JPS61270816A - グロ−放電法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はグロー放電装置に関し、更に詳しくは、基板の
表面上への薄膜堆積ま念は基板表面の食刻をプラズマ・
ダメージを発生させることなく行うのに十分な処理能力
を保有する量産用グロー放電装置に関する。

〔従来の技術〕

グロー放電により薄膜形成あるいは食刻を行なう方法は
半導体デバイス製造を中心として各糧分野で実用化が進
みつつあるが、従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置あ
るいはプラズマ・エツチャーは基板のプラズマ損傷とい
う欠点があシ、この欠点は、特に、半導体デバイスの微
細化が進んだ場合大きな問題になると考えられている。

更に、今後、薄膜トランジスター、ＫＬディスプレイ等
をはじめとして高機能薄膜デバイスへの用途開発が進む
に伴ないプラズマ損傷からくるデバイスの信頼性低下が
問題になｐつつある。

このため、近年、無損傷で良質な薄膜堆積あるいは基板
表面の食刻を行なう技術の開発が行なわれつつあり、光
化学反応を利用した光ＣＶＤや光エッチング、マイクロ
波励起によりプラズマ発生を行ないこれを基板上へ拡散
予□せて薄膜３＃積を行なう］！ｉ　ＣＲ（Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ　ＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ　）、
アーク放電により中性ガス温度を高くし、そのプラズマ
からのラジカルと短波長光を利用してプラズマが直接基
板に接することなく薄膜堆積を行なうＬＴＥプラズマが
検討されているが、いずれも従来の平行平板型グロー放
電装置に比較すると処理速度が劣るかあるいは大面積処
理が困難であシ本格的量産装置として実用化には至って
いない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

最近、弱電界領域を利用した直流または交流グロー放電
による薄膜形成方法（特開昭ｊ％−タ／θ％／号公報）
が開発され検討が進んでいるが、これは強電界領域でグ
ロー放電を発生させ、発生させたプラズマを電気力線に
沿って弱電界領域に件数させて薄膜形成を行うものであ
る。

この方法では、高エネルギーイオンを多く含むグロー放
電発生部から離れた領域での薄膜形成によりプラズマ抄
傷の少ない成膜が可能となっているが、従来の平行平板
型量産用装置に比較し量産性の面で十分なものではなか
った。

〔問題潰を解決するための手段〕

本発明者は、プラズマ損傷が少なく、かつ量産性に優れ
たグロー放電装置を得るべく鋭意検討し夷結果、適当な
電界分゛布の下では、驚くべきことにグロー放電発生部
と成膜（食刻−）部間にグロー放電が形成されない領域
が存在しても成膜（食刻）領域内では安定なグロー放電
が発生し、かつ十分な成膜（食刻）速度が得られること
を見出した。これは、また、グロー放電発生部と成膜（
食刻）部間にグロー放電が存在しない領域により、グロ
ー放電発生部での高エネルギーイオン等をより完全に除
去できることおよび成膜（食刻）部以外での付着を極力
おさえられることによりクリー二／グが容易となるもの
である。

すなわち、本発明の要旨は、 ガス状物質のグロー放電により基体上に薄膜を堆積また
は食刻させる方法において、（イ）基体上およびその近
傍に局在する中電界領域（成膜または食刻領域）、該基
体からより遠く離れた強電界領域（グロー放電発生領域
）および該中電界領域と該強電界領域との間に隣接する
少なくとも７つの弱電界領域（グロー放電がほとんど形
成されない領域）を与える空間的に非一様な電界によっ
てグロー放電が設けられること、および、 （ロ）　グロー放電圧力は、中電界佃域内で安定し、か
つ、基体上にガス状物質からの一様な堆積または食刻が
生じるように調節されることを特徴とするグロー放電法
およびその装置に存する。

本発明において、グロー放電によるプラズマ反応の反応
生成物が揮発性の場合には食刻となり、不揮発性の場合
には薄膜堆積となる。なお、有機物の表面改良やプラズ
マ酸化等の表面処理も本発明でいう堆積に含まれる。

また、基体としては、板状の他、ドラム状のもの等も含
まれる。

以下１図面を参照して本発明を説明する。

第１図は、本発明によるグロー放電装置の横断面図の７
例を示す。筐体≠に対して真空接合されている金属製（
例えばアルミまたはステンレス）基台５の上に円筒状セ
ラミック柱６が配置され、該セラミック柱ぶの上に厚さ
／！甜×直径／ＩＯｍのアルミ製円板状温度制御部２′
と一定間隔ｄの櫛型状基体保持部コ“からなる電極コが
配置されている。基体／は基体保持部λ“によって保持
される。櫛型状基体保持部コ”　の間隔ｄは、グロー放
電が安定して発生できる最小間隔が必要であり、また、
中電界領域が形成される最大間隔が限られているので、
一定の範囲内であることが必要である。最小間隔は、ガ
スによりダーク−スペースが異なるため、使用ガスに依
存して異なるが１例えば、使用ガスがＨ２）ＮＨ３等の
軽い気体の場合は、間隔ｄを／ｊ冒よシ大きくするのが
好ましい。対向電極３は内径？θ箭、外径／！Ｏｍｎ、
肉厚２闇のアルミ製ディスク板であり、電極コとは所望
のギャップ（例えば♂ｗＲ）が保たれている。真空ポン
プには、筐体ダを真空にするためバルブＶとニップルに
より基台ｊに接続される。ガスはコネクター７、ざによ
り基台ｊを介して絶縁体管り、１０により筐体メの内側
に導かれる。計器ＶＧは筐体係内の圧力を計るためのキ
ャパシタンス・マノメーターである。計器ＶＧからの信
号は、サーボ機構によりバタフライパルプ／／を自動的
に調節する。装置内を一定の所望圧力にすることにより
グロー放電が安定し、かつ、均一に成Ｈ！Ｘ（食刻）が
できる。グロー放電発生電源／３から基台ｊに埋め込ま
れている絶縁された電気的ブッシング／弘を介して接続
された導線／ｊにより電極コと対向電極３との間に電圧
が加えられる。円板状温度制御部２′により電極λが冷
却あるいは加熱され所望の温度に制御される。例えば、
高温で制御する場合には抵抗ヒーター／Δ、／２が円板
状温度制御部コ′内に組み込まれ、導線／ｒ、／９と絶
縁ブッシング２０．２／を介して温度制御電源（図示せ
ず）に接続される。

作動は次のように行う。

筐体弘内を約Ｏ８θ／　Ｔｏｒｒ以下の圧力までポンプ
／２で排気した後、マスフローコントローラー（図示せ
ず）により所望のガスを絶縁体管？、／θを介して導く
。例えば有機フィルムの表面改良には、Ｈ２）Ｓｉ３Ｎ
４膜形成にはＨｅベースの／θチ希釈ＳｉＨ４とＮＨ３
，５１０２膜形成には８１Ｈ４とＮ、０１Ａｚ、ｏｓ膜
形成にはトリメチルアルミニウムとＮ２０をそれぞれ絶
縁体管り、１０を介して筐体ダ内に導き、筐体内を所望
の圧力（例えば／　Ｔｏｒｒ　）　　に維持するために
パルプ／／を調節する。食刻の場合は、例えばシリコン
に対してはＣＦ４および０２ガスを筐体ダ内に導き、筐
体内を所望の圧力（例えばｏ、ｔ　Ｔｏｒｒ　）　に調
節する。

電極コと対向電極３はそれぞれ陰極と陽極であり、この
電極λと対向電極３との間にグロー放電を開始させるた
め所望の電圧を供給する。

第７図は、本発明において基体を垂直に保持した装置の
例であり、これも本発明に包含される。櫛型状基体保持
部と温度制御部からなる電極、２２と円筒状の対向電極
２３（例えば５ＵＥＴ３７に）が所望のギャップに保た
れ、絶縁体であるパイレックス製筐体２４ｔ１ステンレ
ス製基台２よ、電気絶縁され次アルミ製フタ２６からな
る真空容器において、対向電極２３と基台コ！の間に絶
縁体円板、２２（例えば、セラミックスあるいはテフロ
ン）を配置する。排気は、筐体Ｊ％と円板２７の間隔が
約１０８あシ、ここを通”して排気０．２／へ排気され
る。ガスは、コネクターコタ、３０により基台コ！を介
して絶縁体管３／、３コにより筐体コ弘の内側に導かれ
る。圧力は自動圧力コントローラー（図示せず）により
所望の一定値に保たれる。一定間隔ｄを保った櫛型状の
電極２コに垂直に支持された基体３３はシリコン・ウェ
ハー（例えば弘インチ、・サイズ）である。グロー放電
を発生させるため、基台２．Ｔに埋め込まれている絶縁
された電気的ブッシング（図示せず）を介して接続され
た導線（図示せず）により、グロー放電発生電源（図示
せず）から陰極となる電極２２と陽極となる対向電極コ
３との間に所望の電圧が加えられる。

電極の基体保持部は、基体上およびその近傍に局在する
中電界領域を形成し、該中電界領域内で安定なグロー放
電を起こさせるようにするため、第１図の−“または第
一図の２２に示されるような櫛型状−が好ましいが、基
体の形状によりミ極の形状を適宜選ぶことができる。

第３図（ａ）〜（ｃ）は、本発明の櫛型状電極部の他の
実施態様を示す。

第３図（ａ）は、櫛型状の電極３４ｔにおいて基体３シ
を保持する櫛型状の電極が、それぞれの間隔をａｍ　％
　ｄ４まで変化させた電極構造である。

第３図（ｂ）は、櫛型状の電極３ｇにおいて基体３２に
均一な堆積（食刻）を行わせるため、絶縁体３Ｆ（例え
ばセラミック）を配置した電極構造である。

絶縁体を配置しない電極の場合は、基体上の中電界領域
が空間的に必ずしも一様な電界でなく、従って、ダーク
−スペースも基体上で一様を配置すると、均一な膜厚分
布が可能である。

第３図（ｃ）は、それぞれ独立した温度制御部３りと基
体保持部４ｔＯとからなる電極構造である。基体％／は
独立した基体保持部４ｔｏに保持されるため、基体保持
部ＵＯは自動搬送用のトレイとしても利用される本ので
ある。

第一図（ａ）〜（０）は、本発明におけるガスフロー構
造の例を示す。

第一図（、）は、ガス状物質を絶縁体管ダ２を通してノ
ズルロダ３から導入するものである。

第一図（ｂ）は、リング管４ｔＱに設けられたガス放出
口４ｔＪ”からシャワー方式により一様にガス導入を行
なうものである。

第一図（Ｃ）は、円板４を乙に多数のガス放出ログ２を
設けて、一様なガス導入を行なうものである。

筐体は、安全対策上金属製が望まれるが、この場合金属
製筐体と電極間での放電がおきゃすい。第５図（ａ）〜
（ｂ）は本発明における改善された金属製筐体構造の他
の実施態様を示す。

第５図（ａ）は、基台弘２）金属製筐体％／およ第５図
（ｂ）は、基台ｊ／、金属製筐体！２および金属製フタ
ｊ３からなる真空容器において、筐体！２およびフタｊ
３を絶縁体ｊｐ（テフロンまたはガラス）で内面コーテ
ィングし九構造のものである。

本発明で使用されるグロー放電発生電源としては、直流
または交流のいずれも使用可能であるが、特に、数百Ｈ
ｚから／　００　ＫＨＨの低周波電源が望ましい。

工業的な量産用装置とするためには、本発明のグロー放
電装置にベルト搬送、ウオーキングビーム搬送、ロボッ
トアーム搬送等の自動搬送機構を備えると有効であシ、
特にロボット・アーム搬送機構が好ましい。また、反応
室をロード・ロック方式にして反応容器内を大気にさら
さないようにしたもの、多層成膜用に、オート・ドーピ
ングを防ぐため多室別離型反応室等の機構を備えたもの
も量産用装置として有効である。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本
発明はその要旨を越えない限９以下の実施例に限定され
ない。

実施例／ 第１図に示した装置を使用し、下記の条件下でグロー放
電を発生させたところ、グロー放電領域が電極全体を一
様におおわない状態でも基体上に安定なグロー放電が発
生した。

圧　　　力　　　　　　　　／、θＴｏｒｒプラズマ発
生電源　　、、２　！　ＫＨｇの低周波電源供給電力　
　　　　弘５Ｗ 使用ガス　　　　　Ｈ！（りＯ５００Ｍ　）櫛型状電極
間隔（ｄ）　　　　コ／ｗａｓ基体としてプラスチック
・フィルムを用いれば約７０分で表面処理（表面近傍の
架橋反応）が可能でｓｂ、ガスとしてＯ！を用いれば灰
化処理が可能となる。

実施例コ 特に、グロー放電による薄膜形成にあっては、ゴミの影
響によりピンホール等の欠陥が発生しやすいため、基体
を垂直に保持することが望まれる。第７図に示し九装置
を使用してＳｉ３Ｎ４薄膜の形成を行なった。下記条件
下でグロー放電を発生させたところ、第６図に模式的に
示されるようなグロー放電が発生した。

圧　　　　力　　　　　　　　　／、ＯＴＯｒｒプラズ
マ発生電源　　２　ｊ　ＫＨ２の低周波電源供給電力　
　　　　３０Ｗ 使用ガス　　　　　１０％５１ｇ４’（２ｏ　５ｃａｙ
ｔ　）＋１００％ＮＢ３（２ｏ　ｓｃｃＭ） 電極部の温度　　　３００℃ 櫛型状電極間隔（ｄ）　　　２／調 基板上でのグロー放電は安定しており、基体とシテシリ
コンーウエハーを用いてＳｉ３Ｎ、薄膜の形成を行なっ
たところ、約／ｊ０Ｘ／分の成膜速度が３０”ｌｌとい
う低電力でも達成された。

実施例３ 第３図（ａ）に示した電極を使用してＳｉ３Ｎ４薄膜−
の形成を行なった。櫛型状の電極間隔ｄ１〜ｄ４ヲ各々
２７謔、／♂プ、／ｊ鴫、／コ切に保つてグロー放電を
行なったところ、／２ヨと／ｊｓｍ（特に／２ｒＩｒＩ
Ｒ）ではグロー放電が発生しにくく、かつ、不安定とな
るが、／！闇、２／ｍでは安定なグロー放電が得られた
。櫛型状の電極間隔は、グロー放電が安定して発生でき
る最小−間隔が必要であり、また中電界領域を形成する
ための最大間隔があるため、一定の範囲内であることが
判明した。

実施例ダ 第３図（ｂ）に示した電極（第一図の電極中、一部、絶
縁体を配置したもの）を使用し、Ｓｉ３Ｎ４薄膜の形成
を行なった。第７図の電極ではウェハー内の膜厚分布が
悪く２０％近くもあった。

これは、基体上の中電界領域が空間的に一様な電界でな
く、従って、ダーク−スペースも基体上で一様でないこ
とによるものであるが、絶縁体を適尚に配置した第３図
（ｂ）で示される電極を使用す、ると！チ以下の膜厚分
布が実現できた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プラズマ・ダメージおよびピンホール
の発生のよシ少ない薄膜の堆積または食刻が少ない使用
電力でも十分な速度で行なうことができる。また、不要
箇所への付着が極力おさえられているためりｙ　　＝ン
グが容易であり、かつ、装置の専有面積が小さくても十
分な処理能力を保持する量産用に適した方法および装置
を提供することができる。

本発明の方法および装置は、半導体素子製造工程だけに
限らず、光ＩＣ１太陽電池、薄膜トランジスタ、ディス
プレイ素子、表面処理、プラズマ加工等の各種分野での
高品質なプラズマ加工に適するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のグロー放電装置の横断面図である。 第７図は、本発明の他のグロー放電装置の横断面図であ
る。第３図（ａ）〜（Ｃ）は、他の電極部の横断面図で
ある。 第一図（ａ）〜（ｃ）は、本発明で使用されるガスフロ
ー構造の平面図を示す。 第５図（ａ）および（ｂ）は、本発明で使用される金属
製筐体の横断面図である。 第６図は、実施例２におけるグロー放電の状態を模式的
に示した図である。 出　願　人　　三菱化成工業株式会社 代　理　人　　弁理士　長谷用　　　−ほか７名 累１　回 ′第７品 第４図（ａ）　　　　第４凪（ｂ＞ 第４図（Ｃ） 第５図俺）　　　　　　晃５図（ｂ） ７６図 ｔ’ｗ−−−−Ｍシ１搭→＾域

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス状物質のグロー放電により基体上に薄膜を堆
   積または食刻させる方法において、 （イ）基体上およびその近傍に局在する中電界領域、該
   基体からより遠く離れた強電界領 域および該中電界領域と該強電界領域との 間に隣接する少なくとも１つの弱電界領域 を与える空間的に非一様な電界によつてグ ロー放電が設けられること、および、 （ロ）グロー放電圧力は、中電界領域内で安定し、かつ
   、基体上にガス状物質からの一様 な堆積または食刻が生じるように調節され ること を特徴とするグロー放電法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、基体
   を垂直に保持することを特徴とするグロー放電法。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の方法において、基体
   上に局在する中電界領域が空間的に一様な電界であるこ
   とを特徴とするグロー放電法。
4. （４）特許請求の範囲第１項記載の方法において、ガス
   状物質がシャワー方式により導入されてグロー放電が行
   われることを特徴とするグロー放電法。
5. （５）基体が二つの電極のうち第１の電極の上に配置さ
   れ、グロー放電を起こさせるために該二つの電極間に電
   界が設けられ、ガス状物質のグロー放電により基体上に
   薄膜を堆積または食刻させる装置において、 （イ）電界が空間的に非一様であり、かつ基体上および
   その近傍に局在する中電界領域、 該基体からより遠く離れた強電界領域およ び該中電界領域と該強電界領域との間に隣 接する少なくとも１つの弱電界領域を有す るように、互いに関連して形成されかつ配 置される前記二つの電極、および （ロ）グロー放電圧力が中電界領域内で安定し、かつ、
   基体上にガス状物質からの一様な堆 積または食刻が生じるように調節されるた めの手段 を有することを特徴とするグロー放電装置。
6. （６）特許請求の範囲第５項記載の装置において、基体
   を垂直に保持するための手段を有することを特徴とする
   グロー放電装置。
7. （７）特許請求の範囲第５項記載の装置において、第１
   の電極が、基体上およびその近傍に局在する中電界領域
   を形成し、かつ、該中電界領域内で安定なグロー放電を
   起こさせるような間隔と形状を有する櫛型状の電極であ
   ることを特徴とするグロー放電装置。
8. （８）特許請求の範囲第７項記載の装置において、基体
   上に一様な堆積または食刻が生じるように第１の電極上
   に絶縁体を配置することを特徴とするグロー放電装置。
9. （９）特許請求の範囲第５項記載の装置において、第１
   の電極が基体の搬送トレイ機能を有することを特徴とす
   るグロー放電装置。
10. （１０）特許請求の範囲第５項記載の装置において、ガ
    ス状物質がシャワー方式により導入されるための手段を
    有することを特徴とするグロー放電装置。
11. （１１）特許請求の範囲第５項記載の装置において、グ
    ロー放電が金属製の筐体中で行われ、該筐体と電極との
    間に絶縁体が配置されていることを特徴とするグロー放
    電装置。