JP2007142175A

JP2007142175A - プラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置

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Publication number: JP2007142175A
Application number: JP2005334281A
Authority: JP
Inventors: Ritsuo Kanetsuki; 律夫鐘築; Yuzo Mori; 勇蔵森
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-06-07
Anticipated expiration: 2025-11-18
Also published as: JP4481921B2

Abstract

【課題】塩素ガスを用いたプラズマにおいても電極が損傷することなく安定なプラズマプロセスを行うことができると共に、電極の製作コストを低減できるプラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置を提供する。
【解決手段】チャンバ１内、かつ、大気圧または大気圧近傍の圧力下のハロゲンガス(塩素ガス)を含むガス雰囲気中に、炭素材料からなる電極２と基板６とを間隔をあけて配置する。上記電極２に高周波電源５から高周波電力を供給することにより電極２と基板６との間にプラズマ１５を生成する。そして、上記ハロゲンガスと基板材料との化合物の沸点以上の温度になるように基板６を基板ヒータ７により加熱しながら、電極２と基板６との間に生成されたプラズマ１５により基板６の表面を加工する。
【選択図】図１

Description

この発明は、プラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置に関し、特に大気圧または大気圧近傍の圧力下で発生させたプラズマにより処理を行うプラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置に関する。

従来、プラズマプロセス方法を用いた装置としては、半導体記憶装置などに代表される半導体デバイスやＦＰＤ(Flat Panel Display)などの分野で、平行平板型プラズマエッチング装置がある。このエッチング装置は、上下に対向する電極間に高周波電力を印加してプラズマを生成し、基板に対してエッチング等の処理を行うものであり、プラズマ中で生成されたイオンやラジカル等の活性な反応種が基板表面の分子等と反応することによりプロセスが進行する。このプラズマエッチング装置に用いられる電極には、プラズマ中の反応種や熱に対する耐性が必要であり、図７に示すように、金属電極５１の表面にアルミナなどセラミックス製の絶縁部材５２を介して、プラズマ５３を生成するということが行われていた。プラズマと接触する面が金属材料からなる電極では、塩素ガスプラズマなどでは、電極自体がプラズマと激しく反応するので、上記の電極表面に化学的に安定な物質を設置するというのは、必要な技術であった。

一方、金属製の電極とは別に、炭素材料からなる電極も使用されている。炭素材は、優れた導電性と化学的安定性を備え、高純度化も容易であることから、半導体製造装置の部材の材料として好適である。例えば、化合物半導体の単結晶薄膜を形成するための装置の一つであるＭＯ−ＣＶＤ(Metal Organic − Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)装置などでは、基板を加熱するサセプターの材料として炭素材が用いられている。このような摺動しない部分の部材においては、発塵など装置内に不純物を発生することはない。

しかし、一般の炭素材をプラズマ生成用の電極として用いた場合、プラズマ生成中に材質組織を構成する微細な粒子が脱落して電極自身の消耗が早まるという課題や、脱落した粒子が基板の表面を汚染するなどの課題があった。これらの課題を解決するために、例えば特許文献１(特開平７−３７８６１号公報)では、炭素材料自体の製法を記した技術が開示されている。

しかし、図７に示す絶縁部材５２に用いられるアルミナ等のセラミックス製の部材は、製造するのに多大なコストと時間が必要となる。また、金属電極の表面にセラミックス製部材を配した構造を採用した場合、図７における金属電極５１とセラミックス製の絶縁部材５２との間に隙間があると、その部分で局所的な放電が発生するため、両者を密着させる必要があるが、密着した構造とした場合、金属電極５１がプラズマ５３の発する熱により膨張し、密着しているセラミックス製の絶縁部材５２が破損するという課題がある。

また、炭素材料からなる電極を使用するときの課題を解決するために、特許文献１に消耗の少ないプラズマエッチング用カーボン電極が開示されているが、特殊な材料を使用することになり、電極製作のためのコストや時間については低減されないと考えられる。
特開平７−３７８６１号公報

そこで、この発明の目的は、塩素ガスを用いたプラズマにおいても電極が損傷することなく安定なプラズマプロセスを行うことができると共に、電極の製作コストを低減できるプラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置を提供することにある。

また、この発明のもう１つの目的は、化合物半導体の表面平坦化処理を低コストで行うことができると共に、一般的な半導体基板の表面加工においても、基板表面における物理的なダメージの発生を抑制できるプラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明のプラズマプロセス方法は、
処理室内に導入されたプロセスガスをプラズマ状態にすることで上記処理室内に配置された化合物半導体材料からなる基板にプラズマプロセスを施すプラズマプロセス方法であって、
上記プロセスガスは少なくともハロゲンガスを含み、
上記処理室内、かつ、１０Ｔorr〜５気圧の圧力下の上記ハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気中に、炭素材料からなる電極と上記基板とを間隔をあけて配置し、
上記ハロゲンガスと上記基板材料との化合物の沸点以上の温度となるように上記基板を加熱すると共に、
上記電極に高周波電力を供給することにより上記電極と上記基板との間に生成されたプラズマにより上記基板の表面を加工することを特徴とする。

通常、電極表面を絶縁部材で被覆せずに、炭素材料からなる電極のように導電体が表面に露出した電極を用いると、誘電体バリア放電が行えないために大気圧雰囲気下ではアーク状の放電となり、安定したプラズマプロセスを行うことができないと考えられる。しかし、上記構成のプラズマプロセス方法によれば、炭素材料からなる電極を用いて、１０Ｔorr〜５気圧の圧力下のハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気下でプラズマを生成させた場合においても、化合物半導体材料からなる基板を処理対象物としているため、導電体同士が対向した状態とはならず、アーク放電は発生しない。その結果、安定したプラズマプロセスを行うことができる。
また、１０Ｔorr〜５気圧の圧力下のハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気中において、ハロゲンガスと基板材料との化合物の沸点以上の温度に基板を加熱しながら、電極に高周波電力を供給することにより電極と基板との間にプラズマを生成し、生成されたプラズマにより基板の表面を加工することによって、炭素材料からなる電極の損傷や基板表面の汚染が抑制され、基板表面にダメージを与えない。これは、大気圧プラズマ中のイオンは、電極や基板の表面に衝突する前に何らかの分子や原子と衝突することが多くなり、電極や基板表面に直接衝突することが低減されるためと考えられる。これによって、ハロゲンガスを用いたプラズマにおいても、電極が損傷することなく安定なプラズマプロセスを行うことができると共に、電極の製作コストを低減できる。また、化合物半導体からなる基板の加工においても、基板表面へのイオンの物理的な衝突はほとんど起きないことにより、基板表面の物理的な損傷を抑制できるだけでなく、化学的な反応に対してもイオンアシスト効果が小さくなるので、過剰な反応を抑制できる。したがって、結晶学的に表面にダメージのないことが要求されるような化合物半導体からなる基板の表面平坦化処理を低コストで行うことができる。同様に、一般的な半導体基板の表面加工においても、基板表面における物理的なダメージの発生を抑制でき、半導体基板の表面平坦化処理を低コストで行うことができる。

また、一実施形態のプラズマプロセス方法は、上記炭素材料からなる電極と上記基板との間隔を１００μｍ〜５ｍｍとすることを特徴とする。

上記実施形態のプラズマプロセス方法によれば、電極間に絶縁部材を介さない分、従来の絶縁部材を配した電極に比べ、電極間距離を大きくすることができる。それにより、プラズマプロセスの面内均一性を向上することができる。また、化合物半導体材料からなる基板の表面を結晶格子の乱れが無い状態で加工することができ、それにより作成される半導体素子の電気特性や歩留りを向上できる。

また、一実施形態のプラズマプロセス方法は、
上記電極に高周波電力を供給するときの放電を開始する電圧に基づいて、上記炭素材料からなる上記電極の状態を管理することを特徴とする。

上記実施形態のプラズマプロセス方法によれば、上記電極に高周波電力を供給するときの放電を開始する電圧に基づいて、炭素材料からなる電極の状態を管理することによって、大掛かりな装置の改造を行うことなく、炭素材料からなる電極の経時的な変化を検知することができ、安定なプラズマプロセスを継続的に行うことを可能とする。

また、一実施形態のプラズマプロセス方法は、
上記電極を回転機構により回転させた状態で上記電極と上記基板との間にプラズマを生成することを特徴とする。

上記実施形態のプラズマプロセス方法によれば、上記電極を回転機構により回転させながら電極と基板との間にプラズマを生成し、生成されたプラズマにより基板表面を処理することによって、電極とプラズマの接する面が常に変化するので、電極の特定の一部が局所的に加熱されることを防ぐことができる。それによって、電極の寿命を延ばすことができ、メンテサイクルを延長させることができる。また、例えば、中心軸を回転軸とする円柱形状の電極の表面の母線に沿った直線状の領域を基板表面に近接させた場合、処理室内に供給されたプロセスガスを回転する電極の表面と共に移動させることが可能となり、プロセスガスを効率よくプラズマ発生領域に供給できる。

また、この発明のプラズマプロセス装置は、
処理室内に導入されたプロセスガスをプラズマ状態にすることで上記処理室内に配置された化合物半導体材料からなる基板にプラズマプロセスを施すプラズマプロセス装置であって、
上記プロセスガスは少なくともハロゲンガスを含み、
上記処理室内に上記基板に対して間隔をあけて配置された炭素材料からなる電極と、
上記電極に高周波電力を供給する高周波電力供給部と、
上記ハロゲンガスと上記基板材料との化合物の沸点以上の温度となるように上記基板を加熱する加熱部と
を備え、
上記処理室内の１０Ｔorr〜５気圧の圧力下の上記ハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気中において、上記ハロゲンガスと上記基板材料との化合物の沸点以上の温度となるように上記加熱部により上記基板を加熱すると共に、上記高周波電力供給部から上記電極に高周波電力を供給することにより上記電極と上記基板との間にプラズマを生成して、生成された上記プラズマにより上記基板の表面を加工することを特徴とする。

上記構成のプラズマプロセス装置によれば、炭素材料からなる電極を用いて、１０Ｔorr〜５気圧の圧力下のハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気下でプラズマを生成させた場合においても、化合物半導体材料からなる基板を処理対象物としているため、導電体同士が対向した状態とはならず、アーク放電が発生し難くなる。その結果、安定したプラズマプロセスを行うことができる。
また、大気圧または大気圧近傍の圧力下のハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気中において、加熱部によってハロゲンガスと基板材料との化合物の沸点以上の温度に基板を加熱しながら、高周波電力供給部から電極に高周波電力を供給することにより電極と基板との間にプラズマを生成し、生成されたプラズマにより基板の表面を加工することによって、炭素材料からなる電極の損傷や基板表面の汚染が抑制され、基板表面にダメージを与えない。これは、大気圧プラズマ中のイオンは、電極や基板の表面に衝突する前に何らかの分子や原子と衝突することが多くなり、電極や基板表面に直接衝突することが低減されるためと考えられる。これによって、ハロゲンガスを用いたプラズマにおいても、電極が損傷することなく安定なプラズマプロセスを行うことができると共に、電極の製作コストを低減できる。また、化合物半導体からなる基板の加工においても、基板表面へのイオンの物理的な衝突はほとんど起きないことにより、基板表面の物理的な損傷を抑制できるだけでなく、化学的な反応に対してもイオンアシスト効果が小さくなるので、過剰な反応を抑制できる。したがって、結晶学的に表面にダメージのないことが要求されるような化合物半導体からなる基板の表面平坦化処理を低コストで行うことができる。同様に、一般的な半導体基板の表面加工においても、基板表面における物理的なダメージの発生を抑制でき、半導体基板の表面平坦化処理を低コストで行うことができる。

また、一実施形態のプラズマプロセス装置は、
上記高周波電力供給部から上記電極に高周波電力を供給するときの放電を開始する電圧に基づいて、上記電極の状態を管理することを特徴とする。

上記実施形態のプラズマプロセス装置によれば、上記電極に高周波電力を供給するときの放電を開始する電圧に基づいて、炭素材料からなる電極の状態を管理することによって、大掛かりな装置の改造を行うことなく、炭素材料からなる電極の経時的な変化を検知することができ、安定なプラズマプロセスを継続的に行うことを可能とする。

また、一実施形態のプラズマプロセス装置は、
上記電極を回転させる回転機構を備え、
上記回転機構により上記電極を回転させた状態で上記電極と上記基板との間にプラズマを生成することを特徴とする。

上記実施形態のプラズマプロセス装置によれば、上記電極を回転機構により回転させながら電極と基板との間にプラズマを生成し、生成されたプラズマにより基板表面を処理することによって、電極とプラズマの接する面が常に変化するので、電極の特定の一部が局所的に加熱されることを防ぐことができる。それによって、電極の寿命を延ばすことができ、メンテサイクルを延長させることができる。また、例えば、中心軸を回転軸とする円柱形状の電極の表面の母線に沿った直線状の領域を基板表面に近接させた場合、処理室内に供給されたプロセスガスを回転する電極の表面と共に移動させることが可能となり、プロセスガスを効率よくプラズマ発生領域に供給できる。

以上より明らかなように、この発明のプラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置によれば、ハロゲンを含むガスでプラズマを生成して基板表面の処理を行うときにおいて、大気圧近傍の圧力下で炭素材料からなる電極を用いることで、特殊な炭素材料やアルミナなどのセラミックス部品の製作を必要とせず、装置の製作・運用コストを低減することができる。

以下、この発明のプラズマプロセス方法およびプラズマプロセス装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態のプラズマプロセス方法を用いたプラズマプロセス装置の断面図である。

この第１実施形態のプラズマプロセス装置は、処理室の一例としてのチャンバ１と、上記チャンバ１内に配置された電極２と、上記電極２に一端が接続され、他端がチャンバ１の上側に突出する電力供給部材３と、上記電力供給部材３の一端に一端が接続された整合器４と、上記整合器４の他端に接続された高周波電力供給部の一例としての高周波電源５と、上記チャンバ１内かつ電極２の下側に配置された加熱部の一例としての基板ヒータ７と、上記基板ヒータ７が上側に取り付けられたＸＹステージ８と、上記ＸＹステージ８の外縁部とチャンバ１との間を密封するベローズ９と、上記ＸＹステージ８を上下に移動させる昇降機構１０と、上記チャンバ１の上側に設けられたプロセスガスのガス供給部１１と、上記プロセスガスのガス供給部１１に一端が接続された流量制御装置１２と、上記流量制御装置１２の他端に接続されたガスボンベ１３と、上記チャンバ１の下側に設けられた排気ポンプ１４とを主に有している。上記ＸＹステージ８上に、化合物半導体材料の一例としての窒化ガリウムからなる基板６を載置している。

図１に示すように、高周波電源５から出力された高周波電力は、整合器４と電力供給部材３を介してチャンバ１内の電極２に供給される。上記電極２は、炭素材料からなる電極であり、図１では平面を有する板状の形状となっている。また、プロセスガスは、ガスボンベ１３から流量制御装置１２とガス供給部１１を介してチャンバ１内に供給される。ここでプロセスガスとは、プラズマの生成・維持を促進するヘリウムやアルゴン等の希ガスや実際にエッチングなどの加工に寄与する塩素ガスなどのことを示す。

上記基板ヒータ７およびＸＹステージ８は、金属材料からなり、それぞれが接地された状態になっている。そして、上記高周波電源５から整合器４,電力供給部材３を介して電極２に高周波電圧を印加することにより、電極２と基板６との間の空間に電界が形成され、電極２と基板６との間でガス供給部１１から供給されたプロセスガスを励起してプラズマ１５を生成する。被処理体である基板６は、図示しない搬送部により基板ヒータ７上に載置され、プラズマ１５内で生成されたラジカルなどの反応種により加工される。このとき、基板６の温度が、使用するハロゲンガスと基板６との化合物の沸点以上となるように基板ヒータ７により加熱しておく。そして、加工に使用されたガスや余剰のガスは、排気ポンプ１４により装置外に排気される。

使用するハロゲンガスと基板６との化合物の沸点以上の温度となるように基板６を加熱することによって、生成したハロゲンガスと基板材料との化合物が十分に気化されて、基板６の表面に残存せず、精度の高い加工が可能となる。

このように構成されたプラズマプロセス装置において、プラズマプロセスを以下のようにして行う。なお、この第１実施形態では、ハロゲンガスとして塩素ガスを用い、被処理基板として窒化ガリウム基板を用い、窒化ガリウム基板表面をエッチング加工する処理を例として説明する。

まず、基板６が基板ヒータ７の所定の位置に載置された後、チャンバ１内が排気ポンプ１４により真空排気される。一度、チャンバ１内を真空排気することにより、加工処理を行うときのチャンバ１内の状況の再現性を向上させることができ、プラズマプロセスを安定して行うことができる。

次に、プロセスガスの供給を行う。ガスボンベ１３から供給されたプロセスガスは、流量制御装置１２により所定の混合比に設定された状態で、ガス供給部１１によりチャンバ１内に大気圧近傍の圧力まで導入される。

所定の圧力までプロセスガスが供給された後、基板６表面と電極２の間隔が所定の値になるまで、昇降機構１０によりＸＹステージ８および基板ヒータ７を上昇させる。なお、昇降機構１０はチャンバ１外に設置され、ベローズ９を介してＸＹステージ８の下部に接続されている。

上記基板６表面と電極２との間隔を設定した後、高周波電源５より整合器４および電力供給部材３を介して、高周波電力を電極２に供給する。それにより、電極２と基板６との間に電界が形成され、供給されたプラズマプロセスガスを励起し、プラズマ１５を生成する。プラズマ１５が生成したのち、ＸＹステージ８が水平方向に駆動し、基板６全面に対して処理が行われる。

ここで、大気圧または大気圧近傍の圧力下において、炭素材からなる電極３を用いて、塩素ガスを含むガスでプラズマ１５を生成することの特徴について説明する。従来、低圧雰囲気下において、炭素材料の電極を用いてドライエッチング加工を行った場合、電極表面がスパッタリングされ、それにより炭素材の微細な粒子がダストとなって基板上に付着し汚染するという課題があった。これに対して、このプラズマプロセス装置では、大気圧近傍の圧力下の塩素ガスを含むガス雰囲気中でプラズマを生成した場合、炭素材料からなる電極の損傷や基板表面の汚染が抑制されていることが確認された。これは、大気圧プラズマ中のイオンは、電極や基板の表面に衝突する前に何らかの分子や原子と衝突することが多くなり、電極や基板表面に直接衝突することが低減されるためと考えられる。

したがって、上記プラズマプロセス方法を用いたプラズマプロセス装置によれば、ハロゲンガスを用いたプラズマにおいても、電極６が損傷することなく安定なプラズマプロセスを行うことができると共に、電極６の製作コストを低減することができる。

この第１実施形態においては、供給する高周波の周波数を１５０ＭＨz、基板６表面と電極２の間隔を３ｍｍと設定してプラズマ１５を生成した。大気圧下でのプラズマ中のイオンの平均自由行程は０.１μｍ程度であり、また、高周波の周波数が１５０ＭＨzであれば通常イオンはプラズマ中でほぼ静止しているか、振動してプラズマ中の分子と原子と衝突しているため、イオンは電極２表面には達することがない。また、電気的に中性なラジカルは電極２表面に達するが、物理的な衝突はほとんど起きず、炭素材料と化学的な反応のみを起こす。炭素材料と反応したラジカルは低分子のハロゲン炭化物となり効率的に排気されるため、ポリマーゼーション(重合)が生じず、そのためチャンバ１内の汚染も起きない。

また、大気圧近傍の圧力下で塩素ガスプラズマを生成し、化合物半導体基板に対してドライエッチングや表面加工処理を行うことにより、以下のような効果も得ることができる。この発明によるプラズマプロセス方法においては、大気圧近傍の圧力下でプラズマを生成するので、上述した電極表面の場合と同様に、基板表面へのイオンの物理的な衝突はほとんど起きない。それにより、基板表面の物理的な損傷を抑制できるだけでなく、化学的な反応に対してもイオンアシスト効果が小さくなるので、過剰な反応を抑制することができる。以上の理由で、化合物半導体基板の表面を結晶格子の乱れが無い状態で加工することができ、それにより作成される半導体素子の電気特性の向上や歩留り向上を実現することができる。

ここで、上記第１実施形態では、窒化ガリウム基板に対する加工を例としたが、低圧雰囲気においてイオンの衝突によりダメージが発生する基板材料は必ずしもこれに限らない。ＧaＡsなどその他の化合物半導体の基板についても同様のダメージが発生し、これらの材料の基板に対しても、この発明のプラズマプロセス方法を用いれば、上記と同様の効果が得られる。

以上のように、この発明によるプラズマプロセス方法およびそれを用いたプラズマプロセス装置を用いることにより、炭素材料からなる電極を用いて、プラズマプロセスを行った場合においても、電極の消耗を抑制することができ、同時に電極表面から発生する微細な粒子による基板表面の汚染も抑制することができる。また、処理基板として化合物半導体からなる基板を用いた場合において、基板表面へのイオンの物理的な損傷や過剰な化学的な反応をなくすことができ、基板表面の結晶格子を乱すことなく表面加工を行うことができる。
また、上記の炭素材料からなる電極と上記基板との間隔は、１００μｍ〜５ｍｍとすることが好ましい。従来の絶縁部材を有した電極では、電極間の実行距離は、絶縁部材を介するため、実際の電極間距離の数倍(×誘電率の1／２乗)となり、放電を行うために電極間距離を小さくする必要がある(例えば２ｍｍ以下)。しかし、炭素材料からなる電極を用いると、絶縁部材を介さない分、絶縁部材を有した電極に比べて電極間距離を大きくすることが可能となり、その結果、プラズマプロセスの面内均一性を向上することができる。炭素材料からなる電極と基板との間隔を５ｍｍより大きくすると、安定した放電の維持が困難となり、また１００μｍより小さくすると、電極と基板が接触する可能性が高くなるため、上記１００μｍ〜５ｍｍの範囲が好ましい。

ここで、炭素材料からなる電極の形状については、図１に示すような平面を有する板状の形状のものに限らず、図３,図４に示すような形状としても良い。

図３(a)〜(d)に示すように、基板６表面と対向する部分の面積を小さくすることにより、高周波電力により発生する電界が先端に集中して形成されるため、放電開始が行いやすくなるという利点がある。

図３(a)は円柱形状の電極３２Ａ、図３(b)は断面５角形の角柱形状の電極３２Ｂ、図３(c)は断面５角形の柱形状の電極３２Ｃ、図３(d)は図３(b)に示す断面５角形の角柱形状の電極３２Ｂの下端の稜線を平らにした断面６角形の角柱形状の電極３２Ｄである。

さらに、図４(a)〜(d)のような形状の電極にすると、処理を行う面積は小さくなるが局所的な加工が可能となる。

図４(a)は円柱形状の電極４２Ａ、図４(b)は円柱形状の本体４２Ｂaの下端に円錐部４２Ｂbを設けた電極４２Ｂ、図４(c)は円柱形状の本体の下端に半球形状の先端部４２Ｃaを設けた電極４２Ｃ、図４(d)は円柱形状の本体４２Ｄaの下端に円錐部４２Ｄbを設け、その円錐部の先端４２Ｄcを丸くした電極４２Ｄである。

以上のような形状の電極を用いることにより、電界を先端に集中することができ、放電開始時の電圧を低くすることができる。これにより、放電開始時のプラズマの集中を防ぎ、電極の損傷を抑制し、基板表面への炭素材の微細な粒子の付着による汚染を防ぐことができる。

また、炭素材料からなる電極の表面に対して、一般に使用されているＰＢＮ(熱分解性窒化硼素)コーティングや、ＳiＣ(炭化珪素)コーティングなどを行ってもよい。これらの処理を行うことにより、より高い耐熱性や耐熱衝撃性を得ることができる。これらのコーティングの膜厚は通常数十μmのオーダーであり、放電の維持の安定性に大きな影響は与えない。また、電極に用いられる炭素材料としては、一般に使用されているガラス状カーボンや炭素繊維などを用いても良く、これらの材料は従来ある黒鉛と異なり粒体の集合組織ではないため、さらに電極表面からの微細な粒子の発生を抑制することができる。

また、プロセスガスの供給方法については、図１に示すものに限らない。例えば、図２は図１のプラズマプロセス装置とガス供給部の形状が異なる装置の斜視図であり、斜め方向から見た電極２近傍の模式図である。図２に示すように、電極２近傍にガス供給口１６を備えることにより、プロセスガスを効率よくプラズマ発生領域に供給することができる。

また、この発明において、チャンバ１の内部の圧力は特に大気圧において最もその効果を発揮するものであるが、この発明においては１００Ｔorr〜２気圧を好適な圧力範囲とし、適用可能な圧力範囲としては例えば１０Ｔorr〜５気圧が挙げられる。

また、化合物半導体としては、ＳiやＩnＰのようなIII−Ｖ族化合物やＺnＳeのようなII−VI族化合物、もしくはＧaＮやＡlＮなどの窒化物半導体が挙げられる。また、ＡlＧaＮやＡlＧaＩnＮ等の３元混晶や４元混晶も含まれる。

また、ハロゲンガスとしては、この第１実施形態では塩素ガスを用いて説明を行ったが、必ずしもこれに限らなくとも良い。フッ素およびＣＦ_４などのフッ素系化合物やＢＣl_３などの塩素系化合物や臭素系化合物などのガスを用いても良い。

（第２実施形態）
この発明の第２実施形態は、プラズマプロセスを安定に行うためのプラズマプロセス方法に関するものである。

この第２実施形態のプラズマプロセス方法は、放電開始時の電圧を管理することにより、炭素材料からなる電極２の経時的な変化を管理し、より安定なプラズマプロセスを行うことを可能とするプロセス方法である。この発明によるプラズマプロセス方法では、大気圧近傍の圧力下でプラズマを生成することにより、炭素材料からなる電極はハロゲンガスを含むプロセスガスと化学的な反応しか起こさない。そのため、低圧雰囲気下でプラズマを生成していた場合よりも、炭素材料からなる電極の消耗ははるかに小さいものであるが、長時間連続で放電していると、プラズマと接する部分では消耗することが確認された。この場合、電極２表面と基板６表面との間隔が大きくなり、プラズマを生成する系の負荷のインピーダンスが大きくなり、同じ電力を供給していてもプロセスの結果が変化するということがあった。

そこで、放電開始時の電圧を管理することにより、プラズマを生成する系の負荷のインピーダンス、つまり電極２表面と基板６表面との間隔を管理することができる。言い換えると、放電開始時の電圧が常に一定になるように、電極２表面と基板６表面との間隔を制御することにより、プラズマを生成する系の負荷のインピーダンスを一定とすることができ、常にプラズマプロセスを安定に行うことができる。

ここで、図１を参照してこの発明のプラズマプロセス方法について説明する。図１中の電極２と基板６との間隙の距離を「ｄ」とする。通常の条件では、距離ｄを０.５μｍと設定して大気圧雰囲気中でプラズマを生成し、エッチング等の処理が行われる。Ｈe/Ｃl_２=９９.９／０.１％、１５０ＭＨz高周波電力＝１７０Ｗの条件下でプラズマを生成する場合、炭素材料からなる電極２を使用し始めた当初は、放電開始時の電圧は５.１ｋＶであった。炭素材料からなる電極２は、プラズマが大気圧雰囲気下で生成されているため、物理的なイオンの衝突が抑制され、従来の低圧雰囲気下でプラズマを生成した場合より、はるかに電極自身の消耗を抑制することができたが、長時間の放電や多数の放電開始作業を行った場合、プラズマと接する部分が消耗していくことが確認された。この場合、上記の電極２と基板６との間の距離ｄが初期の設定時より大きくなり、それに伴い放電開始時の電圧は５.３ｋＶと高くなった。この状態では、同一のプラズマ生成条件で放電を行っていてもプラズマの状態が変化し、プロセスの結果も変化する。ここで、放電開始時の電圧が一定となるように、電極２と基板６間の距離ｄを調整して、プラズマを生成することにより、プラズマの状態を常に一定とすることができプロセスの結果も安定させることができる。

以上のように、この第２実施形態に示すプラズマプロセス方法を行うことにより、大掛かりな装置の改造や計測器の導入を必要とせず、炭素材料からなる電極の経時的な変化を検知することができ、安定なプラズマプロセスを継続的に行うことを可能となる。

（第３実施形態）
この発明の第３実施形態は、この第１実施形態に示すプラズマプロセス方法の装置とは別形態のものであり、炭素材料からなる電極の構成に関するものである。

図５はこの発明によるプラズマプロセス方法を用いたプラズマプロセス装置を示す断面図であり、この第３実施形態の説明と関係しない部分を一部省略している。図６は回転電極機構の部分を拡大した斜視図である。

この第３実施形態のプラズマプロセス装置は、第１実施形態におけるプラズマプロセス装置からなる部材のほかに、回転電極２０と、接続部２１,２５と、絶縁部材２２と、支持部材２３と、回転軸２４と、モータ２６とを主に有している。上記回転電極２０,接続部２１,２５,絶縁部材２２,支持部材２３,回転軸２４およびモータ２６で回転機構を構成している。

この第３実施形態で示すプラズマプロセス装置は、図１中の電極２の部分の機構を変化させたものである。第１実施形態で示した電極は、固定した状態でチャンバ１内に設置されるが、この第３実施形態における電極は固定した状態では設置されず、回転することができる構造を有した状態で設置される。以下に、回転機構について説明する。

炭素材料からなる回転電極２０は、接続部２１内で回転軸２４と接続されている。回転電極２０および回転軸２４は、ベアリング機構を有する接続部２１に支持されていて、図示しない磁性流体シールによりベアリング機構からチャンバ１内への発塵を防止している。接続部２１は絶縁部材２２を介して支持部材２３に固定されており、さらに支持部材２３はチャンバ１に固定されている。ここで、接続部２１は絶縁部材２２を介して固定されているので、電気的に接地されていない状態である。また、高周波電力は、電力供給部材３から接続部２１を介して回転電極２０に供給される構造となっている。上記回転軸２４は、接続部２５内でモータ２６と接続されており、ベアリング機構を有する接続部２５に支持され、図示しない磁性流体シールによりベアリング機構からチャンバ１内への発塵を防止している。

以上のような構造とすることにより、モータ２６により回転電極２０を回転させることができると同時に、回転機構からチャンバ１内への発塵を防ぐことができる。回転電極２０を回転させながらプラズマを生成して基板６表面を処理することで、回転電極とプラズマの接する面が常に変化することになり、特定の一部が局所的に加熱されることを防ぐことができる。それにより、電極の寿命を延ばすことができ、メンテサイクルを延長させることができる。また、電極が回転することにより、チャンバ１内に供給されたプロセスガスを効率よくプラズマ発生領域に供給することができる。

なお、回転電極の形状としては、図３(a)のような円柱状のものが好ましい。これは、その他の形状の電極では、回転したときに基板６表面との距離が変化し、プラズマが安定に生成されないためである。また、図４(a)〜(d)に示すような電極を、垂直方向を軸にして回転させても良い。この場合、垂直方向を軸にして電極を回転させることにより、電極形状が完全な対称形でない場合においても、加工形状の対称性を向上することができる。また、電極周辺のガスの流れを常に同じ状態に再現することができ、プロセスの安定性を向上することができる。この場合、プラズマは常に電極のある一部分で生成されることになるが、局所的な加工を可能とする。

図１はこの発明の第１実施形態のプラズマプロセス方法を用いたプラズマプロセス装置の構成を示す断面図である。図２は上記プラズマプロセス装置とガス供給部の形状が異なる装置の斜視図である。図３は上記プラズマプロセス装置と別形態の電極の部分拡大図である。図４は上記プラズマプロセス装置と別形態の電極の部分拡大図である。図５はこの発明の第３実施形態のプラズマプロセス方法を用いたプラズマプロセス装置の構成を示す断面図である。図６は上記プラズマプロセス装置の回転電極機構の部分を拡大した斜視図である。図７は従来のプラズマプロセス装置の電極近傍の拡大図である。

符号の説明

１…チャンバ
２…電極
３…電力供給部材
４…整合器
５…高周波電源
６…基板
７…ヒータ
８…ＸＹステージ
９…ベローズ
１０…昇降機構
１１…ガス供給部
１２…流量制御装置
１３…ガスボンベ
１４…排気ポンプ
１５…プラズマ
１６…ガス供給口
２０…回転電極
２１,２５…接続部
２２…絶縁部材
２３…支持部材
２４…回転軸
２６…モータ

Claims

処理室内に導入されたプロセスガスをプラズマ状態にすることで上記処理室内に配置された化合物半導体材料からなる基板にプラズマプロセスを施すプラズマプロセス方法であって、
上記プロセスガスは少なくともハロゲンガスを含み、
上記処理室内、かつ、１０Ｔorr〜５気圧の圧力下の上記ハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気中に、炭素材料からなる電極と上記基板とを間隔をあけて配置し、
上記ハロゲンガスと上記基板材料との化合物の沸点以上の温度となるように上記基板を加熱すると共に、
上記電極に高周波電力を供給することにより上記電極と上記基板との間に生成されたプラズマにより上記基板の表面を加工することを特徴とするプラズマプロセス方法。
請求項１に記載のプラズマプロセス方法において、
上記炭素材料からなる電極と上記基板との間隔を１００μｍ〜５ｍｍとすることを特徴とするプラズマプロセス方法。
請求項１または２に記載のプラズマプロセス方法において、
上記電極に高周波電力を供給するときの放電を開始する電圧に基づいて、上記炭素材料からなる上記電極の状態を管理することを特徴とするプラズマプロセス方法。
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のプラズマプロセス方法において、
上記電極を回転機構により回転させた状態で上記電極と上記基板との間にプラズマを生成することを特徴とするプラズマプロセス方法。
処理室内に導入されたプロセスガスをプラズマ状態にすることで上記処理室内に配置された化合物半導体材料からなる基板にプラズマプロセスを施すプラズマプロセス装置であって、
上記プロセスガスは少なくともハロゲンガスを含み、
上記処理室内に上記基板に対して間隔をあけて配置された炭素材料からなる電極と、
上記電極に高周波電力を供給する高周波電力供給部と、
上記ハロゲンガスと上記基板材料との化合物の沸点以上の温度となるように上記基板を加熱する加熱部と
を備え、
上記処理室内の１０Ｔorr〜５気圧の圧力下の上記ハロゲンガスを少なくとも含むガス雰囲気中において、上記ハロゲンガスと上記基板材料との化合物の沸点以上の温度となるように上記加熱部により上記基板を加熱すると共に、上記高周波電力供給部から上記電極に高周波電力を供給することにより上記電極と上記基板との間にプラズマを生成して、生成された上記プラズマにより上記基板の表面を加工することを特徴とするプラズマプロセス装置。
請求項５に記載のプラズマプロセス装置において、
上記高周波電力供給部から上記電極に高周波電力を供給するときの放電を開始する電圧に基づいて、上記電極の状態を管理することを特徴とするプラズマプロセス装置。
請求項５または６に記載のプラズマプロセス装置において、
上記電極を回転させる回転機構を備え、
上記回転機構により上記電極を回転させた状態で上記電極と上記基板との間にプラズマを生成することを特徴とするプラズマプロセス装置。