JP3839930B2

JP3839930B2 - Thin film production apparatus and thin film production method

Info

Publication number: JP3839930B2
Application number: JP26384597A
Authority: JP
Inventors: 雅洋赤松; 智岡田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2017-09-29
Also published as: JPH11100661A

Description

【０００１】
【発明の実施の形態】
本発明は、アーク放電プラズマプロセスを利用した薄膜作製装置及び薄膜作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は一般的な直流アーク放電プラズマを用いる薄膜作製装置の概略構成を示す断面図である。同図において、１は成膜チャンバで、陰極部２へ向けて陽極部３からアーク放電によるプラズマ４が形成されるようになっている。５はその陰極部２の電極、６は陽極部３に設けられた蒸着材料で、これらの間に直流電源７が接続されている。
【０００３】
また、８はヒータ９を有したサセプタで、その下側に基板１０が取り付けられている。１１は排気管１２を通してチャンバ内を真空にするためのバルブ、１３は陰極側のガス導入管、１４はチャンバ側のガス導入管である。
【０００４】
真空蒸着や化学気相成長法などによる薄膜の作製に際し、従来より図５に示すような直流アーク放電を発生させることのできるプラズマガンを取り付けた成膜装置が用いられている。成膜中においては、直流アーク放電によりチャンバ内の雰囲気ガスを活性化させることによって、良質の膜を作製することができる。
【０００５】
また、アーク放電はグロー放電と比較すると、低電子温度で高電子密度のため、より多くのイオン、ラジカル等の活性種を発生させることができる。そして、これらの活性種の作用によって、より良質の膜を作製することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の薄膜作製装置にあっては、直流アーク放電によって成膜チャンバ内の雰囲気ガスをある程度活性化できるが、まだ十分な活性化ができず、高品質の膜を作製することができない。
【０００７】
また、陽極−陰極間の全体にプラズマが発生するので、雰囲気ガス中の特定のガスを所望の場所で効率良く発生させることは困難である。
【０００８】
本発明は、上記のような問題点に着目してなされたもので、成膜チャンバ内の雰囲気ガスをより効率良く活性化することができ、高品質の膜を作製することができ、また雰囲気ガス中の特定のガスを容易に所望の場所で効率良く発生させることが可能な薄膜作製装置及び薄膜作製方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る薄膜作製装置及び薄膜作製方法は、次のように構成したものである。
【００１０】
（１）アーク放電プラズマを用いる薄膜作製装置において、薄膜材料を付着させる基板を配した成膜チャンバ内に、該成膜チャンバ内のガスを熱活性化させる加熱手段を設け、前記加熱手段は、フィラメントからなり、その電位を正にバイアスし、アーク放電によるプラズマ内に存在する電子が流れ込むことにより加熱されるようにした。
【００１１】
（２）上記（１）の構成において、加熱手段は成膜チャンバ内へのガス導入管の吐出口近傍に配置した。
【００１２】
（３）上記（１）の構成において、加熱手段は基板と対向する位置に平均的に設けた。
【００１３】
（４）上記（１）の構成において、加熱手段は成膜チャンバ内へのガス導入管の吐出口近傍と基板と対向する位置に設けた。
【００１６】
（５）アーク放電プラズマを用いる薄膜作成方法において、薄膜材料を付着させる基板を配した成膜チャンバ内でアーク放電によりプラズマを発生させると同時に、フィラメントからなる加熱手段は、その電位を正にバイアスし、プラズマ内に存在する電子が流れ込むことにより加熱され、同成膜チャンバ内のガスを加熱して熱活性化させるようにした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例による薄膜作製装置の概略構成を示す断面図であり、図５と同一符号は同一構成要素を示している。
【００１９】
図１において、１は薄膜が形成される成膜チャンバで、側方の陰極部２へ向けて下方の陽極部３からアーク放電によるプラズマ４が形成されるようになっている。５はその陰極部２の電極、６は陽極部３に設けられた蒸着材料で、これらの間に直流電源７が接続されている。
【００２０】
８はヒータ９を有したサセプタで、その下側に薄膜が付着される基板１０が取り付けられている。１１は排気管１２を通してチャンバ内を真空にするためのバルブ、１３は陰極側のガス導入管、１４はチャンバ側のガス導入管である。
【００２１】
１５は成膜チャンバ１内の雰囲気ガスを熱活性化させるための加熱手段として設けられたフィラメントで、ガス導入管１４の吐出口近傍に配置されている。１６はフィラメント１５に接続された直流電源で、フィラメント１５の電位をプラズマ４のウォールポテンシャルよりも正にバイアスして加熱するようになっている。
【００２２】
上記のように、成膜チャンバ１内に雰囲気ガスを加熱する加熱手段として例えばフィラメント１５を設けた構成においては、成膜過程は図５の装置と同様であるが、成膜中にフィラメント１５の加熱によって雰囲気ガスの熱活性化が行われる。このフィラメント１５の加熱は、直流電源１６によりフィラメント１５の電位をプラズマ４のウォールポテンシャルよりも正にバイアスすることによって行われ、プラズマ４内に存在する電子がフィラメント１５に流れ込むためにフィラメント１５が赤熱する。そして、この赤熱したフィラメント１５の近くの雰囲気ガスが、フィラメント１５の熱やここから放出される熱電子などの作用によって活性化する。
【００２３】
したがって、成膜チャンバ１内の雰囲気ガスはアーク放電の作用によって活性化するのに加えて、上述の熱フィラメントの作用によって更に活性化する。このため、より多くのイオン、ラジカル等の活性種が発生し、これらの多量の活性種によってアーク放電のみで作製した膜よりも良質な膜を基板１０に付着させることができる。
【００２４】
ここで本実施例では、フィラメント１５によりガス導入管１４から入ってきたガスを集中的に活性化させるようにしているが、このフィラメント１５の大きさ、形状、配置位置は、その膜形成の目的に合わせて様々に設定することができる。例えば図２の第２の実施例のように、フィラメント１５を基板１０と対向する位置に平均的に設けるようにしても良い。
【００２５】
図２の実施例の場合、基板１０に到達するガス全体を効率良く活性化することができ、上述の実施例と同様高品質の膜を作製することができる。また、図１と図２の構成を組み合わせ、ガス導入管１４の吐出口付近と基板付近のガスを同時に活性化するようにしても良く、より良質の膜を基板１０に付着させることができる。
【００２６】
このように、フィラメント１５の形状や位置を変えることで、成膜チャンバ１内の雰囲気ガスをより効率良く活性化することができ、また容易に雰囲気ガス中の特定ガスを所望の場所で効率良く発生させることができる。
【００２７】
図３は本発明の第３の実施例を示す図である。本実施例は、フィラメント１５を抵抗加熱部材としてこれを直流電源１６により加熱するようにしたものである。このような加熱方式としても上記の各実施例と同様、成膜チャンバ１内の雰囲気ガスを効率良く活性化することができ、良好な成膜が得られる。
【００２８】
また、上述の各実施例の加熱方式以外にも多数の加熱方式があり、何れの方式を用いても同等の作用効果を得ることができる。例えば、ガス導入管１４を直接ヒータで加熱するようにすることもできる。
【００２９】
次に、具体的な例として多結晶シリコン薄膜の作製過程について説明する。この場合、図１に示す装置において、陰極側のガス導入管１３からＡｒガスを３０ｓｃｃｍ、もう一方のガス導入管１４からＨ₂ ガスを１２０ｓｃｃｍそれぞれ流し、またバルブ１１により成膜チャンバ１内を７０ｍＴｏｒｒの状態に保つ。
【００３０】
そして、直流アーク放電によるプラズマ４を直流電源７によって８０Ｖ，２００Ａの条件下で発生させ、陽極部３のるつぼ内の蒸着材料６である原料シリコンを蒸発させる。このとき同時に、基板１０としてガラス基板をヒータ９により３００℃に加熱し、またフィラメント１５を直流電源１６によって０〜３００Ｗの電力で加熱し、上記導入管１４から供給されたＨ₂ ガスの熱活性化を行いながらガラス基板にシリコン膜を付着させる。
【００３１】
図４は上記のようにして作製された多結晶シリコン膜の結晶化率（Volume Fraction ofCrystalline)とフィラメント１５の印加電力(Power) との関係を示す図であり、ラマンスペクトルから見積った多結晶シリコン膜の結晶化率（％）のフィラメント印加電力（Ｗ）の依存性を示している。
【００３２】
図示のように、フィラメント１５を使用しない場合の結晶化率は５０〜６０％であるが、約３００Ｗの電力でフィラメント１５を加熱したときの結晶化率は８０％にまで向上している。この実験結果は、本発明の実施例における熱フィラメントがシリコン膜の結晶化に有効であることを示している。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、成膜チャンバ内のガスを熱活性化させる加熱手段を設けたため、成膜チャンバ内の雰囲気ガスをより効率良く活性化することができ、高品質の膜を作製することができ、また雰囲気ガス中の特定ガスを容易に所望の場所で効率良く発生させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の概略構成を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施例の概略構成を示す断面図
【図３】本発明の第３の実施例の概略構成を示す断面図
【図４】シリコン薄膜の結晶化率とフィラメントの印加電力との関係を示す図
【図５】従来例の概略構成を示す断面図
【符号の説明】
１成膜チャンバ
２陰極部
３陽極部
４プラズマ
５電極
６蒸着材料
７直流電源
９ヒータ
１０基板
１１バルブ
１４ガス導入管
１５フィラメント（加熱手段）
１６直流電源[0001]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a thin film manufacturing apparatus and a thin film manufacturing method using an arc discharge plasma process.
[0002]
[Prior art]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a thin film manufacturing apparatus using a general DC arc discharge plasma. In the figure, reference numeral 1 denotes a film forming chamber in which plasma 4 is formed by arc discharge from the anode portion 3 toward the cathode portion 2. 5 is an electrode of the cathode portion 2, 6 is a vapor deposition material provided on the anode portion 3, and a DC power source 7 is connected therebetween.
[0003]
Reference numeral 8 denotes a susceptor having a heater 9 on which a substrate 10 is attached. 11 is a valve for evacuating the chamber through the exhaust pipe 12, 13 is a gas introduction pipe on the cathode side, and 14 is a gas introduction pipe on the chamber side.
[0004]
Conventionally, when forming a thin film by vacuum vapor deposition or chemical vapor deposition, a film forming apparatus equipped with a plasma gun capable of generating a DC arc discharge as shown in FIG. 5 has been used. During film formation, a high-quality film can be produced by activating the atmospheric gas in the chamber by DC arc discharge.
[0005]
In addition, compared with glow discharge, arc discharge can generate more active species such as ions and radicals because of low electron temperature and high electron density. A film with higher quality can be produced by the action of these active species.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional thin film forming apparatus as described above, the atmospheric gas in the film forming chamber can be activated to some extent by DC arc discharge, but it cannot be activated sufficiently, and a high quality film is produced. I can't.
[0007]
Moreover, since plasma is generated between the anode and the cathode, it is difficult to efficiently generate a specific gas in the atmospheric gas at a desired location.
[0008]
The present invention has been made by paying attention to the above-described problems, and can activate the atmospheric gas in the film forming chamber more efficiently, produce a high-quality film, and An object of the present invention is to provide a thin film production apparatus and a thin film production method capable of easily and efficiently generating a specific gas in a gas at a desired location.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The thin film manufacturing apparatus and the thin film manufacturing method according to the present invention are configured as follows.
[0010]
(1) In a thin film manufacturing apparatus using arc discharge plasma, a heating unit that thermally activates a gas in the film forming chamber is provided in a film forming chamber in which a substrate to which a thin film material is attached is disposed, It was made of a filament, and its potential was positively biased so that electrons existing in the plasma by arc discharge flowed and heated.
[0011]
(2) In the configuration of (1) above, the heating means is arranged in the vicinity of the discharge port of the gas introduction pipe into the film forming chamber.
[0012]
(3) In the configuration of (1) above, the heating means is provided on the average at a position facing the substrate.
[0013]
(4) In the configuration of (1) above, the heating means is provided in the vicinity of the discharge port of the gas introduction tube into the film forming chamber and the substrate.
[0016]
( 5 ) In a thin film preparation method using arc discharge plasma, plasma is generated by arc discharge in a film forming chamber provided with a substrate to which a thin film material is attached , and at the same time , a heating means comprising a filament biases its potential positively. Then, the electrons existing in the plasma are heated by flowing in, and the gas in the film forming chamber is heated and thermally activated.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a thin film manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 5 denote the same components.
[0019]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a film forming chamber in which a thin film is formed, and plasma 4 by arc discharge is formed from a lower anode part 3 toward a cathode part 2 on the side. 5 is an electrode of the cathode portion 2, 6 is a vapor deposition material provided on the anode portion 3, and a DC power source 7 is connected therebetween.
[0020]
Reference numeral 8 denotes a susceptor having a heater 9, to which a substrate 10 to which a thin film is attached is attached. 11 is a valve for evacuating the chamber through the exhaust pipe 12, 13 is a gas introduction pipe on the cathode side, and 14 is a gas introduction pipe on the chamber side.
[0021]
A filament 15 is provided as a heating means for thermally activating the atmospheric gas in the film forming chamber 1 and is disposed in the vicinity of the discharge port of the gas introduction pipe 14. Reference numeral 16 denotes a DC power source connected to the filament 15, which is heated by biasing the potential of the filament 15 more positively than the wall potential of the plasma 4.
[0022]
As described above, in the configuration in which, for example, the filament 15 is provided as the heating means for heating the atmospheric gas in the film forming chamber 1, the film forming process is the same as that of the apparatus of FIG. The atmosphere gas is thermally activated by heating. The heating of the filament 15 is performed by biasing the potential of the filament 15 more positively than the wall potential of the plasma 4 by the DC power source 16, and electrons existing in the plasma 4 flow into the filament 15. To do. The atmosphere gas near the red-hot filament 15 is activated by the action of the heat of the filament 15 and the thermoelectrons emitted therefrom.
[0023]
Therefore, the atmospheric gas in the film forming chamber 1 is further activated by the action of the above-described hot filament in addition to being activated by the action of arc discharge. For this reason, more active species such as ions and radicals are generated, and a film having a higher quality than the film produced only by arc discharge can be attached to the substrate 10 by the large amount of active species.
[0024]
Here, in this embodiment, the gas entering from the gas introduction pipe 14 is intensively activated by the filament 15, but the size, shape, and arrangement position of the filament 15 are the purpose of the film formation. It can be set variously according to. For example, as in the second embodiment of FIG. 2, the filaments 15 may be provided on average at positions facing the substrate 10.
[0025]
In the case of the embodiment of FIG. 2, the entire gas reaching the substrate 10 can be activated efficiently, and a high-quality film can be produced as in the above-described embodiment. 1 and 2 may be combined to activate the gas in the vicinity of the discharge port of the gas introduction tube 14 and in the vicinity of the substrate at the same time, and a higher quality film can be attached to the substrate 10.
[0026]
Thus, by changing the shape and position of the filament 15, the atmospheric gas in the film forming chamber 1 can be activated more efficiently, and the specific gas in the atmospheric gas can be easily and efficiently activated at a desired location. Can be generated.
[0027]
FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the filament 15 is used as a resistance heating member and is heated by a DC power source 16. Even in such a heating method, as in the above embodiments, the atmospheric gas in the film forming chamber 1 can be activated efficiently and good film formation can be obtained.
[0028]
In addition to the heating methods of the above-described embodiments, there are many heating methods, and equivalent effects can be obtained by using any of these methods. For example, the gas introduction pipe 14 can be directly heated by a heater.
[0029]
Next, a manufacturing process of a polycrystalline silicon thin film will be described as a specific example. In this case, in the apparatus shown in FIG. 1, Ar gas is supplied at 30 sccm from the cathode side gas introduction tube 13 and H ₂ gas is supplied at 120 sccm from the other gas introduction tube 14, and the inside of the film forming chamber 1 is 70 mTorr by the valve 11. Keep in the state of.
[0030]
Then, plasma 4 by direct-current arc discharge is generated by a direct-current power source 7 under the conditions of 80 V and 200 A to evaporate the raw material silicon as the vapor deposition material 6 in the crucible of the anode part 3. At the same time, a glass substrate as substrate 10 is heated to 300 ° C. by heater 9, and filament 15 is heated by DC power supply 16 with an electric power of 0 to 300 W, so that the thermal activity of H ₂ gas supplied from introduction pipe 14 is increased. A silicon film is attached to the glass substrate while performing the conversion.
[0031]
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the crystallization rate (Volume Fraction of Crystalline) of the polycrystalline silicon film produced as described above and the applied power (Power) of the filament 15, and estimated from the Raman spectrum. It shows the dependence of the crystallization rate (%) of the film on the applied power (W) of the filament.
[0032]
As shown in the figure, the crystallization rate when the filament 15 is not used is 50 to 60%, but the crystallization rate when the filament 15 is heated with a power of about 300 W is improved to 80%. This experimental result shows that the hot filament in the embodiment of the present invention is effective for crystallization of the silicon film.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the heating means for thermally activating the gas in the film forming chamber is provided, the atmospheric gas in the film forming chamber can be activated more efficiently, and a high quality film can be activated. Further, there is an effect that the specific gas in the atmospheric gas can be easily generated efficiently at a desired place.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a third embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the crystallization rate of a silicon thin film and the applied power of a filament. FIG. 5 is a sectional view showing the schematic configuration of a conventional example.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Deposition chamber 2 Cathode part 3 Anode part 4 Plasma 5 Electrode 6 Vapor deposition material 7 DC power supply 9 Heater 10 Substrate 11 Valve 14 Gas introduction pipe 15 Filament (heating means)
16 DC power supply

Claims

In a thin film manufacturing apparatus using arc discharge plasma, a heating means for thermally activating a gas in the film forming chamber is provided in a film forming chamber provided with a substrate to which a thin film material is attached , and the heating means is made of a filament. A thin film manufacturing apparatus characterized in that the potential is positively biased and the electrons existing in the plasma caused by arc discharge are heated to flow .

2. The thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means is disposed in the vicinity of the discharge port of the gas introduction pipe into the film forming chamber.

2. The thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means is provided on an average at a position facing the substrate.

2. The thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the heating means is provided in the vicinity of the discharge port of the gas introduction pipe into the film forming chamber and at a position facing the substrate.

In a thin film preparation method using arc discharge plasma, plasma is generated by arc discharge in a film forming chamber provided with a substrate to which a thin film material is attached , and at the same time , a heating means made of a filament positively biases its potential, and plasma A method for producing a thin film, characterized in that an electron existing therein is heated by flowing in, and a gas in the film formation chamber is heated and thermally activated.