JP2008251358A - プラズマ生成装置およびプラズマ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子に比べてインピーダンス整合器の数が少なく、インピーダンス整合に係る機構が比較的コンパクトなプラズマ生成装置およびプラズマ成膜装置を提供する。
【解決手段】複数のアンテナ素子２２へ高周波信号を給電する給電線２７と接続された、インピーダンス整合のための特性パラメータが可変なインピーダンス整合部材２６と、インピーダンス整合部材２６に対応して設けられ、インピーダンス整合部材２６と少なくとも２つ以上のアンテナ素子２２とを接続する分配配線４０と、インピーダンス整合部材２６の特性パラメータを変化させて、分配配線４０を介してインピーダンス整合部材２６と接続された少なくとも２つ以上のアンテナ素子２２のインピーダンス整合状態を同時に変化させる制御器３０とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体、液晶表示装置、太陽電池等を作製する際に用いるＣＶＤ、エッチング又はスパッタリング等の処理に用いられるプラズマ生成装置、および、このプラズマ生成装置を備えて構成されるプラズマ成膜装置に関する。

プラズマを用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置をはじめとする半導体製造装置では、プラズマ生成のためにアンテナ素子を用いた電磁波結合型の装置が用いられている。一方、液晶表示装置やアモルファス型の太陽電池の大型化に伴って、プラズマを用いて各処理を行う半導体製造装置についても、大面積の基板を処理する大型の装置が望まれている。

このような大型の半導体製造装置において使用する高周波信号の周波数は１０ＭＨｚ〜２．５ＧＨｚと高いため、アンテナ素子から放射される電磁波の波長が短い。このため、成膜等の処理の均一性に影響を与えるプラズマの密度分布が均一になるように制御することが一層重要となっている。

このような状況下、例えば下記特許文献１および下記特許文献２において、大面積のプラズマを生成することができるプラズマ生成装置の一例が記載されている。具体的には、誘電体で表面が覆われた棒状のアンテナ素子が平面状に複数個配置されてなるアレイアンテナを用いて、電磁波の空間分布を一様にして大面積のプラズマ生成に用いるものである。特許文献１および特許文献２記載のプラズマ生成装置では、高周波電力を給電した際の反射電力が０％になるよう（インピーダンス整合状態が最良となるよう）、インピーダンス整合状態に影響を与える特性パラメータを調整するインピーダンス整合器を備えている。

特開２００４−３４９１９９号公報 特開２００５−１４９８８７号公報

特許文献１および特許文献２記載のプラズマ生成装置では、各アンテナ素子毎のインピーダンス整合状態を調整するため、各アンテナ素子毎にインピーダンス整合器が設けられている。アレイアンテナを用いて、より大面積のプラズマを生成するためには、当然、アレイアンテナを構成するアンテナ素子の数を、より多くする必要がある。すなわち、特許文献１および特許文献２に記載の従来のプラズマ生成装置では、アンテナ素子の数を増やすと同時に、各アンテナ素子毎に設けるインピーダンス整合器の数も増やす必要があった。インピーダンス整合器が増えると、各インピーダンス整合器を調整するための制御システムも複雑になる。このように、アレイアンテナを用いた従来のプラズマ処理装置では、大面積のプラズマを生成するために、アンテナ素子に加えてインピーダンス整合器も増加させねばならず、インピーダンス整合に係る機構が大がかりなものとなっていた。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、複数のアンテナ素子で構成されたアレイアンテナを用いてプラズマを生成するプラズマ生成装置であって、アンテナ素子に比べてインピーダンス整合器の数が少なく、インピーダンス整合に係る機構が比較的コンパクトなプラズマ生成装置、およびこのプラズマ生成装置を用いたプラズマ成膜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、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アレイを用いたプラズマ生成装置であって、前記アンテナアレイの各アンテナ素子に給電する高周波信号を生成する高周波電源と、前記アンテナ素子へ前記高周波信号を給電する給電線と接続された、インピーダンス整合のための特性パラメータが可変なインピーダンス整合部材と、前記インピーダンス整合部材に対応して設けられ、前記インピーダンス整合部材と少なくとも２つ以上のアンテナ素子とを接続する分配配線と、前記インピーダンス整合部材の前記特性パラメータを変化させて、前記分配配線を介して前記インピーダンス整合部材と接続された少なくとも２つ以上の前記アンテナ素子のインピーダンス整合状態を同時に変化させる制御部と、を有することを特徴とするプラズマ生成装置を提供する。

さらに、前記高周波電源が生成した高周波信号を、複数の前記給電線に分配する分配器を有し、前記インピーダンス整合部材は、複数の前記給電線それぞれに対応して設けられていることが好ましい。

また、前記分配配線は、前記インピーダンス整合部材と前記アンテナ素子との間に少なくとも１つ以上の分岐部を有し、各分岐部において前記高周波信号を２方向に分配することが好ましい。

また、前記分配配線は板状の導体からなり、前記板状の導体が、前記分岐部において２方向に分岐していることが好ましい。

また、前記板状の導体は、前記分岐部から前記アンテナ素子側では、前記インピーダンス整合部材から前記アンテナ素子に向かう前記高周波信号の進行方向に略垂直方向の幅が、前記分岐部から前記インピーダンス整合部材側の１／２倍となっていることが好ましい。

また、前記分配配線において、前記インピーダンス整合部材から各アンテナ素子に至るまでの前記高周波信号の経路長それぞれは、いずれも、前記高周波信号の波長の１／１０以下であることが好ましい。

また、前記特性パラメータは、インピーダンス整合のための容量パラメータであり、前記インピーダンス整合部材は、前記容量パラメータが可変な容量素子を有して構成されていることが好ましい。

本発明は、また、上記プラズマ生成装置が内部に配置されたチャンバと、前記チャンバ内に原料ガスおよび反応ガスを供給する手段と、を有し、前記原料ガスまたは前記反応ガスの少なくともいずれか一方が、前記プラズマ生成装置によって生成したプラズマに供給されて、前記チャンバ内に配置した所定の基板表面に成膜処理を施すことを特徴とするプラズマ成膜装置も、併せて提供する。

本発明によれば、アンテナ素子に比べてインピーダンス整合器の数が少なく、インピーダンス整合に係る機構が比較的コンパクトなプラズマ生成装置を提供することができる。また、大きさや重量が大きい比較的高価な分配器を用いることなく、比較的コンパクトかつ低コストな構成の分配配線を用いて、１つの整合器と複数のアンテナ素子とを接続することを可能とする。本発明は、また、インピーダンス整合に係る機構が比較的コンパクトなプラズマ生成装置を用いた、比較的コンパクトなプラズマ成膜装置も、併せて提供する。

以下、本発明のプラズマ生成装置およびプラズマ成膜装置について詳細に説明する。図１は、本発明のプラズマ生成装置の一実施形態を備えて構成される、本発明のプラズマ成膜装置の一実施形態である、プラズマＣＶＤ装置１０（ＣＶＤ装置１０）の構成を説明する概略側断面図である。図２は、ＣＶＤ装置１０に備えられた本発明のプラズマ生成装置の一実施形態の構成を説明する概略上断面図である。なお、図１および図２は、ＣＶＤ装置１０の概略の構成を示す図であって、例えば後述するアンテナ素子２２の長さと、分配配線４０の大きさの関係などは、実際の装置に準ずるものではない。

ＣＶＤ装置１０は、ガラス基板やシリコンウエハ等の処理基板１２にＣＶＤを用いて成膜処理を行う装置である。ＣＶＤ装置１０は、反応容器１４、処理基板１２を載置する基板台１６、反応容器１４の壁面に設けられ、原料ガスを導入する導入口１８、反応容器１４の壁面に設けられ、減圧のために原料ガス等を排気する排気口２０、反応容器１４に設けられ、原料ガスを反応室に放出するガス放射板２４、反応容器１４内に設けられた複数のアンテナ素子２２、反応容器１４の外側に設けられるインピーダンス整合部材２６、インピーダンス整合部材２６と少なくとも２つ以上のアンテナ素子２２とを電気的に接続するための分配配線４０、アンテナ素子２２に給電する高周波電源２８、高周波電源２８及びインピーダンス整合部材２６を制御する制御器３０、アンテナ素子２２に給電される高周波信号の電流及び電圧を検出する第１電流・電圧センサ３２、インピーダンス整合部材４０を個別に調整するために電流及び電圧を検出する第２電流・電圧センサ３４、第１電流・電圧センサ３２と第２電流・電圧センサ３４との間に設けられる分配器３３を有する。

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。
基板台１６は、処理基板１２がアンテナ素子２２に対向するように、処理基板１２を載置する台であり、基板台１６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、接地された図示されない電極板がさらに設けられている。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。

導入口１８は、反応容器１４の上面側に設けられ、原料ガスを供給する供給管１９と接続されている。供給管１９は、図示されない原料ガス源と接続されている。導入口１８から供給される原料ガスは、成膜の種類によって変わるが、例えば、低温ポリシリコンＴＦＴ液晶の場合、シリコン膜の作製に際してはシランガスが、またゲート絶縁膜の作製に際してはＴＥＯＳが好適に用いられる。

反応容器１４の上側には、原料ガス分散室２３が、ガス放射板２４によって下側の反応室２５と仕切られて構成される。ガス放射板２４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程度の貫通穴が複数あけられ、原料ガスが下側の反応室２５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２４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２４が、ＣＶＤにより成膜された板状部材である場合、ガス放射板２４には金属膜が形成されており接地されている。
排気口２０は、反応容器１４内を所定の圧力に減圧した原料ガスの雰囲気とするために、図示されない真空ポンプと接続した排気管２１に接続されている。

ガス放射板２４下側の反応室２５の上側部分には、ガス放射板２４に対向するように、アレイ状に設けられた複数のアンテナ素子２２が設けられている。複数のアンテナ素子２２は、図２に示すように、互いに平行にかつ平面状に配置されて、モノポールアンテナからなるアレイアンテナを形成する。このアレイアンテナは、ガス放射板２４及び基板台１６に載置される処理基板１２に対して平行に設けられる。モノポールアンテナであるアンテナ素子２２は、図２に示すように隣接するアンテナ素子２２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２２は、それぞれ、インピーダンス整合のための特性パラメータが可変なインピーダンス整合部材２６と、分配配線４０を介して接続されている。

各アンテナ素子２２は、電気伝導率の高い棒状（パイプ状であってもよい）の導体からなり、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）の長さもつ。各アンテナ素子２２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２２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２２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２２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２２の高周波電流供給端の側が、分配配線４０を介してインピーダンス整合部材２６に接続されている。

アンテナ素子２２は、ガス放射板２４の近傍に設けられるので、アンテナ素子２２から放射される電磁波は、隣接するアンテナ素子２２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２４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２２は、隣接するアンテナ素子２２と給電方向が逆向きとなっているので、反応室２５において電磁波は均一に形成される。

分配配線４０は、インピーダンス整合部材２６と少なくとも２つ以上のアンテナ素子２２とを電気的に接続する。分配配線４２は、インピーダンス整合部材２６とアンテナ素子２２との間に少なくとも１つ以上の分岐部４２を有し、各分岐部４２において高周波信号を２方向に分配する。本実施形態では、インピーダンス整合部材２６から延びた配線が第１分岐部において２方向に分岐し、分岐したそれぞれの配線が、第２の分岐部において、さらに２方向に分岐している。本実施形態では、分配配線４０によって、１つのインピーダンス整合部材２６に対して、４本のアンテナ素子２２が接続している。分配配線４０は、反応容器１４と接続（電気的に接続）されることで接地された第１の筐体５２によって周囲が覆われている。分配配線４０については、後に詳述する。

インピーダンス整合部材２６は、一方の側が分配配線４０と接続され第１の容量素子２６ａと、一方の側が給電線２７と接続された第２の容量素子２６ｂと、第１の容量素子２６ａおよび第２の容量素子２６ｂにそれぞれ対応して設けられ、第１の容量素子２６ａおよび第２の容量素子２６ｂの容量をそれぞれ調整するためのサーボモータ２６ｃとを有して構成されている。容量素子２６ａと容量素子２６ｂの他方の側は、スタブ２９を介して第２の筐体５４と接続されている。インピーダンス整合部材２６を覆う第２の筐体５４は、反応容器１４と接続した第１の筐体５２と電気的に接続して接地しており、スタブ２９も、このインピーダンス整合部材２６を覆う第２の筐体５４と接続して、接地している。第１の容量素子２６ａおよび第２の容量素子２６ｂは、それぞれ、容量素子を構成する電極間が可変に構成され、容量（特性パラメータ）が自在に調整できるようになっている。この容量の調整は、サーボモータ２６ｃによって電極の移動が調整されることで行なわれる。第１の容量素子２６ａおよび第２の容量素子２６ｂの容量の調整は、後述する高周波電源２８が発生する高周波信号の周波数の調整とともに用いて、プラズマの生成中にアンテナ素子２２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行なわれる。

高周波電源２８は、図示されない高周波発振回路及び増幅器により構成され、制御器３０からの信号に応じて、発振周波数が可変となるように構成されている。
制御器３０は、後述する第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４の検知信号に応じて、高周波電源２８の発振周波数の変更及びインピーダンス整合部材２６の調整を行う制御部分である。高周波発信回路の発振周波数は、基板に対して行なうプロセスの違いに応じて、例えば１０ＭＨｚ〜１３０ＭＨｚで変更することができる。また、後述する各種インピーダンスの整合動作においては、インピーダンス整合状態を微調整するために、高周波発信回路の発振周波数を微調整してもよい。なお、発振周波数の変更や微調整の必要がないプロセスに用いる場合など、高周波電源２８の発信周波数は、可変でなくともよい。

第１電流・電圧センサ３２は、高周波電源２８からの高周波信号がアンテナ素子２２にインピーダンス整合された状態で給電されているか否かを検知するために、高周波電源２８の出力端近傍で電流及び電圧を検知する部分である。第１電流・電圧センサ３２は、分配器３３および給電線２７を介してインピーダンス整合部材２６と接続されている。第２電流・電圧センサ３４は、各インピーダンス整合部材２６の入力端近傍に個別に設けられ、各インピーダンス整合部材２６の調整を行うために、電流及び電圧を検知する部分である。インピーダンス整合がなされていない場合、給電線２７とアンテナ素子２２の接続部分で高周波信号の反射波が発生し、これによって電流と電圧間に位相差が生じる。このため、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４において電流、電圧を検知することで、各アンテナ素子毎に、インピーダンス整合の状態か、不整合の状態かを検知することができる。第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４の検知信号は、制御器３０に供給される。

制御器３０は、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４からの検知信号に基づいて、各アンテナ素子毎に、インピーダンス整合の状態か否かを判断する。制御器３０は、さらに、判断の結果に応じて、インピーダンス整合部材２６における容量の調整動作を制御する制御信号を生成する。そして、制御器３０は、インピーダンス整合の必要があるアンテナ素子２２と分配配線４０を介して接続されたインピーダンス整合部材２６ｂのサーボモータ２６ｃに、生成した制御信号を送信する。生成した制御信号によってサーボモータ２６ｃの動作が制御されて、第２の容量素子２６ｂの容量が調整され、インピーダンスの不整合が是正される。

分配器３３は、高周波電源２８から出力された高周波信号を、インピーダンス整合を保ったまま、複数の給電線（本実施形態では２本の給電線２７）に対しそれぞれ同電力で等分配する、公知の分配器である。分配器３３は、抵抗器やコイル、コンデンサなどを有して構成されている。反応容器１４では、対向する２つの壁それぞれから、それぞれ同数のアンテナ素子２２が突出しており、アンテナ素子２２の高周波電流供給端は、対向する２つの壁の近傍に、それぞれ複数個ずつ存在する。反応容器１４の対向する２つの壁のうち、１つの壁から突出した４つのアンテナ素子２２は、分配配線４０によって、１つのインピーダンス整合部材２６と接続されている。後述するが、分配配線４０はサイズに制限があり、インピーダンス整合部材２６は、反応容器１４の壁面に比較的近い場所に設置される。反応容器１４の上記対向する２つの壁は、少なくともアンテナ素子２２の長さ程度離間しており、インピーダンス整合部材２６も、空間的にある程度離間している必要がある。公知の分配器からなる分配器３３には、基本的に配置位置や大きさに制限はなく、分配器３３によって等分配された高周波電力は、インピーダンス整合を保ったまま、比較的長い２つの給電線２７を通じて（さらに、インピーダンス整合器２６および分配配線４０を介して）、複数のアンテナ素子２２に供給される。

図３（ａ）および（ｂ）は、分配配線４０の構成について説明する概略斜視図であり、図３（ａ）と（ｂ）とで、それぞれ異なる実施態様を示している。分配配線４０は、インピーダンス整合部材２６とアンテナ素子２２との間に、少なくとも１つ以上（本実施形態では１＋２の計３箇所）の分岐部４２を有し、各分岐部において高周波信号を２方向に分配する。分配配線４０は、板状の導体からなり、本実施形態では銅板によって構成されている。銅は電気伝導率が比較的高く、分配配線４０の材料として好適である。分配配線４０は、各分岐部４２を境界とし、分岐部４２よりもアンテナ素子２２側では、インピーダンス整合部材２６からアンテナ素子２２に向かう高周波信号の進行方向に略垂直方向の幅Ｈが、分岐部２２からインピーダンス整合部材２６の側の幅の１／２倍となっている。すなわち、図３に示すように、分配配線４０の幅Ｈは、インピーダンス整合部材２６からアンテナ素子２２に近付くにしたがい、各分岐部４２毎に、Ｈ＝４ｈ、Ｈ＝２ｈ、Ｈ＝ｈと小さくなっている。分配配線４０は幅Ｈ＝ｈの段階で、アンテナ素子２２の給電側の端部と接合し、幅ｈがアンテナ素子２２の直径と同じ、例えば６．０ｍｍとなっている。なお、幅Ｈの長さ方向は、アンテナ素子２２が配列された平面に対して、図３（ａ）に示すように略垂直であってもよく、図３（ｂ）に示すように略平行であっても構わない。銅板からなる分配配線４０の厚さｔは、幅Ｈの大きさに比べて十分に薄く、例えばｔ＝１ｍｍ程度となっている。

一方、分配配線４０は、幅Ｈ＝４ｈでインピーダンス整合部材２６と接続している。本実施形態では、分配配線４０は、インピーダンス整合部材２６の第１の容量調整素子２６ａと接続されている。分配配線４０は、例えば幅Ｈ＝４ｈのまま、インピーダンス整合部材２６の第１の容量調整素子２６ａと接続していてもよい。また、例えば、分配配線４０の幅Ｈ＝４ｈに対して、容量調整素子２６ａが小さい場合など、比較的小さな径の電気配線を介して、分配配線４０と容量調整素子２６ａとが接合して電気的に接続されていてもよい。その他にも、例えば、分配配線４０と容量調整素子２６ａとが、公知の高周波回路基板を介して接続されていても構わない。分配配線とインピーダンス整合部材との接合形態は、特に限定されない。また、分配配線４０は、任意の形態に折りたたまれた構成となっていてもよい。この場合、例えば図３に示す例に比べてよりコンパクト化された構成となる。

給電線２７を通じて供給された高周波信号は、インピーダンス整合部材２６からアンテナ素子２２に向かって進行する。例えば、１０ＭＨｚ〜１３０ＭＨｚの高い周波数の高周波信号が導体を進行するとき、高周波電流のほとんどは、導体の表面部分のみを進行する。銅板からなる分配配線４０の厚さは、幅Ｈの大きさに比べて十分に薄く、分配配線４０における各部分それぞれにおいて、高周波電流が通過する断面積の大きさは、幅Ｈの大きさにそれぞれ比例すると考えることができる（ｔの大きさについては無視できる）。インピーダンスの大きさは、この幅Ｈの大きさに反比例する。分配配線４０では、分岐部４２毎に高周波信号の経路が２つに分岐されるが、各分岐の度に、分岐後の配線の幅Ｈの大きさが１／２倍されているので、分岐の前後でも特性（インピーダンス）は一致している。また、幅Ｈ＝４ｈであったのが、幅Ｈ＝２ｈの２つの経路に分岐されるように、２つに分岐した後の配線の各幅は、それぞれ等しいので、高周波電流の電力も等しく分配される。すなわち、分配配線４０に接続された複数のアンテナ素子４０には、それぞれ等しい整合状態で、それぞれ等しい電力量の高周波信号が供給される。

なお、分配配線４０において、インピーダンス整合部材２６から各アンテナ素子２２に至るまでの高周波信号の伝導経路長Ｌそれぞれは、いずれも、高周波信号の波長の１／１０以下となっている。なお、インピーダンス整合部材２６における長さＬの起点は、インピーダンス整合部材２６を構成する容量調整素子の容量成分の末端部分である。インピーダンス整合部材が、リアクタンス成分（コイルなど）や抵抗成分などで構成されている場合は、各成分の末端部分を、長さＬの起点となる。例えば、高周波電源２８から８０ＭＨｚの高周波信号が供給される場合、高周波信号の波長は約３．８ｍとなる。分配配線４０における伝導経路長Ｌは、例えば約３８ｃｍ以下となっている。なお、本実施形態のアンテナ素子２２は、周囲が誘電体である石英管で覆われており、少なくともアンテナ素子２２における高周波信号の実効的な波長は、四分の一波長で約５０ｃｍ（一波長で約２．０ｍ）と、比較的小さくなっている。

分配配線４０における高周波信号の伝送経路の長さＬを、高周波信号の波長の１／１０とすることで、分配配線４０をいわゆる集中定数回路として考えることができる。このため、分配配線４０の特に分岐部４２の影響で、分配配線４０において余分なモードが生じることがない。また、プラズマが生成されている最中、インピーダンス整合部材２６からアンテナ素子２２の先端までの間は、高周波信号が共振状態で定在しており、大きな電流（例えば実効値で１０Ａ）が流れている。分配配線４０は銅板のみで構成されており、比較的単純な構成で低コストではあるが、電流に対する耐性は比較的強く、共振状態で流れる電流に対しても十分に強い。分配配線４０では、さらに、上述のように余分なモードがたって流れる電流が増加することもない。すなわち、分配配線４０をもって、各アンテナ素子２２に対し、高周波信号を安定して分配供給することができる。

例えば仮に、分配配線４０の代わりに、公知の分配器を用いるとすると、当然、共振状態で流れる電流に対しても十分に強い耐性をもつ分配器が必要となる。抵抗器やコイルやコンデンサなどで構成された公知の分配器では、抵抗器やコイルやコンデンサなどの各素子それぞれの電流耐性は、比較的低くなっている。共振状態で流れる電流に対しても十分に強い耐性をもつ程度の分配器は、サイズや重量も大きく、コストも比較的高くなってしまう。インピーダンス整合部材と少なくとも２つ以上のアンテナ素子との接続に分配配線を用いることで、プラズマ生成装置のサイズやコストの面で、大きな効果を奏する。

分配配線４０は、インピーダンス整合部材２６を囲む１つの筐体に、インピーダンス整合部材２６とともに配置されていてもよい。分配配線４０自体は電気的に接地されている必要性はない。そして、分配配線４０を伝送する高周波信号へのノイズの混入や、逆に、分配配線４０からの電波の放射による他の電子機器への影響を防ぐために、分配配線４０は接地された筐体で囲まれていることが好ましい。

図４は、本発明のプラズマ生成装置の、他の実施形態の構成を示す概略上断面図である。本発明のプラズマ生成装置では、分布配線における分岐部の数は特に限定されず、１つの分布配線と接続されるアンテナ素子の数も、特に限定されない。例えば、図４に示すように、分岐部４２は１つであってもよく、１つの分配配線４０に２つのアンテナ素子２２が接続されているのみでもよい。また、複数のアンテナ素子が配列されてなる１つのアレイアンテナに対して配置される分配配線の数も、特に限定されない。例えば、図４に示すように、１つのアレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子２２の各高周波電流供給端の側に、それぞれ２つのインピーダンス調整部材２６が配置され、計４つのインピーダンス調整部材２６に対応して分布配線４０が配置されていてもよい。図４に示す形態では、分配器３３における分配数を４分配とし（図２に示す形態では２分配）、４本の給電線２７が、４つのインピーダンス調整部材２６とそれぞれ接続されている。上述のように、分配配線４０では、高周波信号の伝導経路長Ｌが、高周波信号の波長に応じて制約がある。例えば、比較的短い波長（すなわち比較的高い周波数）の高周波信号でプラズマを生成する場合、Ｌは比較的小さくなり、分配配線４０のサイズも比較的小さくする必要がある。一方、比較的広いプラズマを生成する場合、比較的多くのアンテナ素子２２を用いる必要がある。これらの場合においても、本発明のプラズマ生成装置では、例えば図４に示すように、分布配線４０における分岐部４２の数を比較的少なくするとともに、分配配線の数を比較的多くすることで、容易に対応できる。分配配線の数が比較的多くなっても、分配器によって分配する給電線の数を比較的多くすればよい。本願発明のプラズマ生成装置を用い、例えば、１０ＭＨｚ〜２ＧＨｚといった、比較的広い周波数範囲にわたって、安定してプラズマを生成することができる。

このようなＣＶＤ装置１０では、反応容器１４内に導入口１８から原料ガスを送り込み、一方、排出口２０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２２に高周波信号を給電することで、アンテナ素子２２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内でプラズマが発生するとともに、ガス放射板２４から放射された原料ガスが励起されてラジカルをつくる。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２２から放射された電磁波はプラズマで反射されやすい。このため、電磁波はアンテナ素子２２周辺の局部領域に局在化する。これにより、プラズマはアンテナ素子２２の近傍に局在化して形成される。

このとき、電磁波を放射するアンテナ素子２２の周辺には、局在化したプラズマが発生しているので、アンテナ素子２２の負荷も変化する。このため、アンテナ素子２２は、インピーダンス整合の状態から不整合の状態に変化し、高周波電源２８から供給される高周波信号の、アンテナ素子２２との接続部分における反射率は高くなり、給電が十分に行われなくなる。その際、各アンテナ素子２２の負荷変動も異なるため、各アンテナ素子２２における不整合の状態も異なる。このため、アンテナ素子２２から放射される電磁波も分布を持ち、その結果、発生するプラズマの密度分布も空間で変動することとなる。このようなプラズマの密度分布の空間変動は、処理基板１２の成膜処理等にとって好ましくない。このため、各アンテナ素子２２からの電磁波の放射が一定になり、均一なプラズマが生成されるように、各アンテナ素子２２のインピーダンス整合が行われなければならない。

アンテナ素子２２のインピーダンス整合は、具体的には、供給される高周波信号の電流と電圧の位相差がゼロとなり、かつ、各インピーダンス整合部材２６と接続した分布配線４０および複数のアンテナ素子２２のインピーダンスと、給電線２７のインピーダンス(例えば５０オーム)とが、対応するインピーダンス整合部材２６の、第１の容量素子２６ａおよび第２の容量素子２６ｂを介して一致するように、高周波信号の周波数及び第２の容量素子２６ｂの容量を調整する。このような調整は、第１電流・電圧センサ３２及び第２電流・電圧センサ３４で検知された電流、電圧の情報が検知信号として制御器３０に供給される。制御器３０では、検知信号に基づいて高周波信号の周波数、さらには第２の容量素子２６ｂの容量が設定され、高周波電源２８及びサーボモータ２６ｃを制御する制御信号が生成される。こうして、制御信号が高周波電源２８及びサーボモータ２６ｃに供給されて、分布配線４０およびアンテナ素子２２のインピーダンスと信号線２７との間のインピーダンス整合が行われる。

図５（ａ）は、アンテナ素子２２、分布配線４０、および容量素子２６ａ，２６ｂの接続関係を示す図である。分配配線４０は、上述したように、分岐部４２毎に幅Ｈが１／２倍されているので、分岐の有無およびアンテナ素子２２の数に関わらず、長さ方向に渡ってインピーダンスは略一定となっている。また、分配配線４０の長さＬは、波長λの１／１０倍以下と、十分に小さくなっている。分配配線４０は集中定数回路として取り扱うことができ、高周波の余分なモードがたつこともない。ＣＶＤ装置１０では、高周波信号の周波数の調整とともに、各インピーダンス整合部材２６の第２の容量素子２６ｂの容量を調整することで、プラズマの生成中に生じるインピーダンスの不整合を是正することができる。なお、インピーダンス整合部材２６は、図５（ａ）の例の他に、図５（ｂ）に示すように、アンテナ素子２２に対して第１の容量素子２６ａと第２の容量素子２６ｂを直列に接続し、容量素子２６ａと容量素子２６ｄとの間に高周波信号の給電点を設けるように構成してもよい。この場合においても、高周波信号の周波数を制御するとともに容量素子２６ｄの容量を制御することにより、アンテナ素子２２と信号線２７のインピーダンス整合を行うことができる。

なお、本実施形態では、アンテナ素子２２のインピーダンス整合のために容量素子（キャパシタ）を用いたが、誘導素子（インダクタ）を用いて、インダクタンス（特性パラメータ）を制御してもよい。ＣＶＤ装置１０において制御対象とする高周波信号は、各アンテナ素子２２に共通の信号なので、各アンテナ素子２２に対応して設けられるインピーダンス整合部材では１つの容量素子（第２の容量素子２６ｂ）を制御対象とすればよい。また、アンテナ素子２２に給電する共通の高周波信号の周波数を制御するので、各アンテナ素子２２に対して共通にインピーダンス整合を行いつつ、各アンテナ素子２２毎の微細な調整を容量素子２６ｂにより行うことができる。なお、インピーダンス整合部材において制御対象とする容量素子は、１つであることに限定されない。例えば、図２に示す形態のインピーダンス整合部材において、第２の容量素子に加えて、第１の容量素子も容量が調整可能な容量素子とし、インピーダンス整合の際、この第１の容量素子の容量も併せて調整してもよい。

なお、上記実施形態では、高周波信号の周波数と容量素子の容量を制御したが、本発明においては、高周波信号の周波数と容量素子の容量のいずれか一方を制御するようにしてもよい。例えば、本装置が、プラズマ発生前の段階でインピーダンス整合の状態にある場合、高周波信号の周波数と容量素子の容量のいずれか一方を調整することで、インピーダンス整合を概略達成することができる。しかし、インピーダンス整合を正確に行うには、高周波信号の周波数と容量素子の容量を制御することが好ましい。

以上、本発明のプラズマ生成装置およびプラズマ成膜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。例えば、本発明のプラズマ生成装置は、ＣＶＤ装置の他にエッチング装置にも好適に用いることができる。

本発明のプラズマ成膜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側断面図である。 図１に示すプラズマＣＶＤ装置に備えられた本発明のプラズマ生成装置の一実施形態の概略上面図である。 （ａ）および（ｂ）は、分配配線の構成について説明する概略斜視図であり、（ａ）と（ｂ）とで、それぞれ異なる実施態様を示している。 本発明のプラズマ生成装置の、他の実施形態の構成を示す概略上断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明のプラズマ生成装置における、アンテナ素子、分布配線、および容量素子の接続関係の例を示す図であり、（ａ）と（ｂ）とで、それぞれ異なる実施態様を示している。

符号の説明

１０ プラズマＣＶＤ装置
１２ 処理基板
１４ 反応容器
１６ 基板台
１８ 導入口
１９ 供給管
２０ 排気口
２２ アンテナ素子
２３ 原料ガス分散室
２４ ガス放射板
２５ 反応室
２６ インピーダンス整合部材
２６ａ 第１の容量素子
２６ｂ 第２の容量素子
２７ 給電線
２８ 高周波電源
２９ スタブ
３０ 制御器
３２ 第１電流・電圧センサ
３４ 第２電流・電圧センサ
４０ 分配配線
４２ 分岐部
５２ 第１の筐体
５４ 第２の筐体

Claims (8)

1. 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アレイを用いたプラズマ生成装置であって、
   前記アンテナアレイの各アンテナ素子に給電する高周波信号を生成する高周波電源と、
   前記アンテナ素子へ前記高周波信号を給電する給電線と接続された、インピーダンス整合のための特性パラメータが可変なインピーダンス整合部材と、
   前記インピーダンス整合部材に対応して設けられ、前記インピーダンス整合部材と少なくとも２つ以上のアンテナ素子とを接続する分配配線と、
   前記インピーダンス整合部材の前記特性パラメータを変化させて、前記分配配線を介して前記インピーダンス整合部材と接続された少なくとも２つ以上の前記アンテナ素子のインピーダンス整合状態を同時に変化させる制御部と、を有することを特徴とするプラズマ生成装置。
2. さらに、前記高周波電源が生成した高周波信号を、複数の前記給電線に分配する分配器を有し、
   前記インピーダンス整合部材は、複数の前記給電線それぞれに対応して設けられていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ生成装置。
3. 前記分配配線は、前記インピーダンス整合部材と前記アンテナ素子との間に少なくとも１つ以上の分岐部を有し、各分岐部において前記高周波信号を２方向に分配することを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ生成装置。
4. 前記分配配線は板状の導体からなり、前記板状の導体が、前記分岐部において２方向に分岐していることを特徴とする請求項３記載のプラズマ生成装置。
5. 前記板状の導体は、前記分岐部から前記アンテナ素子側では、前記インピーダンス整合部材から前記アンテナ素子に向かう前記高周波信号の進行方向に略垂直方向の幅が、前記分岐部から前記インピーダンス整合部材側の１／２倍となっていることを特徴とする請求項４記載のプラズマ生成装置。
6. 前記分配配線において、前記インピーダンス整合部材から各アンテナ素子に至るまでの前記高周波信号の経路長それぞれは、いずれも、前記高周波信号の波長の１／１０以下であ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生成装置。
7. 前記特性パラメータは、インピーダンス整合のための容量パラメータであり、
   前記インピーダンス整合部材は、前記容量パラメータが可変な容量素子を有して構成されてい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生成装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ生成装置が内部に配置されたチャンバと、
   前記チャンバ内に原料ガスおよび反応ガスを供給する手段と、を有し、
   前記原料ガスまたは前記反応ガスの少なくともいずれか一方が、前記プラズマ生成装置によって生成したプラズマに供給されて、前記チャンバ内に配置した所定の基板表面に成膜処理を施すことを特徴とするプラズマ成膜装置。

Images