JP4304280B2 - プラズマ生成装置およびプラズマ処理製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、太陽光発電パネル、液晶ディスプレイパネル等の製造等に用いられるプラズマ生成装置およびプラズマ処理製造方法に関するものである。

高周波放電やマイクロ波放電で生成したプラズマを用い、半導体材料プロセスなどが広く行われている。しかし、プラズマが材料に触れイオンがその表面に衝突するので、材料表面に損傷（ダメージ）が生じることがしばしば起こる。これをいかに抑制して歩留まりをあげるかが大きな課題になっている。このイオンの衝突エネルギーは、プラズマ中の電子の平均熱運動エネルギー（電子温度）が高いほど大きくなることが知られている。
また、同じ電子温度であってもその中には様々エネルギーの電子が分布しており、高エネルギー電子（＞10 eV程度）が多いほどダメージが増えることが知られている。そこで低電子温度化と高エネルギー電子の抑制のため、放電ガスの圧力を上げて電子・分子衝突を頻繁に起こし、電子のエネルギー損失を増やすことが行われている（高圧力放電方式）。
一方、同じ圧力であってもマイクロ波放電の方が、容量結合型RF放電や誘導結合型RF放電よりも電子温度が低い（マイクロ波放電方式）。また、放電電極やアンテナから遠いほど電子温度が下がるので、プラズマ生成領域からできるだけ離れた位置に基板を置く方式（リモートプラズマ方式）が有効である。

前者の高圧力放電方式は、低電子温度のためイオンエネルギーは下がるが、イオン密度（プラズマ密度）は高いので、基板表面を叩くイオンのフラックスは増大し、プラズマ照射ダメージが減るとは限らない。その点、リモートプラズマ方式では、プラズマの拡散損失により基板上のプラズマ密度が減って、イオンフラックスは減る。しかし、プラズマ生成領域から遠くなるので、プラズマで生成された中性ラジカルのフラックスも減ってしまうので、生産性が落ちてしまうことが問題となっている。
一方、マイクロ波プラズマ方式では、スロットアンテナ板と誘電体板を積層して放電させる技術が、大面積・高密度プラズマ生成法として注目されている。この場合、誘電体版とプラズマの界面を伝わる表面波がプラズマ生成に重要な役割を果たしている。マイクロ波パワーが低いときは表面波がたたないのでプラズマ不均一となり、パワーをあげていくと表面波のモードが変るたびにプラズマ密度がジャンプしながら不連続的に増加するという問題があった。このプラズマの不均一と密度ジャンプの問題を解決するために、通常の表面がフラットな誘電体板のかわりに、線に沿う凹凸の周期構造をもつ誘電体板が提案され、その有効性が確認されている（特許文献１及び２参照）。
この線状凹凸表面は、プラズマの均一化・安定化に効果があるが、電子温度や高エネルギー電子については通常のフラットな誘電体板の場合と変らず、電子の低エネルギー化のための新技術が求められている。
特開 2004-328004号公報 特開2003-142457公報

本発明は、上記課題を達成するになされたものであり、その目的は、生産性を落とすことなく、イオン照射ダメージを抑制し、放電容器内部でプラズマを生成することができる優れたプラズマ生成装置およびプラズマ処理製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、マイクロ波導入手段に沿って伝搬するマイクロ波を、スロットアンテナ板と誘電体板とが積層して形成される誘電体部材を通して放電容器内部に導き、当該放電容器内部でプラズマを発生させるプラズマ生成装置において、
前記誘電体板の放電容器側には、ホロー放電を起こすための、まばらに配置されたホロー状穴が複数設けられており、
上記ホロー放電は、前記ホロー状穴の周りにマイクロ波が集中し、マイクロ波が穴側面を伝わる表面波となり穴側面からパワーを供給する放電であり、
上記ホロー放電によってホロー状穴の中に濃いプラズマを作り、穴の外にプラズマが拡散して出てくるように構成されていることを特徴とする。

上記プラズマ生成装置において、ホロー状穴部は、穴径程度以上相互に離れて配置されているのが望ましい。

上記プラズマ生成装置において、上記ホロー状穴部の内側には、プラズマ生成用原料ガスを噴出するガス噴出口が設けられているのが望ましい。

上記プラズマ生成装置において、前記誘電体部材は、スロットアンテナ板と誘電体板とが積層して形成され、前記ガス噴出口に繋がるガス配管が前記誘電体板の内部に配設されているのが望ましい。

上記プラズマ生成装置において、前記誘電体部材は、スロットアンテナ板と誘電体板とが積層して形成され、前記ガス噴出口に繋がるガス配管が前記スロットアンテナ板内部に配設されているのが望ましい。

前記放電容器に配置される被処理物を、前記ホロー状穴部がまばらに配置された誘電体部材を用いてプラズマ処理を行うことができるのが望ましい。

上記プラズマ生成装置を用いて、前記放電容器内に配置される被処理物にプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

以下、本発明を具体化した発明の実施形態を説明するが、理解を容易にするべく、一般的なプラズマ処理装置を図１に示す。
図１に示されるプラズマ処理装置は、マイクロ波電源１から供給された電力により発生したマイクロ波をその内側２２に沿って伝達させる導波管２０と、この導波管２０に連結されるとともに内部に収容した基板１５等に対しマイクロ波により励起されたプラズマを用いて処理を行うための放電容器１０とを備えている。
導波管２０の放電容器１０側には、スロットアンテナ板２１が設けられている。また、スロットアンテナ板２１には複数のスロットアンテナが形成されており、そのスロットアンテナを閉塞する誘電体板３０が取り付けられている。誘電体板３０は例えば石英ガラスから形成されている。なお、スロットアンテナ板と誘電体板とが積層したものを、ここでは誘電体部材という。

放電容器１０は、プラズマ１１を内部で生成することで、被処理物としての基板１５にプラズマ処理する処理台１４を備えている。放電容器１０の側壁には、外部からガス等の媒質ガスを導入するガス供給管１３および排気ポート１２が設けられている。基板１５は太陽光発電パネル、液晶ディスプレイパネル等の基板に使用される。
このようなプラズマ処理装置においては、次のようにしてプラズマ処理を行う。予め被処理物の基板１５を処理台１４の上に載置する。次に、排気ポート１２から放電容器１０内の空気を排気し、減圧する。また、ガス供給管１３からガスを導入する。発振器により生成されたマイクロ波が導波管２０から導入される。マイクロ波はマイクロ波透過窓のスロットアンテナから誘電体板３０を透過して放電容器１０内に導入される。

図２（ａ）は、一般的なフラットな表面をもつ誘電体板、すなわち、フラット誘電体板を示す。それに対し、図２（ｂ）は、穴のサイズ程度以上に互いに離れて配置されたホロー状穴を多数もつホロー誘電体板を示す。各ホロー状穴部は、表面波がその内壁面を伝わるよう構成されているが、各ホロー状穴部の形状・深さ・大きさを適宜変更することができる。ホロー状穴部の設置間隔は設計変更可能でき、パラメータを設定するのが望ましい。なお、誘電体板の厚さは１乃至３センチメートル程度である。
図３ (ａ)は、誘電体内のガス配管を通してホロー状穴のガス噴出口からガスを噴出す方法を示す。この場合、スロットアンテナ板とホロー誘電体板とが積層して形成され、ガス噴出口に繋がるガス配管が誘電体板の内部に配設されている。ガス配管内をプラズマ生成用原料ガスが供給されるので、各ホロー状穴に均等に供給される。
図３(ｂ)は、スロットアンテナ板内のガス配管を通してホロー状穴に、プラズマ生成用原料ガスを噴出す方法を示す図である。この場合、スロットアンテナ板とホロー誘電体板とが積層して形成され、ガス噴出口に繋がるガス配管がスロットアンテナ板の内部に配設されている。ガス配管がスロットアンテナ板の内部に配設されている場合、スロットアンテナ板が金属からなり、ガス配管がマイクロ波電界に晒されないため、ガス配管内部での放電の危険性が低下する。なお、ガス配管がホロー誘電体板の内部に配設されている場合、ガス配管がスロットアンテナ板の内部に配設されている場合に比べて、板厚が厚いのでガス配管が容易になる。
このようにプラズマ生成用原料ガスが、ガス配管を介して供給される場合、図１に示すガス供給管１３は、必要に応じて廃棄してもよい。図１に示す方法の場合、密度・温度が低い拡散プラズマを原料ガスが通過しながら分解されていくのに対し、図３に示す方法では、ホロー状穴に原料ガスが入射し、ホロー内の高密度プラズマを通過するので、高利率的に原料ガスを分解することになる。
以下、更に具体化した実施例１を説明する。

図４に示すように、誘電体部材は、導波管の底面に設けたスロットアンテナと厚さ３５ｍｍの石英ガラスからなるフラット誘電体板およびそれに密着して設置された厚さ５ｍｍの石英製のホロー誘電体板から成り、この誘電体部材を通して、９１５ＭＨｚのマイクロ波を容器内に入射して放電を起こし、得られたプラズマの発光状態を観測し、同時に容器底部から挿入したラングミュアプローブでプラズマ中の電子の状態を測定した。

図５は、アルゴンの圧力が比較的低い（１００ｍＴｏｒｒ）場合のプラズマの発光状態を、容器底部の観測窓から写真撮影したものである。ホロー状穴の直径は５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの３種類でホロー状穴の深さは５ｍｍの場合を同じ放電条件で試験している。１５ｍｍ径の場合はホロー状穴同士の間隔が穴径と同じにしてあり、１０ｍｍ径と５ｍｍ径の場合は、写真の左側が穴径程度の間隔とし、右側がかなりまばらに離してホロー状穴を配置している。写真から分かるように、それぞれのホロー状穴の中が強く発光しており、ホロー状穴の周りにマイクロ波が集中し、その内部に濃いプラズマができていることがわかる。

図６は、放電圧力が高くてアルゴン１Ｔｏｒｒの場合のプラズマの発光写真である。試験したホロー状穴のサイズと配置は図５と同じである。高圧力でもプラズマはホロー状穴の中で強く発光している。注目すべき点は、太いホロー状穴の１５ｍｍ径の場合に、円筒上のホロー状穴の中心軸付近よりも側壁付近が強く発光していることである。これはマイクロ波が穴側壁に沿って伝わる表面波となり、穴側面からパワーを供給するホロー放電を起こしていることを示している。このように穴側壁の方が強く発光する現象は、２次電子放出とシース加速をパワー吸収の原理とする直流ホロー放電やＲＦホロー放電では観測されていない。

次に、マイクロ波入射パワー１ｋＷにおいて圧力を変化させて得られたプラズマ内の電子の温度と密度を、ラングミュアプローブを用いて誘電体板表面からの距離5.3cmの位置において測定し、フラット誘電体板の場合とホロー誘電体板の場合を比較した。ここで、フラット誘電体板の場合は図４におけるホロー誘電体板を取り除いた場合であり、ホローの効果を調べる場合は図１のようにホロー誘電体板が設置された状態で放電させた。 図７に示すように、１０ｍＴｏｒｒのような非常に低い圧力を除けば、フラット板に比べてホロー誘電体板の場合は半分程度に電子温度が低下することが分かる。
さらに、マイクロ波パワー１ｋＷ、圧力1００ｍＴｏｒｒにおいて誘電体板表面から２ｃｍ離れた位置でラングミュアプローブを用いて電子のエネルギー分布関数を測定して比較した。その結果、図８に示すように、フラット誘電体板（破線）に比べると、ホロー誘電体板の場合は１２eV以上の高エネルギー電子がほとんど消滅している。一方、図９に示すように電子密度は、ホロー誘電体板の方がフラット誘電体板よりも低い値になっている。この違いは、フラット誘電体板ではその表面にそって波が伝わって板の外でプラズマを作るのに対して、ホロー誘電体板ではホロー状穴の中で濃いプラズマを作り、板の外に薄いプラズマが拡散して出てくるためである。
上述の実験から、図２（ａ）の通常のフラット誘電体板による放電と図２（ｂ）のホロー誘電体板による放電を比較すると、ホロー状穴部の導入によって低電子温度化と高エネルギー電子の低減がはかれることがわかる。
このことから、ホロー状穴部の中に濃いプラズマが生成され、これらの局在プラズマ生成に高エネルギー電子が消費され、ホロー状穴部から流出して拡散によって基板に到達したプラズマは、通常のフラット誘電体板の場合に比べて、電子温度が低く、高エネルギー電子が少ないことがわかる。ホロー状穴部は、ホロー状穴部内部でプラズマを安定して生成できる程度の大きさを有している必要があり、ホロー状穴部の大きさが小さくなると、プラズマを安定して生成できなくなる。
以下、更に具体化した実施例２を説明する。

実験装置は基本的に図４と同様であるが、マイクロ波の周波数は2.45 GHzとし、モノシラン（SiH4）ガスと水素（H2）ガスを原料ガスとして放電を行い、石英製ホロー板の表面からの距離ｚを変えて基板を設置して、その表面上に微結晶シリコン薄膜を形成する。誘電体板は石英ガラス製であり、図１０の下図のように、厚さ１２ｍｍのフラット誘電体板と、直径６ｍｍのホロー状穴を１６個、１８ｍｍ間隔であけたホロー誘電体板を密着させたものである。
ガス導入は、通常のプラズマ内部でガスを噴出す方法とホロー状穴の内部からガスを噴出す方法を比較した。通常法では、プラズマ容器内に置いた２つのリング状配管からH2ガスとSiH4ガスを噴出した。この実験では、H2をz=1 cm、SiH4をz=2 cmの位置から噴出した。一方、ホロー状穴内から噴出す方法においては、図１０に示すように、H2とSiH4を混合したガスを一つひとつのホロー状穴の奥の噴出口から噴出している。

図１１は、マイクロ波パワー２ｋＷ、H2とSiH4を１：９の割合で混合したガスをフローレート522 sccmで流して、全圧力３２Ｐａにおいて放電し、250℃に設定した基板の位置を２ｃｍから５ｃｍまで変えて製膜し、得られた微結晶シリコン薄膜の体積結晶化率を測定した結果である。基板の位置が石英板表面からｚ＝3.5 cmにおいて、ガス導入法を通常のプラズマ内吹き出し法から、ホロー状穴内部からの噴出しに変えると、膜の体積結晶化率が６5％から８０％に向上することが分かる。これは、ガスがホロー状穴内部の高密度プラズマを通過するときに、効率よくガスが分解され、さらに低電子温度のプラズマ内の基板上にラジカルが吸着した結果、結晶化が進んだ高品質の膜が形成されたものと考えられる。

図１２は、同じ実験条件で得られた膜の結晶粒径を調べた結果であり、結晶方位（１１１）と（２２０）のいずれのデータも、プラズマ内噴き出しに比べてホロー状穴内噴き出しの方が1.5倍程度に結晶粒径が大きくなっている。なお、いずれのガス噴き出し法においても、微結晶シリコン薄膜の堆積速度は10 nm/sと大きな値になっている。このようなことから、ホロー状穴内からの噴き出し法は、薄膜シリコンの結晶性向上に大きな効果があることが示された。
なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは勿論である。

一般的なマイクロ波放電によるプラズマ生成およびプラズマ処理装置の典型例を示す図である。 (a)は一般的なフラット誘電体板によるプラズマ生成を示し、（ｂ）は本発明によるホロー状穴を多数もつホロー誘電体板によるプラズマ生成を示す図である。 (a)は、誘電体内のガス配管を通してホロー状穴にガスを噴出す方法を示し、（ｂ）はスロットアンテナ板内のガス配管を通してホロー状穴にガスを噴出す方法を示す図である。 本発明の実施例を示すプラズマ生成装置の図である。 本発明によるホロー誘電体板を用いて低圧力で生成されたプラズマの発光写真である。 本発明によるホロー誘電体板を用いて高圧力で生成されたプラズマの発光写真である。 本発明によるホロー誘電体板と通常のフラット誘電体板の場合の電子温度を比較した図である。 本発明によるホロー誘電体板と通常のフラット誘電体板の場合の電子エネルギー分布関数を比較した図である。 本発明によるホロー誘電体板と通常のフラット誘電体板の場合の電子密度を比較した図である。 本発明によるホロー状穴にガスを噴出する実施例を示す図である。 本発明によるホロー状穴にガスを噴出した場合と、通常のプラズマ内部にガスを噴出した場合のシリコン薄膜の体積結晶化率を比較した図である。 本発明によるホロー状穴にガスを噴出した場合と、通常のプラズマ内部にガスを噴出した場合のシリコン薄膜の粒径を比較した図である。 １１プラズマ、１５基板（被処理物）、２０導波管（マイクロ波導入手段）、２１スロットアンテナ板、３０誘電体板。

Claims (6)

1. マイクロ波導入手段に沿って伝搬するマイクロ波を、スロットアンテナ板と誘電体板とが積層して形成される誘電体部材を通して放電容器内部に導き、当該放電容器内部でプラズマを発生させるプラズマ生成装置において、
   前記誘電体板の放電容器側には、ホロー放電を起こすための、まばらに配置されたホロー状穴が複数設けられており、
   上記ホロー放電は、前記ホロー状穴の周りにマイクロ波が集中し、マイクロ波が穴側面を伝わる表面波となり穴側面からパワーを供給する放電であり、
   上記ホロー放電によってホロー状穴の中に濃いプラズマが作られ、穴の外にプラズマが拡散して出てくるように構成されていることを特徴とするプラズマ生成装置。
2. 上記ホロー状穴の内側には、プラズマ生成用原料ガスを噴出するガス噴出口が設けられていることを特徴とする請求項１に記載されたプラズマ生成装置。
3. 前記誘電体部材は、スロットアンテナ板と誘電体板とが積層して形成され、前記ガス噴出口に繋がるガス配管が前記誘電体板の内部に配設されていることを特徴とする請求項2に記載されたプラズマ生成装置。
4. 前記誘電体部材は、スロットアンテナ板と誘電体板とが積層して形成され、前記ガス噴出口に繋がるガス配管が前記スロットアンテナ板内部に配設されていることを特徴とする請求項2に記載されたプラズマ生成装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一に記載されたプラズマ生成装置を用いて、前記放電容器に配置される被処理物を、前記ホロー状穴がまばらに配置された誘電体部材を用いてプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ生成装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一に記載されたプラズマ生成装置を用いて、前記放電容器に配置される被処理物にプラズマ処理を行うプラズマ処理方法。