等離子體處理裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種等離子體處理裝置，包括：陽(yáng)極電極；陰極電極，在與陽(yáng)極電極相向的面具有設(shè)置著開(kāi)口部的貫通孔；氣體供給裝置，對(duì)陽(yáng)極電極與陰極電極間導(dǎo)入工藝氣體；以及交流電源，對(duì)陽(yáng)極電極與陰極電極間供給交流電力，在陽(yáng)極電極與陰極電極間使工藝氣體成為等離子體狀態(tài)。
【專利說(shuō)明】等離子體處理裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生等離子體而進(jìn)行基板處理的等離子體處理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體元件的制造步驟中，因具有容易進(jìn)行高精度的工藝控制的優(yōu)點(diǎn)，所以成膜步驟、蝕刻步驟、灰化(ashing)步驟等中使用等離子體處理裝置。作為等離子體處理裝置，例如已知有等離子體化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)裝置、等離子體蝕刻裝置、等離子體灰化裝置等。例如在等離子體CVD裝置中，利用高頻電力等將原料氣體等離子體化，并利用化學(xué)反應(yīng)在基板上形成薄膜。
[0003]此外，提出為了均勻地獲得等離子體密度，而使用了從陰極電極的內(nèi)部供給工藝氣體(process gas)的簇射電極(shower electrode)的等離子體處理裝置,或?yàn)榱水a(chǎn)生更高密度的等離子體而在簇射電極中利用了空心陰極放電的等離子體處理裝置(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。
[0004]【背景技術(shù)】文獻(xiàn)
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開(kāi)2004-296526號(hào)公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明所要解決的課題
[0008]然而，為了利用簇射電極進(jìn)行等離子體處理，而必須在陰極電極的表面形成多個(gè)直徑為0.3mm?0.4mm左右的微細(xì)的孔。因此，陰極電極的制造或保養(yǎng)困難，且成本高。而且，有時(shí)會(huì)因簇射電極的堵塞而無(wú)法連續(xù)使用。在利用了空心陰極放電的等離子體處理裝置中也會(huì)同樣地產(chǎn)生這些問(wèn)題。而且，引用例中，是僅在與陰極相向的一個(gè)面上生成等離子體的構(gòu)成，而難以在陰極電極的兩面均勻且穩(wěn)定地生成高密度的等離子體。
[0009]鑒于所述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供可在陰極電極的兩面均勻且穩(wěn)定地生成高密度的等離子體的等離子體處理裝置。
[0010]用于解決課題的手段
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，提供一種等離子體處理裝置，包括:陽(yáng)極電極，安裝基板；陰極電極，以與陽(yáng)極電極相向的方式而配置，在相向的面具有設(shè)置著開(kāi)口部的貫通孔；氣體供給裝置，對(duì)陽(yáng)極電極與陰極電極間導(dǎo)入工藝氣體；以及交流電源，對(duì)陽(yáng)極電極與陰極電極間供給交流電力，在陽(yáng)極電極與陰極電極間使工藝氣體成為等離子體狀態(tài)；腔室，存儲(chǔ)陽(yáng)極電極與陰極電極；排氣泵及排氣速度控制部，所述排氣泵對(duì)腔室進(jìn)行真空排氣，所述排氣速度控制部調(diào)整排氣速度；以及壓力測(cè)定器，測(cè)定腔室內(nèi)部的壓力。
[0012]發(fā)明的效果
[0013]根據(jù)本發(fā)明，可提供能夠在陰極電極的兩面均勻且穩(wěn)定地生成高密度的等離子體的等離子體處理裝置。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的構(gòu)成的示意圖。
[0015]圖2是用以說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的貫通孔的等離子體區(qū)域的示意圖(其一)。
[0016]圖3是用以說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的貫通孔的等離子體區(qū)域的示意圖(其二)。
[0017]圖4是用以說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的貫通孔的等離子體區(qū)域的示意圖(其三)。
[0018]圖5是用以說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的貫通孔的等離子體區(qū)域的示意圖(其四)。
[0019]圖6是用以說(shuō)明比較例的空心陰極放電的示意圖。
[0020]圖7是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的陰極電極的構(gòu)造例的示意圖。
[0021]圖8是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的形成于陰極電極中的貫通孔的開(kāi)口部的配置例的示意圖。
[0022]圖9是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的放電狀態(tài)的示意圖。
[0023]圖10是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的其他放電狀態(tài)的示意圖。
[0024]圖11是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置的空心陰極放電的條件的表格。
[0025]圖12是電子的平均自由工程與壓力的關(guān)系的曲線圖。
[0026]圖13是德拜長(zhǎng)度(Debye length)的計(jì)算值的例子的表格。
[0027]圖14是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的第一變形例的等離子體處理裝置的構(gòu)成的示意圖。
[0028]圖15是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的第二變形例的等離子體處理裝置的構(gòu)成的示意圖。
[0029]圖16是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的等離子體處理裝置的構(gòu)成的示意圖。
[0030]圖17是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的等離子體處理裝置的其他構(gòu)成的示意圖。
[0031]圖18是本發(fā)明的第二實(shí)施方式的變形例的等離子體處理裝置的構(gòu)成的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]接著，參照附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方式及第二實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。以下的附圖的記載中，對(duì)相同或類(lèi)似的部分附上相同或類(lèi)似的符號(hào)。其中，應(yīng)留意附圖為示意性的圖。而且，以下所示的第一實(shí)施方式及第二實(shí)施方式是例示用于將本發(fā)明的技術(shù)思想具體化的裝置或方法，本發(fā)明的實(shí)施方式并未將構(gòu)成零件的構(gòu)造、配置等特定為下述內(nèi)容。
[0033](第一實(shí)施方式)
[0034]本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置10如圖1所示包括:陽(yáng)極電極11，安裝處理基板；陰極電極12，在與陽(yáng)極電極11相向的面具有設(shè)置著開(kāi)口部的貫通孔120 ;氣體供給裝置13，對(duì)陽(yáng)極電極11與陰極電極12間導(dǎo)入工藝氣體100 ;以及交流電源14，對(duì)陽(yáng)極電極11與陰極電極12間供給交流電力，在陽(yáng)極電極11與陰極電極12間使工藝氣體100成為等離子體狀態(tài)。如圖1所示，陽(yáng)極電極11與陰極電極12為平板型，等離子體處理裝置10利用電容稱合型等離子體(Capacitively Coupled Plasma)。電容稱合方式的電極間的距離理想的是大致均勻。
[0035]表面設(shè)置著開(kāi)口部的陰極電極12，作為生成空心陰極放電的空心陰極電極而發(fā)揮功能。以下對(duì)空心陰極放電進(jìn)行說(shuō)明。
[0036]在普通的電容耦合型等離子體中，以利用對(duì)陰極電極12的表面的入射離子而放出的二次電子(Secondary electron)為起點(diǎn),連鎖地將氣體分子離子化，由此維持著電離。在本發(fā)明的情況下，在除貫通孔120的內(nèi)部以外的陰極電極12的表面的等離子體生成就是這種情況。另一方面，貫通孔120內(nèi)部的等離子體生成為空心陰極放電，空心陰極放電中，在陰極電極12的貫通孔120內(nèi)部，電子被封入到貫通孔120內(nèi)部且具有運(yùn)動(dòng)能量，由此形成高密度電子的空間。也就是，由設(shè)置于陰極電極12的貫通孔120的側(cè)壁上所產(chǎn)生的陰極壓降(cathode drop)而德拜遮斷，電子入射到貫通孔120的側(cè)壁而不會(huì)消失。也就是,通過(guò)在貫通孔120內(nèi)部重復(fù)進(jìn)行電子從相向的壁面反彈的被稱作“擺動(dòng)(Pendulum movement)效果”這樣的回彈，而在貫通孔120內(nèi)部形成著高密度電子空間。與氣體分子碰撞的電子重復(fù)進(jìn)行非彈性碰撞，以維持、促進(jìn)電離。這些電子在貫通孔120內(nèi)部向各個(gè)方向散射，重復(fù)進(jìn)行電離放大與累積電離。
[0037]參照?qǐng)D2?圖5對(duì)所述現(xiàn)象進(jìn)行說(shuō)明。圖2是將圖1所示的區(qū)域A放大所得的圖。在陽(yáng)極電極11與陰極電極12間形成著輝光放電(glow discharge)區(qū)域101,在形成于陰極電極12的貫通孔120內(nèi)部形成著空心放電區(qū)域102。另外，在陽(yáng)極電極11及陰極電極12與輝光放電區(qū)域101間分別形成著鞘層區(qū)域(sheath area)200。而且，貫通孔120內(nèi)部，在陰極電極12與空心放電區(qū)域102間形成著鞘層區(qū)域200。陽(yáng)極電極11與陰極電極12間的間隔設(shè)為距離S。
[0038]如圖3所示,侵入到貫通孔120的離子50利用鞘層區(qū)域200而加速,而碰撞到陰極電極12的內(nèi)壁面。
[0039]從壁面放射的二次電子60如圖4所示,利用鞘層電場(chǎng)(sheath electric field)而向與壁面垂直的方向加速。加速后獲得足夠的能量的二次電子60碰撞到中性氣體分子70，從而引起電子雪崩。由此，貫通孔120內(nèi)部的電子密度急速增大。
[0040]如圖5所示，從壁面放射的二次電子60中的到達(dá)相反側(cè)的壁面近處的電子61，在相反側(cè)的鞘層電場(chǎng)中回彈而被推回到等離子體中。這被稱作擺動(dòng)效果，貫通孔120內(nèi)的電子的存在確立飛躍性地增加。利用這些作用，貫通孔120內(nèi)維持著高電子密度，成為與形成于平行平板間的輝光放電不同的等離子體構(gòu)造。
[0041]侵入到高電子密度區(qū)域的氣體分子重復(fù)進(jìn)行電離與再結(jié)合，再結(jié)合時(shí)作為高輝度的發(fā)光而被觀測(cè)到。高密度等離子體中生成的前驅(qū)體80為自由基種，與電極電位無(wú)關(guān)而向貫通孔120的外側(cè)擴(kuò)散，在配置于例如陽(yáng)極電極11的基板表面形成薄膜。
[0042]用以高效地獲得均勻的高電子密度的貫通孔120的直徑，是根據(jù)壓力、溫度、工藝氣體種類(lèi)及該電子的平均自由工程而進(jìn)行研究。關(guān)于貫通孔120的直徑將于以下進(jìn)行敘述。
[0043]另外，根據(jù)所述原理，對(duì)于陰極電極12，優(yōu)選為廉價(jià)且加工容易、且清洗等保養(yǎng)容易的碳材等。例如可利用氟酸處理，來(lái)清洗包含碳材的陰極電極12。而且，通過(guò)使用碳材，等離子體處理步驟中不會(huì)因高溫而產(chǎn)生變形?；蛘撸侨菀仔纬山饘傺趸さ匿X合金等適合于空心陰極電極的材料。此外，可將加入有碳纖維的碳、不銹鋼合金、銅、銅合金、玻璃、陶瓷等用于陰極電極12。或者,也可利用耐酸招處理、鍍敷、熱噴涂(thermal spraying)來(lái)對(duì)所述材料實(shí)施涂布。
[0044]關(guān)于陽(yáng)極電極11，也適合使用碳材。而且，可將加入有碳纖維的碳、鋁合金、不銹鋼合金、銅、銅合金、玻璃、陶瓷等用于陽(yáng)極電極11?；蛘撸部衫媚退徜X處理、鍍敷、熱噴涂來(lái)對(duì)所述材料實(shí)施涂布。
[0045]圖1所示的等離子體處理裝置10中，可將空心陰極放電產(chǎn)生的多個(gè)貫通孔120以一定的密度形成于陰極電極12的表面，由此可在陰極電極12的兩面容易達(dá)成均勻的高電子密度電場(chǎng)。這是因?yàn)椋媒?jīng)由貫通孔120的等離子體的兩極性擴(kuò)散的性質(zhì)，陰極電極12的兩面的等離子體密度的高低的差被自動(dòng)修正。
[0046]與此相對(duì)，研究圖6所示的比較例，該比較例中在陰極電極12A的表面形成凹部601，在凹部601的底面設(shè)置氣體噴出口 602。該比較例是采用從陰極電極12A的內(nèi)部供給工藝氣體100的簇射電極的例子。圖6所示的比較例中，凹部601的內(nèi)部為利用空心陰極放電而生成高密度等離子體的空間。構(gòu)成為如下:通過(guò)從形成于凹部601的底面的微小直徑的氣體噴出口 602噴出工藝氣體100，工藝氣體100有效地通過(guò)高密度等離子體空間。
[0047]然而，圖6所示的比較例中，難以對(duì)多個(gè)凹部601均勻地供給工藝氣體100，氣體噴出口 602的開(kāi)口直徑或長(zhǎng)度、工藝氣體100的流量或壓力等中有著各種制約。進(jìn)而，氣體噴出口 602為極微小的直徑，因而容易引起堵塞。在因堵塞而無(wú)法導(dǎo)入工藝氣體100的情況下，發(fā)生堵塞的凹部601中難以產(chǎn)生空心陰極放電，因而無(wú)法維持陰極電極12A的整個(gè)面的放電的均勻性。
[0048]另一方面，圖1所示的等離子體處理裝置10中，在利用空心陰極放電而生成了高密度等離子體的貫通孔120附近穩(wěn)定地流通工藝氣體。因此，在陰極電極12的兩面的各自的整個(gè)面維持著放電的均勻性。
[0049]貫通孔120優(yōu)選在陰極電極12的表面盡可能地形成多個(gè)。例如像六方密排配置等這樣，以在陰極電極12的表面密排地配置著開(kāi)口部的方式來(lái)形成貫通孔120。由此，在陰極電極12的表面均勻地形成高密度的等離子體。
[0050]圖7是形成著貫通孔120的開(kāi)口部的陰極電極12的表面的例子。此時(shí)，例如圖8所示，在貫通孔120的直徑為5mm的情況下，將上下方向上鄰接的貫通孔120間的中心間距設(shè)定為3mm,斜方向上鄰接的貫通孔120間的左右方向的距離設(shè)定為5.2mm。
[0051]另外，如圖7所示，氣體供給裝置13的噴出工藝氣體100的氣體供給噴嘴130朝向陰極電極12的底面，且有多個(gè)氣體供給噴嘴130的情況下，氣體供給噴嘴130沿著陰極電極12的底面排列。通過(guò)使氣體供給噴嘴130朝向陰極電極12的底面，而可對(duì)陰極電極12的兩面大致均等地供給工藝氣體100。
[0052]在工藝氣體100為混合著多種氣體的氣體的情況下，可從氣體供給噴嘴130供給混合著所有氣體的工藝氣體100，也可從針對(duì)每種氣體而不同的氣體供給噴嘴130分別供給氣體。
[0053]關(guān)于圖1所示的等離子體處理裝置10，為了有效地決定用以形成空心陰極放電的貫通孔120的尺寸，而必須研究電子的行為。以下說(shuō)明貫通孔120的電子的行為。
[0054]圖9是圖1的區(qū)域A的放電狀態(tài)的詳情。電子無(wú)法侵入到相對(duì)于陰極電極12的比德拜長(zhǎng)度Ad更內(nèi)側(cè)處，而是回彈。而且，從貫通孔120的內(nèi)壁面放出的電子在電子的平均自由工程附近與氣體分子發(fā)生第一次碰撞，將氣體分子離子化而生成等離子體。圖9中，由長(zhǎng)度a來(lái)表示將貫通孔120的直徑d減去兩側(cè)的德拜長(zhǎng)度Xd所得的距離。如果將電子的平均自由工程(mean free pass)設(shè)為b,則以下的式(I)成立:
[0055]a=2b+c…(I)
[0056]式(I)中，長(zhǎng)度c是貫通孔120內(nèi)部的除鞘層區(qū)域以外的區(qū)域的直徑方向的距離。貫通孔120的直徑d由以下的式(2)來(lái)表示:
[0057]d=a+2X λ d=2b+c+2X λ d...(2)
[0058]在c=0的情況下，無(wú)法確保具有足夠運(yùn)動(dòng)能量的電子的移動(dòng)空間，且無(wú)法在貫通孔120內(nèi)部確保足夠的等離子體生成空間。
[0059]另外，在如c > 5b這樣的貫通孔120的直徑d粗的情況下，如圖10所示，在貫通孔120內(nèi)部，高密度的等離子體以粘在貫通孔120的壁面的方式而生成。因此，在由長(zhǎng)度f(wàn)表示的貫通孔120的中心空間內(nèi)，等離子體密度變得稀薄。
[0060]另一方面，圖11所示，如果貫通孔120的直徑d減小，則由貫通孔120內(nèi)的長(zhǎng)度c表示的電子移動(dòng)范圍減小。因此，無(wú)法產(chǎn)生足夠的等離子體空間。
[0061]圖11所示氣體種類(lèi)為氨氣、溫度為673K的情況下的空心陰極放電所產(chǎn)生的壓力P，貫通孔120的直徑d的條件的表格。圖11中，將貫通孔120的直徑d相對(duì)于電子的平均自由工程Y的比為2.38、碰撞次數(shù)`為3.7作為產(chǎn)生空心陰極放電的條件。如圖11所示，貫通孔120的直徑d越小則長(zhǎng)度c越小，越難以確保等離子體生成空間。
[0062]如果長(zhǎng)度c為最佳，則確保具有足夠運(yùn)動(dòng)能量的電子的移動(dòng)空間，此外，確保足夠廣的高密度等離子體空間。
[0063]圖12所示溫度為673K時(shí)的電子的平均自由工程Y與壓力P的關(guān)系。圖12中，圓形記號(hào)為氨氣(NH3)的平均自由工程，三角形記號(hào)為單硅烷(SiH4)氣體的平均自由工程。另外，圖11中例示的壓力P=67Pa、87Pa、130Pa下的平均自由工程Y，在圖12中由中空的圓形記號(hào)及三角形記號(hào)來(lái)表示。
[0064]另外，德拜長(zhǎng)度λ d與電子溫度Te及電子密度ne的關(guān)系由以下的式(3)來(lái)表示:
[0065]λ d=7.4X 103X (Te/ne) 1/2…(3)
[0066]圖13是德拜長(zhǎng)度λ d的計(jì)算值的例子。此處，使用普通的高密度輝光放電等離子體的電子溫度與電子密度來(lái)算出德拜長(zhǎng)度Xd。另外，氣體分子的平均自由工程Ag由式
(4)來(lái)表不，電子的平均自由工程Xe由式(5)來(lái)表不:
[0067]λ g=3.11X10-24XT4/ (PXD)...(4)
[0068]λ θ=λ gX4X21/2…(5)
[0069]式(4)中，T為環(huán)境氣體溫度(K), P為壓力(Pa), D為氣體分子的直徑(m)。
[0070]通過(guò)如所述那樣來(lái)設(shè)定最佳的長(zhǎng)度C，而可決定貫通孔120的直徑d。也就是，根據(jù)規(guī)定的壓力、環(huán)境氣體溫度、氣體種類(lèi)，而可準(zhǔn)備以最佳效率地產(chǎn)生空心陰極放電的方式而專門(mén)設(shè)計(jì)的陰極電極12。
[0071]圖1所示的等離子體處理裝置10中，必須在貫通孔120的內(nèi)部最佳效率地利用電子的擺動(dòng)效果來(lái)產(chǎn)生空心陰極放電。此時(shí)，電子的平均自由工程由環(huán)境氣體溫度與壓力、氣體分子的大小來(lái)決定。
【發(fā)明者】等人使用形成著多個(gè)貫通孔120的陰極電極12，將單硅烷(SiH4)氣體與氨氣(NH3)的混合氣體用于工藝氣體100并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在將環(huán)境氣體溫度T設(shè)定為350°C?450°C，壓力P設(shè)定為67Pa的情況下，當(dāng)貫通孔120的直徑為5.0mm,陰極電極12的厚度、也就是貫通孔120的長(zhǎng)度t為5_，陽(yáng)極電極11與陰極電極12間的距離S為16mm時(shí)，可在陰極電極12的兩面獲得均勻的多空心(multi hollow)放電?！岸嗫招姆烹姟笔歉髫炌?20中分別產(chǎn)生的空心陰極放電結(jié)合而在陰極電極12的表面所產(chǎn)生的放電。
[0072]而且，在貫通孔120的直徑為3.9mm、2.9mm的情況下，如圖11所示,在壓力P分別為87Pa、130Pa附近獲得均勻的多空心放電。這在環(huán)境氣體溫度T為400°C時(shí)，成為單硅烷氣體中的電子的平均自由工程的4.72倍，氨氣中的電子的平均自由工程的2.38倍(單硅烷氣體中的電子的平均自由工程與氨氣中的電子的平均自由工程的比為1.98)。
[0073]因?qū)嶋H在工藝氣體100中使用混合氣體，所以是以氣體流量比多的氨氣中的電子的平均自由工程為基準(zhǔn)來(lái)估算貫通孔120的直徑d。具體來(lái)說(shuō)，使用單硅烷氣體與氨氣的混合氣體，在環(huán)境氣體溫度T為400°C、壓力P為67Pa時(shí)，將貫通孔120的直徑d設(shè)為5mm，在陰極電極12的兩面獲得均勻的多空心放電。CVD的工藝氣體通?；旌蠈?dǎo)入有單硅烷、氫、氮等氣體種類(lèi)，但在貫通孔120直徑的研究中，著眼于混合氣體中平均自由工程最長(zhǎng)的氣體種類(lèi)，來(lái)導(dǎo)出貫通孔120的直徑的最佳值。
[0074]另外，為了加工的容易性或以所期望的壓力獲得多空心放電，優(yōu)選將貫通孔120的直徑d設(shè)為3.8mm?8.0mm左右。這些尺寸比形成用于制造簇射電極所需的0.3mm?
0.4mm的孔容易。因此，可降低等離子體處理裝置10的制造成本。
[0075]另外，所述中已示出了貫通孔120的剖面為圓形的例子。然而，貫通孔120的剖面也可為直徑大致為3.8mm?8.0mm左右的多邊形。
[0076]而且，也可在陰極電極12上形成沿著長(zhǎng)軸方向的剖面形狀彼此相同的多個(gè)貫通孔120，或者，使沿著長(zhǎng)軸方向的剖面形狀的尺寸或形狀彼此不同的貫通孔120混合存在而形成。通過(guò)使直徑d不同的貫通孔120混合存在，在壓力或溫度、氣體種類(lèi)等不同的多個(gè)條件下，均可分別獲得多空心放電。
[0077]貫通孔120的長(zhǎng)軸方向的長(zhǎng)度、也就是陰極電極12的厚度t為了容易產(chǎn)生空心陰極放電，而設(shè)定為3mm?IOmm左右，優(yōu)選設(shè)定為5mm左右。
[0078]陽(yáng)極電極11與陰極電極12間的距離S優(yōu)選為IOmm?40mm左右。由此，可在陽(yáng)極電極11與陰極電極12間均勻地產(chǎn)生等離子體。
[0079]圖6所示的比較例等的現(xiàn)有方法中，從由空心陰極放電生成高密度等離子體的凹部601，如噴淋那樣均勻地放出工藝氣體100，由此可首次在陰極電極12A的整個(gè)面獲得等離子體的均勻性。
[0080]與此相對(duì)，圖1所示的等離子體處理裝置10中，不經(jīng)由陰極電極12而導(dǎo)入工藝氣體100。因貫通孔120的直徑d比簇射電極所需的孔的直徑大許多，所以不用擔(dān)心堵塞，此外保養(yǎng)也容易。
[0081]等離子體處理裝置10中，優(yōu)選在陽(yáng)極電極11與陰極電極12間，從下方朝向上方導(dǎo)入工藝氣體100。通過(guò)從下方導(dǎo)入工藝氣體100，而比重輕的等離子體化的氣體分子、自由基粒子作為上方流而沿陰極電極12的表面自然向上流動(dòng)。因此，即便不使用如簇射電極這樣的復(fù)雜構(gòu)造，也可對(duì)陰極電極12的表面均勻地供給工藝氣體。而且，由空心陰極放電生成的高密度等離子體的空間為貫通孔120，因而在陰極電極12的表背面確保了等離子體的連續(xù)性，且相互地自動(dòng)修正等離子體密度的高低。因此，等離子體處理裝置10中，在陰極電極12的兩面可生成均勻的高密度的等離子體。
[0082]另外，為了使工藝氣體100順暢地流動(dòng)，優(yōu)選陰極電極12的表面光滑，除貫通孔120的內(nèi)部表面以外，將表面粗糙度加工為3μπι以下。例如，將陰極電極12的表面平坦化為由“▽▽▽”表示加工記號(hào)的程度。也就是，優(yōu)選最大高度Ry為6.3S，十點(diǎn)平均粗糙度Rz為6.3Ζ，算術(shù)平均粗糙度Ra小于1.6a。通過(guò)減小陰極電極12的表面粗糙度，而可提高形成于基板I的薄膜的成膜速度。
[0083]如以上說(shuō)明的那樣，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的等離子體處理裝置10，通過(guò)在陰極電極12形成貫通孔120，而可在陰極電極12的兩面均勻且穩(wěn)定地生成高密度的等離子體。此外，與使用必需數(shù)千個(gè)以上的微細(xì)孔加工的簇射電極的裝置相比，等離子體處理裝置10的制造期間短，且制造良率提高。因此，等離子體處理裝置10的制造成本的增大得到抑制。
[0084]而且，根據(jù)等離子體處理裝置10，可與交流電源14的供給的交流電力的頻率無(wú)關(guān)地進(jìn)行大面積且均勻的高密度等離子體的生成。即便將交流電源14所供給的交流電力的頻率設(shè)定為例如60Hz~27MHz左右，也可生成均勻且高密度的等離子體。也就是，無(wú)須使用供給高價(jià)的甚高頻(very high frequency, VHF)波段的交流電力的交流電源。與此相對(duì),現(xiàn)有的平行平板型的等離子體處理裝置中，為了實(shí)現(xiàn)大面積且高密度的電容耦合高頻放電，例如必須代替13.56MHz的射頻(radio frequency, RF)波段的頻率,而使用13.56MHz以上的27MHz等VHF波段的頻率，以消除因等離子體密度的提高與駐波(standing wave)引起的等離子體密度的不均勻。
[0085]等離子體處理裝置10中，即便為像例如250KHz這樣的廉價(jià)的低頻RF波段，也可獲得與使用VHF波段的交流電源的 現(xiàn)有的等離子體處理裝置同等以上的高密度等離子體。
[0086]另外，也可將交流電源14輸出的交流電力經(jīng)由脈沖發(fā)生器(Pulse Generator)而供給到陽(yáng)極電極11與陰極電極12間。例如，將脈沖發(fā)生器的輸出供給到陰極電極12，而使陽(yáng)極電極11接地。通過(guò)以一定的周期使交流電力的供給停止，而穩(wěn)定地形成等離子體。這是為了通過(guò)在交流電力的供給中設(shè)置停止期間而電子的溫度下降，從而放電的穩(wěn)定性提聞。
[0087]例如，將供給交流電力的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)為600微秒、停止交流電力的供給的斷開(kāi)時(shí)間設(shè)為50微秒，且以使導(dǎo)通時(shí)間與斷開(kāi)時(shí)間交替重復(fù)的方式對(duì)陽(yáng)極電極11與陰極電極12間供給交流電力。另外，優(yōu)選在100微秒~1000微秒左右的范圍內(nèi)設(shè)定導(dǎo)通時(shí)間，在10微秒~100微秒左右的范圍內(nèi)設(shè)定斷開(kāi)時(shí)間。
[0088]通過(guò)如所述那樣對(duì)朝向陽(yáng)極電極11與陰極電極12間的交流電力的供給進(jìn)行脈沖控制，并使交流電力的供給周期性地導(dǎo)通、斷開(kāi)，而可抑制異常放電的發(fā)生。
[0089]<第一變形例>
[0090]圖14是陽(yáng)極電極11為一個(gè)情況下的等離子體處理裝置10的例子。當(dāng)如圖14所示僅在陰極電極12的單側(cè)的表面激發(fā)等離子體時(shí)，在從陰極電極12的未激發(fā)等離子體的面算起為距離k的位置配置陰極背板121。此時(shí)，為了在陰極電極12與陰極背板121間不產(chǎn)生等離子體，而以k<b (b:電子的平均自由工程)的方式來(lái)設(shè)定距離k。此時(shí)，從交流電源14對(duì)陰極電極12與陰極背板121供給交流電力。另外，對(duì)陽(yáng)極電極11與陰極電極12間、及陰極電極12與陰極背板121間導(dǎo)入工藝氣體100。
[0091]〈第二變形例〉
[0092]圖15是等離子體處理裝置10具有多個(gè)陰極電極12的例子。圖15所示的等離子體處理裝置10中，陽(yáng)極電極11與陰極電極12交替地配置著，且，最外側(cè)配置著陽(yáng)極電極
11。因此，陽(yáng)極電極11的塊數(shù)比陰極電極12多I塊。圖15中是陰極電極12為3塊的例子，但陰極電極12的塊數(shù)當(dāng)然不限于3塊。
[0093]通過(guò)采用圖15所示的構(gòu)成，可增加形成于陽(yáng)極電極11與陰極電極12的等離子體區(qū)域的數(shù)量。由此，等離子體處理裝置10的處理能力提高。
[0094](第二實(shí)施方式)
[0095]圖1所示的等離子體處理裝置10可適用于等離子體化學(xué)氣相沉積(CVD)裝置、等離子體蝕刻裝置、等離子體灰化裝置等。
[0096]圖16是將圖1所示的等離子體處理裝置10用于等離子體CVD裝置的例子。陽(yáng)極電極11及陰極電極12配置于腔室20內(nèi)，在陽(yáng)極電極11上配置成膜處理對(duì)象的基板I。陽(yáng)極電極11接地。
[0097]使用包含成膜用的原料氣體的氣體來(lái)作為工藝氣體100，從氣體供給裝置13經(jīng)由氣體供給噴嘴130而向腔室20內(nèi)導(dǎo)入工藝氣體100。
[0098]腔室20內(nèi)的壓力由電容表(capacitance gauge)等壓力測(cè)定器16而測(cè)定,利用作為將腔室20真空排氣的排氣泵且調(diào)整排氣速度的排氣速度控制部(APC) 15來(lái)調(diào)整腔室20內(nèi)的壓力。腔室20內(nèi)的工藝氣體100的壓力被調(diào)整為規(guī)定的氣壓后，利用交流電源14將規(guī)定的交流電力供給到陰極電極12與陽(yáng)極電極11間。由此，腔室20內(nèi)的工藝氣體100被等離子體化。通過(guò)將基板I暴露在所形成的等離子體中，以原料氣體中所含的原料為主成分的所期望的薄膜形成于基板I的露出的表面。
[0099]另外，也可利用圖16所示的基板加熱器21，來(lái)設(shè)定成膜處理中的基板I的溫度。通過(guò)將成膜處理中的基板I的溫度設(shè)定為規(guī)定的溫度，而可加快成膜速度，或提高膜質(zhì)。
[0100]如已說(shuō)明的那樣，圖1所示的等離子體處理裝置10中，在陰極電極12的表面生成均勻且高密度的等離子體。因此，根據(jù)圖16所示的等離子體CVD裝置，原料氣體被高效地分解，高速且大面積地在基板I上均勻地形成薄膜。因此，所形成的膜的膜厚、膜質(zhì)的均勻性提聞，并且成I旲速度提聞。
[0101]利用采用了等離子體處理裝置10的等離子體CVD裝置，并通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇原料氣體，而可形成所期望的薄膜。例如，可將硅半導(dǎo)體薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、碳薄膜等形成于基板I上。具體來(lái)說(shuō)，使用氨氣(NH3)與單硅烷(SiH4)氣體的混合氣體，在基板I上形成氮化硅(SiN)膜?；蛘?，使用單硅烷(SiH4)氣體與N20氣體的混合氣體、或四乙氧基娃燒(Tetraethoxysilane, TE0S)氣體與氧氣,在基板I上形成氧化娃(SiOx)膜。
[0102]圖17是與安裝于陰極電極12的交流電源14分開(kāi)地在陽(yáng)極電極11上安裝了交流電源17的例子。通過(guò)對(duì)陽(yáng)極電極11供給交流電力，而可提高形成于基板I上的薄膜的膜質(zhì)。交流電源17供給的交流電力的頻率可與交流電源14的供給的交流電力的頻率同等或比其低。例如，交流電源17所供給的交流電力的頻率設(shè)定為60Hz?27MHz左右。
[0103]另外，并未從交流電源14供給交流電力，而僅從交流電源17供給交流電力，由此可清潔陽(yáng)極電極11。具體來(lái)說(shuō)，將濺射用的氣體導(dǎo)入腔室20內(nèi)，通過(guò)一邊從交流電源17供給交流電力一邊進(jìn)行的濺射蝕刻，來(lái)清潔陽(yáng)極電極11。
[0104]而且，在圖14所示的陽(yáng)極電極11為一個(gè)的情況下，也將在陰極電極12與陽(yáng)極電極11上分別安裝著交流電源14、交流電源17的圖18所示的等離子體處理裝置10，用于等離子體CVD裝置中。另外，如已說(shuō)明的那樣，以k < b的方式來(lái)設(shè)定從陰極電極12的未激發(fā)等離子體的面到陰極背板121為止的距離k。
[0105]另外，通過(guò)將圖15所示的具有多個(gè)陰極電極12的等離子體處理裝置10應(yīng)用于等離子體CVD裝置中，而一次成膜的基板的數(shù)量增大，從而可提高成膜處理能力。
[0106]以上說(shuō)明了將圖1所示的等離子體處理裝置10應(yīng)用于等離子體CVD裝置的例子。在圖15或圖16所示的構(gòu)成中，通過(guò)更換工藝氣體100的氣體種類(lèi)，而可將圖1所示的等離子體處理裝置10應(yīng)用于等離子體蝕刻裝置或等離子體灰化裝置等。
[0107]例如，通過(guò)將等離子體蝕刻用氣體作為工藝氣體100而導(dǎo)入到腔室20內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)將形成于基板I上的膜蝕刻除去的等離子體蝕刻裝置。等離子體蝕刻用氣體可根據(jù)蝕刻對(duì)象的材料而適當(dāng)選擇，例如可采用三氟化氮(NF3)氣體或四氟化碳(CF4)氣體等氟系氣體。
[0108]而且，通過(guò)將等離子體灰化用氣體作為工藝氣體100而導(dǎo)入到腔室20內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)使用了等離子體處理裝置10的等離子體灰化裝置。例如，通過(guò)使用氧氣及氬氣來(lái)作為工藝氣體100，可將作為蝕刻用遮罩的形成于基板I上的碳膜或光阻膜等灰化。
[0109]如以上所說(shuō)明的那樣，通過(guò)使用可在陰極電極12的兩面均勻且穩(wěn)定地生成高密度的等離子體的等離子體處理裝置10，而可提高等離子體CVD裝置、等離子體蝕刻裝置、等離子體灰化裝置等的處理速度或精度。
[0110]如所述那樣，本發(fā)明通過(guò)第一實(shí)施方式及第二實(shí)施方式而進(jìn)行了記載，但應(yīng)理解為成為該公開(kāi)的一部分的論述及附圖并不限定本發(fā)明。根據(jù)該公開(kāi)內(nèi)容，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言當(dāng)然明白各種代替實(shí)施方式、實(shí)施例及運(yùn)用技術(shù)。也就是，本發(fā)明當(dāng)然包含此處未記載的各種實(shí)施方式等。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍根據(jù)所述說(shuō)明而僅由妥當(dāng)?shù)陌l(fā)明特定事項(xiàng)來(lái)規(guī)定。
[0111]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0112]本發(fā)明的等離子體處理裝置可用于在陰極電極的兩面均勻地生成高密度的等離子體的用途中。
【權(quán)利要求】
1.一種等離子體處理裝置，其特征在于，包括: 陽(yáng)極電極，安裝基板； 陰極電極，以與所述陽(yáng)極電極相向的方式而配置，在相向的面具有設(shè)置著開(kāi)口部的貫通孔； 氣體供給裝置，對(duì)所述陽(yáng)極電極與所述陰極電極間導(dǎo)入工藝氣體；以及交流電源，對(duì)所述陽(yáng)極電極與所述陰極電極間供給交流電力，在所述陽(yáng)極電極與所述陰極電極間使所述工藝氣體成為等離子體狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 所述氣體供給裝置從下方朝向上方將所述工藝氣體導(dǎo)入到所述陽(yáng)極電極與所述陰極電極間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 所述氣體供給裝置從沿著所述陰極電極的底面配置的氣體供給噴嘴，朝向所述陰極電極的底部噴出所述工藝氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 在所述陰極電極的設(shè)置著所述開(kāi)口部的兩面分別相向地配置著所述陽(yáng)極電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 所述等離子體處理裝置包括多個(gè)所述陰極電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 所述陽(yáng)極電極及所述陰極電極中的至少任一個(gè)包含碳。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 所述貫通孔的直徑為3.8mm以上且8.0mm以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 在所述陰極電極的表面密排地配置著所述開(kāi)口部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 在所述陰極電極上形成著沿長(zhǎng)軸方向的剖面形狀的尺寸或形狀互不相同的多種所述貫通孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 所述交流電源所供給的所述交流電力的頻率為60HZ以上且27MHz以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 使用包含成膜用的原料氣體的氣體來(lái)作為所述工藝氣體，在配置于所述陽(yáng)極電極上的所述基板上，形成以所述原料氣體中所含的原料作為主成分的膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 使用對(duì)形成于配置在所述陽(yáng)極電極上的所述基板的表面的膜進(jìn)行蝕刻的氣體來(lái)作為所述工藝氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體處理裝置，其特征在于: 使用包含氧氣及氬氣的氣體來(lái)作為所述工藝氣體，將形成于配置在所述陽(yáng)極電極上的所述基板的表面的膜灰化。
【文檔編號(hào)】C23C16/509GK103493602SQ201180070316
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月14日
【發(fā)明者】鈴木正康 申請(qǐng)人:株式會(huì)社島津制作所