JP4273983B2

JP4273983B2 - Surface wave excitation plasma CVD equipment

Info

Publication number: JP4273983B2
Application number: JP2004028273A
Authority: JP
Inventors: 正康鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: JP2005223079A

Description

本発明は、表面波励起プラズマを利用して成膜するＣＶＤ装置に関する。 The present invention relates to a CVD apparatus for forming a film using surface wave excitation plasma.

半導体製造プロセスでは、プラズマを利用して成膜を行うプラズマＣＶＤ装置が用いられている。そのようなプラズマＣＶＤ装置としては、従来から平行平板型プラズマ処理装置や電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）プラズマ処理装置などが使用されている。さらに、近年では、より大面積で高密度のプラズマを容易に発生させることができる表面波励起プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）処理装置が利用されるようになってきている。ＳＷＰプラズマＣＶＤ装置では、薄膜の成分元素を含む材料ガスと反応性活性種の原料となるプロセスガスとをプラズマ生成室内に導入し、表面波励起プラズマにより、材料ガスを分解したり化学反応を起こさせて基板上に薄膜を堆積させる。 In a semiconductor manufacturing process, a plasma CVD apparatus that performs film formation using plasma is used. As such a plasma CVD apparatus, conventionally, a parallel plate type plasma processing apparatus, an electron cyclotron resonance (ECR) plasma processing apparatus, and the like have been used. Furthermore, in recent years, a surface wave plasma (SWP) processing apparatus that can easily generate a high-density plasma with a larger area has come to be used. In the SWP plasma CVD apparatus, a material gas containing a constituent element of a thin film and a process gas that is a raw material of a reactive active species are introduced into a plasma generation chamber, and the material gas is decomposed or a chemical reaction is caused by surface wave excitation plasma. To deposit a thin film on the substrate.

表面波励起プラズマは、マイクロ波導波管内を伝搬するマイクロ波を誘電体部材を介してプラズマ生成室内に導入することにより生成する。マイクロ波導波管の形状として、直線状のものと環状のものがあり、被処理物の形状や処理目的などに応じて使い分けられている。環状の導波管としては、複数のスロットアンテナが形成された無終端環状導波管があり、この無終端環状導波管を備えたＳＷＰプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。 The surface wave-excited plasma is generated by introducing a microwave propagating through the microwave waveguide into the plasma generation chamber via a dielectric member. There are two types of microwave waveguides, a linear one and an annular one, which are used according to the shape of the object to be processed and the purpose of processing. As the annular waveguide, there is an endless annular waveguide in which a plurality of slot antennas are formed, and an SWP plasma processing apparatus including the endless annular waveguide is known (for example, Patent Document 1). reference).

特開平５−３４５９８２号公報（第２頁、図６，９）Japanese Patent Laid-Open No. 5-345882 (2nd page, FIGS. 6 and 9)

特許文献１の無終端環状導波管は、終端部を有さないために特定のスロットアンテナにマイクロ波電力が集中する場合がある。この無終端環状導波管をＳＷＰプラズマＣＶＤ装置に使用すると、誘電体部材の特定の箇所でプラズマ密度が局在化し、材料ガスの化学反応が急激に行われ、膜厚、膜質ともに適正な成膜可能領域が狭い範囲に限定されてしまうという問題がある。 Since the endless annular waveguide of Patent Document 1 does not have a termination, microwave power may concentrate on a specific slot antenna. When this endless annular waveguide is used in a SWP plasma CVD apparatus, the plasma density is localized at a specific location on the dielectric member, the chemical reaction of the material gas is rapidly performed, and the film thickness and film quality are both appropriate. There is a problem that the filmable region is limited to a narrow range.

（１）請求項１の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、マイクロ波発生装置からマイクロ波を導入する導入口と終端部とを有し、複数のスロットアンテナが形成された底板を内側面とする環状のマイクロ波導波管と、筒状を呈し、その筒の外側面が環状のマイクロ波導波管の底板に接して配設され、環状のマイクロ波導波管内を伝搬するマイクロ波をスロットアンテナを通して導入する筒状誘電体部材と、筒状誘電体部材を保持して気密空間を形成し、筒状誘電体部材を介して導入されたマイクロ波により気密空間に表面波励起プラズマを生成し、該表面波励起プラズマにより被処理物を処理するプラズマ処理室と、シリコン元素を含む材料ガスを導入し、ガス噴出口からプラズマ処理室内に材料ガスを噴出する材料ガス導入手段と、表面波励起プラズマにより活性化して材料ガスに化学反応を起こさせるプロセスガスを導入し、材料ガス導入手段のガス噴出口と離れて設けられたガス噴出口からプラズマ処理室内にプロセスガスを噴出するプロセスガス導入手段とを具備し、材料ガス導入手段は、筒状誘電体部材で囲まれる内部空間内またはその周辺領域にガス噴出口を有し、筒状誘電体部材の軸方向にガスを噴出する第１の材料ガス導入手段と、筒状誘電体部材で囲まれる内部空間の周辺領域にガス噴出口を有し、筒状誘電体部材の軸方向と所定の角度をなしてガスを噴出する第２の材料ガス導入手段と、第１および第２の材料ガス導入手段を独立に移動させて、被処理物と第１の材料ガス導入手段のガス噴出口および第２の材料ガス導入手段のガス噴出口との間の距離をそれぞれ可変とする可変装置とを有することを特徴とする。
(1) A surface wave excitation plasma CVD apparatus according to a first aspect of the present invention includes an inlet for introducing a microwave from a microwave generator and a terminal portion, and an annular surface having a bottom plate on which a plurality of slot antennas are formed as an inner surface. The microwave waveguide is cylindrical, and the outer surface of the cylinder is disposed in contact with the bottom plate of the annular microwave waveguide, and the microwave propagating through the annular microwave waveguide is introduced through the slot antenna. A cylindrical dielectric member and an airtight space are formed by holding the cylindrical dielectric member, and surface wave excitation plasma is generated in the airtight space by microwaves introduced through the cylindrical dielectric member. A plasma processing chamber for processing an object to be processed by excitation plasma; a material gas introducing means for introducing a material gas containing silicon element into the plasma processing chamber; and surface wave excitation. Process gas introduction means that introduces a process gas that is activated by plasma and causes a chemical reaction to the material gas, and ejects the process gas into the plasma processing chamber from a gas outlet provided apart from the gas outlet of the material gas introduction means The material gas introducing means has a gas outlet in the inner space surrounded by the cylindrical dielectric member or in a peripheral region thereof, and first gas is jetted in the axial direction of the cylindrical dielectric member. A material gas introducing means and a second material that has a gas outlet in the peripheral region of the internal space surrounded by the cylindrical dielectric member and jets gas at a predetermined angle with the axial direction of the cylindrical dielectric member The gas introduction means, the first and second material gas introduction means are moved independently, and the object to be processed, the gas outlet of the first material gas introduction means, and the gas outlet of the second material gas introduction means, The distance between Characterized by have a variable device for a variable.

（２）請求項２の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、請求項１の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、材料ガス導入手段のガス噴出口は、プロセスガス導入手段のガス噴出口よりも被処理物に近く設けられることを特徴とする。
（３）請求項３の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、請求項１または２の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、材料ガス導入手段は、一以上の経路と一以上のガス噴出口とを有することが好ましい。また、第２の材料ガス導入手段は、ガス噴出口の向きを可変とする向き可変手段をさらに有していてもよく、筒状誘電体部材の軸方向と直交する面に対し±６０°の角度範囲でガスを噴出するようにガス噴出口が設けてもよい。
（４）請求項６の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、請求項１〜５のいずれかの表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、プロセスガス導入手段は、筒状誘電体部材の内側面近傍に一以上の経路と一以上のガス噴出口とを有するガス流路を設けて構成することができる。 (2) The surface wave excitation plasma CVD apparatus according to claim 2 is the surface wave excitation plasma CVD apparatus according to claim 1, wherein the gas outlet of the material gas introduction means is more than the gas outlet of the process gas introduction means. It is provided near.
(3) The surface wave excitation plasma CVD apparatus according to claim 3 is the surface wave excitation plasma CVD apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the material gas introduction means has one or more paths and one or more gas ejection ports. Is preferred. Further, the second material gas introduction means may further include a direction changing means for changing the direction of the gas outlet, and is ± 60 ° with respect to a plane orthogonal to the axial direction of the cylindrical dielectric member. A gas outlet may be provided so as to eject gas in an angular range.
(4) The surface wave excitation plasma CVD apparatus according to claim 6 is the surface wave excitation plasma CVD apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein at least one process gas introduction means is provided in the vicinity of the inner side surface of the cylindrical dielectric member. It is possible to provide a gas flow path having the above-described path and one or more gas ejection ports.

本発明によれば、被処理物周辺に膜厚、膜質ともに適正な成膜可能領域を形成する表面波励起プラズマＣＶＤ装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the surface wave excitation plasma CVD apparatus which forms the film-forming possible area | region appropriate for both the film thickness and film quality around a to-be-processed object can be provided.

以下、本発明による表面波励起プラズマＣＶＤ装置（以下、単にプラズマＣＶＤ装置という）について図１〜８を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置を模式的に示す全体構成図である。図２は、図１のプラズマＣＶＤ装置の主要部の概略構成図である。 Hereinafter, a surface wave excitation plasma CVD apparatus (hereinafter simply referred to as a plasma CVD apparatus) according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is an overall configuration diagram schematically showing a plasma CVD apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a main part of the plasma CVD apparatus of FIG.

図１，２を参照すると、ＳＷＰ処理装置１００は、マイクロ波発生部１と、チャンバー２と、環状導波管３と、誘電体チューブ４と、プロセスガス導入管５と、材料ガス用の上面側導入管６と、材料ガス用の側面側導入管７と、真空排気管８と、基板ホルダー９とを備える。 Referring to FIGS. 1 and 2, the SWP processing apparatus 100 includes a microwave generator 1, a chamber 2, an annular waveguide 3, a dielectric tube 4, a process gas introduction tube 5, and an upper surface for material gas. A side introduction pipe 6, a side introduction pipe 7 for material gas, a vacuum exhaust pipe 8, and a substrate holder 9 are provided.

マイクロ波発生部１は、マイクロ波電源１１、マイクロ波発振器１２、アイソレータ１３、方向性結合器１４および整合器１５を備える。マイクロ波発生部１は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を生成し、環状導波管３の導入口３ａへ送出する。マイクロ波は、環状導波管３の導入口３ａから終端部３ｂまで伝搬する。環状導波管３の終端部３ｂには、終端位置を変化させてマイクロ波の位相を調整するための終端整合器３ｃが設けられている。 The microwave generation unit 1 includes a microwave power source 11, a microwave oscillator 12, an isolator 13, a directional coupler 14, and a matching unit 15. The microwave generator 1 generates a 2.45 GHz microwave and sends it to the inlet 3 a of the annular waveguide 3. The microwave propagates from the inlet 3a of the annular waveguide 3 to the terminal end 3b. A termination matching unit 3c for adjusting the phase of the microwave by changing the termination position is provided at the termination portion 3b of the annular waveguide 3.

図２に示されるように、チャンバー２は、その側壁にＯリング２ａを介して誘電体チューブ４を保持し、内部に気密空間を形成している。チャンバー２には、プロセスガスを導入するためのプロセスガス導入管５、材料ガスを導入するための上面側導入管６、材料ガスを導入するための側面側導入管７、真空排気管８および被処理物たる基板Ｓを保持する基板ホルダー９が配設されている。基板ホルダー９は、誘電体チューブ４の軸方向であるＺ方向に沿った移動とＺ軸周りの回転が可能であり、必要に応じて、加熱、冷却、電界印加が可能に構成される。 As shown in FIG. 2, the chamber 2 holds a dielectric tube 4 on its side wall via an O-ring 2a and forms an airtight space therein. The chamber 2 includes a process gas introduction pipe 5 for introducing a process gas, an upper surface side introduction pipe 6 for introducing a material gas, a side surface introduction pipe 7 for introducing a material gas, a vacuum exhaust pipe 8 and a covered pipe. A substrate holder 9 for holding a substrate S to be processed is provided. The substrate holder 9 can move along the Z direction that is the axial direction of the dielectric tube 4 and rotate around the Z axis, and can be heated, cooled, and applied with an electric field as necessary.

環状導波管３は、例えばアルミニウム合金や非磁性のステンレス鋼で作製され、環状導波管３の底板３ｄには、複数のスロットアンテナから成るスロットアンテナ群３０が形成されている。底板３ｄの内面は、磁界面（Ｈ面）と呼ばれる面である。 The annular waveguide 3 is made of, for example, aluminum alloy or nonmagnetic stainless steel, and a slot antenna group 30 including a plurality of slot antennas is formed on the bottom plate 3d of the annular waveguide 3. The inner surface of the bottom plate 3d is a surface called a magnetic field surface (H surface).

誘電体チューブ４は、石英やアルミナなどで作製され、誘電体チューブ４の外周面が環状導波管３の底板３ｄに接して配設されている。誘電体チューブ４の上端面は、Ｏリング２ａを介して上板２ｂに接し、下端面はＯリング２ａを介してチャンバー２の側壁に接している。 The dielectric tube 4 is made of quartz, alumina, or the like, and the outer peripheral surface of the dielectric tube 4 is disposed in contact with the bottom plate 3 d of the annular waveguide 3. The upper end surface of the dielectric tube 4 is in contact with the upper plate 2b through the O-ring 2a, and the lower end surface is in contact with the side wall of the chamber 2 through the O-ring 2a.

プロセスガス導入管５は、チャンバー２の上板２ｂに設けられている。プロセスガス導入管５は、プロセスガスを外部から導入する導入管５１と、上板２ｂの内部に形成された流路５２と、上板２ｂの下面側に設けられた複数のガス噴出口５３とを有する配管である。ガス噴出口５３の位置Ａは、基準となる基板位置Ｏから距離ｈ１だけ離れている。チャンバー２内へ導入されるプロセスガスは、Ｎ_２ガス、Ｏ_２ガス、Ｈ_２ガス、ＮＯ_２ガス、ＮＯガス、ＮＨ_３ガス等の反応性活性種の原料となるガスおよびＡｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等の希ガスである。 The process gas introduction pipe 5 is provided on the upper plate 2 b of the chamber 2. The process gas introduction pipe 5 includes an introduction pipe 51 for introducing process gas from the outside, a flow path 52 formed inside the upper plate 2b, and a plurality of gas jet ports 53 provided on the lower surface side of the upper plate 2b. It is piping which has. The position A of the gas outlet 53 is separated from the reference substrate position O by a distance h1. The process gas introduced into the chamber 2, _{N 2} gas, _{O 2} gas, _{H 2} gas, NO ₂ gas, NO gas, a reactive active species of the raw material such as NH ₃ gas gas and Ar gas, He gas , Ne gas, Kr gas, Xe gas and the like.

上面側導入管６は、材料ガスを外部から導入する縦管６１と、縦管６１から分岐して、図中、紙面に垂直な平面上に拡がる分岐管６２と、分岐管６２に設けられた複数のガス噴出口６３とを有する配管である。ガス噴出口６３の位置Ｂは、基板位置Ｏから距離ｈ２（＜ｈ１）だけ離れている。距離ｈ２は、縦管６１をＺ方向（上下方向）に沿って直進移動させることにより、可変である。 The upper surface side introduction pipe 6 is provided in the vertical pipe 61 for introducing the material gas from the outside, the branch pipe 62 branched from the vertical pipe 61 and extending on a plane perpendicular to the paper surface in the drawing, and the branch pipe 62. A pipe having a plurality of gas jets 63. The position B of the gas outlet 63 is separated from the substrate position O by a distance h2 (<h1). The distance h2 is variable by moving the vertical pipe 61 straight along the Z direction (up and down direction).

側面側導入管７は、材料ガスを外部から導入する横管７１と、横管７１から分岐して基板Ｓを取り囲むように設けられた複数の垂直管７２と、各垂直管７２に設けられたガス噴出口７３とを有する配管である。ガス噴出口７３の位置Ｃは、基板位置Ｏから距離ｈ３（＜ｈ１）だけ離れている。距離ｈ３は、垂直管７２をＺ方向に沿って直進移動させることにより、可変である。 The side-side introduction pipe 7 is provided in each of the vertical pipes 72, a horizontal pipe 71 that introduces a material gas from the outside, a plurality of vertical pipes 72 that are branched from the horizontal pipe 71 and surround the substrate S, and the like. A pipe having a gas outlet 73. The position C of the gas outlet 73 is separated from the substrate position O by a distance h3 (<h1). The distance h3 is variable by moving the vertical pipe 72 straight along the Z direction.

上面側導入管６または側面側導入管７からチャンバー２へ導入される材料ガスは、ＳｉＨ_４ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス等のシリコン薄膜或いはシリコン化合物薄膜の成分であるＳｉ元素を含むガスである。なお、これらの材料ガスに上記のプロセスガスあるいは他のガスを混合した混合ガスも材料ガスとして使用することができる。以上の３つのガス導入管５，６，７の構造については後に詳述する。 The material gas introduced into the chamber 2 from the upper surface side introduction pipe 6 or the side surface side introduction pipe 7 is a gas containing Si element which is a component of a silicon thin film or a silicon compound thin film such as SiH ₄ gas and Si ₂ H ₆ gas. . A mixed gas obtained by mixing the above-described process gas or other gas with these material gases can also be used as the material gas. The structure of the above three gas introduction pipes 5, 6, and 7 will be described in detail later.

チャンバー２の底面には、不図示の真空排気ポンプに接続される真空排気管８が配設されている。３つのガス導入管５，６，７を通してそれぞれ所定のガスを所定流量でチャンバー２内に導入しながら真空排気を行うことによって、チャンバー２内を所定の真空度（ガス分圧）に保持することができる。 A vacuum exhaust pipe 8 connected to a vacuum exhaust pump (not shown) is provided on the bottom surface of the chamber 2. The inside of the chamber 2 is maintained at a predetermined degree of vacuum (gas partial pressure) by performing evacuation while introducing a predetermined gas into the chamber 2 at a predetermined flow rate through the three gas introduction pipes 5, 6, 7. Can do.

図３（ａ）は、図２のＩ−Ｉ断面図であり、マイクロ波Ｍの導入部の構成を示す平面図である。環状導波管３の底板３ｄは、誘電体チューブ４の外周面に接して配設され、底板３ｄには、スロットアンテナ３１〜３８（スロットアンテナ群３０）が設けられている。図３（ｂ）は、環状導波管３の展開図であり、図示されるように、スロットアンテナ３１〜３８は、環状導波管３内のマイクロ波Ｍの伝搬経路の中心線ＣＬに沿って、所定間隔で形成された長矩形状の開口である。マイクロ波Ｍは、導入口３ａから環状導波管３内に入り、終端部３ｂに向かって終端Ｅ１まで伝搬し、マイクロ波Ｍの一部は、終端Ｅ１で反射する。 FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 2, and is a plan view showing the configuration of the introduction part of the microwave M. FIG. The bottom plate 3d of the annular waveguide 3 is disposed in contact with the outer peripheral surface of the dielectric tube 4, and slot antennas 31 to 38 (slot antenna group 30) are provided on the bottom plate 3d. FIG. 3B is a development view of the annular waveguide 3, and as illustrated, the slot antennas 31 to 38 are along the center line CL of the propagation path of the microwave M in the annular waveguide 3. The long rectangular openings are formed at predetermined intervals. The microwave M enters the annular waveguide 3 from the introduction port 3a, propagates toward the terminal end 3b to the terminal E1, and part of the microwave M is reflected by the terminal E1.

図４は、プロセスガス導入管５の構造を模式的に示す平面図であり、プロセスガス導入管５は、誘電体チューブ４とともに図示されている。導入管５１は、図中、紙面に垂直に延在して流路５２に連通している。流路５２には、複数のガス噴出口５３が所定の間隔で、誘電体チューブ４の内周面から等距離に設けられている。ガス噴出口５３は、直径１ｍｍ以下の小孔である。導入管５１から導入されたプロセスガスは、導入管５１と流路５２との接続部で２つに分岐して複数のガス噴出口５３からチャンバー２内へ放出される。このように、プロセスガス導入管５は、複数の経路と複数のガス噴出口を有するが、経路、ガス噴出口は、1つでもよい。一般に、経路およびガス噴出口が多いほどチャンバー内のプロセスガス濃度分布やプラズマ密度の均一化に寄与する。一方、経路およびガス噴出口を少なくすれば、プロセスガス導入管５の構造は単純になる。 FIG. 4 is a plan view schematically showing the structure of the process gas introduction pipe 5, and the process gas introduction pipe 5 is shown together with the dielectric tube 4. In the drawing, the introduction pipe 51 extends perpendicular to the paper surface and communicates with the flow path 52. In the flow path 52, a plurality of gas ejection ports 53 are provided at equal intervals from the inner peripheral surface of the dielectric tube 4 at a predetermined interval. The gas outlet 53 is a small hole having a diameter of 1 mm or less. The process gas introduced from the introduction pipe 51 branches into two at the connection portion between the introduction pipe 51 and the flow path 52 and is discharged into the chamber 2 from the plurality of gas ejection ports 53. As described above, the process gas introduction pipe 5 has a plurality of paths and a plurality of gas jets, but the number of paths and gas jets may be one. In general, the more paths and gas outlets, the more uniform the process gas concentration distribution and the plasma density in the chamber. On the other hand, if the number of paths and gas outlets are reduced, the structure of the process gas introduction pipe 5 becomes simple.

図５は、上面側導入管６の構造を模式的に示す平面図である。縦管６１は、図中、紙面に垂直に延在して内部が空洞の中央円盤６２ａに連通している。中央円盤６２ａは、直管６２ｂに連通し、直管６２ｂは、環状管６２ｃに連通している。中央円盤６２ａおよび環状管６２ｃには、多数のガス噴出口６３が穿孔されている。ガス噴出口６３は、直径１ｍｍ以下の小孔である。なお、中央円盤６２ａ、直管６２ｂおよび環状管６２ｃは、分岐管６２を構成する。縦管６１から導入された材料ガスは、中央円盤６２ａのガス噴出口６３からチャンバー２内へ放出されたり、直管６２ｂを経由して環状管６２ｃのガス噴出口６３からチャンバー２内へ放出される。放出方向（噴出方向）は、誘電体チューブ４の軸方向に平行である。上面側導入管６は、複数の経路と複数のガス噴出口を有するが、経路、ガス噴出口は、1つでもよい。一般に、経路およびガス噴出口が多いほどチャンバー内の材料ガス濃度分布の均一化を図ることができる。一方、経路およびガス噴出口を少なくすれば、上面側導入管６の構造は単純になる。 FIG. 5 is a plan view schematically showing the structure of the upper surface side introduction pipe 6. In the drawing, the vertical tube 61 extends perpendicularly to the paper surface and communicates with a central disk 62a having a hollow inside. The central disk 62a communicates with the straight tube 62b, and the straight tube 62b communicates with the annular tube 62c. A large number of gas jets 63 are perforated in the central disk 62a and the annular tube 62c. The gas outlet 63 is a small hole having a diameter of 1 mm or less. The central disk 62a, the straight pipe 62b, and the annular pipe 62c constitute a branch pipe 62. The material gas introduced from the vertical pipe 61 is discharged into the chamber 2 from the gas outlet 63 of the central disk 62a, or is released into the chamber 2 from the gas outlet 63 of the annular pipe 62c via the straight pipe 62b. The The discharge direction (ejection direction) is parallel to the axial direction of the dielectric tube 4. Although the upper surface side introduction pipe 6 has a plurality of paths and a plurality of gas ejection ports, the number of paths and gas ejection ports may be one. In general, as the number of paths and gas outlets increases, the material gas concentration distribution in the chamber can be made uniform. On the other hand, if the number of paths and gas outlets is reduced, the structure of the upper surface side introduction pipe 6 becomes simple.

図６（ａ）は、側面側導入管７の構造を模式的に示す斜視図である。図６（ｂ）は、側面側導入管７の部分的な構造を模式的に示す部分断面図である。横管７１は、環状管７２ａに連通し、環状管７２ａには、複数の垂直管７２ｂがほぼ等間隔で設けられている。垂直管７２ｂは、誘電体チューブ４の軸方向に平行に延在する管である。垂直管７２ｂは、図６（ｂ）に示されるように、外管７２ｃと内管７２ｄによる二重構造である。各々の内管７２ｄには、それぞれガス噴出口７３が穿孔されている。また、内管７２ｄは、外管７２ｃに対して長軸周りに回転可能であり、長軸に沿って伸縮可能な構造である。これにより、各々の垂直管７２ｂは、材料ガスの噴出方向（向き）、噴出位置（基板Ｓからの距離）をそれぞれ独立に自由に変えることができる。ガス噴出口７３は、直径１ｍｍ以下の小孔である。なお、環状管７２ａおよび垂直管７２ｂは、分岐管７２を構成する。横管７１から導入された材料ガスは、環状管７２ａ、複数の垂直管７２ｂを経由して垂直管７２ｂのガス噴出口７３からチャンバー２内へ放出される。放出方向（噴出方向）が誘電体チューブ４の軸方向と直交する面に対して±６０°の角度範囲で最適となるように、ガス噴出口７３が形成される。また、噴出方向が±６０°の角度範囲内で可変となるようにガス噴出口７３を形成することもできる。側面側導入管７は、複数の経路と複数のガス噴出口を有するが、経路、ガス噴出口は、1つでもよい。一般に、経路およびガス噴出口が多いほどチャンバー内の材料ガス濃度分布の均一化を図ることができる。一方、経路およびガス噴出口を少なくすれば、側面側導入管７の構造は単純になる。 FIG. 6A is a perspective view schematically showing the structure of the side-side introduction tube 7. FIG. 6B is a partial cross-sectional view schematically showing a partial structure of the side surface side introduction tube 7. The horizontal tube 71 communicates with the annular tube 72a, and a plurality of vertical tubes 72b are provided at substantially equal intervals in the annular tube 72a. The vertical tube 72 b is a tube that extends parallel to the axial direction of the dielectric tube 4. As shown in FIG. 6B, the vertical tube 72b has a double structure including an outer tube 72c and an inner tube 72d. Each inner pipe 72d has a gas jet 73 formed therein. The inner tube 72d can rotate around the major axis with respect to the outer tube 72c, and can expand and contract along the major axis. Thereby, each vertical pipe | tube 72b can change the ejection direction (direction) of material gas, and the ejection position (distance from the board | substrate S) each independently freely. The gas ejection port 73 is a small hole having a diameter of 1 mm or less. The annular pipe 72a and the vertical pipe 72b constitute a branch pipe 72. The material gas introduced from the horizontal pipe 71 is discharged into the chamber 2 from the gas outlet 73 of the vertical pipe 72b through the annular pipe 72a and the plurality of vertical pipes 72b. The gas jet 73 is formed so that the discharge direction (spout direction) is optimal within an angle range of ± 60 ° with respect to the plane orthogonal to the axial direction of the dielectric tube 4. In addition, the gas ejection port 73 can be formed so that the ejection direction is variable within an angle range of ± 60 °. Although the side surface side introduction pipe 7 has a plurality of paths and a plurality of gas ejection ports, the number of paths and gas ejection ports may be one. In general, as the number of paths and gas outlets increases, the material gas concentration distribution in the chamber can be made uniform. On the other hand, if the number of passages and gas outlets is reduced, the structure of the side surface side introduction pipe 7 becomes simple.

再び図２を参照しながら、上述のように構成されたプラズマＣＶＤ装置１００の作用・効果について説明する。チャンバー２内のプロセスガスおよび材料ガスは、所定流量が導入され、所定圧力に維持されている。図1に示したマイクロ波発生部１からのマイクロ波は、スロットアンテナ群３０の各スロットアンテナを通って誘電体チューブ４へ放射し、誘電体チューブ４を介してチャンバー２内に導入される。マイクロ波は表面波ＳＷとなって、この表面波エネルギーによりチャンバー２内のプロセスガスが電離、解離されてプラズマが生成する。表面波ＳＷは、誘電体チューブ４の内面に沿って伝搬し、誘電体チューブ４の内面全域に拡がるので、誘電体チューブ４で囲まれた内部空間とその周辺領域に高密度のプラズマＰが均一に生成する。基板Ｓは、プラズマＰ中に基板ホルダー９により保持されており、このプラズマＰにより材料ガスが分解したり化学反応を起こし、基板Ｓの表面に薄膜が堆積する。 The operation and effect of the plasma CVD apparatus 100 configured as described above will be described with reference to FIG. 2 again. The process gas and material gas in the chamber 2 are introduced at a predetermined flow rate and maintained at a predetermined pressure. Microwaves from the microwave generator 1 shown in FIG. 1 are radiated to the dielectric tube 4 through the slot antennas of the slot antenna group 30 and are introduced into the chamber 2 through the dielectric tube 4. The microwave becomes a surface wave SW, and this surface wave energy ionizes and dissociates the process gas in the chamber 2 to generate plasma. Since the surface wave SW propagates along the inner surface of the dielectric tube 4 and spreads over the entire inner surface of the dielectric tube 4, the high-density plasma P is uniform in the inner space surrounded by the dielectric tube 4 and its peripheral region. To generate. The substrate S is held in the plasma P by the substrate holder 9, the material gas is decomposed or a chemical reaction is caused by the plasma P, and a thin film is deposited on the surface of the substrate S.

本実施の形態では、プロセスガス導入管５のガス噴出口５３と上面側導入管６のガス噴出口６３との距離、またはプロセスガス導入管５のガス噴出口５３と側面側導入管７のガス噴出口７３との距離を離して設けている。プロセスガス導入管５のガス噴出口５３は、高密度プラズマを生成するために、誘電体チューブ４の内周面近傍に配置される。これに対し、上面側導入管６のガス噴出口６３や側面側導入管７のガス噴出口７３は、材料ガスの高密度プラズマによる急激な反応を避けるために、誘電体チューブ４の内周面から離して配置されるので、ガス噴出口５３とは離れた位置に設けられることになる。このように急激な反応が生じないようにガス噴出口６３，７３の位置を決めているので、反応の制御が容易になり、基板Ｓの周辺に膜厚、膜質ともに適正な成膜可能領域を形成できる。また、ガス噴出口６３，７３は、材料ガス分子とプラズマ中のラジカルとの混合状態や生成した前駆体のドリフト距離などを勘案して基板位置Ｏからの距離が設定されるので、基板Ｓの周辺に膜厚、膜質ともにより一層適正な成膜可能領域を形成できる。さらに、ガス噴出口６３，７３は、それぞれ複数設けられているが、各ガス噴出口を、前駆体が基板Ｓまで到達する時間が等しくなるように配置したり、所定の噴出方向をとるようにその向きを調節することにより、膜厚、膜質の均一性を確保することができる。なお、プラズマＣＶＤ装置１００には、上面側導入管６と側面側導入管７の両方を設けてもよいし、いずれか一方を設けてもよい。 In the present embodiment, the distance between the gas outlet 53 of the process gas inlet pipe 5 and the gas outlet 63 of the upper surface side inlet pipe 6, or the gas of the gas outlet 53 of the process gas inlet pipe 5 and the side side inlet pipe 7. A distance from the jet port 73 is provided. The gas outlet 53 of the process gas introduction pipe 5 is disposed in the vicinity of the inner peripheral surface of the dielectric tube 4 in order to generate high-density plasma. On the other hand, the gas outlet 63 of the upper surface side introduction tube 6 and the gas outlet 73 of the side surface side introduction tube 7 are provided on the inner peripheral surface of the dielectric tube 4 in order to avoid a sudden reaction due to high density plasma of the material gas. Therefore, it is provided at a position away from the gas outlet 53. Since the positions of the gas outlets 63 and 73 are determined so that a sudden reaction does not occur in this way, the reaction can be easily controlled, and an appropriate filmable region with a good film thickness and film quality is formed around the substrate S. Can be formed. In addition, since the gas outlets 63 and 73 are set at a distance from the substrate position O in consideration of the mixed state of the material gas molecules and radicals in the plasma, the drift distance of the generated precursor, and the like. A more appropriate filmable region can be formed in the periphery depending on the film thickness and film quality. Further, a plurality of gas jets 63 and 73 are provided, but the gas jets are arranged so that the time required for the precursor to reach the substrate S is equal, or a predetermined jet direction is taken. By adjusting the direction, uniformity of film thickness and film quality can be ensured. Note that the plasma CVD apparatus 100 may be provided with both the upper surface side introduction tube 6 and the side surface side introduction tube 7 or one of them.

この様子を図７を用いて説明する。図７は、プラズマＰの領域で生じる化学反応の素過程を示す模式図である。図７では、材料ガス導入用として上面側導入管６のみが設けられている。誘電体チューブ４の軸線方向（Ｚ方向）、基板位置Ｏ、プロセスガス導入位置Ａ、上面側導入管６による材料ガス導入位置Ｂは、図２と同じである。 This will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing an elementary process of a chemical reaction occurring in the plasma P region. In FIG. 7, only the upper surface side introduction pipe 6 is provided for introducing the material gas. The axial direction (Z direction) of the dielectric tube 4, the substrate position O, the process gas introduction position A, and the material gas introduction position B by the upper surface side introduction pipe 6 are the same as in FIG.

誘電体チューブ４で囲まれた内部空間において、特に誘電体チューブ４の内周面近くでは、プラズマ密度が高いためにイオン、電子、ラジカルが多数生成する。イオンと電子は、誘電体チューブ４の内周面に沿って伝搬する表面波ＳＷの作用を受けて、基板Ｓの被処理面（表面）と平行方向に運動エネルギーを有する。従って、基板Ｓの表面に対しては、高い運動エネルギーをもつ荷電粒子の入射頻度が低くなるので、プラズマダメージの非常に少ない高品質膜の成膜が可能となる。電荷をもたないラジカルは、基板Ｓの方向（Ｚ方向）に拡散し、材料ガス分子と衝突して、分解、励起、再結合などの多岐にわたる気相反応を引き起こし、生成分子が薄膜状になって基板Ｓの表面に堆積する。 In the internal space surrounded by the dielectric tube 4, especially near the inner peripheral surface of the dielectric tube 4, a large number of ions, electrons, and radicals are generated due to the high plasma density. The ions and electrons are subjected to the action of the surface wave SW propagating along the inner peripheral surface of the dielectric tube 4 and have kinetic energy in a direction parallel to the surface to be processed (surface) of the substrate S. Accordingly, since the incidence frequency of charged particles having high kinetic energy is low on the surface of the substrate S, it is possible to form a high quality film with very little plasma damage. Radicals having no charge diffuse in the direction of the substrate S (Z direction) and collide with material gas molecules, causing various gas phase reactions such as decomposition, excitation, recombination, etc., and the generated molecules become thin films. And deposited on the surface of the substrate S.

このとき、基板Ｓからの距離ｈ２を変化させることにより、基板Ｓの表面に堆積する薄膜の膜質（結晶性、屈折率、内部応力など）を制御することができる。シリコン化合物としては、酸化物、窒化物、炭化物等があるが、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する場合、プロセスガスとしてＯ_２ガス、材料ガスとしてＳｉＨ_４ガスを用いる。ＳｉＯ_２膜の形成過程は、ＳｉＨ_４分子が酸素ラジカルと反応して、中間生成物Ｓｉ−Ｈ、Ｓｉ−ＯＨ、前駆体ＳｉＯを経てＳｉＯ_２を生成する一連の化学反応である。この一連の反応時間は、空間的に考えれば反応種のドリフト距離と等価であるから、基板Ｓとガス噴出口６３との距離ｈ２が膜質を決める重要な要素となる。 At this time, by changing the distance h2 from the substrate S, the film quality (crystallinity, refractive index, internal stress, etc.) of the thin film deposited on the surface of the substrate S can be controlled. Examples of silicon compounds include oxides, nitrides, and carbides. For example, when forming a SiO ₂ film, O ₂ gas is used as a process gas and SiH ₄ gas is used as a material gas. The formation process of the SiO ₂ film is a series of chemical reactions in which SiH ₄ molecules react with oxygen radicals to generate SiO ₂ via intermediate products Si—H, Si—OH and precursor SiO. Since this series of reaction times is equivalent to the drift distance of the reactive species in terms of space, the distance h2 between the substrate S and the gas ejection port 63 is an important factor that determines the film quality.

距離ｈ２が短すぎると、ＳｉＯ_２膜中に中間生成物が混在する低品質の薄膜となり、距離ｈ２が長すぎると、基板Ｓから離れた誘電体チューブ４の近傍で化学反応が促進され、ＳｉＯ_２分子の重合で生成したパーティクルが薄膜中に混在する低品質の薄膜となる。 If the distance h2 is too short, a low-quality thin film in which intermediate products are mixed in the SiO ₂ film is obtained. If the distance h2 is too long, a chemical reaction is promoted near the dielectric tube 4 away from the substrate S, and SiO 2 A low-quality thin film in which particles generated by polymerization of _two molecules are mixed in the thin film is obtained.

図８は、本実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置のプラズマＰの領域における各種の粒子、分子の存在密度を定性的に示すグラフである。このグラフでは、縦軸に存在密度、横軸にドリフト距離および材料ガス（ＳｉＨ_４ガス）導入位置Ｂと基板位置Ｏを示す。図中、３本の曲線は、ＳｉＨ_４ガスをガス導入位置Ｂからチャンバー内に導入した場合の各種分子の存在密度分布を表わすものである。 FIG. 8 is a graph qualitatively showing the density of various particles and molecules in the plasma P region of the plasma CVD apparatus according to this embodiment. In this graph, the vertical axis represents the existence density, and the horizontal axis represents the drift distance, the material gas (SiH ₄ gas) introduction position B, and the substrate position O. In the figure, the three curves represent the density distribution of various molecules when SiH ₄ gas is introduced from the gas introduction position B into the chamber.

ＳｉＨ_４ガスは、ガス導入位置Ｂから導入されると、急激に前駆体へと変化してゆく。これは、酸素ラジカルがＳｉＨ_４分子を連鎖反応により短時間で分解し、前駆体が生成する反応によるものである。前駆体は、ガス導入位置Ｂのやや基板側、すなわちＳｉＨ_４ガスの導入直後で最大となり、その後ドリフト距離とともにＳｉＯ_２分子へ変化し、安定することになる。前駆体がＳｉＯ_２へ変化する時間は、ドリフト距離に換算されるものであり、ガス導入位置Ｂと基板位置Ｏとの距離を最適化することで、膜質を制御することができる。 When SiH ₄ gas is introduced from the gas introduction position B, it rapidly changes into a precursor. This is due to a reaction in which oxygen radicals decompose SiH ₄ molecules in a short time by a chain reaction to produce a precursor. The precursor reaches a maximum at the gas introduction position B slightly on the substrate side, that is, immediately after the introduction of the SiH ₄ gas, and then changes to the SiO ₂ molecule along with the drift distance and becomes stable. Time precursor is changed into SiO ₂ is intended to be converted to the drift distance, by optimizing the distance between the gas introducing position B and the substrate position O, it is possible to control the film quality.

また、本実施の形態では、上面側導入管６のガス噴出口６３と同様に、側面側導入管７のガス噴出口７３の位置も可変としている。上面側導入管６と側面側導入管７の両方を使用する場合、ガス噴出口６３と７３の位置は、少なくとも一方を可変としてもよい。これにより、基板Ｓの全面にわたって膜厚や膜質の均一化を図るとともに膜質のコントロールができる。さらに、側面側導入管７のガス噴出口７３の向きを可変としているので、チャンバー２内のガス濃度分布を細かく制御することができ、基板Ｓの全面にわたって、より一層精密な膜質のコントロールができる。 Further, in the present embodiment, the position of the gas outlet 73 of the side-side inlet pipe 7 is also variable, like the gas outlet 63 of the upper-side inlet pipe 6. When both the upper surface side introduction pipe 6 and the side surface side introduction pipe 7 are used, at least one of the positions of the gas ejection ports 63 and 73 may be variable. Thereby, the film thickness and the film quality can be made uniform over the entire surface of the substrate S, and the film quality can be controlled. Furthermore, since the direction of the gas outlet 73 of the side-side introduction pipe 7 is variable, the gas concentration distribution in the chamber 2 can be finely controlled, and the film quality can be controlled more precisely over the entire surface of the substrate S. .

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。例えば、誘電体チューブ４を分割構造としたり、プロセスガス導入管５、上面側導入管６および側面側導入管７の形状やガス噴出口の個数や配置を変えるなど様々な変形例が考えられる。 The present invention is not limited to the embodiments described above as long as the characteristics are not impaired. For example, various modifications are conceivable, such as the dielectric tube 4 having a divided structure, the shape of the process gas introduction pipe 5, the upper surface side introduction pipe 6 and the side surface introduction pipe 7, and the number and arrangement of the gas outlets are changed.

本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置を模式的に示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram schematically showing a plasma CVD apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の主要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the principal part of the plasma CVD apparatus which concerns on embodiment of this invention. （ａ）は、図２のＩ−Ｉ断面図であり、マイクロ波の導入部の構成を示す平面図、（ｂ）は、環状導波管の展開図である。(A) is II sectional drawing of FIG. 2, is a top view which shows the structure of the introduction part of a microwave, (b) is an expanded view of an annular waveguide. 本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置のプロセスガス導入管の構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the process gas introduction pipe | tube of the plasma CVD apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の上面側導入管の構造を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the structure of the upper surface side introduction tube of the plasma CVD apparatus which concerns on embodiment of this invention. （ａ）は、本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置の側面側導入管の構造を模式的に示す斜視図、（ｂ）は、側面側導入管の部分的な構造を模式的に示す部分断面図である。(A) is a perspective view which shows typically the structure of the side surface side introduction tube of the plasma CVD apparatus which concerns on embodiment of this invention, (b) shows the partial structure of a side surface side introduction tube typically. It is a fragmentary sectional view. 本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ生成領域で生じる化学反応の素過程を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the elementary process of the chemical reaction which arises in the plasma production area | region in the plasma CVD apparatus which concerns on embodiment of this invention. プラズマ領域における各種分子の存在密度分布を定性的に示すグラフである。It is a graph which shows qualitatively the density distribution of various molecules in a plasma region.

Explanation of symbols

１：マイクロ波発生部
２：チャンバー
３：環状導波管
３ａ：導入口
３ｂ：終端部
３ｃ：終端整合器
４：誘電体チューブ
５：プロセスガス導入管
６：上面側導入管
７：側面側導入管
３０：スロットアンテナ群
３１〜３８：スロットアンテナ
１００：プラズマＣＶＤ装置
Ａ：始点
Ｂ：終点
Ｅ１：終端
Ｍ：マイクロ波
Ｐ：プラズマ
ＳＷ：表面波 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Microwave generation part 2: Chamber 3: Annular waveguide 3a: Introduction port 3b: Termination part 3c: Termination matching unit 4: Dielectric tube 5: Process gas introduction pipe 6: Upper surface side introduction pipe 7: Side surface side introduction Tube 30: Slot antenna group 31-38: Slot antenna 100: Plasma CVD apparatus A: Start point B: End point E1: End point M: Microwave P: Plasma SW: Surface wave

Claims

An annular microwave waveguide having an inlet and a termination for introducing microwaves from a microwave generator, and having a bottom plate on which a plurality of slot antennas are formed as an inner surface;
Cylindrical dielectric body that has a cylindrical shape, the outer side surface of which is in contact with the bottom plate of the annular microwave waveguide, and introduces microwaves propagating through the annular microwave waveguide through the slot antenna A member,
An airtight space is formed by holding the cylindrical dielectric member, surface wave excited plasma is generated in the airtight space by microwaves introduced through the cylindrical dielectric member, and the surface wave excited plasma is used to generate the surface wave excited plasma. A plasma processing chamber for processing an object to be processed;
A material gas introduction means for introducing a material gas containing silicon element and ejecting the material gas from a gas ejection port into the plasma processing chamber;
A process gas that is activated by the surface wave excitation plasma to cause a chemical reaction in the material gas is introduced, and the process is introduced into the plasma processing chamber from a gas jet port provided apart from the gas jet port of the material gas introduction unit. A process gas introduction means for ejecting gas ,
The material gas introduction means includes
A first material gas introduction means which has the gas ejection port in an inner space surrounded by the cylindrical dielectric member or in a peripheral region thereof, and ejects gas in the axial direction of the cylindrical dielectric member;
Second material gas introduction means which has the gas ejection port in the peripheral region of the internal space surrounded by the cylindrical dielectric member and ejects gas at a predetermined angle with the axial direction of the cylindrical dielectric member When,
The first and second material gas introduction means are moved independently, and the object to be processed and the gas outlet of the first material gas introduction means and the gas outlet of the second material gas introduction means surface wave excited plasma CVD apparatus characterized by have a variable device for varying each distance between.

In the surface wave excitation plasma CVD apparatus according to claim 1,
The surface wave excitation plasma CVD apparatus characterized in that a gas jet port of the material gas introducing unit is provided closer to the object to be processed than a gas jet port of the process gas introducing unit.

In the surface wave excitation plasma CVD apparatus according to claim 1 or 2,
The surface gas excitation plasma CVD apparatus characterized in that the material gas introduction means has one or more paths and one or more gas ejection ports .

In the surface wave excitation plasma CVD apparatus of any one of Claims 1-3,
The surface wave excitation plasma CVD apparatus, wherein the second material gas introduction means further includes a direction changing means for changing a direction of the gas ejection port .

In the surface wave excitation plasma CVD apparatus of any one of Claims 1-3 ,
The second material gas introduction means is characterized in that the gas ejection port is provided so as to eject gas in an angle range of ± 60 ° with respect to a plane orthogonal to the axial direction of the cylindrical dielectric member. Surface wave excitation plasma CVD equipment.

In the surface wave excitation plasma CVD apparatus of any one of Claims 1-5 ,
The surface gas excitation plasma CVD apparatus characterized in that the process gas introduction means is provided with a gas flow path having one or more paths and one or more gas jets in the vicinity of the inner surface of the cylindrical dielectric member. .