TW201616548A - 放電產生器及其電源裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種即使為大面積之被處理體，亦可實施均勻地使用自由基氣體的處理之放電產生器及其電源裝置。關於本發明之放電產生器及其電源裝置(500)，係具備自由基氣體生成裝置(100)、處理室裝置(200)、及n相反向器電源裝置(9)。該處理室裝置(200)，係鄰接配置有自由基生成裝置(100)，該自由基氣體生成裝置(100)係具有複數(n個)的放電單元(70)。n相反向器電源裝置(9)係設為具有可控制輸出n相交流電壓之手段之電源電路構成，且可使各相之交流電壓對應於前述放電單元(70)之設置位置而實施可變控制。

Description

放電產生器及其電源裝置
本發明係關於進行自由基氣體生成，可利用該自由基氣體進行處理，並含有電源裝置之放電產生器及其電源裝置之發明，例如，可使用於對被處理體形成高性能之膜時。
於包含半導體製造領域之多用途的領域中，追求多機能且高品質之薄膜(例如，高絶緣薄膜、半導體薄膜、高介電體薄膜、發光薄膜、高磁性體薄膜，超硬薄膜等)。
例如，於半導體裝置之製造情形中，於半導體晶片內，係設有相當於電路配線之低阻抗的高導電膜、具有電路之配線線圈機能與磁石機能之高磁性膜、具有電路之電容器機能之高介電體膜、以及具有電性漏電流少之高絶緣機能之高絶緣膜等。
就該等膜成膜的習知技術而言，例如可使用熱CVD(化學氣相成長：Chemical Vapor Deposition)裝置、光CVD裝置或電漿CVD裝置，特別是常使用電漿 CVD裝置。此係因電漿CVD裝置較例如熱/光CVD裝置之成膜溫度低，且成膜速度快並可以短時間成膜處理。
例如，於半導體基板形成氮化膜(SiON，HfSiON等)或氧化膜(SiO2，HfO2)等之閘極絶緣膜時，一般係採用使用電漿CVD裝置之下列技術。
亦即，NH3(氨)或N3、O2、O3(臭氧)等之氣體、與矽或鉿等前驅體氣體被直接供給至實施CVD處理之處理室裝置。於處理室裝置內使前驅體氣體解離，生成金屬粒子，藉由該金屬粒子與上述NH3(氨)等氣體之化學反應，於被處理體上形成氮化膜或氧化膜等薄膜。
另一方面，電漿CVD裝置係於處理室裝置內，直接產生高頻率電漿與微波電漿。因此，被處理體係曝露於自由基氣體、或具有高能量之電漿離子(或電子)。
此外，就揭示關於電漿CVD裝置之技術之先前技術文獻而言，例如存在有專利文獻1。
然而，於電漿CVD裝置內之成膜處理，係如上所述，被處理體會直接曝露於電漿。因此，該被處理體會因電漿(離子或電子)而大幅遭受到降低半導體機能之性能等之損傷。
另一方面，於使用熱/光CVD裝置之成膜處理，被處理體不會受到來自電漿(離子或電子)之損傷，而可形成高品質之氮化膜或氧化膜等膜。然而，就該成膜處理，要得到高濃度且大量的自由基氣體源仍困難，就結果而言，有著需要非常長的成膜時間之問題。
於最近的熱/光CVD裝置，係使用容易受到熱或光之照射而解離之高濃度NH3氣體或O3氣體作為原料氣體。進一步，於CVD室裝置內設有加熱觸媒體。藉此，該熱/光CVD裝置可藉由觸媒作用，促進氣體的解離，亦可使得氮化膜或氧化膜等以短時間成膜。然而，該時間的縮短係受有限制，要大幅度改善成膜時間仍有困難。
於是，存在有遠程電漿型成膜處理裝置，以作為可減輕來自電漿對被處理體之損傷，可進一步縮短成膜時間之裝置(例如，參照專利文獻2)。
關於該專利文獻2之技術，係藉由隔壁(電漿封閉電極)分離電漿生成區域與被處理材處理區域。具體而言，關於專利文獻2之技術，係在設置有高頻率施加電極與被處理體之對向電極之間設有該電漿封閉電極。藉此，關於專利文獻2之技術中，只有中性活性種會被供給至被處理體上。
另外，關於專利文獻3之技術，係於遠程電漿源中，使原料氣體之一部份藉由電漿而活性化。在此，氣體的流路係於該遠程電漿源內循環。放出於遠程電漿源中生成之活性氣體，供給至存有被處理體之裝置側。
於專利文獻3般的薄膜技術中係利用氮、氧、臭氧或氫等各式各樣的原料氣體。而且，從該原料氣體生成經活性化之自由基氣體，藉由該自由基氣體在被處理體上形成薄膜。
自由基氣體的反應性非常高。因此，可藉 由使微量(約1%：10000ppm)以下濃度的自由基氣體碰撞被處理體，促進在被處理體之化學反應，以短時間且有效率地製作出氮化薄膜、氧化薄膜或氫鍵結薄膜等。
於自由基氣體生成裝置係配設有放電單元(產生器)，於該放電單元中，藉由相當於大氣壓電漿之介電體屏蔽放電，實現高電場之電漿。藉此，可從曝露於放電單元之電漿的原料氣體，生成高品質之自由基氣體。另外，自由基氣體生成裝置係配設有複數個放電單元，於多方向噴出所生成之自由基氣體，且有利用該噴出之自由基氣體之用途。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2007-266489號公報
[專利文獻2]日本特開2001-135628號公報
[專利文獻3]日本特開2004-111739號公報
然而，以往之自由基氣體生成裝置無法生成反應性非常高且有效的自由基氣體。另外，大量的自由基氣體亦難以取得，而為從1方向供給自由基氣體者。與此同時地，所生成之自由基氣體的壽命非常短。因此，從自由基氣體生成裝置至與該自由基氣體生成裝置分別設置之自由基氣體處理場(為薄膜生成場，處理室裝置)為止， 要抑制濃度之降低，並且引導自由基仍困難。
例如，為了使從自由基氣體生成裝置噴出之自由基氣體以短時間碰觸處理室裝置內之被處理體，想到使自由基氣體的出口設為孔口狀(orifice)的方法。亦即，想到從自由基氣體生成裝置連接至處理室裝置之自由基氣體的傳送通路之開口部中，縮減該開口部之開口徑之方法。藉此，若處理室裝置內的壓力設為減壓狀態(真空狀態)，產生自由基氣體生成裝置內的壓力與處理室裝置內的壓力之差，可以高速度使自由基氣體噴出至處理室裝置內。亦即，可以維持高濃度的狀態，使自由基氣體從自由基氣體生成裝置導引至處理室裝置內。
採用上述方法時，開口部之徑，例如必須為數十mm左右。然而，採用該尺寸之開口部時，對於處理室裝置內之被處理體，被自由基氣體照射到之區域受到限制。亦即，難以形成大面積(例如，200mm徑以上之被處理體)且均勻的薄膜。
於是，本發明之目的係提供自由基氣體生成裝置及處理室裝置，分別鄰接配設之自由基氣體產生系統(遠程電漿型成膜處理系統，放電產生器及其電源裝置)中，以可將自由基氣體從自由基氣體生成裝置引導至處理室裝置，另一方面可使任意的自由基濃度之自由基氣體噴出至處理室裝置內的方式，例如即便是大面積的被處理體，亦可實施使用均勻之自由基氣體的處理，以高速實施使用自由基氣體之處理之放電產生器及其電源裝置。
為達成上述目的，本發明之放電產生器及其電源裝置，係具備自由基氣體生成裝置，其係利用介電體屏蔽放電，從原料氣體生成自由基氣體，處理室裝置，其係連接至前述自由基氣體生成裝置，並於內部配設有被處理體，利用前述自由基氣體對該被處理體實施處理，以及電源裝置，係對前述自由基氣體生成裝置施加交流電壓；前述處理室裝置係具有：裝載前述被處理體，使該被處理體旋轉之桌台；前述自由基氣體生成裝置係具有：產生前述介電體屏蔽放電之複數之放電單元，以及將前述原料氣體供給至該自由基氣體生成裝置內之原料氣體供給部，前述放電單元係具有：具有第一電極構件之第一電極部；與前述第一電極對向而配設，且具有第二電極構件之第二電極部；與前述處理室裝置內連接，與配設於前述桌台上之前述被處理體相面對，輸出藉由前述介電體屏蔽放電從前述原料氣體生成之前述自由基氣體之開口部；前述電源裝置係可輸入1個交流電壓，且控制輸出n相之交流電壓之電源電路構成，各相之前述交流電壓係施加於各前述放電單元，將施加於前述放電單元之前述交流電壓對應於前述放電單元身設置位置而實施可變控制，其中，n係對應於前述放電單元數之數。
關於本發明之放電產生器及其電源裝置，係具備自由基氣體生成裝置，其係利用介電體屏蔽放電， 從原料氣體生成自由基氣體；處理室裝置，其係被連接至前述自由基氣體生成裝置，於內部配設有被處理體，利用前述自由基氣體對該被處理體實施處理；以及電源裝置，係對前述自由基氣體生成裝置施加交流電壓；前述處理室裝置係具有：裝載前述被處理體，並使該被處理體旋轉之桌台；前述自由基氣體生成裝置係具有：產生前述介電體屏蔽放電之複數之放電單元，以及將前述原料氣體供給至該自由基氣體生成裝置內之原料氣體供給部；前述放電單元係具有：具有第一電極構件之第一電極部；與前述第一電極對向而配設，且具有第二電極構件之第二電極部；與前述處理室裝置內連接，並與配設於前述桌台上之前述被處理體相面對，輸出藉由前述介電體屏蔽放電從前述原料氣體生成之前述自由基氣體之開口部；前述電源裝置係設為可輸入1個交流電壓，且控制輸出n相之交流電壓之電源電路構成，各相之前述交流電壓係施加於各前述放電單元，將施加於前述放電單元之前述交流電壓對應於前述放電單元身設置位置而實施可變控制，其中，n係對應於前述放電單元數之數。
因此，可將自由基氣體從自由基氣體生成裝置引導至處理室裝置，且為低成本，低設置面積，同時可對大面積的被處理體實施均勻的自由基氣體處理。
因此，可將來自於自由基氣體生成裝置之複數之自由基氣體引導至處理室裝置。進一步，可以1個交流電源，從複數之放電單元輸出以任意的流量生成之自 由基氣體，將該自由基氣體引導至處理室裝置。因而，本發明之自由基產生系統，係可以低成本，小的自由基氣體生成裝置，對於大面積的被處理體，以較短時間實施均勻之自由基氣體處理。
1‧‧‧低電壓電極
2‧‧‧第一介電體
3‧‧‧第二介電體
4‧‧‧間隔件
5‧‧‧高電壓電極塊
9‧‧‧n相反向器電源裝置
31‧‧‧高電壓電極
40‧‧‧放電空間
70‧‧‧放電單元
100‧‧‧自由基氣體生成裝置
101‧‧‧原料氣體供給部
102‧‧‧開口部
200‧‧‧處理室裝置
201‧‧‧桌台
202‧‧‧被處理體
203‧‧‧氣體排出部
300‧‧‧真空泵
500‧‧‧自由基氣體產生系統
901‧‧‧整流電路
902‧‧‧反向器元件
903‧‧‧限流電抗器
904‧‧‧變壓器
905‧‧‧閘極電路
906‧‧‧電流檢測器
907‧‧‧控制電路
G1‧‧‧原料氣體
G2‧‧‧自由基氣體
第1圖係表示關於本發明之自由基產生系統500之構成例之圖。
第2圖係表示關於本發明之放電單元70之構成例之擴大剖面圖。
第3圖係表示用以驅動各反向器元件902之驅動脈衝週期、脈衝振幅訊號波形與輸出至放電單元70之交流電壓波形之圖。
如上所述，於遠程電漿型成膜處理系統中，本案之發明人們發現在配置對向電極之放電空間，生成自由基氣體，且使噴出之自由基氣體的開口部之開口徑縮小之放電單元構成，以作為可以一個交流電源，從自由基氣體生成裝置，維持高濃度之狀態，將複數之自由基氣體引導至處理室裝置內之構成。
在此，以使自由基氣體生成裝置為上段的方式，自由基氣體生成裝置與處理室裝置上下鄰接，開口部係從自由基氣體生成裝置連接至處理室裝置之自由基氣體之傳送路。另外，該開口部係配設有複數個。此外，各 開口部係面對於被處理體之主面。
然而，如上所述，採用該構成時，難以對處理室裝置內之被處理體均勻地進行使用自由基氣體之處理(以下，以其一例稱為成膜處理)。雖然可藉由增加開口部之數，或多或少可解決不均勻性，但僅管如此，仍然尚有不均勻性的問題存在。
作為解決上述之不均勻的成膜之手段，係於處理室裝置內，使被處理體於平面視角中旋轉之構成。然而，於該構成中，隨著從旋轉中心朝平面方向遠離，於該位置之被處理體的速度會變大(因為v(速度)=r(半徑)×ω(角速度))。從而，即便採用使被處理體旋轉之構成，從各開口部於處理室裝置內噴出自由基氣體，仍難以完全地解決上述所謂之不均勻成膜處理的問題。
就進一步解決成膜之不均勻性的方法而言，亦考量如下之構成。亦即，如上所述，有複數個自由基噴出部之開口部。於是，對應於各開口部設有放電單元，於各放電單元中，控制產生之自由基氣體量(自由基氣體濃度)之構成。
於各放電單元改變自由基氣體量(自由基氣體濃度)之方法，係考量於各放電單元設置交流電源，對各放電單元控制(改變)從交流電源所供給之電力之方法。然而，該方法必須設置複數個交流電源。因此，自由基氣體產生系統整體有變得大型化，且高成本之問題點。
另外，於各放電單元改變自由基氣體量之 方法，亦考量於各放電單元改變開口部之開口徑(改變孔口之孔徑)之方法。然而，若變化自由基氣體之開口部之開口徑(若改變孔口之孔徑)，於各放電單元中，從開口部噴出之自由基氣體的氣體流速本身亦會變化。該氣體流速的變化為防礙均勻成膜的主要原因。
於是，本案之發明人們，作為於各放電單元改變自由基氣體量之構成，於下述1個電源中，藉由反向器(inverter)元件，設為可使輸出之交流電壓具有獨立的n相之相位之反向器電源構成。輸出之n相之交流電壓之頻率數係一定頻率數。而且，僅有振幅值E可於各相中任意地設定。使該電源稱為n相反向器電源裝置。以下，依據表示本發明實施方式之圖式具體說明本發明。
第1圖係表示備有電源裝置之關於本實施方式之自由基氣體產生系統(放電產生器及其電源裝置)500之構成例之圖。另外，第2圖係表示關於本發明之放電單元70之構成例之放大剖面圖。另外，第3圖係表示具有輸出n個輸出交流電壓之手段，用以驅動於n相反向器電源裝置9中的各反向器元件902之驅動脈衝週期、脈衝振幅訊號波形與輸出至放電單元70之交流電壓波形的1個實施例圖。
以下，使用第1、2、3圖，說明本實施方式之自由基產生系統500之構成。
如第1圖所示，自由基氣體產生系統500係由自由基氣體生成裝置100、處理室裝置200、可輸出n 相交流電壓之一個n相反向器電源裝置9以及真空泵30所構成。
在此，n相之「n」係與配設於自由基氣體生成裝置100內之放電單元70之數「n」相同。
自由基氣體產生系統500係將進行自由基氣體G2生成之自由基氣體生成裝置100、與進行使用生成之自由基氣體G2之成膜處理等之處理室裝置200分別設置之遠程電漿型成膜處理系統。
如第1圖所示，自由基氣體生成裝置100之底面側與處理室裝置200之上面側連接。此外，如後所述，透過開口部102而連接自由基氣體生成裝置100內與處理室裝置200內。如上所述，形成有複數個開口部102。
自由基氣體生成裝置100內係利用介電體屏蔽放電，從原料氣體G1使該原料氣體G1之一部份藉放電而自由基氣體化，生成自由基氣體G2。
如第1圖所示，自由基氣體生成裝置100內係配設有複數個放電單元70。具體而言，各放電單元70係設於自由基氣體生成裝置100之底面上。
如第2圖所示，各放電單元70係由第一電極部1、2與第二電極部5、31、3所構成。第一電極部1、2係以指定的間隔隔開，而與第二電極部5、31、3對向。
亦即，第一電極部1、2與第二電極部5、31、3之間形成有產生介電體屏蔽放電之放電空間40。此外，為了維持一定之放電空間40之間距長(於第2圖中， 第一電極部1、2與第二電極部5、31、3之間之距離)，於第一電極部1、2與第二電極部5、31、3之間配設有1個以上之間隔件4。
如第2圖所示，第一電極部1、2係由低電壓電極(可理解為第一電極構件)1與第一介電體2所構成。
在此，低電壓電極1係成為接地電位，配設在自由基氣體生成裝置100之底面上。另外，於全部的放電單元70共有一個低電壓電極1。另外，第一介電體2係形成於低電壓電極1上。
另外，第二電極部5、31、3係由高電壓電極塊5、高電壓電極(可理解為第二電極構件)31以及第二介電體3所構成。
在此，於第二介電體3上形成有高電壓電極31，於該高電壓電極31上連接有高電壓電極塊5。對高電壓電極塊5供給有交流電壓之高電壓。另外，高電壓電極塊5與高電壓電極31係電性連接，故高電壓亦可施加至高電壓電極31。
另外，如第1圖所示，於放電單元70中，穿設有發揮孔口機能之開口部102。
在此，開口部102係以貫通第一介電體2以及低電壓電極1之方式形成。此外，開口部102係形成於第一介電體2之中央部。另外，開口部102係連接自由基氣體生成裝置100(更具體而言為放電空間40)內與處理室裝置200內。因此，放電空間40內所生成之自由基氣體 G2，係透過該開口部102而輸出至處理室裝置200內。此外，開口部102係與配設於處理室裝置200內之被處理體202之處理面相對面。
為平面視角時之放電單元70的輪廓形狀，就一實施例而言，係圓盤狀或同軸狀的圓錐狀。亦即，第一介電體2與第二介電體3同為圓盤或圓錐形狀，兩者2、3係平行或同軸狀地對向配置(此外，高電壓電極31亦為圓盤或圓錐形狀)。從上面看放電單元70時，第一介電體2之外周端與第二介電體3之外周端係一致。此外，為平面視角時的放電單元70的輪廓形狀不需要為圓盤狀或圓錐，只要可發揮同樣的效果，亦可為其他的形狀。
於各放電單元70中，該輪廓形狀係相同。例如，如上所述，若放電單元70之輪廓形狀為圓盤狀，為平面視角時，放電單元70之輪廓尺寸係取決於第一介電體2(相同地第二介電體3)之直徑。
n相反向器電源裝置9係具有整流電路901、n個反向器元件902、n個限流電抗器903、n個變壓器904、檢測出流向各反向器元件902之電流之電流檢測器906、驅動各反向器元件902之ON-OFF指令訊號之閘極電路905以及控制n相反向器電源裝置9之控制電路907。
參照第1圖，於n相反向器電源裝置9中，商用的三相交流電壓(圖示者雖係表示三相交流電壓，但亦可為單相交流電壓)係輸入於整流電路901。藉此，使整流電路901之輸出電壓整流，變換為直流化之直流電壓變 換。對複數個(n個)並列反向器元件902施加該直流電壓。
反向器元件902係藉由將功率電晶體等2個開關元件串聯配置而構成。於2個開關元件之閘極輸入來自閘極電路905之交互地ON-OFF變化之訊號。藉由該訊號之輸入，於限流電抗器903輸入藉由使直流電壓ON-OFF而生成之交流脈衝電壓。該交流脈衝電壓係經由限流電抗器903而輸入至變壓器904之一次側。
於n個變壓器904之一次側，係以△結線結合n個變壓器。依據各變壓器所輸入之一次電壓，變壓器904之二次側電壓係升壓成高電壓並輸出。變壓器904之二次側係藉由使n個變壓器之一端共通之Y結線，而使低壓電壓(LV)電壓共通。另一端之各變壓器904之二次側端子輸出各別相位相異之交流高電壓(HV)輸出。此相位相異之交流高電壓(HV)係分別對各放電單元70施加。
接著，參照第1圖，n相反向器電源裝置9係可對自由基氣體生成裝置100(更具體而言，係各放電單元70)而輸出用以放電之複數個交流高電壓。若對各放電單元70施加複數個交流高電壓，於各放電單元70之放電空間40中產生介電體屏蔽放電。而且，藉由通入於各放電空間40內之原料氣體G1與介電體屏蔽放電之作用，於各放電空間40中生成自由基氣體G2。亦即，於自由基氣體生成裝置100內，利用介電體屏蔽放電，一部分之原料氣體G1藉放電而生成自由基氣體化之氣體G2。
另外，原料氣體供給部101係配設在自由基 氣體生成裝置100之上面部。從該原料氣體供給部101，成為自由基氣體G2之原料的原料氣體G1被供給至自由基氣體生成裝置100內。此外，從原料氣體供給部101所供給之原料氣體G1係充滿於自由基氣體生成裝置100內，從各放電單元70之外側以均勻量侵入各放電單元70內，流通於各放電空間40內。
於處理室裝置200內，噴出以自由基氣體生成裝置100生成之自由基氣體G2。於處理室裝置200係利用該自由基氣體，對被處理體202之主面實施薄膜形成等處理。
例如，於自由基氣體生成裝置100供給氮氣體作為原料氣體G1。此時，於自由基氣體生成裝置100之各放電單元70內中，由該氮氣體生成作為自由基氣體G2之氮自由基氣體。從而，於處理室裝置200係利用從自由基氣體生成裝置100噴出之氮自由基氣體G2，對被處理體202形成氮化膜。
另外，於自由基氣體生成裝置100供給臭氧氣體或氧氣體作為原料氣體G1。此時，於自由基氣體生成裝置100之各放電單元70內，由該臭氧氣體或該氧氣體生成作為自由基氣體G2之氧自由基氣體。因而，於處理室裝置200係利用從自由基氣體生成裝置100噴出之氧自由基氣體G2，對被處理體202形成氧化膜。
另外，於自由基氣體生成裝置100供給氫氣體或水蒸氣氣體作為原料氣體G1。此時，於自由基氣體生 成裝置100之各放電單元70內，由該氫氣體生成作為自由基氣體G2之氫自由基氣體。或是，於自由基氣體生成裝置100之各放電單元70內，由該水蒸氣氣體生成作為自由基氣體G2之OH自由基氣體(羥基自由基氣體)。從而，於處理室裝置200係利用從自由基氣體生成裝置100噴出之氫自由基氣體G2或OH自由基氣體G2，對被處理體202形成氫還原膜(促進氫鍵結之金屬膜)。
另外，在處理室裝置200之下方側面，配設有與真空泵300連接之氣體排出部203。藉由該真空泵300所產生之氣體的排氣，使處理室裝置200內之壓力維持在約數torr至數十torr(數kPa)左右。另外，藉由真空泵300形成從自由基氣體生成裝置100至處理室裝置200之氣體流。此外，開口部102係發揮孔口之功能，故可在自由基氣體生成裝置100內與處理室裝置200內之間形成壓力區分。
如第1圖所示，處理室裝置200係配設有桌台201。而且，於該桌台201上裝載有被處理體202。從自由基氣體生成裝置100之開口部102噴出之自由基氣體G2碰觸該被處理體202。而且，於被處理體202實施利用自由基氣體G2之處理(例如，形成薄膜)。此外，桌台201係在裝載被處理體202之狀態，於平面視角中，順時計或逆時針旋轉。藉由該桌台201之旋轉，被處理體202亦同樣地旋轉。
此外，如上所述，各放電單元70之輪廓係 相同。另外，形成於各放電單元70之開口部102之開口徑亦相同。因此，因氣體流動造成之壓力損失，於各放電單元70以及開口部102中係相同。從而，於各放電單元70中氣體係均等地流動，噴出至處理室裝置200內之自由基氣體G2之噴出速度亦成為一定。
如第1圖所示，n相反向器電源裝置9之LV輸出端子係透過端子8，連接至低電壓電極1。此外，如上所述，於各放電單元70中，低電壓電極1係共通，為接地電位。另外，n相反向器電源裝置9之各HV輸出端子係透過n個端子7a、7b…7n，各別連接至各放電單元70之高電壓電極塊5。藉由該連接關係，n相反向器電源裝置9可對各放電單元70施加n相的交流之高電壓。
如上所述，一個n相反向器電源裝置9係對各放電單元70施加相位相異之複數個交流高電壓(HV)。另外，低電壓電極1內以及高電壓電極塊5內係形成可以冷卻水等冷卻，冷卻產生的熱之構造，但從圖式簡略化之觀點，省略有關於該冷卻之構造之圖示。
接著，於各放電單元70中，將高電壓電極31與低電壓電極1面對之區域成為放電空間40。於低電壓電極1連接有n相反向器電源裝置9之LV輸出端子，n相反向器電源裝置9之各HV輸出端子係經由各端子7a、7b…7n與各高電壓電極塊5，與各高電壓電極31連接。而且，若低電壓電極1與各高電壓電極31之間施加交流高電壓，於各放電空間40產生介電體屏蔽放電。而且，如上所述， 藉由原料氣體G1與該介電體屏蔽放電，於各放電空間40中一部分之原料氣體G藉由放電而生成自由基氣體化之氣體G2。
另外，如上所述，生成之自由基氣體G2係透過各開口部102對處理室裝置200內的被處理體202噴出。在此，噴出至處理室裝置200內之自由基氣體G2之濃度通常未達1%(10000ppm)，占有其餘部分之大部分氣體係原料氣體G1。從而，原料氣體G1扮演了將所生成之自由基化自由基氣體G2以短時間從各放電單元70載運至處理室裝置200內之載體氣體之角色。
亦即，從各放電單元40之開口部102所噴出之自由基氣體G2的噴出速度係取決於原料氣體G1。從而，若該噴出速度變慢，則自由基氣體G2到達被處理體202之耗費時間，生成之自由基氣體G2之一部份消滅的可能性變高，使得自由基氣體量(自由基氣體濃度)低之自由基氣體G2碰觸被處理體202。此意味著對被處理體202之使用自由基氣體G2的處理效率降低。
由以上事實，必須確保從各放電單元40開口部102所噴出之自由基氣體G2之噴出速度為一定以上，並期望開口部102之開口徑設為小孔口形狀。
接著，當開口部102之開口徑小時，可增加自由基氣體G2之噴出速度，抑制自由基氣體G2之消滅。然而，於被處理體202，自由基氣體G2之被照射面積受到限制。開口部102雖然被形成於於各放電單元70中，但當 自由基氣體G2之被照射區域受到限制時，則難以均勻地對被處理體202照射自由基氣體G2。
另一方面，於各放電單元70中，期望自由基氣體G2之噴出速度為固定。而且，為了使自由基氣體G2之噴出速度為固定，係使於複數個放電單元70中之放電單元70之輪廓形狀相同，而且，各開口部102之開口徑亦相同。
亦即，於各放電單元70中，不希望改變自由基氣體G2之噴出速度。另一方面，雖然為了自由基氣體G2之高速噴出而有使開口部102之開口徑變小之必要，但當開口徑變小時，則變得難以為均勻的自由基氣體處理。
於是，本發明係藉由以下的構成，可於各放電單元70中，使自由基氣體G2噴出速度維持在一定的高速，並且可對被處理體202均勻的為自由基氣體處理。
首先，照射自由基氣體G2時，藉由桌台201使被處理體202以一定速度旋轉。在此，自由基氣體生成裝置100中係配設有複數之放電單元70，於各放電單元70中係配設有開口部102。該開口部102之位置係固定。
從而，若使自由基氣體G2從各開口部102噴出，且轉被處理體202時，則可以比被處理體202更廣的範圍為自由基氣體處理。然而，由於被處理體202的旋轉，對應於被處理體202從旋轉中心開始的位置之圓周速度變得不同。當從放電單元70噴出之自由基氣體G2之流 量相同，而圓周速度不同時，對應於從被處理體202之旋轉中心開始的距離，對於被處理體202之自由基氣體處理會有不同的結果。
於是，必須以被處理體202之旋轉中心為起點，改變/調整從各放電單元70噴出之自由基氣體G2之流量。換言之，從對於被處理體202之自由基氣體處理的均勻性之觀點，必須依照被處理體202(桌台201)之旋轉的圓周速度，控制從各放電單元70噴出之自由基氣體G2之自由基化之流量成分。
在本發明於平面視角中，係從被處理體202之旋轉中心位置開始配設得愈遠的放電單元70，於高電壓電極31與低電壓電極1之間，施加愈高電壓之交流電壓波形，以控制該自由基氣體G2之流量。藉由進行如此之電壓施加，可供給至放電空間40之負荷電流會增加，供給至放電單元70之放電電力會提高，自由基氣體G2之生成量亦增加。因而，可依照放電單元70之配設位置，改變自由基氣體G2自由基化之流量成分。
於遠離被處理體202之旋轉中心的位置係圓周速度變快，故自由基氣體G2之照射時間變短。另一方面，離被處理體202之旋轉中心近的位置係圓周速度變慢，故自由基G2之照射時間變長。此處，被處理體202之旋轉速度(角速度)係固定。以反比於依放電單元70之配設位置決定之照射時間，改變放電單元70所產生之自由基氣體量(自由基氣體濃度)之方式，改變施加於各放電單元 70之交流電壓值。
例如，著眼於兩個放電單元70。一個放電單元70於平面視角，係從被處理體202之旋轉中心，僅離開第一距離。相對於此，另一個放電單元70於平面視角，係從被處理體202之旋轉中心，僅離開第二距離。在此，第一距離係小於第二距離。
此時，n相反向器電源裝置9係使施加於另一個放電單元70之高電壓電極31與低電壓電極1間之交流電壓值，較施加於一個放電單元70之高電壓電極31與低電壓電極1間之交流電壓值更高。藉此，使注入於另一個的放電單元70之放電電力量比注於一個之放電單元70之放電電力量多，於另一個放電單元70中之放電所生成之自由基氣體量(自由基氣體濃度)，亦比於一個放電單元70更多。亦即，可使從另一個放電單元70之開口部102所噴出之自由基氣體G2之流量成分比從一個放電單元70之開口部102所噴出之自由基氣體G2之流量成分更大。
如從上述所理解，為了依照離開放電單元70之上述旋轉中心之位置，而改變放電空間40內所生成之自由基氣體G2之濃度，n相反向器電源裝置9係依照離開放電單元70之上述旋轉中心之位置，對各放電單元70施加不同之電壓值之交流電壓。可進行如此電壓施加之n相反向器電源裝置9之構成以及動作，係使用第1、3圖而說明於下。
於第1圖所示之n相反向器電源裝置9中， 使輸入側之商用交流電源(例如，60Hz，三相200V)以整流電路901暫時直流化，將經直流化的電壓各別輸入至並聯之n個反向器元件902。另一方面，各反向器元件902係成為可藉由來自各閘極電路905之ON-OFF驅動訊號，自n個反向器元件902輸出任意的脈衝電壓。該輸出之脈衝電壓係透過各限流電抗器903輸入至各變壓器904。而且，各變壓器904係依照來自各反向器元件902之脈衝電壓而升高交流電壓。而且，各昇壓後之交流高電壓係施加至各放電單元70。
若輸入至各反向器元件902之來自各閘極電路905之ON-OFF驅動訊號係如第3圖所示之a、b、c、d…n，於各變壓器904之輸出部則可輸出相異振幅之交流電壓(參照第3圖之最下方所示之n相交流電壓波形)。
於電源的控制電路907中，進行ON-OFF的脈衝週期T係以各訊號幾乎設定為一定值(使反向器之輸出頻率數f(=1/T)設為固定)。而且，各脈衝之ON週期(相位)係對於角相位2 π偏移經n分割之相位(=2．π/n)。藉此，上述ON-OFF驅動訊號成為如第3圖所示之如a、b、c、d…n所示之各脈衝訊號。
進一步，可藉由使如第3圖所示之如a、b、c、d…n所示之各脈衝訊號之脈衝振幅τ隨著各相增大，以改變各n相之交流電壓之振幅。
進一步，依據放電單元70之環境溫度、供給之原料氣體流量、放電單元70內的氣體壓力及處理室壓 力等，即使負荷條件改變亦可使指定的放電電力輸出至各放電單元70，故電流檢測器906係對每個交流電壓檢測電流值等。而且，電流檢測器906係將該檢測結果回饋至控制電路907。於控制電路907內，使用該檢測結果，對於所設定之脈衝振幅τ或脈衝週期T實施PID(比例-積分-微分，Proportional-Integral-Derivative)控制。藉此，可使供給至各相之電力量更安定化。
亦即，於控制電路907中，依照所回饋之電流值與作為目標之各相的電流值之偏差量，實行脈衝振幅τ之PID控制。可藉由該PID控制，精度佳地控制供給至各相之電力量。
以各反向器元件902分割為n相之脈衝電壓，係透過限流電抗器903，供給至複數個變壓器904之1次側。複數個變壓器904之一次側係例如為△結線或Y結線，並與二次側卷線以磁性連結，以一次卷數與二次卷數之比，升壓輸入至一次側之電壓。二次側之輸出係為了使低電壓值LV為共通，而設為僅高電壓HV獨立之不同相位的高電壓，故就變壓器之二次側結線而言，期望設為Y結線。
在此，自由基氣體G2之噴出速度，主要係依照第2圖中介電體2、3之外形而決定。因此，於第2圖中，雖然係說明從自由基氣體G2之噴出速度相同之觀點，期望於各放電單元70中為相同之輪廓外形，但於各放電單元70中，若介電體2、3之外形為相同，即便改變高 電壓電極31之外形，從各放電單元70所噴出之自由基氣體G2之噴出速度亦可為相同。
如上所述，本實施方式之自由基氣體產生系統500，係於自由基氣體生成裝置100內，配設複數之放電單元70，對於各放電單元70配設開口部102。另外，透過開口部102而將複數之自由基氣體G2從自由基氣體生成裝置100導引至處理室裝置200。而且，使被處理體202旋轉。進一步，對於各放電單元70，1台n相反向器電源裝置9係輸出獨立之n相的相位相異之交流高電壓電壓，依照離開被處理體202之旋轉中心之距離而改變施加於放電單元70之交流電壓之振幅，並改變投入於放電空間40之放電電力密度。
因此，可藉由如上述般改變放電電力密度，透過開口部102而改變由自由基氣體生成裝置100所生成之自由基氣體G2之自由基量(自由基氣體濃度)。另外，對於一個自由基氣體生成裝置100，無須配設複數之交流高電壓電源，可使用1台n相反向器電源裝置9，而控制從各放電單元70噴出之自由基氣體G2之自由基氣體量(濃度)。因此，雖為低成本、低設置面積，但對於大面積的被處理體202，可實施均勻之自由基氣體處理。
另外，於第2圖中，複數之放電單元70之輪廓外形(特別是，介電體2、3之外形)於各放電單元70中為相同，各開口部102之開口徑於各放電單元70中亦為相同。因而，在放電空間40所生成之自由基量(濃度)頂多 成為未達1%之可變控制，故從開口部102噴出之氣體速度幾乎可維持相同狀態，同時可依照放電單元70之配設位置而控制自由基量(濃度)。
另外，各放電單元70之溫度、氣體流量或氣體壓力等之放電負荷狀態多少可變時，亦可回饋在各相檢測之電流值，於控制電路907係實施PID控制。藉此，亦得可施加更安定的交流電壓，並可對各放電單元70控制供給電力量。
另外，由於使被處理體202旋轉，故可縮小噴出自由基氣體G2之開口部102之開口徑，並可使自由基氣體G2更高速化。從而，可使自由基氣體G2以短時間到達被處理體202，可抑制到達被處理體202前自由基氣體G2之消滅。
此外，於各放電單元70中，面對放電空間40所配設之各介電體2、3係可由單結晶藍寶石或石英所構成。
因在放電空間40產生介電體屏蔽放電，介電體2、3會因該介電體屏蔽放電而受到放電損傷。於是，若使各介電體2、3設為單結晶藍寶石製或石英製者，可提升介電體2、3之放電耐受性，結果，可以介電體屏蔽放電抑制從介電體2、3析出之顆粒粒子量。
於自由基氣體生成裝置100中，為藉由放電空間40之介電體屏蔽放電，生成良質的自由基氣體G2，必須使放電空間40設為高電場電漿狀態。放電空間40之 電場係取決於放電空間40之氣體壓力與放電空間40之間距長之乘積值，為了設為高電場電漿狀態，「P．d(kPa．cm)」之乘積值要求成為指定之值以下。亦即，P係依照自由基氣體生成裝置100內之壓力，d係於各放電單元70之間距長(第一介電體2至第二介電體3為止之距離，於各放電單元70中係均一)。
於自由基氣體之情形，P．d乘積為相同值時，於大氣壓+短間距長之條件(稱為前者之情形)與減壓+長間距長之條件(稱為後者之情形)之情形在下述點為有利。亦即，後者之情形，放電空間40中流動的氣體流速較提高，且，間距長(放電面之牆)變廣，使自自由基氣體G2對壁之撞擊量所造成的損失受到抑制(亦即，可抑制所產生之自由基氣體量(自由基濃度)的分解)。
由於以上之情事，從可安定地驅動介電體屏蔽放電，得到良好的自由基氣體之觀點，本案之發明人們發現自由基氣體生成裝置100係期望滿足以下之條件。
亦即，期望於自由基氣體生成裝置100中，藉由將內部之氣體壓力P設定於約10kPa至30kPa左右，放電空間40之間距長d設定於約0.3至3mm，使P．d乘積設為約0.3至9(kPa．cm)。
以上，係於使被處理體202旋轉之處理室裝置200中，設置自由基氣體生成裝置100。而且，於該自由基氣體生成裝置100內，配設複數之放電單元70。藉由使從各放電單元70之開口部102所噴出之自由基氣體產生 量依照於被處理體202之旋轉角速度位置而改變，而在廣範圍之被處理體202之面以短時間形成均勻的膜。另一方面，亦可適用於在處理室裝置200中設置有裝設複數之放電單元70之自由基氣體生成裝置100，並具有可對複數之放電單元70施加任意之交流電壓之電源裝置之自由基氣體產生系統。
雖然說明有關含有電源裝置之用以成膜之自由基產生系統作為一實施例，但亦可適用於其他之自由基產生器用途或放電產生器之電源裝置。
1‧‧‧低電壓電極
2‧‧‧第一介電體
3‧‧‧第二介電體
4‧‧‧間隔件
5‧‧‧高電壓電極塊
31‧‧‧高電壓電極
40‧‧‧放電空間
70‧‧‧放電單元
102‧‧‧開口部
G2‧‧‧自由基氣體

Claims (8)

  1. 一種放電產生器及其電源裝置，係具備自由基氣體生成裝置(100)，其係利用介電體屏蔽放電，從原料氣體(G1)生成自由基氣體(G2)；處理室裝置(200)，其係被連接至前述自由基氣體生成裝置，於內部配設有被處理體(202)，利用前述自由基氣體對該被處理體實施處理；以及電源裝置(9)，係對前述自由基氣體生成裝置施加交流電壓；前述處理室裝置係具有裝載前述被處理體且使該被處理體旋轉之桌台(201)；前述自由基氣體生成裝置係具有產生前述介電體屏蔽放電之複數之放電單元(70)、以及將前述原料氣體供給至該自由基氣體生成裝置內之原料氣體供給部(101)；前述放電單元係具有：具有第一電極構件(5、31)之第一電極部(3、5、31)，與前述第一電極對向而配設且具有第二電極構件(1)之第二電極部(1、2)；與前述處理室裝置內連接，且與配設於前述桌台上之前述被處理體相面對，並輸出藉由前述介電體屏蔽放電從前述原料氣體生成之前述自由基氣體之開口 部(102)；前述電源裝置係設為可輸入1個交流電壓，且可控制輸出n相之交流電壓之電源電路構成，各相之前述交流電壓係施加於各前述放電單元，將前述施加於放電單元之前述交流電壓可對應於前述放電單元之設置位置而可變地控制；其中，n係對應於前述放電單元數之數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之放電產生器及其電源裝置，其中，前述處理室裝置係具有使前述被處理體旋轉之桌台(201)，前述電源裝置之電源電路構成係含有n相反向器與n相變壓器，各相之前述交流電壓係施加於各前述放電單元且於前述被處理體之平面視中，配設於遠離從前述旋轉之中心位置之前述放電單元狀，提高施加於該放電單元之前述交流電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之放電產生器及其電源裝置，其中，前述電源裝置係檢測分割成各相之直流電流，使用該檢測結果，PID控制前述反向器之脈衝振幅或脈衝週期。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之放電產生器及其電源裝 置，其中，前述放電單元進一步具有：面對產生前述介電體屏蔽放電之放電空間所配設之介電體(2、3)，前述介電體係由單結晶藍寶石或石英所構成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之放電產生器及其電源裝置，其中，於前述自由基氣體生成裝置中，內部之氣體壓力係10kPa至30kPa，前述第一電極部與前述第二電極部之距離係0.3至3mm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之放電產生器及其電源裝置，其中，前述原料氣體係氮氣體，前述自由基氣體生成裝置係自前述氮氣體生成氮自由基氣體作為前述自由基氣體，前述處理室裝置係利用前述氮自由基氣體，對前述被處理體形成氮化膜。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之放電產生器及其電源裝置，其中，前述原料氣體係臭氧氣體或氧氣體，前述自由基氣體生成裝置係從前述臭氧氣體或氧氣體，生成氧自由基氣體作為前述自由基氣體，前述處理室裝置係利用前述氧自由基氣體，對前述被處理體形成氧化膜。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之放電產生器及其電源裝置，其中，前述原料氣體係氫氣體或水蒸氣氣體，前述自由基氣體生成裝置係從前述氫氣體或水蒸氣氣體，生成氫自由基氣體或OH自由基氣體作為前述自由基氣體，前述處理室裝置係利用前述氫自由基氣體或OH自由基氣體，對於前述被處理體形成促進氫鍵結之金屬膜。
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