WO2004040629A1

WO2004040629A1 - プラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法及び装置

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Publication number: WO2004040629A1
Application number: PCT/JP2002/011208
Authority: WO
Inventors: Keisuke Kawamura; Akemi Takano; Hiroshi Mashima; Hiromu Takatuka; Yasuhiro Yamauti; Yoshiaki Takeuchi; Eishiro Sasakawa
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-13
Also published as: EP1564794B1; AU2002344594B2; ES2367752T3; US20050255255A1; EP1564794A1; US7205034B2; EP1564794A4; AU2002344594A1

Description

プラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法及び装置技術分野

本発明は、太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチング、及び、これ明ら製膜によってチェンパ内に堆積したァモルファスシリコン（_a—.S i) の NF ₃ガスのプラズマによるフッ素ラジカルクリ一二ング（セルフクリーニング）などに用い書られるプラズマ化学蒸着装置（P 1 a s m a Ch em i c a l Va p ou r De p o s i t i o n)における、高周波ブラズマの大面積均一化方法及び装置に関する。背景技術

太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン（以下 a — S iと称する）、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のェツチングを行つたり、これら製膜によってチェンパ内に堆積したシリコンを NF ₃ガスでセルフクリーニングするために用いられるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置には、平行平板型電極を用いたものと、ラダー型電極を用いたものの 2種類がある。

第 6図は平行平板型電極を用いた装置の一構成例で、プラズマ化学蒸着装置 1 内に基板加熱支持手段 6を設置して電気的に接地し、この基板加熱支持手段 6と対向させてたとえば 2 Omm離した位置に平板電極 60を設置する。そして平板電極 60に、外部の高周波電源 61をインピーダンス整合器 62、およぴ同軸ケ一ブル 63を介して接続し、さらに基板加熱支持手段 6と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシーノレド 5を設置する。

そして、たとえば 200°Cに設定した基板加熱支持手段 6上に a— S i薄膜を製膜する基板 7を設置し、ガス導入管 64からシラン（S i H₄) ガスをたとえば流速 50 s c cmで導入し、真空排気管 65に接続した図示しなレヽ真空ポンプ系の排気速度を調整することで、ブラズマ化学蒸着装置 1内の圧力をたとえば 1 0 O mT o r rに調節する。そして、高周波電力が効率良くプラズマ発生部に供給されるようにインピーダンス整合器 6 2を調整して高周波電源 6 1から高周波電力を供給すると、基板 7と平板電極 6 0の間にプラズマ 6 6が発生し、このプラズマ 6 6の中で S i H₄が分解して基板 7表面に a— S i模が製膜される。そのため、たとえば 1 0分間程度この状態で製膜を行うことにより、必要な厚さの a - S i膜が製膜される。

第 7図はラダー型電極 7 0を用いた装置の一構成例を示し、第 8図は、ラダー型電極 7 0の構造がよく分かるように第 7図の A方向から描いた図である。ラダ一型電極については、たとえば特開平 4— 2 3 6 7 8 1号公報に詳細に述べられ、またラダー型電極を発展させた電極形状として、複数の電極棒を平行に並べた電極群を 2つ直行させて配置させた網目状の電極を用いた構造が特開平 1 1—1 1 1 6 2 2号公報に報告されている。

この第 7図における高周波プラズマ発生装置においては、プラズマ化学蒸着装置 1内に基板加熱支持手段 6 (第 8図には図示していない）を設置して電気的に接地し、基板加熱支持手段 6と対向してたとえば 2 O mm離した位置にラダー型電極 7 0を設置する。ラダー型電極 7 0には、外部の高周波電源 6 1をィンピーダンス整合器 6 2および同軸ケーブル 6 3を介して接続し、基板加熱支持手段 6 と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシールド 5が設置してある。

そして、たとえば 2 0 0 °Cに設定した基板加熱支持手段 6上に a— S i膜を製膜する基板 7を設置し、ガス供給管からシラン（S i H₄) ガスをたとえば流速 5 0 s c c mで導入する。そしてプラズマ化学蒸着装置 1内の圧力を、図示しない真空排気管に接続した真空ポンプ系の排気速度でたとえば 1 0 O mT o r rに調整する。この状態で高周波電力をラダー型電極 7 0に供給すると、基板 7とラダー型電極 7 0の間にプラズマ 7 1が発生するから、高周波電力が効率良くブラズマ 7 1の発生部に供給されるようにインピーダンス整合器 6 2を調整する。するとプラズマ 7 1中ではシラン（S i H₄) が分解し、基板 7に a— S i膜が製膜されるから、たとえば 1 0分程度この状態で製膜を行うことにより、必重な厚さの a— S i膜が製膜される。

この第 7図の構成例は第 6図の構成例と比較し、第一に電極として平板電極を用いずに円形断面の電極捧を梯子型に組んだラダー型と呼ばれる電極を用いているため、電極棒の間を原料のシラン（S i H₄) ガスが自由に流れて原料供給が均一に行われ、第二に給電を電極の 1箇所に行うのではなく、 72で示した複数 (ここでは 4点）箇所で行うことで、プラズマが均一に発生できるようになっている。

このようにプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置は構成されているが、現在、上記技術を用いて作製される太陽電池用薄膜半導体、フラットパネルディスプレイ用薄膜トランジスタなどは、大面積（例えば 1. 5X 1. 2 m程度） ·高速製膜による低コスト化、および、低欠陥密度、高結晶化率などの高品質化が求められ、また、このような大面積の製膜によってチェンパ内に堆積した a— S iの NF ₃ガスによるセルフクリーニングも、製膜と同様大面積'高速化が要求されている。

そしてこれら要求を満たす新しいプラズマ生成方法として、高周波電源の高高周波化（30〜800MHz) がある。前記高高周波化により製膜速度の高速化と高品質ィ匕が両立されることが、たとえば文献 Ma t. Re s. S o c. S ym p. P r o c. Vo l. 424, p p. 9, 1997に記されている。特に、 a — S iに代る新しい薄膜として注目されている微結晶 S i薄膜の高速高品質製膜に、この高高周波が適していることが最近分かってきている。

ところがこの高高周波による製膜は、均一大面積製膜が難しいという欠点がある。これは、高高周波の波長が電極サイズと同程度のオーダーであることから、電極端などで生じる反射波を主因とする電極上定在波の発生、浮遊ィンダクタンス ·キャパシタンスの存在による電圧分布への影響、プラズマと高周波との相互干渉などでプラズマが不均一となり、結果、製膜が不均一になるためである。そのため、製膜における膜厚分布が、中央部において薄く不均一になるという結果が生じる。また、セルフクリーニングに用いる NF ₃プラズマは、 NF₃ガスが負性ガス（電子を付着しやすい性質）であるため、プラズマ自体が非常に不安定であると共に、ガス流れ（下流側にプラズマ発生）や電極間隔の相違によって分布が不均一になる。

このうち、平行平板電極を用いた場合の代表例として示した第 6図の構成例においては、電極サイズが 30 cmX 30 cmを越え、または、周波数が 30MH zを越えると、上記定在波の影響が顕著となり、半導体製膜上最低限必要な製膜膜厚均一性士 10 %の達成が困難になる。

. 一方、ラダー型電極を用いた場合の代表例としてあげた第 7図、第 8図は、ラダー型電極を用いていることに加え、 1点給電では顕著に生じてしまう定在波を、 4点に給電することにより低減したことを特徴とするものである。しかしながら、この場合でも、電極サイズが 30 cmを越え、または、周波数が 80MHzを越えると均一な製膜の実現が難しくなつてくる。

以上のような問題は学会でも注目され、これまでに例えば文献 Ma t. Re s. So c. S ymp. P r o c. Vo l . 377, p p. 27， 1995に記されているように、平行平板の給電側と反対側にロスのないリアクタンス（コイル）を接続することが提案されている。これは、定在波の電極端からの反射条件を変えることで、定在波の波形の中で分布が比較的平らな部分、たとえば正弦波の極大付近を電極上に発生させて、電極に生じる電圧分布を少なくするものである。しかしながら、この方法は定在波を根本から無くすのではなく、正弦波のうち平らな部分が電極上に発生するようにするだけであるため、均一部分が得られるのは波長の 1 Z 8程度までであり、それを越える範囲の均一化は原理的に不可能でめる

また、大面積で均一なプラズマを発生するための技術として、特開 2000— 3878号公報、特開 2000— 58465号公報、特開 2000— 32329 7号公報、特開 2001— 7028号公報などに示された技術があるが、これらは最大 80 cmX 80 c m程度の電極に対応しているだけであり、本発明が目指しているような 1. 5mX l. 2mというような大面積には対応できない。そのため、プラズマ化学蒸着装置において高高周波を用いてプラズマを発生させる場合、従来の技術では、 lmX lmを越えるような非常に大きな基板を対象として、大面積で均一なプラズマを発生し、均一処理を行うことはできなかった。

なお、本発明の類似技術として、 2つの異なる高周波を 2つの放電電極にそれぞれ供給する技術があり、たとえば、 M. No i s a n, J. P e 1 1 e t i e r, e d.， Mi c r owa v e Ex c i t e d P l a sma s _Λ f e c n n o l o g y, 4， s e c on d imp r e s s i on, p p. 401, E l s e v i e r S c i e n c e B. V. 1999に詳述されている。

し力し、この技術の目的は、 1つの高周波をプラズマ生成のために、他方の高周波を絶縁性基板の表面パイァス電圧制御のために用い、基板への活性ィオン等の流入量、およぴ入射エネルギーを制御することであり、本発明のように lmX 1 mを越えるような非常に大きな基板を対象として大面積において均一なプラズマを発生し、均一処理を行う目的とは全く異なるものである。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、高高周波（VH F) を利用するプラズマ化学蒸着装置において、大面積でプラズマ発生状況が均一となるようなプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法及び装置を提供することが課題である。発明の開示

上記課題を解決するため本発明においては、放電電極の両端部にそれぞれ第 1 と第 2の給電部を設け、その第 1と第 2の給電部に同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクルを交互に実施し、各サイクルで発生する、定在波の発生位置の異なる発生プラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにした。

即ち本発明は、

プラズマ化学蒸着装置の放電電極へ高周波を給電してプラズマを発生させるようにしたプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法であつて、

前記放電電極両端部に第 1と第 2の給電部を設け、該第 1と第 2の給電部に同一周波数の高周波を給電する第 1のサイクルと、異なった周波数の高周波を給電する第 2のサイクルを交互に実施し、各サイクルにおける異なる発生状況 (定在波の位置の異なる）のプラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする。そして、この発明を効果的に実施するための装置として、放電電極に設けた第

1と第 2の給電部に高周波を給電してプラズマを発生させるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置であって、

第 1の周波数の高周波を発振する第 1の発振器と、第 2の周波数の高周波を発振する第 2の発振器と、前記第 1の発振器からの高周波を受けて前記放電電極の第 1の給電部に第 1の周波数の高周波を給電する高周波電源 Aと、前記第 1と第 2の発振器からの高周波を受けて適宜なサイクルで切り替えて出力する周波数切り替え手段と、該周波数切り替え手段からの出力を受けて前記放電電極の第 2の給電部に給電する高周波電源 Bとからなり、

前記高周波電源 Bからの第 2の給電部への給電周波数を前記周波数切り替え手段で切り替えることにより、各切り替えサイクルの周波数差でプラズマ発生状況 (定在波の発生位置)を異ならせ、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする。

このように、同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクルを交互に実施することにより、同一周波数の高周波を放電電極に給電したときは電極の両側から来た波が中央部で共鳴してプラズマ密度が高くなり、一方、異なった周波数の電力を給電したときは電極の両側から来た波が中央部でお互いにうち消しあってブラズマ密度が低くなるから、このサイクルを交互に実施すると時間平均でみたとき、プラズマの発生状況、すなわち放電電極上の定在波分布が大面積で均一となり、大面積基板における膜厚分布均一化とセルフクリ一ユングにおけるプラズマ分布の均一化が実現できる。

そして前記方法発明、及びこの方法発明を実施するための好ましい発明は、前記第 2のサイクルにおける一つの周波数を時間的に変動させ、プラズマ発生状況を意図的に変化させて時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたこと、

及び、前記第 2の発振器は、発振周波数を可変に構成したことにある。

このように、異なった周波数の高周波を給電する前記第 2のサイクルで片方の周波数を時間的に変動させると、その変動に応じてプラズマ発生状況が変化するから、ブラズマ密度をさらに平均化することができる。そしてこの異なった周波数のサイクルにおける一^ ^の周波数、特に前記第 2のサイクルにおいて用いる高周波の一つの周波数は、前記第 1のサイクルにおける高周波の周波数と同じとし、

またこの第 1と第 2のサイクルの切り換えを、 1回/秒から 1 0 0 0万回 Z秒の間で交互に行うことが好ましい。

また第 1のサイクルと第 2のサイクルの時間比は、用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させるのがよい、

及び、前記周波数切り替え手段が切り替える第 1と第 2の周波数の時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類に基づく入力信号を入力し、該ガスの圧力、ガスの種類に適した値に変化させるファンクションジエネレータを設けるのがよい。このように、第 1のサイクルと第 2のサイクルの時間比を用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させることにより、例えばガス条件によっては同じデューティ比であってもプラズマの発生状況が異なつてくることがあるが、このような場合でも何らハードをいじることなく対応することができ、さらにプラズマ密度を均一化することが可能となる。

また、本発明は、前記第 1のサイクルにおける第 1、または第 2の給電部へ給電するどちらかの周波数の高周波を位相変調し、他方の給電部に給電する高周波とは位相をずらせてプラズマの発生状況を変化させ、時間平均でみたとき、ブラズマの発生状況が大面積で均一となるようにするのがよい。

即ち前記第 1の発振器から前記高周波電源 A、または前記周波数切り替え手段へのどちらかに供給する高周波の位相を変調する位相変調手段を有するのがよ、。このように、同一周波数の高周波を給電部に給電するとき、どちらかの高周波の位相を他方とずらすことにより、同一周波数を放電電極給電したときにできた放電電極中央部のプラズマ密度の高い部分を移動させることができ、時間平均で均一化させることができる。

そして本発明は、前記放電電極の給電部へ直流バイアスを印加し、発生するプラズマ密度を大面積で均一化させるのがよい。

即ち、前記放電電極の給電部へ直流パイァスを印加する手段を設けるのがよい。このように放電電極の給電部へ直流バイアスを印加することにより、放電電極のシースキャパシタンスを減少させることができ、定在波波長を増加させてプラズマ密度を平均化させることができる。

更に本発明は、前記第 1と第 2の給電部への給電ケーブル軸方向を放電電極軸方向と一致させ、電流リターン距離を最小化して給電部での電力ロスを低減し、プラズマ領域の拡大を図るのがよい。

即ち、前記放電電極の給電部への給電用ケーブルの軸方向を、放電電極軸方向と一致させて取付けるのがよい。

このように給電部への給電ケーブル軸方向を放電電極軸方向と一致させることにより、給電パワーがスムーズに放電電極に入ってゆき、電流リターン距離を最小化し、給電部での電力口スを低減してプラズマ領域の拡大を図ることができる。そして更に本発明は、

前記プラズマ化学蒸着装置内に、プラズマ化学蒸着による製膜の速度、及びプラズマ化学蒸着装置のセルフクリ一ユング速度等の条件を満たす範囲でプラズマが均一になりやすいガスを入れたことを特徴とする。

このようにプラズマが均一になりやすいガスを入れることで、さらにプラズマ発生状況が均一になり、このガスは、 N ₂、 A r、 K r、 X eの不活性ガスのいずれか、若しくは複数種類を組み合わせたものであることが好ましい。図面の簡単な説明

第 1図は、発明になるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置の一実施例概略プロック図である。

第 2図は、放電電極をラダー型で構成した場合を説明するための図である。第 3図は、本発明における放電電極と給電用ケーブルの接続構成を説明する図である。

第 4図は、放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を 0 ： 1 0から 9 ： 1までの 1 0種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図である。

第 5図は、給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらせた場合の説明図である。第 6図は、従来の平行平板型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。

第 7図は、従来のラダー型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。

第 8図は、従来のラダー型電極の構造を説明するための図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の基本構成は、例えば電極サイズ 1 . 5 m X 1 . 2 m、ガス圧 1 2〜 2 0 P a ( 9 0〜1 5 O mT o r r )、高周波電源周波数 6 O MH z級のプラズマ化学蒸着装置を目指し、上記課題を解決するための手段に記載したように、プラズマ化学蒸着装置における放電電極の両端部にそれぞれ第 1と第 2の給電部を設け、その給電部に同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクノレを交互に実施し、各サイクルにおける異なる発生状況のプラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況、すなわち放電電極上の定在波分布が大面積で均一となるようにした。そしてさらに本発明においては、プラズマ発生状況を時間平均で均一化するため、次の 6つのことを実施できるようにしたもので、これにより l m X l mを越えるような非常に大きな基板を対象として、

1 . 異なる周波数の発振周波数を、時間的に変動させたり、

2 . ガス圧やガス種などのガス条件に応じ、第 1と第 2の給電部へ同一周波数を給電する時間と、異なった周波数を給電する時間の比、すなわちデューティ比を変化させたり、

3 . 第 1と第 2の給電部へ同一周波数を給電する際、どちらかの給電部に給電する高周波の位相を他方の給電部に給電する高周波の位相とずらしたり、

4 . 放電電極の給電部に、 D Cバイアス電圧を印加したり

5 .給電用ケーブルの出口における軸方向を、第 1と第 2の給電部を結ぶ方向（軸方向）と同一としたり、 6 . 製膜速度、セルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で均一なプラズマを発生しやすい N ₂、 A r、 K r、 X eの不活性ガスのいずれ力 \若しくは複数種類を組み合わせたものを適正比注入したりすることで、大面積で均一なプラズマを発生し、均一処理を行うことができるものである。以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

最初に本発明のプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置について説明し、その後高周波プラズマの大面積均一化方法について説明する。

第 1図は、本発明になるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置の一実施例概略プロック図、第 2図は放電電極をラダー型で構成した場合を説明するための図、第 3図は給電用ケーブルの出口における軸方向を、第 1と第 2の給電部を結ぶ方向（軸方向）と同一とする場合の構成図、第 4図は放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を 0 ： 1 0 から 9 ： 1までの 1 0種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図、第 5図は給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図である。

第 1図において、 1は内部が気密に作られたプラズマ化学蒸着装置、 2は放電電極、 3、 4は放電電極 2へ高周波を給電するための第 1と第 2の給電部、 5は不要なプラズマが生成しないように設けたアースシールド、 6は放電電極 2から例えば 2 0〜 3 4 mm程度離して設置し、基板 7を保持、加熱するための図示していない機構と加熱するためのヒータを内蔵している加熱支持手段、 8は図示しないガス供給源に連通し、例えば製膜のためのシラン（S i H₄) ガスやセルフクリーニングのための N F ₃ガスなどの反応ガス 9を導入するためのガス導入管、 1 0は排気管、 1 1はプラズマ化学蒸着装置 1内の内圧を 1 X 1 0— ⁶ T o r r程度まで真空排気可能な真空ポンプ、 1 2、 1 3は第 1と第 2の高周波電源 A、 B を構成する R Fアンプ、 1 4は例えば 6 0 MH zの高周波（R F) を発振して高周波電源（R Fアンプ） Aと切り替えスィッチ 1 6に送ると共に、どちらかの高周波を位相変調することができるフェーズシフターを有した第 1の高周波（R F) 発振器、 1 5は例えば 5 8 . 5 MH zの高周波（R F) を発振すると共に、この周波数を例えば 58. 5MHzから 59. 9MHz、あるいは 60. 1MHzから 61. 5 MHzのように変動可能に構成した第 2の高周波（RF) 発振器、 1 6は第 1と第 2の高周波発振器 14、 15からの高周波を受け、これを切り替えて高周波電源 B 13に供給する切り替えスィツチ、 17は、切り替えスィツチ 1 6による第 1と第 2の高周波発振器 14、 15からの高周波の切り替えに際し、これらの高周波の時間割合、すなわちデューティ比を変化させるファンクションジェネレータ、 18は電流のリターン路である。また第 3図において、 20は第 1図における放電電極 2をラダー型電極で構成した場合の 1つの電極を示したもの、 21、 22は高周波を放電電極 2 (20) に給電する給電用ケーブル、 23 は D Cパイァス電源である。

このうち第 1の高周波発振器 14は、前記したように例えば 60 MHzの高周波を発振してこれを高周波電源 A 12、切り替えスィッチ 16に送り、第 2の高周波発振器 15は例えば 58. 5MHzの高周波を発振して切り替えスィッチ 1 6に送る。そしてこの切り替えスィッチ 16は、第 1の高周波発振器 14から送られてきた 6 OMHzと第 2の高周波発振器 15から送られてきた 58. 5MH zの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源 B 13に送る。そのため高周波電源 A 12は、 60 MH zの高周波を第 1の給電部 3に給電し、高周波電源 B 13は、一定サイクルで切り替わる 6 OMH zと 58. 5MHzの高周波を第 2 の給電部 4に給電する。

そして、この切り替えスィッチ 16による第 1の高周波発振器 14から送られてきた 6 OMHzと第 2の高周波発振器 15力、ら送られてきた 58. 5MHzの高周波の切り替えは、ガス圧やガス種などのガス条件に応じたファンクションジエネレータ 17からの信号で、その時間割合、すなわちデューティ比を変化できるようになっている。また第 1の高周波発振器 14は、内部にフェーズシフターを有し、高周波電源 A12、または切り替えスィッチ 16のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波とは位相をずらせられるようにしてあり、更に第 2の高周波発振器 15は、その発振周波数を例えば 58. 5 MHzから 59. 9 MHz, あるいは 60. 1MHzから 61. 5 MHzのように変動可能に構成してある。

—方ブラズマ化学蒸着装置 1の放電電極 2は、第 2図に示したように例えばラダー型に構成され、第 1の給電部 3、第 2の給電部 4は、図のように放電電極 2 の両端部に黒丸で示した例えば 8ボイントずつで構成する。そしてこの放電電極 2の給電部 3、または 4へ高周波を給電する給電用ケーブルは、放電用ラダー型電極の 1つを 2 0として示した第 3図における 2 1、 2 2のように、出口の軸方向をラダー型電極 2 0の第 1と第 2の給電部 3、 4を結ぶ方向（軸方向）と一致させて接続し、またこの放電電極 2 ( 2 0 ) には、 D Cバイアス電源 2 3から D Cバイアスを印加してある。なお、以上の説明では放電電極 2をラダー型とし、給電部 3、 4を 8ポイントずっとして説明したが、本発明はラダー型電極に限らず平板型電極においても応用可能であり、また給電ボイントも 8ポイントのみに限らず、 4ポイント、 1 6ポイントなど、必要に応じてポイント数を設定できる。このように、放電電極 2の給電部 3、または 4へ高周波を給電する給電用ケーブル 2 1、 2 2の出口軸方向を放電用ラダー型電極 2 0の軸方向と一致させて接続すると、給電パワーがスムーズにラダー型電極 2 0に入ってゆき、電流リタ一ン距離が最小化されて給電部での電力口スが低減し、ブラズマ領域の拡大を図ることができる。なお、この給電用ケーブル 2 1、 2 2は同軸ケーブル、平行平板、平行線など、どのような形状のものでも良い。

また、この放電電極 2に D Cバイアス電源 2 3から D Cバイアスを印加すると放電電極 2のシースキャパシタンスを減少させることができ、電圧分布が均一化の方向に向かつて定在波波長を増加させ、プラズマ密度を平均化させることができる。シースキャパシタンスというのは、プラズマが生成される過程でラダー型電極 2 0の周りにシースと呼ばれる電子の集まりができ、この電子の集まりで一種の絶縁を保つたような状態が生じて直流的な電流が流れず、あたかもコンデンサが電極の周りにあるような状態になることをいい、負の D Cバイァスをかけてやると電子が拡散し、このシースキャパシタンスを減少させることができる。そのため定在波の波長間隔が大きくなり、プラズマの均一化を図ることができる。このように構成した本発明のプラズマ化学蒸着装置 1を用い、 a— S i、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や、これらの製腠によってチェンパ内に堆積した a— S iの N F ₃ガスによるセルフクリーユングなどを行う場合、例えば製膜においては、 2 0 0 °Cに設定した加熱支持手段 6に基板 7を取り付け、ガス導入管 8からシラン（S iH₄) ガスなどの反応ガス 9をたとえば流速 50 s c c mで導入し、排気管 10に接続した真空ポンプ 11の排気速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置 1内の圧力をたとえば 10 OmT o r rに調節する。

そして、第 1の高周波発振器 14からは例えば 60 MHzの高周波を、第 2の高周波発振器 15からは例えば 58. 5MHzの高周波を、それぞれ高周波電源 A12、切り替えスィッチ 16に送る。そしてこの切り替えスィッチ 16により、第 1の高周波発振器 14から送られてきた 6 OMHzと第 2の高周波発振器 15 から送られてきた 58. 5 MHzの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源 B 13に送る。すると高周波電源 A 12は、 6 OMHzの高周波を第 1の給電部 3に給電し、高周波電源 B 13は、一定サイクルで切り替わる 6 OMH zと 5 8. 5 MHzの高周波を第 2の給電部 4に給電する。

すると放電電極 2と基板 7との間にブラズマが発生し、ガス導入管 8から導入されたシラン（S iH₄) ガスなどの反応ガス 9が分解し、基板 7上に a— S i が製膜されてゆく。なお、前記した NF ₃ガスによるプラズマ化学蒸着装置 1內のセルフクリーユングも全く同様であり、 NF₃ガスがプラズマによって分解してフッ素ラジカルになり、クリーニングが行われる。

そしてこのとき発生したプラズマは、第 1と第 2の給電部 3、 4に同じ 60M Hzの高周波が給電された時と、第 1の給電部 3に 6 OMHzの高周波、第 2の給電部 4に 58. 5MHzという具合に異なる周波数の高周波が給電された時とでは、第 4図に示したようにその発生状況が異なる。すなわちこの第 4図に示したグラフは、前記したようにプラズマ化学蒸着装置 1にシラン（S iH₄) ガスなどの反応ガス 9を導入し、放電電極 2の第 1と第 2の給電部 3、 4に同じ周波数（60MHz) の高周波を給電した時間と、異なる周波数の高周波を給電（第 1の給電部 3に 6 OMHz、第 2の給電部 4に 58. 5 MHzを給電）した時間の比を 0 ： 10から 9 ： 1までの 10種でプラズマの発生状況を調べたものである。 .

この第 4図において、横軸は第 1の給電部 3 (O cm) 力らの距離を示し、右端（110 cm)が第 2の給電部 4に相当する。縦軸はプラズマの電圧相対値で、この値が高いほどプラズマ密度が高くなる。図中 aの線は、給電した周波数が異なる場合の時間を 1 0とし、同一周波数を給電した場合の時間を 0、すなわち給電した周波数が異なる場合のみのプラズマ発生状況を示し、 bの線は同じく異なる周波数 9に対して同じ周波数が 1の場合で、以下同様に nの線は異なる周波数 1に対して同じ周波数が 9の場合である。

このグラフからわかるように、第 1と第 2の給電部 3、 4に異なる周波数を給電した aでは、放電電極 2の両端部、すなわち給電部 3、 4付近で最もプラズマ密度が高く、中央部で最もプラズマ密度が低くなつている。それに対し、第 1と第 2の給電部 3、 4に同じ周波数を給電した割合が最も高い nでは、放電電極 2 の中央部で最もプラズマ密度が高く、中央部から両端の給電部 3、 4に近付くに従って低くなり、給電部 3、 4付近でまた多少高くなつている。そして、第 1と第 2の給電部 3、 4に異なる周波数を給電する時間と、同一周波数を給電する時間を 5対 5の同じとした f では、この aと nのプラズマ発生状況が足し合わされ、放電電極 2の両端部でプラズマ密度が多少高くなっているが、中央部の広範囲で均一なプラズマ発生状況となっている。

すなわちこの第 4図のグラフは、 6 0 MH zという高高周波において放電電極 2の両端の給電部 3、 4に同一周波数の高周波を給電した場合は中央部でブラズマ密度が高くなり、異なる周波数の高周波を給電した場合は中央部の密度が低くなることを示しており、これを適宜なサイクルで交互に行うことで、大面積においてプラズマ発生状況を均一化できる。なおこの給電部 3、 4に同一周波数と異なる周波数の高周波を交互に給電するサイクルの切り換えは、 1回ノ秒から 1 0

0 0万回 Z秒までほぼ同一の効果が得られた。

そして本発明においては、さらに第 2の高周波発振器 1 5の発振周波数を、例えば 5 8. 5 MH zから 5 9. 9 MH z、あるいは 6 0. 1 MH zから 6 1 . 5 MH zのように、時間的に変動させてやる。するとこの周波数の変動によってプラズマ発生状況を意図的に変えることができ、時間平均的にブラズマ密度をさらに平均化することができる。

また、第 1の高周波発振器 1 4に含まれるフェーズシフタ一により、高周波電源 A 1 2、または切り替えスィッチ 1 6のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波に対して位相をずらしてやる。すると、例えば第 5図に 5 0の実線で示したように、位相がずれていない時に放電電極 2の中央部でプラズマ密度が高くなる給電状態においては、位相をずらすことによって、プラズマ密度の高い位置を

5 1、または 5 2の破線、または一点鎖線で示したように左右にずらすことができる。そのため、時間平均で見るとさらに広範囲でプラズマ密度を均一化できる。また、ガス圧やガス種などのガス条件が変化した場合は、ファンクションジェネレ一タ 1 7から切り替えスィッチ 1 6に信号を送り、切り替えスィッチ 1 6に送られてくる第 1の高周波発振器 1 4からの高周波と、第 2の高周波発振器 1 5 からの高周波の高周波電源 B 1 3へのそれぞれの送出時間比、すなわちデューティ比（D u t y比）を第 4図に示したように変化させる。このようにすることで、放電電極 2の第 1と第 2の給電部 3、 4における同一周波数の高周波が給電される時間と、異なった周波数の高周波が給電される時間の比（デューティ比）が変化し、それによって第 4図に示したようにブラズマの発生状況を種々変化させることができるようにしてある。

これは、ガス圧、ガス種などのガス条件によって同じデューティ比でもプラズマの発生状況が異なることに対処するためのもので、放電がおきやすいガス条件の場合、放電電極 2の両端部 3、 4から給電した電力は放電電極 2の中央部に達する前に放電してしまい、中央部での放電が少なくなる。そのため、第 4図における aのグラフのように放電電極 2の中央部でプラズマ発生密度が低くなるから、この場合は、同一周波数の高周波を給電する時間を長くし、逆に中央部のプラズマ密度が高くなつたときは同一周波数の高周波を給電する時間を短くする。これによって、ガス圧、ガス種類などのガス条件が変化しても、中央部のプラズマ密度がコント口ールでき、さらに均一化することが可能となる。

なお、以上説明してきた方法で製膜やセルフクリーニングを実施する際、製膜速度やセルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で、均一なプラズマを発生しゃすい N₂、 A r , K r、 X eのいずれか、若しくは複数種類を組み合わせたものを適正比（0 . 1〜2 5 %程度）注入してやると、さらに均一な製膜、及ぴセルフクリーニングが実現できる。なお、以上の説明してきた実施例は、それぞれ単独で用いても良いが、これらを複数組み合わせて用いることにより、さらに効果を増すことができる。すなわち、例えば、ガス圧やガス種などのガス条件に応じて切り替えスィッチ 1 6による第 1の高周波発振器 1 4から送られてきた 6 O MH zと第 2の高周波発振器 1 5から送られてきた 5 8. 5 MH zの高周波の切り替えデューティ比を変化させ、第 1の高周波発振器 1 4内のフェーズシフターによって高周波電源 A 1 2、または切り替えスィッチ 1 6のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波とは位相をずらせる、さらに放電電極 2の給電部 3、または 4へ高周波を給電する給電用ケーブルを、第 3図における 2 1、 2 2のように、出口の軸方向をラダー型電極 2 0の第 1と第 2の給電部 3、 4を結ぶ方向（軸方向）と一致させて接続して、放電電極 2 ( 2 0 ) には、 D Cバイアス電源 2 3から D Cバイアスを印加するなどを組み合わせるわけである。

このようにすることにより、ガス圧、ガス種類などのガス条件が変化しても、中央部のプラズマ密度のコント口ールによる均一化、第 5図に示したようにプラズマ密度の高い位置を 5 1、または 5 2の破線、または一点鎖線で示したように左右へ移動させることによる均一化、放電電極 2の給電部 3、または 4への高周波の給電パワーのスムーズな導入による電流リターン距離の最小化により、給電部での電力ロスの低減とプラズマ領域の拡大、 D Cバイアスの印加による放電電極 2のシースキャパシタンスの減少による電圧分布の均一化と定在波波長の増加により、プラズマ密度を平均化させるなどの複合的な効果を得ることができる。このように本発明においては、プラズマ化学蒸着装置における放電電極の両端部に設けた給電部に同一周波数の高周波を給電するサイクルと、異なった周波数の高周波を給電するサイクルを交互に実施することで、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況を大面積で均一とすることができ、さらに本発明においては、以上説明してきたような、

1 . 異なる周波数の発振周波数を、時間的に変動させる。

2. ガス圧やガス種などのガス条件に応じ、第 1と第 2の給電部へ同一周波数を給電する時間と、異なった周波数を給電する時間の比、すなわちデューティ比を変ィ匕させる。

3. 第 1と第 2の給電部へ同一周波数を給電する際、どちらかの給電部に給電する高周波の位相を他方の給電部に給電する高周波の位相とずらす。

4. 放電電極の給電部に、 DCバイアス電圧を印加する。

5.給電用ケーブルの出口における軸方向を、第 1と第 2の給電部を結ぶ方向（軸方向）と同一とする。

6. 製膜速度、セルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で均一なプラズマを発生しやすい N ₂、 Ar、 Kr、 X eの不活性ガスのいずれか、若しくは複数種類を組み合わせたものを適正比注入する。

等のことを実施することで、例えば電極サイズ 1. 5mX 1. 2m、ガス圧 12 〜20 P a (90〜15 OmTo r r)、高周波電源周波数 60 MHz級のプラス、マ化学蒸着装置による製膜やセルフクリーニングを可能としたものである。産業上の利用可能性

以上記載の如く本発明によるプラズマ化学蒸着装置によれば、圧力条件、流量条件などのガス条件が変わった場合でもハードをきわることなく、高周波電源周波数の変動、デューティ比の変更、位相の変調、 DCバイアスの印加など、ソフト的な調整だけで常に均一なプラズマが得られ、高速で均一な製膜、均一なセルフクリーユングを行うことが可能となる。そのため、大面積製膜における製膜製品の歩留まりの向上、コスト低減という大きな成果を得ることができ、さらに、ハード調整が少なレ、から初期調整が容易となってランニングコストも低減できるなど、大きな効果をもたらすものである。

Claims

請求の範囲

1 . プラズマ化学蒸着装置の放電電極へ高周波を給電してプラズマを発生させるようにしたプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法であって、

前記放電電極両端部に第 1と第 2の給電部を設け、該第 1と第 2の給電部に同一周波数の高周波を給電する第 1のサイクルと、異なった周波数の高周波を給電する第 2のサイクルを交互に実施し、各サイクルにおける定在波の発生位置の異なるプラズマにより、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

2. 前記第 2のサイクルにおける一つの周波数を時間的に変動させ、プラズマ発生状況を意図的に変化させて時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載したブラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

3 . 前記第 2のサイクルにおいて用いる高周波の一つの周波数は、前記第 1 のサイクルにおける高周波の周波数と同じにしたことを特徴とする請求の範囲第

1項、または第 2項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

4. 前記第 1と第 2のサイクルの切り換えを、 1回 Z秒から 1 0 0 0万回 Z 秒の間で交互に行うことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載したブラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

5 . 前記第 1のサイクルと第 2のサイクルの時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波ブラズマの大面積均一化方法。

6 . 前記第 1のサイクルにおける第 1、または第 2の給電部へ給電するどちらかの周波数の高周波を位相変調し、他方の給電部に給電する高周波とは位相をずらせてプラズマの発生状況を変化させ、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

7. 前記放電電極の給電部へ直流パイァスを印加し、発生するブラズマ密度を大面積で均一化させたことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

8 . 前記第 1と第 2の給電部への給電ケーブル軸方向を放電電極軸方向と一致させ、電流リターン距離を最小化して給電部での電力ロスを低減し、プラズマ領域の拡大を図ったことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

9 . 前記プラズマ化学蒸着装置内に、プラズマ化学蒸着による製膜の速度、及びプラズマ化学蒸着装置のセルフクリ一ユング速度等の条件を満たす範囲でプラズマが均一になりやすいガスを入れたことを特徴とする請求の範囲第 1項記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

1 0. 前記ガスは、 N ₂、 A r、 K r、 X eの不活性ガスのいずれか、若しくは複数の不活性ガスを組み合わせたものであることを特徴とする請求の範囲第 9項に記載したブラズマ化学蒸着装置における高周波ブラズマの大面積均一化方法。

1 1 . 前記第 1のサイクルと第 2のサイクルの時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類で変化させると共に、前記第 1のサイクルにおける第 1、または第 2の給電部へ給電するどちらかの周波数の高周波を位相変調し、他方の給電部に給電する高周波とは位相をずらせ、さらに前記放電電極の給電部へ直流バイアスを印加すると共に、前記第 1と第 2の給電部への給電ケーブル軸方向を放電電極軸方向と一致させて電流リターン距離の最小化と給電部での電力ロスの低減、及びプラズマ領域の拡大を図り、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化方法。

1 2. 放電電極に設けた第 1と第 2の給電部に高周波を給電してプラズマを発生させるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置であって、

前記高周波電源 Bからの第 2の給電部への給電周波数を前記周波数切り替え手段で切り替えることにより、各切り替えサイクルの周波数差でプラズマ発生状況を異ならせ、時間平均でみたとき、プラズマの発生状況が大面積で均一となるようにしたことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。

1 3 . 前記第 2の発振器は、発振周波数を可変に構成したことを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。

1 4. 前記周波数切り替え手段が切り替える第 1と第 2の周波数の時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類に対応する信号を入力し、該ガスの圧力、ガスの種類に適した時間比の値に変化させるファンクションジエネレータを有することを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。

1 5. 前記第 1の発振器から前記高周波電源 A、または前記周波数切り替え手段へのどちらかに供給する高周波の位相を変調する位相変調手段を有することを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波ブラズマの大面積均一化装置。

1 6 . 前記放電電極の給電部へ直流パイァスを印加する手段を設けたことを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載したブラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。

1 7 . 前記放電電極の給電部への給電用ケーブルの軸方向を、放電電極軸方向と一致させて取付けたことを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載したブラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。

1 8 . 前記第 1と第 2の給電部を放電電極の両端部に設けたことを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマの大面積均一化装置。

1 9. 前記周波数切り替え手段が切り替える第 1と第 2の周波数の時間比を、用いるガスの圧力、ガスの種類を入力し、該ガスの圧力、ガスの種類に適した値に変化させるファンクションジエネレータと、前記第 1の発振器から前記高周波電源 A、または前記周波数切り替え手段へのどちらかに供給する高周波の位相を変調する位相変調手段と、前記放電電極の給電部へ直流パイァスを印加する手段と、前記放電電極の給電部へ、軸方向が放電電極軸方向と一致させて取付けた給電用ケーブルとを有することを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載したプラズマ化学蒸着装置における高周波ブラズマの大面積均一化装置。