(57)【要約】【課題】簡単な構成によってプラズマ発生密度を均一化し、大面積に対して均一な処理を施すことのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】反応容器１０内にカソード電極１２とアノード電極１１が平行に配置された平行平板型のプラズマ処理装置において、高周波信号を発生する信号発生器３１と、該高周波信号を入力して位相の９０°異なる２つの高周波信号を出力する位相偏移変調器３２と、位相偏移変調器３２から出力される２つの高周波信号を時間的に分離して交互に出力する高周波スイッチ３３と、該高周波スイッチ３３から出力される高周波信号を増幅する高周波アンプ３４とを備えた１台の高周波電源３０を用いて前記カソード電極１２に印加開始時の位相が９０°異なる２つの高周波を時間的に分離して交互に給電する。【選択図】図１
2009110809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内にカソード電極とアノード電極が平行に配置された平行平板型のプラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理する方法であって、該被処理体をプラズマ処理する際に、前記カソード電極に給電開始時の位相が異なる２つの高周波を時間的に分離して交互に給電し、その際、一方の高周波の給電時における電極上の電力分布と他方の高周波の給電時における電極上の電力分布とが相補的となるよう前記２つの高周波の位相差を設定することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
上記２つの高周波の給電開始時の位相の差が９０°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方法。
【請求項３】
反応容器内にカソード電極とアノード電極が平行に配置された平行平板型のプラズマ処理装置において、前記カソード電極に給電開始時の位相が異なる２つの高周波を時間的に分離して交互に給電する高周波給電手段を有し、一方の高周波の給電時における電極上の電力分布と他方の高周波の給電時における電極上の電力分布とが相補的となるよう前記２つの高周波の位相差が設定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
上記カソード電極上に設けられた一つの給電点を介して上記高周波給電手段から該電極へ高周波を給電す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】
上記高周波給電手段が、
a) 高周波信号を発生する信号発生器と、
b) 該高周波信号を入力して位相が異なる２つの高周波信号を出力する位相偏移変調器と、
c) 前記位相偏移変調器から出力される２つの高周波信号を時間的に分離して交互に出力する高周波スイッチと、
d) 該高周波スイッチから出力される高周波信号を増幅する高周波アンプと、
を備えた１台の高周波電源から成ることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
上記２つの高周波の給電開始時の位相の差が９０°であることを特徴とする請求項３〜５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、反応室内でプラズマを生成し該プラズマを利用して基板に所定の処理を施すためのプラズマ処理装置、及びそれを用いたプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶、薄膜太陽電池等の製造過程では、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）装置、プラズマエッチング装置、プラズマ洗浄装置などの各種のプラズマ処理装置が利用されている。こうしたプラズマ処理装置の一例として、図１０に平行平板型のプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す。成膜チャンバ１００の内部にはアノード電極（陽極）１１０とカソード電極（陰極）１２０が互いに平行に配置されており、カソード電極１２０には整合器２００を介して高周波電源３００が接続されている。成膜処理を行う際には、アノード電極１１０の下面に被処理基板Ｗが保持され、図示しないガス供給手段によって成膜チャンバ１００内に所定の反応用ガスが導入される。その後、アノード電極１１０とカソード電極１２０間での放電によって前記反応用ガスをプラズマ化することにより基板Ｗの表面に所定の薄膜が形成される。
【０００３】
上記カソード電極１２０に高周波が給電されたとき、電極のインピーダンスが一定であれば、該高周波は入射波として電極１２０上を進行する（図１１）。そして、該入射波が電極１２０の端部に到達するとプラズマ空間と電極１２０の金属部とのインピーダンスの不一致によって入射波の一部が反射され、反射波として電極１２０上を逆方向に進行する。これらの入射波と反射波はその周期が同一であるため干渉して定在波を生じ、これにより、カソード電極１２０上の電力分布が定常的に不均一となる。その結果、両電極間に発生するプラズマの密度が不均一となり、最終的に基板上に施される成膜処理も不均一となる。特に、基板の大きさが高周波の波長の１／４よりも大きい場合には、該基板上に成膜される膜の厚さに大きな不均一が生じることとなるため、大面積を均一に処理することが困難であった。
【０００４】
なお、ここではプラズマＣＶＤを例に用いて説明したが、上記のような定在波の発生によるプラズマの不均一性の問題は他のプラズマ処理、例えばプラズマエッチングやプラズマ洗浄にも共通するものである。
【０００５】
そこで、このような問題を解消するものとして、特許文献１には、電極の両端に対向配置した第１の給電点及び第２の給電点に、第１の高周波電源から出力される位相の異なる２つのパルス変調正弦波電力と、第２の高周波電源から出力される位相の異なる２つのパルス変調正弦波電力とを時間的に交互に供給することにより、腹の位置が異なり且つ発生時間帯が異なる２つの定在波を発生させて電極の電力分布を均一にすることのできるプラズマ表面処理装置が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開2005-123203号公報（[0033], [0034],図1, 図8）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載のプラズマ表面処理装置では、２台の高周波電源から出力される高周波電力を２つの給電点から電極に供給する構成であることから装置構成が複雑化し、これに伴って給電系の制御も複雑になるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、簡単な構成によってプラズマ発生密度を均一化し、大面積に対して均一な処理を施すことのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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処理方法は、反応容器内にカソード電極とアノード電極が平行に配置された平行平板型のプラズマ処理装置を使用して被処理体をプラズマ処理する方法であって、該被処理体をプラズマ処理する際に、前記カソード電極に給電開始時の位相が異なる２つの高周波を時間的に分離して交互に給電し、その際、一方の高周波の給電時における電極上の電力分布と他方の高周波の給電時における電極上の電力分布とが相補的となるよう前記２つの高周波の位相差を設定することを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係るプラズマ処理装置は、反応容器内にカソード電極とアノード電極が平行に配置された平行平板型のプラズマ処理装置において、前記カソード電極に給電開始時の位相が異なる２つの高周波を時間的に分離して交互に給電する高周波給電手段を有し、一方の高周波の給電時における電極上の電力分布と他方の高周波の給電時における電極上の電力分布とが相補的となるよう前記２つの高周波の位相差が設定されていることを特徴としている。
【００１１】
ここで、「電力分布が相補的」とは、電極上において、一方の電力分布の山の位置及び谷の位置が、それぞれ他方の電力分布の谷の位置及び山の位置と略一致していることを意味する。このような電力分布が得られる上記２つの高周波の位相差は典型的には９０°であるが、該位相差は目的に応じてある程度の範囲が許容可能である。例えば、位相差を８０°〜１００°の範囲とした場合、電力の分布は９０°の場合に対し±１０％以内となる。
【００１２】
上記のように、カソード電極に給電開始時の位相が異なる第１の高周波と第２の高周波を交互に給電することにより、該電極上には第１の高周波由来の入射波と反射波の干渉によって発生する第１の定在波と、第２の高周波由来の入射波と反射波の干渉によって発生する第２の定在波とが時間的に交互に存在する状態となる。このとき、第１の高周波と第２の高周波は給電開始時の位相が上記のように設定されていることから、前記電極上における第１の定在波による電力分布と第２の定在波による電力分布とは相補的な関係となり、該電極上において電力が最小を示す箇所と最大を示す箇所とが交互に変化することとなる。その結果、時間平均すると電極上の電力分布が実質的に均一となり、大面積に亘って均一なプラズマ処理を実現することが可能となる。
【００１３】
なお、上記本発明に係るプラズマ処理装置は、上記カソード電極上の一つの給電点を介して高周波給電手段から該電極へ高周波を給電するものとすることが望ましい。
【００１４】
更に、上記本発明に係るプラズマ処理装置は、上記高周波給電手段が、a) 高周波信号を発生する信号発生器と、b) 該高周波信号を入力して位相が異なる２つの高周波信号を出力する位相偏移変調器と、c) 前記位相偏移変調器から出力される２つの高周波信号を時間的に分離して交互に出力する高周波スイッチと、d) 該高周波スイッチから出力される高周波信号を増幅する高周波アンプとを備えた１台の高周波電源から成るものとすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように本発明によれば、簡単な構成によって電極上に腹の位置の異なる２つの定在波を時間的に分離して発生させることができ、電極上の電力分布を均一にして大面積に対して均一な処理を施すことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係るプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置について実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１７】
図１に本発明の一実施例に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す。成膜チャンバ１０の内部には、アノード電極１１とカソード電極１２から成る平行平板電極が配置されている。アノード電極１１は接地されており、カソード電極１２は該電極１２の中央付近に設けられた一つの給電点を介して整合器２０に接続され、該整合器２０は一台の高周波電源３０に接続されている。また、成膜チャンバ１０には、該チャンバ内を排気するための排気手段(図示略)と、該チャンバ内にプラズマ発生用の原料ガスを導入するためのガス供給手段（図示略）が接続されている。
【００１８】
上記プラズマＣＶＤを用いた成膜処理を行う際には、まず、アノード電極１１の下面に被処理物である基板Ｗを保持させ、上記排気手段によって成膜チャンバ１０内を排気した後、上記ガス供給手段によって所定の原料ガスを成膜チャンバ１０内に導入する。その後、高周波電源３０からカソード電極１２へ高周波電圧を印加することにより両電極１１，１２の間に原料ガスのプラズマが発生し、基板Ｗの表面に所定の薄膜が形成される。
【００１９】
高周波電源３０は、信号発生器３１、位相偏移変調器３２、高周波スイッチユニット３３、及び高周波アンプ３４で構成される。信号発生器３１は所定周波数（例えば６０ＭＨｚ）の高周波の正弦波信号を発生させると共に、該正弦波信号の一定の位相（例えば立ち上がりの０Ｖのポイント）ごとにトリガー信号を発する構成となっている。信号発生器３１で発生した正弦波信号は位相偏移変調器３２に導入され、該正弦波信号と同一位相の信号（以下「第１の高周波信号」と呼ぶ）と、該正弦波信号から位相が９０°遅れた信号（以下「第２の高周波信号」と呼ぶ）の２種類の高周波信号が生成される。
【００２０】
位相偏移変調器３２で生成されたこれら２種類の高周波信号はそれぞれ高周波スイッチユニット３３に導入され、それと共に信号発生器３１で発生したトリガ信号が高周波スイッチユニット３３に導入される。高周波スイッチユニット３３は、前記トリガ信号を基準として信号スイッチａ及び信号スイッチｂの２つのスイッチのオン／オフを切り換えるものであり、スイッチａがオンのときは第１の高周波信号が高周波アンプ３４に出力され、スイッチｂがオンのときは第２の高周波信号が高周波アンプ３４に出力される。
【００２１】
図２に前記トリガ信号と高周波スイッチユニット３３の各スイッチの切り換えタイミングのタイムチャートを示す。高周波スイッチユニット３３は、まず、１回目のトリガ信号に同期してスイッチａをオンにし、一定回数（図２では８回）のトリガ信号をカウントした後、スイッチａをオフにする。続いて、次のトリガ信号（図２では９回目のトリガ信号）に同期してスイッチｂをオンにし、一定回数（図２では９〜１６回目までの８回）のトリガ信号をカウントした後、スイッチｂをオフにする。以上の動作を所定の回数くり返し、最後に全ての出力をオフにする。
【００２２】
高周波スイッチユニット３３からの出力信号は高周波アンプ３４で増幅され、整合器２０を介してカソード電極１２に供給される。以上により、カソード電極１２には位相の異なる第１の高周波電圧と第２の高周波電圧が断続的に交互に印加されることになる。上記のように、これらの給電タイミングはトリガ信号で同期を取っているため、第１の高周波電圧のカソード電極１２への印加開始時の位相は常に同じ位置にあり、第２の高周波電圧のカソード電極１２への印加開始時の位相は、常に該第１の高周波電圧の印加開始時の位相と９０°ずれた位置となる。図３に第１の高周波及び第２の高周波の電圧波形を示す。
【００２３】
以下、本実施例のプラズマＣＶＤ装置による電力分布の均一化の原理について説明する。
【００２４】
上述のように、一般に高周波が平行平板に導入されると、該電極上を進行する入射波とその一部が電極端部で反射して生じる反射波とによって定在波が発生する。第１の高周波印加時における入射波をＹ＝Ａｓｉｎ（Ｘ）と表すと、反射波はＹ＝Ｂｓｉｎ（Ｘ＋Ｅ）と表せる。ここで、Ｅは入射波と反射波の位相差である。反射するのは入射波の一部であるからＡ＞Ｂである。いま、Ａ＝５、Ｂ＝−２（入射波と反射波の進行方向は逆であるから反射波の大きさに−を付して表す）とし、Ｅ＝３０°としたときの入射波と反射波の波形を図４に示す。なお、Ｅの値は特にこれに限定されるものではなく、どのような値を取ってもよい。これら２つの波を足し合わせると、Ｙ＝（Ａｓｉｎ（Ｘ）＋Ｂｓｉｎ（Ｘ＋Ｅ））となり、図５のような干渉波形となる。すなわち、このような波が定在波として平行平板上に存在することとなる。更に、平行平板上の高周波電力は該干渉波の振幅の二乗で表すことができるので、カソード電極１２上の電力分布はＷ＝（Ａｓｉｎ（Ｘ）＋Ｂｓｉｎ（Ｘ＋Ｅ））２の形となり、図６のような電力分布がカソード電極１２上に定常的に存在することになる。
【００２５】
一方、第２の高周波は第１の高周波と位相が９０°異なることから、Ｙ＝Ｃｓｉｎ（Ｘ＋９０°）で表すことができる。この入射波をカソード電極１２上に印加すると、その反射波は、Ｙ＝Ｄｓｉｎ（Ｘ＋Ｆ＋９０°）となる（Ｆは入射波と反射波の位相差である）。従って、これらの入射波と反射波の干渉波による電力分布は、Ｗ＝（Ｃｓｉｎ（Ｘ＋９０°）＋Ｄｓｉｎ（Ｘ＋Ｆ＋９０°））２の形で表され、図７のようになる。ここで、同一のカソード電極１２に第１及び第２の高周波を印加していることから、Ａ＝Ｃ、Ｂ＝Ｄ、Ｅ＝Ｆである。なお、図ではＡ＝Ｃ＝５、Ｂ＝Ｄ＝−２、Ｅ＝Ｆ＝３０°として図示した。
【００２６】
図６及び図７から明らかなように、第１の高周波の印加時と第２の高周波の印加時では電力が最大を示す位置と最小を示す位置が入れ替わった状態となる。図６及び図７の波形を重ね合わせ、且つそれぞれの電力分布を足し合わせたものを図８に示す。図８から明らかなように、これら２つの高周波による電力を足すと空間的に均一となる。すなわち、第１の高周波と第２の高周波を交互に印加することにより、電極上において電力の最大と最小を示す場所が交互に変化することとなり、これを時間で積分すると結果的に電極上の各位置における電力強度は均一となる。
【００２７】
また、図７において、Ｗ＝（Ｃｓｉｎ（Ｘ−９０°）＋Ｄｓｉｎ（Ｘ＋Ｆ−９０°））２としても、同様の電力分布が得られる。このことから第２の高周波は第１の高周波に比べて位相が９０°遅れていても進んでいても同様の効果が得られることが分かる。
【００２８】
なお、上記のような均一な電力分布が得られるのは、第１の高周波による入射波と反射波の２つの波による干渉と、第２の高周波による入射波と反射波の２つの波による干渉とが独立に起きるときである。ここで、もし上記第１の高周波と第２の高周波を同時にカソード電極１２に印加したとすると、第１の高周波による入射波Ｙ＝Ａｓｉｎ（Ｘ）と反射波Ｙ＝Ｂｓｉｎ（Ｘ＋Ｅ）、及び第２の高周波による入射波Ｙ＝Ｃｓｉｎ（Ｘ＋９０°）と反射波Ｙ＝Ｄｓｉｎ（Ｘ＋Ｆ＋９０°）の４つの波が全て重ね合わされた干渉波が形成されることとなる。その結果、カソード電極１２上に生じる高周波電力分布は図９のようになり、空間的に均一とはならない。従って、図８のような均一な電力分布を実現するためには、第１の高周波と第２の高周波を時間的に分離して印加することが必要となる。
【００２９】
以上のように、本実施例に係るプラズマＣＶＤ装置によれば、平行平板上に腹の位置の異なる２つの定在波を時間的に分離して発生させることにより、電極上の電力分布を均一にすることができる。その結果、プラズマ生成密度も均一化され、大面積に亘って均一な成膜処理を施すことが可能となる。また、一台の高周波電源によって電極上の一つの給電点から給電を行うため、装置構成を簡単にすることができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００３０】
以上、実施例を用いて本発明に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容されるものである。例えば、上記実施例ではプラズマＣＶＤ装置を例に説明を行ったが、本発明に係るプラズマ処理装置はこれに限定されるものではなく、プラズマエッチング装置など、反応室内でプラズマを発生させ、該プラズマを利用して被処理体に所定の処理を施すものであれば同様に本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例に係るプラズマＣＶＤ装置の概略構成図。
【図２】トリガ信号と高周波スイッチユニットのスイッチの切り換えタイミングを示すタイムチャート。
【図３】第１の高周波と第２の高周波の位相の違いを示す波形図であり、(a)は第１の高周波を、(b)は第２の高周波を示す。
【図４】第１の高周波による入射波と反射波を示す波形図。
【図５】第１の高周波によって発生する定在波を示す波形図。
【図６】第１の高周波による電力分布を示す図。
【図７】第２の高周波による電力分布を示す図。
【図８】図６と図７を重畳し、且つ両者を足し合わせた図。
【図９】第１及び第２の高周波を同時印加した場合の電力分布を示す図。
【図１０】従来のプラズマＣＶＤ装置の構成の一例を示す概略図。
【図１１】高周波印加による電極上の入射波と反射波を表す概念図。
【符号の説明】
【００３２】
１０，１００…成膜チャンバ
１１，１１０…アノード電極
１２，１２０…カソード電極
２０，２００…整合器
３０，３００…高周波電源
３１…信号発生器
３２…位相偏移変調器
３３…高周波スイッチユニット
３４…高周波アンプ
Ｗ…基板
【図１】
2009110809.tif 000003
【図２】
2009110809.tif 000004
【図３】
2009110809.tif 000005
【図４】
2009110809.tif 000006
【図５】
2009110809.tif 000007
【図６】
2009110809.tif 000008
【図７】
2009110809.tif 000009
【図８】
2009110809.tif 000010
【図９】
2009110809.tif 000011
【図１０】
2009110809.tif 000012
【図１１】
2009110809.tif 000013