JPH046262A

JPH046262A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JPH046262A
Application number: JP2106257A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Yamaoki; 山置　俊彦; Koji Minami; 浩二南; Masayuki Iwamoto; 岩本　正幸
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1990-04-20
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1992-01-10

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】（イ）産業上の利用分野本発明は、減圧プラズマ噴射法を用いた薄膜の形成装置
に関する。

（ロ）従来の技術従来、ジェットエンジン等の耐熱・耐環境用あるいは人
工骨等の表面安定化用の表面コーティング技術として容
量結合型直流プラズマ法によるプラズマ噴射装置が用い
られている。近年では、かかる方法は、Ｔｈ１ｎ　５ｏ
ｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ、１５１（１９８７）ｐ３４３〜３
５３に開示されている如く半導体薄膜の形成にも応用さ
れる上うになってきた。

しかしながら、容量結合型直流プラズマ法によるプラズ
マ噴射装置での膜形成は、元来半導体などの成膜法とし
て開発されたものではないことから、斯る方法では、例
えば大粒径の多結晶シリコンは得られるものの、このま
まの状態では、膜質が悪くデバイス用半導体薄膜として
利用できなかった。

このため、特願平１−１００７７７号に示されている如
く、プラズマ噴射による成膜途中に原子状元素を混入さ
せ膜質の向上を計るなどの成膜方法の改良や、「溶射技
術」第８巻、Ｎｏ、ｌｐ。

７８〜８３に開示されているような誘導結合型高周波プ
ラズマ法によるプラズマ噴射装置の利用が検討されてい
た。しかしながら、いずれの方法でも原材料の分解ある
いは溶融が不十分で、膜質の均一性の面で更に改善すべ
き点が残されている。

尚、本発明においてプラズマ噴射装置における分解ある
いは溶融と：よ、例えば固体を原料とする場合、プラズ
マ生成に寄与する気体の活性種や該プラズマの熱によっ
て、前記固体を分子、原子状に分解あるいは液相状に溶
融することであり、方、気体の場合では、プラズマのエ
ネルギーによって該気体が分子、原子状に分解されるこ
とを意味する。

（ハ）発明が解決しようとする課題前述したように、容量結合型直流プラズマ法では、原材
料の分解あるいは溶融が不十分であったために、例え原
子状元素を成膜途中に添加してら、十分な膜質向上を果
たしえなかった。この原因は、そもそも分解あるいは溶
融に利用するプラズマを直流により生成させているため
で、例えば原材料が固体である場き、該原材料の持つ電
気抵抗の程度により分解あるいは溶融の度合いに差が生
じる。つまり、低抵抗の固体の場合は、安定した直流プ
ラズマが得られるものの高抵抗の場合は、安定しない。

このために、複数の固体を混合した場合などでは、各固
体の種類により分解あるいは溶融の程度が異なることと
なり、著しく不均一な膜質となった。

また、原材料が気体であって白、最終生成物が絶縁体で
あれば、容量結合型直流プラズマ法を用いる限り、前記
理由と同様で不均一な膜質となってしまう。

さらに、前述した誘導結合型高周波プラズマ法のプラズ
マ噴射装置による膜形成では、原材料の電気抵抗による
影響はないものの、元来　誘導結合型高周波プラズマ法
のプラズマ温度は低いという欠点を有しておｒ）、良好
な膜形成を行えなかった。

本発明は、かかる課題に鑑み、高密度でかつ安定なプラ
ズマによる薄膜の形成装置を提供するものである。

（ニ）課題を解決するための手段本発明による薄膜形成装置の特徴は、導電性材料からな
る真空保持用容器、該真空保持用容器内に配置され、給
電電極とアース電極とを備え、プラズマ生成により固体
、液体などの原材料を分解あるいは溶融しジェット状に
噴射する噴射ガン、前記給電電極及びアース電極に接続
されたプラズマ発生用電源、前記真空保持用容器内に配
置された基板ホルダを具備し、前記基板ホルダに設置し
た基板表面を前記噴射に晒すことにより　薄膜を形成す
る薄膜形成装置において、前記プラズマ発生用電源を高
周波電源で構成すると共に、前記噴射ガンの外周に近接
してそれを包囲するガード電極を設けたことにある。

（ホ）作用本発明では、従来の容量結合型直流プラズマ法や誘導結
合型高周波プラズマ温度波プ゛ラズマ法射装置のそれぞ
れの問題を解決するために、容量結合型高周波プラズマ
法によるプラズマ噴射装置を採用した。斯る装置は、ス
パッタ蒸着法として絶縁膜の形成にも用いられているこ
とから判るように、放電空間に絶縁材料が存在しても、
不安定なプラス７とならない。さらに、容量結合型であ
るために、誘導結合型高周波プラズマ法と比較して高密
度のプラズマを生成できる。

しかしながら、前記従来の容量結合型直流プラズマ法に
おけるプラズマ噴射装置のプラズマ発生用電源を高周波
を源に交換するのみて−は、安定なプラス７を生成する
ことはできない。

斯る理由は、容量結合型高周波プラズマ法でのプラズマ
の生成メカニズムに起因している。

容量結合型高周波プラズマの生成メカニズムの特徴は、
以下の如くである。前記プラズマは交番電界によって維
持されているものの、高周波であるためにプラズマ中の
電子とイオンの移動度に大きな差ができている。即ち、
数ＭＨｚ以上の周波数では、電子は前記交番電界の変化
に追随できるが、一方、イオンは大きな質量を有するた
めに追随できなくなる。

追随できなくなったイオンは、プラズマ中に静止した状
態となる。これは、高周波プラズマを維持することがで
きなくなることを意味する。

即ち、容量結合型高周波プラズマ法においては、斯るイ
オンは　前記電極に衝突し、該電極から電子を放出させ
ることによってプラズマの持続に寄与しているからであ
る。

容量結合型高周波プラズマでは、前記衝突を発生せしめ
るたのに、２電極の面積を非対称とする二とによって達
成している。つまり、画電極の近傍にイオンシースがそ
れぞれ発生し、該イオンシースの両端の電位差は本来、
各電極で同じとなるが、前記面積を非対称にすることに
よって、小面積の電極におけるイオンシースの両端電位
のみを大きくすることができる。これによりイオンは該
を極に向かって走行し、衝突する。

イオンの衝突を受ける電極は、他方の電極より低電位と
なるため、一般に給電電極が斯るイオン衝突電極として
機能している。

以上のようなメカニズムは、前記従来の容量結合型直流
プラズマ法によるプラズマ噴射装置のプラズマ発生用電
源を単に高周波電源に交換するのみでは、発生させられ
ない。

本発明では、斯るメカニズムを発生させうる容量結合型
高周波プラズマ法による薄膜形成装置を提供するもので
ある。

（へ）実施例図は、本発明の容量結合型高周波プラズマ法による薄膜
形成装置の模式的断面を示す。（］）は減減圧保持能な
導電性材料からなる真空容器、（２Ｎはプラズマを生じ
させるための高周波プラズマ発生用電源で、周波数はＩ
ＭＨｚ以上のものであり、それ自体従来と同様のもので
ある。（３）は高周波プラズマを生成する噴射用ガンで
あり、該噴射ガンは、（４ａ）の高周波プラズマのアー
ス電極と、（４ｂ）の給電電極を具えている。これら電
極は前記高周波プラズマ発生用電源（２）と電気結線さ
れている。

（１３）は、噴射ガン（３）から分解あるいは溶融物が
噴射する開口部である。

噴射ガン（３）の構造を以下に詳述する。ステンレスな
どの円柱状導電性材料を一端より円筒状に繰り抜くとと
もに、該導電性材料の底部をより大きく円筒状に繰り抜
き、該導電性材料を給電電極（４ｂ）とする。さらに給
電電極（４ｂ）の底部の空間に給電電極（４ｂ）と同軸
線上に針状のアース電極（４ａ）を配置している。アー
ス電極（４ａ）と給電電極（４ｂ）との間は、プラズマ
を安定に発生させうるように一定間隔の空間を保持して
いる。

また、図示しないが給電電極（４ｂ）の底部では、アー
ス電極（４ａ）との間に斯る構造を保持しかつ、当該２
電極間の絶縁性を保つために絶縁性材料によるスペーサ
を配置している。

（５ａ）は成膜すべき薄膜の原材料例えば粒径数μｍ−
数１０μｍのシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇ　ｅ
　）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）
などの粉末物を収容する溜や、水素（Ｈ８）、アルゴン
（Ａ　ｒ　）、メタン（ＣＨ，）などの気体を級容する
ボンベなどであり、（５ｂ）は、原材料（５ａ）と配管
によって結ばれた原材料の供給口である。供給口（５ｂ
）から流入した原材料は、上記アース電極（４ａ）と給
電電極（４ｂ）との間で発生するプラズマによって分解
あるいは溶融されるｅ（６）は、分解あるいは溶融され
た原材料を噴射ガン（３）より外部に噴射するためのヘ
リウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａ　ｒ　）。

水素（Ｈ７）などの噴射ガスを導入する噴射ガス導入口
で、図示しないが外部から配管によって該噴射ガスが供
給される。

（７，は、噴射ガン（３）より噴射されたプラズマ状の
噴射、（８１は噴射ガン（３）と対向配置したステンレ
スなどからなる基板ホルダ、（９）は基板ホルダ（８）
上に設置さｔまた基板、（１０）は真空容器（１）内に
雰囲気ガスを導入する雰囲気ガス導入口、（１１）は該
雰囲気ガスの排出口である。

以上の構造は、高周波プラズマ用電源を用いること以外
は、従来の容量結合型直流プラズマ法における装置と基
本的に同じである。

（１２）は、容量結合型高周波プラズマ法によるプラズ
マ生成を安定なものとするために設けられたガード電極
で、本発明の特徴とするところである。ガード電極（１
２）は、アース電位とし、分解溶融物を噴出する給ｉｔ
極（４ｂ）の開口部（１３）の直径よりｌ〜Ｓ　ｍ　ｍ
大きく開口せしめた部分を残して、噴射ガン（３）の外
周に近接してそれを包囲している。

ガード電極（１２）を設置していな１箋プラズマ噴射装
置で、高周波プラズマを発生さぜた場合、プラズマは、
給ｉｔ極（４ｂ）とアース電極（４ａ）間で発生するよ
りも、給電電極（４ｂ）と真空容器（１）間での方が発
生しやすい。即ち、この原因は、前述した面積の非対称
性に起因するもので、給電電極（４ｂ）とアース電極（
４ａ）との面積比よりも給電電極（４ｂ）と真空容器（
１゛）との面積比の方が遥かに大きいため、給電電極（
４ｂ）と真空容器（１）間とのプラズマの方が安定とな
ってしまうためである。即ち、ガード電極（１２）は、
斯る給ｔ’ｓ極（４ｂ）と真空容器（１１間のプラズマ
発生を抑制するものである。ガード電極（１２）と給電
電極（４ｂ）との間隔は、３〜１０ｍｍ程度が好ましい
。その理由は、該間隔が大きくなれば、真空容器（１）
に対するのと同様に、ガード電極（１２）と給電を極（
４ｂ）との間にもプラズマが発生してしまうためである
。

また、本発明者らは、給！＠極（４ｂ）とアース電極（
４ａ）との面積比を給電電極（４ｂ）と真空容器（１）
どのものよりも大きくなるプラズマ噴射ガン（３）を作
製し、力゛−ド電極（１２）を設けない場合についても
実験を行った。

しかしながら、斯る構造は、アース電極（４ａ）を極め
て小さいものとせざるおえないため、プラズマの熱によ
って斯る電極（４ａ）の変質が発生した。

以上の実験により、発明者らは、ガード電極（１２）の
使用が不可避であることを確認した。

以下に、容量結合型高周波プラズマ法を採用した上記実
施例の薄膜形成装置による薄膜形成の具体例を示す。

真空容器山内を　当初１ｏ−’ｔｏｒｒ程度に減圧排気
した後、雰囲気ガス導入口（１０）より雰囲気ガスとし
て、水素（Ｈ２）や酸素（Ｏｔ）など　あるいはこれら
混合体を導入しながら真空容器（１）内を一定圧力に保
持する。その後、噴射ガス導入口（６）より噴射ガス、
例えばアルゴン（Ａ　ｒ　）や水素（Ｈ８）ガスあるい
はこれらの混合体などを導入しながら、真空容器１１１
）内を一定の圧力に保持する。次に、高周波電源（２）
によって噴射ガン（３）にプラズマを発生させる。

プラズマ状態の安定後、原材料供給口（５＋より、形成
すべき薄膜の固体あるいは気体又はこれらの混合体を噴
射ガンＣ３ン内に供給すると、それらをプラズマによっ
て分解あるいは溶融したジェット状の噴射（７１が生じ
、そしてこの噴射に晒された基板（９）の表面に薄膜が
形成される。

本発明による薄膜の具体的な形成条件を表１および表２
に示す。以下の実験では、高周波電力の周波数及びパワ
ーを　それぞれ１３，５４３ＭＨ２，３Ｗの条件で全て
行った。表１では、原材料が粉体状態なるものを示し、
特に同表中における■〜■では、多結晶シリコン膜をス
テンレス基板上にそれぞれ２μｍ形成し、■ではアルミ
ナ膜、■では超電導材料のイツトリウム系酸化膜をそれ
ぞれ４μｍの膜厚でセラミックス基板上に形成−だもの
である。

同表中における圧力は、噴射ガス及び雰囲気ガスをそれ
ぞれ真空容器内に導入した後の同容器内の真空度を示し
ている。

表１表２は用いていない。

一方、表２は、アルゴン（Ａ　ｒ　）、水素（Ｈ，）。

メタン（ＣＨ１）の１舒ガスを原材料としてダイヤモン
ド薄膜を形成させた場合を示して（する。本実験におい
ては、原料ガスが全て気体であるために雰囲気ガスの導
入口、噴射ガス導入口を閉じ、原料ガスのみで形成して
いる。ただし、雰囲気ガス排気口は、成膜時の真空容器
Ｑ＋内の圧力上昇を抑制するために開口されている。基
板にはガラスを用い、膜厚は、１μｍである。

斯る膜は、いずれも、前述巳な誘導結合型高周波プラズ
マ法では、その形成が困難とされるもので、本発明の容
量結合型高周波プラズマ法によるプラズマ噴射装置によ
り、安定して形成されることが判った。

上記実施例の〜■の多結晶シリコンの代表的物性値を表
３に示す。従来の容量結合型直流プラズマ法による薄膜
形成装置では、膜の均一性の一つの目安である膜厚のム
ラは、その最大値及び最小値は平均値に対して、±３０
９６であるのに吋して、実施例■〜■では、立３　Ｑ６
と非常に良好であった。また、実施例■によるアルミナ
膜は、剥離強度として５ｋｇｆを有し、実施例■のイッ
トノウム系超電導膜は、Ｔｃ温度が８５にと高い温度を
示した。表２のダイヤモンド膜は、５．５ｅＶの光学ギ
ャップを有し、ラマンシフトも１３４９ｃｒｎ−’と良
好であった。

表３（ト）発明の効果本発明の薄膜形成装置では、容量結合型高周波７ラズ？
法で原材料の分解あるいは溶融を行うため、プラズマは
、原材料の電気特性による影響を受けず、均一な膜形成
が可能となる。さらに、斯るプラズマによる熱が高いた
めに、ガス状態の原材料のものにおいても高い熱分解効
率を得ることかて゛きる。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明の薄膜形成装置の模式的断面図である。（１）真空容器（２）高周波プラズマ発生用電源（３）
噴射用ガン　　（４ａ）アース電極（４ｂ）給電電極　
　（５ａ）原材料　（５ｂ）原材料供給口（６・噴射ガ
ス導入口　（８１基板ホルダ　（９１基板（１０）雰囲
気ガス導入口　　　（１１）雰囲気ガス排気口（１２）
ガードを極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）導電性材料からなる真空保持用容器、該真空保持
用容器内に配置され、給電電極とアース電極とを備え、
プラズマ生成により固体，液体などの原材料を分解ある
いは溶融しジェット状に噴射する噴射ガン、前記給電電
極及びアース電極に接続されたプラズマ発生用電源、前
記真空保持用容器内に配置された基板ホルダを具備し、
前記基板ホルダに設置した基板表面を前記噴射に晒すこ
とによりその表面に薄膜を形成する薄膜形成装置におい
て、前記プラズマ発生用電源を高周波電源で構成すると
共に、前記噴射ガンの外周に近接してそれを包囲するガ
ード電極を設けたことを特徴とする薄膜形成装置。