JP2012182349A - プラズマ処理装置及び被処理体のプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】互いに異なるガスをガス種に応じて適切にプラズマ化でき、高品質の薄膜を成膜できるプラズマ処理装置及び被処理体のプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】真空槽１と、真空槽１内に配置され、真空槽１の内部空間８を被処理体４が配置される第１の空間８ａと第２の空間８ｂとに仕切る仕切部７と、仕切部７に設けられ、第１の空間８ａに向けてガスを放出するガス放出孔７ｂ１と、ガス放出孔７ｂ１に真空槽１外から第１のガスを導入する第１のガス導入部と、第１の空間８ａに真空槽１外から第２のガスを導入する第２のガス導入部と、第２の空間８ｂ側に配置され、内部空間８に高周波放電によってプラズマを発生させるアンテナ５ｂを備えるプラズマ処理装置を用い、互いに異なるエネルギーでプラズマ化された第１のガスと第２のガスとにより被処理体４上に薄膜を成膜する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波放電によりプラズマ化された互いに異なるガスを用いて被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置及び被処理体のプラズマ処理方法に関するものである。

高周波放電によりガスをプラズマ化させるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置等のプラズマ処理装置には、高周波を放電させるアンテナをチャンバの外部に備えるものと内部に備えるものとが知られている（例えば特許文献１〜３参照）。

図４は、特許文献１に記載された外部アンテナ方式の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置（ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）−ＣＶＤ装置）を模式的に示す図である。
該ＣＶＤ装置８０は、半球状の石英容器を備えた反応室８１の外周に沿って上部から下部に向かって巻線状のヘリカルアンテナコイル８２が配置されており、該アンテナコイル８２に高周波電源８３が接続されている。すなわち、高周波電源８３の一端は、マッチングボックス８４を介してヘリカルアンテナコイル上部８２ａに接続され、他端はヘリカルアンテナコイル下部８２ｂと接続され接地されている。反応室８１は真空排気口８５を介して排気系８６に接続されている。反応室８１上部には、シャワーヘッド８９が配置されており、該シャワーヘッド８９にはガス導入管８８が接続され、ガス導入管８８にはガス導入系８７が接続されている。反応室８１内の下部には、処理対象物９０を載置するためのステージ９１が設置されていて、このステージ９１は接地されている。

上記図４に示すＣＶＤ装置８０では、次のようにして処理対象物９０表面に薄膜が形成される。反応室８１は、真空排気口８５を介して排気系８６により真空排気される。ガスは、ガス導入系８７からガス導入管８８を介して反応室８１上部のシャワーヘッド８９に導入される。アンテナコイル８２に高周波電源８３から高周波が印加されると、プラズマを生成する。高周波電源８３によるアンテナ電流が作る磁界の時間変化により電界を誘導し、この電界で電子が加速してプラズマ放電が起き、原料ガスによって処理対象物９０表面に薄膜が形成される。

また、図５は、特許文献２に記載された内部アンテナ方式の誘導結合型プラズマ装置を模式的に示す図である。
該装置では、矩形の真空槽１００の側壁１１２の各々より、導入フランジ１３０を介して、アンテナ１２５が内部に導入されている。アンテナ１２５は一端をマッチングボックス１２６を介して、高周波電源１２７に接続されており、他端は接地電位に接続されている。真空槽１００の下部には、真空槽１００内の排気を行うための排気用ポート１２３とヒーターが埋め込まれた基板ホルダー１２４が設けられている。ガスは側壁１１２に取り付けられたガス導入ポート１２２を介して導入される。

上記図５に示すプラズマ装置では、次のようにして処理対象物１４０表面に薄膜が形成される。真空槽１００を所定圧力まで真空排気し、基板ホルダー１２４上に処理対象物１４０を配置した状態で、ヒーターにより加熱し、ガス導入ポート１２２よりガスを導入し、アンテナ１２５に高周波電圧を印加すると、アンテナ１２５の周囲にプラズマが形成され、活性化された原料ガスによって処理対象物１４０表面に薄膜が形成される。

また、図６は、特許文献３に記載された誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。
該ＣＶＤ装置２１０は、例えば、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼等から構成され、真空状態に維持される円筒形の反応チャンバー２１２を備えている。反応チャンバー２１２内は、反応チャンバー２１２の底壁２１６に形成された排気口２１３を介して、真空ポンプ等の真空源に接続することによって、一定の真空状態に維持されるようになっている。反応チャンバー２１２内には、表面にシリコン薄膜等の薄膜を蒸着する基材Ａを設置する基材設置部を構成するステージ２１４が配置されている。反応チャンバー２１２の上方には、リング形状の高周波印加コイル２１８が設けられている。高周波印加コイル２１８の基端部分２２０及び２２２は、反応チャンバー２１２の頂壁２１７を貫通して、反応チャンバー２１２外部に設けられた高周波電源２２４に接続されている。高周波印加コイル２１８と高周波電源２２４の間には図示しないマッチング回路が配設されており、高周波電源２２４により発生した高周波を損失なく高周波印加コイル２１８へ伝播できるようになっている。また、反応チャンバー２１２の上方より反応ガスを導入するために、反応チャンバー２１２の頂壁２１７を貫通して、シャワー状あるいはリング状のガス導入ノズル２２５が設けられている。ガス導入ノズル２２５は、リング形状の高周波印加コイル２１８の中心を通過するように配置されている。

上記図６に示すＣＶＤ装置２１０では、次のようにして基材Ａ表面に薄膜が形成される。真空ポンプ等の真空源を作動して、排気口２１３を介して排気することにより、反応チャンバー２１２内を真空状態に維持する。次いで、反応チャンバー２１２の側部に接続された圧力調整室内に、処理すべき基材Ａを搬入した後、この圧力調整室内の圧力を反応チャンバー２１２内の圧力と同じ真空度になるように調整する。次いで、ゲートバルブを開放して、基材Ａを反応チャンバー２１２内のステージ２１４の上に載置する。次いで、反応チャンバー２１２の外部に設けられた高周波電源２２４から高周波印加コイル２１８に高周波を印加するとともに、ガス導入ノズル２２５を介して反応ガスを反応チャンバー２１２内に供給する。こうして反応ガスを供給しつつ高周波印加コイル２１８に印加された高周波により誘導結合型プラズマを発生させて、ステージ２１４に載置された基材Ａの表面にシリコン薄膜を析出形成する。

特開平７−３０２６９４号公報 特開２００４−３９７１９号公報 特開２００２−１６４２９０号公報

ところで、欠陥密度の低い高品質な微結晶シリコン薄膜を成膜するためには、水素ラジカルとシリル（ＳｉＨ_３）ラジカルとが必要であるといわれている。しかしながら、一般的に、シラン（ＳｉＨ_４）と水素（Ｈ_２）とが同時に存在するような空間では、プラズマエネルギーを上げると、水素の解離が進行し、水素ラジカルの生成量が増加するが、同時にシランの解離も進行する。このため、成膜種であるＳｉＨ_３ラジカルの生成量が相対的に減少する。逆に、シランの解離を抑制するためにプラズマエネルギーを下げると、水素の解離する割合も減少し、その結果として水素ラジカルの生成量が減少する。
このように、水素ラジカルの生成量とＳｉＨ_３ラジカルの生成量とを同時に増加することは、相反する両立困難なことであると知られている。

また、上記のような従来のプラズマ処理装置では、処理対象物が大面積の基板であっても、シリコン薄膜等の薄膜を均一な膜厚で形成することが望まれている。その一方で、従来のＩＣＰ−ＣＶＤ装置では、該装置に特有のアンテナ近傍における高密度プラズマによってシランの解離が過度に進行する。シランの過度の解離により、従来のＩＣＰ−ＣＶＤ装置では、ＳｉＨ_３ラジカルの生成がうまくできず、ＳｉＨ_３ラジカルの生成量よりもＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ_２ラジカルの生成量が増加する。これらＳｉＨ_３ラジカル以外のラジカルはシランと２次反応又は３次反応をすることにより、ダイマー、トリマー等が生成され、結果として膜の欠陥密度が増加し、膜質が低下するという問題が生じる。
上記のような理由により、従来のプラズマ処理装置では、膜質を向上するためにＳｉＨ_３ラジカルの生成量と水素ラジカルの生成量の両方を増加させることは困難である。

本発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、互いに異なるガスをガス種に応じて適切にプラズマ化することができ、高品質の薄膜を成膜することができるプラズマ処理装置及び被処理体のプラズマ処理方法を提供することを目的としている。

すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、被処理体が収納される内部空間を有する反応室と、前記反応室内に配置され、前記内部空間を前記被処理体が配置される第１の空間と前記第１の空間以外の第２の空間とに仕切る仕切部と、前記仕切部に設けられ、前記第１の空間に向けてガスを放出するガス放出部と、前記ガス放出部に前記反応室外から第１のガスを導入する第１のガス導入部と、前記第１の空間又は前記第２の空間に前記反応室外から前記第１のガスと異なる第２のガスを導入する第２のガス導入部と、前記第２の空間内部又は前記第２の空間側外部に配置され、前記内部空間に高周波放電によってプラズマを発生させるプラズマ発生源と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の被処理体のプラズマ処理方法は、仕切部によって内部空間が第１の空間と第２の空間とに仕切られた反応室を用いて、前記第１の空間に被処理体を配置し、前記仕切部を通して前記第１の空間に第１のガスを導入するとともに、前記第１の空間又は前記第２の空間に、前記第１のガスと異なる第２のガスを導入しつつ、前記第２の空間に高周波放電を生じさせて前記第１のガスと前記第２のガスとに異なる放電エネルギーを与えて前記第１のガスと前記第２のガスとをプラズマ化し、プラズマ化によって生成された前記第１のガスのラジカルと前記第２のガスのラジカルとによって前記被処理体の処理を行うことを特徴とする。

上記本発明によれば、第１のガスは、反応室の内部空間を第１の空間と第２の空間とに仕切る仕切部のガス放出部を通して第１の空間に導入される。一方、第２のガスは、第１の空間又は第２の空間に導入される。このようなガス導入において、プラズマ発生源は第２の空間内部又は第２の空間側外部に配置されているため、プラズマ発生源による高周波放電により、第１のガスと第２のガスとは、プラズマ発生源からの遠近に応じて互いに異なる放電エネルギーが与えられてプラズマ化される。このように第１のガスと第２のガスとを互いに異なるエネルギーでプラズマ化することができるため、第１のガスと第２のガスとをガス種に応じて適切にプラズマ化することができる。したがって、上記本発明によれば、プラズマ化により第１のガスから生成されるラジカル等の反応種と、プラズマ化により第２のガスから生成されるラジカル等の反応種とをそれぞれ薄膜の成膜に好適な生成量で生成することができ、高品質の薄膜を成膜することができる。

まず、第２のガスを第１の空間に導入する構成の場合には、仕切部のガス放出部を通して第１の空間に導入される第１のガスと比較して、第１の空間における第２のガスがより低いエネルギーでプラズマ化される。こうして、比較的高いエネルギーでプラズマ化された第１のガスと、比較的低いエネルギーでプラズマ化された第２のガスとにより、第１の空間において被処理体上に薄膜が成膜される。

他方、第２のガスを第２の空間に導入する構成の場合には、仕切部のガス放出部を通して第１の空間に導入される第１のガスと比較して、第２の空間における第２のガスがより高いエネルギーでプラズマ化される。なお、この場合、第２の空間における第２のガスが第１の空間に導入される必要がある。このためには、第１の空間と第２の空間とが連通する連通部を反応室内に設ければよい。例えば、連通部は、連通孔等として仕切部に設けることができる。第２の空間においてプラズマ化された第２のガスは、連通部を介して第１の空間に導入される。こうして、比較的高いエネルギーでプラズマ化された第２のガスと、比較的低いエネルギーでプラズマ化された第１のガスとにより、第１の空間において被処理体上に薄膜が成膜される。

例えば、微結晶シリコン薄膜を成膜する際には、上記第１のガスと第２のガスとを導入する構成に応じて、第１のガスと第２のガスとを以下のように選択して成膜を行うことができる。

まず、第２のガスを第１の空間に導入する構成の場合には、第１のガスとして水素含有ガスを選択し、第２のガスとしてシラン系ガスを選択することができる。水素含有ガスとしては、水素の単一ガス、又は、水素ガスと希ガス、ホスフィンガス及びジボランガスのうちの１種以上とを含む混合ガスが挙げられる。例えば、水素＋希ガス、水素＋ホスフィン、水素＋ホスフィン＋希ガス、水素＋ジボラン、水素＋ジボラン＋希ガス等が示される。シラン系ガスとしては、シランガス、ジシランガス等が挙げられる。

他方、第２のガスを第２の空間に導入する構成の場合には、第１のガスとしてシラン系ガスを選択し、第２のガスとして水素含有ガスを選択することができる。水素含有ガス及びシラン系ガスとしては上記と同様のガスが挙げられる。

上記いずれの場合においても、水素含有ガスは、シラン系ガスが導入される空間と比較してプラズマ発生源に近接する空間又はプラズマ発生源が配置される空間に導入される。このため、水素含有ガスは比較的高いエネルギーでプラズマ化されて、水素ラジカルが十分な生成量で生成される。他方、シラン系ガスは、水素含有ガスが導入される空間と比較してプラズマ発生源から離間した空間に導入される。このため、シラン系ガスは、比較的低いエネルギーでプラズマ化される。これにより、成膜種となるＳｉＨ_３ラジカルへのシラン系ガスの分解が促進されるとともに、ＳｉＨ_３ラジカルの分解が抑制されてＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ_２ラジカルの生成が抑制される。この結果、ＳｉＨ_３ラジカルが十分な生成量で生成される。
なお、水素含有ガスを第２の空間に導入する構成の場合には、第２の空間において生成した水素ラジカルは第２の空間から第１の空間に連通部を介して導入される。

以上のように、本発明によれば、微結晶シリコン薄膜を成膜する場合には、水素含有ガスとシラン系ガスとを互いに異なるエネルギーでプラズマ化することができ、水素ラジカルとＳｉＨ_３ラジカルとをそれぞれ十分な生成量で生成することができる。これにより、被処理体上に欠陥密度の低い高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。
但し、本発明としては、上記処理内容に限定されるものではない。

なお、第１のガス導入部は、仕切部内部に設けられたガス流路を有するように構成してもよく、該ガス流路と前記ガス放出部とが連通しているようにすることができる。また、このガス流路は、仕切部の仕切面方向に沿って仕切部内部に形成されたガス室で構成されていてもよい。この場合、第１のガスは、ガス流路を経た後、ガス放出部から第１の空間に向けて放出される。このようなガス流路を仕切部に設けることにより、ガス流路内で第１のガスを第２のガスから隔離しつつプラズマ化することができる。

また、ガス放出部は、前記仕切部の仕切面方向に亘って複数が分散配置されていてもよい。分散配置された複数のガス放出部は、仕切面の仕切方向に亘って第１のガスを第１の空間にシャワー状に放出することができる。このように第１のガスをシャワー状に放出することにより、被処理体の中心部から周縁部に亘って、より均一な膜厚及び膜質を有する薄膜を成膜することができる。

また、仕切部は、誘電体で構成されていることが望ましい。仕切部は、誘電体で構成されていることにより、プラズマ発生源により発生した電磁波を透過することができる。これにより、第２の空間のみならず、第１の空間にまでも、プラズマ発生源により高周波放電を発生させてプラズマを発生させることができる。

すなわち、本発明によれば、反応室の内部空間を第１の空間と第２の空間とに仕切る仕切部のガス放出部を通して第１の空間に第１のガスを導入するとともに、第１の空間又は第２の空間に、第１のガスと異なる第２のガスを導入しつつ、第２の空間内部又は第２の空間側外部に配置されたプラズマ発生源による高周波放電により第１のガスと第２のガスとをプラズマ化するので、互いに異なるガスをガス種に応じて適切にプラズマ化することができ、高品質の薄膜を成膜することができる。

本発明の一実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。 同じく、そのガス放出板及び仕切板を示す部分拡大図である。 同じく、仕切部の構成を変更した他の実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。 従来の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である 従来の誘導結合型プラズマ装置を模式的に示す図である。 従来の他の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。

（実施形態１）
以下、本発明の一実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置におけるガス放出板及び仕切板を示す部分拡大図である。
本実施形態のプラズマ処理装置は、本発明の反応室に相当する真空槽１を有している。真空槽１は、周側壁１ａ１及び底板１ａ２により構成される真空槽下部本体１ａと、周側壁１ｂ１及び天板１ｂ２により構成される真空槽上部本体１ｂとを有し、両者を上下に重ねて密閉している。周側壁１ａ１及び底板１ａ２は一体に構成され、周側壁１ｂ１及び天板１ｂ２とは別体で構成されている。周側壁１ｂ１及び天板１ｂ２とは、密着固定されているものの、互いに分離できるようにしても良い。
例えば、周速壁１ｂ１を高さの異なるものに変更することで、真空槽１の高さを容易に変更できる。
また、周側壁１ｂ１の内径は、周側壁１ａ１の内径よりも大きくなっており、両者を重ねた際には、周側壁１ａ１の上端部の一部が段部として真空槽１内に露出する。また、周側壁１ｂ１の壁厚は周側壁１ａ１の壁厚よりも小さくなっており、周側壁１ｂ１と周側壁１ａ１の外径は一致している。

真空槽下部本体１ａの内部中央には、ステージ３が設置されている。ステージ３上には、プラズマ処理を行うべき被処理体４が載置されて保持されるようになっている。被処理体４は、例えば、半導体基板、ガラス基板等の基板である。ステージ３には、図示しない加熱用ヒーターが埋設されている。

真空槽上部本体１ｂの天板１ｂ２中央には、高周波放電により真空槽１内にプラズマを発生させるプラズマ発生部５が下向きに設けられている。プラズマ発生部５は、マッチング回路等を備えたプラズマ発生部本体５ａと、真空槽１内に高周波放電を発生させてプラズマを発生させるプラズマ発生アンテナ５ｂとを有している。プラズマ発生部本体５ａは、真空槽上部本体１ｂの天板１ｂ２中央に嵌装されている。プラズマ発生アンテナ５ｂは、プラズマ発生部本体５ａの真空槽１内側に接続され、真空槽１内の上部に配置されている。プラズマ発生部５は、本発明のプラズマ発生源に相当する。
また、プラズマ発生部本体５ａの真空槽１外側には、高周波電源６が接続されている。高周波電源６の出力周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚである。

真空槽１内のステージ３とプラズマ発生アンテナ５ｂとの間には、ステージ３に載置された被処理体４に対向するように、偏平箱状の仕切部７が設けられている。仕切部７は、後述するようにガスをシャワー状に放出する機能を有している。
仕切部７は、真空槽上部本体１ｂの周側壁１ｂ１内側で、真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１の上部段部に跨って真空槽下部本体１ａの上部開口部を覆うように配置されている。真空槽１の内部空間８は、仕切部７により、被処理体４が配置されるステージ３側の第１の空間８ａと、プラズマ発生アンテナ５ｂ側の第２の空間８ｂとに仕切られている。

仕切部７は、第１のガスが導入されるガス室７ａと、ガス室７ａの第１の空間８ａ側に間隔を置いて多段に設けられた複数の仕切板７ｃと、ステージ３に載置された被処理体４に対向するガス放出板７ｂとを有している。仕切部７の各部は、誘電体で構成されており、プラズマ発生アンテナ５ｂにより発生した電磁波を透過することができるようになっている。
ガス室７ａの側壁には、第１のガスが流れるガス流路９が設けられている。ガス流路９は、一端がガス室７ａに開口し、他端が仕切部７の側壁下端面に開口している。

真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１には、第１のガスが流通するガス流路１０が設けられている。ガス流路１０は、前記ガス流路９と連通する位置で周側壁１ａ１上に一端が開口している。ガス流路１０の他端は、周側壁１ａ１の外周面に開口している。ガス流路１０の周側壁１ａ１の外周面に開口する開口部には、第１のガスが導入される第１のガス導入口１１が設けられている。第１のガス導入口１１に導入される第１のガスは、ガス流路１０及びガス流路９を介して、ガス室７ａ内に導入される。

ガス室７ａ下方に設けられた複数の仕切板７ｃは、上下に貫通する複数の通気孔７ｃ１が形成されている。複数の通気孔７ｃ１は、仕切板７ｃの板面方向に亘って分散配置されている。通気孔７ｃ１は、仕切板７ｃの板面に沿った断面において、例えば好適には直径１ｍｍの円形の断面形状を有している。なお、図１には、２枚の仕切板７ｃが設けられている場合を示しているが、３枚以上の仕切板７ｃが設けられていてもよい。また、仕切板７ｃは、１枚であってもよいし、設けられていなくてもよい。
仕切板７ｃの下方側に距離を隔てて設けられたガス放出板７ｂは、上下に貫通する複数のガス放出孔７ｂ１が形成されている。各ガス放出孔７ｂ１は、放出板７ｂと仕切板７ｃとの間隙および仕切板７の通気孔７ｃ１を通してガス室７ａ内に連通している。複数のガス放出孔７ｂ１は、ガス放出板７ｂの板面方向に亘って分散配置されている。ガス放出孔７ｂ１は、ガス放出板７ｂの板面に沿った断面において、例えば好適には直径１ｍｍの円形の断面形状を有している。ガス放出孔７ｂ１は、本発明のガス放出部に相当する。

図２は、ガス放出板７ｂ及び仕切板７ｃの板面に垂直な方向における断面を拡大して示している。図示するように、ガス放出板７ｂの複数のガス放出孔７ｂ１及び各仕切板７ｃの複数の通気孔７ｃ１は、板面に垂直な方向の断面において互い違いに配列されている。

第１のガス導入口１１、ガス流路１０、ガス流路９、及びガス室７ａは、本発明の第１のガス導入部を構成する。第１のガス導入口１１には、第１のガス供給管１２を介して、第１のガスを供給する第１のガス供給源１３が接続されている。

また、第１のガス導入口１１に対向する側の真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１には、第２のガスが流れるガス流路１４が設けられている。ガス流路１４は、周側壁１ａ１外周面上部及び周側壁１ａ１内周面上部に開口している。ガス流路１４の周側壁１ａ１の外周面上部に開口した開口部には、第２のガスが導入される第２のガス導入口１５が設けられている。第２のガス導入口１５に導入される第２のガスは、ガス流路１４を介して真空槽１内の第１の空間８ａに導入される。

第２のガス導入口１５及びガス流路１４は、本発明の第２のガス導入部に相当する。第２のガス導入口１５には、第２のガス供給管１６を介して、第２のガスを供給する第２のガス供給源１７が接続されている。

また、真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１及びガス室７ａの側壁には、真空槽１内の第１の空間８ａと第２の空間８ｂとを連通するガス排気路１８が設けられている。ガス排気路１８により、真空排気系２により真空槽１内を真空排気した際に第１の空間８ａと第２の空間８ｂとを互いに同じ真空度の真空状態とすることが可能になっている。

次に、上記図１に示すプラズマ処理装置の動作について説明する。
まず、ステージ３上に被処理体４を載置して保持する。次いで、真空排気系２により真空槽１内を真空排気し、真空槽１内を所定の真空度の真空状態とする。第１の空間８ａと第２の空間８ｂとは、これらを連通するガス排気路１８により、互いに同じ真空度の真空状態となる。真空槽１内が所定の真空度となった後、ステージ３に埋設された加熱用ヒーターにより、ステージ３上の被処理体４を所定の温度に加熱する。なお、真空排気系２では、以後、真空槽１内が所定の真空度に維持されるように真空排気を継続する。

次いで、第１のガス供給源１３から、第１のガス供給管１２を通して第１のガスを第１のガス導入口１１に導入する。第１のガス導入口１１に導入された第１のガスは、ガス流路１０及びガス流路９を通して、仕切部７のガス室７ａ内に導入される。

ガス室７ａ内に導入された第１のガスは、仕切板７ｃの複数の通気孔７ｃ１を通過した後、ガス放出板７ｂの複数のガス放出孔７ｂ１から第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。
なお、複数の通気孔７ｃ１及び複数のガス放出孔７ｂ１は前記のように互い違いに配列されているため、これらを通過する第１のガスが分散されて均一化される。

また、上記第１のガスの導入と並行して、第２のガス供給源１７から、第２のガス供給管１６を通して第２のガスを第２のガス導入口１５に導入する。第２のガス導入口１５に導入された第２のガスは、ガス流路１４を通して真空槽１内の第１の空間８ａに導入される。

上記のように第１のガスと第２のガスとを真空槽１内に導入しつつ、プラズマ発生アンテナ５ｂに、プラズマ発生部本体５ａのマッチング回路等を介して、高周波電源６により高周波電圧を印加する。真空槽１内では、高周波電圧が印加されたプラズマ発生アンテナ５ｂにより、第２の空間８ｂ側から第１の空間８ａ側に向けて高周波放電が発生する。第１の空間８ａと第２の空間８ｂとを仕切る仕切部７が誘電体で構成されているため、第２の空間８ｂのみならず、第１の空間８ａにまでも高周波放電が発生する。

ガス室７ａ内では、上記プラズマ発生アンテナ５ｂにより発生した高周波放電により、放電エネルギーが与えられて第１のガスがプラズマ化される。ガス室７ａは、第１の空間８ａよりもプラズマ発生アンテナ５ｂに近接して設けられている。このため、ガス室７ａ内の第１のガスは、以下に述べる第１の空間８ａ内の第２のガスよりも高いエネルギーでプラズマ化される。特に第１のガスは、ガス室７ａ内で移動、滞留しつつ第１の空間８ａに放出されるため、この際に効果的に放電エネルギーを受けて効果的にプラズマ化される。

また、第１の空間８ａ内では、上記プラズマ発生アンテナ５ｂにより発生した高周波放電により、放電エネルギーが与えられて第２のガスがプラズマ化される。第１の空間８ａは、ガス室７ａよりもプラズマ発生アンテナ５ｂから離間して存在している。このため、第１の空間８ａ内の第２のガスは、ガス室７ａ内の第１のガスよりも低いエネルギーでプラズマ化される。

ガス室７ａ内においてプラズマ化された第１のガスは、仕切板７ｃの複数の通気孔７ｃ１、ガス放出板７ｂの複数のガス放出孔７ｂ１を通して第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。これにより、プラズマ化された第１のガスとプラズマ化された第２のガスとが、第１の空間８ａ内の被処理体４の近傍で接触して反応する。この結果、被処理体４上に薄膜が成膜される。
上述のように、本実施形態においては、第１のガスと第２のガスとを互いに異なるエネルギーでプラズマ化することができるため、第１のガスと第２のガスとをガス種に応じて適切にプラズマ化することができる。したがって、プラズマ化により第１のガスから生成されるラジカル等の反応種と、プラズマ化により第２のガスから生成されるラジカル等の反応種とをそれぞれ薄膜の成膜に好適な生成量で生成することができ、高品質の薄膜を成膜することができる。

具体的には、上記図１に示すプラズマ処理装置を用いて被処理体４上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合、例えば、第１のガスとして水素ガスを用い、第２のガスとしてＳｉＨ_４ガスを用いる。
ガス室７ａは、第１の空間８ａよりもプラズマ発生アンテナ５ｂに近接して設けられている。このため、ガス室７ａ内の水素ガスは、第１の空間８ａ内のＳｉＨ_４ガスよりも高いエネルギーでプラズマ化される。これにより、ガス室７ａ内において、水素ラジカルが十分な生成量で生成される。
他方、第１の空間８ａは、ガス室７ａよりもプラズマ発生アンテナ５ｂから離間して存在している。このため、第１の空間８ａ内のＳｉＨ_４ガスは、ガス室７ａ内の水素ガスよりも低いエネルギーでプラズマ化される。これにより、成膜種となるＳｉＨ_３ラジカルへのＳｉＨ_４ガスの分解が促進されるとともに、ＳｉＨ_３ラジカルの分解が抑制されてＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ_２ラジカルの生成が抑制される。この結果、ＳｉＨ_３ラジカルが十分な生成量で生成される。

ガス室７ａ内において生成された水素ラジカルは、ガス放出板７ｂの複数のガス放出孔７ｂ１から第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。これにより、水素ラジカルとＳｉＨ_３ラジカルとが、第１の空間８ａ内の被処理体４の近傍で接触して反応する。この結果、被処理体４上に微結晶シリコン薄膜が成膜される。上述のように水素ラジカルとＳｉＨ_３ラジカルとをいずれも十分な生成量で生成することができるため、欠陥密度の低い高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。

本発明のプラズマ処理装置により成膜された薄膜は高品質であり、これを用いて太陽電池、薄膜トランジスタ等のデバイスを形成した場合、良好な電気的特性を得ることができる。

（実施形態２）
次に、本発明の他の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、本発明の他の実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。なお、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略又は簡略化する。
本実施形態のプラズマ処理装置は、上記図１に示すプラズマ処理装置とは構成の異なる仕切部２７を有し、また、第２のガス導入口３５から第２の空間８ｂに第２のガスを導入するものである。

本実施形態のプラズマ処理装置は、上記図１に示すプラズマ処理装置と同様に、真空槽１と、真空排気系２と、ステージ３と、プラズマ発生部５と、高周波電源６とを有している。

真空槽１内のステージ３とプラズマ発生アンテナ５ｂとの間には、ステージ３に載置された被処理体４に対向するように、板状の仕切部２７が設けられている。仕切部２７は、周側壁１ａ１の上部段部に跨り、周側壁１ａ１の上部開口を覆っている。真空槽１の内部空間８は、仕切部２７により、被処理体４が配置されるステージ３側の第１の空間８ａと、プラズマ発生アンテナ５ｂ側の第２の空間８ｂとに仕切られている。

仕切部２７は、誘電体で構成されており、プラズマ発生アンテナ５ｂにより発生した電磁波を透過することができるようになっている。

仕切部２７の内部には、第１のガスが流通するガス流路２７ｂが形成されている。ガス流路２７ｂは、仕切部２７の板面に沿って均等に複数本に分岐している。
ガス流路２７ｂの下面には、ガス流路２７ｂに連通する複数のガス放出孔２７ｃが仕切部２７の板面方向に亘って分散配置されている。ガス放出孔２７ｃは、仕切部２７の板面に沿った断面において、好適には直径１ｍｍの円形の断面形状を有している。ガス放出孔２７ｃは、本発明のガス放出部に相当する。

さらに、仕切部２７には、前記ガス放出孔２７ｃと区別されて上下面に貫通する複数の連通孔２７ｄが仕切部２７の板面方向に亘って分散配置されている。第１の空間８ａと第２の空間８ｂとは、連通孔２７ｄを介して連通している。連通孔２７ｄは、本発明の連通部に相当する。

真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１には、第１のガスが流通するガス流路１０が設けられている。ガス流路１０は、真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１外周面上部及び周側壁１ａ１上端面に開口している。真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１上端面に開口するガス流路１０の開口部は、仕切部２７の端部下面に開口するガス流路２７ｂの開口部に連通している。真空槽下部本体１ａの周側壁１ａ１外周面上部に開口するガス流路１０の開口部には、第１のガスが導入される第１のガス導入口１１が設けられている。
第１のガス導入口１１に導入される第１のガスは、ガス流路１０及びガス流路２７ｂを通して、ガス流路２７ｂに導入され、複数のガス放出孔２７ｃから第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。第１のガス導入口１１、ガス流路１０、及びガス流路２７ｂは、本発明の第１のガス導入部を構成する。第１のガス導入口１１には、第１のガス供給管１２を介して、第１のガスを供給する第１のガス供給源１３が接続されている。

また、第１のガス導入口１１に対向する側の真空槽上部本体１ｂの周側壁１ｂ１には、第２のガスが流通するガス流路３４が設けられている。ガス流路３４は、真空槽上部本体１ｂの周側壁１ｂ１の外周面中央部及び周側壁１ｂ１の内周面中央部に開口している。真空槽上部本体１ｂの周側壁１ｂ１の外周面中央部に開口するガス流路３４の開口部には、第２のガスが導入される第２のガス導入口３５が設けられている。第２のガス導入口３５に導入される第２のガスは、ガス流路３４を通して真空槽１内の第２の空間８ｂに導入される。

第２のガス導入口３５及びガス流路３４は、本発明の第２のガス導入部を構成する。第２のガス導入口３５には、第２のガス供給管１６を介して、第２のガスを供給する第２のガス供給源１７が接続されている。

次に、上記図３に示すプラズマ処理装置の動作について説明する。
まず、ステージ３上に被処理体４を載置して保持する。次いで、真空排気系２により真空槽１内を真空排気し、真空槽１内を所定の真空度の真空状態とする。第１の空間８ａと第２の空間８ｂとは、これらを連通する複数の連通孔２７ｄにより、互いに同じ真空度の真空状態となる。真空槽１内が所定の真空度となった後、ステージ３に埋設された加熱用ヒーターにより、ステージ３上の被処理体４を所定の温度に加熱する。なお、真空排気系２では、以後、真空槽１内が所定の真空度に維持されるように真空排気を継続する。

次いで、第１のガス供給源１３から、第１のガス供給管１２を通して第１のガスを第１のガス導入口１１に導入する。第１のガス導入口１１に導入された第１のガスは、ガス流路１０を通して、仕切部２７に形成されたガス流路２７ｂに導入される。ガス流路２７ｂに導入された第１のガスは、複数のガス放出孔２７ｃから第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。

また、上記第１のガスの導入と並行して、第２のガス供給源１７から、第２のガス供給管１６を通して第２のガスを第２のガス導入口３５に導入する。第２のガス導入口３５に導入された第２のガスは、ガス流路３４を通して真空槽１内の第２の空間８ｂに導入される。第２の空間８ｂに導入された第２のガスは、仕切部２７の複数の連通孔２７ｄを通して第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。

上記のように第１のガスと第２のガスとを真空槽１内に導入しつつ、プラズマ発生アンテナ５ｂに、プラズマ発生部本体５ａのマッチング回路等を介して、高周波電源６により高周波電圧を印加する。真空槽１内では、高周波電圧が印加されたプラズマ発生アンテナ５ｂにより、第２の空間８ｂ側から第１の空間８ａ側に向かって高周波放電が発生する。第１の空間８ａと第２の空間８ｂとを仕切る仕切部２７が誘電体で形成されているため、第２の空間８ｂのみならず、第１の空間８ａにまでも高周波放電が発生する。

第２の空間８ｂ内では、上記プラズマ発生アンテナ５ｂにより発生した高周波放電により、放電エネルギーが与えられて第２のガスがプラズマ化される。第２の空間８ｂ内には、プラズマ発生アンテナ５ｂが設置されている。このため、第２の空間８ｂ内の第２のガスは、以下に述べる仕切部２７内及び第１の空間８ａ内の第１のガスよりも高いエネルギーでプラズマ化される。

また、仕切部２７内、すなわちガス流路２７ｂ内及び複数の放出孔２７ｃ内では、上記プラズマ発生アンテナ５ｂにより発生した高周波放電により、放電エネルギーが与えられて第１のガスがプラズマ化される。特に第１のガスは、仕切部２７内でガス流路２７ｂを移動するため、この際に効果的に放電エネルギーを受けて効果的にプラズマ化される。また、第１の空間８ａ内でも、上記プラズマ発生アンテナ５ｂにより発生した高周波放電により、放電エネルギーが与えられて第１のガスがプラズマ化される。仕切部２７及び第１の空間８ａは、第２の空間８ｂよりもプラズマ発生アンテナ５ｂから離間して存在している。このため、仕切部２７内及び第１の空間８ａ内の第１のガスは、第２の空間８ｂ内の第２のガスよりも低いエネルギーでプラズマ化される。

第２の空間８ｂ内においてプラズマ化された第２のガスは、仕切部２７の複数の連通孔２７ｄから第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。また、仕切部２７のガス流路２７ｂ内でプラズマ化された第１のガスは、複数のガス放出孔２７ｃから第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。また、第１の空間８ａ内においても第１のガスがプラズマ化されている。これにより、プラズマ化された第１のガスとプラズマ化された第２のガスとが、第１の空間８ａ内の被処理体４の近傍で接触して反応する。この結果、被処理体４上に薄膜が成膜される。
上述のように、本実施形態においても、第１のガスと第２のガスとを互いに異なるエネルギーでプラズマ化することができるため、第１のガスと第２のガスとをガス種に応じて適切にプラズマ化することができる。したがって、プラズマ化により第１のガスから生成されるラジカル等の反応種と、プラズマ化により第２のガスから生成されるラジカル等の反応種とをそれぞれ薄膜の成膜に好適な生成量で生成することができ、高品質の薄膜を成膜することができる。

具体的には、上記図３に示すプラズマ処理装置を用いて被処理体４上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合、例えば、第１のガスとしてＳｉＨ_４ガスを用い、第２のガスとして水素ガスを用いる。
第２の空間８ｂ内には、プラズマ発生アンテナ５ｂが設置されている。このため、第２の空間８ｂ内の水素ガスは、仕切部２７内及び第１の空間８ａ内のＳｉＨ_４ガスよりも高いエネルギーでプラズマ化される。これにより、第２の空間８ｂ内において、水素ラジカルが十分な生成量で生成される。
他方、仕切部２７及び第１の空間８ａは、第２の空間８ｂよりもプラズマ発生アンテナ５ｂから離間して存在している。このため、仕切部２７内及び第１の空間８ａ内のＳｉＨ_４ガスは、第２の空間８ｂ内の水素ガスよりも低いエネルギーでプラズマ化される。これにより、成膜種となるＳｉＨ_３ラジカルへのＳｉＨ_４ガスの分解が促進されるとともに、ＳｉＨ_３ラジカルの分解が抑制されてＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ_２ラジカルの生成が抑制される。この結果、ＳｉＨ_３ラジカルが十分な生成量で生成される。

第２の空間８ｂ内において生成された水素ラジカルは、仕切部２７の複数の連通孔２７ｄから第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。また、仕切部２７のガス流路２７ｂ内で生成されたＳｉＨ_３ラジカルは、複数のガス放出孔２７ｃから第１の空間８ａ内の被処理体４に向けてシャワー状に放出される。また、第１の空間８ａ内においてもＳｉＨ_３ラジカルが生成されている。これにより、水素ラジカルとＳｉＨ_３ラジカルとが、第１の空間８ａ内の被処理体４の近傍で接触して反応する。この結果、被処理体４上に薄膜が成膜される。上述のように水素ラジカルとＳｉＨ_３ラジカルとをいずれも十分な生成量で生成することができるため、欠陥密度の低い高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。

なお、上記実施形態１及び２では、プラズマ発生アンテナ５ｂが真空槽１内に配置されている場合について説明したが、第２の空間８ｂ側の真空槽１外にプラズマ発生アンテナ５ｂを配置し、真空槽１内に第２の空間８ｂ側から第１の空間８ａ側に向かって高周波放電が発生するようにしてもよい。この場合には、プラズマ発生アンテナ５ｂにより真空槽１内に高周波放電が発生することができるように、真空槽１のプラズマ発生アンテナ５ｂが配置された側の部分に、誘電体よりなる窓部等を設ければよい。

また、上記実施形態１及び２では、単一のプラズマ発生部５を設けた場合について説明したが、複数のプラズマ発生部５を設けてもよい。この場合、例えば、真空槽上部本体１ｂの天板１ｂ２に、複数のプラズマ発生部５を並列して設ければよい。

１ 真空槽
４ 被処理体
５ プラズマ発生部
５ａ プラズマ発生部本体
５ｂ プラズマ発生アンテナ
７ 仕切部
７ａ ガス室
７ｂ ガス放出板
７ｂ１ ガス放出孔
７ｃ 仕切板
７ｃ１ 通気孔
８ 内部空間
８ａ 第１の空間
８ｂ 第２の空間
９ ガス流路
１０ ガス流路
１１ 第１のガス導入口
１４ ガス流路
１５ 第２のガス導入口
２７ 仕切部
２７ｂ ガス流路
２７ｃ ガス放出孔
２７ｄ 連通孔
３４ ガス流路
３５ 第２のガス導入口

Claims (8)

1. 被処理体が収納される内部空間を有する反応室と、
   前記反応室内に配置され、前記内部空間を前記被処理体が配置される第１の空間と前記第１の空間以外の第２の空間とに仕切る仕切部と、
   前記仕切部に設けられ、前記第１の空間に向けてガスを放出するガス放出部と、
   前記ガス放出部に前記反応室外から第１のガスを導入する第１のガス導入部と、
   前記第１の空間又は前記第２の空間に前記反応室外から前記第１のガスと異なる第２のガスを導入する第２のガス導入部と、
   前記第２の空間内部又は前記第２の空間側外部に配置され、前記内部空間に高周波放電によってプラズマを発生させるプラズマ発生源と、を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記第１のガス導入部は、前記仕切部内部に設けられたガス流路を有しており、該ガス流路と前記ガス放出部とが連通していることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
3. 前記ガス流路は、前記仕切部の仕切面方向に沿って該仕切部内部に形成されたガス室で構成されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第２のガス導入部は、前記第２の空間に第２のガスを導入するように設けられており、前記仕切部に前記第１の空間と前記第２の空間とが連通する連通部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記仕切部は、誘電体で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記ガス放出部は、前記仕切部の仕切面方向に亘って複数が分散配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 仕切部によって内部空間が第１の空間と第２の空間とに仕切られた反応室を用いて、前記第１の空間に被処理体を配置し、前記仕切部を通して前記第１の空間に第１のガスを導入するとともに、前記第１の空間又は前記第２の空間に、前記第１のガスと異なる第２のガスを導入しつつ、前記第２の空間に高周波放電を生じさせて前記第１のガスと前記第２のガスとに異なる放電エネルギーを与えて前記第１のガスと前記第２のガスとをプラズマ化し、プラズマ化によって生成された前記第１のガスのラジカルと前記第２のガスのラジカルとによって前記被処理体の処理を行うことを特徴とする被処理体のプラズマ処理方法。
8. 前記第１のガスは、前記仕切部の仕切面方向に亘って前記第１の空間にシャワー状に放出されることを特徴とする請求項７記載の被処理体のプラズマ処理方法。

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