JP5052537B2 - Plasma generating apparatus and plasma generating method - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ容器内でアンテナアレイを用いて電磁波を放射してプラズマを生成するプラズマ生成装置およびプラズマ生成方法に関する。 The present invention relates to a plasma generation apparatus and a plasma generation method for generating plasma by radiating electromagnetic waves using an antenna array in a plasma container.
今日、ＡＬＤ法を用いて基板に薄膜を形成する方法及び装置が提案されている。
ＡＬＤ法は、形成しようとする膜を構成する元素を主成分とする２種類のガスを成膜対象の基板上に交互に供給し、基板上に原子層単位で薄膜を形成することを複数回繰り返して所望の厚さの膜を形成する薄膜形成技術である。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。
Today, a method and an apparatus for forming a thin film on a substrate using the ALD method have been proposed.
In the ALD method, two types of gas mainly containing an element constituting a film to be formed are alternately supplied onto a substrate to be formed, and a thin film is formed on the substrate in units of atomic layers. This is a thin film forming technique for repeatedly forming a film having a desired thickness. In the ALD method, only one layer or several layers of source gas components are adsorbed on the substrate surface while the source gas is supplied, and the excess source gas does not contribute to growth, so-called self-stop action of growth (self-limit function) ).
ＡＬＤ法は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法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、液晶ディスプレイなどのように、ガラス基板を用いる表示装置の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。 Compared with CVD (Chemical Vapor Deposition) method, ALD method has both high step coverage and film thickness controllability, and it can be put to practical use to form capacitors for memory devices and insulating films called “high-k gates”. Expected. In addition, since an insulating film can be formed at a low temperature of about 300 ° C., application to formation of a gate insulating film of a thin film transistor of a display device using a glass substrate such as a liquid crystal display is expected.
このようなＡＬＤ法を用いた従来の装置が図７に示されている。同図に示すＡＬＤ装置１００は、成膜容器１１２とガス供給部１１４，１１５と、排気部１１６，１１７とによって構成される。
成膜容器１１２は、金属製の中空箱形の形状を成し、接地されている。成膜容器１１２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１２６からなるアンテナアレイ１２８、ヒータ１３０を内蔵する基板ステージ１３２が配設されている。アンテナアレイ１２８は、複数のアンテナ素子１２６を所定の間隔で平行に配設することによって構成される仮想平面が基板ステージ１３２と平行になっている。
A conventional apparatus using such an ALD method is shown in FIG. The ALD apparatus 100 shown in FIG. 1 includes a film formation container 112, gas supply units 114 and 115, and exhaust units 116 and 117.
The film forming container 112 has a metal hollow box shape and is grounded. Inside the film forming container 112, an antenna array 128 including a plurality of antenna elements 126 and a substrate stage 132 incorporating a heater 130 are arranged in order from the upper wall side to the lower wall side. In the antenna array 128, a virtual plane configured by arranging a plurality of antenna elements 126 in parallel at a predetermined interval is parallel to the substrate stage 132.
アンテナ素子１２６は、図８に上方からの平面図を示すように、高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数）の長さの導電体からなる棒状のモノポールアンテナ（アンテナ本体）１３９が、誘電体からなる円筒部材１４０に収納された構成となっている。高周波電力供給部１３４で発生された高周波電力が同相電力分配器１３６で分配され、各々のインピーダンス整合器１３８を介して各々のアンテナ素子１２６に供給されると、アンテナ素子１２６の周囲に電磁波が放射されプラズマが生成される。各々のアンテナ素子１２６は、下記特許文献１で本出願人自ら提案したものである。 As shown in a plan view from above in FIG. 8, the antenna element 126 is a rod-shaped monopole made of a conductor having a length of (2n + 1) / 4 times the wavelength of high-frequency power (n is 0 or a positive integer). An antenna (antenna body) 139 is housed in a cylindrical member 140 made of a dielectric. When the high frequency power generated by the high frequency power supply unit 134 is distributed by the in-phase power distributor 136 and is supplied to each antenna element 126 via each impedance matching unit 138, electromagnetic waves are radiated around the antenna element 126. And plasma is generated. Each antenna element 126 was proposed by the present applicant himself in Patent Document 1 below.
アンテナ素子１２６は、供給孔１２０から基板ステージ１３２に向けて供給される酸化ガスのガス流方向に対して直交する方向に延びるように、電気的に絶縁されて成膜容器１１２側壁に取り付けられている。また、各々のアンテナ素子１２６は、所定の間隔で平行に配設されており、隣接して配設されたアンテナ素子２６間の給電位置が互いに対向する側壁になるように配設されている。 The antenna element 126 is electrically insulated and attached to the side wall of the film formation container 112 so as to extend in a direction orthogonal to the gas flow direction of the oxidizing gas supplied from the supply hole 120 toward the substrate stage 132. Yes. The antenna elements 126 are arranged in parallel at a predetermined interval, and are arranged so that the feeding positions between the adjacent antenna elements 26 are opposite to each other.
ＡＬＤ装置１００による成膜時には、基板ステージ１３２上面に基板１４２が載置される。基板ステージ１３２がヒータ１３０で加熱され、基板ステージ１３２上に載置された基板１４２は、成膜が終了するまで所定の温度に保持される。
例えば、基板表面にＳｉＯ2膜を形成する場合、成膜容器１１２内が排気部１１６により水平方向に真空引きされた後、Ｓｉ成分を含む原料ガスが、ガス供給部１１４から、供給管１１８、成膜容器１１２の左壁に形成された供給孔１２０を介して成膜室内へ水平方向に供給される。これにより、基板１４２表面に原料ガスが供給され、原料ガス成分が吸着される。この時、アンテナ素子１２６によりプラズマは生成されない。
During film formation by the ALD apparatus 100, the substrate 142 is placed on the upper surface of the substrate stage 132. The substrate stage 132 is heated by the heater 130, and the substrate 142 placed on the substrate stage 132 is maintained at a predetermined temperature until film formation is completed.
For example, in the case of forming a SiO 2 film on the substrate surface, after the inside of the film formation container 112 is evacuated in the horizontal direction by the exhaust unit 116, the source gas containing Si component is supplied from the gas supply unit 114 to the supply pipe 118, The film is supplied in the horizontal direction into the film forming chamber through a supply hole 120 formed in the left wall of the film forming container 112. Thereby, the source gas is supplied to the surface of the substrate 142 and the source gas component is adsorbed. At this time, plasma is not generated by the antenna element 126.
続いて、原料ガスの供給が停止され、基板１４２表面に吸着された原料ガス以外の余剰の原料ガスが、排気部１１６により、成膜容器１１２から、成膜容器１１２の右壁に形成された排気孔１２４、排気管１２２を介して水平方向へ排気される。 Subsequently, the supply of the source gas was stopped, and surplus source gas other than the source gas adsorbed on the surface of the substrate 142 was formed from the film formation container 112 to the right wall of the film formation container 112 by the exhaust unit 116. Exhaust in the horizontal direction through the exhaust hole 124 and the exhaust pipe 122.
続いて、酸化ガスが、ガス供給部１１５から、供給管１１９、成膜容器１１２の上壁に形成された供給孔１２１を介して成膜容器１１２内に鉛直方向下方に供給される。この時同時に、高周波電力供給部１３４から高周波電力が各々のアンテナ素子１２６に供給される。これにより、各々のアンテナ素子１２６の周囲に酸化ガスを用いてプラズマが生成され、基板１４２表面に吸着された原料ガスが酸化される。 Subsequently, the oxidizing gas is supplied vertically downward into the film formation container 112 from the gas supply unit 115 through the supply pipe 119 and the supply hole 121 formed in the upper wall of the film formation container 112. At the same time, high frequency power is supplied from the high frequency power supply unit 134 to each antenna element 126. Thereby, plasma is generated around each antenna element 126 using the oxidizing gas, and the raw material gas adsorbed on the surface of the substrate 142 is oxidized.
その後、酸化ガスの供給およびアンテナ素子１２６への高周波電力の供給が停止され、酸化に寄与しない余剰の酸化ガスや反応生成物が、排気部１１６により、成膜容器１１２の右壁に形成された排気孔１２４、排気管１２２を介して水平方向に排気される。 Thereafter, the supply of oxidizing gas and the supply of high-frequency power to the antenna element 126 were stopped, and surplus oxidizing gas and reaction products that did not contribute to oxidation were formed on the right wall of the film formation container 112 by the exhaust unit 116. The gas is exhausted in the horizontal direction through the exhaust hole 124 and the exhaust pipe 122.
以上のように、原料ガスの供給、余剰原料ガスの排気、酸化ガスの供給、および、余剰酸化ガスの排気を順番に行う一連の工程により、基板１４２上にＳｉＯ2膜が原子層単位で形成される。この工程を数回繰り返すことにより、基板４２上に所定膜厚のＳｉＯ2膜が形成される。 As described above, the SiO 2 film is formed on the substrate 142 in units of atomic layers by a series of steps of sequentially supplying the source gas, exhausting the excess source gas, supplying the oxidizing gas, and exhausting the excess oxidizing gas. Is done. By repeating this process several times, a SiO 2 film having a predetermined thickness is formed on the substrate 42.
上述のＡＬＤ法は、基板上に原子層単位で薄膜を形成し重ねて行くので、原子層単位で形成される薄膜の膜厚および特性は均一であることが強く望まれている。
しかし、このＡＬＤ装置１００で成膜されとき、成膜容器１１２内で酸化ガスを用いて生成するプラズマの密度分布は必ずしも均一でない。特に、薄膜を形成する基板の中央部付近は、その周辺に比べて濃度が低い。このため、酸化ガスを用いた薄膜の形成にも不均一さが発生する、といった問題がある。
In the ALD method described above, since a thin film is formed and stacked on the substrate in units of atomic layers, it is strongly desired that the thickness and characteristics of the thin film formed in units of atomic layers are uniform.
However, when the ALD apparatus 100 forms a film, the density distribution of the plasma generated using the oxidizing gas in the film formation container 112 is not necessarily uniform. In particular, the concentration in the vicinity of the center of the substrate on which the thin film is formed is lower than that in the vicinity. For this reason, there is a problem that non-uniformity also occurs in the formation of a thin film using an oxidizing gas.
このような、プラズマの密度分布の不均一性や薄膜の不均一性は、ＡＬＤ法のみならず、ＣＶＤ法等の薄膜形成やプラズマエッチング等を含む、アレイアンテナを用いてプラズマを生成して表面処理を行うときに共通して生じる問題となっている。 Such plasma density distribution non-uniformity and thin film non-uniformity are not only caused by the ALD method, but also by generating plasma using an array antenna including thin film formation such as CVD method and plasma etching. This is a problem that commonly occurs when processing is performed.
そこで、本発明は、従来技術の問題を解決するために、プラズマの密度分布の不均一性や薄膜の不均一性が改善されたプラズマ生成装置およびプラズマ生成方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a plasma generation apparatus and a plasma generation method in which nonuniformity of plasma density distribution and thin film nonuniformity are improved in order to solve the problems of the prior art.
上記目的を達成するために、本願発明者は、プラズマの発光強度の不均一性および薄膜の不均一性について鋭意検討した結果、プラズマの生成に用いるアンテナアレイの電磁波の放射、さらには、アンテナアレイへの給電方法に問題があることを見出し、本願発明に至っている。 In order to achieve the above object, the inventor of the present application has made extensive studies on the non-uniformity of the plasma emission intensity and the non-uniformity of the thin film. As a result, the antenna array used for plasma generation is radiated, and further the antenna array It has been found that there is a problem with the power supply method to the present invention, and has led to the present invention.
すなわち、上記目的は、プラズマ容器内で電磁波を放射してプラズマを生成する以下のプラズマ生成装置によって達成することができる。
このプラズマ発生装置は、
（Ａ）プラズマを生成させるプラズマ容器と、
（Ｂ）前記プラズマ容器内に設けられた金属板と、
（Ｃ）棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が前記金属板に平行に一定間隔で前記プラズマ容器内に配設され、隣り合うアンテナ素子が前記プラズマ容器の対向する壁面から突出するように設けられて構成されたアンテナアレイと、
（Ｄ）前記アンテナアレイの各アンテナ素子の突出する基部から給電する給電手段と、備える。
（Ｅ）そのとき、前記給電手段から前記各アンテナ素子に給電する高周波信号の位相が、隣り合うアンテナ素子間で９０度ずれている。
That is, the above object can be achieved by the following plasma generation apparatus that generates plasma by emitting electromagnetic waves in a plasma container.
This plasma generator
(A) a plasma container for generating plasma;
(B) a metal plate provided in the plasma container;
(C) A plurality of antenna elements formed by covering a rod-shaped antenna main body with a dielectric material are arranged in the plasma container at regular intervals in parallel to the metal plate, and adjacent antenna elements are opposed to the plasma container. An antenna array configured to protrude from the wall surface,
(D) Feeding means for feeding power from the protruding base of each antenna element of the antenna array.
(E) At that time, the phase of the high-frequency signal fed from the feeding means to each antenna element is shifted by 90 degrees between adjacent antenna elements.
前記プラズマ発生装置において、前記給電手段は、９０度スプリッタおよび１８０度スプリッタを用いて位相の異なる高周波信号を生成することが好ましい。
また、前記プラズマ発生装置は、例えば、前記プラズマ容器内に、前記アンテナアレイの前記アンテナ素子の配列される面に対向するように、基板を載置する基板ステージが設けられ、この基板ステージ上に載置される基板に、前記プラズマを用いて表面処理を施す装置である。
In the plasma generator, it is preferable that the power supply unit generates high-frequency signals having different phases using a 90-degree splitter and a 180-degree splitter.
In addition, the plasma generator includes, for example, a substrate stage on which a substrate is placed in the plasma container so as to face a surface on which the antenna elements of the antenna array are arranged. In this apparatus, the substrate is subjected to surface treatment using the plasma.
また、上記目的は、プラズマ容器内で電磁波を放射してプラズマを生成する以下のプラズマ生成方法によって達成することができる。
すなわち、プラズマ発生方法は、
（Ｆ）棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が金属板に平行に一定間隔でプラズマ容器内に配設され、隣り合うアンテナ素子が前記プラズマ容器の対向する壁面から突出するように設けられて構成されたアンテナアレイに給電するとき、前記アンテナ素子に供給する高周波信号の位相が９０度異なる複数の高周波信号を生成するステップと、
（Ｇ）生成した位相の異なる高周波信号を、隣り合うアンテナ素子間で９０度ずれるように、前記アンテナアレイに給電して、前記アンテナアレイの電磁波の放射によりプラズマを生成させるステップと、を有する。
Moreover, the said objective can be achieved with the following plasma production methods which radiate | emit electromagnetic waves within a plasma container, and produce | generate plasma.
That is, the plasma generation method is
(F) A plurality of antenna elements formed by covering a rod-shaped antenna body with a dielectric material are arranged in the plasma container at regular intervals in parallel to the metal plate, and adjacent antenna elements are opposed to the wall surface of the plasma container. Generating a plurality of high-frequency signals whose phases of high-frequency signals supplied to the antenna elements are different by 90 degrees when supplying power to the antenna array configured to protrude from
(G) supplying the generated high-frequency signals having different phases to the antenna array so as to be shifted by 90 degrees between adjacent antenna elements, and generating plasma by radiation of electromagnetic waves from the antenna array.
上記プラズマ生成装置およびプラズマ生成方法では、複数のアンテナ素子が一定間隔でプラズマ容器内に配設された上記アンテナアレイに給電するとき、アンテナ素子に給電する高周波信号の位相が、隣接するアンテナ素子間で９０度ずれるように、高周波信号の位相を変化させることにより、プラズマの密度分布の不均一性を改善することができる。したがって、薄膜を形成するとき、この生成したプラズマを用いて表面処理を行うことにより、薄膜の不均一性が改善される。 In the plasma generation apparatus and the plasma generation method, when a plurality of antenna elements feed power to the antenna array disposed in the plasma container at regular intervals, the phase of the high-frequency signal fed to the antenna elements is between adjacent antenna elements. By changing the phase of the high-frequency signal so as to be shifted by 90 degrees, the non-uniformity of the plasma density distribution can be improved. Accordingly, when the thin film is formed, the non-uniformity of the thin film is improved by performing the surface treatment using the generated plasma.
以下、本発明のプラズマ生成装置について、添付の図面に示される実施形態を基に詳細に説明する。以下の説明では、プラズマ生成装置をＡＬＤ装置に適用した実施形態に基づいて説明をするが、本発明は、プラズマを用いたＣＶＤ法やドライエッチングを含む基板の表面処理を行う装置にも適用できる。 Hereinafter, a plasma generation apparatus of the present invention will be described in detail based on an embodiment shown in the accompanying drawings. In the following description, the plasma generation apparatus will be described based on an embodiment in which the plasma generation apparatus is applied to an ALD apparatus. However, the present invention can also be applied to an apparatus for performing a surface treatment of a substrate including a CVD method using plasma and dry etching. .
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、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４２上に交互に供給する。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。
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment showing a configuration of an ALD apparatus to which a plasma generation apparatus of the present invention is applied. FIG. 2 is a diagram illustrating an antenna array and a power feeding unit in the ALD apparatus shown in FIG.
The ALD apparatus 10 shown in FIG. 1 applies two kinds of film forming gases (raw material gas and oxidizing gas) mainly composed of elements constituting a film to be formed by applying the ALD method onto the substrate 42 to be formed. Alternately. At that time, in order to enhance the reaction activity, plasma is generated to form an oxide film of the source gas on the substrate in units of atomic layers. A film having a desired thickness is formed by repeating the process for a plurality of cycles with the above process as one cycle. A nitriding gas can be used instead of the oxidizing gas.
ＡＬＤ装置１０は、給電ユニット１１と、成膜容器１４と、ガス供給部１５，１６と、真空ポンプなどの排気部１７ａ，１７ｂと、を有して構成される。以下、基板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。 The ALD apparatus 10 includes a power supply unit 11, a film forming container 14, gas supply units 15 and 16, and exhaust units 17a and 17b such as vacuum pumps. Hereinafter, a case where an oxide film is formed on a substrate will be described as an example, but the same applies to a nitride film.
給電ユニット１１は、成膜容器１４に設けられている後述するアンテナアレイの各アンテナ素子に電力（高周波信号）を供給するユニットである。給電ユニット１１は、発振器と増幅器を含む高周波信号生成器１２と、位相シフト分配器１３とを有する。
位相シフト分配器１３は、高周波信号生成器１２で生成された高周波信号を位相が０度、９０度、１８０度、２７０度の４つの位相にシフトさせて４つの高周波信号を生成し、アンテナアレイに供給する。位相シフト分配器１３は、具体的には、図２に示すように、９０度スプリッタ１３ａと、１８０度スプリッタ１３ｂ，１３ｃを有して構成される。９０度スプリッタ１３ａは、位相０度と位相９０度の２つの信号を生成し、１８０度スプリッタ１３ｂ，１３ｃは、位相０度と位相１８０度の２つの信号を生成する。９０度スプリッタ１３ａの位相９０度の信号は、１８０度スプリッタ１３ｂに供給され、９０度スプリッタ１３ａの位相０度の信号は、１８０度スプリッタ１３ｃに供給される。
The power supply unit 11 is a unit that supplies power (high-frequency signal) to each antenna element of an antenna array, which will be described later, provided in the film forming container 14. The power supply unit 11 includes a high-frequency signal generator 12 including an oscillator and an amplifier, and a phase shift distributor 13.
The phase shift distributor 13 shifts the high-frequency signal generated by the high-frequency signal generator 12 into four phases having phases of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees to generate four high-frequency signals, and an antenna array To supply. Specifically, as shown in FIG. 2, the phase shift distributor 13 includes a 90-degree splitter 13a and 180-degree splitters 13b and 13c. The 90 degree splitter 13a generates two signals of phase 0 degree and phase 90 degrees, and the 180 degree splitters 13b and 13c generate two signals of phase 0 degree and phase 180 degrees. The 90 degree phase signal of the 90 degree splitter 13a is supplied to the 180 degree splitter 13b, and the 90 degree phase signal of the 90 degree splitter 13a is supplied to the 180 degree splitter 13c.
したがって、９０度スプリッタ１３ａと１８０度スプリッタ１３ｂとにより、９０度と２７０度の２つの位相の信号が生成され、９０度スプリッタ１３ａと１８０度スプリッタ１３ｃとにより、０度、１８０度の２つの位相の信号が生成される。位相０度、１８０度の２つの高周波信号が、図２中の下側のアンテナ素子２６に供給され、位相９０度、２７０度の２つの高周波信号が、図２中の上側のアンテナ素子２６に供給される。この場合、位相シフト分配器１３から各アンテナ素子２６にいたる給電線の長さは同じである。 Therefore, the 90-degree splitter 13a and the 180-degree splitter 13b generate two phase signals of 90 degrees and 270 degrees, and the 90-degree splitter 13a and the 180-degree splitter 13c generate two phases of 0 degrees and 180 degrees. Are generated. Two high-frequency signals having a phase of 0 degree and 180 degrees are supplied to the lower antenna element 26 in FIG. 2, and two high-frequency signals having a phase of 90 degrees and 270 degrees are supplied to the upper antenna element 26 in FIG. Supplied. In this case, the length of the feed line from the phase shift distributor 13 to each antenna element 26 is the same.
このようにして、位相シフト分配器１３は、アンテナ素子２６の高周波信号の位相を、隣接するアンテナ素子間で９０度ずつずらすために、０度、９０度、１８０度、２７０度の４つの位相の高周波信号を生成する。 In this way, the phase shift distributor 13 shifts the phase of the high-frequency signal of the antenna element 26 by 90 degrees between adjacent antenna elements, so that four phases of 0 degree, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees are used. The high frequency signal is generated.
ガス供給部１５は、供給管１８を介して、成膜容器１４（後述する成膜室４８）の一方の側壁（図中左壁）に形成された供給孔２０に接続されている。ガス供給部１５は、供給管１８および供給孔２０を介して、成膜容器１４内に原料ガスを水平方向に供給する。また、ガス供給部１６は、供給管１９を介して、成膜容器１４の上壁に形成された供給孔２１に接続されている。ガス供給部１６は、供給管１９および供給孔２１を介して、成膜容器１４内に酸化ガスを基板に対して垂直方向に供給する。原料ガスの供給と酸化ガスの供給は交互に行われる。 The gas supply unit 15 is connected via a supply pipe 18 to a supply hole 20 formed in one side wall (left wall in the figure) of the film formation container 14 (a film formation chamber 48 described later). The gas supply unit 15 supplies the source gas in the horizontal direction into the film forming container 14 through the supply pipe 18 and the supply hole 20. The gas supply unit 16 is connected to a supply hole 21 formed on the upper wall of the film forming container 14 via a supply pipe 19. The gas supply unit 16 supplies an oxidizing gas into the film forming container 14 in a direction perpendicular to the substrate via the supply pipe 19 and the supply hole 21. The supply of the source gas and the supply of the oxidizing gas are performed alternately.
一方、排気部１７ａは、排気管２２を介して、成膜容器１４の、右壁に形成された排気孔２４に接続されている。排気部１７ａは、排気孔２４および排気管２２を介して、成膜容器１４内に交互に供給された原料ガスおよび酸化ガスを水平方向に排気する。また、排気部１７ｂは、排気孔２５および排気管２３を介して、成膜容器１４内の真空室（ロードロック室）５０を鉛直方向に真空引きする。原料ガスの排気と酸化ガスの排気は交互に行われる。 On the other hand, the exhaust part 17 a is connected to an exhaust hole 24 formed in the right wall of the film forming container 14 through an exhaust pipe 22. The exhaust unit 17 a exhausts the source gas and the oxidizing gas alternately supplied into the film forming container 14 through the exhaust hole 24 and the exhaust pipe 22 in the horizontal direction. Further, the exhaust unit 17 b evacuates the vacuum chamber (load lock chamber) 50 in the film forming container 14 in the vertical direction via the exhaust hole 25 and the exhaust pipe 23. The exhaust of the source gas and the exhaust of the oxidizing gas are performed alternately.
図示されないが、供給管１８，１９の途中には、ガス供給部１５，１６と成膜容器１４との導通を制御する開閉弁（例えば、電磁弁）が設けられ、排気管２２，２３の途中には、それぞれ、排気部１７ａ，１７ｂと成膜容器１４との導通を制御する開閉弁が設けられている。 Although not shown, an open / close valve (for example, an electromagnetic valve) for controlling conduction between the gas supply units 15 and 16 and the film forming container 14 is provided in the middle of the supply pipes 18 and 19. Are provided with on-off valves for controlling the conduction between the exhaust parts 17a and 17b and the film formation container 14, respectively.
ガス供給部１５から成膜容器１４の成膜室４８内に原料ガスを供給する場合には供給管１８の開閉弁が開放され、成膜室４８内にガスを供給する。ガス供給部１６から成膜容器１４の成膜室４８内に酸化ガスを供給する場合には供給管１９の開閉弁が開放され、成膜室４８内にガスを供給する。成膜室４８内に供給されたガスを排気する場合には排気管２２の開閉が開放される。一方、成膜容器１４の真空室５０を真空引きする場合には排気管２３の開閉弁が開放される。 When the source gas is supplied from the gas supply unit 15 into the film forming chamber 48 of the film forming container 14, the opening / closing valve of the supply pipe 18 is opened to supply the gas into the film forming chamber 48. When supplying the oxidizing gas from the gas supply unit 16 into the film forming chamber 48 of the film forming container 14, the opening / closing valve of the supply pipe 19 is opened to supply the gas into the film forming chamber 48. When the gas supplied into the film forming chamber 48 is exhausted, the exhaust pipe 22 is opened and closed. On the other hand, when the vacuum chamber 50 of the film forming container 14 is evacuated, the open / close valve of the exhaust pipe 23 is opened.
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の内部には、上壁側から下壁側に向かって順に、所定径の複数の孔が開孔された金属製のシャワーヘッド２９、複数のアンテナ素子２６からなるアンテナアレイ２８、ヒータ３０を内蔵する基板ステージ３２が配設されている。成膜容器１４とシャワーヘッド２９は接地されている。アンテナアレイ２８は、アンテナ素子２６が配列される仮想平面が基板ステージ３２と平行になるように配設されている。 The film forming container 14 has a metal hollow box shape and is grounded. Inside the film forming container 14, in order from the upper wall side to the lower wall side, a metal shower head 29 having a plurality of holes with a predetermined diameter, an antenna array 28 including a plurality of antenna elements 26, A substrate stage 32 containing a heater 30 is provided. The film forming container 14 and the shower head 29 are grounded. The antenna array 28 is arranged so that a virtual plane on which the antenna elements 26 are arranged is parallel to the substrate stage 32.
シャワーヘッド２９は、例えば、矩形の金属製のものである。図１に示すように、シャワーヘッド２９は、成膜容器１４の上壁とアンテナアレイ２８との間に、基板ステージ３２と平行に、成膜容器１４の内壁面に取り付けられている。シャワーヘッド２９に形成された複数の孔は、複数のアンテナ素子２６の各々の両側（図中左右）の位置に間歇的に（所定の間隔毎）設けられている。この複数の孔の形状は、複数のアンテナ素子２６の各々の長手方向（図中紙面に垂直な方向）に沿った細長い形状である。 The shower head 29 is made of, for example, a rectangular metal. As shown in FIG. 1, the shower head 29 is attached to the inner wall surface of the film forming container 14 between the upper wall of the film forming container 14 and the antenna array 28 in parallel with the substrate stage 32. The plurality of holes formed in the shower head 29 are provided intermittently (at predetermined intervals) at positions on both sides (left and right in the figure) of each of the plurality of antenna elements 26. The shape of the plurality of holes is an elongated shape along the longitudinal direction of each of the plurality of antenna elements 26 (the direction perpendicular to the paper surface in the drawing).
ガス供給部１６から成膜室４８内に供給された酸化ガスは、成膜室４８の上壁とシャワーヘッド２９の上面との間の空間に拡散された後、シャワーヘッド２９に形成された複数の孔を介して、成膜容器１４の上側から下側に向けてシャワーヘッド２９の下側の空間に導入（供給）される。 The oxidizing gas supplied from the gas supply unit 16 into the film forming chamber 48 is diffused into the space between the upper wall of the film forming chamber 48 and the upper surface of the shower head 29, and then a plurality of gases formed in the shower head 29 are formed. Are introduced (supplied) into the space below the shower head 29 from the upper side to the lower side of the film formation container 14 through the holes.
アンテナアレイ２８は、酸化ガスを用いてプラズマを生成するものであり、成膜容器１４の、供給孔２０が形成された左壁と、排気孔２４が形成された右壁との間で、かつ、シャワーヘッド２９と基板ステージ３２との間の空間に、基板ステージ３２の面に平行に設けられ、かつ、複数のアンテナ素子２６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２６のそれぞれは、酸化ガスを供給する、シャワーヘッド２９の複数の孔の直下に来ないように、成膜容器１４の横方向（図１中、左右方向）にずらして設けられている。 The antenna array 28 generates plasma using an oxidizing gas, and is formed between the left wall of the film formation container 14 where the supply hole 20 is formed and the right wall where the exhaust hole 24 is formed, and The space between the shower head 29 and the substrate stage 32 is provided in parallel to the surface of the substrate stage 32, and a plurality of antenna elements 26 are arranged in parallel at regular intervals. Each of the plurality of antenna elements 26 is provided so as to be shifted in the lateral direction (left and right direction in FIG. 1) of the film forming container 14 so as not to come directly below the plurality of holes of the shower head 29 that supplies the oxidizing gas. ing.
図２に示すように、高周波信号成生部１２で発生されたＶＨＦ帯（例えば、８０ＭＨｚ）の高周波信号（高周波電流）が位相シフト分配器１３に供給され、位相シフト分配器１３において、０度、９０度、１８０度、２７０度の４つの位相の高周波信号が生成される。これらの高周波信号が複数のアンテナ素子２６の突出する基部に、インピーダンス整合器３８を介して供給される。インピーダンス整合器３８は、プラズマの生成中にアンテナ素子２６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。 As shown in FIG. 2, a high-frequency signal (high-frequency current) in the VHF band (for example, 80 MHz) generated by the high-frequency signal generator 12 is supplied to the phase shift distributor 13, and the phase shift distributor 13 , 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees of high-frequency signals having four phases are generated. These high-frequency signals are supplied to the protruding bases of the plurality of antenna elements 26 via the impedance matching unit 38. The impedance matching unit 38 adjusts impedance mismatch caused by a change in the load of the antenna element 26 during plasma generation.
こうして、位相シフト分配器１３からアンテナ素子２６に給電する高周波信号の位相が、隣接するアンテナ素子２６間で位相が９０度ずれる。すなわち、図２に示すアンテナ素子２６には、図中左側から順に、０度、９０度、１８０度、２７０度、０度、９０度、１８０度、・・・の位相の高周波信号が順に供給される。ここで位相０度、９０度、１８０度、２７０度は、実質的な角度をいう。例えば、高周波信号の位相が、アンテナ素子の配置される順番に０±１０度、９０±１０度、１８０±１０度、２７０±１０度の範囲に有る限り、位相が９０度ずつずれることを意味する。すなわち、±１０度の範囲内は、許容誤差として許容される。なお、本実施形態では、位相０度、９０度、１８０度、２７０度であるが、これ以外にも位相の角度α度、（９０＋α）度、（１８０＋α）度、（２７０＋α）度であってもよい(αは０〜３６０の範囲の値)。この場合も、±１０度の範囲内は、許容誤差として許容される。 Thus, the phase of the high-frequency signal fed from the phase shift distributor 13 to the antenna element 26 is shifted by 90 degrees between adjacent antenna elements 26. That is, high-frequency signals having phases of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees, 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees,... Are sequentially supplied to the antenna element 26 shown in FIG. Is done. Here, the phase 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees refer to substantial angles. For example, as long as the phase of the high-frequency signal is in the range of 0 ± 10 degrees, 90 ± 10 degrees, 180 ± 10 degrees, 270 ± 10 degrees in the order in which the antenna elements are arranged, it means that the phase is shifted by 90 degrees To do. That is, a tolerance of ± 10 degrees is allowed. In this embodiment, the phase is 0 degree, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees. However, the phase angles are α degrees, (90 + α) degrees, (180 + α) degrees, and (270 + α) degrees. (Α is a value in the range of 0 to 360). Also in this case, the range of ± 10 degrees is allowed as an allowable error.
なお、アンテナ素子２６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）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、アンテナ素子２６から周囲に電磁波を効率よく放射させることができる。 The antenna element 26 is configured by, for example, a conductive rod-shaped monopole antenna (antenna body) such as copper, aluminum, or platinum housed in a cylindrical member made of a dielectric such as quartz or ceramic. Yes. By covering the antenna body with a dielectric, the capacitance and inductance of the antenna are adjusted, high-frequency signals can be efficiently propagated along the longitudinal direction of the antenna body, and electromagnetic waves are efficiently radiated from the antenna element 26 to the surroundings. Can be made.
アンテナ素子２６のそれぞれは、供給孔２０から基板ステージ３２に向けて供給さ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２６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２６のそれぞれは、基板ステージ３２の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２６の配列方向は基板ステージ３２の載置面と平行な方向である。
アンテナ素子２６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。成膜容器１４内の圧力が２０Ｐａ程度の場合、給電ユニット１１から約１６００Ｗの高周波信号を供給すると、アンテナ素子２６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）に等しい場合に定在波が生じて共振し、アンテナ素子２６の周囲に電磁波が放射されプラズマが生成される。
Each of the antenna elements 26 extends in a direction orthogonal to the flow direction of the source gas supplied from the supply hole 20 toward the substrate stage 32, and is electrically insulated so as to protrude from the side wall of the film forming container 12. It is attached to do. In addition, each of the antenna elements 26 is arranged in parallel at a constant interval, for example, 50 mm, and is provided such that the feeding positions between the adjacent antenna elements 26 are side walls facing each other.
Each of the antenna elements 26 is disposed in a direction parallel to the surface of the substrate stage 32. Further, the arrangement direction of the plurality of antenna elements 26 is a direction parallel to the mounting surface of the substrate stage 32.
The antenna element 26 is configured, for example, by providing an antenna main body having a diameter of about 6 mm in a dielectric cylindrical member having a diameter of about 12 mm. When the pressure in the film formation container 14 is about 20 Pa and the high frequency signal of about 1600 W is supplied from the power supply unit 11, the antenna length of the antenna element 26 is (2n + 1) / 4 times the wavelength of the high frequency signal (n is 0 or positive). When the frequency is equal to (integer), a standing wave is generated and resonates, and electromagnetic waves are emitted around the antenna element 26 to generate plasma.
基板ステージ３２は、成膜容器１４の内壁面よりも小さい寸法の、例えば矩形の金属板であり、パワーシリンダ等の昇降機構４４により上下に昇降される。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、内壁面から中心部に向かって突出するヒータストッパ４６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４６の側面の高さに相当するＬ字型の段差が設けられている。
基板ステージ３２が上昇されると、ヒータストッパ４６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は、基板ステージ３２よりも上側の空間である成膜室４８と、基板ステージ３２の下側の空間である真空室５０とに分離され、真空室５０内が排気部１８ｂにより真空引きされることによって、成膜室４８は密閉される。
The substrate stage 32 is, for example, a rectangular metal plate having a size smaller than the inner wall surface of the film formation container 14 and is moved up and down by an elevating mechanism 44 such as a power cylinder. A heater stopper 46 protruding from the inner wall surface toward the center is provided between the inner wall surface of the film forming container 14 and the raised position of the substrate stage 32. An L-shaped step corresponding to the height of the side surface of the heater stopper 46 is provided on the upper surface of the edge portion of the substrate stage 32.
When the substrate stage 32 is raised, the lower surface of the heater stopper 46 and the stepped portion on the upper surface of the edge of the substrate stage 32 come into contact with each other, so that the height of the upper surface of the substrate stage 32 is substantially the same as the height of the upper surface of the heater stopper 46. ). At this time, the film formation container 14 is separated into a film formation chamber 48 that is a space above the substrate stage 32 and a vacuum chamber 50 that is a space below the substrate stage 32, and the inside of the vacuum chamber 50 is an exhaust section. The film forming chamber 48 is hermetically sealed by being evacuated by 18b.
一方、基板ステージ３２が下降されると、ヒータストッパ４６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５１ができる。酸化ガスの排気時に基板ステージ３２を下降させることによって、成膜室４８内に供給された酸化ガスを、隙間５１から、もしくは、隙間５１および排気孔２４の両方から排気させる。隙間５１の寸法は排気孔２４の寸法に比べて大きいため、酸化ガスを成膜室４８から高速に排気する。 On the other hand, when the substrate stage 32 is lowered, a gap 51 with a predetermined interval is formed between the lower surface of the heater stopper 46 and the stepped portion on the upper surface of the edge of the substrate stage 32. By lowering the substrate stage 32 when exhausting the oxidizing gas, the oxidizing gas supplied into the film forming chamber 48 is exhausted from the gap 51 or from both the gap 51 and the exhaust hole 24. Since the size of the gap 51 is larger than the size of the exhaust hole 24, the oxidizing gas is exhausted from the film forming chamber 48 at a high speed.
このようなＡＬＤ装置１０では、酸化ガスをガス供給部１６から成膜容器１４に供給する一方、アンテナ素子２６のそれぞれに給電ユニット１１から高周波信号を供給する。
その際、位相シフト分配器１３において、位相が９０度ずつシフトした高周波信号、例えば、位相０度、９０度、１８０度、２７０度の４つの高周波信号が生成される。これらの４つの信号は、隣接するアンテナ素子２６間の給電される高周波信号の位相が９０度ずれるように、アンテナ素子２６に供給される。次に、アンテナアレイ２８から電磁波を放射させてプラズマを生成させる。
このとき、後述する計算結果から明らかなように、電磁波の均一性が従来よりも向上するので、均一なプラズマが生成される。したがって、プラズマを利用した酸化処理も均一に行われ、膜厚および特性が均一な薄膜を形成することができる。
In such an ALD apparatus 10, an oxidizing gas is supplied from the gas supply unit 16 to the film formation container 14, while a high frequency signal is supplied from the power supply unit 11 to each of the antenna elements 26.
At that time, the phase shift distributor 13 generates high-frequency signals whose phases are shifted by 90 degrees, for example, four high-frequency signals having phases of 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees. These four signals are supplied to the antenna element 26 so that the phase of the high frequency signal fed between the adjacent antenna elements 26 is shifted by 90 degrees. Next, an electromagnetic wave is radiated from the antenna array 28 to generate plasma.
At this time, as is apparent from the calculation results described later, the uniformity of the electromagnetic wave is improved as compared with the conventional case, so that uniform plasma is generated. Therefore, the oxidation process using plasma is uniformly performed, and a thin film having a uniform film thickness and characteristics can be formed.
図３（ａ）は、アンテナアレイによる電磁波の強度を算出するために、アンテナアレイ２８を成す１つのアンテナ素子２６のモデルを示す図である。アンテナ素子２６に関しては、金属製のシャワーヘッド２９の金属表面を鏡像面として考え、アンテナ素子２６の鏡像であるアンテナ素子を考える。また、図３（ａ）に示すように、ダイポールアンテナがアンテナ素子２６の長手方向に連続して設けられたモデルを考える。
なお、ダイポールアンテナが放射する電磁波の近傍解（厳密解）では、図３（ｂ）に示すような電場を持つ。この近傍解では、電場の動径方向成分Ｅrは無視できない程度に大きい。これは、動径方向成分Ｅrは無視できるほど小さい遠方解とは異なる。
このようなダイポールアンテナが、アンテナ素子２６の長手方向に連続して設けられ、さらに、隣接するアンテナ素子２６を再現するために、ダイポールアンテナが一定間隔で隣接して設けられたモデルを想定する。このとき、算出すべき電場は、各ダイポールアンテナの電場を重ね合わせたものである。
FIG. 3A is a diagram showing a model of one antenna element 26 constituting the antenna array 28 in order to calculate the intensity of the electromagnetic wave by the antenna array. Regarding the antenna element 26, the metal surface of the metal shower head 29 is considered as a mirror image plane, and an antenna element that is a mirror image of the antenna element 26 is considered. Also, consider a model in which dipole antennas are continuously provided in the longitudinal direction of the antenna element 26 as shown in FIG.
Note that the near solution (exact solution) of the electromagnetic wave radiated by the dipole antenna has an electric field as shown in FIG. In this neighborhood solution, the radial component E r of the electric field is so large that it cannot be ignored. This is different from a far solution in which the radial direction component Er is negligibly small.
A model is assumed in which such dipole antennas are continuously provided in the longitudinal direction of the antenna element 26, and further, in order to reproduce the adjacent antenna elements 26, dipole antennas are provided adjacently at a constant interval. At this time, the electric field to be calculated is a superposition of the electric fields of the dipole antennas.
図４（ａ）〜（ｄ）は、想定した上記モデルを用いて、アンテナアレイ２８を再現するためにダイポールアンテナ用いて電磁場が放射する電場の強度分布を示している。使用したモデルは、図４（ｅ）に示すような線状に延びたダイポールアンテナを１６本配列したものであり、隣接する線状に延びたダイポールアンテナ同士は、互いに逆方向から給電されている。図４（ｆ）に示すように、ダイポールアンテナはシャワーヘッド２９の金属表面からｌ＝６ｍｍの位置に極を設けた構成である。 4A to 4D show the intensity distribution of the electric field radiated by the electromagnetic field using the dipole antenna to reproduce the antenna array 28 using the assumed model. The model used is an array of 16 linearly extending dipole antennas as shown in FIG. 4 (e), and the adjacent linearly extending dipole antennas are fed from opposite directions. . As shown in FIG. 4 (f), the dipole antenna has a configuration in which a pole is provided at a position of l = 6 mm from the metal surface of the shower head 29.
図４（ａ）は、供給される高周波信号の位相が０度、すなわちすべて同相の条件（上述の特許文献１に記載の条件）での電場の強度分布を表す。図４（ｂ）は、供給される高周波信号の位相が４５度ずつずれる条件での電場の強度分布を、図４（ｃ）は、供給される高周波信号の位相が９０度ずつずれる条件での電場の強度分布を、図４（ｄ）は、供給される高周波信号の位相が１８０度ずつずれる条件での電場の強度分布を、それぞれ表す。各グラフには、図４（ｅ）に示す中心線Ａ上の、シャワーヘッド２９の金属表面から４０ｍｍ離れた位置の電場の強度分布と、中心線Ａから１８５ｍｍ離れた線Ｂ上の、シャワーヘッド２９の金属表面から４０ｍｍ離れた位置における電場の強度分布を表す。
図５（ａ）〜（ｄ）は、図４（ａ）〜（ｄ）に示す電場の強度分布を濃淡によって表した図である。
FIG. 4A shows the intensity distribution of the electric field when the phase of the supplied high-frequency signal is 0 degrees, that is, all in-phase conditions (the conditions described in Patent Document 1 above). FIG. 4B shows the electric field intensity distribution under the condition that the phase of the supplied high-frequency signal is shifted by 45 degrees, and FIG. 4C shows the condition when the phase of the supplied high-frequency signal is shifted by 90 degrees. FIG. 4D shows the electric field intensity distribution under the condition that the phase of the supplied high-frequency signal is shifted by 180 degrees. Each graph shows the intensity distribution of the electric field at a position 40 mm away from the metal surface of the shower head 29 on the center line A shown in FIG. 4E and the shower head on the line B 185 mm away from the center line A. The electric field strength distribution at a position 40 mm away from the 29 metal surfaces is shown.
FIGS. 5A to 5D are diagrams showing the intensity distribution of the electric field shown in FIGS. 4A to 4D by shading.
高周波信号の位相が９０度ずつずれる（位相０度、９０度、１８０度、２７０度）条件では、図４（ｃ）に示すように、中心線Ａ上の電場の強度分布は略一定値を示す。これより、中心線Ａ上の電場の強度は略均一であり、プラズマが均一に生成されることがわかる。しかも、中心線Ａ上の電場の強度分布の値は、線上Ｂにおける振幅を持って変動する変動の略中心値である。図４（ｂ）に示される周波信号の位相が４５度ずつずれる（０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度）条件では、中心線Ａ上の電場の強度分布は、図４（ａ）〜（ｄ）の中で最も高いが、均一性が図４（ｃ）の電場の強度分布に比べて劣る。しかも、中心線Ａ上の電場の強度分布の値は、線上Ｂにおける振幅を持って変動する変動の略中心値にない。このため、図４（ｄ）に示す強度分布の均一性は、図４（ｃ）に示す強度分布の均一性に比べて劣ることがわかる。 Under the condition that the phase of the high-frequency signal is shifted by 90 degrees (phase 0 degree, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees), the electric field intensity distribution on the center line A has a substantially constant value as shown in FIG. Show. From this, it can be seen that the intensity of the electric field on the center line A is substantially uniform, and the plasma is generated uniformly. Moreover, the value of the intensity distribution of the electric field on the center line A is a substantially center value of the fluctuation that varies with the amplitude on the line B. In the condition where the phase of the frequency signal shown in FIG. 4B is shifted by 45 degrees (0 degree, 45 degrees, 90 degrees, 135 degrees, 180 degrees, 225 degrees, 270 degrees, 315 degrees), The intensity distribution of the electric field is the highest in FIGS. 4A to 4D, but the uniformity is inferior to the intensity distribution of the electric field in FIG. Moreover, the value of the intensity distribution of the electric field on the center line A is not the approximate center value of the fluctuation that varies with the amplitude on the line B. Therefore, it can be seen that the uniformity of the intensity distribution shown in FIG. 4D is inferior to the uniformity of the intensity distribution shown in FIG.
一方、高周波信号の位相が０度（全て同相）の条件では、図４（ａ）に示すように、中心線Ａ上の中央部分の電場の強度分布の値は最も小さく、しかも不均一である。また、高周波信号の位相が１８０度ずつずれる（０度、１８０度）の条件では、図４（ｄ）に示すように、中心線Ａ上の電場の強度分布の値は、図４（ｃ）に示す強度分布の値に比べて小さく、しかも不均一である。
このように、高周波信号の位相が９０度ずつずれる（０度、９０度、１８０度、２７０度）条件は、電場の強度分布の値が高く、しかも均一であることがわかる。したがって、プラズマの密度分布は均一であり、均一なプラズマが生成されることがわかる。また、プラズマの密度も高い。
On the other hand, under the condition that the phase of the high-frequency signal is 0 degrees (all in phase), as shown in FIG. 4A, the value of the intensity distribution of the electric field in the central portion on the center line A is the smallest and non-uniform. . Further, under the condition that the phase of the high-frequency signal is shifted by 180 degrees (0 degree, 180 degrees), as shown in FIG. 4D, the value of the intensity distribution of the electric field on the center line A is as shown in FIG. It is smaller than the intensity distribution value shown in FIG.
Thus, it can be seen that the condition of the phase of the high-frequency signal being shifted by 90 degrees (0 degree, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees) has a high electric field intensity distribution value and is uniform. Therefore, it can be seen that the plasma density distribution is uniform and uniform plasma is generated. Moreover, the density of plasma is also high.
このような高周波信号の位相シフトの効果について、高周波信号の位相が０度（全て同相）の条件と、高周波信号の位相が９０度ずつずれる（位相０度、９０度、１８０度、２７０度）条件とによって、基板に与える影響がどの程度異なるか、を調べた。具体的には、ＡＬＤ装置１０において、プラズマを生成したときプラズマによって加熱される基板の温度を測定した。プラズマが均一に生成される場合、基板の温度の、場所による温度変動は小さいと考えられる。温度測定には、基板にサーモラベルを貼り付けて行った。実験条件は、以下の通りである。 Regarding the effect of the phase shift of the high-frequency signal, the phase of the high-frequency signal is shifted by 90 degrees from the condition that the phase of the high-frequency signal is 0 degrees (all in phase) (phase 0, 90, 180, and 270 degrees). It was investigated how the influence on the substrate differs depending on the conditions. Specifically, in the ALD apparatus 10, the temperature of the substrate heated by the plasma when the plasma was generated was measured. When the plasma is generated uniformly, the temperature variation of the substrate temperature depending on the location is considered to be small. The temperature was measured by attaching a thermo label to the substrate. The experimental conditions are as follows.
基板； ガラス基板
基板のサイズ： ３７０（ｍｍ）×４７０（ｍｍ）
高周波信号の周波数： ８０（ＭＨｚ）
測定点： ９箇所（基板の中心位置、中心位置回りの上下左右の７箇所）
高周波信号の電力： １６００（Ｗ）
アンテナ素子本数： １６本
基板ヒータ温度： ８０（℃）
基板の位置： アンテナ素子下２５（ｍｍ）
圧力： ２０（Ｐａ）
ガス： 酸素ガス、１０００（ｓｃｃｍ）
プラズマ生成時間： １２０秒
Substrate; Glass substrate Size of substrate: 370 (mm) × 470 (mm)
High-frequency signal frequency: 80 (MHz)
Measurement points: 9 locations (center position of the board, 7 locations up, down, left and right around the center position)
High-frequency signal power: 1600 (W)
Number of antenna elements: 16 Substrate heater temperature: 80 (° C)
Board position: 25 mm below antenna element
Pressure: 20 (Pa)
Gas: Oxygen gas, 1000 (sccm)
Plasma generation time: 120 seconds
図６（ａ）及び（ｂ）は、温度を測定した結果である。図６（ａ）は、高周波信号の位相が９０度ずつずれる条件における結果であり、図６（ｂ）は、高周波信号の位相が０度（同相）の条件における結果である。
図６（ａ）の結果から判るように、温度は１３０〜１５０℃の範囲にあり、図６（ｂ）の結果から判るように、温度は１０５〜１４０℃の範囲にばらつく。特に図６（ｂ）における中心線Ａ上の温度は、両側で高く（１３０℃、１４０℃）、中央部で低い（１０５℃）。これは、図４（ａ）に示す中心線Ａ上の電場の強度分布と対応する。
以上より、高周波信号の位相が９０度ずつずれる条件では、プラズマの生成が均一であることがわかる。しかも、位相０度の条件に比べて、温度が高いことからプラズマは高密度に生成されることがわかる。したがって、均一なプラズマを生成することにより、均一（膜厚および特性）な薄膜を形成することができる。
6A and 6B show the results of measuring the temperature. FIG. 6A shows the result under the condition that the phase of the high-frequency signal is shifted by 90 degrees, and FIG. 6B shows the result under the condition that the phase of the high-frequency signal is 0 degree (in phase).
As can be seen from the result of FIG. 6A, the temperature is in the range of 130 to 150 ° C., and as is clear from the result of FIG. 6B, the temperature is in the range of 105 to 140 ° C. In particular, the temperature on the center line A in FIG. 6B is high on both sides (130 ° C., 140 ° C.) and low in the center (105 ° C.). This corresponds to the electric field intensity distribution on the center line A shown in FIG.
From the above, it can be seen that the plasma generation is uniform under the condition that the phase of the high-frequency signal is shifted by 90 degrees. Moreover, it can be seen that the plasma is generated at a high density because the temperature is higher than the condition of phase 0 degree. Therefore, a uniform (film thickness and characteristics) thin film can be formed by generating uniform plasma.
以上、本発明のプラズマ生成装置及びプラズマ生成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。
例えば、上述の実施形態では、位相が９０度ずつずれる４つの高周波信号を生成するために、９０度スプリッタおよび１８０度スプリッタを用いたが、本発明では、分配器から各アンテナ素子までの給電線の長さを変えることにより、アンテナ素子に給電されるときの位相が隣接するアンテナ素子間で、９０度ずつずれるように構成することもできる。
The plasma generation apparatus and the plasma generation method of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention. Of course.
For example, in the above-described embodiment, a 90-degree splitter and a 180-degree splitter are used to generate four high-frequency signals whose phases are shifted by 90 degrees. However, in the present invention, the feeder line from the distributor to each antenna element is used. By changing the length of the antenna element, the phase when power is supplied to the antenna element can be shifted by 90 degrees between adjacent antenna elements.
１０，１００ ＡＬＤ装置
１１ 給電ユニット
１２ 高周波信号生成器
１３ 位相シフト分配器
１４，１１２ 成膜容器
１５，１６，１１４，１１５ ガス供給部
１７ａ，１７ｂ、１１６，１１７ 排気部
１８，１９，１１８，１１９ 供給管
２０，２１，１２０，１２１ 供給孔
２２，２３，１２２，１２３ 排気管
２４，２５，１２４ 排気孔
２６，１２６ アンテナ素子
２８，１２８ アンテナアレイ
２９，１２９ シャワーヘッド
３０，１３０ ヒータ
３２，１３２ 基板ステージ
３８，１３８ インピーダンス整合器
４２ 基板
４４ 昇降機構
４６ ヒータストッパ
４８ 成膜室
５０ 真空室
５１ 隙間
１３８ インピーダンス整合器
１３９ モノポールアンテナ
１４０ 円筒部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 ALD apparatus 11 Power supply unit 12 High frequency signal generator 13 Phase shift distributor 14, 112 Film formation container 15, 16, 114, 115 Gas supply part 17a, 17b, 116, 117 Exhaust part 18, 19, 118, 119 Supply pipe 20, 21, 120, 121 Supply hole 22, 23, 122, 123 Exhaust pipe 24, 25, 124 Exhaust hole 26, 126 Antenna element
28, 128 Antenna array 29, 129 Shower head 30, 130 Heater 32, 132 Substrate stage 38, 138 Impedance matching unit 42 Substrate 44 Lifting mechanism 46 Heater stopper 48 Deposition chamber 50 Vacuum chamber 51 Clearance 138 Impedance matching unit 139 Monopole antenna 140 Cylindrical member
Claims (4)
プラズマを生成させるプラズマ容器と、
前記プラズマ容器内に設けられた金属板と、
棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が前記金属板に平行に一定間隔で前記プラズマ容器内に配設され、隣り合うアンテナ素子が前記プラズマ容器の対向する壁面から突出するように設けられて構成されたアンテナアレイと、
前記アンテナアレイの各アンテナ素子の突出する基部から給電する給電手段と、備え、
前記給電手段から前記各アンテナ素子に給電する高周波信号の位相が、隣り合うアンテナ素子間で９０度ずれていることを特徴とするプラズマ生成装置。 A plasma generation apparatus that generates plasma by radiating electromagnetic waves in a plasma container,
A plasma container for generating plasma;
A metal plate provided in the plasma container;
A plurality of antenna elements formed by covering a rod-shaped antenna body with a dielectric material are arranged in the plasma container at regular intervals in parallel to the metal plate, and adjacent antenna elements are arranged from the opposing wall surfaces of the plasma container. An antenna array configured to project; and
A power feeding means for feeding power from a protruding base of each antenna element of the antenna array,
A plasma generating apparatus, wherein the phase of a high-frequency signal fed from the feeding means to each antenna element is shifted by 90 degrees between adjacent antenna elements.
棒状のアンテナ本体が誘電体で被覆されて形成された複数のアンテナ素子が金属板に平行に一定間隔でプラズマ容器内に配設され、隣り合うアンテナ素子が前記プラズマ容器の対向する壁面から突出するように設けられて構成されたアンテナアレイに給電するとき、前記アンテナ素子に供給する高周波信号の位相が９０度異なる複数の高周波信号を生成するステップと、
生成した位相の異なる高周波信号を、隣り合うアンテナ素子間で９０度ずれるように、前記アンテナアレイに給電して、前記アンテナアレイの電磁波の放射によりプラズマを生成させるステップと、を有することを特徴とするプラズマ生成方法。 A plasma generation method for generating plasma by radiating electromagnetic waves in a plasma container,
A plurality of antenna elements formed by covering a rod-shaped antenna body with a dielectric material are arranged in the plasma container at regular intervals parallel to the metal plate, and adjacent antenna elements protrude from the opposing wall surfaces of the plasma container. Generating a plurality of high-frequency signals whose phases of the high-frequency signals supplied to the antenna elements differ by 90 degrees when supplying power to the antenna array configured and configured as described above,
Supplying the generated high-frequency signals having different phases to the antenna array so as to be shifted by 90 degrees between adjacent antenna elements, and generating plasma by radiation of electromagnetic waves from the antenna array, Plasma generation method.
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