JP2017014596A - プラズマｃｖｄ装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を成膜できるプラズマＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】本発明の一態様は、チャンバー１１と、５０〜５００ｋＨｚの高周波出力を供給する高周波電源６と、前記チャンバー内に配置され、前記高周波電源に電気的に接続され、基材を配置するための第１の電極１４と、前記チャンバー内に配置され、前記高周波電源に電気的に接続され、前記第１の電極に対向する第２の電極１５と、前記チャンバー内に原料ガスを導入するガス導入口２０と、前記高周波出力を前記第１の電極及び前記第２の電極に供給するように制御する制御部と、を具備するプラズマＣＶＤ装置である。【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ(chemical vapor deposition)装置及び成膜方法に関する。

図７は、従来のプラズマＣＶＤ装置を模式的に示す断面図である。
このプラズマＣＶＤ装置はチャンバー１を有しており、このチャンバー１内には基材２を配置する電極３が配置されている。この電極３には、整合器（図示せず）を介して５０〜５００ｋＨｚの高周波電源（ＲＦ電源）４が接続されており、電極３はＲＦ電極として作用する。この高周波電源４は整合器及び電極３を介して基材２に高周波を印加するものである。つまり、このプラズマＣＶＤ装置は、高周波電源４によって、５０〜５００ｋＨｚの高周波電流を、整合器を介して電極３に供給して、基材２の上方にガスのプラズマを発生させるようになっている。なお、チャンバー１は接地電位に接続されている。

電極３の周囲にはヒーター５が配置されている。チャンバー１には原料ガスを導入するガス導入口１０が設けられている。このガス導入口１０には、チャンバー１内に原料ガスを導入するガス導入経路（図示せず）が繋げられている。ガス導入経路はガス配管（図示せず）を有している。また、チャンバー１には、その内部を真空排気する真空ポンプ１３が接続されている（例えば特許文献１参照）。

上記従来のプラズマＣＶＤ装置を用いて高硬度なＤＬＣ(Diamond Like Carbon)膜を基材に成膜する方法の一つに、高周波電源４の出力を高くする方法がある。しかし、高周波電源４の出力を高くすると、コンダクタンスが異なる部分に電力が集中しやすくなり、特に基材２が立体的な形状を有する場合により電力が集中しやすくなる。その結果、異常放電が発生しやすくなり、それにより高硬度なＤＬＣ膜を成膜することが困難になる。

特開２００８−３８２１７号公報

本発明の一態様は、異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を成膜できるプラズマＣＶＤ装置または成膜方法を提供することを課題とする。

以下に、本発明の種々の態様について説明する。
［１］チャンバーと、
５０〜５００ｋＨｚの高周波出力を供給する高周波電源と、
前記チャンバー内に配置され、前記高周波電源に電気的に接続され、基材を配置するための第１の電極と、
前記チャンバー内に配置され、前記高周波電源に電気的に接続され、前記第１の電極に対向する第２の電極と、
前記チャンバー内に原料ガスを導入するガス導入口と、
前記高周波出力を前記第１の電極及び前記第２の電極に供給するように制御する制御部と、
を具備することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

上記のプラズマＣＶＤ装置によれば、高周波電源によって５０〜５００ｋＨｚの周波数の高周波出力を第１の電極及び第２の電極の両方に供給することで、第１の電極と第２の電極との間に原料ガスのプラズマを発生させて基材に膜を成膜することができる。

［２］上記［１］において、
前記第１の電極及び前記第２の電極それぞれの外径が５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

［３］上記［１］または［２］において、
前記原料ガスは、ＤＬＣ膜、炭化珪素膜及び酸化シリコン膜のいずれかの成膜用ガスであることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

［４］上記［３］において、
前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスは、Ｃ原子を６個以上含む炭化水素系化合物を含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

［５］上記［３］において、
前記炭化珪素膜の成膜用ガスは、Ｓｉ原子を２個以上含む珪素化合物を含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

［６］上記［４］において、
前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスはトルエンを含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

［７］上記［５］において、
前記炭化珪素膜の成膜用ガスはＨＭＤＳを含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

［８］上記［１］乃至［７］のいずれか一項において、
前記チャンバー内を真空排気する真空排気機構を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
上記の真空排気

［９］上記［８］において、
前記真空排気機構は、ロータリーポンプ、ロータリーポンプとメカニカルブースターポンプの組、ドライポンプ、ドライポンプとメカニカルブースターポンプの組からなる群から選択された一を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。

［１０］チャンバー内に第１の電極及び前記第１の電極に対向する第２の電極を配置し、
前記第１の電極に基材を配置し、
前記チャンバー内に原料ガスを導入しつつ、前記チャンバー内を真空排気し、
前記第１の電極及び前記第２の電極に５０〜５００ｋＨｚの高周波出力を供給することで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記原料ガスのプラズマを発生させて前記基材に膜を成膜することを特徴とする成膜方法。

［１１］上記［１０］において、
前記第１の電極及び前記第２の電極それぞれの外径が５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とする成膜方法。

［１２］上記［１０］または［１１］において、
前記原料ガスは、ＤＬＣ膜、炭化珪素膜及び酸化シリコン膜のいずれかの成膜用ガスであることを特徴とする成膜方法。

［１３］上記［１２］において、
前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスは、Ｃ原子を６個以上含む炭化水素系化合物を含むことを特徴とする成膜方法。

［１４］上記［１２］において、
前記炭化珪素膜の成膜用ガスは、Ｓｉ原子を２個以上含む珪素化合物を含むことを特徴とする成膜方法。

［１５］上記［１３］において、
前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスはトルエンを含むことを特徴とする成膜方法。

［１６］上記［１４］において、
前記炭化珪素膜の成膜用ガスはＨＭＤＳを含むことを特徴とする成膜方法。

［１７］上記［１０］乃至［１６］のいずれか一項において、
前記チャンバー内を真空排気することで、前記チャンバー内の圧力を０．５Ｐａ以上２０Ｐａ以下とすることを特徴とする成膜方法。

本発明の一態様によれば、異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を成膜できるプラズマＣＶＤ装置または成膜方法を提供することができる。

本発明の一態様に係るプラズマＣＶＤ装置を概略的に示す構成図である。 高周波出力と自己バイアス電圧Ｖｄｃの関係を示す図である。 高周波出力とＤＬＣ膜の膜厚及び成膜レートの関係を示す図である。 高周波出力とＤＬＣ膜のヌープ硬度との関係を示す図である。 高周波出力とＤＬＣ膜の屈折率との関係を示す図である。 図４及び図５のデータからＤＬＣ膜のヌープ硬度と屈折率との関係をプロットした図である。 従来のプラズマＣＶＤ装置を模式的に示す断面図である。

以下では、本発明の実施形態及び実施例について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は以下に示す実施形態の記載内容及び実施例に限定して解釈されるものではない。

図１は本発明の一態様に係るプラズマＣＶＤ装置を概略的に示す構成図である。このプラズマＣＶＤ装置はチャンバー１１を有しており、このチャンバー１１内には第１の電極１４及び第２の電極１５が配置されている。第２の電極１５は第１の電極１４に対向するように配置されている。第１の電極１４上には基材１２が配置されており、この基材１２は第２の電極１５と対向するように位置している。基材１２は立体的な形状を有していてもよい。

なお、本実施形態では、第１の電極１４上に基材１２を配置しているが、第１の電極１４を基材１２を保持する基材ホルダーとし、その基材ホルダーに基材を保持する構成としてもよく、その場合は基材ホルダーが第１の電極の役割を果たす。

第１の電極１４及び第２の電極１５それぞれには、整合器７を介して５０〜５００ｋＨｚの高周波電源（ＲＦ電源）６が電気的に接続されている。即ち、高周波電源６は整合器７を介して第１の電極１４及び第２の電極１５の両方に電気的に接続されており、高周波電源６は整合器７及び第１の電極１４を介して基材１２に高周波出力を印加するものである。そして、このプラズマＣＶＤ装置は、高周波電源６によって、５０〜５００ｋＨｚの高周波電流を、整合器７を介して第１及び第２の電極１４，１５に供給して、第１の電極１４と第２の電極１５との間（即ち基材１２の上方）に原料ガスのプラズマを発生させるようになっている。なお、チャンバー１１は接地電位に接続されている。また、プラズマＣＶＤ装置は高周波電源６を制御する制御部（図示せず）を有しており、この制御部は高周波電源６からの高周波出力を第１及び第２の電極１４，１５に供給するように制御するものである。

なお、本実施形態では、周波数５０〜５００ｋＨｚの高周波電源を用いているが、周波数４００ｋＨｚ以下の高周波電源を用いることがより好ましい。４００ｋＨｚ以下の高周波電源を用いた場合、マッチングトランスなどを用いた低価格な整合器でマッチングをとることができる利点がある。また、高周波電源の周波数が５０ｋＨｚより低くなると、基材に誘導加熱が生じるという問題が発生する。また、高周波電源の周波数が５００ｋＨｚを超えると、基材に加えられるバイアスが低下し、絶縁体膜が成膜されにくいといった問題が発生する。

第１の電極１４の外径２１及び第２の電極１５の外径２２それぞれは５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であるとよい。また、第１の電極１４と第２の電極１５との間の距離２３は１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であるとよい。このような外径２１，２２及び距離２３は、異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を成膜するのに適している。

また、第１の電極１４の周囲にはヒーター（図示せず）が配置されていてもよい。このヒーターによって基材１２を加熱することができる。なお、基材１２は、種々の材質及び種々の形状（特に立体形状）のものを用いることが可能である。

チャンバー１１には原料ガスを導入するガス導入口２０が設けられている。このガス導入口２０には、チャンバー１１内に原料ガスを導入するガス導入経路（図示せず）が繋げられている。ガス導入経路はガス配管（図示せず）を有している。このガス配管には、ガス流量を計測する流量計（図示せず）及びガス流量を制御するガスフローコントローラー（図示せず）が設けられている。流量計により適量の原料ガス（例えばＤＬＣ膜、炭化珪素膜及び酸化シリコン膜のいずれかの成膜用ガス）がガス導入口よりチャンバー１１内に供給されるようになっている。ＤＬＣ膜の成膜用ガスは、Ｃ原子を６個以上含む炭化水素系化合物を含むとよく、例えばトルエンを含むとよい。また、炭化珪素膜の成膜用ガスは、Ｓｉ原子を２個以上含む珪素化合物を含むとよく、例えばヘキサメチルジシラザン又はヘキサメチルジシロキサン（以下、これらを総称してＨＭＤＳともいう）を含むとよい。

また、チャンバー１１には、その内部を真空排気する真空排気機構としての真空ポンプ１６が接続されている。このポンプ１６は、高価でメンテナンスの煩雑なターボ分子ポンプや拡散ポンプを用いず、安価でメンテナンスの簡単なポンプで構成するとよい。安価でメンテナンスの簡単なポンプは、例えば、ロータリーポンプ、ロータリーポンプとメカニカルブースターポンプの組、ドライポンプ、ドライポンプとメカニカルブースターポンプの組からなる群から選択された一のポンプまたは組である。このような簡単な構成のポンプでは０．５Ｐａ程度の真空度しか得られないが、本発明の一態様による方法では、このような低真空でも高品質の皮膜を製造することが可能である。

上記プラズマＣＶＤ装置における５０〜５００ｋＨｚの高周波電源６は、直流電源と高周波電源の長所を兼ね備えており、５０〜５００ｋＨｚという工業的にも取り扱いやすい周波数を用いているという利点があり、また低真空でも生産性に優れるという利点がある。また、５０〜５００ｋＨｚの高周波電源の場合、従来の１３．５６ＭＨｚの高周波電源に比べて基材へのバイアス効果を高めるという利点があり、それによってプロセスの低真空化及び高速化を実現できる利点がある。この利点は低コスト化につながるものである。

次に、図１のプラズマＣＶＤ装置を用いて基材１２に膜を成膜する方法について説明する。

第１の電極１４に基材１２を配置し、チャンバー１１内に原料ガスをガス導入口２０から導入しつつ、チャンバー１１内を真空ポンプ１６によって真空排気する。原料ガスの導入と排気のバランスによってチャンバー１１内を所定の圧力（０．５Ｐａ以上２０Ｐａ以下）にする。なお、本実施形態では、チャンバー１１内を減圧して膜を成膜するが、これに限定されるものではなく、チャンバー１１内の圧力を常圧にして膜を成膜することも可能である。

次いで、高周波電源６から整合器７を介して第１の電極１４及び第２の電極１５に周波数５０〜５００ｋＨｚ（例えば３８０ｋＨｚ）の高周波出力を供給する。これにより、第１の電極１４と第２の電極１５との間に原料ガスのプラズマを発生させて基材１２に膜を成膜する。

ガス導入口２０から導入する原料ガスをＤＬＣ膜の成膜用ガスとすることで、チャンバー１１内にＤＬＣ膜の成膜用ガスのプラズマを発生させて基材１２にＤＬＣ膜を成膜することができる。ＤＬＣ膜の成膜用ガスは、Ｃ原子を６個以上含む炭化水素系化合物を含むとよく、トルエンを含むとよい。

また、ガス導入口２０から導入する原料ガスを炭化珪素膜の成膜用ガスとすることで、チャンバー１１内に炭化珪素膜の成膜用ガスのプラズマを発生させて基材１２に炭化珪素膜を成膜することができる。炭化珪素膜の成膜用ガスは、Ｓｉ原子を２個以上含む珪素化合物を含むとよく、ＨＭＤＳを含むとよい。

また、ガス導入口２０から導入する原料ガスを酸化シリコン膜の成膜用ガスとすることで、チャンバー１１内に酸化シリコン膜の成膜用ガスのプラズマを発生させて基材１２に酸化シリコン膜を成膜することができる。

上記実施形態によれば、高周波電源６によって５０〜５００ｋＨｚの周波数の高周波出力を第１の電極１４及び第２の電極１５の両方に供給するため、異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を成膜することが可能となる。また、基材１２が立体的な形状を有していても、異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を成膜することが可能となる。また、高周波出力を第１の電極１４及び第２の電極１５の両方に供給することで高硬度な膜を成膜できる理由は、対向する第１の電極１４と第２の電極１５から放出されたγ電子（二次電子）が、第１の電極１４と第２の電極１５との間で往復運動することにより、原料ガスの電離効果が飛躍的に高められるためであると考えられる。

また、本実施形態では、第１の電極１４及び第２の電極１５それぞれの外径２１，２２を５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下とし、第１の電極１４と第２の電極１５との間の距離２３を１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とし、このような第１の電極１４及び第２の電極１５の両方に５０〜５００ｋＨｚの周波数の高周波出力を供給する。このため、チャンバー１１内の異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を基材１２に成膜することが可能となる。

本実施例では、図１に示すプラズマＣＶＤ装置を用いて基材上に以下の成膜条件によりＤＬＣ膜を成膜し、その際に次の測定を行った。高周波出力と自己バイアス電圧Ｖｄｃの関係を測定し、その結果を図２に示した。また高周波出力とＤＬＣ膜の膜厚及び成膜レートの関係を測定し、その結果を図３に示した。また高周波出力とＤＬＣ膜のヌープ硬度の関係を測定し、その結果を図４に示した。また高周波出力とＤＬＣ膜の屈折率の関係を測定し、その結果を図５に示した。

比較例では、図７に示すプラズマＣＶＤ装置を用いて基材上に以下の成膜条件によりＤＬＣ膜を成膜し、その際に上記の実施例と同様の測定を行った。それらの結果を図２、図３、図４及び図５に示した。

（ＤＬＣ膜の成膜条件）
基材 ： シリコン（１５×１５ｍｍ）
成膜装置 ： 図１及び図７に示すプラズマＣＶＤ装置
図１の第１の電極と第２の電極との距離２３ ： ６０ｍｍ
原料ガス（出発原料） ： トルエン
高周波電源の周波数 ： ３８０ｋＨｚ
成膜時間 ： ２０ｍｉｎ

図２〜図５中の「Single」が図７に示すプラズマＣＶＤ装置の結果であり、「Double」が図１に示すプラズマＣＶＤ装置の結果である。また図２〜図５中の「Single」のφ１６０ｍｍ、φ２６０ｍｍは電極３の外径であり、「Double」のφ２６０ｍｍは第１及び第２の電極１４，１５の外径である。また図２〜図５中の１０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍはトルエンの流量である。

図２は、高周波出力と自己バイアス電圧Ｖｄｃの関係を示す図である。
図２によれば、図１のプラズマＣＶＤ装置は図７のプラズマＣＶＤ装置に比べて高周波出力に対する自己バイアス電圧Ｖｄｃの絶対値が小さかった。そのため、図７のプラズマＣＶＤ装置に比べて図１のプラズマＣＶＤ装置の方が出力を高くすることができ、また出力を高くしても異常放電を抑制できるといえる。

図３は、高周波出力とＤＬＣ膜の膜厚及び成膜レートの関係を示す図である。
図７のプラズマＣＶＤ装置では、高周波出力を４００Ｗより高くすると異常放電が発生してＤＬＣ膜を成膜できなかったのに対し、図１のプラズマＣＶＤ装置では、高周波出力を４００Ｗより高くしても異常放電を抑制しつつＤＬＣ膜を成膜できた。

図４は、高周波出力とＤＬＣ膜のヌープ硬度との関係を示す図である。
図４によれば、図１のプラズマＣＶＤ装置で成膜したＤＬＣ膜が、図７のプラズマＣＶＤ装置で成膜したＤＬＣ膜よりヌープ硬度を高くできた。

図５は、高周波出力とＤＬＣ膜の屈折率との関係を示す図である。
図５によれば、図１のプラズマＣＶＤ装置で成膜したＤＬＣ膜が、図７のプラズマＣＶＤ装置で成膜したＤＬＣ膜より屈折率を高くできた。

図６は、図４及び図５のデータからＤＬＣ膜のヌープ硬度と屈折率との関係をプロットした図である。図６に示すように、ヌープ硬度が高くなると屈折率も高くなるという相関関係が見られた。

本実施例によれば、３８０ｋＨｚの周波数の高周波出力を第１の電極１４及び第２の電極１５の両方に供給する図１のプラズマＣＶＤ装置の方が、３８０ｋＨｚの周波数の高周波出力を一つの電極３に供給する図７のプラズマＣＶＤ装置に比べて、異常放電を抑制しつつ高硬度な膜を成膜できることが確認された。

１…チャンバー
２…基材
３…電極
４…高周波電源（ＲＦ電源）
５…ヒーター
６…高周波電源（ＲＦ電源）
７…整合器
１０…ガス導入口
１１…チャンバー
１２…基材
１３…真空ポンプ
１４…第１の電極
１５…第２の電極
１６…真空ポンプ
２０…ガス導入口
２１…第１の電極の外径
２２…第２の電極の外径
２３…第１の電極と第２の電極との間の距離

Claims (17)

1. チャンバーと、
   ５０〜５００ｋＨｚの高周波出力を供給する高周波電源と、
   前記チャンバー内に配置され、前記高周波電源に電気的に接続され、基材を配置するための第１の電極と、
   前記チャンバー内に配置され、前記高周波電源に電気的に接続され、前記第１の電極に対向する第２の電極と、
   前記チャンバー内に原料ガスを導入するガス導入口と、
   前記高周波出力を前記第１の電極及び前記第２の電極に供給するように制御する制御部と、
   を具備することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の電極及び前記第２の電極それぞれの外径が５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
3. 請求項１または２において、
   前記原料ガスは、ＤＬＣ膜、炭化珪素膜及び酸化シリコン膜のいずれかの成膜用ガスであることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
4. 請求項３において、
   前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスは、Ｃ原子を６個以上含む炭化水素系化合物を含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
5. 請求項３において、
   前記炭化珪素膜の成膜用ガスは、Ｓｉ原子を２個以上含む珪素化合物を含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
6. 請求項４において、
   前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスはトルエンを含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
7. 請求項５において、
   前記炭化珪素膜の成膜用ガスはＨＭＤＳを含むことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項において、
   前記チャンバー内を真空排気する真空排気機構を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
9. 請求項８において、
   前記真空排気機構は、ロータリーポンプ、ロータリーポンプとメカニカルブースターポンプの組、ドライポンプ、ドライポンプとメカニカルブースターポンプの組からなる群から選択された一を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
10. チャンバー内に第１の電極及び前記第１の電極に対向する第２の電極を配置し、
    前記第１の電極に基材を配置し、
    前記チャンバー内に原料ガスを導入しつつ、前記チャンバー内を真空排気し、
    前記第１の電極及び前記第２の電極に５０〜５００ｋＨｚの高周波出力を供給することで、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記原料ガスのプラズマを発生させて前記基材に膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
11. 請求項１０において、
    前記第１の電極及び前記第２の電極それぞれの外径が５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であり、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離が１０ｍｍ以上５００ｍｍ以下であることを特徴とする成膜方法。
12. 請求項１０または１１において、
    前記原料ガスは、ＤＬＣ膜、炭化珪素膜及び酸化シリコン膜のいずれかの成膜用ガスであることを特徴とする成膜方法。
13. 請求項１２において、
    前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスは、Ｃ原子を６個以上含む炭化水素系化合物を含むことを特徴とする成膜方法。
14. 請求項１２において、
    前記炭化珪素膜の成膜用ガスは、Ｓｉ原子を２個以上含む珪素化合物を含むことを特徴とする成膜方法。
15. 請求項１３において、
    前記ＤＬＣ膜の成膜用ガスはトルエンを含むことを特徴とする成膜方法。
16. 請求項１４において、
    前記炭化珪素膜の成膜用ガスはＨＭＤＳを含むことを特徴とする成膜方法。
17. 請求項１０乃至１６のいずれか一項において、
    前記チャンバー内を真空排気することで、前記チャンバー内の圧力を０．５Ｐａ以上２０Ｐａ以下とすることを特徴とする成膜方法。

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