JP2012126929A

JP2012126929A - プラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法

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Publication number: JP2012126929A
Application number: JP2010276885A
Authority: JP
Inventors: Kazuteru Hoshijima; 一輝星島; Yoshiharu Nakajima; 義晴中島; Noriaki Kimura; 憲明木村
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】プラズマの均一性を維持するとともに、成膜速度を向上させることができるプラズマ成膜装置を提供する。
【解決手段】内部に原料ガスを供給する原料ガス供給口１１２と、前記原料ガスを排気する排気口１１４と、を備える成膜容器１１０と、前記成膜容器内に設けられ、基板Ｓを支持する基板支持部１２０と、前記成膜容器内に設けられ、前記原料ガスに曝され、複数の第１開口部１３５を備える第１電極１３０と、前記成膜容器内に設けられ、誘電体で覆われ、複数の第２開口部１４５を備える第２電極１４０と、プラズマを発生させるため、第１電極と第２電極とに高周波電力を印加する高周波電源１５０と、を備え、第２電極は第１電極に対して、前記原料ガス供給口から供給される原料ガスの下流側に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いて基板に薄膜を形成するプラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法に関する。

従来、プラズマを用いて基板上に薄膜を形成するプラズマ成膜装置として、例えば、平行平板型プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置が知られている（特許文献１）。上記プラズマＣＶＤ装置では、真空容器内の圧力を１００Ｐａ程度とし、放電電極に高周波電力を印加してプラズマを発生させることにより、基板に薄膜を形成する。

特開２００９−２３９１６０号公報

従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置では、均一なプラズマを発生させるために、真空容器内の圧力を、例えば、１００Ｐａ程度としてプラズマを発生させている。しかしながら、真空容器内の圧力が低い場合、プラズマの密度が低下し、成膜速度も低下する。一方、成膜速度を高めるために真空容器内の圧力を高めると、発生するプラズマの均一性が低下する。

本発明は、従来と比較してプラズマの均一性を維持するとともに、成膜速度を向上させることができるプラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のプラズマ成膜装置は、内部に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記原料ガスを排気する排気口と、を備える成膜容器と、前記成膜容器内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、前記成膜容器内に設けられ、前記原料ガスに曝され、複数の第１開口部を備える第１電極と、前記成膜容器内に設けられ、誘電体で覆われ、複数の第２開口部を備える第２電極と、プラズマを発生させるため、第１電極と第２電極とに高周波電力を印加する高周波電源と、を備え、第２電極は第１電極に対して、前記原料ガス供給口から供給される原料ガスの下流側に設けられることを特徴とする。

また、第１電極と第２電極との距離は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。

また、前記成膜容器の内部の圧力は、１００Ｐａ以上１０１３ｈＰａ以下であることが好ましい。

また、第１電極と第２電極とは、互いに平行に配置されることが好ましい。

また、前記基板から見て、前記基板と平行な面内における第１開口部と第２開口部との位置が同じであることが好ましい。

また、前記基板から見て、前記基板と平行な面内における第１開口部と第２開口部との位置が異なることが好ましい。

上記課題を解決するため、本発明のプラズマ成膜方法は、成膜容器の内部に配置された基板に成膜するプラズマ成膜方法であって、前記成膜容器に設けられた原料ガス供給口から原料ガスを供給する工程と、前記原料ガスに曝され、複数の第１開口部を備える第１電極と、誘電体で覆われ、複数の第２開口部を備える第２電極とに高周波電力を印加し、プラズマを発生させる工程と、前記プラズマを用いて、前記基板に成膜する工程と、前記原料ガスを排気する工程と、を有し、第２電極は第１電極に対して、前記原料ガス供給口から供給される原料ガスの下流側に設けられることを特徴とする。

また、前記プラズマを発生させる工程において、前記成膜容器内の圧力は、１００Ｐａ以上１０１３ｈＰａ以下であることが好ましい。

本発明のプラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法によれば、従来と比較してプラズマの均一性を維持するとともに、成膜速度を向上させることができる。

実施形態のプラズマ成膜装置の一例を示す概略図である。第１電極の一例を示す平面図である。第１電極と第２電極との位置関係の一例を示す断面図である。プラズマアクチュエータの原理を説明する図である。第１電極と第２電極との位置関係の他の例を示す断面図である。

以下、本発明のプラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法を適用し、基板上にＳｉＯ_２薄膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置及びプラズマＣＶＤ法について、実施形態に基づいて説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態のプラズマ成膜装置の概略構成について説明する。図１は、本実施形態のプラズマ成膜装置の一例を示す概略図である。図１に示されるように、本実施形態のプラズマ成膜装置１００は、成膜容器１１０と、基板支持部１２０と、第１電極１３０と、第２電極１４０と、高周波電源１５０と、を備える。第１電極１３０と第２電極１４０とは、互いに平行に配置され、基板支持部１２０に対向するように配置される。

成膜容器１１０は、原料ガス供給口１１２と、排気口１１４と、を備える。成膜容器１１０の外部には原料ガスが貯蔵されている原料ガス貯蔵部（不図示）が配置されている。原料ガス供給口１１２は、第１電極１３０の上方に設けられ、原料ガス貯蔵部と接続されている。原料ガス貯蔵部に貯蔵されている原料ガスは、原料ガス供給口１１２を通って、成膜容器１１０の内部に供給される。本実施形態において、原料ガスは、ＳｉＨ_４とＮ_２Ｏである。
また、成膜容器１１０の外部には、成膜容器１１０の内部の原料ガスを排気する排気装置（不図示）が配置されている。排気口１１４は、第２電極１４０の下方に設けられ、排気装置と接続されている。成膜容器１１０の内部の原料ガスは、原料ガス供給口１１２から第１電極１３０、第２電極１４０、排気口１１４を通って、成膜容器１１０の外部へ排気される。
成膜容器１１０の内部の圧力は、例えば、１００Ｐａ以上１０１３ｈＰａ以下である。基板支持部１２０は、薄膜が成膜される基板Ｓを支持する。基板Ｓの大きさは、例えば、３７０ｍｍ×４７０ｍｍである。
本実施形態では、成膜容器１１０は真空ポンプと接続されておらず、成膜容器１１０内の圧力は大気圧に近い状態に維持されている。なお、本実施形態では大気圧においてプラズマＣＶＤ法を行う例を説明するが、成膜容器１１０は減圧されてもよい。

次に、図２を参照して、第１電極１３０について説明する。図２は、本実施形態の第１電極１３０の一例を示す平面図である。図２に示されるように、本実施形態の第１電極１３０には、複数の第１開口部１３５が形成されている。
第１電極１３０は、例えば、ステンレスで構成される。また、第１電極１３０は、原料ガスに直接曝される。

次に、第２電極１４０について説明する。本実施形態の第２電極１４０の平面図は、図２を参照して説明した第１電極１３０の平面図と同一である。第２電極１４０には、複数の第２開口部１４５が形成されている。第２電極１４０は、例えば、ステンレス、銅で構成される。また、後述する図３に示されるように、第２電極１４０は、誘電体１４２で覆われている。そのため、第２電極１４０は、原料ガスに直接曝されない。誘電体１４２は、例えば、合成石英、アルミナで構成される。また、誘電体１４２の厚さは、例えば、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。これにより、後述する誘電体バリア放電を効率的に行うことができる。

なお、図２に示される例では、第１開口部１３５の形状は円形であるが、第１開口部１３５の形状は特に限定されるものではない。第１開口部１３５の形状は、例えば、四角形とすることもできる。

ここで、図３を参照して、第１電極１３０と第２電極１４０の位置関係について説明する。図３は、本実施形態の第１電極１３０と第２電極１４０との位置関係の一例を示す断面図である。図３に示されるように、本実施形態では、第１電極１３０と第２電極１４０とは、互いに平行に配置される。また、基板Ｓは、第１電極１３０、第２電極１４０と平行に、基板支持部１２０に支持される。第１電極１３０と第２電極１４０との距離は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、後述する誘電体バリア放電を効率的に行うことができる。
図３に示される例では、基板Ｓと平行な面内において、第１電極１３０の第１開口部１３５と第２電極１４０の第２開口部１４５との位置が基板Ｓから見て同じになるように位置合わせされている。

図１に戻り、第１電極１３０は第２電極１４０を基準として原料ガス供給口１１２の側に配置される。すなわち、第１電極１３０と直交する方向において、原料ガス供給口１１２から第１電極１３０までの距離が、原料ガス供給口１１２から第２電極１４０までの距離よりも短い。また、図１に示されるように、第２電極１４０は第１電極１３０を基準として基板Ｓの側に配置される。すなわち、第２電極１４０と直交する方向において、基板Ｓから第２電極１４０までの距離は、基板Ｓから第１電極１３０までの距離よりも短い。これは、第２電極１４０が第１電極１３０に対して、原料ガス供給口１１２から供給される原料ガスの下流側に設けられることを意味する。原料ガス供給口１１２、第１電極１３０、第２電極１４０、基板Ｓが上記のように配置されることの作用については、後述する。

高周波電源１５０は、第１電極１３０と第２電極１４０とに高周波電力を印加する。高周波電源１５０は、例えば、１ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの高周波を印加する。また、高周波電源１５０は、圧力や第１電極１３０と第２電極１４０との距離により、例えば、数十Ｖ〜数十ｋＶの交流電圧を印加する。本実施形態では、第２電極１４０が誘電体１４２で覆われているため、第１電極１３０と第２電極１４０との間に交流電圧を印加することにより誘電体バリア放電が生じる。誘電体バリア放電が生じると誘電体１４２に電荷がチャージされ、第１電極１３０と第２電極１４０との間の電位差が小さくなる。そのため、第１電極１３０と第２電極１４０との間で発生する放電は、アーク放電まで発展せずに止まる。このとき、第１電極１３０と第２電極１４０との間で生じるプラズマにより、成膜容器１１０に供給された原料ガスはイオン化する。
誘電体バリア放電を発生させる場合、成膜容器１１０の内部の圧力を従来のように減圧状態としなくてもプラズマを発生させることができる。そのため、成膜容器１１０の内部の圧力を、例えば、１００Ｐａ以上１０１３ｈＰａ以下など、大気圧に近い状態においても、プラズマを発生させることができる。

また、本実施形態では、高周波電源１５０が第１電極１３０と第２電極１４０とに高周波電力を印加することにより、第１電極１３０と第２電極１４０とがプラズマアクチュエータとして動作する。ここで、図４を参照して、プラズマアクチュエータの原理を説明する。
図４に示されるように、プラズマアクチュエータでは、一対の電極に交流電圧が印加される。一方の電極は、ガスに曝される。他方の電極は誘電体で覆われ、ガスに曝されない。一対の電極に交流電圧を印加すると、一対の電極間で局所的にプラズマが発生し、電極に垂直な方向（図４の上方向）をｚ方向とすると、一対の電極付近に−ｚ方向の圧力が生じる。一対の電極がプラズマアクチュエータとして動作することにより、一対の電極付近に上記の圧力が生じる。

図３に示されるように、本実施形態では、原料ガス供給口１１２から成膜容器１１０に供給された原料ガスは、第１開口部１３５を通って第１電極１３０と第２電極１４０との間に流れ込む。第１電極１３０と第２電極１４０との間に流れ込んだ原料ガスは、誘電体バリア放電によってイオン化される。また、第１電極１３０と第２電極１４０との間では、プラズマアクチュエータによって、第１電極１３０から第２電極１４０へ向かう方向の圧力が生じる。そのため、第１電極１３０と第２電極１４０との間でイオン化された原料ガスは、第２開口部１４５に向かって加速され、第２電極１４０の下部に配置された基板Ｓに向かう。

以上説明したように、本実施形態では、第１電極１３０と、誘電体１４２で覆われた第２電極１４０との間に、高周波電源１５０が交流電圧を印加することにより、誘電体バリア放電が発生する。そのため、成膜容器１１０の内部の圧力を高めた状態でプラズマが発生するため、プラズマの密度が高くなり、成膜速度も高くなる。また、第１電極１３０と第２電極１４０とがプラズマアクチュエータとして動作し、イオン化された原料ガスが基板Ｓに向かって加速されることにより、成膜速度が高くなる。
また、本実施形態では、第１電極１３０と第２電極１４０との間で誘電体バリア放電が発生するため、成膜容器１１０の内部の圧力を高めた状態においても、発生するプラズマの均一性を維持することができる。

なお、図３を参照して説明したように、上述した実施形態では、基板Ｓと平行な面内において、第１開口部１３５と第２開口部１４５との位置が基板Ｓから見て同じとなるように、第１電極１３０、第２電極１４０にそれぞれ第１開口部１３５と第２開口部１４５が形成される例について説明したが、第１開口部１３５と第２開口部１４５との位置関係はこれに限定されるものではない。

図５は、第１電極１３０と第２電極１４０との位置関係の他の例を示す断面図である。図５に示される例では、基板Ｓと平行な面内において、第１開口部１３５と第２開口部１４５との位置が基板Ｓから見て異なるように、第１電極１３０、第２電極１４０にそれぞれ第１開口部１３５、第２開口部１４５が形成される。
上述した実施形態と同様、図５に示される例においても、第１電極１３０と、誘電体１４２で覆われた第２電極１４０との間に、高周波電源１５０が交流電圧を印加することにより、誘電体バリア放電が発生する。また、第１電極１３０と第２電極１４０とがプラズマアクチュエータとして動作する。

以上、本発明のプラズマ成膜装置、及び、プラズマ成膜方法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るものではない。また、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。

Ｓ基板
１００プラズマ成膜装置
１１０成膜容器
１１２原料ガス供給口
１１４排気口
１２０基板支持部
１３０第１電極
１３５第１開口部
１４０第２電極
１４２誘電体
１４５第２開口部
１５０高周波電源

Claims

内部に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記原料ガスを排気する排気口と、を備える成膜容器と、
前記成膜容器内に設けられ、基板を支持する基板支持部と、
前記成膜容器内に設けられ、前記原料ガスに曝され、複数の第１開口部を備える第１電極と、
前記成膜容器内に設けられ、誘電体で覆われ、複数の第２開口部を備える第２電極と、
プラズマを発生させるため、第１電極と第２電極とに高周波電力を印加する高周波電源と、を備え、
第２電極は第１電極に対して、前記原料ガス供給口から供給される原料ガスの下流側に設けられることを特徴とするプラズマ成膜装置。
第１電極と第２電極との距離は、１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
前記成膜容器の内部の圧力は、１００Ｐａ以上１０１３ｈＰａ以下である、請求項１又は２に記載のプラズマ成膜装置。
第１電極と第２電極とは、互いに平行に配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ成膜装置。
前記基板から見て、前記基板と平行な面内における第１開口部と第２開口部との位置が同じである、請求項４に記載のプラズマ成膜装置。
前記基板から見て、前記基板と平行な面内における第１開口部と第２開口部との位置が異なる、請求項４に記載のプラズマ成膜装置。
成膜容器の内部に配置された基板に成膜するプラズマ成膜方法であって、
前記成膜容器に設けられた原料ガス供給口から原料ガスを供給する工程と、
前記原料ガスに曝され、複数の第１開口部を備える第１電極と、誘電体で覆われ、複数の第２開口部を備える第２電極とに高周波電力を印加し、プラズマを発生させる工程と、
前記プラズマを用いて、前記基板に成膜する工程と、
前記原料ガスを排気する工程と、を有し、
第２電極は第１電極に対して、前記原料ガス供給口から供給される原料ガスの下流側に設けられることを特徴とするプラズマ成膜方法。
前記プラズマを発生させる工程において、前記成膜容器内の圧力は、１００Ｐａ以上１０１３ｈＰａ以下である、請求項７に記載のプラズマ成膜方法。