JP2012507834A - 平面基板をプラズマ加工する方法および装置 - Google Patents

Abstract

プラズマ装置内で基板をプラズマ加工する方法および装置であって、・加工される基板の表面と電極との間隔がｄとなるよう、基板（１１０）を電極（１１２）と対向電極（１０８）との間に配置し、・電極（１１２）と対向電極（１０８）との間で容量性結合されたプラズマ放電を、ＤＣ自己バイアスの形成により励起し、・被加工表面領域と電極との間の、擬似中性バルクプラズマ（１１４）を伴うプラズマ放電領域に、少なくとも活性化可能なガス種が存在するようにし、このガス種を加工すべきサブストレートの表面に打ち込む方法および装置において、・プラズマ放電を励起し、・該プラズマ放電では、前記間隔ｄがｓから２．５ｓの間の範囲を有するようにし、ただしｓ＝ｓｅ＋ｓｇであり、ｓｅは電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表わし、ｓｇは対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表わし、または・被加工表面領域と電極との間の擬似中性バルクプラズマが、線形の広がりｄｐを有し、ただしｄｐ＜１／３ｄ、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ＋ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓである。

Description

本発明は、独立請求項の上位概念による、基板をプラズマ加工する方法および装置に関する。

平面基板をプラズマ加工する装置は公知である。たとえば特許文献１には、電子応用または光電子応用のための平面基板に薄膜をデポジット（ＰＥＣＶＤ）するための装置が記載されている。

未公開の特許文献２には、大面積の平面基板にプラズマ被覆するためのシステムが記載されており、基板面積は１ｍ^２以上のオーダーとすることができる。プラズマは電極と対向電極との間に形成され、それらの間に処理すべき基板が挿入される。システムは電極間の相対的間隔を変化させる装置を有しており、ここでは基板を装填または取り出すときに比較的大きな第１の間隔が調整され、基板の処理を実行する際には比較的小さな第２の間隔が調整される。電極に組み込まれたガスシャワーを介して、層形成反応ガスまたは混合反応ガスが供給される。ガスシャワーは、多数の出射口を備えるガスシャワー出射プレートを有しており、このガスシャワー出射プレートによって反応ガスがプラズマ室に均一に導入される。反応ガスは、処理すべき基板とガスシャワーとの間で、比較的高い電子密度を有するプラズマ放電の擬似中性バンクプラズマに活性ガス種として存在し、この活性ガス種に被処理基板が曝される。基板被覆の速度と品質は、多数のプロセスパラメータに依存し、たとえば圧力、流速、反応ガスの組成、プラズマ励起の電力密度と周波数、ならびに基板温度に依存する。

高い被覆速度と高い層品質を同時に達成するために、とりわけ大面積の基板でプロセスパラメータを変化させると、以下に短く述べる若干の問題が発生する。

まず、基板が所望のように被覆される他に、システムの別のコンポーネントが望ましくないことに被覆される。とりわけガスシャワーの一部が、擬似中性バルクプラズマからの活性ガス種の被曝により被覆される。このことは、高価な反応ガスの損失と、清浄ガスコストの上昇につながる。

被覆速度を高めるためには、プラズマの電力密度を高めることが一般的に必要である。しかしこのことは、基板のイオン打ち込みの上昇につながり、ひいては析出される層の品質に不利に作用する。

１３．５６ＭＨｚの高周波電圧によるプラズマ励起の場合、大きな電極面に簡単に均一に高電圧を供給することができる。しかし電力密度の上昇と共に、望ましくないことには基板のイオン打ち込みも増大する。ＶＨＦ高周波電圧（２７ＭＨｚから約１５０ＭＨｚ）によるプラズマ励起の場合、基板のイオン打ち込みは電力密度が高くても小さく、このことは非特許文献１に記載されている。しかしＶＨＦ高周波電圧を、大きな面積に均一に分散することには大きなコストが掛かる。

特許文献３から、プラズマ支援された加工方法または製造方法が公知である。ここではガス放電が非調和交流電圧により励起され、この交流電圧の周波数スペクトルは基本周波数と、この基本周波数の整数倍からなる。ここで個々の周波数スペクトルの振幅は、プラズマ支援された方法の必要性に適合されている概念「非調和」とは、調和されていない、すなわち正弦波状でないことを意味する。この公知の方法の目的は、とりわけ、薄膜のためのプラズマ支援された加工方法および製造方法を改善するために、プロセス固有のイオン分散を形成することであり、その際に、電極の相対的イオン打ち込みが影響されるようなことのないようにすることである。

プレート平行配置のプラズマ反応炉では、プラズマ励起の電力密度が一定の場合、電極の相対的イオン打ち込みは電極と対向電極の面積比によって決定され、電極または対向電極の前方のプラズマ縁部層で降下する中心電圧の比に反映する。非特許文献２に示されているように、前記電圧の絶対値の二乗は、電極面積対対向電極面積の面積比で約２である。均質に被覆すべき基板の製造の場合、電極と対向電極の面積は近似的に同じ大きさでなければならないから、幾何的に非対称にすることより、電極と対向電極に打ち込まれるイオンエネルギーを調整しようとする手段は制限される。

幾何的非対称性に依存しないで、励起周波数と電圧が所与の場合に電極または対向電極に打ち込まれるイオンのエネルギーを調整する一般的方法が前記の非特許文献２に記載されている。これによればＤＣ自己バイアスが、所定の相対的位相関係にある少なくとも二つの高調周波数成分を有するＲＦ電圧によって形成される。ここで比較的高い周波数成分の少なくとも一つは、比較的低い周波数成分の偶数次高調波である。二つの高調周波数成分間の相対的位相関係に依存して、電極と対向電極におけるイオンエネルギーの比を調整することができる。

ＥＰ３１２４４７Ｂ１ ＤＥ１０２００７０２２２５２．３ ＥＰ０６８８４６９Ｂ１ ＰＣＴ／ＥＰ／２００８／０５９１３３

Amanatides, Mataras および Rapakoulias著, Journal of Applied Physics Volume 90, Number 11, Dezember 2001 Heil, Czarnetzki. Brinkmann および Mussenbrock著, J. Phys D: Appl. Phys. 41 (2008) 165002 A.Pflug, M. Siemers. B. Szyszka. M. Geisler および R. Beckmann 著"Gas Flow and Plasma Simulation for Paralle Plate PACVD Reactors", 5 1st SVC Technical Conference, April 23. 2008 Chicago

本発明の課題は、活性ガス種による電極および基板の被曝を相対的に変化することのできる、基板のプラズマ加工を可能にすることであり、基板は電極と対向電極との間に配置され、活性ガス種が、電極と対向電極との間の擬似中性バルクプラズマ内に存在するようにする。

この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。有利な実施形態は従属請求項から明らかである。

基板をプラズマ加工するための本発明の方法およびプラズマ装置では、
・加工される基板の表面と電極との間隔がｄとなるよう、基板が電極と対向電極との間に配置され、
・電極と対向電極との間で容量性結合されたプラズマ放電を、ＤＣ自己バイアスの形成によって励起し、
・被加工表面領域と電極との間の、擬似中性のバルクプラズマを伴うプラズマ放電領域に少なくとも活性化可能なガス種が存在するようにし、このガス種を加工すべき基板の表面に打ち込む。

プラズマ放電が励起される方法は次のことを特徴とする。
・間隔ｄがｓから２．５ｓの間の範囲を有するようにし、ただしｓ＝ｓｅ＋ｓｇであり、ｓｅは電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表し、ｓｇは対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表し、または
・被加工表面領域と電極との間の擬似中性バルクプラズマが、線形の広がりｄｐを有するようにし、ただしｄｐ＜１／３ｄ、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ＋ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓである。

本発明により、プラズマ放電の特定の幾何形状を特徴付ける上記ｄ、ｓｅ、ｓｇおよびｄｐの値により、ＤＣ自己バイアスの値に依存しないで、基板の被加工表面領域に活性ガス種を打ち込む速度を調整することができる。

ここで、ＤＣ自己バイアスは二つの電極の面積比に依存する。プラズマ放電は、高周波発生器により形成される高周波電圧により、電極間の領域に供給されるプロセスガス、たとえばアルゴンおよび／または水素内で、１から４０ＭＨｚの範囲の励起周波数で、好ましくは１３．５６ＭＨｚの励起周波数で励起される。基板は対向電極の直前に配置されるが、「電極」と「対向電極」は純粋に従来のものであり、入れ替えることができる。この方法での前提は、プラズマ励起のために印加される電圧のほとんどが、電極と対向電極の前方のプラズマ縁部層領域で降下し、擬似中性バルクプラズマの領域ではわずかしか降下しないことである。対向電極前方に配置された基板では、基板表面から発して擬似中性バルクプラズマの方向へプラズマ縁部層が伸びている。

ＤＣ自己バイアスによるプラズマ放電では、電極または対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さが異なり、薄い縁部層では中心電圧がわずかしか降下しない。ｄの値がｓ＝ｓｅ＋ｓｇと同等であると、すなわちｄがｓにほぼ等しい値をとる場合、ｓｅが電極前方のプラズマ縁部層の厚さであり、ｓｇが対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さであれば、擬似中性バルクプラズマの広がりは必然的に比較的小さくなる。ここで対向電極前方のプラズマ縁部層は、被加工基板の表面まで伸長する。好ましくは、値ｄは１．１ｓから２．５ｓの範囲であり、とくに好ましくは値ｄは１．１ｓから１．２ｓ、または１．４ｓ、または１．８ｓ、または２．０ｓの範囲である。

中性バルクプラズマ内に存在する活性ガス種が電極または基板に打ち込まれる速度は、本発明の方法では、活性ガス種の濃度の最も高い領域の位置に依存し、したがい擬似中性バルクプラズマが比較的細い場合には、擬似中性バルクプラズマと電極または基板との間隔にもっぱら依存する。そして擬似中性バルクプラズマと電極または基板との間隔が狭くなるにつれ速度は上昇する。この間隔は、プラズマ縁部層の厚さｓｅまたはｓｇにより決定され、この厚さはＤＣ自己バイアスの場合、種々異なる値をとる。擬似中性バルクプラズマは電極または対向電極の近傍にあり、電極または対向電極の前方には厚さの薄い縁部層が存在する。したがって電極または基板に活性ガス種が打ち込まれる程度は、本発明により、間隔ｄおよびプラズマ縁部層の厚さｓｅとｓｇを変化することによって調整することができる。

本発明の別の側面によれば、擬似中性バルクプラズマは線形広がりｄｐ＜（２／３ｄ）、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ、ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓを有する。擬似中性バルクプラズマの線形広がりｄｐとして、電極および基板の対向面の間の断面直径に平行な擬似中性バルクプラズマの厚さが用いられる。この場合も、ＤＣ自己バイアスの値に依存して、基板が擬似中性バルクプラズマからの活性ガス種により打ち込まれる速度を調整することができる。

パラメータｄ、ｓｅ、ｓｇおよびｄｐの値は、放電電圧、励起周波数または電力密度のようなプラズマ放電のパラメータに依存して変化または調整することができる。したがってｄは１．１ｓから２．５ｓの範囲、好ましくは１．１ｓから１．２ｓ、１．４ｓ、１．６ｓ、１．８ｓまたは２．０ｓの範囲の値をとり、またはｄｐ＜（２／３ｄ）、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ、ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓが当てはまる。

好ましくは、ｓｅ、ｓｇおよびｄｐの値が一定の場合にｄが変化し、ｄの値が一定の場合にｓｅ、ｓｇおよびｄｐが変化する。

電極および対向電極または基板表面の前方にあるプラズマ縁部層の厚さ、ならびに擬似中性バルクプラズマの厚さはそれ自体公知のように求めることができる。好ましくは前記値は、光学的プラズマ診断法により、たとえばレーザー診断法によって求めることができる。前記値は理論的におよび／またはコンピュータシミュレーションによっても決定することができる。

本発明の構成では、電極と対向電極の間にある擬似中性バルクプラズマの幾何重心の位置が、間隔ｄの値またはＤＣ自己バイアスの値に依存して調整または変化され、これによって基板および電極への活性ガス種の打ち込みを、プラズマ加工が最適化されるように調整することができる。

本発明のさらなる構成では、ＤＣ自己バイアスなしのプラズマ放電の際には、幾何重心の位置が被加工表面の方向に移動され、これにより被加工表面の活性ガス種による被曝が有利に高められる。

本発明のさらなる実施形態では、プラズマ加工がプラズマ被覆を含み、このプラズマ被覆はとりわけ太陽電池および平面画像パネルの製造の際に使用される。

さらにプラズマ加工はプラズマによる表面変形を含むことができ、基板の表面構造および組成へのイオンならびに活性ガス種の打ち込み作用が利用される。さらにプラズマ加工は基板のエッチングを含むこともでき、表面エッチングに対するイオンならびに活性ガス種の打ち込み作用が利用される。

一般的に前駆ガスの励起は、熱的（ＣＶＤ）に、プラズマ励起（ＰＥＣＶＤ）により、または光励起（フォトＣＶＤ）により行うことができる。

本発明の構成では、ガス種の活性化は、擬似中性バルクプラズマ自体の中にラジカルを形成することにより行われる。バルクプラズマ内で高められた電子密度がラジカル形成を容易にするからである。この場合、擬似中性バルクプラズマは、ソース領域および活性ガス種の最高濃度の領域である。

本発明のさらなる実施形態では、ガス種として前駆ガスが使用される。この前駆ガスはプラズマ内に層を発生するラジカルを形成することができる。好ましくは前駆ガスはシラン（ＳｉＨ_４）であり、プラズマ内に電子打ち込みによって層前駆体ＳｉＨ_３を形成する。前駆ガスはＣＨ_４、ＴＥＯＳ（Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）または他のガスでも良く、ガス状に反応室に入れられる。これらの化合物は安定しており、層発生能力のある種に変換するためには励起が必要である。

さらなる実施形態では、活性ガス種として清浄ガスが使用される。この清浄ガスはプラズマ内に、ＮＦ_３のような反応性ラジカルを形成することができる。

バルクプラズマ内で活性化可能なガス種の活性化が行われる空間的領域は、とりわけシランまたは類似の層発生ガスにより被覆する場合、寄生層を回避するようにプラズマ装置を最適に設置するのに重要である。非特許文献３に示されているように、シラン／水素プラズマが平行プレート反応炉でプラズマ放電される場合、活性ガス種はプラズマによって、すなわちシランの活性化解離エネルギーによって擬似中性バルクプラズマ内に形成される。したがって本発明により、プラズマ放電の幾何形状に特徴的な値ｄ、ｓｅ、ｓｇおよびｄｐを選択することにより、被加工基板表面の被覆を電極の被覆よりも有利に高めることができる。

本発明の別の実施形態では、プロセスガスおよび／または活性化可能なガス種が、ガス用の多数の出射孔を備えるガス分散機構を含む電極により、電極と対向電極との間の領域で搬送される。このようにして被加工基板表面の被曝の均一性を高めることができるからである。

平坦な基板のための別の好ましい実施形態によれば、電極と対向電極との幾何的非対称性により、ＤＣ自己バイスが非常に簡単に達成される。

本発明の好ましい実施形態によれば、ＤＣ自己バイアスを形成するためにＲＦ電圧が使用され、このＲＦ電圧は、所定の相対的位相関係にある少なくとも二つの高調周波数成分を有し、比較的高い周波数成分の少なくとも一つは比較的低い周波数成分の偶数次高調波である。このようにして達成されたＤＣ自己バイスの形成を、以下では「電気的非対称作用」と称する。

電気的非対称作用により、擬似中性バルクプラズマ内に非対称な電子密度の分布が形成される。擬似中性バルクプラズマ内にラジカルを形成する源力は、バルクプラズマ内に電子温度が均一に分散されている場合またはエネルギー分散機能がある場合、電子密度に比例するとみなすことができる。活性ガス種による電極の被曝、すなわち電極へのラジカル打ち込みは、電子の密度勾配による拡散平衡を介して行われる。これは以下では、電極が完全に吸着性である場合について示される。電極が完全に吸着性でない場合は、周辺条件の変更により取り扱われる。

電極はｘ＝□１で正規化された長さ尺度で位置決めされる。Ｎはラジカルの密度であり、ｆ（ｘ）は電子密度に比例する源泉関数である。これにより次式が得られる。

流束はフィックの法則により、任意の位置の後流の濃度の導関数に比例する。Ｒは、両方の電極への流束の絶対量の比である。

式（１）の要素の積分により、解として次式が得られる。

例としてここでは、位置ｘ＝ｓでのデルタ形源泉関数の特殊例を論議する。ｆ（ｘ）＝□（ｘ−ｓ）。したがって、

位置ｓが−１から１の間で変化することにより、ゼロから無限大まで任意の比が調整されることが分かる。

択一的に、特徴的パラメータとしてコントラスト関数Ｋを使用することもできる。このコントラスト関数は、流束の絶対値の差と流束の絶対値の和との商によって得られる。この場合、流束は電極に対してｘ＝＋１の場合に正であり、ｘ＝−１の場合に負である。この符合変化も勘案して、次式が得られる。

したがって上で考察したデルタ関数についてはＫ＝ｓが得られる。Ｋは−１と＋１の間を変化し、負の値ｘ＝−１は流束が電極に対して優勢であり、正の値ｘ＝＋１は電極が優勢であることを表す。

電気的非対称作用により、電極および基板に打ち込まれるイオンエネルギーおよびイオン打ち込みを互いに依存せずにコントロールすることができる。

好ましくは、ＤＣ自己バイスのこの種の形成は、電極と対向電極とが幾何的に非対称である場合に使用され、とりわけ被加工面積が１ｍ^２超、たとえば１．２ｍ×１．２ｍの平面基板を加工するために設計されたプラズマ装置で使用される。

好ましくは、ＤＣ自己バイスを形成するための方法および装置は、未公開の特許文献４に記載されており、その開示内容は本特許出願の開示内容に参照として取り入れる。

本発明のさらなる実施形態によれば、ＤＣ自己バイアスが、ＲＦ電圧の二つの高調周波数成分間の相対的位相関係および／またはＲＦ電圧の二つの高調周波数成分の振幅に依存して変化し、これにより基板に打ち込まれるイオンエネルギーおよびイオン打ち込みを、プラズマ加工中にダイナミックにコントロールすることができる。

二つの高調周波数成分の相対的位相関係に依存して、電極と対向電極もしくは基板でのイオンエネルギーの比を調整するととくに好ましく、これにより、イオン流の大きな変化なしでイオンエネルギーを変更することができる。

基板、電極および対向電極が平坦な表面を有するのが好ましい。好ましくは前記表面は平面である。基板、電極および対向電極は凹表面または凸表面を有することもできる。

とくに好ましくは、１ｍ^２以上の面積の基板が前駆ガスによってプラズマ被覆される。

非結晶被覆または微細結晶被覆の製造の場合、プロセスガス圧は１００Ｐａから２０００Ｐａの間、とりわけ１３００Ｐａであり、電力密度は０．０１Ｗ／ｃｍ^３から５Ｗ／ｃｍ^３の間、とりわけ１Ｗ／ｃｍ^３であるのが好ましい。ＨＦ発生器の出力電力は５０Ｗから５０ｋＷの範囲であり、好ましくは１ｋＷである。

とりわけ非結晶被覆または微細結晶被覆の製造の場合、ｓｅの値は２ｍｍから１０ｍｍであり、ｓｇの値は１ｍｍから５ｍｍであるのが好ましい。さらにｄｐの値は１ｍｍから５ｍｍであるのが好ましい。ｄの好ましい値は５ｍｍから２０ｍｍである。

基板をプラズマ加工するための本発明の装置は、
・ＤＣ自己バイアスを有する容量的に結合されたプラズマ放電を、電極と対向電極との間の領域に励起する手段と、
・少なくとも活性化可能な定量のガス種を、擬似中性バルクプラズマを伴うプラズマ放電の領域に搬送する手段とを含み、
・電極と対向電極との間にある基板は、間隔ｄを以て基板の被加工表面領域と電極との間に配置されている。

この装置は、プラズマ放電がＤＣ自己バイスにより励起可能であるよう構成されている。

この装置は、制御のための制御装置が設けられていることを特徴とし、これによりプラズマ放電が調整され、
・間隔ｄがｓから２．５ｓの間の範囲を有するようにし、ｓｅは電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表し、ｓｇは対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表す、または
・被加工表面領域と電極との間の擬似中性バルクプラズマが、線形の広がりｄｐを有するようにし、ただしｄｐ＜１／３ｄ、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ＋ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓである。

この装置の利点は、本発明の方法の利点に対応する。

制御装置はＤＣ自己バイアスを有するプラズマ放電をＲＦ電圧によって励起するための手段を有し、このＲＦ電圧は、所定の相対的位相関係にある少なくとも二つの高調周波数成分を有し、比較的高い周波数成分の少なくとも一つは比較的低い周波数成分の偶数次高調波である。

電極および対向電極もしくは基板表面の前方にあるプラズマ縁部層の厚さ、ならびに擬似中性バルクプラズマの厚さのそれぞれの値を求めるために、それ自体公知のプラズマ診断手段が設けられており、このプラズマ診断手段は制御装置のための入力値を送出する。好ましくは、光学的プラズマ診断手段、たとえばレーザー・プラズマ診断手段が設けられている。

以下本発明を、実施例および図面に基づき詳細に説明する。これらから、請求の範囲の要約とは関係なく本発明のさらなる側面および利点が理解される。

平面基板をプラズマ加工するための本発明の装置である。 平面基板をプラズマ加工するための本発明の装置である。 電極と対向電極との間の領域における電位ならびに層形成する活性化ガス種の濃度の経過を、高調波ＲＦ励起電圧と混合周波数の励起電圧について示す線図である。

図１は、好ましくは平坦で矩形の基板３を加工するためのプラズマ装置（反応炉１）の簡略図である。反応炉１はたとえば、ＰＥＣＶＤ反応炉として構成することができる。反応炉１は、ＤＣ自己バイスを有する容量的に結合されたプラズマ放電を、電極と対向電極との間の領域で励起する手段、すなわち電極５ならびに接地された対向電極を備えるプロセス室９を含み、ここで、電極５ならびに対向電極７は、１つまたは複数の平面基板３の被加工表面を加工するためにプラズマを形成するよう構成されている。電極５は、電界をプロセス室９に形成するために、詳細に図示しない高周波供給源、好ましくはＲＦ電圧源と接続することができ、制御手段ならびにプラズマ診断のための光学的手段を備える制御装置が備わっている。ただし制御装置は図示されていない。基板３は接地された対向電極７の直前に配置されているが、電極を別の接続で設けることもできる。電極５、７は好ましくは、少なくとも１ｍ^２の面積の基板を加工するように構成されており、非結晶シリコンまたは微細結晶シリコン、薄膜、太陽電池のための高効率薄膜太陽電池モジュールが製造される。

電極５、７は、プロセス室９の二つの対向する壁を形成する。プロセス室９は、装填抜取り開口部４９を有する真空室１１内にあり、装填抜取り開口部４９は閉鎖装置３５により閉鎖することができる。閉鎖装置はオプションである。真空室１１は、反応炉１のハウジング１３によって形成される。環境に対して密閉するために、パッキン１５が設けられている。

真空室１１は、任意の空間形状、たとえば円形または多角形、とりわけ矩形の断面を有することができる。プロセス室９はたとえばフラットな平行六面体として形成されている。別の実施形態では、真空室１１自体がプロセス室９である。

電極５は、真空室１１にある保持構造体３１に配置されており、この保持構造体３１は、ハウジング裏壁３３によって形成されている。このために電極５が保持構造体３１の切欠部に収容され、真空室壁から誘電体によって分離されている。ポンプチャネルが、保持構造体３１内の溝状の二つの切欠部によって形成されている。

基板３は、電極５に向いた側の、対向電極７の表側面上にホルダ３４によって収容される。

ガス状物質を取り込み、除去するためにそれ自体公知の手段が設けられており、ここでガス状物質はたとえばアルゴン（Ａｒ）および／または水素（Ｈ_２）とすることができる。とりわけ、少なくとも活性化可能な定量のガス種を、擬似中性バルクプラズマを伴うプラズマ放電の領域に搬送する手段が設けられている。好ましくはガス種として、プラズマ中に層形成するラジカルを形成する前駆ガスが使用される。好ましくは前駆ガスはシラン（ＳｉＨ_４）であり、プラズマ内に電子打ち込みによって層前駆体ＳｉＨ_３を形成する。さらなる実施形態では、活性化可能なガス種として清浄ガスが使用され、たとえばＮＦ_３である。ガス状材料の取り込みと除去は連続的にも、並行しても行うことができる。

ガス状材料を取り込むための手段として、チャネル２３を備える被覆材料源１９が設けられており、チャネルはガス分散装置に接続されている。ガス分散装置は電極５に組み込まれているが、電極の前方に別個に構成する別の実施形態も可能である。ガス分散装置は、本実施形態ではガス出射プレートを有する。このガス出射プレートは、プロセス室９に開口する多数の開口部を有し、この開口部を通してガス状材料をプロセス室９に取り込むことができる。ガス分散装置は好ましくは、基板３がガス種により均一に被曝されるよう構成されている。好ましくは多数の出射開口部がガス出口プレート２５に均等に分散されており、これによりガス状材料はプロセス室９に均等に分散されて導かれる。

ガス状材料を取り込むための手段は、図１に図示したものとは別のやり方で構成することもでき、ガス分散装置２５の同様である。

反応炉１は、電極間の間隔を調整および／または変化するための装置を含む。この装置は図１の実施形態では、移動ボルト４１として構成されており、支承プレート４３によって真空室１１内で線形運動を実施することができる。移動ボルト４１は、電極５とは反対側の対向電極７の裏面と結合されている。移動ボルト４１側の駆動部は図示されていない。

図１では、対向電極７がプラズマ加工の実施中に切欠部を覆う。好ましくは対向電極は、保持構造体に割り当てられた接触エレメント３７のための接触エレメント３８を有する。これにより対向電極は、プラズマ加工の実施中は真空室１１の電位となる。

本発明によるさらなる実施形態では、対向電極７が平面基板を収容するための装置（図１に図示せず）を有する。この装置は、少なくとも被加工表面の加工を実施している間は、基板が垂線方向に対して０°から９０°の範囲にある角度αで下を向くよう構成されている。基板をこのように配置すると、基板の被加工表面、とりわけ被覆すべき表面の汚染が回避され、または少なくとも低減される。なぜなら該当する粒子が重力で、搬送される表面から下方に分離されるからである。本発明の別の実施形態では、被加工表面を上方に向けることもできる。

プロセス室９に基板３を装填または取り出す際には、電極５と対向電極７との間に比較的大きな間隔が調整され、基板３の加工を実施する際には比較的小さな第２の間隔が調整される。

プラズマ加工では高周波電圧により、電極５と対向電極７との間の領域に、正確に言えばガス出射プレート２５と、対向電極５に保持された基板３との間にプラズマ（図１には図示せず）が励起される。さらにプラズマ加工のために付加的に、ガス出射プレート２５を介して反応ガスが均等に分散されてプラズマに取り込まれる。反応ガスは、被加工基板とガス出射プレート２５との間で、比較的高い電子密度を有するプラズマ放電の擬似中性バンクプラズマ中に活性ガス種として存在し、この活性ガス種に被加工基板の表面が曝される。

本実施形態では、電極５と対向電極７との間に幾何的非対称性が存在する。なぜなら電極の面積が異なる大きさに選択されており、幾何的なＤＣ自己バイアスが形成される。

制御装置は、以下に説明するよう非対称のプラズマ放電が調整されるように装置を制御する。

本発明によれば基板３（または基板３の表面）とガス出射プレート２５との間隔は、加工中は、ｓ＝ｓｅ＋ｓｇと同等の値である。ここでｓｅは電極前方のプラズマ縁部層の厚さ、ｓｇは対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さである。さらに前記間隔は、被加工表面領域と対向電極との間の擬似中性バルクプラズマが、線形の広がりｄｐを有するようにし、ただしｄｐ＜１／３ｄ、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ＋ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓであるように調整することができる。ここで擬似中性バルクプラズマの線形広がりｄｐとして、基板３およびガス出射プレート２５の対向面の間の断面直径に対して平行な擬似中性バルクプラズマの厚さが用いられる。

図１に示した実施形態に類似する別の実施形態では、電極５と対向電極７が幾何的に対称に構成されており、および／またはＤＣ自己バイアスが適切な非高調ＲＦ励起電圧によって形成される。これについて下に詳細に説明する。

図２は、図１に対応するプラズマ装置を簡単に示すものであり、このプラズマ装置は、真空室１００、真空室壁１０２、ガス入口１０４、ガス出口１０６、ＲＦ電圧供給部１２０と接続された電極１１２、および接地された対向電極１０８を有する。オプションとして電極１２と対向電極１１０との間の間隔は可変である。プラズマ装置を制御するために制御装置１２５が設けられている。好ましくは電極１１２にはガス分散装置が設けられているが、これは図２に詳細に図示されていない。電極１０８と１１２の間にプラズマ１１４が形成される。

本発明によれば制御装置１２５は、ＤＣ自己バイアスを有するプラズマ放電をＲＦ電圧により形成する手段を有する。ＲＦ電圧はＲＦ電圧供給システム１２０によって形成され、ＲＦ電圧は互いに所定の位相関係にある二つの高調周波数成分を有し、比較的高い周波数成分は比較的低い周波数成分の偶数次高調波である。本実施例で、基板１１０は接地された電極の直前に配置されているが、基板は電極１１２の前方に、対応するガス分散装置を適合して配置することもできる。さらに、電極と対向電極の電気接続は、図２に示したものとは異なっていても良く、たとえば別の実施形態では、前記周波数成分のそれぞれ一つが電極または対向電極に印加される。

図２に示すように、プラズマ１１４と、プラズマに曝される表面との間にはプラズマ縁部層１１６、１１８、１１９が形成され、それらの領域で電圧降下の大部分が発生する。一方、擬似中性バルクプラズマの領域での電圧降下はわずかである。本発明によれば、印加されるＲＦ電圧によってＤＣ自己バイアスが形成され、このＤＣ自己バイアスが電極１１２と対向電極１０８の前方のプラズマ縁部層１１８と１１９に非対称性を形成する。したがって電極のプラズマ縁部層ｓｅの厚さは、対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さｓｇとは異なる。このＤＣ自己バイアスを形成する方法および対応する装置の詳細は、前記特許文献３に記載されている。

本発明によれば、二つの周波数成分の位相関係を変化することにより、電極および対向電極での電圧降下と基板表面での電圧降下を変化することができる。この電圧降下は、電極の幾何形状が対称であっても、それぞれのプラズマ縁部層の非対称性に対応する。

本発明の構成では、基板１２０が、基板表面の領域で所望のイオンエネルギーおよび／または所望のイオン電流を入力する手段を含む。さらにプラズマの電力密度を調整する制御手段と、プラズマのイオンエネルギーおよび／またはプラズマのイオン流束を調整するために、ＲＦ電圧の高調波周波数成分の振幅および／または相対的位相関係を調整する手段と、ＲＦ電圧の高調波周波数成分の振幅および／または相対的位相関係を制御する手段が設けられている。

制御装置１２５は、それぞれ電極の前方および基板表面の前方にあるプラズマ縁部層の厚さｓｅ、ｓｇの値をそれぞれ検出するプラズマ診断手段１２６接続されている。さらに手段１２６によりオプションとして、擬似中性バルクプラズマの線形広がりｄｐも測定することができる。測定値は入力値として制御装置に供給可能である。

励起電圧が次式の場合について、
V_AC(t) = (cos (2π/t +θ) + cos (4πft))
ただしｆ＝１３．５６ＭＨｚｓ、θはＶ_ＡＣの二つの高調波成分間の位相差であるとき、特許文献３では、電極と対向電極との間の電圧降下のモンテカルロシミュレーションが行われた。そこでは、接地された対向電極ではθ＝０の場合、入力されたＲＦ電圧によって形成されたＤＣ自己バイアスのアースへの電圧降下が、基板表面においては電極におけるよりも小さいことが示された。このことは、基板表面に打ち込まれるイオンエネルギーが電極に打ち込まれるイオンエネルギーよりも小さいことに相当する。二つの高調周波数成分間の位相差がθ＝π／２であるとき、この関係は反転する。この場合では、基板表面における電圧降下が電極における電圧降下よりも大きく、したがって基板表面に打ち込まれるイオンエネルギーは、電極に打ち込まれるイオンエネルギーよりも大きい。

これに対して源泉関数が対称であれば、すなわちｆ（−ｘ）＝ｆ（ｘ）であれば、符号を除いて両方の整数について常に同じ値が生じ、流束の比は正確に１である。

図３には、ＤＣ自己バイアスなし（図３Ａ）とＤＣ自己バイアスあり（図３Ｂ）の場合でのシランによるプラズマ被覆の例で、電位Ｕ（それぞれ下方の曲線、左縦軸）、ならびに活性ガス種［ＳｉＨ_３］の濃度に相当する電子密度ｎｅ（それぞれ上方の曲線、右縦軸）がプロットされている。ｘ軸の値は電極と対向電極との間の位置に対応し、値ｘ＝０は基板の表面に、ｘ＝ｄは電極の表面に対応する。さらに図３Ａと３Ｂには、それぞれｘ＝０とｘ＝ｄのときの被覆速度ＢＳおよびＢＥ、あるいは時間インターバル内で達成された基板表面（左）と電極表面（右）での層厚が示されている。

被覆ガス、好ましくはシランは、電極に組み込まれたガス分散装置を介して均一に、電極と対向電極の間の領域にもたらされる。間隔ｄは、その値がｓ＝ｓｅ＋ｓｇと同等であるよう小さく選択される。

図３Ａで、ＤＣ自己バイアスがない場合のプラズマ放電については、擬似中性バルクプラズマが、電極と基板表面の間の領域に実質的に対称に配置されていることが分かる。擬似中性バルクプラズマのこの位置は、活性ガス種［ＳｉＨ_３］の濃度が最も高い領域（上方の曲線の下向き矢印に対応する）が、電極および基板表面から同じ間隔を有することに相当する。したがって電極と基板表面は、実質的に同じ速度で活性ガス種により被曝され、その結果、電極と基板表面の被覆は同じ程度である。

図３Ｂには比較として、擬似中性バルクプラズマの領域で基板表面の方向に変位された例が示されている。対応して、基板表面での電圧降下は小さく、電極での電圧降下が大きい。活性ガス種［ＳｉＨ_３］の最高濃度の領域も同様に基板表面に変位されており、したがって電極表面から比較的大きな間隔を有する。対応して、基板表面は、電極の被覆速度ＢＥよりも高い被覆速度ＢＳを有する。

１ プラズマ装置、反応炉
３ 基板
５ 第１の電極
７ 第２の電極、対向電極
９ プロセス室
１１ 真空室
１３ ケーシング
１５ パッキン
１８ 真空管路
１９ 被覆材料源
２１ 表面
２３ チャネル
２５ ガス出射プレート
２７ 閉鎖装置
２９ ポンプチャネル
３１ 分離壁
３３ ハウジング裏壁
３４ ホルダ
３５ 閉鎖装置
３７ 接触個所
３８ 接触個所
３９ 二重矢印
４１ 移動ボルト
４３ 支承プレート
４５ ハウジング壁
４７ 二重矢印
４９ 開口部
１００ プラズマ装置
１０２ 室壁
１０４ ガス入口
１０６ ガス出口開口部
１０８ 電極
１１０ 基板
１１２ 対向電極
１１４ プラズマ
１１６ プラズマ縁部層
１１８ プラズマ縁部層
１１９ プラズマ縁部層
１２０ 電圧供給システム
１２５ 制御装置
１２６ プラズマ診断手段

Claims (18)

1. プラズマ装置内で基板をプラズマ加工する方法であって、
   ・加工される基板の表面と電極との間隔がｄとなるよう、基板を電極と対向電極との間に配置し、
   ・容量性結合されたプラズマ放電を、電極と対向電極との間にＤＣ自己バイアスの形成によって励起し、
   ・被加工表面領域と電極との間の、擬似中性バルクプラズマを伴うプラズマ放電領域に、少なくとも活性化可能なガス種が存在するようにし、このガス種を加工すべき基板の表面に打ち込む方法において、
   ・プラズマ放電を励起し、該プラズマ放電では、
   ・ｓｅが電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表し、ｓｇが対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表し、ｓ＝ｓｅ＋ｓｇであるとすると、前記間隔ｄがｓから２．５ｓの間の範囲を有するようにし、または
   ・被加工表面領域と電極との間の擬似中性バルクプラズマが、線形の広がりｄｐを有するようにし、ただしｄｐ＜１／３ｄ、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ＋ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓである方法。
2. 電極と対向電極の間の擬似中性バルクプラズマの幾何重心の相対位置を、間隔ｄおよび／またはＤＣ自己バイアスの値に依存して調整または変化する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ＤＣ自己バイアスなしのプラズマ放電では、前記幾何重心の位置を被加工表面の方向に移動する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. プラズマ加工は、プラズマ被覆、表面修正、または基板のエッチングを含む、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
5. ガス種の活性化を、好ましくは擬似中性バルクプラズマの領域におけるラジカル形成によって行う、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 活性化可能なガス種として、プラズマ中に層を形成するラジカルを形成する前駆ガスを使用する、ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法。
7. 活性化可能なガス種として、プラズマ中に反応ラジカルを形成する清浄ガスを使用する、ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも一つの活性化可能なガス種を電極により、電極と対向電極の間の領域で搬送し、
   該電極は、ガス用の多数の出射開口部を備えるガス分散装置を有している、ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法。
9. ＤＣ自己バイアスを形成するために、電極と対向電極に幾何的非対称性が設けられている、ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法。
10. ＤＣ自己バイアスを形成するために、好ましくは電極と対向電極が幾何的に対称である場合、所定の相対的位相関係にある少なくとも二つの高調波成分を備えるＲＦ電圧を使用し、
    少なくとも一つの比較的に高い周波数成分は、比較的に低い周波数成分の偶数次高調波である、ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一項に記載の方法。
11. ＤＣ自己バイアスは、少なくとも二つの周波数成分間の相対的位相関係および／またはＲＦ電圧の少なくとも二つの高調は周波数成分の振幅に依存して変化する、ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 少なくとも二つの高調周波数成分間の相対的位相関係に依存して、電極と対向電極におけるイオンエネルギーの比を調整する、ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
13. 基板をプラズマ加工する装置が、
    ・ＤＣ自己バイアスを有する容量的に結合されたプラズマ放電を、電極と対向電極との間の領域に励起する手段と、
    ・少なくとも活性化可能な定量のガス種を、擬似中性バルクプラズマを伴うプラズマ放電の領域に搬送する手段とを含み、
    ・電極と対向電極との間にある基板は、間隔ｄを以て基板の被加工表面領域と電極との間に配置されている装置において、
    ・プラズマ放電が調整されるように当該装置を制御する制御装置が設けられており、
    ・該プラズマ放電では、ｓｅが電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表し、ｓｇが対向電極前方のプラズマ縁部層の厚さを表し、ｓ＝ｓｅ＋ｓｇであるとすると、間隔ｄがｓから２．５ｓの間の範囲を有し、または
    ・被加工表面領域と電極との間の擬似中性バルクプラズマが、線形の広がりｄｐを有し、ただしｄｐ＜１／３ｄ、ｄｐ＜ｍａｘ（ｓｅ＋ｓｇ）またはｄｐ＜０．５ｓである装置。
14. 間隔ｄを調整するための装置が設けられている、ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 電極は、ガス用の多数の出射開口部を備えるガス分散装置を有しており、
    該電極により、少なくとも一つの活性化可能なガス種が当該電極と対向電極の間の領域で搬送される、ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
16. 制御装置は、ＤＣ自己バイアスを有するプラズマ放電をＲＦ電圧により形成する手段を有し、
    該ＲＦ電圧は、所定の相対的位相関係にある少なくとも二つの高調周波数成分を有し、
    比較的高い周波数成分の少なくとも一つは比較的低い周波数成分の偶数次高調波である、ことを特徴とする請求項１３から１５までのいずれか一項に記載の装置。
17. 制御装置は、
    ・所望のイオンエネルギーおよび／または被加工基板表面に印加する所望のイオン電流を入力する手段と、
    ・プラズマの電力密度を調整する制御手段と、
    ・イオンエネルギーおよび／またはプラズマのイオン流束を調整するためにＲＦ電圧の高調波周波数成分の振幅および／または相対的位相関係を調整する手段と、
    ・ＲＦ電圧の高調波周波数成分の振幅および／または相対的位相関係を制御する手段とを有する、ことを特徴とする請求項１３から１６までのいずれか一項に記載の装置。
18. 電極前方のプラズマ縁部層の厚さｓｅと基板表面前方のプラズマ縁部層の厚さｓｇの値および／または擬似中性バルクプラズマの線形広がりｄｐの値を求めるためにプラズマ診断手段が設けられており、前記値は入力値として制御装置に供給される、ことを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の装置。

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