JP2006274420A - Plasma film deposition method, and plasma cvd apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ成膜方法及びプラズマＣＶＤ装置に関する。 The present invention relates to a plasma film forming method and a plasma CVD apparatus.
プラズマを利用したＣＶＤ（化学的気相成長法）装置を用いて、基板の表面に薄膜を形成する技術が知られている。例えば、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の製造においては、アモルファスシリコンや結晶シリコンなどの薄膜（ゲート絶縁膜）を基板上の全域又は所定領域に均一に形成するプラズマＣＶＤ装置が用いられている。このプラズマＣＶＤ装置は、例えば、真空容器内に電極を配置し、高周波電源からの出力により電極から電磁波を放射して原料ガスのプラズマを発生させ、生成されるラジカルを基板面に付着させて成膜するものである。 A technique for forming a thin film on the surface of a substrate using a CVD (chemical vapor deposition) apparatus using plasma is known. For example, in the manufacture of TFT (thin film transistor), a plasma CVD apparatus is used that uniformly forms a thin film (gate insulating film) such as amorphous silicon or crystalline silicon over the entire region or a predetermined region on the substrate. In this plasma CVD apparatus, for example, an electrode is disposed in a vacuum vessel, an electromagnetic wave is emitted from the electrode by an output from a high frequency power source to generate plasma of a source gas, and a generated radical is attached to a substrate surface. It is a film.
ところで、このようなプラズマＣＶＤ装置においては、バッチ処理を連続して繰り返し行なうと、容器内のプラズマ状態、例えば、プラズマ中のラジカル密度が変動し、バッチ間で膜厚等の成膜品質にばらつきが生じるおそれがある。このような成膜品質のばらつきを抑制するため、例えば、高周波電源の出力をバッチ処理ごとに調整し、プラズマ状態の変動を抑制することが行なわれている。しかし、この方法によれば、例えば、バッチ処理後の基板面の膜厚を計測し、その結果から次回の成膜条件を選択しなければならず、生産管理上好ましくない。 By the way, in such a plasma CVD apparatus, when batch processing is continuously repeated, the plasma state in the container, for example, the radical density in the plasma fluctuates, and the film quality such as film thickness varies among batches. May occur. In order to suppress such variations in film formation quality, for example, the output of a high-frequency power source is adjusted for each batch process to suppress fluctuations in plasma state. However, according to this method, for example, the film thickness of the substrate surface after batch processing must be measured, and the next film formation condition must be selected from the result, which is not preferable in terms of production management.
そこで、容器内で生成されたプラズマ中の特定粒子、例えば、特定のラジカルを赤外レーザー吸光分光法により測定し、その測定結果に基づいてリアルタイムでプロセス条件を制御する技術が報告されている（例えば、特許文献１参照）。 Therefore, a technique has been reported in which specific particles in a plasma generated in a container, for example, specific radicals are measured by infrared laser absorption spectroscopy, and process conditions are controlled in real time based on the measurement results ( For example, see Patent Document 1).
これによれば、容器内のプラズマ中において、例えば、赤外光領域の特定波長の光を吸収する特定ラジカルの密度を測定することができる。また、レーザー光の光路を複数設けることで、プラズマ中の特定ラジカルの密度分布を検知することができ、その密度分布に基づいて成膜条件を調整することにより、膜厚の均一性を保つことができる。 According to this, in the plasma in a container, the density of the specific radical which absorbs the light of the specific wavelength of an infrared region can be measured, for example. Also, by providing multiple laser light paths, it is possible to detect the density distribution of specific radicals in the plasma, and to maintain film thickness uniformity by adjusting film formation conditions based on the density distribution. Can do.
ところで、特許文献１の測定方法を用いる場合、レーザー光を照射するレーザー光出力部（発光系）と、そのレーザー光を受光して減衰量を算出する検出部（受光系）を備える必要がある。また、レーザー光の波長を正確に管理する必要があるため、例えば、液体窒素等の冷却機構を装備する必要がある。そのため、装置全体が大型化し、かつ複雑化するという問題がある。
By the way, when using the measuring method of
本発明は、簡単な設備でプラズマ中の特定粒子の密度を計測し、プラズマ状態の変化を抑制することを課題とする。 This invention makes it a subject to measure the density of the specific particle | grains in plasma with a simple installation, and to suppress the change of a plasma state.
先ず、本発明の原理を説明する。例えば、半導体や液晶の絶縁膜形成プロセスにおいて、酸化剤として用いる酸素は、プラズマ中でラジカルとなり、絶縁膜の形成、特に、成膜速度を制御する上で重要な制御因子となる。この酸素ラジカルは、プラズマ中において、例えば、電子や分子などの粒子と衝突して基底状態から高い軌道状態へ励起され、この励起状態が崩壊して基底状態に戻る際に発光が生じる。そこで、この発光強度を計測し、所定の演算処理を行なうことで、酸素ラジカルの密度を知ることができる。 First, the principle of the present invention will be described. For example, in a semiconductor or liquid crystal insulating film formation process, oxygen used as an oxidant becomes a radical in plasma, which is an important control factor in controlling the formation of an insulating film, particularly the film formation rate. This oxygen radical collides with particles such as electrons and molecules in the plasma and is excited from the ground state to a high orbital state, and emits light when the excited state collapses and returns to the ground state. Therefore, the density of oxygen radicals can be known by measuring the emission intensity and performing a predetermined calculation process.
具体的に、上記課題を解決するため、本発明は、真空容器内に高周波の電磁波を放射し、その電磁波によって原料ガスのプラズマを発生させて、基板上の成膜対象面に成膜を行なうプラズマ成膜方法において、プラズマ中の特定粒子の発光強度を計測し、その発光強度から該特定粒子の密度を算出し、算出された密度に基づいて成膜条件を制御することを特徴としている。 Specifically, in order to solve the above-described problems, the present invention radiates a high-frequency electromagnetic wave into a vacuum vessel, generates plasma of a source gas by the electromagnetic wave, and forms a film on a film formation target surface on a substrate. The plasma film forming method is characterized in that the emission intensity of specific particles in plasma is measured, the density of the specific particles is calculated from the emission intensity, and the film forming conditions are controlled based on the calculated density.
このように、特定粒子の発光強度を検知する方法によれば、例えば、レーザー吸収分光法において必須となるレーザー光の出力部と検出部、及び液体窒素の冷却装置などが不要となり、設備を小型化、かつ簡単化できる。また、計測値から得られた特定粒子の密度に応じて、リアルタイムで成膜条件を制御できるため、プラズマ中の特定粒子の密度の変化を抑制し、プラズマ状態を安定化させることができる。これにより、バッチ間での成膜品質のばらつきを抑制し、かつ、同一バッチにおいても膜厚の均一性を高めることができる。 As described above, according to the method for detecting the emission intensity of the specific particles, for example, the laser light output unit and the detection unit, the liquid nitrogen cooling device, which are essential in laser absorption spectroscopy, are not required, and the equipment can be reduced in size. Can be simplified and simplified. In addition, since the film formation conditions can be controlled in real time according to the density of the specific particles obtained from the measurement values, the change in the density of the specific particles in the plasma can be suppressed and the plasma state can be stabilized. Thereby, the dispersion | variation in the film-forming quality between batches can be suppressed, and the uniformity of a film thickness can be improved also in the same batch.
この場合において、特定粒子の密度は、真空容器内に参照ガスを供給してプラズマ中の参照ガスに係る粒子の発光強度を計測し、その参照粒子と特定粒子の発光強度比に基づいて特定粒子の密度を算出することができる。このように、例えば、特定粒子の密度は、予め真空容器内の原料ガスと参照ガスの密度を変化させて特定粒子と参照粒子との発光強度比をデータとして記録しておくことにより算出することができる。 In this case, the density of the specific particles is determined based on the emission intensity ratio between the reference particles and the specific particles by supplying the reference gas into the vacuum vessel and measuring the emission intensity of the particles related to the reference gas in the plasma. The density of can be calculated. Thus, for example, the density of the specific particles is calculated by previously changing the density of the source gas and the reference gas in the vacuum vessel and recording the emission intensity ratio between the specific particles and the reference particles as data. Can do.
また、本発明のプラズマＣＶＤ装置は、原料ガスが導入される真空容器と、この真空容器内に設けられ成膜対象の平板部材が固定されるホルダーと、平板部材の平板面に対向させて配置されたアンテナとを備え、このアンテナは、表面を誘電体で覆った棒状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、間隔を開けて、かつ隣り合う各アンテナ素子の一端に高周波電力を供給する基端部を交互に異なる側に配列してなるプラズマＣＶＤ装置において、真空容器内で発光するプラズマ中の特定粒子の発光強度を計測する光計測手段と、この光計測手段により検知された発光強度に基づいて特定粒子の密度を算出する密度算出手段と、密度算出手段により算出された密度に基づいて成膜条件を制御する制御手段とを備えることにより、上記課題を解決できる。 Further, the plasma CVD apparatus of the present invention is disposed so as to face a flat plate surface of a flat plate member, a vacuum vessel into which a source gas is introduced, a holder provided in the vacuum vessel to which a flat plate member to be deposited is fixed. The antenna includes a plurality of antenna elements made of a rod-shaped conductor whose surface is covered with a dielectric, and a base that supplies high-frequency power to one end of each adjacent antenna element at intervals. In a plasma CVD apparatus in which ends are alternately arranged on different sides, an optical measurement means for measuring the emission intensity of specific particles in plasma emitted in a vacuum vessel, and the emission intensity detected by this optical measurement means The above problem is solved by providing a density calculation unit that calculates the density of the specific particle based on the control unit and a control unit that controls the film formation condition based on the density calculated by the density calculation unit. Kill.
この場合において、制御手段は、密度算出手段により算出された特定粒子の密度の算出値が予め定められた設定値よりも小さいとき、高周波電力の出力、真空容器内の圧力、真空容器内に供給する原料ガスの供給流量のうち、少なくとも１つを増加させるように制御する。すなわち、例えば、真空容器内で高周波の出力を増加させると、プラズマ中の特定粒子の密度が増加されることから、特定粒子の密度算出値に基づいて高周波電力などの外部パラメータを適宜調整することで、特定粒子の密度変化を抑制し、プラズマ状態を安定化させることができる。 In this case, when the calculated value of the density of the specific particle calculated by the density calculating unit is smaller than a predetermined set value, the control unit supplies the output of the high frequency power, the pressure in the vacuum container, and the vacuum container. Control is performed so as to increase at least one of the supply flow rates of the raw material gases. That is, for example, if the high frequency output is increased in the vacuum vessel, the density of specific particles in the plasma will increase, so external parameters such as high frequency power may be appropriately adjusted based on the calculated density of specific particles. Thus, the density change of the specific particles can be suppressed and the plasma state can be stabilized.
また、光検知手段は、平板部材の平板面に対し平行に移動する移動機構を備えていることが好ましい。すなわち、光検知手段を平行移動させ、プラズマ中の複数箇所で発光量を検知することにより、プラズマの水平方向における密度分布を知ることができ、膜厚の均一性を向上させることができる。 Moreover, it is preferable that the light detection means is provided with a moving mechanism that moves parallel to the flat plate surface of the flat plate member. That is, by moving the light detection means in parallel and detecting the light emission amount at a plurality of locations in the plasma, the density distribution in the horizontal direction of the plasma can be known, and the film thickness uniformity can be improved.
本発明によれば、簡単な設備でプラズマ中の特定粒子の密度を計測し、プラズマ状態の変化を抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the density of the specific particle | grains in plasma can be measured with simple equipment, and the change of a plasma state can be suppressed.
以下、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置の一例について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の全体構成図である。図２は、図１の真空容器を拡大して示す横断平面図である。図３は、図１の真空容器の縦断側面図であり、図１で省略した電極から高周波電源に至る装置構成を表している。 Hereinafter, an example of a plasma CVD apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of the plasma CVD apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional plan view showing the vacuum container of FIG. FIG. 3 is a vertical side view of the vacuum vessel of FIG. 1 and shows a device configuration from the electrode omitted in FIG. 1 to a high frequency power source.
本実施形態のプラズマＣＶＤ装置は、図１に示すように、真空容器１、高周波電源３、原料ガスの流量調整器５、真空ポンプ７、圧力計９、レンズ１１、発光検出部１３、分光器１５、冷却ＣＣＤ１７、演算装置１９を備えて構成される。
As shown in FIG. 1, the plasma CVD apparatus of this embodiment includes a
高周波電源３は、真空容器１内に設けられた図示しない電極と電気的に接続されている。真空容器１内に供給される原料ガスの供給経路には、流量調整器５が配設される一方、排気経路には、排気バルブ２１を介して真空ポンプ７が接続されている。流量調整器５は、例えば、後述する原料ガス成分毎に供給バルブが設けられ、各々バルブ開度が調整可能になっている。真空容器１の側壁には観測窓が設けられ、この観測窓から出射した光は、レンズ１１、発光検出部１３、光ファイバー２３を介して分光器１５に取り込まれ、冷却ＣＣＤ１７にて発光強度が検出される。この冷却ＣＣＤ１７により検出された発光強度は、演算装置１９に入力されて演算処理される。
The high
演算装置１９は、高周波電源３、流量調整器５、排気バルブ２１、圧力計９とそれぞれ電気的に接続されている。圧力計９により計測された真空容器１内の圧力は、電気信号に変換されて演算装置１９に入力され、ここにおいて演算処理された結果に基づいて、高周波電源３、流量調整器５、排気バルブ２１にそれぞれ制御信号が出力されるようになっている。
The
次に、真空容器１内の構成を説明する。本実施形態の真空容器１は、図２、３に示すように、棒状の電極３１（電磁波結合型電極ともいう）を複数本配列して構成される。電極３１の下方には、成膜対象となる基板３３を載せる基板ホルダー３５が設けられ、例えば、基板３３を加熱するための発熱体（図示せず）が設けられている。なお、基板ホルダー３５は、真空容器１とともに電気的に接地されている。
Next, the configuration inside the
真空容器１の上方側壁には、原料ガスを導入するガス供給口３７が設けられ、対向する側壁の下方には原料ガスを排気するガス排気口３９が設けられている。本実施形態では、原料ガスとして、例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）と酸素との混合ガスを用いるが、目的とする成膜の種類に応じて適宜設定することができる。ガス排気口３９は、排気経路を通じて真空ポンプ７と接続されている。
A
電極３１は、給電方向が交互に異なるように平行に配置され、隣り合う電極３１と一対の電極単位を構成し、基板３３の平板面と平行な面内に複数の電極３１が等間隔で配列されている。各電極３１の基端部（給電部）には、図示しない電力供給端子が接続されている。この電力供給端子は、同軸ケーブルなどの電送線路４１により整合器４３、電力分配器４５、電力増幅器４７を介して高周波電源３に接続されている。高周波電源３から出力される高周波電力は、電力増幅器４７により増幅された後、電力分配器４５で分配され、各整合器４３を介して各電極３１の給電部に供給されるようになっている。各電極３１に供給される高周波電力は、例えば、３０〜３００ＭＨｚ（ＶＨＦ）に設定される。なお、本実施形態では、図に示すように、すべての電極３１が平板状のアース板４９と接触して接地される構成になっている。
The
電極３１は、例えば、銅、アルミニウム、白金などの非磁性の電気良導体によって棒状又はパイプ状に形成され、その表面を石英などの誘電体で被覆して形成されている。電極３１の先端から基端部までの長さ、つまり真空容器１内に延在する電極長さは、例えば、電極３１に供給される高周波電力の波長λに対して（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０又は正の整数）となり、少なくとも基板３３の幅寸法よりも長めに設定されている。
The
次に、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置を用いて基板３３表面に薄膜を形成する動作について説明する。
Next, the operation of forming a thin film on the surface of the
先ず、真空容器１を開放して基板３３を基板ホルダー３５の上に載せた後、真空ポンプ７を作動させ、例えば、１ｍｍＰａ〜１Ｐａ程度に真空容器１内を減圧する。ここで、基板３３は、基板ホルダー３５上の発熱体により所定温度に加熱される。
First, after the
次に、原料ガスとなるＴＥＯＳと酸素の混合ガスをガス供給口３７から真空容器１内に供給する。この状態で真空容器１内の圧力が安定したのち、各電極３１に高周波電力を供給し、電極３１から高周波の電磁波を放射させることで、混合ガスが電離し、基板３３と電極３１との間にプラズマ５１が発生する。プラズマ５１は、導電性を有し、真空容器１内にプラズマ５１が充満して全体の導電性が増すことにより、放射された電磁波はプラズマ５１によって反射されて電極３１の周囲に閉じ込められ、この部分にプラズマ加熱領域が限定されるようになる。なお、図３に示すプラズマ５１は、発生領域を模式的に表したものである。
Next, a mixed gas of TEOS and oxygen serving as a source gas is supplied into the
本実施形態の電極３１は、電極３１周囲に放射される電磁波エネルギーが軸方向に沿って定在波の振幅の２乗に比例して変化し、一対の電極単位でみると、給電方向が互いに反対に配置されているため、軸方向の電磁波エネルギーが合成されて相互に補完され、軸方向のエネルギー分布は略均一になる。このため、生成するプラズマ５１の状態、つまり空間密度は水平方向で比較的均一となり、均一性の高い蒸着膜を形成することができる。
In the
ところで、このようなプラズマＣＶＤ装置において、例えば、同一の成膜条件下で連続的にバッチ処理を行なう場合、バッチ間で成膜品質、例えば、膜厚に変化が生じる場合がある。その理由は必ずしも明確ではないが、例えば、膜厚変化の周期が、真空容器１内の定期的なクリーニングの間隔と対応することから、真空容器１内の汚染などが膜厚変化の要因と考えられる。また、一般に、プラズマ中のラジカル密度は、成膜速度に影響を及ぼす因子となるため、例えば、真空容器１内の汚染の進行に伴い、バッチ毎にプラズマ中のラジカル密度が異なることが推測される。
By the way, in such a plasma CVD apparatus, for example, when batch processing is continuously performed under the same film forming conditions, film forming quality, for example, film thickness may vary between batches. The reason for this is not necessarily clear, but for example, since the period of change in film thickness corresponds to the interval of periodic cleaning in the
そこで、本実施形態では、先ず、プラズマ中の酸素ラジカルの発光強度を検知し、その発光強度からアクチノメトリ法を用いて酸素ラジカル密度を算出する。そして、得られたラジカル密度がバッチ間或いは同一バッチ内で均一に保たれるように、成膜条件を適宜調整するようにしている。ここで、アクチノメトリ法による酸素ラジカル密度の計測原理は、例えば、「Ｈ．Ｍ．Ｋａｔｓｃｈ，Ａ．Ｔｅｗｅｓ，Ｅ．Ｑｕａｎｄｔ，Ａ．Ｇｏｅｈｌｉｃｈ，Ｔ．Ｋａｗｅｔｚｋｉ共著、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ、２０００年、８８，６２６２」などに示されている。 Therefore, in the present embodiment, first, the emission intensity of oxygen radicals in the plasma is detected, and the oxygen radical density is calculated from the emission intensity using the actinometry method. The film forming conditions are adjusted as appropriate so that the obtained radical density is kept uniform between batches or within the same batch. Here, the principle of measuring the oxygen radical density by the actinometry method is, for example, “HM Katsch, A. Tewes, E. Quantt, A. Goehrich, T. Kawetzki, J. Appl. Phys, 2000, 88, 6262 "and the like.
以下、アクチノメトリ法による酸素ラジカル密度の計測原理を説明する。発光観測対象となる酸素原子の励起状態（Ｏ＊）は、主に基底状態からの電子衝突励起と酸素分子の電子衝突解離により生成され、自然寿命や親ガス（Ｏ２）との衝突クエンチングにより消滅する。この場合、励起状態酸素原子からの発光Ｉ（Ｏ）は、〔数１〕式のように与えられる。ここで、ｃ（Ｏ）は、観測系の量子効率で標準光源を用いて調べることができる。 Hereinafter, the measurement principle of the oxygen radical density by the actinometry method will be described. Excited state of oxygen atom as an emission observation object (O *) is produced mainly by electron impact dissociation of electron impact excitation and oxygen molecules from the ground state, the collision quenching of the natural life and parent (O 2) gas It disappears by. In this case, the emission I (O) from the excited state oxygen atom is given by the formula [1]. Here, c (O) can be examined using a standard light source with the quantum efficiency of the observation system.
〔数１〕式の〔Ｏ〕、〔Ｏ＊〕、〔Ｏ２〕は、それぞれ基底状態酸素原子密度、励起状態酸素原子密度、基底状態酸素分子密度を表し、ｎｅは電子密度を表す。Ａｉ （Ｏ）は酸素原子の励起状態の自然寿命の逆数、Ａｉｊ （Ｏ）は観測対象遷移のアインシュタインＡ係数である。ｈはプランク定数、ｃは光速、λは光の波長である。ｋｅ （Ｏ）、ｋｄｅ （Ｏ）はそれぞれ、励起状態酸素原子の基底状態からの電子衝突励起による生成のレート係数、酸素分子からの電子衝突解離による生成のレート係数を表し、以下の式が与えられる。また、ｋｑ （Ｏ）は、クエンチングによる消滅のレート係数を表し、「Ｎ．Ｓａｄｅｇｈｉ，Ｄ．Ｎ．Ｓｅｔｓｅｒ，Ａ．Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｖ．Ｃｚａｒｎｅｆｚｋｉ，Ｈ．Ｆ．Ｄｏｂｅｌｅ共著、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ、２００１年、１１５，３１４４」、「Ｋ．Ｎｉｅｍｉ，Ｖ．Ｓｃｈｕｌｚ−ｖｏｎ ｄｅｒ Ｇａｔｈｅｎ，Ｈ．Ｆ．Ｄｏｂｅｌｅ共著、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ、２００１年、３４，２３３０」などの文献に記載されている値を用いた。 [Equation 1] formula [O], [O *], [O 2] represents the ground state oxygen atom density, respectively, excited state oxygen atom density, the ground state molecular oxygen density, n e represents an electron density. A i (O) is the reciprocal of the natural lifetime of the excited state of the oxygen atom, and A ij (O) is the Einstein A coefficient of the transition to be observed. h is Planck's constant, c is the speed of light, and λ is the wavelength of light. k e (O) and k de (O) respectively represent a rate coefficient of generation due to electron collision excitation from the ground state of an excited state oxygen atom and a rate coefficient of generation due to electron collision dissociation from an oxygen molecule. Is given. Further, k q (O) represents the rate coefficient of quenching annihilation, “N. Sadeghi, DN Setser, A. Francis, V. Czarnefzki, HF Dobele, J. Chem. Phys. , 2001, 115, 3144 ”,“ K. Niemi, V. Schulz-von der Gathen, HF Dobele, J. Phys. D: Appl. Phys, 2001, 34, 2330 ”. The stated values were used.
ここで、ｆ（Ｅ）は規格化された電子エネルギー分布関数（ＥＥＤＦ）であり、電子温度で決まるマクスウェル分布を仮定したものである。電子温度は予めラングミュアプローブなどを用いて測定することができる。Ｅは電子のエネルギー、σｅ（Ｅ）、σｄｅ（Ｅ）は基底状態酸素原子の電子衝突励起断面積、酸素原子の電子衝突解離断面積、ｍｅは電子の質量を表す。 Here, f (E) is a normalized electron energy distribution function (EEDF), and assumes a Maxwell distribution determined by the electron temperature. The electron temperature can be measured in advance using a Langmuir probe or the like. E is the electron energy, σ e (E), σ de (E) is the electron collision excitation cross section of the ground state oxygen atom, the electron collision dissociation cross section of the oxygen atom, and me is the electron mass.
同様に、アルゴン原子に関しても、以下の〔数４〕式が与えられる。 Similarly, the following [Formula 4] formula is given also about an argon atom.
そして、〔数１〕式と〔数４〕式から、以下の〔数５〕式と〔数６〕式が与えられる。 The following [Equation 5] and [Equation 6] are given from the [Equation 1] and [Equation 4].
このように、酸素原子とアルゴン原子との発光強度比を測定することで、酸素密度を評価することができる。 Thus, the oxygen density can be evaluated by measuring the emission intensity ratio between oxygen atoms and argon atoms.
以下、具体的に成膜条件の制御方法について説明する。真空容器１内には、原料ガスと酸素に加えて参照ガスとして所定量のアルゴンガスを導入する。真空容器１内で生成されたプラズマ中の発光は、観測窓からレンズ１１、発光検出部１３、光ファイバー２３を介して分光器１５に取り込まれ、冷却ＣＣＤ１７にて発光スペクトルとして計測される。この発光スペクトルにより酸素原子とアルゴン原子の発光強度が検出されると、演算装置１９においてこれらの発光強度比から酸素ラジカル密度が算出される。ここで、酸素分子密度やアルゴン原子密度は、圧力計９により予め測定しておき、そのデータをテーブルとして記録しておく。なお、酸素分子やアルゴン原子以外の粒子（例えば、ＴＥＯＳやその解離種等）の影響については無視する。
Hereinafter, a method for controlling the film forming conditions will be specifically described. A predetermined amount of argon gas is introduced into the
このようにして、成膜中に酸素ラジカル密度をモニターし、成膜条件となるプラズマパラメータを変化させる。ここで、プラズマ制御のパラメータとしては、例えば、プラズマ生成のための高周波電力、原料ガスのガス流入量、真空容器１内の圧力などが挙げられる。
In this way, the oxygen radical density is monitored during film formation, and the plasma parameters that serve as film formation conditions are changed. Here, as parameters for plasma control, for example, high-frequency power for plasma generation, gas inflow of raw material gas, pressure in the
図４は、上記方法により測定した酸素ラジカル密度の投入電力依存性を示す図であり、横軸は高周波電源３が出力する電力（Ｗ）、縦軸は酸素ラジカル密度（ａ．ｕ．（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔ））を表している。図に示すように、電力変化に伴い、酸素ラジカル密度が増加することがわかる。すなわち、バッチ間或いは同一バッチにおいて成膜品質を安定化させるため、酸素ラジカル密度を計測し、その計測値が最適値となるように、高周波電力を含めた成膜条件を制御する。
4 is a graph showing the dependence of the oxygen radical density measured by the above method on the input power, where the horizontal axis represents the power (W) output from the high-
図５は、本実施形態の制御の一例を示すフロー図である。図に示すように、先ず、ステップＳ０１において、分光器１５の計測結果に基づいて演算装置１９により酸素ラジカル密度（以下、演算値（ａ）と略す）を算出する。次に、ステップＳ０２において、予め設定された酸素ラジカル密度の狙い値（以下、設定値（ｂ）と略す）とステップＳ０１の演算値（ａ）とを比較する。
FIG. 5 is a flowchart showing an example of the control of the present embodiment. As shown in the figure, first, in step S01, the oxygen radical density (hereinafter abbreviated as a calculation value (a)) is calculated by the
ここで、演算値（ａ）が設定値（ｂ）よりも小さい場合は、ステップＳ０３に進み、電極３１による出力電力の増加、真空容器１内の圧力増加、酸素供給量増加のうち、いずれか１つ又はこれらの組み合わせの制御が行なわれる。すなわち、高周波電源３、排気バルブ２１、流量調整器５のいずれかに、演算装置１９から制御信号が出力され、電源出力、バルブ開度（供給、排気）などが調整される。一方、演算値が設定値よりも大きい場合は、ステップＳ０４に進み、電極３１の入力電力の減少、真空容器１内の圧力減少、酸素供給量減少のうち、いずれか１つ又はこれらの組み合わせの制御が行なわれる。
Here, when the calculated value (a) is smaller than the set value (b), the process proceeds to step S03, and one of the increase in output power by the
以上述べたように、本実施形態では、プラズマ中で発光する酸素ラジカルの発光量に基づいて酸素ラジカル密度を算出しているため、例えば、レーザー吸収分光法のように、発光系と受光系、及び液体窒素などの冷却設備を備える必要がなく、装置構成を簡単化できる。また、得られた酸素ラジカル密度に基づいて、リアルタイムで成膜条件を変化させ、酸素ラジカル密度を最適値に制御することができる。このため、バッチ間でのプラズマ状態の変化を抑制し、成膜品質（膜厚等）を安定化することができる。 As described above, in the present embodiment, since the oxygen radical density is calculated based on the light emission amount of oxygen radicals emitted in plasma, for example, as in laser absorption spectroscopy, a light emitting system and a light receiving system, In addition, it is not necessary to provide cooling equipment such as liquid nitrogen, and the apparatus configuration can be simplified. Moreover, based on the obtained oxygen radical density, the film-forming conditions can be changed in real time, and the oxygen radical density can be controlled to an optimum value. For this reason, the change of the plasma state between batches can be suppressed and film formation quality (film thickness etc.) can be stabilized.
また、本実施形態では、酸素ラジカル密度の設定値を固定して、プラズマ状態を常に一定に保つように制御しているが、これに限定されるものではなく、例えば、酸素ラジカル密度の設定値を可変に制御し、時間経過とともに適宜変化させるようにしてもよい。 In the present embodiment, the set value of the oxygen radical density is fixed and controlled so that the plasma state is always kept constant. However, the present invention is not limited to this. For example, the set value of the oxygen radical density May be controlled variably and may be changed as time passes.
また、本実施形態では、プラズマ中の発光粒子として酸素ラジカルを計測対象として説明したが、発光量が計測できる粒子であれば、これに限定されるものではない。 In the present embodiment, oxygen radicals are measured as light emitting particles in plasma. However, the present invention is not limited to this as long as the light emission amount can be measured.
また、本実施形態では、固定された観測窓から所定領域の発光量を検知する例を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、光を受光するレンズ１１及び発光検出部１３を基板の平板面に対して平行な面に沿って移動させ、プラズマの複数箇所において発光量を計測するようにしてもよい。これによれば、水平方向におけるプラズマの密度分布を知ることができ、膜厚の均一性を向上させることができる。
In this embodiment, the example in which the light emission amount of the predetermined region is detected from the fixed observation window has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the
なお、本実施形態のプラズマ成膜方法は、例えば、他の電極構成を有するＣＶＤ装置においても適用することができ、薄膜太陽電池の製造、液晶薄膜の製造、薄膜トランジスタの製造、半導体などのエッチングその他の工業的用途に広く用いることができる。 The plasma film forming method of the present embodiment can also be applied to, for example, CVD apparatuses having other electrode configurations, such as thin film solar cell manufacturing, liquid crystal thin film manufacturing, thin film transistor manufacturing, semiconductor etching, etc. It can be widely used for industrial applications.
次に、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて、基板上にシリコン絶縁膜を形成する場合の一実施例について説明する。プラズマ放電条件は、以下の通りである。 Next, an example in which a silicon insulating film is formed on a substrate using the plasma CVD apparatus of FIG. 1 will be described. The plasma discharge conditions are as follows.
（放電条件）電極３１による高周波出力は１６０Ｗ、周波数は１３０ＭＨｚ、真空容器１内の圧力は２０Ｐａ、真空容器１内への供給流量は、ＴＥＯＳが２ｓｃｃｍ、酸素が１００ｓｃｃｍ、アルゴンが５ｓｃｃｍである。
(Discharge conditions) The high frequency output from the
上記の条件によりプラズマを発生させ、酸素ラジカルの発光量を計測して得られた発光スペクトルを図６に示す。なお、図６の横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）を表している。発光スペクトル中には、図示しないが、酸素原子とアルゴン原子の発光ピークがそれぞれ特定波長にて現れるため、これらの発光ピークから、酸素原子とアルゴン原子の発光強度比を求め、酸素ラジカル密度を算出すると、１．７×１０１４ｃｍ−３が得られた。よって、この値を酸素ラジカル密度の設定値とし、以後この値を一定に保つように以下の制御を行なった。 FIG. 6 shows an emission spectrum obtained by generating plasma under the above conditions and measuring the emission amount of oxygen radicals. 6, the horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents emission intensity (au). Although not shown in the emission spectrum, the emission peaks of oxygen atoms and argon atoms appear at specific wavelengths, respectively. From these emission peaks, the emission intensity ratio of oxygen atoms and argon atoms is obtained to calculate the oxygen radical density. As a result, 1.7 × 10 14 cm −3 was obtained. Therefore, this value was set as the oxygen radical density setting value, and the following control was performed so as to keep this value constant thereafter.
先ず、上記の放電条件を保持したまま、図６の計測をしてから５分後に再び計測を行なった。このときの発光スペクトルを図７に示す。図７の発光スペクトルは、図６と比較すると変化が明らかであり、酸素ラジカル密度を算出すると、１．５×１０１４ｃｍ−３が得られた。このように、５分後の酸素ラジカル密度が設定値よりも小さいことから、高周波電源３の出力値を所定量増加させたところ、発光スペクトルは、図８のように変化し、酸素ラジカル密度は、１．７×１０１４ｃｍ−３となった。すなわち、高周波電源３の出力値という外部パラメータを操作することで、酸素ラジカル密度というプラズマの内部パラメータを一定に保つことができる。
First, measurement was performed again 5 minutes after the measurement of FIG. The emission spectrum at this time is shown in FIG. The emission spectrum of FIG. 7 is clearly different from that of FIG. 6, and when the oxygen radical density was calculated, 1.5 × 10 14 cm −3 was obtained. Thus, since the oxygen radical density after 5 minutes is smaller than the set value, when the output value of the high-
表１に本実施例の制御の内容を示す。５分おきに酸素ラジカルの密度計測を行い、その度に高周波電源３の出力値を制御することで、酸素ラジカル密度を設置値に保持することができた。なお、本実施例では、５分おきに発光強度の計測を行なっているが、その間隔を短くすることで、酸素ラジカル密度の時間変化を減少させ、プラズマ状態を一層安定化させることができる。
Table 1 shows the contents of the control of this embodiment. By measuring the density of oxygen radicals every 5 minutes and controlling the output value of the high-
１ 真空容器
３ 高周波電源
５ 流量調整器
７ 真空ポンプ
９ 圧力計
１１ レンズ
１３ 発光検出部
１５ 分光器
１７ 冷却ＣＣＤ
１９ 演算装置
２１ 排気バルブ
３１ 電極
３３ 基板
３７ ガス供給口
３９ ガス排出口
５１ プラズマ
DESCRIPTION OF
19
Claims (5)
前記真空容器内で発光するプラズマ中の特定粒子の発光強度を計測する光計測手段と、該光計測手段により検知された前記発光強度に基づいて前記特定粒子の密度を算出する密度算出手段と、該密度算出手段により算出された前記密度に基づいて成膜条件を制御する制御手段とを備えることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。 A vacuum vessel into which a source gas is introduced; a holder provided in the vacuum vessel to which a flat plate member to be formed is fixed; and an antenna arranged to face the flat plate surface of the flat plate member, A plurality of antenna elements composed of rod-shaped conductors whose surfaces are covered with a dielectric, and base ends that supply high-frequency power to one end of each of the adjacent antenna elements are alternately arranged on different sides. In an arrayed plasma CVD apparatus,
An optical measurement means for measuring the emission intensity of the specific particles in the plasma that emits light in the vacuum vessel; and a density calculation means for calculating the density of the specific particles based on the emission intensity detected by the optical measurement means; A plasma CVD apparatus comprising: control means for controlling film formation conditions based on the density calculated by the density calculation means.
5. The plasma CVD apparatus according to claim 3, wherein the light detection unit includes a moving mechanism that moves in parallel with a flat plate surface of the flat plate member.
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