JP4858801B2 - マイクロ波表面波酸素プラズマを利用した薄膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波酸素プラズマ内に成膜材を蒸発させ、酸素プラズマによって酸化された化合物を基板面に堆積させて薄膜形成する薄膜形成装置に関する。

透明薄膜の形成装置には各種のものがあるが、その一例を図５に示す。
図５は、ＲＦ成膜装置の簡略図である。
図示するように、このＲＦ成膜装置は、チャンバ１１内に設けられているコイルアンテナ１２を１３．５６ＭＨｚ程度の高周波電力源ＲＦによって給電することにより、このコイルアンテナ１２よりプラズマ１３を発生させる構成となっている。

また、このＲＦ成膜装置は、チャンバ１１内の下方部に、亜鉛（Ｚｎ）材を蒸発させる蒸発源１４を備えている。
この蒸発源１４は、Ｚｎ材を導電性容器に内装させた形態のもので、導電性容器に電流を流すことで、この容器を抵抗加熱させ、内部のＺｎ材を蒸発させる。

さらに、チャンバ１１内には、支持柱１５が設けられ、この支持柱１５の先端部に設けられた保持具１６によってガラス基板１７をプラズマ１３の上方に水平に保持するようになっている。
なお、このガラス基板１７は、チャンバ１１の上方部に備えられた基板加熱装置１８によって均一加熱される。

また、このＲＦ成膜装置は、チャンバ１１内が真空ポンプ１９によって減圧されると共に、Ｏ_２ボンベ２０からチャンバ１１内に酸素ガスが供給される。

上記したＲＦ成膜装置は、蒸発源１４の抵抗加熱によって蒸発した蒸発Ｚｎがプラズマ１３によって酸化され、ＺｎＯ化合物がガラス基板１７に堆積し、ガラス基板面に透明な薄膜が形成される。

このように形成される透明薄膜は、表面波デバイス、圧電薄膜、バンドパスフィルタ−などに有効に利用される。

上記したＲＦ成膜装置は、電磁波によるプラズマを用いて薄膜を形成する場合、工業的に広く用いられているが、次のような欠点を有している。
先ず、ガラス基板１７を加熱するための基板加熱装置１８が必要なる。
また、プラズマ密度が低いためＺｎＯ化合物の堆積に時間がかかる他に、プラズマ温度が高いので基板に熱ダメ−ジを与えることがあり、均一な膜形成ができず透明膜性能の向上が難しい。

初歩から学ぶ真空技術（株式会社工業調査会、１９９９年７月発行） 高周波の基礎と応用（東京電機大学出版局、１９９０年１０月発行）

解決しようとする問題点は、基板加熱装置を必要としない薄膜形成装置を提供すること、可能なるかぎり広い基板面に薄膜形成することができ、かつ、膜性能を向上させることができる薄膜形成装置を提案することにある。

上記した問題点を解決するため、本発明では、第１の発明として、減圧室にマイクロ波電力と酸素ガスとを供給してマイクロ波表面波酸素プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記減圧室内に設けて成膜材を蒸発させる蒸発手段と、前記減圧室内に設け、前記マイクロ波表面波酸素プラズマによって加熱する基板とを備え、蒸発してマイクロ波表面波酸素プラズマに晒されて酸化される成膜材の化合物を基板に堆積させ薄膜を形成することを特徴とするマイクロ波表面波酸素プラズマを利用した薄膜形成装置を提案する。

第２の発明として、第１の発明の薄膜形成装置において、Ｚｎ材の蒸発手段を設け、基板面にＺｎＯ化合物の透明薄膜を形成することを特徴とするマイクロ波表面波酸素プラズマを利用した薄膜形成装置を提案する。

第３の発明としては、前記プラズマ発生手段は、マイクロ波電力を供給するマイクロ波窓を減圧室の底部側に設け、上記蒸発手段をそのマイクロ波窓と同じ高さとなる減圧室内の底部側又はマイクロ波窓より高い位置となる減圧室の内側位置に設置したことを特徴とするマイクロ波表面波酸素プラズマを利用した薄膜形成装置を提案する。

薄膜に結晶性を持たせるためには何らかの方法で基板を加熱（５０〜３００℃）するための加熱装置が必要となるが、第１の発明の薄膜形成装置によれば、基板が酸素プラズマによって加熱されることから、基板加熱装置を別設する必要がない。
この結果、加熱装置による基板への熱ダメ−ジが防止でき、また、装置コストの低減が図れる。
また、マイクロ波を利用した酸素プラズマは、電子密度が高く、プラズマ温度の低い表面波プラズマとして発生させることができるので、プラズマ領域が広く、広い面積の基板についても薄膜形成することが可能になると共に、膜性能も向上させることができる。

第２の発明の薄膜形成装置は、Ｚｎ（亜鉛）材の蒸発手段を設け、蒸発したＺｎ材を酸素プラズマによって酸化させて薄膜形成する。
これにより、ＺｎＯ化合物が基板に堆積するから、透明な薄膜が基板に形成される。

第３の発明の薄膜形成装置は、蒸発手段をマイクロ波窓に対して同じ高さ又は高い位置に設置することにより、蒸発した成膜材や成膜材の酸化物（化合物）がマイクロ波窓側に向かわないようにしてある。
すなわち、成膜材や成膜材の酸化物がマイクロ波窓（石英ガラスなど）に付着することを防止する構成となっている。

次に、本発明の実施形態について図面に沿って説明する。
図１は、本発明の第１実施形態として示した薄膜形成装置の簡略図である。
この薄膜形成装置は、チャンバ２１の一側部にマイクロ波窓２２を設け、このマイクロ波窓２２からマイクロ波電力Ｐをチャンバ２１内に供給する。

なお、本実施形態では、石英ガラスによって形成したマイクロ波窓２２となっており、マイクロ波発振源から発振されたマイクロ波電力を導波管を介してマイクロ波窓に送り、このマイクロ波窓２２からチャンバ２１内に照射する構成としてある。

また、この実施形態では、真空ポンプ２３によってチャンバ２１内を減圧すると共に、Ｏ_２ボンベ２４からチャンバ２１内に酸素ガスを供給するようにして、チャンバ２１内にマイクロ波による酸素プラズマ２５を発生させる構成としてある。

その他、図示する参照符号２６はＺｎ材を蒸発させる従来例同様の蒸発源、２７はガス供給路に設けたバルブ、２８はガラス基板、２９、３０はガラス基板２７の支持柱と保持具を各々示す。

上記した薄膜形成装置は、蒸発源２６から蒸発したＺｎ材が酸素プラズマ２５によって酸化され、酸化物としてのＺｎＯ化合物がガラス基板２８に堆積し、このガラス基板２８に透明薄膜が形成される。

本実施形態では、膜厚３７０（ｎｍ）、電気抵抗１．７５×１０^８（Ω）、透過率８１（％）のＺｎＯ膜を形成し、このＺｎＯ膜をＸＲＤ（Ｘ線回折装置）によって検査した。
なお、金属のＺｎは酸化すると透明度と電気抵抗が上がる。

図２は、この検査によって得られた結晶性を示す特性図である。
この特性図において、横軸は試料としてのＺｎＯ膜に照射するＸ線の角度、縦軸は回折線のピ−クの強度を表わす。

この特性図から分かる通り、マイクロ波酸素プラズマで酸化したＺｎＯ膜は、回折線のピ−クが３個、つまり、結晶構造が３種類の多結晶薄膜となることが判明した。

図３は、本発明の第２実施形態として示した図１同様の薄膜形成装置の簡略図である。
この薄膜形成装置は、Ｚｎ材の蒸発源２６の他に、Ｇａ材の蒸発源３３を備えている。
Ｇａ材の蒸発源３３はＧａ材を内装させた導電性容器となっており、Ｚｎ材の蒸発源２６と同様に電流を流すことによって抵抗加熱させてＧａ材を蒸発させる構成となっている。
なお、Ｚｎ粉末とＧａ粉末とを混ぜ合せて一つの導電性容器に内装させた蒸発源として構成することもできる。

本実施形態の薄膜形成装置では、Ｚｎ材と共にＧａ材が蒸発し、これらＺｎ材とＧａ材とが酸素プラズマ２５によって酸化されるため、Ｇａ材を含むＺｎＯ化合物がガラス基板２８に堆積する。

したがって、このように堆積して形成された薄膜は電気抵抗が低い透明薄膜となるので、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ、レーザーダイオードなどの透明電極として構成することができる。

なお、本実施形態では、Ｇａ材である不純物を化合物ＺｎＯに含有させ、薄膜の電気抵抗を低減させたが、Ａｌ（アルミ）などを不純物として含有させても同様の効果を得ることができる。

図４は本発明の第３実施形態として示した薄膜形成装置の簡略図である。
この第３実施形態では、ガラス基板をチャンバに順次送り込み、各々のガラス基板に連続的に薄膜形成する構成となっている。
本実施形態の薄膜形成装置は、チャンバ４１の搬入口４１ａ側に前予備室４２を備え、チャンバ４１の搬出口４１ｂ側に後予備室４３を備えている。

チャンバ４１は、底面側に複数のマイクロ波窓４４ａ、４４ｂ、４４ｃを設け、導波管４５ａ、４５ｂ、４５ｃを介して送られるマイクロ波電力をそれらのマイクロ波窓４４ａ、４４ｂ、４４ｃから供給し、チャンバ４１内に広い範囲の表面波酸素プラズマ４６を発生させる。

また、チャンバ４１内には、複数の蒸発源４７ａ、４７ｂを設け、これら蒸発源４７ａ、４７ｂからＺｎ材を上方に蒸発させる。
さらに、ガラス基板４８は転送ロ−ラ４９によってチャンバ４１内に送り込むが、転送ロ−ラ４９を正転、逆転させてガラス基板４８を少ない距離で往復動させながら、ＺｎＯの膜を形成する。
なお、チャンバ４１には、減圧するための真空ポンプ５０とＯ_２ガスを供給するガスパイプ５１が設けてある。

前予備室４２は、ガラス基板４８の送入口と送出口にシャッタ５２ａ、５２ｂを備え、シャッタ５２ｂを閉じた状態でシャッタ５２ａを開いてガラス基板４８を前予備室４２内に挿入する。この場合、図示二点差線で示す如く、ガラス基板４８が転送ロ−ラ５３によって送り込まれる。

ガラス基板４８が前予備室４２に送入されると、シャッタ５２ａが閉じ、その後、真空ポンプ５４によって前予備室４２内が減圧される。
続いて、シャッタ５２ｂが開き、ガラス基板４８が図示実線で示す如く、前予備室４２からチャンバ４１内に搬入され、ＺｎＯ膜の成膜動作が行なわれる。

後予備室４３は、前予備室４２と同様に、ガラス基板４８の送入口と送出口にシャッタ５５ａ、５５ｂを備えている。
この後予備室４３は成膜形成したガラス基板４８をチャンバ４１から搬出させるときに、真空ポンプ５６によって減圧し、その後、シャッタ５５ａを開き、ガラス基板４８を後予備室４３内に送り込む。この送り込みは転送ロ−ラ４９、５７で行なわれる。

図示二点差線で示すようにガラス基板４８が後予備室４３内に送り込まれると、シャッタ５５ａが閉じ、シャッタ５５ｂが開き、ガラス基板４８が後予備室４３から送り出される。

上記したように、本実施形態によれば、ガラス基板４８が前予備室４２、チャンバ４１、後予備室４３を搬送されることによって成膜形成されるから、多数のガラス基板の連続成膜が可能になると共に、面積の広いガラス基板についても薄膜形成することができる。

また、この第３実施形態のように、蒸発源をマイクロ波窓より上位置に設けることによって、蒸発したＺｎ材やその化合物ＺｎＯがマイクロ波窓に付着することを防止することができる。

以上、実施形態について説明したが、蒸発させる成膜材としては、銀、ニッケル、錫、チタンなどを用いることができ、さらに、成膜する基板はガラス基板にかぎらず、その他の材料からなる基板を用いることができる。

マイクロ波電力を利用して成膜する薄膜形成装置として利用することができる。

第１実施形態として示した薄膜形成装置の簡略図である。 上記の薄膜形成装置によって形成した薄膜の結晶性を示した特性図である。 Ｚｎ材とＧａ材の蒸発源を備えた第２実施形態を示す薄膜形成装置の簡略図である。 多数のガラス基板を連続的に成膜形成する構成とした第３実施形態を示す薄膜形成装置の簡略図である。 従来例として示した薄膜形成装置の簡略図である。

符号の説明

２１ チャンバ
２２ マイクロ波窓
２３ 真空ポンプ
２４ Ｏ_２ボンベ
２５ 酸素プラズマ
２６ Ｚｎ材の蒸発源
２８ ガラス基板

Claims (3)

1. 減圧室にマイクロ波電力と酸素ガスとを供給してマイクロ波表面波酸素プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
   前記減圧室内に設けて成膜材を蒸発させる蒸発手段と、
   前記減圧室内に設け、前記マイクロ波表面波酸素プラズマによって加熱する基板とを備え、
   蒸発してマイクロ波表面波酸素プラズマに晒されて酸化される成膜材の化合物を基板に堆積させ薄膜を形成することを特徴とするマイクロ波表面波酸素プラズマを利用した薄膜形成装置。
2. 請求項１に記載した薄膜形成装置において、
   Ｚｎ材の蒸発手段を設け、基板面にＺｎＯ化合物の透明薄膜を形成することを特徴とするマイクロ波表面波酸素プラズマを利用した薄膜形成装置。
3. 請求項１に記載した薄膜形成装置において、
   前記プラズマ発生手段は、マイクロ波電力を供給するマイクロ波窓を減圧室の底部側に設け、上記蒸発手段をそのマイクロ波窓と同じ高さとなる減圧室内の底部側又はマイクロ波窓より高い位置となる減圧室の内側位置に設置したことを特徴とするマイクロ波表面波酸素プラズマを利用した薄膜形成装置。

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