JP4177094B2

JP4177094B2 - プラズマ成膜装置

Info

Publication number: JP4177094B2
Application number: JP2002377333A
Authority: JP
Inventors: 純一郎安西; 純夫中武; 良憲中野; 真一川崎
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2022-12-26
Also published as: JP2004207617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマ化された処理ガスを略常圧下で基材に吹き付けて成膜する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特許文献１には、常圧下において処理ガスを一対の電極間に導入するとともに印加電界によりプラズマ化させ、これをノズルの先に配された基材に吹き付ける常圧プラズマ処理装置が記載されている。
ところで、一般に、常圧ＣＶＤなどの成膜装置では、膜の原料を含むガスが、基材に付着すべきところ、装置の側に付着してしまうことがある。そこで、ノズルの周辺から排気部にかけての壁面を金網で構成し、その網目から不活性ガスを吹出すことにより、装置側への膜の付着を防止する技術が知られている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２５１３０４号公報（第１頁、第２図）
【特許文献２】
特開平３−２４８４１５号公報（第１頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上掲特許文献１のような常圧プラズマ処理装置を成膜に適用する場合、基材に吹付け後の処理ガスが、十分成膜されないまま基材から離れ去ってしまうようでは不経済である。そこで、装置側の基材との対向面を広くして、これと基材との間に処理ガスを這わせることが考えられる。しかし、そうすると、上記対向面への膜付着を助長することになる。
また、上掲特許文献２の金網では、網目からの不活性ガスで処理ガス流が乱され、基材への成膜効率を損なうおそれがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明は、プラズマ化（イオン状態だけでなくラジカル状態も含む）された処理ガスを略常圧下で基材に吹き付けて成膜するプラズマ成膜装置であって、上記処理ガスの吹出し孔が配された吹出し領域と、この吹出し領域から張出して処理ガスの成膜割合を稼ぐ張出し領域とを有して、基材と対向すべき基材対向部と、この基材対向部の基材対向面とは逆側に接続された不活性ガス導入手段とを備え、上記基材対向部の２つの領域のうち少なくとも張出し領域が、上記導入手段からの不活性ガス（対向面被覆層形成ガス）を基材対向面へ向けて浸透させ、しかもその浸透度ひいては基材対向面からのしみ出し度が上記処理ガスの基材対向面への接触を該処理ガスの流れを乱さずに阻止し得る程度のガス浸透性材料で構成されていることを特徴とする。
これによって、基材対向面の特に張出し領域に、不活性ガスの薄い層を形成することができ、基材対向面への膜付着を確実に防止することができる。それとともに、処理ガス流を乱すことなく、吹出し領域は勿論、張出し領域と基材との間にも導くことができ、基材への成膜効率を高め、原料のロスを低減することができる。
【０００６】
上記ガス浸透性材料は、多孔質セラミックなどの多孔質材料であることが望ましい。これによって、所望の浸透度ひいてはしみ出し度を簡単かつ確実に得ることができる。特に、多孔質セラミックで構成することにより、絶縁性をも確実に確保することができる。
【０００７】
上記基材対向部の張出し領域における基材対向面とは逆側面に、上記ガス導入手段からの不活性ガスを一旦貯める溝が基材対向面へ向けて凹むように形成されていることが望ましい。これによって、張出し領域の基材対向部を薄肉にでき、その基材対向面に不活性ガスの膜を確実に形成でき、この面への膜付着を一層確実に防止することができる。
【０００８】
上記基材対向部の短手方向の中央部が、長手方向にわたる吹出し孔を有して上記吹出し領域となり、短手方向の両端部が、一対の上記張出し領域となっており、これら張出し領域の各々に、上記溝が長手方向に延びるようにして形成されていることが望ましい。これによって、長手方向は勿論、短手方向にも、吹出し領域の両側の張出し領域に及ぶ広い範囲にわたって一度に効率的に成膜でき、しかも張出し領域の基材対向面の長手方向にわたって膜付着を確実に防止することができる。なお、ここにおける吹出し孔は、長手方向に延びるスリット状の孔のほか、長手方向に並んだスポット状の孔をも含む。
【０００９】
上記基材対向部の全体が、ガス浸透性材料で一体形成されており、上記溝の吹出し領域を向く内側面に、ガス浸透を阻止するガス浸透阻止部材が設けられていることが望ましい。これによって、吹出し領域においては処理ガス流が不活性ガスで乱されたり薄められたりするのを確実に防止でき、高品質の成膜を行なうことができる。
【００１０】
上記溝の深さ方向の中間部には、溝を上記不活性ガス導入手段に連なる上段溝部と、基材対向面寄りの下段溝部とに仕切る仕切りが設けられ、この仕切りが、上記基材対向部を構成するガス浸透性材料よりガスの通りが十分高いガス透過性を有していることが望ましい。これによって、不活性ガスを溝の長手方向に十分に均一化させることができ、張出し領域の基材対向面への膜付着を長手方向にわたって確実に防止することができる。
上記仕切りは、上記ガス浸透性材料より目の十分に粗い多孔板で構成されているのが望ましい。
【００１１】
上記ガス浸透阻止部材は、上段溝部の吹出し領域を向く内側面にだけ設けるのが望ましい。下段溝部を上段溝部より大容積にするのが望ましい。上記ガス浸透阻止部材を上段溝部にだけ設けることによって、下段溝部を上段溝部より大容積にすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、常圧プラズマ成膜装置Ｍ１を示したものである。プラズマ成膜装置Ｍ１は、基材搬送手段８０と、この搬送手段８０に載せられた基材９０の上方に位置するようにして架台（図示せず）に支持されたノズルヘッド１０を備えている。基材搬送手段８０は、大面積の板状の基材９０を前方（図１において右）へ移動させる。勿論、基材９０が固定されてノズルヘッド１０が移動されるようになっていてもよい。常圧プラズマ成膜装置Ｍ１は、この基材９０の上面（表側面）に例えばアモルファスシリコン(ａ-Ｓｉ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の膜９２を形成するようになっている。
【００１３】
ノズルヘッド１０は、基材９０と対向すべきノズルエンドプレート１１（基材対向部）と、その上側に配された４つの電極３１，３２と、これら電極３１，３２を支持する電極ホルダ１７とを備え、図１の紙面と直交する左右方向に長く延びている。ノズルエンドプレート１１は、本発明の主要部に係るものであるので、追って詳述する。
【００１４】
図１および図２に示すように、電極３１，３２は、幅方向を上下に向けて左右に延びる長板状をなし、互いに前後に平行に並べられている。中側の２つのホット電極３１は、左端部（長手方向の一端部）の給電ピン３３及び給電線３４を介して電界印加装置３に接続されている。前後両端側の２つのアース電極３２は、右端部（長手方向の他端部）の給電ピン３５及び給電線３６を介して接地されている。
【００１５】
図１に示すように、中側のホット電極３１どうし間の隙間３０ｍの上端部には、原料ガス路４１を介して原料ガス源４Ａが連ねられている。原料ガス源４Ａには、膜９２となる原料ガス（例えばシラン（ＳｉＨ₄））が貯えられている。両側の互いに異なる極性の電極３１，３２どうし間の隙間（プラズマ化空間）３０ｆ，３０ｒの上端部には、励起ガス路４２を介して励起ガス源４Ｂが連ねられている。励起ガス源４Ｂには、プラズマにより励起して原料ガスの反応を起こさせる励起ガス（例えば水素や窒素）が貯えられている。
これらガス源４Ａ，４Ｂの原料ガスと励起ガスとによって、特許請求の範囲の「処理ガス」が構成されている。
なお、図示は省略するが、ノズルヘッド１０の電極３１，３２の直上には、ガス路４１，４２からの各ガスを左右長手方向に均一化して隙間３０ｆ，３０ｍ，３０ｒへ導入するガス均一化部が設けられている。
【００１６】
図１および図３に概略図示するように、ノズルヘッド１０の電極ホルダ１７は、絶縁樹脂製の板などで構成され、電極３１，３２間の隙間３０ｆ，３０ｍ，３０ｒを維持するとともに電極３１，３２全体を前後左右の側部から囲んでいる。
【００１７】
本発明の主要部を構成するノズルエンドプレート１１について説明する。
図１〜図３に示すように、ノズルエンドプレート１１は、左右に延びる平面視長方形の水平板状をなしている。ノズルエンドプレート１１は、絶縁性の、しかも多孔質のセラミック（ガス浸透性材料）で構成されている。その気孔径は、例えば１０μｍ程度、気孔率は例えば４７％程度である。
【００１８】
このノズルエンドプレート１１が、電極３１，３２および電極ホルダ１７の下方（先端側）に配されて基材９０と対向するようになっている。図１および図２に示すように、ノズルエンドプレート１１の幅方向（短手方向）は、４つの電極３１，３２全体の前後の幅よりも大きく前後に張出している。ノズルエンドプレート１１において、電極３１，３２に対応する幅方向の中央部が、吹出し領域１１Ｒ₁となり、幅方向の両端部が、一対の張出し領域１１Ｒ₂となっている。
【００１９】
図１〜図３に示すように、ノズルエンドプレート１１の吹出し領域１１Ｒ₁の上面（基材９０との対向面（下面）とは逆側）には、凹部１１ａが形成されている。この凹部１１ａに電極３１，３２の下端部が差し入れられている。ノズルエンドプレート１１には、凹部１１ａの底から下面へ達するとともに左右に細長く延びる３条のスリット状吹出し孔１１ｆ，１１ｍ，１１ｒが前後に並んで形成されている。これら吹出し孔１１ｆ，１１ｍ，１１ｒが、対応する電極間隙間３０ｆ，３０ｍ，３０ｒにそれぞれ連なっている。
【００２０】
ノズルエンドプレート１１の前後の張出し領域１１Ｒ₂の上面には、左右に細長く延びる溝１１ｂがそれぞれ形成されている。溝１１ｂは、ノズルエンドプレート１１の下面の近くまで深く凹んでいる。これによって、溝１１ｂの部分では、ノズルエンドプレート１１が薄肉になっている。
【００２１】
溝１１ｂの深さ方向の中間部には、小さな段差１１ｃが形成されている。この段差１１ｃに、細棒材１２（ガス浸透阻止部材）とアングルプレート１３（仕切り）とが引っ掛けられている。細棒材１２は、非多孔質セラミック（ガス浸透阻止材料）で構成され、断面四角形状をなして溝１１ｂに沿って左右に延びている。この細棒材１２が、段差１１ｃより上側の溝１１ｂ（後記溝部１１ｄ）の吹出し領域１１Ｒ₁側の内側面に押し当てられている。
【００２２】
アングルプレート１３は、１ｍｍ程度の多数の小孔１３ａが密に形成されたパンチングメタル（多孔板）で構成され、多孔質セラミック製のノズルエンドプレート１１よりガスの透過性が十分に大きくなっている。アングルプレート１３は、断面Ｌ字状をなして溝１１ｂに沿って左右に細長く延びている。このアングルプレート１３の底辺部によって、溝１１ｂが、上下二段の溝部１１ｄ，１１ｅに仕切られている。下段溝部１１ｅは、細棒材１２が無い分だけ上段溝部１１ｄより幅広で大容積になっている。
なお、アングルプレート１３において細棒材１２に当てられる縦片部には、小孔１３ａが形成されていなくてもよい。この孔無し縦片部を溝部１１ｄの吹出し領域１１Ｒ₁側面に直接当てることにし、細棒材１２を省くことにしてもよい。
【００２３】
ノズルエンドプレート１１の前後の張出し領域１１Ｒ₂の上側には、上記電極ホルダ１７を前後から挟む一対の断面コ字状のサイドフレーム１４が設けられている。このサイドフレーム１４によって、上段溝部１１ｄの上面開口が塞がれている。サイドフレーム１４の下面には、上段溝部１１ｄをシールするためのＯリング１６が設けられている。
【００２４】
更に、一対のサイドフレーム１４には、上段溝部１１ｄに連通する不活性ガス導入パイプ１５がそれぞれ設けられている。この不活性ガス導入パイプ１５が、不活性ガス路２２を介して不活性ガス源２１に連なっている。不活性ガス源２１には、窒素などの不活性ガスが貯えられている。なお、不活性ガス導入パイプ１５は、ノズルヘッド１０の左右に離れて２箇所に設けられているが、これに限定されるものではなく、左右に離れて３箇所以上に設けられていてもよく、左右方向の中央の１箇所に設けられていてもよい。
不活性ガス源２１と、不活性ガス路２２と、不活性ガス導入パイプ１５と、溝部１１ｄを塞ぐサイドフレーム１４とによって、不活性ガス導入手段２０が構成されている。
【００２５】
なお、ノズルヘッド１０の外側には、排気ダクト５０が設けられている。排気ダクト５０の下方へ開口された吸込み口５１は、ノズルエンドプレート１１の下端の外周を囲んでいる。排気ダクト５０の上端部には、排気ポンプ（図示せず）が接続されている。
【００２６】
上記のように構成されたプラズマ成膜装置Ｍ１の動作について説明する。
原料ガス源４Ａからの原料ガスが、ノズルヘッド１０の上記ガス均一化部によって左右長手方向に均一化されたうえで、２つのホット電極３１間の隙間３０ｍを経て、中央の吹出し孔１１ｍから吹出される。また、励起ガス源４Ｂからの励起ガスが、左右長手方向に均一化されたうえでホット電極３１とアース電極３２との間の隙間３０ｆ，３０ｒに導入される。併せて、電圧印加装置３からの電圧がホット電極３１に印加される。これによって、励起ガスがプラズマ化（励起）された後、前後の吹出し孔１１ｆ，１１ｒから吹出される。この励起ガスに、上記吹出し孔１１ｍからの原料ガスが合流する。これによって、原料ガスの反応が起き、ノズルエンドプレート１１の吹出し領域１１Ｒ₁直下の基材９０の上面に膜９２が形成される。
【００２７】
吹出し領域１１Ｒ₁を過ぎた原料ガス及び励起ガス（すなわち処理ガス）の流れａ（図１）は、張出し領域１１Ｒ₂と基材９０との間へ導かれていく。これによって、張出し領域１１Ｒ₂直下の基材９０にも膜９２を形成することができる。この結果、原料の成膜割合を稼ぎ、ロスを小さくすることができる。
【００２８】
上記の成膜操作と併行して、不活性ガス源２１からの不活性ガスが、路２２及びパイプ１５を経て、上段溝部１１ｄに導入される。その後、不活性ガスは、アングルプレート１３の底辺部の多数の小孔１３ａを通る。この時、圧損が生じる。そして、下段溝部１１ｅへ送られ、膨張する。これによって、不活性ガスを左右長手方向に均一化させることができる。
【００２９】
更に、不活性ガスは、下段溝部１１ｅの内周面（底面及び前後の側面）から多孔質のノズルエンドプレート１１の内部に浸透していく。そして、ノズルエンドプレート１１の張出し領域１１Ｒ₂の下面から微量ずつしみ出す。これによって、張出し領域１１Ｒ₂の下面が、不活性ガスの薄い層ｂで覆われる（図１）。この不活性ガス層ｂによって、処理ガス流ａが、ノズルエンドプレート１１の張出し領域１１Ｒ₂に直接触れないようにすることができる。この結果、ノズルエンドプレート１１の張出し領域１１Ｒ₂に膜が付着するのを防止することができる。特に、溝部１１ｅの部分ではノズルエンドピース１１が非常に薄肉になっているので、その下方に不活性ガス層ｂを確実に形成することができ、膜付着を確実に防止することができる。
【００３０】
一方、不活性ガスのしみ出し量が微量であるため、処理ガス流ａは、殆ど乱されることがない。これによって、張出し領域１１Ｒ₂直下の基板９０への成膜を確実に行なうことができる。加えて、ノズルエンドプレート１１への付着が無い分だけ基材９０への成膜量を増やすことができる。この結果、原料のロスを一層確実に小さくすることができ、成膜効率を一層高めることができる。
【００３１】
ところで、上段溝部１１ｄにおける不活性ガスは、ガス浸透性の全く無い細棒材１２によって吹出し領域１１Ｒ₁側への浸透を阻止される。これによって、吹出し領域１１Ｒ₁には、不活性ガス層ｂが殆ど及ばないようにすることができる。したがって、吹出し領域１１Ｒ₁における活性種を多く含む処理ガス流ａは、不活性ガスで乱されたり薄められたりすることがない。これによって、吹出し領域１１Ｒ₁直下の基材９０上に作られる膜９２の品質を確実に良好にすることができる。一方、この吹出し領域１１Ｒ₁では、ノズルエンドピース１１に膜が付着することはあまりないので、不活性ガス層ｂが形成されていなくても支障がない。
【００３２】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の改変が可能である。
例えば、ノズルエンドピース１１の張出し領域１１Ｒ₂については、多孔質セラミックなどのガス浸透性材料で形成する一方、吹出し領域１１Ｒ₁については、非多孔質セラミックなどのガス浸透阻止材料で形成することにしてもよい。
基材対向部としてのノズルエンドピース１１は吹出し領域１１Ｒ₁のみを有し、ノズルエンドピース１１とは別途の構成部材（例えばノズルヘッド１０の水平架台）により張出し領域１１Ｒ₂を構成してもよい。
実施形態では、原料ガスと励起ガスが、ノズルヘッドからの吹出し後に合流されるようになっているが、印加電界でプラズマ化後の励起ガスに原料ガスを合流させたうえで吹出すことにしてもよい。
吹出し領域１１Ｒ₁の基材対向面にアース電極を配し、その逆側面とホット電極との間にプラズマ化空間を形成してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基材対向面の特に張出し領域に、不活性ガスの薄い層を形成することができ、この面への膜付着を確実に防止することができる。しかも、処理ガス流を、乱すことなく、吹出し領域は勿論、張出し領域と基材との間にも導くことができ、基材への成膜効率を高め、原料のロスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る常圧プラズマ成膜装置の概略構成、及び該装置のノズルヘッドの側面断面を示す図である。
【図２】図１のII−II線に沿う上記ノズルヘッドのノズルエンドプレートの平面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う上記ノズルヘッドの正面断面図である。
【符号の説明】
Ｍ１常圧プラズマ成膜装置
１０ノズルヘッド
１１ノズルエンドプレート（基材対向部）
１１Ｒ₁ 吹出し領域
１１Ｒ₂ 張出し領域
１１ｆ，１１ｍ，１１ｒ吹出し孔
１１ｂ溝
１１ｄ上段溝部
１１ｅ下段溝部
１２細棒材（ガス浸透阻止部材）
１３アングルプレート（仕切り）
２０不活性ガス導入手段
２１不活性ガス源
９０基材
９２基材上面の膜

Claims

プラズマ化された処理ガスを略常圧下で基材に吹き付けて成膜するプラズマ成膜装置であって、
上記処理ガスの吹出し孔が配された吹出し領域と、この吹出し領域から張出して処理ガスの成膜割合を稼ぐ張出し領域とを有して、基材と対向すべき基材対向部と、
この基材対向部の基材対向面とは逆側に接続された不活性ガス導入手段とを備え、
上記基材対向部の２つの領域のうち少なくとも張出し領域が、上記導入手段からの不活性ガスを基材対向面へ向けて浸透させ、しかもその浸透度ひいては基材対向面からのしみ出し度が上記処理ガスの基材対向面への接触を該処理ガスの流れを乱さずに阻止し得る程度のガス浸透性材料で構成されていることを特徴とするプラズマ成膜装置。
上記ガス浸透性材料が、多孔質であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
上記ガス浸透性材料が、多孔質セラミックであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
上記基材対向部の張出し領域における基材対向面とは逆側面に、上記ガス導入手段からの不活性ガスを一旦貯める溝が基材対向面へ向けて凹むように形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のプラズマ成膜装置。
上記基材対向部の短手方向の中央部が、長手方向にわたる吹出し孔を有して上記吹出し領域となり、短手方向の両端部が、一対の上記張出し領域となっており、これら張出し領域の各々に、上記溝が長手方向に延びるようにして形成されていることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ成膜装置。
上記基材対向部の全体が、ガス浸透性材料で一体形成されており、上記溝の吹出し領域を向く内側面に、ガス浸透を阻止するガス浸透阻止部材が設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載のプラズマ成膜装置。
上記溝の深さ方向の中間部には、溝を、上記不活性ガス導入手段に連なる上段溝部と、基材対向面寄りの下段溝部とに仕切る仕切りが設けられ、この仕切りが、上記ガス浸透性材料よりガスの通りが十分高いガス透過性を有していることを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載のプラズマ成膜装置。