JP2008010683A

JP2008010683A - マイクロ波プラズマ処理装置

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Publication number: JP2008010683A
Application number: JP2006180485A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Osaki; 博之大崎; Saiko Kin; 載浩金; Shigeo Nagaya; 重夫長屋; Naoji Kajima; 直二鹿島; Makoto Katsurai; 誠桂井
Original assignee: Chubu Electric Power Co Inc; University of Tokyo NUC
Current assignee: Chubu Electric Power Co Inc; University of Tokyo NUC
Priority date: 2006-06-29
Filing date: 2006-06-29
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-06-29
Also published as: JP5067749B2; WO2008001809A1

Abstract

【課題】優れた特性を持つプラズマの発生と制御を可能として、薄膜形成およびエッチングなどの処理に最適な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1は、基板106を収納する処理室10を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓104が気密に設けられた真空容器105と、導波管101を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器105内に導入する誘電体アンテナ102と、前記処理室10内の前記誘電体窓104に沿って設置さる導体板203とを具備する。そして、前記処理室10内に設置されている内部容器201と、前記内部容器201内に設置されている複数の導体202とを有し、前記導体板203と前記内部容器201と前記複数の導体202のそれぞれに電気リード線210が設けられ、一方が前記電気リード線210に接続されているスイッチ211、212、213の他方は前記真空容器105外部のアース回路とつながっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波電力によりプラズマを発生させて、ウエハ等の被処理基板に、プラズマを使用したＣＶＤ（化学蒸着）、エッチング、アッシング（レジスト灰化処理）等の処理を施す、マイクロ波プラズマ処理装置に関する。

半導体又はマイクロマシン等を製造するプロセスにおいて、反応ガスに外部からエネルギーを与えた際に発生するプラズマが広く用いられている。特に近年ではウエハの大口径化・大量生産等の要望により、プラズマによる大面積の基板処理を行うことが可能な装置の開発が必須となっている。

その中で、放電容器にマイクロ波電力が導入されて発生する表面波によりプラズマを発生・維持させるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置が、以下の特性により注目されている。ここで表面波とは、マイクロ波のエネルギーがプラズマ表面近傍領域に集中しており、プラズマの内部に向かう方向には減衰するような特徴を有する波を意味している。
（１）外部磁界の印加が不要なこと。
（２）マイクロ波（2.45GHz）を利用し、マグネトロンが安価であり、インピーダンスマッチングが容易で、プラズマを発生させるために必要な電極が不要であり、いわゆる無電極運転が可能なこと。
（３）表面波によりプラズマを励起するため、均一性が高い大面積のプラズマ発生が可能であり、低圧力(＜100 mTorr（１Torr＝133Pa）)においても高密度(＞10¹¹cm^-3)プラズマが得られること。

図10にマイクロ波表面波励起プラズマ装置の一例を示す。マイクロ波表面波励起プラズマ装置40は、導波管101、導波管101に囲まれているテフロン（登録商標）製のリング状の誘電体アンテナ102、導波管101の底面に沿って設置されている数個のスロット103、およびその下部に設置されている円型の誘電体窓104と金属製の真空容器105とで構成され、真空容器105内には、基板106を載置する基板ホルダー107と、処理室10内を所要の真空度に設定するガス排気口109と、所要の反応ガスを供給するためのガス導入口108とが設置されている。

このマイクロ波表面波励起プラズマ装置40では、導波管101から導入されたマイクロ波が、誘電体アンテナ102に定在波を形成し、導波管101の底面に沿って設置されているスロット103、およびその下部に設置された誘電体窓104を通して真空容器105内に入射し、誘電体窓104の近くにプラズマを生成する。プラズマは、誘電体窓104とプラズマとの境界面を伝搬する表面波により、スロット103が設置されている真空容器105の周りから中央へ広がる。また、誘電体窓104の付近に生成された表面波励起プラズマは、拡散現象により真空容器105全体に広がるように構成されている。このような構成のマイクロ波表面波励起プラズマ装置40を用いて、基板ホルダー107の上に載置された基板106にＣＶＤ等の処理を施す場合、ガス排気口109から真空容器105内の空気を排気した後、ガス導入口108から反応ガスを供給する。マイクロ波発振器（図示せず。）で発生したマイクロ波が、誘電体アンテナ102に定在波を形成し、導波管101の底面に沿って設置されているスロット103、およびその下部に設置された誘電体窓104を通して処理室10内に導入されると、処理室10内部にプラズマが生成され、そのプラズマにより基板106にＣＶＤ等の処理を行う。

ところで、１Torr以下の低圧力においてプラズマＣＶＤで高品質の薄膜を高速で形成するには、薄膜形成に必要なラジカル(radical)を大量に生成する必要がある。プラズマ中のラジカルは主に電子エネルギーによって生成されるので、ラジカルを大量に生成するには高い電子温度が必要であり、そのために高い電子温度を持つプラズマが要求される。

一方、基板へのイオン衝撃は薄膜形成に大きな影響を与えるパラメーターであるため、基板前面におけるイオン加速のシース電圧を制御する必要がある。一般的にシース電圧の制御は基板にバイアス電圧を印加することで行うが、外部からバイアス電圧を印加してシース電位を容易に制御するためには、プラズマの電子温度が低い方が有利（プラズマから基板表面に入るイオン電流密度と浮遊電位は電子温度の関数であり、それらは電子温度が低いほど小さくなるためである。）である。

以上より、プラズマＣＶＤで高品質の薄膜を形成するためには、同じ処理室内で、ラジカル発生成領域では高電子温度のプラズマが、成膜領域では低電子温度のプラズマが必要となる。

図10に示すような構成のマイクロ波表面波励起プラズマ装置40は、マイクロ波を導入する誘電体窓104の付近では、誘電体窓104とプラズマの境界面で発生する表面波の電界により、高い電子温度のプラズマが発生する。誘電体窓104からプラズマ内へ少し離れると表面波の電界が大きく減衰し、主に拡散現象により支配される低い電子温度のプラズマが存在していることから、薄膜形成用のＣＶＤ装置として最適なプラズマ特性を持っている。その応用例として、100 mTorr以下のガス圧力におけるダイヤモンド薄膜形成用のプラズマＣＶＤがある。

100 mTorr以下のガス圧力におけるダイヤモンド薄膜形成技術は、従来のガス圧力10〜100 Torrで行う場合に比べて次のメリットが期待され、最近注目されている技術である。
（１）大面積のプラズマ発生が可能なことにより、大面積の薄膜形成が可能である。
（２）ダイヤモンド薄膜形成に必要とされる基板温度を低くできる。
（３）中性ガスの温度が低いので真空容器の壁からの不純物混入が減少する。
（４）ＣＶＤのパラメーター(ガス圧力、基板温度、電力等)の独立および精密な制御が可能である。
（５）ダイヤモンドの核密度が増加する。
（６）膜厚の原子レベルで制御が可能である。
（７）様々なプラズマ測定技術が使えるので、ダイヤモンド薄膜形成in-situの測定が可能である。
（８）半導体用にダイヤモンド薄膜形成する際、不純物Doping濃度の精密な制御が可能である。

しかし、100mTorr以下の圧力では、グラファイト成分が増えてダイヤモンド薄膜形成が難しいのが現状である。ICP（inductively coupling plasma）とECR（electron cyclotron resonance）プラズマを用いて100 mTorr以下でダイヤモンド合成を行った例があるが、完全な層状の膜に成長せず、実用化可能な品質まで至ってない。その原因としては低いラジカル密度と基板へのイオン衝撃の影響が考えられる。

100 mTorr以下の圧力におけるプラズマでは無衝突シースが形成され、プラズマからのイオンがシース電位により加速され、そのまま基板表面に衝突するので、数十Torrの圧力におけるプラズマに比べて基板表面に対するイオン衝撃は大きくなる。イオン衝撃は成長中のダイヤモンド薄膜形成に有害な諸反応を起こすことが知られている。ダイヤモンド薄膜形成プロセスにおいてイオン衝撃を抑えるため、図11に示す基板106に正の直流バイアス電圧を印加してシース電位を下げる方法が一般的に使われている。図11のマイクロ波表面波励起プラズマ装置50では、バイアス電源200で基板106に正の直流バイアス電圧を印加し、真空容器105の内部壁をアース電極となすように構成されている。

しかし、この方法ではバイアス電圧を上げることによりプラズマ空間電位も上がってしまうので、プラズマが不安定になり、さらに真空容器（放電容器）の内壁にアーク放電を発生することがあり、バイアス電圧の印加には限界がある。

一方、図10に示したマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置40の上述した電子温度の空間的な不均一性を利用し、基板表面付近のシース電位を下げる方法が開発されている（特許文献１）。図12に特許文献１に示されたマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す。マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60は、図10に示したマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置40の基本構造に加えて、高電子温度プラズマがある誘電体窓104の下に特殊形状の導体板を密着させて上部電極203とし、アースとなっている真空容器105と基板106に対して、バイアス電源200により上部電極203に負の直流バイアス電圧を印加するように構成されている。この場合、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60の真空容器105の内壁の80％以上が、絶縁体膜116によって被覆されている。マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60では、かなりの部分のプラズマ空間電位が制御でき、これによりアースとした基板106付近のシース電位の制御が可能になる。また、基板106がおかれてＣＶＤが行われるプラズマの電子密度が高く、電子温度は低くなる。マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置60では、核生成を促進する前処理として機械的に表面をスクラッチしたシリコン基板上に30mTorrの圧力、約650℃の基板温度において完全な層状の平坦な表面をもつナノクリスタルダイヤモンド薄膜形成に成功している。また、ガス種とプラズマ空間電位を制御して、カーボンナノウォール、カーボンナノ粒子などのカーボンナノ物質の合成にも成功している。表面波励起プラズマにおける電子温度の空間差を利用し、プラズマ空間電位の制御する負のバイアス印加方法の有効性が実験的に確認されている。
特開２００４−１１９６１９号公報

しかしながら、より高品質のダイヤモンド薄膜形成、より低圧力および低基板温度におけるダイヤモンド薄膜形成、シース電位を制御し望むカーボン物質を合成するため、さらにプラズマ空間電位（基板付近のシース電位）を大幅に制御する必要がある。

また、薄膜形成プロセス中では、プラズマ空間電位を変えながらプロセスを行う必要がある場合も多い。例えば、ダイヤモンドの核生成促進前処理としてBias enhanced nucleation (BEN)方法を利用するプロセスでは、第１ステップ（核生成段階）として基板付近のシース電位を上げるために負のバイアス電圧を印加して基板表面にイオン衝撃を与え、第２ステップ（成長段階）ではシース電位を下げるために正のバイアス電圧を印加する。

これらのプラズマ処理装置に対する要求に対応できる、新しいプラズマ空間電位（基板付近のシース電位）の制御技術の開発が必要になっている。

一方、表面波励起プラズマの特徴である誘電体窓付近の表面領域とＣＶＤが行われるバルク領域との電子温度差を用いて、負のバイアス電圧印加方法でプラズマ空間電位が制御されることをプラズマのシース理論によりその原理を解析すると、バイアス電圧以外にプラズマと接する両電極の表面積比の変化により、基板付近のプラズマ空間電位が制御できることが分かる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、優れた特性を持つプラズマの発生と制御を可能として、薄膜形成およびエッチングなどの処理に最適なプラズマ処理方法およびその装置を提供すること、より具体的には、処理室内に設置された両電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、プラズマ空間電位が制御可能なマイクロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明は、バイアス電圧を印加するためにプラズマ処理室内に設置された両電極のプラズマと接する表面積を処理室外で制御が可能とし、これにより、プラズマ空間電位が制御可能なマイクロ波プラズマ処理装置である。すなわち、本発明は以下の通りである。

本発明における請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、基板を収納する処理室を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓が気密に設けられた真空容器と、導波管を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器内に導入するアンテナと、前記処理室内の前記誘電体窓に沿って設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されると共に、前記マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記処理室内に設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されている内部容器と、前記内部容器とは電気的に絶縁され、前記内部容器内に設置されている複数の導体とを有し、前記導体板と前記内部容器と前記複数の導体のそれぞれに電気リード線が設けられ、一方が前記電気リード線に接続されているスイッチの他方は前記真空容器外部のアース回路とつながっていることを特徴とする。

本発明における請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記導体板は互いに電気的に絶縁された複数の部分からなり、前記複数の部分に電気リード線が設けられ、一方が前記電気リード線に接続されているスイッチの他方は前記真空容器外部のアース回路とつながっていることを特徴とする。

本発明における請求項３記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記導体板にバイアス電圧を印加する電源を有することを特徴とする。

本発明における請求項４記載のマイクロ波プラズマ処理装置は、前記誘電体窓は前記処理室内側に環状突起を有し、前記導体板が前記環状突起の内側に設置されていることを特徴とする。

本発明の請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、処理室内に設置された下部電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、プラズマ空間電位を制御することで、高品質、低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。

本発明の請求項２記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、更に、上部電極のプラズマと接する表面積の値を処理室外で変更することができ、広範囲にプラズマ空間電位を制御することで、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。

本発明の請求項３記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、更に、上部電極にバイアス電圧を印加することで、より広範囲にプラズマ空間電位を制御することでき、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。

本発明の請求項４記載のマイクロ波プラズマ処理装置によれば、アーク放電を抑えながら上記効果を発揮することができる。

以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。

本発明の第１の実施例を図１に示す。このマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1は、上端が開口した円筒型の金属製の真空容器105と、真空容器105の上端部に気密に取り付けられたマイクロ波が透過可能な誘電体窓（例えば石英、アルミナなど）104と、その上部に取り付けられたマイクロ波ランチャー（microwave launcher）として導波管101に囲まれたリング状の誘電体アンテナ102とリング状の誘電体アンテナ102の下面にマイクロ波が透過可能なスロット103とを有する。

真空容器105内には、真空容器105内を所要の真空度に設定するガス排気口109と、所要の反応ガスを供給するためのガス導入口108と、真空容器105の内部壁と電気的に絶縁されて設置されている上端が開口した円筒型の内部容器201と、内部容器201と電気的に絶縁されて設置されている複数の円筒型の導体202と、基板106と、基板106を載置する基板ホルダー107と、内部容器201および円筒型の導体202から電気的に絶縁されて誘電体窓104の下面につけられている導体板203を有する。ここで、内部容器201は、導体容器、誘電体容器、あるいは、真空容器105の内部壁を絶縁体膜で被覆したものを用いても良い。すなわち、プラズマと接する真空容器の内部壁を電気的に浮遊させることができるものであれば良い。

真空容器105と基板ホルダー107には電気リード線210が取り付けられアース回路を構成しており、内部容器201と個々の円筒型の導体202には電気リード線210を設けて、それぞれ真空容器105の外部に設置されたＯＮ／ＯＦＦスイッチ211とスイッチ212およびアース回路につながっている。一方を電気リード線に接続し、他方をアース回路に接続したスイッチ211とスイッチ212の開閉により、内部容器201と個々の円筒型の導体202が電気的にアースまたはフローティング（浮遊電位状態、不動電位状態）が可能なように構成されている。同様に導体板203にもスイッチ213の一方を電気リード線を介して接続し、スイッチ213の他方がアース回路に接続されており、スイッチ213の開閉により導体板203が電気的にアースまたはフローティングが可能なように構成されている。

以上の構成において、このマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1を用いて、以下の手順で基板106にＣＶＤ等の処理を施すことができる。

マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置１の処理室10内において、基板ホルダー107の上に載置された基板106にＣＶＤの処理を施す場合、まず、ガス排気口109から処理室10内の空気を排気した後、ガス導入口108から反応ガスを供給する。次に、マイクロ波電源（図示せず。）から導波管101を通ってリング状の誘電体アンテナ102内に導入されたマイクロ波が定在波を生成すると、その定在波は、スロット103と誘電体窓104を経て真空容器105にプラズマを生成する。このプラズマにより基板106にＣＶＤ処理を行う。

真空容器105に生成されたプラズマは、誘電体窓104の付近（表面領域）で表面波により高い電子温度をもつ。一方、内部容器201の内（バルク領域）には低い電子温度をもつ。このような電子温度の空間的な分布の差はマイクロ波表面波励起プラズマ装置の顕著な特徴である。

空間的に電子温度と電子密度が均一なプラズマ内に二つの電極Iと電極IIを設置し、両電極を電気的につなげても電流は流れない。それは、電極Iに入る電子電流とイオン電流が両拡散現象により同じとなり、さらに電極IIに入る電子電流とイオン電流との場合も同じになるのでプラズマから両電極に流れる電子とイオンの数が釣り合うためである。したがって、プラズマ空間電位は両電極の表面積比が変わってもフローティング電位となり一定となる。

ところが、マイクロ波表面波励起プラズマのように電子温度の空間分布差が大きいプラズマ内の高電子温度領域に電極Iを、低電子温度領域に電極IIを設置した場合は、両電極が接しているプラズマの電子温度の差により、高電子温度のプラズマ領域から低電子温度のプラズマ領域に電流が流れる。すなわち、プラズマから電極Iには主に電子電流が流れ、プラズマから電極IIにはイオン電流が流れることになる。電極Ｉに流れる電子電流は電極IIに流れるイオン電流により制限される。もし、電極IIの表面積を大きくするとイオン電流も表面積に比例して大きくなるので、プラズマの全体の電気的な中性が維持されるためには電極Iに流れる電子電流は電極IIに流れるイオン電流の増加分のみ増えなければならない。その結果、プラズマ空間電位が下がる。

本発明のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1を用いたＣＶＤ処理では、導体板203を上部電極とし、内部容器201と円筒型の導体202と基板ホルダー107と基板106を下部電極とすると、上部電極は、上述の説明の電極Iに、下部電極は上述の説明の電極IIに相当することになる。したがって、スイッチ211とスイッチ212とスイッチ213を開閉することにより、プラズマと接する上部電極と下部電極の表面積比を制御することにより、プラズマ空間電位、すなわち、基板106付近のシース電位も制御可能となる。

例えば、スイッチ213を閉（以下、ON状態と称す。）とし、スイッチ211を開（以下、OFF状態と称す。）とし、スイッチ212a、212b、212c、212d、212eをいずれもOFFとした場合（表１のステップ１）は、下部電極の表面積は最小となり、上部電極と下部電極の表面積比も最小となり、基板106付近のシース電位が最も高くなる。次に、スイッチ212a、212b、212c、212d、212eを順にOFFからONに切り換えていくと（表１のステップ２）、ONになったスイッチに接続されている円筒型の導体202の面積分だけ下部電極の表面積が大きくなり、上部電極と下部電極の表面積比もそれに対応して大きくなり、基板106付近のシース電位が下がる。同様に、スイッチ212を全てONにしたまま、スイッチ211をONにすると（表１のステップ３）、下部電極の表面積は内部容器201の面積の分だけ大きくなり、上部電極と下部電極の表面積比もそれに対応して大きくなり、基板106付近のシース電位はさらに下がる。ここで、スイッチ213をＯＦＦとすると（表１のステップ４）、スイッチ211とスイッチ212のON・OFF状態に関係なく、上部電極と下部電極との間に電流が流れなくなり、基板付近106のシース電位は電子温度により決まるフローティング電位となり、最小となる。

以上の手順でスイッチを操作することにより、基板付近106のシース電位が高い方から段階的に低い方に制御することが可能になる。表１に各ステップの各スイッチのON・OFF状態をまとめて示す。

実験（１）
本実施例の適用例として、ガス圧力30mTorrにおいてダイヤモンド薄膜形成を行った結果を以下に示す。

従来の技術では、基板表面にダイヤモンド核生成密度を上げるために、核生成促進前処理として機械的なスクラッチを行い、基板表面を洗浄した後、プラズマＣＶＤ処理装置内の基板ホルダーに基板をおいてダイヤモンド薄膜形成を行うか、あるいは、スクラッチ処理を行わずに基板の表面を洗浄し、プラズマＣＶＤ処理装置内の基板ホルダーに基板をおいてプラズマを生成させ、核生成促進前処理として、アースとした真空容器に対して基板に負の直流バイアス電圧を数分から数十分間印加してイオン衝撃を基板に与える処理（bias enhanced nucleation: BEN）を行った後、ダイヤモンド薄膜形成を行う必要が有った。

これに対して、本実施例では基板106の表面をスクラッチ処理せずに洗浄のみを行い、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1内の基板ホルダー107において、Ｈ_２とＣＯ混入ガスのプラズマを生成させ、まず、表１に示すステップ１の状態を数十分間行った後、ステップ４の状態でダイヤモンド薄膜形成（実験条件：ガス圧力３０mTorr、基板温度６５０℃）を行い、ダイヤモンド薄膜形成に成功した。

本実験では、最初の数十分間、下部電極の面積を小さくすることでプラズマ空間電位を高くしイオン衝撃を基板表面に与えることで、従来のBEN処理と違う手段で核生成促進前処理を行った。すなわち、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1では、従来の直流バイアス電源を用いて行ったBEN処理が、直流電源なしで、単にスイッチを制御することで可能であり、前処理プロセスの手間を簡単にできる。

以上のように、本実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1は、基板106を収納する処理室10を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓104が気密に設けられた真空容器105と、導波管101を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器105内に導入する誘電体アンテナ102と、前記処理室10内の前記誘電体窓104に沿って設置され、前記真空容器105とは電気的に絶縁され、マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板203とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記処理室10内に設置され前記真空容器105とは電気的に絶縁されている内部容器201と、前記内部容器201とは電気的に絶縁され、前記内部容器201内に設置されている複数の導体202を有し、前記導体板203と前記内部容器201と前記複数の導体202のそれぞれに電気リード線210が設けられ、一方が前記電気リード線210に接続されているスイッチ211、212、213の他方は前記真空容器105外部のアース回路とつながっていることを特徴とすることで、処理室10内に設置された下部電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、プラズマ空間電位を制御することで、高品質、低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。

次に、第２の実施例ついて説明する。

第２の実施例は、第１の実施例と比較した場合、誘電体窓104の下面に取り付ける導体板203を図２に示すように複数の導体板203a、203b、203c、203dで形成し、それぞれにスイッチ213a、213b、213c、213dを設けている点で相違する。スイッチ213a、213b、213c、213dを各々ON・OFFすることにより上部電極203の表面積を変えることができ、これによりプラズマ空間電位の段階的な制御が可能である。実施例２のその他の構成と効果は実施例１と同様である。

以上のように、本実施例ではマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置1の前記導体板203を、互いに電気的に絶縁された複数の部分203a、203b、203c、203dとし、前記複数の部分に電気リード線210が設けられ、一方が前記電気リード線210に接続されているスイッチ213a、213b、213c、213dの他方は前記真空容器105外部のアース回路とつながっていることを特徴とすることで、更に、上部電極のプラズマと接する表面積を処理室外で変更することができ、広範囲にプラズマ空間電位を制御することで、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。

次に、図１と同一の符号を付した図３に示した第３の実施例ついて説明する。
第３の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20は、第１の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置10と比較した場合、導体板203にバイアス電源200が設けられている点が相違する。

スイッチ213間に接続されるバイアス電源200で、導体板203へバイアス電圧を印加することにより、プラズマ空間電位を制御することができる。例えば、スイッチ213をOFF、スイッチ214をONとし、導体板203に負の直流バイアスを印加するとプラズマ空間電位が制御され、基板付近のシース電位をフローティング電位以下に下げることが可能となる。また、例えば、スイッチ211とスイッチ212とスイッチ213をOFFとし、下部電極の表面積を小さくするほど基板付近のシース電位をさげることが可能となる_。

図３に示すマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20では、導体板203にバイアス電圧を印加する際に、誘電体窓104のすぐ下になる真空容器105の開口のところはプラズマと電気的に接するので、そこの内部壁と導体板203の間にアーク放電が発生する場合がある。そのアーク放電の発生を抑えるため、何らかの方法で真空容器105の開口のところがプラズマと電気的に接しないようにすることが必要である。例えば、絶縁体（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜）を被覆することで、アーク放電の発生を抑えることができる。また、図４と図５に示すようなリング状突起114aを設けた誘電体窓114を用いて、リング状突起114aの穴に導体板203を設置することにより、放電容器壁とのアーク放電を抑えながら、大きいバイアス電圧を印加することが可能となる。

実験（２）
本実施例の適用例として、ガス圧力30mTorr、基板温度４００℃においてダイヤモンド薄膜形成を行った結果を以下に示す。

これに対して、本実施例では基板106の表面をスクラッチ処理せずに洗浄のみを行い、マイクロ波プラズマ処理装置1内の基板ホルダー107において、Ｈ_２とＣＯ混入ガスのプラズマを生成させ、まず、下部電極の表面積を最小になるようにスイッチを操作し（表１のステップ４の状態）、導体板（上部電極）203に−１５０Ｖ以上の直流バイアス電圧を印加することにより、ガス圧力３０mTorr、基板温度４００℃の実験条件において、単に一つのＣＶＤステップ（上部電極に負のバイアス印加）のみで完全な層状態のナノクリスタルダイヤモンド薄膜形成に成功した。尚、形成した薄膜がナノクリスタルダイヤモンド薄膜であることは、X線回折法(XRD：X-ray diffraction)により確認した。

従来のダイヤモンドＣＶＤ技術で必要であった核生成促進前処理はプロセスに手間がかかる問題に加えて、基板表面が損傷するためダイヤモンド薄膜の半導体やナノマイクロマシンなどの分野への応用において問題になっている。また、従来の技術では、ダイヤモンド薄膜形成に７００℃〜１０００℃の基板温度が必要とされ、耐熱性の問題で基板材料選択の範囲が狭かった。

本実施例の実験結果は、本発明が従来のダイヤモンドＣＶＤ技術の問題の限界を解決する革新的な技術であることを示すものである。

実験（３）
本実施例の適用例として、導体板203に−70Ｖの直流電圧を印加し、２％のＣＨ_４と98％のＨ_２とからなる混合ガスを用いたダイヤモンド薄膜形成を行った結果の表面SEM写真を図６と図７に示す。図６の場合は、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20のスイッチ211、212a、212b、212c、212d、212eを全てOFF、図７の場合はマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20のスイッチ211、212a、212b、212c、212d、212eを全てONにしてＣＶＤを行ったものである。成膜処理は８時間行った。

図６に示した薄膜では、約30nmオーダの粒が基板の全面に生成され、その上に厚み約20nmで長さ数百nmのシート状の物が形成されている。

これに対し、図７に示した薄膜は、厚みが約20nmで長さが150nm程度のシート状の小さい粒が厚く重なっている様子で、基板の全面に均一に生成されている。これはカーボンがシード状に成長し、ある大きさで成長が止まり、それの上に次々と新しいシート状の粒が成長したと考えられる。

本実験により、本実施例で、スイッチにより下部電極の面積を変え、プラズマ空間電位を変えることでダイヤモンド薄膜の膜質を制御できることが確認された。

以上のように、本実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置20は、前記導体板にバイアス電圧を印加する電源を有することを特徴とすることで、更に、上部電極203にバイアス電圧を印加することで、より広範囲にプラズマ空間電位を制御することでき、より高品質、より低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。

次に、第４の実施例について説明する。

マイクロ波表面波励起プラズマは多様な構造の装置において発生できるが、プラズマの特性は構造によらずに類似の特徴を有する。すなわち、誘電体窓付近の表面領域には高電子温度のプラズマを、バルク領域には低電子温度のプラズマを生成する。この特性を理解して、本発明を適用すると装置の構造によらず、上記のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置と同じ効果が得られる。

図１と同一の符号を付した図８に第４の実施例であるマイクロ波励起プラズマ処理装置30を示す。また、図９は、マイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30の上部平面図を示す。

第４の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30は、誘電体アンテナ102とマイクロ波導入誘電体窓104との間にスロット103を有してない点で、第１の実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置10と異なる。このマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30でも、表面領域とバルク領域に設置した電極の表面積比を変えることによる、プラズマ空間電位の制御が認められる。

以上のように、本実施例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置30は、基板106を収納する処理室10を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓104が気密に設けられた真空容器105と、導波管101を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器105内に導入する誘電体アンテナ102と、前記処理室10内の前記誘電体窓104に沿って設置され、前記真空容器105とは電気的に絶縁され、マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板203とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、前記処理室10内に設置され前記真空容器105とは電気的に絶縁されている内部容器201と、前記内部容器201とは電気的に絶縁され、前記内部容器201内に設置されている複数の導体202を有し、前記導体板203と前記内部容器201と前記複数の導体202のそれぞれに電気リード線210が設けられ、前記電気リード線210に接続されているスイッチ211、212、213の他方は前記真空容器105外部のアースと回路的につながっていることを特徴とすることで、処理室10内に設置された下部電極のプラズマと接する表面積を処理室10外で変更することができ、プラズマ空間電位を制御することで、高品質、低圧力および低基板温度のプラズマ処理が可能となる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では、アンテナは誘電体アンテナを用いたが、誘電体で開口部の気密が確保されたスロットアンテナ、あるいは金属のアンテナ等も用いることができる。また、誘電体窓と基板とを上下逆転した装置も可能である。この場合は負バイアスを加える上部電極と呼ばれた電極は下部電極と呼ばれるものとなって誘電体窓の上に置けばよいので、その落下防止のための特別な支持具が不要となる。

実施例で示したナノクリスタルダイヤモンド薄膜等のダイヤモンド薄膜に加えて、さらに、ガス種や基板温度の制御と共に、本発明を利用して段階的なプラズマ空間電位の制御をすることにより、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノ粒子などのカーボンナノ物質の合成も可能となる。

また、本発明は、従来のプラズマを使用した様々材料の薄膜形成、エッチング、アッシング、個体表面処理、プラズマイオン注入などを施す、マイクロ波プラズマ処理装置においても有効な効果を与える。

本発明の第１の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す図である。本発明の第２の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置の導体板（上部電極）を示す図である。本発明の第３の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す図である。本発明の第３の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置のリング状突起を持った誘電体窓周辺を示す図である。本発明の第３の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置のリング状突起を持った誘電体窓を示す図である本発明の第３の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置によって形成されたダイヤモンド薄膜の表面SEM写真を示す図である。本発明の第３の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置によって形成されたダイヤモンド薄膜の表面SEM写真を示す図である。本発明の第４の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す図である。本発明の第４の実施例におけるマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す上部平面図である。従来例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す図である。従来例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す図である。従来例のマイクロ波表面波励起プラズマ処理装置を示す図である。

符号の説明

１、20、30、40、50 マイクロ波（表面波励起）プラズマ処理装置
10 処理室
101 導波管
102 （誘電体）アンテナ
103 スロット
104 誘電体窓
105 真空容器
106 基板
107 基板ホルダー
108 ガス導入口
109 ガス排気口
114 リング状突起を設けた誘電体窓
114a リング状突起（環状突起）
115 Ｏリング
116 絶縁体膜
200 バイアス電源
201 内部容器
202 導体（下部電極）
203、203a、203b、203c、203d 導体板（上部電極）
210 電気リード線
211、212、212a、212b、212c、212d、212e 213、213a、213b、213c、213d、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ

Claims

基板を収納する処理室を有するともに、一部にマイクロ波が透過可能な誘電体窓が気密に設けられた真空容器と、
導波管を伝搬してくるマイクロ波を前記真空容器内に導入するアンテナと、
前記処理室内の前記誘電体窓に沿って設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されると共に、前記マイクロ波が透過可能な部位を有する導体板とを具備するマイクロ波プラズマ処理装置であって、
前記処理室内に設置され、前記真空容器とは電気的に絶縁されている内部容器と、前記内部容器とは電気的に絶縁され、前記内部容器内に設置されている複数の導体とを有し、
前記導体板と前記内部容器と前記複数の導体のそれぞれに電気リード線が設けられ、一方が前記電気リード線に接続されているスイッチの他方は前記真空容器外部のアース回路とつながっていることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
前記導体板は互いに電気的に絶縁された複数の部分からなり、前記複数の部分に電気リード線が設けられ、一方が前記電気リード線に接続されているスイッチの他方は前記真空容器外部のアース回路とつながっていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
前記導体板にバイアス電圧を印加する電源を有することを特徴とする請求項１または２記載のマイクロ波プラズマ処理装置。
前記誘電体窓は前記処理室内側に環状突起を有し、前記導体板が前記環状突起の内側に設置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ波プラズマ処理装置。