介質阻擋放電氣體的生成裝置的製作方法

2023-06-08 01:18:36 2

專利名稱：介質阻擋放電氣體的生成裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及介質阻擋放電氣體的生成裝置，特別是涉及通過向放電空隙部提供
氧、氧化合物氣體、臭氧氣體、氮氣、氮化合物氣體等，在高壓電極與低壓電極間施加交流電壓並產生隔著介質的介質阻擋放電(無聲放電)，可以有效導出在高電場中由放電生成的游離基氣體(激發氣體)的裝置。
背景技術：
氧類或氮類的離子及游離基氣體與被處理物質的反應性非常高，能夠成為用於得到優質的氧化膜或氮化膜的單元。因此，氧類或氮類的離子及游離基氣體作為半導體領域中的形成絕緣膜的薄膜形成單元、或改善加工工具等在高溫下的耐磨損性及耐腐蝕性的薄膜形成單元而受到人們關注。然而，離子及游離基氣體不穩定，壽命非常短。因此，生成的離子及游離基氣體大多在與被處理物質引起化學反應之前的期間會完全消滅，存在難以有效利用的問題。 作為生成離子及游離基氣體的方法，一般已知有下面的兩個方法。 一個方法是將氧氣或氧化合物氣體、臭氧氣體、氮氣、氮化合物氣體等穩定的分子氣體提供給反應爐，在該反應爐內使氣體直接放電，從而生成離子及游離基氣體，這種方法即所謂的放電等離子體法。另一個方法是通過向氣體照射雷射或紫外光，或使分子氣體熱分解，使光能或者熱能被氣體吸收，從而生成游離基氣體，這種方法即所謂的光熱吸收法。 上述放電等離子體法中，例如有PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVaporD印osition :等離子體增強化學氣相沉積)法、離子鍍法。在各個放電等離子體法中，作為放電，是利用在幾十Pa(帕斯卡)至幾千Pa左右的低氣壓中的高頻等離子體或輝光放電。 在PECVD法或離子鍍法中，通過利用2. 45GHz左右的高頻等離子體、或施加直流電壓而引起的低氣壓輝光放電，生成游離基氣體。另外，對被處理物質即基板面直接產生等離子體，利用等離子體中的離子氣體或游離基氣體形成氧化薄膜或氮化薄膜。因此，具有的優點是可以使離子氣體或游離基氣體類較多地與被處理物質接觸，提高成膜速度或使成膜
厚度變厚。 另一方面，作為利用光熱吸收法的游離基氣體的生成方法及利用方法，提出了下述專利文獻1披露的光CVD法、專利文獻2披露的熱CVD法。 在專利文獻1披露的光CVD法中，通過向具有幾百Pa至幾千Pa左右的低氣壓的氮等離子體原子的分子的氣體，照射具有幾eV至十幾eV左右的光能的紫外光，來生成雙重項狀態的氮游離基(NfD)、NfP))氣體、或者四重項狀態的氮游離基(N(4S))氣體。然後，使上述氮游離基類與加熱至幾百度的形成有氧化薄膜的基板面接觸，從而形成氮化薄膜。
另外，在專利文獻2披露的熱CVD法中，通過在半導體面形成矽氮化膜來形成矽氮化絕緣膜後，在該矽氮化絕緣膜上利用乾燥氧化來形成膜厚為幾nm左右的氧化膜。另外，該乾燥氧化是通過在幾百Pa至幾千Pa左右的低氣壓的CVD室內，設置加熱至幾百度的晶片(被處理物質)，向該晶片面吹出臭氧氣體來進行的。即，被吹向晶片面的臭氧氣體在晶片面進行熱分解，成為氧游離基氣體。然後，該氧游離基氣體與晶片面即矽接觸，形成膜厚為幾nm的優質的矽氧化膜。 另外，為了利用上述乾燥氧化來形成優質的矽氧化膜，需要將晶片面加熱至約850°C。但是，若晶片面的溫度過高，則由於熱分解而生成的氧游離基氣體會在與晶片面接觸前與室內的中性氣體碰撞，返回至氧分子。因此，與晶片面接觸的氧游離基氣體量會極度減少，氧化膜無法得到預定的膜厚。專利文獻2披露了為了確保得到預定膜厚所需的氧游離基氣體，臭氧氣體的濃度需要在20volX (430g/m3)以上。另外，在臭氧氣體分解時， 一般而言可以得到三重項的氧游離基(3P)氣體、一重項的氧游離基CD)氣體的氧游離基。
專利文獻1 :日本專利特開2003-142482號公報
專利文獻1 :日本專利特開2005-347679號公報

發明內容
本發明要解決的問題 如上所述，迄今為止開發有各種離子及游離基氣體生成裝置。但是，在PECVD法或離子鍍法中，由於將基板面直接暴露在等離子體中，因此在半導體面形成由絕緣膜構成的氧化薄膜或氮化薄膜作為保護膜時，存在會使半導體的性能變差(等離子體損傷)這樣的問題。即，在形成氧化薄膜或氮化薄膜時，存在如下問題由於等離子體中的電子或離子的電荷讓半導體面帶電，在半導體面與金屬面之間會產生離子導電，金屬粒子由於該離子導電會向半導體面移動。 另外，專利文獻1披露的光CVD法或專利文獻2披露的熱CVD法中，存在的問題是
儘管可以形成優質的氧化薄膜或氮化薄膜，但其成膜速度非常慢。再有，在光CVD法中，由於需要使用具有高能量的紫外光或雷射，因此具有光源的裝置的價格非常高，會成為整個系統成本上升的主要原因。另外，為了加速成膜速度，若使用分子的結合力比較小的氫化合物氣體作為用於得到游離基氣體類的分子氣體，則還存在的問題是氫會進入氧化薄膜或氮化薄膜，使薄膜的質量下降。另一方面，在熱CVD法中，為了加速成膜速度，需要使氧游離基源即臭氧氣體實現高濃度化。 另外，如上所述，游離基氣體的壽命非常短。因此，大量生成游離基氣體、以及使游離基氣體有效與被處理面(基板面)碰撞都非常困難。 本發明的目的在於提供，可以解決上述以往的問題，並且能以高密度且高效率導
出高能量的游離基氣體，並提供給被處理物質的介質阻擋放電氣體的生成裝置。 用於解決問題的方法 本發明所涉及的介質阻擋放電氣體的生成裝置包括平板狀的第一電極；平板狀的第二電極，所述第二電極的一面相對於第一電極的一面配置在相對位置；介質，所述介質設置在第一電極與第二電極之間，一面相對於第一電極的一面具有預定的微小間隙而相對；冷卻部，所述冷卻部冷卻第一電極的一面；放電空間形成部，所述放電空間形成部設置在第一電極與介質之間，在被第一電極的一面和介質的一面夾著的間隙內，形成三方被氣體密封、且剩餘一方在第一電極和介質的各端面側開口的放電空間部；氣體提供部，所述氣體提供部向放電空間部提供原料氣體；以及交流電源，所述交流電源向第一電極及第二電極施加交流電壓，使得在放電空間部產生介質阻擋放電。 發明的效果 根據本發明，可以解決上述以往的問題，並且能以高密度且高效率導出高能量的游離基氣體，並提供給被處理物質。


圖1是表示本發明的實施方式1的介質阻擋放電氣體的生成裝置的結構圖。 圖2是表示利用等離子體的裝置的每單位面積的氣體粒子密度特性相對於氣壓的圖。 圖3是表示利用等離子體的裝置的等離子體的電場強度特性相對於氣壓的圖。 圖4是用於說明本發明的實施方式1的介質阻擋放電氣體的生成裝置的功能的圖。 圖5是用於說明本發明的實施方式1的介質阻擋放電氣體的生成裝置的功能的圖。 圖6是表示使用本發明的介質阻擋放電氣體的生成裝置的薄膜形成系統的結構圖。 圖7是表示本發明的實施方式3的介質阻擋放電氣體的生成裝置的結構圖。 圖8是表示本發明的實施方式3的介質阻擋放電氣體的生成裝置的主要部分立體圖。 標號說明 1接地電極(第一電極)，la不鏽鋼板，lb不鏽鋼板， 2高壓電極(第二電極)，3介質，4間隔物(放電空間形成部)， 5原料氣體，6氣體通路，6a入口 ， 6b出口 ， 7冷卻水， 8冷卻水通路，8a 入口 ， 8b出口 ， 9間隔物，10介質， 11高壓電極，12放電單元，13主體，13a —側壁， 13b氣孔，14氣體噴出孔，15游離基氣體，16交流電源， 17排出管道，18氣壓檢測器，19排出氣體控制器， 20微小放電空間柱，21a氧儲氣瓶，21b氮儲氣瓶， 22a氣體調節器，22b氣體調節器，23a MFC， 23b MFC，24臭氧發生器，25APC，26a氣壓閥， 26b氣壓閥，27反應室，28被處理物質， 29排氣調節閥，30廢氣分解器，31入口，32入口， 33電極單元，34電極層疊模塊
具體實施例方式
為了更詳細說明本發明，根據附圖進行說明。另外，各圖中，對相同或者相當的部
分標註相同的標號，其重複說明被適當簡化乃至省略。 實施方式1 圖1是表示本發明的實施方式1的介質阻擋放電氣體的生成裝置的結構圖。圖1中，l是呈長方形的平板狀的接地電極(第一電極)。該接地電極1是通過將平板狀的2片不鏽鋼(SUS)板la和lb重疊進行接合而製作的。2是其一面相對於不鏽鋼板la的一面配置在相對位置的平板狀的高壓電極(第二電極)，3是設置在接地電極1與高壓電極2之間、由陶瓷板或玻璃板等構成的介質。 4是設置在接地電極1與介質3之間的間隔物(放電空間形成部)。另外，在圖l中為了易於說明，將介質3與間隔物4描繪為離開的位置，但實際上，接地電極1、間隔物4、介質3、高壓電極2以該順序重疊，構成為層狀。S卩，由於間隔物4配置在介質3與接地電極1之間，因而介質3的一面相對於不鏽鋼板la的上述一面具有預定的間隙而相對。
由於上述間隔物4配置在接地電極1與介質3之間，因而在不鏽鋼板la的一面與介質3的一面之間形成上述間隙，並且在該間隙內，形成三方被氣體密封、剩餘一方在接地電極1及介質3的一端面側開口的放電空間部。例如，間隔物4由圖1所示的呈凹形的板狀部件構成，在該-形部內，形成具有上述板狀部件的厚度的、長方形的放電空間部。另外，如圖1所示，通過將間隔物4的一部分沿著接地電極1的至少2個邊緣部配置，可以確保更寬的放電空間部。 另外，該介質阻擋放電氣體的生成裝置中，包括向上述放電空間部提供原料氣體5的氣體提供部、以及冷卻不鏽鋼板la的一面的冷卻部。在圖1中，作為一個例子，示出了在接地電極l內形成上述氣體提供部的一部分和冷卻部的一部分的情況。即，對於構成接地電極1的2片不鏽鋼板la和lb，其接合面預先通過半蝕刻(half etching)等去除了不需要的部分。然後，接地電極1通過重疊不鏽鋼板la和lb，在其內部形成原料氣體5通過的氣體通路6、以及冷卻水7通過的冷卻水通路8 (關於氣體通路6和冷卻水通路8的大概情況，參照日本專利公報第3607905號)。 另外，6a和6b表示在接地電極1形成的氣體通路6的入口和出口 ， 8a和8b表示在接地電極1形成的冷卻水通路8的入口和出口 。氣體通路6的入口 6a、冷卻水通路8的入口 8a和出口 8b，在接地電極l中，是在與形成放電空間部的開口部的一端部相反側的另一端部排列形成。另一方面，氣體通路6的出口 6b在放電空間部內的不鏽鋼板la的一面形成。即，原料氣體5從入口 6a進入接地電極l內，通過氣體通路6，從出口 6b向放電空間部內提供。另外，冷卻水7從入口 8a向接地電極1內提供，通過遍及放電空間部的整個範圍而形成的冷卻水通路8，從出口 8b排出。另外，冷卻水7是為了使放電空間部內的氣體溫度下降而向接地電極l內提供的，在進一步需要冷卻功能時，例如在高壓電極2內也形成冷卻水通路，提供冷卻水7。 上述說明是接地電極1的不鏽鋼板la側的構成，但如圖1所示，不鏽鋼板lb側也具有與不鏽鋼板la側相同的結構。即，在不鏽鋼板lb的一面側，重疊間隔物9、介質10、高壓電極ll，在不鏽鋼板lb與介質10之間形成的間隙內，利用間隔物9形成放電空間部。如上所述，構成在接地電極1的兩側形成有放電空間部的放電單元12。 上述放電單元12被主體13整個覆蓋。該主體13的一側壁13a與該開口部相鄰配置，使得與放電空間部的開口部相對。另外，在主體13的上述一側壁13a中，在與放電空間部的開口部相對的位置，形成多個氣體噴出孔14。該氣體噴出孔14用於將在放電空間部生成的、從開口部向主體13內噴出的游離基氣體15(細節後述)向主體13的外側導出，這樣設定孔的方向，使其與上述游離基氣體15從放電空間部的開口部噴出的方向一致。
6
16表示高頻的交流電源。交流電源16雖然未圖示，但主要是由整流器部、逆變器部、變壓器部構成的。而且，交流電源16在接地電極1與高壓電極2(和11)之間，隔著介質3(和10)施加交流高壓(例如3kV、10kHz)，在放電空間部的整個表面，產生均勻的高電場的介質阻擋放電(無聲放電)。 另外，該介質阻擋放電氣體的生成裝置中，具有用於將主體13內的壓力保持在預定的一定值的功能。具體而言，在主體13的上述一側壁13a以外的壁面(圖1中為頂板面)，形成有氣孔13b。另外，為了通過該氣孔13b排出主體13內的氣體，在上述壁面連接有排出管道17。再有，用於檢測主體13內的氣壓的氣壓檢測器18例如設置在主體13內，或者設置在用於將原料氣體5向主體13提供的管道部。然後，排出氣體控制器19(APC :自動壓力控制器)基於由氣壓檢測器18檢測的氣壓，控制從主體13內排出的微小的氣流量，將主體13內的氣壓保持在高於主體13外部的預定的一定值。 接下來，與以往的等離子體裝置比較，具體說明具有上述結構的介質阻擋放電氣體的生成裝置的特徵。 若在平行電極間設置介質，並在兩個電極間施加交流高壓，則會隔著介質產生高電場的介質阻擋放電。在這樣的放電中，放電區域內的氣體處於電子與離子分離的等離子體狀態。在該放電等離子體中，電子被放電電場加速，具有高能量。然後，由於高能量的電子與氣體分子碰撞，而產生具有高能量的激發氣體(游離基氣體)、或電離的帶電粒子(離子粒子)。 S卩，放電的等離子體氣體可視為電子、離子粒子和高能量的游離基氣體混雜的氣體。另外，放電等離子體中的電子、離子粒子、游離基氣體所具有的能量Ep可由下式表達。
數學式1
Ep °^ E/n °^ E/P 式中，E是等離子體中的電場(V/cm)，n是等離子體中的氣體密度(個/cm3) ， P是等離子體中的氣壓(Pa)。即，能量Ep取決於被放電電場E加速的電子與氣體粒子碰撞、而能量交換的次數。另外，從上式1可知，等離子體中的電場E越大，或者氣體密度n (氣壓(P))越小，則可以得到能量越高的等離子體。 另外，作為評價等離子體中的能量Ep的值，有E/P (V *Cm2)。另外，處於E/P越大的等離子體狀態，表示等離子體具有越高的能量。 一般而言，放電的等離子體狀態由E/P(Td)來評價。式中，lTd = 1X10—17(V cm2)。 然後，通過由放電等離子體生成的高能量的電子及離子氣體、游離基氣體與被處理物質碰撞，促進在碰撞面(接觸面)的化學反應，可以對被處理物質形成氧化膜、氮化膜、表面改性膜(退火膜)或者蝕刻的獨特形狀。 圖2表示利用等離子體的裝置的每單位面積的氣體粒子密度特性相對於氣壓的圖，表示利用放電的裝置在多大的粒子密度區域中使用。圖2中，區域C是通過形成高密度的等離子體、使得因放電而離解的粒子複合的區域，即是適於根據原料氣體生成被進一步高分子化的氣體的區域。 作為利用區域C的等離子體的裝置，例如有臭氧氣體產生裝置。在該臭氧氣體產生裝置中，利用介質阻擋放電或沿面放電，產生氣壓為0. lMPa以上的高氣壓等離子體，由氧氣等生成臭氧氣體。即，由於等離子體光或光催化劑物質與原料氣體的化學反應而離解
7的氧原子氣體，因三體碰撞而進行複合，通過這樣來生成臭氧氣體。另外，為了增多生成的臭氧量，需要促進由離解的粒子進行的上述三體碰撞。因此，作為粒子密度，為1010(個/cm3)以上的高密度時比較有效。 另一方面，等離子體CVD裝置利用的是高能量的電子或離子、粒子進行的表面化
學反應。因此，在等離子體CVD裝置中，利用微波放電或高頻放電、低氣壓輝光放電，產生可
以比較容易得到高能粒子的O. 0005MPa以下的、氣體密度非常低的低氣壓等離子體。然後，
通過生成的等離子體與晶片碰撞，在半導體面形成功能性較優的薄膜(區域A)。 另外，圖3是表示利用等離子體的裝置的等離子體的電場強度特性相對於氣壓的
特性的圖，表示利用放電的裝置利用多大的電場強度的等離子體。圖3中，在由臭氧氣體產
生裝置利用的區域C中，使氣壓為0. lMPa以上，用於得到等離子體的放電間隙長為0. 2mm
以下，實現具有100Td以上的電場強度的介質阻擋放電，生成高濃度的臭氧氣體。 另一方面，在由等離子體CVD裝置利用的區域A中，利用微波放電或高頻放電、低
氣壓輝光放電，生成0. 0005MPa以下的氣體密度非常低的低氣壓等離子體，從而生成具有
300至600Td的電場強度的高電場等離子體，得到等離子體中的高能粒子。 與此不同的是，在本發明的介質阻擋放電氣體的生成裝置中，不是利用上述區域
C或A，而是利用中氣壓(O.OOIM至O. lMPa)等離子體區域(區域B)來產生等離子體。然
後，使生成的游離基粒子向幾百Pa以下的低氣壓反應室噴出，用於對被處理物質的被處理
面進行成膜或蝕刻加工。 具體而言，在圖l所示的裝置中，將放電間隙長(接地電極1與介質3(和10)的距離)設定為0. 1至幾mm(例如2mm)(參照圖3)，在放電空間部產生介質阻擋放電來形成等離子體。此時的等離子體電場強度成為幾百至1000Td，在放電空間部中形成有高電場等離子體。然後，由該高電場等離子體生成具有高能量的游離基氣體15，將生成的游離基氣體15有效地向低氣壓CVD室內提供。即，本發明的介質阻擋放電氣體的生成裝置具有的結構是，由於在放電空間部產生的離子、電子被間隙較短的電極間的電場束縛，因此可有效生成並導出沒有電荷的游離基氣體15、即有助於在半導體元件內生成功能膜的氣體。
上述結構可通過對等離子體的產生構造或氣體的提供方法、放電空間的氣體的流動方向及導出等離子體氣體的構造進行設計來實現。在本發明的介質阻擋放電氣體的生成裝置中，縮短放電間隙長並冷卻電極面，並且在放電空間部利用介質阻擋放電，以微小放電形成均勻的持續微小時間的等離子體。另外，利用該高電場的等離子體來生成高密度、高能量的電子、離子氣體、游離基氣體15，適當構成放電空間部或其開口部、氣體噴出孔14、主體13的內外壓力差等，可以有效地僅將中性的游離基氣體15向主體13的外側導出。
圖4及圖5是用於說明本發明的實施方式1的介質阻擋放電氣體的生成裝置的功能的圖。下面，基於圖4說明介質阻擋放電的放電形態和特徵，基於圖4及圖5說明由1個微小放電所產生的等離子體而生成的氣體類機理及其特徵。 圖4及圖5中，相對配置的接地電極1與高壓電極2通過向其各內部流通冷卻水7，其各一面被冷卻。在該狀態下，若利用交流電源16在接地電極1與高壓電極2之間施加交流電壓，則介質3會在相對於施加的交流電壓錯開90度相位的狀態下，其兩面的電荷被極化而產生感應(圖4是表示在高壓電極2施加+電位時的示意圖)。
S卩，若在接地電極1與高壓電極2之間施加交流電壓V，則在放電空間部中，在(dV/dt)的值達到最大的時刻，會積累最大的極化電荷Q,。即，在設放電間隙長《=0. 1mm的放電空間部，施加最大的電場強度Emax。此處，若在放電空間部中產生絕緣破壞的電場強度E。小於Emax，則在達到電場強度E。的極化電荷Q。的時刻，在放電空間部的微小部分會部分產生絕緣破壞，積累在介質3的極化電荷Q。以預定的放電電壓Vj向接地電極1放電。然後，若從介質3沒有了極化電荷Q。，則立即停止放電，上述部分的絕緣破壞恢復。另外，若在介質3放電後被再次充電併到達極化電荷Q。，則會再次產生部分絕緣破壞。由於以上的現象，則反覆進行放電電壓Vj的放電。另外，在放電空間中，反覆進行部分絕緣破壞(放電)與絕緣恢復的0N-0FF(時斷時續的)放電，被稱為介質阻擋放電。 在介質3中，在與接地電極1的一面相對的整個一面均勻地積累有電荷。因此，介質阻擋放電雖然是無序的0N-0FF(時斷時續的)放電，但在放電空間部中的介質3的整個一面，具有均勻地產生放電這樣的特徵。另外，由於介質阻擋放電是因積累在介質3的微小表面的電荷而產生的，因此是微小的放電，且還具有是僅持續較短時間的放電的特徵。此處，介質阻擋放電的1個放電直逕取決於放電空間部的氣壓P或氣體溫度、氣體種類等，為約幾十iim左右，其放電截面為幾nn^左右。另夕卜，放電間隙長《或氣壓P越小，則放電空間部的放電阻抗越小，介質阻擋放電的1個持續時間Tg在放電間隙長《=0. lmm、氣壓p =0. lMPa左右時，通常為nsec(納秒)左右。 這樣，介質阻擋放電可以定義為在時間及空間上無數間斷地反覆進行微小放電、且時間非常短的持續放電。因此，介質阻擋放電與長時間的持續放電或者連續持續放電的輝光放電或熱電子發射形態的電弧放電比較，具有可以實現具有幾倍至幾十倍的高電場強度的等離子體這樣的特徵。另外，由於是被介質充電的電荷導致的放電，因此與從外部施加的電壓V相對應，在介質的電極面，將電荷均勻充電。因此，即使一個一個的放電在時間上及空間上無序產生，但作為整個介質阻擋放電群而言，也能產生穩定的放電，可以容易形成均勻空間。因此，在介質阻擋放電中還具有的特徵是可以實現在持續放電的輝光放電或電弧放電下無法實現的電子溫度較高的非平衡等離子體，可以實現具有高能量的電子及離子氣體、以及包含非常有活性的游離基氣體的等離子體狀態。 下面，基於圖5說明具有上述特徵的介質阻擋放電的機理。若在接地電極1與高壓電極2之間施加電壓V，則在介質3之間作用被分壓為Va的電位，在放電空間部之間作用被分壓為Vb的電位。另夕卜，以上述預定的放電電壓Vj，無數的放電以nsec級的短時間反覆放電和熄滅。因此，施加在放電空間部之間的電壓Vb，取得與上述放電電壓Vj大致相等的值。 另外，該放電的電場E可由下式表示。 數學式2 E = Vb/ (d n) [V cm2] 式中，n表示粒子密度(l/cm3)。另外，該粒子密度n的空間中的粒子的平均自由行程A用A oc!/n表示。因此，放電空間部的氣壓越低，則粒子間的碰撞次數越下降，粒
子間的能量交換越少。因此，具有高能量的電子數變多，具有高能量的離子粒子、游離基粒子數也變多。 另夕卜，若從在介質3的一面的微小空間中帶電的電荷Q產生Tg(nsec)的持續時間的微小放電，則由該1個微小放電產生的放電動能J可由下式得到。
9
數學式3 J = AIXVjXTg [J] SP，在微小時間Tg中，向微小放電空間柱20集中地注入幾nJ左右的放電動能。因 此，在微小放電空間柱20內，被電場E加速的高能量電子與等離子體中的粒子碰撞，產生高 能粒子(離子或游離基粒子)。 另外，在具有上述高能粒子的微小放電空間柱20中，由於以nsec級的短時間放電 停止、以及被流過兩個電極1和2內的冷卻水7適當冷卻這兩方面的原因，內部的氣體不會 被加熱。因此，微小放電空間柱20在常溫下保持等離子體狀態。在這樣的氣體溫度較低的 等離子體狀態下，可以抑制在放電期間得到的高能粒子的熱運動，減少該熱運動導致的粒 子間碰撞所引起的能量損耗。即，結果可以較多地生成高能粒子。 另夕卜，由於放電空間部的放電間隙長非常短(例如dg = 0. 1mm)，僅在該放電空間 部形成等離子體，因此在由放電生成的高能粒子中，具有電荷的電子或離子粒子幾乎全被 兩個電極1與2間的電場限制在放電空間部內。另外，向放電空間部的外部流出的僅有的 電子或離子粒子，在被導出主體13的外部之前，由於與氣體複合而中性化。因此，能以高密 度、高效率輸出沒有電荷的高能量的游離基氣體15，與以往的等離子體產生裝置比較，可以 使具有電荷的電子或離子粒子的比例大幅減少。 另外，放電空間部利用接地電極1 、介質3、間隔物4，形成僅在一方開口的長方體 狀，放電間隙被縮短，減小放電空間部的開口部(間隙截面部)的截面積。因此，可以從放 電空間部的開口部輸出速度較快的具有方向性的游離基氣體15，能以高密度、高效率從氣 體噴出孔14噴射游離基氣體15。另外，通過使被處理物質進入的反應室的氣壓比主體13 的氣壓(lk至O. lMPa)低幾百Pa，可以利用該壓力差，將游離基氣體15以更高密度、更高效 率向主體13的外側導出。 根據本發明的實施方式l，能以高密度且高效率導出高能量的游離基氣體15，提 供給被處理物質。 —般而言，如果照射在被處理物質的高能粒子(離子、游離基粒子)越是高能量 的，則越可以期待對被處理物質的高活性反應。因此，在半導體領域中，著眼於被處理物質 面與高能粒子間的化學反應面，例如要求具有魅力的游離基氣體，該游離基氣體可以實現 形成被處理物質的具有可以進行電、磁、光特性較好的結晶膜生長等獨特特性的氧化膜或 氮化膜；或以往無法實現的蝕刻作用或退火；或提高成膜速度等。 再有，在半導體領域中，要求利用中性的游離基氣體產生化學反應，可以選擇性地
進行表面改性。即，對於具有電荷的電子或離子粒子，由於電子對半導體面充電、或離子電
流的流動，而使金屬離子原子轉移，給半導體帶來損傷(等離子體損傷)。 根據本發明的介質阻擋放電氣體的生成裝置，與以往的微波放電裝置或高頻放電
裝置、低氣壓輝光放電裝置不同，等離子體與被處理物質不直接碰撞，而能以高密度且高效
率僅導出中性的游離基氣體15。因此，也可以應對上述半導體領域的各種要求。 實施方式2 圖6是表示使用本發明的介質阻擋放電氣體的生成裝置的薄膜形成系統的結構 圖。圖6中，21a是氧儲氣瓶，21b是氮儲氣瓶，22a和22b是氣體調節器，23a和23b是原料 氣體用的質量流量控制器(MFC) ，24是臭氧發生器，25是用於將臭氧發生器24內的壓力保持為一定的自動壓力控制器(APC) ， 26a和26b是用於將臭氧氣體或氮氣打開關閉(0N-0FF) 的氣壓閥。 另外，27是在內部設置有被處理物質28(例如半導體的晶片等)的反應室。將該 反應室27內的被處理物質28的處理面與形成於主體13的氣體噴出孔14相對配置。另外， 在反應室27中，包括用於加熱被處理物質28的加熱器、調整氣流量或內部壓力的真空泵等 各種設備(未圖示)。另外，29是排氣調節閥，30是廢氣分解器。 在具有上述結構的薄膜形成系統中，首先，調節氣體調節器22a，將氧氣從氧儲氣 瓶21a提供給臭氧發生器24，產生臭氧。然後，將生成的臭氧氣體提供至介質阻擋放電氣體 的生成裝置的主體13內、即放電空間部。此時，利用排出氣體控制器19，將主體13內的壓 力保持在預定值(例如50kPa)，在該狀態下，產生介質阻擋放電。然後，利用放電使臭氧氣 體離解，生成氧原子的游離基氣體粒子。在放電空間部中生成的該游離基氣體粒子，利用主 體13內的壓力與反應室27內的壓力之差，從氣體噴出孔14向反應室27內噴出。S卩，從氣 體噴出孔14噴出的游離基氣體粒子與被處理物質28的處理面碰撞，在上述處理面產生氧 化化學反應，形成氧化膜。 另外，在被處理物質28形成氧化膜後，關閉氣壓閥26a，打開氣壓閥26b。這樣，提 供至主體13內的氣體從臭氧氣體切換至氮氣，形成氮等離子體。因此，在放電空間部中，生 成氮原子的游離基氣體粒子，利用與上述同樣的作用，從氣體噴出孔14噴出氮游離基氣體 粒子。即，利用氮化化學反應，在形成於被處理物質28的氧化膜上形成氮化膜。在本說明 中，說明了按照時間序列提供2種原料氣體來形成氧化膜、氮膜的情況，但也可以同時提供 多個原料氣體來進行成膜。 根據本發明的實施方式2，由於將主體13與設置有被處理物質28的反應室27接 近設置，可以使生成的游離基氣體利用主體13與反應室27的差壓，對上述被處理物質28 呈噴淋狀噴出，因此可以形成優質的氧化膜及氮化膜。 另外，由於通過開關氣壓閥26a和26b，可以容易將提供至主體13的原料氣體從臭 氧氣體(氧氣)切換至氮氣，因此可以容易將氧化膜與氮化膜形成為層狀。再有，通過使主 體13內的壓力或施加在電極1和2之間的交流電壓值、電流值、頻率可變，可以產生與原料 氣體種類相應的最佳放電等離子體。因此，不變更反應室27內的壓力或被處理物質28的 溫度，就可以得到各種效果。即，可以將游離基粒子有效噴射在被處理物質28的處理面，可 以期待優質的成膜。另外，還可以在低溫下成膜或提高成膜速度。 另外，在實施方式2中，說明了為了形成氧化膜和氮化膜而作為原料氣體是採用 臭氧氣體(氧氣)與氮氣的情況，但也可以與給予被處理物質28的功能相應地使用各種原 料氣體。例如，作為原料氣體，也可以採用氟氣或氟化合物氣體、或者氫氣或氫化合物氣體， 利用本裝置的放電來生成氟游離基氣體或氫游離基氣體。在此時，可以有效對被處理物質 28的處理面進行蝕刻加工。 另外，通過採用氬氣等稀有氣體作為原料氣體，利用本裝置的放電來生成稀有氣 體的游離基氣體，也可以對被處理物質28的處理面進行高質量的退火。稀有氣體的游離基 氣體雖然並非可以產生化學反應，但通過使具有高能量的稀有氣體的游離基氣體與被處理 物質28的處理面碰撞，可以對上述處理面進行熱處理。
實施方式3
11
圖7是表示本發明的實施方式3的介質阻擋放電氣體的生成裝置的結構圖，圖8 是表示本發明的實施方式3的介質阻擋放電氣體的生成裝置的主要部分立體圖。圖7及圖 8中，31是形成於主體13的原料氣體5的入口，32是形成於主體13的冷卻水7的入口，33 是電極單元，34是電極層疊模塊。 在圖7及圖8所示的介質阻擋放電氣體的生成裝置中，在主體13內層疊多級放電 單元12，並且相對於各放電單元12並聯連接交流電源16。利用該結構，可以從主體13的 一側壁13a平面地噴射高能量的游離基氣體。S卩，由於各放電空間部的厚度僅為間隔物4 的厚度的大小，因此對於1個放電空間部，只能將多個氣體噴出孔14配置為直線狀。因此， 在與放電空間部的開口部的長度垂直的方向層疊放電單元12，形成2維的氣體噴出孔14。 根據該結構，可以從主體13的一側壁13a的預定範圍噴出遊離基氣體。
根據本發明的實施方式3，通過將放電單元12層疊多級，將氣體噴出孔14與各放 電單元12的放電空間部的開口部對應而形成，可以提高向反應室27噴出的游離基氣體的 流量和濃度。另外，由於可以平面地噴射游離基氣體，因此在具有預定面積的被處理物質28 的處理面，也可以形成均勻的氧化膜。 另外，對於本發明的介質阻擋放電氣體的生成裝置，以在放電空間的1個電極面
安裝介質的裝置進行了說明，但本生成裝置當然對於在兩個電極面的兩面安裝介質也能取
得同樣的效果。 工業上的實用性 如上所述，根據本發明所涉及的介質阻擋放電氣體的生成裝置，能以高密度且高 效率導出高能量的游離基氣體，提供給被處理物質。 因此，優選用於半導體製造的晶片面的薄膜成膜、蝕刻或退火工序。另外，也可以 用於液晶或太陽能電池等的平板面的薄膜成膜、蝕刻或退火工序。再有，對產業領域使用較 多的金屬表面處理，考慮到環境也可以適用。即，通過在金屬零部件的表面形成氧化膜或氮 化膜，可以防止金屬表面的加速腐蝕。
1權利要求
一種介質阻擋放電氣體的生成裝置，其特徵在於，包括平板狀的第一電極；平板狀的第二電極，所述第二電極的一面相對於所述第一電極的一面配置在相對位置；介質，所述介質設置在所述第一電極與所述第二電極之間，該介質的一面相對於所述第一電極的所述一面具有預定的微小間隙而相對；冷卻部，所述冷卻部冷卻所述第一電極的所述一面；放電空間形成部，所述放電空間形成部設置在所述第一電極與所述介質之間，在被所述第一電極的所述一面和所述介質的所述一面夾著的所述間隙內，形成三方被氣體密封、且剩餘一方在所述第一電極和所述介質的各端面側開口的放電空間部；氣體提供部，所述氣體提供部向所述放電空間部提供原料氣體；以及交流電源，所述交流電源向所述第一電極及所述第二電極施加交流電壓，使得在所述放電空間部產生介質阻擋放電。
2. 如權利要求1所述的介質阻擋放電氣體的生成裝置，其特徵在於，放電空間形成部由呈凹字形的板狀部件構成，配置在第一電極與介質之間，從而在被所述第一電極的一面和所述介質的一面夾著的間隙內，形成具有所述板狀部件的厚度的、長方形的放電空間部。
3. 如權利要求1或2所述的介質阻擋放電氣體的生成裝置，其特徵在於，還包括主體，所述主體的一側壁與放電空間部的開口部接近配置，並覆蓋所述放電空間部，所述主體在所述一側壁的與所述開口部相對的位置，形成有多個氣體噴出孔，用於將由所述放電空間部產生的游離基氣體向所述主體的外側導出。
4. 如權利要求3所述的介質阻擋放電氣體的生成裝置，其特徵在於，包括氣壓檢測器，所述氣壓檢測器用於檢測主體內的氣壓；排出管道，所述排出管道為了排出所述主體內的氣體、而與所述主體的一側壁以外的壁面連接；以及排出氣體控制器，所述排出氣體控制器基於由所述氣壓檢測器檢測的氣壓，控制從所述主體內排出的氣流量，將所述主體內的氣壓保持為高於所述主體外部的壓力的一定值。
5. 如權利要求1至4中任一項所述的介質阻擋放電氣體的生成裝置，其特徵在於，將放電空間部的第一電極的一面與介質的一面間的距離設為0. lmm至2. 0mm的範圍，將所述放電空間部的氣壓設為1. 0kPa至0. IMPa的範圍。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的介質阻擋放電氣體的生成裝置，其特徵在於，氣體提供部將氧及氮、氧化氣體、氮化合物氣體、氟化合物氣體中的任意一種作為原料氣體，提供給放電空間部。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的介質阻擋放電氣體的生成裝置，其特徵在於，設置多個包含第一電極、放電空間形成部、介質、以及第二電極的放電單元，所述放電單元在與放電空間部的開口部的長度方向垂直的方向層疊多級。
全文摘要
本發明提供能以高密度且高效率導出高能量的游離基氣體、並提供給被處理物質的介質阻擋放電氣體的生成裝置。為此，將平板狀的第一電極與第二電極配置在相對位置，在兩個電極間配置介質。另外，在第一電極與介質之間設置放電空間部，在第一電極與介質的間隙內，形成三方被氣體密封、且剩餘一方在第一電極及介質的各端面側開口的放電空間部。再有，包括冷卻至少第一電極的冷卻部、以及向上述放電空間部提供原料氣體的氣體提供部。然後，向第一電極及第二電極施加交流電壓，在放電空間部產生介質阻擋放電。
文檔編號C23C16/503GK101765902SQ20078010034
公開日2010年6月30日 申請日期2007年8月31日 優先權日2007年8月31日
發明者渡邊謙資, 田畑要一郎 申請人:東芝三菱電機產業系統株式會社