JPH0881778A

JPH0881778A - 高圧力下でのラジカルｃｖｄ法による連続成膜方法及びその装置

Info

Publication number: JPH0881778A
Application number: JP22146694A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Mori; 勇藏森
Original assignee: YUUHA MIKAKUTOU SEIMITSU KOGAKU KENKYUSHO KK
Current assignee: YUUHA MIKAKUTOU SEIMITSU KOGAKU KENKYUSHO KK
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1996-03-26
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP3632999B2

Abstract

(57)【要約】【目的】荷電粒子による基板の損傷及び基板の加熱に
よる熱的損傷がないとともに、内部に欠陥や表面に凹凸
が少なく、しかも反応ガスが分解されて生成したラジカ
ル種同士が気相中で凝集することを抑制し、薄膜の電気
的・光学的特性に優れ且つ高速成膜をすることが可能な
高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法及び
その装置を提供する。【構成】基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且つ厚
さの薄い反応ガスの層流を形成するとともに、数Torr〜
数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジ
カルを含むラジカルガスを反応ガス層流の上層にその流
れを乱さないように供給し、反応ガス中に拡散してきた
中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を
基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高圧力下でのラジカル
ＣＶＤ法による連続成膜方法及びその装置に係わり、更
に詳しくは荷電粒子による基板の損傷及び基板の加熱に
よる熱的損傷がないとともに、内部に欠陥や表面に凹凸
が少なく電気的・光学的特性の優れた薄膜を形成するた
めの連続成膜方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、基板上に薄膜を作製する技術に
は、大別して物理的手法（Physical vapor deposition
：ＰＶＤ）と化学的手法（Chemical vapor deposition
：ＣＶＤ）があるが、電子工学の分野ではこの中でも
化学的手法であるプラズマＣＶＤ法が特に注目されてい
る。プラズマＣＶＤ法では、プラズマ中で反応種であ
る中性ラジカルやイオンを作るため基板の温度を自由に
制御できること、プラズマの高エネルギー状態を利用
するため、通常困難な反応などに応用できること、等の
利点がある。プラズマの励起、維持手段としては、直流
電界、５０／６０Ｈｚ商用周波数からＲ．Ｆ．電界、マ
イクロ波、ミリ波、光等が用いられている。現在のプラ
ズマＣＶＤは、１Torr以下の低圧力下で行われるのが一
般的である。特に、最近では、ＥＣＲ（electron cycro
tron resonance）プラズマを利用した高真空中（10^-3〜
10^-5Torr）でのプラズマＣＶＤが行われている。

【０００３】しかし、このような低圧プラズマ状態で
は、非平衡プラズマと呼ばれる電子温度のみが極めて高
いプラズマができるが、プラズマ中に発生するイオン，
電子のエネルギーも高くなり、電界によって高い運動エ
ネルギーをもって直接基板に衝突することが考えられ
る。また、低圧であるために成膜速度は遅いといった問
題を有する。

【０００４】また、従来のプラズマＣＶＤでは、例えば
多結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜を作製するために一般的に
採用されている熱ＣＶＤにおいては１０００〜１２００
℃の加熱が必要で、このような高温に曝していると基板
と薄膜を構成する元素の相互拡散が生じ、基板と薄膜を
構成する元素が相違する場合、基板に微量元素が含まれ
ている場合には、薄膜に不純物が導入されるといった問
題も有する。また、比較的低温の処理で多結晶シリコン
薄膜を作製するには、先ずアモルファスシリコン薄膜を
作製した後、基板を６００〜７００℃に加熱処理してそ
の結晶化を促進させていた。

【０００５】このように、従来は基板上に作製した薄膜
の結晶構造を制御するために、最低約６００℃以上に基
板を加熱する必要があった。そのため、基板として低融
点の素材は使用できないばかりでなく、基板に熱的損傷
を与える可能性がある。また、反応ガスを直接励起して
プラズマ状態とするため高電界を必要とし、それにより
得られる荷電粒子は高い運動エネルギーを持ち、これら
が基板に入射されて薄膜中若しくは基板に欠陥を生じさ
せるといった問題も有する。

【０００６】そこで、本出願人は、特開平４−３３７０
７６号公報にて開示される如く、数Torr〜数気圧の高圧
力下で発生及び維持の容易な不活性ガスからなるキャリ
アガスのプラズマを発生させ、それにより反応ガス分子
を気相中若しくは基板上で分解、活性化して高密度の中
性ラジカルを生成し、基板上に薄膜を成長させることに
より、高速成膜を可能とするとともに、多くの素材で熱
的損傷が生じない３００℃程度以下の温度に基板を加熱
するだけで薄膜の多結晶化若しくは結晶化を可能にする
プラズマ及びラジカルＣＶＤ法による高速成膜方法を既
に提供している。つまり、この成膜方法は、プラズマ中
で生成された不活性ガスの中性ラジカルや水素原子ラジ
カルを、そのラジカル生成ガスの流れによってプラズマ
外の成膜部に輸送し、膜形成元素を含む反応ガスと混合
することにより、反応ガスを気相中で分解し、低温基板
上に目的とする薄膜を高速成膜するのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ガスの流れ
に乱れがあると、反応ガスが分解されて生成したラジカ
ル種同士が気相中で凝集してクラスタあるいは粉にな
る。そのようなクラスタや粉が基板上に堆積すると、薄
膜の内部に多数の欠陥が取り込まれ、また表面形状も凹
凸の激しいものとなり、その結果、形成した薄膜の電気
的・光学的特性が悪くなる。

【０００８】そこで、本発明は前述の状況に鑑み、解決
しようとするところは、プラズマ領域と成膜領域とを分
離するといった基本的な技術的思想は前述の公報記載の
成膜方法を採用しつつ、反応ガスが分解されて生成した
ラジカル種同士が気相中で凝集することを抑制し、薄膜
の電気的・光学的特性に優れ且つ高速成膜をすることが
可能な高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方
法及びその装置を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題解
決のために、基板表面のみに膜形成元素を含む反応ガス
を供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且つ厚
さの薄い反応ガスの層流を形成するとともに、数Torr〜
数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジ
カルを含むラジカルガスを反応ガス層流の上層にその流
れを乱さないように供給し、反応ガス中に拡散してきた
中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を
基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成してなる高圧
力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法を提供す
る。

【００１０】この場合、前記反応ガス層流とラジカルガ
ス流を平行又は鋭角に合流させてなること、また前記反
応ガスを不活性ガスで希釈して供給してなることがより
好ましい実施例である。更に、前記基板を反応ガスの流
れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対的に移動させる
ことが実用的である。

【００１１】また、連続成膜装置については、ガス流路
の少なくとも一側壁面を基板表面で形成するとともに、
ガス流路内であって基板表面に対して微小間隔を隔てて
仕切板を配設し、該仕切板と基板表面とで反応ガス流路
を形成し且つ該仕切板と基板表面と対面するガス流路の
他側壁面とで若しくは一対の仕切板間でラジカルガス流
路を形成し、前記仕切板の下流側端部を反応ガス流路と
ラジカルガス流路の合流部となし、反応ガス流路の上流
側に膜形成元素を含む反応ガスの供給手段を設け、一方
ラジカルガス流路の上流側に数Torr〜数気圧の高圧力プ
ラズマを発生させる高周波高電界領域を形成するととも
に、該領域に不活性ガス等のラジカル生成ガスの供給手
段を設けてなり、高圧力の反応ガス及びラジカル生成ガ
スをガス供給手段からそれぞれ供給し、基板表面に沿っ
て反応ガスの層流を形成するとともに、高圧力プラズマ
中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガス
流を前記合流部で反応ガス層流に合流させ、反応ガス中
に拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解
し、膜形成元素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に
形成してなる高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続
成膜装置を構成した。

【００１２】ここで、前記仕切板を平行平板となして基
板表面に対して平行に配設してなること、又は前記仕切
板の一面を基板表面に対して平行に配設し、他面を基板
表面に対して鋭角を有する傾斜面となしたこと、そして
前記仕切板がプラズマ発生用の電極を兼ねてなること、
更に前記基板をガス流路に対して流れ方向に対して順方
向又は逆方向へ相対的に平行移動させてなることが好ま
しい実施例である。

【００１３】

【作用】以上の如き内容からなる本発明の高圧力下での
ラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法及びその装置は、
プラズマ発生領域、即ちラジカル生成領域と、成膜領域
とを分離し、基板表面のみに膜形成元素を含む反応ガス
（原料ガス）を供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度
が均一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成した状態
で、プラズマ発生領域で発生された数Torr〜数気圧の高
圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含む
ラジカルガスを、前記反応ガスの層流の上層に反応ガス
の流れを乱さないように平行又は鋭角に合流させて、ラ
ジカルガス中の中性ラジカルによって反応ガスを分解
し、その結果生成された膜形成元素のラジカル種を基板
表面に堆積させて成膜するのである。この場合に、基板
を反応ガスの流れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対
的に移動させることによって、広面積又は連続的な成膜
が可能となる。

【００１４】ここで、反応ガスを不活性ガスで希釈して
基板表面に供給することが重要である。その希釈作用を
以下に説明する。大気圧におけるガス分子の平均自由行程は数１００ｎ
ｍであるため、反応ガスの濃度が濃い場合、それらが分
解されて生成したラジカル種同士が気相中で凝集してク
ラスタあるいは粉になる。そのようなクラスタや粉が基
板上に堆積すると、薄膜の内部に多数の欠陥が取り囲ま
れ、また表面形状も凹凸の激しいものとなり、その結
果、電気的・光学的特性の悪い膜しか得られない。従っ
て、反応ガスを予め不活性ガスで希釈し、反応ガスの平
均自由行程を十分長くすれば、気相中でのラジカル種の
凝集を抑制することが可能となる。反応ガスの濃度が濃い場合、プラズマ発生領域から輸
送されてきた中性ラジカルの数に対して、反応ガス分子
の数の方が多くなり、その結果、供給した反応ガスの一
部しか分解されないため、高価な反応ガスの利用効率が
低くなる。従って、反応ガスを予め不活性ガスで希釈す
ることによって、反応ガスの利用効率を向上させること
が可能となる。

【００１５】

【実施例】次に本発明の詳細を添付図面に示した実施例
に基づいて説明する。図１は本発明の成膜原理を示す概
念図であり、図中１はガス流路、２は基板表面、３はガ
ス流路１の壁面、４は仕切板、５は反応ガス流路、６は
ラジカルガス流路をそれぞれ示している。

【００１６】ここで、「反応ガス」とは、膜形成元素を
含む原料ガスのことであり、適宜不活性ガス等を混合し
たものも総称して反応ガスという。また、「ラジカルガ
ス」とは、不活性ガス等のラジカル生成ガスをプラズマ
中で分解あるいは励起して生成した中性ラジカルを含む
ガスのことである。例えば、基板上にシリコン薄膜を形
成する場合には、反応ガスとしてシランガス（Ｓｉ
Ｈ₄：原料ガス）とＨｅの混合ガスを用い、ラジカル生
成ガスとしてＨｅとＨ₂の混合ガスを用いた。この場合
のラジカルガスは、励起状態のＨｅ原子ラジカルと水素
原子ラジカル（水素原子の基底状態を含む）及び中性粒
子（励起されないＨｅ原子、水素分子）の混合状態であ
る。

【００１７】本発明の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法に
よる連続成膜方法は、基板表面のみに膜形成元素を含む
反応ガスを供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度が均
一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成するとともに、
数Torr〜数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の
中性ラジカルを含むラジカルガスを反応ガス層流の上層
にその流れを乱さないように供給し、反応ガス中に拡散
してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形
成元素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成する
ことを要旨としている。

【００１８】また、本発明の連続成膜装置の第１実施例
は、図１(a) に示すように、平行偏平なガス流路１を基
板表面２とそれに対向する壁面３とで形成するととも
に、ガス流路１内であって基板表面２に対して微小間隔
を隔てて仕切板４を配設し、該仕切板４と基板表面２と
で反応ガス流路５を形成し且つ該仕切板４と基板表面２
と対面するガス流路１の他側壁面３とでラジカルガス流
路６を形成し、前記仕切板４の下流側端部を反応ガス流
路５とラジカルガス流路６の合流部７となし、反応ガス
流路５の上流側に膜形成元素を含む反応ガスの供給手段
８を設け、一方ラジカルガス流路６の上流側に数Torr〜
数気圧の高圧力プラズマを発生させる高周波高電界領域
（図示せず）を形成するとともに、該領域に不活性ガス
等のラジカル生成ガスの供給手段９を設けてなり、高圧
力の反応ガス及びラジカル生成ガスをガス供給手段８，
９からそれぞれ供給し、基板表面２に沿って反応ガスの
層流を形成するとともに、高圧力プラズマ中で生成した
高密度の中性ラジカルを含むラジカルガス流を前記合流
部７で反応ガス層流に合流させ、反応ガス中に拡散して
きた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元
素を基板表面２に堆積させて薄膜を連続的に形成するこ
とを特徴としている。

【００１９】ここで、本発明において基板表面２の近傍
に反応ガスの薄い層流を形成し、その上層に反応ガスの
流れを乱さないようにラジカルガスの流れを形成するこ
とが重要である。本実施例では、平行偏平なガス流路１
の幅Ｄ₁を１００μｍに設定し、仕切板４の厚さＤ₂は
１０〜２０μｍであり、また反応ガス流路５の幅Ｄ₃は
１０〜２０μｍとしている。

【００２０】そして、ラジカル生成ガスの供給手段９か
ら数Torr〜数気圧のラジカル生成ガスを、１０ＭＨｚ〜
１００ＧＨｚの高周波高電界を印加したプラズマ発生領
域に供給して高圧力プラズマを発生させ、プラズマ中で
生成されたラジカルガスをガス流に伴ってラジカルガス
流路６に供給し、反応ガス流路５に供給した反応ガス流
と前記合流部７で平行に混合し、該合流部７よりも下流
側の成膜領域で反応ガスを分解して基板表面２に堆積さ
せるのである。

【００２１】本発明の連続成膜装置の第２実施例は、図
１(b) に示すように、ガス流路１を平行に配した一対の
基板表面２，２で形成し、各基板表面２に対して微小間
隔を隔てて仕切板４を配設し、該仕切板４と基板表面２
とで反応ガス流路５を形成し且つ両仕切板４，４間でラ
ジカルガス流路６を形成したものであり、各反応ガス流
路５に供給手段８から反応ガスを供給するとともに、ラ
ジカルガス流路６に供給手段９からラジカル生成ガスを
プラズマ発生領域を通過させ、生成したラジカルガスを
供給し、各仕切板４の下流側端部の合流部７で合流さ
せ、その下流側で前記同様に各基板表面２に薄膜を形成
するのである。

【００２２】本発明の連続成膜装置の第３実施例は、図
１(c) に示すように、ガス流路１を基板表面２とそれに
対向する壁面３の平行面３ａとで形成するとともに、ガ
ス流路１内であって基板表面２に対して微小間隔を隔て
て仕切板４の平面部４ａを配設して反応ガス流路５を形
成し、該平面部４ａに対して鋭角に設定した仕切板４の
傾斜部４ｂと、壁面３に該傾斜部４ｂと平行に形成した
傾斜面３ｂとでラジカルガス流路６を形成したものであ
る。ここで、前記仕切板４の下流側先端部は、鋭角を有
するナイフエッジとなっており、その先端部の幅Ｄ₄は
１０〜２０μｍに設定し、下流側端部は合流部７となっ
ている。従って、反応ガス流路５に供給され基板表面２
の近傍に形成された反応ガスの薄い層流と、ラジカルガ
ス流路６に供給されたラジカルガス流とは合流部７で鋭
角に合流し、その下流側で前記同様に各基板表面２に薄
膜を形成するのである。

【００２３】前述の実施例において、ガス流路１に沿っ
て反応ガスの流れ方向に対して順方向又は逆方向へ基板
Ｓを相対的に平行移動させることにより、大きな面積を
連続的に成膜することが可能となる。この場合、基板Ｓ
は剛性を有するガラス板や金属板若しくは合成樹脂板等
の剛体板であっても、また可撓性を有する高分子フィル
ムや金属フィルム等の可撓性フィルムであっても良い。
剛体板ではその有効面積にわたって平行移動させ、可撓
性フィルムでは一対のドラムに巻き取って成膜領域に連
続的に繰り送ることで連続的に成膜するのである。

【００２４】次に、図２〜図４に示した第１実施例に基
づく具体的な成膜装置について説明する。図示したもの
は、本発明に係る成膜原理を実証するための実験装置で
あって、基板Ｓは固定して成膜するが、本発明は図示し
た実施例に限定されるものではない。

【００２５】本成膜装置は、立設した石英ガラス管１０
の上下端を上フランジ板１１と下フランジ板１２とで閉
止し、下フランジ板１２の上面には筒状の導電体１３を
固定するとともに、導電体１３の中心部に絶縁体１４を
介在させて円柱状の中心電極体１５を固定し、前記導電
体１３の上端に固定した電極板１６の中心孔１７に前記
中心電極体１５の先端を臨ませている。また、前記電極
板１６の上面には上下方向に貫通した平行な間隙を有す
る成膜部１８を取付け、該成膜部１８の間隙内の一側面
には基板Ｓを取付け、残余の空間をガス流路１となし、
該ガス流路１の下端は前記中心孔１７に臨ませている。
また、基板表面２に対して下端寄りに配したスペーサ１
９を介して仕切板４を固定し、基板表面２と仕切板４と
の間に形成された反応ガス流路５に、成膜部１８及び基
板Ｓを貫通して反応ガスの供給手段８としての反応ガス
供給管２０を接続している。更に、前記導電体１３と中
心電極体１５との間に形成された空間部には下フランジ
板１２に貫通したラジカル生成ガスの供給手段９として
のラジカル生成ガス供給管２１を接続している。

【００２６】そして、前記中心電極体１５に高周波高電
圧を印加し、一方、電極板１６及び導電体１３を接地
し、好ましくは下フランジ板１２を導電性材料で形成
し、該下フランジ板１２に導電体１３及び電極板１６を
電気的に接続した状態で下フランジ板１２を接地し、中
心電極体１５の先端と電極板１６の中心孔１７の間に高
周波高電圧領域を形成する。そこで、前記ラジカル生成
ガス供給管２１から１気圧程度のラジカル生成ガスを導
電体１３と中心電極体１５の間の空間部に供給すると、
高周波高電圧領域でラジカル生成ガスに基づく高圧力プ
ラズマが発生し、このプラズマ発生領域Ｐで生成された
中性ラジカル等は、中心孔１７を通してラジカルガス流
路６に供給される。一方、反応ガス供給管２０から供給
された反応ガスは、基板表面２と仕切板４間の反応ガス
流路５を通って基板表面２に沿った厚さの薄い層流とな
る。ここで、反応ガスの圧力は、ラジカル生成ガスの圧
力と一致若しくは若干高く設定する。そして、前記上フ
ランジ板１１には排気管２２が接続され、図示しないロ
ータリーポンプ等の排気手段が接続され、石英ガラス管
１０の内部が排気される。

【００２７】また、プラズマの発生によって導電体１
３、電極板１６及び中心電極体１５が加熱されるので、
導電体１３及び中心電極体１５を水冷するための冷却管
２３を内部に配管している。更に、高圧力プラズマの発
生状態を確認するため、導電体１３の内外に貫通した覗
き窓２４と、上フランジ板１１であって成膜部１８のガ
ス流路１の直上に覗き窓２５を設けている。

【００２８】図５は、第３実施例に基づく具体的な成膜
装置の要部を示し、本成膜装置は基本的には前述の図２
〜図４に示した第１実施例に基づく成膜装置と同様であ
るが、成膜部１８の構造が相違するものである。即ち、
本成膜装置の成膜部１８は、その間隙内の一側面に基板
Ｓを取付け、残余の空間をガス流路１となし、断面略三
角形状の仕切板４の平面部４ａを基板表面２に対して微
小間隔を隔てて配設して反応ガス流路５を形成し、該平
面部４ａに対して鋭角に設定した仕切板４の傾斜部４ｂ
と、ガス流路１の他側壁面３に該傾斜部４ｂと平行とな
るように切欠形成した傾斜面３ｂとでラジカルガス流路
６を形成したものである。

【００２９】次に、本発明の成膜装置におけるガスの供
給系及び排気系について図６に基づき簡単に説明する。
ガスの供給系は、前記反応ガスの供給手段８とラジカル
生成ガスの供給手段９及び窒素ガス等のパージ用ガスの
供給手段２６からなり、ガスの排気系は、大気圧以下又
は大気圧以上のガスを排気し且つ危険な原料ガスを処理
する機能を備えた排気手段２７からなる。前記反応ガス
の供給手段８は、本実施例ではシランガスボンベ２８か
らフィルター２９、ダイアフラム式調整弁３０、開閉弁
３１、フィルター３２、流量計３３、ニードル弁３４及
び逆止弁３５を直列に接続して反応ガス供給管２０に接
続するとともに、ヘリウムガスボンベ３６からダイアフ
ラム式調整弁３７と流量計３８を介して反応ガス供給管
２０に接続し、シランガスとヘリウムガスの流量を調節
し、混合比率を設定して反応ガス流路５に供給すること
が可能である。また、ラジカル生成ガスの供給手段９
は、本実施例ではヘリウムガスボンベ３９からフィルタ
ー４０、ダイアフラム式調整弁４１及び開閉弁４２を介
してラジカル生成ガス供給管２１に接続するとともに、
水素ガスボンベ４３からダイアフラム式調整弁４４、逆
止弁４５、流量計４６、ニードル弁４７及び開閉弁４８
を介してラジカル生成ガス供給管２１に接続し、ヘリウ
ムガスと水素ガスの流量を調節し、混合比率を設定して
ラジカルガス流路６に供給することが可能である。

【００３０】また、パージ用ガスの供給手段２６は、窒
素ガスボンベ４９からダイアフラム式調整弁５０、逆止
弁５１及び開閉弁５２を介してシランガスボンベ２８と
フィルター２９との間に接続し、通常は開閉弁５２を閉
じておき、シランガスを使用する前に配管内の空気（酸
素）を窒素に置換し、またシランガスを使用した後に配
管内のシランガスを窒素に置換する際に、開閉弁５３を
開いて使用するのである。

【００３１】また、排気手段２７は、排気管２２に接続
した配管を分岐し、一方を開閉弁５３を介してロータリ
ーポンプ５４に接続し、更に開閉弁５５を介してシラン
ガスの除外装置５６に接続して排気し、他方をフィルタ
ー５７及び開閉弁５８を介して流量計５９に接続し、更
に開閉弁６０介して前記除外装置５６に接続して排気す
るものである。ここで、成膜装置内の圧力、即ち石英ガ
ラス管１０内の圧力を大気圧以下に設定して成膜を行う
場合には、開閉弁５８，６０を閉じ、開閉弁５３，５５
を開いてロータリーポンプ５４で強制排気し、大気圧以
上に設定して成膜を行う場合には、逆に開閉弁５３，５
５を閉じ、開閉弁５８，６０を開いて自然排気するので
ある。また、前記排気管２２は、通常は閉じておく開閉
弁６１を介して反応ガス供給管２０にも接続し、開閉弁
６１を開くことでシランガスの配管内を排気できるよう
にしている。

【００３２】本実施例では、反応ガスとして、シランガ
スとヘリウムガスの混合ガスを用いるが、更に水素ガス
を混合して用いることができるように、前記反応ガス供
給管２０は、開閉弁６２を介して水素ガスボンベ４３に
接続されたニードル弁４７と開閉弁４８との間に接続さ
れている。このように配管することで、開閉弁６２を開
けば反応ガスとして、シランガスとヘリウムガス及び水
素ガスの混合ガスを利用することが可能となる。

【００３３】また、前記ロータリーポンプ５４は、開閉
弁６３を介してシランガスボンベ２８に接続されたダイ
アフラム式調整弁３０と開閉弁３１との間に接続され、
開閉弁６３を開くことでシランガスの排気と、またロー
タリーポンプ５４内のガスを窒素ガスで置換できるよう
にしている。

【００３４】次に、前述の第１実施例に基づく成膜装置
によって実際に基板表面２にシリコン薄膜を形成する場
合を説明する。先ず、反応ガス流路５とラジカルガス流
路６の合流部７における流れの状態を計算機シュミレー
ションで調べ、仕切板４の厚さ及び反応ガス流路５とラ
ジカルガス流路６の幅の最適化を行った。図７は、仕切
板４の厚さを５０μｍ、反応ガス流路５の幅を２０μ
ｍ、ラジカルガス流路６の幅を１００μｍとして、ラジ
カルガスの流れを示している。この場合、合流部７で大
きな渦流が発生していることが判り、ラジカルガス流が
反応ガスの層流を乱すことが推測される。一方、図８
は、仕切板４の厚さを２０μｍ、反応ガス流路５の幅を
２０μｍ、ラジカルガス流路６の幅を１００μｍとし
て、ラジカルガスの流れを示し、この場合は合流部７で
渦流が発生しないことが判った。しかし、仕切板４の厚
さが２０μｍの場合でも流線の間隔をもっと細かく刻め
ば、小さい渦流は発生するが、反応ガスの層流を乱さな
い程度であると推測できる。実際に、仕切板４の厚さが
５０μｍのときに得られた薄膜よりも２０μｍの場合の
方が、成膜速度も速く、表面の凹凸も少ないことが判っ
た。そこで、本実施例では、仕切板４の厚さを２０μｍ
に設定して以下の成膜を行った。

【００３５】また、実際の成膜に先立ち、ヘリウムと水
素の混合ガスからなるラジカル生成ガスを用いた大気圧
プラズマを発生させ、混合割合を変化させてシランの分
解量を調べた。シランの分解量は、基板表面へのシリコ
ンの堆積量（μｍ）を測定して調べた。図９はその結果
を示し、水素濃度が約７０％以上の場合においてシラン
の分解量が多くなることを示し、シランの分解にはヘリ
ウムと水素を混合したラジカル生成ガスを用いることが
有効であることが確認された。尚、ヘリウム等の不活性
ガスは、プラズマの発生を容易にし且つその維持も安定
化するとともに、寿命の比較的長い準安定状態の中性ラ
ジカルを生成する上で不可欠であるので、ヘリウムの濃
度は１０〜３０％に設定することが好ましい。

【００３６】そして、膜成形元素としてシリコンを含む
シランガスを主体とした反応ガスを基板表面の近傍に流
すとともに、ヘリウムと水素を混合したラジカル生成ガ
スをプラズマ発生領域を通過させて生成したラジカルガ
スを反応ガスの層流の上層に平行に流してシリコン薄膜
の成膜を行った。成膜条件によらず、反応ガスとラジカ
ルガスの合流部から下流に向かって基板にしっかり付着
したシリコン薄膜が得られた。この場合の成膜条件を以
下の表に示す。

【００３７】

【００３８】この成膜によって、反応ガスとして、純粋
なシラン（ヘリウムで希釈しないこと）を用いて成膜し
た場合、シランの利用効率は数％以下であることが判っ
た。また、最大成膜速度は約５ｎｍ／ｓであった。

【００３９】一方、反応ガスとして、シランをヘリウム
で１０％に希釈した混合ガス（ヘリウム：９０％、シラ
ン：１０％）を用いた場合、供給したシランの約７０％
が分解し、成膜に寄与した。この場合の最大成膜速度は
約７ｎｍ／ｓであった。また、シランをヘリウムで２．
５％に希釈した混合ガス（ヘリウム：９７．５％、シラ
ン：２．５％）を用いた場合、供給したシランの略全て
が分解し、成膜に寄与した。この場合の最大成膜速度は
約２ｎｍ／ｓであった。これらの結果は図１０に示し、
このグラフの横軸はシランガス合流部からの距離であ
り、縦軸は成膜速度である。

【００４０】以上のことから、シランガスをヘリウムで
希釈することによって、シランの利用効率を大幅に高め
得るとともに、最大成膜速度も向上することが判った。
また、シランガス合流部からの距離に応じて成膜速度を
制御でき、シランガスの濃度を下げれば合流部から比較
的遠い距離まで略均一厚さの成膜ができることが判っ
た。実際には、ヘリウムで希釈してシランの濃度を２〜
２０％の範囲内に設定すれば、効率良く成膜を行えるの
である。一般的に、反応ガスとして、膜形成元素を含む
原料ガスを不活性ガスで希釈することは有効であると言
える。

【００４１】次に、本発明の技術的思想に基づく連続成
膜装置の各種変形例について簡単に説明する。図１１
は、長尺の可撓性フィルムＦの表面に連続的に薄膜を形
成する装置を示し、導電体１３と中心電極体１５との関
係は図２に示した装置と同様であるが、電極板１６と成
膜部１８を変形して図１(c) に示した第３実施例と同様
なガス流路１を形成し、更に可撓性フィルムＦの送り機
構を付加したものである。この場合、前記導電体１３の
上面６４は同一平面となし、該上面６４に平行平板状の
電極板１６ａと、該電極板１６ａよりも肉厚の平行平板
状の電極板１６ｂとを、互いの端縁を対向させて固定し
ている。一方の電極板１６ａの上面は前記壁面３の平行
面３ａに対応し、端縁上面に切欠形成した鋭角のナイフ
エッジ状の斜面は傾斜面３ｂに対応している。他方の電
極板１６ｂの上面は前記仕切板４の平面部４ａに対応
し、端縁下面に切欠形成した鋭角のナイフエッジ状の斜
面は傾斜部４ｂに対応している。そして、前記各電極板
１６ａ，１６ｂと平行であり且つ所定間隔を設けてガイ
ド部材６５を配設し、該ガイド部材６５の下面は平面状
の摺動面６６となっている。そこで、ガイド部材６５の
両側に一対のドラム６７，６８を配設し、両ドラム６
７，６８に巻回した可撓性フィルムＦの中間部をガイド
部材６５の摺動面６６に密接させている。

【００４２】ここで、可撓性フィルムＦと電極板１６ｂ
の平面部４ａとの間には微小な間隙を有し、該間隙が前
記反応ガス流路５となり、また電極板１６ａの傾斜面３
ｂと電極板１６ｂの傾斜部４ｂとの間隙が前記ラジカル
ガス流路６となり、ラジカルガス流路６の下方開口部は
前記中心電極体１５の先端に対峙している。この場合、
反応ガスは可撓性フィルムＦと電極板１６ｂの間に供給
され、ラジカルガスは両電極板１６ａ，１６ｂの間隙か
ら供給され、一方のドラム６７から他方のドラム６８へ
可撓性フィルムＦを反応ガスの流れ方向と同じ順方向へ
繰り送ることによって、その下面に連続的に薄膜を形成
するのである。また、ドラム６７，６８は逆回転させれ
ば、反応ガスの流れ方向と逆方向へ可撓性フィルムＦを
移動させることが可能である。その他の構成は前記同様
であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は
省略する。

【００４３】図１２は、同時に二つの可撓性フィルムＦ
１，Ｆ２の表面に連続的に薄膜を形成することが可能な
装置の要部を示し、本成膜装置の基本構成は、図１(b)
に示した第２実施例に対応するもである。本成膜装置
は、一対の反対称なガイド部材６９，７０を対向させて
配設し、それぞれの平行な摺動面６９ａ，７０ａと端部
側へテーパー状に拡開した傾斜した摺動面６９ｂ，７０
ｂとでガス流路１を形成し、各傾斜した摺動面６９ｂ，
７０ｂには所定間隔を隔てて電極を兼ねた仕切板７１，
７２を配設するとともに、各ガイド部材６９，７０の摺
動面に沿って前記同様にドラム６７，６８に巻回された
可撓性フィルムＦ１，Ｆ２の中間部を密接させたもので
ある。そして、両仕切板７１，７２に高周波高電圧を印
加すると、その間隔が狭まった先端間に高周波高電界領
域（プラズマ発生領域Ｐ）が形成される。その他の構成
は前記同様であるので、同一構成には同一符号を付して
その説明は省略する。

【００４４】図１３は、同時に二枚の剛性を有する基板
Ｓ１，Ｓ２の表面に連続的に薄膜を形成することが可能
な装置の要部を示し、本成膜装置の基本構成は、図１
(c) に示した第３実施例に対応するものである。本成膜
装置は、先端の断面形状がテーパー状を有し、他は平行
な平面部を有する主電極体７３と、該主電極体７３の先
端部に所定間隔を隔てて且つ互いに所定の間隔を隔てて
配設した一対の副電極体７４，７５とで電極部を構成
し、前記主電極体７３のテーパー状の各斜面７３ａ，７
３ｂと副電極体７４の先端の斜面７４ａ及び副電極体７
５の先端の斜面７５ａを略平行に設定し、更に主電極体
７３の一側平面部と副電極体７４の平面部に対して所定
間隔を隔てて平行に基板Ｓ１を配するとともに、主電極
体７３の他側平面部と副電極体７５の平面部に対して所
定間隔を隔てて平行に基板Ｓ２を配したものである。こ
こで、前記副電極体７４，７５と各基板Ｓ１，Ｓ２の間
が反応ガス流路５となり、主電極体７３の各斜面７３
ａ，７３ｂと副電極体７４，７５の各斜面７４ａ，７５
ａの間がラジカルガス流路６となる。そして、前記主電
極体７３に高周波高電圧を印加し、副電極体７４，７５
は接地し、主電極体７３の先端部にプラズマ発生領域Ｐ
が形成される。また、基板Ｓ１，Ｓ２は電極体に対して
平行に相対的移動可能である。その他の構成は前記同様
であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は
省略する。

【００４５】図１４は、広い面積の剛性を有する基板Ｓ
の表面に連続的に薄膜を形成することが可能な装置の要
部を示し、本成膜装置の基本構成は、図１(c) に示した
第３実施例に対応するものである。本成膜装置は、電極
ブロック体７６の平面部７７に開口し且つ該平面部７７
に対して鋭角に傾斜したスリット状の反応ガス流路５と
ラジカルガス流路６を略平行に形成し、平面部７７に対
して所定間隔を隔てて平行に基板Ｓを配設したものであ
る。また、反応ガス流路５はラジカルガス流路６よりも
上流側に開口している。反応ガス流路５とラジカルガス
流路６とによって分断された電極ブロック体７６の各小
ブロックを下流側から順に７６ａ，７６ｂ，７６ｃと
し、各小ブロックは電気的に絶縁されている。そして、
小ブロック７６ａと７６ｂ間に高周波高電圧を印加し
て、ラジカルガス流路６の平面部７７に開口した部分の
プラズマ発生領域Ｐで高周波プラズマが発生し、生成し
たラジカルガスが基板Ｓと平面部７７の間を流れてきた
反応ガス流と合流し、その合流部７の下流で薄膜が形成
される。この場合、基板Ｓと電極ブロック体７６とを相
対的に平行移動させることで、基板Ｓの大きい面積に連
続的に薄膜を形成することができる。

【００４６】図１５は、図１４に示した成膜装置の電極
ブロック体７６をタンデムに配した構造のものであり、
各電極ブロック体を７８，７９，８０で示している。
尚、図示しないが、各電極ブロック体７８，７９，８０
は、それぞれ電気的に絶縁している。本成膜装置の成膜
原理は前記同様であるが、前述の各電極ブロック体を７
８，７９，８０の反応ガス流路５及びラジカルガス流路
６に同時にガスを供給するのではなく、例えば電極ブロ
ック体８０にガスを供給して一定時間成膜を行い、その
後電極ブロック体８０のガス供給を止めて次の下流側の
電極ブロック体７９にガス供給を開始し、一定時間成膜
を行うというように、各電極ブロック体での成膜を順番
に行うのである。従って、原理的には基板Ｓを移動させ
なくても大面積の成膜が可能である。但し、薄膜の均一
性を向上させる目的で、基板Ｓを相対的に移動させる機
構を設けることが好ましい。その他の構成は前記同様で
あるので、同一構成には同一符号を付してその説明は省
略する。

【００４７】

【発明の効果】以上にしてなる本発明の高圧力下でのラ
ジカルＣＶＤ法による連続成膜方法及びその装置によれ
ば、プラズマ発生領域、即ちラジカル生成領域と、成膜
領域とを分離し、基板表面のみに膜形成元素を含む反応
ガス（原料ガス）を供給し、基板表面の近傍に厚さ及び
密度が均一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成した状
態で、プラズマ発生領域で発生された数Torr〜数気圧の
高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含
むラジカルガスを、前記反応ガスの層流の上層に反応ガ
スの流れを乱さないように平行又は鋭角に合流させて、
反応ガス中へ拡散してきた中性ラジカルによって反応ガ
スを分解し、その結果生成された膜形成元素のラジカル
種を基板表面に堆積させて成膜するので、基板を直接プ
ラズマに曝さず、即ち高いエネルギーの荷電粒子による
欠陥等の損傷を導入せず且つ３００℃以下の低温度で成
膜を行えるとともに、反応ガスが分解されて生成したラ
ジカル種同士が気相中で凝集することを抑制し、その結
果気相中でクラスタや粉の発生を防止し、電気的・光学
的特性に優れた薄膜を基板表面に高速成膜することがで
きる。

【００４８】この場合に、基板を反応ガスの流れ方向に
対して順方向又は逆方向へ相対的に移動させることによ
って、広面積又は連続的な成膜ができ、極めて実用的で
ある。

【００４９】また、反応ガスを不活性ガスで希釈して基
板表面に供給すれば、反応ガス（原料ガス）の濃度が低
くなり、ラジカル種同士が気相中で凝集してクラスタあ
るいは粉になって基板表面に堆積することを確実に抑制
することができるとともに、高価で後処理が必要な反応
ガスの利用効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の成膜装置の基本構成を示す原理図であ
り、(a) は反応ガス流とラジカルガス流を平行に合流さ
せて一枚の基板表面に成膜する場合、(b) は反応ガス流
とラジカルガス流を平行に合流させて同時に二枚の基板
表面に成膜する場合、(c) は反応ガス流とラジカルガス
流を鋭角に合流させて一枚の基板表面に成膜する場合を
示している。

【図２】本発明の成膜装置の実施例を示す断面図であ
る。

【図３】同じく要部の拡大断面図である。

【図４】図３の要部の拡大断面図である。

【図５】本発明の成膜装置の他の実施例を示す要部の拡
大断面図である。

【図６】ガスの供給系と排気系を示す配管図である。

【図７】反応ガス流とラジカルガス流を平行に合流させ
る場合におけるラジカルガス流の計算機シュミレーショ
ンの結果を示す流線図である。

【図８】同じく仕切板を薄くした場合の流線図である。

【図９】ラジカル生成ガス中のヘリウムと水素の混合比
に対するシリコン堆積量の変化を示すグラフである。

【図１０】シランガスをヘリウムで希釈した場合におけ
るシランガス合流部からの距離の変化によるシリコン膜
の成膜速度を示すグラフである。

【図１１】可撓性フィルムの表面に連続的に成膜する装
置の要部断面図である。

【図１２】同じく二枚の可撓性フィルムの表面に同時に
連続的に成膜する装置の要部断面図である。

【図１３】二枚の基板の表面に同時に連続的に成膜する
装置の要部断面図である。

【図１４】大面積の基板の表面に連続的に成膜する装置
の要部断面図である。

【図１５】同じくタンデム型の成膜装置の要部断面図で
ある。

【符号の説明】

Ｓ，Ｓ１，Ｓ２基板Ｆ，Ｆ１，Ｆ２可撓性フィルム１ガス流路２基板表面３壁面３ａ平行面３ｂ傾斜面４仕切板４ａ平面部４ｂ傾斜部５反応ガス流路６ラジカルガス流路７合流部８反応ガスの供給手段９ラジカル生成ガスの供給手段１０石英ガラス管１１上フランジ板１２下フランジ板１３導電体１４絶縁体１５中心電極体１６電極板１７中心孔１８成膜部１９スペーサ２０反応ガス供給管２１ラジカル生成ガス供給管２２排気管２３冷却管２４，２５覗き窓２６パージ用ガスの供給手段２７排気手段２８シランガスボンベ２９，３２，４０，５７フィルター３０，３７，４１，４４，５０ダイアフラム式調整弁３１，４２，４８，５２，５３，５５，５８，６０，６
１，６２，６３開閉弁３３，３８，４６，５９流量計３４，４７ニードル弁３５，４５，５１逆止弁３６，３９ヘリウムガスボンベ４３水素ガスボンベ４９窒素ガスボンベ５４ロータリーポンプ５６除外装置６４上面６５ガイド部材６６摺動面６７，６８ドラム６９，７０ガイド部材７１，７２仕切板７３主電極体７４，７５副電極体７６電極ブロック体７６ａ，７６ｂ，７６ｃ小ブロック７７平面部７８，７９，８０電極ブロック体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且
つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成するとともに、数To
rr〜数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性
ラジカルを含むラジカルガスを反応ガス層流の上層にそ
の流れを乱さないように供給し、反応ガス中に拡散して
きた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元
素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成すること
を特徴とする高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続
成膜方法。
【請求項２】前記反応ガスを不活性ガスで希釈して供
給してなる請求項１記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ
法による連続成膜方法。
【請求項３】前記反応ガス層流とラジカルガス流を平
行又は鋭角に合流させてなる請求項１又は２記載の高圧
力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法。
【請求項４】前記基板を反応ガスの流れ方向に対して
順方向又は逆方向へ相対的に移動させてなる請求項１又
は２又は３記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による
連続成膜方法。
【請求項５】ガス流路の少なくとも一側壁面を基板表
面で形成するとともに、ガス流路内であって基板表面に
対して微小間隔を隔てて仕切板を配設し、該仕切板と基
板表面とで反応ガス流路を形成し且つ該仕切板と基板表
面と対面するガス流路の他側壁面とで若しくは一対の仕
切板間でラジカルガス流路を形成し、前記仕切板の下流
側端部を反応ガス流路とラジカルガス流路の合流部とな
し、反応ガス流路の上流側に膜形成元素を含む反応ガス
の供給手段を設け、一方ラジカルガス流路の上流側に数
Torr〜数気圧の高圧力プラズマを発生させる高周波高電
界領域を形成するとともに、該領域に不活性ガス等のラ
ジカル生成ガスの供給手段を設けてなり、高圧力の反応
ガス及びラジカル生成ガスをガス供給手段からそれぞれ
供給し、基板表面に沿って反応ガスの層流を形成すると
ともに、高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジ
カルを含むラジカルガス流を前記合流部で反応ガス層流
に合流させ、反応ガス中に拡散してきた中性ラジカルに
よって反応ガスを分解し、膜形成元素を基板表面に堆積
させて薄膜を連続的に形成することを特徴とする高圧力
下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【請求項６】前記仕切板を平行平板となして基板表面
に対して平行に配設してなる請求項５記載の高圧力下で
のラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【請求項７】前記仕切板の一面を基板表面に対して平
行に配設し、他面を基板表面に対して鋭角を有する傾斜
面となした請求項５記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ
法による連続成膜装置。
【請求項８】前記仕切板がプラズマ発生用の電極を兼
ねてなる請求項５又は６又は７記載の高圧力下でのラジ
カルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【請求項９】前記基板をガス流路の流れ方向に対して
順方向又は逆方向へ相対的に平行移動させてなる請求項
５又は６又は７又は８記載の高圧力下でのラジカルＣＶ
Ｄ法による連続成膜装置。