(57)【要約】【課題】高周波電極の温度分布の温度勾配を少ない状態に保ち、高周波電極の歪みを抑制する。また、プラズマＣＶＤ成膜装置のメンテナンスにおいて、メンテナンス操作を簡易なものとし、メンテナンスに要する時間を短縮する。【解決手段】高周波電極の熱放射の放射効率を高めることによって高周波電極を冷却し、これによって高周波電極に温度分布の均一性を向上させる。本発明の高周波電極は、放電面と反対側の背面に熱放射の放射率を高める表面処理を施し、背面に熱放射の放射率を高める表面処理を施すことによって、高周波電極の熱放射による冷却効率を高める。熱放射は高周波電極から一様に行われるため、高周波電極は一様に冷却され、高周波電極の温度分布は均一となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に高周波電極と対向電極とを対向させて平行配置して形成される平行平板電極と、
前記高周波電極に高周波電力を印加する高周波電源とを備え、
前記高周波電極は、前記対向電極と対向する放電面と当該放電面と反対側の背面とを有し、前記背面は熱放射の放射率を高める表面処理が施されたことを特徴とするプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項２】
前記真空チャンバにおいて、前記高周波電極の前記背面と対向するチャンバ部材は、熱放射の放射率を高める表面処理が施されたことを特徴とする、請求項１に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項３】
前記表面処理は、酸化アルミニウムの皮膜を形成する処理であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項４】
前記表面処理は、ブラスト処理であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項５】
前記酸化アルミニウムの皮膜を形成する表面処理は、アルミニウム部材の表面を電気化学的に酸化させる陽極酸化処理であることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項６】
前記酸化アルミニウムの皮膜を形成する表面処理は、酸化アルミニウムのメッキ処理、又は酸化アルミニウムの溶射処理であることを特徴とする、請求項３に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項７】
前記チャンバ部材は冷却機構を備えることを特徴とする、請求項１から６の何れか一つに記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマＣＶＤ装置に関し、特に、平行平板型プラズマＣＶＤ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、エッチング、アッシング等の処理に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、平行平板型プラズマＣＶＤ装置が知られている。平行平板型プラズマＣＶＤ装置は、通常、平行平板の一方を構成する上部電流のシャワー電極と、平行平板の他方を構成する下部電極とを処理チャンバ内に配置し、下部電極上に非処理体である基板を載置し、上部電極と下部電極との間にプラズマを生成し、このプラズマによって基板に所望のプロセス処理を行う（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一般的なプラズマＣＶＤ成膜装置は、真空チャンバと放電用の平行平板電極と放電用ガス供給部と、ガス排気部と数十ｋＨｚ〜数十ＭＨｚの高周波電源とマッチングボックスにより構成される。
【０００４】
図４はプラズマＣＶＤ成膜装置１の概略構成を説明するための図である。真空チャンバ５には、真空チャンバ内を真空排気するガス排気部１３と、真空チャンバ内に反応ガスを供給するガス供給部１４と、対向配置された平行平板電極２が設けられている。
【０００５】
ガス供給部１４は流量調整計を備え、真空チャンバ５内に一定量の反応ガスを供給し、ガス排気部１３はガス調圧弁を備え、真空チャンバ５内を排気してチャンバ内圧力を一定に保つ。
【０００６】
平行平板電極２は、高周波電極２ａと対向電極２ｂとを平行に対向させ、電極間距離が場所によらず一様の距離に保たれるように構成し、高周波電極２ａにマッチングボックス１２を介して高周波電源１１から高周波電圧を印加する。
【０００７】
反応ガスの供給時において、高周波電極２ａに高周波電圧を印加すると、平行平板電極２の電極間に放電が発生し、この放電によって反応ガスはプラズマ状態となる。電極間距離、ガス分布を場所によらず一様に保つことによってプラズマ放電負荷は一様とし、局所的に過剰な電流が流れることなく、安定した正規グロー放電を可能としている。プラズマ中の励起種を基板表面に反応させることによって、基板上に薄膜が形成される。薄膜として窒化シリコン薄膜を形成する場合には、反応ガスとして、モノシラン、アンモニア、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム等のガスが使用される。
【０００８】
対向電極２ｂは基板１０を保持する基板ホルダを構成する。基板ホルダ上に載置した基板１０は、ヒータ３によって加熱される。一方、高周波電極２ａの電極板は、アルミニウムやステンレス部材により形成され、ヒータ３で加熱された基板１０によって加熱されて高温となる。
【０００９】
高周波電極２ａは、高温による熱膨張によって歪みが生じると、電極間の平行性が保てなくなり、放電が不安定となる。
【００１０】
また、プラズマＣＶＤ成膜装置において、ＮＦ３等を用いてガスクリーニングを行う際、高温の電極をクリーニングガスのプラズマに曝すとスパッタリング効果によって生成物が発生し、成長するという問題がある。そのため、高周波電極の温度が高温とならないように、電極を冷却する必要がある。
【００１１】
この高周波電極を冷却する方法として、高周波電極に冷却流路を設置して水冷する方法（特許文献２参照）が提案され、また、温度コントロールしたガスを高周波電極に吹き付ける方法（特許文献３参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−３５３０６６号公報（段落０００３〜０００５）
【特許文献２】特開平７−３２１０５４号公報
【特許文献３】特開平９−２３２２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記した提案される高周波電極を冷却する方法において、水冷による冷却では、高周波電極の温度分布に温度勾配が生じ、高周波電極の歪みが増大するおそれがあるという問題がある。
【００１４】
また、流路を金属管で構成した場合には、高周波電極に印加された高周波電圧によって金属管に高周波発生が誘導され、プラズマ放電が不安定となるおそれがあるという問題がある。
【００１５】
また、高周波電極の交換時などのプラズマＣＶＤ成膜装置のメンテナンスにおいて、流路内から冷却媒体を排出する操作が必要となるため、操作が複雑となり、また、メンテナンスに要する時間も長くなるという問題がある。
【００１６】
また、温度コントロールしたガスの吹き付けによる冷却においても、高周波電極に温度分布に温度勾配が発生し、高周波電極の歪みが増大するおそれがあるという問題がある。
【００１７】
そこで、本発明は上記課題を解決して、高周波電極の温度分布の温度勾配を少ない状態に保ち、高周波電極の歪みを抑止することを目的とする。また、プラズマＣＶＤ成膜装置のメンテナンスにおいて、メンテナンス操作を簡易なものとし、また、メンテナンスに要する時間を短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、高周波電極の熱放射の放射効率を高めることによって高周波電極を冷却し、これによって高周波電極に温度分布の均一性を向上させる。高周波電極を熱伝導によって冷却する場合には、高周波電極の一部が急激に冷却されるため温度勾配が生じて温度分布にばらつきが生じるが、本発明のように、熱放射によって冷却する場合には、冷却が一様に行われるため均一な温度分布とすることができる。
【００１９】
本発明のプラズマＣＶＤ成膜装置は、真空チャンバと、この真空チャンバ内に高周波電極と対向電極とを対向させて平行配置して形成される平行平板電極と、高周波電極に高周波電力を印加する高周波電源とを備える。
【００２０】
高周波電極は、対向電極と対向する放電面と、この放電面と反対側の背面とを備える。本発明の高周波電極は、背面に熱放射の放射率を高める表面処理を施す。
【００２１】
背面に熱放射の放射率を高める表面処理を施すことによって、高周波電極の熱放射による冷却効率を高める。熱放射は高周波電極から一様に行われるため、高周波電極は一様に冷却され、高周波電極の温度分布は均一となる。
【００２２】
また、真空チャンバにおいて、高周波電極の背面と対向するカバー等のチャンバ部材についても、熱放射の放射率を高める表面処理を施す。放射率と熱吸収とは相関関係があり、高周波電極の背面と対向するチャンバ部材の対向面の放射率を高めることによって、高周波電極から放射された熱をチャンバ部材側で高い効率で吸収することができる。これによって、高周波電極の熱を背面から高効率で放射させ、かつ、チャンバ部材の対向面において高効率で吸収することによって、高周波電極の温度を効率よく低下させると共に均一に低下させることができる。
【００２３】
本発明の高周波電極の背面やチャンバ部材の対向面に施す表面処理は、酸化アルミニウムの皮膜を形成する処理、ブラスト処理、金属めっき、溶射等とすることができる。
【００２４】
酸化アルミニウムの皮膜を形成する表面処理は、アルミニウム部材の表面を電気化学的に酸化させる陽極酸化処理、あるいは、酸化アルミニウムのメッキ処理、又は酸化アルミニウムの溶射処理とすることができる。酸化アルミニウムの皮膜を形成する表面処理を施す部材が、ＳＵＳ等のアルミニウム材でない場合には、酸化アルミニウムのメッキ処理又は酸化アルミニウムの溶射処理によって酸化アルミニウムの皮膜を形成することができる。
【００２５】
また、本発明のプラズマＣＶＤ成膜装置は、チャンバ部材に冷却機構を備えることができる。チャンバ部材に冷却機構を設けることによって、高周波電極からの熱放射を受けて加熱されたチャンバ部材を冷却することができ、チャンバ部材を冷却することによって、高周波電極の冷却効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、高周波電極の温度分布の温度勾配を少ない状態に保ち、高周波電極の歪みを抑制することができる。また、プラズマＣＶＤ成膜装置のメンテナンスにおいて、メンテナンス操作を簡易なものとし、メンテナンスに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を説明するための概略図である。
【図２】本発明のプラズマＣＶＤ成膜装置に形成する表面処理面を説明するための図である。
【図３】表面処理による熱放射の放射状態を説明するための図である。
【図４】プラズマＣＶＤ成膜装置の概略構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明のプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を説明するための概略図である。なお、ここでは、図４で示したプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を例として説明している。
【００２９】
プラズマＣＶＤ成膜装置１は、成膜室を構成する真空チャンバ５を有し、この真空チャンバ５内には、平行平板電極２と、真空チャンバ５内に反応ガスあるいはクリーニング用のエッチングガスを供給するガス供給部１４と、真空チャンバ５からガスを排気するガス排気部１３と、平行平板電極２を構成する高周波電極２ａに高周波電力を印加するための１０ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波電源１１およびマッチングボックス１２を備える。
【００３０】
平行平板型のプラズマＣＶＤ成膜装置１において、平行平板電極２は高周波電極２ａと対向電極２ｂを有し、真空チャンバ５内の上方に高周波電極２ａを配置し、真空チャンバ５内の下方に、高周波電極２ａの放電面と対向させるとともに所定の間隔を開けて対向電極２ｂを配置する。
【００３１】
高周波電極２ａは、例えば、多数のシャワー穴が形成されたシャワー電極板により形成することができ、シャワー電極板からプラズマ中に反応ガスをシャワー状に流出させ、反応ガスをプラズマで反応させて基板上に成膜を行う。
【００３２】
高周波電極２ａのシャワー電極板の背面側にはガス分配室７が設けられている。ガス分配室７には、ガス供給部１４からガス供給管を介して反応ガスが供給される。ガス分配室７内に供給された反応ガスは、シャワー電極板に形成されたシャワー穴を通って、高周波電極２ａと対向電極２ｂとの間の空間に流出される。
【００３３】
供給された反応ガスは、高周波電極２ａと対向電極２ｂとの間で発生しているプラズマによって反応して基板上に成膜処理を施す。
【００３４】
また、プラズマＣＶＤ成膜装置１はカバー６を備え、大気側と分離して真空チャンバ５およびガス分配室７を形成している。カバー６の高周波電極２ａ側には冷却流路４が設けられる。この冷却流路４には熱媒体が通され、この熱媒体を熱交換器１５で冷却することによってカバー６を冷却する。
【００３５】
対向電極２ｂは、基板（図示していない）を載置する基板ホルダとしても用いられる。対向電極２ｂにはヒータ３が設けられる。ヒータ３は対向電極２ｂを加熱することによって、対向電極２ｂ上に載置した基板を加熱する。
【００３６】
基板（図示していない）に成膜を形成する場合には、対向電極２ｂ上に基板（図示していない）を配置し、平行平板電極２間で発生させたプラズマ（表面波プラズマ）によって基板の半導体表面に薄膜を成膜する。
【００３７】
ガス供給部１４は流量調節計（図示していない）を備え、真空チャンバ５内に供給する反応ガスあるいはクリーニング用のエッチングガスの導入流量を調節する。ガス排気部１３はガス調圧弁（図示していない）を備え、真空チャンバ５内を排気して真空チャンバ５内の圧力を調圧する。
【００３８】
平行平板電極２は、高周波電極２ａと対向電極２ｂとを所定の距離を開けて平行に対向配置して構成される。高周波電源１１から高周波電極２ａに高周波電力を印加すると、高周波電極２ａの放電面と対向電極２ｂとの間に放電が発生する。高周波電源１１と高周波電極２ａとの間には、マッチングボックス１２が設けられる。マッチングボックス１２は高周波電極２ａから高周波電源１１に戻る反射電力を低減し、高周波電源１１から高周波電極２ａに供給する電力の供給効率を向上させる。
【００３９】
放電が生じている平行平板電極２間に反応ガスを供給すると、供給された反応ガスは放電によってプラズマ状態となる。プラズマで生成された励起種は、対向電極２ｂ上に配置した基板（図示していない）の半導体表面上に薄膜を形成する。
【００４０】
窒化シリコン薄膜の形成には、反応ガスとして、モノシラン、アンモニア、窒素、水素、アルゴン、ヘリウム等のガスを使用することができる。
【００４１】
本発明のプラズマＣＶＤ成膜装置１の高周波電極２ａは、対向電極２ｂと対向する放電面と反対側の背面に、熱放射の放射率を高める表面処理を施して表面処理面２０を形成する。また、カバー６において、ガス分配室７を挟んで高周波電極２ａの背面の表面処理面２０と対向する部分に、熱放射の放射率を高める表面処理を施して表面処理面２１を形成してもよい。
【００４２】
熱放射の放射率を高める表面処理として、酸化アルミニウムの皮膜を形成する処理、ブラスト処理、金属めっき、溶射等を用いることができる。
【００４３】
酸化アルミニウムの皮膜を形成する表面処理は、表面処理を施す高周波電極２ａあるいはカバー６がアルミニウム部材である場合には、このアルミニウム部材の表面を電気化学的に酸化させる陽極酸化処理によって行うことができる。
【００４４】
表面処理を施す高周波電極２ａあるいはカバー６がＳＵＳ等のステンレス部材である場合には、酸化アルミニウムのメッキ処理、あるいは酸化アルミニウムの溶射処理によって行うことができる。
【００４５】
金属めっきによる表面処理は、電解溶液中でめっきしたい物質を陰極に通電して、被めっき物の表面に電気化学的に析出（電着）させて被膜を形成する電界めっき、溶液中で酸化還元反応により電気化学的に金属を還元析出させて被膜を形成する無電界めっき等がある。めっき材料としては、例えば、銀、金、クロム、ニッケル、スズ、銅、これらの金属の組み合わせを用いることができる。
【００４６】
溶射による表面処理は、溶融又はそれに近い状態の金属又は非金属溶射材料を被めっき物の表面に吹き付けて被膜を形成するものであり、アーク溶射、プラズマ溶射、フレーム溶射等が知られている。
【００４７】
アーク溶射は、アーク放電の熱によって溶射材料を溶融し、ガスによって被めっき物の表面に吹き付けて被膜を形成する溶射であり、溶射材料として亜鉛、アルミニウム、ニッケル、銅、ステンレス鋼、クロム等の導電性金属やこれらの合金が用いられる。プラズマ溶射は、プラズマアークによるジェット噴射に溶射材料の粉末を投入して被めっき物の表面に吹き付けて被膜を形成する溶射であり、高融点材料の溶射に適し、前記した金属の他に、サーメット（カーバイド）やセラミックス（アルミナ、ジルコニア）が溶射材料として用いられる。フレーム溶射は、酸素と可燃性ガスのガス炎を熱源として溶射材料を溶融して被めっき物の表面に吹き付けて被膜を形成する溶射であり、プラズマ溶射と同様の溶射材料を用いることができる。
【００４８】
図２は、本発明のプラズマＣＶＤ成膜装置に形成する表面処理面を説明するための図であり、図３は表面処理による熱放射の放射状態を説明するための図である。
【００４９】
図２（ａ），図３（ａ）は表面処理を施していない状態を示し、図２（ｂ），図３（ｂ）は表面処理を施した状態を示している。なお、図２では、平行平板電極２を構成する高周波電極２ａおよび対向電極２ｂと、カバー６の一部を示している。
【００５０】
表面処理を施していない状態では（図２（ａ），図３（ａ））、高周波電極２ａの放電面と反対側の背面、および高周波電極２ａと対向するカバー６の対向面は、例えば、それぞれアルミニウムの鏡面部材で形成され、この背面および対向面の熱放射の放射率は低い。例えば、アルミニウムの鏡面部材の放射率は０．０５程度と仮定される。
【００５１】
対向電極２ｂがヒータによって加熱されると、加熱された対向電極２ｂおよび基板１０は高周波電極２ａに向けて熱放射を行う。この熱放射によって高周波電極２ａは加熱され、高温状態となる。高温状態の高周波電極２ａは、カバー６の対向面に向けて熱放射を行う。
【００５２】
高周波電極２ａの背面からカバー６の対向面への熱放射は、各面の熱放射の放射率に依存する。両面の放射率が低い場合には、高周波電極２ａから熱放射される放射量、およびカバー６が吸収する吸収量は少ないため、高周波電極の冷却は十分に行われず高温状態が維持される。そのため、高周波電極２ａは熱膨張によって歪みが生じる。
【００５３】
一例として、高周波電極２ａの背面およびカバー６の対向面の放射率を０．０５とし、対向電極の温度を４５０℃とした場合における高周波電極の温度を計算すると４１３℃となる。
【００５４】
一方、表面処理を施した状態では（図２（ｂ），図３（ｂ））、高周波電極２ａの放電面と反対側の背面に熱放射の放射率を高める表面処理を施して表面処理面２０を形成し、高周波電極２ａと対向するカバー６の対向面に熱放射の放射率を高める表面処理を施して表面処理面２１を形成することによって、表面処理面２０，２１の熱放射の放射率を高める。例えば、酸化アルミニウムの皮膜を形成する処理やブラスト処理によって放射率は０．３程度に高められる。
【００５５】
図３において、実線はヒータ、対向電極、基板、高周波電極、およびカバーの各部の温度の概略を表し、表面処理を施して熱放射の放射率を高めることで高周波電極の温度の低下が促進される状態を示している。
【００５６】
両面の放射率を高めることにより、高周波電極２ａから熱放射される放射量、およびカバー６が吸収する吸収量は増加するため、高周波電極の冷却効果は促進され、その結果、高周波電極２ａの熱膨張による歪みは低減される。
【００５７】
高周波電極２ａの背面に形成した表面処理面２０と、カバー６の対向面に形成した表面処理面２１の放射率を共に０．３程度とし、対向電極の温度を４５０℃とした場合における高周波電極の温度を計算すると３４７℃となる。
【００５８】
上記した例から、高周波電極２ａの背面およびカバー６の対向面に表面処理を施して放射率を高めることによって、高周波電極の冷却効果が促進されることが確認される。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、プラズマＣＶＤ成膜装置に限らず、熱ＣＶＤ、スパッタリング、真空蒸着等を利用した成膜装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１ プラズマＣＶＤ成膜装置
２ 平行平板電極
２ａ 高周波電極
２ｂ 対向電極
３ ヒータ
４ 冷却流路
５ 真空チャンバ
６ カバー
７ ガス分配室
１０ 基板
１１ 高周波電源
１２ マッチングボックス
１３ ガス排気部
１４ ガス供給部
１５ 熱交換器
２０ 表面処理面
２１ 表面処理面
【図１】
2012001751.tif 000003
【図２】
2012001751.tif 000004
【図３】
2012001751.tif 000005
【図４】
2012001751.tif 000006