JPH02129376A - 薄膜形成装置 - 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】 〔概　要〕 アモルファスシリコン系薄膜等の形成に使用されるホロ
ーカソード放電方式の薄膜形成装置に関し、 多種類の材料ガスに対して安定で高密度のホローカソー
ド放電プラズマを発生させて良質な薄膜を高速で形成で
きるようにすることを目的とし、真空容器内に導入され
た材料ガスの少なくとも一部を、所定の距離を介し対向
する２つの壁面によって挟まれた空間を有する放電電極
を用いて発生させたホローカソード放電によりプラズマ
状として分解、活性化させ、これにより生成された活性
種を利用して、前記真空容器内に配置した基体の表面に
薄膜を形成する装置において、前記空間の前記基体側の
開口部に、前記各壁面より内側にそれぞれ突出する突起
を、所定の間隔を保たせて設けた構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明はアモルファスシリコン系薄膜等の形成に使用さ
れるホローカソード放電方式の薄膜形成装置に関する。

太陽電池、読取センサアレイ、怒光ドラム等の光導電体
や表面保護膜、電子デバイスの絶縁体薄膜等に用いられ
るアモルファスシリコン（ａ−５ｉ）系薄膜や炭素系薄
膜、核融合炉壁のコーテイング膜に用いられるボロン薄
膜や炭素膜、高温半導体材料であるダイヤモンド、ボロ
ンナイトライド（ＢＮ）　、ボロンカーバイド（８４Ｃ
）、ボロン、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やボロンフ
ォスファイト（ＢＰ）等の薄膜、その他電子デバイスに
用いられる會Ｓｉ薄膜、切削工具のコーテング膜である
ＴｉＮ、ＴｉＣの薄膜等は一般にプラズマＣＶＤ法によ
り形成される。

近年、これらの薄膜の有効性が確かめられ、−部実用化
が進むにつれて、生産性の向上、低コスト化を実現する
薄膜形成装置が望まれている。

〔従来の技術〕 従来、薄膜の形成には、材料ガスをプラズマ状として材
料ガスと電子の衝突により材料ガスを分解し、これによ
り生成された活性種を利用して基体上に薄膜を形成する
プラズマＣＶＤ装置が多く用いられている。このプラズ
マＣＶＤ装置では、プラズマを発生させる空間の圧力が
高く、活性種同士または活性種と材料ガスの反応の繰り
返しによって、多分子粉体が形成されることがあった。

この多分子粉体は、薄膜成長表面、真空容器、放電電極
に付着し、形成した薄膜に欠陥が生じる。

また、この粉体発生は、真空容器等の清掃を必要にする
とともに、真空容器に取り付けたバルブの開閉に支障を
来し、薄膜の生産性を悪くする原因となっている。

この多分子粉体の発生を防ぐために、真空容器内特に活
性化や分解が活発でない空間の圧力を低くし、活性種同
士または活性種と材料ガスの衝突頻度を少なくする必要
がある。しかるに、真空容器内圧力を下げると、材料ガ
スと電子の密度が共に小さくなるため、相互の衝突頻度
が少な（なり、活性種の生成は著るしく減少して、逆に
分解されない材料ガスの割合が多くなる。従って、薄膜
の成膜速度は遅くなって材料ガスの利用効率が下がるた
め、薄膜の生産性は悪くなり、コストも高くなってしま
うといった問題を生じていた。

そこで、多分子粉体の発生しない低い圧力においても材
料ガスと電子の衝突頻度を高めるために、高密度のプラ
ズマ発生方式の利用が提案されている。この方式には、
マイクロ波放電方式とホローカソード放電方式がある。

まず始めに、マイクロ波放電方式は、プラズマ密度がＩ
Ｑ”ｃ＋ｎ−’程度と高＜、磁場を用いることによって
１０−’ｔｏｒｒの低い圧力においても放電を安定に維
持できる長所を持っている。このように磁場を利用した
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置は、多分子粉体の発生し
ない低い圧力においても、薄膜の成膜速度が速く、材料
ガスの利用効率が高い。

このため、薄膜の種類によっては、非常に優れた薄膜形
成装置となっている。その反面、マイクロ波は密度の高
いプラズマが局所的に発生し易く、任意の大面積に均一
に薄膜を形成するのが困難である。また、形成する薄膜
の種類によっては、プラズマダメージ等のため、得られ
た薄膜の特性が非常に悪いといった問題を生じていた。

一方、ホローカソード放電方式は、プラズマ密度を高周
波放電と比較して約２桁高くすることができ、任意の大
面積に比較的容易に薄膜を形成できる長所を持っている
。本方式は本発明の適用対象となるもので、第４図はこ
の方式を実現する従来の薄膜形成装置の構造概要を示す
斜視図である。

本装置は本出願人により既に提案された特願昭６３−１
０９１９５　（出願日、昭和６３年６月６日）に示され
たもので、図中、１は真空容器、２は放電電極、３は接
地電極、４はこれらの電極の間の放電空間、５は材料ガ
ス導入部、６は排気口、１１は高周波（ＲＦ）電源、１
２はブロッキングコンデンサである。放電電極２には、
所定の距離を介し対向する２つの壁面７ａ、７ｂによっ
て挟まれたホローカソード放電用の凹状空間８が設けら
れ、該空間８は、複数のガス吹出口９及びガス溜め１０
を介し材料ガス導入部５に連通している。ガス溜め１０
は、各ガス吹出口９がら空間８内に吹き出す材料ガスの
流量が一定となるように、材料ガス導入部５から流入し
た材料ガスを−たん拡散させるためのものである。３ａ
は接地電極３に設けられたヒータ、１００は接地電極３
上にセットされた成膜用の基体である。このホローカソ
ード放電を利用する装置では、材料ガスの導入口近くに
発生させた高密度のプラズマによって、材料ガスが放電
空間４内に拡散する前に効率よく分解するので、低い圧
力においても成膜速度が速く、材料ガスの利用効率を高
めることができる。なお、第４図ではＲＦホローカソー
ド放電を利用した装置を示したが、基体１００と放電電
極２との間に陽極を設けた直流ホローカソード放電方式
の装置も使用される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、このホローカソード放電方式の場合は、圧力を
低くして行（と、材料ガスと電子との衝突頻度が少なく
なって衝突による電離の確率が小さくなるため、材料ガ
スの種類によっては、プラズマが不安定となったりプラ
ズマ密度が著しく減少したりし、プラズマを維持できな
（なることがあった。すなわち、多分子粉体の発生を防
ぐために圧力を十分低くしたとき、材料ガスの種類によ
ってはホローカソード放電による安定した高密度のプラ
ズマを維持できず、形成した薄膜のばらつきが大きくな
ったり、成膜速度が遅くなったり、利用できる材料ガス
の種類が限定されてしまうといった問題を生じていた。

本発明は多種類の材料ガスに対して安定で高密度のホロ
ーカソード放電プラズマを発生させて良質な薄膜を高速
で形成することのできる薄膜形成装置を提供することを
目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図で、図中、２１は放電電極
、２２は放電電極２１に設けられたホローカソード放電
用の空間である。なお、従来と同様の部材には同じ符号
を用いている。

空間２２は、本図の場合、放電電極２１内で所定の距離
を介し対向する２つの壁面２３ａ、２３ｂの間に形成さ
れ、これらの壁面２３ａ、２３ｂを上方で接続する接続
面２３ｃにはガス吹出口２４が形成されている。空間２
２の下側（基体１００側）の開口部２５には、各壁面’
１３ａ、２３ｂより内側にそれぞれ突出する突起２６ａ
、２６ｂが設けられている。これらの突起２６ａ、２６
ｂの間隔ａは、材料ガス導入部５より真空容器ｌ内に導
入される材料ガス（本図ではすべての材料ガスが放電電
極２１内に導入される場合を示している）の種類と真空
容器１内の圧力によって決まるホローカソード放電発生
最低間隔より広く設定されている。

２７は導入ガスの拡散室で、材料ガス導入部５から導入
された材料ガスを−たん拡散させるためのものであり、
２８は接地シールドで、放電電極２１の囲りの不要な部
分におけるプラズマの発生を防止するためのものである
。また、３０はブロッキングコンデンサを内蔵したマツ
チングボックス、３１は絶縁体、３２はＯリング等の真
空シール、３３はプラズマによる分解、活性化により生
成された活性種である。

〔作　用〕

材料ガス導入部５から真空容器１内に導入される材料ガ
スの少なくとも一部は空間２２に導かれ、ここでホロー
カソード放電が行われる。このホローカソード放電は、
ガスの電離により生じた電子やイオン衝撃により放電電
極から放出された２次電子を、放電電極２１に与えた（
または自己バイアスにより生じた）負電位により対向す
る壁面２３ａ、２３ｂの間で往復運動させることにより
、高密度のプラズマを発生、維持するものである。

この放電用の空間２２の基体側の開口部２５に、本発明
では、内側に突出する突起２６ａ、２６ｂを所定の間隔
を保って設けている。この突起２６ａ。

２６ｂは、それ自身の負電位が作る電界によって、対向
する壁面２３ａ、２３ｂにより挟まれた空間２２から開
口部２５を通ってホローカソード放電プラズマ中の電子
２９が出て行きにくいようにしている。

従って、プラズマ中の電子２９は対向する壁面２３ａ、
２３ｂの間に閉じ込められて、電離係数の小さいガスに
対しても電子とガスの衝突確率が高くなり、より多くの
種類のガスに対して、多分子粉体が発生しない低圧下で
も安定で高密度なホローカソード放電の発生、維持が可
能となる。

なお、基体１００の表面への薄膜形成は、上述のように
発生するホローカソード放電により材料ガスが分解、活
性化され、これにより生成された活性種３３を利用して
行われる。

〔実施例〕

以下、第２図及び第３図に関連して本発明の詳細な説明
する。

第２図は薄膜形成装置の構造概要説明図（第２図（ａｌ
は横断面図、第２図（ｂｌは縦断面図）で、図中、４１
は真空容器１内に設けられた放電電極、４２は放電電極
４１に同心状に配置された円筒型接地電極である。なお
、第１図と同じ部材には同じ記号を付している。

放電電極４１は、直径８０＋ｕの接地電極４２と２０鶴
の間隔を介して配置された４つのホローカソード放電用
空間２２を備えている。空間２２は厚さ１顛のＳ［ＪＳ
　３０４の板で形成されている。この空間２２の開口部
２５には、前述したように、壁面２３ａ、２３ｂより内
側に突出する突起２６ａ。

２６ｂが形成され、該突起２６ａ、２６ｂの間隔は、材
料ガス導入部５より導入される材料ガスの種類と真空容
器１内の圧力によって決まるホローカソード放電発生最
低間隔より広く設定されている。また、放電電極４１は
、ＳＯ５３０４を材料に用いており放電面以外はＳＯ５
３０４の接地シールド４３で覆われている。また、第２
図Ｃａｌに示すように、接地シールド４３は、放電電極
４１の接地電極４２側に一部配置され、放電電極４１の
自己バイアスを負電位とする働きを兼ねている。

接地電極４２は、長さ方向（第２図中）の上下方向）全
体にわたりプラズマが均一となるように、同じ直径、同
じ材質（アルミニウム）の固定部材４４、と固定部材４
４□を設けてこの間に保持されており、かつ円周方向で
の成膜の膜厚が均一となるように、固定部材４４．に接
続するモータ（図示せず）によって成膜時に回転される
ようになっている。

次に、この装置による通常の操作手順について説明する
。

成膜に際しては、まず基体１０′Ｘを接地電極４２に設
けた切り込み部にステンレス製マスク４５　（第２図（
ｂｌ参照）を用いて固定し、接地電極４２を回転させる
。

次に、真空容器１内を、排気口６から図示しないロータ
リーポンプと広域ターボ分子ポンプとにより、排気バル
ブ４６を全開にして１０−’ｔｏｒｒ以下に真空排気す
る。続いて、基体１０１を、接地電極４２の内側に配置
したヒータ４７によって所定の温度に加熱する。基体１
０１の温度が所定の温度で一定となった後、流量調整器
（図示せず）によって所定の流量とした材料ガスを材料
ガス導入部５から真空容器１内に導入し、排気バルブ４
６の開閉状態調整により真空容器ｌ内の圧力を所望の値
に設定する。このとき、材料ガスは、材料ガス導入部５
から−たん拡散室４８内に入り、そこで拡散することに
よって、各ガス吹出口２４からそれぞれほぼ等量ずつ空
間２２内に吹き出す。

この状態で、ＲＦ電源１１のスイッチを入れて所定の電
力とした後、マツチングボックス３０を用いて反射波を
低減させてプラズマを発生させる。

このとき、プラズマ発生に伴い圧力等の条件が設定した
値から変化した場合は、それぞれ再調整して所望の条件
を保つようにする。

このようにして薄膜形成を開始した後、所望の膜厚の薄
膜形成に要する時間経過後に、ＲＦ電源１１の出力を下
げ、ＲＦ電源１１及びヒータ４７加熱用電源のスイッチ
を切り、排気バルブ４６を全開として材料ガスを止める
。真空容器１内の材料ガスが完全に排気され、かつ接地
電極４２の温度が５０℃以下に冷えた後、真空容器１内
にＮ２ガスを大気圧になるまで流し込み、真空容器１を
開けて基体１０１を取り出す。

上述の操作手順によって基体１０１の表面に所望の薄膜
が形成されるが、本発明では空間２２の接地電極側（基
体側）の開口部２５に突起２６ａ。

２６ｂを所定の間隔を保って設けており、この突起２６
ａ、２６ｂの作用によりプラズマ中の電子を空間２２内
に閉じ込めるようになっているため、電離係数の小さい
ガスに対しても電子とガスの衝突確率が高くなる。従っ
て、より多くの種類のガスに対して、多分子粉体が発生
しない低圧下でも安定で高密度なホローカソード放電の
発生、維持が可能となる。次に、この効果を、突起のな
い従来の空間構造の場合と対比して説明する。

実験は、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）
を成膜する場合について行い、空間構造は、壁面２３ａ
、２３ｂ間の距離が７Ｂで、開口部２５とガス吹出口２
４を設けた接続面２３ｃとの距離が３０１１とした。そ
して、突起を設けない従来構造と、各種突出長の突起２
６ａ、２６ｂを設けた本発明の構造との対比を行った。

また材料ガスは、突起を設けない場合に、安定なホロー
カソード放電が得られるジシラン（ＳｉｚＨ６）と、安
定な放電が得られない５ｉＪａに等量のヘリウム（Ｈｅ
）を混合したガスの２種類とした。その結果は次の通り
であった。

ａ−５ｉ：Ｈ膜は、真空容器１内圧力をＳｉ、Ｈ，粉体
の発生しない５０　ｍｔｏｒｒ＋　ＲＦ電力を８００Ｗ
として形成した。材料ガスをＳｉ２＋１．、混合ガス（
ＳｉｚＨ６：Ｈｅ＝１：１）とした場合の成膜速度を縦
軸にとり、突起２６ａ、２６ｂの突出長Ｘを横軸にとっ
た場合の成膜速度の突出量依存性は第３図に示す通りで
ある。但し、横軸の突出長Ｏにおける成膜速度は突起２
６ａ、２６ｂを設けなかった従来構造の場合の値を示し
ている。本図より次のことが分る。

まず、５ｉ２１１．を材料ガスとして流量を１０１００
５ｅとした場合、突出長ｘ　＝　１．５　ｍのときの成
膜速度はｘ＝０の成膜速度より約２倍速くなる。これは
、前者の場合より高密度のホローカソード放電プラズマ
が発生することを示している。

次に、５ｉｚＨ６１００ｓｃｃｗ＋とＨｅ　　１００ｓ
ｃｃｍの混合ガスを材料ガスとした場合、Ｘ＝Ｏではホ
ローカソード放電による発光が壁面２３ａ、２３ｂ間に
よって挟まれた空間２２において非常に弱く成膜速度が
１．７　ｐｍ／ｈと遅いのに対し、Ｘ　＝　１．５　ｖ
ｍの突起を設けることによって、空間２２に強い発光が
見られ、成膜速度がｘ＝Ｏの場合の約２倍と速くなった
。

また、材料ガスがＳｉＪ、、５ｉｚＨ，、＋Ｈｅの両方
の場合において、ｘ　＝　２．　Ｑ　ｍとすると、空間
２２にホローカソード放電が非常に不安定となり、Ｓ　
！　ｚ　Ｈ６の場合成膜速度が１．４μｍ　／ｈと遅く
なり、５ｒＪａ＋Ｈｅの場合放電が維持できなくなる。

これは、突起２６ａ、２６ｂの間隔（開口部２５の広さ
）がシース幅より狭くなりすぎたことにより、空間２２
で放電が発生しずらくなった結果、プラズマが不安定と
なったためと考えられる。このことをさらに詳しく説明
すると次の通りである。壁面２３ａ、２３ｂの間の狭い
空間２２には、シースと呼ばれる電離しない（放電しな
い）空間領域が形成される。そして、突起２６ａ、２６
ｂの表面近くに形成されるシースが、Ｘを大きくして突
起間隔を小さくしていったときに１つとなり、空間２２
でのホローカソード放電が起きなくなる。Ｘ＝　２．Ｑ
　龍はこの発生可能な限界に近くなっているため、ホロ
ーカソードプラズマの発生と消滅の繰り返しを起こし、
全体のプラズマを不安定とする。

成膜速度は５０％以上がホローカソード放電によってい
るので、このようにホローカソード放電が発生しなくな
る突起間隔のとるこては、成膜速度は急に遅（なる。

本発明の装置により得られたａ−Ｓｉ：Ｈ薄膜にアルミ
ニウム電極を蒸着し、電界５ｋＶ／ｃｍ、白熱電球の光
（強度１００　ｍＪ／　ｃｏりの条件で明・暗抵抗を測
定したところ、上記８条件（材料ガス５ｉｚＨａ及び５
ｉ２Ｈ，＋Ｈｅのそれぞれにつき、突出長ＸをＯ０］。

０．１．５．２．０とした計８条件）で得られたａ−５
ｉ：Ｈの明暗抵抗比は約１０５といずれも大きかった。

なお、第２図では円筒状接地電極４２に平板状の基体１
０１をセットする例を示したが、接地電極４２の代わり
に円筒状導体基体を配置し、これに成膜を行うようにす
ることも可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、多分子粉体の発生
しない低い圧力においても、電子を対向壁面間の空間に
閉じ込め、安定で高密度のホローカソード放電を発生さ
せることができるため、材料ガスとして使用可能なガス
の種類を多くできるとともに、良質な薄膜を高速で形成
でき、薄膜形成の生産性向上、低コスト化に寄与すると
ころ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、 第２図（ａ）、　（ｂｌは本発明の実施例の薄膜形成装
置の構造概要説明図、 第３図は同、成膜速度の突起突出量依存性を示すグラフ
、 第４図は従来のホローカソード放電方式薄膜形成装置の
構造概要を示す斜視図で、 図中、 １は真空容器、 ２１．４１は放電電極、 は空間、 ａ、２３ｂは壁面、 は開口部、 ａ、２６ｂは突起、 は活性種、 は接地電極、 は接地シールド、 ０．１０１は基体である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 真空容器（１）内に導入された材料ガスの少なくとも一
   部を、所定の距離を介し対向する２つの壁面（２３ａ）
   、（２３ｂ）によって挟まれた空間（２２）を有する放
   電電極（２１）を用いて発生させたホローカソード放電
   によりプラズマ状として分解、活性化させ、これにより
   生成された活性種（３３）を利用して、前記真空容器内
   に配置した基体（１００）の表面に薄膜を形成する薄膜
   形成装置において、 前記空間（２２）の前記基体（１００）側の開口部（２
   ５）に、前記各壁面（２３ａ）、（２３ｂ）より内側に
   それぞれ突出する突起（２６ａ）、（２６ｂ）を設けて
   成り、 前記各突起（２６ａ）、（２６ｂ）の間隔が、前記材料
   ガスの種類と前記真空容器（１）内の圧力によって決ま
   るホローカソード放電発生最低間隔より広く設定された
   ことを特徴とする薄膜形成装置。