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JP2018028109A - プラズマcvd装置 - Google Patents

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弘朋 河原
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和伸 前重
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信孝 青峰
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Hiroshi Hanegawa
博 羽根川
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Abstract

【課題】成膜速度をあまり低下させずに、緻密な膜を成膜する。【解決手段】プラズマCVD装置であって、1または2以上の交流源に接続され、プラズマを発生させるプラズマ源と、複数の磁石で構成された磁石配列と、を有し、前記プラズマ源は、電極群を有し、該電極群は、第1の電極および第2の電極を含むn個(ただし、nは2以上の偶数)の電極を、前記第1の電極から番号順に配列することにより構成され、前記電極群の各電極は、前記交流源に接続され、前記電極群の隣接する電極同士の間には、原料ガス用の流路の出口が形成され、前記磁石配列は、各磁石のN極またはS極が前記プラズマ源と対向するように配置され、前記磁石配列において、少なくとも一組の隣接する2つの磁石は、前記プラズマ源に対向する側の極性が等しくなるように配置されることを特徴とするプラズマCVD装置。【選択図】図2

Description

本発明は、プラズマCVD装置に関する。
プラズマ化学気相成膜(Plasma−enhanced chemical vapor deposition:PECVD)技術(以下、「プラズマCVD技術」と称する)は、化学気相成膜(CVD)技術の一種であり、プラズマを援用することにより、被処理体表面にさまざまな物質の膜を、化学的に成膜できる。プラズマCVD技術は、例えば、半導体素子の製造などに広く用いられている。
プラズマCVD技術に使用されるプラズマCVD装置は、プラズマ源を備える。プラズマ源は、通常例えば13.56MHzの高周波交流電源に接続された一対の電極を有し、両電極間で放電が開始されると、両電極間にプラズマが形成される。その状態でプラズマ内に原料ガスを供給すると、原料ガスの原子および/または分子が励起され、化学的に活性となるために化学反応が生じ、対象物質の膜を被処理体表面に成膜できる。
最近では、高周波交流電源の代わりに、例えばkHzオーダーの低周波交流電源を備えたプラズマ源が開示されている(特許文献1)。特許文献1には、そのようなプラズマ源を使用して、プラズマを安定的に提供できることが記載されている。
また、大面積の成膜を可能にするため、4つの電源を配列し、隣接する電極の間に原料ガスが供給される空間を設けたプラズマ源が開示されている(特許文献2)。
特表2011−530155号公報 国際公開WO14/069309号
一般に、プラズマCVD装置では、成膜速度の上昇とともに、形成される膜の緻密性が低下する傾向にあることが知られている。このため、プラズマCVDプロセスにより緻密な膜を得る際には、しばしば、成膜速度を犠牲にして、十分に低い成膜速度を採用する必要が生じる。しかしながら、このような成膜速度の抑制は、例えば、大面積被処理体への成膜などの際に、プロセス効率の低下につながるという問題がある。
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、成膜速度をあまり低下させずに、緻密な膜を成膜することが可能なプラズマCVD装置を提供することを目的とする。
本発明では、プラズマCVD装置であって、
1または2以上の交流源に接続され、プラズマを発生させるプラズマ源と、
複数の磁石で構成された磁石配列と、
を有し、
前記プラズマ源は、電極群を有し、該電極群は、第1の電極および第2の電極を含むn個(ただし、nは2以上の偶数)の電極を、前記第1の電極から番号順に配列することにより構成され、
前記電極群の各電極は、前記交流源に接続され、
前記電極群の隣接する電極同士の間には、原料ガス用の流路の出口が形成され、
前記磁石配列は、各磁石のN極またはS極が前記プラズマ源と対向するように配置され、
前記磁石配列において、少なくとも一組の隣接する2つの磁石は、前記プラズマ源に対向する側の極性が等しくなるように配置されることを特徴とするプラズマCVD装置が提供される。
本発明では、成膜速度をあまり低下させずに、緻密な膜を成膜することが可能なプラズマCVD装置を提供することができる。
本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置の構成を模式的に示した概略図である。 本発明の一実施形態による別のプラズマCVD装置の構成を模式的に示した概略図である。 磁石配列が磁場に及ぼす影響を、シミュレーションにより評価した結果を示した図である。 磁石配列が磁場に及ぼす影響を、シミュレーションにより評価した結果を示した図である。 本発明の一実施形態によるさらに別のプラズマCVD装置の構成を模式的に示した概略図である。 本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置における電極群およびその近傍の構成の一例を概略的に示した図である。 本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置を備える成膜設備の構成例を概略的に示した図である。 例1において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子を示した写真である。 例10において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子を示した写真である。 例13において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子を示した写真である。 例16において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子を示した写真である。 例1〜例18で得られた成膜速度と屈折率の関係をまとめて示したグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
(第1のプラズマCVD装置)
図1を参照して、本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置(以下、「第1のプラズマCVD装置」という)について説明する。
図1には、第1のプラズマCVD装置の構成を模式的に示す。
図1に示すように、第1のプラズマCVD装置100は、交流電源130に接続されたプラズマ源110を有する。プラズマ源110は、被処理体190の片側(上側)に配置される。また、第1のプラズマCVD装置100は、被処理体190の他方の側(下側)に配置される磁石配列160を有する。従って、プラズマ源110と磁石配列160は、被処理体190を介して、相互に対向するように配置される。
なお、通常の場合、第1のプラズマCVD装置100は、被処理体190を支持するための支持台、ホルダ、および/または搬送台等を有するが、これらは明確化のため省略されている。
プラズマ源110は、複数の電極を一列に配列することにより構成された電極群120を有する。例えば、図1の例では、電極群120は、第1の電極121Aおよび第2の電極121Bを相互に並べて配置することにより構成される。
第1の電極121Aと第2の電極121Bの間には、両電極の近傍に原料ガスを供給するための第1の空間150−1が形成されている。原料ガスとしては、目的とする膜の組成に応じて、例えばシラン、ジシラン、テトラエトキシシラン(TEOS)、ヘキサメチルジシロキサン(HMDSO)、テトラメチルジシロキサン(TMDSO)、トリシリルアミン、四塩化チタン、オルトチタン酸テトライソプロピル(TTIP)、テトラキスジメチルアミノチタン(TDMAT)、ジルコニウムテトラブトキシド(ZTB)、四塩化アルミニウム、トリメチルアルミニウム、アルミニウムsecブトキシド、四塩化スズ、およびモノブチル三塩化スズ(MBTC)を適宜用いることができる。
電極群120を構成する各電極121A、121Bには、交流電源130が接続される。交流電源130の周波数は、例えば、5kHzから500kHzの範囲である。交流電源130は、第1の配線140と、第2の配線142とを有する。第2の配線142の極性は、第1の配線140の極性とは反対となっている。第1の配線140は、第1の電極121Aに接続され、第2の配線142は、第2の電極121Bに接続される。
磁石配列160は、複数の磁石で構成される。例えば、図1に示した例では、磁石配列160は、第1の磁石161aおよび第2の磁石161bの2つの磁石で構成されている。ただし、磁石配列160を構成する磁石の数は、2個以上である限り、特に限られない。磁石は、例えば、3個、または4個以上であっても良い。
ここで、第1のプラズマCVD装置100において、磁石配列160中の2つの磁石161a、161bは、いずれも被処理体190、すなわち電極群120に対向する側の極性が等しくなるように配置されている。
例えば、図1に示す例において、第1の磁石161aおよび第2の磁石161bは、いずれも、S極が上側、すなわちS極が電極群120の側となるような向きで配置される。あるいは、第1の磁石161aおよび第2の磁石161bは、いずれも、N極が上側、すなわちN極が電極群120の側となるような向きで配置されても良い。
なお、以下の説明では、磁石配列160におけるこのような磁石の配置態様、すなわち隣接する2つの磁石において、電極群120に対向する側の極性が揃っている配置状態を、「(隣接磁石組の)同一極性配置」と称することにする。
このような構成を有する第1のプラズマCVD装置100を使用して、被処理体190の表面に成膜を行う場合、まず、交流電源130から、配線140および142を介して、両電極121A〜121Bに交流電圧が印加される。また、電極群120の近傍に、反応支援ガスが供給される。
交流電圧の印加により、両電極121A、121Bにおける極性は、周期的に変化する。また、第1の電極121Aと第2の電極121Bの間で放電が生じ、両電極の近傍にプラズマが発生する。
次に、両電極121Aおよび121Bの間に設けられた第1の空間150−1に、成膜用の原料ガスが供給される。第1の空間150−1に供給された原料ガスは、この空間150−1の出口から排出された際に、電極121A、121Bの近傍に発生したプラズマによって活性化される。その結果、被処理体190の近傍で原料ガスに化学反応が生じ、この反応による生成物が被処理体190の被処理領域に堆積する。これにより、被処理体190の被処理領域に所望の膜を形成することができる。
ここで、前述のように、第1のプラズマCVD装置100において、磁石配列160中の両磁石161aおよび161bは、「同一極性配置」で配置されている。この場合、以降に詳しく示すように、プラズマ源110の下方に位置する被処理体190の表面(以下、「被処理領域」と称する)全体におけるプラズマの均一性を高めることが可能となり、この被処理領域におけるプラズマ密度を有意に高めることが可能となる。
このため、第1のプラズマCVD装置100では、被処理体190の被処理領域での原料ガスの化学反応速度を有意に高めることができる。従って、第1のプラズマCVD装置100では、従来のように成膜速度を犠牲にすることなく、比較的高い成膜速度で、被処理体190の被処理領域に、緻密な膜を形成することが可能となる。
また、このような効果により、第1のプラズマCVD装置100では、例えば、大面積被処理体への成膜などの際に、プロセス効率を低下させずに、所望の膜を形成することが可能になる。
(第2のプラズマCVD装置)
次に、図2を参照して、本発明の別の実施形態によるプラズマCVD装置(以下、「第2のプラズマCVD装置」という)について説明する。
図2には、第2のプラズマCVD装置の構成を模式的に示す。
図2に示すように、第2のプラズマCVD装置200は、交流電源230に接続されたプラズマ源210を有する。プラズマ源210は、被処理体290の片側(上側)に配置される。また、第2のプラズマCVD装置200は、被処理体290の他方の側(下側)に配置される磁石配列260を有する。従って、プラズマ源210と磁石配列260は、被処理体290を介して、相互に対向するように配置される。
なお、通常の場合、第2のプラズマCVD装置200は、被処理体290を支持するための支持台、ホルダ、および/または搬送台等を有するが、これらは明確化のため省略されている。
プラズマ源210は、複数の電極を一列に配列することにより構成された電極群220を有する。例えば、図2の例では、電極群220は、第1の電極221A、第2の電極221B、第3の電極221C、および第4の電極221Dの4つの電極を順番に配列することにより構成される。
なお、電極群220を構成する電極の数は、必ずしも4つに限られず、電極の数は、6、または8以上等であっても良い。ただし、電極の数は、偶数である。
隣接する各電極221A〜221D同士の間には、原料ガスの供給のための空間が形成されている。すなわち、第1の電極221Aと第2の電極221Bの間には、第1の空間250−1が形成され、第2の電極221Bと第3の電極221Cの間には、第2の空間250−2が形成され、第3の電極221Cと第4の電極221Dの間には、第3の空間250−3が形成される。
電極群220を構成する各電極221A〜221Dは、交流電源230と接続される。交流電源230は、第1の配線240と、第2の配線242とを有する。第2の配線242の極性は、第1の配線240の極性とは反対となっている。第1の配線240は、第1の電極221Aおよび第3の電極221Cに接続される。第2の配線242は、第2の電極221Bおよび第4の電極221Dに接続される。
なお、図2の例では、各電極221A〜221Dは、単一の交流電源230に接続されている。しかしながら、各電極221A〜221Dは、複数の交流電源に接続されても良い。例えば、図2の構成において、2つの交流電源230−1、230−2が存在し、第1の交流電源230−1は、第1の電極221Aと第2の電極221Bに接続され、第2の交流電源230−2は、第3の電極221Cと第4の電極221Dに接続されても良い。
ただし、単一の交流電源230を使用した場合、第2のプラズマCVD装置200全体をより小型化することが可能になる。
磁石配列260は、複数の磁石で構成される。例えば、図1に示した例では、磁石配列260は、第1の磁石261a〜第3の磁石261cの3つの磁石で構成されている。ただし、磁石配列260を構成する磁石の数は、2個以上である限り、特に限られない。磁石は、例えば、4個、5個または6個以上であっても良い。
ここで、第2のプラズマCVD装置200において、磁石配列260中の少なくとも1組の隣接する2つの磁石は、「同一極性配置」となるように配置されるという特徴を有する。すなわち、少なくとも一つの隣接磁石組は、被処理体290および電極群210に対向する側の極性が等しくなるように配置される。
例えば、図2に示す構成において、隣接する第1の磁石261aおよび第2の磁石261bは、いずれも、S極(またはN極)が上側、すなわち電極群210の側となるように配置されても良い。あるいは、隣接する第2の磁石261bおよび第3の磁石261cは、いずれも、S極(またはN極)が上側、すなわち電極群210の側となるように配置されても良い。また、第1の磁石261a〜第3の磁石261cの全てにおいて、S極(またはN極)が上側、すなわち電極群210の側となるように配置されても良い。
このような構成を有する第2のプラズマCVD装置200を使用して、被処理体290の表面に成膜を行う場合、まず、交流電源230から、配線240および242を介して、各電極221A〜221Dに交流電圧が印加される。また、電極群220の近傍に、反応支援ガスが供給される。
交流電圧の印加により、各電極221A〜221Dにおける極性が周期的に変化する。また、例えば、第1の電極221Aと第2の電極221Bを電極対とした放電が生じ、両電極の近傍にプラズマが発生する。また、第2の電極221Bと第3の電極221Cを電極対とした放電が生じ、両電極の近傍にプラズマが発生する。さらに、第3の電極221Cと第4の電極221Dを電極対とした放電が生じ、両電極の近傍にプラズマが発生する。
なお、電圧極性の周期的変化により、ある時間において、各電極の極性は、第1の電極221A側から順に、負−正−負−正(または正−負−正−負)となる。
次に、第1の空間250−1〜第3の空間250−3に、成膜用の原料ガスが供給される。それぞれの空間に供給された原料ガスは、それぞれの空間250−1〜250−3の出口から排出された際に、対応する電極221A〜221Dの近傍に発生したプラズマによって活性化される。そのため、被処理体290の近傍で原料ガスに化学反応が生じ、この反応による生成物が被処理体290の被処理領域に堆積する。これにより、被処理体290の被処理領域に所望の膜を形成することができる。
ここで、前述のように、第2のプラズマCVD装置200において、磁石配列260中の少なくとも一つの磁石組は、「同一極性配置」で配置されている。この場合、以降に詳しく示すように、被処理体190の被処理領域全体におけるプラズマの均一性を高めることが可能となり、この被処理領域におけるプラズマ密度を有意に高めることが可能となる。
このため、第2のプラズマCVD装置200においても、被処理体290の被処理領域での原料ガスの化学反応速度を有意に高めることができ、比較的高い成膜速度で、被処理体290の被処理領域に、緻密な膜を形成することが可能となる。
また、このような効果により、第2のプラズマCVD装置200では、例えば、大面積被処理体への成膜などの際に、プロセス効率を低下させずに、所望の膜を形成することが可能になる。
(「同一極性配置」について)
前述のように、本発明によるプラズマCVD装置では、磁石配列中の少なくとも1組の隣接する2つの磁石は、「同一極性配置」となるように配置される特徴を有する。以下、この特徴について検討する。
一般に、プラズマなどの荷電粒子の挙動は、磁場の影響を受け易く、例えば磁石が存在する場合、荷電粒子は、この磁石によって生じる磁力線のまわりでらせん運動をすることが知られている。このため、プラズマCVD装置においても、プラズマ源の下側に磁石を配置した場合、プラズマ源から生じるプラズマの挙動、さらには空間内のプラズマ密度を制御することができると考えられる。
本願発明者らは、このような考察の下、プラズマ源の下側に配置される磁石配列の形態とプラズマ挙動との関係について鋭意研究開発を進めてきた。その結果、本願発明者らは、磁石配列の中の隣接する2つの磁石が「同一極性配置」となるように配置された場合、被処理基板の被処理領域(およびその近傍。以下同じ)に「ヌル点」(null−point)が生じ、これにより、プラズマ密度を有意に高めることができることを見出した。
ここで、「ヌル点」とは、逆方向の磁力線が互いに打ち消し合うことになどにより、磁力が0(ゼロ)となる空間上の位置を意味する。
なお、被処理基板の被処理領域にヌル点を形成することにより、プラズマ密度が高められるのは、ヌル点の近傍では荷電粒子が不規則運動挙動を示し、荷電粒子の移動距離が長くなる(すなわち移動により長い時間が必要となる)ためであると考えられる。すなわち、被処理基板の被処理領域にヌル点が存在すると、そのような領域ではプラズマが滞留し易くなり、その結果、プラズマ密度が向上するものと考えられる。そして、プラズマ密度が高まると化学反応が生じやすくなるため、「同一極性配置」の磁石配列では、比較的短い反応時間(すなわち大きな成膜速度)でも、被処理基板の被処理領域に緻密な膜を形成することが可能になるものと考えられる。
このような観点から、ヌル点は、被処理体における被処理領域に、なるべく多く形成することが好ましい。またヌル点は、被処理体における被処理領域に、なるべく等間隔に形成することが好ましい。
例えば、図2に示した第2のプラズマCVD装置200の例では、磁石配列260を構成する3つの磁石261a〜261cを等間隔に配置するとともに(例えば、図2のように、3つの磁石261a〜261cを、それぞれ、空間250−1〜250−3の略下側に配置するような形態)、磁石261a〜261cの全てを、S極(またはN極)が上側、すなわち電極群220の側となるように配置することが好ましい。
この場合、被処理領域におけるプラズマの均一性を高めることができ、被処理領域全体において、プラズマ密度を一様に高めることが可能になる。
図3および図4には、磁石配列の違いが磁場に及ぼす影響を、シミュレーションにより評価した結果を示す。
図3には、磁石配列Lを構成する3つの磁石A〜Cの全ての極性が同一方向に配置された場合、すなわち、磁石A〜CのS極がいずれも上向き、すなわち被処理体Gの側となるように配置された場合の、磁力線の分布(シミュレーション結果)が示されている。一方、図4には、磁石配列L内に、隣接する2つの磁石が「同一極性配置」となるように配置された組が存在しない場合の、磁力線の分布(シミュレーション結果)が示されている。すなわち、図4では、磁石配列Lは、各磁石A〜Cの上側の極性が、磁石Aから順に、S極/N極/S極と交互に入れ替わるように構成されている。
なお、図3および図4には、磁力線の強さに関する情報は含まれていない。すなわち両図には、矢印の向きで、各位置における磁力線の方向が示されているものの、矢印の長さは、特に磁力線の強さとは対応していない。
ここで、図3の場合、2つのヌル点Pが形成されていることがわかる。特にこれらのヌル点Pは、被処理体Sの被処理領域に等間隔で形成されている。一方、図4の場合、すなわち磁石配列L内に、隣接する2つの磁石が「同一極性配置」となるように配置された組が存在しない場合、被処理領域にヌル点は形成されていない。
このように、磁石配列の中の隣接する2つの磁石が「同一極性配置」となるように配置された場合、被処理体の被処理領域にヌル点が生じ、これにより被処理領域におけるプラズマ密度を高めることができるものと考えられる。また、そのような「同一極性配置」を採用することにより、比較的高い成膜速度で、被処理体の被処理領域に、緻密な膜を形成することが可能となると考えられる。
なお、以上の考察は、現在利用可能な実験結果に基づいてなされたものであり、隣接磁石組の「同一極性配置」による効果は、実際には別のメカニズムによって発現されていても良い。すなわち、本発明において重要なことは、磁石配列内の磁石の配置形態であって、上記の配置形態が含まれる限り、そのようなプラズマCVD装置は、本発明の範疇に属する。
(第3のプラズマCVD装置)
次に、図5を参照して、本発明のさらに別の実施形態によるプラズマCVD装置(以下、「第3のプラズマCVD装置」という)について説明する。
図5には、第3のプラズマCVD装置の構成を模式的に示す。
図5に示すように、第3のプラズマCVD装置は、基本的に前述の図2に示した第2のプラズマCVD装置200と同様の構成を有する。従って、図5に示した第3のプラズマCVD装置において、図2に示した第2のプラズマCVD装置200と同様の部材には、図2で使用した参照符号に100を加えた参照符号が使用されている。例えば、第3のプラズマCVD装置300は、交流電源330に接続されたプラズマ源310、および磁石配列360等を有する。
ただし、第3のプラズマCVD装置300では、電極群320を構成する各電極321A〜321Dと交流電源330との間の接続方式が、第2のプラズマCVD装置200とは大きく異なっている。すなわち、交流電源330の第1の配線340は、第1の電極321Aおよび第2の電極321Bに接続され、第2の配線342は、第3の電極321Cおよび第4の電極321Dに接続される。
このような接続方式において、交流電源330から、配線340および342を介して、各電極321A〜321Dに交流電圧が印加された場合、各電極321A〜321Dにおける極性が周期的に変化する。ただし、ある時間における各電極の極性は、第2のプラズマCVD装置200の場合とは異なり、第1の電極321A側から順に、負−負−正−正(または正−正−負−負)となる。
ここで、例えば、電極群320を構成する4つの電極の極性が、第1の電極321A側から、負−負−正−正となっている場合を考える。この場合、第2の電極321Bからの電子は、一部が隣接する第3の電極321Cに取り込まれるとともに、他の一部が、第4の電極321Dに取り込まれる。第2の電極321Bからの電子の一部が、第3の電極321Cを越えて第4の電極321Dまで到達するのは、第3の電極321Cと第4の電極321Dとの極性が等しく(いずれも正極性)、第3の電極321Cと第4の電極321Dとの間に、反対極性の電極が存在しないためである。ただし、電極間の距離の関係から、第2の電極321Bから放出される電子の大部分は、第3の電極321Cに取り込まれ、第4の電極321Dまで進行する電子の割合は、第3の電極321Cに取り込まれる電子の割合に比べて少ないと思われる。
同様に、第1の電極321Aからの電子は、一部が第3の電極321Cに取り込まれるとともに、第4の電極321Dに取り込まれる。ただし、電極間の距離の関係から、第1の電極321Aから放出される電子の大部分は、第3の電極321Cに取り込まれ、第4の電極321Dまで進行する電子の割合は、第3の電極321Cに取り込まれる電子の割合に比べて少ないと思われる。
このような電子の流れから、第2の電極321Bと第3の電極321Cとの間には、極めて高い密度のプラズマが発生することが予想される。従って、第3のプラズマCVD装置300では、特に、第2の電極321Bと第3の電極321Cとの間で、第2のプラズマCVD装置200に比べて、より高い密度のプラズマを発生させることが可能になる。
なお、第3のプラズマCVD装置300においても、磁石配列360中の少なくとも一組の隣接する2つの磁石は、「同一極性配置」となるように配置されている。すなわち、少なくとも一つの隣接磁石組は、電極群320に対向する側の極性が等しくなるように配置される。
例えば、図5に示す構成において、隣接する第1の磁石361aおよび第2の磁石361bは、いずれも、S極(またはN極)が上側、すなわち電極群320の側となるように配置されても良い。あるいは、隣接する第2の磁石361bおよび第3の磁石361cは、いずれも、S極(またはN極)が上側、すなわち電極群320の側となるように配置されても良い。また、第1の磁石361a〜第3の磁石361cの全てにおいて、S極(またはN極)が上側、すなわち電極群320の側となるように配置されても良い。
従って、第3のプラズマCVD装置300においても、被処理体390の被処理領域全体におけるプラズマの均一性を高めることが可能となり、この被処理領域におけるプラズマ密度を有意に高めることが可能となる。
このため、第3のプラズマCVD装置300においても、被処理体390の被処理領域での原料ガスの化学反応速度を有意に高めることができ、比較的高い成膜速度で、被処理体390の被処理領域に、緻密な膜を形成することが可能となる。
また、このような効果により、第3のプラズマCVD装置300では、例えば、大面積被処理体への成膜などの際に、プロセス効率をあまり低下させずに、所望の膜を形成することが可能になる。
(本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置の構成部材について)
次に、本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置を構成する主要部材の仕様等について、より詳しく説明する。なお、ここでは、図2に示した第2のプラズマCVD装置200を例に、その構成部材について説明する。従って、以下の説明では、各部材を表す際に、図2に示した参照符号を使用する。ただし、以下の記載が、本発明の範囲内のその他のプラズマCVD装置、例えば第1のプラズマCVD装置100および第3のプラズマCVD装置300等にも、同様にまたは一部を変更して適用できることは、当業者には明らかである。
(電極群220)
前述のように、電極群220は、偶数個の電極221A〜221Dを一列に配置して構成される。隣接する電極同士の間には、原料ガス供給のための空間250−1〜250−3が形成される。
図6には、第2のプラズマCVD装置200における電極群220およびその近傍の構成の一例を概略的に示す。
図6に示すように、電極群220は、左側から順に、第1の電極221A〜第4の電極221Dを有する。各電極221A〜221Dは、第1の方向(X方向)に沿って配列される。また、各電極221A〜221Dは、第2の方向(Y方向)に沿って延伸する中空電極構造となっており、下面(被処理体290と面する側)の中央には、第2の方向(Y方向)に沿って延伸するスリット252A〜252Dが設けられている。
スリット252A〜252Dの幅は、例えば、1mm〜10mmの範囲である。なお、スリット252A〜252Dの代わりに、開口を形成しても良い。
第1の電極221Aと第2の電極221Bの間には、被処理体290に向かって解放された端部(出口)を有する第1の空間250−1が設けられる。同様に、第2の電極221Bと第3の電極221Cの間には、被処理体290に向かって解放された端部(出口)を有する第2の空間250−2が設けられ、第3の電極221Cと第4の電極221Dの間には、被処理体290に向かって解放された端部(出口)を有する第3の空間250−3が設けられる。
また、電極群220は、それぞれの電極221A〜221Dに反応支援ガス(例えば、窒素、酸素、および/またはアルゴン等)を供給するための配管254A〜254Dを有する。さらに、電極群220は、それぞれの空間250−1〜250−3に原料ガスを供給するための原料ガス配管256−1〜256−3を有する。
電極群220が作動する際には、各電極221A〜221Dで放電が生じる。従って、例えば、配管254Aに供給された反応支援ガスは、第1の電極221Aの中空部を通過する過程でプラズマとなり、スリット252Aから噴出される。別の配管254B〜254Dに関しても同様である。また、原料ガス配管256−1に供給された原料ガスは、第1の空間250−1に流通した後、端部(出口)から排出され、プラズマによって分解され活性化される。別の原料ガス配管256−2〜256−3に関しても同様である。
なお、図6に示した電極群220の構成は単なる一例であって、電極群220は別の構成を有しても良い。
(磁石配列260)
前述のように、磁石配列260は、複数の磁石261a〜261cの配列で構成される。各磁石261a〜261cは、等間隔で配置されることが好ましい。
電極群220に対する磁石の配置場所は、特に限られない。例えば、各磁石は、図2(および図5)に示したような態様、すなわち、それぞれの対応する電極221A〜221Dの間の空間250−1〜250−3の直下に配置しても良い。また、図2に示した磁石配置において、さらに、第1の電極221Aの外側境界の直下に相当する位置(第1の磁石261aの左側)、および/または第4の電極221Dの外側境界の直下に相当する位置(第3の磁石261cの右側)に、追加の磁石を配置しても良い。あるいは、各磁石は、図1に示したような態様、すなわち、それぞれの対応する電極の直下に配置しても良い。
また、磁石の数は、特に限られないが、通常の場合、磁石の数は、(電極数−1)〜(電極数+1)の範囲であることが好ましい。例えば、図1に示したような態様では、磁石の数は、電極数と等しくなり、図2および図5に示したような態様では、磁石の数は、電極数−1となる。また、図2および図5において、第1の磁石の左側、および第3の磁石の右側にも追加の磁石を設けるような態様では、磁石の数は、電極数+1となる。
なお、前述のように、磁石配列260において、相互に隣接する少なくとも一組の磁石は、「同一極性配置」となるように配置される必要がある。
前述の図6には、電極群220に対する磁石配列260の配置関係の一例を示す。図6に示すように、磁石配列260を構成する各磁石261a〜261cは、第2の方向(Y方向)に沿って延伸する略棒状の形状を有する。この例では、各磁石261a〜261cは、それぞれ、第1の空間250−1、第2の空間250−2、および第3の空間250−3の略下側に配置されている。
なお、磁石の材料としては、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、およびアルニコ磁石等が挙げられるが、これらに限定されないことは明らかである。
(本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置の適用例)
次に、本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置を適用した成膜設備の一例について、簡単に説明する。なお、ここでは、図2に示した第2のプラズマCVD装置200を例に、そのような装置を有する成膜設備について説明する。従って、以下の説明では、プラズマCVD装置の各部材を表す際に、図2に示した参照符号を使用する場合がある。ただし、以下の記載が、本発明の範囲内のその他のプラズマCVD装置、例えば第1のプラズマCVD装置100および第3のプラズマCVD装置300等にも、同様にまたは一部を変更して適用できることは、当業者には明らかである。
図7には、本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置を備える成膜設備の構成例を概略的に示す。
この成膜設備500では、プラズマCVDプロセスにより、大きな面積を有する被処理体590の表面に、各種膜を成膜することができる。
図7に示すように、成膜設備500は、入口室501、成膜室502、および出口室503を有する。入口室501および出口室503は、成膜室502と接続される。成膜室502には、プラズマCVD装置509が収容されている。このプラズマCVD装置509には、前述の第2のプラズマCVD装置200が使用される。
また、成膜設備500は、複数のローラ589を備える搬送装置588を有する。搬送装置588は、成膜室502内に収容され、被処理体590を成膜室502内で、搬送方向aに沿って搬送する役割を有する。被処理体590は、例えば、ガラス基板、金属基板、またはセラミック基板等であっても良い。
このような成膜設備500において、被処理体590に成膜を行う際には、まず、入口室501に被処理体590が搬入される。
次に、入口室501、成膜室502、および出口室503内が真空状態にされる。その後、被処理体590が成膜室502に搬送される。この際には、搬送装置588が使用されても良い。
次に、プラズマCVD装置509(すなわち第2のプラズマCVD装置200)が稼働される。より具体的には、第2のプラズマCVD装置200に各種ガス(原料ガスおよび反応支援ガス等)が供給されるとともに、電極群220が交流源(図示されていない)に接続され、放電が開始される。これによりプラズマが生じ、成膜反応が開始される。
一方、被処理体590は、搬送装置588によって、ローラ589上を搬送方向aに沿って移動する。これにより、被処理体590は、電極群220を構成する各電極221A〜221Dの下側を順次通過する。その後、被処理体590の第2のプラズマCVD装置200を完全に通過した部分の表面には、所定の厚さの膜が形成される。
被処理体590は、搬送装置588によって連続的に搬送されているため、以降も搬送方向aに沿って、被処理体590の成膜が連続的に遂行される。
その後、必要な領域における成膜が全て完了すると、被処理体590は、出口室503を介して、成膜設備500の外部に排出される。
このような成膜設備500では、被処理体590を搬送しながら、被処理体590に成膜を実施することができるため、成膜効率が有意に改善される。また、大面積の被処理体590への成膜にも対応することができる。
特に、前述のように、成膜設備500は、第2のプラズマCVD装置200を備えるため、被処理体590の被処理領域でのプラズマ密度を有意に高めることができる。従って、被処理体590の被処理領域での原料ガスの化学反応速度を有意に高めることができ、比較的高い成膜速度で、緻密な膜を成膜することが可能となる。その結果、成膜設備500では、被処理体590を有意に大きな搬送速度で搬送した状態で、緻密な膜の成膜を実施することができる。
以上、本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置の構成例について説明した。ただし、本発明は、いかなる種類のプラズマCVD装置にも適用できることは明らかである。例えば、本発明は、被処理体を加熱した状態で成膜を行う熱プラズマCVD装置、および被処理体を加熱しない状態(または最大60℃程度の加熱状態)で成膜を行う、非加熱式プラズマCVD装置のいずれにも適用することができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
(例1)
本発明の一実施形態によるプラズマCVD装置を用いて、被処理体上にTiO膜の成膜を行った。被処理体には、無アルカリガラス基板を使用した。
成膜設備には、前述の図7に示したような設備を使用した。また、プラズマCVD装置には、前述の図5に示したような構成のものを使用した。すなわち、この装置は、4つの電極で構成された電極群を含むプラズマ源と、3つの磁石で構成された磁石配列とを有する。プラズマ源には、前述の図6に示すような構造のものを使用した。磁石配列内の3つの磁石は、いずれも、S極が上向き(被処理体およびプラズマ源側)となるように配置した。
原料ガスには、オルトチタン酸テトライソプロピル(TTIP)(流量350sccm/m)を使用し、反応支援ガスには、酸素ガス(流量4000sccm/m)を使用した。成膜室内の圧力は、1.0Pa以下になるように制御した。
交流電源の周波数は40kHzとし、電圧は、プラズマ源の長さに対する投入電力が80kW/mとなるように印加した。
なお、成膜前の被処理体に対しては、加熱を行っていない。また被処理体の搬送速度は、1.0m/minとした。
成膜後に、被処理体を出口室から取り出し、TiO膜の緻密性を評価した。また、TiO膜の厚さを測定し、この値と被処理体の搬送速度から、TiO膜の成膜速度を算出した。なお、TiO膜の緻密性は、屈折率で評価した。本願発明者らの知見によれば、TiO膜の屈折率は、膜の緻密性の指標として使用できるためである(TiO膜の屈折率が高いほど、緻密性は高い傾向にある)。TiO膜の屈折率は、エリプソメーターにより、波長632nmにおける値として測定した。
図8には、例1において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子の一例を模式的に示す。この図から、前述の図5に示したようなプラズマCVD装置を使用した場合、被処理体の被処理領域全体において、比較的均一かつ高密度な状態で、プラズマが生じていることがわかる。
(例2〜例3)
例1と同様の設備を使用し、同様の方法により、被処理体上にTiO膜の成膜を行った。ただし、例2および例3では、原料ガスの流量および反応支援ガスの流量を、例1の場合とは変化させた。その他の条件は、例1の場合と同様である。
以下の表1には、例1〜例3における、原料ガスの流量、反応支援ガスの流量、得られた成膜速度、および膜の屈折率の値をまとめて示した。
(例4〜例6)
例1と同様の設備を使用し、同様の方法により、被処理体上にTiO膜の成膜を行った。ただし、例4〜例6では、プラズマCVD装置として、前述の図2に示したような構成のものを使用した。このプラズマCVD装置において、電極群は4つの電極で構成され、磁石配列は3つの磁石で構成される。プラズマ源には、前述の図6に示すような構造のものを使用した。磁石配列内の3つの磁石は、いずれも、S極が上向き(被処理体およびプラズマ源側)となるように配置した。
また、例4〜例6において、原料ガスの流量および/または反応支援ガスの流量として、相互に異なる値を使用した。
以下の表2には、例4〜例6における、原料ガスの流量、反応支援ガスの流量、得られた成膜速度、および膜の屈折率の値をまとめて示した。
(例7〜例9)
例4〜例6と同様の設備を使用し、同様の方法により、被処理体上にTiO膜の成膜を行った。ただし、例7〜例9では、磁石配列として、4つの磁石を使用した。各磁石は、電極群を構成するそれぞれの電極の下側に配置した。また、磁石配列内の4つの磁石は、いずれも、S極が上向き(被処理体およびプラズマ源側)となるように配置した。
また、例7〜例9において、原料ガスの流量および/または反応支援ガスの流量として、相互に異なる値を使用した。
以下の表3には、例7〜例9における、原料ガスの流量、反応支援ガスの流量、得られた成膜速度、および膜の屈折率の値をまとめて示した。
(例10〜例12)
例1と同様の設備を使用し、同様の方法により、被処理体上にTiO膜の成膜を行った。ただし、これらの例10〜例12では、プラズマCVD装置として、磁石配列を有しないものを使用した。なお、プラズマ源の構成は、例1で使用したものと同様である。すなわち、これらの例で使用したプラズマCVD装置は、磁石を含まない点のみが、例1の場合と異なる。
また、例10〜例12では、原料ガスの流量および/または反応支援ガスの流量として、相互に異なる値を使用した。
図9には、例10において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子の一例を模式的に示す。この図から、磁石配列を有さないプラズマCVD装置を使用した場合、プラズマは各電極の直下に偏っており、被処理体の被処理領域におけるプラズマ密度はあまり上昇していないことがわかる。
以下の表4には、例10〜例12における、原料ガスの流量、反応支援ガスの流量、得られた成膜速度、および膜の屈折率の値をまとめて示した。
(例13〜例15)
例1と同様の設備を使用し、同様の方法により、被処理体上にTiO膜の成膜を行った。ただし、これらの例13〜例15では、プラズマCVD装置として、磁石配列が単一の磁石を有するものを使用した。この磁石は、プラズマ源の中央部分の下側、すなわち、第2の電極と第3の電極の間の空間の下側となるように配置した。また、この磁石は、S極が上向き(プラズマ源の側)になるように配置した。
なお、プラズマ源の構成は、例1で使用したものと同様である。すなわち、これらの例で使用したプラズマCVD装置は、磁石を1つしか含まない点のみが、例1の場合と異なる。
また、例13〜例15では、原料ガスの流量および/または反応支援ガスの流量として、相互に異なる値を使用した。
図10には、例13において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子の一例を模式的に示す。この図から、単一の磁石を有するプラズマCVD装置を使用した場合、磁石の直上の被処理体の被処理領域では、プラズマ密度が多少向上するものの、被処理領域全体におけるプラズマ密度はあまり上昇していないことがわかる。
以下の表5には、例13〜例15における、原料ガスの流量、反応支援ガスの流量、得られた成膜速度、および膜の屈折率の値をまとめて示した。
(例16〜例18)
例1と同様の設備を使用し、同様の方法により、被処理体上にTiO膜の成膜を行った。ただし、これらの例16〜例18では、プラズマCVD装置の磁石配列は、「同一極性配置」を有さない。すなわち、3つの磁石は、上側の極性が、S極/N極/S極の順に、交互に入れ替わるように配置した。なお、プラズマ源の構成は、例1で使用したものと同様である。すなわち、これらの例で使用したプラズマCVD装置は、3つの磁石の極性の向きのみが、例1の場合と異なる。
また、例16〜例18では、原料ガスの流量および/または反応支援ガスの流量として、相互に異なる値を使用した。
図11には、例16において、TiO膜の成膜の際に、プラズマ源(電極群)から生じるプラズマの様子の一例を模式的に示す。この図から、「同一極性配置」を有しない磁石配列を使用した場合、磁石の直上の被処理体の被処理領域では、プラズマ密度が多少向上するものの、被処理領域全体におけるプラズマ密度はあまり上昇していないことがわかる。
以下の表6には、例16〜例18における、原料ガスの流量、反応支援ガスの流量、得られた成膜速度、および膜の屈折率の値をまとめて示した。
図12には、例1〜例18で得られた成膜速度と屈折率の関係をまとめて示す。
この図から、例1〜例9の結果は、例10〜例18の結果に比べて、グラフの上側にプロットされていることがわかる。また、同一成膜速度で比べると、例1〜例9では、例10〜例18に比べて、より屈折率が高くなっており、緻密なTiO膜が得られていることがわかる。
このように、磁石配列が「同一極性配置」を有するプラズマCVD装置を使用した例1〜例9では、成膜速度をあまり犠牲にせずに、緻密な膜が得られることが確認された。
100 第1のプラズマCVD装置
110 プラズマ源
120 電極群
121A、121B 電極
130 交流電源
140 第1の配線
142 第2の配線
150−1 第1の空間
160 磁石配列
161a、161b 磁石
190 被処理体
200 第2のプラズマCVD装置
210 プラズマ源
220 電極群
221A〜221D 電極
230 交流電源
240 第1の配線
242 第2の配線
250−1〜250−3 空間
252A〜252D スリット
254A〜254D 配管
256−1〜256−3 原料ガス配管
260 磁石配列
261a〜261c 磁石
290 被処理体
300 第3のプラズマCVD装置
310 プラズマ源
320 電極群
321A〜321D 電極
330 交流電源
340 第1の配線
342 第2の配線
350−1〜350−3 空間
360 磁石配列
361a〜361c 磁石
390 被処理体
500 成膜設備
501 入口室
502 成膜室
503 出口室
509 プラズマCVD装置
588 搬送装置
589 ローラ
590 被処理体
A〜C 磁石
G 被処理体
L 磁石配列
P ヌル点

Claims (10)

  1. プラズマCVD装置であって、
    1または2以上の交流源に接続され、プラズマを発生させるプラズマ源と、
    複数の磁石で構成された磁石配列と、
    を有し、
    前記プラズマ源は、電極群を有し、該電極群は、第1の電極および第2の電極を含むn個(ただし、nは2以上の偶数)の電極を、前記第1の電極から番号順に配列することにより構成され、
    前記電極群の各電極は、前記交流源に接続され、
    前記電極群の隣接する電極同士の間には、原料ガス用の流路の出口が形成され、
    前記磁石配列は、各磁石のN極またはS極が前記プラズマ源と対向するように配置され、
    前記磁石配列において、少なくとも一組の隣接する2つの磁石は、前記プラズマ源に対向する側の極性が等しくなるように配置されることを特徴とするプラズマCVD装置。
  2. 前記磁石配列において、全ての磁石は、前記プラズマ源に対向する側の極性が等しくなるように配置される、請求項1に記載のプラズマCVD装置。
  3. 前記磁石配列は、(n−1)個〜(n+1)個の範囲の数の磁石を有する、請求項1または2に記載のプラズマCVD装置。
  4. 前記磁石配列は、(n−1)個の磁石を有し、
    各磁石は、実質的に、前記電極群に設けられた前記原料ガス用の流路の出口のそれぞれと対向する位置に配置される、請求項1乃至3のいずれか一つに記載のプラズマCVD装置。
  5. 前記磁石配列は、n個の磁石を有し、
    各磁石は、実質的に、前記電極群を構成するそれぞれの電極と対向する位置に配置される、請求項1乃至3のいずれか一つに記載のプラズマCVD装置。
  6. 前記電極群を構成するn/2個の電極に供給される電圧は、残りの電極に供給される電圧とは反対の極性を示し、
    少なくとも一組の隣接する2電極には、同極性の電圧が印加される、請求項1乃至5のいずれか一つに記載のプラズマCVD装置。
  7. 前記電極群を構成するn/2個の電極に供給される電圧は、残りの電極に供給される電圧とは反対の極性を示し、
    偶数番目の電極には、同極性の電圧が印加される、請求項1乃至5のいずれか一つに記載のプラズマCVD装置。
  8. さらに、前記プラズマ源と前記磁石配列との間に被処理体を搬送する搬送手段を備える、請求項1乃至7のいずれか一つに記載のプラズマCVD装置。
  9. 前記電極群の各電極は、プラズマ噴射用のスリットを有する、請求項1乃至8のいずれか一つに記載のプラズマCVD装置。
  10. 前記電極群の各電極は、単一の交流電源に接続される、請求項1乃至9のいずれか一つに記載のプラズマCVD装置。
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