JP2973472B2

JP2973472B2 - プラズマｃｖｄ装置

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Publication number: JP2973472B2
Application number: JP2150313A
Authority: JP
Inventors: 修望月; 弘明伊藤; 星　　俊治
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1990-03-08
Filing date: 1990-06-08
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: US5234502A; JPH03277776A; DE4107543A1

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明はプラズマのエネルギーと反応ガスとによっ
て化学蒸着法により薄膜を形成する装置に関し、均等な
厚さの３次元形状の薄膜を形成できる装置に関する。

「従来の技術」従来、第14図に示すように、水平に保持した導波管１
に貫通された反応管２を垂直に設けるとともに、交差部
分に基体ホルダ３を設けて構成されたプラズマCVD装置
が知られている。

このプラズマCVD装置は、基体ホルダ３に基体４を設
置し、反応管２に気体供給源から反応ガスを送り込むと
ともに、導波管１内にマイクロ波を導入し、これによっ
て基体４の周囲にプラズマを発生させ、基体４の周囲で
反応ガスをプラズマにより分解して基体４の表面に反応
ガスの成分を堆積させることで基体４の表面に所望の組
成の薄膜を形成する装置である。

また、プラズマCVD装置の他の例として、第15図に示
すように、鉛直に保持された導波管１を水平に保持され
た反応管２が貫通し、交差部分に基体ホルダ３を設けた
構造の装置も知られている。

「発明が解決しようとする課題」前記構成のプラズマCVD装置を使用した場合におい
て、基体４としてドーム状などの３次元形状のものを用
いた場合、第16図に示すように基体４の上に強いプラズ
マ５が発生するので、基体４の周囲に反応ガスが熱分解
されて基体４の表面に堆積される結果、第17図に示すよ
うに基体４の外面に薄膜６を堆積される。

ところが、前記構造のプラズマCVD装置で成膜した場
合、基体４の上部側ほど膜厚が大きく、基体４の下部側
ほど膜厚が小さくなる傾向があり、甚だしい場合は、厚
い部分と薄い部分の膜厚比が4:1にもなることがあっ
た。

そこで、前記の膜厚差が生じる原因について詳しく研
究したところ、基体に対する強いプラズマの相対位置関
係が薄膜形成に重要な影響を与えていることが判明し
た。

即ち、ドーム状などの３次元形状の基体に成膜しよう
とした場合、強いプラズマまでの距離が大きいと電子衝
撃の作用が弱くなり、強いプラズマまでの距離が小さい
と電子衝撃の作用が強くなる結果、基体４の上部側が高
温で底部側が低温になって温度分布にばらつきが生じ、
これが原因となって膜厚に変動を生じるものと思われ
る。

なお、第14図と第15図に示す従来のCVD装置では、反
応管２が導波管１を貫通している構成であるので、反応
管２を介する電磁波の漏洩を防止するために、反応管２
を大きく形成できない欠点があり、このために、基体４
として大きなものを使用できない問題があった。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、
ドーム状などの３次元形状の基体を用いて基体上に成膜
する場合であっても、膜厚のバラツキを±10％以内に抑
えることができるとともに、大きな基板に成膜すること
ができ、良好な再現性で良質の薄膜を形成できるプラズ
マCVD装置を提供することを目的とする。

「課題を解決するための手段」請求項１に記載した発明は前記課題を解決するため
に、反応ガス供給源に接続されて内部に反応ガスが導入
される反応管と、この反応管に貫通されるマイクロ波の
導波管と、反応管と導波管の交差部分に３次元形状の基
体を設置する基体ホルダとを具備してなるプラズマCVD
装置であって、前記基体ホルダが基体を回転する回転軸
を備えてなり、基体ホルダの回路軸の中心軸に対し、導
波管の中心軸を傾斜させて設け、基体ホルダを基体ホル
ダの回転軸の中心軸まわりに回転自在に設けるととも
に、前記反応管内に前記マイクロ波の導波管が生成させ
るプラズマを前記基体に対して傾斜状態に生成自在とす
るように前記マイクロ波の導波管を傾斜させてなること
を特徴とする。

請求項２に記載した発明は前記課題を解決するため
に、マイクロ波の発振器が接続された導波管と、この導
波管の内部を仕切って設けられた反応容器と、この反応
容器の内部を減圧するポンプと、反応容器内に設けられ
て３次元形状の基体を設置する基体ホルダとを具備して
なるプラズマCVD装置であって、前記基体ホルダが基体
を回転する回転軸を備えてなり、前記導波管の中心軸に
対し、基体ホルダの回転軸の中心軸を傾斜させて設け、
基体ホルダを基体ホルダの回転軸の中心軸まわりに回転
自在に設けてなるとともに、前記反応管内に前記マイク
ロ波の導波管が生成させるプラズマを前記基体に対して
傾斜状態に生成自在とするように前記マイクロ波の導波
管を傾斜させてなることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は前記課題を解決するため
に、反応ガス導入管と排気管が接続された反応容器と、
マイクロ波発振器が接続された導波管と、反応容器内部
を減圧する減圧ポンプと、反応容器内に設けられて３次
元形状の基体を設置する基体ホルダとを具備してなるプ
ラズマCVD装置であって、前記導波管が２分割構造であ
り、前記反応容器の相対する同軸上の位置に導波管接続
用孔を設け、この導波管接続用孔に導波管を接続し、前
記導波管と前記反応容器の接続部にマイクロ波導入窓を
設け、前記基体ホルダが基体を回転する回転軸を備えて
なり、導波管の中心軸に対し、基体ホルダの回転軸の中
心軸を傾斜させて設け、基体ホルダを基体ホルダの回転
軸の中心軸回りに回転自在に設けてなるとともに、前記
反応管内に前記マイクロ波の導波管が生成させるプラズ
マを前記基体に対して傾斜状態に生成自在とするように
前記マイクロ波の導波管を傾斜させてなることを特徴と
する。

「作用」プラズマが導波管の長さ方向に沿って生成し、このプ
ラズマの中心のプラズマの強い部分が基体に対して傾斜
状態に位置するので、基体を回転させることで基体表面
の各部分とプラズマの強い部分との位置関係が変動し、
プラズマによる加熱が基体表面において均一化する。従
って基体全体が均一加熱された状態で基体表面に成膜が
進行する。

また、導波管の内部を仕切って反応部を形成すると、
導波管を反応管が貫通する従来構成とは異なり、電磁波
漏洩の問題を生じないので、反応部を大きく形成でき、
大きな基体に成膜できるようになる。

さらにまた、導波管を２分割とし、反応容器に接続す
る構造とすると、反応容器の大きさと形状は任意とな
り、さらに大きな基体に成膜できるようになる。

「実施例」第１図は、本願発明の第１実施例を示すもので、この
実施例のプラズマCVD装置は、鉛直に設けられた反応管1
0と、この反応管10によって中央部を貫通されるととも
に、反応管10に対し傾斜して設けられた導波管11を主体
として構成されている。

前記反応管10と導波管11の交差部分が反応容器16とな
り、この反応容器16の内部には基体ホルダ12が設けられ
ている。この基体ホルダ12は反応管10内に鉛直に設けら
れた回転軸14により水平に回転自在に支持されている。
この回転軸14の下端部は、図示略のモータなどの駆動装
置に接続されていて、駆動装置の始動により基体ホルダ
12は水平は面内で回転できるようになっている。また、
反応管10は図示略の反応ガス供給源に接続されていて各
種の反応ガスを反応容器16に導入できるようになってい
る。

前記導波管11は、マイクロ波発生装置（発振器）に接
続されていて導波管11の内部にマイクロ波を導入するこ
とで導波管11の内部にプラズマを発生させて基体ホルダ
12およびその周囲を加熱することができるようになって
いる。

そして、導波管11は、反応管10に対し互いの中心軸線
を45゜程度傾斜させた状態で、即ち、基体ホルダ12に対
して傾斜した状態で反応管10を貫通して設けられてい
る。なおここで、反応管10と導波管11のなす角度は０゜
より大きく、90゜より小さければ、自由な角度を選択し
て差し支えない。

一方、前記基体ホルダ12の上には、半球状、ドーム
状、あるいはその他の３次元的立体形状をなす基体15が
設置されている。この基体15の構成材料は、表面に形成
される薄膜が堆積しやすいものが好ましく、また、成膜
後に必要に応じて薄膜を基体15から分離することが容易
な材料を選択することが好ましい。なお、基体15から薄
膜を分離するには、基体15を化学的に溶解して除去する
方法などを採用することができる。

次に前記構成の装置を用いて基体15の表面に成膜する
場合について説明する。

反応容器16の内部の基体ホルダ12上にドーム状の基体
15を設置するとともに、反応容器16の内部に反応ガスを
ガス供給源から導入する。続いて反応容器16内にマイク
ロ波の発振器によってプラズマを発生させる。この際に
反応管10と導波管11とが傾斜しているので、基体15の上
方ではプラズマＰが第２図に示すように傾斜状態で生成
する。この状態で基体ホルダ12を水平に回転させつつ成
膜する。

第２図に示すように基体15に対してプラズマＰが傾斜
状態で対向したままで基体15が回転すると、基体15の全
部が従来より均一に加熱される。ここで第２図に示すド
ーム状の基体15の頂点部分（一側部分）からプラズマＰ
までの距離と、ドーム状の基体15の周面底部側部分（他
側部分）からプラズマＰまでの距離を比較すると、それ
らの距離差は第16図に示す従来例のプラズマ５と基体４
との場合に比べて小さくなる。換言すると、図16に示す
従来例の基体４の頂点部分からプラズマ５までの距離
と、基体４の周面底部側部分からプラズマ５までの距離
との差異は、第２図に示す本実施例の場合よりも大きく
なる。このため、この状態で成膜を行えば基体15の全面
に均一な厚さの薄膜が形成される。

第３図は本願発明の第２実施例の装置を示すもので、
この実施例の装置においては、導波管11が前記実施例と
同等に基体ホルダ12に対し傾斜されていて、反応容器16
が導波管11内部に設けられた例である。

この実施例においても基体ホルダ12に対して導波管11
が傾斜しているので、前記第１実施例の装置と同等の効
果を得ることができる。

一方、第７図は本願発明の第３実施例の装置を示すも
のである。この例の装置においては、20がマイクロ波の
発振器、21が前記発振器20に接続された導波管を示し、
この導波管21の一部には、石英等からなる容器壁22,22
により仕切られて反応容器（反応部）23が形成されてい
る。

この反応容器23には、反応ガスの供給源に接続するた
めのガス導入管24が導波管21の周壁を貫通して接続さ
れ、更に、排気ポンプ25に接続するための排気管26が導
波管21の周壁を貫通して接続されている。なお、前記ガ
ス導入管24と排気管26は、電磁波の漏洩を少なくする目
的で、できる限り径の小さいものを用いることが好まし
い。

更に、反応容器23には、導波管21の中心軸に対して傾
斜された状態で導波管21の周壁を貫通したパイプ28が接
続され、このパイプ28には、先端部を反応容器23内に入
れ、基端部を反応容器23の外に出した回転軸29が挿通さ
れている。そして、この回転軸29の先端部に、前記第１
実施例で用いたものと同等の基体ホルダ12が取り付けら
れ、回転軸29の基端部側がモータ30の回転軸に接続され
ている。また、導波管21からの電磁波の漏洩を防止する
ために、パイプ28の径を小さくすことは勿論である。な
お、第７図中符号31はプランジャを示している。

第７図に示す構成のCVD装置においても先に説明した
装置と同様に、基体15を基体ホルダ12に装着して基体15
を回転させ、プラズマを反応容器23内に発生させて反応
ガスを導入することで基体15上に成膜することができ
る。

また、この実施例の装置においても回転軸29が導波管
21の中心軸線に対して傾斜しているので、基体15の上面
全部に均一な厚さの薄膜を形成することができる。更
に、この実施例の装置では、導波管21の内部を仕切って
反応容器23を形成しているので、反応容器23を大きく形
成しても従来装置のような電磁波漏洩の問題は生じな
い。従って反応容器23を大きく形成することができ、大
きな基体15であっても反応容器23内で成膜することがで
きるようになる。また、導波管21を貫通する回転軸29は
第１実施例の装置に比較して短く形成できるので、基体
15を回転させる際に、回転軸の首振りにより生じる偏差
が、長い回転軸に比べて小さくなる。よって基体ホルダ
12の回転状態が安定し、繰り返し成膜した場合の再現性
が良好になる。

第８図（ａ）は本願発明の第４実施例の装置を示すも
のである。この例の装置においては、31が図示略のマイ
クロ波の発振器に接続された導波管を示し、33が反応容
器（反応部）を示している。この実施例の構造において
は、箱状の反応容器３の両側壁部に設けられた導波管接
続用孔にそれぞれ導波管31が接続され、反応容器33の導
波管接続用孔に反応容器33の密閉構造を可能とする石英
などからなるマイクロ波導入窓32が設けられている。34
はガス導入管、36は排気管をそれぞれ示している。

この実施例の装置においても先に説明した第２実施例
の装置と同等の効果を得ることができる。

第８図（ｂ）は本願発明の第５実施例の装置を示すも
のである。この例の装置においては、31′が図示略のマ
イクロ波の発振器に接続された導波管を示し、33′が反
応容器（反応部）を示している。この実施例の構造にお
いては、円筒状の反応容器33′の側壁部に設けられた導
波管接続用孔にそれぞれ導波管31′が接続され、反応容
器33′の導波管接続用孔よりも若干離れた部分であって
導波管31′の内側に反応容器33の密閉構造を可能とする
石英などからなるマイクロ波導入窓32′が設けられてい
る。

「製造例１」第１図に示す構造であって、反応管と導波管の傾斜角
度を45゜に形成したプラズマCVD装置を使用してダイヤ
モンド薄膜の作製を行った。

プラズマ発生条件として、反応管にH₂ガスを200cc/
分、CH₄ガスを1cc/分の各量導入するとともに、ガス圧
力を50Torrに設定し、マイクロ波（2450MHz）の搬入電
力を350Wに設定した。

反応管内の基体ホルダに設置する基体として、単結晶
シリコンからなる半径10mmの半球状の基体を用いるとと
もに、基体温度を850℃、基体の回転数を10rpm、反応時
間を200時間に設定して成膜することで基体表面にダイ
ヤモンド薄膜を形成した。

ダイヤモンド薄膜が形成された半球状の基体を半球の
底面（円）の中心を通る面に沿って切断し、切断後の半
円状の断面（第４図の半円を参照。）の外周縁各部の膜
厚を測定した。その結果を第５図に示す。第５図におい
て角度αは第４図に示す断面の半円の中心からの角度を
示している。

第５図から明らかなように、本願発明に係る装置を用
いて基体上にダイヤモンド薄膜を成膜することで、膜厚
変動の少ない、均一な厚さのダイヤモンド薄膜を形成す
ることができた。また、膜厚の偏差は平均値に対し、±
10％以内であった。

一方、第６図は、反応管と導波管を直角に交差させて
形成した従来のプラズマCVD装置を使用し、前記と同等
の成膜条件で前記と同等の基体上に成膜した場合、得ら
れた薄膜の膜厚測定を行った結果を示す。

第６図においては、最も厚い部分と薄い部分の膜厚比
は4:1になっていた。

以上のことから、本願発明に係る装置を用いて３次元
形状の基体上に成膜することで、±10％以内の膜厚変動
であって、従来より膜厚の一定した堆積膜を得ることが
できることが明らかになった。

「製造例２および比較例」第７図に示す構造であって導波管規格WRT−２に準じ
た形状の反応容器（長さ130mm）を作製し、プランジャ
ーと発振器との間に配置してプラズマCVD装置を作製し
た後、前記反応容器内に平板状のSi基体（直径60mm）を
設置し、反応容器を排気ポンプにより真空に排気した。
その後、H₂ガスとCH₄ガスとをCH₄が0.5体積％となるよ
うに混合してなる反応ガスを反応容器に導入し、反応容
器内の圧力を20Torrに調整した。

次に、2.45GHzのマイクロ波を発振器により投入した
ところ、反応容器内のほぼ全域にプラズマを発生させる
ことができた。また、その際に基体表面の温度は800℃
以上まで、他の補助加熱手段を用いることなく上昇させ
ることができた。この状態で100時間成膜したところSi
基体上にダイヤモンド薄膜を形成することができた。

以上のように得られたダイヤモンド薄膜のＸ線回折試
験結果を第11図に、ラマン分光結果を第12図に、SIMS
（２次イオン質量分析法）による測定結果を第13図にそ
れぞれ示す。

第11図〜第13図に示す結果から、基体全面に不純物を
含まないダイヤモンド薄膜が生成していることを確認で
きた。

次に、ドーム状のSi基体（平面直径60mm、高さ16mm）
を前記プラズマCVD装置の反応容器内に、電磁波の進行
方向に対し30゜傾斜するように配置し、前記と同等の条
件でプラズマを発生させ、250時間かけてダイヤモンド
薄膜を基体上に形成した。その際に、基体を50rpmで回
転させたが、基体表面の温度は850℃±10℃になってい
た。以上のように製造されたダイヤモンド薄膜における
各部の厚さを測定した結果を第９図に示す。第９図か
ら、本願発明の装置によってドーム状の基体上に均一な
厚さの膜を形成できることが明らかになった。

また、比較のために、第10図に示す構成の従来装置を
用いて前記Si基板と同等の材料からなる外径25mmのドー
ム状の基体に成膜を行った。第10図に示す装置におい
て、40はマイクロ波の発振器、41は導波管、42は導波管
41を貫通して設けられた反応管、43はモータ、44は回転
軸45は排気装置、46は基体、47はプランジャをそれぞれ
示している。

この構成の装置を用い、前記と同等のプラズマ発生条
件と同等の反応ガスを用いて成膜を行った結果、ダイヤ
モンド薄膜を形成することができたが、このダイヤモン
ド薄膜の膜厚分布（比較例１）は第９図の鎖線で示す結
果となり、膜厚が均一ではないことが判明した。なお、
第10図に示す装置では、最大直径40mmまでのドーム状の
基体を処理できるが、第７図に示す本願構成の装置では
直径60mmのドーム状基体を処理することができる。

ところで、前記第３実施例の装置を用い、マイクロ波
の方向に対し基体を90゜傾斜させた状態で他の条件を前
記と同一に設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行った。
この場合のダイヤモンド薄膜の膜厚分布（比較例２）は
第９図の１点鎖線に示すようになり、膜厚変動を起こす
ことが判明した。

従って以上の結果から、マイクロ波の方向に対し、基
体の角度を傾斜させたことによって膜厚分布を平均化で
きることが明らかになった。

なお、以上説明した構成のプラズマCVD装置によって
ドーム状の基体上に成膜し、成膜後に基体を化学的に溶
解除去するなどの手段をとって膜状体からなるドーム状
構造物を得ることができ、この構造物はスピーカの振動
板などとして使用することができる。そして、この場
合、膜厚の均一なドーム状のスピーカ用振動板を得るこ
とができる。

「発明の効果」以上説明したように本願発明は、基体を支持する基体
ホルダを回転させる回転軸に対して導波管を傾斜させて
設け、基体に対してプラズマを傾斜状態で発生させるこ
とができ、基体の一側部分とプラズマまでの距離と、基
体の他側部分とプラズマまでの距離の差を従来装置より
も均等化したので、基体ホルダを回転させることによっ
て基体を均一にプラズマ加熱することができる。従って
反応管に供給した反応ガスをプラズマで分解して基体上
に堆積させる場合、基体の全面に従来より均一に薄膜を
堆積させることができる。このため、±10％以内の極め
て膜厚変動の少ない堆積膜を得ることができる効果があ
る。

また、導波管の内部に反応容器を形成するならば、導
波管を反応管が貫通する構成の従来装置に比べてマイク
ロ波漏洩の問題が生じないので、反応容器を大きく形成
することができるようになる。このため、従来より大き
な基体に成膜できるようになる。

一方、導波管を２分割とし、反応容器に接続する構造
とすると、反応容器の大きさと形状を任意に設定するこ
とができるようになるので、反応容器を大きく形成する
ことができるようになる。このため、従来より大きな基
体に成膜できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明の第１実施例の装置を示す側面図、第２図は前記装置の基体とプラズマの位置関係を示す説
明図、第３図は本願発明の第２実施例の装置を示す側面図、第４図は膜厚を測定した位置（角度）を示す説明図、第５図は第１実施例の装置で製造された薄膜の厚さ分布
を示すグラフ、第６図は従来装置で製造された薄膜の厚さ分布を示すグ
ラフ、第７図は本願発明の第３実施例の装置を示す構成図、第８図（ａ）は本願発明の第４実施例の装置を示す構成
図、第８図（ｂ）は本願発明の第５実施例の装置を示す構成
図、第９図は第３実施例の装置と従来装置で製造された薄膜
の厚さ分布を示すグラフ、第10図は従来装置の他の例を示す構成図、第11図はダイヤモンド薄膜のＸ線回折図、第12図はダイヤモンド薄膜のラマンスペクトルグラフ、第13図はダイヤモンド薄膜のSIMS測定結果を示すグラ
フ、第14図は従来のCVD装置の一例を示す構成図、第15図は従来のCVD装置の他の例を示す構成図、第16図は第14図に示す構成のCVD装置におけるプラズマ
と基体の関係を示す図、第17図は基体上に形成された薄膜の断面図である。 10……反応管（反応部）、11導波管、12……基体ホル
ダ、14……回転軸、15……基体、16……反応容器、Ｐ…
…プラズマ、20……発振器、21……導波管、22……容器
壁、23……反応容器（反応部）、24……導入管、25……
排気ポンプ、26……排気管、28……パイプ、29……回転
軸、30……モータ、31,31′……導波管、32,32′……マ
イクロ波導入窓、33,33′……反応部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】反応ガス供給源に接続されて内部に反応ガ
スが導入される反応管と、この反応管に貫通されるマイ
クロ波の導波管と、反応管と導波管の交差部分に３次元
形状の基体を設置する基体ホルダとを具備してなるプラ
ズマCVD装置であって、前記基体ホルダが基体を回転する回転軸を備えてなり、
基体ホルダの回路軸の中心軸に対し、導波管の中心軸を
傾斜させて設け、基体ホルダを基体ホルダの回転軸の中
心軸まわりに回転自在に設けるとともに、前記反応管内
に前記マイクロ波の導波管が生成させるプラズマを前記
基体に対して傾斜状態に生成自在とするように前記マイ
クロ波の導波管を傾斜させてなることを特徴とするプラ
ズマCVD装置。
【請求項２】マイクロ波の発振器が接続された導波管
と、この導波管の内部を仕切って設けられた反応容器
と、この反応容器の内部を減圧するポンプと、反応容器
内に設けられて３次元形状の基体を設置する基体ホルダ
とを具備してなるプラズマCVD装置であって、前記基体ホルダが基体を回転する回転軸を備えてなり、
前記導波管の中心軸に対し、基体ホルダの回転軸の中心
軸を傾斜させて設け、基体ホルダを基体ホルダの回転軸
の中心軸まわりに回転自在に設けてなるとともに、前記
反応管内に前記マイクロ波の導波管が生成させるプラズ
マを前記基体に対して傾斜状態に生成自在とするように
前記マイクロ波の導波管を傾斜させてなることを特徴と
するプラズマCVD装置。
【請求項３】反応ガス導入管と排気管が接続された反応
容器と、マイクロ波発振器が接続された導波管と、反応
容器内部を減圧する減圧ポンプと、反応容器内に設けら
れて３次元形状の基体を設置する基体ホルダとを具備し
てなるプラズマCVD装置であって、前記導波管が２分割構造であり、前記反応容器の相対す
る同軸上の位置に導波管接続用孔を設け、この導波管接
続用孔に導波管を接続し、前記導波管と前記反応容器の
接続部にマイクロ波導入窓を設け、前記基体ホルダが基
体を回転する回転軸を備えてなり、導波管の中心軸に対
し、基体ホルダの回転軸の中心軸を傾斜させて設け、基
体ホルダを基体ホルダの回転軸の中心軸回りに回転自在
に設けてなるとともに、前記反応管内に前記マイクロ波
の導波管が生成させるプラズマのを前記基体に対して傾
斜状態に生成自在とするように前記マイクロ波の導波管
を傾斜させてなることを特徴とするプラズマCVD装置。