JP5764461B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマＣＶＤ装置に関する。
近年、半導体装置は人間の生活に欠かせないものとなっている。ここで、半導体装置は、少なくとも一のトランジスタを含む装置であり、あらゆる電子機器が半導体装置に含まれる。
半導体装置に含まれるトランジスタなどの素子は、薄膜により構成される。このような薄膜の形成には、プラズマ処理が不可欠である。なお、ここで、プラズマＣＶＤ法などもプラズマ処理に含まれる。例えば、ガラス基板を用いて薄膜トランジスタを作製するに際して、ゲート絶縁膜の形成にプラズマＣＶＤ法を適用することで、低温下で緻密な膜を形成することができる。
このように半導体装置に含まれるトランジスタなどの素子を作製する際に用いられるため、プラズマ処理装置についても様々な技術開発が進められている（例えば、特許文献１）。
ところで、プラズマ処理装置に求められる性能の一つとして、プラズマの均一性が挙げられる。プラズマの均一性を向上させるためには、上部電極と下部電極の間の電界強度の時間平均、及び導入したガスの分布を均一にするとよい。なお、「時間平均」とは、一周期における電界強度の平均値をいう。
本発明の一態様は、電界強度を均一にし、且つ導入したガスの分布を均一にすることが可能なプラズマ処理装置を提供する。
本発明の一態様であるプラズマ処理装置は、上部電極と上部電極を覆うチャンバー壁を同軸形状とし、前記上部電極内のガス管を経て導入されたガスは、分散板と、シャワー板を経て処理室に導入される構成を有し、前記分散板は、前記上部電極内の前記ガス管と対向し、ガス孔が設けられていない分散板中央部と、前記分散板中央部を囲い、複数のガス孔が設けられている分散板周辺部と、を有する。
本発明の一態様は、上部電極の電極面と下部電極の電極面が対向し、チャンバー壁により覆われた処理室と、前記処理室とは前記上部電極と絶縁物により隔てられ、前記チャンバー壁と同一のチャンバー壁により覆われたライン室と、を有し、前記処理室は、分散板とシャワー板の間に設けられた第１のガス拡散室に接続され、前記第１のガス拡散室は、前記分散板と前記上部電極の電極面の間に設けられた第２のガス拡散室に接続され、前記第２のガス拡散室は前記上部電極内の第１のガス管に接続され、前記上部電極内の前記第１のガス管は第２のガス管に接続され、前記第２のガス管は処理用ガス供給源に接続されており、前記ライン室は、不活性ガス供給源に接続されたガス導入口と、同軸で設けられた前記上部電極と前記チャンバー壁を有し、前記分散板は、前記上部電極の電極面に接続された前記上部電極内の前記第１のガス管のガス導入口と対向し、ガス孔が設けられていない分散板中央部と、前記分散板中央部を囲い、複数のガス孔が設けられている分散板周辺部と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置である。
前記構成において、前記シャワー板には複数のガス孔が設けられており、前記シャワー板のガス孔の数は、前記分散板のガス孔の数よりも多いことが好ましい。または、前記構成において、前記シャワー板には複数のガス孔が設けられており、前記シャワー板のガス孔の一主表面における総面積は、前記分散板のガス孔の一主表面における総面積よりも大きいことが好ましい。前記第１のガス拡散室において、ガスを均一に分散させることができるからである。
前記構成において、前記上部電極には温度計が接続され、前記上部電極における前記温度計の接続箇所は、前記上部電極の電極面の中心点を基準として前記上部電極内の前記第１のガス管のガス導入口と点対称であることが好ましい。前記上部電極からの電界の均一性を高くすることができるからである。
前記構成において、前記上部電極には、前記上部電極内の前記第１のガス管のガス導入口近傍を迂回する冷却媒体の経路が設けられていることが好ましい。冷却媒体としては、例えば、水または油などを用いることができる。
前記構成のプラズマ処理装置は、例えば、プラズマＣＶＤ装置である。
上部電極からの電界の強度を均一にし、且つ導入したガスの分布を均一にすることが可能なプラズマ処理装置を提供することができる。
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
図１は、本発明の一態様であるプラズマ処理装置の概略図を示す。図１（Ｂ）には、主要な構成についてのプラズマ処理装置１００全体の断面図を示し、図１（Ａ）には、図１（Ｂ）のＡ−Ｂにおける断面図を示す。
図１に示すプラズマ処理装置１００は、処理室１０２とライン室１０４を有する。処理室１０２はチャンバー壁１１４により覆われており、処理室１０２では上部電極１１０の電極面と下部電極１１２の電極面が対向して設けられている。ライン室１０４はチャンバー壁１１４により覆われており、処理室１０２とは上部電極１１０と絶縁物（上部電極１１０の電極面とチャンバー壁１１４の間の白抜きで示す部分）により隔てられている。
処理室１０２は、分散板１１６とシャワー板１１８の間に設けられた第１のガス拡散室１０６に接続され、第１のガス拡散室１０６は、分散板１１６と上部電極１１０の電極面の間に設けられた第２のガス拡散室１０８に接続され、第２のガス拡散室１０８は上部電極１１０内の第１のガス管１２０に接続され、上部電極１１０内の第１のガス管１２０は第２のガス管１２２に接続され、第２のガス管１２２は処理用ガス供給源１２４に接続されている。
ライン室１０４は、不活性ガス供給源に接続されたガス導入口１２６と、同軸で設けられた上部電極１１０とチャンバー壁１１４を有する。ライン室１０４は、陽圧の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。
なお、本明細書において、「陽圧の雰囲気」とは、好ましくは大気圧よりも高い気圧をいうが、これに限定されない。少なくとも処理室内よりも高い気圧であればよい。
ここで、ライン室１０４内を陽圧の不活性ガス雰囲気とすることで、ライン室１０４内の部品が酸化されることなどを防ぎ、メンテナンス頻度を低下させ、平均故障間隔（ＭＴＢＦ；Ｍｅａｎ Ｔｉｍｅ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｆａｉｌｕｒｅ）を大きくすることができる。
そして、図１に示すプラズマ処理装置では、上部電極１１０とチャンバー壁１１４を同軸形状とするため、導入した不活性ガスの経路が阻害されない。そのため、上部電極１１０のライン部において、同一の高さにおける温度分布の均一性が高まり、上部電極１１０に供給する電力が高周波である場合の上部電極のライン部の表面における電力の伝播を安定なものとすることができる。従って、上部電極１１０とチャンバー壁１１４を同軸形状にすることで、インピーダンスを小さくすることができ、伝送効率を高めることができる。更には、上部電極１１０における電界の分布を均一性の高いものとすることができる。
ここで、上部電極１１０のライン部の直径をｄ、チャンバー壁１１４の内側の直径をＤ、ライン室１０４の雰囲気の比誘電率をεとすると、インピーダンスＺは式（１）で表される。
上記式（１）によれば比誘電率εを大きくすることでインピーダンスＺを小さくすることができる。ライン室１０４内に導入するガスは適宜選択可能なため、比誘電率εの大きいガスを選択してインピーダンスＺを小さくすることができる。例えば、ライン室１０４の雰囲気を窒素雰囲気とすると、ライン室１０４の雰囲気中の温度が２０℃のときに比誘電率ε＝５．４７程度となる。または、ライン室１０４の雰囲気をアルゴン雰囲気とすると、ライン室１０４の雰囲気中の温度が２０℃のときに比誘電率ε＝５．１７程度となる。
また、ライン室１０４内を陽圧の不活性ガス雰囲気とすることで、ライン室１０４内の部品の除熱も可能であるため、例えば上部電極１１０にヒーターが備えられている場合であっても、上部電極１１０が過熱されることを防ぐことができる。なお、上部電極１１０には、図１（Ｂ）に示すように温度計１２８を接続させることが好ましい。
また、ライン室１０４内を陽圧の不活性ガス雰囲気とすることで、チャンバー壁１１４にリークが生じた場合であっても、処理室１０２への大気成分の侵入を抑制することも可能である。
図２は、分散板１１６の一主表面の概略を示す。図２に示す分散板１１６は、分散板中央部１３０と分散板周辺部１３２を有する。分散板中央部１３０は、上部電極１１０の電極面に接続された上部電極１１０内の第１のガス管１２０のガス導入口と対向して配される部分であり、ガス孔が設けられていない。分散板周辺部１３２には、複数のガス孔が設けられている。
なお、シャワー板１１８には複数のガス孔が設けられており、シャワー板１１８のガス孔の数は、分散板１１６のガス孔の数よりも多いことが好ましい。または、シャワー板１１８には複数のガス孔が設けられており、シャワー板１１８のガス孔の総面積は、分散板１１６のガス孔の総面積よりも大きいことが好ましい。ガスを均一に分散させることができるからである。
上記のように、分散板１１６の分散板中央部１３０にガス孔が設けられていないため、第１のガス管１２０のガス導入口から導入されたガスが十分に拡散されずに第１のガス拡散室１０６に導入されることを防ぎ、処理室１０２に導入されるガスの均一性を高くすることができる。
図３は、上部電極１１０の電極面の一例を示す。なお、図３は、上部電極１１０の電極面を下部電極１１２の反対側から見た図である。図３に示す上部電極１１０には、第１のガス管１２０のガス導入口１４４と、温度計の接続箇所１４６と、冷却媒体経路１４０が設けられており、冷却媒体経路１４０は、第１のガス管１２０のガス導入口１４４の近傍に迂回部１４２を有する。
温度計の接続箇所１４６は、上部電極１１０の電極面の中心点を基準として上部電極１１０内の第１のガス管１２０のガス導入口１４４と点対称の位置であることが好ましい。上部電極１１０からの電界の均一性を低下させずに温度計を接続させることができるからである。
迂回部１４２は、第１のガス管１２０のガス導入口１４４近傍に設けられていることが好ましい。冷却媒体としては、例えば、水または油などを用いることができる。
なお、冷却媒体経路１４０は、図３に図示した形態に限定されない。従って、迂回部１４２が設けられていなくてもよい。
第１のガス管１２０の主要部の断面の直径ｄ１及び第２のガス管１２２の主要部の断面の直径ｄ２は、上部電極１１０に電力が供給された際に、第１のガス管１２０中または第２のガス管１２２中で放電が生じない程度の大きさとすればよい。また、ｄ１とｄ２は、概ね等しい大きさとするとよい。
第１のガス管１２０のガス導入口の直径ｄ３は、上部電極１１０の電極面と、第１のガス管１２０がなす角をθとすると、ｄ３＝ｄ１／ｓｉｎθと表される。ただし、第１のガス管１２０の直径は、ガス導入口において拡大されていてもよい。なお、第１のガス管１２０のガス導入口の直径ｄ３も放電が生じない程度の大きさとする。
分散板中央部１３０の直径ｄ４は、第１のガス管１２０のガス導入口の直径ｄ３よりも大きいことが好ましい。第１のガス管１２０のガス導入口から導入されたガスが、拡散されることなく第１のガス拡散室１０６に導入されることを防ぐためである。
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、図１のプラズマ処理装置１００における処理室１０２に処理ガスを導入し、上部電極１１０と下部電極１１２に電圧を印加したときのＣ−Ｄにおける電界強度の分布（図４（Ａ））と、Ｃ−Ｄにおける処理ガスの分布（図４（Ｂ））とＥ−Ｆにおける反応性物質の分布（図４（Ｃ））の概念図を示す。
図４（Ａ）に示すように、電界強度は上部電極１１０及び下部電極１１２の中央部と重畳する位置にピークを有するが、図１に示すプラズマ処理装置１００では電界強度の均一性が高いため、その勾配は緩やかである。そして、図４（Ｂ）に示すように、処理ガスの分布は分散板中央部１３０と重畳する位置を避けて二つのピークを有する。
図４（Ａ）に示す電界強度と、図４（Ｂ）に示す処理ガスの分布から、反応性物質（電離した材料物質）は図４（Ｃ）に示すように分布すると考えられる。図４（Ｃ）に示すように反応性物質（電離した材料物質）が分布すると、例えばプラズマ処理装置１００を用いてプラズマＣＶＤ法により基板上に成膜を行う場合には、基板面内における膜厚のばらつきを小さくし、膜質の均一性が高いものとすることができる。または、成膜を行う場合でなくても、基板に対して高い均一性でプラズマ処理を行うことができる。
なお、本発明の一態様であるプラズマ処理装置は、プラズマ処理を２０００Ｐａ以上１０００００Ｐａ以下、好ましくは４０００Ｐａ以上５００００Ｐａ以下の圧力下でプラズマ処理を行う場合に特に有効である。
１００ プラズマ処理装置
１０２ 処理室
１０４ ライン室
１０６ 第１のガス拡散室
１０８ 第２のガス拡散室
１１０ 上部電極
１１２ 下部電極
１１４ チャンバー壁
１１６ 分散板
１１８ シャワー板
１２０ 第１のガス管
１２２ 第２のガス管
１２４ 処理用ガス供給源
１２６ 不活性ガス供給源に接続されたガス導入口
１２８ 温度計
１３０ 分散板中央部
１３２ 分散板周辺部
１４０ 冷却媒体経路
１４２ 迂回部
１４４ 第１のガス管１２０のガス導入口
１４６ 温度計の接続箇所
ｄ１ 第１のガス管１２０の主要部の断面の直径
ｄ２ 第２のガス管１２２の主要部の断面の直径
ｄ３ 第１のガス管１２０のガス導入口の直径
ｄ４ 分散板中央部１３０の直径
１０２ 処理室
１０４ ライン室
１０６ 第１のガス拡散室
１０８ 第２のガス拡散室
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１４６ 温度計の接続箇所
ｄ１ 第１のガス管１２０の主要部の断面の直径
ｄ２ 第２のガス管１２２の主要部の断面の直径
ｄ３ 第１のガス管１２０のガス導入口の直径
ｄ４ 分散板中央部１３０の直径
Claims (5)
- 上部電極及び下部電極を有し、チャンバー壁に覆われた処理室と、
前記処理室と、前記上部電極及び絶縁物により隔てられ、前記チャンバー壁に覆われたライン室と、を有し、
前記処理室は、分散板とシャワー板との間の第１のガス拡散室に接続され、
前記第１のガス拡散室は、前記分散板と前記上部電極との間の第２のガス拡散室に接続され、
前記第２のガス拡散室は前記上部電極内の第１のガス管に接続され、
前記第１のガス管は第２のガス管に接続され、
前記第２のガス管は処理用ガス供給源に接続され、
前記ライン室は、不活性ガス供給源に接続されたガス導入口と、同軸形状の前記上部電極と前記チャンバー壁とを有し、
前記分散板は、ガス孔が設けられていない分散板中央部と、複数のガス孔が設けられている分散板周辺部と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１において、
前記シャワー板には複数のガス孔が設けられており、
前記シャワー板のガス孔の数は、前記分散板のガス孔の数よりも多いことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１において、
前記シャワー板には複数のガス孔が設けられており、
前記シャワー板のガス孔の一主表面における総面積は、前記分散板のガス孔の一主表面における総面積よりも大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
前記上部電極には温度計が接続され、
前記上部電極における前記温度計の接続箇所は、前記上部電極の電極面の中心点を基準として前記上部電極内の前記第１のガス管のガス導入口と点対称であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
前記上部電極には、前記上部電極内の前記第１のガス管のガス導入口近傍を迂回する冷却媒体の経路が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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