JP3637291B2

JP3637291B2 - プラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法及び装置

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Publication number: JP3637291B2
Application number: JP2001133830A
Authority: JP
Inventors: 啓介川村; 暁巳高野; 浩真島; 汎高塚; 康弘山内; 良昭竹内; 英四郎笹川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-05-01
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: JP2002327276A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチング、及び、これら製膜によってチェンバ内に堆積したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）のＮＦ_３ガスのプラズマによるフッ素ラジカルクリーニング（セルフクリーニング）などに用いられるプラズマ化学蒸着装置（ＰｌａｓｍａＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）における、高周波プラズマの大面積均一化方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと称する）、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチングを行ったり、これら製膜によってチェンバ内に堆積したシリコンをＮＦ_３ガスでセルフクリーニングするために用いられるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置には、平行平板型電極を用いたものと、ラダー型電極を用いたものの２種類がある。
【０００３】
図６は平行平板型電極を用いた装置の一構成例で、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持手段６を設置して電気的に接地し、この基板加熱支持手段６と対向させてたとえば２０ｍｍ離した位置に平板電極６０を設置する。そして平板電極６０に、外部の高周波電源６１をインピーダンス整合器６２、および同軸ケーブル６３を介して接続し、さらに基板加熱支持手段６と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシールド５を設置する。
【０００４】
そして、たとえば２００℃に設定した基板加熱支持手段６上にａ−Ｓｉ薄膜を製膜する基板７を設置し、ガス導入管６４からシラン（ＳｉＨ_４）ガスをたとえば流速５０ｓｃｃｍで導入し、真空排気管６５に接続した図示しない真空ポンプ系の排気速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置１内の圧力をたとえば１００ｍＴｏｒｒに調節する。そして、高周波電力が効率良くプラズマ発生部に供給されるようにインピーダンス整合器６２を調整して高周波電源６１から高周波電力を供給すると、基板７と平板電極６０の間にプラズマ６６が発生し、このプラズマ６６の中でＳｉＨ_４が分解して基板７表面にａ−Ｓｉ模が製膜される。そのため、たとえば１０分間程度この状態で製膜を行うことにより、必要な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。
【０００５】
図７はラダー型電極７０を用いた装置の一構成例を示し、図８は、ラダー型電極７０の構造がよく分かるように図７のＡ方向から描いた図である。ラダー型電極については、たとえば特開平４−２３６７８１号公報に詳細に述べられ、またラダー型電極を発展させた電極形状として、複数の電極棒を平行に並べた電極群を２つ直行させて配置させた網目状の電極を用いた構造が特開平１１−１１１６２２号公報に報告されている。
【０００６】
この図７における高周波プラズマ発生装置においては、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持手段６（図８には図示していない）を設置して電気的に接地し、基板加熱支持手段６と対向してたとえば２０ｍｍ離した位置にラダー型電極７０を設置する。ラダー型電極７０には、外部の高周波電源６１をインピーダンス整合器６２および同軸ケーブル６３を介して接続し、基板加熱支持手段６と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシールド５が設置してある。
【０００７】
そして、たとえば２００℃に設定した基板加熱支持手段６上にａ−Ｓｉ膜を製膜する基板７を設置し、ガス供給管からシラン（ＳｉＨ_４）ガスをたとえば流速５０ｓｃｃｍで導入する。そしてプラズマ化学蒸着装置１内の圧力を、図示しない真空排気管に接続した真空ポンプ系の排気速度でたとえば１００ｍＴｏｒｒに調整する。この状態で高周波電力をラダー型電極７０に供給すると、基板７とラダー型電極７０の間にプラズマ７１が発生するから、高周波電力が効率良くプラズマ７１の発生部に供給されるようにインピーダンス整合器５を調整する。するとプラズマ７１中ではシラン（ＳｉＨ_４）が分解し、基板７にａ−Ｓｉ膜が製膜されるから、たとえば１０分程度この状態で製膜を行うことにより、必重な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。
【０００８】
この図７の構成例は図６の構成例と比較し、第一に電極として平板電極を用いずに円形断面の電極捧を梯子型に組んだラダー型と呼ばれる電極を用いているため、電極棒の間を原料のシラン（ＳｉＨ_４）ガスが自由に流れて原料供給が均一に行われ、第二に給電を電極の１箇所に行うのではなく、７２で示した複数（ここでは４点）箇所で行うことで、プラズマが均一に発生できるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このようにプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置は構成されているが、現在、上記技術を用いて作製される太陽電池用薄膜半導体、フラットパネルディスプレイ用薄膜トランジスタなどは、大面積（例えば１．５×１．２ｍ程度）・高速製膜による低コスト化、および、低欠陥密度、高結晶化率などの高品質化が求められ、また、このような大面積の製膜によってチェンバ内に堆積したａ−ＳｉのＮＦ_３ガスによるセルフクリーニングも、製膜と同様大面積・高速化が要求されている。
【００１０】
そしてこれら要求を満たす新しいプラズマ生成方法として、高周波電源の高高周波化（３０〜８００ＭＨｚ）がある。前記高高周波化により製膜速度の高速化と高品質化が両立されることが、たとえば文献Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４２４，ｐｐ．９，１９９７に記されている。特に、ａ−Ｓｉに代る新しい薄膜として注目されている微結晶Ｓｉ薄膜の高速高品質製膜に、この高高周波が適していることが最近分かってきている。
【００１１】
ところがこの高高周波による製膜は、均一大面積製膜が難しいという欠点がある。これは、高高周波の波長が電極サイズと同程度のオーダーであることから、電極端などで生じる反射波を主因とする電極上定在波の発生、浮遊インダクタンス・キャパシタンスの存在による電圧分布への影響、プラズマと高周波との相互干渉などでプラズマが不均一となり、結果、製膜が不均一になるためである。そのため、製膜における膜厚分布が、中央部において薄く不均一になるという結果が生じる。また、セルフクリーニングに用いるＮＦ_３プラズマは、ＮＦ_３ガスが負性ガス（電子を付着しやすい性質）であるため、プラズマ自体が非常に不安定であると共に、ガス流れ（下流側にプラズマ発生）や電極間隔の相違によって分布が不均一になる。
【００１２】
このうち、平行平板電極を用いた場合の代表例として示した図６の構成例においては、電極サイズが３０ｃｍ×３０ｃｍを越え、または、周波数が３０ＭＨｚを越えると、上記定在波の影響が顕著となり、半導体製膜上最低限必要な製膜膜厚均一性±１０％の達成が困難になる。
【００１３】
一方、ラダー型電極を用いた場合の代表例としてあげた図７、図８は、ラダー型電極を用いていることに加え、１点給電では顕著に生じてしまう定在波を、４点に給電することにより低減したことを特徴とするものである。しかしながら、この場合でも、電極サイズが３０ｃｍを越え、または、周波数が８０ＭＨｚを越えると均一な製膜の実現が難しくなってくる。
【００１４】
以上のような問題は学会でも注目され、これまでに例えば文献Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．３７７，ｐｐ．２７，１９９５に記されているように、平行平板の給電側と反対側にロスのないリアクタンス（コイル）を接続することが提案されている。これは、定在波の電極端からの反射条件を変えることで、定在波の波形の中で分布が比較的平らな部分、たとえば正弦波の極大付近を電極上に発生させて、電極に生じる電圧分布を少なくするものである。しかしながら、この方法は定在波を根本から無くすのではなく、正弦波のうち平らな部分が電極上に発生するようにするだけであるため、均一部分が得られるのは波長の１／８程度までであり、それを越える範囲の均一化は原理的に不可能である。
【００１５】
また、大面積で均一なプラズマを発生するための技術として、特開２０００−３８７８号公報、特開２０００−５８４６５号公報、特開２０００−３２３２９７号公報、特開２００１−７０２８号公報などに示された技術があるが、これらは最大８０ｃｍ×８０ｃｍ程度の電極に対応しているだけであり、本発明が目指しているような１．５ｍ×１．２ｍというような大面積には対応できない。そのため、プラズマ化学蒸着装置において高高周波を用いてプラズマを発生させる場合、従来の技術では、１ｍ×１ｍを越えるような非常に大きな基板を対象として、大面積で均一なプラズマを発生し、均一処理を行うことはできなかった。
【００１６】
なお、本発明の類似技術として、２つの異なる高周波を２つの放電電極にそれぞれ供給する技術があり、たとえば、Ｍ．Ｎｏｉｓａｎ，Ｊ．Ｐｅｌｌｅｔｉｅｒ，ｅｄ．，”ＭｉｃｒｏｗａｖｅＥｘｃｉｔｅｄＰｌａｓｍａｓ”、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４，ｓｅｃｏｎｄｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｐｐ．４０１，ＥｌｓｅｖｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅＢ．Ｖ．１９９９に詳述されている。
【００１７】
しかし、この技術の目的は、１つの高周波をプラズマ生成のために、他方の高周波を絶縁性基板の表面バイアス電圧制御のために用い、基板への活性イオン等の流入量、および入射エネルギーを制御することであり、本発明のように１ｍ×１ｍを越えるような非常に大きな基板を対象として大面積において均一なプラズマを発生し、均一処理を行う目的とは全く異なるものである。
【００１８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、高高周波（ＶＨＦ）を利用するプラズマ化学蒸着装置において、大面積でプラズマ発生状況が均一となるようなプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法及び装置を提供することが課題である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明においては、放電電極の両端部にそれぞれ第１と第２の給電部を設け、その第１と第２の給電部に同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクルを交互に実施し、各サイクルで発生する異なる発生状況のプラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにした。
【００２０】
そして、請求項１は方法発明であって、
プラズマ化学蒸着装置の放電電極へ高周波を給電してプラズマを発生させるようにしたプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法であって、
前記放電電極両端部に第１と第２の給電部を設け、該第１と第２の給電部に同一周波数の高周波を給電する第１のサイクルと、異なった周波数の高周波を給電する第２のサイクルを交互に実施し、各サイクルにおける異なる発生状況のプラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにするとともに、
前記第１と第２のサイクルは、１Ｈｚから１０ＭＨｚのサイクルで行うことを特徴とする。
【００２１】
そして、この方法発明を実施するための装置発明である請求項１１に記載された発明は、
放電電極に設けた第１と第２の給電部に高周波を給電してプラズマを発生させるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置であって、
第１の周波数の高周波を発振する第１の発振器と、第２の周波数の高周波を発振する第２の発振器と、前記第１の発振器からの高周波を受けて前記放電電極の第１の給電部に第１の周波数の高周波を給電する高周波電源Ａと、前記第１と第２の発振器からの高周波を受けて１Ｈｚから１０ＭＨｚのサイクルで切り替えて出力する周波数切り替え手段と、該周波数切り替え手段からの出力を受けて前記放電電極の第２の給電部に給電する高周波電源Ｂとからなり、
前記高周波電源Ｂからの第２の給電部への給電周波数を前記周波数切り替え手段で切り替えることにより、各切り替えサイクルの周波数差でプラズマ発生状況を異ならせ、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする。
【００２２】
このように、同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクルを交互に実施することにより、同一周波数の高周波を放電電極に給電したときは電極の両側から来た波が中央部で共鳴してプラズマ密度が高くなり、一方、異なった周波数の電力を給電したときは電極の両側から来た波が中央部でお互いにうち消し有ってプラズマ密度が低くなるから、このサイクルを交互に実施すると時間平均でみたとき、プラズマの発生状況、すなわち放電電極上の定在波分布が大面積で均一となり、大面積基板における膜厚分布均一化とセルフクリーニングにおけるプラズマ分布の均一化が実現できる。
【００２３】
そして請求項２に記載した方法発明、及びこの方法発明を実施するための請求項１２に記載した発明は、
前記第２のサイクルにおける一つの周波数を時間的に変動させ、プラズマ発生状況を意図的に変化させて時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたこと、
及び、前記第２の発振器は、発振周波数を可変に構成したことを特徴とする。
【００２４】
このように、異なった周波数の高周波を給電する前記第２のサイクルで片方の周波数を時間的に変動させると、その変動に応じてプラズマ発生状況が変化するから、プラズマ密度をさらに平均化することができる。
【００２５】
そしてこの異なった周波数のサイクルにおける一つの周波数は、請求項３に記載したように、
前記第２のサイクルにおける一つの周波数は、前記第１のサイクルにおける高周波の周波数と同じとし、
またこの第１と第２のサイクルは、１Ｈｚから１０ＭＨｚのサイクルで行うことは前記したとおりである。
【００２６】
また第１のサイクルと第２のサイクルの時間比は、請求項４、及び請求項１３に記載したように、
前記第１のサイクルと第２のサイクルの時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させること、
及び、前記周波数切り替え手段が切り替える第１と第２の周波数の時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させる手段を有することを特徴とする。
【００２７】
このように、第１のサイクルと第２のサイクルの時間比を用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させることにより、例えばガス条件によっては同じデューティ比であってもプラズマの発生状況が異なってくることがあるが、このような場合でも何らハードをいじることなく対応することができ、さらにプラズマ密度を均一化することが可能となる。
【００２８】
また、請求項５、及び請求項１４に記載した発明は、
前記第１のサイクルにおける第１、または第２の給電部へ給電するどちらかの周波数の高周波を位相変調し、他方の給電部に給電する高周波とは位相をずらせてプラズマの発生状況を変化させ、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたこと、
及び、前記第１の発振器から前記高周波電源Ａ、または前記周波数切り替え手段へのどちらかに供給する高周波の位相を変調する位相変調手段を有することを特徴とする。
【００２９】
このように、同一周波数の高周波を給電部に給電するとき、どちらかの高周波の位相を他方とずらすことにより、同一周波数を放電電極給電したときにできた放電電極中央部のプラズマ密度の高い部分を移動させることができ、時間平均で均一化させることができる。
【００３０】
そして請求項６、及び請求項１５に記載した発明は、
前記放電電極の給電部へ直流バイアスを印加し、発生するプラズマ密度を大面積で均一化させたこと、
及び、前記放電電極の給電部へ直流バイアスを印加する手段を設けたことを特徴とする。
【００３１】
このように放電電極の給電部へ直流バイアスを印加することにより、放電電極のシースキャパシタンスを減少させることができ、定在波波長を増加させてプラズマ密度を平均化させることができる。
【００３２】
そして請求項７、及び請求項１６に記載した発明は、
前記第１と第２の給電部への給電ケーブル軸方向を放電電極軸方向と一致させ、電流リターン距離を最小化して給電部での電力ロスを低減し、プラズマ領域の拡大を図ったこと、
及び、前記放電電極の給電部への給電用ケーブルの軸方向を、放電電極軸方向と一致させて取付けたことを特徴とする。
【００３３】
このように給電部への給電ケーブル軸方向を放電電極軸方向と一致させることにより、給電パワーがスムーズに放電電極に入ってゆき、電流リターン距離を最小化し、給電部での電力ロスを低減してプラズマ領域の拡大を図ることができる。
【００３４】
そして請求項８に記載した発明は、
前記プラズマ化学蒸着装置内に、プラズマ化学蒸着による製膜の速度、及びプラズマ化学蒸着装置のセルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲でプラズマが均一になりやすいガスを入れたことを特徴とする。
【００３５】
このようにプラズマが均一になりやすいガスを入れることで、さらにプラズマ発生状況が均一になり、このガスは請求項９に記載したように、Ｎ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガスであることが好ましい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明においては、例えば電極サイズ１．５ｍ×１．２ｍ、ガス圧１２〜２０Ｐａ（９０〜１５０ｍＴｏｒｒ）、高周波電源周波数６０ＭＨｚ級のプラズマ化学蒸着装置を目指し、上記課題を解決するための手段に記載したように、プラズマ化学蒸着装置における放電電極の両端部にそれぞれ第１と第２の給電部を設け、その給電部に同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクルを交互に実施し、各サイクルにおける異なる発生状況のプラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況、すなわち放電電極上の定在波分布が大面積で均一となるようにした。そしてさらに本発明においては、プラズマ発生状況を時間平均で均一化するため、次の６つのことを実施できるようにしたことを特徴とするものである。
１．異なる周波数の発振周波数を、時間的に変動させる。
２．ガス圧やガス種などのガス条件に応じ、第１と第２の給電部へ同一周波数を給電する時間と、異なった周波数を給電する時間の比、すなわちデューティ比を変化させる。
３．第１と第２の給電部へ同一周波数を給電する際、どちらかの給電部に給電する高周波の位相を他方の給電部に給電する高周波の位相とずらす。
４．放電電極の給電部に、ＤＣバイアス電圧を印加する。
５．給電用ケーブルの出口における軸方向を、第１と第２の給電部を結ぶ方向（軸方向）と同一とする。
６．製膜速度、セルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で均一なプラズマを発生しやすいＮ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガスを適正比注入する。
【００３７】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００３８】
最初に本発明のプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置について説明し、その後高周波プラズマの大面積均一化方法について説明する。
図１は、本発明になるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置の一実施例概略ブロック図、図２は放電電極をラダー型で構成した場合を説明するための図、図３は給電用ケーブルの出口における軸方向を、第１と第２の給電部を結ぶ方向（軸方向）と同一とする場合の構成図、図４は放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を０：１０から９：１までの１０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図、図５は給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図である。
【００３９】
図１において、１は内部が気密に作られたプラズマ化学蒸着装置、２は放電電極、３、４は放電電極２へ高周波を給電するための第１と第２の給電部、５は不要なプラズマが生成しないように設けたアースシールド、６は放電電極２から例えば２０〜３４ｍｍ程度離して設置し、基板７を保持、加熱するための図示していない機構と加熱するためのヒータを内蔵している加熱支持手段、８は図示しないガス供給源に連通し、例えば製膜のためのシラン（ＳｉＨ_４）ガスやセルフクリーニングのためのＮＦ_３ガスなどの反応ガス９を導入するためのガス導入管、１０は排気管、１１はプラズマ化学蒸着装置１内の内圧を１×１０^−６Ｔｏｒｒ程度まで真空排気可能な真空ポンプ、１２、１３は第１と第２の高周波電源Ａ、Ｂを構成するＲＦアンプ、１４は例えば６０ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を発振して高周波電源（ＲＦアンプ）Ａと切り替えスイッチ１６に送ると共に、どちらかの高周波を位相変調することができるフェーズシフターを有した第１の高周波（ＲＦ）発振器、１５は例えば５８．５ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を発振すると共に、この周波数を例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動可能に構成した第２の高周波（ＲＦ）発振器、１６は第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波を受け、これを切り替えて高周波電源Ｂ１３に供給する切り替えスイッチ、１７は、切り替えスイッチ１６による第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波の切り替えに際し、これらの高周波の時間割合、すなわちデューティ比を変化させるファンクションジェネレータ、１８は電流のリターン路である。また図３において、２０は図１における放電電極２をラダー型電極で構成した場合の１つの電極を示したもの、２１、２２は高周波を放電電極２（２０）に給電する給電用ケーブル、２３はＤＣバイアス電源である。
【００４０】
このうち第１の高周波発振器１４は、前記したように例えば６０ＭＨｚの高周波を発振してこれを高周波電源Ａ１２、切り替えスイッチ１６に送り、第２の高周波発振器１５は例えば５８．５ＭＨｚの高周波を発振して切り替えスイッチ１６に送る。そしてこの切り替えスイッチ１６は、第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源Ｂ１３に送る。そのため高周波電源Ａ１２は、６０ＭＨｚの高周波を第１の給電部３に給電し、高周波電源Ｂ１３は、一定サイクルで切り替わる６０ＭＨｚと５８．５ＭＨｚの高周波を第２の給電部４に給電する。
【００４１】
そして、この切り替えスイッチ１６による第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波の切り替えは、ガス圧やガス種などのガス条件に応じたファンクションジェネレータ１７からの信号で、その時間割合、すなわちデューティ比を変化できるようになっている。また第１の高周波発振器１４は、内部にフェーズシフターを有し、高周波電源Ａ１２、または切り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波とは位相をずらせられるようにしてあり、更に第２の高周波発振器１５は、その発振周波数を例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動可能に構成してある。
【００４２】
一方プラズマ化学蒸着装置１の放電電極２は、図２に示したように例えばラダー型に構成され、第１の給電部３、第２の給電部４は、図のように放電電極２の両端部に黒丸で示した例えば８ポイントずつで構成する。そしてこの放電電極２の給電部３、または４へ高周波を給電する給電用ケーブルは、放電用ラダー型電極の１つを２０として示した図３における２１、２２のように、出口の軸方向をラダー型電極２０の第１と第２の給電部３、４を結ぶ方向（軸方向）と一致させて接続し、またこの放電電極２（２０）には、ＤＣバイアス電源２３からＤＣバイアスを印加してある。なお、以上の説明では放電電極２をラダー型とし、給電部３、４を８ポイントずつとして説明したが、本発明はラダー型電極に限らず平板型電極においても応用可能であり、また給電ポイントも８ポイントのみに限らず、４ポイント、１６ポイントなど、必要に応じてポイント数を設定できる。
【００４３】
このように、放電電極２の給電部３、または４へ高周波を給電する給電用ケーブル２１、２２の出口軸方向を放電用ラダー型電極２０の軸方向と一致させて接続すると、給電パワーがスムーズにラダー型電極２０に入ってゆき、電流リターン距離が最小化されて給電部での電力ロスが低減し、プラズマ領域の拡大を図ることができる。なお、この給電用ケーブル２１、２２は同軸ケーブル、平行平板、平行線など、どのような形状のものでも良い。
【００４４】
また、この放電電極２にＤＣバイアス電源２３からＤＣバイアスを印加すると放電電極２のシースキャパシタンスを減少させることができ、電圧分布が均一化の方向に向かって定在波波長を増加させ、プラズマ密度を平均化させることができる。シースキャパシタンスというのは、プラズマが生成される過程でラダー型電極２０の周りにシースと呼ばれる電子の集まりができ、この電子の集まりで一種の絶縁を保ったような状態が生じて直流的な電流が流れず、あたかもコンデンサが電極の周りにあるような状態になることをいい、負のＤＣバイアスをかけてやると電子が拡散し、このシースキャパシタンスを減少させることができる。そのため定在波の波長間隔が大きくなり、プラズマの均一化を図ることができる。
【００４５】
このように構成した本発明のプラズマ化学蒸着装置１を用い、ａ−Ｓｉ、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や、これらの製膜によってチェンバ内に堆積したａ−ＳｉのＮＦ_３ガスによるセルフクリーニングなどを行う場合、例えば製膜においては、２００℃に設定した加熱支持手段６に基板７を取り付け、ガス導入管８からシラン（ＳｉＨ_４）ガスなどの反応ガス９をたとえば流速５０ｓｃｃｍで導入し、排気管１０に接続した真空ポンプ１１の排気速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置１内の圧力をたとえば１００ｍＴｏｒｒに調節する。
【００４６】
そして、第１の高周波発振器１４からは例えば６０ＭＨｚの高周波を、第２の高周波発振器１５からは例えば５８．５ＭＨｚの高周波を、それぞれ高周波電源Ａ１２、切り替えスイッチ１６に送る。そしてこの切り替えスイッチ１６により、第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源Ｂ１３に送る。すると高周波電源Ａ１２は、６０ＭＨｚの高周波を第１の給電部３に給電し、高周波電源Ｂ１３は、一定サイクルで切り替わる６０ＭＨｚと５８．５ＭＨｚの高周波を第２の給電部４に給電する。
【００４７】
すると放電電極２と基板７との間にプラズマが発生し、ガス導入管８から導入されたシラン（ＳｉＨ_４）ガスなどの反応ガス９が分解し、基板７上にａ−Ｓｉが製膜されてゆく。なお、前記したＮＦ_３ガスによるプラズマ化学蒸着装置１内のセルフクリーニングも全く同様であり、ＮＦ_３ガスがプラズマによって分解してフッ素ラジカルになり、クリーニングが行われる。
【００４８】
そしてこのとき発生したプラズマは、第１と第２の給電部３、４に同じ６０ＭＨｚの高周波が給電された時と、第１の給電部３に６０ＭＨｚの高周波、第２の給電部４に５８．５ＭＨｚという具合に異なる周波数の高周波が給電された時とでは、図４に示したようにその発生状況が異なる。すなわちこの図４に示したグラフは、前記したようにプラズマ化学蒸着装置１にシラン（ＳｉＨ_４）ガスなどの反応ガス９を導入し、放電電極２の第１と第２の給電部３、４に同じ周波数（６０ＭＨｚ）の高周波を給電した時間と、異なる周波数の高周波を給電（第１の給電部３に６０ＭＨｚ、第２の給電部４に５８．５ＭＨｚを給電）した時間の比を０：１０から９：１までの１０種でプラズマの発生状況を調べたものである。
【００４９】
この図４において、横軸は第１の給電部３（０ｃｍ）からの距離を示し、右端（１１０ｃｍ）が第２の給電部４に相当する。縦軸はプラズマの電圧相対値で、この値が高いほどプラズマ密度が高くなる。図中ａの線は、給電した周波数が異なる場合の時間を１０とし、同一周波数を給電した場合の時間を０、すなわち給電した周波数が異なる場合のみのプラズマ発生状況を示し、ｂの線は同じく異なる周波数９に対して同じ周波数が１の場合で、以下同様にｎの線は異なる周波数１に対して同じ周波数が９の場合である。
【００５０】
このグラフからわかるように、第１と第２の給電部３、４に異なる周波数を給電したａでは、放電電極２の両端部、すなわち給電部３、４付近で最もプラズマ密度が高く、中央部で最もプラズマ密度が低くなっている。それに対し、第１と第２の給電部３、４に同じ周波数を給電した割合が最も高いｎでは、放電電極２の中央部で最もプラズマ密度が高く、中央部から両端の給電部３、４に近付くに従って低くなり、給電部３、４付近でまた多少高くなっている。そして、第１と第２の給電部３、４に異なる周波数を給電する時間と、同一周波数を給電する時間を５対５の同じとしたｆでは、このａとｎのプラズマ発生状況が足し合わされ、放電電極２の両端部でプラズマ密度が多少高くなっているが、中央部の広範囲で均一なプラズマ発生状況となっている。
【００５１】
すなわちこの図４のグラフは、６０ＭＨｚという高高周波において放電電極２の両端の給電部３、４に同一周波数の高周波を給電した場合は中央部でプラズマ密度が高くなり、異なる周波数の高周波を給電した場合は中央部の密度が低くなることを示しており、これを適宜なサイクルで交互に行うことで、大面積においてプラズマ発生状況を均一化できる。なおこの給電部３、４に同一周波数と異なる周波数の高周波を交互に給電するサイクルは、１Ｈｚから１０ＭＨｚまでほぼ同一の効果が得られた。
【００５２】
そして本発明においては、さらに第２の高周波発振器１５の発振周波数を、例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように、時間的に変動させてやる。するとこの周波数の変動によってプラズマ発生状況を意図的に変えることができ、時間平均的にプラズマ密度をさらに平均化することができる。
【００５３】
また、第１の高周波発振器１４に含まれるフェーズシフターにより、高周波電源Ａ１２、または切り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波に対して位相をずらしてやる。すると、例えば図５に５０の実線で示したように、位相がずれていない時に放電電極２の中央部でプラズマ密度が高くなる給電状態においては、位相をずらすことによって、プラズマ密度の高い位置を５１、または５２の破線、または一点鎖線で示したように左右にずらすことができる。そのため、時間平均で見るとさらに広範囲でプラズマ密度を均一化できる。
【００５４】
また、ガス圧やガス種などのガス条件が変化した場合は、ファンクションジェネレータ１７から切り替えスイッチ１６に信号を送り、切り替えスイッチ１６に送られてくる第１の高周波発振器１４からの高周波と、第２の高周波発振器１５からの高周波の高周波電源Ｂ１３へのそれぞれの送出時間比、すなわちデューティ比（Ｄｕｔｙ比）を図４に示したように変化させる。このようにすることで、放電電極２の第１と第２の給電部３、４における同一周波数の高周波が給電される時間と、異なった周波数の高周波が給電される時間の比（デューティ比）が変化し、それによって図４に示したようにプラズマの発生状況を種々変化させることができるようにしてある。
【００５５】
これは、ガス圧、ガス種などのガス条件によって同じデューティ比でもプラズマの発生状況が異なることに対処するためのもので、放電がおきやすいガス条件の場合、放電電極２の両端部３、４から給電した電力は放電電極２の中央部に達する前に放電してしまい、中央部での放電が少なくなる。そのため、図４におけるａのグラフのように放電電極２の中央部でプラズマ発生密度が低くなるから、この場合は、同一周波数の高周波を給電する時間を長くし、逆に中央部のプラズマ密度が高くなったときは同一周波数の高周波を給電する時間を短くする。これによって、ガス圧、ガス種類などのガス条件が変化しても、中央部のプラズマ密度がコントロールでき、さらに均一化することが可能となる。
【００５６】
なお、以上説明してきた方法で製膜やセルフクリーニングを実施する際、製膜速度やセルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で、均一なプラズマを発生しやすいＮ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等のガスを適正比（０．１〜２５％程度）注入してやると、さらに均一な製膜、及びセルフクリーニングが実現できる。
【００５７】
このように本発明においては、プラズマ化学蒸着装置における放電電極の両端部設けた給電部に同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクルを交互に実施することで、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況を大面積で均一とすることができ、さらに本発明においては、
１．異なる周波数の発振周波数を、時間的に変動させる。
２．ガス圧やガス種などのガス条件に応じ、第１と第２の給電部へ同一周波数を給電する時間と、異なった周波数を給電する時間の比、すなわちデューティ比を変化させる。
３．第１と第２の給電部へ同一周波数を給電する際、どちらかの給電部に給電する高周波の位相を他方の給電部に給電する高周波の位相とずらす。
４．放電電極の給電部に、ＤＣバイアス電圧を印加する。
５．給電用ケーブルの出口における軸方向を、第１と第２の給電部を結ぶ方向（軸方向）と同一とする。
６．製膜速度、セルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で均一なプラズマを発生しやすいＮ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガスを適正比注入する。
等のことを実施することで、例えば電極サイズ１．５ｍ×１．２ｍ、ガス圧１２〜２０Ｐａ（９０〜１５０ｍＴｏｒｒ）、高周波電源周波数６０ＭＨｚ級のプラズマ化学蒸着装置による製膜やセルフクリーニングを可能としたものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によるプラズマ化学蒸着装置によれば、圧力条件、流量条件などのガス条件が変わった場合でもハードをさわることなく、高周波電源周波数の変動、デューティ比の変更、位相の変調、ＤＣバイアスの印加など、ソフト的な調整だけで常に均一なプラズマが得られ、高速で均一な製膜、均一なセルフクリーニングを行うことが可能となる。そのため、大面積製膜における製膜製品の歩留まりの向上、コスト低減という大きな成果を得ることができ、さらに、ハード調整が少ないから初期調整が容易となってランニングコストも低減できるなど、大きな効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置の一実施例概略ブロック図である。
【図２】放電電極をラダー型で構成した場合を説明するための図である。
【図３】本発明における放電電極と給電用ケーブルの接続構成を説明する図である。
【図４】放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を高周波を０：１０から９：１までの１０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図である。
【図５】給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらせた場合の説明図である。
【図６】従来の平行平板型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。
【図７】従来のラダー型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。
【図８】従来のラダー型電極の構造を説明するための図である。
【符号の説明】
１プラズマ化学蒸着装置
２放電電極
３第１の給電部
４第２の給電部
５アースシールド
６加熱支持手段
７基板
８ガス導入管
９反応ガス９
１０排気管
１１真空ポンプ
１２高周波電源Ａ
１３高周波電源Ｂ
１４第１の高周波発振器
１５第２の高周波発振器
１６切り替えスイッチ
１７ファンクションジェネレータ
１８電流のリターン路

Claims

プラズマ化学蒸着装置の放電電極へ高周波を給電してプラズマを発生させるようにしたプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法であって、
前記放電電極両端部に第１と第２の給電部を設け、該第１と第２の給電部に同一周波数の高周波を給電する第１のサイクルと、異なった周波数の高周波を給電する第２のサイクルを交互に実施し、各サイクルにおける異なる発生状況のプラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにするとともに、
前記第１と第２のサイクルは、１Ｈｚから１０ＭＨｚのサイクルで行うことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記第２のサイクルにおける一つの周波数を時間的に変動させ、プラズマ発生状況を意図的に変化させて時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記第２のサイクルにおける一つの周波数は、前記第１のサイクルにおける高周波の周波数と同じにしたことを特徴とする請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記第１のサイクルと第２のサイクルの時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させることを特徴とする請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記第１のサイクルにおける第１、または第２の給電部へ給電するどちらかの周波数の高周波を位相変調し、他方の給電部に給電する高周波とは位相をずらせてプラズマの発生状況を変化させ、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記放電電極の給電部へ直流バイアスを印加し、発生するプラズマ密度を大面積で均一化させたことを特徴とする請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記第１と第２の給電部への給電ケーブル軸方向を放電電極軸方向と一致させ、電流リターン距離を最小化して給電部での電力ロスを低減し、プラズマ領域の拡大を図ったことを特徴とする請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記プラズマ化学蒸着装置内に、プラズマ化学蒸着による製膜の速度、及びプラズマ化学蒸着装置のセルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲でプラズマが均一になりやすいガスを入れたことを特徴とする請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記ガスは、Ｎ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガスであることを特徴とする請求項８に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
前記請求項４乃至９に記載のプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法を２つ以上組み合わせてなることを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。
放電電極に設けた第１と第２の給電部に高周波を給電してプラズマを発生させるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置であって、
第１の周波数の高周波を発振する第１の発振器と、第２の周波数の高周波を発振する第２の発振器と、前記第１の発振器からの高周波を受けて前記放電電極の第１の給電部に第１の周波数の高周波を給電する高周波電源Ａと、前記第１と第２の発振器からの高周波を受けて１Ｈｚから１０ＭＨｚのサイクルで切り替えて出力する周波数切り替え手段と、該周波数切り替え手段からの出力を受けて前記放電電極の第２の給電部に給電する高周波電源Ｂとからなり、
前記高周波電源Ｂからの第２の給電部への給電周波数を前記周波数切り替え手段で切り替えることにより、各切り替えサイクルの周波数差でプラズマ発生状況を異ならせ、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。
前記第２の発振器は、発振周波数を可変に構成したことを特徴とする請求項１１に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。
前記周波数切り替え手段が切り替える第１と第２の周波数の時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させる手段を有することを特徴とする請求項１１、または１２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。
前記第１の発振器から前記高周波電源Ａ、または前記周波数切り替え手段へのどちらかに供給する高周波の位相を変調する位相変調手段を有することを特徴とする請求項１１、または１２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。
前記放電電極の給電部へ直流バイアスを印加する手段を設けたことを特徴とする請求項１１、または１２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。
前記放電電極の給電部への給電用ケーブルの軸方向を、放電電極軸方向と一致させて取付けたことを特徴とする請求項１１、または１２に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。
前記第１と第２の給電部を放電電極の両端部に設けたことを特徴とする請求項１０、または１１に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。
前記請求項１３乃至１７いずれか１記載のプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置を２つ以上組み合わせてなることを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。