(57)【要約】【課題】  材料ガスの濃度分布が不均一であっても、均一な膜厚、膜質の薄膜を形成することができる表面波励起プラズマＣＶＤ装置を提供すること。【解決手段】  表面波励起プラズマＣＶＤ装置１００は、チャンバー１、誘電体ブロック４ａ〜４ｄ、排気管５、基板ステージ６、材料ガス導入系７、放電ガス導入系８およびプラズマソース１０を備える。プラズマソース１０は、４本のマイクロ波導波管２ａ〜２ｄと、マイクロ波導波管のそれぞれに電気的に接続されている４台のマイクロ波発生装置３ａ〜３ｄとを備えている。これらの４つの対がプラズマソース単体１０ａ〜１０ｄであり、プラズマソース単体１０ａ〜１０ｄが集合して１台のプラズマソース１０を構成している。材料ガス導入系７によりチャンバー１内に導入された材料ガスＧ１の濃度分布に応じて、プラズマソース単体１０ａ〜１０ｄが発生するマイクロ波パワーを変えることにより、大面積の基板Ｓに均一な膜厚、膜質の薄膜を形成する。【選択図】  図１
2006173372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波の伝搬する方向に沿って並列配置される複数のマイクロ波導波管と、
前記複数のマイクロ波導波管毎に設けられ、各々のマイクロ波導波管へマイクロ波を出力する複数のマイクロ波発生装置とを備え、
前記複数のマイクロ波発生装置は、前記マイクロ波のパワーを独立に可変であることを特徴とするプラズマソース。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマソースと、
前記プラズマソースから前記マイクロ波を導入して表面波を形成し、前記表面波エネルギーにより成膜チャンバー内にプラズマを生成する誘電体部材と、
前記成膜チャンバー内へ材料ガスを導入する材料ガス導入手段と、
前記成膜チャンバー内へ放電ガスを導入する放電ガス導入手段とを備えることを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
請求項２に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、
前記誘電体部材は、前記複数のマイクロ波導波管に対応して複数に分割された誘電体ブロックであり、前記誘電体ブロックの境界に、前記誘電体ブロックの各々に形成された表面波を反射させる金属板が配設されていることを特徴とする表面波励起プラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の表面波励起プラズマＣＶＤ装置を用いて成膜する方法であって、
前記成膜チャンバー内の前記材料ガスの濃度分布に応じて、前記材料ガスの濃度が高い領域では前記マイクロ波パワーを大きくし、前記材料ガスの濃度が低い領域では前記マイクロ波パワーを小さくして成膜することを特徴とする成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面波励起プラズマを利用して被処理基板を処理する表面波励起プラズマＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高密度のプラズマを生成できるプラズマ処理装置としては、表面波励起プラズマを利用する装置が知られている。この装置は、導波管内を伝播するマイクロ波を誘電体窓（マイクロ波導入窓）を通してプラズマ生成室内に導入し、誘電体窓の表面に生じた表面波によってプラズマ生成室内の媒質ガス（プロセスガス）を励起し、表面波励起プラズマを生成する。従来、プラズマ生成室の上面に３本の導波管を並列配置し、３本の導波管の各々にマイクロ波発振器を接続し、大面積の均一なプラズマ生成を図った装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２２０９８号公報（第５頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
表面波励起プラズマＣＶＤ装置では、高密度プラズマを生成するためのプロセスガスと薄膜の成分元素を含む材料ガスの両者を成膜チャンバー内に導入する必要がある。通常、成膜チャンバー内の上方には誘電体窓が配置され、材料ガスは成膜チャンバーの側面から導入されている。そのため、誘電体窓の外周部と中央部では材料ガスの濃度分布が不均一となる傾向がある。上記の特許文献１の装置では、大面積の均一なプラズマを生成できたとしても、材料ガスの濃度分布が異なるため、プラズマによって乖離される成分元素の量がプラズマの場所によって異なり、特に大面積の基板に対しては均一な膜厚が得られないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明の請求項１に係るプラズマソースは、マイクロ波の伝搬する方向に沿って並列配置される複数のマイクロ波導波管と、複数のマイクロ波導波管毎に設けられ、各々のマイクロ波導波管へマイクロ波を出力する複数のマイクロ波発生装置とを備え、複数のマイクロ波発生装置は、マイクロ波のパワーを独立に可変であることを特徴とする。
（２）請求項２に係る発明の表面波励起プラズマＣＶＤ装置は、請求項１のプラズマソースと、プラズマソースからマイクロ波を導入して表面波を形成し、表面波エネルギーにより成膜チャンバー内にプラズマを生成する誘電体部材と、成膜チャンバー内へ材料ガスを導入する材料ガス導入手段と、成膜チャンバー内へ放電ガスを導入する放電ガス導入手段とを備えることを特徴とする。
（３）請求項３に係る発明は、請求項２の表面波励起プラズマＣＶＤ装置において、誘電体部材は、複数のマイクロ波導波管に対応して複数に分割された誘電体ブロックであり、誘電体ブロックの境界に、誘電体ブロックの各々に形成された表面波を反射させる金属板が配設されていることを特徴とする。
（４）請求項４に係る発明は、請求項２または３の表面波励起プラズマＣＶＤ装置を用いて成膜する方法であって、成膜チャンバー内の材料ガスの濃度分布に応じて、材料ガスの濃度が高い領域ではマイクロ波パワーを大きくし、材料ガスの濃度が低い領域ではマイクロ波パワーを小さくして成膜することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、マイクロ波導波管とマイクロ波発生装置のセットを複数設けて、それぞれのマイクロ波発生装置のマイクロ波パワーを独立に可変としたので、材料ガスの濃度分布が不均一であっても均一な膜厚の薄膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態による表面波励起プラズマ（Surface Wave Plasma）ＣＶＤ装置（以下、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置と略す）について図１〜３を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ−ＣＶＤ装置の概略を模式的に示す全体構成図であり、３次元直交座標で方向を表す。
【０００８】
図１を参照すると、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００は、チャンバー１、誘電体ブロック４ａ〜４ｄ、排気管５、基板ステージ６、材料ガス導入系７、放電ガス導入系８およびプラズマソース１０を備える。チャンバー１は、その内部空間に生成するプラズマＰを利用して、基板ステージ６に保持された基板Ｓの表面に成膜するための密閉容器である。
【０００９】
プラズマソース１０の構成を説明する。４本のマイクロ波導波管２ａ〜２ｄは、いずれも寸法、形状、規格などが同じ導波管であり、チャンバー１の上側にほぼ等間隔で並列に載置されている。４台のマイクロ波発生装置３ａ〜３ｄも、寸法、形状、規格が同じであり、４本のマイクロ波導波管２ａ〜２ｄにそれぞれ電気的に接続されている。つまり、マイクロ波導波管２ａ〜２ｄとマイクロ波発生装置３ａ〜３ｄがそれぞれ対をなし、これらの４つの対がプラズマソース単体１０ａ〜１０ｄであり、プラズマソース単体１０ａ〜１０ｄが集合して１台のプラズマソース１０を構成している。なお、図１では、マイクロ波導波管２ａ〜２ｄとマイクロ波発生装置３ａ〜３ｄの接続状態を模式的に示しているだけであり、位置関係については、図３（ａ）により後述する。
【００１０】
４個の誘電体ブロック４ａ〜４ｄは、いずれも寸法、形状、材質などが同じブロックであり、それぞれマイクロ波導波管２ａ〜２ｄの底板に接してチャンバー１内に気密空間を形成するように、チャンバー１に取り付けられている。４個の誘電体ブロック４ａ〜４ｄは、それぞれ４本のマイクロ波導波管２ａ〜２ｄに対応する位置に設けられている。チャンバー１の下面に配管された排気管５は、不図示の真空ポンプに接続されている。基板ステージ６は、誘電体ブロック４ａ〜４ｄとの距離を可変とするように、不図示の昇降機構により昇降可能に構成されている。
【００１１】
材料ガス導入系７は、成膜される薄膜の成分元素を含む材料ガスＧ１をチャンバー１内へ導入する。すなわち、材料ガスＧ１は、シャワーヘッド７ａによりチャンバー１の外周側および中央付近から誘電体ブロック４ａ〜４ｄの下面とほぼ平行方向（ｙ方向）に放出される。材料ガスＧ１は、例えばＳｉＨ４，ＮＨ３，ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho-Silicate：Ｓｉ(ＯＣ２Ｈ３）４）などである。
【００１２】
放電ガス導入系８は、プラズマＰを生成するための放電ガスＧ２をチャンバー１内へ導入する。すなわち、放電ガスＧ２は、チャンバー１の上部から誘電体ブロック４ａ〜４ｄを上下に貫通する複数のガス噴出口８ａを通して下方向（−ｚ方向）に放出される。放電ガスＧ２は、例えばＮ２，Ｏ２，Ｈ２等の反応性活性種の原料となるガスおよびＡｒ等の希ガスである。
【００１３】
図２および図３を参照しながら、プラズマソース１０および誘電体ブロック４ａ〜４ｄの構造と配置を説明する。
図２は、本発明の実施の形態によるＳＷＰ−ＣＶＤ装置の詳細を説明する縦断面図である。図３（ａ）は、図２のＩ−Ｉ断面を示し、マイクロ波導波管２ａ〜２ｄをｘ−ｙ平面で切断した図である。図３（ｂ）は、図２のＩＩ−ＩＩ断面であり、誘電体ブロック４ａ〜４ｄをｘ−ｙ平面で切断した図である。図２，３においては、図１と同じ構成部品には同一符号を付し、３次元直交座標で方向を表す。
【００１４】
図２および図３（ａ）を参照し、プラズマソース単体１０ａについて説明すると、マイクロ波導波管２ａは、ｘ方向に延在し、ｘ方向がマイクロ波Ｍの進行方向である。マイクロ波導波管２ａの底板には、複数個のスロットアンテナ２１がｘ方向に沿って２列に設けられている。マイクロ波発生装置３ａは、高圧電源１１ａとマイクロ波発振器１２ａを有し、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振してマイクロ波導波管２ａの端面へ出力するように構成されている。高圧電源１１ａの電圧を変えることにより発振するマイクロ波パワーの出力を変えることができる。例えば、各プラズマソース単体でマイクロ波パワーを１０〜５０％の範囲で差をつけることができる。上記の構造、構成は、プラズマソース単体１０ｂ〜１０ｄについても同じである。
【００１５】
図２および図３（ｂ）を参照すると、誘電体ブロック４ａもマイクロ波導波管２ａと同様にｘ方向に延在し、スロットアンテナ２１を介してマイクロ波Ｍを導入する。誘電体ブロック４ａには、放電ガスＧ２をチャンバー１内に放出する複数のガス噴出口８ａが形成されている。上記の構造は、誘電体ブロック４ｂ〜４ｄについても同じである。また、誘電体板ブロック４ａ〜４ｄ同士の間隙、誘電体板ブロック４ａの左側面および誘電体板ブロック４ｄの右側面には、合計５枚のｘ方向に延在する帯状の金属板９が設けられている。帯状の金属板９は、例えばステンレス鋼製であり、その幅（ｚ方向の寸法）は、誘電体ブロック４ｂ〜４ｄの厚さにほぼ等しい。
【００１６】
次に、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００の作用・効果について説明する。材料ガスＧ１は、材料ガス導入システム７によりチャンバー１内に導入され、放電ガスＧ２は、放電ガス導入システム８によりチャンバー１内に導入され、ガス導入を行いながら排気管４を通して不図示の真空ポンプにより排気することにより、チャンバー１内の圧力は０．１〜５０Ｐａ程度の所定圧力に保持される。
【００１７】
マイクロ波発生装置３ａ〜３ｄは、各々が発振したマイクロ波Ｍをそれぞれマイクロ波導波管２ａ〜２ｄに出力する。各々のマイクロ波Ｍは、マイクロ波導波管２ａ〜２ｄの内部を＋ｘ方向に進行しながらマイクロ波導波管２ａ〜２ｄの内部領域に拡がり、図３（ａ）に示されるように、４つのマイクロ波電力ゾーン２０Ａ〜２０Ｂを形成する。
【００１８】
各々のマイクロ波Ｍは、上述した複数個のスロットアンテナ２１を通ってそれぞれ誘電体ブロック４ａ〜４ｄに入射する。今、誘電体ブロック４ａに注目すると、プラズマソース単体１０ａからのマイクロ波電力により、チャンバー１内の放電ガスＧ２が電離、解離されてプラズマＰが生成する。プラズマＰの電子密度が表面波発生の臨界密度を越えると、マイクロ波Ｍは表面波ＳＷとなってプラズマＰと誘電体ブロック４ａとの境界面に沿って伝播し、誘電体ブロック４ａの全域に拡がる。その結果、誘電体ブロック４ａの面積に対応する領域にプラズマＰが生成する。上記の現象が誘電体ブロック４ｂ〜４ｄについても生じ、図３（ｂ）に示されるように、４つの誘電体ブロック４ａ〜４ｄに対応する領域にそれぞれプラズマ放電ゾーン４０Ａ〜４０Ｄを形成する。
【００１９】
４つの誘電体ブロック４ａ〜４ｄには、上述した５枚の帯状の金属板９が設けられているので、各々の誘電体ブロックの表面を伝播する表面波ＳＷは、金属板９で反射し、隣接する表面波ＳＷと相互に干渉することを防止できる。そして、結果的には、４つの誘電体ブロック４ａ〜４ｄの全面にわたって一体となったプラズマＰが生成する。実用的な薄膜形成領域は、プラズマＰの面積程度であり、このプラズマＰの領域では、材料ガスＧ１が分解したり化学反応を起こし、プラズマＰに接触または近接させて基板Ｓを保持することにより、基板Ｓの表面に薄膜が形成される。
【００２０】
このように構成されているＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００を用いて、大面積の基板ＳにＳｉＮ薄膜を成膜する場合を説明する。
材料ガスＧ１としてＳｉＨ４を材料ガス導入系７によりチャンバー１内へ導入し、放電ガスＧ２としてＮ２を放電ガス導入系８によりチャンバー１内へ導入し、チャンバー１内を１Ｐａに保持する。そして、チャンバー１の上面の外周側に位置するマイクロ波発生装置３ａと３ｄのマイクロ波パワーを２．２５ｋＷ、中央付近に位置するマイクロ波発生装置３ｂと３ｃのマイクロ波パワーを１．５ｋＷに設定する。これは、前述したように、材料ガスＧ１をチャンバー１の外周側および中央付近から導入しているが、チャンバー１内の外周側の方が中央付近よりもガス濃度が高くなっており、乖離反応を促進するために、外周側の方がより大きなパワーを必要とされるからである。
【００２１】
上記の条件で形成されたＳｉＮ薄膜の膜厚分布は±５％であった。一方、マイクロ波発生装置３ａ〜３ｄのマイクロ波パワーを一律とし、他の条件は変更せずにＳｉＮ薄膜を成膜した場合は、ＳｉＮ薄膜の膜厚分布は±２０％であった。また、前者の方が後者よりも薄膜の膜質（結晶性、屈折率、内部応力など）の均一性も高かった。
【００２２】
以上説明したように、本実施の形態のＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００によれば、４台のプラズマソース単体１０ｂ〜１０ｄを備え、材料ガスＧ１のガス濃度分布に応じてマイクロ波発生装置３ａ〜３ｄのマイクロ波パワーを独立に変えることができるので、大面積の基板Ｓに均一な膜厚、膜質の薄膜を形成することができる。換言すれば、材料ガスＧ１のガス濃度分布が不均一であっても、それに応じてマイクロ波パワーを変えることによって均一な膜厚、膜質の薄膜を形成することができる。
【００２３】
また、誘電体ブロック４ａ〜４ｄに帯状の金属板９を設けることにより、各々の誘電体ブロックの表面を伝播する表面波ＳＷが相互に干渉することを防止できるので、マイクロ波発生装置３ａ〜３ｄによるマイクロ波パワーの変化を表面波ＳＷの形成に正確に反映させることができる。
さらに、４台のプラズマソース単体１０ｂ〜１０ｄを備え、これらを同時に使用するので、最大出力の小さい小型のマイクロ波発生装置３ａ〜３ｄを使用できる。
【００２４】
以上説明した本実施の形態によるＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００によれば、例えば１ｍ×１ｍの大面積の基板Ｓに均一な膜厚、膜質の薄膜を形成することができる。ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００を用いて、近年大面積化が要望されている有機ＥＬの保護膜（ＳｉＮｘ，ＳｉＯｘ，ＳｉＯＮ）、太陽電池の反射防止膜（ＳｉＮ）の成膜が可能であり、また、ＴＦＴのゲート酸化膜および層間絶縁膜（ＳｉＯ２）などの成膜も可能である。
【００２５】
本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されず、例えば、本実施の形態では、ＳＷＰ−ＣＶＤ装置１００に４台のプラズマソース単体１０ａ〜１０ｄを備えたが、３台でもよいし、５台以上でもよい。台数を増やすと、大面積の基板に対応する大面積のプラズマ放電エリアを確保できる。また、誘電体ブロック４ａ〜４ｄの各々を、マイクロ波Ｍの進行方向と直角に切断して、１枚の誘電体ブロックをさらに小ブロックに分割して用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態に係るＳＷＰ−ＣＶＤ装置の概略を模式的に示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＳＷＰ−ＣＶＤ装置の詳細を説明する縦断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図２のＩ−Ｉ断面を示し、マイクロ波導波管２ａ〜２ｄをｘ−ｙ平面で切断した図である。図３（ｂ）は、図２のＩＩ−ＩＩ断面であり、誘電体ブロック４ａ〜４ｄをｘ−ｙ平面で切断した図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：チャンバー
２ａ〜２ｄ：マイクロ波導波管
３ａ〜３ｄ：マイクロ波発生装置
４ａ〜４ｄ：誘電体ブロック
７：材料ガス導入系
７ａ：シャワーヘッド
８：放電ガス導入系
８ａ：ガス噴出口
９：金属板
１０：プラズマソース
１０ａ〜１０ｄ：プラズマソース単体
２０Ａ〜２０Ｄ：マイクロ波電力ゾーン
４０Ａ〜４０Ｄ：プラズマ放電ゾーン
１００：ＳＷＰ−ＣＶＤ装置
Ｇ１：材料ガス
Ｇ２：放電ガス
Ｍ：マイクロ波
Ｐ：プラズマ
Ｓ：基板
ＳＷ：表面波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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