JP2014063874A

JP2014063874A - 大気圧プラズマ成膜装置

Info

Publication number: JP2014063874A
Application number: JP2012208015A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Murakami; 隆昭村上; Takashi Tokunaga; 隆志徳永; Nobuaki Konno; 伸顕紺野; Teruki Naito; 皓貴内藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2014-04-10
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: JP5943789B2

Abstract

【課題】大気圧に近い比較的高い気体圧力において、数ｍｍ以下の狭ギャップに配置されたターゲット−基板間内の反応ガス分布を均一化することができる大気圧プラズマ成膜装置を得ること。
【解決手段】電源が接続され、固体ターゲット１３を有する電力印加電極１２と、電力印加電極１２に対向配置され接地される接地電極ステージ２と、の電極間間隙に１００Ｐａ以上大気圧以下の水素を含有する反応ガスの圧力の下で生成されるプラズマを接地電極ステージ２の電力印加電極１２側の面に載置する被処理部材に照射して被処理部材上に成膜する大気圧プラズマ成膜装置であって、反応ガスを導入する貫通孔２１を固体ターゲット１３の面内に備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、大気圧プラズマ成膜装置に関するものである。

半導体デバイスや撮像デバイス、画像入力用ラインセンサなどの製造工程では、薄膜形成やエッチング、スパッタリング、表面改質などの処理を行うプラズマプロセスが必要不可欠の技術になっている。このプラズマプロセスでは、ガス温度が低温で電子温度のみが高温となる低温プラズマが広く用いられている。

その低温プラズマを発生する従来のプラズマ生成装置は、接地された真空容器内に、パルス電力や高周波電力を印加する電力印加電極を真空容器と絶縁して配置し、対面するもう一つの電極を真空容器と電気的に接続して配置し、それらの電極の配置空間を、数Ｐａ〜１００Ｐａのガス圧に調整された反応ガスで満たすようになっている。このプラズマ生成装置では、電極間の反応ガスが電極間に発生させたパルス状電界や高周波電界による放電によって電離し、電極間に、負電荷を有する電子と、正電荷を有するイオンと、電気的に中性なラジカルと、が激しい運動をしながら混在するプラズマ状態（低温プラズマ）が生成される。

ところで、半導体デバイスの製造では、成膜対象となる基板が大型化する傾向にある。これは、一度に処理する基板が大きくなると、そこから作り出されるデバイスの個数が多くなり、デバイス単価が安くなるためである。また、撮像デバイスや太陽光パネルにおいても、多様な用途において大面積化の傾向にあると言え、一度に処理しなければならない基板のサイズが大きくなってきている。そうすると、上述した数Ｐａ〜１００Ｐａのガス圧に調整してプラズマ生成する技術では、基板を収納する真空容器を基板サイズに応じて大きくしなければならない。この場合、装置巨大化によるコスト上昇が一括処理によるコスト低減効果を上回ることがあり、結果としてデバイスの製造コストが飽和または高くなってしまうという問題が生じることがある。

そこで、大気圧で生成したプラズマを使って成膜できれば、巨大な真空容器を備えた高価な装置が不要となる。こうした背景の下、大気圧に近い比較的高い気体圧力（具体的には、１００Ｐａ以上から大気圧／開放環境圧力以下の圧力範囲）で励起されるプラズマ（以下、大気圧プラズマという）を用いてシリコン膜を形成する大気圧プラズマ化学輸送成膜法が提案されている（たとえば、特許文献１，２参照）。

特許文献１では、７６〜１５２０Ｔｏｒｒの圧力の水素を主体とする反応ガスが充填された反応室内に、比較的高温に保持した基板と比較的低温に保持したターゲットを平行に配置して放電を生起させて基板上に薄膜を形成している。

また、特許文献２には、複数の貫通孔を有する固体誘電体からなる第１電極と、複数の貫通孔と冷媒流路を有する固体シリコンからなる第２電極と、第２電極の第１電極とは反対側に設けられる基板と、を互いに平行に配置した構造のプラズマ成膜装置が開示されている。ここで、第１電極側から反応ガスを供給しながら、第１電極と第２電極との間に電圧を印加して大気圧プラズマを生成する。大気圧プラズマは、反応ガス流によって、第２電極の複数の貫通孔から基板に向かって噴き出され、加熱された基板上にシリコン膜が形成される。

国際公開第２００７／０４９４０２号（図８）特開２０１１−２０４９９５号公報（図１）

上記のように、大型基板への成膜を必要とする産業分野では、大気圧プラズマ成膜は装置コストを抑制できる有力な技術である。しかしながら、特許文献１では、大気圧に近い比較的高い気体圧力で生起されるグロープラズマが用いられ、グロープラズマはガス密度が高いので、プラズマを安定維持させるために、ターゲット−基板間距離を数ｍｍ以下にする必要がある。そして、大型化する基板に合せて、たとえば幅または直径が１００ｍｍ以上の大きさのターゲットサイズにすると、反応室へと供給される反応ガスが狭ギャップのターゲット−基板内で不均一化してしまうという問題点があった。

また、特許文献２では、第１電極と第２電極には複数の貫通孔が設けられているため、反応ガスや電極間で生成される大気圧プラズマは均一となる。しかし、第２電極の複数の貫通孔から基板側へと噴出する大気圧プラズマを利用してシリコン膜を堆積させるには高速のプラズマ流である必要があり、そのためには大量の反応ガスが必要となり、工業的に不利になるという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、大気圧に近い比較的高い気体圧力において、数ｍｍ以下の狭ギャップに配置されたターゲット−基板間内の反応ガス分布を均一化することができる大気圧プラズマ成膜装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる大気圧プラズマ成膜装置は、電源が接続され、固体ターゲットを有する第１電極と、前記第１電極に対向配置され接地される第２電極と、の電極間間隙に１００Ｐａ以上大気圧以下の水素を含有する反応ガスの圧力の下で生成されるプラズマを前記第２電極の前記第１電極側の面に載置する被処理部材に照射して前記被処理部材上に成膜する大気圧プラズマ成膜装置であって、前記反応ガスを導入する貫通孔を前記固体ターゲットの面内に備えることを特徴とする。

この発明によれば、固体ターゲット面内に設けた貫通孔から反応ガスが導入されるので、固体ターゲットと基板との間の距離が数ｍｍ以下の狭ギャップで１００Ｐａ以上の高い圧力下においても、ガス分布・流れを均一化することができ、安定した薄膜を形成することができるという効果を有する。

図１は、実施の形態１による大気圧プラズマ成膜装置の概略構成の一例を模式的に示す断面図である。図２は、電力印加電極の他の構成例を模式的に示す断面図である。図３は、複数の貫通孔を有する固体ターゲットの構成の一例を模式的に示す斜視図である。図４は、複数の貫通孔を有する固体ターゲットの構成の一例を模式的に示す斜視図である。図５は、図３の貫通孔が同心円状に配置された場合の溝形状の他の例を示す図である。図６は、固体ターゲットの構成の他の例を模式的に示す斜視図である。図７は、実施の形態２による大気圧プラズマ成膜装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。

以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる大気圧プラズマ成膜装置を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による大気圧プラズマ成膜装置の概略構成の一例を模式的に示す断面図である。図１において、真空容器となる反応容器１は、導電性部材を有底円筒状に形成したものであり、電気的に接地されている。反応容器１の底部には、電気的に接地された平板状の接地電極ステージ２が配置され、また、ガス排出口４も設けられている。接地電極ステージ２の上面には固体誘電体５を介して被処理部材である基板６が配置されている。接地電極ステージ２は、ヒータ７を内蔵し、固体誘電体５を介して基板６を加熱できるようになっている。なお、図１では、接地電極ステージ２は、反応容器１の底部のほぼ中央に（図示例では、円筒中心の位置に）固定された所定高さの支柱８の端部に、底部面と並行して支持されている。

支柱８に固定された接地電極ステージ２は、上下方向に稼動可能な構成を有し、接地電極ステージ２の上面の固体誘電体５を介して基板６と固体ターゲット１３との間隔、すなわちプラズマ２０が生じる間隔を制御できる構造となっている。

そして、反応容器１の開口端面には、電極セット９を支持する平板状の保持板１０が固定されている。電極セット９の外観は、所定長さの円柱状をした挿入部９ａと、該挿入部９ａの引出端側に挿入部９ａの径方向に飛び出して設けられるフランジ部９ｂと、で構成される形状を有している。保持板１０は、導電性部材からなり、電気的に接地されている。保持板１０には、電極セット９の挿入部９ａ外径よりも少し大きめの円形孔１１が設けられている。この円形孔１１の中心は、図示例では、円筒（反応容器１）の中心と一致している。なお、保持板１０は、反応容器１の開口端を塞ぐカバーとして用いられるものである。

電極セット９は、電力印加電極１２と、固体ターゲット１３と、固体誘電体１４と、で構成されている。電力印加電極１２は、挿入部１２ａとフランジ部１２ｂとを有する円柱状の構造体である。固体ターゲット１３は、電力印加電極１２の挿入部１２ａ端面に貼着されている。固体誘電体１４は、固体ターゲット１３の配置領域を除く挿入部１２ａ外周囲とフランジ部１２ｂの挿入側面とに連続して貼着されている。電力印加電極１２は、内部に、空洞１５が設けられ、そこに水などの冷媒が充填され、固体ターゲット１３を冷却できるようになっている。

電極セット９の挿入部９ａが保持板１０の円形孔１１に嵌入され、引出端側に設けられたフランジ部９ｂで保持板１０に図示しないネジなどの固定部材によって気密性よく固定される。これによって、反応容器１は内部のいわゆる空気を引き抜いて減圧できる真空容器となり、また電極セット９と保持板１０とが電気的に接続された状態となる。

電極セット９の電力印加電極１２には、マッチングボックス（インピーダンス整合器）１８を介して電源１９が接続されている。電源１９は、たとえば、１３．５６ＭＨｚの高周波電源、それよりも高い数百ＭＨｚ程度の高周波電源、または数ｋＨｚのパルス電源などである。

また、電力印加電極１２のフランジ部１２ｂの中心から挿入部１２ａ底部の中心には、反応ガスを導入するガス導入管３が取り付けられており、その上部はガス導入口３ａとなっており、下部は挿入部１２ａ底部と接続されている。挿入部１２ａ底部のガス導入管３の取り付け位置には、貫通孔１２ｃが設けられている。

さらに、電力印加電極１２の下部に貼着されている固体ターゲット１３には、ガス導入管３と電力印加電極１２の挿入部１２ａ底部に設けられる貫通孔１２ｃと接続されるように、反応ガスをプラズマ形成領域に導入する貫通孔２１が設けられている。ガス導入口３ａからの反応ガスは、電力印加電極１２と固体ターゲット１３に設けられた貫通孔１２ｃ，２１より、プラズマ２０の形成領域である固体ターゲット１３と基板６の間に導入される。

以上の構成において、反応容器１内のいわゆる空気をガス排出口４から排出して所定の真空度とした状態において反応容器１内の反応ガスの圧力が１００Ｐａ以上大気圧以下の範囲内の所定値になるように、ガス導入管３、電力印加電極１２の貫通孔１２ｃおよび固体ターゲット１３の貫通孔２１を介して導入される反応ガスの供給量とガス排出口４から排出される反応ガスの排気量とを調整する。また、空洞１５に冷媒を入れて固体ターゲット１３を或る温度に冷却し、ヒータ７に発熱させて基板６を或る温度に加熱した状態にする。この状態で、電源１９からマッチングボックス１８を通して電力印加電極１２に所定の高周波電力またはパルス電力を印加すると、電力印加電極１２の一部である固体ターゲット１３と接地電極ステージ２との間で放電が開始され、プラズマ２０が生成される。このプラズマ２０に基板６が曝されることで、基板６に所定のプラズマ成膜が行われる。

たとえば、反応ガスとして水素ガスを用い、固体ターゲット１３としてシリコン板を用い、固体ターゲット１３をおよそ１５℃の冷媒で冷却し、基板６を３００℃程度に加熱し、反応容器１内に水素ガスと不活性ガス、たとえばヘリウムガスとの混合ガスを導入し、反応容器１内のガス圧力を約０．９気圧に調整してプラズマ２０を生成させると、基板６上にシリコン膜が形成される。以上は基板６上にシリコン薄膜を形成する例であるが、同様の方法で、シリコンに限らず水素化物が揮発性である材料をターゲットに用いることで所定の成膜を行うことができる。

つぎに、固体ターゲット１３に設ける貫通孔２１の形状について説明する。貫通孔２１は円形状（円柱状）に形成されるが、対向配置した処理対象である基板６との間に生成されるプラズマに乱れが生じない大きさであることは必須である。そこで、貫通孔２１の径の検討結果について以下に示す。

大気圧に近い比較的高い気体圧力で生起される大気圧プラズマを安定維持させるために、固体ターゲット１３と対向配置する基板６との距離は数ｍｍ以下にされる。直径１００ｍｍのシリコンからなる固体ターゲット１３の中央部に設けた貫通孔２１から、水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを導入し、反応容器１内のガス圧力を約０．９気圧に調整してプラズマ２０を生成して、貫通孔２１の直径について検討する。

ターゲット−基板間距離が１．０〜３．０ｍｍのときに安定放電が得られる電力範囲が広く、ターゲット−基板間距離が０．３ｍｍ以下の狭ギャップではグロープラズマを生成できない。

そこで、ターゲット−基板間距離を２．０ｍｍに設定してプラズマ２０を生成し、成膜を行うと、直径３．０ｍｍの円形状の貫通孔２１では成膜に異常はなく、従来のガス導入方法に比べて良好な膜厚分布のシリコン膜が得られる。しかし、直径５．０ｍｍの円形状の貫通孔２１ではプラズマ生成時の貫通孔２１のエッジ効果によるものと推測されるシリコン膜厚の分布が認められる。貫通孔２１の直径をさらに大きくすると、プラズマ生成されない領域が生じる。

また、ターゲット−基板間距離を１．０ｍｍに設定してプラズマ２０を生成し、成膜を行うと、直径３．０ｍｍの円形状の貫通孔２１では、成膜されたシリコン膜厚に分布が認められる。一方、直径２．０ｍｍの円形状の貫通孔２１では成膜されたシリコン膜に異常は認められない。

以上の検討から、均一な膜形成には貫通孔２１の直径をターゲット−基板間距離の２倍以下にする必要がある。ただし、大気圧プラズマ成膜装置にターゲット−基板間距離を維持しながら基板６を移動させる機構を追加した構造では、さらに大きな貫通孔においても膜均一化を図ることができることが実験によって見出される。

この実施の形態１のように、反応ガスを供給する貫通孔２１を固体ターゲット１３の中央部に設けることで、従来の反応容器１の側壁から反応ガスを導入する方式に比べ、ターゲット−基板間の反応ガス分布は改善され、良好な膜厚分布が得られる。

図２は、電力印加電極の他の構成例を模式的に示す断面図である。図１の電力印加電極１２では、固体ターゲット１３に設けられる貫通孔２１は、中央部のみの単孔構造であった。しかし、図２に示されるように、固体ターゲット１３に複数の貫通孔２１を設けるようにしてもよい。この場合、各貫通孔２１のサイズ（直径）は、前述のとおりプラズマを安定的に生成できる範囲であるターゲット−基板間距離の２倍以下であればよい。これによって、膜厚分布のさらなる均一化を実現することができ、また大径の固体ターゲットにおいても良好な膜厚分布を得ることが可能になる。

図３と図４は、複数の貫通孔を有する固体ターゲットの構成の一例を模式的に示す斜視図である。図３は、複数の貫通孔を同心円状に配置した固体ターゲットの一例を示す斜視図であり、図４は、複数の貫通孔を十字形状に配置した固体ターゲットの一例を示す斜視図である。各図において（ａ）は下面側（基板に対向する側）の斜視図を示し、（ｂ）は上面側（電力印加電極に接する側）の斜視図を示している。

図３のように貫通孔２１が固体ターゲット１３に同心円状に複数設けられる場合も、図４のように貫通孔２１が固体ターゲット１３に十字形状に複数設けられる場合も、均一な膜厚分布を得たり、または大径の固体ターゲット１３での良好な膜厚分布を得たりするのに効果的である。

複数の貫通孔２１を設ける場合において、反応ガスのガス導入管３をそれぞれの貫通孔２１に設ける構造も可能であるが、電力印加電極１２の構造が複雑化する。そこで、図３と図４に示される構造では、ガス導入管３は固体ターゲット１３の中央部への１系統のみ設けられ、固体ターゲット１３が電力印加電極１２と接する面に複数の貫通孔２１に反応ガスを配分するための溝２２を設けるようにしている。溝２２は、貫通孔２１の直径よりも大きければよく、深さは任意とすることができる。たとえば溝２２の幅を２．０ｍｍとし、深さを１．０ｍｍとすることができる。なお、貫通孔２１を複数形成する場合の貫通孔２１の数と配置、および反応ガスを配分する溝２２の経路の形状は、この形状に限定されるものではない。

また、固体ターゲット１３が電力印加電極１２と接する面に形成される反応ガスを配分する溝２２の経路の面積は、電力印加電極１２内部の空洞１５に充填した水などの冷媒により固体ターゲット１３を冷却する効果が損なわれない範囲で、可能な限り大きくすることが望ましい。

図５は、図３の貫通孔が同心円状に配置された場合の溝形状の他の例を示す図である。この図は、上面側（電力印加電極に接する側）の斜視図を示している。図３では、同心円状に配置された複数の貫通孔２１を接続する溝２２は、最外周に配置される貫通孔２１間を結ぶ円形の溝２２ａと、その内側に配置された貫通孔２１を結ぶ十字形状の溝２２ｂとによって構成されている。一方、図５の溝２２では、中央の貫通孔２１から９０度ずつ回転したＹ字形状の溝２２ｃが４つ配置された構造を有している。図３と図５に示されるように、溝形状は任意とすることができる。

また、上記した説明では、固体ターゲット１３に複数の貫通孔２１間を結ぶ溝２２を形成する場合を示したが、これに限定されるものではない。図６は、固体ターゲットの構成の他の例を模式的に示す斜視図である。この図６に示されるように、固体ターゲット１３と電力印加電極１２との間に、反応ガスを各貫通孔２１に配分するためのガイド２５ａが形成されたスペーサ２５をさらに有する構造となっている。スペーサ２５は、流路（ガイド２５ａ）となる部分が抜き取られた構造を有する。スペーサ２５の材質として、導電性と熱伝導性の良好な材料、たとえば銅やアルミニウム等を用いることができる。また、この場合の固体ターゲット１３は、電力印加電極１２側の面に溝加工を施さなくてよいので、固体ターゲット１３の製造コストを図３〜図５の場合に比して低減することができる。

この実施の形態１では、電力印加電極１２に装着された固体ターゲット１３面内に設けた１つ以上の貫通孔２１から固体ターゲット１３と基板６との間の空間に反応ガスを導入した。これによって、固体ターゲット１３に対向配置して基板６を保持し接地された接地電極ステージ２との間のプラズマ形成領域において、固体ターゲット１３と基板６との間の距離が数ｍｍ以下の狭ギャップで１００Ｐａ以上で大気圧以下の比較的高い圧力下でも、ガスの分布および流れが均一化し、得られる膜の均一性の向上が図れるという効果を有する。また、貫通孔２１を複数設けることで、固体ターゲット１３が大型化した場合でも同様の効果を得ることができる。

さらに、固体ターゲット１３に設ける貫通孔２１の径として、固体ターゲット１３と基板６との間の距離の２倍以下にすることで、固体ターゲット１３と基板６との間でのプラズマ生成に影響を与えることがなく、良好な膜が得られるという効果も有する。

実施の形態２．
実施の形態１では真空容器となる反応容器を備えた大気圧プラズマ成膜装置を説明した。しかし、大気圧プラズマ成膜装置として、プラズマ放電エリアの周囲に、反応ガスよりも大きい供給量で不活性ガスをカーテンガスとして供給するとともに、周辺雰囲気をパージガスで覆い、基板に向けて吹き出されたカーテンガスおよびパージガスを排気ダクトから吸引して排出することで、プラズマ生成領域に真空容器となる反応容器と同等の環境を形成することができる。この実施の形態２では、この反応容器を有さない大気圧プラズマ成膜装置について説明する。

図７は、実施の形態２による大気圧プラズマ成膜装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。なお、図７において、紙面の左右方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸に垂直な紙面内の方向をＺ軸（高さ方向）とし、Ｘ軸とＺ軸の両方に垂直な方向（紙面に垂直な方向）をＹ軸とする。

大気圧プラズマ成膜装置は、プラズマ処理ヘッド１０１と、被処理部材である基板１１９を保持するステージ１２０と、を備える。

プラズマ処理ヘッド１０１は、高周波電力を印加できる冷却機構１１０を搭載した入力側高周波電極１１１と、その外周部に絶縁体１１２を介して配置される流路構成部材１１３と、を備える。また、入力側高周波電極１１１の基板１１９の被処理面と対向する面には、平板形状の固体ターゲット１１４が設置されている。入力側高周波電極１１１と流路構成部材１１３とは、ともに平面視上矩形状を有しており、矩形状の入力側高周波電極１１１の底面に矩形状の固体ターゲット１１４が配置される。入力側高周波電極１１１の固体ターゲット１１４設置位置以外の領域には、アーク発生を防止する絶縁体１１２が配置され、そのＺ軸方向に垂直な側面に流路構成部材１１３が設けられている。なお、入力側高周波電極１１１と流路構成部材１１３とは、平面視上矩形状ではなく、円形状など他の形状であってもよい。

流路構成部材１１３には、反応ガス流路１１６と、排気流路１１８と、カーテンガス流路１１７と、が設けられる。反応ガス流路１１６は、入力側高周波電極１１１のＸＹ面内の中心に配置され、Ｚ方向に延在した円柱状を有する。反応ガス流路１１６のＺ軸正方向側に反応ガス供給部１３１が反応ガス供給路１４１を介して接続されている。反応ガス供給部１３１は、水素を主体とする反応ガスを反応ガス流路１１６に供給する。これによって、反応ガスは、反応ガス流路１１６中をＺ軸正方向から負方向に向かって通過し、Ｚ軸負方向の端部から基板１１９と固体ターゲット１１４との間の空間に供給される。反応ガスは、上記したように水素を含む混合ガスであり、水素とたとえばヘリウム、アルゴンなどの希ガスとの混合ガスを例示することができる。混合ガス中に微量でも水素が含まれていればよいが、実用的な成膜速度（０．１ｎｍ／ｓ以上）の観点から水素濃度は１ｖｏｌ．％以上であることが望ましい。また、ドーパントとして酸素、窒素、炭化水素、ジボラン、ホスフィンなどのドーパントガスを微量添加することができる。

また、反応ガス流路１１６のＺ方向負側の端部は、固体ターゲット１１４の配置位置となる。そのため、固体ターゲット１１４の中央付近の反応ガス流路１１６と重なる位置には、貫通孔１２１が設けられている。この固体ターゲット１１４の構成は、実施の形態１で説明したものと同様であるので、詳細な説明を省略する。

排気流路１１８とカーテンガス流路１１７は、入力側高周波電極１１１の周囲を囲むようにＺ軸方向に延在して設けられる。入力側高周波電極１１１に近い側に排気流路１１８が設けられる。

カーテンガス流路１１７は、反応ガス流路１１６の外側に配置され、Ｚ軸正方向側にカーテンガス供給部１３２がカーテンガス供給路１４２を介して接続されている。カーテンガス供給部１３２は、不活性ガスなどのカーテンガスをカーテンガス流路１１７に供給する。これによって、カーテンガスは、カーテンガス流路１１７中をＺ軸正方向から負方向に向かって通過し、Ｚ軸負方向の端部からステージ１２０（基板１１９）に向かって噴き付けられ、一部は排気流路１１８から吸引され、残りは外部雰囲気中に放出される。このカーテンガスによって、カーテンガスよりも外側の空間からの空気やコンタミネーションの侵入や、カーテンガスよりも内側の空間から外側への反応ガスの流出が防止される。カーテンガスは、上記したように不活性なガスであり、たとえばヘリウムやアルゴンなどの希ガスなどを例示することができる。

排気流路１１８は、反応ガス流路１１６の外側でカーテンガス流路１１７の内側に、プラズマ発生領域（プラズマ生成空間）を外側から囲うように配置され、Ｚ軸正方向側に排気ポンプ１３３が排気ガス排出路１４３を介して接続されている。排気ポンプ１３３は、流路構成部材１１３とステージ１２０との間の空間に存在するプラズマで分解されたガス、固体ターゲット１１４や基板１１９と反応して生成された反応生成ガス、およびカーテンガス（以下、これらのガスを総称して未反応ガス等と呼ぶ場合がある）を排気流路１１８を介して図示しない排気ガス処理部へと排出する。これによって、未反応ガス等は、Ｚ軸負方向から正方向に向かって通過する。

反応ガスの流量とカーテンガスの流量と排気の流量とは、反応ガスの流量＜排気の流量＜カーテンガスの流量、の関係を満たすように設定する。このように設定することで、反応ガスの外部雰囲気への流出を反応ガスのｐｐｍ以下に防ぐことができ、また、排気流路１１８への外部雰囲気からの大気の流入量を未反応ガス等の排気ガスのｐｐｍ以下に抑えることができる。

ステージ１２０は、プラズマ処理ヘッド１０１に対して所定の距離を有して配置され、基板１１９の被処理面がプラズマ処理ヘッド１０１と略平行となるように基板１１９を保持する。ステージ１２０は接地され、接地側高周波電極としても機能する。ステージ１２０の内部に、加熱機構を備えていてもよい。また、ステージ１２０には、ステージ１２０をＸＹ面内で移動させる移動手段１３８と、移動手段１３８を制御する制御部１４０が設けられている。

入力側高周波電極１１１と接地側高周波電極であるステージ１２０とで高周波電極が構成される。高周波電極の材料としては、たとえば銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮などを使用することができる。入力側高周波電極１１１は、プラズマ生成用の高周波電源１１５に接続され、接地側高周波電極（ステージ１２０）は接地されている。高周波電源１１５から高周波電極（入力側高周波電極１１１とステージ１２０）に高周波電力を供給すると、固体ターゲット１１４と基板１１９との間に存在する隙間領域が、プラズマが発生するプラズマ発生領域となる。

プラズマ処理ヘッド１０１とステージ１２０とはＸＹ面内で相対的に移動可能に構成されている。図７の例では、プラズマ処理ヘッド１０１が固定され、ステージ１２０が移動手段１３８によって移動するように構成されているが、ステージ１２０を固定しておきプラズマ処理ヘッド１０１を移動するように構成することもできるし、プラズマ処理ヘッド１０１とステージ１２０をともに移動させるように構成することもできる。

つぎに、このような構成の大気圧プラズマ成膜装置を用いた半導体膜（シリコン膜）の成膜処理の手順について説明する。まず、ステージ１２０上に基板１１９が、たとえば図７の基板１１９の左端が固体ターゲット１１４よりも右側に位置する載置される。また、カーテンガス供給部１３２からカーテンガスがカーテンガス流路１１７を介してステージ１２０に噴き付けられ、反応ガス供給部１３１から反応ガスが反応ガス流路１１６を介して入力側高周波電極１１１とステージ１２０との間の空間に供給される。このとき、反応ガスは、固体ターゲット１１４に設けられた貫通孔１２１からステージ１２０側に供給される。さらに、高周波電源１１５から高周波電極（入力側高周波電極１１１とステージ１２０）に対して高周波電力が印加され、固体ターゲット１１４とステージ１２０との間の空間で反応ガスをプラズマ化させる。このとき、カーテンガスの一部を含む未反応ガス等は排気ポンプ１３３によって排気流路１１８を介して排気され、カーテンガスの残りは外部雰囲気中に放出される。また、入力側高周波電極１１１の冷却機構１１０とステージ１２０（接地側高周波電極）の加熱機構とを作動させ、所定の温度となるように制御する。

この状態で、移動手段１３８によってステージ１２０が移動方向（たとえばＸ軸負方向）に移動され、基板１１９がプラズマ発生領域に進入する。ここで、ステージ１２０は、連続的に移動してもよく、またステップ的に移動、停止を繰り返して移動してもよい。

ステージ１２０のＸ軸負方向への移動に伴い、基板１１９の左端部の被処理面が固体ターゲット１１４の下部に進入する。固体ターゲット１１４下部では、プラズマ化した反応ガス（水素原子、水素ラジカル等）によって、固体ターゲット１１４と基板１１９の表面において、固体ターゲット物質の水素化物が生成し揮発することによる固体ターゲット物質のエッチングと、また、固体ターゲット１１４と基板１１９の表面において、揮発した反応性ターゲット物質の水素化物がプラズマ中で再分解され固体ターゲット１１４と基板１１９の表面に付着することによる半導体膜の成膜と、の両工程が同時に起こる。

固体ターゲット１１４としてＳｉを用いる場合には、次式（１）に示す反応によって固体ターゲット物質のエッチングが起こり、次式（２）に示す反応によって半導体膜が成膜される。
Ｓｉ＋ｘＨ→ＳｉＨ_x （ｘ＝０，１，２，・・・）・・・（１）
ＳｉＨ_x→Ｓｉ＋ｘＨ（ｘ＝０，１，２，・・・）・・・（２）

固体ターゲット物質のエッチングと成膜の速度は、低温側の固体ターゲット１１４の表面では、エッチングの速度の方が成膜の速度よりも大きい。一方、高温側の基板１１９の表面では、成膜の速度の方がエッチングの速度よりも大きい。したがって、両者の温度差を適度に大きくしておくことによって、エッチングおよび成膜の速度差が大きくなり、低温側の固体ターゲット１１４から高温側の基板１１９への比較的高速の物質移動が生じ、基板１１９上に半導体膜が成膜されることになる。このような密閉空間の減圧下で行われていない物質移動は、大気圧プラズマ化学輸送法と呼ばれている。

なお、固体ターゲット１１４の周囲より反応ガスを導入する構成では、反応ガスがプラズマ生成領域である固体ターゲット１１４と基板１１９との間ではなく、入力側高周波電極１１１の周囲を囲むように形成された排気流路１１８へ流れが生じてしまう。そのため、実施の形態１と同様に、固体ターゲット１１４に設けた貫通孔１２１よりプラズマ生成領域に直接反応ガスを導入する方式が、均一な膜形成に有効である。

成膜に必要な温度は、物質によって異なるが、たとえばシリコンの場合には、入力側高周波電極１１１とステージ１２０との間の温度差が１００℃以上であれば成膜が可能である。ただし、低温側の温度としてたとえば１５℃とし、高温側の温度としてたとえば３００℃とすると、温度差が１００℃のときに比してさらに成膜速度が大きくなるので、温度差は大きい方が好ましい。

以上のような成膜処理が、ステージ１２０のＸ軸負方向への移動に伴って実行され、基板１１９の被処理面全てに半導体膜が形成される。

この実施の形態２によれば、真空容器となる反応容器を用いることなく反応ガスを導入し大気圧プラズマを生成する領域の周囲にカーテンガス流路１１７と排気流路１１８を形成した大気圧プラズマ成膜装置においても、実施の形態１と同様に、固体ターゲット１１４に設けた貫通孔１２１より水素ガスとヘリウムガスなどの不活性ガスの混合ガスを導入することで、ガスの分布と流れが均一化し、得られる膜の均一性の向上が図れるという効果を有する。

なお、固体ターゲット１１４にシリコン板を用いシリコン膜を形成する方式について述べたが、水素化物が揮発性である材料、たとえば、Ｃ、ＳｉＣ、Ｇｅを固体ターゲットとして用いても上記した実施の形態と同様の効果が得られる。

以上のように、この発明にかかる大気圧プラズマ成膜装置は、大型の基板に薄膜を形成する場合に有用であり、特に、撮像デバイスや太陽光パネルなどの製造に適している。

１反応容器、２接地電極ステージ、３ガス導入管、３ａガス導入口、４ガス排出口、５固体誘電体、６，１１９基板、７ヒータ、８支柱、９電極セット、９ａ挿入部、９ｂフランジ部、１０保持板、１１円形孔、１２電力印加電極、１２ａ挿入部、１２ｃ，２１，１２１貫通孔、１２ｂフランジ部、１３，１１４固体ターゲット、１４固体誘電体、１５空洞、１８マッチングボックス、１９電源、２０プラズマ、２２，２２ａ〜２２ｃ溝、２５スペーサ、２５ａガイド、１０１プラズマ処理ヘッド、１１０冷却機構、１１１入力側高周波電極、１１２絶縁体、１１３流路構成部材、１１５高周波電源、１１６反応ガス流路、１１７カーテンガス流路、１１８排気流路、１２０ステージ、１３１反応ガス供給部、１３２カーテンガス供給部、１３３排気ポンプ、１３８移動手段、１４０制御部、１４１反応ガス供給路、１４２カーテンガス供給路、１４３排気ガス排出路。

Claims

電源が接続され、固体ターゲットを有する第１電極と、前記第１電極に対向配置され接地される第２電極と、の電極間間隙に１００Ｐａ以上大気圧以下の水素を含有する反応ガスの圧力の下で生成されるプラズマを前記第２電極の前記第１電極側の面に載置する被処理部材に照射して前記被処理部材上に成膜する大気圧プラズマ成膜装置であって、
前記反応ガスを導入する貫通孔を前記固体ターゲットの面内に備えることを特徴とする大気圧プラズマ成膜装置。
被処理部材を保持する第１電極と、
前記第１電極に対向して配置される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間の領域に反応ガスを供給する反応ガス流路、前記反応ガス流路の外側に配置され、前記第１電極に向かってカーテンガスを噴き付けるカーテンガス流路、および前記反応ガス流路の外側で前記カーテンガス流路の内側に配置され、前記反応ガスと前記カーテンガスを含むガスを排気する排気流路を有する流路構成部材と、を含むプラズマ処理ヘッドと、
前記第１電極と前記第２電極との間に高周波電力を印加して前記反応ガスをプラズマ化する高周波電力印加手段と、
前記第２電極の前記第１電極と対向する面の前記排気流路で囲まれる領域よりも内側に配置され、前記プラズマ化された反応ガスとの間で反応する固体ターゲットと、
前記第１電極と前記第２電極を相対的に移動させる移動手段と、
を備え、
前記反応ガス流路は、前記流路構成部材の前記排気流路で囲まれる領域の中心付近に、前記流路構成部材の厚さ方向に貫通するように設けられ、
前記固体ターゲットは、前記反応ガス流路と接続される貫通孔を前記固体ターゲットの面内に備えることを特徴とする大気圧プラズマ成膜装置。
前記貫通孔は、前記固体ターゲットに複数設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の大気圧プラズマ成膜装置。
前記固体ターゲットの前記反応ガスが供給される側の面には、前記複数の貫通孔間を結ぶ溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の大気圧プラズマ成膜装置。
前記固体ターゲットの前記反応ガスが供給される側の面に、前記複数の貫通孔間を結ぶガイドが形成されたスペーサ部材をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の大気圧プラズマ成膜装置。