JP2013518989A - 設置面積を減少させた一様な薄膜堆積用の平行平板型反応容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ＲＦ電極に一体化されたガス分配ユニットと、ガス流出部とを備えた容量結合式の平行平板型プラズマ促進化学気相堆積前記反応容器に関する。本発明の目的は、高い厚さの均質性及び品質を持つ層を作成可能である上記したような平行平板型反応容器を提供することにある。
【解決手段】 その目的は、ガス分配ユニットが、ガス分配ユニットによるガス分配とガス放出分布の独立した調整をもたらすように構成された多段のシャワーヘッドを備えている容量結合式の平行平板型プラズマ促進化学気相堆積反応容器によって達成される。

Description

本発明は、ＲＦ電極と一体化されたガス分配ユニットと、ガス流出部とを備えた、容量結合式の平行平板型プラズマ促進化学気相堆積反応容器に関する。

容量結合式のプラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）反応容器は通例、太陽電池の製造用半導体基板などの、基板上に薄膜を堆積するのに使われている。プラズマ作製プロセスは、基板の表面に沿って高い空間的一様性で行われることが重要である。つまり、堆積プロセスは、堆積物が基板表面上の全ての位置で一様な厚さ及び品質を有するように行われるべきである。

上記のような平行平板型反応容器の概念は、平行平板状電極の配置構成に特徴があり、それらの電極は、気密に密閉された温度制御可能なチャンバー内に配置されている。密閉されたチャンバーは専用の真空ポンプ排気（ポンピング）系に接続され、専用のガス供給源を備えている。平行平板型反応容器は、専用のポンプ排気系も一体的に備えた真空チャンバー内で使われることもある。

通例、平行平板の配置構成において発生されるプラズマに電力を供給するために、非対称のＲＦ電圧が使われている。ＲＦ電圧は、ＲＦ発生器から与えられる。一般的に、プラズマ励起に使用される周波数は、１３ＭＨｚから約８０ＭＨｚの間の範囲である。２つの平行電極のうち少なくとも一方、特にＲＦ供給電極は、平行平板型反応容器の反応空間(reaction room)にガスを供給するためのガス分配システムを有している。

平行平板型反応容器の反応空間はほとんどの場合、電極及び反応空間の壁の寸法及びそれらの各間の距離によって決まる。ＲＦ電極の側方に備えられるいわゆるポンプ排気グリッドは、ガスの排出方向において反応空間の電気的分離を行うのに使われる。ポンプ排気グリッドは、導電材からなり、ガス非浸透性である。場合によっては、２つのポンプ排気グリッドが対向配置されることもある。対向配置の構成では、反応空間に対する相互に対称的なポンプ吸引が可能である。電極の相対距離は、技術上のニーズによって決まり、通例約１０ｍｍと３０ｍｍの間の範囲である。処理すべき基板は通常、接地電極上に置かれる。

平行平板型反応容器の概念の技術的な利点は、反応空間が密閉区画されていること、及び供給ガスのうち使われるバッファガス量が少ないことである。従って、プラズマの点火から、プラズマ化学反応の平衡状態の調整まで、つまり反応室内の定常的なガス組成の調整までの時間が短い。このことは、非常に薄い層の所定の堆積を行う上で特に重要である。その結果、プラズマ堆積プロセスの過渡的な振動によって生じ最終的に存在する層勾配が著しく減少される。

平行平板型反応容器によれば、清浄度に関する所要の要求及び幾つかの処理に関する特殊な要件を容易に満たすことができる。平行平板型反応容器と内部に反応容器が置かれた真空チャンバーとの間でなされるガス空間(gas room)の分離により、大気とプロセス圧との間で、数桁の圧力差が得られる。従って、部分圧及び作製プロセスに対する大気ガスの影響を、著しく減少可能である。さらに、真空チャンバーや隣接するチャンバー内における使用済みプロセスガスの分流も妨げられる。

また、極めて有利なのは、周囲を取り囲む真空チャンバーの空間と独立に、平行平板型反応容器を別個に清浄化できることである。平行平板型反応容器の極めてコンパクトな組立構造により、真空チャンバーの性能の高い熱的分離も可能である。基板の均質な温度制御のため、一体式の壁ヒータが反応容器に配置されている。

平行平板型反応容器による表面処理の効果は、可能なプロセスパラメータ及びそれによって達成可能な均質性に要求される条件に実質上依存している。重要なプロセスパラメータは、例えば、プラズマ励起周波数、ＲＦ電力、プロセス圧、全体のガス流量、及び使用ガスの混合比である。プラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）にとって、達成可能な層堆積速度(layer deposition rate)が極めて重要なことが多い。層堆積速度は主に、使われるプラズマ励起周波数とプラズマによって消費されるＲＦ電力の影響を受ける。励起周波数が高いほど、プラズマ内の電子とイオンの密度が高くなる。同時に、電極装置に対するバーニング電圧が減少可能となり、基板の表面に入射するイオンのエネルギーがそれに伴って低下する。さらに、より高いプラズマ励起周波数では、使用ガスの解離及びフラグメント化もより強まることから、特により高い堆積速度が得られる。

プラズマ作製プロセスの空間的一様性を改善するための設計が、数多く開発されてきている。米国特許出願２００９／０１５９４２３Ａ１などの幾つかの設計は、プラズマ密度が非対称であると、基板に対して行われるプラズマプロセスにおいてもそれに対応した非対称性を生じ望ましくないため、一様なプラズマ密度の形成に力を注いでいる。また、いわゆるシャワーヘッド電極によって得られる一様なガス分配を、プラズマチャンバー内に与える必要がある。シャワーヘッドは１つ以上のガス分配プレートつまりディフューザからなり、それに設けられた複数の孔がシャワーヘッド内に多数のガス流出通路を形成する。シャワーヘッドは、ＲＦ電極とガス分配両方の機能を１つのユニットにまとめたものである。

シャワーヘッド電極のプレートに形成された孔のため、孔を通過するガス流の速度及び孔の断面積に応じ、ガス分配プレートの孔分布の「像」が、シャワーヘッドによって基板上に堆積される層に写ることがある。すなわち、堆積層が波状の表面を持って形成され、波頭が各孔の真下に形成される。

さらに、周知の反応容器では、反応容器の周囲に対する遮蔽が不充分なため、反応容器チャンバー内への望ましくない粒子の侵入を引き起こすことがある。

従って、本発明の目的は、高い厚さの均質性及び品質を持つ層を作成可能である上記したような容量結合式の平行平板型プラズマ促進化学気相堆積反応容器を提供することにある。

上記の目的は、ＲＦ電極に一体化されたガス分配ユニットと、ガス流出部とを備えた容量結合式の平行平板型プラズマ促進化学気相堆積前記反応容器であって、ガス分配ユニットが、ガス分配ユニットによるガス分配とガス放出分布の独立した調整をもたらすように構成された多段のシャワーヘッドを備えている反応容器によって達成される。

平行平板型反応容器の堆積領域におけるガス分配は、主に、フレッシュガスのガス供給の具体的な条件、及び層の形成にもはや寄与しない使用ガスあるいは使用ガスの分解生成物のガス流出の特殊条件に依存している。前述したように、平行平板型反応容器で使われている周知のシャワーヘッドにおいては、ガス放出分布が、それぞれのガス分配ユニットによって得られるガス分配に直接依存しており、堆積された層における上述したような波状の面分布がもたらされていた。これに対して本発明は、ガス分配をガス放出分布の形成から分離し、それにより一方ではガス分配の調整、他方では一定のガス放出分布の付与を相互に独立して行うことができるシャワーヘッド構成を備えたガス分配ユニットを提案する。その結果、特に薄膜の場合における、一様な層の堆積が得られる。

本発明の概念は好ましくは、ＲＦ電極に一体化されたガス分配ユニットと、ガス流出部とを備えた容量結合式の平行平板型プラズマ促進化学気相堆積前記反応容器であって、前記ガス分配ユニットは、前記反応容器を通るガス流の方向において、少なくとも１つの穿孔された第１のガス分配プレートと、第１のガス分配プレートから離間した少なくとも１つの穿孔された第２のガス分配プレートとを備え、前記第２のガス分配プレートの孔が前記第１のガス分配プレートの孔よりも大きい断面積で構成されており、前記第１のガス分配プレートの各単一の孔または各一群の孔と前記第２のガス分配プレートとの間に、相互に分離されたガスバッファ容積部が設けられ、前記ガスバッファ容積部が前記孔とそれぞれ接続しており、前記ガスバッファ容積部が前記第２のガス分配プレートの孔よりも大きい断面積で構成されていることを特徴とする反応容器によって実施される。

均質な層堆積を調整するのに必要なガス供給の要求条件は、本発明において、堆積領域に対向して局所的に適応化されたパターン、及びシャワーヘッドを構成する異なるプレートにおけるガス孔の個々の寸法によって得られる。本発明によれば、各ガス孔を通って流れるガス量が、プラズマプロセスに必要な全体のガス流に応じて決まるようにガス孔の寸法決めがなされる。そうするために、第１及び第２のガス分配プレートそれぞれの孔間で、それに対応して相互に分離されたガスバッファ容積部によって電極内に形成されたガスバッファが用いられ、ガス流が個々の各ガス孔について充分なガス量が与えるという効果をもたらす。

本発明は、好ましいガス管理を行い、それによって基板上に堆積される層の分布を調整できる可能性を提供する。シャワーヘッドの第１のガス分配プレートは、小さい孔を有することで、ガス伝導度の低いプレートとして作用し、その孔から流出するガス流に相対的に小さいガス流の直径を与える。この第１のガス分配プレートからのガス流が基板の表面に直接衝突すると、ガス流の真下に位置する基板の領域が、他の領域によりも大きい層厚で堆積されてしまう。

本発明によれば、上記ガス流は基板の表面に直接衝突せず、第１のガス分配プレートの各孔にそれぞれ対応したガスバッファ容積部内へ流入する。ガス流は、第１プレートの各孔に続く対応したガスバッファ容積部によって与えられる空間内で広がり、ガス流の直径が拡大する。ガスバッファ容積部は第１及び第２のガス分配プレートそれぞれの孔を接続しているので、ガス流はその後シャワーヘッドの第２のガス分配プレートの孔を通過する。第２のガス分配プレートは、第１のガス分配プレートと平行で、第２のガス分配プレートに形成された相対的に大きい孔によって、第１のガス分配プレートよりも高いガス伝導度を有するのが好ましい。その結果、良好に分配されたガスが、大きい拡開角と高い一様性をもって、第２のガス分配プレートの孔を通って流れる。

第１及び第２のガス分配プレートのガス流伝導度を適切に選択することで、第２のガス分配プレートの隣接する各孔から流出する部分ガス流が相互に重なり合い、下側に位置する基板の表面上で極めて均質な厚さの層を形成するように、第２のガス分配プレートの各孔から流出するガス流を調節可能である。また、ガスバッファ容積部が相互に分離しているため、第１のガス分配プレートの各孔から流出したガス流の望ましくない相互混合も発生しない。

本発明の原理は、シャワーヘッドが２つ以上のガス分配プレートを有する場合や、第１プレート及び／又は第２プレートの複数の孔が各孔群にまとめられている場合にも機能する。

本発明の反応容器は、第２プレートの孔が第１プレートの孔より大きい断面積で形成され、ガスバッファ容積部が第２プレートの孔より大きい断面積で形成される態様で実現可能である。この構成において、ガスバッファ容積部は、ドリル加工で簡単に形成可能な円筒状を有する。本発明の別の実施態様では、ガスバッファ容積部が第１プレート近くでより小さい直径を有し、第２プレート近くでより大きい直径を有するように、ガスバッファ容積部の側壁を傾斜させることもできる。いずれの場合にも、ガスバッファ容積部は、ガスバッファ容積部内でガス流が風船のように膨張し、そこで良好なガスの分散を生じるのに充分な大きさと長さを有するため、ガスは第２プレートの大きい孔を通り高い均質性でほぼ直線的に基板へ向けて導くことができる。

第２のガス分配プレートにおける孔の直径と第１のガス分配プレートにおける孔の直径との関係は、反応容器の各種の要求条件及び堆積層の諸パラメータに対して容易に適応可能である。

本発明の別の実施形態によれば、第１のガス分配プレートは、それによってガス制止効果(gas blocking
effect)を得るのに必要なガス圧の低下を発生できるようなガス流伝導度を有している。そのために、第１のガス分配プレートにおける各ガス孔のガス流伝導度と全ての孔の合計ガス流伝導度が、ガス分配ユニットで適切なガス圧の低下を生じるように調整される。そのガス圧の低下は、真空技術において周知のガス制止効果が各孔で得られるように調整されるべきである。

ガス制止効果は、真空ボックスの換気時に観察可能な制止流としても知られている。ガス抜き弁を開いている間、空気はある圧力及び高い速度で、周囲からボックス内へ流入する。その速度は最大の音速に達し、弁を通って流入する量はボックスの内部圧と無関係になる。従って、本発明でそのような効果を得るためには、第１のガス分配プレートの孔を、反応容器の動作時にそれらの孔を通って流れるガスが音速に達するような断面積で形成することが推奨される。ガス孔の寸法決めは、全ガス流の全体的な変更領域及び起こり得る全てのプロセス用のプロセス圧で、ガス制止効果が維持されるように行うのが好ましい。

本発明の好ましい実施形態においては、ガス制止効果を得るために、第１のガス分配プレートは、所定の孔配列を有する穿孔箔を備える。

上記実施形態の更なる発展形態では、穿孔箔を適切に固定するのに別の穿孔板を使うことができる。その別の穿孔板は、ガス分配及び穿孔板で選択される箔の孔による全体的なガス伝導度の調整をそれぞれ独立的に達成するため、穿孔箔用のマスクとしても使用可能である。

第１及び第２のガス分配プレートは、ガス分配孔だけでなく、両プレートの孔間のガスバッファ容積部も、第１及び／又は第２のガス分配プレートの特別な構成によって形成できるように、２枚以上の重ね合わせられる個々の板から形成可能である。

さらに、第２のガス分配プレートの孔は、ガスの流出側及び／又はガスの流入側に皿穴を備えることができる。この皿穴は、ガス分配ユニットのガス放出分布を適切に調整するのに使える。

本発明の別の例によれば、第２のガス分配プレートの孔密度は、第２のガス分配プレートの中央領域においてよりも、ＲＦ電極の側方に設けられたポンプ排気グリッドにそれぞれ近い領域のエッジにおける方が高い。そうすることで、ガス流はプレートのエッジにおいて、より直接行き渡り且つより強くなる。エッジでの流れを増すことは、ガスの摩擦により失われたエネルギーをエッジで補うのを助け、流れの調和的な移動を保持する。

また、ガス分配プレートの孔の追加の列を、反応容器のガス流出部に向かう方向に沿ったガス分配ユニットの外側エッジに設けることも有用である。

個々のガス孔の最適な寸法決め及び配列により、各ガス孔におけるガス流の速度は、全体のガス流量に応じて変化するようになる。この効果は同時に、ガス孔からのガス流出分布にも影響を及ぼす。ガス粒子の流速の大きさ及び電子同士の距離に応じて、基板上における局所的な層厚さの変動が、各ガス孔の領域で生じことがある。そのような場合には、その他のプロセスパラメータの制御が必要なこともある。

使用ガスを堆積領域から均質に取り出すためには、反応容器のガス流出部へ向かう方向において、反応容器のＲＦ電極の側方に設けられたポンプ排気グリッドを通る均質なガス排出を行う必要がある。通常、そのようなガス排出は、反応容器を通るガス流の方向に沿ってポンプ排気グリッドの後方に配置された複数のガス排出部、または流れの補正を可能とする各種の装置によって得られる。ガス流量が高く、電極の距離が短いと、各プロセス圧に応じポンプ排気グリッドへ向かう方向において著しい圧力低下が起こり得る。また、電極の寸法が大きく、従って電極のエッジからガス流出部まで至るガス粒子の経路が長いと、達成可能な層厚の均質性が減少することもある。上記の問題を減じるために、平行平板状配置構成の放電ギャップで両面方式のガス排出を行うことができ、電極間のギャップは、それぞれの技術的な要求条件に対して適応可能である。

本発明の特定例においては、反応容器を通るガス流の方向に延びたガスポンプ吸引流路が、ＲＦ電極のそれぞれ側方に設けられたポンプ排気グリッドと反応容器のガス流出部との間に設けられている。ガスポンプ吸引流路はポンプ排気グリッドの後方にガス強制送出ユニットを提供し、それによって、反応容器の単一または複数のガス流出口へ向かうガスの直接流が防ぐことができる。このように、ポンプ排気グリッドの背後に新規なガス流管理構造が設けられることで、平行平板型反応容器の堆積領域全体にわたって、ほぼ完全な堆積の一様性を達成可能である。

上記実施形態の変形例において、ガスポンプ吸引流路は、反応容器を通るガス流の方向で、ポンプ排気グリッドの後方に設けられた複数の平行なガスデフレクタによって形成される。ガスデフレクタは、細長く延びた直線状のガス流をガス流出口へと向かわせる。ガスデフレクタの使用は、プラズマ内におけるガス流の乱れ（摂動）を顕著に減らす一つの方法である。

さらに、収束するガスの流線がプラズマの一様性に及ぼす影響を減らす上で、ポンプ排気ゾーンは一定の長さを有するべきであることが示されてきた。本発明では、力をガス流に与え所望方向の直線流を得ることで、その一定の長さが減少される。本発明の上記の例において、上記の力は、反応容器から流出するガスの流路にガスデフレクタを設けることによって与えられる。つまり、それらのガスデフレクタは、反応容器の処理空間における反応及び層形成を乱さない。ポンプ排気ゾーンの減少は、所定の電極面積に対する反応容器の設置面積の減少をもたらす。

本発明の別の実施形態において、ガスポンプ吸引流路は、相対的に長いポンプ排気ゾーンを与えるために、反応容器の少なくとも１つの壁に内蔵可能である。この場合、反応容器の頂部からポンプ排気することが特に推奨される。かかる設計により、ポンプ排気グリッドとポンプ排気口との間のガス流路の長さを延ばせる一方、その追加のガス流路にともなう堆積面における寸法の増大を最小限に抑えられる。従って、ここに提案する新規のガス排出設計は、ポンプ排気グリッドとガス流出部との間の長い流路長さによって得られる優れた堆積の一様性を減じることなく、所定の電極面積に対する反応容器の設置面積を著しく減少可能とする。

本発明の上記実施形態の望ましい例において、ガスデフレクタは、反応容器を通るガス流の方向において、ポンプ排気グリッドの後方に設けられた複数の平行パネルからなる。これらのパネルは矩形パネルで、ガス流を望ましい流れ方向に向けるように配置される。パネル状デフレクタの使用は、ガス流を長い距離にわたって確実且つ容易に方向付けるのを可能とする。つまり、デフレクタの使用により、ポンプ排気口へ向かって収束するガスの流線に起因したプラズマ内におけるガス流の乱れを防ぐことができる。デフレクタを使用しないと、ポンプ排気口へ向かって収束するガスの流線がプラズマの一様性に及ぼす影響を減らすのに充分なだけ、ポンプ排気ゾーンを長くしなければならない。従って、デフレクタの使用は、ポンプ排気ゾーンが長くなるのを避けることで、所定の電極面積に対する反応容器の設置面積を減少可能とする。指向性の高いガス流が得られるかどうかは、パネルの長さに依存する。パネルの長さを増すことで、ガス流のより優れた指向性が得られる。

本発明の別の選択肢においては、少なくとも１つの追加グリッドが、ポンプ排気グリッドと反応容器のガス流出部との間に設けられており、追加グリッドはポンプ排気グリッドと比較し低いガス流伝導度を有する。相対的に低いガス流伝導度を有する追加グリッドは、ポンプ排気グリッドによって生じたガス流の方向を保つと共に、その精度を高めるのを可能とする。

追加グリッドは、所定のガス流量において、上述したガス制止効果を得るのに必要なガス圧の低下を発生可能であるような合計ガス流伝導度を有することが好ましい。さらに、反応容器のポンプ排気グリッドを、所定のガス流量でガス制止効果が得られるように寸法決めすることもできる。

本発明の好ましい態様において、反応容器のガス流出口は、反応容器の堆積面または頂部に設けられる。流出口を堆積面に設けるのは、デフレクタと流出口との間を非常に短い距離にして指向性の流れを得るのに最も適した方法である。流出口を頂部に設けた場合は、流出口と流入口の間で非常に長い距離が得られ、その距離の間で流れの方向が変えられる。

平行平板型反応容器による薄層の大規模堆積の場合、達成可能な堆積の均質性は主として、平行配置された電極間における堆積領域内のプラズマ及びガスの分布によって左右される。プラズマの分布は、両電極における均質な電圧及び電流の分布に強く依存する。電極の寸法及び使用されるプラズマの励起周波数に応じて、ＲＦ電源の供給位置を適切に選択すること、あるいはＲＦ電源が２箇所以上から供給される際には、それらのＲＦ電源供給装置の位置を適切に選択することにより、ほとんどの場合プラズマ形成の均質性をそれぞれの要求条件に適応可能である。電極配置のエッジ領域でのＲＦ電極に対する接地側壁の電気的影響を強めることで、ＲＦ電極と接地電極との間に均質な電場を形成でき、基板の均質な表面処理が得られる。その影響は、ＲＦ電極のエッジの幾何形状の変更によって減らせる。

上記の目的のため、本発明の実施形態におけるシャワーヘッドは、ＲＦ電極の垂直の周囲壁を形成する延長された垂直側壁を有する。このシャワーヘッドの延長された垂直側壁または楔状の側壁によって形成されるほぼ局所的なエッジの立ち上がりが、平行平板状配置構成のエッジ領域におけるＲＦ電極面と接地電極面間で、高い面対称性をもたらす。

上記とほぼ同様の本発明の変形例では、上述の垂直なエッジの立ち上がりに加えて、延長された楔状の側壁をシャワーヘッドに備えることもできる。そうすることで、エッジの立ち上がり方向に沿ったＲＦ電極の内面から傾斜した移行部を形成可能である。その結果、特にガスの輸送方向において、ガスの乱れが形成されるおそれを減少可能である。

以下、本発明の好ましい例を、図面を参照してさらに詳細に説明する。

本発明の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器の切断側面図を概略的に示す。 本発明の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器におけるガス分配ユニットの一部断面を概略的に示す。 本発明の第２の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器における別のガス分配ユニットの一部断面を概略的に示す。 本発明の第３の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器におけるさらに別のガス分配ユニットの一部断面を概略的に示す。 本発明の別の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器における別のガス分配プレートの孔分布を概略的に示す平面図である。 本発明の更なる実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器におけるポンプ排気グリッドの一領域を概略的に示す平面図である。 本発明のさらに別の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器の切断側面図を概略的に示す。 本発明の更なる実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器におけるポンプ排気グリッドの領域を概略的に示す切断側面図である。 本発明の別の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器における別のポンプ排気グリッドの領域を概略的に示す切断側面図である。

図１は、本発明の実施形態による容量結合式の平行平板型反応容器１の切断側面図を概略的に示している。ここで説明する例の平行平板型反応容器１は、プラズマ促進化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）用の大面積平行平板型反応容器である。反応容器１は、真空チャンバー６内に置かれている。

反応容器１は、ガス分配ユニット１０を備えたＲＦ電極２を有する。ガス分配ユニット１０は、いわゆるシャワーヘッドとして形成され、単一または複数のガス接続部と接続されている。ガス分配ユニット１０は、本発明において特に重要である。ガス分配ユニット１０は、反応容器１内におけるプラズマ処理の均質性に著しい影響を及ぼす。図示例において、ガス分配ユニット１０は、相互に短い距離を隔てて平行に配置された第１及び第２のガス分配プレート１２，１３からなり、詳細は図２−４を参照して後で説明する。

ＲＦ電極２は対称的な構造を有し、単一または複数の電気供給部に接続可能である。その単一または複数の電気供給部は、ガス流入部、電極の冷却または加熱用接続部、及び／又はＲＦ電極２の機械的保持部としてもフレキシブルに使用可能である。ＲＦ電極２は、図示した側面図において楔状のエッジ５２を有する。図示されていない他側の反応容器の側部において、ＲＦ電極２は垂直方向に延びたエッジを有する。いわゆる「テレグラフ（Telegraph）」非一様性を低減あるいは除去して、反応容器の各側壁に至るまで一様な堆積を保証するため、ＲＦ電極２は対称形状になっている。ＲＦ電極２の楔状エッジは、反応容器１のプラズマ内で乱れのないガス流を得るため、反応容器を通るガスのポンプ排気方向において用いられる一方、ポンプ排気方向でない側部側では、反応容器の側壁に至るまでプラズマに変化を生じないように、ＲＦ電極２の壁は垂直方向に延びたエッジであるのが好ましい。

反応容器１の底５１に基板５が置かれ、基板５の上に少なくとも１つの層が堆積される。底５１と電極２は、相互に空間Ｓを隔てて配置され、電極２の側方に設けられたポンプ排気グリッド４ａ、４ｂと共に、プラズマ空間９を区画している。電極供給部３が、ＲＦ供給部及びガス供給部として同時に使われる。電極供給部３は電気絶縁され、反応容器１及び真空チャンバー６と真空気密状態で一体化されている。

ガスバッファ７が、その内部に著しい圧力差を生じることなく、ガス分配ユニット１０の個々のガス孔からの連続的なガス供給を保証している。真空チャンバー６は、真空ポンプ排気系との接続用のポンプ排気口１１を有する。図示した別のポンプ排気口８ａ、８ｂが、使用済みのプロセスガスをプラズマ空間９から外へ排出する役割を果たす。ポンプ排気口８ａ、８ｂは、別個の真空ポンプ排気系と接続され、本発明では、図１に示すように堆積平面か、あるいは図７に示すように反応容器の頂部に設けられるべきである。真空チャンバー６内のガス圧は通常、約１０−１Ｐａから１０−４Ｐａ以下の間の範囲である。平行平板型反応容器１内のプロセス圧は、約１Ｐａから数百Ｐａの範囲である。

図１の反応容器１においても、前述したように、フレッシュガスの所定の供給及びそのガスの所定の分配が、平行平板型反応容器内におけるＰＥＣＶＤプロセスにとって非常に重要である。他方において、フレッシュガスの所要の分配は、技術的な要求条件とプラズマ空間９の具体的な寸法によって決まる。技術的な要求条件は、処理基板について一定の品質を得るのに必要なプロセス条件、プロセスの均質性及びプロセスの速度に要求される条件を含む。プロセス条件は、プロセスパラメータの選択によって決まる。重要なプロセスパラメータは、使用ガスの数と種類、それぞれのガスのガス流量、それに伴って調整される全体のガス流量、プロセス圧、及び電気的なプロセスパラメータである。電気的なプロセスパラメータは、プラズマ励起周波数、プラズマによって消費される有効電力、更に例えばプラズマ形成に連続状またはパルス状の電力が使われる場合には、特別の電気プロセス条件を含む。

技術的な要求条件に応じたガス分配に必要な適応は、本発明で用いられるガス分配ユニット１０によって有利に達成可能である。図２−４は、図１に示した領域１００を実際に構成する幾つかの選択肢を、拡大した一部断面図として概略的に示している。

図２は、相互に重ねて配置された２つのガス分配プレート１２，１３の一例を示している。第１のガス分配プレート１２は、個々の孔１４を含む所定の孔配列と、所定のガス伝導値とを有する。第１のガス分配プレート１２は、それ自体における所定の圧力低下を同時に調整するガス分配器として作用する。その結果、ガスバッファ７内には、プラズマ空間９内のプロセス圧と比べて相対的な過圧が生成される。この過圧は、第１のガス分配プレート１２を通る全体のガス流量に依存する。

上記の圧力低下が充分大きいと、いわゆるガス制止効果が発生する。その場合、第１のガス分配プレート１２の各孔１４を通って流れるガス量は、一次圧によってのみ決まる。

各孔１４におけるガス粒子の流速は、各孔１４を通るガス流量に依存して変化し、ガス放出分布(gas
emission profile)もそれによって変化する。この問題が、第２のガス分配プレート１３によって解消される。第２のガス分配プレート１３内には、ガスバッファ容積部(volume)１５が形成されている。ガスバッファ容積部１５の寸法は、ガスバッファ容積部１５の空所によって、顕著な背圧を形成することなく、孔１４から流入するガスを確実に保持可能なように調整されている。ガスバッファ容積部１５は相互に密封されているため、ガスバッファ容積部１５間での想定されるガス交換は起こりえない。ガスバッファ容積部１５の断面積を孔１４と比較し大きくすることで、ガス粒子の速度はガスバッファ容積部１５内で著しく減少される。

基板５と対向配置される第２のガス分配プレート１３は、ガスバッファ容積部１５に接続された孔１６を有する。孔１６は、ガス放出分布に対して容易に適応し得る。各孔１６のガス放出分布は、孔１６の長さと断面積の定義、更にはガスの流出側及び／又はガスの流入側で孔１６に施される追加の皿穴加工、もしくは孔の直径の連続的または段階的な変化によって調整できる。

こうした本発明によるガス分配ユニット１０の構造により、ガス分配とガス放出分布それぞれの独立した調整が可能となる。

第２のガス分配プレート１３は、２枚以上の個々の穿孔板または穿孔箔で構成できる。かかる板または箔は各々、所定の直径を有する複数孔の所定の配列を有するのが好ましい。各板または箔の厚さが、それぞれの孔の長さを決定する。

図３は、図２の配置構成の更なる発展形態を概略的に示す。図３では、ガス圧の低下の所定の調整を行い上記のガス制止効果をもたらすために、第１のガス分配プレート１２の代わりに箔１８が用いられる。箔１８は穿孔板１７によって固定され、穿孔板１７が箔１８の孔２０に対して所定の位置を決め、密封を行う。さらに穿孔板１７は、箔１８の全体的なガス伝導度を決める上で有効な、箔１８を通過するガスの通路あるいは箔１８における孔２０の数を予め決めるのを可能とする。上記の目的のため、穿孔板１７は箔１８のマスクとして使用可能である。ガスは、穿孔箔１７の孔１９が設けられている位置の上方にある箔１８の孔２０だけを通過できる。この場合、箔１８には、相対的に簡単で均質な孔２０のパターンを、同一の密度及び寸法を持つ孔２０として形成できることが有利である。その結果、第１のガス分配プレートの配置による全体的なガス伝導度の容易な適応化か、ガス分配と独立に可能となる。

第２のガス分配プレート１３’、ガスバッファ容積部１５’、及び孔１６’は、図２に示した第２のガス分配プレート１３、ガスバッファ容積部１５、及び孔１６と同じ機能を有する。

図４は、本発明の反応容器１において使用可能なガス分配ユニット１０の別の変形例を概略的に示す。図３に示すように、ガス制止効果を調整するためこの例では、箔２２が穿孔板２１と共に使われる。図３と比較すると、図４の箔２２の各孔２６は、それぞれ１対１で対応するガスバッファ容積部を有していない。その代わりに、箔２２の複数の孔２６が、共通のガスバッファ容積部２５に開口している。ガスバッファ容積部２５は、大きい孔または特定の幾何学的形状のノッチとし得る。図４は一例として、箔２２の２つの孔２６が共通のガスバッファ容積部２５に連通する組み合わせを示している。

図示例においては、基板５に近い側で、ガスバッファ容積部２５が第２のガス分配プレート２３の３つの孔２７と接続している。ガス分配ユニットのこの変形例は、流入側の第１のガス分配プレートにおける孔配列を、基板側の第２のガス分配プレートにそのまま写し同じ孔配列にするのが、本発明において必須の要件でないことをしめしている。つまり、バス制止効果とは独立的に、孔の密度を変更できる可能性が存在する。組み合わせるべき孔の数及び基板５に近い側における特定の孔配列は、それぞれの技術的な必要条件に左右される。

図５は、図１にそれぞれ示したＲＦ電極２もしくはガス分配ユニット１０の第２のガス分配プレート１３を、基板５の側から見た底面図を概略的に示す。第２のガス分配プレート１３は、孔１６が相対的に低い孔密度で配置された中央領域２８と、それより高い孔密度を有する周囲領域２９とを備えている。ガスのポンプ吸引下流方向には、さらに別の孔１６の列３０ａ、３０ｂが設けられている。ＲＦ電極２のそれぞれの選定領域におけるこのような孔密度の変化により、フレッシュガスの必要な供給を、プラズマプロセスにおける局所的なガスの消費要求に適応させることが可能となる。その結果、例えば、基板電極のエッジ領域における層特性の補正や、エッジ領域における堆積の均質性の向上が可能となる。

加えて、フレッシュガスの所定の供給及び使用ガスの所定の排出も、プラズマ処理の品質及び均質性にとって非常に重要である。

図６は、図１または図７の反応容器と同様な平行平板型反応容器の断面図の半分を概略的に示しており、反応容器は、プラズマ空間の一部とポンプ排気グリッドを通りＲＦ電極２と平行に切断されている。図６は、ポンプ排気グリッド３１、ポンプ排気口３４、及び壁３３でそれぞれ分離された複数のポンプ排気流路３２を示す。排出ガスを複数のポンプ排気流路３２に分配することで、ポンプ排気流路３２がプラズマ内のガス流の乱れを防ぐため、プラズマ空間から排出されるガスの均質性が著しく高まる。ポンプ排気グリッド３１の領域で均質なポンプ排気を得るためには、各ポンプ排気流路３２がポンプ排気口３４に至るまで同じガス伝導度を有することが重要である。ガス伝導度は、ポンプ排気流路３２の断面積と長さによって決まる。ポンプ排気流路３２の数が多いと、ポンプ排気口３４に排出されるガスの一様性が向上する。

図７は、本発明による平行平板型反応容器１’の壁３５，３５’にポンプ排気流路４２ａ、４２ｂをコンパクトに内蔵した別の変形例を概略的に示す。この変形例では、プロセスガスがＲＦ電極３６のガスバッファ３８内へ、電極供給部３７から供給される。ガスはＲＦ電極３６の一体状のガス分配ユニット３９を通って、プロセス空間４０内に流入する。その後ガスは、ＲＦ電極３６の側方にそれぞれ設けられたポンプ排気グリッド４１ａ、４１ｂを通り、プロセス空間４０からポンプ排出される。ガスをポンプ排出するため、図示例では反応容器１’の頂部に設けられたポンプ排気口が、適切なポンプ排気系に接続されている。

上記ポンプ排気系の真空ポンプの吸引能力が、ポンプ排気流路４２ａ、４２ｂを介してポンプ排気グリッド４１ａ、４１ｂに伝達される。図６に示したのと同様、ポンプ排気流路４２ａ、４２ｂは複数の個々の流路によって形成されている。平行平板型反応容器１’の壁３５，３５’を通したガス排出により、ポンプ排気流路４２ａ、４２ｂは非常に少ないスペースでコンパクトに形成できる。ガス排出の方向は、反応容器１’の特殊な設計に合わせて適応可能である。

図７に示した例では、ＲＦ電極３６の中央に近い、反応容器１’の頂部に向けてガス排出が行われる。本発明の図示してない別の実施形態においては、平行平板型反応容器の底の領域または両側壁へとガスを導くことも可能である。しかし、後者の代替例は、ポンプ排気流路の複雑な処理が必要になる点、またポンプ排気流路を一定の最小長さにしなければならない点で不利である。

図８は、本発明による平行平板型反応容器の２つの部分切断図を概略的に示している。上側の図は垂直方向に切断した一方の半分を示し、下側の図は反応容器のプラズマ空間４８を通って切断した平面図である。ＲＦ電極５０、ポンプ排気グリッド４４、及び追加グリッド４５が、反応容器の底４９と上壁４７の間に設けられている。ＲＦ電極５０と底４９が、プラズマ空間４８を形成する。プラズマ空間４８は、ポンプ排気グリッド４４によって、ガスのポンプ吸引方向が限定されている。追加グリッド４５は、図８中矢印で示したガスのポンプ吸引方向において、ポンプ排気グリッド４４のすぐ後方に配置されている。

全体のガス流量に応じて追加グリッド４５が所定のガス伝導度をもたらすように追加グリッド４５を所定の形状にすることで、所定の圧力低下が追加グリッド４５で得られる。例えば、追加グリッド４５に、所定のガス伝導度値を与える所定数の適切な孔またはスリットを形成可能である。このようにガス制止効果が生じるような圧力低下を追加グリッド４５で発生させる場合には、ポンプ排気グリッド４４においてガス排出の均質化が同時にもたらされる。追加グリッド４５は導電性を有する必要がないため、追加グリッド４５の材料は機械的及び／又は化学的な要求条件に対してそれぞれ適応可能である。

原理上、ポンプ排気グリッド４４もガス制止効果をもたらす機能を担うことができる。しかしこの構成は、堆積プラズマプロセスの場合、ポンプ排気グリッド４５にも堆積がなされるため不利である。つまり、ポンプ排気グリッド４５のガス伝導度に変化が起きると、プロセスパラメータに望ましくない変化が生じてしまう。図９はそのような場合の構成を概略的に示しており、図９の構成の図８と同様の詳細は、図８を参照して上述した通りである。図９の構成においては、図９のポンプ排気グリッド４６が導電性材料からなることを条件として、ポンプ排気グリッド４６が図８の追加グリッド４５と同様なガス制止効果を与えるガス伝導板として作用する。

すなわち、本発明の実施形態においては最良の利点として、フレッシュガスの供給時のみならず、使用ガスのプロセス空間からの流出時にも、ガス制止効果が得られる。

本発明は、層を基板上に一様性の高い厚さで堆積可能であり、ガス流入部及び／又はガス流出部におけるガス流を、特にガス制止効果により良好に制御可能である。また本発明は、大面積の堆積に利用可能な領域を増大して、一定の生産量に対して必要なガス前駆体（プリカーサ）を減少可能である。その結果、ソースガスの消費量及び堆積装置の設置面積を減らして、所有コストの改善がもたらすことができる。

Claims (12)

1. ＲＦ電極（２、３６、５０、５０’）に一体化されたガス分配ユニット（１０）と、少なくとも１つのガス流出部（８ａ、８ｂ；３４；４３ａ、４３ｂ）とを備えた容量結合式の平行平板型プラズマ促進化学気相堆積用の反応容器（１，１’）において、
   前記ガス分配ユニット（１０）は、ガス分配ユニット（１０）によるガス分配とガス放出分布の独立した調整をもたらすように構成された多段のシャワーヘッドを備えており、
   前記ガス分配ユニット（１０）は、前記反応容器（１，１’）を通るガス流の方向において、少なくとも１つの穿孔された第１のガス分配プレート（１２）と、前記第１のガス分配プレート（１２）から離間した少なくとも１つの穿孔された第２のガス分配プレート（１３、１３’、２３）とを備え、前記第２のガス分配プレート（１３、１３’、２３）の孔（１６、１６’、２７）が前記第１のガス分配プレート（１２）の孔（１４、１９、２４）よりも大きい断面積で構成されており、
   前記第１のガス分配プレート（１２）の各単一の孔（１４、１９、２４）または各一群の孔（１４、１９、２４）と前記第２のガス分配プレート（１３、１３’、２３）との間に、相互に分離されたガスバッファ容積部（１５、１５’、２５）が設けられ、前記ガスバッファ容積部（１５、１５’、２５）が前記孔とそれぞれ接続しており、前記ガスバッファ容積部（１５、１５’、２５）が前記第２のガス分配プレート（１３、１３’、２３）の孔（１６、１６’、２７）よりも大きい断面積で構成されていることを特徴とする反応容器。
2. 前記第１のガス分配プレート（１２）は、第１のガス分配プレート（１２）によってガス制止効果を得るのに必要なガス圧の低下を発生可能なガス流伝導度を有することを特徴とする特許請求の範囲の請求項１に記載の反応容器。
3. 前記第１のガス分配プレート（１２）は、所定の孔配列を有する穿孔箔（１８）を備えることを特徴とする特許請求の範囲の請求項１または請求項２の少なくとも一項に記載の反応容器。
4. 前記穿孔箔（１８）は別の穿孔板（１７）によって固定されていることを特徴とする特許請求の範囲の請求項３に記載の反応容器。
5. 前記第２のガス分配プレート（１３、１３’、２３）の孔（１６）は、ガスの流出側及び／又はガスの流入側に皿穴を備えることを特徴とする特許請求の範囲の請求項１〜請求項４の少なくとも一項に記載の反応容器。
6. 前記第２のガス分配プレート（１３、１３’、２３）の孔密度は、第２のガス分配プレート（１３、１３’、２３）の中央領域（２８）においてよりも、前記ＲＦ電極（２、３６、５０、５０’）の側方に設けられたポンプ排気グリッド（４ａ、４ｂ）にそれぞれ近い領域のエッジ（２９）における方が高いことを特徴とする特許請求の範囲の請求項１〜請求項５の少なくとも一項に記載の反応容器。
7. 前記ガス分配プレート（１２；１３、１３’、２３）の孔（１４、１６）の追加の列（３０ａ、３０ｂ）が、前記反応容器（１，１’）の前記ガス流出部（８ａ、８ｂ；３４；４３ａ、４３ｂ）に向かう方向における前記ガス分配ユニット（１０）の外側エッジに設けられていることを特徴とする特許請求の範囲の請求項１〜請求項６の少なくとも一項に記載の反応容器。
8. 前記反応容器（１，１’）を通るガス流の方向に延びたガスポンプ吸引流路（３２；４２ａ、４２ｂ）が、前記ＲＦ電極（２、３６）のそれぞれ側方に設けられたポンプ排気グリッド（３１；４１ａ、４１ｂ）と前記反応容器（１）のガス流出部（３４；４３ａ、４３ｂ）との間に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲の請求項１〜請求項７の少なくとも一項に記載の反応容器。
9. 前記ガスポンプ吸引流路（３２）は、前記反応容器（１，１’）を通るガス流の方向において前記ポンプ排気グリッド（３１）の後方に設けられた複数の平行なガスデフレクタ（３３）によって形成されていることを特徴とする特許請求の範囲の請求項８に記載の反応容器。
10. 前記ガスポンプ吸引流路（４２ａ、４２ｂ）は、前記反応容器（１，１’）の少なくとも１つの壁（３５，３５’）に内蔵されていることを特徴とする特許請求の範囲の請求項８または請求項９に記載の反応容器。
11. 少なくとも１つの追加グリッド（４５）が、前記ＲＦ電極（２、３６，５０，５０’）のそれぞれ側方に設けられたポンプ排気グリッド（４４）と前記反応容器（１、１’）のガス流出部との間に設けられており、前記追加グリッド（４５）は前記ポンプ排気グリッド（４４）と比較し低いガス流伝導度を有することを特徴とする特許請求の範囲の請求項１〜請求項１０の少なくとも一項に記載の反応容器。
12. 前記単一または複数のポンプ排気グリッド（４６）及び／又は請求の範囲第１２項に追加グリッド（４５）は、各グリッド（４５，４６）によってガス制止効果を得るのに必要なガス圧の低下を各グリッド（４５，４６）が発生可能なガス流伝導度を有することを特徴とする特許請求の範囲の請求項１〜請求項１１の少なくとも一項に記載の反応容器。