JP4937322B2

JP4937322B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP4937322B2
Application number: JP2009217604A
Authority: JP
Inventors: 孝博三島; 光弘松本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP2009302572A

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関し、特に、互いに対向するように配置された第１電極および第２電極を備えたプラズマ処理装置に関する。

従来、基板を保持することが可能な第１電極と、その第１電極と対向するように配置された第２電極とを備えた平行平板型のプラズマ処理装置およびプラズマ処理装置を用いた膜の製造方法が知られている（たとえば、特許文献１〜３参照）。

上記特許文献１には、成膜速度を大きくする場合に、約６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）以上の高圧雰囲気にするとともに、基板と対向電極（第２電極）との隙間を約１０ｍｍ以下に設定するプラズマＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置（プラズマ処理装置）が開示されている。このプラズマＣＶＤ装置では、対向電極（第２電極）からガスが供給されるとともに、シリコン粉体（生成物）を含むガスを排出するための排気流路が基板を保持する電極（第１電極）および対向電極（第２電極）の側方に配置されている。また、上記特許文献１では、基板および対向電極の周囲を取り囲むように、円筒形状の流路制御板を設けることにより、ガスを流路制御板の上方および下方を通過させて排気流路から排気するようにしている。

また、上記特許文献２には、成膜速度を大きくする場合に、約１９９５Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）以上の高圧雰囲気にするとともに、接地電極（第１電極）と高周波供給電極（第２電極）との隙間を約６ｍｍ以下に設定することにより高密度なプラズマを発生させるプラズマＣＶＤ装置（プラズマ処理装置）が開示されている。このプラズマＣＶＤ装置では、接地電極および高周波供給電極の間にガスが供給されるとともに、生成物を含むガスが接地電極および高周波供給電極の側方および下方から排気される。

また、上記特許文献３には、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン系薄膜からなる光電変換層を形成する際に、成膜速度を大きくするために、約３９９Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）以上の高圧雰囲気にするシリコン系薄膜の製造方法が開示されている。

図１８は、従来の一例による平行平板型のプラズマ処理装置を示した概略図である。図１９は、図１８に示した従来の平行平板型のプラズマ処理装置の下部電極の拡大平面図である。図２０は、図１８に示した従来の平行平板型のプラズマ処理装置の下部電極の拡大断面図である。以下、図１８〜図２０を参照して、従来のプラズマ処理装置１０１について説明する。従来の平行平板型のプラズマ処理装置１０１では、図１８に示すように、真空チャンバ１０２内に、上部電極１０３と下部電極１０４とが互いに対向するように設置されている。また、上部電極１０３には、下部電極１０４と対向する側に基板１１０を保持するための基板保持部１０３ａが形成されている。また、下部電極１０４の上部電極１０３と対向する表面には、図１９および図２０に示すように、原料ガスを供給するための複数のガス供給口１０４ａが設けられている。また、真空チャンバ１０２の一方の側面（上部電極１０３および下部電極１０４の側方）には、図１８に示すように、排気口１０２ａが設けられているとともに、その排気口１０２ａは、排気流量調整バルブ１０５を介して真空排気設備１０６に接続されている。この真空排気設備１０６は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１０６ａおよび油回転ポンプ（ＲＰ）１０６ｂによって構成されている。また、下部電極１０４のガス供給口１０４ａは、原料ガス供給源１０７に接続されている。

上記した従来の平行平板型のプラズマ処理装置１０１では、下部電極１０４の上面全体
でプラズマが発生するとともに、そのプラズマにより原料ガスが分解される。また、上記した従来の平行平板型のプラズマ処理装置１０１の構成において、分解されなかった未反応ガス（原料ガス）や、原料ガスが分解されることにより生成される負イオン、悪性ラジカルおよびフレーク（負イオンの重合反応により生成される微粒子）などの生成物は、上部電極１０３および下部電極１０４の側方に設けられた排気口１０２ａにより排出される。

特開平１１−３３０５２０号公報特開平７−２２８９６５号公報特開平１１−１４５４９９号公報

しかしながら、図１８に示した従来の平行平板型のプラズマ処理装置１０１では、成膜速度を大きくする場合に、高圧雰囲気下でプラズマを発生させる必要がある。このように高圧雰囲気下でプラズマを発生させるためには、大きい電圧を印加する必要がある。このため、プラズマを発生させるための電源が大きくなるので、その分、装置が大型化するという問題点があった。また、図１８に示した従来のプラズマ処理装置１０１では、一方の側方に設けられた排気口１０２ｂにより排気を行うため、基板１１０の中央部からの未反応ガスおよび生成物の排気量と、端部からの未反応ガスおよび生成物の排気量とが不均一になりやすい。特に、従来のプラズマ処理装置１０１では、成膜速度を大きくするために、高圧雰囲気下でプラズマを発生させる場合、上部電極１０３と下部電極１０４との隙間を小さくする必要がある。このように上部電極１０３と下部電極１０４との隙間を小さくした状態で、一方の側方から排気を行うと、基板１１０の中央部からの未反応ガスおよび生成物の排気量と基板１１０の端部からの未反応ガスおよび生成物の排気量とがより不均一になりやすいので、膜厚および膜質が不均一になりやすいという問題点があった。

また、上記特許文献１〜３では、成膜速度を大きくするために、高圧雰囲気下でプラズマを発生させる必要があるため、図１８に示した従来のプラズマ処理装置１０１と同様、プラズマを発生させるための電源が大きくなるという不都合がある。その結果、装置が大型化するという問題点がある。

また、上記特許文献１に開示されたプラズマ処理装置では、基板および対向電極の周囲を取り囲むように円筒形状の流路制御板を設けることにより、ガスの排気量の不均一をある程度緩和することが可能である。しかしながら、流路制御板を設けた場合にも、流路制御板の上部付近では、ガスが一方の側方に設けられた排気流路に向かって排気されるので、その一方方向への排気に起因して、流路制御板の内部に配置された基板および対向電極の反応ガスを十分に均一に流動させることが困難であるという不都合がる。これにより、膜厚および膜質を十分に均一にするのが困難であるという問題点がある。

また、上記特許文献２に開示されたプラズマ処理装置では、接地電極および高周波供給電極の両側方に設けられた流路と、高周波供給電極の下方に設けられた流路とにより排気を行うため、基板の両方の端部からの未反応ガスおよび生成物の排気量を均一にすることは可能である。しかしながら、基板の中央部と端部とでは、排気流路の距離が異なるため、基板の中央部からの未反応ガスおよび生成物の排気量と、基板の端部からの未反応ガスおよび生成物の排気量とが不均一になりやすい。このため、膜厚および膜質が不均一になりやすいという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、電源が大きくなるのを抑制しながら、成膜速度を大きくするとともに、膜厚および膜質が不均一になるのをより有効に抑制することが可能なプラズマ処理装置を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記目的を達成するために、この発明の一の局面によるプラズマ処理装置は、基板を保持することが可能な第１電極と、第１電極と対向するように設置され、第１電極と対向する部分に複数の凸部および複数の凹部が形成される第２電極とを備え、第２電極の凸部および凹部の一方には、ガスを供給するためのガス供給口が形成されるとともに、第２電極の凸部および凹部の他方には、ガスを排出するためのガス吸引口が形成される。

この一の局面によるプラズマ処理装置では、上記のように、第１電極と対向する部分に複数の凸部が形成される第２電極を設けることによって、第２電極の凸部に電界を集中させることができるので、第１電極と第２電極との間に高密度なプラズマを発生させることができる。これにより、ガス（原料ガス）の分解効率を向上させることができるので、より多くの成膜種を形成することができる。その結果、成膜速度を向上させることができる。また、第２電極の凸部および凹部の一方に、ガスを供給するためのガス供給口を形成するとともに、第２電極の凸部および凹部の他方に、ガスを排出するためのガス吸引口を形成することによって、第２電極の全ての領域において、ガス供給口とガス吸引口とを均一に配置することができる。これにより、高圧雰囲気にするとともに、第１電極および第２電極の隙間を小さくした場合にも、第２電極に設けられたガス吸引口により、基板の中央部および端部における未反応ガスおよび生成物を均一に排出することができるので、基板の中央部と端部との原料ガスの濃度をより均一にすることができる。これにより、膜厚および膜質が不均一になるのをより有効に抑制することができる。

上記一の局面によるプラズマ処理装置において、好ましくは、凸部には、ガスを供給するためのガス供給口が形成されており、凸部を中心とするプラズマ発生領域と、隣接する凸部を中心とするプラズマ発生領域とがオーバラップするように、複数の凸部が配置されている。このように構成すれば、隣接する凸部間の領域にも、プラズマ発生領域を配置することができるので、プラズマ発生領域を第２電極の全面に配置することができる。これにより、第２電極の全面で成膜種を生成することができるので、凸部を設けたとしても、膜厚および膜質が不均一になるのを有効に抑制することができる。

上記一の局面によるプラズマ処理装置において、好ましくは、凹部には、ガスを排出するためのガス吸引口が形成されており、凹部のガス吸引口以外の部分に配置される絶縁部材をさらに備える。このように構成すれば、ガスが凹部を通過してガス吸引口から排出される場合に、凹部のガスが通過する部分の面積を絶縁部材が配置された分だけ小さくすることができるので、ガス吸引口付近のガスの流速を大きくすることができる。これにより、ガスに含まれるフレークなどが凹部などに付着するのを抑制することができる。この場合、凹部に配置する部材を絶縁部材により形成することによって、第２電極の凸部に集中する電界が分散するのを抑制することができるので、絶縁部材を設けたとしても、プラズマの密度が低下するのを抑制することができる。

上記一の局面によるプラズマ処理装置において、好ましくは、第１電極に保持される基板は、揺動可能に構成されている。このように構成すれば、基板の揺動により、プラズマ密度の高い第２電極の凸部に対応する領域を成膜時に基板の表面に均一に分布させることができるので、凸部を設けたとしても、膜厚および膜質が不均一になるのを抑制することができる。

上記一の局面によるプラズマ処理装置において、好ましくは、凹部は、平面的に見て、凸部の近傍に複数配置されているとともに、複数の凹部は、凸部の中心に対して対称に配置されている。このように構成すれば、たとえば、凸部にガス供給口を設けるとともに、凹部にガス吸引口を設けるようにすれば、凸部のガス供給口の中心に対して対称に配置された凹部のガス吸引口により、未反応ガスや生成物を凸部のガス供給口に対してより均一に排出することができる。これにより、凸部のガス供給口により原料ガスをより均一に供給することができるので、膜厚および膜質が不均一になるのを抑制することができる。

上記一の局面によるプラズマ処理装置において、好ましくは、凸部および凹部は、基板の主表面に沿った所定の方向に延びるように形成されるとともに、所定の方向と交差する方向に所定の間隔を隔てて配置される。このように構成すれば、ガス供給口およびガス吸引口を、それぞれ、所定の方向に沿って配置することができるので、所定の方向に沿った膜厚および膜質の均一性を向上させることができる。

上記凸部および凹部が基板の主表面に沿った所定の方向に延びるように形成されるプラズマ処理装置において、好ましくは、ガス供給口およびガス吸引口は、基板の主表面に沿った所定の方向に延びるようにスリット状に形成されている。このように構成すれば、ガス供給口およびガス吸引口を、それぞれ、所定の方向に延びるように配置することができるので、所定の方向に沿った膜厚および膜質の均一性をより向上させることができる。

上記一の局面によるプラズマ処理装置において、好ましくは、第２電極の凸部の第１電極側の先端部の幅は、第２電極の凸部の根元部の幅よりも小さい。このように構成すれば、第２電極の凸部の先端部に電界をより集中させることができるので、第１電極と第２電極との間に、より高密度なプラズマを発生させることができる。

本発明の第１実施形態によるプラズマ処理装置を示した概略図である。図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の上部電極および下部電極の周辺の正面図である。図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の下部電極の平面図である。図３の１５０−１５０線に沿った断面図である。図３の１６０−１６０線に沿った断面図である。図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の下部電極の凸部の拡大断面図である。図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の効果を確認するための実験を詳細に説明するための平面図である。図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の効果を確認するための実験を詳細に説明するための断面図である。本発明の第２実施形態によるプラズマ処理装置の下部電極の平面図である。図９の１７０−１７０線に沿った断面図である。図９の１８０−１８０線に沿った断面図である。本発明の第１実施形態の第１変形例によるプラズマ処理装置の下部電極を説明するための断面図である。本発明の第１実施形態の第２変形例によるプラズマ処理装置の下部電極を説明するための平面図である。図１３の１９０−１９０線に沿った断面図である。本発明の第１実施形態の第３変形例によるプラズマ処理装置の下部電極を説明するための平面図である。図１５の２００−２００線に沿った断面図である。本発明の第１実施形態の第４変形例によるプラズマ処理装置の下部電極を説明するための断面図である。従来の平行平板型のプラズマ処理装置を示した概略図である。図１８に示した従来の平行平板型のプラズマ処理装置の下部電極の平面図である。図１８に示した従来の平行平板型のプラズマ処理装置の下部電極の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるプラズマ処理装置を示した概略図である。図２は、図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の上部電極および下部電極の周辺の正面図である。図３〜図６は、図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の下部電極の構造を詳細に説明するための図である。まず、図１〜図６を参照して、第１実施形態によるプラズマ処理装置１の構成について説明する。

第１実施形態によるプラズマ処理装置１は、図１に示すように、真空チャンバ２内に、上部電極３と下部電極４とが互いに対向するように設置された平行型構造を有する。また、上部電極３および下部電極４は、それぞれ、本発明の「第１電極」および「第２電極」の一例である。また、上部電極３および下部電極４の主表面は、約６００ｍｍ×約６００ｍｍの面積を有している。また、上部電極３には、下部電極４と対向する側に基板１０を保持するための基板保持部３ａが形成されている。また、基板１０は、約４００ｍｍ（Ｘ方向）×約３００ｍｍ（図３のＹ方向）の面積を有している。また、上部電極３は、Ｘ方向に揺動可能に設けられている。また、上部電極３は、基板１０を所定の温度に保持するための加熱冷却機構部（図示せず）を含んでいる。

ここで、第１実施形態では、下部電極４は、図２に示すように、上部電極３と対向する側に複数の凸部４ａおよび複数の凹部４ｂが一体的に形成されている。これにより、成膜時に凸部４ａを中心として高密度なプラズマを発生させることが可能となる。また、図４に示すように、凸部４ａの先端部から凹部４ｂの底面までの距離ｈは、約１０ｍｍである。また、図２および図４に示すように、凸部４ａの先端部は、根元部から先端部に向かって幅が小さくなるように形成されている。これにより、凸部４ａの幅の小さい先端部に電界をより集中させることが可能となるので、より高密度なプラズマを発生させることが可能となる。また、凸部４ａは、図４および図５に示すように、隣接する凸部４ａ間で、プラズマ発生領域２０がオーバラップするように配置されている。また、下部電極４の凸部４ａには、プラズマに原料ガスを供給するためのガス供給口４ｃが設けられている。また、凸部４ａのガス供給口４ｃの先端部４ｄは、図６に示すように、半径が約０．５ｍｍ以下の曲面形状を有するように形成されている。これにより、ガス供給口４ｃから供給されるガスを、矢印Ｓのように凸部４ａの先端付近で滞留させることが可能となるので、プラズマ発生領域２０における原料ガスの滞留時間を長くすることが可能となる。その結果、より多くの成膜種を生成することが可能となるので、成膜速度をより大きくすることが可能となる。また、凸部４ａは、図３に示すように、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれｄ１（約７ｍｍ）およびｄ２（約７ｍｍ）の間隔で配置されている。

また、第１実施形態では、下部電極４の凹部４ｂには、図３〜図５に示すように、未反応ガス、および、原料ガスが分解されることにより生成される負イオン、悪性ラジカルおよびフレークなどの生成物を排出するためのガス吸引口４ｅが設けられている。また、凹部４ｂは、凸部４ａの中心部３０（図３参照）に対して対称に配置されている。具体的に
は、図３に示すように、隣接する４つの凸部４ａの中心部３０で形成される正方形の中心部に凹部４ｂのガス吸引口４ｅが配置されている。したがって、凹部４ｂのガス吸引口４ｅも凸部４ａと同様、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ約７ｍｍ間隔で配置されている。

また、図１に示すように、真空チャンバ２は、側方に排気口２ａを有するとともに、その排気口２ａは、排気流量調整バルブ５を介して真空排気設備６に接続されている。この真空排気設備６は、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）６ａおよび油回転ポンプ（ＲＰ）６ｂによって構成されている。また、下部電極４のガス供給口４ｃは、原料ガス供給源７に接続されている。また、下部電極４のガス吸引口４ｅは、真空排気設備８に接続されている。この真空排気設備８は、メカニカルブースターポンプ（ＭＢＰ）８ａおよび油回転ポンプ（ＲＰ）８ｂによって構成されている。

第１実施形態では、上記のように、上部電極３と対向する部分に複数の凸部４ａが形成される下部電極４を設けることによって、下部電極４の凸部４ａに電界を集中させることができるので、下部電極４の凸部４ａに高密度なプラズマを発生させることができる。これにより、原料ガスの分解効率を向上させることができるので、成膜速度を向上させることができる。また、下部電極４の凸部４ａに、原料ガスを供給するためのガス供給口４ｃを形成するとともに、下部電極４の凹部４ｂに、原料ガスを排出するためのガス吸引口４ｅを形成することによって、下部電極４の全ての領域において、ガス供給口４ｃとガス吸引口４ｅとを均一に配置することができる。これにより、高圧雰囲気にするとともに、上部電極３および下部電極４の隙間を小さくした場合にも、下部電極４に設けられたガス吸引口４ｅにより、基板１０の中央部および端部における未反応ガスおよび生成物を同じ排気量で均一に排出することができるので、基板１０の中央部と端部との原料ガスの濃度をより均一にすることができる。これにより、膜厚および膜質が不均一になるのをより有効に抑制することができる。

また、第１実施形態では、凸部４ａを中心とするプラズマ発生領域２０と、隣接する凸部４ａを中心とするプラズマ発生領域２０とがオーバラップするように、複数の凸部４ａを配置することによって、隣接する凸部４ａ間の領域にも、プラズマ発生領域２０を配置することができるので、プラズマ発生領域２０を下部電極４の全面に配置することができる。これにより、下部電極４の全面で成膜種を生成することができるので、凸部４ａを設けたとしても、膜厚および膜質が不均一になるのを有効に抑制することができる。

また、第１実施形態では、上部電極３および基板１０を、揺動可能に設けることによって、上部電極３および基板１０の揺動により、プラズマ密度の高い下部電極４の凸部４ａに対応する領域を成膜時に基板１０の表面に均一に分布させることができるので、凸部４ａを設けたとしても、膜厚および膜質が不均一になるのを抑制することができる。

また、第１実施形態では、凹部４ｂを、平面的に見て、凸部４ａの近傍に複数配置するとともに、複数の凹部４ｂを、凸部４ａの中心部３０に対して対称に配置することによって、凸部４ａのガス供給口４ｃの中心部３０に対して対称に配置された凹部４ｂのガス吸引口４ｅにより、未反応ガスや生成物を凸部４ａのガス供給口４ｃに対してより均一に排出することができる。これにより、凸部４ａのガス供給口４ｃにより原料ガスをより均一に供給することができるので、膜厚および膜質が不均一になるのを抑制することができる。

次に、図１および図２を参照して、第１実施形態によるプラズマ処理装置１により基板１０上に所定の膜を形成する方法について説明する。

まず、図１に示すように、プラズマ処理装置１の上部電極３の下部電極４と対向する側
に形成された基板保持部３ａに基板１０を固定した後、真空チャンバ２の排気口２ａに接続された真空排気設備６により真空チャンバ２内を真空排気する。

次に、上部電極３と下部電極４との間に、図２に示すように、原料ガス供給源７（図１参照）に接続された下部電極４のガス供給口４ｃから原料ガスを供給する。そして、上部電極３および基板１０をＸ方向に所定の量だけ揺動させる。この後、下部電極４に高周波電力を供給することにより、下部電極４の凸部４ａを中心としてプラズマを発生させる。これにより、原料ガスがプラズマにより分解されて成膜種が生成される。このとき、上部電極３と下部電極４との間には、成膜種以外に、プラズマにより分解されない未反応ガス（原料ガス）や、原料ガスがプラズマにより分解されて生成された負イオンおよび悪性ラジカルが存在する。また、負イオンの重合反応により生成される微粒子（フレーク）も存在する。

この際、第１実施形態では、下部電極４において、ガス供給口４ｃにより原料ガスを供給しながら、ガス吸引口４ｅにより、未反応ガス、負イオン、悪性ラジカルおよびフレークを吸引する。なお、負イオン、悪性ラジカルおよびフレークは、図１に示すように、真空チャンバ２の排気口２ａからも排出される。

この後、原料ガスがプラズマにより分解されて生成された成膜種が基板１０上に堆積することによって、基板１０上に所定の膜（図示せず）が形成される。

図７は、図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置の効果を確認するための実験を詳細に説明するための図である。次に、上記第１実施形態の成膜速度、膜厚および膜質に関する効果を確認するために行った実験について説明する。この確認実験では、凸部４ａおよびガス吸引口４ｅを設けた下部電極４を備えたプラズマ処理装置１を用いて、基板１０上に実施例１による微結晶系Ｓｉ膜を形成した。そして、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚を測定するとともに、膜厚のばらつきを算出した。また、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜のラマンスペクトル強度を測定するとともに、ラマン強度比（Ｉｃ／Ｉａ）を算出した。なお、ラマン強度比は、Ｉｃ（結晶シリコンに起因するラマンスペクトル強度）をＩａ（アモルファスシリコンに起因するラマンスペクトル強度）で割ったものである。なお、実施例１に対する比較例１として、ガス供給口１０４ａのみを有する平坦面状の下部電極１０４を備えたプラズマ処理装置１０１を用いて、基板１１０上に比較例１による微結晶系Ｓｉ膜を形成した。そして、比較例１による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚を測定するとともに、膜厚のばらつきを算出した。また、比較例１による微結晶系Ｓｉ膜のラマンスペクトル強度を測定するとともに、ラマン強度比（Ｉｃ／Ｉａ）を算出した。以下、実施例１および比較例１について詳細に説明する。

（実施例１）
この実施例１では、図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置１を用いて、基板１０としてのガラス基板上に、微結晶系Ｓｉ膜を形成した。なお、下部電極４の凸部４ａの先端から基板１０までの距離を１５ｍｍに設定した。また、実施例１では、上部電極３および基板１０を揺動させずに微結晶系Ｓｉ膜を形成した。実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成条件を以下の表１に示す。

上記表１を参照して、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜を形成する際には、周波数、高周波電力、圧力および基板温度を、それぞれ、４０ＭＨｚ、５００Ｗ、６６５Ｐａおよび２３０℃に設定した。また、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜を形成する際の原料ガス流量を、ＳｉＨ_４（２％：Ｈ_２希釈）：６５ｓｃｃｍおよびＨ_２：３０００ｓｃｃｍに設定した。また、形成時間を３０分（ｍｉｎ）に設定した。

（比較例１）
この比較例１では、図１８〜図２０に示した従来のプラズマ処理装置１０１を用いて、基板１１０としてのガラス基板上に、微結晶系Ｓｉ膜を形成した。なお、下部電極１０４から基板１１０までの距離を１５ｍｍに設定した。なお、比較例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成条件は、上記実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成条件と同じである。

そして、上記実施例１および比較例１による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚およびラマンスペクトル強度を測定した。なお、測定ポイントは、図７に示すように、基板１０および１１０を約１３３．３ｍｍ×約１５０ｍｍのエリアに６等分した場合の各エリアの中心Ａ〜Ｆである。これらの結果を以下の表２および表３に示す。

上記表２および表３を参照して、下部電極４に凸部４ａを設けたプラズマ処理装置１を用いた実施例１の成膜速度は、下部電極１０４の表面が平坦面状であるプラズマ処理装置１０１を用いた比較例１の成膜速度よりも、約２２．９％増加することが判明した。具体的には、比較例１による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚は、平均値で６８１ｎｍであり、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚は、比較例１の膜厚の平均値（６８１ｎｍ）よりも約２２．９％多い８３７ｎｍ（平均値）であった。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成に用いたプラズマ処理装置１では、下部電極４に凸部４ａを設けているので、凸部４ａを中心としてプラズマが集中して発生される。これにより、プラズマの密度を高くすることができるので、原料ガスの分解効率を向上させることができたと考えられる。その結果、凸部４ａを設けた実施例１では、下部電極１０４の表面が平坦面状である比較例１と比べて、成膜速度が大きくなったと考えられる。

また、下部電極４に凸部４ａを設けたプラズマ処理装置１を用いた実施例１の微結晶系Ｓｉ膜の膜厚は、下部電極１０４の表面が平坦面状であるプラズマ処理装置１０１を用いた比較例１の微結晶系Ｓｉ膜の膜厚よりも、均一性が高いことが判明した。具体的には、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚の標準偏差は、１７．２ｎｍであり、比較例１による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚の標準偏差は、２５．０ｎｍであった。ここで、標準偏差が小さいということは、ばらつきが小さくて均一性が高いことを意味するので、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜は、比較例１による微結晶系Ｓｉ膜よりも膜厚の均一性が高いと言える。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成に用いたプラズマ処理装置１では、下部電極４に負イオン、悪性ラジカルおよびフレークを排出するためのガス吸引口４ｅを設けているので、下部電極４の全ての領域において、ガス供給口４ｃとガス吸引口４ｅとを均一に配置することができる。これにより、下部電極４に設けられたガス吸引口４ｅにより、基板１０の中央部および端部における未反応ガスおよび生成物を均一に排出することができるので、基板１０の中央部と端部との原料ガスの濃度をより均一にすることができる。これにより、膜厚が不均一になるのをより有効に抑制することができたと考えられる。

また、上記表２および表３に示すように、下部電極４に凸部４ａを設けたプラズマ処理装置１を用いた実施例１のラマン強度比は、下部電極１０４の表面が平坦面状であるプラズマ処理装置１０１を用いた比較例１のラマン強度比よりも、ばらつきが小さくなることが判明した。具体的には、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜のラマン強度比の標準偏差は、０．４２０であり、比較例１による微結晶系Ｓｉ膜のラマン強度比の標準偏差は、０．７７１であった。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成に用いたプラズマ処理装置１では、下部電極４に負イオン、悪性ラ
ジカルおよびフレークを排出するためのガス吸引口４ｅを設けているので、下部電極４の全ての領域において、ガス供給口４ｃとガス吸引口４ｅとを均一に配置することができる。これにより、下部電極４に設けられたガス吸引口４ｅにより、基板１０の中央部および端部における未反応ガスおよび生成物を均一に排出することができるので、基板１０の中央部と端部との原料ガスの濃度をより均一にすることができる。このため、膜質が均一になったと考えられる。

次に、上記第１実施形態の成膜時に上部電極３および基板１０を揺動させた場合の効果を確認するために行った実験について説明する。この確認実験では、凸部４ａおよびガス吸引口４ｅを設けた下部電極４を備えたプラズマ処理装置１を用いて、成膜時に上部電極３および基板１０を揺動させる実施例２による微結晶系Ｓｉ膜を形成するとともに、成膜時に上部電極３および基板１０を揺動させない実施例３による微結晶系Ｓｉ膜を形成した。そして、実施例２および３による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚をそれぞれ測定するとともに、膜厚のばらつきを算出した。以下、実施例２および３について詳細に説明する。

（実施例２）
この実施例２では、図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置１を用いて、基板１０としてのガラス基板上に、微結晶系Ｓｉ膜を形成した。なお、下部電極４の凸部４ａの先端部から基板１０までの距離を１５ｍｍに設定した。また、実施例２では、上部電極３および基板１０をＸ方向に揺動させながら微結晶系Ｓｉ膜を形成した。なお、揺動速度および揺動幅を、それぞれ、５ｍｍ／ｓｅｃおよび１００ｍｍに設定した。なお、実施例２による微結晶系Ｓｉ膜の形成条件は、上記実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成条件と同じである。

（実施例３）
この実施例３では、図１に示した第１実施形態によるプラズマ処理装置１を用いて、基板１０としてのガラス基板上に、微結晶系Ｓｉ膜を形成した。なお、下部電極４の凸部４ａの先端から基板１０までの距離を１５ｍｍに設定した。また、実施例３では、上部電極３および基板１０を揺動させずに微結晶系Ｓｉ膜を形成した。なお、実施例３による微結晶系Ｓｉ膜の形成条件は、上記実施例１による微結晶系Ｓｉ膜の形成条件と同じである。

そして、上記実施例２および実施例３による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚を測定した。なお、測定ポイントは、図８に示したＧ〜Ｌである。なお、Ｇ、ＩおよびＫは、隣接する凸部４ａと凸部４ａとの中心部分に対向する基板１０の部分である。また、Ｈ、ＪおよびＬは、凸部４ａの中心部分に対向する基板１０の部分である。これらの結果を以下の表４に示す。

上記表４を参照して、上部電極３および基板１０を揺動させた実施例２の膜厚は、上部電極３および基板１０を揺動しない実施例３の膜厚よりも、均一性が高いことが判明した。具体的には、実施例２による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚の標準偏差は、３．１４ｎｍであり、実施例３による微結晶系Ｓｉ膜の膜厚の標準偏差は、３８．０ｎｍであった。つまり、実施例２では、実施例３の標準偏差の１／１０以下の小さい標準偏差を有するので、実施例３に比べて均一性が大幅に高いと言える。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、上部電極３および基板１０を揺動させた実施例２では、上部電極３および基板１０の揺動により、プラズマ密度の高い下部電極４の凸部４ａに対応する領域を成膜時に基板１０の表面に均一に分布させることができるので、上部電極３および基板１０を揺動しない実施例３と比べて、膜厚を均一にすることができたと考えられる。

（第２実施形態）
図９〜図１１は、本発明の第２実施形態によるプラズマ処理装置の下部電極の構造を詳細に説明するための図である。図４および図９〜図１１を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、下部電極４の凹部４ｂに絶縁部材１４を配置したプラズマ処理装置について説明する。

すなわち、この第２実施形態によるプラズマ処理装置では、図９〜図１１に示すように、下部電極４の凹部４ｂには、アルミナや石英などからなる絶縁部材１４が配置されている。この絶縁部材１４には、ガスを排出するためのガス流路１４ａ（図１１参照）が形成されている。このガス流路１４ａは、凹部４ｂに設けられたガス吸引口４ｅと連続するように形成されている。また、この絶縁部材１４の上面は、下部電極４の凸部４ａの上面よりも少し低い位置に位置する。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第２実施形態では、上記のように、ガス流路１４ａが形成された絶縁部材１４を下部電極４の凹部４ｂに配置することによって、ガスが凹部４ｂを通過してガス吸引口４ｅから排出される場合に、凹部４ｂでのガスが通過する部分の面積をガス流路１４ａにより小さくすることができるので、下部電極４の上面での排出ガスの流速を大きくすることができる。これにより、凹部４ｂなどにフレークなどが付着するのを抑制することができる。なお、上記実施形態１のように電極の凹部４ｂに絶縁部材１４を配置しない場合には、凹部４ｂに、図４に示すようなフレークｆなどが付着しやすくなる。これは、以下の理由によると考えられる。すなわち、図４に示した下部電極４では、凹部４ｂの面積がガス吸引口４ｅの面積よりも大きいので、凹部４ｂに設けたガス吸引口４ｅによりガスを排気する際に、凹部４ｂでのガスの流速が小さくなる。これにより、下部電極４の凹部４ｂの表面にフレークｆなどが付着しやすいと考えられる。

また、第２実施形態では、凹部４ｂに絶縁物からなる絶縁部材１４を配置することによって、金属からなる下部電極４の凸部４ａに集中する電界が分散するのを抑制することができるので、絶縁部材１４を設けたとしても、プラズマの密度が低下するのを抑制することができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１実施形態では、凸部にガス供給口を設けるとともに、凹部にガス吸引口を設けた例を示したが、本発明はこれに限らず、図１２に示した第１実施形態の第１変形例のように、下部電極２４の凹部２４ｂにガス供給口２４ｃを設けるとともに、下部電極２４の凸部２４ａにガス吸引口２４ｅを設けてもよい。

また、上記第１実施形態では、凸部をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ約７ｍｍ間隔で配置するとともに、凹部をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ約７ｍｍ間隔で配置した例を示したが、本発明はこれに限らず、図１３および図１４に示した第１実施形態の第２変形例、または、図１５および図１６に示した第１実施形態の第３変形例のように凸部および凹部を配置してもよい。具体的には、第１実施形態の第２変形例では、図１３および図１４に示すように、下部電極３４の凸部３４ａおよび凹部３４ｂを基板の主表面に沿ったＹ方向に延びるようにＸ方向に所定の間隔を隔てて形成する。そして、凸部３４ａにＹ方向に所定の間隔を隔ててガス供給口３４ｃを設けるとともに、凹部３４ｂにＹ方向に所定の間隔を隔ててガス吸引口３４ｅを設ける。この場合、ガス供給口３４ｃおよびガス吸引口３４ｅを、それぞれ、Ｙ方向に沿って配置することができるので、Ｙ方向に沿った膜厚および膜質の均一性を向上させることができる。また、第１実施形態の第３変形例では、図１５および図１６に示すように、下部電極４４の凸部４４ａおよび凹部４４ｂを基板の主表面に沿ったＹ方向に延びるようにＸ方向に所定の間隔を隔てて形成する。そして、ガス供給口４４ｃを凸部４４ａにＹ方向に延びるスリット状に形成するとともに、ガス吸引口４４ｅを凹部４４ｂにＹ方向に延びるスリット状に形成する。この場合、ガス供給口４４ｃおよびガス吸引口４４ｅを、それぞれ、Ｙ方向に延びるように配置することができるので、Ｙ方向に沿った膜厚および膜質の均一性をより向上させることができる。

また、上記第１実施形態では、下部電極の凸部に設けた孔によりガス供給口を構成するとともに、凹部に設けた孔によりガス吸引口を構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、図１７に示した第１実施形態の第４変形例のように、下部電極５４の凸部５４ａおよび凹部５４ｂを金型によりメッシュ状に成型するとともに、そのメッシュ状の凸部５４ａおよび凹部５４ｂに、それぞれ、別途設けたパイプ状のノズルからなるガス供給口５４ｃおよびガス吸引口５４ｅを埋め込むようにしてもよい。

また、上記実施形態では、上部電極および基板をＸ方向に沿って揺動した例を示したが、本発明はこれに限らず、上部電極および基板をＸ方向以外のたとえばＹ方向に沿って揺動してもよい。

また、上記実施形態では、上部電極および基板の揺動幅を１００ｍｍに設定した例を示したが、本発明はこれに限らず、上部電極および基板の揺動幅をその他の値に設定してもよい。ただし、上部電極および基板の揺動幅は、凸部のピッチ（約７ｍｍ）以上に設定するのが望ましい。

３上部電極
４、２４、３４、４４、５４下部電極
４ａ、２４ａ、３４ａ、４４ａ、５４ａ凸部
４ｂ、２４ｂ、３４ｂ、４４ｂ、５４ｂ凹部
４ｃ、２４ｃ、３４ｃ、４４ｃ、５４ｃガス供給口
４ｅ、２４ｅ、３４ｅ、４４ｅ、５４ｅガス吸引口
１０基板
２０プラズマ発生領域

Claims

基板を保持することが可能な第１電極と、
前記第１電極と対向するように設置され、前記第１電極と対向する部分に複数の凸部および複数の凹部が形成される第２電極とを備え、
前記第２電極の前記凸部には、ガスを供給するためのガス供給口が形成されるとともに、前記第２電極の前記凹部には、前記ガスを排出するためのガス吸引口が形成され、
前記凹部は、平面的に見て、前記凸部の近傍に複数配置されているとともに、前記複数の凹部は、前記凸部の中心に対して対称に配置され、
前記凸部を中心とするプラズマ発生領域と、隣接する前記凸部を中心とするプラズマ発生領域とがオーバラップするように、前記複数の凸部が配置されている、プラズマ処理装置。
前記第１電極に保持される前記基板は、揺動可能に構成されている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記第２電極の凸部の前記第１電極側の先端部の幅は、前記第２電極の凸部の根元部の幅よりも小さい、請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。