JP3778854B2

JP3778854B2 - Plasma processing method and plasma processing apparatus

Info

Publication number: JP3778854B2
Application number: JP2002006199A
Authority: JP
Inventors: 祐司栗本; 健司和田; 哲飯塚; 徳芳佐藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP2003209057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ中で発生する微粒子を除去するプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜形成またはエッチング等のプラズマ処理中にプラズマ中で生じた微粒子は、その多くが被処理物表面に取り込まれる。取り込まれた微粒子は、薄膜の特性を劣化させ、または回路を短絡するなどして、製品の歩留りを低下させる。このため、上記の微粒子を効率よく除去する技術が求められてきた。
【０００３】
上記の課題の解決手段として、上記微粒子がプラズマ中で負に帯電することに着目し、基板と微粒子との間に電気的反発を生じさせるために、基板ホルダーに正の成分を除去した高周波バイアス電圧を印加する方法が提案されている（特開平5-78850号公報）。この方法によれば、基板と微粒子との間に生じる上記電気的反発力により、堆積膜への微粒子の混入が防止される。
【０００４】
また、プラズマを生成する高周波電磁エネルギーをパルス変調するとともに、基板ホルダーには５ｋＨｚ〜５ＭＨｚの周期で時間変調された負のバイアス電圧を印加する方法が開示されている（特開平6-287759号公報、特開平6-291048号公報）。この方法によれば、微粒子の発生を促進する活性種の生成が抑制され、かつ堆積膜の結晶化が促進される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマ中に存在している微粒子はその表面が電子に覆われ、負に帯電している。プラズマと壁との境界においては、移動度の大きいプラズマ中の電子を所定空間領域に限定するシース電界が形成される。すなわち、シースでは電子に対して電子を内側に閉じ込めるような静電気力が作用する。同様に、プラズマ処理装置の基板の上に位置するシースでは、重力によって基板に落下してくる負に帯電した微粒子に対して上向きの静電気力を及ぼす。この結果、微粒子はシース中の電界による静電気力と重力とが釣り合う平衡位置に浮遊することが知られている。外部から力が作用した場合には、微粒子はこの平衡点を中心にして所定の振幅をもって振動する。この微粒子のシース内における振動の周波数は低いものである。
【０００６】
特開平5-78850号公報に開示された方法によれば、周波数４００Ｈｚで変調された負電位を、周波数１３．５６ＭＨｚのプラズマ生成用高周波電界に重畳させている。４００Ｈｚ程度の周波数は、微粒子のシース中における振動の周波数である２０Ｈｚ程度に比べてはるかに高い。このため、プラズマ中に存在する微粒子は電界の時間平均値を定常的に感じるだけで、共鳴的に電界から運動エネルギーを吸収することはない。
【０００７】
また、特開平6-287759号公報や特開平6-291048号公報に開示の方法では、５ｋＨｚ〜５ＭＨｚの周期で時間変調された負のバイアス電圧を基板ホルダーに印加する。この場合も、バイアス電圧の周波数は微粒子のシース中の振動周波数よりも大幅に高いので、プラズマ中に存在する微粒子は、上記バイアス電界の時間平均値を定常的に感じるだけで、共鳴的に電界から運動エネルギーを吸収することはない。
【０００８】
上述のこれまでの微粒子を除去する方法は、いずれもプラズマのシース中での微粒子の振動周波数に比べて非常に高い変調周波数のバイアス電圧を印加する。このため、プラズマ中の微粒子は、運動エネルギーを与えられることなく、シース中の電界の時間平均値による静電気力と重力との釣り合いの平衡位置を変化させるだけである。
【０００９】
上記のような従来の方法にしたがって、基板ホルダー上の電界分布に基いて微粒子を除去する場合、（１）１００Ｖ程度の高い電圧を印加する必要があり、また、（２）定常的に電圧を印加する必要がある。
【００１０】
上記の（１）および(２）の電圧印加条件により、いくつかの問題が発生する。まず、第１に、過度の負電圧を印加した場合、シース電位が高くなるので、プラズマ処理が成膜処理の場合には、膜質を劣化させる陽イオンの衝突エネルギの増大が生じる。第２に、定常的な電圧印加により、並行して進行する成膜処理すべての期間にわたって陽イオンが薄膜中に入射する。このため、膜質に悪影響がおよぶ懸念がある。
【００１１】
本発明の目的は、プラズマ処理プロセスを大幅に変更する必要がなく、優れた品質の薄膜を形成することができるプラズマ処理方法およびそのプラズマ処理を可能にするプラズマ処理装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の局面のプラズマ処理方法は、基板に高周波により励起されたプラズマ処理を施すプラズマ処理方法である。この方法では、プラズマ処理に用いられるプラズマを形成する工程と、
プラズマのシース中における重力と静電気力の釣り合う位置に浮遊する微粒子に働く静電気力と重力を復元力とした、微粒子の鉛直方向振動における共鳴周波数に等しい周波数の交流バイアス電圧を、基板および基板の支持部の少なくとも一方に印加する工程とを備え、交流バイアス電圧の印加工程において、当該交流バイアス電圧の印加をプラズマ処理中に、間欠的に行なう（請求項１）。
【００１３】
上記の構成により、除去対象の微粒子に運動エネルギーが与えられる。上記プラズマ中に生成する微粒子は、シース中で周期的運動を行なっている。この周期的運動の周期は比較的低周波である。このため、周期的運動の周期に等しい低周波（通常：１〜１００Ｈｚ）の交流電圧を印加すると、周期的運動をしている微粒子は共鳴的にこの低周波電界よりエネルギーを吸収し、周期的運動の振幅を拡大する。この微粒子の周期的運動の運動エネルギーはほとんど散逸せず、保存されるので、所定レベルを超えた微粒子は、電界や重力の拘束を逸脱して系外へ放散される。この結果、微粒子を基板上に混入させることなくプラズマ処理することが可能となる。また、間欠的に且つ短時間に交流バイアス電圧を印加するので、プラズマ生成条件にほとんど影響することなく、微粒子を系外に排出することができる。この結果、従来のプラズマ処理条件をほとんど変更することなく、微粒子の混入を大幅に抑制し、歩留りよく高品質のプラズマ処理を行なうことができ、たとえば高品質の薄膜を形成することができる。
【００１４】
なお、共鳴周波数に等しい周波数とは、上記の共鳴が生じれば、所定範囲内の周波数であってもよい。上記第１の局面のプラズマ処理方法では、印加する交流バイアス電圧は微粒子の共鳴周波数であればよく、たとえば１〜１００Ｈｚの周波数でも、またそれ以外の周波数でもよい。
【００１５】
プラズマを形成する工程では、通常、原料ガスをグロー放電により電離分解してプラズマを形成する。プラズマ処理は、減圧、常圧および高圧の成膜処理、エッチング処理など、プラズマ中での処理すべてを対象としている。
【００１６】
基板が導電性の場合、基板は直接アノード電極に載置される。これにより、基板表面に交流バイアス電圧を印加することができる。一方、基板が導電性でない場合、基板上に導電膜を予め形成しておくとともに、導電性基板ホルダーを用いる。導電性基板ホルダーは基板上の前記導電膜と電気的接触をしているので、基板表面に交流バイアスを与えることができる。
【００１７】
本発明の第２の局面のプラズマ処理方法では、基板に高周波により励起されたプラズマ処理を施すプラズマ処理方法である。このプラズマ処理方法では、プラズマ処理に用いられるプラズマを形成する工程と、
前記基板および前記基板の支持部の少なくとも一方に、プラズマのシース中における重力と静電気力の釣り合う位置に浮遊する微粒子に働く前記静電気力と重力を復元力とした、前記微粒子の鉛直方向振動における共鳴周波数に等しくなるように、周波数が１〜１００Ｈｚの間に設定された交流バイアス電圧を、前記基板および前記基板の支持部の少なくとも一方に印加する工程とを備え、交流バイアス電圧の印加工程において、当該交流バイアス電圧の印加をプラズマ処理中に、間欠的に行なう（請求項２）。
【００１８】
プラズマ中で生成した微粒子は、１〜１００Ｈｚの周波数の静電界から運動エネルギーを共鳴的に吸収する。このため、周期的運動の振幅が大きくなり、吸収した運動エネルギが所定レベルを超えると、シース内の電界や重力の拘束を振りきって系外へ飛び出してゆく。この結果、基板上に微粒子が付着する量を大幅に減少させることができる。また、間欠的に且つ短時間に交流バイアス電圧を印加するので、プラズマ生成条件にほとんど影響することなく、微粒子を系外に排出することができる。この結果、従来のプラズマ処理条件をほとんど変更することなく、微粒子の混入を大幅に抑制し、歩留りよく高品質のプラズマ処理を行なうことができ、たとえば高品質の薄膜を形成することができる。
【００１９】
上記第１および第２の局面のプラズマ処理方法では、交流バイアス電圧の印加工程において、当該交流バイアス電圧の印加をプラズマ処理中に、１〜１０分間に１回の頻度で行なうことができる（請求項３）。
【００２０】
上記の頻度で交流バイアス電圧を印加することにより、微粒子を系外に排出することができるので、プラズマ処理はより確実に上記交流バイアス電圧印加による影響を受けることがなくなる。このような交流バイアス電圧は、プラズマ処理と独立して、手動によって印加してもよいし、また、自動化しても設備上もプログラム上も大きな負担とならない。また、既存の設備を用いて行なうこともできる。
【００２１】
本発明のプラズマ処理装置は、上記のいずれかのプラズマ処理方法に用いられ、処理室内において基板にプラズマ処理を施すためのプラズマ処理装置である。このプラズマ処理装置では、処理室内に配置され、高周波電源に接続された第１の電極と、処理室内において第１の電極に対向するように配置され、基板の下に位置する第２の電極と、第２の電極に接続され、共鳴周波数に設定された交流バイアス電圧を供給する低周波電源とを備える（請求項４）。
【００２２】
この構成により、第１の電極（カソード電極）と第２の電極（アノード電極）との間でプラズマを生成し、基板に対してプラズマ処理を行なう一方で、プラズマ内に発生する微粒子を簡単な操作で容易に排除することができる。
【００２３】
上記の構成において、第２の電極の上に直接、基板を載置してもよいし、導電性の基板ホルダを第２の電極に導通させて配置してもよい。（ａ）基板が導電性の場合、基板は直接アノード電極に載置することができる。この構成により基板表面に交流バイアス電圧を印加することができる。（ｂ）基板が導電性でない場合、基板表面に導電膜を予め形成しておく一方、導電性基板ホルダーを用いる。導電性基板ホルダーは基板表面に形成された導電膜と電気的に接触するので、基板表面に交流バイアス電圧を与えることができる。
【００２４】
本発明のプラズマ処理装置では、処理室に、レーザ光の処理室内への導入およびレーザ光の処理室内部から外部への透過を行なわせる窓をさらに備えることが望ましい（請求項５）。
【００２５】
この構成により、プラズマを通過したレーザ光を、たとえばＣＣＤカメラ等で観察することにより、プラズマ中の微粒子の形成や除去の様子などを検知することができる。このため、印加電圧、処理時間を高精度で制御することができ、高品質のプラズマ処理を行なうことが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態例のプラズマ処理方法について、図１に示すプラズマＣＶＤ装置を用いて説明する。ただし、本発明はプラズマＣＶＤ成膜法に限定されるものではなく、プラズマエッチング法およびその他のプラズマ処理法のすべてに適用され得るものであることは言うまでもない。
【００２７】
堆積室３の外壁１３は、ステンレス鋼で構成され、電気的に接地されている。堆積室３の内部には、基板１１を挟持した導電性材料からなる基板ホルダー１２を載置するアノード電極１４が配置されている。このアノード電極に対向するように、高周波電源１６と同軸線路で接続されたカソード電極１５が配置されている。
【００２８】
基板ホルダー１２とアノード電極１４とは電気的に接続されており、アノード電極１４には、堆積室３の外部に設置された低周波電源１８が接続されている。一方、アノード電極１４と堆積室１３とは絶縁体１９により電気的に絶縁されている。低周波電源１８では、ベースの印加電圧が変更でき、アノード電極１４および基板ホルダー１２に所望のベースの電位を与えることができる。ただし、本発明においては、基板１１自体に導電性があれば、基板ホルダー１２はなくてもよい。また、アノード電極１４内部には温度調整用のヒーター（図示せず）が設置されている。
【００２９】
図２は、透明絶縁体であるガラス基板を用いた場合の電極の構成を示す斜視図である。ステンレス等金属材料よりなる導電体の基板支持板１２ｂの上に透明導電膜１１ａをコーテングしたガラス基板１１が配置され、その周縁部を覆うようにステンレス等金属材料よりなる基板押え部材１２ａがビス１２ｃで固定される。
【００３０】
図３は、図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線断面図である。基板支持板１２ｂには雌ねじ１２ｄが設けられ、基板押え部材１２ａの貫通孔を通してビス１２ｃをこの雌ねじに螺合させることにより基板押え部材を基板支持板に密着させる。基板押え部材１２ａの張出し部下面は基板の導電膜１１ａと密着し、ガラス基板の全面と低周波電源１８とを電気的に接続する。この結果、絶縁体であるガラス基板表面に低周波の変調電位を印加することができる。なお、基板ホルダー１２は、基板支持板１２ｂと、基板押え部材１２ａと、ビス１２ｃと、基板支持板に設けられた雌ねじ１２ｄとによって構成される。
【００３１】
カソード電極１５は、堆積室３の外壁１３と電気的に絶縁されている。また、カソード電極１５と高周波電源１６との間には整合調整器１７が設けられており、プラズマ処理中、投入電磁エネルギーが堆積室３の内部で最大限消費されるように調整される。そして、堆積室３の外部に設置されたガスシリンダー（図示せず）に接続されている配管を通して、堆積室３の外壁に設けられたガス導入孔２０から、材料ガスが堆積室１３内部へ導入される。さらに、堆積室３の内部を真空排気する排気機構（図示せず）が接続されており、堆積室３の内部圧力が所望の値となるように、ガス排気孔２１からのガス排出量が調整される。
【００３２】
堆積室３の側部には、内部が観察できるように透明石英製の窓２２が２つ設けられている。一方の窓の外部にはレーザー光源２３が設置され、基板１１とカソード電極１５の間に生成されたプラズマ内部にレーザー光を入射する。プラズマ中に微粒子が存在するとレーザー光は微粒子により散乱する。他方の窓の外部に設置されたＣＣＤカメラ２４により、レーザー光が散乱する様子を観察することにより、プラズマ中の微粒子の形成、除去の様子を知ることができる。
【００３３】
プラズマ処理が施される基板１１は基板ホルダー１２で挟持され、搬送機構により堆積室１３内部へ搬送される。基板ホルダー１２がアノード電極１４上に載置された後、堆積室１３の内部圧力が１０^-5Ｐａ程度になるまで排気される。その後、プラズマ処理に必要となる材料ガス、例えば、シリコン薄膜を堆積する場合、原料ガスとしてＳｉＨ₄、Ｓｉ₂Ｈ₆等の珪化水素ガス、希釈ガスとして水素ガス、必要に応じてドーピングガスとしてＰＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆等が堆積室３の内部に導入される。堆積室３の内部が所定の圧力に達し安定したら、高周波電源１６からカソード電極１５に所定の高周波電磁エネルギーが供給され放電が発生する。
【００３４】
放電により材料ガスは分解されプラズマ化される。プラズマ中で種々の活性体が発生し、それらの化学反応により微粒子が形成、成長していく。先述の通り、プラズマ中に存在する微粒子は負に帯電している。プラズマと基板の間にはシースが存在する。シース中には下向きの電界が存在するので、シース中において微粒子は静電気力によりプラズマ側に引っ張られる。一方、微粒子には重力が働き電極側に引っ張られる。微粒子はシース中において以上の静電気力と重力との釣り合う位置に浮遊している。シース中の電界は基板に近づくほど強くなる。すなわち微粒子の釣り合い位置から微粒子が変位を受けたとき、微粒子にはもとの釣り合い位置に戻ろうとする復元力が働く。このような状況はシース中の電界を鉛直バネ、微粒子をそれにつるされた錘とするモデルを用いて説明できる。系に外乱が与えられたとき、微粒子は、その質量ｍとバネ定数ｋで決まる周波数ｆｃ＝（ｋ／ｍ）^0.5で、上下方向に振動する。この周波数は通常、電子温度数eV程度のプロセスプラズマ、１μｍ以下の微粒子の粒径、および１０⁴程度の電子付着を考えた場合、２０Ｈｚ近傍に存在する。
基板に外部から電位を与えシース内電場を変化させると、微粒子はシース電界の変化分から運動エネルギーを得る。ここで電場を交流電場とし、その周波数をシース中における微粒子の振動周波数に一致させる。このとき微粒子は外部電場に共鳴する。微粒子は振動周期の間、電界により供給されるエネルギーを保存し続けるため、さらに大きな運動エネルギーを得ることができる。これにより微粒子は系外に飛ばされ基板表面近傍から除去される。従来の技術では、先述のように、微粒子の釣り合い点を変化させるだけの定常的な電界の印加がなされている。それに比べて本方式では微粒子がもつ固有の時間スケールに対応した交流電界を利用して運動エネルギーを微粒子に与える点に特徴がある。これにより、４０Ｖ程度以下の低い電圧の印加で微粒子除去が可能になる。
【００３５】
この方法による微粒子の除去は、構造的に単純であるので、既存の装置の最低限の改良で実現することができる。
【００３６】
次に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
本実施例では、アモルファスシリコン薄膜を堆積させる。基板として厚さ１．１ｍｍ、５ｃｍ角のガラス板を用いる。基板をステンレス鋼製の基板ホルダーで挟持し、堆積室内部へ搬送する。基板ホルダーをアノード電極に載置し、堆積室内部を１０^-5Ｐａ程度まで減圧する。そして、原料ガスとしてＳｉＨ₄３ＳＣＣＭ、Ｈ₂３ＳＣＣＭをガス導入孔より導入し、ガス排気孔からのガス排気量を調整して、圧力を１３Ｐａとする。基板温度を７０℃となるように設定する。高周波電源より周波数１３．５６ＭＨｚの高周波をカソード電極に供給すると、放電が生じ、プラズマが発生する。投入電力は２００Ｗである。
【００３７】
プラズマ発生と同時に、電源から最高値０Ｖ、最低値−４０Ｖ、周波数２０Ｈｚ、オン・オフ比５０％の矩形波状交流をアノード電極へ印加する。１０分間プラズマを発生した後、基板を取り出し、基板上に堆積した微粒子の数をパーティクルカウンターにより測定したところ、０．１μｍ以上の微粒子の数は１ｍｍ²当たり８×１０³個であった。
【００３８】
［実施例２、３および比較例１、２］
ここで説明する実施例２、３および比較例１、２では、低周波電源から印加する交流バイアス電圧の変調周波数を、５０Ｈｚ（実施例２）、１００Ｈｚ（実施例３）、５００Ｈｚ（比較例１）、５０００Ｈｚ（比較例２）とする以外は実施例１と同様にした。プラズマを１０分間発生させた後、基板を取り出し基板上に堆積した微粒子の数を測定した。その結果、１ｍｍ²当たりの０．１μｍ以上である微粒子の数は、各周波数について次の通りであった。
（１）交流バイアス電圧の周波数５０Ｈｚ（実施例２）：８×１０³個
（２）交流バイアス電圧の周波数１００Ｈｚ（実施例３）：１×１０⁴個
（３）交流バイアス電圧の周波数５００Ｈｚ（比較例１）：９×１０⁴個
（４）交流バイアス電圧の周波数１０００Ｈｚ（比較例２）：１．２×１０⁵個
上記より、変調周波数が１００Ｈｚ以下の場合に、いちじるしい微粒子除去効果があることが明らかである。
【００３９】
［実施例４］
実施例１で用いたプロセス条件でプラズマを発生させると同時に、堆積室側部に設置されている一方の窓の外側にあるレーザー光源から堆積室内部のプラズマ中へレーザー光を導入する。本例ではレーザによる微粒子観測が、微粒子除去の制御に有効であることを示す。プラズマ中に形成する微粒子にレーザー光が当たると、光が散乱される。微粒子サイズが大きくなるほど、また微粒子密度が大きくなるほど、光の散乱強度が大きくなる。実施例１の条件においてプラズマを発生させ、基板上方の微粒子をＣＣＤカメラにより観察した。レーザー光の散乱強度はプラズマ発生開始から３分間で飽和した。この事実はプラズマ中で微粒子が成長飽和するまでに３分間程度の時間が必要であることを示唆している。
【００４０】
次に、別の基板を用いて上述のプロセス条件でプラズマを発生させた。本実施例では、電源から最高値０Ｖ、最低値−４０Ｖ、周波数２０Ｈｚ、オン・オフ比５０％の矩形波状交流をアノード電極へ印加しながら、微粒子によるレーザー光の散乱強度を測定した。その測定により、１秒間程度の交流印加により微粒子がプラズマ中から除去されるのが分かったので、交流の印加パターンを３分間に１回、１秒間ずつ印加するパターンと決定した。
【００４１】
上記の条件でプラズマを発生させ１０分間経過した後、基板を取り出し、基板上に堆積した微粒子の数をパーティクルカウンターにより測定した。結果は、０．１μｍ以上の微粒子の数は、１ｍｍ²当たり９×１０³個であった。これは実施例１の場合とほぼ同等の微粒子除去効果を示している。
【００４２】
上記において本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【００４３】
【発明の効果】
本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を用いることにより、従来のプラズマ処理をほとんど変更することなく、微粒子の混入が大幅に抑制されたプラズマ処理を行なうことができる。このため、歩留りを向上させ、さらに微粒子を低減させた分だけ品質を向上させた製品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるプラズマ処理方法に用いられるプラズマ処理装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態のプラズマ処理方法にガラス基板が用いられる場合の基板支持構造を示す斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ-ＩＩＩ断面図である。
【符号の説明】
３プラズマ処理室（堆積室）、１１基板、１１ａ導電膜、１２基板ホルダ、１２ａ基板押え部材、１２ｂ基板支持板、１２ｃビス、１２ｄ雌ねじ、１３処理室（堆積室）外壁、１４アノード電極、１５カソード電極、１６高周波電源、１７整合調整器、１８低周波電源、１９絶縁体、２０ガス導入孔、２１ガス排気孔、２２窓、２３レーザ光源、２４ＣＣＤカメラ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing method and a plasma processing apparatus for removing fine particles generated in plasma.
[0002]
[Prior art]
Most of the fine particles generated in the plasma during plasma processing such as thin film formation or etching are taken into the surface of the object to be processed. The incorporated fine particles deteriorate the properties of the thin film or short circuit, thereby reducing the product yield. For this reason, the technique which removes said fine particle efficiently has been calculated | required.
[0003]
As a means for solving the above problems, focusing on the negative charge of the fine particles in the plasma, a high frequency bias in which a positive component is removed from the substrate holder to cause an electric repulsion between the substrate and the fine particles. A method of applying a voltage has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-78850). According to this method, mixing of the fine particles into the deposited film is prevented by the electric repulsive force generated between the substrate and the fine particles.
[0004]
Further, a method is disclosed in which high-frequency electromagnetic energy that generates plasma is pulse-modulated and a negative bias voltage that is time-modulated with a period of 5 kHz to 5 MHz is applied to the substrate holder (Japanese Patent Laid-Open No. 6-287759). JP, 6-91048, A). According to this method, the generation of active species that promote the generation of fine particles is suppressed, and the crystallization of the deposited film is promoted.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The surface of fine particles present in the plasma is covered with electrons and is negatively charged. At the boundary between the plasma and the wall, a sheath electric field is formed that limits electrons in plasma with high mobility to a predetermined space region. That is, in the sheath, an electrostatic force acts to confine the electrons inside the electrons. Similarly, the sheath positioned on the substrate of the plasma processing apparatus exerts an upward electrostatic force on the negatively charged fine particles falling on the substrate due to gravity. As a result, it is known that the fine particles float at an equilibrium position where the electrostatic force due to the electric field in the sheath and gravity are balanced. When a force is applied from the outside, the fine particles vibrate with a predetermined amplitude around the equilibrium point. The frequency of vibration in the sheath of the fine particles is low.
[0006]
According to the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-78850, a negative potential modulated at a frequency of 400 Hz is superimposed on a high frequency electric field for plasma generation having a frequency of 13.56 MHz. The frequency of about 400 Hz is much higher than about 20 Hz which is the frequency of vibration in the sheath of fine particles. For this reason, the fine particles present in the plasma only feel the time average value of the electric field constantly, and do not absorb kinetic energy from the electric field in a resonant manner.
[0007]
In the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-287759 and 6-21048, a negative bias voltage that is time-modulated with a period of 5 kHz to 5 MHz is applied to the substrate holder. In this case as well, since the frequency of the bias voltage is significantly higher than the vibration frequency in the sheath of the fine particles, the fine particles present in the plasma can resonate by simply feeling the time average value of the bias electric field constantly. Does not absorb kinetic energy from
[0008]
All of the above-described methods for removing fine particles apply a bias voltage having a modulation frequency very high as compared with the vibration frequency of fine particles in the plasma sheath. For this reason, the fine particles in the plasma only change the equilibrium position of the balance between the electrostatic force and the gravity by the time average value of the electric field in the sheath without being given kinetic energy.
[0009]
When removing fine particles based on the electric field distribution on the substrate holder according to the conventional method as described above, (1) it is necessary to apply a high voltage of about 100 V, and (2) the voltage is steadily applied. It is necessary to apply.
[0010]
Several problems occur depending on the voltage application conditions (1) and (2). First, when an excessive negative voltage is applied, the sheath potential becomes high. Therefore, when the plasma treatment is a film formation treatment, an increase in the collision energy of cations that deteriorates the film quality occurs. Secondly, positive ions are incident on the thin film over the entire period of the film forming process that proceeds in parallel by applying a constant voltage. For this reason, there is a concern that the film quality is adversely affected.
[0011]
An object of the present invention is to provide a plasma processing method capable of forming an excellent quality thin film without requiring a significant change in the plasma processing process, and a plasma processing apparatus enabling the plasma processing.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The plasma processing method of the first aspect of the present invention is a plasma processing method for performing plasma processing excited on a substrate by high frequency. In this method, a step of forming plasma used for plasma processing;
Supports the substrate and substrate with an AC bias voltage with a frequency equal to the resonance frequency of the vertical vibration of the fine particles, using the electrostatic force and gravity acting on the fine particles floating in a position where the gravity and electrostatic forces balance in the plasma sheath as the restoring force. And applying the AC bias voltage intermittently during the plasma processing in the AC bias voltage applying step.
[0013]
With the above configuration, kinetic energy is given to the fine particles to be removed. The fine particles generated in the plasma are periodically moved in the sheath. The period of this periodic movement is relatively low frequency. For this reason, when an alternating voltage with a low frequency (usually 1 to 100 Hz) equal to the period of the periodic motion is applied, the fine particles moving periodically absorb energy from the low frequency electric field, and periodically Increase the amplitude of movement. Since the kinetic energy of the periodic movement of the fine particles is hardly dissipated and stored, the fine particles exceeding a predetermined level are dissipated out of the system outside the constraints of the electric field and gravity. As a result, plasma processing can be performed without mixing fine particles on the substrate. In addition, since the AC bias voltage is intermittently applied in a short time, the fine particles can be discharged out of the system with almost no influence on the plasma generation conditions. As a result, the mixing of fine particles can be greatly suppressed without changing the conventional plasma processing conditions, and high quality plasma processing can be performed with a high yield. For example, a high quality thin film can be formed.
[0014]
The frequency equal to the resonance frequency may be a frequency within a predetermined range as long as the above resonance occurs. In the plasma processing method of the first aspect, the AC bias voltage to be applied may be a fine particle resonance frequency, for example, a frequency of 1 to 100 Hz or other frequency.
[0015]
In the step of forming plasma, the source gas is usually ionized and decomposed by glow discharge to form plasma. The plasma treatment is intended for all treatments in plasma, such as reduced pressure, normal pressure and high pressure film formation treatment, and etching treatment.
[0016]
If the substrate is conductive, the substrate is placed directly on the anode electrode. Thereby, an AC bias voltage can be applied to the substrate surface. On the other hand, when the substrate is not conductive, a conductive film is formed on the substrate in advance and a conductive substrate holder is used. Since the conductive substrate holder is in electrical contact with the conductive film on the substrate, an AC bias can be applied to the substrate surface.
[0017]
The plasma processing method according to the second aspect of the present invention is a plasma processing method for performing plasma processing excited by high frequency on a substrate. In this plasma processing method, a step of forming plasma used for plasma processing;
Resonance in vertical vibrations of the fine particles using the electrostatic force and gravity acting on the fine particles floating on the balance of gravity and electrostatic force in the plasma sheath as at least one of the substrate and the support portion of the substrate as a restoring force. A step of applying an AC bias voltage set to a frequency of 1 to 100 Hz so as to be equal to the frequency to at least one of the substrate and the support portion of the substrate, The application of the AC bias voltage is intermittently performed during the plasma processing.
[0018]
The fine particles generated in the plasma absorb kinetic energy resonantly from an electrostatic field having a frequency of 1 to 100 Hz. For this reason, when the amplitude of the periodic motion increases and the absorbed kinetic energy exceeds a predetermined level, the electric field in the sheath and the restraint of gravity are swung out to jump out of the system. As a result, the amount of fine particles adhering to the substrate can be greatly reduced. In addition, since the AC bias voltage is intermittently applied in a short time, the fine particles can be discharged out of the system with almost no influence on the plasma generation conditions. As a result, the mixing of fine particles can be greatly suppressed without changing the conventional plasma processing conditions, and high quality plasma processing can be performed with a high yield. For example, a high quality thin film can be formed.
[0019]
In the plasma processing methods of the first and second aspects, in the AC bias voltage application step, the AC bias voltage can be applied at a frequency of once every 1 to 10 minutes during the plasma processing (claim). Item 3).
[0020]
By applying the AC bias voltage at the above frequency, the fine particles can be discharged out of the system, so that the plasma treatment is more reliably not affected by the AC bias voltage application. Such an AC bias voltage may be applied manually, independently of the plasma processing, and even if it is automated, it does not impose a heavy burden on equipment and programs. It can also be performed using existing equipment.
[0021]
The plasma processing apparatus of the present invention is used in any of the above plasma processing methods, and is a plasma processing apparatus for performing plasma processing on a substrate in a processing chamber. In this plasma processing apparatus, a first electrode disposed in the processing chamber and connected to a high-frequency power source, and a second electrode disposed below the substrate, disposed to face the first electrode in the processing chamber, , it is connected to the second electrode, and a low-frequency power source for supplying an AC bias voltage set to the resonant frequency (claim 4).
[0022]
With this configuration, plasma is generated between the first electrode (cathode electrode) and the second electrode (anode electrode), and the substrate is subjected to plasma treatment, while the fine particles generated in the plasma are simplified. It can be easily eliminated by operation.
[0023]
In the above configuration, the substrate may be placed directly on the second electrode, or a conductive substrate holder may be placed in conduction with the second electrode. (A) When the substrate is conductive, the substrate can be directly placed on the anode electrode. With this configuration, an AC bias voltage can be applied to the substrate surface. (B) When the substrate is not conductive, a conductive substrate holder is used while a conductive film is previously formed on the surface of the substrate. Since the conductive substrate holder is in electrical contact with the conductive film formed on the substrate surface, an AC bias voltage can be applied to the substrate surface.
[0024]
In the plasma processing apparatus of the present invention, the processing chamber, it is desirable to further comprise a window to perform the transmission from the processing chamber portion of the introduction and the laser light into the processing chamber of the laser beam to the outside (claim 5).
[0025]
With this configuration, by observing the laser light that has passed through the plasma with, for example, a CCD camera, it is possible to detect the formation and removal of fine particles in the plasma. For this reason, the applied voltage and the processing time can be controlled with high accuracy, and high-quality plasma processing can be performed.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A plasma processing method according to an embodiment of the present invention will be described using the plasma CVD apparatus shown in FIG. However, it is needless to say that the present invention is not limited to the plasma CVD film forming method and can be applied to all of the plasma etching method and other plasma processing methods.
[0027]
The outer wall 13 of the deposition chamber 3 is made of stainless steel and is electrically grounded. Inside the deposition chamber 3, an anode electrode 14 is placed on which a substrate holder 12 made of a conductive material sandwiching the substrate 11 is placed. A cathode electrode 15 connected to the high frequency power supply 16 through a coaxial line is disposed so as to face the anode electrode.
[0028]
The substrate holder 12 and the anode electrode 14 are electrically connected to each other, and the anode electrode 14 is connected to a low frequency power source 18 installed outside the deposition chamber 3. On the other hand, the anode electrode 14 and the deposition chamber 13 are electrically insulated by an insulator 19. In the low frequency power supply 18, the applied voltage of the base can be changed, and a desired base potential can be applied to the anode electrode 14 and the substrate holder 12. However, in the present invention, the substrate holder 12 may be omitted if the substrate 11 itself has conductivity. Further, a heater (not shown) for temperature adjustment is installed inside the anode electrode 14.
[0029]
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of an electrode when a glass substrate which is a transparent insulator is used. A glass substrate 11 coated with a transparent conductive film 11a is disposed on a conductive substrate support plate 12b made of a metal material such as stainless steel, and a substrate pressing member 12a made of a metal material such as stainless steel is provided with screws 12c so as to cover the peripheral edge thereof. It is fixed with.
[0030]
3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. The substrate support plate 12b is provided with a female screw 12d, and the screw 12c is screwed into the female screw through the through hole of the substrate pressing member 12a, thereby bringing the substrate pressing member into close contact with the substrate supporting plate. The lower surface of the overhanging portion of the substrate pressing member 12a is in close contact with the conductive film 11a of the substrate, and electrically connects the entire surface of the glass substrate and the low frequency power source 18. As a result, a low-frequency modulation potential can be applied to the surface of the glass substrate that is an insulator. The substrate holder 12 includes a substrate support plate 12b, a substrate pressing member 12a, screws 12c, and a female screw 12d provided on the substrate support plate.
[0031]
The cathode electrode 15 is electrically insulated from the outer wall 13 of the deposition chamber 3. Further, a matching adjuster 17 is provided between the cathode electrode 15 and the high frequency power supply 16 so that the input electromagnetic energy is adjusted to be consumed to the maximum extent in the deposition chamber 3 during the plasma processing. A material gas is introduced into the deposition chamber 13 from a gas introduction hole 20 provided in the outer wall of the deposition chamber 3 through a pipe connected to a gas cylinder (not shown) installed outside the deposition chamber 3. Is done. Further, an exhaust mechanism (not shown) for evacuating the interior of the deposition chamber 3 is connected, and the gas exhaust amount from the gas exhaust hole 21 is adjusted so that the internal pressure of the deposition chamber 3 becomes a desired value. Is done.
[0032]
Two windows 22 made of transparent quartz are provided on the side of the deposition chamber 3 so that the inside can be observed. A laser light source 23 is installed outside one of the windows, and laser light is incident on the inside of the plasma generated between the substrate 11 and the cathode electrode 15. When fine particles are present in the plasma, the laser light is scattered by the fine particles. By observing how the laser light is scattered by the CCD camera 24 installed outside the other window, it is possible to know how fine particles are formed and removed from the plasma.
[0033]
The substrate 11 to be subjected to plasma treatment is sandwiched between substrate holders 12 and transferred into the deposition chamber 13 by a transfer mechanism. After the substrate holder 12 is placed on the anode electrode 14, the deposition chamber 13 is evacuated until the internal pressure of the deposition chamber 13 reaches about 10 ⁻⁵ Pa. After that, when depositing a material gas required for plasma processing, for example, a silicon thin film, a hydrogen silicide gas such as SiH ₄ or Si ₂ H ₆ as a source gas, a hydrogen gas as a dilution gas, and a PH as a doping gas if necessary ₃ , B ₂ H _6, etc. are introduced into the deposition chamber 3. When the inside of the deposition chamber 3 reaches a predetermined pressure and is stabilized, a predetermined high-frequency electromagnetic energy is supplied from the high-frequency power source 16 to the cathode electrode 15 to generate a discharge.
[0034]
The material gas is decomposed into plasma by the discharge. Various active substances are generated in the plasma, and fine particles are formed and grown by their chemical reaction. As described above, the fine particles present in the plasma are negatively charged. There is a sheath between the plasma and the substrate. Since a downward electric field exists in the sheath, fine particles are pulled to the plasma side by electrostatic force in the sheath. On the other hand, gravity acts on the fine particles and is pulled to the electrode side. The fine particles float in the sheath at a position where the above electrostatic force and gravity are balanced. The electric field in the sheath becomes stronger as it approaches the substrate. That is, when the fine particles are displaced from the balance position of the fine particles, a restoring force is exerted on the fine particles to return to the original balance position. Such a situation can be explained by using a model in which the electric field in the sheath is a vertical spring and the fine particles are suspended on a weight. When a disturbance is applied to the system, the fine particles vibrate in the vertical direction at a frequency fc = (k / m) ^0.5 determined by its mass m and spring constant k. This frequency usually exists in the vicinity of 20 Hz when considering process plasma having an electron temperature of several eV, particle diameters of fine particles of 1 μm or less, and electron adhesion of about 10 ⁴ .
When an electric potential is applied to the substrate from the outside to change the electric field in the sheath, the fine particles obtain kinetic energy from the change in the sheath electric field. Here, the electric field is an alternating electric field, and the frequency thereof is matched with the vibration frequency of the fine particles in the sheath. At this time, the fine particles resonate with an external electric field. Since the fine particles continue to store the energy supplied by the electric field during the vibration period, even greater kinetic energy can be obtained. Thereby, the fine particles are blown out of the system and removed from the vicinity of the substrate surface. In the prior art, as described above, a steady electric field is applied to change the balance point of the fine particles. In contrast, this method is characterized in that kinetic energy is given to the fine particles using an alternating electric field corresponding to the inherent time scale of the fine particles. This makes it possible to remove fine particles by applying a low voltage of about 40 V or less.
[0035]
The removal of particulates by this method is structurally simple and can be achieved with minimal improvements to existing equipment.
[0036]
Next, examples of the present invention will be described.
[Example 1]
In this embodiment, an amorphous silicon thin film is deposited. A glass plate with a thickness of 1.1 mm and a 5 cm square is used as the substrate. The substrate is sandwiched between stainless steel substrate holders and transferred to the inside of the deposition chamber. The substrate holder is placed on the anode electrode, and the inside of the deposition chamber is depressurized to about 10 ⁻⁵ Pa. Then, SiH ₄ 3SCCM and H ₂ 3SCCM are introduced from the gas introduction hole as source gases, and the pressure of gas is set to 13 Pa by adjusting the gas exhaust amount from the gas exhaust hole. The substrate temperature is set to 70 ° C. When a high frequency of 13.56 MHz is supplied from the high frequency power source to the cathode electrode, discharge occurs and plasma is generated. The input power is 200W.
[0037]
Simultaneously with the generation of the plasma, a rectangular wave alternating current having a maximum value of 0 V, a minimum value of −40 V, a frequency of 20 Hz, and an on / off ratio of 50% is applied from the power source to the anode electrode. After generating plasma for 10 minutes, the substrate was taken out and the number of fine particles deposited on the substrate was measured with a particle counter. As a result, the number of fine particles of 0.1 μm or more was 8 × 10 ³ per 1 mm ² .
[0038]
[Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2]
In Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2 described here, the modulation frequency of the AC bias voltage applied from the low-frequency power source is 50 Hz (Example 2), 100 Hz (Example 3), 500 Hz (Comparative Example 1). ) Same as Example 1 except for 5000 Hz (Comparative Example 2). After generating plasma for 10 minutes, the substrate was taken out and the number of fine particles deposited on the substrate was measured. As a result, the number of fine particles of 0.1 μm or more per 1 mm ² was as follows for each frequency.
(1) Frequency of AC bias voltage 50 Hz (Example 2): 8 × 10 ³ (2) Frequency of AC bias voltage 100 Hz (Example 3): 1 × 10 ⁴ (3) Frequency of AC bias voltage 500 Hz ( Comparative Example 1): 9 × 10 ⁴ (4) Frequency of AC bias voltage 1000 Hz (Comparative Example 2): 1.2 × 10 ^{5 From the} above, when the modulation frequency is 100 Hz or less, there is a remarkable effect of removing fine particles. It is clear.
[0039]
[Example 4]
At the same time as generating plasma under the process conditions used in Example 1, laser light is introduced into the plasma in the deposition chamber from a laser light source outside one of the windows installed on the side of the deposition chamber. This example shows that observation of fine particles by a laser is effective for controlling the removal of fine particles. When laser light hits the fine particles formed in the plasma, the light is scattered. As the particle size increases and the particle density increases, the light scattering intensity increases. Plasma was generated under the conditions of Example 1, and fine particles above the substrate were observed with a CCD camera. The scattering intensity of the laser beam was saturated in 3 minutes from the start of plasma generation. This fact suggests that it takes about 3 minutes for the fine particles to saturate in plasma.
[0040]
Next, plasma was generated under the above-described process conditions using another substrate. In this example, the scattering intensity of laser light from fine particles was measured while applying a rectangular wave-like alternating current having a maximum value of 0 V, a minimum value of −40 V, a frequency of 20 Hz, and an on / off ratio of 50% from the power source to the anode electrode. The measurement revealed that the fine particles were removed from the plasma by alternating current application for about 1 second, so the alternating current application pattern was determined as a pattern to be applied once every 3 minutes for 1 second.
[0041]
After plasma was generated under the above conditions and 10 minutes passed, the substrate was taken out, and the number of fine particles deposited on the substrate was measured with a particle counter. As a result, the number of fine particles of 0.1 μm or more was 9 × 10 ³ per 1 mm ² . This shows a particulate removal effect almost equivalent to that in the first embodiment.
[0042]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
[0043]
【The invention's effect】
By using the plasma processing method and the plasma processing apparatus of the present invention, it is possible to perform plasma processing in which mixing of fine particles is greatly suppressed without substantially changing the conventional plasma processing. For this reason, it is possible to obtain a product that improves the yield and further improves the quality by reducing the fine particles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a plasma processing apparatus used in a plasma processing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a substrate support structure when a glass substrate is used in the plasma processing method according to the embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
[Explanation of symbols]
3 Plasma processing chamber (deposition chamber), 11 substrate, 11a conductive film, 12 substrate holder, 12a substrate holding member, 12b substrate support plate, 12c screw, 12d female screw, 13 processing chamber (deposition chamber) outer wall, 14 anode electrode, 15 Cathode electrode, 16 high frequency power supply, 17 matching regulator, 18 low frequency power supply, 19 insulator, 20 gas introduction hole, 21 gas exhaust hole, 22 window, 23 laser light source, 24 CCD camera.

Claims

A plasma processing method for performing plasma processing excited on a substrate by high frequency,
Forming a plasma used for the plasma treatment;
An alternating current bias voltage having a frequency equal to the resonance frequency in the vertical vibration of the fine particles, using the electrostatic force and the gravity acting on the fine particles floating in a position where the gravity and the electrostatic force are balanced in the sheath of the plasma as a restoring force, Applying to at least one of the support portions of the substrate,
A plasma processing method, wherein, in the step of applying the AC bias voltage, the AC bias voltage is intermittently applied during the plasma processing.

A plasma processing method for performing plasma processing excited on a substrate by high frequency,
Forming a plasma used for the plasma treatment;
The frequency is between 1 and 100 Hz so as to be equal to the resonance frequency in the vertical vibration of the fine particles, with the electrostatic force and gravity acting on the fine particles floating in a position where the gravity and electrostatic forces are balanced in the plasma sheath as a restoring force. Applying a set AC bias voltage to at least one of the substrate and the support portion of the substrate,
A plasma processing method, wherein, in the step of applying the AC bias voltage, the AC bias voltage is intermittently applied during the plasma processing.

3. The plasma processing method according to claim 1, wherein in the step of applying the AC bias voltage, the AC bias voltage is applied at a frequency of once every 1 to 10 minutes during the plasma processing.

A plasma processing apparatus for use in the plasma processing method according to any one of claims 1 to 3, for performing plasma processing on a substrate in a processing chamber,
A first electrode disposed in the processing chamber and connected to a high-frequency power source;
A second electrode disposed in the processing chamber so as to face the first electrode and positioned under the substrate;
A plasma processing apparatus comprising: a low-frequency power source connected to the second electrode and supplying an AC bias voltage set to the resonance frequency.

The plasma processing apparatus according to claim 4, further comprising a window in the processing chamber for introducing laser light into the processing chamber and transmitting the laser light from the inside of the processing chamber to the outside.