JP2011086822A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の基板を処理する場合でもプラズマ熱の影響によってシャワープレートが熱変形することを防止し、シャワープレートと基板との距離を電極全面で均一に維持できるプラズマ処理装置を得ること。
【解決手段】反応ガスを基板６に分散供給しつつ基板６との間に電界を形成して反応ガスのプラズマを発生させる電極構造体を備えたプラズマ処理装置であって、電極構造体は、基板６側に設置され、複数の穴を介して反応ガスを基板６へ分散供給するシャワープレート１と、シャワープレート１を保持する電極保持体２と、シャワープレート１と電極保持体２との間に介在し、シャワープレート１よりも熱膨張係数が小さく、かつ耐熱性が高く、なおかつ引っ張り強度が高い材質で形成された高強度部材３とを有する３層構造であり、複数の穴が電極構造体を積層方向に貫通して、反応ガスのガス流路７が複数形成された。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空中でプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に関し、特に、平行平板構造を有するプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置の電極の構造に関する。

従来、半導体装置や液晶デバイスなどの作製工程においては、真空槽内に放電用電極と処理対象の基板とを対向して設置し、反応ガスを槽内に導入した後、電極−基板間に電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマ処理装置が使用されている。

中でも、反応ガスをプラズマによってラジカル状態に分解し、加熱された基板表面における拡散及び化学反応によって結晶やアモルファス状態の薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置が広く活用されている。

このようなプラズマＣＶＤ装置は、薄膜が形成される基板との対向面に電界を形成するための電極が設置されて構成されており、平行平板型と称されている。平行平板型のプラズマＣＶＤ装置は、シリコンウェハを用いる半導体プロセスにおいては、ゲート酸化膜や層間絶縁膜、バリアメタル膜などを要求特性に応じて精度良く、ウェハ面内均一に形成するために用いられており、プラズマ状態を制御することによって実用化されている。

プラズマＣＶＤ装置の電極表面の部材は、反応ガスを噴出させるための孔が多数形成されており、一般的にはシャワープレートと称されている。シャワープレートは、プラズマに曝されることから、一般的にはアルミニウムを基材として表面にアルマイト処理を施したものが用いられる。

近年、薄膜シリコン太陽電池の需要が増加したことに伴い、大型サイズの基板に微結晶シリコン膜を形成することも多くなってきている。メートル級（以下、ｍ級）の薄膜シリコン太陽電池に微結晶シリコン膜を成膜する場合には、対向する電極も同等のサイズが必要とされる。

薄膜シリコン太陽電池の製造に使用される大型のプラズマＣＶＤ装置に関連する技術として、特許文献１には、シリコンの厚い微結晶発電層を高いスループットで形成するために、基板−電極間の距離を３ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする狭ギャップの製膜方法を用いるプラズマＣＶＤ装置が開示されている。特許文献１に開示されるプラズマＣＶＤ装置は、基板の表裏の温度差による反り変形を抑制するために、温度調節された熱媒体を供給して放電電極の温度を所望の温度とするものである。

また、特許文献２には、熱によるシャワープレートの変形を防止するために、シャワープレートと温度調節プレートとの間に格子形状の熱伝達部材を挟み込んだプラズマ処理装置が開示されている。特許文献２に開示されるプラズマ処理装置においては、シャワープレート、温度調節プレート、熱伝達部材にはアルミ合金などが用いられており、格子形状の熱伝達部材の格子間はガス均質空間となっている。

特開２００７−１５０１５１号公報 特開平１０−０３０１８５号公報

特許文献１に開示されるような狭ギャップタイプのプラズマＣＶＤ装置では、膜質や膜厚を基板全面で制御するためには、基板−電極間距離を成膜中に常に一定に維持する必要がある。しかし、一辺が１ｍを超える大型の基板の場合には、温度上昇によるシャワープレートの熱変形が大きくなり、広い面積で間隔を一定に保つことは難しくなる。

シャワープレートの温度上昇による変形を防止するには、特許文献２のように熱伝達によってシャワープレートの温度上昇を防止したり、特許文献１のように温度調節の機構を設けることは有効であると考えられる。

しかしながら、非常に高いパワー密度の電力（大電流・高電圧の電力）を供給してプラズマを発生させる場合には、特許文献２に開示される発明のように、シャワープレートを裏面側から冷却しても、シャワープレートが変形してしまうことがある。成膜中にシャワープレートと基板との間の距離が変動すると、プラズマ状態が変化し、成膜した膜の膜質が変動すると共に、基板面内での均一性が劣化するといった問題がある。

さらに、温度上昇によるシャワープレートの変形は、温度が低下しても完全に元に戻らない不可逆な変形となることもある。特に、比較的軟らかいアルミニウムを母体とする材料を用いた基材で、大電流・高電圧の電力を供給して繰り返しプラズマを発生させる場合には、このような変形が起こりやすい。この変形がある程度大きくなると、基板−電極間の距離が設定値から外れ、膜質や膜厚が不均一となったり、再現性が低下したりする。また、変形が大きくなると、シャワープレートの交換が必要となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大型の基板を処理する場合でもプラズマ熱の影響によってシャワープレートが熱変形することを防止し、シャワープレートと基板との距離を電極全面で均一に維持できるプラズマ処理装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、反応ガスを基板に分散供給しつつ該基板との間に電界を形成して反応ガスのプラズマを発生させる電極構造体を備えたプラズマ処理装置であって、電極構造体は、基板側に設置され、複数の穴を介して反応ガスを基板へ分散供給するシャワープレートと、シャワープレートを保持する電極保持体と、シャワープレートと電極保持体との間に介在し、シャワープレートよりも熱膨張係数が小さく、かつ耐熱性が高く、なおかつ引っ張り強度が高い材質で形成された高強度部材と、を有する３層構造であり、複数の穴が電極構造体を積層方向に貫通して、反応ガスの流路が複数形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、長時間の熱蓄積を受けた場合でも、シャワープレートと基板との間の距離を初期設定値に近い値に維持することが可能となり、膜質や成膜速度などを大面積基板内で均一にして成膜を行えるという効果を奏する。特に、薄膜シリコン太陽電池の微結晶シリコン成膜においては、シリコンの結晶化率や結晶方位分布率（配向率）等の膜質や成膜速度の基板面内での均一化をなしえる。

図１は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態１としてのプラズマＣＶＤ装置の全体構成を示す図である。 図２は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態２としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図である。 図３は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態３としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図である。 図４は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態４としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図である。 図５は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態４としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図である。 図６は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態４としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図である。 図７は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態５としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図である。 図８は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態６としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図である。 図９は、凹凸部とネジ固定場所との平面的な配置状態の一例を、電極保持体上面側から透過した状態で示す平面図である。 図１０は、凹凸部とネジ固定場所との平面的な配置状態の一例を、電極保持体上面側から透過した状態で示す平面図である。

以下に、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態１としてのプラズマＣＶＤ装置の全体構成を示す図である。電極構造体は、シャワープレート１と電極保持体２との間に高強度部材３を挟みこんだ３層構造であり、反応ガス室４から基板６にガスを供給し、放電させて成膜するためのガス流路７が、各層を貫通する形で複数形成されている。反応ガス室４には、成膜用ガス（例えば、微結晶シリコンの場合はＳｉＨ_４ガス及びＨ_２ガス）が、成膜に適した流量に制御された上で、反応ガス導入口５から供給される。すなわち、反応ガス導入口５及び反応ガス室４を経て、高強度部材３を挟み込んだ３層構造の電極構造体に導入された成膜種のガスは、貫通穴（ガス流路７）を通して基板６の表面へ供給される。ガス流路７の穴の形状は、一般的には反応ガス室４から基板６の表面側まで同一径を有する円筒状である。穴径は０．３〜０．６ｍｍ程度が一般的である。

反応ガス室４は、気密性を維持する必要があるため、周囲にガスが放出されないように気密保持筐体８及び構造筐体９に強固に固定されている。ｍ級サイズの基板６に成膜する場合には、成膜時における周囲の反応室１０（大気圧）との圧力差や自重による変形を防止するため、構造筐体９も剛性を高くする必要がある。

基板６は、基板ステージ１１上に設置される。基板ステージ１１は、基板６の表面での反応を促進するために不図示のヒータを具備し、加熱するものでも良い。シャワープレート１と基板６との相対位置としては、反応を均一化する面では、シャワープレート１及び基板６の双方の中心が一致するように設置することが好ましい。

また、ガス流路７と基板６との位置関係については、ここでは基板６の最外周よりも外側にもガス流路７を設けた構造を例としているが、反応室１０内のプラズマの状態を均一化するために、基板６の最外周の直上又は内側までガス流路７を設けた構造としてもよい。

ガス流路７は、電極構造体の全面に均一に配置したほうが、基板６の全面に未反応ガスを同等・同質に供給してプラズマを均一に維持しやすくなる。しかし、反応済みのガスは基板６の中心部から周縁部に向かって流れるため、反応室１０での反応ガスと未反応ガスとのガス流の状態を考慮に入れて、電極構造体の周縁部に中心領域よりも多くのガス流路７を形成することで、基板６の全面でのプラズマの均一性を維持するようにしても良い。

すなわち、ガス流路７の配置位置を、ガス種、基板サイズなどに応じて適宜設定することにより、プラズマ状態の均一化を実現する。

次に、３層構造の電極構造体について説明する。電極構造体は、シャワープレート及びそれを保持する電極保持体で構成される２層構造が一般的であるが、本実施の形態では、熱による変形が小さく、かつ、熱に対して高強度を有する高強度部材３をシャワープレート１と電極保持体２との間に介在させて３層構造としている。

シャワープレート１は、成膜時にはプラズマに曝される上に、放電電極として機能する必要があることから、一般的にはアルミニウム系の材料が用いられる。本実施の形態においてもシャワープレート１はアルミニウム系の材料で形成されるものとする。シャワープレート１の表面は、プラズマによるダメージを軽減するためにアルマイト処理が施されている。シャワープレート１の厚さは通常は５〜１５ｍｍ程度であるが、アルミニウム系の材料であることから、プラズマ処理時に高温に曝され熱膨張によって変形が生じる。

電極保持体２は、反応ガスで腐食しない材質（アルミニウム系合金やステンレスなど）で形成されている。不図示であるが、電極保持体２には冷却水の循環経路が設けられており、プラズマによって加熱されたシャワープレート１から伝わった熱を冷却水に放熱する。このようにして、電極保持体２はシャワープレート１を冷却する。

高強度部材３は、シャワープレート１の材質よりも、耐熱性が高く、熱膨張係数が小さく、かつ引っ張り強度が高い材質で形成されている。シャワープレート１がアルミニウム系の材料である場合には、上記の条件を満たす材質としては、Ｎｉ基合金であるＮｉ−Ｃｒ系の合金がふさわしく、インバー、ハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）、インコロイ（登録商標）、ニモニック（ナイモニック）（登録商標）等も適合する。これらの熱膨張係数が小さい材料を適用した場合には、高強度部材のプラズマ熱による熱変形（膨張）量はシャワープレート材のそれよりも小さくなる。従って、高強度部材３をシャワープレート１と一体構造とする（シャワープレート１を高強度部材３に強固に固定する）ことで、シャワープレート１の変形量を抑制する効果が得られる。特に、シャワープレート１のサイズが大きくなるに従って、熱膨張係数が大きくなることから、大面積の基板への成膜装置では効果がより顕著となる。なお、特許文献２に開示される発明のように、電極構造体が３層構造であっても、シャワープレートと同じ材質で形成された部材をシャワープレートに固定したのでは、このような効果は得られない。

さらに、高融点の耐熱高強度合金を用いることで、成膜を複数回行った場合にシャワープレート１及び高強度部材３が繰り返し変形することによって受ける疲労による高強度部材３の破断をも防止できる。シャワープレート１は成膜を重ねるたびにプラズマによってダメージを受けることから１年程度で交換する必要があるのに対し、高強度部材３はプラズマによるダメージを直接は受けないことから、耐熱性を有する材料で形成すれば交換する必要は無く、メンテナンス性にも優れる。高強度部材３の厚さは、電極サイズや発生するプラズマ熱量にも依存するが、２ｍｍから５０ｍｍ程度とすると良い。

シリコンウェハ、例えば８インチサイズ程度の基板での処理の場合には、シャワープレートと接続された電極保持体に冷却水を流し、シャワープレートの熱を電極保持体で吸収して温度上昇を防止している。すなわち、直径８インチ程度のシリコンウェハ基板を処理対象とした電極であれは、シャワープレート及び電極保持体からなる２層構造の電極構造体であっても、電極保持体内に形成された水冷機構の効果によってシャワープレートが十分に冷却されるため、シャワープレートがｍｍ単位オーダで変形することはなく、成膜特性（膜質や面内均一性）に悪影響を及ぼすことはない。

しかし、薄膜シリコン太陽電池の製造時のように、一辺が１ｍ以上のサイズのガラス基板上に微結晶シリコンを成膜する場合には、基板サイズに対応してシャワープレート及び電極保持体を大型化する必要がある。このような大面積の電極でプラズマを発生させた際には、発生する熱量が電極のサイズに対応して多大になって電極保持体２による冷却が不十分となる。その上、放熱効果もシャワープレートの中心部と周縁部とでは異なるため、成膜の過程で中心部に熱が蓄積して中心領域が周縁部よりも高温となり、この部分で熱による歪みや膨張が大きくなってシャワープレートが変形する。一例を挙げると、ｍ級サイズの基板の場合は、シャワープレートの温度は４００℃程度まで上昇することもあり、シャワープレートは２ｍｍ程度基板側に凸状に変形してしまう。

このため、ｍ級の基板の場合には、成膜処理の初期ではシャワープレートと基板との間隔が一定であるため成膜（放電）が安定するが、処理開始後６０秒程度でシャワープレートが変形し始め、放電特性が変化してプラズマが基板全面で均一では無くなり、膜質や成膜速度もこれに追従して変動してしまう。

そのため、本実施の形態においては、電極保持体２でシャワープレート１を冷却しつつ、シャワープレート１を高強度部材３へ強固に固定することで、シャワープレート１及び電極保持体２の熱変形を防止する。これらの三つの構造部材を相互に面接触させて接続する際、各表面の粗さをミクロンオーダとすることで、部材間の熱伝導を好適にすることが可能である。

上記のような３層構造の構造体とすることで、大面積基板へのＣＶＤ成膜においては、成膜開始時のみならず、長時間の製膜による熱蓄積を受けた状態においても、シャワープレート１と基板６との間の距離を、初期設定の一定間隔を維持することが可能となり、膜質や成膜速度などを大面積基板内で均一にして成膜を行える。特に、薄膜シリコン太陽電池の微結晶シリコン成膜においては、シリコンの結晶化率や結晶方位分布率（配向率）等の膜質や成膜速度の基板面内での均一化を実現できる。

以上のように、本実施の形態にかかるプラズマＣＶＤ装置においては、電極構造体は、シャワープレートと電極保持体との間に、シャワープレートよりも熱膨張係数が小さく、かつ引っ張り強度が高い高強度部材を挿入した３層構造としたため、大電流・高電圧の電力が供給された場合でもプラズマ熱の影響によるシャワープレートの変形を抑制し、シャワープレートと基板との間の距離を維持できる。このため、ｍ級の大型基板に対するプラズマ処理においても、膜厚及び膜質が均一な薄膜を基板上に形成できる。

実施の形態２．
図２は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態２としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図であり、３層構造の電極構造体の各部材に形成されたガス流路７（７ａ〜７ｃ）の形状が示されている。反応ガスの流れを良くするために、ガス流路７の穴形状は、各層とも円形断面となっており、３層に亘って同心円状に配置されている（換言すると、ガス流路７ａ〜７ｃが同軸に配置されている）。なお、電極構造体以外の全体的な構成については、実施の形態１と同様である。

ガス流路７の穴径は、シャワープレート１のガス流路７ａが最も小さく、高強度部材３のガス流路７ｂが次いで小さく、電極保持体２のガス流路７ｃが最も大きい。すなわち、反応ガスの流れの上流側に位置する部材ほどガス流路７の径が大きい。

シャワープレート１のガス流路７ａの径は、直径０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ程度とすることが好ましい。穴径が大きくなると反応ガスの流れは良好となるが、大きくなりすぎると、本来ならば反応室１０のシャワープレート１と基板６との間で発生させるべきプラズマ放電が、ガス流路７ａ内と基板６との間で発生してしまう。このため、ガス流路７ａの径を上記の範囲とすることで、反応ガスの良好な流れと、シャワープレート１−基板６間でのプラズマ放電の発生とを両立させる。

高強度部材３のガス流路７ｂの径は、シャワープレート１のガス流路７ａの穴径よりも直径比で０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度大きくする。さらに、電極保持体２のガス流路７ｃの径は、高強度部材３のガス流路７ｂの穴径よりも直径比で０．１ｍｍ〜０．８ｍｍ程度大きくする。なお、３層構造の電極構造体の内部でガスの流れが滞ることを防ぎ、基板表面へ均一にガスを供給するためには、シャワープレート１のガス流路７ａの穴径は、０．３〜０．６ｍｍ程度とし、高強度部材３のガス流路７ｂはシャワープレート１のガス流路７ａよりも０．２〜０．４ｍｍ程度径を大きくし、電極保持体２のガス流路７ｃは高強度部材３のガス流路７ｂよりも０．２ｍｍ程度径を大きくするとより好ましい。

厚い電極構造体では、反応ガス室側に形成された穴の径が大きいほど、流量を制御性良く十分に基板へ供給することが可能となる。一つの流路を安定化することにより、シャワープレート（基板）サイズが大きくなった場合、中心領域と周縁領域とでのガス流量を均一にできる。すなわち、上記のように、各部材のガス流路７の径に差を設け、反応ガスの流れの上流側に位置する部材ほどガス流路７の径が大きい構成とすることで、ｍ級の電極面内での反応ガスの流れを良好かつ均一化できる。

ガス流路７ａ〜７ｃの穴径が同一である場合、流路が長いとガス流の速度に減衰が生じる。しかも、シャワープレート１の面積が大きいとシャワープレート１の中心部と周縁部とで流速が異なるため、基板表面に供給される反応ガス流量を設定値どおり基板全面に均一に供給することが極めて困難となり、基板全面で均一、均質な成膜ができないといった問題が発生する。また、穴径を１ｍｍ程度に大きくした場合には、ガス流の均一性は確保できるが、成膜時にシャワープレート１表面と基板との間での放電が弱くなり、ガス流路７ａの穴内と基板との間での放電が支配的となって、基板への成膜が困難になる。従って、本実施の形態のように、電極保持体２、高強度部材３及びシャワープレート１の各々のガス流路７ａ〜７ｃの穴径を、反応ガスの流れの上流側に位置する部材ほど大きくすることにより、３層構造の電極構造体の内部でガス流の流速を均一化するとともに、流速の減衰を防止してガスの流れが滞ることを防ぎ、基板表面へ均一にガスを供給することが可能となる。

この他については実施の形態１と同様であるため、重複する説明は割愛する。

実施の形態３．
図３は、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態３としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す図であり、３層構造の電極構造体の各部材に形成されたガス流路７（７ａ〜７ｃ）の形状が示されている。実施の形態２では、ガス流路７は３層とも円柱状であったが、各部材で穴径が異なるため、各層の界面においてガス流路７の接続部分には段差が存在していた。本実施の形態では、高強度部材３のガス流路７ｂの穴径は、電極保持部材２との界面ではガス流路７ｃの穴径と同一に、シャワープレート１との界面ではガス流路７ａの穴径と同一になっており、側断面視でテーパ状を呈している。なお、電極構造体以外の全体的な構成に関しては、実施の形態１と同様である。

このような構成とすれば段差による流路抵抗が発生しないため、反応ガスの流量が増大した場合でも、流れを良好にすることが可能となる。

なお、ここでは、３層構造の各層の穴が同心円状に配置された（換言すると、ガス流路７ａ〜７ｃが同軸に配置された）構成を例としたが、必ずしも同心円状に配置する必要はなく、高強度部材３のガス流路７ｂが、シャワープレート１や電極保持体２との界面において段差を形成しさえしなければ同様の効果が得られる。また、高強度部材３のガス流路７ｂは、電極保持部材２側からシャワープレート１側に向かって連続的に穴径が小さくなりさえすれば良く、必ずしも一律に穴径が小さくなる必要はない。すなわち、ガス流路７ｂのテーパが直線状である必要はない。

３層構造の電極構造体の内部でのガスの流れをよりスムーズにするために、中間層である高強度部材３の穴径を、上部では電極保持体２の穴径、下部ではシャワープレート１の穴径とそれぞれ同一にし、テーパ形状とすることで、穴径の違いによる段差を解消し、ガスの流れをよりスムーズにできる。これにより、基板表面へより均一にガスを供給できる。

この他については実施の形態２と同様であるため、重複する説明は割愛する。

実施の形態４．
図４、図５及び図６に、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態４としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す。これらは、高強度部材３、シャワープレート１及び電極保持体２の固定方法に関して、プラズマ熱によるシャワープレート１の変形を防止しつつ、シャワープレート１のメンテナンス性を良好（換言すると、交換が容易）とした構成である。なお、電極構造体以外の全体的な構成については、実施の形態１と同様である。

図４に示す構造は、シャワープレート１と電極保持体２との両側からシャワープレート固定ネジ１２及び電極保持体固定ネジ１３を用いて、高強度部材３にねじ込み固定する構成である。三つの部材のそれぞれにネジを切って、シャワープレート１及び電極保持体２を各々高強度部材３とネジ固定すると、最も強固に固定できる。高強度部材３のネジの切り込み深さは、高強度部材３の厚さの半分以上であることが好ましい。

なお、シャワープレート１及び電極保持体２のネジ穴は、必ずしも電極全面にネジ切りする必要は無く、半分以上にネジ切りすれば良好な固定が可能となる。換言すると、全てのシャワープレート固定ネジ１２及び電極保持体固定ネジ１３が、シャワープレート１や電極保持体２にネジ止めされる必要はなく、全体の概ね半数以上がネジ止めされていれば十分な強度でシャワープレート１や電極保持体２を高強度部材３に固定できる。

図５に示す構造は、高強度部材３を貫通して電極保持体２の部分までシャワープレート固定ネジ１２をネジ止めして３層の電極構造体を固定する構成である。このような構成とすることで、特にシャワープレート１が多大な熱を受けた場合には、高強度部材３だけでなくシャワープレート固定ネジ１２自体も横方向の変形抑制効果に寄与する。シャワープレート固定ネジ１２に加わる剪断力を抑え、ネジ折れを防止するために、電極保持体２に形成するネジ穴の深さは、電極保持体２自体の厚さの１／４〜３／４程度とする。なお、電極保持体２の部分までシャワープレート固定ネジ１２をネジ止めする構成においては、高強度部材３及びシャワープレート１にともにネジを設け、３層全てをネジ止めするのが変形防止には最も有効である。ただし、必ずしもシャワープレート１にネジ切り込みを入れる必要はない。換言すると、必ずしもシャワープレート固定ネジ１２をシャワープレート１にネジ止めする必要はない。一方、電極保持体２と高強度部材３との固定は、電極保持体固定ネジ１３によって、各々をネジ止めして固定する。高強度部材３のネジ穴の深さは、高強度部材３の厚さの半分以上であることが望ましい。

図６に示す構造は、シャワープレート固定ネジ１２及び電極保持体固定ネジ１３の両方とも高強度部材３を貫通させて３層構造の電極構造体を固定する構成である。シャワープレート固定ネジ１２を用いたシャワープレート１側からの固定に関しては、図５に示した構成と同様である。一方、電極保持体固定ネジ１３を用いた電極構造体の固定に関しては、メンテナンス時にシャワープレート１側から容易に取り外すことができるように、シャワープレート１にはネジ切り加工は施されていない。電極保持体固定ネジ１３は、電極保持体２及び高強度部材３にはネジで固定され、シャワープレート１に形成されたネジとほぼ同径又は１ｍｍ程度径が大きい円筒状の穴に先端部がはめ込まれることによってシャワープレート１に固定される。シャワープレート１に形成する穴の深さは、電極保持体固定ネジ１３の剪断強度を確保することと、固定を強固にすることとを鑑みて、シャワープレート１の厚さの１／２〜３／４程度とすることが望ましい。

図４〜図６に示したいずれの構造においても、シャワープレート１の脱着は、シャワープレート固定ネジ１２を外すことで行えるため、多数枚成膜後のプラズマによってダメージを受けたシャワープレート１の交換を容易に行える。

３層構造の電極構造体の固定に関しては、シャワープレートのメンテナンス性（交換）を良好とするために、シャワープレート側の固定ネジを外すのみでシャワープレートを取り外すことが可能となるとともに、各部材を強固に固定することが必須であるが、上記の三つの構造は、いずれもこれらの条件を満足できる。

この他については実施の形態１と同様であるため、重複する説明は割愛する。

実施の形態５．
図７に、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態５としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す。図７に示す構造は、高強度部材３と電極保持体２との固定に関して、各々の部材に凹凸を形成し、これらを噛み合わせることで噛み合わせ部を設けた構成である。なお、電極構造体以外の全体的な構成については、実施の形態１と同様である。

高強度部材３と電極保持体２とを凹凸で噛み合わせる構造とすることで、横方向の変形量を低減させるのに有効である。

凹凸の深さ、高さは約２ｍｍ以上とする必要があるが、長すぎると凸部の強度が低下するため、約７ｍｍ以下とすることが好ましい。また、凸部の幅は、剪断強度の面から約２ｍｍ以上とすることが好ましい。

高強度部材３と電極保持体２との接合を強固にするために、高強度部材３及び電極保持体２の各々の表面にそれぞれが噛み合うように凹凸を設けた上で、両部材を噛み合わせて接合することにより、横方向のズレ（熱歪みや熱膨張係数差で生じる部材の伸び変形等）を防止できる。

この他については実施の形態１と同様であるため、重複する説明は割愛する。

実施の形態６．
図８に、本発明にかかるプラズマ処理装置の実施の形態６としてのプラズマＣＶＤ装置の電極構造体の断面を示す。なお、電極構造体以外の全体的な構成については、実施の形態１と同様である。

電極保持体２及び高強度部材３に凹凸を形成して噛み合わせ部を設けていることから、シャワープレート固定ネジ１２及び電極保持体固定ネジ１３のネジ止めは、高強度部材３までで留まっている。ただし、穴のネジ加工については、電極全面のネジ固定数に対し、８０％以上の個数にて２構造体をネジ固定することが、シャワープレートの変形防止のために必要となる。換言すると、全てのシャワープレート固定ネジ１２及び電極保持体固定ネジ１３が、シャワープレート１や電極保持体２にネジ止めされる必要はなく、全体の概ね８０％以上がネジ止めされていれば、シャワープレート１や電極保持体２を高強度部材３に十分な強度で固定できる。また、高強度部材３のネジ穴深さは、高強度部材３の厚さの１／２〜３／４程度であることが好ましい。

図９、図１０は、凹凸部とネジ固定場所との平面的な配置状態の一例を電極保持体上面側から透過した状態で示す平面図であり、図８の破線枠内を示している。図９に示すように、ガス流路７は電極保持体凸部１４及び高強度部材凸部１５と重ならない位置に形成する。これは、穴加工精度及び凸部の強度維持のためである。電極保持体２側からのネジ固定位置については、分散して形成された長方形状の高強度部材凸部１５の間とし、高強度部材凸部１５と電極保持体固定ネジ１３とが層方向に重ならない（干渉しない）ようにする。また、シャワープレート１側からのネジ固定場所は、電極保持体凸部１４と層方向に重なる領域内とすると良い。この位置とすることで、シャワープレート１と高強度部材３とをネジ止めした際、横方向に発生した歪み（剪断力）を高強度部材の凸部１５で吸収する作用が生じ、結果としてシャワープレート１の熱変形を防止する効果が向上する。

図１０は、凹凸部を緻密に配置した場合の構成例である。ガス流路７は電極保持体凸部１４及び高強度部材凸部１５と重ならない位置に形成する。これは、穴加工精度及び凸部の強度維持のためである。電極保持体２側からのネジ固定位置は、図９に示した構成と同様に、高強度部材凸部１５の間とし、高強度部材凸部１５と電極保持体固定ネジ１３とが層方向に重ならない（干渉しない）ようにする。また、シャワープレート固定ネジ１２の配置についても、電極保持体凸部１４の間とし、電極保持体凸部１４とシャワープレート固定ネジ１２とが層方向に重ならないようにする。このような構成とすることで、プラズマ熱によるシャワープレート１の熱変形応力を分散させることが可能となる。その結果、各構成部材の長期信頼性、形状安定性の維持が保たれる。

シャワープレート１と電極保持体２の両側から高強度部材３までネジなどで固定する場合、シャワープレート１側からは電極保持体凸部１４の直下にネジ穴を形成してその部分でシャワープレート１と高強度部材３とを固定し、電極保持体２側からは高強度部材凸部１５とはずらした位置で固定する。これは、高強度部材３の凸部は細く、ネジ穴を形成すると噛み合わせ強度が低下するとともに、加工が困難なためである。別の構造としては、電極保持体２と高強度部材３との凹凸噛み合わせ領域以外の位置でネジ止めし、ネジ固定と噛み合わせとを独立して行うように、凹凸部とネジ止め位置との位置関係を定めても良い。

本実施の形態の構造においても、シャワープレート１の脱着は、シャワープレート固定ネジ１２を外すことで行えるため、多数枚成膜後のプラズマダメージを受けたシャワープレート１の交換を容易に行える。しかも、高強度部材３及び電極保持体２の各々の表面に設けられた凹凸が噛み合うことにより、横方向のズレを防止できる。

なお、上記各実施の形態は、本発明の実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることなく様々な変形が可能である。

以上のように、本発明にかかるプラズマ処理装置は、成膜時にプラズマに曝されるシャワープレートの変形を防止するのに有用であり、特に、大面積基板にプラズマ処理を施すためのシャワープレートの変形を防止するのに適している。

１ シャワープレート
２ 電極保持体
３ 高強度部材
４ 反応ガス室
５ 反応ガス導入口
６ 基板
７ ガス流路
８ 気密保持筐体
９ 構造筐体
１０ 反応室
１１ 基板ステージ
１２ シャワープレート固定ネジ
１３ 電極保持体固定ネジ
１４ 電極保持体凸部
１５ 高強度部材凸部

Claims (10)

1. 反応ガスを基板に分散供給しつつ該基板との間に電界を形成して前記反応ガスのプラズマを発生させる電極構造体を備えたプラズマ処理装置であって、
   前記電極構造体は、
   前記基板側に設置され、複数の穴を介して前記反応ガスを前記基板へ分散供給するシャワープレートと、
   前記シャワープレートを保持する電極保持体と、
   前記シャワープレートと前記電極保持体との間に介在し、前記シャワープレートよりも熱膨張係数が小さく、かつ耐熱性が高く、なおかつ引っ張り強度が高い材質で形成された高強度部材と、
   を有する３層構造であり、
   前記複数の穴が前記電極構造体を積層方向に貫通して、前記反応ガスの流路が複数形成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記複数の流路の各々の断面積が、前記電極保持体で最も小さく、前記高強度部材で次いで小さく、前記シャワープレートで最も大きいことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記高強度部材における前記流路の各々は、前記電極保持体側から前記シャワープレート側に向かって断面積が連続的に減少することを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記シャワープレートは、前記基板側から前記高強度部材に取り付けられる第１の結合部材によって、前記高強度部材に固定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第１の結合部材はボルトであり、前記高強度部材を貫通して前記電極保持体にまで到達し、該電極保持体にもネジ止め固定されることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
6. 前記電極保持体は、前記基板とは反対側から前記高強度部材に取り付けられる第２の結合部材によって、前記高強度部材に固定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか1項記載のプラズマ処理装置。
7. 前記第２の結合部材はボルトであり、前記高強度部材を貫通して前記シャワープレートにまで到達し、該第２の結合部材の先端が前記シャワープレートに形成された穴に嵌って固定されることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
8. 前記高強度部材と前記電極保持体との双方に、各々が噛み合うように凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のプラズマ処理装置。
9. 前記高強度部材及び前記電極保持体に形成された前記凹凸以外の部分を通るように前記流路が形成されており、
   前記シャワープレートは、前記電極保持体の凸部と層方向に重なる領域において前記基板側から前記高強度部材に取り付けられる第１の結合部材によって、前記高強度部材に固定され、
   前記電極保持体は、前記凹凸と層方向に重ならない領域において前記基板とは反対側から前記高強度部材に取り付けられる第２の結合部材によって、前記高強度部材に固定されることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理装置。
10. 前記高強度部材及び前記電極保持体に形成された前記凹凸以外の部分を通るように前記流路が形成されており、
    前記シャワープレートは、前記凹凸と層方向に重ならない領域において前記基板側から前記高強度部材に取り付けられる第１の結合部材によって、前記高強度部材に固定され、
    前記電極保持体は、前記凹凸と層方向に重ならない領域において前記基板とは反対側から前記高強度部材に取り付けられる第２の結合部材によって、前記高強度部材に固定されることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理装置。

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