JPS59142841A - 蒸着装置 - 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】 １、産業上の利用分野 本発明は蒸着装置、例えば水素等の元素で修飾されたア
モルファスシリコン（以下、ａ−３ｔと略す、）金製膜
するのに好適な真空蒸着装置に関するものである。

２　従来技術 ａ−８ｉ等の薄膜を形成するには、グロー放電装置、ス
パッタ装置、蒸着装置等を使用できるが、このうち蒸着
装置は製膜速度が大である上に大面積の薄膜を比較的容
易に形成できる点で優れている０ 一方、、ａ−８ｔ等の薄膜は半導体装置を始めとする種
々の分野において有用であるが、加熱によって蒸発若し
くは昇華可能な物質のみからなる薄膜だけでなく、その
ような物質中に他の修飾元素を混入せしめて所望の特性
を具備せしめた薄膜を蒸着法によって形成することが望
まれている。　例えば最近において太陽電池或いは光導
電材料として注目されているａ−８ｉはへ非晶質という
不規則な原子配列構造のために不可避的に未結合のダン
グリングボンドが生じるが、これを水素原子等により封
鎖することが必要であり、これによって初めて半導体材
料としての有用性が得られる。　従来、このようなａ−
Ｓｔは、シランガスを用いるグロー放電装置によって満
足すべきものが得られているが、蒸着装置によって同等
のものが得られれば上記した理由から極めて有利である
。

しかしながら、蒸着装置において、蒸着空間内に修飾元
素の供給ガス（以下、修飾ガスと称する）を単に存在せ
し−めるのみでは、修飾元素が蒸着膜中に混入される量
は極めて僅かであや、所望の特性を有する薄膜の形成は
極めて困難である。　これは主として、修飾ガスが分子
状で安定なものとなっていることが原因である。

こうした事情から、蒸着空間内に修飾元素金イオン化又
は活性化して存在せしめれば、蒸発物質との反応性が高
まり、有効に修飾元素を蒸着膜中に混入せしめ得ると考
えられる。　例えば、直流グロー放電によるガス放電管
において修飾ガスを放電せしめることにより得られるイ
オン化成分を真空槽内に導入せしめることが提案されて
いる。

これは、真空槽内において放電金主せしめる手段を配す
ると−この放電に必要な条件と蒸着に必要な条件との両
方を同時に満足しなければならないために、実際には条
件の設定が限定されたものとなって大きな自由度が得ら
れないことを避けたものである。

このようなガス放電管を利用して修飾元素を蒸着膜中に
混入せしめる方法は一応は有効であり、水素を含有した
ａ−８ｔの形成において確認されている。

第１図には、蒸着装置の一例が示されている。

この蒸着装置においては、真空槽を形成するペルジャー
１に、バタフライバルブ２を有する排気路３を介して真
空ポンプ（図示せず）全接続する。

ペルジャー１内に配置される被蒸着基板４を加熱するヒ
ーター５、及び基板４（又はこれが絶縁性のものである
ときにはその背後電極）に負の直流バイアス電圧を印加
する直流電源６を設ける。

また、基板４と対向するように蒸発源７を配置すると共
に、ペルジャー１にガス放電器８をそのガス導出口が基
板４と対向するように設ける。このように構成さｆ″Ｌ
、た蒸着装置を用い、次のようにして例えば水素が混入
されたアモルファスシリコンの薄膜を形成することがで
きる。

即ち、ペルジャー１内’ｅ　１０−〜１０−　Ｔｏｒｒ
の真空状態に排気し、ヒーター５により基板４を温２５
０〜５００℃に加熱すると共に直流電源６によ１１）−
１０ＫＶ以下の直流負電圧を基板４に印加した状態にお
いて、ガス放電器８に修飾ガスである水素ガス９を供給
し、この放電器８からの水素イオン又は活性水素をペル
ジャー１内に導入せしめながら、シリコンを蒸発源物質
とする蒸発源７を電子銃加熱方式（図示せず）で加熱し
てシリコン全蒸発せしめ、これによって基板４上に、水
素が混入されたａ−３ｋの薄膜を形成する。

ところが、本発明者が上記蒸着装置に検討を加えた結果
、次の如き欠陥があることを見出した。

即ち、上記ガス放電器８は、基板４に対してイオン流を
充分に導びく目的から、基板４の方向に向けて配置され
ているので一第２図に示すように、ガス放電器８からの
イオン流１０は基板４の近傍においてその中央部Ｃでは
多くなり、その両端Ａ。

Ｂ側では少なくなるという分布を示す。　このため、基
板４上に堆積するａ−８Ｉ膜中の水素濃度分布が面方向
にて不均一となり、これＫよって膜特性が著しく低下し
てしまう。

水素量の均一化を図るには一基板４に対しガス放電管８
を離して配置することが考えられるが、逆に基板への水
素イオン到達量が相対的に減少し、基板イオン電流（基
板に陽イオンが付着することにより基板に流れる電流：
陽イオンが流れ込む方向）が少なくなる。　　　　−１ ３、発明の目的 本発明の目的は、修飾元素の含有量が均一な製膜が可能
であシ、装置を小型にでき、しかも蒸着膜中に大きな自
由度をもって制御された割合で修飾元素を混入せしめる
ことができ、特にその含有割合を大きくすることのでき
る蒸着装置を提供することにある。

４　発明の構成 即チ、本発明えよる蒸着装置は、シリコン等ノ蒸発源と
、水素等の修飾ガスをイオン化又は活性化して供給する
マグネトロン型ガス放電器（特にマグネトロン型直流イ
オン銃）と、被蒸着基体と一前記マグネトロン型ガス放
電器からのイオン化又は活性化された修飾ガスを前記被
蒸着基体に引きつける手段（例えば被蒸着基体に印加さ
れる負のバイアス電圧）とを有しへ前記マグネトロン型
ガス放電器が前記被蒸着基体以外の方向を指向した状態
で配されていることを特徴とするものである。

５　実施例 以下、本発明の実施例を第３図〜第１４図について詳細
に説明する。　但、第１図及び第２図と同一部分には同
一符号を付して説明を省略することがある。

第３図は第１の実施例による蒸着装置金示すものである
。　この蒸着装置は、第１図に示した装置と同様の構成
部分を有しているが、特徴的なことは、ガス放電管１８
が後述のマグネトロン型直流イオン銃として構成されて
いる上に、被蒸着基板４（ここでは平担基板）に対【７
その方向を指向しない状態で（即ち、基板４の面方向に
沿ってほぼ平行に）配されていることである。

このようにイオン銃１８ヲ配することによって、イオン
銃１８から供給されるイオン化又は活性化された修飾ガ
ス１０は基板４に対して直接当たることはなく、第４図
に示す如く基板４に印加するバイアス電圧６とペルジャ
ー１との間に形成される電場１１（これは基板４の直下
では平行電場となっている）によって基板４の方向へ偏
向せしめられる。

従って、基板４に対し第２図の如く直接照射される場合
に比べ、基板４に到達するイオン量が場所的に均一とな
る。　言い換えれば、イオン銃１８からのイオン量は第
２図に示した如き分布を示すが、第４図の如きイオン銃
の配置により、基板４においてはイオン銃１８に近い側
（図中の中央部Ｃから端部Ａに向う側）には充分にイオ
ン流が引きつけられ、それより遠い側（図中の中央部Ｃ
から他方の端部Ｂへ向う側）には上記とほぼ均等量のイ
オン流が到達するようになり、全体として基板４に対す
るイメン照射量が平均化され一蒸着膜中のイオン濃度が
ほぼ均一となる。

こうｌ−た現象はへ上記バイアス電圧６により形成され
る電場によって効果的に生じるので、バイアス電圧６の
コントロールによって上記イオン濃）Ｗを正確に制御で
きる。　このためにはバイアス電圧６は一般に一１０Ｋ
Ｖ以下とするのがよく、例えば、−６ＫＶに設定される
。

本例の装置では更に、上記イオン銃１８が第５図の如く
に構成されていることも重要である。　これを具体的に
説明すると、マグネトロン型直流イオン銃として構成さ
れたガス放電器１８は一第５図に明示する如く、イオン
出口４１ヲ有するホルター−４２と、イオン出口４１側
に設けた金属メツシーより成る引出し電極４３と、この
引出し電極４３と対向するように設けた陽極板４４と、
引出し電極４３及び陽極板４４間において陽極板４４と
数ｍｍ程度の間隔を置いて配された貫通孔４５付きの陰
極板４０とへ陰極４０の外周に配された電磁石４６とを
有している。　陽極板４４の近傍には修飾ガス導入管４
７が接続され、またイオン出口４１はこのイオン銃の出
口側の引出し電極４３から前記被蒸着基板４ケ指向する
ように配される。　４８は陽極板４４の電源（電圧ｖＡ
）であってその印加電圧は２ＫＶ以下、５０は電磁石４
６の電源であってそのマグネット（コイル）電流は０〜
１人とされる。　引出（〜電極４３はこの例においては
接地電位とされ、またこの引出し電極と陰極４０との間
には陰極の電源４９（電圧Ｖａ）が接続され、０≦ＶＣ
≦ＶＡとなされている。　なお、ホルダー４２は陰極４
０と同電位となっている。

このようなイオン銃１８においては、修飾ガス導入管４
７よシ放電空間内に導入された例えば水素ガスが陽極板
４４と陰極板４０との間に導入されて放電によりイオン
化し、このイオンは電磁石４６によって貫通孔４５の空
間内に磁力によってとじ込められ、効率良く矢印方向へ
のみ加速されるように斤る。

そ（−て、引出し電極４３との電位差によってプラズマ
から水素イオンが引き出されて、引出し電極４３を通過
してペルジャー１内に導入され、被蒸着基板４又はその
背後電極に印加されたバイアス電圧によって基板４に向
って効率良く引きつけられながら飛翔する。　同時に、
蒸発源７よりは例えばシリコン蒸気が飛翔して基板４に
衝突し、この結果一基板４上には水素が混入されたａ−
８１の薄膜が形成される。

上記したようＶｃ−マグネトロン型直流イオン銃又はガ
ス放電器１８において修飾ガスのイオン及び活性ガスを
生成せしめてこれをペルジャー１内に導入せしめ、その
存在下において蒸発源物質を蒸発せしめるため、確実に
修飾元素が混入された薄膜を形成し得る。　しかも、イ
オン銃１８がペルジャー１とは機能上独立であって、そ
の陽極板４４、陰極板４０、電磁石４６及び引出し電極
４３の電圧、電磁石４６の磁力、修飾プｊスの供給量、
並びに基板４に印加されるバイアス電圧及び温度を個々
に制御することができる上、蒸発源７の蒸発速度の制御
も可能であるため、薄膜における修飾元素の混入割合を
広い範囲に亘って制御することができる。

特に、イオン銃１８はへ公知のガス放電管に比して低パ
ワーでも多量のイオン及び活性ガス全生成せしめること
ができる上、ペルジャー１内には加速された高エネルギ
ーのイオン等が導入されるのでその薄膜中への混入効率
が大きく、従って修飾元素の含有割合の高い、所望の特
性を有する薄膜を形成することができる。　既述の例に
おいては、水素が３０原子チもの高い含有割合で混入さ
れたｎ−３ｔの薄膜を形成することが可能である。　又
、このように修飾元素を高い効率で混入せしめ得るので
、元来太きが製膜速度が得られる蒸着法の利点を生か（
−ながら製膜速度を更に大きくすることができる。　例
えば、基板４として長尺なものを用いて、これを太＠な
速度で移動せしめながらその表面に連続して所望の薄膜
を有利に形成することもできる。

但し、上記のイオン銃１８においては、引出し電極４３
は必ずしも必要ではなく、また陰極４０及びホルダー４
２は接地してもよい。　また陰極−陽極間には交流電圧
を印加し、このイオン銃を交流駆動することもできる。

　なお、所定量の水素を含有させるようにする場合、水
素ガス放電方式が単なる直流放電方式では、イオン（又
は活性化ガス）供給能力が小さいため、８１の蒸着速度
を落とさざるをえないが、上記マグネトロン方式ではそ
の能力が大きいので、Ｓｉを高速に飛ばしても所定の水
素含有量を−もつ膜を形成することができる。

このことがらマグネトロン方式の場合は、高速で例えば
電子写真に必要な１０′２Ω−ｃｍといった高抵抗膜を
形成できるが、公知の放電管では、同速度では所定の水
素を供給できないため、その、ような性能の膜を得るこ
とができず、ずっと低速で製膜しなければならないこと
になる。　一般にへ製膜は水素含有率が大きいから高抵
抗とは限らないのであり、要は、必要水素量を含有させ
Ｊｔばよい。

必要水素含有率は〜それぞれの膜によって違うが一般に
１０％程度とされている。　したがって、単なる直流放
電方式の如く水素供給能力が小さｂ場合、高速になると
−例えば水素含有率が数チ以下ということになりへ膜質
が劣悪であり、１０Ω−ｃｍといったような高抵抗膜を
得ることが不可能になる。

このイオン銃１８の使用によって一上記のことから多μ
：のイオンが生せしめられるので、第４図に示Ｉ−た如
（にイオン銃１８全基板４の方向に向けなくても基板４
へ引きつけられるイオン量が充分となり、蒸着膜中のイ
オン濃度を均一化できる」二に充分に高めることができ
る。

第６図は、被蒸着基板４として回転ドラム状のものを使
用し、ヒーター５をその中に内蔵した例を示す。

第７図は、第６図とは異なり、イオン銃１８ヲドラム状
基板４の軸方向に沿って配した例を示す。

第８図は、第７図の例において、イオン銃１８と対向１
−て排気管３０全設けた例を示す。　このような排気管
３０ヲ設けるととＫよって、イオン銃１８から放出され
るガスに含まれる反応に寄与しない中性の修飾ガス成分
が破線１０′で示す如くに排気管３゜へ送り込凍れ、イ
オン化したガス成分１ｏのみを基板４側へ導びくことか
できる。　従って、いわば差動排気的な挙動を生ぜしめ
ることができへ第７図の場合に比べて〜上記中性ガス成
分による真空度の低下を防いで蒸着性全向上させ、かつ
イオン流をより充分に基板に照射せ（−めて蒸着膜の膜
特性ケより向にさせることができる。

第９図は、更に他の例を示すものであって、基板４に対
してイーオン銃１８ヲ斜めに配置すると共に一バイアス
電圧６を印加しない状態においてイオン銃１８から一点
鎖線で仮想的に示すイオン流１ｏの上端が基板４の右端
エツジに接するようにイオン銃１８ヲセツトしている。

　この場合、バイアス電圧６の印加によって形成される
電場（第４図参照）の作用で、イオン銃１８からのイオ
ン流１ｏが基板４方向へ偏向され、既述したと同様にイ
オン分布を均一化することができる。　これを効果的に
達成する上で、イオン銃１８の傾斜角θは３０’〜７０
’としてよい。　なお、第９図においても−イオン銃１
８と対向して第８図と同様の排気管３０ｉ設ければ、結
果が更に良くなる。

次に、本発明による装置の優位性を示す実験例を第１０
図〜第１４図につき説明する。

例えば第１０図（イ）の如く、比較のために従来装置と
同様に基板４に向けてイオン銃１８を配置した。

また、本発明に基いて、第１０図（ロ）に示す如く、第
９図で示したと同様にイオン銃１８ヲ基板４に向けない
で配置した。　ここで、これらの場合の実験条件は共通
であり一次の通シであった。

基板４の軸方向長さ　　３５０ｍｍ 基板４とイオン銃１８との距離 第１０図（イ）：１００ｍｍ 第１０図（ロ）：１５０ｍｍ ペルジャー内圧　　７Ｘ１０　　Ｔｏｒｒ（水素圧）水
素導入ｉ　　　１５０　ｃｃ／ｍｉｎ基板電圧６　　−
６ＫＶ 基板イオン電流　　５５ｍＡ 基板温度　　　３００℃ 基板回転速度　　１０ｓｃｃ／回転 シリコン蒸着速度　　２５　Ａ　／ｓｅｅ蒸着膜の膜厚
　　１μｍ 基板材質　　　石英 この結果、第１０図（イ）の如き配置で操作した場合、
第１１図に示すように、基板４の両端ＡとＢとの間で形
成さｉｌだ蒸着膜の各部分の電気伝導度（△σＷ：白色
光照射時の伝導度変化、σＤ：暗所での伝導度）が大幅
にばらついているが、第１０図（ロ）の如き配置にする
と、第１２図に示すように、σＤ、ΔσＷともにばらつ
きが著しく少なくなることが分った。

こｔ］は一本発明に基く操作によれば、蒸着膜中の修飾
元素が均一となり、膜特性が向上していることを明らか
に示している。

一方、蒸着膜の赤外線吸収スペクトルを測定したところ
、第１０図（イ）の如き配置の場合には第１３図に示す
ように各・部間で吸収係数のプロファイルがばらつくが
、第１０図（ロ）の如き配置の場合には第１４図に示す
ように各部間で吸収係数のプロファイルがほか！同等と
なり、吸収ピークも大きくなることが分った。　このこ
とは、第１０図（イ）の場合、基板に対する水素イオン
分布量が不均一なために蒸着■（ との割合）が不均一化している一方、第１０図（ロ）で
割合が充分でかつ均一になっていることを示している。

なお−上記の例において使用可能な修飾ガスとしては一
前記蒸発源による蒸着によって形成される物質中に混入
し得る元素のイオン及び活性化物全与えるものであれば
任意であり、Ｆ２．０．　Ｎ２、Ｆ２　等のハロゲンの
如く単一元素より成るガスのみならず−化合物ガスを用
いることもできる。

例えば、Ｎ　Ｈ３、ＳｉＨ４、ＰＨ３、Ｂ２Ｈ６、Ａ８
Ｈ３、ＣＨ４等の炭化水素、フレオン等がある。　この
場合、例えば、水素ガスの一部を炭化水素ガスとすれば
、水素が混入されたアモルファスシリコンカーバイドの
薄膜を得ることができる。

また、蒸発源７に収容する蒸発源物質としては、５ｉｉ
ｕじめＧｅ等の如く、一般に蒸着可能なすべてのものを
用いることができる。　そして蒸発源７の数は複数とし
てもよく、既述のようにａ　Ｓｉの薄膜を形成する場合
において、周期律表第■族又は第Ｖ族元素の蒸発源をも
用いて共蒸着全行な、ｔＪｌ：、Ｐ型又はＮ型のアモル
ファスシリコンの薄膜が得られる。

本例の装置によって製膜される薄膜は、上記した物質の
組合せにより、ａ−３ｉ　：）Ｉ−ａ−８ｉ　：Ｆ、ａ
−８ｌ：Ｈ：Ｆ−ａ−３ｉＣ：Ｈｌａ−８ｉＣ：Ｆ、ａ
−８ｉＣ：Ｈ：Ｆ等からなるものが得られる。　この場
合、蒸発源としてシリコンに代えてゲルマニウムｅ［い
れば、上記と同様の対応した水素化及び／又はフッ素化
アモルファスゲルマニウム等が得られる。

また、蒸発源７の加熱方式は、電子銃加熱、抵抗加熱、
誘導加熱等任意のものが利用され得る。

そして粗大粒塊の飛翔を防止し得る構造とするのが好捷
しい。

以上、本発明を例示したが、上述の例は本発明の技術的
思想に基いて更に変形が可能である。

例えば、上述のマグネトロン型直流イオン銃の構造は種
々に変更可能であるし、そのペルジャー内での位置も上
述の例に限ることなく様々に変化させてよい。　また、
修飾ガスイオンを基板側へ引きつけるためには、上述の
バイアス電圧の印加以外に、基板近傍に誘導コイル等に
よる磁場を形成してもよい。　磁場を形成する場合、イ
オン粒子がイオン銃で加速されているので基板側へ効果
的に偏向せしめられる。

６、発明の効果 本発明は上述した如く、マグネトロン型ガス放電器を基
体以外の方向へ指向せしめ、かつ供給された修飾ガスイ
オン又は活性ガスを基体側へ贋きつけるようにしている
ので、基体上に導びかれるイオン又は活性ガスの量が場
所的に均一となるようにコントロールでき、蒸着膜の膜
特性の向上を図ることができる。　しかも、基体に対し
ガス放電器金離すとか或いは複数個配する必要もないの
で、装置全小型なものとすることができる。　更にヘガ
ス放電器としてマグネトロン型のものを用いているので
、低パワーにしてイオン生成効率を」二げ、また制御容
易にして膜中へのイオンの導入を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来例を示すものであって、第１図
は蒸着装置の概略断面図、 第２図ばｊ）ス放電管から基板へ供給されるイオン量分
布を示す要部概略図、 である。 第３図〜第１４図は本発明の実施例金示すものであって
、 第３図は蒸着装置の概略断面図、 第４図はマグネトロン型直流イオン銃から基板へ供給さ
れるイオン量分布を示す要部概略図、第５図はマグネト
ロン型直流イオン銃の断面図、第６図は他の例による蒸
着装置の概略断面図、第７図、第８図、第９図は更に他
の各側による蒸着装置の要部各概略図、 第１０図（イ）、（ロ）はイオン銃の配置金変えた場合
の要部各概略図、 第１１図は第１０図（イ）の場合に得られた蒸着膜の電
気伝導特性を示すグラフ、 第１２図は第１０図（ロ）の場合に得られた蒸着膜の電
気伝導特性を示すグラフ− 第１３図は第１０図（イ）の場合に得られた蒸着膜の各
部の赤外線吸収スペクトル図、 第１４図は第１０図（ロ）の場合に得られた蒸着膜の各
部の赤外線吸収スペクトル図、 である。 なお、図面に示された符号において、 ４・・・−・・・・・・・・・・・被蒸着基板６・・・
・・・・・・・・・・・・バイアスＮ　圧９・・−・・
・−・・・・−・・４Ｈ１／ス１０−−−−・・・・・
・−・・イオン流１８・−・・・・−・・・−マグネト
ロン型直流イオン銃３０・・・・・・・・・・・・・・
排気管４０−・−・・−・・・・・・・・・陰極４３・
・・・・・・・・・・・・・引出し電極４４・・・・・
・・・・・・・・・陽極４６・・・・・・−・・・・・
・・電磁石である。 代理人　　弁理士　逢　坂　宏（他１名）第９１剤 狛１０１躬

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸発源と、修飾ガスをイオン化又は活性化して供給
   するマグネトロン型ガス放電器と、被蒸着基体と一前記
   マグネトロン型ガス放電器からのイオン化又は活性化さ
   れた修飾ガスを前記被蒸着基体に引きつける手段とを有
   し、前記マグネトロン型ガス放電器が前記被蒸着基体以
   外の方向を指向した状態で配されていることを特許とす
   る蒸着装置。 ２、　マグネトロン型ガス放電器が被蒸着基体の面に沿
   って配されている、特許請求の範囲の第１項に記載した
   装置。 ３、　マグネトロン型ガス放電器が被蒸着基体の面に対
   して斜めに配されている、特許請求の範囲の第１項に記
   載した装置。 ４、　マグネトロン型ガス放電器がマグネトロン型直流
   イオン銃として構成されているへ特許請求の範囲の第１
   項〜第３項のいずれか１項に記載した装置。 ガスが被蒸着基体上に引きつけられるようになした、特
   許請求の範囲の第１項〜第４項のいずれか１項に記載し
   た装置。