JP2007258570A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１原料ガスと第２原料ガスとを混合させて処理対象基板に供給するプラズマ処理装置であって、処理対象基板に、大きな面積で均一に混合ガスを供給することを可能とするプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】第１原料ガスを放出する第１原料ガス放出口と、放出された第１原料ガスのプラズマを生成するとともに第１原料ガスを励起して反応活性種を得る、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が平面状に複数配列されてなるアンテナンアレイを有して構成されているプラズマ生成部と、反応活性種に向けて第２原料ガスを放出して、反応活性種に第２原料ガスを混合させた混合体を生成する第２原料ガス放出手段と、混合体が供給される処理対象基板と、をそれぞれ同一のプラズマ生成室内に設ける。
【選択図】図２

Description

今日、半導体装置、太陽電池あるいはフラットパネルディスプレイ等、各種基板の製作には、ＣＶＤやエッチングやスパッタリング等、プラズマを用いた成膜処理やエッチング処理を利用して精度の高い加工処理を行なっている。半導体装置においてプラズマを用いて処理（プラズマ処理）されるＳｉウエハやフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板等は大型化の一途をたどっている。これに対応してプラズマ処理を行なう処理装置の減圧処理室も大型化され、この減圧処理室内において、基板の加工精度に大きな影響を与える反応性プラズマ中の反応活性種（ラジカル）やイオンを均一に生成させて基板に精度の高いプラズマ処理を行なう必要性が増大している。

例えば、大型の薄膜太陽電池を製造する装置としてＥＣＲ（ｅｒｅｃｔｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅａｓｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ装置や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）プラズマ装置を用いることが考えられる。しかしながら、大きな面積の蒸着面を得るプラズマを発生させるには、例えばＥＣＲプラズマＣＶＤ装置では、サイクロトロンに使用する磁場発生用のコイルと放射電波用のアンテナの配置が互いに干渉するようになり、実現は困難である。また、大きな面積の蒸着面を得るプラズマを発生させるには、使用周波数も、従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置やＩＣＰプラズマ装置に使用されていた約１３ＭＨｚから、１ｍ×１ｍ程度の面積とすると約１００ＭＨｚと高くする必要がある。かかる高周波は、波長がチャンバーサイズと同等かあるいはそれ以下となるので、均一な電波強度を得ることが従来より困難になる。

また、薄膜太陽電池など、大型の半導体基板の作製工程では、特に、パッシベーション用ＳｉＯ_２成膜工程などでのパーティクル発生の問題が顕著となっていた。このようなパーティクルは、第１原料ガスと第２原料ガスを混合して反応させて成膜層を形成する過程で発生するものであり、例えば、活性種（第１原料ガス）である酸素ガス（酸化ガス）と、第２原料ガスであるＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）ガスとを混合させてプラズマを生成し、パッシベーション用ＳｉＯ_２膜を成膜する工程で顕著となっていた。このようなパーティクルは、第２原料ガスであるＴＥＯＳが、プラズマ生成手段によって必要以上に励起されて、必要以外の気相反応を生じてしてしまうことで発生する。このようなパーティクルの発生を防ぐために、活性種である酸素ガスのみをプラズマ化し、酸素ガスのみを励起状態（活性状態）にして反応活性種（酸素ラジカル）とし、この反応活性種を、プラズマ化していないＴＥＯＳガスと混合させることで２つのガスを反応させて、主に基板表面での表面反応によってＳｉＯ_２膜を形成する成膜方法が提案されている。

比較的広い面積にわたってこのような成膜を実現することを可能とする装置が、例えば、下記特許文献１および下記特許文献２に記載されている。
特開２００３−２７３０３３号公報 特開平１０−３２１６１９号公報

図６は、上記特許文献１記載のプラズマ反応装置１００の概略構成図である。図６に示すように、特許文献１記載のプラズマ反応装置１００は、絶縁体で作られたチャンバー１１０、チャンバーの周囲を巻くように設置された高周波コイル１２０を備えたプラズマ発生部が複数個配列されている。また、このプラズマ部に励起しようとする第１原料ガス（活性種ガス）を導入するガス導入部１３０が、チャンバーの片方に設置され、チャンバーの片方は励起したガス（反応活性種のガス）を拡散させる拡散部１４０に接続されている。拡散部で均一化された励起ガスは拡散部１４０に設けられたスリット状のノズル１５０を通して反応チャンバー１６０に導入される。反応チャンバーでは、励起ガスと反応させる第２原料ガスが図示しないガス導入部から噴出され、スリットから導入された励起ガスと反応して、基板１８０上に薄膜を堆積させる。なお、基板は、紙面と略垂直方向に移動することで、基板全面に薄膜が形成される構成となっている。

このように、特許文献１記載のプラズマ反応装置では、チャンバーと高周波コイルからなる、１つ１つが比較的大きなプラズマ発生部（特許文献１では、誘導結合型のプラズマ発生装置）が複数必要であり、装置構成が煩雑となりコストも非常に高い。また、このようなプラズマ発生装置では、プラズマが図６の上下方向に分布をもった形状となるため、チャンバーと基板との距離をある程度保つ必要がある。加えて、１つ１つが比較的大きいプラズマ発生部を並べて配置するには、配置密度には限界があるため、励起したガスを基板表面に一様に供給するために、励起したガスを拡散させる拡散部を設ける必要がある。これらの理由から、プラズマ発生部と基板表面とは、ある程度の距離を保つ必要があり、ガスを励起してから、励起したガスを基板表面に供給するまでの間に、ある程度の時間を要していた。このため、励起ガスを十分に拡散させるためには時間を要し、励起ガスの寿命に対して十分短い時間で、励起ガスを基板表面に到達させることができなかった。特許文献１記載のプラズマ反応装置では、励起ガスを十分短い時間で基板表面に到達させるには、図６中の上下方向に広がったプラズマと基板を近づける必要があり、基板表面へのダメージは避けられず、また励起ガスを十分に拡散させることもできなかった。このように、特許文献１記載のプラズマ処理装置は、基板表面での成膜条件の自由度は少ないものであり、成膜の大面積化、膜質の均一化には限界があった。

また、特許文献２記載の成膜装置では、平行平板型のプラズマ生成装置を用い、２枚の電極で挟まれたプラズマ領域に局在化させてプラズマを生成して、このプラズマ領域で活性種ガス分子を励起して反応活性種を得ている。そして、このプラズマ領域で得られた反応活性種を、２枚の電極のうち一方の（下側の）電極に設けたメッシュ孔から取り出し、取り出した反応活性種に、活性種ガス分子とは異なる原料ガスを混合させている。

特許文献２記載の成膜装置では、プラズマ領域から反応活性種を取り出しつつ、このプラズマ領域に局在化してプラズマを生成することを可能とするため、電極に設けるメッシュ孔の孔径を、生成するプラズマのデバイ長（例えば０．２ｍｍ）よりも小さく（例えば０．１５ｍｍ）している（引用文献２の［００２７］等）。このような小さなメッシュ孔では、プラズマの閉じ込め効率は高くなるが、同時に、生成した反応活性種をもプラズマ領域内に閉じ込めてしまう。このため、特許文献２記載の成膜装置では、プラズマ領域から反応活性種を効率良く取り出すことはできなかった。例えば、一方の電極により多くの密度でメッシュ孔を配置することで、より多くのメッシュ孔からより効率的に反応活性種を取り出すことはできる。しかし、メッシュ孔の配置密度を多くした場合も、電極面積が小さくなり、内部の電場の均一性が悪くなって均一なプラズマが得られない。特許文献２記載の成膜装置では、比較的狭いプラズマ領域でプラズマを局在化させて生成しつつ、このプラズマ領域から十分効率良く反応活性種を取り出すことはできず、処理対象基板に、大きな面積で均一に混合ガスを供給することはできなかった。

そこで、本発明は、少なくとも活性種ガスである第１原料ガスをプラズマによって励起して反応活性種とし、この反応活性種と第２原料ガスとを混合させて処理対象基板に供給し、処理対象基板を処理（例えば、成膜処理やエッチング処理）するプラズマ処理装置であって、処理対象基板に、大きな面積で均一にこの混合ガスを供給することを可能とする、簡易な装置構成のプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、プラズマ生成室内に配置された処理対象基板に向けて流れる第１原料ガスを励起して反応活性種を生成し、前記反応活性種の流れの途中で前記反応活性種に第２原料ガスを混合させて前記処理対象基板に供給することで、前記処理対象基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１原料ガスを放出する第１原料ガス放出口と、放出された前記第１原料ガスのプラズマを生成するとともに前記第１原料ガスを励起して前記反応活性種を得るプラズマ生成手段と、前記反応活性種に向けて前記第２原料ガスを放出して、前記反応活性種に前記第２原料ガスを混合させた混合体を生成する第２原料ガス放出手段と、前記混合体が供給される前記処理対象基板が表面に配置される基板ステージと、が前記プラズマ生成室に備えられており、前記プラズマ生成手段は、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が、前記基板ステージの前記表面と対向して平面状に複数配列されてなるアンテナンアレイを有し、前記第２原料ガス放出手段は、前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間に設けられ、前記アンテナアレイと対向して、前記アンテナアレイの配列面と略平行に配置された原料ガス供給配管を備え、前記原料ガス供給配管には、前記原料ガス供給配管の内部を通る前記第２原料ガスを前記原料ガス配管の外部に放出する第２原料ガス放出口が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

また、前記第２原料ガス放出口は、前記原料ガス供給配管のうち、前記プラズマ生成室内における前記反応活性種の流れの下流側に対応する部分に設けられていることが好ましい。

また、前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、前記基板ステージの前記表面の投影領域全体を覆うように張り巡らされて配置されていることが好ましい。

また、前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分で囲まれた内部領域に、複数の並列配管部分が互いに平行に配置された略梯子形状であるとよい。また、前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分で囲まれた内部領域に、内部配管が格子状に張り巡らされた略格子形状であってもよい。

また、前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分を有し、前記プラズマ生成室内の前記枠状配管部分と前記プラズマ生成室の内壁との間隙部分を、前記アンテナアレイの側と前記処理対象基板の側とに分断する遮蔽板が設けられていることが好ましい。

なお、前記処理としては、前記処理対象基板表面への成膜処理、または前記処理対象基板表面のエッチング処理が挙げられる。

また、前記第１原料ガスは酸素ガス、前記第２原料ガスはＴＥＯＳガスであり、
前記処理は、前記基板ステージに載置された前記処理対象基板表面へＳｉＯ_２膜を成膜する処理であってもよい。

本願発明のプラズマ処理装置では、大面積で均一なプラズマを局在化させて生成することができる、棒状のアンテナ素子を複数個平面状に配置してアレイ化したアレイアンテナを用いて、このアレイアンテナ、第１原料ガス放出口、原料ガス供給配管、および処理対象基板を、１つの反応容器内に近接して配置している。これにより、大面積で均一な領域で反応ガスが励起されることで得られた反応活性種全体を、励起とともに短時間で第２原料ガスと混合させることができ、反応活性種が十分に励起状態を保ったまま、処理対象基板全体に到達させることができる。また、処理対象基板全体に渡って原料ガス配管を張り巡らせて配置し、この原料ガス供給配管の原料ガス放出口から、反応容器内を流れる反応活性種に原料ガスを放出することで、アンテナアレイと処理対象部との間に、混合・拡散のための領域を個別に設けずとも、反応活性種と原料ガスとを大面積で均一に混合させて、反応対象物に供給することができる。また、アンテナアレイ、第１原料ガス放出口、原料ガス供給配管、および基板などのそれぞれの距離や、配管の配置などを調整することで、２種類のガスの拡散・混合の程度や、反応対象物への到達時間などを調整することができ、成膜やエッチング条件の調整の自由度も大きい。

以下、本発明のプラズマ処理装置について詳細に説明する。
図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置１０の構成を説明する概略断面図である。

ＣＶＤ装置１０は、酸素ガスを第１原料ガス（以下、活性種ガスとする）、ＴＥＯＳガスを第２原料ガス（以下、単に原料ガスとする）としてそれぞれ用いて、ガラス基板やシリコンウエハ等の処理基板１２表面に、ＳｉＯ_２膜を成膜する装置である。

ＣＶＤ装置１０は、反応容器１４、インピーダンス整合器１６、電源・制御ユニット１８、分配器１９を有して構成されている。反応容器１４の上側の壁には、活性種ガスを導入する導入口２２が設けられており、反応容器１４の下側の壁には、減圧のために原料ガス等を排気するための排気口２４が設けられている。導入口２２は、活性種ガス供給管２３を介して、活性種ガスである酸素ガスが充填されたガスボンベなどからなる図示しないガス供給手段と接続されている。また、排気口２４は、図示しない真空ポンプと接続されている。ＳｉＯ_２膜の成膜時、導入口２２から導入された活性種ガスは、反応容器１４内部を上側から下側に向けて流れ、排気口２４から排出される（なお、後述するように、この活性種ガスは、排出までの過程に、反応容器内において、励起されて反応活性種とされ、原料ガスと混合される）。反応容器１４には、この他に図示しない圧力センサも設けられており、図示しない圧力制御ユニットによって、反応容器１４内の圧力が所望の圧力に調整される。

反応容器１４の内部には、処理基板１２が表面２７に載置される基板ステージ２６、導入口２２から導入された活性種ガスを、広い面積に渡って放射させるための放射板２８、複数のアンテナ素子３２からなるアンテナアレイ３０、アンテナアレイ３０と基板ステージ２６との間に設けられ、内部を通る原料ガス（ＴＥＯＳガス）を、アンテナアレイ３０と基板ステージ２６との間に放出する、原料ガス放出口３６を備えた原料ガス配管３４、および、原料ガス配管３４を反応容器１４との間の空間を、アンテナアレイ３０の側と基板ステージの側とに分断する遮蔽板３５、がそれぞれ設けられている。反応容器１４は、金属製の容器であり、反応容器１４の壁面は接地されている。

基板ステージ２６は、処理基板１２が載置される台である。基板ステージ２６は、アンテナアレイ３０に対向する表面２７を有し、この表面２７に、アンテナアレイ３０に対向するように、処理基板１２が配置される。基板ステージ２６の内部には処理基板１２を加熱する図示されない発熱体が設けられ、さらに接地された図示されない電極板が設けられている。この電極板はバイアス電源に接続されて、バイアス電圧が印加されてもよい。

反応容器１４の上側には、活性種ガス分散室３８が、ガス放射板２８によって下側のプラズマ生成室３９と仕切られて構成される。ガス放射板２８は、導電性材料（例えば、アルマイト処理されたアルミニウムなど）からなる板状部材に、０．５ｍｍ程度の貫通穴である活性種ガス放出口２９が複数あけられている。導入口２２から活性種ガス分散室３８に導入された活性種ガスは、この活性種ガス放出口２９から下側のプラズマ生成室３９に一定の流速で放射するようになっている。なお、ガス放射板２８は、セラミック材で構成されてもよいし、ＣＶＤにより成膜された板状部材であってもよい。ガス放射板２８には金属膜が形成されており接地されている。

図２は、ガス放射板２８の側から、アンテナアレイ３０、原料ガス配管３４、基板１２、基板ステージ２６を観察した状態を示す概略斜視図であり、基板１２の表面近傍の領域を拡大して示している。また、図３は、ＣＶＤ装置１０におけるアンテナ素子の配置について説明する図であり、図１に示すＡ−Ａ線で切断して、基板ステージ２６の表面２７に略垂直な方向から観察した状態を示す概略上面図である。また、図４は、ＣＶＤ装置１０における原料ガス配管の形状・配置について説明する図であり、図１に示すＢ−Ｂ線で切断して、基板ステージ２６の表面２７に略垂直な方向から観察した状態を示す概略上面図である。

アンテナアレイ３０は、複数のアンテナ素子３２が、図２および図３に示すように、互いに平行にかつ平面状に配置されてなり、ガス放射板２８下側の、プラズマ生成室３９の上側部分に設けられている。このアンテナアレイ３０は、ガス放射板２８及び基板ステージ２６に載置される処理基板１２に対して平行に設けられる。本発明のプラズマ反応装置は、このようなアンテナアレイを用いてプラズマを生成することを特徴の１つとしている。ここで、アンテナアレイ３０および、このアンテナアレイ３０におけるプラズマの生成について説明する。

モノポールアンテナであるアンテナ素子３２は、図３に示すように隣接するアンテナ素子３２と互いに逆方向に反応容器１４内の壁面から突出しており、給電方向が逆向きとなっている。これらのアンテナ素子３２は、それぞれマッチングボックスであるインピーダンス整合器１６と接続されている。

各アンテナ素子３２は、電気伝導率の高い導体からなる棒状（パイプであってもよい）を成し、使用する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数である）の長さをモノポールアンテナであるアンテナ素子の放射長さとする。各アンテナ素子３２の表面は、石英チューブ等の誘電体で被覆されている。棒状の導体を誘電体で被覆することで、アンテナ素子３２としての容量とインダクタンスが調整されており、これにより、アンテナ素子３２の突出方向に沿って高周波電流を効率よく伝播させることができ、電磁波を効率よく放射させることができる。このように誘電体で覆われたアンテナ素子３２は、反応容器１４の内壁に開けた開口に電気的に絶縁して取り付けられており、アンテナ素子３２の高周波電流供給端の側が、インピーダンス整合器１６に接続されている。

アンテナ素子３２は、導電性を有するガス放射板２８の近傍に設けられるので、アンテナ素子３２から放射される電磁波は、隣接するアンテナ素子３２間で電磁波が相互に影響を及ぼし合うことなく、ガス放射板２８の接地されている金属膜の作用によって鏡像関係に形成される電磁波と作用して、アンテナ素子毎に所定の電磁波を形成する。さらに、アレイアンテナを構成するアンテナ素子３２は、隣接するアンテナ素子３２と給電方向が逆向きとなっているので、プラズマ生成室３９において電磁波は均一に形成される。

インピーダンス整合器１６は、プラズマの生成中にアンテナ素子３２の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正するために用いられる。

電源・制御ユニット１９は、図示されない高周波発振回路や増幅器からなる高周波電源、および、図示しない電流・電圧センサの検知信号に応じて、この高周波電源の発振周波数の変更及びインピーダンス整合器１６の調整を行う制御部分とを有して構成されている。電源・制御ユニット１９は、アンテナ素子３２に共通の高周波信号の周波数を制御して、すべてのアンテナ素子３２をインピーダンス整合の状態に近づけ、この後、各アンテナ素子に接続されたインピーダンス整合器１９によって、インピーダンスを個別に調整する。

なお、このようなアンテナアレイを用いたプラズマ生成の原理についての詳細な説明が、本願出願人による先の出願である、特願２００１−２８０２８５号明細書に記載されている。また、アンテナアレイを用いたプラズマ生成装置における、各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法が、同じく本願出願人による先の出願である、特願２００５−０１４２５６号明細書に記載されている。本願発明におけるアンテナアレイ、および各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法として、例えば、上記各明細書記載の方法を利用すればよい。

このようなＣＶＤ装置１０では、プラズマ生成室３９内に、活性種ガス導入口２９から活性種ガス（第１原料ガス）、また、原料ガス放出口３６から原料ガス（第２原料ガス）を送り込み、一方、排出口２４に接続した図示されない真空ポンプを作動させて通常１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。この状態でアンテナ素子３２に高周波信号を給電することで、アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内のアンテナ素子３２の近傍でプラズマが生成されるとともに、ガス放射板２８から放射された活性種ガスが励起されて反応活性種が得られる。その際、発生したプラズマは導電性を有するので、アンテナ素子３２から放射された電磁波はプラズマで反射され易い。このため、電磁波はアンテナ素子３２周辺の局部領域に局在化する。このように、本願発明で用いる、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイは、プラズマがアンテナ素子３２の近傍に局在化して形成されるといった特徴を有する。

ＣＶＤ装置１０では、ガス放射板２８から一定の流速で放射された活性種ガスが、アンテナアレイ３０の近傍に局在化してプラズマ化されて、活性種ガス分子が励起された反応活性種（ラジカル）が得られる。また、アンテナアレイ３０は、モノポールアンテナであるアンテナ素子３２が、ある程度の間隔を保って並べられており、活性種ガス分子が励起された反応活性種は、この広い間隙３３を容易に通過して、プラズマ生成室３９の下側部分に向けて流れることができる。

原料ガス配管３４は、アンテナアレイ３０の下側部分に、アンテナアレイ３０と近接して配置されている。原料ガス配管３４は、原料ガス導入管４４と接続されており、原料ガス導入管４４は、反応容器１４外部に設けられた図示しない原料ガス供給手段（ＴＥＯＳガス供給手段）と接続されている。原料ガス配管３４内部には、この原料ガス導入管４４を介して、図示しない原料ガス供給手段から原料ガス（ＴＥＯＳガス）が導入される。原料ガス配管３４は、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガス配管３４を見たとき、基板ステージ２６の表面２７の投影領域全体を覆うように張り巡らされて配置されている。この原料ガス供給配管３４は、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガス配管３４を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分３１と、この枠状配管部分３１の内部領域に配置された複数の並列配管部分４０とからなる、略梯子形状となっている。そして、原料ガス配管３４の複数の並列配管部分４０それぞれには、原料ガス放出口３６が、原料ガス配管３４の長さ方向に並んで複数設けられている。このように、基板ステージ２６の表面２７の投影領域全体を覆うように原料ガス配管３４が張り巡らされて、この原料ガス配管３４に複数の原料ガス放出口３６が設けられていることで、原料ガス放出口３６から基板ステージ２６の表面２７全体に向けて、均一に原料ガスを放出することを可能としている。

原料ガス導入管４４から導入された原料ガス（ＴＥＯＳガス）は、原料ガス配管３４の内部を通り、原料ガス配管３４の下側部分に設けられた原料ガス放出口３６から基板１２の側に向けて放出される。一方、アンテナ素子３２の間隙３３を通り、プラズマ生成室３９の下側部分に向けて降下した反応活性種は、複数の並列配管部分４０の間隙４２を容易に通過し、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の側に供給される。原料ガス放出口３６から放出された原料ガスは、並列配管部分４０の間隙４２を通り、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の側に降下した反応活性種と混合されて、基板１２に到達する。

石英チューブ等の誘電体を含んだ各アンテナ素子３２の外径は例えば１２ｍｍであり、原料ガス配管３４の外径は例えば８ｍｍである。また、原料ガス配管３４の内径は例えば６ｍｍ（すなわち、原料ガス配管３４の肉厚が１ｍｍ）であり、並列配管部分４０の隣り合う配管部分の間隔は、各配管部分の中心間の距離が例えば２０ｍｍとなっている。アンテナ素子１２の断面円形状の中心から原料ガス配管３４の断面円形状の中心までの間隔（アンテナ素子１２の配置面と、原料ガス配管３４の配置面の間隔）は、例えば３０ｍｍであり、原料ガス配管３４の中心と基板１２の表面との間隔は、例えば２５ｍｍとなっている。

原料ガス配管３４は、アンテナ素子３２と比較的近接して（例えば、原料ガス配管３４の断面円形状の中心と、アンテナ素子３２の断面円形状の中心との距離を３０ｍｍとして）配置されている。アンテナアレイ３０はアンテナ素子３２の近傍に局在化してプラズマを生成することができるので、原料ガス配管３４をプラズマ（特に、電子温度が比較的高く、プラズマ密度も比較的高い高プラズマ領域）に曝さない状態で、原料ガス配管３４とアンテナアレイ３０とを、このように近接して配置することができる。このため、アンテナアレイ３０近傍で得られた反応活性種（酸素ラジカル）は、十分な励起状態を保ったまま、原料ガスと混合されて基板１２に到達することができる。逆にいえば、反応活性種（酸素ラジカル）が十分な励起状態を保ったまま、原料ガス（ＴＥＯＳガス）と混合されて基板１２に到達できるよう、アンテナアレイ３０と原料ガス配管３４とをある程度近接させて配置しても、原料ガス放出口３６から放射された原料ガス（ＴＥＯＳガス）は、プラズマ（特に高プラズマ領域）に直接曝されることがなく、ＳｉＯ_２成膜時のパーティクルの発生を抑制することができる。

原料ガス配管３４の枠状配管部分３１と、反応容器１４の内壁面との間には遮蔽板３５（図４においては着色して示している）が設けられている。遮蔽板３５は、枠状配管部分３１と反応容器１４の内壁面との間隙の領域を、アンテナアレイ３０の側と基板ステージ２６の側とに分断している。アンテナアレイ３０の枠状配管部分３１近傍、すなわち、反応容器１４の内壁面に近い部分では、アンテナ素子３２の配置の対称性が崩れ、電磁波の均一性は多少なりとも崩れてくる。このため、反応容器１４の内壁面に近い部分では、生成されたプラズマも空間的にある程度の広がりをもつ場合もある。このようなプラズマが、原料ガス配管３４の下側領域に回りこみ、原料ガス放出口３６から放射された原料ガスが直接プラズマに曝されると、原料ガスの気相反応が進行して、パーティクルの原因となる反応生成物が生じる可能性が高くなる。遮蔽板３５は、反応容器１４の内壁面に近い部分での、このようなプラズマの空間的分布（広がり）を防止し、原料ガス配管３４の下側領域にプラズマを回り込ませないようにするといった効果をもつ。また、同時に、反応容器１４の内壁面に沿って、反応容器１４（プラズマ生成室３９）の下部へと流れる、活性種ガスの不必要な流れを遮断し、活性種ガスの流れを安定化させるといった効果も有している。なお、遮蔽板３５は、導電性部材で構成されていることが好ましく、セラミック材で構成されてもよいし、ＣＶＤにより成膜された板状部材であってもよい。なお、本願発明のプラズマ処理装置は、遮蔽板を有していることに限定されない。例えば、チャンバー内壁近傍のプラズマや、反応活性種の流れが、所望の反応処理に影響を及ぼさない場合など、遮蔽板を設けなくとも十分な精度の反応処理を実施することができる。

このようなＣＶＤ装置１０を用いて行なわれる、ＳｉＯ_２膜の成膜工程について説明する。最初に、導入口２２から反応容器１４内に活性種ガスである酸素ガスを一定流量（例えば、１０ｓｌｍ）で流入させて、ガス放射板２８に設けられた活性種ガス放出口２９から活性種ガスが下側のプラズマ生成室３９に一定の流速で放射させる。これとともに、原料ガスであるＴＥＯＳガスを一定流量（例えば１００ｓｃｃｍ）で原料ガス導入管４４に導入し、原料ガス配管３４の原料ガス放出口３６から放出させる。この際、排出口２４からは真空ポンプで排気を行い、図示しない圧力制御手段によって、例えば、１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。この際、反応容器１４（プラズマ生成室３９）内には、図１の上側から下側へと流れるガスの流れができる。

この状態で、アンテナ素子３２に高周波信号を給電することで、アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、プラズマ生成室３９内で、アンテナ素子３２の近傍に局在化したプラズマが生成され、活性種ガス放出口２９から放射された活性種ガス（酸素ガス）が励起された反応活性種（酸素ラジカル）が得られる。反応活性種（酸素ラジカル）は、隣り合ったアンテナ素子３２の広い間隙３３を容易に通過して、プラズマ生成室３９の下側部分に向けて流れる。反応活性種（酸素ラジカル）は、さらに、複数の並列配管部分４０の間隙４２を容易に通過し、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の表面に供給される。この際、反応活性種（酸素ラジカル）は、原料ガス放出口３６から放出された原料ガス（ＴＥＯＳガス）と混合され、基板１２に到達する。活性状態である反応活性種（酸素ラジカル）とＴＥＯＳガスとが混合されると、酸素ラジカルの活性エネルギーによって反応が進行し、基板１２の表面においてＳｉＯ_２膜が成膜される。プラズマ成膜装置１０では、このようにしてＳｉＯ_２膜が形成される。

本願のプラズマ処理装置は、プラズマ生成手段として、モノポールアンテナが複数配置されたアンテナアレイを用いることで、アンテナアレイ近傍に局在化させてプラズマを生成した。これにより、基板ステージに載置された基板にプラズマが直接曝されない状態で、基板とアンテナアレイとの距離を比較的近づけて配置することを可能にしている。これにより、アンテナアレイ近傍で励起された反応活性種の励起寿命に対して、アンテナアレイと基板との距離を十分に近づけることを可能としている。すなわち、反応活性種が十分に励起した状態で基板表面（図２での着色部分）に到達することを可能としている。さらに、このアンテナアレイと基板との間隙に、基板ステージ表面に対応する領域全体にわたって、原料ガス配管を張り巡らせて、この原料ガス配管に設けたガス放出口から原料ガスを放射する構成とした。このようにすることで、基板全体に均一に原料ガスを放射し、上記励起状態の反応活性種と原料ガスとの反応が、基板全体に対応する領域で均一に進行させることを可能としている。

空間に局在化してプラズマを生成することのみを目的とすれば、例えば、上記特許文献２記載の平行平板型のプラズマ生成装置を用い、２枚の電極で挟まれた領域にのみプラズマを生成する方法がある。しかし、上述のように、このような２枚の電極で挟まれた領域に局在化させてプラズマを生成しつつ、活性種ガス分子が励起された反応活性種を効率良く取り出すことは困難であり、上記特許文献２記載の平行平板型のプラズマ生成装置でも、取り出した反応活性種を、大きな面積の処理対象基板に表面に均一に供給することはできなかった。これに対し、本願発明では、電極板を設けずとも、アンテナアレイの近傍に局在化したプラズマを生成することができるため、プラズマと原料ガス配管との間に、反応活性種の移動を妨げるような障害物を配置しておく必要がない。このため、本願発明では、活性種ガスや反応活性種を、アンテナアレイの間隙や原料配管の間隙を通してスムーズに移動させることができる。本願発明は、このように、反応活性種の励起寿命、反応活性種の供給量の面内分布、原料ガスの供給量の面内分布など、多様な問題を同時に解決することができる。本願発明は、このような問題を統一して解決することができる、比較的簡単な構成の装置を提供するものであり、本願発明者がプラズマ反応装置の複数の問題点と、それを解決するための機能の組み合わせについて鋭意検討した結果成された発明である。

上記実施形態のＣＶＤ装置１０では、略梯子形状の原料ガス配管を用いている。上述の実施形態では、図２に示すように、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガス配管３４を見たとき、アンテナ素子３２の長さ方向と、原料ガス配管３４の並列配管部分４０の長さ方向とが、直交するようにそれぞれ配置されている。本願のプラズマ処理装置では、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガス配管３４を見たとき、アンテナ素子３２の長さ方向と、原料ガス配管３４の並列配管部分４０の長さ方向とが、例えば平行となるようにそれぞれ配置されていても構わない。また、本願のプラズマ処理装置では、例えば図５に示すように、四角形状に配置された枠状配管部分３１で囲まれた内部領域に、内部配管４１が格子状に張り巡らされた、略格子形状の原料ガス配管を用いても構わない。また、ＣＶＤ装置１０では、原料ガス放出口（第２原料ガス放出口）が原料ガス配管の下側部分（図１中の下側）に設けられているが、本願のプラズマ処理装置では、原料ガス放出口の位置や、原料ガス放出口からの原料ガスの放出の向きなどは、特に限定されない。これら、原料ガス配管の形状や、原料ガス放出口の配置位置や配置数などは、原料ガス流量や、放出量の面内均一性、また、配管の間隙を通る反応活性種の流れ易さなどに影響する。本願のプラズマ処理装置では、原料ガス配管の形状や、原料ガス放出口の配置位置や配置数などは、これらの条件が満足するよう、必要に応じて調整すればよい。

上記実施形態のＣＶＤ装置１０は、酸素ガスを第１原料ガス、ＴＥＯＳガスを第２原料ガスとして用い、基板表面にＳｉＯ_２膜を成膜する装置であった。本願のプラズマ処理装置で用いる第１原料ガスや第２原料ガスの種類は、特に限定されない。また、本願のプラズマ処理装置は、成膜装置としてだけでなく、基板表面をエッチング処理するエッチング装置として用いてもよい。さらに、基板ステージのクリーニング処理に用いてもよい。本願発明のプラズマ処理装置の利用形態は、特に限定されない。

以上、本発明のプラズマ処理装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明のプラズマ処理装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する概略断面図である。 図１に示すＣＶＤ装置の、アンテナアレイ、原料ガス配管、および基板が載置された状態の基板ステージを観察した状態を示す概略斜視図である。 図１に示すＣＶＤ装置におけるアンテナ素子の配置について説明する概略上面図である。 図１に示すＣＶＤ装置における原料ガス配管の形状・配置について説明する概略上面図である。 本願のプラズマ処理装置における原料ガス配管の形状・配置の他の例について説明する概略上面図である。 従来のプラズマ処理装置の一例の構成を説明する概略断面図である。

符号の説明

１０ プラズマＣＶＤ装置
１２ 処理基板
１４ 反応容器
１６ インピーダンス整合器
１８ 電源・制御ユニット
１９ 分配器
２２ 導入口
２３ 第１原料ガス供給管
２４ 排気口
２６ 基板ステージ
２８ 放射板
３０ アンテナアレイ
３２ アンテナ素子
３３、４２ 間隙
３４ 原料ガス配管
３５ 遮蔽板
３６ 原料ガス放出口
３８ 第１原料ガス分散室
３９ プラズマ生成室
４０ 並列配管部分
１００ プラズマ反応装置
１１０ チャンバー
１２０ 高周波コイル
１３０ ガス導入部
１４０ 拡散部
１５０ ノズル
１６０ 反応チャンバー
１７０ ガス導入部
１８０ 基板

Claims (8)

1. プラズマ生成室内に配置された処理対象基板に向けて流れる第１原料ガスを励起して反応活性種を生成し、前記反応活性種の流れの途中で前記反応活性種に第２原料ガスを混合させて前記処理対象基板に供給することで、前記処理対象基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、
   前記第１原料ガスを放出する第１原料ガス放出口と、
   放出された前記第１原料ガスのプラズマを生成するとともに前記第１原料ガスを励起して前記反応活性種を得るプラズマ生成手段と、
   前記反応活性種に向けて前記第２原料ガスを放出して、前記反応活性種に前記第２原料ガスを混合させた混合体を生成する第２原料ガス放出手段と、
   前記混合体が供給される前記処理対象基板が表面に配置される基板ステージと、が前記プラズマ生成室に備えられており、
   前記プラズマ生成手段は、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が、前記基板ステージの前記表面と対向して平面状に複数配列されてなるアンテナンアレイを有し、
   前記第２原料ガス放出手段は、前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間に設けられ、前記アンテナアレイと対向して、前記アンテナアレイの配列面と略平行に配置された原料ガス供給配管を備え、
   前記原料ガス供給配管には、前記原料ガス供給配管の内部を通る前記第２原料ガスを前記原料ガス配管の外部に放出する第２原料ガス放出口が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記第２原料ガス放出口は、前記原料ガス供給配管のうち、前記プラズマ生成室内における前記反応活性種の流れの下流側に対応する部分に設けられていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、前記基板ステージの前記表面の投影領域全体を覆うように張り巡らされて配置されていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分で囲まれた内部領域に、複数の並列配管部分が互いに平行に配置された略梯子形状であることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
5. 前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分で囲まれた内部領域に、内部配管が格子状に張り巡らされた略格子形状であることを特徴とする請求項３記載のプラズマ処理装置。
6. 前記原料ガス供給配管は、前記基板ステージの前記表面と垂直な方向から前記原料ガス供給配管を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分を有し、
   前記プラズマ生成室内の前記枠状配管部分と前記プラズマ生成室の内壁との間隙部分を、前記アンテナアレイの側と前記処理対象基板の側とに分断する遮蔽板が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
7. 前記処理は、前記処理対象基板表面への成膜処理、または前記処理対象基板表面のエッチング処理であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
8. 前記第１原料ガスは酸素ガス、前記第２原料ガスはＴＥＯＳガスであり、
   前記処理は、前記基板ステージに載置された前記処理対象基板表面へＳｉＯ_２膜を成膜する処理であることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。

Images