JPWO2018110013A1 - シャワーヘッド及び真空処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】プラズマ密度の面内ばらつきの均一化。
【解決手段】本発明の一形態に係るシャワーヘッドは、ヘッド本体と、シャワープレートとを具備する。上記ヘッド本体は、内部空間を有する。上記シャワープレートは、上記内部空間に連通する複数のガス噴出口と、上記複数のガス噴出口からガスが噴出されるガス噴出面と、上記ガス噴出面に配置された複数の孔部とを有する。上記シャワープレートにおいては、上記ガス噴出面の中心から放射状に上記複数の孔部の表面積が段階的に大きくなるように構成されている。

Description

本発明は、シャワーヘッド及び真空処理装置に関する。
成膜プロセスまたはエッチングプロセスで利用される放電方式の１つに、容量結合プラズマ（ＣＣＰ）を用いる方式がある。例えば、この方式を用いたＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置では、陰極と陽極とが対向するように配置され、陽極に基板が配置され、陰極に電力が投入される。そして、陰極と陽極との間に容量結合プラズマを発生させて、基板上に膜が形成される。また、陰極としては、基板上に放電ガスを均一に供給するために、多数のガス噴出口が設けられたシャワーヘッドが用いられる場合がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３２８０２１号公報
しかしながら、シャワーヘッドを用いた容量結合方式では、陰極及び陽極が大型になるほど、基板内におけるプラズマ密度の面内ばらつきが大きくなる場合がある。これにより、基板上に形成される膜の膜質の面内ばらつきが大きくなる場合がある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、プラズマ密度の面内ばらつきをより均一にするシャワープレート及び真空処理装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るシャワーヘッドは、ヘッド本体と、シャワープレートとを具備する。上記ヘッド本体は、内部空間を有する。上記シャワープレートは、上記内部空間に連通する複数のガス噴出口と、上記複数のガス噴出口からガスが噴出されるガス噴出面と、上記ガス噴出面に配置された複数の孔部とを有する。上記シャワープレートにおいては、上記ガス噴出面の中心から放射状に上記複数の孔部の表面積が段階的に大きくなるように構成されている。
このシャワーヘッドでは、上記シャワープレートが複数のガス噴出口のほかに、ガス噴出面にガス噴出面の中心から放射状に表面積が段階的に大きくなる上記複数の孔部を有する。これにより、このシャワーヘッドを用いれば、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。
上記のシャワーヘッドにおいては、上記ガス噴出面は、中心領域と、上記中心領域に対して同心状に配置され上記中心領域を取り囲む複数の領域とを有してもよい。互いに隣接する２つの上記領域において、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積は、上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積よりも大きくてもよい。
このようなシャワーヘッドによれば、上記中心領域を囲み、互いに隣接する２つの上記領域において、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積が上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積よりも大きくなっている。これにより、このシャワーヘッドを用いれば、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。
上記のシャワーヘッドにおいては、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの内径は、上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの内径と同じであってもよい。
このようなシャワーヘッドによれば、上記中心領域を囲み、互いに隣接する２つの上記領域において、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの内径は、上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの内径と同じである。これにより、このシャワーヘッドを用いれば、ホローカソード放電が発生しにくく、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。
上記のシャワーヘッドにおいては、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの深さは、上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの深さよりも深くてもよい。
このようなシャワーヘッドによれば、上記中心領域を囲み、互いに隣接する２つの上記領域において、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの深さは、上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積よりも深くなっている。これにより、このシャワーヘッドを用いれば、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。
上記のシャワーヘッドにおいては、上記中心領域は、複数の孔部をさらに有してもよい。上記中心領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積は、上記中心領域に隣接する上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積よりも小さくてもよい。
このようなシャワーヘッドによれば、上記中心領域にも複数の孔部が配置されて、上記中心領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積は、上記中心領域に隣接する上記領域に配置された上記複数の孔部のそれぞれの表面積よりも小さい。これにより、このシャワーヘッドを用いれば、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。
上記のシャワーヘッドにおいては、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部の一部が上記中心領域側の上記領域に配置されてもよい。上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部の一部が上記中心領域とは反対側の上記領域に配置されてもよい。
このようなシャワーヘッドによれば、上記中心領域を囲み、互いに隣接する２つの上記領域において、上記中心領域とは反対側の上記領域に配置された上記複数の孔部の一部が上記中心領域側の上記領域に配置されている。また、上記中心領域側の上記領域に配置された上記複数の孔部の一部が上記中心領域とは反対側の上記領域に配置されている。これにより、このシャワーヘッドを用いれば、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る真空処理装置は、真空槽と、シャワーヘッドと、支持台とを具備する。上記真空槽は、減圧状態が維持可能である。上記シャワーヘッドは、上記ヘッド本体と、上記シャワープレートとを有する。上記支持台は、上記シャワーヘッドに対向し、基板を支持することができる。
この真空処理装置は、上記シャワーヘッドを具備する。これにより、この真空処理装置を用いれば、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。
以上述べたように、本発明によれば、プラズマ密度の面内分布をより均一にするシャワープレート及び真空処理装置が提供される。
図（ａ）は、本実施形態に係る真空処理装置を示す概略断面図である。図（ｂ）は、本実施形態にかかるシャワープレートの一部を示す概略断面図である。 図（ａ）は、本実施形態に係るプラズマ解析のプラズマ解析モデルを示す概略断面図である。図（ｂ）〜図（ｄ）は、本実施形態に係るプラズマ解析結果を示す概略断面図及びプラズマ密度を示すグラフ図である。 本実施形態に係る孔部の深さとプラズマ密度との関係を示すグラフ図である。 図（ａ）は、本実施形態に係るシャワープレートを示す概略平面図である。図（ｂ）は、図（ａ）の破線２２２ｄで囲む領域を示す概略平面図である。図（ｃ）〜図（ｆ）は、本実施形態に係るシャワープレートの孔部を示す概略断面図である。 図（ａ）は、本実施形態の基板処理装置によって膜が形成される基板の概略平面図である。図（ｂ）は、比較例に係る膜の膜厚分布を示す概略的なグラフ図である。図（ｃ）は、本実施形態に係る膜の膜厚分布を示す概略的なグラフ図である。 本実施形態及び比較例に係る膜の応力分布を示す概略的なグラフ図である。 成膜条件と、最外領域における孔部の深さの最適値との関係を示す概略的なグラフ図である。 図（ａ）は、本実施形態に係るシャワープレートのガス噴出面の別の態様を示す概略平面図である。図（ｂ）は、本実施形態に係るシャワープレートを区分けする別の態様を示す概略平面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。
図１（ａ）は、本実施形態に係る真空処理装置を示す概略断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態にかかるシャワープレートの一部を示す概略断面図である。
本実施形態に係る真空処理装置１は、真空槽１０と、支持部１１と、蓋部１２と、シャワーヘッド２０と、支持台３０と、ガス供給源４０と、電力供給手段５０、５５とを具備する。真空処理装置１は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって基板８０に膜を形成する成膜手段と、ドライエッチングによって基板８０に形成された膜を除去するエッチング手段とを兼ね備える。
真空処理装置１において、放電プラズマは容量結合方式によって、例えば、シャワーヘッド２０と支持台３０との間に形成される。この放電プラズマは、例えば、グロー放電によって形成される。本実施形態において、シャワーヘッド２０と支持台３０との間の空間をプラズマ形成空間１０ｐとする。真空処理装置１がプラズマＣＶＤ装置として機能する場合、例えば、シャワーヘッド２０は、陰極として機能し、支持台３０は、陽極として機能する。また、真空処理装置１がＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のエッチング装置として機能する場合、例えば、シャワーヘッド２０は、陽極として機能し、支持台３０は、陰極として機能する。
真空槽１０は、支持台３０を囲む。蓋部１２は、真空槽１０に対向する。支持部１１は、蓋部１２に付設されている。真空槽１０には、ガス排気口１０ｈを介して、例えば、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（不図示）が接続されている。これにより、シャワーヘッド２０と支持台３０との間が減圧状態に維持され得る。例えば、図１（ａ）の例では、シャワーヘッド２０と、真空槽１０と、支持部１１で囲まれた空間が真空ポンプにより減圧状態に維持される。蓋部１２と、シャワーヘッド２０と、支持部１１とで囲まれた空間は、大気であってもよく、減圧状態であってもよい。蓋部１２は、シャワーヘッド２０に投入される高周波をシールドするシールドボックスとして機能する。蓋部１２と、シャワーヘッド２０と、支持部１１とで囲まれた空間が減圧状態を維持する場合、真空槽１０と蓋部１２とを併せて真空容器とみなすことができる。この場合、真空容器内の少なくとも一部の空間が減圧状態に維持できる。また、真空槽１０には、真空槽１０内の圧力を計測する圧力計（不図示）が設置されている。
シャワーヘッド２０は、ヘッド本体２１と、シャワープレート２２と、絶縁部材２７とを有する。シャワーヘッド２０は、絶縁部材２７を介して真空槽１０の支持部１１により支持される。これにより、シャワーヘッド２０が真空槽１０から絶縁される。また、シャワーヘッド２０は、真空処理装置１から取り外すことができる。
ヘッド本体２１は、内部空間２８を有する。内部空間２８には、ヘッド本体２１の内部に設けられたガス導入管４２を経由して、放電ガスが導入される。ガス導入管４２のガス導入口は、例えば、内部空間２８の中心に位置する。これにより、内部空間２８に均等に放電ガスが供給される。ガス導入口は、１つに限らず、複数設けてもよい。
シャワープレート２２は、ヘッド本体２１に密着するように接合されている。シャワープレート２２は、プレート基材２２ｂと、複数のガス噴出口２３と、ガス噴出面２２ｓと、複数の孔部２５とを有する。複数のガス噴出口２３のそれぞれは、プレート基材２２ｂを貫通する。複数のガス噴出口２３のそれぞれは、内部空間２８に連通する。
シャワープレート２２において、内部空間２８とは反対側のプレート基材２２ｂの面がガス噴出面２２ｓになっている。放電ガスは、内部空間２８から複数のガス噴出口２３を経由してガス噴出面２２ｓから噴出される。
本実施形態において、シャワープレート２２には、複数のガス噴出口２３のほかに、複数の孔部２５が設けられている。複数の孔部２５は、ガス噴出面２２ｓに配置されている。複数の孔部２５のそれぞれは、複数のガス噴出口２３のそれぞれと重ならないように、ガス噴出面２２ｓに配置されている。
複数の孔部２５は、プレート基材２２ｂを貫通していない。例えば、複数の孔部２５は、ガス噴出面２２ｓからプレート基材２２ｂの内部に向けて掘り下げられた孔である。シャワープレート２２において、複数の孔部２５の表面積は、ガス噴出面２２ｓの中心２２ｃから放射状に段階的に大きくなるように構成されている。
プレート基材２２ｂの厚さは、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。一例として、プレート基材２２ｂの厚さは、２５ｍｍである。複数のガス噴出口２３のそれぞれの内径は、複数の孔部２５のそれぞれの内径よりも小さい。複数のガス噴出口２３のそれぞれの内径は、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下である。複数のガス噴出口２３のそれぞれの内径は、同じである。一例として、複数のガス噴出口２３のそれぞれの内径は、０．７ｍｍである。
プレート基材２２ｂ及びヘッド本体２１は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の導電体を含む。プレート基材２２ｂ及びヘッド本体２１には、耐食性を向上させるために、必要に応じて酸化皮膜処理が施されてもよい。
支持台３０は、基板８０を支持することができる。支持台３０は、シャワープレート２２に対向している。基板８０が載置される支持台３０の基板載置面は、シャワープレート２２に対して実質的に平行になっている。支持台３０は、例えば、導電体を含む構成を有する。支持台３０において、基板８０が載置される面は、導電体でもよく、絶縁体でもよい。例えば、支持台３０において、基板８０が載置される面には、静電チャックが設置されてもよい。支持台３０が絶縁体や静電チャックを含む場合、支持台３０が接地されたとしても、基板８０とグランドとの間には、寄生の容量３１が生じる。
支持台３０には、基板８０にバイアス電力を供給できるように、電力供給手段５５が接続されてもよい。電力供給手段５５は、例えば、交流電源（高周波電源）でもよく、直流電源でもよい。例えば、真空処理装置１をＲＩＥ等のエッチング装置として用いる場合、電力供給手段５５によって基板８０に電力が投入され、基板８０にバイアス電位が印加される。さらに、支持台３０には、基板８０を所定温度に加熱したり、冷却したりする温調機構が内蔵されてもよい。支持台３０とシャワープレート２２との間の距離（以下、電極間距離）は、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。一例として、電極間距離は、２０ｍｍである。
支持台３０において、基板８０が載置される載置面の平面形状は、基板８０の平面形状に対応している。シャワープレート２２の平面形状も載置面の平面形状に対応している。例えば、基板８０がパネル等に適用される矩形状の基板であれば、載置面及びシャワープレート２２の平面形状は、矩形になる。基板８０が半導体デバイス等に適用されるウェーハ基板であれば、載置面及びシャワープレート２２の平面形状は、円状になる。本実施形態では、一例として、載置面及びシャワープレート２２の平面形状が矩形であるとする。但し、載置面及びシャワープレート２２の面積は、基板８０の面積よりも大きい。なお、基板８０は、例えば、厚さが０．５ｍｍのガラス基板である。基板８０のサイズは、例えば、１５００ｍｍ×１３００ｍｍ以上である。
ガス供給源４０は、シャワーヘッド２０の内部空間２８にプロセスガス（成膜ガス、エッチングガス等）を供給する。ガス供給源４０は、流量計４１と、ガス導入管４２とを有する。ガス導入管４２におけるプロセスガスの流量は、流量計４１によって調整される。
電力供給手段５０は、電源５１と、整合回路部（マッチングボックス）５２と、配線５３とを有する。配線５３は、シャワーヘッド２０の中心に接続されている。整合回路部５２は、シャワーヘッド２０と電源５１との間に設置される。電源５１は、例えば、ＲＦ電源である。電源５１は、ＶＨＦ電源でもよい。さらに、電源５１は、直流電源でもよい。電源５１が直流電源の場合、電力供給手段５０からは、整合回路部５２が除かれる。
例えば、シャワーヘッド２０から、プラズマ形成空間１０ｐにプロセスガスが導入され、配線５３を経由して電源５１からシャワーヘッド２０に電力が投入されると、プラズマ形成空間１０ｐに放電プラズマが発生する。例えば、プラズマ形成空間１０ｐに成膜ガスが導入され、プラズマ形成空間１０ｐに成膜プラズマを発生させた場合、基板８０には、膜が形成される。この場合、真空処理装置１は、成膜装置として機能する。一方、プラズマ形成空間１０ｐにエッチングガスが導入され、プラズマ形成空間１０ｐにエッチングプラズマを発生させた場合、基板８０からは膜が除去される。この場合、真空処理装置１は、エッチング装置として機能する。
以上、説明した真空処理装置１の作用を説明する前に、比較例に係る真空処理装置の作用について説明する。比較例に係る真空処理装置は、シャワープレート２２に孔部２５が設けられてない構成を有する。
このような比較例においては、基板８０のサイズが大きくなるほど、プラズマ密度の面内ばらつきが大きくなる。これにより、プラズマＣＶＤで形成された膜の膜質（膜厚、膜応力等）の面内ばらつきが大きくなる可能性がある。また、エッチング時においても、エッチング速度の面内ばらつきが大きくなる可能性がある。
容量結合方式では、電源５１から高周波電力が陰極（シャワーヘッド）に印加される。しかし、電源５１からシャワーヘッドに供給される高周波は、シャワーヘッドを構成する導電体の内部には浸透せず、導電体の表面を伝導してシャワープレートに伝搬する（表皮効果）。
シャワープレートにおける任意の１点には、任意の方向から電磁波が伝搬してくる。これにより、この任意の１点において、複数の位相を持った電磁波が合成される。しかし、シャワープレートの場所によって電磁波の合成が異なり、シャワープレートに定在波が立つ場合がある。
これにより、シャワープレートの面内で電圧分布が生じる。この現象は、周波数が大きく、または、シャワープレートの面積が大きくなるほど顕著になる。例えば、シャワープレートに印加された電力は、シャワープレートの中心付近で最も高く、シャワープレートの端部付近の電圧が最も低くなる場合がある。特に、シャワープレートの平面形状が矩形の場合は、シャワープレートに印加された電力は、シャワープレートの中心付近で最も高く、４角付近の電圧が最も低くなる傾向にある。
これにより、比較例においては、電圧が最も高い中心付近に放電電流が集中し、中心付近におけるプラズマ密度が最も高くなる。従って、比較例においては、シャワープレートの中心付近でラジカルがより多く生成され、シャワープレートの中心付近でイオンエネルギーも高くなる。この結果、比較例では、基板上に形成される膜の膜質（膜厚、膜応力等）及びエッチング速度の面内ばらつきが大きくなる。
基板サイズが比較的小さい場合には（例えば、９２０×７３０ｍｍ以下）、このようなプラズマ密度の面内ばらつきは、無視できる場合がある。しかし、基板サイズが大きくなるほど（例えば、９２０×７３０ｍｍ以上）、このプラズマ密度の面内ばらつきが無視できなくなる。
このような現象に対処する方法の１つとして、放電電力、ガス流量、流量比率、放電圧力、陰極・陽極間距離等の成膜条件を変更する方法がある。しかし、この方法では、成膜速度が遅くなったり、膜厚分布が改善されても膜応力分布が改善されなかったりする。結局、この方法では、プラズマ密度の面内ばらつきが改善できない。
これに対して、本実施形態では、シャワープレート２２のガス噴出面２２ｓに、複数のガス噴出口２３のほかに、複数の孔部２５が設けられている。そして、複数の孔部２５の深さは、中心２２ｃから端部２２ｅに向かうにつれ、段階的に変化している。例えば、電力投入時、シャワープレート２２において最も電圧が高くなる中心２２ｃの付近には、孔部２５が設けられていない。また、電力投入時、シャワープレート２２において最も電圧が弱くなる端部２２ｅの付近には、深さが最も深い孔部２５が配置されている。
これにより、シャワープレート２２におけるガス噴出面２２ｓの実効的な表面積（単位面積あたりの表面積）が中心２２ｃから端部２２ｅに向かい、段階的に大きくなる。この結果、孔部２５の深さが最も深い端部付近では、中心付近に比べて放電が起きやすくなり、シャワープレート２２が持つ電圧分布を起因とするプラズマ密度の面内ばらつきが孔部２５の配置によって補正され、プラズマ密度がシャワープレート２２の面内で均一になる。
なお、容量結合方式では、放電周波数が高いほどプラズマ密度が高くなり、イオンダメージが低くなる傾向にある。このため、生産性の向上、膜質の高品質化の観点からは、例えば、放電周波数は、１３．５６ＭＨｚよりも２７．１２ＭＨｚが望ましい。しかし、放電周波数が高くなると、膜質（膜厚、膜応力）の面内ばらつきが大きくなる。
一方、放電周波数を１３．５６ＭＨｚよりも低周波にしたり、直流放電を採用したりすると、イオンエネルギーが強くなり過ぎ、膜質、エッチング特性が悪化する場合がある。これにより、本実施形態では、放電周波数として、１３．５６ＭＨｚが選択される。
次に、本実施形態に係るシャワープレート２２の作用の具体例を以下に説明する。
図２（ａ）は、本実施形態に係るプラズマ解析のプラズマ解析モデルを示す概略断面図である。図２（ｂ）〜図２（ｄ）は、本実施形態に係るプラズマ解析結果を示す概略断面図及びプラズマ密度を示すグラフ図である。
図２（ａ）に示すプラズマ解析モデルでは、シャワープレート２２に相当する陰極（Ｃａｔｈｏｄｅ）に円錐形状の孔部が配置されている。基板８０に相当する陽極（Ａｎｏｄｅ）と陰極との間の電極間距離は、２０ｍｍである。陽極と陰極との間に圧力３００Ｐａの窒素ガスが存在している。高周波の周波数は、１３．５６ＭＨｚである。「ａ／２」は、孔部の半径（ｍｍ）、「ｂ」は、孔部の深さ（ｍｍ）である。
また、図２（ｂ）〜図２（ｄ）には、白黒の濃淡によって電子生成率の大きさが示されている。例えば、図２（ｂ）〜図２（ｄ）では、黒色が濃い部分ほど、電子生成率（／ｍ３／ｓｅｃ）が高いことを意味している。電子生成率は、例えば、放電電圧に依存する。放電電圧が低くなれば、電子生成率も低くなるため、成膜速度、膜応力、エッチング速度の決定因子であるラジカル生成率、イオンの照射エネルギーが低くなる。
図２（ｂ）に、孔部がない陰極の電子生成率を示す。図２（ｂ）に示すように、陰極及び陽極のそれぞれから約５ｍｍ離れた位置で電子生成率が最も高くなっている。
これに対し、図２（ｃ）に、内径４．３ｍｍ、深さ５ｍｍの孔部が陰極に形成された場合の電子生成率を示す。陰極及び陽極のそれぞれから約５ｍｍ離れた位置で電子生成率が高くなっている。但し、図２（ｃ）の例では、陰極側で孔部の中心付近において電子生成率が相対的に高くなっている。つまり、陰極に孔部を形成することで、プラズマ放電の様子が変わることが図２（ｃ）の例において見いだされている。
図２（ｄ）に、内径８．７ｍｍ、深さ５ｍｍの孔部が陰極に形成された場合の電子生成率を示す。この条件では、電子が陽極側で生成しにくく、陰極側の孔部の中心付近で優先的に生成し、放電の形態が図２（ｂ）、（ｃ）とは大きく異なっている。図２（ｄ）では、孔部内で、ホロー効果が生じていると推察される。
ホロー効果が発現した場合には、陽極側で電子生成がほぼなくなるため、陽極の近傍でイオンも生成されにくくなる。このため、陽極（基板）側へのイオン照射が減り、基板へのイオン照射が決定因子となる膜応力の制御が難しくなる。これにより、本実施形態では、ホロー効果が発現しない内径４ｍｍ程度の孔部２５をシャワープレート２２に設けている。例えば、内径が３．５ｍｍの孔部２５がシャワープレート２２のガス噴出面２２ｓに形成されている。
図３は、本実施形態に係る孔部の深さとプラズマ密度との関係を示すグラフ図である。
例えば、窒素ガスを放電ガスとして用いた場合、孔部２５の深さが２．５ｍｍになると、孔部２５が形成されない場合に比べて、プラズマ密度が１．２５以上になることが分かった。さらに、孔部の深さが５ｍｍになると、孔部が形成されない場合に比べて、プラズマ密度が１．３倍以上になることが分かった。
これらの結果から、シャワープレート２２のガス噴出面２２ｓに孔部２５を形成することで、ガス噴出面２２ｓに孔部２５が形成されていない場合に比べてプラズマ密度が増加することが分かる。さらに、孔部２５の深さが深くなるほど、プラズマ密度がより高くなることが分かる。すなわち、ガス噴出面２２ｓにおける孔部２５の表面積が大きくなるほど、プラズマ密度がより高くなる。この理由は、一例として、孔部２５の表面積が大きくなるほど、孔部２５から放出される二次電子の数がより増えることに起因していると考えられる。
このようなシャワープレート２２を用いれば、シャワープレート２２に配置される孔部２５の深さを調整することにより、シャワープレート２２におけるプラズマ密度の面内ばらつきをより均一に制御できる。
以下に、シャワープレート２２に設けられた、複数の孔部２５の配置について説明する。
図４（ａ）は、本実施形態に係るシャワープレートを示す概略平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の破線２２２ｄで囲む領域を示す概略平面図である。図４（ｃ）〜図４（ｆ）は、本実施形態に係るシャワープレートの孔部を示す概略断面図である。
シャワープレート２２の電界強度分布を電磁解析により解析すると、中心２２ｃほど電界強度が強く、端部２２ｅほど電界強度は弱くなることが判明している。また、シャワープレート２２の面内における電界強度の等強線（同じ電界強度の点の集まりで形成される線）は、例えば、同心状に楕円状になることが判明している。
例えば、図４（ａ）に示すように、シャワープレート２２に配置される孔部２５の配置領域は、電界強度に応じて複数の領域に区分けされている。例えば、ガス噴出面２２ｓは、中心領域２２１と、中心領域２２１に対して同心状に配置された複数の領域２２２、２２３、２２４、２２５を有する。例えば、中心領域２２１は、領域２２２によって取り囲まれ、領域２２２は、領域２２３によって取り囲まれ、領域２２３は、領域２２４によって取り囲まれている。さらに、領域２２４は、領域２２５によって取り囲まれている。
本実施形態に係るシャワープレート２２の平面形状は、一例として長方形になっている。ここで、シャワープレート２２の長端部２２Ｌと平行な方向を第１方向（Ｙ軸方向）、シャワープレート２２の短端部２２Ｎと平行な方向を第２方向（Ｘ軸方向）とする。第２方向は、第１方向と直交する。中心領域２２１及び複数の領域２２２、２２３、２２４のそれぞれにおいては、第１方向における径が第２方向における径よりも長い。例えば、中心領域２２１及び複数の領域２２２、２２３のそれぞれの外形は、楕円状になっている。換言すれば、中心領域２２１及び複数の領域２２２、２２３のそれぞれを区分けする境界線は、楕円状（例えば、長軸は短軸の約２倍）である。
ここで、領域２２４は、シャワープレート２２の短端部２２Ｎにおいて途切れ、連続した領域になっていない。但し、領域２２４の外形を連続的に繋ぐ仮想線を引いた場合、その仮想線の外形は、楕円状になっている。また、領域２２５は、ガス噴出面２２ｓにおける領域２２５外の領域である。
中心領域２２１及び複数の領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれには、複数のガス噴出口２３とともに、複数の孔部２５が配置されている。ここで、孔部２５とは、後述する孔部２５２、２５３、２５４、２５５の総称である。なお、図４（ａ）の例では、中心領域２２１には、孔部２５が配置されていない。
例えば、図４（ｂ）には、領域２２２における破線２２２ｄで囲まれた領域の平面が示されている。図４（ｂ）に示すように、複数の孔部２５２は、ガス噴出面２２ｓにハニカム状に配置されている。ガス噴出口２３は、例えば、互いに隣接する３つの孔部２５２の中心を頂点とする三角形の中心に配置されている。
但し、ガス噴出面２２ｓに設けられた孔部２５の表面積は、複数の領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれによって異なる。例えば、互いに隣接する２つの領域において、中心領域２２１とは反対側の領域に配置された複数の孔部２５のそれぞれの表面積は、中心領域２２１側の領域に配置された複数の孔部２５のそれぞれの表面積よりも大きい。
例えば、図４（ｃ）〜図４（ｆ）に示すように、領域２２２の外側の領域２２３に配置された孔部２５３の表面積は、領域２２２に配置された孔部２５２の表面積よりも大きい。領域２２３の外側の領域２２４に配置された孔部２５４の表面積は、領域２２３に配置された孔部２５３の表面積よりも大きい。領域２２４の外側の領域２２５に配置された孔部２５５の表面積は、領域２２４に配置された孔部２５４の表面積よりも大きい。
ここで、中心領域２２１とは反対側の領域に配置された複数の孔部２５のそれぞれの内径は、中心領域２２１側の領域に配置された複数の孔部２５のそれぞれの内径と同じである。例えば、領域２２２の外側の領域２２３に配置された孔部２５３の内径Ｒ３は、領域２２２に配置された孔部２５２の内径Ｒ２と同じである。領域２２３の外側の領域２２４に配置された孔部２５４の内径Ｒ４は、領域２２３に配置された孔部２５３の内径Ｒ３と同じである。領域２２４の外側の領域２２５に配置された孔部２５５の内径Ｒ５は、領域２２４に配置された孔部２５４の内径Ｒ４と同じである。すなわち、内径Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５のそれぞれは同じである。なお、内径Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５とは、ガス噴出面２２ｓの位置での内径である。
本実施形態におけるシャワープレート２２では、複数の領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれに配置された孔部２５の表面積が深さを変えることによって変化している。例えば、中心領域２２１とは反対側の領域に配置された複数の孔部２５のそれぞれの深さは、中心領域２２１側の領域に配置された複数の孔部２５のそれぞれの深さよりも深い。領域２２２の外側の領域２２３に配置された孔部２５３の深さＤ３は、領域２２２に配置された孔部２５２の深さＤ２よりも深い。領域２２３の外側の領域２２４に配置された孔部２５４の深さＤ４は、領域２２３に配置された孔部２５３の深さＤ３よりも深い。領域２２４の外側の領域２２５に配置された孔部２５５の深さＤ５は、領域２２４に配置された孔部２５４の深さＤ４よりも深い。
ここで、深さを変えずに内径を拡げて孔部２５の表面積を増加させると、ガス噴出面２２ｓにおける孔部２５の占有面積が増加する。これにより、孔部２５の内径をより拡げた領域ほど、複数の孔部２５の配置密度が低下したり、孔部２５とガス噴出口２３とが互いに干渉したりする。
仮に、孔部２５とガス噴出口２３とが重なった場合、孔部２５の深さが深くなるほど、ガス噴出口２３の長さが短くなる。これにより、領域２２２、２２３、２２４、２２５ごとに、ガス噴出口２３のコンダクタンスが変わってしまい、領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれから噴出するガス流量が変わってしまう。
また、シャワープレート２２においては、孔部２５の内径がガス噴出口２３のピッチより小さくなっている。孔部２５の内径がガス噴出口２３のピッチより大きくなると、ガス噴出口２３の個数が減少してしまう。ガス噴出口２３の個数が減少すると、１個当たりのガス噴出口２３から噴き出すガス流量が多くなり、ガス噴出面２２ｓにおけるガス流量分布がガス噴出口２３の寸法ばらつきの影響を受けやすくなる。さらに、ガス噴出口２３のパターンが膜厚分布に反映されてしまう。
また、孔部２５の内径を拡げて孔部２５の表面積を増加させると、孔部２５内でホローカソード放電が発したり、異常放電が発したりして、局部的にプラズマ密度が高くなる可能性がある。または、孔部２５内でホローカソード放電が発したり、異常放電が発したりすると、シャワープレート２２に付着した膜が剥離しやすくなる。これにより、本実施形態では、複数の領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれ属す孔部２５の表面積を、内径を変えずに深さを変えることで変化させている。
シャワープレート２２のサイズは、１５００ｍｍ×１３００ｍｍ以上である。一例として、基板８０のサイズが１８５０ｍｍ×１５００ｍｍである場合、シャワープレート２２のサイズは、２０００ｍｍ×１７００ｍｍである。ガス噴出口２３のガス噴出面２２ｓにおけるピッチは、電極間距離の１／２程度である。シャワープレート２２（サイズ：２０００ｍｍ×１７００ｍｍ）には、約５２０００個のガス噴出口２３が配置され、約２０００００個の孔部２５が配置されている。
なお、基板８０及び支持台３０の平面形状が円状である場合には、この形状に対応させて、シャワープレート２２の平面形状も円状になる。この場合、中心領域２２１及び複数の領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれ平面形状は、円状になる。
また、中心領域２２１にも、複数の孔部２５が配置されてもよい。この場合、中心領域２２１に配置された複数の孔部２５のそれぞれの表面積は、中心領域２２１に隣接する領域２２２に配置された複数の孔部２５のそれぞれの表面積よりも小さく設定される。
また、本実施形態においては、複数の孔部２５の平面形状として円状のものが例示されたが、この例に限らない。複数の孔部２５の平面形状は、矩形状でもよく、楕円状であってもよい。
図５（ａ）は、本実施形態の基板処理装置によって膜が形成される基板の概略平面図である。図５（ｂ）は、比較例に係る膜の膜厚分布を示す概略的なグラフ図である。図５（ｃ）は、本実施形態に係る膜の膜厚分布を示す概略的なグラフ図である。
図５（ａ）に示す基板８０は、ガラス基板である。基板８０において、例えば、第１方向の長さは、１８５０ｍｍ、第２方向の長さは、１５００ｍｍである。図５（ｂ）、（ｃ）には、第１方向または第２方向で平行であって、基板８０の中心８０ｃを通るライン上の膜厚分布が示されている。成膜条件は、以下の通りである。基板８０上に形成される膜は、ＳｉＮｘ膜である。ＳｉＮｘ膜は、基板８０に成膜される。
成膜ガス：ＳｉＨ４（流量：１．６ｓｌｍ）／ＮＨ３（流量：１６ｓｌｍ）
放電圧力：２６５Ｐａ
シャワープレート−基板間距離：２１ｍｍ
放電電力：１４．５ｋＷ（周波数：１３．５６ＭＨｚ）
基板温度：３５０℃
図５（ｂ）に示す比較例では、シャワープレートに孔部２５が設けられていない。比較例では、基板８０の中心８０ｃの膜厚が最も厚く、基板８０の外周に向かうほど、膜厚が薄なっている。すなわち、比較例は、上に凸の膜厚分布を示している。これは、シャワープレートの中心ほどプラズマ密度が高く、シャワープレートの端部ほどプラズマ密度が低くなることに対応している。
これに対し、本実施形態に係る実施例１、２の結果を図５（ｃ）に示す。実施例１、２では、シャワープレート２２に複数の孔部２５が設けられている。例えば、実施例１では、領域２２２の孔部２５２の深さＤ２が１．５ｍｍであり、領域２２３の孔部２５３の深さＤ３が３ｍｍであり、領域２２４の孔部２５４の深さＤ４が４．５ｍｍであり、領域２２５の孔部２５５の深さＤ５が６ｍｍである。実施例１では、基板８０の中心８０ｃの膜厚が最も薄く、基板８０の外周に向かうほど、膜厚が厚くなっている。つまり、図５（ｃ）の結果は、シャワープレート２２に複数の孔部２５を形成することにより、膜厚分布が制御されることを示している。
さらに、実施例２では、領域２２２の孔部２５２の深さＤ２、領域２２３の孔部２５３の深さＤ３、領域２２４の孔部２５４の深さＤ４及び領域２２５の孔部２５５の深さＤ５のそれぞれを実施例１のそれぞれの値よりもさらに浅く設定している。この場合、基板８０に形成された膜の膜厚分布は、第１方向及び第２方向において実質的に均一になっている。
図６は、本実施形態及び比較例に係る膜の応力分布を示す概略的なグラフ図である。
図６の横軸は、中心領域２２１及び領域２２２、２２３、２２４、２２５の位置に対応している。図６の縦軸は、ＳｉＮｘ膜の応力値の規格値である。図６において、縦軸のマイナス値の絶対値が大きくなるほど圧縮応力が強くなり、縦軸のプラス値の絶対値が大きくなるほど引張応力が強くなることを意味している。
比較例では、中心領域２２１で成膜されたＳｉＮｘ膜は、圧縮応力を有している。そして、中心領域２２１から外側の領域に向かうほど、ＳｉＮｘ膜は、圧縮応力よりも引張応力を持つようになる。これは、孔部２５が設けられていないシャワープレートでは、中心領域２２１におけるプラズマ密度が最も高く、中心領域２２１から外側の領域に向かうほどプラズマ密度が低くなることに対応している。
一方、実施例１では、中心領域２２１で成膜されたＳｉＮｘ膜が引張応力を有している。そして、実施例１では、中心領域２２１から外側の領域ほど、ＳｉＮｘ膜において引張応力よりも圧縮応力が強くなる。つまり、図６の結果は、シャワープレート２２に複数の孔部２５を形成することにより、応力分布が制御されることを示している。
また、実施例１の結果に基づいて、中心領域２２１及び領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれにおける応力をより均一にすることもできる。例えば、実施例１のラインの勾配をより緩やかにするには、領域２２２の孔部２５２の深さＤ２、領域２２３の孔部２５３の深さＤ３、領域２２４の孔部２５４の深さＤ４及び領域２２５の孔部２５５の深さＤ５のそれぞれを実施例１のそれぞれの値よりも浅く設定する。
例えば、実施例２では、領域２２２の孔部２５２の深さＤ２が０．３３ｍｍ、領域２２３の孔部２５３の深さＤ３が０．６５ｍｍ、領域２２４の孔部２５４の深さＤ４が０．９８ｍｍ、及び領域２２５の孔部２５５の深さＤ５が１．３ｍｍに設定されている。この場合、中心領域２２１及び領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれにおける応力は、実質的に均一になる。
各領域に配置される孔部２５の深さは、成膜条件によっても変化する。
例えば、図７（ａ）及び図７（ｂ）は、成膜条件と、最外領域における孔部の深さの最適値との関係を示す概略的なグラフ図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）には、成膜条件と、領域２２５における孔部２５５の最適値との関係が示されている。
例えば、図７（ａ）に示すように、領域２２５における孔部２５５の最適値は、放電圧力が上記条件（２６５Ｐａ）よりも高く設定されると、１．３ｍｍよりも大きい値にシフトする。逆に、放電圧力が上記条件よりも低く設定されると、孔部２５５の最適値は、１．３ｍｍよりも小さい値にシフトする。
また、図７（ｂ）に示すように、領域２２５における孔部２５５の最適値は、電極間距離が上記条件（２１ｍｍ）よりも広く設定されると、１．３ｍｍよりも大きい値にシフトする。逆に、電極間距離が上記条件よりも狭く設定されると、孔部２５５の最適値は、１．３ｍｍよりも小さい値にシフトする。このように、各領域に配置される孔部２５の深さは、成膜条件によって適宜調整される。
また、本実施形態において、シャワープレート２２のガス噴出面２２ｓを同心状に区分けする領域数は、５個に限らない。例えば、ガス噴出面２２ｓを同心状に区分けする領域数は、６個以上でもよい。例えば、中心領域２２１及び領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれがさらに同心状に１０個の領域によって区分けされ、ガス噴出面２２ｓを同心状に区分けする領域の数が５０個となってもよい。
例えば、実施例１では、隣接する領域における孔部２５の深さの差が１．５ｍｍになっている。実施例１において、ガス噴出面２２ｓを区分けする領域数が５０個となれば、隣接する領域における孔部２５の深さの差は、０．１５ｍｍ（１．５ｍｍ／１０）となり、隣接する領域における孔部２５の深さの差がさらに小さくなる。また、実施例２では、隣接する領域における孔部２５の深さの差が約０．３ｍｍになっている。実施例２において、ガス噴出面２２ｓを区分けする領域数が５０個となれば、隣接する領域における孔部２５の深さの差は、０．０３ｍｍ（０．３ｍｍ／１０）となり、隣接する領域における孔部２５の深さの差がさらに小さくなる。
このように区分け数の増加により、シャワープレート２２の面内におけるプラズマ密度がより均一になって、基板８０の面内における膜の膜質（膜厚、応力等）がより均一になる。
図８（ａ）は、本実施形態に係るシャワープレートのガス噴出面の別の態様を示す概略平面図である。図８（ｂ）は、本実施形態に係るシャワープレートを区分けする別の態様を示す概略平面図である。
シャワープレート２２において、各領域に配置された孔部２５は、隣接する領域に跨って配置されてもよい。すなわち、中心領域２２１とは反対側の領域に配置された複数の孔部の一部が中心領域２２１側の領域に配置され、中心領域２２１側の領域に配置された複数の孔部２５の一部が中心領域２２１とは反対側の領域に配置されてもよい。
例えば、図８（ａ）に領域２２２と、領域２２２に隣接する領域２２３の例を示す。ここで、領域２２２は、中心領域２２１側に配置され、領域２２３は、中心領域２２１とは、反対側に配置されている。また、図８（ａ）では、孔部２５２と孔部２５３とを明確にするために、孔部２５２にグレー色が付されている。図８（ａ）に示すように、領域２２３に配置された複数の孔部２５３の一部が中心領域２２１側の領域２２２に配置されている。さらに、領域２２２に配置された複数の孔部２５２の一部が領域２２３に配置されている。
このような配置であれば、隣接する領域における孔部２５の深さの差がさらに緩和され、シャワープレート２２の面内におけるプラズマ密度がより均一になる。これにより、基板８０の面内における膜の膜質（膜厚、応力等）がより均一になる。
また、各領域を区分けする境界線の最適形状は、楕円状に限らない。例えば、図８（ｂ）に示す例では、第１方向と平行であって中心２２ｃを含む線Ａと各領域を区分けする境界線との交点において、境界線が屈曲している。さらに、第２方向と平行であって中心２２ｃを含む線Ｂと各領域を区分けする境界線との交点において、境界線が屈曲している。
このような境界線の平面形状は、シャワープレート２２の平面形状、放電条件に応じた電磁解析によって決定される。これにより、中心領域２２１、領域２２２、２２３、２２４、２２５のそれぞれにおけるプラズマ密度の面内ばらつきがさらに均一になる。
このように本実施形態に係るシャワーヘッド２０では、シャワープレート２２に、複数のガス噴出口２３のほかに、ガス噴出面２２ｓにガス噴出面２２ｓの中心２２ｃから放射状に表面積が段階的に大きくなる複数の孔部２５が設けられている。これにより、このシャワーヘッド２０を用いれば、プラズマ密度の面内ばらつきがより均一になる。これにより、基板８０上に形成される膜の膜質（膜厚、膜応力）の面内分布、エッチング速度の面内分布が改善される。特に、シャワーヘッド２０は、基板８０のサイズがより大型になるほど有効に機能する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。
１…真空処理装置
１０…真空槽
１０ｈ…ガス排気口
１０ｐ…プラズマ形成空間
１１…支持部
１２…蓋部
２０…シャワーヘッド
２１…ヘッド本体
２２…シャワープレート
２２ｃ…中心
２２ｂ…プレート基材
２２ｅ…端部
２２ｓ…ガス噴出面
２２ｃ…中心
２２Ｌ…長端部
２２Ｎ…短端部
２３…ガス噴出口
２５、２５２、２５３、２５４、２５５…孔部
２７…絶縁部材
２８…内部空間
３０…支持台
３１…容量
４０…ガス供給源
４１…流量計
４２…ガス導入管
５０、５５…電力供給手段
５１…電源
５２…整合回路部
５３…配線
８０…基板
８０ｃ…中心
２２１…中心領域
２２２、２２３、２２４、２２５…領域
２２２ｄ…破線

Claims (7)

  1. 内部空間を有するヘッド本体と、
    前記内部空間に連通する複数のガス噴出口と、前記複数のガス噴出口からガスが噴出されるガス噴出面と、前記ガス噴出面に配置された複数の孔部とを有し、前記複数の孔部の表面積が前記ガス噴出面の中心から放射状に段階的に大きくなるように構成されたシャワープレートと
    を具備するシャワーヘッド。
  2. 請求項１に記載されたシャワーヘッドであって、
    前記ガス噴出面は、中心領域と、前記中心領域に対して同心状に配置され前記中心領域を取り囲む複数の領域とを有し、
    互いに隣接する２つの前記領域において、前記中心領域とは反対側の前記領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの表面積は、前記中心領域側の前記領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの表面積よりも大きい
    シャワーヘッド。
  3. 請求項２に記載のシャワーヘッドであって、
    前記中心領域とは反対側の前記領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの内径は、前記中心領域側の前記領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの内径と同じである
    シャワーヘッド。
  4. 請求項２または３に記載のシャワーヘッドであって、
    前記中心領域とは反対側の前記領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの深さは、前記中心領域側の前記領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの深さよりも深い
    シャワーヘッド。
  5. 請求項２〜４のいずれか１つに記載のシャワーヘッドであって、
    前記中心領域は、複数の孔部をさらに有し、
    前記中心領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの表面積は、前記中心領域に隣接する前記領域に配置された前記複数の孔部のそれぞれの表面積よりも小さい
    シャワーヘッド。
  6. 請求項２〜５のいずれか１つに記載のシャワーヘッドであって、
    前記中心領域とは反対側の前記領域に配置された前記複数の孔部の一部が前記中心領域側の前記領域に配置され、
    前記中心領域側の前記領域に配置された前記複数の孔部の一部が前記中心領域とは反対側の前記領域に配置されている
    シャワーヘッド。
  7. 減圧状態が維持可能な真空槽と、
    内部空間を有するヘッド本体と、前記内部空間に連通する複数のガス噴出口と、前記複数のガス噴出口からガスが噴出されるガス噴出面と、前記ガス噴出面に配置された複数の孔部とを含み、前記複数の孔部の表面積が中心から放射状に段階的に大きくなるように構成されたシャワープレートとを有するシャワーヘッドと、
    前記シャワーヘッドに対向し、基板を支持することが可能な支持台と
    を具備する真空処理装置。
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