專利名稱：介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及介質(zhì)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?dú)?、氮化合物氣體等，在高壓電極與低壓電極間施加交流電壓并產(chǎn)生隔著介質(zhì)的介質(zhì)阻擋放電(無聲放電)，可以有效導(dǎo)出在高電場(chǎng)中由放電生成的游離基氣體(激發(fā)氣體)的裝置。
背景技術(shù)：
氧類或氮類的離子及游離基氣體與被處理物質(zhì)的反應(yīng)性非常高，能夠成為用于得到優(yōu)質(zhì)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(dǎo)體領(lǐng)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(guān)注。然而，離子及游離基氣體不穩(wěn)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(zhì)引起化學(xué)反應(yīng)之前的期間會(huì)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(gè)方法。 一個(gè)方法是將氧氣或氧化合物氣體、臭氧氣體、氮?dú)?、氮化合物氣體等穩(wěn)定的分子氣體提供給反應(yīng)爐，在該反應(yīng)爐內(nèi)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(gè)方法是通過向氣體照射激光或紫外光，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(qiáng)化學(xué)氣相沉積)法、離子鍍法。在各個(gè)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(duì)被處理物質(zhì)即基板面直接產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)是可以使離子氣體或游離基氣體類較多地與被處理物質(zhì)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(xiàn)1披露的光CVD法、專利文獻(xiàn)2披露的熱CVD法。 在專利文獻(xiàn)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(xiàng)狀態(tài)的氮游離基(NfD)、NfP))氣體、或者四重項(xiàng)狀態(tài)的氮游離基(N(4S))氣體。然后，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(xiàn)2披露的熱CVD法中，通過在半導(dǎo)體面形成硅氮化膜來形成硅氮化絕緣膜后，在該硅氮化絕緣膜上利用干燥氧化來形成膜厚為幾nm左右的氧化膜。另外，該干燥氧化是通過在幾百Pa至幾千Pa左右的低氣壓的CVD室內(nèi)，設(shè)置加熱至幾百度的晶片(被處理物質(zhì))，向該晶片面吹出臭氧氣體來進(jìn)行的。即，被吹向晶片面的臭氧氣體在晶片面進(jìn)行熱分解，成為氧游離基氣體。然后，該氧游離基氣體與晶片面即硅接觸，形成膜厚為幾nm的優(yōu)質(zhì)的硅氧化膜。 另外，為了利用上述干燥氧化來形成優(yōu)質(zhì)的硅氧化膜，需要將晶片面加熱至約850°C。但是，若晶片面的溫度過高，則由于熱分解而生成的氧游離基氣體會(huì)在與晶片面接觸前與室內(nèi)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(huì)極度減少，氧化膜無法得到預(yù)定的膜厚。專利文獻(xiàn)2披露了為了確保得到預(yù)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(shí)， 一般而言可以得到三重項(xiàng)的氧游離基(3P)氣體、一重項(xiàng)的氧游離基CD)氣體的氧游離基。
專利文獻(xiàn)1 :日本專利特開2003-142482號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)1 :日本專利特開2005-347679號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題 如上所述，迄今為止開發(fā)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，由于將基板面直接暴露在等離子體中，因此在半導(dǎo)體面形成由絕緣膜構(gòu)成的氧化薄膜或氮化薄膜作為保護(hù)膜時(shí)，存在會(huì)使半導(dǎo)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(shí)，存在如下問題由于等離子體中的電子或離子的電荷讓半導(dǎo)體面帶電，在半導(dǎo)體面與金屬面之間會(huì)產(chǎn)生離子導(dǎo)電，金屬粒子由于該離子導(dǎo)電會(huì)向半導(dǎo)體面移動(dòng)。 另外，專利文獻(xiàn)1披露的光CVD法或?qū)＠墨I(xiàn)2披露的熱CVD法中，存在的問題是
盡管可以形成優(yōu)質(zhì)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，由于需要使用具有高能量的紫外光或激光，因此具有光源的裝置的價(jià)格非常高，會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)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(jié)合力比較小的氫化合物氣體作為用于得到游離基氣體類的分子氣體，則還存在的問題是氫會(huì)進(jìn)入氧化薄膜或氮化薄膜，使薄膜的質(zhì)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(shí)現(xiàn)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(fā)明的目的在于提供，可以解決上述以往的問題，并且能以高密度且高效率導(dǎo)
出高能量的游離基氣體，并提供給被處理物質(zhì)的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置。 用于解決問題的方法 本發(fā)明所涉及的介質(zhì)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(duì)于第一電極的一面配置在相對(duì)位置；介質(zhì)，所述介質(zhì)設(shè)置在第一電極與第二電極之間，一面相對(duì)于第一電極的一面具有預(yù)定的微小間隙而相對(duì)；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(shè)置在第一電極與介質(zhì)之間，在被第一電極的一面和介質(zhì)的一面夾著的間隙內(nèi)，形成三方被氣體密封、且剩余一方在第一電極和介質(zhì)的各端面?zhèn)乳_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(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電。 發(fā)明的效果 根據(jù)本發(fā)明，可以解決上述以往的問題，并且能以高密度且高效率導(dǎo)出高能量的游離基氣體，并提供給被處理物質(zhì)。


圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的結(jié)構(gòu)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(duì)于氣壓的圖。 圖3是表示利用等離子體的裝置的等離子體的電場(chǎng)強(qiáng)度特性相對(duì)于氣壓的圖。 圖4是用于說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的功能的圖。 圖5是用于說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的介質(zhì)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(fā)明的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的薄膜形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的結(jié)構(gòu)圖。 圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的主要部分立體圖。 標(biāo)號(hào)說明 1接地電極(第一電極)，la不銹鋼板，lb不銹鋼板， 2高壓電極(第二電極)，3介質(zhì)，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(zhì)， 11高壓電極，12放電單元，13主體，13a —側(cè)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(cè)器，19排出氣體控制器， 20微小放電空間柱，21a氧儲(chǔ)氣瓶，21b氮儲(chǔ)氣瓶， 22a氣體調(diào)節(jié)器，22b氣體調(diào)節(jié)器，23a MFC， 23b MFC，24臭氧發(fā)生器，25APC，26a氣壓閥， 26b氣壓閥，27反應(yīng)室，28被處理物質(zhì)， 29排氣調(diào)節(jié)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(shí)施例方式
為了更詳細(xì)說明本發(fā)明，根據(jù)附圖進(jìn)行說明。另外，各圖中，對(duì)相同或者相當(dāng)?shù)牟?br> 分標(biāo)注相同的標(biāo)號(hào)，其重復(fù)說明被適當(dāng)簡(jiǎn)化乃至省略。 實(shí)施方式1 圖1是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖1中，l是呈長(zhǎng)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片不銹鋼(SUS)板la和lb重疊進(jìn)行接合而制作的。2是其一面相對(duì)于不銹鋼板la的一面配置在相對(duì)位置的平板狀的高壓電極(第二電極)，3是設(shè)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(gòu)成的介質(zhì)。 4是設(shè)置在接地電極1與介質(zhì)3之間的間隔物(放電空間形成部)。另外，在圖l中為了易于說明，將介質(zhì)3與間隔物4描繪為離開的位置，但實(shí)際上，接地電極1、間隔物4、介質(zhì)3、高壓電極2以該順序重疊，構(gòu)成為層狀。S卩，由于間隔物4配置在介質(zhì)3與接地電極1之間，因而介質(zhì)3的一面相對(duì)于不銹鋼板la的上述一面具有預(yù)定的間隙而相對(duì)。
由于上述間隔物4配置在接地電極1與介質(zhì)3之間，因而在不銹鋼板la的一面與介質(zhì)3的一面之間形成上述間隙，并且在該間隙內(nèi)，形成三方被氣體密封、剩余一方在接地電極1及介質(zhì)3的一端面?zhèn)乳_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(gòu)成，在該-形部?jī)?nèi)，形成具有上述板狀部件的厚度的、長(zhǎng)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(gè)邊緣部配置，可以確保更寬的放電空間部。 另外，該介質(zhì)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、以及冷卻不銹鋼板la的一面的冷卻部。在圖1中，作為一個(gè)例子，示出了在接地電極l內(nèi)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(duì)于構(gòu)成接地電極1的2片不銹鋼板la和lb，其接合面預(yù)先通過半蝕刻(half etching)等去除了不需要的部分。然后，接地電極1通過重疊不銹鋼板la和lb，在其內(nèi)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(guān)于氣體通路6和冷卻水通路8的大概情況，參照日本專利公報(bào)第3607905號(hào))。 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(cè)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?jī)?nèi)的不銹鋼板la的一面形成。即，原料氣體5從入口 6a進(jìn)入接地電極l內(nèi)，通過氣體通路6，從出口 6b向放電空間部?jī)?nèi)提供。另外，冷卻水7從入口 8a向接地電極1內(nèi)提供，通過遍及放電空間部的整個(gè)范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?jī)?nèi)的氣體溫度下降而向接地電極l內(nèi)提供的，在進(jìn)一步需要冷卻功能時(shí)，例如在高壓電極2內(nèi)也形成冷卻水通路，提供冷卻水7。 上述說明是接地電極1的不銹鋼板la側(cè)的構(gòu)成，但如圖1所示，不銹鋼板lb側(cè)也具有與不銹鋼板la側(cè)相同的結(jié)構(gòu)。即，在不銹鋼板lb的一面?zhèn)?，重疊間隔物9、介質(zhì)10、高壓電極ll，在不銹鋼板lb與介質(zhì)10之間形成的間隙內(nèi)，利用間隔物9形成放電空間部。如上所述，構(gòu)成在接地電極1的兩側(cè)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(gè)覆蓋。該主體13的一側(cè)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(duì)。另外，在主體13的上述一側(cè)壁13a中，在與放電空間部的開口部相對(duì)的位置，形成多個(gè)氣體噴出孔14。該氣體噴出孔14用于將在放電空間部生成的、從開口部向主體13內(nèi)噴出的游離基氣體15(細(xì)節(jié)后述)向主體13的外側(cè)導(dǎo)出，這樣設(shè)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(gòu)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(zhì)3(和10)施加交流高壓(例如3kV、10kHz)，在放電空間部的整個(gè)表面，產(chǎn)生均勻的高電場(chǎng)的介質(zhì)阻擋放電(無聲放電)。 另外，該介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置中，具有用于將主體13內(nèi)的壓力保持在預(yù)定的一定值的功能。具體而言，在主體13的上述一側(cè)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(nèi)的氣體，在上述壁面連接有排出管道17。再有，用于檢測(cè)主體13內(nèi)的氣壓的氣壓檢測(cè)器18例如設(shè)置在主體13內(nèi)，或者設(shè)置在用于將原料氣體5向主體13提供的管道部。然后，排出氣體控制器19(APC :自動(dòng)壓力控制器)基于由氣壓檢測(cè)器18檢測(cè)的氣壓，控制從主體13內(nèi)排出的微小的氣流量，將主體13內(nèi)的氣壓保持在高于主體13外部的預(yù)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(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的特征。 若在平行電極間設(shè)置介質(zhì)，并在兩個(gè)電極間施加交流高壓，則會(huì)隔著介質(zhì)產(chǎn)生高電場(chǎng)的介質(zhì)阻擋放電。在這樣的放電中，放電區(qū)域內(nèi)的氣體處于電子與離子分離的等離子體狀態(tài)。在該放電等離子體中，電子被放電電場(chǎng)加速，具有高能量。然后，由于高能量的電子與氣體分子碰撞，而產(chǎn)生具有高能量的激發(fā)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(dá)。
數(shù)學(xué)式1
Ep °^ E/n °^ E/P 式中，E是等離子體中的電場(chǎng)(V/cm)，n是等離子體中的氣體密度(個(gè)/cm3) ， P是等離子體中的氣壓(Pa)。即，能量Ep取決于被放電電場(chǎng)E加速的電子與氣體粒子碰撞、而能量交換的次數(shù)。另外，從上式1可知，等離子體中的電場(chǎng)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(píng)價(jià)等離子體中的能量Ep的值，有E/P (V *Cm2)。另外，處于E/P越大的等離子體狀態(tài)，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(tài)由E/P(Td)來評(píng)價(jià)。式中，lTd = 1X10—17(V cm2)。 然后，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(zhì)碰撞，促進(jìn)在碰撞面(接觸面)的化學(xué)反應(yīng)，可以對(duì)被處理物質(zhì)形成氧化膜、氮化膜、表面改性膜(退火膜)或者蝕刻的獨(dú)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(duì)于氣壓的圖，表示利用放電的裝置在多大的粒子密度區(qū)域中使用。圖2中，區(qū)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復(fù)合的區(qū)域，即是適于根據(jù)原料氣體生成被進(jìn)一步高分子化的氣體的區(qū)域。 作為利用區(qū)域C的等離子體的裝置，例如有臭氧氣體產(chǎn)生裝置。在該臭氧氣體產(chǎn)生裝置中，利用介質(zhì)阻擋放電或沿面放電，產(chǎn)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，由于等離子體光或光催化劑物質(zhì)與原料氣體的化學(xué)反應(yīng)而離解
7的氧原子氣體，因三體碰撞而進(jìn)行復(fù)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(jìn)由離解的粒子進(jìn)行的上述三體碰撞。因此，作為粒子密度，為1010(個(gè)/cm3)以上的高密度時(shí)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(jìn)行的表面化
學(xué)反應(yīng)。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(chǎn)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。然后，
通過生成的等離子體與晶片碰撞，在半導(dǎo)體面形成功能性較優(yōu)的薄膜(區(qū)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(chǎng)強(qiáng)度特性相對(duì)于氣壓的
特性的圖，表示利用放電的裝置利用多大的電場(chǎng)強(qiáng)度的等離子體。圖3中，在由臭氧氣體產(chǎn)
生裝置利用的區(qū)域C中，使氣壓為0. lMPa以上，用于得到等離子體的放電間隙長(zhǎng)為0. 2mm
以下，實(shí)現(xiàn)具有100Td以上的電場(chǎng)強(qiáng)度的介質(zhì)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(qū)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(chǎng)強(qiáng)度的高電場(chǎng)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(fā)明的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置中，不是利用上述區(qū)域
C或A，而是利用中氣壓(O.OOIM至O. lMPa)等離子體區(qū)域(區(qū)域B)來產(chǎn)生等離子體。然
后，使生成的游離基粒子向幾百Pa以下的低氣壓反應(yīng)室噴出，用于對(duì)被處理物質(zhì)的被處理
面進(jìn)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(zhǎng)(接地電極1與介質(zhì)3(和10)的距離)設(shè)定為0. 1至幾mm(例如2mm)(參照?qǐng)D3)，在放電空間部產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電來形成等離子體。此時(shí)的等離子體電場(chǎng)強(qiáng)度成為幾百至1000Td，在放電空間部中形成有高電場(chǎng)等離子體。然后，由該高電場(chǎng)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(nèi)提供。即，本發(fā)明的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置具有的結(jié)構(gòu)是，由于在放電空間部產(chǎn)生的離子、電子被間隙較短的電極間的電場(chǎng)束縛，因此可有效生成并導(dǎo)出沒有電荷的游離基氣體15、即有助于在半導(dǎo)體元件內(nèi)生成功能膜的氣體。
上述結(jié)構(gòu)可通過對(duì)等離子體的產(chǎn)生構(gòu)造或氣體的提供方法、放電空間的氣體的流動(dòng)方向及導(dǎo)出等離子體氣體的構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置中，縮短放電間隙長(zhǎng)并冷卻電極面，并且在放電空間部利用介質(zhì)阻擋放電，以微小放電形成均勻的持續(xù)微小時(shí)間的等離子體。另外，利用該高電場(chǎng)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(dāng)構(gòu)成放電空間部或其開口部、氣體噴出孔14、主體13的內(nèi)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(cè)導(dǎo)出。
圖4及圖5是用于說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的功能的圖。下面，基于圖4說明介質(zhì)阻擋放電的放電形態(tài)和特征，基于圖4及圖5說明由1個(gè)微小放電所產(chǎn)生的等離子體而生成的氣體類機(jī)理及其特征。 圖4及圖5中，相對(duì)配置的接地電極1與高壓電極2通過向其各內(nèi)部流通冷卻水7，其各一面被冷卻。在該狀態(tài)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(zhì)3會(huì)在相對(duì)于施加的交流電壓錯(cuò)開90度相位的狀態(tài)下，其兩面的電荷被極化而產(chǎn)生感應(yīng)(圖4是表示在高壓電極2施加+電位時(shí)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(dá)到最大的時(shí)刻，會(huì)積累最大的極化電荷Q,。即，在設(shè)放電間隙長(zhǎng)《=0. 1mm的放電空間部，施加最大的電場(chǎng)強(qiáng)度Emax。此處，若在放電空間部中產(chǎn)生絕緣破壞的電場(chǎng)強(qiáng)度E。小于Emax，則在達(dá)到電場(chǎng)強(qiáng)度E。的極化電荷Q。的時(shí)刻，在放電空間部的微小部分會(huì)部分產(chǎn)生絕緣破壞，積累在介質(zhì)3的極化電荷Q。以預(yù)定的放電電壓Vj向接地電極1放電。然后，若從介質(zhì)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(fù)。另外，若在介質(zhì)3放電后被再次充電并到達(dá)極化電荷Q。，則會(huì)再次產(chǎn)生部分絕緣破壞。由于以上的現(xiàn)象，則反復(fù)進(jìn)行放電電壓Vj的放電。另外，在放電空間中，反復(fù)進(jìn)行部分絕緣破壞(放電)與絕緣恢復(fù)的0N-0FF(時(shí)斷時(shí)續(xù)的)放電，被稱為介質(zhì)阻擋放電。 在介質(zhì)3中，在與接地電極1的一面相對(duì)的整個(gè)一面均勻地積累有電荷。因此，介質(zhì)阻擋放電雖然是無序的0N-0FF(時(shí)斷時(shí)續(xù)的)放電，但在放電空間部中的介質(zhì)3的整個(gè)一面，具有均勻地產(chǎn)生放電這樣的特征。另外，由于介質(zhì)阻擋放電是因積累在介質(zhì)3的微小表面的電荷而產(chǎn)生的，因此是微小的放電，且還具有是僅持續(xù)較短時(shí)間的放電的特征。此處，介質(zhì)阻擋放電的1個(gè)放電直徑取決于放電空間部的氣壓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(zhǎng)《或氣壓P越小，則放電空間部的放電阻抗越小，介質(zhì)阻擋放電的1個(gè)持續(xù)時(shí)間Tg在放電間隙長(zhǎng)《=0. lmm、氣壓p =0. lMPa左右時(shí)，通常為nsec(納秒)左右。 這樣，介質(zhì)阻擋放電可以定義為在時(shí)間及空間上無數(shù)間斷地反復(fù)進(jìn)行微小放電、且時(shí)間非常短的持續(xù)放電。因此，介質(zhì)阻擋放電與長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)放電或者連續(xù)持續(xù)放電的輝光放電或熱電子發(fā)射形態(tài)的電弧放電比較，具有可以實(shí)現(xiàn)具有幾倍至幾十倍的高電場(chǎng)強(qiáng)度的等離子體這樣的特征。另外，由于是被介質(zhì)充電的電荷導(dǎo)致的放電，因此與從外部施加的電壓V相對(duì)應(yīng)，在介質(zhì)的電極面，將電荷均勻充電。因此，即使一個(gè)一個(gè)的放電在時(shí)間上及空間上無序產(chǎn)生，但作為整個(gè)介質(zhì)阻擋放電群而言，也能產(chǎn)生穩(wěn)定的放電，可以容易形成均勻空間。因此，在介質(zhì)阻擋放電中還具有的特征是可以實(shí)現(xiàn)在持續(xù)放電的輝光放電或電弧放電下無法實(shí)現(xiàn)的電子溫度較高的非平衡等離子體，可以實(shí)現(xiàn)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(tài)。 下面，基于圖5說明具有上述特征的介質(zhì)阻擋放電的機(jī)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(zhì)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(yù)定的放電電壓Vj，無數(shù)的放電以nsec級(jí)的短時(shí)間反復(fù)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(chǎng)E可由下式表示。 數(shù)學(xué)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(shù)越下降，粒
子間的能量交換越少。因此，具有高能量的電子數(shù)變多，具有高能量的離子粒子、游離基粒子數(shù)也變多。 另夕卜，若從在介質(zhì)3的一面的微小空間中帶電的電荷Q產(chǎn)生Tg(nsec)的持續(xù)時(shí)間的微小放電，則由該1個(gè)微小放電產(chǎn)生的放電動(dòng)能J可由下式得到。
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數(shù)學(xué)式3 J = AIXVjXTg [J] SP，在微小時(shí)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(dòng)能。因 此，在微小放電空間柱20內(nèi)，被電場(chǎng)E加速的高能量電子與等離子體中的粒子碰撞，產(chǎn)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，由于以nsec級(jí)的短時(shí)間放電 停止、以及被流過兩個(gè)電極1和2內(nèi)的冷卻水7適當(dāng)冷卻這兩方面的原因，內(nèi)部的氣體不會(huì) 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(tài)。在這樣的氣體溫度較低的 等離子體狀態(tài)下，可以抑制在放電期間得到的高能粒子的熱運(yùn)動(dòng)，減少該熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的粒 子間碰撞所引起的能量損耗。即，結(jié)果可以較多地生成高能粒子。 另夕卜，由于放電空間部的放電間隙長(zhǎng)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(gè)電極1與2間的電場(chǎng)限制在放電空間部?jī)?nèi)。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(dǎo)出主體13的外部之前，由于與氣體復(fù)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(chǎn)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(zhì)3、間隔物4，形成僅在一方開口的長(zhǎng)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(zhì)進(jìn)入的反應(yīng)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(cè)導(dǎo)出。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式l，能以高密度且高效率導(dǎo)出高能量的游離基氣體15，提 供給被處理物質(zhì)。 —般而言，如果照射在被處理物質(zhì)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(duì)被處理物質(zhì)的高活性反應(yīng)。因此，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，著眼于被處理物質(zhì) 面與高能粒子間的化學(xué)反應(yīng)面，例如要求具有魅力的游離基氣體，該游離基氣體可以實(shí)現(xiàn) 形成被處理物質(zhì)的具有可以進(jìn)行電、磁、光特性較好的結(jié)晶膜生長(zhǎng)等獨(dú)特特性的氧化膜或 氮化膜；或以往無法實(shí)現(xiàn)的蝕刻作用或退火；或提高成膜速度等。 再有，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，要求利用中性的游離基氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，可以選擇性地
進(jìn)行表面改性。即，對(duì)于具有電荷的電子或離子粒子，由于電子對(duì)半導(dǎo)體面充電、或離子電
流的流動(dòng)，而使金屬離子原子轉(zhuǎn)移，給半導(dǎo)體帶來?yè)p傷(等離子體損傷)。 根據(jù)本發(fā)明的介質(zhì)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(zhì)不直接碰撞，而能以高密度且高效
率僅導(dǎo)出中性的游離基氣體15。因此，也可以應(yīng)對(duì)上述半導(dǎo)體領(lǐng)域的各種要求。 實(shí)施方式2 圖6是表示使用本發(fā)明的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的薄膜形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 圖。圖6中，21a是氧儲(chǔ)氣瓶，21b是氮儲(chǔ)氣瓶，22a和22b是氣體調(diào)節(jié)器，23a和23b是原料 氣體用的質(zhì)量流量控制器(MFC) ，24是臭氧發(fā)生器，25是用于將臭氧發(fā)生器24內(nèi)的壓力保持為一定的自動(dòng)壓力控制器(APC) ， 26a和26b是用于將臭氧氣體或氮?dú)獯蜷_關(guān)閉(0N-0FF) 的氣壓閥。 另外，27是在內(nèi)部設(shè)置有被處理物質(zhì)28(例如半導(dǎo)體的晶片等)的反應(yīng)室。將該 反應(yīng)室27內(nèi)的被處理物質(zhì)28的處理面與形成于主體13的氣體噴出孔14相對(duì)配置。另外， 在反應(yīng)室27中，包括用于加熱被處理物質(zhì)28的加熱器、調(diào)整氣流量或內(nèi)部壓力的真空泵等 各種設(shè)備(未圖示)。另外，29是排氣調(diào)節(jié)閥，30是廢氣分解器。 在具有上述結(jié)構(gòu)的薄膜形成系統(tǒng)中，首先，調(diào)節(jié)氣體調(diào)節(jié)器22a，將氧氣從氧儲(chǔ)氣 瓶21a提供給臭氧發(fā)生器24，產(chǎn)生臭氧。然后，將生成的臭氧氣體提供至介質(zhì)阻擋放電氣體 的生成裝置的主體13內(nèi)、即放電空間部。此時(shí)，利用排出氣體控制器19，將主體13內(nèi)的壓 力保持在預(yù)定值(例如50kPa)，在該狀態(tài)下，產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電。然后，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(nèi)的壓力與反應(yīng)室27內(nèi)的壓力之差，從氣體噴出孔14向反應(yīng)室27內(nèi)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(zhì)28的處理面碰撞，在上述處理面產(chǎn)生氧 化化學(xué)反應(yīng)，形成氧化膜。 另外，在被處理物質(zhì)28形成氧化膜后，關(guān)閉氣壓閥26a，打開氣壓閥26b。這樣，提 供至主體13內(nèi)的氣體從臭氧氣體切換至氮?dú)?，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(xué)反應(yīng)，在形成于被處理物質(zhì)28的氧化膜上形成氮化膜。在本說明 中，說明了按照時(shí)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(shí)提供 多個(gè)原料氣體來進(jìn)行成膜。 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式2，由于將主體13與設(shè)置有被處理物質(zhì)28的反應(yīng)室27接 近設(shè)置，可以使生成的游離基氣體利用主體13與反應(yīng)室27的差壓，對(duì)上述被處理物質(zhì)28 呈噴淋狀噴出，因此可以形成優(yōu)質(zhì)的氧化膜及氮化膜。 另外，由于通過開關(guān)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?dú)猓虼丝梢匀菀讓⒀趸づc氮化膜形成為層狀。再有，通過使主 體13內(nèi)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(chǎn)生與原料 氣體種類相應(yīng)的最佳放電等離子體。因此，不變更反應(yīng)室27內(nèi)的壓力或被處理物質(zhì)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(zhì)28的處理面，可 以期待優(yōu)質(zhì)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(shí)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采用 臭氧氣體(氧氣)與氮?dú)獾那闆r，但也可以與給予被處理物質(zhì)28的功能相應(yīng)地使用各種原 料氣體。例如，作為原料氣體，也可以采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(shí)，可以有效對(duì)被處理物質(zhì) 28的處理面進(jìn)行蝕刻加工。 另外，通過采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(duì)被處理物質(zhì)28的處理面進(jìn)行高質(zhì)量的退火。稀有氣體的游離基 氣體雖然并非可以產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，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(zhì)28的處理面碰撞，可以對(duì)上述處理面進(jìn)行熱處理。
實(shí)施方式3
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圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖8 是表示本發(fā)明的實(shí)施方式3的介質(zhì)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是形成于主體13的原料氣體5的入口，32是形成于主體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(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置中，在主體13內(nèi)層疊多級(jí)放電 單元12，并且相對(duì)于各放電單元12并聯(lián)連接交流電源16。利用該結(jié)構(gòu)，可以從主體13的 一側(cè)壁13a平面地噴射高能量的游離基氣體。S卩，由于各放電空間部的厚度僅為間隔物4 的厚度的大小，因此對(duì)于1個(gè)放電空間部，只能將多個(gè)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(zhǎng)度垂直的方向?qū)盈B放電單元12，形成2維的氣體噴出孔14。 根據(jù)該結(jié)構(gòu)，可以從主體13的一側(cè)壁13a的預(yù)定范圍噴出游離基氣體。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式3，通過將放電單元12層疊多級(jí)，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(duì)應(yīng)而形成，可以提高向反應(yīng)室27噴出的游離基氣體的 流量和濃度。另外，由于可以平面地噴射游離基氣體，因此在具有預(yù)定面積的被處理物質(zhì)28 的處理面，也可以形成均勻的氧化膜。 另外，對(duì)于本發(fā)明的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，以在放電空間的1個(gè)電極面
安裝介質(zhì)的裝置進(jìn)行了說明，但本生成裝置當(dāng)然對(duì)于在兩個(gè)電極面的兩面安裝介質(zhì)也能取
得同樣的效果。 工業(yè)上的實(shí)用性 如上所述，根據(jù)本發(fā)明所涉及的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，能以高密度且高 效率導(dǎo)出高能量的游離基氣體，提供給被處理物質(zhì)。 因此，優(yōu)選用于半導(dǎo)體制造的晶片面的薄膜成膜、蝕刻或退火工序。另外，也可以 用于液晶或太陽(yáng)能電池等的平板面的薄膜成膜、蝕刻或退火工序。再有，對(duì)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域使用較 多的金屬表面處理，考慮到環(huán)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(quán)利要求
一種介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，其特征在于，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(duì)于所述第一電極的一面配置在相對(duì)位置；介質(zhì)，所述介質(zhì)設(shè)置在所述第一電極與所述第二電極之間，該介質(zhì)的一面相對(duì)于所述第一電極的所述一面具有預(yù)定的微小間隙而相對(duì)；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(shè)置在所述第一電極與所述介質(zhì)之間，在被所述第一電極的所述一面和所述介質(zhì)的所述一面夾著的所述間隙內(nèi)，形成三方被氣體密封、且剩余一方在所述第一電極和所述介質(zhì)的各端面?zhèn)乳_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(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電。
2. 如權(quán)利要求1所述的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，其特征在于，放電空間形成部由呈凹字形的板狀部件構(gòu)成，配置在第一電極與介質(zhì)之間，從而在被所述第一電極的一面和所述介質(zhì)的一面夾著的間隙內(nèi)，形成具有所述板狀部件的厚度的、長(zhǎng)方形的放電空間部。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，其特征在于，還包括主體，所述主體的一側(cè)壁與放電空間部的開口部接近配置，并覆蓋所述放電空間部，所述主體在所述一側(cè)壁的與所述開口部相對(duì)的位置，形成有多個(gè)氣體噴出孔，用于將由所述放電空間部產(chǎn)生的游離基氣體向所述主體的外側(cè)導(dǎo)出。
4. 如權(quán)利要求3所述的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，其特征在于，包括氣壓檢測(cè)器，所述氣壓檢測(cè)器用于檢測(cè)主體內(nèi)的氣壓；排出管道，所述排出管道為了排出所述主體內(nèi)的氣體、而與所述主體的一側(cè)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于由所述氣壓檢測(cè)器檢測(cè)的氣壓，控制從所述主體內(nèi)排出的氣流量，將所述主體內(nèi)的氣壓保持為高于所述主體外部的壓力的一定值。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，其特征在于，將放電空間部的第一電極的一面與介質(zhì)的一面間的距離設(shè)為0. lmm至2. 0mm的范圍，將所述放電空間部的氣壓設(shè)為1. 0kPa至0. IMPa的范圍。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，其特征在于，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(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的介質(zhì)阻擋放電氣體的生成裝置，其特征在于，設(shè)置多個(gè)包含第一電極、放電空間形成部、介質(zhì)、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(zhǎng)度方向垂直的方向?qū)盈B多級(jí)。
全文摘要
本發(fā)明提供能以高密度且高效率導(dǎo)出高能量的游離基氣體、并提供給被處理物質(zhì)的介質(zhì)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(duì)位置，在兩個(gè)電極間配置介質(zhì)。另外，在第一電極與介質(zhì)之間設(shè)置放電空間部，在第一電極與介質(zhì)的間隙內(nèi)，形成三方被氣體密封、且剩余一方在第一電極及介質(zhì)的各端面?zhèn)乳_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。然后，向第一電極及第二電極施加交流電壓，在放電空間部產(chǎn)生介質(zhì)阻擋放電。
文檔編號(hào)C23C16/503GK101765902SQ20078010034
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者渡邊謙資, 田畑要一郎 申請(qǐng)人:東芝三菱電機(jī)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)株式會(huì)社