JPS6142846A - グロ−放電装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はグロー放電装置に関し、更に詳しくは、基板の
表面上への薄膜堆積あるいｔｉ基板表面の食刻なプラズ
マ・ダメージやピンホールを発生させることなく、十分
な速度で行うグロー行なう方法は、近庄、プラズマｃｖ
ｐ装置あるいはプラズマ・エツチング装置として半導体
素子製造をはじめとする各種工業分野で好んで利用され
るようになっておシ、今後も高機能薄膜素子の用途開発
が進むに伴ない更に応用分野が広がるものと思われる。

グロー放電による薄膜の堆積を行なう装置自体はジャー
ナル　オブ　ポリマー　サイエンス（Ｊｏｕｒｎａｌ　
Ｏｆ　Ｐｏ’ｌｙｍｅｒ　５ｃｉｅｎｃｅ　）　ｔＡＱ
！　、　！　ｊ　／　、　／り６０年にＧｏｏａｍａｎ
　にニジ報告されているように歴史は古く、グロー放電
を発生させる電極構造も現在使用されている平行平板容
量結合型電極がその当時既に使用されていた。初期の応
用としては、有機薄膜の堆積、表面改質を目的としたも
のでめったが、ｌり６！年、英国の工ＴＴ　　８ＴＬＤ
ｉｖｉｓｉｏｎの８ｔｅｒｌｉｎｇとＳｗａｎｎによっ
て５ｉｓＮ４膜の堆積（ソリッド　ステイト　エレクト
ロニクス）　　（Ｂｏｌｌ　８ｔａｔｅ　１ｌｆｌｅｃ
ｔｒｏｎｉａｓ　）　！　、　６！Ｊ　、　／り６よ参
照）か試みられ、１２７０年にテ牟サス・インスツルメ
ント（ＴＩ）のＡｌａｎ　Ｒｅｉｎｂｅｒｇが８１３Ｎ
４堆積の目的でプラズマ反応器を開発して以来（米国特
許第３７１７７３３号明細書参照）、半導体素子製造工
程への応用が本格的に試みられ、現在、工０素子のパシ
ベーションとして実用化に至っている。しかしながら、
現在に至るまでグロー放電発生部の゛本質的々技術改良
は殆んど行なわれておらず、！！置の心臓部であるグロ
ー放電発生電極構造は基本的には平行平板容量結合量電
極と同一と見なせるものであった。しかしながら、ＶＬ
８工回路をはじめとする微細加工性の要求に伴危い、膜
質への要求も高まり、従来の平行平板容量結合型電極装
置は、グσ−放電中の高エネルギーイオン等によるプラ
ズマ・ダメージやピンホールの問題により、今後のデバ
イス工程では採用不可能になるものと思われる。

一方、プラズマ・エツチング装置がはじめて半導体素子
製造工程で利用されたのは、誘導結合型電極装置による
レジスト剥離に対してであシ、その後、微細加工性の要
求から平行平板容量結合型電極装ｇｌ　ｉ）；　ｐｏ１
７−８１　、　Ｓｉ３Ｎ４　、　ＳｉＯ２、Ａｌ　Ｏエ
ツチングに順次採用されていったが、現在は。

よシ′ｇｉ、ｔｍ加工性にすぐれた同じ平行平板容量結
合型電極装置の中でも反応性イオンエツチング装置が主
流となっている。反応性イオンエツチングはもともとイ
オン照射による物理反応を利用しているため異方法エツ
チングが可能となっているが、イオン照射によるプラズ
マ・ダメージ（レジストのダメージも含めて）は避けが
たく、高速エツチング゛や今後のｖ’ｂｓ工回路素子製
造においては採用が難しくなるものと思われる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

最近、弱電界領域を利用した直流または交流グロー放電
による薄膜形成方法（特開昭！弘−タｌＯ弘ｒ号公報）
が開発されておシ、該弱電界領域の利用により、プラズ
マ・ダメージやピンホールの少ない薄膜が形成されるこ
とが確認されている。今後、弱電界領域を利用したグロ
ー放電は、各種高品質薄膜形成に採用される可能性が出
てきているが、この方法は１強電界領域ではなく１弱電
界領域でのプラズマ反応を利用するので、量産性、即ち
成膜速度あるいは食刻速度の点で不十分であった。

一方、従来の平行平板容量結合型電極によるグロー放電
装置の電極間のインピーダンスは高くても／にΩ前後で
あり、従って市販のグロー放電装置用インピーダンス・
整合回路もせいぜいコ、ｊＫΩ以下であった。一般に、
インピーダンスが高くなれば放電電流が流れにくくなり
、その結果グａ−放電が不安定となるため高インピーダ
ンスはプラズマ発生グロー放電装置として適当でないと
考えられていた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者は弱電界領域を利用したグロー放電装置につい
て成膜（食刻）速度の大きい装置を開発すべく、鋭意検
討した結果、高周波（数百Ｈｚ−数百ＫＨ２）　［源を
用いるグロー放電において、驚くべきことに電極間のイ
ンピーダンスが高くなるほど、供給電カ一定条件下でも
成膜速度が上がることを見出した。そして電極間のイン
ピーダンスをある範囲にすることＫよシ、高速成膜（食
刻）可能なグロー放電装置が得られることを見出した。

すなわち１本発明の要旨は、高周波電源を用いるグロー
放電にニジ、電極対の１つの電極上に配置された基体の
表面上に薄膜を堆積するかあるいは当該基体表面を食刻
するグロー放電装置において、高周波電源の電力を３０
Ｗでかつその周波数をコｊ　ＫＨ５！＋とじたとき、電
極間のインピーダンスが２．ｊｍ〜弘ＯＫＱの範囲内に
あることを特徴とするグロー放電装置に存する。

本発明において、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シ、不揮発性の場合
には薄膜堆積となる。

また、基体としては、板状の他、ドラム状のもの等も含
まれる。　　　　　　　　　　　゛′パ以下、図面を参
照して本発明を説明する。

真空接合されている金属製（例えばアルミまたはステン
レス）基台ｊの上に円筒状セラミック柱６が配置され、
該セラミック柱６の上に厚さｉｓ■×直径／１０晴のア
ルミ製置板状電極コが配置されている。電極λによって
支えられた基体ｌはシリコン・ウエンー（例えば参イン
チ・サイズ）である。対向電極３は内径１０■、外径ｉ
ｚｏ■、肉厚２四のアルミ製ディスク板でアシ、電極λ
とは所望のギャップ（例えばＪ’　ｗｍ）が保たれてい
る。第２図（ａ）に電極λお工び３の正面図および平面
図を示す。真空ポンプ１２は　　　□筐体ψを真空にす
るためバルブＶとニップルによシ基台よ（例えば５Ｕ８
ＪＯμ、Ａ１等の金属〕に接続される。ガスはコネクタ
ー７、ｆにニジ基台ｊを介して絶縁体管り、ｉｏにより
筐体≠計器ＶＧからの信号は、筐体μ内の所望の圧力を
維持するためにサーボ機構によシバタフライパルプ／／
を自動的に調節する。装置内の圧力を一定にすることに
より、グロー放電を安定に行うことができ、均一に成膜
（食刻）ができる。

高周波電源はマツチング・トランス１３によジインピー
ダンス・粘合が行なわれるようになっており、電力は基
台ｊに埋め込まれている絶縁された電気的ブッシング７
μを介して接続された導線（図示せず）Ｋよす高周波電
源（図示せず）から電極λと対向電極３との間に加えら
れる。電極コを加熱するため抵抗ヒーター／４゜１７が
電極コの内部ＶＣ組み込まれて′Ｊ？シ、尋線／ｒ、ツ
タと絶縁ブッシング、２．０．．２１を介して制御電源
（図示せず）に接続される。

作動は次のように行う。

筐体μ内を約０．０　／　Ｔｏｒｒ以下の圧力までポン
プノコで排気した後マスフロー・コントローラ１０％希
釈８１Ｂ４とＮＨ３、Ｂ１１１膜形成にはＨｅペースの
１０チ希釈８ｉＨ４と１２０　、　Ａｌ２Ｏ３膜形成に
はトリメチルアルミニウムとＮ２０を２を介して導き、
　８１ｓＮ４膜形成の場合はＮＨ３ガス、　Ｓｉｎ、膜
またはＡ１２ｏ３膜形成の場合はＮ２０ガスを絶縁体管
１０を介して筐体μ内に導き、筐体μ内を所望の圧力（
例えば、ｉ、ｏ　ＴＯｒｒ　）に維持するためにパルプ
ｌ／を調節する。食刻の場合には、絶縁体管りのみを使
用し、例えばシリコンウエノ・−に対してＯＦ４　’お
工び０２ガスを導く。電極２と対向電極３は陰極と陽極
であシこの電極２と対向を極３との間にグロー放電を開
始させるため所望の電力（例えば３０Ｗ）を供給する。

第２図（１））〜（ｄ）は１本発明の電極構造の他の例
を示す。

ＷＪ、２図（１）ｌを参照すると、本電極は、厚さ／ｊ
鵡×直径１１ｒＯｍのアルミ製円板状電極λ２と外径Ｊ
　Ｏｍ　Ｘ肉厚ｌ■×高さ／３０１１１１の銅製円筒状
対向電極２３とが所望のギャップ（例えばｒ　ｗ　）に
保たれた構造であシ、電極−λと対向電極２３は陰極と
陽極であシ、この間にグロー放電を開始させるための所
望の電力（例えば３ｏｖｒ）を供給すればよい。第２図
（Ｃ）を参照すると、本電極は厚さ／　ｊ　ｍ　Ｘ直径
／１０■のアルミ製円板状電極λμと外径ＪＯｖｍ×肉
厚／１１１１×高さｌＪＯｗｍの銅製円筒状対向電極２
ｊとが所望のギャップ（例えばＪ’　ｗａ　）に保たれ
ておシ更に対向電極コｊはテフロン製絶縁キャップ、２
乙におおわれて、対向電極２！の外側がコαの高さしか
露出していない構造になっておシ。

この絶縁キャップにより、後に第３図で説明すると同様
、放電を所望の部位だけに封じ込めることができる。電
極２弘と対向電極２ｊは陰極と陽極であシ、この間にグ
ロー放電を開始させるため所望の電力（例えばｊ　（：
ｌＷ）を供給させる。

第２図（ｄ）を参照すると１本電極は厚さ２０ｍ×直径
ｉｒｏｍのアルミ製円板状電極２７と外径６　ｍ　Ｘ肉
厚／、ｊｆｌＸ長さ１２０ｍのステンレススチール類（
ＥＩｔ７８Ｊ／４）円筒状対向電極、２Ｆ（横向き）と
からなる構造である。

本発明において、高周波電源の電力の範囲は約コＯＷ〜
数百Ｗであるが、ある程度電力が大きくなると、′ｗＬ
極間のインピーダンスは減少する。これは、１作用によ
るグロー放電から熱電子または強電界効果によるアーク
放電に移行するためと考えられる。

高周波電源の周波数は数百Ｈｚ〜数百■ｚ、好ましくは
ｊ　ＫＨｚ　−／　００　ＫＨｚ　の範囲から選ぶ。電
極間のインピーダンスは、第６図から明らかなとｊ？シ
１周波数によシ変化するが、周波数がλｊＫ進のとき、
コ、ｊＫΩ〜弘Ｏ鎗、好ましくはＦＫΩ〜コ！にΩであ
る。コ、ｊＫΩニジ低いと成膜（食刻）速度が十分では
なく、弘ＯＫΩでは、インピーダンス整合のために、イ
ンピーダンスマツチングトランスの耐電圧が１ｏｏｖの
供給電力で２ｏ、ｏｏｖ（実効値）以上となるので、装
置の安全性、電気絶縁性の点で問題となる。

第３図は、本発明のグロー放電装置に訃いて放電を所望
の部位だけに封じ込めた装置の例を示す。すなわち、高
電力、高真空条件下では。

ｉ／図に示す金ＦＡ　ＨＡの基台！にプラズマが発生し
やすく、特に排気口にプラズマが集中するため、膜厚の
均一性が悪くなシ、成膜速度も落ちやすいが、第３図に
示す装置は、基台ｊにプラズマが発生するのを防止する
ためのものでめる。

第３図において、基体λりを支持する電極３０と対向ｓ
＞３ｉが所望のギャップに保たれ、絶縁体であるパイレ
ックスガラス製筐体３２、ステン１／ス製基台３３、電
気絶縁されたアルミ製フタ３ｔＡからなる真空容器にお
いて、対向電極３１と基台３３０間にテフロン製円板３
ｊを配置した。排気は筺体３コと円板３！の間隔が約１
０ｔｒｓあり−ここを通して排気口３６へ排気される。

圧力／、（７Ｔｏｒｒ、供給電力ｊＯＷで、　Ｈｅペー
スのｉｏ％希釈８１Ｈ４とｉｏｏ％ＮＨ３を使用したと
き、基体温度３００℃で基台３３上でのプラズマ放電は
みられず、膜厚分布が改善され一均一性が増した。首た
。外部８界によりプラズマ放電を所望の部位だけに磁気
的に封じこめることも有効な手段である。

第μ図は、量産用に適した装置の電極構造の平面図の１
例を示す。

第弘図に訃いては、肉厚ｌ！順、内径３０ｗｍ、外径２
５Ｏ■のアルミ製ディスク状電極３７と肉厚／ｊ鵡、内
径１０馴、外径２０ｔｍｓの銅製リング状の対向電極３
ｒとが所望のギャップ（！ａｒｍ）ｔ／Ｃ保ｆｃれ一４
４インチウエノ・−である基体３りが電極３７上にセッ
トされる。電極３７と対向電極３ｒは陰極と陽極であシ
、この間にグロー放電を開始させる所望の電力を供給す
る。

本電極構造では弘インチ・ウェハーが弘枚同時に処理で
きるものであるが、目的に応じてウェハー・サイズや処
理枚数を変えｆｃ電極構造も本発明の範囲に包含される
。

第５図は本発明の電極を複数個、同一の太きな筐体μＯ
Ｖｃ配置した平面図の１例を示し、アルミ製置板状′ｄ
￥、極ＩＡｌと銅製円筒状対向電極（図示せず）が対に
なっており、シリコーン・ウェハーである基体≠２が各
電極弘ｌ上にセットさ」する。各［啄４’／と対向電極
（図示せず〕に同時に電力供給した場合には、電束（的
には、複数の抵抗が並列につながった負荷となるためそ
れぞれの電極対のインピーダンスがＪＪＦ−Ω以上であ
っても装置全体のインピーダンスがλ、Ｊ’にΩよ）小
さいインピーダンスとなることがあるが、このような実
施態様も１本発明の範囲に包含される。

工業的なｆＡ、履用装置とするためには不発明の装置に
ベルト搬送、ウオーキング・ビーム搬送、ロボットアー
ム搬送等の自動搬送機構を備えると有効であり、特にロ
ボット・アーノー鎗送機構は好ましいものである。また
、反応室をロード・ロック方式にしたものや、多層成膜
用に、オート・ドーピングを防ぐため３室別離型反応ｍ
等の機構を備えたものも’Ａ産出用装置して有効である
。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが１本
発明はその要旨を越えない限り以下の実施例に限定され
ない。

実施例Ｉ 第１図に示した装置を使用し、電極として第２図（ａｌ
〜（ａ）の各電極構造、電極構造（１））の対向電極の
外径３０−を２０簡とした電極構造（６）および電極構
造（Ｃ）の対向電極の外径３０ｗｓｆ２０ｗｍとした電
極構造（６１を使用して高周波を流の周波数を変化させ
たときの電極間インピーダンスお工び成膜速度を測定し
た。筐体内の圧力＠　ｌ、０Ｔｏｒｒ　、供給電力をｊ
１７Ｗ、基体としてμインチ・シリコーン・ウエリーを
使用し、ガスとしては１０％８ｉＨ４とｉ　Ｑ　Ｏ％　
ＮＫｇを使用し、基体温度３００℃を一足に保って測定
を行なった。−極間のインピーダンスは、タッグ位置に
！５インピーダンスを変化させたマツチング・トランス
のタップ切替えに１ジインピ一ダンス葦合ヲ行ない、タ
ップ位置によシ求めた。形成された薄膜の膜厚について
は光干渉法によシ阻５ｌｉ４の屈折率を２．０と仮定し
て求めた。

結果を下記ｔ２７に示す。

表　ｌ ＊　本実施例では、インピーダンスマツチング・トラン
スの最大インピーダンスがｊＫΩのものを使用したため
、ＪＫΩ以上の値１よ測定できなかった。

表／Ｊ：り１周波数が小さい程電極間のインピーダンス
が高く、成膜速度が大きくなることがわかろう 関係を表わしたものであシ、第７ローインピーダンスと
成膜速度の関係を表わしたものである。

図中、Δは電極構造（ａ）、○は（１）ｌ、ｅは（メ）
、口は（ｃｌ、■は（Ｃ′）、×は（田についての値を
示す。

比較例１ 第７図に示す装置において、電極として（１））の構造
のものを使用し、直流電力によるグロー放電を行わせて
、電極間インピーダンスお工び成膜速度を測定した。

筐体内の圧、力、使用ガス、基体の種類、温度を実施例
１と同様とし、電源電圧を６３０ｖ（−足）としたとき
（マツチング・トランスは使用せず）、放電電流は最初
７ｍＡでめシ、インピーダンスは約りＯＫΩ　であった
。放電は不安定であ夛、成膜速度は初期の約３０分間で
ｊＯ埼分でめった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プラズマ・ダメージやピンホール□・
を発生させない薄膜の堆積またはプラズマ・ダメージ・
を発生させない食刻を十分な成膜速度または食刻速度で
行なうことができる量産用に適した装置を提供すること
ができる。

本発明の装置は半導体素子製造工程だけに限らず光ＩＣ
１太陽電池用ａ−Ｓｌ（アモルファスシリコン）薄膜等
の各種分野での高品質なプラズマ加工に適するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

Ｗｔ図は本発明のグロー放電装置の横断面図である。第
２図（ａ）〜（ｄｌは本発明の装置に使用される電極構
造（ａ）〜（ｄ）のそれぞれ正面図お工び平面図である
。 第３因は本発明のグロー放ｔ！装置の横断面図である。 第弘図は５本発明で使用する電極構造の平面図を示すう 第５図は、複数の電極を使用した場合の平面図を示す。 第６図は実施例１において１周波数と電極間のインピー
ダンスの関係を表わした図でオシ。 第７図はインピーダンスと成膜速度の関係を表わした図
である。 第　１　図 プ 第２図 （ｂ） ’３Ｅｎｔｙ＋ 第２図 （ｃ） 第４ｆｆｉ 累５図 ご Ｙ、＼℃−妹・＼区 第７図 イ〉ピーダンス

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波電源を用いるグロー放電により、電極対の
   １つの電極上に配置された基体の表面上に薄膜を堆積す
   るかあるいは当該基体表面を食刻するグロー放電装置に
   おいて、高周波電源の電力を３０Ｗでかつその周波数を
   ２５ＫＨｚとしたとき、電極間のインピーダンスが２．
   ５ＫΩ〜４０ＫΩの範囲内にあることを特徴とするグロ
   ー放電装置。
2. （２）高周波電源の周波数が数百Ｈｚ〜数百ＫＨｚの範
   囲から選ばれることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のグロー放電装置。
3. （３）高周波電源の周波数が５ＫＨｚ〜１００ＫＨｚの
   範囲から選ばれることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載のグロー放電装置。
4. （４）高周波電源の周波数を２５ＫＨｚとしたとき、電
   極間のインピーダンスが４ＫΩ〜２５ＫΩの範囲内にあ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項記載
   のグロー放電装置。
5. （５）高周波電源のインピーダンスを電極間のインピー
   ダンスと整合させる手段を備えたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項〜第４項記載のグロー放電装置。
6. （６）グロー放電を安定化するために装置内の圧力を調
   節する手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項〜第５項記載のグロー放電装置。
7. （７）グロー放電を所望の部位だけに発生させるために
   電界または磁界によりグロー放電を封じ込めることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項〜第６項記載のグロー放
   電装置。
8. （８）電極対を複数個並列に配置してなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項〜第７項記載のグロー放電装
   置。