(57)【要約】  アノード電極と、アノード電極に対向する面に開口部が設けられた貫通孔を有するカソード電極と、アノード電極とカソード電極間にプロセスガスを導入するガス供給装置と、アノード電極とカソード電極間に交流電力を供給して、アノード電極とカソード電極間においてプロセスガスをプラズマ状態にする交流電源とを備える。
2013008344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を装着するアノード電極と、
前記アノード電極に対向するように配置され、対向する面に開口部が設けられた貫通孔を有するカソード電極と、
前記アノード電極と前記カソード電極間にプロセスガスを導入するガス供給装置と、
前記アノード電極と前記カソード電極間に交流電力を供給して、前記アノード電極と前記カソード電極間において前記プロセスガスをプラズマ状態にする交流電源と
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記ガス供給装置が、前記プロセスガスを下方から上方に向かって前記アノード電極と前記カソード電極間に導入す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】
前記ガス供給装置が、前記カソード電極の底面に沿って配置されたガス供給ノズルから前記カソード電極の底部に向けて前記プロセスガスを噴き出すことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記カソード電極の前記開口部が設けられた両面にそれぞれ対向して前記アノード電極が配置されてい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５】
前記カソード電極を複数備え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６】
前記アノード電極及び前記カソード電極の少なくともいずれかがカーボンからな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７】
前記貫通孔の直径が３．８ｍｍ以上且つ８．０ｍｍ以下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８】
前記カソード電極の表面に前記開口部が最密に配置されてい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９】
前記カソード電極に、長軸方向に沿った断面形状のサイズ又は形状が互いに異なる複数種類の前記貫通孔が形成されてい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１０】
前記交流電源が供給する前記交流電力の周波数が、６０Ｈｚ以上且つ２７ＭＨｚ以下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１１】
前記プロセスガスとして成膜用の原料ガスを含むガスを使用して、前記アノード電極上に配置された基板に前記原料ガスに含まれる原料を主成分とする膜を形成することを特徴とする請求項１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記アノード電極上に配置された基板の表面に形成された膜をエッチングするガスを前記プロセスガスとして使用す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１３】
前記プロセスガスとして酸素ガス及びアルゴンガスを含むガスを使用して、前記アノード電極上に配置された基板の表面に形成された膜をアッシングす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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを発生して基板処理を行うプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜工程、エッチング工程、アッシング工程などにおいてプラズマ処理装置が用いられている。プラズマ処理装置として、例えばプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置などが知られている。例えばプラズマＣＶＤ装置では、高周波電力などにより原料ガスがプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。【０００３】
更に、プラズマ密度を均一にするためにカソード電極の内部からプロセスガスを供給するシャワー電極を使用したプラズマ処理装置や、更に高密度のプラズマを発生させるためにシャワー電極においてホローカソード放電を利用したプラズマ処理装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９６５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、シャワー電極によるプラズマ処理を行うためには、直径が０．３〜０．４ｍｍ程度の微細な孔をカソード電極の表面に多数形成する必要がある。このため、カソード電極の製造やメンテナンスが困難であり、コストが高い。また、シャワー電極の目詰まりによって連続使用ができない場合がある。これらの問題は、ホローカソード放電を利用したプラズマ処理装置でも同様に発生する。また、引用例ではカソードに対向する一つの面にのみプラズマを生成する構成であり、カソード電極の両面に均一で高密度のプラズマを安定して生成することは困難である。【０００６】
上記問題点に鑑み、本発明は、カソード電極の両面に均一で高密度のプラズマを安定して生成することができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、処理基板を装着するアノード電極と、アノード電極に対向するように配置され、対向する面に開口部が設けられた貫通孔を有するカソード電極と、アノード電極とカソード電極間にプロセスガスを導入するガス供給装置と、アノード電極とカソード電極間に交流電力を供給して、アノード電極とカソード電極間においてプロセスガスをプラズマ状態にする交流電源と、アノード電極とカソード電極を格納するチャンバーと、チャンバーを真空排気する排気ポンプ及び排気速度を調整する排気速度制御部と、チャンバー内部の圧力を測定する圧力測定器を備えるプラズマ処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、カソード電極の両面に均一で高密度のプラズマを安定して生成することができるプラズマ処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の貫通孔におけるプラズマ領域を説明するための模式図である（その１）。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の貫通孔におけるプラズマ領域を説明するための模式図である（その２）。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の貫通孔におけるプラズマ領域を説明するための模式図である（その３）。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の貫通孔におけるプラズマ領域を説明するための模式図である（その４）。
【図６】比較例のホローカソード放電を説明するための模式図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置のカソード電極の構造例を示す模式図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置のカソード電極に形成される貫通孔の開口部の配置例を示す模式図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置における放電状態を示す模式図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置における他の放電状態を示す模式図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置のホローカソード放電の条件を示す表である。
【図１２】電子の平均自由工程と圧力との関係を示すグラフである。
【図１３】デバイ長の計算値の例を示す表である。
【図１４】本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の他の構成を示す模式図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す第１及び第２の実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置１０は、図１に示すように、処理基板を装着するアノード電極１１と、アノード電極１１に対向する面に開口部が設けられた貫通孔１２０を有するカソード電極１２と、アノード電極１１とカソード電極１２間にプロセスガス１００を導入するガス供給装置１３と、アノード電極１１とカソード電極１２間に交流電力を供給して、アノード電極１１とカソード電極１２間においてプロセスガス１００をプラズマ状態にする交流電源１４とを備える。図１に示したようにアノード電極１１とカソード電極１２は平板型であり、プラズマ処理装置１０は容量結合型プラズマを利用したものである。容量結合方式の電極間の距離は概略均一であることが望ましい。
【００１２】
表面に開口部が設けられたカソード電極１２は、ホローカソード放電を生成させるホローカソード電極として機能する。以下に、ホローカソード放電について説明する。
【００１３】
一般的な容量結合型プラズマでは、カソード電極１２の表面への入射イオンにより放出される２次電子を起点として連鎖的にガス分子をイオン化することで電離を維持している。本発明の場合は、貫通孔１２０の内部を除くカソード電極１２の表面でのプラズマ生成がこれにあたる。一方、貫通孔１２０内部でのプラズマ生成がホローカソード放電であり、ホローカソード放電では、カソード電極１２の貫通孔１２０内部では電子が貫通孔１２０内部に閉じ込められ且つ運動エネルギーを持つことで、高密度電子の空間が形成される。即ち、カソード電極１２に設けられた貫通孔１２０の側壁に発生する陰極降下によりデバイ遮断され、電子が貫通孔１２０の側壁に入射して消滅することはない。つまり、貫通孔１２０内部において電子が対向する壁面からはじき返される「振り子運動（Pendulum）効果」といわれるような反発を繰り返すことで、貫通孔１２０内部に高密度電子空間が形成される。ガス分子に衝突した電子は非弾性衝突を繰り返し、電離を維持・促進する。これらの電子は貫通孔１２０内部で様々な方向に散乱し、電離増幅と累積電離を繰り返す。
【００１４】
上記の現象を、図２〜図５を参照して説明する。図２は、図１に示した領域Ａを拡大した図である。アノード電極１１とカソード電極１２間にグロー放電領域１０１が形成されており、カソード電極１２に形成された貫通孔１２０内部にホロー放電領域１０２が形成されている。なお、アノード電極１１及びカソード電極１２とグロー放電領域１０１間にシース領域２００がそれぞれ形成されている。また、貫通孔１２０内部において、カソード電極１２とホロー放電領域１０２間にシース領域２００が形成されている。アノード電極１１とカソード電極１２間の間隔は距離Ｓとする。
【００１５】
図３に示すように、貫通孔１２０に侵入したイオン５０は、シース領域２００によって加速され、カソード電極１２の内壁面に衝突する。
【００１６】
壁面から放射された２次電子６０は、図４に示すように、シース電界によって壁面と垂直方向に加速される。加速されて十分なエネルギーを得た２次電子６０は中性ガス分子７０に衝突し、電子なだれを起こす。これにより、貫通孔１２０内部の電子密度は急速に増大する。
【００１７】
図５に示すように、壁面から放射された２次電子６０のうち、反対側の壁面近辺に到達した電子６１は、反対側のシース電界で反発してプラズマ中に押し戻される。これが振り子運動効果とよばれ、貫通孔１２０内での電子の存在確立は飛躍的に増加する。これらの作用により、貫通孔１２０内は高電子密度に維持され、平行平板間に形成されるグロー放電とは異なるプラズマ構造となる。
【００１８】
高電子密度領域に侵入したガス分子は電離と再結合を繰り返し、再結合時には高輝度の発光として観測される。高密度プラズマ中で生成された前駆体８０はラジカル種であり、電極電位に関係なく貫通孔１２０の外側へ拡散し、例えばアノード電極１１に配置された基板表面で薄膜を形成する。
【００１９】
効率よく均一な高電子密度を得るための貫通孔１２０の径は、圧力、温度、プロセスガス種とその電子の平均自由工程から考察される。貫通孔１２０の径については後述する。
【００２０】
なお、上記の原理から、カソード電極１２には安価且つ加工が容易で、洗浄などのメンテナンスが容易なカーボン材などが好適である。例えばフッ酸処理によって、カーボン材からなるカソード電極１２を洗浄できる。また、カーボン材を使用することにより、プラズマ処理工程における高温による変形が生じない。或いは、金属酸化膜が容易に形成されるアルミニウム合金などは、ホローカソード電極に適した材料である。他に、カーボン繊維入りカーボン、ステンレス合金、銅、銅合金、ガラス、セラミックスなどをカソード電極１２に使用できる。または、上記の材料にアルマイト処理、めっき、溶射でコーティングを施してもよい。
【００２１】
アノード電極１１についてもカーボン材が好適に用いられる。また、カーボン繊維入りカーボン、アルミニウム合金、ステンレス合金、銅、銅合金、ガラス、セラミックスなどをアノード電極１１に使用できる。または、これらの材料にアルマイト処理、めっき、溶射でコーティングを施してもよい。
【００２２】
図１に示したプラズマ処理装置１０では、ホローカソード放電が生じる多数の貫通孔１２０をカソード電極１２の表面に一定の密度で形成することにより、カソード電極１２の両面で均一な高電子密度電界を容易に達成することができる。これは、貫通孔１２０を介するプラズマの両極性拡散の性質により、カソード電極１２の両面におけるプラズマ密度の濃淡の差が自動的に補正されるためである。
【００２３】
これに対し、図６に示すような、カソード電極１２Ａの表面に凹部６０１を形成し、凹部６０１の底面にガス噴き出し口６０２を設けた比較例を検討する。この比較例は、カソード電極１２Ａの内部からプロセスガス１００が供給されるシャワー電極を採用した例である。図６に示した比較例では、凹部６０１の内部が、ホローカソード放電による高密度プラズマが生成される空間である。凹部６０１の底面に形成された微小径のガス噴き出し口６０２からプロセスガス１００を噴き出すことで、高密度プラズマ空間をプロセスガス１００が効率的に通過するように構成されている。
【００２４】
しかし、図６に示した比較例では、多数の凹部６０１にプロセスガス１００を均一に供給することは困難であり、ガス噴き出し口６０２の開口径や長さ、プロセスガス１００の流量や圧力などに、種々の制約がある。更に、ガス噴き出し口６０２が極微小径であるため、目詰まりを起こしやすい。目詰まりのためにプロセスガス１００を導入できない場合には、目詰まりを起こした凹部６０１ではホローカソード放電が生じ難いため、カソード電極１２Ａの全面での放電の均一性が維持できない。
【００２５】
一方、図１に示したプラズマ処理装置１０では、ホローカソード放電による高密度プラズマが生成される貫通孔１２０付近に安定してプロセスガスが流される。このため、カソード電極１２の両面のそれぞれの全面で放電の均一性が維持される。
【００２６】
貫通孔１２０は、カソード電極１２の表面にできるだけ数多く形成することが好ましい。例えば六方最密配置などのように、カソード電極１２の表面に開口部が最密に配置されるように、貫通孔１２０を形成する。これにより、カソード電極１２の表面に均一に高密度のプラズマが形成される。
【００２７】
図７に、貫通孔１２０の開口部が形成されたカソード電極１２の表面の例を示す。このとき、例えば図８に示すように、貫通孔１２０の径が５ｍｍである場合に、上下方向に隣接する貫通孔１２０間の中心間距離を３ｍｍ、斜め方向に隣接する貫通孔１２０間の左右方向の距離を５．２ｍｍに設定する。
【００２８】
なお、図７に示したように、ガス供給装置１３のプロセスガス１００を噴き出すガス供給ノズル１３０は、カソード電極１２の底面に向いており、且つ、ガス供給ノズル１３０が複数ある場合には、カソード電極１２の底面に沿ってガス供給ノズル１３０が配列されている。ガス供給ノズル１３０をカソード電極１２の底面に向けることにより、カソード電極１２の両面にほぼ均等にプロセスガス１００を供給することができる。
【００２９】
プロセスガス１００が複数の種類のガスを混合したガスである場合に、すべてのガスを混合したプロセスガス１００をガス供給ノズル１３０から供給してもよいし、ガスの種類毎に異なるガス供給ノズル１３０からガスをそれぞれ供給してもよい。
【００３０】
図１に示したプラズマ処理装置１０について、効率的にホローカソード放電を形成するための貫通孔１２０のサイズを決定するために、電子の挙動を検討する必要がある。以下に、貫通孔１２０における電子の挙動を説明する。
【００３１】
図９に、図１の領域Ａにおける放電状態の詳細を示す。電子は、カソード電極１２に対してデバイ長λｄよりも内側に侵入できず、反発する。また、貫通孔１２０の内壁面から放出された電子は、電子の平均自由工程付近でガス分子と１回目の衝突を起こし、ガス分子をイオン化してプラズマを生成する。図９において、貫通孔１２０の直径ｄから両側のデバイ長λｄを除いた距離を長さａで示している。電子の平均自由工程（mean free pass）をｂとすると、以下の式（１）が成り立つ：
ａ＝２ｂ＋ｃ  ・・・（１）
式（１）において、長さｃは、貫通孔１２０内部のシース領域を除いた領域の直径方向の距離である。貫通孔１２０の直径ｄは、以下の式（２）で表される：
ｄ＝ａ＋２×λｄ＝２ｂ＋ｃ＋２×λｄ  ・・・（２）
ｃ＝０の場合、十分な運動エネルギーを持った電子の移動空間が確保できず、貫通孔１２０内部に十分なプラズマ生成空間が確保されないことになる。
【００３２】
なお、ｃ＞５ｂのように貫通孔１２０の直径ｄが太い場合には、図１０に示すように、貫通孔１２０内部で高密度のプラズマが貫通孔１２０の壁面に張り付くように生成される。このため、長さｆで表される貫通孔１２０の中心空間において、プラズマ密度が希薄になってしまう。
【００３３】
一方、図１１に示したように、貫通孔１２０の直径ｄが小さくなると貫通孔１２０内の長さｃで表される電子移動範囲が小さくなる。このため、十分なプラズマ空間を発生できない。
【００３４】
図１１は、ガス種がアンモニア、温度が６７３Ｋである場合におけるホローカソード放電が生じる圧力Ｐ、貫通孔１２０の直径ｄの条件を示した表である。図１１では、電子の平均自由工程Ｙに対する貫通孔１２０の直径ｄの比が２．３８、衝突回数が３．７をホローカソード放電が生じる条件とした。図１１に示すように、貫通孔１２０の直径ｄが小さくなるほど長さｃは小さくなり、プラズマ生成空間を確保することが困難になる。
【００３５】
長さｃが最適であれば、十分な運動エネルギーを有する電子の移動空間が確保され、更に、十分な広さの高密度プラズマ空間が確保される。
【００３６】
図１２に、温度が６７３Ｋであるときの電子の平均自由工程Ｙと圧力Ｐとの関係を示す。図１２において、丸印がアンモニア（ＮＨ3）ガスにおける平均自由工程、三角印がモノシラン（ＳｉＨ4）ガスにおける平均自由工程である。なお、図１１に例示した圧力Ｐ＝６７、８７、１３０Ｐａでの平均自由工程Ｙを、図１２では白抜きの丸印及び三角印で示している。
【００３７】
なお、デバイ長λｄと電子温度Ｔｅ、及び電子密度ｎｅの関係は、以下の式（３）で表される：
λｄ＝７．４×１０3×（Ｔｅ／ｎｅ）1/2  ・・・（３）
図１３に、デバイ長λｄの計算値の例を示す。ここでは、一般的な高密度グロー放電プラズマの電子温度と電子密度を用いてデバイ長λｄを算出した。なお、ガス分子の平均自由工程λｇは式（４）、電子の平均自由工程λｅは式（５）でそれぞれ表される：
λｇ＝３．１１×１０-24×Ｔ4／（Ｐ×Ｄ）  ・・・（４）
λｅ＝λｇ×４×２1/2  ・・・（５）
式（４）で、Ｔは雰囲気温度（Ｋ）、Ｐは圧力（Ｐａ）、Ｄはガス分子の直径（ｍ）である。
【００３８】
上記のように最適な長さｃを設定することにより、貫通孔１２０の直径ｄを決定できる。つまり、所定の圧力、雰囲気温度、ガス種により、最も効率的にホローカソード放電が生じるように専用設計されたカソード電極１２を用意することができる。
【００３９】
図１に示したプラズマ処理装置１０では、貫通孔１２０の内部で最も効率よく電子の振り子運動効果を利用してホローカソード放電を生じさせることが必要である。このとき、電子の平均自由工程は、雰囲気温度と圧力、ガス分子の大きさで決定される。発明者らは、多数の貫通孔１２０を形成したカソード電極１２を使用して、モノシラン（ＳｉＨ4）ガスとアンモニア（ＮＨ3）ガスの混合ガスをプロセスガス１００に用いて実験を行った。雰囲気温度Ｔを３５０℃〜４５０℃、圧力Ｐを６７Ｐａに設定した場合に、貫通孔１２０の直径が５．０ｍｍ、カソード電極１２の厚み、即ち貫通孔１２０の長さｔが５ｍｍ、アノード電極１１とカソード電極１２間の距離Ｓが１６ｍｍのときにカソード電極１２の両面に均一なマルチホロー放電を得ることができた。「マルチホロー放電」とは、各貫通孔１２０にそれぞれ生じたホローカソード放電が合わさってカソード電極１２の表面に生じた放電である。
【００４０】
また、貫通孔１２０の直径が３．９ｍｍ、２．９ｍｍの場合には、図１１に示したように、圧力Ｐがそれぞれ８７Ｐａ、１３０Ｐａ付近で均一なマルチホロー放電が得られた。これは、雰囲気温度Ｔが４００℃のとき、モノシランガス中の電子の平均自由工程の４．７２倍、アンモニアガス中の電子の平均自由工程の２．３８倍になる（モノシランガス中の電子の平均自由工程とアンモニアガス中の電子の平均自由工程の比は１．９８である。）。
【００４１】
実際はプロセスガス１００に混合ガスを使用するため、ガス流量比の多いアンモニアガス中の電子の平均自由工程を基準に貫通孔１２０の直径ｄを試算した。具体的には、モノシランガスとアンモニアガスの混合ガスを使用し、雰囲気温度Ｔが４００℃、圧力Ｐが６７Ｐａのとき、貫通孔１２０の直径ｄを５ｍｍとして、カソード電極１２の両面に均一なマルチホロー放電が得られる。ＣＶＤのプロセスガスは通常、モノシラン、水素、窒素等のガス種が混合して導入されるが、貫通孔１２０直径の検討においては混合ガス中でもっとも平均自由工程が長いガス種に着目し、貫通孔１２０の直径の最適値を導いた。
【００４２】
なお、加工の容易さや、所望の圧力でマルチホロー放電を得るためには、貫通孔１２０の直径ｄを３．８ｍｍ〜８．０ｍｍ程度にすることが好ましい。これらの寸法は、シャワー電極を製造するために必要な０．３ｍｍ〜０．４ｍｍの孔を形成するよりも容易である。このため、プラズマ処理装置１０の製造コストを低減することができる。
【００４３】
なお、上記では貫通孔１２０の断面が円形である例を示した。しかし、貫通孔１２０の断面が概略直径が３．８ｍｍ〜８．０ｍｍ程度の多角形であってもよい。
【００４４】
また、長軸方向に沿った断面形状が互いに同一の多数の貫通孔１２０をカソード電極１２に形成してもよいし、或いは、長軸方向に沿った断面形状のサイズ又は形状が互いに異なる貫通孔１２０を混在させて形成してもよい。直径ｄが異なる貫通孔１２０を混在させることによって、圧力や温度、ガス種などが異なる複数の条件で、それぞれマルチホロー放電を得ることができる。
【００４５】
貫通孔１２０の長軸方向の長さ、即ちカソード電極１２の厚みｔは、ホローカソード放電が発生しやすいように、３ｍｍ〜１０ｍｍ程度、好ましくは５ｍｍ程度に設定される。
【００４６】
アノード電極１１とカソード電極１２間の距離Ｓは、１０ｍｍ〜４０ｍｍ程度が好ましい。これにより、アノード電極１１とカソード電極１２間に均一にプラズマを発生できる。
【００４７】
図６に示した比較例などの従来手法では、ホローカソード放電による高密度プラズマが生成される凹部６０１からシャワーのようにプロセスガス１００が均一に放出されることではじめて、カソード電極１２Ａの全面でプラズマの均一性を得ることができる。
【００４８】
これに対し、図１に示したプラズマ処理装置１０では、カソード電極１２を介さずにプロセスガス１００が導入される。貫通孔１２０の直径ｄがシャワー電極に必要な孔の直径よりもかなり大きいため、目詰まりの心配が無く、更に、メンテナンスも容易である。
【００４９】
プラズマ処理装置１０では、アノード電極１１とカソード電極１２間に、下方から上方に向かってプロセスガス１００を導入することが好ましい。下方からプロセスガス１００を導入することにより、比重の軽いプラズマ化したガス分子、ラジカル粒子は上方流としてカソード電極１２の表面を自然に流れ上がる。したがって、シャワー電極のような複雑な構造を用いなくても、カソード電極１２の表面にプロセスガスが均一に供給される。また、ホローカソード放電による高密度プラズマが生成される空間が貫通孔１２０であるため、カソード電極１２の表裏でプラズマの連続性が確保されており、相互的にプラズマ密度の濃淡が自動補正される。このため、プラズマ処理装置１０では、カソード電極１２の両面で均一な高密度のプラズマ生成が可能である。
【００５０】
なお、プロセスガス１００がスムーズに流れるように、カソード電極１２の表面は滑らかであることが好ましく、貫通孔１２０の内部表面を除いて、表面粗さを３μｍ以下に仕上げる。例えば、仕上げ記号が「▽▽▽」で表される程度にカソード電極１２の表面を平坦にする。つまり、最大高さＲｙが６．３Ｓ、十点平均粗さＲｚが６．３Ｚ、算術平均粗さＲａが１．６ａよりも小さくすることが好ましい。カソード電極１２の表面粗さを小さくすることによって、基板１に形成される薄膜の成膜速度を上げることができる。
【００５１】
以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置１０によれば、カソード電極１２に貫通孔１２０を形成することによって、カソード電極１２の両面において均一で高密度のプラズマを安定して生成することができる。更に、数千個以上の微細孔加工が必要なシャワー電極を用いた装置と比較して、プラズマ処理装置１０の製造期間が短く、且つ製造歩留まりが向上する。このため、プラズマ処理装置１０の製造コストの増大が抑制される。
【００５２】
また、プラズマ処理装置１０によれば、交流電源１４の供給する交流電力の周波数に関係なく、大面積で均一な高密度プラズマの生成が可能である。交流電源１４が供給する交流電力の周波数を、例えば６０Ｈｚ〜２７ＭＨｚ程度に設定しても、均一で高密度のプラズマを生成できる。つまり、高価なＶＨＦ帯の交流電力を供給する交流電源を使用する必要がない。これに対し、従来の平行平板型のプラズマ処理装置では、大面積で高密度の容量結合高周波放電のためには、例えば１３．５６ＭＨｚのＲＦ帯の周波数に代えて、プラズマ密度の向上と定在波によるプラズマ密度の不均一とを解消するために、１３．５６ＭＨｚ以上の２７ＭＨｚなどのＶＨＦ帯の周波数を使用する必要があった。
【００５３】
プラズマ処理装置１０では、例えば２５０ＫＨｚのような安価な低周波ＲＦ帯であっても、ＶＨＦ帯の交流電源を使用する従来のプラズマ処理装置と同等以上の高密度プラズマを得ることができる。
【００５４】
なお、交流電源１４が出力する交流電力を、パルスジェネレータを介してアノード電極１１とカソード電極１２間に供給してもよい。例えば、パルスジェネレータの出力をカソード電極１２に供給し、アノード電極１１を接地する。交流電力の供給を一定の周期で停止することにより、プラズマが安定して形成される。これは、交流電力の供給に停止期間を設けることによって電子の温度が下がり、放電の安定性が向上するためである。
【００５５】
例えば、交流電力を供給するオン時間を６００μ秒、交流電力の供給を停止するオフ時間を５０μ秒として、オン時間とオフ時間を交互に繰り返すようにアノード電極１１とカソード電極１２間に交流電力が供給される。なお、オン時間は１００μ秒〜１０００μ秒程度、オフ時間は１０μ秒〜１００μ秒程度の範囲で設定されることが好ましい。
【００５６】
上記のようにアノード電極１１とカソード電極１２間への交流電力の供給をパルス制御して、交流電力の供給を周期的にオン・オフさせることより、異常放電の発生を抑制できる。
【００５７】
＜第１の変形例＞
図１４に、アノード電極１１が１つの場合におけるプラズマ処理装置１０の例を示す。図１４に示すようにカソード電極１２の片側の表面にのみプラズマを励起する場合には、カソード電極１２のプラズマを励起しない面から距離ｋの位置にカソード背板１２１を配置する。このとき、カソード電極１２とカソード背板１２１間にプラズマが発生しないように、ｋ＜ｂ（ｂ：電子の平均自由工程）であるように距離ｋを設定する。このとき、カソード電極１２とカソード背板１２１に交流電源１４から交流電力が供給される。なお、アノード電極１１とカソード電極１２間、及びカソード電極１２とカソード背板１２１間に、プロセスガス１００が導入される。
【００５８】
＜第２の変形例＞
プラズマ処理装置１０が、複数のカソード電極１２を有する例を図１５に示す。図１５に示したプラズマ処理装置１０では、アノード電極１１とカソード電極１２が交互に配置され、且つ、最も外側にはアノード電極１１が配置されている。このため、アノード電極１１の枚数はカソード電極１２よりも１枚多い。図１５ではカソード電極１２が３枚である例を示したが、カソード電極１２の枚数が３枚に限られないことはもちろんである。
【００５９】
図１５に示した構成を採用することにより、アノード電極１１とカソード電極１２に形成されるプラズマ領域の数を増やすことができる。これにより、プラズマ処理装置１０の処理能力が向上する。
【００６０】
（第２の実施形態）
図１に示したプラズマ処理装置１０は、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置などに適用可能である。
【００６１】
図１６に、図１に示したプラズマ処理装置１０をプラズマＣＶＤ装置に使用した例を示す。アノード電極１１及びカソード電極１２はチャンバー２０内に配置され、アノード電極１１上に成膜処理対象の基板１が配置されている。アノード電極１１は接地されている。
【００６２】
プロセスガス１００として成膜用の原料ガスを含むガスが使用され、ガス供給装置１３からガス供給ノズル１３０を介してチャンバー２０内にプロセスガス１００が導入される。
【００６３】
チャンバー２０内の圧力はキャパシタンスゲージなどの圧力測定器１６によって測定され、チャンバー２０を真空排気する排気ポンプであり排気速度を調整する排気速度制御部（ＡＰＣ）１５によってチャンバー２０内の圧力が調整される。チャンバー２０内のプロセスガス１００の圧力が所定のガス圧に調整された後、交流電源１４により所定の交流電力がカソード電極１２とアノード電極１１間に供給される。これにより、チャンバー２０内のプロセスガス１００がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１を曝すことにより、原料ガスに含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板１の露出した表面に形成される。
【００６４】
なお、図１６に示す基板加熱ヒータ２１によって、成膜処理中の基板１の温度を設定してもよい。成膜処理中の基板１の温度を所定の温度に設定することにより、成膜速度を速めたり、膜質を向上させたりすることができる。
【００６５】
既に説明したように、図１に示したプラズマ処理装置１０では、カソード電極１２の表面に均一な高密度のプラズマが生成される。このため、図１６に示したプラズマＣＶＤ装置によれば、原料ガスが効率よく分解され、高速で大面積に薄膜が基板１上に均一に形成される。したがって、形成される膜の膜厚、膜質の均一性が向上すると共に、成膜速度が向上する。
【００６６】
プラズマ処理装置１０を採用したプラズマＣＶＤ装置により、原料ガスを適宜選択することによって、所望の薄膜を形成できる。例えば、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜などを基板１上に形成することができる。具体的には、アンモニア（ＮＨ3）ガスとモノシラン（ＳｉＨ4）ガスの混合ガスを用いて、基板１上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜が形成される。或いは、モノシラン（ＳｉＨ4）ガスとＮ2Ｏガスの混合ガスを、又はＴＥＯＳガスと酸素ガスを用いて、基板１上に酸化シリコン（ＳｉＯx）膜が形成される。
【００６７】
図１７に、カソード電極１２に装着された交流電源１４とは別に、アノード電極１１に交流電源１７を装着した例を示す。アノード電極１１に交流電力を供給することによって、基板１に形成される薄膜の膜質を向上できる。交流電源１７の供給する交流電力の周波数は、交流電源１４の供給する交流電力の周波数と同等か、或いは低くともよい。例えば、交流電源１７が供給する交流電力の周波数は６０Ｈｚ〜２７ＭＨｚ程度に設定される。
【００６８】
なお、交流電源１４からは交流電力を供給せず、交流電源１７のみから交流電力を供給することにより、アノード電極１１をクリーニングできる。具体的には、スパッタ用のガスをチャンバー２０内に導入し、交流電源１７から交流電力を供給しながらのスパッタエッチングによって、アノード電極１１をクリーニングする。
【００６９】
また、図１４に示したようなアノード電極１１が１つの場合に、カソード電極１２とアノード電極１１にそれぞれ交流電源１４、１７を装着した図１８に示すプラズマ処理装置１０を、プラズマＣＶＤ装置に使用してもよい。なお、既に説明したように、ｋ＜ｂとなるように、カソード電極１２のプラズマを励起しない面からカソード背板１２１までの距離ｋが設定される。
【００７０】
なお、図１５に示したような複数のカソード電極１２を有するプラズマ処理装置１０をプラズマＣＶＤ装置に適用することによって、一度に成膜する基板の数が増大し、成膜処理能力を向上させることができる。
【００７１】
図１に示したプラズマ処理装置１０をプラズマＣＶＤ装置に適用した例を以上に説明した。図１５や図１６に示した構成で、プロセスガス１００のガス種を替えることによって、図１に示したプラズマ処理装置１０をプラズマエッチング装置やプラズマアッシング装置などに適用可能である。
【００７２】
例えば、プラズマエッチング用ガスをプロセスガス１００としてチャンバー２０内に導入することによって、基板１上に形成された膜をエッチング除去するプラズマエッチング装置を実現できる。プラズマエッチング用ガスはエッチング対象の材料によって適宜選択されるが、例えば、三フッ化窒素（ＮＦ3）ガスや四フッ化炭素（ＣＦ4）ガスなどのフッ素系ガスを採用可能である。
【００７３】
また、プラズマアッシング用ガスをプロセスガス１００としてチャンバー２０内に導入することによって、プラズマ処理装置１０を用いたプラズマアッシング装置を実現できる。例えば、プロセスガス１００として酸素及びアルゴンガスを使用することにより、エッチング用マスクとして基板１に形成されたカーボン膜やフォトレジスト膜などをアッシングできる。
【００７４】
以上に説明したように、カソード電極１２の両面において均一で高密度のプラズマを安定して生成することができるプラズマ処理装置１０を使用することにより、プラズマＣＶＤ装置、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置などの処理速度や精度を向上できる。
【００７５】
上記のように、本発明は第１及び第２の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明のプラズマ処理装置は、カソード電極の両面に均一で高密度のプラズマを生成する用途に利用可能である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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