JP2554867B2 - マイクロ波プラズマｃｖｄ法による機能性堆積膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、基体上に堆積膜、とりわけ機能性膜、特に
半導体デイバイス、電子写真用感光デイバイス、画像入
力用ラインセンサー、撮像デイバイス、光起電力素子等
に用いるアモルファス半導体等の機能性堆積膜を形成す
る装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来、半導体デイバイス、電子写真用感光デイバイ
ス、画像入力用ラインセンサー、撮像デイバイス、光起
電力素子、その他各種のエレクトロニクス素子、光学素
子等に用いる素子部材として、アモルファスシリコン、
例えば水素又は／及びハロゲン（例えばフッ素、塩素
等）で補償されたアモルファスシリコン（以下、「ａ−
Si（H,X）」と記す。）等のアモルファス半導体等の堆
積膜が提案され、その中のいくつかは実用に付されてい
る。

そして、こうした堆積膜は、プラズマCVD法、即ち、
原料ガスを直流又は高周波、マイクロ波、グロー放電に
よって分解し、ガラス、石英、ステンレス、アルミニウ
ムなどの基体上に薄膜状の堆積膜を形成する方法により
形成されることが知られており、そのための装置も各種
提案されている。

ところで最近、マイクロ波グロー放電分解によるプラ
ズマCVD法（以下、「MW−PCVD法」と表記する。）が工
業的レベルでも注目されて来ており、該MW−PCVD法によ
り堆積膜を形成するための装置は、代表的には第３図の
略断面図で示される装置構成のものである。

第３図において、301は反応容器全体、302は真空容
器、303はマイクロ波導入窓（石英、アルミナセラミッ
クス等製）、304はマイクロ波導波路、305はマイクロ波
電源、306は図示しない排気装置にバルブ（図示せず）
を介して連通する排気管、307は図示しない原料ガス供
給源に連通する原料ガス供給管、308は基体加熱ヒータ
ー310を内蔵する基体ホルダー、309は基体、311はプラ
ズマ発生領域、を312はマイクロ波、313はバルブをそれ
ぞれ示す。なお、真空容器302は放電トリガー等を用い
ることなく自励放電にて放電を開始せしめるため、該マ
イクロ波電源305の発振周波数に共振するような空洞共
振器構造とするのが一般的である。

そしてこうした装置による堆積膜の形成は次のように
して行なわれる。即ち、真空容器302内部を、排気管306
を介して真空排気すると共に、基体309を基体加熱ヒー
ター310により所定温度に加熱、保持する。次に、原料
ガス供給管307を介して、例えばアモルファスシリコン
堆積膜を形成する場合であれば、シランガス、水素ガス
等の原料ガスが該原料ガス供給管に開口せられた複数の
ガス放出孔を通して真空容器302内に放出される。これ
と同時併行的に、マイクロ波電源305から周波数500MHz
以上の、好ましくは2.45GHzのマイクロ波312を発生し、
該マイクロ波は、導波部304を通り誘電体窓303を介して
真空容器302内に導入される。かくして、真空容器302内
の導入原料ガスは、マイクロ波のエネルギーにより励起
されて解離し、中性ラジカル粒子、イオン粒子、電子等
が生成され、それ等が相互に反応し基体309の表面に堆
積膜が形成される。

しかしながら、上述のごとき従来のMW−PCVD法による
機能性堆積膜形成装置は、成膜面積が狭く、成膜速度が
おそい場合には所定の成膜性能を示すものの、同様の装
置で成膜の高速化、基体の大面積化を図ろうとする場合
には、形成される堆積膜の膜質の低下が発生するという
問題がある。

特に、電子写真用感光体のように、大面積の基体上に
比較的厚い堆積膜を高速成膜して作成する場合には、良
好な特性の堆積膜を定常的に安定して得ることは困難で
ある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のごとき従来のMW−PCVD法による堆積
膜形成装置における上述の諸問題を克服して、半導体デ
バイス、電子写真用感光デバイス、画像入力用ラインセ
ンサー、撮像デバイス、光起電力素子、その他各種エレ
クトロニクス素子、光学素子等に用いる素子部材として
の機能性堆積膜を、MW−PCVD法により定常的に高効率で
形成することを可能にする装置を提供することを目的と
するものである。

即ち、本発明の主たる目的は、MW−PCVD法により機能
性堆積膜を形成する装置において、電子写真感光体のご
とき大面積の基体上に、比較的厚い堆積膜を高速成膜す
る場合であっても、良好な膜質を有する堆積膜を定常的
に形成することを可能にする装置を提供することにあ
る。

また本発明の他の目的は、量産化に優れ、高品質で、
電気的、光学的、あるいは光導電的に優れた特性を有す
る機能性堆積膜を、MW−PCVD法により形成することがで
きる装置を提供することにある。

〔発明の構成、効果〕

本発明者は、従来のMW−PCVD法による堆積膜形成装置
における上述の諸問題を解決し、前記本発明の目的を達
成すべく本発明者が鋭意研究を重ねたところ、従来のMW
−PCVD法による堆積膜形成装置における諸問題は、高速
成膜のために使用するマイクロ波エネルギーが大きい場
合、または、マイクロ波を導入している時間が長時間に
及ぶ場合に、 （ｉ）マイクロ波により発生するプラズマの熱輻射、 （ii）導入するマイクロ波の一部を、マイクロ波導入窓
を構成しているマイクロ波透過性物質が吸収してしまう
こと、 （iii）マイクロ波導入窓の構造自身、あるいはマイク
ロ波導入窓の反射面と他の反射面の間が、導入するマイ
クロ波の空洞共振器となるために、マイクロ波のエネル
ギーの一部が消費されてしまうこと、 等の原因により、マイクロ波導入窓近辺が場合によって
は500℃以上に昇温してしまうことに大きく起因するこ
とが判明した。

即ち、前述の従来のMW−PCVD法による機能性堆積膜形
成装置におけるマイクロ波導入窓は、石英、アルミナセ
ラミックス等のガス雰囲気を保持するとともにマイクロ
波を透過する物質から形成されるのが一般的であり、該
マイクロ波透過性物質からなる窓は、通常の真空シール
の場合と同様、バイトン等の体質のゴムのガスケット
か、又は、銅、アルミニウム等の金属のガスケットを介
して真空容器の壁に結合されているが、ゴムのガスケッ
トを用いる場合、昇温による熱でガスケットの材質自身
が劣化してしまい、真空容器内に外部の気体（空気）が
混入することにより堆積膜の膜質が低下してしまうとこ
ろとなる。また、金属のガスケットを用いる場合、マイ
クロ波透過性物質とガスケットの熱膨張率の違いにより
昇温の際にシール面がずれてしまい、ガス雰囲気保持性
能が劣化し、空気が混入することにより堆積膜の膜質が
低下してしまうところとなる。

こうしたマイクロ波導入窓近辺の昇温を防止するた
め、該マイクロ波導入窓の冷却を行なう方法が提案され
るが、マイクロ波は導入時のモードにより電気力線の分
布が発生するため、例えば、円形TEモードでマイクロ波
を導入する場合には、該マイクロ波の電界にそってマイ
クロ波導入窓の直径方向の両端２ヶ所だけが局部的に昇
温してしまうため、単にマイクロ波の冷却を行なうだけ
では上述の問題は解決しえないことも判明した。

本発明は、これらの知見に基づいて更に研究を続けた
ところ、マイクロ波プラズマCVD法による機能性堆積膜
形成装置において長大な基体上に安定して良質の堆積膜
を高速成膜せしめるためには、局部的な加熱によっても
ガス雰囲気保持能力の劣化しないシール手段が必要不可
欠であるという知見を得、該シール手段はガスケットを
構成する材質の最適化により達成できるという結論に達
した。

本発明は上記知見に基づいて完成せしめたものであ
る。本発明のマイクロ波プラズマCVD法による機能性堆
積膜形成装置は、実質的に密封され得る真空容器（真空
引きされ得る）、該真空容器内に機能性堆積膜形成用基
体を保持する手段、該真空容器内に原料ガスを供給する
手段、および該真空容器内を排気する手段を有するマイ
クロ波プラズマCVD法による機能性堆積膜形成装置であ
って、前記真空容器は、該真空容器の周囲の壁の一部に
シール手段を介して設けられたマイクロ波エネルギーを
導入するためのマイクロ波透過性物質からなるマイクロ
波導入窓を有し、前記シール手段は、弾性コアと該コア
を覆い前記マイクロ波導入窓と接触する部材とを有し、
該部材の線膨張率と、前記マイクロ波導入窓のマイクロ
波透過性物質の線膨張率の差が10×10^-6以下であること
を特徴とする。

以下、本発明のマイクロ波プラズマCVD法による機能
性堆積膜形成装置を図面の実施例により、更に詳しく説
明するが、本発明の堆積膜形成装置はこれによって限定
されるものではない。

第１図は、本発明のマイクロ波プラズマCVD法による
堆積膜形成装置のマイクロ波導入窓付近の断面略図であ
る。

図中、101は真空容器壁面、102はマイクロ波透過性物
質からなるマイクロ波導入窓、103はガス雰囲気保持用
のガスケット、104はマイクロ波導入窓おさえ、105はマ
イクロ波プラズマ空間、106はマイクロ波を夫々示す。

本発明においては、使用するマイクロ波透過性物質に
応じて、マイクロ波透過性物質と接触するガス雰囲気保
持用のガスケット103の材質を選択し、マイクロ波透過
性物質との線膨張率の差が10×10^-6以下となるようにす
るものである。具体的には、マイクロ波透過性物質とし
てアルミナセラミックス円板を使用する場合、アルミナ
セラミックス（純度99.9％、比誘電率10.5、アルミナ粒
子径20μｍ）の線膨張率は20℃〜500℃で7.1×10^-6であ
るため、ガス雰囲気保持用のガスケット103の該アルミ
ナセラミックスと接触する被覆材質としてフェルニコ
（5.0×10^-6）、白金（8.9×10^-6）、ニッケル（12.8×
10^-6）、金（14.0×10^-6）、ステンレス（16.4×1
0^-6）、〔但し、カッコ内は線膨張率を示す。〕等が用
いられる。また、マイクロ波透過性物質として石英を使
用する場合、石英の線膨張率が0.4×10^-6であるため、
ガス雰囲気保持用のガスケット103の該石英と接触する
被覆材質としてフェルニコ、白金等が用いられる。いず
れの材質を用いる場合も、ガスケット103はマイクロ波
透過性物質と接触する被覆の内部に弾性コア等を有し、
弾性復元力をもつ構造とすることが、シールの確実性、
耐久性の点において最適である。

第２図は、電子写真感光体ドラムを製造するのに適し
た、マイクロ波CVD法による機能性堆積膜形成装置を模
式的に示す透視略図であって、該装置におけるマイクロ
波導入窓近辺の構成は、第１図に示すものとなってい
る。

第２図において、201は真空容器、202はマイクロ波透
過性物質からなるマイクロ波導入窓、203マイクロ波導
入部、204はマイクロ波、205は排気管、206はドラム状
基体、207はプラズマ発生領域を夫々示している。な
お、プラズマ発生領域207は、マイクロ波導入窓202およ
び同心円上に配置された基体206、206、…に囲まれたマ
イクロ波空洞共振構造となっており、導入されたマイク
ロ波のエネルギーを効率良く吸収する。

該第３図に図示の装置においては、プラズマ発生領域
の周囲の同心円上に複数本のドラム状基体を配置するも
のであるため、電子写真用感光体ドラムの量産に適して
いる。

本発明の装置により堆積膜を形成するについて使用さ
れる原料ガスは、高周波またはマイクロ波のエネルギー
により励起種化し、化学的相互作用して基体表面上に所
期の堆積膜を形成する類のものであれば何れのものであ
っても採用することができるが、例えば、ａ−Si（H,
X）膜を形成する場合であれば、具体的には、ケイ素に
水素、ハロゲン、あるいは炭化水素等が結合したシラン
類及びハロゲン化シラン類等のガス状態のもの、または
容易にガス化しうるものをガス化したものを用いること
ができる。これらの原料ガスは１種を使用してもよく、
あるいは２種以上を併用してもよい。また、これ等の原
料ガスは、He、Ar等の不活性ガスにより稀釈して用いる
こともある。さらに、ａ−Si（H,X）膜はｐ型不純物元
素又はｎ型不純物元素をドーピングすることが可能であ
り、これ等の不純物元素を構成成分として含有する原料
ガスを、単独で、あるいは前述の原料ガスまたは／およ
び稀釈用ガスと混合して反応室内に導入することができ
る。

また基体については、導電性のものであっても、半導
電性のものであっても、あるいは電気絶縁性のものであ
ってもよく、具体的には金属、セラミックス、ガラス等
が挙げられる。そして成膜操作時の基体温度は、特に制
限されないが、30〜450℃の範囲とするのが一般的であ
り、好ましくは50〜350℃である。

また、堆積膜を形成するにあたっては、原料ガスを導
入する前に反応室内の圧力を５×10^-6Torr以下、好まし
くは１×10^-6Torr以下とし、原料ガスを導入した時には
反応室内の圧力を１×10^-2〜1Torr、好ましくは５×10
^-2〜1Torrとするのが望ましい。

なお、本発明の装置による堆積膜形成は、通常は、前
述したように原料ガスを事前処理（励起種化）すること
なく反応室に導入し、そこでマイクロ波のエネルギーに
より励起種化し、化学的相互作用を生起せしめることに
より行なわれるが、二種以上の原料ガスを使用する場
合、その中の一種を事前に励起種化し、次いで反応室に
導入するようにすることも可能である。

〔実施例〕

以下、第１、２図に示す本発明の装置を用いた機能性
堆積膜の形成について、実施例および比較例を用いて具
体的に説明するが、本発明はこれらによって限定される
ものではない。

実施例１ まず、真空容器201の内部を、排気管205を介して真空
排気するとともに、基円筒状基体206、206、…に内臓さ
れたヒーター（図示せず）により所定温度に加熱保持
し、駆動モーター（図示せず）を用いて所望の回転速度
で一定に回転させた。

こうしたところへ、原料ガス供給管（図示せず）を介
して、シランガス（SiH₄）、水素ガス（H₂）、ジボラン
ガス（B₆H₆）等の原料ガスを第１表に示す条件で真空容
器201内に、１×10^-2Torr以下の真空度を維持しながら
放出した。次に、周波数2.45GHzのマイクロ波を導波部2
03及びマイクロ波透過性物質からなる導入窓202を介し
てプラズマ発生領域207内に導入し、円筒状基体206、20
6…上に、電荷注入阻止層、感光層、及び表面層の夫々
を続々に形成せしめ、阻止型構造の感光体ドラムを得
た。

なお、本実施例においては、マイクロ波透過性物質と
して線膨張率が7.1×10^-6のアルミナセラミックス
（（純度99.9％、比誘電率10.5、アルミナ粒子径20μ
ｍ）を用い、該アルミナセラミックスのガスケットとの
接触面の表面性を第２表のごとく変化せしめた４種のも
のを用いた。なお、マイクロ波透過性物質の表面性で特
に表面粗さが小さいものは、ラッピング仕上げにより加
工を行なった。

また、本実施例においては、ガスケットの被覆材質と
して第２表に示す７種のものを用いた。

以上の様にして作成した感光ドラムを、キャノン株式
会社製複写機NP7550に設置し、画像を出力したところ第
２表に示す結果となった。

第２表は、ガスケットの被覆材質に対する、作成した
感光ドラムの画像性の違いを示している。

画像性は主として膜中に空気が不純物として含有され
たとき発生する画像流れを検討した。

このとき、アルミナセラミックスに、空気を30l/分ふ
きつけ、冷却した場合と、冷却しない場合も確認した。
なお、冷却方法としては、液体窒素を流す等の手段も行
なったが、空気による冷却と同様の効果であった。

実施例２ マイクロ波透過性物質として線膨張率0.4×10^-6の石
英を用いた以外は、すべて実施例１と同様にして感光体
ドラムを作成し、作成した感光体ドラムの画像性の違い
を比較した。その結果を第３表に示す。

第２表及び第３表の結果より、マイクロ波透過性物質
の線膨張率との差が、10×10^-6以内のガスケットの被覆
材質を使用した場合、線膨張率の差が、より大きいもの
に比べ、非常に良好な効果が得られたことがわかる。

すなわち、アルミニウム等、マイクロ波透過性物質と
線膨張率の差の大きい被覆材質では、マイクロ波透過性
物質の表面粗さが、6.3S以上のものでは、窓冷却手段を
併用しても、実用に耐える画像を出力できる感光ドラム
は、まったく得ることができなかった。

このとき、ヘリウムリークディテクターを用い、感光
ドラム作成終了直後、反応槽の真空のリークチェックを
行なったところ、マイクロ波透過性物質のガスケットの
部分に、感光ドラム作成開始前にはなかった大きなリー
クが発生していることが確認された。

このとき、このリーク対策として、マイクロ波透過性
物質のガスケットとの接触面の表面性を上げたところ、
リークは減少していったが、実用上支障ない画像を出力
できる感光ドラムを得るためには、窓冷却手段を併用す
るか、マイクロ波透過性物質の表面粗さを、0.8S以下に
する必要があった。

ところが、本発明による、マイクロ波透過性物質との
線膨張率の差が、10×10^-6以内の被覆材質を用いると、
通常の表面性（6.3S〜1.6S）でも実用上、良好な感光ド
ラムが得られた。

マイクロ波透過性物質がアルミナセラミックスの場合
などは、表面粗さを0.8S以下にするためには、アルミナ
セラミックスも粒径が20μ以下のものを用いる必要があ
るが、本発明では、通常の表面性でも充分なため、コス
ト低減で非常に大きな効果がある。

また、特に、本発明の被覆材質と、マイクロ波透過性
物質の表面粗さ1.6S以下と組み合わせたものでは、画像
上まったく問題のない良好な感光ドラムが得られた。

本発明のさらなる改良として、マイクロ波透過性物質
と線膨張率の差６×10^-6以下の場合、いずれの条件で
も、実用に耐える感光ドラムが得られ、最適であること
が確認できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、マイクロ波導入窓付近の断面略図である。 第２図は、マイクロ波プラズマCVD法による非晶質けい
素感光ドラムの形成装置の透視略図である。 第３図は、マイクロ波プラズマCVD法による平板基板上
への堆積膜形成装置の断面略図である。 図において、 101……真空容器壁面、102……マイクロ波透過性物質、
103……ガスケット、104……おさえ、105……マイクロ
波プラズマ空間、106……マイクロ波、201……真空容
器、202……マイクロ波導入窓、203……導波管、204…
…マイクロ波、205……排気管、206……基体、207……
マイクロ波プラズマ発生領域、301……反応容器、302…
…真空容器、303……マイクロ波導入窓、304……導波
管、305……マイクロ波発振器、306……排気管、307…
…原料ガス供給管、308……基体保持板、309……基体、
310……ヒーター、311……プラズマ発生領域、312……
マイクロ波、313……バルブ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】実質的に密封され得る真空容器、該真空容
   器内に機能性堆積膜形成用基体を保持する手段、該真空
   容器内に原料ガスを供給する手段、および該真空容器内
   を排気する手段を有するマイクロ波プラズマCVD法によ
   る機能性堆積膜形成装置であって、前記真空容器は、該
   真空容器の周囲の壁の一部にシール手段を介して設けら
   れたマイクロ波エネルギーを導入するためのマイクロ波
   透過性物質からなるマイクロ波導入窓を有し、前記シー
   ル手段は、弾性コアと該コアを覆い前記マイクロ波導入
   窓と接触する部材とを有し、該部材の線膨張率と、前記
   マイクロ波導入窓のマイクロ波透過性物質の線膨張率の
   差が10×10^-6以下であることを特徴とするマイクロ波プ
   ラズマCVD法による機能性堆積膜形成装置。