JPH04198483A - 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】 「産業上の利用分野」 本発明はプラズマＣＶＤ法による薄膜形成装置に閃する
ものである。

「従来の技術」 周知のように、薄膜形成法の一種としてプラズマを利用
したプラズマＣＶＤ法が実用化されている。そのプラズ
マＣＶＤ法には各種のものがあるが、代表的なものとし
て直流プラズマＣＶＤ法や高周波プラズマＣＶＤ法があ
る。

第４図は直流プラズマＣＶＤ法による薄膜形成装置の一
例を示すものである。これは、チャンバ↓内に設けた支
持台２上に被処理物である基板３を配し、支持台２を介
して基板３に電源装置４から直流を印加することで基板
３周囲にグロー放電を起こさせるようになしたものであ
る。そして、復数種類の原料ガスを混合してノズル５を
通してチャンバ１内に導入し、それらの原料ガスを基板
３周囲のグロー領域で活性化させて反応させ、その反応
生成物を基板３の表面に付着させることで薄膜を形成す
るようにされている。上記の原料ガスは形成するべき薄
膜の種類に応じて選択されるものであって、た２えばＴ
ｉＮ（チッ化チタン）の薄膜を形成する場合には、Ｔ　
ｉ　Ｃｌ　ａ、Ｎ２、Ｎ２を用いて、次のような化学反
応によってＴｉＮの薄膜を形成する。

Ｔ　ｉＣ１４＋Ｈ２＋　Ｎ　２→ＴｉＮ＋ＨＣ１また、
第５図は高周波プラズマＣＶＤ法による薄膜形成装置の
一例を示すものである。これは、プラズマ発生管６の周
囲にコイル７を配し、そのコイル７に電源装置８より高
周波を印加するよう（こなしたものである。そして、プ
ラズマ発生管６内をこ原料ガスを通すことで、プラズマ
発生管６の内部に配置した基板（図示略）に対して上記
と同様に薄膜を形成するようにしたものである。

また、近年においては、直流プラズマＣＶＤ法や高周波
プラズマＣＶＤ法に比してより高速成膜が可能なものと
して、マイクロ波プラズマＣＶＤ法や、ＥＣＲ（電子サ
イクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法も採用されるよう
になってきている。

第６図はマイクロ波プラズマＣＶＤ法による薄膜形成装
置を示すもので、これは、プラズマ発生管１０の側面に
マイクロ波の導波管１１を接続してマイクロ波を導入す
ることで、プラズマ発生管ＩＯ内に通される原料ガスを
プラズマ化し、そのプラズマ発生管１０内に配置した基
板１３に対して薄膜を形成するようにしたものである。

また、第７図はＥＣＲプラズマＣＶＤ法による？＃腰影
形成装置示すもので、これは、チャンバ１５の上部にプ
ラズマ室１６を設けるとともにその周囲にマグネットコ
イル１７を設け、かつ、導波管１８、石英ガラス製の導
波窓】９を通してプラズマ室１６にマイクロ波を導入す
るようにしたものである。そして、マグネットコイル１
７によりプラズマ室１６内において電子ザイクロトロン
共鳴を起こさせてＥＣＲプラズマを発生させ、それをプ
ラズマ流としてチャンバ１５内に導入し、ノズル２０を
通してチャンバ１５内に導入された原料ガスを活性化し
て基板２１に薄膜を形成するようにしたものである。

［発明が解決しようとする課題」 ところで、上記のような各種のプラズマＣＶＤ法（こよ
る装置では、原料ガスの反応により成膜物質以外の反応
副生成物、たとえば前述の化学反応に基づいてＴｉＮ薄
膜を形成する場合においては、ＴＩＮ以外にＴ　ｉＣ１
３、ＴｉＣｌ２、Ｔ１Ｃｌ等が発生し、それらが不純物
として形成された薄膜内に混入してしまうことがある。

そのような不純物の発生量は、小さい基板に対して処理
を行う場合にはＩ＃−こ問題とならない程度であるが、
大きな基板に対して処理を行う場合には不純物の発生量
も無視し得ない程度に増大して成膜不良が生じてしまう
ものであり、このため、従来の各種プラズマＣＶＤ法に
よる薄膜形成装置では、あまり大きな基板に対しては良
質の薄膜を形成できるものではなく、その限界寸法がゼ
いぜい２００ｍｍＸ　２００ｍ＋＋ｎ程度であった。

なお、処理時におけるチャンバ内の圧力を高める（真空
度を低下させる）ことによって反応副生成物の発生が抑
制され、したがって、形成される薄暁への不純物の混入
が低減することが知られているが、そのようにした場合
には、チャンバ内における原料ガス分子の平均自由行程
が小さくなってガス拡散が抑制されてしまい、したがっ
て基板に対する薄膜のつきまわりが悪化してしまうとい
う別の問題を生じ、結局、大きな基板の全面に対して良
質かつ均質な薄膜を形成することは極めて困難であった
。

末だ、上記のマイクロ波プラズマＣＶＤ法による装置や
、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法による装置では、直流あるい
は高周波プラズマ法によるものに比して高速成膜が可能
なものであるが、次のような問題も残してい・る。

すなわち、それらの装置では、基板表面に形成するべき
薄膜がプラズマ発生１ｉ’ＩＯの内面や導入窓１９の内
面に形成されてしまうことがある。そして、その薄膜が
導電性を有するものである場合番こはマイクロ波が反射
されてしまってプラズマ発生管１０やプラズマ室１６内
に導入できなくなり、また、絶縁性の薄膜の場合にはマ
イクロ波が吸収されてしまって著しく高温となってしま
う等の不具合を生じ、したがって、いずれにしても長時
間にわたる連続的な処理を行えるものではなく、このｌ
こめ、高速成膜は可能であるといえども十分に厚い膜を
形成することはできず、また、頻繁な保守が必要であっ
て生産効率が必ずしも良くないものであった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、大きな基
板に対して良質かつ均質な薄膜を形成し得る薄膜形成装
置を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段」 本発明は、復数種類の原料ガスをノズルを通してチャン
バ内に導入し、それら原料ガスをプラズマエネルギーを
利用して化学反応を起こさせること番こよって、その反
応生成物を基板の表面に付着させて薄膜を形成する装置
であって、前記ノズルは、それぞれ多数のガス流出孔が
形成されている内管および外管からなる二重管構造とさ
れ、そのノズルの内管内および内管と外管との間にそれ
ぞれ異なる原料ガスを導入するようになし、かつ、チャ
ンバ内に導入された原料ガスを基板周囲においてプラズ
マ化するための第１のプラズマ化手段と、前記ノズルに
導入される原料ガスのいずれかをノズルに導入するに先
立ってマイクロ波によりプラズマ化するための第２のプ
ラズマ化手段とを具備してなるこ２を特徴とするもので
ある。

「作用」 本発明の薄膜形成装置では、二重管構造のノズルの内部
において主原料ガスと副原料ガスとが反応してからチャ
ンバ内に流出していくことになるが、ノズル内における
原料ガスのガス圧は、ガス流出孔の通過抵抗が生じる分
だけチャンバ内におけるガス圧に比して高く保持され、
したがって、不純物となる反応副生成物の発生を抑制で
きるとともに、チャンバ内は十分に低圧に保持できるた
め、形成される薄膜のつきまわりが悪化することもない
。

「実施例」 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す＝７− る。

第１図および第２図は本発明に係る薄膜形成装置の一実
施例を示すものである。第１図において符号２１は真空
を保持可能なチャンバ、２２はチャンバ２１内を真空と
するだめの真空排気装置に通じる排気管、２３は被処理
物である基板、２４（ま基板２３を支持する支持台、２
５は支持台２４にバイアス電圧をかけるための電源装置
（第１のプラズマ化手段）である。この電源装置２５は
、支持台２４を介して基板２３に直流もしくは交流のバ
イアス電圧をかけることで基板２３周囲にグロー放電を
起こさせ、それによって、基板２３周囲（こおいて原料
ガスをプラズマ化して反応させるためのものである。

上記チャンバ２１の上部には、原料ガスをチャンバ２１
内に導入するためのノズル３０が基板２３の直上におい
てチャンバ２１内を貫通する状態で設けられている。ノ
ズル３０は、その横断面を第２図に示すように、下面側
にガス流出孔３１が形成された外管３２内に、周囲にガ
ス流出口３３が形成された内管３４が配された二重管構
造とさ４’ｂｔこものである。そして、第１図に示すよ
うに、そのノズル３０の外管３２内つまり外管３２と内
管３４との間に、復数種類の原料ガスのうちの薄膜の主
要構成元素である金属元素を含むもの（たとえば、Ｔｉ
Ｎ薄膜を形成する場合においてはＴｌＣ１，、以下では
主原料ガスという）がガス供給管３５を通して導入され
、かつ、内管３４内には還元剤等の他の原料ガス（上記
の場合においてはＨ２、以下では副原料ガスという）が
ガス供給管３６を通して導入されるようになっている。

上記のノズル３０を用いることにより、内管３４（こ導
入された副原料ガスはガス流出孔３３を通って外管３２
内に流出し、外管３２内において副原料ガスと主原料ガ
スとが混合され、その混合ガスが外管３２に形成されて
いるガス流出孔３１を通ってチャンバ２１内に下向きに
吹き出されることになる。そして、外管３２に導入され
た主原料ガスがガス流出孔３１を通過してチャンバ２１
に流出する際には通過抵抗を受け、また、内管３４１こ
導入された副原料ガスがガス流出孔３３を通過する際お
よびガス流出孔３１を通過する際にはそれぞれ通過抵抗
を受けるから、内管３４と外管３２との間におけるガス
圧はチャンバ２１内のガス圧より高く保持され、内管３
４内のガス圧はそれよりさらに高く保持されることにな
る。

また、チャンバ２１にはさらに他の副原料ガス（たとえ
ば上記の場合においてはＮ２）がガス供給ｖ３７を通し
て直接的に導入されるようになっていて、この副原料ガ
スと、上記のノズル３０からチャンバ２１内に導入され
た混合ガスとはチャンバ２１内においてはじめて混合さ
れるようになっている。

さらに、上記のノズル３０の内管３４の基端部には、こ
の内管３４を通して導入される副原料ガスをプラズマ化
するための第２のプラズマ化手段４０が設けられている
。この第２のプラズマ化手段４０は、内管３４の基端部
の外側に設けられたプラズマ発生部４１と、チューナー
４２と、マイクロ波電源４３から構成され、第６図に示
した従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ法によるもののよ
うにマイクロ波を内管３４に導入することで副原料ガス
を内管３４に導入するに先立ってプラズマイしするため
のものである。なお、ノズル３０の長さ寸法、特に内管
３４のプラズマ発生部４１からｌまでの長さを余り長く
することは好ましくなく、５ｍ程度を上限とすることが
良い。

上記構造の装置では、第２のプラズマ化手段４０番こよ
りプラズマ化されて内管３４に導入された副原料ガスで
ある■］２がガス流通孔３３を通して外管３２内に流出
し、そこで、外管３２内に導入された主原料ガスである
Ｔ　ｉＣ１４と混合されてＴｉＣＬ＋Ｈ２→Ｔｉ＋ＨＣ
１ なる反応によりＴｉが生成される。この際、反応副生成
物としてＴｉｃｋｓ、Ｔ　ｉＣＩｚ、ＴｉＣ１等も生成
されるが、上述したようにノズル３０内のガス圧（まチ
ャンバ２工内のガス圧に比して高く保持されることから
、その反応がチャンバ２１内において生じる場合に比し
て反応副生成物の生成量は抑制されることになる。

そして、ノズル３０内における上記の反応により生成さ
れたＴｉは外管３２に形成されているガス流出孔３１を
通してチャンバ２１内に流出し、チャンバ２１に直接的
に導入された他の副原料ガスであるＮ２と基板２３周囲
において混合され、そこで、電源装置２５（第１のプラ
ズマ化手段）により活性化されて反応してＴｉＮが生成
され、これが基板２３に付着してＴｉＮ薄膜が形成され
ることになる。

以上のように、この装置では、二重管構造のノズル３０
を採用したことによってノズル３０内のガス圧を高く保
持でき、このため、不純物である反応副生成物の生成が
抑制されてそれが薄膜に混入してしまうことを防止する
ことができるものであり、したがって、良質の薄膜を形
成できるとともに、チャンバ２１内のガス圧は十分に低
く保持することが可能であるからチャンバ２１内のガス
圧を高くする場合のようにつきまわりが不良となってし
まうようなことがなく、以上のことから、この装置によ
れば、従来のプラズマＣＶＤ法においては処理が困難で
あった大きな基板に対しても処理を行うことが可能であ
って、その全面に良質かつ均質な薄膜を形成することが
可能なものである・ また、上記の装置では、３種類の原料ガスを各々別の経
路を経てチャンバ２１内に導入するようにしたので、最
終的な成膜物質は基板２３周囲においてのみ生成され、
したがって、ノズル３０の内面ヤチャンバ２１の内面に
成膜物質が付着してしまってそこに薄膜が形成されてし
まうようなことが抑制される、という利点もある。

さらに、上記の装置では、第２のプラズマ化手段４０は
チャンバ２１外に設けられているから、チャンバ２１内
において異常放電が生じることが防止され、このため、
従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ法による場合には生じ
ることのあった数μｍ以下の小さな放電価の発生が防止
され、この点においても良質の薄膜を形成できるという
利点がある。

また、上記実施例の装置は、主原料ガスを外管３２に導
入するとともに、副原料ガスを内管３４（こ導入してプ
ラズマ化手段４０によりプラズマ化するので、プラズマ
発生部４１にマイクロ波を反射してしまうような薄膜が
形成されるようなことがなく、その結果、長時間にわた
る処理が可能である。

なお、ノズル３０に形成しておくガス流出孔３↓、３３
の大きさを、ガス導入側に近いものほど小さく、遠いも
のほど大きくしておけば、ノズル３０の長さ方向におけ
るガス流出量を均等とでき、その結果、基板２３全面に
形成される薄膜の膜質なより一層均質化することができ
る。

また、上記実施例では、形成するべき薄膜がＴｉＮであ
る場合を例にとって説明したが、以下のような化学反応
に基づく種々の薄膜が形成できることは勿論である。い
ずれの場合も、左辺の第１項が主原料ガス、第２項およ
び第３項が副原料ガスであり、右辺第１項が成膜物質で
ある。

ＡｌＣｌ３＋Ｈ２０＋Ｈ２→Ａ１□Ｑ、＋Ｉ（ｃｌＳｉ
Ｃｌ、＋Ｈ，＋Ｈ２０→５ｉ０２＋ＨＣ１’ｌ”　ｉｃ
Ｉ、−１−ＣＨ，＋Ｈ２→ＴｉＣ＋ＨＣＩＨｆＣ１４十
Ｎ　２＋Ｈ２→ＨｆＮ　十ＨＣＩＴｉＦｓ＋Ｈ２＋Ｎ２
　　→Ｔ　ｉＮ　十ＨＦさらに、成膜物質としては上記
のものの他に、ＡＩＮ％　ＳｉＣ，５ｉ３Ｎａ、ＴｉＢ
、、ＴｉＯ２、ｖ２゜８、Ｃｒ＝ｏ　ｓ、ＦｅＮ、Ｆｅ
、Ｏ，、ＮｂＮ、ＭｏＢ、Ｍ＠Ｃ，ＭｏＯ２、ＨｆＢ、
ＨＩＮ、ＨｆＯ２、ＷＢ％ＷＣ，Ｗ２Ｏ、等が考えられ
る。それらの成膜物質１ヨ、上記の各反応式から容易に
類推できるように、遷移金属（Ａ　Ｉ　ＳＳ　＋　ＳＴ
　ｌ　％　Ｖ　ｓ　Ｃｒ、Ｆｅ５Ｃｏ。

Ｎｌｓ　％ｏ、　Ｈｌ、　Ｗ、等）ノハロゲ／（ｌＺＺ
ｎ２Ｎガスとし、還元剤（たとえばＨ２等）と、８１Ｃ
％Ｎ、０の気体分子もしくは水素化合物（たとえばＨｘ
Ｏ１ＣＨ４等）とを副原料ガスとして用いることにより
生成できるものである。

以上で本発明の一実施例を説明したが、第３図に本発明
の他の実施例を示す。これは、チャンバ２１を長尺なも
のとなし、このチャンバ２１に、上記実施例におけるも
のき同様のノズル３Ｑをチャンバ２１の長手方向に間隔
をおいて複数組設け、そのチャンバ２１内に長尺の基板
２３を真空シール装置５０を通して連続的に送り込み、
かつ、引き出していきつつ、その表面に連続的に薄膜を
形成するように構成したものである。この装置によれば
、基板２３の表面に良質かつ均質な薄膜を形成できると
ともに、長尺の基板２３に対する連続的な処理が可能で
あるので極めて生産性に優れる、という利点がある。

「発明の効果」 以上で詳細に説明したように、本発明は、内管ｅよび外
管からなる二重管構造のノズルを採用し、かつ、チャン
バ内に導入された原料ガスを基板周囲においてプラズマ
化するための第１のプラズマ（Ｅ手段と、前記ノズルに
導入される原料ガスのいずれかをノズルに導入するに先
立ってマイクロ波（こよりプラズマ化するための第２の
プラズマ化手段とを具備したので、ノズル内のガス圧が
自ずと高く保持されて不純物である反応副生成物の生成
が抑制され、その結果、良質の薄膜を形成できるととも
に、チャンバ内のガス圧は十分に低く保持することが可
能であるから基板に対する薄膜のつきまわりが不良とな
ってしまうようなこともなく、したがって、大きな基板
に対してもその全面に良質かつ均質な薄膜を形成するこ
とが可能であり、しかも、第２のプラズマ化手段のプラ
ズマ発生部にマイクロ波を反射したり吸収してしまうよ
うな？ＩＩＩＲが形成されることもなく、その結果、長
時間をこわたる処理が可能である、という効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に係る薄膜形成装置の一実
施例を示すもので、第１図は正断面図、第２図はノズル
の横断面図である。第３図は不発ｖ４１こ係る薄膜形成
装置の他の実施例を示す斜視図である。第４図〜第７図
はいずれも従来の薄膜形成装置を示す概略構成図である
。 ２１・・・・・・チャンバ、２３・・・・・・基板、２
５・・・・・・電源装置（第１のプラズマ化手段）、３
０・・・・・・ノズル、 ３Ｉ、３３・・・・・・ガス流出孔、 ３２・・・・・・外管、３４・・・・・・内管、４０・
・・・・・第２のプラズマ化手段。 出願人　　石川島播磨重工業株式会社 第４図 原料 第６図 第５図 原料ガス ↓ 第７図 マイクロ波 原料ガス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 復数種類の原料ガスをノズルを通してチャンバ内に導入
   し、それら原料ガスをプラズマエネルギーを利用して化
   学反応を起こさせることによって、その反応生成物を基
   板の表面に付着させて薄膜を形成する装置であって、前
   記ノズルは、それぞれ多数のガス流出孔が形成されてい
   る内管および外管からなる二重管構造とされ、そのノズ
   ルの内管内および内管と外管との間にそれぞれ異なる原
   料ガスを導入するようになし、かつ、チャンバ内に導入
   された原料ガスを基板周囲においてプラズマ化するため
   の第１のプラズマ化手段と、前記ノズルに導入される原
   料ガスのいずれかをノズルに導入するに先立ってマイク
   ロ波によりプラズマ化するための第２のプラズマ化手段
   とを具備してなることを特徴とする薄膜形成装置。