JP2000355773A

JP2000355773A - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2000355773A
Application number: JP11165022A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Mori; 勇藏森; Kazuyuki Hayashi; 和志林; Takuya Masui; 卓也増井; Takashi Kinoshita; 隆木下; Toshiaki Takahashi; 利彰高橋; Koichi Osada; 耕一長田; Akimitsu Nakagami; 明光中上
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2000-12-26
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP4223142B2

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上にパーティクルが堆積するのを抑止し
て高品質膜の高速形成を可能にする。【解決手段】回転する電極１８を基板１４に対向させ
て両者間にプラズマを発生させながら、このプラズマに
反応ガスを供給して化学反応を起こさせることにより基
板１４上に薄膜を形成する薄膜形成装置。電極１８を加
熱する手段を備え、電極表面温度を高めることによりパ
ーティクルの発生を抑止する。さらに、電極加熱により
その表面に薄膜が形成されることを考慮して、通算成膜
時間の増加に応じて基板搬送台１２を下げるなどして電
極周面と基板表面との実効距離を一定に保つ制御を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマによる化
学反応を利用して基板上にアモルファスシリコン等から
なる薄膜を形成する薄膜形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、前記のようなプラズマ式の薄膜形
成装置として、高速回転する電極を基板上に対向させる
ものが開発されるに至っている（例えば特開平９−１０
４９８５号公報参照）。その装置の概要を図８及び図９
に示す。

【０００３】図８において、密閉されたチャンバ１０内
には、基板搬送台１２が設置され、その上に基板１４が
載置されるとともに、これら基板搬送台１２及び基板１
４はアースに接続されている。そして、この基板１４と
僅かな隙間をもって対向するように電極１８が配設され
ている。この電極１８は、図の奥行き方向に延びる略円
柱状をなし、その中心を回転軸１６が貫いており、この
回転軸１６の両端が図略の支柱により回転可能に支持さ
れている。回転軸１６の端部はチャンバ外面の共振器１
９に電気的に接続され、この共振器１９がマッチング回
路などを介して図略の高周波電源に接続されている。

【０００４】この装置において、チャンバ１０内を排気
し、電極１８を回転させながらこれに高周波電力または
直流電力を印加して当該電極１８と基板１４との間にプ
ラズマＰを発生させるとともに、図略の反応ガス供給源
から反応ガス（図例ではＳｉＨ₄とＨ₂との混合ガス）及
び希釈ガス（例えばＨｅ）をチャンバ１０内に導入する
と、これらのガスは電極１８の回転によって当該電極１
８と基板１４との間に巻き込まれてプラズマＰに導か
れ、ここで前記反応ガスが化学反応を起こす。このよう
な化学反応を起こさせながら基板１４を基板搬送台１２
とともに所定方向（電極１８の回転軸方向と直交する方
向）に走査する結果、図９に示すように、基板１４上に
薄膜（図例ではアモルファスシリコンからなる薄膜）２
３が形成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記装置は、均一な薄
膜２３を大面積の領域に高速で連続的に形成することを
可能にするとともに、従来では不可能とされていた１気
圧以上の圧力下でのグロー放電プラズマの発生を可能に
する画期的な手段であるが、このように高圧下でしかも
高速で成膜を行うと、反応ガスの分解反応が気相で急激
に起こることに起因して、図９に示すように成膜２３に
寄与しなかったシリコン原子が相互に結びついて微粒子
（いわゆるパーティクル）を形成することになる。この
ようなパーティクル２４が基板１４上に堆積すると、成
膜２３の表面形態を乱し、高品質膜の形成を阻害する要
因となる。

【０００６】なお、前記公報には、電極回転方向の下流
側にダクトを配置し、発生したパーティクル２４を除去
する手段が開示されているが、かかるダクトの設置のみ
でパーティクル２４を完全に除去することは非常に困難
である。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑み、基板上
にパーティクルが堆積するのを有効に抑止して高品質膜
の高速形成を可能にする薄膜形成装置を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記薄膜
形成について詳細な検討と精密な実験を行った結果、前
記の高速薄膜形成装置においては、電極表面またはその
付近で発生した微細な核（薄膜材料からなる核）、さら
には、電極表面で発生する柱状またはフレーク状の薄膜
が、前記パーティクルの発生に大きく寄与していること
を発見し、そのパーティクル発生を防ぐ手段として、回
転電極の表面温度を上げることが非常に有効であること
を突き止めた。

【０００９】すなわち、電極表面温度が低い場合には、
気相中の反応で生成された核が電極表面に対して単に付
着を起こすのみであるため、このような吸着状態で電極
とともに高速回転するうち、何らかのきっかけで簡単に
電極から離脱して気相中に再放出され、これを核として
パーティクルが急速成長するおそれがある。

【００１０】これに対し、最も薄膜材料の濃度が高い電
極表面の温度が高められると、その表面上で原子または
分子の運動が活発化されるとともに、化学反応が促進さ
れ、その結果、当該電極表面上に均一で安定した薄膜が
形成されるため、パーティクル発生の要因となる核の成
長がきわめて起こりにくい。また、たとえ気相中で反応
が起こっても、その生成物は電極表面に対して単なる付
着でなく強く結合（化学結合）されるため、新たな核発
生の種となることが防がれる。すなわち、電極表面温度
を高めて当該表面上での化学反応を促進することによ
り、薄膜材料の固まりであるパーティクルが発生するの
を回避できるのである。

【００１１】ただし、前記電極表面上に薄膜が形成され
ると、その分だけ当該電極と基板との間の実効距離が縮
まるため、これを放置しておくと安定した質の薄膜を永
続的に形成することが困難になる。

【００１２】本発明は、このような観点からなされたも
のであり、回転する電極を基板に対向させて両者間にプ
ラズマを発生させながら、前記プラズマに反応ガスを供
給して化学反応を起こさせることにより前記基板上に薄
膜を形成する薄膜形成装置において、前記基板を支持す
る基板支持部材と、前記電極を加熱する電極加熱手段
と、前記電極の周面への微粒子の付着に伴って（すなわ
ち電極周面上での膜成長に伴って）当該電極の回転中心
と基板支持部材との距離を増加させることにより電極周
面と基板表面との間の実効距離を目標値に保つ距離制御
手段とを備えたものである。

【００１３】この装置によれば、電極が加熱されてその
表面温度が高められることにより、上述の理由によって
パーティクルの発生が有効に抑止される。

【００１４】なお、この装置では、電極表面に薄膜が形
成されていくことになるが、この電極表面上の薄膜自体
は基板上への成膜に何ら悪影響を及ぼすものではない。
また、電極表面上の薄膜が成長して当該薄膜分も含めた
電極の実質半径が増加しても、その通算成膜時間の経過
に伴って当該電極と基板との距離が自動的に増加される
こことにより、前記電極表面上の薄膜も含めた電極周面
と基板表面との距離（実効距離）が常に好適な値に保た
れるので、長期にわたって良好な成膜を続けることが可
能である。

【００１５】前記距離制御手段としては、通算成膜時間
またはこれに相当する数値を計測、演算する成膜時間検
出手段と、その検出された値の増加に伴って前記電極の
回転中心と基板支持部材との距離を増加させる制御手段
とを備えたものが、好適である。この構成によれば、特
別に電極外周面と基板との距離を直接計測しなくても、
当該距離の調整ができる。ただし、前記距離制御手段に
は、結果的に通算成膜時間の増加に伴って電極回転中心
と基板支持部材との距離を増加させるもの、すなわち、
前記実効距離を周期的に実測してこれを目標値に近づけ
るように距離調節するものも含まれるものとする。

【００１６】前記電極加熱手段としては、種々のものが
適用可能である。

【００１７】例えば、前記電極加熱手段として加熱用ラ
ンプを備え、その発する光が前記電極の表面に照射され
るように構成したものでは、電極が高速回転していても
これに加熱用ランプの光が照射されることによって、電
極が有効に加熱される。さらに、前記加熱用ランプの光
を電極表面に集光させる集光手段を備えることにより、
電極表面以外の領域で化学反応が促進されるのを回避
し、パーティクル発生抑止効果をさらに高めることがで
きる。

【００１８】また、前記電極の内部に高周波誘導により
加熱可能な被加熱体を設けるとともに、この被加熱体を
高周波誘導によって加熱する手段を備えるようにして
も、電極回転中に被加熱体ひいては電極を有効に加熱す
ることができる。

【００１９】例えば、前記被加熱体を電極の側面から側
方に露出させるとともに、この被加熱体の側方に高周波
誘導加熱用導体を配置すれば、この高周波誘導加熱用導
体に高周波電力を印加するだけで、当該導体と被加熱体
とを接触させることなく被加熱体及び電極の加熱ができ
る。

【００２０】また、本発明では、前記電極の雰囲気ガス
を加熱することにより、電極を間接的に加熱するように
してもよい。

【００２１】例えば、前記プラズマに供給されるガス
（例えば反応ガスや希釈ガス）をその供給前に加熱する
供給ガス加熱手段を備えるようにしてもよい。具体的に
は、前記基板及び電極を収容するチャンバと、このチャ
ンバ内にガスを送り込むためのガス供給通路とを備える
とともに、このガス供給通路の途中にヒーターを設けた
ものが好適である。

【００２２】また、前記基板及び電極を収容するチャン
バと、このチャンバ内のガスを加熱するガス加熱手段と
を備えたものも有効である。

【００２３】ここで、チャンバ内に加熱手段を設けるこ
とが好ましくない場合には、前記チャンバ内のガスを一
旦導出してチャンバ内に返還する循環通路と、この循環
通路内でガスを循環させるためのポンプとを備え、当該
循環通路の途中にヒーターを設けるようにすればよい。
この構成によれば、ヒーターをチャンバ外部に設けなが
ら、そのチャンバ内のガスを有効に加熱することができ
る。

【００２４】本発明では、さらに、前記電極の表面温度
もしくはこれに相当する温度を検出する温度検出手段
と、その検出温度を予め設定された目標温度に維持する
ように前記電極加熱手段の作動を調節する温度制御手段
とを備えることにより、電極表面温度を自動的に好適な
温度に保つことができる。

【００２５】この装置では、前記目標温度を８０℃以上
に設定するのが特に好ましい。目標温度の上限値は、電
極の材質の耐熱温度（例えばアルミニウムの場合には約
300℃）などを考慮して設定すればよい。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を図
面に基づいて説明する。なお、これらの実施の形態で示
す薄膜形成装置の基本原理及び基本構成は前記図８及び
図９に示したものと同等であり、これらの図に示した構
成要素と同等の構成要素には同一の参照符を付するもの
とする。ただし、本発明において形成する薄膜材料は前
記のアモルファスシリコンに限られず、例えばＣ、Ｓｉ
Ｃ、ＳｉＯ２など、プラズマを利用した化学反応により
薄膜を形成できる材料に広く適用が可能である。

【００２７】１）第１の実施の形態（図１，図２）図1に示す装置は、内部が密閉されたチャンバ１０を備
え、その内部に昇降台１１が昇降可能に設けられてお
り、この昇降台１１の上にガイドレール１１ａを介して
基板搬送台１２が水平方向にスライド可能に支持されて
おり、これら昇降台１１及び基板搬送台１２によって基
板支持部材が構成されている。すなわち、前記基板搬送
台１２上に図２に示す基板１４が載置されるようになっ
ており、この実施の形態では、これら基板搬送台１２及
び基板１４がアースに接続されるようになっている。ま
た、前記昇降台１１には送りねじ機構を介して昇降駆動
モータ７の出力軸が連結されており、同モータ７の作動
によって昇降台１１及び基板搬送台１２が微小量ずつ昇
降駆動されるようになっている。

【００２８】基板搬送台１２には側方からロッド２の一
端がヒンジ連結され、その他端は、チャンバ外壁に固定
された駆動変換機構４にヒンジ連結されている。この駆
動変換機構４に基板走査用モータ６の回転駆動力が入力
されることにより、基板搬送台１２がロッド２を介して
水平方向に往復駆動され、その基板搬送台１２上の基板
１４が走査（スキャン）されるようになっている。ま
た、駆動変換機構４の近傍にはリミットスイッチ８Ａ，
８Ｂが設けられ、そのオンオフ信号がスキャン回数計測
回路９に入力されることにより、同回路９が基板搬送台
１２の往復回数（つまりスキャン回数）をカウントする
ように構成されている。

【００２９】前記基板搬送台１２の上方には、基板１４
の表面と僅かな隙間をもって対向するように電極１８が
配設されている。この電極１８は、図の奥行き方向に延
びる略円柱状をなし、その中心を回転軸１６が貫いてお
り、この回転軸１６の両端が図略の支柱により回転可能
に支持されている。回転軸１６の端部はチャンバ外部の
高周波電源２０に電気的に接続され、同電源２０から電
極１８に成膜用の高周波電圧が印加されるようになって
いる。

【００３０】この実施の形態では、チャンバ１０の底壁
上に、絶縁セラミックス１３ａが介在する脚１３を介し
て導電材料からなる軸支部材１５が支持され、この軸支
部材１５と前記回転軸１６とが電気的に接触した状態で
当該回転軸１６が軸支部材１５に回転可能に支持される
一方、その軸支部材１５に共振器１９及びマッチング回
路ユニット１７を介して前記高周波電源２０が接続され
ている。

【００３１】この実施の形態では、電極１８の上方に図
２に示すようなランプ式の加熱装置が設けられている。
この加熱装置は、赤外線を放射する赤外線ランプ２２
と、その放射された赤外線を電極１８の表面に集光させ
る反射鏡２５とを備えている。図例では、反射鏡２５に
前記赤外線ランプ２２を上方から包囲するような曲面状
の反射面２６が形成され、この反射面２６で反射された
赤外線が電極１８の表面（図では上面）に当てられるよ
うになっている。

【００３２】なお、図では回転軸１６に高周波電源２０
を印加するものを示しているが、これに代えて直流電源
を回転軸１６に印加するようにしてもよい。

【００３３】チャンバ１０の外部には、制御回路６０が
装備されている。この制御回路６０にはトリガー回路６
２が接続されており、同回路６２から成膜開始信号が入
力された時点で、制御回路６０から前記基板走査用モー
タ６のドライバ６４に制御信号が入力され、基板１４の
走査が開始されるとともに、所定時間をおいてトリガー
回路６２から制御回路６０に成膜終了信号が入力される
ことにより、同制御回路６０が前記走査動作を停止させ
るように構成されている。

【００３４】さらに、前記制御回路６０には、基準時計
５と前記スキャン回路計測回路９とが連動スイッチ５８
Ａ，５８Ｂを介して択一的に接続されるようになってい
る。そして、制御回路６０は、その選択に応じて次の制
御動作を行うように構成されている。

【００３５】Ａ）制御回路６０に基準時計５が接続され
た場合トリガー回路６２から成膜開始信号及び成膜終了信号が
入力されたときに基準時計５で計測されている時刻を取
り込み、これによって両信号入力の時間差（すなわち１
回の成膜時間）を算出する。この成膜時間を成膜が行わ
れる度に加算する（すなわち通算成膜時間を更新演算す
る）。そして、この通算成膜時間が所定時間増加するご
とに昇降駆動モータ７のドライバ６６に制御信号を入力
し、基板搬送台１２及び昇降台１１を僅かずつ下降させ
る。すなわち、電極１８の回転中心と基板搬送台１２と
の距離を僅かずつ増加させる。その増加割合については
後に詳述する。

【００３６】Ｂ）制御回路６０にスキャン回数計測回路
９が接続された場合同計測回路９で計測されたスキャン回数（すなわち成膜
回数）を取り込み、同回数が所定値増加するごとに昇降
駆動モータ７のドライバ６６に制御信号を入力し、基板
搬送台１２及び昇降台１１を僅かずつ下降させる。すな
わち、電極１８の回転中心と基板搬送台１２との距離を
僅かずつ増加させる。その増加割合についても後に詳述
する。

【００３７】次に、この装置の作用を説明する。

【００３８】チャンバ１０内を排気し、電極１８を回転
させながらこれに高周波電力または直流電力を印加して
当該電極１８と基板１４との間にプラズマを発生させる
とともに、図略の反応ガス供給源から反応ガス（図例で
はＳｉＨ₄とＨ₂との混合ガス）及び希釈ガス（例えばＨ
ｅ）をチャンバ１０内に導入すると、これらのガスは電
極１８の回転によって当該電極１８と基板１４との間に
巻き込まれて前記プラズマに導かれ、ここで前記反応ガ
スが化学反応を起こす。このような化学反応を起こさせ
ながら基板１４を基板搬送台１２とともに所定方向（電
極１８の回転軸方向と直交する方向；図１では左右方
向）に走査する結果、前記図９に示したような薄膜（図
例ではアモルファスシリコンからなる薄膜）２３が基板
１４上に形成される。

【００３９】このとき、電極１８の表面は赤外線ランプ
２２によって加熱されているため、その表面上で原子ま
たは分子の運動が活発化されるとともに、化学反応が促
進され、電極１８の表面上に均一で安定した薄膜が形成
される。その結果、前述の原理によってパーティクルの
発生が有効に抑止され、高品質の薄膜が形成されること
になる。

【００４０】ただし、この電極加熱手段を備えた装置で
は、成膜回数を重ねると、電極１８の表面に形成される
薄膜が積層されていくことにより当該電極１８の実質半
径が増加するため、これを放置しておくと、電極１８の
周面と基板１４の表面との実効距離が次第に狭くなり、
安定した成膜ができなくなるおそれがあるが、スキャン
回数計測回路９で計測される成膜回数あるいは基準時計
５を用いて計測される通算成膜時間の増加に応じて制御
回路６０の制御により昇降台１１及び基板搬送台１２を
徐々に降下させ（すなわち基板搬送台１２と電極１８の
回転中心との距離を徐々に増加させ）、その降下によっ
て電極周面での薄膜形成による実効距離の短縮を相殺す
るように降下割合（すなわち距離増加割合）を設定する
ようにすれば、電極周面での薄膜形成にかかわらず、常
に当該電極周面と基板表面との実効距離を適正な値に保
つことができ、良好な成膜を長期にわたって続けること
ができる。その設定の具体例は後の実施例の項で説明す
る。

【００４１】なお、基板搬送台１２及び昇降台１１を降
下させるにあたり、スキャン回数（成膜回数）を取り込
むか通算成膜時間を算出するかは、成膜対象となる基材
の性質等に応じて適宜設定すればよい。例えば、予め寸
法が定められた単体基板のみに対して成膜する場合、す
なわち、１回の成膜に要する時間が一定している場合に
は、通算成膜時間に相当する値としてスキャン回数を取
り込むことにより演算内容を簡略化できる。逆に、互い
に寸法の異なる複数種の基板に対して成膜を行う場合
や、長尺シート状の基材に対して連続成膜を行う場合の
ように、成膜回数のカウントで対応できない場合には、
実際の通算成膜時間を計測するようにすればよい。

【００４２】ただし、本発明では、必ずしも成膜回数と
通算成膜時間の双方を計測できるようにしなくてもよ
く、通算成膜時間に相当する数値の少なくとも１種を計
測できるものであればよい。

【００４３】また、本発明では、結果的に通算成膜時間
の増加に応じて電極回転中心−基板支持部材間距離を増
加させるものであればよく、例えば、薄膜も含めた電極
周面と基板表面との距離（実効距離）を光学装置などに
よって実測し、その実測値を目標値に近づけるように昇
降駆動モータ７の駆動を制御するようにしてもよい。

【００４４】電極加熱手段については、図２に示すよう
な赤外線ランプ２２を用いることにより、電極１８が高
速回転していても、その表面温度を有効に高めることが
できる。さらに、図示のように反射鏡２５によってラン
プ光を電極表面に集めることにより、電極以外の気相部
分での化学反応を抑えることができ、パーティクルの抑
止効果をさらに高めることができる。

【００４５】このように加熱用ランプの光によって電極
１８を加熱する場合、その加熱用ランプは赤外線ランプ
に限らず、例えばハロゲンランプなど、加熱に寄与でき
るものであれば広く適用が可能である。

【００４６】なお、前記加熱用ランプは、好ましくはチ
ャンバ１０の外部に設置するのがよいが、この場合には
当該チャンバ１０の上部に透光可能な窓（例えば石英
窓）を設け、この窓を通じて電極１８に集光させるよう
にすればよい。この場合、加熱用ランプを窓にあまり近
づけると、当該窓が汚れるおそれがあるが、上記のよう
にランプ光を反射鏡２５によって電極１８に集光するよ
うにすれば、窓を汚さずに効率よく電極１８を加熱する
ことができる。

【００４７】その他の加熱手段の例を以下の実施の形態
において説明することにする。以下の実施の形態におい
て、通算成膜時間の増加に伴う距離制御の内容は前記第
１の実施の形態と全く同様である。

【００４８】２）第２の実施の形態（図３，図４）この実施の形態では、高周波誘導を利用して電極１８を
加熱するようにしている。

【００４９】具体的に、電極１８の内部には、円筒状の
被加熱体２８が組み込まれている。この被加熱体２８
は、高周波誘導によって加熱可能な材料（例えばグラフ
ァイト）からなり、その一方の軸方向端面（図３（ａ）
（ｂ）では右側面）が側方に露出するように配置されて
いる。

【００５０】一方、この露出面と対向する位置には、図
４（ａ）にも示すように回転軸１６を包囲するように形
成された渦巻状の高周波誘導加熱用導体３０が配設さ
れ、この導体３０の両端に、プラズマ発生用電源２０と
は別の高周波電源３２（図３（ａ）（ｂ））が接続され
ている。

【００５１】この装置において、高周波電源３２により
渦巻き状の導体３０に高周波電圧を印加すると、電磁誘
導によって被加熱体２８の表面に渦電流が流れてジュー
ル熱が発生し、その結果、被加熱体２８の温度が上昇す
る。すなわち、被加熱体２８が導体３０との非接触の状
態のまま高周波誘導加熱される。従って、被加熱体２８
が電極１８と一体に高速回転していても、被加熱体２８
さらには電極１８を有効に加熱することができる。

【００５２】なお、本発明において前記被加熱体２８の
形状は前記円筒形に限られず、例えば図４（ｂ）に示す
ように複数の柱状被加熱体２８を周方向に並べて電極１
８内に配設するようにしてもよいし、複数の被加熱体を
電極１８の径方向に間欠的に並設するようにしてもよ
い。また、高周波誘導加熱用導体３０の形状も図示のよ
うな渦巻状に限られず、例えば単なる円形状にしてもよ
い。

【００５３】この実施の形態のように高周波誘導加熱を
利用する場合でも、その通算成膜時間もしくはこれに相
当する数値の増加に伴って電極１８と基板１４との距離
を徐々に増加させることにより、良好な成膜を長期にわ
たって続けることが可能である。

【００５４】３）第３の実施の形態（図５）この実施の形態では、反応ガスを加熱してからチャンバ
１０内に導入することにより、電極１８を間接的に加熱
するようにしている。

【００５５】図において、ボンベ３６Ａ，３６Ｂにはそ
れぞれ反応ガス及び希釈ガスが充填されており、これら
から導出されるガスがそれぞれマスフローコントローラ
３８によって流量制御された状態で管４０Ａ，４０Ｂを
各々通じてチャンバ１０内に導入されるようになってい
る。そして、この特徴として、前記管４０Ａ，４０Ｂの
周囲にヒーター４２が配設され、このヒータ４２の作動
によって管４０Ａ，４０Ｂ内のガスが加熱されるように
なっている。この実施の形態では、前記ヒーター４２
は、加熱用コイルを前記管４０Ａ，４０Ｂの周囲に巻回
することにより構成され、この加熱用コイルはヒーター
電源４４に接続されている。

【００５６】一方、チャンバ１０の壁適所には透光可能
な窓１１が設けられ、そのすぐ外側に温度検出手段であ
る放射温度計４６が設けられている。この放射温度計４
６は、電極１８から放射される光により電極表面温度を
測定し、その温度についての検出信号を温度制御装置４
８に入力するものである。温度制御装置４８は、入力さ
れた検出温度と予め設定された目標温度とを比較し、両
者を近づけるようにヒーター電源４４の駆動を調節する
（すなわちヒーター４２による加熱を調節する）もので
ある。

【００５７】この装置によれば、電極１８の表面温度が
自動制御されるため、その表面温度を適正な温度に自動
的に保つことができる。具体的な目標温度は自由に設定
可能であるが、その好ましい値については後に詳述す
る。そして、この装置にも前記図１に示した距離制御手
段を装備することにより、長期にわたって良好な成膜を
続けることが可能であるなお、この実施の形態で示した
温度制御系が前記図１〜図４に示した装置にも適用でき
ることはいうまでもない。

【００５８】４）第４の実施の形態（図６）この実施の形態では、チャンバ１０の適所に循環通路５
０が設けられている。この循環通路５０は、略Ｕ字状を
なし、その両端がチャンバ１０内に連通されている。

【００５９】循環通路５０の途中にはポンプ５２が設け
られている。このポンプ５２は、チャンバ１０内のガス
を循環通路５０の一端から当該循環通路５０内に吸引
し、この循環通路５０の他端からチャンバ１０内に還元
するガス流れを形成するものである。そして、この循環
通路５０において前記ポンプ５２の下流側の位置に、前
記第３の実施の形態で示したと同様のヒーター４２が設
けられ、これにヒーター電源４４が接続されている。こ
の構成により、循環通路５０を流れる循環ガスが加熱さ
れ、その結果、チャンバ１０内の温度ひいては電極表面
温度が上昇するようになっている。

【００６０】チャンバ１０内には、回転軸１６の両端を
枢支する一対の支柱５４が立設されるとともに、その一
方の支柱５４にサーミスタ等からなる温度センサ５６が
設けられている。そして、この温度センサ５６により作
成される検出信号（支柱５４の温度に関する検出信号）
が温度制御装置４８に入力されるようになっている。温
度制御装置４８は、前記支柱５４の検出温度から電極１
８の表面温度を推定し、この推定温度を予め設定された
目標温度に近づけるようにヒーター電源４４の駆動を調
節する。

【００６１】この実施の形態に示すように、本発明にお
いて温度検出手段を備える場合、その手段は電極１８の
温度を直接検出するものに限られない。

【００６２】また、本発明では、電極１８の回転方向下
流側にパーティクル除去用のダクトを設けることによ
り、成膜の品質をさらに高めることが可能である。さら
に、このパーティクル除去用のダクトに前記循環通路５
０の吸引口を設置することにより、ガスの流れがさらに
スムーズになり、より好ましいものとなる。

【００６３】なお、本発明では、チャンバ１０内に所定
の比率の原料ガスを充填した後、原料ガスの供給を止
め、循環ポンプなどによって循環通路５０内に原料ガス
を循環させながら成膜を行うことも可能である。

【００６４】

【実施例】薄膜材料としてアモルファスシリコンを選
び、以下の成膜実験を行った。

【００６５】１）本発明の実施例装置条件実験には、アルミ合金製のドラム電極（図１の電極１
８）、高速回転モータ、基板搬送台（図１の基板搬送台
１２）、インピーダンスマッチング装置などを備えた装
置を用い、ドラム電極は、その振動を防ぐため、マグネ
ットカップリング及び磁気流体シールを介して前記高速
モータに連結した。加熱手段としては、チャンバ外部に
前記図１に示した赤外線ランプを設置し、そのランプ光
（赤外線）をチャンバ天壁の石英窓を通じて電極表面に
集光するようにした。基板と電極とのギャップは200μ
ｍとし、150MHzの高周波電源及びインピーダンスマッチ
ング装置を用いて電極に高周波電力を印加することによ
り、前記ギャップにプラズマを発生させるようにすると
ともに、電極の回転方向下流側にはパーティクルを除去
するためのダクトを設け、フィルタによりパーティクル
を捕獲するようにした。また、前記図５に示した温度制
御系を付加するとともに、その目標温度を８０℃〜２０
０℃の間で変化させた。

【００６６】実施条件洗浄を終えて乾燥させたガラス基板を試料台にセット
し、成膜ギャップを設定した後、真空排気を行った。そ
の後、ヘリウム（希釈ガス）と、水素及びシランの混合
ガス（反応ガス）とをマスフローコントローラを通じて
チャンバ内に導入し、雰囲気圧力を大気圧とした。この
状態で電極を加熱し、さらに電極を回転させながらプラ
ズマを発生させ、基板上にアモルファスシリコンの薄膜
を形成した。成膜条件は、水素濃度を０〜10％、シラン
濃度を0.01〜10％、雰囲気圧力を１気圧、基板温度を25
0℃、成膜時間を30秒、ドラム回転電極温度を80℃〜200
℃に保つようにした。その結果、投入電力が300〜2500
Ｗ、ドラム回転数が1000〜5000rpmという広い範囲で、
パーティクルを発生させることなく均一の薄膜を得るこ
とができ、かつ、その得られた薄膜がまさしくアモルフ
ァスシリコンであることがラマン分光分析により確認さ
れた。その後も実験を10バッチ継続したが、チャンバ内
にパーティクルの発生は見られなかった。

【００６７】２）比較例次に、比較例として、電極の加熱を行わず成膜を行った
（成膜中の電極表面温度は約50℃）。それ以外の成膜条
件は実施例と全く同様である。この実験により次の結果
が得られた。

【００６８】電極を加熱しないと、投入電力が大き
い場合やドラム回転数が遅い場合にパーティクルの発生
が見られ、形成された薄膜の表面には著しい凹凸が発生
した。これは、電極を加熱しない場合、ダクトによるパ
ーティクルの除去性能がガス流速に大きく依存すること
となり、特にガス流速が低い場合にパーティクルの除去
が非常に困難となることを示すものである。

【００６９】また、電極回転が速い場合でも、チャ
ンバ内にはパーティクルの発生が確認された。しかも、
全ての条件下で実験を行った後はチャンバ内が粉だらけ
となって、チャンバを大気に開放してのクリーニングが
必要となり、薄膜の連続形成は不可能となった。

【００７０】３）電極温度とパーティクル発生との関係前記実験装置において、電極表面の目標温度を50℃〜10
0℃の間で順次変化させ、各温度条件下で発生したパー
ティクル数を調べた。その結果を図７に示す。

【００７１】この図に示されるように、電極表面温度が
高いほど、発生するパーティクルは減少し、電極温度が
８０℃に達するとパーティクル発生数が急激に低下する
ことが確認できた。従って、本発明装置において電極温
度の自動制御を行う場合には、その目標温度を８０℃以
上に設定することが好ましい。

【００７２】４）通算成膜時間と電極−基板間距離との
関係について直径10cmの回転電極を用いて長手方向100mのシート状プ
ラスチック基板に5000Åのアモルファスシリコン薄膜を
形成する場合の電極−基板間距離の調整について検討す
る。なお、他の成膜条件は上述と同様とする。

【００７３】直径10cmの回転電極を用いてプラズマを発
生させた場合、そのプラズマ長さは約1cmであり、ま
た、その分布から、基板を走査したときの平均堆積速度
は基板固定時の堆積速度の半分であることが分かってい
る。よって、アモルファスシリコン薄膜1cm幅分を5000
Åの厚さに堆積するために必要な時間は、基板固定時の
成膜速度が2500Å／秒の場合、5000Å÷(2500Å／秒÷
２)＝４秒である。基板の長手方向の長さは100mである
ので、その100m全域に成膜するためにかかる時間は、4
秒×10000／１cm＝40000秒となる。

【００７４】一方、回転電極の表面温度を150℃に加熱
した場合、基板を固定した状態での基板への堆積速度の
1/30の速さで電極にアモルファスシリコン薄膜が堆積す
るので、成膜時間40000秒間に電極に付着するアモルフ
ァスシリコン薄膜の厚さは、1250Å／秒×1/30×40000
秒＝167μm、すなわち約0.17mmとなる。ここで、電極外
周面と基板表面との実効距離(すなわち成膜中のギャッ
プ)の目標値を500μmとし、そのギャップの変動を１％
程度に抑えることとした場合、通算成膜時間が1176秒
（約20分）増加する毎に電極回転中心と基板支持台との
距離を5μm増加させることによって、均一な成膜を行う
ことが可能になる。すなわち、この実施例では、通算成
膜時間に対する距離増加率を図１０に示すように設定す
ることにより、電極周面と基板表面との間の実効距離を
適正な値に維持することが可能となる。

【００７５】

【発明の効果】以上のように本発明は、回転する電極を
基板に対向させて両者間にプラズマを発生させながら、
前記プラズマに反応ガスを供給して化学反応を起こさせ
ることにより前記基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置
において、前記電極を加熱する電極加熱手段を備えたも
のであるので、基板上にパーティクルが堆積するのを有
効に抑止して高品質膜を高速で形成することができる。
しかも、前記電極の周面への微粒子の付着に伴って当該
電極の回転中心と基板支持部材との距離を増加させる距
離制御手段とを備えているので、前記電極の加熱により
当該電極の表面に薄膜が形成されるにもかかわらず、当
該電極と基板との実効距離を常に適正な値に保って良好
な成膜を続けることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる薄膜形成装
置の全体構成図である。

【図２】前記薄膜形成装置の加熱手段を示す斜視図であ
る。

【図３】（ａ）は本発明の第２の実施の形態にかかる薄
膜形成装置の要部を示す斜視図、（ｂ）は断面正面図で
ある。

【図４】（ａ）は本発明の第２の実施の形態にかかる薄
膜形成装置の要部を示す一部断面側面図、（ｂ）はその
被加熱体の配置の変形例を示す一部断面側面図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態にかかる薄膜形成装
置の構成図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態にかかる薄膜形成装
置の構成図である。

【図７】本発明の実施例における電極表面温度と発生し
たパーティクル数との相関関係を示すグラフである。

【図８】従来の薄膜形成装置を示す概略構成図である。

【図９】図８に示す薄膜形成装置における回転電極と基
板との間での薄膜形成のメカニズムを示す図である。

【図１０】本発明にかかる薄膜形成装置の通算成膜時間
と距離増加分との関係の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

５基準時計（成膜時間検出手段）７昇降駆動モータ（制御手段）８Ａ，８Ｂリミットスイッチ（成膜時間検出手段）９スキャン回路計測回路（成膜時間検出手段）１０チャンバ１１昇降台（基板支持部材）１２基板支持台（基板支持部材）１４基板１８電極２０プラズマ発生用高周波電源２２赤外線ランプ２５反射鏡（集光手段）２８被加熱体３０高周波誘導加熱用導体３２高周波誘導加熱用電源４０Ａ，４０Ｂガス供給管４２ヒーター４４ヒーター電源４６放射温度計（温度検出手段）４８温度制御装置（温度制御手段）５０循環通路５２ポンプ（循環手段）５６温度センサ（温度検出手段）６０制御回路（成膜時間検出手段及び制御手段）Ｐプラズマ

フロントページの続き (72)発明者増井卓也神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者木下隆神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者高橋利彰兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者長田耕一兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者中上明光神戸市西区高塚台１丁目５番５号株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内Ｆターム(参考） 2H068 DA23 EA25 EA30 4K030 BA30 FA04 FA10 JA01 JA10 KA14 KA22 KA25 KA41 5F045 AA08 AB04 AB06 AB07 AB32 AC01 AD06 AE25 BB15 DP02 DP22 DP23 EB02 EC01 EC09 EE04 EG09 EG10 EH04 EH07 EH08 EH09 EH14 EK02 EK11 EK29 EM10 GB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転する電極を基板に対向させて両者間
にプラズマを発生させながら、前記プラズマに反応ガス
を供給して化学反応を起こさせることにより前記基板上
に薄膜を形成する薄膜形成装置において、前記基板を支
持する基板支持部材と、前記電極を加熱する電極加熱手
段と、その電極加熱により成膜中に当該電極の表面上に
薄膜が形成されるのに伴って当該電極の回転中心と基板
支持部材との距離を増加させることにより電極周面と基
板表面との間の実効距離を目標値に保つ距離制御手段と
を備えたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】請求項１記載の薄膜形成装置において、
前記距離制御手段として、通算成膜時間またはこれに相
当する数値を計測、演算する成膜時間検出手段と、その
検出された値の増加に伴って前記電極の回転中心と基板
支持部材との距離を増加させる制御手段とを備えたこと
を特徴とする薄膜形成装置。
【請求項３】請求項１または２記載の薄膜形成装置に
おいて、前記電極加熱手段として加熱用ランプを備え、
その発する光が前記電極の表面に照射されるように構成
したことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項４】請求項３記載の薄膜形成装置において、
前記加熱用ランプの光を電極表面に集光させる集光手段
を備えたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜形
成装置において、前記電極の内部に高周波誘導により加
熱可能な被加熱体を設けるとともに、この被加熱体を高
周波誘導によって加熱する手段を備えたことを特徴とす
る薄膜形成装置。
【請求項６】請求項５記載の薄膜形成装置において、
前記被加熱体を電極の側面から側方に露出させるととも
に、この被加熱体の側方に高周波誘導加熱用導体を配置
したことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項７】請求項１または２記載の薄膜形成装置に
おいて、前記プラズマに供給されるガスをその供給前に
加熱する供給ガス加熱手段を備えたことを特徴とする薄
膜形成装置。
【請求項８】請求項７記載の薄膜形成装置において、
前記基板及び電極を収容するチャンバと、このチャンバ
内にガスを送り込むためのガス供給通路とを備えるとと
もに、このガス供給通路の途中にヒーターを設けたこと
を特徴とする薄膜形成装置。
【請求項９】請求項１または２記載の薄膜形成装置に
おいて、前記基板及び電極を収容するチャンバと、この
チャンバ内のガスを加熱するガス加熱手段とを備えたこ
とを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１０】請求項９記載の薄膜形成装置におい
て、前記チャンバ内のガスを一旦導出してチャンバ内に
返還する循環通路と、この循環通路内でガスを循環させ
るためのポンプとを備え、当該循環通路の途中にヒータ
ーを設けたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかに記載の薄
膜形成装置において、前記電極の表面温度もしくはこれ
に相当する温度を検出する温度検出手段と、その検出温
度を予め設定された目標温度に維持するように前記電極
加熱手段の作動を調節する温度制御手段とを備えたこと
を特徴とする薄膜形成装置。