JP2013239415A - プラズマ発生ユニット及び表面波励起プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面波励起プラズマを用いて処理される基板の表面上で均一な処理ガス流を実現できるプラズマ発生ユニット及び表面波励起プラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】処理対象の基板に対向して励起波長の１／４以下の間隔で行方向に沿って互いに離間して配置され、行方向と垂直な列方向に延伸する短冊形状の複数の誘電体を有する誘電体板と、誘電体間に配置され、基板と誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、マイクロ波電源が出力するマイクロ波を誘電体板に伝搬する導波管とを備え、誘電体板に伝搬されるマイクロ波によって処理ガスが励起される。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面波励起プラズマの生成に使用されるプラズマ発生ユニット及びこのプラズマ発生ユニットを用いた表面波励起プラズマ処理装置に関する。

表面波励起プラズマを利用した処理装置が、成膜装置やエッチング装置などに使用されている。これらの表面波励起プラズマ処理装置では、マイクロ波を誘電体板に伝搬させ、誘電体板の表面に生じた表面波によってチャンバー内の処理ガスを励起して表面波励起プラズマを生成する（例えば特許文献１参照。）。

表面波励起プラズマでは、ある一定以上の電子密度条件（カットオフ条件）になるとマイクロ波がプラズマ中を進むことができず、誘電体板の表面に沿って定在波を形成する。このため、平行平板型プラズマ処理装置などの他の方法と比べて、表面波励起プラズマ処理装置では大面積で均一なプラズマを形成しやすい。

特開２０００−３４８８９８号公報

表面波励起プラズマ処理装置では、誘電体板の周辺に配置されたガスノズルからチャンバー内に処理ガスを供給する方法が採用されてきた。このため、大面積のプラズマを形成する場合に、周辺部に比べて誘電体板の中心付近に処理ガスが到達しにくい。その結果、処理対象の基板表面上で処理ガス流が不均一になり、プリカーサー濃度分布が悪化するという問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、表面波励起プラズマを用いて処理される基板の表面上で均一な処理ガス流を実現できるプラズマ発生ユニット及び表面波励起プラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）処理対象の基板に対向して励起波長の１／４以下の間隔で行方向に沿って互いに離間して配置され、行方向と垂直な列方向に延伸する短冊形状の複数の誘電体を有する誘電体板と、（ロ）誘電体間に配置され、基板と誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、（ハ）励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、（ニ）マイクロ波電源が出力するマイクロ波を誘電体板に伝搬する導波管とを備え、誘電体板に伝搬されるマイクロ波によって処理ガスが励起されるプラズマ発生ユニットが提供される。

本発明の他の態様によれば、（イ）励起波長の１／４以下の幅で列方向に延伸する溝が処理対象の基板と対向する対向面に形成された誘電体を有する誘電体板と、（ロ）溝の内部に配置され、基板と誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、（ハ）励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、（ニ）マイクロ波電源が出力するマイクロ波を誘電体板に伝搬する導波管とを備え、誘電体板に伝搬されるマイクロ波によって処理ガスが励起されるプラズマ発生ユニットが提供される。

本発明の更に他の態様によれば、（イ）処理対象の基板が格納されるチャンバーと、（ロ）基板に対向して励起波長の１／４以下の間隔で行方向に沿って互いに離間して配置され、行方向と垂直な列方向に延伸する短冊形状の複数の誘電体を有する誘電体板と、（ハ）誘電体間に配置され、基板と誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、（ニ）励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、（ホ）マイクロ波電源が出力するマイクロ波を誘電体板に伝搬する導波管とを備え、誘電体板に伝搬されたマイクロ波によって励起された処理ガスのプラズマを用いてチャンバー内で基板を処理する表面波励起プラズマ処理装置が提供される。

本発明の更に他の態様によれば、（イ）処理対象の基板が格納されるチャンバーと、（ロ）励起波長の１／４以下の幅で列方向に延伸する溝が基板と対向する対向面に形成された誘電体を有する誘電体板と、（ハ）溝の内部に配置され、基板と誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、（ニ）励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、（ホ）マイクロ波電源が出力するマイクロ波を誘電体板に伝搬する導波管とを備え、誘電体板に伝搬されたマイクロ波によって励起された処理ガスのプラズマを用いてチャンバー内で基板を処理する表面波励起プラズマ処理装置が提供される。

本発明によれば、表面波励起プラズマを用いて処理される基板の表面上で均一な処理ガス流を実現できるプラズマ発生ユニット及び表面波励起プラズマ処理装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る表面波励起プラズマ処理装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る誘電体板の対向面の平面図である。 誘電体板の端部における電子密度分布を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る表面波励起プラズマ処理装置を用いて基板上に形成した膜の膜厚分布を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る表面波励起プラズマ処理装置の構成を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る表面波励起プラズマ処理装置１は、チャンバー２０と、チャンバー２０内に格納された処理対象の基板２００と対向して配置される誘電体板１０と、チャンバー２０内に処理ガスを導入するガス導入管１２と、マイクロ波を出力するマイクロ波電源４０と、マイクロ波電源４０が出力したマイクロ波を誘電体板１０に伝搬する導波管３０とを備える。基板２００は、図示を省略する基板ホルダーによってチャンバー２０内で支持されている。また、排気装置６０によって、チャンバー２０内は排気される。

誘電体板１０は、チャンバー２０の内側に配置され、基板２００に対向して励起波長の１／４以下の間隔で行方向に沿って互いに離間して配置され、行方向と垂直な列方向に延伸する短冊形状の誘電体１１１〜１１３を有する。ここで、「励起波長」とは、チャンバー２０内にて処理ガスのプラズマを励起するためにマイクロ波電源４０が出力するマイクロ波の波長である。基板２００に対向する誘電体１１１〜１１３の対向面１０１は、表面波励起プラズマを励起するマイクロ波が伝搬する伝搬面である。

ガス導入管１２は、誘電体間１１１〜１１３間に配置され、基板２００と誘電体１１１〜１１３との間に処理ガスを導入する。図１では、ガス導入管１２が配置される誘電体１１１〜１１３間の隙間を凹部１２０として示している。

図１に示した表面波励起プラズマ処理装置１では、誘電体板１０、ガス導入管１２、導波管３０及びマイクロ波電源４０を有するプラズマ発生ユニット５によって処理ガスが励起され、チャンバー２０内でプラズマ処理が行われる。具体的には、マイクロ波電源４０から出力されて導波管３０に導入されたマイクロ波が、スロットアンテナ５０を介して誘電体板１０に伝搬される。そして、ガス導入管１２からチャンバー２０内に導入されたマイクロ波のエネルギーによって、チャンバー２０内の処理ガスのプラズマが励起される。プラズマの電子密度が表面波発生の臨界密度を越えると、マイクロ波は表面波となってプラズマと誘電体板１０との境界面に沿って伝搬し、誘電体板１０の全域に広がる。これにより、誘電体板１０の面積に対応する領域に高密度の表面波励起プラズマが生成される。この表面波励起プラズマを利用して、基板２００に対して成膜やエッチングなどのプラズマ処理が行われる。

図１に示したスロットアンテナ５０は、導波管３０の底板を貫通して列方向に延伸する長矩形の開口部として形成されている。スロットアンテナ５０よって、マイクロ波が導波管３０から誘電体板１０に伝搬する。スロットアンテナ５０の形状やサイズは、誘電体板１０に伝搬されるマイクロ波の波長などに応じて適宜設定される。

図２に示すように、矩形の対向面１０１間の凹部１２０に、多数のガスノズル１２１が表面に形成されたガス導入管１２が配置されている。そして、処理ガスの供給源（図示略）からガス導入管１２の内部に供給された処理ガスが、ガスノズル１２１からチャンバー２０内に導入される。その結果、基板２００と対向する対向面１０１の全面に渡って処理ガスが導入される。ガス導入管１２の形状は、例えば円筒形や管形などである。

既に述べたように、誘電体板１０を構成する誘電体１１１〜１１３の間隔は、マイクロ波電源４０が出力するマイクロ波の波長である励起波長の１／４以下である。以下に示すように、マイクロ波が伝搬する面（伝搬面）にマイクロ波の波長の１／４以下の隙間があっても、伝播面でのマイクロ波の伝搬は殆ど影響を受けない。

例として、誘電体板１０Ａの表面において形成される表面波励起プラズマの電子密度分布をラングミュアプローブ法によって測定した結果を図３に示す。図３に示したグラフは、誘電体板１０Ａの中心Ｃからの距離と電子密度との関係を示す。なお、誘電体板１０Ａの中心Ｃから誘電体板１０Ａの端部までの長さは１６８．２５ｍｍである。また、誘電体板１０Ａに伝搬されたマイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚである。

図３に示すように、誘電体板１０Ａの表面では一様な電子密度が、誘電体板１０Ａの端部よりも外側で急激に低下する。しかし、誘電体板１０Ａの端部から外側に距離ｄまでの電子密度は、誘電体板１０Ａの表面と同等である。図３から、誘電体板１０Ａの端部から距離ｄの位置は誘電体板１０Ａの中心Ｃから２００ｍｍであり、したがって距離ｄは約３０ｍｍである。周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長は約１２０ｍｍであるから、誘電体板１０Ａの端部から１／４波長の距離までは、誘電体板１０Ａの表面と端部の外側とで、マイクロ波による表面波励起プラズマの電子密度が同等であることが分かる。

したがって、励起波長の１／４以下の幅の凹部１２０を挟んで複数の対向面１０１が隣接して配置された構成の誘電体板１０の表面には、電子密度が一様のプラズマが形成される。

上記のように、誘電体板１０は、基板２００に対向する面が平坦に連続する誘電体板と同等に扱うことができる。例えばマイクロ波電源４０が周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力する場合に誘電体１１１〜１１３を５ｍｍ程度の間隔で配置することにより、複数の対向面１０１は平坦に連続する１つの面として扱える。

そして、誘電体１１１〜１１３間の凹部１２０にガス導入管１２が配置される。このため、誘電体板１０の表面には、チャンバー２０内に処理ガスを吹き出す多数のガスノズル１２１が配置されていることになる。したがって、大面積のプラズマを形成する場合でも、誘電体板１０の中心付近における処理ガスの濃度と周辺部における処理ガスの濃度に差はない。その結果、図１に示した表面波励起プラズマ処理装置１では、基板２００上で処理ガス流が均一になり、均一なプリカーサー濃度分布を実現できる。

励起波長が短いほど、凹部１２０の設定可能な幅は短くなる。凹部１２０の幅は、励起波長の１／４以下であれば、ガス導入管１２を配置できる幅であればよい。

また、凹部１２０の個数は、誘電体板１０の面積などに応じて設定される。具体的には、凹部１２０間の距離が広くなって誘電体板１０上で処理ガス量が不均一にならないように、凹部１２０の個数及び間隔が決定される。また、誘電体板１０の面積は、チャンバー２０内に形成するプラズマの面積、即ち基板２００の大きさに応じて決定される。

表面波励起プラズマ処理装置１を用いて、例えばプラズマＣＶＤ法により基板２００の表面に膜が形成される。この場合、成膜用の処理ガスをガス導入管１２からチャンバー２０内に導入しながら排気装置６０によって処理ガスをチャンバー２０から排気することにより、チャンバー２０内を所定の圧力に設定する。その後、マイクロ波電源４０から出力されたマイクロ波によって、既に説明したように処理ガスがプラズマ化される。形成されたプラズマに基板２００を曝すことにより、処理ガスに含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板２００の露出した表面に形成される。

図４に、図１に示した表面波励起プラズマ処理装置１を用いて基板２００上に窒化ケイ素膜を形成した場合の、膜厚分布のグラフを示す。基板２００の成膜面は対角線の長さが１０インチである。図４の縦軸は基板２００の中心から列方向の距離であり、横軸は基板２００の中心から行方向の距離である。

なお、処理ガスは、シラン（ＳｉＨ₄)ガス、アンモニア（ＮＨ₃）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスである。また、列方向３００ｍｍ、行方向５００ｍｍである誘電体板１０に誘電体１１１〜１１３を配置した。

基板２００上に形成された窒化ケイ素膜の最大膜厚は４３１．０ｎｍ、最小膜厚は４１０．１ｎｍ、平均膜厚は４２５．１ｎｍであった。そして、膜厚ばらつきが±２．４９％以下の良好な面内分布が得られた。これに対し、本発明者らが誘電体板の周辺から処理ガスを導入する方法で形成した薄膜では、基板面内の膜厚ばらつきは±１０％程度であった。このように、図１に示した誘電体板１０を用いることにより、膜厚分布が改善されることが確認された。

表面波励起プラズマ処理装置１をプラズマＣＶＤ装置として使用した場合、大面積非晶質シリコン膜、ゲート絶縁膜、有機ＥＬ封止膜などの成膜処理を実行できる。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る表面波励起プラズマ処理装置１では、誘電体板１０の基板２００に対向する面に、励起するプラズマの電子密度分布が一定であるように設定された間隔で複数の誘電体１１１〜１１３を配置する。具体的には、誘電体１１１〜１１３の間隔を励起波長の１／４以下にする。そして、誘電体１１１〜１１３の隙間から処理ガスをチャンバー２０内に導入することにより、誘電体板１０の中心付近と周辺部とで均等の濃度で処理ガスが導入される。したがって、処理対象の基板２００の表面上全体に渡って処理ガス流が均一である。その結果、基板２００の表面上で均一なプリカーサー濃度分布を実現できる。

（第２の実施形態）
図１に示した表面波励起プラズマ処理装置１では、誘電体板１０が短冊形状の複数の誘電体１１１〜１１３を有する例を示した。本発明の第２の実施形態に係る表面波励起プラズマ処理装置１は、図５に示すように、誘電体板１０が、ストライプ状の複数の溝１２５が形成された表面を有する１つの誘電体を有する。溝１２５は列方向に延伸し、行方向に沿って互いに離間して配列されている。誘電体板１０の表面に形成された溝１２５の幅は、励起波長の１／４以下である。図５では溝１２５の数が２本である例を示したが、溝１２５の数が３本以上、或いは１本であってもよい。

図５に示したプラズマ発生ユニット５において、溝１２５の幅が励起波長の１／４以下であり、且つ、溝１２５の中にガス導入管１２が配置される。これにより、誘電体板１０の全面に渡って多数のガスノズル１２１が配置される。このため、図５に示した表面波励起プラズマ処理装置１によれば、処理対象の基板２００の表面上全体に渡って処理ガス流は均一であり、基板２００の表面上で均一なプリカーサー濃度分布を実現できる。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

上記では、表面波励起プラズマ処理装置１が成膜装置である例を説明したが、誘電体板１０を使用して表面波励起プラズマによるエッチング装置を構成してもよい。その場合、ガス導入管１２からエッチング用の処理ガスがチャンバー２０内に導入されて、大面積の基板２００の表面を均一にエッチングできる。また、大面積を均一に処理するオゾンクリーニング装置などに、誘電体板１０を使用した表面波励起プラズマによる表面処理装置を適用可能である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことはもちろんである。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…表面波励起プラズマ処理装置
５…プラズマ発生ユニット
１０…誘電体板
１２…ガス導入管
２０…チャンバー
３０…導波管
４０…マイクロ波電源
５０…スロットアンテナ
６０…排気装置
１１１〜１１３…誘電体
１２０…凹部
１２１…ガスノズル
１２５…溝
２００…基板

Claims (6)

1. 処理対象の基板に対向して励起波長の１／４以下の間隔で行方向に沿って互いに離間して配置され、前記行方向と垂直な列方向に延伸する短冊形状の複数の誘電体を有する誘電体板と、
   前記誘電体間に配置され、前記基板と前記誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、
   前記励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、
   前記マイクロ波電源が出力する前記マイクロ波を前記誘電体板に伝搬する導波管と
   を備え、前記誘電体板に伝搬されるマイクロ波によって前記処理ガスが励起されることを特徴とするプラズマ発生ユニット。
2. 励起波長の１／４以下の幅で列方向に延伸する溝が処理対象の基板と対向する対向面に形成された誘電体を有する誘電体板と、
   前記溝の内部に配置され、前記基板と前記誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、
   前記励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、
   前記マイクロ波電源が出力する前記マイクロ波を前記誘電体板に伝搬する導波管と
   を備え、前記誘電体板に伝搬されるマイクロ波によって前記処理ガスが励起されることを特徴とするプラズマ発生ユニット。
3. 前記溝が前記列方向と垂直な行方向に沿って複数配列され、前記溝の内部それぞれに前記ガス導入管が配置されていることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生ユニット。
4. 処理対象の基板が格納されるチャンバーと、
   前記基板に対向して励起波長の１／４以下の間隔で行方向に沿って互いに離間して配置され、前記行方向と垂直な列方向に延伸する短冊形状の複数の誘電体を有する誘電体板と、
   前記誘電体間に配置され、前記基板と前記誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、
   前記励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、
   前記マイクロ波電源が出力する前記マイクロ波を前記誘電体板に伝搬する導波管と
   を備え、前記誘電体板に伝搬された前記マイクロ波によって励起された前記処理ガスのプラズマを用いて前記チャンバー内で前記基板を処理することを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
5. 処理対象の基板が格納されるチャンバーと、
   励起波長の１／４以下の幅で列方向に延伸する溝が前記基板と対向する対向面に形成された誘電体を有する誘電体板と、
   前記溝の内部に配置され、前記基板と前記誘電体との間に処理ガスを導入するガス導入管と、
   前記励起波長のマイクロ波を出力するマイクロ波電源と、
   前記マイクロ波電源が出力する前記マイクロ波を前記誘電体板に伝搬する導波管と
   を備え、前記誘電体板に伝搬された前記マイクロ波によって励起された前記処理ガスのプラズマを用いて前記チャンバー内で前記基板を処理することを特徴とする表面波励起プラズマ処理装置。
6. 前記溝が前記列方向と垂直な行方向に沿って複数配列され、前記溝の内部それぞれに前記ガス導入管が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の表面波励起プラズマ処理装置。