JP4638833B2

JP4638833B2 - プラズマ成膜装置およびプラズマ成膜装置のクリーニング方法

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Publication number: JP4638833B2
Application number: JP2006098055A
Authority: JP
Inventors: 一樹滝澤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273750A

Description

今日、半導体装置、太陽電池あるいはフラットパネルディスプレイ等、各種基板の製作には、プラズマを用いた成膜処理を利用して精度の高い加工処理を行なっている。半導体装置においてプラズマを用いて処理（プラズマ処理）されるＳｉウエハやフラットパネルディスプレイに用いるガラス基板等は大型化の一途をたどっている。これに対応してプラズマを用いた成膜処理を行なう成膜装置の減圧処理室も大型化され、この減圧処理室内において、基板の加工精度に大きな影響を与える反応性プラズマ中の反応活性種（ラジカル）やイオンを均一に生成させて基板に精度の高いプラズマ処理を行なう必要性が増大している。

例えば、大型の薄膜太陽電池を製造する装置としてＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｃｙｃｌｏｔｒｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ装置や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａ）型プラズマＣＶＤ装置を用いることが考えられる。また、ＣＣＰ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａ）型のプラズマＣＶＤ装置を用いることも可能である。しかしながら、このようなＥＣＲプラズマＣＶＤ装置や、ＩＣＰプラズマ装置、ＣＣＰ型のプラズマＣＶＤ装置では、発生するプラズマの均一性は比較的低いものである。このため、成膜する基板表面に対して十分な強度のプラズマを発生させるには、この処理対象領域の周辺部分に弱い強度のプラズマが広がった、空間分布が比較的大きいプラズマを発生させる必要があった。このため、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面にもプラズマが広がってしまい、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面にも膜が付着してしまう。このような膜は成膜条件が制御されていないので、膜の密度も低く壁面から剥離しやすいため、成膜時におけるパーティクル発生の原因にもなっていた。このため、半導体製造工場では、所定の成膜量（成膜時間や成膜回数など）毎に、成膜装置をクリーニングする必要があり、スループットの低下、およびランニングコストの上昇の一因となっていた。

このような状況下、特許文献１に示すプラズマＣＶＤ装置において、大面積プラズマ生成用アンテナを用いたプラズマＣＶＤ装置が提案されている。具体的には、棒状のアンテナ素子を複数個平面状に配置してアレイ化したアンテナアレイを用いて、電磁波の空間分布を一様にして大面積のプラズマ生成に用いている。
特開２００３−８６５８１

このようなプラズマ生成装置は、棒状アンテナ素子の近傍に局在化させてプラズマを生成することができる。このようなプラズマＣＶＤ装置では、生成したプラズマが局在化しているので、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面にもプラズマが広がってしまうことがなく、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面への膜の付着も、非常に少ないものであった。このため、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置、ＩＣＰプラズマ装置、並行平板型のプラズマＣＶＤ装置などと比べて、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数は極端に少ないものであった。

上記特許文献に記載されている、大面積プラズマ生成用アンテナを用いたプラズマＣＶＤ装置では、棒状アンテナ素子の近傍に局在化されてプラズマが生成される。このため、クリーニングガスをプラズマ化した場合も、このクリーニングガスのプラズマが広く分布しないため、１回のクリーニングに要する時間自体は、短くすることは出来なかった。

そこで、本発明は、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数が少ない、モノポールアンテナ素子を用いた成膜装置であって、１回のクリーニングに要する時間自体も比較的短くすることができるプラズマ成膜装置、およびプラズマ成膜装置のクリーニング方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明は、反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板に成膜処理を施す成膜モードと、前記反応容器内をクリーニング処理するクリーニングモードとの２つの処理モードを少なくとも有するプラズマ成膜装置であって、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が、前記基板ステージの表面と略平行な平面状に複数配列されてなる、前記基板ステージと対向して配置されたアンテナアレイを有して構成されたプラズマ生成手段と、前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間隙に設けられ、前記基板ステージの前記表面と略平行に配置された、前記成膜モード時に用いる原料ガスを前記反応容器内に放出する原料ガス放出口が設けられた原料ガス供給配管と、前記アンテナアレイまたは前記原料ガス供給配管の少なくともいずれか一方を移動させることで、前記アンテナ素子と前記原料ガス供給配管との距離を変更する移動手段と、前記処理モードに応じて少なくとも前記移動手段の動作を制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記クリーニングモード時には、前記移動手段の動作を制御して、前記アンテナ素子と前記原料ガス供給配管との距離を前記成膜モード時に比べて小さくすることを特徴とするプラズマ成膜装置を提供する。

さらに、前記基板ステージと反対の側に設けられた、前記アンテナアレイと対向する、前記原料ガスと異なる反応活性種ガスを放射する反応活性種ガス放出口を有し、前記成膜モードでは、前記反応活性種ガス放出口から前記原料ガスを放出し、前記プラズマ生成部が、前記反応活性種ガス放出口から放出されて前記基板ステージに向けて流れる前記反応活性種ガスを励起して反応活性種を生成し、前記反応活性種の流れの途中で、前記原料ガス供給配管の前記原料ガス放出口から前記原料ガスを放出して、前記原料ガスと前記反応活性種ガスとを混合させて前記基板の表面に供給することで、前記基板に前記成膜処理を施すものであってもよい。なお、前記反応活性種ガスは酸素ガス、前記原料ガスはＴＥＯＳガスであり、前記成膜モードでは、前記基板ステージに載置された前記基板表面へＳｉＯ_２膜を成膜してもよい。なお、前記原料ガス放出口は、前記原料ガス供給配管の、前記反応容器内の前記基板ステージと対向する側に設けられていることが好ましい。

本発明は、また、反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板に成膜処理を施す、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が、前記基板ステージの表面と略平行な平面状に複数配列されてなる、前記基板ステージと対向して配置されたアンテナアレイを有して構成されたプラズマ生成手段と、前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間隙に設けられ、前記基板ステージの前記表面と略平行に配置された、前記成膜処理時に用いる原料ガスを前記反応容器内に放出する原料ガス放出口が設けられた原料ガス供給配管と、を備えたプラズマ成膜装置のクリーニング方法であって、前記アンテナアレイまたは前記原料ガス供給配管の少なくともいずれか一方を移動させて、前記アンテナ素子と前記原料ガス供給配管との距離を、前記成膜処理を実施する場合に比べて小さく設定し、この設定状態で、前記反応容器内をクリーニング処理することを特徴とする、プラズマ成膜装置のクリーニング方法も、併せて提供する。

本願発明のプラズマ処理装置では、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数を極端に少なくするとともに、１回のクリーニングに要する時間自体も比較的短くすることができる。本願発明によれば、長期に渡って繰り返し成膜を実施する、例えば半導体製造工場における半導体製造工程のスループットを向上させ、ランニングコストを低下させることができる。

以下、本発明のプラズマ成膜装置、およびプラズマ成膜装置のクリーニング方法について詳細に説明する。図１は、本発明のプラズマ成膜装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置１０の構成を説明する概略断面図である。

ＣＶＤ装置１０は、ＴＥＯＳガスを原料ガス、酸素ガスを反応活性種ガス（活性種ガス）としてそれぞれ用いて、ガラス基板やシリコンウエハ等の処理基板１２表面に、ＳｉＯ_２膜を成膜する装置である。

ＣＶＤ装置１０は、活性種ガス供給手段１１、クリーニングガス供給手段１２、反応容器１４、インピーダンス整合器１５、電源・調整ユニット１６、分配器１７、ガス流量調整手段１８、１９、位置調整手段２０、制御部２１、および入力手段２２を有して構成されている。

ＣＶＤ装置１０は、成膜モードとクリーニングモードとの２つの動作モードを有している。成膜モードでの動作かクリーニングモードでの動作かの選択指示は、入力手段２２によってオペレータから入力される。入力手段２２は、制御部２１と接続されており、制御部２１は、ガス流量調整手段１８および１９、位置調整手段２０、電源・調整ユニット１６などと接続されている。制御部２１は、入力手段２２が受け付けた、オペレータによる選択指示（動作モードの指示）の情報を受け取り、選択された動作モードに応じて、各手段やユニットの動作を制御して、選択された動作モードでの処理を実行させるよう構成されている。

活性種ガス供給手段１１およびクリーニングガス供給手段１２は、ガスボンベを含む公知のガス供給手段であり、それぞれ配管を介して、ガス流量調整手段１８および１９にそれぞれ接続されている。ガス流量調整手段１８および１９は、いずれも図示しないマスフローコントローラーを備えた公知のガス流量調整手段であり、反応容器１４の上側の壁面に設けられたガス導入口２３および２４と、それぞれ配管を介して接続されている。ガス流量調整手段１８および１９は、制御部２１と接続されており、制御部２１によって動作が制御されて、活性種ガスおよびクリーニングガスのガス流量をそれぞれ調整する。反応容器１４の下側の壁には、減圧のために原料ガス等を排気するための排気口２５が設けられており、排気口２５は、図示しない真空ポンプと接続されている。

ＳｉＯ_２膜の成膜時（成膜モード時）、活性種ガス供給手段１１から配管を介して供給された活性種ガス（酸素ガス）は、制御部２１の制御の下、ガス流量調整手段１９によって流量が調整されて、ガス導入口２４から一定の流量で反応容器１４内に流入する。また。クリーニングモード時は、クリーニングガス供給手段１２から配管を介して供給されたクリーニングガス（例えばＣＦ_４ガスなど）は、制御部２１の制御の下、ガス流量調整手段１８によって流量が調整されて、ガス導入口２３から一定の流量で反応容器１４内に流入する。反応容器１４内に導入された活性種ガスやクリーニングガスは、反応容器１４内部を上側から下側に向けて流れ、排気口２５から排出される。反応容器１４には、この他に、制御部２１と接続された図示しない圧力センサも設けられており、制御部２１の制御の下、図示しない圧力制御ユニットによって反応容器１４内の圧力は所望の圧力に調整される。

反応容器１４の内部には、この反応容器１４の内部に、処理基板１２を載置する基板ステージ２６、ガス導入口２３および２４から導入された、活性種ガスまたはクリーニングガスを、広い面積に渡って放射させるための放射板２８、複数のアンテナ素子３２からなるアンテナアレイ３０、アンテナアレイ３０と基板ステージ２６との間に設置され、内部を通る原料ガス（ＴＥＯＳガス）を、アンテナアレイ３０と基板ステージ２６との間に放出するための原料ガス放出孔３６を備えた原料ガス配管３４、がそれぞれ設けられている。

反応容器１４は、金属製の容器であり、反応容器１４の壁面は接地されている。
基板ステージ２６は、アンテナアレイ３０に対向するように、処理基板１２が載置される台であり、基板ステージ２６の内部には処理基板１２を加熱する図示されない発熱体が設けられ、さらに接地された図示されない電極板が設けられている。この電極板はバイアス電源に接続されて、バイアス電圧が印加されてもよい。

反応容器１４の上側には、活性種ガス分散室３８が、ガス放射板２８によって下側の反応室３９と仕切られて構成される。ガス放射板２８は、ＳｉＣからなる板状部材に０．５ｍｍ程度の貫通穴が複数あけられ、活性種ガスやクリーニングガスが下側の反応室３９に一定の流速で放射するようになっている。なお、ガス放射板２８は、セラミック材で構成されてもよいし、ＣＶＤにより成膜された板状部材であってもよい。ガス放射板２８には金属膜が形成されており接地されている。

図２は、ガス放射板２８の側から、アンテナアレイ３０、原料ガス配管３４、基板１２、基板ステージ２６を観察した状態を示す概略斜視図であり、基板１２の表面近傍の領域を拡大して示している。また、図３は、ＣＶＤ装置１０におけるアンテナ素子の配置について説明する図であり、図１に示すＡ−Ａ’線で切断してアンテナアレイ３０を観察した状態を示す概略上面図である。また、図４は、ＣＶＤ装置１０における原料ガス配管の形状・配置について説明する図であり、図１に示すＢ−Ｂ’線で切断して原料ガス配管を観察した状態を示す概略上面図である。

アンテナアレイ３０は、複数のアンテナ素子３２が、図２および図３に示すように、互いに平行にかつ平面状に配置されてなり、ガス放射板２８下側の、反応室３９の上側部分に設けられている。このアンテナアレイ３０は、ガス放射板２８及び基板ステージ２６に載置される処理基板１２に対して平行に設けられる。本発明のプラズマ反応装置は、このようなアンテナアレイを用いてプラズマを生成することを特徴の１つとしている。ここで、アンテナアレイ３０および、このアンテナアレイ３０におけるプラズマの生成について説明する。

モノポールアンテナであるアンテナ素子３２は、図３に示すように隣接するアンテナ素子３２と互いに逆方向に反応容器１４内の壁面から突出しており、給電方向が逆向きとなっている。これらのアンテナ素子３２は、それぞれマッチングボックスであるインピーダンス整合器１５と接続されている。

各アンテナ素子３２は、電気伝導率の高い導体からなる棒状（パイプであってもよい）を成し、使用する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数である）の長さをモノポールアンテナであるアンテナ素子の放射長さとする。各アンテナ素子３２の表面は、石英チューブ等の誘電体で被覆されている。棒状の導体を誘電体で被覆することで、アンテナ素子３２としての容量とインダクタンスが調整されており、これにより、アンテナ素子３２の突出方向に沿って高周波電流を効率よく伝播させることができ、電磁波を効率よく放射させることができる。このように誘電体で覆われたアンテナ素子３２は、反応容器１４の内壁に開けた開口に電気的に絶縁して取り付けられており、アンテナ素子３２の高周波電流供給端の側が、インピーダンス整合器１５に接続されている。

アンテナ素子３２は、ガス放射板２８の近傍に設けられるので、アンテナ素子３２から放射される電磁波は、隣接するアンテナ素子３２間で電磁波が相互に影響を及ぼし合うことなく、ガス放射板２８の接地されている金属膜の作用によって鏡像関係に形成される電磁波と作用して、アンテナ素子毎に所定の電磁波を形成する。さらに、アレイアンテナを構成するアンテナ素子３２は、隣接するアンテナ素子３２と給電方向が逆向きとなっているので、反応室３９において電磁波は均一に形成される。

インピーダンス整合器１５は、後述する電源・制御ユニット１９の高周波電源が発生する高周波信号の周波数の調整とともに用いて、プラズマの生成中にアンテナ素子３２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是正するために用いられる。

電源・調整ユニット１６は、図示されない高周波発振回路や増幅器からなる高周波電源、および、図示しない電流・電圧センサの検知信号に応じて、この高周波電源の発振周波数の変更及びインピーダンス整合器１５の調整を行う制御部分とを有して構成されている。電源・調整ユニット１６は、アンテナ素子３２に共通の高周波信号の周波数を制御して、すべてのアンテナ素子３２をインピーダンス整合の状態に近づけ、この後、各アンテナ素子に接続されたインピーダンス整合器１５によって、インピーダンスを個別に調整する。

なお、このようなアンテナアレイを用いたプラズマ生成の原理についての詳細な説明が、本願出願人による先の出願である、特願２００１−２８０２８５号明細書に記載されている。また、アンテナアレイを用いたプラズマ生成装置における、各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法が、同じく本願出願人による先の出願である、特願２００５−０１４２５６号明細書に記載されている。本願発明におけるアンテナアレイ、および各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法として、例えば、上記各明細書記載の方法を利用すればよい。

このようなＣＶＤ装置１０では、反応容器１４内に、ガス導入口２３および２４、また、原料ガス放出孔３６から各種ガスを送り込み、一方、排出口２４に接続した図示されない真空ポンプを作動させて、通常１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。この状態でアンテナ素子３２に高周波信号を給電することで、アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内のアンテナ素子３２の近傍でプラズマが生成される。この際、成膜モードでは、ガス放射板２８から放射された活性種ガスが励起されて反応活性種が得られる。発生したプラズマは導電性を有するので、アンテナ素子３２から放射された電磁波はプラズマで反射され易い。このため、電磁波はアンテナ素子３２周辺の局部領域に局在化する。このように、本願発明で用いる、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイは、電子温度が高くプラズマ密度の高い領域（以降、高プラズマ領域とする）がアンテナ素子３２の近傍に局在化して形成されるといった特徴を有する。

図５は、ＣＶＤ装置１０におけるアンテナアレイ３０でプラズマを生成した際の、プラズマ中の電子温度と、アンテナアレイ３０からの距離（図１中の上下方向の距離）との関係の一例を示すグラフである。図５に示す電子温度の空間分布計測はレーザー分光法を用いてＡｒプラズマ中で行なった。Ａｒプラズマ中の準安定状態Ａｒ原子は電子衝突によりその生成と消滅が支配されるため、同原子の密度を計測することで電子温度の評価が可能となる。本実験でのレーザー分光法の空間分解能は０．５ｍｍである。電子温度の計測はＡｒプラズマ（圧力２７Ｐａ）で行なわれ、モノポールアンテナ１本へ１５Ｗの電力を投入した。図５に示す例では、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイは、高プラズマ領域がアンテナ素子から約２ｃｍ（２０ｍｍ）以内に局在化して形成されている。ここで、高プラズマ領域とは、具体的には、代表的なモノポールアンテナプラズマ源のプラズマ中心の電子温度である２ｅＶに対して、７割以上の電子温度を有する領域のことをいう。このような高プラズマ領域の範囲の大きさの値は、ＥＣＲ型のプラズマ生成装置やＩＣＰ型のプラズマ生成装置と比べて小さい（より局在化している）。

ＣＶＤ装置１０では、ガス放射板２８から一定の流速で放射されたガスが、アンテナアレイ３０の近傍に局在化してプラズマ化されて、放射されたガス分子が励起された反応活性種（ラジカル）が得られる。また、アンテナアレイ３０は、モノポールアンテナであるアンテナ素子３２が、ある程度広い間隔を保って並べられており、活性種ガス分子が励起された反応活性種は、この広い間隙３３を容易に通過して、反応室３９の下側部分に向けて流れることができる。

原料ガス配管３４は、アンテナアレイ３０の下側部分に配置されており、図２および図４に示すように、複数の並列配管部分４０が互いに平行にかつ平面状に配置された略梯子形状となっている。図２に示すように、原料ガス配管３４は、並列配管部分４０の長さ方向が、棒状のアンテナ素子３２の長さ方向と直行するように配置されている。アンテナ素子３２の間隙３３を通り、反応室３９の下側部分に向けて降下した反応活性種は、複数の並列配管部分４０の間隙４２を容易に通過し、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の側に供給される。

原料ガス配管３４は、反応室１４外部に設けられた図示しない原料ガス供給手段（ＴＥＯＳガス供給手段）と接続された、原料ガス導入管４４（図４参照）と接続されている。また、原料ガス配管３４の複数の並列配管部分４０それぞれには、原料ガス放出孔３６が複数設けられている。原料ガス導入管４４から導入された原料ガス（ＴＥＯＳガス）は、原料ガス配管３４の内部を通り、原料ガス配管３４の下側部分に設けられた原料ガス放出孔３６から基板１２の側に向けて放射される。

図４に示すように、原料ガス配管３４は、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガス配管３４を見たとき、基板ステージ２６の表面２７の投影領域全体を覆うように張り巡らされて配置されている。この原料ガス供給配管３４は、基板ステージ２６の表面２７と垂直な方向から原料ガス配管３４を見たとき、四角形状に配置された枠状配管部分３１と、この枠状配管部分３１の内部領域に配置された複数の並列配管部分４０とからなる、略梯子形状となっている。そして、原料ガス配管３４の複数の並列配管部分４０それぞれには、原料ガス放出口３６が、原料ガス配管３４の長さ方向に並んで複数設けられている。このように、基板ステージ２６の表面２７の投影領域全体を覆うように原料ガス配管３４が張り巡らされて、この原料ガス配管３４に複数の原料ガス放出口３６が設けられていることで、原料ガス放出口３６から基板ステージ２６の表面２７全体に向けて、均一に原料ガスを放出することを可能としている。成膜モード時、複数の並列配管部分４０の間隙４２を通り、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の側に降下した反応活性種（酸素ラジカル）は、この原料ガス放出孔３６から放出された原料ガスと混合されて、基板１２に到達する。

原料ガス配管３４は、支持柱３７によって支持されており、この支持柱３７が位置調整手段２０と接続されている（図１参照）。位置調整手段２０は、反応容器１４内での原料ガス配管３４の配置位置（図１中の上下方向の位置）を調整するものであり、反応容器１４の壁面に複数個（図４に示す例では４箇所）設けられている。位置調整手段２０は、制御部２１と接続されており、入力手段２２から入力された動作モードの指示情報に応じた位置に、原料ガス配管３４の配置位置を調整する。位置調整手段２０は、モータ５２とギヤボックス５４とを有して構成されており、制御部２１からの制御信号に応じてモータ５２が回転駆動することで、ギヤボックス５４を介して支持柱３７を昇降駆動させて、原料配管３４の配置位置が調整される。ＣＶＤ装置１０では、位置調整手段２０が原料ガス配管３４の配置位置を調整することで、アンテナアレイ３０と原料ガス配管３４との相対距離を、指示された動作モードに応じた距離に調整する。なお、原料ガス導入管４４と原料配管３４とは、フレキシブルに形状が変化するベローズ管５６を介して接続されており（図４参照）、原料配管３４の配置位置が移動しても、原料配管内部への原料ガス供給には影響がでない構成となっている。

図６（ａ）および（ｂ）は、反応容器１４内での原料ガス配管の配置位置について説明する図であり、図６（ａ）は成膜モードにおける配置位置、図６（ｂ）はクリーニングモードにおける配置位置を、それぞれ示している。上述したように、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイを用いたプラズマ生成装置では、高プラズマ領域がアンテナ素子３２の近傍に局在化して生成される。成膜モード時は、図６（ａ）に示すように、このように局在化して生成された高プラズマ領域に、原料ガス配管３４の原料ガス放出孔３６から放出される原料ガス（ＴＥＯＳガス）が直接曝されない程度に、アンテナアレイ３０と原料ガス配管３４との距離が保たれるよう、制御部２１の制御の下、位置調整手段２０が原料ガス配管３４の配置位置を調整する。これは、原料ガスであるＴＥＯＳが、プラズマによって励起されて必要以外に気相反応してしまう、パーティクルが発生することを防ぐためである。

成膜モードでは、原料ガス配管３４は、アンテナ素子３２と例えば３０ｍｍ離間した位置に配置される。本願発明のＣＶＤ装置１０では、複数のモノポールアンテナからなるアンテナアレイによって、高プラズマ領域がアンテナ素子３２の近傍に局在化して生成されるので、アンテナアレイ３０と原料ガス配管３４との距離を比較的大きくした成膜モード時であっても、高プラズマ領域と原料ガス配管３４とを、このように比較的近接して配置することができる。このため、成膜モード時、アンテナアレイ３０近傍で得られた反応活性種（酸素ラジカル）は、十分な励起状態を保ったまま、原料ガスと混合されて基板１２に到達することができる。

成膜モード時で使用するＴＥＯＳガスは、パーティクルが比較的発生しやすいガスである。このため、成膜モード時において、高プラズマ領域にＴＥＯＳガスを直接曝さなくとも、原料ガス放出孔３６（ＴＥＯＳガスの放出孔）近辺には、成膜の度に多少のパーティクルが発生・付着してしまうこともある。このように付着したパーティクルを、なるべく短時間で効率的にクリーニングする場合は、クリーニングガスのプラズマのうち、なるべく電子温度が高くプラズマ密度の高い領域（高プラズマ領域）に、原料ガス放出孔３６近傍を曝すことが望ましい。例えば、ＣＦ_４やＮＦ_３ガスを用いたクリーニングでは、Ｆラジカル密度が重要であり、Ｆラジカルは主に電子衝突により生成される。Ｆラジカルの生成レートは電子温度に深く依存しており、高プラズマ領域の方がより頻繁に反応が生じるようになる。アンテナ近傍の高プラズマ領域では、Ｆラジカルの生成レートが高く、クリーニングに有利である。

クリーニングモード時は、図６（ｂ）に示すように、位置調整手段２０は、制御部２１の制御の下、原料ガス配管３４（特に原料ガス放出孔３６）が、なるべく高プラズマ領域に曝される程度まで、アンテナアレイ３０と原料ガス配管３４との距離が近づくよう、原料ガス配管３４の配置位置を調整する。本願発明は、このように、クリーニングモード時は、アンテナ素子と原料ガス放出孔との距離を、成膜モード時に比べてより近接させた状態でクリーニングすることを特徴とする。

このようなＣＶＤ装置１０を用いて行なわれる、ＳｉＯ_２膜の成膜工程およびクリーニング工程について説明する。最初に、成膜モードについて説明する。まず、オペレータが、入力手段２２により成膜モードの指示を入力する。制御部２１は、成膜モードの指示を受けて、まず位置調整手段２０を制御して、原料ガス配管３４の反応容器１４内での位置を、成膜モード時に対応する位置に調整する（図５（ａ）に示す位置）。この状態で、制御部２１が各手段の動作を制御して、反応容器１４内の活性種ガス導入口２４から、活性種ガスである酸素ガスを一定流量（例えば、１０ｓｌｍ）で流入させて、ガス放射板２８から活性種ガスを下側の反応室３９に一定の流速で放射させる。これとともに、原料ガスであるＴＥＯＳガスを一定流量（例えば１００ｓｃｃｍ）で原料ガス導入管４４に導入し、原料ガス配管３４の原料ガス放出孔３６から基板１２の側に向けて放出させる。一方、排出口２４から真空ポンプで排気を行い、例えば、１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。

この状態で、アンテナ素子３２に高周波信号を給電することで、アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内で、アンテナ素子３２の近傍に局在化したプラズマが生成され、ガス放射板２８から放射された活性種ガス（酸素ガス）が励起された反応活性種（酸素ラジカル）が得られる。反応活性種（酸素ラジカル）は、隣り合ったアンテナ素子３２の広い間隙３３を容易に通過して、反応室３９の下側部分に向けて流れる。反応活性種（酸素ラジカル）は、さらに、複数の並列配管部分４０の間隙４２を容易に通過し、基板ステージ２６に載置される処理基板１２の表面に供給される。この際、反応活性種（酸素ラジカル）は、原料ガス放出孔３６から放出された原料ガス（ＴＥＯＳガス）と混合され、基板１２に到達する。活性状態である反応活性種（酸素ラジカル）とＴＥＯＳガスとが混合されると、酸素ラジカルの活性エネルギーによって反応が進行し、基板１２の表面においてＳｉＯ_２膜が成膜される。プラズマ成膜装置１０では、このようにしてＳｉＯ_２膜が形成される。

このような成膜動作を繰り返すと、特に原料ガス配管３４および原料ガス放出孔３６近辺に、少量ずつながらパーティクルが付着してくる。このようなパーティクルを除去するために、定期的にクリーニングが行なわれる。

次に、クリーニングモード時での動作について説明する。まず、オペレータが、入力手段２２によりクリーニングモードの指示を入力する。制御部２１は、クリーニングモードの指示を受けて、まず位置調整手段２０を制御して、原料ガス配管３４の反応容器１４内での位置を、クリーニングモード時に対応する位置に調整する（図５（ｂ）に示す位置）。この状態で、制御部２１が各手段の動作を制御して、反応容器１４内のクリーニングガス導入口２３から、クリーニングガス（例えばＣＦ_４など）を一定流量で流入させて、ガス放射板２８からクリーニングガスを下側の反応室３９に一定の流速で放射させる。一方、排出口２４から真空ポンプで排気を行い、例えば、１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の真空雰囲気を反応容器１４内につくる。

この状態で、アンテナ素子３２に高周波信号を給電することで、アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１４内で、アンテナ素子３２の近傍に局在化した高プラズマ領域が生成される。図５（ｂ）に示されるように、原料ガス配管３４（原料ガス放出孔３６）は、このような高プラズマ領域に曝される程度に、アンテナアレイ３０と近接して配置されており、高プラズマ領域のプラズマ（すなわち、活性程度の高いプラズマ）によって、原料ガス配管３４（原料ガス放出孔３６）に付着していたパーティクルが高速に除去される。

このように、本願発明のプラズマ成膜装置およびプラズマ成膜装置のクリーニング方法では、成膜モード時は、生成したプラズマが局在化しているので、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面にもプラズマが広がってしまうことがなく、プラズマ発生室の壁面や成膜室の壁面への膜の付着も、非常に少ない。加えて、クリーニングモード時は、高プラズマ領域のプラズマ（すなわち、活性程度の高いプラズマ）によってパーティクルを高速に除去することができる。本願発明によれば、長期に渡って繰り返し成膜を実施する場合のクリーニングの回数を極端に少なくするとともに、１回のクリーニングに要する時間自体も比較的短くすることができ、例えば半導体製造工程でのスループットを上げ、製造コストを低下させることが可能である。

上記実施形態のＣＶＤ装置１０では、略梯子形状の原料ガス配管を用いている。本願のプラズマ処理装置では、原料ガス放出孔の位置や、原料ガス放出孔からの原料ガスの放出の向きなどは、特に限定されない。これら、原料ガス配管の形状や、原料ガス放射孔の配置位置や配置数などは、原料ガス流量や、放出量の面内均一性、また、配管の間隙を通る反応活性種の流れ易さなどに影響する。本願のプラズマ処理装置では、原料ガス配管の形状や、原料ガス放射孔の配置位置や配置数などは、これらの条件が満足するよう、必要に応じて調整すればよい。本願のプラズマ処理装置では、原料ガス配管の形状や、原料ガス放射孔の配置位置や配置数なども、特に限定されない。

上記実施形態のＣＶＤ装置１０は、酸素ガスを活性種ガス、ＴＥＯＳガスを原料ガスとして用い、基板表面にＳｉＯ_２膜を成膜する装置であった。本願のプラズマ処理装置で用いる活性種ガスや原料ガスの種類は、特に限定されない。また、活性種ガスと原料ガスとを別々に供給する成膜処理工程のみでなく、例えば、同一のシャワーヘッドから、活性種ガスと原料ガスとを同時に供給する成膜処理工程であってもよい。本願発明の成膜モードにおける成膜処理工程は、特に限定されない。

以上、本発明のプラズマ成膜装置およびプラズマ成膜装置のクリーニング方法について詳細に説明したが、本発明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。

本発明のプラズマ成膜装置の一実施形態であるプラズマＣＶＤ装置の構成を説明する概略断面図である。図１に示すＣＶＤ装置の、アンテナアレイ、原料ガス配管、および基板が載置された状態の基板ステージを観察した状態を示す概略斜視図である。図１に示すＣＶＤ装置におけるアンテナ素子の配置について説明する概略上面図である。図１に示すＣＶＤ装置における原料ガス配管の形状・配置について説明する概略上面図である。図１に示すＣＶＤ装置でプラズマを生成した際の、プラズマ中の電子温度とアンテナアレイからの距離との関係の一例を示すグラフである。（ａ）および（ｂ）は、反応容器内での原料ガス配管の配置位置について説明する概略側面図であり、（ａ）は成膜モードにおける配置位置、（ｂ）はクリーニングモードにおける配置位置を、それぞれ示している。

符号の説明

１０ＣＶＤ装置
１１活性種ガス供給手段
１２クリーニングガス供給手段
１４反応容器
１５インピーダンス整合器
１６電源・調整ユニット
１７分配器
１８、１９ガス流量調整手段
２０位置調整手段
２１制御部
２２入力手段
２３、２４ガス導入口
２５排気口
２６基板ステージ
２８放射板
３０アンテナアレイ
３２アンテナ素子
３３、４２間隙
３４原料ガス配管
３６原料ガス放出孔
３７支持柱
３８活性種ガス分散室
３９反応室
４０並列配管部分
５２モータ
５４ギヤボックス
５６ベローズ管

Claims

反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板に成膜処理を施す成膜モードと、前記反応容器内をクリーニング処理するクリーニングモードとの２つの処理モードを少なくとも有するプラズマ成膜装置であって、
誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が、前記基板ステージの表面と略平行な平面状に複数配列されてなる、前記基板ステージと対向して配置されたアンテナアレイを有して構成されたプラズマ生成手段と、
前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間隙に設けられ、前記基板ステージの前記表面と略平行に配置された、前記成膜モード時に用いる原料ガスを前記反応容器内に放出する原料ガス放出口が設けられた原料ガス供給配管と、
前記アンテナアレイまたは前記原料ガス供給配管の少なくともいずれか一方を移動させることで、前記アンテナ素子と前記原料ガス供給配管との距離を変更する移動手段と、
前記処理モードに応じて少なくとも前記移動手段の動作を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記クリーニングモード時には、前記移動手段の動作を制御して、前記アンテナ素子と前記原料ガス供給配管との距離を前記成膜モード時に比べて小さくすることを特徴とするプラズマ成膜装置。
さらに、前記基板ステージと反対の側に設けられた、前記アンテナアレイと対向する、前記原料ガスと異なる反応活性種ガスを放射する反応活性種ガス放出口を有し、
前記成膜モードでは、
前記反応活性種ガス放出口から前記原料ガスを放出し、
前記プラズマ生成部が、前記反応活性種ガス放出口から放出されて前記基板ステージに向けて流れる前記反応活性種ガスを励起して反応活性種を生成し、
前記反応活性種の流れの途中で、前記原料ガス供給配管の前記原料ガス放出口から前記原料ガスを放出して、前記原料ガスと前記反応活性種ガスとを混合させて前記基板の表面に供給することで、前記基板に前記成膜処理を施すことを特徴とする請求項１記載のプラズマ成膜装置。
前記反応活性種ガスは酸素ガス、前記原料ガスはＴＥＯＳガスであり、
前記成膜モードでは、前記基板ステージに載置された前記基板表面へＳｉＯ_２膜を成膜することを特徴とする請求項２に記載のプラズマ成膜装置。
前記原料ガス放出口は、前記原料ガス供給配管の、前記反応容器内の前記基板ステージと対向する側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ成膜装置。
反応容器内の基板ステージの表面に配置された基板に成膜処理を施す、
誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が、前記基板ステージの表面と略平行な平面状に複数配列されてなる、前記基板ステージと対向して配置されたアンテナアレイを有して構成されたプラズマ生成手段と、
前記アンテナアレイと前記基板ステージとの間隙に設けられ、前記基板ステージの前記表面と略平行に配置された、前記成膜処理時に用いる原料ガスを前記反応容器内に放出する原料ガス放出口が設けられた原料ガス供給配管と、を備えたプラズマ成膜装置のクリーニング方法であって、
前記アンテナアレイまたは前記原料ガス供給配管の少なくともいずれか一方を移動させて、前記アンテナ素子と前記原料ガス供給配管との距離を、前記成膜処理を実施する場合に比べて小さく設定し、
この設定状態で、前記反応容器内をクリーニング処理することを特徴とする、プラズマ成膜装置のクリーニング方法。