JPS61221377A - プラズマｃｖｄ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、薄膜形成に用いられるＣＶＤ　　（化学的気
相成長）装置に関し、特にプラズマＣＶＤ装置に関する
ものである。

本明細書において、粒子とは、ラジカル、イオン、原子
、分子、超微粒子等の励起活性種をいう。また、ビーム
とは、流れ方向に断面積がほぼ一定の噴流のことをいい
、その断面形状は問わないものである。また、非成膜ガ
スとは、それ自身では成膜能を有しないガス、例えば、
０２．　Ｈ２，Ａｒ等をいう。

［従来の技術］ 従来、薄膜形成に用いられてきた高周波プラズマＣＶＤ
装置は、反応室内に薄膜の元となる成膜ガス（原料ガス
）を送り込み、高周波放電によってプラズマを作り、原
料ガスを分解するとともに、活性化エネルギーを４えて
反応室内に配置された基体ｔに薄膜を形成するものであ
った。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来装置においては、装置の構造上、高
周波放電によるエネルギーを効率よく使うことができな
かった。このため、基体上での薄膜の生成率も悪く、外
部からの加熱を必要としていた。また、成膜反応がプラ
ズマの雰囲気中で行なわれるため、反応室の内壁面にも
不要な膜が付着してしまうという欠点があった。

本発明は、エネルギー付学を効率化し、薄膜め生成率を
向上させたプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的と
するものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の基本原理を、実施例に対応する第１図を用いて
説明する。本発明は、空胴共振器５を備えた上流室３の
下流側に、減圧される下流室４を設け、この２つの室を
結ぶ流路に縮小拡大ノズル１を設けたものである。上記
構成において、プラズマ発生用の非成膜ガスは空胴共振
器５内に送り込まれ、反応ガスとなる成膜ガスは縮小拡
大ノズル１の直前で供給される。

本発明における空胴共振器５とは、導波管の両端を導体
で短絡したものであり、石英板７を介してマイクロ波を
付与することによって内部を共振状態とし、プラズマを
発生するようにしたものである。

また、本発明における縮小拡大ノズルｌとは、流入口１
ａから中間部に向って徐々に開口面積が絞られてのど部
２となり、こののど部２から流出口１ｂに向って徐々に
開口面積が拡大されているノズルをいう。

［作　用］ 空胴共振器５内に送り込まれた非成膜ガスは、マイクロ
波によって励起されプラズマとなる。このプラズマガス
は、減圧された下流室４との差圧によって縮小拡大ノズ
ルを通って下流室４に流れ込む。この時、縮小拡大ノズ
ル１の手前から成膜ガスが供給されると、成膜ガスは活
性化したプラズマガスと接触して分解する。この状態で
さらに高速のビーム状となり基体７に衝突するため、成
膜ガスは基体上で再結合して薄膜が堆積する。

ところで縮小拡大ノズルｌは、上流室３の圧力ＰＯと下
流室４の圧力Ｐの圧力比Ｐ／Ｐｏと、のど部２の開口面
積Ａ・と流出ｒ］ｌｂの開口面積Ａとの比Ａ／Ａ・とを
調節することによって、非成膜ガスと共に噴出する粒子
の流れを高速化できる。そして、上流室３と下流室４内
の圧力比Ｐ／Ｐｏが臨界圧力比より大きければ、縮小拡
大ノズル１の出口流速が亜音速以下の流れとなり、非成
膜ガスと共に粒子は減速噴出される。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ｌの出口流
速は超音速流となり、非成膜ガスと共に粒子を超高速に
て噴出させることができる。

ここで、粒子流の速度をＵ、その点における音速をａ、
粒子流の比熱比をγとし、粒子流を圧縮性の一次元流で
断熱膨張すると仮定すれば、粒子流の到達マーツバ数Ｍ
は、上流室の圧力Ｐ。と下流室の圧力Ｐとから次式で定
まり、特にＰ／Ｐ、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＝「７１で１ また、流出ロ１ｂ開ロ面積Ａ及びのど部２の開口面１ｉ
ＩＡ”とマツハ数Ｍには次の関係がある。

従って、上流室３の圧力Ｐ。と下流室４の圧力Ｐの圧力
比Ｐ／Ｐｏによって（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−によって
（２）式から定まるＭに応じてＰ／ＰＯを調整すること
によって、拡大縮小ノズル１から噴出する粒子流の流速
をｙＡ整できる。このときの粒子流の速度Ｕは、次の（
３）式によって求めることができる。

ｕ　＝　Ｍ　ラ］〒（１＋千Ｍ２）’　・（３）上記粒
子−流の流れ状態は、上流室３内の温度が−・定であれ
ば上流室３の圧力Ｐｏと下流室４の圧力Ｐの圧力比Ｐ／
Ｐａを一定に保つことにより、開口面積比Ａ／Ａ”で定
まる一定の状態を維持することになる。

前述のような圧力比が臨界圧力比未満の噴出においては
、噴出される非成膜ガスと粒子は均一な拡散流となり、
比較的広い範囲に亘って一度に均一に粒子を吹き付ける
ことが可能となる。

一方、前述のような超音速の流れとして非成膜ガスと共
に粒子を一定方向へ噴出させると、非成膜ガスと粒子は
噴出直後の噴流断面をほぼ保ちながら直進し、ビーム化
される。従って、この非成膜ガスによって運ばれる粒子
の流れもビーム化され、最小限の拡散で下流室４内の空
間中を、下流室４の壁面との干渉のない空間的に独立状
態で。

かつ超音速で移送されることになる。

従って、良好な活性状態のまま粒子を捕集することが可
能となる。また、噴流断面が流れ方向にほぼ一定のビー
ムとして粒子が基体６上に吹き付けられるので、この吹
き付は領域を容易に制御できるものである。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示すプラズマＣＶＤ装置の
概略構成図である。図中、ｌは縮小拡大ノズル、３は上
流室、４は下流室、５は空胴共振器、６は基体、９は磁
場発生器となる磁場コイ°ルである。

空胴共振器５及び磁気コイル９を内設した上流室３と下
流室４は、縮小拡大ノズルｌによって接続され、成膜ガ
スは縮小ノズル１の直前で供給されるよう構成されてい
る。また、空胴共振器５には非成膜ガスの供給口が設け
られ、マイクロ波は導波管１０により匝ばれ、石英板７
を介して内部に送られる。・方、下流室４内の空気は、
真空ポンプ８よって排気され、上流室３よりも減圧され
た状ｙ島に保たれている。

本実施例における磁場発生器は、外部電源により励磁さ
れる磁気コイルであるが、その他に永久磁石等を用いる
ことができる。この磁気コイルは、空胴共振器５内で発
生したプラズマを発散磁へ 界により引き出すＣめに用いられる。

縮小拡大ノズル１としては、前述のように、流入口１ａ
から徐々に開口面積が絞られてのど部２となり、再び徐
々に開口面積が拡大して流出口１ｂとなっているもので
あればよいが、そののど部２の開口面積が、真空ポンプ
８の排気流量より、所要の上流室３の圧力及び温度下に
おけるノズル流量が小さくなるよう定められている。こ
れによって流出口１ｂは適正膨張となり、流出口１ｂで
の減速等を防止できる。また、第２図（ａ）に拡大して
示しであるように、流出口ｌｂ付近の内周面が、中心軸
に対してほぼ平行であることが好ましい。これは、噴出
される非成膜ガス及び粒子の流れ方向が、ある程度流出
口ｌｂ付近の内周面の方向によって影響を受けるので、
できるだけ平行流にさせやすくするためである。しかし
、第２図（ｂ）に示されるように、のど部２から流出口
１ｂへ至る内周面の中心軸に対する角度αを、７°以下
好ましくは５°以下とすれば、剥離現象を生じにくく、
噴出する非成膜ガス及び粒子の流れはほぼ均一に維持さ
れるので、この場合はことさら上記平行部を形成しなく
ともよい。平行部の形成を省略することにより、縮小拡
大ノズル１の作製が容易となる。

また、縮小拡大ノズルｌを第２図（Ｃ）に示されるよう
な矩形のものとすれば１、スリット状に非成膜ガス及び
粒子を噴出させることができる。

ここで、前記剥離現象とは縮小拡大ノズル１の内面に突
起物等があった場合に、縮小拡大ノズル１の内面と流過
流体間の境界層が大きくなって。

流れが不均一になる現象をいい、噴出流が高速になるほ
ど生じやすい。前述の角度αは、この剥離現象防止のた
めに、縮小拡大ノズルｌの内面仕」−げ精度が劣るもの
ほど小さくすることが好ましい。縮小拡大ノズル１の内
面は、ＪＩＳ　Ｂ　０８０１に定められる、表面仕上げ
精度を表わす逆三角形マークで二つ以上、最適には四つ
以りが好ましい。特に、縮小拡大ノズルｌの拡大部にお
ける剥離現象が、その後の非成膜ガス及び粒子の流れに
大きく影響するので、上記仕上げ精度を、この拡大部を
重点にして定めることによって、縮小拡大ノズルｌの作
製を容易にできる。また、やはり剥離現象の発生防止の
ため、のど部２は滑らかな湾曲面とし、断面積変化率に
おける微係数が美とならないようにする必要がある。

縮小拡大ノズル１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、セラミック材料、石英、ガラス
等、広く用いることができる。この材質の選択は、粒子
との非反応性、加工性、減圧系内におけるガス放出性等
を考慮して行えばよい。また、縮小拡大ノズルｌの内面
に、粒子の付着・反応を生じにくい材料をメッキ又はコ
ートすることもできる。具体例としては、ポリフン化エ
チレンのコート等を挙げることができる。

−１−流室３の圧力ＰＯと上流室４の圧力Ｐの圧力比Ｐ
／Ｐｏと、のど部２の開口面積Ａ中と流出口１ｂの開口
面積との比Ａ／Ａ・との関係を適宜に調整して、上記縮
小拡大ノズル１内を流過させることにより、粒子を含む
非成膜ガスはビーム化され、第一下流室４ａから第二上
流室４ｂへと超音速で流れることになる。

上記構成において、非成膜ガスを空胴共振器５内に送り
込むとともにマイクロ波を与えると、非成膜ガスはプラ
ズマとなる。ここで、磁気コイ゛ル９の発散磁界によっ
てプラズマ中の電子は加速され、基体に向う。この電子
の動きに伴ってイオンも引きずられるように基体に向う
。一方、下流室４は前述したように減圧状態となってい
るので、プラズマガスはその差圧によって下流室側に引
っばられる。この２つの作用によって、プラズマガスは
縮小拡大ノズル１を通って下流室２へ流入する。この時
、成膜ガスを縮小拡大ノズルｌの直前から供給すると、
成膜ガスは活性化したプラズマガスと接触して分解する
。同時に成膜ガスはプラズマガスとともに高速のビーム
流となって基体に衝突する。この基体上において、分解
された成膜ガスは（１■結合し、薄膜となって堆積する
。

第３図は、本発明の他の実施例を示す概略構成図である
。第３図において、空胴共振器１５はｍ銘板２１が移動
可能となるように構成されている。それ以外の構成は第
１図に示したものと同様である。前記空胴共振器１５の
短絡板２１は、図に示すようにチョーク構造となってい
る。これは、短絡板２１を移動可能とした場合、短絡板
２１と空胴共振器１５との接続部に壁面電流が流れ、損
失が大きくなるためであり、このようなチョーク構造と
することによって、壁面電流による損失をできるだけ少
なくすることができる。

この実施例においては、空胴共振器１５の短絡板２１を
］二下に移動することによって、導波管と空洞共振器と
のインピーダンス整合を常に最適状態となるよう制御す
ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば空胴共振器、磁場
発生器及び縮小拡大ノズルを用いることにより、マイク
ロ波のエネルギーを効率よく与えることができ、外部か
ら熱を加えることなく低温で膜の生成を行うことができ
る。また、成膜ガスが縮小拡大ノズルの直前で供給され
、かつ磁場発生器と差圧による引き出し作用によって、
より多くの粒子（ラジカル、イオン、原子１分子等）を
基体上に集めることができる。さらに、プラズマガスが
拡散せずにビーム状で移送されるので、従来装置におけ
る室内雰囲気中での成膜に比べて生成室の内壁面への不
必要な付着を抑えることができ、基板上での成膜収率を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す装置の概略構成図、第
２図（ａ）〜（Ｃ）は縮小拡大ノズルの形状例を示す図
、第３図は本発明の他の実施例を示す概略構成図である
。 １．１１・・・縮小拡大ノズル、３，１３・・・ト流室
、４．１４・・・上流室、５，１５・・・空胴共振器、
６．１６・・・基体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）空胴共振器と縮小拡大ノズルを有することを特徴と
   するプラズマＣＶＤ装置。