JP5035352B2 - プラズマプロセス用電極及びプラズマプロセス装置 - Google Patents

Description

本発明は、高密度プラズマの生成が可能なプラズマプロセス用電極及びプラズマプロセス装置に関する。

化学気相成長（ＣＶＤ）やエッチング等の処理を行なうプラズマプロセス装置は、接地された陽極と、高周波電力が供給される陰極とを有するプラズマプロセス用電極を備える。陽極の上面には、半導体基板等の被処理基板が載置される。陰極には、プロセスガスを被処理基板に向かって供給する複数の貫通孔を有するシャワーヘッドが、陽極上の被処理基板に対向して設けられる。

陰極に空洞を設けると、ホロー効果により高い電子密度が得られることが知られている。プラズマＣＶＤにおいて、シャワーヘッドのそれぞれの貫通孔に対して、プロセスガスの出口側の直径を入口側よりも大きくした窪みを設けたホロー陰極を用いる。プロセスガスを貫通孔に流しながらホロー陰極に高周波電力を供給すると、複数の窪みのそれぞれに、ホロー効果による高密度の電子が閉じ込められる。その結果、それぞれの窪みから噴出される高密度のプラズマが安定して生成される。また、高密度のプラズマにより、プロセスガスの解離及び反応性を増大させることができる。したがって、プラズマＣＶＤの場合では、高速成膜を実現することが可能となる。

断面形状が曲線状あるいは円錐状となる複数の窪みを等間隔に配置して形成したホロー陰極が提案されている（特公平３−２５５１０号公報参照。）。また、安定な高密度プラズマを陰極表面上に均一性よく分布するために、複数の窪みを溝で連結する提案がなされている（特開２００４−２９６５２６号公報参照。）。

しかしながら、複数の窪みを精度良く等間隔に形成する製造工程には、高精度で長時間の加工が必要である。そのため、製造コストが増大する。また、複数の窪みや、複数の溝を連結する溝は、対称的に配置される。したがって、プロセスガスやプラズマの分布を簡便に調整する手段がない。

上記問題点を鑑み、本発明は、高密度のプラズマを均一に生成でき、製造コストの低減が可能なプラズマプロセス用電極及びプラズマプロセス装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、（イ）プラズマにより処理される基板を載置する陽極と、（ロ）プラズマが生成される空間を挟んで基板と対向し、複数の第１溝が設けられた第１主面、第１主面に対向し、複数の第１溝と交差する、複数の第１溝より狭い幅の複数の第２溝が設けられた第２主面を有する陰極とを備え、（ハ）第１溝と第２溝との交点に第１主面から第２主面に貫通する貫通孔を設けたプラズマプロセス用電極であることを要旨とする。

本発明の第２の態様は、（イ）プラズマ処理を行う処理室と、（ロ）処理室内に配置されたプラズマプロセス用電極とを備え、（ハ）プラズマプロセス用電極が、プラズマにより処理される基板を載置する陽極と、プラズマが生成される空間を挟んで陽極と対向し、複数の第１溝が設けられた第１主面、第１主面に対向し、複数の第１溝と交差する、複数の第１溝より狭い幅の複数の第２溝が設けられた第２主面を有する陰極とを備え、第１溝と第２溝との交点に第１主面から第２主面に貫通する貫通孔を設けたプラズマプロセス装置であることを要旨とする。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス装置の構成の一例を示す概略図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス用電極の陰極の一例を示す平面図である。 図３は、図２に示した陰極のＡ−Ａ線に沿った断面を示す概略図である。 図４は、図２に示した陰極のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す概略図である。 図５は、図２に示した陰極のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す概略図である。 図６は、図２に示した陰極のＤ−Ｄ線に沿った断面を示す概略図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る陰極の他の例を示す平面図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る陰極の他の例を示す平面図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る陰極の他の例を示す平面図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係る陰極の他の例を示す平面図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る陰極の他の例を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態に係る陰極の他の例を示す平面図である。 図１３は、図１２に示した陰極のＥ−Ｅ線に沿った断面を示す概略図である。 図１４は、図１２に示した陰極のＦ−Ｆ線に沿った断面を示す概略図である。 図１５は、本発明の実施の形態に係る陰極の他の例を示す断面図である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、装置やシステムの構成等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な構成は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの構成等が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係るプラズマプロセス装置は、図１に示すように、プラズマ処理を行う処理室４０、及び処理室４０内に配置されたプラズマプロセス用電極（１０、１２）等を備える。プラズマプロセス用電極（１０、１２）は、陽極１２及び陰極１０を備える。陽極１２表面にプラズマにより処理される基板２２が載置される。陰極１０は、配管５０を通してプロセスガスが供給されるシャワーヘッド５２に設けられる。処理室４０は、配管４４に接続された真空ポンプ（図示省略）等により真空排気される。陽極１２は、処理室４０を介して接地される。陰極１０には、プラズマ生成用の電源４６が接続される。

陰極１０は、図２に示すように、矩形状であり、図3に示すように、第１主面１４及び第1主面１４に対向する第２主面１６を有する。第１主面１４は、図１に示すように、プラズマが生成される空間を挟んで陽極１２上の基板２２と対向する。第２主面は、プロセスガスの供給側に面している。

図２及び図３に示すように、第１主面１４には、厚さＴの陰極１０の対向する辺間で線状に延伸する複数の第１溝４が一定のピッチＰｘで設けられる。図３に示すように、第１溝４の延伸方向に垂直に切った断面形状は、幅がＷｘ、深さがＤｘの矩形である。

図２及び図４に示すように、第２主面１６には、第１溝４に平行な陰極１０の辺間で線状に延伸する複数の第２溝６が一定のピッチＰｙで設けられる。図４に示すように、第２溝６の延伸方向に垂直に切った断面形状は、幅がＷｙ、深さがＤｙの矩形である。

図５及び図６に示すように、複数の第２溝６は、複数の第１溝とそれぞれ交差して、複数の貫通孔８を形成する。ここで、第１及び第２溝４、６それぞれの深さＤｘ、Ｄｙの和が、陰極１０の厚さＴに対して、

Ｄｘ＋Ｄｙ≧Ｔ （１）

とされる。また、第１及び第２溝４、６のピッチＰｘ、Ｐｙは、それぞれ、

Ｐｘ＞Ｗｘ，Ｐｙ＞Ｗｙ （２）

とされる。

本発明の実施の形態では、第１及び第２主面１４、１６のそれぞれに第１及び第２溝４、６をダイシング、ワイヤーソー、フライス加工等の機械加工により形成し、第１及び第２溝４、６の交差する位置に貫通孔８が形成される。例えば、複数の第１溝４の数をｉ、複数の第２溝６の数をｊとすると、（ｉ＋ｊ）回の機械加工により、ｉ×ｊ個の貫通孔８が形成される。ｉ又はｊのいずれかが３以上であれば、（ｉ＋ｊ）＜（ｉ×ｊ）となり、（ｉ×ｊ）個の貫通孔８を穴あけ加工する場合に比べ、加工数を低減することができる。このように、本発明の実施の形態では、陰極１０の製造コストを低減することが可能となる。

例えば、図１に示したプラズマプロセス装置として、非晶質シリコン（α-Ｓｉなど）や多結晶Ｓｉ等の半導体膜、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（Ｓｉ_xＮ_y、Ｓｉ_xＮ_y：H）や、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等の絶縁膜のＣＶＤ装置を用いて説明する。プロセスガスとして、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）等のＳｉを含むガスが用いられる。

ＣＶＤにおいて、シャワーヘッド５２に供給されたプロセスガスは、陰極１０の第２主面１６側から貫通孔８を通って真空排気された処理室４０内に導入される。電源４６から陰極１０にプラズマ生成電力が印加されると、陰極１０の第１主面１４側でプロセスガスの放電が起こる。第１溝４のそれぞれから、プラズマが陰極１０と基板２２の間の空間に噴出される。このようにして、陰極１０と基板２２の間の空間にプラズマが安定して生成される。ＳｉＨ₄等のＳｉを含むガスを用いる場合、溝加工のコスト及び性能のバランスの観点から、第１及び第２溝４、６は、幅Ｗｘ、Ｗｙをそれぞれ約１ｍｍ〜約５ｍｍの範囲、深さＤｘ、Ｄｙをそれぞれ約１ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲とすることが望ましい。

また、均一な高密度プラズマを実現するためには、第１溝４の幅Ｗｘを約１ｍｍ〜約５ｍｍの範囲とし、第２溝６の幅Ｗｙを第１溝４の幅Ｗｘより狭くすることが望ましい。貫通孔８の開口寸法は、（Ｗｘ×Ｗｙ）である。プロセスガスは、第１及び第２溝４、６で規定される狭い貫通孔８から第１溝４に注入される。第１溝４内では、プロセスガス及びプラズマが相互拡散することが可能であり、第１溝４のそれぞれの中でプラズマが均一化される。また、第１溝４内では、ホロー効果により電子の閉じ込めが起こる。したがって、第１溝４のそれぞれにおいて、プロセスガスの解離や反応性が増加する。その結果、第１溝４のそれぞれから、高密度のプラズマを陰極１０と基板２２の間の空間に噴出させることが可能となる。このように、本発明の実施の形態に係る陰極１０では、通常の平行平板型電極を用いたＣＶＤ装置に比べ、大面積の基板２２に高速の成長速度で堆積することが可能となる。また、プラズマ密度の増加により、プロセスガスの利用効率が大きいため、無用な粉状ダスト等の生成を抑制することができる。

なお、第１及び第２溝４、６の幅、深さ及びピッチ等の寸法は、使用するプロセスガスの種類、混合比及び流量、プロセス圧力、低周波（ＬＦ）、高周波（ＲＦ）、直流（ＤＣ）、ＤＣパルス等の電源４６の種類や電源周波数、堆積温度、堆積速度、堆積膜の種類や膜質、基板２２の種類、及び電極間距離等により異なる。また、上記説明では、均等な長さの第１及び第２溝４、６が、第１及び第２主面１４、１６のそれぞれに等ピッチで均等に配設されている。しかし、プラズマや、堆積膜の分布を改善するために、第１及び第２溝４、６のそれぞれを、不均一なピッチで配設してもよい。また、第１及び第２溝４、６のそれぞれの長さを変えて配設してもよい。更に、第１及び第２溝４、６は、互いに直交するように配設されている。しかし、第２溝６のそれぞれが、第１溝４の少なくとも一つと貫通孔を形成するように任意の角度で交差してもよい。

例えば、図７に示すように、複数の第１溝４が、矩形状の陰極１０の辺に対して斜めの方向に延伸するように第１主面１４に等ピッチで配設される。複数の第２溝６が、第１溝４に直交する方向に延伸するように第２主面１６に等ピッチで配設される。各第１溝４及び各第２溝６それぞれの長さは配設位置により異なる。

また、陰極１０の形状は、矩形に限定されない。例えば、図８に示すように、円形状の陰極１０ａであってもよい。円形状の陰極１０ａを用いる場合、複数の第１溝４、及び複数の第２溝６が、第１及び第２主面１４、１６にそれぞれ等ピッチで配設される。各第１溝４及び各第２溝６それぞれの長さは配設位置により異なる。

また、図２、図７及び図８に示したように、直線状に延伸する第１溝４が用いられている。しかし、第１溝は直線状に限定されない。図９に示すように、矩形状の陰極１０の外周に平行な角型枠線状の複数の第１溝４ａが、第１主面１４に配設される。複数の第２溝６ａは、複数の第１溝４ａのそれぞれと交差して貫通孔８ａを形成するように、陰極１０の中心から放射状に配設される。また、プラズマ分布を均一にするために、陰極１０の外周側に配設された第１溝４ａと交差する複数の第２溝６ｂを配設してもよい。なお、複数の第１溝を、陰極の中心から放射状に第１主面に配設し、第２溝を、角型枠線状に第２主面に配接した組み合わせであってもよい。

図１０に示すように、円形状の陰極１０ａを用いて、第１主面１４に環状の複数の第１溝４ｂを第１主面１４に配設してもよい。複数の第２溝６ａは、複数の第１溝４ｂのそれぞれと交差して貫通孔８ａを形成するように、陰極１０の中心から放射状に配設される。また、プラズマ分布を均一にするために、陰極１０の外周側に配設された第１溝４ｂと交差する複数の第２溝６ｂを配設してもよい。なお、複数の第１溝を、陰極の中心から放射状に第１主面に配設し、第２溝を、環状に第２主面に配接した組み合わせであってもよい。

上記の説明において、第１溝４の断面形状を矩形状としている。例えば、フライス加工等の機械加工において、角型のブレードを用いて加工すれば矩形状の断面形状の第１溝４が容易に実現できる。第１及び第２溝４、６の交差する位置に形成された貫通孔８の開口寸法は、第１及び第２溝４、６それぞれの幅で与えられる。第２溝６の幅は、第１溝４よりも狭い。したがって、貫通孔８の開口寸法を小さくして、第１主面１４側で生成されたプラズマが第２主面１６側に拡散することを抑制することができる。

なお、第１溝の断面形状は矩形状に限定されない。図１１に示すように、第１溝４の第１主面１４での幅Ｗｘａが、第２主面側の底部での幅Ｗｘｂより広い断面系状であってもよい。第１溝４で生成されたプラズマは、第１溝４の傾斜した側壁に沿って広がって噴出される。したがって、プラズマの分布を改善することができる。

また、図１２〜図１４に示すように、第１溝４が、第１主面１４側に形成された矩形状の第１凹部４Ａと、第１凹部４Ａの底部に形成された矩形状の第２凹部４Ｂを有する形状であってもよい。第１溝４を深く加工する場合に有効である。

第１凹部４Ａは、深さがＤｘａ、幅がＷｘａである。第２凹部４Ｂは、深さがＤｘｂ、幅がＷｘｂである。第２凹部４Ｂの幅Ｗｘｂは第１凹部４Ａの幅Ｗｘａよりも狭い。また、第２溝６の幅Ｗｙも第１凹部４Ａの幅Ｗｘａよりも狭い。第１及び第２凹部４Ａ、４Ｂの深さＤｘａ、Ｄｘｂ、並びに第２溝６の深さＤｙについて、

Ｔ−Ｄｘｂ≦Ｄｘａ＋Ｄｙ＜Ｔ （２）

の関係を満たすように第１及び第２溝４、６が形成される。貫通孔８の開口寸法は、第２凹部４Ｂの幅Ｗｘｂ及び第２溝６の幅Ｗｙで与えられる。したがって、貫通孔８の開口寸法を更に狭くすることができ、第１主面１４側で生成されたプラズマが第２主面１６側に拡散することを抑制することが可能となる。

また、第２溝６が、第２主面１６側に形成された矩形状の第３凹部６Ａと、第３凹部６Ａの底部に形成された矩形状の第４凹部６Ｂを有する形状であってもよい。第４凹部６Ｂの幅Ｗｙｂは、第３凹部６Ａの幅Ｗｙａよりも狭い。第４凹部６Ｂと、図３に示した第１溝４、又は図１３に示した第２凹部４Ｂとを交差させて貫通孔を形成すれば、開口幅を狭くすることができる。この場合も、第１主面１４側で生成されたプラズマが第２主面１６側に拡散することを抑制することが可能となる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明は、高密度プラズマを用いるプラズマ処理に適用できる。

Claims (11)

1. プラズマにより処理される基板を載置する陽極と、
   前記プラズマが生成される空間を挟んで前記陽極と対向し、複数の第１溝が設けられた第１主面、前記第１主面に対向し、前記複数の第１溝と交差する、前記複数の第１溝より狭い幅の複数の第２溝が設けられた第２主面を有する陰極
   とを備え、前記第１溝と前記第２溝との交点に前記第１主面から前記第２主面に貫通する貫通孔を設けたことを特徴とするプラズマプロセス用電極。
2. 前記第１溝の深さと前記第２溝の深さの和が前記第１主面と前記第２主面との距離で定義される前記陰極の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス用電極。
3. 前記複数の第１溝の断面が、矩形状であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス用電極。
4. 前記複数の第１溝の延伸方向に垂直に切った断面において、前記複数の第１溝それぞれの幅が、前記第２主面側に比べ前記第１主面側で広いことを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス用電極。
5. 前記複数の第１溝の延伸方向に垂直に切った断面において、前記複数の第１溝のそれぞれが、前記第１主面側に矩形状の第１凹部と前記第１凹部の底部に前記第１凹部より狭い幅の第２凹部とを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス用電極。
6. 前記第２凹部が、前記複数の第２溝の少なくとも一つと前記貫通孔を形成するように交差することを特徴とする請求項５に記載のプラズマプロセス用電極。
7. 前記複数の第２溝の延伸方向に垂直に切った断面において、前記複数の第２溝のそれぞれが、前記第２主面側に矩形状の第３凹部と前記第３凹部の底部に前記第３凹部より狭い幅の第４凹部とを有することを特徴とする請求項６に記載のプラズマプロセス用電極。
8. 前記第４凹部が、前記複数の第１溝の少なくとも一つと前記貫通孔を形成するように交差することを特徴とする請求項７に記載のプラズマプロセス用電極。
9. 前記複数の第２溝の延伸方向に垂直に切った断面において、前記複数の第２溝のそれぞれが、前記第２主面側に矩形状の第１凹部と前記第１凹部の底部に前記第１凹部より狭い幅の第２凹部とを有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス用電極。
10. 前記第２凹部が、前記複数の第１溝の少なくとも一つと前記貫通孔を形成するように交差することを特徴とする請求項９に記載のプラズマプロセス用電極。
11. プラズマ処理を行う処理室と、
    前記処理室内に配置されたプラズマプロセス用電極とを備え、
    前記プラズマプロセス用電極が、プラズマにより処理される基板を載置する陽極と、前記プラズマが生成される空間を挟んで前記陽極と対向し、複数の第１溝が設けられた第１主面、前記第１主面に対向し、前記複数の第１溝と交差する、前記複数の第１溝より狭い幅の複数の第２溝が設けられた第２主面を有する陰極とを備え、前記第１溝と前記第２溝との交点に前記第１主面から前記第２主面に貫通する貫通孔を設けたことを特徴とするプラズマプロセス装置。

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