JP5854225B2 - プラズマｃｖｄ成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを形成して成膜を行うプラズマＣＶＤ成膜装置に関する。

半導体装置の製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜、エッチング、アッシングなどの処理にプラズマ処理装置が用いられている。例えば成膜装置として、平行平板を構成するカソード電極とアノード電極間にプラズマを形成して成膜処理を行うプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）成膜装置が知られている。プラズマＣＶＤ成膜装置では、高周波電力などにより原料ガスがプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。例えば、複数の電極板を用意し、それぞれの電極板に基板を配置することで処理能力を向上させたプラズマＣＶＤ成膜装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第０２／２０８７１号パンフレット

プラズマＣＶＤ成膜装置では、アルミニウム（Ａｌ）やその合金、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属材料がカソード電極に用いられている。

基板に薄膜を形成する際に、基板のみならずアノード電極やカソード電極にも膜が堆積する。この堆積膜の膜厚が一定量を超えると、膜の応力によってアノード電極やカソード電極の変形や破損が生じる。その結果、膜厚分布の異常や成膜レートの低下などの問題が生じる。また、電極の変形が生じない場合でも、膜が厚く堆積するとカソード電極やアノード電極の表面の粗度が大きくなる。表面の粗度が大きくなるにつれて、成膜処理開始直後と比較してプラズマ状態が変化し、成膜レートの変動や膜質の変動などの問題が生じる。

これらの問題を回避するために、一定期間の成膜処理の後に、薬用洗浄やサンドブラストなどの機械洗浄によってカソード電極やアノード電極をクリーニングする必要がある。このクリーニング頻度が高いと、成膜装置の稼働率を下げるだけでなく、メンテナンスコストが増大する。

上記問題点に鑑み、本発明は、膜の堆積に起因する電極の変形が抑制されたプラズマＣＶＤ成膜装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）チャンバーと、（ロ）成膜処理対象の基板が搭載される搭載面を有し、チャンバー内に配置されたアノード電極と、（ハ）チャンバー内で搭載面と対向するように配置された、少なくとも表面の一部がガラス状炭素で被覆された炭素材料からなるカソード電極と、（ニ）アノード電極とカソード電極間に交流電力を供給して、アノード電極とカソード電極間においてプロセスガスをプラズマ状態にする交流電源とを備えるプラズマＣＶＤ成膜装置が提供される。

本発明によれば、膜の堆積に起因する電極の変形が抑制されたプラズマＣＶＤ成膜装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のアノード電極の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極に形成される放電構造体の例を示す模式図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶ−ＩＶ方向に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極に形成される放電構造体の他の例を示す模式図であり、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ−Ｖ方向に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極に形成される放電構造体の更に他の例を示す模式図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＶＩ−ＶＩ方向に沿った断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極の他の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極の更に他の構成を示す模式的な断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置のカソード電極の構成を示す模式図である。

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この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、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置１は、図１に示すように、チャンバー１０と、成膜処理対象の基板１００が搭載される搭載面２００を有し、チャンバー１０内に配置されたアノード電極２０と、チャンバー１０内で搭載面２００と対向するように配置された、少なくとも表面の一部がガラス状炭素で被覆された炭素材料からなるカソード電極３０と、アノード電極２０とカソード電極３０間に交流電力を供給して、アノード電極２０とカソード電極３０間においてプロセスガス６０をプラズマ状態にする交流電源４０とを備える。プラズマＣＶＤ成膜装置１によれば、プロセスガス６０に含まれる原料を主成分とする薄膜が基板１００上に形成される。

カソード電極３０の構造例を図２に示す。カソード電極３０は、炭素材料からなる本体部３１と、本体部３１の表面を覆うガラス状炭素膜３２からなる。本体部３１は、例えばカーボンからなる。そして、カーボン粒を含有する樹脂を本体部３１の表面に塗布し、高温焼成で乾燥させることなどによって、本体部３１の表面がガラス状炭素膜３２で被覆される。ガラス状炭素膜３２の膜厚は、例えば１μｍ程度である。

図１に示したプラズマＣＶＤ成膜装置１では、基板搭載装置がアノード電極２０として使用されている。図１に示した例では、アノード電極２０はチャンバー１０を介して接地されている。

アノード電極２０として使用される基板搭載装置は、例えば法線方向に複数の搭載面２００が重なるように配置された構造を採用可能である。即ち、図１に示すような、搭載面２００が主面にそれぞれ定義され、互いに離間し且つ平行に配置された複数の基板取り付け板２０１と、基板取り付け板２０１のそれぞれの底部を固定する固定板２０２とを有する基板搭載装置を採用可能である。基板搭載装置に搭載された状態で基板１００がプラズマＣＶＤ成膜装置１に格納され、成膜処理後に取り出される。搭載面２００は鉛直方向に延伸し、基板１００はチャンバー１０内で垂直に立てて保持される。図１では基板取り付け板２０１が２枚である例を示したが、基板取り付け板２０１の枚数は２枚に限られない。

プラズマＣＶＤ成膜装置１では、基板１００が搭載された状態のアノード電極２０がチャンバー１０に搬入される。その後、図示を省略したガス供給装置からチャンバー１０内に成膜用の原料ガスを含むプロセスガス６０が導入される。プロセスガス６０を導入後、図示を省略した排気装置によってチャンバー１０内の圧力が調整される。

例えば、プロセスガス６０はチャンバー１０の下方から導入され、上方から排気される。下方からプロセスガス６０を導入することにより、比重の軽いプラズマ化したガス分子、ラジカル粒子は上方流としてカソード電極３０の表面を自然に流れ上がる。このため、カソード電極３０の表面に均一にプロセスガスが供給される。

チャンバー１０内のプロセスガス６０の圧力が所定のガス圧に調整された後、交流電源４０によって所定の交流電力がカソード電極３０とアノード電極２０間に供給される。これにより、チャンバー１０内のプロセスガス６０がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１００を曝すことにより、原料ガスに含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板１００の露出した表面に形成される。なお、図１に示したヒータ５０によって、成膜処理中の基板１００の温度を設定してもよい。成膜処理中の基板１００の温度を所定の温度に設定することにより、成膜速度を速めたり、膜質を向上させたりすることができる。

プラズマＣＶＤ成膜装置１において原料ガスを適宜選択することによって、所望の薄膜を形成できる。例えば、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜などを基板１００上に形成することができる。具体的には、アンモニア（ＮＨ₃）ガスとシラン（ＳｉＨ₄）ガスの混合ガスを用いて、基板１００上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜が形成される。或いは、シラン（ＳｉＨ₄）ガスとＮ₂Ｏガスの混合ガスを用いて、基板１００上に酸化シリコン（ＳｉＯx）膜が形成される。

成膜処理中はプラズマＣＶＤ成膜装置１のカソード電極３０は常時放電されており、連続的にカソード電極３０に膜が堆積される。堆積された膜は応力を持つため、膜の応力がカソード電極３０の曲げ強度を超えるほどに膜が堆積されると、カソード電極３０の変形の原因となる。

しかし、プラズマＣＶＤ成膜装置１のカソード電極３０は、図２に示したように、本体部３１の表面がガラス状炭素膜３２で被覆された構造である。ガラス状炭素は、通常の炭素材料と同様の導電性と熱伝導性を有しながら、不浸透性、不透過性、遮断性、耐薬品反応性に優れ、且つパーティクルの発生、発塵、粉落ちが少ないという特徴を有する材料である。このため、ガラス状炭素に表面を被覆されたカソード電極３０を用いて連続放電を行った場合は、ガラス状炭素は表面が化学的不活性であるため、カソード電極３０の表面とその表面に堆積する膜との密着性が悪い。このため、カソード電極３０の表面に堆積した膜は容易に剥離されてしまう。その結果、カソード電極３０の表面に膜が厚く堆積されることがなく、堆積膜の応力によってカソード電極３０が変形したり、破損したりすることが抑制される。

なお、成膜処理中にはアノード電極２０にも膜が連続的に堆積する。このため、アノード電極２０にも堆積膜による応力が加わり、カソード電極３０と同様にアノード電極２０の変形が引き起こされる可能性がある。このため、アノード電極２０の表面もガラス状炭素で被覆することが好ましい。具体的には、図３に示すように、例えばカーボンなどの炭素材料からなる本体部２１の表面をガラス状炭素膜２２によって被覆された構造を、アノード電極２０に採用する。

アノード電極２０とカソード電極３０の間隔が規定されている範囲を超えた場合は、成膜処理対象の基板１００に形成される薄膜の膜厚分布異常や成膜レートの低下などの問題が生じる。しかし、アノード電極２０とカソード電極３０の表面をガラス状炭素で被覆することにより、アノード電極２０とカソード電極３０の変形が抑制され、アノード電極２０とカソード電極３０の間隔を所定値に保つことができる。

また、ホローカソード放電を利用して高密度のプラズマを発生させるために、カソード電極３０の表面に凹部や貫通孔などを配置して構成される凹凸形状の構造体（以下において、「放電構造体」という）を形成してもよい。放電構造体を有するホローカソード電極を用いてホローカソード放電を発生させることができる。

例えば、カソード電極３０の表面に凹部を形成して放電構造体とする。具体的には、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すようにカソード電極３０の表面に溝３０１を配置して凹部を形成してもよい。図４（ａ）には溝３０１を格子状に形成した例を示したが、溝３０１の配置は格子状に限られない。又は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すようにカソード電極３０の表面に複数のディンプル３０２を配置して凹部を形成してもよい。

或いは、放電構造体として、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すようにカソード電極３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３０３が形成された構造を採用可能である。貫通孔３０３の開口部は、基板取り付け板２０１の搭載面２００と対向するようにカソード電極３０の表面に形成される。図６（ａ）、図６（ｂ）に示したカソード電極３０の膜厚ｄは、例えば５ｍｍ程度である。貫通孔３０３の直径は、目詰まりの心配が無く、且つメンテナンスが容易であるように３．８ｍｍ〜８．０ｍｍ程度に設定され、例えば５ｍｍである。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示したカソード電極３０の両面にそれぞれ励起されるプラズマは、貫通孔３０３によって連結する。このため、カソード電極３０の両面におけるプラズマ濃度の濃淡の差は自然に補正され、カソード電極３０の両面に密度が均一なプラズマ空間を生成できる。したがって、カソード電極３０に多数の貫通孔３０３を形成したマルチホローカソード構造を採用することによって、カソード電極３０の両面に均一なマルチホロー放電を得ることができる。「マルチホロー放電」とは、各貫通孔３０３にそれぞれ生じたホローカソード放電が合わさってカソード電極３０の表面に生じる放電である。これにより、カソード電極３０の表面に均一な高密度プラズマを実現することができる。その結果、原料ガスが効率よく分解され、高速で大面積に均一に薄膜が基板１００上に形成される。

ところで、カソード電極３０が放電構造体を有するホローカソード電極である場合は、カソード電極３０に形成された凹部の表面や貫通孔３０３の内壁にも成膜処理中に膜が堆積する。ホローカソード放電により凹部の表面や貫通孔３０３の内壁に堆積した膜は、非常に硬度が高く、更に、外側に広がろうとする応力を有する。このため、カソード電極３０の変形がより起こりやすい。

これに対し、凹部の表面や貫通孔３０３の内壁をガラス状炭素で被覆することによって、カソード電極３０の変形を抑制できる。図２では、カソード電極３０の表面全体がガラス状炭素で被覆された例を示したが、例えば図７及び図８に示すように凹部の表面のみをガラス状炭素膜３２で被覆したり、図９に示すように貫通孔３０３の内壁の表面のみをガラス状炭素膜３２で被覆してもよい。

以下に、表面をガラス状炭素で被覆したカソード電極３０と、表面をガラス状炭素で被覆していない比較例のカソード電極（以下において「カソード電極３０Ａ」という。）について、プラズマＣＶＤ法による成膜工程により生じる変形の程度を調査した結果を示す。調査には、図１に示した構成のプラズマＣＶＤ成膜装置を使用した。

調査に用いたカソード電極は、面積が２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚みｄが５ｍｍのカーボン板である。そして、直径５ｍｍの貫通孔３０３が６．５ｍｍピッチで配列されたホローカソード電極を用いた。第１の実施形態に係るカソード電極３０は炭素材料（Ｇ５３５）からなる本体部３１の表面にガラス状炭素膜３２を被覆した構造であり、比較例のカソード電極３０Ａはガラス状炭素膜３２が被覆されていない炭素材料（Ｇ５３５）からなる。アノード電極２０には、面積が２００ｍｍ×２００ｍｍのカーボン板を採用した。

ヒータ５０によりアノード電極２０の温度を４５０℃に加熱し、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜を成膜するためにプロセスガス６０としてシラン（ＳｉＨ₄）とアンモニア（ＮＨ₃)の混合ガスをチャンバー１０内に導入した。ガス流量は、シランガスが２１５ｓｃｃｍ、アンモニアガスが９５０ｓｃｃｍである。チャンバー１０内の圧力は６７Ｐａに調整し、交流電源４０によって２５０ｋＨｚの高周波を７００Ｗで印加して、プラズマをチャンバー１０内に発生させた。

１５日間の連続放電により、比較例のカソード電極３０Ａでは、成膜処理前には５ｍｍであった貫通孔３０３の直径が３．５ｍｍ程度まで減少した。また、５ｍｍであったカソード電極３０Ａの厚みｄは６．５ｍｍ〜６．８ｍｍまで増加した。成膜レートは、堆積膜が殆どない処理開始直後では１０５ｎｍ／分であったが、１５日間連続放電後では６７ｎｍ／分であり、３６％減少した。

一方、第１の実施形態に係るカソード電極３０では、１５日間の連続放電後においても貫通孔３０３の直径は４．５ｍｍ程度までしか減少しなかった。また、厚みｄは５．３ｍｍ程度であり、堆積膜による厚みｄの増加は、比較例のカソード電極３０Ａに比べると小さい。成膜レートについても、１５日間連続放電後で１０３ｎｍ／分であり、処理開始直後の１０５ｎｍ／分から殆ど変動しなかった。このように、表面がガラス状炭素膜３２で被覆されたカソード電極３０は、１５日間連続放電後でも処理開始直後と殆ど同じ状態であった。

以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置１によれば、炭素材料からなるカソード電極３０の表面をガラス状炭素で被覆することにより、カソード電極３０に堆積される膜に起因するカソード電極３０の変形が抑制される。このため、カソード電極３０をクリーニングする頻度が低くなり、プラズマＣＶＤ成膜装置１の稼働率の低下やメンテナンスコストの増大を抑制できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置１は、カソード電極３０が炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなる。その他の構成については、図１に示す第１の実施形態と同様である。

炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）は、炭素繊維により補強された炭素系材料であり、金属材料と比較して延びにくい性質を有する。したがって、カソード電極３０にヤング率の高い炭素繊維強化炭素複合材料を使用することにより、カソード電極３０に堆積した膜の応力によるカソード電極３０の変形が抑制される。

特に、カソード電極３０が貫通孔３０３を有するホローカソード電極である場合に、カソード電極３０に炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料を採用することが効果的である。既に説明したように、ホローカソード放電により貫通孔３０３の内壁に堆積した膜は非常に硬度が高い上に、外側に広がろうとする応力を有する。このため、カソード電極３０の変形がより起こりやすい。しかし、炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなるカソード電極３０では、貫通孔３０３の内壁に堆積した膜による応力に起因するカソード電極３０の変形が抑制される。

更に、図１０に示すように、最も応力が集中するカソード電極３０の表面の外縁から一定の距離ｔ以内の外周領域には、貫通孔３０３を配置しないことが好ましい。更に、例えば図４（ａ）、図４（ｂ）や図５（ａ）、図５（ｂ）に示した凹部である放電構造体についても、貫通孔３０３と同様に、カソード電極３０の表面の外縁から一定の距離ｔ以内の外周領域には形成しないことが好ましい。

発明者らが実験、検証を行った結果、外縁からの距離ｔを５ｍｍ以上にすることによって、カソード電極３０の外縁部に配置された放電構造体に起因するカソード電極３０の変形を抑制できることが確認された。このため、例えばカソード電極３０の表面の外縁から８ｍｍ以内には貫通孔３０３の開口部が配置されないようにする。

上記のように、カソード電極３０の端部に放電構造体を配置しないことにより、カソード電極３０の変形や破損の原因となる膜応力の集中を防ぐことができる。

なお、炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなるカソード電極３０を使用した場合、カソード電極３０に膜が堆積されていない状態では成膜レートが低く、カソード電極３０に膜が堆積されていくことで成膜レートが安定する。このため、成膜処理対象の基板１００上に薄膜を形成する前に、カソード電極３０に膜を堆積させる時間を設定することが好ましい。発明者らの調査により、１０分間カソード電極３０に膜を堆積させた後に基板１００上に薄膜を形成することによって、安定した放電状態を実現できることが確認された。これにより、安定した成膜レートを得ることができる。

以下に、炭素材料（Ｇ５３５）からなるカソード電極３０と、アルミニウム材料（Ａ１０５０）からなる比較例のカソード電極（以下において「カソード電極３０Ｂ」という。）について、プラズマＣＶＤ法による成膜工程により生じる変形の程度を調査した結果を示す。調査には、図１に示した構成のプラズマＣＶＤ成膜装置を使用した。

調査に用いたカソード電極には、面積が２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚みｄが５ｍｍであり、直径５ｍｍの貫通孔３０３が６．５ｍｍピッチで配列されたホローカソード電極を用いた。アノード電極２０には、面積が２００ｍｍ×２００ｍｍのカーボン板を採用した。

ヒータ５０によりアノード電極２０の温度を４５０℃に加熱し、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜を成膜するためにプロセスガス６０としてシラン（ＳｉＨ₄）とアンモニア（ＮＨ₃)の混合ガスをチャンバー１０内に導入した。ガス流量は、シランガスが２１５ｓｃｃｍ、アンモニアガスが９５０ｓｃｃｍである。チャンバー１０内の圧力は６７Ｐａに調整し、交流電源４０によって２５０ｋＨｚの高周波を７００Ｗで印加して、プラズマをチャンバー１０内に発生させた。連続放電による成膜処理の後、カソード電極に堆積された膜をフッ酸によって除去し、カソード電極の変形量を測定した。

比較例のカソード電極３０Ａは、連続放電による成膜処理を２０時間実施すると、貫通孔３０３内に堆積した膜の応力によって膨張し、カソード電極３０Ｂの面積は２１０ｍｍ×２１０ｍｍに増大した。また、平面方向においても１ｍｍ程度の反りが発生した。

一方、第２の実施形態に係るカソード電極３０では、連続放電による成膜処理を１００時間実施した後においても、カソード電極３０の面積は２００ｍｍ×２００ｍｍのままで変化せず、平面方向における反りも発生しなかった。

以上に説明したように、本発明の第２の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置１によれば、炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料からなるカソード電極３０を使用することにより、Ａｌなどからなる金属製のカソード電極と比べて、カソード電極３０に堆積される膜に起因するカソード電極３０の変形が抑制される。このため、カソード電極３０をクリーニングする頻度が低くなり、プラズマＣＶＤ成膜装置１の稼働率の低下やメンテナンスコストの増大を抑制できる。なお、アノード電極２０を炭素材料又は炭素繊維強化炭素複合材料で構成してもよい。

上記のように、本発明は実施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この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形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。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。

１…プラズマＣＶＤ成膜装置
１０…チャンバー
２０…アノード電極
２１…本体部
２２…ガラス状炭素膜
３０…カソード電極
３１…本体部
３２…ガラス状炭素膜
４０…交流電源
５０…ヒータ
６０…プロセスガス
１００…基板
２００…搭載面
２０１…基板取り付け板
２０２…固定板
３０１…溝
３０２…ディンプル
３０３…貫通孔

Claims (4)

1. チャンバーと、
   成膜処理対象の基板が搭載される搭載面を有し、前記チャンバー内に配置されたアノード電極と、
   前記チャンバー内で前記搭載面と対向するように配置され、前記搭載面に対向する主面に形成された凹部又は前記基板にそれぞれ対向する２つの主面にそれぞれ開口部を有する貫通孔を有し、前記アノード電極との間にホローカソード放電を生じさせ、少なくとも表面の一部として前記凹部の表面又は前記貫通孔の内壁の表面がガラス状炭素で被覆された炭素材料からなるホローカソード電極と、
   前記アノード電極と前記カソード電極間に交流電力を供給して、前記アノード電極と前記カソード電極間においてプロセスガスをプラズマ状態にする交流電源とを備えることを特徴とするプラズマＣＶＤ成膜装置。
2. 前記アノード電極が、炭素材料の表面を前記ガラス状炭素で被覆された構造であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
3. 前記搭載面が鉛直方向に延伸し、前記基板が垂直に立てて保持されることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
4. 前記カソード電極と前記カソード電極に堆積する膜との密着性が悪くなるように、前記カソード電極が化学的不活性である表面を有する前記ガラス状炭素で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
   

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