JP2012014991A - 高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で電極間に一様な電界分布を発生させることのできる高周波プラズマ発生装置を得る。
【解決手段】反応容器（１０）と、反応容器内に設けられた接地電極（１２）と、反応容器の開口部に絶縁体を介して設けられ、接地電極と一対の平行平板電極を形成する非接地電極（２１）と、非接地電極に設けられた複数の給電点を介して非接地電極に高周波電力を供給する電力供給手段（４０）とを備え、非接地電極は、方形形状を有し、複数の給電点は、接地電極と対向しない面における対向する２辺に沿った端部に設けられており、絶縁体は、非接地電極の長辺に沿った側面と反応容器が向かい合う領域に設けられた第１の誘電体（１ｂ）と、非接地電極の短辺に沿った側面と反応容器が向かい合う領域に設けられた第２の誘電体（１ｃ）とを含み、第１の誘電体の誘電率と第２の誘電体の誘電率が互いに異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極に高周波を供給することで電極間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置、および高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法に関するものである。

ＶＨＦ帯ないしＵＨＦ帯の高周波を用いて電極間に均一なプラズマを生成するために、電極間の電界分布を一様にする電極構造として、１つの電極に対して複数の給電点を設けることが提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特許第３４２５００９号公報 特許第３３１６４９０号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１および特許文献２に示される従来の高周波プラズマ発生装置では、隣り合う、もしくは向かい合う給電点の間隔が、供給する高周波の波長に対して大きくなると、給電点からプラズマを発生させる電極間に高周波が伝搬する際に、電極の端部に沿った高周波の回り込みが発生する。この結果、電極間の面内において位相差が生じ、均一な電界分布が得られないという問題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で電極間に一様な電界分布を発生させることのできる高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る高周波プラズマ発生装置は、反応容器と、反応容器内に設けられた接地電極と、反応容器の開口部に絶縁体を介して設けられ、接地電極と一対の平行平板電極を形成する非接地電極と、非接地電極に設けられた複数の給電点を介して非接地電極に高周波電力を供給する電力供給手段とを備え、非接地電極と接地電極に挟まれたプラズマ生成領域でプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、非接地電極は、一対の長辺および一対の短辺からなる方形形状を有し、複数の給電点は、非接地電極の上下面のうち接地電極と対向しない面における対向する２辺に沿った端部、もしくは非接地電極の対向する側面に設けられており、絶縁体は、非接地電極の一対の長辺のそれぞれに沿った側面と反応容器が向かい合う領域に設けられた第１の誘電体と、非接地電極の一対の短辺のそれぞれに沿った側面と反応容器が向かい合う領域に設けられた第２の誘電体とを含み、第１の誘電体の誘電率と第２の誘電体の誘電率とが互いに異なるように設定されているものである。

また、本発明に係る高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法は、高周波プラズマ発生装置を適用し、接地電極上に載置した基板上に成膜を行う高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法であって、接地電極上に載置した基板と非接地電極との間隔を所定の値に調整し、基板の温度を所定温度に昇温させる工程と、非接地電極に設けられた供給口にプロセスガスを供給するとともに、真空容器内のガス圧力が所望値となるように、真空容器に設けられた排気口からのプロセスガスの排気速度を調整する工程と、非接地電極に設けられた複数の給電点を介して非接地電極に高周波電力を供給し、非接地電極と接地電極との間に高周波電界を一様に発生させることで、均一なプラズマを生成させ、基板の表面に成膜を行う工程とを備えたものである。

本発明に係る高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法によれば、方形の電極ブロック（非接地電極）の周囲に、電極ブロックの長辺側と短辺側で異なる誘電率をもつ誘電体材料で構成された絶縁スペーサ（絶縁体）を配置する構成を備えることで、電極ブロックの長辺側から短辺側に伝搬する高周波信号を反射させることにより、簡易な構成で電極間に一様な電界分布を発生させることのできる高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の構成図である。 本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１の構成図におけるＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１の構成図におけるＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１の構成図におけるＣ−Ｃ’断面図である。 本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１とは異なる構成図である。

以下、本発明の高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１の構成図におけるＡ−Ａ’断面図である。また、図３は、本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１の構成図におけるＢ−Ｂ’断面図である。さらに、図４は、本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１の構成図におけるＣ−Ｃ’断面図である。

これら図１〜図４において、真空容器１０の開口部には、絶縁スペーサ１ａを介して非接地電極を構成する電極ブロック２１が配置されている。なお、本発明における電極ブロック２１は、図２〜図４に示すように、一対の長辺および一対の短辺からなる方形形状を有している。さらに、真空容器１０の開口部側面と電極ブロック２１との間には、絶縁スペーサ１ｂ、１ｃが配置されている。

ここで、３つの絶縁スペーサ１ａ、１ｂ、１ｃのうち、絶縁スペーサ１ａ、１ｂは、アルミナセラミック等の高誘電率材料で構成され、絶縁スペーサ１ｃは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の低誘電率材料で構成されている。

一方、真空容器１０の上には、電極ブロック２１を覆うように、シールドボックス２０が配置されている。また、真空容器１０の内部には、電極ブロック２１と対向するように、接地電極を構成する基板ステージ１２が設けられている。そして、電極ブロック２１と基板ステージ１２とは、一対の平行平板電極を構成している。

電極ブロック２１には、成膜やエッチング等の表面プロセシングを行うプロセスガスの供給口２２が設けられている。そして、図示しないプロセスガス供給源から供給口２２を介して、真空容器１０の内部にプロセスガスが供給される。なお、この供給口２２は、シールドボックス２０からは電気的に絶縁されている。

供給されたプロセスガスは、電極ブロック２１の下面に多数設けられたガス供給孔２３を通過して真空容器１０の内部に入る。この結果、電極ブロック２１と基板ステージ１２との間に、プロセスガスが供給されるようになっている。

また、真空容器１０は、排気口１３から、図示しない真空ポンプによって、処理室１１内が真空排気されるようになっている。すなわち、ガスを一定流量で供給しているときに、排気口１３からの排気速度を調整することで、真空容器１０内のガス圧力を所望の値に設定することができるようになっている。

基板ステージ１２の上には、幅１．１ｍ×長さ１．４ｍ程度の大きさの方形のガラス基板３０が保持され、ガラス基板３０と電極ブロック２１の間隔が、数ｍｍから１０ｍｍ程度となるように基板ステージ１２の高さが調整されている。また、基板ステージ１２の内部には、図示しない加熱ヒータが内蔵されており、ガラス基板３０を所望の温度にまで昇温させることができる。

真空容器１０にプロセスガスを供給しているときに、電極ブロック２１と基板ステージ１２との間に高周波電界を一様に発生させることで、ガラス基板３０の大きさに相当する所定の領域にわたって均一なプラズマが生成される。そして、このように生成されたプラズマを用いて、ガラス基板３０の表面に成膜やエッチング等のプロセスを行うことができる。

電極ブロック２１には、４つの給電点３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに高周波給電回路４０の給電線路（中心導体）が接続されている。なお、給電線路（中心導体）は、シールドボックス２０から電気的に絶縁され、高周波給電回路４０のグラウンドは、シールドボックス２０と接続されている。

４つの給電点のうち、給電点３１ａ、３１ｂは、電極ブロック２１の上面において一方の長辺に沿った端部に設けられている。また、残りの給電点３１ｃ、３１ｄは、対向するもう一方の長辺に沿った端部に設けられている。これらの給電点は、電極ブロック２１の２つの対称面Ｘ−Ｘ’およびＹ−Ｙ’に対して互いに対称な位置に配置されている。

電力供給手段としての高周波給電回路４０は、周波数３０〜３００ＭＨｚのＶＨＦ帯の高周波信号を供給するための回路である。そして、図１に示した高周波給電回路４０は、高周波信号源としての発振器４１、可変移相器４２、増幅器４３、整合器４４、整合器４４を調整するための制御装置（図示せず）を含んで構成されている。また、発振器４１から各給電点までの長さ（電気長）は、すべて等しくなるように設定されている。

発振器４１で発生した高周波信号は、給電点の数（本実施の形態１の場合は、４つに相当）に分配された後、それぞれ可変移相器４２で所定の位相に設定され、増幅器４３で所望の電力まで増幅されて、それぞれの給電点３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに供給される。このとき、整合器４４は、給電点に供給された高周波信号が、増幅器４３側へ反射される電力が最小となるようにインピーダンス整合を行う。

電極ブロック２１の長辺に沿って設けられた給電点に供給された高周波信号は、電極ブロック２１の周囲のシールドボックス２０との間から、絶縁スペーサ１ａ、１ｂを通って真空容器１０の中に入り、電極ブロック２１と基板ステージ１２に挟まれたプラズマ発生領域に供給される。

このとき、絶縁スペーサ１ａと１ｂは、同じアルミナセラミック等の高誘電率材料で構成されている。このため、両者の間は大きな反射なく高周波信号が伝搬する。一方、絶縁スペーサ１ｃは、絶縁スペーサ１ａ、１ｂとは誘電率の異なるＰＴＦＥ等の低誘電率材料で構成されている。このため、絶縁スペーサ１ａ、１ｂを通って電極ブロック２１の短辺側に回り込んだ高周波信号が、絶縁スペーサ１ｃとの境界面で反射される。

したがって、供給された高周波信号のほとんどは、電極ブロック２１の長辺側から電極ブロック２１と基板ステージ１２に挟まれたプラズマ発生領域に供給されることになる。さらに、電極ブロック２１の長辺方向に対して、給電点の位置を調整することにより、電極ブロック２１の長辺方向に対して一様に高周波信号を供給することができる。

また、基板ステージ１２と真空容器１０との間を流れるグラウンド電流の経路が長くならないよう、基板ステージ１２の端部と真空容器１０の側面との間を銅箔などの金属プレート部材１４で接続することができる。これにより、基板ステージ１２端部での高周波信号の反射を抑え、効率よく高周波信号を供給することができる。

なお、金属プレート部材１４は、電極ブロック２１の辺に沿って離散的に設けられていてもよい。その場合には、隣り合う金属プレート部材１４間の隙間を、使用する高周波の波長の１／１０以下にする必要がある。

さらに、入力する高周波信号の位相を、可変移相器４２で時間的に変化させることで、電極ブロック２１と基板ステージ１２に挟まれたプラズマ生成領域における電極ブロック２１の短辺方向に対する電界強度分布を、均一な分布に近づけることができる。

例えば、可変移相器４２で設定される位相をすべて同じにした同相状態の場合には、電極ブロック２１に対する給電点の配置の対称性から、電極ブロック２１の対称面Ｘ−Ｘ’に沿って電界強度の強い分布が生じる。これは、給電点３１ａ、３１ｂから入力された高周波信号と、給電点３１ｃ、３１ｄから入力された高周波信号が、ちょうど対称面Ｘ−Ｘ’上では常に同相で重畳されるためである。

一方、可変移相器４２で設定される位相が給電点３１ａ、３１ｂと３１ｃ、３１ｄで１８０度異なるような逆相状態の場合には、電極ブロック２１に対する給電点の配置の対称性から、電極ブロック２１の対称面Ｘ−Ｘ’に沿って電界強度がほとんどゼロとなる分布が得られる。これは、給電点３１ａ、３１ｂから入力された高周波信号と、給電点３１ｃ、３１ｄから入力された高周波信号が、ちょうど対称面Ｘ−Ｘ’上では常に逆相で打ち消し合うためである。

したがって、同相状態での電界強度分布と逆相状態での電界強度分布がちょうど互いに打ち消し合う関係となっているため、両状態を時間で切り替えることで、電極ブロックの短辺方向の電界強度を、時間平均で一様に近づけることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、方形の電極ブロックの周囲に設けられた絶縁スペーサが、電極ブロックの長辺側と短辺側で異なる誘電率をもつ誘電体材料で構成されている。このような構成を備えることで、電極ブロックの長辺側から短辺側に伝搬する高周波信号を反射させることができ、電極ブロックの長辺方向に一様な高周波電界分布を得ることができる。

さらに、入力する高周波信号の位相を時間的に変化させることで、電極ブロックの短辺方向にも一様な高周波電界分布を得ることができる。この結果、電極ブロックと基板ステージ間に容易に均一なプラズマを発生させることができる。

なお、本実施の形態１では、絶縁スペーサの材料をアルミナセラミックとＰＴＦＥとした。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではなく、互いに誘電率が異なる材料であればよい。

また、本実施の形態１では、給電点３１ａ，３１ｂと３１ｃ，３１ｄを電極ブロック２１の上面における端部に設けた場合について説明した。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではない。図５は、本発明の実施の形態１における高周波プラズマ発生装置の図１とは異なる構成図である。この図５に示すように、電極ブロック２１の側面に給電点３１ａ，３１ｂと３１ｃ，３１ｄを設けてもよく、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、先の図１に示す装置を用いた薄膜製造方法について説明する。具体的には、シランガス（ＳｉＨ_４）と水素ガス（Ｈ_２）との混合プラズマを発生させ、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた例について説明する。

次のような処理を行った。
［処理１］真空排気した真空容器１０内の基板ステージ１２に幅１．１ｍ×長さ１．４ｍのガラス基板３０（厚み：４ｍｍ）を設置し、基板温度を２００℃にまで昇温した。
［処理２］次に、電極ブロック２１とガラス基板３０との間隔が５ｍｍになるように基板ステージ１２を設定した。

［処理３］この状態で、供給口２２にＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスをそれぞれ１ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ）と５０ｓｌｍの流量で供給し、真空容器１０内のガス圧力が１０００Ｐａとなるよう、排気速度を調整した。

［処理４］ガス圧力が安定した後、６０ＭＨｚの高周波電力を給電してＳｉＨ_４／Ｈ_２混合プラズマを発生させた。ここで、高周波電力は、長辺に沿った給電点３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの４箇所にそれぞれ５ｋＷ、計２０ｋＷ給電して、２０分間成膜を行った。

上述した処理１〜４の一連の条件で成膜を行った結果、膜厚２μｍ、膜厚の面内均一性±８％でシリコン薄膜が堆積され、実用的な大面積の基板サイズで均一な成膜が可能になった。また、ラマン分光法によって測定される４８０ｃｍ^−１における非晶質シリコンのピークＩａに対する５２０ｃｍ^−１における結晶シリコンのピークＩｃの強度比Ｉｃ／Ｉａの平均値は７．４、面内均一性は±１０％であり、良好な微結晶シリコン薄膜を均一に得ることができた。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１で説明した高周波プラズマ発生装置を用いて薄膜製造を行った結果、良好な微結晶シリコン薄膜を均一に得ることができることがわかる。

なお、実施の形態２では、ガス流量、圧力、高周波電力等のパラメータを固定しているが、本発明は、これらの値に限ることはない。また、プロセスガスとしてＳｉＨ_４とＨ_２の混合ガスを用いる場合について説明したが、プロセスの目的に応じて適切なガス種を選ぶとよい。さらに、プロセスガスにＡｒ、Ｎｅ等の希ガスを添加させてもよい。

１ａ 絶縁スペーサ（第３の誘電体）、１ｂ 絶縁スペーサ（第１の誘電体）、１ｃ 絶縁スペーサ（第２の誘電体）、１０ 真空容器（反応容器）、１１ 処理室、１２ 基板ステージ（接地電極）、１３ 排気口、１４ 金属プレート部材、２０ シールドボックス、２１ 電極ブロック（非接地電極）、２２ 供給口、２３ ガス供給孔、３０ ガラス基板、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ 給電点、４０ 高周波給電回路（電力供給手段）、４１ 発振器、４２ 可変移相器、４３ 増幅器、４４ 整合器。

Claims (6)

1. 反応容器と、
   前記反応容器内に設けられた接地電極と、
   前記反応容器の開口部に絶縁体を介して設けられ、前記接地電極と一対の平行平板電極を形成する非接地電極と、
   前記非接地電極に設けられた複数の給電点を介して前記非接地電極に高周波電力を供給する電力供給手段と
   を備え、前記非接地電極と前記接地電極に挟まれたプラズマ生成領域でプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、
   前記非接地電極は、一対の長辺および一対の短辺からなる方形形状を有し、
   前記複数の給電点は、前記非接地電極の上下面のうち前記接地電極と対向しない面における対向する２辺に沿った端部、もしくは前記非接地電極の対向する側面に設けられており、
   前記絶縁体は、前記非接地電極の前記一対の長辺のそれぞれに沿った側面と前記反応容器が向かい合う領域に設けられた第１の誘電体と、前記非接地電極の前記一対の短辺のそれぞれに沿った側面と前記反応容器が向かい合う領域に設けられた第２の誘電体とを含み、前記第１の誘電体の誘電率と前記第２の誘電体の誘電率とが互いに異なるように設定されている
   ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
2. 請求項１に記載の高周波プラズマ発生装置において、
   前記複数の給電点は、前記非接地電極の上下面のうち接地電極と対向しない面における前記一対の長辺のそれぞれに沿った端部、もしくは前記非接地電極の前記一対の長辺のそれぞれに沿った側面に設けられている
   ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
3. 請求項１または２に記載の高周波プラズマ発生装置において、
   前記絶縁体は、前記非接地電極と前記反応容器が上下方向で向かい合う領域に設けられた第３の誘電体をさらに含み、前記第３の誘電体の誘電率が前記第１の誘電体の誘電率と等しく設定されている
   ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高周波プラズマ発生装置において、
   前記接地電極の端部と前記反応容器の側面との間を接続する金属プレート部材をさらに備える
   ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波プラズマ発生装置において、
   前記電力供給手段は、前記一対の長辺の一方の辺に沿った第１の給電点の組に入力する高周波電力と、前記一対の長辺の他方の辺に沿った第２の給電点の組に入力する高周波電力との位相が互いに逆相となるようにするとともに、前記第１の給電点の組および前記第２の給電点の組のそれぞれに入力する前記高周波電力の位相を時間的に変化させる
   ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高周波プラズマ発生装置を適用し、前記接地電極上に載置した基板上に成膜を行う高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法であって、
   前記接地電極上に載置した前記基板と前記非接地電極との間隔を所定の値に調整し、前記基板の温度を所定温度に昇温させる工程と、
   前記非接地電極に設けられた供給口にプロセスガスを供給するとともに、前記真空容器内のガス圧力が所望値となるように、前記真空容器に設けられた排気口からのプロセスガスの排気速度を調整する工程と、
   前記非接地電極に設けられた複数の給電点を介して前記非接地電極に高周波電力を供給し、前記非接地電極と前記接地電極との間に高周波電界を一様に発生させることで、均一なプラズマを生成させ、前記基板の表面に成膜を行う工程と
   を備えたことを特徴とする高周波プラズマ発生装置を用いた薄膜製造方法。

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