JP2001240971A

JP2001240971A - 薄膜形成装置

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Publication number: JP2001240971A
Application number: JP2000055220A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Okada; 和人岡田; Kazuyuki Hayashi; 和志林; Takuya Masui; 卓也増井; Akira Kobayashi; 明小林; Akimitsu Nakagami; 明光中上; Hisao Morooka; 久雄師岡; Hiroshi Yamada; 寛山田; Yuzo Mori; 勇藏森
Original assignee: Kobe Steel Ltd; TDK Corp
Current assignee: Kobe Steel Ltd; TDK Corp
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2000-03-01
Publication date: 2001-09-04
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: JP4073140B2

Abstract

(57)【要約】【課題】パーティクルの発生を有効に抑止して高品質
膜の高速形成を可能にする。【解決手段】基板に対向するように回転電極ＲＥを配
置し、この回転電極ＲＥを回転させながら基板との間に
プラズマを発生させて、このプラズマで化学反応を起こ
させることにより基板上に薄膜を形成する装置。前記回
転電極ＲＥの周面上にガス噴出孔１８ｂなどのガス噴出
部を設ける。そこから前記化学反応に影響しないパージ
ガスを噴出させることにより、良好な薄膜形成の障害と
なる回転電極近傍でのパーティクル発生や回転電極ＲＥ
上への薄膜形成を抑止する。

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ための薄膜形成装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、プラズマＣＶＤを利用した薄膜形
成装置として、基板上に配置されるプラズマ発生用の電
極を略円柱状とし、かつ、これを高速回転させるように
したものが開発されるに至っている（例えば特開平９−
１０４９８５号公報参照）。その装置の概要を図１０及
び図１１に示す。

【０００３】図１０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
１４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回転電極ＲＥが配
設されている。この回転電極ＲＥは、図の奥行き方向に
延びる略円筒状の電極本体１８の中心部を回転軸１６が
貫いてなり、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
ンバ外面に設けられた共振器１９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、回転電極ＲＥを回転させながらこれに高周波電力
（直流電力でもよい）を印加して当該回転電極ＲＥと基
板１４との間にプラズマ２２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、これらのガスは回転電極ＲＥ
の回転によって当該回転電極ＲＥと基板１４との間に巻
き込まれてプラズマ２２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（回転
電極ＲＥの回転軸方向と直交する方向）に走査する結
果、図１１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）２３が形成され
る。

【０００５】この装置は、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、従来では困難とされていた１気圧以上の圧力下での
グロー放電プラズマ発生を可能にする画期的な手段であ
る。しかし、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１１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パーティクル（微粒
子）２４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】そこで、前記公報には、電極回転方向の下
流側に図１２（ａ）（ｂ）に示すようなダクト９０を配
置し、このダクト９０を通じてパーティクル２４を吸引
除去するようにしたものが開示されている。このダクト
９０は、その先端の吸引口９２が他の部分よりも狭小の
先細り状に形成され、その吸引口９２が回転電極ＲＥの
回転方向下流側において当該回転電極ＲＥの外周面と基
板１４の上面との隙間に挿入されている。この吸引口９
２におけるガス吸引速度としては、電極表面の周速度と
同等の速度以上であって、好ましくは電極表面の周速度
の２倍以上、より好ましくは１０倍以上であるとされて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図１３は、前記ダクト
９０の近傍におけるガスの流れ状態を示したものであ
る。この図に示されるように、従来のダクトを用いた装
置では次のような不都合が存在する。

【０００８】・ダクト９０の上面と回転電極ＲＥの外周
面との間や、ダクト９０の下面と基板１４の上面との間
には必ず隙間が存在するため、この隙間を通じてもダク
ト吸引口９２へガスが吸引され、その分、回転電極ＲＥ
の近傍でのガス吸引速度が低下する。従って、前記吸引
口９２を回転電極ＲＥに近づけ、かつ吸引口９２での吸
引速度を高くしても、電極近傍でのガス吸引速度を上げ
るには限界があり、当該電極近傍におけるパーティクル
の有効な除去は困難である。

【０００９】・パーティクルは、その全てが気流に同伴
するぐらい小径のパーティクルであるとは限らず、慣性
力によって回転電極ＲＥの円周接線方向に飛散するよう
な大径のパーティクル（図１３に示すパーティクル２４
ｂ）も存在する。また、パーティクル２４は、必ずしも
気相中から下流側（ダクト９０側）へ運ばれるとは限ら
ず、一旦回転電極ＲＥの表面に付着してから基板１４よ
り大きく離れた位置で剥離し、再飛散することもある。
これらのパーティクルは、前記先細ダクト９０によって
は有効に捕集することができない。

【００１０】・ダクト吸引口９２にはパーティクル２４
を含むガスが正面から衝突するため、その近傍にパーテ
ィクルが堆積しやすく（図１３に示すパーティクル２４
ｃ）、このようなパーティクル２４ｃが堆積したダクト
自体が汚染源となるおそれがある。

【００１１】・高速回転電極ＲＥに引きずられた当該電
極周方向へのガスの流れと、当該回転電極ＲＥとダクト
９０との隙間から吸引されるガスの流れとが交錯するこ
とにより、プラズマ２２の発生領域から遠くない位置で
渦Ｗが形成されてしまう。この渦Ｗは、活性な反応中間
体あるいはそれらのクラスターを長時間滞留させ、パー
ティクルの成長を促す要因となる。

【００１２】・基板１４の上面とダクト９０との隙間か
ら吸引されるガスの流れに起因して、基板１４の近傍に
流れの淀み域９４が形成される。この淀み域９４も、前
記渦Ｗと同様、活性な反応中間体あるいはそれらのクラ
スターを長時間滞留させ、パーティクルの成長を促す要
因となる。

【００１３】・さらに原料ガス濃度や回転電極温度等の
成膜条件によって良好な薄膜形成を阻害する要因とし
て、前記気相中でのパーティクル発生の他、基板１４上
での薄膜形成と同様のメカニズムで回転電極ＲＥの外周
面上に形成された薄膜が成長し、さらには剥離して基板
表面に付着することが考えられる。このような剥離成分
を前記ダクト９０によって除去するのは困難である。こ
の阻害要因は、前記回転電極ＲＥを定期的にドライエッ
チング等でクリーニングすることにより回避可能である
が、当該クリーニングには相当の手間を要し、運転効率
向上の妨げになる。

【００１４】本発明は、このような事情に鑑み、回転電
極を用いながら、当該回転電極を用いることにより従来
発生していた薄膜形成のトラブルを抜本的に解決して高
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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するにあ
たり、まず、その課題の要因となる薄膜形成阻害のメカ
ニズムについて以下に詳細な検討を行う。

【００１６】１）気相内でのパーティクルの発生につい
て前記回転電極と基板との間のプラズマ発生領域の状況
と、その領域での薄膜及びパーティクルとの間には次の
関係があると考えられる。

【００１７】回転電極近傍及び基板近傍には、電界の勾
配が急なシース領域が存在し、これらのシース領域の間
に比較的電界勾配の緩やかなバルク領域が存在する。そ
して、電子は主にシース領域でそのエネルギーが高めら
れ、このシース領域とバルク領域との境界部分でガス分
子と衝突しエネルギーを損失する。従って、前記境界部
分近傍に、化学的に活性なラジカル分子や、内部エネル
ギーが高い励起分子やイオンが局在することになる。

【００１８】図１４（ａ）（ｂ）は、従来の回転電極を
用いた薄膜形成装置におけるプラズマ発生領域での発光
強度分布を示したものである。この分布は、前記励起分
子等が基底状態に戻るときに発する光の強度の検出結果
を示したものである。従って、発光強度分布が高いとい
うことは、その領域でのラジカル分子や励起分子の生成
が盛んであることを意味する。

【００１９】この図１４（ａ）（ｂ）を参照すれば、基
板に近いシース領域／バルク領域境界部分近傍や、回転
電極に近いシース領域／バルク領域境界近傍で発光強度
が局所的に高くなっており、従って、これらの領域でラ
ジカル分子や励起分子の生成が盛んであることが理解で
きる。しかも、同図（ａ）と（ｂ）を比較して明らかな
ように、運転圧力が高いほど、発光強度分布は急峻にな
る。これは、圧力上昇につれて電子や分子の衝突確率が
増し、ラジカル分子や励起分子の生成速度が増大すると
ともに拡散係数が低下するためと考えられる。

【００２０】このうち、基板に近い側のシース領域／バ
ルク領域境界近傍で生成されたラジカル分子や励起分
子、イオンは、その生成後直ちに基板上に成膜され、あ
るいは他の反応中間体となってから基板上に成膜され
る。これに対し、回転電極に近いシース領域／バルク領
域境界近傍で生成されたラジカル分子や励起分子、イオ
ンの多くは、回転電極表面温度が基板温度ほど高くない
ため、電極表面で膜化する前に気相中でクラスター化さ
らには微粒子化し、これによりパーティクルが生成され
ることとなる。従って、後者の回転電極近傍でのラジカ
ル分子や励起分子、イオンの発生を抑制することによ
り、パーティクルを有効に抑止しつつ良好な薄膜形成を
実現することが可能となる。

【００２１】２）回転電極周面上での薄膜形成について上述のように、プラズマＣＶＤでは、プラズマ空間の基
板近傍で発生した活性種が基板表面に付着することで薄
膜が形成されるが、原料ガス濃度や回転電極温度などの
成膜条件によっては、パーティクルを生成するばかりで
なく、基板近傍と同様のメカニズムで電極表面にも薄膜
が形成され、かつ、その厚さは処理時間に比例して増大
する。これをクリーニングせずに放置しておくと、前記
電極表面で成長した膜がある程度の厚さに達した時点で
剥離してフレーク状になり、その一部が基板表面に付着
し、ピンホールなどの欠陥を与えてしまうことになる。
このような回転電極外周面上での薄膜形成による障害
は、前記回転電極側での薄膜形成そのものを抑止するこ
とにより、抜本的解決が可能となる。

【００２２】本発明は、このような観点からなされたも
のであり、円筒状の外周面をもつ回転電極と、この回転
電極を回転駆動する駆動手段と、この回転電極と対向す
る位置に基板を保持しながら当該基板を回転電極に対し
てその回転中心軸と略直交する方向に相対移動させる送
り手段とを備え、前記回転電極を回転させながら当該回
転電極と基板との間にプラズマを発生させることによ
り、このプラズマに供給された反応ガスに化学反応を起
こさせて前記基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置にお
いて、前記回転電極の外周面上であって少なくとも前記
基板上の薄膜形成領域に対応する領域に前記反応ガスと
異なるパージガスからなるガス層を形成するパージガス
層形成手段を備えたものである。

【００２３】この装置において、前記パージガス層形成
手段により回転電極表面に非常に薄いパージガス粘性底
層（具体的には回転電極と基板との距離よりも薄く、か
つ、回転電極から当該回転電極側のシース領域／バルク
領域境界部分までの距離よりも厚い層が好ましい。）を
形成することにより、その層形成領域でのパージガス濃
度（例えばパージガスにヘリウムを用いた場合にはその
ヘリウム濃度やヘリウムラジカル濃度）が高くなる一
方、回転電極に近いシース領域／バルク領域境界近傍で
生成される原料ガス（例えばシランガス）の濃度や当該
原料ガスのラジカル種の濃度が抑えられる。これによっ
て、回転電極近傍領域でのパーティクルの発生を有効に
抑止できるとともに、回転電極外周面上への薄膜形成も
阻止できる。一方、基板に近いシース領域／バルク領域
境界近傍では、従来装置と同様、原料ガスを元に良好な
薄膜を基板上に形成することができる（図１５参照）。

【００２４】前記パージガスは、薄膜形成用の化学反応
に影響を及ぼさないものであればよい。例えば前記反応
ガスとしてシランガスを含むものを用いて基板上にアモ
ルファスシリコン等からなる薄膜を形成する場合には、
前記パージガスとして、前記ヘリウムをはじめとする不
活性ガス（ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン
等）の他、水素、窒素、酸素、あるいはこれらの混合ガ
スなどが適用可能である。

【００２５】前記パージガス層形成手段としては、前記
回転電極の外周面上において少なくとも基板上の薄膜形
成領域に対応する領域にガス噴出部を設け、このガス噴
出部と異なる位置に当該ガス噴出部と連通するガス供給
部を設けるとともに、このガス供給部に前記反応ガスと
異なるパージガスを供給して当該パージガスを回転電極
のガス噴出部から電極周面上に噴出させるパージガス供
給手段を備えたものが好適である。この構成により、回
転電極外周面上に均一なパージガス層を形成することが
できる。

【００２６】前記回転電極は、中実のものであってもよ
いが、その電極本体を中空の略円柱状とし、この電極本
体の周壁にその内外を連通するガス噴出部を設け、当該
電極本体の内側の空間を前記ガス噴出部と通ずるガス供
給路とすれば、電極全体を軽量にでき、かつ、そのガス
噴出部及び電極内部のガス供給路を簡単に形成すること
が可能である。

【００２７】前記ガス噴出部としては、前記電極本体周
面上の軸方向に並ぶ複数の位置に当該電極本体を貫通す
るガス噴出孔を設けたものが、好適である。

【００２８】さらに、このガス噴出孔は、前記電極本体
周面上の周方向に並ぶ複数の位置に設けるのが、より好
ましい。この場合、各ガス噴出孔の軸方向位置を相互に
ずらすことにより、回転電極からのパージガスの噴出を
軸方向により均等化することができる。

【００２９】また、前記ガス噴出部としては、前記電極
本体の周壁の少なくとも一部を当該電極本体の軸方向に
延びる多孔質体で構成したものも、好適である。この構
成によっても、電極本体軸方向に延びる多孔質体から当
該軸方向に略均一にパージガスを供給することが可能に
なる。

【００３０】回転電極のガス供給部は、電極側面に設け
ることも可能であるが、当該ガス供給部を電極回転中心
軸上に設けることが、より好ましい。この構成によれ
ば、回転電極が高速回転している間も、前記ガス供給部
の位置は動かないので、当該回転電極に対してより容易
にかつ安定してパージガスを供給することができる。

【００３１】具体的に、前記のような中空の電極本体を
具備する回転電極においては、その電極本体の中心部に
筒状の回転軸を軸方向に貫通させ、この回転中心軸の軸
端開口をガス供給部とし、かつ、この回転中心軸の周壁
にその内外を連通するガス導出部を設け、この回転中心
軸と前記電極本体との間の空間をガス攪拌室としたもの
が好適である。この構成によれば、筒状回転軸の軸端開
口から供給されたパージガスは、この回転軸のガス導出
部を通じて当該回転軸の外側のガス攪拌室に入り、ここ
で攪拌されてから電極本体のガス噴出部より回転電極外
側に略均一に噴出する。

【００３２】この回転電極に対しては、そのガス供給部
である回転中心軸の軸端開口にパージガス供給管を挿入
するだけの簡単な構造で、このパージガス供給管を通じ
てパージガス供給手段は前記回転中心軸内にパージガス
を供給することができ、このパージガスを回転電極のガ
ス噴出部から噴出させることが可能である。

【００３３】また、前記パージガス層は、前記回転電極
と基板との隙間もしくはその近傍位置に対して当該回転
電極の回転方向上流側からパージガスを供給するパージ
ガス供給手段を備え、その供給されたパージガスが前記
隙間に巻き込まれてガス層を形成するという構成によっ
ても形成することが可能である。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、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、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、ＳｉＣ、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。

【００３５】図１〜図３に示す薄膜形成装置は、内部が
密閉されたチャンバ１０を備えている。このチャンバ１
０の底部にはテーブル１１が設置されている。このテー
ブル１１上には基板搬送台１２が設けられ、後述の回転
電極ＲＥの回転中心軸と直交する方向（図１では左右方
向）にスライド駆動されるようになっている。この基板
搬送台１２は、基板１４を上方に露出させた状態で保持
しながらスライド駆動される。従って、この基板搬送台
１２及び前記テーブル１１によって、基板１４を走査す
る送り手段が構成されている。

【００３６】回転電極ＲＥは、前記基板搬送台１２のす
ぐ上方に設けられている。その高さ位置は、回転電極Ｒ
Ｅの周面と基板１４との間にプラズマＣＶＤを実行する
のに適した隙間（例えば0.1mm〜１mm）が保たれるよう
に設定されている。

【００３７】回転電極ＲＥは、中空で略円柱形状の電極
本体１８と、これを軸方向に貫通する回転軸１６とから
なっている。この回転軸１６の両端は、チャンバ１０内
に設けられた一対の軸受台１３によって回転可能に支持
されている。回転軸１６の一端は、チャンバ１０に固定
されたモータ（回転駆動手段；図２参照）７３の出力軸
にカップリング７４を介して連結され、このモータ７３
の作動によって回転電極ＲＥ全体が高速で回転駆動され
るようになっている。

【００３８】前記回転軸１６は、電気接続部材１７及び
チャンバ外側の共振器１９を介して高周波電源２０に接
続されている。そして、この高周波電源２０から前記共
振器１９及び電気接続部材１７を通じて回転電極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。な
お、この電源には直流電源を使用することも可能であ
る。

【００３９】前記回転電極ＲＥの構造を図４（ａ）
（ｂ）及び図５に示す。

【００４０】この回転電極ＲＥの回転軸１６は、円筒状
をなしている。すなわち、この回転軸１６には、これを
軸方向に貫く貫通孔１６ａが設けられている。さらに、
回転軸１６の周壁には、これを径方向に貫通する（すな
わち回転軸の内外を連通する）複数のガス導出孔１６ｂ
が適所に設けられている。

【００４１】電極本体１８は、円筒状の周壁１８ｒと、
その両端開口を塞ぐ円形状の側壁１８ｓとからなってい
る。前記回転軸１６は、電極本体１８の両側壁１８ｓを
貫通した状態で当該両側壁１８ｓに固定されている。こ
の電極本体１８の内部空間、すなわち、この電極本体１
８と回転軸１６とで挟まれた空間は、ガス攪拌室１８ａ
となっている。

【００４２】さらに、この電極本体１８の周壁１８ｒに
は、これを径方向に貫く小径のガス噴出孔１８ｂが多数
設けられている。これらのガス噴出孔１８ｂは、図例で
は、周方向に並ぶ８つの列に沿って軸方向に並べて設け
られている。さらに、図５に示すように、各列のガス噴
出孔１８ｂを軸方向に相互位置をずらして設けることに
より、後述のパージガスの噴出を電極軸方向に均等化す
ることが可能になる。

【００４３】ただし、本発明においてガス噴出孔１８ｂ
の配設位置や個数は適宜設定が可能である。例えば、回
転電極表面への膜付着をより有効に抑制するには、電極
周壁１８ｒの全面に均等にガス噴出孔１８ｂを配するの
が望ましいが、電極製作上の簡便性に鑑みて図４に示す
ような部分的な噴出孔１８の配置を行っても有効であ
る。

【００４４】また、孔径もガス噴出圧との関係などを考
慮して適宜設定すればよい。具体的には0.3〜５mm程度
が好適である。

【００４５】図６に示すように、回転軸１６の片側軸端
（前記モータ７３に連結される軸端と反対側の軸端）の
開口には、その軸方向に沿ってパージガス供給管３０が
挿通されている。このパージガス供給管３０の外径は、
回転軸１６の内径よりも僅かに小さく設定され、当該パ
ージガス供給管３０の外周面と回転軸１６の内周面との
間にはほんの僅かな微小隙間３２が確保されている。パ
ージガス供給管３０自体は、前記チャンバ１０の側壁を
貫通し、かつこの貫通部位でシールがなされた状態で当
該チャンバ側壁に固定されている。

【００４６】次に、前記チャンバ１０に対するガスの給
排設備を図３に基づいて説明する。

【００４７】チャンバ１０には、ガス循環系８０が接続
されている。このガス循環系８０では、チャンバ１０内
のガスがその排気口１０ａから粉末除去フィルタ８１を
通じてドライポンプ８２に吸入される。ドライポンプ８
２の吐出ガスは、その一部がシラン除去装置８３を通じ
て大気へ放出され、残りが水吸着筒８４を通じてチャン
バ１０内にその供給口１０ｂから戻される。

【００４８】さらに、このチャンバ１０内には、ヘリウ
ムガス容器８６、水素ガス容器８７、メタンガス容器８
８、及びシランガス容器８９が接続され、これらの容器
８６〜８９からその収容ガスが適宜チャンバ１０内に供
給されるようになっている。さらに、前記ヘリウムガス
容器８６は、前記チャンバ１０への直接接続とは別に、
前記パージガス供給管３０にも接続されている。

【００４９】次に、この装置の作用を説明する。

【００５０】チャンバ１０内を排気し、モータ７３の作
動によって回転電極ＲＥを回転させながら、ヘリウムガ
ス容器８６よりパージガス供給管３０を通じて回転軸１
６内にパージガス（この実施の形態ではヘリウムガス）
を送り込む。

【００５１】このパージガスは、回転軸１６の軸方向貫
通孔１６ａから径方向の各ガス導出孔１６ｂを通じてガ
ス攪拌室１８ａ内に入り、さらに、電極回転による遠心
力を受けて各ガス噴出孔１８ｂから電極本体１８の外側
に噴出する。この噴出パージガスは、高速回転する回転
電極ＲＥの外周面に引きずられるようにしてこれと同方
向に回転し、当該電極外周面の周囲に薄いパージガス層
を形成する。

【００５２】このパージガス層は、前述のように、回転
電極と基板との距離よりも薄く、かつ、回転電極から当
該回転電極側のシース領域／バルク領域境界部分までの
距離よりも厚くするのが好ましい。その層厚は、各ガス
噴出孔１８ｂの孔径や個数、パージガスの供給圧等によ
って自由に調節が可能である。

【００５３】一方、前記回転電極ＲＥに高周波電力（直
流電力でもよい）を印加して当該回転電極ＲＥと基板１
４との間にプラズマを発生させながら、ガス容器８６〜
８９から反応ガス（この実施の形態ではＳｉＨ₄、Ｈ₂、
及びＣＨ₄）及び希釈ガス（この実施の形態ではＨｅ）
をチャンバ１０内に導入すると、これらのガスは前記回
転電極ＲＥの高速回転によって当該回転電極ＲＥと基板
１４との間に巻き込まれ、プラズマ２２に導かれて化学
反応を起こす。これと同時に、基板１４が基板搬送台１
２とともに回転電極ＲＥの回転軸方向と直交する方向に
走査されることにより、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）が形成される。

【００５４】ここで従来は、前記基板１４の近傍のみな
らず、回転電極ＲＥの近傍で発生したシランガスのラジ
カル種が化学反応を起こすことにより、パーティクル
（微粒子）が発生し、また成膜条件によっては回転電極
ＲＥ上に形成された薄膜が剥離し、良好な薄膜形成を妨
げるおそれがあったが、ここに示す装置では、前記回転
電極ＲＥの径方向外側に薄いパージガス層が形成される
ことにより、このパージガス層がいわばバリアの機能を
果たすことになり、回転電極近傍でのパーティクルの発
生が有効に抑止される。また、当該パージガス層の形成
により、回転電極ＲＥ上での薄膜形成も有効に抑止する
ことができ、当該薄膜が剥離して基板表面側に付着する
のを事前に防止できる。その結果、良好な薄膜形成を実
現することができる。

【００５５】この実施の形態では、回転電極周壁１８ｒ
にガス噴出孔１８ｂを設けるようにしているが、これに
代え、図７（ａ）（ｂ）に示すように周壁１８ｒの一部
を電極軸方向に延びる多孔質体１８ｃで構成し、あるい
は図８（ａ）（ｂ）に示すように周壁１８ｒの全部を多
孔質体１８ｃで構成して、その多孔質体１８ｃからガス
を噴出させるようにしてもよい。

【００５６】この多孔質体１８ｃとしては、例えば多孔
質窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）や多孔質アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）が好適である。また、多孔質焼結金属の適用も可
能である。

【００５７】図例では、多孔質体１８ｃが電極本体１８
の軸方向全域にわたって延びており、パージガスを軸方
向にわたって均一に噴出させることが可能となってい
る。この多孔質体１８ｃの具体的な形状や個数は自由に
設定が可能である。

【００５８】このように多孔質体１８ｃを用いる場合
も、前記のようなガス噴出孔１８ｂを設ける場合も、そ
のガス噴出領域は少なくとも基板上での薄膜形成領域を
含む領域に設定すればよい。

【００５９】回転電極ＲＥのガス供給部については、こ
れを例えば電極本体１８の側壁１８ｓに設けることも可
能であるが、前記のように回転軸１６を筒状にしてその
軸端開口をガス供給口とすれば、回転電極ＲＥが高速回
転中であってもその内部に容易にパージガスを供給する
ことができる。また、その供給は、例えば図示のように
パージガス供給管３０を回転軸１６の軸端開口に挿入す
るだけの簡単な構造で行うことができる。

【００６０】ここで、パージガス供給管３０の挿入深さ
や回転軸１６とのクリアランスは適宜設定が可能であ
る。その挿入深さを深くするほど、また、前記クリアラ
ンスを小さくするほど、パージガスのリークが減少し、
パージガス供給効率が向上することになる。

【００６１】回転電極ＲＥに供給するパージガスは、薄
膜形成反応を阻害しない性質のものであればよく、前記
ヘリウムガスをはじめとする不活性ガスの他、水素、窒
素、酸素、あるいはこれらの混合ガスであってもよい。
また、この電極用のパージガスは、チャンバ１０内に供
給される希釈ガスと同種のものであると異種のものであ
るとを問わない。

【００６２】パージガスの温度も特に問わないが、チャ
ンバ内雰囲気温度よりも高くすることが、より好まし
い。このようにすることにより、パージガスが電極回転
の遠心力によって雰囲気中に拡散する量を抑制しなが
ら、適当なパージガス層厚を確保できる。

【００６３】以上のように、回転電極ＲＥにガス噴出部
を設ける手段をとることにより、回転電極ＲＥの外周面
上に均一なパージガス層を形成することができるが、そ
れ以外の手段によってもパージガス層の形成は可能であ
る。

【００６４】例えば、図９に示すように、前記回転電極
ＲＥの回転方向上流側にチャンバ１０の側壁を貫くパー
ジガス供給管３２を設け、このパージガス供給管３２の
ガス噴出端を回転電極ＲＥと基板１４との隙間もしくは
その近傍位置に指向させて、他端をパージガス供給源
（例えば前記ヘリウムガス容器８６）に接続し、このパ
ージガス供給管３２から前記隙間もしくはその近傍位置
にパージガスを噴射させるようにしても、当該パージガ
スが回転電極ＲＥの高速回転によって前記隙間に巻き込
まれることにより、回転電極ＲＥの外周面上であって少
なくとも前記基板１４上の薄膜形成領域に対応する領域
（プラズマ２２が形成される領域）にパージガス層３４
が形成される。この場合、前記パージガス供給管３２を
回転電極ＲＥの幅方向にわたって複数本配設したり、パ
ージガス供給管３２の噴出口の開口幅を回転電極ＲＥの
幅と略同等にしたりすることにより、回転電極幅方向に
ついてのガス層の均一化を図ることが可能である。ただ
し、前記図４〜図７に示したように回転電極ＲＥの周面
にガス噴出部を設けることにより、パージガス層のさら
なる均一化が可能になる。

【００６５】

【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。

【００６６】装置条件実験には、アルミ合金製のドラム電極（図１の回転電極
ＲＥ）、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。高周波電源には150MHzのものを用
い、インピーダンス間マッチングユニットを介して電極
部に高周波電力を印加し、200μmの最狭隙間部にプラズ
マを発生させるようにした。回転電極寸法は、直径300m
m、幅100mmとし、最高回転速度を5000rpm（周速度79m/
s)に設定した。

【００６７】さらに、前記回転電極には、図４（ａ）
（ｂ）及び図５に示すように周方向に並ぶ８つの列に沿
って軸方向に多数のガス噴出孔（孔径0.5mm）を並設
し、そこから同図に示す構造でパージガスが噴出される
ようにした。

【００６８】一方、前記図５に示したガス循環系８０と
して、排気速度１m³／minのドライポンプ及び0.1μmメ
ッシュをもつパーティクル除去フィルタを備えたものを
チャンバに接続した。

【００６９】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（最狭隙間部δ）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、さらに回転電極
表面にはパージガスとして微量のヘリウムガスを噴出さ
せ、雰囲気圧力は大気圧とした。この状態で電極を回転
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250℃、成膜時間を30秒とした。

【００７０】その結果、投入電力が300〜2500Ｗ、電極
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５バッチ継続したが、チャンバ内壁や回転電
極表面にパーティクルの堆積や薄膜形成は見られなかっ
た。

【００７１】さらに、５０バッチの実験前後でのパーテ
ィクル除去フィルタの重量増分、つまり、捕集パーティ
クル重量を測定したところ、その捕集量は従来装置の１
／１０であることが判明した。この結果は、本発明の実
施により、パーティクルの発生が有効に抑止され、原料
ガスのうち基板上の成膜に寄与するものの比率が向上し
たことを明らかに示すものである。

【００７２】また、変形例として、パージガス供給管周
囲にシリコンゴムヒータを巻き付けてパージガスを余熱
したところ、パージガス供給量をさらに減らしながらも
反応室各部へのパーティクルの付着や回転電極への薄膜
形成を防止できることが判明した。

【００７３】

【発明の効果】以上のように本発明は、薄膜形成用回転
電極の外周面上に、薄膜形成反応に関与しないパージガ
スからなるガス層を形成するようにしたものであるの
で、当該回転電極近傍でのパーティクル発生等による基
板表面の汚染を有効に抑止し、また回転電極への成膜を
抑制することにより、高品質膜を高速で形成することが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる薄膜形成装置の断
面正面図である。

【図２】前記薄膜形成装置の断面側面図である。

【図３】前記薄膜形成装置のガス給排設備を示す配管図
である。

【図４】（ａ）は前記薄膜形成装置に用いられる回転電
極であってガス噴出孔が設けられた回転電極の斜視図、
（ｂ）はその断面正面図である。

【図５】前記各ガス噴出孔の配設位置を示す電極本体の
展開図である。

【図６】前記回転電極の内部へのガス供給構造を示す断
面側面図である。

【図７】（ａ）は前記薄膜形成装置に用いられる回転電
極の例であって周方向の一部にガス噴出用の多孔質体が
設けられた回転電極の斜視図、（ｂ）はその断面正面図
である。

【図８】（ａ）は前記薄膜形成装置に用いられる回転電
極の例であって周方向の全部にガス噴出用の多孔質体が
設けられた回転電極の斜視図、（ｂ）はその断面正面図
である。

【図９】本発明の別の実施の形態を示す断面正面図であ
る。

【図１０】従来の薄膜形成装置を示す概略構成図であ
る。

【図１１】図１０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１２】（ａ）は従来の薄膜形成装置におけるダクト
の配置を示す断面正面図、（ｂ）は同ダクトの斜視図で
ある。

【図１３】図１２に示す薄膜形成装置におけるガスの流
れを示す断面図である。

【図１４】（ａ）（ｂ）は従来の薄膜形成装置における
プラズマ発生領域での発光強度分布を示す図である。

【図１５】本発明によるパーティクル発生抑止メカニズ
ムを示す説明図である。

【符号の説明】

１０チャンバ１２基板搬送台１４基板１６回転軸１６ａ貫通孔１６ｂガス導出孔１８電極本体１８ａガス攪拌室１８ｂガス噴出孔１８ｃ多孔質体１８ｒ電極本体周壁３０，３２パージガス供給管８６ヘリウムガス容器（パージガス供給手段）ＲＥ回転電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡田和人神戸市西区高塚台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)発明者林和志神戸市西区高塚台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)発明者小林明神戸市西区高塚台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 (72)発明者師岡久雄東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者山田寛東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者森勇藏大阪府交野市私市８丁目16番19号Ｆターム(参考） 4K030 BA30 5F045 AA08 AB04 AC01 AC11 AC15 AC16 AC17 AD06 AE29 AF07 BB09 BB15 EB02 EB03 EE12 EE14 EE17 EF03 EF15 EH05 EH08 EH15 EH20 EM10 GB12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の外周面をもつ回転電極と、この
回転電極を回転駆動する駆動手段と、この回転電極と対
向する位置に基板を保持しながら当該基板を回転電極に
対してその回転中心軸と略直交する方向に相対移動させ
る送り手段とを備え、前記回転電極を回転させながら当
該回転電極と基板との間にプラズマを発生させることに
より、このプラズマに供給された反応ガスに化学反応を
起こさせて前記基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置に
おいて、前記回転電極の外周面上であって少なくとも前
記基板上の薄膜形成領域に対応する領域に前記反応ガス
と異なるパージガスからなるガス層を形成するパージガ
ス層形成手段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、
前記回転電極の外周面上において少なくとも基板上の薄
膜形成領域に対応する領域にガス噴出部を設け、このガ
ス噴出部と異なる位置に当該ガス噴出部と連通するガス
供給部を設けるとともに、このガス供給部に前記パージ
ガスを供給して当該パージガスを回転電極のガス噴出部
から電極周面上に噴出させるパージガス供給手段を備え
たことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項３】請求項２記載の薄膜形成装置において、
前記反応ガスはシランガスを含むものであり、前記パー
ジガスは、不活性ガス、水素ガス、窒素ガス、酸素ガ
ス、これらの混合ガスのうちのいずれかであることを特
徴とする薄膜形成装置。
【請求項４】請求項２または３記載の薄膜形成装置に
おいて、前記回転電極の電極本体を中空の略円柱状と
し、この電極本体の周壁にその内外を連通するガス噴出
部を設け、当該電極本体の内側の空間を前記ガス噴出部
と通ずるガス供給路としたことを特徴とする薄膜形成装
置。
【請求項５】請求項４記載の薄膜形成装置において、
前記ガス噴出部として、前記電極本体周面上の軸方向に
並ぶ複数の位置に当該電極本体を貫通するガス噴出孔を
設け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、
前記ガス噴出孔を前記電極本体周面上の周方向に並ぶ複
数の位置に設けるとともに、各ガス噴出孔の軸方向位置
を相互にずらしたことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項７】請求項４記載の薄膜形成装置において、
前記ガス噴出部として、前記電極本体の周壁の少なくと
も一部を当該電極本体の軸方向に延びる多孔質体で構成
したことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項８】請求項１〜７記載の薄膜形成装置におい
て、前記ガス供給部を電極回転中心軸上に設けたことを
特徴とする薄膜形成装置。
【請求項９】請求項４〜７のいずれかに記載の薄膜形
成装置において、前記電極本体の中心部に筒状の回転軸
を貫通させ、この回転中心軸の軸端開口をガス供給部と
し、かつ、この回転中心軸の周壁にその内外を連通する
ガス導出部を設け、この回転中心軸と前記電極本体との
間の空間をガス攪拌室とし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、前記回転電極のガス供給部である回転中心軸の軸端
開口に挿入されるパージガス供給管を備え、このパージ
ガス供給管を通じて前記回転中心軸内にパージガスを供
給するようにパージガス供給手段を構成したことを特徴
とする薄膜形成装置。
【請求項１１】請求項１記載の薄膜形成装置におい
て、前記回転電極と基板との隙間もしくはその近傍位置
に対して当該回転電極の回転方向上流側からパージガス
を供給するパージガス供給手段を備え、その供給された
パージガスが前記隙間に巻き込まれてガス層を形成する
ように構成したことを特徴とする薄膜形成装置。