JP4680619B2 - プラズマ成膜装置 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ成膜装置に関し、詳しくは、複数種の成膜ガスを、成膜室内に導入する前に混合するガスミキシングボックスを備えたプラズマ成膜装置に関する。

複数種の成膜ガスを用いて基板上にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で成膜を行う場合において、成膜室内にそれら成膜ガスを導入する前にそれら成膜ガスを混合するガスミキシングボックスを成膜室の外に設けたプラズマＣＶＤ装置が周知である。例えば特許文献１参照。このようなガスミキシングボックスを用いることで、複数種の成膜ガスはガスミキシングボックスの内部で撹拌されて混合され、成膜室内に均一な濃度で供給される。
特開２００１−３３５９４１号公報

そのガスミキシングボックスを備えたプラズマＣＶＤ装置において、ガスミキシングボックスからのガス出口と、成膜室内へのガス導入口との間に接続された配管が長いと、ガスミキシングボックス内の圧力は減圧下にある成膜室内の圧力より上昇し、成膜ガス供給源からガスミキシングボックス内に流量調整して成膜ガスを供給するマスフローコントローラの両端の圧力差を十分に確保することができず、安定した流量で成膜ガスを成膜室内に供給することができなくなってしまう。その結果として、成膜された膜の膜厚が均一でなくなったり、膜厚の再現性が悪化してしまうなどの問題が生じる。

なお、上記配管の口径を大口径にすればミキシングボックス内の圧力上昇を抑えることができるが、ミキシングボックス内における各種成膜ガスの撹拌による混合効果の低下を防ぐため、あまり上記配管の口径は大口径にできない。

そこで特許文献１では、ミキシングボックスを電極の上に設置し、ミキシングボックスのガス出口を、電極の厚さ方向を貫通して形成されたガス導入口に直結させることで、上述したようにガス出口とガス導入口間を接続する配管の長さに起因する成膜ガスの流量の不安定さを解消するようにしている。

なお、ガスミキシングボックスを例えばフッ素樹脂等のやわらかい材料から構成するとガスミキシングボックス内の真空を維持できなく、またアルミナのようなセラミック材料では加工費も含めコストがかかってしまうため、ミキシングボックスはステンレス等の金属材料から構成するのが一般的である。

図２は従来における、高周波電力が印加される電極２と、この電極２上に配置されたガスミキシングボックス８の側面図を示す。ここで、導体を流れる高周波電流は周波数が高くなるほど導体内部はほとんど流れずに表面近くを流れる表皮効果により、電極２上面の略中心位置に供給された高周波電流は図２において矢印で示すような経路で流れて、電極２において他の電極（図示せず）に対向する面に至る。ここで、ガスミキシングボックス８は導電性を有するため電極２と電気的に接触しており、よって高周波電流は、ガスミキシングボックス８が配置された図において左側ではガスミキシングボックス８の表面を流れてから、反対面側に流れる。すなわち、電極２の上部表面の略中心から、その上部表面の左側を流れて反対面側に流れる高周波電流の経路の方が、ガスミキシングボックス８が有る分だけ長くなり、電極２の上部表面の右側を流れて反対面側に流れる高周波電流の経路に比べて抵抗が大となる。

この結果、ガスミキシングボックス８が存在する図において左側とガスミキシングボックス８が存在しない右側とで、電極２に対向している他の電極との間に生じる高周波電力強度に偏りが生じ、生成されるプラズマ密度が電極面方向に関して均一でなくなる。これにより、基板の面方向において、ガスミキシングボックス８が有る箇所と無い箇所とで成膜速度が異なり膜厚分布が悪化する。この問題は、成膜速度が、高周波電力強度に正比例するような反応律速系（主に非晶質珪素膜や窒化珪素膜の成膜）で特に顕著に表れる。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、その目的とするところは、高周波電力強度が電極面方向において均一になるようにし、基板面方向における膜厚分布を均一にすることができるプラズマ成膜装置を提供することにある。

本発明のプラズマ成膜装置は、内部が真空排気される真空チャンバと、この真空チャンバ内に設置され、成膜対象物が支持される第１電極と、複数種の成膜ガスを混合するガスミキシングボックスと、真空チャンバの壁の一部を構成して第１電極に対向しており、ガスミキシングボックス内で混合された成膜ガスを真空チャンバ内に導入するためのガス導入口が形成された第２電極と、第１及び第２電極間に高周波電界を生じさせて真空チャンバ内に成膜ガスのプラズマを生成させる高周波電源とを備え、ミキシングボックスは、第２電極上に絶縁物を介して設置され、混合ガスのガス出口を第２電極のガス導入口に直結させていることを特徴としている。

本発明では、ガスミキシングボックスと、ガス導入口が形成された第２電極との間に絶縁物を介在させてそれら両者の電気的接触を避けた構成とした。このような構成により、第２電極の上部表面に供給された高周波電流は、ガスミキシングボックスが配置された部分であってもガスミキシングボックスを経由しないで第２電極の上部表面を流れて、第１電極と対向している下部表面に流れる。これにより、第２電極表面を流れる高周波電流はガスミキシングボックスを流れることによる電流損失の影響を受けずに、この第２電極とこれに対向して設けられた第１電極との間に生じる高周波電力強度を電極面方向において均一とすることができる。この結果、成膜対象物の面方向における成膜速度のばらつきを抑えて膜厚分布が均一となる。

本発明は、特に、反応律速が高周波電力強度に正比例するような、例えば、珪素含有ガスと窒素含有ガスを用いた窒化珪素膜の形成や、珪素含有ガスと不活性ガスを用いた多結晶もしくは非晶質の珪素膜の形成に効果的である。

本発明のプラズマ成膜装置によれば、ガスミキシングボックスと、ガス導入口が形成された第２電極との間に絶縁物を介在させてそれら両者の電気的接触を避けた構成としたので、第１電極と第２電極との間に生じる高周波電力強度を電極面方向において均一とすることができる。この結果、成膜対象物の面方向における成膜速度のばらつきを抑えて膜厚分布が均一となり、成膜品質を向上できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

図１は本発明の実施形態に係るプラズマ成膜装置を示す。このプラズマ成膜装置は、真空チャンバ内に導入された成膜ガスをプラズマ放電にさらし成膜対象物表面で化学反応を起こさせて堆積させるプラズマＣＶＤ装置である。

真空チャンバ１には、図示しない真空排気系に接続された排気口７が設けられ、成膜室６として機能する内部が真空排気（減圧）できるようになっている。

真空チャンバ１内には、真空チャンバ壁と絶縁されて第１電極３が配設されている。第１電極３は接地されている。また、第１電極３は、成膜対象物であるガラスや半導体等の基板２０を支持するサセプタとしても機能する。

真空チャンバ１の天井側には真空チャンバ壁と絶縁されて第２電極２が設けられている。第２電極２は真空チャンバ１の天井壁の一部を構成し、シャワープレート４を挟んで第１電極３と対向している。第２電極２は、真空チャンバ１の外に設けられた高周波電源１８と変調器１９を介して接続されている。

第２電極２は、真空チャンバ１内で第１電極３に向けられた開口を有する容器状に形成され、その開口に蓋をするように、多数の小孔が形成されたシャワープレート４が取り付けられている。第２電極２の上部とシャワープレート４との間にはガス貯留室５が形成され、このガス貯留室５に通じるガス導入口１２が第２電極２上部の厚さ方向を貫通して形成されている。ガス導入口１２は、第２電極２を上面側から見た図４に示すように、第２電極２上面の略中央に位置している。

真空チャンバ１の外部に臨む第２電極２の上部表面上には、絶縁物１７を介してガスミキシングボックス８が設置されている。ガスミキシングボックス８は、例えばステンレス等の金属材料からなり、その内部には混合室９と、この混合室９に接続されたガス流路１０が形成されている。

絶縁物１７は、例えばアルミナやフッ素樹脂からなり、第２電極２の上部表面と、ガスミキシングボックス８の下面との間に介在されている。この絶縁物１７によって、第２電極２とガスミキシングボックス８とは電気的に絶縁されている。

ガス流路１０の一端は混合室９に接続され、他端はガスミキシングボックス８のガス出口１１と接続されている。そして、第２電極２に形成されたガス導入口１２上に上記ガス出口１１が位置され、それらガス出口１１とガス導入口１２とは直結されている。これらガス出口１１とガス導入口１２との直結を阻害しないため、絶縁物１７においてそれらガス出口１１とガス導入口１２との間に位置する部分は厚さ方向が貫通されている。

以上のことより、ガスミキシングボックス８の混合室９は、ガス流路１０、ガス出口１１、ガス導入口１２、ガス貯留室５、およびシャワープレート４の小孔を介して、成膜室６に通じている。

真空チャンバ１の外部には、複数種の成膜ガスに対応して複数のガス供給源１３、１６が配設され、各ガス供給源１３、１６はそれぞれマスフローコントローラ１４、１５を介してガスミキシングボックス８の混合室９に接続されている。ガス供給源１３、１６は、混合室９において上記ガス流路１０の反対側に接続されている。

以上のプラズマ成膜装置を用いた成膜時には、先ず真空チャンバ１の内部を真空排気系で所定圧力（例えば５０〜８００Ｐａ）まで真空排気（減圧）した後、成膜ガス供給源１３、１６から成膜ガスがマスフローコントローラ１４、１５で流量が調整されながらミキシングボックス８の混合室９に導入される。混合室９内に導入された複数種の成膜ガスは混合室９内で混合され各ガス成分の濃度が均一にされた後、ガス流路１０、ガス出口１１、第２電極２に形成されたガス導入口１２を通ってガス貯留室５内へと導入される。このガス貯留室５内へ導入された混合ガスはシャワープレート４の小孔から第１電極３上に載置された基板２０に向けて吹き付けられる。

このとき、ガスミキシングボックス８のガス出口１１と、第２電極２に形成されたガス導入口１２との間には長い配管が介在せず両者は直結されているので、ガス出口１１とガス導入口１２との間における圧力損失がほとんどない。このため、そのような圧力損失分だけ混合室９の内部圧力が上昇することがないので、成膜ガスの流量を調整するマスフローコントローラ１４、１５の両端の圧力差を十分に高くすることができる。これにより、成膜ガスは流量が安定した状態でマスフローコントローラ１４、１５から成膜室６内に供給されるので成膜室６の混合ガスの状態が安定し、その結果、基板２０上に成膜される膜の膜厚が均一になる。なお、以上の効果を得るためには混合室９からガス導入口１２に至るガス流路は３００ｍｍ以下が好ましい。

上述した状態で基板２０を、第１電極３に内設したヒータで加熱して所定温度（例えば６０〜４５０℃）を維持しながら高周波電源１８から第２電極２に高周波電力（例えば発振周波数は１０〜１００ＭＨｚ）を印加し、両電極２、３間に放電を生じさせプラズマを生じさせる。そのプラズマで成膜ガスが分解されて基板２０の表面で気相成長し基板２０上に堆積される。

そして、本実施形態では、共に導電性を有するガスミキシングボックス８と第２電極２との間に絶縁物１７を介在させて両者の電気的接触を避けた構成とした。ガスミキシングボックス８は電気的にどこにも接続されず、その電位は浮動電位となっている。このような構成により、図３において矢印で示すように、高周波電源１８より第２電極２の上部表面の略中心位置に供給された高周波電流は、ガスミキシングボックス８が配置された図において左側においてもガスミキシングボックス８を経由しないで第２電極２の上部表面を流れて、第１電極３と対向している下部表面に流れる。すなわち、第２電極２の上部表面の略中心から、その上部表面の左側を流れて反対面側に流れる高周波電流の経路と、上部表面の右側を流れて反対面側に流れる高周波電流の経路とは同じ長さとなり、両経路における抵抗が同程度になる。

この結果、ガスミキシングボックス８が存在する図において左側とガスミキシングボックス８が存在しない右側とで、第１電極３との間に生じる高周波電力強度に偏りが生じず、電極面方向での高周波電力強度が均一になる。これにより、基板２０の面方向における膜厚分布が均一となる。

図５は、図２に示す従来の構成と、図３に示す本発明の構成とで、高周波電力が印加される電極の面方向における（peak to peak）電位の電位分布のシミュレーション結果を示す。

この図５の結果から明らかなように、従来の構成ではガスミキシングボックスが有る箇所と無い箇所とで、電極中心から同距離における電位の大きさが異なる。これに対して、本発明の構成では電極中心から同距離における電位は、ガスミキシングボックスが有る箇所と無い箇所どちらも同じ電位となっている。すなわち、本発明では電極中心に対して対称な電位分布が得られる。このことは基板面方向での膜厚分布の均一化につながる。

次に、成膜ガスとしてＳｉＨ₄ガスとＮＨ₃ガスと窒素ガスとを用いた窒化珪素膜と、成膜ガスとしてＳｉＨ₄ガスとＡｒガスとを用いた非晶質珪素膜とを下記の成膜条件にて成膜し、膜厚分布の評価を行った結果について説明する。評価に使用した成膜対象物である矩形状のガラス基板のサイズは７３０ｍｍ×９２０ｍｍであり、その基板の６９０ｍｍ×８８０ｍｍの領域中の２５点で膜厚測定を行い、σ＝（最大膜厚−最小膜厚）／（最大膜厚＋最小膜厚）×１００［％］で定義される膜厚分布を算出し、その値を図２に示される従来構成と、図３に示される本発明構成とで比較した。

窒化珪素膜の成膜条件は、高周波電力周波数を２７.１２ＭＨｚ、投入電力密度を０.５７Ｗ／ｃｍ²、ＳｉＨ₄ガス流量を６９０ｓｃｃｍ、ＮＨ₃ガス流量をＳｉＨ₄ガスの１２.５倍、窒素ガス流量をＳｉＨ₄ガスの１７倍とした。

非晶質珪素膜の成膜条件は、高周波電力周波数を２７.１２ＭＨｚ、投入電力密度を０.０５Ｗ／ｃｍ²、ＳｉＨ₄ガス流量を３３０ｓｃｃｍ、Ａｒガス流量をＳｉＨ₄ガスの５０倍とした。

図６は従来構成における窒化珪素膜の膜厚分布を示し、図７は本発明構成における窒化珪素膜の膜厚分布を示し、図８は従来構成における非晶質珪素膜の膜厚分布を示し、図９は本発明構成における非晶質珪素膜の膜厚分布を示す。各図において、基板の長手方向及び短手方向にそれぞれ対応する２つの横軸は基板中心位置を０とした場合のその中心位置からの距離（ｍｍ）を示し、縦軸は膜厚（Å）を示す。

図６に示されるように、従来構成の成膜装置で成膜された窒化珪素膜では、基板面方向の膜厚分布が±８.９％であり、膜厚分布が傾斜している。これに対して、図７に示されるように、本発明構成の成膜装置で成膜された窒化珪素膜では、基板面方向の膜厚分布は傾斜がなく±３.５％と飛躍的に向上している。また、非晶質珪素膜についても、図９に示される本発明構成の成膜装置で成膜された非晶質珪素膜では基板面方向の膜厚分布は傾斜がなく、図８に示す従来における±５.２％の膜厚分布に対して、±２.４％というように良好な膜厚分布が得られている。

また、図１０は従来構成の成膜装置で成膜された窒化珪素膜の成膜速度と膜厚分布と本発明構成の成膜装置で成膜された窒化珪素膜の成膜速度と膜厚分布を示し、図１１は従来構成の成膜装置で成膜された窒化珪素膜の成膜速度と膜厚分布と本発明構成の成膜装置で成膜された窒化珪素膜の成膜速度と膜厚分布を示す。各図において、■が成膜速度を、◆が膜厚分布を示す。

これら図１０、１１から、窒化珪素膜と非晶質珪素膜のどちらの成膜においても、従来構成の成膜装置で成膜された膜の膜厚分布より、本発明構成の成膜装置で成膜された膜の膜厚分布の方が良好であることがわかる。なおかつ、成膜速度については従来とほとんど同じであり、本発明を用いても成膜速度の低下をまねくことはない。

なお、上記窒化珪素膜や非晶質珪素膜に対する不純物のドーピングのあるなしによって、本発明の効果に違いは出ない。

本発明の実施形態に係るプラズマ成膜装置の概略断面図である。 従来例のプラズマ成膜装置要部の模式図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ成膜装置要部の模式図である。 図２、３の上面図である。 従来と本発明とにおける、電極面内の電位分布図である。 従来における窒化珪素膜の膜厚分布図である。 本発明における窒化珪素膜の膜厚分布図である。 従来における非晶質珪素膜の膜厚分布図である。 本発明における非晶質珪素膜の膜厚分布図である。 従来と本発明とにおいて、窒化珪素膜の成膜速度と膜厚分布を示す図である。 従来と本発明とにおいて、非晶質珪素膜の成膜速度と膜厚分布を示す図である。

符号の説明

１…真空チャンバ、２…第２電極、３…第１電極、４…シャワープレート、８…ガスミキシングボックス、９…混合室、１１…ガス出口、１２…ガス導入口、１７…絶縁物、１８…高周波電源、２０…成膜対象物。

Claims (6)

1. 内部が真空排気される真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設置され、成膜対象物が支持される第１電極と、
   複数種の成膜ガスを混合するガスミキシングボックスと、
   前記真空チャンバの壁の一部を構成して前記第１電極に対向しており、前記ガスミキシングボックス内で混合された成膜ガスを前記真空チャンバ内に導入するためのガス導入口が形成された第２電極と、
   前記第１及び第２電極間に高周波電界を生じさせて前記真空チャンバ内に前記成膜ガスのプラズマを生成させる高周波電源と、を備えたプラズマ成膜装置であって、
   前記ガスミキシングボックスは、前記第２電極上に絶縁物を介して設置され、前記混合ガスのガス出口を前記第２電極の前記ガス導入口に直結させている
   ことを特徴とするプラズマ成膜装置。
2. 前記複数種の成膜ガスは、珪素含有ガスと窒素含有ガスを含み、前記成膜対象物に窒化珪素膜が成膜される請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
3. 前記複数種の成膜ガスは、珪素含有ガスと不活性ガスを含み、前記成膜対象物に多結晶もしくは非晶質の珪素膜が成膜される請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
4. 前記高周波電源の発振周波数は１０〜１００ＭＨｚであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のプラズマ成膜装置。
5. 前記絶縁物は、アルミナまたはフッ素樹脂であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載のプラズマ成膜装置。
6. 前記ガスミキシングボックス内で混合された成膜ガスが前記第２電極の前記ガス導入口に至るまでのガス流路が３００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載のプラズマ成膜装置。