JPH0590169A

JPH0590169A - ガス供給装置およびそれを備えたマイクロ波プラズマ成膜装置

Info

Publication number: JPH0590169A
Application number: JP24549391A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Watanabe; 邦彦渡邉; Masahiro Tanaka; 政博田中; Satoru Todoroki; 悟轟; Katsuaki Saito; 克明斎藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-25
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】【目的】原料ガスの供給を独立した二系統以上で行うこ
とにより、反応性の高い混合ガスによる成膜や、膜厚分
布の改善を可能にする。【構成】ガス供給装置２０をマイクロ波を透過する石英
板１等の物質で構成し、内部空間を複数に分離、各々に
対して独立にガス供給を行う。これによりモノシランと
酸素のように反応性の強いガスを独立に供給することが
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ波プラズマを利
用して成膜を行なうマイクロ波プラズマ成膜装置に使用
するガス供給装置に係り、特に、大面積均一処理に好適
なガス供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波プラズマ成膜装置のガス供給
装置に関しては、従来から特開昭６３−２１３３４４号
公報等に記載されたものが知られている。この装置のガ
ス供給装置はリング状の金属製で複数の吹出口をもち、
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。反応ガス
は真空室導入前に予め混合され、ガス吹出口から供給さ
れる。

【０００３】また、ガス供給装置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】

【発明が解決しようとする課題】以上述べてきたガス供
給装置では、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、ガスが吹
き出してから基板まで到達する距離は、ガスの分解度や
成膜活性種等に影響し、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、距離の差は二倍以上になる場合
も考えられこの点に関する考慮が必要である。

【０００５】また、例えば酸化シリコンを成膜する場
合、原料ガスとしてはモノシランと酸素が用いられる
が、これらのガスは反応性が強いため予め混合して導入
することが不可能である。そこで真空室内に二個以上の
ガス供給装置が必要となる等の問題点があった。

【０００６】さらに、大面積成膜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、大面積均一成膜に
対して不利であった。

【０００７】本発明の目的は、第一に反応性の強いガス
に対するガス導入装置を提供することであり、第二に大
面積均一成膜に対して有利なガス導入装置を提供するこ
とである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記第一の目的に対して
は、マイクロ波が透過する物質で構成され、かつ、被処
理物から等距離に設置され被処理物の法線方向にガスを
吹き出す複数の吹出口を有したガス供給装置を設置す
る。具体的には、二枚の石英板を重ねて、その内の一方
に孔を複数個あけた形状のガス供給装置などが考えられ
る。また、反応性の強い原料ガスを用いる場合は、以下
の二つの方法で解決することができる。すなわち第一の
方法は前記ガス供給装置の内部空間を複数に分割し、独
立のガス制御装置から各々のガスを供給する方法であ
り、反応ガスは真空室内でのみ混合される。第二の方法
は前記ガス供給手段を複層構造とし、各々のガス吹出口
を同一位置に配置し、各層に独立のガス制御装置から各
々のガスを供給する方法であり、反応ガスは真空室導入
直前で混合される。本方法により真空室導入以前に原料
ガスが反応することはなく、安定した成膜が可能とな
る。

【０００９】また、第二の目的に対しては、前記第一の
構造のガス供給装置を採用し、膜厚の薄い部分に対応す
るガス吹出口に、多くのガスを供給する等、膜厚分布を
改善するようにガス流量を局所的に制御する方法を採用
することにより解決される。

【００１０】

【作用】マイクロ波プラズマ成膜装置での成膜は通常、
従来の高周波グロー放電を利用した成膜と比較して、数
桁低い０．１Ｐａ程度の成膜圧力で行われる。この程度
の圧力領域は、ガスの直進性が顕著になる分子流領域で
ある。そこでガスの吹出口から基板までの距離が、特に
大面積均一成膜の場合に重要である。そこで、マイクロ
波は透過する物質で構成される平面吹出装置を採用し、
ガス供給は基板に正対して等距離に配置したガス吹出口
から行われる。よって必然的にマイクロ波は、前記ガス
供給装置を通過して伝播する。

【００１１】ところで、単に二枚の誘電体板を平行に配
置し、一方にガス吹出口を設け、その間の空間にガスを
供給する方式では、ガスの供給ルートは一系統となるた
め、例えばモノシランと酸素のように、混合しただけで
反応を起こすようなガスは供給することが不可能にな
る。そこでガス供給装置内の空間を複数に分割する方式
とした。分割方法としては、平面的に分割する方法と、
立体的に分割する方法があるが、いずれの場合もガスが
真空室内あるいはガス吹出口の近くでのみ混合されるよ
うな構造とすることが必要である。以上のようなガス供
給装置を採用することによって、ガス供給装置内での反
応が防止でき、安定した成膜が可能となる。

【００１２】また、前述のように、マイクロ波はガス供
給装置を透過して伝播するため、空間の大きさについて
も考慮が必要である。すなわち、ガス供給装置内でマイ
クロ波放電が起きないようにする必要があり、具体的に
は最大厚さを０．５ｍｍ以下にする必要がある。

【００１３】さらに、ガス供給装置のうち、空間を平面
的に分割したものについては、大面積成膜における均一
成膜に効果がある。すなわち、装置の構造的理由等で膜
厚が薄い部分に多く原料ガスを供給することによって、
膜厚分布を改善することが可能である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１ないし図７によ
り説明する。

【００１５】（実施例１）図１（ａ）は、本発明の一実
施例を示す面状ガス供給装置２０の縦断面図である。ま
た図１（ｂ）は同一の面状ガス供給装置２０の平面図で
ある。本実施例によれば、二枚の石英板１ａ、１ｂのう
ち、１０ｍｍ厚の石英板１ｂ側に溝３が設けられてお
り、３ｍｍ厚の石英板１ａの、これに対応する位置に直
径０．３５ｍｍのガス吹出口２ａ、２ｂを配置してい
る。溝３の断面形状は、直径０．５ｍｍの半円状であ
る。また、これらの石英板１ａ、１ｂは石英固定治具４
によって固定されている。さらに本図には記載していな
いが、ガスシールとしてはフッ素系ゴム製あるいは金属
製のシールを用いている。成膜に用いる原料ガスは、ガ
ス供給源２１から各々独立にガス供給管５ａ、５ｂを通
して供給される。この場合、石英板固定治具４にはガス
を前記溝３に導くための空間があり、ここでも互いに混
合することがないよう空間は仕切られている。よってガ
スは前記面状ガス供給装置２０内でも混合することなく
独立に流れ、ガス吹出口２ａ、２ｂから吹き出して初め
て混合する構造になっている。ここでガス吹出口２ａ、
２ｂや溝３の配置については、ガスが均一に混合できる
ように考慮することが必要である。

【００１６】（実施例２）図２（ａ）は、本発明の一実
施例を示す面状ガス供給装置２０の縦断面図である。ま
た図２（ｂ）は同一の面状ガス供給装置２０の平面図で
ある。本実施例によれば、二枚の３ｍｍ厚の石英板１
ａ、１ｂはスペーサ７をはさんで約０．３ｍｍの間隔で
石英板固定治具４によって固定されている。さらに石英
板１ａには直径０．３５ｍｍのガス吹出口２ａ、２ｂが
設けてある。その他の部分については、実施例１と同様
な構造である。なお、本実施例の場合、スペーサ６と石
英板１ａ、１ｂの間は特にガスシール等を行っていない
が、コンダクタンスが悪いためガスの混合による成膜は
行われていなかった。もちろんこの部分にガスシールを
設けて、ガスの混合を完全に防止する方法が望ましい。
さらに本実施例の場合も実施例１と同様の理由で、ガス
吹出口２やスペーサ６の配置については考慮が必要であ
る。

【００１７】（実施例３）図３（ａ）は、本発明の一実
施例を示す面状ガス供給装置２０の縦断面図である。ま
た図３（ｂ）は同一の面状ガス供給装置２０の平面図で
ある。本実施例によれば、約３ｍｍ厚さ石英板１ａ、１
ｂ、１ｃのうち、１ａには直径０．７ｍｍのガス吹出口
２が、１ｂには直径０．３５ｍｍのガス吹出口２が同一
位置に設けてある。また、各々の石英板１ａ、１ｂ、１
ｃは約０．３ｍｍ間隔で、石英板固定治具４によって固
定されている。さらにガス供給管５ａは石英板１ａと１
ｂ間に、ガス供給管５ｂは石英板１ｂと１ｃ間にガスを
供給できるようになっている。本実施例の場合は、ガス
はガス吹出口２の近くで混合され、成膜に使用される。
そこで、基板上でのガス流量比を比較的均一にすること
ができる。また、三種類以上のガスを使用する場合は、
順次、石英板１の枚数を増やしていけば良い。この場
合、ガス吹出口２の直径は同じでも機能的には十分であ
るが、ガスの石英板１間への侵入を防止する目的で、本
実施例の如く外側を小さくすることが望ましい。

【００１８】（実施例４）図４は、本発明の面状ガス供
給装置２０を備えたマイクロ波プラズマ成膜装置の縦断
面図である。面状ガス供給装置２０としては、実施例２
に記載したものを用いた。

【００１９】以下、本装置を用いて、試料としての板状
ガラス基板１７に酸化シリコン膜を化学気相蒸着法で形
成する方法について述べる。

【００２０】第一に、ロータリーポンプ２４及びターボ
分子ポンプ２３を用いて真空室１１内を０．０００１Ｐ
ａ程度に高真空排気した。

【００２１】第二に、図２に示すガス供給装置２０のう
ち、ガス供給管５ａよりモノシランを５ｃｃ/ｓｅｃ、
ガス供給管５ｂより酸素を２０ｃｃ/ｓｅｃほど真空室
１１内に導入した。つまり、モノシランと酸素は各々別
のガス吹出口２ａ、２ｂから真空室１１内に供給され、
混合される。

【００２２】第三に、メインバルブ２２を調整して、真
空室１１内圧力を約０．１Ｐａに保った。

【００２３】第四に、主コイル１４及び補助コイル１５
の電流を調整して、面状ガス供給装置２０から約１００
ｍｍの位置に電子サイクロトロン共鳴を起こすための
０．０８７５テスラの磁場を形成した。

【００２４】第五に、導波管１２および石英製マイクロ
波導入窓２８を通してマイクロ波供給手段１３から２．
４５ＧＨｚ、１００Ｗのマイクロ波を真空室１１内に導
入し、放電を開始した。

【００２５】この結果、２００ｍｍ×２００ｍｍの基板
１７上に５分間で約６５０ｎｍの酸化シリコン膜が形成
された。また、ガス供給装置２０を分解したところ、内
部には酸化シリコンは殆ど形成されなかった。また、成
膜圧力モニタやガス流量モニタに変化はなく、酸化シリ
コン形成によるガス吹出口２の目詰まりもほとんどなか
った。

【００２６】なお、石英板１の間隔や、ガス吹出口２及
び溝３の大きさは、０．５ｍｍ以下にすることが必要で
ある。その理由は、それ以上では空間でマイクロ波放電
が起こり、例えばモノシランを導入した空間ではアモル
ファスシリコンが成膜されてしまうからである。実際
０．７ｍｍの空間では成膜が起こった。そこで０．５ｍ
ｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ以下にすることが望まし
い。

【００２７】（実施例５）図５は、ガス導入手段として
従来のリング状ガス供給装置２９と、面状ガス供給装置
２０とを備えたマイクロ波プラズマ成膜装置の縦断面図
である。例えば、モノシランと酸素の流量が各々５ｃｃ
／ｍｉｎ．、５０ｃｃ／ｍｉｎ．のように流量比が大き
い場合は、成膜はモノシランで律速され酸素はキャリア
ガスのような働きをする。そこで膜厚分布に対してもモ
ノシランのみを考慮すればよく、酸素はリング状ガス供
給装置２９から供給が可能である。そこで面状ガス供給
装置２０の内部空間は分割する必要はない。本実施例の
場合も、実施例４と同様な安定した成膜が可能であっ
た。

【００２８】（実施例６）第六の実施例は、本発明のガ
ス供給装置２０を備えたマイクロ波プラズマ成膜装置で
の成膜において、膜厚分布を改善した例である。図６
に、使用したガス供給装置２０の断面図および平面図を
示す。基板１７には、直径６インチのシリコンウエハを
用いた。また、原料ガスとしてモノシランと窒素を各々
５ｃｃ／ｍｉｎ、２０ｃｃ／ｍｉｎ混合したものを用い
た。その他の成膜条件及び成膜手順は、実施例４の場合
と同一である。本成膜では、原料ガスであるモノシラン
と窒素の反応性は低く、予め混合して供給することが可
能である。

【００２９】まず第一に、ガス供給管５ａ、５ｂから同
一流量流した場合の膜厚分布を、図７（ａ）に示す。こ
の場合、基板周辺部では膜厚がやや薄くなっている。そ
こで、ガス供給管５ａから供給される原料ガス流量を、
モノシラン７ｃｃ／ｍｉｎ、窒素７０ｃｃ／ｍｉｎに増
加した。すなわち、基板１７周辺部に供給される原料ガ
スの総流量を増加した。この結果、図６（ｂ）に示すよ
うに周辺部の膜厚が増加し、全体的に均一性が改善され
た。なお、本実施例の場合とは反対に、意図的に膜厚分
布を形成したり、積極的に膜組成や膜特性を局所的に変
化させる場合にも、本発明は有効である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、反応性の強い原料ガス
を用いた成膜の場合でも、安定した成膜を大面積にわた
って均一に行うことができる。また、膜厚や膜特性の分
布改善にも効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス供給装置の一実施例の説明図、

【図２】本発明のガス供給装置の第二実施例の説明図、

【図３】本発明のガス供給装置の第三実施例の説明図、

【図４】本発明のマイクロ波プラズマ成膜装置の系統
図、

【図５】本発明のマイクロ波プラズマ成膜装置の系統
図、

【図６】本発明のガス供給装置の説明図、

【図７】酸化シリコンの膜厚分布を示す特性図。

【符号の説明】

１…石英板、２…ガス吹出口、３…溝、４…石英板固定
治具、５…ガス供給管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者斎藤克明茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波が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
き出す複数の吹出口をもつガス供給装置であって、複数
のガス供給系をもち、ガスを供給装置外部若しくは吹出
口部のみで混合する構造であることを特徴とするガス供
給装置。
【請求項２】二枚の誘電体板を平行に配置し、そのうち
基板と対向する一枚に複数の孔を設け、前記誘電体板間
の空間を複数に分割したことを特徴とするガス供給装
置。
【請求項３】請求項１において、少なくとも三枚の誘電
体板を平行に配置し、そのうち基板と反対側の一枚以外
に各々複数の孔を同一位置に設けるとともに、それらの
孔径が前記孔のない誘電体板から遠ざかるにつれて大き
くなっているガス供給装置。
【請求項４】請求項２または３に記載の前記誘電体板と
して、石英板若しくはアルミナ板を用いるガス供給装
置。
【請求項５】請求項２または３に記載の誘電体板間の間
隔が、０．５ｍｍ以下であるガス供給装置。
【請求項６】真空室に、真空排気手段と、試料保持手段
と、反応ガスおよび放電ガス導入手段と、電子サイクロ
トロン共鳴を起こすための磁場形成手段と、マイクロ波
電力供給手段とを備えたマイクロ波プラズマ成膜装置で
あって、前記ガス導入手段として請求項１に記載のガス
供給装置を基板と正対位置に配置したマイクロ波プラズ
マ成膜装置。
【請求項７】真空室に、真空排気手段と、試料保持手段
と、反応ガスおよび放電ガス導入手段と、電子サイクロ
トロン共鳴を起こすための磁場形成手段と、マイクロ波
電力供給手段とを備えたマイクロ波プラズマ成膜装置で
あって、前記ガス供給手段を複数個設け、その一つがマ
イクロ波が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吹
出口をもったガス供給装置であることを特徴とするマイ
クロ波プラズマ成膜装置。