JP2650046B2 - Thin film forming equipment - Google Patents
Thin film forming equipmentInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (ア)技術分野 この発明は、大気圧近傍の圧力下でプラズマCVD法に
より、アモルファスシリコン(a−Si:amorphous silic
on)や窒素けい素(SiN)などのSiを含む薄膜を形成す
る装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (A) Technical Field The present invention relates to an amorphous silicon (a-Si: amorphous silic) formed by a plasma CVD method under a pressure near the atmospheric pressure.
on) and a device for forming a thin film containing Si such as silicon nitride (SiN).
通常膜中に数at%〜数十at%のHを含んだアモルファ
スシリコンa−Si膜は、低コスト太陽電池の材料として
有望視されている。このほかに複写機、イメージセン
サ、光センサ、薄膜トランジスタの感光材料としての用
途もある。単結晶Siよりも、安価で、大面積のものが得
やすいという利点がある。Normally, amorphous silicon a-Si films containing several at% to several tens at% of H in the film are regarded as promising materials for low-cost solar cells. In addition, it is also used as a photosensitive material for copiers, image sensors, optical sensors, and thin film transistors. It has the advantage that it is cheaper and has a larger area than single crystal Si.
又、SiNは半導体デバイスのパッシベーション膜とし
て重要である。SiN is important as a passivation film for semiconductor devices.
薄膜形成法として、熱CVD法がよく用いられる。これ
は基板を加熱しなければならないので、耐熱性のある材
料にしか用いることができない。As a thin film forming method, a thermal CVD method is often used. Since this requires heating the substrate, it can only be used for heat-resistant materials.
そこで、プラズマCVD法が開発され、使用されてい
る。これは、熱CVD法よりも低温で薄膜を形成すること
ができる。Therefore, a plasma CVD method has been developed and used. This can form a thin film at a lower temperature than the thermal CVD method.
励起エネルギーが、熱ではなく、プラズマ中のエレク
トロン、イオンの運動エネルギー、中性のラデイカルの
化学エネルギーの形で与えられる。このため、基板の温
度を、熱CVDより低く出来るのである。Excitation energy is provided not in heat but in the form of kinetic energy of electrons and ions in the plasma and chemical energy of neutral radicals. Therefore, the temperature of the substrate can be lower than that of the thermal CVD.
このため、プラズマCVD法は、耐熱性の乏しい低コス
トガラス基板、高分子フィルムなどの上に薄膜を形成す
る事ができる。For this reason, the plasma CVD method can form a thin film on a low-cost glass substrate or a polymer film having poor heat resistance.
アモルファスシリコンa−Siは、Spearによりグロー
放電による膜形成方法が発明されたので、安定したもの
が作られるようになった。W.E.Spear,P.G.Lecomber:Sol
id Commun.,17,p1193(1975) これは、平行平板型の電極に、100kHz〜13.56MHzの光
流電圧を印加し、0.1〜2Torrの低圧でSiH4/H2、SiH4−S
iF4/H2などの混合ガス中で、グロー放電を起こさせるも
のである。As for amorphous silicon a-Si, a film formation method by glow discharge was invented by Spear, so that a stable one can be manufactured. WESpear, PGLecomber: Sol
id Commun., 17, p1193 (1975) This applies a light current of 100 kHz to 13.56 MHz to a parallel plate type electrode, and applies SiH 4 / H 2 , SiH 4 -S at a low pressure of 0.1 to 2 Torr.
Glow discharge is caused in a mixed gas such as iF 4 / H 2 .
もちろん、ドーパントを入れることもある。これはPH
3/H2、B2H6/H2などのガスを混ぜることによって行う。Of course, a dopant may be added. This is PH
It is performed by mixing gas such as 3 / H 2 and B 2 H 6 / H 2 .
(イ)従来技術 Spearの発明以来、a−Siの製造装置は、改良を重ね
ているが、基本的には、低圧でグロー放電を行うもので
あり、キャリヤガスとしては、H2が用いられてきた。(B) Prior art Since the invention of Spear, a-Si manufacturing equipment has been continuously improved, but basically, glow discharge is performed at low pressure, and H 2 is used as a carrier gas. Have been.
0.1〜10Torr程度の低圧でなければ、グロー放電が起
こらない。それで、このような圧力が選ばれる 従っ
て、容器は真空チャンバであって、真空排気装置が設置
されていなければならなかった。Glow discharge does not occur unless the pressure is as low as about 0.1 to 10 Torr. Thus, such a pressure was chosen. Therefore, the container had to be a vacuum chamber and a vacuum pump was installed.
半導体ウエハなどが基板であれば、寸法も小さくて、
真空容器もあまり大きくなくてよい。If the semiconductor wafer is a substrate, the dimensions are small,
The vacuum vessel need not be too large.
しかし、a−Siの場合、太陽電池の光電変換材料とし
て使われることが多い。この場合、大面積の薄膜が一挙
に形成できる、という事が、コスト面から強く要求され
る。However, a-Si is often used as a photoelectric conversion material for solar cells. In this case, it is strongly required that a large-area thin film can be formed at once in terms of cost.
ところが、プラズマCVD法はグロー放電を維持してプ
ラズマを安定に保つことが必要であるが、この3グロー
放電は、真空中(0.1〜10Torr程度)でしか安定に維持
できない。真空中でしか成膜できないのであるから、大
面積のものを作ろうとすると、真空容器の全体を大きく
しなければならない。However, the plasma CVD method needs to maintain the plasma by maintaining the glow discharge, but the three glow discharge can be maintained stably only in a vacuum (about 0.1 to 10 Torr). Since a film can be formed only in a vacuum, if a large-area product is to be manufactured, the entire vacuum container must be enlarged.
真空排気装置も大出力のものが必要になる。 A high-power evacuation device is required.
そうすると、設備が著しく高価なものになってしま
う。Then, the equipment becomes extremely expensive.
(ウ)大気圧下プラズマCVD法 a−Si膜は安価であることが特徴の一つなのであるか
ら、設備費が高くなれば何にも成らない。(C) Atmospheric pressure plasma CVD method One of the features of an a-Si film is that it is inexpensive.
ところが、最近になって、大気圧下で、プラズマCVD
法を可能とするような発明がなされた。However, recently, under atmospheric pressure, plasma CVD
An invention was made that enabled the law.
特開昭63−50478号(S63.3.3公開)である。 JP-A-63-50478 (S63.3.3 published).
これは炭素Cの薄膜を作るものである。例えばCH4、C
F4を原料ガスとするが、これに90%以上のHeガスを加え
る。This is to make a thin film of carbon C. For example, CH 4 , C
The F 4 as a raw material gas, but to which is added 90% He gas.
Heガスが大量にあるので、大気圧下であってもグロー
放電を維持できる、というのである。大気圧下であるか
ら真空チャンバ、真空排気装置が不要である。薄膜形成
のコストを著しく削減できる。Because of the large amount of He gas, glow discharge can be maintained even at atmospheric pressure. Since it is under atmospheric pressure, a vacuum chamber and a vacuum exhaust device are unnecessary. The cost of forming a thin film can be significantly reduced.
大発明であると思う。 I think this is a great invention.
Heガスを使ったから、グロー放電が大気圧下でも起こ
り、安定に持続する、という事がこの方法の重要なポイ
ントである。An important point of this method is that glow discharge occurs even at atmospheric pressure and is stable because He gas is used.
何故Heかという事について、発明者は次のように説明
している。The inventor explains why He is as follows.
(a)Heは放電により励起されやすい。(A) He is easily excited by discharge.
(b)Heは多くの準安定状態を有し、励起状態の活性粒
子を多く作ることができる。(B) He has many metastable states and can produce many active particles in an excited state.
(c)Heの活性粒子が、炭化水素やハロゲン化水素を解
離する。(C) He active particles dissociate hydrocarbons and hydrogen halides.
(d)He中ではイオンが拡散しやすい。このため放電が
拡がりやすい。(D) In He, ions are easily diffused. Therefore, the discharge is likely to spread.
HeとCH4の配合比が、当然極めて重要になる。Naturally, the mixing ratio of He and CH 4 becomes extremely important.
明細書の記述によると、92:8になると、グロー放電の
拡がりが狭くなり、90:10になるとコロナ放電になり、8
9.5:10.5になると火花放電になるとある。According to the description of the specification, at 92: 8, the spread of the glow discharge becomes narrower, and at 90:10, the corona discharge becomes
When 9.5: 10.5, spark discharge occurs.
第2図に、特開昭63−50478号に示された装置を示
す。FIG. 2 shows an apparatus disclosed in JP-A-63-50478.
縦長の反応容器11の中に上方から円筒12が垂下されて
いる。A cylinder 12 is suspended from above in a vertically long reaction vessel 11.
円筒12の下方に電極14がある。RF発振器16から、円筒
12を貫く金属棒を介して電極14にRF電圧が与えられる。Below the cylinder 12 is the electrode 14. RF oscillator 16, cylindrical
An RF voltage is applied to electrode 14 via a metal rod that passes through 12.
容器の下方には、支持基板(導体)17、絶縁体18、試
料基板19が設けられる。また環状の外部電極20がある。A support substrate (conductor) 17, an insulator 18, and a sample substrate 19 are provided below the container. There is also an annular external electrode 20.
HeとCH4の混合ガス(HeとCH4とCF4の場合もある)
は、円筒12上端のガス入口21から送給される。このガス
は内筒の中を流下し、電極14の側方を通り過ぎて、資料
基板19に当たり、一部が反応し薄膜となり、残りは、側
方のガス出口22から排出される。A mixed gas of He and CH 4 (the case of He, CH 4, CF 4 also)
Is supplied from the gas inlet 21 at the upper end of the cylinder 12. This gas flows down the inner cylinder, passes by the side of the electrode 14, hits the data substrate 19, partially reacts to form a thin film, and the rest is discharged from the side gas outlet 22.
電極14と支持基板(資料極)17の間にグロー放電が生
ずる。Glow discharge occurs between the electrode 14 and the supporting substrate (data electrode) 17.
又この明細書によると、この発明は、 「窒素けい素膜、アモルファスシリコン、炭化けい素膜
などその他の薄膜の形成にも同様に適用する事ができ
る。」 とある。According to this specification, the present invention also states that "the present invention can be similarly applied to the formation of other thin films such as a silicon nitride film, an amorphous silicon film, and a silicon carbide film."
(エ)発明が解決しようとする問題点 特開昭63−50478号の発明は、クレームによると、 「約200Torrから2気圧の範囲内の圧力下で、約90%以
上の希ガスと膜成分を含む気体との混合ガスをグロー放
電によりプラズマ状となし、基板上に薄膜として形成す
ることを特徴とする薄膜形成法」 ということである。(D) Problems to be Solved by the Invention According to the invention of Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-50478, "at a pressure in the range of about 200 Torr to 2 atmospheres, about 90% or more of rare gas and film component A thin film formed on a substrate by forming a gaseous mixture with a gas containing nitrogen into a plasma state by glow discharge and forming a thin film on the substrate.
本発明者は、この開示によりa−Siを作ろうと試み
た。The present inventors have attempted to make a-Si according to this disclosure.
a−Siを作るため、Sih4ガスとHeガスの混合気体を用
いた。圧力は大気圧である。In order to produce a-Si, a mixed gas of Sih 4 gas and He gas was used. The pressure is atmospheric pressure.
(i)Heガスが90%であれば良いということなのでSi
H4:He=10:90(体積比)とした。これで試みると、アー
ク放電が起こり、グロー放電が起こらなかった。(I) Since it is sufficient that the He gas is 90%, Si
H 4 : He = 10: 90 (volume ratio). When this was attempted, an arc discharge occurred and no glow discharge occurred.
(ii)SiH4/Heの比率をさらに下げると、電極間に安定
なグロー放電を生じさせる事ができた。(Ii) When the ratio of SiH 4 / He was further reduced, a stable glow discharge could be generated between the electrodes.
(iii)ところが、SiH4ガスは極めて分解しやすい。こ
のためプラズマの領域の中に入らず、外周部でSiH4が分
解してしまう。プラズマ領域の外周部に、粒径が0.05〜
0.5μm程度の微粉末からなるダストが堆積されるのみ
であった。(Iii) However, SiH 4 gas is extremely easily decomposed. For this reason, the SiH 4 does not enter the plasma region and is decomposed at the outer peripheral portion. Particle size of 0.05 ~
Dust consisting of fine powder of about 0.5 μm was only deposited.
試料基板の上にa−Siの薄膜を作る事ができなかっ
た。つまり、これらのことから、特開昭63−50478号の
発明は、CH4/Heに使えるとしても、SiH4/Heによるa−S
i膜の形成には、そのままでは使えないという事が分か
る。An a-Si thin film could not be formed on the sample substrate. That is, from these facts, the invention of JP-A-63-50478 can be used for CH 4 / He, but the a-S by SiH 4 / He
It can be seen that i-film cannot be used as it is.
さらに、本発明者は、特開昭63−50478号の開示によ
り、CH4/He混合ガスで大面積のカーボン膜の形成を試み
た。Further, the present inventor tried to form a large-area carbon film with a CH 4 / He mixed gas, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-50478.
(i)RF電極14が平板の場合、電極14の周縁部に放電が
集中し均一な膜が得られなかった。(I) When the RF electrode 14 was a flat plate, the discharge was concentrated on the periphery of the electrode 14, and a uniform film could not be obtained.
(ii)上記放電の集中を避けるためにRF電極14をブラッ
シ状にする必要があったが、この場合もRF電極の外縁の
径が40mmを越えるとやはり電極14の周縁部に放電が集中
し、均一な膜がえられなかった。(Ii) It was necessary to make the RF electrode 14 brush-like in order to avoid the above-mentioned concentration of discharge, but in this case as well, if the diameter of the outer edge of the RF electrode exceeds 40 mm, the discharge also concentrates on the peripheral portion of the electrode 14. A uniform film could not be obtained.
(オ)目 的 大気圧下で、a−Si、SiN等の薄膜をプラズマCVD法に
よって形成する装置を提供することが本発明の目的のひ
とつである。大面積の薄膜を形成する装置を提供するこ
とが本発明の他の目的である。混合ガスを有効に利用
し、ガス損失の少ない薄膜形成装置を提供する事が本発
明の他の目的である。(E) Objective It is an object of the present invention to provide an apparatus for forming a thin film of a-Si, SiN, or the like at atmospheric pressure by a plasma CVD method. It is another object of the present invention to provide an apparatus for forming a large area thin film. It is another object of the present invention to provide a thin film forming apparatus that effectively utilizes a mixed gas and has a small gas loss.
(カ)本発明の装置 ガスがSiH4/Heである場合、Heが90%では、グロー放
電が起こらない。本発明者の実験によれば、SiH4の比率
が10%(0.1)よりさらに小さく、SiH4/Heの比率で言う
と10-4〜10-2でなければならない事が分かった。(F) Apparatus of the present invention When the gas is SiH 4 / He, glow discharge does not occur if He is 90%. According to the experiments conducted by the present inventors, the ratio of SiH 4 is even smaller than 10% (0.1), it was found that must be SiH 4 / the He speaking 10-4 to a ratio of 2.
さらに、原料ガスはグロー放電の中まで入りにくいの
で、特開昭63−50478号のように上から下への流れとせ
ず、平行流とし、しかもかなりの流量を与える。こうし
て、電極間の中央近傍まで原料ガスが流れ込むようにし
た。Further, since the raw material gas does not easily enter into the glow discharge, the flow does not flow from the top to the bottom as in JP-A-63-50478. Thus, the raw material gas was allowed to flow to the vicinity of the center between the electrodes.
単位時間内に電極間に送り込まれる混合ガス流量をQ
とし、放電空間の体積をSとすると となるようにしている。The flow rate of the mixed gas sent between the electrodes within a unit time is Q
And the volume of the discharge space is S I am trying to be.
さらに、放電が平行平板電極の間で均一に起こるため
に、両方の電極の上に高抵抗体を位置させる。この抵抗
体の抵抗率rは1011Ωcm以上とする。この高抵抗体は成
膜室の対向する上壁と下壁が兼ねることとする。つま
り、高抵抗体よりなる上壁と下壁を含む箱形の成膜室を
用い、その外側に、それぞれ電極を付けることにする。Furthermore, in order for the discharge to occur evenly between the parallel plate electrodes, a high resistance body is located on both electrodes. The resistivity r of this resistor is 10 11 Ωcm or more. The high resistance body is used as the upper wall and the lower wall facing each other in the film forming chamber. That is, a box-shaped film forming chamber including an upper wall and a lower wall made of a high-resistance body is used, and electrodes are attached to the outside thereof.
このように本発明には、3つの特徴がある。 As described above, the present invention has three features.
(1)ガス混合比 (2)ガスは電極板に平行で、流量Qは (3)高抵抗体よりなる上壁と下壁を有する箱形の成膜
室の外側に電極板をとりつける。(1) Gas mixture ratio (2) The gas is parallel to the electrode plate, and the flow rate Q is (3) An electrode plate is mounted outside a box-shaped film forming chamber having an upper wall and a lower wall made of a high-resistance body.
第1図によって本発明の薄膜形成装置を説明する。 FIG. 1 illustrates a thin film forming apparatus according to the present invention.
箱形の成膜室1は少なくともその上壁と下壁が1011Ω
cm以上の高抵抗体で作られている。成膜室1の外には、
互いに対向する平行平板電極2、3が設けられる。一方
が接地されている。これを接地電極3と呼ぶ。At least the upper and lower walls of the box-shaped film forming chamber 1 are 10 11 Ω.
It is made of a high resistance body of cm or more. Outside the film forming chamber 1,
Parallel plate electrodes 2, 3 facing each other are provided. One is grounded. This is called a ground electrode 3.
他方を非接地電極2といって区別することにする。 The other is referred to as the non-ground electrode 2.
成膜室1は互いに対向する上壁4、下壁5を有する。
これはもろん高抵抗体である。上壁4の外側に非接地電
極2が取り付けられる。下壁5の外側に接地電極3が取
り付けられる。接地電極3の近傍にはヒータ9が設けら
れる。The film forming chamber 1 has an upper wall 4 and a lower wall 5 facing each other.
This is, of course, a high resistance body. The ungrounded electrode 2 is attached to the outside of the upper wall 4. The ground electrode 3 is attached to the outside of the lower wall 5. A heater 9 is provided near the ground electrode 3.
高抵抗体である対向上下壁4、5を電極2、3間に入
れるのは、グロー放電が局所的に起こるのではなく、電
極板全体で広く起こるようにする為である。The reason why the upper and lower opposing upper and lower walls 4 and 5 are inserted between the electrodes 2 and 3 is not to cause glow discharge locally but to cause the glow discharge to occur widely in the entire electrode plate.
成膜室1の内部で接地電極3の真上にあたる位置に試
料基板6を置く。The sample substrate 6 is placed in the film forming chamber 1 at a position just above the ground electrode 3.
非接地電極2には高周波電源8を接続する。これは、
例えば13.56MHzのRF発振器と増幅器とを用いることがで
きる。A high frequency power supply 8 is connected to the non-ground electrode 2. this is,
For example, a 13.56 MHz RF oscillator and an amplifier can be used.
平行平板電極の中間の空間に、平行流としてガスが流
れるように、成膜室1の側方にノズル7と、ガス排出口
10とが設けられる。A nozzle 7 and a gas outlet are provided on the sides of the film forming chamber 1 so that the gas flows as a parallel flow in the space between the parallel plate electrodes.
10 is provided.
原料ガスとHeの混合ガスは、ノズル7から成膜室1の
内部に吹き込まれる。The mixed gas of the source gas and He is blown from the nozzle 7 into the inside of the film forming chamber 1.
放電空間の体積Sに対し、混合ガスの流量QはQ/Sが1
sec-1〜102sec1となるようにする。The flow rate Q of the mixed gas is 1 / Q with respect to the volume S of the discharge space.
sec -1 to 10 2 sec 1 .
放電空間体積Sは、試料基板6と上壁4の距離gと、
電極の面積Aの積で与えられる。S=gAである。The discharge space volume S is determined by the distance g between the sample substrate 6 and the upper wall 4,
It is given by the product of the area A of the electrodes. S = gA.
(キ)作用 ノズル7より、原料ガスとHeの混合ガスを引き込む。
電極2に高周波電圧をかける。(G) Function The mixed gas of the source gas and He is drawn in from the nozzle 7.
A high frequency voltage is applied to the electrode 2.
圧力は大気圧又はその近傍の圧力である。 The pressure is at or near atmospheric pressure.
電極間にグロー放電が生ずる。Heの割合が大きいの
で、大気圧であってもグロー放電が発生し、安定に維持
される。Glow discharge occurs between the electrodes. Since the proportion of He is large, glow discharge occurs even at atmospheric pressure, and is maintained stably.
混合ガスはグロー放電によって励起されて、プラズマ
となる。The mixed gas is excited by the glow discharge to become plasma.
試料基板6はヒータ9によって、予め加熱されてい
る。基板6の上に、薄膜が形成されてゆく。The sample substrate 6 is heated in advance by the heater 9. A thin film is formed on the substrate 6.
原料ガスがSiH4の場合、a−Si薄膜を、SiH4の他に、
アンモニアNH3を加えた場合は、SiNの薄膜を作る事がで
きる。その他の薄膜の形成には、公知の減圧プラズマCV
D法で使用する原料ガスを用いれば良い。When the source gas is SiH 4 , an a-Si thin film is formed in addition to SiH 4 .
When ammonia NH 3 is added, a thin film of SiN can be formed. For the formation of other thin films, a known reduced pressure plasma CV
The source gas used in the method D may be used.
高抵抗体を電極間に介在させるのは、グロー放電の起
こる範囲を拡げ、放電の強さを均一にするためである。The reason why the high-resistance element is interposed between the electrodes is to expand the range in which the glow discharge occurs and to make the discharge intensity uniform.
未反応のガスや、反応生成物などは、Heとともにガス
排出口10から排除される。Unreacted gas and reaction products are removed from the gas outlet 10 together with He.
ガスが平行平板電極に平行流として与えられ、Q/Sが
1〜102/secであるので、原料ガスは電極の中央に到達
できる、つまり、試料基板が広くても均一に薄膜が生じ
る。Gas is provided as parallel flow to the parallel plate electrodes, the Q / S is in 1 to 10 2 / sec, the raw material gas can reach the center of the electrode, i.e., the even uniform thin film is generated wide sample substrate.
もしも、ガス流量Qが不足すると、原料ガスがグロー
放電領域ガス入口側の外縁で重合反応を起こし、微細な
ダストとなる。それで、ガス流量Qは、放電空間の体積
Sを少なくとも1秒で置き換わるような量としなければ
ならない。If the gas flow rate Q is insufficient, the raw material gas undergoes a polymerization reaction at the outer edge on the gas inlet side of the glow discharge region, and becomes fine dust. Thus, the gas flow rate Q must be such that it replaces the volume S of the discharge space in at least one second.
反応にガス流量Qが多すぎると、ガスが無駄に消費さ
れるということだけでなく、成膜速度が低下する。If the gas flow rate Q is too large for the reaction, not only is the gas wasted unnecessarily, but also the film forming speed is reduced.
このようなわけで、Q/Sが1〜102/secとなるのであ
る。For this reason, Q / S is 1 to 10 2 / sec.
次に、原料ガスがSiH4の場合のSiH4/Heの比率につい
て述べる。Next, the ratio of SiH 4 / He when the source gas is SiH 4 will be described.
SiH4をHeによって希釈しているので、放電維持電圧が
低い。Heが100%であれば、大気圧下でグロー放電を維
持できる。SiH4の混合量が少ないので、大気圧下でもグ
ロー放電が可能となるのである。Since SiH 4 is diluted with He, the discharge sustaining voltage is low. If He is 100%, glow discharge can be maintained at atmospheric pressure. Since the amount of SiH 4 mixed is small, glow discharge is possible even under atmospheric pressure.
Heの作用により、アーク放電に移行するのを防ぐ事が
できる。By the action of He, transition to arc discharge can be prevented.
同じ圧力であっても、He中ではガス分子の平均自由行
程が長い。このため、プラズマが拡がりやすい。Even at the same pressure, the mean free path of gas molecules is long in He. Therefore, the plasma is easily spread.
もしも、SiH4/Heと比率が10-2を越えると、グロー放
電が維持できない。アーク放電に移行する。反対に、Si
H4/Heの比率が10-4より小さくなると、成膜速度が低下
するので望ましくない。If the ratio of SiH 4 / He exceeds 10 -2 , glow discharge cannot be maintained. Transition to arc discharge. Conversely, Si
If the H 4 / He ratio is less than 10 −4 , the film forming rate is undesirably reduced.
他の原料ガスを用いる場合には、その原料ガスにより
Heに対する比率の好ましい範囲を定めることができる。When using another source gas,
A preferred range of the ratio to He can be defined.
高抵抗体である上壁、下壁4、5があるので電極2、
3間に直流電流は流れない。交流だけとなる。また、面
積当たりの電流密度が限られるので、プラズマが一様に
拡がりやすくなる。Since there are an upper wall and lower walls 4 and 5 which are high resistance bodies,
No DC current flows between the three. It becomes only exchange. Further, since the current density per area is limited, the plasma is easily spread uniformly.
膜厚分布を均一にするためには、試料基板6と非接地
電極2の対向上壁4との間隙gを狭くした方が良い。In order to make the film thickness distribution uniform, it is better to narrow the gap g between the sample substrate 6 and the pair of improved walls 4 of the non-grounded electrode 2.
gが狭いほど、グロー放電が電極面内で均一に起こ
る。As g is smaller, glow discharge occurs more uniformly in the electrode surface.
gの値は、10mm以下であるのが望ましい。 The value of g is desirably 10 mm or less.
しかし、近付けすぎると、対向上壁4と試料基板6の
距離の均一な設定が難しくなる。僅かな傾きや凹凸が問
題になるからである。However, if the distance is too close, it is difficult to uniformly set the distance between the pair enhancement wall 4 and the sample substrate 6. This is because a slight inclination or unevenness becomes a problem.
実用的には、gの値が0.1mm以上とするのが良い。本
発明の場合、gは固定である。このため、gを変数とし
て扱うことはできない。しかし、成膜室として安定な形
でgが決まるので、gを0.01mmのぎりぎりの値に設定す
ることは容易になる。Practically, the value of g is preferably 0.1 mm or more. In the case of the present invention, g is fixed. Therefore, g cannot be treated as a variable. However, since g is determined in a stable manner as a film forming chamber, it is easy to set g to a value just before 0.01 mm.
さらに、局所的なプラズマ加熱による対向上壁、下壁
4、5の熱損傷を防止するために、高抵抗体成膜室1の
材料は熱膨脹係数の小さいものが望まいしい。Further, in order to prevent thermal damage to the improvement wall and the lower walls 4 and 5 due to local plasma heating, it is desirable that the material of the high-resistance film forming chamber 1 has a small thermal expansion coefficient.
本発明では、電極が成膜室の外側にある。このため、
放電空間Sが成膜室の内部を広く占めることができる。
成膜室を有効利用できる。導入された混合ガスの全てが
放電空間Sを通る。混合ガスも効率良く使用される。こ
れは重要なことである 基板温度について述べる。In the present invention, the electrodes are outside the film forming chamber. For this reason,
The discharge space S can widely occupy the inside of the film forming chamber.
The film forming chamber can be used effectively. All of the introduced mixed gas passes through the discharge space S. A mixed gas is also used efficiently. This is important.
プラズマCVDの特長のひとつは低温で処理できるとい
うことである。しかし、それでも、加熱する必要はあ
る。One of the features of plasma CVD is that it can be processed at low temperatures. However, heating is still required.
原料ガスがSiH4の場合、試料基板の温度が低すぎる
と、表面の粗いガサガサの膜となる。電気的にも、物理
的、化学的にも劣悪なもので使いものにならない。When the source gas is SiH 4 , if the temperature of the sample substrate is too low, the film becomes rough and rough. It is inferior in electrical, physical and chemical terms and cannot be used.
温度が高すぎると、Siの中にHが取り込まれず欠陥密
度が増加する。アモルファスSiの特性が安定するのは適
当な量のHが含まれているからである。If the temperature is too high, H is not taken into Si and the defect density increases. The characteristics of amorphous Si are stabilized because an appropriate amount of H is contained.
こういう訳で、SiH4を用いる場合の基板温度TSは、 150℃≦TS≦400℃ が良い。試料基板は、ガラスのような絶縁体であっても
良いし、ステンレス板のような金属であっても良い。For this reason, the substrate temperature T S when using SiH 4 is preferably 150 ° C. ≦ T S ≦ 400 ° C. The sample substrate may be an insulator such as glass or a metal such as a stainless plate.
圧力Pは大気圧P0またはその近傍であっても良い。The pressure P may be atmospheric pressure P 0 or the vicinity thereof.
真空に引かなくて良いというのが、本発明の最大の利
点である。The fact that there is no need to apply a vacuum is the greatest advantage of the present invention.
圧力Pを、大気圧P0よりわずかに高くすると外部から
成膜室1への不純物ガスの混入を防ぐことができる。The pressure P, the slightly higher than the atmospheric pressure P 0 can prevent contamination of impurity gases into the deposition chamber 1 from the outside.
高周波電源の周波数は、100kHz〜13.56MHzであってよ
い。高抵抗体4、5の厚みや、電極間の間隙gにより周
波数、パワーの最適値を決めることができる。The frequency of the high frequency power supply may be between 100kHz and 13.56MHz. The optimum values of the frequency and the power can be determined by the thickness of the high resistance elements 4 and 5 and the gap g between the electrodes.
ただし、放電の安定性という事からいえば、1kHz以下
では、グロー放電が不安定になる。それ故、1kHz以下に
してはならない。However, in terms of discharge stability, glow discharge becomes unstable below 1 kHz. Therefore, it should not be lower than 1kHz.
また、高周波電源のパワーは、10-2W/cm2〜102W/cm2
とする。102W/cm2より大きくなると、高抵抗体4、5が
イオンによってスパッタされる。このため、不純物が薄
膜に混入する。The power of the high frequency power supply is 10 -2 W / cm 2 to 10 2 W / cm 2
And If it exceeds 10 2 W / cm 2 , the high resistance members 4 and 5 are sputtered by ions. Therefore, impurities are mixed into the thin film.
10-2W/cm2よりパワーが低いと、実質的な成膜速度が
得られない。If the power is lower than 10 -2 W / cm 2 , a substantial deposition rate cannot be obtained.
(ク)実施例(SiH4/He比率とQ/S) 混合ガス比率と、ガス流量とを変え、第1図の装置に
よって、a−Si薄膜を作った。(H) Example (SiH 4 / He ratio and Q / S) An a-Si thin film was formed by using the apparatus shown in FIG. 1 while changing the mixed gas ratio and the gas flow rate.
基板温度TS 250℃ 圧 力P 大気圧 RFパワー 100W RF周波数 13.56MHz 電極面積 200mm×200mm 高抵抗体間距離 5mm 高抵抗体 石英ガラス 抵抗率 r>1017Ωcm 以上の条件は共通である。Substrate temperature T S 250 ° C Pressure P Atmospheric pressure RF power 100W RF frequency 13.56MHz Electrode area 200mm × 200mm Distance between high-resistance elements 5mm High-resistance substance Quartz glass Resistivity r> 10 17 Ωcm The above conditions are common.
SiH4/Heの比率は、10-5、10-4、10-3、10-2、10-1の
5種類とした。The SiH 4 / He ratio was set to five types of 10 -5 , 10 -4 , 10 -3 , 10 -2 , and 10 -1 .
放電空間体積Sで供給ガス流量Qを割った値Q/Sは10
-1、100、101、102、103/secの5種類とした。The value Q / S obtained by dividing the supply gas flow rate Q by the discharge space volume S is 10
-1 , 10 0 , 10 1 , 10 2 , and 10 3 / sec.
こうして、試料基板の中央部の成膜速度vを測定し
た。この結果を第1表に示す。単位はÅ/secである。Thus, the film forming speed v at the center of the sample substrate was measured. Table 1 shows the results. The unit is Å / sec.
この表で、斜線を施した部分(SiH4/Heの比率が1
0-1)はRF100Wでは放電が起こらなかったということで
ある。さらに、RFパワーを増加させるとアーム放電であ
った。 In this table, the shaded portion (SiH 4 / He ratio is 1
0 -1 ) means that no discharge occurred at RF100W. Furthermore, increasing the RF power resulted in arm discharge.
Q/Sが10-1の時、v=0であるが、これは、原料ガスS
iH4がプラズマの中へ入ってゆかず、周辺でダストを作
っているからである。When Q / S is 10 −1 , v = 0.
This is because the iH 4 does not enter the plasma but creates dust around.
この結果からSiH4/Heの比率は10-4〜10-2の範囲が良
好であるということが分かる。From this result, it is understood that the ratio of SiH 4 / He is preferably in the range of 10 −4 to 10 −2 .
Q/Sに関しては、100〜102/secが良好であるいうこと
ができる。For the Q / S, it is possible to say that 10 0 ~10 2 / sec is satisfactory.
さらに、実施例Iと動条件で、TiCl4、NH3を原料ガス
として第1図の装置を用い石英ガラス基板上にTiN膜の
形成を試みた。TiCl4/He比率、NH3/He比率はどちらも10
-1以下とすることにより安定なグロー放電を維持するこ
とができた。そこでTi作製は、TiCl4/H=10-2、NH3/He
=10-2、Q/S=101sec-1の条件で行った。基板温度は700
℃、成膜時間は30分とした。得られたTiN膜の基板対角
線上の膜厚分布を第3図に実線で示す。放電中央部、電
極中央部で均一な膜厚となっている事がわかる。Further, under the same dynamic conditions as in Example I, an attempt was made to form a TiN film on a quartz glass substrate using the apparatus shown in FIG. 1 using TiCl 4 and NH 3 as source gases. Both TiCl 4 / He ratio and NH 3 / He ratio are 10
By setting it to -1 or less, a stable glow discharge could be maintained. Therefore, Ti production was performed using TiCl 4 / H = 10 -2 , NH 3 / He
= 10 -2 , Q / S = 10 1 sec -1 . Substrate temperature is 700
C. and the film formation time was 30 minutes. The thickness distribution of the obtained TiN film on the diagonal line of the substrate is shown by a solid line in FIG. It can be seen that the film thickness is uniform at the central part of the discharge and the central part of the electrode.
(ケ)比較例 比較のため、第2図に示す装置を使って、a−Si薄膜
を作ることを試みた。(G) Comparative Example For comparison, an attempt was made to form an a-Si thin film using the apparatus shown in FIG.
第2図のものに加えて、高抵抗体(石英ガラスr>10
17Ωcm)を電極に貼り付けてある。In addition to those shown in FIG. 2, a high-resistance body (quartz glass r> 10
17 Ωcm) is attached to the electrode.
ガスの流れは上から下へ向かう。 The gas flow goes from top to bottom.
条件は以下とした。 The conditions were as follows.
基板温度TS 250℃ 圧 力 P 大気圧 RFパワー 100W RF周波数 13.56MHz 電極面積 200mm×200mm 試料基板 ガラス 透明導電膜 このような条件は共通にし、試料と高抵抗体との距離
g、SiH4/He比率、流量Qを様々に変えてa−Si薄膜を
作ろうとした。Substrate temperature T S 250 ° C Pressure P Atmospheric pressure RF power 100W RF frequency 13.56MHz Electrode area 200mm × 200mm Sample substrate Glass Transparent conductive film These conditions are common, the distance between sample and high resistance body g, SiH 4 / An attempt was made to form an a-Si thin film by changing the He ratio and the flow rate Q variously.
グロー放電が起こる場合と、起こらない場合があっ
た。たとえグロー放電が起こっても、プラズマの周囲に
a−Siのダストができただけである。試料基板の上に薄
膜形成が起こらなかった。There were cases where glow discharge occurred and cases where glow discharge did not occur. Even if a glow discharge occurs, only a-Si dust is formed around the plasma. No thin film formation occurred on the sample substrate.
さらに、実施例IIと同条件で第2図に示す装置を使っ
て、TiN薄膜を作る事を試みた。成膜時間は30分とし
た。第2図のものに加えて、高抵抗体(石英ガラスr>
1017Ωcm)を電極に貼り付けてある。得られたTiN膜の
膜厚分布を第3図に破線で示す。放電中央部、電極中央
部で、原料ガスが供給されず、膜厚が低下しており、均
一な膜が得られていない事、成膜速度が低い事がわか
る。Further, an attempt was made to form a TiN thin film using the apparatus shown in FIG. 2 under the same conditions as in Example II. The film formation time was 30 minutes. In addition to those shown in FIG. 2, a high-resistance body (quartz glass r>
10 17 Ωcm) is attached to the electrode. The thickness distribution of the obtained TiN film is shown by a broken line in FIG. At the central portion of the discharge and the central portion of the electrode, the source gas was not supplied, the film thickness was reduced, and it was found that a uniform film was not obtained and the film forming rate was low.
これに対して、本発明では、大きな面積で均一な膜が
得られる事がわかる。In contrast, in the present invention, it can be seen that a uniform film can be obtained with a large area.
(コ)効果 本発明によれば、大気圧近傍の圧力で、プラズマCVD
法により、a−Si、SiN薄膜などのSi系薄膜を形成する
事ができる。また、大面積で均一な薄膜を形成すること
ができる。According to the present invention, plasma CVD is performed at a pressure near atmospheric pressure.
By the method, a Si-based thin film such as an a-Si or SiN thin film can be formed. In addition, a uniform thin film having a large area can be formed.
大気圧近傍であるので、真空チャンバや、真空排気装
置を必要としない。Since it is near the atmospheric pressure, no vacuum chamber or vacuum exhaust device is required.
電極を成膜室の上壁、下壁の外側に設けているので、
成膜室の内部では上壁から下壁に至る広い放電が起こ
る。混合ガスの全ては放電空間を通る。このため混合ガ
スの利用効果が高まる。Heを含む高価なガスであるので
利用効果が高いのは極めて望ましい。また成膜室を小さ
くできるので設備をコンパクトにすることができる。Since the electrodes are provided outside the upper and lower walls of the deposition chamber,
A wide discharge from the upper wall to the lower wall occurs inside the film forming chamber. All of the mixed gas passes through the discharge space. Therefore, the effect of using the mixed gas is enhanced. Since it is an expensive gas containing He, it is extremely desirable that the utilization effect is high. Further, since the film forming chamber can be made small, the equipment can be made compact.
広い面積の成膜を必要とする太陽電池のa−Si等の薄
膜の作製に於いて、設備に要するコストを大幅に低減す
ることができる。In the production of a thin film such as a-Si of a solar cell which requires film formation over a large area, the cost required for equipment can be significantly reduced.
また、圧力が高いので、低圧プラズマCVDに比べて、
成膜速度を速くすることができる。Also, since the pressure is high, compared to low pressure plasma CVD,
The film forming speed can be increased.
第1図は本発明の薄膜形成法に用いられる装置の概略断
面図。 第2図は特開昭63−50478号で開示された薄膜形成装置
の断面図。 第3図は本発明方法と従来方法によって作ったTiN膜の
対角線方向に測った膜厚分布図。 1……高抵抗体成膜室 2……非接地電極 3……接地電極 4……対向上壁 5……対向下壁 6……試料基板 7……ガス導入口 8……高周波電源 9……ヒータ 10……ガス排出口FIG. 1 is a schematic sectional view of an apparatus used for the thin film forming method of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of a thin film forming apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-50478. FIG. 3 is a film thickness distribution diagram of a TiN film formed by the method of the present invention and the conventional method measured in a diagonal direction. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High-resistance film formation chamber 2 ... Ungrounded electrode 3 ... Ground electrode 4 ... Enhancement wall 5 ... Opposite lower wall 6 ... Sample substrate 7 ... Gas inlet 8 ... High frequency power supply 9 ... ... heater 10 ... gas outlet
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富川 唯司 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 藤田 順彦 兵庫県伊丹市昆陽北1丁目1番1号 住 友電気工業株式会社伊丹製作所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yuuji Tomikawa 1-1-1, Koyokita, Itami-shi, Itami-shi, Hyogo Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works (72) Inventor Norihiko Fujita 1 Kunyokita, Itami-shi, Hyogo Chome 1-1 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Itami Works
Claims (1)
上の高抵抗材料よりなる上壁4、下壁5を含む箱形の成
膜室1と、成膜室1の側方に設けられ前記対向上壁4、
対向下壁5の間にこれら壁面に平行な流れとなるよう原
料ガスとHeとを含む混合ガスを導入するガス導入口7
と、ガスを排出するためガス導入口7と反対側に設けら
れるガス排出口10と、成膜室1の対向上壁4の外側に設
けた板状の非接地電極2と、成膜室1の対向下壁5の外
側に設けられた板状で非接地電極2とほぼ同じ大きさの
接地電極3と、接地電極3の近傍に設けたヒータ9とよ
りなり、成膜室1の内部であって接地電極3の真上にあ
たる位置に試料基板6を置き、放電空間の体積Sでガス
流量Qを割った値Q/Sが1〜102sec-1であるような混合
ガスをガス導入口7から導入し、大気圧近傍の圧力下
で、非接地電極2と接地電極3の間にグロー放電を起こ
させ、試料基板6の上に薄膜を形成することを特徴とす
る薄膜形成装置。1. A box-shaped film-forming chamber 1 including an upper wall 4 and a lower wall 5 made of a high-resistance material having a parallel resistivity of 10 11 Ωcm or more and provided on the side of the film-forming chamber 1. The said improvement wall 4,
A gas inlet 7 for introducing a mixed gas containing a source gas and He between the opposed lower walls 5 so as to flow parallel to these walls;
A gas discharge port 10 provided on the side opposite to the gas inlet port 7 for discharging gas, a plate-shaped non-ground electrode 2 provided outside the pair of improvement walls 4 of the film formation chamber 1, And a heater 9 provided in the vicinity of the ground electrode 3. The ground electrode 3 has a plate shape provided on the outside of the opposing lower wall 5 and has substantially the same size as the non-ground electrode 2. Then, the sample substrate 6 is placed at a position directly above the ground electrode 3 and a gas mixture is introduced such that the value Q / S obtained by dividing the gas flow rate Q by the volume S of the discharge space is 1 to 10 2 sec −1. A thin film forming apparatus, wherein the thin film is formed on a sample substrate 6 by introducing from a port 7 and causing glow discharge between the non-ground electrode 2 and the ground electrode 3 under a pressure near the atmospheric pressure.
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JPH0250968A JPH0250968A (en) | 1990-02-20 |
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