JPH0629230A

JPH0629230A - グロー放電方法及びグロー放電装置

Info

Publication number: JPH0629230A
Application number: JP11046993A
Authority: JP
Inventors: Takashi Mizuno; 尊司水野; Daijiro Kudo; 大二郎工藤
Original assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1992-05-12
Filing date: 1993-05-12
Publication date: 1994-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】プラズマ損傷が少なく、広い面積にわたって
均一かつ高速なプラズマ処理が可能なグロー放電方法お
よび装置の提供。【構成】基板８上に一様に延在する弱電界領域Ｅｗお
よび基板８からより離れた強電界領域Ｅｓを与えるグロ
ー放電用の電界を設け、強電界領域Ｅｓを絶縁体１７で
覆うことで、弱電界領域Ｅｗのみにより基板８上にガス
状物質からの薄膜を一様に堆積あるいは食刻させるグロ
ー放電方法、装置である。このとき、グロー放電を電気
的にフローティングな状態で確立することでグロー放電
が反応容器内の内壁等に広がらないため、内壁のスパッ
タリングおよびパーティクルの発生が押えられ、反応装
置の壁面、電極等の不要部分への膜の付着がなくなり反
応装置のクリーニングが容易となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はグロー放電方法及び装置
に関し、特に基体の表面上への薄膜の堆積または基体表
面の食刻を行うことのできるグロー放電方法及び装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】グロー放電により薄膜形成を行う方法で
あるプラズマＣＶＤ法は他の常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ
法等に比べ、低温処理、量産性に優れ、良好な膜質を有
するので、例えば半導体装置の保護膜、層間絶縁膜、太
陽電池の感光層、ＴＦＴ液晶ディスプレイのゲート絶縁
膜、保護膜もしくはアクティブ層、画像形成装置の感光
層、食品包装フィルムのガスバリヤー、自動車材料の軽
量化材料等の広範囲の技術分野で薄膜形成方法として良
く用いられている。

【０００３】従来知られているプラズマ処理（薄膜形成
あるいは食刻）装置は誘導コイル型とコンデンサ結合型
があるが、プラズマ処理膜の均一性等の性能等の面か
ら、主にコンデンサ結合型が利用されてきた。このコン
デンサ結合型プラズマ処理装置は、具体的にはシリコン
化合物等の反応ガスを真空容器内に入れ、平行平板型の
電極間に高周波電界をかけて、反応ガスにプラズマ放電
を生じさせながら、電極上の基体に薄膜を堆積させるも
のである。

【０００４】ところが、このコンデンサ結合型装置は処
理部分と高エネルギー・イオン等を多く含むと思われる
プラズマの生成部分とが分離されていないので、プラズ
マにより基体が損傷を起こし、この損傷が最近の高性能
化した半導体デバイス、液晶ディスプレイ等の信頼性を
低下させるという問題がある。

【０００５】そこで、前記方法の改良方法として、強電
界領域のほかに弱電界領域を形成したグロー放電による
薄膜形成方法が提案された。この方法は特公昭６３−５
６６９９号公報等に記載されている方法に相当するが、
当該方法は図３に示すように、基体３１を二つの電極３
２、ガス噴出用透孔３４を備えた電極３３のうちのカソ
ード電極３２の表面に配置して電極間に直流または交流
を加えると、電極３２、３３間の強電界領域Ｅｓにより
グロー放電が発生し、弱電界領域Ｅｗ部分にとって電極
間隔が大き過ぎる場合であっても、ガスの圧力が適当な
値に調整されれば、その弱電界領域Ｅｗの全てに延在す
るようにグロー放電領域が広がり、したがって、非一様
な弱電界領域Ｅｗにおいても基体３１の上に一様に薄膜
を堆積させることができる。

【０００６】これにより、高エネルギーイオンを多く含
むグロー放電部Ｅｓから離れた位置にある基体３１周囲
の弱電界領域Ｅｗでの薄膜形成が可能となり、プラズマ
・ダメージの少ない膜を基体３１上に一様に堆積させる
ことができるというものである。

【０００７】ところが、図３に示すような前記強電界領
域Ｅｓと弱電界領域Ｅｗを形成するグロー放電方法は、
例えば堆積速度が数十Å／分であるように、処理速度が
遅いという問題があった。さらに、この方法は非一様な
弱電界領域Ｅｗでの処理のため、今後予想されるプラズ
マ処理基体の大型化に対応できる均一な処理が期待でき
ない問題がある。

【０００８】また、プラズマ処理速度を向上させるた
め、基体に対して平行方向に磁界をかける方法が特開昭
６１−９５７７号公報に開示されている。しかしなが
ら、この方法においては、大きな均一磁場を得ることが
困難であるため、プラズマ処理基体の大型化には対応が
難しい面が予想される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的は
プラズマ損傷を少なくし、高品質で、広い面積にわたっ
て、均一に、かつ高速にプラズマ処理を行うことができ
るグロー放電方法および装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は次の
構成によって達成される。すなわち、ガス状物質のグロ
ー放電により基体上に薄膜を堆積あるいは食刻させるグ
ロー放電方法において、前記基体表面上に非一様に延在
する弱電界領域および前記基体からより離れた強電界領
域を与えるグロー放電用の電界を設け、さらに、前記非
一様な弱電界領域が一様になるように前記強電界領域を
絶縁領域とすることによって、前記グロー放電が前記弱
電界領域内で安定し、かつ前記基体上にガス状物質によ
る薄膜の一様な堆積あるいは食刻させることを特徴とす
るグロー放電方法、または、基体が配置される第一の電
極と該第一電極と対をなす第二電極間でグロー放電電界
を形成させ、ガス状物質のグロー放電により第一電極上
に配置される基体上に薄膜を堆積あるいは食刻させるグ
ロー放電装置であって、前記グロー放電電界が第一電極
上の基体表面上に一様に延在する弱電界領域および第一
電極上の基体からより離れた強電界領域とを有するよう
に、互いに関連して形成され、かつ配置される前記二つ
の電極、および、グロー放電が前記弱電界領域内で安定
し、かつ前記弱電界領域のみから、前記基体上に薄膜が
一様に堆積あるいは食刻が生じるように前記強電界領域
全域に配置される絶縁体とを設けたことを特徴とするグ
ロー放電装置である。

【００１１】ここで、グロー放電のための二つの電極を
電気的にフローティングな状態に配置すればグロー放電
反応容器内壁との間に放電が起こりにくくなりプラズマ
（パーティクル）が拡散しにくくなる。また、グロー放
電の真空度を高めることにより薄膜の膜厚分布を改善す
ることができる。本発明のグロー放電装置において、絶
縁体は強電界領域Ｅsでの放電開始を排除するように基
体外端と電極６との間の強電界領域全域、好ましくは基
体外端と強電界領域間であって電極３の露出部全面を被
覆するように配置するとさらに弱電界領域を一様にする
ことができるので好適である。即ち、本発明のグロー放
電装置の構成は、真空容器内に設けられている絶縁性支
持台；絶縁性支持台に支持されて、基体を支持する第１
の電極；絶縁性支持台上にあって、かつ、第１の電極を
取り囲むように形成された第２の電極；基体と対向する
ように、真空容器の上部に取り付けられたガス導入口；
ガス導入口とガス導入管を介して連結されているマスフ
ローコントローラー；真空容器の外部に設けられている
真空ポンプ；および、基体外端と強電界領域間に配置さ
れた絶縁体とから成り、第１と第２の電極は、基体表面
上に一様に延在する弱電界領域および基体より離れて存
在する強電界領域とから成るグロー放電電界を形成する
ように配置され、かつ、絶縁体は、基体上でグロー放電
電界が安定し、基体上に弱電界領域からの一様な体積あ
るいは食刻を生じるよう強電界領域全域にわたって配置
されている。

【００１２】本発明のグロー放電装置において、絶縁性
支持台の形状は、特に限定はされないが、例えば円柱
状、多角柱状であることが一般的である。また、絶縁性
支持台は内部に間隙を有する筒状であってもよく、筒状
の場合には、支持台頂部が内側に向かったフランジ状形
状であると第１の電極を好適に支持することが可能とな
る。本発明のグロー放電装置において、絶縁体は基体外
端と強電界領域間の絶縁性支持台上に配置されるよう、
ドーナツ型もしくは中空の多角形（例えば、多角形リン
グ状）型の形状であることが特に好ましい。本発明のグ
ロー放電装置に用いる絶縁体の材質は、例えば石英、ホ
ウ酸ガラス（パイレックス、コーニング社商標）、アル
ミナまたは炭化ケイ素等から選択される。なお、本発明
においては、グロー放電によるプラズマ反応の反応生成
物が揮発性の場合には食刻となり、不揮発性の場合には
薄膜堆積となる。なお、有機化合物の表面改良やプラズ
マ酸化等の表面処理も本発明で言う堆積に含まれる。シ
リコン窒化膜（ガスとしてはＳｉＨ₄、ＮＨ₃とＨｅ）、
シリコン酸化膜（ガスとしては例えば、ＳｉＨ₄とＮ₂Ｏ
またはテトラエトキシシランＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄と０₂、
シリコン酸化窒化膜（ガスとしては例えば、ＳｉＨ₄、
Ｎ₂ＯとＮＨ₃）、ａ−Ｓｉ（ガスとしては例えばＳｉＨ
₄）などがその例である。また、本発明の食刻には、例
えばフォトレジストのアッシャーには酸素ガスを用い、
シリコン窒化膜やシリコン酸化膜のエッチングには四フ
ッ化炭素（ＣＦ₄）ガスと酸素ガスの混合ガスなどが含
まれる。

【００１３】また、グロー放電を発生させる高周波電源
としてさらに高い周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）を
採用すれば、堆積した膜のストレスを小さくできるので
用途に応じて、高周波電源の周波数を高くしたり、通常
の周波数（例えば、数ＫＨｚから１ＭＨｚ、望ましくは
数十ＫＨｚから数百ＫＨｚ）と高い周波数（例えば１Ｍ
Ｈｚ以上）の２系統以上にしたりして膜質の改善を行う
ことも本発明に含まれるものである。

【００１４】

【作用】グロー放電装置内に導入されたガス状物質は、
従来の方式ではグロー放電発生部である強電界領域でプ
ラズマ放電を開始させ、成膜部である弱電界領域内にあ
る基体上に堆積または食刻される。このとき、強電界領
域全域に絶縁体を配置することにより、強電界領域への
グロー放電開始が押さえられる状態で弱電界領域でのグ
ロー放電が可能になる。その結果、強電界領域でのプラ
ズマ放電が弱められるため、、基体上のプラズマ処理速
度が向上し、またパーティクルの発生が抑えられる。こ
のときグロー放電領域の真空度を高めると得られる薄膜
の膜厚分布を改善できる。

【００１５】さらに、基体が配置される第一の電極と該
第一の電極と対をなす第二の電極をフローティング状態
にして、グロー放電することにより、グロー放電が反応
容器内の内壁などに広がらないため、パーティクルの発
生が抑えられ、反応装置の壁面、電極などの不要部分の
付着がなくなり、その分、反応装置のクリーニングが容
易となる。

【００１６】

【実施例】本発明を実施例および比較例により更に詳細
に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下
の実施例に限定されるものではない。実施例１図１に本発明のグロー放電装置１を示す。真空容器２内
に基体載置台兼用の電極３と絶縁性支持台５の上に電極
６が設けられている。この電極３と電極６との間には真
空容器２の外部の電源７から高周波電力が供給される。
また、電極３上の基体８平面に対向する位置には反応ガ
ス導入管９のガス導入口１０が設けられている。このガ
ス導入口１０にはマスフローコントローラ（ＭＦ）１２
またはテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）等の液状ソー
スは気化器１１とマスフローコントローラ（ＭＦ）１２
により各種ソースガスが供給される。また、真空容器２
内はバタフライバルブ１３を介して真空ポンプ１４で所
望の真空度に維持される。また、基体８の温度は電極３
に埋め込まれた内蔵抵抗ヒータ１５により最適な温度に
加熱される。また、図示していないが、電極３にはエッ
チング時には、必要に応じ最適な温度になるように冷却
機構を設けられる。内蔵抵抗ヒータ１５は温度制御器１
６による温度制御がされる。そして、電極３上の基体８
に隣接する位置にあって、電極３、６間に形成される強
電界領域Ｅｓを排除するため、絶縁体１７を配置する。
絶縁体１７の材質はホウ酸ガラス（商標名”パイレック
ス”：コーニング社）である。

【００１７】本実施例では基体８として８インチシリコ
ンウエハーを用い、該基体８上にシリコン窒化膜を堆積
させるため、反応ガスとしてＳｉＨ₄とＮＨ₃を用いた。
なお、このときガス導入口１０と基体８間の距離（Ｌ
ｇ）は７０ｍｍである。

【００１８】このグロー放電装置１を用いて本実施例で
は次のようにしてシリコン窒化膜を基体上に堆積させ
た。まず、基体８の温度を電極３内に埋め込まれた抵抗
ヒータ１５により２５０℃に加熱しておき、真空容器２
内を真空ポンプ１４で減圧しながら、ＳｉＨ₄とＮＨ₃と
をそれぞれ１００ｃｃ／Ｍ、１リットル／Ｍの割合でガ
ス導入口から導入して、真空容器２内が１Ｔｏｒｒに維
持されるようにバタフライバルブ１３で調整する。そし
て、真空容器２内に電源７から電源周波数１２０ｋＨ
ｚ、６００Ｗの高周波電力が供給されると、驚くべきこ
とに強電界領域Ｅｓでの放電開始を排除するために絶縁
体を配置しても安定な放電が起こり、また、基体８上に
延在する弱電界領域Ｅｗは図示のように形成されるもの
と思われる。

【００１９】こうして、基体８上にはシリコン窒化膜が
堆積した。絶縁体１７を強電界領域Ｅｓ上に配置して、
強電界領域Ｅｓでのプラズマ放電の開始を抑えても、基
体８上には安定したグロー放電領域が形成されシリコン
窒化膜が得られた。絶縁体１７の幅（Ｌ＝２４ｍｍ）の
時の、このシリコン窒化膜の堆積速度は１２００Å／Ｍ
であった。そして、得られたシリコン窒化膜の膜厚分布
は±１０％であった。なお、前記膜厚分布は薄膜の膜厚
を膜上の異なる５点で測定し、その最大値と最小値との
差を平均値の２倍の値で割って得られる値を用いた。

【００２０】また、強電界領域Ｅｓ上に配置される絶縁
体１７の幅（Ｌ）を２４ｍｍから１０２ｍｍの間で数種
類変化させ、幅（Ｌ）を大きくしても、堆積される薄膜
の膜厚分布の改善には大きく貢献せず、堆積速度は低下
するので、望ましくは絶縁体の幅（Ｌ）は短い方が良
い。

【００２１】以上の結果を表１に示す。（表１）絶縁体の幅（Ｌ）（ｍｍ）堆積速度（Å／Ｍ）膜厚分布（％）２４１２００ ±１０５２１０５０ ±１２１０２６００ ±９本実施例によれば、強電界領域Ｅｓでのグロー放電開始
が絶縁体１７により押さえられるため、絶縁体１７の幅
（Ｌ）を長くしても、膜圧分布は改善されないと思われ
る。

【００２２】実施例２本実施例では図１に示す電極６と基体載置台座兼用の電
極３との間の距離Ｌを５２ｍｍとし真空度を種々変えた
他は、実施例１と同一の装置でシリコン窒化膜の堆積を
した。その手順はソースガスとして、ＳｉＨ₄とＮＨ₃を
それぞれ１００ｃｃ／Ｍ、１リットル／Ｍの割合でガス
導入口１０から導入して、真空容器２内を所望の真空度
に維持されるように調整し、台座（電極）３の温度２５
０℃に調整した。そして、絶縁性支持台５上の電極６と
台座（電極）３との間に電源７から高周波電力（電源周
波数１２０ｋＨｚ、６００Ｗ）を印加し、グロー放電を
発生させ、基体８上にシリコン窒化膜を堆積させた。そ
の結果、それらの堆積速度と膜厚分布はそれぞれ１２０
０Å／Ｍ、±１２％から７００Å／Ｍ、±３％と変化し
た。以上の結果を表２に示す。

【００２３】（表２）絶縁体の幅（Ｌ）真空度堆積速度膜厚分布（ｍｍ）（Ｔｏｒｒ）（Å／Ｍ）（％）５２１．０１２００ ±１２５２０．８１２５０ ±７５２０．６９００ ±３５２０．５７００ ±３

【００２４】本実施例によれば膜厚分布を改善するには
真空度を調節することも有効な一つの手段であることが
確認された。また、膜厚分布は基体外端で特に悪くなる
ため基体外端と絶縁体１７内端間に一定（例えば１０ｍ
ｍ）以上の間隔を設けることも有効である。

【００２５】比較例１本比較例では図２の簡略図に示すように図１の真空容器
２内壁の電極６をアースした状態で実施例１と同様にシ
リコン窒化膜を基体８上に堆積した。この結果、真空反
応装置２と電極６との間での放電が起き易くなり、プラ
ズマの拡散が見られた。

【００２６】一方、二つの電極３、６をフローティング
状態でグロー放電することにより、グロー放電が真空容
器２内の内壁などに広がらないためパーティクルの発
生、スパッタリングの発生が抑えられクリーニングも容
易となる。上記実施例では成膜の場合について説明した
が、本発明はプラズマエッチング、アッシャーなどにも
適用できる。

【００２７】実施例３図１に示す装置において、基体８としてシリコン窒化膜
を被膜としたシリコン・ウエハーを用い、シリコン窒化
膜のエッチングをＣＦ₄＋Ｏ₂（１２％）ガスにより行っ
た。基体８の温度を約５０℃にして真空容器２内を真空
ポンプ１４で減圧しながらＣＦ₄＋Ｏ₂を１．５リットル
／分の割合でガス導入器１０から導入して真空容器２内
が０．８Ｔｏｒｒに維持されるようにバタフライバルブ
１３で調整する。そして真空容器２内に電源７から電源
周波数１２０ｋＨｚ、６００Ｗでシリコン窒化膜をエッ
チングした結果、１５００Å／分のエッチング速度が得
られた。

【００２８】本発明のグロー放電装置は広範囲の技術分
野で利用できるが、例えば半導体の保護膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）
または層間絶縁膜（ＳｉＯ₂）、太陽電池の感光層（ア
モルファスシリコン）、ＴＦＴ液晶ディスプレイのゲー
ト絶縁膜（ＳｉＯ₂）、保護膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）またはアク
ティブ層（アモルアァスシリコン）、画像形成装置の感
光ドラムの感光層（アモルファスシリコン）、食品包装
材料であるＰＥＴボトル、ＰＥＴフィルムのガスバリヤ
ー（ＳｉＯ₂）、自動車材料の軽量化材料として窓、ヘ
ッドライトのコーティング（ＳｉＯ₂とポリカーボネー
トの複合被覆材料）または断熱コーティング（Ｔｉ
Ｏ₂、ＳｉＯ₂およびプラスチックフィルムの複合材料）
に用いられるシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化
膜などの薄膜形成、フォトレジストのアッシャー、保護
膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）、絶縁膜（ＳｉＯ₂）、グロー放電装置
内のクリーニング等の食刻に使用できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、強電界領域上に絶縁体
を配置することにより、強電界領域付近での放電開始が
抑えられるため、プラズマ処理速度を増加することがで
き、均一な処理が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１、２のグロー放電のための
装置の概略図である。

【図２】本発明の比較例１のグロー放電のための装置
の概略図である。

【図３】従来のグロー放電のための装置の概略図であ
る。

【符号の説明】

１…グロー放電装置、２…真空容器、３…台座兼用電
極、５…絶縁性支持台、６…電極、７…電源、８…基
体、１０…ガス導入口、１７…絶縁体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス状物質のグロー放電により基体上に
薄膜を堆積あるいは食刻させるグロー放電方法におい
て、前記基体表面上に非一様に延在する弱電界領域および前
記基体からより離れた強電界領域を与えるグロー放電用
の電界を設け、さらに、前記非一様な弱電界領域が一様
になるように前記強電界領域を絶縁領域とすることによ
って、前記グロー放電が前記弱電界領域内で安定し、か
つ前記基体上にガス状物質による薄膜の一様な堆積ある
いは食刻させることを特徴とするグロー放電方法。
【請求項２】グロー放電が電気的にフローティングな
状態で確立されることを特徴とする請求項１記載のグロ
ー放電方法。
【請求項３】グロー放電用の真空度調整することを特
徴とする請求項１記載のグロー放電方法。
【請求項４】基体が配置される第一の電極と該第一電
極と対をなす第二電極間でグロー放電電界を形成させ、
ガス状物質のグロー放電により第一電極上に配置される
基体上に薄膜を堆積あるいは食刻させるグロー放電装置
であって、前記グロー放電電界が第一電極上の基体表面上に一様に
延在する弱電界領域および第一電極上の基体からより離
れた強電界領域とを有するように、互いに関連して形成
され、かつ配置される前記二つの電極、および、グロー放電が前記弱電界領域内で安定し、かつ前記弱電
界領域のみから、前記基体上に薄膜が一様に堆積あるい
は食刻が生じるように前記強電界領域全域に配置される
絶縁体とを設けたことを特徴とするグロー放電装置。
【請求項５】グロー放電のための二つの電極が電気的
にフローティングな状態で配置されることを特徴とする
請求項４記載のグロー放電装置。