JPH02159380A - Thin film forming device - Google Patents

Thin film forming device

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Publication number
JPH02159380A
JPH02159380A JP63312860A JP31286088A JPH02159380A JP H02159380 A JPH02159380 A JP H02159380A JP 63312860 A JP63312860 A JP 63312860A JP 31286088 A JP31286088 A JP 31286088A JP H02159380 A JPH02159380 A JP H02159380A
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JP
Japan
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plasma
space
thin film
hollow cathode
discharge
Prior art date
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Pending
Application number
JP63312860A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideki Kamachi
英樹 釜地
Makoto Araki
荒木 信
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to EP89401277A priority patent/EP0342113B1/en
Priority to US07/347,876 priority patent/US4979467A/en
Priority to DE89401277T priority patent/DE68910378T2/en
Priority to KR1019890006074A priority patent/KR920008122B1/en
Publication of JPH02159380A publication Critical patent/JPH02159380A/en
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Abstract

PURPOSE:To form a good-quality thin film on a base body at high velocity by providing a magnetic field forming means in the space formed with the opposite wall surfaces of a discharge electrode and making plasma density large in the case of performing hollow cathode discharge in the above-mentioned space. CONSTITUTION:A gaseous material is introduced into the diffusion chamber 25 of a vacuum vessel 1 through an introduction part 5. One part of this gaseous material is introduced into the space 22 which is formed by the two opposite wall surfaces 23a, 23b of a discharge electrode 21, decomposed and activated as a plasma state by hollow cathode discharge. A thin film is formed on the surface of a base body 100 by utilizing the produced activated species 30. At this time, a magnetic field forming means 32 is constituted by arranging the permanent magnets 341, 342 to the outside near to the opening part 33 of the space 22 so that the opening part 33 side is made the same pole. Plasma density is made large by trapping plasma in the space 22. Thereby stable and high- density hollow cathode discharge plasma is generated even at such low pressure that polymolecular powder is not generated for the many kinds of gaseous materials and a good-quality thin film is formed at high velocity.

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、多分子粉体の発生しない低
圧下においても、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る材料ガ
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、前記空間にホローカソードプラズ
マを閉じ込めてプラズマ密度を大きくするための磁場形
成手段を設けた構成とする。
[Detailed description of the invention] [Summary] Regarding a hollow cathode discharge type thin film forming apparatus used for forming amorphous silicon thin films, etc., it can be used for many types of material gases under low pressure without generating polymolecular powder. The purpose of this technology is to generate stable, high-density hollow cathode discharge plasma to form high-quality thin films at high speed. The vacuum vessel is decomposed and activated as a plasma by a hollow cathode discharge generated using a discharge electrode having a space sandwiched between two opposing wall surfaces. In an apparatus for forming a thin film on the surface of a substrate disposed within the space, the apparatus is configured to include a magnetic field forming means for confining hollow cathode plasma in the space and increasing plasma density.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

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も
のである。
The present invention relates to a hollow cathode discharge type thin film forming apparatus used for forming amorphous silicon thin films and the like.

太陽電池、読取センサアレイ、感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 −3i)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(S i C)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WSi薄膜、切削工具のコーテイング膜で
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。
Amorphous silicon (a-3i)-based thin films and carbon-based thin films used for photoconductors and surface protection films for solar cells, reading sensor arrays, photosensitive drums, etc., insulator thin films for electronic devices, and coating films for nuclear fusion reactor walls. Boron thin films and carbon films used in
), thin films of boron, silicon carbide (S i C), boron phosphite (BP), etc., WSi thin films used in electronic devices, TiN and TiC thin films used as coating films for cutting tools, etc. are generally formed by the plasma CVD method. be done.

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。
In recent years, as the effectiveness of these thin films has been confirmed and their practical use progresses, a thin film forming apparatus that can improve productivity and reduce costs has been desired.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

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。
Conventionally, many plasma CVD apparatuses are used to form thin films, which decompose the material gas into a plasma state through collisions between the material gas and electrons, and form a thin film on a substrate using the active species generated thereby. It is used. In this plasma CVD apparatus, the pressure in the space where plasma is generated is high, and polymolecular powder is sometimes formed due to repeated reactions between active species or between active species and material gas.

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。
This polymolecular powder adheres to the thin film growth surface, vacuum vessel, and discharge electrode, causing defects in the formed thin film.

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。
Further, the generation of powder requires cleaning of the vacuum container and the like, and also causes trouble in opening and closing the valve attached to the vacuum container, causing a decrease in thin film productivity.

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
が少なくなり、活性種の生成は著しく減少して、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。
In order to prevent the generation of this multimolecular powder, it is necessary to lower the pressure in the vacuum container, especially in the space where activation or decomposition is not active, and to reduce the frequency of collisions between active species or between active species and material gas. However, when the pressure inside the vacuum container is lowered, the density of both the material gas and the electrons decreases, so the frequency of mutual collisions decreases, and the generation of active species is significantly reduced, conversely, the proportion of the material gas that is not decomposed increases. Become. Therefore, the thin film deposition rate becomes slow and the material gas utilization efficiency decreases, resulting in problems such as poor thin film productivity and high costs.

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。
Therefore, the use of a high-density plasma generation method has been proposed in order to increase the frequency of collisions between material gas and electrons even at low pressures where polymolecular powder is not generated. This method includes
There are microwave discharge method and hollow cathode discharge method.

まず始めに、マイクロ波放電方式は、プラズマ密度が1
0”cm−’程度と高<、磁場を用いることによって1
0−’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。
First of all, in the microwave discharge method, the plasma density is 1
By using a magnetic field of the order of 0"cm-' and as high as 1
It has the advantage of being able to maintain stable discharge even at low pressures of 0-'torr. As described above, a microwave plasma CVD apparatus that uses a magnetic field can form a thin film at a high speed and has high material gas utilization efficiency even at low pressures where no polymolecular powder is generated.

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。
Therefore, depending on the type of thin film, it is an extremely excellent thin film forming apparatus. On the other hand, microwaves tend to locally generate high-density plasma, making it difficult to uniformly form a thin film over an arbitrary large area. Furthermore, depending on the type of thin film to be formed, there has been a problem in that the properties of the obtained thin film are very poor due to plasma damage or the like.

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。
On the other hand, the hollow cathode discharge method has the advantage that the plasma density can be increased by about two orders of magnitude compared to high frequency discharge, and a thin film can be formed relatively easily over any large area. This method is an object to which the present invention is applied, and FIG. 4 is a perspective view showing an outline of the structure of a conventional thin film forming apparatus that implements this method.

本装置は、本出願人により既に提案された特願昭63−
109195号(出願臼、昭和63年5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、
12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及びガス溜め工0
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−旦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。
This device is based on the patent application filed in 1986, already proposed by the applicant.
No. 109195 (filed on May 6, 1988), in the figure, 1 is a vacuum vessel, 2 is a discharge electrode, 3 is a ground electrode, 4 is a discharge space between these electrodes, 5 is a material gas inlet, 6 is an exhaust port, 11 is a high frequency (RF) power source,
12 is a blocking capacitor. The discharge electrode 2 is provided with a concave space 8 for hollow cathode discharge sandwiched between two wall surfaces 7a and 7b facing each other at a predetermined distance, and the space 8 has a plurality of gas outlet ports 9 and a gas reservoir 0.
It communicates with the material gas introduction section 5 via. gas reservoir 10
is for temporarily diffusing the material gas that has flowed in from the material gas introduction section 5 so that the flow rate of the material gas blown out into the space 8 from each gas outlet 9 is constant. 3a is a heater provided on the ground electrode 3, and 100 is a substrate for film formation set on the ground electrode 3. In an apparatus using this hollow cathode discharge, the material gas is efficiently decomposed by the high-density plasma generated near the material gas inlet before it diffuses into the discharge space 4, so film formation can be performed even at low pressure. The speed is fast and the efficiency of material gas utilization can be increased. Although FIG. 4 shows an apparatus using RF hollow cathode discharge, a DC hollow cathode discharge apparatus in which an anode is provided between the base 100 and the discharge electrode 2 may also be used.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかし、このホローカソード放電方式の場合は、圧力を
低くして行くと、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
くなることがあった。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。
However, in the case of this hollow cathode discharge method, as the pressure is lowered, the frequency of collisions between material gas and electrons decreases, and the probability of ionization due to collisions decreases, so depending on the type of material gas, plasma may In some cases, the plasma became unstable and the plasma density decreased significantly, making it impossible to maintain the plasma. In other words, when the pressure is set low enough to prevent the generation of polymolecular powder, depending on the type of material gas, it may not be possible to maintain a stable, high-density plasma due to hollow cathode discharge, resulting in large variations in the formed thin film or Problems have arisen in that the film speed becomes slow and the types of material gases that can be used are limited.

本発明は多種類の材料ガスに対して、多分子粉体の発生
しない低圧下においても、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。
The present invention is capable of forming high-quality thin films at high speed by generating stable, high-density hollow cathode discharge plasma for many types of material gases even under low pressure where no polymolecular powder is generated. The purpose is to provide a device.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

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。
FIG. 1 is a diagram explaining the principle of the present invention. In the figure, 21 is a discharge electrode, and 22 is a space provided in the discharge electrode 21 for hollow cathode discharge. Note that the same reference numerals are used for members similar to those in the conventional art.

空間22は、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。
The space 22 is formed between two wall surfaces 23a and 23b that face each other at a predetermined distance within the discharge electrode 21, and a gas outlet 24 is formed on a connecting surface 23c that connects these wall surfaces 23a and 23b above. has been done.

本発明では、上記空間22にホローカソードプラズマを
閉じ込めてプラズマ密度を大きくするための磁場形成手
段32を設けている。本図の場合は、磁場形成手段32
が、空間22の開口部33付近の外側に配置した永久磁
石341.34□により構成された例を示している。永
久磁石34342は、開口部33側が同磁極となるよう
に配置されている。
In the present invention, a magnetic field forming means 32 is provided in the space 22 to confine the hollow cathode plasma and increase the plasma density. In the case of this figure, the magnetic field forming means 32
shows an example in which permanent magnets 341.34□ are arranged outside near the opening 33 of the space 22. The permanent magnets 34342 are arranged so that the opening 33 side has the same magnetic pole.

25は導入ガスの拡散室で、材料ガス導入部から導入さ
れた材料ガスを−たん拡散させるためのものであり、2
6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。
Reference numeral 25 denotes an introduced gas diffusion chamber, which is used to diffuse the material gas introduced from the material gas introduction part;
Reference numeral 6 denotes a ground shield, which is used to prevent plasma from being generated in unnecessary areas surrounding the discharge electrode 21.

また、27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、28は絶縁体、29はOリング等の真空
シール、30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。
Further, 27 is a matching box containing a blocking capacitor, 28 is an insulator, 29 is a vacuum seal such as an O-ring, and 30 is an active species generated by decomposition and activation by plasma.

〔作 用〕[For production]

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っ
て、高密度のプラズマを発生、維持するものである。と
ころで、本発明では、上述のように磁場形成手段32が
設けられており、永久磁石34I。
At least a portion of the material gas introduced into the vacuum vessel 1 from the material gas introduction section 5 is guided into the space 22, where hollow cathode discharge is performed. This hollow cathode discharge is
Electrons generated by gas ionization and secondary electrons released from the discharge electrode by ion bombardment were applied to the discharge electrode 21 (
A high-density plasma is generated and maintained by causing reciprocating motion between the opposing wall surfaces 23a and 23b using a negative potential (or produced by a self-bias). By the way, in the present invention, the magnetic field forming means 32 is provided as described above, and the permanent magnet 34I.

34□により生ずるローレンツ力を利用して、空間22
から開口部33を通り出て行こうとするホローカソード
プラズマ中の電子31を壁面23a。
Using the Lorentz force generated by 34□, space 22
The electrons 31 in the hollow cathode plasma trying to exit through the opening 33 from the wall surface 23a.

23bの間の空間22内に閉じ込める。従って、空間2
2内のホローカソードプラズマの電子密度は、減少する
割合が少なくなって太き(なる。また、磁場形成手段3
2は同時にマグネトロン放電的効果を生じ、さらにプラ
ズマ密度を向上させることができる。
It is confined within the space 22 between 23b. Therefore, space 2
The electron density of the hollow cathode plasma in the magnetic field forming means 3 becomes thicker as the rate of decrease decreases.
2 simultaneously produces a magnetron discharge effect and can further improve plasma density.

その結果、電離係数の小さいガスに対しても、電子とガ
スの衝突確率を高(することができるため、より多くの
種類のガスに対して、多分子粉体の発生しない低圧下に
おいて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。
As a result, it is possible to increase the probability of collision between electrons and gas even for gases with a small ionization coefficient, so it is stable against more types of gases even under low pressure where polymolecular powder does not occur. This makes it possible to generate and maintain high-density hollow cathode discharge.

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30を利用して
行われる。
The thin film is formed on the surface of the substrate 100 by using the active species 30 generated by decomposing and activating the material gas by the hollow cathode discharge generated as described above.

〔実施例〕〔Example〕

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。
The present invention will now be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3.

第2図は薄膜形成装置の構造概要説明図(第2図(a)
は横断面図、第2図(b)は縦断面図)である。本図は
円筒型接地電極(または円筒導体基体)に固定した基板
への薄膜形成を可能とする構成のもので、図中、41及
び42は真空容器1内にそれぞれ設けられた放電電極及
び円筒型接地電極である。なお、第1図と同じ部材には
同じ符号を付している。
Figure 2 is a schematic explanatory diagram of the structure of the thin film forming apparatus (Figure 2 (a)
is a cross-sectional view, and FIG. 2(b) is a vertical cross-sectional view). This figure shows a configuration that enables thin film formation on a substrate fixed to a cylindrical ground electrode (or a cylindrical conductor base). type ground electrode. Note that the same members as in FIG. 1 are given the same reference numerals.

放電電極41は、直径80■1の接地電極42の外側に
20鶴の間隔を介して同心に配置され、4つのホローカ
ソード放電用空間22を備えている。
The discharge electrode 41 is arranged concentrically at an interval of 20 squares outside the ground electrode 42 having a diameter of 80 cm, and has four hollow cathode discharge spaces 22.

空間22は、厚さ1龍の5US304の板の壁面23a
、23bの間に形成され、該空間22の開口部33付近
の外側には、前述したように、永久磁石34..34□
より成る磁場形成手段32が設けられている。壁面23
a、23bの間隔は8能とし、磁場形成手段32による
磁場の強さは、壁面23 a、  23 bの表面で6
30 Gauss とした。
The space 22 has a wall surface 23a made of 5US304 board with a thickness of 1.
, 23b, and outside near the opening 33 of the space 22, there are permanent magnets 34., 23b, as described above. .. 34□
A magnetic field forming means 32 is provided. Wall surface 23
The distance between the walls 23a and 23b is 8, and the strength of the magnetic field by the magnetic field forming means 32 is 6 on the surface of the walls 23a and 23b.
30 Gauss.

また、放電電極41は、5USU304を材料に用いて
おり、放電面以外は5US304の接地シールド43で
覆われている。さらに、第2図(a)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。
Further, the discharge electrode 41 is made of 5US304, and the parts other than the discharge surface are covered with a grounding shield 43 of 5US304. Further, as shown in FIG. 2(a), the ground shield 43 is partially disposed on the ground electrode 42 side of the discharge electrode 41, and serves also to set the self-bias of the discharge electrode 41 to a negative potential.

接地電極42は、長さ方向(第2図(b)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
442を設けてこの間に保持されており、かつ円周方向
での薄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)に駆動されて成膜時に回転
するようになっている。
The ground electrode 42 is arranged in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 2(b)).
the same diameter, so that the plasma is uniform throughout.
Fixing member 44 made of the same material (aluminum). and a fixing member 442 are provided and held between the fixing members 44. and 442, and the fixing member 44. It is rotated during film formation by being driven by a motor (not shown) connected to the motor.

次に、この装置による通常の操作手順について説明する
Next, the normal operating procedure of this device will be explained.

成膜に際しては、まず基体lot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を用いて固定し
、接地電極42を回転させる。
When forming a film, the base lot is first fixed in a notch provided in the ground electrode 42 using a stainless steel mask 45, and the ground electrode 42 is rotated.

次に、真空容器■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1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
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。
Next, the inside of the vacuum container (1) is evacuated from the exhaust port 6 to 10-'torr or less by using a rotary pump and a wide-area turbo molecular pump (not shown) with the exhaust valve 46 fully open. Subsequently, the base 101 is heated to a predetermined temperature by the heater 47 placed inside the ground electrode 42. Base 1
After the temperature of 01 becomes constant at a predetermined temperature, the material gas whose flow rate is set to a predetermined value by a flow rate regulator (not shown) is introduced into the vacuum container 1 from the material gas inlet 5, and the exhaust valve 4
The pressure inside the vacuum container 1 is set to a desired value by adjusting the opening/closing state in step 6. At this time, the material gas is supplied to the material gas introduction section 5
The gas enters the gas diffusion chamber 48 and diffuses there, and is blown out into the space 22 from each gas outlet 24 in approximately equal amounts.

この状態で、RF電源II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27を用いて反射波を
低減させてプラズマを発生させる。
In this state, the RF power source II is turned on to provide a predetermined power, and then the matching box 27 is used to reduce reflected waves and generate plasma.

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。
At this time, if conditions such as pressure change from the set values due to plasma generation, each is readjusted to maintain the desired conditions.

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、RFt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。
After starting thin film formation in this way, after the time required to form a thin film with a desired thickness has elapsed, the output of the RF power source 11 is lowered, the RFt source 11 and the heater 47 heating power source are turned off, and the exhaust valve 46 is closed. Open fully and stop the material gas. After the material gas in the vacuum container 1 has been completely exhausted and the temperature of the ground electrode 42 has cooled to 50°C or less, N2 gas is poured into the vacuum container 1 until it reaches atmospheric pressure, and the vacuum container 1 is opened to remove the substrate. Take out 101.

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、本例では永久磁石341゜34□によ
り生ずるローレンツ力を利用して、空間22から開口部
33を通り出て行こうとするホローカソードプラズマ中
の電子31を第3図(b)に示すように空間22内に閉
じ込める。すなわち、本例の場合は1.磁場形成手段3
2を設けない第3図(a)の場合と比較して、空間22
内のホローカソードプラズマの電子密度は大きくなる。
A desired thin film is formed on the surface of the base 101 by the above-mentioned operating procedure, but in this example, the thin film attempts to exit from the space 22 through the opening 33 by utilizing the Lorentz force generated by the permanent magnets 341°34□. The electrons 31 in the hollow cathode plasma are confined within the space 22 as shown in FIG. 3(b). That is, in this example, 1. Magnetic field forming means 3
Compared to the case of FIG. 3(a) where no space 22 is provided,
The electron density of the hollow cathode plasma inside becomes larger.

また、磁場形成手段32は同時にマグネトロン放電的効
果を生じ、さらにプラズマ密度を向上させることができ
る。その結果、電離係数の小さいガスに対しても電子と
ガスの衝突確率を高くすることができ、より多くの種類
のガスに対して、多分子粉体の発生しない低圧下におい
て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、この効果についての実験結果を説明
する。
In addition, the magnetic field forming means 32 simultaneously produces a magnetron discharge effect and can further improve the plasma density. As a result, it is possible to increase the probability of collision between electrons and gas even for gases with a small ionization coefficient, and it is stable and high-density for more types of gases even under low pressure where polymolecular powder is not generated. It becomes possible to generate and maintain a hollow cathode discharge. Next, experimental results regarding this effect will be explained.

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、開口部33と接続面23c
の距離(空間22の長さ)を30藷とした。その他の空
間構造及び各電極の寸法。
The experiment was conducted for the case of forming a film of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), and the opening 33 and the connecting surface 23c were
The distance (length of the space 22) was set to 30 lines. Other spatial structures and dimensions of each electrode.

配置は前述の通りである。材料ガスは、空間23に開口
部33側で狭くなるように傾斜を設けなかった場合にお
いて、安定なホローカソード放電が得られるジシラン(
SizH6)と、安定な放電の得られない5ttH,に
等量のヘリウム(He)を混合したガスの2種類とした
The arrangement is as described above. The material gas is disilane (disilane), which can provide stable hollow cathode discharge when the space 23 is not sloped so as to become narrower on the opening 33 side.
Two types of gas were used: SizH6) and 5ttH, in which stable discharge could not be obtained, mixed with an equal amount of helium (He).

a−3i:H薄膜は、St、Hhの流量を101005
e、真空容器1内圧力をSi□H7扮末の発生しない5
0 mtorr、 RF電力を800Wとして形成した
。材料ガスを5izH6,混合ガス(S12H6: H
e=1 : 1)とした場合の成膜速度を、磁場形成手
段32を設けた場合と設けなかった場合についてそれぞ
れ調べた結果は次表1の通りである。
a-3i:H thin film has a flow rate of St, Hh of 101005
e, the pressure inside the vacuum vessel 1 is set so that no Si□H7 powder is generated 5
It was formed at 0 mtorr and RF power of 800W. Material gas: 5izH6, mixed gas (S12H6: H
Table 1 below shows the results of examining the film formation rate when e=1:1) with and without the magnetic field forming means 32.

表1:成膜速度 まず始めに、5izJ(6を材料ガスに用いた場合、対
向する壁面23a、23b間に、磁場のを無に関係なく
ホローカソードプラズマによる発光が見られた。但し、
磁場を形成したときの方が、より明るいホローカソード
プラズマが発生するとともに、放電電極41の放電面の
うち磁場形成手段32を設けた近くに明るいプラズマが
同時に見られた。このことは、高密度のホローカソード
プラズマとマグネトロンプラズマが同時に得られたもの
と考えられる。成膜速度は、磁場を設けることにより約
2倍と速くできた。成膜したa−3i:Hの明暗抵抗比
は、電界5KV/cm、白熱電球の光強度100mJ/
cnlの条件で測定した結果、1.1×10’ と大き
く、マイクロ波プラズマCVD法のような膜質の著しい
低下は見られなかった。
Table 1: Film Formation Rate First, when 5izJ (6) was used as the material gas, light emission due to hollow cathode plasma was observed between the opposing wall surfaces 23a and 23b regardless of the magnetic field.However,
When a magnetic field was formed, a brighter hollow cathode plasma was generated, and at the same time, bright plasma was observed on the discharge surface of the discharge electrode 41 near where the magnetic field forming means 32 was provided. This is considered to be because high-density hollow cathode plasma and magnetron plasma were obtained at the same time. The film formation speed was approximately doubled by providing a magnetic field. The light-dark resistance ratio of the a-3i:H film formed was as follows: electric field 5KV/cm, light intensity of incandescent lamp 100mJ/
As a result of measurement under cnl conditions, the film quality was as large as 1.1×10', and no significant deterioration in film quality was observed as in the microwave plasma CVD method.

次に%  S f ZH6100sccmとHe 10
0sccmの混合ガスを材料ガスとして用いた場合、磁
場形成手段32を設けないと壁面23a、23bの間に
はプラズマによる発光が見られず(ホローカソード放電
が発生しない)、放電電極41の円筒部分と円筒型接地
電極42の間で弱い発光のみが観察された。一方、磁場
発生手段32を設けると、壁面23a、23bの間及び
磁場発生手段32を設置した近くの放電電極41の放電
面で強い発光が見られた。成膜速度は磁場を設けること
により約3.6倍と速くできた。成膜したa−3i:H
の明暗抵抗比は、電界5kV/am、白熱電球の光強度
100mJ/c+dの条件で測定した結果、磁場無のa
−3i:Hでは5.6X10’、磁場有のa−3i:H
では9.6X10’であった。
Next % S f ZH6100sccm and He 10
When a mixed gas of 0 sccm is used as the material gas, unless the magnetic field forming means 32 is provided, no light emission due to plasma will be seen between the wall surfaces 23a and 23b (hollow cathode discharge will not occur), and the cylindrical portion of the discharge electrode 41 Only weak light emission was observed between the ground electrode 42 and the cylindrical ground electrode 42. On the other hand, when the magnetic field generating means 32 was provided, strong light emission was observed between the wall surfaces 23a and 23b and on the discharge surface of the discharge electrode 41 near where the magnetic field generating means 32 was installed. By providing a magnetic field, the film formation rate could be increased by about 3.6 times. The film formed a-3i:H
The light-dark resistance ratio of a without a magnetic field was measured under the conditions of an electric field of 5 kV/am and an incandescent lamp light intensity of 100 mJ/c+d.
5.6X10' for -3i:H, a-3i:H with magnetic field
It was 9.6X10'.

従って、低い圧力ではホローカソードプラズマを用いた
成膜において成膜速度が非常に遅いため利用できなかっ
たS i ZH6100sccmとHe100sccn
+の混合ガスでも、磁場形成手段32を設けることによ
り利用可能となった。
Therefore, S i ZH6100sccm and He100sccn, which could not be used because the film formation speed was very slow in film formation using hollow cathode plasma at low pressure.
Even a positive mixed gas can be used by providing the magnetic field forming means 32.

上述の説明では磁場形成手段として永久磁石を用いた例
について述べたが、磁場形成手段として電磁石を用いて
も同様の効果が得られる。
In the above explanation, an example is described in which a permanent magnet is used as the magnetic field forming means, but the same effect can be obtained even if an electromagnet is used as the magnetic field forming means.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上述べたように、本発明によれば、多種類の材料ガス
に対して、多分子粉体の発生しない低圧下においても、
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ができ、薄膜の生産
性向上、低コスト化に寄与するところ大である。
As described above, according to the present invention, even under low pressure where no polymolecular powder is generated, for many types of material gases,
Stable, high-density hollow cathode discharge plasma can be generated to form high-quality thin films at high speed, which greatly contributes to improving thin film productivity and reducing costs.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の原理説明図、 第2図(a)、 (b)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(a)、(b)は本発明の実施例の空間部分の作
用説明図、 第4図は従来の薄膜形成装置の構造概要説明図で、 図中、 1は真空容器、 21.41は放電電極、 22は空間、 23a、23bは壁面、 30は活性種、 32は磁場形成手段、 ■ 00は基体である。
Fig. 1 is an explanatory diagram of the principle of the present invention, Fig. 2 (a) and (b) are explanatory diagrams of a general structure of a thin film forming apparatus according to an embodiment of the present invention, and Fig. 3 (a) and (b) are illustrations of the invention. Fig. 4 is an explanatory diagram of the structure of a conventional thin film forming apparatus, in which 1 is a vacuum vessel, 21.41 is a discharge electrode, 22 is a space, and 23a and 23b are 30 is an active species, 32 is a magnetic field forming means, and (1) 00 is a substrate.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 真空容器(1)内に導入される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(30)を利用して、前記真空容器(
1)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)にホローカソードプラズマを閉じ込め
てプラズマ密度を大きくするための磁場形成手段(32
)を設けたことを特徴とする薄膜形成装置。
[Claims] At least a portion of the material gas introduced into the vacuum container (1) is transferred to two wall surfaces (23a) facing each other with a predetermined distance therebetween.
, (23b) is decomposed and activated as a plasma by a hollow cathode discharge generated using a discharge electrode (21) having a space (22) sandwiched therebetween, and the activated species (30) generated thereby are utilized. Then, the vacuum container (
1) A thin film forming apparatus for forming a thin film on the surface of a substrate (100) disposed in the space (22), comprising a magnetic field forming means (32) for confining hollow cathode plasma in the space (22) and increasing plasma density.
) is provided.
JP63312860A 1988-05-06 1988-12-13 Thin film forming device Pending JPH02159380A (en)

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