JP4594770B2 - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ装置に係り、特に、大面積の基板上に薄膜を形成するのに好適なプラズマＣＶＤ装置に関する。

プラズマを利用したＣＶＤ（化学的気相成長法）装置を用いて、基板の表面に薄膜を形成する技術が知られている。例えば、薄膜トランジスタの製造においては、基板上にアモルファスシリコンや結晶シリコンなどの薄膜（ゲート絶縁膜）を均一に形成するプラズマＣＶＤ装置が用いられている。このプラズマＣＶＤ装置は、減圧された容器内でプラズマを発生させ、プラズマ中で原料ガスを分解させて生成されるラジカルを基板面に付着させて成膜するものである。

従来から用いられているプラズマＣＶＤ装置は、励起方式として、容量結合方式と誘導結合方式がある。容量結合方式は、例えば、平板状の高周波電極と接地電極を平行に配置して、接地電極側に基板を配置して構成される。

しかし、この構成によれば、例えば、成膜速度と膜特性の向上のため、高周波の周波数を高くすると、電極間に形成されるプラズマの空間密度が不均一となり、膜品質が低下するという問題がある。また、大面積の基板を成膜する場合は、電極面積が大きくなるため、電極間の隙間を均一な距離に保つことが難しくなる。

これに対し、誘導結合方式として、例えば、Ｕ字型の導電性電極を基板に対向させて平面状に配置し、電極を折り曲げた中央点を高周波の給電点とする構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この構成によれば、電極を複数回折り曲げて平面状に延在させ、定在波を発生させることで、大面積の成膜に適したプラズマを発生させることができる。

しかし、このような電極構造においては、電極が導電性のプラズマ中に直接曝されると、電極から安定した電磁波が放射されず、放電が不均一となり、膜厚が均一に形成されないおそれがある。

そこで、基板に対向させて、導電体からなる直線状のアンテナ素子を交互に給電方向を反対にして、平行かつ平面状に所定の間隔で複数配列し、各アンテナ素子の表面を誘電体で覆ったプラズマＣＶＤ装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この構成によれば、各アンテナ素子に独立して電力を供給することができ、かつ容量結合方式や誘導結合方式ではプラズマの均一性が困難となる高周波領域（例えば、１００ＭＨｚ）を使用することができる。このような高周波を用いることで、プラズマポテンシャルが低くなり、例えば、容量結合方式と比べてイオンによる基板へのダメージを小さくできる。また、各アンテナ素子から電磁波エネルギーを効率的に周囲のガス中に放出できるため、空間的に均一なプラズマを形成することができ、アンテナ素子の長さや本数を増やすことで、大面積基板への成膜に対応できる。

特開２０００−３４５３５１号公報 特開２００３−８６５８１号公報

ところで、特許文献２の構成においては、隣り合う各アンテナ素子の定在波の振幅が互いに逆の関係となるため、各アンテナ素子から放射された電磁波が合成されて、平面方向に広く分布する比較的均一なプラズマが形成される。

つまり、各アンテナ素子から放射される電磁波エネルギーは、アンテナ素子の軸方向に沿って定在波の振幅の２乗に比例して変化するが、隣り合うアンテナ素子の高周波の給電端が異なるように配置されるため、軸方向の電磁波エネルギーが重なり合って相互に補完され、アンテナ軸方向の電磁波エネルギー分布を比較的均一にすることができる。

しかしながら、特許文献２によれば、正弦波の定常波（例えば、１／４波長）の電磁波エネルギーを合成することになるから、アンテナ素子によって形成されるプラズマの空間密度は、アンテナ素子の軸方向で不均一となり、特に、この軸方向の中央付近はプラズマの空間密度が高くなりやすい。

このため、基板上の膜厚は、例えば、原料ガスの濃度分布など他のパラメータにもよるが、プラズマの空間密度分布の影響を受けて十分な均一性を保てないおそれがある。

本発明は、アンテナ素子の軸方向におけるプラズマの空間密度の不均一を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、原料ガスが導入される真空容器と、真空容器内に設けられ成膜対象の平板部材が固定されるホルダーと、平板部材の平板面に対向させて配置されたアンテナとを備え、アンテナは、表面を誘電体で覆った棒状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、間隔を開けて、かつ隣り合う各アンテナ素子の一端に高周波電力を供給する基端部を交互に異なる側に配列してなるプラズマＣＶＤ装置において、各アンテナ素子は、その先端側に向かって平板面との距離が大きく又は小さくなるように配置することを特徴とする。

このように、例えば、アンテナ素子を平板面に対し所定の角度をもたせて配列することにより、各アンテナ素子から放射される電磁波エネルギーの重なり合いによって生じる、アンテナ素子の軸方向の中央付近における電磁波エネルギーの強度を小さくすることができ、プラズマの空間密度の不均一を抑制することができる。

また、各アンテナ素子の平板部材の平板面に対する角度を可変に支持する支持部を、各アンテナ素子の基端部に設けるようにしてもよい。これによれば、例えば、装置構成、外部パラメータ又は平板面の成膜結果などに応じて、アンテナ素子の角度を適宜調節することができる。これにより、アンテナ素子の軸方向における電磁波エネルギーの分布の不均一を抑制することができ、プラズマの空間密度の分布を小さくして、膜厚を安定化させることができる。

この場合において、アンテナ素子は、基端部から延在するアンテナ素子の長さを、アンテナ素子の一端に供給する高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎはゼロ又は正の整数）とすることが好ましい。このように、各アンテナ素子において、高周波の定在波が立つように高周波電力を設定することにより、各アンテナ素子において電磁波の不要な反射を減少させ、プラズマの励起効率を高くすることができる。

本発明によれば、アンテナ素子の軸方向におけるプラズマの空間密度の不均一を抑制することができる。

以下、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置について図面を参照して実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態のプラズマＣＶＤ装置の一例を示す平面図である。図２は、図１の側断面図である。

本実施形態のプラズマＣＶＤ装置は、図に示すように、チャンバ１内に直線状のアンテナ素子、すなわち、棒状の電極３（電磁波結合型電極ともいう）を複数本配列した構成になっている。電極３の下側には、成膜対象となる基板５を載せる基板ホルダー７があり、例えば、基板５を加熱するための発熱体（図示せず）が設けられている。なお、基板ホルダー７は、チャンバ１とともに電気的に接地されている。

チャンバ１の上方側壁には、原料ガスを導入するガス供給口９が設けられ、対向する側壁の下方には原料ガスを排気するガス排気口１１が設けられている。本実施形態では、原料ガスとしてＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）と酸素を用いるが、成膜目的に応じて適宜設定することができる。ガス排気口１１は、図示しない真空ポンプと接続され、チャンバ１内の排気を行って設定圧力に調節する機能を備えている。

電極３は、給電方向が交互に異なるように複数配置され、各電極３の給電部となる基端部は、例えば、同軸ケーブルなどの電送線路１３により、図示しない整合器を介して高周波電源１５に接続されている。そして、高周波電源１５から出力された高周波電力は、各電極３の給電部に分配されて供給されるようになっている。各電極３に供給される高周波電力は、例えば、３０〜３００ＭＨｚに設定される。

各電極３の基端部には、電極を支持する支持部１７が設けられ、この支持部１７には、チャンバ１の側壁を電気的に絶縁させて気密に貫通する電送線路１３が接続されている。そして、支持部１７には、チャンバ１内において、基板５の平板面に対する電極３の角度を調整可能とする角度調整機構が備えられている。また、支持部１７は、図示しないが電極３の角度をチャンバ１の外側から自在に調整できるようになっている。支持部１７は、基板５の平板面から同一高さ位置に配置され、電極３の先端側に向かって基板５の平板面に対する高さ（距離）が大きくなるように、平板面に対し上向きの所定角度で設定されている。

電極３は、例えば、銅、アルミニウム、白金などの非磁性の電気良導体によって棒状又はパイプ状に形成され、その表面を石英などの誘電体で被覆して形成されている。電極３の先端から支持部１７にかけての長さは、電極３に供給される高周波電力の波長λに対して（２ｎ＋１）／４倍（ｎは０又は正の整数）となり、少なくとも基板５の幅寸法よりも長めに設定されている。そして、電極３の角度を水平にしたとき、一方の電極３の先端が隣り合う電極３の支持部１７の手前付近の位置まで達しているように、横並びで平行に配置されている。なお、電極３は、支持部１７が反対向きに配置された隣り合う電極３と一対の電極単位を構成し、これを複数並列に配置して設けられている。

次に、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置を用いて基板５表面に薄膜を形成する動作について説明する。先ず、チャンバ１を開放して基板５を基板ホルダー７の上に載せた後、ガス排気口１１に接続される真空ポンプを作動させ、例えば、１ｍｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ程度の真空にチャンバ１内を減圧する。ここで、基板５は、基板ホルダー７上の発熱体により所定温度に加熱される。

次に、原料ガスとして、ＴＥＯＳと酸素の混合ガスをガス供給口９からチャンバ１内に供給する。この状態でチャンバ１内の圧力が安定したのち、各電極３に高周波電力を供給して、電極３から高周波の電磁波を放射させることにより、混合ガスが電離して、基板５と電極３との間にプラズマ１９が発生する。プラズマ１９は、導電性を有し、チャンバ１内にプラズマが充満して全体の導電性が増すと、放射された電磁波はプラズマ１９によって反射されるため、電極３の周囲に閉じ込められ、この部分にプラズマ加熱領域が限定されるようになる。なお、図２に示すプラズマ１９は、発生領域を模式的に表したものである。

本実施形態では、基板５の平板面に対し、電極３を所定の角度で持ち上げて配置することで、各電極３から放出される電磁波エネルギーの重なり合いによって生じる水平方向のエネルギー分布を緩和するようにしている。これにより、例えば、水平方向の中央付近において高くなる電磁波エネルギーの空間密度を小さくすることができ、軸方向におけるプラズマの空間密度の不均一を抑制することができる。

また、本実施形態では、基板５の平板面に対する電極３の設置角度を、支持部１７を介して、外部操作により自在に調整できるため、例えば、チャンバ１内の成膜環境や成膜結果などに応じて、適宜設置角度を調整することができる。

また、本実施形態では、基板５の平板面に対し、両側から電極３を所定の角度で持ち上げて、向かい合う電極３の中央部が山状に盛り上がるように配置しているが、この配置に限定されるものではなく、例えば、中央部を谷状に窪ませて配置、つまり、基板５の平板面に対し、電極３を所定角度で下方に傾けて配置するようにしてもよい。

また、本実施形態では、電極３の調整範囲を基板５の平板面に対する角度に限定しているが、例えば、必要に応じて水平方向の角度を調整可能となるように構成してもよい。

更に、本実施形態では、電極３を直線状の棒状電極に限定しているが、この電極形状に限定されるものではなく、例えば、電極３をＲ状又は所定の角度で折り曲げて用いるようにしてもよい。

以上述べたように、本実施形態によれば、基板面と平行な水平面の方向に空間的に均一なプラズマを形成することができるため、大面積基板の膜厚を安定化させることができる。したがって、本実施形態のプラズマＣＶＤ装置は、例えば、電極供給用として利用可能な薄膜太陽電池の製造、液晶薄膜の製造、薄膜トランジスタの製造、半導体などのエッチングその他の工業的用途に適用することができる。

また、上記実施形態における電極３の配置に代えて、例えば、電極３をチャンバ１の上方から給電方向が下方、つまり基板側となるように、所定間隔で鉛直に複数吊るして配設するようにしてもよい。これによれば、電極３の軸方向における電磁波エネルギーの強度分布の影響を受けることがないため、水平方向において均一なプラズマを形成することができ、大面積基板の膜厚を安定化させることができる。

本発明の実施形態のプラズマＣＶＤ装置の一例を示す平面図である。 図１の側断面図である。

符号の説明

１ チャンバ
３ 電極
５ 基板
７ 基板ホルダー
９ ガス供給口
１１ ガス排気口
１３ 電送線路
１５ 高周波電源
１７ 支持部

Claims (3)

1. 原料ガスが導入される真空容器と、該真空容器内に設けられ成膜対象の平板部材が固定されるホルダーと、前記平板部材の平板面に対向させて配置されたアンテナとを備え、前記アンテナは、表面を誘電体で覆った棒状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、間隔を開けて、かつ隣り合う前記各アンテナ素子の一端に高周波電力を供給する基端部を交互に異なる側に配列してなるプラズマＣＶＤ装置において、
   前記アンテナ素子は、該アンテナ素子の先端側に向かって前記平板面との距離が大きく又は小さくなるように配置することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
2. 原料ガスが導入される真空容器と、該真空容器内に設けられ成膜対象の平板部材が固定されるホルダーと、前記平板部材の平板面に対向させて配置されたアンテナとを備え、前記アンテナは、表面を誘電体で覆った棒状の導電体からなる複数のアンテナ素子を、間隔を開けて、かつ隣り合う前記各アンテナ素子の一端に高周波電力を供給する基端部を交互に異なる側に配列してなるプラズマＣＶＤ装置において、
   前記各アンテナ素子の前記平板部材の平板面に対する角度を可変に支持する支持部を前記各アンテナ素子の前記基端部に設けたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記アンテナ素子は、前記基端部から延在する該アンテナ素子の長さを、前記アンテナ素子の一端に供給する高周波電力の波長の（２ｎ＋１）／４倍（ｎはゼロ又は正の整数）とす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装置。
   

Images