JP6224266B2 - 放電発生器とその電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ラジカルガス生成を行い、当該ラジカルガスを利用した処理を行うことができる、電源装置を含む、放電発生器とその電源装置に関する発明であり、たとえば、被処理体に対して高性能な膜を成膜する際に用いることが可能である。
半導体製造分野を含む多用途の分野において、多機能で高品質の薄膜（たとえば、高絶縁薄膜、半導体薄膜、高誘電体薄膜、発光薄膜、高磁性体薄膜、超硬薄膜等）が求められている。
たとえば、半導体装置の製造の場面においては、半導体チップ内において、回路配線相当になる低インピーダンスの高導電膜、回路の配線コイル機能や磁石機能を有する高磁性膜、回路のコンデンサ機能を有する高誘電体膜、および電気的な漏洩電流の少ない高絶縁機能を有する高絶縁膜などが、設けられている。
これらの膜の成膜する従来技術として、たとえば、熱ＣＶＤ（化学気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、光ＣＶＤ装置またはプラズマＣＶＤ装置が用いられており、特に、プラズマＣＶＤ装置が多々使用されている。これは、たとえば、熱・光ＣＶＤ装置よりも、プラズマＣＶＤ装置の方が、成膜温度を低く、かつ、成膜速度が大きく短時間での成膜処理が可能なためである。
たとえば、窒化膜（ＳｉＯＮ、ＨｆＳｉＯＮなど）や酸化膜（ＳｉＯ2，ＨｆＯ2）などのゲート絶縁膜を、半導体基板に成膜する場合には、プラズマＣＶＤ装置を用いた以下の技術が一般的に採用されている。
つまり、ＮＨ３（アンモニア）やＮ３、Ｏ２、Ｏ３（オゾン）などのガスと、シリコンやハフニウムなどの前駆体ガスとが、ＣＶＤ処理が実施される処理チャンバー装置に直接供給される。処理チャンバー装置内では、前駆体ガスを解離させ、金属粒子を生成し、当該金属粒子と、上述したＮＨ３（アンモニア）などのガスとの化学反応により、被処理体上に、窒化膜または酸化膜などの薄膜が成膜される。
一方で、プラズマＣＶＤ装置では、処理チャンバー装置内で、直接的に、高周波プラズマやマイクロ波プラズマが発生させていた。したがって、被処理体は、ラジカルガスや、高エネルギーを有したプラズマイオン（または電子）に晒される。
なお、プラズマＣＶＤ装置に関する技術が開示されている先行文献として、たとえば特許文献１が存在する。
しかしながら、プラズマＣＶＤ装置内の成膜処理では、上記のように、被処理体がプラズマに直接晒される。したがって、当該被処理体は、プラズマ（イオンや電子）により、半導体機能の性能を低下させる等のダメージを大きく受けていた。
他方、熱・光ＣＶＤ装置を用いた成膜処理では、被処理体はプラズマ（イオンや電子）によるダメージを受けず、高品質の、窒化膜や酸化膜等が成膜される。しかしながら、当該成膜処理では、高濃度で、かつ多量のラジカルガス源を得ることが困難であり、結果として、成膜時間が非常に長く要するという問題がある。
最近の熱・光ＣＶＤ装置では、原料ガスとして、熱や光の照射によって解離しやすい、高濃度の、ＮＨ３ガスやＯ３ガスを用いている。さらに、ＣＶＤチャンバー装置内には、加熱触媒体が設けられている。これにより、当該熱・光ＣＶＤ装置では、触媒作用により、ガスの解離が促進し、窒化膜や酸化膜等を短時間で成膜することも可能となっている。しかしながら、当該時間の短縮化は限定的であり、大幅な成膜時間の改善は困難であった。
そこで、プラズマによる被処理体に対するダメージを軽減でき、成膜時間のさらなる短縮化が可能な装置として、リモートプラズマ型成膜処理装置が存在する（たとえば、特許文献２参照）。
当該特許文献２に係る技術では、プラズマ生成領域と被処理材処理領域とが、隔壁（プラズマ閉込電極）により分離されている。具体的に、特許文献２に係る技術では、高周波印加電極と被処理体が設置された対向電極との間に、当該プラズマ閉込電極を設けている。これにより、特許文献２に係る技術では、中性活性種だけが、被処理体上に供給される。
また、特許文献３に係る技術では、リモートプラズマ源において、原料ガスの一部をプラズマにより活性化させている。ここで、ガスの流路は、当該リモートプラズマ源内において、周回されている。リモートプラズマ源において生成された活性ガスは、放出され、被処理体の存する装置側へと供給される。
特許文献３のような薄膜技術においては、窒素、酸素、オゾンまたは水素等の様々な原料ガスが、利用されている。そして、当該原料ガスから、活性化されたラジカルガスが生成され、当該ラジカルガスにより、被処理体上に薄膜が成膜される。
ラジカルガスは、非常に反応性が高い。したがって、微量（約１％：10000ppm）以下の濃度のラジカルガスを、被処理体に当てることで、被処理体での化学反応が促進させ、窒化薄膜、酸化薄膜または水素結合薄膜などを、短時間で効率的に、作り出すことができる。
ラジカルガス生成装置では、放電セル（発生器）が配設されており、当該放電セルにおいて、大気圧プラズマに相当する誘電体バリア放電によって、高電界なプラズマを実現させる。これにより、放電セルのプラズマに晒された原料ガスから、高品質なラジカルガスが生成される。また、ラジカルガス生成装置では、複数の放電セルを配設し、多方面に生成したラジカルガスを噴出させ、当該噴出したラジカルガスを利用する用途がある。
特開２００７−２６６４８９号公報 特開２００１−１３５６２８号公報 特開２００４−１１１７３９号公報
しかしながら、従来のラジカルガス生成装置は、非常に反応性の高い有効なラジカルガスを生成することが出来なかった。また、多量のラジカルガスを得ることが困難で、1方向からのラジカルガスを供給するものであった。それと同時に、生成されたラジカルガスは、非常に寿命が短い。したがって、ラジカルガス生成装置から、当該ラジカルガス生成装置とは別に設けられたラジカルガス処理場（薄膜生成場であり、処理チャンバー装置）まで、濃度の低下を抑制しつつ、ラジカルを導くことは困難であった。
たとえば、ラジカルガス生成装置から噴出させるラジカルガスを、短時間で、処理チャンバー装置内の被処理体に当てるために、ラジカルガスの出口をオリフィス状にする方法が考えられる。つまり、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置へと接続する、ラジカルガスの伝送路である開口部において、当該開口部の開口径を絞る方法が考えられる。これにより、処理チャンバー装置内の圧力を減圧状態（真空状態）にすると、ラジカルガス生成装置内の圧力と処理チャンバー装置内の圧力との差が生じ、高速度で、ラジカルガスを処理チャンバー装置内へと噴出させることができる。つまり、高濃度を維持した状態で、ラジカルガスを、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置内へと導くことができる。
上記方法を採用した場合、開口部の径を、たとえば数十ｍｍ程度とする必要がある。しかしながら、当該寸法の開口部を採用したときには、処理チャンバー装置内の被処理体に対して、ラジカルガスが照射される領域が限定的となる。つまり、大面積（たとえば、２００ｍｍ径以上の被処理体）で、均一な薄膜を成膜することは困難となる。
そこで、本発明は、ラジカルガス生成装置と処理チャンバー装置とが別々に、また隣接して配設されたラジカルガス発生システム（リモートプラズマ型成膜処理システム、放電発生器とその電源装置）において、ラジカルガスを、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置へと導くことができ、他方面から任意のラジカル濃度のラジカルガスを処理チャンバー装置内へと噴出させることができるようにし、たとえば大面積の被処理体であっても、均一な、ラジカルガスを用いた処理を実施することができ、高速でラジカルガスを用いた処理を実施することができる、放電発生器とその電源装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係る放電発生器とその電源装置は、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスからラジカルガスを生成する、ラジカルガス生成装置と、前記ラジカルガス生成装置に接続されており、内部に被処理体が配設されており、当該被処理体に対して前記ラジカルガスを利用した処理が実施される、処理チャンバー装置と、前記ラジカルガス生成装置に、交流電圧を印加する電源装置とを、備えており、前記処理チャンバー装置は、前記被処理体が載置され、当該被処理体を回転させる、テーブルを、有しており、前記ラジカルガス生成装置は、前記誘電体バリア放電を発生させる、複数の放電セルと、前記原料ガスを、当該ラジカルガス生成装置内に供給する、原料ガス供給部とを、有しており、前記放電セルは、第一の電極部材を有する第一の電極部と、前記第一の電極と対向して配設され、第二の電極部材を有する第二の電極部と、前記処理チャンバー装置内と接続され、前記テーブル上に配設された前記被処理体と面しており、前記誘電体バリア放電により前記原料ガスから生成された前記ラジカルガスを出力する、開口部とを、有しており、前記電源装置は、１つの交流電圧を入力し、かつ、ｎ相の交流電圧を出力制御できる電源回路構成とし、各相の前記交流電圧は、各前記放電セルに印加され、前記放電セルに印加する前記交流電圧を、前記放電セルの設置位置に対応して可変制御する。ここで、ｎは、前記放電セルの数に対応した数である。
本発明に係る放電発生器とその電源装置は、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスからラジカルガスを生成する、ラジカルガス生成装置と、前記ラジカルガス生成装置に接続されており、内部に被処理体が配設されており、当該被処理体に対して前記ラジカルガスを利用した処理が実施される、処理チャンバー装置と、前記ラジカルガス生成装置に、交流電圧を印加する電源装置とを、備えており、前記処理チャンバー装置は、前記被処理体が載置され、当該被処理体を回転させる、テーブルを、有しており、前記ラジカルガス生成装置は、前記誘電体バリア放電を発生させる、複数の放電セルと、前記原料ガスを、当該ラジカルガス生成装置内に供給する、原料ガス供給部とを、有しており、前記放電セルは、第一の電極部材を有する第一の電極部と、前記第一の電極と対向して配設され、第二の電極部材を有する第二の電極部と、前記処理チャンバー装置内と接続され、前記テーブル上に配設された前記被処理体と面しており、前記誘電体バリア放電により前記原料ガスから生成された前記ラジカルガスを出力する、開口部とを、有しており、前記電源装置は、１つの交流電圧を入力し、かつ、ｎ相の交流電圧を出力制御できる電源回路構成とし、各相の前記交流電圧は、各前記放電セルに印加され、前記放電セルに印加する前記交流電圧を、前記放電セルの設置位置に対応して可変制御する。ここで、ｎは、前記放電セルの数に対応した数である。
したがって、ラジカルガスを、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置へと導くことができ、かつ、低コスト、低設置面積でありながら、大面積の被処理体に対して、均一なラジカルガス処理を施すことが可能となる。
したがって、ラジカルガス生成装置から複数のラジカルガスを、処理チャンバー装置へと導くことができる。さらに、１つの交流電源で、複数の放電セルから、任意の流量で生成したラジカルガスを出力させることができ、当該ラジカルガスを処理チャンバー装置へと導くことができる。よって、本発明に係るラジカル発生システムは、低コストにて、小さいラジカルガス生成装置にて、大面積の被処理体に対して、均一なラジカルガス処理を比較的短時間で施すことが可能となる。
本発明に係るラジカル発生システム５００の構成例を示す図である。 本発明に係る放電セル７０の構成例を示す拡大断面図である。 各インバータ素子９０２を駆動させるための駆動パルス周期と、パルス幅信号波形と放電セル７０に出力する交流電圧波形を示す図である。
上記の通り、リモートプラズマ型成膜処理システムにおいて、一つの交流電源にて、ラジカルガス生成装置から、高濃度を維持した状態で、複数のラジカルガスを、処理チャンバー装置内へと導くことができる構成として、発明者らは、対向電極配置した放電空間で、ラジカルガスを生成し、かつ、噴出させるラジカルガスの開口部の開口径を小さくする放電セル構成を見出した。
ここで、ラジカルガス生成装置が上段となるように、ラジカルガス生成装置と処理チャンバー装置とは、上下に隣接しており、開口部は、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置へと接続する、ラジカルガスの伝送路である。また、当該開口部は、複数配設されている。なお、各開口部は、被処理体の主面に面している。
しかしながら、上記の通り、当該構成を採用した場合には、処理チャンバー装置内の被処理体に対して、ラジカルガスを用いた処理（以下、一例として成膜処理と称する）を、均一に行うことが困難である。開口部の数を多くすることにより、不均一性は多少解消されるが、それでもなお、不均一性の問題は存在する。
上記のような不均一な成膜を解消する手段として、処理チャンバー装置内において、被処理体を平面視において回転させる構成にしている。しかしながら、当該構成においても、回転中心から平面方向に離れるに連れて、当該位置における被処理体の速度は大きくなる（ｖ（速度）＝ｒ（半径）×ω（角速度）、より）。よって、被処理体を回転させる構成を採用し、各開口部から処理チャンバー装置内にラジカルガスを噴出させたとしても、完全には、上記不均一な成膜処理という問題を解決することは困難である。
成膜の不均一性を更に解消する方法として、次の構成も考えられる。つまり、上記の通り、ラジカルの噴出部である開口部は複数である。そこで、各開口部に対応して放電セルを設け、各放電セルにおいて、発生するラジカルガス量（ラジカルガス濃度）をコントロールする構成である。
各放電セルで、ラジカルガス量（ラジカルガス濃度）を変える方法としては、放電セル毎に交流電源を設け、放電セル毎に交流電源から供給される電力を制御（変える）方法が、考えられる。しかしながら、当該方法では、複数個の交流電源を設けなければならい。したがって、ラジカルガス発生システム全体が大型化し、高コストとなる問題点があった。
また、各放電セルで、ラジカルガス量を変える方法として、各放電セルで、開口部の開口径を変える（オリフィスの孔の径を変える）方法も考えられる。しかしながら、ラジカルガスの開口部の開口径を変化させると（オリフィスの孔の径を変えると）、各放電セルにおいて、開口部から噴出されるラジカルガスのガス流速自体も変化してします。当該ガス流速の変化は、均一な成膜を妨げる要因である。
そこで、発明者らは、各放電セルでラジカルガス量を変える構成として、下記の１つの電源において、インバータ素子により、出力する交流電圧を独立したｎ相の位相を有することのできるインバータ電源構成にした。出力されるｎ相の交流電圧の周波数は、一定周波数である。そして、振幅値Ｅのみが、各相において、任意に設定できるようにした。当該電源を、ｎ相インバータ電源装置と称する。以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
＜実施の形態＞
図１は、電源装置を備える、本実施の形態に係るラジカルガス発生システム（放電発生器とその電源装置）５００の構成例を示す図である。また、図２は、本発明に係る放電セル７０の構成例を示す拡大断面図である。また、図３は、ｎ個の出力交流電圧を出力させる手段を有した、ｎ相インバータ電源装置９における各インバータ素子９０２を駆動させるための、駆動パルス周期とパルス幅信号波形と放電セル７０に出力する交流電圧波形を示す１実施例図である。
以下、図１、２、３を用いて、本実施の形態に係るラジカル発生システム５００の構成について説明する。
図１に示すように、ラジカルガス発生システム５００は、ラジカルガス生成装置１００、処理チャンバー装置２００、ｎ相交流電圧を出力できる一つのｎ相インバータ電源装置９および真空ポンプ３００から、構成されている。
ここで、ｎ相の「ｎ」は、ラジカルガス生成装置１００内に配設されている、放電セル７０の数である「ｎ」と同じである。
ラジカルガス発生システム５００は、ラジカルガスＧ２の生成を行うラジカルガス生成装置１００と、生成されたラジカルガスＧ２を用いた成膜処理等を行う処理チャンバー装置２００とが、別々に設けられている、リモートプラズマ型成膜処理システムである。
図１に示すように、ラジカルガス生成装置１００の底面側と処理チャンバー装置２００の上面側とは、接している。なお、後述するように、開口部１０２を介して、ラジカルガス生成装置１００内と処理チャンバー装置２００内とは、接続されている。上記の通り、開口部１０２は、複数形成されている。
ラジカルガス生成装置１００内では、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスＧ１から、当該原料ガスＧ１の１部が放電によってラジカルガス化した、ラジカルガスＧ２が生成される。
図１に示すように、ラジカルガス生成装置１００内には、複数の放電セル７０が配設されている。具体的に、各放電セル７０は、ラジカルガス生成装置１００の底面上に、設けられている。
図２に示すように、各放電セル７０は、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３とから構成されている。第一の電極部１，２は、所定の間隔だけ隔てて、第二の電極部５，３１，３と対面している。
つまり、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３との間には、誘電体バリア放電が発生する、放電空間４０が形成されている。なお、放電空間４０におけるギャップ長（図２において、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３との間の距離）を、一定に維持するために、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３との間には、１以上のスペーサ４が配設されている。
図２に示すように、第一の電極部１，２は、低電圧電極（第一の電極部材と把握できる）１と第一の誘電体２とから、構成されている。
ここで、低電圧電極１は、接地電位となり、ラジカルガス生成装置１００の底面上に、配設されている。また、全ての放電セル７０において、一つの低電圧電極１を共有している。また、第一の誘電体２は、低電圧電極１上に形成されている。
また、第二の電極部５，３１，３は、高電圧電極ブロック５、高電圧電極（第二の電極部材と把握できる）３１および第二の誘電体３から、構成されている。
ここで、第二の誘電体３上には、高電圧電極３１が形成されており、当該高電圧電極３１上には、高電圧電極ブロック５が接続されている。高電圧電極ブロック５には、交流電圧の高電圧が供給される。また、高電圧電極ブロック５と高電圧電極３１とは電気的に接続されているので、高電圧は、高電圧電極３１にも印加される。
また、図１に示すように、放電セル７０には、オリフィスとして機能する、開口部１０２が穿設されている。
ここで、開口部１０２は、第一の誘電体２および低電圧電極１を貫通するように、形成されている。なお、開口部１０２は、第一の誘電体２の中央部に形成されている。また、開口部１０２は、ラジカルガス生成装置１００（より具体的には、放電空間４０）内と、処理チャンバー装置２００内とを接続している。したがって、放電空間４０内で生成されたラジカルガスＧ２は、当該開口部１０２を介して、処理チャンバー装置２００内に出力される。なお、開口部１０２は、処理チャンバー装置２００内に配設された被処理体２０２の処理面に面している。
平面視したときの放電セル７０の輪郭形状は、一実施例として、円盤状もしくは同軸状の円錐状である。つまり、第一の誘電体２と第二の誘電体３とは、共に円盤もしくは円錐形状であり、両者２，３は平行もしくは、同軸状に対向配置されている（なお、高電圧電極３１も円盤もしくは円錐形状である）。放電セル７０を上面から見たとき、第一の誘電体２の外周端と第二の誘電体３の外周端とは、揃っている。なお、平面視したときの放電セル７０の輪郭形状は、円盤状もしくは円錐である必要はなく、同様の効果を奏する限り、他の形状であっても良い。
各放電セル７０において、当該輪郭形状は、同じである。たとえば、上記の通り、放電セル７０の輪郭形状が円盤状であれば、平面視したときの、放電セル７０の輪郭寸法は、第一の誘電体２（同様に、第二の誘電体３）の直径によって、決定される。
ｎ相インバータ電源装置９は、整流回路９０１、ｎ個のインバータ素子９０２、ｎ個の限流リアクトル９０３、ｎ個のトランス９０４、各インバータ素子９０２に流れる電流を検出する電流検出器９０６、各インバータ素子９０２のＯＮ−ＯＦＦ指令信号を駆動するゲート回路９０５およびｎ相インバータ電源装置９を制御する制御回路９０７を、有する。
図１を参照して、ｎ相インバータ電源装置９において、商用の三相交流電圧（図示のものは三相交流電圧のものを示したが、単相交流電圧であってもよい）が、整流回路９０１に入力される。これにより、整流回路９０１の出力電圧は、整流され、直流化された直流電圧に変換される。この直流電圧は、複数個（ｎ個）の並列インバータ素子９０２に印加される。
インバータ素子９０２は、パワートランジスター等の２つのスィッチング素子が、直列に配置されることにより構成されている。２つのスィッチング素子のゲートには、ゲート回路９０５からの、交互にＯＮ−ＯＦＦ変化した信号に入力される。当該信号の入力により、限流リアクトル９０３には、直流電圧がＯＮ−ＯＦＦされることにより生成された、交流パルス電圧が入力する。当該交流パルス電圧は、限流リアクトル９０３を経て、トランス９０４の一次側に入力される。
ｎ個のトランス９０４の一次側では、ｎ個のトランスがΔ結線で結合されている。各トランスに入力された一次電圧によって、トランス９０４の二次側電圧は、高電圧に昇圧され、出力される。トランス９０４の二次側は、ｎ個のトランスの一端を共通にしたＹ結線にすることで、低圧電圧（ＬＶ）電圧を共通にしている。もう一端の各トランス９０４の二次側端子には、それぞれ位相の異なった交流高電圧（ＨＶ）が出力される。この位相の異なった交流高電圧（ＨＶ）は、各放電セル７０に対して、各々印加される。
さて、図１を参照して、ｎ相インバータ電源装置９は、ラジカルガス生成装置１００（より具体的には、各放電セル７０）に対して、放電をさせるための複数の交流高電圧を出力できる。各放電セル７０に対して複数の交流高電圧が印加されると、各放電セル７０の放電空間４０において、誘電体バリア放電が発生する。そして、各放電空間４０内を通る原料ガスＧ１と誘電体バリア放電との作用により、各放電空間４０においてラジカルガスＧ２が生成される。つまり、ラジカルガス生成装置１００内において、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスＧ１の１部が放電によってラジカルガス化したガスＧ２が生成される。
また、原料ガス供給部１０１は、ラジカルガス生成装置１００の上面部に配設されている。当該原料ガス供給部１０１からは、ラジカルガスＧ２の原料となる原料ガスＧ１が、ラジカルガス生成装置１００内へと供給される。なお、原料ガス供給部１０１から供給された原料ガスＧ１は、ラジカルガス生成装置１００内に充満し、各放電セル７０の外側から各放電セル７０内へと、均一量で侵入し、各放電空間４０内を流れる。
処理チャンバー装置２００内には、ラジカルガス生成装置１００で生成されたラジカルガスＧ２が噴出される。処理チャンバー装置２００では、当該ラジカルガスを利用して、被処理体２０２に主面に対して、薄膜形成等の処理が実施される。
たとえば、ラジカルガス生成装置１００に、原料ガスＧ１として、窒素ガスが供給されたとする。この場合には、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該窒素ガスから、ラジカルガスＧ２として、窒素ラジカルガスが生成される。よって、処理チャンバー装置２００では、ラジカルガス生成装置１００から噴出される窒素ラジカルガスＧ２を利用して、被処理体２０２に対して、窒化膜が成膜される。
また、ラジカルガス生成装置１００に、原料ガスＧ１として、オゾンガスもしくは酸素ガスが供給されたとする。この場合には、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該オゾンガスもしくは当該酸素ガスから、ラジカルガスＧ２として、酸素ラジカルガスが生成される。よって、処理チャンバー装置２００では、ラジカルガス生成装置１００から噴出される酸素ラジカルガスＧ２を利用して、被処理体２０２に対して、酸化膜が成膜される。
また、ラジカルガス生成装置１００に、原料ガスＧ１として、水素ガスもしくは水蒸気ガスが供給されたとする。この場合には、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該水素ガスから、ラジカルガスＧ２として、水素ラジカルガスが生成される。または、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該水蒸気ガスから、ラジカルガスＧ２として、ＯＨラジカルガス（ヒドロキシラジカルガス）が生成される。よって、処理チャンバー装置２００では、ラジカルガス生成装置１００から噴出される水素ラジカルガスＧ２もしくはＯＨラジカルガスＧ２を利用して、被処理体２０２に対して、水素還元膜（水素結合を促進させた金属膜）が成膜される。
また、処理チャンバー装置２００の下方側面には、真空ポンプ３００と繋がるガス排出部２０３が配設されている。当該真空ポンプ３００によるガスの排気により、処理チャンバー装置２００内の圧力は、約数ｔｏｒｒ〜数十ｔｏｒｒ（数ｋＰａ）程度に維持されている。また、真空ポンプ３００により、ラジカルガス生成装置１００から処理チャンバー装置２００への、ガスの流れも形成されている。なお、開口部１０２は、オリフィスとして機能するので、ラジカルガス生成装置１００内と処理チャンバー装置２００内との間で、圧力区分を形成することができる。
図１に示すように、処理チャンバー装置２００には、テーブル２０１が配設されている。そして、当該テーブル２０１上には、被処理体２０２が載置される。当該被処理体２０２に対して、ラジカルガス生成装置１００の開口部１０２から噴出したラジカルガスＧ２が、当てられる。そして、被処理体２０２には、ラジカルガスＧ２を利用した処理が実施される（たとえば、薄膜が形成される）。なお、テーブル２０１は、被処理体２０２が載置されている状態で、平面視において、時計周りまたは反時計周りに回転する。当該テーブル２０１の回転により、被処理体２０２も同様に回転する。
なお、上記の通り、各放電セル７０の輪郭は同一である。また、各放電セル７０に形成されている開口部１０２の開口径も同じである。そのため、ガスが流れることによる圧力損失は、各放電セル７０および開口部１０２において同一である。よって、各放電セル７０において均等にガスが流れ、処理チャンバー装置２００内へ噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度も、一定となる。
図１に示すように、ｎ相インバータ電源装置９のＬＶ出力端子は、端子８を介して、低電圧電極１に接続されている。なお、上記の通り、各放電セル７０において、低電圧電極１は共通であり、接地電位である。また、ｎ相インバータ電源装置９の各ＨＶ出力端子は、ｎ個の端子７a，７ｂ，・・・７ｎを介して、各放電セル７０の高電圧電極ブロック５に、各々接続されている。当該接続関係により、ｎ相インバータ電源装置９は、各放電セル７０に対して、ｎ相の交流の高電圧を印加することができる。
上記の通り、一つのｎ相インバータ電源装置９は、各放電セル７０に対して、位相の異なる複数の交流高電圧（ＨＶ）を印加している。また、低電圧電極１内および高電圧電極ブロック５内には、冷却水等で冷却し、発生する熱を冷却できる構造が形成されているが、図面簡略化の観点から、当該冷却に関する構成は図示を省略している。
さて、各放電セル７０において、高電圧電極３１と低電圧電極１とが対面している領域が、放電空間４０となる。低電圧電極１には、ｎ相インバータ電源装置９のＬＶ出力端子が接続され、ｎ相インバータ電源装置９の各ＨＶ出力端子は、各端子７ａ，７ｂ，・・・７ｎと各高電圧電極ブロック５を経由して、各高電圧電極３１に接続される。そして、低電圧電極１と各高電圧電極３１との間に交流高電圧が印加されると、各放電空間４０で誘電体バリア放電が発生する。そして、上記の通り、原料ガスＧ１と当該誘電体バリア放電とにより、各放電空間４０において原料ガスＧ１の１部が放電によってラジカルガス化したガスＧ２が生成される。
また、上記の通り、生成したラジカルガスＧ２は、各開口部１０２を介して、処理チャンバー装置２００内の被処理体２０２に対して、噴出される。ここで、処理チャンバー装置２００内に噴出されるラジカルガスＧ２の濃度は、通常１％（１００００ｐｐｍ）未満であり、残りのほとんどを占めるガスは、原料ガスＧ１である。よって、原料ガスＧ１は、生成されたラジカル化したラジカルガスＧ２を、各放電セル７０から処理チャンバー装置２００内へと、短時間で運ぶ、キャリアーガスの役目を果たしている。
つまり、各放電セル４０の開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度は、原料ガスＧ１によって決まる。よって、当該噴出速度が遅くなれば、ラジカルガスＧ２が、被処理体２０２に到達するまでの時間がかかり、生成したラジカルガスＧ２の一部が、消滅する可能性が高くなり、ラジカルガス量（ラジカルガス濃度）の低いラジカルガスＧ２を被処理体２０２に当てることになる。これは、被処理体２０２に対するラジカルガスＧ２を用いた処理効率が、低下することを意味する。
以上のことから、各放電セル４０の開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度を一定以上に確保する必要が生じ、開口部１０２の開口径を小さいオリフィス形状とすることが望ましい。
さて、開口部１０２の開口径を小さくすると、ラジカルガスＧ２の噴出速度が増し、ラジカルガスＧ２の消滅を抑制できる。しかしながら、被処理体２０２における、ラジカルガスＧ２の照射される面積が限定される。開口部１０２は、各放電セル７０において形成されているが、ラジカルガスＧ２の照射される領域が限定されると、被処理体２０２に対して均一に、ラジカルガスＧ２を照射することは困難である。
一方で、ラジカルガスＧ２の噴出速度を、各放電セル７０において、一定にすることが望ましい。そして、ラジカルガスＧ２の噴出速度を一定にするために、複数の放電セル７０において、放電セル７０の輪郭形状を同一とし、かつ、各開口部１０２の開口径も同一とした。
つまり、各放電セル７０において、ラジカルガスＧ２の噴出速度を変えることは望ましくない。他方で、ラジカルガスＧ２の高速噴出のために、開口部１０２の開口径を小さくする必要があるが、開口径小さくなると、均一なラジカルガス処理が困難となる。
そこで、本発明では、以下の構成により、各放電セル７０において、ラジカルガスＧ２の噴出速度を高速で一定に維持しながら、被処理体２０２に対する均一なラジカルガス処理を可能にする。
まず、ラジカルガスＧ２の照射の際に、テーブル２０１により被処理体２０２を、一定速度で回転させる。ここで、ラジカルガス生成装置１００には、複数の放電セル７０が配設されており、各放電セル７０において開口部１０２が配設されている。当該開口部１０２の位置は、固定である。
よって、各開口部１０２からラジカルガスＧ２を噴出させている一方で、被処理体２０２を回転させれば、被処理体２０２のより広い範囲でのラジカルガス処理が可能となる。しかしながら、被処理体２０２の回転により、被処理体２０２の回転中心からの位置に応じて、周速度が異なる。放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２の流量が同じで、周速度が異なると、被処理体２０２の回転中心から距離に応じて、被処理体２０２に対するラジカルガス処理が異なる結果となる。
そこで、被処理体２０２の回転中心を起点として、各放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２の流量を変化・調整させる必要がある。換言すれば、被処理体２０２に対するラジカルガス処理の均一性の観点から、被処理体２０２（テーブル２０１）の回転の周速度に応じて、各放電セル７０から噴出するラジカルガスＧ２のラジカル化した流量成分を制御する必要がある。
当該ラジカルガスＧ２の流量制御を、本発明では、平面視において、被処理体２０２の回転中心位置から遠くに配設されている放電セル７０ほど、高電圧電極３１と低電圧電極１との間に、より電圧の高い交流電圧波形を印加させる。このような電圧印加を行うことにより、放電空間４０に供給できる負荷電流が増え、放電セル７０に供給する放電電力が高まり、ラジカルガスＧ２の生成量も増す。よって、放電セル７０の配設位置に応じて、ラジカルガスＧ２のラジカル化した流量成分を変化させることができる。
被処理体２０２の回転中心から遠い位置では、周速度が速くなるので、ラジカルガスＧ２の照射時間は短くなる。他方、被処理体２０２の回転中心から近い位置では、周速度が遅くなるので、ラジカルＧ２の照射時間が長くなる。ここで、被処理体２０２の回転速度（角速度）は一定である。放電セル７０の配設位置で決まる照射時間に反比例して、放電セル７０で発生するラジカルガス量（ラジカルガス濃度）が変化するように、各放電セル７０に印加させる交流電圧値を変化させる。
たとえば、二つの放電セル７０に着目したとする。一方の放電セル７０は、平面視して、被処理体２０２の回転中心から、第一の距離だけ離れている。これに対して、他方の放電セル７０は、平面視して、被処理体２０２の回転中心から、第二の距離だけ離れている。ここで、第一の距離は、第二の距離より小さい。
この場合、ｎ相インバータ電源装置９は、他方の放電セル７０における高電圧電極３１と低電圧電極１間に印加する交流電圧値を、一方の放電セル７０における高電圧電極３１と低電圧電極１間に印加する交流電圧値よりも、高いものを印加する。これにより、他方の放電セル７０に注入される放電電力量を、一方の放電セル７０に注入される放電電力量よりも増し、放電で生成されるラジカルガス量（ラジカルガス濃度）が、一方の放電セル７０よりも、他方の放電セル７０において増す。つまり、他方の放電セル７０の開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２の流量成分を、一方の放電セル７０の開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２の流量成分よりも、大きくすることができる。
上記により分かるように、放電セル７０の上記回転中心からの位置に応じて、放電空間４０内で生成されるラジカルガスＧ２の濃度を変化させるために、ｎ相インバータ電源装置９は、放電セル７０の上記回転中心からの位置に応じて、異なる電圧値の交流電圧を、各放電セル７０に印加させている。このような電圧印加を行うことができるｎ相インバータ電源装置９の構成および動作を、図１，３を用いて、以下で説明する。
図１に示したｎ相インバータ電源装置９において、入力側の商用交流電源（例えば、６０Ｈｚ，三相２００Ｖ）を整流回路９０１で、一旦直流化し、直流化した電圧を、並列接続されているｎ個のインバータ素子９０２に、各々入力させる。一方、各インバータ素子９０２では、各ゲート回路９０５からのＯＮ−ＯＦＦ駆動信号により、ｎ個のインバータ素子９０２から、任意のパルス電圧を出力できるようになっている。当該出力されたパルス電圧は、各限流リアクトル９０３を介して各トランス９０４に入力される。そして、各トランス９０４では、各インバータ素子９０２からのパルス電圧に応じた交流電圧が昇圧される。そして、各昇圧された交流高電圧は、各放電セル７０に印加される。
各インバータ素子９０２に入力される、各ゲート回路９０５からのＯＮ−ＯＦＦ駆動信号を、図３に示したａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・ｎのようにすれば、各トランス９０４の出力部では、異なった振幅の交流電圧が出力出来る（図３の最下段に示すｎ相交流電圧波形参照）。
電源の制御回路９０７において、ＯＮ−ＯＦＦするパルス周期Ｔは各信号で、ほぼ一定値に設定する（インバータの出力周波数ｆ（＝１／Ｔ）を固定にする）。そして、各パルスのＯＮ周期（位相）を、角位相２πに対し、ｎ分割した位相（＝２・π／ｎ）ずらす。これにより、上記ＯＮ−ＯＦＦ駆動信号は、図３に示したａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・ｎに示す各パルス信号となる。
さらに、図３に示したａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・ｎに示す各パルス信号のパルス幅τを相毎に大きくすることにより、各ｎ相の交流電圧の振幅を変化することができる。
さらに、放電セル７０の雰囲気温度、供給する原料ガス流量、放電セル７０内のガス圧力および処理チャンバー圧力等により、負荷条件が変わっても所定の放電電力を各放電セル７０に出力させるために、電流検出器９０６は、交流電圧毎に電流値等を検出する。そして、電流検出器９０６は、当該検出結果を制御回路９０７にフィードバックする。制御回路９０７内では、当該検出結果を用いて、設定したパルス幅τもしくはパルス周期Ｔに対し、ＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御が実施される。これにより、各相に供給する電力量を、より安定化させることができる。
つまり、制御回路９０７において、フィードバックされた電流値と目標とする各相での電流値との偏差量に応じて、パルス幅τのＰＩＤ制御が実行される。当該ＰＩＤ制御により、相毎に供給する電力量を精度良く制御できる。
各インバータ素子９０２でｎ相に分割したパルス電圧は、限流リアクトル９０３を介して、複数個のトランス９０４の１次側に供給される。複数個トランス９０４の一次側は、例えば、Δ結線もしくはＹ結線され、二次側巻線と磁気結合され、一次巻数と二次巻数比で、一次側に入力された電圧が昇圧される。二次側の出力は、低電圧値ＬＶは共通にして、高電圧ＨＶのみ独立した位相の異なった高電圧にするため、トランスの二次側結線としては、Ｙ結線にすることが望ましい。
ここで、ラジカルガスＧ２の噴出速度は、主に、図２において、誘電体２，３の外形に応じて、決定される。したがって、図２において、各放電セル７０において同一の輪郭外形であることが、ラジカルガスＧ２の噴出速度同一の観点から望ましいと述べたが、各放電セル７０において、誘電体２，３の外形が同じであれば、高電圧電極３１の外形を変化させても、各放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度を同じとすることができる。
以上のように、本実施の形態に係るラジカルガス発生システム５００では、ラジカルガス生成装置１００内には、複数の放電セル７０が配設されており、各放電セル７０に対して、開口部１０２が配設されている。また、開口部１０２を介して、複数のラジカルガスＧ２を、ラジカルガス生成装置１００から処理チャンバー装置２００へと導いている。そして、被処理体２０２を回転させている。さらに、各放電セル７０に対して、１台のｎ相インバータ電源装置９は、独立したｎ相の位相の異なる交流高電圧電圧を出力し、被処理体２０２の回転中心からの距離に応じて放電セル７０に印加させる交流電圧の振幅を変化させ、放電空間４０に投入する放電電力密度を変化させている。
したがって、上記のように放電電力密度を変化させることで、開口部１０２を介して、ラジカルガス生成装置１００で生成されたラジカルガスＧ２のラジカル量（ラジカルガス濃度）を変化させることができる。また、一つのラジカルガス生成装置１００に対して、複数の交流高電圧電源を配設することなく、１台のｎ相インバータ電源装置９を用いて、各放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２のラジカルガス量（濃度）を、制御することができる。したがって、低コスト、低設置面積でありながら、大面積の被処理体２０２に対して、均一なラジカルガス処理を施すことが可能となる。
また、図２において、複数の放電セル７０の輪郭外形（特に、誘電体２，３の外形）は、各放電セル７０において同一であり、各開口部１０２の開口径も、各放電セル７０において同一としている。よって、放電空間４０で生成されるラジカル量（濃度）は、せいぜい１％未満での可変制御となるため、開口部１０２から噴出するガス速度をほぼ同一状態を維持しながら、放電セル７０の配設位置に応じて、ラジカル量（濃度）を制御することができる。
また、各放電セル７０の温度やガス流量やガス圧力等の放電負荷状態が多少可変した場合でも、各相で検出した電流値をフィードバックして、制御回路９０７では、ＰＩＤ制御が実施されている。これにより、より安定的な交流電圧の印加が可能となり、各放電セル７０に供給電力量を制御することができる。
また、被処理体２０２を回転させているので、ラジカルガスＧ２が噴出される開口部１０２の開口径を小さくでき、ラジカルガスＧ２のより高速化が可能となる。よって、ラジカルガスＧ２を、短時間で被処理体２０２に到達させることができ、被処理体２０２に到達するまでにラジカルガスＧ２が消滅することを抑制できる。
なお、各放電セル７０において、放電空間４０に面して配設されている各誘電体２，３は、単結晶サファイヤまたは石英から構成されていても良い。
放電空間４０では、誘電体バリア放電が発生し、当該誘電体バリア放電により、誘電体２，３が放電ダメージを受ける。そこで、各誘電体２，３を、単結晶サファイヤ製または石英製とすれば、誘電体２，３の放電耐性は向上し、結果として、誘電体バリア放電による誘電体２，３から析出するパティクル粒子量を抑制することができる。
ところで、ラジカルガス生成装置１００において、放電空間４０での誘電体バリア放電により、良質なラジカルガスＧ２を生成するためには、放電空間４０を高電界プラズマ状態にする必要がある。放電空間４０の電界は、放電空間４０のガス圧力と放電空間４０でのギャップ長の積値に依存しており、高電界プラズマ状態にするためには、「Ｐ・ｄ（ｋＰａ・ｃｍ）」積値を、所定の値以下となることが要求される。すなわち、Ｐは、ラジカルガス生成装置１００内の圧力に対応しており、ｄは、各放電セル７０におけるギャップ長（第一の誘電体２から第二の誘電体３までの距離であり、各放電セル７０において、均一である。
ラジカルガスの場合において、P・ｄ積値が同じ値のとき、大気圧＋短ギャップ長の条件（前者の場合と称する）と、減圧＋長ギャップ長の条件（後者の場合と称する）との場合では、下記の点で有益である。つまり、後者の場合の方が、放電空間４０中を流れるガス流速が高められ、かつ、ギャップ長（放電面の壁）が広くなり、ラジカルガスＧ２の壁への衝突量による損失を抑制される（つまり、発生したラジカルガス量（ラジカル濃度）の分解を抑制できる）。
以上のようなことから、誘電体バリア放電を安定的に駆動出来、良好なラジカルガスが得られるという観点から、ラジカルガス生成装置１００は以下の条件を満たすことが望ましいことを、発明者らは見出した。
つまり、ラジカルガス生成装置１００において、内部のガス圧力Ｐを、約１０ｋＰａ〜３０ｋＰａ程度に設定し、放電空間４０のギャップ長ｄを、約０．３〜３ｍｍに設定することにより、Ｐ・ｄ積値を、約０．３〜９（ｋＰａ・ｃｍ）とすることが望ましい。
上記では、被処理体２０２を回転させた処理チャンバー装置２００に、ラジカルガス生成装置１００を設置していた。そして、当該ラジカルガス生成装置１００内には、複数の放電セル７０が配設されている。各放電セル７０の開口部１０２から噴出させるラジカルガス発生量を、被処理体２０２の回転角速度位置に対応して変化させることで、広範囲の被処理体２０２の面に、均一な膜を短時間で成膜させている。一方で、処理チャンバー装置２００に、複数の放電セル７０を設置したラジカルガス生成装置１００を設置し、複数の放電セル７０に任意の交流電圧を印加できるようにした、電源装置を有する、ラジカルガス発生システムにも適用できる。
一実施例として、電源装置を含めた成膜するためのラジカル発生システムについて説明したが、他のラジカル発生器用途や放電発生器の電源装置にも適用できる。
１ 低電圧電極
２ 第一の誘電体
３ 第二の誘電体
４ スペーサ
５ 高電圧電極ブロック
９ ｎ相インバータ電源装置
３１ 高電圧電極
４０ 放電空間
７０ 放電セル
１０１ 原料ガス供給部
１０２ 開口部
１００ ラジカルガス生成装置
２００ 処理チャンバー装置
２０１ テーブル
２０２ 被処理体
２０３ ガス排出部
３００ 真空ポンプ
５００ ラジカルガス発生システム
９０１ 整流回路
９０２ インバータ素子
９０３ 限流リアクトル
９０４ トランス
９０５ ゲート回路
９０６ 電流検出器
９０７ 制御回路
Ｇ１ 原料ガス
Ｇ２ ラジカルガス

Claims (8)

  1. 誘電体バリア放電を利用して、原料ガス（Ｇ１）からラジカルガス（Ｇ２）を生成する、ラジカルガス生成装置（１００）と、
    前記ラジカルガス生成装置に接続されており、内部に被処理体（２０２）が配設されており、当該被処理体に対して前記ラジカルガスを利用した処理が実施される、処理チャンバー装置（２００）と、
    前記ラジカルガス生成装置に、交流電圧を印加する電源装置（９）とを、備えており、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記被処理体が載置され、当該被処理体を回転させる、テーブル（２０１）を、有しており、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記誘電体バリア放電を発生させる、複数の放電セル（７０）と、
    前記原料ガスを、当該ラジカルガス生成装置内に供給する、原料ガス供給部（１０１）とを、有しており、
    前記放電セルは、
    第一の電極部材（５，３１）を有する第一の電極部（３，５，３１）と、
    前記第一の電極と対向して配設され、第二の電極部材（１）を有する第二の電極部（１，２）と、
    前記処理チャンバー装置内と接続され、前記テーブル上に配設された前記被処理体と面しており、前記誘電体バリア放電により前記原料ガスから生成された前記ラジカルガスを出力する、開口部（１０２）とを、有しており、
    前記電源装置は、
    １つの交流電圧を入力し、かつ、ｎ相の交流電圧を出力制御できる電源回路構成とし、各相の前記交流電圧は、各前記放電セルに印加され、前記放電セルに印加する前記交流電圧を、前記放電セルの設置位置に対応して可変制御する、
    ここで、
    ｎは、前記放電セルの数に対応した数である、
    ことを特徴とする放電発生器とその電源装置。
  2. 前記処理チャンバー装置は、
    前記被処理体を回転させる、テーブル（２０１）を、有しており、
    前記電源装置の電源回路構成は、
    ｎ相インバータとｎ相トランスとを含み、
    各相の前記交流電圧は、各前記放電セルに印加され、前記被処理体の平面視において、前記回転の中心位置から遠くに配設されている前記放電セルほど、当該放電セルに印加する前記交流電圧を高める、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放電発生器とその電源装置。
  3. 前記電源装置は、
    各相に分割した直流電流を検出し、当該検出結果を用いて、前記インバータのパルス幅もしくはパルス周期を、ＰＩＤ制御する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放電発生器とその電源装置。
  4. 前記放電セルは、
    前記誘電体バリア放電が発生する放電空間に面して配設されている誘電体（２，３）を、さらに有しており、
    前記誘電体は、
    単結晶サファイヤまたは石英から構成されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放電発生器とその電源装置。
  5. 前記ラジカルガス生成装置において、
    内部のガス圧力は、
    １０ｋＰａ〜３０ｋＰａであり、
    前記第一の電極部と前記第二の電極部との距離は、
    ０．３〜３ｍｍである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放電発生器とその電源装置。
  6. 前記原料ガスは、
    窒素ガスであり、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記窒素ガスから、前記ラジカルガスとして、窒素ラジカルガスを生成し、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記窒素ラジカルガスを利用して、前記被処理体に対して、窒化膜を成膜させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放電発生器とその電源装置。
  7. 前記原料ガスは、
    オゾンガスもしくは酸素ガス、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記オゾンガスもしくは酸素ガスから、前記ラジカルガスとして、酸素ラジカルガスを生成し、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記酸素ラジカルガスを利用して、前記被処理体に対して、酸化膜を成膜させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放電発生器とその電源装置。
  8. 前記原料ガスは、
    水素ガスもしくは水蒸気ガスであり、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記水素ガスもしくは水蒸気ガスから、前記ラジカルガスとして、水素ラジカルガスもしくはＯＨラジカルガスを生成し、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記水素ラジカルガスもしくはＯＨラジカルガスを利用して、前記被処理体に対して、水素結合を促進させた金属膜を成膜させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の放電発生器とその電源装置。
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