JP4026181B2 - 高周波プラズマ発生用電極と、該電極により構成されたプラズマ表面処理装置およびプラズマ表面処理方法 - Google Patents
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Description
第1の代表的技術は、例えば、特許文献1ないし3に記載されているもので、プラズマ発生に非接地電極と接地電極から成る2枚の平行平板電極を一対として用いることを特徴とする。第2の代表的技術は、例えば特許文献4及び5に記載されているもので、プラズマ発生に棒電極あるいはラダー型電極と平板電極を一対として用いることを特徴とする。第3の代表的技術は、例えば、特許文献6に記載されているもので、アンテナ方式であることを特徴とする。
特許文献2に記載の技術は、一対の電極は方形の形状を有し、かつ、互いに直交する方向に位置する該電極の第1および第2の辺に、それぞれ、電力供給系の出力回路に接続された複数の電力供給点が設置され、かつ、該複数の電力供給点の反対側に、それぞれ、複数の該電力供給箇点に対応したリアクタンス調整装置が設置されるということを特徴としている。この技術では、該複数の電力供給点に対応したリアクタンス調整装置を制御することにより、反射波の位相を制御することにより、該供給電力の進行波と反射波を干渉させて定在波を生成することが可能で、かつ、該定在波の腹の位置を移動することが可能である。
特許文献3に記載の技術は、一対の電極に複数の開口を設置し、該開口の縁にそれぞれ電力供給点を配置し、かつ、電力供給系より平衡不平衡変換装置及び平衡伝送路を介して電力を供給することを特徴としている。この技術では、互いに隣接する開口より給電された電力が進行波とその反射波の関係となって生成する定在波を重ねあわせることにより、電極間のプラズマの強さの空間的分布を一様化することが可能である。
特許文献4に記載の技術は、一対の電極の電力供給点の反対側の先端部分に反射電力の位相を調整する位相調整回路が接続されるということを特徴としている。この技術では、該位相調整回路を制御することにより、反射波の位相の調整が可能で、該供給電力の進行波と反射波を干渉させて定在波を生成することが可能で、かつ、該定在波の腹の位置を移動することが可能である。
特許文献5に記載の技術は、電極上のある1つの給電点に供給される電力の電圧と他の少なくとも1つの給電点に供給される前記電力の電圧の位相差を時間的に変化させることにより、一対の電極間の電界分布を平均化し、結果として、プラズマの強さの空間的分布を一様化することを特徴としている。なお、この技術では、互いに向かい合った方向から供給される2つの電力の進行波を干渉させて定在波を生成させ、該定在波の腹の位置を時間的に変化させることが可能である。
特許文献6に記載の技術は、電極が線状導体をその中央点を基準に平面内に含まれるように折り返して形成され、該中央点を給電点としたことが特徴である。なお、この電極の形状には、例えばU字型あるいはM字型がある。また、該U字型あるいはM字型電極がアンテナとなって供給電力が空間へ放射される。
(1)特許文献1記載の技術は、方形電極の互いに対向した2つの辺から供給される電力の電圧の位相差を時間的に、例えば数kHZの周波数で、鋸歯状に変化させることにより、一対の電極間に発生の定在波の腹の位置を移動させ、時間平均的に見て均一化するものである。膜厚分布は、アモルファスSi製膜では、基板面積が50cmx50cm程度に関しては、±10〜15%程度の膜厚分布が得られているが、100cmx100cm程度に関しては、±20以上と見られている。また、プラズマが例えば数kHzの周波数で変動するので、高品質膜製造や高品質エッチング加工等には適しないという欠点がある。なお、a−Si膜製膜では電源周波数が100kHz〜1MHz程度を境にして、低い周波数帯の場合では膜中水素の量が、高い周波数帯の場合に比べて著しく多くなるという研究成果がある。
(2)特許文献2記載の技術は、複数の電力供給点の反対側に、それぞれ、複数の該電力供給箇点に対応したリアクタンス調整装置を設置し、電力の反射波の位相を制御するので、電力の吸収率が高い条件、例えば圧力が数100Pa〜数1000Paでのプラズマ生成では反射波の強さが弱くなり、反射波の制御が無理となる。すなわち、プラズマ生成の圧力が数100Pa以下との条件の場合でないと応用できないという欠点がある。
(3)特許文献3記載の技術は、互いに隣接する開口より給電された電力が進行波とその反射波の関係となって生成する定在波を重ねあわせることにより、電極間のプラズマの強さの空間的分布を一様化するので、互いに隣接する開口の間隔を使用する電源周波数即ち波長に対応して選定することが必要である。すなわち、電源周波数が予め選定されることが必須条件で、かつ、プラズマ密度の強さに応じて伝播電力の波長が短縮するので、プラズマの均一性はプラズマ密度の強さに依存するという欠点がある。
(4)特許文献4記載の技術は、特許文献2記載の技術と同様に、電力供給点の反対側に、位相調整装置を設置し、電力の反射波の位相を制御するので、電力の吸収率が高い条件、例えば圧力が数100Pa〜数1000Paでのプラズマ生成では反射波の強さが弱くなり、反射波の制御が無理となる。すなわち、プラズマ生成の圧力が数100Pa程度以下との条件の場合でないと応用できないという欠点がある。
(5)特許文献5記載の技術は、特許文献1記載の技術と同様に、電極上のある1つの給電点に供給される電力の電圧と他の少なくとも1つの給電点に供給される前記電力の電圧の位相差を時間的に変化させることにより、一対の電極間の電界分布を平均化し、結果として、プラズマの強さの空間的分布を一様化するので、プロセス用VHFプラズマ表面処理装置及びVHFプラズマ表面処理方法としては、プラズマが例えば数kHzの周波数で変動するので、高品質膜製造や高品質エッチング加工等には適しないという欠点がある。また、膜厚分布は、アモルファスSi製膜では、基板面積が50cmx50cm程度に関しては、±10〜15%程度の膜厚分布が得られているが、100cmx100cm程度に関しては、±20以上と見られている。
(6)特許文献6記載の技術は、アンテナ方式即ち誘導結合型のプラズマ生成なので、圧力条件が数Pa以下という制約がある。すなわち、微結晶Si等のような圧力条件が数100Pa〜数1000Paである応用には無理があるという欠点がある。また、電極の周囲にある真空容器の形状や接地条件に影響を受けやすいで、製膜条件の適正条件の把握が困難と推測される。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第2の電極を平板型の形状とし、前記第1の電極を該第2の電極に平行な面内に含まれるように配置された棒状あるいは板状の形状とする構造を有することを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1の電極を、1本の棒状導体を前記第2の電極に平行な面内に含まれるように折り返して形成されるU字型あるいははW字型の形状とする構造を有することを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第2の電極を円筒型の形状とし、前記第1の電極が、該第2の電極を外套状に取り囲む円筒の面内に含まれるように配置された棒状あるいはU字型形状あるいははW字型あるいは方形型の形状とする構造を有することを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1の電極を複数の電極とし、該複数の電極を前記第2の電極に平行な面内に含まれるように配置されるという構造を有することを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1の電極の一部あるいは全部の表面が誘電体で覆われているという構成を有することを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記給電点と前記インピーダンス整合器の接続部に平衡不平衡変換装置が挿入されるという構造を有することを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1及び第2の高周波電源の出力の周波数が30MHzから300MHzのVHF帯に属していることを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1及び前記第2の高周波電源の出力のそれぞれの周波数が異なることを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ表面処理装置は、上記した本発明の高周波プラズマ表面処理装置を用いて、前記基板の表面にアモルファスSi系材料、微結晶Si系材料、多結晶Si系材料及び結晶Si系材料のいずれかを形成するようにしたことを特徴としている。
また、本発明の高周波プラズマ表面処理方法は、内部に基板がセットされる、排気系を備えた真空容器と、この真空容器内に放電用ガスを供給する放電用ガス供給系と、プラズマを生成する非接地の第1の電極及び接地された第2の電極から成る一対の電極と、2出力でかつ該2出力の電圧の位相差を任意に設定可能な第1の高周波電源と該第1の高周波電源の2つの出力端子に接続された第1及び第2のインピーダンス整合器及び該第1の高周波電源と独立し、かつ、2出力でかつ該2出力の電圧の位相差を任意に設定可能な第2の高周波電源と該第2の高周波電源の2つの出力端子に接続された第3及び第4のインピーダンス整合器から成る電力供給系とを具備し、生成したプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理方法であって、前記第1の高周波電源の2つの出力の位相差と前記基板表面に製膜される正弦的膜厚分布を有するSi系膜の膜厚が最大になる位置との関係を把握する第1の工程と、前記第2の高周波電源の2つの出力の位相差と前記基板表面に製膜される正弦的膜厚分布を有するSi系膜の膜厚が最大になる位置との関係を把握する第2の工程と、該第1及び第2の工程でそれぞれに把握された第1及び第2の高周波電源の2つの出力の位相差と該膜厚が最大になる位置との関係より該第1及び第2の高周波電源の2つの出力の位相差を設定することにより、該基板に目的のSi系膜を製膜する第3の工程から成ることを特徴としている。
即ち、実施例1〜10に具体的に示しているように、第1の高周波電源から出力される2つの電力を第1及び第2のインピーダンス整合器を介して、それぞれ第1及び第2の給電点に供給するとともに、該第1の高周波電源と独立の関係にある第2の高周波電源から出力される2つの電力を第3及び第4のインピーダンス整合器を介して、それぞれ第1及び第2の給電点に供給することが可能となる。
このことは、一対の電極間に、互いに独立の関係にある2つの定在波を生成することが可能となることに加えて、該2出力の高周波電源の出力電圧の位相差を調整することにより該2つの定在波の腹の位置を互いに独立して調整することが可能になるということを意味している。
その結果、従来のVHFプラズマ表面処理装置及び方法では不可能視される波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした応用において、均一で高品質のプラズマ処理が可能となる。
また、本発明高周波プラズマ発生用電極は、前記第2の電極を平板型の形状とし、前記第1の電極を該第2の電極に平行な面内に含まれるように配置された棒状あるいは板状の形状を有することを特徴としているので、実施例1及び3に示しているように、前記基板が大型化した場合においても応用が可能である。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1の電極を1本の棒状導体を前記第2の電極に平行な面内に含まれるように折り返して形成されるU字型あるいはW字型の形状を有することを特徴とするので、実施例6〜9に示しているように、前記基板が大型化した場合においても応用が可能である。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第2の電極を円筒型の形状とし、前記第1の電極を、該第2の電極を外套状に取り囲む円筒の面内に含まれるように配置された棒状あるいはU字型形状あるいははW字型あるいは方形型の形状を有することを特徴とするので、前記基板の形状が円筒形の場合においても応用が可能である。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1の電極を複数の電極とし、該複数の電極を前記第2の電極に平行な面内に含まれるように配置されるということを特徴とするので、基板の面積が1mx1mを超える大面積基板の場合にも対応可能である。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1の電極の一部あるいは全部の表面が誘電体で覆われているという構成有することを特徴とするので、該第1の電極がU字型あるいはW字型の場合における電極の曲がり部分での電力損失を抑制可能である。その結果、一対の電極の一つの側面側からのVHF電力の供給が可能である。このことは、インライン型やマルチチャンバー形やロール・ツー・ロール型のプラズマ表面処理装置の高生産性化のためのプラズマ発生装置の改善において求められている従来技術では不可能な装置断面での1側面からのVHF電力の供給を可能とし、応用価値は著しく高いものがある。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記給電点と前記インピーダンス整合器の接続部に平衡不平衡変換装置が挿入されることを特徴とするので、前記電力供給系の構成部材の同軸ケーブル端部の芯線と給電点の接合部近傍で発生の漏洩電流による電力損失及び異常放電の抑制が可能である。このことは、製品の低コスト化を担う量産装置としてのプラズマ表面処理装置への応用において、その効果は著しく大きい。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1及び第2の高周波電源の出力の周波数が30MHzから300MHzのVHF帯に属していることを特徴とするので、VHFプラズマの長所であるプラズマの高密度化が容易に実現可能である。
また、本発明の高周波プラズマ発生用電極は、前記第1及び前記第2の高周波電源の出力のそれぞれの周波数が異なるので、実施例1〜4に示しているように、それぞれのインピーダンス整合器の調整が容易にすることが可能である。
即ち、実施例1〜10に具体的に示しているように、第1の高周波電源から出力される2つの電力を第1及び第2のインピーダンス整合器を介して第1及び第2の給電点に供給するとともに、該第1の高周波電源と独立の関係にある第2の高周波電源から出力される2つの電力を第3及び第4のインピーダンス整合器を介して第1及び第2の給電点に供給することが可能となる。
このことは、一対の電極間に、互いに独立の関係にある2つの定在波を生成することが可能となることに加えて、該2出力の高周波電源の出力電圧の位相差を調整することにより該2つの定在波の腹の位置を互いに独立して調整することが可能になるということを意味している。
その結果、従来のVHFプラズマ表面処理装置及び方法では不可能視される波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした場合において、均一で高品質のプラズマ処理への応用が可能である。
即ち、実施例1〜10に具体的に示しているように、第1の高周波電源から出力される2つの電力を第1及び第2のインピーダンス整合器を介して第1及び第2の給電点に供給するとともに、該第1の高周波電源と独立の関係にある第2の高周波電源から出力される2つの電力を第3及び第4のインピーダンス整合器を介して第1及び第2の給電点に供給することが可能となる。
このことは、一対の電極間に、互いに独立の関係にある2つの定在波を生成することが可能となることに加えて、該2出力の高周波電源の出力電圧の位相差を調整することにより該2つの定在波の腹の位置を互いに独立して調整することが可能になるということを意味している。
その結果、従来のVHFプラズマ表面処理装置では不可能視される波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした応用において、均一で高品質のプラズマ処理が可能である。
また、本発明の高周波プラズマ表面処理装置は、上記した本発明の高周波プラズマ表面処理装置を用いて、前記基板の表面にアモルファスSi系材料、微結晶Si系材料、多結晶Si系材料及び結晶Si系材料のいずれかを形成するようにしたので、大面積基板にアモルファスSi系材料、微結晶Si系材料、多結晶Si系材料及び結晶Si系材料を均一に、しかも高速に製膜が可能である。
即ち、実施例1〜10に具体的に示しているように、第1の高周波電源から出力される2つの電力を第1及び第2のインピーダンス整合器を介して第1及び第2の給電点に供給するとともに、該第1の高周波電源と独立の関係にある第2の高周波電源から出力される2つの電力を第3及び第4のインピーダンス整合器を介して第1及び第2の給電点に供給することが可能となる。
このことは、一対の電極間に、互いに独立の関係にある2つの定在波を生成することが可能となることに加えて、該2出力の高周波電源の出力電圧の位相差を調整することにより該2つの定在波の腹の位置を互いに独立して調整することが可能になるということを意味している。
その結果、従来のVHFプラズマ表面処理方法では不可能視される波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした応用において、均一で高品質のプラズマ処理が可能である。
また、本発明の高周波プラズマ表面処理方法は、内部に基板がセットされる、排気系を備えた真空容器と、この真空容器内に放電用ガスを供給する放電用ガス供給系と、プラズマを生成する非接地の第1の電極及び接地された第2の電極から成る一対の電極と、2出力でかつ該2出力の電圧の位相差を任意に設定可能な第1の高周波電源と該第1の高周波電源の2つの出力端子に接続された第1及び第2のインピーダンス整合器及び該第1の高周波電源と独立し、かつ、2出力でかつ該2出力の電圧の位相差を任意に設定可能な第2の高周波電源と該第2の高周波電源の2つの出力端子に接続された第3及び第4のインピーダンス整合器から成る電力供給系とを具備し、生成したプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理方法において、前記第1の高周波電源の2つの出力の位相差と前記基板表面に製膜される正弦的膜厚分布を有するSi系膜の膜厚が最大になる位置との関係を把握する第1の工程と、前記第2の高周波電源の2つの出力の位相差と前記基板表面に製膜される正弦的膜厚分布を有するSi系膜の膜厚が最大になる位置との関係を把握する第2の工程と、該第1及び第2の工程でそれぞれに把握された第1及び第2の高周波電源の2つの出力の位相差と該膜厚が最大になる位置との関係より該第1及び第2の高周波電源の2つの出力の位相差を設定することにより、該基板に目的のSi系膜を製膜する第3の工程から成ることを特徴としているので、該一対の電極間の電力の強さの分布をVHF固有の定在波に影響されることなく、確実に一様な分布にすることが可能である。
即ち、実施例1〜6及び実施例10に示すように、前記第1の工程と第2の工程において、前記第1及び第2の定在波の腹の位置がそれぞれに的確に把握できるので、該2つの定在波を的確に重畳させることが容易に実現可能である。
その結果、従来のVHFプラズマ表面処理方法では不可能視される波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした応用において、均一で高品質の確実なプラズマ処理が可能である。
以上の効果は、太陽電池及びTFT業界のみならず、LSI及び複写機用感光体の産業における生産性向上および製品コストの低減に関し、貢献度が著しく大きい。
本発明に関する実施例1の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図1ないし図6を参照して説明する。
放電ガス供給管8より供給されるSiH4等放電ガスを、整流孔7を介して、前記一対の電極2と4の間に均一に供給する機能を有している。供給されたSiH4等放電ガスは前記一対の電極2と4の間でプラズマ化された後、排気管9及び図示しない真空ポンプ10により、真空容器1の外へ排出される。
なお、位相可変2出力の発信器15と第1の電力増幅器16との接続、第1の電力増幅器16と第1のインピーダンス整合器17との接続、第1のインピーダンス整合器17と第1の電流導入端子18との接続は、いずれも同軸ケーブルが用いられる。そして、第1の真空用同軸ケーブル19の外部導体は第2の電極4に接続される。
該第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力端子の他方の出力は、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24、第2の真空用同軸ケーブル25の芯線及26を介して、第2の給電点27に供給される。
なお、位相可変2出力の発信器15と第2の電力増幅器22との接続、第2の電力増幅器22と第2のインピーダンス整合器23との接続、第2のインピーダンス整合器23と第2の電流導入端子24との接続は、いずれも同軸ケーブルが用いられる。そして、第2の真空用同軸ケーブル25の外部導体は第2の電極4に接続される。
前記第1の電力増幅器16及び第2の電力増幅器22には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器16、22本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
該2つの出力端子の一方の出力は、第3の電力増幅器29、第3のインピーダンス整合器30、第3の電流導入端子31、第3の真空用同軸ケーブル32の芯線及33を介して、第1の給電点21に供給される。なお、第2の位相可変2出力の発信器28と第3の電力増幅器29との接続、第3の電力増幅器29と第3のインピーダンス整合器30との接続、第3のインピーダンス整合器30と第3の電流導入端子31との接続は、いずれも同軸ケーブルが用いられる。そして、第3の真空用同軸ケーブル32の外部導体は第2の電極4に接続される。
該第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力端子の他方の出力は、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36、第4の真空用同軸ケーブル37の芯線38を介して、第2の給電点27に供給される。なお、第2の位相可変2出力の発信器28と第4の電力増幅器34との接続、第4の電力増幅器34と第4のインピーダンス整合器35との接続、第4のインピーダンス整合器35と第4の電流導入端子36との接続は、いずれも同軸ケーブルが用いられる。また、第4の真空用同軸ケーブル37の外部導体は第2の電極4に接続される。
前記第3の電力増幅器29及び第4の電力増幅器34には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第3及び第4の電力増幅器29、34本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
次に、前記第1の位相可変2出力の発信器15、第1の電力増幅器16、第1のインピーダンス整合器17、第1の電流導入端子18、第1の真空用同軸ケーブル19の芯線20、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24、第2の真空用同軸ケーブル25の芯線26から成る第1の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数60MHzの電力例えば合計で200Wを供給する。
即ち、該第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第1の電力増幅器16の出力を100Wに設定して、その出力を第1のインピーダンス整合器17、第1の電流導入端子18、第1の真空用同軸ケーブル19の芯線20を介して、第1の給電点に供給するとともに、第2の電力増幅器22の出力を100Wに設定して、その出力を第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24、第2の真空用同軸ケーブル25の芯線26を介して、第2の給電点に供給する。
この場合、前記第1のインピーダンス整合器17及び第2のインピーダンス整合器23を調整することにより、それぞれのインピーダンス整合器17、23の上流側に上記供給電力の反射波が戻らないようにできる。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
図3において、第1の給電点21から第2の給電点27の方向の距離をxとし、xの正方向へ伝播する電圧波をW11(x,t)、xの負方向へ伝播する電圧波、即ち第2の給電点27から第1の給電点21の方向へ伝播する電圧波をW21(x,t)とすると、次のように表現される。
W11(x、t)=V1・sin(ωt+2πx/λ)
W21(x、t)=V1・sin{ωt−2π(x−L0)/λ+Δθ}
ただし、V1は電圧波の振幅、ωは電圧の角周波数、λは電圧波の波長、tは時間、L0は第1及び第2の給電点の間隔、Δθは第1の給電点21から供給される電力の電圧波と第2の給電点27から供給される電力の電圧波の位相差である。この2つの電圧波の合成波W1(x、t)は次式のようになる。
W1(x、t)=W11(x、t)+W21(x、t)
=2・V1cos{2π(x−L0/2)/λ−Δθ/2}・sin{ωt+(πL0/λ+Δθ/2)
上記合成波W1(x、t)を概念的に図4に示す。図4において、Δθ=0の場合、生成されるプラズマの強さは給電点間の中央部(x=L0/2)が強く、該中央部から離れるにしたがって弱くなることを示している。プラズマの強い部分は、Δθ>0の場合、プラズマの強い部分が一方の給電点側へ移動し、Δθ<0の場合、他方の給電点側へ移動することを示している。
なお、ここでは、前記第1の電力供給系を用いて、前記第1及び第2の給電点21、27に供給される電力の電圧波を、それぞれ、W11(x、t)及びW21(x、t)と呼ぶ。また、その2つの電圧波の合成波をW1(x、t)と呼ぶ。
I1(x、t)∝cos2{2π(x−L0/2)/λ−Δθ/2}
と表される。このI1(x、t)を概念的に、図5に示す。
図5は、VHFプラズマの生成上問題となる定在波発生により、一対の電極間でのプラズマの一様性は、例えば強さが0.9〜1.0の範囲であるすると、電力伝播方向の距離で、−0.05〜+0.05λの範囲(即ち、膜厚が均一な範囲は長さ0.1λ)に限られるということを示している。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
また、前記第1の予備製膜工程にて取得した基板の中央点から正弦的な膜厚分布の最大厚みの位置までの距離と前記第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差の関係を示すデータにより、膜厚分布の最大厚みの位置を例えば、基板の中央点から波長λの八分の一、即ちλ/8だけ離れた位置に設定することができる。
なお、ここでは、合成波W1(x、t)の強さの分布をI1(x、t)と呼ぶ。
そして、前記第2の位相可変2出力の発信器28、第3の電力増幅器29、第3のインピーダンス整合器30、第3の電流導入端子31、第3の真空用同軸ケーブル32の芯線33、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36、第4の真空用同軸ケーブル37の芯線38から成る第2の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数60MHzの電力例えば合計で200Wを供給する。
即ち、該第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第3の電力増幅器29の出力を100Wに設定して、その出力を第3のインピーダンス整合器30、第3の電流導入端子31、第3の真空用同軸ケーブル32の芯線33を介して、第1の給電点に供給するとともに、第4の電力増幅器34の出力を100Wに設定して、その出力を第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36、第4の真空用同軸ケーブル37の芯線38を介して、第2の給電点に供給する。
この場合、前記第3のインピーダンス整合器30及び第4のインピーダンス整合器35を調整することにより、それぞれのインピーダンス整合器30、35の上流側に上記供給電力の反射波が戻らないようにできる。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
この場合も、前記第1の予備製膜工程と同様に、第2の電力供給系を用いた場合において、基板の中央点から正弦的な膜厚分布の最大厚みの位置までの距離と前記第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差の関係を示すデータにより、膜厚分布の最大厚みの位置を例えば、基板の中央点から第2の給電点27の方向へ波長λの八分の一、即ちλ/8だけ離れた位置に設定するための位相差は例えばΔθ2であるということが把握される。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
図3において、第1の給電点21から第2の給電点27の方向の距離をxとし、xの正方向へ伝播する電圧波をW12(x,t)、xの負方向へ伝播する電圧波、即ち第2の給電点27から第1の給電点21の方向へ伝播する電圧波をW22(x,t)とすると、次のように表現される。
W12(x、t)=V2・sin(ωt+2πx/λ)
W22(x、t)=V2・sin{ωt−2π(x−L0)/λ+Δθ}
ただし、V2は電圧波の振幅、ωは電圧の角周波数、λは電圧波の波長、tは時間、L0は第1及び第2の給電点の間隔、Δθは第1の給電点21から供給される電力の電圧波と第2の給電点27から供給される電力の電圧波の位相差である。電圧の合成波W2(x、t)は次式のようになる。
W2(x、t)=W12(x、t)+W22(x、t)
=2・V2cos{2π(x−L0/2)/λ−Δθ/2}・sin{ωt+(πL0/λ+Δθ/2)
上記合成波W2(x、t)を概念的に図4に示す。図4において、Δθ=0の場合、生成されるプラズマの強さは給電点間の中央部(x=L0/2)が強く、該中央部から離れるにしたがって弱くなることを示している。プラズマの強い部分は、Δθ>0の場合、プラズマの強い部分が一方の給電点側へ移動し、Δθ<0の場合、他方の給電点側へ移動することを示している。
なお、ここでは、前記第2の電力供給系を用いて前記第1及び第2の給電点21、27に供給される電力の電圧波を、それぞれ、W12(x、t)及びW22(x、t)と呼ぶ。また、その2つの波の合成波をW2(x、t)と呼ぶ。
I2(x、t)∝cos2{2π(x−L0/2)/λ−Δθ/2}
と表される。このI2(x、t)を概念的に、図5に示す。
図5は、VHFプラズマの生成上問題となる定在波発生により、一対の電極間でのプラズマの一様性は、例えば強さが0.9〜1.0の範囲であるすると、電力伝播方向の距離で、−0.05〜+0.05λの範囲(即ち、膜厚が均一な範囲は長さ0.1λ)に限られるということを示している。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
なお、ここでは、合成波W2(x、t)の強さの分布をI2(x、t)と呼ぶ。
次に、前記第1の電力供給系の構成部材の第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、第1の予備製膜工程のデータとして把握したΔθ1に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば60MHzの100Wを供給するともとに、前記第2の電力供給系の構成部材の第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、第2の予備製膜工程のデータとして把握したΔθ2に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば60MHzの100Wを供給する。即ち、前記第1及び第2の給電点21,27に、前記電圧波W11(x、t)、電圧波W21(x、t)、W12(x、t)及びW22(x、t)が供給される。
ここで、第1の予備製膜工程及び第2の予備製膜工程では問題にならなかった第1のインピーダンス整合器17、第2のインピーダンス整合器23、第3のインピーダンス整合器30及び第4のインピーダンス整合器35の整合調整が上手くいかない場合には、第1あるいは第2の位相可変2出力の発信器のどちらか一方の発振周波数を他方の発振周波数と若干異なる数値に変更すればよい。例えば、上記の例では、60MHzと61〜63MHz程度、例えば62MHzとすれば良い。なお、インピーダンス整合器の整合調整が上手くいかない原因は、使用する構成機器の性能、即ちインピーダンス整合器の上流側の電力増幅器の耐反射波の機能上の制約によることが多い。
したがって、一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布は、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)と合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)の重ね合わせた形となる。その様子を概念的に図6に示す。
ここで、基板の中央点をx軸の原点とし、該原点から第1の給電点21を向いた方向を正の方向とすると、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)は、
I1(x、t)∝cos2{2πx/2+2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2+π/4}
合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)は、
I2(x、t)∝cos2{2πx/2−2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2−π/4}
一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布I(x、t)は、
I(x、t)
=cos2{2πx/2+π/4}+cos2{2πx/2−π/4}
=1
このことは、波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした従来の
VHFプラズマ表面処理装置及び方法では不可能視されている一様な膜厚分布の形成が実現可能であるということを意味している。したがって、上記のことはVHFプラズマの応用分野においては画期的な発見であり、その実用価値は著しく大きい。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4,H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術である。
本発明に関する実施例2の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図7及び図8を参照して説明する。
第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力端子の他方の出力端子は、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第2のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置41、該第2のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置41の2つの出力端子に接続され、かつ外部導体同士が短絡されている2本の同軸ケーブル50、51、第2の電流導入端子24、両端部の外部導体が短絡されている真空用同軸ケーブル52、53の芯線54、55を介して、それぞれ第2の給電点27及び第2の電極4に接続される。
第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力端子の他方の出力端子は、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第4のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置43、該第4のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置43の2つの出力端子に接続され、かつ外部導体同士が短絡されている2本の同軸ケーブル62、63、第4の電流導入端子36、両端部の外部導体が短絡されている真空用同軸ケーブル64、65の芯線66、67を介して、それぞれ、第2の給電点27及び第2の電極4に接続される。
そして、前記第1の位相可変2出力の発信器15、第1の電力増幅器16、第1のインピーダンス整合器17、第1のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置40、第1の電流導入端子18、真空用同軸ケーブル46、47の芯線48、49、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第2のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置41、第2の電流導入端子24、真空用同軸ケーブル52、53の芯線54、55から成る第1の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力例えば合計で200Wを供給する。
即ち、該第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第1の電力増幅器16の出力を100Wに設定して、その出力を第1のインピーダンス整合器17、第1のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置40、第1の電流導入端子18、真空用同軸ケーブル46、47の芯線48、49を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第2の電力増幅器22の出力を100Wに設定して、その出力を第2のインピーダンス整合器23、第2のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置41、第2の電流導入端子24、真空用同軸ケーブル52、53の芯線54、55を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
そして、前記第2の位相可変2出力の発信器28、第3の電力増幅器29、第3のインピーダンス整合器30、第3のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置42、第3の電流導入端子31、真空用同軸ケーブル58、59の芯線60、61、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第4のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置43、第4の電流導入端子36、真空用同軸ケーブル64、65の芯線66、67から成る第2の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力例えば合計で200Wを供給する。
即ち、該第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第3の電力増幅器29の出力を100Wに設定して、その出力を第3のインピーダンス整合器30、第3のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置42、第3の電流導入端子31、真空用同軸ケーブル58、59の芯線60、61を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第4の電力増幅器34の出力を100Wに設定して、その出力を第4のインピーダンス整合器35、第4のLCブリッジ型平衡不平衡変換装置43、第4の電流導入端子36、真空用同軸ケーブル64、65の芯線66、67を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
次に、前記第1の電力供給系の構成部材の第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、第1の予備試験データで把握したΔθ1に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば周波数70MHzの電力100Wを供給するとともに、前記第2の電力供給系の構成部材の第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、第2の予備試験データで把握したΔθ2に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば70MHzの100Wを供給する。即ち、前記第1及び第2の給電点21,27に、前記電圧波W11(x、t)、電圧波W21(x、t)、W12(x、t)及びW22(x、t)が供給される。
ここで、第1の予備製膜工程及び第2の予備製膜工程では問題にならなかった第1のインピーダンス整合器17、第2のインピーダンス整合器23、第3のインピーダンス整合器30及び第4のインピーダンス整合器35の整合調整が上手くいかない場合には、第1あるいは第2の位相可変2出力の発信器のどちらか一方の発振周波数を他方の発振周波数と若干異なる数値に変更すればよい。例えば、上記の例では、70MHzと71〜73MHz程度、例えば72MHzとすれば良い。なお、インピーダンス整合器の整合調整が上手くいかない原因は、使用する構成機器の性能、即ちインピーダンス整合器の上流側の電力増幅器の耐反射波機能上の制約によることが多い。
したがって、一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布は、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)と合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)の重ね合わせた形となる。その様子を概念的に図6に示す。
ここで、基板の中央点をx軸の原点とし、該原点から第1の給電点21を向いた方向を正の方向とすると、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)は、
I1(x、t)=cos2{2πx/2+2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2+π/4}
合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)は、
I2(x、t)=cos2{2πx/2−2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2−π/4}
一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布I(x、t)は、
I(x、t)
=cos2{2πx/2+π/4}+cos2{2πx/2−π/4}
=1
このことは、波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした従来の
VHFプラズマ表面処理装置及び方法では不可能視されている一様な膜厚分布の形成が実現可能であるということを意味している。したがって、上記のことはVHFプラズマの応用分野においては画期的な発見であり、その実用価値は著しく大きい。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4、H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術である。
本発明に関する実施例3の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図9ないし図11を参照して説明する。
また、第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力端子の他方の出力端子は、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第4の電力分配器73の一方の出力端子を介して、第5の電力分配器74の一方の出力端子、電流導入端子24a、真空用同軸ケーブル25aの芯線26aを介して給電点27aに接続されるとともに、該第5の電力分配器74の他方の出力端子、電流導入端子24b、真空用同軸ケーブル25bの芯線26bを介して給電点27bに接続されるとともに、該第4の電力分配器74の他方の出力端子を介して、第6の電力分配器75の一方の出力端子、電流導入端子24c、真空用同軸ケーブル25cの芯線26cを介して給電点27cに接続されるとともに、該第6の電力分配器75の他方の出力端子、電流導入端子24d、真空用同軸ケーブル25dの芯線26dを介して給電点27dに接続される。
なお、前記第1の電力増幅器16及び第2の電力増幅器22には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器16、22本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力をそれぞれ電力増幅器16、22等を用いて、第1及び第2の給電点21a〜21d、27a〜27dに供給する電力供給系を第1の電力供給系と呼ぶ。
なお、第7の電力分配器76から第1の給電点21a〜21dまでの電力波の伝播路の長さが同じになるように、分岐されたそれぞれの同軸ケーブル線路は、構造、材質及び長さを等しくしている。
第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力端子の他方の出力端子は、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第10の電力分配器79の一方の出力端子を介して、第11の電力分配器80、該第11の電力分配器80の一方の出力端子、電流導入端子36a、真空用同軸ケーブル37a及び接続線38aを介して給電点27aに接続されるとともに、該第11の電力分配器80の他方の出力端子、電流導入端子36b、真空用同軸ケーブル37b及び接続線38bを介して給電点27bに接続されるとともに、該第10の電力分配器79の他方の出力端子を介して、第12の電力分配器81の一方の出力端子、電流導入端子36c、真空用同軸ケーブル37c及び接続線38cを介して給電点27cに接続されるとともに、該第12の電力分配器81の他方の出力端子、電流導入端子36d、真空用同軸ケーブル37d及び接続線38dを介して給電点27dに接続される。
なお、第10の電力分配器79から第2の給電点27a〜27dまでの電力波の伝播路の長さが同じになるように、分岐されたそれぞれの同軸ケーブル線路は、構造、材質及び長さを等しくしている。
また、前記第3の電力増幅器29及び第4の電力増幅器34には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第3及び第4の電力増幅器29、34本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力をそれぞれ電力増幅器29、34等を用いて、第1及び第2の給電点21a〜21d、27a〜27dに供給する電力供給系を第2の電力供給系と呼ぶ。
そして、前記第1の電力供給系を用いて、第1及び第2の給電点21a〜21d、27a〜27dに高周波電力を、例えば周波数60MHzの電力例えば合計で500Wを供給する。
即ち、該第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第1の電力増幅器16及び第2の電力増幅器22の出力をそれぞれ、周波数60MHzで250Wに設定して、第1の電極の両端部にそれぞれ供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
そして、前記第2の電力供給系を用いて、第1及び第2の給電点21a〜21d、27a〜27dに高周波電力を、例えば周波数60MHzの電力例えば合計で500Wを供給する。
即ち、該第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第3の電力増幅器29及び第2の電力増幅器34の出力をそれぞれ、周波数60MHzで250Wに設定して、第1の電極の両端部にそれぞれ供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
次に、前記第1の電力供給系の構成部材の第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、第1の予備試験データで把握したΔθ1に設定し、第1及び第2の給電点21a〜21b、27a〜27bに、それぞれ例えば周波数60MHzの電力500Wを供給するともとに、前記第2の電力供給系の構成部材の第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、第2の予備試験データで把握したΔθ2に設定し、第1及び第2の給電点21a〜21b、27a〜27bに、それぞれ例えば60MHzの500Wを供給する。即ち、前記第1及び第2の給電点21a〜21b、27a〜27bに、それぞれ、電力250Wの電圧波W11(x、t)、電力250Wの電圧波W21(x、t)、電力250WのW12(x、t)及び電力250WのW22(x、t)が供給される。
ここで、第1の予備製膜工程及び第2の予備製膜工程では問題にならなかった第1のインピーダンス整合器17、第2のインピーダンス整合器23、第3のインピーダンス整合器30及び第4のインピーダンス整合器35の整合調整が上手く作動しない場合には、第1あるいは第2の位相可変2出力の発信器のどちらか一方の発振周波数を他方の発振周波数と若干異なる数値に変更すればよい。例えば、上記の例では、60MHzと61〜63MHz程度、例えば62MHzとすれば良い。なお、インピーダンス整合器の整合調整が上手く作動しない原因は、使用する構成機器の性能、即ちインピーダンス整合器の上流側の電力増幅器の耐反射波機能上の制約によることが多い。
したがって、一対の電極2a〜2d、4間に生成される電力の強さの分布は、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)と合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)の重ね合わせた形となる。その様子を概念的に図6に示す。
ここで、基板の中央点をx軸の原点とし、該原点から第1の給電点21a〜21dを向いた方向を正の方向とすると、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)は、
I1(x、t)=cos2{2πx/2+2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2+π/4}
合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)は、
I2(x、t)=cos2{2πx/2−2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2−π/4}
一対の電極2a〜2d、4間に生成される電力の強さの分布I(x、t)は、
I(x、t)
=cos2{2πx/2+π/4}+cos2{2πx/2−π/4}
=1
このことは、波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした従来の
VHFプラズマ表面処理装置及び方法では不可能視されている一様な膜厚分布の形成が実現可能であるということを意味している。したがって、上記のことはVHFプラズマの応用分野においては画期的な発見であり、その実用価値は著しく大きい。
基板サイズの幅は、前記棒電極の個数及び電力供給系の台数を増大することにより拡大できることは当然である。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4,H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術であり、膜厚分布±10%以内の製膜が可能である。
本発明に関する実施例4の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図12を参照して説明する。
具体的には、第1の電極2は、材質:SUS材で、開口率55%程度で設置される直径3mmの孔を有する方形平板である。厚みは6mm程度、面積は1500mmx300mm程度である。第2の電極は、材質:SUS材の基板ヒータを内臓する方形平板である。その厚みは70mm程度で、面積は1500mmx500mm程度である。電極間隔は5〜50mmで任意に設定可能である。基板11には、厚み4mm程度の面積:1200mmx200mm程度のガラス基板を用いる。
20を介して、第1の給電点21に接続される。該第1の真空同軸ケーブル19の端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力端子の他方の出力端子は、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24及び第2の真空同軸ケーブル25の端部の芯線26を介して、第2の給電点27に接続される。該第2の真空同軸ケーブル19の端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第1の電力増幅器16及び第2の電力増幅器22には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器16、22本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力をそれぞれ電力増幅器16、22等を用いて、第1及び第2の給電点21、27に供給する電力供給系を第1の電力供給系と呼ぶ。
第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力端子の他方の出力端子は、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第3の電流導入端子31、第4の真空同軸ケーブル37の端部の芯線38を介して第2の給電点27に接続される。
なお、前記第3の電力増幅器29及び第4の電力増幅器34には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器29、34本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力をそれぞれ電力増幅器29、34等を用いて、第1及び第2の給電点21、27に供給する電力供給系を第2の電力供給系と呼ぶ。
そして、前記第1の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力を、例えば合計で400Wを供給する。
即ち、該第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第1の電力増幅器16の出力を200Wに設定して、その出力を第1のインピーダンス整合器17、第1の電流導入端子18及び真空用同軸ケーブル19を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第2の電力増幅器22の出力を200Wに設定して、その出力を第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24、真空用同軸ケーブル25を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
そして、前記第2の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力を、例えば合計で400Wを供給する。
即ち、該第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第3の電力増幅器29の出力を200Wに設定して、その出力を第3のインピーダンス整合器30、第3の電流導入端子31及び真空用同軸ケーブル32を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第4の電力増幅器34の出力を200Wに設定して、その出力を第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36、真空用同軸ケーブル37を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
次に、前記第1の電力供給系の構成部材の第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、前記第1の予備試験データで把握したΔθ1に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば周波数70MHzの電力200Wを供給するともとに、前記第2の電力供給系の構成部材の第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、第2の予備試験データで把握したΔθ2に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば70MHzの200Wを供給する。即ち、前記第1の給電点21に、電力200Wの電圧波W11(x、t)及び電力200Wの電圧波W12(x、t)が、前記第2の給電点27に電力200WのW21(x、t)及び電力200Wの22(x、t)が供給される。
ここで、第1の予備製膜工程及び第2の予備製膜工程では問題にならなかった第1のインピーダンス整合器17、第2のインピーダンス整合器23、第3のインピーダンス整合器30及び第4のインピーダンス整合器35の整合調整が上手くいかない場合には、第1あるいは第2の位相可変2出力の発信器のどちらか一方の発振周波数を他方の発振周波数と若干異なる数値に変更すればよい。例えば、上記の例では、70MHzと71〜73MHz程度、例えば72MHzとすれば良い。なお、インピーダンス整合器の整合調整が上手くいかない原因は、使用する構成機器の性能、即ちインピーダンス整合器の上流側の電力増幅器の耐反射波機能上の制約によることが多い。
したがって、一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布は、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)と合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)の重ね合わせた形となる。その様子を概念的に図6に示す。
ここで、基板の中央点をx軸の原点とし、該原点から第1の給電点21を向いた方向を正の方向とすると、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)は、
I1(x、t)=cos2{2πx/2+2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2+π/4}
合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)は、
I2(x、t)=cos2{2πx/2−2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2−π/4}
一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布I(x、t)は、
I(x、t)
=cos2{2πx/2+π/4}+cos2{2πx/2−π/4}
=1
このことは、波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした従来のVHFプラズマ表面処理装置及び方法では不可能視されている一様な膜厚分布の形成が実現可能であるということを意味している。したがって、上記のことはVHFプラズマの応用分野においては画期的な発見であり、その実用価値は著しく大きい。
本実施例では、電極間隔を5~40mm程度に設定することにより、ガラス基板サイズ:1200mmx200mmでのアモルファスSi膜は、製膜速度1〜3nm/s程度で、膜厚分布は±10%以内の製膜が可能である。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4,H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術であり、膜厚分布±10%以内の製膜が可能である。
本発明に関する実施例5の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図13を参照して説明する。
第1の位相可変2出力の発信器15aの2つの出力端子の他方の出力端子は、第2の電力増幅器22a、第2のインピーダンス整合器23a、第2の電流導入端子24a及び第2の真空同軸ケーブル25aの端部の芯線26aを介して、第2の給電点27aに接続される。該第2の真空同軸ケーブル25aの端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第1の電力増幅器16a及び第2の電力増幅器22aには、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器16a、22a本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力をそれぞれ電力増幅器16、22等を用いて、第1及び第2の給電点21、27に供給する電力供給系を第1の電力供給系と呼ぶ。
第2の位相可変2出力の発信器28aの2つの出力端子の他方の出力端子は、第4の電力増幅器34a、第4のインピーダンス整合器35a、第4の電流導入端子36a及び第4の真空同軸ケーブル37aの端部の芯線38aを介して、第2の給電点27aに接続される。該第4の真空同軸ケーブル37aの端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第3の電力増幅器29a及び第4の電力増幅器34aには、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器29a、34a本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第2の位相可変2出力の発信器28aの2つの出力をそれぞれ電力増幅器29a、34a等を用いて、第1及び第2の給電点21a、27aに供給する電力供給系を第2の電力供給系と呼ぶ。
第3の位相可変2出力の発信器15bの2つの出力端子の他方の出力端子は、第6の電力増幅器22b、第6のインピーダンス整合器23b、第6の電流導入端子24b及び第6の真空同軸ケーブル25bの端部の芯線26bを介して、第4の給電点27bに接続される。該第6の真空同軸ケーブル25bの端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第5の電力増幅器16b及び第6の電力増幅器22bには、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器16b、22b本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第3の位相可変2出力の発信器15bの2つの出力をそれぞれ電力増幅器16b、22b等を用いて、第3及び第4の給電点21b、27bに供給する電力供給系を第3の電力供給系と呼ぶ。
第4の位相可変2出力の発信器28bの2つの出力端子の他方の出力端子は、第8の電力増幅器34b、第8のインピーダンス整合器35b、第8の電流導入端子36b及び第8の真空同軸ケーブル37bの端部の芯線38bを介して、第4の給電点27bに接続される。該第8の真空同軸ケーブル37bの端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第7の電力増幅器29b及び第8の電力増幅器34bには、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第7及び第8の電力増幅器29b、34b本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第4の位相可変2出力の発信器28bの2つの出力をそれぞれ電力増幅器29b、34b等を用いて、第3及び第4の給電点21b、27bに供給する電力供給系を第4の電力供給系と呼ぶ。
そして、前記第1及び第3の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数60MHzの電力を、例えば合計で800Wを供給する。
即ち、該第1及び第3の位相可変2出力の発信器15a、15bの2つの出力の位相差を、例えばそれぞれ零に設定し、第1及び第5の電力増幅器16a、16bのそれぞれの出力を200Wに設定して、それぞれの出力を第1及び第3のインピーダンス整合器17a、17b、第1及び第3の電流導入端子18a、18b及び第1及び第3の真空用同軸ケーブル19a、19bを介して、それぞれ、第1の給電点21aと第2の電極4間及び第3の給電点21bと第2の電極4間に供給するとともに、第2及び第6の電力増幅器22a、22bのそれぞれの出力を200Wに設定して、それぞれの出力を第2及び第6のインピーダンス整合器23a、23b、第2及び第6の電流導入端子24a、24b及び第2及び第6の真空用同軸ケーブル25a、25bを介して、それぞれ、第2の給電点27aと第2の電極4間及び第4の給電点27bと第2の電極4間に供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
そして、前記第2及び第4の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数60MHzの電力を、例えば合計で800Wを供給する。
即ち、該第2及び第4の位相可変2出力の発信器28a、28bの2つの出力の位相差を、例えばそれぞれ零に設定し、第3及び第7の電力増幅器29a、29bのそれぞれの出力を200Wに設定して、それぞれの出力を第3及び第7のインピーダンス整合器30a、30b、第3及び第7の電流導入端子31a、31b及び第3及び第7の真空用同軸ケーブル32a、32bを介して、それぞれ、第1の給電点21aと第2の電極4間及び第3の給電点21bと第2の電極4間に供給するとともに、第4及び第8の電力増幅器34a、34bのそれぞれの出力を200Wに設定して、それぞれの出力を第4及び第8のインピーダンス整合器35a、35b、第4及び第8の電流導入端子36a、36b及び第4及び第8の真空用同軸ケーブル37a、37bを介して、それぞれ、第2の給電点27aと第2の電極4間及び第4の給電点27bと第2の電極4間に供給する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えばアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5~0.9程度である。
次に、前記第1及び第3の電力供給系の第1及び第3の電力供給系の第1及び第3の位相可変2出力の発信器15a、15bのそれぞれの2つの出力の、それぞれの位相差を、第1の予備試験データで把握したΔθ1及びΔθ3に設定し、第1、第2、第3及び第4の給電点21a、21b、27a、27bに、それぞれ例えば周波数70MHzの電力800Wを供給するともとに、前記第2及び第4の電力供給系の第2及び第4の位相可変2出力の発信器28a、28bのそれぞれ2つの出力の、それぞれの位相差を、第2の予備試験データで把握したΔθ2及びΔθ4に設定し、第1、第2、第3及び第4の給電点21a、21b、27a、27bに、それぞれに例えば60MHzの200W、合計800Wを供給する。
即ち、前記第1の給電点21aに、電力200Wの第1の電圧波W11(x、t)及び電力200Wの第1の電圧波W12(x、t)が、前記第2の給電点27aに電力200Wの第1の電圧波W21(x、t)及び電力200Wの第1の電圧波W22(x、t)が供給される。
また、同様に、前記第3の給電点21bに、電力200Wの第2の電圧波W11(x、t)及び電力200Wの第2の電圧波W12(x、t)が、前記第4の給電点27bに電力200Wの第2の電圧波W21(x、t)及び電力200Wの第2の電圧波W22(x、t)が供給される。
ただし、第1、第2、第3及び第4の発信器15a、15b、28a、28bは互いに独立した電源なので、第1のW11(x、t)は、第1のW21(x、t)以外とは干渉しない。同様に、第1のW12(x、t)は、第1のW22(x、t)以外とは干渉しない。同様に第2のW11(x、t)は、第2のW21(x、t)以外とは干渉しない。同様に、第2のW12(x、t)は、第2のW22(x、t)以外とは干渉しない。
したがって、一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布は、2分割された領域のそれぞれにおいて、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)と第1の合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)の重ね合わせた形となる。その様子を概念的に図6に示す。
なお、前記2分割された領域の境界部分の膜厚分布は、第1及び第3の給電点21a、21bの間隔及び第2及び第4の給電点27a、27bの間隔を調整することにより改善できる。
I1(x、t)=cos2{2πx/2+2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2+π/4}
第1及び第2の合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)は、
I2(x、t)=cos2{2πx/2−2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2−π/4}
一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布I(x、t)は、
I(x、t)
=cos2{2πx/2+π/4}+cos2{2πx/2−π/4}
=1
このことは、波長λの二分の一を越えるサイズの基板を対象にした従来の
VHFプラズマ表面処理装置及び方法では不可能視されている一様な膜厚分布の形成が実現可能であるということを意味している。したがって、上記のことはVHFプラズマの応用分野においては画期的な発見であり、その実用価値は著しく大きい。
本実施例では、電極間隔を5~40mm程度に設定することにより、ガラス基板サイズ:1200mmx400mm程度でのアモルファスSi膜は、製膜速度1〜3nm/s程度で、膜厚分布は±10%以内の製膜が可能である。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4,H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術であり、膜厚分布±10%以内の製膜が可能である。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4,H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術である。
本発明に関する実施例6の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図14及び図15を参照して説明する。
第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力端子の他方の出力端子は、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24及び第2の真空同軸ケーブル25の端部の芯線26を介して、第2の給電点27に接続される。該第2の真空同軸ケーブル19の端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第1の電力増幅器16及び第2の電力増幅器22には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器16、22本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力をそれぞれ電力増幅器16、22等により、それぞれ第1及び第2の給電点21、27に供給する電力供給系を第1の電力供給系と呼ぶ。
第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力端子の他方の出力端子は、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36及び第4の真空同軸ケーブル37の端部の芯線38を介して、第2の給電点27に接続される。該第2の真空同軸ケーブル19の端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第3の電力増幅器29及び第4の電力増幅器34には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器29、34本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力をそれぞれ電力増幅器29、34等により、それぞれ第1及び第2の給電点21、27に供給する電力供給系を第2の電力供給系と呼ぶ。
そして、前記第1の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力を、例えば合計で400Wを供給する。
即ち、該第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、例えば零に設定し、第1の電力増幅器16の出力を例えば200Wに設定して、その出力を第1のインピーダンス整合器17、第1の電流導入端子18及び真空用同軸ケーブル19を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第2の電力増幅器22の出力を例えば200Wに設定して、その出力を第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24、真空用同軸ケーブル25を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
この場合、給電点21及び27から供給され電力波は、その伝播路である第1の電極の形状が中間点で折れ曲がっているので、若干影響を受けて減衰はするが、該折れ曲り部分に被覆されている誘電体膜92により、その領域での電力損失が抑制される。その結果、その伝播路にて電力波W11(x、t)及びW21(x、t)、による前述の定在波が発生する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えば正弦的分布を持つアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5〜0.9程度である。
そして、前記第2の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力を、例えば合計で400Wを供給する。
即ち、該第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を零に設定し、第3の電力増幅器29の出力を200Wに設定して、その出力を第3のインピーダンス整合器30、第3の電流導入端子31及び真空用同軸ケーブル32を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第4の電力増幅器34の出力を200Wに設定して、その出力を第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36、真空用同軸ケーブル37を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
この場合、給電点21及び27から供給され電力波は、その伝播路である第1の電極の形状が中間点で折れ曲がっているので、若干影響を受けて減衰はするが、該折れ曲り部分に被覆されている誘電体膜92により、その領域での電力損失が抑制される。その結果、その伝播路にて電力波W12(x、t)及びW22(x、t)による前述の定在波が発生する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えば正弦的分布を持つアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5〜0.9程度である。
次に、前記第1の電力供給系の構成部材の第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、第1の予備試験データで把握したΔθ1に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば周波数70MHzの電力合計400Wを供給するともとに、前記第2の電力供給系の構成部材の第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、第2の予備試験データで把握したΔθ2に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、例えば70MHzの電力合計400Wを供給する。
即ち、前記第1の給電点21に、電力200Wの電圧波W11(x、t)及び電力200Wの電圧波W12(x、t)が、前記第2の給電点27に電力200WのW21(x、t)及び電力200Wの電圧波W22(x、t)が供給される。
ここで、第1の予備製膜工程及び第2の予備製膜工程では問題にならなかった第1のインピーダンス整合器17、第2のインピーダンス整合器23、第3のインピーダンス整合器30及び第4のインピーダンス整合器35の整合調整が上手くいかない場合には、第1あるいは第2の位相可変2出力の発信器のどちらか一方の発振周波数を他方の発振周波数と若干異なる数値に変更すればよい。例えば、上記の例では、70MHzと71〜73MHz程度、例えば72MHzとすれば良い。なお、インピーダンス整合器の整合調整が上手くいかない原因は、使用する構成機器の性能、即ちインピーダンス整合器の上流側の電力増幅器の耐反射波機能上の制約によることが多い。
したがって、一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布は、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)と合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)の重ね合わせた形となる。その様子を概念的に図6に示す。
ここで、該U字型電極2の中央点をx軸の原点とし、該原点からU字に沿った線分上において、第1の給電点21を向いた方向を正の方向とすると、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)は、
I1(x、t)=cos2{2πx/2+2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2+π/4}
合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)は、
I2(x、t)=cos2{2πx/2−2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2−π/4}
一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布I(x、t)は、
I(x、t)
=cos2{2πx/2+π/4}+cos2{2πx/2−π/4}
=1
即ち、インライン型やマルチチャンバー形やロール・ツー・ロール型のプラズマ表面処理装置の高生産性化のためのプラズマ発生装置の改善において求められている矩形型の第1の電極の一つの辺の近傍のみからVHF電力を供給する手段
に関する一つの新規手段として実現が可能である。このことは、該プラズマ表面処理装置本体の断面を、その基板搬送方向に直交する断面で見た場合、その断面が例えば矩形状の断面であれば、該矩形断面の4辺の中の1辺のみを用いたVHFプラズマ生成用の新規給電手段が実現可能である。
本実施例では、第1及び第2の電極の間隔を5~40mm程度に設定することにより、ガラス基板の面積:1200mmx200mm程度でのアモルファスSi膜は、製膜速度1〜3nm/s程度で、膜厚分布は±10%以内の製膜が可能である。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4,H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術であり、膜厚分布±10%以内の製膜が可能である。
本発明に関する実施例7の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図16を参照して説明する。図16は実施例7に係わるプラズマ表面処理装置の全体を示す概略図である。
第16図図示の構成については、実施例1ないし実施例6に示した部材と同じ部材は同符番を付しているので、説明は省略する。
なお、U字型電極2は直径5〜20mm程度のSUS棒材で構成し、第2の電極との間隔は、5〜50mm程度で任意に設定可能である。
本発明に関する実施例8の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図17を参照して説明する。図17は実施例8に係わるプラズマ表面処理装置の全体を示す概略図である。
実施例8の装置は、図17に示すように、W字型第1電極のそれぞれの端部に、第1及び第2の給電点を配置させ、該第1及び第2の給電点に前記第1及び第2の電力供給系の出力を供給するような構成を有している。
図17図示の構成については、前記実施例1ないし実施例7に示した部材と同じ部材で構成され、同符番を付しているので、説明を省略する。なお、W字型電極2は、直径5〜20mm程度のSUS棒材で構成し、第2の平板電極との間隔は5〜50mmで任意に設定可能である。
本発明に関する実施例9の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図18を参照して説明する。図18は実施例9に係わるプラズマ表面処理装置の全体を示す概略図である。
図18図示の構成については、実施例1ないし実施例8に示した部材と同じ部材で構成され、同符番を付しているので、説明は省略する。なお、W字型電極2は、直径5〜20mm程度のSUS棒材で構成し、第2の平板電極との間隔は5〜50mmで任意に設定可能である。
本発明に関する実施例10の高周波プラズマ発生用電極と該電極により構成のプラズマ表面処理装置(プラズマCVD装置)およびプラズマ表面処理方法(プラズマCVD方法)について、図19を参照して説明する。
に示した部材と同じ部材は同符番を付して説明を省略する。図19は実施例10に係わるプラズマ表面処理装置の全体を示す概略図である。
図19において、第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力端子の一方の出力端子は、第1の電力増幅器16、第1のインピーダンス整合器17、第1の電流導入端子18及び第1の真空同軸ケーブル19の端部の芯線20を介して、第1の給電点21に接続される。該第1の真空同軸ケーブル19の端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力端子の他方の出力端子は、第2の電力増幅器22、第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24及び第2の真空同軸ケーブル25の端部の芯線26を介して、第2の給電点27に接続される。該第2の真空同軸ケーブル19の端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第1の電力増幅器16及び第2の電力増幅器22には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器16、22本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力をそれぞれ電力増幅器16、22等により、それぞれ第1及び第2の給電点21、27に供給する電力供給系を第1の電力供給系と呼ぶ。
第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力端子の他方の出力端子は、第4の電力増幅器34、第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36及び第4の真空同軸ケーブル37の端部の芯線38を介して、第2の給電点27に接続される。該第2の真空同軸ケーブル19の端部の外部導体は第2の電極4に接続される。
なお、前記第3の電力増幅器29及び第4の電力増幅器34には、それぞれ出力値(進行波)のモニター及び下流側から反射して戻ってくる反射波のモニターが付属している。また、該該反射波による該第1及び第2の電力増幅器29、34本体の電気回路を防護するためのアイソレータが付属されている。
ここで、第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力をそれぞれ電力増幅器29、34等により、それぞれ第1及び第2の給電点21、27に供給する電力供給系を第2の電力供給系と呼ぶ。
そして、前記第1の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力を、例えば合計で400Wを供給する。
即ち、該第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を零に設定し、第1の電力増幅器16の出力を例えば200Wに設定して、その出力を第1のインピーダンス整合器17、第1の電流導入端子18及び真空用同軸ケーブル19を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第2の電力増幅器22の出力を例えば200Wに設定して、その出力を第2のインピーダンス整合器23、第2の電流導入端子24、真空用同軸ケーブル25を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
この場合、給電点21及び27から供給され電力波は、その伝播路である第1の電極の形状が中間点で折れ曲がっているので、若干影響を受けて減衰はするが、該折れ曲り部分が楔形90の形状であるので電力波が斜めに反射しながら伝播するので、対向地点へ伝播する。また、該楔形90の形状を有する領域の第2の電極4側表面に被覆されている誘電体膜92により、その領域での電力損失が抑制される。その結果、その伝播路にて電力波W11(x、t)及びW21(x、t)、による前述の定在波が発生する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えば正弦的分布を持つアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5〜0.9程度である。
そして、前記第2の電力供給系を用いて、一対の電極2、4に高周波電力を、例えば周波数70MHzの電力を、例えば合計で400Wを供給する。
即ち、該第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を零に設定し、第3の電力増幅器29の出力を200Wに設定して、その出力を第3のインピーダンス整合器30、第3の電流導入端子31及び真空用同軸ケーブル32を介して、第1の給電点21と第2の電極4間に供給するとともに、第4の電力増幅器34の出力を200Wに設定して、その出力を第4のインピーダンス整合器35、第4の電流導入端子36、真空用同軸ケーブル37を介して、第2の給電点27と第2の電極4間に供給する。
この場合、給電点21及び27から供給され電力波は、その伝播路である第1の電極の形状が中間点で折れ曲がっているので、若干影響を受けて減衰はするが、該折れ曲り部分が楔形90の形状であるので電力波が斜めに反射しながら伝播するので、対向地点へ伝播する。また、該楔形90の形状を有する領域の第2の電極4側表面に被覆されている誘電体膜92により、その領域での電力損失が抑制される。その結果、その伝播路にて電力波W12(x、t)及びW22(x、t)による前述の定在波が発生する。
その結果、前記SiH4ガスのプラズマが生成され、基板11に例えば
正弦的分布を持つアモルファスSiが堆積する。
ただし、その波長λは、真空中での電磁波の波長ではなく、上記製膜条件での波長λであり、真空中での電磁波の波長λ0に比べて短くなる。一般的にはSiH4ガスのプラズマでは、プラズマ中での波長λと真空中での波長λ0との比λ/λ0は0.5〜0.9程度である。
次に、前記第1の電力供給系の構成部材の第1の位相可変2出力の発信器15の2つの出力の位相差を、第1の予備試験データで把握したΔθ1に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、それぞれ例えば周波数70MHzの電力合計400Wを供給するともとに、前記第2の電力供給系の構成部材の第2の位相可変2出力の発信器28の2つの出力の位相差を、第2の予備試験データで把握したΔθ2に設定し、第1及び第2の給電点21、27に、例えば70MHzの電力合計400Wを供給する。
即ち、前記第1の給電点21に、電力200Wの電圧波W11(x、t)及び電力200Wの電圧波W12(x、t)が、前記第2の給電点27に電力200WのW21(x、t)及び電力200Wの電圧波W22(x、t)が供給される。
ここで、第1の予備製膜工程及び第2の予備製膜工程では問題にならなかった第1のインピーダンス整合器17、第2のインピーダンス整合器23、第3のインピーダンス整合器30及び第4のインピーダンス整合器35の整合調整が上手くいかない場合には、第1あるいは第2の位相可変2出力の発信器のどちらか一方の発振周波数を他方の発振周波数と若干異なる数値に変更すればよい。例えば、上記の例では、70MHzと71〜73MHz程度、例えば72MHzとすれば良い。なお、インピーダンス整合器の整合調整が上手くいかない原因は、使用する構成機器の性能、即ちインピーダンス整合器の上流側の電力増幅器の耐反射波機能上の制約によることが多い。
したがって、一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布は、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)と合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)の重ね合わせた形となる。その様子を概念的に図6に示す。
ここで、基板の中央点、即ち該楔形90の頂点とスリットを結ぶラインをx軸の原点とし、該原点から第1の給電点21を向いた方向を正の方向とすると、合成波W1(x、t)の強さの分布I1(x、t)は、
I1(x、t)=cos2{2πx/2+2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2+π/4}
合成波W2(x、t)の強さの分布I2(x、t)は、
I2(x、t)=cos2{2πx/2−2π(λ/8)/λ}
=cos2{2πx/2−π/4}
一対の電極2、4間に生成される電力の強さの分布I(x、t)は、
I(x、t)
=cos2{2πx/2+π/4}+cos2{2πx/2−π/4}
=1
即ち、インライン型やマルチチャンバー形やロール・ツー・ロール型のプラズマ表面処理装置の高生産性化のためのプラズマ発生装置の改善において求められている矩形型の第1の電極の一つの辺の近傍のみからVHF電力を供給する手段
に関する一つの新規手段として実現が可能である。このことは、該プラズマ表面処理装置本体の断面を、その基板搬送方向に直交する断面で見た場合、その断面が例えば矩形状の断面であれば、該矩形断面の4辺の中の1辺のみを用いたVHFプラズマ生成用の新規給電手段が実現可能である。
本実施例では、第1及び第2の電極の間隔を5~40mm程度に設定することにより、ガラス基板サイズ:1200mmx400mm程度でのアモルファスSi製膜は、製膜速度1〜3nm/s程度で、膜厚分布は±10%以内の製膜が可能である。
なお、微結晶Siあるいは薄膜多結晶Si等は、製膜条件の中のSiH4,H2の流量比、圧力および電力を適正化することで製膜できることは公知の技術であり、膜厚分布±10%以内の製膜が可能である。
2...第1の電極、
3...図示しない基板ヒータ、
4...第2の電極、
5...絶縁物支持材、
6...ガス混合箱、
7...整流孔、
8...放電ガス供給管、
9...排気管、
10...図示しない真空ポンプ、
11...基板、
12...図示しないゲートバルブ、
15...第1の位相可変2出力発信器、
16...第1の電力増幅器、
17...第1のインピーダンス整合器、
18...第1の電流導入端子、
19...第1の真空用同軸ケーブル、
20...第1の真空用同軸ケーブルの芯線、
21...第1の給電点、
22...第2の電力増幅器、
23...第2のインピーダンス整合器、
24...第2の電流導入端子、
25...第2の真空用同軸ケーブル、
26...第2の真空用同軸ケーブルの芯線、
27...第2の給電点、
28...第2の位相可変2出力発信器、
29...第3の電力増幅器、
30...第3のインピーダンス整合器、
31...第3の電流導入端子、
32...第3の真空用同軸ケーブル、
33...第3の真空用同軸ケーブルの芯線、
34...第4の電力増幅器、
35...第4のインピーダンス整合器、
36...第4の電流導入端子、
37...第4の真空用同軸ケーブル、
38...第4の真空用同軸ケーブルの芯線。
Claims (1)
- 内部に基板がセットされる、排気系を備えた真空容器と、この真空容器内に放電用ガスを供給する放電用ガス供給系と、プラズマを生成する非接地の第1の電極及び接地された第2の電極から成る一対の電極と、2出力でかつ該2出力の電圧の位相差を任意に設定可能な第1の高周波電源と該第1の高周波電源の2つの出力端子に接続された第1及び第2のインピーダンス整合器及び該第1の高周波電源と独立し、かつ、2出力でかつ該2出力の電圧の位相差を任意に設定可能な第2の高周波電源と該第2の高周波電源の2つの出力端子に接続された第3及び第4のインピーダンス整合器から成る電力供給系とを具備し、生成したプラズマを利用して基板の表面を処理するプラズマ表面処理方法であって、前記第1の高周波電源の2つの出力の位相差と前記基板表面に製膜される正弦的膜厚分布を有するSi系膜の膜厚が最大になる位置との関係を把握する第1の工程と、前記第2の高周波電源の2つの出力の位相差と前記基板表面に製膜される正弦的膜厚分布を有するSi系膜の膜厚が最大になる位置との関係を把握する第2の工程と、該第1及び第2の工程でそれぞれに把握された第1及び第2の高周波電源の2つの出力の位相差と該膜厚が最大になる位置との関係より該第1及び第2の高周波電源の2つの出力の位相差を設定することにより、該基板に目的のSi系膜を製膜する第3の工程から成ることを特徴とする高周波プラズマ表面処理方法。
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