JPS642192B2 - - 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マイクロ波プラズマ
CVD法による堆積膜形成装置に関する。

〔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原子又
は／及びハロゲン原子を含有するアモルフアスシ
リコン（以後、「ａ−Si（Ｈ，Ｘ）と表記する。）
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、例えば、真空蒸着法、イオンプレ
ーテイング法、熱エネルギーを用いた熱CVD法、
放電エネルギーを用いたプラズマCVD法、光エ
ネルギーを用いた光CVD法等があり、中でもマ
イクロ波エネルギーを用いたマイクロ波プラズマ
CVD法は至適なものとして注目されている。

ところで前記マイクロ波プラズマCVD法とは、
マイクロ波エネルギーを利用して堆積膜形成用原
料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
に膜を堆積せしめるというものであり、そのため
の装置として例えば第２図に図示の装置の提案さ
れている。

第２図に示す例は、マイクロ波エネルギーを利
用するプラズマCVD法による堆積膜形成装置で
あつて、第２図において、２０１は反応容器全体
を示し、２０２は側壁、２０３は底壁を夫々示し
ている。２０４は多穿孔内壁、２０５は排気管、
２０６は排気バルブ、２０７はガス導入管、２０
８はガス導入管上に設けたバルブ、２０９は円筒
状基体、２１０は基体ホルダー、２１１はヒータ
ー、２１２は支持脚、２１３はマイクロ波発生
源、２１４はマイクロ波、２１５は導波部、２１
６は誘電体窓をそれぞれ示し、Ａは反応室、Ｂは
原料ガス室を示している。

こうした従来のマイクロ波プラズマCVD法に
よる堆積膜形成装置を用いた堆積膜形成は次のよ
うにして行なわれる。即ち、反応容器２０１の反
応室Ａ内のガスを、排気管２０５を介して真空排
気するとともに、円筒状基体２０９をヒーター２
１１により所定温度に加熱、保持する。次に、原
料ガス供給管２０７を介して、例えばａ−Si（Ｈ，
Ｘ）堆積膜を形成する場合であれば、シラン等の
原料ガスをガス室Ｂに導入し、該原料ガスは、ガ
ス室Ｂの多穿孔内壁２０４の多数の孔から反応室
Ａ内に放出される。これと同時併行的に、マイク
ロ波発生源２１３から、マイクロ波２１４を発生
し、該マイクロ波２１４は、導波部２１５を通
り、誘電体窓２１６を介して反応室Ａ内に導入さ
れる。かくして反応室Ａ内の原料ガスは、マイク
ロ波のエネルギーにより励起されて活性化（励起
種化）し、Si^*，SiH^*等（＊は励起状態を表す。）
のラジカル粒子、電子、イオン粒子等が生起さ
れ、それ等が相互に反応して基体２０９の表面に
堆積膜が形成される。

こうした従来のマイクロ波プラズマCVD法に
よる堆積膜の形成装置は、至適なものとして一般
に広く採用されてはいるものの、いくつかの問題
がある。

即ち、従来のマイクロ波プラズマCVD法によ
る堆積膜形成装置においては、円筒状基体を反応
容器の中央に配置し、側壁より原料ガスを導入
し、反応容器の底壁に排気手段を設けているた
め、堆積膜の形成に用いられる原料ガスは水平方
向と垂直下向方向の２つの速度ベクトルを合わせ
た運動をしており、円筒状基体の上方と下方とで
は原料ガスの分布が異なるため、円筒状基体表面
に堆積される膜の膜厚はおのずと上方と下方とで
異なつたものとなる。

こうした膜厚の不均一さを調整するため、多穿
孔内壁に設けるガス放出孔の位置を不均一とし、
その結果として円筒状基体の上方と下方とでの膜
厚を均一にさせることも提案されてはいるもの
の、ガス流量、ガス圧、円筒状基体の長さ等の
種々の条件下においても円筒状基体表面に形成さ
れる膜厚が均一となるようにガス放出孔の位置を
決定することは、かなりの手間を要するものであ
る。

また、円筒状基体を反応容器中央に配置し反応
容器側壁から原料ガスを導入する場合、大半の原
料ガスが有効に使用されないまま排気されてしま
つたり、反応容器の壁にも堆積膜が形成されてし
まつたりして、原料ガスの利用効率が20％以下で
あるという問題もある。

また別に、前述の各種デイバイスが多様化して
きていると同時に、安定した諸特性を有する堆積
膜製品を量産化することが、社会的要求となつて
きており、グロー放電分解法による堆積膜形成装
置においてはこうした量産化を達成するために、
反応容器内に複数の円筒状基体を設置しうるよう
にした装置が、例えば特開昭60−29470号公報に
より提案されている。

該公報に記載されている量産型グロー放電分解
法による堆積膜形成装置は、ガス噴出部を有した
外部電極板及びガス吸引部を有した内部電極板が
同心円状に配置されると共に、両電極板が複数の
円筒基板を介して対向するようにされ、原料ガス
が外部電極板から反応室の中心軸に向けて噴出さ
れ、内部電極板に設けられたガス吸引孔を介して
吸引されるようにしてなるものである。

しかしながら、マイクロ波プラズマCVD法に
よる量産型堆積膜形成装置を提供するにあつて
は、前記公報に開示されている原料ガスの導入方
法及び吸引方法をそのまま、あるいはガスの出入
り方向を逆にして適用することはできない。すな
わち、前記公報に開示の装置は電極を用いた高周
波電界によるグロー放電分解法によるものであつ
て、外部電極板と内部電極板は導通されて同電位
にされており、外部電極板と筒状基板間及び内部
電極板と筒状基板間のそれぞれにグロー放電が発
生しているものである。一方、マイクロ波プラズ
マCVD法による堆積膜形成装置においては、先
に述べたごとく反応容器内に導入されるマイクロ
エネルギーによつて原料ガスが分解され、生成し
た各種の励起種の相互作用によつて基体上に堆積
膜が形成されるものであるため、マイクロ波エネ
ルギーにより形成されるプラズマ雰囲気をいかに
効率的に形成させるか、形成された所望のプラズ
マ雰囲気をいかに安定に保持するか、形成された
プラズマ雰囲気中にいかに効率的且つ均一的に原
料ガスを供給するか、さらにいかに効率良く所望
の各種励起種を生成させ、生成された各種励起種
をいかに均一に基体表面近傍の全域に分布させる
かの夫々を考慮に入れる必要があり、前述の公報
に開示された原料ガスの導入方法及び吸引方法を
ものまま、あるいはガスの出入り方向を逆にして
用いたのでは、これらの諸条件を満足しうる装置
は得られない。

このように、マイクロ波プラズマCVD法によ
る堆積膜形成装置においては、各種デイバイスの
特性等の要求を総じて満足するとともに適用対
象、用途に相応し、そして場合によつては大面積
化された、安定な堆積膜製品を低コストで定常的
に量産しうる装置が切望されているのが実状であ
る。

〔発明の目的〕

本発明は、光起電力素子、半導体デイバイス、
画像入力用ラインセンサー、撮像デイバイス、電
子写真用感光体デイバイス等に使用する堆積膜を
形成する従来装置について、上述の諸問題を解決
し、上述の要求を満たすようにすることを目的と
するものである。

すなわち、本発明の主たる目的は、形成される
膜の膜厚及び膜質が均一で、優れた電気的、光学
的、光導電的特性を有する堆積膜を定常的に量産
するためのマイクロ波プラズマCVD法による堆
積膜形成装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、原料ガスの利用効率を向
上させて堆積膜の生産性の向上及び量産化を可能
にするマイクロ波プラズマCVD法による堆積膜
形成装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明者らは、従来の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、反応
容器内に複数の円筒状基体を所定の間隔をおいて
配設し、該複数の円筒状基体によつて包囲される
空間内に円筒状基体の長手方向に沿つてマイクロ
波を導入するとともに、該空間へのマイクロ波導
入方向に沿つた中心軸に関して、原料ガス導入
管、円筒状基体及び排気手段を同心円状に中心軸
から反応容器の側壁に向かつてこの順に配設し、
さらに、該中心軸に向けて原料ガスを放出しうる
ようにしたところ、前述の諸問題が解決され、上
述の目的を達成しうる知見を得、本発明を完成す
るに至つたものである。

即ち、本発明は、内部を減圧にし得る反応容器
と、該反応容器内に配設される複数の堆積膜形成
用円筒状基体を支持する複数の基体支持手段と、
該複数の円筒状基体に囲まれる空間内に円筒状基
体の長手方向に沿つてマイクロ波を導入する手段
と、円筒状基体の長手方向に沿つて設置された複
数の管状原料ガス導入手段と、前記複数の円筒状
基体を包囲するとともにほぼ全面に多数の排気孔
を有する排気壁部材と、前記反応容器内を真空排
気する手段とからなつており、上記空間へのマイ
クロ波導入方向に沿つた中心軸に関して、前記複
数の管状原料ガス導入手段と前記複数の基体支持
手段と前記排気壁部材とが同心円状に前記中心軸
から前記反応容器壁に向かつてこの順に配設され
ており、さらに前記管状原料ガス導入手段には前
記中心軸に向けて原料ガスを放出するガス放出孔
が少なくとも円筒状基体の長手方向長さにわたつ
て多数設けられていることを特徴とするマイクロ
波プラズマCVD法による堆積膜形成装置に関す
る。

かくなる本発明の装置は、原料ガスが主とし
て、まずマイクロ波導入空間の中心軸に向かつて
放出されるため、マイクロ波のエネルギーにより
原料ガスは効率的に励起され、複数の円筒状基体
に包囲されたプラズマ雰囲気が形成される。さら
に、複数の円筒状基体を包囲するように設けられ
た多数の排気孔を有する排気壁部材から均一な排
気がおこなわれるため、発生したラジカル粒子、
イオン粒子等の励起種及び電子は、反応容器壁側
に向かつて移動し、円筒状基体の近傍において一
様に分布され、製品たる膜の品質、膜厚、及び電
気的、光学的、光導電的特性の安定した堆積膜を
効率的に量産することを可能とし、原料ガスの利
用効率を高めることができるものである。

本発明の装置により堆積膜を形成するにつれて
使用される原料ガスは、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
上に所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。

また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^-2〜1Torr
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なわれるが、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、本発明のマイクロ波プラズマCVD法に
よる堆積膜形成装置を第１図に示す実施例により
更に詳しく説明するが、本発明の装置はこれによ
つて何ら限定されるものではない。

第１図の実施例装置は本発明のマイクロ波エネ
ルギーを利用したプラズマCVD法による堆積膜
形成装置の典型例であり、第１Ａ図は装置全体を
模式的に示す透視図であり、第１Ｂ図はその縦断
面略図、第１Ｃ図はその横断面略図である。図に
おいて、１０１は内部を減圧にし得る反応器全体
を示しており、１０２は反応容器内に配置された
堆積膜形成用円筒状基体を支持する基体支持手段
である。基体支持手段１０２には円筒状基体１０
２′が装着される。円筒状基体支持手段１０２の
内部には加熱ヒーター１０３を設け、成膜前に基
体を所定温度に加熱したり、成膜中基体を所定温
度に保持したり、または成膜後アニール処理した
りするのに用いられる。該円筒状基体支持手段１
０２は回転（自転）を与える駆動手段（図示せ
ず）に機械的に連結しており、成膜中円筒状基体
支持手段１０２を該駆動手段により回転（自転）
させる。１０４は反応容器内を真空排気するため
に反応容器の側壁に設けられた排気管であり、一
端は反応容器内に開口し、他端は排気バルブ１０
５を介して排気装置（図示せず）に連通してい
る。複数の円筒状基体を包囲するように排気壁部
材１０６が設けられており、前記排気バルブ１０
５を開放して排気装置（図示せず）により真空排
気すると、反応容器内のガスは、該排気壁部材１
０６に設けられた多数の排気孔１０７を介して排
気され、所定の真空度に調整される。排気壁部材
１０６に設けられた排気孔１０７は、堆積に寄与
しないガスが分解して生じた粉体によりふさがれ
て、成膜室の内圧が上昇することを防止するた
め、0.02〜１cmの大きさの孔を、0.1〜８個／cm²
の割合で設けるのが望ましい。１０８はマイクロ
波の導波管であり、円筒状基体により囲まれた空
間に円筒状基体の長手方向に沿つてマイクロ波を
導入しうるように、反応容器の上方及び下方に設
けられている。なお、第１図に示した装置例にお
いては、上方及び下方からマイクロ波を導入しう
るようにしてあるが、上方又は下方のいずれか一
方だけであつてもよい。導波管１０８の他端は、
マイクロ波発生源（図示せず）に接続されてい
る。１０９は反応容器１０１の底壁から反応容器
の中央部に円筒状基体の長手方向に沿つて挿入さ
れた堆積膜形成用原料ガス導入管であり、該原料
ガス導入管１０９の一端はバルブ１１０を介して
原料ガス供給装置（図示せず）に連通している。
原料ガス導入管１０９には、原料ガスが主として
反応容器の中心軸に向かつて放出されるように、
内側に多数のガス放出孔１１１，１１１、……更
に必要によりその外側に少数のガス放出孔１１
１′，１１１′，……が設けられている。

以上のように構成してなる本発明の装置におい
ては、ガス放出孔１１１，１１１、……から放出
された原料ガスは、円筒状基体により囲まれる空
間内でマイクロ波によつて分解されたのち円筒状
基体１０２′の表面に到達し、基体表面に堆積膜
を形成する。堆積膜の形成に寄与しない残りの原
料ガスは、排気壁部材１０６の排気孔１０７を通
じて排気される。なお、図中の矢印はこうしたガ
スの流れを示しているものである。

本発明の装置は、ａ−Si（Ｈ，Ｘ）からなる膜
のみならず、酸素原子、炭素原子又は窒素原子を
含有するａ−Si（Ｈ，Ｘ）からなる膜、第族原
子（例えばＰ）又は第族原子（例えばＢ）を含
有するａ−Si（Ｈ，Ｘ）からなる膜や、Si₃N₄、
SiC、SiO₂、SiO等の絶縁性膜の製造にも適用で
きる。

〔実施例〕

次に本発明のマイクロ波プラズマCVD法によ
る堆積膜形成装置の操作を、実施例をあげて説明
するが、以下の例は該装置の操作に限定的意味を
もつものではない。

実施例 １ 第１図に図示の装置により、円筒状Al基体上
にａ−Si：Ｈで構成される膜を形成した。また本
例において使用した装置における排気壁１０６の
排気孔１０７は、半径0.1cmの円で、その密度は
１cm²あたり３個とした。

即ち、まず４本の円筒状Al基体を装着した円
筒状基体支持手段を反応容器１０１内に設置し、
排気バルブ１０５を開いて排気管１０４より反応
容器内を真空排気し、反応容器内を10^-5Torrの
真空度とした。同時に、駆動手段（図示せず）に
より６本の円筒状Al基体を回転（自転）させな
がら、加熱ヒーター１０３により基体温度を300
℃に保持した。

こうしたところへ、SiH₄ガス５〜40体積％と
H₂ガス95〜60体積％の混合ガスを、ガス流量0.1
〜２／hrでガス導入管１０９から反応容器内に
導入し、排気バルブ１０５を調整して反応容器の
内圧を0.01Torrとした後、2.45GHzのマイクロ波
を放射し、Al基体上にａ−Si：Ｈで構成された
堆積膜を形成した。

所定時間経過後、加熱ヒーター１０３及び回転
を中止し、基体を放冷したのち、排気バルブを開
いて反応容器内を大気圧に戻し、堆積膜の形成さ
れた６本の円筒状Al基体を系外にとり出した。
堆積された膜厚を測定して堆積膜を求め、ガスの
利用効率を測定したところ80％であつた。

〔発明の効果の概略〕

本発明の装置においては、原料ガスがまずマイ
クロ波導入空間の中心軸に向けて放出されるた
め、マイクロ波エネルギーにより効率的にプラズ
マ空間が形成される。さらに、円筒状基体の周囲
に多数の排気孔を有する排気壁部材を設け、円筒
状基体を該排気壁部材と原料ガス導入管の間に配
置したことにより、堆積膜形成時、励起種の分布
を基体の近傍において一様とすることができるた
め、膜厚及び膜質の均一な堆積膜を形成すること
ができるとともに、原料ガスの利用効率を高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、本発明のマイクロ波プラズマ
CVD法による堆積膜形成装置の典型例を示す模
式的透視図であり、第１Ｂ図は、その縦断面略
図、第１Ｃ図は、その横断面略図である。第２図
は、従来のプラズマCVD法による堆積膜形成装
置の１例を模式的に示す縦断面図である。 第１Ａ乃至第１Ｃ図について、１０１……反応
容器、１０２……円筒状基体を支持する基体支持
手段、１０２′……円筒状基体、１０３……加熱
ヒーター、１０４……排気管、１０５……排気バ
ルブ、１０６……排気壁、１０７……排気孔、１
０８……マイクロ波導波管、１０９……原料ガス
導入管、１１０……バルブ、１１１，１１１′…
…ガス放出孔。 第２図について、２０１……反応容器、２０２
……側壁、２０３……底壁、２０４……多穿孔内
壁、２０５……排気管、２０６……排気バルブ、
２０７……ガス導入管、２０８……バルブ、２０
９……円筒状基体、２１０……基体保持用円筒、
２１１……ヒーター、２１２……支持脚、２１３
……マイクロ波発生源、２１４……マイクロ波、
２１５……マイクロ波導波管、２１６……誘電体
窓。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内部を減圧にし得る反応容器と、該反応容器
   内に配設される複数の堆積膜形成用円筒状基体を
   支持する複数の基体支持手段と、該複数の円筒状
   基体に囲まれる空間内に円筒状基体の長手方向に
   沿つてマイクロ波を導入する手段と、円筒状基体
   の長手方向に沿つて設置された複数の管状原料ガ
   ス導入手段と、前記複数の円筒状基体を包囲する
   とともにほぼ全面に多数の排気孔を有する排気壁
   部材と、前記反応容器内を真空排気する手段とか
   らなつており、上記空間へのマイクロ波導入方向
   に沿つた中心軸に関して、前記複数の管状原料ガ
   ス導入手段と前記複数の基体支持手段と前記排気
   壁部材とが同心円状に前記中心軸から前記反応容
   器壁に向かつてこの順に配設されており、さらに
   前記管状原料ガス導入手段には前記中心軸に向け
   て原料ガスを放出するガス放出孔が少なくとも円
   筒状基体の長手方向長さにわたつて多数設けられ
   ていることを特徴とするマイクロ波プラズマ
   CVD法による堆積膜形成装置。