(57)【要約】本発明のプラズマ処理装置１０は、真空容器から成るプラズマ処理室１１と、プラズマ処理室１１内で対面するように立設された一対の基体保持部１２と、２個の基体保持部１２の間に設けられた複数の第１反応ガス管１３と、２個の基体保持部１２の双方に関してそれぞれ第１反応ガス管１３との間に設けられた複数の第２反応ガス管１４とを備える。第１反応ガス管１３は導体製であり、高周波電源１５１，１５２に接続されている。第２反応ガス管１４は導体製であり、整合器を介して交流バイアス電源１５３に電気的に接続されている。第１反応ガス管１３は高周波アンテナを兼ね、第２反応ガス管１４は電極を兼ねる。
2010058560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) プラズマ処理室と、
b) 前記プラズマ処理室内に設けられた基体保持部と、
c) 前記プラズマ処理室内に前記基体保持部から離間して配置された高周波アンテナと、
d) 前記高周波アンテナと前記基体保持部の間に設けられた、プラズマが通過可能な電極と、
e) 前記電極と前記基体保持部の間に電圧を印加する電圧印加手段と、
f) 前記電極よりも前記高周波アンテナ側に第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給口と、
g) 前記電極と前記基体保持部の間に第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給口と、
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記電極が前記第２反応ガスを流すための導電性の第２反応ガス管を複数並べたものから成り、前記第２反応ガス供給口が該第２反応ガス管に設けられた孔であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記高周波アンテナと前記第２反応ガス供給口の間であって前記第１反応ガス供給口と前記第２反応ガス供給口の間にガス通過抵抗体を備えることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記ガス通過抵抗体が前記電極を兼ねていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
a) プラズマ処理室と、
b) 前記プラズマ処理室内に設けられた基体保持部と、
c) 前記プラズマ処理室内に前記基体保持部から離間して配置された高周波アンテナと、
d) 前記高周波アンテナの近傍の領域に第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給口と、
e) 前記高周波アンテナ近傍領域よりも前記基体保持部側の領域に第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給口と、
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記高周波アンテナと前記第２反応ガス供給口の間であって前記第１反応ガス供給口と前記第２反応ガス供給口の間の位置にガス通過抵抗体を備えることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記ガス通過抵抗体が多数の孔を有する板材であることを特徴とする請求項３、４、６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記高周波アンテナが前記第１反応ガスを流すための導電性の第１反応ガス管から成り、前記第１反応ガス供給口が該第１反応ガス管に設けられた孔であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記高周波アンテナが複数の直線状導体を平行に並べたものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記直線状導体アンテナに供給される高周波電流が、最隣接の直線状導体アンテナ同士で同位相且つ逆方向に流れるものであることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記第１反応ガス供給口から水素を供給し、前記第２反応ガス供給口からシラン、シランとジボラン、又はシランとホスフィンを供給することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを生成し、そのプラズマを用いて平面状被処理基体に堆積を行うプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は太陽電池やディスプレイ等を製造するために幅広く用いられている。例えば、シリコン薄膜太陽電池を製造する際には、アモルファスや結晶性のシリコン薄膜がプラズマ処理装置により製造される。このうちアモルファスシリコン薄膜は光電変換が生じる波長帯が結晶性シリコン薄膜よりも短波長側にあるため、出力を高くすることができるという特長を有する。一方、結晶性シリコン薄膜はアモルファスシリコン薄膜よりも劣化し難いという特長を有する。結晶性シリコン薄膜のうち微結晶から成るものは、光電変換波長帯がアモルファスシリコン薄膜の光電変換波長帯のやや長波長側であって比較的近い波長域にある。そのため、微結晶シリコン薄膜はアモルファスシリコン薄膜と同様に単独で、又は短波長且つ広い光電変換波長帯を得るためにアモルファスシリコン薄膜と組み合わせて（タンデム型）、シリコン薄膜太陽電池に用いられている。【０００３】
従来、シリコン薄膜を製造するためのプラズマ処理装置には、多くの場合、比較的安価な容量結合型プラズマ処理装置が用いられてきた。容量結合型プラズマ処理装置では、１対の平行平板電極の一方に、他方の電極に対向するように基体を取り付け、該平行平板電極間にガスを導入したうえで電圧を印加する。これにより生じる放電でガスを分解し、ラジカルやイオンが生成される。このラジカルやイオンが基体表面で結合することにより、膜が形成される。【０００４】
しかし、容量結合型プラズマ生成装置では、高密度なプラズマを生成して成膜速度を高速化することが困難であり、厚みが大きい膜を製造することができない。また、結晶成長の速度が遅いため、実用上、微結晶のシリコン薄膜を作製することができない。そのため、厚みが大きい膜や微結晶のシリコン薄膜を有するシリコン薄膜太陽電池を製造する場合には、誘導結合型プラズマ処理装置が用いられている。誘導結合型プラズマ処理装置では、アンテナ（コイル）に高周波の大電流を流すことにより、アンテナの近傍に高周波磁界及びその時間変化によって生じる高周波電界を生成する。高周波電界中で電子は電界からエネルギーを得て加速され、ガス分子と衝突し、ガス分子を分解する。誘導結合型プラズマ処理装置は容量結合型プラズマ処理装置よりも高密度なプラズマを生成することができるため、成膜速度及び結晶成長の速度を高めることができる。【０００５】
特許文献１には、p型半導体層（p層）、真性半導体層（i層）及びn型半導体層（n層）が積層されたpin型薄膜太陽電池を作製する際に、p層及びn層は装置が安価である容量結合型プラズマ処理装置で作製し、i層は厚みがp層及びn層よりも２〜３桁厚いため成膜速度が速い誘導結合型プラズマ処理装置で作製する、と記載されている。【０００６】
しかし、誘導結合型プラズマ処理装置では、均一な膜を得るためには高周波アンテナと基板との距離を長くすることが必要である。従って、プラズマで発生したラジカルの２次反応を防止するためには、圧力を１Ｐａ以下に低くしなければならない。低い圧力を達成するためには極めて大きな真空排気装置を設けるか、ガスの導入量を極めて少なくしなければならない。いずれにしても膜の作製コストは高いものになってしまう。【０００７】
特許文献２には、内部に試料台が設けられた成膜室（真空チャンバ）と、オリフィスを有する第１電極により成膜室と隔てられ内部にアンテナが設けられたプラズマ生成室と、プラズマ生成室を挟んで第１電極と対向する第２電極を有する誘導結合型プラズマ処理装置が記載されている。この誘導結合型プラズマ処理装置では、プラズマ生成室内にガスを導入したうえでアンテナに高周波電力を投入することによりプラズマを生成する。そして、第１電極と第２電極の間にバイアス電圧を印加することにより、プラズマ中のイオンを第１電極と第２電極の間の電界で加速し、第１電極のオリフィスを通過させて真空チャンバ内に導入する。これにより、容量結合型プラズマ処理装置の場合と同様にイオンを基体に衝突させることができるため、膜の均一性を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2001-291882号公報（[0048]）
【特許文献２】特開2004-281230号公報（[0022]-[0030], [0077]-[0079], 図10）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
誘導結合型プラズマ処理装置では、容量結合型プラズマ処理装置よりもガス分子の分解が促進されるが、それゆえに、過度に分解が進行したり、ラジカルがイオンや他のラジカルと結合したりする、という２次反応が生じ、不所望のイオンやラジカルが生成されるおそれがある。例えば、シラン（SiH4）ガスの分子はSiH3、SiH2、SiH、Si（いずれもラジカル又はイオン）の順に分解するが、そのうち高品質なシリコン薄膜を得るのに適しているのはSiH3ラジカルであることが知られている。しかし、イオンやラジカルが過度に分解するとSiH3ラジカルが減少し、不所望のSiH2、SiH又はSiの各種ラジカルが増加する。そして、これら不所望のラジカルが基体の表面に堆積することにより、シリコン薄膜の品質が低下するおそれがある。【００１０】
また、特許文献２に記載の装置では、バイアス電圧の印加により、イオンを加速するための電界がプラズマ生成室内の全体に形成されるため、所望のエネルギーを有するイオンだけではなく、過度に加速されたイオンも形成される。その結果、強すぎるエネルギーを有するイオンが基体の表面に照射されることで膜の原子配列が乱され、欠陥が形成されることになる。イオンは、適度の速度で基板に衝突することにより、膜表面の温度を上げ、膜表面での原子の再配列反応を促進し、良好な膜質の結晶膜を作る作用もある。適度にエネルギーを制御したイオンを基板表面に照射することは、基板温度を低く保った状態で良好な結晶質膜を作製するには必要な手段である。【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、過度に分解したラジカルやイオンが基体の表面に入射することを防ぐことができる誘導結合型プラズマ処理装置を提供することである。併せて、プラズマ中の所望のイオンを適度に加速させ、基体の表面においてイオンアシストにより膜の特性を高めることができる誘導結合型プラズマ処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された第１発明に係るプラズマ処理装置は、
a) プラズマ処理室と、
b) 前記プラズマ処理室内に設けられた基体保持部と、
c) 前記プラズマ処理室内に前記基体保持部から離間して配置された高周波アンテナと、
d) 前記高周波アンテナと前記基体保持部の間に設けられた、プラズマが通過可能な電極と、
e) 前記電極と前記基体保持部の間に電圧を印加する電圧印加手段と、
f) 前記電極よりも前記高周波アンテナ側に第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給口と、
g) 前記電極と前記基体保持部の間に第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給口と、
を備えることを特徴とする。【００１３】
第１発明のプラズマ処理装置では、第１及び第２反応ガスを異なる２つのガス供給口からプラズマ処理室内に供給するようにした。第１反応ガスは第１反応ガス供給口により、第２反応ガスの供給位置よりも高周波アンテナに近い位置に供給される。そのため、第１反応ガスは高周波アンテナの近傍において形成される電界で分解され、それにより高密度なプラズマが生成される。一方、第２反応ガスは第２反応ガス供給口から電極と基体保持部の間に供給され、主に第２反応ガス供給口の近傍で第１反応ガスにより生成されたプラズマと接触することにより、具体的には第１反応ガスから形成されたラジカルと反応することで分解され、膜の堆積に寄与する第２反応ガスのラジカルを形成する。第２反応ガスが供給される電極と基体保持部の間の領域は高周波アンテナから離れているため、生成された第２反応ガスは高周波アンテナからの電界により過度に分解されず、所望のラジカルが得られる。【００１４】
また、第１発明のプラズマ処理装置では、高周波アンテナと基体保持部の間に電極を設け、その電極と基体保持部の間に電圧（バイアス電圧）を印加するようにしたため、所望のエネルギーを有するイオンを基体保持部に保持された基体の表面に入射させることができる。このようなイオンは、基体表面にイオンアシストによる表面拡散効果を生じさせ、膜の特性の向上に寄与する。また、第２反応ガスの一部がプラズマ処理装置内で拡散して高周波アンテナの近傍に流入することによってわずかに不所望のラジカルおよびイオンが生成されるおそれがあるが、第１反応ガスの供給口の近傍の圧力を第２反応ガスの供給口の近傍の圧力よりも高く設定することで、第２反応ガスが高周波アンテナの近傍に拡散するのを防止することができる。プラズマが通過可能な電極を用いるのは、高周波アンテナの近傍で生成された第１反応ガスのラジカルと電極のバイアス電圧で制御されたイオンを含むプラズマが基体保持部側に到達するのを助長するためである。このような電極には、例えばグリッド状のものや導電性の板に孔を設けたものを用いることができる。なお、電圧印加手段は、直流電圧、交流電圧のいずれを印加するものであってもよい。【００１５】
前記電極には前記第２反応ガスを流すための導電性の第２反応ガス管を複数並べたものを用い、前記第２反応ガス供給口には該第２反応ガス管に設けられた孔を用いることが望ましい。このように、第２反応ガス管が電極を兼ねることにより、構造を単純化することができる。この場合、高周波アンテナの近傍で生成されたプラズマは第２反応ガス管の間を通過する。【００１６】
また、上記課題を解決するために成された第２発明に係るプラズマ処理装置は、
a) プラズマ処理室と、
b) 前記プラズマ処理室内に設けられた基体保持部と、
c) 前記プラズマ処理室内に前記基体保持部から離間して配置された高周波アンテナと、
d) 前記高周波アンテナの近傍の領域に第１反応ガスを供給する第１反応ガス供給口と、
e) 前記高周波アンテナ近傍領域よりも前記基体保持部側の領域に第２反応ガスを供給する第２反応ガス供給口と、
を備えることを特徴とする。【００１７】
高周波電磁界の強度は高周波アンテナから離れるに従って急激に減少する。例えば、1kW〜数kWの高周波電力を高周波アンテナに投入した場合には、生成されるプラズマのほとんどは高周波アンテナの導体の表面から数mm〜1cmまでの領域内においてガスが分解することにより得られる。第２発明のプラズマ処理装置では、第１反応ガスを高周波アンテナ近傍に供給するため、使用される第１反応ガスの多くがプラズマに分解される。
一方、第２反応ガスは、高周波アンテナ近傍領域よりも基体保持部側の領域に供給されるため、高周波電界で分解されることが抑制される。その代わりに、第１反応ガスのプラズマの生成物であるＨラジカルとの反応により、第２反応ガスは分解され、膜の堆積に寄与するラジカルを多量に形成する。【００１８】
第１及び第２発明のプラズマ処理装置では、前記高周波アンテナと前記第２反応ガス供給口の間であって前記第１反応ガス供給口と前記第２反応ガス供給口の間の位置にガス通過抵抗体を設けることができる。これにより、第２反応ガスが高周波アンテナの近傍に近づくことが更に抑制され、それにより、より一層、第２反応ガスが高周波アンテナからの電界により過度に分解されることが抑制される。それと共に、高周波アンテナ近傍における第１反応ガスの圧力（密度）が高まり、それにより第１反応ガスから生成されるプラズマの密度を高めることができる。ガス通過抵抗体には、例えば多数の孔を有する板材あるいは網を用いることができる。【００１９】
第１発明のプラズマ処理装置では、前記ガス通過抵抗体が電極を兼ねる構成とすることができる。即ち、ガス通過抵抗体と基体保持部の間にバイアス電圧が印加されることにより、プラズマ中のイオンが基体保持部に保持された基体に入射されるのが促進される。一方、ガス通過抵抗体よりも高周波アンテナ側では、当該ガス通過抵抗体によって第２反応ガスの流入により不所望のラジカル、イオンが生成されることが抑制される。【００２０】
また、第１及び第２発明のプラズマ処理装置においては、前記高周波アンテナには複数の直線状導体を平行に並べたものを用いることが望ましい。これにより、高周波アンテナの近傍に均一性の高い電磁界を形成することができる。【００２１】
また、このような直線状導体アンテナを用いる場合には、それらに供給される高周波電流が、最隣接の直線状導体アンテナ同士で同位相且つ逆方向に流れるようにすることが望ましい。これにより、高周波アンテナから離れたところでは磁界が打ち消され、不要なプラズマが形成されることを防止することができる。【００２２】
前記高周波アンテナには前記第１反応ガスを流すための導電性の第１反応ガス管から成るものを用い、前記第１反応ガス供給口には該第１反応ガス管に設けられた孔を用いることが望ましい。これにより、同一部材で高周波アンテナと第１反応ガス管を構成することができ、構造を単純化することができる。また、第２発明のプラズマ処理装置において、このように第１反応ガス管、即ち高周波アンテナに設けられた孔を第１反応ガス供給口とすることにより、第１反応ガスを高周波アンテナ近傍領域に好適に供給することができる。【００２３】
第１及び第２発明のプラズマ処理装置を用いてシリコン薄膜を作製する場合には、前記第２反応ガス供給口からシランを供給することが望ましい。また、ホウ素を不純物として含有するp型半導体のシリコン薄膜を作製する場合には前記第２反応ガス供給口からシランとジボランを供給し、リンを不純物として含有するn型半導体のシリコン薄膜を作製する場合には前記第２反応ガス供給口からシランとホスフィンを供給することが望ましい。いずれの場合にも、前記第１反応ガス供給口からは水素を供給することが望ましい。これにより、高周波アンテナの近傍で水素ガスが水素イオンと電子に十分に分解され、高密度の水素プラズマが生成される。また電子の加速、H2分子との衝突により多量のHラジカルを形成する。そして、水素プラズマが拡散して第２反応ガス供給口付近に達すると、水素プラズマと第２反応ガスが接触することにより、第２反応ガスの分子が分解される。具体的には、拡散してきたHラジカルと次のような反応をすることにより、多量のSiH3ラジカルを形成する。
SiH4 ＋ H ⇒ SiH3 ＋ H2
また、第１および第２反応ガスから生成されたイオンは電圧印加手段で印加された電界により、適度に加速されて基体保持部に保持された基体の表面に入射し、基体表面に付着したラジカルおよび原子の再配列を促進する。
【発明の効果】
【００２４】
第１発明のプラズマ処理装置によれば、高周波の電力を第１反応ガスの分解に集中させ、高周波アンテナから離れた電極と基体保持部の間に供給される第２反応ガスが過度に分解することを防ぐことができる。それと共に、電極と基体保持部の間にバイアス電圧を印加することにより、電極と基体保持部の間にあるイオンが基体保持部に保持された基体に適度のエネルギーを有して入射する。そのため、低い基板温度においても良好に配列した結晶膜を得ることができる。また、過度に分解したラジカルやイオンが基体の表面に入射することを防ぐことができると共に、基体に入射するイオンが寄与するイオンアシスト表面拡散により膜の特性を高めることができる。【００２５】
第２発明のプラズマ処理装置によれば、第１反応ガスが高周波アンテナ近傍領域に供給されるため、第１反応ガスから生成されるプラズマの密度を高めることができる。一方、第２反応ガスは、高周波アンテナ近傍領域よりも基体保持部側の領域に供給されるため、高周波アンテナからの高周波電磁界により過度に分解されることを抑制することができる。【００２６】
第１及び第２発明のプラズマ処理装置において上記ガス通過抵抗体を用いることにより、第２反応ガスが高周波アンテナの近傍に近づくことを更に抑制することができ、それにより、より一層、第２反応ガスが高周波アンテナからの電磁界により過度に分解されることを抑制することができる。それと共に、高周波アンテナ近傍における第１反応ガスの密度を高め、それにより第１反応ガスから生成されるプラズマの密度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の第１実施例を示す横断面図(a)及びA-A'縦断面図(b)。
【図２】第１実施例のプラズマ処理装置１０を示すB-B'縦断面図。
【図３】第１実施例のプラズマ処理装置１０を示すC-C'縦断面図。
【図４】本発明に係るプラズマ処理装置の第２実施例を示す縦断面図(a)、D-D'横断面図(b)及びE-E'横断面図(c)。
【図５】本発明に係るプラズマ処理装置の第３実施例における高周波アンテナ及び第１反応ガス供給口を示す縦断面図。
【図６】本発明に係るプラズマ処理装置の第４実施例を示す横断面図(a)及びF-F'縦断面図(b)。
【図７】第４実施例のプラズマ処理装置１０Ｂを示すG-G'縦断面図。
【図８】本発明に係るプラズマ処理装置の第５実施例における高周波アンテナ及び第１反応ガス供給口を示す横断面図。
【図９】図８に示したプラズマ処理装置の変形例を示す横断面図。
【図１０】図８に示したプラズマ処理装置の他の変形例を示す横断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１〜図１０を用いて、本発明に係るプラズマ処理装置の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１〜図３は、第１の実施例のプラズマ処理装置１０を示すものであり、このうち図１(a)は横断面図、図１(b)、図２及び図３は互いに異なる位置における縦断面図を示している。
プラズマ処理装置１０は、真空容器から成るプラズマ処理室１１と、プラズマ処理室１１内で対面するように立設された一対の基体保持部１２と、２個の基体保持部１２の間に設けられた複数の第１反応ガス管１３と、２個の基体保持部１２の双方に関してそれぞれ第１反応ガス管１３との間に設けられた複数の第２反応ガス管１４とを備える。【００３０】
基体保持部１２はプラズマ処理室１１の壁面を介して接地されている。また、基体保持部１２には、保持された基体Ｓを加熱するためのヒータが内蔵されている。【００３１】
第１反応ガス管１３はプラズマ処理室１１内に第１反応ガスを供給するための管であり、その表面には複数の第１反応ガス供給口（孔）１３Ａが設けられている。第１反応ガス管１３は直線状の管から成り、複数の第１反応ガス管１３は互いに平行に並んで設けられている。第２反応ガス管１４は第２のガスを第２反応ガス管１４と基体保持部１２の間に供給するための管であり、基体保持部１２に向くように（第１反応ガス管１３の反対側を向くように）複数の第２反応ガス供給口（孔）１４Ａが設けられている。【００３２】
第１反応ガス管１３は導体製であり、プラズマ処理室１１内での配列順に交互に、整合器を介し第１の高周波電源１５１又は第２の高周波電源１５２に電気的に接続されている。ここで、第１反応ガス管１３のうち第１高周波電源１５１に接続されているものをガス管１３１、第２高周波電源１５２に接続されているものをガス管１３２とすると（図２参照）、ガス管１３１はその上端部で第１高周波電源１５１に接続されているのに対して、ガス管１３２はその下端部で第２高周波電源１５２に接続されている。【００３３】
ガス管１３１及びガス管１３２はいずれもプラズマ処理室１１の上下の壁を貫いている。プラズマ処理室１１の下壁よりも下方に突出するガス管１３１の端部は連結管１３１Ａで連結されており、プラズマ処理室１１の上壁よりも上方に突出するガス管１３２の端部は連結管１３２Ａで連結されている。ガス管１３１とプラズマ処理室１１の上壁（第１高周波電源１５１側の壁）、及びガス管１３２とプラズマ処理室１１の下壁(第２高周波電源１５２側の壁）は、いずれも第１絶縁部材１６１で絶縁されている。これに対して、ガス管１３１とプラズマ処理室１１の下壁、ガス管１３２とプラズマ処理室１１の上壁は、いずれも電気的に接続されている。なお、図２中、黒丸１７は、ガス管１３１及びガス管１３２とプラズマ処理室１１の壁とが電気的に接続されていることを示すものである。プラズマ処理室１１の壁は導電性であって接地されていることから、第１反応ガス管１３は高周波電流が流れる高周波アンテナとして機能する。【００３４】
第２反応ガス管１４は導体製であり、整合器を介して交流バイアス電源１５３に電気的に接続されている。また、第２反応ガス管１４は、その上端付近においてプラズマ処理室１１の上壁を貫いている。複数の第２反応ガス管１４は、プラズマ処理室１１の上壁よりも上方に突出する端部において連結管１４Ｂで連結されている。第２反応ガス管１４とプラズマ処理室１１の上壁の間には第２絶縁部材１６２が、第２反応ガス管１４とプラズマ処理室１１の下壁の間には第３絶縁部材１６３が、それぞれ介挿されている。このような構成により、複数の第２反応ガス管１４は基体保持部１２との間にバイアス電圧を印加する電極として機能する。【００３５】
このように第１反応ガス管１３が高周波アンテナを兼ね、第２反応ガス管１４が電極を兼ねることにより、装置の構成を簡略化することができる。【００３６】
本実施例のプラズマ処理装置１０の動作を、基体Ｓ上にシリコン薄膜を製造する場合を例に説明する。まず、２つの基体保持部１２にそれぞれ基体Ｓを保持させる。基体Ｓはいずれも基体保持部１２の表面に沿うように保持されており、これにより、２枚の基体Ｓは撓みが生じることなく起立状態でプラズマ処理室１１内に配置される。次に、第１反応ガス管１３に水素ガス（第１反応ガス）を流すことにより、第１反応ガス供給口１３Ａから第１反応ガス管１３の近傍に水素ガスを供給する。また、第２反応ガス管１４にシランガス（第２反応ガス）を流すことにより、第２反応ガス供給口１４Ａから第２反応ガス管１４と基体保持部１２の間にシランガスを供給する。【００３７】
続いて、第１高周波電源１５１及び第２高周波電源１５２から第１反応ガス管１３に高周波電流を流すと共に、交流バイアス電源１５３により第２反応ガス管１４と基体保持部１２の間に交流バイアス電圧を印加する。第１反応ガス管１３に供給された高周波電流により第１反応ガス管１３の近傍に誘導電界が形成され、それにより、第１反応ガス管１３の近傍に供給された水素ガスの分子がイオンと電子に分離することで水素プラズマが生成される。生成された水素プラズマはプラズマ処理室１１内で拡散し、複数並べられた第２反応ガス管１４の管と管の間を通過する。そして、第２反応ガス管１４と基体保持部１２の間において、水素ラジカルとシランガスの分子が接触し、SiH3ラジカルが生成される。ここで、シランガスが供給される位置が第１反応ガス管１３から離れているため、シランガスが誘導電磁界の変動により形成される電界により過度に分解されることを防ぐことができる。【００３８】
こうして生成されたSiH3ラジカルはプラズマ処理室１１内で拡散することなく基板に達し該基板表面に付着する。それと共に、第２反応ガス管１４と基体保持部１２の間にある水素イオンは適度のバイアス電界により加速され、基体Ｓの表面に衝突する。これにより、基体Ｓの表面に付着したSiH3ラジカルおよびSi原子の再配列が促進され、原子の欠陥が少なく品質の高いシリコン薄膜が成膜される。【００３９】
なお、シリコン薄膜の成膜中に、基体保持部１２に内蔵されたヒータで基体Ｓを加熱することにより、シリコン原子の表面拡散が促進され、より均一な膜が形成される。基板表面へのイオン照射がないと、基体温度を高くする必要があるが、適度に加速されたイオンを基板表面に照射することで、原子およびラジカルの再配列に必要な温度を低くでき、使用できる基板の選択範囲は広くなる。【００４０】
本実施例のプラズマ処理装置１０では、第１反応ガスは第１反応ガス管１３の近傍に供給されるため、高周波アンテナによる高電界及び高磁界で十分に分解され、それにより高密度なプラズマが生成される。それに対して第２反応ガスは第１反応ガス管１３から離れた、第２反応ガス管１４と基体保持部１２の間に供給されるため、高周波アンテナからの高電界で過度に分解されることがなく、第１反応ガスから生成されたプラズマ（実施例１では水素プラズマ）と接触することにより所望のプラズマが得られる。【００４１】
また、第２反応ガス管１４を第１反応ガス管１３と基体保持部１２の間に配置したため、第１反応ガス管１３の近傍において高電界により第２反応ガスが分解されることが抑制され、２次反応を起こすラジカルの形成を抑制することができる。【００４２】
本実施例において、第１高周波電源１５１と第２高周波電源１５２から電流を供給する際には、両者の位相を一致させておくことが望ましい。これにより、第１高周波電源１５１に接続されたガス管１３１と、第２高周波電源１５２に接続されたガス管１３２には互いに逆方向の電流が流れる。そのため、第１反応ガス管１３から離れた、シランガスが導入される領域では磁界が打ち消され、シランガス分子が過度に分解することを防ぐことができる。
【実施例２】
【００４３】
図４を用いて、本発明に係るプラズマ処理装置の第２の実施例を説明する。第２実施例のプラズマ処理装置１０Ａでは、基体Ｓをほぼ水平に保持する１個の基体保持部１２Ａがプラズマ処理室１１内に設けられている。基体Ｓは基体保持部１２Ａの上に載置される。第２反応ガス管（電極）１４は基体保持部１２Ａの個数に合わせて１組のみ設けられている。また、第２反応ガス管１４には直流バイアス電源１５４が接続されている。これらの点以外は、第２実施例のプラズマ処理装置１０Ａは第１実施例のプラズマ処理装置１０と同様の構成を有する。また、第２実施例のプラズマ処理装置１０Ａの動作も第１実施例のプラズマ処理装置１０と同様である。
【実施例３】
【００４４】
図５を用いて、本発明に係るプラズマ処理装置の第３の実施例を説明する。第３実施例のプラズマ処理装置では、高周波アンテナ２１と第１反応ガス管２２が独立に設けられている。具体的には、高周波アンテナ２１は、上下方向に延びる直線状の導体の棒から成り、プラズマ処理室１１内には複数本の高周波アンテナ２１が並行に並べられている。高周波アンテナ２１には、その配列順に交互に、電流が互いに逆方向に流れるように第１高周波電源１５１又は第２高周波電源１５２が接続されている。第１反応ガス管２２はプラズマ処理室１１の上壁及び下壁にそれぞれ設けられており、その開放された端部がプラズマ処理室１１内に配置されている。第１反応ガス管２２は、隣接する２本の高周波アンテナの間の位置に配置されている。このように高周波アンテナ２１及び第１反応ガス管２２が配置されることにより、第１反応ガスは高周波アンテナ２１の近傍に供給される。
【実施例４】
【００４５】
図６及び図７を用いて、本発明に係るプラズマ処理装置の第４の実施例を説明する。第４実施例のプラズマ処理装置１０Ｂは、第１反応ガス管１３と第２反応ガス管１４の間にガス通過抵抗体３１が設けられている点が第１実施例のプラズマ処理装置１０と異なる。ガス通過抵抗体３１は導電性の板材に孔３１１を多数設けたものである。ガス通過抵抗体３１は第２反応ガス管１４に接触することで該第２反応ガス管１４と電気的に接続されており、これによりガス通過抵抗体３１は電極として機能する。ガス通過抵抗体３１とプラズマ処理室１１の壁は電気的に絶縁されている。ガス通過抵抗体３１以外の構成は第１実施例と同様である。【００４６】
第４実施例のプラズマ処理装置１０Ｂの動作を説明する。まず、基体保持部１２に基体Ｓを保持させる。次に、第１反応ガス供給口１３Ａから第１反応ガスを第１反応ガス管１３の近傍に、第２反応ガス供給口１４Ａから第２反応ガスを第２反応ガス管１４と基体保持部１２の間に、それぞれ供給する。また、第１高周波電源１５１及び第２高周波電源１５２から第１反応ガス管１３に高周波電流を流す。これにより、第１反応ガス管１３の近傍で第１反応ガスの分子が誘導電界により分解されてプラズマが生成される。そのプラズマはガス通過抵抗体３１を通過して第２反応ガスの分子と接触し、これにより、第２反応ガスの分子が分解してラジカルになる。こうして生成された第２反応ガスのラジカルが基体Ｓに表面に到達することにより、基体Ｓ表面における成膜に寄与する。【００４７】
また、第２反応ガス管１４及びガス通過抵抗体３１と基体保持部１２の間に交流バイアス電源１５３で適度の大きさの交流バイアス電圧を印加することにより、プラズマ中のイオンが基体Ｓに適度のエネルギーを持って照射される。この点は第１実施例と同様である。【００４８】
本実施例では、第１反応ガス供給口１３Ａと第２反応ガス供給口１４Ａの間にガス通過抵抗体３１が存在するため、第１反応ガスと第２反応ガスが混合すること、特に第２反応ガスが第１反応ガス管１３側に流入して過度に分解されることが抑制される。ここで、第２反応ガスが第１反応ガス管１３側に流入することを更に抑えるために、ガス通過抵抗体３１よりも第１反応ガス管１３側における第１反応ガスの圧力が、ガス通過抵抗体３１よりも第２反応ガス管１４側における第２反応ガスの圧力よりも高くなるように、第１反応ガス及び第２反応ガスの供給量を調節することが望ましい。【００４９】
図８〜図１０は、ガス通過抵抗体３１を用いたプラズマ処理装置の他の実施例を示す。
図８に示したプラズマ処理装置１０Ｃは、第２実施例の装置１０Ａの第１反応ガス供給口１３Ａと第２反応ガス供給口１４Ａの間に導電性のガス通過抵抗体３１を設けたものである。この例では、ガス通過抵抗体３１は第２反応ガス管１４に電気的に接続されている。従って、ガス通過抵抗体３１は基体保持部１２Ａとの間にバイアス電圧を印加するための電極としても機能する。【００５０】
図９に示したプラズマ処理装置１０Ｄは、第２実施例の装置１０Ａの第１反応ガス供給口１３Ａと第２反応ガス供給口１４Ａの間にガス通過抵抗体３１Ａを設けたものであるが、ガス通過抵抗体３１Ａが第２反応ガス管１４と電気的に接続されていない点で図８に示した装置１０Ｃと相違する。従って、バイアス電圧を印加する電極としての機能は第２反応ガス管１４のみが担っている。【００５１】
図１０に示したプラズマ処理装置１０Ｅは、第２反応ガス管３２がプラズマ処理室１１の側壁を貫通するように設けられている点が第２実施例と異なる。第２反応ガス管３２のプラズマ処理室１１内の端部は開放され、第２反応ガス供給口３２Ａが形成されている。また、第１反応ガス供給口１３Ａと第２反応ガス供給口３２Ａの間には導電性のガス通過抵抗体３１Ｂが設けられている。この実施例では、第２反応ガス管３２ではなく、ガス通過抵抗体３１Ｂに交流バイアス電源１５３が接続されている。【００５２】
図８〜図１０に示したプラズマ処理装置の動作は、バイアス電圧が印加される電極及び第２反応ガスを導入する位置を除いて、第２実施例のプラズマ処理装置１０Ａと同様である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ…プラズマ処理装置
１１…プラズマ処理室
１２、１２Ａ…基体保持部
１３…第１反応ガス管（高周波アンテナ）
１３１…第１高周波電源１５１と接続された第１反応ガス管
１３２…第２高周波電源１５２と接続された第１反応ガス管
１３Ａ…第１反応ガス供給口（孔）
１４…第２反応ガス管（電極）
１４Ａ…第２反応ガス供給口（孔）
１５１…第１高周波電源
１５２…第２高周波電源
１５３…交流バイアス電源
１５４…直流バイアス電源
１６１…第１絶縁部材
１６２…第２絶縁部材
１６３…第３絶縁部材
２１…高周波アンテナ
２２…第１反応ガス管
３１、３１Ａ、３１Ｂ…ガス通過抵抗体
３１１…ガス通過抵抗体に設けられた孔
３２…第２反応ガス管
３２Ａ…第２反応ガス管３２の第２反応ガス供給口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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