JPH0633246A - 堆積膜形成方法および堆積膜形成装置 - Google Patents

堆積膜形成方法および堆積膜形成装置

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JPH0633246A
JPH0633246A JP4194069A JP19406992A JPH0633246A JP H0633246 A JPH0633246 A JP H0633246A JP 4194069 A JP4194069 A JP 4194069A JP 19406992 A JP19406992 A JP 19406992A JP H0633246 A JPH0633246 A JP H0633246A
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microwave
reaction vessel
deposited film
substrate
introducing
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Satoshi Takagi
智 高木
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Canon Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 膜厚および膜特性とがいずれも均一であり各
種の電子素子、光学素子になどの素子部材として使用さ
れる機能性堆積膜を、マイクロ波プラズマCVD法によ
って、大面積の基体上に安定して歩留りよく高堆積速度
で形成することのできるようにする。 【構成】 マイクロ波導入手段である一対の対向する誘
電体窓102と複数の基体105とで囲まれる空間を放
電空間106とするとき、この放電空間106と直接接
しない位置に、第3のマイクロ波導入手段であるマイク
ロ波アンテナ111を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波プラズマC
VD法による堆積膜形成方法および堆積膜形成装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】プラズマCVD法とは、特定の物質をプ
ラズマ状態にして活性の強いラジカルとし、このラジカ
ルを基体上に接触させてこの基体上に堆積膜を形成する
方法をいう。プラズマCVD法はラジカルの強い活性に
依拠するものであり、ラジカルの密度や堆積膜の形成さ
れる基体の温度を適宜選択することにより、所望の堆積
膜の形成が行なえる。プラズマCVD法において重要な
ことは、ラジカルの効率的発生である。
【0003】堆積膜形成用の原料ガスをプラズマにする
ためにグロー放電が使用され、グロー放電を生起するた
めに13.56MHz程度の高周波が従来使用されてい
る。近年、2.45GHz程度のマイクロ波を用いるこ
とにより、高密度プラズマを効率よく生成することがで
き、しがたってラジカルを効率的に生成でき、同時に基
体の加熱も可能であることが判明し、マイクロ波を用い
たプラズマCVD法が注目されている。そしてこのマイ
クロ波プラズマCVD法による堆積膜形成方法や堆積膜
形成装置がいくつか提案されている。
【0004】例えば、半導体デバイス、電子写真感光
体、画像入力用センサ、撮像デバイス、光起電力素子、
その他の各種電子素子、光学素子などに用いる素子部材
としてのアモルファスシリコン(以下「a−Si」と記
す。)や多結晶シリコン(以下「p−Si」と記
す。)、あるいはSiO2やSiNなどの絶縁性堆積膜
をマイクロ波プラズマCVD法によって成膜する方法や
装置が各種提案されている。こうしたマイクロ波プラズ
マCVD法による堆積膜形成装置の一例が、特開昭60-1
86849号公報に記載されている。この堆積膜形成装置
は、マイクロ波エネルギー導入部を取り囲むように基体
を配置して内部チャンバー(すなわち放電空間)を形成
し、原料ガス使用効率を高めようとするものである。
【0005】このような従来のマイクロ波プラズマCV
D法による堆積膜形成装置の構成が図4および図5に示
されている。この堆積膜形成装置は、円筒形の電子写真
感光体を製造するためのものである。図4はこの従来の
装置の模式的縦断面図であり、図5は図4のX−X線で
の模式的横断面図である。
【0006】真空気密可能な反応容器201は、ほぼ円
筒形の容器であって、側壁には他端が真空ポンプ(不図
示)に連通する排気管204が一体的に形成されてい
る。反応容器201の上面と下面のほぼ中心部には、そ
れぞれ導波管203が取り付けられ、各導波管203の
他端は、スタブチューナ(不図示)やアイソレータ(不
図示)を介して図示しないマイクロ波電源に接続されて
いる。各導波管203の反応容器201側の端部には、
マイクロ波導入用の誘電体窓202がそれぞれ気密封止
されている。誘電体窓202は、導波管203からのマ
イクロ波を反応容器201内に効率よく透過でき、かつ
反応容器201内を真空気密にし得るような材料、例え
ば石英ガラスやアルミナセラミックスで構成されてい
る。反応容器201の中心部を取り囲むように、堆積膜
の形成される複数の円筒状の基体205が互いに平行に
なるよう配置されている。各基体205は、反応容器2
01の下面から延びる回転軸208によって保持され、
同じく反応容器201の下面から基体205の内部に挿
入されるように延びるヒータ207によって加熱される
ようになっている。回転軸208は、反応容器201の
真空を破ることなく回転自在のものであり、回転軸20
8の他端は減速ギア210を介して駆動用のモータ20
9に接続されている。したがって、モータ209を駆動
すると、基体205がその長手方向(母線方向)の中心
軸の回りを自転することになる。
【0007】反応容器201内において、円筒状の各基
体205と各誘電体窓202で囲まれた部分が放電空間
206であり、この放電空間206は両端が各誘電体窓
202で画定される柱状の空間である。
【0008】この装置を用いる従来の堆積膜形成方法に
よる堆積膜形成は、以下のようにして行なわれる。ま
ず、真空ポンプ(不図示)により排気管204を介して
反応容器201内を排気し、この反応容器201内の圧
力を1×10-6Torr以下とする。次いで、各ヒータ20
7により全ての基体205を膜堆積に好適な温度に加熱
保持する。そして図示しない原料ガス導入管を介して、
例えばa−Si膜を形成する場合であれば、シラン(S
iH4)ガスや水素ガスなどの原料ガスを反応容器20
1内に導入する。これと同時平行的にマイクロ波電源
(不図示)により周波数500MHz以上の、好ましく
は2.45GHzのマイクロ波を発生させ、このマイク
ロ波を導波管203そして各誘電体窓202を介して反
応容器201内に導入する。その結果、放電空間206
においてグロー放電が生起し、原料ガスはマイクロ波の
エネルギーにより励起解離し、円筒状の各基体205の
表面上に堆積膜が形成される。このときモータ209を
駆動して基体205を自転させることにより、基体20
5の外周面の全面に堆積膜を形成することができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
堆積膜形成装置を用いて堆積膜を形成した場合、成膜時
に反応容器の内圧が5mTorr以下の場合には、例えば電
子写真感光体のように比較的大面積の堆積膜であって
も、速い堆積速度で実用的な膜厚と膜特性の均一性を備
えた堆積膜を形成することが可能である。しかしながら
上述の装置では、放電空間をはさんで対向する一対のマ
イクロ波導入用の誘電体窓しか設けられていないため、
成膜時の内圧が5mTorrを越えた場合、生起するプラズ
マの強度は誘電体窓から離れるに従って減衰し、その結
果、以下のような問題点が生じることになる。
【0010】すなわち、一対の誘電体窓間の放電空間に
おいてプラズマの強度が不均一になるので、プラズマ
内で生成し膜堆積に寄与するラジカルの濃度が不均一と
なって、基体上に堆積する膜の厚さが不均一になり、
発生するラジカルの種類の分布が不均一になって堆積膜
の膜質分布が不均一になり、プラズマによる基体の加
熱が不均一となるので堆積膜の膜質分布が不均一にな
り、ジボラン(B2H6)やホスフィン(PH3)とい
ったドーピングガスの分解の度合が空間的に不均一にな
るため堆積膜の電気的特性が不均一になる、といった諸
問題が生じることになる。
【0011】本発明の目的は、膜厚および膜特性とがい
ずれも均一であり各種の電子素子、光学素子になどの素
子部材として使用される機能性堆積膜を、マイクロ波プ
ラズマCVD法によって、大面積の基体上に安定して歩
留りよく高堆積速度で形成することのできる堆積膜形成
方法および堆積膜形成装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の堆積膜形成方法
は、マイクロ波プラズマCVD法によって基体上に堆積
膜を形成する堆積膜形成方法において、減圧にし得る反
応容器内に前記基体を保持し、前記反応容器内に原料ガ
スを導入しながら、前記反応容器に取り付けられ前記反
応容器内にマイクロ波エネルギーを導入するための少な
くとも3つのマイクロ波導入手段から前記反応容器内に
マイクロ波エネルギーを導入し、前記マイクロ波エネル
ギーによって前記反応容器内にプラズマを生成して前記
基体表面に堆積膜を形成する。
【0013】本発明の堆積膜形成装置は、減圧にし得る
反応容器と、前記反応容器内に原料ガスを導入する原料
ガス導入手段と、前記反応容器内を排気する排気手段
と、前記反応容器に取り付けられ前記反応容器内にマイ
クロ波エネルギーを導入するマイクロ波導入手段とを有
し、前記反応容器内に保持された基体上にマイクロ波プ
ラズマCVD法によって堆積膜を形成する堆積膜形成装
置において、前記マイクロ波導入手段を3個以上備えて
いる。
【0014】
【作用】本発明は、上記目的を達成すべく本発明者らが
鋭意研究を重ねた結果、完成するに至ったものである。
【0015】マイクロ波プラズマCVD法において、電
子写真用感光ドラムのように大面積の基体上に高速度で
堆積膜を形成する場合、実用的な膜特性をもちかつ膜特
性と膜厚とが均一であるように形成することが極めて重
要である。本発明者らが本発明の完成に先だって行った
検討によれば、上述したような従来の堆積膜形成装置を
用いた場合には、実用的な膜特性と膜特性および膜厚の
均一性とをもつ堆積膜を大面積の基体上に形成すること
が極めて困難であることが判明した。すなわち、堆積膜
形成時の内圧が5mTorr以下の場合には、電子写真用感
光ドラムのような大面積の基体上でも、膜特性及び膜厚
が均一である堆積膜を形成することが可能であるが、最
適な膜特性を持った堆積膜を安定して得るのは困難であ
る。一方、堆積膜形成時の内圧が5mTorrを越える場合
には、最適な膜特性を持つ堆積膜を安定して得られる反
面、上述の「従来の技術」欄で述べたような理由によっ
て膜特性に無視できないような分布が生じる。さらに、
堆積膜形成時の内圧が30mTorrを越えると、膜厚にお
いても無視できない分布が生じてくる。
【0016】本発明者は、鋭意検討を加えた結果、実用
的な膜特性が得られる条件すなわち堆積膜形成時の内圧
が5mTorrを越えるという条件で大面積の基体上に膜特
性及び膜厚の均一性をもった堆積膜を形成するために
は、従来の対向する2つのマイクロ波導入用誘電体窓に
加えてさらに別のマイクロ波導入手段を設け、合計少な
くも3つのマイクロ波導入手段からマイクロ波エネルギ
ーを導入し、マイクロ波エネルギーによって生成するプ
ラズマの強度や密度を均一化すればよいことが見い出し
た。例えば、基体を含む少なくとも1個の部材と前記2
つの対向する誘電体窓とによって囲まれる空間(放電空
間)にマイクロ波プラズマ放電を形成し、他の少なくと
も1つのマイクロ波導入手段としてマイクロ波立体回路
をこの放電空間に直接接しない位置に配置する。このよ
うにマイクロ波立体回路を配置することにより、本来基
体上に堆積するべき膜がこのマイクロ波立体回路上に堆
積することを最小限にとどめることができ、その結果、
基体への膜の堆積速度を下げることなく、またマイクロ
波立体回路に堆積した膜のはがれによるゴミの発生を最
小限にとどめながら、大面積の基体上に膜特性および膜
厚の均一性を持った膜の堆積を行うことが可能となる。
このとき、マイクロ波立体回路から導入されたマイクロ
波は、反応済みのガスを排出するために放電空間から基
体の背後側へと設けられたガスの流路を伝搬して、放電
空間内のプラズマにエネルギーを与えることになる。
【0017】本発明において、このマイクロ波立体回路
としては、マイクロ波アンテナが好適である。具体的に
は、リジターノコイル、スロットアンテナなどの導波管
あるいは同軸線路を用いた漏れ波アンテナが好適であ
る。このマイクロ波アンテナからマイクロ波エネルギー
を放電空間に導入することにより、放電空間内の放電強
度の比較的弱い部分に効率的にマイクロ波エネルギーを
供給でき、したがって最小限のマイクロ波エネルギーで
放電強度の均一化を達成でき、大面積の基体上に膜特性
および膜厚の均一性を持った膜の堆積を行うことが達成
される。
【0018】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は本発明の一実施例の堆積膜形成装置
の構成を示す模式的縦断面図、図2は図1のA−A線で
の模式的横断面図である。
【0019】真空気密可能な反応容器101は、ほぼ円
筒形の容器であって、側壁101cには他端が真空ポン
プ(不図示)に連通する排気管104が一体的に形成さ
れ、減圧あるいは真空に排気できるようになっている。
反応容器101の円板状の上面101aおよび下面10
1bのほぼ中心部には、それぞれ円形の導波管103が
取り付けられている。各導波管103の他端は、整合用
のスタブチューナ(不図示)やアイソレータ(不図示)
を介して図示しないマイクロ波電源に接続されている。
各導波管103の反応容器101側の端部すなわち上面
101aおよび下面101bに接続する部分には、マイ
クロ波導入用の誘電体窓102がそれぞれ気密封止され
ている。誘電体窓102は、導波管103からのマイク
ロ波を反応容器101内に効率よく透過でき、かつ反応
容器101の気密を破らないような材料、例えば石英ガ
ラスやアルミナセラミックスで構成されている。また、
この反応容器101には、反応容器101内に原料ガス
を供給するための原料ガス導入管(不図示)が取り付け
られている。原料ガス供給管の他端は、ボンベとマスフ
ローコントローラの組み合わせなどからなる図示しない
原料ガス供給源に接続されている。
【0020】反応容器101の中心部を取り囲むよう
に、堆積膜の形成される複数本(この例では6本)の円
筒状の基体105が互いに平行になるよう配置されてい
る。基体105の長手方向(母線方向)の中心軸は、両
方の誘電体窓102を結ぶ直線と平行になっている。各
基体105は、反応容器101の下面101bから延び
る回転軸108によって、基体105の上端部分で保持
され、同じく下面101bから基体105の内部に挿入
されるように延びるヒータ107によって加熱されるよ
うになっている。回転軸108は、反応容器101の真
空を破ることなく回転自在のものであり、回転軸108
の他端は減速ギア110を介して駆動用のモータ109
に接続されている。したがって、モータ109を駆動す
ると、基体105がその長手方向の中心軸の回りを自転
することになる。
【0021】さらに、反応容器101の側壁101cの
内面に沿って、円筒形状のマイクロ波アンテナ111が
設けられ、このマイクロ波アンテナ111には給電用の
同軸線路112の一端が接続されている。このマイクロ
波アンテナ111は、後述する放電空間106の長手方
向の中央部付近にマイクロ波エネルギーを供給するため
のものである。したがって、基体105の長手方向の中
央部付近に対応して、側壁101cに取り付けられてい
る。同軸線路112の他端は整合回路(不図示)を経て
図示しないマイクロ波電源に接続されている。
【0022】このマイクロ波アンテナ111の具体的一
例として、図3に示すリジターノコイル150がある。
リジターノコイル150とは、円筒形状の金属板151
に、マイクロ波の半波長(λ/2)の整数倍の長さのス
リット152を複数個設け、一筆書きでつながるように
これらスリット152を接続させたものである。そして
一筆書きの一番手前側にあるスリット152の両側に接
続された給電用の同軸線路155からマイクロ波を給電
することにより、これらスリット152に沿ってマイク
ロ波が逐次放射しながら金属板151の円周方向に伝搬
することになる。本実施例において、マイクロ波アンテ
ナ111としては、リジターノコイルに限られるもので
はなく、スロットアンテナなどを使用することができ
る。
【0023】反応容器101内において、円筒状の各基
体105と各誘電体窓102で囲まれた部分が放電空間
106であり、この放電空間106は両端が各誘電体窓
102で画定される柱状の空間である。
【0024】この装置を用いる従来の堆積膜形成方法に
よる堆積膜形成は、以下のようにして行なわれる。ま
ず、真空ポンプ(不図示)により排気管104を介して
反応容器101内を排気し、この反応容器101内の圧
力を1×10-6Torr以下とする。次いで、各ヒータ10
7により全ての基体105を膜堆積に好適な温度に加熱
保持する。そして図示しない原料ガス導入管を介して、
例えばa−Si膜を形成する場合であれば、シラン(S
iH4)ガスや水素ガスなどの原料ガスを反応容器10
1内に導入する。
【0025】これと同時平行的にマイクロ波電源(不図
示)により周波数500MHz以上の、好ましくは2.
45GHzのマイクロ波を発生させ、このマイクロ波を
導波管103そして各誘電体窓102を介して反応容器
101内に導入する。そして、マイクロ波電源(不図
示)から同軸線路112を介してマイクロ波エネルギー
をマイクロ波アンテナ111に供給する。このとき、マ
イクロ波アンテナ111に供給されるマイクロ波の強度
は、放電空間106における放電強度が均一なものとな
るように、適宜調整されるものとする。その結果、放電
空間106においてグロー放電が生起し、原料ガスはマ
イクロ波のエネルギーにより励起解離し、円筒状の各基
体105の表面上に堆積膜が形成される。このときモー
タ109を駆動して基体105を自転させることによ
り、基体105の外周面の全面に堆積膜を形成すること
ができる。本実施例では、各誘電体窓102からのマイ
クロ波エネルギーだけでは放電強度が弱くなる部分、す
なわち柱状の放電空間106の長手方向の中央部付近
に、マイクロ波アンテナ111からのマイクロ波エネル
ギーが供給されるので、放電空間106全体として放電
強度が均一になり、基体105の上に、膜特性および膜
厚の均一性を維持しながら、実用的な膜特性を有する堆
積膜を形成することができる。
【0026】ここで、上述の堆積膜形成装置を用い、マ
イクロ波アンテナ111に供給するマイクロ波エネルギ
ーを変化させて基体105上に形成した堆積膜の特性を
測定した結果について説明する。基体105としては、
直径108mm、長さ358mm、肉厚5mmのアルミ
ニウム製の円筒を用い、表1に示すとおりの成膜条件
で、3層構造の堆積膜を形成した。なお、各誘電体窓1
02およびマイクロ波アンテナ111から反応容器10
1内に導入されるマイクロ波エネルギーの総和(総マイ
クロ波電力)は、一定であるようにした。そしてこのよ
うにして作成したサンプルの電気的特性のムラと膜厚の
ムラとを測定し、それぞれ膜特性分布、膜厚分布とし
た。電気的特性のムラは、このサンプルに帯電させた場
合の暗部電位のムラを計測することによって求めた。そ
の結果を表2に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】 以上の結果から明らかなように、放電空間106に直接
接しない位置に設けられたマイクロ波アンテナ111か
らも放電空間106にマイクロ波エネルギーをが供給す
ることにより、供給しない場合に比べ、20mTorrとい
う比較的高い堆積膜形成時の圧力にも関わらず、電気的
特性のムラおよび膜厚のムラとも実用上ほとんど問題に
ならないレベルにまで改善されることがわかった。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、少なくと
も3つのマイクロ波導入手段から放電空間にマイクロ波
エネルギーを供給するようにすることにより、放電空間
内での放電強度が均一になって、膜特性および膜厚の均
一性を維持しながら、実用的な膜特性を有する堆積膜を
高い堆積速度で形成することができるようになるという
効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の堆積膜形成装置の構成を示
す模式的縦断面図である。
【図2】図1のA−A線での模式的横断面図である。
【図3】マイクロ波アンテナの一例の構成を示す斜視図
である。
【図4】従来の堆積膜形成装置の構成を示す模式的縦断
面図である。
【図5】図4のX−X線での模式的横断面図である。
【符号の説明】
101 反応容器 101a 上面 101b 下面 101c 側壁 102 誘電体窓 103 導波管 104 排気管 105 基体 106 放電空間 107 ヒータ 108 回転軸 109 モータ 110 駆動ギア 111 マイクロ波アンテナ 112,155 同軸線路 150 リジターノコイル 151 金属板 152 スリット

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 マイクロ波プラズマCVD法によって基
    体上に堆積膜を形成する堆積膜形成方法において、 減圧にし得る反応容器内に前記基体を保持し、前記反応
    容器内に原料ガスを導入しながら、前記反応容器に取り
    付けられ前記反応容器内にマイクロ波エネルギーを導入
    するための少なくとも3つのマイクロ波導入手段から前
    記反応容器内にマイクロ波エネルギーを導入し、前記マ
    イクロ波エネルギーによって前記反応容器内にプラズマ
    を生成して前記基体表面に堆積膜を形成することを特徴
    とする堆積膜形成方法。
  2. 【請求項2】 マイクロ波導入手段のうちの2つが誘電
    体からなる一対の対向するマイクロ波導入窓であり、前
    記各マイクロ波導入手段からマイクロ波エネルギーを前
    記成膜容器内に導入することにより基体を含む少なくと
    も1つの部材と前記一対のマイクロ波導入窓とで囲まれ
    る放電空間にプラズマを形成し、前記一対のマイクロ波
    導入窓以外の前記マイクロ波導入手段の少なくとも1つ
    が前記放電空間に直接接しない位置に配置されたマイク
    ロ波立体回路である、請求項1に記載の堆積膜形成方
    法。
  3. 【請求項3】 マイクロ波立体回路がマイクロ波アンテ
    ナである請求項2に記載の堆積膜形成方法。
  4. 【請求項4】 基体が円筒形状である請求項1ないし3
    いずれか1項に記載の堆積膜形成方法。
  5. 【請求項5】 減圧にし得る反応容器と、前記反応容器
    内に原料ガスを導入する原料ガス導入手段と、前記反応
    容器内を排気する排気手段と、前記反応容器に取り付け
    られ前記反応容器内にマイクロ波エネルギーを導入する
    マイクロ波導入手段とを有し、前記反応容器内に保持さ
    れた基体上にマイクロ波プラズマCVD法によって堆積
    膜を形成する堆積膜形成装置において、 前記マイクロ波導入手段を3個以上備えていることを特
    徴とする堆積膜形成装置。
  6. 【請求項6】 マイクロ波導入手段のうちのうちの2つ
    が誘電体からなる一対の対向するマイクロ波導入窓であ
    り、基体を含む少なくとも1つの部材が前記部材と前記
    一対のマイクロ波導入窓とによって囲まれた放電空間を
    形成するように反応容器内に配置され、前記一対のマイ
    クロ波導入窓以外の前記マイクロ波導入手段の少なくと
    も1つが前記放電空間に直接接しない位置に配置された
    マイクロ波立体回路である、請求項5に記載の堆積膜形
    成装置。
  7. 【請求項7】 マイクロ波立体回路がマイクロ波アンテ
    ナである請求項6に記載の堆積膜形成装置。
  8. 【請求項8】 基体が円筒形状である請求項5ないし7
    いずれか1項に記載の堆積膜形成装置。
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