JP2010242207A - Ｄｃアークプラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な成膜を行うことができるＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】ＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１は、プラズマガン４及び陽極部５と、反応容器３と、を備え、プラズマガン４及び陽極部５は、プラズマＰを発生させ、反応容器３は、プラズマガン４及び陽極部５が互いに対向するように取り付けられると共に発生させたプラズマＰをその内部で囲うように設けられた反応室６と、反応室６に隣接しその内部に基板２が配置される成膜室７と、を含んでいる。反応室６と成膜室７との間の対向壁部８ｃには、プラズマＰによって活性化させた原料ガスが通過する孔が複数形成され、反応室６の壁部８は、絶縁体で構成されている。このＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１によれば、反応室６の壁部８に電流が流れ込んで放電空間内の電流密度が不均一になるのを抑制でき、成膜速度のばらつきを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣアーク放電を利用したプラズマを利用するＤＣアークプラズマＣＶＤ装置に関する。

従来のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置としては、例えば特許文献１記載のものが知られている。このようなＤＣアークプラズマＣＶＤ装置においては、金属等の導体で構成された反応容器内に基板が配置され、この反応容器の壁部に互いに対向するよう取り付けられた陰極部及び陽極部によってプラズマが発生される。そして、このプラズマで活性化された原料ガスが基板上に堆積され、その結果、基板上に成膜が行われる。

特開平２−２０５６８４号公報

しかしながら、上記のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置では、陰極部から放出された電子が反応容器へ移動する、すなわち、該反応容器に電流が流れ込む場合があり、放電空間において陰極部側と陽極部側とで電流密度に差が生じてしまうおそれがある。その結果、基板上において成膜速度が陰極部側と陽極部側とでばらついてしまい、均一な成膜を行うことが困難となるという問題がある。特に、陰極部と陽極部との放電距離が長くなるほど電流密度の差が大きくなり易いため、かかる問題は顕著となる。

そこで、本発明は、均一な成膜を行うことができるＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置は、ＤＣアーク放電を利用したプラズマによって原料ガスを活性化させ、基板上に成膜を行うためのＤＣアークプラズマＣＶＤ装置であって、プラズマを発生させるための陰極部及び陽極部と、陰極部及び陽極部が互いに対向するように取り付けられると共に、発生するプラズマをその内部で囲うように設けられた反応室と、反応室に隣接しその内部に基板が配置される成膜室と、を含む反応容器と、を備え、反応室と成膜室との間の壁部には、プラズマによって活性化された原料ガスが通過する孔が複数形成されており、反応室の壁部において内面を含む少なくとも一部は、絶縁体で構成されていることを特徴とする。

このＤＣアークプラズマＣＶＤ装置では、反応室がプラズマをその内部で囲うように設けられている。そして、この反応室の壁部において内面を含む少なくとも一部は、絶縁体で構成されている。よって、反応室の壁部に電流が流れ込んで放電空間内の電流密度が不均一になるのを抑制することができ、成膜速度のばらつきを防止することが可能となる。その結果、基板上に均一な成膜を行うことができる。

ここで、反応室には、陰極部及び陽極部が複数対設けられていることが好ましい。この場合、陰極部及び陽極部の各対で発生させたプラズマのそれぞれが反応室にて１つに混合され、各プラズマの特性が平均化されることになる。

また、反応室は、複数設けられていることが好ましい。このように反応室が複数設けられていると、発生させるプラズマの特性を反応室ごとに個別制御することが可能となる。

本発明によれば、均一な成膜を行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を示す概略断面図である。 図１のII−II線に沿っての断面図である。 図１のIII−III線に沿っての断面図である。 図１のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置における対向壁部を示す拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を示す図３に対応する概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を示す図３に対応する概略断面図である。 図７のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置の他の例を示す図３に対応する概略断面図である。 従来のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明においては同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を示す概略断面図、図２は図１のII−II線に沿っての断面図、図３は図１のIII−III線に沿っての断面図である。

図１〜３に示すように、本実施形態のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１は、ＤＣアーク放電を利用したプラズマによって原料ガスを活性化させ、基板２上に成膜を行うためのＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長法）装置である。ここでは、基板２として、平板状のガラス基板を用い、原料ガスとして、ＳｉＨ_４（モノシラン）を用いている。なお、上記の「ＤＣ」とは、電流方式が直流（Direct Current）であることを意味しており、また、ここでの「原料ガス」には、プロセスガス（希釈ガス）であるＨ_２を含むものを意図している。

このＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１は、直方体形状の反応容器３と、プラズマＰを発生させるためのプラズマガン（陰極部）４及び陽極部５と、を備えている。反応容器３は、例えばステンレス等で形成され、グランドに接地されている。この反応容器３は、その内部が反応室６と成膜室７とに画成されて構成されている。

図１に示すように、反応室６は、プラズマＰを生成するための空間を構成するものであって、反応容器３内の略中央において長手方向（図１の左右方向）の一端から他端に亘る四角筒状の区画である。この反応室６は、壁部８で画成されている。反応室６の壁部８は、例えばガラスやセラミック等の絶縁体で構成されている。

成膜室７は、基板２の主面２ａ上に成膜を行うための空間を構成するものであって、反応容器３内において反応室６に隣接する該反応室６以外の区画である。この成膜室７は、反応容器３の外壁部９と反応室６の壁部８とで画成されている。成膜室７の内部には、成膜条件を制御するものとして平板状のヒータ１０が配置されている。成膜室７の内部においては、基板２の主面２ａが反応室６の壁部８に対向するようにして、基板２がヒータ１０上に配置されている。また、反応容器３における基板２側の外壁部９ａには、反応容器３内を真空引きするための真空ポンプ１２が設けられている。

プラズマガン４及び陽極部５は、例えば、圧力勾配型のプラズマ源等が用いられ、水素（Ｈ_２）ガスを放電ガスとしている。プラズマガン４及び陽極部５は、反応室６における一端側の壁部８ａ及び他端側の壁部８ｂにて互いに対向するようそれぞれ取り付けられている。また、ここでは、プラズマガン４及び陽極部５は、基板２の主面２ａに沿う方向に並ぶように２対設けられている（図２参照）。

これらプラズマガン４及び陽極部５は、互いの間で放電することで、プラズマＰを反応室６の壁部８で囲われるよう発生させる。つまり、反応室６は、発生させたプラズマＰをその内部で囲うように構成されている。また、プラズマガン４及び陽極部５は、直流電源１３に接続され該直流電源１３から直流電流が印加されるようになっている。

なお、プラズマガン４及び陽極部５それぞれの周辺には、磁場を発生させるための磁場発生コイル１４が配置されている。この磁場発生コイル１４では、プラズマガン４から放出された電子が反応室６の壁部８に到達しないように電子の進行方向が制御され、放電維持及び安定化が図られている。ちなみに、プラズマガン４及び陽極部５は、反応容器３の外壁部９に対しては絶縁された状態とされている。

図４は、図１のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置における対向壁部を示す拡大断面図である。反応室６の壁部８において基板２に対向する対向壁部（壁部）８ｃは、図４に示すように、所定の隙間を有して互いに積層された積層構造を有している。具体的には、対向壁部８ｃは、内側から外側に向かって、内側対向壁部８ｃ１、中間対向壁部８ｃ２及び外側対向壁部８ｃ３をこの順に含んで構成されている。内側対向壁部８ｃ１、中間対向壁部８ｃ２及び外側対向壁部８ｃ３のそれぞれには、互いに連通しないように互い違いに設けられた内孔ｈ１、中孔ｈ２及び外孔ｈ３が、それぞれ複数設けられている。また、内側対向壁部８ｃ１と中間対向壁部８ｃ２との間には、原料ガス供給手段としてのガス供給管１５（図１参照）が接続されている。

このような対向壁部８ｃでは、内側対向壁部８ｃ１と中間対向壁部８ｃ２との間に供給された原料ガスが成膜室７に向けて中孔ｈ２及び外孔ｈ３を段階的に通過する間に、内孔ｈ１を通るプラズマＰによって確実に活性化させることができ、よって、供給された原料ガスがそのまま成膜室７へ流入するのが防止されることになる。

以上のように構成されたＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１においては、図１に示すように、直流電源１３によりプラズマガン４及び陽極部５に直流電流を印加して放電を行い、反応室６内にてプラズマＰを発生させる。併せて、ガス供給管１５から原料ガスが供給する共に、真空ポンプ１２を稼動する。これにより、プラズマＰによって原料ガスが活性化し、この活性化ガス（ここでは、ＳｉＨ_３）が外孔（孔）ｈ３を介して成膜室７へと流入し、基板２の主面２ａに到達して堆積する。その結果、基板２の主面２ａ上に、薄膜としての膜Ｆが形成されることになる。

ところで、図８に示すように、従来のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置５０では、反応容器３内に基板２を配置し、反応容器３の壁部９に互いに対向するように取り付けられたプラズマガン４及び陽極部５によってプラズマを発生させる。そして、反応容器３内に原料ガスを供給し、この原料ガスをプラズマで活性化することで、基板２上に成膜が行われる。ここで、ＤＣアークプラズマＣＶＤ装置５０では、プラズマガン４から放出された電子が反応容器３へ移動するために該反応容器３に通電されてしまい、反応容器３内においてプラズマガン４側と陽極部５側とで電流密度に差が生じることがある。

この点、本実施形態のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１では、上述したように、プラズマを反応室６で囲い、且つ、この反応室６の壁部８を絶縁体で構成している。つまり、放電空間が、絶縁体からなる反応室６で囲まれている。そのため、反応室６の壁部８ひいては反応容器３の外壁部９に通電されるのを抑制することができ、放電空間内においてプラズマガン４側と陽極部５側とで電流密度に差が生じるのを抑制する（換言すると、電子密度を一様化する）ことが可能となる。

その結果、本実施形態によれば、基板２上にてプラズマガン４側と陽極部５側とで成膜速度がばらつくのを防止でき、基板２上に均一な成膜を行うことができる。かかる効果は、ＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１が大型化し放電距離が長くなればなるほど顕著となる。

また、従来のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置５０では、高速成膜を行うべくプラズマガン４及び陽極部５に大電力を印加すると、前述のように反応容器３の外壁部９に通電されることから、異常放電が生じてしまう。これに対し、本実施形態では、反応室６の壁部８ひいては反応容器３の外壁部９に通電されるのを抑制できることから、異常放電の発生を抑制することが可能となる。その結果、異常放電に起因した印加電力の上限値を解除でき、高速成膜が可能となる。

また、図２に示すように、本実施形態では、上述のように、プラズマガン４及び陽極部５が反応室６に２対（複数対）設けられているため、プラズマガン４及び陽極部５の各対で発生させたプラズマＰ１，Ｐ２のそれぞれを反応室６にて１つに混合することができ、各プラズマＰ１，Ｐ２の特性を容易に平均化することが可能となる。

また、本実施形態では、反応室６の壁部８によってプラズマＰ及びイオン種を基板２に対し効果的に遮蔽できるため、膜Ｆへのダメージを低減することができ、膜Ｆの高品質化が可能となる。

なお、本実施形態では、放電維持及び安定化のため、プラズマガン４及び陽極部５それぞれの周辺に磁場発生コイル１４を配置しているが、上述したように、電気的に絶縁化された空間内である反応室６内で放電が行われるため、ＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１を磁場発生コイル１４を備えない構成にすることも可能である。

ちなみに、一般的な高周波プラズマＣＶＤ装置については、以下のことが言える。すなわち、例えば反応容器３自体が電極部として取り扱われることから、本実施形態に対して構成・作用・効果が異なる（相容れない）だけでなく、反応容器３に通電するのを防ぐという本実施形態の課題と両立しない技術思想が前提にされている。さらに、上述した電流密度差を低減する課題も有し得ないこととなる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においては、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を示す図３に対応する概略断面図である。図５に示すように、本実施形態のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置２０は、基板２１及びヒータ２２をさらに備えている。基板２１及びヒータ２２は、成膜室７内において反応室６を介して基板２及びヒータ１０に対向するように配置されている。また、成膜室７内では、基板２及び壁部８間の距離と基板２１及び壁部８間の距離とが互いに等しくなるように、基板２，２１がそれぞれ配置されている。

反応室６の壁部８は、基板２１に対向し且つ上記対向壁部８ｃと同様に構成された対向壁部２８ｃを含んでいる。また、プラズマガン４及び陽極部５（図１参照）は、基板２，２１の主面２ａ，２１ａに沿う方向に並ぶように３対設けられており、プラズマガン４及び陽極部５の各対でプラズマＰ１，Ｐ２，Ｐ３それぞれが発生される。反応容器３における基板２１側の外壁部９ｂには、反応容器３内を真空引きするための真空ポンプ１２がさらに設けられている。

以上、本実施形態のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置２０においても、基板２，２１上に均一な成膜を行うという上記作用効果が奏される。さらに、本実施形態では、複数の基板２，２１上に成膜を同時に行うことができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においては、上記第２実施形態と異なる点について主に説明する。

図６は、本発明の第３実施形態に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置を示す図３に対応する概略断面図である。図６に示すように、本実施形態のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置３０は、反応室６（図５参照）に代えて、３つ（複数）の反応室３１〜３３を備えている。

反応室３１〜３３のそれぞれは、壁部３４〜３６で画成され、反応容器３内の略中央において図中の紙面垂直方向の一端から他端に亘る四角筒状の区画である。反応室３１〜３３は、壁部３４，３５が互いに当接し且つ壁部３５，３６が互いに当接するように並設されている。

これら反応室３１〜３３の壁部３４〜３６は、例えばガラスやセラミック等の絶縁体で構成されている。反応室３１〜３３のそれぞれには、上記プラズマガン４及び陽極部５と同様なプラズマガン及び陽極部が、互いに対向するように一対ずつ取り付けられている。

以上、本実施形態のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置３０においても、基板２，２１上に均一な成膜を行うという上記作用効果が奏される。さらに、本実施形態では、複数の反応室３１〜３３が設けられているため、例えばプラズマガン及び陽極部に印加する電力を反応室３１〜３３ごとに制御することで、発生させるプラズマＰ１，Ｐ２，Ｐ３の特性を反応室３１〜３３ごとに個別制御することが可能となる。

なお、本実施形態では、図７に示すように、反応室３１〜３３のそれぞれが円筒状の区画とされている場合もある。図７に示す例では、反応室３１〜３３は、壁部３４〜３６が互いに離間するように並設されている。このように反応室３１〜３３の形状を適宜構成すると、様々な形状の基板２，２１に精度よく成膜を行うことができる。例えば、湾曲した主面を有する基板に対して精度よく成膜を行う場合には、反応室の壁部を主面に対応する湾曲形状とされる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係るＤＣアークプラズマＣＶＤ装置は、実施形態に係る上記ＤＣアークプラズマＣＶＤ装置１，２０，３０に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態は、基板２，２１としてガラス基板を採用したが、基板としてシリコン基板等の半導体ウェハを採用してもよい。また、上記実施形態では、対向壁部８ａ，２８ａに原料ガスを供給したが、反応室内に原料ガスを直接供給しても勿論よい。この場合、対向壁部８ａ，２８ａは、活性化させた原料ガスが通過する孔が複数形成されていれば、積層構造を有さなくてもよい。

また、上記実施形態では、反応室６，３１〜３３の壁部８，３４〜３６全域を絶縁体で構成したが、反応室の壁部において内面を含む少なくなくとも一部が絶縁体で構成されていればよい。なお、「絶縁体」は、ほぼ絶縁体を含んでおり、上記のものに限定されず、電気（電流）を通し難い性質を有する物体を広く意味している。

１，２０，３０…ＤＣアークプラズマＣＶＤ装置、２，２１…基板、３…反応容器、４…プラズマガン（陰極部）、５…陽極部、６，３１〜３３…反応室、７…成膜室、８，３４〜３６…壁部、８ｃ，２８ｃ…対向壁部（壁部）、ｈ３…孔、Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…プラズマ。

Claims (3)

1. ＤＣアーク放電を利用したプラズマによって原料ガスを活性化させ、基板上に成膜を行うためのＤＣアークプラズマＣＶＤ装置であって、
   前記プラズマを発生させるための陰極部及び陽極部と、
   前記陰極部及び前記陽極部が互いに対向するように取り付けられると共に、発生させた前記プラズマをその内部で囲うように設けられた反応室と、前記反応室に隣接しその内部に前記基板が配置される成膜室と、を含む反応容器と、を備え、
   前記反応室と前記成膜室との間の壁部には、前記プラズマによって活性化させた前記原料ガスが通過する孔が複数形成されており、
   前記反応室の壁部において内面を含む少なくとも一部は、絶縁体で構成されていることを特徴とするＤＣアークプラズマＣＶＤ装置。
2. 前記反応室には、前記陰極部及び前記陽極部が複数対設けられていることを特徴とする請求項１記載のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記反応室は、複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のＤＣアークプラズマＣＶＤ装置。