JP2008255467A - Plasma cvd apparatus and film deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマCVD装置及び成膜方法に関する。 The present invention relates to a plasma CVD apparatus and a film forming method.
化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition:CVD)により、基板に成膜をするCVD装置では、反応槽にマトリクスガスと原料ガスである反応ガスとを導入し、これと排気速度とのバランスをとることで、反応槽内の圧力を一定にしている。プラズマを発生させるプラズマCVD装置では、ガス温度が局所的に高温になるため、反応槽内でガスの乱流が生じる。 In a CVD apparatus that deposits a film on a substrate by chemical vapor deposition (CVD), a matrix gas and a reaction gas, which is a raw material gas, are introduced into a reaction tank, and the pumping speed is balanced. This keeps the pressure in the reaction tank constant. In the plasma CVD apparatus that generates plasma, the gas temperature locally becomes high, so that turbulent gas flow occurs in the reaction vessel.
反応ガスを含むガスは、ガスの反応により成長する膜が堆積される基板表面に向かってゆっくりとかつ均一に流れることが望ましく、その流れが速すぎると、成膜むらの原因になり、反応ガスの移動方向のベクトルが基板に向いていないと、膜の成長速度が遅くなることが知られている。
成膜むらの解消や、成長速度の維持を目的とした従来のプラズマCVD装置には、例えば、特許文献1,2及び非特許文献1に記載されたものがある。
It is desirable that the gas containing the reaction gas flows slowly and uniformly toward the substrate surface on which the film grown by the reaction of the gas is deposited. If the flow is too fast, it causes uneven film formation, and the reaction gas It is known that the growth rate of the film is slowed if the vector in the moving direction is not directed to the substrate.
For example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 include conventional plasma CVD apparatuses aimed at eliminating unevenness of film formation and maintaining the growth rate.
特許文献1のプラズマCVD装置では、基板の表面に平行或いは傾斜する方向から反応ガスを供給し、基板の表面に実質的に垂直の方向からマトリクスガスを供給し、マトリクスガスにより反応ガスを押圧して、反応ガスの流れる方向を変化させ、反応ガスを基板表面に吹き付けるようにしている。 In the plasma CVD apparatus of Patent Document 1, a reaction gas is supplied from a direction parallel or inclined to the surface of the substrate, a matrix gas is supplied from a direction substantially perpendicular to the surface of the substrate, and the reaction gas is pressed by the matrix gas. Thus, the flow direction of the reaction gas is changed to spray the reaction gas onto the substrate surface.
ところが、特許文献1のプラズマCVD装置は、サセプタをヒータで加熱して熱プラズマを発生させる熱プラズマCVD装置であり、電極の配置を問題にしなくてもよい。ところが、DCプラズマCVD装置のように、基板に対向する位置に電極が配置される場合には、その電極が障害となり、基板に対して垂直方向に均一なガスの流れを作ることが困難である。 However, the plasma CVD apparatus of Patent Document 1 is a thermal plasma CVD apparatus that generates thermal plasma by heating a susceptor with a heater, and the electrode arrangement does not have to be a problem. However, when an electrode is disposed at a position facing the substrate as in a DC plasma CVD apparatus, the electrode becomes an obstacle, and it is difficult to create a uniform gas flow in a direction perpendicular to the substrate. .
特許文献2のプラズマCVD装置は、基板に対向する陰極(カソード)に設けられたノズルより直接、ガスを噴射している。これにより、陰極から基板への反応ガスを流すことができる。 The plasma CVD apparatus of Patent Document 2 directly injects gas from a nozzle provided on a cathode (cathode) facing the substrate. Thereby, the reaction gas from the cathode to the substrate can flow.
ところが、この構造ではプラズマ発生時に、高温となる陰極のノズル部分に反応ガスによる活性種が高密度で存在することになる。このため、陰極に開けられたノズル内に次第に堆積物が蓄積してしまい、ガスの噴出を阻害するという問題があった。また、ノズル近傍から堆積物が成長して突起になれば、その突起に電界が集中するので、プラズマがアーク放電や火花放電に移行する危険性がある。さらに、プラズマに向かって室温或いは膨張によって温度が低くなったガスを吹き付けることになるので、陽光柱を部分的に収縮させ、成膜むらを発生させる危険性もあった。 However, in this structure, when the plasma is generated, the active species due to the reactive gas are present at a high density in the nozzle portion of the cathode that becomes high temperature. For this reason, there is a problem in that deposits gradually accumulate in the nozzles opened in the cathode, thereby obstructing gas ejection. Further, if the deposit grows from the vicinity of the nozzle and becomes a protrusion, the electric field concentrates on the protrusion, and there is a risk that the plasma may shift to arc discharge or spark discharge. Furthermore, since a gas whose temperature is lowered due to room temperature or expansion is blown toward the plasma, there is a risk that the positive column is partially contracted to cause uneven film formation.
非特許文献1のプラズマCVD装置は、ガス導入口を反応槽の上部に設け、ガス排気口を下方に設け、陰極からプラズマを通過して陽極に向かうガスの流れを発生させている。 In the plasma CVD apparatus of Non-Patent Document 1, a gas introduction port is provided in the upper part of the reaction tank, a gas exhaust port is provided below, and a gas flow from the cathode to the anode through the plasma is generated.
図31は、非特許文献1のプラズマCVD装置の反応槽内のガスの流れを説明するための図であり、同図(a)は反応槽の構成を示し、同図(b)は1Gにおけるガスの流れる方向及び流量を矢印で示している。
非特許文献1のプラズマCVD装置は、図31(a)のように、ガス導入口GIの位置とガス排出口GOとが反応槽の中心軸を挟んでは反対側にある。そのため、陰極(Cathode)の下部近傍では陽極(Anode)へ向うガスが支配的となるが、図3(b)のように、ガス導入口GI側で対流するガスとガス排出口GO側で対流するガスとで温度差が生じる。また、ガスの局所的な圧力も異なる。
FIG. 31 is a diagram for explaining the flow of gas in the reaction tank of the plasma CVD apparatus of Non-Patent Document 1, in which FIG. 31 (a) shows the structure of the reaction tank, and FIG. The direction and flow rate of gas flow are indicated by arrows.
In the plasma CVD apparatus of Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 31A, the position of the gas inlet GI and the gas outlet GO are on the opposite side across the central axis of the reaction vessel. Therefore, the gas toward the anode (Anode) is dominant near the lower part of the cathode (Cathode), but as shown in FIG. 3 (b), the convection gas on the gas inlet GI side and the convection on the gas outlet GO side. There is a temperature difference between the gas and the gas. The local pressure of the gas is also different.
DCプラズマCVD装置中では、プラズマ中のガス温度によって、成膜材料となる活性種中の各成分の分圧状態が異なり、温度が高くなれば、化学的ポテンシャルの高い活性種の分圧値が相対的に化学的ポテンシャルの低い活性種の分圧値よりも高くなる。反応槽内の温度が異なれば、プラズマ中のガスの温度にむらが生じるために、場所に応じて各活性種の分圧にむらが生じ、成膜が不均一になる危険性があった。 In the DC plasma CVD apparatus, the partial pressure state of each component in the active species as the film forming material differs depending on the gas temperature in the plasma, and if the temperature increases, the partial pressure value of the active species having a high chemical potential can be obtained. It becomes higher than the partial pressure value of the active species having a relatively low chemical potential. If the temperature in the reaction tank is different, the temperature of the gas in the plasma is uneven, so that the partial pressure of each active species is uneven depending on the location, and there is a risk that the film formation becomes uneven.
前述したように、特許文献1のプラズマCVD装置は、サセプタをヒータで加熱して熱プラズマを発生させる熱プラズマCVD装置であり、DCプラズマCVD装置のように、基板に対向する位置に電極が配置される場合には、基板に対して均一なガスの流れを作ることが困難であった。 As described above, the plasma CVD apparatus of Patent Document 1 is a thermal plasma CVD apparatus that generates thermal plasma by heating a susceptor with a heater, and an electrode is disposed at a position facing the substrate, like the DC plasma CVD apparatus. In this case, it has been difficult to create a uniform gas flow with respect to the substrate.
また、特許文献2のプラズマCVD装置は、成膜する際に支障がでる可能性があると共に、成膜むらが発生する危険性もあり、技術的に満足できるものではなかった。
また、非特許文献1のプラズマCVD装置は、基板に供給するガスの均一化が不完全であった。
In addition, the plasma CVD apparatus of Patent Document 2 is not technically satisfactory because there is a possibility that the film CVD may be hindered and there is a risk of uneven film formation.
Further, the plasma CVD apparatus of Non-Patent Document 1 has incomplete uniformity of the gas supplied to the substrate.
本願発明は、このような現情を鑑みてなされた発明であり、基板に対向する位置に電極がある場合でも、基板表面に反応ガスをほぼ均一に供給し、良好に成膜することが可能なプラズマCVD装置及び成膜方法を提供することを目的とする。 The present invention is an invention made in view of such a situation, and even when there is an electrode at a position facing the substrate, it is possible to supply the reaction gas almost uniformly to the substrate surface and to form a film well. An object is to provide a plasma CVD apparatus and a film forming method.
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係るプラズマCVD装置は、
反応槽内に配置され、基板が載置される第1の電極と、
前記第1の電極の上方で前記第1の電極と対向し、前記第1の電極との間でプラズマを発生させる第2の電極と、
前記反応槽内の前記第1の電極の高さと前記第2の電極の高さの間の高さに配置され、且つ前記第1の電極及び前記第2の電極の間のプラズマの発生する領域を囲むように配置された複数の噴出口が形成された第1のガス導入ノズルと、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a plasma CVD apparatus according to the first aspect of the present invention comprises:
A first electrode disposed in the reaction vessel and on which the substrate is placed;
A second electrode facing the first electrode above the first electrode and generating plasma between the first electrode;
A region where plasma is generated between the first electrode and the second electrode and disposed between the first electrode and the second electrode in the reaction vessel. A first gas introduction nozzle formed with a plurality of jets arranged to surround
It is characterized by providing.
なお、前記第1のガス導入ノズルは、前記プラズマにより活性種が形成される原料ガスを含んでもよい。 Note that the first gas introduction nozzle may include a source gas in which active species are formed by the plasma.
また、前記第1のガス導入ノズルは、前記プラズマにより活性種が形成される原料ガス及びマトリクスガスを含んでもよい。 Further, the first gas introduction nozzle may include a source gas and a matrix gas in which active species are formed by the plasma.
また、前記第1のガス導入ノズルは、前記複数の噴出口から前記第1の電極の中心軸に向けて横方向にガスを噴出することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the first gas introduction nozzle jets gas in the lateral direction from the plurality of jet nozzles toward the central axis of the first electrode.
また、前記第1のガス導入ノズルは、前記第1の電極の周囲を囲むように配置されていることが好ましい。 The first gas introduction nozzle is preferably arranged so as to surround the first electrode.
また、前記第1のガス導入ノズルの前記複数の噴出口は、互いに等間隔に配置されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the plurality of jet nozzles of the first gas introduction nozzle are arranged at equal intervals.
また、前記第1のガス導入ノズルの前記複数の噴出口は、前記第1の電極の中心軸との距離が互いに等しいことが好ましい。 In addition, it is preferable that the plurality of jet nozzles of the first gas introduction nozzle have the same distance from the central axis of the first electrode.
また、前記第1のガス導入ノズルの前記複数の噴出口のうちの2つからなる各組の噴出口は、それぞれ前記第1の電極の中心軸を中心として相対するように配置されることが好ましい。 In addition, each set of jet nozzles composed of two of the plurality of jet nozzles of the first gas introduction nozzle may be disposed so as to face each other around the central axis of the first electrode. preferable.
また、前記第1のガス導入ノズルの前記噴出口の高さが、前記プラズマの陽光柱の発生する領域の最上点よりも高い位置にあることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the height of the jet port of the first gas introduction nozzle is higher than the highest point of the region where the positive column of the plasma is generated.
また、前記第1のガス導入ノズルはリング状であってもよいし、前記反応槽内の前記第2の電極の側辺に沿って互いに対向する管であってもよい。 The first gas introduction nozzle may be ring-shaped, or may be pipes facing each other along the side of the second electrode in the reaction vessel.
また、前記第2の電極の上方からマトリクスガスを、前記第1のガス導入ノズルから噴出したガスに向けて噴出する第2のガス導入ノズルを備えてもよい。 Moreover, you may provide the 2nd gas introduction nozzle which ejects matrix gas toward the gas ejected from the said 1st gas introduction nozzle from the said 2nd electrode.
また、前記第1の電極の下方に配置され、前記反応槽からガスを排出する複数の排出用管路とを備えることが好ましい。
特に、前記複数の排出用管路は、前記第1の電極の周囲を囲むように配置されることが好ましい。
In addition, it is preferable to include a plurality of discharge conduits that are disposed below the first electrode and discharge gas from the reaction vessel.
In particular, the plurality of discharge conduits are preferably arranged so as to surround the first electrode.
また、前記第2の電極は、複数の電極で構成され、前記第2の電極の各電極と前記第1の電極との間の電圧または電流は、それぞれ個別に任意の値に設定されてもよい。 The second electrode is composed of a plurality of electrodes, and the voltage or current between each electrode of the second electrode and the first electrode may be individually set to an arbitrary value. Good.
この場合、前記複数の電極は、前記第1の電極の中央部に対向する中央電極と、前記第1の電極の周辺部に対向する周辺電極とで構成され、立ち上がり時に、前記所定の処理の開始時には前記中央電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値は、前記周辺電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値よりも高く設定されてもよい。 In this case, the plurality of electrodes includes a central electrode facing the central portion of the first electrode and a peripheral electrode facing the peripheral portion of the first electrode, and at the time of rising, the predetermined processing is performed. At the start, the voltage or current value between the central electrode and the first electrode may be set higher than the voltage or current value between the peripheral electrode and the first electrode.
また、前記複数の電極は、前記第1の電極の中央部に対向する前記中央電極と、前記第1の電極の周辺部に対向する周辺電極とで構成され、前記中央電極と前記第1の電極との間に陽光柱が形成された後に、前記中央電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値は、前記周辺電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値未満にされてもよい。
また、前記複数の電極間に、絶縁物が配置されていることが好ましい。
The plurality of electrodes includes the central electrode facing a central portion of the first electrode and a peripheral electrode facing a peripheral portion of the first electrode, and the central electrode and the first electrode After a positive column is formed between the electrodes, the voltage or current value between the central electrode and the first electrode is less than the voltage or current value between the peripheral electrode and the first electrode. May be.
Moreover, it is preferable that an insulator is disposed between the plurality of electrodes.
上記目的を達成するために、本発明の第2の観点に係る成膜方法は、基板が載置される第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加し、プラズマの発生する領域を囲むように配置された複数の噴出口から反応ガスを噴出することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a film forming method according to a second aspect of the present invention generates a plasma by applying a voltage between a first electrode on which a substrate is placed and a second electrode. The reaction gas is ejected from a plurality of ejection ports arranged so as to surround the region.
本発明によれば、良好な成膜を可能にすることができる。 According to the present invention, good film formation can be achieved.
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係るプラズマCVD装置の概略を示す構成図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a plasma CVD apparatus according to the first embodiment of the present invention.
この直流プラズマCVD装置は、処理対象の基板1の表面に膜を形成する装置であり、反応槽であるチャンバー10を備えている。チャンバー10は、基板1を外気から遮断する。
チャンバー10内には、円柱状の鋼製のステージ11が配置され、ステージ11の上部に円板状の熱伝導性のよく、融点が高い例えばモリブデン製或いはグラファイト製の陽極11aが載置されている。陽極11aの直径は例えば80mm、厚さは20mmである。基板1は矩形であり、陽極11aの上側載置面に固定される。ステージ11は、陽極11aとともに軸11xを中心にして回転するように設定されている。
This DC plasma CVD apparatus is an apparatus that forms a film on the surface of a substrate 1 to be processed, and includes a chamber 10 that is a reaction tank. The chamber 10 blocks the substrate 1 from the outside air.
A cylindrical steel stage 11 is disposed in the chamber 10, and an anode 11 a made of, for example, molybdenum or graphite having a high thermal melting point and a high melting point is placed on the stage 11. Yes. The diameter of the anode 11a is, for example, 80 mm and the thickness is 20 mm. The substrate 1 is rectangular and is fixed to the upper mounting surface of the anode 11a. The stage 11 is set to rotate about the axis 11x together with the anode 11a.
陽極11aの下側のステージ11には、閉塞された空間11bが設けられており、空間11bには、冷却部材12が配置されている。冷却部材12は、基板1を必要に応じて冷却するために設けられたものであり、図示しない移動機構により、冷却部材12が矢印の通り上下に移動自在な構造になっている。冷却部材12は、銅等の熱伝導率の高い金属で形成され、その内部では、冷却された水又は冷却された塩化カルシウム水溶液等の冷却媒体が管路12aから冷却部材12内の流路12bに入り、管路12cより排出されるように循環し、冷却部材12全体を冷やしている。 The stage 11 below the anode 11a is provided with a closed space 11b, and a cooling member 12 is disposed in the space 11b. The cooling member 12 is provided to cool the substrate 1 as necessary, and has a structure in which the cooling member 12 is movable up and down as indicated by an arrow by a moving mechanism (not shown). The cooling member 12 is formed of a metal having high thermal conductivity such as copper, and inside thereof, a cooling medium such as cooled water or a cooled aqueous solution of calcium chloride passes from the pipe 12a to the flow path 12b in the cooling member 12. It circulates so as to be discharged from the pipe 12c, and cools the entire cooling member 12.
このため、冷却部材12が上方に移動することにより、冷却部材12の上面1がステージ11の下面に当接し、当接されたステージ11がその上部の陽極11aを冷却し、陽極11aが基板1の熱を奪う構造になっている。管路12cから排出された冷却媒体は、図示しない冷却装置によって冷却されて、再び管路12aに送出されるように循環される。冷却部材12の上面は、基板1を面方向に均等に冷却するため、基板1より一回り大きいことが好ましい。
また、陽極11aの下側に設けられた空間11bはステージ11によって仕切られており、内部には気体が封入されているか、或いは大気開放された状態となっている。
For this reason, when the cooling member 12 moves upward, the upper surface 1 of the cooling member 12 contacts the lower surface of the stage 11, and the contacted stage 11 cools the upper anode 11 a, and the anode 11 a becomes the substrate 1. The structure that takes away the heat of. The cooling medium discharged from the pipe 12c is cooled by a cooling device (not shown) and circulated so as to be sent out again to the pipe 12a. The upper surface of the cooling member 12 is preferably slightly larger than the substrate 1 in order to cool the substrate 1 evenly in the surface direction.
In addition, a space 11b provided below the anode 11a is partitioned by the stage 11, and is filled with gas or opened to the atmosphere.
陽極11aの上方には、円板状の陰極13が配置されている。陰極13は、陰極支持体14に支持され、陰極13と陽極11aとが対向している。陰極13は、融点が高いモリブデン或いはグラファイト等で形成され、例えば直径が80mmで厚みが20mmである。陰極支持体14は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、或は炭化珪素等の耐熱性炭化物で構成されている。陰極13と陽極11aとの距離は、例えば50mmである。 A disc-shaped cathode 13 is disposed above the anode 11a. The cathode 13 is supported by the cathode support 14, and the cathode 13 and the anode 11a face each other. The cathode 13 is made of molybdenum or graphite having a high melting point, and has a diameter of 80 mm and a thickness of 20 mm, for example. The cathode support 14 is made of a heat-resistant oxide such as quartz glass or alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride or silicon nitride, or a heat-resistant carbide such as silicon carbide. The distance between the cathode 13 and the anode 11a is, for example, 50 mm.
陰極13の内部には、冷却媒体が流れる流路が形成されていてもよい。冷却媒体が流れることにより陰極13の過熱を抑制することができる。冷却媒体としては、チャンバー10の外部から導入される水、塩化カルシウム水溶液等が好ましい。 A flow path through which a cooling medium flows may be formed inside the cathode 13. When the cooling medium flows, overheating of the cathode 13 can be suppressed. As the cooling medium, water introduced from the outside of the chamber 10, a calcium chloride aqueous solution, or the like is preferable.
陽極11aの外周面の近傍には、アークの発生を抑制するための絶縁体15が配置されている。絶縁体15は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、および炭化珪素等の耐熱性炭化物の少なくともいずれか1つで構成されている。 An insulator 15 for suppressing arc generation is disposed in the vicinity of the outer peripheral surface of the anode 11a. The insulator 15 is made of at least one of a heat-resistant oxide such as quartz glass and alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride and silicon nitride, and a heat-resistant carbide such as silicon carbide.
絶縁体15はリング状であり、チャンバー10の底部に立設された支持体16によって陽極11aと同じ高さに支持され、その内周側で陽極11aの外周を囲んでいる。絶縁体15の外径は、陰極13の最外径の1.2倍以上の長さになっている。 The insulator 15 has a ring shape and is supported at the same height as the anode 11a by a support 16 standing on the bottom of the chamber 10, and surrounds the outer periphery of the anode 11a on the inner peripheral side thereof. The outer diameter of the insulator 15 is at least 1.2 times the outermost diameter of the cathode 13.
絶縁体15は、陰極13と陽極11aの間の異常放電(アーク放電、火花放電)の発生を抑制するものであるため、陽極11aの外周側面に沿って陰極13と対向して載置されている。なお、絶縁体15は、陰極13に対して陽極11aの側面を隠すようにしてもよい。 Since the insulator 15 suppresses the occurrence of abnormal discharge (arc discharge, spark discharge) between the cathode 13 and the anode 11a, the insulator 15 is placed facing the cathode 13 along the outer peripheral side surface of the anode 11a. Yes. The insulator 15 may hide the side surface of the anode 11 a from the cathode 13.
チャンバー10の側面には、窓17が形成され、チャンバー10内の観察が可能になっている。窓17には、耐熱性ガラスがはめ込まれ、チャンバー10内の気密性が確保されている。チャンバー10の外側に、例えば、窓17のガラスを介して基板1の温度を測定する放射温度計18が配置されている。 A window 17 is formed on the side surface of the chamber 10 so that the inside of the chamber 10 can be observed. The window 17 is fitted with heat-resistant glass to ensure airtightness in the chamber 10. A radiation thermometer 18 that measures the temperature of the substrate 1 through, for example, the glass of the window 17 is disposed outside the chamber 10.
この直流プラズマCVD装置には、反応ガスを含む原料ガスをガスチューブ19を介して導入する原料系(図示略)とチャンバー10内から気体を複数の排気用管路20を介して排出してチャンバー10内の気圧を調整する排気系(図示略)と、電圧設定部21とを備えている。 In this DC plasma CVD apparatus, a source system (not shown) for introducing a source gas containing a reaction gas through a gas tube 19 and a gas are exhausted from the chamber 10 through a plurality of exhaust pipes 20 to form a chamber. 10 is provided with an exhaust system (not shown) that adjusts the atmospheric pressure in 10 and a voltage setting unit 21.
ガスチューブ19は、チャンバー10に設けられた孔を介してチャンバー10内に挿入されており、反応槽内のガスチューブ19の少なくとも一部は、フッ素樹脂やシリコンゴムなどの絶縁体で構成されている。チャンバーの孔とガスチューブ19の外周との間は、シール材でシールされ、チャンバー10の内の気密性が確保されている。チャンバー10内で、ガスチューブ19は、ガス導入ノズルであるリングノズル22に接続されている。リングノズル22は、真円状であることが好ましいが、正多角形状であってもよい。 The gas tube 19 is inserted into the chamber 10 through a hole provided in the chamber 10, and at least a part of the gas tube 19 in the reaction tank is made of an insulator such as fluororesin or silicon rubber. Yes. The space between the hole of the chamber and the outer periphery of the gas tube 19 is sealed with a sealing material to ensure the airtightness in the chamber 10. In the chamber 10, the gas tube 19 is connected to a ring nozzle 22 which is a gas introduction nozzle. The ring nozzle 22 is preferably a perfect circle, but may be a regular polygon.
図2は、リングノズル22と排気用管路20の説明図である。
リングノズル22は、全体がリング状になっていると共に、原料ガスが流通するように中空になっている。リングノズル22のリング状の内周面側には、口径が等しい複数の噴出口22aが等間隔に配置されている。複数の噴出口22aは陽極11aの中心軸である軸11xとの間の距離も互いに等しく、また個々の噴出口22aは、軸11xを中心として反対の位置にも噴出口22aが相対するよう点対称に設けられている。このように、複数の噴出口22aは、後述するように、プラズマの発生する領域を囲むように形成され、原料ガスが噴出口22aから軸11xに向けて均等に噴出される。
FIG. 2 is an explanatory diagram of the ring nozzle 22 and the exhaust pipe 20.
The ring nozzle 22 has a ring shape as a whole and is hollow so that the source gas flows. On the ring-shaped inner peripheral surface side of the ring nozzle 22, a plurality of jet nozzles 22a having the same diameter are arranged at equal intervals. The plurality of jet nozzles 22a have the same distance from the axis 11x, which is the central axis of the anode 11a, and the individual jet nozzles 22a are such that the jet nozzles 22a face each other at opposite positions with the axis 11x as the center. It is provided symmetrically. Thus, as will be described later, the plurality of jet ports 22a are formed so as to surround a region where plasma is generated, and the source gas is jetted uniformly from the jet port 22a toward the shaft 11x.
陰極支持体14に取付けられた絶縁体のノズル支持体23によって、リングノズル22が支持される。リングノズル22の噴出口22aは、陰極支持体14の最下部(陰極13の陰極支持体14から露出する側面での最上部)以下の位置で、陽極11aの高さよりも高く、かつ陽極11aと陰極13との間にできる陽光柱PCの最高点よりも高い位置に設定される。この範囲にリングノズル22が支持されると、原料ガスが陰極13と陽極11aの間に入りやすく、また、陽光柱PC内のガス温度を原料ガスの噴出で局所的に冷却することを防止することができる。
リングノズル22の内径は、陰極13の外径及び陽極11aの外径よりも大きい。リングノズル22の中心は、陽極11aの軸11x上にある。陽極11aの中心から各噴出口22aを睨む角度は、概ね均等になっている。
4本の排気用管路20は、チャンバー10の底面に、軸11xを中心にしてステージ11または陽極11aの周囲を囲むように等間隔で開口された4つの孔をそれぞれ貫通している。その孔と排気用管路20の外周との間は、シール材でシールされている。
The ring nozzle 22 is supported by an insulating nozzle support 23 attached to the cathode support 14. The jet nozzle 22a of the ring nozzle 22 is higher than the height of the anode 11a at a position below the lowermost portion of the cathode support 14 (the uppermost portion of the side surface exposed from the cathode support 14 of the cathode 13), and the anode 11a It is set at a position higher than the highest point of the positive column PC formed between the cathode 13. If the ring nozzle 22 is supported within this range, the source gas is likely to enter between the cathode 13 and the anode 11a, and the gas temperature in the positive column PC is prevented from being locally cooled by the ejection of the source gas. be able to.
The inner diameter of the ring nozzle 22 is larger than the outer diameter of the cathode 13 and the outer diameter of the anode 11a. The center of the ring nozzle 22 is on the axis 11x of the anode 11a. The angles sandwiching each jet port 22a from the center of the anode 11a are substantially uniform.
The four exhaust pipe lines 20 respectively penetrate through the four holes opened at equal intervals so as to surround the stage 11 or the anode 11a around the shaft 11x on the bottom surface of the chamber 10. A space between the hole and the outer periphery of the exhaust pipe 20 is sealed with a sealing material.
電圧設定部21は、陽極11aと陰極13との間の電圧又は電流値を設定する制御装置であり、可変電源21bを備えている。電圧設定部21と陽極11a及び陰極13とは、リード線でそれぞれ接続されている。各リード線は、チャンバー10に設けられた孔を通過し、それぞれ陰極13と陽極11aに接続されている。リード線が通されたチャンバー10の孔は、シール材でシールされている。 The voltage setting unit 21 is a control device that sets a voltage or a current value between the anode 11a and the cathode 13, and includes a variable power source 21b. The voltage setting unit 21 is connected to the anode 11a and the cathode 13 by lead wires. Each lead wire passes through a hole provided in the chamber 10, and is connected to the cathode 13 and the anode 11a, respectively. The hole of the chamber 10 through which the lead wire is passed is sealed with a sealing material.
電圧設定部21は、制御部21aを備え、その制御部21aは、放射温度計18とリード線で接続され、可変電源21bとリード線で接続されている。制御部21aは、起動されると、放射温度計18の測定した基板1の温度を参照し、基板1の温度が予定の値になるように、陽極11aと陰極13との間の電圧又は電流値を調整する。 The voltage setting unit 21 includes a control unit 21a. The control unit 21a is connected to the radiation thermometer 18 through a lead wire, and is connected to the variable power source 21b through a lead wire. When activated, the controller 21a refers to the temperature of the substrate 1 measured by the radiation thermometer 18, and the voltage or current between the anode 11a and the cathode 13 so that the temperature of the substrate 1 becomes a predetermined value. Adjust the value.
次に、図1の直流プラズマCVD装置を用いて基板1に成膜する成膜処理を説明する。
この成膜処理では、基板1の表面に、カーボンナノウォールからなる電子放出膜を成膜する。
カーボンナノウォールは、曲面をなす花弁状(扇状)の複数の炭素薄片が起立しながら互いにランダムな方向に繋がりあって構成される。各炭素薄片は、格子間隔が0.34nmの数層〜数十層のグラフェンシートから構成される。
成膜処理では、まず、例えばニッケル板を基板1として切り出し、エタノール又はアセトンにより脱脂・超音波洗浄を十分に行う。次に、基板1の表面が金属で形成されている場合は、基板1の表面を、ダイヤモンド微粒子や酸化アルミ微粒子のように、高融点で径の小さい多数の絶縁微粒子で極薄く覆う。なぜなら、基板1の表面が金属で形成されている場合、原料ガスの活性種が基板1内に拡散してしまい、活性種による堆積物が基板1の表面に堆積しにくいという問題がある。しかし、基板1の表面を多数の絶縁微粒子で極薄く覆うことにより、陽極11aと陰極13との間の電界をほとんど遮ることなく、絶縁微粒子の表面から堆積物を堆積させることができる。
この基板1を陽極11a上に載置する。
Next, a film forming process for forming a film on the substrate 1 using the DC plasma CVD apparatus of FIG. 1 will be described.
In this film formation process, an electron emission film made of carbon nanowalls is formed on the surface of the substrate 1.
The carbon nanowall is formed by connecting a plurality of petal-like (fan-like) carbon flakes that form a curved surface and are connected to each other in a random direction. Each carbon flake is composed of several to several tens of graphene sheets with a lattice spacing of 0.34 nm.
In the film forming process, first, for example, a nickel plate is cut out as the substrate 1, and degreasing and ultrasonic cleaning are sufficiently performed with ethanol or acetone. Next, when the surface of the substrate 1 is formed of metal, the surface of the substrate 1 is covered very thinly with a large number of insulating fine particles having a high melting point and a small diameter, such as diamond fine particles and aluminum oxide fine particles. This is because when the surface of the substrate 1 is made of metal, active species of the source gas diffuse into the substrate 1, and deposits due to the active species are difficult to deposit on the surface of the substrate 1. However, by covering the surface of the substrate 1 with a large number of insulating fine particles, deposits can be deposited from the surface of the insulating fine particles without substantially blocking the electric field between the anode 11a and the cathode 13.
The substrate 1 is placed on the anode 11a.
基板1の載置が完了すると、次に、チャンバー10内を、排気系を用いて減圧し、続いて、原料ガスとして、ガスチューブ19から水素ガスとメタン等の組成中に炭素を含有する化合物の反応ガス(炭素含有化合物)とを導く。原料ガスは、リングノズル22の噴出口22aから噴出される。 When the placement of the substrate 1 is completed, the inside of the chamber 10 is then depressurized using an exhaust system, and subsequently, a compound containing carbon in the composition of hydrogen gas, methane and the like from the gas tube 19 as a source gas Of reaction gas (carbon-containing compound). The source gas is ejected from the ejection port 22 a of the ring nozzle 22.
原料ガス中の組成中に炭素を含有する反応ガスは、全体の3vol%〜30vol%の範囲内にあることが望ましい。例えば、メタンの流量を50SCCM、水素の流量を500SCCMとし、全体の圧力を0.05〜1.5atm、好ましくは0.07〜0.1atmにする。また、軸11xを軸として基板1ごと陽極11aを1rpmで回転させ、基板1上の温度ばらつきが5%以内になるようにして陽極11aと陰極13との間に直流電源を印加し、プラズマを発生させ、プラズマ状態及び基板1の温度を制御する。 The reaction gas containing carbon in the composition of the raw material gas is desirably in the range of 3 vol% to 30 vol% of the whole. For example, the flow rate of methane is 50 SCCM, the flow rate of hydrogen is 500 SCCM, and the total pressure is 0.05 to 1.5 atm, preferably 0.07 to 0.1 atm. Further, the anode 11a is rotated together with the substrate 1 at 1 rpm with the axis 11x as an axis, a DC power supply is applied between the anode 11a and the cathode 13 so that the temperature variation on the substrate 1 is within 5%, and plasma is generated. The plasma state and the temperature of the substrate 1 are controlled.
カーボンナノウォールの成膜時には、基板1のカーボンナノウォールが成膜される箇所の温度を900℃〜1100℃で所定時間の成膜を行う。この温度は放射温度計18により測定されている。このとき、冷却部材12は、陽極11aの温度に影響がないように十分陽極11aから離間されている。放射温度計18は、直流プラズマCVD装置のプラズマ輻射を減算して基板1側の表面での熱輻射のみから温度を求めるように設定されている。 At the time of film formation of the carbon nanowall, film formation is performed for a predetermined time at a temperature of 900 ° C. to 1100 ° C. where the carbon nanowall of the substrate 1 is formed. This temperature is measured by a radiation thermometer 18. At this time, the cooling member 12 is sufficiently separated from the anode 11a so as not to affect the temperature of the anode 11a. The radiation thermometer 18 is set to obtain the temperature only from the heat radiation on the surface on the substrate 1 side by subtracting the plasma radiation of the DC plasma CVD apparatus.
カーボンナノウォールの成膜過程で、例えば、電子放出膜の膜質を変化させ、カーボンナノウォール上に多数のダイヤモンド微粒子を含むダイヤモンド層を積層する場合には、陽極11aに冷却部材12を上昇して当接させる。これにより、劇的に基板1の温度を冷却することができ、ダイヤモンド層を積層することができる。ダイヤモンド層の成長に伴って、ダイヤモンド層の隙間からは、カーボンナノウォールの一部が変形した棒状で且つカーボンナノチューブとは異なって内部に芯がつまったsp2結合の炭素が成長する。この棒状炭素は、ダイヤモンド層の表面から突き出るように伸びており、構造上電界集中しやすく、電子を放出する部位となる。 In the process of forming the carbon nanowall, for example, when the film quality of the electron emission film is changed and a diamond layer containing a large number of diamond fine particles is laminated on the carbon nanowall, the cooling member 12 is raised to the anode 11a. Make contact. Thereby, the temperature of the board | substrate 1 can be cooled dramatically and a diamond layer can be laminated | stacked. Accompanying the growth of the diamond layer, sp 2 -bonded carbon having a rod-like shape in which a part of the carbon nanowall is deformed and having a core clogged therein is grown from the gap between the diamond layers. This rod-like carbon extends so as to protrude from the surface of the diamond layer, and is easy to concentrate on the electric field due to the structure, and becomes a site for emitting electrons.
成膜の終了段階では、陽極11aと陰極13との間の電圧の印加を停止し、続いて、原料ガスの供給を停止し、パージガスとして窒素ガスをチャンバー10内に供給してチャンバー10内を窒素雰囲気にした後、常温に戻った状態で基板1を取り出す。 At the end of film formation, the application of voltage between the anode 11a and the cathode 13 is stopped, and then the supply of the source gas is stopped, and nitrogen gas is supplied into the chamber 10 as a purge gas and the inside of the chamber 10 is supplied. After making the nitrogen atmosphere, the substrate 1 is taken out in a state of returning to room temperature.
以上の本実施形態に係る直流プラズマCVD装置では、次の(1)〜(6)の利点を有する。
(1)リングノズル22をチャンバー10内に配置し、リングノズル22の噴出口22aから原料ガスを軸11xに向けて水平に、つまり、内側横方向に噴出させ、4本の排気用管路20から排気する。噴出口22aはリングノズル22に等間隔に配置され、排気用管路20はステージ11の周辺に等間隔に配置されているため、原料ガスの流れが、チャンバー10内で軸11xを対称に均等になっている。また、陰極13及び陰極支持体14が原料ガスの流れを妨害することがないので、軸11xのある陰極13の中央直下まで効率よく流れ、基板1上の端から中央に至るまで原料ガスが均等に行き渡り、陽光柱PC内の原料ガスから発生する活性種密度が均等になり、基板1表面に均等に成膜することができる。
The direct-current plasma CVD apparatus according to this embodiment has the following advantages (1) to (6).
(1) The ring nozzle 22 is disposed in the chamber 10, and the source gas is ejected horizontally from the ejection port 22 a of the ring nozzle 22 toward the shaft 11 x, that is, inwardly in the lateral direction. Exhaust from. Since the jet ports 22a are arranged at equal intervals in the ring nozzle 22 and the exhaust pipe lines 20 are arranged at equal intervals around the stage 11, the flow of the source gas is evenly symmetric about the axis 11x in the chamber 10. It has become. Further, since the cathode 13 and the cathode support 14 do not obstruct the flow of the source gas, the cathode 13 and the cathode support 14 efficiently flow up to just below the center of the cathode 13 having the axis 11x, and the source gas is even from the end on the substrate 1 to the center. , The density of active species generated from the source gas in the positive column PC becomes uniform, and the film can be formed evenly on the surface of the substrate 1.
ここで、原料ガスの流れ方の違いによる影響を、実験により調べた結果を説明する。
図3(a),図3(b)は、比較実験に利用した直流プラズマCVD装置の構成を説明する図である。図3(a)は、ガスシャワーノズル25を示す図であり、図3(b)は、直流プラズマCVD装置の構成を示す図である。
図4(a)は、図3(b)に示す直流プラズマCVD装置において陰極に発生するグローの状態を示す図であり、図4(b)は、第1の実施形態に係る直流プラズマCVD装置(図1)において、陰極に発生するグローの状態を示す図である。
Here, the result of investigating the influence of the difference in the flow method of the raw material gas will be described.
FIG. 3A and FIG. 3B are diagrams for explaining the configuration of a DC plasma CVD apparatus used for a comparative experiment. FIG. 3A is a view showing the gas shower nozzle 25, and FIG. 3B is a view showing the configuration of the DC plasma CVD apparatus.
FIG. 4A is a diagram showing a state of glow generated at the cathode in the DC plasma CVD apparatus shown in FIG. 3B, and FIG. 4B is a DC plasma CVD apparatus according to the first embodiment. In FIG. 1, it is a figure which shows the state of the glow which generate | occur | produces in a cathode.
この実験では、図1の直流プラズマCVD装置の一部を、原料ガスの流れが軸11xに対称にならないように、また陽極11aとノズルとの間に陰極13が立体障害となるように配置されるように変更している。例えば図3(b)のように、リングノズル22及びノズル支持体23をチャンバー10内から取り除き、かつ、ガスチューブ19をチャンバー10の陰極支持体14よりも上側に配置したガスシャワーノズル25に接続し、ガスがガスシャワーノズル25から下方に向けてシャワー状に噴出されるようにし、複数ある排気用管路20を1つだけ残して他の排気用管路20に例えば栓24をし、その栓24をした排気用管路20からの排気ができないようにしている。他の構成は、図1の直流プラズマCVD装置と同じである。なお、流体である原料ガスの動きに対し、原料ガスの入口と出口の位置による効果を示すため、比較実験の直流プラズマCVD装置においても本実施形態の直流プラズマCVD装置と同様に絶縁体15を設けている。 In this experiment, a part of the DC plasma CVD apparatus of FIG. 1 is arranged so that the flow of the source gas is not symmetric with respect to the axis 11x, and the cathode 13 is sterically hindered between the anode 11a and the nozzle. It has changed so that. For example, as shown in FIG. 3B, the ring nozzle 22 and the nozzle support 23 are removed from the chamber 10, and the gas tube 19 is connected to a gas shower nozzle 25 disposed above the cathode support 14 of the chamber 10. The gas is jetted downward from the gas shower nozzle 25 in the form of a shower, leaving only one of the plurality of exhaust pipes 20 and plugging other exhaust pipes 20 with, for example, plugs 24. Exhaust from the exhaust line 20 with the plug 24 is prevented. Other configurations are the same as those of the DC plasma CVD apparatus of FIG. In addition, in order to show the effect of the position of the inlet and outlet of the source gas with respect to the movement of the source gas that is a fluid, the DC plasma CVD apparatus of the comparative experiment also has the insulator 15 in the same manner as the DC plasma CVD apparatus of this embodiment. Provided.
図3(b)のように変更した直流プラズマCVD装置と図1の直流プラズマCVD装置とで、陰極13の下側に発生するグローの様子を観察した。なお、原料ガスは、水素とし、ガス流量を500sccm、ガス圧30torr、陰極13に流れる電流を2Aとしている。 With the DC plasma CVD apparatus changed as shown in FIG. 3B and the DC plasma CVD apparatus shown in FIG. The source gas is hydrogen, the gas flow rate is 500 sccm, the gas pressure is 30 torr, and the current flowing through the cathode 13 is 2A.
図3(b)のように変更した直流プラズマCVD装置では、ガスシャワーノズル25から噴出された原料ガスが、栓24のしていない1カ所の排気用管路20に向かって引かれるので、図3(a)に矢印で示したように放射状に流れず、さらに、陰極13よりも下方でも軸11xに対して対称にガスが流れず、図3(b)に二点鎖線で示したように、栓24のしていない排気用管路20に向かって原料ガスの流れが集中する。また陰極13が、原料ガスの流れに対して立体障害となるので、陰極13を回り込んで陽極11aの中心にある軸11xまで到達しづらくなり、基板1の表面では、到達する活性種密度に面内ばらつきが生じる。このようなばらつきは、基板1が大型化するのに伴って陰極13や陽極11aが大型化するほど顕著になる。 In the DC plasma CVD apparatus modified as shown in FIG. 3B, the source gas ejected from the gas shower nozzle 25 is drawn toward one exhaust pipe 20 where the plug 24 is not provided. As indicated by the arrows in FIG. 3 (a), the gas does not flow radially, and further, the gas does not flow symmetrically with respect to the axis 11x below the cathode 13, as shown by the two-dot chain line in FIG. 3 (b). The flow of the source gas concentrates toward the exhaust pipe 20 without the plug 24. Moreover, since the cathode 13 becomes a steric hindrance to the flow of the source gas, it is difficult to reach the axis 11x at the center of the anode 11a by going around the cathode 13, and the surface of the substrate 1 has an active species density reached. In-plane variation occurs. Such variation becomes more prominent as the cathode 13 and the anode 11a become larger as the substrate 1 becomes larger.
そのため、図3(b)の直流プラズマCVD装置では、図4(a)のように、陰極13に発生する陰極グローの形状に傾きが生じる。陰極13に発生する陰極グローの形状に傾きが発生することは、温度分布にも傾きがあることを示しているので、基板1への成膜にばらつきが生じる危険性がある。これに対し、図1の直流プラズマCVD装置では、図4(b)のように、陰極13に発生するグローに傾きが生じない。よって、基板1に対して均一な成膜が可能である。 Therefore, in the DC plasma CVD apparatus of FIG. 3B, the shape of the cathode glow generated at the cathode 13 is inclined as shown in FIG. 4A. If the shape of the cathode glow generated at the cathode 13 is tilted, this indicates that the temperature distribution is also tilted, so that there is a risk that film formation on the substrate 1 will vary. On the other hand, in the DC plasma CVD apparatus shown in FIG. 1, the glow generated in the cathode 13 is not inclined as shown in FIG. Therefore, uniform film formation on the substrate 1 is possible.
(2)ガスチューブ19を絶縁体で構成し、リングノズル22を絶縁体のノズル支持体23で支持し、リングノズル22を電源やグランドから絶縁しているので、陰極13或いは陽極11aからの無用なアーク放電等の発生がない。 (2) Since the gas tube 19 is composed of an insulator, the ring nozzle 22 is supported by an insulating nozzle support 23, and the ring nozzle 22 is insulated from the power source and the ground, it is unnecessary from the cathode 13 or the anode 11a. There is no occurrence of arc discharge.
(3)リング状のリングノズル22の内径が、陰極13や陽極11aの外径よりも大きいので、陰極13や陽極11aと間にある活性種の密度の高い陽光柱PCにリングノズル22が重ならないため、プラズマによるリングノズル22の噴出口22aの部分の温度上昇が少なく、噴出口22aに堆積物が発生することが抑制される。 (3) Since the inner diameter of the ring-shaped ring nozzle 22 is larger than the outer diameter of the cathode 13 and the anode 11a, the ring nozzle 22 overlaps the positive column PC having a high density of active species between the cathode 13 and the anode 11a. Therefore, the temperature rise in the portion of the jet nozzle 22a of the ring nozzle 22 due to plasma is small, and the generation of deposits at the jet nozzle 22a is suppressed.
(4)リングノズル22の噴出口22aの高さが、陽光柱PCの最高点よりも高いので、噴出口22aから噴出される低い温度のガスで、陽光柱PCのガス温度を側面から部分的に冷却することがなく、陽光柱PCの形状の対称性を乱すことがない。 (4) Since the height of the jet port 22a of the ring nozzle 22 is higher than the highest point of the positive column PC, the gas temperature of the positive column PC is partially changed from the side by the low temperature gas jetted from the jet port 22a. And the symmetry of the shape of the positive column PC is not disturbed.
(5)絶縁体15により、陰極13から陽極11aの外周に向けて均等な成膜を阻害するアーク放電の発生が防止される。 (5) The insulator 15 prevents the occurrence of arc discharge that hinders uniform film formation from the cathode 13 toward the outer periphery of the anode 11a.
(6)陰極13の電極面と同じか或いは低い位置にリングノズル22を配置させ、また、リングノズル22から横方向に放出される原料ガスは、下方の排気用管路20に引き寄せられるため、陽光柱PC内で発生した反応性の高い活性種が、拡散によって陰極13に接することを防ぐことができる。したがって、アーク放電やスパークの原因となる陰極13への活性種による堆積を防ぐことが可能である。 (6) Since the ring nozzle 22 is arranged at the same or lower position as the electrode surface of the cathode 13 and the source gas discharged from the ring nozzle 22 in the lateral direction is drawn to the lower exhaust pipe line 20, Highly reactive active species generated in the positive column PC can be prevented from coming into contact with the cathode 13 by diffusion. Therefore, it is possible to prevent deposition due to active species on the cathode 13 which causes arc discharge and spark.
[第2の実施形態]
図5(a),(b)は、本発明の第2の実施形態に係る直流プラズマCVD装置の構成図であり、図1中の要素と共通する要素には、共通の符号を付している。
[Second Embodiment]
FIGS. 5A and 5B are configuration diagrams of a DC plasma CVD apparatus according to the second embodiment of the present invention. Elements common to those in FIG. Yes.
この直流プラズマCVD装置は、図1の直流プラズマCVD装置の陰極13を陰極27に変更し、電圧設定部21を電圧設定部28に変更したものである。 In this DC plasma CVD apparatus, the cathode 13 of the DC plasma CVD apparatus of FIG. 1 is changed to a cathode 27 and the voltage setting unit 21 is changed to a voltage setting unit 28.
陰極27は、陽極11aの中央部に対向する中央電極27aと、陽極11aの中央部と対向する円板状の中央電極27aと、中央電極27aの外周を囲んだリング状(図5(b)参照)で、中央電極27aに対して同心円をなすと共に、陽極11aの周辺部と対向する周辺電極27bと、中央電極27aと周辺電極27bとの間に隙間なく充填されているセラミック等の絶縁部27cと、を有している。 The cathode 27 includes a central electrode 27a facing the central portion of the anode 11a, a disk-shaped central electrode 27a facing the central portion of the anode 11a, and a ring shape surrounding the outer periphery of the central electrode 27a (FIG. 5B). And a peripheral electrode 27b concentric with the central electrode 27a and facing the peripheral part of the anode 11a, and an insulating part such as ceramic filled between the central electrode 27a and the peripheral electrode 27b without a gap. 27c.
中央電極27aと周辺電極27bとの間に絶縁部27cを介在させない場合、中央電極27a及び周辺電極27b間距離が十分長く設けないと、基板1のみならず、互いに対向する中央電極27aの側壁及び周辺電極27bの側壁での電界強度が弱くなり、陰極グローに覆われない部分が発生する。この部分はイオンのボンバードメントが少ないため、堆積物が堆積されやすい。このような堆積物はアーク放電や火花放電の原因となる。このため、絶縁部27cを介在させることによって、互いに対向する中央電極27aの側壁及び周辺電極27bの側壁に、膜が堆積されることを防止している。 When the insulating portion 27c is not interposed between the central electrode 27a and the peripheral electrode 27b, the side wall of the central electrode 27a facing each other as well as the substrate 1 must be provided unless the distance between the central electrode 27a and the peripheral electrode 27b is sufficiently long. The electric field strength at the side wall of the peripheral electrode 27b becomes weak, and a portion not covered with the cathode glow is generated. Since there is little ion bombardment in this portion, deposits are easily deposited. Such deposits cause arc discharge and spark discharge. For this reason, by interposing the insulating portion 27c, the film is prevented from being deposited on the sidewalls of the central electrode 27a and the peripheral electrode 27b facing each other.
電圧設定部28は、制御部28aと、可変電源28b,28cを備えている。
制御部28aは、放射温度計18とリード線で接続されている。制御部28aは可変電源28b,28cを制御し、陽極11aと中央電極27aとの間の電圧または電流と、陽極11aと周辺電極27bとの間の電圧または電流とを、個別に設定する機能を持っている。他の構成は、図1の直流プラズマCVD装置と同様である。
The voltage setting unit 28 includes a control unit 28a and variable power supplies 28b and 28c.
The control unit 28a is connected to the radiation thermometer 18 by a lead wire. The control unit 28a controls the variable power supplies 28b and 28c, and has a function of individually setting the voltage or current between the anode 11a and the central electrode 27a and the voltage or current between the anode 11a and the peripheral electrode 27b. have. Other configurations are the same as those of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
図5の直流プラズマCVD装置を用いて、基板1に成膜する場合、プラズマの立ち上げ時に、基板1を1rpmで回転させ、電圧制御部28の制御により、陽極11aと中央電極27aとの間の電位差が、陽極11aと周辺電極27bとの間の電位差よりも大きくなるようにして、陰極27と陽極11aとの間の電圧を設定する。このような電圧のかけ方をすることにより、陽極11aと中央電極27aとの間で小さな陽光柱PCを発生させる。これにより最初から大きな陽光柱を発生させる際に頻繁に発生するアーク放電の発生を予防できる。 In the case of forming a film on the substrate 1 using the DC plasma CVD apparatus of FIG. 5, the substrate 1 is rotated at 1 rpm when the plasma is started up, and the voltage controller 28 controls between the anode 11a and the central electrode 27a. Is set larger than the potential difference between the anode 11a and the peripheral electrode 27b, and the voltage between the cathode 27 and the anode 11a is set. By applying such a voltage, a small positive column PC is generated between the anode 11a and the central electrode 27a. Thus, it is possible to prevent the occurrence of arc discharge that frequently occurs when a large positive column is generated from the beginning.
このように電圧又は電流の印加により、基板1の中央部分の上部に安定した陽光柱PCが形成された後、制御部28aは、陽極11aと中央電極27aとの間の電圧又は電流値が、陽極11aと周辺電極27bとの間の電圧未満又は電流値未満となるように電圧又は電流を印加して、これにより、陽極11aと中央電極27aとの間の温度と、陽極11aと周辺電極27bとの間の温度とを近似又は略一致させ、基板1に成膜を施す。 After the stable positive column PC is formed on the upper portion of the central portion of the substrate 1 by applying voltage or current in this way, the control unit 28a has a voltage or current value between the anode 11a and the central electrode 27a. A voltage or current is applied so as to be less than the voltage between the anode 11a and the peripheral electrode 27b or less than the current value, thereby the temperature between the anode 11a and the central electrode 27a, the anode 11a and the peripheral electrode 27b. The substrate 1 is subjected to film formation by approximating or substantially matching the temperature between the two.
以上のように、本実施形態では、陰極27を中央電極27aと周辺電極27bとで構成し、陽極11aと中央電極27aとの間の電圧又は電流値と、陽極11aと周辺電極27bとの間の電圧又は電流を独立に設定できる。そして、プラズマの立ち上げ時に、陽極11aと中央電極27aとの間の電圧が、陽極11aと周辺電極27bとの間の電圧よりも高くなるようにしている。これにより、陽極11aと陰極27との距離を短くして陽光柱PCを形成することができる。陽極11aと陰極27とに印加する電圧が低くてよく、アーク放電や火花放電の発生頻度を抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, the cathode 27 is constituted by the central electrode 27a and the peripheral electrode 27b, and the voltage or current value between the anode 11a and the central electrode 27a, and between the anode 11a and the peripheral electrode 27b. The voltage or current can be set independently. When the plasma is started up, the voltage between the anode 11a and the central electrode 27a is set higher than the voltage between the anode 11a and the peripheral electrode 27b. Thus, the positive column PC can be formed by shortening the distance between the anode 11a and the cathode 27. The voltage applied to the anode 11a and the cathode 27 may be low, and the occurrence frequency of arc discharge and spark discharge can be suppressed.
また、中央電極27aに対して流す電流に対して、周辺電極27bに流す電流を少なくして基板1の中心に集中した陽光柱PCを発生させて、その後に、周辺電極27bに与える電力を増加させて周辺電極27bに流す電流を増加させることにより、成膜の初期に発生する局所的なアーク放電を防ぎ、その後に陽光柱PCを必要な大きさに成長させることができる。 In addition, the current flowing to the peripheral electrode 27b is reduced with respect to the current flowing to the central electrode 27a to generate the positive column PC concentrated at the center of the substrate 1, and then the power applied to the peripheral electrode 27b is increased. Thus, by increasing the current flowing through the peripheral electrode 27b, local arc discharge that occurs at the initial stage of film formation can be prevented, and then the positive column PC can be grown to a required size.
[第3の実施形態]
図6は、本発明の第3の実施形態に係る直流プラズマCVD装置の構成図であり、図1中の要素と共通する要素には、共通の符号を付している。
[Third Embodiment]
FIG. 6 is a configuration diagram of a DC plasma CVD apparatus according to the third embodiment of the present invention. Elements common to those in FIG. 1 are denoted by common reference numerals.
この直流プラズマCVD装置は、反応槽であるチャンバー30を備えている。チャンバー30は、基板1を外気から遮断する。
チャンバー30内には、円柱状の鋼製のステージ11が配置され、ステージ11の上部に円板状の熱伝導性のよく、融点が高い例えばモリブデン或いはグラファイト製の陽極11aが載置されている。基板1は矩形であり、陽極11aの上側載置面に固定される。ステージ11は、陽極11aとともに軸11xを中心にして回転するように設定されている。
The DC plasma CVD apparatus includes a chamber 30 that is a reaction tank. The chamber 30 blocks the substrate 1 from the outside air.
A cylindrical steel stage 11 is disposed in the chamber 30, and an anode 11 a made of, for example, molybdenum or graphite having a good disk-like heat conductivity and a high melting point is placed on the stage 11. . The substrate 1 is rectangular and is fixed to the upper mounting surface of the anode 11a. The stage 11 is set to rotate about the axis 11x together with the anode 11a.
陽極11aの下側のステージ11には、閉塞された空間11bが設けられており、空間11bには、冷却部材12が配置されている。冷却部材12は、基板1を必要に応じて冷却するために設けられたものであり、図示しない移動機構により、冷却部材12が矢印の通り上下に移動自在な構造になっている。冷却部材12は、銅等の熱伝導率の高い金属で形成され、その内部では、冷却された水又は冷却された塩化カルシウム水溶液等の冷却媒体が管路12aから冷却部材12内の流路12bに入り、管路12cより排出されるように循環し、冷却部材12全体を冷やしている。 The stage 11 below the anode 11a is provided with a closed space 11b, and a cooling member 12 is disposed in the space 11b. The cooling member 12 is provided to cool the substrate 1 as necessary, and has a structure in which the cooling member 12 is movable up and down as indicated by an arrow by a moving mechanism (not shown). The cooling member 12 is formed of a metal having high thermal conductivity such as copper, and inside thereof, a cooling medium such as cooled water or a cooled aqueous solution of calcium chloride passes from the pipe 12a to the flow path 12b in the cooling member 12. It circulates so as to be discharged from the pipe 12c, and cools the entire cooling member 12.
このため、冷却部材12が上方に移動することにより、冷却部材12の上面1がステージ11の下面に当接し、当接されたステージ11がその上部の陽極11aを冷却し、陽極11aが基板1の熱を奪う構造になっている。管路12cから排出された冷却媒体は、図示しない冷却装置によって冷却されて、再び管路12aに送出されるように循環される。 For this reason, when the cooling member 12 moves upward, the upper surface 1 of the cooling member 12 contacts the lower surface of the stage 11, and the contacted stage 11 cools the upper anode 11 a, and the anode 11 a becomes the substrate 1. The structure that takes away the heat of. The cooling medium discharged from the pipe 12c is cooled by a cooling device (not shown) and circulated so as to be sent out again to the pipe 12a.
陽極11aの上方には、円板状の陰極13が配置されている。陰極13は、陰極支持体14に支持され、陰極13と陽極11aとが対向している。陰極13は、融点が高いモリブデン或いはグラファイト等で形成されている。陰極支持体14は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、或いは炭化珪素等の耐熱性炭化物で構成されている。 A disc-shaped cathode 13 is disposed above the anode 11a. The cathode 13 is supported by the cathode support 14, and the cathode 13 and the anode 11a face each other. The cathode 13 is made of molybdenum or graphite having a high melting point. The cathode support 14 is made of a heat-resistant oxide such as quartz glass or alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride or silicon nitride, or a heat-resistant carbide such as silicon carbide.
陰極13の内部には、冷却媒体が流れる流路が形成されていてもよい。冷却媒体が流れることにより陰極13の過熱を抑制することができる。 A flow path through which a cooling medium flows may be formed inside the cathode 13. When the cooling medium flows, overheating of the cathode 13 can be suppressed.
陽極11aの外周面の近傍には、アークの発生を抑制するための絶縁体15が配置されている。絶縁体15は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、および炭化珪素等の耐熱性炭化物の少なくともいずれか1つで構成されている。 An insulator 15 for suppressing arc generation is disposed in the vicinity of the outer peripheral surface of the anode 11a. The insulator 15 is made of at least one of a heat-resistant oxide such as quartz glass and alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride and silicon nitride, and a heat-resistant carbide such as silicon carbide.
絶縁体15はリング状であり、チャンバー30の底部に立設された支持体16によって陽極11aと同じ高さに支持され、その内周側で陽極11aの外周を囲んでいる。絶縁体15の外径は、陰極13の最外径の1.2倍以上の長さになっている。
尚、絶縁体15は、陰極13と陽極11aの間の異常放電(アーク放電、火花放電)の発生を抑制するものであり、陽極11aの外周側面に沿って陰極13と対向する面に載置されて陰極13に対して陽極11aの側面を隠すようにしてもよい。
The insulator 15 has a ring shape, and is supported at the same height as the anode 11a by a support 16 standing on the bottom of the chamber 30, and surrounds the outer periphery of the anode 11a on the inner peripheral side thereof. The outer diameter of the insulator 15 is at least 1.2 times the outermost diameter of the cathode 13.
The insulator 15 suppresses the occurrence of abnormal discharge (arc discharge, spark discharge) between the cathode 13 and the anode 11a, and is placed on the surface facing the cathode 13 along the outer peripheral side surface of the anode 11a. Then, the side surface of the anode 11 a may be hidden from the cathode 13.
チャンバー30の側面には、窓17が形成され、チャンバー30内の観察が可能になっている。窓17には、耐熱性ガラスがはめ込まれ、チャンバー30内の気密性が確保されている。チャンバー30の外側に、例えば、窓17のガラスを介して基板1の温度を測定する放射温度計18が配置されている。 A window 17 is formed on the side surface of the chamber 30 so that the inside of the chamber 30 can be observed. The window 17 is fitted with heat-resistant glass to ensure airtightness in the chamber 30. A radiation thermometer 18 that measures the temperature of the substrate 1 through, for example, the glass of the window 17 is disposed outside the chamber 30.
この直流プラズマCVD装置には、活性種の原料となる反応ガスをガスチューブ31を介して導入する反応ガス系(図示略)とマトリクスガス(キャリアーガス)をガスチューブ32を介して導入する原料系(図示略)とチャンバー30内から気体を複数の排気用管路20を介して排出してチャンバー30内の気圧を調整する排気系(図示略)と、電圧設定部21とを備えている。 In this DC plasma CVD apparatus, a reactive gas system (not shown) for introducing a reactive gas as a raw material of active species through a gas tube 31 and a raw material system for introducing a matrix gas (carrier gas) through a gas tube 32 are used. (Not shown), an exhaust system (not shown) for adjusting the atmospheric pressure in the chamber 30 by discharging gas from the chamber 30 through the plurality of exhaust pipes 20, and a voltage setting unit 21.
ガスチューブ31は、絶縁体で構成され、チャンバー30に設けられた孔を通過している。その孔とガスチューブ31の外周との間は、シール材でシールされ、チャンバー30の内の気密性が確保されている。チャンバー30内で、ガスチューブ31は、リングノズル33に接続されている。 The gas tube 31 is made of an insulator and passes through a hole provided in the chamber 30. The space between the hole and the outer periphery of the gas tube 31 is sealed with a sealing material, and the airtightness in the chamber 30 is ensured. Inside the chamber 30, the gas tube 31 is connected to a ring nozzle 33.
リングノズル33は、図2に示したリングノズル22と同様のものであり、リングノズル33のリング状の内周面側には、口径が等しい複数の噴出口33aが等間隔に配置され、複数の噴出口22aは陽極11aの中心軸である軸11xとの間の距離も互いに等しい。個々の噴出口33aは、軸11xを中心として反対の位置にも噴出口33aが相対するよう点対称に設けられており、原料ガスが噴出口33aから軸11xに向けて均等に噴出される。 The ring nozzle 33 is the same as the ring nozzle 22 shown in FIG. 2, and on the ring-shaped inner peripheral surface side of the ring nozzle 33, a plurality of jet nozzles 33 a having the same diameter are arranged at equal intervals. The distance between the jet port 22a and the axis 11x, which is the central axis of the anode 11a, is also equal. The individual outlets 33a are provided point-symmetrically so that the outlets 33a face each other at opposite positions with the axis 11x as the center, and the source gas is uniformly jetted from the outlets 33a toward the axis 11x.
陰極支持体14に取付けられた絶縁体のノズル支持体23によって、リングノズル33は、支持される。リングノズル33の支持される高さは、噴出口33aが、陰極支持体14の最下部(陰極13の陰極支持体14から露出した側面での最上部)以下であり、かつ陽極11aと陰極13との間にできる陽光柱PCの最高点よりも高い位置になる設定される。この範囲にリングノズル33が支持されると、反応ガスが陰極13と陽極11aの間に入りやすく、また、陽光柱PC内のガス温度を反応ガスの噴出で局所的に冷却することで生じる陽光柱PCの対称性の乱れを抑制することができる。 The ring nozzle 33 is supported by an insulating nozzle support 23 attached to the cathode support 14. The height at which the ring nozzle 33 is supported is equal to or lower than the lowermost part of the cathode support 14 (the uppermost part of the side surface of the cathode 13 exposed from the cathode support 14), and the anode 11a and the cathode 13 are supported. Is set to be higher than the highest point of the positive column PC formed between the two. When the ring nozzle 33 is supported in this range, the reaction gas easily enters between the cathode 13 and the anode 11a, and the sunlight generated by locally cooling the gas temperature in the positive column PC by jetting the reaction gas. The disturbance of symmetry of the column PC can be suppressed.
リングノズル33の内径は、陰極13の外径及び陽極11aの外径よりも大きい。リングノズル33の中心は、陽極11aの軸11x上にある。陽極11aの中心から各噴出口33aを睨む角度は、概ね均等になっている。 The inner diameter of the ring nozzle 33 is larger than the outer diameter of the cathode 13 and the outer diameter of the anode 11a. The center of the ring nozzle 33 is on the axis 11x of the anode 11a. The angles sandwiching each ejection port 33a from the center of the anode 11a are substantially uniform.
4本の排気用管路20は、チャンバー30の底面に、軸11xを中心にしてステージ11を囲むように等間隔で開口された4つの孔をそれぞれ貫通している。その孔と排気用管路20の外周との間は、シール材でシールされている。 The four exhaust ducts 20 respectively penetrate through the bottom surface of the chamber 30 through four holes that are opened at equal intervals so as to surround the stage 11 around the axis 11x. A space between the hole and the outer periphery of the exhaust pipe 20 is sealed with a sealing material.
電圧設定部21は、陽極11aと陰極13との間の電圧又は電流値を設定する制御装置であり、可変電源21bを備えている。電圧設定部21と陽極11a及び陰極13とは、リード線でそれぞれ接続されている。各リード線は、チャンバー30に設けられた孔を通過し、それぞれ陰極13と陽極11aに接続されている。リード線が通されたチャンバー30の孔は、シール材でシールされている。 The voltage setting unit 21 is a control device that sets a voltage or a current value between the anode 11a and the cathode 13, and includes a variable power source 21b. The voltage setting unit 21 is connected to the anode 11a and the cathode 13 by lead wires. Each lead wire passes through a hole provided in the chamber 30 and is connected to the cathode 13 and the anode 11a, respectively. The hole of the chamber 30 through which the lead wire is passed is sealed with a sealing material.
電圧設定部21は、制御部21aを備え、その制御部21aは、放射温度計18とリード線で接続され、可変電源21bとリード線で接続されている。制御部21aは、起動されると、放射温度計18の測定した基板1の温度を参照し、基板1の温度が予定の値になるように、陽極11aと陰極13との間の電圧又は電流値を調整する。 The voltage setting unit 21 includes a control unit 21a. The control unit 21a is connected to the radiation thermometer 18 through a lead wire, and is connected to the variable power source 21b through a lead wire. When activated, the controller 21a refers to the temperature of the substrate 1 measured by the radiation thermometer 18, and the voltage or current between the anode 11a and the cathode 13 so that the temperature of the substrate 1 becomes a predetermined value. Adjust the value.
ガスチューブ32は、絶縁体で構成され、チャンバー30に設けられた孔を通過している。その孔とガスチューブ32の外周との間は、シール材でシールされ、チャンバー30の内の気密性が確保されている。チャンバー30内で、ガスチューブ32は、ガスシャワーノズル34に接続されている。
ガスシャワーノズル34は、陰極13を支持する陰極支持体14の上方で且つリングノズル33より上方に配置され、下面に口径が等しい複数の噴出口が、軸11xを中心として同心円状或いは放射状に形成されている。また個々の噴出口は、軸11xを中心として反対の位置にも噴出口が相対するよう点対称に設けられており、マトリクスガスを下方にシャワー状に噴出する。
The gas tube 32 is made of an insulator and passes through a hole provided in the chamber 30. The space between the hole and the outer periphery of the gas tube 32 is sealed with a sealing material, and the airtightness in the chamber 30 is ensured. Inside the chamber 30, the gas tube 32 is connected to a gas shower nozzle 34.
The gas shower nozzle 34 is arranged above the cathode support 14 that supports the cathode 13 and above the ring nozzle 33, and a plurality of jet nozzles having the same diameter are formed concentrically or radially around the axis 11x. Has been. Further, the individual outlets are provided point-symmetrically so that the outlets face each other at opposite positions around the axis 11x, and the matrix gas is jetted downward in a shower shape.
本実施形態の直流プラズマCVD装置を用いて成膜をする場合の基本的動作は、第1の実施形態の直流プラズマCVD装置を用いる場合と同様である。ただし、本実施形態の直流プラズマCVD装置の場合、マトリクスガスと反応ガスが独立に導入され、反応ガスがリングノズル33から内側横方向に噴出し、マトリクスガスがガスシャワーノズル34から下方向に噴出される。マトリクスガスは、横方向に噴出される反応ガスの流れのベクトルを変化させ、基板1の方へ斜め下の基板1に向けて流れるようにする。 The basic operation when forming a film using the DC plasma CVD apparatus of the present embodiment is the same as that when the DC plasma CVD apparatus of the first embodiment is used. However, in the case of the direct current plasma CVD apparatus of this embodiment, the matrix gas and the reactive gas are independently introduced, the reactive gas is ejected from the ring nozzle 33 in the inner lateral direction, and the matrix gas is ejected from the gas shower nozzle 34 downward. Is done. The matrix gas changes the flow vector of the reaction gas ejected in the lateral direction so as to flow toward the substrate 1 obliquely downward toward the substrate 1.
ここで、リングノズル33の高さについての検証実験について説明する。
図7は、検証実験の概要を示す図である。
この検証実験では、陽極11a及び陰極13の直径を160mm、これらの厚さをそれぞれ15mmとし、陽極11aと陰極13との距離を60mmとし、リングノズル33の内径を305mm、管径を0.25インチとし、ガスシャワーノズル34の噴出口がある下面と陰極13の下面との距離を260mmとし、ガスシャワーノズル34から放出されるマトリクスガスの水素を600sccm、マトリクスガスのアルゴンを48sccmとし、リングノズル33の噴出口33aから放出される反応ガスのメタンを60sccmとし、ガス圧を60Torrとし、陰極13及び陽極11a間の電流を16Aとし、基板1として一辺が75mmの正方形で厚みが0.7mmのシリコン基板を用い、成膜時間を2時間とし、リングノズル33の高さを変えて、成膜を行った。図7に示すように、リングノズル33の噴出口33aの位置が、陰極13の下面から下に10mmの位置にある場合を位置high、陽極11aの上面から上に10mmの位置にある場合を位置lowとする。
Here, a verification experiment on the height of the ring nozzle 33 will be described.
FIG. 7 is a diagram showing an outline of the verification experiment.
In this verification experiment, the diameter of the anode 11a and the cathode 13 is 160 mm, the thickness of each is 15 mm, the distance between the anode 11a and the cathode 13 is 60 mm, the inner diameter of the ring nozzle 33 is 305 mm, and the tube diameter is 0.25. The distance between the lower surface of the gas shower nozzle 34 and the lower surface of the cathode 13 is 260 mm, hydrogen of the matrix gas discharged from the gas shower nozzle 34 is 600 sccm, and argon of the matrix gas is 48 sccm. The reaction gas methane discharged from the 33 outlets 33a is 60 sccm, the gas pressure is 60 Torr, the current between the cathode 13 and the anode 11a is 16 A, and the substrate 1 is a square having a side of 75 mm and a thickness of 0.7 mm. Using a silicon substrate, the film formation time is 2 hours, and the ring nozzle 33 By changing the is, film formation was carried out. As shown in FIG. 7, when the position of the jet nozzle 33a of the ring nozzle 33 is 10 mm below the lower surface of the cathode 13, the position is high, and when the nozzle 33a is 10 mm above the upper surface of the anode 11a. Let it be low.
図8及び図9は、検証実験の結果を説明する図である。この検証実験では、図8に示す基板1の中央であり、軸11x上に位置している観測点Aと、基板1のある端面からの距離L1を10mmとし、当該ある端面に隣接する二つの端面からの距離L2を37.5mmとした観測点Bとで、カーボンナノウォールの成長の観測を行った。
また、位置highから反応ガスを放出した場合及び位置lowから反応ガスを放出した場合の両方で、基板1にカーボンナノウォールの成長が見られた。
図9の左上図及び右上図は、それぞれ、反応ガスを噴出するリングノズル33の噴出口33aの位置が位置highにある場合において2時間プラズマCVDを行ったときの、観察点A、観察点Bでのカーボンナノウォールの成長を示す断層SEM像である。図9の左下図及び右下図は、それぞれ、反応ガスを噴出するリングノズル33の噴出口33aの位置が位置lowにある場合において2時間プラズマCVDを行ったときの、観察点A、観察点Bでのカーボンナノウォールの成長を示す断層SEM像である。
図9の左上図及び右上図に示すように、位置highのみから反応ガスを放出した場合、観測点Aと観測点Bとでカーボンナノウォールの成長の程度にあまり差異はなかった。これに対し、図9の左下図及び右下図に示すように、位置lowのみから反応ガスを放出した場合には、差異が見うけられ、観測点Bの方が、観測点Aよりも、カーボンナノウォールが大きく成長していた。これは、位置lowの場合、リングノズル33から噴出される反応ガスが、位置highの場合と比べて位置が低すぎて観察点Aまで到達しにくいことと、中心部よりも外側にあるプラズマ内の周辺部の温度を冷却するため、プラズマ内における中心部と周辺部で、ガスの温度の差が大きくなることと、が原因と考えられる。基板1の外周に近い部分でのプラズマ内のガス温度の低下は、比較的化学的ポテンシャルの低い活性種の密度を増大させることにつながり、成膜のむらが生じている。
8 and 9 are diagrams for explaining the results of the verification experiment. In this verification experiment, the distance L1 between the observation point A, which is the center of the substrate 1 shown in FIG. 8 and located on the axis 11x, and an end face of the substrate 1 is 10 mm, and two adjacent to the end face. The growth of the carbon nanowall was observed at an observation point B where the distance L2 from the end face was 37.5 mm.
In addition, growth of carbon nanowalls was observed on the substrate 1 both when the reaction gas was released from the position high and when the reaction gas was released from the position low.
The upper left view and the upper right view of FIG. 9 show an observation point A and an observation point B, respectively, when plasma CVD is performed for 2 hours when the position of the jet outlet 33a of the ring nozzle 33 that jets the reaction gas is at the position high. 2 is a tomographic SEM image showing the growth of carbon nanowalls in FIG. The lower left diagram and the lower right diagram in FIG. 9 show an observation point A and an observation point B when the plasma CVD is performed for 2 hours when the position of the ejection port 33a of the ring nozzle 33 that ejects the reactive gas is at the position low. 2 is a tomographic SEM image showing the growth of carbon nanowalls in FIG.
As shown in the upper left diagram and the upper right diagram in FIG. 9, when the reactive gas was released only from the position high, there was not much difference in the growth degree of the carbon nanowall between the observation point A and the observation point B. On the other hand, as shown in the lower left diagram and the lower right diagram in FIG. 9, when the reactive gas is released only from the position low, a difference is observed, and the observation point B is more carbon than the observation point A. Nanowalls were growing greatly. This is because, in the case of the position low, the reaction gas ejected from the ring nozzle 33 is too low to reach the observation point A as compared with the case of the position high, and in the plasma outside the center portion. This is considered to be caused by the fact that the temperature difference between the central part and the peripheral part in the plasma becomes large in order to cool the temperature of the peripheral part. The decrease in the gas temperature in the plasma near the outer periphery of the substrate 1 leads to an increase in the density of active species having a relatively low chemical potential, resulting in uneven film formation.
一方、位置highの場合には、反応ガスが陽光柱PCに対して広い角度で分散しているので比較的観測点Aまで達しやすく、低温の反応ガスが局所的に陽光柱PCの周辺部のみに吹きつけられないので、ガス中の温度勾配が小さく、成膜むらが発生しない。 On the other hand, in the case of the position high, since the reaction gas is dispersed at a wide angle with respect to the positive column PC, it is relatively easy to reach the observation point A, and the low temperature reaction gas is locally only at the periphery of the positive column PC. Therefore, the temperature gradient in the gas is small and film formation unevenness does not occur.
次に、噴出口33aの径を変化させて成膜状態を観察する実験について説明する。
リングノズル33の位置を前述の図7に示す位置highの位置に設定し、噴出口33aの径を0.5mm、1.0mm、1.5mmと変化させ、基板の表面での放射率の変化を測定した。シリコン基板上にカーボンナノウォールのようなグラファイト構造の集合体を成膜する場合、膜厚が厚くなるに従って、一般に放射率は高くなる傾向がある。なお、噴出口33aの径が0.5mmのときの噴出直後のガスの移動速度を500cm/s、噴出口33aの径が1.0mmのときの噴出直後のガスの移動速度を125cm/s、噴出口33aの径が1.5mmのときの噴出直後のガスの移動速度を55cm/sとし単位時間あたりの反応ガスの流量を等しくしている。
Next, an experiment for observing the film formation state by changing the diameter of the ejection port 33a will be described.
The position of the ring nozzle 33 is set to the position high shown in FIG. 7, and the diameter of the ejection port 33a is changed to 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm to change the emissivity on the surface of the substrate. Was measured. In the case where a graphite structure aggregate such as carbon nanowall is formed on a silicon substrate, the emissivity generally tends to increase as the film thickness increases. The gas moving speed immediately after ejection when the diameter of the ejection port 33a is 0.5 mm is 500 cm / s, and the gas moving speed immediately after ejection when the diameter of the ejection port 33a is 1.0 mm is 125 cm / s. When the diameter of the ejection port 33a is 1.5 mm, the gas moving speed immediately after ejection is 55 cm / s, and the flow rates of the reaction gas per unit time are made equal.
図10(a)、図10(b)、図10(c)は、それぞれ位置highでのリングノズル33の噴出口33aの径を0.5mm、1.0mm、1.5mmとしたプラズマCVD装置において、2時間プラズマCVD処理を行った際の、図8に示す観測点A(基板中心)における成膜状態を示すSEM断面像である。図11は、噴出口33aの径を0.5mm、1.0mm、1.5mmとしたときの基板1での放射率を示す図である。
断層SEM観察で確認したところ、噴出口33aの径が0.5mmの場合の観察点A、Bそれぞれでのカーボンナノウォールの基板鉛直方向の成長に大きな差異は見られず、また、噴出口33aの径が1.0mmの場合の観察点A、Bそれぞれでのカーボンナノウォールの基板鉛直方向の成長に大きな差異は見られず、噴出口33aの径が1.5mmの場合の観察点A、Bそれぞれでのカーボンナノウォールの基板鉛直方向の成長に大きな差異は見られなかった。しかし、図10(a)、図10(b)、図10(c)に示すように、噴出口径が0.5mmの場合(φ0.5)と、1.0mmの場合(φ1.0)と、1.5mmの場合(φ1.5)とで、観測点Aでの断層SEM像を図10で比較すると、φ1.0、φ1.5の場合のカーボンナノウォールの基板鉛直方向の成長が、φ0.5の場合よりも大きいことが分かる。
10 (a), 10 (b), and 10 (c) show plasma CVD apparatuses in which the diameter of the outlet 33a of the ring nozzle 33 at the position high is 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm, respectively. 9 is an SEM cross-sectional image showing a film formation state at observation point A (substrate center) shown in FIG. 8 when performing plasma CVD treatment for 2 hours. FIG. 11 is a diagram showing the emissivity on the substrate 1 when the diameter of the ejection port 33a is 0.5 mm, 1.0 mm, and 1.5 mm.
When confirmed by a tomographic SEM observation, there is no significant difference in the growth of the carbon nanowalls in the vertical direction of the substrate at the observation points A and B when the diameter of the ejection port 33a is 0.5 mm, and the ejection port 33a. No significant difference is observed in the vertical growth of the carbon nanowalls at the observation points A and B when the diameter of the nozzle 33a is 1.0 mm, and the observation points A and B when the diameter of the ejection port 33a is 1.5 mm. There was no significant difference in the growth of carbon nanowalls in each of B in the vertical direction of the substrate. However, as shown in FIG. 10 (a), FIG. 10 (b), and FIG. 10 (c), when the nozzle diameter is 0.5 mm (φ0.5), and 1.0 mm (φ1.0) When the tomographic SEM images at the observation point A are compared in FIG. 10 in the case of 1.5 mm (φ1.5), the growth of the carbon nanowall in the substrate vertical direction in the case of φ1.0 and φ1.5 is It can be seen that it is larger than the case of φ0.5.
図11から明らかなように、基板の放射率変化はφ0.5、φ1.0ではほぼ変わらず、1時間30分後にはプラトーに達したが、φ1.5はカーボンナノウォールの成長に伴う放射率の増加が遅れる傾向が見られた。このような放射率の増加は基板面上でのカーボンナノウォールを構成するグラファイト成分の密度に依存する。 As is clear from FIG. 11, the change in the emissivity of the substrate is almost unchanged at φ0.5 and φ1.0, reaching a plateau after 1 hour and 30 minutes, but φ1.5 is the radiation accompanying the growth of carbon nanowalls. There was a tendency for the rate increase to be delayed. Such an increase in emissivity depends on the density of the graphite component constituting the carbon nanowall on the substrate surface.
また、カーボンナノウォールの成長は、基板1に対して垂直に向かってくる活性種の量が多いほど、基板鉛直方向への成長が速いことが知られている。φ0.5では放射率が早くプラトーに達し、かつ、カーボンナノウォールの高さがφ1.0、φ1.5の場合よりも低いことから横向きの成長速度の比率が、φ1.0、φ1.5の場合よりも大きいと考えられる。これはφ0.5でのプラズマによって作られた活性種の流れが、他の二つの場合に比べて横向きの速度成分が大きく、メタンガスの噴出速度が速すぎて、プラズマの陽光柱PCを通過するガスの流れが若干乱されていることを示唆している。 Further, it is known that the growth of carbon nanowalls grows faster in the vertical direction of the substrate as the amount of active species that comes perpendicular to the substrate 1 increases. At φ0.5, the emissivity reaches a plateau quickly, and the height of the carbon nanowall is lower than that at φ1.0 and φ1.5, so the ratio of the lateral growth rate is φ1.0, φ1.5. It is thought that it is larger than the case. This is because the flow of active species produced by the plasma at φ0.5 has a larger lateral velocity component than the other two cases, the methane gas ejection speed is too high, and passes through the positive column PC of the plasma. This suggests that the gas flow is slightly disturbed.
また、φ1.5の場合は成膜時間が2時間でのカーボンナノウォールの基板鉛直方向の高さは成膜時間が2時間でのφ0.5、φ1.0のカーボンナノウォールの基板鉛直方向の高さとあまり変わらないが、放射率がプラトー達するまでの速さが他の二つの場合に比べて遅く、かつカーボンナノウォールの基板鉛直方向の成長がφ1.0とほぼ等しいことは、基板鉛直向きの成長速度成分がφ1.0と同程度であるが、グラファイト成分全体の堆積速度はφ0.5、φ1.0に比べて遅く、その分、カーボンナノウォールの横向きの成長速度が遅くなっていることを示唆している。これは、反応ガスの噴出速度が遅いため、反応ガスの対流を乱すことが少ないが、その分プラズマの中央まで到達する反応ガスの量がφ0.5、φ1.0に比べて少ないためと考えられる。
つまり、観測点Aにおいて、φ0.5で成膜されたカーボンナノウォールはφ1.5で成膜されたカーボンナノウォールと比べて基板の単位面積あたりのカーボンナノウォールの密度が高いが、基板鉛直方向の成長が遅い。一方、φ1.5で成膜されたカーボンナノウォールはφ0.5で成膜されたカーボンナノウォールと比べて基板鉛直方向の成長が早いが、基板の単位面積あたりのカーボンナノウォールの密度が十分高くなるまでが遅い。しかしながらφ1.5で成膜されたカーボンナノウォールは成膜時間が2時間経つと、十分な密度にまで成長する。
In the case of φ1.5, the height of the carbon nanowall in the substrate vertical direction when the film formation time is 2 hours is the vertical direction of the carbon nanowall of φ0.5 and φ1.0 when the film formation time is 2 hours. Although the speed until the emissivity reaches a plateau is slower than in the other two cases, and the growth of the carbon nanowall in the substrate vertical direction is almost equal to φ1.0, Although the growth rate component in the direction is about the same as φ1.0, the deposition rate of the entire graphite component is slower than φ0.5 and φ1.0, and the lateral growth rate of the carbon nanowall becomes slower accordingly. Suggests that This is considered to be because the reaction gas ejection speed is slow, so that the convection of the reaction gas is less disturbed, but the amount of the reaction gas reaching the center of the plasma is less than that of φ0.5 and φ1.0. It is done.
That is, at the observation point A, the carbon nanowall formed with φ0.5 has a higher density of carbon nanowalls per unit area of the substrate than the carbon nanowall formed with φ1.5. Slow growth in direction. On the other hand, carbon nanowalls formed with a diameter of φ1.5 grow faster in the vertical direction of the substrate than carbon nanowalls formed with a diameter of φ0.5, but the density of carbon nanowalls per unit area of the substrate is sufficient. Slow until it gets higher. However, carbon nanowalls formed with a diameter of φ1.5 grow to a sufficient density after 2 hours of film formation.
このため、本実施例の場合では、カーボンナノウォールの均一な成長にはリングノズル33から噴出された直後の反応ガスの移動速度が125cm/s程度(φ1.0のノズル)であることが望ましく、やや均一性に劣るが、良好な電子放出特性を得るのであれば、反応ガスの移動速度が55cm/s程度(φ1.5のノズル)〜125cm/s程度(φ1.0のノズル)であることが望ましい。 For this reason, in the case of the present embodiment, it is desirable that the moving speed of the reaction gas immediately after being ejected from the ring nozzle 33 is about 125 cm / s (φ1.0 nozzle) for uniform growth of carbon nanowalls. Although slightly inferior in uniformity, if good electron emission characteristics are obtained, the reaction gas moving speed is about 55 cm / s (φ1.5 nozzle) to about 125 cm / s (φ1.0 nozzle). It is desirable.
以上の本実施形態の直流プラズマCVD装置は、第1の実施形態と同様の効果が得られると共に、さらに、次の(7)に示す利点を有する。
(7)一般にCVDではマトリックスガスに対する反応ガスの濃度が膜質に影響を与えることが知られているが、単に反応ガスとマトリクスガスとが所定の濃度に混合した混合ガスを導入し、自然に発生する対流によって基板へ混合ガスを運ぶ方法では、対流によっては新しく導入された混合ガスの一部が、基板1上に十分到達する前に排気口20から排出されるため、基板1上の反応ガスの濃度が、導入された混合ガス中の濃度より薄くなる可能性がある。また、それを補うために混合ガス中の反応ガスの濃度をあげると、陰極13やそれを支える陰極支持体14に反応ガスによる堆積が生じやすくなり、これが、プラズマがアーク放電や火花放電に移行する原因となる。これに対し、本実施形態の直流プラズマCVD装置は、マトリクスガスと反応ガスを独立して導入し、反応ガスの噴出位置を基板1に対し比較的高くし、さらにそれより高い位置にマトリクスガスの噴出位置を設けたのでマトリクスガスのダウンフォースにより基板1に向けて反応ガスの流れを操作でき、無駄に排出される反応ガスの量を低減できる。また、マトリクスガスの噴出位置を、陰極13やそれを支える陰極支持体14の上方にし、且つ、反応ガスの噴出位置を陰極13の下面以下としたため、マトリクスガスが排気用管路20に至るまでの間にダウンフォースを付与するので、反応ガスが、マトリクスガスの流れの向きに逆らって陰極13に向かって逆流することが抑えられ、陰極13やそれを支える陰極支持体14に反応ガスの成分が付着することを予防できる。
The direct-current plasma CVD apparatus of the present embodiment described above has the same effects as those of the first embodiment, and further has the advantage shown in the following (7).
(7) In general, it is known that the concentration of the reaction gas with respect to the matrix gas affects the film quality in CVD, but it is generated spontaneously by simply introducing a mixed gas in which the reaction gas and the matrix gas are mixed at a predetermined concentration. In the method of transporting the mixed gas to the substrate by convection, a part of the newly introduced mixed gas is exhausted from the exhaust port 20 before sufficiently reaching the substrate 1 depending on the convection. May be thinner than the concentration in the introduced mixed gas. Further, if the concentration of the reaction gas in the mixed gas is increased to compensate for this, deposition due to the reaction gas tends to occur on the cathode 13 and the cathode support 14 that supports the cathode 13, and this shifts the plasma to arc discharge or spark discharge. Cause. On the other hand, the direct current plasma CVD apparatus of this embodiment introduces the matrix gas and the reactive gas independently, makes the ejection position of the reactive gas relatively high with respect to the substrate 1, and further raises the matrix gas to a higher position. Since the ejection position is provided, the flow of the reaction gas can be operated toward the substrate 1 by the downforce of the matrix gas, and the amount of the reaction gas discharged unnecessarily can be reduced. Further, since the matrix gas ejection position is above the cathode 13 and the cathode support 14 that supports the matrix gas, and the reactive gas ejection position is below the lower surface of the cathode 13, the matrix gas reaches the exhaust pipe 20. Therefore, the reaction gas is prevented from flowing back toward the cathode 13 against the direction of the flow of the matrix gas, and the components of the reaction gas are applied to the cathode 13 and the cathode support 14 that supports the reaction gas. Can be prevented.
[第4の実施形態]
図12(a),図12(b)は、本発明の第4の実施形態に係る直流プラズマCVD装置の構成図であり、図6中の第3の実施形態に係る直流プラズマCVD装置と共通する要素には、共通の符号を付している。
この直流プラズマCVD装置は、図6の直流プラズマCVD装置の陰極13を陰極35に変更し、電圧設定部21を電圧設定部36に変更したものである。
[Fourth Embodiment]
FIGS. 12A and 12B are configuration diagrams of a DC plasma CVD apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, and are common to the DC plasma CVD apparatus according to the third embodiment in FIG. Common elements are denoted by common reference numerals.
In this DC plasma CVD apparatus, the cathode 13 of the DC plasma CVD apparatus of FIG. 6 is changed to a cathode 35 and the voltage setting unit 21 is changed to a voltage setting unit 36.
陰極35は、陽極11aの中央部に対向する中央電極35aと、中央電極35aの外周を囲んだリング状(図12(b))で、中央電極35aに対して同心円をなすと共に、陽極11aの周辺部と対向する周辺電極35bと、中央電極35aと周辺電極35bとの間に隙間なく充填されているセラミック等の絶縁部35cと、を有している。 The cathode 35 has a central electrode 35a facing the central portion of the anode 11a, and a ring shape (FIG. 12B) surrounding the outer periphery of the central electrode 35a. The cathode 35 is concentric with the central electrode 35a. A peripheral electrode 35b facing the peripheral part, and an insulating part 35c made of ceramic or the like filled without a gap between the central electrode 35a and the peripheral electrode 35b are provided.
中央電極35aと周辺電極35bとの間に絶縁部35cを介在させない場合、中央電極35a及び周辺電極35b間距離が十分長くないと、基板1のみならず、互いに対向する中央電極35aの側壁及び周辺電極35bの側壁に、活性種によって成長する膜が堆積してしまう。このため、絶縁部35cを介在させることによって、互いに対向する中央電極35aの側壁及び周辺電極35bの側壁に、膜が堆積されることを防止している。 When the insulating portion 35c is not interposed between the central electrode 35a and the peripheral electrode 35b, the distance between the central electrode 35a and the peripheral electrode 35b is not long enough. A film grown by active species is deposited on the side wall of the electrode 35b. For this reason, by interposing the insulating portion 35c, the film is prevented from being deposited on the sidewalls of the central electrode 35a and the peripheral electrode 35b facing each other.
電圧設定部36は、制御部36aと、可変電源36b,36cを備えている。
制御部36aは、放射温度計18とリード線で接続されている。制御部36aは可変電源36b,36cを制御し、陽極11aと中央電極35aとの間の電圧または電流と、陽極11aと周辺電極35bとの間の電圧または電流とを、個別に設定する機能を持っている。他の構成は、図6の直流プラズマCVD装置と同様である。
The voltage setting unit 36 includes a control unit 36a and variable power supplies 36b and 36c.
The control unit 36a is connected to the radiation thermometer 18 by a lead wire. The control unit 36a has a function of controlling the variable power sources 36b and 36c and individually setting the voltage or current between the anode 11a and the central electrode 35a and the voltage or current between the anode 11a and the peripheral electrode 35b. have. Other configurations are the same as those of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
図12の直流プラズマCVD装置を用いて、基板1に成膜する場合、プラズマの立ち上げ時に、基板1を1rpmで回転させ、電圧制御部36の制御により、陽極11aと中央電極35aとの間の電圧が、陽極11aと周辺電極35bとの間の電圧よりも高くなるようにして、陰極35と陽極11aとの間の電圧を設定する。このような電圧のかけ方をすることにより、陽極11aと中央電極35aとの間でプラズマの陽光柱PCを発生させ、また成膜初期段階でのアークの発生を予防できる。 When the DC plasma CVD apparatus of FIG. 12 is used to form a film on the substrate 1, the substrate 1 is rotated at 1 rpm when the plasma is started, and is controlled between the anode 11 a and the central electrode 35 a by the control of the voltage control unit 36. Is set higher than the voltage between the anode 11a and the peripheral electrode 35b, and the voltage between the cathode 35 and the anode 11a is set. By applying such a voltage, it is possible to generate a positive column PC of plasma between the anode 11a and the central electrode 35a, and to prevent arc generation at the initial stage of film formation.
このように電圧又は電流の印加により、基板1の中央部分の上部に安定した陽光柱PCが形成された後、制御部19aは、陽極11aと中央電極35aとの間の電圧又は電流値が、陽極11aと周辺電極35bとの間の電圧未満又は電流値未満となるように電圧又は電流を印加して、これにより、陽極11aと中央電極35aとの間の温度と、陽極11aと周辺電極35bとの間の温度とを近似又は略一致させ、基板1に成膜を施す。 As described above, after the stable positive column PC is formed on the upper portion of the central portion of the substrate 1 by the application of voltage or current, the control unit 19a has a voltage or current value between the anode 11a and the central electrode 35a. A voltage or current is applied so as to be less than the voltage between the anode 11a and the peripheral electrode 35b or less than the current value, whereby the temperature between the anode 11a and the central electrode 35a, and the anode 11a and the peripheral electrode 35b. The substrate 1 is subjected to film formation by approximating or substantially matching the temperature between the two.
以上のように、本実施形態では、陰極35を中央電極35aと周辺電極35bとで構成し、陽極11aと中央電極35aとの間の電圧又は電流値と、陽極11aと周辺電極35bとの間の電圧又は電流を独立に設定できる。そして、プラズマの立ち上げ時に、陽極11aと中央電極35aとの間の電圧が、陽極11aと周辺電極35bとの間の電圧よりも高くなるようにしている。これにより、陽極11aと陰極35との距離を短くして陽光柱PCを形成することができる。陽極11aと陰極35とに印加する電圧が低くてよく、アーク放電や火花放電の発生頻度を抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, the cathode 35 is constituted by the central electrode 35a and the peripheral electrode 35b, and the voltage or current value between the anode 11a and the central electrode 35a, and between the anode 11a and the peripheral electrode 35b. The voltage or current can be set independently. When the plasma is started up, the voltage between the anode 11a and the central electrode 35a is set higher than the voltage between the anode 11a and the peripheral electrode 35b. Thereby, the positive column PC can be formed by shortening the distance between the anode 11a and the cathode 35. The voltage applied to the anode 11a and the cathode 35 may be low, and the occurrence frequency of arc discharge and spark discharge can be suppressed.
また、中央電極35aに対して流す電流に対して、周辺電極35bに流す電流を少なくして基板1の中心に集中した陽光柱PCを発生させて、その後に、周辺電極35bに与える電力を増加させて周辺電極35bに流す電流を増加させることにより、成膜の初期に発生する局所的なアーク放電を防ぎ、その後に陽光柱PCを必要な大きさに成長させることができる。 In addition, the current flowing to the peripheral electrode 35b is reduced with respect to the current flowing to the central electrode 35a to generate the positive column PC concentrated at the center of the substrate 1, and then the power applied to the peripheral electrode 35b is increased. By increasing the current flowing through the peripheral electrode 35b, local arc discharge occurring at the initial stage of film formation can be prevented, and then the positive column PC can be grown to a required size.
[第5の実施形態]
図13は、本発明の第5の実施形態に係る直流プラズマCVD装置を示す構成図である。
図14は、図13の直流プラズマCVD装置の陰極、原料ガスノズル、及び排気用管路を上方から示した概略図である。
図15は、図13の直流プラズマCVD装置を側方からした略断面図である。
[Fifth Embodiment]
FIG. 13 is a configuration diagram showing a DC plasma CVD apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
14 is a schematic view showing the cathode, source gas nozzle, and exhaust pipe line of the DC plasma CVD apparatus of FIG. 13 from above.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of the DC plasma CVD apparatus of FIG. 13 as viewed from the side.
この直流プラズマCVD装置は、処理対象の基板1の表面に膜を形成する装置であり、反応槽であるチャンバー50を備えている。チャンバー50は、基板1を外気から遮断する。
チャンバー50内には、直方体の鋼製のステージ51が配置され、ステージ51の上部に長方形の板状の熱伝導性のよく、融点が高い例えばモリブデン製或いはグラファイト製の陽極51aが載置されている。基板1は、陽極51aの上側載置面に固定される。基板1は、長方形であってもよいし、正方形の基板1を複数枚、陽極51aに並べてもよい。
This DC plasma CVD apparatus is an apparatus for forming a film on the surface of a substrate 1 to be processed, and includes a chamber 50 that is a reaction tank. The chamber 50 blocks the substrate 1 from the outside air.
In the chamber 50, a rectangular parallelepiped steel stage 51 is disposed, and an anode 51a made of, for example, molybdenum or graphite having a high heat conductivity and a high melting point is placed on the stage 51. Yes. The substrate 1 is fixed to the upper placement surface of the anode 51a. The substrate 1 may be rectangular or a plurality of square substrates 1 may be arranged on the anode 51a.
陽極51aの下側のステージ51には、閉塞された空間51bが設けられており、空間51bには、冷却部材52が配置されている。冷却部材52は、基板1を必要に応じて冷却するために設けられたものであり、図示しない移動機構により、冷却部材52が矢印の通り上下に移動自在な構造になっている。冷却部材52は、銅等の熱伝導率の高い金属で形成され、その内部では、冷却された水又は冷却された塩化カルシウム水溶液等の冷却媒体が管路52aから冷却部材52内の流路52bに入り、管路52cより排出されるように循環し、冷却部材52全体を冷やしている。 A closed space 51b is provided in the stage 51 below the anode 51a, and a cooling member 52 is disposed in the space 51b. The cooling member 52 is provided to cool the substrate 1 as necessary, and has a structure in which the cooling member 52 is movable up and down as indicated by an arrow by a moving mechanism (not shown). The cooling member 52 is formed of a metal having high thermal conductivity such as copper, and inside thereof, a cooling medium such as cooled water or a cooled aqueous solution of calcium chloride passes from the pipe line 52a to the flow path 52b in the cooling member 52. The refrigerant is circulated so as to be discharged from the pipe 52c, and the entire cooling member 52 is cooled.
このため、冷却部材52が上方に移動することにより、冷却部材52の上面がステージ51の下面に当接し、当接されたステージ51がその上部の陽極51aを冷却し、陽極51aが基板1の熱を奪う構造になっている。冷却部材52の上面は、長方形になっており、ステージ51の長さ方向全体を冷却する。 For this reason, when the cooling member 52 moves upward, the upper surface of the cooling member 52 comes into contact with the lower surface of the stage 51, the contacted stage 51 cools the anode 51 a on the upper side, and the anode 51 a becomes the substrate 1. It has a structure that takes heat away. The upper surface of the cooling member 52 has a rectangular shape, and cools the entire length direction of the stage 51.
管路52cから排出された冷却媒体は、図示しない冷却装置によって冷却されて、再び管路52aに送出されるように循環される。
また、陽極51aの下側に設けられた空間51bはステージ51によって仕切られており、内部には気体が封入されている、或いは大気開放された状態になっている。
The cooling medium discharged from the pipe 52c is cooled by a cooling device (not shown) and circulated so as to be sent out again to the pipe 52a.
In addition, a space 51b provided below the anode 51a is partitioned by the stage 51, and is filled with gas or opened to the atmosphere.
陽極51aの上方には、長方形の板状の陰極53が配置されている。陰極53は、陰極支持体54に支持され、陰極53と陽極51aとが対向している。陰極53は、融点が高いモリブデン或いはグラファイト等等で形成されている。
陰極支持体54は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、或いは炭化珪素等の耐熱性炭化物で構成されている。
A rectangular plate-like cathode 53 is disposed above the anode 51a. The cathode 53 is supported by a cathode support 54, and the cathode 53 and the anode 51a face each other. The cathode 53 is made of molybdenum or graphite having a high melting point.
The cathode support 54 is made of a heat-resistant oxide such as quartz glass or alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride or silicon nitride, or a heat-resistant carbide such as silicon carbide.
陰極53の内部には、冷却媒体が流れる流路が形成されていてもよい。冷却媒体が流れることにより陰極53の過熱を抑制することができる。冷却媒体としては、チャンバー50の外部から導入される水、塩化カルシウム水溶液等が好ましい。 Inside the cathode 53, a flow path through which a cooling medium flows may be formed. When the cooling medium flows, overheating of the cathode 53 can be suppressed. As the cooling medium, water introduced from the outside of the chamber 50, an aqueous calcium chloride solution, or the like is preferable.
陽極11aの外周面の近傍には、アークの発生を抑制するための絶縁体15が配置されている。絶縁体15は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、および炭化珪素等の耐熱性炭化物の少なくともいずれか1つで構成されている。 An insulator 15 for suppressing arc generation is disposed in the vicinity of the outer peripheral surface of the anode 11a. The insulator 15 is made of at least one of a heat-resistant oxide such as quartz glass and alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride and silicon nitride, and a heat-resistant carbide such as silicon carbide.
絶縁体55は環状であり、チャンバー50の底部に立設された支持体56によって陽極51aと同じ高さに支持され、その内周側で陽極51aの外周を近接して囲んでいる。
尚、絶縁体55は、陰極53と陽極51aの間の異常放電(アーク放電、火花放電)の発生を抑制するものであり、陽極51aの外周側面に沿って陰極53と対向して載置されている。絶縁体55は、陰極53に対して陽極51aの側面を隠すようにしてもよい。
The insulator 55 has an annular shape and is supported at the same height as the anode 51a by a support 56 standing on the bottom of the chamber 50, and surrounds the outer periphery of the anode 51a close to the inner periphery thereof.
The insulator 55 suppresses the occurrence of abnormal discharge (arc discharge, spark discharge) between the cathode 53 and the anode 51a, and is placed facing the cathode 53 along the outer peripheral side surface of the anode 51a. ing. The insulator 55 may hide the side surface of the anode 51 a from the cathode 53.
チャンバー50の側面には、窓57が形成され、チャンバー50内の観察が可能になっている。窓57には、耐熱性ガラスがはめ込まれ、チャンバー50内の気密性が確保されている。チャンバー50の外側に、例えば、窓57のガラスを介して基板1の温度を測定する放射温度計58が配置されている。 A window 57 is formed on the side surface of the chamber 50 so that the inside of the chamber 50 can be observed. The window 57 is fitted with heat-resistant glass to ensure airtightness in the chamber 50. A radiation thermometer 58 that measures the temperature of the substrate 1 through, for example, the glass of the window 57 is disposed outside the chamber 50.
この直流プラズマCVD装置には、反応ガスを含む原料ガスをガスチューブ59を介して導入する原料系(図示略)とチャンバー50内から気体を複数の排気用管路60を介して排出してチャンバー50内の気圧を調整する排気系(図示略)と、電圧設定部61とを備えている。 In this DC plasma CVD apparatus, a source system (not shown) for introducing a source gas containing a reaction gas through a gas tube 59 and a gas are discharged from the chamber 50 through a plurality of exhaust pipes 60. 50 is provided with an exhaust system (not shown) for adjusting the atmospheric pressure in 50 and a voltage setting unit 61.
ガスチューブ59は、チャンバー50に設けられた孔を介してチャンバー10内に挿入されており、反応槽内のガスチューブ59の少なくとも一部は、フッ素樹脂やシリコンゴムなどの絶縁体で構成されている。その孔とガスチューブ59の外周との間は、シール材でシールされ、チャンバー50の内の気密性が確保されている。チャンバー50内で、ガスチューブ59は、ガス導入ノズルであるノズル62に接続されている。 The gas tube 59 is inserted into the chamber 10 through a hole provided in the chamber 50, and at least a part of the gas tube 59 in the reaction tank is made of an insulator such as fluororesin or silicon rubber. Yes. The space between the hole and the outer periphery of the gas tube 59 is sealed with a sealing material, and the airtightness in the chamber 50 is ensured. In the chamber 50, the gas tube 59 is connected to a nozzle 62 which is a gas introduction nozzle.
ノズル62は、陽極51a及び陰極53の一方の長辺に平行な部分62Aと、陽極51a及び陰極53の一方の他方の長辺に平行な部分62Bと持つ。ノズル62は、全体が環状になっていてもよいし、ガスチューブ59との接続点から部分62A,62Bが分岐されてもよい。ノズル62は、原料ガスが流通するように中空になっている。ノズル62の部分62A,62Bには、複数の噴出口62aが、部分62A,62Bとで陰極53の長尺方向に沿った中心軸である軸53xに対して線対称に等間隔に形成され、原料ガスが噴出口62aから基板1側に向けて水平に、つまり、内側横方向に噴出される。 The nozzle 62 has a portion 62A parallel to one long side of the anode 51a and the cathode 53 and a portion 62B parallel to one other long side of the anode 51a and the cathode 53. The entire nozzle 62 may have an annular shape, or the portions 62 </ b> A and 62 </ b> B may be branched from a connection point with the gas tube 59. The nozzle 62 is hollow so that the source gas flows. In the portions 62A and 62B of the nozzle 62, a plurality of jet ports 62a are formed at equal intervals in line symmetry with respect to the axis 53x that is the central axis along the longitudinal direction of the cathode 53 with the portions 62A and 62B. The source gas is ejected horizontally from the ejection port 62a toward the substrate 1, that is, inwardly in the lateral direction.
陰極支持体54に取付けられた絶縁体のノズル支持体63によって、ノズル62は、支持される。ノズル62の支持される高さは、噴出口62aが、陰極支持体54の最下部(陰極53の陰極支持体54から露出した側面での最上部)以下の位置であり、かつ陽極51aと陰極53との間にできる陽光柱PCの最高点よりも高い位置になるように設定される。この範囲にノズル62が支持されると、原料ガスが陰極53と陽極51aの間に入りやすく、また、陽光柱PCの温度を原料ガスの噴出で局所的に冷却することを防止することができる。 The nozzle 62 is supported by an insulating nozzle support 63 attached to the cathode support 54. The height at which the nozzle 62 is supported is a position where the jet port 62a is below the lowermost portion of the cathode support 54 (the uppermost portion of the side surface exposed from the cathode support 54 of the cathode 53), and the anode 51a and the cathode 53 is set so as to be higher than the highest point of the positive column PC formed between the two. If the nozzle 62 is supported in this range, the source gas can easily enter between the cathode 53 and the anode 51a, and the temperature of the positive column PC can be prevented from being locally cooled by the ejection of the source gas. .
ノズル62の部分62A,62Bの間隔は、陰極53の幅(短尺方向)よりも大きく、ノズル62の部分62A,62Bは、図14に示すように、陰極53の長尺方向の両側面よりさらに外側に位置する。部分62A,62Bは、ほぼ陽極11aの長尺方向の中心線から等距離にある。
排気用管路60は、チャンバー50の底面に、ステージ11を囲むように等間隔で開口された複数の孔をそれぞれ貫通している。その孔と排気用管路60の外周との間は、シール材でシールされている。
The interval between the portions 62A and 62B of the nozzle 62 is larger than the width (short direction) of the cathode 53, and the portions 62A and 62B of the nozzle 62 are further disposed on both sides of the cathode 53 in the long direction as shown in FIG. Located outside. The portions 62A and 62B are substantially equidistant from the longitudinal center line of the anode 11a.
The exhaust duct 60 passes through a plurality of holes opened at equal intervals so as to surround the stage 11 on the bottom surface of the chamber 50. A space between the hole and the outer periphery of the exhaust pipe 60 is sealed with a sealing material.
電圧設定部61は、陽極51aと陰極53との間の電圧又は電流値を設定する制御装置であり、制御部61aと可変電源61bとを備えている。電圧設定部61と陽極51a及び陰極53とは、リード線でそれぞれ接続されている。各リード線は、チャンバー50に設けられた孔を通過している。リード線が通されたチャンバー50の孔は、シール材でシールされている。 The voltage setting unit 61 is a control device that sets the voltage or current value between the anode 51a and the cathode 53, and includes a control unit 61a and a variable power source 61b. The voltage setting unit 61, the anode 51a, and the cathode 53 are connected by lead wires. Each lead wire passes through a hole provided in the chamber 50. The hole of the chamber 50 through which the lead wire is passed is sealed with a sealing material.
電圧設定部61の制御部61aは、放射温度計58とリード線で接続され、可変電源61bとリード線で接続されている。制御部61aは、起動されると、放射温度計58の測定した基板1の温度を参照し、基板1の温度が予定の値になるように、陽極51aと陰極53との間の電圧又は電流値を調整する。 The control unit 61a of the voltage setting unit 61 is connected to the radiation thermometer 58 via a lead wire, and is connected to the variable power source 61b via a lead wire. When activated, the control unit 61a refers to the temperature of the substrate 1 measured by the radiation thermometer 58, and the voltage or current between the anode 51a and the cathode 53 so that the temperature of the substrate 1 becomes a predetermined value. Adjust the value.
次に、図13の直流プラズマCVD装置を用いて基板1に成膜する成膜処理を説明する。
この成膜処理では、基板1の表面に、カーボンナノウォールからなる電子放出膜を成膜する。
成膜処理では、まず、例えばニッケル板を基板1として切り出し、エタノール又はアセトンにより脱脂・超音波洗浄を十分に行う。
この基板1を陽極51a上に載置する。
Next, a film forming process for forming a film on the substrate 1 using the DC plasma CVD apparatus of FIG. 13 will be described.
In this film formation process, an electron emission film made of carbon nanowalls is formed on the surface of the substrate 1.
In the film forming process, first, for example, a nickel plate is cut out as the substrate 1, and degreasing and ultrasonic cleaning are sufficiently performed with ethanol or acetone.
The substrate 1 is placed on the anode 51a.
基板1の載置が完了すると、次に、チャンバー50内を排気系を用いて減圧し、続いて、原料ガスとして、ガスチューブ59から、水素ガスと、メタン等の組成中に炭素を含有する化合物の反応ガス(炭素含有化合物)とを導く。原料ガスは、ノズル62の噴出口62aから噴出される。 When the placement of the substrate 1 is completed, the inside of the chamber 50 is then depressurized using an exhaust system, and subsequently, carbon gas is contained in the composition of hydrogen gas, methane, and the like from the gas tube 59 as a source gas. The reaction gas (carbon-containing compound) of the compound is led. The source gas is ejected from the ejection port 62 a of the nozzle 62.
カーボンナノウォールの成膜時には、基板1のカーボンナノウォールが成膜される箇所の温度を900℃〜1100℃で所定時間の成膜を行う。この温度は放射温度計58により測定されている。このとき、冷却部材52は、陽極51aの温度に影響がないように十分陽極51aから離間されている。放射温度計58は、直流プラズマCVD装置のプラズマ輻射を減算して基板1側の表面での熱輻射のみから温度を求めるように設定されている。 At the time of film formation of the carbon nanowall, film formation is performed for a predetermined time at a temperature of 900 ° C. to 1100 ° C. where the carbon nanowall of the substrate 1 is formed. This temperature is measured by a radiation thermometer 58. At this time, the cooling member 52 is sufficiently separated from the anode 51a so as not to affect the temperature of the anode 51a. The radiation thermometer 58 is set so as to obtain the temperature only from the heat radiation on the surface on the substrate 1 side by subtracting the plasma radiation of the DC plasma CVD apparatus.
カーボンナノウォールの成膜過程で、例えば、電子放出膜の膜質を変化させ、カーボンナノウォール上に多数のダイヤモンド微粒子を含むダイヤモンド層を積層する場合には、陽極51aに冷却部材52を上昇して当接させる。これにより、劇的に基板1の温度を冷却することができ、ダイヤモンド層を積層することができる。ダイヤモンド層の成長に伴って、ダイヤモンド層の隙間からは、カーカーボンナノウォールの一部が変形した棒状で且つボンナノチューブとは異なって内部に芯がつまったsp2結合の炭素が成長する。この棒状炭素は、ダイヤモンド層の表面から突き出るように伸びており、構造上電界集中しやすく、電子を放出する部位となる。 In the process of forming the carbon nanowall, for example, when the film quality of the electron emission film is changed and a diamond layer containing a large number of diamond fine particles is laminated on the carbon nanowall, the cooling member 52 is raised to the anode 51a. Make contact. Thereby, the temperature of the board | substrate 1 can be cooled dramatically and a diamond layer can be laminated | stacked. Accompanying the growth of the diamond layer, sp 2 bond carbon in which a part of the car carbon nanowall is deformed in a rod shape and the core is clogged is grown from the gap between the diamond layers. This rod-like carbon extends so as to protrude from the surface of the diamond layer, and is easy to concentrate on the electric field due to the structure, and becomes a site for emitting electrons.
成膜の終了段階では、陽極51aと陰極53との間の電圧の印加を停止し、続いて、原料ガスの供給を停止し、パージガスとして窒素ガスをチャンバー50内に供給してチャンバー50内を窒素雰囲気にした後、常温に戻った状態で基板1を取り出す。 At the end of the film formation, the application of voltage between the anode 51a and the cathode 53 is stopped, and then the supply of the source gas is stopped, and nitrogen gas is supplied into the chamber 50 as a purge gas and the inside of the chamber 50 is supplied. After making the nitrogen atmosphere, the substrate 1 is taken out in a state of returning to room temperature.
以上の本実施形態に係る直流プラズマCVD装置では、第1の実施形態の(1)〜(6)と同様の効果が得られると共に、さらに、次の(8)及び(9)に示す利点を有している。
(8)面積の広い基板1に成膜を行おうとすると、第1の実施形態の直流プラズマCVD装置では、陽極11a及び陰極13の面積(外径)を大きくする必要がある。しかしながら、陽極11a及び陰極13の外径を大きくすると、陽極11aの中心に供給される反応ガスが不足したり、外周側と中心部とで、無視できない温度差が生じることがある。そのため、成膜のばらつきが生じる危険性があった。
In the DC plasma CVD apparatus according to the present embodiment as described above, the same effects as (1) to (6) of the first embodiment can be obtained, and further, the advantages shown in the following (8) and (9) are obtained. Have.
(8) If film formation is to be performed on the substrate 1 having a large area, it is necessary to increase the areas (outer diameters) of the anode 11a and the cathode 13 in the DC plasma CVD apparatus of the first embodiment. However, when the outer diameters of the anode 11a and the cathode 13 are increased, the reaction gas supplied to the center of the anode 11a may be insufficient, or a temperature difference that cannot be ignored between the outer peripheral side and the center portion may occur. For this reason, there is a risk of variations in film formation.
これに対し、以上の本実施形態に係る直流プラズマCVD装置では、陽極51a及び陰極53を長方形とし、長尺方向に移行にノズル62の部分62A,62Bを配置している。これにより、長尺方向には変動しない原料ガスの供給が可能になり、長尺方向の成膜のばらつきを抑制できる。よって、陽極51a及び陰極53の短尺方向の長さを適切にしておけば、大面積の基板1に対して、ばらつきの抑制された成膜が可能である。 On the other hand, in the DC plasma CVD apparatus according to the above-described embodiment, the anode 51a and the cathode 53 are rectangular, and the portions 62A and 62B of the nozzle 62 are arranged to move in the longitudinal direction. As a result, it is possible to supply a source gas that does not vary in the longitudinal direction, and suppress variations in film formation in the longitudinal direction. Therefore, if the lengths of the anode 51a and the cathode 53 in the short direction are appropriately set, film formation with reduced variation can be performed on the substrate 1 having a large area.
(9)陽極51a及び陰極53が長方形なので、正方形の基板1を、陽極51a及び陰極53の長尺方向に並べて配置することができ、1度に複数枚の基板1に対して、同時に成膜が可能となり、量産に適する。この場合、複数枚の基板1が同一ロットで成膜されるので、必要枚数を同時に成膜すれば、ロット間ばらつきを考慮しなくてもよい。 (9) Since the anode 51a and the cathode 53 are rectangular, the square substrate 1 can be arranged side by side in the longitudinal direction of the anode 51a and the cathode 53, and film formation is simultaneously performed on a plurality of substrates 1 at a time. Suitable for mass production. In this case, since a plurality of substrates 1 are formed in the same lot, it is not necessary to consider the variation between lots if the required number of films are formed simultaneously.
[第6の実施形態]
図16(a)は、本発明の第6の実施形態に係る直流プラズマCVD装置の構成図であり、図16(b)は、陰極を下から見た平面図である。
図17は、図16(a)の直流プラズマCVD装置の陰極、原料ガスノズル、及び排気用管路を上方から示した図である。
図18は、図16(a)の直流プラズマCVD装置を側方から見た断面図である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 16A is a configuration diagram of a DC plasma CVD apparatus according to the sixth embodiment of the present invention, and FIG. 16B is a plan view of the cathode viewed from below.
FIG. 17 is a diagram showing the cathode, source gas nozzle, and exhaust pipe line of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
FIG. 18 is a cross-sectional view of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
この直流プラズマCVD装置は、図13に示す第5の実施形態の直流プラズマCVD装置の陰極53を陰極65に変更し、電圧設定部61を電圧設定部66に変更したものである。 In this DC plasma CVD apparatus, the cathode 53 of the DC plasma CVD apparatus of the fifth embodiment shown in FIG. 13 is changed to a cathode 65, and the voltage setting unit 61 is changed to a voltage setting unit 66.
陰極65は、陽極51aの中央部に対向する中央電極65aと、中央電極65aの外周を囲んだ環状(図16(b))で、陽極51aの周辺部と対向する周辺電極65bと、中央電極65aと周辺電極65bとの間に隙間なく充填されているセラミック等の絶縁部65cと、を有している。
中央電極65aと周辺電極65bとの間に絶縁部65cを介在させない場合、中央電極65a及び周辺電極65b間距離が十分長くないと、基板1のみならず、互いに対向する中央電極65aの側壁及び周辺電極65bの側壁に、活性種によって成長する膜が堆積してしまう。このため、絶縁部65cを介在させることによって、互いに対向する中央電極65aの側壁及び周辺電極65bの側壁に、炭素膜が堆積されることを防止している。
The cathode 65 has a central electrode 65a facing the central portion of the anode 51a, an annular shape (FIG. 16B) surrounding the outer periphery of the central electrode 65a, a peripheral electrode 65b facing the peripheral portion of the anode 51a, and a central electrode And an insulating portion 65c made of ceramic or the like filled with no gap between the peripheral electrode 65b and the peripheral electrode 65b.
When the insulating portion 65c is not interposed between the central electrode 65a and the peripheral electrode 65b, the side wall and the periphery of the opposing central electrode 65a as well as the substrate 1 are necessary unless the distance between the central electrode 65a and the peripheral electrode 65b is sufficiently long. A film grown by active species is deposited on the side wall of the electrode 65b. For this reason, by interposing the insulating portion 65c, it is possible to prevent the carbon film from being deposited on the side wall of the central electrode 65a and the side wall of the peripheral electrode 65b facing each other.
電圧設定部66は、制御部66aと、可変電源66b,66cを備えている。
制御部66aは、放射温度計58とリード線で接続されている。制御部66aは可変電源66b,66cを制御し、陽極51aと中央電極65aとの間の電圧または電流と、陽極51aと周辺電極65bとの間の電圧または電流とを、個別に設定する機能を持っている。他の構は、図13の直流プラズマCVD装置と同様である。
The voltage setting unit 66 includes a control unit 66a and variable power supplies 66b and 66c.
The controller 66a is connected to the radiation thermometer 58 with a lead wire. The controller 66a controls the variable power supplies 66b and 66c, and has a function of individually setting a voltage or current between the anode 51a and the central electrode 65a and a voltage or current between the anode 51a and the peripheral electrode 65b. have. The other structure is the same as that of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
図16の直流プラズマCVD装置を用いて、基板1に成膜する場合、プラズマの立ち上げ時に、電圧制御部66の制御により、陽極51aと中央電極65aとの間の電位差が、陽極51aと周辺電極65bとの間の電位差よりも大きくなるようにして、陰極65と陽極51aとの間の電圧を設定する。このような電圧のかけ方をすることにより、陽極51aと中央電極65aとの間でプラズマの陽光柱PCを発生させ、また成膜初期段階でのアークの発生を予防できる。 When the DC plasma CVD apparatus of FIG. 16 is used to form a film on the substrate 1, the potential difference between the anode 51 a and the central electrode 65 a is controlled by the voltage controller 66 when the plasma is started up. The voltage between the cathode 65 and the anode 51a is set so as to be larger than the potential difference between the electrode 65b. By applying such a voltage, it is possible to generate a positive column PC of plasma between the anode 51a and the central electrode 65a, and to prevent generation of an arc at the initial stage of film formation.
このように電圧又は電流を印加することにより、基板1の中央部分の上部に安定した陽光柱PCが形成される。その後、制御部66aは、陽極51aと中央電極65aとの間の電圧又は電流値が、陽極51aと周辺電極65bとの間の電圧未満又は電流値未満となるように電圧又は電流を印加して、これにより、陽極51aと中央電極65aとの間の温度と、陽極51aと周辺電極65bとの間の温度とを近似又は略一致させ、基板1に成膜を施す。 By applying voltage or current in this way, a stable positive column PC is formed on the upper part of the central portion of the substrate 1. Thereafter, the controller 66a applies the voltage or current so that the voltage or current value between the anode 51a and the central electrode 65a is less than the voltage or current value between the anode 51a and the peripheral electrode 65b. As a result, the temperature between the anode 51a and the central electrode 65a and the temperature between the anode 51a and the peripheral electrode 65b are approximated or substantially matched to form a film on the substrate 1.
以上のように、本実施形態では、陰極65を中央電極65aと周辺電極65bとで構成し、陽極51aと中央電極65aとの間の電圧又は電流値と、陽極51aと周辺電極65bとの間の電圧又は電流を独立に設定できる。そして、プラズマの立ち上げ時に、陽極51aと中央電極65aとの間の電圧が、陽極51aと周辺電極65bとの間の電圧よりも高くなるようにしている。これにより、陽極51aと陰極65との距離を短くして陽光柱PCを形成することができる。陽極51aと陰極65とに印加する電圧が低くてよく、アーク放電や火花放電の発生頻度を抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, the cathode 65 is composed of the central electrode 65a and the peripheral electrode 65b, and the voltage or current value between the anode 51a and the central electrode 65a and between the anode 51a and the peripheral electrode 65b. The voltage or current can be set independently. When the plasma is started up, the voltage between the anode 51a and the central electrode 65a is set higher than the voltage between the anode 51a and the peripheral electrode 65b. Thereby, the positive column PC can be formed by shortening the distance between the anode 51a and the cathode 65. The voltage applied to the anode 51a and the cathode 65 may be low, and the occurrence frequency of arc discharge and spark discharge can be suppressed.
また、中央電極65aに対して流す電流に対して、周辺電極65bに流す電流を少なくして基板1の長尺の中心に集中した陽光柱PCを発生させて、その後に、周辺電極65bに与える電力を増加させて周辺電極65bに流す電流を増加させることにより、成膜の初期に発生する局所的なアーク放電を防ぎ、その後に陽光柱PCを必要な大きさに成長させることができる。 In addition, the positive column PC concentrated at the long center of the substrate 1 is generated by reducing the current flowing to the peripheral electrode 65b with respect to the current flowing to the central electrode 65a, and then applied to the peripheral electrode 65b. By increasing the power to increase the current flowing through the peripheral electrode 65b, local arc discharge that occurs at the initial stage of film formation can be prevented, and then the positive column PC can be grown to a required size.
[第7の実施形態]
図19は、本発明の第7の実施形態に係る直流プラズマCVD装置の構成図であり、図13中の要素と共通する要素には、共通の符号を付している。
図20は、図19の直流プラズマCVD装置の陰極、反応ガスノズル、マトリクスガスノズル及び排気用管路を上方から示した図である。
図21は、図19の直流プラズマCVD装置を側方から見た断面図である。
[Seventh Embodiment]
FIG. 19 is a configuration diagram of a DC plasma CVD apparatus according to the seventh embodiment of the present invention. Elements common to those in FIG. 13 are denoted by common reference numerals.
FIG. 20 is a diagram showing the cathode, the reaction gas nozzle, the matrix gas nozzle, and the exhaust pipe line of the DC plasma CVD apparatus of FIG. 19 from above.
FIG. 21 is a cross-sectional view of the DC plasma CVD apparatus of FIG. 19 viewed from the side.
この直流プラズマCVD装置は、処理対象の基板1の表面に膜を形成する装置であり、反応槽であるチャンバー70を備えている。チャンバー70は、基板1を外気から遮断する。
チャンバー70内には、直方体の鋼製のステージ51が配置され、ステージ51の上部に長方形の板状の熱伝導性のよく、融点が高い例えばモリブデン或いはグラファイト製の陽極51aが載置されている。基板1は、陽極51aの上側載置面に固定される。基板1は、長方形であってもよいし、正方形の基板1を複数枚、陽極51aに並べてもよい。
This DC plasma CVD apparatus is an apparatus for forming a film on the surface of a substrate 1 to be processed, and includes a chamber 70 that is a reaction tank. The chamber 70 blocks the substrate 1 from the outside air.
A rectangular parallelepiped steel stage 51 is disposed in the chamber 70, and an anode 51 a made of, for example, molybdenum or graphite having a high thermal conductivity and a high melting point is placed on the stage 51. . The substrate 1 is fixed to the upper placement surface of the anode 51a. The substrate 1 may be rectangular or a plurality of square substrates 1 may be arranged on the anode 51a.
陽極51aの下側のステージ51には、閉塞された空間51bが設けられており、空間51bには、冷却部材52が配置されている。冷却部材52は、基板1を必要に応じて冷却するために設けられたものであり、図示しない移動機構により、冷却部材52が矢印の通り上下に移動自在な構造になっている。冷却部材52は、銅等の熱伝導率の高い金属で形成され、その内部では、冷却された水又は冷却された塩化カルシウム水溶液等の冷却媒体が管路52aから冷却部材52内の流路52bに入り、管路52cより排出されるように循環し、冷却部材52全体を冷やしている。 A closed space 51b is provided in the stage 51 below the anode 51a, and a cooling member 52 is disposed in the space 51b. The cooling member 52 is provided to cool the substrate 1 as necessary, and has a structure in which the cooling member 52 is movable up and down as indicated by an arrow by a moving mechanism (not shown). The cooling member 52 is formed of a metal having high thermal conductivity such as copper, and inside thereof, a cooling medium such as cooled water or a cooled aqueous solution of calcium chloride passes from the pipe line 52a to the flow path 52b in the cooling member 52. The refrigerant is circulated so as to be discharged from the pipe 52c, and the entire cooling member 52 is cooled.
このため、冷却部材52が上方に移動することにより、冷却部材52の上面がステージ51の下面に当接し、当接されたステージ51がその上部の陽極51aを冷却し、陽極51aが基板1の熱を奪う構造になっている。冷却部材52の上面は、長方形になっており、ステージ51の長さ方向全体を冷却する。 For this reason, when the cooling member 52 moves upward, the upper surface of the cooling member 52 comes into contact with the lower surface of the stage 51, the contacted stage 51 cools the anode 51 a on the upper side, and the anode 51 a becomes the substrate 1. It has a structure that takes heat away. The upper surface of the cooling member 52 has a rectangular shape, and cools the entire length direction of the stage 51.
管路52cから排出された冷却媒体は、図示しない冷却装置によって冷却されて、再び管路52aに送出されるように循環される。
また、陽極51aの下側に設けられた空間51bはステージ51によって仕切られており、内部には気体が封入されている、或いは大気開放された状態になっている。
The cooling medium discharged from the pipe 52c is cooled by a cooling device (not shown) and circulated so as to be sent out again to the pipe 52a.
In addition, a space 51b provided below the anode 51a is partitioned by the stage 51, and is filled with gas or opened to the atmosphere.
陽極51aの上方には、長方形の板状の陰極53が配置されている。陰極53は、陰極支持体54に支持され、陰極53と陽極51aとが対向している。陰極53は、融点が高いモリブデン或いはグラファイト等で形成されている。
陰極支持体54は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、或いは炭化珪素等の耐熱性炭化物で構成されている。
A rectangular plate-like cathode 53 is disposed above the anode 51a. The cathode 53 is supported by a cathode support 54, and the cathode 53 and the anode 51a face each other. The cathode 53 is made of molybdenum or graphite having a high melting point.
The cathode support 54 is made of a heat-resistant oxide such as quartz glass or alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride or silicon nitride, or a heat-resistant carbide such as silicon carbide.
陰極53の内部には、冷却媒体が流れる流路が形成されていてもよい。冷却媒体が流れることにより陰極53の過熱を抑制することができる。冷却媒体としては、チャンバー70の外部から導入される水、塩化カルシウム水溶液等が好ましい。 Inside the cathode 53, a flow path through which a cooling medium flows may be formed. When the cooling medium flows, overheating of the cathode 53 can be suppressed. As the cooling medium, water introduced from the outside of the chamber 70, an aqueous calcium chloride solution, or the like is preferable.
陽極51aの外周面の近傍には、アークの発生を抑制するための絶縁体55が配置されている。絶縁体55は、石英ガラスやアルミナ等の耐熱性酸化物、窒化アルミ、窒化珪素等の耐熱性窒化物、および炭化珪素等の耐熱性炭化物の少なくともいずれか1つで構成されている。 In the vicinity of the outer peripheral surface of the anode 51a, an insulator 55 for suppressing the generation of an arc is disposed. The insulator 55 is made of at least one of a heat-resistant oxide such as quartz glass and alumina, a heat-resistant nitride such as aluminum nitride and silicon nitride, and a heat-resistant carbide such as silicon carbide.
絶縁体55は環状であり、チャンバー70の底部に立設された支持体56によって陽極51aと同じ高さに支持され、その内周側で陽極51aの外周を近接して囲んでいる。
尚、絶縁体55は、陰極53と陽極51aの間の異常放電(アーク放電、火花放電)の発生を抑制するものであり、陽極51aの外周側面に沿って陰極53と対向して載置されている。絶縁体55は、陰極53に対して陽極51aの側面を隠すようにしてもよい。
The insulator 55 has an annular shape, and is supported at the same height as the anode 51a by a support 56 standing at the bottom of the chamber 70, and surrounds the outer periphery of the anode 51a close to the inner periphery thereof.
The insulator 55 suppresses the occurrence of abnormal discharge (arc discharge, spark discharge) between the cathode 53 and the anode 51a, and is placed facing the cathode 53 along the outer peripheral side surface of the anode 51a. ing. The insulator 55 may hide the side surface of the anode 51 a from the cathode 53.
チャンバー70の側面には、窓57が形成され、チャンバー70内の観察が可能になっている。窓57には、耐熱性ガラスがはめ込まれ、チャンバー70内の気密性が確保されている。チャンバー70の外側に、例えば、窓57のガラスを介して基板1の温度を測定する放射温度計58が配置されている。 A window 57 is formed on the side surface of the chamber 70 so that the inside of the chamber 70 can be observed. The window 57 is fitted with heat-resistant glass to ensure airtightness in the chamber 70. A radiation thermometer 58 that measures the temperature of the substrate 1 through, for example, the glass of the window 57 is disposed outside the chamber 70.
この直流プラズマCVD装置には、反応ガスをガスチューブ71を介して導入する反応ガス系(図示略)とマトリクスガスをガスチューブ72を介して導入する原料系(図示略)とチャンバー70内から気体を複数の排気用管路60を介して排出してチャンバー70内の気圧を調整する排気系(図示略)と、電圧設定部61とを備えている。 In this direct current plasma CVD apparatus, a reaction gas system (not shown) for introducing a reaction gas through a gas tube 71, a raw material system (not shown) for introducing a matrix gas through a gas tube 72, and a gas from the chamber 70 are used. Are exhausted through a plurality of exhaust pipes 60 to adjust the atmospheric pressure in the chamber 70, and a voltage setting unit 61 is provided.
ガスチューブ71は、チャンバー70に設けられた孔を介してチャンバー70内に挿入されており、少なくとも反応槽内の一部においてフッ素樹脂やシリコンゴムなどの絶縁体で構成されている。その孔とガスチューブ71の外周との間は、シール材でシールされ、チャンバー70の内の気密性が確保されている。チャンバー70内で、ガスチューブ71は、反応ガス導入ノズルであるノズル73に接続されている。 The gas tube 71 is inserted into the chamber 70 through a hole provided in the chamber 70, and at least part of the reaction tank is made of an insulator such as fluororesin or silicon rubber. The space between the hole and the outer periphery of the gas tube 71 is sealed with a sealing material, and the airtightness in the chamber 70 is ensured. In the chamber 70, the gas tube 71 is connected to a nozzle 73 which is a reactive gas introduction nozzle.
ノズル73は、陽極51a及び陰極53の一方の長辺に平行な部分73Aと、陽極51a及び陰極53の一方の他方の長辺に平行な部分73Bとを持つ。ノズル73は、全体が環状になっていてもよいし、ガスチューブ71との接続点から部分73A,73Bが分岐されてもよい。ノズル73は、反応ガスが流通するように中空になっている。ノズル73の部分73A,73Bには、複数の噴出口73aが、部分73A,73Bとで線対称に等間隔に形成され、原料ガスが噴出口73aから基板1側に向けて水平に、つまり、内側横方向に噴出される。 The nozzle 73 has a portion 73A parallel to one long side of the anode 51a and the cathode 53, and a portion 73B parallel to one other long side of the anode 51a and the cathode 53. The entire nozzle 73 may be annular, or the portions 73 </ b> A and 73 </ b> B may be branched from a connection point with the gas tube 71. The nozzle 73 is hollow so that the reaction gas flows. In the portions 73A and 73B of the nozzle 73, a plurality of jet ports 73a are formed at equal intervals in line symmetry with the portions 73A and 73B, and the source gas is horizontally directed from the jet port 73a toward the substrate 1, that is, It is ejected inward and laterally.
陰極支持体54に取付けられた絶縁体のノズル支持体63によって、ノズル73は、支持される。ノズル73の支持される高さは、噴出口73aが、陰極支持体54の最下部(陰極53の露出した側面での最上部)以下の位置であり、かつ陽極51aと陰極53との間にできる陽光柱PCの最高点よりも高い位置になる設定される。この範囲にノズル73が支持されると、原料ガスが陰極53と陽極51aの間に入りやすく、また、陽光柱PCの温度を原料ガスの噴出で局所的に冷却することを防止することができる。 The nozzle 73 is supported by an insulating nozzle support 63 attached to the cathode support 54. The height at which the nozzle 73 is supported is a position where the jet port 73 a is below the lowermost portion of the cathode support 54 (the uppermost portion on the exposed side surface of the cathode 53), and between the anode 51 a and the cathode 53. It is set to be higher than the highest point of the possible positive column PC. When the nozzle 73 is supported in this range, the source gas can easily enter between the cathode 53 and the anode 51a, and the temperature of the positive column PC can be prevented from being locally cooled by the ejection of the source gas. .
ノズル73の部分73A,73Bの間隔は、陰極53の幅(短尺方向)よりも大きく、ノズル62の部分62A,62Bは、図20に示すように、陰極53の長尺方向の両側面よりさらに外側に位置する。部分73A,73Bは、ほぼ陽極51aの長尺方向の中心線から等距離にある。
排気用管路60は、チャンバー70の底面に、ステージ71を囲むように等間隔で開口された複数の孔をそれぞれ貫通している。その孔と排気用管路60の外周との間は、シール材でシールされている。
The interval between the portions 73A and 73B of the nozzle 73 is larger than the width (short direction) of the cathode 53, and the portions 62A and 62B of the nozzle 62 are further disposed on both sides of the cathode 53 in the long direction as shown in FIG. Located outside. The portions 73A and 73B are substantially equidistant from the longitudinal center line of the anode 51a.
The exhaust duct 60 passes through a plurality of holes opened at equal intervals so as to surround the stage 71 on the bottom surface of the chamber 70. A space between the hole and the outer periphery of the exhaust pipe 60 is sealed with a sealing material.
電圧設定部61は、陽極51aと陰極53との間の電圧又は電流値を設定する制御装置であり、制御部61aと可変電源61bとを備えている。電圧設定部61と陽極51a及び陰極53とは、リード線でそれぞれ接続されている。各リード線は、チャンバー70に設けられた孔を通過している。リード線が通されたチャンバー60の孔は、シール材でシールされている。 The voltage setting unit 61 is a control device that sets the voltage or current value between the anode 51a and the cathode 53, and includes a control unit 61a and a variable power source 61b. The voltage setting unit 61, the anode 51a, and the cathode 53 are connected by lead wires. Each lead wire passes through a hole provided in the chamber 70. The hole of the chamber 60 through which the lead wire is passed is sealed with a sealing material.
電圧設定部61の制御部61aは、放射温度計58とリード線で接続され、可変電源61bとリード線で接続されている。制御部61aは、起動されると、放射温度計58の測定した基板1の温度を参照し、基板1の温度が予定の値になるように、陽極51aと陰極53との間の電圧又は電流値を調整する。 The control unit 61a of the voltage setting unit 61 is connected to the radiation thermometer 58 via a lead wire, and is connected to the variable power source 61b via a lead wire. When activated, the control unit 61a refers to the temperature of the substrate 1 measured by the radiation thermometer 58, and the voltage or current between the anode 51a and the cathode 53 so that the temperature of the substrate 1 becomes a predetermined value. Adjust the value.
ガスチューブ72は、絶縁体で構成され、チャンバー70に設けられた孔を通過している。その孔とガスチューブ72の外周との間は、シール材でシールされ、チャンバー70の内の気密性が確保されている。チャンバー70内で、ガスチューブ72は、マトリクスガス用のガスシャワーノズル74に接続されている。
ガスシャワーノズル74は、陰極53とほぼ同じ長さを有し、陰極53を支持する陰極支持体54の上方で且つノズル73より上方の高さに位置し、陰極53の長尺方向に沿った中心軸である軸53xに対して平行且つ線対称となるように配置され、マトリクスガスを下方にシャワー状に噴出する。
The gas tube 72 is made of an insulator and passes through a hole provided in the chamber 70. The space between the hole and the outer periphery of the gas tube 72 is sealed with a sealing material, and the airtightness in the chamber 70 is ensured. In the chamber 70, the gas tube 72 is connected to a gas shower nozzle 74 for matrix gas.
The gas shower nozzle 74 has substantially the same length as the cathode 53, is located above the cathode support 54 that supports the cathode 53 and above the nozzle 73, and extends along the longitudinal direction of the cathode 53. It is arranged so as to be parallel and line symmetric with respect to the axis 53x which is the central axis, and the matrix gas is jetted downward in a shower shape.
本実施形態の直流プラズマCVD装置を用いて成膜をする場合の基本的動作は、第5の実施形態の直流プラズマCVD装置を用いる場合と同様である。ただし、本実施形態の直流プラズマCVD装置の場合、マトリクスガスと反応ガスが独立に導入され、反応ガスがノズル73から内側横方向に噴出し、マトリクスガスがガスシャワーノズル74から下方向に噴出される。マトリクスガスは、横方向に噴出される反応ガスの流れのベクトルを変化させ、基板1の方へ斜め下の基板1に向けて流れるようにする。
以上の本実施形態の直流プラズマCVD装置は、第5の実施形態と同様の効果が得られると共に、さらに、次の(10)に示す利点を有する。
The basic operation when forming a film using the DC plasma CVD apparatus of the present embodiment is the same as that when the DC plasma CVD apparatus of the fifth embodiment is used. However, in the case of the DC plasma CVD apparatus of this embodiment, the matrix gas and the reactive gas are independently introduced, the reactive gas is ejected from the nozzle 73 in the inner lateral direction, and the matrix gas is ejected from the gas shower nozzle 74 downward. The The matrix gas changes the flow vector of the reaction gas ejected in the lateral direction so as to flow toward the substrate 1 obliquely downward toward the substrate 1.
The direct current plasma CVD apparatus of the present embodiment as described above can obtain the same effects as those of the fifth embodiment, and further has the advantage shown in the following (10).
(10)一般にCVDではマトリックスガスに対する反応ガスの濃度が膜質に影響を与えることが知られているが、単に反応ガスとマトリクスガスとが所定の濃度に混合した混合ガスを導入し、自然に発生する対流によって基板へ混合ガスを運ぶ方法では、対流によっては新しく導入された混合ガスによって基板1上に十分成膜できる程度の混合ガスが基板1上に十分到達する前に排気口60から排出され、反応ガスを無駄に消費する可能性がある。また、それを補うために混合ガス中の反応ガスの濃度をあげると、陰極53やそれを支える絶縁性の陰極支持体54に反応ガスによる堆積が生じやすくなり、これが、プラズマがアーク放電や火花放電に移行する原因となる。これに対し、本実施形態の直流プラズマCVD装置は、マトリクスガスと反応ガスを独立して導入し、反応ガスの噴出位置を基板1に対し比較的高くし、さらにそれより高い位置にマトリクスガスの噴出位置を設けたのでマトリクスガスのダウンフォースにより基板1に向けて反応ガスの流れを操作でき、マトリクスガスの噴出位置を陰極53やそれを支える絶縁性の陰極支持体54の上方にし、且つ、反応ガスの噴出位置を陰極53の下面以下としたため、マトリクスガスが排気用管路60に至るまでの間にダウンフォースを付与するので、反応ガスが、マトリクスガスの流れの向きに逆らって陰極53に向かって逆流することが抑えられ、陰極53やそれを支える絶縁構造物54に反応ガスの成分が付着することを予防できる。 (10) In general, it is known that the concentration of the reaction gas with respect to the matrix gas affects the film quality in CVD, but it is generated spontaneously by simply introducing a mixed gas in which the reaction gas and the matrix gas are mixed at a predetermined concentration. In the method of transporting the mixed gas to the substrate by convection, a mixed gas that can be sufficiently formed on the substrate 1 by the newly introduced mixed gas is discharged from the exhaust port 60 before reaching the substrate 1 sufficiently. , There is a possibility of wasteful consumption of reaction gas. Further, if the concentration of the reaction gas in the mixed gas is increased to compensate for this, deposition due to the reaction gas tends to occur on the cathode 53 and the insulating cathode support 54 that supports the cathode 53. It becomes the cause which shifts to discharge. On the other hand, the direct current plasma CVD apparatus of this embodiment introduces the matrix gas and the reactive gas independently, makes the ejection position of the reactive gas relatively high with respect to the substrate 1, and further raises the matrix gas to a higher position. Since the ejection position is provided, the flow of the reaction gas can be controlled toward the substrate 1 by the down force of the matrix gas, the ejection position of the matrix gas is located above the cathode 53 and the insulating cathode support 54 that supports the cathode 53, and Since the ejection position of the reactive gas is set below the lower surface of the cathode 53, down force is applied until the matrix gas reaches the exhaust pipe 60, so that the reactive gas opposes the flow direction of the matrix gas. Therefore, it is possible to prevent the reaction gas components from adhering to the cathode 53 and the insulating structure 54 that supports the cathode 53.
[第8の実施形態]
図22(a),(b)は、本発明の第8の実施形態に係る直流プラズマCVD装置の構成図であり、図19中の要素と共通する要素には、共通の符号を付している。
図23は、図22(a)の直流プラズマCVD装置の陰極、反応ガス用のノズル、マトリクスガス用ノズル及び排気用管路を上方から示した図である。
図24は、図22(a)の直流プラズマCVD装置を側方から見た断面図である。
[Eighth Embodiment]
22 (a) and 22 (b) are configuration diagrams of a DC plasma CVD apparatus according to the eighth embodiment of the present invention. Elements common to those in FIG. Yes.
FIG. 23 is a diagram showing the cathode, the reactive gas nozzle, the matrix gas nozzle, and the exhaust pipe line of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
FIG. 24 is a cross-sectional view of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
この直流プラズマCVD装置は、図19に示す第7の実施形態の直流プラズマCVD装置の陰極53を陰極75に変更し、電圧設定部61を電圧設定部76に変更したものである。 In this DC plasma CVD apparatus, the cathode 53 of the DC plasma CVD apparatus according to the seventh embodiment shown in FIG. 19 is changed to a cathode 75 and the voltage setting unit 61 is changed to a voltage setting unit 76.
陰極75は、陽極51aの中央部に対向する中央電極75aと、中央電極75aの外周を囲んだ環状(図22(b))で、陽極51aの周辺部と対向する周辺電極75bと、中央電極75aと周辺電極75bとの間に隙間なく充填されているセラミック等の絶縁部75cと、を有している。 The cathode 75 has a central electrode 75a facing the central portion of the anode 51a, an annular shape (FIG. 22B) surrounding the outer periphery of the central electrode 75a, a peripheral electrode 75b facing the peripheral portion of the anode 51a, and a central electrode And an insulating portion 75c made of ceramic or the like filled with no gap between 75a and the peripheral electrode 75b.
中央電極75aと周辺電極75bとの間に絶縁部75cを介在させない場合、中央電極75a及び周辺電極75b間距離が十分長くないと、基板1のみならず、互いに対向する中央電極75aの側壁及び周辺電極75bの側壁に、活性種によって成長する膜が堆積してしまう。このため、絶縁部75cを介在させることによって、互いに対向する中央電極75aの側壁及び周辺電極75bの側壁に、炭素膜が堆積させることを防止している。 When the insulating portion 75c is not interposed between the central electrode 75a and the peripheral electrode 75b, the distance between the central electrode 75a and the peripheral electrode 75b is not long enough. A film grown by active species is deposited on the side wall of the electrode 75b. For this reason, by interposing the insulating part 75c, it is possible to prevent the carbon film from being deposited on the sidewalls of the central electrode 75a and the peripheral electrode 75b facing each other.
電圧設定部76は、制御部66aと、可変電源76b,76cを備えている。
制御部76aは、放射温度計58とリード線で接続されている。制御部76aは可変電源76b,76cを制御し、陽極51aと中央電極75aとの間の電圧または電流と、陽極51aと周辺電極75bとの間の電圧または電流とを、個別に設定する機能を持っている。他の構成は、図13の直流プラズマCVD装置と同様である。
The voltage setting unit 76 includes a control unit 66a and variable power sources 76b and 76c.
The controller 76a is connected to the radiation thermometer 58 with a lead wire. The control unit 76a has a function of controlling the variable power sources 76b and 76c and individually setting the voltage or current between the anode 51a and the central electrode 75a and the voltage or current between the anode 51a and the peripheral electrode 75b. have. Other configurations are the same as those of the DC plasma CVD apparatus of FIG.
図22の直流プラズマCVD装置を用いて、基板1に成膜する場合、プラズマの立ち上げ時に、電圧制御部76の制御により、陽極51aと中央電極75aとの間の電圧が、陽極51aと周辺電極75bとの間の電圧よりも高くなるようにして、陰極75と陽極51aとの間の電圧を設定する。このような電圧のかけ方をすることにより、陽極51aと中央電極75aとの間でプラズマの陽光柱PCを発生させ、また成膜初期段階でのアークの発生を予防できる When a film is formed on the substrate 1 using the DC plasma CVD apparatus of FIG. 22, the voltage between the anode 51a and the central electrode 75a is controlled by the voltage control unit 76 at the time of starting the plasma. The voltage between the cathode 75 and the anode 51a is set so as to be higher than the voltage between the electrode 75b. By applying such a voltage, it is possible to generate a positive column PC of plasma between the anode 51a and the central electrode 75a, and to prevent generation of an arc at the initial stage of film formation.
このように電圧又は電流を印加することにより、基板1の中央部分の上部に安定した陽光柱PCが形成される。その後、制御部76aは、陽極51aと中央電極75aとの間の電圧又は電流値が、陽極51aと周辺電極75bとの間の電圧未満又は電流値未満となるように電圧又は電流を印加して、これにより、陽極51aと中央電極75aとの間の温度と、陽極51aと周辺電極75bとの間の温度とを近似又は略一致させ、基板1に成膜を施す。 By applying voltage or current in this way, a stable positive column PC is formed on the upper part of the central portion of the substrate 1. Thereafter, the controller 76a applies the voltage or current so that the voltage or current value between the anode 51a and the central electrode 75a is less than the voltage or current value between the anode 51a and the peripheral electrode 75b. As a result, the temperature between the anode 51a and the central electrode 75a and the temperature between the anode 51a and the peripheral electrode 75b are approximated or substantially matched to form a film on the substrate 1.
以上のように、本実施形態では、陰極75を中央電極75aと周辺電極75bとで構成し、陽極51aと中央電極75aとの間の電圧又は電流値と、陽極51aと周辺電極75bとの間の電圧又は電流を独立に設定できる。そして、プラズマの立ち上げ時に、陽極51aと中央電極75aとの間の電圧が、陽極51aと周辺電極75bとの間の電圧よりも高くなるようにしている。これにより、陽極51aと陰極75との距離を短くして陽光柱PCを形成することができる。陽極51aと陰極75とに印加する電圧が低くてよく、アーク放電や火花放電の発生頻度を抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, the cathode 75 includes the central electrode 75a and the peripheral electrode 75b, and the voltage or current value between the anode 51a and the central electrode 75a and between the anode 51a and the peripheral electrode 75b. The voltage or current can be set independently. When the plasma is started up, the voltage between the anode 51a and the central electrode 75a is set higher than the voltage between the anode 51a and the peripheral electrode 75b. Accordingly, the positive column PC can be formed by shortening the distance between the anode 51a and the cathode 75. The voltage applied to the anode 51a and the cathode 75 may be low, and the occurrence frequency of arc discharge and spark discharge can be suppressed.
また、中央電極75aに対して流す電流に対して、周辺電極75bに流す電流を少なくして基板1の長尺の中心に集中した陽光柱PCを発生させて、その後に、周辺電極75bに与える電力を増加させて周辺電極75bに流す電流を増加させることにより、成膜の初期に発生する局所的なアーク放電を防ぎ、その後に陽光柱PCを必要な大きさに成長させることができる。 Further, the current flowing to the peripheral electrode 75b is reduced with respect to the current flowing to the central electrode 75a to generate the positive column PC concentrated at the long center of the substrate 1, and then applied to the peripheral electrode 75b. By increasing the power to increase the current flowing through the peripheral electrode 75b, local arc discharge that occurs at the initial stage of film formation can be prevented, and then the positive column PC can be grown to a required size.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば次のようなものがある。
(a)複数の電極で構成される陰極27,35の構成は、処理対象体となる基板1や陽極11aのサイズにより、適宜に変更できる。例えば、図25の陰極90は、中央電極90aと複数の周辺電極27bとで構成されている。この場合、複数の周辺電極90bごとに、陽極11aとの間の電圧又は電流値を個別に設定してもよい。中央電極90aと周辺電極90bとの間には、セラミックからなる絶縁部90cが充填されている。図26及び図27に示される陰極91,92は、複数の周辺電極91b,92bを、中央電極91a,92aと同サイズの円形としたものである。各陰極91,92では、周辺電極91b,92bと中央電極91a,92aとの間に、セラミックからなる絶縁部14cが充填されている。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. Examples of such modifications include the following.
(A) The configuration of the cathodes 27 and 35 including a plurality of electrodes can be changed as appropriate depending on the size of the substrate 1 and the anode 11a to be processed. For example, the cathode 90 in FIG. 25 includes a central electrode 90a and a plurality of peripheral electrodes 27b. In this case, the voltage or current value between the plurality of peripheral electrodes 90b and the anode 11a may be set individually. An insulating portion 90c made of ceramic is filled between the center electrode 90a and the peripheral electrode 90b. In the cathodes 91 and 92 shown in FIGS. 26 and 27, a plurality of peripheral electrodes 91b and 92b are circular in the same size as the central electrodes 91a and 92a. In each of the cathodes 91 and 92, an insulating portion 14c made of ceramic is filled between the peripheral electrodes 91b and 92b and the central electrodes 91a and 92a.
(b)陰極27,35の構成は、同心円状に中央電極27a,35aと周辺電極27b,35cを配置したが、図28に示す陰極93のように、3つの同心円状の、リング状の中央電極93aと、中央電極93aの外周を離間して囲むリング状の第一周辺電極93bと、第一周辺電極93bの外周を離間して囲むリング状の第二周辺電極93cと、を備えてもよい。 (B) The configuration of the cathodes 27 and 35 is such that the central electrodes 27a and 35a and the peripheral electrodes 27b and 35c are arranged concentrically. However, as in the cathode 93 shown in FIG. An electrode 93a, a ring-shaped first peripheral electrode 93b that surrounds and surrounds the outer periphery of the central electrode 93a, and a ring-shaped second peripheral electrode 93c that surrounds and surrounds the outer periphery of the first peripheral electrode 93b. Good.
(c)冷却部材12についても、変形が可能である。
図29(a)は、直流プラズマCVD装置の冷却部材12の他の変形例を示す上面図であって、図29(b)は、図29(a)のA−A線に沿った冷却部材12の略断面図である。図30(a)は、図29の冷却部材12の上面図であって、図30(b)は、図30(a)のB−B線に沿った冷却部材12の冷却時の動作を示す略断面図である。
図29(a),(b)に示すプラズマCVD装置では、冷却部材12には冷却装置99から供給される冷却媒体が通過する管路12a,12b,12cが形成されている。更に冷却部材12の上面12Aには、通気口12Bから冷却部材12の側面12Dまで連通する溝12Cが形成されている。このため、図30(b)に示すように、冷却部材12の上面12Aがステージ11に当接しても、冷気ガスは溝12Cとステージとの隙間にできた流路によって矢印の通りに移動することによって効率よく通気して冷却することができる。また、ヘリウムガス封入部94から流量調節部95で排出流量を調節されたヘリウムガスが三方バルブ98に送出される。窒素ガス封入部96から流量調節部97で排出流量を調節された窒素ガスが三方バルブ98に送出される。三方バルブ98が開くと、冷却されたヘリウムガス及び冷却された窒素ガスが通気口12Bを介してステージ11の当接面に吹き付けて基板1を冷却できる。なお、冷気ガスを直接、ステージ11の当接面に吹き付けなくても、ステージ11で仕切られた空間11b内に冷気ガスを充填するだけでも同様の効果を得ることができる。
(C) The cooling member 12 can also be modified.
FIG. 29A is a top view showing another modified example of the cooling member 12 of the DC plasma CVD apparatus, and FIG. 29B is a cooling member along the line AA in FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of FIG. FIG. 30A is a top view of the cooling member 12 of FIG. 29, and FIG. 30B shows an operation at the time of cooling of the cooling member 12 along the line BB of FIG. 30A. FIG.
In the plasma CVD apparatus shown in FIGS. 29A and 29B, pipes 12a, 12b, and 12c through which the cooling medium supplied from the cooling apparatus 99 passes are formed in the cooling member 12. Further, a groove 12 </ b> C that communicates from the vent 12 </ b> B to the side surface 12 </ b> D of the cooling member 12 is formed on the upper surface 12 </ b> A of the cooling member 12. Therefore, as shown in FIG. 30B, even if the upper surface 12A of the cooling member 12 abuts on the stage 11, the cold air gas moves as indicated by the arrow through the flow path formed between the groove 12C and the stage. Therefore, it is possible to efficiently cool by venting. Further, the helium gas whose discharge flow rate is adjusted by the flow rate adjusting unit 95 is sent from the helium gas sealing unit 94 to the three-way valve 98. The nitrogen gas whose discharge flow rate is adjusted by the flow rate adjusting unit 97 is sent from the nitrogen gas sealing unit 96 to the three-way valve 98. When the three-way valve 98 is opened, the cooled helium gas and the cooled nitrogen gas are sprayed onto the contact surface of the stage 11 through the vent 12B, so that the substrate 1 can be cooled. Even if the cool air gas is not directly blown onto the contact surface of the stage 11, the same effect can be obtained only by filling the space 11 b partitioned by the stage 11 with the cool air gas.
1・・・基板、10,30,50,70・・・チャンバー、11,51・・・ステージ、11a,51a・・・陽極、12,52・・・冷却部材、13,27,53,65,75・・・陰極、14,54・・・陰極支持体、15,55・・・絶縁体、20,60・・・排気用管路、22,33,62・・・リングノズル、34,74・・・ガスシャワーノズル DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 10, 30, 50, 70 ... Chamber, 11, 51 ... Stage, 11a, 51a ... Anode, 12, 52 ... Cooling member, 13, 27, 53, 65 75, cathode, 14, 54 ... cathode support, 15, 55 ... insulator, 20, 60 ... exhaust pipe, 22, 33, 62 ... ring nozzle, 34,. 74 ... Gas shower nozzle
Claims (19)
前記第1の電極の上方で前記第1の電極と対向し、前記第1の電極との間でプラズマを発生させる第2の電極と、
前記反応槽内の前記第1の電極の高さと前記第2の電極の高さの間の高さに配置され、且つ前記第1の電極及び前記第2の電極の間のプラズマの発生する領域を囲むように配置された複数の噴出口が形成された第1のガス導入ノズルと、
を備えることを特徴とするプラズマCVD装置。 A first electrode disposed in the reaction vessel and on which the substrate is placed;
A second electrode facing the first electrode above the first electrode and generating plasma between the first electrode;
A region where plasma is generated between the first electrode and the second electrode and disposed between the first electrode and the second electrode in the reaction vessel. A first gas introduction nozzle formed with a plurality of jets arranged to surround
A plasma CVD apparatus comprising:
前記第2の電極の各電極と前記第1の電極との間の電圧または電流は、それぞれ個別に任意の値に設定されることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載のプラズマCVD装置。 The second electrode is composed of a plurality of electrodes,
15. The voltage or current between each electrode of the second electrode and the first electrode is individually set to an arbitrary value, respectively. Plasma CVD equipment.
立ち上がり時に、前記中央電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値は、前記周辺電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値よりも高く設定される、
ことを特徴とする請求項15に記載のプラズマCVD装置。 The plurality of electrodes includes a central electrode facing a central portion of the first electrode and a peripheral electrode facing a peripheral portion of the first electrode,
At the time of rising, the voltage or current value between the central electrode and the first electrode is set higher than the voltage or current value between the peripheral electrode and the first electrode.
The plasma CVD apparatus according to claim 15.
前記中央電極と前記第1の電極との間に陽光柱が形成された後に、前記中央電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値は、前記周辺電極と前記第1の電極との間の電圧又は電流値未満にされる、
ことを特徴とする請求項15又は16に記載のプラズマCVD装置。 The plurality of electrodes are composed of the central electrode facing the central portion of the first electrode and the peripheral electrode facing the peripheral portion of the first electrode,
After a positive column is formed between the central electrode and the first electrode, the voltage or current value between the central electrode and the first electrode is determined between the peripheral electrode and the first electrode. Be less than the voltage or current value between,
The plasma CVD apparatus according to claim 15 or 16, characterized in that
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