JP5943789B2 - Atmospheric pressure plasma deposition system - Google Patents
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Description
この発明は、大気圧プラズマ成膜装置に関するものである。 The present invention relates to an atmospheric pressure plasma film forming apparatus.
半導体デバイスや撮像デバイス、画像入力用ラインセンサなどの製造工程では、薄膜形成やエッチング、スパッタリング、表面改質などの処理を行うプラズマプロセスが必要不可欠の技術になっている。このプラズマプロセスでは、ガス温度が低温で電子温度のみが高温となる低温プラズマが広く用いられている。 In the manufacturing process of semiconductor devices, imaging devices, image input line sensors, and the like, a plasma process that performs processes such as thin film formation, etching, sputtering, and surface modification has become an indispensable technology. In this plasma process, low-temperature plasma in which the gas temperature is low and only the electron temperature is high is widely used.
その低温プラズマを発生する従来のプラズマ生成装置は、接地された真空容器内に、パルス電力や高周波電力を印加する電力印加電極を真空容器と絶縁して配置し、対面するもう一つの電極を真空容器と電気的に接続して配置し、それらの電極の配置空間を、数Pa〜100Paのガス圧に調整された反応ガスで満たすようになっている。このプラズマ生成装置では、電極間の反応ガスが電極間に発生させたパルス状電界や高周波電界による放電によって電離し、電極間に、負電荷を有する電子と、正電荷を有するイオンと、電気的に中性なラジカルと、が激しい運動をしながら混在するプラズマ状態(低温プラズマ)が生成される。 In the conventional plasma generator for generating the low temperature plasma, a power application electrode for applying pulsed power or high frequency power is disposed in a grounded vacuum vessel, insulated from the vacuum vessel, and the other electrode facing is vacuumed. It arrange | positions electrically connected with a container and fills the arrangement | positioning space of those electrodes with the reactive gas adjusted to the gas pressure of several Pa-100Pa. In this plasma generator, the reaction gas between the electrodes is ionized by a discharge caused by a pulsed electric field or a high-frequency electric field generated between the electrodes, and between the electrodes, negatively charged electrons, positively charged ions, A plasma state (low temperature plasma) is generated in which neutral radicals are mixed with intense motion.
ところで、半導体デバイスの製造では、成膜対象となる基板が大型化する傾向にある。これは、一度に処理する基板が大きくなると、そこから作り出されるデバイスの個数が多くなり、デバイス単価が安くなるためである。また、撮像デバイスや太陽光パネルにおいても、多様な用途において大面積化の傾向にあると言え、一度に処理しなければならない基板のサイズが大きくなってきている。そうすると、上述した数Pa〜100Paのガス圧に調整してプラズマ生成する技術では、基板を収納する真空容器を基板サイズに応じて大きくしなければならない。この場合、装置巨大化によるコスト上昇が一括処理によるコスト低減効果を上回ることがあり、結果としてデバイスの製造コストが飽和または高くなってしまうという問題が生じることがある。 By the way, in the manufacture of semiconductor devices, the substrate to be deposited tends to increase in size. This is because as the number of substrates processed at a time increases, the number of devices created therefrom increases, and the device unit price decreases. In addition, in imaging devices and solar panels, it can be said that there is a tendency to increase the area in various applications, and the size of a substrate that must be processed at a time is increasing. If it does so, in the technique which adjusts to the gas pressure of several Pa-100Pa mentioned above and produces | generates a plasma, you have to enlarge the vacuum container which accommodates a board | substrate according to a board | substrate size. In this case, the increase in cost due to the enlarging of the apparatus may exceed the cost reduction effect due to the batch processing, resulting in a problem that the manufacturing cost of the device is saturated or increased.
そこで、大気圧で生成したプラズマを使って成膜できれば、巨大な真空容器を備えた高価な装置が不要となる。こうした背景の下、大気圧に近い比較的高い気体圧力(具体的には、100Pa以上から大気圧/開放環境圧力以下の圧力範囲)で励起されるプラズマ(以下、大気圧プラズマという)を用いてシリコン膜を形成する大気圧プラズマ化学輸送成膜法が提案されている(たとえば、特許文献1,2参照)。 Therefore, if film formation can be performed using plasma generated at atmospheric pressure, an expensive apparatus equipped with a huge vacuum vessel is not necessary. Under such a background, plasma (hereinafter referred to as atmospheric pressure plasma) excited at a relatively high gas pressure close to atmospheric pressure (specifically, a pressure range of 100 Pa or higher to atmospheric pressure / open ambient pressure or lower) is used. An atmospheric pressure plasma chemical transport deposition method for forming a silicon film has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
特許文献1では、76〜1520Torrの圧力の水素を主体とする反応ガスが充填された反応室内に、比較的高温に保持した基板と比較的低温に保持したターゲットを平行に配置して放電を生起させて基板上に薄膜を形成している。 In Patent Document 1, discharge is generated by arranging a substrate held at a relatively high temperature and a target held at a relatively low temperature in a reaction chamber filled with a reaction gas mainly composed of hydrogen at a pressure of 76 to 1520 Torr in parallel. Thus, a thin film is formed on the substrate.
また、特許文献2には、複数の貫通孔を有する固体誘電体からなる第1電極と、複数の貫通孔と冷媒流路を有する固体シリコンからなる第2電極と、第2電極の第1電極とは反対側に設けられる基板と、を互いに平行に配置した構造のプラズマ成膜装置が開示されている。ここで、第1電極側から反応ガスを供給しながら、第1電極と第2電極との間に電圧を印加して大気圧プラズマを生成する。大気圧プラズマは、反応ガス流によって、第2電極の複数の貫通孔から基板に向かって噴き出され、加熱された基板上にシリコン膜が形成される。
上記のように、大型基板への成膜を必要とする産業分野では、大気圧プラズマ成膜は装置コストを抑制できる有力な技術である。しかしながら、特許文献1では、大気圧に近い比較的高い気体圧力で生起されるグロープラズマが用いられ、グロープラズマはガス密度が高いので、プラズマを安定維持させるために、ターゲット−基板間距離を数mm以下にする必要がある。そして、大型化する基板に合せて、たとえば幅または直径が100mm以上の大きさのターゲットサイズにすると、反応室へと供給される反応ガスが狭ギャップのターゲット−基板内で不均一化してしまうという問題点があった。 As described above, in an industrial field that requires film formation on a large substrate, atmospheric pressure plasma film formation is an effective technique that can reduce the cost of the apparatus. However, in Patent Document 1, a glow plasma generated at a relatively high gas pressure close to atmospheric pressure is used, and the glow plasma has a high gas density. Therefore, in order to maintain a stable plasma, the distance between the target and the substrate is several. It is necessary to make it less than mm. If the target size is 100 mm or more in width or diameter according to the substrate to be enlarged, for example, the reaction gas supplied to the reaction chamber becomes non-uniform in the narrow gap target-substrate. There was a problem.
また、特許文献2では、第1電極と第2電極には複数の貫通孔が設けられているため、反応ガスや電極間で生成される大気圧プラズマは均一となる。しかし、第2電極の複数の貫通孔から基板側へと噴出する大気圧プラズマを利用してシリコン膜を堆積させるには高速のプラズマ流である必要があり、そのためには大量の反応ガスが必要となり、工業的に不利になるという問題点があった。
Further, in
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、大気圧に近い比較的高い気体圧力において、数mm以下の狭ギャップに配置されたターゲット−基板間内の反応ガス分布を均一化することができる大気圧プラズマ成膜装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and at a relatively high gas pressure close to atmospheric pressure, the reaction gas distribution in the target-substrate disposed in a narrow gap of several mm or less can be made uniform. An object is to obtain an atmospheric pressure plasma film forming apparatus.
上記目的を達成するため、この発明にかかる大気圧プラズマ成膜装置は、電源が接続され、固体ターゲットを有する第1電極と、前記第1電極に対向配置され接地される第2電極と、の電極間間隙において100Pa以上大気圧以下の水素を含有する反応ガスの圧力の下で生成されるプラズマを前記第2電極の前記第1電極側の面に載置する被処理部材に照射して前記被処理部材上に成膜する大気圧プラズマ成膜装置であって、前記反応ガスを導入する貫通孔を前記固体ターゲットの面内に備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an atmospheric pressure plasma film forming apparatus according to the present invention includes a first electrode connected to a power source and having a solid target, and a second electrode disposed opposite to the first electrode and grounded. irradiated with plasma generated under a pressure of the reaction gas containing less hydrogen than Oite 100Pa atmospheric pressure interelectrode gap to the member to be processed for mounting to a surface of the first electrode side of the second electrode An atmospheric pressure plasma film forming apparatus for forming a film on the member to be processed, wherein a through hole for introducing the reaction gas is provided in a plane of the solid target.
この発明によれば、固体ターゲット面内に設けた貫通孔から反応ガスが導入されるので、固体ターゲットと基板との間の距離が数mm以下の狭ギャップで100Pa以上の高い圧力下においても、ガス分布・流れを均一化することができ、安定した薄膜を形成することができるという効果を有する。 According to this invention, since the reaction gas is introduced from the through-hole provided in the solid target surface, the distance between the solid target and the substrate is a narrow gap of several millimeters or less, even under a high pressure of 100 Pa or more. The gas distribution / flow can be made uniform, and a stable thin film can be formed.
以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる大気圧プラズマ成膜装置を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an atmospheric pressure plasma film forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による大気圧プラズマ成膜装置の概略構成の一例を模式的に示す断面図である。図1において、真空容器となる反応容器1は、導電性部材を有底円筒状に形成したものであり、電気的に接地されている。反応容器1の底部には、電気的に接地された平板状の接地電極ステージ2が配置され、また、ガス排出口4も設けられている。接地電極ステージ2の上面には固体誘電体5を介して被処理部材である基板6が配置されている。接地電極ステージ2は、ヒータ7を内蔵し、固体誘電体5を介して基板6を加熱できるようになっている。なお、図1では、接地電極ステージ2は、反応容器1の底部のほぼ中央に(図示例では、円筒中心の位置に)固定された所定高さの支柱8の端部に、底部面と並行して支持されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a schematic configuration of an atmospheric pressure plasma film forming apparatus according to the first embodiment. In FIG. 1, a reaction vessel 1 serving as a vacuum vessel is formed by forming a conductive member into a bottomed cylindrical shape and is electrically grounded. At the bottom of the reaction vessel 1, an electrically grounded plate-like
支柱8に固定された接地電極ステージ2は、上下方向に稼動可能な構成を有し、接地電極ステージ2の上面の固体誘電体5を介して基板6と固体ターゲット13との間隔、すなわちプラズマ20が生じる間隔を制御できる構造となっている。
The
そして、反応容器1の開口端面には、電極セット9を支持する平板状の保持板10が固定されている。電極セット9の外観は、所定長さの円柱状をした挿入部9aと、該挿入部9aの引出端側に挿入部9aの径方向に飛び出して設けられるフランジ部9bと、で構成される形状を有している。保持板10は、導電性部材からなり、電気的に接地されている。保持板10には、電極セット9の挿入部9a外径よりも少し大きめの円形孔11が設けられている。この円形孔11の中心は、図示例では、円筒(反応容器1)の中心と一致している。なお、保持板10は、反応容器1の開口端を塞ぐカバーとして用いられるものである。
A
電極セット9は、電力印加電極12と、固体ターゲット13と、固体誘電体14と、で構成されている。電力印加電極12は、挿入部12aとフランジ部12bとを有する円柱状の構造体である。固体ターゲット13は、電力印加電極12の挿入部12a端面に貼着されている。固体誘電体14は、固体ターゲット13の配置領域を除く挿入部12a外周囲とフランジ部12bの挿入側面とに連続して貼着されている。電力印加電極12は、内部に、空洞15が設けられ、そこに水などの冷媒が充填され、固体ターゲット13を冷却できるようになっている。
The
電極セット9の挿入部9aが保持板10の円形孔11に嵌入され、引出端側に設けられたフランジ部9bで保持板10に図示しないネジなどの固定部材によって気密性よく固定される。これによって、反応容器1は内部のいわゆる空気を引き抜いて減圧できる真空容器となり、また電極セット9と保持板10とが電気的に接続された状態となる。
The
電極セット9の電力印加電極12には、マッチングボックス(インピーダンス整合器)18を介して電源19が接続されている。電源19は、たとえば、13.56MHzの高周波電源、それよりも高い数百MHz程度の高周波電源、または数kHzのパルス電源などである。
A
また、電力印加電極12のフランジ部12bの中心から挿入部12a底部の中心には、反応ガスを導入するガス導入管3が取り付けられており、その上部はガス導入口3aとなっており、下部は挿入部12a底部と接続されている。挿入部12a底部のガス導入管3の取り付け位置には、貫通孔12cが設けられている。
Further, a gas introduction pipe 3 for introducing a reaction gas is attached from the center of the
さらに、電力印加電極12の下部に貼着されている固体ターゲット13には、ガス導入管3と電力印加電極12の挿入部12a底部に設けられる貫通孔12cと接続されるように、反応ガスをプラズマ形成領域に導入する貫通孔21が設けられている。ガス導入口3aからの反応ガスは、電力印加電極12と固体ターゲット13に設けられた貫通孔12c,21より、プラズマ20の形成領域である固体ターゲット13と基板6の間に導入される。
Furthermore, the reaction gas is applied to the
以上の構成において、反応容器1内のいわゆる空気をガス排出口4から排出して所定の真空度とした状態において反応容器1内の反応ガスの圧力が100Pa以上大気圧以下の範囲内の所定値になるように、ガス導入管3、電力印加電極12の貫通孔12cおよび固体ターゲット13の貫通孔21を介して導入される反応ガスの供給量とガス排出口4から排出される反応ガスの排気量とを調整する。また、空洞15に冷媒を入れて固体ターゲット13を或る温度に冷却し、ヒータ7に発熱させて基板6を或る温度に加熱した状態にする。この状態で、電源19からマッチングボックス18を通して電力印加電極12に所定の高周波電力またはパルス電力を印加すると、電力印加電極12の一部である固体ターゲット13と接地電極ステージ2との間で放電が開始され、プラズマ20が生成される。このプラズマ20に基板6が曝されることで、基板6に所定のプラズマ成膜が行われる。
In the above configuration, when the so-called air in the reaction vessel 1 is discharged from the gas discharge port 4 to obtain a predetermined degree of vacuum, the reaction gas pressure in the reaction vessel 1 is a predetermined value within a range of 100 Pa or more and atmospheric pressure. As shown, the supply amount of the reaction gas introduced through the gas introduction pipe 3, the through
たとえば、反応ガスとして水素ガスを用い、固体ターゲット13としてシリコン板を用い、固体ターゲット13をおよそ15℃の冷媒で冷却し、基板6を300℃程度に加熱し、反応容器1内に水素ガスと不活性ガス、たとえばヘリウムガスとの混合ガスを導入し、反応容器1内のガス圧力を約0.9気圧に調整してプラズマ20を生成させると、基板6上にシリコン膜が形成される。以上は基板6上にシリコン薄膜を形成する例であるが、同様の方法で、シリコンに限らず水素化物が揮発性である材料をターゲットに用いることで所定の成膜を行うことができる。
For example, hydrogen gas is used as the reaction gas, a silicon plate is used as the
つぎに、固体ターゲット13に設ける貫通孔21の形状について説明する。貫通孔21は円形状(円柱状)に形成されるが、対向配置した処理対象である基板6との間に生成されるプラズマに乱れが生じない大きさであることは必須である。そこで、貫通孔21の径の検討結果について以下に示す。
Next, the shape of the through
大気圧に近い比較的高い気体圧力で生起される大気圧プラズマを安定維持させるために、固体ターゲット13と対向配置する基板6との距離は数mm以下にされる。直径100mmのシリコンからなる固体ターゲット13の中央部に設けた貫通孔21から、水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを導入し、反応容器1内のガス圧力を約0.9気圧に調整してプラズマ20を生成して、貫通孔21の直径について検討する。
In order to stably maintain atmospheric pressure plasma generated at a relatively high gas pressure close to atmospheric pressure, the distance between the
ターゲット−基板間距離が1.0〜3.0mmのときに安定放電が得られる電力範囲が広く、ターゲット−基板間距離が0.3mm以下の狭ギャップではグロープラズマを生成できない。 The power range in which stable discharge can be obtained when the target-substrate distance is 1.0 to 3.0 mm is wide, and glow plasma cannot be generated in a narrow gap where the target-substrate distance is 0.3 mm or less.
そこで、ターゲット−基板間距離を2.0mmに設定してプラズマ20を生成し、成膜を行うと、直径3.0mmの円形状の貫通孔21では成膜に異常はなく、従来のガス導入方法に比べて良好な膜厚分布のシリコン膜が得られる。しかし、直径5.0mmの円形状の貫通孔21ではプラズマ生成時の貫通孔21のエッジ効果によるものと推測されるシリコン膜厚の分布が認められる。貫通孔21の直径をさらに大きくすると、プラズマ生成されない領域が生じる。
Therefore, when the
また、ターゲット−基板間距離を1.0mmに設定してプラズマ20を生成し、成膜を行うと、直径3.0mmの円形状の貫通孔21では、成膜されたシリコン膜厚に分布が認められる。一方、直径2.0mmの円形状の貫通孔21では成膜されたシリコン膜に異常は認められない。
In addition, when the plasma is generated by setting the target-substrate distance to 1.0 mm and the film is formed, the circular through
以上の検討から、均一な膜形成には貫通孔21の直径をターゲット−基板間距離の2倍以下にする必要がある。ただし、大気圧プラズマ成膜装置にターゲット−基板間距離を維持しながら基板6を移動させる機構を追加した構造では、さらに大きな貫通孔においても膜均一化を図ることができることが実験によって見出される。
From the above examination, in order to form a uniform film, it is necessary to make the diameter of the through
この実施の形態1のように、反応ガスを供給する貫通孔21を固体ターゲット13の中央部に設けることで、従来の反応容器1の側壁から反応ガスを導入する方式に比べ、ターゲット−基板間の反応ガス分布は改善され、良好な膜厚分布が得られる。
As in the first embodiment, the through-
図2は、電力印加電極の他の構成例を模式的に示す断面図である。図1の電力印加電極12では、固体ターゲット13に設けられる貫通孔21は、中央部のみの単孔構造であった。しかし、図2に示されるように、固体ターゲット13に複数の貫通孔21を設けるようにしてもよい。この場合、各貫通孔21のサイズ(直径)は、前述のとおりプラズマを安定的に生成できる範囲であるターゲット−基板間距離の2倍以下であればよい。これによって、膜厚分布のさらなる均一化を実現することができ、また大径の固体ターゲットにおいても良好な膜厚分布を得ることが可能になる。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the power application electrode. In the
図3と図4は、複数の貫通孔を有する固体ターゲットの構成の一例を模式的に示す斜視図である。図3は、複数の貫通孔を同心円状に配置した固体ターゲットの一例を示す斜視図であり、図4は、複数の貫通孔を十字形状に配置した固体ターゲットの一例を示す斜視図である。各図において(a)は下面側(基板に対向する側)の斜視図を示し、(b)は上面側(電力印加電極に接する側)の斜視図を示している。 3 and 4 are perspective views schematically showing an example of the configuration of a solid target having a plurality of through holes. FIG. 3 is a perspective view showing an example of a solid target in which a plurality of through holes are concentrically arranged, and FIG. 4 is a perspective view showing an example of a solid target in which a plurality of through holes are arranged in a cross shape. In each figure, (a) shows a perspective view on the lower surface side (side facing the substrate), and (b) shows a perspective view on the upper surface side (side in contact with the power application electrode).
図3のように貫通孔21が固体ターゲット13に同心円状に複数設けられる場合も、図4のように貫通孔21が固体ターゲット13に十字形状に複数設けられる場合も、均一な膜厚分布を得たり、または大径の固体ターゲット13での良好な膜厚分布を得たりするのに効果的である。
Even when a plurality of through
複数の貫通孔21を設ける場合において、反応ガスのガス導入管3をそれぞれの貫通孔21に設ける構造も可能であるが、電力印加電極12の構造が複雑化する。そこで、図3と図4に示される構造では、ガス導入管3は固体ターゲット13の中央部への1系統のみ設けられ、固体ターゲット13が電力印加電極12と接する面に複数の貫通孔21に反応ガスを配分するための溝22を設けるようにしている。溝22は、貫通孔21の直径よりも大きければよく、深さは任意とすることができる。たとえば溝22の幅を2.0mmとし、深さを1.0mmとすることができる。なお、貫通孔21を複数形成する場合の貫通孔21の数と配置、および反応ガスを配分する溝22の経路の形状は、この形状に限定されるものではない。
In the case where the plurality of through
また、固体ターゲット13が電力印加電極12と接する面に形成される反応ガスを配分する溝22の経路の面積は、電力印加電極12内部の空洞15に充填した水などの冷媒により固体ターゲット13を冷却する効果が損なわれない範囲で、可能な限り大きくすることが望ましい。
Further, the area of the path of the
図5は、図3の貫通孔が同心円状に配置された場合の溝形状の他の例を示す図である。この図は、上面側(電力印加電極に接する側)の斜視図を示している。図3では、同心円状に配置された複数の貫通孔21を接続する溝22は、最外周に配置される貫通孔21間を結ぶ円形の溝22aと、その内側に配置された貫通孔21を結ぶ十字形状の溝22bとによって構成されている。一方、図5の溝22では、中央の貫通孔21から90度ずつ回転したY字形状の溝22cが4つ配置された構造を有している。図3と図5に示されるように、溝形状は任意とすることができる。
FIG. 5 is a diagram showing another example of the groove shape when the through holes of FIG. 3 are arranged concentrically. This figure shows a perspective view of the upper surface side (side in contact with the power application electrode). In FIG. 3, the
また、上記した説明では、固体ターゲット13に複数の貫通孔21間を結ぶ溝22を形成する場合を示したが、これに限定されるものではない。図6は、固体ターゲットの構成の他の例を模式的に示す斜視図である。この図6に示されるように、固体ターゲット13と電力印加電極12との間に、反応ガスを各貫通孔21に配分するためのガイド25aが形成されたスペーサ25をさらに有する構造となっている。スペーサ25は、流路(ガイド25a)となる部分が抜き取られた構造を有する。スペーサ25の材質として、導電性と熱伝導性の良好な材料、たとえば銅やアルミニウム等を用いることができる。また、この場合の固体ターゲット13は、電力印加電極12側の面に溝加工を施さなくてよいので、固体ターゲット13の製造コストを図3〜図5の場合に比して低減することができる。
Moreover, although the case where the groove |
この実施の形態1では、電力印加電極12に装着された固体ターゲット13面内に設けた1つ以上の貫通孔21から固体ターゲット13と基板6との間の空間に反応ガスを導入した。これによって、固体ターゲット13に対向配置して基板6を保持し接地された接地電極ステージ2との間のプラズマ形成領域において、固体ターゲット13と基板6との間の距離が数mm以下の狭ギャップで100Pa以上で大気圧以下の比較的高い圧力下でも、ガスの分布および流れが均一化し、得られる膜の均一性の向上が図れるという効果を有する。また、貫通孔21を複数設けることで、固体ターゲット13が大型化した場合でも同様の効果を得ることができる。
In the first embodiment, the reaction gas is introduced into the space between the
さらに、固体ターゲット13に設ける貫通孔21の径として、固体ターゲット13と基板6との間の距離の2倍以下にすることで、固体ターゲット13と基板6との間でのプラズマ生成に影響を与えることがなく、良好な膜が得られるという効果も有する。
Furthermore, the diameter of the through-
実施の形態2.
実施の形態1では真空容器となる反応容器を備えた大気圧プラズマ成膜装置を説明した。しかし、大気圧プラズマ成膜装置として、プラズマ放電エリアの周囲に、反応ガスよりも大きい供給量で不活性ガスをカーテンガスとして供給するとともに、周辺雰囲気をパージガスで覆い、基板に向けて吹き出されたカーテンガスおよびパージガスを排気ダクトから吸引して排出することで、プラズマ生成領域に真空容器となる反応容器と同等の環境を形成することができる。この実施の形態2では、この反応容器を有さない大気圧プラズマ成膜装置について説明する。
In the first embodiment, the atmospheric pressure plasma film forming apparatus provided with a reaction vessel serving as a vacuum vessel has been described. However, as an atmospheric pressure plasma film forming apparatus, an inert gas was supplied as a curtain gas around the plasma discharge area with a larger supply amount than the reactive gas, and the surrounding atmosphere was covered with a purge gas and blown toward the substrate. By sucking and discharging the curtain gas and the purge gas from the exhaust duct, an environment equivalent to a reaction vessel serving as a vacuum vessel can be formed in the plasma generation region. In the second embodiment, an atmospheric pressure plasma film forming apparatus that does not have this reaction vessel will be described.
図7は、実施の形態2による大気圧プラズマ成膜装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。なお、図7において、紙面の左右方向をX軸方向とし、X軸に垂直な紙面内の方向をZ軸(高さ方向)とし、X軸とZ軸の両方に垂直な方向(紙面に垂直な方向)をY軸とする。 FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the atmospheric pressure plasma film forming apparatus according to the second embodiment. In FIG. 7, the left-right direction of the paper surface is the X-axis direction, the direction in the paper surface perpendicular to the X-axis is the Z-axis (height direction), and the direction perpendicular to both the X-axis and the Z-axis (perpendicular to the paper surface) Is the Y axis.
大気圧プラズマ成膜装置は、プラズマ処理ヘッド101と、被処理部材である基板119を保持するステージ120と、を備える。
The atmospheric pressure plasma film forming apparatus includes a
プラズマ処理ヘッド101は、高周波電力を印加できる冷却機構110を搭載した入力側高周波電極111と、その外周部に絶縁体112を介して配置される流路構成部材113と、を備える。また、入力側高周波電極111の基板119の被処理面と対向する面には、平板形状の固体ターゲット114が設置されている。入力側高周波電極111と流路構成部材113とは、ともに平面視上矩形状を有しており、矩形状の入力側高周波電極111の底面に矩形状の固体ターゲット114が配置される。入力側高周波電極111の固体ターゲット114設置位置以外の領域には、アーク発生を防止する絶縁体112が配置され、そのZ軸方向に垂直な側面に流路構成部材113が設けられている。なお、入力側高周波電極111と流路構成部材113とは、平面視上矩形状ではなく、円形状など他の形状であってもよい。
The
流路構成部材113には、反応ガス流路116と、排気流路118と、カーテンガス流路117と、が設けられる。反応ガス流路116は、入力側高周波電極111のXY面内の中心に配置され、Z方向に延在した円柱状を有する。反応ガス流路116のZ軸正方向側に反応ガス供給部131が反応ガス供給路141を介して接続されている。反応ガス供給部131は、水素を主体とする反応ガスを反応ガス流路116に供給する。これによって、反応ガスは、反応ガス流路116中をZ軸正方向から負方向に向かって通過し、Z軸負方向の端部から基板119と固体ターゲット114との間の空間に供給される。反応ガスは、上記したように水素を含む混合ガスであり、水素とたとえばヘリウム、アルゴンなどの希ガスとの混合ガスを例示することができる。混合ガス中に微量でも水素が含まれていればよいが、実用的な成膜速度(0.1nm/s以上)の観点から水素濃度は1vol.%以上であることが望ましい。また、ドーパントとして酸素、窒素、炭化水素、ジボラン、ホスフィンなどのドーパントガスを微量添加することができる。
The
また、反応ガス流路116のZ方向負側の端部は、固体ターゲット114の配置位置となる。そのため、固体ターゲット114の中央付近の反応ガス流路116と重なる位置には、貫通孔121が設けられている。この固体ターゲット114の構成は、実施の形態1で説明したものと同様であるので、詳細な説明を省略する。
The end of the reactive
排気流路118とカーテンガス流路117は、入力側高周波電極111の周囲を囲むようにZ軸方向に延在して設けられる。入力側高周波電極111に近い側に排気流路118が設けられる。
The
カーテンガス流路117は、反応ガス流路116の外側に配置され、Z軸正方向側にカーテンガス供給部132がカーテンガス供給路142を介して接続されている。カーテンガス供給部132は、不活性ガスなどのカーテンガスをカーテンガス流路117に供給する。これによって、カーテンガスは、カーテンガス流路117中をZ軸正方向から負方向に向かって通過し、Z軸負方向の端部からステージ120(基板119)に向かって噴き付けられ、一部は排気流路118から吸引され、残りは外部雰囲気中に放出される。このカーテンガスによって、カーテンガスよりも外側の空間からの空気やコンタミネーションの侵入や、カーテンガスよりも内側の空間から外側への反応ガスの流出が防止される。カーテンガスは、上記したように不活性なガスであり、たとえばヘリウムやアルゴンなどの希ガスなどを例示することができる。
The curtain
排気流路118は、反応ガス流路116の外側でカーテンガス流路117の内側に、プラズマ発生領域(プラズマ生成空間)を外側から囲うように配置され、Z軸正方向側に排気ポンプ133が排気ガス排出路143を介して接続されている。排気ポンプ133は、流路構成部材113とステージ120との間の空間に存在するプラズマで分解されたガス、固体ターゲット114や基板119と反応して生成された反応生成ガス、およびカーテンガス(以下、これらのガスを総称して未反応ガス等と呼ぶ場合がある)を排気流路118を介して図示しない排気ガス処理部へと排出する。これによって、未反応ガス等は、Z軸負方向から正方向に向かって通過する。
The
反応ガスの流量とカーテンガスの流量と排気の流量とは、反応ガスの流量<排気の流量<カーテンガスの流量、の関係を満たすように設定する。このように設定することで、反応ガスの外部雰囲気への流出を反応ガスのppm以下に防ぐことができ、また、排気流路118への外部雰囲気からの大気の流入量を未反応ガス等の排気ガスのppm以下に抑えることができる。
The flow rate of the reaction gas, the flow rate of the curtain gas, and the flow rate of the exhaust gas are set so as to satisfy the relationship of the flow rate of the reaction gas <the flow rate of the exhaust gas <the flow rate of the curtain gas. By setting in this way, the outflow of the reaction gas to the external atmosphere can be prevented to ppm or less of the reaction gas, and the inflow amount of air from the external atmosphere to the
ステージ120は、プラズマ処理ヘッド101に対して所定の距離を有して配置され、基板119の被処理面がプラズマ処理ヘッド101と略平行となるように基板119を保持する。ステージ120は接地され、接地側高周波電極としても機能する。ステージ120の内部に、加熱機構を備えていてもよい。また、ステージ120には、ステージ120をXY面内で移動させる移動手段138と、移動手段138を制御する制御部140が設けられている。
The
入力側高周波電極111と接地側高周波電極であるステージ120とで高周波電極が構成される。高周波電極の材料としては、たとえば銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮などを使用することができる。入力側高周波電極111は、プラズマ生成用の高周波電源115に接続され、接地側高周波電極(ステージ120)は接地されている。高周波電源115から高周波電極(入力側高周波電極111とステージ120)に高周波電力を供給すると、固体ターゲット114と基板119との間に存在する隙間領域が、プラズマが発生するプラズマ発生領域となる。
The input side high-
プラズマ処理ヘッド101とステージ120とはXY面内で相対的に移動可能に構成されている。図7の例では、プラズマ処理ヘッド101が固定され、ステージ120が移動手段138によって移動するように構成されているが、ステージ120を固定しておきプラズマ処理ヘッド101を移動するように構成することもできるし、プラズマ処理ヘッド101とステージ120をともに移動させるように構成することもできる。
The
つぎに、このような構成の大気圧プラズマ成膜装置を用いた半導体膜(シリコン膜)の成膜処理の手順について説明する。まず、ステージ120上に基板119が、たとえば図7の基板119の左端が固体ターゲット114よりも右側に位置する載置される。また、カーテンガス供給部132からカーテンガスがカーテンガス流路117を介してステージ120に噴き付けられ、反応ガス供給部131から反応ガスが反応ガス流路116を介して入力側高周波電極111とステージ120との間の空間に供給される。このとき、反応ガスは、固体ターゲット114に設けられた貫通孔121からステージ120側に供給される。さらに、高周波電源115から高周波電極(入力側高周波電極111とステージ120)に対して高周波電力が印加され、固体ターゲット114とステージ120との間の空間で反応ガスをプラズマ化させる。このとき、カーテンガスの一部を含む未反応ガス等は排気ポンプ133によって排気流路118を介して排気され、カーテンガスの残りは外部雰囲気中に放出される。また、入力側高周波電極111の冷却機構110とステージ120(接地側高周波電極)の加熱機構とを作動させ、所定の温度となるように制御する。
Next, a procedure for forming a semiconductor film (silicon film) using the atmospheric pressure plasma film forming apparatus having such a configuration will be described. First, the
この状態で、移動手段138によってステージ120が移動方向(たとえばX軸負方向)に移動され、基板119がプラズマ発生領域に進入する。ここで、ステージ120は、連続的に移動してもよく、またステップ的に移動、停止を繰り返して移動してもよい。
In this state, the
ステージ120のX軸負方向への移動に伴い、基板119の左端部の被処理面が固体ターゲット114の下部に進入する。固体ターゲット114下部では、プラズマ化した反応ガス(水素原子、水素ラジカル等)によって、固体ターゲット114と基板119の表面において、固体ターゲット物質の水素化物が生成し揮発することによる固体ターゲット物質のエッチングと、また、固体ターゲット114と基板119の表面において、揮発した反応性ターゲット物質の水素化物がプラズマ中で再分解され固体ターゲット114と基板119の表面に付着することによる半導体膜の成膜と、の両工程が同時に起こる。
As the
固体ターゲット114としてSiを用いる場合には、次式(1)に示す反応によって固体ターゲット物質のエッチングが起こり、次式(2)に示す反応によって半導体膜が成膜される。
Si+xH→SiHx (x=0,1,2,・・・) ・・・(1)
SiHx→Si+xH (x=0,1,2,・・・) ・・・(2)
When Si is used as the solid target 114, the solid target material is etched by the reaction shown in the following formula (1), and a semiconductor film is formed by the reaction shown in the following formula (2).
Si + xH → SiH x (x = 0, 1, 2,...) (1)
SiH x → Si + xH (x = 0, 1, 2,...) (2)
固体ターゲット物質のエッチングと成膜の速度は、低温側の固体ターゲット114の表面では、エッチングの速度の方が成膜の速度よりも大きい。一方、高温側の基板119の表面では、成膜の速度の方がエッチングの速度よりも大きい。したがって、両者の温度差を適度に大きくしておくことによって、エッチングおよび成膜の速度差が大きくなり、低温側の固体ターゲット114から高温側の基板119への比較的高速の物質移動が生じ、基板119上に半導体膜が成膜されることになる。このような密閉空間の減圧下で行われていない物質移動は、大気圧プラズマ化学輸送法と呼ばれている。
As for the etching rate and deposition rate of the solid target material, the etching rate is higher than the deposition rate on the surface of the solid target 114 on the low temperature side. On the other hand, on the surface of the
なお、固体ターゲット114の周囲より反応ガスを導入する構成では、反応ガスがプラズマ生成領域である固体ターゲット114と基板119との間ではなく、入力側高周波電極111の周囲を囲むように形成された排気流路118へ流れが生じてしまう。そのため、実施の形態1と同様に、固体ターゲット114に設けた貫通孔121よりプラズマ生成領域に直接反応ガスを導入する方式が、均一な膜形成に有効である。
In the configuration in which the reaction gas is introduced from the periphery of the solid target 114, the reaction gas is formed not to be between the solid target 114 and the
成膜に必要な温度は、物質によって異なるが、たとえばシリコンの場合には、入力側高周波電極111とステージ120との間の温度差が100℃以上であれば成膜が可能である。ただし、低温側の温度としてたとえば15℃とし、高温側の温度としてたとえば300℃とすると、温度差が100℃のときに比してさらに成膜速度が大きくなるので、温度差は大きい方が好ましい。
The temperature required for film formation differs depending on the substance, but in the case of silicon, for example, film formation is possible if the temperature difference between the input-side high-
以上のような成膜処理が、ステージ120のX軸負方向への移動に伴って実行され、基板119の被処理面全てに半導体膜が形成される。
The film formation process as described above is executed as the
この実施の形態2によれば、真空容器となる反応容器を用いることなく反応ガスを導入し大気圧プラズマを生成する領域の周囲にカーテンガス流路117と排気流路118を形成した大気圧プラズマ成膜装置においても、実施の形態1と同様に、固体ターゲット114に設けた貫通孔121より水素ガスとヘリウムガスなどの不活性ガスの混合ガスを導入することで、ガスの分布と流れが均一化し、得られる膜の均一性の向上が図れるという効果を有する。
According to the second embodiment, the atmospheric pressure plasma in which the reaction gas is introduced without using a reaction vessel serving as a vacuum vessel and the
なお、固体ターゲット114にシリコン板を用いシリコン膜を形成する方式について述べたが、水素化物が揮発性である材料、たとえば、C、SiC、Geを固体ターゲットとして用いても上記した実施の形態と同様の効果が得られる。 Although a method of forming a silicon film by using a silicon plate for the solid target 114 has been described, even if a material in which hydride is volatile, for example, C, SiC, Ge is used as a solid target, Similar effects can be obtained.
以上のように、この発明にかかる大気圧プラズマ成膜装置は、大型の基板に薄膜を形成する場合に有用であり、特に、撮像デバイスや太陽光パネルなどの製造に適している。 As described above, the atmospheric pressure plasma film forming apparatus according to the present invention is useful when a thin film is formed on a large substrate, and is particularly suitable for manufacturing an imaging device, a solar panel, and the like.
1 反応容器、2 接地電極ステージ、3 ガス導入管、3a ガス導入口、4 ガス排出口、5 固体誘電体、6,119 基板、7 ヒータ、8 支柱、9 電極セット、9a 挿入部、9b フランジ部、10 保持板、11 円形孔、12 電力印加電極、12a 挿入部、12c,21,121 貫通孔、12b フランジ部、13,114 固体ターゲット、14 固体誘電体、15 空洞、18 マッチングボックス、19 電源、20 プラズマ、22,22a〜22c 溝、25 スペーサ、25a ガイド、101 プラズマ処理ヘッド、110 冷却機構、111 入力側高周波電極、112 絶縁体、113 流路構成部材、115 高周波電源、116 反応ガス流路、117 カーテンガス流路、118 排気流路、120 ステージ、131 反応ガス供給部、132 カーテンガス供給部、133 排気ポンプ、138 移動手段、140 制御部、141 反応ガス供給路、142 カーテンガス供給路、143 排気ガス排出路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reaction container, 2 Ground electrode stage, 3 Gas inlet pipe, 3a Gas inlet, 4 Gas outlet, 5 Solid dielectric, 6,119 Substrate, 7 Heater, 8 Prop, 9 Electrode set, 9a Insertion part, 9b Flange Part, 10 holding plate, 11 circular hole, 12 power application electrode, 12a insertion part, 12c, 21, 121 through hole, 12b flange part, 13,114 solid target, 14 solid dielectric, 15 cavity, 18 matching box, 19 Power source, 20 plasma, 22, 22a-22c groove, 25 spacer, 25a guide, 101 plasma processing head, 110 cooling mechanism, 111 input side high frequency electrode, 112 insulator, 113 flow path component, 115 high frequency power source, 116 reaction gas Flow path, 117 curtain gas flow path, 118 exhaust flow path, 120 stage, 31 reaction gas supply unit, 132 curtain gas supply unit, 133 an exhaust pump, 138 moving means 140 control unit, 141 a reaction gas supply passage, 142 curtain gas supply path, 143 an exhaust gas discharge path.
Claims (6)
前記反応ガスを導入する貫通孔を前記固体ターゲットの面内に備えることを特徴とする大気圧プラズマ成膜装置。 Power source is connected, a first electrode having a solid target, the reaction gas containing a second electrode and, the inter-electrode-atmospheric hydrogen over Oite 100Pa in a gap that is arranged to face the first electrode ground An atmospheric pressure plasma film forming apparatus for irradiating a member to be processed placed on a surface of the second electrode on the first electrode side with plasma generated under pressure to form a film on the member to be processed. ,
An atmospheric pressure plasma film forming apparatus comprising a through hole for introducing the reaction gas in a plane of the solid target.
前記第1電極に対向して配置される第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間の領域に反応ガスを供給する反応ガス流路、前記反応ガス流路の外側に配置され、前記第1電極に向かってカーテンガスを噴き付けるカーテンガス流路、および前記反応ガス流路の外側で前記カーテンガス流路の内側に配置され、前記反応ガスと前記カーテンガスを含むガスを排気する排気流路を有する流路構成部材と、を含むプラズマ処理ヘッドと、
前記第1電極と前記第2電極との間に高周波電力を印加して、前記反応ガスを前記第1電極と前記第2電極の間でプラズマ化する高周波電力印加手段と、
前記第2電極の前記第1電極と対向する面の前記排気流路で囲まれる領域よりも内側に配置され、前記プラズマ化された反応ガスとの間で反応する固体ターゲットと、
前記第1電極と前記第2電極を相対的に移動させる移動手段と、
を備え、
前記反応ガス流路は、前記流路構成部材の前記排気流路で囲まれる領域の中心付近に、前記流路構成部材の厚さ方向に貫通するように設けられ、
前記固体ターゲットは、前記反応ガス流路と接続される貫通孔を前記固体ターゲットの面内に備えることを特徴とする大気圧プラズマ成膜装置。 A first electrode for holding a member to be processed;
A second electrode disposed opposite to the first electrode, a reaction gas flow path for supplying a reaction gas to a region between the first electrode and the second electrode, and disposed outside the reaction gas flow path A curtain gas passage for injecting curtain gas toward the first electrode, and a gas containing the reaction gas and the curtain gas disposed outside the reaction gas passage and inside the curtain gas passage. A plasma processing head including a flow path component having an exhaust flow path for exhausting;
A RF power applying means for applying high frequency power, a plasma of the reaction gas between the first electrode and the second electrode between the first electrode and the second electrode,
A solid target disposed inside the region surrounded by the exhaust flow path on the surface of the second electrode facing the first electrode, and reacting with the plasmad reaction gas;
Moving means for relatively moving the first electrode and the second electrode;
With
The reaction gas flow path is provided in the vicinity of the center of the region surrounded by the exhaust flow path of the flow path component so as to penetrate in the thickness direction of the flow path component.
The atmospheric pressure plasma deposition apparatus, wherein the solid target includes a through-hole connected to the reaction gas channel in a plane of the solid target.
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