JPH04211118A

JPH04211118A - マイクロ波プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH04211118A
Application number: JP3052182A
Authority: JP
Inventors: Satoru Todoroki; 轟　　　悟; Masahiro Tanaka; 政博田中; Kunihiko Watanabe; 邦彦渡辺; Mitsuo Nakatani; 中谷　光雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1992-08-03
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: JP2630089B2

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】

［０００１］

【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイス、液晶表
示素子、ラインセンサ、薄膜太陽電池などの薄膜を応用
した電子部品等の製造に使用するマイクロ波プラズマ処
理装置に係り、特に大面積に、高速にて均一な処理を行
うのに好適なマイクロ波プラズマ処理装置に関する。［０００２］

【従来の技術】近年、薄膜の形成あるいはエツチング、
表面処理等にマイクロ波と磁場との相互作用によるマイ
クロ波プラズマ処理技術が用いられている。例えば、こ
の種のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の従来装置として
は特開昭６３−２１３３４４号公報記載の装置が知られ
ている。これによる場合、真空室には放電管が設けられ
、これにコイルを取り付けて磁場を印加し、更に導波管
を介して電子サイクロトロン周波数と同一の周波数のマ
イクロ波を導入し、放電を起こすことにより、真空室内
に導入された反応ガスを分解し、これにより真空室内に
設置された基板上に化学気相蒸着を行うようになってい
る。この装置のガス供給器はリング状の金属性で複数の
ガス吹出口を有し、マイクロ波導入部の周辺あるいは真
空室壁近傍にマイクロ波の進行を妨げないように配置さ
れている。［０００３］また、ガス供給器としてはこの他にスリッ
ト形状のものや、ノズル形状のものが知られているが、
多くの場合ステンレススチール等の導電体金属で構成さ
れている。そのためにマイクロ波の伝播を妨げないよう
に、いずれの場合もマイクロ波通過空間の外側に配置さ
れていることが特徴である。［０００４］　このようなマイクロ波通過空間の外側に
設置されたガス供給器では、基板上に均一に原料ガスを
供給するために、基板中心方向や、基板端部等複数方向
に向けてガス吹出口が設けられている。［０００５］

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたガス供
給器では、ガス吹出口から基板までの距離の不均一に関
しては考慮がされていなかった。すなわち、原料ガスが
吹き出してから基板に到達するまでの距離は、原料ガス
の分解塵や活性種等に影響し、膜質を決定する重要な要
素であるにもかかわらず十分な考慮がされていなかった
。その理由は基板が小さいため各吹出口からの距離の差
が小さく、許容範囲内であったためと考えられる。しか
し大面積基板を採用すると、前記距離の差は２倍以上に
なる場合も考えられ、この点に関する考慮が必要である
。［０００６］さらに、大面積処理に対するガス流の改善
に関しては全く考慮がされておらず、大面積均一処理に
対して不利であった。［０００７１本発明の目的は上記述来技術の問題点を解
消することにあり、大面積にわたり、均一かつ良好なる
特性を有し、厚さも均一な膜を形成したり、大面積にわ
たり均一なエツチング等の処理を行うマイクロ波プラズ
マ処理装置を提供することにある。［０００８］

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、ガスを基板全面に亘って均一に、そして基板を目
がけて供給するようなガス供給器を採用すれば良い。電
子サイクロトロン共鳴を利用したマイクロ波プラズマ処
理法では処理圧力がＩＰａ以下と低いため、原料ガスの
流れは分子流に近く、また原料ガスの分解効率がほぼ１
００％に近いため、ガス吹出口から放出された原料ガス
はそのまま直線的に真空室内を飛行し、衝突した表面上
で反応を起こす。そこで原料ガスを基板全面に亘って均
一に、そして基板に直接供給するためには複数個のガス
吹出口を基板に対面させて配置すれば良い。しかし、−
般にマイクロ波プラズマ処理装置では、マイクロ波を基
板の正面方向から導入するので、例えばマイクロ波を透
過させる材質から成り、一方には複数個のガス吹出口を
有する２枚のガス吹出板で構成された面状ガス供給器を
製作し、ガス吹出口を有するガス吹出板と基板とが対向
するように設置する方法が考えられる。この時、面状ガ
ス供給器をマイクロ波が通過するので、ガス供給器内の
隙間でプラズマが発生しないように、またプラズマが発
生しても、電子が直ちにガス吹出板の壁に衝突し消滅す
るように、ガス供給器内の隙間を十分に狭くする必要が
ある。［０００９］加えて、処理した膜の特性はガス吹出口か
ら基板までの距離に大きく影響されるので、その距離を
一定にする必要がある。また、電子サイクロトロン共鳴
条件を満足する空間（Ｅ　ＣＲ面）では、ガス吹出口か
ら放出された原料ガスを最も効率良く分解するので、Ｅ
ＣＲ面とガス吹出板と基板とが互いに平行であることが
必要である。［００１０１また、基板全面に亘って処理速度を一定に
するためには、ガス吹出口の孔径及びその配置を最適化
し、基板に到達する単位面積当りのガス流量を一定にす
れば良い。即ち、複数のガス吹出口の孔径が同じであれ
ば、吹出口の数はガス吹出板の中心部付近で粗であり、
周辺にいくに従って密になるように設置する。吹出口を
等間隔に配置するのであれば、吹出板の周辺にいくに従
って孔径を大きくする必要がある。［００１１１さらに、高速で処理を行うためにはガス吹
出口から供給されたガスの利用効率を上げれば良い。そ
のためには、ガス吹出口と基板とを対面させて配置し、
原料ガスの吹出方向と基板の法線方向とを一致させれば
良い。［００１２］

【作用】２枚の誘電体板で構成され、一方には複数個の
ガス吹出口を設けた面状ガス供給器をガス吹出口を基板
に対面させ、かつその距離が等しくなるように配置する
ことにより、また、電子サイクロトロン共鳴を起こす領
域（ＥＣＲ面）もガス供給器や基板と平行になるように
することにより、ガス吹出口から出た原料ガスの分解塵
や、活性種等を揃えて基板に供給することができ、膜厚
、膜質共に均一な薄膜を大面積に亘って形成したり、エ
ツチング処理等を基板全面に亘り均一に行うことができ
る。また、ガス吹出口の孔径及びその配置を調整し、基
板に到達する単位面積当りのガス流量を一定にすること
により、基板全面にて均一な処理を行うことができる。更には、前述の如くガス吹出口と基板とを正対配置する
ことにより、原料ガスを直接基板に供給することにより
、ガスの利用効率を高め、高速の処理を行うことが可能
になる。これらにより、比較的安価な装置構成で、大面
積に高速で、かつ均一性の優れた処理を行うことができ
る。［００１３］

【実施例】本発明の実施例を、図１〜図４を用いて説明
する。［００１４］（実施例１）図１は、本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置概略断
面図である。マイクロ波発生源１からマイクロ波導波管
２を通して電磁ホーン３に２．４５ＧＨｚのマイクロ波
を導く構成とした。電磁ホーン３の開口部には石英のマ
イクロ波導入窓４を設け、これを介してマイクロ波を真
空室５内に導入した。磁場は電磁コイル６により発生さ
せ、電子サイクロトロン共鳴を起こす領域（ＥＣＲ面）
をマイクロ波導入窓４と基板７との間に位置するように
設定した。原料ガスはマイクロ波導入窓４に近接して設
けたガス吹出板８のガス吹出口９から、ガス吹出口９に
対向して配置された基板７に向かって供給した。マイク
ロ波導入窓４とガス吹出板８とで構成したガス供給器１
１の構造を図２に示す。ガス吹出板８に設けた複数個の
ガス吹出口９と基板７との距離を一定になるようにガス
吹出板８とを対向させて配置し、マイクロ波導入窓４と
ガス吹出板８との間にスペーサ１０を挾み、この隙間に
原料ガスを流してガス吹出口９の孔から基板７に向けて
ガスを供給した。本装置ではマイクロ波導入窓４とガス
吹出板８との間にプラズマが発生しないように、スペー
サ１０の厚みを約０．５ｍｍとしたが、望ましくは約０
．３ｍｍ程度が良い。また、ガス吹出口９の孔径を０．
３ｍｍ程度とし、ガス吹出板８に６１個のガス吹出口９
を均一に配置した。ガス吹出口９と基板７どの距離は約
１１０ｍｍであり、更に、ＥＣＲ面は電磁コイル６の電
流を調整し、ガス吹出板８と基板７との間、基板７より
３０ｍｍの位置に基板７に平行に形成した。［００１５］　３２０ｍｍＸ　２４０ｍｍのガラス基板
７を基板ホルダ１２に設置し、これに窒化シリコン膜を
形成した。原料ガスはモノシラン：３５ｃｃｍ（ｌｃｃ
ｍは、２５℃、１気圧における毎分１０ｍ３の流量を示
す）、窒素：３５０ｃｃｍを混合してガス供給器１１を
通して真空室５内に導入し、ターボ分子ポンプにより排
気した。真空室５内の圧力を０．５Ｐａに調整し、４ｋ
Ｗのマイクロ波を約５分間投入し、プラズマを形成した
ところ、ガラス基板７上には図３ａに示す如く、中心か
ら約１８０ｍｍの位置まで、抵抗率１×１０１５Ω・ｃ
ｍ〜３×１０１５Ω・ｃｍの範囲にはいる窒化シリコン
膜が得られた。尚、膜厚は基板７の中心部で約４５０　
ｎｍ、周辺部で約３００ｎｍである。一方、比較例とし
て、従来良く使用されているリング状ガス供給管を用い
て、実施例１と同一の条件で成膜実験を試みた。尚、リ
ング状ガス供給管はは直径約１０ｍｍのステンレスパイ
プを用い、リングの内側に孔径的０．５ｍｍのガス吹出
口９を２４ケ所設け、内側に向けてガスを供給した。こ
の時、図３ｂに示す如く、ガラス基板７の対角線上周辺
部、即ちガス吹出口９近傍で抵抗率約５×１０１２Ω・
ｃｍ、基板７中心に向かって約１００〜１５０ｍｍの位
置で抵抗率５Ｘ１０＋４Ω・ｃｍ、中心部近傍で抵抗率
１×１０１３Ω・ｃｍなる窒化シリコン膜が得られた。尚、膜厚は基板７端部で約７００ｎｍ、中心に向かって
除々に減少し、基板７中心部近傍で約１１００ｎであっ
た。　（平均値１４０ｎｍ）また、ＥＣＲ面がガス吹出
板８と基板７と平行でない場合、例えば電磁コイル６の
電流を変化させて、基板７中心部では基板７から３０ｍ
ｍの位置に、そして基板７周辺部では基板７から約１０
ｍｍの位置に形成するようなＥＣＲ曲面である場合、実
施例１と同一条件で成膜すると、基板７中心部で抵抗率
約２×１０１５Ω・ｃｍ、基板周辺部で抵抗率約１０１
４〜１０１３Ω・Ｃｍなる窒化シリコン膜が得られた。尚、膜厚は実施例とほぼ同程度である。［００１６］以上のように本実施例によれば、スペーサ
１０を介して２枚の石英板で構成したガス供給器１１を
用いガス吹出板８に複数個のガス吹出口９を設け、ガス
供給口９と対面する基板７との距離を一定にし、また電
子サイクロトロン共鳴面（ＥＣＲ面）もガス吹出板８及
び基板７と平行になるよう配置することにより、大面積
に、均一な抵抗率を有する窒化シリコン膜を得ることが
できる。本実施例ではガス吹出口９と基板７との距離を
約１１０ｍｍとしたが、図３ｂに示す如く、約１００ｍ
ｍ〜１５０ｍｍの範囲であれば同様の窒化シリコン膜を
得ることができる。さらにガス吹出口９とＥＣＲ面との
距離は、プラズマ密度向上のためには少なくとも３０ｍ
ｍ以上必要であり、好ましくは５０ｍｍ以上が望ましい
。また、アモルファスシリコン膜を成膜する場合は、ガ
ス吹出口９と基板７との距離を約１５０〜２００ｍｍに
すれば、大面積に均一かつ良好な特性を有するアモルフ
ァスシリコン膜が得られた。［００１７］（実施例２）第２の実施例は、抵抗率の均一性のみならず膜厚の均一
性にも優れた大面積の窒化シリコン膜を形成した例を示
す。図４にガス吹出板８の構造を示す。マイクロ波導入
窓４とガス吹出板８の隙間に、周辺から原料ガスを導入
し、同一の孔径を有するガス吹出口９から基板７を目が
けて原料ガスを放出する場合、隙間内のガス流速はガス
吹出板８の中心に向かって遅くなり、ガス吹出口９での
圧力はガス吹出板８の中心に向かって低くなる。その結
果として、ガス吹出口９から供給されるガス量は、基板
７中心部で多くなり、基板７上に成膜した膜の膜厚分布
は凸状の形状を示す。［００１８］そこで、図４に示す如く、基板上に到達す
る単位面積当りのガス流量が基板面内で全て等しくなる
ように、ガス吹出口９の孔径及びその配置を適正化する
ことにより、均一な膜厚分布を有する膜を形成すること
ができる。具体的にはガス吹出口９の孔径を約０．３ｍ
ｍとし、２１ケのガス吹出口９をガス吹出板８の中心部
で粗、周辺部で密になるように配置した。成膜条件は実
施例１と同様にして窒化シリコン膜を形成した結果、膜
厚は基板７中心部で約４００ｎｍ、中心から対角線上約
１８０ｍｍはなれた基板７周辺部で約３６０ｎｍ、±５
％の範囲に収まっていた。尚、得られた膜の抵抗率は基
板７内で約２×１０１５〜４×１０１５Ω・ｃｍであっ
た。［００１９］　ところで、ガス吹出口９は基板７に対面
して設置されており、ガス吹出口９から放出されたガス
は基板７を目がけてほぼ直線的に飛行する。従って、同
一のガス流量で、従来のリング状ガス供給管を用で成膜
した場合と比較して、基板７以外での成膜が少なく、結
果として基板７上では約２〜３倍の成膜速度を実現する
ことができた。［００２０１（実施例３）第３の実施例は実施例２に示した面状ガス供給器１１を
備えたＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装置を用い、六フ
ッ化イオウを原料ガスとして、あらかじめ３２０ｍｍＸ
２４０ｍｍのガラス基板７上に、約２０００ｎｍ形成し
た窒化シリコン膜をエツチングした場合である。六フッ
化イオウ２５０ｃｃｍをガス吹出口９を通して真空室５
に導入し、圧力を０．５Ｐａに調整した。ＥＣＲ面はガ
ス吹出板８と基板７とのほぼ中央に位置するように電磁
コイル６の電流を調整し、１．５ＫＷのマイクロ波を約
５分間投入したところ、基板ホルダ１２上の窒化シリコ
ン膜は全面に亘り約１１０００ｎはど均一にエツチング
された。原料ガスとして六フッ化イオウ以外に、三フッ
化窒素、四フッ化炭素、四塩化炭素等のガスを用いた場
合でも、エツチング速度は異なるが、いずれも窒化シリ
コン膜は大面積に亘り均一にエツチングされた。［００２１］（実施例４）第４の実施例は実施例２に示した面状ガス供給器１１を
備えたＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装置を用い、あら
かじめ３２０ｍｍＸ２４０ｍｍのガラス基板７上に約５
００ｎｍ形成したアモルファスシリコン膜を、酸素プラ
ズマを用いて酸化処理を施したり、窒素プラズマを用い
て窒化処理を施した場合である。この場合も分析の結果
、アモルファスシリコン膜表面に均一な酸化シリコン層
、窒化シリコン層が形成されていることが確認された。［００２２］以上、ＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装置
を用いて成膜、エツチング、表面処理を行った場合につ
いて説明したが、電磁コイル６を有しない無磁場マイク
ロ波プラズマ処理装置を用いる場合でも、同様の効果が
得られることは容易に推察される。［００２３］

【発明の効果】本発明によれば、大面積でかつ高速に膜
形成、エツチング、あるいは表面処理を行う場合に生じ
る膜厚及び膜質、エツチング量、あるいは表面処理層の
不均一性の問題を解決することができる。これにより、
高密度なマイクロ波プラズマを低圧力で維持できるとい
う本装置の特徴を利用することで、例えば成膜に使用す
れば高品質膜の大面積・高速形成が可能となり、ワーク
ステーション用大画面液晶表示素子、大面積太陽電池、
ラインセンサ、８インチウェハ上でのＬＳＩ層間絶縁膜
等における歩留向上、スループットの向上、製造コスト
の低減等に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＥＣＲマイクロ波プラズマ処理装
置の断面図である。

【図２】実施例１における面状ガス供給器の構造図であ
る。

【図３】実施例１における窒化シリコン膜の抵抗率分布
図である。

【図４】実施例２における面状ガス供給器の構造図であ
る。

【符号の説明】

１・・・マイクロ波発生源、２・・・マイクロ波導波管
、３・・・電磁ホーン、４・・・マイクロ波導入窓、５
・・・真空室、６・・・電磁コイル、７・・・基板、８
・・・ガス吹出板、９・・・ガス吹出口、１０・・・ス
ペーサ、１１・・・ガス供給器、１２・・・基板ホルダ
、１３・・・シール、１４・・・ガス供給器固定治具、
１５・・・ガス導入音阻

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス供給器と、真空排気手段を備えた真空
室と、前記真空室内にマイクロ波を導く導波管と、前記
導波管の一端に接続されたマイクロ波発生源と、他端に
接続されたマイクロ波放射器と、前記マイクロ波放射器
の開口部で、真空を封じマイクロ波を透過させる窓と、
前記真空容器内で前記マイクロ波の周波数で電子サイク
ロトロン共鳴を起こすような磁場発生手段と、前記真空
容器内に処理されるべき基板を固定するためのホルダと
を具備して成るマイクロ波プラズマ処理装置において、
前記ガス供給器の一部または全部がマイクロ波を透過す
る物質で構成され、かつ基板から等距離に設置され基板
の法線方向にガスを吹き出す複数のガス吹出口を有した
ガス供給器であることを特徴とするマイクロ波プラズマ
処理装置。
【請求項２】前記ガス供給器において基板表面の各部分
に対し一定流量のガスを供給ならしめるように、ガス吹
出口の孔径及び配置を外周部は穴径を大きくまたは穴間
隔を密にし、中心へゆくにしたがって穴径を小さくまた
は間隔を粗にすることを特徴とするマイクロ波プラズマ
処理装置。
【請求項３】前記ガス供給器が２枚の誘電体板を平行に
配置し、そのうち基板と対向する１枚に複数の孔を設け
、また２枚の誘電体板間の間隔が０．５ｍｍ以下である
ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項４】前記磁場発生手段により形成される電子サ
イクロトロン共鳴面と、ガス吹出口の設置面と、基板と
が互いに平行であることを特徴とするマイクロ波プラズ
マ処理装置。
【請求項５】請求項１記載のガス吹出口と対面させて設
置した基板との距離を１００ｍｍ乃至１５０ｍｍの間に
設定し得る構造であることを特徴とするマイクロ波プラ
ズマ処理装置。
【請求項６】請求項１記載のガス吹出口と対面させて設
置した基板との距離を１５０ｍｍ乃至２００ｍｍの間に
設定し得る構造であることを特徴とするマイクロ波プラ
ズマ処理装置。
【請求項７】前記ガス吹出口と前記電子サイクロトロン
共鳴面との距離を３０ｍｍ以上に設定し得る構造である
ことを特徴とするマイクロ波プラズマ処理装置。
【請求項８】請求項１乃至請求項４記載のガス供給器を
備えたことを特徴とするマイクロ波プラズマ成膜装置、
エツチング装置、アッシング装置、あるいは表面処理装
置。
【請求項９】請求項１乃至請求項７記載のマイクロ波プ
ラズマ処理装置において、電子サイクロトロン共鳴を起
こす磁場発生手段を有しないプラズマ処理装置。
【請求項１０】請求項３に記載の誘電体板として、石英
板若しくはアルミナ板を用いることを特徴とするマイク
ロ波プラズマ処理装置。