JP2011258345A

JP2011258345A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2011258345A
Application number: JP2010130221A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kuroda; 晃弘黒田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-12-22
Also published as: WO2011155408A1

Abstract

【課題】プラズマ処理装置における電極面内のプラズマ強度の均一性を高める。
【解決手段】基板を保持することが可能な第１電極と、第１電極と対向するように配置され、第１電極と対向する面にプラズマとなるガスを供給するガス供給穴１４ａが複数開口された第２電極１４とを備え、第２電極１４の第１電極と対向する面には、ガス供給穴１４ａを取り囲むように溝１４ｃが設けられているプラズマ処理装置とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

基板に対してプラズマによる成膜、エッチング等の処理を施すために、基板を保持することが可能な第１電極と、その第１電極と対向するように配置された第２電極とを備えた平行平板型のプラズマ処理装置が知られている（特許文献１〜３参照）。

また、第２電極の第１電極に対向する面に複数の凹部と複数の凸部とを形成し、凹部又は凸部の一方にガス供給口を形成し、他方にガス排気口を形成したプラズマ処理装置の構成も開示されている（特許文献４参照）。

このようなプラズマ処理装置は、半導体装置や薄膜太陽電池の製造過程において様々な膜の形成、表面処理等に広く用いられている。

特開平１１−３３０５２０号公報特開平７−２２８９６５号公報特開平１１−１４５４９９号公報特開２００６−２３７４９０号公報

このようなプラズマ処理装置では、プラズマとなるガスが高圧となり、第１電極と第２電極との隙間（ギャップ）が狭くなると、第２電極のガス供給口付近の領域と他の領域との間でプラズマの密度が不均一となる問題がある。プラズマ密度が電極面内で不均一となると、成膜される絶縁体膜、半導体膜、金属膜等の膜質や膜厚が不均一となったり、プラズマを用いた処理も不均一となったりするおそれがある。

本発明の１つの態様は、基板を保持することが可能な第１電極と、第１電極と対向するように配置され、第１電極と対向する面にプラズマとなるガスを供給するガス供給穴が複数開口された第２電極と、を備え、第２電極の第１電極と対向する面には、ガス供給穴を取り囲むように溝が設けられている、プラズマ処理装置である。

本発明によれば、電極面内におけるプラズマの密度の分布の均一性を高めたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の下部電極の構成を示す拡大正面図である。本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の下部電極の構成を示す拡大断面図である。本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置によって発生させたプラズマ中のラジカル（ＳｉＨ₃）の密度の分布を示す図である。本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の溝の幅に対するラジカル（ＳｉＨ₃）の密度の平均値の関係を示す図である。本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置によって発生させたプラズマ中のラジカル（ＳｉＨ₃）の規格化密度の分布を示す図である。本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の溝の幅に対するガス供給穴の直上のラジカル（ＳｉＨ₃）の密度の関係を示す図である。本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置の下部電極の構成を示す拡大正面図である。本発明の実施の形態における二次元プラズマ発光分光測定装置の構造を示す図である。本発明の実施の形態における二次元プラズマ発光分光測定装置での測定例を示す図である。本発明の実施の形態における二次元プラズマ発光分光測定装置での測定例を示す図である。

図１は、本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置１００を示した概略図である。プラズマ処理装置１００は、図１に示すように、真空チャンバ１０内に、上部電極１２と下部電極１４とが互いに対向するように設置された平行型構造を有する。真空チャンバ１０は、側方に排気口１０ａを有するとともに、その排気口１０ａは、排気流量調整バルブ１６を介して真空排気設備１８に接続されている。本実施の形態では真空排気設備１８は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１８ａ及び油回転ポンプ（ＲＰ）１８ｂによって構成しているが、これに限定されるものではなく、他の排気ポンプを用いてもよい。

上部電極１２はアノード電極であり、下部電極１４はカソード電極となる。上部電極１２及び下部電極１４は、それぞれ本発明における「第１電極」及び「第２電極」に相当する。

上部電極１２及び下部電極１４の対向する面の面積は、例えば、約６００ｍｍ×約６００ｍｍとされる。基板１０２は、例えば、約４００ｍｍ×約３００ｍｍの矩形形状を有している。

上部電極１２には、下部電極１４と対向する側に成膜又はエッチングを施す基板１０２を保持するための基板保持部１２ａが形成されている。プラズマによって成膜やエッチング等の処理を行う際には、上部電極１２の基板保持部１２ａに基板１０２を固定する。

上部電極１２は、基板１０２を所定の温度に保持するための加熱冷却機構（図示しない）を備えてもよい。加熱冷却機構を設けることによって、プラズマによる基板１０２への成膜やエッチング等の処理を行う際に基板１０２を所望の温度に加熱することができる。

また、上部電極１２をＸ方向に揺動可能とする揺動機構（図示しない）を備えるものとしてもよい。揺動機構を用いて上部電極１２を揺動させることによって、プラズマによる基板１０２への成膜やエッチング等の処理を行う際にプラズマ密度のＸ方向への不均一性による影響を低減することができる。揺動方向はＸ方向に限定されるものでなく、基板１０２の面内方向のいずれの方向に揺動させるものとしてもよい。

下部電極１４には、プラズマとなるガスを上部電極１２と下部電極１４との間隙（ギャップ）に供給するためのガス供給穴１４ａが設けられる。ガス供給穴１４ａは、ガス供給管１４ｂを介してガス供給源２０に接続される。ガス供給源２０は、ガスボンベ、レギュレータ、弁、流量計等からなるガス供給のためのシステムを含んで構成される。また、下部電極１４には、高周波電源（図示しない）が接続され、真空チャンバ１０外から高周波電力が供給される。ガス供給穴１４ａからガスを所定の圧力及び流量で供給しつつ、高周波電力を下部電極１４へ供給することによって上部電極１２と下部電極１４との間隙（ギャップ）にプラズマを発生させる。

図２は、プラズマ処理装置１００の下部電極１４の上部電極１２に対向する面Ｂの拡大図である。また、図３は、図２におけるラインＡ−Ａに沿った下部電極１４の断面図である。

図２及び図３に示すように、下部電極１４の上部電極１２に対向する面Ｂには、溝１４ｃが形成される。溝１４ｃは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の深さＤ、０．３ｍｍ以上１０ｍｍ未満の幅Ｗ、及び１ｍｍ以上１０ｍｍ以下で幅Ｗより広いピッチＰで形成することが好適である。溝１４ｃは、下部電極１４の面Ｂをけがく又はエッチングして形成することができる。

また、溝１４ｃは、下部電極１４の面Ｂに設けられたガス供給穴１４ａを囲むように形成される。溝１４ｃは、下部電極１４の面Ｂ内において周期的なパターンとして形成することが好適である。特に、隣り合うガス供給穴１４ａの間に少なくとも複数の溝１４ｃが設けられる周期的なパターンとして形成することが好適である。

周期的なパターンとして、図２に示すように、溝１４ｃは、下部電極１４に設けられたガス供給穴１４ａを取り囲むように賽の目状に形成することが好適である。このような構成とすることにより、例えば、プラズマ処理装置１００を成膜に用いた場合にはより多くの成膜種を生成することが可能となり、成膜速度をより大きくすることが可能となる。

例えば、上部電極１２と下部電極１４との間隙（ギャップ）を８ｍｍに設定し、ガス供給穴１４ａの径を０．５ｍｍ、溝１４ｃの深さＤを１ｍｍ、幅Ｗを０．５ｍｍ，１．０ｍｍ，１．５ｍｍ、ピッチＰを幅Ｗの２倍とし、水素（Ｈ₂）を４００ｓｃｃｍ及びシラン（ＳｉＨ₄）を４ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ１０内の圧力を２０００Ｐａとなるように供給し、下部電極１４に周波数２７ＭＨｚの高周波電力を電力５０Ｗで導入してプラズマを発生させた場合、基板１０２（ガラス）面近傍のラジカル（ＳｉＨ₃）のＸ方向に沿った密度のプロファイルは図４に示すようになる。図４において、横軸はガス供給穴１４ａの中心からＸ方向に沿った距離を示し、縦軸はラジカル（ＳｉＨ₃）の空間的密度を示す。また、図５は、溝１４ｃのピッチＰに対するラジカル（ＳｉＨ₃）の空間的密度の平均値の関係を示す。

図４及び図５に示すように、成膜に寄与するラジカル（ＳｉＨ₃）の空間密度は、溝１４ｃの幅Ｗを１．０ｍｍとし、ピッチＰを２．０ｍｍとした場合に他の場合に比べて１．５倍〜２倍程度に増加する。すなわち、溝１４ｃの幅Ｗ及びピッチＰを適切に設定することによって、プラズマ処理装置１００におけるプラズマ中の活性種の密度を高めることができる。特に、ラジカル（ＳｉＨ₃）の空間密度を高めたい場合、溝１４ｃの幅Ｗを０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることが好適である。

図６は、ラジカル（ＳｉＨ₃）の密度を最大値で規格化したときのＸ方向に沿ったプロファイルを示す。また、図７は、溝１４ｃの幅Ｗを変更した場合におけるラジカル（ＳｉＨ₃）の最大密度に対するガス供給穴１４ａの直上の領域の密度の割合の関係を示す。一般的に、ガス供給穴１４ａの直上の領域では、他の領域に比べてラジカル（ＳｉＨ₃）の空間密度は低くなるが、図６及び図７に示すように、溝１４ｃを形成した場合には溝１４ｃを形成しない場合に比べてガス供給穴１４ａの直上付近のラジカル（ＳｉＨ₃）の密度の低下が抑制される。

なお、溝１４ｃを形成することによる空間密度の増加、空間密度の面内分布の均一化は、他の活性種であるＨラジカル、Ｓｉラジカル、ＳｉＨラジカルについても同様の傾向を示す。さらに、プラズマ処理装置１００に供給するガス種を変えた場合であっても、溝１４ｃの幅Ｗ及びピッチＰを適切に設定することによって、ラジカル等の活性種の空間密度を増加させ、空間密度の面内分布の均一性を高めることができる。

また、図８に示すように、下部電極１４の上部電極１２に対向する面Ｂに形成する溝１４ｃは同心円状に形成してもよい。このとき、溝１４ｃは、ガス供給穴１４ａを中心として同心円状に形成することが好適である。この場合、溝１４ｃは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の深さＤ、０．３ｍｍ以上１０ｍｍ未満の幅Ｗ、及び１ｍｍ以上１０ｍｍ以下で幅Ｗより広いピッチＰで形成することが好適である。また、隣り合うガス供給穴１４ａの間に少なくとも複数の溝１４ｃが設けられるように同心円状に形成することが好適である。このような、構成においても上記と同様の効果を得ることができる。

すなわち、溝１４ｃを形成することによって、プラズマ処理装置１００ではプラズマの空間密度を増加させ、空間密度の面内分布の均一性を高めることができる。これにより、プラズマを用いた成膜やエッチング等の処理において、基板１０２に対する処理の効率を高めることができ、膜質やエッチングの面内の均一性を高めることができる。

なお、プラズマの空間密度及び空間的分布は、二次元プラズマ発光分光測定装置を用いて測定することができる。二次元プラズマ発光分光測定装置２００は、図９に示すように、光学バンドパスフィルタ２１、二次元光学センサ２２及び制御部２４を含んで構成される。

光学バンドパスフィルタ２１は、測定対象となるラジカル等の活性種がプラズマ中において発光する際にその活性種が発する光に含まれる特定の波長を透過し、測定対象としない活性種が発する光に含まれる波長は透過しない透過波長帯域を有するフィルタとする。光学バンドパスフィルタ２１は、真空チャンバ１０に設けられたビューポート１０ｂを介して、上部電極１２と下部電極１４との間隙（ギャップ）に発生するプラズマからの光を透過するように配置される。光学バンドパスフィルタ２１を透過した光は二次元光学センサ２２に導入される。

例えば、プラズマ中のＨラジカルのＨα線は６５６．３ｎｍの波長を有するので、６５６．３ｎｍを透過帯域内に含む光学バンドパスフィルタ２１を用いることが好適である。また、プラズマ中のＳｉラジカルに対しては２５１．６ｎｍ、ＳｉＨラジカルに対しては４１２．７ｎｍを透過帯域内に含む光学バンドパスフィルタ２１を用いることが好適である。他の活性種の発光線を測定対象とする場合もその発光線の波長を透過帯域に含む光学バンドパスフィルタ２１を用いればよい。

二次元光学センサ２２は、電荷転送素子（ＣＣＤ）やＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子を含んで構成される。二次元光学センサ２２は、それぞれ光電変換素子を含む画素を２次元アレイ状に配列して構成される。二次元光学センサ２２は、光学バンドパスフィルタ２１から測定対象となる領域の光を受けて、各画素に入力される光の強度に応じた電気信号を生成して二次元画像データとして制御部２４へ出力する。

制御部２４は、二次元光学センサ２２から電気信号として出力される二次元画像データを受けて、画像処理や画像分析等の処理を行う。制御部２４は、二次元光学センサ２２からの信号を受けるインターフェースを備えたコンピュータにおいて、所望の画像処理や画像分析を行うプログラムを実行することによって実現される。制御部２４は、例えば、得られた画像に対するエッジ強調処理、平均化処理等の各種処理、所定の領域や所定のラインに沿った発光強度の空間的分布等の分析処理を行う。

図１０は、本実施の形態におけるプラズマ処理装置１００で発生させたプラズマを二次元プラズマ発光分光測定装置２００を用いて測定した結果を示す画像である。図１０は、真空チャンバ１０内に水素（Ｈ２）を１３３Ｐａで供給して水素プラズマを発生させ、６６０ｎｍ付近を透過波長帯域とする光学バンドパスフィルタ２１を用いてプラズマ中のＨラジカルから発せられるＨα線の発光強度を測定したものである。

図１０において、上部の黒い領域が上部電極１２及び基板１０２、下部の黒い領域が下部電極１４の画像領域である。図１０に示されるように、上部電極１２の近傍と下部電極１４の近傍とにＨラジカルの密度の高い領域が二分され、上部電極１２と下部電極１４との中間領域にはＨラジカルの密度が相対的に低い領域が形成されていることが分かる。

図１１は、図１０におけるラインａ及びｂに沿った発光強度のプロファイルを示す図である。ラインａは、溝１４ｃが形成されていない領域の発光プロファイルであり、ラインｂは、溝１４ｃが形成されている領域の発光プロファイルである。図１１より明らかなように、溝１４ｃを形成することによって、溝１４ｃ内においてＨラジカルの密度の高い領域が発生しており、プラズマ全体の密度を高める効果が得られていることがわかる。また、ラインｂに沿った下部電極１４近傍の発光強度は、ラインａに沿った下部電極１４近傍の発光強度より高く、特に溝１４ｃ内において他の領域よりもプラズマの密度が高くなっているといえる。これは、微小な凹凸を有する溝１４ｃを形成することによって電界の集中効果が高まり、溝１４ｃ近傍においてガスの分解が促進されたためと考えられる。

１０真空チャンバ、１０ａ排気口、１０ｂビューポート、１２上部電極、１２ａ基板保持部、１４下部電極、１４ａガス供給穴、１４ｂガス供給管、１４ｃ溝、１６排気流量調整バルブ、１８真空排気設備、２０ガス供給源、２１光学バンドパスフィルタ、２２二次元光学センサ、２４制御部、１００プラズマ処理装置、１０２基板、２００二次元プラズマ発光分光測定装置。

Claims

基板を保持することが可能な第１電極と、
前記第１電極と対向するように配置され、前記第１電極と対向する面にプラズマとなるガスを供給するガス供給穴が複数開口された第２電極と、を備え、
前記第２電極の前記第１電極と対向する面には、前記ガス供給穴を取り囲むように溝が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記溝は、前記第２電極の前記第１電極と対向する面に周期的なパターンで設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記溝は、互いに隣り合う前記ガス供給穴の間に少なくとも複数設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置であって、
前記溝は、前記第２電極の前記第１電極と対向する面に周期的に賽の目状又は同心円状に形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。