JPH0448872B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロ波によるプラズマを利用し
て薄膜を形成する成膜装置に関する。

［従来の技術］ 従来、プラズマ生成室と成膜室を開口部を介し
て連通させ、プラズマ生成室にマイクロ波導入窓
を介してマイクロ波を導入し、電子サイクロトロ
ン共鳴を利用してプラズマを生成させ、このプラ
ズマを磁界を利用して成膜室へ送り出し、これに
成膜ガスを接触させて基体上に成膜する装置が知
られている。（特開昭56−155535号）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来の成膜装置では、プラ
ズマ生成室から成膜室へのプラズマの送り出しが
さほど迅速なものではなく、送り出し途中でプラ
ズマの活性が低下しやすい問題がある。また、プ
ラズマの流れがさほど速くないので、成膜室内に
供給された成膜ガスがプラズマ生成室へと逆流
し、マイクロ波導入窓に膜が付着しやすく、長時
間の連続運転がしにくい問題もある。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために講じられた手段
を、本発明の一実施例に対応する第１図及び第２
図で説明すると、マイクロ波透過窓２を備へ、非
成膜ガス源８接続してなるプラズマ生成室３と、
基体４を内部に有し、成膜ガス源９を接続してな
る反応室５とを、プラズマ生成室３で形成された
プラズマを反応室５に噴出せしめる縮小拡大ノズ
ル７を介して連通させた成膜装置とすることであ
る。

本発明において縮小拡大ノズル７とは、流入口
７ａから中間部に向つて徐々に開口面積が絞られ
てのど部１ｂとなり、こののど部１ｂから流出口
１ｃに向つて徐々に開口面積が拡大されているノ
ズルをいう。また、非成膜ガスとは、それのみで
は膜形成能を生じないガスをいう。成膜ガスと
は、エネルギーの付与によつて膜形成能を生じる
ガス及び当該ガスと非成膜ガスの混合ガスをい
う。

［作用］ 反応室５内を排気しながら、プラズマ生成室３
には非成膜ガスを供給し、反応室５には成膜ガス
を供給して、プラズマ生成室３内の圧力P₀を成
膜室５内の圧力Ｐより大きく保つと、非成膜ガス
が縮小拡大ノズル７を介して成膜室５への流入す
る。

縮小拡大ノズル７は、上流側であるプラズマ生
成室３の圧力P₀と下流側である反応室５の圧力
Ｐの圧力比Ｐ／P₀と、のど部７ｂの開口面積A^*
と流出口７ｃの開口面積Ａとの比Ａ／A^*とを調
節することによつて、噴出する非成膜ガスの流れ
を高速化できる。そして、プラズマ生成室３と反
応室５内の圧力比Ｐ／P₀が臨界圧力比より大き
ければ、縮小拡大ノズル７の出口流速が亜音速以
下の流れとなり、非成膜ガスは減速噴出される。
また、上記圧力比が臨界圧力比以下であれば、縮
小拡大ノズル７の出口流速は超音高速流となり、
非成膜ガスを超音速にて噴出させることができ
る。

ここで、流れの速度をｕ、その点における音速
をａ、流れの比熱比をγとし、流れを圧縮性の一
次元流で断熱膨張すると仮定すれば、流れの到達
マツハ数Ｍは、プラズマ生成室３の圧力P₀と反
応室５の圧力Ｐとから次式で定まり、特にＰ／
P₀が臨界圧力比以下の場合、Ｍは１以上となる。

尚、音速ａは局所温度をＴ、気体定数をＲとす
ると、次式で求めることができる。

ａ＝√ また、流出口７ｃの開口面積Ａ及びのど部７ｂ
の開口面積A^*とマツハ数Ｍには次の関係がある。

従つて、プラズマ生成室３の圧力P₀と反応室
５の圧力Ｐの圧力比Ｐ／P₀によつて(1)式から定
まるマツハ数Ｍに応じて開口面積比Ａ／A^*を定
めたり、Ａ／A^*によつて(2)式から定まるＭに応
じてＰ／P₀を調整することによつて、拡大縮小
ノズル７から噴出する流れの流速を調整できる。
このときの流れの速度ｕは、次の(3)式によつて求
めることができる。

ｕ＝Ｍ√（１＋γ−１／２M²）−１／２…… (3) 一方、プラズマ生成室３のマイクロ波透過窓２
は、当該窓２からマイクロ波を投入することによ
つて、プラズマ生成室３内に供給された非成膜ガ
スをプラズマ化するためのもので、これによつて
形成されたプラズマが縮小拡大ノズル７から噴出
されることになる。

縮小拡大ノズル７は、プラズマ生成室３で形成
されたプラズマを反応室５に噴出させるものであ
るが、前述した理論に従つて、プラズマを高速で
噴出させる働きをなす。

この高速の流れとしてのプラズマの噴出は、反
応室５内に供給される成膜ガスの逆流を防止し、
マイクロ波透過窓２への成膜ガスの接触を阻止す
る働きをなす。また、反応室５へと噴出されたプ
ラズマは、その活性状態によつて反応室５内の反
応ガスを活性化し、基体４面への成膜を発生させ
るものであり、上記高速の流れとして迅速に反応
室５へと送り込まれるので、良好な活性状態のま
ま成膜に利用されることになる。

［実施例］ 第１図に示されるように、反応容器１は、マイ
クロ波透過窓２側のプラズマ生成室３と、基体４
側の反応室５に仕切壁６によつて分けられてい
る。

プラズマ生成室３には、バルブ１０ａを介して
非成膜ガス源８が連結されている。また、マイク
ロ波透過窓２の外側には、導波管１４が接続され
ている。

反応室５には、バルブ１０ｂを介して成膜ガス
源９が連結されている。縮小拡大ノズル７と向き
合つて位置する基体４の上方には、環状の供給環
１１が設けられており、この供給環１１の内周に
形成された孔より成膜ガス源９からの成膜ガスが
反応室５内へ供給されるようになつている。ま
た、反応室５内は、排気管１２を介して排気され
るものである。

非成膜ガスとしては、例えばH₂、N₂、He等が
使用される。成膜ガスとしては、例えばジシラン
ガス等があり、成膜すべき膜の種類に応じて選択
される。成膜ガスとしては、例えばドーピング等
の目的のために、非成膜ガスを混合したものを用
いることもある。この場合、上記成膜ガス中に混
合される非成膜ガスを、プラズマ生成室３に導入
するものと同種のものとしておくことにより、不
純物を含まない高品質の堆積膜を基体４上に形成
することができる。

縮小拡大ノズル７としては、第２図に示される
ように、流入口７ａから徐々に開口面積が絞られ
てのど部７ｂとなり、再び徐々に開口面積が拡大
して流出口７ｃとなつているものであれば、その
開口断面形状は、円形、矩形、その他の形状であ
つてもよい。また、縮小拡大ノズル７の材質とし
ては、例えば鉄、ステンレススチールその他の金
属の他、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエ
チレン、ポリスチレン、ポリプロピレン等の合成
樹脂、セラミツク材料、石英、ガラス等、広き用
いることができる。

本発明の装置にあつては、従来のものと同様に
減圧下おいても、また常圧下、あるいは加圧下に
おいても成膜を行うことができるが、プラズマ生
成室３の圧力P₀および反応室５の圧力Ｐは、膜
形成能のある反応室５内の成膜ガスがプラズマ生
成室３内に混入して、マイクロ波透過窓２に膜が
付着してしまうのを防止する目的で、両室３，５
の圧力P₀、ＰにP₀−Ｐ＞０の差圧が生じるよう
に保持される。特にＰ／P₀が臨界圧力比以下の
値となるよう保持することが好ましい。

このような圧力関係に保持するには、非成膜ガ
スと成膜ガスの圧力を所要のP₀＞Ｐとして両室
３，５に導入するのが最も簡単な方法であるが、
導入ガス量や排気ガス量などのガス条件、あるい
は縮小拡大ノズル７ののど部７ｂの断面積を適宜
選択することによつても所望の圧力関係を生じさ
せることができる。

上記のように、プラズマ生成室３と反応室５の
圧力P₀、ＰがP₀＞Ｐで、特にＰ／P₀が臨界圧力
比以下となると、非成膜ガスが縮小拡大ノズル７
から高速で噴出し、成膜ガスのプラズマ生成室３
への逆流が阻止される。一方、反応室５内の成膜
ガスには、縮小拡大ノズル７を介してマイクロ波
によつてプラズマ化された非成膜ガスが接触さ
れ、基体４上に成膜される。尚、プラズマ生成室
３内に十分なプラズマを形成するためには、プラ
ズマ生成室３内が電子サイクロトロン共鳴条件
（ECR条件）を満すようにしおくことが好まし
い。

実施例 １ 第１図に示されるような成膜装置を用いてａ−
Si：Ｈ膜を作成した。

プラズマ生成室３は、ECR条件を満す100φ×
87mmの円筒形空洞共振器構造とした。縮小拡大ノ
ズル７は、のど部７ｂの径を4.5mmφ、のど部７
ｂと流出口７ｃの断面積比を7.0とした。

反応室５内を排気しながら、プラズマ生成室３
内にH₂ガス10SCCMの流量で供給し、プラズマ
生成室３内の圧力を0.03Torr、反応室５内の圧
力を3.8×10^-4Torrとした。

そこでマイクロ波をプラズマ生成室３内に
200W投入したところ、プラズマが縮小拡大ノズ
ル７から反応室５内へ噴き出すことが確認され
た。

次いで、１mmφの孔を12個有する内径60mmφの
供給環１１からSi₂H₆ガスを1SCCMの流量で供
給したところ、0.6Å／secの堆積速度で基体４上
に良質のａ−Si：Ｈ膜が生成された。また、30分
以上の成膜を15回繰り返してもマイクロ波透過窓
２（石英製）のくもりは確認されず、長時間安定
して成膜を行なうことができた。

尚、基体４としては清浄なガラス板を使用し、
この基体４と縮小拡大ノズル７ののど部７ｂの間
隔は120mm、基体４と供給環１１の間隔は45mmと
した。

実施例 ２ 第３図に示されるような成膜装置を用いてａ−
Si：Ｈ膜を作成した。

レンズ系１３として、縮小拡大ノズル７ののど
部７ｂ（最小径部）に焦点をもつような２枚の石
英製シリンドリカルレンズを使用し、ArFの193n
ｍのエキシマレーザー光を100Hzで投入した以外
は実施例１と同様にして成膜を行つたところ、
2.0Å／secの堆積速度で基体４上に良質のａ−
Si：Ｈ膜が生成された。また、30分以上の成膜を
10回以上繰り返してもマイクロ波透過窓２と光透
過窓２′（スプラジル製）共に全くくもりが認め
られず、長時間安定して成膜を行うことができ
た。

比較例 第１図の成膜装置において、縮小拡大ノズル７
を用いずに、仕切板６に4.5mmφの穴をあけただ
けとした以外は実施例１と同様にしてａ−Si：Ｈ
膜を作成したところ、堆積速度は0.15Å／secと
なり、30分の成膜でマイクロ波透過窓２の両端に
くもりが確認された。また、マイクロ波透過窓２
のクリーニングを行わずに同様な成膜を行つたと
ころ、堆積速度は0.09Å／secに低下し、堆積速
度の再現性が得られなかつた。

以上のことから、仕切板６に単なる穴を設けた
だけではマイクロ波透過窓２のくもりを防止でき
ないため、膜の堆積速度が漸次低下し、長時間安
定して成膜を行うことができないことがわかつ
た。

成膜ガスは、供給環１１を介さず、直接導入し
てもよいが、供給環１１を設けると、確実にプラ
ズマを接触させることができ、かつ直に基体４へ
と吹き付けられるので、拡散による無駄が少なく
なり好ましい。

本実施例では、反応容器１を仕切壁６で二室に
仕切つてプラズマ生成室３と反応室５にしている
が、各室３，５を各々箱型に形成し、これを縮小
拡大ノズル７で連通させるようにしてもよい。

第３図は他の実施例を示すもので、反応容器１
内には、マイクロ波透過窓２を介して導波管１４
からマイクロ波が導入されると共に、光透過窓
２′を介して高エネルギー光が照射されるもので、
その光路に沿つて、仕切壁６には縮小拡大ノズル
７が設けられている。また、前記供給環１１及び
基体４もこの光路に沿つて位置しているものであ
る。

高エネルギー光としては、例えば水銀ランプ、
キセノンランプ、炭酸ガスレーザー、アルゴンイ
オンレーザー、窒素レーザー、エキシマレーザー
等の任意の発生源から発生される各種波長の高エ
ネルギー光を用いることができる。この高エネル
ギー光は、レンズ系１３を通じて照射されるよう
になつており、縮小拡大ノズル７はこのレンズ系
１３焦点位置近傍に位置している。

このようにすると、反応室５内の成膜ガスに縮
小拡大ノズル７を介して高エネルギー光を照射で
き、プラズマと高エネルギー光の両者によつて成
膜を行うことができる。また、光透過窓２′及び
マイクロ波透過窓２への膜の付着を同時に防止で
きる。

このとき、レンズ系１３を通じて高エネルギー
光を照射し、かつこのレンズ系１３の焦点位置付
近に縮小拡大ノズル７を位置させておくと、反応
室５内の広範囲に高エネルギー光を照射できるの
で好ましい。特に、レンズ系１３の焦点を縮小拡
大ノズル７ののど部７ｂの部分に位置させ、かつ
第２図に示される縮小拡大ノズル７の広がり角α
を、高エネルギー光を遮らない角度にしておくこ
とが好ましい。

［発明の効果］ 本発明によれば、迅速なプラズマの送り出しに
よる活性状態の良好なプラズマの成膜への利用
と、プラズマ生成室３への成膜ガスの逆流防止に
よるマイクロ波導入窓２への膜付着防止とによ
り、迅速な成膜と長時間の連続運転が可能となる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図は
縮小拡大ノズルの断面図、第３図は他の実施例の
説明図である。 １：反応容器、２：マイクロ波透過窓、２′：
光透過窓、３：プラズマ生成室、４：基体、５：
反応室、６：仕切壁、７：縮小拡大ノズル、８：
非成膜ガス源、９：成膜ガス源、１０ａ，１０
ｂ：バルブ、１１：供給環、１２：排気管、１
３：レンズ系、１４：導波管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ マイクロ波透過窓を備え、非成膜ガス源を接
   続してなるプラズマ生成室と、基体を内部に有
   し、成膜ガス源を接続してなる反応室とを、プラ
   ズマ生成室で形成されたプラズマを反応室に噴出
   せしめる縮小拡大ノズルを介して連通させたこと
   を特徴とする成膜装置。