JPH02115371A - プラズマｃｖｄ薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、プラズマＣＶＤ薄膜の形成方法に関し、特に
チャンバ内に２種以上の原料気体を供給してプラズマＣ
ＶＤ薄膜を形成する方法の改良に係わる。

［従来の技術及び課題］ 従来、立体基体に薄膜を形成する方法としては熱ＣＶＤ
法が採用されてきた。この方法は、原料気体を真空チャ
ンバ内で熱エネルギーにより化学反応を起こさせて該チ
ャンバ内に配置した立体基体上に薄膜を形成する方法で
ある。かかる熱ＣＶＤ法は、立体基体上に強靭な薄膜を
密着性よく、かつ付き回り性よく形成できる特徴を有す
る。

しかしながら、薄膜形成に必要な化学反応は通常１００
０℃以上の高温で行われることが多いため、立体基体を
構成する材料が制約される。例えば、熱的損傷が生じ易
い材料や熱膨張による寸法変化が生じ易い材料からなる
基体には前記熱ＣＶＤ法を適用することは困難となる８
゜ このようなことから、近年、イオンブレーティング法等
の物理蒸着法（ＰＶＤ法）が開発され、低温での薄膜形
成が可能となった。しかしながら、ＰＶＤ法では立体基
体に対する蒸着物質の付き回り性が低いという問題があ
った。特に、大型立体基体では前記付き回り性の低下が
顕著となるため、実質的にＰＶＤ法を適用することは困
難であった。

そこで、ＣＶＤ法の良好な付き回り性とＰＶＤ法の低温
での薄膜形成という両者の長所を兼ね備えたプラズマＣ
ＶＤ法が開発された。このプラズマＣＶＤ法は、原料気
体の化学反応に必要な熱エネルギーの一部又は全部をプ
ラズマによる電気エネルギーで代替することによって低
温での薄膜形成を可能としたものである。プラズマＣＶ
Ｄ法では、従来の熱ＣＶＤ法と同様に真空チャンバ内に
原料気体をノズルを通して供給し、該チャンバ内に配置
した立体基体に直流又は高周波を印加してグロー放電を
起こさせてプラズマを発生させる。

この時、チャンバ内に供給された原料気体はプラズマ中
を通過する際にイオン、ラジカル、原子、分子などの活
性な励起種となり、これらの励起種は低温で反応が進行
するため、立体基体上に低温で薄膜が形成されると考え
られている。従って、プラズマＣＶＤ法では立体基体上
に付き回り性が良好な薄膜を低温で形成することが可能
となる。

ところで、上述した従来のプラズマＣＶＤ法において２
種以上の原料気体を立体基体が配置さ簀た真空チャンバ
内に供給する場合、該チャンバ内に先端を前記基体に対
して一定の位置関係で同一のノズル（１本のノズル）を
挿入し、予め混合した２種以上の原料気体を該ノズルを
通して該チャンバ内に供給する方法が採用されている。

しかしながら、２種以上の原料気体を同一のノズルを通
してチャンバ内に供給する方法ではチャンバ内の立体基
体上に目的とする組成比率の薄膜を形成できる領域が狭
くなるため、例えば大型立体基体に適用すると形成され
た薄膜の組成比率が不均一となる問題があった。

なお、従来のプラズマＣＶＤ法において他の原料気体と
反応し易い原料気体（例えばＮＨ３）を立体基体が配置
された真空チャンバ内に供給する場合、例外的に各原料
気体を別々のノズルを通して該チャンバ内に供給する方
法が採用されている。

この場合、各ノズルは先端とチャンバ内に配置された立
体基体との距離が夫々同一となるように挿入しており、
前述した１本のノズルを用いる場合と本質的に同じ条件
に設定している。このため、チャンバ内の立体基体上に
目的とする組成比率の薄膜を形成できる領域が狭くなる
という同様な問題を有する。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、真空チャンバ内に配置される立体基体上に目的と
する組成比率の薄膜を形成できる領域を拡大して大型の
立体基体上にも低温にて付き回り性が良好で目的とする
組成比率の薄膜を形成し得るプラズマＣＶＤ薄膜の形成
方法を提供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、プラズマＣＶＤ法により２種以上の原料気体
を真空チャンバ内で反応させて立体基体上に薄膜を形成
するに際し、前記２種以上の原料気体を各原料気体毎に
１本以上の独立したノズルから供給し、かつ前記立体基
体を包含するプラズマ空間において各ノズルから供給さ
れた原料気体を成膜反応に適した活性状態にさせる初期
位置が互いに同一もしくはほぼ同一となるように各ノズ
ルの気体噴出部と前記基体の間の距離を異ならせること
を特徴とｆるプラズマＣＶＤ薄膜の形成方法である。

上記原料気体は、各ノズル毎に希釈気体と共にチャンバ
内に供給することが望ましい。この希釈気体は、原料気
体と反応しない気体が望ましいが、ノズル閉塞等の障害
が生じない条件で用いる場合には反応性気体を用いても
よい。かかる希釈気体の好ましい例としては、Ｈｅ、Ａ
ｒなどの不活性気体、Ｈ２などの反応性気体を挙げるこ
とができる。

上記ノズルとしては、任意の形状のものを用いることが
できる。例えば、リング状ノズル、平面状ノズル等の公
知のノズルが使用可能である。

［作用］ 本発明者らは、以下に説明する知見により大型の立体基
体上にも低温にて付き回り性が良好で目的とする組、酸
比率の薄膜を形成し得るプラズマＣＶＤ薄膜の形成方法
を見い出した。

前述した従来法のように２種以上の原料気体を、同−の
ノズルを通して大型立体基体が配置された真空チャンバ
内に供給し、該チャンバ内に生成されたプラズマにより
前記基体上に薄膜を形成すると、該薄膜の特性（例えば
膜厚、組成等）は前記基体上で均一にならずに特定の分
布を生じ、しかも該分布はノズルの原料気体噴出部と基
体との距離に依存することを究明した。かかる原因につ
いては、現時点では明らかでないが、ノズルからチャン
バ内に供給された原料気体がプラズマ中を通って基体へ
到達するまでの間に変化することによるものと推定され
る。プラズマ中に存在する励起種の形態を厳密に同定す
ることは非常に困難であるが、本発明者らは光イオン化
型四重質量分析装置、発光分光分析装置を用いてプラズ
マ中の励起種の同定を試みたところ、前述した究明結果
を裏付けるものと考えられる新たな事実を見い出した。

即ち、ノズルからチャンバ内に供給された原料気体はプ
ラズマ中を通過して立体基体に到達するまでに様々な中
間体を形成すること、特定の薄膜を形成するためには特
に好適である特定の励起種が存在することである。これ
らの事実から、ノズルから供給された原料気体はプラズ
マ中で段階的に励起されること、種々の励起種の分布は
プラズマ中を通過する距離に依存すること、励起種同志
の反応エネルギーには差があることが推論される。

本発明者らは、上記究明結果及び新たな事実の発見に基
づき２種以上の原料気体を各原料気体毎に１本以上の独
立したノズルから供給し、かつ前記立体基体を包含する
プラズマ空間において各ノズルから供給された原料気体
を成膜反応に適した活性状態にさせる初期位置が互いに
同一もしくはほぼ同一となるように各ノズルの気体噴出
部と前記基体の間の距離を異ならせることによって、各
原料気体の励起状態を独立して制御できるため、真空チ
ャンバ内に配置される立体基体上に目的とする組成比率
の薄膜を形成できる領域を拡大でき、ひいては大型の立
体基体上にも低温にて付き回り性が良好で目的とする組
成比率の薄膜を再現性よく形成しえる方法を見い出した
。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を第１図を参照して詳細に説明す
る。

第１図は、本実施例で使用した平行平板型プラズマＣＶ
Ｄ装置を示す概略図である。図中の１は、直径１０００
ｕの真空チャンバであり、このチャンバ１内には平板状
の電極２．３が互いに平行して対向配置されている。前
記下部電極３には、ＤＣ電源４が接続されている。前記
チャンバｌの下部付近には、排気管５が設けられており
、かつ該排気管５の他端には真空ポンプ６が連結されて
いる。

また、前記下部電極３の上方には、内周面に多数のガス
噴射口を開孔した直径７００１１１１ｓ直径９００ｕの
２つのリングノズル７．８が該電極３上に設置される立
体基体を囲繞するように上下にずらして配置されている
。これらのリングノズル７．８には、夫々ガス導入管９
、ｌＯが連結され、かつ各導入管９．１０は前記チャン
バｌ外部において２本に分岐され、夫々バルブ１１．マ
スフローコントローラ１２が介装されている。

次に、上記プラズマＣＶＤ装置を用いて薄膜形成方法を
説明する゛。

まず、下部電極３上に突出部の径が４００順、窪み部の
径が１００ｍｍ、高さ２００　ｒｕの５ＫＨ５１製の大
型立体基体１３を設置した。つづいて、真空ポンプ６を
作動して排気管５を通して真空チャンバ１内のガスを排
気し、各リングノズル７．８から水素をチャンバｌ内に
供給した状態で下部電極３にＤＣ電源４から一１５００
Ｖの直流電流を印加し、チャンバｌ内にプラズマを発生
させて立体基体１３の表面を清浄化した。次いで、マス
フローコントローラ１２で流量調節されたＮ２とＮ２の
混合気体（Ｎ２　；　１００　ｓｅｅｍＳＨ２；　２０
００ｓｅｃｍ）を導入管９を通して小径（７００Ｍ）の
リングノズル７からチャンバ１内に供給すると共に、マ
スフローコントローラ１２で流量調節されたＴＩＣＪ！
４とＮ２の混合気体（Ｔｉ　Ｃ）４　　；　５０ｓｃｃ
ｍＳＨ２；　２０００ｓｅｅｏ＋）を導入管ＩＯを通し
て大径（９００ｚｍ）のリングノズル８からチャンバｌ
内に供給し、温度５００℃、圧力ｔ　ｔｏｒｒの条件で
２時間プラズマＣＶＤを行なって大型立体基体１３表面
にＴＩＮ膜を形成した。

比較例 Ｎ２．ＴＩ　Ｃノ、及びＮ２　　（Ｎ２　；　１００５
ｅｃｓ、ＴＩ　Ｃ）４　　；　５０ｓｃｅ＊、Ｎ２　　
；　４０００ｓｃｅｇ＋）を大径（９０００）のリング
ノズル８のみからチャンバ１内に供給しした以外、実施
例１と同様な方法により大型立体基体１３表面にＴＩＮ
膜を形成した。

しかして、本実施例及び比較例により立体基体表面に形
成されたＴＩ　Ｎ膜について蛍光Ｘ線厚膜計、マイクロ
ヴイッカース硬度計を用いて１０３１１間隔で多点の膜
厚及び硬さを測定した。その結果、実施例では膜厚が２
．９±０．２μｍ１荷重１０ｇでのヴイッカース硬さが
２０００±３００であり、均一なＴＩＮ膜が形成される
ていることが確認された。これに対し、比較例では膜厚
が２．０±１．０μｍ１間ヴイッカース硬さが２０００
±８００で、均一なＴＩＮ膜の形成が困難であった。

また、本実施例において１０個の大型立体基体に形成さ
れたＴＩＮ膜はいずれも黄金色を呈し、夫々についてＸ
線分析を行なったところ全てＴＩＮと同定され、他の相
の存在は認められなかった。

これに対し、比−例において１０個の大型立体基体に形
成されたＴＩＮ膜は部分的に黄金色を呈しているのみで
あり、しかもＸ線分析を行なったところＴＩＮの他のＴ
Ｉ　２　Ｎ相の存在が認められた。

なお、上記実施例ではＮ２とＮ２の混合気体及びＴｉ　
Ｃノ４とＮ２の混合気体を夫々１つのリングノズルを通
して真空チャンバ内に供給したが、第２図に示すように
高さの高い大型立体基体１３′に薄膜形成を行なう場合
には、複数（例えば３つの）リングノズル７、〜７．．
８１〜８３を該立体基体１３′　の周囲に上下に配置し
、かつリングノズル７１〜７３に導入管９を、リングノ
ズル８１〜８３に導入管ｌＯを夫々連結し、各混合気体
をこれら導入管９．１０リングノズル７１〜７３．８１
〜８．を通してチャンバ内に供給してもよい。

上記実施例ではＴＩＮ膜の形成に適用した例について説
明したが、他の窒化金属、硼化金属等の薄膜形成にも同
様に適用できる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば真空チャンバ内に配
置される立体基体上に目的とする組成比率の薄膜を形成
できる領域を拡大して大型の立体基体上にも低温にて付
き回り性が良好で目的とする組成比率の薄膜を形成し得
るプラズマＣＶＤ薄膜の形成方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で用いたプラズマＣＶＤ装置の
一形態を示す概略図、第２図は本発明のプラズマＣＶＤ
薄膜の形成に使用される他のＣＶＤ装置の要部正面図で
ある。 １・・・真空チャンバ、２．３・・・電極、５・・・排
気管、７．７１〜７Ｂ、８．８１〜Ｂ３・・・リングノ
ズル、１３．１３°・・・大型立体基体。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. プラズマＣＶＤ法により２種以上の原料気体を真空チャ
   ンバ内で反応させて立体基体上に薄膜を形成するに際し
   、前記２種以上の原料気体を各原料気体毎に１本以上の
   独立したノズルから供給し、かつ前記立体基体を包含す
   るプラズマ空間において各ノズルから供給された原料気
   体を成膜反応に適した活性状態にさせる初期位置が互い
   に同一もしくはほぼ同一となるように各ノズルの気体噴
   出部と前記基体の間の距離を異ならせることを特徴とす
   るプラズマＣＶＤ薄膜の形成方法。