜の形成において、プラズマ生成室壁に由来するアルミニウムが基板Ｓ上に形成されるシリコン膜に不純物として付着したり、混入したりする。

そこで、既述のとおり、本発明に係るプラズマ処理装置は、好ましくない不純物の付着や混入を抑制してプラズマ処理を実施できるように、プラズマ生成室の室壁内面のうち少なくとも一部を電気絶縁性部材で覆ってもよい。

その例を図８、図９及び図１０を参照して以下に説明する。
図８（Ａ）は、図７のシリコン薄膜形成装置（プラズマ処理装置の１例）において、プラズマ生成室１を構成する壁のうち、高周波アンテナ２が設置され、ホルダ６に保持される基板Ｓの膜形成対象面が対向する天井壁１１の内面を全面的に電気絶縁性板（アルミナ等でもよいが本例では石英板）１１１で被覆したシリコン薄膜形成装置を示している。図８（Ｂ）は天井壁１１部分を下から見た図である。

図９は、図７のシリコン薄膜形成装置において、プラズマ生成室１を構成する壁のうち、天井壁１１の内面及びホルダ６を側方から囲む側周壁１２の内面のそれぞれを全面的に電気絶縁性部材（本例では石英板）１１１、１２１で被覆したシリコン薄膜形成装置を示している。

図１０（Ａ）は、図７のシリコン薄膜形成装置において、プラズマ生成室１を構成する壁のうち、天井壁１１の内面における高周波アンテナ２に隣り合う部分を含むアンテナ周囲部分を局所的に電気絶縁性部材（本例では石英板）１１２で被覆したシリコン薄膜形成装置を示している。図１０（Ｂ）は天井壁１１部分を下から見た図である。

このようにプラズマ生成室壁内面を電気絶縁性部材で覆う場合、プラズマ生成室壁内面全体を電気絶縁性部材で覆ってしまってもよく、そうすれば、基板Ｓ上に形成されるシリコン膜へのプラズマ生成室壁由来のアルミニウムの付着や混入を十分抑制できる。しかし、そのように室壁内面全体を電気絶縁性部材で覆ってしまうとプラズマ電位が上昇し、基板Ｓやそれに形成されるシリコン膜のプラズマによるダメージが無視できないものとなることがある。従って、図８、図９、図１０に示すシリコン薄膜形成装置では、プラズマ生成室１の室壁内面の全部ではなく一部を電気絶縁性部材で被覆している。

図７〜図１０に示す各シリコン薄膜形成装置において、プラズマ生成室１の壁がアルミニウム合金で形成されている場合、基板Ｓ上に形成されるシリコン膜へのプラズマ生成室壁由来のアルミニウムの付着や混入は、プラズマ生成室壁内面を電気絶縁性部材で覆っていない図７の装置に比べて、図８、図９、図１０のそれぞれに示す、電気絶縁性部材を設けた装置の方が低減される。

図１０に示す装置では、プラズマ生成室１の天井壁１１を覆っている石英板１１２の合計面積が図８の装置や図９の装置における石英板の合計面積と比べると小さいので、図８の装置や図９の装置と比べると、シリコン膜へのアルミニウムの付着や混入の抑制の程度は若干低下するが、それでも石英板１１２はプラズマ密度が高くなるアンテナ２に隣り合わせて設けてあるので、実用上無視できる程度に該アルミニウム付着や混入を抑制することができ、しかも、プラズマ生成室壁を覆う石英板１１２の面積を小さくしていることで、それだけプラズマ電位の上昇を抑制して、シリコン膜のプラズマによるダメージを抑制できる。

本発明は、プラズマのもとで被処理物に目的とする処理を施す各種分野において利用できる。

本発明に係るプラズマ生成装置の１例を示す図である。 アンテナを１本採用したときのアンテナインピーダンスとプラズマ電子温度の関係を示す図である。 本発明に係るプラズマ生成装置の他の例を示す図である。 アンテナを２本並列接続して採用したときのアンテナインピーダンスとプラズマ電子温度の関係を示す図である。 アンテナ１本使用時のアンテナインピーダンスと２本使用時のアンテナインピーダンスとの、プラズマ電子温度が同じになるとしたときの関係を示す図である。 本発明に係るプラズマ生成装置のさらに他の例を示す図である。 本発明に係るプラズマ処理装置の１例（プラズマＣＶＤ装置）を示す図である。 図８（Ａ）は本発明に係るプラズマ処理装置の他の例（プラズマＣＶＤ装置）を示す図であり、図８（Ｂ）はプラズマ生成室の天井壁部分を下から見た図である。 本発明に係るプラズマ処理装置のさらに他の例（プラズマＣＶＤ装置）を示す図である。 図１０（Ａ）は本発明に係るプラズマ処理装置のさらに他の例（プラズマＣＶＤ装置）を示す図であり、図１０（Ｂ）はプラズマ生成室の天井壁部分を下から見た図である。

符号の説明

１ プラズマ生成室
１１ 室１の天井壁
１２ 室１の側周壁
１１１、１１２、１１２ 電気絶縁性部材例である石英板
２ 高周波アンテナ
２０ 絶縁性部材
１０ 絶縁性部材
２１、２１’ アンテナ２の室外突出部分
Ｂ１、Ｂ２ 給電ブスバー
３１、３２ マッチングボックス
４１、４２ 高周波電源
５ 排気装置
６ 基板ホルダ
６１ ヒータ
Ｇ ガス導入部
７、８ ガス導入管
７０ モノシランガス供給装置
８０ 水素ガス供給装置

Claims (14)

1. プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成方法であり、該各高周波アンテナのインピーダンスを４５Ω以下に設定することを特徴とするプラズマ生成方法。
2. 前記高周波アンテナを複数本、並列接続して設置し、該各高周波アンテナのインピーダンスを４５Ω以下に設定する請求項１記載のプラズマ生成方法。
3. 前記各高周波アンテナのインピーダンスを１５Ω以下に設定する請求項１又は２記載のプラズマ生成方法。
4. プラズマ生成室内に少なくとも一本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内のガスに高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ生成装置であり、該各高周波アンテナのインピーダンスが４５Ω以下に設定されていることを特徴とするプラズマ生成装置。
5. 前記高周波アンテナは複数本、並列接続して設置されており、該各高周波アンテナのインピーダンスが４５Ω以下に設定されている請求項４記載のプラズマ生成装置。
6. 前記各高周波アンテナのインピーダンスが１５Ω以下に設定されている請求項４又は５記載のプラズマ生成装置。
7. 被処理物にプラズマのもとで目的とする処理を施すプラズマ処理装置であって、請求項４、５又は６記載のプラズマ生成装置を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 前記被処理物のプラズマ処理対象面を前記高周波アンテナへ向けて保持するためのホルダが前記プラズマ生成室内に配置されており、前記プラズマ生成室の室壁内面のうち少なくとも一部が電気絶縁性部材で覆われている請求項７記載のプラズマ処理装置。
9. 前記プラズマ生成室壁のうち、前記高周波アンテナが設置され、前記ホルダに保持される被処理物のプラズマ処理対象面が対向する壁の内面が前記電気絶縁性部材で覆われている請求項８記載のプラズマ処理装置。
10. 前記プラズマ生成室壁のうち、前記高周波アンテナが設置され、前記ホルダに保持される被処理物のプラズマ処理対象面が対向する壁の内面及び前記ホルダを側方から囲む側周壁の内面が前記電気絶縁性部材で覆われている請求項８記載のプラズマ処理装置。
11. 前記プラズマ生成室壁のうち前記高周波アンテナを設置した壁の内面における各高周波アンテナに隣り合う部分を含む各アンテナ周囲部分が局所的に前記電気絶縁性部材で覆われている請求項８記載のプラズマ処理装置。
12. 前記電気絶縁性部材は石英、アルミナ、窒化アルミニゥム、イットリア及び炭化ケイ素から選ばれた少なくとも１種の材料から形成されている請求項８から１１のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
13. 前記プラズマ生成室内に膜形成のためのガスを供給するガス供給部を備えており、該ガス供給部から該プラズマ生成室内に供給されるガスに前記高周波アンテナから高周波電力を印加して誘導結合型プラズマを発生させ、該プラズマのもとで前記被処理物に薄膜を形成する薄膜形成装置である請求項７から１２のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
14. 前記ガス供給部は前記被処理物のプラズマ処理対象面にシリコン膜を形成するためのガスを前記プラズマ生成室内へ供給するものであり、前記被処理物に形成される膜はシリコン膜である請求項１３記載のプラズマ処理装置。