JP2002363757A - 傾斜機能薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 薄膜の厚み方向に濃度勾配が形成された傾斜
機能薄膜を簡便な方法により得ることができる。 【解決手段】 円筒型回転電極プラズマＣＶＤ装置１０
に、解離エネルギーが異なる２種類以上の原料ガスを導
入する。プラズマＣＶＤ装置１０内に形成されるプラズ
マ空間２２において、原料ガスの解離エネルギーの差に
よって、プラズマ空間２２の上流部２２ａにおいては、
解離エネルギーが小さい原料ガスをソースとする元素が
多く含まれる膜が形成され、プラズマ空間２２の下流部
２２ｂにおいては、解離エネルギーが大きい元素ガスを
ソースとする元素が多く含まれる膜が形成される。そし
て、基板１５を、プラズマ空間２２の上流側から下流側
に沿った方向、または、下流側から上流側に沿った方向
に走査することにより、薄膜の厚み方向に濃度勾配を形
成した傾斜機能薄膜を簡便に形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、プラズマＣＶＤ
法を用いて基板の表面に傾斜機能を有する化合物薄膜を
形成する傾斜機能薄膜の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、基板の表面に薄膜を形成するプ
ラズマＣＶＤ法に用いられる一般的なプラズマＣＶＤ装
置の概略を示す断面図である。

【０００３】このプラズマＣＶＤ装置は、薄膜の原料と
なる原料ガスが充填されて薄膜形成の反応場となる内部
空間が設けられた反応容器１を有している。この反応容
器１の内部には、一対の平行平板型電極２及び３が相互
に平行な状態で対向するように上下にそれぞれ設けられ
ている。

【０００４】反応容器１の上側に配置された第１平行平
板型電極２は、反応容器１の外部に設けられた高周波電
源６に接続されており、反応容器１内の下側に配置され
た第２平行平板型電極３は、接地されている。また、反
応容器１の下側に配置された第２平行平板型電極３は、
薄膜を形成する基板５を載置する載置板として用いら
れ、その内部には、載置された基板５を加熱するための
加熱ヒーター４が設けられている。

【０００５】反応容器１の一方の側部には、薄膜の原料
となる原料ガスを導入するためのガス導入ライン７が設
けられており、ガス導入ライン７は、図１において図示
しない原料ガスボンベ等に接続されている。また、反応
容器１の他方の側部には、反応容器１内に存在するガス
を排出するガス排気ライン８が設けられており、ガス排
気ライン８は、図１において図示しないガスを吸引する
ためのポンプに接続されている。

【０００６】このプラズマＣＶＤ装置を用いて基板５の
表面に薄膜を形成する場合には、反応容器１の第２平行
平板型電極３上に、薄膜が形成される基板５を載置した
後、ガス導入ライン７及びガス排出ライン８によって、
原料ガスの導入及び排出を調整して、反応容器１内に所
定量の原料ガスが充填された状態に維持する。そして、
所定量の原料ガスが充填された反応容器１内に、高周波
電源６から第１平行平板型電極２に高周波電圧を印加し
て、第１平行平板型電極２と第２平行平板型電極３との
間に電場を形成する。第１平行平板型電極２及び第２平
行平板型電極３の間の電場に供給された原料ガスは、こ
の電場において分解及び励起が促進されてプラズマ状態
となり、図１に点線で示すプラズマ空間９が形成され
る。そして、プラズマ空間９にて形成されたプラズマに
より基板５の表面上に所望の薄膜が形成される。

【０００７】しかし、このように、一対の平行平板型電
極２及び３を有するプラズマＣＶＤ装置を用いた薄膜形
成方法では、均質な薄膜を基板５上に形成するために、
プラズマ空間９に対して原料ガスを均一に供給すること
が必須条件となるが、薄膜を形成する基板５が大面積に
なった場合にこの条件を満たすことは容易ではない。反
応容器１内の原料ガスの圧力が高くなると、プラズマ空
間９内に供給される原料ガスの不均一の度合いはさらに
顕著になるため、大面積の基板５に対して薄膜形成を行
う場合には、一般的に、反応容器１内が減圧される。し
かし、このように反応容器１内を減圧して薄膜形成をお
こなうと、成膜速度が遅くなるという問題が生じる。

【０００８】また、このような平行平板型電極２及び３
を有するプラズマＣＶＤ装置を用いて、厚み方向に元素
組成の濃度勾配が形成された傾斜機能薄膜を形成する方
法が提案されている。

【０００９】例えば、特開２０００−１９２２４６号公
報には、プラズマ空間中に２種以上の異なる反応ガス
を、混合比率を連続的に変化させながら供給することに
より、傾斜機能薄膜を形成する方法が開示されている。
特開平７−１６９６９７号公報には、キャリアガスの流
量を変化させることによって、また、特開２０００−１
４４４３４号公報には、薄膜形成処理中における高周波
電力源から印加される印加電圧又は周波数を連続的に変
化させることによって、さらに、特開２０００−２０４
４７５号公報には、基板の温度を連続的に変化させるこ
とによって、それぞれ、厚み方向に濃度勾配が形成され
た傾斜機能薄膜を形成する方法が記載されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの方法
のように、薄膜を形成するための成膜パラメータを制御
する方法では、これらの成膜パラメータを正確に制御す
ることが容易ではなく、また、薄膜形成中において、成
膜パラメータの変化に追従する薄膜の膜質変化に時間遅
れが生じ、形成される薄膜の膜質にばらつきが生じると
いう問題がある。

【００１１】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、薄膜の厚み方向に濃度勾配が形成され
た傾斜機能薄膜を簡便な方法により得ることができる傾
斜機能薄膜形成方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の傾斜機能薄膜の形成方法は、薄膜が形成さ
れる基板に対向して、高周波電力が印加された状態で回
転する円筒型回転電極が配置された反応容器内に、解離
エネルギーが異なる２種類以上の原料ガスを導入して、
高周波電力が印加された円筒型回転電極を回転させつ
つ、基板を所定方向に走査して、該円筒型回転電極と基
板との間にプラズマを形成することを特徴とするもので
ある。

【００１３】上記本発明の傾斜機能薄膜の形成方法にお
いて、前記基板が、前記円筒型回転電極と基板との間の
プラズマが形成されるプラズマ空間において、該円筒型
回転電極の回転方向に沿って走査されることが好まし
い。

【００１４】上記本発明の傾斜機能薄膜の形成方法にお
いて、前記基板が、前記円筒型回転電極と基板との間の
プラズマが形成されるプラズマ空間において、該円筒型
回転電極の回転方向と反対方向に走査されることが好ま
しい。

【００１５】上記本発明の傾斜機能薄膜の形成方法にお
いて、前記基板に薄膜を形成する際の成膜条件が、成膜
開始から終了まで一定であることが好ましい。

【００１６】上記本発明の傾斜機能薄膜の形成方法にお
いて、前記成膜条件は、前記反応容器内の原料ガスのガ
ス濃度、プラズマを発生させるために前記円筒型回転電
極に印加される電力、前記円筒型回転電極と基板とのギ
ャップ、前記円筒型回転電極の回転数、前記基板の温
度、及び、前記基板の走査速度であることが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の傾斜機能薄膜の形
成方法について、図面を用いて、具体的に説明する。

【００１８】本発明の傾斜機能薄膜の形成方法では、円
筒型回転電極を有するプラズマＣＶＤ装置を用いる。円
筒型回転電極を有するプラズマＣＶＤ装置は、図１に示
すような一対の平行平板型電極２及び３を有するプラズ
マＣＶＤ装置が有する課題を解消するプラズマＣＶＤ装
置として、例えば、特開平９−１０４９８５号公報に開
示されている。

【００１９】図２（ａ）は、この円筒型回転電極を用い
たプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示している。

【００２０】このプラズマＣＶＤ装置は、反応容器１０
の下側に水平状態に設けられた基板ステージ１３を有し
ており、この基板ステージ１３上に基板１５が載置され
る。基板ステージ１３の上側には、回転軸１２が基板ス
テージ１３に対して平行になるように円筒型回転電極１
１が設けられている。

【００２１】円筒型回転電極１１の回転軸１２には、反
応容器１０の外部に設けられた高周波電源１６が、回転
軸１２の回転を阻害することなく、接続されている。基
板ステージ１３は、反応容器１０の外部において接地さ
れている。また、基板ステージ１３の内部には、基板ス
テージ１３上に載置された基板１５を加熱するための加
熱ヒーター１４が設けられている。

【００２２】基板ステージ１３は、水平方向にスライド
可能に構成されていると共に、上下方向にも移動可能に
構成されており、上下方向に移動することにより、上方
の円筒型回転電極１１との距離を適宜変更できるように
なっている。また、基板ステージ１３には、基板１５を
吸着固定するための真空チャックが設けられており、薄
膜形成処理中の基板１５が、円筒型回転電極１１または
基板ステージ１３の移動によって、載置位置からずれな
いようになっている。

【００２３】反応容器１０の一方の側部には、薄膜形成
の原料となる原料ガスを導入するためのガス導入ライン
１７が設けられており、ガス導入ライン１７が、図２に
おいて図示しない原料ガスボンベ等に接続されている。
反応容器１０の他方の側部には、反応容器１０内のガス
を排出するガス排気ライン１８が設けられており、ガス
排気ライン１８が、図２において図示しないガスを吸引
するためのポンプに接続されている。さらに、反応容器
１０には、反応容器１０内に発生する粉体を除去するた
めの循環ライン１９が設けられている。この循環ライン
１９は、ガス排気ライン１８の途中から分岐して、反応
容器１０内と連通しており、循環ライン１９には、粉体
除去フィルタ２０及び循環ポンプ２１が、ガス排気ライ
ン１８側からこの順に設けられている。

【００２４】この循環ライン１９では、循環ポンプ２１
を駆動させて反応容器１０のガスを吸引して、反応容器
１０内におけるプラズマ空間内に発生するパーティクル
を反応ガスとともに循環させて、粉体除去フィルタ２０
にて捕獲するようになっており、これにより、基板１５
に形成される薄膜中にパーティクルが取り込まれること
を防止している。

【００２５】このような構成の円筒型回転電極を用いた
プラズマＣＶＤ装置によって基板１５上に薄膜を形成す
る場合、まず、ガス排気ライン１８によって反応容器１
０内を十分に排気した後、ガス導入ライン１７から所望
の原料ガスを導入し、同時に、循環ライン１９の循環ポ
ンプ２１を始動する。そして、円筒型回転電極１１の回
転速度、円筒型回転電極１１と基板ステージ１３上に載
置された基板１５との間のギャップ、基板ステージ１３
の水平方向のスライド速度及びスライド方向、基板ステ
ージ１３に内蔵された加熱ヒーター１４の設定温度等の
各種の成膜条件を設定した後、高周波電源１６から高周
波電力を円筒型回転電極１１に印加する。この高周波電
力が円筒型回転電極１１に印加されると、円筒型回転電
極１１と基板ステージ１３とのギャップにプラズマが発
生し、図２（ａ）の点線で示されるようなプラズマ空間
２２が形成される。このような状態で、図２（ｂ）に示
すように、円筒型回転電極１１を所定方向に回転させる
と共に、基板ステージ１３を円筒型回転電極１１の下部
表面方向に沿ってスライドさせる。これにより、基板ス
テージ１３上の基板１５に所望の薄膜が形成される。

【００２６】円筒型回転電極１１を有するプラズマＣＶ
Ｄ装置では、原料ガスが、その粘性によって、高速回転
する円筒型回転電極１１に追従してプラズマ空間２２に
導かれるため、プラズマ空間２２に対して原料ガスを均
一に供給することができる。その結果、大気圧下で薄膜
形成を行う場合であっても、薄膜形成を高速化すること
ができると共に、形成される薄膜の品質を向上させるこ
とができる。さらに、円筒型回転電極１１を有するプラ
ズマＣＶＤ装置では、円筒型回転電極１１と基板ステー
ジ１３上の基板１５とのギャップを小さくすることがで
きるため、原料ガスの利用効率を高めることができるこ
と、また、円筒型回転電極１１の高速回転に基づく自己
冷却作用により、円筒型回転電極１１の表面を十分に冷
却することができるために、円筒型回転電極１１に大き
な電力を与えることができ、薄膜の成膜速度及び薄膜の
均質性を大幅に向上させることができること等、多くの
利点を有している。

【００２７】図３は、円筒型回転電極を有するプラズマ
ＣＶＤ装置において、厚み方向に濃度傾斜を有する薄膜
を形成するメカニズムを説明する概略図である。

【００２８】本発明では、円筒型回転電極１１を有する
プラズマＣＶＤ装置の反応容器１０に、解離エネルギー
が互いに異なる２種類以上のガスが原料ガスとして供給
される。円筒型回転電極１１が図３の矢印Ｃに示す方向
に回転されると、その回転に追従して、反応容器１０中
の原料ガスが、円筒型回転電極１１と基板ステージ１３
上の基板１５とのギャップに形成されたプラズマ空間２
２に導入される。この際、原料ガスの解離エネルギーの
差によって、図３に示すプラズマ空間２２の上流部２２
ａにおいては、解離エネルギーが小さいガスが主として
分解されることになるが、解離エネルギーが大きいガス
は、分解量が少なく、薄膜の形成に寄与できる活性種の
生成量が少なくなる。したがって、プラズマ空間２２の
上流部２２ａに対向する位置の基板１５上には、解離エ
ネルギーが小さいガスをソースとする元素が多く含まれ
る膜が形成される。

【００２９】一方、プラズマ空間２２の下流部２２ｂに
おいては、解離エネルギーが小さいガスは、プラズマ空
間２２の上流部２２ａにおいて分解がすでに終了してい
るために薄膜形成に寄与される活性種は減少し、解離エ
ネルギーが大きいガスは、薄膜形成に寄与されるために
十分な活性種が生成される。したがって、プラズマ空間
２２の下流部２２ｂに対向する位置の基板１５上には、
解離エネルギーが大きいガスをソースとする元素が多く
含まれる膜が形成される。さらに、解離エネルギーが大
きいガスの分解も終了していれば、プラズマ空間２２の
下流部２２ｂにおいては、膜がほとんど形成されないこ
とになる。

【００３０】また、プラズマ空間２２の上流部２２ａと
下流部２２ｂとの間では、上流部２２ａから下流部２２
ｂに向けて原料ガスの分解状態が連続的に変化するた
め、この領域では、解離エネルギーが小さい原料ガスを
ソースとする元素と解離エネルギーが大きい原料ガスを
ソースとする元素との組成比が、上流部２２ａから下流
部２２ｂに向けて、連続的に解離エネルギーが大きい元
素の割合が多くなっていく濃度勾配が形成される。

【００３１】図４は、このようなプラズマ空間２２が形
成された状態で、基板１５を図３のＡで示すようにプラ
ズマ空間２２の上流部２２ａから下流部２２ｂの方向に
走査した場合と、図３のＢで示すようにプラズマ空間２
２の下流部２２ｂから上流部２２ａの方向に走査した場
合に基板１５上に形成される薄膜の元素組成をそれぞれ
示している。

【００３２】基板１５を図３のＡで示す方向に走査する
と、まず、プラズマ空間２２の上流部２２ａに存在する
活性種により薄膜が形成され、基板１５が走査されるに
したがって、プラズマ空間２２の下流部２２ｂ側に存在
する活性種により薄膜が形成される。そのため、図４に
示すように、基板１５の下部側には、プラズマ空間２２
の上流部２２ａに多く存在する解離エネルギーが小さい
ガスをソースとする元素を多く含む膜となり、基板１５
の上部側になるにしたがって解離エネルギーが大きいガ
スをソースとする元素を多く含む膜が形成され、結果と
して、薄膜の厚み方向に元素組成が連続的に変化する傾
斜薄膜が形成される。

【００３３】また、基板１５を図３のＢに示す方向に走
査すると、まず、プラズマ空間２２の下流部２２ｂに存
在する活性種により薄膜が形成され、基板１５が走査さ
れるにしたがって、プラズマ空間２２の上流部２２ｂに
存在する活性種により薄膜が形成される。その結果、基
板１５の下部側には、プラズマ空間２２の下流部２２ｂ
に多く存在する解離エネルギーが大きいガスをソースと
する元素を多く含む膜となり、基板１５の上部側になる
にしたがって解離エネルギーが小さいガスをソースとす
る元素を多く含む膜が形成され、結果として、薄膜の厚
み方向に元素組成が連続的に変化する傾斜薄膜が形成さ
れる。

【００３４】このように、本発明の傾斜機能薄膜の形成
方法では、反応容器１０中に供給される原料ガスの濃度
を変化させる、キャリアガスの流速を変化させる、印加
電圧を変化させる、高周波電力の周波数を変化させる、
基板温度を変化させる等の成膜パラメータを制御する必
要がなく、成膜条件を一定として傾斜機能薄膜を形成す
ることができる。

【００３５】（実施例）本発明に関する円筒型回転電極
を有する大気圧プラズマＣＶＤ装置を用いた実施例につ
いて説明する。

【００３６】この実施例では、原料ガスとして、ＳｉＨ
₄ガス、Ｎ₂ガス、Ｈ₂ガス、キャリアガスとしてＨｅガ
スを用い、圧力条件を大気圧として、ＳｉＮ_xを成膜し
た場合について説明する。原料ガスであるＳｉＨ₄及び
Ｎ₂ガスの解離エネルギー、成膜条件はそれぞれ下表の
とおりである。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】 上記のガスおよび成膜条件により、基板であるシリコン
ウエハー上に成膜を行った。得られた薄膜について、オ
ージェ電子分光法により膜厚方向の組成分析を行った。
図５は、その組成分析を行った結果を示しており、図５
（ａ）は、基板を図３Ａに示す方向に走査して成膜を行
った試料Ａについての分析結果、図５（ｂ）は、基板を
図３Ｂに示す方向に走査して成膜を行った試料Ｂについ
ての分析結果をそれぞれ示している。

【００３９】図５（ａ）及び（ｂ）を参照すると、試料
Ａ及びＢのそれぞれについて、薄膜の表面側からシリコ
ン基板の界面側に向けて、元素組成の濃度勾配が形成さ
れていることを確認することができる。また、基板の走
査方向を逆方向にすることにより、濃度勾配が逆転した
傾斜薄膜を形成することが明らかとなった。

【００４０】以上説明したように、円筒型回転電極を有
するプラズマＣＶＤ装置を用い、解離エネルギーがそれ
ぞれ異なる２種類以上の原料ガスをこのプラズマＣＶＤ
装置に導入することにより、薄膜の厚み方向に元素組成
の濃度勾配が形成された傾斜機能薄膜を形成することが
できる。この方法は、膜形成のための成膜パラメータを
一定とする簡便な方法により、容易に傾斜機能を薄膜を
形成することができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明の傾斜機能薄膜の形成方法は、円
筒型回転電極を有するプラズマＣＶＤ装置を用い、該円
筒型回転電極プラズマＣＶＤ装置に、解離エネルギーが
異なる２種類以上の原料ガスを導入するため、プラズマ
ＣＶＤ装置内に形成されるプラズマ空間において、原料
ガスの解離エネルギーの差によって、そのプラズマ空間
の上流側においては、解離エネルギーが小さい原料ガス
をソースとする元素が多く含まれる膜が形成され、プラ
ズマ空間の下流側においては、解離エネルギーが大きい
元素ガスをソースとする元素が多く含まれる膜が形成さ
れることとなる。このようなプラズマ空間に対して基板
を、プラズマ空間の上流側から下流側に沿った方向、ま
たは、下流側から上流側に沿った方向に走査することに
より、薄膜の厚み方向に濃度勾配を形成した傾斜機能薄
膜を簡便に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】平行平板型電極を有するプラズマＣＶＤ装置を
示す概略図である。

【図２】円筒型回転電極を用いたプラズマＣＶＤ装置の
概略構成を示しており、（ａ）は、全体の構成を示す概
略図、（ｂ）は、要部を説明する斜視図を、それぞれ示
している。

【図３】円筒型回転電極を有するプラズマＣＶＤ装置に
おいて、薄膜の厚み方向に濃度傾斜を有する薄膜を形成
するメカニズムを説明する概略図である。

【図４】本発明の傾斜機能薄膜の形成方法において、基
板を走査する方向と形成される薄膜の厚み方向の濃度勾
配との関係を説明する図である。

【図５】本発明の傾斜機能薄膜の形成方法を実施する実
施例について、形成された膜のオージェ電子分光法によ
る組成分析結果を示すグラフであり、（ａ）は、基板の
走査方向が図３に示す矢印Ａの場合、（ｂ）は、基板の
走査方向が図３に示す矢印Ｂの場合をそれぞれ示してい
る。

【符号の説明】

１ 反応容器 ２ 第１平行平板型電極 ３ 第２平行平板型電極 ４ 加熱ヒーター ５ 基板 ６ 高周波電源 ７ ガス供給ライン ８ ガス排気ライン ９ プラズマ空間 １０ 反応容器 １１ 円筒型回転電極 １２ 回転軸 １３ 基板ステージ １４ 加熱ヒーター １５ 基板 １６ 高周波電源 １７ ガス供給ライン １８ ガス排気ライン １９ 循環ライン ２０ 粉体除去フィルター ２１ 循環ポンプ ２２ プラズマ空間 ２２ａ 上流部 ２２ｂ 下流部

フロントページの続き (72)発明者 山本 達志 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 森 勇▲蔵▼ 大阪府交野市私市８丁目16番19号 Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA17 AA18 BA40 CA04 CA12 FA03 JA00 JA03 JA06 JA08 JA10 JA12 JA16 KA16 KA30 5F045 AA08 AB33 AC01 AC15 AD07 AF03 BB04 DC56 EB02 EH12 EH19 EM10 5F058 BA20 BC08 BF07 BF23 BF30 BF39 BG01 BG04 BJ01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜が形成される基板に対向して、高周
   波電力が印加された状態で回転する円筒型回転電極が配
   置された反応容器内に、解離エネルギーが異なる２種類
   以上の原料ガスを導入して、高周波電力が印加された円
   筒型回転電極を回転させつつ、基板を所定方向に走査し
   て、該円筒型回転電極と基板との間にプラズマを形成す
   ることを特徴とする傾斜機能薄膜の形成方法。
2. 【請求項２】 前記基板が、前記円筒型回転電極と基板
   との間のプラズマが形成されるプラズマ空間において、
   該円筒型回転電極の回転方向に沿って走査される、請求
   項１に記載の傾斜機能薄膜の形成方法。
3. 【請求項３】 前記基板が、前記円筒型回転電極と基板
   との間のプラズマが形成されるプラズマ空間において、
   該円筒型回転電極の回転方向と反対方向に走査される、
   請求項１に記載の傾斜機能薄膜の形成方法。
4. 【請求項４】 前記基板に薄膜を形成する際の成膜条件
   が、成膜開始から終了まで一定である、請求項１〜３の
   いずれかに記載の傾斜機能薄膜の形成方法。
5. 【請求項５】 前記成膜条件は、前記反応容器内の原料
   ガスのガス濃度、プラズマを発生させるために前記円筒
   型回転電極に印加される電力、前記円筒型回転電極と基
   板とのギャップ、前記円筒型回転電極の回転数、前記基
   板の温度、及び、前記基板の走査速度である、請求項４
   に記載の傾斜機能薄膜の形成方法。