JPH01100273A - マイクロ波プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置に関する。

〔従来技術の説明〕

プラズマＣＶＤ法とは、特定の物質をプラズマ化して活
性の強いラジカルとし、このラジカルを基体に接触させ
て基体上に、堆積膜形成を施す加工方法をいい、プラズ
マＣＶＤ装置とは、該ブラズヤＣＶＤ法の実施に用いら
れる装置をいう。

従来、こうしたプラズマＣＶＤ装置は、原料ガス導入口
と排気口とを有する真空容器で形成されたプラズマＣＶ
Ｄ室と、該プラズマＣＶＤ室に供給される原料ガスをプ
ラズマ化するエネルギーを供給する１）Ｍ１波等を供給
する装置とからなりている。

ところで、プラズマＣＶＤ法は前述のラジカルの強い活
性に依拠するものであり、ラジカルの密度や被処理体の
温度等を適宜選択することにより、所望の堆積膜形成を
行うが、プラズマＣＶＤ法において重要なことはラジカ
ルの効率的生成である。

従来、プラズマ化エネルギーを与える媒体としては、１
３．５６ＭＨｚ程度の高周波数電磁波が使用されていた
が、近年、２．４５ＧＨｚ程度のマイクロ波を用いるこ
とにより、高密度プラズマを効率的に生成することがで
き、同時に被処理体を加熱することも可能であることが
判明し、マイクロ波を用いたプラズマＣＶＤ法が注目さ
れ、そのための装置もいくつか提案されている。

例えば、半導体デイバイス、電子写真用感光体、画像入
力用センサー、描像デイバイス、光起電力素子、その他
の各種エレクトロニクス素子、光学素子等に用いる素子
部材としてのアモルファスシリコン（以下、ｒＡ−３ｊ
Ｊと記す、）堆積膜をマイクロ波を用いたプラズマＣＶ
Ｄ法（以下、「ＭＷ−ＰＣＶＤ法」と記す、）により形
成する方法及びそのための装置が提案されている。

第５図に示す装置は、こうしたＭＷ−Ｐ　ＣＶ　Ｄ装置
の１例を模式的に示す断面略図である。

第５図において、１は方形導波管、２はマイクロ波導入
窓、３はプラズマ生成室、４は成膜室、５．１０はガス
供給曽、６は排気口、７は被処理体、８は被処理体保持
具、９は金属メツシュをそれぞれ示している。

第５図に示すごとく、該装置はマイクロ波によるプラズ
マ生成室３と、プラズマによる成膜室４とで構成されて
おり、プラズマ生成室３と成膜室４とは金属メツシュ９
で仕切られており、マイクロ波及び荷電粒子が成膜室４
に入り込まぬようそれらの透過が抑止されている。プラ
ズマ生成室３は、空洞共振器の構造とされており、方形
導波管ｌを伝播してきたマイクロ波は、石英（Ｓｉｎｇ
）、アルミナ・セラミックス（Ａｊ！ｇｏｓ）、テフロ
ン等の誘電体で構成されたマイクロ波導入窓２を介して
プラズマ生成室３に導入される。成膜室４内には被処理
体７が配置されており、ガス供給管５、及び、プラズマ
生成室３及び成膜室４を排気するための排気口６が備え
られている。

上記の構成のＭＷ−ＰＣＶＤ装置を作動させると、方形
導波管ｌからプラズマ生成室３内にマイクロ波が導入さ
れ、ガス導入口１０から導入された放電ガスは前記マイ
クロ波の電界エネルギーによりプラズマ化し、多くのラ
ジカルを発生する。

成膜室４内には金属メツシュ９を透過しうるラジカルの
みが導入され、ガス導入管５より供給されたガスと衝突
し、被処理体７上に堆積膜形成を行うことができる。

しかしながら、上記構成の従来のＭＷ−ＰＣＶＤ装置を
用いた場合、方形導波管１と空洞共振器であるプラズマ
生成室３とを締結すると、入力インピーダンスが整合し
ないため、マイクロ波の電界エネルギーは大部分が反射
され、有効なエネルギー利用が行われないという問題が
ある。

この問題の１つの解決法として、空洞共振器の周囲に電
磁石を配置し、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）化す
る方法が採用されている（特開昭５５−１４１７２９号
公報）、シかし、この方法においては、８７５ガウスと
いう磁束密度が必要とされるので、装置はかなり大型で
重い°ものとなってしまう、また、通常真空中で空洞共
振器となるように設計されているので、放電によりプラ
ズマが生成すると、プラズマの屈折率が１より小さくな
るため、もはや空洞共振器ではなくなってしまうという
問題もある（電気学会編「放電ハンドブック」第４部第
２章Ｐ、２９８）、さらに、電磁石で静磁場を作る場合
、コイル線材の加熱により電流が変化するため、その変
化を抑えてＥＣＲ条件（すなわち８７５ガウスの磁束密
度）を安定して作るにはかなりの時間を必要とするばか
りでなく、その間にＥＣＲ条件からはずれるとマイクロ
波の吸収率は低下してしまい、安定するまでの間、電界
エネルギーの利用効率を上げることが困難であるという
問題もある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のごときＭＷ−ＰＣＶＤ装置における諸
問題を克服して、マイクロ波の電界エネルギーの利用効
率を上げ、成膜を効率的に行うことを可能とするマイク
ロ波プラズマ処理装置を提供することを目的とするもの
である。

即ち、本発明の目的は、ＭＷ−ＰＣＶＤ装置において、
ＥＣＲ化することなしに、プラズマ生成の前後いずれの
場合も入力インピーダンスを整合させ安定した放電が行
いうるＭＷ−Ｐ　ＣＶ　Ｄ装置を提供することにある。

〔発明の構成、効果〕

本発明者は、従来のマイクロ波プラズマ処理装置におけ
る上述の諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成すべ
く本発明者が鋭意研究を重ねたところ、プラズマ生成の
前後で空洞共振器のタイプが全くかわるようにすること
により、プラズマ生成の前後いずれの場合も入力インピ
ーダンスを整合させ安定した放電が行いうるという知見
を得た。

本発明のマイクロ波プラズマ処理装置は、上述の知見に
基づき更に検討を重ねた結果完成せしめたものであり、
その骨子とするところは、内部に被処理体を保持しうる
手段を有する処理室と、該処理室に金属メツシュを介し
て接続するプラズマ生成室と、該プラズマ生成室内にガ
スを導入する手段と、該プラズマ生成室内のガスをプラ
ズマ化するためのマイクロ波導入手段とから構成される
マイクロ波プラズマ処理装置において、前記マイクロ波
発振機は連続発振であり、かつ前記プラズマ生成室が前
記金属メツシュと絞りとで囲まれた円筒型空洞共振器を
構成しており、該円筒型空洞共振器内に、該空洞長より
短く、該空洞内径よりもかなり小さい内径を有するベル
ジャーが前記金属メツシュに接触して配設され、該ベル
ジャー内に放電を生起せしめることにより半同軸型（リ
エントランド型）空洞共振器となることを特徴とするＭ
Ｗ−ＰＣＶＤ装置にある。

以下、具体的実施例装置により本発明を更に詳しく説明
するが、本発明はこれによって限定されるものではない
。

簾！■上 第１図は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の典型
例を模式的に示す部分断面略図であり、第２図は、第１
図に示す装置に用いられる円形絞りの斜視図である。

図において、４は処理室、５はガス供給管、９は金属メ
ツシュ（材質アルミニウム）、１）は円形導波管（材質
アルミニウム）、１２はＥ、Ｍ、Ｉ。

（電磁妨害）シールド・リング（材質鋼）、１３はベル
ジャー（材質石英）、１４は０リング、１５は１円形絞
り（材質アルミニウム）、１６はフィンガー・タイプの
Ｂ、Ｍ、１．シールド（材質鋼）、１７はプラズマをそ
れぞれ示している。

第１図から明らかなように、円形導波管１）は処理室４
と締結されており、電気的接触を良くするため、Ｅ、Ｍ
、ｒ、（電磁妨害）シールド・リング１２を用いている
。この円形導波管１）中には、円筒形ベルジャー１３が
固定されており、Ｏリング１４で気密が保たれている０
円筒形ベルジャー１３と処理室４の間は金属メツシュ９
で仕切られており、ガスは透過するが、マイクロ波は透
過しないようメツシュ開口面積を選んである。円形導波
管１）には電界の弱い方向にスリットを２本人れておき
、このスＪＪットを介して円形導波管１）内部の円形絞
り１５を外から駆動できる構造となっている。この円形
絞り１５には、第２゛図に示すように、フィンガー・タ
イプのＥ、Ｍ、　Ｉ　、シールド１６が締結されており
、円形絞り１５と円形導波管１）との電気的接触を良く
している。

以上の構成で本発明の装置を作動させるには、まず、マ
イクロ波発振機（図示せず）を始動させ、立体回路中（
図示せず）にマイクロ波を伝播させ、’　Ｔ　Ｅ　＋　
＋　ｍ伝播モード（ｍは自然数）を励振する。

伝播するマイクロ波を第１図に矢印：へ−で示した。

第１図において放電開始を容易にするには、条件１：マ
イクロ波が遮断されない内径りの円形導波管１）を用い
、かつ 条件２：円形絞り１５と金属メツシュ９とで空洞共振器
を形成すればよい。

この両者の達成手段は、条件１については、阿部英太部
著「マイクロ波技術」　（東京大学出版会発行）より次
式：式（１）を満足させることであり、１．８４１ Ｄ〉□　×λ。・・−・・（１） π λ・は自由空間でのマイクロ波の波長（ｎ）条件２につ
いては、市販されているマイクロ波電力計をマイクロ波
発振機（図示せず）と円形導波管１）の間の立体回路（
図示せず）中に挿入し反射電力がほぼ０で透過電力が最
大となるよう、円形絞り１５の位置を調整することであ
る。

マイクロ波は一般には、２．４５ＧＨｚのものを用いる
ので、λ。−１２２，４（龍〕となり、条件１は式（１
）よりＤ＞７１．７（鶴〕となる。また、条件２は実験
により、表１に示されるようになる。

表１＝放電前後の円形絞りの金属メソシュからの距離り
、　　Ｌ’〔−一〕 実験は、マイクロ波パワー１５０Ｗ、圧力２　Ｔｏｒｒ
−。

使用ガス５ｉＦｎ　　３０ｓｃｃｍ、Ａｒ　２００ｓｃ
ｃ＋ｍ、　Ｈ。

２０ｓｅｃｍとした。

次に、ベルジャー１３内に放電が起こると、プラズマ１
７の導電性によりマイクロ波はベルジャー１３と円形導
波管１）の間を伝播する。その結果、マイクロ波はへル
ジャ−１３の先端部だけでなく側面部からもプラズマ１
７にエネルギーを与え、マイクロ波とプラズマの接触面
積を増加させることができる。このとき、放電を効率良
く維持するには、 条件３：円形絞りの位置と開口径を調整し、絞り、円形
導波管、ベルジャーで囲まれた半同軸型（リエントラン
ト型）空洞共振器を構成する。

条件３の調整手順は条件２の場合と同様である。

尚、放電後の円形絞りの位置は、プラズマからのマイク
ロ波の反射波の位相遅れδに依存し、δは放電条件（マ
イクロ波パワー、ガス種、圧力等）に強く依存している
。

つまり本方式は、放電前は、条件１及び条件２を、そし
て放電後は、条件３を満足させればよい。

しかし、放電の前後で夫々インピーダンスを整合させる
ために絞りを移動するための調整時間が必要である。従
って、本方式は放電前後に夫々１回ずつ調整すればよい
連続発振のマイクロ波に限定され、パルス発振には適さ
ない。

本方式のＭＷ−ＰＣＶＤ装置を用いて、表２に示す成膜
条件でＡ−３ｉ膜を形成した。その結果φ４＃ウェハー
に亘って、堆積速度１２人／ｓｅｃ。

となり、従来方式の２倍以上となり、光導電率δｐ−５
，５Ｘ１０−ＩＯ（Ω−１ＣＩｌ−１〕、暗導電率δｄ
−９，８Ｘ１０−”　　（Ω−’Ｃ１）−’）　、Ｅｇ
ｏｐｔ　（光学的バンドキャップ）　＝１．８　（ｅＶ
）及びＥａ　　（活性化エネルギー）　＝０．８４　（
ｅＶ）の膜が得られた。

表　　　　　　　　２ 本装置例においては、前述の装置例１における円筒形ベ
ルジャーを第３図に示すような円錐形のベルジャーとし
た以外はすべて装置例１と同様とした。ベルジャーの材
質は石英であり、高さ１８０龍下端がφ７０の円錐形で
ある。

前述の装置例１では、放電が生起するとりエンドラント
型空洞共振器となるが、この際に用いられている円筒形
ベルジャーは大きな反射を生ずるため、共振器のＱ値は
高くなるが、マイクロ波のエネルギー吸収率はＥＣＲ型
の場合に比較して若干劣る。しかしながら、本装置例に
おいてはベルジャーを円錐形ベルジャーとしたことによ
り、同軸部の特性インピーダンスが徐々に変化し、いわ
ば変形リエントラント空洞を形成しているものといえる
ため、インピーダンスの不整合による反射は防止され、
そのぶんマイクロ波のエネルギー吸収率が向上すること
となるものである。

装置例３ 第４図は本装置例を模式的に示す部分断面略図であり、
図において、第１図に示すものと同一符号を付しである
ものは第１図に示すものと同一の内容のものを示してい
る。

第４図から明らかなごとく、本装置例においては、前述
の装置例１における円形絞り１５を２つ設置した以外は
、装置例１と同様の構成とした。

装置例１の場合には、初期放電とそれ以降の持続放電の
いずれの場合も、１つの絞りをスライドさせるものであ
るため、種々のガス種・圧力・ガス混合比に対応できる
ため、汎用性があるという利点があるものの、調整に時
間を要するという難点もある。これに対し、本装置例の
場合は、ガス種・圧力・混合比等を固定して使用する際
には、絞りの開口率のみを変化させるだけで済むという
利点がある。

すなわち、第４図における左寄りの円形絞りをＡ、右寄
りの円形絞りをＢとすると、初期放電を生起させるには
、絞りＡを全開とし絞りＢの開口径を調整してインピー
ダンスを整合させる。初期放電が生起したら、絞りＢを
全開とすると同時に、絞りＡを絞りこみ、絞りＡとベル
ジャー１３と円形導波管１）との囲まれた新たな空洞共
振器を形成させる。この新たな空洞共振器とプラズマを
含む系に対してインピーダンスを整合させるため、絞り
Ａの開口率を、前述の電力計の反射電力が最小となるよ
うに調整する。

〔発明の効果の概要〕

本発明の装置においては、絞りとベルジャーを設置する
という、簡単な構造により放電前後で空洞共振器が別の
タイプとなるので、遮断密度以上のプラズマ密度でも安
定放電が可能となり、通常の円筒形に比べて同軸部では
高い高周波電圧が得られるので成膜速度が向上するとい
う効果がある。

同時に、大型の電磁石を用いていないので、容易に大面
積化できるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の典型
的１例を模式的に示す部分断面略図であり、第２図は、
第１図に示す装置に用いられる円形絞りの斜視図である
。第３図は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置に用
いられる円錐形ベルジャーを示す斜視図であり、第４図
は、本発明のマイクロ波プラズマ処理装置の他の例を模
式的に示す部分断面略図である。第５図は従来のマイク
ロ波プラズマ処理装置を模式的に示す断面略図である。 図において、１・・・方形導波管、２・・・マイクロ波
４人窓、３・・・プラズマ生成室、４・・・処理室、５
・・・ガス供給管、６・・・排気口、７・・・被処理体
、８・・・被処理体保持具、９・・・金属メソシュ、ｌ
Ｏ・・・ガス供給管、１）・・・円形導波管、１２・・
・Ｅ、Ｍ、１．シールド・リング、１３・・・ベルジャ
ー、１４・・・Ｏリング、１５・・・円形絞り、１６・
・・Ｅ、Ｍ、１．シールド、１７・・・プラズマ、１８
・・・水冷パイプ。 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に被処理体を保持しうる手段を有する処理室
   と、該処理室に金属メッシュを介して接続するプラズマ
   生成室と、該プラズマ生成室内にガスを導入する手段と
   、該プラズマ生成室内のガスをプラズマ化するためのマ
   イクロ波導入手段とから構成されるマイクロ波プラズマ
   処理装置において、前記マイクロ波は連続発振であり、
   かつ前記プラズマ生成室が前記金属メッシュと絞りとで
   囲まれた円筒型空洞共振器を構成しており、該円筒型空
   洞共振器内に、該空洞長より短く該空洞内径よりもかな
   り小さい内径を有するベルジャーが前記金属メッシュに
   接触して配設され、該ベルジャー内に放電を生起せしめ
   ることにより半同軸型（リエントラント型）空洞共振器
   となることを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
2. （２）前記絞りが１つ組み込まれ前記円筒空洞に沿って
   スライド可能とされているか、或いは、前記絞りが複数
   個組み込まれているかのいずれかであって、かつ、該絞
   りの開口部形状が円形またはｎ角形（但し、ｎ≧５）で
   あって絞り開口率が可変である特許請求の範囲第（１）
   項に記載されたマイクロ波プラズマ処理装置。
3. （３）前記ベルジャーが円筒形である特許請求の範囲第
   （１）項又は第（２）項に記載されたマイクロ波プラズ
   マ処理装置。
4. （４）前記ベルジャーが円錐形である特許請求の範囲第
   （１）項又は第（２）項に記載されたマイクロ波プラズ
   マ処理装置。