KR20120023655A - 표면파 플라즈마 ｃｖｄ 장치 및 성막 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 시마쓰세사쿠쇼
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Abstract

표면파 플라즈마 CVD 장치는, 마이크로파원 (2) 에 접속되어, 복수의 슬롯 안테나 (S) 가 형성된 도파관 (3) 과, 복수의 슬롯 안테나 (S) 로부터 방사된 마이크로파를 플라즈마 처리실 (1) 에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 유전체 판 (4) 과, 유전체 판 (4) 과 대향하는 성막 처리 영역을 기판 형상의 성막 대상 (11) 이 통과하도록, 성막 대상 (11) 을 왕복 이동시키는 이동 장치 (6) 와, 성막 조건에 따라 이동 장치 (6) 에 의한 성막 대상 (11) 의 왕복 이동을 제어하고, 성막 대상에 대한 성막을 실시하게 하는 제어 장치 (20) 를 구비한다.

Description

표면파 플라즈마 ＣＶＤ 장치 및 성막 방법{SURFACE WAVE PLASMA CVD APPARATUS AND FILM FORMING METHOD}
본 발명은, 표면파 플라즈마 CVD 장치, 및 그 장치를 사용한 성막 방법에 관한 것이다.
종래, 표면파 플라즈마를 이용한 CVD 장치가 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조). 표면파 플라즈마 CVD 장치에 있어서는, 진공 챔버에 형성된 유전체 창을 통해 마이크로파가 도입되고, 그 마이크로파는, 플라즈마와 유전체 창의 계면을 따른 표면파로서 전반 (傳搬) 된다. 그 결과, 유전체 창의 근방에 고밀도 플라즈마가 생성된다. 성막 대상인 기판은 유전체 창과 대향하는 위치에 고정 배치된다.
일본 공개특허공보 2005-142448호
그러나, 생성되는 플라즈마의 밀도 분포는 유전체 창의 범위에서 반드시 균일하지 않고, 예를 들어, 유전체 창의 주변 영역에서는 밀도 분포가 저하된다. 그 때문에, 유전체 창의 면적은, 성막 대상인 기판보다 크게 설정할 필요가 있어, 액정 유리 기판과 같이 가로세로 2.5 m 이상의 대면적으로 균일한 고밀도 플라즈마를 제어하는 것은 곤란하며, 비용 상승의 요인도 된다. 또, 표면파 플라즈마와 같은 고밀도 플라즈마에서는 특히, 막질이나 막두께를 균일하게 하기 위해서, 재료성 프로세스 가스를 플라즈마 영역에 동일하게 공급하는 것이 중요해지며, 그 때문에, 가스 분출부를 세밀하게 배치할 필요가 있지만, 대면적인 경우에는 가스 공급 배관이 플라즈마 내에 배치되는 경우도 있어, 파티클 발생의 원인이 되기 쉽다는 문제가 있었다.
본 발명에 의한 표면파 플라즈마 CVD 장치는, 마이크로파원에 접속되어, 복수의 슬롯 안테나가 형성된 도파관과, 복수의 슬롯 안테나로부터 방사된 마이크로파를 플라즈마 처리실에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 유전체 판과, 유전체 판과 대향하는 성막 처리 영역을 기판 형상의 성막 대상이 통과하도록, 성막 대상을 왕복 이동시키는 이동 장치와, 성막 조건에 따라 이동 장치에 의한 성막 대상의 왕복 이동을 제어하여, 성막 대상에 대한 성막을 실시하게 하는 제어 장치를 구비한다.
또한, 플라즈마 처리실에는, 성막 대상의 이동 행로를 따라 유전체 판과 대향하는 성막 처리 영역을 사이에 두도록, 성막 대상이 유전체 판과 대향하지 않는 제 1 대기 영역 및 제 2 대기 영역이 형성되고, 제 1 대기 영역과 제 2 대기 영역 사이에서 성막 대상을 왕복 이동시키도록 해도 된다.
또, 성막 처리 영역을 통과하는 성막 대상과 유전체 판 사이에 재료성 프로세스 가스를 분출하는 가스 분출부와, 가스 분출부의 분출 방향에 대향 배치되어, 분출된 재료성 프로세스 가스를 표면파 플라즈마의 생성 영역에서 대류시키는 가스 배플판을 구비하게 해도 된다.
또한, 이동 장치에 의한 성막 대상의 이동 행로 전역에, 성막 대상의 온도를 제어하는 백 플레이트를 배치하도록 해도 된다.
또, 성막 대상과 백 플레이트의 간격을 변경하기 위한 백 플레이트 구동 장치를 구비하게 해도 된다.
또한, 성막 대상을 필름 형상 기판으로 하고, 백 플레이트에서 필름 형상 기판을 지지하고, 필름 형상 기판의 피성막 영역이 성막 처리 영역을 통과하도록 왕복 이동시키도록 해도 된다.
또, 성막 대상은 기판 상에 기능성 소자를 형성한 것으로, 기능성 소자를 보호하는 보호막을 성막하도록 해도 된다.
본 발명에 의한 성막 방법은, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 표면파 플라즈마 CVD 장치에 의한 성막 대상에 대한 성막 방법으로서, 왕복 이동의 왕로와 귀로에서 성막 조건이 상이한 성막층을 각각 성막하여, 성막 조건이 상이한 성막층이 적층된 박막을 형성한다.
본 발명에 의하면, 유전체 판과 대향하는 영역을 성막 대상이 통과하도록 성막 대상을 왕복 이동시키면서 성막을 실시함으로써, 막질이나 막두께가 균일한 박막을 저비용으로 형성할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태를 설명하는 도면으로, 표면파 플라즈마 CVD 장치의 개략 구성을 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 A-A 단면도이다.
도 3 은 도 1 의 B-B 단면도이다.
도 4 는 제 2 실시형태를 설명하는 도면으로, 표면파 플라즈마 CVD 장치의 개략 구성을 나타낸다.
도 5 는 도 4 의 B-B 단면도이다.
도 6 은 가스 배플판 (1b) 의 작용을 설명하는 도면이다.
도 7 은 제 2 실시형태를 설명하는 도면으로, 도 7(a) 는, 가스 분출부 (52) 의 부분의 확대 도면이고, 도 7(b) 는 가스 분출부 (52) 를 분출 방향에서 본 도면이고, 도 7(c) 는 C-C 단면도이다.
도 8 은 슬릿 (521) 의 유무에 의한 분출 가스의 확산 방법의 차이를 모식적으로 나타낸 것으로, 도 8(a) 는 측방에서 본 도면, 도 8(b) 는 상방에서 본 도면, 도 8(c) 는 도 8(b) 의 D 방향에서 본 도면이다.
도 9 는 가스 분출부 (52) 의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 10 은 진공 챔버 (1) 내에서의 재료성 프로세스 가스의 분포를 모식적으로 나타내는 도면으로, 도 10(a) 평면도이고, 도 10(b) 는 정면도이다.
도 11 은 제 4 실시형태를 나타내는 도면이다.
도 12 는 도 11 의 장치에 있어서 가스 배플판 (110) 을 형성한 경우의 장치를 나타내는 도면이다.
도 13 은 기판 왕복 이동을 실시하지 않는 종래의 표면파 플라즈마 CVD 장치의 일례를 나타낸 것으로, 도 13(a) 는 평면도이고, 도 13(b) 는 정면도이다.
도 14 는 프로세스 가스 중의 질소 유량비와 실리콘 질화막의 내부 응력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15 는 압축 응력의 실리콘 질화막층과 인장 응력의 실리콘 질화막층을 교대로 적층한 적층 박막 (100) 의 단면을 나타내는 도면이다.
도 16 은 플라스틱 필름 기판 상에 형성된 유기 EL 소자를 나타내는 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대해 설명한다.
-제 1 실시형태-
도 1 ? 3 은 본 발명의 제 1 실시형태를 설명하는 도면으로, 표면파 플라즈마 CVD 장치의 개략 구성을 나타낸다. 도 1 은 장치를 정면에서 본 단면도이고, 도 2 는 도 1 의 A-A 단면도이며, 도 3 은 B-B 단면도이다. CVD 장치는, 성막 프로세스가 실시되는 진공 챔버 (1), 표면파 플라즈마를 생성할 때의 마이크로파를 공급하는 마이크로파 출력부 (2), 도파관 (3), 유전체 판 (4), 가스 공급 장치 (5), 기판 이동 장치 (6) 및 제어 장치 (20) 를 구비하고 있다.
진공 챔버 (1) 의 상부에는, 석영 등으로 제작된 평판 형상의 유전체 창 (4) 이 형성되어 있다. 유전체 창 (4) 에 대향하는 부호 R 로 나타내는 영역은, 기판 (11) 상에 성막이 실시되는 성막 처리 영역이다. 유전체 창 (4) 의 상부에는 도파관 (3) 이 재치 (載置) 되어 있고, 마이크로파 출력부 (2) 로부터의 마이크로파 (예를 들어, 주파수 2.45 GHz 의 마이크로파) 가 도파관 (3) 에 입력된다. 마이크로파 출력부 (2) 는 마이크로파 전원, 마이크로파 발진기, 아이솔레이터, 방향성 결합기 및 정합기로 구성되어 있다.
도 2 의 파선으로 나타내는 바와 같이, 유전체 창 (4) 의 형상은 y 방향으로 긴 장방형을 이루고 있다. 도 1 에 나타내는 바와 같이, 유전체 창 (4) 의 상면은 도파관 (3) 의 바닥판 (3a) 과 접하고 있다. 바닥판 (3a) 의 유전체 창 (4) 에 접하고 있는 부분에는, 도파관 (3) 으로부터 마이크로파를 방사하기 위한 개구인 슬롯 안테나 (S) 가 복수 형성되어 있다. 마이크로파 출력부 (2) 로부터 도입된 마이크로파는, 도파관 (3) 내에서 정재파를 형성한다.
도 3 에 나타내는 바와 같이, 가스 공급 장치 (5) 로부터 공급되는 플라즈마 생성용의 가스나 성막을 위한 재료성 프로세스 가스는, 가스 공급관 (51a, 51b) 에 의해 진공 챔버 (1) 내에 도입된다. 진공 챔버 (1) 내에는 유전체 창 (4) 의 주위를 둘러싸도록 직사각형상의 서포트 부재 (1a) 가 형성되어 있고, 가스 공급관 (51a, 51b) 은 이 서포트 부재 (1a) 에 고정되어 있다. 플라즈마는, 서포트 부재 (1a) 로 둘러싸인 영역에 형성된다. 가스 공급 장치 (5) 로부터의 가스는, 가스 분출부 (52) 로부터 서포트 부재 (1a) 내의 플라즈마 영역으로 분출된다. 가스 공급 장치 (5) 에는, 가스종마다 매스플로우 컨트롤러가 형성되어 있고, 제어 장치 (20) 에 의해 매스플로우 컨트롤러를 제어함으로써, 각 가스의 온 오프 및 유량 제어를 실시할 수 있다.
유전체 창 (4) 에 가까운 위치에 형성된 가스 공급관 (51a) 으로부터는, N2, O2, N2O, NO, NH3 등의 반응성 활성종의 원료가 되는 가스, 및 Ar, He, Ne 등의 희가스가 공급된다. 또, 가스 공급관 (51b) 으로부터는, 재료성 프로세스 가스로서 TEOS, SiH4, N2O, NH3, N2, H2 가스 등이 공급된다. 가스 공급관 (51a, 51b) 과 유전체 창 (4) 의 거리는 상이하며, 가스 공급관 (51a) 쪽이 유전체 창 (4) 과의 거리가 작다. 본 실시형태에서는, 가스 공급관 (51a, 51b) 은 서포트 부재 (1a) 의 외측에 배치되어 있다. 플라즈마는 서포트 부재 (1a) 로 둘러싸인 영역에 생성되기 때문에, 가스 공급관 (51a, 51b) 은 플라즈마에 노출되지 않고, 종래와 같은 가스 공급관을 플라즈마 영역에 배치한 것에 의한 가스 공급관에 대한 성막이나, 그 막 박리에 의한 파티클의 발생이라는 문제가 발생하지 않는다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 진공 챔버 (1) 내는, 컨덕턴스 밸브 (8) 를 개재하여 접속된 진공 배기 장치 (9) 에 의해 진공 배기된다. 진공 배기 장치 (9) 에는, 터보 분자 펌프가 사용된다. 성막 대상인 기판 (11) 은 트레이 (12) 상에 재치되고, 그 트레이 (12) 는 게이트 밸브 (10) 를 통하여 진공 챔버 (1) 내에 형성된 기판 이동 장치 (6) 의 컨베이어 벨트 (6a) 상으로 반송된다. 또, 성막을 종료한 기판 (11) 은, 트레이 (12) 에 재치된 상태에서 게이트 밸브 (10) 를 통하여 진공 챔버 (1) 로부터 반출된다. 또한, 트레이 (12) 를 사용하지 않고, 기판 (11) 을 컨베이어 벨트 (6a) 상에 직접 재치해도 상관없다.
기판 이동 장치 (6) 는, 성막 중에 컨베이어 벨트 (6a) 상의 트레이 (12) 를 도 1 의 좌우 방향 (x 방향) 으로 왕복 이동한다. 도 3 에 나타내는 바와 같이 유전체 창 (4) 은 직사각형 형상을 하고 있고, 그 단변의 연장 방향은 기판 (11) 의 이동 방향과 평행하게 되어 있다. 유전체 창 (4) 의 세로 치수 (y 방향 치수) (h1) 는 기판 (11) 의 세로 치수 (h2) 보다 크게 설정된다. 즉, h1 ＞ h2 와 같이 설정되어 있다. 한편, 기판 (11) 의 가로 치수 (w2) 는 유전체 창 (4) 의 폭 치수 (w1) 와 관계가 없으며, w2 는 이동 거리와 정비례한다.
백 플레이트 (7) 는 기판 (11) 의 온도를 조정하기 위해서 형성된 것으로, 도시하지 않지만 히터나 냉각관이 형성되어 있어 온도 조정이 가능하다. 예를 들어, 트레이 (12) 및 기판 (11) 을 가열 온도 제어하여 원하는 CVD 프로세스 조건을 얻는다. 또, 냉각관에 냉매를 순환시킴으로써, 플라즈마에 의한 기판 (11), 트레이 (12) 의 온도 상승을 제어한다. 백 플레이트 (7) 에는, 백 플레이트 (7) 의 위치를 상하 방향 (z 방향) 으로 구동시키는 구동 장치 (7a) 가 형성되어 있고, 구동 장치 (7a) 를 구동시켜 백 플레이트 (7) 와 트레이 (12) 의 갭 조정을 실시할 수 있다. 제어 장치 (20) 는, 플라즈마원 (2), 가스 공급 장치 (5), 기판 이동 장치 (6), 구동 장치 (7a), 컨덕턴스 밸브 (8), 진공 배기 장치 (9) 및 게이트 밸브 (10) 의 동작을 제어한다.
〈동작 설명〉
다음으로, 실리콘 질화막을 성막하는 경우를 예로, 성막 동작을 설명한다. 이 경우, 가스 공급관 (51a) 으로부터 NH3, N2 가스가 공급되고, 가스 공급관 (51b) 으로부터 SiH4 가스가 공급된다. 도파관 (3) 의 슬롯 안테나 (S) 로부터 방사된 마이크로파가 유전체 창 (4) 을 통해 진공 챔버 (1) 내에 도입되면, 마이크로파에 의해 기체 분자가 전리?해리되어 플라즈마가 발생한다. 그리고, 마이크로파 입사면 부근의 플라즈마 중의 전자 밀도가 마이크로파의 컷오프 밀도보다 커지면, 마이크로파는 플라즈마 중에 들어갈 수 없게 되어, 플라즈마와 유전체 창 (4) 의 계면을 따라 표면파로서 전반된다. 그 결과, 표면파를 통해 에너지가 공급되는 표면파 플라즈마가, 유전체 창 (4) 의 근처에 형성되게 된다.
표면파 플라즈마는, 유전체 창 (4) 의 근방에서 플라즈마 밀도가 높아, 유전체 창 (4) 으로부터 멀어짐에 따라 플라즈마 밀도가 지수 함수적으로 감소한다. 이와 같이, 유전체 창 (4) 으로부터의 거리에 따라 고에너지 영역과 저에너지 영역이 발생하므로, 고에너지 영역에서 라디칼 생성을 실시하고, 저에너지 영역에 재료 가스인 SiH4 를 도입함으로써, 고효율 라디칼 생성과 저데미지 고속 성막이 가능해진다.
기판 (11) 은 전 (前) 공정에 있어서 미리 소정 온도까지 가열되어, 트레이 (12) 에 재치된 상태에서 컨베이어 벨트 (6a) 상에 반송된다. 그 후, 기판 이동 장치 (6) 는 트레이 (12) 의 왕복 구동을 개시한다. 이 왕복 이동 동작에 의해, 기판 (11) 은, 진공 챔버 (1) 내에 있어서 플라즈마 영역의 좌측의 위치 (도 1 의 실선으로 나타내는 제 1 대기 위치) 와, 플라즈마 영역의 우측의 위치 (도 1 의 파선으로 나타내는 제 2 대기 위치) 사이를 왕복 이동한다. 이들 좌우 어느 위치에 있어서도, 기판 (11) 은 서포트 부재 (1a) 로 둘러싸인 플라즈마 영역의 대향 위치를 완전하게 통과한 상태로 되어 있다.
표면파 플라즈마가 생성되어 있는 서포트 부재 (1a) 로 둘러싸인 영역의 바로 아래를 기판 (11) 이 통과하는 동안에, 기판 (11) 상에 실리콘 질화막층이 형성된다. 이때 형성되는 실리콘 질화막층의 두께는, 기판 (11) 의 이동 속도에 의존하게 된다. 이동 속도는, 예를 들어 10 ㎜/sec ? 300 ㎜/sec 정도로 설정된다. 기판 이동 장치 (6) 는, 기판 (11) 이 서포트 부재 (1a) 의 하방 영역을 통과한 후에 감속 동작을 실시하여 기판을 정지시키고, 이동 방향을 반전시켜 기판 (11) 이 서포트 부재 (1a) 의 하방 영역에 들어가기 전까지 상기 이동 속도까지 가속을 완료시킨다. 즉, 기판 (11) 은 서포트 부재 (1a) 의 하방 영역을 일정한 이동 속도로 통과하게 된다. 그 때문에, 기판 (11) 이 서포트 부재 (1a) 의 바로 아래를 1 회 통과할 때마다, 이동 속도에 따른 균일한 두께를 갖는 실리콘 질화막층이 형성된다. 최종적으로는, 왕복 이동에 있어서의 토탈 통과 횟수에 동등한 층 수의 실리콘 질화막이, 기판 (11) 에 형성되게 된다.
수증기 배리어나 가스 배리어와 같은 용도에서는, 동일한 막두께여도 모폴로지가 상이한 극박막을 복층으로 형성한 박막이 요구되어, 이동 왕복 성막에 의한 합성 박막이 필요해진다. 스퍼터링이나 CVD 와 같은 진공 성막 프로세스의 경우, 하지 (下地) 상태가 박막의 형성에 유전적으로 계승되는 경우가 있는데, 이동 왕복 성막에서는 고정 정지 제막에 비해, 하지 상태가 박막의 형성에 유전적으로 계승되는 것이 완화된다. 또한, 더욱 적극적으로 왕로와 귀로에서 예를 들어 실란 가스와 암모니아 가스 도입 비율을 변경함으로써, 다른 막질의 극박막을 적층시키는 제어가 용이해진다.
또한, 용량 결합 플라즈마 CVD 나 유도 결합 플라즈마 CVD 장치에서는, 안정적인 방전을 얻기 위해서 캐소드와 애노드의 안정적인 전기적 결합이 필수이다. 그 때문에, 방전 중에 애노드측에 있는 기판을 이동시키면, 전극 사이의 전위 밸런스가 변화하여 안정적인 방전이 얻어지지 않고, 막질, 막두께, 성막 속도의 균일성이 얻어지지 않는다는 문제가 발생한다. 또, 기판을 이동시키면 아킹 등의 이상 방전을 유인하는 것이 알려져 있어, 막질의 열화나 파티클의 발생에 의해 수율이 극단적으로 저하된다는 문제도 발생한다. 한편, 본 실시형태에서 사용되고 있는 표면파 플라즈마 CVD 법은 무전극 방전이기 때문에, 캐소드와 애노드의 안정적인 전기적 결합을 혼동시키는 기판 이동 등을 실시해도 상기 서술한 바와 같은 문제가 발생할 우려가 없다.
또, 표면파 플라즈마는 고밀도, 낮은 전자 온도의 플라즈마이고, 디바이스에 대한 플라즈마 데미지가 매우 적다. 그 때문에, 유기 박막 디바이스와 같이 온도나 플라즈마에 대한 내성이 낮은 디바이스여도, 데미지를 주지 않고 무기 절연 박막의 보호막을 형성하는 것이 가능하다.
-제 2 실시형태-
도 4, 5 는 본 발명의 제 2 실시형태를 설명하는 도면으로, 도 4 는 표면파 플라즈마 CVD 장치를 정면에서 본 단면도이고, 도 5 는 도 4 의 B-B 단면도이다. 도 4, 5 에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시형태에서는, 가스 공급관 (51a, 51b) 의 구성과, 가스 배플판 (1b) 을 형성한 점이 제 1 실시형태와 상이하다.
도 5 에 나타내는 바와 같이, 가스 공급관 (51a) 에 의해 공급된 가스는, 가스 배플판 (1b) 을 향하여 분출되는 것과, 직사각형의 양 단변측으로부터 대향 분출되는 것이 있고, 프로세스 조건과 직사각형의 장변의 길이에 따라 양방 혹은 편방을 선택 사용한다. 가스 공급관 (51a) 의 가스 분출부 (52) 는, 직사각형의 3 변을 이루는 서포트 부재 (1a) 의 상하 단변 및 좌측의 장변에 형성되어 있다. 한편, 가스 공급관 (51b) 에 의해 공급된 재료성 프로세스 가스는, 직사각형의 3 변을 이루는 서포트 부재 (1a) 의 좌측의 장변에 형성된 가스 분출부 (52) 로부터 가스 배플판 (1b) 을 향하여 분출된다. 재료성 프로세스 가스의 분출 방향에는, 가스의 흐름에 대향하도록 가스 배플판 (1b) 이 형성되어 있다 (도 4 참조). 도 4 에 나타내는 바와 같이, 가스 배플판 (1b) 의 하단은 기판 (11) 의 근방까지 연장되어 있다.
도 6 은 가스 배플판 (1b) 의 작용을 설명하는 도면이다. 가스 공급관 (51b) 에 형성된 가스 분출부 (52) 의 분출구는 원형으로서, 가스 분출부 (52) 로부터 가스 배플판 (1b) 방향으로 분출되는 재료성 프로세스 가스는, 원추 형상으로 확산되어 있다. 분출된 가스는, 가스 배플판 (1b) 에 충돌한 후에 화살표와 같이 역류하여, 유전체 창 (4) 의 근방에서 대류하게 된다. 그 결과, 기판 (11) 이 정지되어 있는 경우에 있어서의 막두께 분포는, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이 유전체 창 (4) 의 우측의 영역에서 막두께가 커진다. 즉, 재료성 프로세스 가스를 효율적으로 이용할 수 있기 때문에 막두께가 커져 있다.
한편, 도 6(c) 에 나타내는 바와 같이, 가스 배플판 (1b) 을 형성하지 않고 좌우 양방으로부터 재료성 프로세스 가스를 분출하는 경우에는, 막두께 분포는 도 6(d) 에 나타내는 바와 같은 분포가 된다. 또, 도 6(e) 는 플라즈마 밀도 분포를 나타낸 것으로, 도 6(a), 6(c) 의 어느 구성에 있어서도 동일한 분포가 된다.
도 6(c) 에 나타내는 구성의 경우에는, 가스의 분포가 유전체 창 (4) 의 중심에 대해 좌우 대칭이기 때문에, 막두께의 분포도 좌우 대칭으로 되어 있다. 단, 도 6(a) 의 경우에 비해 직사각형상의 서포트 부재 (1a) 로 둘러싸인 영역의 외측으로 빠져나가는 재료성 프로세스 가스가 많기 때문에 성막 속도가 늦어져, 막두께는 도 6(b) 와 비교하여 상대적으로 얇아져 있다.
한편, 도 6(a) 에 나타내는 구조의 경우에는, 재료성 프로세스 가스를 효율적으로 이용할 수 있기 때문에, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같이 유전체 창 (4) 의 우측의 영역에 있어서 막두께가 커진다. 또한, 기판 (11) 을 x 방향으로 왕복 이동시켜, 기판 (11) 이 서포트 부재 (1a) 의 하방 영역을 통과하는 동안에 성막을 실시하므로, 도 6(b) 에 나타내는 바와 같은 분포에 불균일성이 생겨도, 그 불균일성은 평균화되어 균일한 막두께의 박막을 형성할 수 있다. 즉, 제 2 실시형태에서는, 박막의 균일성을 달성하면서, 성막 속도의 새로운 향상을 도모할 수 있다.
-제 3 실시형태-
도 7 ? 10 은 본 발명의 제 3 실시형태를 설명하는 도면이다. 표면파 플라즈마와 같은 고밀도 플라즈마에서는, 재료성 프로세스 가스의 도입 방법은, 막질, 막두께의 균일성을 얻기 위한 중요한 요소이다. 상기 서술한 바와 같이, 표면파 플라즈마는 유전체 창 (4) 으로부터의 거리에 따라 고에너지 영역과 저에너지 영역이 발생하여, 재료성 프로세스 가스의 도입 위치로서 최적인 위치가 존재한다.
상기 서술한 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서는, 재료성 프로세스 가스를 분출하는 가스 분출부 (52) 의 분출구의 형상은 원형으로서, 도 6(a) 에 나타내는 바와 같이 가스는 원추 형상으로 분출된다. 그 때문에, 최적인 위치에 가스를 도입해도 그곳으로부터 상하 방향으로 벗어나는 가스가 비교적 커져, 성막 속도, 막질, 막두께의 균일성 등에 관하여 영향이 나온다. 그래서, 본 실시형태에서는, 가스 분출부 (52) 의 구조를 연구하여, 분출되는 가스의 분포를 개선하도록 하였다.
도 7(a) 는, 가스 분출부 (52) 의 부분 확대도이고, 도 7(b) 는 가스 분출부 (52) 를 분출 방향에서 본 도면이고, 도 7(c) 는 C-C 단면도이다. 가스 공급관 (51b) 내의 재료성 프로세스 가스는, 가스 분출부 (52) 의 구멍 (520) 을 통과한 후, 슬릿 (521) 으로부터 분출된다. 재료성 프로세스 가스는, 직경 (d1) 및 길이 (S) 의 구멍 (520) 을 통과함으로써 유속이 늘어나, 그것에 의해 슬릿 (521) 으로부터의 분출의 기세가 증가한다. 구멍 (520) 의 직경 (d1) 및 길이 (S) 는, 필요한 가스 유속에 따라 설정된다.
구멍 (520) 으로부터 분출되는 가스는, 구멍 (520) 으로부터 나온 직후는 원추 형상으로 확산되고자 하는 경향이 있다. 그러나, 가스가 분출되는 슬릿 (521) 의 형상이, 간격이 좁은 수평 방향 (유전체 창 (4) 에 평행한 방향) 으로 연장하는 간극 공간이기 때문에, 가스는, 상하 방향의 운동이 억제되어 슬릿 (521) 의 면을 따라 흐르도록 정류된다. 그 때문에, 가스의 y 방향에 대한 확산은, 슬릿 (521) 이 없는 경우보다 커진다. 이 y 방향편의 확산 방향은, 슬릿 (521) 의 길이 (L) 에 따라 조정할 수 있다.
슬릿 (521) 의 폭 (W) 및 길이 (L) 는, W 가 0.4 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하로서, L = 5 W ? 12 W 로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 설정의 가스 분출부 (52) 를 사용하는 것에 따라, 유전체 창 (4) 과 평행한 공간에 균일하게 재료성 프로세스 가스를 도입할 수 있어, 막질 및 막두께의 균일성이 향상된다.
도 8 은 슬릿 (521) 의 유무에 의한 분출 가스의 확산 방법의 차이를 모식적으로 나타낸 것으로, 도 8(a) 는 측방에서 본 도면, 도 8(b) 는 상방에서 본 도면, 도 8(c) 는 도 8(b) 의 D 방향에서 본 도면이다. 도 8(a) ? 8(c) 중 어느 것에 있어서도, 실선 R1 은 본 실시형태에 있어서의 분출 가스의 확산을 나타내고, 파선 R2 은 슬릿 (521) 을 형성하지 않았던 경우의 분출 가스의 확산을 나타낸다.
상기 서술한 바와 같이 슬릿 (521) 에 의해 분출 가스의 상하 방향의 확산이 제한되기 때문에, 도 8(a) 에 나타내는 바와 같이, 실선 R1 으로 나타내는 영역은, 슬릿 (521) 이 없는 경우 (파선 R2) 보다 확산의 폭이 좁아져 있다. 한편, 수평 방향의 확산에 관해서는, 상하 방향이 억제되어 있는 만큼, 슬릿 (521) 이 없는 경우보다 슬릿 (521) 을 형성한 경우인 쪽이, 보다 넓은 범위로 확산되어 있다.
이들 가스의 확산을 화살표 D 의 방향에서 보면, 도 8(c) 에 나타내는 바와 같이, 슬릿 (521) 을 형성하지 않는 경우에는, y 방향으로도 z 방향으로도 동일하게 등방적으로 확산되어 있다. 본 실시형태와 같이 슬릿 (521) 을 형성한 경우에는, 분출 가스의 분포는 y 방향 (수평 방향) 으로 크게 확산되고, z 방향 (상하 방향) 으로는 조금밖에 확산되지 않았다. 즉 평판 형상의 가스 분포로 되어 있다.
또한, 가스 분출부 (52) 에 형상은 도 8 에 나타내는 것에 한정하지 않고, 예를 들어, 도 9 에 나타내는 바와 같은 형상이어도 상관없다. 도 8 에 나타내는 예에서는, 슬릿 (521) 의 저면이 평면이었는데, 도 9 에 나타내는 가스 분출부 (52) 에서는, 슬릿 (521) 의 저면 (521a) 은 원호 형상이 되어 있다.
이와 같은 평판 형상의 가스 분포가 형성 가능한 가스 분출부 (52) 를 사용하면, 진공 챔버 (1) 내에서의 재료성 프로세스 가스의 분포는, 도 10 에 나타내는 것과 같이 된다. 도 10 에 있어서 도 10(a) 는 장치 상방에서 본 평면도이고, 도 10(b) 는 측방에서 본 도면이다. 도 10(a) 에 나타내는 바와 같이, 각 가스 분출부 (52) 로부터 분출되는 재료성 프로세스 가스의 분포 (G) 는, 수평 방향으로 확산된 부채형을 하고 있다. 그 결과, 유전체 창 (4) 으로부터 소정 거리 (L2) 만큼 떨어진 원하는 높이에 집중되고, 또한 유전체 창 (4) 이 대향하는 영역의 전체에 확산되도록, 재료성 프로세스 가스를 도입하는 것이 가능해진다. 그것에 의해, 균일성의 박막을 효율적으로 성막할 수 있다.
또한, 상기 서술한 바와 같은 가스 분출부 (52) 를 이용하여 재료성 프로세스 가스를 최적으로 소정 위치에 도입하는 것은, 기판을 정지 상태에서 성막하는 종래의 표면파 플라즈마 CVD 장치에도 적용할 수 있다. 또, 본 실시형태와 같은 가스 도입 방법은, 표면파 플라즈마 CVD 장치에 한정하지 않고, 용량 결합 플라즈마 (CCP) CVD 장치, 유도 결합 플라즈마 (ICP) CVD 장치 등에 있어서도 중요하다.
-제 4 실시형태-
상기 서술한 제 1 및 2 실시형태에서는, 피성막 대상이 유리 기판과 같은 평면 기판이었는데, 제 4 실시형태에서는, 도 11, 12 에 나타내는 바와 같은 필름 형상의 기판 (이하에서는 필름 기판이라고 칭한다) 에 박막을 성막한다. 진공 챔버 (1) 의 상부 위치에는 유전체 창 (4) 및 도파관 (3) 이 형성되어 있다. 진공 챔버 (1) 내에는, 유전체 창 (4) 을 둘러싸도록 직사각형상의 서포트 부재 (1a) 가 형성되어 있다. 서포트 부재 (1a) 에는 가스 공급관 (51a, 51b) 이 접속되어 있다.
필름 기판 (100) 은 도시 좌측의 릴 (101) 에 감겨져 있고, 성막된 필름 기판 (100) 은 도시 우측의 릴 (102) 에 권취된다. 릴 (101, 102) 은 필름 기판 (100) 을 왕복 이동하는 이동 장치로서 기능한다. 유전체 창 (4) 과 대향하는 위치에는 원통 형상의 백 플레이트 (103) 가 형성되어 있고, 릴 (101, 102) 사이의 필름 기판 (100) 이 백 플레이트 (103) 의 상면에 걸려 있다. 백 플레이트 (103) 는, 필름 기판 (100) 의 이동과 연동하여 회전한다. 104 는 필름 기판 (100) 의 텐션을 조정하는 아이들러이다.
릴 (101, 102) 및 아이들러 (104) 는 케이싱 (105) 내에 수납되어 있다. 케이싱 (105) 은, 필름 기판 (100) 의 출입구가 슬릿이 되어 있는 것 이외에는, 진공 챔버 (1) 에 대해 격리되어 있다. 케이싱 (105) 의 내부 공간은 진공 챔버 (1) 와는 별도로 진공 배기되어 있고, 케이싱 (105) 내의 압력은 진공 챔버 (1) 내의 압력보다 약간 낮게 설정되어 있다. 즉, 진공 챔버 (1) 에 대해 케이싱 (105) 을 부압으로 함으로써, 케이싱 (105) 의 분위기 (가스나 먼지) 에 의해 진공 챔버 (1) 내가 오염되는 것을 방지하고 있다.
도 11 에 나타내는 장치의 경우에는, 필름 기판 (100) 을 일방향으로 주행시키면서 기판 표면에 박막을 형성해도 되고, 인덱스 처리를 하여, 필름 기판의 소정 구간을 왕복 이동시키면서 성막을 실시하여 다층막을 형성하도록 해도 된다. 왕복 이동시킴으로써, 제 1 실시형태의 경우와 동일한 효과를 발휘할 수 있다.
도 12 는, 도 11 의 장치에 있어서 가스 배플판 (110) 을 형성한 경우를 나타낸 것으로, 가스 배플판 (110) 에 대향하도록 가스 공급관 (51a, 51b) 을 배치한다. 그 밖의 구성은 도 11 에 나타내는 장치와 동일한 구성이다. 이와 같이 구성함으로써, 상기 서술한 제 2 실시형태와 동일한 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 재료성 프로세스 가스를 공급하는 가스 공급관 (51a) 의 가스 분출부에 제 3 실시형태에서 설명한 가스 분출부 (52) 의 구성을 채용해도 된다.
상기 서술한 제 1 ? 3 실시형태와 같이 기판 (11) 을 왕복 이동시켜 성막을 실시하는 표면파 플라즈마 CVD 장치는, 이하와 같은 작용 효과를 발휘한다.
(1) 플라즈마 영역의 하측, 즉 유전체 창 (4) 과 대향하는 성막 처리 영역을 통과하도록, 기판 (11) 을 왕복 이동시키면서 성막을 실시하기 때문에, 도 3 에 나타내는 바와 같이 기판 이동 방향 (x 방향) 에 관한 유전체 창 (4) 의 치수 (W2) 를, 기판 (11) 의 이동 방향 치수 (W1) 보다 작게 할 수 있어, 비용 저감을 도모할 수 있다. 특히, 기판 (11) 의 길이 방향을 이동 방향으로 일치시킴으로써, 보다 큰 기판 (11) 의 성막을 실시할 수 있다.
(2) 또, x 방향 위치에 의해 성막 속도에 차이가 생긴 경우에도, 유전체 창 (4) 에 대해 기판 (11) 을 이동시키면서 성막을 실시하고 있기 때문에, 성막 처리 영역에 있어서의 불균일성은 기판 (11) 상에 있어서는 평균화되어, 균일한 두께의 박막을 형성할 수 있다.
도 13 은, 비교예로서 기판 왕복 이동을 실시하지 않는 종래의 표면파 플라즈마 CVD 장치의 일례를 나타낸 것이다. 기판 (11) 은 백 플레이트 (7) 상에 재치되어 있고, 그 상태에서 성막이 실시된다. 플라즈마 밀도는 유전체 창 (4) 의 주변 부근에서 저하되기 때문에, 유전체 창 (4) 의 크기는 기판 (11) 보다 크게 설정되어 있다. 또, 유전체 창 (4) 의 면적에 따라, 설치되는 도파관의 수가 설정된다. 도 13 에서는 도파관은 도시되어 있지 않으며, 마이크로파의 도입 방향만이 화살표로 나타나 있지만, 도파관은 2 개 형성되는 구성으로 되어 있다. 이와 같이, 기판을 고정시켜 성막을 실시하는 종래의 장치에서는, 기판 면적이 커지면 그에 따라 유전체 창 (4) 도 커져, 도파관의 수도 증가하므로, 비용 상승을 피할 수 없다.
또, 기판 전체에 균일하게 성막하기 위해서는, 플라즈마 영역내 전체에 균일하게 재료 가스를 공급할 필요가 있지만, 유전체 창 (4) 이 커지면 가스 도입의 곤란성이 증대된다. 가스를 도입하기 위한 가스 공급관은, 오염의 문제로부터, 플라즈마가 생성되고 있는 공간 중에 배치하는 것은 바람직하지 않다. 그러나, 도 13 에 나타내는 바와 같이 성막 범위가 x 방향으로 큰 경우에는, 오히려 가스 공급관을 플라즈마 중에 배치하여, 공급되는 가스의 분포를 균일하게 할 수밖에 없었다.
(3) 한편, 제 1 ? 3 실시형태의 장치에서는, 기판 이동 방향의 유전체 창 (4) 의 치수를 종래보다 작게 할 수 있으므로, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 서포트 부재 (1a) 의 외측에 가스 공급관을 배치하여 서포트 부재 (1a) 의 주위로부터 가스를 공급함으로써, 플라즈마 중에 가스 공급관을 배치하지 않아도 균일한 가스를 공급할 수 있다. 그 결과, 플라즈마 중에 대한 가스 공급관 배치에 의한 오염이라는 문제를 회피할 수 있다는 작용 효과를 발휘한다.
(4) 또, 상기 서술한 작용 효과에 추가하여, 유전체 창 (4) 과 대향하는 성막 처리 영역을 왕복 이동시키면서 성막을 실시하는 구성으로 하고 있으므로, 기판 (11) 을 도 1 의 우측 방향으로 이동하는 왕로시의 프로세스 조건 (가스 유량비나 압력 등) 과, 기판 (11) 을 좌측 방향으로 이동하는 귀로시의 프로세스 조건을 바꿈으로써, 굴절률이나 내부 응력 등이 상이한 막질의 박막 형성이 용이해진다.
도 14 는, 프로세스 가스 중의 질소 유량비와 실리콘 질화막의 내부 응력의 관계를 나타내는 도면으로, SiH4 의 유량을 일정하게 유지한 상태에서 질소 가스의 유량을 변화시킨 경우의 내부 응력의 변화를 나타낸다. 질소 유량이 150 sccm 이하인 경우에는 내부 응력은 플러스가 되어, 인장 응력을 나타낸다. 반대로, 질소 유량이 160 sccm 이상이 되면 내부 응력은 마이너스가 되어 압축 응력을 나타내게 된다.
이와 같은 성질을 이용하여, 왕로의 성막 공정에서는 질소 유량을 160 sccm 이상으로 설정하여 압축 방향의 내부 응력을 갖는 실리콘 질화막층 (막두께는 수 ㎚ 정도) 을 형성하고, 귀로의 성막 공정에서는 질소 유량을 150 sccm 이하로 설정하여 인장 방향의 내부 응력을 갖는 실리콘 질화막층 (막두께는 수 ㎚ 정도) 을 형성하면, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 압축 응력의 실리콘 질화막층과 인장 응력의 실리콘 질화막층을 교대로 적층한 적층 박막 (100) 이 형성된다. 그 결과, 내부 응력이 낮은 박막의 형성이 가능해진다.
물론, 종래의 표면파 플라즈마 CVD 장치여도, 인장 응력의 층과 압축 응력의 층을 독립된 프로세스로 형성함으로써 다층막을 형성하는 것은 가능하다. 그러나, 본 실시형태의 표면파 플라즈마 CVD 장치에서는, 유전체 창 (4) 에 대향하는 위치를 통과시키도록 하여 성막을 실시하고 있으므로, 이동 속도를 빠르게 함으로써 매우 얇은 층을 용이하게 형성할 수 있다. 그 결과, 1 층마다의 막두께를 매우 얇게 하고, 또한 연속적으로 복층으로 형성함으로써 각 층의 계면에서의 반전하는 응력도 낮게 유지되어, 안정적인 박막을 얻는 것이 가능해진다.
예를 들어, 유기 EL 소자나 자기 헤드용 소자 등의 기능성 소자의 보호막으로서 이와 같은 적층막을 사용할 수 있다. 유기 EL 소자의 경우, 유기 EL 층을 수분이나 산소로부터 방호하기 위한 보호막으로서 실리콘 질화막을 형성하는 경우가 있는데, 유기 EL 층은 기계적으로 강고한 막은 아니기 때문에, 실리콘 질화막의 내부 응력이 높으면 실리콘 질화막이 박리되어 버린다는 문제가 있다. 이와 같은 보호막으로서 도 15 에 나타내는 바와 같은 내부 응력이 매우 작은 적층 박막 (100) 을 사용함으로써, 실리콘 질화막의 박리를 방지할 수 있다.
도 16 은, 플라스틱 필름 기판 (110) 상에 유기 EL 소자 (111) 를 형성한 경우의 일례를 나타낸 것이다. 플라스틱 필름 기판 (110) 에 무기 보호막 (112) 을 형성하고, 그 위에 유기 EL 소자 (111) 를 형성한다. 다시 그 유기 EL 소자 (111) 를 덮도록 무기 보호막 (113) 이 형성된다. 무기 보호막 (112, 113) 에는, 상기 서술한 바와 같은 실리콘 질화막의 적층 박막이 사용된다.
상기 서술한 적층 박막 (100) 에서는, 성막 조건 (질소 유량) 이 상이한 성막층을 적층함으로써 내부 응력이 작은 보호막을 형성하였다. 마찬가지로, 성막 조건이 미묘하게 상이한 층을 교대로 겹쳐 쌓은 다층 구조로 함으로써, 동일 막두께를 갖는 단층의 보호막의 경우에 비하여, 수분이나 산소의 투과에 대한 방호 기능이 높은 보호막을 형성할 수 있다.
상기 서술한 예에서는, 질소 농도가 상이한 실리콘 질화막층을 교대로 적층하는 다층막을 예로 설명했는데, 실리콘 산질화막과 실리콘 질화막의 다층막과 같이 성분이 상이한 박막을 교대로 적층한 다층막에도 적용할 수 있다. 실리콘 질화막을 형성하는 타이밍에서는, 상기 서술한 경우와 마찬가지로 가스 공급관 (51a) 으로부터 NH3, N2 가스가 공급되고, 가스 공급관 (51b) 으로부터 SiH4 가스가 공급된다. 한편, 실리콘 산질화막을 형성하는 타이밍에서는, SiH4 가스와 N2O 가스 또는 TEOS 가스와 산소 가스가 공급된다. 그리고, 기판 (11) 이 유전체 창 (4) 의 하방 영역을 통과할 때마다, 공급하는 가스의 전환을 실시한다.
또한, 도 1 에 나타낸 표면파 플라즈마 CVD 장치에서는, 큰 기판 (11) 을 트레이 (12) 에 1 개만 재치하여 성막을 실시했는데, 트레이 (12) 상에 작은 기판을 복수 재치하여 성막을 실시하도록 해도 된다. 그 경우, 복수의 작은 기판이 재치되어 있는 범위가, 성막 대상의 범위에 상당하게 된다.
또, 진공 챔버 (1) 의 좌측에 형성된 게이트 밸브 (10) 를 개재하여 기판 (11) 의 반입 및 반출을 실시하도록 했는데, 게이트 밸브 (10) 를 반입 전용으로 사용하고, 반출 전용의 게이트 밸브를 진공 챔버 (1) 의 도시 우측에 추가해도 된다. 그러한 구성으로 함으로써, 택트 타임의 단축이 도모된다.
또한, 이상의 설명은 어디까지나 일례로서, 본 발명의 특징을 손상시키지 않는 이상 본 발명은 상기 실시형태에 전혀 한정되는 것이 아니고, 상기 서술한 실시형태나 변형예를 어떻게든 조합할 수도 있다.

Claims (8)

  1. 마이크로파원에 접속되어, 복수의 슬롯 안테나가 형성된 도파관과,
    상기 복수의 슬롯 안테나로부터 방사된 마이크로파를 플라즈마 처리실에 도입하여 표면파 플라즈마를 생성하기 위한 유전체 판과,
    상기 유전체 판과 대향하는 성막 처리 영역을 기판 형상의 성막 대상이 통과하도록, 상기 성막 대상을 왕복 이동시키는 이동 장치와,
    성막 조건에 따라 상기 이동 장치에 의한 상기 성막 대상의 왕복 이동을 제어하여, 상기 성막 대상에 대한 성막을 실시하게 하는 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 CVD 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리실에는, 상기 성막 대상의 이동 행로를 따라 상기 유전체 판과 대향하는 상기 성막 처리 영역을 사이에 두도록, 상기 성막 대상이 상기 유전체 판과 대향하지 않는 제 1 대기 영역 및 제 2 대기 영역이 형성되고,
    상기 이동 장치는, 상기 제 1 대기 영역과 상기 제 2 대기 영역 사이에서 상기 성막 대상을 왕복 이동시키는 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 CVD 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 성막 처리 영역을 통과하는 상기 성막 대상과 상기 유전체 판 사이에 재료성 프로세스 가스를 분출하는 가스 분출부와,
    상기 가스 분출부의 분출 방향에 대향 배치되어, 상기 분출된 재료성 프로세스 가스를 상기 표면파 플라즈마의 생성 영역에서 대류시키는 가스 배플판을 구비한 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 CVD 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동 장치에 의한 상기 성막 대상의 이동 행로 전역에, 상기 성막 대상의 온도를 제어하는 백 플레이트를 배치한 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 CVD 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 성막 대상과 상기 백 플레이트의 간격을 변경하기 위한 백 플레이트 구동 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 CVD 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 성막 대상은 필름 형상 기판이고,
    상기 백 플레이트는 상기 필름 형상 기판을 상기 유전체 판과 대향하는 영역에 지지하고,
    상기 이동 장치는, 상기 필름 형상 기판의 피성막 영역이 상기 성막 처리 영역을 통과하도록 왕복 이동시키는 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 CVD 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성막 대상은 기판 상에 기능성 소자를 형성한 것으로, 상기 기능성 소자를 보호하는 보호막을 성막하는 것을 특징으로 하는 표면파 플라즈마 CVD 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 표면파 플라즈마 CVD 장치에 의한 상기 성막 대상에 대한 성막 방법으로서,
    상기 왕복 이동의 왕로와 귀로에서 성막 조건이 상이한 성막층을 각각 성막하여, 상기 성막 조건이 상이한 성막층이 적층된 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 성막 방법.
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