JPH0643632B2 - プラズマｃｖｄ法による堆積膜形成装置 - Google Patents

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、殊に半
導体デイバイス、電子写真用の感光デイバイス、画像入
力用のラインセンサー、撮像デイバイス、光起電力素子
などに用いられるアモルフアス状あるいは多結晶状等の
非単結晶状の堆積膜を形成するのに至適な、プラズマCV
D法による装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来、半導体デイバイス、電子写真用感光デイバイス、
画像入力用ラインセンサー、撮像デイバイス、光起電力
素子等に使用する素子部材としては、アモルフアスシリ
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アスシリコン(以後「a-Si
(H,X)」と記す。)膜等が提案され、その中のいくつかは
実用に付されている。そして、そうしたa-Si(H,X)膜と
ともにそれ等a-Si(H,X) 膜等の形成法およびそれを実施
する装置についてもいくつか提案されていて、真空蒸着
法、イオンプレーテイング法、いわゆるCVD法、プラズ
マCVD法、光CVD法等があり、中でもプラズマCVD法は至
的なものとして実用に付され、一般に広く用いられてい
る。

ところで前記プラズマCVD法は、高周波またはマイクロ
波エネルギーを利用して堆積膜形成用ガスを基体表面の
近傍で励起種化（ラジカル化）して化学的相互作用を生
起させ、該基体表面に膜堆積せしめるというものである
というものであるところ、そのための装置として、第５
乃至６図に図示の装置が提案されている。

即ち第５図は、従来のプラズマCVD法による堆積膜形成
装置の断面略図であり、第６図は、第５図に図示の装置
のＩ−Ｉ線に沿つた横断面略図である。

図において、Ａは、側壁11、底壁11′及び蓋部11aで密
封形成されてなる反応室Ｂを有する前記装置全体を示
す。１３は、金属等の導電性材料からなる円筒であつ
て、側壁に複数の穿孔13a,13a,…を有し、該円筒は、反
応室Ｂ内の中央に中心軸線に底部固定して立設されてい
て、その底部が外部に設けられた排気系１４に接続して
いる。12,12,…は、加熱手段１７を内蔵し底部で回転手
段１６に機械接続している基体保持手段上に載置された
円筒基体であつて、第６図に図示されるように、導電性
の円筒１３を中心にして、同一円周上に所定の間隔を保
つて配列設置されている。そして基体12,12,…は、側壁
１１と共に両者が同電位に保持されるように電気的に接
地１９されている。１５は、ガス導入系であつて、管手
段を介して原料ガスが反応室Ｂ内に供給されるようにさ
れている。１８は、高周波電力発生源であり、一端は導
電性の円筒１３に電気的に接続され、他端は電気的に接
地１９されている。なお前記導電性の円筒１３と前記円
筒基体12,12,…は、装置の操作時、前者はカソード電極
として、そして後者はアノード電極としてそれぞれ作用
する。

以上説明の、従来のプラズマCVD法による堆積膜形成装
置による成膜操作は、例えばa-Si(H,X)堆積膜を形成す
る場合について説明すると、円筒基体１２をそれぞれの
基体保持手段に載置しておき、排気系１４を操作して反
応室Ｂ内を真空状態にし、円筒基体12,12,…のそれぞれ
をそれぞれの加熱手段１７で所定温度に加熱し、ガス導
入系１５を介して原料ガスたるシランガスが反応室Ｂ内
に導入し、それと同時に、高周波電力発生源１８に通電
して導電性の円筒１３に高周波電力を印加せしめ、且つ
回転機構16,16,…を作動して円筒基体12,12,…を回転せ
しめることにより行われる。かく操作すると、カソード
電極として作用する円筒１３とアノード電極として作用
する円筒基体12,12,…との間にプラズマ放電が正起し、
それによりシランガスが励起・分解され、且つそれらの
間で化学的相互作用が起こり、前記基体のそれぞれの表
面上にa-Si(H,X) 膜が堆積される。

かくする、第５乃至６図に図示の従来のプラズマCVD法
による堆積膜形成装置は、好適なものとして採用されて
いるところではあるが、操作上いくつかの問題点が存在
する。

即ち、高周波電圧が円筒１３に印加されると、反応室Ｂ
内に導入されている原料ガス（例えばシランガス）のガ
ス分子は励起・分解されてプラズマ化し、電子、イオン
粒子、中性ラジカル粒子等になる。これらの粒子は、回
転している円筒基体12,12,…のそれぞれの表面近傍に飛
来し、堆積膜を形成する。ここで、堆積膜の形成に寄与
するものは、主として中性ラジカル粒子であるが、プラ
ズマ中には同時に電子、イオン粒子が多く存在してお
り、このため、成膜の過程において、前記電子やイオン
粒子は形成中あるいは形成後の堆積膜に衝突し、その結
果としてダングリングボンド、ボイド等の構造欠陥をつ
くつてしまい、形成される膜の品質を低下させてしま
う。このことが、高品質でしかも特性の均一な堆積膜を
形成する際に大きな問題となつていた。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のごとき従来の装置における諸問題を克
服して、半導体デイバイス、電子写真用感光デイバイ
ス、画像入力用ラインセンサー、撮像デイバイス、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
子等に用いる素子部材としての堆積膜を、プラズマCVD
法により、定常的に安定して形成しうる装置を提供する
ことを目的とうるものである。

即ち、本発明の主たる目的は、プラズマ衝撃による堆積
膜の損傷をなくし、均一かつ均質にして、良質の、優れ
た所望の特性を有する堆積膜を定常的に安定して形成し
うるプラズマCVD法による堆積膜の形成装置を提供する
ことにある。

また、本発明の他の目的は、形成される堆積膜の膜厚及
び膜質の制御を容易に行なうことができ、膜厚分布が均
一でかつ膜質が均一な堆積膜を形成するとができるプラ
ズマCVD法による堆積膜の形成装置を提供することにあ
る。

〔発明の構成、効果〕

本発明者は、第５乃至６図に図示の従来のプラズマCVD
法による堆積膜形成装置についての前述の諸問題を克服
して、上述の目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、
前記従来装置の中央部に荷電粒子捕収電極を設けた場
合、該従来装置についての前述の諸問題を解決して、上
述の本発明の目的を達成できる知見を得、本発明を完成
するに至つた。

即ち本発明の装置は、反応室内に設置された基体上に、
高周波またはマイクロ波を用いて堆積膜を形成するプラ
ズマCVD法による堆積膜形成装置において、該反応室の
中心部に荷電粒子を捕収するための電極を設け、該電極
を中心にして同心円上に回動可能な基体設置手段を設け
てなることを特徴とする。

かくする本発明の装置においては、成膜に望ましくない
荷電粒子は捕収電極に捕束されてしまうので、そうした
荷電粒子が基体面に達する機会はなくなり、したがつて
それらが形成中あるいは形成後の堆積膜に衝突して堆積
膜に構造欠陥をもたらすことがなくなり、また、放射さ
れる高周波またはマイクロ波の電界強度分布の基体近傍
での一様化が促進されるので、前述の従来装置に比較し
て成膜速度を著しく改善することができると共に、品
質、厚さ、そして電気的、光学的、光導電的特性等の全
ての点で優れた堆積膜製品を常時安定して量産できる。

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、高周波また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基体表面上に初期
の堆積膜を形成する類のものであれば何れのものであつ
ても採用することができるが、例えばa-Si(H,X) 膜を形
成する場合であれば、具体的には、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状態のもの、または容易にガス
化しうるものをガス化したものを用いることができる。
これらの原料ガスは１種を使用してもよく、あるいは２
種以上を併用してもよい。

また、これ等の原料ガスは、He、Ar等の不活性ガスによ
り稀釈して用いることもある。さらに、a-Si(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
または／および稀釈用ガスと混合して反応室内に導入す
ることができる。

基体については、導電性のものであつても、半導電性の
ものであつても、あるいは電気絶縁性のものであつても
よく、具体的には金属、セラミツクス、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般的であり、好
ましくは50〜350℃である。

また、堆積膜を形成するにあたつては、原料ガスを導入
する前に反応室内の圧力を５×10^-6Torr以下、好ましく
は１×10^-6Torr以下とし、原料ガスを導入した時には反
応室内の圧力を１×10^-2〜１Torr、好ましくは５×10^-1
〜１Torrとするのが望ましい。

なお、本発明の装置による堆積膜形成は、通常は、前述
したように原料ガスを事前処理（励起種化）することな
く反応室に導入し、そこで高周波またはマイクロ波のエ
ネルギーにより励起種化し、化学的相互作用を生起せし
めることにより行われるが、二種以上の原料ガスを使用
する場合、その中の一種を事前に励起種化し、次いで反
応室に導入するようにすることも可能である。

以下、本発明のプラズマCVD法による堆積膜形成装置
を、第１乃至４図に図示の実施例により更に詳しく説明
するが、前記装置はこれらによつて限定されるものでは
ない。

第１乃至２図は、本発明のプラズマCVD法による堆積膜
形成装置の断面略図であり、第３乃至４図は、それぞ
れ、それら装置のII−II線、III−III線に沿つた横断面
略図である。

第１図において、Ａは、側壁１、底壁１′及び着脱自在
の蓋部２で密封形成されてなる反応室Ｂを有する本発明
のプラズマCVD法による堆積膜形成装置全体を示す。３
は、誘電体窓であつて、該窓を介して、高周波またはマ
イクロ波発振器３２から導波路３１を伝搬して来る高周
波またはマイクロ波が反応室Ｂ内に放射される。４は、
第３図に示されるように、誘電体窓３を円軸的に包囲し
導波路３１から絶縁され且つ反応室Ｂ内に開口している
排気間隙部であり、該間隙部４は、排気装置４２にバル
ブ４３を介して接続されている導管４１に連通してい
る。５は、原料ガスの反応室Ｂ内への導入口であり、バ
ルブ５２を介してガス供給源５１に接続されている。７
は、アルミニウム、ステンレス等の導電性の材料で構成
されてなる荷電粒子を捕収するための電極であり、先端
が誘電体窓３の上部空間でその中心位置すなわち反応室
Ｂの中心に位置するように、蓋部２の中心部に着脱自在
式に設けられた絶縁部７１を介して反応室Ｂの空間に垂
下設置されていて、他端は外部に設けられている直流電
源７２に接続手段７３を介して接続されている。６１
は、加熱手段６２を内蔵する円筒状基体６の保持手段で
あり、第３図に示されるように、反応室Ｂ内にあつて、
荷電粒子捕収電極７を取り巻き、且つそれと同軸的に同
一円周上に所定の間隔（少くとも１mm以上）を保つて複
数個設置されている。円筒状基体を載置した基体保持手
段61,61,…は、それぞれ支持脚63,63,…により支持され
ており、それら支持脚はそれぞれ外部の回転駆動手段6
4,64,…に機械連結され、左右いずれの方向にも回転で
きるようにされている。前記支持脚63,63,…は、それぞ
れ側壁１と共に電気的に接地８されていて、同者が同電
位に保持されるようにされている。

以上説明の第１図および第３図に図示の、本発明のプラ
ズマCVD法による堆積膜形成装置Ａにおいては、原料ガ
スの導入された反応室Ｂ内に、誘電体窓３を介して高周
波またはマイクロ波が放射されることによりプラズマ放
電が惹起され、それにより原料ガスが励起・分解される
が、その際生成する成膜に好ましくない荷電粒子は捕収
電極中に引き寄せられ、排気装置４２による排気作用に
より系内を下降し、間隙部４から排出され、一方、成膜
に寄与するところの生成される中性ラジカル粒子等、例
えば原料ガスがSiH₄である場合Si^＊、SiH^＊、SiH₂ ^＊等
は、反応室Ｂの側壁方向に、回転している円筒状基体6,
6,…による作用も相俟つて進行してそれぞれの基体表面
近傍に一様に分散し、基体表面との反応、相互間での反
応、導入される原料ガス中の特定成分との反応等を介し
てそれぞれの基体表面に一様に均一に堆積して堆積膜が
形成される。したがつて当該本発明の装置においては、
従来装置にみられる電子やイオン粒子の衝突による構造
欠陥の問題、不純物混入の問題は起ることがなく、品
質、厚さ、そして電気的、光学的、光導電的特性の全て
の点で優れた所望の堆積膜製品が常時安定して効率的に
得られる。

第２図および第４図に図示の装置は、第１図および第３
図に図示の装置の変形であつて、該装置も本発明のプラ
ズマCVD法による堆積膜形成装置の好ましい実施例であ
る。

第２図および第４図に図示の装置においては、排気口が
反応室Ｂの側壁１に開口４しており、高周波またはマイ
クロ波を反応室Ｂ内に放射するための誘電体窓３は、該
反応室の底壁の中央部を切欠してその切欠部に密封嵌合
されていて、該透電体窓３には高周波またはマイクロ波
発振器３２に連通する高周波またはマイクロ波の導波路
301が固定されている。そして、荷電粒子捕収電極701
は、第２図に図示のように先端閉鎖し、多数の穿孔70
1′,701′,…を有する管状のものにして、該電極の他端
には、バルブ５２を備えていて原料ガス供給源５１に連
通する原料ガス供給管が配管５０されている。そして該
電極701は、蓋部２の貫通部でそれに密封絶縁702されて
固定されており、該電極の部材は外部に設けられている
直流電源７２と接続手段７３によつて、電気的に接続さ
れている。

以上説明の第２図および第４図に図示の本発明のプラズ
マCVD法による堆積膜形成装置Ａにおいては、誘電体窓
３を介して反応室Ｂ内に高周波またはマイクロ波が放射
されることによりプラズマ放電が惹起される。そして、
荷電粒子電極701の孔701′,701′,…を介して図示の矢
印方向に放出される原料ガスは前記の惹起されるプラズ
マ放電の作用により励起・分解され、その際生成する成
膜に好ましくない荷電粒子は捕収電極701の部材壁面沿
いに引き寄せられ、一方、成膜に寄与するところの中性
ラジカル粒子等、例えば原料ガスがSiH₄である場合S
i^＊、SiH^＊、SiH₂ ^＊等は、孔701′,701′,…を介して反
応室Ｂの側壁方向に水平状に放出される原料ガス流の作
用、そして回転している円筒状基体6,6,…の作用、更に
排気装置による排気作用が相俟つて反応室Ｂの側壁方向
に進行してそれぞれの基体表面近傍に一様に分散し、基
体表面との反応、相互間での反応、導入原料ガス中の特
定成分との反応等を介してそれぞれの基体表面に一様に
して均一に堆積して、第１図および第３図に図示の装置
におけると同様に、所望の堆積膜が形成される。

以下に、本発明のプラズマCVD法による堆積膜形成装置
を操作して堆積膜を形成するところを、例を挙げて説明
するが、以下の例は該装置の操作に限定的意義を持つも
のではない。

実施例 第１図および第３図に図示の本発明のプラズマCVD法に
よる堆積膜形成装置を操作してAl円筒基体表面に光導電
性の堆積膜を形成した。

即ち、５mmの間隙を保つて配設されている基体保持手段
61,61,…にAl薄板円筒基体6,6,…を載置し、反応室Ｂ内
を排気装置４２を作動し且つバルブ４３を調節して約10
^-5Torrの真空度にした。ついで、加熱手段６２により基
体温度を約３００℃に保持した。次に、堆積膜形成用の
原料ガスであるSiH₄を水素ガスで希釈して導入口５より
反応室Ａ内に導入した。ガスの流量が安定したところで
排気バルブ４３を調節して反応室Ｂの内圧を約２×10^-3
Torrとした。該内圧が一定になつたところで基体保持手
段61,61,…の回転を開始し、次いで電極７に負の直流電
圧を印加すると共に、2.45GHzのマイクロ波を反応室Ｂ
内に放射した。この状態で２０分間保持し、円筒基体6,
6,…表面にa-Si(H,X) の堆積膜を形成した。その後、該
基体を所定温度に冷却したところで、それらを系外に取
り出し、テストしたところ、いずれの基体についても均
一にして均質な堆積膜が形成されており、それらはいず
れも諸特性に富むものであつた。

【図面の簡単な説明】

第１乃至２図は、本発明のプラズマCVD法による堆積膜
形成装置の断面略図であり、第３乃至４図は、それぞ
れ、それら装置のII−II線、III−III線に沿つた横断面
略図である。第５図は、従来のプラズマCVD法による堆
積膜形成装置の断面略図であり、第６図は該装置のＩ−
Ｉ線に沿つた横断面略図である。 第１乃至４図において、 １……側壁、１′……底壁、２……蓋部、３……誘電体
窓、３１……導波路、３２……高周波またはマイクロ波
発振器、４……排気間隙部、４１……導管、４２……排
気装置、４３……バルブ、５……原料ガス導入口、５１
……原料ガス供給源、５２……バルブ、６……円筒状基
体、６１……基体保持手段、６２……加熱手段、６３…
…支持脚、６４……回転駆動手段、７……荷電粒子捕収
電極、７１……絶縁部、７２……直流電源、７３……リ
ード線、Ａ……装置全体、Ｂ……反応室、301……導波
路、５０……配管結合部、701……荷電粒子捕収電極、7
01′……穿孔、702……絶縁部。 第１乃至２図において、 １１……側壁、11′……底壁、11a……蓋部、１２……
円筒基体、１３……金属製円筒、13a……穿孔、14……
排気系、１５……ガス導入系、１６……回転機構、１７
……加熱手段、１８……高周波電力発生源、19……接
地。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反応室内に設置された基体上に、高周波ま
   たはマイクロ波を用いて堆積膜を形成するプラズマCVD
   法による堆積膜形成装置において、該反応室の中心部に
   荷電粒子を捕収するための電極を設け、該電極を中心に
   して同軸円周状に回動可能な基体設置手段を設けてなる
   ことを特徴とする、プラズマCVD法による堆積膜形成装
   置。