JPH10310870A - プラズマcvd装置 - Google Patents
プラズマcvd装置Info
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Abstract
アーク放電等の不要な放電を防止し、反応室に付着した
膜が剥がれることによるパーティクルの量を減らし、装
置の稼動時間の生産寄与の割合を高める。 【解決手段】 電源113、真空排気手段118および
反応ガス導入管114を有する導電性反応室104にお
いて、電極111、基板ホルダー112および絶縁体1
20で囲まれた空間でプラズマ115を発生させる。
Description
ディスクなど薄膜を形成するためのプラズマCVD装置
に関するもので、特に金属などの導電体チャンバーで構
成される反応室を用いたプラズマCVD装置に関するも
のである。
て、減圧状態で、スパッタリング現象を利用したスパッ
タ法、蒸着現象を利用した真空蒸着法、プラズマによる
低温ガス分解を利用したプラズマCVD法、ガスの熱分
解を利用した熱CVD法、短波長光や紫外線のエネルギ
ーによってガスを分解する光CVD法等のCVD(Chem
ical Vaper Deposition)法等が知られている。また、
それらの複合技術や、応用技術なども数多く研究開発さ
れ、実際の製造方法にも使用されてきている。
マCVD法は、減圧状態で反応気体に直流または高周波
電圧を印加し、グロー放電によって反応ガスを分解、生
成し、基板上に被膜を堆積する方法である。この方法に
よる薄膜形成は、プラズマのもつ高い電子温度数eVな
どのプラズマエネルギーによって、比較的に低温(50
0℃以下)でガスを分解できることや、ガスの種類を代
えることで様々な組成の膜を真空を利用して高純度で形
成することができるために、半導体分野、液晶分野、光
ディスク分野、磁気ディスク分野など様々なところで実
施されている。
る場合は、一度に多数の基板を処理するバッチ型のプラ
ズマCVD装置を用いることがよく知られていた。しか
し、バッチ処理の場合は同時に処理した場合でも各基板
毎に若干薄膜の特性が変化するために、精度の高い薄膜
の要求に繰り返し精度、基板間バラツキが大きく対応が
困難であった。また、基板を同時に複数枚数(4〜8枚
程度)を処理するために基板を載置しかつ基板ごと移動
するための基板ホルダーが必要であった。この基板ホル
ダーは、基板の成膜が終了するとプラズマCVD装置の
外にでて、次の基板を載置して再び装置内で処理され
る。そのため、真空加熱・大気圧室温を繰り返すために
基板ホルダーに付着した膜が剥がれるいわゆるピーリン
グ現象が発生していた。
近プラズマCVD装置に限らず薄膜成膜エッチングなど
ほぼ全般的に使用されなくなり、代わりに枚葉式の装置
が使われるようになった。
板ホルダーを使用せず基板を一枚一枚順番に処理し、移
動も基板のみを移動させる方式である。この方式をを利
用した従来のプラズマCVD装置を図2、図3を用いて
説明する。
面図を示しているが、201に示す室が基板を搬入搬出
するロード室になる。室202〜206が反応室にな
る。
トなどで複数枚セットする。ロード室201に基板をセ
ットした後に減圧にする。十分な圧力まで減圧されると
ロード室201と共通室207の間のゲート弁210が
開く。共通室207に設置された基板搬送手段208
は、ロード室201内のカセットにセットされている複
数枚の基板の中から1枚をロード室201から共通室2
07へ移動する。移動された状態が図2に示されており
基板209は、薄膜を形成する反応室に移動する。基板
209の移動は、基板搬送手段208により反応室に移
動させる。
およびロード室201はゲイトバルブ210で接続され
ており、各室に基板209を出し入れするときにその室
のゲイトバルブを開ける。また、ロード室201、各反
応室202〜206および共通室207はそれぞれ真空
排気手段により真空にされる。薄膜形成は、アモルファ
ス太陽電池のような積層型(P層I層N層等)や、半導
体の保護膜のように単層のものなど色々なタイプがあ
る。そのため、各室での処理は形成する膜の種類や積層
型などによって異なる。
07および反応室204の断面図を示す。
ホルダー212が設置されている。なお、電極211は
電源213に接続され、基板ホルダー212および反応
室202は接地されている。また、基板ホルダー212
には、図示しないが基板を加熱するためのヒーターが備
わっている。この基板ホルダー212は、前述のバッチ
型のものとは異なり、反応室204の中に存在し、基板
210と一緒に搬送されることはない。
板ホルダー212上に設置し、導入管214より反応ガ
スを導入する。そして、電極211に電圧をかけてプラ
ズマを215で示す空間に発生させ、基板上に薄膜を形
成する。薄膜が形成された基板210は、再び共通室2
07内の搬送手段208によって反応室204から、共
通室207に移動され次の処理に移される。そして反応
室204には別の基板が搬入され、同様に薄膜形成処理
が行われる。これら一連の処理では基板のみが移動され
る。
であり、共通室内と反応室内をそれぞれ減圧状態に保
つ。排気手段は、通常各室独立して設けられている。
じ構造になっており、成膜する膜の種類や厚さにより各
反応室を使い分ける。例えば、反応室202では珪素膜
を、反応室203では酸化珪素膜を、反応室204では
窒化珪素膜を成膜する。または、各反応室それぞれで窒
化珪素膜、珪素膜、窒化珪素膜を積層する同一プロセス
を行い、全体としてのスループットいわゆる生産性を向
上させる。
成膜する膜種を決めるようにすることで、不純物を混入
させることなく各膜を順次成膜することができ、生産効
率があげることも可能である。
各室の構成材料には、主に金属などの導体、例えばアル
ミニウムやステンレススチールからなる。プラズマCV
D装置の室の材料としては金属以外にも、絶縁体である
石英やアルミナなどを用いることが知られているが、枚
葉式の装置には使用されない。これは以下のような理由
による。
つ基板を処理するために反応室を複数設けて生産性を向
上させる必要がある。複数の反応室を設けると必然的に
プラズマCVD装置は大型化する。そのために強度があ
る材料が必要になる。石英やアルミナなどの材料の場合
は、硬度はあるが破損しやすい。真空室の材料として
は、髪の毛一本ほどの傷あっても真空に保てないほど微
妙である。さらに、大型化複雑化するために加工しやす
く加工精度の高い材料が必要である。しかもできるだけ
安価なもののほうがよい。以上のような条件を満たす材
料を探すと現時点では、アルミニウムやアルミニウム合
金やステンレススチールなどの金属材料を用いて反応室
などをつくることが多い。
ラズマCVD装置によって薄膜を形成する場合、分解さ
せる反応気体は、基板上だけでなく反応室全体にまわ
る。熱CVDなどは、反応室全体を加熱するために基板
上以外にも反応室全体に被膜が形成される。プラズマC
VD法の場合は、プラズマが発生している基板のみに被
膜が形成されることが理想だが、基板上以外の場所にも
成膜される。すなわち、プラズマ215が基板209の
近傍以外にも広がっているために、電極211の表面や
反応室の内壁など露出している部分にも膜が形成され
る。
マを発生させるだけではなく、反応室が金属材料すなわ
ち導電体でできているために、プラズマが電極と基板ホ
ルダーの間だけで発生するのではなく、それ以上に広が
ってしまうことに原因がある。バッチ型プラズマCVD
装置の基板ホルダーとは異なり、基板以外に成膜された
被膜は、大気に触れたり、室温-高温のサイクルを繰り
返すことが無いために直ぐに剥がれるようなことはな
い。
剥がれ始める。そして、この膜は、パーティクルまたは
フレーク等となって基板上や反応室の底に落ちる。した
がって、何回か成膜をおこなった後に、基板以外の場所
に成膜、堆積した膜が剥がれ始める前に定期的に除去す
る必要がある。除去は、反応室内にエッチングガスを導
入し、プラズマを発生させて膜をエッチングしておこな
う。
に近い反応室の内壁との間、例えば図3の216で示す
空間にもアーク放電等の不要放電が起こり、内壁への成
膜膜厚が厚くなり結果として剥がれやすくなることもあ
る。
する。これは、壁からの脱ガスを抑えて不純物を減少さ
せることや、アーク放電を防止するため等に滑らかにし
ているものである。実際には、#400番以上のバフ研
磨や電解研磨、複合電解研磨などによって、鏡面に近い
状態にしている。この滑らかな表面に付着した被膜は、
密着性が悪く剥がれやすい。剥がれた膜は、パーティク
ルまたはフレークとなって反応室に落ち堆積する。一旦
剥がれてパーティクル、フレーク等になったこれらの堆
積物は、成膜時に内壁に付着した膜状のものよりもプラ
ズマエッチングによって除去しにくい。実際には、完全
に除去することができない。なぜ完全に除去できないの
か理論的には判明していないが、経験則として膜状のも
のはエッチングできるが、パーティクルやフレーク等の
固形体は完全にエッチングすることができない。
れるかなり前に、反応室のクリーニングを行う必要があ
る。そのため、装置の稼動時間のうち生産に寄与する成
膜時間と、生産に寄与しないエッチング時間の兼ね合い
によって、生産寄与の割合が減少する。反応室表面に凹
凸をつけると膜の剥がれ易さを減少できるが、表面積が
大きくなり真空引きに時間がかかり、表面積の増加した
凹凸表面からの脱ガス量が増加し真空装置を用いて純度
の高い薄膜を形成するという本来の目的からはずれてし
まう。
ものである。すなわち、装置の大型化や加工の容易さを
維持しつつ、アーク放電等の不要な放電を防止し、反応
室に付着した膜が剥がれることによるパーティクルの量
を減らし、装置の稼動時間の生産寄与の割合を高めるこ
とを目的とする。
は、減圧状態に保持される導電性反応室と、前記反応室
に電気エネルギーを供給される電極と、前記電極に対向
して基板を保持できる基板ホルダーと、前記反応室にガ
スを供給するガス系と、前記反応室を排気する排気系と
を少なくとも有するプラズマCVD装置であって、前記
電極と前記基板ホルダーおよび絶縁体で囲まれた空間で
プラズマを発生させることを特徴とする。また、上記構
成において、前記絶縁体はアルミナであることを特徴と
する。
から構成される搬入室、共通室および反応室と、前記共
通室内に設置された、基板を反応室に出し入れする搬送
手段と、前記反応室内に、電気エネルギーを供給される
電極と、前記電極に対向して前記基板を保持する基板ホ
ルダーと、前記反応室にガスを供給するガス系と、前記
反応室を排気する排気系とを少なくとも有し、前記電極
と前記基板ホルダーおよび絶縁体で囲まれた空間でプラ
ズマを発生するプラズマCVD装置であって、前記絶縁
体は前記基板ホルダーが稼働し止まるときのストッパー
となることを特徴とする。また、上記構成において、前
記絶縁体はアルミナであることを特徴とする。
置を示す。図1は、共通室107と反応室の一つ104
の断面図を示したものであり、CVD装置全体は、例え
ば図2の枚葉式のように、搬入室、共通室および複数の
反応室からなっている。
たとおりの理由により金属材料から構成されている。そ
してゲイトバルブ110により接続されている。反応室
104においては、電極111および基板ホルダー11
2が設置される。電極111は電源113に接続され、
基板ホルダー112および反応室104は接地されてい
る。また、基板ホルダー112には、図示していない
が、基板を加熱するためのヒーターが備わっている。
であり、共通室内と反応室内をそれぞれ減圧状態に保
つ。また、114は反応気体を反応室104中に導入す
る管である。図1の場合、電極111は網状になってお
り、反応気体は導入管114を通って電極111より反
応室104に導入される。
0、例えばアルミナを取り付ける。この状態で、電極1
11に電圧をかけると、発生するプラズマ115は、電
極111、基板ホルダー112および絶縁体120に囲
まれている状態になる。したがって、絶縁体120によ
り、プラズマが電極と基板ホルダーの間より広がること
なく、電極111と反応室104との間でアーク放電等
の不要放電が起こることを防止できる。
室104中に出し入れするのは搬送手段108によって
おこなわせる。このとき、基板ホルダー112は図1の
点線112’に示すように下に位置する。こうすること
により、絶縁体120が障害にならないように搬送手段
108により基板109を置くことができる。
は、プラズマが電極111と基板ホルダー112および
絶縁体120に囲まれるようにするために、基板ホルダ
ー112が上がる。このとき、絶縁体120がストッパ
ーとなり、基板ホルダー112が止まるようにしてお
く。こうしておくと、基板ホルダー112が上がりすぎ
て基板109が電極111と接触する恐れがなく、装置
の自動化において安全性が増す。
のでプラズマ密度が上がり、アーク放電等の不要放電も
起こらないので、基板109上に形成する膜の成膜速度
があがる。また、成膜の際、主に電極111の表面や絶
縁体120の表面に被膜が形成してしまう。しかし、絶
縁体120の表面は凹凸があるので形成した被膜は金属
に比べ密着性が良く、パーティクルやフレークなどにな
って落ちにくくなる。したがって、パーティクルやフレ
ークなどの量を減らすことができ、プラズマエッチング
による反応室のクレーニングが容易になる。さらに、被
膜は主に電極111の表面や絶縁体120の表面に主に
形成され、反応室自体にはほとんど形成されないので、
クリーニングする面積が狭くなる。また、上述のように
プラズマが広がらないのでプラズマ密度が高くなる。
間が短縮し、装置の稼働時間の生産寄与の割合を高める
ことができる。
する場合を例にしながら、本実施例の枚葉式プラズマC
VD装置の説明をする。図4に本実施例のプラズマCV
D装置の反応室の断面図を示す。
2および基板ホルダー403が設置されている。電極4
02は網状になっており、反応気体は導入管409を通
り、網状の電極402から反応室に導入するようになっ
ている。また、電極402と基板ホルダー404との間
の空間405と反応室401との間に絶縁体、例えばア
ルミナ406、407が配置されている。
る。石英410は次のような理由により設置する。絶縁
体406と407との間を通って反応気体が反応室の壁
に接触する。したがってこの接触するアルミニウム製の
反応室の壁の表面にも被膜が形成される。この被膜はア
ルミニウム上に形成されるので、パーティクルとなって
しまう。これを防止するために石英410を設置する。
また、411は排気管でターボ分子ポンプ、ロータリー
ポンプの順に接続され、反応室内を減圧状態に保つ。本
実施例では、まず反応室内を0.3torrにする。
距離を65mmにした状態で、図示しない搬送手段により基
板ホルダー403上にガラス基板404を設置する。こ
の状態において絶縁体406、407は基板404を設
置する際の障害にはならない。そして、基板ホルダーを
上げて、基板ホルダー403と電極402との距離を15
〜25mmとし、図に示す状態にする。本実施例では20mmと
する。
動くようになっており、基板404を置くときは、基板
がスムーズに置けるように基板ホルダー403と絶縁体
407とが十分離れるよう下がった状態にし、この基板
上に成膜するときに図4のように上に上がる。基板の位
置(基板と電極との距離)は調節ができるようになって
いる。絶縁体407は基板ホルダー403が上に上がっ
たときのストッパーの役割もしており、基板ホルダー4
03が上がるときの安全性を上げている。
03中に基板404を加熱するためのヒーターが装備さ
れている。
素の混合気体を、シラン/アンモニア/窒素/水素=30/150
/250/100SCCMで、網状の電極402より反応室に導入す
る。そして全圧0.2〜1torrの条件下で100〜300WのRFを
図示しない電源より電極402にかけて、空間405に
プラズマを発生させる。このときの基板温度は250〜400
℃とする。本実施例では、全圧0.5torr、RFを200W、基
板温度を325℃とする。また、電極の大きさは200mmφで
あるので、電極にかかる電圧はおよそ0.3〜1W/cm2であ
る。このとき発生したプラズマは絶縁体406、407
により広がらず、また、反応室の壁と電極との間でアー
ク放電等は起こっていない。
本実施例の条件下での窒化珪素膜の成膜速度はおよそ14
00Å/minである。従来のプラズマCVD装置で成膜する
場合の成膜速度はおよそ300Å/minであるので、成膜速
度が格段にあがることがわかる。
べく平行にした方が膜質のよい膜を得ることができる。
特に膜質のよいものを得たいときはこの間隔をやや広め
にとるとよい。本実施例では3〜5mmとする。
7の空間405側の表面などにも形成されている。しか
し、反応室の表面にはほとんど被膜されていない。これ
らの膜はアルミナの表面に形成されているのでパーティ
クルなどとして落ちにくく、反応室中のパーティクルな
どの量が減る。
06、407の表面等にある程度被膜が形成された後、
クリーニングをおこなう。本実施例では、絶縁物に膜が
およそ10〜20μmついた時点でクリーニングをおこな
う。
合気体を用いる。反応室中は、ふっ化窒素/窒素=80/300
SCCMで混合気体を流し全圧をおよそ0.2〜1torrにす
る。本実施例では0.5torrでおこなう。また、基板ホル
ダー403と電極との距離はおよそ50mmとする。これは
絶縁物408と407との間の、それぞれの表面にも窒
化珪素膜が付着している。これらをエッチングするため
に、基板ホルダーを下げ、絶縁物407と408との間
をあけておく。
かけ、クリーニングをおこなう。本実施例では200Wでお
こなう。この場合エッチングはおよそ40分で終了す
る。従来では5〜6時間もかかっていたところ、その約
1/8〜1/9のエッチング時間に短縮する。
は、反応室の内壁の表面すなわち金属表面よりも凹凸が
ある。したがって、形成された被膜膜は剥がれにくくな
っており、基板や反応室の底に落ちるパーティクル等の
量を減らすことができ、クリーニングが容易になる。ま
た、絶縁体406、407が配置されているので、プラ
ズマが広がることを防ぐことができる。したがって、電
極と反応室の内壁との間にアーク放電等の不要な放電が
発生せず、プラズマ密度も高くなっている。さらに、被
膜は反応室の壁にはほとんど形成されていなく、絶縁体
や電極等に主に被膜されているので、クリーニングしな
くてはならない面積は狭い。
り、時間も短縮でき、装置の稼働時間の生産寄与の割合
を高めることができる。
上に酸化珪素膜を形成する場合について述べる。
OS/酸素=10/300SCCMで反応室に導入し、全圧をおよそ
0.5〜1torrにする。本実施例では0.75torrでおこなう。
00W、基板と電極との距離は10〜15mmとして、基板上に
酸化珪素膜を形成する。本実施例では基板温度を350
℃、RFを200W、距離を13.5mmとする。
/minであり、従来の約3倍の成膜速度である。
こなう。ただし、反応室内の全圧はおよそ1torrとし、
基板ホルダー403と電極との距離は50〜60mmとする。
〜40分と大幅に短縮する。
て、大型化や加工の容易さに有利な導電性の材料を用い
ながら、アーク放電等の余計な放電の起こらない装置を
得ることができる。また、反応室の内壁に膜は付着せず
絶縁体表面に付着するので、反応室内のパーティクルな
どの量が減らすことができる。さらにクリーニング時間
が短縮し、装置の稼働時間の生産寄与の割合を高めるこ
とができる。
反応室の断面図
応室の断面図
室の断面図
Claims (4)
- 【請求項1】減圧状態に保持される導電体から構成され
る反応室と、 前記反応室内に、電気エネルギーを供給される電極と、 前記電極に対向して基板を保持する基板ホルダーと、 前記反応室にガスを供給するガス系と、 前記反応室を排気する排気系とを少なくとも有するプラ
ズマCVD装置であって、 前記電極と前記基板ホルダーおよび絶縁体で囲まれた空
間でプラズマを発生させることを特徴とするプラズマC
VD装置。 - 【請求項2】請求項1において、前記絶縁体はアルミナ
であることを特徴とするプラズマCVD装置。 - 【請求項3】減圧状態に保持される導電体から構成され
る搬入室、共通室および反応室と、 前記共通室内に設置された、基板を反応室に出し入れす
る搬送手段と、 前記反応室内に、電気エネルギーを供給される電極と、 前記電極に対向して前記基板を保持する基板ホルダー
と、 前記反応室にガスを供給するガス系と、 前記反応室を排気する排気系とを少なくとも有し、 前記電極と前記基板ホルダーおよび絶縁体で囲まれた空
間でプラズマを発生するプラズマCVD装置であって、 前記絶縁体は前記基板ホルダーが稼働し止まるときのス
トッパーとなることを特徴とするプラズマCVD装置。 - 【請求項4】請求項3において、前記絶縁体はアルミナ
であることを特徴とするプラズマCVD装置。
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