JPH11204436A

JPH11204436A - 電子デバイス製造装置

Info

Publication number: JPH11204436A
Application number: JP708798A
Authority: JP
Inventors: Osamu Sakai; 道酒井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】装置構成の大型化及び設備コストのアップを
招来することなく、安定、且つ効率的に半導体膜等の成
膜及びチャンバクリーニングを行うことができる電子デ
バイス製造装置を提供する。【解決手段】高周波電力発生装置１は、成膜用の高周
波と、この高周波よりも周波数の高いチャンバークリー
ニング用の高周波の２種類の高周波を発生し、成膜時に
は電極２、３間のプラズマ生成位置３１のみにプラズマ
を発生させ、チャンバークリーニング時にはプラズマ生
成位置３１〜３３でプラズマを発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子デバイス製造装
置に関し、より詳しくは、電子産業におけるアモルファ
スシリコン等の半導体膜や絶縁膜の製造に用いられるプ
ラズマ励起化学気相成長（ＣＶＤ＝ＣｅｍｉｃａｌＶ
ａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置として好適な電
子デバイス製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマを使って半導体膜等を成膜し、
集積回路、液晶ディスプレイ及びアモルファス太陽電池
等の電子デバイスを製造する装置、いわゆるプラズマＣ
ＶＤ装置は、簡便性及び操作性に優れるため、さまざま
な電子デバイスを製造するのに使用されている。

【０００３】プラズマＣＶＤ装置の装置構成としては、
平行平板型と呼ばれるものが一般的である。以下にその
装置構成を図１を参照しつつ説明する。但し、図１は本
発明が適用されるＣＶＤ装置を示す。

【０００４】チャンバ６内には、高周波励起用の電極２
と、基板取り付け用の電極３とが互いに平行に上下方向
に対向配置されている。両電極２、３はいずれも平板状
をなし、お互いに電気的に絶縁されている。電極３の対
向面には基板８がセットされている。

【０００５】高周波励起用の電極２には高周波電力発生
装置１が接続され、電極３は接地されている。このよう
な構成において、高周波電力発生装置１より通常周波数
が１３．５６ＭＨｚの高周波電力を電極２に印加する
と、両電極２、３間にプラズマが発生する。

【０００６】今少し具体的に説明すると、上記高周波電
力の印加により、両電極２、３間に高周波の電界を発生
させ、その絶縁破壊現象によりグロー放電現象としてプ
ラズマを発生させている。

【０００７】この時、両電極２、３間の間隙内にはガス
噴出口５を介してガス供給部４より材料ガスが供給され
る。材料ガスはプラズマによって解離され、基板取り付
け用の電極３にセットされたシリコンやガラスからなる
基板８上に半導体膜等が成膜される。

【０００８】ここで、両電極２、３間、つまり図２に示
すプラズマ生成位置３１に安定してプラズマが生成され
る状態において、生産に適する基板８への成膜が実現さ
れることとなる。

【０００９】ところで、プラズマで解離された材料ガス
の解離物、即ち、ラジカルは、基板８へだけ向かうので
なく、電気的に中性な粒子として電極２そのものや閉空
間を構成するチャンバ６の内壁にも達し、そこに膜が付
着する。付着した膜は、ある一定の厚みになると、チャ
ンバ内壁等の表面から剥がれはじめる。以下ではこの物
体をフレークと称する。

【００１０】このフレークは最悪の場合は、基板８に達
して成膜膜内に取り込まれて膜質の悪化の要因となる。
フレークの発生個所としては、基板８に対向する電極２
面が主なものであるが、特に基板８の上部に位置するチ
ャンバ６の内壁からの影響も大きい。

【００１１】このような膜内へのフレークの混入を防ぐ
ため、この種のＣＶＤ装置では、付着した膜の厚みが厚
くならないうちに、ガス噴出口５を介してガス供給部４
よりエッチングガスをチャンバ６内に導入して付着した
膜を除去している。以下では、この動作をチャンバーク
リーニングと称する。

【００１２】このチャンバークリーニング時においても
高周波が使われる。即ち、成膜時と同様に、両電極２、
３間でプラズマを生成し、このプラズマによって両電極
２、３間に供給されるエッチングガスを解離し、そのラ
ジカルで付着した膜を化学的に除去してチャンバークリ
ーニングを行っている。

【００１３】一方、近年のプラズマ工学の進歩により、
成膜用の周波数を１３．５６ＭＨｚから上昇させること
によって、成膜速度を上昇させることができる、という
知見が得られてきた。これは、周波数が上昇することに
より、生成されるプラズマ密度が上昇するためである。

【００１４】このような研究成果は、通常小面積の電極
（例えば、１００ｍｍ×１００ｍｍ）で行われてきた実
験によるものである。研究成果の主要なものを以下に示
す。

【００１５】（１）Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ
ｌ．Ａ１０（１９９２）１０８０Ａ．Ａ．Ｈｏｗｌｉ
ｎｇｅｔａｌ．（２）特開平６−７７１４４号公報

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のＣＶ
Ｄ装置では、成膜用の高周波とチャンバークリーニング
用の高周波を同じ電源、つまり同じ周波数の高周波を用
いて行っているのが通例である。

【００１７】しかし、この手法によると、チャンバーク
リーニングにかなりの時間（成膜に使える時間の２０〜
３０％）が必要になるため、半導体膜等の生産性を向上
する上での障害となっていた。

【００１８】そこで、近年では、一例として、チャンバ
ークリーニング用の高周波としてマイクロ波（周波数
２．４５ＧＨｚ）を利用し、そのエッチングガスの解離
性の高さを利用して効率的にチャンバークリーニングを
行う手法が採用されている。

【００１９】しかし、この手法によると、マイクロ波用
の電源を別個に設ける必要があるため、装置構成が大型
化し、かつコストアップを招来するという問題がある。

【００２０】また、本発明者等は、成膜用の周波数を上
昇させて成膜速度を上げ、これにより生産性を向上させ
る検討を行ってみたが、両電極２、３間において安定な
放電がなかなか得られないという困難に直面した。

【００２１】この問題は、液晶ディスプレイやアモルフ
ァス太陽電池等の製造用として、特に電極面積が大きな
（０．２５ｍ²以上）電子デバイス製造装置において顕
著となる。

【００２２】これは、従来の周波数１３．５６ＭＨｚで
は問題とならなかった導体（電極２、３）のインダクタ
ンスや導体間の浮遊容量が、周波数ｆが上昇することに
よって顕在化する、ということに起因すると思われる。

【００２３】即ち、インダクタンスＬは、インピーダン
スヘの寄与として、２×π×ｆ×Ｌで影響を及ぼし、一
方、浮遊容量Ｃは、インピーダンスヘの寄与として、２
×π×ｆ÷Ｃで影響を及ぼす。

【００２４】つまり、周波数ｆが上昇すると、導体のイ
ンダクタンスＬと導体間の浮遊容量Ｃとが複雑に絡み合
って、直列共振現象が起こり、ある場所でインピーダン
スが０となったり、並列共振現象が起こってインピーダ
ンスが無限大となったりする。すると、いままで放電し
なかったところに高周波電力が流入したり、逆に今まで
放電していたところで高周波電力が消費されなくなった
りすることになる。即ち、放電の発生する場所が変化し
てしまうわけである。

【００２５】以上をまとめると、この成膜用の高周波と
チャンバークリーニング用の高周波に関して、生産性と
しての装置性能と設備コスト・大きさとしての装置構成
を考慮に入れた上で、それらの周波数がいまだに最適化
されていないのが現状である。

【００２６】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たものであり、装置構成の大型化及び設備コストのアッ
プを招来することなく、安定、且つ効率的に半導体膜等
の成膜及びチャンバークリーニングを行うことができる
電子デバイス製造装置を提供することを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明の電子デバイス製
造装置は、チャンバ内にプラズマ化するガス、成膜用の
ガス及びチャンバークリーニング用のエッチングガスを
導入するガス導入手段と、該チャンバ内に設けられた対
向電極からなるプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手
段にプラズマを発生させるための高周波を供給する高周
波発生手段と、該チャンバ内のガスを排気するガス排気
手段とを備えた電子デバイス製造装置において、該高周
波発生手段は、成膜用の高周波と、該高周波よりも周波
数の高いチャンバークリーニング用の高周波の２種類の
高周波を発生するように構成されており、そのことによ
り上記目的が達成される。

【００２８】好ましくは、前記高周波発生手段は、前記
成膜用の高周波及び前記チャンバークリーニング用の高
周波を同一電源より発生する構成とする。

【００２９】また、好ましくは、前記成膜用の高周波の
周波数ｆ₁が下記（１）式の条件を満足するｃ／ｆ₁＞１６×ｄ …（１）但し、ｃ：光速ｄ：高周波が印加される対向電極の電極面内に確保でき
る最大の寸法構成とする。

【００３０】また、好ましくは、前記チャンバークリー
ニング用の高周波の周波数ｆ₂が下記（２）式の条件を
満足するｃ／ｆ₂＜１６×ｄ …（２）構成とする。

【００３１】また、好ましくは、前記チャンバークリー
ニング用の高周波の周波数ｆ₂が下記（３）式の条件を
満足する８×ｄ＜ｃ／ｆ₂＜１６×ｄ …（３）構成とする。

【００３２】また、好ましくは、成膜時には前記対向電
極間でのみ放電を行う一方、チャンバークリーニング時
には該対向電極間及び／又は該対向電極間以外で放電を
行うように構成する。

【００３３】以下に、図１〜図３を参照しつつ、本発明
の作用を説明する。

【００３４】本発明者等は、図１に示す構成のプラズマ
ＣＶＤ装置（電子デバイス製造装置）を用いてプラズマ
の生成実験を行った。そして、ある表面積の電極を高周
波励起用の電極２として成膜用の周波数を上昇させてい
くと、ある周波数以上では平行平板の電極２、３間の正
常な放電が起こらなくなるという現象を見出した。

【００３５】即ち、周波数を上げていくと、ある周波数
以上では正常な電極２、３間の放電領域（図２の生成位
置３１）にとどまらず、電極２、３とチャンバ６の両側
壁との間（図２の生成位置３２）又は接地電位にある電
極３の裏側（図２の生成位置３３）にまで放電が広がっ
てしまうことがわかった。

【００３６】更に周波数を上げていくと、ある周波数領
域から電極２、３間では放電が起こらず、電極２、３と
チャンバ６の両側壁との間又は接地電位にある電極３の
裏側でのみ放電が発生することがわかった。

【００３７】本発明者等は、この現象を更に詳しく調べ
るため、さまざまな表面積の電極２を用いて生成される
プラズマの挙動を調べたところ、図３に示すように、次
のようなことがわかった。

【００３８】（１）高周波励起用の電極２に印加される
励起高周波の周波数ｆが上昇し、高周波の波長ｃ／ｆが
減少し、波長ｃ／ｆが電極２の大きさｄ、つまり電極２
の電極面内に確保できる最大の寸法ｄの１６倍以下にな
る、ｃ／ｆ＜１６×ｄの条件を満足する周波数領域で電
極２、３とチャンバ６の両側壁との間（生成位置３２）
又は接地電位にある電極３の裏側（生成位置３３）で放
電が発生する。

【００３９】（２）更に周波数ｆが上昇し、高周波の波
長ｃ／ｆが減少して、波長ｃ／ｆが電極２の大きさｄの
８倍以下になる、ｃ／ｆ＜８×ｄの条件を満足する周波
数領域で電極２、３間での放電（生成位置３１）がなく
なり、電極２、３とチャンバ６の両側壁との間（生成位
置３２）又は接地電位にある電極３の裏側（生成位置３
３）でのみ放電が発生する。

【００４０】このような現象が発生する原因としては、
上述したように、導体のインダクタンスＬや導体間の浮
遊容量Ｃが、励起高周波の周波数ｆが上がることによっ
て顕在化する、ということに起因すると思われる。この
現象は非常に複雑であるので、理論的にその振る舞いを
正確に理解するのは難しく、図３のような実験的スケー
リングが実際的に有効であると思われる。

【００４１】高周波の発生装置としては、図１に示す複
数の周波数を発振可能な高周波電力発生装置（整合回路
を含む）１が知られている。この高周波電力発生装置１
の電源の大きさは、単一周波数用の電源と変わらない
し、電源のコストとしても１．５倍までで実現されてい
る。

【００４２】よって、この高周波電力発生装置１によれ
ば、チャンバークリーニング用に別の電源を備える必要
がないので、その設置スペースや設備コスト上の問題も
ない。

【００４３】ここで、電子デバイス装置の周波数として
みると、成膜用の高周波よりもチャンバークリーニング
用の高周波のほうが高い必要がある。なぜならば、半導
体膜等の製造効率を向上する上では、成膜時間に対して
チャンバークリーニング時間を十分に短く取る必要があ
り、そのためにはチャンバークリーニング用の高周波の
周波数の方を高くして生成プラズマの密度を上げ、高速
でチャンバエッチングするのが有効であるからである。
図１のＣＶＤ装置はこのような手法を採用した電子デバ
イス製造装置である。

【００４４】ここで、成膜用高周波の周波数としては、
ｃ／ｆ＞１６×ｄの条件を満足する周波数領域で使うの
が望ましい。なぜならば、電極２、３間空間以外の空間
でプラズマが生成されると、高周波電力が基板８の成膜
に使われない形で無駄に消費され、半導体膜等の生産性
が落ちてしまうからである。

【００４５】また、電極２、３間空間以外の領域に膜付
着が激しく、チャンバークリーニングに困難を生じるか
らである。

【００４６】上記（２）式の条件を満足する周波数領域
の高周波は、チャンバークリーニング用の高周波として
有効である。なぜならば、プラズマが電極２、３間以外
の空間でも生成されて、チャンバ６内に付着した膜をく
まなく除去することが可能であるからである。また、周
波数も高いために、高速でのチャンバエッチングが可能
になるからである。

【００４７】上記（２）式を満足し、かつ上記（３）式
を満足しない周波数領域の高周波は、チャンバークリー
ニング用の高周波として有効である。なぜならば、プラ
ズマがチャンバ６内のほぼすべての位置で同時に発生す
るため、チャンバ６内に付着した膜をくまなく除去する
ことが可能であるからである。また、周波数も高いため
に、高速でのチャンバエッチングが可能であるからであ
る。

【００４８】上記した理由により、本発明の電子デバイ
ス製造装置によれば、高周波電力発生装置１を制御し
て、高周波励起用の電極２に印加される高周波の周波数
を切り替えるだけの単純なシステム構成で、安定、且つ
効率的に半導体膜等の成膜及びチャンバークリーニング
を行うことができる。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の電子デバイス製
造装置の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。

【００５０】（実施形態１）図１は本発明を適用したプ
ラズマＣＶＤ装置の実施形態１を示す。このプラズマＣ
ＶＤ装置は、上記した構成に加えて、ヒータ７及び真空
窓９が設けられている。なお、上記と重複する説明は省
略する。

【００５１】以下に各部の具体例を説明する。まず、高
周波励起用の電極２の大きさは５０ｃｍ×５０ｃｍ、成
膜用の高周波の周波数は１３．５６ＭＨｚ、チャンバー
クリーニング用の高周波の周波数は２７．１２ＭＨｚで
ある。

【００５２】即ち、成膜用の高周波の周波数よりもチャ
ンバークリーニング用の高周波の周波数の方を高く設定
している。両高周波は、同一電源である高周波電力発生
装置１から電極２に供給される。

【００５３】基板８は４ｍｍ厚のガラス基板であり、接
地側の電極３に取り付けた。この電極３の裏側（上方）
には基板８を加熱する加熱用のヒータ７を取り付けてあ
る。

【００５４】ガス供給部４は複数のガスボンベを配列し
て構成され、ガスボンベは配管を介してチャンバ６の側
壁に開口したガス噴出口５に接続されており、ガスボン
ベ内のガスがチャンバ６内に導入されるようになってい
る。

【００５５】ここで、この電子デバイス製造装置では、
プラズマ生成用のガスとして、水素Ｈ₂（流量５００ｓ
ｃｃｍ）、成膜用ガスとして、ＳｉＨ₄（流量５００ｓ
ｃｃｍ）、チャンバークリーニング用のガスとして、Ｎ
Ｆ₃（流量５００ｓｃｃｍ）を使用した。

【００５６】チャンバ６内部を観察するため、基板８が
セットされる電極３のほぼ真横に石英ガラス製の真空窓
９を取り付けた。この真空窓９からの観測で、成膜用の
高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚとしたことで、電極
間空間（生成位置３１）のみでプラズマが安定に生成さ
れていることを圧力２０Ｐａ〜８０Ｐａの間で確認し
た。

【００５７】このとき、成膜用のガスを流し、高周波電
力を２００Ｗとすることで、アモルファスシリコンの成
膜として、成膜速度０．２ｎｍ／秒を得た。いくつかの
基板８に順次成膜し、１８時間で電極２の表面の付着膜
厚が１０μｍとなった。ここで成膜を中止し、付着した
膜を取り除くためチャンバークリーニング用のガスを流
し、周波数２７．１２ＭＨｚで電力１ｋＷを投入するこ
とで、２．４時間で付着膜が取り除かれた。チャンバ６
の側壁内面に付着膜が若干残留したが、成膜を再開する
のにほとんど問題の無いレベルであった。

【００５８】同様の条件で、周波数１３．５６ＭＨｚを
チャンバークリーニング時に使用した場合、電極２及び
電極３の表面の付着膜を取り除くのに３．９時間かかっ
た。よって、周波数を高くすることで１．５時間のチャ
ンバークリーニング時間の短縮が達成された。

【００５９】（実施形態２）図４は本発明を適用したプ
ラズマＣＶＤ装置の実施形態２を示す。本実施形態２の
プラズマＣＶＤ装置の構成は、実施形態１のプラズマＣ
ＶＤ装置の構成と同様であり、電極サイズ等が異なる。
以下にその具体例を説明する。

【００６０】電極２の大きさは８０ｃｍ×９０ｃｍ、成
膜用の高周波の周波数は１３．５６ＭＨｚ、チャンバー
クリーニング用の高周波の周波数は２７．１２ＭＨｚで
ある。両高周波は、同一電源である高周波電力発生装置
１から電極２に供給される。

【００６１】この場合、成膜用の高周波の周波数は上記
（１）式を満足し、またチャンバークリーニング用の高
周波は上記（２）式及び（３）式を満足している。

【００６２】プラズマ生成用のガスとして、水素Ｈ
₂（流量５００ｓｃｃｍ）、成膜用ガスとして、シラン
ＳｉＨ₄（流量５００ｓｃｃｍ）、チャンバークリーニ
ング用のガスとして、弗化窒素ＮＦ₃（流量５００ｓｃ
ｃｍ）を使用した。

【００６３】上記同様の真空窓９からの観測で、成膜用
の高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚとしたことで、電
極間空間（生成位置３１）のみでプラズマが生成されて
いることを圧力２０Ｐａ〜８０Ｐａの間で確認した。こ
のとき、成膜用のガスを流し、高周波電力を３００Ｗと
することで成膜速度０．２２ｎｍ／秒を得た。

【００６４】いくつかの基板８に順次成膜し、１６．８
時間で電極２の表面の付着膜厚が１０μｍとなった。こ
こで成膜を中止し、付着した膜を取り除くためチャンバ
ークリーニング用のガスを流し、周波数２７．１２ＭＨ
ｚで電力１．５ｋＷを投入した。すると、図２の生成位
置３１及び生成位置３２、更には生成位置３３でもプラ
ズマが発生した。２．６時間で電極２及び電極３表面の
付着膜が取り除かれた。この場合は、チャンバ６の側壁
部の付着膜も完全に除去することができた。

【００６５】同様の条件で周波数１３．５６ＭＨｚをチ
ャンバークリーニング時に使用した場合、付着膜を取り
除くのに４．８時間かかったので、周波数を高くするこ
とで２．２時間のチャンバークリーニング時間の短縮が
達成された。

【００６６】

【発明の効果】以上の本発明電子デバイス製造装置によ
れば、単一の高周波電力発生装置により高周波励起用の
周波数を切り替えるだけの単純なシステム構成で、安
定、且つ効率的に半導体膜等の成膜及びチャンバークリ
ーニングを行うことができる。

【００６７】このため、本発明電子デバイス製造装置に
よれば、装置構成の大型化及び設備コストのアップを招
来することなく、半導体膜等の製造効率を向上できる利
点があり、特に、高周波励起用の電極面積が大きく、且
つ高品質の半導体膜が必要とされる液晶ディスプレイや
アモルファス太陽電池の製造装置として好ましいものを
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明プラズマＣＶＤ装置の実施形態１を示す
概略断面図。

【図２】図１のプラズマＣＶＤ装置において、励起され
る高周波の周波数が変化したときに生成されるプラズマ
の位置を示す概略断面図。

【図３】図１同様のプラズマＣＶＤ装置で、高周波電力
が印加される電極の大きさを変化させたときに生成され
るプラズマ位置を高周波の周波数に基づいて示すグラ
フ。

【図４】本発明プラズマＣＶＤ装置の実施形態２を示す
概略断面図。

【符号の説明】

１高周波電力発生装置２高周波励起用の電極３基板取り付け用の電極４ガス供給部５ガス噴出口６チャンバ７ヒーター８基板９真空窓３１〜３３プラズマ生成位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバ内にプラズマ化するガス、成膜
用のガス及びチャンバークリーニング用のエッチングガ
スを導入するガス導入手段と、該チャンバ内に設けられた対向電極からなるプラズマ発
生手段と、該プラズマ発生手段にプラズマを発生させるための高周
波を供給する高周波発生手段と、該チャンバ内のガスを排気するガス排気手段とを備えた
電子デバイス製造装置において、該高周波発生手段は、成膜用の高周波と、該高周波より
も周波数の高いチャンバークリーニング用の高周波の２
種類の高周波を発生するように構成されている電子デバ
イス製造装置。
【請求項２】前記高周波発生手段は、前記成膜用の高
周波及び前記チャンバークリーニング用の高周波を同一
電源より発生する請求項１記載の電子デバイス製造装
置。
【請求項３】前記成膜用の高周波の周波数ｆ₁が下記
（１）式の条件を満足するｃ／ｆ₁＞１６×ｄ …（１）但し、ｃ：光速ｄ：高周波が印加される対向電極の電極面内に確保でき
る最大の寸法請求項１又は請求項２記載の電子デバイス製造装置。
【請求項４】前記チャンバークリーニング用の高周波
の周波数ｆ₂が下記（２）式の条件を満足するｃ／ｆ₂＜１６×ｄ …（２）請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電子デバイス製
造装置。
【請求項５】前記チャンバークリーニング用の高周波
の周波数ｆ₂が下記（３）式の条件を満足する８×ｄ＜ｃ／ｆ₂＜１６×ｄ …（３）請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電子デバイス製
造装置。
【請求項６】成膜時には前記対向電極間でのみ放電を
行う一方、チャンバークリーニング時には該対向電極間
及び／又は該対向電極間以外で放電を行うように構成し
た請求項１記載の電子デバイス製造装置。