JP3572204B2 - プラズマｃｖｄ装置及び薄膜電子デバイス製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電力により反応性ガスをプラズマ化し、基板上に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置及び薄膜電子デバイス製造方法に係るものであり、薄膜電子デバイス、例えば薄膜トランジスタ、太陽電池、電子写真感光体等の製造・開発プロセスに用いられるプラズマＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いた薄膜形成プロセスや材料加工プロセスは、薄膜電子デバイスや新材料の製造等に広く用いられている必要不可欠な技術である。このうち、薄膜形成に例をとると、従来より提案されているプラズマＣＶＤ装置としては、特開平４−０２１７８１号公報に開示される如く、例えば１本の線材をＵ字状に交互に折り曲げたジグザグ状平面形コイルを形成し、このコイルと対峙する基板との間に高周波電圧をかけてプラズマを発生させるものがあり、電界強度を強くしかつ均一として大面積薄膜を得ようとするものがある。
【０００３】
より具体的には、反応性ガスのガス導入系と排気系とが連通された真空容器内にあって、上述のジグザグ状平面形コイルである放電用（高圧側）電極とこれに対峙して基板を載せた接地側電極との間にて発生する高周波電界によりプラズマを生成し、この生成したプラズマにより反応性ガスを分解して反応種を作り、基板上に薄膜を堆積するというものである。
【０００４】
また、別の従来のプラズマＣＶＤ装置としては、特開平４−２３６７８１号公報に開示される如く、例えば複数本の線材からなる梯子状平面コイルと基板との間に高周波電圧をかけてプラズマを発生させ、電界強度を強くしかつ均一として大面積薄膜を得ようとするものである。
【０００５】
この梯子状平面コイルについても高周波電界によりプラズマを生成し、基板上に薄膜を堆積することは前述の従来例と同じである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来例にも挙げるごとくジグザグ状や梯子状平面コイルである高圧側電極と基板を載せた接地側電極とに高周波電圧を加えるものが一般的であり、換言すれば高圧側電極と接地側電極とが電気的に結合しているのが一般的であり、接地側電極上に載せた基板の物性が高周波電界に影響を及ぼしプラズマ生成に影響を与えることになって、プラズマ生成制御が困難になることがある。
【０００７】
また、成膜速度を向上するために高周波電力を増加した場合、基板表面が強いプラズマに直接さらされることとなり、基板表面がプラズマ中のイオンによるダメージを受け、膜質が劣化するという問題もある。
【０００８】
更には、ジグザグ状や梯子状の平面コイルにより大面積薄膜を得るといっても、これら高圧側電極と基板との間に高周波電圧をかけることになり、かかる点電子密度分布に片寄りが発生し連続分布とならないため均一成膜はできにくく、この結果大面積薄膜を形成するにしても限界がある。
【０００９】
本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、プラズマ生成電極と基板側の電極とを電気的に独立したものとして、プラズマ制御の困難性や基板表面の膜質の劣化を防止し、また更なる大面積化を進めるようにしたプラズマＣＶＤ装置及び薄膜電子デバイス製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成する本発明は、次の発明特定事項を有する。
第１の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、
上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、
上記電極を構成する高圧側導体棒と接地側導体棒との間の距離ｄは、高周波プラズマ中の電子の振幅Ａの２倍に略等しいことを特徴とする。
【００１４】
第２の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、
上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、
上記電極とこの電極と対峙する基板との間に成膜前駆体のもとになる反応性ガスを噴出するガス管を、上記梯子型電極及び基板のまわりに囲むように備え、
上記ガス導入系からは上記反応性ガスとは別のガスを、上記基板と反対側の上記梯子型電極の背後から導入し、この別のガスが上記梯子型電極の導体棒間に生成したプラズマにより分解してできた反応種と、上記ガス管から上記電極と上記基板との間に噴出された上記反応性ガスとの化学反応により生成される反応種により成膜を行なうように構成したことを特徴とする
【００１７】
第３の発明は、第１又は第２の発明のプラズマＣＶＤ装置における梯子型電極に対向して配置された基板上にプラズマにより成膜するようにした薄膜電子デバイス製造方法を特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ここで、図１〜図１０を参照して本発明の実施の形態の一例を説明する。図１は本発明の高周波プラズマＣＶＤ装置の断面構成図である。図１において、真空容器１は、ガスボンベ等のガス源（図示省略）に接続されたガス導入系２と真空ポンプに接続された排気系３との気体出入口を有する。この真空容器１内には、梯子型電極４と基板５を載せる基板ホルダ６とが離間して対峙して置かれ、梯子型電極４はプラズマ生成電極であり、インピーダンスマッチングのためのマッチング回路７を介して高周波電源８に接続される。
【００１９】
ここで、梯子型電極４の構造は、図２にも示すように高周波電力を給電するための高圧側の金属枠４ａと接地側の金属枠４ｂとの間に差し渡された複数本の導体棒４Ｓ，４Ｇが互いに離間して並べられる。この導体棒のうち高圧側の金属枠４ａに差し込まれ電気的に接続するもの４Ｓは、接地側の金属枠４ｂでは絶縁体受座４ｃを介して電気的に絶縁されて差し込まれる。また、導体棒のうち接地側の金属枠４ｂに差し込まれて電気的に接続するもの４Ｇは、高圧側の金属枠４ａでは絶縁体受座４ｃを介して電気的に絶縁して接続される。したがって、高圧側の金属枠４ａと導体棒４Ｓには高周波電圧が加わり、反面、導体棒４Ｇ及び金属棒４ｂは接地されることになる。
図１では黒丸を例えば高圧側導体棒４Ｓ、白丸を接地側の導体棒４Ｇとして示す。
【００２０】
また、梯子型電極４を中心として基板ホルダ６に対して反対側には、ガス導入系２と連通する中空部を有するシャワープレート９が配置されており、シャワープレート９の多数の噴出孔からは均一にガスが噴出するようになっている。
一方、基板ホルダ９内には基板５を加熱するためのヒータ１０が配置されている。なお、基板ホルダ６ひいては基板５及び真空容器１は接地されている。
【００２１】
ここにおいて、梯子型電極４の高圧側の導体棒４Ｓに高周波電力を加えた場合、接地側の導体棒４Ｇとの間にて電極面に沿ってプラズマが生成する。そして、このプラズマは導体棒４Ｓ，４Ｇに沿い生成することになり、このプラズマの生成に当って基板側の電位は直接影響を及ぼさない。つまり、梯子型電極４に対して基板５及び基板ホルダ６は電気的に独立したものとなる。
【００２２】
また、高周波プラズマ中の電子の振幅Ａは、次式［数１］にて表される。
【数１】
ここにおいて、Ｅは電界強度、μは電子の移動度、ｍｅ は電子の質量、ｅは電子の電荷量、ω＝２πｆは高周波電力の角周波数である。
そして、交互に配置された高圧側の導体棒４Ｓと接地された導体棒４Ｇとの距離ｄを前記電子の振幅Ａの２倍近傍とする。つまりｄ≒２Ａとする。
仮に、ｄ≪２Ａであれば、プラズマ中の電子が容易に導体棒に到達して結果的にプラズマはうまく生成されなくなる。一方、ｄ≫２Ａでは、プラズマが生成されるが、導体棒間に体積の大きいプラズマが生成されることになり、結果的にプラズマの均一性を悪化させるからである。
また、電極周辺の構造物との距離は、電極と構造物との間での放電を避けるために、少なくともｄより大きくすることも必要である。この時、電極の支持はセラミック等の絶縁体で行われる。
【００２３】
前述した図２を用いて一例を述べるに、導体棒４Ｓ，４Ｇ間をｄ＝２Ａとなるように配置する。かかる構成にて導体棒４Ｓ，４Ｇ間に形成される高周波電界により効率良くプラズマが形成されることになる。よって高圧側の導体棒４Ｓと接地側の導体棒４Ｇとを交互に梯子状に並べることにより、電極全体として均一で大面積プラズマを生成することができる。
【００２４】
６０ＭＨｚ の高周波電力をこの梯子型電極４に給電した場合を想定し、二次元の数値シミュレーションを実施した結果、プラズマ中の電子密度の空間分布は図３のようになった。図３に示すように、電気密度は梯子型電極の導体棒の並びに沿って、連続的に分布しており、大面積で均一なプラズマ生成が可能であることを示している。
すなわち、真空容器内に供給された反応ガスは、電極面に沿って生成されたプラズマによって分解され、反応種が生成される。この反応種は、通常この種のプロセスで用いられるガス圧である数ｍＴｏｒｒ〜数百ｍＴｏｒｒのもとでは、速やかに拡散し加工物に達した付近では均一な分布となる。このため、この反応種による一様な加工が可能となる。
【００２５】
図４は図１の変形例を示したものであり、円筒状基板５１に対して円筒状梯子型電極４１を形成した例を示している。例えば、具体例として感光体ドラムに代表されるような円筒状の基板に対するＣＶＤを前提としたものである。真空容器１内には円筒状梯子型電極４１を円筒状基板５１を保持する円筒状基板ホルダ６１と同心に設置されている。この場合、円筒状梯子型電極４１の梯子段を形成する導体棒の並びは図４の如く円周方向に並べても良いし、あるいは円筒軸方向に並べてもよい。
【００２６】
円筒状梯子型電極４１には、図１の構成と同様マッチング回路７を介して高周波電源８が接続されており、更に高圧側導体棒と接地側導体棒との交互に配置により、円筒状梯子型電極４１のこの導体棒に沿ってプラズマを生成できることは図１の場合と同様である。更に、図１と同様に円筒状梯子型電極４１の背後にはシャワープレート９から反応性ガスが噴出するようにしてあり、プラズマによって分解された反応種により円筒状基板の表面に対する一様な成膜が可能となる。つまり、図４の構成では、図１のものを円筒状に形成した構成となっている。
【００２７】
図５は、更に他の例を示している。図５は基板５を載せるステージに第２の電極１１を備え、この第２の電極１１にマッチング回路１２を介して別の高周波電源１３を接続する構成を図１の構成に加えたものである。
この図５によれば、第２の電極１１上に載せた基板５の表面電位は高周波電力によってその周波数にて時間的に変動し、しかも真空容器１や基板ホルダ６が接地されて相対的に負電圧が重畳されることになるので、梯子型電極４により生成されたプラズマ中のイオンは、プラズマ中の空間電位と基板５の表面電位との間で時間的に変動する電位差により加速され、成膜中の基板表面に入射する。
【００２８】
図６は第２の電極１１に給電する高周波電力の周波数を変えた時の、基板５に入射するＳｉＨ３ イオン（図中実線）とＨ＋ イオン（図中点線）の各々のイオンエネルギーの分布の変化を示したものである。図６に示すように低い周波数（例えば１３．５６ ＭＨｚ ）ではエネルギー分布は広くなるが、周波数を高くすると（例えば７０ＭＨｚ ）広がりが小さくなることから、周波数の大きさによって入射イオンエネルギーを制御可能なことがわかる。高すぎるイオンエネルギーは膜中の欠陥密度を増大し膜質を劣化させる一方で、数十ｅＶ程度の入射エネルギーを持ったイオンは成膜中のアニーリング効果を助長し、膜質を緻密で良質なものにすることも知られているので、本例による高周波電力を用いたイオンエネルギーの制御は非常に有効である。
【００２９】
図７は、他の実施例であり、この図７では梯子型電極４と基板５との間にこの電極４や基板５を囲む大きさのリング状のガス管１４を配置しており、このリング状のガス管１４の内側には多数のガス噴出口が形状される構成を有している。このリング状のガス管１４からは成膜前駆体のもとになる反応性ガスを流出するものであり、ガス導入系２からは成膜前駆体のもとになる反応性ガスとは別のガスを導入しそのガスが梯子型電極４の導体棒間に生成したプラズマによって分解してできた反応種により、ガス管１４から導入した反応性ガスを分解して成膜を行なうようにしている。つまり、図１，図４，図５に示すように反応性ガスを直接プラズマにて分解することなく、別のガスの分解による反応種にてガス管１４からの反応性ガスを分解することにより、成膜前駆体となる反応種の組成を制御することができる。
【００３０】
具体的には例えば、梯子型電極４背後のシャワープレート９からはＡｒガスを導入し、ガス管１４からはＳｉＨ４ ガスを導入すれば、プラズマ中の電子衝突によって生成したＡｒ準安定原子とＳｉＨ４ ガスの反応によりＳｉＨ２ を生成することから、成膜前駆体となる反応種ＳｉＨ３ ，ＳｉＨ２ 等においてＳｉＨ２ の比率を上げることができる。
また、例えば、シャワープレート９からはＨ２ ガスを導入し、ガス管１４からは同様にＳｉＨ４ ガスを導入すれば、プラズマ中の電子衝突によって生成したＨ原子とＳｉＨ４ の反応によりＳｉＨ３ を生成することから、成膜前駆体となる反応種ＳｉＨ３ ，ＳｉＨ２ においてＳｉＨ３ の比率を上げることができる。
いずれにしても、ＳｉＨ４ ガスを直接プラズマによって分解し生成する反応種の組成とは異なる組成にすることができ、成膜反応の制御が可能となる。
【００３１】
以上図１，図４，図５，図７にて具体例を挙げたが、これらの具体例は相互適用が可能であり、例えば図４の円筒構造にて図５，図７の構成を組み合せることができ、また、図５と図７の構成を組み合せることもできる。
【００３２】
こうして説明した如く、本例でのプラズマＣＶＤ装置では、高周波電力が給電される導体棒と接地された導体棒とを交互に梯子状に配列したことにより、少なくとも基板側は梯子状電極とは電気的に独立したものとなり、電子密度分布が連続して均一な分布となり、成膜プロセスの自由度が増加し、高品質成膜のための制御性が向上し、一層の大面積薄膜が期待される。
【００３３】
これまでの説明においては、大面積で均一化したプラズマ生成につき述べたのであるが、ここで高周波電力についても言及する。高周波プラズマの生成は、基板へのイオンダメージを減少させる等高品質加工のため行なわれ、従来使用されてきた１３．５６ ＭＨｚ の外更に高い数十〜数百ＭＨｚ の高周波電力が使用されつつある。
ところが、高周波電力の高周波数化に伴い波長が電極サイズと同程度になると定在波が発生してしまい、プラズマ分布が不均一になったり、高周波による電子捕捉効果が強くなって電極と周囲の構造物との間に局所的にプラズマが生成されやすくなり、プラズマの大面積で均一な生成が困難になりつつある。
【００３４】
そこで、更なる改良として上記電子捕捉効果によりプラズマが局所化する性質を逆に利用して、プラズマ分布が不均一になるという問題を解決する。
前述したように本発明の実施の形態の一例では、高周波電力が給電された導体棒４Ｓと接地された導体棒４Ｇを交互に梯子状に並べた複数の導体棒から成る梯子型電極４を真空容器１内に設置することにより、電極全体として大面積・均一なプラズマを生成し、一様な加工を実現するようにしたものであるが、高周波電力の周波数による波長λが梯子型電極４の寸法と比較して十分大きい場合には、この電極への給電については高圧側金属棒４ａへの一点での給電点の設置で問題はない。
ところが、高周波電力の周波数に基づく波長λにより、λ／４ の長さが電極の縦又は横の寸法と同程度になる場合には、定在波の発生によりプラズマの不均一を招来するため、高周波電源側からみて互いの距離がλ／４ 以下となる複数の給電点を設けることが考えられる。
【００３５】
図８を用いて、上述の梯子型電極４に給電する高周波電力の波長をλとした時、電極の縦または横の寸法がλ／４ と同程度になる場合において、電極全体で電圧分布を一様にするための電極の構成について一例を説明する。この図８に示す例では、高圧側金属枠４ａと接地側金属枠４ｂとを一対ずつ設け、両側に接地側金属枠４ｂ１，４ｂ２を中央に高圧側金属枠４ａ１，４ａ２をそれぞれ備えている。そして、高圧側金属枠４ａ１，４ａ２にはそれぞれ２か所の給電点１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが設置され、電源からみた各給電点１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの距離をλ／４ 以下としている。
【００３６】
図９は、高周波電力の周波数と給電点間に発生する電圧分布との関係を示している。１００ＭＨｚ の場合、λ＝２ｍなので、給電点間距離ＬとＬ＝λ／２ の関係となり、この時非常に大きな電圧分布が発生する。Ｌ＜λ／４ となる５４．２４ ＭＨｚ 以下では、電圧分布はかなりの程度一様化されており、複数の給電点を設けた場合の互いの距離をλ／４ 以下とする根拠となっている。
上記のように、複数の給電点を配置し、電極全体で導体棒に沿って電圧分布をほぼ一様に発生すれば、図２の場合と同様に各導体棒間において、一様なプラズマ生成が可能となり、高周波電力の周波数が高くなったために波長λが小さくなり、λ／４ が電極寸法とほぼ同程度の場合でも、大面積で均一なプラズマの生成が可能となる。
【００３７】
上述の梯子型電極４に給電する高周波電力の周波数が高くなり、それを波長λとした時、λ／２ が電極の縦または横の寸法より大きくなる場合、給電点の数も増やさなければならない。この時、電気的に接続しており、かつ、電源から見てλ／４ 以上の離れた位置にある給電点が存在すると、これらの給電点により発生する定在波が互いに干渉して、結果的に電圧分布を悪化させる恐れがある。
これを抑制し、電極全体で電圧分布を一様にするための電極の構成について図１０を用いて説明する。図１０は図８にて用いた複数給電された電極を一つの電極ユニット１７として、必要な電極面積だけ複数のユニットを平面内に配置したもので、図は４ユニットを配置した例である。各ユニットには高周波電力が各々給電されているのみで、ユニット間は電気的に接続されていない。こうすることによって、λ／４ 以上離れた給電点同士の定在波の干渉はなくなり、各々均一にプラズマが生成されたユニットを平面内に配置することによって、全体として大面積で均一なプラズマの生成が可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の効果を奏する。
第１の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、上記電極を構成する高圧側導体棒と接地側導体棒との間の距離ｄは、高周波プラズマ中の電子の振幅Ａの２倍に略等しいこととしたことにより、生成するプラズマを均一化する。
【００４２】
第２の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、上記電極とこの電極と対峙する基板との間に成膜前駆体のもとになる反応性ガスを噴出するガス管を、上記梯子型電極及び基板のまわりに囲むように備え、ガス導入系からは上記反応性ガスとは別のガスを、上記基板と反対側の上記梯子型電極の背後から導入し、この別のガスが上記梯子型電極の導体棒間に生成したプラズマにより分解してできた反応種と、上記ガス管から上記電極と上記基板との間に噴出された上記反応性ガスとの化学反応により生成される反応種により成膜を行なうように構成したことにより、ガス管からの反応性ガスをプラズマにて直接分解せず、別のガスを分解することで、反応種の組成制御が可能となる。
【００４５】
第３の発明は、上記各発明にあって、基板上にプラズマにて成膜した電子デバイスを製造するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の断面図。
【図２】電極を主に示した簡略斜視図。
【図３】図１におけるシミュレーション結果の電子密度分布図。
【図４】円筒型の変形例を示す断面図。
【図５】別の高周波電源を有する例の断面図。
【図６】周波数をパラメータとしたイオンエネルギ状態図。
【図７】反応性ガスのガス管を備えた例の断面図。
【図８】複数給電点を有する例の斜視図。
【図９】給電点間距離に対する電圧分布図。
【図１０】電極ユニット構成の簡略斜視図。
【符号の説明】
１ 真空容器
４ 梯子型電極
４ａ，４ｂ，４ａ１，４ｂ１，４ａ２，４ｂ２ 金属枠
４Ｓ，４Ｇ 導体棒
４ｃ 絶縁体受座
５ 基板
６ 基板ホルダ
８，１３ 高周波電源
１１ 第２の電極
１４ ガス管
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ 給電点
１７ 電極ユニット
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電力により反応性ガスをプラズマ化し、基板上に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置及び薄膜電子デバイス製造方法に係るものであり、薄膜電子デバイス、例えば薄膜トランジスタ、太陽電池、電子写真感光体等の製造・開発プロセスに用いられるプラズマＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いた薄膜形成プロセスや材料加工プロセスは、薄膜電子デバイスや新材料の製造等に広く用いられている必要不可欠な技術である。このうち、薄膜形成に例をとると、従来より提案されているプラズマＣＶＤ装置としては、特開平４−０２１７８１号公報に開示される如く、例えば１本の線材をＵ字状に交互に折り曲げたジグザグ状平面形コイルを形成し、このコイルと対峙する基板との間に高周波電圧をかけてプラズマを発生させるものがあり、電界強度を強くしかつ均一として大面積薄膜を得ようとするものがある。
【０００３】
より具体的には、反応性ガスのガス導入系と排気系とが連通された真空容器内にあって、上述のジグザグ状平面形コイルである放電用（高圧側）電極とこれに対峙して基板を載せた接地側電極との間にて発生する高周波電界によりプラズマを生成し、この生成したプラズマにより反応性ガスを分解して反応種を作り、基板上に薄膜を堆積するというものである。
【０００４】
また、別の従来のプラズマＣＶＤ装置としては、特開平４−２３６７８１号公報に開示される如く、例えば複数本の線材からなる梯子状平面コイルと基板との間に高周波電圧をかけてプラズマを発生させ、電界強度を強くしかつ均一として大面積薄膜を得ようとするものである。
【０００５】
この梯子状平面コイルについても高周波電界によりプラズマを生成し、基板上に薄膜を堆積することは前述の従来例と同じである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来例にも挙げるごとくジグザグ状や梯子状平面コイルである高圧側電極と基板を載せた接地側電極とに高周波電圧を加えるものが一般的であり、換言すれば高圧側電極と接地側電極とが電気的に結合しているのが一般的であり、接地側電極上に載せた基板の物性が高周波電界に影響を及ぼしプラズマ生成に影響を与えることになって、プラズマ生成制御が困難になることがある。
【０００７】
また、成膜速度を向上するために高周波電力を増加した場合、基板表面が強いプラズマに直接さらされることとなり、基板表面がプラズマ中のイオンによるダメージを受け、膜質が劣化するという問題もある。
【０００８】
更には、ジグザグ状や梯子状の平面コイルにより大面積薄膜を得るといっても、これら高圧側電極と基板との間に高周波電圧をかけることになり、かかる点電子密度分布に片寄りが発生し連続分布とならないため均一成膜はできにくく、この結果大面積薄膜を形成するにしても限界がある。
【０００９】
本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、プラズマ生成電極と基板側の電極とを電気的に独立したものとして、プラズマ制御の困難性や基板表面の膜質の劣化を防止し、また更なる大面積化を進めるようにしたプラズマＣＶＤ装置及び薄膜電子デバイス製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成する本発明は、次の発明特定事項を有する。
第１の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、
上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、
上記電極を構成する高圧側導体棒と接地側導体棒との間の距離ｄは、高周波プラズマ中の電子の振幅Ａの２倍に略等しいことを特徴とする。
【００１４】
第２の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、
上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、
上記電極とこの電極と対峙する基板との間に成膜前駆体のもとになる反応性ガスを噴出するガス管を、上記梯子型電極及び基板のまわりに囲むように備え、
上記ガス導入系からは上記反応性ガスとは別のガスを、上記基板と反対側の上記梯子型電極の背後から導入し、この別のガスが上記梯子型電極の導体棒間に生成したプラズマにより分解してできた反応種と、上記ガス管から上記電極と上記基板との間に噴出された上記反応性ガスとの化学反応により生成される反応種により成膜を行なうように構成したことを特徴とする
【００１７】
第３の発明は、第１又は第２の発明のプラズマＣＶＤ装置における梯子型電極に対向して配置された基板上にプラズマにより成膜するようにした薄膜電子デバイス製造方法を特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ここで、図１〜図１０を参照して本発明の実施の形態の一例を説明する。図１は本発明の高周波プラズマＣＶＤ装置の断面構成図である。図１において、真空容器１は、ガスボンベ等のガス源（図示省略）に接続されたガス導入系２と真空ポンプに接続された排気系３との気体出入口を有する。この真空容器１内には、梯子型電極４と基板５を載せる基板ホルダ６とが離間して対峙して置かれ、梯子型電極４はプラズマ生成電極であり、インピーダンスマッチングのためのマッチング回路７を介して高周波電源８に接続される。
【００１９】
ここで、梯子型電極４の構造は、図２にも示すように高周波電力を給電するための高圧側の金属枠４ａと接地側の金属枠４ｂとの間に差し渡された複数本の導体棒４Ｓ，４Ｇが互いに離間して並べられる。この導体棒のうち高圧側の金属枠４ａに差し込まれ電気的に接続するもの４Ｓは、接地側の金属枠４ｂでは絶縁体受座４ｃを介して電気的に絶縁されて差し込まれる。また、導体棒のうち接地側の金属枠４ｂに差し込まれて電気的に接続するもの４Ｇは、高圧側の金属枠４ａでは絶縁体受座４ｃを介して電気的に絶縁して接続される。したがって、高圧側の金属枠４ａと導体棒４Ｓには高周波電圧が加わり、反面、導体棒４Ｇ及び金属棒４ｂは接地されることになる。
図１では黒丸を例えば高圧側導体棒４Ｓ、白丸を接地側の導体棒４Ｇとして示す。
【００２０】
また、梯子型電極４を中心として基板ホルダ６に対して反対側には、ガス導入系２と連通する中空部を有するシャワープレート９が配置されており、シャワープレート９の多数の噴出孔からは均一にガスが噴出するようになっている。
一方、基板ホルダ９内には基板５を加熱するためのヒータ１０が配置されている。なお、基板ホルダ６ひいては基板５及び真空容器１は接地されている。
【００２１】
ここにおいて、梯子型電極４の高圧側の導体棒４Ｓに高周波電力を加えた場合、接地側の導体棒４Ｇとの間にて電極面に沿ってプラズマが生成する。そして、このプラズマは導体棒４Ｓ，４Ｇに沿い生成することになり、このプラズマの生成に当って基板側の電位は直接影響を及ぼさない。つまり、梯子型電極４に対して基板５及び基板ホルダ６は電気的に独立したものとなる。
【００２２】
また、高周波プラズマ中の電子の振幅Ａは、次式［数１］にて表される。
【数１】
そして、交互に配置された高圧側の導体棒４Ｓと接地された導体棒４Ｇとの距離ｄを前記電子の振幅Ａの２倍近傍とする。つまりｄ≒２Ａとする。
仮に、ｄ≪２Ａであれば、プラズマ中の電子が容易に導体棒に到達して結果的にプラズマはうまく生成されなくなる。一方、ｄ≫２Ａでは、プラズマが生成されるが、導体棒間に体積の大きいプラズマが生成されることになり、結果的にプラズマの均一性を悪化させるからである。
また、電極周辺の構造物との距離は、電極と構造物との間での放電を避けるために、少なくともｄより大きくすることも必要である。この時、電極の支持はセラミック等の絶縁体で行われる。
【００２３】
前述した図２を用いて一例を述べるに、導体棒４Ｓ，４Ｇ間をｄ＝２Ａとなるように配置する。かかる構成にて導体棒４Ｓ，４Ｇ間に形成される高周波電界により効率良くプラズマが形成されることになる。よって高圧側の導体棒４Ｓと接地側の導体棒４Ｇとを交互に梯子状に並べることにより、電極全体として均一で大面積プラズマを生成することができる。
【００２４】
６０ＭＨｚ の高周波電力をこの梯子型電極４に給電した場合を想定し、二次元の数値シミュレーションを実施した結果、プラズマ中の電子密度の空間分布は図３のようになった。図３に示すように、電気密度は梯子型電極の導体棒の並びに沿って、連続的に分布しており、大面積で均一なプラズマ生成が可能であることを示している。
すなわち、真空容器内に供給された反応ガスは、電極面に沿って生成されたプラズマによって分解され、反応種が生成される。この反応種は、通常この種のプロセスで用いられるガス圧である数ｍＴｏｒｒ〜数百ｍＴｏｒｒのもとでは、速やかに拡散し加工物に達した付近では均一な分布となる。このため、この反応種による一様な加工が可能となる。
【００２５】
図４は図１の変形例を示したものであり、円筒状基板５１に対して円筒状梯子型電極４１を形成した例を示している。例えば、具体例として感光体ドラムに代表されるような円筒状の基板に対するＣＶＤを前提としたものである。真空容器１内には円筒状梯子型電極４１を円筒状基板５１を保持する円筒状基板ホルダ６１と同心に設置されている。この場合、円筒状梯子型電極４１の梯子段を形成する導体棒の並びは図４の如く円周方向に並べても良いし、あるいは円筒軸方向に並べてもよい。
【００２６】
円筒状梯子型電極４１には、図１の構成と同様マッチング回路７を介して高周波電源８が接続されており、更に高圧側導体棒と接地側導体棒との交互に配置により、円筒状梯子型電極４１のこの導体棒に沿ってプラズマを生成できることは図１の場合と同様である。更に、図１と同様に円筒状梯子型電極４１の背後にはシャワープレート９から反応性ガスが噴出するようにしてあり、プラズマによって分解された反応種により円筒状基板の表面に対する一様な成膜が可能となる。つまり、図４の構成では、図１のものを円筒状に形成した構成となっている。
【００２７】
図５は、更に他の例を示している。図５は基板５を載せるステージに第２の電極１１を備え、この第２の電極１１にマッチング回路１２を介して別の高周波電源１３を接続する構成を図１の構成に加えたものである。
この図５によれば、第２の電極１１上に載せた基板５の表面電位は高周波電力によってその周波数にて時間的に変動し、しかも真空容器１や基板ホルダ６が接地されて相対的に負電圧が重畳されることになるので、梯子型電極４により生成されたプラズマ中のイオンは、プラズマ中の空間電位と基板５の表面電位との間で時間的に変動する電位差により加速され、成膜中の基板表面に入射する。
【００２８】
図６は第２の電極１１に給電する高周波電力の周波数を変えた時の、基板５に入射するＳｉＨ３ イオン（図中実線）とＨ＋ イオン（図中点線）の各々のイオンエネルギーの分布の変化を示したものである。図６に示すように低い周波数（例えば１３．５６ ＭＨｚ ）ではエネルギー分布は広くなるが、周波数を高くすると（例えば７０ＭＨｚ ）広がりが小さくなることから、周波数の大きさによって入射イオンエネルギーを制御可能なことがわかる。高すぎるイオンエネルギーは膜中の欠陥密度を増大し膜質を劣化させる一方で、数十ｅＶ程度の入射エネルギーを持ったイオンは成膜中のアニーリング効果を助長し、膜質を緻密で良質なものにすることも知られているので、本例による高周波電力を用いたイオンエネルギーの制御は非常に有効である。
【００２９】
図７は、他の実施例であり、この図７では梯子型電極４と基板５との間にこの電極４や基板５を囲む大きさのリング状のガス管１４を配置しており、このリング状のガス管１４の内側には多数のガス噴出口が形状される構成を有している。このリング状のガス管１４からは成膜前駆体のもとになる反応性ガスを流出するものであり、ガス導入系２からは成膜前駆体のもとになる反応性ガスとは別のガスを導入しそのガスが梯子型電極４の導体棒間に生成したプラズマによって分解してできた反応種により、ガス管１４から導入した反応性ガスを分解して成膜を行なうようにしている。つまり、図１，図４，図５に示すように反応性ガスを直接プラズマにて分解することなく、別のガスの分解による反応種にてガス管１４からの反応性ガスを分解することにより、成膜前駆体となる反応種の組成を制御することができる。
【００３０】
具体的には例えば、梯子型電極４背後のシャワープレート９からはＡｒガスを導入し、ガス管１４からはＳｉＨ４ ガスを導入すれば、プラズマ中の電子衝突によって生成したＡｒ準安定原子とＳｉＨ４ ガスの反応によりＳｉＨ２ を生成することから、成膜前駆体となる反応種ＳｉＨ３ ，ＳｉＨ２ 等においてＳｉＨ２ の比率を上げることができる。
また、例えば、シャワープレート９からはＨ２ ガスを導入し、ガス管１４からは同様にＳｉＨ４ ガスを導入すれば、プラズマ中の電子衝突によって生成したＨ原子とＳｉＨ４ の反応によりＳｉＨ３ を生成することから、成膜前駆体となる反応種ＳｉＨ３ ，ＳｉＨ２ においてＳｉＨ３ の比率を上げることができる。
いずれにしても、ＳｉＨ４ ガスを直接プラズマによって分解し生成する反応種の組成とは異なる組成にすることができ、成膜反応の制御が可能となる。
【００３１】
以上図１，図４，図５，図７にて具体例を挙げたが、これらの具体例は相互適用が可能であり、例えば図４の円筒構造にて図５，図７の構成を組み合せることができ、また、図５と図７の構成を組み合せることもできる。
【００３２】
こうして説明した如く、本例でのプラズマＣＶＤ装置では、高周波電力が給電される導体棒と接地された導体棒とを交互に梯子状に配列したことにより、少なくとも基板側は梯子状電極とは電気的に独立したものとなり、電子密度分布が連続して均一な分布となり、成膜プロセスの自由度が増加し、高品質成膜のための制御性が向上し、一層の大面積薄膜が期待される。
【００３３】
これまでの説明においては、大面積で均一化したプラズマ生成につき述べたのであるが、ここで高周波電力についても言及する。高周波プラズマの生成は、基板へのイオンダメージを減少させる等高品質加工のため行なわれ、従来使用されてきた１３．５６ ＭＨｚ の外更に高い数十〜数百ＭＨｚ の高周波電力が使用されつつある。
ところが、高周波電力の高周波数化に伴い波長が電極サイズと同程度になると定在波が発生してしまい、プラズマ分布が不均一になったり、高周波による電子捕捉効果が強くなって電極と周囲の構造物との間に局所的にプラズマが生成されやすくなり、プラズマの大面積で均一な生成が困難になりつつある。
【００３４】
そこで、更なる改良として上記電子捕捉効果によりプラズマが局所化する性質を逆に利用して、プラズマ分布が不均一になるという問題を解決する。
前述したように本発明の実施の形態の一例では、高周波電力が給電された導体棒４Ｓと接地された導体棒４Ｇを交互に梯子状に並べた複数の導体棒から成る梯子型電極４を真空容器１内に設置することにより、電極全体として大面積・均一なプラズマを生成し、一様な加工を実現するようにしたものであるが、高周波電力の周波数による波長λが梯子型電極４の寸法と比較して十分大きい場合には、この電極への給電については高圧側金属棒４ａへの一点での給電点の設置で問題はない。
ところが、高周波電力の周波数に基づく波長λにより、λ／４ の長さが電極の縦又は横の寸法と同程度になる場合には、定在波の発生によりプラズマの不均一を招来するため、高周波電源側からみて互いの距離がλ／４ 以下となる複数の給電点を設けることが考えられる。
【００３５】
図８を用いて、上述の梯子型電極４に給電する高周波電力の波長をλとした時、電極の縦または横の寸法がλ／４ と同程度になる場合において、電極全体で電圧分布を一様にするための電極の構成について一例を説明する。この図８に示す例では、高圧側金属枠４ａと接地側金属枠４ｂとを一対ずつ設け、両側に接地側金属枠４ｂ１，４ｂ２を中央に高圧側金属枠４ａ１，４ａ２をそれぞれ備えている。そして、高圧側金属枠４ａ１，４ａ２にはそれぞれ２か所の給電点１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが設置され、電源からみた各給電点１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの距離をλ／４ 以下としている。
【００３６】
図９は、高周波電力の周波数と給電点間に発生する電圧分布との関係を示している。１００ＭＨｚ の場合、λ＝２ｍなので、給電点間距離ＬとＬ＝λ／２ の関係となり、この時非常に大きな電圧分布が発生する。Ｌ＜λ／４ となる５４．２４ ＭＨｚ 以下では、電圧分布はかなりの程度一様化されており、複数の給電点を設けた場合の互いの距離をλ／４ 以下とする根拠となっている。
上記のように、複数の給電点を配置し、電極全体で導体棒に沿って電圧分布をほぼ一様に発生すれば、図２の場合と同様に各導体棒間において、一様なプラズマ生成が可能となり、高周波電力の周波数が高くなったために波長λが小さくなり、λ／４ が電極寸法とほぼ同程度の場合でも、大面積で均一なプラズマの生成が可能となる。
【００３７】
上述の梯子型電極４に給電する高周波電力の周波数が高くなり、それを波長λとした時、λ／２ が電極の縦または横の寸法より大きくなる場合、給電点の数も増やさなければならない。この時、電気的に接続しており、かつ、電源から見てλ／４ 以上の離れた位置にある給電点が存在すると、これらの給電点により発生する定在波が互いに干渉して、結果的に電圧分布を悪化させる恐れがある。
これを抑制し、電極全体で電圧分布を一様にするための電極の構成について図１０を用いて説明する。図１０は図８にて用いた複数給電された電極を一つの電極ユニット１７として、必要な電極面積だけ複数のユニットを平面内に配置したもので、図は４ユニットを配置した例である。各ユニットには高周波電力が各々給電されているのみで、ユニット間は電気的に接続されていない。こうすることによって、λ／４ 以上離れた給電点同士の定在波の干渉はなくなり、各々均一にプラズマが生成されたユニットを平面内に配置することによって、全体として大面積で均一なプラズマの生成が可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の効果を奏する。
第１の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、上記電極を構成する高圧側導体棒と接地側導体棒との間の距離ｄは、高周波プラズマ中の電子の振幅Ａの２倍に略等しいこととしたことにより、生成するプラズマを均一化する。
【００４２】
第２の発明は、ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、上記電極とこの電極と対峙する基板との間に成膜前駆体のもとになる反応性ガスを噴出するガス管を、上記梯子型電極及び基板のまわりに囲むように備え、ガス導入系からは上記反応性ガスとは別のガスを、上記基板と反対側の上記梯子型電極の背後から導入し、この別のガスが上記梯子型電極の導体棒間に生成したプラズマにより分解してできた反応種と、上記ガス管から上記電極と上記基板との間に噴出された上記反応性ガスとの化学反応により生成される反応種により成膜を行なうように構成したことにより、ガス管からの反応性ガスをプラズマにて直接分解せず、別のガスを分解することで、反応種の組成制御が可能となる。
【００４５】
第３の発明は、上記各発明にあって、基板上にプラズマにて成膜した電子デバイスを製造するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の断面図。
【図２】電極を主に示した簡略斜視図。
【図３】図１におけるシミュレーション結果の電子密度分布図。
【図４】円筒型の変形例を示す断面図。
【図５】別の高周波電源を有する例の断面図。
【図６】周波数をパラメータとしたイオンエネルギ状態図。
【図７】反応性ガスのガス管を備えた例の断面図。
【図８】複数給電点を有する例の斜視図。
【図９】給電点間距離に対する電圧分布図。
【図１０】電極ユニット構成の簡略斜視図。
【符号の説明】
１ 真空容器
４ 梯子型電極
４ａ，４ｂ，４ａ１，４ｂ１，４ａ２，４ｂ２ 金属枠
４Ｓ，４Ｇ 導体棒
４ｃ 絶縁体受座
５ 基板
６ 基板ホルダ
８，１３ 高周波電源
１１ 第２の電極
１４ ガス管
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ 給電点
１７ 電極ユニット
Claims (3)
- ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、
上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、
上記電極を構成する高圧側導体棒と接地側導体棒との間の距離ｄは、高周波プラズマ中の電子の振幅Ａの２倍に略等しいことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。 - ガス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを有するプラズマＣＶＤ装置において、
上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極であり、
上記電極とこの電極と対峙する基板との間に成膜前駆体のもとになる反応性ガスを噴出するガス管を、上記梯子型電極及び基板のまわりに囲むように備え、
上記ガス導入系からは上記反応性ガスとは別のガスを、上記基板と反対側の上記梯子型電極の背後から導入し、この別のガスが上記梯子型電極の導体棒間に生成したプラズマにより分解してできた反応種と、上記ガス管から上記電極と上記基板との間に噴出された上記反応性ガスとの化学反応により生成される反応種により成膜を行なうように構成したことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。 - 請求項１又は２記載のプラズマＣＶＤ装置における梯子型電極に対向して配置された基板上にプラズマにより成膜するようにした薄膜電子デバイス製造方法。
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