JPH01273A - マイクロ波プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、基体上に堆積膜、とりわけ機能性膜、特に半
導体デバイス、電子写真用感光体デバイス、画像入力用
ラインセンサー、撮像デバイス、光起電力デバイス等に
用いる機能性薄膜を形成するためのマイクロ波プラズマ
ＣｖＤｖ装置に関するものである。

〔従来技術の説明〕

従来、半導体デバイス、電子写真用感光体デバイス、画
像入力用ラインセンサー、撮像デバイス、光起電力デバ
イス、その他各種エレクトロニクス素子、光学素子、等
に用いる素子部材として、アモルファス・シリコン、例
えば水素又は／及びハロゲン（例えばフッ素、塩素等）
で補償されアモルファス・シリコン（以下、（Ａ　−Ｓ
　ｉ（Ｈ，Ｘ））と記す、）等のアモルファス半導体等
の堆積膜が提案され、その中のいくつかは実用に付され
ている。

そして、こうした堆積膜は、プラズマＣＶＤ法、即ち、
原料ガスを直流、又は高周波、マイクロ波グロー放電に
よって介解し、ガラス、石英、耐熱性合成樹脂フィルム
、ステンレス、アルミニウムなどの支持体上にｇＩ膜状
の堆積膜を形成する方法により形成されることが知られ
ており、そのための装置も各種提案されている。

特に近年マイクロ波グロー放電分解を用いたプラズマＣ
ＶＤ法が工業的にも注目されており、こうしたマイクロ
波プラズマＣＶＤ法を実施するための装置がいくつか提
案されていて、それらの装置は以下の２！１Ｍに大別で
きる。即ち、＋１）プラズマ生成室で電子サイクロトロ
ン共鳴（ＥＣＲ）によりプラズマを生成せしめ、該プラ
ズマを成膜室に導入する、いわゆるＥＣＲ型プラズマＣ
ＶＤ装置、及び（２）マイクロ波放電電力を成膜室に直
接導入してグロー放電プラズマを生起させる、いわゆる
直接導入型マイクロ波プラズマＣＶＤ装置。

第３図は、後者の直接導入型マイクロ波プラズマＣＶＤ
装置であって、本発明者らが開発し、実用化の域に至っ
ている装置の典型例を模式的に示す断面略図である。

第３図において、３０１はマイクロ波導入部、３０２は
真空容器、３０３は支持体（円筒形）なお、支持体が板
状のものである場合、円筒形の支持体、例えばアルミシ
リンダーの表面に該板状支持体を密着させて、堆積膜を
形成するようにする、３０４は支持体加熱用ヒーター、
３０５は排気バッファ板、３０６は真空シール機構、３
０７は冷却系導入部、３０８は支持体回転用モーター、
３０９は支持体回転軸、３１０，３１）は支持体保持具
、３１２はプラズマ、３１３はマイクロ波導入窓、Ａは
放電空間を各々示している。

該図に示す装置は、真空容器３０２内に複数の支持体３
０３，３０３．・・・を環状に配置して真空容器の中心
部に円筒状空間（放電空間Ａ）を作り、その少なくとも
一方向の円筒端面よりマイクロ波電力を投入して放電を
生起せしめる擬似円形空洞共鳴器構造をとっており、マ
イクロ波導入部３０１は、前述のＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）型プラズマＣＶＤ装置の場合の様な大形の
電磁石コイルやＥＣＲキャビティー等を設ける必要が無
く、比較的ＰＪ潔に設計することが可能で、且つ、真空
容器３０２又はその内部構造を空洞共振器として用いる
ことにより、ＥＣＲ型プラズマＣＶＤ装置よりも大電力
を供給できるため、成膜速度が比較的大きく、ガス分解
率も１００％近くなり、大面積の支持体への堆積膜形成
の量産に適するといへ長所を有している。

該装置を用いた堆積膜形成は以下のようにして行われる
。

まず、真空容器３０２内に、複数の支持体３ｏ３゜３０
３、・・・を設置し、支持体回転用モーターで支持体３
０３を回転し拡散ポンプ（図示せず）で、１０−’Ｔｏ
ｒｒ以下に減圧する。続いて支持体加熱用ヒーター３０
４で支持体の温度を、５０℃乃至４００℃の所定温度に
制御する。支持体３０３が所定の温度になったところで
、ガスボンベ（図示せず）から所定の原料ガス、例えば
Ａ−５ｉ（Ｈ。

Ｘ）膜を形成する場合であれば、シランガス、水素ガス
等の原料ガスを放電空間Ａに導入し、放電空間Ａの内圧
を１０ｍＴｏｒｒ以下の所定の圧力にする。内圧が安定
した後、マイクロ波電源（不図示）により、周波数５０
０ＭＨｚ以上の、好ましく４！２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を発生させ、マイクロ波導入部３０１を介して、放
電空間Ａにマイクロ波エネルギーを導入する。

か（して、真空容器内の原料ガスはマイクロ波のエネル
ギーにより分解され、支持体３０３上に堆積し、堆積膜
が形成されるところとなる。

本発明者らが、第３図に示す装置を用い、原料ガスとし
てモノシランガス（ＳｉＨ４）を用いてＡ−３ｉ（Ｈ，
Ｘ）膜を形成したところ、ガス分解効率はほぼ１００％
、膜の堆積速度は約２３０人／Ｓという結果を得た。こ
のときのマイクロ波供給電力は合計値で最大１ｋＷであ
った。該結果から明らかなように、マイクロ波プラズマ
ＣＶＤ装置によれば、従来の周波数１３．５６ＭＨ２の
高周波電力を用いたプラズマＣＶＤ’Ｊ置を用いた場合
よりもはるかに大きい、約１０倍の堆積速度が得られる
。

然し乍ら、第３図に示す装置構成では、マイクロ波導入
部３０１）特に大気側から真空側へマイクロ波を送り込
むマイクロ波導入窓３１３にも膜が堆積し、マイクロ波
の真空容器内への伝播効率を悪化させてしまうため、常
に安定した状態でマイクロ波を真空容器内へ供給するこ
とが困難となり、その結果、高品質の堆積膜を定常的に
効率良く形成するためのマイクロ波投入電力の条件をコ
ントロールすることが難しくなるという問題がある。更
に、この堆積膜の厚さが約２μｍを越えるようになると
、マイクロ波の伝送が著しく困難となるため、数回〜十
数回の成膜後にマイクロ波導入窓３１３を交換する必要
がある。現状では、マイクロ波導入窓３１３を取り替え
るようにしてはいるが、その脱着交換に要する時間も無
視出来ず、また交換用の予備部品を多数揃えなければな
らないこと、更に、外した窓材に付着した膜を除去する
洗浄作業等の付帯工程及びそのための費用が必要となる
こと等の問題を有している。

更に、第３図に示す装置においては、大面積あるいは長
尺の支持体に均一な膜を形成しうるように、マイクロ波
導入部を装置の上下両端部に設置してはあるものの、依
然として９４Ｍされる膜厚には差が生じてしまう場合が
少なくない、言うまでもなく、大面積あるいは長尺の支
持体に対しては、成膜速度が大きく、且つ、膜厚分布が
均一であることが必須条件であるが、こうした条件を満
たすための成膜条件について本発明者らが検討したとこ
ろ、以下の相反する２つの要因が深く関与していること
が判明した。第４図は、Ａ−３ｔ（Ｈ，Ｘ）を形成した
場合の支持体の長手方向における相対膜厚分布と成膜圧
力との関係を示す図である。

即ち、前述の大面積あるいは長尺の支持体に対して堆積
膜を形成する場合、 （１）成膜速度は成膜時の内圧が高い程大きい、（２）
形成される膜厚分布は成膜時の内圧が低い程均−である
、という相反する要因を克服する必要がある。

更にまた、実際に装置を設計する際には、想定した成膜
条件、特に材料ガスの流量と成膜内圧をもとにして、真
空容器から排気系に至る部分の形状を決定するのである
が、材料ガスを同一流量供給するとして、成膜内圧を低
くとろうとすると、排気ガスの排出容量は圧力に反比例
して増加する為、低圧力の範囲で所要の排気容量を確保
する為には、非常に大きい排気速度を持つポンプを必要
とし、現実的とは言い難いという問題もある。

本発明者らが、第３図に示す装置を用いて実際にＡ−３
ｔ（Ｈ，Ｘ）膜を形成した場合、第４図に示すごとく、
成膜内圧をＩ　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒにしないと均一な
膜厚分布のものが得られず、この時の成膜速度は、原料
ガス量の制限から、最大３０人／Ｓに留まった。

また、上記内圧で安定した放電を維持して、上記の成膜
を行った際に、供給したマイクロ波電力は、最小でも３
ｋＷ（上、下合計値）の大電力を必要とした。更にこの
際、マイクロ波導入窓の汚れは著しく、マイクロ波放電
が不安定となった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、直接導入型マイクロ波ＣＶＤ装置にお
いて、マイクロ波導入部への堆積膜の付着を防止し、常
に安定したマイクロ波放電を可能とするとともに、マイ
クロ波導入窓のメインテナンスサイクルを長（すること
ができる装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、直接導入型マイクロ波プラ
ズマＣＶＤｖ装置を用いて、半導体デバイス、電子写真
用感光体デバイス、光起電力素子、その他の各種エレク
トロニクス素子、光学素子等に用いられる素子部材とし
ての堆積膜を形成する場合に、成膜速度をより大きくし
、且つ膜厚分布が均一な膜が得られるようにし、大面積
あるいは長尺の支持体上に上述の諸々の機能性堆積膜を
形成することを可能とするマイクロ波プラズマＣｖＤ装
置を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明は、従来のマイクロ波を真空容器内に直接導入す
る方式のマイクロ波プラズマＣＶＤｖ装置における前述
の問題点を解決し、上述の目的を達すべく鋭意研究を重
ねたところ、環状に配置された複数の支持体により囲ま
れた円筒状放電空間への軸方向に平行に磁場を形成する
とともに、この部分に高密度のプラズマを発生せしめる
ことにより成膜速度を向上することができ、更に、マイ
ク０波導入窓を、発生するプラズマから十分に遠ざける
ことにより、マイクロ波導入窓への堆積膜の付着を防止
することができるという知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいて完成せしめたものであり
、本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、真空容器
と、該真空容器内に複数の堆積膜形成用支持体を保持す
る手段と、該真空容器内に原料ガスを供給する手段と、
該真空容器内を排気する手段と、該真空容器内にマイク
ロ波電力を導入するためのマイクロ波導入窓を存するマ
イクロ波導入窓とから構成されるマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ装置であって、前記真空容器の外周部に磁石を配設
するとともに、前記マイクロ波導入部の内径を、対向す
る支持体間の最短距離よりも大きくし、さらに、前記マ
イクロ波導入窓の位置を、支持体端部より、マイクロ波
導波部の内径以上の距離をへだでて配置したことを特徴
とするものである。

本発明のプラズマＣＶＤ装置においては、マイクロ波導
入部の数や位置を問わず、種々の変形が可能である。

また、本発明のプラズマＣＶＤ装置における磁石は一定
の磁力を有する磁石であっても、又は電磁石であっても
よく、磁石は、装置外への磁場の影響を防止するため必
要に応じて磁気シールドを適宜設けることもできる。更
に、電磁石を用いる場合、そのコイル素線を超伝導材料
とすることもできる。

更に、本発明の装置においては、磁石以外の構成品を非
磁性材料で形成することが望ましい。

本発明の装置により堆積膜を形成するについて使用され
る原料ガスは、マイクロ波のエネルギーにより励起種化
し、化学的相互作用して支持体表面上に所期の堆積膜を
形成する類のものであれば何れのものであっても採用す
ることができるが、例えばＡ−３ｔ（Ｈ，Ｘ）膜を形成
する場合であれば、原料ガスとしてケイ素に水素、ハロ
ゲン、あるいは炭化水素等が結合したシラン類及びハロ
ゲン化シラン類等のガス、水素ガス等を用いることがで
きる。さらにＡ−３ｔ（Ｈ，Ｘ）膜はｐ型不純物元素又
はｎ型不純物元素をドーピングすることが可能であり、
これ等の不純物元素を構成成分として含有する原料ガス
を、単独で、あるいは前述の原料ガスと混合して用いる
ことができる。

また堆積膜形成用支持体については、導電性のものであ
っても、半導電性のものであっても、あるいは電気絶縁
性のものであってもよく、具体的には金属、セラミック
ス、ガラス等が挙げられる。

そして成膜操作時の基体温度は、特に制限されないが、
３０〜４５０℃の範囲とするのが一触的であり、好まし
くは５０〜３５０℃である。

また、堆積膜を形成するにあたっては、原料ガスを導入
する前に、成膜室内の圧力を５Ｘ１０−’Ｔ　ｏｒｒ以
下、好ましくはｌ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ以下とし、原
料ガスを導入した時には成膜室内の圧力をＩ　Ｘ　１０
−”　〜Ｉ　Ｔｏｒ’ｒ　、好ましくは５Ｘ１０−！〜
ＩＴｏｒｒとするのが望ましい。

以下、具体的装置例により本発明のマイクロ波プラズマ
ＣＶＤ装置の構成及び効果について説明するが、本発明
はこれらにより限定されるものではない。

装ＪＩＬ 第１図は、本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の典
型例を模式的に示す縦断面略図であり、第２図は第１図
に示す装置のＡ−Ａ’横断面略図である。

第１，２図において、１００はマイクロ波導入部であり
、該マイクロ波導入部は、マイクロ波導波管１０２、マ
イクロ波導入窓１０１、真空シール１０３．１０４で構
成されている。

１０５は支持体、１０６．１０７は支持体保持具、ｔＯ
Ｓは真空容器、１０９は電磁石、１）０は支持体回転軸
、１）１は真空シール機構、１）２は冷却系導入機構、
１）３は支持体回転用モーター、１）４は電磁石冷却ジ
ャケット、１）５はプラズマ、１）６はマイクロ波伝送
管、１）７は支持体加熱用ヒーター、１）８は排気口、
１）９は原料ガス供給系を夫々示している。

第１．２図から明らかなごとく、本例は円筒形長尺支持
体を真空容器内に、環状に複数個設置した装置の例であ
り、本実施例装置を用いた堆積膜形成は、前述の第３図
に示す装置を用いた場合と同様にして行われる。

以下、本実施例装置を用いた場合の堆積膜形成について
説明する。

マイクロ波導入窓１０１を介して真空容器１０８内にマ
イクロ波電力を供給する。このとき、真空容器１０８の
外周部に配置した磁石１０９の磁界を適宜調節しておい
て、支持体１０５によって囲まれた放電空間Ａのみでプ
ラズマ１）５を生起させる。

マイクロ波導入窓の位置は、通常、２ｃ＜ｂ〈５ｃが満
足されるように設定することが望ましい。

また、マイクロ波導入窓付近でのプラズマ発生をできる
だけ抑える必要があるとともに、マイクロ波により生ず
る電界強度を、成膜空間での電界強度より小さくする必
要があることから、マイクロ波伝送管の内径Ｃは、成膜
空間の対向する支持体間の最短距Ｍｄより大きくするこ
とが望ましい。

即ち、ｃｏｄを満足するように設定する必要があ更に、
磁石の配置位置はプラズマの均一化に影響し、大面積か
つ長尺の支持体上で成膜速度が均一となるように配置す
る必要がある。

因に、成膜内圧が０．０１〜１．　ＯＴｏｒｒの範囲の
時には、プラズマは、該空間部分の直径程度、マイクロ
波導入窓１０１側にもれることが判明した。

即ち、第１図におけるプラズマのもれｆｉａは、第２図
に示す対向する支持体間の最短距離ｄ程度となる。そし
て、該もれ量ａの値は、成膜時の圧力、及び磁場の位置
あるいは磁場の強さにより調整することができる。即ち
、成膜時の圧力を高めることにより、又、磁石を中央寄
りに移動させることにより、あるいは磁場を高めること
によりプラズマのもれ量ａは小さくすることができる。

第１図においてｂは、支持体端部とマイクロ波導入窓１
０１との距離、Ｃはマイクロ波伝送管の内径を示してい
る。

マイクロ波導入窓と支持体端部との距離すを、前述のプ
ラズマもれ量ａに比較して充分に大きくとることにより
、マイクロ波導入窓１０１への堆積膜の付着は防止する
ことができるが、ｂが大きすぎるとマイクロ波の伝播ロ
スが生ずる。このことから、上記条件に設定した第１図
に示す装置を用いて、支持体を回転させつつ、シランガ
ス（ＳｉＨ＊）を原料ガスとしてＡ−３ｉＨ膜を形成し
たところ、磁界５００ガウスのもとで、内圧０．２　Ｔ
ｏｒｒ、マイクロ波電力５００ワツト、シランガスの流
量１０００ｃｃ／毎分、支持体加熱温度２５０℃の成膜
条件により、１００人／Ｓの堆積速度が得られた。

笠１涯１ 本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の他の実施例を
第５図に示す０本例の装置は、長尺平板状支持体を複数
個真空容器内に環状配置した装置であり、図において、
５００はマイクロ波導入部、５０１はマイクロ波導入窓
、５０２はマイクロ波導波管、５０３，５０４は真空シ
ール、５０５は平板状支持体、５０８は真空容器、５０
９は′；！Ｌ磁石、５１４は電磁石水冷ジャケット、５
１５はプラズマ、５１６はマイクロ波伝送管、５１７は
支持体加熱用ヒーター、５１８は排気口、５１９は材料
ガス供給系を夫々表している。

〔発明の効果の概要〕

本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、＋１）マイ
クロウ工−ブ導入部膜付着を防止し、かつ（２）成膜速
度を向上させる効果があり、更に（３）排気ポンプも小
規模のもので済む、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のプラズマＣＶＤ装置の典型例を模式
的に示す縦断面略図であり、第２図は、第１図のＡ−Ａ
’における横断面略図である。第３図は従来のマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置を示す断面図であり、第４図は、
第３図の装置を用いて堆積膜を形成した場合における成
膜圧力と、支持体の長手方向における相対膜厚分布との
関係を示す図である。第５図は、本発明のマイクロ波プ
ラズマＣＶＤ装置の他の例を模式的に示す断面略図であ
る。 第１．．２．５図において、１００，５００・・・マイ
クロ波導入部、１０１，５０１・・・マイクロ波導入窓
、１０２．５０２・・・マイクロ波導波管、１０３゜１
０４．５０３，５０４・・・真空シール、１０５゜５０
５・・・支持体、１０６，１０７・・・支持体保持具、
１０８．５０８・・・真空容器、１０９，５０９・・・
電磁石、１）０・・・支持体回転軸、１）１・・・真空
シール機構、１）２・・・冷却系導入機構、１）３・・
・支持体回転用モーター、１）４．５１４・・・電磁石
水冷ジャケット、１）５．５１５・・・プラズマ、１）
６゜５１６・・・マイクロ波伝送管、１）７，５１７・
・・支持体加熱用ヒーター、１）８，５１８・・・排気
口、１）９．５１９・・・原料ガス供給系。 第３図について、３０１・・・マイクロ波導入部、３０
２・・・真空容器、３０３・・・支持体、３０４・・・
支持体加熱用ヒーター、３０５・・・排気バッファ板、
３０６・・・真空シール機構、３０７・・・支持体冷却
系導入機構、３０８・・・支持体回転用モーター、３０
９・・・支持体回転軸、３１０，３１）・・・支持体保
持具、３１２・・・マイクロ波プラズマ、３１３・・・
マイクロ波導入窓、Ａ・・・放電空間。 第２図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空容器と、該真空容器内に複数の堆積膜形成用
   支持体を保持する手段と、該真空容器内に原料ガスを供
   給する手段と、該真空容器内を排気する手段と、該真空
   容器内にマイクロ波電力を導入するためのマイクロ波導
   入窓を有するマイクロ波導入部とから構成されるマイク
   ロ波プラズマＣＶＤ装置であって、前記真空容器の外周
   部に磁石を配設するとともに、前記マイクロ波導入部の
   内径を、対向する支持体間の最短距離よりも大きくし、
   さらに、前記マイクロ波導入窓の位置を、支持体端部よ
   り、マイクロ波導波部の内径以上の距離をへだてて配置
   したことを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ装置。