JPH0666268B2 - Microwave plasma CVD device - Google Patents
Microwave plasma CVD deviceInfo
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- JPH0666268B2 JPH0666268B2 JP61140271A JP14027186A JPH0666268B2 JP H0666268 B2 JPH0666268 B2 JP H0666268B2 JP 61140271 A JP61140271 A JP 61140271A JP 14027186 A JP14027186 A JP 14027186A JP H0666268 B2 JPH0666268 B2 JP H0666268B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマを用いて、低温でかつ大面積に渡っ
て均一な薄膜を形成するプロセス装置に係るものであ
り、特にアモルファスシリコン等の非晶質半導体あるい
はSi３Ｎ４,SiO２等の絶縁膜を低温でかつ大面積に堆積
させる装置に関するものである。The present invention relates to a process apparatus for forming a uniform thin film at low temperature and over a large area by using plasma, and particularly to amorphous silicon or the like. The present invention relates to an apparatus for depositing an insulating film such as an amorphous semiconductor or Si 3 N 4 , SiO 2 at a low temperature and in a large area.
マイクロ波を用いたプラズマCVD法は、これまで電子サ
イクロトロン共鳴によるマイクロ波放電によって生成し
たプラズマを発散磁界の作用を用いて引出し、そのプラ
ズマを試料表面に照射して、低温で薄膜を付着させる、
いわゆるECVプラズマCVD法が知られている（例えば、特
開昭57−133636号公報）。ECRプラズマCVD法は、低温で
良質な薄膜を得られることから、集積回路におけるパッ
シベーション等の低温プロセスへの応用が期待されてい
る。また、非晶質シリコンやMOSトランジスタのゲート
絶縁膜への適用も検討されている。In the plasma CVD method using microwaves, plasma generated by microwave discharge by electron cyclotron resonance has been extracted until now using the action of a divergent magnetic field, and the plasma is irradiated to the sample surface to deposit a thin film at low temperature.
A so-called ECV plasma CVD method is known (for example, JP-A-57-133636). The ECR plasma CVD method is expected to be applied to low-temperature processes such as passivation in integrated circuits because it can obtain high-quality thin films at low temperatures. Further, application to amorphous silicon or a gate insulating film of a MOS transistor is also under study.
また、磁界を用いずにマイクロ波のエネルギーでプラズ
マを発生させ、成膜をするマイクロ波プラズマCVD法も
ある。There is also a microwave plasma CVD method in which plasma is generated by microwave energy without using a magnetic field to form a film.
液晶ディスプレイ用の薄膜トランジスタ，太陽電池，イ
メージセンサ等の大面積，長尺のデバイスを考えた場
合、30cm角以上の面積に渡って均一な膜を付着させる必
要がある。特に量産化を考えると、50cm角以上の均一性
が必要である。ところが、従来のECRプラズマCVD法では
プラズマの引出し口の大きさが10cmφ程度であり、発散
磁場でプラズマを引き伸ばしたとしても20cmφが限度で
ある。ECRプラズマCVD法では発散磁場の形状が膜厚分布
に影響するが、大面積に渡って均一な磁場を作るには巨
大な磁石が必要になり、実用的でない。従って、ECRプ
ラズマCVD法は大面積化が困難であった。Considering large area and long devices such as thin film transistors for liquid crystal displays, solar cells, and image sensors, it is necessary to attach a uniform film over an area of 30 cm square or more. Especially considering mass production, uniformity of 50 cm square or more is required. However, in the conventional ECR plasma CVD method, the size of the plasma outlet is about 10 cmφ, and even if the plasma is extended by the divergent magnetic field, it is limited to 20 cmφ. In the ECR plasma CVD method, the shape of the divergent magnetic field affects the film thickness distribution, but it is not practical because a huge magnet is required to create a uniform magnetic field over a large area. Therefore, it was difficult to increase the area of the ECR plasma CVD method.
また、磁界を加えないマイクロ波プラズマCVD法におけ
る堆積面積は、プラズマを発生させるキャビティの大き
さで支配されている。キャビティは用いるマイクロ波の
波長に共振するように設計し、入射してきたマイクロ波
のエネルギーはキャビティ内に蓄積される。このエネル
ギーにより原料ガスを放電し、分解する。分解生成物は
導入窓を通して試料室に輸送される。通常キャビティの
大きさは、20cmφ程度のものが用いられる。また、試料
室へ分解生成物を導入する窓の大きさは、マイクロ波の
波長よりも大きくすると、マイクロ波が試料室に漏洩す
るためプラズマが直接基板表面に接し、プラズマダメー
ジが発生してしまう。従って窓の大きさは、マイクロ波
の波長より小さくする必要があり、成膜面積が制限され
る。このため１つのキャビティでは、せいぜいキャビテ
ィの大きさ程度の20cmφしか均一性が得られない。Further, the deposition area in the microwave plasma CVD method without applying a magnetic field is governed by the size of the cavity for generating plasma. The cavity is designed to resonate with the wavelength of the microwave used, and the energy of the incident microwave is stored in the cavity. The source gas is discharged and decomposed by this energy. The decomposition products are transported to the sample chamber through the introduction window. Usually, the size of the cavity is about 20 cmφ. If the size of the window for introducing the decomposition products into the sample chamber is larger than the wavelength of the microwave, the microwave leaks into the sample chamber and the plasma directly contacts the substrate surface, causing plasma damage. . Therefore, the size of the window needs to be smaller than the wavelength of the microwave, and the film formation area is limited. For this reason, in one cavity, at most, the uniformity of 20 cmφ, which is about the size of the cavity, can be obtained.
本発明の目的は、このような欠点を除去し、大面積に渡
って均一な膜厚で薄膜を成膜できる固体薄膜形成装置を
得る事を目的としている。An object of the present invention is to eliminate such defects and obtain a solid thin film forming apparatus capable of forming a thin film with a uniform film thickness over a large area.
本発明は、１つのマイクロ波電源から出力されるマイク
ロ波電力を複数に分配する分配器と、分配されたマイク
ロ波電力がそれぞれ導かれる複数のキャビティと、これ
らキャビティに窓を介して設けられ、内部に試料基板が
保持される試料室とを備え、前記複数のキャビティが前
記試料基板と平行な平面上に配列されているマイクロ波
プラズマCVD装置であって、各キャビティに原料ガスと
マイクロ波を導き、各キャビティ内でマイクロ波のエネ
ルギーによりプラズマを発生させ原料ガスを分解し、分
解生成物を前記窓を通して前記試料室に導き、試料室に
設置された試料基板上に固体薄膜を堆積させることを特
徴としている。The present invention provides a distributor that distributes the microwave power output from one microwave power source to a plurality of cavities, a plurality of cavities to which the distributed microwave power is respectively guided, and these cavities provided through windows. A microwave plasma CVD apparatus comprising a sample chamber in which a sample substrate is held, wherein the plurality of cavities are arranged on a plane parallel to the sample substrate, wherein a source gas and a microwave are supplied to each cavity. Introduce a plasma by microwave energy in each cavity to decompose the raw material gas, guide the decomposition product to the sample chamber through the window, and deposit a solid thin film on the sample substrate installed in the sample chamber. Is characterized by.
本発明はキャビティを複数個並べて大面積化するもので
ある。マイクロ波プラズマCVD法では、その成膜面積は
マイクロ波によって生成した分解生成物の試料室に供給
される面積で決まる。キャビティを複数個並べれば、そ
れだけ分解生成物の発生する面積が広くなり、成膜の大
面積化が容易に可能となる。この装置は原理的に大面積
化を制限する要因がない。ECR法では対称な磁界が必要
であるが、キャビティを複数個並べるとキャビティそれ
ぞれに対して発散磁界を形成することは技術的に困難で
ある。そのため、本発明のようにキャビティを複数個並
べるのが難しい。本発明の装置では、磁界を用いないた
めキャビティを並べることができるのである。The present invention arranges a plurality of cavities to increase the area. In the microwave plasma CVD method, the film formation area is determined by the area of the decomposition products generated by microwaves supplied to the sample chamber. By arranging a plurality of cavities, the area where the decomposition products are generated is increased correspondingly, and it is possible to easily increase the area of film formation. In principle, this device does not limit the increase in area. The ECR method requires a symmetrical magnetic field, but it is technically difficult to form a divergent magnetic field for each cavity when a plurality of cavities are arranged. Therefore, it is difficult to arrange a plurality of cavities as in the present invention. In the device of the present invention, the cavities can be arranged because no magnetic field is used.
大面積化する場合、膜の均一性が重要となる。マイクロ
波プラズマCVD装置の場合、堆積速度に関係するパラメ
ータはキャビティと試料基板との距離、及び投入するマ
イクロ波電力の大きさである。キャビティと試料基板と
の距離が離れているほど、堆積速度は小さくなる。キャ
ビティを並べ、膜厚の均一性よく大面積化するにはこの
キャビティと試料基板の距離を一定にする必要がある。
このためには、試料基板と平行な平面上にキャビティを
並べられなくてはならない。また、マイクロ波電力は、
各キャビティに等しい大きさだけ供給しなくてはならな
い。このため、キャビティ１個に対してマイクロ波電源
１個設けるとすると、成膜装置としてのコストが高くな
るとともに、放電電力を変えたい場合、各マイクロ波電
源の出力が同じになるように制御するのが難しい。本発
明では、マイクロ波の電源は１つとし、その出力をキャ
ビティの数だけ等しい大きさになるように分配し、各キ
ャビティにマイクロ波電力を供給する構造を考案した。
この構造を用いると、始めに各キャビティに供給される
マイクロ波電力が等しくなるように調整するだけで、後
は１つのマイクロ波電源の出力を変えるだけで均一性良
く各キャビティに供給されるマイクロ波電力を変えるこ
とができる。When increasing the area, the uniformity of the film becomes important. In the case of a microwave plasma CVD apparatus, the parameters related to the deposition rate are the distance between the cavity and the sample substrate, and the magnitude of microwave power to be applied. The deposition distance decreases as the distance between the cavity and the sample substrate increases. In order to arrange the cavities so as to have a uniform film thickness and a large area, it is necessary to keep the distance between the cavities and the sample substrate constant.
For this purpose, the cavities must be arranged on a plane parallel to the sample substrate. Also, the microwave power is
Equal size must be provided for each cavity. Therefore, if one microwave power source is provided for each cavity, the cost of the film forming apparatus increases, and if the discharge power is desired to be changed, the output of each microwave power source is controlled to be the same. Is difficult. The present invention has devised a structure in which there is one microwave power source, the outputs of which are equal in number to the number of cavities, and the microwave power is supplied to each cavity.
With this structure, it is only necessary to adjust the microwave power supplied to each cavity to be equal at first and then to change the microwave power supplied to each cavity with good uniformity by changing the output of one microwave power source. Wave power can be changed.
本発明のマイクロ波プラズマCVD装置の実施例について
述べる。An embodiment of the microwave plasma CVD apparatus of the present invention will be described.
第１図に、円筒形のキャビティを３つ用いた場合のマイ
クロ波プラズマCVD装置の断面図を示す。このマイクロ
波プラズマCVD装置は、導波管１より入射されるマイク
ロ波電力を均等に３分割するための立体回路である分配
器２を備えている。マイクロ波電源は図示されていない
が、例えば周波数2.45GHzのマグネトロンを用いること
ができ、マグネトロンよりマイクロ波電力はアイソレー
タ，マイクロ波電力計及び整合器を通じて導波管１に導
かれている。FIG. 1 shows a cross-sectional view of a microwave plasma CVD apparatus when three cylindrical cavities are used. This microwave plasma CVD apparatus includes a distributor 2 which is a three-dimensional circuit for evenly dividing the microwave power incident from the waveguide 1 into three parts. Although a microwave power source is not shown, for example, a magnetron having a frequency of 2.45 GHz can be used, and microwave power is guided from the magnetron to the waveguide 1 through an isolator, a microwave power meter and a matching device.
分配器２には、３つの円筒形キャビティ３がそれぞれ石
英製マイクロ波導入窓９を介して設けられており、これ
らキャビティは、後述する試料基板と平行な平面上に並
べられる。なお、本実施例では、直径20cm，高さ20cmの
円筒状のキャビティを用いており、各キャビティには、
原料ガス導入口４がそれぞれ連結されている。また、こ
れらキャビティを囲むように冷却水通路13が形成されて
おり、この通路の一方には冷却水導入口10が他方には冷
却水排出口11が連結されている。The distributor 2 is provided with three cylindrical cavities 3 via a microwave introduction window 9 made of quartz, and these cavities are arranged on a plane parallel to a sample substrate described later. In this embodiment, a cylindrical cavity having a diameter of 20 cm and a height of 20 cm is used, and each cavity has
The raw material gas inlets 4 are connected to each other. A cooling water passage 13 is formed so as to surround these cavities, and a cooling water inlet 10 is connected to one of the passages and a cooling water outlet 11 is connected to the other.
本実施例のマイクロ波プラズマCVD装置は、さらに、試
料室６を備えており、この試料室には３つのキャビティ
３が、各キャビティに設けられた窓５を通して設けられ
ている。なお、本実施例では、窓５は１つのキャビティ
に対して直径6cmの大きさのものを４つ設けている。こ
のように分解生成物を取り出す穴を分散して設けること
により、膜厚分布の均一性をよくすることができる。試
料室６の内部には基板ホルダーが設けられており、この
基板ホルダーは例えばヒーター14により加熱できるよう
になっている。また、試料室６には、排気口12が連結さ
れている。The microwave plasma CVD apparatus of the present embodiment further includes a sample chamber 6, in which three cavities 3 are provided through a window 5 provided in each cavity. In this embodiment, four windows 5 having a diameter of 6 cm are provided for each cavity. By providing the holes through which the decomposition products are taken out in a dispersed manner, the uniformity of the film thickness distribution can be improved. A substrate holder is provided inside the sample chamber 6, and the substrate holder can be heated by a heater 14, for example. An exhaust port 12 is connected to the sample chamber 6.
以上のような構成のマイクロ波プラズマCVD装置では、
分配器２により３分割されたマイクロ波電力は石英製マ
イクロ波導入窓９を通して、各キャビティ３に導かれ
る。このキャビティ３は冷却水導入口10から導入された
冷却水により冷却され、冷却水は冷却水排出口11から排
出される。キャビティ３において、原料ガス導入口４よ
り原料ガスを導入し、マイクロ波のエネルギーによりプ
ラズマを発生させ、原料ガスを分解する。分解生成物は
各キャビティ３に設けられている窓５を通して、試料室
６に導かれる。試料室には基板ホルダー８の上に試料基
板７が固定されており、基板ホルダー８を加熱すること
により間接的に試料基板の温度を上げることができる。
なお、基板ホルダー８の加熱方法は、本実施例では基板
ホルダー８の内部に組み込まれているヒーター14により
直接加熱しているが、基板ホルダー近くに設けられたヒ
ーターやランプからのふく射熱により間接的に加熱して
もよい。試料基板表面において、プラズマによって形成
された分解生成物が表面化学反応により固体薄膜が形成
される。不用のガスは排気口12から排気ポンプにより排
気される。In the microwave plasma CVD apparatus having the above configuration,
The microwave power divided into three by the distributor 2 is guided to each cavity 3 through the microwave introduction window 9 made of quartz. The cavity 3 is cooled by the cooling water introduced from the cooling water inlet 10, and the cooling water is discharged from the cooling water outlet 11. In the cavity 3, the raw material gas is introduced from the raw material gas inlet 4 and plasma is generated by the microwave energy to decompose the raw material gas. The decomposition products are introduced into the sample chamber 6 through the windows 5 provided in each cavity 3. The sample substrate 7 is fixed on the substrate holder 8 in the sample chamber, and the temperature of the sample substrate can be indirectly raised by heating the substrate holder 8.
Although the substrate holder 8 is heated directly by the heater 14 incorporated in the substrate holder 8 in this embodiment, it is indirectly heated by the radiation heat from the heater or lamp provided near the substrate holder. You may heat to. A solid thin film is formed on the surface of the sample substrate by the surface chemical reaction of the decomposition products formed by the plasma. The unnecessary gas is exhausted from the exhaust port 12 by the exhaust pump.
次に、このマイクロ波プラズマCVD装置を用いてアモル
ファスシリコン膜を形成した例について述べる。原料ガ
スはArベース３％シランを用いた。真空度0.5Torr、全
ガス流量400SCCM、基板温度250℃、2.45GHzのマイクロ
波電力は500Wである。この条件ではアモルファスシリコ
ンの堆積速度は200nm/minであり、従来の13.56MHzの高
周波プラズマCVDよりも約１桁大きい値が得られた。膜
厚の均一性については、50cm×15cmの長方形の範囲で10
％以内であった。また、膜質の均一性についても、この
アモルファスシリコンを用いて薄膜トランジスタを制作
したところ、この50cm×15cmの範囲での移動度の差は認
められなかった。従って、従来のキャビティ１つだけの
成膜装置では均一性が20cmφ程度しか得られなかったの
に比べ大面積に成膜できることが示された。Next, an example of forming an amorphous silicon film by using this microwave plasma CVD apparatus will be described. As the source gas, Ar-based 3% silane was used. The degree of vacuum is 0.5 Torr, the total gas flow rate is 400SCCM, the substrate temperature is 250 ℃, and the microwave power at 2.45GHz is 500W. Under these conditions, the deposition rate of amorphous silicon was 200 nm / min, which was about an order of magnitude higher than that of the conventional 13.56 MHz high-frequency plasma CVD. For the uniformity of film thickness, it is 10 in the range of 50 cm × 15 cm rectangle.
It was within%. Regarding the uniformity of film quality, when a thin film transistor was manufactured using this amorphous silicon, no difference in mobility was observed within this 50 cm × 15 cm range. Therefore, it was shown that the film can be formed in a large area as compared with the conventional film forming apparatus having only one cavity, which can obtain the uniformity of about 20 cmφ.
本実施例のマイクロ波プラズマCVD装置では、試料基板
は固定しているが、これを成膜時にゆっくり移動させれ
ば、幅50cm，長さは移動距離だけの面積に均一に堆積さ
せることができる。また、キャビティの数を４つ以上に
すればより均一に成膜できる面積を大きくすることがで
きる。また、本実施例のキャビティの形状は円筒形であ
るが、マイクロ波がキャビティ内で共振する限り別の形
状、例えば直方体でもよい。また、本実施例では原料ガ
スを直接キャビティに導入しているが、キャビティ内に
石英管を設け、その石英管の内側に原料ガスを導入、放
電させ、分解生成物を試料室に導入させるようなキャビ
ティの構造にしてもよい。In the microwave plasma CVD apparatus of the present embodiment, the sample substrate is fixed, but if it is moved slowly during film formation, it can be uniformly deposited in an area having a width of 50 cm and a length of only the moving distance. . Further, if the number of cavities is four or more, the area for forming a uniform film can be increased. Further, although the shape of the cavity of this embodiment is cylindrical, another shape may be used, for example, a rectangular parallelepiped, as long as the microwave resonates in the cavity. Further, in this embodiment, the raw material gas is directly introduced into the cavity. However, a quartz tube is provided in the cavity, the raw material gas is introduced inside the quartz tube, the electric discharge is caused, and the decomposition product is introduced into the sample chamber. The structure of the cavity may be different.
本発明によれば、１つのマイクロ波電源を用い、複数の
キャビティを設け、マイクロ波電力を分割することによ
り同じ電力を各キャビティに導入することにより、従来
のキャビティを１つしか持たない装置に比べ、膜厚及び
膜質共に均一性よく大面積に成膜できるマイクロ波プラ
ズマCVD装置が実現できる。According to the present invention, one microwave power source is used, a plurality of cavities are provided, and the same electric power is introduced into each cavity by dividing the microwave electric power, so that a device having only one conventional cavity is provided. In comparison, it is possible to realize a microwave plasma CVD apparatus capable of forming a film in a large area with good uniformity in film thickness and film quality.
第１図は本発明の一実施例を示す断面図である。 １……導波管 ２……分配器 ３……キャビティ ４……原料ガス導入口 ４……窓 ６……試料室 ７……試料基板 ８……基板ホルダー ９……マイクロ波導入窓 10……冷却水導入口 11……冷却水排出口 12……排気口 13……冷却水通路 14……ヒーター FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention. 1 ... Waveguide 2 ... Distributor 3 ... Cavity 4 ... Raw material gas inlet 4 ... Window 6 ... Sample chamber 7 ... Sample substrate 8 ... Substrate holder 9 ... Microwave inlet window 10 ... … Cooling water inlet 11 …… Cooling water outlet 12 …… Exhaust port 13 …… Cooling water passage 14 …… Heater
Claims (1)
クロ波電力を複数に分配する分配器と、分配されたマイ
クロ波電力がそれぞれ導かれる複数のキャビティと、こ
れらキャビティに窓を介して設けられ、内部に試料基板
が保持される試料室とを備え、前記複数のキャビティが
前記試料基板と平行な平面上に配列されているマイクロ
波プラズマCVD装置であって、各キャビティに原料ガス
とマイクロ波を導き、各キャビティ内でマイクロ波のエ
ネルギーによりプラズマを発生させ原料ガスを分解し、
分解生成物を前記窓を通して前記試料室に導き、試料室
に設置された試料基板上に固体薄膜を堆積させるマイク
ロ波プラズマCVD装置。1. A distributor for distributing microwave power output from one microwave power source into a plurality of parts, a plurality of cavities into which the distributed microwave power is respectively guided, and a plurality of cavities provided in these cavities through windows. A microwave plasma CVD apparatus having a sample chamber in which a sample substrate is held, wherein the plurality of cavities are arranged on a plane parallel to the sample substrate, wherein a source gas and a microwave are provided in each cavity. , Plasma is generated by microwave energy in each cavity to decompose the raw material gas,
A microwave plasma CVD apparatus in which a decomposition product is introduced into the sample chamber through the window and a solid thin film is deposited on a sample substrate installed in the sample chamber.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61140271A JPH0666268B2 (en) | 1986-06-18 | 1986-06-18 | Microwave plasma CVD device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61140271A JPH0666268B2 (en) | 1986-06-18 | 1986-06-18 | Microwave plasma CVD device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62298106A JPS62298106A (en) | 1987-12-25 |
| JPH0666268B2 true JPH0666268B2 (en) | 1994-08-24 |
Family
ID=15264891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61140271A Expired - Lifetime JPH0666268B2 (en) | 1986-06-18 | 1986-06-18 | Microwave plasma CVD device |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPH0666268B2 (en) |
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- 1986-06-18 JP JP61140271A patent/JPH0666268B2/en not_active Expired - Lifetime
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