JPH0590175A

JPH0590175A - 堆積膜形成装置及び堆積方法

Info

Publication number: JPH0590175A
Application number: JP27473491A
Authority: JP
Inventors: Hideichiro Sugiyama; 秀一郎杉山; Masahiro Kanai; 正博金井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1993-04-09

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】本発明は、堆積速度が速く、かつ、高品質の
膜の形成が可能であり、しかも成膜室の内面への膜の付
着が少ない堆積膜形成装置及び堆積膜形成方法を提供す
ることを目的とする。【構成】成膜空間１０６内を前記排気手段により排気
し、前記成膜空間内に反応ガス及びマイクロ波エネルギ
ーを導入し、導入したマイクロ波エネルギーにより励起
されるグロー放電により、前記基体１０５上に堆積膜を
形成する堆積膜形成装置装置において、前記成膜室１０
１を形づくる壁を、相互に電気的に絶縁された内壁１０
９と外壁１１０との２重構造とし、かつ、前記成膜室１
０１の内壁１０９に電圧を印加するための手段を設けた
ことを特徴とする堆積膜形成装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は堆積膜、とりわけ機能性
膜、殊に半導体デバイス、電子写真用の感光デバイス、
画像入力用のラインセンサー、撮像デバイス、光起電力
素子などに用いる非晶質乃至は結晶質の堆積膜を形成す
るのに好適な堆積膜形成装置及び堆積膜形成方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体デイバイス、電子写真用感
光体デイバイス再像入力用ラインセンサー、撮像デイバ
イス、光起電力デイバイス、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）で補償されたアモルファスシリコン
等のアモルファス材料で構成された半導体等用の堆積膜
が提案され、その中のいくつかは実用に付されている。

【０００３】こうした堆積膜は、プラズマＣＶＤ法によ
り形成されることが知られている。すなわ、原料ガス
を、直流、高周波あるいはマイクロ波グロー放電によっ
て分解し、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材質からなる基体上に薄
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。

【０００４】ところで、近年、マイクロ波グロー放電分
解を用いたプラズマＣＶＤ法が注目され、工業的利用へ
の研究がなされてきている。

【０００５】そして、そうした公知のマイクロ波プラズ
マＣＶＤ法による堆積膜形成装置は代表的には、図６の
透視略図で示される装置構成のものである。

【０００６】図６において、２０１は反応容器であり、
壁２０９により形づけられる真空気密化構造を成してい
る。２０２はマイクロ波電力を反応容器内に効率よく透
過し、かつ真空気密を保持し得るような材料、例えば、
石英ガラス、アルミナセラミックス等で形成された誘電
体窓である。２０３はマイクロ波の伝送部で主として金
属性の導波管からなっており、整合器アイソレーターを
介してマイクロ波電源（図示せず）に接続されている。
２０４は一端が真空容器２０１内に開口し、他端が排気
装置（図示せず）に連通している排気管である。２０５
は堆積膜形成用の基体であり、２０６は成膜空間を示
す。なお、２０７は基体ホルダーである。こうした従来
の堆積膜形成装置による堆積膜形成は以下のようにして
行なわれる。即ち、真空ポンプ（図示せず）により、真
空容器２０１内を脱気し、反応容器内圧力を１×１０^-4
Ｔｏｒｒ以下に調整する。次いで基体ホルダー２０７
に内蔵されたヒーターに通電して基体２０５の温度を膜
堆積に好適な温度に加熱保持する。原料ガス供給管兼バ
イアス電圧印加棒２０８を介して、例えば、アモルファ
スシリコン堆積膜を形成する場合であれば、シランガス
（ＳｉＨ₄）等の原料ガスが反応容器内に導入し、また
適当なバイアス電圧を印加する。それと同時併行的にマ
イクロ波電源（図示せず）に通電して周波数５００ＭＨ
ｚ以上の、好ましくは２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発
生させ、そのマイクロ波は導波管２０３を通じ、誘導体
窓２０２を介して反応容器２０１内に導入される。かく
して反応器２０１内のガスは、マイクロ波のエネルギー
により励起されて解離し、基体２０５の表面に堆積膜が
形成されるところとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、成膜室２０１を形成する壁２０９が一重構造
であるため、基体２０５と壁２０９の内面とは同電位
（アース）になっている。そのため、基体２０５の近く
と成膜室２０１の壁２０９の内面の近くとは、同じ様な
プラズマ分布となってしまう。

【０００８】そして、基体２０５の表面に形成する堆積
膜の成膜に主体的に寄与するものが中性ラジカル粒子で
あるところから、それ等の中性ラジカル粒子は、時とし
て多量に上述の壁２０９の内面上での堆積膜形成に消費
されてしまい、その結果、肝心の基体２０５の表面に飛
来する量は、その分減少するところとなり、同時にま
た、原料ガスの利用効率の減少、マイクロ波の放射効率
の低下をきたし、それにより基体２０５の表面上への膜
堆積速度が低下するのはもとより、形成される膜の品質
低下をもたらしてしまう。

【０００９】さらにまた、上述した壁２０９の内面上へ
の堆積膜の形成が生じる場合、その膜は、ある程度の厚
みになるとフレーク状になって剥離し、成膜室２０１内
に飛散して基体２０５の表面上に付着してしまうことが
あり、その結果、基体２０５の表面上に形成される堆積
膜は製品として成立し得ないものになってしまう。

【００１０】これ等の問題点を解決する手段として、成
膜室２０１の壁２０９の内面、そして、誘電体窓の定期
点検、交換等を行なう他、装置に特定のパラメーターを
選択して工程操作する手段を取りつける等の工夫がなさ
れている。しかし、いづれの工夫も品質の安定した堆積
膜製品を定常的にかつ効率的に製造し、それを低コスト
で安定供給するという要求を満たすものではない。

【００１１】一方、各種デイバイスが多様化してきてお
り、そのための素子部材即ち、各種特性等の要件を総じ
て満足すると共に適用対象、用途に相応し、そして場合
によってはそれが大面積化されたものである。安定な堆
積膜製品を低コストで定常的に供給されることが社会的
要求としてあり、この要求を満たす技術の開発が切望さ
れている状況がある。

【００１２】本発明は、堆積速度が速く、かつ、高品質
の膜の形成が可能であり、しかも成膜室の内面への膜の
付着が少ない堆積膜形成装置及び堆積膜形成方法を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の堆積膜形成装置
は、真空気密が可能な成膜室と、前記成膜室内の成膜空
間を排気する排気手段と、前記成膜空間内に反応ガスを
導入する手段と、前記成膜空間内にマイクロ波を導入す
るための手段と、堆積膜を形成するための基体を前記成
膜室内において保持するための保持手段とを少なくとも
有し、前記成膜空間内を前記排気手段により排気し、前
記成膜空間内に反応ガス及びマイクロ波エネルギーを導
入し、導入したマイクロ波エネルギーにより励起される
グロー放電により、前記基体上に堆積膜を形成する堆積
膜形成装置において、前記成膜室を形づくる壁を、相互
に電気的に絶縁された内壁と外壁との２重構造とし、か
つ、前記成膜室の内壁に電圧を印加するための手段を設
けたことを特徴とする。

【００１４】本発明の堆積膜形成方法は成膜空間内を
排気し、前記成膜空間内に反応ガス及びマイクロ波エネ
ルギーを導入し、導入したマイクロ波エネルギーにより
励起されるグロー放電により、基体上に堆積膜を形成す
る堆積膜形成方法において、前記成膜室の内壁と基体と
の間に電位差をもたせながら成膜を行うことを特徴とす
る。

【００１５】

【作用】以下に本発明の作用を詳細な構成とともに説明
する。

【００１６】本発明者は、従来の装置における前述の問
題点を克服すべく、鋭意研究を続けた結果、マイクロ波
プラズマＣＶＤ装置で安定かつ良質の堆積膜を高速に得
るためには、成膜室を形成する壁を外壁と内壁との２重
構造とし、外壁と内壁とを電気的に絶縁し、さらに基体
と成膜室の内壁との間に電界がかかるように成膜室内壁
に電圧をかけることが必要であるとの知見を得た。

【００１７】この電界には次の効果がある。

【００１８】すなわち、例えば、成膜室の内壁に正の電
位を加え、基体をアースに落とした場合、成膜室と基体
との間に電界が生じ、その電界の方向が全て成膜室の内
壁から基体に向かうようになる。従って、プラズマの分
布が、基体の近くと成膜室の内壁の近くとで異なるた
め、成膜に主体的に寄与する中性ラジカル粒子の分布も
基体近くと成膜室の内壁近くとでは異なってくる。その
結果、適当な大きさの電界を加えることにより、基体上
にできるだけ選択的に、堆積膜を堆積できるようにな
る。しかも、成膜に主体的に寄与する中性ラジカル粒子
の密度が基体近くで高くなるようにすることで良質の堆
積膜を高速に堆積できる。

【００１９】逆に、成膜室の内壁に堆積する膜の堆積速
度を低下させることができるので、成膜室の内壁に堆積
した膜が剥離して基体に付着してしまうといったことが
起こりにくくなる。

【００２０】さらに電界により加速されたイオン種が基
体上にボンバードを起こすことにより、堆積膜に局部的
にアニールを行ない、膜中のストレスを緩和し、欠陥を
減少させることで良質の堆積膜を得ることができる。

【００２１】なお、本発明において発生させる好ましい
電界の強度は、原料ガス等の種類によっても異なるが、
１５Ｖ／ｃｍ以上５００Ｖ／ｃｍ以下が好ましく、３０
Ｖ／ｃｍ以上１５０Ｖ／ｃｍ以下がより好ましい。かか
る範囲の電界強度の場合、成膜速度の向上、及び膜の電
気特性の向上がより一層認められる。

【００２２】本発明では堆積膜の原料ガスとしては、例
えば、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）等の
アモルファスシリコン形成原料ガス、ゲルマン（ＧｅＨ
₄）等の他の機能性堆積膜形成原料ガス又は、それらの
混合ガスが挙げられる。

【００２３】希釈ガスとしては水素（Ｈ₂）、アルゴン
（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、等が挙げられる。

【００２４】また、堆積膜のバンドキャップ巾を変化さ
せる等の特性改善ガスとして、窒素（Ｎ₂）、アンモニ
ア（ＮＨ₃）等の窒素原子を含む元素、酸素（Ｏ₂）、酸
化窒素（ＮＯ）、酸化二窒素（Ｎ₂Ｏ）等酸素原子を含
む元素、メタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）エチレン
（Ｃ₂Ｈ₄）、アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）、プロパン（Ｃ
₃Ｈ₈）等の炭化水素、四フッ化ケイ素（ＳｉＦ₄）、六
フッ化二ケイ素（Ｓｉ₂Ｆ₆）、四フッ化ゲルマニウム
（ＧｅＦ₄）等のフッ素化物又はこれらの混合ガスが挙
げられる。

【００２５】又、ドーピングを目的としてジボラン（Ｂ
₇Ｈ₆）、フッ化硼素（ＢＦ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等
のドーパントガスを同時に放電空間（成膜空間）に導入
しても本発明は同様に有効である。

【００２６】基体材質としては、例えば、ステンレス、
Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｎｂ、Ｔｅ、Ｖ、Ｔ
ｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ等の金属、これらの合金又は表面
を導電処理したポリカーボネート等の合成樹脂、ガラ
ス、セラミック、紙等が本発明では通常使用される。

【００２７】基体の短手方向は、１０ｍｍ以上が好まし
く、特に、２０mm以上５００mm以下に最適である。基体
の長さには特に制限はなく、帯状基体を用いた連続成膜
にも適用できる。

【００２８】本発明での堆積膜形成時の基体の温度はい
ずれの温度でも有効だが、特に２０℃以上５００℃以下
が好ましく、５０℃以上４５０℃以下がより良好な効果
を示すためより好ましい。

【００２９】本発明でのマイクロ波の反応炉までの導入
方法として例えば導波管又は同軸ケーブルによる方法が
挙げられ、反応炉内への導入は、１つ又は複数の誘電体
窓からの導入、又は炉内へアンテナを設置する方法が挙
げられる。このとき、炉内へのマイクロ波の導入窓の材
質としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ
素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、酸化ベリリウム、テフロ
ン、ポリスチレン等マイクロ波の損出の少ない材料が通
常使用される。

【００３０】

【実施例】以下、本発明による実施例を図面を用い詳し
く説明するが、本発明の範囲は、これによって限定され
るものではない。

【００３１】（実施例１）図１は、実施例１で使用した
堆積膜形成装置の透視略図である。

【００３２】図１において、１０１は成膜室であり、真
空気密化構造を成している。１０２はマイクロ波電力を
成膜室内に効率良く透過し、かつ真空気密を保持し得る
ような材料、例えば、石英ガラス、アルミナセラミック
等で形成された誘電体窓である。１０３はマイクロ波の
伝送部で主として金属性の導波管からなっており、整合
器アイソレーターを介してマイクロ波電源（図示せず）
に接続されている。１０４は一端が成膜室１０１内に開
口し、他端が排気装置（図示せず）に連通している排気
管である。１０５は堆積膜形成用の基体であり、１０６
は成膜空間を示す。

【００３３】１０７はヒーターが内蔵された基体ホルダ
ーあでる。１０８は原料ガス供給管であり、本例では、
絶縁体１１２により後述する内壁と電気的に絶縁されて
いる。

【００３４】１０９は成膜室の内壁、１１０は成膜室外
壁を示す。すなわち、成膜室を形成する壁は、内壁１０
９と外壁１１０との２重構造となっている。内壁１０９
と外壁１１０とは絶縁層（図示せず）によって電気的に
絶縁されている。また、内壁１０９は、絶縁体１１３に
より基体ホルダー１０７と電気的に絶縁されている。本
例では、内壁１０９に電圧を印加するための手段は電源
１１１と配線１１４とにより構成され、配線１１４の一
端は内壁１０９に電気的に接続されている。もちろん配
線１１４は外壁１１０から電気的に絶縁されている。

【００３５】本堆積膜形成装置による堆積膜形成はバイ
アス電圧を内壁１０９に加えて、成膜空間内に電界をか
けること以外は、従来技術で示した堆積膜形成装置と同
様に行なう。

【００３６】図１に示した装置を用いて、表１に示す条
件で基体１０５上にアモルファスシリコン膜を堆積し
た。

【００３７】基体は、３０ｃｍ角、厚さ０．１mmの表面
を鏡面研磨したＳＵＳ３０４ステンレスを用いた。ま
た、マイクロ波電源は日本高周波製（２．４５ＧＨｚ）
のものを用いた。

【００３８】

【表１】本例では、基体１０５はアースにとり、成膜室１０１の
内壁１０９に電圧を加え、前記基体１０５と成膜室１０
１の内壁１０９との間に電界をかけた状態でその電界の
強度を変えて、アモルファスシリコン膜を堆積した。

【００３９】図２には電界の強度のと成膜速度との関係
を示し、図３には電界の強度と導電率との関係を示す。

【００４０】但し、図２の横軸は基体表面近傍の電界の
強度、縦軸は、触針式の膜厚計で測定した膜厚から求め
た成膜速度をあらわす。

【００４１】図３の横軸は基体の表面近傍の電界の強
度、縦軸は堆積膜表面にＩＴＯ透明導電膜をつけ、ステ
ンレス基体との間で測定した導電率を示す（光導電率は
ＡＭ１．５、１００ｍＷ照射時の値）。

【００４２】これらの結果から、次の知見が得られた。

【００４３】負電界がかかった基体では、基体の表面近
傍の電界により変化したプラズマの広がりの効果と、プ
ラスイオンが基体表面をボンバードしたアニールする効
果により、１５Ｖ／ｃｍ以上の電界から、成膜速度の向
上と、電気特性導電率の向上とが得られた（図２、図
３）この効果は、３０Ｖ／ｃｍでほぼ最大に達し、電界が１
００Ｖ／ｃｍまでは、一定の効果が得られた。ところ
が、電界が１５０Ｖ／ｃｍ以上になると、成膜速度は一
定のままであるが、暗導電率は増加し、光導電率は、低
下しはじめる。これは基体に対するボンバードが過剰と
なり、ボンバードによる膜中のダングリングボンドの発
生等の構造の破壊による劣化の効果がアニールによるス
トレスの解消の効果に対して無視できなくなるためと考
えられる。

【００４４】また、全ての実験が終了した後でも成膜室
の内壁に堆積した堆積膜の剥離は認められなかった。

【００４５】（比較例１）図６で示した従来例の装置を
用い、実施例１と全く同じ条件（表１）で、アモルファ
スシリコン膜を堆積した。

【００４６】このとき、基体２０５と成膜室２０１の壁
２０９とをアースにとり、バイアス印加棒２０８に電圧
を加え、成膜空間２０６内に電界をかけた状態でその電
界の強度を変えてアモルファスシリコン膜を堆積した。

【００４７】図４には電界の強度と成膜速度との関係を
示し、図５には電界の強度と導電率との関係を示す。

【００４８】但し、図４の横軸は基体表面近傍の電界の
強度を、縦軸は触針式の膜厚計で測定した膜厚から求め
た成膜速度をあらわす。

【００４９】図５の横軸は基体表面近傍の電界の強度
を、縦軸は、堆積膜表面にＩＴＯ透明導電膜をつけ、ス
テンレス基体との間で測定した導電率を示す（光導電率
はＡＭ１．５、１００ｍＷ照射時の値）。

【００５０】これらの結果から、実施例１と同様に１５
Ｖ／ｃｍ以上の電界から、成膜速度と電気特性の向上が
認められ、この効果は、３０Ｖ／ｃｍでほぼ最大に達し
た。しかしながら、実施例１の効果と比較すると、成膜
速度において実施例１の方が最大５％高く、また光導電
率と暗導電率との比においても、実施例１の方がかなり
大きくなっている。

【００５１】また、本比較例１の全ての実験が終了した
後成膜室内を観察すると、成膜室の壁内表面に堆積した
堆積膜の剥離がわずかにみられた。

【００５２】このように、基体と成膜室の内壁との間に
電界をかけることにより、成膜速度は高まり、電気特性
は向上し、さらに成膜室の内壁の表面に堆積する膜の堆
積速度を低下できることが判明した。

【００５３】（実施例２、比較例２）図１、図６に示し
た装置を用いてそれぞれ表２に示す条件で基体上にアモ
ルファスシリコンゲルマニウム膜を堆積した。

【００５４】実施例１、比較例１と同様に成膜室の内壁
に電圧を加えた場合の方が従来例であるバイアス電圧印
加棒に電圧を加えた場合よりも成膜速度は大きくなり、
また光導電率と暗導電率との比も同様に大きくなった。
また、電界と導電率との関係は実施例１や比較例１と同
様っであった。つまり、１５Ｖ／ｃｍ以上の電界から成
膜速度と電気特性の向上が認められ、この効果は３０Ｖ
／ｃｍでほぼ最大に達し、電界が１００Ｖ／ｃｍまでは
一定の効果が得られた。ところが電界が１５０Ｖ／ｃｍ
以上になると、逆に暗導電率は増加し、光導電率は低下
しはじめた。

【００５５】

【表２】（実施例３）放電を安定する目的で、原料ガスと同時に
放電を安定させるガスを放電空間に導入し、堆積膜を形
成した。

【００５６】本実施例では、放電を安定させるガスとし
ては、アルゴンＡｒ及び四フッ化ケイ素ＳｉＦ₄を用い
た。表２及び表３に示す条件に従い、実施例１と同様に
基体に、電圧を印加した結果、放電の安定化のために、
電気特性の向上が、放電を安定されるガスなしの場合よ
り上まわっていた以外は、実施例１と同様の結果が得ら
れた。

【００５７】このとき、Ａｒ及びＳｉＦ₄ の比率を０．
１％〜２５％まで変えたところ、電気特性の向上分の絶
対値が、混合比によって変化するものの、電界が１５Ｖ
／ｃｍ以上５００Ｖ／ｃｍ以下好ましくは３０Ｖ／ｃｍ
以上３００Ｖ／ｃｍ以下では成膜速度の向上及び電気特
性の向上が認められた。

【００５８】ＳｉＦ₄が２５％以下では、いずれの場合
も、本発明は効果があるが特に、ＳｉＦ₄ が２％から１
５％の範囲は大きな効果が認められた。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、成膜室の内壁に電圧印
加手段を設けて、成膜空間内に電界をかけられるように
することで、堆積膜の特性を向上させ、成膜速度を高め
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の特徴を最もよくあらわした、堆積膜形
成装置の透視略図。

【図２】本発明の装置を用いた場合の電界と成膜速度と
の関係を示すグラフ。

【図３】本発明の装置を用いた場合の電界と導電率との
関係を示すグラフ。

【図４】従来の装置を用いた場合の電界と成膜速度との
関係を示すグラフ。

【図５】従来の装置を用いた場合の電界と導電率との関
係を示すグラフ。

【図６】従来の堆積膜形成装置の透視略図。

【符号の説明】

１０１成膜室、１０２誘電体窓、１０３導波管、１０４排気管、１０５基体、１０６成膜空間（放電空間）、１０７基体ホルダー、１０８原料ガス供給管、１０９内壁、１１０外壁、１１１電源、１１２絶縁体、１１３絶縁体、１１４配線、２０１成膜室、２０２誘電体窓、２０３導波管２０４排気管、２０５基体、２０６成膜空間（放電空間）、２０７基体ホルダー、２０８原料ガス供給管兼バイアス電圧印加棒、２０９壁。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空気密が可能な成膜室と、前記成膜室
内の成膜空間を排気する排気手段と、前記成膜空間内に
反応ガスを導入する手段と、前記成膜空間内にマイクロ
波を導入するための手段と、堆積膜を形成するための基
体を前記成膜室内において保持するための保持手段とを
少なくとも有し、前記成膜空間内を前記排気手段により
排気し、前記成膜空間内に反応ガス及びマイクロ波エネ
ルギーを導入し、導入したマイクロ波エネルギーにより
励起されるグロー放電により、前記基体上に堆積膜を形
成する堆積膜形成装置において、前記成膜室を形づくる
壁を、相互に電気的に絶縁された内壁と外壁との２重構
造とし、かつ、前記成膜室の内壁に電圧を印加するため
の手段を設けたことを特徴とする堆積膜形成装置。
【請求項２】成膜空間内を排気し、前記成膜空間内に
反応ガス及びマイクロ波エネルギーを導入し、導入した
マイクロ波エネルギーにより励起されるグロー放電によ
り、基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成方法におい
て、前記成膜室の内壁と基体との間に電位差をもたせな
がら成膜を行うことを特徴とする堆積膜形成方法。