JPS6335779A - 成膜装置 - 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、マイクロ波放電によるプラズマを利用した成
膜装置に関するもので、更に詳しくは、プラズマ及び成
膜ガスの利用効率の向上に関する。

本明細書において、縮小拡大ノズルとは、流入口側から
中間部に向って徐々に開口面積が絞られてのど部となり
、こののど部から流出口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。

また、ビームとは、流れ方向に断１ｍ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、それのみでは膜形成能を生じな
いガスをいう。成■々ガストハ、エネルギーの付与によ
ってｊ膜形成能を生じるガス及び当該ガスと非成膜ガス
の混合ガスをいう。なお、ここでガスとは一般気体のほ
か、気相状態で搬送されうる微細粒子の集合体も含むも
のとする。

［従来の技術］ 従来、マイクロ波放電によるプラズマを利用した成１模
装置としては、空胴共振器を利用したプラズマ発生装置
で発生したＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ
を、電磁石を用いて成膜室へ送り出し、そこで成１１タ
ガスをプラズマに接触させて基体りにＪ＆膜を行うよう
にしたものが知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、電磁石による送り出しでは、送り出され
るプラズマ領域を上のコントロールしにくく、下流側に
おいては、その反応場となる領域が拡散してしまう。し
かも成膜ガスの供給は、棒状のパイプや多数の小孔を形
成したリング状のパイプによって行なわれているので、
プラズマとの接触にもムラを生じゃすく、原料の利用効
率が悪くなるばかりでなく、反応によって得られる生成
物の歩留りも低下してしまうという問題点があった０本
発明は、上記従来技術の問題点を解決した新規な成膜装
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］ 上記問題点を解決するために講じられた手段を、本発明
の一実施例に対応する第１図を用いて説明すると、本発
明は下流側の成膜室５内に配置された基体２０に成膜ガ
スをその流れを制御して送り込む手段、例えば縮小拡大
ノズル１と、下流側において前記成膜ガスに対してイオ
ンビームを供給するイオン源６とを備えることを特徴と
する反応装置である。

なお、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ｉｂに向って徐々に
開［１面積が拡大されているノズルをいう、第１図にお
いては、説明の便宜上、縮小拡大ノズルｌの流入側と流
出側は、各々密閉系であるプラズマ室３と成膜室５に連
結されている。しかし、本発明における縮小拡大ノズル
ｌの流入側と流出側は、両者間に差圧を生じさせて、下
流側で排気しつつプラズマを流過させることができれば
、密閉系であっても開放系であってもよい。

［作　用］ 第１図に示されるように、供給管１５からブラズ′マ発
生装置７に成膜ガスを供給する一方、プラズマ室３．Ｉ
ｉ量調整室４及びｒ＆成膜室５内空気を。

真空ポンプ２２．２３によって段階的に排気すると。

プラズマ室３から成膜室５までの間に圧力差を生じる。

したがって、プラズマ発生装置７においてプラズマとな
り活性化された成膜ガスは、プラズマ室３から縮小拡大
ノズル１を流過して高速のビーム流としてＸ＆膜室５へ
流入する。同様にして、イオン源６の供給管１６から非
成膜ガスを空胴共振器９に供給するとともに、導波管１
４からのマイクロ波と１１石１８の作用によってプラズ
マを発生させると、イオン化された非酸ｊ模ガスは、Ｔ
Ｌ磁石１８の発散磁界によって開口部１０ｂから成膜室
５に移送される。成膜室５の基体２０上においては、前
記イオンの噴流に対して活性化された成膜ガスのプラズ
マが接触する。この接触によって、活性化した成膜ガス
と非成膜ガスのイオンが反応することになり、基体りで
膜が堆積することになる。

本発明によれば、イオンの噴流に対して成膜ガスのプラ
ズマを比較的広い範囲に亘って均一に吹き付けることが
可能であり、物質相互の混合密度を高めることができる
。また、良好な活性状態のままプラズマを移送すること
ができるうえ、噴流断面が流れ方向にほぼ一定のビーム
流となるので、吹き付は領域を容易に制御することがで
きる。

縮小拡大ノズル１は、上流側であるプラズマ室３の圧力
Ｐ。と下流側である成膜室５の圧力Ｐの圧力比Ｐ／Ｐ　
ｏと、のど部２の開口面請Ａ傘と流出口１ｂの開［１而
積Ａとの比Ａ／Ａ”とを調節することにょって、噴出す
るプラズマの流れを高速化できる。そして、プラズマ室
３と成膜室５内の圧力比Ｐ／Ｐ　、が臨界圧力比より大
きければ、縮小拡大ノズルｌの出口流速が亜鋒速以下の
流れとなり、プラズマは減速噴出される。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、プラズマを超音速にて噴出さ
せることができる。

ここで、流れの速度をＵ、その点における音速をａ、ｆ
ｉ、れの比熱比をγとし、流れを圧縮性の一次元流で断
熱膨張すると仮定すれば、流れの到達マツへｆｉＭは、
プラズマ室３の圧力Ｐｏと成膜室５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＝「７「〒 また、流出口１ｂの開口面［Ａ及びのど部２の開口面積
Ａ°とマツハ数Ｍには次の関係がある。

従って、開口面積比Ａ／Ａ　”によって（２）式から定
まるＭに応じて圧力比Ｐ／Ｐ　Ｏを調整することによっ
て、縮小拡大ノズル１から噴出するプラズマを超音速の
適正膨張流として噴出させることができる。この適正膨
張流とは、流出口１ｃにおけるプラズマの圧力と下流側
の圧力Ｐとが等しい流れで、このときのプラズマの速度
Ｕは、上流側の温度をＴｏとすると、次の（３）式によ
って求めることができる。

Ｌ述のような超音速の適正膨張流としてプラズマを一定
方向へ噴出させると、プラズマ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。これによって
プラズマは、最小限の拡散で成膜室５内の空間中を、成
膜室５の壁面との干渉のない空間的に独立状態で、かつ
超音速で噴出されることになる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示すｒ＆膜装置の概略構成
図である。図において、成膜装詮１００は上流側のプラ
ズマ室３と下流側の成膜室５が縮小拡大ノズル（以下、
ノズルと称す）ｌを介して連通され、成膜室５の一側面
にはイオン源６が設けられている。

プラズマ室３内には、ノズルｌの流入口１ａと対向する
位置に、プラズマ発生装置７が設けられている０本実施
例におけるプラズマ発生装置７は、電子サイクロトロン
共鳴（ＥＣ：Ｒ）を使ってプラズマを形成する空胴共振
器８を有するものとなっている。この空胴共振器８は、
プラズマを効率良く形成できるよう、ＥＣＲ条件を満す
ものであることが好ましい。

空胴共振器８の後壁部には、例えば石英等のマイクロ波
の透過を許容する材料で形成されたマイクロ波導入窓１
１を介して導波１１ｆ１３が接続されている。また、空
胴共振器８内には、供給管１５により成膜ガスが供給さ
れるようになっている。如胴共振器８の開口部１０ａ付
近には空胴共振器８で発生したプラズマを引き出すため
の電磁石１７が配置されている。

ノズル１は、その流入口１ａをプラズマ室３内に開口さ
せ、流出口ｉｂをｒ＆膜室５の一側面に一体に形成され
た流量調整室４内に開口させて両室を連通させている。

プラズマ室３、流４１ＴＡ整室４及びｆ＃、膜室５は後
述する排気系によってプラズマ室３から成膜室５へと段
階的に高い真空度に保たれている。

ノズルｌ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「１１ｂとなっているものであれば
よいが、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、ガスの流れ方向が、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°以下とするば、剥離現象を生じに
くく、噴出するガス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、ノズルｌの作製
が容易となる。また、ノズル１を第２図（Ｃ）に示され
るような矩形のものとすれば、スリント状にルｆ料を噴
出させることができる。

ここで、前記剥離現象とはノズル１の内面に突起物等が
あった場合に、ノズルｌの内面と流１ＩｉＳ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ゃすい、前述の角度αは、
この剥離現象防止のために、ノズル１の内面仕上げ精度
が劣るものほど小さくすることが好ましい、ノズル１の
内面は、ＪＩＳ　Ｂ　０６０１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三つ以上、最適には四
つ以上が好ましい。特に、ノズルｌの拡大部における剥
離現象が、その後の原料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、ノズルｌの作製を容易にできる。また、やは
り’ｔｑｒａ現象の発生防止のため、のど部２は滑らか
な湾曲面とし、断面植変化率における微係数が艶となら
ないようにする必要がある。

ノズルｌ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、生成される物質との非
反応性、加工性、真空系内におけるガス放出性等を考慮
して行えばよい、また、ノズルｌの内面に、原料の付着
・反応を生じにくい材料をメツキ又はコートすることも
でさる。具体例としては、ポリフッ化エチレンのコート
等を挙げることができる。他方、ノズル内面において化
学反応を起こさせる材料を形成することもできる。具体
例としては、担持触媒、バイコールガラス等の多孔質物
質による触媒作用を用いる方法、あるいは反応性物質を
塗布する方法なとが挙げられる。

ノズルｌの長さは、装置の大きさ等によって任意に定め
ることができる。

流量調整室４は、縮小拡大ノズル１から成膜室５へ流入
するプラズマの流量を制御するためのもので、その開口
部１０ｃ近傍にはスキマー１９が配置されている。スキ
マー１９は、成膜室５が流量調整室４よりも十分に高真
空度を保つことができるよう、流量調整室４とに＆膜室
５との間の開口部１０ｃの開口面積を調整できるように
するためのものである。具体的には、第３図に示される
ように、各々く字形の切欠部３０ａ、　３０ｂを有する
二枚の調整板３１ａ、　３１ｂを、切欠部３０ａ、　３
０ｂを向き合わせてすれ違いスライド可能に設けたもの
となっている。この調整板３１ａ、　３１ｂは、外部か
らスライドさせることができ、両切架部３０ａ、　３０
ｂの重なり具合で、ビームの通過を許容しかつ成膜室の
十分な真空度を維持し得る開口度に２ｇ整されるもので
ある。なお、スキマー１９の切欠部３０ａ、　３０ｂ及
び調整板３１ａ。

３１ｂの形状は、図示される形状の他、半円形その他の
形状でもよい。

成膜室５の一側面に配設されたイオン源６は。

ＥＲＣ条件をつくり出すことによってプラズマを発生さ
せるもので、前述したプラズマ発生装置７と同様に空胴
共振器９、マイクロ波導入窓１２、導波管１４、供給管
１６、電磁石１８等により構成されている。

成膜室５内には、ノズル１からビーム流として移送され
てくる活性化された成膜ガスのプラズマと、イオン源６
の開１部ｌＯｂから移送されてくるイオン噴流との反応
により生じる生成物を、成膜状態で捕集するための基体
２０が位置している。基体２０は回動可能な基板ホルダ
ー２１に取り付けられていて、成膜中、一定の方向に回
転させることによって基体上に広い範囲で均一に膜形成
を行うことができる。

次に、本実施例における排気系について説明する。

第１図において、プラズマ室３と流量調整室４は、それ
ぞれ圧力調整弁２４及び２５を介して真空ポンプ２２に
接続されており、成膜室５は圧力調整弁２６を介して真
空ポンプ２３に接続されている。

まず、圧力調整弁２４．２５及び２６を開いて各々真空
ポンプ２２及び２３により排気を行い、プラズマ室３、
流量調整室４．成膜室５内を十分な真空度とする。この
時、圧力調整弁２４の開度を調整することによって、プ
ラズマ室３より流量調整室４の真空度を高くし、プラズ
マを流過させる際には、さらに流量調整室４より成膜室
５の真空度が高くなるよう、スキマー１９で調整する。

そしてプラズマのビーム流による成膜作業中を通じて、
各室３゜４．５が一定の真空度を保つよう制御する。

以上のような構成の成膜装置は、例えば次のように動作
する。

まず、プラズマ室３の空胴共振器８に成膜ガスを供給す
ると共に、マイクロ波導入窓１１を介してマイクロ波を
導入すると、空胴共振器８内にプラズマが形成され、成
膜ガスが励起されてこれが前面の開口部１０ａから電磁
石１７により引き出されることになる。一方、イオン源
６においては、空胴共振器９に非成膜ガスが供給され、
前述の場合と同様にマイクロ波及び磁界の作用によって
、プラズマが形成される。このプラズマ中のイオンは、
′上磁石１８の発散磁界によってさらに開口部１０ｂか
ら成膜室５に引き出される０次に、前述した排気系を操
作して上流側から段階的に真空度を高めていくと、プラ
ズマ室３で発生したプラズマ状の成膜ガスはノズル１に
よって高速のビーム流として移送され、成膜室５に流入
する。流入した成膜ガスは、基体２０上においてイオン
源６から放出されたイオンと接触して反応し、基体上に
被膜が形成される。この時、基体ホルダー２１を一定方
向に回転させることによって、広い範囲に亘って均一な
被膜を形成させることができる。

本実施例では、成膜ガスを活性化する手段として空胴共
振器内でのプラズマ放電を利用したものについて述べた
が、成膜ガスを活性状態とすることができるならば、他
の励起手段を用いることもできる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、活性化ぎれた成
膜ガスを均一な分散状態の超音速のビームとして、最小
限の拡散状態で移送することができ、下流側におけるイ
オンとの接触においては、その混合密度をより高めるこ
とができる。したがって、原料の利用効率及び生成物の
歩留りを向上させることが可能となる。

因に、本発明者らの実験によれば、　ａ−Ｓｉ　（アモ
ルファスシリコン）の成膜時において、従来のＥＣＲプ
ラズマ成膜装置では数１ＯＡ／ｓｅｃのレートであった
が、本発明による成膜装置では、ＩＱＯＡ　／ｓｅｃ以
上のレートを得ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す説明図、第２図（ａ）
〜（Ｃ）は各々縮小拡大ノズルの形状例を示す図、第３
図はスキマーの説明図である。 １：１１ｉ１小拡大ノズル、３：プラズマ室、４：流量
調整室、５：成膜室、６：イオン源、７：プラズマ発生
装置、８．９：空ＩＴ４共振器、１７、１８：電磁石、
１９：スキマー、２０：基体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）下流側に配置された基体に成膜ガスをその流れを制
   御して送り込む手段と、前記成膜ガスに対してイオンビ
   ームを供給するイオン源とを備えることを特徴とする成
   膜装置。