JP2007273818A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜面積が大きい場合であっても、膜厚均一性が優れた膜を形成することができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明のプラズマ処理装置は、第１原料ガスを放出するガス放射板と、ガス放射板に対向して配置された基板ステージと、ガス放射板と基板ステージとの間に設けられ、第１原料ガスのプラズマを生成するとともに第１原料ガスを励起して反応活性種を得るプラズマ生成部と、第１原料ガスに第２原料ガスを混合させる第２原料ガス放出配管と、第２原料ガス放出配管とともに、第１原料ガスの流れを整流する整流部材とが前記反応容器内にある。基板ステージの表面に垂直な方向から見た場合、第２原料ガス放出配管は整流部材とともに、基板ステージの表面の中心に対して点対称を有するとともに、中心を通る線に対して線対称を有し、第１原料ガスの流れを均一にする対称パターン形状をなす。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子、フラットパネルディスプレイ、および太陽電池などの製造に用いられるプラズマ処理装置に関し、特に、成膜面積が大きい場合であっても、膜厚均一性が優れたプラズマ処理装置に関するものである。

今日、半導体素子、太陽電池、または液晶表示パネルもしくはプラズマディスプレイパネルなどのフラットパネルディスプレイの製造には、エッチング、スパッタリングまたはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等が利用されて、精度の高い加工処理が行なわれている。
半導体素子の製造において、プラズマを用いた処理（プラズマ処理）が施されるシリコンウエハ、およびフラットパネルディスプレイに用いられるガラス基板は、大型化の一途をたどっている。これに対応してプラズマ処理を施す処理装置の減圧処理室（チャンバ）も大型化し、この減圧処理室内において、半導体素子またはフラットパネルディスプレイなどの各種基板に形成される膜の成形精度に大きな影響を与える反応性プラズマ中の反応活性種（ラジカル）またはイオンを均一に生成させて、均一なプラズマ処理を行なう必要性が増大している。

大型の薄膜太陽電池を製造する装置として、例えば、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマＣＶＤ装置またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）プラズマ装置を用いることができる。
しかしながら、１ｍ×１ｍ程度の大きな面積の蒸着面を得るプラズマを発生させるには、例えば、ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置では、サイクロトロンに使用する磁場発生用のコイルと放射電波用のアンテナの配置が互いに干渉するようになり、実現は困難である。
また、大きな面積の蒸着面を得るプラズマを発生させるには、使用周波数も、従来のＥＣＲプラズマＣＶＤ装置またはＩＣＰプラズマ装置に使用されていた約１３ＭＨｚから、１ｍ×１ｍ程度の面積のものに対しては、約１００ＭＨｚと高くする必要がある。かかる高周波は、波長がチャンバの大きさと同等か、またはそれ以下となるので、均一な電波強度を得ることが困難である。

また、薄膜太陽電池など、大型の半導体基板の作製工程では、特に、パッシベーション用ＳｉＯ_２成膜工程などでのパーティクル発生の問題が顕著となっていた。このようなパーティクルは、第１原料ガスと第２原料ガスを混合して反応させて成膜層を形成する過程で発生するものであり、例えば、活性種（第１原料ガス）である酸素ガス（酸化ガス）と、第２原料ガスであるＴＥＯＳ（Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate（テトラエトキシシラン））ガス（以下、ＴＥＯＳガスという）とを混合させてプラズマを生成し、パッシベーション用ＳｉＯ_２膜を成膜する工程で顕著となっていた。このようなパーティクルは、第２原料ガスであるＴＥＯＳガスが、プラズマ生成手段によって必要以上に励起されて、必要以外の気相反応を生じてしてしまうことで発生する。このようなパーティクルの発生を防ぐために、活性種である酸素ガスのみをプラズマ化し、酸素ガスのみを励起状態（活性状態）にして酸素ラジカル（反応活性種）とし、この反応活性種を、プラズマ化していないＴＥＯＳガスと混合させることで２つのガスを反応させて、主に基板表面での表面反応によってＳｉＯ_２膜を形成する成膜方法が提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。

ここで、図９は、特許文献１に開示されたプラズマ反応装置を示す模式図である。
図９に示すように、特許文献１に開示されたプラズマ反応装置１００は、絶縁体で形成されたチャンバ１１０、チャンバの周囲を巻くように設置された高周波コイル１２０を備えたプラズマ発生部が複数個配列されている。
また、このプラズマ部に励起しようとする第１原料ガス（活性種ガス）を導入するガス導入部１３０が、チャンバの片方に設置され、チャンバの片方は励起したガス（反応活性種のガス）を拡散させる拡散部１４０に接続されている。拡散部で均一化された励起ガスは拡散部１４０に設けられたスリット状のノズル１５０を通して反応チャンバ１６０に導入される。反応チャンバでは、励起ガスと反応させる第２原料ガスがガス導入部（図示せず）から噴出され、スリットから導入された励起ガスと反応して、基板１８０上に薄膜を堆積させる。なお、特許文献１に開示されたプラズマ反応装置１００においては、基板１８０がプラズマ発生部の配列方向と略垂直方向に移動することより、基板１８０全面に薄膜が形成される。

また、特許文献２においては、平行平板型のプラズマ生成装置を用い、２枚の電極で挟まれたプラズマ領域に局在化させてプラズマを生成し、このプラズマ領域で活性種ガス分子を励起して反応活性種を得て、このプラズマ領域で得られた反応活性種を２枚の電極の下側の電極に設けたメッシュ孔から取り出し、取り出した反応活性種に、活性種ガス分子とは異なる原料ガスを混合させる成膜装置が開示されている。

特開２００３−２７３０３３号公報 特開平１０−３２１６１９号公報

上述の如く、特許文献１に開示されたプラズマ反応装置１００においては、チャンバ１１０と高周波コイル１２０からなる、１つ１つが比較的大きなプラズマ発生部（特許文献１では、誘導結合型のプラズマ発生装置）が複数必要であり、装置構成が煩雑となりコストも非常に高い。

また、このようなプラズマ発生装置１００では、プラズマが図９の上下方向に分布をもつ形態となるため、チャンバ１１０と基板１８０との距離をある程度保つ必要がある。加えて、１つ１つが比較的大きいプラズマ発生部を並べて配置するには、配置密度には限界があるため、励起したガスを基板表面に一様に供給するために、励起したガスを拡散させる拡散部を設ける必要がある。これらの理由から、プラズマ発生部と基板表面とは、ある程度の距離を保つ必要があり、ガスを励起してから、励起したガスを基板表面に供給するまでの間に、ある程度の時間を要していた。このため、励起ガスを十分に拡散させるためには時間を要し、励起ガスの寿命に対して十分短い時間で、励起ガスを基板表面に到達させることができなかった。このようなことから、特許文献１のプラズマ反応装置１００では、励起ガスを十分短い時間で基板表面に到達させるには、図９中の上下方向に広がったプラズマと基板１８０を近づける必要があり、基板表面へのダメージは避けられず、また励起ガスを十分に拡散させることもできなかった。このように、特許文献１に開示されたプラズマ処理装置１００は、基板表面での成膜条件の自由度は少ないものであり、成膜面積が大きい場合に、十分な膜厚均一性を得ることができないという問題点がある。

また、特許文献２に開示された成膜装置においては、プラズマ領域から反応活性種を取り出しつつ、このプラズマ領域に局在化してプラズマを生成することを可能とするため、電極に設けるメッシュ孔の孔径を生成するプラズマのデバイ長（例えば、０．２ｍｍ）よりも小さく（例えば、０．１５ｍｍ）している。このような小さなメッシュ孔では、プラズマの閉じ込め効率は高くなるものの、同時に、生成した反応活性種もプラズマ領域内に閉じ込めてしまう。このため、特許文献２の成膜装置では、プラズマ領域から反応活性種を効率良く取り出すことはできない。例えば、一方の電極により高い密度でメッシュ孔を配置することにより、より多くのメッシュ孔からより効率的に反応活性種を取り出すことはできる。しかし、メッシュ孔の配置密度を高くした場合も、電極面積が小さくなり、内部の電場の均一性が悪くなり均一なプラズマが得られない。このようなことから、特許文献２の成膜装置では、比較的狭いプラズマ領域でプラズマを局在化させて生成しつつ、このプラズマ領域から十分効率良く反応活性種を取り出すことができず、処理対象基板に、大きな面積で均一に混合ガスを供給することはできないという問題点がある。

本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、成膜面積が大きい場合であっても、膜厚均一性が優れた膜を形成することができるプラズマ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に、本発明の第１の態様は、反応容器内に導入された第１原料ガスに第２原料ガスを混合させた混合ガスを用いて処理対象基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１原料ガスを放出する第１原料ガス放出口が複数形成されたガス放射板と、前記ガス放射板に対向して配置され、前記処理対象基板が表面に配置される基板ステージと、前記ガス放射板と前記基板ステージとの間に設けられ、前記第１原料ガスのプラズマを生成するとともに前記第１原料ガスを励起して反応活性種を得るプラズマ生成部と、前記プラズマ生成部と前記基板ステージとの間に配置され、前記第１原料ガスの流れの途中で前記第２原料ガスを放出する第２原料ガス放出口が形成された第２原料ガス放出管を有し、前記第２原料ガス放出管が前記反応容器内を横切って設けられた第２原料ガス放出配管と、前記プラズマ生成部と前記基板ステージとの間に配置され、前記第２原料ガス放出配管とともに、前記第１原料ガスの流れを整流する整流部材とが前記反応容器内に備えられており、前記第２原料ガス放出配管および前記整流部材を前記基板ステージの前記表面に垂直な方向から見た場合、前記第２原料ガス放出配管は前記整流部材とともに、前記基板ステージの表面の中心に対して点対称を有するとともに、前記中心を通る線に対して線対称を有し、前記第１原料ガスの流れを均一にする対称パターン形状をなすことを特徴とするプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明においては、前記プラズマ生成部は、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が平面状に複数配列されてなるアンテナアレイを備えるものであることが好ましい。
また、本発明においては、前記対称パターン形状は、梯子状のパターン形状または格子状のパターン形状であることが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置によれば、プラズマ生成部と基板ステージとの間に配置され、第１原料ガスの流れの途中で第２原料ガスを放出する第２原料ガス放出口が形成された第２原料ガス放出管を有する第２原料ガス放出配管を設け、この第２原料ガス放出管を反応容器内を横切って配置し、第２原料ガス放出配管とともに、第１原料ガスの流れを整流する整流部材とを設けることにより、第２原料ガス放出配管および整流部材を基板ステージの表面に垂直な方向から見た場合、第２原料ガス放出配管を整流部材とともに、基板ステージの表面の中心に対して点対称を有し、かつ基板ステージの表面の中心を通る線に対して線対称を有し、第１原料ガスの流れを均一にする対称パターン形状をなすものとすることにより、第１原料ガスの流れの乱れを抑制し、流れを均一化でき、成膜面積が大きい場合であっても、基板表面全面に膜厚均一性が優れた膜を形成することができる。

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のプラズマ処理装置を詳細に説明する。
図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を示す模式的断面図である。

本実施形態の図１に示すプラズマＣＶＤ装置１０（以下、ＣＶＤ装置１０という）は、第１原料ガス（活性種ガス）として、酸素ガスを用い、第２原料ガスとして、ＴＥＯＳガスを用いて、ガラス基板またはシリコンウエハ等の基板（処理対象基板）３６の表面３６ａに対してＳｉＯ_２膜を形成することを例にして説明する。なお、本発明のプラズマ処理装置においては、基板に形成する膜はＳｉＯ_２膜に限定されるものではない。

図１に示すＣＶＤ装置１０は、制御部１２、分配器１４、インピーダンス整合器１６、および直方体状の反応容器１８を有するものである。この制御部１２は、後述するようにＣＶＤ装置１０の各機器を制御するものである。また、反応容器１８は、金属製または合金製であり、接地されている。

反応容器１８の上壁１８ａには、活性種ガスを導入する導入口２２が形成されている。この導入口２２にガス供給管２３が接続されている。さらに、ガス供給管２３には、ガス供給手段２６が接続されている。このガス供給手段２６は、例えば、ガスボンベを備えるものであり、このガスボンベには酸素ガス（第１原料ガス）が充填されている。

また、反応容器１８の下壁１８ｂには、排気口２４が形成されている。この排気口２４に排気管２５が接続されている。さらに、排気管２５には、真空排気部２７が接続されている。この真空排気部２７は、ロータリーポンプおよびターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有するものである。また、反応容器１８には内部の圧力を測定する圧力センサ（図示せず）が設けられている。
なお、制御部１２によって、ガス供給手段２６および真空排気部２７は制御されるものである。この制御部１２により、反応容器１８内の原料ガス等を排気することができ、さらには反応容器１８内の圧力を所望の圧力に調整することができる。

本実施形態においては、例えば、ＳｉＯ_２膜の成膜時、ガス供給手段２６から導入された酸素ガスが、反応容器１８内を上壁１８ａ側から下壁１８ｂ側（以下、上壁１８ａ側から下壁１８ｂ側に向かう方向を「垂直方向」という）に流れ、排気口２４から排出される。なお、後述するように、この酸素ガスは、排出までの過程に、反応容器１８内において、励起されて反応活性種とされ、ＴＥＯＳガスと混合され、混合ガスとなる。

また、反応容器１８の内部には、上壁１８ａ側から順に、ガス放射板２８、複数のアンテナ素子３２からなるアンテナアレイ（プラズマ生成部）３０、および基板３６が表面３６ａに載置される基板ステージ３４が設けられている。さらに、アンテナアレイ３０と基板ステージ３４との間に、第２原料ガス放出配管４０が設けられている。
また、基板ステージ３４、および第２原料ガス放出配管４０の第２原料ガス供給手段（図示せず）は、制御部１２により、制御されるものである。

ガス放射板２８は、ガス供給手段２６から導入された酸素ガス（第１原料ガス）を広い面積に渡って拡散させるものである。このガス放射板２８は、例えば、ＳｉＣからなる板材に、直径が０．５ｍｍ程度の貫通穴が複数形成されたものである。これらの貫通穴が第１原料ガス放出口２９となる。また、ガス放射板２８には、その表面に金属膜が形成されており、接地されている。
なお、ガス放射板２８は、ＳｉＣに限定されるものではなく、各種のセラミック製の板材で構成してもよく、また、金属製の板材で構成してもよく、さらにはＣＶＤにより成膜された板状部材であってもよい。

また、本実施形態において、ガス放射板２８は、反応容器１８の内部の全域に亘る大きさを有するものである。このガス放射板２８により、反応容器１８内が２つの空間に仕切られており、ガス放射板２８の上壁１８ａ側の空間が第１原料ガス分散室３８であり、ガス放射板２８の下壁１８ｂ側の空間が反応室３９である。
なお、ガス供給手段２６から導入口２２を介して第１原料ガス分散室３８に導入された活性種ガスが第１原料ガス放出口２９から反応室３９に一定の流速で流入する。

ここで、図２は、本実施形態のプラズマ処理装置のアンテナアレイを示す模式的平面図である。
図２に示すように、アンテナアレイ３０は、複数のアンテナ素子３２が、互いに平行にかつ平面状に配置されて構成されるものである。このアンテナアレイ３０は、ガス放射板２８下側に設けられている。

また、アンテナアレイ３０においては、各アンテナ素子３２が、反応容器１８の対向する２つの側壁１８ｃおよび側壁１８ｄに亘り配置されている。このアンテナアレイ３０（各アンテナ素子３２）が、ガス放射板２８及び基板ステージ３４に載置される基板３６に対して平行に設けられている。

アンテナ素子３２はモノポールアンテナであり、反応容器１８の側壁１８ｃ、１８ｄに形成した開口部（図示せず）に電気的に絶縁して取り付けられている。
アンテナアレイ３０においては、図２に示すように隣接するアンテナ素子３２と互いに逆方向に反応容器１８内の側壁１８ｃ、１８ｄから突出しており、給電方向が逆向きとなっている。これらのアンテナ素子３２は、高周波電流供給端の側がインピーダンス整合器１６に接続されている。このインピーダンス整合器１６はマッチングボックスである。

各アンテナ素子３２は、電気伝導率の高い導体からなる棒状（パイプであってもよい）を成し、使用する高周波の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０または正の整数である）の長さをモノポールアンテナであるアンテナ素子の放射長さとする。
各アンテナ素子３２は、石英等の誘電体からなる円筒部材３７に収納されており、各アンテナ素子３２の表面は石英等の誘電体で覆われている。このように、棒状の導体を誘電体で覆うことにより、アンテナ素子３２としての容量とインダクタンスが調整される。これにより、アンテナ素子３２の長手方向に沿って高周波電流を効率よく伝播させることができ、電磁波を効率よく放射させることができる。

アンテナ素子３２は、ガス放射板２８の下側近傍に設けられるので、アンテナ素子３２から放射される電磁波は、隣接するアンテナ素子３２間で電磁波が相互に影響を及ぼし合うことなく、ガス放射板２８に形成された金属膜が接地されていることにより、鏡像関係に形成される電磁波と作用して、アンテナ素子毎に所定の電磁波を形成する。さらに、アンテナアレイ３０を構成するアンテナ素子３２は、隣接するアンテナ素子３２と給電方向が逆向きとなっているので、反応室３９において電磁波は均一に形成される。

インピーダンス整合器１６は、制御部１２の高周波電源が発生する高周波信号の周波数の調整とともに用いて、プラズマの生成中にアンテナ素子３２の負荷の変化によって生じるインピーダンスの不整合を是正するために用いられるものである。

制御部１２は、高周波発振回路、増幅器からなる高周波電源（図示せず）および電流・電圧センサ（図示せず）を有し、電流・電圧センサの検知信号に応じて、この高周波電源の発振周波数の変更及びインピーダンス整合器１６の調整を行うものである。この制御部１２は、アンテナ素子３２に共通の高周波信号の周波数を制御して、すべてのアンテナ素子３２をインピーダンスが整合した状態に近づけ、この後、各アンテナ素子３２に接続されたインピーダンス整合器１６によって、各アンテナ素子３２のインピーダンスを個別に調整する。制御部１２と、複数のインピーダンス整合器１６とは、分配器１４を介して接続されている。また、制御部１２は、アンテナ素子３２に高周波信号の給電も制御するものである。

本実施形態においては、制御部１２により、反応容器１８内の圧力を真空排気部２７により１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の状態とし、さらに、アンテナ素子３２に高周波信号を給電することにより、アンテナ素子３２の周囲に電磁波が放射される。これにより、反応容器１８内のアンテナ素子３２の近傍でプラズマ（図示せず）が生成されるとともに、ガス放射板２８から放射された酸素ガス（活性種ガス）が励起されて酸素ラジカル（反応活性種）が得られる。その際、発生したプラズマは導電性を有するので、アンテナ素子３２から放射された電磁波はプラズマで反射され易い。このため、電磁波はアンテナ素子３２周辺の局部領域に局在化する。このように、モノポールアンテナからなるアンテナ素子３２を複数有するアンテナアレイ３０では、プラズマがアンテナ素子３２の近傍に局在化して形成される。

なお、このようなアンテナアレイを用いたプラズマ生成の原理についての詳細な説明が、本願出願人による先の出願である、特開２００３−８６５８１号公報に記載されている。また、アンテナアレイを用いたプラズマ生成装置における、各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法が、同じく本願出願人による先の出願である、特願２００５−０１４２５６号明細書に記載されている。本発明におけるアンテナアレイおよび各アンテナ毎の詳細なインピーダンス整合方法として、例えば、上記各明細書に記載の方法を利用すればよい。

また、図１に示すように、基板ステージ３４は、その表面３４ａに基板３６を載置するものである。この基板ステージ３４においては、基板ステージ３４の中心Ｃと基板３６の中心とを一致させて載置されるものである。また、基板ステージ３４は、その表面３４ａをアンテナアレイ３０に対向して配置されている。
また、基板ステージ３４の内部には基板３６を加熱する発熱体（図示せず）が設けられており、さらに接地された電極板（図示せず）が設けられている。なお、電極板がバイアス電源（図示せず）に接続され、このバイアス電源により電極板に所定のバイアス電圧が印加される構成でもよい。

ここで、図３は、本実施形態のプラズマ処理装置の第２原料ガス放出配管の一例を示す模式的斜視図である。
第２原料ガス放出配管４０は、第１原料ガスＧｆの流れの途中で第２原料ガスＧｓを放出する機能、および第１原料ガスＧｆの流れを整流し、第１原料ガスＧｆの流れを均一にする整流機能を有するものである。
この第２原料ガス放出配管４０は、基板ステージ３４の表面３４ａに垂直な方向から見た場合、基板ステージ３４の中心Ｃ（図１、図３参照）に対して、点対称を有するとともに、基板ステージ３４の表面３４ａの中心Ｃを通る線に対して線対称を有し、第１原料ガスＧｆの流れを均一にする対称パターン形状をなすものである。以下、基板ステージ３４の表面３４ａの中心Ｃに対して点対称を有するとともに、基板ステージ３４の表面３４ａの中心Ｃを通る線に対して線対称を有することを、単に「基板ステージ３４に対して対称性を有する」という。

また、第２原料ガス放出配管４０における対称パターン形状としては、例えば、基板ステージ３４の表面３４ａに垂直な方向から見た場合における形状は、例えば、梯子状または格子状である。
なお、本発明において、第２原料ガス放出配管４０は、第１原料ガスＧｆの流れを整流するものであるが、第２原料ガス放出配管４０により、整流される第１原料ガスＧｆには、第１原料ガス（活性種ガス）が励起されて得られた反応活性種も含まれる。

本実施形態においては、図３に示すように、第２原料ガス放出配管４０は、第２原料ガス放出部材４２と、第２原料ガス供給部材４４と、接続管４６と、第２原料ガスを供給する第２原料ガス供給手段（図示せず）に接続するための連結管５８とを有する。この第２原料ガス放出部材４２は大きさが、基板３６の表面３６ａの面積よりも大きい。

第２原料ガス放出部材４２は、基板ステージ３４の表面３４ａに垂直な方向から見た場合、梯子状の形態を呈するものであり、５本の第２原料ガス放出管５０と、２本の管５４とを有する。２本の管５４が対向して配置され、これら２本の管５４の間に、５本の第２原料ガス放出管５０が等間隔で配置されて、各第２原料ガス放出管５０の各端部が管５４に接続されている。第２原料ガス放出部材４２においては、全ての第２原料ガス放出管５０と管５４とが連通している。

また、第２原料ガス放出管５０には、その下側に、第２原料ガス放出口（以下、原料ガス放出口という）５２が長手方向に沿って複数形成されている。第２原料ガス放出部材４２においては、基板３６の表面３６ａに対して、第２原料ガスＧｓが均一に放出されるように、原料ガス放出口５２が形成されている。

第２原料ガス供給部材４４は、第２原料ガス放出部材４２の周囲を囲んで配置され、第２原料ガス放出部材４２に第２原料ガスを供給するものである。この第２原料ガス供給部材４４は、４本の輸送管５６ａ〜５６ｄが枠状に配管されたものであり、輸送管５６ａ〜５６ｄは連通している。また、第２原料ガス供給部材４４の形状は、基板ステージ３４に対して対称性を有するものである。
第２原料ガス放出部材４２と第２原料ガス供給部材４４とは、第２原料ガス放出部材４２の最も外側の第２原料ガス放出管５０と、輸送管５６ｂとが接続管４６により接続され、また、第２原料ガス放出部材４２の最も外側の第２原料ガス放出管５０と、輸送管５６ｄとが接続管４６により接続されている。
なお、接続管４６が設けられる位置、すなわち、第２原料ガス放出部材４２と第２原料ガス供給部材４４との接続位置は、第２原料ガス放出管５０の長さの略半分、かつ輸送管５６ｂ、５６ｄの長さの略半分の位置であり、さらには第２原料ガス放出部材４２の略中心を通る位置である。

また、第２原料ガス放出配管４０は、第２原料ガス放出部材４２の中心が、基板ステージ３４の中心Ｃと略一致して配置されている。このため、第２原料ガス放出管５０の長さの略半分の位置が基板ステージ３４の中心Ｃを通る位置となる。これより、第２原料ガス放出配管４０は、基板ステージ３４に対して対称性を有する構成が保たれている。
また、第２原料ガス放出配管４０は、アンテナアレイ３０（プラズマ生成部）と基板ステージ３４との間に、第２原料ガス放出管５０の長さ方向と、アンテナアレイ３０のアンテナ素子３２の長さ方向とを一致させ、反応容器１８内を横切るように第２原料ガス放出管５０を配置している。しかしながら、第２原料ガス放出配管４０は、基板ステージ３４に対して対称性を有するものであり、第２原料ガス放出配管４０の配置方向は、特に限定されるものではない。

また、輸送管５６ａには連結管５８が接続されている。この連結管５８は、第２原料ガス供給手段（図示せず）に接続されている。この第２原料ガス供給手段も制御部１２に接続されており、第２原料ガスの供給タイミング、および流量などが制御される。
また、第２原料ガス放出配管４０においては、第２原料ガス供給手段によりＴＥＯＳガスが連結管５８を介して、第２原料ガス供給部材４４の輸送管５６ａ〜５６ｄの内部を通り、さらに接続管４６により第２原料ガス放出部材４２に供給される。第２原料ガス放出部材４２においては、第２原料ガス放出管５０の原料ガス放出口５２から反応室３９内に、基板３６に向けてＴＥＯＳガスが放出される。

第２原料ガス放出配管４０においては、基板ステージ３４の表面３４ａ全面を覆うように、第２原料ガス放出部材４２が設けられており、この第２原料ガス放出部材４２の第２原料ガス放出管５０に複数の原料ガス放出口５２が設けられている。このため、原料ガス放出口５２から基板ステージ３４の表面３４ａ全面に向けて均一にＴＥＯＳガスを放出することができる。
この第２原料ガス放出配管４０において、第２原料ガス供給部材４４の接続管４６が接続された部分を境に、連結管５８が接続された輸送管５６ａとは反対側の輸送管５６ｂ、５６ｄの部分および輸送管５６ｃが、本発明の整流部材に相当する。

第２原料ガス放出配管４０は、アンテナ素子３２と比較的近接して（例えば、第２原料ガス放出配管４０の第２原料ガス放出管５０の中心と、アンテナ素子３２の中心と垂直方向における距離を２５ｍｍとして）配置されている。
アンテナアレイ３０はアンテナ素子３２の近傍に局在化してプラズマを生成することができるので、第２原料ガス放出配管４０をプラズマ（特に、電子温度が比較的高く、プラズマ密度も比較的高い高プラズマ領域）に曝さない状態で、第２原料ガス放出配管４０とアンテナアレイ３０とを近接して配置することができる。このため、アンテナアレイ３０近傍で得られた酸素ガス（第１原料ガス）の酸素ラジカル（反応活性種）は、十分な励起状態を保ったまま、第２原料ガス（ＴＥＯＳガス）と混合されて基板３６に到達することができる。逆にいえば、酸素ラジカル（反応活性種）が十分な励起状態を保ったまま、第２原料ガス（ＴＥＯＳガス）と混合されて基板３６に到達できるよう、アンテナアレイ３０と第２原料ガス放出配管４０とをある程度近接させて配置しても、第２原料ガス放出管５０の原料ガス放出口５２から放射された第２原料ガス（ＴＥＯＳガス）は、プラズマ、特に高プラズマ領域に直接曝されることがなく、ＳｉＯ_２成膜時のパーティクルの発生を抑制することができる。

また、第２原料ガス放出配管４０は、第１原料ガスＧｆの流れの途中で第２原料ガスＧｓを放出する機能に加えて、整流部材を含み、整流機能を有するものである。その第２原料ガス放出配管４０の構成を、基板ステージ３４に対して対称性を有する構成とすることにより、図１に示すように、第１原料ガスＧｆの流れについても、乱れることなく、流れが均一化される。このため、第１原料ガスＧｆの流れを整流することができ、基板表面近傍で、第１原料ガスＧｆ（反応活性種ガス）と第２原料ガスＧｓとの均一な混合ガスが生成される。このことから、基板３６の表面に、例えば、ＳｉＯ_２膜を均一に形成することができる。すなわち、膜厚均一性に優れたＳｉＯ_２膜を形成することができる。また、基板が、例えば、１ｍ×１ｍ程度の大きなものである場合であっても、整流部を兼ねる第２原料ガス放出配管４０の第２原料ガス供給部４２の大きさが基板３６よりも大きい構成であるため、膜厚均一性が優れたＳｉＯ_２膜を形成することができる。

なお、第２原料ガス放出配管４０においては、第２原料ガス供給部材４４は、全体の形状として基板ステージ３４に対して対称性を有し、整流機能を発揮することができ、さらに第２原料ガス放出部材４２にＴＥＯＳガスを供給することができれば、全ての輸送管５６ａ〜５６ｄは、連通している必要はない。このため、輸送管５６ｂおよび輸送管５６ｄにおいて、接続管４６が接続された位置よりも連結管５８とは反対側の位置にプラグ５９を設けて、接続管４６が接続された位置よりも連結管５８とは反対側に、ＴＥＯＳガスが供給されないようにしてもよい。すなわち、連結管５８が接続された輸送管５６ａとは反対側の輸送管５６ｂ、５６ｄの部分および輸送管５６ｃの本発明の整流部材に相当するものに、ＴＥＯＳガスが供給されないようにしてもよい。

また、本発明においては、基板ステージ３４に対して対称性を有する構成であれば、第２原料ガス放出配管４０の形態は、特に限定されるものではない。このため、例えば、図５に示す第２原料ガス放出配管６０のように、第２原料ガス放出部材６２の構成を、格子状としてもよい。この場合、図５に示す第２原料ガス放出配管６０は、図３および図４に示す第２原料ガス放出配管４０に比して、第２原料ガス放出部材６２の構成が異なるだけであり、それ以外の構成は、第２原料ガス放出配管４０と同様であり、その詳細な説明は省略する。

第２原料ガス放出配管６０においては、第２原料ガス放出部材６２が、枠状に形成された枠管６４に囲まれた領域内に、複数の第１の管６６と複数の第２の管６８とが開口部７０を設けて格子状に配置されたものである。この場合においても、第２原料ガス放出部材６２の中心と基板ステージ３４の中心Ｃとを一致させて、第２原料ガス放出配管６０が配置されている。なお、第１の管６６および第２の管６８には、それぞれ、原料ガス放出口（図示せず）が形成されている。

また、第２原料ガス放出配管６０においても、第２原料ガス供給部材４４は、全体の形態として、対称性を保ち、第２原料ガス放出部材４２にＴＥＯＳガスを供給することができれば、全ての輸送管５６ａ〜５６ｄは、連通している必要はない。このため、輸送管５６ｂおよび輸送管５６ｄにおいて、接続管４６が接続された位置よりも連結管５８とは反対側の位置にプラグ５９を設けて、接続管４６が接続された位置よりも連結管５８とは反対側に、ＴＥＯＳガスが供給されないようにしてもよい。

さらに、本発明においては、第２原料ガス放出配管４０および第２原料ガス放出配管６０において、第２原料ガス供給部材４４を、４本の輸送管５６ａ〜５６ｄを用いて枠状に形成したが、本発明は、これに限定されるものでもない。
第２原料ガス放出配管４０および第２原料ガス放出配管６０において、例えば、図６および図７に示すように、第２原料ガス供給部材４４ａを、基板ステージ３４の表面３４ａに垂直な方向から見た場合にコ字状を呈するパイプ７２ａで構成し、このパイプ７２ａと形状が同一の整流部材７２ｂとを有するものとしてもよい。この場合においても、第２原料ガス供給部材４４ａは、図４および図５に示す第２原料ガス供給部材４４と同じ大きさを有するものであり、基板ステージ３４の中心Ｃに対して対称性を有する。

また、第２原料ガス供給部材４４ａにおいて、コ字状のパイプ７２ａが接続管４６により第２原料ガス放出部材４２に接続されており、さらにコ字状のパイプ７２ａに連結管５８が接続されている。整流部材７２ｂが、パイプ７２ａの接続管４６との接続部７３に接続されている。
第２原料ガス放出配管４０においては、整流部材７２ｂとともに、第１原料ガスＧｆの流れを整流する。また、第２原料ガス放出配管６０においても、整流部材７２ｂとともに、第１原料ガスＧｆの流れを整流する。
基板ステージ３４に対して対称性を保持し、整流作用を発揮する整流部材７２ｂを設けてもよい。
なお、整流部材７２ｂは、パイプ７２ａとともに、第２原料ガス供給部材４４ａにおいて対称性を有し、第１原料ガスＧｆの流れを整流する整流機能を発揮できる構成であれば、特に限定されるものではない。例えば、整流部材７２ｂとして、パイプ７２ａと同じものを用いてもよく、さらには、パイプ７２ａとは異なる部材で構成してもよい。

次に、本実施形態のＣＶＤ装置１０を用いたＳｉＯ_２膜の成膜工程について説明する。
先ず、ガス供給手段２６から反応容器１８内に、酸素ガスを一定流量（例えば、１０ｓｌｍ）で流入させて、ガス放射板２８に設けられた第１原料ガス放出口２９から酸素ガス（活性種ガス）を反応室３９に一定の流速で流入させる。さらに、第２原料ガス放出配管４０の第２原料ガス放出管５０の原料ガス放出口５２からＴＥＯＳガスを一定流量（例えば、１００ｓｃｃｍ）で反応容器１８内に放出させる。このとき、反応容器１８（反応室３９）は真空排気部２７により排気されており、制御部１２により、反応容器１８（反応室３９）内を、例えば、１Ｐａ〜数１００Ｐａ程度の圧力に保持されている。これにより、反応容器１８（反応室３９）の垂直方向に酸素ガスおよびＴＥＯＳガスが流れる。

次に、アンテナ素子３２に高周波信号を給電して、アンテナ素子３２の周囲に電磁波を放射させる。これにより、反応室３９内で、アンテナ素子３２の近傍に局在化したプラズマが生成され、第１原料ガス放出口２９から放射された酸素ガス（活性種ガス）が励起された酸素ラジカル（反応活性種）が得られる。酸素ラジカル（反応活性種）は、アンテナ素子３２の間（間隙３３）を通過して、基板３６に向けて流れる。酸素ラジカル（反応活性種）は、第２原料ガス放出配管４０により、整流され、流れ均一化されて、基板ステージ３４に載置される基板３６の表面３６ａ上方に供給される。基板３６の表面３６ａ近傍において、酸素ラジカル（反応活性種）と、第２原料ガス放出配管４４ａから放出されたＴＥＯＳガスとが混合されて混合ガスとなり基板３６に到達する。

活性状態である酸素ラジカル（反応活性種）とＴＥＯＳガスとが混合されると、酸素ラジカルの活性エネルギによって反応が進行し、基板３６の表面３６ａにおいてＳｉＯ_２膜が形成される。
この場合、第２原料ガス放出配管４０が基板ステージ３４の中心Ｃに対して、点対称を有するものであるため、反応活性種（酸素ラジル）の流れが整流されており、基板３６の表面３６ａに対して、酸素ラジカル（反応活性種）が均一に供給される。
一方、第２原料ガス放出配管４０は、基板３６の表面３６ａに対して、ＴＥＯＳガスを均一に供給するものである。このことから、基板３６の表面３６ａに対して均一な混合ガスが得られる。これにより、励起状態の酸素ラジカル（反応活性種）とＴＥＯＳガスとの反応が、基板全面で均一に進行し、基板３６の表面３６ａ全面において膜質および膜厚均一性が優れたＳｉＯ_２膜を形成することができる。なお、基板が、例えば、１ｍ×１ｍ程度の大きなものである場合であっても、整流部を兼ねる第２原料ガス放出配管４０の第２原料ガス供給部４２の大きさが基板３６よりも大きい構成であるため、上述の如く、膜厚均一性が優れたＳｉＯ_２膜を形成することができる。

なお、本実施形態のＣＶＤ処理装置１０においては、プラズマ生成部として、モノポールアンテナが複数配置されたアンテナアレイ３０を用いることより、アンテナアレイ３０近傍に局在化させてプラズマを生成するものである。この構成により、基板ステージ３４に載置された基板３６にプラズマが直接曝されない状態で、基板３６とアンテナアレイ３０との距離を比較的近づけて配置することを可能にしている。これにより、アンテナアレイ３０近傍で励起された酸素ラジカル（反応活性種）の励起寿命に対して、アンテナアレイ３０と基板３６との距離を十分に近づけることを可能としている。すなわち、酸素ラジカル（反応活性種）が十分に励起した状態で基板の表面に到達することを可能としている。

また、本実施形態においては、プラズマ生成部として、モノポールアンテナが複数配置されたアンテナアレイ３０を用いた構成としたが、本発明は、この構成に限定されるものではない。本実施形態のＣＶＤ処理装置１０においては、例えば、平行平板型のプラズマ生成部を用いてもよい。

また、上述の実施形態のＣＶＤ装置１０においては、第２原料ガス供給配管４０が、整流部材を含み、整流機能を有する構成としたが、本発明のプラズマ処理装置は、これに限定されるものではない。本発明のプラズマ処理装置においては、第２原料ガス供給配管とともに、第１原料ガスＧｆの整流する整流部材を有する構成であれば、第２原料ガス供給配管と、整流部材とが別々に設けられた構成でもよい。この場合、基板ステージ３４の表面３４ａに垂直な方向から見た場合、整流部材はプラズマ生成部と第２原料ガス供給配管との間、または第２原料ガス供給配管と基板ステージとの間に設ける。

さらに、本発明においては、上述の実施形態のＣＶＤ装置１０において、第２原料ガス供給配管を設けない構成でもよい。
この場合、例えば、ＣＶＤ装置において、ガス供給手段２６から、酸素ガス（第１原料ガス）およびＴＥＯＳガス（第２原料ガス）の混合ガスを反応容器１８内に導入する構成とし、さらに、アンテナアレイ３０と基板ステージ３４との間に、第２原料ガス供給配管に代えて、整流部材だけを設ける構成とする。この整流部材は、基板ステージ３４に対して対称性を有するものである。このような構成のＣＶＤ装置であっても、基板３６に、均一な混合ガスを供給することができ、例えば、基板３６の表面３６ａにＳｉＯ_２膜を、膜厚均一性を高く形成することができる。

第２原料ガス供給配管がない構成のＣＶＤ装置においては、例えば、図８（ａ）に示すように、整流部８０としては、矩形状の枠部８２において対向する２辺にかかる直線状の棒材８４が、３本平行に所定の間隔で配置された梯子状のものが挙げられる。
さらには、図８（ｂ）に示すように、整流部９０として、矩形状の枠部８２の開口に、開口部９６を設けて相互に直交して配置された第１の部材９２と第２の部材９４とが配置された格子状のものが挙げられる。
図８（ａ）に示す整流部８０および図８（ｂ）に示す整流部９０においても、各中心を、基板ステージ３４の中心Ｃに一致させて配置されるものである。
この場合においても、整流部の整流作用により、混合ガスが基板の表面全面に、均一に供給されて、膜厚の均一性が優れたＳｉＯ_２膜を形成することができる。

上述のように本実施形態のＣＶＤ装置においては、基板表面にＳｉＯ_２膜を成膜する装置を例に説明したが、本発明のプラズマ処理装置はこれに限定されるものではない。本発明のプラズマ処理装置は、半導体素子、液晶表示パネルもしくはプラズマディスプレイパネルなどのフラットディスプレイパネル、および太陽電池などにおける各種の膜の成膜に用いることができる。さらに、本発明のプラズマ処理装置は、エッチング装置として用いることもでき、さらにまた、基板ステージのクリーニング処理に用いることもできる。

以上、本発明のプラズマ処理装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良および変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置を示す模式的断面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置のアンテナアレイを示す模式的平面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第２原料ガス放出配管の一例を示す模式的斜視図である。 図３に示す第２原料ガス放出手段の模式的平面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第２原料ガス放出配管の一例を示す模式的平面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第２原料ガス放出配管の一例を示す模式的平面図である。 本実施形態のプラズマ処理装置の第２原料ガス放出配管の一例を示す模式的平面図である。 （ａ）は、本実施形態のプラズマ処理装置の整流部の一例を示す模式的平面図であり、（ｂ）は、本実施形態のプラズマ処理装置の整流部の他例を示す模式的平面図である。 特許文献１に開示されたプラズマ反応装置を示す模式図である。

符号の説明

１０ プラズマＣＶＤ装置（ＣＶＤ装置）
１２ 制御部
１４ 分配器
１６ インピーダンス整合器
１８ 反応容器
２２ 導入口
２３ 第１原料ガス供給管
２４ 排気口
２６ ガス供給手段
２７ 真空排気部
２８ ガス放射板
３０ アンテナアレイ
３２ アンテナ素子
３３ 間隙
３４ 基板ステージ
３６ 基板
３８ 第１原料ガス分散室
３９ 反応室
４０、４０ａ、６０、６０ａ 第２原料ガス供給配管
４２、６２ 第２原料ガス放出部材
４４、４４ａ 第２原料ガス供給部
４６ 接続管
５０ 第２原料ガス放出管
５２ 第２原料ガス放出口（原料ガス放出口）
８０、９０ 整流部
１００ プラズマ反応装置
１１０ チャンバ
１２０ 高周波コイル
１３０ ガス導入部
１４０ 拡散部
１５０ ノズル
１６０ 反応チャンバ
１８０ 基板

Claims (3)

1. 反応容器内に導入された第１原料ガスに第２原料ガスを混合させた混合ガスを用いて処理対象基板に処理を施すプラズマ処理装置であって、
   前記第１原料ガスを放出する第１原料ガス放出口が複数形成されたガス放射板と、
   前記ガス放射板に対向して配置され、前記処理対象基板が表面に配置される基板ステージと、
   前記ガス放射板と前記基板ステージとの間に設けられ、前記第１原料ガスのプラズマを生成するとともに前記第１原料ガスを励起して反応活性種を得るプラズマ生成部と、
   前記プラズマ生成部と前記基板ステージとの間に配置され、前記第１原料ガスの流れの途中で前記第２原料ガスを放出する第２原料ガス放出口が形成された第２原料ガス放出管を有し、前記第２原料ガス放出管が前記反応容器内を横切って設けられた第２原料ガス放出配管と、
   前記プラズマ生成部と前記基板ステージとの間に配置され、前記第２原料ガス放出配管とともに、前記第１原料ガスの流れを整流する整流部材とが前記反応容器内に備えられており、
   前記第２原料ガス放出配管および前記整流部材を前記基板ステージの前記表面に垂直な方向から見た場合、前記第２原料ガス放出配管は前記整流部材とともに、前記基板ステージの表面の中心に対して点対称を有するとともに、前記中心を通る線に対して線対称を有し、前記第１原料ガスの流れを均一にする対称パターン形状をなすことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記プラズマ生成部は、誘電体で表面が覆われた棒状の導体で構成したアンテナ素子が平面状に複数配列されてなるアンテナアレイを備えるものである請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記対称パターン形状は、梯子状のパターン形状または格子状のパターン形状である請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。

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