JP2008251838A

JP2008251838A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2008251838A
Application number: JP2007091422A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Miyatake; 直正宮武; Yasunari Mori; 康成森
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】成膜面積が大きい場合であっても、成膜速度を向上させるとともに、パーティクルの発生を抑制し、膜質および膜厚均一性が優れた膜を形成することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】処理対象基板５２の上方に設けられた誘電基体３２と、誘電基体３２内に、処理対象基板５２の表面と略平行な方向に伸びる収納穴３６が形成されており、この収納穴３６に設けられた棒状の導体で構成したアンテナ素子３８とを備え、誘電基体３２の収納穴３６と整合しない領域に誘電基体３２を貫通するガス放射口４４が形成されているプラズマ生成部３０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子、フラットパネルディスプレイ、および太陽電池などの製造に用いられるプラズマ処理装置に関し、特に、成膜面積が大きい場合であっても、成膜速度を向上させるとともに、パーティクルの発生を抑制することができるプラズマ処理装置に関するものである。

今日、半導体素子、太陽電池、または液晶表示パネルもしくはプラズマディスプレイパネルなどのフラットパネルディスプレイの製造には、エッチング、スパッタリングまたはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等が利用されて、精度の高い加工処理が行なわれている。
半導体素子の製造において、プラズマを用いた処理（プラズマ処理）が施されるシリコンウエハ、およびフラットパネルディスプレイに用いられるガラス基板は、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施す処理装置の減圧処理室（チャンバ）も大型化し、この減圧処理室内において、半導体素子またはフラットパネルディスプレイなどの各種基板に形成される膜の成形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）またはイオンを均一に生成させて、均一なプラズマ処理を行う必要性が増大している。

大型の薄膜太陽電池を製造する装置として、例えば、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマＣＶＤ装置またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマ装置を用いることができる。
しかしながら、１ｍ×１ｍ程度の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。

そこで、プラズマＣＶＤ装置において、１ｍ×１ｍ程度の大きな面積の蒸着面を得るプラズマを発生させるためのアンテナが提案されている（特許文献１）。
特許文献１には、表面を誘電体が覆われた柱状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、交互に給電方向を逆にして平行的にかつ平面状に配置したアレイアンテナからなるプラズマ生成用アンテナが開示されている。この特許文献１のプラズマ生成用アンテナを用いることにより、電磁波の空間分布が一様なプラズマを発生させることができ、１ｍ×１ｍ程度の大きな面積の蒸着面を得ることができる。

次に、特許文献１に開示されたアレイアンテナを備える従来のプラズマＣＶＤ装置について説明する。
ここで、図５は、従来のプラズマＣＶＤ装置を示す模式的断面図である。
図５に示す従来のプラズマＣＶＤ装置１００は、制御部１０２、分配器１０４、インピーダンス整合器１０６および直方体状の反応容器１０８を有する。この制御部１０２は、プラズマＣＶＤ装置１００の各機器を制御するものである。

反応容器１０８には、導入口１１０が形成されており、この導入口１１０にガス供給管１１２を介して成膜ガス供給部１１４が接続されている。この成膜ガス供給部１１４は、例えば、ＳｉＯ_２膜を成膜する場合、原料ガスＧとして、酸素ガスおよびＴＥＯＳ（Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate（テトラエトキシシラン））ガス（以下、ＴＥＯＳガスという）を供給するものである。

また、反応容器１０８の下壁１０８ｂには、排気口１１６が形成されている。この排気口１１６に排気管１１８を介して、反応容器１０８内を真空にする真空排気部１２０が接続されている。また、反応容器１０８には内部の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）が設けられている。

また、反応容器１０８の内部には、上壁１０８ａ側から順に、ガス放射板１２２、複数のアンテナ素子１２４からなるアンテナアレイ１２６、および基板ステージ１２８が設けられている。この基板ステージ１２８の表面１２８ａに基板１３０が載置される。

また、インピーダンス整合器１０６は、アンテナ素子１２４に接続されており、プラズマ生成時におけるアンテナ素子１２４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。

ガス放射板１２２は、成膜ガス供給部１１４から導入された原料ガスＧを広い面積に渡って拡散させるものであり、反応容器１０８の内部の全域に亘る大きさを有する。このガス放射板１２２により、反応容器１０８内が２つの空間に仕切られている。ガス放射板１２２の上壁１０８ａ側の空間がガス分散室１３２であり、ガス放射板１２２の下壁１０８ｂ側の空間が反応室１３４である。
また、ガス放射板１２２は、貫通穴１２２ａが複数形成されたものである。このガス放射板１２２は金属で形成されており、接地されている。
なお、基板ステージ１２８には、ヒータ（図示せず）が設けられており、このヒータは、制御部１０２により制御される。

従来のプラズマＣＶＤ装置１００において、ガラス基板またはシリコンウエハ等の基板１３０の表面１３０ａに、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する場合、反応容器１０８内の圧力を真空排気部１２０により１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の状態とし、さらに、アンテナ素子１２４に高周波信号を給電することにより、アンテナ素子１２４の周囲に電磁波が放射される。
このとき、原料ガスＧを、成膜ガス供給部１１４からガス分散室１３２に供給し、この原料ガスＧが、貫通孔１２２ａから反応室１３４に一定の流速で流入させる。そして、原料ガスＧが電離して、空間密度が均一なプラズマが発生する。これにより、基板１３０の表面１３０ａにＳｉＯ_２膜が形成される。
このように、従来のプラズマＣＶＤ装置１００においては、均一なプラズマを発生させることができるため、１ｍ×１ｍ程度の大きな面積であっても、基板１３０の表面１３０ａにＳｉＯ_２膜を形成することができる。

特開２００３−８６５８１号公報

上述のように、従来のプラズマＣＶＤ装置１００は、大きな面積であっても、基板１３０の表面１３０ａにＳｉＯ_２膜を形成することができる。しかしながら、発生したプラズマが、アンテナ素子１２４にまでも及ぶ、すなわち、プラズマ中にアンテナ素子１２４が配置された状態となり、アンテナ素子１２４の表面１２４ａ近傍においては、電界分布が極度に高い。このため、アンテナ素子１２４の表面１２４ａ近傍では、プラズマにより原料ガスＧが過剰に分解されてしまう。これにより、例えば、基板１３０の表面１３０ａにＳｉＯ_２膜を形成する場合、プラズマにより、ＳｉＯ_２等の反応生成物が過剰に生成され、成膜に寄与することなく、アンテナ素子１２４の表面１２４ａに付着、さらには堆積してしまう。このように、成膜に寄与するＳｉＯ_２の割合が減り、成膜速度が低下するという問題点がある。
また、アンテナ素子１２４の表面１２４ａ近傍で、原料ガスＧが過剰に分解されることにより、原料ガスＧの分解の程度が不均一になり、十分な膜厚均一性が得られない虞もある。
さらには、アンテナ素子１２４の表面１２４ａに堆積したＳｉＯ_２（反応生成物）がパーティクルとなり、処理室１３４内のパーティクルの増加を招くという問題点もある。このパーティクルの増加により、形成される膜の膜質が低下する虞もある。

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、成膜面積が大きい場合であっても、成膜速度を向上させるとともに、パーティクルの発生を抑制し、膜質および膜厚均一性が優れた膜を形成することができるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、原料ガスを用いて処理対象基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、前記処理対象基板の上方に設けられた誘電基体と、前記誘電基体内に、前記処理対象基板の表面と略平行な方向に伸びる収納穴が形成されており、前記収納穴に設けられた棒状の導体で構成したアンテナ素子とを備え、前記誘電基体の前記収納穴と整合しない領域に前記誘電基体を貫通するガス放出口が形成されているプラズマ生成部を有することを特徴とするプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明においては、前記誘電基体は、前記処理対象基板とは反対側の面に導体層が形成されていることが好ましい。
また、本発明においては、前記処理対象基板が配置される基板ステージを有することが好ましい。
さらに、本発明においては、前記原料ガスを前記ガス放射部に供給する原料ガス供給部を有し、前記プラズマ生成部は、前記原料ガスが供給された状態で、前記アンテナアレイを用いてプラズマを生成するものであることが好ましい。
さらにまた、本発明においては、前記原料ガスは、例えば、酸素ガスおよびＴＥＯＳガスの混合ガスである。

本発明のプラズマ処理装置によれば、プラズマ生成部について、誘電基体内に収納穴を形成し、この収納穴に棒状の導体で構成したアンテナ素子を設け、さらに誘電基体内に形成された収納穴と整合しない領域に誘電基体を貫通するガス放出口を形成する構成としている。原料ガスを誘電基体を貫通するガス放出口から供給して、プラズマを生成した場合、プラズマ生成部の誘電基体の裏面の周囲近傍では電界分布が極度に高い状態になる。しかし、アンテナ素子は、誘電基体内に設けられており、プラズマ生成部に原料ガスの反応生成物が付着または堆積するところが少なく、パーティクルの発生が抑制され、プラズマ処理装置全体でのパーティクルの発生量が抑制される。このため、膜質が優れた膜が得られる。
さらには、本発明のプラズマ処理装置によれば、内部にアンテナ素子が設けられた誘電基体を貫通するガス放出口から原料ガスを供給するため、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるもののように、アンテナ素子の周囲近傍で原料ガスが分解されて反応生成物が生成されることがないため、成膜に寄与する原料ガスが増え、原料ガスの利用効率が高くなり、成膜速度が向上する。これらのことから、本発明においては、成膜面積が大きい場合であっても、成膜速度を向上させるとともに、パーティクルの発生を抑制することができる。
また、本発明のプラズマ処理装置によれば、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるもののように、アンテナ素子の周囲近傍で原料ガスの分解が生じないため、原料ガスの分解の程度が均一になり、十分な膜厚均一性を得ることができる。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のプラズマ処理装置を詳細に説明する。
図１は、本発明のプラズマ処理装置の実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を示す模式的断面図である。図２は、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置のプラズマ生成部を拡大して示す模式的側断面図である。図３は、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置のプラズマ生成部を示す模式的平面図である。

本実施形態の図１に示すプラズマＣＶＤ装置１０（以下、ＣＶＤ装置１０という）は、例えば、原料ガスＧとして２種類のガスを混合した混合ガスを用いて成膜するものである。
本実施形態においては、２種類のガスについて、第１原料ガス（活性種ガス）として、酸素ガスを用い、第２原料ガスとして、ＴＥＯＳガスを用いて、ガラス基板またはシリコンウエハ等の基板（処理対象基板）５２の表面５２ａに対してＳｉＯ_２膜を形成することを例にして説明する。なお、本発明のプラズマ処理装置においては、原料ガスＧとして用いるガスの数は、２種類に限定されるものではなく、更には基板５２に形成する膜はＳｉＯ_２膜に限定されるものではない。

図１に示すＣＶＤ装置１０は、制御部１２、分配器１４、インピーダンス整合器１６、および直方体状の反応容器１８を有するものである。この制御部１２は、後述するようにＣＶＤ装置１０の各機器を制御するものである。また、反応容器１８は、金属製または合金製のものであり、接地されている。

反応容器１８の上壁１８ａには、原料ガスＧを導入する導入口２２が形成されている。この導入口２２に原料ガス供給管２３が接続されている。さらに、原料ガス供給管２３には、原料ガス供給部２６が接続されている。
この原料ガス供給部２６は、反応容器１８内に、基板５２の表面５２ａに形成する膜を得るために必要な原料ガスＧを供給するためのものである。例えば、基板５２の表面５２ａにＳｉＯ_２膜を形成する場合には、原料ガスＧとしては、酸素ガス（第１原料ガス）およびＴＥＯＳガス（第２原料ガス）の混合ガスを供給するものである。
原料ガス供給部２６は、形成する膜に応じたガスの種類および数に応じた分のガスボンベ（図示せず）を備え、このガスボンベからのガスの流量を調整する流量調整部（図示せず）を備えるものである。本実施形態においては、ガスボンベに酸素ガス（第１原料ガス）が充填されている。
また、原料ガス供給部２６は、ＴＥＯＳガス（第２原料ガス）を供給するために、液体が充填されるタンク（図示せず）、液体を気化する気化部（図示せず）、および気化部により気化された気体の流量を調節する流量調整部（図示せず）を備える。本実施形態においては、タンクに液体のＴＥＯＳが充填されており、気化部により気化してＴＥＯＳガス（第２原料ガス）が得られ、流量調整部によりＴＥＯＳガスの流量が調整される。
本実施形態においては、原料ガス供給部２６から後述する反応室５６に、酸素ガス（第１原料ガス）およびＴＥＯＳガス（第２原料ガス）が混合されている原料ガスが供給される。

また、反応容器１８の下壁１８ｂには、排気口２４が形成されている。この排気口２４に排気管２５が接続されている。さらに、排気管２５には、真空排気部２７が接続されている。この真空排気部２７は、ドライポンプおよびターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有するものである。また、反応容器１８には内部の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）が設けられている。

また、反応容器１８の内部には、下壁１８ｂ側から順に、基板５２が、表面５０ａに載置される基板ステージ５０が設けられ、この基板ステージ５０（基板５２）の上方に、プラズマ生成部３０が設けられている。

図１に示すプラズマ生成部３０は、プラズマを生成することに加えて、後述するように反応容器１８内に原料ガスＧを拡散させる機能も備えるものである。
このプラズマ生成部３０は、反応容器１８の内部の全域に亘る大きさを有するものであり、本実施形態においては、プラズマ生成部３０により、反応容器１８内が２つの空間に仕切られており、プラズマ生成部３０の上壁１８ａ側の空間がガス分散室５４であり、プラズマ生成部３０の下壁１８ｂ側の空間が反応室５６である。
プラズマ生成部３０は、ガス分散室５４に供給された成膜に利用されるガスを広い面積に渡って反応室５６内に拡散させるものである。本実施形態においては、プラズマ生成部３０は、後述するガス放射口４４により、原料ガス供給部２６から導入された原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）を広い面積に渡って、反応室５６内に拡散させる。

本実施形態のプラズマ生成部３０は、図１、図２に示すように、平板状の誘電基体３２と、導体層３４と、アンテナ素子３８とを有する。
誘電基体３２の基板ステージ５０（図１参照）、すなわち、基板５２（図１参照）とは反対側の表面３２ａの全面に導体層３４が形成されている。この導体層３４は、接地されている。
また、図２に示すように、誘電基体３２内に、基板ステージ５０の表面５０ａ（図１参照）と平行で、かつ直交する２方向（方向Ｌおよび方向Ｍ）のうち、例えば、一方向の方向Ｌ（図３参照）に伸びる収納穴３６が形成されており、この収納穴３６は、方向Ｌと直交する方向Ｍに、所定の間隔（間）３９をあけて複数、相互に平行に形成されている。
なお、本発明においては、収納穴３６と各側壁１８ｃ、１８ｄとの間隙３９も、各収納穴３６の間隙３９と同様に扱う。また、誘電基体３２は、例えば、石英、アルミナなどにより形成されるものである。

各収納穴３６には、図１および図２に示すように、それぞれアンテナ素子３８が設けられている。図２に示すように、各収納穴３６の内径は、アンテナ素子３８の外径よりも大きく、アンテナ素子３８と収納穴３６との間には隙間が生じている。
各アンテナ素子３８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。
また、各収納穴３６に設けられたこれらの複数のアンテナ素子３８により、アンテナアレイ４６が構成される。

図２に示すように、誘電体３２の収納穴３６と整合しない領域、すなわち、誘電基体３２の収納穴３６の間隙３９には、収納穴３６が伸びる方向Ｌと直交する反応容器１８の上壁１８ａから下壁１８ｂに向う方向（以下、反応容器１８の上壁１８ａ側から下壁１８ｂ側に向かう方向を「垂直方向」という）に誘電基体３２の表面３２ａから裏面３２ｂを貫通する第１の貫通穴４０が形成されている。この第１の貫通穴４０は、基板ステージ５０に向けて開口されている。また、第１の貫通穴４０は、直径が０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、方向Ｌ（図３参照）に所定の間隔をあけて複数形成されている。
また、導体層３４の表面３４ａには、各第１の貫通穴４０と整合する位置に第２の貫通穴４２が形成されている。第１の貫通穴４０と第２の貫通穴４２とが一体となってガス放射口４４が構成される。このガス放射口４４は、導体層３４の表面３４ａから誘電基体３２の裏面３２ｂに至り、導体層３４および誘電基体３２を垂直方向に貫通するものである。ガス放射口４４は、基板ステージ５０に対して開口している。

本実施形態においては、導体層３４を基板ステージ５０の表面５０ａ（図１参照）に垂直な方向から見た場合、図３に示すように、プラズマ生成部３０において、収納穴３６（アンテナ素子３８）と整合しない領域、すなわち、収納穴３６（アンテナ素子３８）と収納穴３６（アンテナ素子３８）との間隙３９と整合する領域に、誘電体３２を貫通する放射口４４が複数形成されている。各放射口４４により、原料ガス供給部２６から導入された原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）が広い面積に渡って、反応室５６内に拡散される。
また、プラズマ生成部３０において、ガス放射口４４（第１の貫通穴４０および第２の貫通穴４２）の開口形状は、特に限定されるものではなく、円形でも四角形でもよい。
さらには、ガス放射口４４は、垂直方向に貫通するものに限定されるものではなく、方向Ｌに対して９０°以外の角度で斜めに貫通するものであってもよい。

ここで、図４は、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置のアンテナアレイの配置状態を示す模式的平面図である。
図４に示すように、複数のアンテナ素子３８により構成されるアンテナアレイ４６においては、各アンテナ素子３８は、上述の収納穴３６（図２参照）に設けられており、基板ステージ５０の表面５０ａと略平行な平面（図示せず）に対して互いに平行に、複数所定の間隙（間）３９を設けて配列される。

また、アンテナアレイ４６においては、各アンテナ素子３８が、反応容器１８の対向する２つの側壁１８ｃおよび側壁１８ｄに亘り配置されている。
アンテナ素子３８はモノポールアンテナであり、反応容器１８の側壁１８ｅ、１８ｆに形成した開口部（図示せず）に電気的に絶縁して取り付けられている。
アンテナアレイ４６においては、図４に示すように隣接するアンテナ素子３８と互いに逆方向に反応容器１８内の側壁１８ｅ、１８ｆ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３８は、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。このインピーダンス整合器１６はマッチングボックスである。

インピーダンス整合器１６は、制御部１２の高周波電源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３８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ものである。

各アンテナ素子３８は、誘電基体３２の各収納穴３６に収納されており、外部から隔離されている。このように、各アンテナ素子３８を誘電基体３２で隔離することにより、アンテナ素子３８としての容量とインダクタンスが調整される。これにより、アンテナ素子３８の長手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。

本実施形態においては、各アンテナ素子３８にインピーダンス整合器１６を設け、更に導体層３４を接地することにより、鏡像関係に形成される電磁波と作用して、アンテナ素子３８毎に所定の電磁波を形成する。このため、プラズマ生成部３０においては、安定したプラズマが得られる。さらに、アンテナアレイ４６を構成するアンテナ素子３８は、隣接するアンテナ素子３８と給電方向が逆向きとなっているので、反応室５６において電磁波は均一に形成される。

ここで、図１に示すように、基板ステージ５０は、上述のように、表面５０ａに基板５２が載置されるものである。この基板ステージ５０においては、基板ステージ５０の中心と基板５２の中心とを一致させて基板５２が載置される。
また、基板ステージ５０の内部には基板５２を加熱する発熱体（図示せず）が設けられており、さらに接地された電極板（図示せず）が設けられている。この発熱体は、制御部１２に接続されており、発熱体による加熱は、制御部１２に制御される。
なお、電極板がバイアス電源（図示せず）に接続され、このバイアス電源により電極板に所定のバイアス電圧が印加される構成でもよい。

制御部１２は、高周波発振回路、増幅器からなる高周波電源（図示せず）および電流・電圧センサ（図示せず）を有し、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の調整を行うものである。この制御部１２は、アンテナ素子３８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３８をインピーダンスが整合した状態に近づけ、この後、各アンテナ素子３８に接続されたインピーダンス整合器１６によって、各アンテナ素子３８のインピーダンスを個別に調整する。制御部１２と、複数のインピーダンス整合器１６とは、分配器１４を介して接続されている。また、制御部１２は、アンテナ素子３８に高周波信号の給電も制御するものである。

なお、制御部１２によって、原料ガス供給部２６および真空排気部２７も制御される。この制御部１２により、原料ガス供給部２６における原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）の供給タイミング、および流量（供給量）などが制御される。
さらには、制御部１２により、真空排気部２７が制御されて、反応容器１８内の原料ガス等を排気することができ、さらには反応容器１８内の圧力を所望の圧力に調整することができる。

本実施形態においては、例えば、ＳｉＯ_２膜の成膜時、原料ガス供給部２６から導入された原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）が、反応容器１８内を垂直方向に流れ、排気口２４から排出される。

また、本実施形態においては、制御部１２により、反応容器１８内の圧力を真空排気部２７により１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の状態とし、原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）をガス放射板４２のガス放射口４４から供給する。さらに、プラズマ生成部３０のアンテナ素子３８に高周波信号を給電することにより、アンテナ素子３８の周囲に電磁波を放射させる。すると、プラズマ生成部３０により、反応容器１８内のプラズマ生成部３０の誘電基体３２の裏面３２ｂ（以下、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂという）の周囲近傍でプラズマ（図示せず）が生成されるとともに、原料ガスＧがプラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍だけで分解され、酸素ガス（活性種ガス）が励起されて酸素ラジカル（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３８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、電磁波はプラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周辺の局部領域に局在化する。このように、モノポールアンテナからなるアンテナ素子３８を複数有するアンテナアレイ４６を備えるプラズマ生成部３０では、プラズマがプラズマ生成部３０の裏面３２ｂの近傍に局在化して形成され、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍では、電界分布が極度に高くなる。

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、特開２００３−８６５８１号公報に記載されている。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、上記各明細書に記載の方法を利用すればよい。

本実施形態のＣＶＤ装置１０においては、プラズマ生成部３０について、アンテナ素子３８を誘電基体３２で隔離し、アンテナ素子３８とアンテナ素子３８との間隙３９と整合する領域に放射口４４を形成することにより、ガス放射口４４を介して原料ガスＧが供給されても、アンテナ素子３８は原料ガスＧに接触しない。このため、プラズマ生成時には、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍では、電界分布が極度に高くなるものの、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍だけでプラズマにより原料ガスＧが分解され、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるものに比して、基板５２の表面５２ａに形成されるＳｉＯ_２膜の成膜に適した原料ガスＧの分解ガスの割合が多くなる。すなわち、本実施形態のＣＶＤ装置１０においては、基板５２の表面５２ａに形成されるＳｉＯ_２膜の成膜に利用される原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）の利用効率が高くなり、成膜速度も向上する。
また、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるものとは異なり、プラズマ生成部３０には、原料ガスＧの反応生成物が付着または堆積するところが少ないため、プラズマ生成部３０に付着または堆積する反応生成物が少なく、反応容器１８内全体でのパーティクルの発生量が抑制され、膜質についても優れたものが得られる。
さらには、本実施形態においては、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるもののように、アンテナ素子の周囲近傍で原料ガスＧの分解が生じるものではなく、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍だけで原料ガスＧが分解されるため、反応室５６内における原料ガスＧの分解の程度が均一になり、基板５２の表面５２ａに対して、膜（ＳｉＯ_２膜）の成膜に適した分解ガスが均一に供給されるため、成膜される膜（ＳｉＯ_２膜）の膜厚均一性も向上する。

次に、本実施形態のＣＶＤ装置１０の成膜方法について、ＳｉＯ_２膜を例にして説明する。
先ず、原料ガス供給部２６から原料ガス供給管２３を介して原料ガスＧ（酸素ガス（活性種ガス）およびＴＥＯＳガス）をガス分散室５４に一定流量で放出し、ガス分散室５４と連通する放射口４４から、原料ガスＧを反応室５６内に一定の流速で流入させる。
なお、反応容器１８（反応室５６）内に原料ガスＧを供給する場合、反応容器１８（反応室５６）は真空排気部２７により排気されており、制御部１２により、反応容器１８（反応室５６）内が、例えば、１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の圧力に保持されている。これにより、反応容器１８（反応室５６）の垂直方向に原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）が流れる。

次に、アンテナ素子３８に高周波信号を給電して、アンテナ素子３８の周囲に電磁波を放射させる。これにより、反応室５６内で、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍に局在化したプラズマが生成され、ガス放出口４４から放射された原料ガスＧの酸素ガス（活性種ガス）が励起された酸素ラジカル（反応活性種）が得られる。酸素ラジカル（反応活性種）と活性化されたＴＥＯＳガスとの反応が、活性状態である酸素ラジカル（反応活性種）の活性エネルギによって進行し、基板５２の表面５２ａにＳｉＯ_２膜が形成される。

本実施形態の成膜方法においては、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるものとは異なり、プラズマ生成部３０には、原料ガスＧの反応生成物が付着または堆積するところが少ないため、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍で原料ガスＧの分解が生じ、ＳｉＯ_２などの反応生成物が生成しても、プラズマ生成部３０に付着または堆積するＳｉＯ_２などの反応生成物が少ない。このため、反応容器１８内全体でのパーティクルの発生量が抑制される。さらには、反応容器１８内全体でのパーティクルの発生量が抑制されるため、形成する膜（ＳｉＯ_２膜）の膜質についても優れたものが得られる。

また、本実施形態の成膜方法においては、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍だけでプラズマにより原料ガスＧが分解されるため、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるものに比して、基板５２の表面５２ａに形成されるＳｉＯ_２膜の成膜に適した原料ガスＧの分解ガスの割合が多くなる。ＳｉＯ_２膜の成膜に利用される原料ガスＧ（酸素ガスおよびＴＥＯＳガス）の割合（利用効率）が増えるため、成膜速度も向上する。
さらには、本実施形態の成膜方法においては、アンテナ素子と原料ガスを供給する供給部とが別体であるもののように、アンテナ素子の周囲近傍で原料ガスＧの分解が生じるものではなく、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍だけで原料ガスＧが分解されるため、反応室５６内における原料ガスＧの分解の程度が均一になり、基板５２の表面５２ａに対して、膜（ＳｉＯ_２膜）の成膜に適した分解ガスが均一に供給される。このため、成膜される膜（ＳｉＯ_２膜）の膜厚均一性も向上する。

なお、本実施形態の成膜方法においては、基板５２が、例えば、１ｍ×１ｍ程度の大きなものである場合であっても、プラズマ生成部３０のアンテナアレイ４６は、均一なプラズマを生成することができ、上述のようにパーティクルの発生が抑制され、さらには、成膜速度が速いことから、膜質および膜厚均一性が優れたＳｉＯ_２膜を従来よりも早く形成することができる。

また、本実施形態のＣＶＤ装置においては、基板５２の表面５２ａにＳｉＯ_２膜を成膜する装置を例に説明したが、本発明のプラズマ処理装置はこれに限定されるものではない。本発明のプラズマ処理装置は、半導体素子、液晶表示パネルもしくはプラズマディスプレイパネルなどのフラットディスプレイパネル、および太陽電池などにおける各種の膜の成膜に用いることができる。さらに、本発明のプラズマ処理装置は、エッチング装置として用いることもでき、さらにまた、基板ステージのクリーニング処理に用いることもできる。

さらに、本実施形態のＣＶＤ装置においては、プラズマを生成するために、モノポールアンテナが複数配置されたアンテナアレイ４６を用いることより、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍に局在化させてプラズマを生成するものである。この構成により、基板ステージ５０に載置された基板５２にプラズマが直接曝されない状態で、基板５２とプラズマ生成部３０（アンテナアレイ４６）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、プラズマ生成部３０の裏面３２ｂの周囲近傍で励起された酸素ラジカル（反応活性種）の励起寿命に対して、プラズマ生成部３０（アンテナアレイ４６）と基板５２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、酸素ラジカル（反応活性種）が十分に励起した状態で基板５２の表面５２ａに到達することを可能としている。

さらにまた、本実施形態のＣＶＤ装置においては、基板５２の表面５２ａにＳｉＯ_２膜を成膜するために、原料ガスＧとして、酸素ガス（第１原料ガス）とＴＥＯＳガス（第２原料ガス）の２種類のガスを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。原料ガスＧは、形成する膜の種類に応じて、用いられるガスの種類および数は、適宜選択されるものである。
また、本実施形態のＣＶＤ装置において、原料ガスＧに用いられる第１原料ガスとしては、反応活性種となるガスが用いられ、酸素ガス以外に、例えば、窒素ガス、水素ガスおよびアルゴンガスを用いることができる。また、原料ガスＧに用いられる第２原料ガスとしては、第１原料ガス以外の膜を形成するためのガスが用いられ、例えば、金属化合物を含むガスが用いられる。
例えば、本実施形態のＣＶＤ装置において、シリコン膜を形成する場合、原料ガスＧとしては、第１原料ガスに、例えば、水素ガスを用い、第２原料ガスに、例えば、シランガスを用いる。この場合でも本発明の効果を得ることができる。

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、種々の改良および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実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を示す模式的断面図である。本実施形態のプラズマＣＶＤ装置のプラズマ生成部を拡大して示す模式的側断面図である。本実施形態のプラズマＣＶＤ装置のプラズマ生成部を示す模式的平面図である。本実施形態のプラズマＣＶＤ装置のアンテナアレイの配置状態を示す模式的平面図である。従来のプラズマＣＶＤ装置を示す模式的断面図である。

符号の説明

１０、１００プラズマＣＶＤ装置（ＣＶＤ装置）
１２制御部
１４分配器
１６インピーダンス整合器
１８反応容器
２２導入口
２３原料ガス供給管
２４排気口
２６原料ガス供給部
２７真空排気部
３０プラズマ生成部
３２誘電基体
３４導体層
３６収納穴
３８アンテナ素子
３９間隙
４０第１の貫通穴
４２第２の貫通穴
４４ガス放射口
４６アンテナアレイ
５０基板ステージ
５２基板
５４ガス分散室
５６反応室
Ｇ原料ガス

Claims

原料ガスを用いて処理対象基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記処理対象基板の上方に設けられた誘電基体と、前記誘電基体内に、前記処理対象基板の表面と略平行な方向に伸びる収納穴が形成されており、前記収納穴に設けられた棒状の導体で構成したアンテナ素子とを備え、前記誘電基体の前記収納穴と整合しない領域に前記誘電基体を貫通するガス放出口が形成されているプラズマ生成部を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
前記誘電基体は、前記処理対象基板とは反対側の面に導体層が形成されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記処理対象基板が配置される基板ステージを有する請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
前記原料ガスを前記プラズマ生成部に供給する原料ガス供給部を有し、前記プラズマ生成部は、前記原料ガスが供給された状態で、前記アンテナアレイを用いてプラズマを生成するものである請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記原料ガスは、酸素ガスおよびＴＥＯＳガスの混合ガスである請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。