JP2008189964A - Ｃｖｄ装置、ｃｖｄ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】品質のよい薄膜を形成可能なＣＶＤ装置と、ＣＶＤ方法を提供する。
【解決手段】本発明のＣＶＤ装置１は、高周波電源９から２１．１２ＭＨｚ以上の高周波電圧がカソード電極３に印加するようになっており、その周波数では従来に比べカソード電極３に近い位置でプラズマが発生するから、プラズマからサセプタ５や基板１１に流入する熱量が小さく、基板１１を過熱させずに済む。加熱冷却装置１６によって、基板１１を予め設定した下限温度以上上限温度以下に維持しながら薄膜が形成可能なので、膜質が安定する、
【選択図】図１

Description

本発明は薄膜形成の技術分野に係り、特に、プラズマを使用したＣＶＤ成膜技術に関する。

ＰＥＣＶＤ装置によって薄膜を形成する場合、成膜温度が高い方が膜質が良いことから、従来技術のＰＥＣＶＤ装置では、基板を配置するサセプタ内に電熱線を埋設し、電熱線への通電を制御してサセプターを加熱し、基板を加熱していた。

しかし、カソード電極に印加するプラズマ励起電圧の周波数は、１３．５６ＭＨｚであり、連続成膜を行うとプラズマによって基板が予想外の高温に過熱され、熱ダメージを受けてしまうという問題点があった。
また、ＣＶＤ装置を起動した直後には、ＣＶＤ装置が過冷却状態にあり、複数枚の基板を処理し、プラズマによってサセプタが昇温するまで、形成される薄膜の膜質が悪化するという問題がある。

更に、従来のＰＥＣＶＤ装置では、ヒータ加熱であったので、連続成膜時にプラズマによってサセプタが加熱され、上限温度を超えた場合には、ヒータをｏｆｆにするしかなかったが、有機ＥＬ基板への成膜の様に、低温での成膜が必要な場合、プラズマによる温度上昇だけで上限温度を超える場合があった。

特に、有機ＥＬ基板に成膜された有機物は１００℃以上で損傷するから、成膜温度は発光に大きな影響を与える。従って、有機ＥＬ基板などへの封止膜のＰＥＣＶＤ装置では、膜質を確保しつつ、有機物が損傷しないように、基板を下限温度以上、上限温度以下に制御する必要がある。
従来技術のＣＶＤ装置には、下記特許文献に示すものがある。
特開平１１−３１２６５３号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、その目的は、ＣＶＤ装置によって品質のよい薄膜を形成することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置されたサセプタと、前記サセプタ上に配置されたカソード電極と、前記サセプタに接続され、前記サセプタに熱媒体を供給する熱媒体循環系と、前記熱媒体循環系に設けられ、前記熱媒体の温度を制御する加熱冷却装置と、前記カソード電極に接続され、前記カソード電極に２７．１２ＭＨｚ以上の交流電圧(プラズマ励起電圧)を印加する高周波電源と、前記真空槽内を真空排気する真空排気系と、前記真空槽内にＣＶＤガスを供給するガス供給系とを有するＣＶＤ装置である。
また、本発明は、真空槽内に設けられたサセプタ上に基板を配置し、真空雰囲気に置かれた前記真空槽内にＣＶＤガスを導入しながら前記基板上に位置するカソード電極に交流電圧を印加し、前記基板上にプラズマを形成し、前記基板上に薄膜を成長させるＣＶＤ方法であって、前記薄膜が成長する際の前記基板の下限温度と上限温度を決定しておき、前記カソード電極に印加する前記交流電圧を２７．１２ＭＨｚ以上の周波数に設定し、前記サセプタ内部に一定温度の熱媒体を流しながら前記カソード電極に前記周波数の前記交流電圧を印加し、前記基板上にプラズマを形成したときに、前記サセプタ上の基板が前記下限温度以上、前記上限温度以下の温度に維持される前記熱媒体の設定温度を予め求めておき、前記設定温度に温度制御した前記熱媒体を前記サセプタに流しながら、前記薄膜を成長させるＣＶＤ方法である。
また、本発明は、前記基板上には有機ＥＬ素子の有機薄膜が形成され、前記ＣＶＤガスには、少なくともケイ素を含む原料ガスを含有させ、前記有機薄膜上にケイ素化合物の薄膜を形成するＣＶＤ方法であって、前記下限温度は６０℃、前記上限温度は１００℃、前記設定温度を６０℃以上８０℃未満とするＣＶＤ方法である。

本発明は、上記のように構成されており、ＰＥＣＶＤ装置によって薄膜を形成する際、温度上昇を抑えるために、ヒータによって加熱するのではなく、サセプタに熱媒体を循環させ、温度制御している。
熱媒体を循環させると、サセプタを加熱することも冷却することもできるので、過熱時には冷却し、低温時には加熱することができる。

基板の温度を測定して熱媒体の温度を変化させる方法もあるが、基板温度のセンシングが必要になり、また、制御が複雑になる。また、応答遅れによる温度が上限や下限を超える場合も発生する。
特に、１３．５６ＭＨｚの周波数では、基板の温度が上昇し、過熱状態になり易い。

下限温度６０℃未満の熱媒体を供給すれば、連続的に成膜する場合でも、８０℃以下にすることができるが、プラズマ発生前や、成膜開始時には、サセプタが過冷却状態にあり、基板が下限温度以下になって規定の膜質を維持できない。

本発明では、カソード電極に印加する高周波電圧の周波数を２７．１２ＭＨｚ以上にすることで、プラズマから基板へ流入する熱を減少させ、下限温度以上の熱媒体を供給しても、連続成膜時に上限温度を超えることを抑えるている。

本発明では、上限温度、下限温度は上記１００℃、６０℃に限定されず、成膜される対象の上限／下限温度により決められ、それに好適な周波数と熱媒体の温度が選択される。

上限温度が低い場合は、プラズマからの熱の流入量を減少させるために、上限温度が高い場合の周波数よりも、周波数を高周波に設定する。
熱媒体の温度は、下限温度以上とすることで、成膜開始時等に基板を下限温度以上に維持することができる。

下限温度と上限温度の間の温度で成膜できるので、膜質が安定する。

図１の符号１は、本発明の一例のＣＶＤ装置を示している。
このＣＶＤ装置１は、真空槽２を有しており、真空槽２の内部の底面側には、サセプタ５が配置されている。
真空槽２の内部の天井側には、サセプタ５と対向する位置にカソード電極３が配置されている。
真空槽２の外部には、熱媒体循環系６と、真空排気系７と、ガス導入系８と、高周波電源９が配置されている。
熱媒体循環系６内には熱媒体が配置されている。

熱媒体循環系６には、熱媒体を移動させるポンプと、熱媒体を加熱する加熱装置と、冷却する冷却装置と、熱媒体の温度を測定する温度センサと、熱媒体の設定温度を記憶する記憶装置とを有する加熱冷却装置１６が設けられている。

加熱冷却装置１６は、熱媒体の温度を測定し、熱媒体を記憶された設定温度まで加熱又は冷却し、サセプタ５に供給するように構成されている。供給された熱媒体はサセプタ５の内部を流れ、サセプタ５を加熱又は冷却して加熱冷却装置１６に戻る。このとき、熱媒体の温度は、設定温度よりも高温又は低温になっており、加熱冷却装置１６は熱媒体を設定温度まで加熱又は冷却し、サセプタ５に供給する。かくて冷却媒体はサセプタと加熱冷却装置１６の間を循環し、サセプタ５は、供給された設定温度の熱媒体によって加熱又は冷却される。

真空槽２は真空排気系７に接続されており、このＣＶＤ装置１によって成膜処理を開始する前に、予め真空槽２の内部を真空排気すると共に、熱媒体を加熱して室温から設定温度まで昇温させておき、設定温度の熱媒体をサセプタ５に供給する。サセプタ５は使用開始時には室温であり、設定温度の熱媒体が供給されると、サセプタ５は昇温される。

一定時間、設定温度の熱媒体を循環させた後、真空槽２内の真空雰囲気を維持しながら真空槽２内に成膜対象の基板１１を搬入し、サセプタ５上に配置する。
カソード電極３のサセプタ５に対面する面には多数のノズル(孔)が形成されている。

カソード電極３はガス導入系８に接続されており、ガス導入系８からカソード電極３にＣＶＤガスを導入すると、カソード電極３のノズルから真空雰囲気の真空槽２内にＣＶＤガスが噴出される。
カソード電極３は高周波電源９に接続されており、サセプタ５と真空槽２を接地電位に接続されている。

ガス導入系８から真空槽２内にＣＶＤガスを供給し、加熱冷却装置１６から一定温度の熱媒体をサセプタ５に供給しながら高周波電源９を起動し、カソード電極３に高周波電圧を印加すると、導入されたＣＶＤガスのプラズマが形成される。
プラズマ中で活性化されたＣＶＤガスがサセプタ５上の基板１１の表面に到達すると、基板１１の表面に薄膜が成長する。

薄膜成長中は、加熱冷却装置１６から一定温度の熱媒体がサセプタ５に供給されており、サセプタ５は、熱媒体によって加熱又は冷却され、一定温度に維持された状態で薄膜が形成される。
一般に、薄膜を形成する際の成長温度の下限温度は、薄膜の膜質から決まっており、上限温度は基板１１上に既に形成されている薄膜のダメージの許容範囲で決まっている。

下限温度や上限温度は形成する薄膜の材質や、既に形成されている薄膜の材質等によって異なるが、有機ＥＬ素子の封止膜等に用いられるＳｉＮ膜やＳｉＯＮ膜を形成する場合は、膜質を確保するために下限温度が６０℃であり、有機ＥＬ層を劣化させないために上限温度が１００℃である。

カソード電極３に印加される交流電圧が、１３．５６ＭＨｚ程度の比較的低周波である場合は、真空槽２内に形成されたプラズマが基板１１付近まで広がるため、サセプタ５及びサセプタ５上の基板１１はプラズマから流入する熱によって過熱され、６０℃〜１００℃の温度範囲を維持できない。

下限温度よりも低温の熱媒体を循環させ、サセプタ５を冷却すればサセプタ５及び基板１１の温度を低下させることはできるが、過冷却になると膜質が悪化する。
また、サセプタ５を下限温度よりも低温の熱媒体で冷却する場合、ＣＶＤ装置１が起動した後、プラズマから流入する熱によってサセプタ５が昇温するまでの間は、サセプタ５は下限温度よりも低温である。従って、複数枚の基板１１を順次処理する場合、サセプタ５が昇温するまでに薄膜が形成された基板１１は、膜質不良によって不良品となってしまう。

本発明のＣＶＤ装置１は、高周波電源９から２７．１２ＭＨｚ以上の周波数の高周波電圧が出力されており、その周波数の電圧がカソード電極３に印加されると、１３．５６ＭＨｚ程度の低周波電圧が印加されるときに比べ、カソード電極３側に近い位置でプラズマが発生する。

カソード電極３に近い位置でプラズマを維持させた場合、プラズマからサセプタ５や基板１１に流入する熱量が小さくなるので、室温の熱媒体を循環させなくても、基板１１を過熱させずに済む。

サセプタ５は真空槽２に連結されており、サセプタ５に供給された熱は真空槽２側に放熱される。従って、基板１１を交換するとき等のプラズマが消滅している期間はサセプタ５の温度は低下し、室温になる。

プラズマからの熱の流入量が少ないので、逆に、下限温度よりも低温の熱媒体を循環させた場合には過冷却になってしまう。従って、プラズマとは別に、基板１１に熱を流入させ、昇温させる必要がある。

本発明のＣＶＤ方法で形成される薄膜の膜質と成膜温度の相関関係と、成膜対象物(基板１１)が受けるダメージと成膜温度の相関関係とは予め求められており、ＣＶＤプロセス中の基板１１の下限温度と上限温度が分かっている(プロセス中の基板１１の下限温度は６０℃、上限温度は１００℃)。

更に、カソード電極３に２７．１２ＭＨｚ以上の高周波電圧を印加してプラズマを形成した場合の、サセプタ５に供給する熱媒体の温度と基板１１温度の関係が予め測定されており、ＣＶＤプロセス中に基板１１温度を、下限温度以上、上限温度以下に維持するために、サセプタ５に供給する熱媒体の温度が求められている。

その温度は下限温度(ここでは６０℃)であり、下限温度が記憶され、下限温度以上の温度に温度制御された熱媒体がサセプタ５に供給されるように設定されている。サセプタ５から還流された熱媒体は、加熱又は冷却され、６０℃の設定温度の熱媒体がサセプタ５に供給される。
ここではＣＶＤガスとして、シランガスとアンモニアガスと窒素ガスの混合ガスが供給されており、基板１１は、下限温度以上上限温度以下の温度に維持された状態でＳｉＮ膜が形成される。

ＣＶＤ装置１の起動直後は、サセプタ５は室温であり、サセプタ５から加熱冷却装置１６に還流された熱媒体の温度は設定温度よりも低い。従って、起動直後は、加熱冷却装置１６は還流された熱媒体を加熱して設定温度に昇温させ、サセプタ５に供給することになる。この場合、サセプタ５及び基板１１は熱媒体によって加熱、昇温され、基板１１は下限温度以上上限温度以下の範囲に維持される。

複数枚の基板１１に連続して薄膜を形成すると、プラズマから流入する熱によってサセプタ５が昇温する。この場合、サセプタ５から加熱冷却装置１６に還流される熱媒体は下限温度(６０℃)よりも高温になっているため、加熱冷却装置１６は熱媒体を冷却し、設定温度の熱媒体をサセプタ５に供給する。これにより、基板１１を下限温度以上上限温度以下の範囲に維持しながら薄膜を形成することができる。

このように、加熱冷却装置１６は、還流された熱媒体の温度が設定温度よりも低温の場合には熱媒体を加熱し、設定温度よりも高温の場合は熱媒体を冷却し、いずれの場合も設定温度の熱媒体をサセプタに供給しており、その結果、基板１１は下限温度以上、上限温度以下の温度範囲が維持される。
薄膜が所定膜厚に形成されたら、基板１１を真空槽２の外部に搬出し、未成膜の基板１１を真空槽２内に搬入し、上記と同様に、設定温度の熱媒体を供給しながら薄膜を形成する。

熱媒体の有無と基板温度の関係を図２に示し、周波数と基板温度の関係を図３に示す。ＣＶＤガスに替え、真空槽２内にＮ₂ガスを導入し、Ｎ₂プラズマを発生させ、１０分間プラズマを維持した後、プラズマを消滅させ、５分間排気状態を維持し、これを１サイクルとし、その繰り返し実験を１０サイクル行い、各サイクル毎に、プラズマ消滅後１分経過したときの基板１１の温度を熱電対により測定した。

プラズマ励起電圧の周波数を２７．１２ＭＨｚとし、熱媒体に水を用い、６０℃に温度制御した温水をサセプタ５に供給した場合の測定結果を、図２のグラフ中の実施例１の折れ線Ｌ₁に示す。
それに対し、同じ周波数で熱媒体を供給しなかった場合の測定結果を、同図中に比較例１の折れ線Ｌ₂として示す。

また、プラズマ励起電圧の周波数を１３．５６ＭＨｚとし、熱媒体を供給しなかった場合の測定結果を図３のグラフの比較例２の折れ線Ｌ₃に示す。同図には、周波数２７．１２ＭＨｚの実施例１の折れ線Ｌ₁も併せて記載してある。

本発明の実施例１の折れ線Ｌ₁と、比較例１、２の折れ線Ｌ₂、Ｌ₃を比較すると分かるように、実施例１の場合はサイクル数が増しても基板１１温度の上昇は少なく、安定しているのに対し、比較例では徐々に温度が上がっているから、サイクル数が増加すると上限温度を超えるおそれがある。

上記有機ＥＬ素子の封止膜の上限温度は１００℃であるが、制御上の上限温度は８０℃としている。プラズマ励起電圧の周波数が１３．５６ＭＨｚの場合には１００Ｗで８０℃に達しているのに対し、２７．１２ＭＨｚの場合は、３００Ｗを投入しないと８０℃には達しなかった。

従って、基板１１を同じ温度にする場合は、周波数が高い方が投入電力を大きくすることができる。
形成する薄膜がＳｉＮｘ膜等の絶縁膜の場合、絶縁性を確保できる範囲で大きな電力を投入する方が成膜速度が向上するため、上記結果からは、周波数が大きい方が生産量を高くできることになる。

次に、Ｎ₂ガスプラズマを発生させ、１０分間維持した後、Ｎ₂ガスに替え、真空槽２内にＨｅガスを導入し、基板１１を冷却したときの基板１１温度と経過時間の関係を図４のグラフに示す。

プラズマ励起電圧の周波数を２７．１２ＭＨｚとし、熱媒体に水を用い、６０℃に温度制御した熱媒体(水)をサセプタ５に供給した場合の結果を実施例２の折れ線Ｌ₄に示す。同じ周波数で、熱媒体を供給しなかった場合の測定結果を比較例３の折れ線Ｌ₅に示す。
熱媒体を流したほうが放電中の温度上昇が少なく、かつ放電後も速やかに温度が初期状態に復帰している。

なお、サセプタ５上に基板１１を配置する際に、真空槽２の内部をＨｅガス雰囲気にすると、基板１１とサセプタ５の間の熱伝導率が高くなり、基板１１の温度制御性が向上する。ＣＶＤガスにＨｅガスを添加しても良い。

また、カソード電極３にも冷却水を循環させ、カソード電極３からの熱輻射を低下させ基板１１に入射する熱量を減少させることができる。カソード電極３にサセプタ５に供給する熱媒体と同じ温度の熱媒体を供給すると、プロセス温度が安定する。

本発明のＣＶＤ装置の一例 周波数が同じで熱媒体を供給した場合としなかった場合の相違を説明するためのグラフ 周波数が相違し、熱媒体を供給した場合としなかった場合の相違を説明するためのグラフ 冷却時間と基板温度の関係を示すグラフ

符号の説明

１……ＣＶＤ装置
２……真空槽
３……カソード電極
５……サセプタ
６……熱媒体循環系
７……真空排気系
９……高周波電源
１６……加熱冷却装置

Claims (3)

1. 真空槽と、
   前記真空槽内に配置されたサセプタと、
   前記サセプタ上に配置されたカソード電極と、
   前記サセプタに接続され、前記サセプタに熱媒体を供給する熱媒体循環系と、
   前記熱媒体循環系に設けられ、前記熱媒体の温度を制御する加熱冷却装置と、
   前記カソード電極に接続され、前記カソード電極に２７．１２ＭＨｚ以上の交流電圧を印加する高周波電源と、
   前記真空槽内を真空排気する真空排気系と、
   前記真空槽内にＣＶＤガスを供給するガス供給系とを有するＣＶＤ装置。
2. 真空槽内に設けられたサセプタ上に基板を配置し、真空雰囲気に置かれた前記真空槽内にＣＶＤガスを導入しながら前記基板上に位置するカソード電極に交流電圧を印加し、前記基板上にプラズマを形成し、前記基板上に薄膜を成長させるＣＶＤ方法であって、
   前記薄膜が成長する際の前記基板の下限温度と上限温度を決定しておき、
   前記カソード電極に印加する前記交流電圧を２７．１２ＭＨｚ以上の周波数に設定し、前記サセプタ内部に一定温度の熱媒体を流しながら前記カソード電極に前記周波数の前記交流電圧を印加し、前記基板上にプラズマを形成したときに、前記サセプタ上の基板が前記下限温度以上、前記上限温度以下の温度に維持される前記熱媒体の設定温度を予め求めておき、
   前記設定温度に温度制御した前記熱媒体を前記サセプタに流しながら、前記薄膜を成長させるＣＶＤ方法。
3. 前記基板上には有機ＥＬ素子の有機薄膜が形成され、
   前記ＣＶＤガスには、少なくともケイ素を含む原料ガスを含有させ、
   前記有機薄膜上にケイ素化合物の薄膜を形成するＣＶＤ方法であって、
   前記下限温度は６０℃、前記上限温度は１００℃、前記設定温度を６０℃以上８０℃未満とする請求項２記載のＣＶＤ方法。

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