JPH06256955A - マイクロ波プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 放電空間に荷電粒子を供給することにより、
再現性良く一定の低電力での放電開始が可能になり、さ
らに放電切れ時にも瞬時に放電を復帰させることができ
るマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を提供する。 【構成】 マイクロ波プラズマＣＶＤ法による堆積膜形
成装置であって、放電開始のトリガーとして、荷電粒子
（電子、イオン）をプラズマ生成領域に打ち込むことが
可能な荷電粒子加速装置を前記プラズマ生成領域外に設
け、放電切れを感知した瞬間に荷電粒子加速装置を作動
させ、瞬時に放電を復帰させる回路を具備しているマイ
クロ波プラズマＣＶＤ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基体上に堆積膜、とり
わけ機能性膜、特に半導体デバイス、電子写真用感光体
デバイス、画像入力用ラインセンサー、撮像デバイス、
光起電力デバイス等に用いる結晶またはアモルファス堆
積膜をプラズマＣＶＤにより形成する堆積膜形成装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス、電子写真用光受容部
材、画像入力用ラインセンサー、撮像デバイス、光起電
力デバイス、またその他の各種エレクトロニクス素子等
に用いる素子部材として、アモルファスシリコン、例え
ば水素または／及びハロゲンで補償されたアモルファス
シリコン等のアモルファス材料で構成された半導体用の
堆積膜またはダイヤモンド薄膜のような結晶堆積膜が提
案され、その中の幾つかは実用に付されている。

【０００３】そして、こうした堆積膜は、プラズマＣＶ
Ｄ法、すなわち、原料ガスを直流または高周波、マイク
ロ波グロー放電によって分解し、ガラス、石英、耐熱性
合成樹脂フィルム、ステンレス、アルミニウム等の基体
上に薄膜状の堆積膜を形成する方法により形成されるこ
とが知られており、そのための装置も各種提案されてい
る。

【０００４】特に近年堆積膜形成方法としてマイクロ波
グロー放電分解を用いたプラズマＣＶＤ法すなわちマイ
クロ波プラズマＣＶＤ法が工業的にも注目されている。

【０００５】マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、他の方法
に比べ高いデポジション速度と高い原料ガス利用効率と
いう利点を有している。こうした利点を生かしたマイク
ロ波プラズマＣＶＤ技術の１つの例が、特開昭５９−０
７８５２８号（ＵＳＰ４，５０４，５１８）公報に記載
されている。そしてさらに特開昭６０−１８６８４９号
公報には、改良されたマイクロ波プラズマＣＶＤ法によ
る堆積膜の形成方法が開示されている。該公報によれ
ば、デポジションチャンバ内に複数の円筒部材を配置す
ることによって、内部チャンバを形成し、その内部に原
料ガスを導入することで、ガスの利用効率を高めると同
時に、生産性を向上させる堆積膜の形成方法が開示され
ている。

【０００６】こうした従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ
法による堆積膜形成装置は代表的には図６に示すもので
ある。図６において、５０１は反応容器であり、真空気
密化構造を成している。５０２はマイクロ波電力を反応
容器内に効率よく透過し、かつ、真空機密を保持し得る
ような材料、例えば、石英ガラス、アルミナセラミック
ス等で形成された誘電体窓である。５０３はマイクロ波
の伝送部で主として金属性の導波管から成っており、整
合器、アイソレーターを介してマイクロ波電源（図示せ
ず）に接続されている。５０４は一端が真空容器５０１
内に開口し、他端が排気装置（図示せず）に連通してい
る排気管である。５０５は堆積膜形成用の基体であり５
０６は放電空間を示す。さらに、５０９，５１０はそれ
ぞれプラズマ電位を制御するための電源及び電極を示し
ている。

【０００７】こうした従来の図６に示した堆積膜形成装
置による堆積膜形成は、概略以下のように行われる。

【０００８】即ち、真空ポンプ（図示せず）により、反
応容器５０１内を排気し、反応容器５０１内圧力１×１
０^-7Ｔｏｒｒ以下に調整する。次いで基体ホルダー５０
７に内蔵されたヒーターに通電して基体５０５の温度を
所望する膜堆積の形成に好適な温度に加熱保持する。原
料ガス導入パイプ５０８を介して、例えばアモルファス
シリコン堆積膜を形成する場合であれば、シランガス
（ＳｉＨ₄ ）等の原料ガスが反応容器５０１内に導入さ
れる。そして同時併行的にマイクロ波電源（図示せず）
に通電して周波数５００ＭＨｚ以上の、好ましくは２．
４５ＧＨｚのマイクロ波を発生させ、導波管５０３を通
じ、誘電体窓５０２を介して反応容器５０１内に導入さ
れる。

【０００９】かくして反応容器５０１内のガスは、マイ
クロ波のエネルギーにより励起されて解離し、基体表面
に堆積膜が形成されるところとなる。

【００１０】こうした従来の堆積膜形成装置を用いるこ
とにより比較的厚い光導電性材料を高い堆積速度で形成
することが可能となった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】一般にマイクロ波電力
により原料ガスを励起してプラズマ化する放電開始時に
は、定常時における放電維持電力よりも過大な電力が必
要である。しかもこの値は常に一定とはならない。この
放電開始までに導入された不確定の過剰電力は基体の高
周波加熱に作用し、基体の温度の再現性の低下につなが
る。これが膜質に影響を与え、デバイスとしての再現性
を低下させる。例えば電子写真用光受容部材の場合では
シミや画像欠陥の原因となる等の問題点が存在した。

【００１２】また、放電開始時の電力に合わせた定格電
力を持った電源が必要になるため装置コストも余計に必
要になってしまう。

【００１３】さらに、比較的膜厚の厚い電子写真用光受
容部材や、薄膜デバイスにおいても基体を輸送させて連
続的に形成させる場合には、長時間の安定な放電が必要
であるが、マイクロ波導入窓に堆積された膜による経時
変化等から放電切れが発生することがある。一旦放電切
れが起きれば復帰することは難しく、電力調整や圧力増
加等により対処する間、無放電状態となる。この間に膜
成長の最表面ではネットワーク化が進行し、再放電後の
堆積膜との間で界面を形成することになる。この界面は
デバイスの特性に悪影響を与え、さらに、電子写真用光
受容部材のような厚膜デバイスでは、その界面からの膜
剥れが起きる可能性が大きい。さらに、再放電するまで
の時間が長引いた場合、基体の温度が急上昇し、電子写
真特性が変わるといった問題点もあった。

【００１４】本発明の目的は、上述のごとき従来のマイ
クロ波プラズマＣＶＤ装置における諸問題を克服して、
半導体デバイス、電子写真用感光体デバイス、画像入力
用ラインセンサー、撮像デバイス、光起電力デバイス、
その他各種エレクトロニクス素子、光学素子等に用いる
素子部材等に用いられる素子部材として特性の良い堆積
膜を、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、安価に安定
して歩留まり良く高速形成し得る堆積膜形成方法及び堆
積膜形成装置を提供することにある。

【００１５】さらに本発明の目的は、マイクロ波プラズ
マＣＶＤ法によりアモルファスシリコン堆積膜またはダ
イヤモンド堆積膜等の機能性堆積膜を形成するについ
て、特性の優れ、かつ欠陥の少ない膜を形成し得る堆積
膜形成方法及び堆積膜形成装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
せんとするもので、その要旨は、 減圧にし得る反応容
器内に原料ガス及びマイクロ波エネルギーを導入して、
前記反応容器内にプラズマを生じさせ、該反応容器内に
設置された基体に堆積膜の形成を行うマイクロ波プラズ
マＣＶＤ法による堆積膜形成装置であって、放電開始の
トリガーとして、荷電粒子（電子、イオン）をプラズマ
生成領域に打ち込むことが可能な荷電粒子加速装置を前
記プラズマ生成領域外に設けることを特徴とするマイク
ロ波プラズマＣＶＤ装置、ならびに放電切れを感知した
瞬間に荷電粒子加速装置を作動させ、瞬時に放電を復帰
させる回路を具備することを特徴とするマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ装置にある。

【００１７】以下、本発明をさらに詳細に説明する。

【００１８】本発明者等は従来の堆積膜形成方法及び装
置における前述の問題を克服して、前述の本発明の目的
を達成すべく鋭意研究を重ねたところ、以下に述べるよ
うな知見を得た。

【００１９】低電力での放電開始ならびに放電切れ後の
復帰を可能にするために、放電開始のメカニズムにたち
かえり検討した。放電開始のメカニズムは簡単に説明す
ると次のようになる。

【００２０】低圧なガスに電界をかけると気体中に少量
存在する自由電子が加速されて運動エネルギーを獲得す
る。低圧であるから分子間距離が常圧に比べて著しく大
きく、電子は空間中を長く加速されて容易に１０〜２０
ｅＶのエネルギーに達する。この電子が原子や分子に衝
突すると原子軌道や分子軌道を分断して、電子、イオ
ン、ラジカル等の状態では不安定な化学種に解離させ
る。解離した電子は再び電界加速を受けて別の電子や分
子を解離させるので気体は急速に高度のプラズマ状態に
なる。

【００２１】即ち、電界を印加する前に放電空間中に電
子数を増加させておけば、放電開始が容易になると考え
られる。本発明者等は、まず、テスラコイルを用いた回
路の火花ギャップを放電空間中に設けることで、電子を
供給しようと考え検討を行った。しかしながら、テスラ
コイルによる放電開始は圧力がある程度高くないと放電
を生起できなかった（数十ミリトール以上）、さらに成
膜中に火花ギャップをプラズマに曝すと火花ギャップ表
面からの不純物が堆積膜中に取り込まれる可能性が高い
ことが問題となる。それを避けるためには放電開始後に
火花ギャップを放電空間外に移動させなければならず、
装置構成が煩雑になる。つまり、電子を供給する手段を
放電空間外に設けることが必要条件である。本発明者等
は上記知見に基づき本発明を完成した。

【００２２】本発明において、放電空間外から電子を供
給する手段としては電子銃が挙げられ、荷電粒子（電
子、イオン）を供給する手段としてプラズマ銃等が挙げ
られるが、本発明は、放電空間外から放電空間に荷電粒
子の供給が可能な荷電粒子加速装置であればよく、必ず
しも上記の２種類に限定されるものではない。

【００２３】図２にしたがってプラズマ銃の構成及び原
理について簡単に説明するとともに本発明の原理を説明
する。図中２０１は交流電源、２０２はトランス、２０
３は整流素子、２０４はコンデンサー、２０５はギャッ
プスイッチ、２０６はトリガー、２０７はトリガースイ
ッチ、２０８，２０９は電極板である。２０２により２
０１の最大電圧を昇圧し、２０３の整流素子により２０
４のコンデンサーを高電圧にチャージアップする。２０
７のトリガースイッチにより２０５のギャップスイッチ
と２０６のトリガーを連動させ、２枚の電極間に高電界
を印加すると同時に図中電極の左端に電流を生じさせる
と、瞬時に電流は右端まで広がるが、この時に発生する
強力な磁界により、電極間の荷電粒子は図の右方向に加
速される。

【００２４】また、放電切れは電流の有無により、ガス
管やバイアス棒等、各装置に適する手段でモニターする
ことが可能であり、放電切れが起きた瞬間にプラズマ銃
のトリガーを引くように設計する。

【００２５】図１は本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ
装置の一例を示す説明図である。本発明は図１のように
一方の端にガス導入口１０８を有し、他方端に排気管１
０４を設けてなる反応容器１０１内に基板１０５をヒー
ター１０７上に載置させて設け、かつ基板１０５の上方
部にはバイアス印加用電源１０９に連なるバイアス印加
用電極１１０を水平方向に突出させて設けてある。反応
容器１０１内の上部隅部にはプラズマ生成領域外から荷
電粒子（電子、イオン）を反応容器１０１内のプラズマ
生成領域である放電空間１０６に打ち込み可能なように
電源回路１１２とトリガースイッチ１１３に連なるプラ
ズマ銃１１１からなる荷電粒子加速装置を設けてあり、
反応容器１０１の上部には導波管１０３に連なるマイク
ロ波導入部１０２を設けてある。

【００２６】図３および図４ならびに図５は本発明の別
の例を示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置であり、図１
の場合と同様にプラズマ生成領域外から荷電粒子（電
子、イオン）を反応容器４０１，５０１内のプラズマ生
成領域である放電空間３０６，４０７に打ち込み可能な
ように電源回路３０９，４１１とトリガスイッチ３１
０，４１０に連なるプラズマ銃３０８，４０８からなる
荷電粒子加速装置を設けてある。また図５の例ではトリ
ガースイッチ４１０とバイアス印加用電源４０９とを電
気的に接続し、電流検知器４１３を設けて放電切れを感
知可能なように放電切れ感知回路を形成してある。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体
的に説明するが、本発明はこれらにより何ら限定される
ものではない。

【００２８】実施例１ 図１に示した本発明のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を
用い、荷電粒子供給装置として１１１で示すプラズマ銃
を用いた。プラズマ銃はマイクロ波導入窓１０２と基体
１０５の間を通過するように設定した。

【００２９】表１に示した条件で放電空間に原料ガスを
導入させ、マイクロ波電力を膜堆積時に必要な量だけ導
入した。そしてこの状態でプラズマ銃を放銃させてやる
ことにより、放電が生起した。

【００３０】

【表１】 比較例１ 図６に示した従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用
いた。

【００３１】表１に示した条件で放電空間に原料ガスを
導入させ、マイクロ波電力を膜堆積時に必要な量だけ導
入した。そのとき、放電は生起しなかったので投入する
パワーを１．５倍まで上げたところプラズマが生起し
た。そして放電が生起した後すぐに通常のマイクロ波パ
ワーまで下げた。こうして作製した堆積膜はシミと呼ば
れる基板へのダメージが確認された。

【００３２】実施例１と比較例１により本発明で放電生
起時に多大な投入マイクロ波電力を必要としなくなった
ことがわかる。

【００３３】実施例２ 図３に示したマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用い、荷
電粒子供給装置にプラズマ銃を用いて、表２に示した条
件で実施例１と同様の実験を行った。

【００３４】図３および図４において３０１は反応容器
であり、真空気密に構造を成している。また、３０２
は、マイクロ波電力を反応容器内に効率よく透過し、か
つ真空気密を保持し得るような材料（例えば石英ガラ
ス、アルミナセラミックス等）で形成されたマイクロ波
導入誘電体窓である。３０３はマイクロ波電力の伝送部
で導波管より成っており、スタブチューナー（図示せ
ず）、アイソレーター（図示せず）を介してマイクロ波
電源（図示せず）に接続されている。誘電体窓３０２は
反応容器内の雰囲気を保持するために導波管３０３内壁
に気密封止されている。３０４は一端が反応容器３０１
内に開口し、他端が排気装置（図示せず）に連通してい
る排気管である。３０６は基体３０５により囲まれた放
電空間を示す。３０７は基体３０５を加熱するためのヒ
ータである。３０８のプラズマ銃は基体３０５の間から
放電空間３０６に荷電粒子を供給するように設定されて
いる。

【００３５】実施例１と同様に、プラズマ銃を放銃させ
てやることにより、放電が生起した。

【００３６】

【表２】 実施例３ 表３に示した条件で圧力を変化させて実施例２と同様の
実験を行った。

【００３７】通常この圧力領域では圧力が低いほど放電
開始に大きなマイクロ波エネルギーを必要とするが、プ
ラズマ銃を用いることにより圧力に依存せず、再現性良
く放電を生起させることができた。

【００３８】

【表３】 実施例４ 表４に示した条件で、図３に示す装置を用い、圧力を変
化させずにシランガスとヘリウムガスの流量を変化させ
て実施例２と同様の実験を行った。

【００３９】通常シランガス流量が減少しヘリウムガス
の流量が増加すれば、放電開始に大きなマイクロ波エネ
ルギーを必要とするが、プラズマ銃を用いることにより
ガス条件に依存せず、再現性良く放電を生起させること
ができた。

【００４０】

【表４】 実施例５ 図５に示した放電切れ感知回路を設けた装置を用いて電
子写真用光受容部材を表５に示した条件で１０回（６０
本）作製した。放電開始時は実施例２と同様にプラズマ
銃を用いた。

【００４１】表５のような条件の場合、光導電層から表
面層に変わるときにガス種や流量の変化があるため、放
電条件の急激な変化が生じ、またこのときにはマイクロ
波導入窓４０２にかなりの膜が堆積されているため、放
電切れが発生し易い。

【００４２】今回の実験中においても３回目と９回目に
放電切れが起こったがプラズマ銃により瞬時に復帰し
た。このとき得られた電子写真用光受容部材は膜剥れも
なく、特性も同等のものが得られていた。また、得られ
た６０本の電子写真用光受容部材にシミと呼ばれる外観
不良は見られず、特性のばらつきもほとんどなかった。
これは、放電開始時の条件が画一化されたためである。

【００４３】

【表５】

【００４４】

【発明の効果】以上述べたように本発明を用いることに
より、放電開始時に原料ガスとマイクロ波電力を放電維
持時に必要な量だけプラズマ生成領域に導入し、そこへ
荷電粒子を打ち込むことにより、再現性良く放電を開始
させることが可能になる。つまり、成膜開始前の基体表
面の条件が一定になると考えられ、デバイス特性の再現
性が向上できる。また、放電切れにも瞬時に対応するこ
とが可能で、膜成長に影響なく再放電が可能であり歩留
まりの向上が期待できる。さらに、放電空間外から作用
させるため、堆積膜中への不純物混入の心配もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置
の一例を示す説明図。

【図２】本発明で使用するプラズマ銃の構成及び原理を
説明する説明図。

【図３】本発明におけるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置
の他の例を示す縦断面図。

【図４】本発明におけるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置
の他の例を示す横断面図。

【図５】本発明におけるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置
の他の例を示す縦断面図。

【図６】従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ法による堆積
膜形成装置の説明図。

【符号の説明】

１０１，３０１，４０１，５０１ 反応容器 １０２，３０２，４０２，５０２ マイクロ波導入窓 １０３，３０３，４０３，５０３ 導波管 １０４，３０４，４０４，５０４ 排気管 １０５，３０５，４０５，５０５ 基体 １０６，３０６，４０６，５０６ 放電空間 １０７，３０７，４０７，５０７ ヒーター １０８，５０８ ガス導入口 １０９，４０９，５０９ バイアス印加用電源 １１０，４１０，５１０ バイアス印加用電極 １１１，３０８，４０８ プラズマ銃 １１２，３０９，４１１ 電源回路 １１３，３１０，４１２ トリガースイッチ ２０１ 交流電源 ２０２ トランス ２０３ 整流素子 ２０４ コンデンサー ２０５ ギャップスイッチ ２０６ トリガー ２０７ トリガースイッチ ２０８，２０９ 電極板 ４１３ 電流検知器

フロントページの続き (72)発明者 村山 仁 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 大利 博和 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧にし得る反応容器内に原料ガス及び
   マイクロ波エネルギーを導入して、前記反応容器内にプ
   ラズマを生じさせ、該反応容器内に設置された基体に堆
   積膜の形成を行うマイクロ波プラズマＣＶＤ法による堆
   積膜形成装置であって、放電開始のトリガーとして、荷
   電粒子（電子、イオン）をプラズマ生成領域に打ち込む
   ことが可能な荷電粒子加速装置を前記プラズマ生成領域
   外に設けることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶＤ
   装置。
2. 【請求項２】 放電切れを感知した瞬間に荷電粒子加速
   装置を作動させ、瞬時に放電を復帰させる回路を具備し
   ている請求項１に記載のマイクロ波プラズマＣＶＤ装
   置。