JPH0524231B2 - - Google Patents

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JPH0524231B2
JPH0524231B2 JP61152599A JP15259986A JPH0524231B2 JP H0524231 B2 JPH0524231 B2 JP H0524231B2 JP 61152599 A JP61152599 A JP 61152599A JP 15259986 A JP15259986 A JP 15259986A JP H0524231 B2 JPH0524231 B2 JP H0524231B2
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gas
plasma
pulse
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generator
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Oogasuto Haabaato Hainetsuke Rudorufu
Mishuriraru Ooja Sureshuchandora
Hooru Reuerin Ian
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STC PLC
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Publication of JPH0524231B2 publication Critical patent/JPH0524231B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3244—Gas supply means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/515—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using pulsed discharges

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  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野 本発明は基板表面のパルス的プラズマ処理装置
及び方法に関する。 従来の技術 プラズマ処理、特に低温グロー放電プラズマ処
理は本来基板材料の表面処理に非常に有用な技術
である。この技術は高エネルギー放射源により基
板表面での物理的及び化学的変化を促進し、エツ
チング、ラフニング、重合、架橋、接着力の増
大、グラフテイング及び表面被覆などに使用でき
る。また、一回の処理にこれらの処理の一つ以上
を含めることができ、従つて例えば単にガス組成
を変化させるだけで表面エツチング、架橋及び基
板表面への層状は多層状の堆積を順次実行するこ
とができる。かかる過程によつて異なつた堆積層
間の最大接着力と両立性を確保し、また層境界の
急変により生じる内部光反射などの他の問題を回
避することもできる。 発明が解決しようとする問題点 しかし、通常の放電における被覆物の堆積では
基板温度が250℃を越える必要がある（これはほ
とんどのプラスチツクでは高すぎる温度である）。
この理由はおそらく通常の放電では分子解離の程
度が比較的低いことによるのであろう。従つて基
板表面に到達する化学種がさらに分解して被覆物
としての構造的構成を生じるためには余分なエネ
ルギーを必要とする。この理由で従来プラスチツ
クなど特に熱に弱い材料をはじめとする多くの材
料の表面処理においてプラズマの使用が制限され
ていた。 従来のプラズマ処理技術における主要な問題点
は出願人による英国特許公報第2105729号及び同
じく出願人による英国特許出願第8505288号、第
8505319号、第8431422号、及び第8505320号に記
載のパルスプラズマ処理により解決された。 従来の連続プラズマ処理は様々な問題点を有し
ていた。これらの問題点としては以下の事項が列
挙される； −反応生成物のプラズマへの混合 −気相付加反応 −反応器壁からの汚染 −エツチング生成物の再堆積 −架橋プラスチツクに対する能力の限界 −空間的涸渇効果 −流れの影になつた部分での不十分なガスの入れ
かえ −遅い堆積／エツチング速度 −プラズマ解離の程度が限定されている −堆積温度が高い 本発明の目的はかかる問題点を軽減しまた解決
するにある。 問題点を解決するための手段 本発明は反応室と、反応室と結合され運転の際
反応室内に実質的に完全に解離したプラズマを発
生器より各パルスによつて発生する高周波（無線
周波数）パルス発生器と、反応室を排気する手段
と、複数のガスの反応室への導入を制御する手段
と、基板表面の選択された一部にプラズマを限
り、もつてある瞬間を見た場合基板表面の一部分
のみがプラズマに露出しまたは接触しているよう
にする手段とを含む基板表面のパルス的プラズマ
処理を行う装置であつて、ガス導入手段はガスを
パルス的に反応室に導入するように適応せしめら
れ、各ガスインパルスはもつて新鮮なガス状態を
発生器よりのパルス毎の開始に達成するために発
生器よりのパルスに対応し、排気手段は一連の発
生器よりのパルス毎に反応室内での実質的に完全
なガスの交換に対応する速度でガスを反応室から
除去するように適応せしめられていることを特徴
とする装置を提供する。 本発明はまた基板表面を減圧下の反応室内で十
分な強さのパルス的高周波エネルギに露出し実質
的に完全に解離したプラズマを反応室内で発生
し、該プラズマを選択された基板表面の一部に限
り、もつてある瞬間を見た場合表面の一部分のみ
がプラズマに露出する基板表面のパルス的プラズ
マ処理方法であつて、ガスは選択的にパルス的に
反応室に導入され、各ガスパルスはもつて発生器
よりのパルス毎の開始に新鮮なガス状態を達成す
るために発生器よりのパルスに対応し、反応室は
一連の発生器よりのパルス毎に反応室内の実質的
に完全なガス交換に対応する速度でガスが反応室
から排気されることを特徴とする方法を提供す
る。 本明細書で使用する無線周波数（RF）なる語
はマイクロウエーブ周波数をも含むものとする。 上記の装置及び方法はプラズマ処理を成功させ
るのに有利な多くの顕著な動作状態を提供する。
提供される好ましい状態は以下の通りである。 １ ガスの完全な解離を生ずるに十分な100W／
cm3〜1000W／cm3の範囲のRF又はマイクロウエ
ーブ出力。 ２ ガス又はガス混合物の完全な解離を生ずるに
十分な、またエツチングの場合は特定の解離度
を与える10〜500マイクロ秒の範囲のパルス幅。 ３ 室温近辺での動作のため低い平均パワー密度
（例えば0.5W／cm3）を与えるようなパルス間隔
（パルスくりかえし速度ないしデユーテイーサ
イクル）。より高温での動作では（例えば金属
部品や低温エピタキシーなどの用途）より高い
平均パワー（10W／cm3位までの）に設定でき
る。あるいは排気速度が限られている場合、ガ
スの入れかえ速度に応じてより長いパルス間隔
を使用できる。 ４ 排気速度がパルスのくりかえし速度に見合う
ようなポンプスタツク又はスロツトルの寸法。 ５ ガスは所望の機能、すなわち表面処理、エツ
チング、あるいは堆積に応じて選択できる。ま
たガスの順序も一の機能から他の機能へ切換え
る際、あるいは段階的な層の堆積に応じて設定
できる。 ６ 反応物（特に「固相成分」を搬送している）
ガスの分圧を高性能を要求される用途ではパル
ス当り単位一層の1/3の堆積（又はエツチング）
速度を与えるように設定できる（すなわち30か
ら100ミリトール）。それほど高性能を要求され
ない用途ではパルス当り数単位一層分の堆積速
度を与える分圧（すなわち２トールに達する分
圧）を使用することによりはるかに大きい堆積
速度でも許容し得る品質の層を得ることができ
る。 ７ 不活性ガス（例えばHeやAr）を全圧が２ト
ールになるまでの範囲で加えて均一電着性を増
すことができる。 ８ マスフローコントローラから連続的に供給さ
れるガス。これは条件1.4及び1.5に関連して各
パルスの始まり毎に新鮮な状態にされる。 ９ 導入されるガスはマスフローコントローラと
直列接続されたオンオフバルブを用いてパルス
的に開閉され、各パルスの始まり毎に新鮮な状
態にされる。 10 ガスをパルス的に開閉する構成は迅速なガス
の入れ換えを行なうためガスを各パルス毎に小
さな加圧空洞より排出するように構成されてい
る。 11 不活性ガス（又は第２の反応ガス）をパルス
的に開閉する構成は「デツドボリユーム」での
ガス交換を促進するため間欠的な圧力の脈動が
生じるように構成されている。これには様々な
構成が考えられる。 (a) 反応ガスパルスの間の別のガスパルス（遅
いが反応生成物からの干渉が最も少ない）。 (b) 各々のオフ期間の間の高速の圧力波。 (c) 反応が一連の反応成分の導入によつてなさ
れる場合、「気相」成分（例えばN2など）の
動作圧を堆積反応物の「固相成分」搬送成分
（例えばシランなど）より高くする。 12 パルス出力発生器とガス系統部品とが中央処
理制御装置によつて相互作用して以下の動作モ
ードを行なう： (a) 段階的処理シーケンス（例えば表面の改変
−エツチング−堆積） (b) 段階的層堆積（例えば有機−半有機−無機
−無機） (c) 個々に制御されるプラズマパルスパターン
（例えばSiH4−N2−SiH4反応物について50
−180−50マイクロ秒など）を用いた、一連
の反応物導入によりる化合物の堆積） (d) 一連の反応物導入（例えばクロルカルボニ
ルを形成するCl2−CO−Cl2など）による複
雑な反応生成物を含むエツチング反応。 (e) 元素材料からの複雑に組合わされた層構造
の堆積（層当り一つの反応物）又は化合物の
堆積（層当り２つ以上の反応物：各々の層は
上記モードＣによつて形成するのが好まし
い）。 13 試料温度の外部手段による制御（冷却及び／
又は加熱）、あるいは加熱制御のための平均プ
ラズマパワー（パルス幅増大及び／又はくりか
えし速度の増大）による制御。後者の場合試料
は不活性気体中で予熱される。パルスくりかえ
し速度を増大させるとガス入れかえ速度もこれ
に応じて速くなるので高温では堆積速度も速く
なる。 14 時折持続時間の長いパルスを与えて表面温度
をバーストさせ、全体の温度を著しく増大させ
ることなくプラスチツク表面を溶融させたり膜
を「固くする」効果を与える。 以下図面を参照しながら本発明を実施例によつ
て説明する。 第１図を参照するに、本発明装置は内部で発生
器１２により発生された高周波プラズマが維持さ
れるプラズマ反応器１１と、これと協働するイン
ピーダンス整合ユニツト１３とを含む。発生器は
例えばマイクロプロセツサなどの中央制御装置１
５によりパルス増幅器１４を介して駆動される。
制御装置１５はまた反応器１１へのガス供給及び
反応器が可変スロツトル１６及び真空ポンプ１７
を介して排気される速度をも制御する。ガス、す
なわち複数のガス又はガス混合物は一組のマスフ
ローコントローラ１８及びオン／オフコントロー
ラ１９を介して反応器へ供給される。マイクロプ
ロセツサ１５のシステム制御装置への接続はＡ／
Ｄ及びＤ／Ａ変換器を介して行なわれる。 第２図は高周波パルス発生器の好ましい特徴を
示している。パルス増幅器２１はパルス存在期間
中発生器のバツフア段真空管VIのグリツドに強
い負バイアス（例えば−180V）を加える。より
知られているように、高周波発生器発振器と、電
力出力管と、その間のバツフア段とよりなつてい
る。マイクロプロセツサ１５あるいはパルス発生
器からの信号はこのバイアス電圧をパルス存在期
間中典型的には−30Vまで減じ、これによつてパ
ルス存在期間中発生器がオンになる。 オフ期間中にも弱いプラズマを維持してやるこ
とがいくつかの予備的処理及びエツチングの用途
で有用であることが見出された。従つてグリツド
への第２の入力２２が、負バイアス変化させてこ
のパルスとパルスの間の期間でも弱いプラズマが
維持されるように設けられる。 また自動ピークパワー制御を行なうためプロセ
ツサにより制御されるバイアス増幅器２３が設け
られる。これにより処理過程の始めの段階で全出
力を加える前に操作者が正しいインピーダンス整
合条件を見出すことが可能になる。典型的な処理
過程は不活性気体（例えばヘリウム）を使用して
低いピークパワーレベルから開始され、やがて例
えばケーブルリンクを介して方向性結合器２５か
ら信号供給されている自動インピーダンス整合ユ
ニツト２４が整合値を見出す。これは方向性結合
器において反射対前方出力比の最小値によつて示
され、プロセツサ１５へ伝達される。ピークパワ
ーレベルは次いで動作値まで増大され、不活性ガ
スは動作ガスと入れ換えられる。 発生器のHT供給回路を第３図に示す。この回
路は電源３１をパルスの立上り時における突発的
なパワーのサージに対して保護する作用をなす。
キヤパシタバンクCBはパルスエネルギーを与え、
抵抗器Ｒ１を介してOFF期間中あるいはパルス
とパルスの間の期間中充電される。典型的な構成
は13MHz高周波発生器（定格25kW）と、６マイ
クロフアラツドのHTキヤパシタバンクと、60オ
ーム（1kW）の充電用抵抗要素とよりなり、こ
の構成により検出可能レベルのRFIを生じること
なく50kWに達する（１〜10％の反射パワー）ピ
ークパワーを供給するのに十分であることが見出
された。10マイクロ秒から10ミリ秒の幅の、くり
かえし速度が２〜200Hzの範囲のパルスを50kW
のピークパワーレベルにて試験したがRFIの問題
は生じなかつた。 発生器の周波数は0.1〜500MHzであり、結合及
び結合部品の寸法の点から0.5ないし60MHzの範
囲にあるのが好ましい。また処理せんとする試料
の寸法と形状によつてはマイクロ波を使用してよ
い。 発生器に要求される性能は主として反応ガスを
反応器内で完全に解離させるに十分なパワーを供
給する能力である。測定の結果安定性の低いガス
（例えばシランなど）では少なくとも100W／cm3の
パワーが必要とされ、窒素などの安定なガスでは
少なくとも300W／cm3のパワーか必要とされるこ
とが示された。必要なパワーの計算では強力なプ
ラズマが生じている体積のみを考慮すべきであつ
て反応器全体の体積を使用すべきではない。 第１図の発生器を50mm径のシリカ管よりなるプ
ラズマ反応器と組合わせて使用することにより、
13.56MHzで50kWに達するピークパワーが約100
ミリトールの全圧のシラン／窒素混合物に誘導的
に結合された。この際壁から約４mm離れた位置に
厚さ約８mmの円筒形状の非常に強力なプラズマが
観察された。プラズマへの結合を行なうため長さ
約15cmの銅条コイルを反応器の周辺に設けた。こ
れにより発生器パワーが50kWの場合この強力な
プラズマ内のパワー密度は約400W／cm3であつた。
シランと窒素の解離度は発光スペクトルによつて
求めた。300W／cm3のパワー密度では窒素は180マ
イクロ秒後に完全に解離し、またシランは約50マ
イクロ秒後に完全に解離した。 同様な構成を有するが直径10cmの活性電極域を
有する平行板反応器を使用した場合発生器は
40kWに達するピークパワーで動作された。約10
mmの厚さの強力なプラズマが活性電極域を覆つて
形成され、ピークパワー密度は500W／cm3に達し
た。 第４及び４ａ図は迅速な制御されたガス入れ換
え操作を可能にするガス系統部品の構成を示す。
この構成はポンピング速度を制御するスロツトル
弁を介してガス流量が設定されシステム圧が調整
される点で従来の処理技術のものと異なつてい
る。本技術においてはポンピング速度は各々のプ
ラズマパルスについて一回のガス交換を行なうた
めポンピング速度はパルスのくりかえし速度と密
度に関連している。従つてガス流量は望ましい分
圧及び絶対圧を得られるように調節される。これ
らの関係は中央制御ユニツト１５（第１図）によ
りＡ／Ｄ及びＤ／Ａ変換器を介して制御される。
ポンピングスタツクの最小寸法は反応器体積に処
理に必要な最大パルスくりかえし速度を乗じたも
ので決定される。 第４図の構成は各プラズマパルス毎に（あるい
は一連のプラズマパルス毎に）反応ガスを一のガ
スから他のガス変化させる装置を示す。第４図は
好ましいガスマニホールド構成を示し、その特徴
は以下の通りである： −低インピーダンス共通ライン３１ −各ガスライン毎に流量計３０と協働し、また共
通ラインに直接接続された高速動作オン／オフ
弁３２ −共通ライン端に結合された不活性ガスライン −一以上のかかるマニホールドが必要な場合のた
めの反応器に近接して設けられた選択自由なオ
ン／オフ弁３３。この弁３３はまた弁３２と組
合わせガスのパルス的送りを行なう際共通ライ
ン中の平均圧をより低く維持するのに伝える。
これによりラインのインピーダンスが下り、ガ
スの入り換え速度が改良される。 共通ライン３１の直径は長さ如何で12乃至50mm
の間にあるのが典型的である。共通ライン端の不
活性ガスは共通ラインの洗浄を可能にする。ガス
導入口の構成は他のものでもよい。 ガスの入れ換えを促進するため第４ａ図に示す
ガスパルス化装置が設けられる。これは動作する
際マスフローコントローラ３５によつて所定圧に
ガスが充填され、適当な時間に弁３２を介して反
応室のガスを排出する容器３４よりなる。 容器３４中に貯えられるガスの量は反応器を必
要な動作圧に充填するのに必要な量であつて、ま
たこの圧力は各パルスで変化する場合もある。こ
の量は次いでそのプラズマパルスの残りの期間中
はマスフローコントローラ３５によつて維持され
る。 容器３４の容積は必要なガス量を高圧で液化す
る可能性のある反応ガスの蒸気圧と両立し得る範
囲内でできる限り高い圧力に保つのが好ましい。
この体積はピントン３６や他の手段より調整でき
る。 反応器へのガス導入口は流れの抵抗を増大する
ことなく流れを十分にランダマイズできるように
設計されている。これは多数の小さな角度の前方
デフレクタにより実現される。例えば円形断面の
反応器においてガス流は接線方向に沿つて注入さ
れ、円形の反応器壁を用いてガス交換におけるラ
ンダマイジングを行なう。 あるいは直線的なクロスフロー構成を用いても
よく、この場合ガス導入口と排出口とは強力なグ
ロー放電を生ずる領域に対して直線的に配置され
ている。 以上の教示の実例として第４ｂ図に示すガス供
給系統を構成し、Si−Ｎ被覆を全容積3.5リツト
ルの円筒形シリカ反応器にてシランと窒素ガスを
それぞれ120ミリトール及び80ミリトールの圧力
で順次導入することにより行なつた。パルス間隔
は92ミリ秒であつた。従つて排気速度を137m3／
hrに設定し、１パルス当り１回のガス交換が生じ
るようにした。望ましい動作圧を与えるためのガ
ス流量はシランで240scc／分、窒素で900scc／分
であつた。これらはオン／オフ弁３２によつて92
ミリ秒間毎に互いに逆位相でオンオフされた。パ
ルス容器３４は約５cm3の体積に設定された。オフ
になつている間マスフローメータはそれぞれのガ
ス流をシランでは約55トール、窒素では約85トー
ルの圧力で容器を充填する動作を維持する。これ
らのガスはそれぞれオンになつた直後に急速に排
出され、これにより各パルス毎に新しい流れの状
態がポンピング速度のみでは不可能な非常な迅速
さで形成される。 同一の動作パラメータを使用した別のプロセス
では不活性ガスラインに接続されたアルゴンガス
流を600scc／分に設定して容器３４を約130トー
ルの圧力に充填した。このガスは他の各々のガス
がオンになる直前に約４ミリ秒間放出された。こ
れにより発生する圧力波が反応器部分、特にマニ
ホールド３１中の部分を既に存在しているガスか
ら洗浄し、あるいは希釈する。第５図はガスパル
スのシーケンスを電力パワーパルスシーケンスと
比較して示す図である。 高周波パワーは反応室に容量性又は誘導性結合
により、あるいは反応室内に配設された電極への
直接結合により結合される。多くの形式の反応器
が可能であり、これらは当業者に公知である。電
極を使用しない形状のものでは誘導性結合；容量
性結合；及びマイクロウエーブキヤビテイ結合反
応器がある。 反応器の設計に当つて特に重要な特徴な高パワ
ーパルスの存在下で形成される強力なプラズマを
試料基板に接触するように、あるいはそれと直接
的に隣接するように制御することである。これは
プラズマでの弱い領域にかなりの量でいつでも存
在している多原子ないし高分子化学種による干渉
を避けるには必須の条件である。典型的な場合強
力なプラズマは厚さ約１cmの領域に閉じ込められ
ている。 電極を使用しない形の反応器では反応器壁を適
当に適当な形状に設計したり挿入部材を使用する
ことにより強力なプラズマの生じる領域を試料面
の方へ向けることができる。この技術は出願人に
より英国特許出願第8431422号により詳細に記載
されている。 電極結合形反応器として第６図に平坦な試料面
６２に近接した（典型的には10〜20mm）電極６１
を有する構成を示す。第６ａ図は両面処理を行な
うための同様な構成であつて、試料６２ａが電極
６３と６３との間に支持されている例を示す。電
極近傍及び反応器壁周辺で電子捕獲を増大するた
めに磁場を使用してもよい。 第７図の３極管構成では試料７１は電気的に駆
動されるグリツド電極７２に隣接した強力なプラ
ズマ領域の直下のプラズマのないゾーンに配置さ
れる。試料を適当にバイアスすることでイオンエ
ネルギーを変化させることができる。 金属試料は電極に直接に接続される。かかる構
成はワイヤ構造物に特に適しており、これは強力
なプラズマによつて完全に囲まれる。例えばワイ
ヤメツシユ構造物を耐摩耗及び耐粘着性のTiN
層で一様に被覆することが可能である。 １回の電極操作で処理できる最大面積は使用可
能な発生器出力パワーによつて決まる。200kW
の発生器ではかかる面積は約600cm2までであるの
が典型的である。 この処理過程をスケールアツプする最も簡単な
方法はカセツトをカセツトローデイング装置に加
え、個々の領域あるいは試料を単一の減圧で順次
処理することである。しかし、これは特に試料温
度を低く保つために低いデユーテイーサイクルを
使用せねばならない場合処理時間において、また
発生器の利用効率においても不経済となる。かか
る場合には走査ないし「ラスタ」過程で増大した
パルス率を使用することが可能である。 ２つのタイプの異なつた走査方法が可能であ
り、その一は処理領域と高強度プラズマ領域とを
互いに機械的に移動させることであり、その二は
複数の電極間でRFパワーを切換えることである。 第８図はパルス的動作のために変形された平行
板反応器を示す。絶縁プラズマシールド板８１が
回動自在な軸８２に取付けられて電極８３に近接
して取付けられている。第８ａ図に示すようにシ
ールド板中には扇形開口部が形成され、これは縁
に磁石８５が形成され、開口部の間に磁場を形成
する。RF出力が加えられると磁場は電子トラツ
プとして作用してスロツト内の局部的な高強度プ
ラズマと衝突してこれを強化する。第８図では断
面がシールド板の外周部に向つて増大する構成を
示すが、これによつて開口部の幅が増大する効果
が補償される。あるいは外周部に向うにつれて強
力な磁石を使用して一様な半径方向へのプラズマ
密度を得てもよい。 動作に際し、シールド板は（及びそれと共にプ
ラズマも）静止プラズマで使用されるパルスくり
かえし速度に等しい割合で回転され、また排気速
度もシールド板１回転当り１回のガス交換がなさ
れるように適合される。 プラズマは完全な円形に構成さた強力なプラズ
マの扇形部分の数に対応した率で断続され、スロ
ツトが通過する領域部分の各々ではシールド板の
１回転当り１つのプラズマパルスが形成される。 典型的な構成においては径100cmの平行板電極
反応器内に外径85cm、内径35cmの電極及び試料が
設けられる。同一寸法のシールド板が反応容器蓋
を貫通する駆動軸上に取付けらる。シールド板は
扇状の、磁石によつて縁どりされた開口部を有
し、これにより約5°の範囲で延在する長さ約25cm
の扇状プラズマが形成される。理論的なパルスく
りかえし速度は１回転当り72回であるが、一様な
被覆を行なうためには実際にはこれは１回転当り
70から80回の間で変化される。13.54MHzのピー
クパワー40kWの出力を使用することにより扇状
プラズマ内で500W／cm3を超えるパワー密度が得
られた。 反応器のガス入れ換え率は定格排出速度3000
m2／毎時のポンプスタツクを使用すると１秒間当
り約５回であつた。360ヘルツ（約３ミリ秒間毎）
のパルスくりかえし速度を使用し、シールド板の
駆動速度は300rpmであつた。パルスのトリガは
駆動軸とパルス発生器の間の帰還回路によつて制
御される。 別の構成として、試料を扇状電極によつて発生
されている強力な静止プラズマ中を回転させて動
かすこともできる。この場合も磁場を用いてプラ
ズマの閉じ込めろ促進することができる。電極と
試料面の間隔は20mmを超えてはならず、好ましく
は５ないし15mmの範囲である。電極は平均パワー
が非常に高いため良好な水冷が必要である。 回転ドラムについてもそのドラムが導電性であ
るば単一の電極を用いて、あるいは第２のドラム
を用いて処理できる。ここでも磁気的なプラズマ
の閉じ込めを使用できる。反応器の寸法や動作条
件は上記のものと同様であり、ガスの入れ換えは
ドラムの１回転毎になされる。 ドラム電極はまたテープをリールからリールへ
巻き取りながら被覆するのに使用できる。この場
合２つの動作タイプが可能である： (a) ゆつくりした送り：テープの各部は必要なガ
ス交換（多層被覆、段階的被覆、その他）の間
中、テープに必要な被覆が形成されるまでプラ
ズマ領域内に留められる。このためパルスくり
かえし速度は低く静止プラズマの状況に近く、
またガス交換速度と同一である。 (b) 早い送り：これは単一種類の材料（又は操
作）が必要な場合にのみ可能である。 さらに別の実施例ではパルス的RFパワーが一
連の電極の間を走査される。この原理を第９図に
示す。各々の電極９１は適当な整合部品９２を介
して電力パワースイツチ９３に接続され、スイツ
チ９３はマイクロプロセツサ制御ユニツト（第１
図）からの適当な信号によつて動作される。動作
の際は各電極は各RFパワーパルスと共に順次オ
ンオフされて一連の電極でカバーされている領域
を通つてプラズマ領域が動かされる。電力パワー
スイツチはパルスとパルスの間でのみ動作される
ので単なる回路遮断器としての機能のみを果し、
実際にRFパワーを断続する必要があるわけでは
ない。 以上記載した装置は広範な用途を有する。これ
は特にRFパルスと同期したパルス的ガスシーケ
ンスを用いた多層又は均一構造膜の堆積に有用で
ある。例えばシランと窒素ガスのシーケンスを用
いて窒化珪素膜を形成することができる。かかる
シーケンスでは一のガスが固相物質を堆積するの
に使用され他のガスが堆積した物質と反応され
る。固相堆積ガス圧は典型的にパルス当り0.3〜
１単一層の厚さの膜厚を与えるように調整され
る。一方反応ガスの圧力は表面反応が遅いためは
るかに高くなつている。固相を堆積させるガスは
固相物質元素の水素化物、ハロゲン化物、カルボ
ニル、あるいは有機化合物である。また反応ガス
は例えば窒素、酸素、あるいは二酸化炭素などに
よりなる。 また２種類の固相を堆積させるガスを交互に変
化させて多層構造膜を形成することもでき、その
際ガス圧は高周波パルス当り１単一層を形成する
ように調整させる。 この過程はまた例えばSi3N4、TiO2、Al2O3、
BN、SiO2、B4Cなどの誘電性耐熱膜を形成する
のにも使用できる。また他の耐熱膜としてSiC、
WC、TiC、TiN及びBPなどをも含む。 本発明はさらに例えば液晶デイスプレイなどの
透明伝導性膜の堆積や、元素あるいは化合物半導
体のエピタキシヤル堆積にも使用できる。 堆積された膜は例えば干渉フイルタや、反射防
止被覆や、ビームスプリツタや、偏光板、さらに
色補正フイルタなどに使用される。また、さらに
超格子構造の形成あるいはローダイメンジヨナル
ソリツズなどの形成も用途に含まれる。 エツチング用途ではこの技術は連続プラズマ技
術が適している反応過程において有利である。す
なわち各パルスの後毎に反応生成物は「冷えた」
状態で脱出することができ再堆積が防がれる。ク
ロロカルボニルあるいは塩素／一酸化炭素混合物
などのエツチング剤をこの方法により例えば白
金、パラジウム、あるいは金のエツチングに使用
することができる。 他の用途として本技術を電極面から基板への材
料のスパツタに使用することもできる。 以上説明した本発明技術の応用はその一例にす
ぎず、本発明を限定するものではない。 本発明は基板表面をパルス的プラズマで処理す
る装置であつて、使用済ガスが各パルス毎に基板
周辺の領域から除去する手段を含む装置を提供す
る。また本発明は強力なプラズマの発生している
領域を基板表面を通つて走査させる手段をも含
む。
【図面の簡単な説明】
第１図はパルス的プラズマ処理装置の概略図、
第２図は高周波パルス発生器の概略図、第３図は
第１図発生器におけるHT供給回路を示す回路
図、第４及び第４ａ図は第９図装置におけるガス
供給系統の特徴を示す図、第５図は典型的なガス
供給シーケンスを示す図、第６，６ａ及び第７図
はプラズマ反応器の構成を示す図、第８及び第８
ａ図プラズマ反応器の変形例を示す図、また第９
図は別のプラズマ反応器構成を示す図である。 １１……プラズマ反応器、１２……高周波発生
器、１３……インピーダンス整合ユニツト、１４
……パルス増幅器、１５……中央処理装置、１６
……可変スロツトル、１７……真空ポンプ、１８
……マスフローコントローラ、１９……オン／オ
フコントローラ、２１……パルス増幅器、２２…
…入力、２３……バイアス増幅器、２５……方向
性結合器、２４……自動インピーダンス整合ユニ
ツト、３０……流量計、３１……ライン、３２，
３３……弁、３４……容器、３５……マスフロー
コントローラ、６１，６３，８３，９１……電
極、６２，７１……試料、７２……グリツド電
極、８１……シールド板、８２……軸、８４……
開口部、８５……磁石、９２……整合部品、９３
……電力スイツチ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 反応室と、反応室と結合され運転の際反応室
    内に実質的に完全に解離したプラズマを発生器よ
    りの各パルスによつて発生する高周波パルス発生
    器と、反応室を排気する手段と、複数のガスの反
    応室への導入を制御する手段と、基板表面の選択
    された一部にプラズマを限り、もつてある瞬間を
    見た場合基板表面の一部分のみがプラズマに露出
    しまたは接触しているようにする手段とを含む基
    板表面のパルス的プラズマ処理を行う装置であつ
    て、ガス導入手段はガスをパルス的に反応室に導
    入するように適応せしめられ、各ガスインパルス
    はもつて新鮮なガス状態を発生器よりのパルス毎
    の開始に達成するために発生器よりのパルスに対
    応し、排気手段は一連の発生器よりのパルス毎に
    反応室内での実質的に完全なガスの交換に対応す
    る速度でガスを反応室から除去するように適応せ
    しめられていることを特徴とする装置。 ２ ガス導入手段は一連のプラズマパルス毎に異
    なるガスを反応室に導入するように適応せしめら
    れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の装置。 ３ 高周波パルスは複数の電極に順次印加される
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項または２
    項記載の装置。 ４ ガス導入手段は該反応室に不活性ガスのパル
    スと交互に反応性ガスのパルスを供給するように
    適応せしめられていることを特徴とする特許請求
    の範囲第２項記載の装置。 ５ 基板表面を減圧下の反応室内で十分な強さの
    パルス的高周波エネルギに露出し実質的に完全に
    解離したプラズマを反応室内で発生し、該プラズ
    マを選択された基板表面の一部に限り、もつてあ
    る瞬間を見た場合表面の一部分のみがプラズマに
    露出する基板表面のパルス的プラズマ処理方法で
    あつて、ガスは選択的にパルス的に反応室に導入
    され、各ガスパルスはもつて発生器よりのパルス
    毎の開始に新鮮なガス状態を達成するために発生
    器よりのパルスに対応し、反応室は一連の発生器
    よりのパルス毎に反応室内の実質的に完全なガス
    交換に対応する速度でガスが反応室から排気され
    ることを特徴とする方法。 ６ 100乃至1000ワツト／cm3のピークパワー強度
    がプラズマに印加されることを特徴とする特許請
    求の範囲第５項記載の方法。 ７ 0.5乃至10ワツト／cm3の平均パワー密度がプ
    ラズマに印加されることを特徴とする特許請求の
    範囲第６項記載の方法。 ８ 基板表面は層状構造が堆積されるように処理
    されることを特徴とする特許請求の範囲第５、
    ６、または７項記載の方法。 ９ 該層の間にハードインタフエースが設られる
    ことを特徴とする特許請求の範囲第５乃至８項の
    内の何れか１項に記載の方法。 １０ プラズマの組成は一連の発生器よりのパル
    ス毎に変化されることを特徴とする特許請求の範
    囲第５乃至９項の内の何れか１項に記載の方法。 １１ 基板は高周波パルスが印加される電極に取
    り付けられることを特徴とする特許請求の範囲第
    ５乃至１０項の内の何れか１項に記載の方法。 １２ 電極は直接電圧バイアスを受けせしめられ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載
    の方法。
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