JPS63316427A - Ｅｃｒプラズマ反応装置 - 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ｅ　Ｓ　１０２　ｅ　Ｓ　１ａＮ４およびダイ
ヤモンド薄膜、　ａ−５ｉ薄膜などの絶縁膜、あるいは
、半導体膜などを形成するＣ　Ｖ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ　ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）型薄膜形成
や、　Ａｌｚｏ３．　Ｔａ２０５　。

ＡＮＮ　、あるいは＃　ＣＢ　Ｎ　（Ｃｕｂｉｃ　Ｂｏ
ｒｎ　Ｎ１ｔｒｉｄｅ　。

立方晶窒化硼素）などの金属化合物膜のスパッタ型膜形
成、並びに、Ｍｏ、Ｗなどの薄膜エツチングなどで用い
られるＥ　ＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏ
ｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ　）プラズマ反応装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

第２図は従来より用いられているＥＣＲプラズマＣＶＤ
装置を示す概略措成図であり、この装置により例えば窒
化シリコン薄膜を形成する場合を例に取り説明する。

図示を省略したマグネトロン（マイクロ波発信器）で発
生された２、　４５　ＧＨｚのマイクロ波０１は、アイ
ソレータ、方向性結合器、マイクロ波電力計、整合器（
いずれも図示を省略した）などを用いて、矩形あるいは
円形の導波管０２により伝播され、マイクロ波専入窓０
３を介してプラズマ生成室０４に導入される。

プラズマ生成室０４は、プラズマ引出し窓０９により反
応容器０８とつながっており、この反応容器０８は９図
示省略の真空ポンプで薄膜形成に必要な所定の真空度１
例えば１０−’Ｔｏｒｒに真空引きされている。

第１のガス供給管０５は、上記プラズマ生成室０４に開
口してＮ２ガスを供給し、第２のガス供給管０６は、環
状ステンレス管０７を介してＳｉＨ４ガスを反応容器０
８に供給するようになっている。

プラズマ生成室０４の外周には冷却管０１２が巻きつけ
てあり、冷却水０１３を導入流過させることにより、該
プラズマ生成室０４を冷却するようになっている。また
、プラズマ生成室０４を囲繞するように磁気コイル０１
４が配置されていて。

供給される２、　４５　ＧＨｚのマイクロ波と電子サイ
クロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏ
ｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ　）を起こすように、磁束密度
８７５ガウスの磁界が発生される。

なお、試料０１０は１反応容器０８内にプラズマ引出し
窓０９と対向する位置へ配置された試料台０１１上に置
かれている。

さて、電子サイクロトロン共鳴は、電子の電荷と質量を
ｅ、ｍ、磁束密度をＢで表した場合。

電子のサイクロトロン運動の周波数ｆｃｅがｆｃｅ　＝
　ｅＢ／ｍ　＝　２．４５　ＧＨｚと言う条件を満たす
ときに発生し、プラズマ生成室０４に強力なプラズマ流
０１５が形成され、プラズマ引出し窓０９を通って反応
容器０８内に入る。

上記例では９反応ガスとしてＮ２とＳｉＨ４ガスを用い
ているので、それらのガスはプラズマ流０１５により解
離されて、　５ｉＨ３Ｎ４の薄膜が試料０１０表面に堆
積する。

このＥＣＲプラズマを用いた薄膜形成は２通常行われて
いるＣＶＤ薄膜形成に比べて、低ガス圧で高い活性度の
プラズマが得られるため。

イオン、電子の衝撃効果により室温で高品質の薄膜を形
成出来るなどの特長を有するものである。

なお、ＥＣＲプラズマの応用例としては、上記窒化シリ
コン（Ｓｉ３Ｎ４）膜の形成の他に、シリコン（Ｓｉ）
膜、酸化シリコン（Ｓ　１ｏ２）膜、あるいは。

モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ２）膜などの形成や。

エツチングなどをこ応用されうるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の装置では、矩形あるいは円筒形の導波管０２で伝
播した２、　４５　ＧＨｚのマイクロ波を８７５ガウス
の磁束密度を有するプラズマ生成室０４へ直接入射し、
電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成している
ので９次の欠点を有している。

（１）　　導波管０２でマイクロ波を伝播する場合、導
波管０２やプラズマ生成室０４はマイクロ波の強さを減
衰させたり、それを反射したりする性質があるので、そ
れらの寸法は使用するマイクロ波の周波数に対応した最
適値を選ぶ必要がある。

たとえば、マイクロ波が１．０７から２．６０ＧＨｚの
周波数の範囲では、内径寸法１０９．２２　ｍｍＸ　５
４．６１朋（国内規格ＷＲＪ−２、Ｍ　Ｉ　Ｌ規格ＲＧ
−１０４／ＴＪ　’）の矩形導波管か、あるいは、内径
１１０ｍｍの円形導波管が必要となる。また。

プラズマ生成室０４にしても同様の寸法のものを使用し
なければならない。従って、プラズマ流は１１０朋〆程
度となるが、プラズマ密度が一様な部分は最大３０ｍｍ
ｇ程度である。

もしも、上記寸法より大きい導波管やプラズマ生成室を
用いると、マイクロ波の伝播モード（各種導波管０２内
に実線で図示の電気力線と破線で図示の磁力線との方向
）が第３図（ａｌ　、　（ｂｌおよび第４図に示す各基
本モードＴＥ＋。

ＴＥＩＩ　Ｉ　ＴＥＯＩとは異なるマルチモードとなり
。

電磁界の強さの分布は非一様となる。

従って、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用する限り、
プラズマ密度が一様である大口径のプラズマ流を生成す
ることは不可能であり。

大面積基板への薄膜形成が出来ない不具合がある。

（２）上記の如＜２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる
と、基板である試料０２０の大きさに制限があるので９
周波数を２．４５　ＧＨｚより小さい値にして、１９波
管０２やプラズマ生成室０４の寸法を上記値より大きく
することが考えられる。

しかしながら、マイクロ波の周波数を小さくするとプラ
ズマカットオフ密度が小さくなる。

言い換えると、電子サイクロトロン共鳴を担ってし、−
るプラズマ生成室内の電子プラズマの振動数がそれに対
応して小さくなり、その結果、プラズマ密度が２．４５
　ＧＨｚのプラズマを使用している時の約７　Ｘ　１０
’°ｃｍ−３に比べて。

小さくなる。すなわち、電子サイクロトロン共鳴で発生
するプラズマの密度ｎと、電子のただし、ｅは電子の電
荷０ｍは電子の質量。

ε０は真空中の誘電率である。

上式は、それぞれ数値を代入して書き直すと次のように
なる。

ｆ、ｐ　＝　８．９７Ｏｆ「 すなわち、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる場合に
は。

ｎ　＝　７．４６Ｘ　１０　ｃｙａ であるが１例えば０．２４５　ＧＨｚのマイクロ波の場
合には。

ｎ　”　７．４６　ｘ　１０８０ｍ−３と２桁小さくな
る。

従って、プラズマＣＶＤなとの薄膜形成への応用では、
マイクロ波の周波数を小さくすることはプラズマ密度の
低下によって使用できなくなる。

（３）上記（＋）、　（２）により明らかな通り、従来
法では高いプラズマ密度で、かつ、大口径のプラズマ流
を発生させることは不可能である。従って、従来のＥＣ
ＲプラズマＣＶＤなどでは。

薄膜形成の生産性が著しく低いのみならず。

大面積化・大口径化が必要なダイヤモンド薄膜やＣＢＮ
薄膜、あるいは、半導体薄膜や金属化合物薄膜など、各
種の薄膜応用技術の実用化展開上で問題となる点も多い
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の装置は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発
信器と、同マイクロ波発信器に一端が接続され他端が閉
じた筒状の導波管と。

同導波管内に挿入されたボールアンテナと。

同ポールアンテナに接続された同軸管と、同同軸管の他
端に接続されたスリット付金属円筒と、同スリット付金
属円筒を収納するプラズマ生成室と、同プラズマ生成室
と連通ずる反応容器と、同反応容器内を排気する排気装
置と、上記反応容器内に反応ガスを供給するガス供給装
置と、上記スリット付金属円筒を囲繞する磁気コイルと
を有するものである。

〔作用〕

本発明の装置では、マイクロ波発信器から発信されたマ
イクロ波は、筒状の導波管により搬送され、ボールアン
テナで取り出される。このボールアンテナには同軸管が
接続されており。

マイクロ波は同軸管の中を更に伝播してスリット付金属
円筒に至る。スリット付金属円筒では。

そのスリット上に定在波が形成され、該スリット付金属
円筒を囲繞する磁気コイルで発生する磁界により電子サ
イクロトロン共鳴によってプラズマが発生する。スリッ
ト付金属円筒はプラズマ生成室内に収められ、このプラ
ズマ生成室は反応容器と連通しているので、生成したプ
ラズマを反応容器中に取り出すことができる。反応容器
内は排気装置により排気されると共に。

ガス供給装置により所定のガスが供給されているので、
ＥＣＲプラズマ反応を生じさせることができる。

〔実施例〕

本発明に係わる装置を第１図に示す一実施例の装置につ
いて説明する。

１００は２．４５　ＧＨｚのマイクロ波を発生させるマ
イクロ波発信器、１０１は発生したマイクロ波の反射波
によるマイクロ波発信器１００の破損を防１１−するア
イソレータである。導波管１０２の一端はＬ記マイクロ
波発信器１００に接続されていて。

−７（クロ波電力計１０５に接続された方向性結合器１
０４がその途中に介装され、他端にはマイクロ波のイン
ピーダンスを調整するスタブチューナ１０７が接続され
ている。

１０８は空洞室で、導波管１０２で伝播されてきたマイ
クロ波の定在波が発生する。同軸管１１０に接続された
ボールアンテナ１０９は、上記空洞室１０８（こ挿入さ
れている。上記同軸管１１０の他端は、同軸コイ・フタ
１１１と第２の同軸管１１２を介してスリット付金属円
筒（以下リジターノコイルと言う）１１３に接続されて
いる。

２０４はプラズマ生成室で、プラズマ引出し窓２０９に
より反応容器２０８と連通し、この反応容器２０８は１
図示省略の排気装置で反応に必要な所定の真空度１例え
ば１０−３ないし１Ｏ−８Ｔｏｒｒに真空引きされてい
る。

第１のガス供給管２０５は上記プラズマ生成室２０４に
開口し、たとえばＮ２ガスを供給し、第２のガス供給管
２０６は、環状ステンレス管２０７を介してたとえばＳ
ｉＨ４ガスを反応容器０８に供給するようになっている
。

プラズマ生成室２０４の外周には冷却管２１２が巻きつ
けてあり、冷却水２１３を導入流過させることにより、
該プラズマ生成室２０４を冷却するように成っている。

また、プラズマ生成室２０４を囲繞するように磁気コイ
ル　！４が配置されていて、該プラズマ生成室２０４に
供給される２、４５ＧＨｚのマイクロ波との電子サイク
ロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ
　Ｒｅ５Ｏｎａｎｃｅ）を起こすように。

磁束密度８７５ガウスの磁界を発生する。

なお、試料２１０は１反応容器２０８内へプラズマ引出
し窓２０９と対向する位置に配置された試料台２１１上
に置かれている。第５図の（ａ）、　（ｂ）は。

リジターノコイル１１３の概略形状と電界モードをその
一例として示す図である。金属性の円筒状部材へ１図に
示すように一端部から切り込みが入り、軸芯と平行な複
数の直線部と、その直線部の端部同士を周方向に結ぶ部
分とで形成されるコ字状に曲がりくねったスリットＳを
形成したもので、直線部の長さを−Ｆ上記イクロ波の半
波長の整数倍としたものである。同軸管１１２は、端部
の切り込みを挟んだ両側にそれぞれ接続されている。

なお、リジターノコイル１１３は、絶縁部材により適宜
手段でプラズマ生成室２０４内に保持されている。

また、リジクーノコイル１１３を形成する金属としては
、アルミニウムや金・銀の板、あるいは、金属に金・銀
の鍍金を施したものであってもよい。

さらに、セラミックス部材で円筒を形成し。

その表面に金属薄膜を張ったり、他の金属を溶射するよ
うにしても良い。

さて、マイクロ波発信器１００で発生された２、４５　
ＧＨｚのマイクロ波は、導波管１０２を介して空洞室１
０８に伝播される。空洞室１０８では、第３図（ａ）で
示すＴ′Ｅｌｏモードのマイクロ波の定在波が発生する
。すなわち、電界の強さで孝えると。

空洞室１０８の内壁では振幅ゼロで、中央部で最大を取
るガウシアンモードに近い分布となっている。ボールア
ンテナ１０９は空洞室１０８内の電界強度分布がほぼ一
様である部位に配置されていて、同軸管１１０と同軸コ
ネクター１１１および同１’ｌｌｌ　管１１２を介して
リンターノコイル１１３にマイクロ波を伝播させる。こ
こで、同軸管１１０と同軸コネクター１１１および同軸
管１１２の長さ。

および、取り付は方向はマイクロ波の伝播エネルギーを
減衰させることなく伝播する上で重要であり、最適な状
態を選ばないと、リンターノコイル１１３によるプラズ
マ発生でのプラズマ密度とその分布に悪い影響を与える
。

本実施例では、上記ボールアンテナ１０９から同軸管１
１２の端部までの距離をマイクロ波の半波長以下、すな
わち、約６備以下としている。

また、同軸管１１０．　１１２および円筒状のりジター
ノコイル１１３の軸芯方向を平行にすると共に。

磁気コイル２１４で発生する磁界の方向とも平行にして
いる。

同軸管１１２を介してリンターノコイル１１３にマイク
ロ波が供給されると、直線部のスリットＳ上に定在波が
形成される。この場合、直線部のスリットＳ間の電界の
向きは同方向となるので、リンターノコイル１１３の軸
の中心までの電界分布は、第５開山）に示すような円形
導波管のＴＥｏｒモード、すなわち、第４図に示したモ
ードに類似する。この事は非常に重要な意味を持つもの
で、電界の半径方向強度分布は、マイクロ波の周波数に
は依存しないから、同様に上記りＥ／’ターノコイル１
１３の電界分布モードにも周波数に依存しないものと考
えられる。従って、リンターノコイル１１３の直径は周
波数に無関係となり、大きく選ぶことが可能となる。本
実施例では、直径を４００ｔｎｍとした。

リンターノコイル１１３によるプラズマ発生は。

反応容器２０８内の圧力を例えば１０−’Ｔｏｒｒとし
て。

周波数２．４５　ＧＨｚ　、出力１ないし３　Ｋｗのマ
イクロ波をリンターノコイル１１３に印加する。他方。

磁気コイル２１４によりリンターノコイルｌｌ３１１１
心 整する。なお、マイクロ波回路系と発生するプラズマの
整合は，スタｔブチューナ１０７で取った。このように
すると、電子サンクロトロン共　１鳴により，リンター
ノコイル１１３内にプラズマが発生する。磁気コイル２
１４の磁界分布は，リンターノコイル１１３の位置から
プラズマ出口側の方向に沿って適当な勾配で減少する発
散磁界の形になっているので，リンターノコイル１１３
で発生したプラズマはプラズマ流２１５となって反応容
器２０８に流出する。

なお、このプラズマ流は，圧力Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒ
ｒで，電子温度約６ｅＶ，電子密度的２　Ｘ　１０１１
ｃｒｒｒ−３の値をもち，圧力が上記値より小さくなる
と電子温度約４０ｅＶとなる。

上述したように，リンターノコイル１１３によって高電
子温度で高プラズマ密度のプラズマ流が得られるが，こ
れを用いた大面積，高品質。

高速度の成膜について，従来の装置と同様に窒化シリコ
ン薄膜の形成を例に取り説明する。

第１図において２図示を省略した排気装置により反応容
器２０８内を真空度的１Ｏ−８Ｔｏｒｒにし。

その内部の不純物ガスを十分排気した後，第１のガス供
給管２０５から第１の反応ガスとしてＮ２ガスを供給し
，第２のガス供給管２０６からは第２の反応ガスとして
ＳｉＨ４ガスを供給する。なお。

ガス量はそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎとし，ガス供給後の
反応容器２０８内の圧力は２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒと
した。

試料２１０は試料台２１１上に置いである。また。

冷却水２１３は冷却管２１２より導入し，プラズマ生成
室２０４を十分冷却するようにした。

このような状態でプラズマ流を発生させ窒化シリコン膜
を形成させた。本実施例によると。

プラズマ電子密度は２　Ｘ　１０”？？１１１−”　　
と従来法にくらべ著しく大きな値が得られ．成膜速度も
２ないし６　Ａ／ｓｅｃ　、成膜面積は直径約６００間
であった。

この成膜結果を種々解析したところ，概ね次のような結
果が得られた。

窒化シリコン膜の屈折率は１．９ないし２、０。

暗電導率は（１，Ｏ〜２．０　）　Ｘ　１０−”’Ω−
１．ｎ！−１であった。

本発明に係わるＥＣＲプラズマ反応装置を用いると、」
１記した窒化シリコン薄膜の形成に限らず、第１・第２
の反応ガスとしてＡｒガスと５ＩＨ４ガスを用いればａ
−５ｉ膜が形成できる仙、０２ガスとＳｉＨ４ガスでＳ
ｉＯ２膜、　ＭｏＦａガスとＳｉＨ４ガスでモリブデン
サイドＭｏＳｉ２．およびＡｒガスとＣＨ４゜Ｈ２との
混合ガスでダイヤモンド薄膜など９色々な薄膜形成がで
きる。

〔、発明の、効果〕

本発明に係わる装置では、スリット付金属円筒を用いた
電子サイクロトロン共鳴によるマイクロ波放電によりプ
ラズマ流を発生させたので。

従来の装置に比べ、プラズマ流の大きさが大きくでき、
かつ、プラズマ電子密度も大きくなるので、大面積の基
板に、かつ、高速で薄膜形成反応を生ビさせることがで
き、産業用ぎわめて価値があるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる一実施例を示す装置の構成図で
ある。 第２図は従来装置の示す構成図である。 第３図の（ａｌ、　（ｂｌは矩形、および１円形導波管
の電磁界分布を示す図で、第４図は円形導波管特有の電
磁界分布を示す図である。 第５図はりジターノコイルの説明図とその電磁界分布図
である。 １００　：マイクロ波光信器、１０２：導波管、１０９
：ボールアンテナ、　　１１０．　１１２　：同軸管、
１１３ニスリット付金属円筒（リジターノコイル）。 ２０４：プラズマ生成室、２０５：第１のガス供給管（
ガス供給装置）、２０６：第２のガス供給管（ガス供給
装置）、２０８：反応容器、２１４：磁気コイル。 １識人石川　折 第１圓 １１３長巳（の丁百ｌｂ七−←″　　　　　　　　　　
　　　　　　）６３央０こ’ｏ）−ｒｒ、、七−Ｆコ １１４ｍ（丁Ｅ己−ド９ 躬５ＴＡＣｂ） 手続補正書（自発） 昭和６３年　２　月ノ８　日 １、ルＰＩの表示 昭和６２年　　特　許　願第　１５２６０６　　号２、
発明の名称 ＥＣＲプラズマ反応装置 ３　補正をする名 事件との関係　特許出願人 江　　所　　　　東ズ【都−ｒ代用区入の内二丁目５番
ｌり名　称（６２０）三菱重工業株式会社 ・１１代理人 （リ　明細書第４頁第１４行目記載［ｆ　ｃ　ｅ＝ｅ　
Ｂ／ｍ＝２．４５ＧＨ２Ｊをｒｆｃｅ＝±””’　＝２
．４５ＧＨｚ−２π　ｍ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波を発生させるマイクロ波発信器と、同
   マイクロ波発信器に一端が接続され他端が閉じた筒状の
   導波管と、同導波管内に挿入されたボールアンテナと、
   同ボールアンテナに接続された同軸管と、同同軸管の他
   端に接続されたスリット付金属円筒と、同スリット付金
   属円筒を収納するプラズマ生成室と、同プラズマ生成室
   と連通する反応容器と、同反応容器内を排気する排気装
   置と、上記反応容器内に反応ガスを供給するガス供給装
   置と、上記スリット付金属円筒を囲繞する磁気コイルと
   を有することを特徴とするＥＣＲプラズマ反応装置。
2. （２）上記ボールアンテナから上記スリット付金属円筒
   までの上記同軸管の長さが、上記マイクロ波の半波長以
   下であることを特徴とする特許請求の範囲（１）項記載
   のＥＣＲプラズマ反応装置。