JP4728345B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
この発明は、半導体薄膜を製造するためのプラズマ処理装置およびこれを用いたプラズマ処理方法に関し、さらに詳しくは、反応ガスが導入される反応室を利用するプラズマ処理装置およびこれを用いるプラズマ処理方法に関する。
従来、この種のプラズマ処理装置としては、プラズマ化学技術におけるエッチングあるいは蒸着の均一性を改善するようにしたものが知られている（例えば特許文献１を参照）。
また、半導体薄膜の製造に使用されるプラズマＣＶＤ装置は一般に、対にして配置・支持されるカソードおよびアノードを備え、平板状のカソードおよびアノードのいずれか一方に高周波電力を印加する装置を備え、さらに、薄膜を形成するための反応ガスの供給装置を備えてなる。そして、このプラズマＣＶＤ装置では、カソードとアノードとの間に反応ガスを供給しながら高周波電力を印加してプラズマを発生させることで、カソードとアノードとの間に設置された基板の表面に薄膜を形成する。
このカソードとアノードとの間隙は電極間距離と呼ばれている。電極間距離には、プラズマを効果的に発生させることのできる一定の範囲がある。この範囲において電極間距離は制御されるが、その制御の精度はできるだけ高いことが望ましい。そして、電極間距離の制御は、一般には電極間距離に対して１／１００のオーダーで、すなわち電極間距離の１％程度の精度で行われる。また、電極間距離の制御の方法は、電極であるカソードおよびアノードの剛性をそれらの大きさに対して十分に確保して、配置されたカソードおよびアノードに撓みを生じさせないようにすることにより行われる。
しかしながら、従来の技術では、電極の大型化に伴って基板が大型化した場合には電極の剛性が不十分になり、所望の電極間距離精度を確保することができず、プラズマ処理を行ったときに良好な成膜性が得られないという問題がある。また、所望の電極間距離精度を確保するために電極剛性をいっそう上げることも可能であるが、その場合には、電極の厚さが増大することや電極の支持部の大型化などに伴ってプラズマＣＶＤ装置が大型化するという問題がある。
この発明の課題は、平板状の電極であるアノードおよびカソードが大面積化したときに生じる電極の撓みにかかわらず良好な成膜性を得ることのできるプラズマ処理装置を提供することにある。
この発明の１つの観点によれば、反応室と、反応室に反応ガスを導入するガス導入部と、反応室から反応ガスを排気する排気部と、反応室内に支持された平板状の第１電極および第２電極と、第１電極および第２電極を対向状に支持する第１支持体および第２支持体とを備え、第１電極および第２電極は、第１支持体および第２支持体により支持された状態におけるそれぞれの自重による最大沈下処理である最大撓み量が互いに同一になるように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
この発明によるプラズマ処理装置にあっては、平板状の第１電極および第２電極が大面積化したときに生じる電極の撓みにかかわらず、簡便な構造で大面積の基板の表面に均一な半導体薄膜を得ることができる。
１・・・基板
２・・・シャワープレート
３・・・裏板
４・・・アノード電極
５・・・第２支持体
６・・・第１支持体
７・・・トレー
８・・・扉部
９・・・本体部
１０・・・プラズマ励起電源
１１・・・インピーダンス整合器
１２・・・カソード電極
２０・・・排気管
２１・・・真空ポンプ
２２・・・圧力制御器
２３・・・反応ガス管
２４・・・加熱器
２５・・・熱電対
２６・・・接地線
２７・・・電力導入端子
２８・・・ガス導入部
２９・・・排気部
３０・・・高周波電源部
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２８・・・ガス導入部
２９・・・排気部
３０・・・高周波電源部
この発明によるプラズマ処理装置は、例えば第１電極および第２電極の形状、大きさおよび材質を互いに同一とすることで、第１電極の自重による最大沈下距離である最大撓み量と第２電極の自重による最大沈下距離である最大撓み量とが同一となる。なお、この明細書（特許請求の範囲を含む）において、第１電極および第２電極の「形状、大きさおよび材質が互いに同一」であるとは、両電極の、主として平面形状、平面寸法、厚さおよび基本的材質が、基板の表面に所望特性の半導体薄膜を形成する観点において実質的に差異がないことをいう。また、第１電極および第２電極の「最大撓み量が互いに同一」であるとは、所定状態に配置された両電極がそれらの剛性に応じて自重により撓んで一定距離だけ沈下するときに、最大沈下距離である最大撓み量どうしが、基板の表面に所望特性の半導体薄膜を形成する観点において実質的に差異がないことをいう。
また、第１電極および第２電極は、中空構造にすることができる。その場合には、中空部分に、反応ガスの流路を設けることができ、あるいは電極加熱用ヒーターを設置することができる。
さらに、第１電極および第２電極は、限定的範囲で移動させることができるように例えば周辺部で支持される。このことによって、第１電極および第２電極には自重による自由撓みが発生し、前記の構成上の特徴によって両電極の最大撓み量が同一になる。
第１電極および第２電極は、例えばステンレス鋼やアルミニウム合金などの金属板を使用することができる。そして、これらの金属板に所定焼き鈍し温度で焼き鈍し処理を行うと、機械加工などに起因する金属板の残留歪みが除去されて、両電極に同一の最大撓み量が得られる。
このときの最大撓み量、すなわち最大沈下距離は、電極間距離（第１電極と第２電極との距離）の１％以上であるのが好ましい。電極間距離の１％に満たないときには、両電極の最大撓み量を比較してこれらが同一になるように両電極を配置する作業が困難であるからである。プラズマ処理による成膜を行う基板は、第１電極および第２電極の撓みに沿うようにその基板を撓ませて薄膜の形成を行う。この場合、基板にはガラス基板等を使用する。
また、基板の取り扱いを簡単にするため、ガラス等の材質からなる基板をアルミニウム合金等でできた薄板状トレーの上に設置し、基板およびトレーを第１電極および第２電極の撓みに沿うように撓ませて、プラズマ処理による成膜を実施することもできる。
この発明によるプラズマ処理装置は、例えば、プラズマＣＶＤ法によってシリコン系薄膜を製造するのに用いられる。
シリコン系薄膜としては、例えば、シリコンを主成分とする結晶質から非晶質までの薄膜を挙げることができる。反応ガスとしては、シリコン元素を含有するガスを用いることができる。具体的には、反応ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）などを用いることができ、これらのシラン、ジシランを水素（Ｈ2）やヘリウム（Ｈｅ）などで希釈してもよい。
また、この発明によるプラズマ処理装置で製造されるシリコン系薄膜には、他にも炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜、窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜、酸化ケイ素（ＳｉＯ）膜、ＳｉＧｅ膜などが挙げられる。
炭化ケイ素膜を製造する場合には、反応ガスとしてシリコン元素を含有するガスの他に、炭素元素を含有するＣＨ4、Ｃ2Ｈ6などのガスを同時に導入する。窒化ケイ素膜を製造する場合には、反応ガスとしてシリコン元素を含有するガスの他に、窒素元素を含有するＮＨ3、ＮＯなどのガスを同時に導入する。酸化ケイ素膜を製造する場合には、反応ガスとしてシリコン元素を含有するガスの他に、酸素元素を含有するＮＯ、ＣＯ2などのガスを同時に導入する。ＳｉＧｅ膜を製造する場合には、反応ガスとしてシリコン元素を含有するガスの他に、ゲルマニウム元素を含有するＧｅＨ4などのガスを同時に導入する。
さらに、これらのシリコン系薄膜には導電性を制御するために不純物を導入させてもよく、ｎ型とする場合にはＰＨ3などの、ｐ型とする場合にはＢ2Ｈ6などの不純物元素を含有するガスを同時に導入する。
この発明によるプラズマ処理装置において、反応室としては、少なくとも内部を真空に排気することのできるものを用いることができる。このような反応室は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム合金などで製作することができ、２以上の部材で構成する場合には、嵌合部にＯリングなどを用いて完全に密閉できる構造とすることが好ましい。
この発明によるプラズマ処理装置において、ガス導入部としては、例えば、プラズマＣＶＤ装置において慣用的に用いられているものを用いることができるが、特にこれらに限定されない。
この発明によるプラズマ処理装置において、排気部としては、例えば、真空ポンプ、反応室と真空ポンプとを接続する排気管、排気管の途中に設けられた圧力制御器などで構成されたものを用いることができる。
この発明によるプラズマ処理装置において、第１電極および第２電極の間に高周波電力を印加するための高周波電源部が設けられる。この高周波電源部としては、例えば、プラズマ励起電源およびインピーダンス整合器などから構成されたものを用いることができる。
この発明によるプラズマ処理装置において、第１電極および第２電極としては、平板状であってステンレス鋼、アルミニウム合金、カーボンなどの耐熱導電性材料からなるものを用いることができる。第１電極および第２電極の形状、大きさおよび材質は同一であるのが好ましく、また、機械加工などで加工歪みが残留している場合には、焼き鈍し処理によって残留歪みを除去するのが好ましい。
第１電極は例えば、中空構造を有し、ヒーターを内蔵したアノード電極であってもよく、第２電極は例えば、中空構造を有し、第１電極との対向面に多数の孔を有するカソード電極であってもよい。
この発明によるプラズマ処理装置において、第１支持体および第２支持体は、第１電極および第２電極を重力方向に対して直交するように、すなわち両電極が水平になるように、支持してもよい。このような構成において、例えば第１電極および第２電極がほぼ方形である場合に、第１支持体および第２支持体は、第１電極および第２電極の各４隅を支持する４つの分割支持片からそれぞれなっていてもよい。
第１支持体および第２支持体が４つの分割支持片からそれぞれなる場合、第２支持体を構成する４つの分割支持片は、反応室の底面から垂直上方へ延びる４本の支柱の上端にそれぞれ固定されていてもよい。
また、第１支持体および第２支持体の形状・形態としては、上述のものに限定されず、例えば、第１電極および第２電極の縁のみをそれぞれ支持するような２つの枠状架台であってもよいし、さらには、これら２つの枠状架台が上下に連なって一体に形成されているものでもよい。
このように、第１支持体および第２支持体の形状・形態は、第１電極および第２電極を互いに平行に支持することができ、かつ、第１電極および第２電極の少なくとも一方を摺動可能に支持することができれば、どのような形状・形態であってもよく、特に限定されるものではない。
また、この発明によるプラズマ処理装置において、第１支持体および第２支持体は、第１電極および第２電極の縁をゆるく係止する係止用突起をそれぞれ有し、各係止用突起は、第１電極および第２電極の各縁と各係止用突起との間に隙間が生じるように配置されていてもよい。
ここで、上述のように第１支持体および第２支持体をそれぞれ４つの分割支持片で構成する場合、各分割支持片には係止用突起を設けてもよい。また、上述のように第１支持体および第２支持体を２つの枠状架台で構成する場合、各架台の外周縁に沿って係止用突起が突出していてもよい。
また、第１支持体および第２支持体は絶縁物で構成されていてもよい。ここで、第１支持体および第２支持体を構成する絶縁物としては、例えば、ガラス、アルミナまたはジルコニアなどの絶縁性・断熱性に優れた耐熱材料を挙げることができる。また、第１電極および第２電極のいずれか一方を設置する場合には、その設置する側の支持体に導体を用いても構わない。
また、第１電極および第２電極と第１支持体および第２支持体とは、１つの反応室内に複数対ずつ設けられてもよい。
第１電極および第２電極は、上記の支持方法によって重力方向に自由撓みを生じるが、その自由撓みの大きさすなわち沈下距離は、上記のように、第１電極と第２電極との間隙距離（電極間距離）の１％以上であるのが好ましい。
薄膜を形成する基板は、第１電極および第２電極の間に設置され、十分に薄く、第１電極および第２電極の撓みに沿うものとする。基板には、表面に透明導電膜を塗布したガラス基板等の使用が考えられ、基板は、搬送しやすいように第１電極および第２電極と同一の材料等でできたトレー７に設置して取り扱っても構わない。トレー７の平面寸法は、基板と同一であるか、あるいは少し大きくてもよい。
また、この発明は別の観点からみると、上述の１つの観点によるプラズマ処理装置を用い、薄膜を形成すべき基板を第１電極および第２電極の撓みに沿うように撓ませて両電極の間に配設し、反応室内に反応ガスを供給し、第１電極および第２電極間に高周波電力を印加して、基板表面に半導体薄膜を形成するプラズマ処理方法を提供するものでもある。
以下に、この発明の実施形態によるプラズマ処理装置について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の複数の実施形態において、共通する部材には同じ符号を用いて説明する。
〔実施形態１〕
この発明の実施形態１による薄膜製造用プラズマ処理装置を、その全体構成を示す図１に基づいて説明する。
この発明の実施形態１による薄膜製造用プラズマ処理装置を、その全体構成を示す図１に基づいて説明する。
図１に示されたように、実施形態１による薄膜製造用プラズマ処理装置１００は、チャンバー１５と、チャンバー１５内に反応ガスを導入するためのガス導入部２８と、チャンバー１５内の反応ガスを排気するための排気部２９と、チャンバー１５内に高周波電力を印加するための高周波電源部３０とを備えている。
チャンバー１５内には、平板状の長方形アノード電極（第１電極）４と、平板状の長方形カソード電極（第２電極）１２と、これら両電極４・１２を互いに平行にかつ摺動可能に支持するための第１支持体６・第２支持体５とが配置されている。カソード電極１２は、シャワープレート２および裏板３を有するとともに、アノード電極４に対向して設けられている。
ここで、チャンバー１５は、平面形状が長方形であって、本体部９と扉部８とからなる。本体部９と扉部８とはいずれも、ステンレス鋼またはアルミニウム合金などで製作することができる。本体部９と扉部８との嵌合部分はＯリング（図示せず）などを用いて密閉されている。
チャンバー１５には、排気管２０、真空ポンプ２１および圧力制御器２２からなる排気部２９が接続されており、チャンバー１５内を任意の真空度に制御することができるように構成されている。
チャンバー１５の本体部９の長方形底面にはそれぞれの隅部の近傍に１つずつ第１支持体６が設けられ、これらの第１支持体６の上にアノード電極４が載置されている。第１支持体６は、後述の理由により、４つの小ブロック状の分割支持片から構成され、これら４つの分割支持片でアノード電極４の４隅がそれぞれ支持されている。
アノード電極４の寸法は、成膜すべき基板１の寸法に応じた適切な寸法に設定されている。実施形態１では、基板１の平面寸法を９００×５５０ｍｍ〜１２００×７５０ｍｍに設定し、これに対するアノード電極４の平面寸法を１０００×６００ｍｍ〜１２００×８００ｍｍに設定し、厚みを１０〜５０ｍｍに設定した。
アノード電極４は、ステンレス鋼、アルミニウム合金、カーボンなどで製作することができるが、実施形態１ではアルミニウム合金が用いられている。
アノード電極４は、中空構造となっており、その中空部分に加熱器（シースヒーター）２４が内蔵されている。アノード電極４には、中空構造とするための機械加工により加工歪みが残留している。このため、アノード電極４には、使用に先立って、焼き鈍し処理により加工歪みの除去が行われる。この焼き鈍し処理は、熱電対２５などの密閉型温度センサーを使用して行われる。また、焼き鈍し処理は、アノード電極４として使用する金属により処理温度が異なるが、アルミニウム合金を使用した場合には、一般に３４５℃に保持した後に徐冷する温度サイクルが用いられる。
アノード電極４は、第１支持体６に載置されているだけで、ネジ留めなどによる固定はなされていない。これにより、アノード電極４は、加熱されて膨張しても、その膨張分だけ第１支持体６上を摺動することができるので、膨張分が逃がされ、重力による自重で下方へ自由に撓むことができる。
なお、アノード電極４とチャンバー１５とは、４枚の接地板によって電気的に接続されている。すなわち、接地板は、幅１０〜３５ｍｍ、厚さ０．５〜３ｍｍのアルミニウム板から製作され、アノード電極４の４隅にそれぞれ取り付けられている。
カソード電極１２は、シャワープレート２と裏板３とからなる中空状の電極である。シャワープレート２と裏板３とはいずれも、ステンレス鋼、アルミニウム合金などから製作することができるが、アノード電極４と同一の材質から製作するのが好ましく、実施形態１ではアルミニウム合金が用いられている。
カソード電極１２の寸法は、成膜すべき基板１の寸法に応じた適切な寸法に設定されている。実施形態１では、カソード電極１２は、その平面寸法を１０００×６００ｍｍ〜１２００×８００ｍｍに設定し、厚みを１０〜５０ｍｍに設定することで、アノード電極４と同一の寸法にされている。
カソード電極１２は、その内部が中空であり、反応ガス管２３を介してガス導入部２８に接続されている。ガス導入部２８から反応ガス管２３を通じてカソード電極１２の内部へ導入された反応ガスは、カソード電極１２のシャワープレート２に形成された複数の孔からシャワー状に放出される。
シャワープレート２の複数の孔は、それぞれの直径が０．１〜２．０ｍｍであって、隣接する孔どうしの間隔が数ｍｍ〜数ｃｍピッチとなるように形成されていることが望ましい。
カソード電極１２におけるシャワープレート２には、機械加工による加工歪みが残留していることから、使用に先立って焼き鈍し処理による加工歪みの除去が行われる。この焼き鈍し処理は、カソード電極１２およびシャワープレート２として使用する金属により処理温度が異なるが、これらにアルミニウム合金を使用した場合には、一般に３４５℃に保持した後に徐冷する温度サイクルが用いられる。
カソード電極１２におけるシャワープレート２は、チャンバー１５の本体部９の底面から上方に離れた４つの隅部に１つずつ設けられた合計４つの第２支持体５の上に載置されている。第２支持体５は、ガラス、アルミナまたはジルコニアなどから製作することができ、実施形態１ではアルミナまたはジルコニアが用いられている。
カソード電極１２は、そのシャワープレート２が第２支持体５の上に載置されているだけであり、ネジ留めなどによる固定はなされていない。これにより、カソード電極１２は、加熱されて膨張しても、その膨張分だけ第２支持体５の上を摺動することで膨張が逃がされ、重力によって自重で自由に撓む。
アノード電極４とカソード電極１２とが自重で自由に撓むときの撓み量すなわち沈下距離は同一であり、両電極４・１２の最大撓み量すなわち最大沈下量も同一となる。長辺長さ約１０００ｍｍ、短辺長さ約６００ｍｍ、厚さ１５ｍｍのカソード電極１２を使用した実施形態１では、カソード電極１２の最大撓み量は、約１．２ｍｍになる。これは、実施形態１で使用したアノード電極４とカソード電極１２との設定間隙（電極間距離）である１０ｍｍの１２％となっている。
アノード電極４とカソード電極１２との対向間隔の公差（間隔精度）は、設定値の数％以内であることが望ましい。成膜条件により変化はするが、アノード電極４とカソード電極１２との対向間隔の公差が設定値の４％以上になると、±１０％以上の膜厚ムラあるいは成膜不可領域が発生するからである。この対向間隔の公差は実施形態１では１％以内に収められている。
実施形態１では、長さが約１０００ｍｍｘ約１０００ｍｍであって厚さが約２ｍｍである正方形ガラス基板１を用い、このガラス基板１を、移動が簡単なように、同一寸法で厚さ１．０ｍｍのアルミニウム合金製正方形トレー７の上に載置した状態でアノード電極４の上に配置した。アノード電極４に対して、ガラス基板１とトレー７とは、十分に薄くて軽く、また剛性がより低いため、アノード電極４の撓みに沿って設置されたときに、アノード電極４の撓みを増加させることはほとんどない。
カソード電極１２には、プラズマ励起電源１０とインピーダンス整合器１１とからなる高周波電源部３０が電力導入端子２７を介して接続されている。そして、高周波電源部３０によって高周波電力が印加されるようになっている。プラズマ励起電源１０は、ＤＣ〜１０８．４８ＭＨｚの周波数で１０Ｗ〜１００ｋＷの電力を使用する。実施形態１では、１３．５６ＭＨｚ〜５４．２４ＭＨｚの周波数で１０Ｗ〜１００ｋＷの電力が使用されている。
以上のような構成からなる実施形態１による薄膜製造装置１００に、Ｈ2で希釈したＳｉＨ4からなる反応ガスを所定の流量と圧力とでカソード電極１２を介して導入し、カソード電極１２とアノード電極４との間に上記高周波電力を印加してグロー放電を発生させる。これにより、基板１表面に膜厚３００ｎｍのシリコン薄膜が成膜時間１０分、膜厚分布±１０％以下で堆積される。
〔実施形態２〕
この発明の実施形態２による薄膜製造用プラズマ処理装置を、図４に基づいて説明する。実施形態２によるプラズマ処理装置２００は、１つのチャンバー９の内部に、２組のアノード電極４・カソード電極１２と２組の第１支持体６・第２支持体５を設けて、２段構成としている。
この発明の実施形態２による薄膜製造用プラズマ処理装置を、図４に基づいて説明する。実施形態２によるプラズマ処理装置２００は、１つのチャンバー９の内部に、２組のアノード電極４・カソード電極１２と２組の第１支持体６・第２支持体５を設けて、２段構成としている。
具体的には、１段目の第１支持体６により支持された１段目のアノード電極４の上方に１段目のカソード電極１２(１段目の第２支持体５により支持されている)が配置されている。そして、この１段目のカソード電極１２の上方に、２段目のアノード電極４を支持するための２段目の第１支持体６が設けられている。このような２段構成により、２組のアノード電極４・カソード電極１２が上下に配置されている。
実施形態２では、プラズマ処理装置２００を２段構成のものにしたが、プラズマ処理装置は、同様の構成を繰り返すことにより３段以上の構成にすることも可能である。
なお、チャンバー１５、ガス導入部２８、排気部２９、高周波電源部３０、各アノード電極４、各カソード電極１２、各第１支持体６および各第２支持体５などの各部構成は実施形態１と実質的に同一である。
Claims (12)
- 反応室と、反応室に反応ガスを導入するガス導入部と、反応室から反応ガスを排気する排気部と、反応室内に支持された平板状の第１電極および第２電極と、第１電極および第２電極を対向状に支持する第１支持体および第２支持体とを備え、第１電極および第２電極は、第１支持体および第２支持体により支持された状態におけるそれぞれの自重による最大沈下距離である最大撓み量が互いに同一になるように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
- 第１電極および第２電極は、形状、大きさおよび材質が互いに同一である請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 第１電極および第２電極は、中空構造である請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
- 第１電極および第２電極は、限定的範囲で移動させることができるように支持されている請求項１〜３のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
- 第１電極および第２電極は、材質がアルミニウム合金である請求項２に記載のプラズマ処理装置。
- 第１電極および第２電極は、焼き鈍し加工されている請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
- 第１電極および第２電極は、所定の電極間距離だけ離して、かつ、それぞれの最大撓み量が電極間距離の少なくとも１％になるような形状、大きさおよび材質から構成されて、第１支持体および第２支持体により支持されている請求項１〜４のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置。
- 請求項１〜７のいずれか１つに記載のプラズマ処理装置を用い、被処理物である基板を第１電極および第２電極の撓みに沿うように撓ませて両電極の間に配設し、プラズマ処理を行うことによって、基板の表面に半導体薄膜を形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
- ガラス基板を第１電極および第２電極のいずれか一方の上に載置する請求項８に記載のプラズマ処理方法。
- 被処理物である基板が第１電極および第２電極の撓みに沿うように撓んだ状態で両電極の間に配設されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 基板を配設するための薄板状トレーをさらに備えている請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
- 基板は、トレーの上に載置されている請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
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