JPWO2016013131A1 - ラジカルガス発生システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、リモートプラズマ型成膜処理システムにおいて、たとえば大面積の被処理体であっても、均一な、ラジカルガスを用いた処理を実施することができる、ラジカルガス発生システムを提供することを目的とする。そして、本発明に係るラジカルガス発生システム（５００）では、処理チャンバー装置（２００）は、被処理体（２０２）を回転させるテーブル（２０１）を有している。ラジカルガス生成装置（１００）は、複数の放電セル（７０）を有している。さらに、放電セル（７０）は、処理チャンバー装置（２００）内と接続され、被処理体（２０２）と面しており、ラジカルガス（Ｇ２）を出力する、開口部（１０２）を、有している。そして、平面視において、前記回転の中心位置から遠くに配設されている放電セル（７０）ほど、第一の電極部材（１）と第二の電極部材（３１）とが対面している領域である対面面積を大きくする。

Description

本発明は、ラジカルガス生成を行い、当該ラジカルガスを利用した処理を行うことができるラジカルガス発生システムに関する発明であり、たとえば、被処理体に対して高性能な絶縁膜を成膜する際に用いることが可能である。
半導体製造分野を含む多用途の分野において、多機能で高品質の薄膜（たとえば、高絶縁薄膜、半導体薄膜、高誘電体薄膜、発光薄膜、高磁性体薄膜、超硬薄膜等）が求められている。
たとえば、半導体装置の製造の場面においては、半導体チップ内において、回路配線相当になる低インピーダンスの高導電膜、回路の配線コイル機能や磁石機能を有する高磁性膜、回路のコンデンサ機能を有する高誘電体膜、および電気的な漏洩電流の少ない高絶縁機能を有する高絶縁膜などが、設けられている。
これらの膜の成膜する従来技術として、たとえば、熱ＣＶＤ（化学気相成長：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置、光ＣＶＤ装置またはプラズマＣＶＤ装置が用いられており、特に、プラズマＣＶＤ装置が多々使用されている。これは、たとえば、熱・光ＣＶＤ装置よりも、プラズマＣＶＤ装置の方が、成膜温度を低く、かつ、成膜速度が大きく短時間での成膜処理が可能なためである。
たとえば、窒化膜（ＳｉＯＮ、ＨｆＳｉＯＮなど）や酸化膜（ＳｉＯ2，ＨｆＯ2）などのゲート絶縁膜を、半導体基板に成膜する場合には、プラズマＣＶＤ装置を用いた以下の技術が一般的に採用されている。
つまり、ＮＨ３（アンモニア）やＮ３、Ｏ２、Ｏ３（オゾン）などのガスと、シリコンやハフニウムなどの前駆体ガスとが、ＣＶＤ処理が実施される処理チャンバー装置に直接供給される。処理チャンバー装置内では、前駆体ガスを解離させ、金属粒子を生成し、当該金属粒子と、上述したＮＨ３（アンモニア）などのガスとの化学反応により、被処理体上に、窒化膜または酸化膜などの薄膜が成膜される。
一方で、プラズマＣＶＤ装置では、処理チャンバー装置内で、直接的に、高周波プラズマやマイクロ波プラズマが発生させていた。したがって、被処理体は、ラジカルガスや、高エネルギーを有したプラズマイオン（または電子）に晒される。
なお、プラズマＣＶＤ装置に関する技術が開示されている先行文献として、たとえば特許文献１が存在する。
しかしながら、プラズマＣＶＤ装置内の成膜処理では、上記のように、被処理体がプラズマに直接晒される。したがって、当該被処理体は、プラズマ（イオンや電子）により、半導体機能の性能を低下させる等のダメージを大きく受けていた。
他方、熱・光ＣＶＤ装置を用いた成膜処理では、被処理体はプラズマ（イオンや電子）によるダメージを受けず、高品質の、窒化膜や酸化膜等が成膜される。しかしながら、当該成膜処理では、高濃度で、かつ多量のラジカルガス源を得ることが困難であり、結果として、成膜時間が非常に長く要するという問題がある。
最近の熱・光ＣＶＤ装置では、原料ガスとして、熱や光の照射によって解離しやすい、高濃度の、ＮＨ３ガスやＯ３ガスを用いている。さらに、ＣＶＤチャンバー装置内には、加熱触媒体が設けられている。これにより、当該熱・光ＣＶＤ装置では、触媒作用により、ガスの解離が促進し、窒化膜や酸化膜等を短時間で成膜することも可能となっている。しかしながら、当該時間の短縮化は限定的であり、大幅な成膜時間の改善は困難であった。
そこで、プラズマによる被処理体に対するダメージを軽減でき、成膜時間のさらなる短縮化が可能な装置として、リモートプラズマ型成膜処理装置が存在する（たとえば、特許文献２参照）。
当該特許文献２に係る技術では、プラズマ生成領域と被処理材処理領域とが、隔壁（プラズマ閉込電極）により分離されている。具体的に、特許文献２に係る技術では、高周波印加電極と被処理体が設置された対向電極との間に、当該プラズマ閉込電極を設けている。これにより、特許文献２に係る技術では、中性活性種だけが、被処理体上に供給される。
また、特許文献３に係る技術では、リモートプラズマ源において、原料ガスの一部をプラズマにより活性化させている。ここで、ガスの流路は、当該リモートプラズマ源内において、周回されている。リモートプラズマ源において生成された活性ガスは、放出され、被処理体の存する装置側へと供給される。
特許文献３のような薄膜技術においては、窒素、酸素、オゾンまたは水素等の様々な原料ガスが、利用されている。そして、当該原料ガスから、活性化されたラジカルガスが生成され、当該ラジカルガスにより、被処理体上に薄膜が成膜される。
ラジカルガスは、非常に反応性が高い。したがって、微量（約１％：10000ppm）以下の濃度のラジカルガスを、被処理体に当てることで、被処理体での化学反応が促進させ、窒化薄膜、酸化薄膜または水素還元膜（水素結合を促進させた金属膜）などを、短時間で効率的に、作り出すことができる。
ラジカルガス生成装置では、放電セルが配設されており、当該放電セルにおいて、大気圧プラズマに相当する誘電体バリア放電によって、高電界なプラズマを実現させる。これにより、放電セルのプラズマに晒された原料ガスから、高品質なラジカルガスが生成される。
特開２００７−２６６４８９号公報 特開２００１−１３５６２８号公報 特開２００４−１１１７３９号公報
しかしながら、従来のラジカルガス生成装置は、非常に反応性の高い有効なラジカルガスを生成することが出来なかった。また、多量のラジカルガスを得ることが困難であった。それと同時に、生成されたラジカルガスは、非常に寿命が短い。したがって、ラジカルガス生成装置から、当該ラジカルガス生成装置とは別に設けられたラジカルガス処理場（薄膜生成場であり、処理チャンバー装置）まで、濃度の低下を抑制しつつ、ラジカルを導くことは困難であった。
たとえば、ラジカルガス生成装置から噴出させるラジカルガスを、短時間で、処理チャンバー装置内の被処理体に当てるために、ラジカルガスの出口をオリフィス状にする方法が考えられる。つまり、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置へと接続する、ラジカルガスの伝送路である開口部において、当該開口部の開口径を絞る方法が考えられる。これにより、処理チャンバー装置内の圧力を減圧状態（真空状態）にすると、ラジカルガス生成装置内の圧力と処理チャンバー装置内の圧力との差が生じ、高速度で、ラジカルガスを処理チャンバー装置内へと噴出させることができる。つまり、高濃度を維持した状態で、ラジカルガスを、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置内へと導くことができる。
上記方法を採用した場合、開口部の径を、たとえば数十ｍｍ程度とする必要がある。しかしながら、当該寸法の開口部を採用したときには、処理チャンバー装置内の被処理体に対して、ラジカルガスが照射される領域が限定的となる。つまり、大面積（たとえば、２００ｍｍ径以上の被処理体）で、均一な薄膜を成膜することは困難となる。
そこで、本発明は、ラジカルガス生成装置と処理チャンバー装置とが別々に、また隣接して配設されたラジカルガス発生システム（リモートプラズマ型成膜処理システム）において、ラジカルガスを、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置へと導くことができ、かつ、たとえば大面積の被処理体であっても、均一な、ラジカルガスを用いた処理を実施することができる、ラジカルガス発生システムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明に係るラジカルガス発生システムは、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスからラジカルガスを生成する、ラジカルガス生成装置と、前記ラジカルガス生成装置に接続されており、内部に被処理体が配設されており、当該被処理体に対して前記ラジカルガスを利用した処理が実施される、処理チャンバー装置とを、備えており、前記処理チャンバー装置は、前記被処理体が載置され、当該被処理体を回転させる、テーブルを、有しており、前記ラジカルガス生成装置は、前記誘電体バリア放電を発生させる、複数の放電セルと、前記原料ガスを、当該ラジカルガス生成装置内に供給する、原料ガス供給部とを、有しており、前記放電セルは、第一の電極部材を有する第一の電極部と、前記第一の電極と対抗して配設され、第二の電極部材を有する第二の電極部と、前記処理チャンバー装置内と接続され、前記テーブル上に配設された前記被処理体と面しており、前記誘電体バリア放電により前記原料ガスから生成された前記ラジカルガスを出力する、開口部とを、有しており、平面視において、前記回転の中心位置から遠くに配設されている前記放電セルほど、前記第一の電極部材と前記第二の電極部材とが対面している領域である対面面積を大きくする。
本発明に係るラジカルガス発生システムは、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスからラジカルガスを生成する、ラジカルガス生成装置と、前記ラジカルガス生成装置に接続されており、内部に被処理体が配設されており、当該被処理体に対して前記ラジカルガスを利用した処理が実施される、処理チャンバー装置とを、備えており、前記処理チャンバー装置は、前記被処理体が載置され、当該被処理体を回転させる、テーブルを、有しており、前記ラジカルガス生成装置は、前記誘電体バリア放電を発生させる、複数の放電セルと、前記原料ガスを、当該ラジカルガス生成装置内に供給する、原料ガス供給部とを、有しており、前記放電セルは、第一の電極部材を有する第一の電極部と、前記第一の電極と対抗して配設され、第二の電極部材を有する第二の電極部と、前記処理チャンバー装置内と接続され、前記テーブル上に配設された前記被処理体と面しており、前記誘電体バリア放電により前記原料ガスから生成された前記ラジカルガスを出力する、開口部とを、有しており、平面視において、前記回転の中心位置から遠くに配設されている前記放電セルほど、前記第一の電極部材と前記第二の電極部材とが対面している領域である対面面積を大きくする。
したがって、開口部を介して、ラジカルガス生成装置で生成されたラジカルガスを、直接、処理チャンバー装置へと導くことができる。また、一つのラジカルガス生成装置に対して、複数の交流高電圧電源を配設することなく、一つの交流高電圧電源を用いて、各放電セルから噴出されるラジカルガスのラジカルガス量（濃度）を、制御することができる。したがって、大面積の被処理体に対して、均一なラジカルガス処理を施すことが可能となる。
本発明に係るラジカル発生システム５００の構成例を示す断面図である。 本発明に係る放電セル７０の構成例を示す拡大断面図である。
上記の通り、リモートプラズマ型成膜処理システムにおいて、高濃度を維持した状態で、ラジカルガスを、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置内へと導くことができる構成として、発明者らは、開口部の開口径を小さくする構成を見出した。
ここで、ラジカルガス生成装置が上段となるように、ラジカルガス生成装置と処理チャンバー装置とは、上下に隣接しており、開口部は、ラジカルガス生成装置から処理チャンバー装置へと接続する、ラジカルガスの伝送路である。また、当該開口部は、複数配設されている。なお、各開口部は、被処理体の主面に面している。
しかしながら、上記の通り、当該構成を採用した場合には、処理チャンバー装置内の被処理体に対して、ラジカルガスを用いた処理（以下、一例として成膜処理と称する）を、均一に行うことが困難である。開口部の数を多くすることにより、不均一性は多少解消されるが、それでもなお、不均一性の問題は存在する。
上記のような不均一な成膜を解消する手段として、処理チャンバー装置内において、被処理体を平面視において回転させる構成を、発明者らは考えた。しかしながら、当該構成においても、回転中心から平面方向に離れるに連れて、当該位置における被処理体の速度は大きくなる（ｖ（速度）＝ｒ（半径）×ω（角速度）、より）。よって、被処理体を回転させる構成を採用し、各開口部から処理チャンバー装置内にラジカルガスを噴出させたとしても、完全には、上記不均一な成膜処理という問題を解決することは困難である。
成膜の不均一性を更に解消する方法として、次の構成も考えられる。つまり、上記の通り、ラジカルの噴出部である開口部は複数である。そこで、各開口部に対応して放電セルを設け、各放電セルにおいて、発生するラジカルガス量（ラジカルガス濃度）をコントロールする構成である。
各放電セルで、ラジカルガス量（ラジカルガス濃度）を変える方法としては、放電セル毎に交流電源を設け、放電セル毎に交流電源から供給される電力を制御（変える）方法が、考えられる。しかしながら、当該方法では、複数個の交流電源と複数個の高電圧供給部を、設けなければならい。したがって、ラジカルガス発生システム全体が大型化し、高コストとなる問題点があった。
また、各放電セルで、ラジカルガス量を変える方法として、各放電セルで、開口部の開口径を変える（オリフィスの孔の径を変える）方法も考えられる。しかしながら、ラジカルガスの開口部の開口径を変化させると（オリフィスの孔の径を変えると）、各放電セルにおいて、開口部から噴出されるラジカルガスのガス流速自体も変化する。当該ガス流速の変化は、均一な成膜を妨げる要因である。
そこで、発明者らは、各放電セルでラジカルガス量を変える構成として、下記の発明を創作した。以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
＜実施の形態＞
図１は、本実施の形態に係るラジカルガス発生システム５００の構成例を示す、断面図である。また、図２は、ラジカルガス生成装置１００内に配設されている、放電セル７０の構成を示す拡大断面図である。
以下、図１，２を用いて、本実施の形態に係るラジカル発生システム５００の構成について説明する。
図１に示すように、ラジカルガス発生システム５００は、ラジカルガス生成装置１００、処理チャンバー装置２００、交流高電圧電源９および真空ポンプ３００から、構成されている。
ラジカルガス発生システム５００は、ラジカルガスＧ２の生成を行うラジカルガス生成装置１００と、生成されたラジカルガスＧ２を用いた成膜処理等を行う処理チャンバー装置２００とが、別々に設けられている、リモートプラズマ型成膜処理システムである。
図１に示すように、ラジカルガス生成装置１００の底面側と処理チャンバー装置２００の上面側とは、接している。なお、後述するように、開口部１０２を介して、ラジカルガス生成装置１００内と処理チャンバー装置２００内とは、接続されている。上記の通り、開口部１０２は、複数形成されている。
ラジカルガス生成装置１００内では、誘電体バリア放電を利用して、原料ガスＧ１からラジカルガスＧ２を生成される（原料ガスＧ１の一部が、誘電体バリア放電によって、ラジカル化し、ラジカルガスＧ２が生成される）。
図１に示すように、ラジカルガス生成装置１００内には、複数の放電セル７０が配設されている。具体的に、各放電セル７０は、ラジカルガス生成装置１００の底面上に、設けられている。
図２に示すように、各放電セル７０は、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３とから構成されている。第一の電極部１，２は、所定の間隔だけ隔てて、第二の電極部５，３１，３と対面している。
つまり、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３との間には、誘電体バリア放電が発生する、放電空間４０が形成されている。なお、放電空間４０におけるギャップ長（図２において、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３との間の距離）を、一定に維持するために、第一の電極部１，２と第二の電極部５，３１，３との間には、１個以上のスペーサ４が配設されている。
図２に示すように、第一の電極部１，２は、低電圧電極（第一の電極部材と把握できる）１と第一の誘電体２とから、構成されている。
ここで、低電圧電極１は、接地電位となり、ラジカルガス生成装置１００の底面上に、配設されている。また、全ての放電セル７０において、一つの低電圧電極１を共有している。また、第一の誘電体２は、低電圧電極１上に形成されている。
また、第二の電極部５，３１，３は、高電圧電極ブロック５、高電圧電極（第二の電極部材と把握できる）３１および第二の誘電体３から、構成されている。
ここで、第二の誘電体３上には、高電圧電極３１が形成されており、当該高電圧電極３１上には、高電圧電極ブロック５が接続されている。高電圧電極ブロック５には、交流電圧の高電圧が供給される。また、高電圧電極ブロック５と高電圧電極３１とは電気的に接続されているので、高電圧は、高電圧電極３１にも印加される。
また、図１に示すように、放電セル７０には、オリフィスとして機能する、開口部１０２が穿設されている。
ここで、開口部１０２は、第一の誘電体２および低電圧電極１を貫通するように、形成されている。なお、開口部１０２は、第一の誘電体２の中央部に形成されている。また、開口部１０２は、ラジカルガス生成装置１００（より具体的には、放電空間４０）内と、処理チャンバー装置２００内とを接続している。したがって、放電空間４０内で生成されたラジカルガスＧ２は、当該開口部１０２を介して、処理チャンバー装置２００内に出力される。なお、開口部１０２は、処理チャンバー装置２００内に配設された被処理体２０２の処理面に面している。
平面視したときの放電セル７０の輪郭形状は、一実施例として、円盤状である。つまり、第一の誘電体２と第二の誘電体３とは、共に円盤形状であり、両者２，３は平行に配置されている（なお、高電圧電極３１も円盤形状である）。放電セル７０を上面から見たとき、第一の誘電体２の外周端と第二の誘電体３の外周端とは、揃っている。なお、平面視したときの放電セル７０の輪郭形状は、円盤状である必要はなく、同様の効果を奏する限り、他の形状であっても良い。
各放電セル７０において、当該輪郭形状は、同じである。たとえば、上記の通り、放電セル７０の輪郭形状が円盤状であれば、平面視したときの、放電セル７０の輪郭寸法は、第一の誘電体２（同様に、第二の誘電体３）の直径によって、決定される。
さて、図１を参照して、交流高電圧電源９は、ラジカルガス生成装置１００（より具体的には、各放電セル７０）に対して、放電をさせるための交流高電圧を印加する。各放電セル７０に対して交流高電圧が印加されると、各放電セル７０の放電空間４０において、誘電体バリア放電が発生する。そして、各放電空間４０内を通る原料ガスＧ１と誘電体バリア放電との作用により、各放電空間４０においてラジカルガスＧ２が生成される。つまり、ラジカルガス生成装置１００内において、誘電体バリア放電を利用して、ラジカルガスＧ２が生成される（原料ガスＧ１の一部が、誘電体バリア放電によって、ラジカル化し、ラジカルガスＧ２が生成される）。
また、原料ガス供給部１０１は、ラジカルガス生成装置１００の上面部に配設されている。当該原料ガス供給部１０１からは、ラジカルガスＧ２の原料となる原料ガスＧ１が、ラジカルガス生成装置１００内へと供給される。なお、原料ガス供給部１０１から供給された原料ガスＧ１は、ラジカルガス生成装置１００内に充満し、各放電セル７０の外側から各放電セル７０内へと、均一量で侵入し、各放電空間４０内を流れる。
処理チャンバー装置２００内には、ラジカルガス生成装置１００で生成されたラジカルガスＧ２が噴出される。処理チャンバー装置２００では、当該ラジカルガスを利用して、被処理体２０２に主面に対して、薄膜形成等の処理が実施される。
たとえば、ラジカルガス生成装置１００に、原料ガスＧ１として、窒素ガスが供給されたとする。この場合には、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該窒素ガスから、ラジカルガスＧ２として、窒素ラジカルガスが生成される。よって、処理チャンバー装置２００では、ラジカルガス生成装置１００から噴出される窒素ラジカルガスＧ２を利用して、被処理体２０２に対して、窒化膜が成膜される。
また、ラジカルガス生成装置１００に、原料ガスＧ１として、オゾンガスもしくは酸素ガスが供給されたとする。この場合には、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該オゾンガスもしくは当該酸素ガスから、ラジカルガスＧ２として、酸素ラジカルガスが生成される。よって、処理チャンバー装置２００では、ラジカルガス生成装置１００から噴出される酸素ラジカルガスＧ２を利用して、被処理体２０２に対して、酸化膜が成膜される。
また、ラジカルガス生成装置１００に、原料ガスＧ１として、水素ガスもしくは水蒸気ガスが供給されたとする。この場合には、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該水素ガスから、ラジカルガスＧ２として、水素ラジカルガスが生成される。または、ラジカルガス生成装置１００の各放電セル７０内において、当該水蒸気ガスから、ラジカルガスＧ２として、ＯＨラジカルガス（ヒドロキシラジカルガス）が生成される。よって、処理チャンバー装置２００では、ラジカルガス生成装置１００から噴出される水素ラジカルガスＧ２もしくはＯＨラジカルガスＧ２を利用して、被処理体２０２に対して、水素還元膜（水素結合を促進させた金属膜）が成膜される。
また、処理チャンバー装置２００の下方側面には、真空ポンプ３００と繋がるガス排出部２０３が配設されている。当該真空ポンプ３００によるガスの排気により、処理チャンバー装置２００内の圧力は、約数ｔｏｒｒ〜数十ｔｏｒｒ（数ｋＰａ）程度に維持されている。また、真空ポンプ３００により、ラジカルガス生成装置１００から処理チャンバー装置２００への、ガスの流れも形成されている。なお、開口部１０２は、オリフィスとして機能するので、ラジカルガス生成装置１００内と処理チャンバー装置２００内との間で、圧力区分を形成することができる。
図１に示すように、処理チャンバー装置２００には、テーブル２０１が配設されている。そして、当該テーブル２０１上には、被処理体２０２が載置される。当該被処理体２０２に対して、ラジカルガス生成装置１００の開口部１０２から噴出したラジカルガスＧ２が、当てられる。そして、被処理体２０２には、ラジカルガスＧ２を利用した処理が実施される（たとえば、薄膜が形成される）。なお、テーブル２０１は、被処理体２０２が載置されている状態で、平面視において、時計周りまたは反時計周りに回転する。当該テーブル２０１の回転により、被処理体２０２も同様に回転する。
なお、上記の通り、各放電セル７０の輪郭は同一である。また、各放電セル７０に形成されている開口部１０２の開口径も同じである。そのため、ガスが流れることによる圧力損失は、各放電セル７０および開口部１０２において同一である。よって、各放電セル７０において均等にガスが流れ、処理チャンバー装置２００内へ噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度も、ほぼ一定となる。
図１に示すように、交流高電圧電源９の一方端は、端子８を介して、低電圧電極１に接続されている。なお、上記の通り、各放電セル７０において、低電圧電極１は共通であり、接地電位である。また、交流高電圧電源９の他方端は、端子７を介して、各放電セル７０の高電圧電極ブロック５に、各々接続されている。当該接続関係により、交流高電圧電源９は、各放電セル７０に対して、交流の高電圧を印加することができる。
上記の通り、各放電セル７０に対して、一つの交流高電圧電源９を使用している。また、低電圧電極１内および高電圧電極ブロック５内には、冷却水等で冷却し、発生する熱を冷却できる構造が形成されているが、図面簡略化の観点から、当該冷却に関する構成は、図２において図示を省略している。
さて、各放電セル７０において、高電圧電極３１と低電圧電極１とが対面している領域が、放電空間４０となる。低電圧電極１には、交流高電圧電源９の低電圧電位が印加され、交流高電圧電源９の高電圧電位は、端子７と各高電圧電極ブロック５を経由して、各高電圧電極３１に印加される。低電圧電極１と高電圧電極３１との間に交流高電圧が印加されると、各放電空間４０で誘電体バリア放電が発生する。そして、上記の通り、原料ガスＧ１と当該誘電体バリア放電とにより、各放電空間４０においてラジカルガスＧ２が生成される（原料ガスＧ１の一部が、誘電体バリア放電によって、ラジカル化し、ラジカルガスＧ２が生成される）。
また、上記の通り、生成したラジカルガスＧ２は、各開口部１０２を介して、処理チャンバー装置２００内の被処理体２０２に対して、噴出される。ここで、処理チャンバー装置２００内に噴出されるラジカルガスＧ２の濃度は、通常１％（１００００ｐｐｍ）未満であり、残りのほとんどを占めるガスは、原料ガスＧ１である。よって、原料ガスＧ１は、生成されたラジカルガスＧ２を、各放電セル７０から処理チャンバー装置２００内へと、短時間で運ぶ、キャリアーガスの役目を果たしている。
つまり、各放電セル４０開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度は、原料ガスＧ１によって決まる。よって、当該噴出速度が遅くなれば、ラジカルガスＧ２が、被処理体２０２に到達するまでの時間がかかり、生成したラジカルガスＧ２の一部が、消滅する可能性が高くなる。つまり、ガス量（ガス濃度）の低いラジカルガスＧ２が、被処理体２０２に照射されることになる。これは、被処理体２０２に対するラジカルガスＧ２を用いた処理効率が、低下することを意味する。
以上のことから、各放電セル４０の開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度を一定以上に確保する必要が生じ、開口部１０２の開口径を小さいオリフィス形状とすることが望ましい。
さて、開口部１０２の開口径を小さくすると、ラジカルガスＧ２の噴出速度が増し、ラジカルガスＧ２の消滅を抑制できる。しかしながら、被処理体２０２における、ラジカルガスＧ２の照射される面積が限定される。開口部１０２は、各放電セル７０において形成されているが、ラジカルガスＧ２の照射される領域が限定されると、被処理体２０２に対して均一に、ラジカルガスＧ２を照射することは困難である。
一方で、ラジカルガスＧ２の噴出速度を、各放電セル７０において、一定にすることが望ましい。そして、ラジカルガスＧ２の噴出速度を一定にするために、複数の放電セル７０において、放電セル７０の輪郭形状を同一とし、かつ、各開口部１０２の開口径も同一とした。
つまり、各放電セル７０において、ラジカルガスＧ２の噴出速度を変えることは望ましくない。他方で、ラジカルガスＧ２の高速噴出のために、開口部１０２の開口径を小さくする必要があるが、開口径小さくなると、広範囲に均一なラジカルガス処理を行うことが困難となる。
そこで、本発明では、以下の構成により、各放電セル７０において、ラジカルガスＧ２の噴出速度を高速で一定に維持しながら、被処理体２０２に対する広範囲に均一なラジカルガス処理を可能にする。
まず、ラジカルガスＧ２の照射の際に、テーブル２０１により被処理体２０２を、一定速度で回転させる。ここで、ラジカルガス生成装置１００には、複数の放電セル７０が配設されており、各放電セル７０において開口部１０２が配設されている。当該開口部１０２の位置は、固定である。
よって、各開口部１０２からラジカルガスＧ２を噴出させている一方で、被処理体２０２を回転させれば、被処理体２０２のより広い範囲でのラジカルガス処理が可能となる。しかしながら、被処理体２０２の回転により、被処理体２０２の回転中心からの位置に応じて、周速度が異なる。放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２の流量が同じで、周速度が異なると、被処理体２０２の回転中心から距離に応じて、被処理体２０２に対するラジカルガス処理能力が異なる結果となる。
そこで、被処理体２０２の回転中心を起点として、各放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２の流量を変化・調整させる必要がある。換言すれば、被処理体２０２に対するラジカルガス処理の均一性の観点から、被処理体２０２（テーブル２０１）の回転の周速度に応じて、各放電セル７０から噴出するラジカルガスＧ２のラジカル化した流量成分を制御する必要がある。
当該ラジカルガスＧ２の流量制御を、本発明では、平面視において、被処理体２０２の回転中心位置から遠くに配設されている放電セル７０ほど、高電圧電極３１と低電圧電極１とが対面している領域である対面面積を大きくする。具体的には、被処理体２０２の回転中心位置から遠くに配設されている放電セル７０ほど、第二の誘電体３に形成される高電圧電極３１の面積を大きくする。
これにより、放電セル７０の配設位置に応じて、放電空間４０の大きさが異なり、ラジカルガスＧ２の生成量も異なる。よって、放電セル７０の配設位置に応じて、ラジカル化した流量成分を変化させることができる。
被処理体２０２の回転中心から遠い位置では、周速度が速くなるので、ラジカルガスＧ２の照射時間は短くなる。他方、被処理体２０２の回転中心から近い位置では、周速度が遅くなるので、ラジカルＧ２の照射時間が長くなる。ここで、被処理体２０２の回転速度（角速度）は一定である。放電セル７０の配設位置で決まる照射時間に反比例させるように、放電セル７０で発生するラジカルガス量（ラジカルガス濃度）を増すように、高電圧電極３１は、第二の誘電体３に密着もしくは接合されているが、たとえば、下記の高電圧電極３１の構成により、放電空間４０の大きさを変化させることができる。
たとえば、二つの放電セル７０に着目したとする。一方の放電セル７０は、平面視した、被処理体２０２の回転中心から、第一の距離だけ離れている。これに対して、他方の放電セル７０は、平面視した、被処理体２０２の回転中心から、第二の距離だけ離れている。ここで、第一の距離は、第二の距離より小さい。この場合、他方の放電セル７０における高電圧電極３１の面積を、一方の放電セル７０における高電圧電極３１の面積よりも、大きくする。これにより、他方の放電セル７０の開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２のラジカル化した流量成分を、他方の放電セル７０の開口部１０２から噴出されるラジカルガスＧ２のラジカル化した流量成分よりも、大きくすることができる。
ここで、ラジカルガスＧ２の噴出速度は、主に、誘電体２，３の外形に応じて、決定される。したがって、各放電セル７０において同一の輪郭外形であることが、ラジカルガスＧ２の噴出速度同一の観点から望ましいと述べたが、各放電セル７０において、誘電体２，３の外形が同じであれば、高電圧電極３１の外形を変化させても、各放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２の噴出速度をほぼ同じとすることができる。
以上のように、本実施の形態に係るラジカルガス発生システム５００では、ラジカルガス生成装置１００内には、複数の放電セル７０が配設されており、各放電セル７０に対して、開口部１０２が配設されている。また、開口部１０２を介して、ラジカルガスＧ２を、ラジカルガス生成装置１００から処理チャンバー装置２００へと導いている。そして、被処理体２０２を回転させている。さらに、各放電セル７０において、被処理体２０２の回転中心からの距離に応じて、放電空間４０の大きさを変化させている。
したがって、開口部１０２を介して、ラジカルガス生成装置１００で生成されたラジカルガスＧ２（原料ガスＧ１の一部が誘電体バリア放電によりラジカル化したラジカルガスＧ２）を、直接、処理チャンバー装置２００へと導くことができる。また、一つのラジカルガス生成装置１００に対して、複数の交流高電圧電源９を配設することなく、一つの交流高電圧電源９を用いて、各放電セル７０から噴出されるラジカルガスＧ２のラジカルガス量（濃度）を、制御することができる。したがって、大面積の被処理体２０２に対して、均一なラジカルガス処理を施すことが可能となる。
また、高電圧電極３１の面積（電極対抗面積）のみを変化させ、他の複数の放電セル７０の輪郭外形（特に、誘電体２，３の外形）は、各放電セル７０において同一であり、各開口部１０２の開口径も、各放電セル７０において同一としている。よって、放電空間４０で生成されるラジカル量（濃度）は、せいぜい１％未満で可変制御となるため、開口部１０２から噴出するガス速度をほぼ同一状態を維持しながら、放電セル７０の配設位置に応じて、ラジカル量（濃度）を制御することができる。
また、被処理体２０２を回転させているので、ラジカルガスＧ２が噴出される開口部１０２の開口径を小さくでき、ラジカルガスＧ２の高速化が可能となる。よって、ラジカルガスＧ２を、短時間で被処理体２０２に到達させることができ、被処理体２０２に到達するまでにラジカルガスＧ２が消滅することを抑制できる。
なお、各放電セル７０において、放電空間４０に面して配設されている各誘電体２，３は、単結晶サファイヤまたは石英から構成されていても良い。
放電空間４０では、誘電体バリア放電が発生し、当該誘電体バリア放電により、誘電体２，３が放電ダメージを受ける。そこで、各誘電体２，３を、単結晶サファイヤ製または石英製とすれば、誘電体２，３の放電耐性は向上し、結果として、誘電体バリア放電による誘電体２，３に析出する粒子量を抑制することができる。
ところで、ラジカルガス生成装置１００において、放電空間４０での誘電体バリア放電により、良質なラジカルガスＧ２を生成するためには、放電空間４０を高電界プラズマ状態にする必要がある。放電空間４０の電界は、放電空間４０のガス圧力と放電空間でのギャップ長の積値に依存しており、高電界プラズマ状態にするためには、「Ｐ・ｄ（ｋＰａ・ｃｍ）」積値が、所定の値以下となることが要求される。ここで、Ｐは、ラジカルガス生成装置１００内の圧力であり、ｄは、各放電セル７０におけるギャップ長（第一の誘電体２から第二の誘電体３までの距離であり、各放電セル７０において、均一である）である。
ラジカルガスの場合において、P・ｄ積値が同じ値のとき、大気圧＋短ギャップ長の条件（前者の場合と称する）と、減圧＋長ギャップ長の条件（後者の場合と称する）との場合では、後者の場合の方が下記の点で有益である。つまり、後者の場合の方が、放電空間４０中を流れるガス流速が高められ、かつ、ギャップ長（放電面の壁）が広くなり、ラジカルガスＧ２の壁への衝突量による損失を抑制される（つまり、発生したラジカルガス量（ラジカルガス濃度）の分解を抑制できる）。
以上のようなことから、誘電体バリア放電を安定的に駆動出来、良好なラジカルガスが得られるという観点から、ラジカルガス生成装置１００は以下の条件を満たすことが望ましいことを、発明者らは見出した。
つまり、ラジカルガス生成装置１００において、内部のガス圧力Ｐを、約１０ｋＰａ〜３０ｋＰａ程度に設定し、放電空間４０のギャップ長ｄを、約０．３〜３ｍｍに設定することにより、Ｐ・ｄ積値を、約０．３〜９（ｋＰａ・ｃｍ）とすることが望ましい。
１ 低電圧電極
２ 第一の誘電体
３ 第二の誘電体
４ スペーサ
５ 高電圧電極ブロック
９ 交流高電圧電源
３１ 高電圧電極
４０ 放電空間
７０ 放電セル
１０１ 原料ガス供給部
１０２ 開口部
１００ ラジカルガス生成装置
２００ 処理チャンバー装置
２０１ テーブル
２０２ 被処理体
２０３ ガス排出部
３００ 真空ポンプ
５００ ラジカルガス発生システム
Ｇ１ 原料ガス
Ｇ２ ラジカルガス

Claims (6)

  1. 誘電体バリア放電を利用して、原料ガス（Ｇ１）からラジカルガス（Ｇ２）を生成する、ラジカルガス生成装置（１００）と、
    前記ラジカルガス生成装置に接続されており、内部に被処理体（２０２）が配設されており、当該被処理体に対して前記ラジカルガスを利用した処理が実施される、処理チャンバー装置（２００）とを、備えており、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記被処理体が載置され、当該被処理体を回転させる、テーブル（２０１）を、有しており、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記誘電体バリア放電を発生させる、複数の放電セル（７０）と、
    前記原料ガスを、当該ラジカルガス生成装置内に供給する、原料ガス供給部（１０１）とを、有しており、
    前記放電セルは、
    第一の電極部材（５，３１）を有する第一の電極部（３，５，３１）と、
    前記第一の電極と対抗して配設され、第二の電極部材（１）を有する第二の電極部（１，２）と、
    前記処理チャンバー装置内と接続され、前記テーブル上に配設された前記被処理体と面しており、前記誘電体バリア放電により前記原料ガスから生成された前記ラジカルガスを出力する、開口部（１０２）とを、有しており、
    平面視において、前記回転の中心位置から遠くに配設されている前記放電セルほど、前記第一の電極部材と前記第二の電極部材とが対面している領域である対面面積を大きくする、
    ことを特徴とするラジカルガス発生システム。
  2. 前記放電セルは、
    前記誘電体バリア放電が発生する放電空間に面して配設されている誘電体（２，３）を、さらに有しており、
    前記誘電体は、
    単結晶サファイヤまたは石英から構成されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載のラジカルガス発生システム。
  3. 前記ラジカルガス生成装置において、
    内部のガス圧力は、
    １０ｋＰａ〜３０ｋＰａであり、
    前記第一の電極部と前記第二の電極部との距離は、
    ０．３〜３ｍｍである、
    ことを特徴とする請求項１に記載のラジカルガス発生システム。
  4. 前記原料ガスは、
    窒素ガスであり、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記窒素ガスから、前記ラジカルガスとして、窒素ラジカルガスを生成し、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記窒素ラジカルガスを利用して、前記被処理体に対して、窒化膜を成膜させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のラジカルガス発生システム。
  5. 前記原料ガスは、
    オゾンガスもしくは酸素ガス、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記オゾンガスもしくは酸素ガスから、前記ラジカルガスとして、酸素ラジカルガスを生成し、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記酸素ラジカルガスを利用して、前記被処理体に対して、酸化膜を成膜させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のラジカルガス発生システム。
  6. 前記原料ガスは、
    水素ガスもしくは水蒸気ガスであり、
    前記ラジカルガス生成装置は、
    前記水素ガスもしくは水蒸気ガスから、前記ラジカルガスとして、水素ラジカルガスもしくはＯＨラジカルガスを生成し、
    前記処理チャンバー装置は、
    前記水素ラジカルガスもしくはＯＨラジカルガスを利用して、前記被処理体に対して、水素結合を促進させた金属膜を成膜させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載のラジカルガス発生システム。
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