JPS62266820A - マイクロ波エネルギ−を使用するプラズマｃｖｄ法による機能性堆積膜形成装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、基体上に堆積膜、とりわけ参詣性膜、特に半
導体ディバイス、電子写真用感光ディバイス、画像入力
用ラインセンサー、撮イ９（ディバイス、光起電力素子
等に用いるアモルファス半導体膜を形成する装置をこシ
１１する。

〔従来技術の説明〕

従来、？−：６導体ディバイヌ、電子回置用感光ディバ
イス、画つ入力用ラインセンサー、撮１象ディバイス、
光起電力素子、その他各種のエレクトロニクス素子、光
学素子等に用いる素子部材として、アモルファスシリコ
ン、例えば水素又は／及びハロゲン（例えばフッ素、塩
素等）で補償されたアモルファスシリコン（以下、「ａ
　−５ｔ（）Ｉ、Ｘ）Ｊと記す。）等のアモルファス半
導体等の堆積膜が提案され、その中のいくつかは実用に
付されている。

そして、こうした堆積膜は、プラズマＣＶＤ法、即ち、
原料ガスを直流又は高周波、マイクロ波、グロー放電に
よって分解し、ガラス、石英、ス′テンレス、アルミニ
ウムなど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。

ところで近年、マイクロ波を使用するブラダＹ　ＣＶＤ
法（以下、「ＭＷ−ＰＣＶＤ法」と表記する。）が注目
され、そのための装置がいくつか提案されて、ＭＷ−Ｐ
ＣＶＤ法による前述した堆積膜の工業的規模での生産が
はかられて来ている。そうした従来提案されているＭＷ
−ＰＣＶＤ法による装置は、代表的には第２図の断面略
図で示される装置構成のものである。

第２図において、１は反応容器全体を示し、２は真空容
器、３はアルミナ・セラミックス又は石英等の誘電体窓
、４はマイクロ波を伝送する導波部、５はマイクロ波電
源、５１はマイクロ波、６は排気管、７はリング状の原
料ガス供給管、７１はパルプ、８は基体保持板、９は基
体、１０はヒーター、１１はプラズマ発生領域を示す。

なお、真空容器２は放電トリガー等を用いることなく自
励放電にて放電を開始せしめるため、該マイクロ波電源
５の発振周波数に共振するような空胴共振器構造とする
のが一般的である。

そしてこうした装置による堆積膜の形成は次のようにし
て行われる。即ち、真空容器２内部を、排気管６を介し
て真空排気すると共に、基体９を基体保持板８に内蔵さ
れたヒーター１０により所定温度に加熱、保持する。次
に、原料ガス供給管７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、水
素ガス等の原料ガスが該原料ガス供給管に開口せられた
ガス放出孔を通して反応容器１内に放出される。これと
同時併行的に、マイクロ波電源５から周波数５００　Ｍ
Ｈｚ以上の、好ましくは２．４５　ＧＨｚのマイクロ波
５１を発生し、該マイクロ波は、導波部４を通り誘電体
窓３を介し【反応容器１内に導入される。かくして、反
応容器１内の導入原料ガスは、マイクロ波の工庫ルギー
により励起されて解離し、中性ラジカル粒子、イオン粒
子、電子等が生成され、それ等が相互に反応し基体９の
表面に堆積膜が形成される。

ところで、このようなＭＷ−ＰＣＶＤ法においては、マ
イクロ波発振源から反応槽内に大電力のマイクロ波を伝
送するために全島製導波管を使用するのが一般的である
。また、導波管の形状は、該マイクロ波を遮断しない寸
法であることが要求される。例えば、導波管の断面の幅
ａの寸法は、遮断波長λＣに対して、λｃ＜２ａでなけ
ればならない。

そして、ヤイクロ波伝送回路上にあるマイクロ波透過性
誘電体窓の形状は、マイクロ波を遮断しないよう共振条
件を満たす寸法で設計されている。更に、反応槽につい
ては、マイクロ波エネルギーを効率良くプラズマ励起エ
ネルギーに変換するために共振構造にされている。従来
の装置は以上のような構造のものであるところ、各種問
題点が存在する。

即ち、誘電体材料で充填された共振器であるところのマ
イクロ波導入窓は、反応室において大口径プラズマを発
生させるために導波管の開口寸法よりも大きくなる。し
かも、導波管と反応室との間のマイクロ波結合器として
の役割も満たしていなければならない。

そして、空胴共振器内部でのマイクロ波の損失を軽減す
るためには、そのＱ値を大きくする必要があるところ、
Ｑ値が大きくなると、マイクロ波の周波＝、ｉｔ二敏感
に依存するようになり、マイクロ波導入窓のわずかな寸
法の差が、遮断周波数を発生する原因になる。さらに、
導入窓の寸法が共振理論に則って厳密に加工されたとし
ても、実際には空胴をとり囲む金属の表面状態によって
共振条件がダレるという問題がある。

こうした問題点を解決するについて周波数に対して鈍感
な電磁ホーンで導波管と導入窓を結合する提案があるが
、電磁ホーンで発生する反射電力を軽減する必要があり
、そのためにはそのテーバ角度を大きくしなければなら
ず、したがって装置構造を複雑かつ大型化してし奮うと
いう問題がある。そしてまた、電磁ホーンの場合でも、
数％残っている反射電力を整合機構によって取り去るこ
とが必要であり、そのために周波数依存性が高まるとい
う問題がある。

また、従来装置のマイクロ波導入窓のように固定された
形状では、発振器の周波数に精度良く共振させることは
不可能に近い。すなわち、発振器からのマイクロ波発振
周波数は電波管理法で定められた周波数置載を守らなけ
ればならず、−例として周波数２．４５　ＧＨｚの発振
器の場合、その精度は±３０　Ｈ）Ｉｚである。しかも
、実際には鋭発振ピークをもっていることが観、測され
ており、たとえ２０〜３０　ＭＨｚの共振周波数のズレ
であっても定在波比（Ｓｔａｎｄｉｎｇ　ｗａｖｅｒａ
ｔｉｏ　）が増加して、マイクロ波電力の伝送損失が増
大するという問題がある。

このように、従来装置については遮断周波数の発生を回
避する有効な手段、また、共振周波数を、精度良く調整
する何効な手段はなく、したがって、マイクロ波１力を
効率良く伝達できないというのが実情である。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のごとき従来の四−ＰＣＶＤ法による堆
積膜形成装置における上述の諸問題を克服して、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、光起電力素子、その他の各
種エレクトロニクス素子、光学素子等に用いろ素子部材
としての機能性堆、ｆ！を膜を、ＭＷ−ＰＣＶＤ法によ
り定常的に高効率で形成することを可能にする装置を提
供することを目的とするものである。

本発明の他の目的は、マイクロ波導入窓付近のマイクロ
波伝導効率を大幅に高めてａ−５ｉ（Ｈ，Ｘ　）等で構
成される、半導体デバイス、電子写真用感光体デバイス
、ｒｉｌＩｆ！ｉＬ入力用ラインセンサー、撮像デバイ
ス、光超電力素子、その他各種エレクトロニクス素子、
光学素子等用の素子部材として有用な機能性堆積膜を聞
−ＰＣＶＤ法により定常的に高効率で形成することを可
能にする装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明は、従来の四−ＰＣＶＤ法による堆積膜形成装置
における上述の諸問題を解決し、前記本発明の目的を達
成すべく本発明者が鋭意研究を重ねて上述の知見を得、
それら知見に基いて更に研究を重ねて完成に至ったもの
である。

即ち本究明者は、従来のＭＷ−ＰＣＶＤ法による堆積膜
形成装置４における諸問題は、結局のところ、マイクロ
波導波管と反応容器をつなぐマイクロ波導入窓で生起す
る伝送損失に起因するところが大である知見を得た。

ぞして本発明者は、マイクロ波発生源からのマイクロ波
電力を伝送する伝送路と該マイクロ波電力を反応容器に
導入するための前記反応容器壁を兼ねるマイクロ波尋人
窓との間に、大気圧雰囲気においてマイクロ波に共振す
る幾何学的構造であって、その幾何学的構造の寸法を変
化させることができ、その寸法変化に応じてマイクロ波
の共振周波数を変化させることのでき得るマイクロ波空
溺共振室を設けたところ、遮断周波数が排除できて、発
振器のマイクロ周波数とマイクロ波導入窓の共振周波数
が精度よく一致してマイクロ波発生源からのマイクロ波
は損失することなく高効率に反応容器内に導入されるよ
うになることが判明した。また、前記マイクロ波空胴共
振室にマイクロ波反射板を設けてマイクロ波の共１Ｉｉ
ｃ周波数を変化できるようにしたところマイクロ波発生
源からのマイクロ波の反応容器内への導入は一届に助長
されることがわかった。

然るに本発明は、ＭＷ−ＰＣＶＤ法により、原料ガスを
マイクロ波二尋ルギーにより励起して基体表面に機能性
堆積膜を形成する方法を実施するための装置に関するも
のであって、マイクロ波発生源からのマイクロ波電力を
伝送する伝送路と該マイクロ波電力を該反応容器内に導
入するためのマイクロ波透過性物質から形成された反応
容器壁を兼ねろマイクロ波導入窓との間に、大気圧界囲
気において該マイクロ波に共振するような幾何学的構造
としたマイクロ波空胴共振室を設け、該空胴共振室がそ
の熾何学的寸法の一部を変化させることをこよって、共
振周波数を任意にに化させ得ろ構造であることを骨子と
するものである。

以下、本発明のＭＷ−ＰＣＶＤ法による堆積膜形成装置
を図面の実施例により、更に詳しく説明するが、本発明
の堆積膜形成装置はこれによって限定されるものではな
い。

第１図は、本発明のＭＷ−ＰＣＶＤ法による堆積膜形成
装置の至適な１例め断面略図である。

図中、前述の従来装置（第２図に図示）と同−ａ能の＃
ｉ面構成部分については、第２図におけると同様の記号
について示した。

図中、１は本発明の装置の反応容器全体を示す。２は該
反応容器を形成して該容器内入を真空気密に保持する容
器周壁であり、３はマイクロ波を反応容器内Ａに効率良
く透過し、かつ真空気密を保持し得る材料例えばアルミ
ナ、セラミックス等で形成されたＴＦ４ｔｔモードで共
振する誘電体窓である。４は、金、属製の矩形のマイク
ロ波導波管であり、パワー・モニター、アイソレータ（
図示せず）を介してマイクロ波電源５１に接続されてい
る。６は、一端が反応容器２内に開口し、他端がバルブ
手段（図示せず）を介して排気装置（図示せず）連通し
ている排気管である。７は、原料ガス供給源（図示せず
）からバルブ７２を介して延びる原料ガス供給管であり
、基体９の上部の成膜空間Ａで該基体全。

体を上部から覆うよう昏こ二８体と平行に位置していて
複数のガス噴出孔を有する原料ガス放出管７１を備えて
いる。８　は、基板９の保持手段であり、基板９を膜形
成に必要な温度に加熱するためのヒーター１０を内蔵し
ている。１１は、誘電体窓３を透過したマイクロ波５１
によって反応容器内Ａに生起するプラズマを示す。１４
は、水制共振室１２を気密に形成する周囲壁であり、前
記空胴共振室１２は、誘電体窓３と同様にＴＥＩＩＩモ
ードで共振するような円形空胴共振器構造として設計さ
れている。したがって、マイクロ波導波管４は、該空胴
共振室１２に対し、その中心軸位置に接続されている。

ここにあって、共振周波数は、マイクロ波発振器の発振
周波数と一致していることが望ましい。１３は、マイク
ロ波を反射する類の金属材料で作成されてなる反射板で
あり、空胴共振室１２を形成する周囲壁１４の上壁内面
上に位置して設けられている。反射板１３は、部材１３
′及び１３′のそれぞれを備えていて、部材１３′はマ
イクロ波心波管４の内壁面に摺動自在に固定されそして
部材１３′は空胴共振室１２の周囲壁１４の側壁内面に
摺動自在に固定されていて、外部からの操作手段（図示
せず）により上下自在に移動できるようになっている。

即ち、反射板１３の位ｆＪｒｔｌｌ整により空胴共振構
造の軸方向の長さくｄ）を変化させることができるよう
になっている。

第３図は、以上説明の本発明のＭＷ−ＰＣＶＤ法による
堆積膜形成装置例に力ける誘電体窓３（マイクロ波導入
窓）の共展特性の測定結果を示す図である。

なお、本装置例では、誘電体窓３として直径１９センチ
メートル、厚さ１．９５センチメートルのアルミナ・セ
ラミックス円板を使用した。

１円ｔＨの、アルミナ・セラミックス材の純度は、９９
．９％で比誘電率は１０．５であす、シたがってこのア
ルミナ円板は、ＴＥＩＩＩモードにおいて周波数２．４
５　ＧＨｚに共振するものである。

また空胴共振室１２は直径１７センチメードルで、中心
軸方向の寸法ｄは０から１０センチメートルまで可変の
ものとした。

第３図の結果からして、円形空胴共振室１２の反射板１
３の位ｒＲｄが大きくなるにつれて、共振周波数ｆも変
化していることが理、解される。

そして第３図の変化のカーブは、一般に知ら中、Ｃは光
の速度、ａは円形空洞共振器の半径をそれぞれ示す。〕
とはシ一致するものであることが理解される。

なお、実際には、この理論式から求められる軸方向の長
さｄと、実際に共振周波数測定から得られたｄの値の間
にはおよそ±３％程度の誤差はあったが、この誤差は空
胴製作上の機械的精度および、共振器内面の表面状態に
よって発生したものである。

そして本装置例においては、空胴共振室（マイクロ波共
振室）をマイクロ波発振器の発１辰周波数２．４５　Ｇ
ｌ（Ｚに精度良く共振させるについて、反射板１３の位
置を微調整することによって容易に達成することができ
た。

ところで、前述したようにマイクロ波発振器の発振周波
数は±３０　ＭＨｚの頌域内で鋭いピークをもち、その
中心周波数は伊々のマグネトロンの特性によって一定で
はないことから、従来のＭＷ−ＰＣＶＤ法による堆積膜
形成装置においてはマイクロ波導入窓の方も使用する発
振器毎に考慮する必要がある。

ところが本発明の装置によればそのような中心周波数の
ズした発振器に対しても容易にマイクロ波導入窓を同調
させろことがでミる。そして反射板１３の位置を調節す
ることにより反射電力の増減を調整することができる。

また本発明の装置によれば、共授条件は、マイクロ波共
振室とは別個に、或いはマイクロ波共尿室を含めての共
振条件の双方について任意に調整可能である。即ち、マ
イクロ波共振室の形状が変化して共振モードがわずかに
変わった場合であっても、反射板の位置調節によって該
共演室全体の整合乃至調整を行なうことができる。

上記説明の本発明の装置例ではＴＥ、ｎ（ｎは整数）モ
ードで共振する円形空胴共振器構造をマイクロ共振室と
したが、電界分布によるプラズマ強度分布を考慮すれば
他の共振モード、例えばＴ＆ｔｎ（ｎは整数）モードの
円形空胴共振器構造とすることもできる。また反応容器
の形態によっては、マイクロ波共振室の形状も円形であ
る必要はなく、方形あるいは同軸、構造などの共振器構
造であることができる。更にまた、該共振室とマイクロ
波導波管の結合部に反射部材で作成された絞機構を取付
け、その開口を調整することでマイクロ波導入窓表面お
よび反応室から戻ってくる反射電力を再度反応室側に返
して電力投入効率を高めろことも可能である。

〔実施例〕

第１図に示す本発明の装置と、比較例として第２図に示
す装置を使用して堆積膜の形成を行った。それぞれの装
置について、排気管６から反応容器２内を脱気し、反応
容器内の圧力をＩ　Ｘ　１０＝　Ｔｏｒｒ以下に調整し
た。ついで、Ｐ−ター１０に通電して基体９の温度を２
５０℃に加熱、保持した。そこに、バルブ７２を開いて
原料ガス供給管７からの原料ガスを、原料ガス放出管７
１の噴出孔を介してシランガス５００ｓｃｃｎ’＋　、
水素ガス２００　Ｓｅｅｍの混合ガスからなる原料ガス
を系内圧力がＩ　Ｘ　１０−”　Ｔｏｒｒになるまで導
入し、それと同時にマイクロ波電源５に通電して周波数
２．４５　ＧＨｚのマイクロ波を誘電体窓３を介して反
応容器内に放射し、プラズマを生起させて所定時間成膜
を行った。その後、基体の加熱、ガスの供給、マイクロ
波の放射等を中止し、基体を放冷した後、ａ−８ｉ：Ｈ
：Ｘ堆積膜が表面上に形成された基体を系外に搬出した
。

同様の操作を、誘電体窓３をそのままにして、基体９の
みを別のものに交換し、合計１０回の堆積膜形成を行っ
た。

本発明の装置におけろ堆積膜形成速度は回数を重ねても
１００　Ａ／＋ｅｃ、であり、１０回目で形成された堆
積膜であっても１回目に形成された堆積ｊ漠と同様膜厚
分布は均一であり、特性も優れたものであった。

これに対し、従来装置に勃ける場合は、堆積膜形成速度
は初めのうちは３０＾／　ｓｅｃ、であったが回を重ね
るうちに低下し、それと併行して膜厚分布は不均一にな
り、特性にバラツキが生じた。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明の装置は、マイ
クロ波導波路に共振条件を調整可能としたマイクロ波空
調共振室を附帯することによって共振周波数の調整を可
能にし、マイクロ波発振器の発振周波数と同調させるこ
とで、マイクロ波導波路での反射損失を大幅に減少させ
ることができ、反応室に投入可能なマイクロ波電力を大
幅に向上させることを可能にする。

さらに、発振周波数がわずかにズした発振器に対しても
、反射板の位置調節によってその共振周波数と発振器の
中心周波数を合致させることがでキ、シたがってマイク
ロ波導入窓をマイクロ波発振器の周波数特性に適合する
ものとすることができる。更にまた、マイクロ波発振器
の中心周波数に対して共振周波数をズラすことで反射電
力を増加させることを可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＭＷ−ＰＣＶＤ法による堆積膜形装置
例の断面略図である。第２図は、従来のＭＷ−ＰＣＶＤ
法による堆積膜形成装置の断面略図である。第３図は、
本発明の第１図に示す装置例のマイクロ波共振室におけ
る反射板位置と共振周波数との関係を表わすグラフであ
る。 第１乃至２図において、 １・・・反応容器　　　　　　　７１・・・パルプ２、
・・・真空容器　　　　　　　８・・・基体保持板３・
・・銹電体窓（マイクロ波　９・・・基板導入窓）　　
　１０・・・ヒーター ４・・・導波管　　　　　　　　１１・・・発生ブラ５
・・・マイクロ波発振器　　　　　　ズマ５１・・・マ
イクロ波　　　　　１２・・・空胴共振６・・・排気管
　　　　　　　　　　　室７・・・原料ガス供給管　　
　　１３・・・反射板１４・・・空胴共振室側囲壁

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波発生源からのマイクロ波電力を伝送す
   る導波路と該マイクロ波電力を反応容器内に導入するた
   めのマイクロ波透過性材料で形成された前記反応容器の
   壁を兼ねるマイクロ波導入窓との間に、大気圧雰囲気に
   おいてマイクロ波に共振するような幾何学的構造とした
   マイクロ波空胴共振室を設けた構造を有するとともに、
   前記空胴共振室がその幾何学的寸法の一部を連続的に変
   化させることによって、共振周波数を任意に変化させ得
   る構造であることを特徴とするマイクロ波エネルギーを
   使用するプラズマＣＶＤ法による機能性堆積膜形成装置
   。
2. （２）前記空胴共振室が反射板を備えている特許請求の
   範囲第（１）項記載の装置。
3. （３）前記マイクロ波導入窓と前記マイクロ波空胴共振
   室の各々が個別に同一の周波数にて共振するか、あるい
   は双方を組み合わせることにより一つの周波数に共振す
   る構造を有することを特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項又は第（２）項記載の装置。
4. （４）前記空胴共振室と前記導波管の結合部に、マイク
   ロ波に対する絞り機構を有することを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項、第（２）項、又は第（３）項記載
   の装置。