JPH02213481A - 薄膜形成装置 - 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】 〔概　　要〕 アモルファスシリコン系薄膜等の形成に使用される薄膜
形成装置に関し、 多種類の材料ガスを使用でき、しかも低圧下で良質の薄
膜を高速でかつ、材料ガスの利用を効率良く形成できる
ようにすることを目的とし、真空容器内に導入される材
料ガスを、所定の距離を介し対向する２つの壁面によっ
て挟まれた空間を有する高周波放電用放電電極を負電位
とし発生させたホローカソードプラズマと高周波プラズ
マによりプラズマ状として分解、活性化させ、これによ
り生成した活性種を利用して、前記真空容器内に配設し
た基体の表面に薄膜を形成する薄膜形成装置において、
前記空間の前記基体側の開口部の近くに、接地するかも
しくは正の電圧を印加した導体を設けた構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明はアモルファスシリコン系薄膜等の形成に使用さ
れる薄膜形成装置に関する。

太陽電池、読取センサアレイ、感光ドラム等の光導電体
膜や表面保護膜に用いられるアモルファスシリコン（ａ
　−５ｉ）　、　　ａ−５ｉ合金等の薄膜、電子デバイ
スの絶縁体薄膜に用いられる５ｔ（ｈ、　５ｆＮｘ＋Ｓ
ｉＣ，１等の薄膜、核融合炉壁のコーテイング膜に用い
られるボロン、炭素等の薄膜、高温半導体材料であるダ
イヤモンド、ボロンナイトライド（ＢＮ）。

ボロンカーバイド（ＢｔＣ）、ボロン、シリコンカーバ
イド（ＳｉＣ）やボロンフォスファイト（ＢＰ）等の薄
膜、電子デバイスに用いられるＷＳｉ薄膜、切削工具の
コーティングに用いられるＴｉＮ、　ｈＣ等の薄膜等は
、一般にプラズマＣＶＤ法により形成される。

近年、これらの薄膜の有効性が確かめられ、−部実用化
が進むにつれて、生産性の向上、低コスト化を実現する
薄膜形成装置が望まれている。

〔従来の技術〕

この種の従来の薄膜形成装置を第４図に示す。

本装置は、本田）頭が昭和６３年５月６日付で出願した
特願昭６３−１０９１９５号に開示されている高周波・
ホローカソードプラズマＣＶＤ装置で、以下ＲＦ−ＨＣ
プラズマＣＶＤ装置と略記する。

図中、１は真空容器、２は放電電極、３は接地電極、４
は高周波（ＲＦ）電源、５はマツチングボックス１．６
は材料ガス導入部、７は排気管、８は絶縁体、９は０リ
ング等の真空シール、１０はプラズマによる分解、活性
化により生成された活性種である。放電電極２には、所
定の距離を介し対向する２つの壁面１１ａ、ｌｌｂの間
に形成されるホローカソード放電用の空間１２が設けら
れ、これらの壁面１１２．１１ｂを上方で接続する接続
面１１ｃにはガス吹出口１３が形成されている。

１４は空間１２の下側の開口部である。１５は導入ガス
の拡散室で、材料ガス導入部６から導入された材料ガス
を−たん拡散させるためのものであり、１６は接地シー
ルドで、放電電極２１の囲りの不要な部分におけるプラ
ズマの発生を防止するためのものである。

基体１００は、放電電極２に対向する接地電極３上にセ
ットされ、該基体１００に対する成膜は次の手順で行わ
れる。

成膜に際しては、基体１００を、図示しないヒータによ
り所定温度に加熱するとともに、真空容器ｌ内に材料ガ
ス導入部６から材料ガスを導入し、ＲＦ電源４からマツ
チングボックス５を介し所望のＲＦ電力を放電電極２に
供給する。導入された材料ガスは−たん拡散室工５に入
り、ここで拡散してガス吹出口１３から空間１２内に吹
き出す。

そして、ここで発生させた高密度のホローカソードプラ
ズマにより材料ガスは効率良く分解、活性化され、発生
した活性種１０が基体１００に吹き付けられて成膜が行
われる。さらに、ホローカソードプラズマにより分解さ
れなかった材料ガスはＲＦプラズマにより分解、活性化
され、これにより発生した活性種でも成膜が行われる。

このＲＦ−ＨＣプラズマＣＶＤ装置では、多分子粉体が
発生しにくい数十ｍＴｏｒｒの低圧下においても薄膜を
高速で形成できる。このため、多分子粉体のクリーニン
グが不要で、多分子粉体による欠陥発生がない、また、
材料ガスの利用効率が高い。

このＲＦ−ＨＣプラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ発
生原理を詳細に説明すると次の通りである。

ＲＦ−ＨＣプラズマＣＶＤ装置では、プラズマ発生時の
自己バイアスによって、放電電極２を大半の時間負電位
としている。ホローカソード放電は、この負電位の放電
電極２に設けた適当な間隔を有する壁面１１ａ、ｌｌｂ
と正の電位のプラズマバルクを利用して発生させられる
。換言すれば、放電電極近傍にできた電界によって陽イ
オンを放電電極表面に衝突させることにより２次電子を
放出させ、この電子を電界でガス分解に必要な速度に加
速する。この加速さた電子によって材料ガスが最も効率
良く分解される空間ができる。対向する壁面に対してそ
れぞれ形成される上記分解効率の高い空間が一つとなる
ように対向する壁面１１ａ、ｌｌｂの間隔が選ばれてい
るとき、高密度のプラズマであるホローカソードプラズ
マが形成される。また、対向する壁面の負電位が作る電
界により、電子が対向する壁面間を往復することによる
分解効率の向上も考えられる。従って、ＲＦ−ＨＣプラ
ズマＣＶＤ法では、放電電極近くに形成される電界、す
なわち空間電位勾配が非常に重要となっている。この空
間電位勾配は、放電電極と接地電極との間のプラズマ密
度（電子密度）に依存することが知られており、プラズ
マ密度が小さいと空間電位勾配（電界）は小さくなる。

このため、放電電極に設けた壁面１１３．１１ｂにより
形成される狭い間隔の空間１２に強いホローカソードプ
ラズマを発生させるためには、空間電位勾配を大きくし
なければならない。すなわち、放電電極と接地電極との
間に発生させるＲＦプラズマをある程度高密度としなけ
ればならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、ガスの種類、圧力、または装置構成によって
は、放電電極と接地電極との間のプラズマは低密度とな
ってしまう。

従って、従来のＲＦ−ＨＣプラズマＣＶＤ装置では、ガ
スの種類、圧力、装置構成によっては、放電電極近傍に
十分な電界（電位勾配）が得られず、ホローカソードプ
ラズマが不安定となったり、密度が非常に小さくなって
しまうことがあった。

また、同時に発生させているＲＦプラズマも、ホローカ
ソードプラズマからの電子供給が少なくなり、プラズマ
密度が小さくなっていた。

その結果、ガスの種類、圧力、装置構成によっては、薄
膜の形成速度が遅く、かつ材料ガスの利用効率が悪くな
ったり、成膜速度や膜特性のばらつきが大きくなるとい
った問題を生じていた。

本発明は、多種類のガスを使用でき、しかも低圧下で良
質の薄膜を高速でかつ材料ガスの利用効率良く形成する
ことのできる薄膜形成装置を提供することを目的として
いる。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図で、図中、２１は導体であ
る。本図は第４図の薄膜形成装置に本発明を適用したも
のを例示しており、第４図と同様の部材には同じ符号を
付している。

導体２１は、空間１２の基体１００側の開口部１４の近
くに設けられ、接地されるかもしくは正電圧を印加され
ている（Ｖ≧０）。

〔作　　用〕

本装置による成膜は、第４図に関連して説明したのと同
一の手順により行われるが、本発明では、接地するかも
しくは正の電圧を印加した導体２１が開口部１４の近く
に設けられているため、放電電極２と接地電極３の間の
プラズマ密度が小さく、第２図ｔａ）に示すように放電
電極２付近での空間電位勾配が小さくなるガス、圧力、
装置構成の条件においても、ホローカソードプラズマを
発生させる対向壁面１１ａ、１１ｂ付近での空間電位勾
配を大きくすることができる。従って、放電電極２と接
地電極３との間のプラズマ密度が小さ（なりやすい条件
においても、導体２１を設けたことによる大きい電位勾
配が、対向壁面１１ａ、ｌｌｂからのイオン衝撃による
２次電子放出、２次電子の加速、壁面１１ａ、ｌｌｂ間
の電子の往復運動を可能とする。その結果、プラズマ密
度が向上して空間電荷密度が木きくなることにより、さ
らに空間電位勾配が第２図（ｂｌに示すように急となる
ため、より低い圧力でより多くの構成の装置を用いて薄
膜を高速で形成することが可能となる。このとき、同時
に、ホローカソードプラズマからの電子により、放電電
極２と接地電極３との間のＲＦプラズマも高密度となる
。

〔実施例〕

以下、第３図に関連して本発明の詳細な説明する。

第３図は本例の薄膜形成装置の構造概要説明図（第３図
（ａ）は横断面図、第３図（ｂ）は縦断面図）で、図中
、３１は真空容器１内に設けられた放電電極、３２は放
電電極３１と同心に配置された円筒型接地電極である。

なお、第１図と同様の部材には同じ符号を付している。

本実施例では、円筒型接地電極３２に固定した基体１０
０への薄膜形成を可能とするものを示しており、接地電
極３２は、固定部材３３．と固定部材３３！との間に保
持されている。これらの固定部材３３．．３３ｇは、接
地電極３２の軸方向全体・に渡すプラズマが均一となる
ように、接地電極３２と同じ直径、同じ材料（アルミニ
ウム）としである。さらに、固定部材３３．には図示し
ないモータが接続され、成膜時に基体１００上に堆積す
る薄膜の膜厚、膜質が円周方向で均一となるように接地
電極３２を回転できるようにしである。

放電電極３１は、対向壁面１１２．１１ｂにより形成さ
れる４つの空間１２を備えている。このホローカソード
プラズマ発生用の空間１２は、幅を８鶴、深さを３０ｍ
ｍ、長さを４００Ｍとした。

放電電極３１の上面、下面には接地シールド３４が設け
られるとともに、該放電電極３１と真空容器１の側壁と
の間隔は２〜３ｍｌに保たれ、これによって、これらの
部分でのプラズマ発生を防止している。また、放電電極
３１は、絶縁体８によって接地シールド３４．真空容器
１から絶縁されている。さらに、放電電極３１の接地電
極３２例の面は、一部がシールド板３５で覆われており
、放電電極３１の自己バイアス電圧が負となるように放
電面積が調整されている。

本発明の特徴である導体２１は、４つのホローカソード
放電発生用の空間１２の開口部１４付近の壁面１１ｂの
延長上に設けられている。

この装置による薄膜の形成手順は次の通りである。

まず始めに、基体１００を接地電極３２にステンレス製
マスク３６で固定し、モータにより接地電極３２を回転
させる。一方、真空容器１内を排気管７から、図示しな
いロータリーポンプと広域ターボ分子ポンプにより、排
気バルブ３７を全開にして１０−’Ｔｏｒｒ以下に真空
排気する。次に、接地電極３２の内側に配置したヒータ
３８によって、基体１００を所定の温度に加熱する。こ
のとき、目的に応じて、ガス雰囲気中や処理ガスプラズ
マ中で加熱を行う、基体１００の温度が目的値で一定と
なったら、雰囲気ガスやプラズマ処理ガスを真空排気し
た後、材料ガス導入部６から真空容器１内に材料ガスを
流量制御しながら導入する。材料ガスは、材料ガス導入
部６から−たん拡散室１５内に入り、ここで拡散して４
つのホローカソード放電発生用の空間に設けられたガス
吹出口１３からそれぞれほぼ等量ずつ空間１２内に吹き
出す。ここで、排気バルブ３７の開閉状態を調整し、真
空容器１内を目的とする圧力に設定する。

これに続き、ＲＦ電源４のスイッチを入れ、所定の電力
を放電電極３１に供給してプラズマを発生させる。この
とき、ブロッキングコンデンサ内蔵のマツチングボック
ス５は、あらかじめプラズマ発生時に反射波が小さくな
るように可変コンデンサを調整しておき、プラズマ発生
に伴い圧力やＲＦ電力が変化したりＲＦ電源４への反射
波が増大した場合はそれぞれ再調整して所望値が保たれ
るようにする。このようにして薄膜形成を開始した後、
目的とする膜厚の薄膜を形成するのに要する時間が経過
した後、ＲＦ電源４の出力を下げ、スイッチを切り、ヒ
ータ３８の加熱用電源（図示せず）のスイッチを切り、
排気バルブ３７を全開として材料ガスを止める。真空容
器１内の材料ガスが完全に排気され、かつ基体１００の
温度が５０℃以下に冷えた後、真空容器１内にＮ２ガス
を大気圧になるまで流し込み、真空容器１を開けて基体
１００を取り出す。

この成膜時に、本発明では、開口部１４の近くに導体２
１が設けられているため、第１図に関連して前述したよ
うに、放電電極３１付近での空間電位勾配が小さくなる
ガス、圧力、装置構成の条件においても、良質の薄膜を
高速で材料ガスの利用効率良く形成することができるが
、次にこの効果を説明する。すなわち、材料ガス５ｉｔ
Ｈ１（ジシラ７）　カラａ　−５ｔ　：　Ｈ＜水素化ア
モルファスシリコン）膜を従来構造の装置（第３図の装
置から導体２１を除去したもの）で形成する際に、ホロ
ーカソードプラズマとＲＦプラズマの密度が小さく成膜
速度が遅くなる装置構成に対して、本発明を適用（導体
２１を設ける）することによって得られる効果は次の通
りである。

従来のＲＦ−ＨＣプラズマＣＶＤ装置では、放電電極３
１と接地電極３２の距離を１７ｍｍとすると、材料ガス
５ｉＪｉの流量１００ｓｃｃｍ、圧力５０ｍＴｏｒｒ、
　ＲＦ電力８００Ｗの条件でａ　−５ｉ　：　Ｈを堆積
すると成膜速度が２．６μｍ／ｈと非常に遅くなってい
た。これに対し、第３図に示すように導体２１を設ける
ことにより、成膜速度は５．４μｍ／ｈと２倍以上にで
きた。また、この２つの成膜中のプラズマ状態を観察し
たところ、導体２１を設けなかった場合、対向壁面１１
ａ、Ｉｌｂに挟まれた空間１２に発生したホローカソー
ドプラズマ及び放電電極３１と接地電極３２の間に発生
したホローカソードプラズマからの発光は、ちらつくか
またはゆらぐような時間的変化を示した。一方、導体２
１を設けた場合、ホローカソードプラズマの発光が強く
、安定しており、ＲＦプラズマもホローカソードプラズ
マに近いところほど発光が強くなった。プラズマからの
発光強度は、プラズマ密度と密接な関係があり、プラズ
マ密度が高いほど発光強度が強くなることが知られてい
る。従って、導体２１を設けることにより、発光強度、
成膜速度が向上することから、ホローカソードプラズマ
の密度を向上させることができたことは明らかである。

また、導体２１を設けることにより、電界５ｋＶ／ｃｙ
ａ、白熱電球の光強度１　ｍＪ／ｃｍｚの条件で測定し
たａ−５ｔの明暗抵抗比が４．９Ｘ１０’から９．３Ｘ
１０’と向上できた。このことは、導体２１を設けなか
った場合に、プラズマ密度が小さく、かつ電子が放電電
極３１の表面近くに形成された電界によって十分に加速
されなかったことにより、材料ガスが十分励起されなか
ったためと考えられる。

上述の説明では円筒状接地電極を用い、これに平板状の
基体を取り付けて成膜を行う例について述べたが、円筒
導体基体に成膜を行う場合には、該基体を接地電極３２
の代りに固定部材間に保持させて成膜を行うようにする
。この場合は、基体が接地電極の役割を果たす。

また、上述の説明では、接地電極３２（または円筒導体
基体）を回転させなから成膜を行う例について述べたが
、回転の外に上下動させるようにすれば、より均一な成
膜が可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、ホローカソード放
電用空間の開口部付近に導体を設けることにより、安定
で高密度のホローカソード放電がより得やすくなる。そ
の結果、ＲＦ−ＨＳプラズマＣＶＤ装置に使用可能な材
料ガス、圧力、装置構成の制約を緩和することができ、
薄膜形成時の生産性向上、コスト低減に寄与するところ
大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図（ａｌ、　（ｂ）は本発明の効果説明図、第３図
（ａｌ、　（ｂ）は本発明の実施例の薄膜形成装置の構
造概要説明図、 第４図は従来の薄膜形成装置の構造概要説明図で、 図中、 １は真空容器、 ２．３１は放電電極、 １０は活性種、 １１ａ、ｌｌｂは壁面、 １２は空間、 １４は開口部、 ２１は導体、 １００は基体である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 真空容器（１）内に導入されるガスを、所定の距離を介
   し対向する２つの壁面（１１ａ）、（１１ｂ）によって
   挟まれた空間（１２）を有する高周波放電用放電電極（
   ２）を負電位とし発生させたホローカソードプラズマと
   高周波プラズマによりプラズマ状として分解、活性化さ
   せ、これにより生成した活性種（１０）を利用して、前
   記真空容器（１）内に配設した基体（１００）の表面に
   薄膜を形成する薄膜形成装置において、 前記空間（１２）の前記基体（１００）側の開口部（１
   ４）の近くに、接地するかもしくは正の電圧を印加した
   導体（２１）を設けたことを特徴とする薄膜形成装置。