JP2007194355A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非処理体上へのプラズマの流れを妨げないようにガス噴射部材を設けたプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】マイクロ波プラズマ処理装置１００の梁２６には，噴射孔Ａを有する横吹きガスノズル２７と噴射孔Ｂを有する氷柱ガスノズル２８とが多数固定されている。第１のガス供給部は，噴射孔Ａから誘電体３１近傍にアルゴンガスを噴射する。第２のガス供給部は，噴射孔Ｂから，ガスが過剰に解離されない位置にシランガスおよび水素ガスを噴射する。このようにして噴射された各ガスは，各誘電体パーツ３１ａを透過したマイクロ波によりプラズマ化される。氷柱ガスノズル２８は基板Ｇ上へのプラズマの流れを妨げないように位置するため，イオン，電子は，氷柱ガスノズル２８に衝突しにくくなる。この結果，氷柱ガスノズル２８に堆積する反応生成物の量を抑えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は，プラズマを生成して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。特に，本発明は，プラズマを生成するための処理ガスの供給に関する。

従来から，処理容器内の上段および下段にそれぞれ設けられた２系統のガス供給機構（たとえば，ガスシャワーヘッド）から複数種類の異なる処理ガスを供給するプラズマ処理装置が提案されている（たとえば，特許文献１を参照。）。このプラズマ処理装置では，上段のガスシャワーヘッドは，下段のガスシャワーヘッドの上方に位置し，たとえば，アルゴンガスなどの非堆積性ガスを噴射する。

一方，下段のガスシャワーヘッドは，基板に平行して基板の上方に位置し，シランガスなどの処理ガスを噴射する。このようにして異なるガスが処理容器内の所定の位置にそれぞれ噴射されることにより，所望のプラズマが生成され，生成されたプラズマを用いて基板に良好なプラズマ処理が施される。

特開平７−３１２３４８号公報

しかし，このように下段のガスシャワーヘッドを基板に平行に設けると，プラズマに含まれるイオンや電子の多くが下段のガスシャワーヘッドに衝突することとなり，下段のガスシャワーヘッドが過度に加熱されるとともに，多くの反応生成物が下段のガスシャワーヘッドに付着する。この結果，下段のガスシャワーヘッドに堆積した堆積物がある厚さを越え，下段のガスシャワーヘッドからはがれ落ちてパーティクルとして基板に付着するまでの時間が短くなる。

特に，プロセス処理中に加熱された下段のガスシャワーヘッドは，ロードロック室へ／から基板が搬送される際に冷却される。一方，下段のガスシャワーヘッドは，誘電体により形成されているので，熱を伝えにくい。よって，イオンや電子の衝突により下段のガスシャワーヘッドに加わった熱は外部に伝わりにくい。このため，多くのイオンや電子が下段のガスシャワーヘッドに衝突すると，下段のガスシャワーヘッドは，プロセス処理中に過度に加熱され，搬送中に急激に冷却される。この加熱と冷却の繰り返しに伴って下段のガスシャワーヘッドの温度は，高くなったり低くなったりと，非常に変動する。

そうすると，堆積物（反応生成物）と下段のガスシャワーヘッドとの熱膨張率の差が大きく影響することになり，堆積物が，より一層下段のガスシャワーヘッドからはがれ易くなる。これにより，堆積物がパーティクルとして基板に付着するまでの時間がさらに短くなる。このパーティクルの問題を回避するために，速いサイクルで処理容器内をクリーニングすることも考えられる。しかし，そうすると，スループットが低下して生産性が下がるという問題が生じる。

また，基板に向かって拡散していくプラズマの流れが，下段のガスシャワーヘッドにより妨げられ，多くのイオンや電子が下段のガスシャワーヘッドに衝突すると，衝突により生じるエネルギー損失が大きくなってプラズマが減衰するため，基板上の反応速度（たとえば，成膜速度）が低下するという問題が生じる。

上記問題を解消するために，本発明は，非処理体上へのプラズマの流れを妨げない位置にガス噴射部材を設けたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。

すなわち，上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，導波管を伝播してスロットに通したマイクロ波を透過させる誘電体と，上記誘電体を支持する梁の所定位置に設けられた第１の噴射孔を有する複数の第１のガス噴射部材と，非処理体上へのプラズマの流れを妨げないように上記梁の所定位置に取り付けられ，第１の噴射孔より下方に位置する第２の噴射孔を有する複数の第２のガス噴射部材と，上記各第１のガス噴射部材の第１の噴射孔から処理室内の所望の位置に第１の処理ガスを噴射する第１のガス供給部と，上記各第２のガス噴射部材の第２の噴射孔から，第１の処理ガスが噴射された位置より下方の位置に第２の処理ガスを噴射する第２のガス供給部と，上記マイクロ波により上記第１の処理ガスおよび上記第２の処理ガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する処理室と，を備えるプラズマ処理装置が提供される。

これによれば，梁には，複数の第１のガス噴射部材と複数の第２のガス噴射部材とが取り付けられる。そして，第１のガス供給部は，第１のガス噴射部材に設けられた第１の噴射孔から第１の処理ガスを噴射し，第２のガス供給部は，第２のガス噴射部材に設けられた第２の噴射孔（第１の噴射孔より下方に位置）から第２の処理ガスを噴射する。

このとき，各第２のガス噴射部材は，非処理体上へのプラズマの流れを妨げないように梁の所定位置に取り付けられている。よって，第１の処理ガスおよび第２の処理ガスから生成されたプラズマ中のイオンや電子は，第２のガス噴射部材に衝突しにくい。この結果，第２のガス噴射部材に堆積する反応生成物の量は少なくなる。これにより，堆積物がある厚さを越え，第２のガス噴射部材からはがれ落ちてパーティクルとして基板に付着しにくくなる。この結果，処理室内をクリーニングするサイクル（間隔）を長くすることができ，スループットを向上させることができる。

また，イオンや電子が第２のガス噴射部材に衝突しにくいので，衝突によるエネルギー損失が発生しにくい。この結果，プラズマの減衰がほとんどなくなり，基板上の反応速度を一定以上に維持することができるとともに，第２のガス噴射部材が過度に加熱されることを防ぐことができる。

上記各第１のガス噴射部材は，上記梁の外部に取り付けられるか，または，上記梁の内部に設けられていてもよい。たとえば，第１のガス噴射部材は，梁の下面に取り付けられたガスノズルであってもよく，梁を貫通したガス導入管自身であってもよい。前者の場合，ガスノズルに設けられたガス通路の端部開口が第１の噴射孔となる。後者の場合，梁を貫通するガス導入管の端部開口が第１の噴射孔となる。

第２のガス噴射部材は，金属により形成されていてもよい。これによれば，第２のガス噴射部材の熱伝導がよくなり，イオンや電子の衝突により第２のガス噴射部材に加わった熱は，処理室外の冷却水配管の近傍まで伝わって冷却水配管内を循環する冷却水により冷される。このため，プロセス処理中であっても，第２のガス噴射部材は過度に加熱されない。この結果，プロセス処理および搬送を繰り返す際に発生する第２のガス噴射部材の温度変動は小さくなる。そうすると，堆積物と第２のガス噴射部材との熱膨張率の差による影響が少なくなり，堆積物が，第２のガス噴射部材からはがれにくくなる。この結果，処理容器内をクリーニングするサイクルをさらに長くすることができる。

上記第２のガス噴射部材は棒状または板状に形成されてもよい。このとき，上記各第２のガス噴射部材は，上記梁と垂直な方向の長さが３０ｍｍ以下になるように梁から氷柱状に下がっていてもよい。また，上記各第２のガス噴射部材は，互いに平行に上記梁から氷柱状に垂れ下がるように上記梁に固定されていてもよい。

これによれば，上記複数の第２のガス噴射部材は，棒状または板状に形成され，処理容器の天井部に設けられた梁から互いに平行に氷柱状に垂れ下がっている。よって，第２のガス噴射部材は，その長手方向が非処理体上へのプラズマの流れに平行であり，その形状も棒状または板状の簡単な構造であるため，非処理体上へのプラズマの流れを妨げにくい。また，第２のガス噴射部材の取り付け位置も，処理容器の天井部に設けられた梁から氷柱状に３０ｍｍほど垂れ下がるような位置であるため，第１の処理ガスおよび第２の処理ガスから生成された非処理体上へのプラズマの流れを妨げにくい。このように，各第２のガス噴射部材が，非処理体上にプラズマが拡散される際の障壁とならない位置に設けられているため，プラズマに含まれるイオンや電子の大部分は第２のガス噴射部材に衝突しない。この結果，第２のガス噴射部材に付着する反応生成物の量を減らし，パーティクルの発生を抑えることができる。

また，上記各第２の噴射孔は，第２の処理ガスが過剰に解離されない位置に噴射されるように位置付けられていてもよい。このとき，上記各第１の噴射孔は，上記誘電体近傍にて被処理体に水平な向きに開口していてもよい。また，上記各第２の噴射孔は，被処理体に垂直な向きに開口していてもよい。また，上記第１の処理ガスは，上記第２の処理ガスよりも結合エネルギーが大きいガスであることが好ましい。

これによれば，結合エネルギーが大きい第１のガスは，処理室に入射された直後の強いマイクロ波の電界エネルギーによってプラズマ化される。一方，第２の処理ガスは，第１のガスが噴射された位置より後方であって，ガスが過剰に解離されないような位置に噴射され，第１の処理ガスのプラズマ化にある程度のエネルギーを消費して弱められた電界エネルギーによって，たとえば，良質な膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）まで解離される。

一例としては，被処理体に水平な向きに開口した第１の噴射孔から，誘電体の下面近傍に，たとえば，アルゴンガス等のプラズマ励起ガスが噴射され，均一なプラズマが発生した後，被処理体に垂直な向きに開口した第２の噴射孔から，ガスが過剰に解離されないような位置（アルゴンガスの噴射位置の後方）にシランガスおよび水素ガスが噴射された場合である。この場合，噴射されたシラン（ＳｉＨ_４）ガスがＳｉＨ_３ラジカルまで解離し，ＳｉＨ_２ラジカルまでは過剰解離されない。このようにして，ＳｉＨ_３ラジカルまで解離されたプリカーサーによって，被処理体上に良質な膜を形成することができる。

ただし，上記第１の処理ガスまたは上記第２の処理ガスの少なくともいずれかが，複数の処理ガスを混合した混合ガスであって，その混合ガスが過剰反応する場合などの特殊な場合には，第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの結合エネルギーの大小関係に関わらず，過剰反応が起きないように各処理ガスの噴射位置が決定される。

また，上記誘電体は，複数の誘電体パーツから構成され，上記各誘電体パーツには，被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成されていてもよい。

これによれば，各誘電体パーツに形成された凹部または凸部により，各誘電体パーツ下面にて表面波が伝播する際の電界エネルギーの損失を増加させることができる。これにより，表面波の伝播を抑え，定在波の発生を抑制し，均一なプラズマを生成することができる。

また，上記各第２のガス噴射部材の一部は，多孔質体により形成され，上記ガス供給部は，上記処理ガスを上記各第２のガス噴射部材に形成された多孔質体に通すことにより，その多孔質体に設けられた複数の開口を上記第２の噴射孔として，前記複数の開口から上記処理ガスを上記処理室内に吹き出すようにしてもよい。このとき，上記多孔質体は，上記各第２のガス噴射部材の先端にて球状に形成されていてもよい。

これによれば，処理ガスは，多孔質体の多数の開口を通過して処理室内に供給される。処理ガスが多孔質体内部にて連通された多数の気孔を通過するとき，処理ガスの流速は減速しながら多孔質体全体に均一に広がり，減速した状態で多孔質体の表面全体に設けられた開口から処理室内に均一に吹き出される。このように，処理ガスを減速させながら広範囲に均一に供給することにより，供給される処理ガスの過剰な攪拌を抑制して，所望のプラズマを均一に生成することができる。特に，多孔質体が第２のガス噴射部材の先端にて球状に形成されていれば，多孔質体の球面に設けられた無数の開口から処理ガスをより広範囲に均一に供給することができる。

さらに，上記各第２のガス噴射部材は，その先端が球状に形成され，上記各第２の噴射孔は，上記先端の球状部分に放射状に設けられ，上記ガス供給部は，上記処理ガスを上記各第２の噴射孔から上記処理室内に吹き出すようにしてもよい。これによれば，球面に設けられた各第２の噴射孔から処理ガスを放射状に均一に吹き出すことができる。

また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，導波管を伝播してスロットに通したマイクロ波を誘電体に透過させ，上記誘電体を支持する梁の所定位置に取り付けられた複数の第１のガス噴射部材の第１の噴射孔から処理室内の所望の位置に第１の処理ガスを噴射し，非処理体上へのプラズマの流れを妨げないように上記梁の所定位置に取り付けられた複数の第２のガス噴射部材の第２の噴射孔であって，第１の噴射孔より下方に位置する第２の噴射孔から第１の処理ガスが噴射された位置より下方の位置に第２の処理ガスを噴射し，上記マイクロ波により上記噴射された第１の処理ガスと上記噴射された第２の処理ガスとをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法が提供される。

これによれば，第２のガス噴射部材は，非処理体上へのプラズマの流れを妨げないように上記梁の所定位置に取り付けられる。よって，プラズマに含まれるイオンや電子の多くは，各第２のガス噴射部材に衝突しない。これにより，反応生成物が第２のガス噴射部材に付着しにくくなり，堆積物がパーティクルとして基板に付着するまでの時間が長くなる。この結果，処理容器内をクリーニングする間隔を長くすることができ，スループットを向上させることができる。

また，金属により形成された上記第２のガス噴射部材にて発生する熱を外部に伝播させ，冷却水配管に供給された冷却水により冷却してもよい。これによれば，第２のガス噴射部材の加熱を効果的に冷却することができる。このため，プロセス処理中であっても，第２のガス噴射部材は過度に加熱されない。この結果，プロセス処理および搬送を繰り返す際に発生する第２のガス噴射部材の温度変動は小さくなる。そうすると，堆積物と第２のガス噴射部材との熱膨張率の差による影響が少なくなり，堆積物が，第２のガス噴射部材からはがれにくくなる。この結果，処理容器内をクリーニングするサイクルをさらに長くすることができる。

以上に説明したように，本発明によれば，非処理体上へのプラズマの流れを妨げない位置にガス噴射部材を設けたプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，同一の構成及び機能を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。

また，本明細書中，１ｍＴｏｒｒは（１０^−３×１０１３２５／７６０）Ｐａ，１ｓｃｃｍは（１０^−６／６０）ｍ^３／ｓｅｃとする。

まず，本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の構成について，本装置を縦方向（ｙ軸に垂直な方向）に切断した断面図である図１，および，処理室の天井面を示した図２を参照しながら説明する。また，以下の説明では，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置（プラズマ処理装置に相当）を用いたアモルファスシリコンＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着薄膜成膜法）プロセスを例に挙げて説明する。

（マイクロ波プラズマ処理装置の構成）
マイクロ波プラズマ処理装置１００は，処理容器１０と蓋体２０とを備えている。処理容器１０は，その上部が開口された有底立方体形状を有している。処理容器１０と蓋体２０とは，蓋体２０（蓋本体２１）の下面外周部と処理容器１０の上面外周部との間に配設されたＯリング３２により密閉されていて，これにより，プラズマ処理を行う処理室Ｕが形成される。処理容器１０および蓋体２０は，たとえば，アルミニウム等の金属からなり，電気的に接地されている。

処理容器１０には，その内部にてガラス基板（以下「基板」という）Ｇを載置するためのサセプタ１１（載置台）が設けられている。サセプタ１１は，たとえば窒化アルミニウムからなり，その内部には，給電部１１ａおよびヒータ１１ｂが設けられている。

給電部１１ａには，整合器１２ａ（たとえば，コンデンサ）を介して高周波電源１２ｂが接続されている。また，給電部１１ａには，コイル１３ａを介して高圧直流電源１３ｂが接続されている。整合器１２ａ，高周波電源１２ｂ，コイル１３ａおよび高圧直流電源１３ｂは，処理容器１０の外部に設けられている。また，高周波電源１２ｂおよび高圧直流電源１３ｂは，接地されている。

給電部１１ａは，高周波電源１２ｂから出力された高周波電力により処理容器１０の内部に所定のバイアス電圧を印加するようになっている。また，給電部１１ａは，高圧直流電源１３ｂから出力された直流電圧により基板Ｇを静電吸着するようになっている。

ヒータ１１ｂには，処理容器１０の外部に設けられた交流電源１４が接続されていて，交流電源１４から出力された交流電圧により基板Ｇを所定の温度に保持するようになっている。

処理容器１０の底面は筒状に開口され，その底面周縁にはベローズ１５の一端が装着されている。また，ベローズ１５の他端は昇降プレート１６に固着されている。このようにして，処理容器１０底面の開口部分は，ベローズ１５および昇降プレート１６により密閉されている。

サセプタ１１は，昇降プレート１６上に配置された筒体１７に支持されていて，昇降プレート１６および筒体１７と一体となって昇降し，これにより，サセプタ１１は，処理プロセスに応じた高さに調整されるようになっている。また，サセプタ１１の周囲には，処理室Ｕのガスの流れを好ましい状態に制御するためのバッフル板１８が設けられている。

処理容器１０の底部には，処理容器１０の外部に設けられた真空ポンプ（図示せず）が備えられている。真空ポンプは，ガス排出管１９を介して処理容器１０内からガスを排出することにより，処理室Ｕを所望の真空度まで減圧するようになっている。

蓋体２０には，蓋本体２１，６本の方形導波管３３，スロットアンテナ３０，および，複数枚の誘電体パーツ３１ａから構成された誘電体３１が設けられている。

６本の方形導波管３３（導波管に相当）は，その断面形状が矩形状であり，蓋本体２１の内部にて平行に並んで設けられている。その内部は，フッ素樹脂（たとえばテフロン（登録商標）），アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），石英などの誘電部材３４で充填されていて，その誘電部材３４により，λｇ_１＝λｃ／（ε_１）^１／２の式に従って各方形導波管３３の管内波長λｇ_１が制御される。ここで，λｃは自由空間の波長，ε_１は誘電部材３４の誘電率である。

各方形導波管３３は，上部にて開口し，その開口には，可動部３５が昇降自在に挿入されている。可動部３５は，アルミニウムなどの非磁性体である導電性材料から形成されている。

蓋本体２１の外部であって，各可動部３５の上面には，昇降機構３６がそれぞれ設けられていて，可動部３５を昇降移動させるようになっている。かかる構成により，誘電部材３４の上面を限度として，可動部３５を昇降移動させるにより，方形導波管３３は，その高さを任意に変えることができる。

スロットアンテナ３０は，蓋本体２１の下方にて蓋本体２１と一体的に形成されている。スロットアンテナ３０は，アルミニウムなどの非磁性体である金属から形成されている。スロットアンテナ３０には，各方形導波管３３の下面にて，図２に示した１３個のスロット３７（開口）が，それぞれ直列に並べて設けられている。各スロット３７の内部には，フッ素樹脂，アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），石英などの誘電部材が充填されていて，その誘電部材により，λｇ_２＝λｃ／（ε_２）^１／２の式に従って各スロット３７の管内波長λｇ_２が制御される。ここで，λｃは自由空間の波長，ε_２はスロット３７内部の誘電部材の誘電率である。

（誘電体３１）
図２に示したように，誘電体３１は，３９枚の誘電体パーツ３１ａから構成されている。各誘電体パーツ３１ａはタイル状に形成され，１３枚の誘電体パーツ３１ａが，１つのマイクロ波発生器４０にＹ分岐管４１を介して接続された２本の方形導波管３３を跨ぐように，処理容器１０の天井面にて３列に設けられている。

各誘電体パーツ３１ａは，互いに隣接する２本の方形導波管３３（すなわち，Ｙ分岐管４１を介して同じマイクロ波発生器４０に接続された２本の方形導波管３３）の下面に設けられた２６個（＝１３個×２列）のスロット３７のうち，ｙ座標が同一となる２つのスロットを跨ぐようにそれぞれ取り付けられている。

以上の構成により，スロットアンテナ３０の下面には，全部で３９枚（＝１３枚×３列）の誘電体パーツ３１ａが取り付けられる。なお，各方形導波管３３の下面に形成されるスロット３７の個数は任意であり，たとえば，各方形導波管３３の下面にそれぞれ１２個ずつのスロット３７を設け，スロットアンテナ３０の下面に全部で３６枚（＝１２枚×３列）の誘電体パーツ３１ａを配設させてもよい。また，各誘電体パーツ３１ａの上面に設けるスロット３７の個数も２つに限られず，１つ，または，３つ以上であってもよい。

各誘電体パーツ３１ａには，図１および図３に示したように基板Ｇと対向する面にて凹凸が形成されている。このように，各誘電体パーツ３１ａに凹部または凸部の少なくともいずれかを設けることによって，表面波が，各誘電体パーツ３１ａの表面を伝播する際，電界エネルギーの損失が増加し，これにより，表面波の伝播を抑止することができる。この結果，定在波の発生を抑制して，均一なプラズマを生成することができる。

スロットアンテナ３０の下面には，図１および図２に示したように，３９枚の誘電体パーツ３１ａを，１３枚×３列に配列させた状態で支持するために，格子状に形成された梁２６が設けられている。梁２６は，アルミニウムなどの非磁性体にて形成されている。

（横吹きガスノズル２７および氷柱ガスノズル２８）
図３に示したように，横吹きガスノズル２７および氷柱ガスノズル２８は，梁２６の下面にて互いに平行に梁２６から垂れ下がる状態で梁２６に固定されている。

図４に示したように，横吹きガスノズル２７は，外形がキノコ型のねじであって，金属により形成されている。横吹きガスノズル２７の内部には，横吹きガスノズル２７の底部から長手方向（軸Ｓ１方向）に中空のガス通路２７ａが設けられ，そのガス通路２７ａは，軸Ｓ１に垂直な向き（横向き）に８方向に（放射状に）分岐しながら，横吹きガスノズル２７を貫通している。その８つの開口を，以下，噴射孔Ａという。なお，横吹きガスノズル２７は第１のガス噴射部材に相当し，噴射孔Ａは第１の噴射孔に相当する。

氷柱ガスノズル２８は，外形が棒状（筒状）のねじであって，金属により形成されている。氷柱ガスノズル２８の内部には，氷柱ガスノズル２８の底部から長手方向（軸Ｓ２方向）に中空のガス通路２８ａが貫通している。氷柱ガスノズル２８の先端の開口を，以下，噴射孔Ｂという。なお，氷柱ガスノズル２８は第２のガス噴射部材に相当し，噴射孔Ｂは第２の噴射孔に相当する。

氷柱ガスノズル２８の長手方向（軸Ｓ２方向）の長さは，横吹きガスノズル２７より長く，その下限値は，シランガスおよび水素ガスが過剰に解離されない位置にシランガスおよび水素ガスを吹き出すことができる長さであり，上限値は，基板Ｇ上へのプラズマの拡散を妨げない位置，すなわち，基板Ｇ上にプラズマが拡散される際の障壁とならない位置であり，３０ｍｍ以下であることが好ましい。なお，氷柱ガスノズル２８は，板状であってもよい。

各ガスノズルの固定の方法としては，たとえば，梁２６の下面に内面がねじ切り加工された挿入穴を多数設け，その挿入穴に横吹きガスノズル２７または氷柱ガスノズル２８を挿入し，互いのねじ切り部分を螺合することにより固定する方法が挙げられる。その他，接着剤により梁２６に固着してもよいし，取り付け器具により梁２６に取り付けてもよい。このように各ガスノズルを梁２６に固定することにより，噴射孔Ａは，誘電体パーツ３１ａ近傍にて基板Ｇに水平な向きに開口し，噴射孔Ｂは，基板Ｇに垂直な向きに開口する。以上のようにして，図２に示したように，一列に１４個の横吹きガスノズル２７および一列に１４個の氷柱ガスノズル２８が，梁２６の下面にて交互に２列ずつ均等に配置される。

再び図１に戻って，処理ガス供給源４３は，複数のバルブ（バルブ４３ａ１，４３ａ３，４３ｂ１，４３ｂ３，４３ｂ５，４３ｂ７），複数のマスフローコントローラ（マスフローコントローラ４３ａ２，４３ｂ２，４３ｂ６），アルゴンガス供給源４３ａ４，シランガス供給源４３ｂ４および水素ガス供給源４３ｂ８から構成されている。

処理ガス供給源４３は，各バルブ（バルブ４３ａ１，４３ａ３，４３ｂ１，４３ｂ３，４３ｂ５，４３ｂ７）の開閉および各マスフローコントローラ（マスフローコントローラ４３ａ２，４３ｂ２，４３ｂ６）の開度をそれぞれ制御することにより，所望の濃度のアルゴンガス，シランガスおよび水素ガスを処理容器１０内にそれぞれ供給する。

第１のガス導入管２９ａは，梁２６の内部を貫通し，横吹きガスノズル２７のガス通路２７ａと連結される。これにより，アルゴンガス供給源４３ａ４から噴射孔Ａまで一本の管で連通した状態となる。第２のガス導入管２９ｂもまた，梁２６の内部を貫通し，氷柱ガスノズル２８のガス通路２８ａと連結される。これにより，シランガス供給源４３ｂ４および水素ガス供給源４３ｂ８から噴射孔Ｂまで一本の管で連通した状態となる。

図１の冷却水配管４４には，マイクロ波プラズマ処理装置１００の外部に配置された冷却水供給源４５が接続されていて，冷却水供給源４５から供給された冷却水が冷却水配管４４内を循環して冷却水供給源４５に戻ることにより，蓋本体２１は，所望の温度に保たれるようになっている。

以上に説明した構成により，図２に示した３つのマイクロ波発生器４０から出力された，たとえば，２．４５ＧＨｚ×３のマイクロ波により各処理ガスがプラズマ化され，これにより，基板Ｇ上にアモルファスシリコン膜が形成される。

（アモルファスシリコン膜形成）
つぎに，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００を用いたアモルファスシリコン膜の形成について，図１および図３を参照しながら詳細に説明する。

まず，第１のガス供給部および第２のガス供給部の動作について説明する。図１に示し，さらに，図３に一部拡大して示したように，第１のガス供給部は，アルゴンガス供給源４３ａ４から第１の流路４２ａおよび第１のガス導入管２９ａを介して，梁２６の所定位置に固定された複数の横吹きガスノズル２７（図２参照）にアルゴンガス（第１の処理ガスに相当）を供給する。これにより，アルゴンガスは，誘電体パーツ３１の近傍にて基板Ｇに略水平な向きに開口された噴射孔Ａから各誘電体パーツ３１ａの下面近傍に横向きに噴射される。

たとえば，図２に示したように，マイクロ波は，方形導波管３３ａ１および方形導波管３３ａ２を伝播し，スロット３７ａ１およびスロット３７ａ２から漏れ出して，誘電体パーツ３１ａを透過することにより，処理室Ｕに入射される。アルゴンガスは，誘電体パーツ３１ａの下面近傍にのみ噴射されているので，入射直後の強いマイクロ波の電界エネルギーにより効率的に解離し，各誘電体パーツ３１ａの下面近傍にてプラズマ化される。

（シランガスおよび水素ガスの供給）
一方，第２のガス供給部は，アルゴンガスがプラズマ着火した後，シランガス供給源４３ｂ４および水素ガス供給源４３ｂ８から第２の流路４２ｂおよび第２のガス導入管２９ｂを介して，梁２６の所定位置に固定された複数の氷柱ガスノズル２８（図２参照）にシランガスおよび水素ガスの混合ガス（第２の処理ガスに相当）を供給する。シランガスおよび水素ガスの混合ガスは，基板Ｇに略垂直な向き（下向き）に開口された噴射孔Ｂから下向きに噴射される。これにより，混合ガスは，アルゴンガスが吹き出される位置より下方であって，混合ガスが過剰に解離されない位置に噴射される。

このようにして噴射された混合ガスは，アルゴンガスのプラズマ化にある程度のエネルギーを消費して弱められた電界エネルギーにより，良質の膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）であるＳｉＨ_３ラジカルまで解離し，ＳｉＨ_２ラジカルまでは解離されない。

（プラズマの拡散）
このとき，各氷柱ガスノズル２８の長手方向は，基板Ｇ上へのプラズマの流れに平行であり，その形状も棒状または板状の簡単な構造なため，基板Ｇ上へのプラズマの流れを妨にくい。また，氷柱ガスノズル２８の取り付け位置も，処理容器１０の天井部に設けられた梁２６から氷柱状に下がった位置なので，生成された基板Ｇ上へのプラズマの流れを妨げにくい。

このため，プラズマに含まれるイオンや電子の大部分は氷柱ガスノズル２８に衝突することなく基板Ｇ上まで達するため，衝突によるエネルギー損失もほとんど発生しない。この結果，プラズマの減衰が少なくなり，基板Ｇ上の反応速度を一定以上に維持することができるとともに，良質の膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）まで解離したＳｉＨ_３ラジカルにより，基板Ｇ上に非常に良質なアモルファスシリコン膜を形成することができる。

また，氷柱ガスノズル２８に衝突するイオンや電子が減れば減るほど，氷柱ガスノズル２８に付着する反応生成物の量は少なくなる。これにより，堆積物がある厚さを越えて，氷柱ガスノズル２８と堆積物との熱膨張係数の違いにより氷柱ガスノズル２８からはがれ落ちてパーティクルとして基板Ｇに付着するまでの時間を長くすることができる。この結果，処理室Ｕ内をクリーニングするまでのサイクル（間隔）を長くすることができ，スループットを向上させ，生産性を上げることができる。

また，氷柱ガスノズル２８に衝突するイオンや電子が少ないので，氷柱ガスノズル２８は，過度に加熱されない。さらに，氷柱ガスノズル２８は，金属により形成されているので熱伝導がよい。よって，イオンなどの衝突により氷柱ガスノズル２８が加熱されても，氷柱ガスノズル２８に加わった熱の多くは，処理室Ｕ外の冷却水配管４４の近傍まで伝わって冷却水配管４４を循環する冷却水により冷される。このため，氷柱ガスノズル２８に熱がたまらない。

このように，プロセス処理中に氷柱ガスノズル２８に加わる熱が少なく，さらに，加わった熱は，逐次，外部に放出されるため，氷柱ガスノズル２８の温度は過度に上昇しない。この結果，プロセス処理および搬送を繰り返す際に発生する氷柱ガスノズル２８の温度変動は小さくなる。そうすると，堆積物と氷柱ガスノズル２８との熱膨張率の差による影響が少なくなり，堆積物が，氷柱ガスノズル２８からよりはがれにくくなる。この結果，処理容器１０内をクリーニングするサイクルをさらに長くすることができ，スループットを向上させ，生産性をより高めることができる。

（実験結果）
発明者は，上述した理由により生産性を高めることができる本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００を設計し，実際に，これを用いてアモルファスシリコンＣＶＤプロセスを実行した。

このときのプロセス条件は，処理室Ｕの圧力が４００ｍＴｏｒｒ，マイクロ波のパワーが１．８ｋＷ〜２．６ｋＷ（３つのマイクロ波発生器４０を使用）であった。

また，ガス種は，アルゴンガス，シランガスおよび水素ガスを用い，そのガス量は，アルゴンガスが１５２０ｓｃｃｍ，シランガスが１４０ｓｃｃｍ，水素ガスが１４０ｓｃｃｍであった。また，サセプタ１１（ステージ）の温度は３７０℃，基板Ｇの温度は３００℃，冷却水供給源４５の温度は８０℃，導波管幅は７８ｍｍであった。なお，ガラス基板のサイズは，７３０ｍｍ×９２０ｍｍ以上であればよく，たとえば，Ｇ４．５基板サイズで７３０ｍｍ×９２０ｍｍ（チャンバ内の径：１０００ｍｍ×１１９０ｍｍ），Ｇ５基板サイズで１１００ｍｍ×１３００ｍｍ（チャンバ内の径：１４７０ｍｍ×１５９０ｍｍ）が適用可能である。

この実験では，発明者は，図５の右下に実施例として示したように，前述したガス供給方法と同様に，上段（横吹きガスノズル２７）からアルゴンガスを噴射させ，下段（氷柱ガスノズル２８）からシランガスおよび水素ガスを噴射させた。また，発明者は，図５の右上に比較例として示したように，上段（横吹きガスノズル２７）のみを有するマイクロプラズマ処理装置を用いて，アルゴンガスとシランガスおよび水素ガスとを交互に噴射させる実験も行った。

その結果，図５の左の表にて示したように，比較例のマイクロプラズマ処理装置では，マイクロ波のパワーが１．８ｋＷ〜２．３ｋＷのときシランガスがＳｉＨ_２ラジカルまで過剰解離される割合が１０％強であったのに対し，マイクロ波のパワーを２．３ｋＷから２．６ｋＷまで上昇させる間に，シランガスがＳｉＨ_２ラジカルまで過剰解離される割合が１０％から２４％へ急激に上昇した。

これに対して，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００では，マイクロ波のパワーを１．８ｋＷから２．６ｋＷまで上昇させても，シランガスがＳｉＨ_２ラジカルまで過剰解離される割合が１０％弱と変動しなかった。

よって，発明者は，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば，マイクロ波のパワーを大きくしても，プラズマは，良質の膜を形成するためのプリカーサーであるＳｉＨ_３ラジカルまで解離しているが，ＳｉＨ_２ラジカルまでは解離しない良好な状態を保つことができることを確認した。

特に，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００では，イオンや電子が氷柱ガスノズル２８に衝突しにくいので，衝突によるエネルギー損失が発生しにくい。この結果，プラズマの減衰が少なくなり，基板Ｇ上の反応速度を一定以上に維持しながら，基板Ｇ上に良質なアモルファスシリコン膜が形成することができる。したがって，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば，マイクロ波のパワーを大きくすることにより成膜速度を高めることにより高い生産性を保持したまま，良質な膜を生産することができた。

また，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００によれば，氷柱ガスノズル２８に堆積する反応生成物の量が少なくなり，氷柱ガスノズル２８の過度な加熱が抑えられた。よって，堆積物がある厚さを越え，氷柱ガスノズル２８からはがれ落ちてパーティクルとして基板に付着するまでの時間を長くすることができた。このため，処理室内をクリーニングするまでのサイクルを長くすることができ，これによっても高い生産性を達成することができた。

なお，本実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置１００に設けられた氷柱ガスノズル２８の変形例としては，たとえば，図６〜図８に示した形状のガスノズルが挙げられる。

（変形例１）
図６に示した氷柱ガスノズル２８は，ポーラス２８Ｐ（多孔質体）とバルク２８Ｂ（緻密質体）とから形成されている。具体的には，氷柱ガスノズル２８のうち，第２のガス導入管２９ｂと連結した配管部分は，バルク２８Ｂから形成されていて，その内部には，ポーラス２８Ｐが充填されている。また，氷柱ガスノズル２８の下部では，バルク２８Ｂからポーラス２８Ｐが突出し，ポーラス２８Ｐの一部が処理室Ｕに露出している。なお，梁２６の下面であって，氷柱ガスノズル２８の上部外周部には，Ｏリング５２が装着され，これにより，処理室Ｕの気密性が保たれている。

第２のガス供給部は，シランガスおよび水素ガスを氷柱ガスノズル２８に形成されたポーラス２８Ｐに通すことにより，ポーラス２８Ｐに設けられた複数の開口（ポーラス２８Ｐ内部にて連通した気孔）を噴射孔Ａとして，多数の開口から処理室Ｕ内に吹き出す。

ここで，ポーラス２８Ｐの平均気孔径は１０〜１５０μｍ，気孔率は２０〜４０％程度である。したがって，シランガスおよび水素ガスは，ポーラス２８Ｐ内部にて連通された気孔を通過する際に減速しながらポーラス２８Ｐに均一に広がる。これにより，シランガスおよび水素ガスは，０．３ｍ／ｓ程度まで減速された状態でポーラス２８Ｐの表面全体から処理室Ｕ内に均一に吹き出される。この結果，供給される各処理ガスの過剰な攪拌を抑制して，良質な膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）であるＳｉＨ_３ラジカルまで解離され，ＳｉＨ_２ラジカルまでは解離されないようにプラズマの生成を制御することができる。

（変形例２）
また，図７に示した氷柱ガスノズル２８では，その先端が球状に形成されていて，噴射孔Ｂが，球状の先端部２８Ｓに放射状に設けられている。第２のガス供給部は，シランガスおよび水素ガスを各噴射孔Ｂから処理室Ｕ内に放射状に吹き出す。これにより，シランガスおよび水素ガスを広範囲に均一に供給することができる。

（変形例３）
また，図８に示した氷柱ガスノズル２８では，その先端が球状に形成されていて，かつ，球状に形成された先端部はポーラス２８Ｐにより形成されている。これによれば，シランガスおよび水素ガスは，ポーラス２８Ｐを通過して処理室Ｕ内に供給される。この結果，シランガスおよび水素ガスを，減速させながら広範囲に均一に供給することができる。

さらに，図示していないが，横吹きガスノズル２７を梁２６の下面に取り付けることなく，梁２６を貫通した第１のガス導入管２９ａの端部開口から，第１の処理ガスを処理室Ｕ内に下向き（基板Ｇに垂直な方向）に噴射するようにしてもよい。この場合には，第１のガス導入管２９ａの端部開口が第１の噴射孔に相当し，第１のガス導入管２９ａが第１のガス噴射部材に相当する。

（ガス供給位置）
なお，一般的には，上段の噴射孔Ａから噴射される処理ガス（第１の処理ガス）は，下段の（すなわち，噴射孔Ａより下方に位置する）噴射孔Ｂから噴射される処理ガスよりも結合エネルギーが大きいガス（第２の処理ガス）であることが好ましい。

これによれば，前述したように，まず，結合エネルギーの大きい第１の処理ガスが，比較的強いマイクロ波の電界エネルギーによってプラズマ化される。第１の処理ガスがプラズマ着火した後，第１の処理ガスより結合エネルギーの小さい第２の処理ガスが，噴射孔Ａの位置および梁２６が突出した位置より下方に設置された噴射孔Ｂから噴射される。これにより，第２の処理ガスは，第１の処理ガスをプラズマ化するためにパワーを消費して弱められたマイクロ波の電界エネルギーによって，良質の膜を形成するためのプリカーサー（前駆体）まで解離する。この結果，アモルファスシリコン膜を形成することができる。

この原則に基づけば，Ａｒのイオン化エネルギーは，１５．７５９（ｅＶ）であり，ＳｉとＨとの分子結合エネルギーは，３．２（ｅＶ）であり，ＨとＨとの分子結合エネルギーは，４．４８（ｅＶ）であることから，アモルファスシリコンＣＶＤプロセスでは，シランや水素より分子結合エネルギーが大きいアルゴンが，第１の処理ガスとして処理容器の上方に供給され，シランガスや水素ガスは，第２の処理ガスとして下方に供給される方がよい。

しかし，たとえば，シランガスと酸素ガスとを混合する場合のように，混合ガスが過剰反応する場合には，これらのガスを混合して供給することができない。このような特殊な場合には，第１の処理ガスおよび第２の処理ガスの結合エネルギーの大小関係に関わらず，過剰反応が起きないように各処理ガスの噴射位置が決定される。

上記実施形態において，各部の動作はお互いに関連しており，互いの関連を考慮しながら，一連の動作として置き換えることができる。そして，このように置き換えることにより，プラズマ処理装置の発明の実施形態をプラズマ処理方法の実施形態とすることができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

たとえば，本発明にかかるプラズマ処理装置により実行されるプラズマ処理は，ＣＶＤ処理に限られず，アッシング処理，エッチング処理などのあらゆるプラズマ処理が可能である。

本発明は，非処理体上へのプラズマの流れを妨げない位置にガス噴射部材を設けたプラズマ処理装置に適用可能である。

本発明の一実施形態にかかるマイクロ波プラズマ処理装置の断面図である。 同実施形態にかかる処理容器の天井面を示した図である。 図１のガスノズル近傍を拡大した図である。 横吹きガスノズルおよび氷柱ガスノズルの構成を示した図である。 マイクロ波のパワーとＳｉＨ_２ラジカルの発生割合との関係を示した図である。 氷柱ガスノズルの他の構成例を示した図である。 氷柱ガスノズルの他の構成例を示した図である。 氷柱ガスノズルの他の構成例を示した図である。

符号の説明

１０ 処理容器
１１ サセプタ
２０ 蓋体
２１ 蓋本体
２６ 梁
２７ 横吹きガスノズル
２８ 氷柱ガスノズル
２８Ｐ ポーラス
２８Ｂ バルク
２９ａ 第１のガス導入管
２９ｂ 第２のガス導入管
３０ スロットアンテナ
３１ 誘電体
３１ａ 誘電体パーツ
３２，５２ Ｏリング
３３ 方形導波管
３７ スロット
４０ マイクロ波発生器
４３ ガス供給源
４３ａ４ アルゴンガス供給源
４３ｂ４ シランガス供給源
４３ｂ８ 水素ガス供給源
１００ マイクロ波プラズマ処理装置
Ｕ 処理室
Ｇ 基板

Claims (18)

1. 導波管を伝播してスロットに通したマイクロ波を透過させる誘電体と，
   前記誘電体を支持する梁の所定位置に設けられた第１の噴射孔を有する複数の第１のガス噴射部材と，
   非処理体上へのプラズマの流れを妨げないように前記梁の所定位置に取り付けられ，第１の噴射孔より下方に位置する第２の噴射孔を有する複数の第２のガス噴射部材と，
   前記各第１のガス噴射部材の第１の噴射孔から処理室内の所望の位置に第１の処理ガスを噴射する第１のガス供給部と，
   前記各第２のガス噴射部材の第２の噴射孔から，第１の処理ガスが噴射された位置より下方の位置に第２の処理ガスを噴射する第２のガス供給部と，
   前記マイクロ波により前記第１の処理ガスおよび前記第２の処理ガスをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理する処理室と，を備えるプラズマ処理装置。
2. 前記各第１のガス噴射部材は，前記梁の外部に取り付けられるか，または，前記梁の内部に設けられる請求項１に記載されたプラズマ処理装置。
3. 前記各第２のガス噴射部材は，金属により形成される請求項１または請求項２のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
4. 前記各第２のガス噴射部材は，棒状または板状に形成される請求項１〜３のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
5. 前記各第２のガス噴射部材は，互いに平行に前記梁から氷柱状に垂れ下がるように前記梁に固定される請求項１〜４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
6. 前記各第２のガス噴射部材は，非処理体上にプラズマが拡散される際の障壁とならない位置に設けられる請求項１〜５のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
7. 前記各第２のガス噴射部材は，前記梁から突出した長手方向の長さが３０ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
8. 前記各第２の噴射孔は，第２の処理ガスが過剰に解離されない位置に噴射されるように位置付けられる請求項１〜７のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
9. 前記各第１の噴射孔は，前記誘電体近傍にて被処理体に水平な向きに開口している請求項１〜８のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
10. 前記各第１の噴射孔は，前記誘電体近傍にて被処理体に垂直な向きに開口している請求項１〜８のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
11. 前記各第２の噴射孔は，被処理体に垂直な向きに開口している請求項１〜１０のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
12. 前記各第２のガス噴射部材の一部は，多孔質体により形成され，
    前記ガス供給部は，
    前記処理ガスを前記各第２のガス噴射部材に形成された多孔質体に通すことにより，その多孔質体に設けられた複数の開口を上記第２の噴射孔として，前記複数の開口から前記処理ガスを前記処理室内に吹き出す請求項１〜１１のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
13. 前記多孔質体は，前記各第２のガス噴射部材の先端にて球状に形成される請求項１２に記載されたプラズマ処理装置。
14. 前記各第２のガス噴射部材は，その先端が球状に形成され，
    前記各第２の噴射孔は，前記先端の球状部分に放射状に設けられ，
    前記ガス供給部は，
    前記処理ガスを前記各第２の噴射孔から前記処理室内に放射状に吹き出す請求項１〜１１のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
15. 前記第１の処理ガスまたは前記第２の処理ガスの少なくともいずれかは，複数の処理ガスを混合した混合ガスであって，前記混合ガスが過剰反応する場合を除き，
    前記第１の処理ガスは，前記第２の処理ガスよりも結合エネルギーが大きいガスである請求項１〜１４のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
16. 前記誘電体は，複数の誘電体パーツから構成され，
    前記各誘電体パーツには，被処理体と対向する面にて凹部または凸部の少なくともいずれかが形成される請求項１〜１５のいずれかに記載されたプラズマ処理装置。
17. 導波管を伝播してスロットに通したマイクロ波を誘電体に透過させ，
    前記誘電体を支持する梁の所定位置に取り付けられた複数の第１のガス噴射部材の第１の噴射孔から処理室内の所望の位置に第１の処理ガスを噴射し，
    非処理体上へのプラズマの流れを妨げないように前記梁の所定位置に取り付けられた複数の第２のガス噴射部材の第２の噴射孔であって，第１の噴射孔より下方に位置する第２の噴射孔から第１の処理ガスが噴射された位置より下方の位置に第２の処理ガスを噴射し，
    前記マイクロ波により前記噴射された第１の処理ガスと前記噴射された第２の処理ガスとをプラズマ化させて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法。
18. 金属により形成された前記第２のガス噴射部材に加わる熱を冷却水配管に供給された冷却水により冷却する請求項１７に記載されたプラズマ処理方法。

Images