JP2522987B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

薄膜形成装置

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Description

【発明の詳細な説明】 「発明の利用分野」 本発明はプラズマ気相反応方法を用いて、固体の表面
の補強材、また機械ストレスに対する保護材を形成する
技術に関する。
「従来技術」 一般にプラズマCVD法においては、被形成面をスパッ
タ(損傷)しないように注意して成膜する方法が有効で
あるとされている。それらはアモルファス珪素等の膜を
作製する場合である。しかし他方、逆にプラズマCVD法
でありながら、スパッタ効果を伴わせつつ成膜させる方
法も知られている。その代表例である炭素膜のコーティ
ングに関しては、本発明人の出願になる特許願『炭素被
膜を有する複合体およびその作製方法』(特願昭56−14
6936 昭和56年9月17日出願)が知られている。しかし
これらは平行平板型の一方の電極(カソード側)に基板
を配設し、その上面に炭素膜を成膜する方法である。ま
たはマイクロ波励起方法により活性種を強く励起して、
基板上に硬い炭素膜を成膜する方法である。
「従来の問題点」 しかし、かかるスパッタ効果を伴わせつつ成膜させる
従来例は、被膜を大面積に成膜できないばかりか、凹凸
を有する基体または一度に多量の基体上に膜を作ること
ができない。このため、大容量空間に多量の基体を配設
して、これらに一度に被膜を形成する方法が求められて
いた。本発明にかかる目的のためになされたものであ
る。
「問題を解決すべき手段」 本発明は、筒状構造を有し、この筒構造体内に被形成
面を有する基体を複数個配設する。そしてその筒構造体
の開口の一端および他端に一対の電極を配設する。そし
てこの一対の電極に第1の交番電界の出力側のマッチン
グコイルの一端および他端とを互いに連結して、対称ま
たは対称に近い交番電界を印加する。
さらにそのコイルの接地レベルにある中点と被形成面
を有する基体または基体ホルダとの間に他の第2の交番
電界を印加し、この基体ホルダ(単にホルダともいう)
または基体を第3の電極として作用せしめ、この基体上
にスパッタ効果を伴わせつつ薄膜を形成せんとしたもの
である。
そして特にこの基体を筒状導体としたことを特徴とす
る。この筒状導体の具体例としては、静電複写機に用い
られるOPCドラムの例を挙げることができる。このOPCド
ラムの表面には、有機樹脂が形成されている。
そして第1の交番電界を1〜50MHzのグロー放電の生
じやすい周波数とし、さらに第2の交番電界を1〜500K
Hzの反応性気体に運動エネルギを加えやすい周波数とし
て印加する。
この第2の交番電界の一方とマッチングコイルの中点
とはともに接地レベルにある。即ち第2の交番電界の出
力側には負の直流の自己バイアスが重畳して印加され
る。すると第1の交番電界により活性化した気体を自己
バイアスにより基体上に加速し、さらに基体上での不要
のチャージアップした電荷を第2の交番電界により除去
する。かくして表面にも被膜形成を行うことができる。
そしてこの薄膜の形成の1例として、エチレン(C
2H4)、メタン(CH4),アセチレン(C2H2)のような炭
化水素気体または弗化炭素の如き炭素弗化物気体を導入
し、炭素膜を形成する例を挙げることができる。
この炭素膜は、SP3軌道を有するダイヤモンドと類似
のC−C結合を有している。また、光学的エネルギバン
ド巾(Egという)が1.0eV以上、好ましくは1.5〜5.5eV
を有し、ビッカース硬度が2000Kg/mm2以上、好ましくは
4500Kg/mm2以上、理想的には6500Kg/mm2というダイヤモ
ンド類似の硬さを有している。
また他の例として、ジシラン(Si2H6)とアンモニア
(NH3)との反応によって室温(基体温度を意図的に加
熱することなく)で窒化珪素膜を作製する例を挙げるこ
とができる。
さらに基体上に窒化珪素膜とその上に前記した炭素膜
を形成する多層膜としてもよい。
またシラン(SiH4)と亜酸化窒素(N2O)との反応に
より、酸化珪素(SiO2)膜を形成してもよい。この成膜
に際し、リンまたはホウ素をフォスヒンまたはジボラン
を用いて同時に添加し、リンガラスまたはホウ素ガラス
を作ってもよい。
本発明は、さらにこの被膜が形成される基体材料とし
て、ガラス、セラミックス、金属、磁性体、プラスチッ
クス(有機樹脂ともいう)、酸化物超伝導材料を用いる
ことができる。
また、基体の形状として、板状、皿状、容器、ピンセ
ット、シリコンウエハまたはウエハホルダ用カセット、
ジグ、棒状材料を利用することができる。
「実施例」 この実施例は基体として導体上に有機樹脂が形成され
ているものを用いた。その代表例がOPC(オーガニック
・フォト・コンダクタ)の静電複写機用ドラムである。
かかる実施例において、筒状導体に第2の交番電界を
印加した。そしてOPC上に参考例1と同じく炭素膜100〜
500Åの膜厚で形成した。成膜は室温で行った。
本明細書においては、炭素または炭素を主成分とする
被膜または窒化珪素被膜、酸化珪素被膜の作製方法を主
として示した。
しかしシランのみを導入し、スパッタ効果を伴わせつ
つ水素が添加された非単結晶珪素を作製してもよい。
またメチルアルミニウム等を導入し、アルミニウムの
導体を形成してもよい。
しかし本発明方法においては、成膜した材料が導体の
場合、電極間のショートを誘発しやすいため、成膜する
材料は絶縁材料または電気抵抗の十分大きい材料(酸化
物超伝導材料),セラミックス、磁性材料)が好まし
い。
「参考例1」 第1図に示すのは、実施例1に示す構成を実施するた
めに利用することができるプラズマCVD装置の概要であ
る。
図面において、プラズマCVD装置の反応容器(7)は
ロード/アンロード用予備室(7′)とゲート弁(9)
で仕切られている。
そしてガス系(10)において、キャリアガスである水
素または窒素を(11)より、反応性気体である炭化水素
気体、例えばメタン、エチレンを(12)より、また珪化
物気体例えばモノシラン、ジシランを(13)より、また
アンモニアまたは酸素化物気体を(14)より、バルブ
(28)、流量計(29)をへて反応系(30)中にノズル
(25)より導入する。
ジシランとアンモニアとを導入すると窒化珪素膜が成
膜できる。また炭化物気体を導入するとダイヤモンド状
炭素膜が成膜できる。またモノシランと酸化物気体とを
導入すると、酸化珪素膜を作ることができる。
反応系(30)は、筒構造体(2)(円筒また四角の枠
構造を有する)を有し、この上方および下方の開口部に
はこの開口部を覆うようにフード(8),(8′)を有
する。そしてこのフード(8),(8′)に配設された
一対の同一形状を有する第1および第2の電極(3),
(3′)がアルミニウムの金属メッシュで構成されてい
る。
反応性気体はノズル(25)より下方向に放出される。
第3の電極はホルダをアルミニウムとし、この表面を
アルマイト処理によりアルミナコートをして直流的には
絶縁化し、交流的には導電化して設けている。
そしてこの絶縁膜上に被形成面を有する基体を配設す
る。
このホルダに保持されて基体(1−1),(1−
2),……(1−n)、即ち(1)には第2の交番電圧
より負の直流バイアスが印加された1〜100KHzの交番電
界が印加されている。
第1の高周波の交番電界によりプラズマ化した反応性
気体は、反応空間(60)に均一に分散し、この枠(2)
より外部(6)にはプラズマ状態で放出しないようにす
る。こうして反応容器内壁に反応生成物が付着しないよ
うにする。
電源系(40)は二種類の交番電界が印加できるように
なっている。第1の交番電界は1〜100MHz例えば13.56M
Hzの高周波電源(15)よりマッチングトランス(16)に
至る。このマッチングトランスは、対称型または概略対
称型の出力を有し、一端(4)および他端(4′)は一
対の第1および第2の電極(3),(3′)にそれぞれ
に連結されている。
またトランスの出力側中点(5)は接地レベルに保持
され、第2の1〜500KHz例えば50KHzの交番電源(17)
が接続されている。そしてその出力は、ホルダ(1′−
1′),(1′−2′),……(1′−n′)、即ち
(1′)または基体(1)で構成される第3の電極に連
結されている。
基体が導電性の場合は、この基体に直接出力端を連結
すればよい。また基体が絶縁性の場合は絶縁コートがな
された導体のホルダに出力端を連結すれば交流的に導電
性であるため被膜形成が可能である。
かくして反応空間(60)にプラズマが発生する。
排気系(20)は、圧力調整バルブ(21),ターボ分子
ポンプ(22),ロータリーポンプ(23)をへて不要気体
を排気する。
これらの反応性気体は、反応空間(60)で0.001〜1.0
torr例えば0.05torrとする。この筒構造体(2)は四角
形を有し、例えば巾80cm、奥行き80cm、縦40cmを有して
いる。
かかる空間において0.5〜5KW(単位面積あたり0.3〜3
W/cm2)例えば1KW(単位面積あたり0.6W/cm2の高エネル
ギ)の第1の高周波電界を加える。
さらに第2の交番電界による交流バイヤスの印加によ
り、被形成面上には−200〜−600V(例えばその出力は5
00W)の負自己バイアス電圧が印加されており、この負
の自己バイアス電圧により加速された反応性気体を基体
上でスパッタしつつ成膜し、緻密な膜を得ることができ
る。
もちろん、この四角形(直方体)の筒構造体の高さを
設計上の必要に応じて20cm〜1m、または一辺を30cm〜3m
としてもよい。
また第1の交番電界も上下間ではなく、図面を装置の
上方より示した如く、前後間に配設して加えてもよい。
以下に成膜例を示す。まず、対称型マッチングトラン
ス(16)の出力側の端子(4),(4′)とし、中点を
接地電位とする。
反応性気体は、例えばエチレンまたはアセチレンとす
る。この反応容器の前方および後方(図示せず)には加
熱または冷却手段を設け、基体を450℃〜−100℃、代表
的には室温に保持させる。かくして被形成面上にビッカ
ーズ硬度2000Kg/mm2以上を有するとともに、熱伝導度2.
5W/cm deg以上のC−C結合を多数形成したアモルファ
ス構造または結晶構造を有する炭素を生成させる。成膜
速度は100〜1000Å/分となる。
特に例えば表面温度を室温(外部加熱なし)とし、第
2の交番電界により交流バイアスのVppを±300〜±1000
Vとし、直流の負バイアス−100〜−500Vとを加えた場
合、その成膜速度は100〜200A/分(メタンを用いた場
合)、500〜1000A/分(エチレンを用いた場合)を得る
ことができる。これらはすべてビッカース硬度が2000Kg
/mm2以上を有する条件のみを良品とした。
反応後の不純物、不要物は排気系(20)よりターボ分
子ポンプ(22)、ロータリーポンプ(23)を経て排気さ
れる。
かくして基体である半導体(例えばシリコンウエ
ハ)、セラミックス、磁性体、金属、酸化物超伝導材料
または電気部品の基体がホルダに仮付けまたは配設され
た基体表面上に、炭素特に炭素中に水素を25モル%以下
含有する炭素、またはP、IまたはN型の導電型を有す
る炭素を主成分とする被膜を形成させることができる。
「参考例2」 この参考例は参考例1で用いた装置より作製した窒化
珪素膜の作製例である。
第1図において、ジシラン(Si2H6)とアンモニア(N
H3)とキャリアガス(N2)とを1:3:5の流量比とする。
さらに第1の交番電界として13.56MHzの周波数、800Wの
出力で印加する。
また第2の交番電界として50KHzの周波数を印加し、V
pp電圧±750Vを印加する。セルフバイアスは−130Vとな
る。反応圧力は0.05torrとする。成膜温度は室温とす
る。すると成膜速度として3.1Å/秒を得ることができ
る。
この窒化珪素膜の屈折率は1.774を有し、1/10弗酸で
のエッチングレイトは3.75Å/秒となる。
赤外線吸収スペクトルでは窒化珪素膜を示すSi−N結
合の880cm-1の吸収がみられ、Si−O結合の1100cm-1
波長での吸収は見られない。
この1/10弗酸でエッチレイトは、この被形成面をアノ
ード側とした時、基板温度が350℃であっても、30Å/
秒である。このことは、この膜がきわめて緻密な膜であ
ることを示している。
この時、基体は集積回路が作られたシリコンウエハ上
のファイナルコーティングまたリードフレーム上にICチ
ップが作られ、さらにワイヤボンディングがなされたも
のを用いた。この実施例においてはホルダをアルミニウ
ムとし、ここに第2の交番電界を加え、この上面の絶縁
膜を介して基体上に成膜をした。
「参考例3」 この参考例は参考例2で作られた窒化珪素膜上に参考
例1で作られた炭素膜を形成した例である。
炭素膜は一般にガラス基板上に直接密接して形成させ
んとすると、長期間の使用に関しピーリングをしてしま
う。それはガラスの成分である酸素と炭素とが互いに反
応し、気体状のCOxを作り、界面から剥離がおきてしま
うためである。
このため、この参考例ではガラス基板上にまず窒化珪
素膜を100〜1000Åの厚さに形成する。次に同一反応炉
において、窒化膜形成用の反応性気体を排除し、その
後、炭素膜形成用の反応性気体を導入してその上に炭素
膜を0.1〜1μmの厚さに形成する。
するとこの基板を85℃、相対湿度85%の雰囲気に1000
時間おいても、まったくピーリングすることがないもの
とすることができる。
「参考例4」 この参考例は参考例1の装置を用いて作製した酸化珪
素膜の作製例である。モノシランとN2OとN2とを1:3:10
の割合で混合した。第1の交番電界として13.56MHzを、
第2の交番電界として50KHzを参考例2と同様に室温で
成膜を行う。成膜速度は300〜1000Å/秒から得られ
る。
この被膜を1/10HFでエッチングすると、50Å/秒程度
となる。この値は、300℃でのアノード方式のプラズマC
VD酸化珪素膜に比べて約1/5のエッチレイトとなる。こ
れは、きわめて緻密な膜であることを示している。
赤外線吸収スペクトルでは1100cm-1のSi−Oピークが
明らかに見られる。この酸化珪素膜も参考例2と同じく
リードフレーム上のワイヤボンディングがなされた基体
に0.1〜1μmの厚さに形成し、その後プラスチックモ
ールトをさせる。
この参考例の酸化珪素膜の場合、耐湿度は充分でない
が、ストレス緩和に十分であり、動作寿命テストでの信
頼性向上に有効となる。
「効果」 本発明は、基体側をカソード側のスパッタ効果を有す
べき電極関係とし、かつその反応空間をきわめて大きく
したことにより、工業的に多量生産を可能としたもので
ある。
特に本発明を利用することで、有機樹脂がその表面に
形成されたOPCドラムの表面保護膜を高い生産性でもっ
て得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はプラズマCVD装置の概要を示す。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の交番電圧が印加される一対の電極
    と、 該一対の電極間において、第2の交番電圧が印加される
    筒状導体が配置される構成と、 を有し、 前記筒状導体の表面にプラズマ気相反応による薄膜が形
    成されることを特徴とする薄膜形成装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、筒状導体の表面には有
    機樹脂が形成されていることを特徴とする薄膜形成装
    置。
  3. 【請求項3】請求項1において、筒状導体は静電複写機
    用のOPCドラムを構成することを特徴とする薄膜形成装
    置。
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