(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)真空容器と、
b)前記真空容器内に設けた、被処理基板を載置する基板台と、
c)前記真空容器内に、前記基板台に平行に配置された複数個の高周波アンテナであって、前記基板台の目的領域を指向する高周波アンテナのアスペクト比を該目的領域における目的プラズマ密度又はプラズマ電子エネルギーに応じた値に設定した複数の高周波アンテナと、
を備えることを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項２】
前記高周波アンテナが平面状であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
前記目的領域における目的プラズマ密度又は電子エネルギーを高めるために、対応高周波アンテナのアスペクト比を他の高周波アンテナのアスペクト比よりも大きい値としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
前記領域が前記基板台の中心を含むことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ生成装置。
【請求項５】
真空容器内に、被処理基板を載置する基板台に平行に配置された複数個の高周波アンテナを備えるプラズマ生成装置を用いた基板製造方法において、高周波アンテナのアスペクト比を調節することによってその高周波アンテナが指向する領域のプラズマ電子エネルギー又はプラズマ密度を制御することを特徴とするプラズマによる基板製造方法。
【請求項６】
目的領域のプラズマ電子エネルギー又はプラズマ密度を高めるために、該目的領域を指向する高周波アンテナのアスペクト比を他の高周波アンテナのアスペクト比よりも大きくすることを特徴とする請求項５に記載の基板製造方法。
【請求項７】
前記目的領域が前記基板台の中心を含むことを特徴とする請求項６に記載の基板製造方法。
【請求項８】
真空容器内に、被処理基板を載置する基板台に平行に配置された複数個の高周波アンテナを備えるプラズマ生成装置において、前記基板台の目的領域を指向する高周波アンテナのアスペクト比を該目的領域における目的プラズマ密度若しくはプラズマ電子エネルギー又は該目的領域に生成するイオン若しくはラジカルの種類に応じた値に設定することを特徴とするプラズマ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを用いて被処理基板の表面に堆積処理又はエッチング処理を行い、半導体などの基板を製造するためのプラズマ生成装置に関する。特に、大面積に亘って均一にプラズマを発生させることにより、大面積の基板を製造する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、アモルファスシリコン膜を用いたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）−ＬＣＤよりも高輝度の画像を表示することができるポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤが注目されている。ポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤでは、まず、ガラス基板上にポリシリコン薄膜を形成し、マザー基板とする。このマザー基板上を多数の２次元配列された画素領域に区分し、各画素領域に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を形成してＬＣＤ用基板とする。大画面のポリシリコンＴＦＴ−ＬＣＤを製造するためには、高い品質、特に高い平坦性を有するポリシリコンマザー基板が必要となる。
【０００３】
ポリシリコン基板は高効率の太陽電池用基板としても注目されており、需要及び応用の拡大に伴ってその大面積化が求められている。また、一般の半導体デバイス用基板についても、単結晶サイズを超える大面積のものについては、堆積によるマザー基板を使用せざるを得ない。
【０００４】
これらの分野で用いられるマザー基板を製造するために、プラズマを用いた処理が行われる。プラズマを用いた処理には、土台となる被処理基板の表面にマザー基板の原料を堆積させる処理、及び、マザー基板を含む被処理基板表面をエッチングする処理等が含まれる。基板の大型化に伴い、プラズマ処理を行う装置も大型化する必要があるが、その際の最も大きな問題は、プラズマ処理の不均一性である。これを解消するためには、基板全面に亘ってプラズマ密度をできるだけ均一にする必要がある。一方、生産性の観点からは、プラズマ密度を高め、それにより堆積速度やエッチングレートを高めることが求められる。
【０００５】
プラズマを生成する方法には、ＥＣＲ（電子サイクロトン共鳴）プラズマ方式、マイクロ波プラズマ方式、誘導結合型プラズマ方式、容量結合型プラズマ方式等がある。このうち誘導結合型プラズマ方式は、アンテナとなる誘導コイルに高周波電圧を印加し、プラズマ生成装置の内部に誘導電磁界を生成して、それによりプラズマを生成するものである。この構成によれば、前記のプラズマ装置に求められる要件の１つである高密度のプラズマを生成することができる。一方、プラズマ密度はアンテナからの距離に依存するため、前記のもう１つの要件であるプラズマ密度の均一性についてはアンテナの形状や位置等の構成を工夫することにより向上することが図られている。例えば、特許文献１には、プラズマ生成室の天井の外側に設けた平板状のコイルから高周波を導入し、プラズマ密度の均一性を向上させることが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−５８２９７号公報（［００２６］〜［００２７］、図１）
【０００７】
このような構成において基板の大面積化を図ろうとすると、プラズマ生成室天井の機械的強度を確保するために天井の壁を十分に厚くしなければならない。しかし、特許文献１の装置ではプラズマ生成室の外側にアンテナが配置されているため、アンテナから放射される誘導電磁界が壁において減衰し、プラズマ生成室内の誘導電磁界の強度を十分に得ることが困難である。即ち、特許文献１に記載の方法では、プラズマ密度の均一性については一定の向上が見られるものの、プラズマ密度を十分に高くすることは困難である。
【０００８】
それに対して本願発明者らは特許文献２において、高周波アンテナをプラズマ生成室内部に設けること（［０００８］〜［００１０］）、更に複数のアンテナを設けること（［００５０］）を提案している。
【０００９】
【特許文献２】
特開２００１−３５６９７号公報（［０００８］〜［００１０］、［００５０］、図１１）
【００１０】
この構成によれば、プラズマ生成室の壁が障害とならないため、誘導電磁界が減衰することなくプラズマ生成室内に放射され、プラズマ密度を十分に高くすることができる。また、均等に配置された複数のアンテナから誘導電磁界が放射されるため、その均一性が向上し、それによりプラズマ密度の均一性を向上させることができる。これらの効果により、大面積の被処理基板に対する堆積処理やエッチング処理が可能になる。以下、特許文献２に記載の複数のアンテナを設ける構成を「マルチアンテナ方式」と呼ぶ。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、マルチアンテナ方式を用いてもなお、基板中央付近のプラズマ密度は基板外縁部付近のそれよりも低くなる。誘導電磁界の強度は高周波アンテナからの距離に依存するため、基板面積が小さい場合には基板中央付近と基板外縁部付近とのプラズマ密度の差は許容範囲に収まるが、基板面積が大きくなるとその差は無視できなくなる。今後更に大面積の基板を処理するためには、各高周波アンテナの形状・位置等や高周波アンテナ間の関係等の現在考慮されていないパラメータを検討することが必要である。また、エッチングや堆積の速度等は、イオン種やラジカル種によっても異なるため、生成されるイオン種やラジカル種の種類も考慮する必要がある。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、空間的に均一な密度のプラズマを生成することができ、生成されるイオン種やラジカル種の種類を制御することができるプラズマ生成装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ生成装置は、
a)真空容器と、
b)前記真空容器内に設けた、被処理基板を載置する基板台と、
c)前記真空容器内に、前記基板台に平行に配置された複数個の高周波アンテナであって、前記基板台の目的領域を指向する高周波アンテナのアスペクト比を該目的領域における目的プラズマ密度又はプラズマ電子エネルギーに応じた値に設定した複数の高周波アンテナと、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
本明細書において「アスペクト比」とは、高周波アンテナの、内壁に垂直な方向の長さを内壁に平行な方向の長さで除した値をいう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプラズマ生成装置は、その内部がプラズマ生成室となる真空容器を有する。真空容器は真空ポンプに接続され、真空容器内部が所定の真空度に維持される。この真空容器内部に、被処理基板を載置する基板台を設ける。また、生成するプラズマの原料となるガスを真空容器内に導入するガス導入口を設ける。
【００１６】
真空容器内に、高周波アンテナを複数個設ける。この高周波アンテナには平面形のアンテナを用いるのが望ましいが、立体的形状を有するアンテナでもよい。立体的形状を有するアンテナの場合、アスペクト比は、基板台に平行な面への射影における、内壁に垂直な方向の長さを内壁に平行な方向の長さで除した値で定義される。各高周波アンテナの一方の電極は高周波電源に接続し、他方の電極は接地する。各高周波アンテナの電極間に高周波電圧を印加することにより誘導電磁界を生成する。
【００１７】
ここまでの構成は、特許文献２に記載のマルチアンテナ方式と同様である。本発明においては、従来考慮されていなかった高周波アンテナのアスペクト比に着目する。本願発明者らは、その高周波アンテナが指向する領域（アンテナの取付部から内壁に垂直な方向にある領域）のプラズマ電子エネルギーやプラズマ密度がアスペクト比に依存することを見出した。例えば、高周波アンテナに印加する高周波電圧を一定とした場合、アスペクト比を大きくするほど、その高周波アンテナが指向する領域のプラズマ電子エネルギーが高くなる。その理由は次のように考えられる。アスペクト比を大きくすると、高周波アンテナの指向方向に生じる誘導電界が大きくなる。高周波アンテナ近傍に生成されたプラズマ電子が、この電位差によって指向方向に強く加速されるため、その方向にある領域のプラズマ電子エネルギーが高くなる。
【００１８】
プラズマ電子エネルギーの大きさによって、プラズマ電子と衝突してその領域に生成されるイオン種やラジカル種は異なるものになる。また、イオン種やラジカル種の違いによってエッチングレート等が異なる。そのため、エッチングレート等を制御しようとする領域（目的領域）を指向する高周波アンテナのアスペクト比を種々の値に設定することによりプラズマ電子のエネルギーを調節し、目的領域に生成されるイオン種やラジカル種を制御して、そこにおけるエッチングレート等を制御することができる。
【００１９】
本発明の装置においては、電子エネルギーの制御を、真空容器内全体の電子温度を低い状態に保ったまま行うことができる。そのため、エッチングや堆積に寄与しないシースの部分の電位を上昇させることなく、目的領域の電子エネルギーのみを制御することができる。
【００２０】
また、アスペクト比を大きくすることにより、加速されたプラズマ電子がプラズマ化されずに残っている原料ガス分子に衝突して更にプラズマの生成を促進する。これにより、目的領域のプラズマ密度を高くすることができる。
【００２１】
以下に、プラズマ電子エネルギーやプラズマ密度を制御する例を述べる。いずれの例においても、目的領域を指向する高周波アンテナのアスペクト比を、その領域におけるプラズマ電子エネルギーやプラズマ密度等の目的値に応じて設定する。真空容器内全体のプラズマ密度を高める場合には、全ての高周波アンテナのアスペクト比を大きくすればよい。また、真空容器内の一部領域のプラズマ電子エネルギーやプラズマ密度を高める場合には、目的領域を指向する高周波アンテナのアスペクト比を他の高周波アンテナのアスペクト比よりも大きくする。なお、アスペクト比の制御は、１個の高周波アンテナに対してのみならず、複数個の高周波アンテナに対して行ってもよい。更に、真空容器内の一部領域のプラズマ電子エネルギーやプラズマ密度を低くするために、その領域を指向する高周波アンテナのアスペクト比を他の高周波アンテナのアスペクト比よりも小さくしてもよい。これらによりプラズマ電子エネルギーやプラズマ密度をより高い自由度で制御することができる。
【００２２】
真空容器内の一部領域のプラズマ密度を高める好適な例は、従来の装置では外縁部よりもプラズマ密度が低くなっていた基板台中央付近の領域のプラズマ密度を高めるために用いる方法である。中央付近を指向する高周波アンテナのアスペクト比を他の高周波アンテナのアスペクト比よりも大きくすることにより、プラズマ生成室全体に亘りプラズマ密度の均一性を改善することができる。このように密度の均一性を改善したプラズマを用いて被処理基板に堆積処理又はエッチング処理を行うことによって、大面積に亘り均一性の高い基板を製造することができる。
【００２３】
真空容器内の一部領域のプラズマ密度を制御するという方法は、例えば、何らかの理由により平坦ではない部分が生じたマザー基板を、その部分のプラズマ密度を制御し、堆積速度又はエッチング速度が他の部分のそれらとは異なるようにして修正する場合に用いることができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明により、マルチアンテナ方式の誘導結合型プラズマ生成装置において、プラズマ生成室内のプラズマ電子エネルギーやプラズマ密度の分布を制御することができる。特に、目的領域のプラズマ電子のエネルギーを制御することにより、その領域に生成されるイオン種やラジカル種を制御し、その領域におけるエッチングレート等を制御することができる。
【００２５】
また、大面積プラズマ生成室の中央付近のプラズマ密度を高めることができ、プラズマ生成室全体のプラズマ密度の均一性を改善することができる。それにより、大面積の被処理基板に、より均一な堆積処理やエッチング処理を行うことができ、均一性の高い基板を製造することができる。
【００２６】
【実施例】
図１及び図２に、本発明に係るプラズマ生成装置の第１の実施例の構成を示す。図１は鉛直方向の断面図であり、図２は平面図である。真空容器１１の内部が本プラズマ生成装置のプラズマ生成室となる。真空容器１１内部の水平方向の断面は、長辺１３０ｃｍ、短辺１００ｃｍの矩形である。真空容器１１には真空ポンプ（図示せず）を接続する。真空容器１１内に被処理基板１３を載置するための、長辺９４ｃｍ、短辺７６ｃｍの矩形の平面状の基板台１４を設ける。基板台１４は、その下部に設けた昇降部１４１により昇降可能となっている。また、真空容器１１の下側部には被処理基板１３を出し入れするための基板出入口１２を設ける。真空容器１１内上部には、内壁に沿って水平に真空容器１１内を一周分周回する周回部と、真空容器１１外部に接続する接続部から成るガスパイプ１５を設ける。このガスパイプ１５の周回部の表面には、多数の孔を、真空容器１１内に均等にガスを導入するために適宜分布で配置する。
【００２７】
真空容器１１の４つの側壁のうちその水平方向に長い方の２面には４個ずつ、短い方の２面には３個ずつ等間隔に高周波アンテナ１６を設ける（図２参照）。高周波アンテナ１６の基板台１４からの高さは１８ｃｍである。高周波アンテナ１６の形状はＵ字形である。第１の実施例においては、全領域のプラズマ密度を制御するために、全ての高周波アンテナ１６を同じアスペクト比とする。
【００２８】
各高周波アンテナ１６の２つの電極のうち、一方はインピーダンス整合器１７を介して高周波電源１８に接続し、他方は接地する。本実施例では１つの高周波電源１８に、１つの真空容器側壁に設けた３個又は４個の高周波アンテナを並列に接続する。
【００２９】
本実施例のプラズマ生成装置の動作を説明する。昇降部１４１を動作させて基板台１４を降下させる。被処理基板１３を基板出入口１２から真空容器１１内に入れ、基板台１４上に載置した後、基板台１４を所定の位置まで上昇させる。プラズマの原料ガスを所定のガス圧でガスパイプ１５に導入し、４台の高周波電源１８から所定の高周波電力を各高周波アンテナ１６に供給する。これにより、各高周波アンテナ１６が誘導電界を生成する。等間隔に設置された複数の高周波アンテナ１６からそれぞれ生成される誘導電界により、プラズマが生成される。
【００３０】
以下、第１の実施例において生成されるプラズマ密度やプラズマ電子エネルギーについて実験結果を用いて説明する。ここではアスペクト比の変化による効果を見るために、全ての高周波アンテナのアスペクト比を図３に示す２、１及び０．５に揃えた３種類のプラズマ生成装置について測定を行った。なお、各高周波アンテナが囲む領域の面積Ｓは同一とした。アスペクト比が１の高周波アンテナの１辺の長さは１５ｃｍである。
【００３１】
この実験の際のプラズマ生成条件は以下の通りである。生成するプラズマはＡｒプラズマとする。あらかじめ真空容器１１内を５×１０−５Ｐａまで排気した後、原料ガスであるＡｒガスを１．３３Ｐａのガス圧まで供給する。その後、各高周波アンテナ１６に周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給してプラズマを生成する。なお、プラズマ電子密度及びプラズマ電子エネルギーの測定にはラングミュアプローブ法を用いた。
【００３２】
図４に、これらの３種類のプラズマ生成装置について、基板台中央の直上の、高周波アンテナと同じ高さにおけるプラズマ密度を測定した結果を示す。ここで、縦軸は対数スケールで表したプラズマ密度であり、横軸は各高周波電源が供給する高周波電力の大きさである。高周波電力を同一とした場合、アスペクト比が２の高周波アンテナを用いた装置の方が、アスペクト比が１及び０．５の高周波アンテナを用いた装置よりも高いプラズマ密度を得ることができる。
【００３３】
図５に、図４と同じ３種の装置について、基板台中央直上におけるプラズマ電子のエネルギー分布を測定した結果を示す。各高周波電源が供給する高周波電力の大きさは２０００Ｗとした。高周波電力以外のパラメータは、図４に示す測定の時のパラメータと同じである。縦軸は対数スケールである。アスペクト比が２である装置において、アスペクト比がそれ以外の値である装置よりも、１０〜１８ｅＶのエネルギーを持つプラズマ電子が増加している。この高エネルギーの電子は、高周波アンテナに発生する電位差によって加速されて生成される電子である。アスペクト比によってこの電子が生成され飛来する方向が変化する。本実施例のＵ字形高周波アンテナにおいては、高エネルギー電子は高周波アンテナの長手方向に生成されることから、アスペクト比が２の場合には、アスペクト比が１や０．５の場合よりも高エネルギー電子が多く存在するようになる。
【００３４】
また、図５の結果は高周波アンテナのアスペクト比を変えることによりプラズマ中の電子エネルギーを制御することができることを示している。それにより、イオン種やラジカル種等のプラズマプロセスにおいて重要な因子を制御することもできる。
【００３５】
次に、第２の実施例について説明する。図６に第２実施例のプラズマ生成装置の平面図を示す。このプラズマ生成装置の鉛直方向の断面図は図１に示すものと同様である。本実施例では、真空容器１１の長辺側の側壁に設けた４個の高周波アンテナのうち中央の２個の高周波アンテナ、及び短辺側の側壁に設けた３個の高周波アンテナのうち中央の１個の高周波アンテナ（例えば高周波アンテナ１６１）のアスペクト比を２とし、真空容器１１の四隅に近い高周波アンテナ（例えば高周波アンテナ１６２）のアスペクト比を１とする。これは、目的領域である基板台の中心付近のプラズマ密度を大きくするために、そこを指向する高周波アンテナのアスペクト比を大きくしたものである。
【００３６】
図６の装置を用いて、高周波アンテナと同じ高さにおけるプラズマ密度の空間分布を測定した結果を図７（ａ）に示す。併せて、比較例として図７（ｂ）に、全ての高周波アンテナのアスペクト比を１とした装置について同様の測定を行った結果を示す。ここでは、各高周波電源が供給する高周波電力の大きさを１０００Ｗとし、それ以外のプラズマ生成条件は第１の実施例におけるものと同じとした。なお、図７では検出器のイオン飽和電流密度を表しているが、これはプラズマ密度に比例するものである。
【００３７】
図７（ｂ）より、比較例の装置では中心部のプラズマ密度が低く外縁部のプラズマ密度が高くなり、均一性が悪いことがわかる。それに対して図７（ａ）より、第２実施例の装置では、中心部のプラズマ密度が比較例のそれよりも高くなるのに対して、外縁部のプラズマ密度が高くなることが抑制され、その結果、比較例の装置よりもプラズマ密度の均一性が改善されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ生成装置の実施例の鉛直方向の断面図。
【図２】第１の実施例である、アスペクト比が全て等しいプラズマ生成装置の平面図。
【図３】アスペクト比が異なる複数種類の高周波アンテナを示す模式図。
【図４】第１の実施例のプラズマ生成装置の装置中央におけるプラズマ密度を示すグラフ。
【図５】第１の実施例のプラズマ生成装置の装置中央における電子エネルギー分布を示すグラフ。
【図６】第２の実施例である、基板台の中心を目的領域として対応高周波アンテナのアスペクト比を大きくしたプラズマ生成装置の一構成例の平面図。
【図７】第２の実施例及びその比較例の装置のプラズマ密度分布を示す図。
【符号の説明】
１１…真空容器
１２…基板出入口
１３…被処理基板
１４…基板台
１４１…昇降部
１５…ガスパイプ
１６、１６１、１６２…高周波アンテナ
１７…インピーダンス整合器
１８…高周波電源
【図１】
0003618333.tif 000002
【図２】
0003618333.tif 000003
【図３】
0003618333.tif 000004
【図４】
0003618333.tif 000005
【図５】
0003618333.tif 000006
【図６】
0003618333.tif 000007
【図７】
0003618333.tif 000008