JP3634609B2 - 回転電極を用いた薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電極を用いた薄膜形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスシリコン等の薄膜を比較的高い圧力で形成する薄膜形成装置としては、反応容器内に平行平板型電極を設置したプラズマＣＶＤ装置が知られている。このような装置においては、一方の電極に高周波電力または直流電力を印加し、他方の電極を接地し、これらの電極間でプラズマを発生させ、発生したプラズマ中に反応ガスを供給し、反応ガスを分解することにより基板上に所望の薄膜を形成させている。
【０００３】
高速でかつ大きな面積の薄膜を形成することができる薄膜形成装置として、特開平９−１０４９８５号公報では、回転電極を用いた薄膜形成装置が提案されている。このような回転電極を用いた薄膜形成装置によれば、回転電極の回転によりプラズマ空間に反応ガスを効率よく供給することができるので、反応ガスの利用効率を大幅に向上させることができるとともに、速い速度で均一な薄膜を形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回転電極を用いた薄膜形成装置においては、モーター等の駆動手段によって回転電極を回転させており、この回転電極を回転させるモーター等は反応容器の外部に設置されている。従って、反応容器の外部に設けられたモーター等の駆動力を回転電極に伝達するための伝達部を反応容器の壁部に設ける必要があり、この壁部においては、反応容器を密閉するため磁性流体等を用いてシールする必要があった。反応容器内に反応ガス等をチャージするには、反応容器内を真空状態にする必要があり、上記シール部は、このような真空状態に耐え得ることが必要である。
【０００５】
また、回転電極を用いたプラズマＣＶＤ法等による薄膜形成においては、薄膜形成に関与しない微粒子が析出することが知られており、このような微粒子が上記シール部に混入すると、真空状態としたときにリーク等を生じるおそれがある。このようなリーク等が生じると、形成する薄膜の膜質が低下したり、均一な薄膜が得られないという問題を生じる。
【０００６】
本発明の目的は、反応容器の外部にモーター等を設けることなく回転電極を回転させることができ、従って、反応容器内の密閉状態を良好に保つことができる薄膜形成装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に従う薄膜形成装置は、反応容器内でプラズマを発生させて基板上に薄膜を形成するための薄膜形成装置であり、回転することにより基板表面の近傍を移動しながら通過する電極表面を有する円筒状の回転電極と、基板表面と回転電極との間にプラズマを発生させるため回転電極に印加される高周波電力または直流電力を供給する電源と、基板を保持する基板ホルダーと、反応容器内のガスを排出し再び反応容器内に戻すためのガス循環路と、ガス循環路から反応容器に排出されるガスによって回転電極を回転させる回転駆動手段とを備え、ガス循環路から排出されるガスが回転駆動手段を通って反応容器内に排出されるように回転駆動手段が設けられており、回転駆動手段のガス排出口が、基板表面と回転電極の間のプラズマ発生領域の近傍に配置されており、ガス排出口から排出された反応ガスがプラズマ発生領域に供給されることを特徴としている。
【００１０】
本発明における回転駆動手段は、ガス流を利用して回転駆動させることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、一般に「エアモーター」と呼ばれているものを用いることができる。エアモーターには種々のタイプのものが知られているが、例えば羽根車の羽根の部分にガスを当て羽根車を回転させることにより回転駆動力を得るものが知られている。
【００１１】
上記本発明の好ましい実施形態においては、さらにガス循環路に、反応容器内で発生した微粒子を除去するための微粒子除去手段が設けられていることが好ましい。回転電極を用いたプラズマＣＶＤ法による薄膜形成においては、相対的に高い圧力で薄膜が形成されるので、反応ガスの濃度が高く、過剰な反応ガスの分解を生じ、薄膜形成には直接関与しない分離した微粒子が析出することが知られている。このような微粒子は、均一な薄膜形成の妨げとなり、また装置内のコンタミネーションの原因ともなる。従って、ガス循環路において、このような微粒子を除去するための微粒子除去手段を設けることにより、反応容器内で発生した微粒子を除去することができる。微粒子除去手段としては、ガス循環路のガス通過領域に設ける微粒子除去フィルタなどが挙げられる。
【００１２】
また、本発明においては、ガス循環路から排出されるガスが回転駆動手段を通って反応容器内に排出されるように回転駆動手段が設けられており、回転駆動手段のガス排出口が、基板表面と回転電極の間のプラズマ発生領域の近傍に配置されている。プラズマＣＶＤ法においては、プラズマ中で反応ガスを分解することにより薄膜を形成する。従って、反応容器内には反応ガスが存在しており、ガス循環路を流れ、回転駆動手段から排出されるガスには、反応ガスが含まれている。このような反応ガスを回転駆動手段のガス排出口からプラズマ発生領域に吹き付けることにより、常にプラズマ領域に新たな反応ガスが供給されるので、反応ガスの利用効率を高めることができ、速い速度で薄膜を形成することができる。
【００１３】
また、反応ガスは薄膜形成とともに消費されるので、必要に応じて反応容器内に反応ガスを補充のため供給してもよい。このような場合、ガス循環路からガスを導入することが好ましい。ガス循環路を流れるガスは常に攪拌混合されているので、ガス循環路から反応ガスを供給することにより、新たに供給した反応ガスを迅速にかつ均一に混合することができる。
【００１４】
本発明においては、ガス流を利用する回転駆動手段により回転電極を回転させる。回転電極の回転数は特に限定されるものではないが、一般には、１，０００〜１０，０００ｒｐｍ程度の回転数で回転される。また、回転電極の電極表面の周速度は、１０ｍ／秒以上、音速以下が好ましいが、一般的な電極表面の周速度を例示するとすれば、５０〜２００ｍ／秒程度である。
【００１５】
本発明において用いられる回転電極としては、例えば、特開平９−１０４９８５号公報に開示された回転電極を挙げることができる。従って、電極表面に凹凸を有した回転電極や、電極表面の一部もしくは全部の上に絶縁膜を有した回転電極等を用いることができる。
【００１６】
また、薄膜形成条件は、特に限定されるものではなく、例えば、特開平９−１０４９８５号公報に開示された薄膜形成条件を採用することができる。
本発明の薄膜形成装置には、プラズマＣＶＤ法や、プラズマによるスパッタリング法による薄膜形成装置が含まれる。本発明の薄膜形成装置は、特に高い圧力下で薄膜を形成する場合に有用である。ＣＶＤ法の場合、例えば、雰囲気圧力、すなわち反応容器内の全圧が１Ｔｏｒｒ以上の条件が特に有用である。反応ガスの分圧としては、０．０１Ｔｏｒｒ以上の条件が好ましい。反応容器内の全圧は、より好ましくは１００Ｔｏｒｒ〜１ａｔｍであり、さらに好ましくは約１ａｔｍである。反応ガスの分圧は、より好ましくは０．１〜５０Ｔｏｒｒであり、さらに好ましくは５〜５０Ｔｏｒｒである。
【００１７】
反応容器内には反応ガス以外に不活性ガスを含有させることができる。このような不活性ガスとしては、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、及びＸｅなどが挙げられる。
【００１８】
反応容器内には、さらに水素ガスを含有させることができる。水素ガスの分圧としては、１Ｔｏｒｒ以上が好ましく、より好ましくは１〜５０Ｔｏｒｒである。
【００１９】
本発明において、回転電極と基板との間の距離は、０．０１〜１ｍｍ程度が好ましい。
本発明において、回転電極に高周波電力を印加する場合、パルス状に印加することが好ましい。高周波電力をパルス状に印加することにより、安定したプラズマを広範囲に維持することができる。パルス中に印加する高周波電力のデューティ比としては、１／１００以上が好ましい。またパルス中に変調する変調周波数としては、１００ｋＨｚ以上が好ましい。
【００２０】
本発明において、回転電極に高周波電力を印加する場合の高周波電力の周波数としては、１３．５６ＭＨｚ以上が好ましく、さらに好ましくは１５０ＭＨｚ以上である。
【００２１】
本発明において、高周波電力の投入電力密度としては、１０Ｗ／ｃｍ^２ 以上が好ましく、より好ましくは１０〜１００Ｗ／ｃｍ^２ 以上であり、さらに好ましくは３０〜１００Ｗ／ｃｍ^２ である。
【００２２】
また、本発明において直流電力を回転電極に印加する場合には、従来の直流電力によるプラズマＣＶＤ法条件を参考にして設定することができる。
本発明において、薄膜形成の際の基板温度は、室温（２０℃）〜５００℃が好ましく、より好ましくは室温（２０℃）〜３００℃である。
【００２３】
本発明において形成する薄膜は、プラズマＣＶＤ法やプラズマによるスパッタリング法等により形成することができる薄膜であれば特に限定されるものではない。具体的には、Ｓｉ、Ｃ（ダイヤモンド及びダイヤモンド状薄膜を含む）、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２ 、Ｓｉ_３ Ｎ_４ 、Ａｌ_２ Ｏ_３ 、ＡｌＮなどが挙げられる。反応容器内に供給する反応ガスは、これらの形成する薄膜に応じて適宜選択される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従う一実施例の薄膜形成装置を示す概略断面図であり、図２は側方断面図である。図１及び図２に示す薄膜形成装置は、回転電極を用いたプラズマＣＶＤ法による薄膜形成装置である。図１及び図２を参照して、反応容器であるチャンバー４内には、基板ホルダー３が設置されており、基板ホルダー３の上に基板２が載せられている。基板２の上方には、回転電極１が設けられている。回転電極１は、図２に示すように回転軸６及び７により支持されている。回転軸６はチャンバー４の壁面に取り付けられた軸受け部８により回転可能に支持されている。回転軸７は、回転駆動手段としてのエアモーター１０により支持されており、エアモーター１０はチャンバー４の壁面に取り付けられた支持部材１５によって支持されている。回転軸７は、図１に示すエアモーター１０の羽根車１２の軸に取り付けられており、羽根車１２が回転することにより回転する。羽根車１２は、図１に示すように複数の羽根１１を有している。羽根車１２と回転軸７の間には、必要に応じて、回転数を調整するためのギヤ等の機構を設けてもよい。
【００２５】
軸受け部８には、高周波電源５が接続されている。高周波電源５から供給される高周波電力は、軸受け部８及び回転軸６を介して、回転電極１に印加される。このようにして高周波電力が回転電極１に印加されると、回転電極１の電極表面１ａと基板２との間にプラズマが発生する。
【００２６】
チャンバー４には、チャンバー４内のガスを排出し再びチャンバー４内に戻すためのガス循環路２０が設けられている。ガス循環路２０の吸引口２１は、回転電極１と基板２の間に配置されている。また、ガス循環路２０の排出口２２は、エアモーター１０内に接続されており、排気口２２から排出したガスによって羽根車１２が時計回りの方向に回転する位置に設けられている。ガス循環路２０には循環ポンプ２３が取り付けられている。本実施例では、循環ポンプ２３としてドライポンプが用いられている。吸引口２１と循環ポンプ２３の間には、微粒子除去手段としての微粒子除去フィルタ２４が設けられている。この微粒子除去フィルタ２４により、ガス循環路２０中を流れるガス中の微粒子が除去される。この微粒子は、上述のように、チャンバー４内で反応ガスが分解することにより生成した微粒子である。このような微粒子除去フィルタ２４としては、例えば、アニオン交換繊維やカチオン交換繊維などのアクリル繊維をフィルタ状に成形したものを用いることができる。
【００２７】
エアモーター１０の下方には、エアモーター１０内を通過したガスを導くための排出ガス案内部１３が設けられており、排出ガス案内部１３の先端には排出口１４が設けられている。排出口１４は、図１及び図２に示すように、回転電極１と基板２の間に位置するよう設けられている。図３は、排出口１４を示す斜視図である。図２及び図３に示すように、排出口１４は幅広い形状を有しており、回転電極１の幅とほぼ同程度の幅を有している。
【００２８】
図１及び図２に示す薄膜形成装置を用いて薄膜を形成するには、まずチャンバー４内に反応ガス及び希釈ガス（不活性ガス）、必要に応じてドーパントガスをチャージする。次に循環ポンプ２３を駆動させ、吸引口２１からチャンバー４内のガスを吸引し、排出口２２からこのガスを排出する。排出口２２はエアモーター１０に接続されており、排出口２２から排出されたガスはエアモーター１０内の羽根車１２の羽根１１に当たり、羽根車１２を回転させる。この羽根車１２の回転により、回転軸７を介して回転駆動力が回転電極１に伝わり、回転電極１が図１に示す矢印方向（時計回り方向）に回転する。
【００２９】
エアモーター１０内のガスは排出ガス案内部１３を通り、排出口１４から排出される。この状態で、高周波電源５からの高周波電力を回転電極１に印加することにより、回転電極１の電極表面１ａと基板２との間にプラズマが発生する。エアモーター１０の排出口１４から排出されたガスは、このようにして発生したプラズマ中に供給される。反応ガスはプラズマ中で分解し、基板２上に薄膜が形成される。上述のように、薄膜形成に関与しない微粒子が発生した場合には、プラズマ発生領域の近傍にガス循環路２０の吸込口２１が設けられているので、この吸込口２１から微粒子が吸引され、微粒子除去フィルタ２４によって除去される。微粒子を除去した後のガスは、上述のように排出口２２から排出されエアモーター１０の羽根車１２を回転させた後、再び排出口１４から排出されて、プラズマ発生領域に供給される。
【００３０】
以上のように、本実施例の薄膜形成装置においては、モーター等の外部の駆動手段なしに回転電極１を回転させることができる。従って、外部のモーターとの接続のためのシール部が不要となり、チャンバー４内の密閉状態を良好に保つことができる。
【００３１】
図１及び図２に示す装置を用いてアモルファスシリコン薄膜を形成した。回転電極１としては、直径３００ｍｍ、幅１００ｍｍのアルミニウム製の円筒状の回転電極を用いた。反応ガスとしては０．１％のＳｉＨ_４ （シラン）ガスと１％のＨ_２ （水素）ガスを含むヘリウムガスを用い、チャンバー内の圧力は１気圧とした。高周波電源５からの高周波電力として、周波数１５０ＭＨｚ、電力パワー５００Ｗの電力を回転電極１に印加した。基板としてはガラス基板を用い、基板と回転電極間の距離は０．３ｍｍとした。また基板は、回転電極１に対して４ｍｍ／秒の速度で回転軸と垂直方向に移動させた。ガス循環路２０中を循環するガス流量は１．３ｍ^３ ／分とした。この結果、回転電極１はエアモーター１０によって約５０００ｒｐｍの速度で回転した。従って、回転電極１の周速度はおよそ７９ｍ／秒であった。
【００３２】
以上のようにして、ガラス基板の上に膜厚２０００Åのアモルファスシリコン薄膜を形成することができた。得られた薄膜は微粒子等の混入がなく均質な薄膜であった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、反応容器の外部にモーター等の駆動手段を設けることなく回転電極を回転させることができる。従って、反応容器内の密閉状態を良好に保つことができ、良好な膜質の薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う一実施例の薄膜形成装置を示す概略断面図。
【図２】本発明に従う一実施例の薄膜形成装置を示す側方概略断面図。
【図３】図１及び図２の実施例におけるエアモーターの排出口の形状を示すための斜視図。
【符号の説明】
１…回転電極
１ａ…回転電極の電極表面
２…基板
３…基板ホルダー
４…チャンバー
５…高周波電源
６，７…回転軸
８…軸受け部
１０…エアモーター
１１…羽根
１２…羽根車
１３…排出ガス案内部
１４…排出口
１５…支持部材
２０…ガス循環路
２１…ガス循環路の吸引口
２２…ガス循環路の排出口
２３…循環ポンプ
２４…微粒子除去フィルタ

Claims (2)

1. 反応容器内でプラズマを発生させて基板上に薄膜を形成するための薄膜形成装置であって、
   回転することにより前記基板表面の近傍を移動しながら通過する電極表面を有する円筒状の回転電極と、
   前記基板表面と前記回転電極の間にプラズマを発生させるため前記回転電極に印加される高周波電力または直流電力を供給する電源と、
   前記基板を保持する基板ホルダーと、
   前記反応容器内のガスを排出し再び前記反応容器内に戻すためのガス循環路と、
   前記ガス循環路から前記反応容器に排出されるガスによって前記回転電極を回転させる回転駆動手段とを備え、
   前記ガス循環路から排出されるガスが前記回転駆動手段を通って前記反応容器内に排出されるように前記回転駆動手段が設けられており、前記回転駆動手段のガス排出口が、前記基板表面と前記回転電極の間のプラズマ発生領域の近傍に配置されており、前記ガス排出口から排出された反応ガスが前記プラズマ発生領域に供給されることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記ガス循環路に、前記反応容器内で発生した微粒子を除去するための微粒子除去手段が設けられている請求項１に記載の薄膜形成装置。

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