JP2007220600A - プラズマ生成方法及びプラズマ生成装置並びにプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経済的に、均一化された誘導結合プラズマを生成させることができるプラズマ生成方法及びプラズマ生成装置並びに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内における一つの又は隣り合うもの同士が間隔をあけることなく連なる複数の、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間Ｃのそれぞれに高周波アンテナ２を割り当て設置し、各立方体空間Ｃにおける高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕を、プラズマ生成室１内に設定する誘導結合プラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満たす範囲の長さＬ〔ｍ〕に設定する。
【選択図】図２

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。

プラズマ生成装置は、例えばプラズマのもとで膜形成するプラズマ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、プラズマのもとでエッチングを行うプラズマエッチング装置、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。

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。

このようにプラズマ生成室内に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場合、従来は、プラズマ生成室内における所望の大きさの空間にプラズマをできるだけ均一に発生させて持続させることを可能にするプラズマ生成室内における高周波アンテナの分布と各アンテナの物量（特にアンテナ長さ）、さらに言えば、プラズマをできるだけ均一に発生させて維持したい該所望の大きさの空間をどの程度の大きさの空間に分割して、各分割された空間にどの程度の長さのアンテナを割り当てればよいかについては、アンテナ材料のカットとプラズマ生成室への試し設置（所謂現物合わせのカットアンドトライ）を繰り返して行われ、そのカットアンドトライによりプラズマを均一状に発生させて維持することができるアンテナ分布とアンテナ物量が見い出されれば、その分布と物量で良いとされてきた。

特開２００１−３５６９７号公報

しかしながら、カットアンドトライにより、プラズマを発生させて維持することができるアンテナ分布と物量が見い出されれば、その分布と物量で良いとする手法では、プラズマを均一に発生させて維持することができる経済的で適切なアンテナの分布と物量に対し、アンテナ本数が多くなりすぎたり、アンテナ全長が大きくなりすぎたりしやすい。

アンテナ本数が増えるとプラズマ生成室に対するアンテナ挿入箇所が増え、プラズマ生成室の気密性の低下や、挿入箇所における擦れ等により好ましくないパーティクルの発生が増し、プラズマ生成装置の性能が低下しやすい。これを防止するには、アンテナ設置に手間と費用がかかる。また、アンテナ本数が多くなりすぎたり、アンテナ全長が大きくなりすぎたりすると、それだけコスト高につき、不経済である。

そこで本発明は、プラズマ生成室内に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、該プラズマを均一に発生させて維持するのに適した高周波アンテナのプラズマ生成室内における分布と高周波アンテナの長さを適切に決定して、それだけ経済的に、均一化された誘導結合プラズマを生成させ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、該プラズマを均一に発生させて維持するのに適した高周波アンテナのプラズマ生成室内における分布と高周波アンテナの長さが適切に決定されていて、それだけ経済的に、均一化された誘導結合プラズマを生成させ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。

本発明はさらに、被処理物に対する目的とする処理を、プラズマを経済的に発生させて、それだけ安価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。

本発明者はかかる課題を解決するため研究を重ね、次の点に着目した。
アンテナ本数を多くするとプラズマを持続し易くなる傾向が得られる。また、各アンテナのサイズ（全長）を大きくするとプラズマを持続し易くなる傾向が得られる。
かかるプラズマ維持特性は、アンテナの本数とサイズやプラズマ生成圧に依存する特性である。

アンテナの本数やサイズとプラズマ生成圧とを統一的に扱うことができれば、プラズマの元になるガス種等によってある程度定まってくるプラズマ生成圧を選択決定すれば、それに基づいてアンテナの本数やサイズを、プラズマ生成及びその維持が可能であるように適切に（できるだけ過不足なく）決定でき、経済的である。

また、アンテナの本数やサイズとプラズマ生成圧とを統一的に扱ううえで、これらパラメータのうちメートル単位（ｍ単位）になるものとして、プラズマ生成室内、換言すれば、限られた一定の大きさの空間内のアンテナの合計長がある。

さらに研究を重ね、限られた一定の大きさの空間内の高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕と該空間におけるプラズマ生成圧〔Ｐａ〕との間には反比例の関係があることを見いだした。さらに、限られた一定の大きさの空間内の高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕を、該空間における誘導結合プラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足するように設定すれば、プラズマを発生させ、持続させることができる経済的アンテナ設計を行えることを見いだした。

プラズマの元になるガス種等に応じて一般的に採用されるプラズマ生成圧の範囲を考慮すれば、Ｌが（０．２／Ｐ）を下回ってくると、アンテナの合計長Ｌが不足してきてプラズマを発生させ、維持することが困難になってくる。また、Ｌが（０．８／Ｐ）を上回ってくると、アンテナ合計長Ｌが徒に長くなってきて不経済である。
よって、Ｌの範囲は、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）程度とすればよい。

一方、プラズマはこれを発生させ、持続させるだけでなく、プラズマ生成室内の所望の大きさの空間にできるだけ均一に生成させることが一般的に望まれている。
本発明者の研究によれば、プラズマ密度はアンテナからの距離に応じて指数減衰する関数によく近似できる。

このようにプラズマ密度はアンテナからの距離に応じて指数減衰する関数によく近似できることからすれば、プラズマ生成室内の所望の大きさの空間にプラズマを生成させるべく例えば該空間に複数のアンテナを設置する場合、隣り合うアンテナの間隔を広げすぎると、該所望の大きさの空間におけるプラズマ密度が不均一になりやすく、かといって、隣り合うアンテナの間隔を狭くすると、徒にアンテナ物量が増加する結果となる、ということになる。

そこで本発明者は、このようにプラズマ密度はアンテナからの距離に応じて指数減衰する関数によく近似できるという特性を用いて、複数本のアンテナを一定の配列ピッチで配列した場合のプラズマ密度分布を求めたところ、アンテナ配列のピッチが大きすぎるとプラズマ密度分布が不均一になる傾向があるが、アンテナ配列のピッチを４００ｍｍ程度とすれば、アンテナ数を徒に増加させることなく、均一なプラズマを得ることができることを見いだした。

さらにかかる知見に基づき、プラズマを発生させたいプラズマ生成室内の空間の大きさに応じて、プラズマ生成室内の一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間の一つ、或いは、かかるサイズの、且つ、隣り合うもの同士が連なった複数の該立方体空間のそれぞれに高周波アンテナを設置することで、アンテナ物量を徒に増加させることなく、均一なプラズマを発生させることができることを見いだした。

そして、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間に設置された高周波アンテナの合計長Ｌを、既述の、一定の空間にプラズマを発生させ、持続するための（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の条件を満足させるＬとすれば、全体として、均一なプラズマを発生持続させることができることを見いだした。

本発明は、前記第１、第２の課題を解決するため、かかる着目及び知見に基づき、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、該プラズマ生成室内における一つの又は隣り合うもの同士が間隔をあけることなく連なる（代表的には同一平面に沿って連なる）複数の、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間のそれぞれに高周波アンテナを割り当て設置し、該各立方体空間における高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕を、該プラズマ生成室内に設定する誘導結合プラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満たす範囲の長さＬ〔ｍ〕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、該プラズマ生成室内における一つの又は隣り合うもの同士が間隔をあけることなく連なる（代表的には同一平面に沿って連なる）複数の、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間のそれぞれに高周波アンテナが割り当て設置されており、該各立方体空間における高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕が、該プラズマ生成室内に設定される誘導結合プラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満たす範囲の長さＬ〔ｍ〕に設定されているプラズマ生成装置。

本発明に係るプラズマ生成方法及び装置によると、プラズマの元になるガス種等によって定まってくるプラズマ生成圧Ｐ〔Ｐａ〕（それには限定されないが、一般的には、概ね０．０５Ｐａ〜１０Ｐａ程度の範囲にある）を選択決定し、プラズマ生成室内の所望の大きさの空間、換言すれば、誘導結合プラズマを発生させようとする大きさの空間、例えば処理対象基板にプラズマによる目的とする処理を施すための誘導結合プラズマを発生させようとする、該基板の大きさに対応した大きさの空間に対応させて、一つの又は隣り合うもの同士が間隔をあけることなく連なる複数の、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間を定め、該各立方体空間に高周波アンテナを設置し、且つ、該立方体空間における高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕を、該プラズマ生成室内の誘導結合プラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足するように設定し、誘導結合型プラズマを均一に発生させて維持することができる。

このとき、高周波アンテナは、プラズマ生成室内の所望の大きさの空間、換言すれば、誘導結合プラズマを発生させようとする大きさの空間に対応させて定めた一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間を単位として設置するので、高周波アンテナの分布を容易に、過不足無く適切に決定することができるとともに、該立方体空間における高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕は、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足するように設定するので、アンテナ長さを容易に経済的に決定でき、これらにより、それだけ経済的に誘導結合プラズマを発生させることができる。

また、アンテナ分布が適切となり、プラズマ生成室へのアンテナ挿入箇所が多くなりすぎることが防がれる等の点で、プラズマ生成室の気密性の低下、アンテナ挿入箇所での擦れ等による好ましくないパーティクルの発生が抑制される。

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。例えば線状導体を曲げてなる（例えばＵ字状或いは門形状に曲げてなる）アンテナを例示できる。

前記一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間に設置する高周波アンテナの本数は一本でも複数本でも構わないが、該立方体空間における高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕は、前記（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足する範囲のものに設定する。

前記一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間への高周波アンテナの設置は、代表的には、該立方体空間の中央部に高周波アンテナを設置することで行えばよい。連なった複数の立方体空間のそれぞれに高周波アンテナを設置するときには、代表的には、各立方体空間の中央部に設置すればよく、より好ましくは、向きを揃えて設置すればよい。

かかる立方体空間へのアンテナ設置は、一つの立方体空間に一つの高周波アンテナを設置する場合に当てはまることは勿論であるが、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間に複数本の高周波アンテナを設置する場合には、該複数本からなる一群の高周波アンテを全体として一つの高周波アンテナと見なし、その一つの高周波アンテナと見なした高周波アンテナ群を、例えば立方体空間の中央部に設置すればよい。

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、被処理物に対する目的とする処理を、プラズマを経済的に発生させて、それだけ安価に行える。

かかる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。

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、該プラズマを均一に発生させて維持するのに適した高周波アンテナのプラズマ生成室内における分布と高周波アンテナの長さを適切に決定して、それだけ経済的に、均一化された誘導結合プラズマを生成させ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、該プラズマを均一に発生させて維持するのに適した高周波アンテナのプラズマ生成室内における分布と高周波アンテナの長さが適切に決定されていて、それだけ経済的に、均一化された誘導結合プラズマを生成させ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、プラズマを経済的に発生させて、それだけ安価に行え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２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、本例では門形状のものである。

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２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２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、門形状のものである。２本のアンテナ２は同じ大きさのものであり、同じ平面上にピッチ間隔ｐ’（本例では４００ｍｍ）をおいて、直列的に隣り合わせて配置されている。

図２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。

また、図１、図２のプラズマ生成装置のいずれも さらに、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２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。

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は、プラズマ生成室１内の、プラズマを発生させようとする空間に対応する一辺０．４ｍの立方体空間Ｃの中央部に位置しており、アンテナ全長Ｌ〔ｍ〕（幅ｗ＋高さｈ×２）は、室１内に所望の誘導結合プラズマを生成させるときに設定されるプラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足するように決定されている。

図２のプラズマ生成装置においては、２本のアンテナ２のそれぞれは、プラズマ生成室１内の、プラズマを発生させようとする空間に対応する、間隔をあけずに同一平面に沿って連なる一辺０．４ｍの、二つの立方体空間Ｃのそれぞれの中央部に位置している。各アンテナ２の全長Ｌ〔ｍ〕（幅ｗ＋高さｈ×２）は、室１内に所望の誘導結合プラズマを生成させるときに設定されるプラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足するように決定されている。

以上説明した図１、図２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Ｐ〔Ｐａ〕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内の、前記一辺０．４ｍの立方体空間Ｃの領域に均一な誘導結合プラズマを発生させ、持続させることができる。図２の装置では、隣り合って連なる二つの立方体空間Ｃの全体に均一な誘導結合プラズマを発生させ、持続させることができる。

このように、図１のプラズマ生成装置においては、１本のアンテナ２について、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足させるアンテナ全長Ｌを決定して該全長を有する１本のアンテナ２を採用することで、容易に、経済的に均一な誘導結合プラズマを発生させ、持続させることができる。さらに言えば、立方体空間Ｃに一本のアンテナ２を設置し、その全長Ｌにつき、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足させることで、均一化されたプラズマの発生とその維持を可能とする、過不足のない適切な全長を有する１本のアンテナ２を採用することができ、それだけプラズマ生成を経済的に行える。

図２のプラズマ生成装置においても、２本のアンテナ２のそれぞれについて、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足させるアンテナ長Ｌを決定して該長さ有するアンテナ２を各立方体空間Ｃに設置することで、容易に、経済的に均一な誘導結合プラズマを発生させ、持続させることができる。さらに言えば、立方体空間Ｃごとにアンテナ２を設置し、各アンテナ２が（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満足することで、均一化されたプラズマの発生とその維持を可能とする、過不足のない適切な長さを有する、適切な本数である２本のアンテナと、それらの適切な分布を採用することができ、それだけプラズマ生成を経済的に行える。

次に、アンテナの物量決定にあたり、前記（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）を適用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、アンテナの本数、各アンテナのプラズマ生成室内における全長（幅ｗ＋室１内における高さｈ×２）、アンテナを複数本配列するときの隣り合うアンテナピッチ間隔ｐ（アンテナ配列ピッチ）を種々変えて、アンテナ本数とプラズマ持続可能の下限圧力〔Ｐａ〕との関係を調べる実験を行った。

実験においては、図１或いは図２に示すプラズマ生成装置において、アンテナ設定条件及びプラズマ生成圧を種々変化させた。プラズマ生成室１として、容積０．５ｍ³ のものを用い、該室内へプラズマ源ガスとして水素ガスを導入し、各アンテナには１３．５６ＭＨｚ、１０００Ｗの高周波電力を供給するようにし、室内圧を上昇させて放電を開始した後、室内圧力を下げ、マッチングボックスへの反射電力が不安定化した時点の圧力をもってプラズマ持続下限圧力〔Ｐａ〕を判断した。なお、プラズマ生成室内圧力が低い方が放電は持続しにくい。

また、アンテナを２本採用するときは、図２及び図３（Ａ）に示すように、アンテナ２を同じ平面上に直列的に隣り合わせて配列し、互いに隣り合うアンテナ端部２１から給電した。
アンテナ２を３本採用するときは、図３（Ｂ）に示すように、アンテナ２を同じ平面上に直列的に順次隣り合わせて配列し、一組の隣り合うアンテナについては、それらの互いに隣り合うアンテナ端部２１から給電し、残り一本のアンテナ２については、最も外側に配置された端部２１から給電した。

同様に、図３（Ｃ）は６本のアンテナを採用するときのアンテナ配列と給電部位を示している。図３（Ｄ）は９本のアンテナを採用するときのアンテナ配列と給電部位（太い矢印参照）を示している。図３（Ｅ）は１２本のアンテナを採用するときのアンテナ配列と給電部位（太い矢印参照）を示している。アンテナを６本、９本、１２本採用するときの各隣り合うアンテナ列ピッチ間隔Ｑは３４０ｍｍとした。

実験で得られたアンテナ本数とプラズマ持続下限圧力の関係を図４にまとめて示す。
図４において、右側に四角で囲んで示される、例えばｗ１５０ｈ１５０ｐ１６０は、一本のアンテナにおける幅ｗが１５０ｍｍ、室１内における高さｈが１５０ｍｍ、複数本採用するときの隣り合うアンテナピッチ間隔ｐが１６０ｍｍであることを意味している。他についても同様である。黒丸印で示すアンテナ（ｗ１５０ｈ１００）は１本だけ採用した。

図４に示すように、アンテナ本数が多いとプラズマを持続し易くなる傾向が得られた（図４中の１本の場合と２本の場合の比較、○印で示すアンテナの３、６、９、１２本の比較より）。
また、各アンテナのサイズ（全長）が大きくなるとプラズマを持続し易くなる傾向が得られた（アンテナ本数を同じとした場合の、図４中のｗ５５ｈ７５、ｗ５５ｈ１００、ｗ１００ｈ１５０、ｗ１５０ｈ１５０の比較より）。

このように実験で得られたアンテナのプラズマ維持特性は、アンテナの本数とサイズやプラズマ生成室内圧に依存する特性であった。
ここで、プラズマ生成室内（換言すれば、一定大きさの空間内）の、アンテナの本数とサイズから導かれる高周波アンテナの合計長に着目して実験結果をまとめたところ、図５に示すように、プラズマ生成室内圧力Ｐ〔Ｐａ〕と室内におけるアンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕との間に、反比例の関係、すなわち、図５において太線で示す関係を見いだした。反比例の関係ということは、Ｐ・Ｌが一定の関係にあるということである。

このことから、プラズマの元になるガス種等によって定まってくるプラズマ生成圧Ｐ〔Ｐａ〕を選択決定すれば、Ｐ・Ｌが一定の関係から、プラズマの発生及びその維持に適切な、換言すれば、できるだけ過不足ない、一定大きさの空間内におけるアンテナ合計長が得られそれだけ経済的にプラズマを生成させることができることが明らかとなった。

圧力Ｐ及びアンテナ合計長Ｌは、図５において略太線以上の領域から選択すればプラズマを発生、持続させることが可能であるが、実験データには誤差があり、また、プラズマの元になるガス種等によっては、図５における太線より下側領域においても、プラズマを発生、持続させることが可能である場合もあるから、かかる太線より下側の領域も含めるように、Ｌ・Ｐ＝０．２を満足させる点線１より上側領域で圧力Ｐ及びアンテナ合計長Ｌをそれぞれ決定すれば実用上差し支えない。

しかし、Ｌ・Ｐ＝０．２を満足させる点線１より上側領域で圧力Ｐ及びアンテナ合計長Ｌをそれぞれ決定すれば、Ｌが徒に大きくなる場合もあるから、経済的観点から、Ｌ・Ｐ＝０．８程度を満足させる点線２より下側領域で圧力Ｐ及びアンテナ合計長Ｌをそれぞれ決定することが望ましい。

よって、一定空間におけるアンテナ合計長Ｌ〔ｍ〕は、概ね（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の範囲にあればよい。

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、酸素ガス等であっても、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係式を適用して、高周波アンテナの過不足のない物量（長さ）を決定できる。

次に、一辺０．４〔ｍ〕の立法体空間を単位として高周波アンテナを分布させればよいことを知見するにいたった点について説明する。
一つの低インダクタンス高周波アンテナによって持続させられる誘導結合プラズマの分布密度を調べたところ、プラズマ密度がアンテナからの距離に応じて指数減衰する関数によく近似できることを見いだした。

プラズマ密度分布の調査は、プラズマ生成室内の天井壁に一本の門形アンテナ（幅１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍを架設し、該アンテナから様々の距離（より正確には門形アンテナに囲まれた矩形平面の中心点から様々の距離）Ｘ〔ｍ〕にあるプラズマ生成室内底部の各位置にラングミューアプローブを配置し、該プラズマ生成室内に水素ガスを導入し、室内圧を１．８Ｐａとし、該水素ガスに高周波電力（１３、５６Ｍｚ、１０００Ｗ）を印加して誘導結合プラズマを生成させ、プラズマ密度に比例する測定量として該ラングミューアプローブで測定されるイオン飽和電流密度〔Ａ／ｃｍ² 〕を求め、該イオン飽和電流密度とアンテナからの距離Ｘ〔ｍ〕の関係を求めることで行った。図６はその結果を示している。

つまり、プラズマ密度をＮ、アンテナからの距離をＸ〔ｍ〕とすると、
Ｎ∝ｅｘｐ（−Ｘ／ｒ）に近似され、しかも指数減衰関数のスケールファクターｒは、図６の近似関数で１／ｒ＝０．００４７であるから、ｒ≒２００ｍｍ（約０．２ｍ）である。

１１００ｍｍ×１５００ｍｍの基板に対するプラズマＣＶＤのプロセス室のアンテナの配列を、プラズマ密度分布の均一性の観点から、上記一つのアンテナによって持続させられるプラズマの密度分布の特性を用いて、線形重ね合わせによりプラズマ密度分布を求めることで検討したところ、一つのアンテナによって持続させられるプラズマの密度がアンテナからの距離に応じて指数減衰する関数によく近似する場合、アンテナの間隔を広げると、プラズマ密度の分布が不均一になる傾向が得られた。

具体的なアンテナの配列ピッチとプラズマ密度の均一性の例を挙げると、以下のとおりである。
アンテナの配列ピッチ プラズマ密度の均一性
３００ｍｍ ±２％
４００ｍｍ ±４％
４５０ｍｍ ±５．５％

プラズマＣＶＤによる薄膜の形成においては、一般的に約±５％のプラズマ密度の均一性が求められるので、また、薄膜形成以外のプラズマ処理でも、一般的に約±５％のプラズマ密度の均一性が求められることが多いので、アンテナのピッチ間隔は一般的に言って約４００ｍｍ以下が好ましいと言える。そしてかかるアンテナのピッチ間隔を概ね維持してできるだけ均一な誘導結合プラズマを生成させるには、概ね、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間を単位としてその中に（代表的にはその中央部に）に高周波アンテナを設置すればよい、と言える。

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、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７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。３本以上採用する場合でも、それらを隣り合うもの同士が互いに向かい合うように順次並列配置してもよい。

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８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８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。

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。 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。 高周波アンテナを複数本採用するときのアンテナ配列と各アンテナへの給電部位を例示する図である。 本数及びサイズが種々異なるアンテナによるプラズマ持続下限圧力測定実験の結果を示す図である。 図４に示す実験結果に基づいて得られた、アンテナ合計長とプラズマ持続下限圧力との関係を示す図である。 イオン飽和電流密度〔Ａ／ｃｍ² 〕とアンテナからの距離Ｘ〔ｍ〕の関係例を示す図である。 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。

符号の説明

１ プラズマ生成室
１１ 室１の天井壁
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 (3)

1. プラズマ生成室内に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、該プラズマ生成室内における一つの又は隣り合うもの同士が間隔をあけることなく連なる複数の、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間のそれぞれに高周波アンテナを割り当て設置し、該各立方体空間における高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕を、該プラズマ生成室内に設定する誘導結合プラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満たす範囲の長さＬ〔ｍ〕に設定することを特徴とするプラズマ生成方法。
2. プラズマ生成室内に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、該プラズマ生成室内における一つの又は隣り合うもの同士が間隔をあけることなく連なる複数の、一辺０．４〔ｍ〕の立方体空間のそれぞれに高周波アンテナが割り当て設置されており、該各立方体空間における高周波アンテナの合計長Ｌ〔ｍ〕が、該プラズマ生成室内に設定される誘導結合プラズマ生成圧力Ｐ〔Ｐａ〕との間で、（０．２／Ｐ）＜Ｌ＜（０．８／Ｐ）の関係を満たす範囲の長さＬ〔ｍ〕に設定されていることを特徴とするプラズマ生成装置。
3. 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２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。