WO2005094140A1 - プラズマ発生装置 - Google Patents

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Abstract

プラズマ発生室(10)及び室(10)内に設置された高周波アンテナ(1)を備え、室(10)内ガスにアンテナ(1)から高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ発生装置。アンテナ(1)は、室(10)外から室(10)内ヘ延びる第1部分(11)と、第1部分(11)の室内側端部(11e)から電気的に並列に分岐し、終端(12e)が接地された室(10)の内壁に直接的に接続された複数本の第2部分(12)とからなる低インダクタンスアンテナである。アンテナ(1)の表面は電気絶縁性材科で被覆されている。アンテナに印加される高周波電力の周波数は40MHz~数100MHz程度の高いものでもよく、異常放電、マッチング不良等の不都合を抑制して所望のプラズマを発生させることができる。膜形成のような処理を実施できるように構成することもできる。

Description

明 細 書 プラズマ発生装置 技術分野

本発明は、 例えばガスプラズマのもとで膜形成するプラズマ C V D装 置、 ガスプラズマのもとでスパッタタ一ゲッ トをスパッタリングして膜 形成する装置、 ガスプラズマのもとでエッチングを行うプラズマエッチ ング装置、 ガスプラズマからィォンを引出してィォン注入ゃィォンド一 ビングを行う装置のごとくプラズマを用いる各種装置、 さらにはそのよ うな装置を利用した各種半導体或いはその部品の製造装置や、 液晶表示 装置或いはその部品の製造装置等のようにプラズマを利用する各種装置 において利用できるプラズマ発生装置に関する。 背景技術

ガスプラズマを発生させる方法は各種知られているが、 その中に、 プ ラズマ発生室内にできるだけ高密度で均一なプラズマを得る方法として 、 高周波電力を用いて誘導結合プラズマを発生させる方法が知られてい る。 また、 最近では、 プラズマ特性を向上させるために、 印加する高周 波電力の周波数を高くすること等も試みられている。

かかる誘導結合プラズマの生成では、 プラズマ発生室に対して設けた 高周波アンテナに高周波電力を印加するのであるが、 一般的には、 高周 波アンテナはプラズマ発生室外に配置される。

しかし、 例えば特開 2 0 0 1 - 3 5 6 9 7号公報は、 投入される高周 波電力の利用効率向上のために高周波アンテナをプラズマ発生室内に設 置することを提案している。 また、 アンテナをプラズマ発生室内に配置 した場合に生じる恐れのある異常放電等を抑制するために、 アンテナは 周回しないで終端する線状の導体で平面的構造 ( 2次元的構造) に構成 し、 これによりアンテナのィンダクタンスを低減すること提案しており

、 さらにその場合、 アンテナ終端をブラズマ発生室外へ弓 Iき出し、 プロ ッキングコンデンサを介して接地することを提案している。

しかしながら、 かかる従来提案されているプラズマ発生室内設置の高 周波ァンテナは、 プラズマ密度等のプラズマ特性をより向上させるため に、 印加する高周波電力の周波数を上げていくと、 アンテナ終端をブラ ズマ発生室外まで引き出している等のためにアンテナのィンダクタンス がなお高く、 マッチングがとれなくなったりする、 といった不都合が生 じる。

また、 アンテナ終端をプラズマ発生室外まで引き出しているので、 該 終端がプラズマ形成室壁を通る部分を気密処理する必要がある。

さらに、 アンテナは平面的構造のものであるため、 プラズマ発生室内 スペースの節約のために該アンテナを室内壁の近くに設置する場合 (そ のような場合が多いと考えられる) 、 アンテナからの高周波電界の多く が室内壁に向けられ、 それだけ高周波電力の利用効率が低下することも める。

そこで本発明は、 プラズマ発生室及び該プラズマ発生室内に設置され た高周波アンテナを備え、 該プラズマ発生室内ガスに該高周波アンテナ から高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ発生 装置であって、 従来の同種の装置よりも、 該高周波アンテナのインダク タンスを低減でき、 それにより、 従来より異常放電、 マッチング不良等 の不都合を抑制して所望のプラズマを発生させることができ、 たとえプ ラズマ特性を向上させるベく印加する高周波電力の周波数を上げる場合 でも、 異常放電、 マッチング不良等の不都合を抑制して所望のプラズマ を発生させることができるブラズマ発生装置を提供することを課題とす る。

また本発明は、 かかる課題を解決でき、 膜形成のような目的とする処 理を行えるプラズマ発生装置を提供することも課題とする。 発明の開示

本発明は、 ブラズマ発生室及び該プラズマ発生室内に設置された高周 · 波アンテナを備え、 該プラズマ発生室内ガスに該高周波アンテナから高 周波電力を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ発生装置で あり、 該高周波ァンテナは該プラズマ発生室外からプラズマ発生室内へ 延び、 該プラズマ発生室内で電気的に並列に分岐し、 各分岐部分の終端 が該プラズマ発生室に直接的に接続されているアンテナであり、 該プラ ズマ発生室電位は接地電位に設定されるプラズマ発生装置を提供する。 本発明にかかるプラズマ発生装置においては、 その高周波アンテナの プラズマ発生室外の部分はプラズマ生成に寄与しないから、 この部分を できるだけ短くして高周波電力印加装置におけるマッチングポッタスに 直接的に接続でき、 また、 アンテナ終端はプラズマ発生室外まで引き出 すことなくプラズマ発生室に直接的に接続してあるから、 それだけアン テナ全体を短く形成でき、 さらに、 プラズ 発生室内で電気的に並列に 分岐させるという、 並列配線構造を採用しているから、 アンテナのイダ クタンスをそれだけ低減できる。

これにより、 従来より異常放電、 マッチング不良等の不都合を抑制し て所望のプラズマを発生させることができ、 たとえプラズマ特性を向上 させるべく印加する高周波電力の周波数を上げる場合でも、 異常放電、 マツチング不良等の不都合を抑制して所望のブラズマを発生させること ができる。

前記高周波アンテナは、 より高密度のプラズマを発生させるベくブラ ズマをとじ込めるために、 プラズマ発生室内にあるアンテナ部分の周囲 をシールド部材で囲ってもよい。 かかるシ一ルド部材はアルミニウム、 ステンレススチール等の導電性材料製とすればよい。 かかるシールド部 材は、 プラズマ発生装置を後述するように膜形成に利用するとき、 ブラ ズマ発生室内壁に徒に膜付着することを抑制する防着部材としても機能 する。

前記高周波アンテナは、 プラズマ発生室内空間の節約のためにコンパ クトで且つ高周波電力の利用効率のよいものが好ましく、 そのために高 周波アンテナは立体的構造のものとしてもよい。 その代表例として、 前 記プラズマ発生室外から該プラズマ発生室の室壁を通りプラズマ発生室 内へ延在する第 1部分、 該第 1部分のプラズマ発生室内側端部から放射 状に分岐して延びるとともに前記プラズマ発生室壁へ向かつて延びる複 数本の第 2部分とを含み、 該各第 2部分の終端が該プラズマ発生室壁に 直接的に接続されている高周波アンテナを挙げることができる。

かかる高周波アンテナは例えばプラズマ発生室内壁の近くに配置して も、 該室壁と平行状に配置される平面的構造のアンテナと比べると、 ァ ンテナの第 1部分、 各第 2部分のそれぞれの周囲領域へ誘導電界をおよ ぼすことができ、 それだけプラズマ発生室内の広い範囲にわたり効率よ く電界をおよぼすことができ、 高周波電力の利用効率がよい。

かかるアンテナにおける第 2部分群は、 全体として U字状、 コの字、 半円状を呈するものや、 そのような形状のアンテナ部分を、 第 1部分を 中心として十字形等に所定の中心角度間隔で組み合わせたもの等を例示 できる。

いずれにしても、 高周波アンテナの少なくともプラズマ発生室内にあ る部分の導体表面は、 自己バイアスによりプラズマでエッチングされる 等の不都合を抑制するために、 アルミナ等の電気絶縁性材料で被覆する ことが好ましい。

また、 いずれにしても、 高周波アンテナに印加する高周波電力は、 周 波数が例えば商用の 1 3 . 5 6 M H zのものでもよいが、 本発明にかか るプラズマ発生装置の高周波ァンテナは前記のとおり低ィンダク夕ンス のものであるから、 例えば、 4 0 M H z〜 1 0 0 M H z程度のもの、 例 えば 6 0 M H z程度のもの、 或いはさらに数 1 0 0 M H z程度の高いも のでもよい。 このように周波数の高い高周波電力でも使用でき、 それに よりプラズマ密度等の点でプラズマ特性を向上させることが可能である 以上説明した本発明にかかるプラズマ発生装置は、 例えばガスプラズ マのもとで膜形成するプラズマ C V D装置、 ガスプラズマのもとでスパ ッ夕ターゲッ トをスパッタリングして膜形成する装置、 ガスプラズマの もとでェッチングを行うプラズマエツチング装置、 ガスプラズマからィ ォンを引出してィォン注入ゃィォンドーピングを行う装置のごとくブラ ズマを用いる各種装置、 さらにはそのような処理装置を利用した各種半 導体或いはその部品の製造装置や、 液晶表示装置或いはその部品の製造 装置等のようにプラズマを利用する各種プラズマ処理装置において利用 できる。

例えば、 前記プラズマ発生室内へ膜形成に用いるガスを供給するガス 供給装置を設け、 該プラズマ発生室内に物品ホルダを設置し、 該ガス供 給装置から該ブラズマ発生室内へ供給されるガスに前記高周波アンテナ から高周波電力を印加して誘導結合ブラズマを発生させ、 該プラズマの もとで該物品ホルダに保持させた被成膜物品上に膜形成することができ る。

例えば、 該ガス供給装置をシランガス及び水素ガスを供給する装置と することで、 該シランガス及び水素ガスのプラズマのもとで被成膜物品 上にシリコン膜を形成することができる。 この場合、 シランガス、 水素 ガスそれぞれのプラズマ発生室内への導入量、 プラズマ発生室内の成膜 ガス圧、 それらガスに印加する高周波電力 (周波数及び電力) 等を制御 することで、 多結晶シリコン膜のような結晶性シリコン膜を形成するこ とも可能である。

以上説明したように、 本発明によると、 プラズマ発生室及び該プラズ マ発生室内に設置された高周波アンテナを備え、 該プラズマ発生室内ガ スに該高周波アンテナから高周波電力を印加して誘導結合プラズマを発 生させるプラズマ発生装置であって、 従来の同種の装置よりも、 該高周 波アンテナのィンダクタンスを低減でき、 それにより、 従来より異常放 電、 マッチング不良等の不都合を抑制して所望のプラズマを発生させる ことができ、 たとえブラズマ特性を向上させるべく印加する高周波電力 の周波数を上げる場合でも、 異常放電、 マッチング不良等の不都合を抑 制して所望のブラズマを発生させることができるブラズマ発生装置を提 供することができる。

なお、 本発明に係る高周波アンテナの使用個数、 配置、 向き等は必要 に応じて適宜定めることができる。

また本発明は、 かかる利点を有し、 膜形成のような目的とする処理を 行えるプラズマ発生装置を提供することもできる。 図面の簡単な説明

第 1図は、 本発明に係るプラズマ発生装置の 1例の概略構成を示す図 である。

第 2図は、 高周波アンテナの立体構造例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明に係るプラズマ発生装置の 1例である、 膜形成装置とし て利用できるブラズマ発生装置を図面を参照して説明する。

図示のプラズマ発生装置 (膜形成装置) は、 成膜室として用いられる プラズマ発生室 1 0を備えており、 該室内には物品ホルダ 3、 該ホルダ 上方の高周波ァンテナ 1及び該電極を囲むシールド部材 2が設置されて いる。 成膜室 1 0は接地されている。

高周波ァンテナ 1は図 1及び図 2に示すように立体構造のァンテナで あり、 第 1部分 1 1 と複数本の第 2部分 1 2とからなっている。 第 1部 分 1 1はプラズマ発生室 (成膜室) 1 0外から該室の天井壁 1 0 ' を通 り、 室内へ真っ直ぐ棒状に延在している。 第 2部分 1 2は、 第 1部分 1 1の室内側端部 1 1 eから放射状に分岐して延びるとともに天井壁 1 0 , へ向かって延びている。 各第 2部分 1 2の終端 1 2 eは天井壁 1 0, にコネクタにて直接接続されており、 従って室 1 0を介して接地された 状態にある。

第 2部分 1 2の群れは、 全体として、 コの字形に屈曲した 2本のアン テナ部分を平面から見て十字形に組み合わせて第 1部分 1 1につなげた 形態を呈している。

また、 高周波アンテナ 1はそのアンテナ導体の表面が絶縁性膜 (ここ ではアルミナ膜) で被覆されている。

高周波アンテナ 1の第 1部分 1 1はマッチングボックス M Xを介して 高周波電源 F Wに接続されている。 マッチングボックス M X及び電源 F Wは高周波電力印加装置を構成している。 第 1部分 1 1のうち室 1 0外 に出ているプラズマ生成に寄与しない部分は極力短くされ、 マッチグボ ックス M Xに直接的に接続されている。 なお、 第 1部分 1 1は室 1 0の 天井壁 1 0, に設けた気密シールを兼ねる絶縁部材 1 0 aを貫通してい る。

かくして高周波アンテナ 1は短く形成され、 さらに、 室 1 0内で電気 的に並列に分岐された並列配線構造となっているから、 アンテナ 1のィ ダクタンスはそれだけ低減されている。

物品ホルダ 3は被成膜物品 (本例では基板 S ) を加熱するヒータ 4を 備えている。 物品ホルダ 3は室 1 0とともに接地されている。

シールド部材 2は、 ここでは筒状のもので、 アルミニウム等の導電性 材料から形成されており、 ホルダ 3に向けて開放されている。 シールド 部材 2は、 より高密度プラズマを生成するためにプラズマをとじ込めた り、 室内壁に徒に膜付着することを抑制するためのものであるが、 必ず しも要しない。

プラズマ生成室 (成膜室) 1 0に対しては、 上記の他、 ガス供給装置 1 0 0及び排気装置 E Xも設けられている。

ガス供給装置 1 0 0はここではシランガス (S i H 4 ) 供給回路 1 0 1 と水素ガス供給回路 1 0 2を含んでいる。

お気装置 EXは、 排気量調整を行うコンダクタンスバルブ CV、 該バ ルブを介して室 1 0に配管接続された真空ポンプ PMからなる。

シランガス供給回路 1 0 1は、 室 1 0の天井壁 1 0' に貫通設置され たガス導入ノズル N 1及びこれに順次配管接続された電磁開閉弁 A V 1 2、 マスフローコントローラ MF C 1及び電磁開閉弁 AV 1 1並びにシ ランガス (S i H4 ) ボンべ B 1からなつている。

水素ガス供給回路 1 0 2は、 室 1 0の天井壁 1 0' に實通設置された ガス導入ノズル N 2及びこれに順次配管接続された電磁開閉弁 AV 2 2 、 マスフ口一コントローラ MF C 2及び電磁開閉弁 A V 2 1並びに水素 ガスボンベ B 2からなつている。

以上説明したプラズマ発生装置 (膜形成装置) によると、 例えばつぎ のようにして基板 S上にシリコン膜を形成することができる。

先ず、 室 1 0の物品搬入搬出口 (図示省略) が開けられ、 物品ホルダ' 3上に被成膜基板 Sが搭載され、 再び該物品搬入搬出口が気密に閉じら れる。 次いで排気装置 EXのポンプ FMの運転にて室 1 0内が排気開始 される。

これにより室 1 0内が所定圧まで減圧されたところで、 シラン.ガス供 給回路 1 0 1の弁 AV 1 1、 AV 1 2が開かれ、 室 1 0内にマスフ口一 コントローラ MF C 1で制御された流量でシランガスが導入されるとと もに、 水素ガス供給回路 1 0 2の弁 AV 2 AV 2 2が開かれ、 室 1 0内にマスフ口一コントローラ MFC 2で制御された流量で水素ガスが 導入され始め、室内が成膜圧に維持される。 さらに、 高周波アンテナ 1 に電源 P Wからマッチングボックス M Xを介して高周波電力が印加され 、 これにより導入されたガスが励起されて誘導結合プラズマが生成され る。 必要に応じ、 図示省略のヒータで基板 Sを加熱してもよい。 かくし て、 該誘導結合プラズマのもとでホルダ 3上の基板 Sにシリコン膜が形 成される。 この膜形成において、 高周波アンテナ 1は既述のように低ィンダクタ ンスアンテナであるから、 異常放電、 マッチング不良等の不都合を抑制 して所望のプラズマを発生させることができる。 たとえプラズマ特性を 向上させるベく印加する高周波電力の周波数を、 例えば 4 0 ΜΗζ〜1 0 0 MHzと上げる場合でも、 異常放電、 マッチング不良等の不都合を 抑制して所望のプラズマを発生させることができる。

また高周波アンテナ 1は、 立体的構造のものであるから、 室内壁の近 くに配置しても、 室 1 0内の広い範囲にわたり効率よく電界をおよぼす ことができ、 それだけ高周波電力の利用効率が向上している。

また、 高周波アンテナ 1の表面は絶縁性材料で被覆されているから、 自己バイアスによりプラズマでェッチングされる等の不都合が抑制され る。

次に、 結晶性シリコン薄膜形成の実験例について説明する。

条件等は以下のとおりであつた。

基板:無アル力リガラス基板

基板温度: 4 0 0 °C

高周波電源: 6 0 MHz、 4 0 0 0W

シランガス導入量: 1 s c c m

水素ガス導入量 : 1 5 0 s c c m

成膜圧力: 0. 6 7 P a

膜厚:約 5 0 0人 このようにして得られた膜の結晶性をレーザラマン分光分析により評 価したところ、 ラマンシフト 5 2 0 cm— 1の結晶性を示すピークが出現 し、 結晶性が確認された。 産業上の利用可能性

本発明は、 プラズマ CVD装置、 プラズマエッチング装置、 ガスブラ ズマからイオンを引出してィォン注入ゃィォンド一ピングを行う装置な どのプラズマ生成が要求される各種分野で利用することができる。

Claims

請求の範囲
1 . プラズマ発生室及び該プラズマ発生室内に設置された高周波アンテ ナを備え、 該プラズマ発生室内ガスに該高周波アンテナから高周波電力 を印加して誘導結合プラズマを発生させるプラズマ発生装置であり、 該 高周波ァンテナは該プラズマ発生室外からプラズマ発生室内へ延び、 該 プラズマ発生室内で電気的に並列に分岐し、 各分岐部分の終端が該プラ ズマ発生室に直接的に接続されているアンテナであり、 該プラズマ発生 室電位は接地電位に設定されることを特徴とするプラズマ発生装置。
2 . 前記高周波アンテナのプラズマ発生室内にある部分はその周囲がシ ールド部材で囲まれている請求の範囲第 1項記載のプラズマ発生装置。
3 . 前記高周波アンテナは、—前記プラズマ発生室外から該プラズマ発生 室の室壁を通りプラズマ発生室内へ延在する第 1部分、 該第 1部分のプ ラズマ発生室内側端部から放射状に分岐して延びるとともに前記プラズ マ発生室壁へ向かつて延びる複数本の第 2部分とを含み、 該各第 2部分 の終端が該プラズマ発生室壁に直接的に接続されている請求の範囲第 1 項又は第 2項記載のプラズマ発生装置。
4 . 前記高周波アンテナの少なくとも前記プラズマ発生室内にある部分 の導体表面は電気絶縁性材料で被覆されている請求の範囲第 1項、 第 2 項又は第 3項記載のブラズマ発生装置。
5 . 前記高周波アンテナに高周波電力を印加する高周波電力印加装置を 有し、 該高周波電力印加装置は周波数が 4 0 M H z〜数 1 0 O M H zの 高周波電力を該高周波ァンテナに印加する請求の範囲第 1項から第 4項 のいずれかに記載のプラズマ発生装置。
6 - 前記プラズマ発生室内へ膜形成に用いるガスを供給するガス供給装 置及び該プラズマ発生室内に設置された物品ホルダを備え、 該ガス供給 装置から該プラズマ発生室内へ供給されるガスに前記高周波アンテナか ら高周波電力を印加して誘導結合ブラズマを発生させ、 該プラズマのも とで該プラズマ発生室内の前記物品ホルダに保持される被成膜物品上に 膜形成できる請求の範囲第 1項から第 5項のいずれかに記載のブラズマ 発生装置。
7 . 前記ガス供給装置はシランガス及び水素ガスを供給する装置であり 、 該シランガス及び水素ガスのプラズマのもとで前記被成膜物品上にシ リコン膜を形成できる請求の範囲第 6項記載のプラズマ発生装置。
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