JP5040066B2 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ成膜装置（以下、成膜装置と称する）及びプラズマＣＶＤ成膜方法（以下、成膜方法と称する）に係り、特に減圧下において基材表面に均一に薄膜を安定して形成する成膜装置及び成膜方法に関するものである。

従来、プラズマＣＶＤ法により基材上に薄膜を形成するためには、容量結合型プラズマと誘導結合型プラズマを用いる方法が知られている（非特許文献１）。

プラズマエレクトロニクス オーム社 菅井秀郎編集 第１版第1刷 平成１２年８月２５日発行 １０６ページ

本文献１０６ページ８行目には、容量結合型プラズマは簡単に大口径プラズマを作れることが記載され、ウエハーやガラス等のセラミックス、樹脂板、プラスチックフィルム、金属板、金属箔等の基材に対して薄膜形成を行う分野で、容量結合型プラズマが広く用いられている。

本文献、図６.３及び１０６ページ１３行目から１４行目には容量結合型プラズマを薄膜形成に用いる場合、プラズマ放電用の２枚の電極を用い、被成膜基材は、これら２枚の電極上に配置され、この状態で成膜が行われる。

しかしながら、このような方法で成膜を行う場合、特に半導体や絶縁性の被成膜基板を電極上に配置することにより、プラズマの電気の流れにくさ、すなわち放電インピータンスが大きくなるという問題があった。この場合、プラズマ放電を立てにくくなったり、プラズマ放電の安定性が悪くなるという問題が生じる。

また、放電インピーダンスが大きくなると、同一電力を投入した場合でも放電電圧が上昇し、放電電流は低下する。この結果、成膜速度の低下（生産性低下）、膜応力の増加、基材へのダメージ（電気的なチャージアップの発生、基材が強くエッチングされることによる密着性不良、基材着色発生など）の不具合が生じ、膜品質の低下が問題となる。

さらには、基材によって放電インピーダンスが異なるため、形成される膜の膜厚や膜質が異なるという問題が生じ、基材の種類毎に成膜条件を最適化させる必要があった。
以上の問題は、例えばＳｉＯ2やＴｉＯ2のような絶縁膜を形成する際は、成膜材料の分解性が悪いことに起因して放電インピーダンスが更に大きくなり、成膜が不安定になるという問題がある。
一方で成膜インピーダンスが小さいことが問題となる場合もある。放電インピーダンスが小さい場合は、放電電圧が小さく、放電電流が大きくなり、基材へのイオン打ち込み効果が小さくなり、結果として膜の密着性が不足し、膜剥離を起すことがある。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基材表面に均一かつ良質な薄膜を安定して形成できる成膜装置及び成膜方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために第１の発明は、プラズマＣＶＤ法により、減圧下で基材に薄膜を形成する成膜装置であって、チャンバと、前記チャンバ内にガスを供給するガス供給部と、前記チャンバ内で、前記基材の同一表面側に配置され、電気的にフローティングレベルに設置された１組の電極と、前記２つの電極間に、一方の電極と他方の電極が反対の極性を持つように、周波数が１０Ｈｚ〜２７．１２ＭＨｚである交流の電力を供給する電源と、を具備し、前記１組の電極間にプラズマを発生させることを特徴とする成膜装置である。
ここで電気的フローティングレベルとは、アースレベルに設置されたチャンバや成膜装置部品とは絶縁性が保たれるように、絶縁性部品や絶縁性コーティングを用い電極が設計、設置されている状態を意味している。電極の絶縁性が確保されているように設計されているにもかかわらず、電極の冷却に必要な冷媒が用いられ、この冷媒や冷媒を循環供給するための配管が若干の導電性を有することに起因してアースレベル（グランドレベル）を基準とし、電極とアースとの間で１０ｋΩ〜１０００ＭΩの抵抗を有している場合も本発明に含まれる。
この成膜装置では、前記１組の電極から構成される複数組の電極が、前記基板の両側に設置されてもよい。
前記電源は、投入電力制御または、インピーダンス制御等により制御される。

前記電極は、基材近傍にプラズマを集中して形成するマグネットを備えてもよい。前記マグネットは、基材表面での水平磁束密度が１０ガウスから１００００ガウスであり、前記マグネットは、マグネトロン構造を有する。
前記電源は、周波数が１０ｋＨzから２７．１２ＭＨｚであることが望ましい。前記電源は、投入電力制御または、インピーダンス制御等により制御される。

前記基材は、電気的にアースレベルに設置されてもよく、電気的にフローティングレベルに設置されてもよい。また、前記基材が電気的にフローティングレベルの場合、前記基材に一定の直流電圧を印加してもよい。
前記ガス供給部は、前記基材の前記電極側に取り付けられ、前記基材表面に向けてガスを供給する。前記ガス供給部は、電気的にフローティングレベルである。

前記チャンバは、成膜室と排気室とを有する構成としてもよい。前記排気室の真空度は、前記成膜室成膜時の真空度よりも１０倍以上１００００倍以下の範囲で高いことが望ましい。
また成膜装置は、基材搬送機構を更に具備してもよい。この場合、基材は、絶縁性のトレー、キャリア等の基材保持部品に載置される。また成膜装置は、前記チャンバに隣接するロードロック室を備えてもよい。

第２の発明は、プラズマＣＶＤ法により、減圧下で基材に薄膜を形成する成膜方法であって、チャンバ内にガスを供給し、前記チャンバ内で、前記基材の同一表面側に配置され、電気的にフローティングレベルに設置された１組の電極に、一方の電極と他方の電極が反対の極性を持つように、周波数が１０Ｈｚ〜２７．１２ＭＨｚである交流の電力を供給して、前記１組の電極間にプラズマを発生させ、前記基材上に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法である。

本発明によれば基材を電極間に置いて成膜しないため、プラズマ放電中に電気的にカップリングされず、放電のインピーダンス上昇を防ぐことが可能となる。この結果、放電開始電圧の低減により、プラズマ放電が立ちやすくなる、放電維持電圧の低減により、安定してプラズマ放電が可能となるなどの利点がある。また放電インピーダンスが上昇しないことから、プラズマＣＶＤ成膜においては成膜速度の向上（生産性向上）、膜応力の低減、基材へのダメージ低減（電気的なチャージアップの発生抑制、基材エッチング低減による密着性向上、基材着色低減）を図ることが可能となる。さらに、基材によるインピーダンス変動を考慮する必要がなくなるため、基材の種類毎に成膜条件を最適化する必要がなくなる。また、電極の配置や形状により、必要に応じてインピーダンスの大きさを調整することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態に係る成膜装置及び成膜方法について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る成膜装置１の概略構成を示す図である。チャンバ３内に成膜室４が形成され、成膜室４内にガス供給部７−１、７−２、７−３が設けられる。ガス供給部７−１、７−２、７−３は供給ガス種ごとに流量制御器８−１、８−２、８−３を介してガス貯留部５−１、５−２、５−３と接続される。ガス貯留部５−１、５−２、５−３は成膜用ガスを保持しており、ガス貯留部５−１は、例えば成膜原料であるＴＥＯＳ（テトラエトキシシランＳｉ（ＯＣ₂Ｈ_５）_４）を貯留し、ガス貯留部５−２は分解性の酸化ガスである酸素（Ｏ₂）を貯留し、ガス貯留部５−３は放電用イオンガスであるアルゴン（Ａｒ）を貯留する。

チャンバ３内で支持部９に基材ホルダ１１が設けられ、基材ホルダ１１上に基材１３が保持される。図示してはいないが、成膜時に基板を冷却または加熱し、一定温度とすることを目的として、基板ホルダ１１内部および支持部９に冷媒や熱媒を循環させるための温度調節媒体用配管を設けてもよい。この基材１３としては、例えば、ウエハー、ガラス等のセラミックス、樹脂板、プラスチックフィルム、金属板、金属箔、紙、不織布、繊維等である。

この基材１３の表面側に１対の電気的にフローティングレベルに設置された電極３５−１、３５−２を有する電極ユニット１５−１、１５−２が設置され、この電極３５−１、３５−２は一定の周波数で電力を印加可能な電源１７に接続される。電源１７から電力が供給されて基材１３に向けてプラズマ１６を発する。チャンバ３には、圧力調整バルブ１９を介して真空排気ポンプ２１が設けられる。

図２は電極ユニット１５−１の側面図、図３は図２のＡ方向矢視図である。
支持台３１に絶縁性シールド板３３が設けられ、この絶縁性シールド板３３に電極３５が設けられる。電極３５には電力供給配線３７が設けられ、電極３５の内部に温度調節媒体用配管３９が設けられる。電極ユニット１５−２も同一の構造体を用いることが可能である。また通常、組にして使用する電極および電極ユニットは、同一サイズ、同一構造体を用いるのが好適である。

電力供給配線３７は電源１７に接続され、電源１７から電力が供給されると電極３５からプラズマ１６が発生する。温度調節媒体用配管３９内部には冷却水等の温度調節媒体が流れ、電極３５等を冷却する。

ガス供給部７−１、７−２、７−３はその噴出口が基材１３表面に向けられるように配置される。このため、基材１３表面に均一に成膜用ガスを拡散、供給させることができ、基材１３の大面積の部分に均一な成膜を行うことができる。

電源１７は、その周波数が１０Ｈｚから２７．１２ＭＨｚである。１０Ｈｚ以上の周波数で成膜原料の分解性が良好となり、プラズマ放電および成膜が可能となる一方、２７．１２ＭＨｚよりも高い周波数では電源やそのマッチング回路が高価になり装置コストが高くなる。
さらに好ましくは１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚが好ましい。

１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの成膜用電源を用いた場合は、成膜材料が成膜のために必要な分解を起こす効率が高く、基材１３への成膜材料打ち込み効果が高いため良質な膜が得られる。また、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚでは成膜材料の成膜に必要な分解を起こす分解効率が更に高まり、ガスの反応性が高くなり、緻密で密着性の高い良質な成膜が可能となる。これら電源は高周波数帯の中でも、産業上利用を許容された周波数であるため、同周波数電源は多数市販化されていて、安価であるという利点がある。

電源１７の制御方法としては、投入電力制御または放電電圧値を放電電流値で割り算した電気の流れにくさを示す放電インピーダンスを制御する、インピーダンス制御方式がある。投入電力制御では電源１７の成膜投入電力を一定となるようにし、プラズマ放電を安定化させながら成膜を行え、安定的、簡便、安価に成膜を行うことができる。

インピーダンス制御では、応答性が速く、長時間の成膜におけるインピーダンス変化が生じた場合（例えば放電によりチャンバ３の内壁が温まることで放出し始める水分の影響により、ＣＶＤ成膜ガスの組成が変化し、結果としてインピーダンスが変化したような場合）、これを一定に維持する効果がある。

また、電源１７の安定成膜のための制御方法として、光学的手法を用いてもよい。たとえば、プラズマエミッションモニタを設置し、プラズマ中での特定元素の発光強度をモニタし、その発光強度を一定とするためのプロセス制御を行ってもよい。この場合のプロセス制御方法としては、成膜原料ガス、分解性ガス、酸化ガス、放電ガス、イオン化ガスなどの供給ガス量を制御したり、成膜ガス量や添加ガス量を制御したり、成膜圧力、基材温度等の成膜条件を制御してもよい。

基材１３は電気的にアースレベルに設置してもよい。基材１３をアースレベルに設置した場合、基材１３表面に蓄積された帯電電荷が、基材ホルダ１１を伝わりアースレベルに開放され、結果として安定した成膜が可能となる。
この場合、基材ホルダ１１やホルダ支持体に金属製の導電性材料を用いることで実現できる。

また、基材１３は電気的にフローティングレベル即ち絶縁電位に設置してもよい。基材１３の電位をフローティングレベルとすることで電力の漏れを防ぐことができ、成膜投入電力を高くすることができ、且つその成膜への利用効率も高いものとなる。

ここで電気的フローティングレベルとは、アースレベルに設置されたチャンバ３や他の成膜装置部品とは絶縁性が保たれるように、絶縁性部品や絶縁性コーティングを用い電極が設計、設置されている状態を意味している。基板ホルダ１１の絶縁性が確保されているように設計されているにもかかわらず、基材１３および基板ホルダ１１の冷却または加熱に必要な冷媒や熱媒が用いられ、この冷媒や熱媒、これら媒体を循環供給するための配管が若干の導電性を有することに起因してアースレベル（グランドレベル）を基準として、基材１３とアースまたは基板ホルダ１１とアース間で１０ｋΩ〜１０００ＭΩの抵抗を有している場合も本発明に含まれる。

具体的には、基材ホルダ１１や基材ホルダ支持体に絶縁性、耐プラズマ性及び耐熱性を有するセラミックス、マイカ、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂のような絶縁性材料を用いる方法、または基材ホルダ、基材ホルダ支持体の表面に前記セラミックス、マイカ、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂からなる表面処理を施した材料を用いる方法、チャンバ３と基材ホルダ１１との間に前記絶縁性のセラミックス、マイカ、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂からなる部材を挿入する方法があげられる。
セラミックス材料としては、酸化アルミや酸化珪素のような無機酸化膜、窒化アルミ、窒化珪素、窒化チタン、窒化クロムのような無機窒化膜、酸窒化アルミ、酸窒化珪素、酸窒化チタン、酸窒化クロムのような無機酸窒化膜が上げられる。

ガス供給部７−１、７−２、７−３は電気的にフローティングレベルとしてもよい。この場合、ガス供給部７−１、７−２、７−３に成膜電力の漏れを防ぐことができ、成膜投入電力を高くすることができ、且つその成膜への利用効率も高いものとなる。

また、ガス供給部７−１、７−２、７−３においてチャンバ３内にガスが供給される以前に配管供給口で成膜が生じ、供給口を塞ぐことを回避できる。

次に、成膜装置１の概略の動作について説明する。基材１３を基材ホルダ１１上に設置し、真空排気ポンプ２１を動作させ、圧力調整バルブ１９を開き、チャンバ３内成膜室を真空排気する。ガス貯留部５−１、５−２、５−３からそれぞれ流量制御器８−１、８−２、８−３により流量制御しながら成膜用ガスを供給し、均一に混合した後、成膜室内のガス供給部７−１、７−２、７−３へ導き、基材３へ向けて均一に成膜用ガスを噴出させる。圧力調整バルブ１９の開度を調整し、成膜室内を所望の真空度に設定する。通常、本プラズマＣＶＤ成膜装置および成膜方法においては、安定してプラズマを形成し、所望の十分な緻密性と密着性を有する膜を形成するためには、成膜室の成膜圧力（真空度）を圧力調整バルブ１９の開度を調整し、０．１Ｐａから１００Ｐａの間の真空度に設定、維持して成膜を行う。
電源１７から電極３５−１、３５−２に一定周波数で電力を供給し、電極３５−１、３５−２から基材１３に向けてプラズマ１６が発せられ、基材１３上に薄膜が形成される。成膜時に発生した副生成物は真空排気ポンプ２１により排気される。

このように第１の実施の形態によれば、電極３５−１、３５−２が基材１３の同一面側に配置されて、成膜が行われる。

本発明によれば、基材を電極上に置いて成膜せず、電気的にカップリングされなくなるため、プラズマ放電のインピーダンス上昇を防ぐことができ、容易にプラズマ形成が可能となり、かつ長時間安定して放電およびプラズマＣＶＤ成膜を行うことが可能となる。また、放電インピーダンスが上昇しないことから、プラズマＣＶＤ成膜においては成膜速度の向上（生産性向上）、膜応力の低減、基材へのダメージ低減（電気的なチャージアップの発生抑制、基材エッチング低減による密着性向上、基材着色低減）をはかることが可能となる。

さらに基材によるインピーダンスを考慮する必要がなくなるため、基材の種類毎に成膜条件を最適化する必要がなくなる。
また、電極の配置や形状により、必要に応じてインピーダンスの大きさを調整することが可能となる。先に放電インピーダンスが大きくなる場合の不具合を説明したが、一方で成膜インピーダンスが小さいことが問題となる場合もある。放電インピーダンスが小さい場合は、放電電圧が小さく、放電電流が大きくなり、基材へのイオン打ち込み効果が小さくなり、結果として膜の密着性が不足し、膜剥離を起こすことがある。このような場合、具体的には対になって設置されている電極３５−１と電極３５−２の距離を広げることで放電インピーダンスは増加する。この結果、印加電力一定の場合、成膜の放電電圧は大きく、放電電流は小さくなり、結果としてイオン打ち込み効果が高まり、密着性の高い膜を形成することが可能となる。
反対に電極３５−１と電極３５−２の距離を狭めることで、放電インピーダンスは減少し、印加電力一定の場合、放電電圧は小さく、放電電流は大きくなり、成膜速度の向上（生産性向上）、膜応力の低減、基材へのダメージ低減（電気的なチャージアップの発生抑制、基材エッチング低減による密着性向上、基材着色低減）を図ることが可能となる。
このように、本発明により、放電インピーダンスを最適とすることが可能となり、基材１３へのイオン打ち込み効果を調整し、膜の密着性を高めたり、基材へのダメージを低減し、良質な膜の形成が可能となる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る成膜装置１０１について説明する。
図４は、成膜装置１０１の概略構成を示すもので、チャンバ１０３内に隔壁１０５が設けられ、隔壁１０５により成膜室１０７と排気室１０９が形成される。
ガス供給部１１３−１、１１３−２、１１３−３は供給ガス種ごとに流量制御器１１４−１、１１４−２、１１４−３を介してガス貯留部１１１−１、１１１−２、１１１−３に接続され、ガス貯留部から１１１−１、１１１−２、１１１−３から個々に流量制御された成膜用ガスが供給される。

チャンバ１０３に設けられた支持部１１５には電気的絶縁性部品からなるカップリング部１１７が設けられ、この支持部１１５に基材ホルダ１１９が設けられる。基材ホルダ１１９は基材１２１を支持する。
チャンバ１０３内に、電気的にフローティングレベルに設置された電極１４９−１、１４９−２を有する電極ユニット１２３−１、１２３−２が設けられ、この電極１４９−１、１４９−２は電源１２５に接続される。

排気室１０９側に圧力調整バルブ１２９−１を介して真空排気ポンプ１３１−１が設けられ、成膜室１０７側に圧力調整バルブ１２９−２を介して真空排気ポンプ１３１−２が設けられる。

図５は電極ユニット１２３−１、１２３−２の側面図、図６は図５のＢ方向の矢視図、図７は、図６のＣ−Ｃ断面図である。
電極ユニット１２３−１、１２３−２のマグネット構造はマグネトロン構造となっている。図５、図６、図７に示すように、マグネットケース１４１内に絶縁性スペーサ１４２、ベースプレート１４３が設けられ、このベースプレート１４３にマグネット１４５が設けられる。マグネットケース１４１に絶縁性シールド板１４７が設けられ、この絶縁性シールド板１４７に電極１４９が取り付けられる。従ってマグネットケース１４１と電極１４９は電気的に絶縁されており、マグネットケース１４１をチャンバ１０３内に設置、固定しても電極１４９は電気的にフローティングレベルとすることが可能である。電極１４９に電力供給配線１５１が接続され、電力供給配線１５１は電源１２５に接続される。また、電極１４９内部には電極１４９及びマグネット１４５冷却のための温度調節媒体用配管１５３が設けられる。

成膜装置１０１ではチャンバ１０３内に隔壁１０５が設けられ、チャンバ１０３内が成膜室１０７と排気室１０９に分けられる。そして、成膜室１０７と排気室１０９内の圧力は異なる。成膜室１０７で安定してプラズマを形成し、所望の十分な緻密性と密着性を有する膜を形成するためには、成膜室の成膜圧力（真空度）は圧力調整バルブ１３１−２の開度を調整することにより、０．１Ｐａから１００Ｐａの間の真空度に設定、維持され、成膜が行われる。排気室１０９は成膜室１０７の成膜時真空度の１０倍以上１００００倍以下とすることが好ましい。
このように、成膜室１０７と排気室１０９に分けることにより成膜時に発生した副生成物を基材１２１表面近傍から効率よく排気できる。
副生成物を効率よく排気するためには、成膜室１０７に対して排気室１０９は少なくとも１０倍以上高い真空度であることが必要である。また排気室１０９の真空度を成膜室１０７よりも１００００倍高いものとするには高価な排気系が必要となるため、１００００倍以下とするのが好ましい。

成膜装置１０１では図６、図７で示すように、電極ユニット１２３−１、１２３−２の内部で電極１４９−１、１４９−２の背面にマグネット１４５を備える。マグネット１４５は電極１４９からのプラズマが基材１２１表面に集中して形成するために設置される。

マグネット１４５を設けることにより、基材１２１表面近傍での反応性が高くなり、良質な膜を高速で形成できる。
電極ユニット１２３−１、１２３−２のマグネット１４５は基材１２１の表面位置での水平磁束密度が１０ガウスから１００００ガウスである。基材１２１表面での水平磁束密度が１０ガウス以上であれば、基材１２１表面近傍での反応性を十分高めることが可能となり、良質な膜を高速で形成することができる。

一方、基材１２１表面での水平磁束密度を１００００ガウスよりも高くするには高価な磁石または磁場発生機構が必要となる。
電極１２３−１、１２３−２のマグネット１４５の配置構造はマグネトロン構造である。マグネトロン構造とすることでプラズマＣＶＤ成膜時に形成されるイオンや電子はこのマグネトロン構造に従って連続的に回転運動を行う。

このため、例えば３００ｍｍ□以上の大面積の基材１２１に対してプラズマＣＶＤ成膜をする場合においても電極ユニット１２３−１、１２３−２表面全体にわたり、電子、イオン等の成膜材料の分解生成物が均一に拡散され、基材１２１が大面積の場合にも均一且つ安定した成膜が可能となる。

また、電極１４９やマグネット１４５など電極ユニット１２３に局所的に偏って熱電子やイオンが蓄積することがなくなり、構成部材の耐熱性が低くてよくなるため、安価に部品を作製できるほか、熱変形、構造物の穴あきや割れ発生といった不具合発生を抑えることが可能となる。
電極１４９、１４９−１、１４９−２は、電力を投入するために導電性でプラズマ耐性に優れ、耐熱性を有し、冷却水による冷却効率が高く（熱伝導率が高く）、非磁性材料で加工性に優れた材料を用い作製することが好ましい。具体的には、アルミニウム、銅、ステンレスが好適に用いられる。
絶縁シールド板１４７は、絶縁性で、プラズマ耐性に優れ、耐熱性を有し、加工性に優れた材料を用いることが好ましい。具体的には、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂が好適に用いられる。

成膜装置１０１における電極１４９−１、１４９−２、基材１２１の電位レベル等については成膜装置１と同様にすることができる。

ここで基材１２１が電気的にフローティングレベルの場合、基材１２１に直流電位をかけ、基材１２１へのイオン化された成膜材料の打ち込み効果を強めたり、弱めたりする機構を設置することが可能である。イオン化打ち込み効果を高めるためには、基材１２１にマイナス１０Ｖからマイナス３０００Ｖのマイナス電位を与え、イオン化打ち込み効果を弱めるためには、基材１２１にプラス１０Ｖからプラス３０００Ｖのプラス電位を与えることが好ましい。
カップリング部１１７はこのように基材１２１に対して電位をかける場合に必要な機構で、基材ホルダ１１９を電気的にフローティングレベルとするためにチャンバ１０３と基材１２１と基材ホルダ１１９間に設置される電気的絶縁性の部材である。

また、設備的には高額複雑となるが、基材１２１に１０Ｈｚ〜２７．１２ＭＨｚの周波数を有する交流電力を与えてもよい。なお、このように基材１２１に直流電位をかけることは他の実施の形態において行ってもよい。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る成膜装置２０１について説明する。
図８は成膜装置２０１を示すもので、この成膜装置２０１では基材２１３の両側に電極２３０−１、２３０−２、２３０−３、２３０−４を配置したものである。

チャンバ２０３内にガス供給部２０７−１、２０７−２、２０７−３、２０７−４、２０７−５、２０７−６が設けられる。ガス供給部２０７−１、２０７−２、２０７−３は供給ガス種ごとに流量制御器２４０−１、２４０−２、２４０−３を介してガス貯留部２０５−１、２０５−２、２０５−３に接続され、ガス供給部２０７−４、２０７−５、２０７−６は供給ガス種ごとに流量制御器２４０−４、２４０−５、２４０−６を介してガス貯留部２０５−４、２０５−５、２０５−６に接続される。

ガス貯留部２０５−１、２０５−２、２０５−３、２０５−４、２０５−５、２０５−６は成膜用ガスを貯留する。すなわち、ガス貯留部２０５−１、２０５−２、２０５−３は図１のガス貯留部５−１、５−２、５−３に相当する。同様に、ガス貯留部２０５−４、２０５−５、２０５−６はガス貯留部５−１、５−２、５−３に相当する。

基材２１３は基材ホルダ２１１に保持される。基材２１３の片面側に電極２３０−１、２３０−２が設けられ、この電極２３０−１、２３０−２は電源２１７−１に接続される。
また、基材２１３の反対の面側に電極２３０−３、２３０−４が設けられ、電極２３０−３、２３０−４は電源２１７−２に接続される。
これら電極２３０−１、２３０−２、２３０−３、２３０−４の電極表面は電気的にフローティングレベルに設置されている。

次に、成膜装置２０１の概略動作について説明する。
ガス貯留部２０５−１、２０５−２、２０５−３に貯留された成膜用ガスは流量制御器２４０−１、２４０−２、２４０−３により個別に流量調整されて、ガス供給部２０７−１、２０７−２、２０７−３から基材２１３の片面側に向けて放出される。電源２１７−１から電極２３０−１、２３０−２に電力が供給され、プラズマ２１６が発生する。

同様に、ガス供給部２０７−４、２０７−５、２０７−６から成膜用ガスが基材２１３の反対の面側に向けて放出される。安定してプラズマを形成し、所望の十分な緻密性と密着性を有する膜を形成するためには、チャンバ内成膜室の成膜圧力（真空度）を圧力調整バルブ２１９の開度を調整し、０．１Ｐａから１００Ｐａの間の真空度に設定、維持して成膜を行う。
電源２１７−２から電極２３０−３、２３０−４に電力が供給され、電極２３０−３、２３０−４からプラズマ２１６が発生する。そして、基材２１３の両面に薄膜が形成される。成膜時の副生成物は真空排気ポンプ２２１から排出される。

成膜装置２０１では、基材２１３の両側に電極を１組ずつ設けるので、基材２１３の両面への成膜が可能となり、基材２１３の応力緩和が可能となり、良質な薄膜を形成することができる。

次に、本発明の第４の実施の形態に係る成膜装置３０１について説明する。
図９は成膜装置３０１を示す図である。チャンバ３０３内に隔壁３０５が設けられ、チャンバ３０３内に成膜室３０７、排気室３０９が形成される。

チャンバ３０３内にガス供給部３１３−１、３１３−２、３１３−３が設けられる。ガス供給部３１３−１、３１３−２、３１３−３は供給ガス種ごとに流量制御器３１４−１、３１４−２、３１４−３を介して、ガス貯留部３１１−１、３１１−２、３１１−３に接続される。ガス貯留部３１１−１、３１１−２、３１１−３は成膜用ガスを貯留する。

チャンバ３０３内に電極３６０−１、３６０−２が電気的フローティングレベルとして設けられ、この電極３６０−１、３６０−２は電源３２５に接続される。

チャンバ３０３内にトレー３１９の走行用のレール３５７が設けられる。排気室３０９側に圧力調整バルブ３２９−１を介して真空排気ポンプ３３１−１が設けられ、成膜室３０７側に圧力調整バルブ３２９−２を介して真空排気ポンプ３３１−２が設けられる。

真空排気ポンプ３３１−１は排気室３０９の排気を行う。真空排気ポンプ３３１−２は成膜室３０７側の排気を行う。
チャンバ３０３にゲートバルブ３４１−１を介してロードロック室（予備排気室）３５１−１が設けられる。ロードロック室３５１−１に圧力調整バルブ３５３−１を介して真空排気ポンプ３５５−１が設けられる。

また、チャンバ３０３にゲートバルブ３４１−２を介してロードロック室（予備排気室）３５１−２が設けられる。ロードロック室３５１−２に圧力調整バルブ３５３−２を介して真空排気ポンプ３５５−２が設けられる。
これらロードロック室３５１−１、３５１−２を設けることにより、大気雰囲気下への基材の出し入れを行う際に、成膜部を有するチャンバ３０３内部の真空を大気圧に戻すことなく連続して成膜処理を行うことが可能となる。この結果、生産性が高い装置となり、高い真空度を維持できるため、チャンバ３０３内部に水分吸着を防ぐことができ、良質な膜を形成可能なことなどの利点が得られる。

チャンバ３０３内におけるガス供給部３１３、電極３６０等の機能は第１の実施の形態と同様である。
ゲートバルブ３４１−１はチャンバ３０３とロードロック室３５１−１との間の開閉を行う。ゲートバルブ３４１−２はチャンバ３０３とロードロック室３５１−２との間の開閉を行う。

ロードロック室３５１−１には、複数の基材をストック可能とするためにトレー搬送、移動機構を備えている。基材３２１を載置したトレー３１９が多数備えられ、これらのトレー３１９は上下昇降機能を有する保管ラックに保管することができる。真空排気ポンプ３５１−１はロードロック室３５１−１内の排気を行う。ロードロック室３５１−１の真空度がチャンバ３０３の真空度とほぼ等しくなり圧力差がなくなった状態で、ゲートバルブ３４１−１の開閉動作が可能となる。
チャンバ３０３内ではトレー３１９がレール３５７上を走行する。

ゲートバルブ３４１−２はチャンバ３０３とロードロック室３５１−２の間の開閉を行う。ロードロック室３５１−２は多数のトレー３１９を格納でき、トレー３１９は上下方向に移動可能である。真空排気ポンプ３５５−２はロードロック室３５１−２の排気を行う。

次に、この成膜装置３０１の概略動作について説明する。
成膜室３０７および排気室３０９を備えたチャンバ３０３内部は真空排気ポンプ３３１−１および３３１−２により連続的に排気され圧力調整バルブ３３１−１および圧力調整バルブ３３１−２により、所望の真空度に設定される。

大気中で、ロードロック室３５１−１内に基材３２１を載置したトレー３１９をセットする。続いて、真空排気ポンプ３５５−１を動作させ、圧力調整バルブ３５３−１を開状態としロードロック室３５１−１の真空引きを行う。ロードロック室３５１−１の真空度が、成膜室３０７を備えるチャンバ３０３の真空度と同一になった後、ゲートバルブ３４１−１を開くことが可能となる。このトレー３１９がレール３５７上を走行し、トレー３１９全体がゲートバルブ３４１−１を通過しチャンバ３０３に搬送された後、ゲートバルブ３４１−１は閉じられる。

ゲートバルブ３４１−１が閉じられた後、ガス貯留部３１１−１、３１１−２、３１１−３に貯留された成膜用ガスは個別に設けられた流量制御器３１４−１、３１４−２、３１４−３により所望の流量供給され、これらガスは事前に均一に混合され、ガス供給部３１３−１、３１３−２、３１３−３から基材３２１側に向けて噴出される。また成膜室３０７および排気室３０９は真空排気ポンプ３３１−１、３３１−２および圧力調整バルブ３２９−１、３２９−２により成膜に適した圧力に設定される。排気室３０９は成膜室３０７よりも１０倍以上１００００倍までの範囲のより高い真空度で成膜が行われる。
トレー３１９がチャンバ３０３内のレール３５７上を走行し、電極３６０−１、３６０−２の下の位置に到達する。トレー３１９は電極３６０−１、３６０−２で停止してよいし、一定速度で走行させながら通過させてもよい。また必要膜厚を得るために、トレー３１９を双方向搬送を繰り返し成膜を行ってもよい。
安定してプラズマを形成し、所望の十分な緻密性と密着性を有する膜を形成するためには、チャンバ内成膜室の成膜圧力（真空度）は圧力調整バルブ３２９−１の開度を調整し、０．１Ｐａから１００Ｐａの間の真空度に設定、維持して成膜を行い、また成膜時に基板表面に生成される副生成物を効率よく排気するため、チャンバ内排気室の圧力（真空度）は圧力調整バルブ３２９−２の開度を調整し、成膜室圧力の１０倍から１００００倍高い真空度に設定、維持して成膜を行う。

このとき、電源３２５から電極３６０−１、３６０−２に電力が供給され、電極３６０−１、３６０−２からプラズマが発生する。そして、基材３２１上に薄膜が形成される。薄膜が形成された後、電極３６０−１、３６０−２に供給された電力の供給を停止し、プラズマ放電を停止する。更に成膜用ガス供給を停止し、圧力調整バルブ３２９−１、３２９−２を全開としてチャンバ３０３内の残留ガスを排気する。

被成膜基材を再格納する部位として、ロードロック室３５１−１または３５１−２のいずれかを用いることができる。ここではロードロック室３５１−２に再格納する場合を説明する。あらかじめロードロック３５１−２室には被成膜基材を再格納するためのスペースを空けておき、真空排気ポンプ３５５−２を動作させ、圧力調整バルブ３５３−２を全開としてロードロック室３５１−２内部を減圧しておく。

先に説明の成膜工程が完了し、残留ガスを排気した後、チャンバ３０３の真空度とロードロック室３５１−２の真空度を同一にした後、ゲートバルブ３４１−２を開き、基材トレー３１９及び被成膜基材をレール３５７上を搬送させ、ロードロック室３５１−２の所定の位置に移動させる。基材トレー３１９がゲートバルブ３４１−２を通過し、全体がロードロック室３５１−２に移動した後、ゲートバルブ３４１−２を閉じる。

以上の工程を複数枚の基材３２１に対して、連続的に行うことも可能である。また全ての基材３２１に対して成膜処理が完了した後、ロードロック室３５１−２の真空引きを停止し、大気開放することで基材の取出しが可能となる。

第４の実施の形態によれば、チャンバ３０３の前後に少なくとも１つのロードロック室３５１−１（または３５１−２）を備えるので、真空引き工程と成膜工程を分離させることができ、生産性が向上する。

また、車輪付きのトレー３１９がレール３５７上を走行しつつ、基材３２１を搬送するので生産性が向上し、基材３２１の大面積の部分へ均一且つ安定した連続成膜が可能となる。
なお、基材搬送機構としては、レール３５７上を車輪付きトレー３１９で搬送させる他、基材の端部を爪で保持し、アーム移動する構造や基材をトレーや枠に積載し、全体をアームで移動する機構等を用いることもできる。

なお、トレー３１９はその表面を絶縁性とし、基材３２１は電気的にフローティングレベルとすることが好ましい。トレー３１９を絶縁性とすることで電力の漏れを防ぐことができ、成膜投入電力を高くすることができ、成膜への利用効率も高く、安定した成膜が可能となる。

以上、本発明に係る各実施の形態について説明したが、第２の実施の形態から第４の実施の形態において、ガス貯留部、ガス供給部、電源、電極等の機能は、第１の実施の形態と同様である。また電源電圧、電源の制御方法、基材の電位、ガス供給部の電位等も第１の実施の形態と同様にすればよい。さらに電極として、図２、図３に示すもの、図５、図６、図７に示すものを適宜用いてもよい。

次に、図４に示す成膜装置１０１と図１０に示す比較例となる成膜装置４０１を用いて実際に成膜を行った際の実験結果について説明する。
図４に示す成膜装置１０１において、電極１４９−１、１４９−２は前述したように図５、図６、図７に示すマグネトロン構造のマグネット１４５をセットし、基材１２１表面での平均水平磁束密度が１０００ガウスとなるように設定した。チャンバ１０３はアースレベルに、基材ホルダ１１９はテフロン（登録商標）樹脂を介した構造として電気的にフローティングレベルとした。

濃度３０％のエチレングリコール水溶液を冷媒として冷却水用配管１５３に供給した。すなわち、基材ホルダ１１９、電極１２３−１、１２３−２に個別に冷媒を循環供給させ、基材ホルダ１１９を０度に冷却した。このとき、電極１２３−１と基材ホルダ１１９の間、電極１２３−２と基材ホルダ１１９との間、電極１２３−１と電極１２３−２の間の抵抗はそれぞれ１ＭΩであった。

基材１２１としてシリコンウエハを用意し、基材ホルダ１１９上にセットした。真空排気ポンプ１３１−１、１３１−２より成膜室１０７、排気室１０９ともにチャンバ１０３内を１×１０^-4Ｐａまで真空引きした。成膜用ガスとしてＴＥＯＳ（テトラエトキシシランＳｉ(ＯＣ₂Ｈ₅)₄）を加熱温度１２０℃で気化してガス状態で供給した。そして、ＴＥＯＳ、酸素、アルゴンを流量制御器（マスフローコントローラー）を用いて流量制御を行いながらそれぞれ２０ｓｃｃｍ、５００ｓｃｃｍ、２００ｓｃｃｍ供給し、均一に混合させた後、基材１２１上にシャワー状にガスを供給した。

次に、真空排気ポンプ１３１−１、１３１−２を調整し、成膜室１０７の圧力を１０Ｐａ、排気室１０９内の圧力を０．５Ｐａの一定圧力となるように調整した。電源１２５に周波数４０ｋＨｚの電源（Advanced Energy Industries Inc.製、ＰＥII １０ｋＷ）を用い、電極１２３−１、１２３−２に３ｋＷの電力を電力制御方式より印加し、成膜時間５分で成膜を行った。この間、平均放電電圧は５２５Ｖであった。また、目視により放電のアーキング（異常放電）発生回数をカウントした結果、発生は０回と異常放電なく、安定した成膜が可能なことが判明した。

成膜後、チャンバ１０３内の残留ガスを排気し、基材１２１を取り出し、分光エリプソメトリー装置（ＪＯＢＩＮ ＹＶＯＮ社、ＵＶＩＳＥＬ）を用いてウエハー基材上に形成されたＳｉＯ₂膜の膜厚と屈折率を測定したところ、膜厚３１５ｎｍ、６３３ｎｍにおける屈折率は１．４６と緻密な膜であった。
図１１は、この成膜を５回連続で実施した結果を示すもので、図１１に示すとおり、再現性の良い結果が得られ、安定した成膜が可能なことが判明した。

これに対して比較例として、図１０に示す成膜装置４０１を用意した。この成膜装置４０１は図４に示す成膜装置１０１と比較して電源１２５の片側が基材ホルダ１１９側に接続されおり、電極１２３−１、１２３−２は電気的に等電位に接続されていて、電極１２３−１、１２３−２に間の抵抗は０.１Ωであった。
これら以外は、図４に示す装置と全く同様の設定手順で成膜を行った。図１２は成膜結果を示す図である。

図１１と図１２を比較すると、図４に示す本発明に係る成膜装置１０１では、放電電圧が低減され、放電が安定しやすく、放電中のアーキングがほぼ発生せず、良質且つ均一な膜が形成可能となった。また、投入する電力が成膜に有効に用いられることから成膜速度が向上し、膜の屈折率すなわち緻密性の高い良質な膜が形成された。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る情報提供システム等の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の第１の実施の形態に係る成膜装置１の構成を示す図 電極１５−１の側面図 図２のＡ方向矢視図 第２の実施の形態に係る成膜装置１０１の構成を示す図 電極１２３−１の側面図 図５のＢ方向矢視図 図６のＣ−Ｃ断面図 第３の実施の形態に係る成膜装置２０１の構成を示す図 第４の実施の形態に係る成膜装置３０１の構成を示す図 比較例となる成膜装置４０１の構成を示す図 成膜装置１０１による成膜結果を示す図 成膜装置４０１による成膜結果を示す図

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１………成膜装置
３、１０３、２０３、３０３………チャンバ
５、１１１、２０５、３１１………ガス貯留部
７、１１３、２０７、３１３……ガス供給部
８、１１４、２４０、３１４…………流量制御器
１３、１２１、２１３、３２１………基材
１５、１２３、２１５、３２３………電極ユニット
１７、１２５、２１７、３２５………電源
３５、１４９、２３０、３６０………電極

Claims (18)

1. プラズマＣＶＤ法により、減圧下で基材に薄膜を形成する成膜装置であって、
   チャンバと、
   前記チャンバ内にガスを供給するガス供給部と、
   前記チャンバ内で、前記基材の同一表面側に配置され、電気的にフローティングレベルに設置された１組の電極と、
   前記２つの電極間に、一方の電極と他方の電極が反対の極性を持つように、周波数が１０Ｈｚ〜２７．１２ＭＨｚである交流の電力を供給する電源と、
   を具備し、
   前記１組の電極間にプラズマを発生させることを特徴とする成膜装置。
2. 前記１組の電極から構成される複数組の電極が、前記基板の両側に設置されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記電極は、基材近傍にプラズマを集中して形成するマグネットを備えることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
4. 前記マグネットは、基材表面での水平磁束密度が１０ガウスから１００００ガウスであることを特徴とする請求項３記載の成膜装置。
5. 前記マグネットは、マグネトロン構造を有することを特徴とする請求項３記載の成膜装置。
6. 前記電源は、周波数が１０ｋＨzから２７．１２ＭＨｚであることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
7. 前記電源は、投入電力制御されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
8. 前記電源は、インピーダンス制御されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
9. 前記基材は、電気的にアースレベルに設置されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
10. 前記基材は電気的にフローティングレベルに設置されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
11. 前記ガス供給部は、前記基材の前記電極側に取り付けられ、前記基材表面に向けてガスを供給することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
12. 前記ガス供給部は、電気的にフローティングレベルであることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
13. 前記チャンバは、成膜室と排気室とを有することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
14. 前記排気室の真空度は、前記成膜室の成膜時の真空度に対して１０倍以上１００００倍以下の真空度であることを特徴とする請求項１３記載の成膜装置。
15. 基材搬送機構を更に具備することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
16. 前記基材は、絶縁性の基材保持部品に載置されることを特徴とする請求項１５記載の成膜装置。
17. 前記チャンバに隣接するロードロック室を備えることを特徴とする請求項１５記載の成膜装置。
18. プラズマＣＶＤ法により、減圧下で基材に薄膜を形成する成膜方法であって、
    チャンバ内にガスを供給し、
    前記チャンバ内で、前記基材の同一表面側に配置され、電気的にフローティングレベルに設置された１組の電極に、一方の電極と他方の電極が反対の極性を持つように、周波数が１０Ｈｚ〜２７．１２ＭＨｚである交流の電力を供給して、前記１組の電極間にプラズマを発生させ、
    前記基材上に薄膜を形成することを特徴とする成膜方法。
    

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