JP4575998B2 - 薄膜形成装置および薄膜形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマを用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成装置および薄膜形成方法に関する。
最近、基板上に原子層単位で薄膜を形成する原子層成長法（以下、省略してＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法ともいう）が薄膜形成方法として注目されている。ＡＬＤでは、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスが成膜対象基板上に交互に供給され、基板上に原子層単位で薄膜が形成される。この原子単位の薄膜の形成が、複数回繰り返されて所望厚さの膜が形成される。例えば、基板上にＡｌ2Ｏ3膜が形成される場合、ＴＭＡ（Tri-Methyl Aluminum）からなる原料ガスとＯを含む酸化ガスが用いられる。また、基板上に窒化膜が形成される場合、酸化ガスの代わりに窒化ガスが用いられる。
ＡＬＤ法では、原料ガスを供給している間に１層あるいは数層の原料ガス成分だけが基板表面に吸着され、余分な原料ガスは薄膜の成長に寄与しない、いわゆる成長の自己停止作用（セルフリミット機能）を利用する。
ＡＬＤ法で形成される薄膜は、一般的なＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成される薄膜と比較して高い段差被覆性と膜厚制御性を併せ持ち、メモリ素子のキャパシタや、「high-kゲート」と呼ばれる絶縁膜の形成への実用化が期待されている。また、３００℃程度の低温で絶縁膜が形成可能であるため、ガラス基板を用いる、液晶ディスプレイ等の表示装置における薄膜トランジスタのゲート絶縁膜の形成への適用なども期待されている。
このＡＬＤ法において、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化するとき、酸化ガスを用いてプラズマを発生させる。このとき、プラズマによって酸素ラジカルが生成され、この酸素ラジカルを用いて、基板に吸着した原料ガスの成分を酸化する。
例えば、下記特許文献１には、真空引きされた処理容器内で、遷移金属を含む遷移金属含有原料ガスと酸素含有ガスとにより被処理体の表面に、熱処理により薄膜を形成する。この薄膜の形成に用いる熱処理は、原料ガスと酸素含有ガスとを交互に繰り返し供給して成膜を行うＡＬＤ法を用いる。これにより、例えばＭｎ含有膜やＣｕＭｎ含有合金膜等を、ＣＶＤ等の熱処理によって形成する際に、微細な凹部でも、高いステップカバレッジで埋め込むことが可能となる、と記載されている。
例えば、下記特許文献１には、真空引きされた処理容器内で、遷移金属を含む遷移金属含有原料ガスと酸素含有ガスとにより被処理体の表面に、熱処理により薄膜を形成する。この薄膜の形成に用いる熱処理は、原料ガスと酸素含有ガスとを交互に繰り返し供給して成膜を行うＡＬＤ法を用いる。これにより、例えばＭｎ含有膜やＣｕＭｎ含有合金膜等を、ＣＶＤ等の熱処理によって形成する際に、微細な凹部でも、高いステップカバレッジで埋め込むことが可能となる、と記載されている。
このようなＡＬＤ法により、微細な凹部でも、高いステップカバレッジで薄膜を埋め込むことが可能となるものの、薄膜の形成には時間を要し生産効率が低いといった問題がある。また、プラズマによる薄膜形成時、処理容器内が汚れ、処理容器内のクリーニングを頻繁に行う必要があり、メンテナンスに多大の労力と時間を要する、といった問題がある。
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、プラズマを用いて基板に薄膜を形成するとき、プラズマの発生密度を向上させて薄膜の形成を効率よく行うことのできる薄膜形成装置及び薄膜形成方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、プラズマを用いて基板に薄膜を形成する以下の薄膜形成装置である。
すなわち、薄膜形成装置は、
第１の内部空間を形成する外側真空容器と、
前記外側真空容器の前記第１の内部空間に設けられ、第２の内部空間を形成する内側真空容器と、
前記第１の内部空間に設けられ、高周波電力の供給を受けてプラズマを発生させるプラズマ発生源と、
前記プラズマ発生源と対向するように前記第１の内部空間に設けられ、前記内側真空容器とともとに前記第２の内部空間を囲み、前記第２の内部空間内に基板を載置させる基板ステージと、を有し、
前記第２の内部空間には、前記基板ステージに載置される基板が配置され、
前記第２の内部空間にプラズマが発生し、前記第１の内部空間にプラズマが発生しないように、前記第１の内部空間及び前記第２の内部空間のそれぞれの空間の圧力と、前記プラズマ発生源に供給する電力とが制御されている。さらに、前記内側真空容器は、前記基板ステージに載置されて着脱自在に構成されている。
すなわち、薄膜形成装置は、
第１の内部空間を形成する外側真空容器と、
前記外側真空容器の前記第１の内部空間に設けられ、第２の内部空間を形成する内側真空容器と、
前記第１の内部空間に設けられ、高周波電力の供給を受けてプラズマを発生させるプラズマ発生源と、
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前記第２の内部空間には、前記基板ステージに載置される基板が配置され、
前記第２の内部空間にプラズマが発生し、前記第１の内部空間にプラズマが発生しないように、前記第１の内部空間及び前記第２の内部空間のそれぞれの空間の圧力と、前記プラズマ発生源に供給する電力とが制御されている。さらに、前記内側真空容器は、前記基板ステージに載置されて着脱自在に構成されている。
さらに、本発明の別の態様は、プラズマを用いて基板に薄膜を形成する以下の薄膜形成方法である。
すなわち、薄膜形成方法は、
第１の内部空間、および、前記第１の内部空間内に設けられた第２の内部空間の圧力をそれぞれ定めた圧力条件に従って制御するステップと、
前記第２の内部空間内の基板上に、原料ガスを流すとともに、前記第１の内部空間に設けられたプラズマ発生源に、前記圧力条件に応じた高周波電力を与えることで、前記第２の内部空間にプラズマを発生させて、基板に薄膜を形成するステップと、を有する。その際、前記第２の内部空間は、基板を載置した基板ステージに着脱自在に載置された真空容器により前記第１の内部空間から隔離されている。
すなわち、薄膜形成方法は、
第１の内部空間、および、前記第１の内部空間内に設けられた第２の内部空間の圧力をそれぞれ定めた圧力条件に従って制御するステップと、
前記第２の内部空間内の基板上に、原料ガスを流すとともに、前記第１の内部空間に設けられたプラズマ発生源に、前記圧力条件に応じた高周波電力を与えることで、前記第２の内部空間にプラズマを発生させて、基板に薄膜を形成するステップと、を有する。その際、前記第２の内部空間は、基板を載置した基板ステージに着脱自在に載置された真空容器により前記第１の内部空間から隔離されている。
上述の薄膜形成装置および薄膜形成方法では、プラズマを用いて基板に薄膜を形成するとき、プラズマの発生密度を向上させて薄膜の形成を効率よく行うことができる。
以下、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法について詳細に説明する。
図１は、本発明の薄膜形成装置の一実施例であるＡＬＤ装置の構成を表す概略図である。図２は、図１に示すＡＬＤ装置におけるアンテナアレイと給電ユニットを説明する図である。
図１は、本発明の薄膜形成装置の一実施例であるＡＬＤ装置の構成を表す概略図である。図２は、図１に示すＡＬＤ装置におけるアンテナアレイと給電ユニットを説明する図である。
図１は、本発明のプラズマ生成装置を適用したＡＬＤ装置の構成を表す一実施形態の概略図である。図２は、図１に示すＡＬＤ装置におけるアンテナアレイと給電ユニットを説明する図である。
図１に示すＡＬＤ装置１０は、２種類の成膜ガス（原料ガスおよび酸化ガス）を成膜対象の基板２４上に交互に供給する。この２種類のガスは、ＡＬＤ法を適用して形成しようとする膜を構成する元素を主成分とするガスである。その時、反応活性を高めるためにプラズマを生成して基板上に原子層単位で原料ガスの酸化膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、処理を複数サイクル繰り返すことにより所望厚さの膜を形成する。なお、酸化ガスの替わりに窒化ガスを用いることもできる。
図１に示すＡＬＤ装置１０は、２種類の成膜ガス（原料ガスおよび酸化ガス）を成膜対象の基板２４上に交互に供給する。この２種類のガスは、ＡＬＤ法を適用して形成しようとする膜を構成する元素を主成分とするガスである。その時、反応活性を高めるためにプラズマを生成して基板上に原子層単位で原料ガスの酸化膜を形成する。上記処理を１サイクルとして、処理を複数サイクル繰り返すことにより所望厚さの膜を形成する。なお、酸化ガスの替わりに窒化ガスを用いることもできる。
ＡＬＤ装置１０は、給電ユニット１２と、成膜容器（外側真空容器）１４と、ガス供給部１６，１８と、真空ポンプを備える排気部２０，２１，２２と、を有する。以下、基板２４上に酸化膜を形成する場合を例に挙げて説明するが、窒化膜の場合も同様である。ガス供給部１６，１８は図１の紙面垂直方向に並列するように配置され、図１中では重なって示されている。
成膜容器１４は、第１の内部空間２６を形成する。この第１の内部空間２６には、複数のアンテナ素子２８からなるアンテナアレイ３０と、基板ステージ３２が設けられている。第１の内部空間２６の、基板ステージ３２上にはベルジャ（内側真空容器）３４が設けられて固定されている。基板ステージ３２とベルジャ３４とで囲まれて、第１の内部空間２６と隔たった第２の内部空間３６が形成されている。ベルジャ３４には、基板ステージ３２から着脱可能な、図示されない機構が設けられている。
成膜容器１４は、第１の内部空間２６を形成する。この第１の内部空間２６には、複数のアンテナ素子２８からなるアンテナアレイ３０と、基板ステージ３２が設けられている。第１の内部空間２６の、基板ステージ３２上にはベルジャ（内側真空容器）３４が設けられて固定されている。基板ステージ３２とベルジャ３４とで囲まれて、第１の内部空間２６と隔たった第２の内部空間３６が形成されている。ベルジャ３４には、基板ステージ３２から着脱可能な、図示されない機構が設けられている。
給電ユニット１２は、成膜容器１４に設けられているアンテナアレイ３０の各アンテナ素子２８に電力（高周波信号）を供給するユニットである。給電ユニット１２は、発振器と増幅器を含む高周波信号生成器１３と分配器１５とを有する。
分配器１５は、高周波信号生成器１３で生成された高周波信号を複数の高周波信号に分割して、各アンテナ素子２８に供給する。分配器１５から各アンテナ素子２８にいたる給電線の長さは同じである。
給電ユニット１２は、第１の内部空間２６および第２の内部空間３６に設定された圧力（圧力条件）に応じた電力をアンテナアレイ３０の各アンテナ素子２８に給電する。
分配器１５は、高周波信号生成器１３で生成された高周波信号を複数の高周波信号に分割して、各アンテナ素子２８に供給する。分配器１５から各アンテナ素子２８にいたる給電線の長さは同じである。
給電ユニット１２は、第１の内部空間２６および第２の内部空間３６に設定された圧力（圧力条件）に応じた電力をアンテナアレイ３０の各アンテナ素子２８に給電する。
ガス供給部１６は、供給管３８と基板ステージ３２に設けられたガス供給口とを介して第２の内部空間３６に接続されている。ガス供給部１８も、供給管４０と基板ステージ３２に設けられた別のガス供給口とを介して、第２の内部空間３６に接続されている。ガス供給部１６は、ＴＭＡ（Tri-Methyl Aluminum）等の原料ガスを第２の内部空間３６に供給し、ガス供給部１８は、酸化ガス等の原料ガスを第２の内部空間３６に供給する。原料ガスの供給は交互に行われる。
一方、排気部２０は、排気管４１を介して、成膜容器１４の第１の内部空間２６に面して設けられた排気孔４２に接続されている。排気部２２も、排気部２０と同様に、排気管４４を介して、成膜容器１４の第１の内部空間２６に面して設けられた排気孔４４に接続されている。排気部２０，２２は、それぞれ第１の内部空間２６の真空度（圧力）を調整するためのターボ分子ポンプを有する。ターボ分子ポンプにより第１の内部空間２６の真空度は、１×１０-3〜１×１０-2Ｐａもしくは１２００〜３０００Ｐａに制御される。なお、排気部２０は、排気孔４２および排気管４１を介して、第１の内部空間２６の下部の空間を鉛直方向に真空引きする。
排気部２１は、排気管４８および基板ステージ３２に設けられたガス排気口を介してＴＭＡや酸化ガス等の原料ガスを第２の内部空間３６から排気するとともに、第２の内部空間３６の真空度（圧力）調整するためのドライポンプを有する。ドライポンプにより第２の内部空間３６の真空度は、２０〜１００Ｐａに制御される。第２の内部空間３６の真空度に比べて第１の内部空間２６の真空度を高くする（圧力を低くする）あるいは低くする（圧力を高くする）のは、第１の内部空間２６の真空度を高くすることにより、あるいは真空度を低くすることにより、第１の内部空間２６でプラズマを発生させないようにするためである。プラズマの発生は、真空度によって異なる。プラズマの発生に要する電力は、供給されるガスに応じて定まっており、真空度が、ある範囲より高くても低くてもプラズマが発生しにくくなる、すなわち、プラズマの発生しやすい真空度が存在する。本実施形態では、このプラズマの発生しやすい真空度の範囲内に第２の内部空間３６の真空度を定め、第１の内部空間２６の真空度は、上記範囲よりも高く定める、あるいは低く定める。こうして定められた圧力に応じた電力が給電ユニット１２から制御されて各アンテナ素子２８に給電される。なお、第１の内部空間２６の真空度を高くする、あるいは低くするのは、真空度を高くする、あるいは低くすることでプラズマの発生のしにくさを急激に高めることができ、プラズマの発生を制御しやすくするためである。
なお、図示されないが、供給管３８，４０の途中には、ガス供給部１６，１８と第２の内部空間３６との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）が設けられる。また、図示されないが、排気管４８の途中には、排気部２１と第２の内部空間３６との導通を制御する開閉弁が設けられている。排気管４１，４４の途中には、第１の内部空間２６と排気部２０，２２との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）がそれぞれ設けられている。
ガス供給部１６，１８から第２の内部空間３６内に原料ガスを供給する場合には供給管３８，４０の開閉弁が、供給する原料ガスに対応して開放され、第２の内部空間３６内にガスを供給する。第２の内部空間３６内に供給されたガスを排気する場合には排気管４８の開閉弁が開放される。第１の内部空間２６内の圧力を調整するとき、排気管４０，４４の開閉弁が開放される。
成膜容器１４は、金属製の中空箱形の形状を成して接地されている。成膜容器１４は、上方部１４ａと下方部１４ｂとに分かれており、図示されない接合機構により着脱可能に構成されている。このような構成により、ベルジャ３４を成膜容器１４内から取り出すことができ、プラズマの発生によって生じたベルジャ３４の内壁面の表面汚れをクリーニングすることができる。
成膜容器１４の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、複数のアンテナ素子２８からなるアンテナアレイ（プラスマ発生源）３０、ベルジャ３４、ヒータ５０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。基板ステージ３２の上面には基板２４が載置される。アンテナアレイ３０は、アンテナ素子２８が配列される仮想平面が基板ステージ３２の基板載置面と平行になるように配設されている。
アンテナアレイ２８は、第２の内部空間３６に導入される酸化ガスを用いてプラズマを発生させるため、ベルジャ３４の上方に近接するように設けられている。アンテナアレイ２８は、成膜容器１４の左壁と、排気孔４６が形成された右壁との間で、かつ、ベルジャ３４の上面の上方に、基板ステージ３２の面に平行に設けられ、かつ、アンテナアレイ２８では、複数のアンテナ素子２８が一定の間隔で平行に配設されている。複数のアンテナ素子２８のそれぞれは、第２の内部空間３６に酸化ガスが供給されたとき、第２の内部空間３６でプラズマが発生するように、電力が供給される。
図２に示すように、高周波信号生成部１４で発生されたＶＨＦ帯（例えば、８０ＭＨｚ）の高周波信号（高周波電力）が分配器１５に供給される。分配器１５において、高周波信号が分割され、分割された複数の高周波信号は、複数のアンテナ素子２８の突出する基部に、インピーダンス整合器５２を介して供給される。インピーダンス整合器５２は、プラズマの生成中にアンテナ素子２８の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を調整する。
なお、アンテナ素子２８は、例えば、銅、アルミニウム、白金等の導電性の棒状のモノポールアンテナ（アンテナ本体）５４が、例えば、石英やセラミックなどの誘電体からなる円筒部材５６に収納されて構成されている。アンテナ本体を誘電体で覆うことにより、アンテナとしての容量とインダクタンスが調整され、アンテナ本体の長手方向に沿って高周波信号を効率よく伝播させることができる。これにより、アンテナ素子２８は、アンテナ素子２８から周囲に電磁波を効率よく放射させることができる。
アンテナ素子２８のそれぞれは、第２の内部空間３６を流れる原料ガスの流れ方向に対して直交する方向に延び、かつ、電気的に絶縁されて成膜容器１２の側壁から突出するように取り付けられている。また、アンテナ素子２８のそれぞれは、一定の間隔、例えば５０ｍｍ間隔で平行に配設されており、隣接したアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように設けられている。
また、アンテナ素子２８のそれぞれは、基板ステージ３２の基板載置面と平行な方向に配置される。さらに、複数のアンテナ素子２８の配列方向は基板ステージ３２の基板載置面と平行な方向である。
アンテナ素子２８は、例えば直径約６ｍｍのアンテナ本体を、直径約１２ｍｍの誘電体の円筒部材中に設けて構成されている。第２の内部空間３６内の圧力が２０Ｐａ程度の場合、給電ユニット１２から約１６００Ｗの高周波信号を供給すると、アンテナ素子２８のアンテナ長が高周波信号の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）に等しい条件で高周波信号の定在波が生じてアンテナ素子２８は共振状態となる。これにより、アンテナ素子２８の周囲に電磁波が放射されプラズマが生成される。
また、アンテナ素子２８のそれぞれは、基板ステージ３２の基板載置面と平行な方向に配置される。さらに、複数のアンテナ素子２８の配列方向は基板ステージ３２の基板載置面と平行な方向である。
アンテナ素子２８は、例えば直径約６ｍｍのアンテナ本体を、直径約１２ｍｍの誘電体の円筒部材中に設けて構成されている。第２の内部空間３６内の圧力が２０Ｐａ程度の場合、給電ユニット１２から約１６００Ｗの高周波信号を供給すると、アンテナ素子２８のアンテナ長が高周波信号の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）に等しい条件で高周波信号の定在波が生じてアンテナ素子２８は共振状態となる。これにより、アンテナ素子２８の周囲に電磁波が放射されプラズマが生成される。
ベルジャ３４は、基板ステージ３２の上面とともに閉じられた第２の内部空間３６を形成する箱形状の石英からなる部材である。この第２の内部空間３６には基板２４が配置される。ベルジャ３４を第１の内部空間２６内に設け、第１の内部空間２６内に、第１の内部空間２６と隔てた第２の内部空間３６を形成するのは、第２の内部空間３６にてプラズマを発生させることで、プラズマの発生密度を高めることができるからである。従来のプラズマの発生領域は、アンテナ素子２８等のプラズマ発生源を含む広い領域であるため、プラズマの発生密度は低い。本実施形態では、プラズマの発生領域を真空度の高低により設定し、さらに、第２の内部空間３６内に制限しているので、プラズマの発生領域は狭い。このため、従来に比べてプラズマの発生密度は高くなり、薄膜を効率よく形成することができる。しかも、第２の内部空間３６には、アンテナ素子２８等の部材もないため、アンテナ素子２８の表面等に薄膜等が付着して汚れることもない。ベルジャ３４は、後述するように、基板ステージ３２から脱着可能であり、成膜容器１４から取り出すことができるため、表面が汚れたベルジャ３４を容易にクリーニングすることができる。クリーニングは、エッチング液等を洗浄液として、洗浄液中に浸すことより行われる。このため、メンテナンスも容易である。
基板ステージ３２は、成膜容器１４の内壁面で囲まれる第１の内部空間２６の断面よりも小さい面積を有する、例えば矩形の金属板である。基板ステージ３２は、パワーシリンダ等の昇降機構５８により上下に昇降される。基板ステージ３２の昇降に伴って、ガス供給部１６，１８および排気部２１も昇降するように構成されている。基板ステージ３２の基板載置面の一方の端部で、第２の内部空間３６内に位置する部分には、ガス供給部１６，１８から供給される原料ガスの供給口が設けられている。また、基板ステージ３２の基板載置面の他方の端部で、第２の内部空間３６内に位置する部分には、排気部２１に接続された排気口が設けられている。これにより、供給口から排気口に向かって基板２４の上方を原料ガスが流れるようになっている。
成膜容器１４の内壁面と基板ステージ３２の上昇位置との間には、内壁面から中心部に向かって突出するヒータストッパ６０が設けられている。基板ステージ３２の縁部上面には、ヒータストッパ６０の側面の高さに相当する位置に、Ｌ字型の段差が設けられている。
基板ステージ３２が上昇すると、ヒータストッパ６０下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部とが当接して、基板ステージ３２上面の高さが、ヒータストッパ４６上面の高さと略同一（面一）となるように位置決めされる。このとき、成膜容器１４の第１の内部空間２６は、基板ステージ３２よりも上側の空間と、基板ステージ３２の下側の空間とに分離される。
基板ステージ３２が上昇すると、ヒータストッパ６０下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部とが当接して、基板ステージ３２上面の高さが、ヒータストッパ４６上面の高さと略同一（面一）となるように位置決めされる。このとき、成膜容器１４の第１の内部空間２６は、基板ステージ３２よりも上側の空間と、基板ステージ３２の下側の空間とに分離される。
一方、基板ステージ３２が下降位置にあるとき、ヒータストッパ６０下面と基板ステージ３２縁部上面の段差部との間には所定間隔の隙間６２が存在する。この隙間６２により、上側の空間と下側の空間とは接続され、排気部２０，２２が協働して真空引きし真空度（圧力）を高速に制御する。また、ベルジャ２４は、基板ステージ３２とともに下降するので、成膜容器１４の下方部１４ｂが上方部１４ａと分離することにより、下方部１４ｂからベルジャ２４を取り外すことができる。
図３は、ＡＬＤ装置１０において、基板ステージ３２が下降位置にあり、かつ、成膜容器１４の下方部１４ｂを上方部１４ａから分離してベルジャ３４を取り出す状態を示している。すなわち、成膜容器１４は、アンテナ素子２８と、ベルジャ３４および基板ステージ３２と、が分離されるように、上方部１４ａと下方部１４ｂの２つの部位に分離され得る。成膜容器１４の下方部１４ｂは、基板ステージ３２とともに図中左右方向に移動して、基板ステージ３２からベルジャ３４を取り外すことができる。
このようなＡＬＤ装置１０では、図１に示す状態で、第１の内部空間２６の真空度が排気部２２を用いて１×１０-3〜１×１０-2Ｐａもしくは１２００〜３０００Ｐａに制御される。第２の内部空間３６の真空度が排気部２１を用いて２０〜１００Ｐａに制御されて、圧力が一定に維持されている。すなわち、第２の内部空間３６の圧力と第１の内部空間２６の圧力は圧力差を有するように制御される。
この状態で、まず、ＴＭＡ等の原料ガスが供給部１６から供給される。このとき、排気部２１が同時に駆動しているので、原料ガスは、基板ステージ３２の上面に載置されている基板２４の上方の空間（第２の内部空間３６）を図中左から右に流れる。これによって、原料ガスの成分が基板２４に吸着され、余分な原料ガスは排気される。この後、不活性ガスが供給されて、第２の内部空間３６内のガスを入れ替える。
次に、第２の内部空間３６内の基板２４上に、酸化ガスを流すとともに、第１の内部空間２６に設けられたアンテナアレイ３０に高周波電力を与えることにより、第２の内部空間３６内でプラズマを発生させる。このとき、第１の内部空間２６の真空度は第２の内部空間３６に対して高いあるいは低いのでプラズマは発生しない。第２の内部空間３６内にのみプラズマは発生するので、プラズマの発生密度は高い。したがって、このプラズマにより生成される酸素ラジカルを用いて基板２４に吸着したＴＭＡ等の成分の酸化処理が短時間行われる。また、第２の内部空間３６内にのみプラズマは発生するので、プラズマの発生により余分な物質がアンテナ素子２８等に付着することはなく、ベルジャ３４の内面のみが汚れる。しかし、ベルジャ３４は、取り外し可能であるので、容易にクリーニングすることができる。
図４は、真空度（圧力）と、プラズマが発生するときのプラズマ発生源への供給電力（最小電力）との関係を示すグラフである。このグラフの特性曲線は、パッシェンの法則として周知である。また、この特性曲線は用いるガスの種類によって異なっているが、特性曲線の形状は同じである。本実施形態では、第２の内部空間３６では、図中Ｐ2の範囲の圧力が設定され、第１の内部空間２６では、図中Ｐ1の範囲の圧力が設定されて、圧力が制御される。
このため、図中Ｐ2の範囲で定まる供給電力より高く、Ｐ1の範囲で定まる供給電力より低い電力をアンテナアレイ３０の各アンテナ素子２８に供給することにより、第１の内部空間２６では、プラズマを発生させず、第２の内部空間３６ではプラズマを発生させることができる。すなわち、アンテナアレイ３０に供給する高周波電力は、第１の内部空間２６の圧力でプラズマが発生する最小電力より低く、第２の内部空間３６の圧力でプラズマが発生する最小電力より高い。勿論、第１の内部空間２６では、図中Ｐ2の範囲より高い圧力が設定されて、圧力が制御されてもよい。
このため、図中Ｐ2の範囲で定まる供給電力より高く、Ｐ1の範囲で定まる供給電力より低い電力をアンテナアレイ３０の各アンテナ素子２８に供給することにより、第１の内部空間２６では、プラズマを発生させず、第２の内部空間３６ではプラズマを発生させることができる。すなわち、アンテナアレイ３０に供給する高周波電力は、第１の内部空間２６の圧力でプラズマが発生する最小電力より低く、第２の内部空間３６の圧力でプラズマが発生する最小電力より高い。勿論、第１の内部空間２６では、図中Ｐ2の範囲より高い圧力が設定されて、圧力が制御されてもよい。
本実施形態では、プラズマ発生源として、アンテナアレイ３０を用いて説明したが、ＣＣＰ（容量結合型プラズマ（Capacitively-Coupled Plasma））、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ（Inductively-Coupled Plasma））、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴プラズマ（Electron-Cyclotron Resonance Plasma））など様々な形式のものが適用可能である。なお、アンテナアレイ３０等のアンテナを用いた電磁波結合型のプラズマ発生源の他、誘導結合型のプラズマ発生源の場合、ベルジャ３４は石英で好適に構成される。
以上、本実施形態は、プラズマ源の位置する第１の内部空間とは異なり、第１の内部空間内に設けられた第２の内部空間でプラズマを発生させるように、圧力が制御されているので、第２の内部空間で生成されるプラズマの発生密度は高くなり、薄膜の形成を効率よく行うことができる。
また、第２の内部空間をつくる内側真空容器は、基板ステージに対して着脱自在に構成されているので、内側真空容器のクリーニングが容易にできメンテナンスが高い。
また、第２の内部空間をつくる内側真空容器は、基板ステージに対して着脱自在に構成されているので、内側真空容器のクリーニングが容易にできメンテナンスが高い。
以上、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法について詳細に説明したが、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
１０ ＡＬＤ装置
１２ 給電ユニット
１３ 高周波信号生成器
１４ 成膜容器
１４ａ 上方部
１４ｂ 下方部
１５ 分配器
１６，１８ ガス供給部
２０，２１，２２ 排気部
２４ 基板
２６ 第１の内部空間
２８ アンテナ素子
３０ アレイアンテナ
３２ 基板ステージ
３４ ベルジャ
３６ 第２の内部空間
３８，４０ 供給管
４１，４４，４８ 排気管
４２，４６ 排気孔
５０ ヒータ
５２ インピーダンス整合器
５４ モノポールアンテナ
５６ 円筒部材
５８ 昇降機構
６０ ヒータストッパ
６２ 隙間
１２ 給電ユニット
１３ 高周波信号生成器
１４ 成膜容器
１４ａ 上方部
１４ｂ 下方部
１５ 分配器
１６，１８ ガス供給部
２０，２１，２２ 排気部
２４ 基板
２６ 第１の内部空間
２８ アンテナ素子
３０ アレイアンテナ
３２ 基板ステージ
３４ ベルジャ
３６ 第２の内部空間
３８，４０ 供給管
４１，４４，４８ 排気管
４２，４６ 排気孔
５０ ヒータ
５２ インピーダンス整合器
５４ モノポールアンテナ
５６ 円筒部材
５８ 昇降機構
６０ ヒータストッパ
６２ 隙間
Claims (11)
- プラズマを用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
第１の内部空間を形成する外側真空容器と、
前記外側真空容器の前記第１の内部空間に設けられ、第２の内部空間を形成する内側真空容器と、
前記第１の内部空間に設けられ、高周波電力の供給を受けてプラズマを発生させるプラズマ発生源と、
前記プラズマ発生源と対向するように前記第１の内部空間に設けられ、前記内側真空容器とともとに前記第２の内部空間を囲み、前記第２の内部空間内に基板を載置させる基板ステージと、を有し、
前記第２の内部空間には、前記基板ステージに載置される基板が配置され、
前記第２の内部空間にプラズマが発生し、前記第１の内部空間にプラズマが発生しないように、前記第１の内部空間及び前記第２の内部空間のそれぞれの空間の圧力と、前記プラズマ発生源に供給する電力とが制御され、
前記内側真空容器は、前記基板ステージに載置されて着脱自在に構成されている、ことを特徴とする薄膜形成装置。 - 前記第２の内部空間の圧力と前記第１の内部空間の圧力は圧力差を有するように制御される、請求項１に記載の薄膜形成装置。
- 前記第１の内部空間には第１の真空ポンプが接続され、前記第２の内部空間には第２の真空ポンプが接続され、
前記第１の内部空間の圧力が、１×１０-3〜１×１０-2Ｐａもしくは１２００〜３０００Ｐａに、前記第２の内部空間の圧力が、２０〜１００Ｐａになるように、前記第１の真空ポンプと前記第２の真空ポンプにより圧力が制御されている、請求項２に記載の薄膜形成装置。 - 前記プラズマ発生源に供給する前記電力は、前記第１の内部空間の圧力でプラズマが発生する最小電力より低く、前記第２の内部空間の圧力でプラズマが発生する最小電力より高くなるように制御する、請求項３に記載の薄膜形成装置。
- 前記プラズマ発生源が、電磁波結合型あるいは誘導結合型の発生源であり、前記内側真空容器は石英で構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
- 前記第２の内部空間内に位置する前記基板ステージの面上には、原料ガスの供給口および排気口が設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
- 前記外側真空容器内には、上方から、前記プラズマ発生源を構成するプラズマ発生素子、前記内側真空容器、前記基板ステージが順に配置され、
前記外側真空容器は、前記プラズマ発生素子と、前記内側真空容器および前記基板ステージと、が分離されるように、２つの部位に分離される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。 - プラズマを用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
第１の内部空間、および前記第１の内部空間内に設けられた第２の内部空間の圧力をそれぞれ定めた圧力条件に従って制御するステップと、
前記第２の内部空間内の基板上に、原料ガスを流すとともに、前記第１の内部空間に設けられたプラズマ発生源に、前記圧力条件に応じた高周波電力を与えることで、前記第２の内部空間にプラズマを発生させて、基板に薄膜を形成するステップと、を有し、
前記第２の内部空間は、基板を載置した基板ステージに着脱自在に載置された真空容器により前記第１の内部空間から隔離されている、ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 前記圧力条件は、前記第２の内部空間の圧力と前記第１の内部空間の圧力とが圧力差を有するように制御される条件である、請求項８に記載の薄膜形成方法。
- 前記第１の内部空間の圧力が、１×１０-3〜１×１０-2Ｐａもしくは１２００〜３０００Ｐａに、前記第２の内部空間の圧力が、２０〜１００Ｐａに制御される、請求項９に記載の薄膜形成方法。
- 前記プラズマ発生源に供給する前記高周波電力は、前記第１の内部空間の圧力でプラズマが発生する最小電力より低く、前記第２の内部空間の圧力でプラズマが発生する最小電力より高い、請求項８に記載の薄膜形成方法。
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