JP2535586B2

JP2535586B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2535586B2
Application number: JP63067571A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1988-03-22
Filing date: 1988-03-22
Publication date: 1996-09-18
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: JPH0284717A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の利用分野」本発明はスパッタ効果を伴わせつつプラズマ処理させ
るプラズマ気相反応方法に関するものであって、一度に
多数の基体上にプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に
関する。

本発明はかかるプラズマ処理方法の応用の１例とし
て、プラズマCVD法により、ビッカース硬度2000Kg/mm²
以上を有する炭素または炭素を主成分とする被膜または
窒化珪素、窒化ホウ素等の被膜を基体の被形成面上にコ
ーティングすることにより、これら固体の表面の補強
材、また機械ストレスに対する保護材を得んとしたもの
である。

本発明はリアクティブ・イオン・エッチングを多数の
基体上に施す方法に関する。

「従来技術」一般にプラズマCVD法においては、被形成面をスパッ
タ（損傷）せずに成膜する方法が有効であるとされてい
る。それらはアモルファス珪素等の膜を作製する場合で
ある。しかし他方、逆にプラズマCVD法でありながら、
スパッタ効果を伴わせつつ成膜させる方法も知られてい
る。その代表例である炭素膜のコーティングに関して
は、本発明人の出願になる特許願『炭素被膜を有する複
合体およびその作製方法』（特願昭56-146936 昭和56
年９月17日出願）が知られている。しかしこれらは、平
行平板型の一方の電極（カソード側）に基板を配設し、
その上面に炭素膜を成膜する方法であり、反応空間とロ
ート／アンロート空間との関係はまったく論じていな
い。

「従来の問題点」かかるスパッタ効果を伴わせつつ成膜させる従来方法
は、被膜を20cm□、15cm×120cmといった大面積の基体
上に多数枚同時に成膜できないばかりか、凹凸を有する
基体または一度に多量に基体上に膜、例えば硬い炭素膜
を作ることができない。さらに、大容量空間に多量の基
体を配設して、これらに一度にプラズマ処理をする方法
はまったく提案されていないばかりか、この反応空間で
は各ホルダ間に一定の間隔をあけるが、この間隔はロー
トまたはアンロート空間ではまったく無駄であり、床面
積の無駄使いになってしまっていた。

「問題を解決すべき手段」本発明は、六面体構造を有する反応空間に複数の基体
の保持された複数のホルダを、各ホルダ間を一位の間隔
または概略一定の間隔を有して配設し、各ホルダ上への
プラズマ処理がすべてにわたって等しくなされるべくし
ている。そしてロートまたはアンロート空間ではこの間
隔をより狭くせんとしたものである。

本発明は、前後の一対をなす面に互いに離間して一対
の第１および第２の電極を配設する。さらに基体または
ホルダの第３の電極を設け、第３の電極と一対の第１お
よび第２の電極との間に交番電圧特に第１の交番電圧を
基体またはホルダ側がカソード側（スパッタ効果を有す
る側）となるべく印加する。

そしてプラズマがすべての基板を平等に処理すべく一
対の電極の一方から他方への電界にそってホルダおよび
基体を配設し、かつその各ホルダ間の間隔を互いに同じ
になるべく配設する。かかる反応空間でのホルダおよび
基体はロート室に予め保存され、ここではこの各ホルダ
間の間隔をより狭くして床面積を節約している。

本発明はかかる反応空間でのプラズマを筒状空間に保
持し、この一対の電極間に一定の間隔を有して互いに離
間して配設された基体のすべての表面に同時にプラズマ
処理を行う。

そしてプラズマ処理の１例としてプラズマCVD法によ
り薄膜を形成し、さらにその１例として、エチレン、メ
タンのような炭化水素気体または弗化炭素の如き炭素弗
化物気体を第１の中周波交番電界、例えば50KHzの交番
電圧と第２の交番電界、例えば13.56MHzの高周波電界と
を加えつつプラズマを発生させた雰囲気中に導入し、分
解せしめることにより、SP³軌道を有するダイヤモンド
と類似のＣ−Ｃ結合を作る。結果として、グラファイト
のような非透光性の導電性または不良導電性の炭素を作
るのではなく、光学的エネルギバンド巾（Egという）が
1.0eV以上、好ましくは1.5〜5.5eVを有する絶縁性の炭
素を形成することを特徴としている。さらに本発明の炭
素は硬度もビッカース硬度が2000Kg/mm²以上、好ましく
は4500Kg/mm²以上、理想的には6500Kg/mm²というダイヤ
モント類似の硬さを有するアモルファス（非晶質）また
は５Å〜２μｍの大きさの結晶性を有する炭素またはこ
の炭素中に水素、ハロゲン元素が25原子％以下またはII
I価またはＶ価の不純物が５原子％以下、また窒素がN/C
≦0.05（５％）の濃度に添加されたいわゆる炭素を主成
分とする炭素（以下本発明においては単に炭素という）
を固体上に設けた複合体を設けんとしたものである。

本発明は、さらにこのプラズマ処理がなされる基体材
料として、ガラス、セラミックス、金属、磁性体、プラ
スチックス（有機樹脂ともいう）、酸化物超伝導材料に
対して適用せしめた。また、基体の形状として、板状、
皿状、容器、ピンセット、ウエハホルダ用カセット、ジ
グ、棒状材料に対しても可能とせしめた。

また本発明において、特にプラスチックスとして、例
えばPET（ポリエチレンテレフタレート）,PES,PMMA,テ
フロン，エポキシ，ポリイミド等の有機樹脂基体があ
る。

以下に図面に従って本発明に用いられたプラズマ処理
方法を記す。

「実施例１」第１図は本発明のプラズマ処理方法を実施するための
プラズマ処理装置の概要を示す。また第２図は第１図の
Ａ−Ａ′での縦断面を右方向よりみた状態を示してい
る。

図面において、プラズマ処理装置の反応容器（７）は
ロード用予備質（7-1），アンロード用予備室（7-2）と
を有し、それぞれの間はゲート弁（14-2），（14-3）お
よび大気との間はゲート弁（14-1），（14-4）即ち（1
4）で仕切られている。

反応空間（６）では基体（1-），（1-2），・・（1-
m）即ち（１）がホルダ（2-1），（2-2），・・・（2-
n）即ち（２）上に配設されている。この基体（１）は
一方の面にのみプラズマ処理をする構成である。しかし
基体の表面および裏面に同時にプラズマ処理をせんとす
る場合はホルダ（２）に穴をあけ、この穴に基体を挟ん
で配設すればよい。

この実施例において、第１の電圧が交番電圧であるた
めホルダが板状のアルミニウム、ニッケル等の導体であ
り、その両面に図面に示す如く、ガラス、シリコン基
板、セラミックス等の絶縁体の基体を配設させ得る。こ
のホルダ間の間隔（31-1），（31-2），・・・・（31-n
-1）は互いに等しくまたは概略等しくせしめ、５〜15cm
例えば10cmを有せしめた。そしてそれぞれの基体上の処
理の程度が同じ（成膜では膜厚、膜質が同じ）程度（平
均値に対し±20％以内のバラツキ）となるようにした。

この間隔が圧力として0.01〜0.05torrでは10〜15cmと
広い方がこの間隔中のラジカル種の密度が十分にでき、
高い成膜速度（800〜2000A/分）および膜厚の均一性を
得ることができた。他方、この圧力を0.07〜0.1torrと
すると成膜速度は大きくなったが、膜厚の均一性は不十
分となった。また圧力を0.005〜0.02torrとすると、均
一性がよいため間隔を狭く５〜10cmとすることができる
が、成膜速度が十分でなくなり、20〜50A/分しか得られ
なくなった。

ロード室（17-1）、アンロード室（17-2）において
は、基体およびホルダは空間の節約のため、間隔（32-
1），（32-2）・・・（32-n-1）を反応空間での間隔に
比べて狭くした。この間隔として０〜5cm例えば１〜2cm
とした。0cmとは基体同志が互いに接触している場合を
示す。またこれらホルダはガイドレール（９）にハング
（引っ掛け）されて保持させてあり、ガイドレール
（９）よりホルダに電流を流しホルダまたは電極を第３
の電極とし得るよう構成させた。

ガス系（10）において、キャリアガスである水素また
はアルゴンガスを（10-1）より、反応性気体である炭化
水素気体、例えばメタン、エチレンを（10-2）より、II
I価不純物のジボラン（１％に水素希釈）またはＶ価不
純物のアンモニアまたはフォスヒン（１％に水素希釈）
を（10-3）より、またエッチング用気体である例えば酸
素または酸素化物気体またはNF₃,SF₆の如き弗化物気体
を（10-4）より、バルブ（28）、流量計（29）をへて反
応系（30）中にノズル（25）より導入される。

反応系（30）は、筒構造体（８），（８′）（四角の
枠構造を有する）を有し、また第２図に示す如く、この
第１図における前方（第２図における左側）および後方
（第２図の右側）には一対の第１および第２の電極
（３），（３′）を金属メッシュで構成せしめる。その
外側にはハロゲンヒータ（11），（11′）を配設し、赤
外線の反射板（12），（12′）をさらにその外側に設け
ている。そして基体を−100℃（冷却手段を設けた場
合）〜850℃の温度に成就させた。またホルダ（２）は
第３の電極を構成し、反応容器（７）とは電気的に絶縁
される。このホルダに保持されて基体（1-1），（1-
2），・・・（1-n）即ち（１）を配設している。第１の
交番電圧が電源（17）よりホルダ（２）の第３の電極と
第１および第２の電極（３），（３′）との間に印加さ
せるようになっている。

さらに第２の電源（15）よりマッチングトランス（1
6）を介して、第１の交番電界より高い周波数の第２の
交番電圧が一対の電極（３），（３′）に（４），
（４′）をへて印加される。

このマッチングトランスは、対称型または概略対称型
の出力を有し、一端（４）および他端（４′）は一対の
第１および第２の電極（３），（３′）にそれぞれに連
結されている。またトランスの出力側中点（５）には第
１の交番電圧（17）が印加されている。第２の交番電圧
は１〜5000MHz例えば13.56MHzの周波数の高周波電界を
印加し、第１の交番電圧は１〜500KHz例えば50KHzの周
波数の交番電界を印加した。

かくして反応空間にプラズマ（６）が発生する。排気
系（20）は、圧力調整バルブ（21），ターボ分子ポンプ
（22），ロータリーポンプ（23）をへて不要気体を排気
する。

これらの反応性気体は、反応空間（６）で0.001〜1.0
torr例えば0.05torrとし、この筒構造体（８），
（８′）は直方体状を有し、例えば巾160cm、奥行き40c
m、縦160cmとした。

また反応容器（７）の内壁面に付着しないようプラズ
マが反応空間（６）より外部（60）にもれないよう筒構
造体（８），（８′）を設けている。

一対の電極は有効面積120cm□とするため、150cm□と
した。かかる空間において1.0〜30KW（単位面積あたり
0.04〜1.3W/cm²）例えば10KW（単位面積あたり0.44W/cm
²のプラズマエネルギ）の第２の高周波電圧を加える。
さらに第１の交番電圧による交流バイヤスは、被形成面
上に−200〜600V（例えばその出力は500W）となるよう5
0KHzの周波数で3KWの出力を加えた。

もちろん、この直方体の筒構造体の高さを20cm〜5m、
また電極の一辺を30cm□〜3m□としてもよい。

「実施例２」この実施例は実施例１において示したプラズマ処理装
置を用いて炭素または炭素を主成分とする被膜を基体上
に形成した例である。

反応性気体として、例えばメタンまたはエチレンを用
いた。加熱の後に行わず、自己加熱方式を用いた。この
ため、まずアルゴンガスを導入し、0.05torrとして約10
分表面をスパッタし、基体上を加熱させた。するとこの
表面は100〜500℃例えば300℃とすることができた。第
１および第２の電圧の出力はそれぞれ3KW、10KWとし
た。さらにこの後反応性気体であるメタンを連続的に導
入し、基体の温度が下がらないようにしつつ炭素膜を形
成した。その後メタンの量とアルゴンの量とを少しづつ
交換し、反応空間のすべての気体を窒化物気体とした。
同じ出力の交番電圧を印加した。

かかる条件下で反応圧力、反応空間でのホルダ間の間
隔を変えることにより、成膜速度、成膜される膜の均一
性、１バッチあたりの処理ホルダ数が大きく影響を受け
ることが以下の実験結果のように明らかになった。

このため、反応空間でのホルダ間の間隔は５〜10cm例
えば8cmとし、１バッチあたり15ホルダとした。ロード
またはアンロード室での間隔はかかる制限がないため０
〜2cmとすると床面積の節約が可能である。

成膜速度は10〜600A/分を有し、特に例えば反応圧力
0.03〜0.07torrでのプラズマCVD法では100〜200A/分を
得た。膜の均一性は±10％以内、１バッチあたりのロー
トホルダ数24〜12を得た。これらはすべてビッカース硬
度が2000Kg/mm²以上を有する条件のみを良品とした。も
ちろん、グラファイトが主成分（50％以上）ならばきわ
めて柔らかく、かつ黒色で本発明とはまったく異質なも
のである。

また本発明とは逆に、基体側（ホルダ側）の電位をア
ノード（スパッタ効果のない側）レベルとすると、炭素
膜はビッカース硬度が300Kg/mm²以下しか得られず、き
わめて柔らかく工業的応用は不可能であった。

本発明において、第１および第２の電極に印加される
交番電圧の周波数がバイヤス用電圧と同じ１〜500KHzの
場合、反応性気体をプラズマ化させにくい。このためよ
り成膜速度を向上させるためには、第２の交番電圧は１
〜5000MHz例えば13.56MHzの周波数とし、特にＣ−Ｃ結
合、Ｃ＝Ｃ結合を分解し、Ｃ−Ｃ結合または−Ｃ−Ｃ−
結合を作り、炭素の不対結合手同志を互いに衝突させて
共有結合させ、安定なSP³結合を有するダイヤモンド構
造を局部的に有した構造とさせ得る。

かくして基体である半導体（例えばシリコンウエ
ハ），セラミックス、磁性体、金属、酸化物超伝導材料
または電気部品の基体が導電性ホルダに仮付けまたは配
設された基体表面上に、炭素特に炭素中に水素を25モル
％以下含有する炭素、またはＰ、ＩまたはＮ型の導電型
を有する炭素を主成分とする被膜を形成させることがで
きた。

かくすると、その端部および中央部で１μｍの厚さを
つけても、±10％以下しか膜厚のバラツキがなく、また
硬さ等の膜質も均一であった。

かかる基体の一例として、サーマルヘッド用基板など
に適用する場合、１日８時間稼動、１ケ月21日稼動で10
K本／月のサーマルヘッドに炭素膜をコートできた。

そしてかかる場合の他の一例として半導体のウエハ
（１）例えばシリコンウエハの裏面側に炭素膜をヒート
シンクとしてコートすることは有効である。するとこの
炭素膜は膜の熱伝導度が2.5W/cm deg以上、代表的には
4.0〜6.0W/cm degを有するため、半導体集積回路におけ
るパワートランジスタ部等の局部発熱を全体に均一に逃
がすことができる。そしてウエハの裏面に形成させる場
合、炭素膜は0.5〜５μｍの厚さ、例えば１μｍの厚さ
に形成した。この厚さは密着性を阻害しない範囲で厚い
方がよい。

このコーティングの後、ウエハのプローブテストを行
い、さらにそれぞれのICチップにするため、スクライ
ブ、ブレイク工程を経て、各半導体チップが裏面に炭素
膜がコートされた構成をダイボンディング、ワイヤボン
ディングとして完成させた。

「実施例３」本発明の他の実施例として、実施例１の装置を用い、
反応性気体としてシランとアンモニアを導入し、スパッ
タ効果を伴わせつつ窒化珪素を作製した。

反応性気体としてジボランとアンモニアとを導入して
窒化ホウ素を形成した。

また有機チタンと窒素とを導入して窒化チタンを形成
した。

またメチルアルミニウム等を導入し、金属アルミニウ
ムの導体を形成してもよい。本発明方法においては、成
膜した材料が導体の場合、電極間のショートを誘発しや
すいため、成膜する材料は絶縁材料または電気抵抗の十
分大きい材料（酸化物超伝導材料（室温以上では超伝導
ではない），セラミックス、磁性材料）が好ましい。

「効果」本発明方法は、基体側をカソード側のスパッタ効果を
有すべき電極関係とし、かつとその反応空間をきわめて
大きくしたことにより、工業的に多量生産を可能とした
ものである。そして薄膜形成においては、その１例とし
て、炭素膜を用いた。この炭素膜は熱伝導率が2.5W/cm
deg以上、代表的には4.0〜6.0W/cm degとダイヤモンド
の60W/cm degに近いため、局部的な昇温およびそれに伴
う磁気ヘッドの特性劣化を防ぐことができ、耐摩耗性、
高熱伝導性、炭素膜特有の高平滑性等、多くの特性を併
用して有効に用い得る。

以上の説明より明らかな如く、本発明はCVD法として
用いられる場合、形成される薄膜は炭素のみならず窒化
珪素、窒化ホウ素、酸化タンタルの如き絶縁体薄膜、金
属アルミニューム、酸化物超伝導材料であってもよい。

また、エッチング装置として用いる場合、RIE（リア
クティブ・イオン・エッチング）と同じ電位方向とする
ことにより、基体上の酸化珪素、アルミニューム、珪
素、炭素の異方性エッチングを行うことができる。

さらに基体材料として、有機樹脂またはそれに複合化
させたガラス、磁性体、金属またはセラミックス、さら
に半導体またはそれらの複合体を構成し、それら固体の
表面に薄膜をコーティングして設けたものである。

本発明におけるセラミックスはアルミナ、ジルコニ
ア、カーボランダム、YBaCu₃O₆〜₈,BiSrCaCuyOx等で知
られる酸化物超伝導材料が有効である。また磁性体はサ
マリューム、コバルト等の希土類磁石、アモルファス磁
性体、酸化鉄またはこれにニッケル、クロム等がコート
された形状異方形の磁性体であってもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ処理装置の製造装置の概要を
示す。第２図は、第１図のプラズマ処理装置の要部の縦断面図
を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被形成面を有する基体を複数のホルダに保
持し、該ホルダ間は反応性気体をプラズマ化せしめ、前
記基体上に処理せしめる反応空間において、各ホルダ間
を等しいまたは概略等しい第１の間隔で配設せしめ、前
記基体の保持させた複数のホルダの間隔はロードまたは
アンロード空間においては前記第１の間隔よりも狭い第
２の間隔に保持されたことを特徴とするプラズマ処理装
置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、互いに離
間した一対の第１および第２の電極を有し、該電極間は
基板およびホルダを前記一対の電極方向に直交する方向
より移設して配設せしめ前記基板またはホルダを第３の
電極として動作せしめることを特徴とするプラズマ処理
装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項において、移設は上
方よりホルダおよび基体をつり下げて保持または下方よ
りホルダおよび基体を持ち上げて保持せしめることを特
徴とするプラズマ処理装置。