JP2011195909A

JP2011195909A - 高周波プラズマ発生装置およびこれを用いた薄膜製造方法

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Publication number: JP2011195909A
Application number: JP2010065108A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Tawara; 志浩田原; Toru Fukazawa; 徹深沢; Mutsumi Tsuda; 睦津田; Masakazu Taki; 正和滝; Hisafumi Yoneda; 尚史米田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP5489803B2

Abstract

【課題】簡易な構成で電極間に一様な電界分布を発生させる高周波プラズマ発生装置を得る。
【解決手段】非接地電極と接地電極から成る一対の電極と、非接地電極に設けられた複数の給電点と、複数の給電点から非接地電極に高周波電力を供給するための電力供給手段とを備え、非接地電極と接地電極に挟まれたプラズマ生成領域でプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、非接地電極は方形の形状を有し、複数の給電点は非接地電極の対称面に対して互いに対称な位置となるような非接地電極の端部に設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電極に高周波を供給することで電極間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置およびこれを用いた薄膜製造方法に関するものである。

ＶＨＦ帯ないしＵＨＦ帯の高周波を用いて電極間に均一なプラズマを生成するために、電極間の電界分布を一様にする電極給電方法として、電極の給電点と反端側の端部に位相調整回路を設け、反射波の位相を調整することで、電極間の定在波の分布を制御することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、電極間に２つの定在波分布を発生させ、かつ２つの定在波を重畳させることで一様な電界分布を得ることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３５０１６６８号公報特許第４２０７１３１号公報

しかし、特許文献１に示される従来の高周波プラズマ発生装置では、電極の一方の端部から給電し、電極の給電点と反対側の端部における位相調整回路によって反射波の位相を調整するため、プラズマにおける電力の吸収が大きい場合には反射波が弱くなり、定在波の分布が得られないという問題がある。

一方、特許文献２に示される高周波プラズマ発生装置では、２つの定在波分布を発生させるために独立した２つの高周波電力供給手段を設けている。しかし、これら２つの高周波電力供給手段は、同じ周波数を用いた場合には互いに干渉するため、インピーダンス整合を得るための調整が難しいという問題がある。また、干渉を避けるためには異なる周波数で給電する必要があり、装置が複雑になるという問題がある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、簡易な構成で電極間に一様な電界分布を発生させる高周波プラズマ発生装置を得ることを目的とする。

この発明に係る高周波プラズマ発生装置は、互いに対向して設置された非接地電極と接地電極から成る少なくとも一対の電極と、前記非接地電極に設けられた複数の給電点から前記非接地電極に高周波電力を供給するための電力供給手段とを備え、前記非接地電極と前記接地電極に挟まれたプラズマ生成領域でプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、前記複数の給電点は、前記非接地電極の上下面における中心を通る線に対して互いに対称となるように、前記非接地電極の接地電極と対向しない面の端部もしくは前記非接地電極の側面に設けられており、前記電力供給手段は、前記非接地電極の複数の給電点の位相を揃える同相状態と、前記複数の給電点を二分したそれぞれの給電点での位相を反転させる逆相状態の少なくとも２つの状態を切り替えて高周波電力を供給することを特徴とする。

この発明によれば、方形の非接地電極の各対称面に対して互いに対称な位置に給電点を設けることで、各給電点の給電位相がすべて同じとなる同相状態と、半数の給電点の給電位相が１８０度異なる逆相状態とを、時間で切り替えながら高周波を供給することにより、非接地電極の一辺の長さが供給する高周波の波長の４分の１を超えるような場合においても、非接地電極と接地電極が対向する領域内に一様な高周波電界を発生させることができ、それによって均一なプラズマを発生させることができる。

この発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の構成図である。図１におけるＡ−Ａ’断面図である。図１における整合器１６の回路構成例である。幅１．１ｍ×長さ１．４ｍ程度の電極に対して、６０ＭＨｚの高周波信号を供給した場合の、電極ブロック１と基板ステージ２に挟まれたプラズマ生成領域における電界強度分布を電磁界解析により求めた結果であり、各給電点を同相で給電した場合を示す図である。幅１．１ｍ×長さ１．４ｍ程度の電極に対して、６０ＭＨｚの高周波信号を供給した場合の、電極ブロック１と基板ステージ２に挟まれたプラズマ生成領域における電界強度分布を電磁界解析により求めた結果であり、給電点１１ａ、１１ｂと１１ｃ、１１ｄが逆相となるように給電した場合を示す図である。同相状態と逆相状態の時間比が４：１となるように切り替えた場合の電界強度の平均値を示す図である。図１に示すこの発明の実施の形態１の変形例を示し、高周波給電回路１２の増幅器１５の手前に可変減衰器１８を設け、それぞれの給電点へ供給される高周波信号の振幅を制御する場合の構成図である。図１に示すこの発明の実施の形態１の変形例を示し、給電点１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを電極ブロック１の側面に設ける場合の構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の構成図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面図である。

図において、真空容器３の開口部には絶縁スペーサ４を介して非接地電極を構成する電極ブロック１が配置されると共に、真空容器３の上には電極ブロック１を覆うようにシールドボックス５が配置されている。また、真空容器３の内部には、電極ブロック１と対向するように接地電極を構成する基板ステージ２が設けられており、電極ブロック１と基板ステージ２とは一対の平行平板電極を構成している。電極ブロック１には、成膜やエッチング等の表面プロセシングを行うプロセスガスの供給口６が設けられており、図示しないプロセスガス供給源からプロセスガスが供給される。なお、供給口６はシールドボックス５からは電気的に絶縁されている。供給されたプロセスガスは電極ブロック１の下面に多数設けられたガス供給孔７から真空容器３の内部に入り、電極ブロック１と基板ステージ２との間にプロセスガスが供給されるようになっている。また、真空容器３は、排気口８から図示しない真空ポンプによって、処理室９を真空排気されるようになっており、ガスを一定流量で供給している時に、排気速度を調整することで、真空容器３内のガス圧力を所望の値に設定することができる。

基板ステージ２の上には幅１．１ｍ×長さ１．４ｍ程度の大きさの方形のガラス基板１０が保持され、ガラス基板１０と電極ブロック１の間隔が数ｍｍから１０ｍｍ程度となるように基板ステージ２の高さが調整されている。また、基板ステージ２の内部には、図示しない加熱ヒータが内蔵されており、ガラス基板１０を所望の温度にまで昇温することができる。真空容器３にプロセスガスを供給している時、電極ブロック１と基板ステージ２との間に高周波電界を一様に発生させることで、ガラス基板１０の大きさに相当する所定の領域にわたって均一なプラズマを生成し、このプラズマを用いてガラス基板１０の表面に成膜やエッチング等のプロセスを行うことができる。

電極ブロック１には、４つの給電点１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに高周波給電回路１２の給電線路（中心導体）が接続されている。なお、給電線路（中心導体）はシールドボックス５から電気的に絶縁され、高周波給電回路１２のグラウンドはシールドボックス５と接続されている。４つの給電点のうち、給電点１１ａ、１１ｂは電極ブロック１の上面において一方の長辺に沿った端部に設けられ、残りの給電点１１ｃ、１１ｄは対向するもう一方の長辺に沿った端部に設けられている。これらの給電点は、電極ブロック１の２つの対称面Ｘ−Ｘ’およびＹ−Ｙ’に対して互いに対称な位置に配置されている。

電力供給手段としての高周波給電回路１２は、周波数３０〜３００ＭＨｚのＶＨＦ帯の高周波信号を供給するための回路であり、高周波信号源としての発振器１３、可変移相器１４、増幅器１５、整合器１６、整合器１６を調整するための制御装置１７が設けられている。また、発振器１３から各給電点までの長さ（電気長）はすべて等しくなるように設定されている。

発振器１３で発生した高周波信号は給電点の数（図１の場合は４つ）に分配された後、それぞれ可変移相器１４で所定の位相に設定され、増幅器１５で所望の電力まで増幅されて給電点に供給される。このとき、整合器１６は給電点に供給された高周波信号が増幅器１５側へ反射される電力が最小となるようにインピーダンス整合を行う。整合器１６は、例えば図３に示すように、直列に接続されたコンデンサ２１ａと並列に接続されたコンデンサ２１ｂから構成されており、制御装置１７からの制御信号に従ってコンデンサ２１ａ、２１ｂの容量を変化させることで、増幅器１５側へ反射される電力が最小となるように調整することができる。

給電点に供給された高周波信号は、電極ブロック１の周囲のシールドボックス５との間から、絶縁スペーサ４を通って真空容器３の中に入り、電極ブロック１と基板ステージ２に挟まれたプラズマ発生領域に供給される。このとき、電極ブロック１の長辺方向に対して一様に高周波信号が供給されるよう、電極ブロック１の長辺方向に対する給電点の位置が調整されている。また、基板ステージ２と真空容器３との間を流れるグラウンド電流の経路が長くならないよう、基板ステージ２の端部と真空容器３の側面との間を銅箔などの金属プレート部材２２で接続することで、基板ステージ２端部での高周波信号の反射を抑え、効率よく高周波信号を供給している。なお、金属プレート部材２２は、電極ブロック１の辺に沿って離散的に設けられていてもよい。その場合には、隣り合う金属プレート部材２２間の隙間を、使用する高周波の波長の１／１０以下にする必要がある。

ここで、可変移相器１４で設定される位相をすべて同じにした同相状態の場合、電極ブロック１に対する給電点の配置の対称性から、電極ブロック１の２つの対称面Ｘ−Ｘ’およびＹ−Ｙ’は磁気壁境界となり、すべての給電点から電極ブロック１側を見た入力インピーダンスは等しくなる。これは、各給電点から入力される高周波信号がすべて等振幅・同相であり、他の給電点への干渉もすべて等しくなるためである。したがって、増幅器１５側へ反射される電力が最小となるような整合器１６の設定も、すべての給電点で等しくなる。

一方、可変移相器１４で設定される位相が給電点１１ａ、１１ｂと１１ｃ、１１ｄで１８０度異なるような逆相状態の場合、電極ブロック１に対する給電点の配置の対称性から、電極ブロック１の対称面Ｘ−Ｘ’は電気壁境界となり、対称面Ｙ−Ｙ’は磁気壁境界となるため、同相状態の場合と同様、すべての給電点から電極ブロック１側を見た入力インピーダンスは等しくなる。したがって、増幅器１５側へ反射される電力が最小となるような整合器１６の設定も、すべての給電点で等しくなる。ただし、同相状態と逆相状態での整合器１６の設定は異なるものである。

図４および図５は、幅１．１ｍ×長さ１．４ｍ程度の電極に対して、６０ＭＨｚの高周波信号を供給した場合の、電極ブロック１と基板ステージ２に挟まれたプラズマ生成領域における電界強度分布を電磁界解析により求めた結果である。Ｘ軸とＹ軸にそれぞれ電極ブロック１と基板ステージ２が対向する領域内の位置をとり、Ｚ軸にその領域内の各点における電界強度を示している。Ｘ軸は電極ブロック１の長辺方向、Ｙ軸は電極ブロック１の短辺方向である。図４は各給電点を同相で給電した場合、図５は給電点１１ａ、１１ｂと１１ｃ、１１ｄが逆相となるように給電した場合である。なお、同相、逆相のいずれの状態においても、電極ブロック１の長辺方向に対して一様な電界強度分布が得られるよう、電極ブロック１の長辺方向に対する給電点の位置が調整されている。

図４より、各給電点を同相で給電した場合には、電界強度分布は電極ブロック１の長辺方向に対してほぼ一様であり、電極ブロック１の対称面Ｘ−Ｘ’に沿って電界強度の強い部分が生じることがわかる。一方、図５より、給電点１１ａ、１１ｂと１１ｃ、１１ｄが逆相となるように給電した場合には、電極ブロック１の長辺に沿った端部に電界強度の強い部分が生じ、対称面Ｘ−Ｘ’に沿った中央部は電界強度がゼロとなることがわかる。

ここで、図４に示した同相状態と図５に示した逆相状態を時間で交互に切り替えた場合について考える。領域内の電界強度の最大値と最小値の比が、同相状態に比べて逆相状態の方が大きいことから、電界強度分布の時間平均を一様に近づけるためには、逆相状態よりも同相状態の時間を長くする方が望ましい。図６に同相状態と逆相状態の時間比が４：１となるように切り替えた場合の電界強度の平均値を示す。同相状態での電界強度分布と逆相状態での電界強度分布がちょうど互いに打ち消し合う関係となっているため、両状態を時間で切り替えることで、電界強度の平均が一様に近づくことが確認できる。図６では、所定の領域内における電界強度分布のばらつきが±５％以内に抑えられている。

以上のように、本実施の形態１によれば、方形の電極ブロック１の各対称面に対して互いに対称な位置に給電点を設け、さらに各給電点の給電位相がすべて同じとなる同相状態と、半数の給電点の給電位相が１８０度異なる逆相状態とを、時間で切り替えながら高周波を供給するので、電極ブロック１の一辺の長さが供給する高周波の波長の４分の１を超えるような場合においても、電極ブロック１と基板ステージ２が対向する領域内に一様な高周波電界を発生させることができ、それによって均一なプラズマを発生させることができる。

また、本実施の形態１では、給電点の対称性から、すべての給電点を等振幅で同相もしくは逆相で励振した場合の給電点から電極側を見た入力インピーダンスはすべて等しくなるため、整合器１６の設定もすべて同一でよく、インピーダンス整合のための整合器１６の調整が容易であるという効果もある。本実施の形態１では、すべての整合器１６が制御装置１７からの制御信号によって同じ設定となるように制御される構成となっている。少なくとも１つの給電点における増幅器１５側への反射電力をモニタしながら、その反射が小さくなるようフィードバック制御により、整合器１６を構成するコンデンサ２１ａ、２１ｂの容量値を変化させればよい。一方、同相状態および逆相状態において必要な整合器１６の条件（例えばコンデンサの容量値）が予めわかっている場合には、所望の条件をもつ２種類の整合器１６を設け、同相状態と逆相状態に合わせて切り替える構成としてもよい。

さらに、本実施の形態１では、すべての給電点に供給する高周波の周波数は同一であるため、高周波給電回路の構成が簡単であるという効果もある。

なお、本実施の形態１では、逆相状態よりも同相状態の時間を長くすることで領域内の電界強度分布の時間平均を一様にしたが、同相状態の振幅を逆相状態の振幅よりも大きくすることでも電界強度分布の時間平均を一様に近づけることが可能である。この場合には、図７に示すように、高周波給電回路１２において増幅器１５の手前に可変減衰器１８を設け、それぞれの給電点へ供給される高周波信号の振幅を制御してやればよい。

本実施の形態１では、電極ブロックのそれぞれの長辺に２ヶ所づつ給電点を配置したが、短辺において対称な位置に２ヶ所ずつ給電点を配置しても同様の効果を有する。また、給電点を電極ブロックの端部に配置したが、高周波の波長のおよそ１／５０程度、端部から中央寄りの位置に給電しても電界の均一性はほとんど変化がなく、端部に限定するものではない。

また、本実施の形態１では、給電点１１ａ，１１ｂと１１ｃ，１１ｄを電極ブロック１の上面における端部に設けたが、図８に示すように電極ブロック１の側面に設けてもよい。

実施の形態２．
本実施の形態では、図１に示す装置を用いてシランガス（ＳｉＨ_４）と水素ガス（Ｈ_２）との混合プラズマを発生させ、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた例について説明する。

真空排気した真空容器３内の基板ステージ２に１４００ｍｍ×１１００ｍｍのガラス基板１０（厚み：４ｍｍ）を設置し、基板温度を２００℃にまで昇温した。次に、電極ブロック１とガラス基板１０との間隔が５ｍｍになるように基板ステージ２を設定した。この状態で、供給口６にＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスをそれぞれ１ｓｌｍと５０ｓｌｍの流量で供給し、真空容器３内のガス圧力が１０００Ｐａとなるよう、排気速度を調整した。ガス圧力が安定した後、６０ＭＨｚの高周波電力を給電してＳｉＨ_４／Ｈ_２混合プラズマを発生した。高周波電力は、長辺に沿った給電点１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの４箇所にそれぞれ５ｋＷ、計２０ｋＷ給電して２０分間成膜を行った。

この条件で成膜を行うと、膜厚２μｍ、膜厚の面内均一性±８％でシリコン薄膜が堆積され、実用的な大面積の基板サイズで均一な成膜が可能になった。また、ラマン分光法によって測定される４８０ｃｍ^−１における非晶質シリコンのピークＩ_ａに対する５２０ｃｍ^−１における結晶シリコンのピークＩ_ｃの強度比Ｉ_ｃ／Ｉ_ａの平均値は７．４、面内均一性は±１０％であり、良好な微結晶シリコン薄膜を均一に得ることができた。

本実施の形態では、ガス流量、圧力、高周波電力、等のパラメータを固定しているが、これらの値に限ることはない。また、プロセスガスとしてＳｉＨ_４とＨ_２の混合ガスの場合について説明したが、プロセスの目的に応じて適切なガス種を選ぶとよい。さらに、プロセスガスにＡｒ、Ｎｅ等の希ガスを添加させてもよい。

１電極ブロック、２基板ステージ、３真空容器、４絶縁スペーサ、５シールドボックス、６供給口、７ガス供給孔、８排気口、９処理室、１０ガラス基板、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ給電点、１２高周波給電回路、１３発振器、１４可変移相器、１５増幅器、１６整合器、１７制御装置、１８可変減衰器、２１ａ，２１ｂコンデンサ、２２金属プレート部材。

Claims

互いに対向して設置された非接地電極と接地電極から成る少なくとも一対の電極と、
前記非接地電極に設けられた複数の給電点から前記非接地電極に高周波電力を供給するための電力供給手段と
を備え、前記非接地電極と前記接地電極に挟まれたプラズマ生成領域でプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、
前記複数の給電点は、前記非接地電極の上下面における中心を通る線に対して互いに対称となるように、前記非接地電極の接地電極と対向しない面の端部もしくは前記非接地電極の側面に設けられており、
前記電力供給手段は、前記非接地電極の複数の給電点の位相を揃える同相状態と、前記複数の給電点を二分したそれぞれの給電点での位相を反転させる逆相状態の少なくとも２つの状態を切り替えて高周波電力を供給する
ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
請求項１に記載の高周波プラズマ発生装置において、
前記非接地電極は方形の形状を有し、
前記複数の給電点は、前記非接地電極の上下面における対向する２辺に平行で中心を通る線に対して互いに対称となるように、前記非接地電極の接地電極と対向しない面における対向する２辺に沿った端部もしくは前記非接地電極の対向する側面に設けられていることを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
請求項２に記載の高周波プラズマ発生装置において、
前記給電点は、前記非接地電極の接地電極と対向しない面における長辺に沿った端部に設けられている
ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
請求項１から３までのいずれか１項に記載の高周波プラズマ発生装置において、
前記電力供給手段は、高周波信号を発生する高周波信号源、各給電点に応じて分配される高周波信号を前記高周波信号源側へ反射される電力が最小となるようにインピーダンス整合を行う複数の整合器、および前記複数の整合器を制御する制御装置を有し、前記制御装置によって前記複数の整合器を同じ状態に調整する
ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
請求項１から４までのいずれか１項に記載の高周波プラズマ発生装置において、
前記電力供給手段は、それぞれの給電点に供給する高周波信号の振幅を制御する可変減衰器を有する
ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
請求項１から５までのいずれか１項に記載の高周波プラズマ発生装置において、
前記電力供給手段は、前記同相状態と前記逆相状態の振幅もしくは時間の少なくとも一方が両状態で異なるように電力を供給する
ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
請求項１から６までのいずれか１項に記載の高周波プラズマ発生装置において、
前記電力供給手段は、前記同相状態と前記逆相状態の振幅が等しく、前記逆相状態の時間よりも前記同相状態の時間の方が長くなるように電力を供給する
ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
請求項１から７までのいずれか１項に記載の高周波プラズマ装置において、
前記非接地電極と前記接地電極は、真空容器内に設けられ、
前記非接地電極には、プロセスガスを供給するための供給口が設けられ、
前記真空容器には、プロセスガスを排気するための排気口が設けられた
ことを特徴とする高周波プラズマ装置。
請求項８に記載の高周波プラズマ装置を用いて、前記接地電極上に載置した基板上に成膜を行う薄膜製造方法であって、
前記接地電極上に載置した前記基板と前記非接地電極の間隔を所定の値に調整し、前記基板の温度を所定温度に昇温する工程と、
前記供給口にプロセスガスを供給すると共に、前記真空容器内のガス圧力が所望値となるよう、前記排気口からのプロセスガスの排気速度を調整する工程と、
前記非接地電極と前記接地電極との間に高周波電界を一様に発生させることで、均一なプラズマを生成し、前記基板の表面に成膜を行う工程と
を備えたことを特徴とする薄膜製造方法。