(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを不活性ガスで希釈して供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成するとともに、数Torr〜数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガスを反応ガス層流の上層にその流れを乱さないように供給し、反応ガス中に拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成することを特徴とする高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法。
【請求項２】
前記反応ガス層流とラジカルガス流を平行又は鋭角に合流させてなる請求項１記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法。
【請求項３】
前記基板を反応ガスの流れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対的に移動させてなる請求項１又は２記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法。
【請求項４】
ガス流路の少なくとも一側壁面を基板表面で形成するとともに、ガス流路内であって基板表面に対して微小間隔を隔てて仕切板を配設し、該仕切板と基板表面とで反応ガス流路を形成し且つ該仕切板と基板表面と対面するガス流路の他側壁面とで若しくは一対の仕切板間でラジカルガス流路を形成し、前記仕切板の下流側端部を反応ガス流路とラジカルガス流路の合流部となし、反応ガス流路の上流側に膜形成元素を含む反応ガスの供給手段を設け、一方ラジカルガス流路の上流側に数Torr〜数気圧の高圧力プラズマを発生させる高周波高電界領域を形成するとともに、該領域に不活性ガス等のラジカル生成ガスの供給手段を設けてなり、高圧力の反応ガス及びラジカル生成ガスをガス供給手段からそれぞれ供給し、基板表面に沿って反応ガスの層流を形成するとともに、高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガス流を前記合流部で反応ガス層流に合流させ、反応ガス中に拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成することを特徴とする高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【請求項５】
前記仕切板を平行平板となして基板表面に対して平行に配設してなる請求項４記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【請求項６】
前記仕切板の一面を基板表面に対して平行に配設し、他面を基板表面に対して鋭角を有する傾斜面となした請求項４記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【請求項７】
前記仕切板がプラズマ発生用の電極を兼ねてなる請求項４又は５又は６記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【請求項８】
前記基板をガス流路の流れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対的に平行移動させてなる請求項４又は５又は６又は７記載の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法及びその装置に係わり、更に詳しくは荷電粒子による基板の損傷及び基板の加熱による熱的損傷がないとともに、内部に欠陥や表面に凹凸が少なく電気的・光学的特性の優れた薄膜を形成するための連続成膜方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板上に薄膜を作製する技術には、大別して物理的手法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ：ＰＶＤ）と化学的手法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ：ＣＶＤ）があるが、電子工学の分野ではこの中でも化学的手法であるプラズマＣＶＤ法が特に注目されている。プラズマＣＶＤ法では、▲１▼プラズマ中で反応種である中性ラジカルやイオンを作るため基板の温度を自由に制御できること、▲２▼プラズマの高エネルギー状態を利用するため、通常困難な反応などに応用できること、等の利点がある。プラズマの励起、維持手段としては、直流電界、５０／６０Ｈｚ商用周波数からＲ．Ｆ．電界、マイクロ波、ミリ波、光等が用いられている。現在のプラズマＣＶＤは、１Ｔｏｒｒ以下の低圧力下で行われるのが一般的である。特に、最近では、ＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマを利用した高真空中（１０−３〜１０−５Ｔｏｒｒ）でのプラズマＣＶＤが行われている。
【０００３】
しかし、このような低圧プラズマ状態では、非平衡プラズマと呼ばれる電子温度のみが極めて高いプラズマができるが、プラズマ中に発生するイオン，電子のエネルギーも高くなり、電界によって高い運動エネルギーをもって直接基板に衝突することが考えられる。また、低圧であるために成膜速度は遅いといった問題を有する。
【０００４】
また、従来のプラズマＣＶＤでは、例えば多結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜を作製するために一般的に採用されている熱ＣＶＤにおいては１０００〜１２００℃の加熱が必要で、このような高温に曝していると基板と薄膜を構成する元素の相互拡散が生じ、基板と薄膜を構成する元素が相違する場合、基板に微量元素が含まれている場合には、薄膜に不純物が導入されるといった問題も有する。また、比較的低温の処理で多結晶シリコン薄膜を作製するには、先ずアモルファスシリコン薄膜を作製した後、基板を６００〜７００℃に加熱処理してその結晶化を促進させていた。
【０００５】
このように、従来は基板上に作製した薄膜の結晶構造を制御するために、最低約６００℃以上に基板を加熱する必要があった。そのため、基板として低融点の素材は使用できないばかりでなく、基板に熱的損傷を与える可能性がある。また、反応ガスを直接励起してプラズマ状態とするため高電界を必要とし、それにより得られる荷電粒子は高い運動エネルギーを持ち、これらが基板に入射されて薄膜中若しくは基板に欠陥を生じさせるといった問題も有する。
【０００６】
そこで、本出願人は、特開平４−３３７０７６号公報にて開示される如く、数Ｔｏｒｒ〜数気圧の高圧力下で発生及び維持の容易な不活性ガスからなるキャリアガスのプラズマを発生させ、それにより反応ガス分子を気相中若しくは基板上で分解、活性化して高密度の中性ラジカルを生成し、基板上に薄膜を成長させることにより、高速成膜を可能とするとともに、多くの素材で熱的損傷が生じない３００℃程度以下の温度に基板を加熱するだけで薄膜の多結晶化若しくは結晶化を可能にするプラズマ及びラジカルＣＶＤ法による高速成膜方法を既に提供している。つまり、この成膜方法は、プラズマ中で生成された不活性ガスの中性ラジカルや水素原子ラジカルを、そのラジカル生成ガスの流れによってプラズマ外の成膜部に輸送し、膜形成元素を含む反応ガスと混合することにより、反応ガスを気相中で分解し、低温基板上に目的とする薄膜を高速成膜するのである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ガスの流れに乱れがあると、反応ガスが分解されて生成したラジカル種同士が気相中で凝集してクラスタあるいは粉になる。そのようなクラスタや粉が基板上に堆積すると、薄膜の内部に多数の欠陥が取り込まれ、また表面形状も凹凸の激しいものとなり、その結果、形成した薄膜の電気的・光学的特性が悪くなる。
【０００８】
そこで、本発明は前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、プラズマ領域と成膜領域とを分離するといった基本的な技術的思想は前述の公報記載の成膜方法を採用しつつ、反応ガスが分解されて生成したラジカル種同士が気相中で凝集することを抑制し、薄膜の電気的・光学的特性に優れ且つ高速成膜をすることが可能な高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法及びその装置を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題解決のために、反応ガスを不活性ガスで希釈して供給し、基板表面のみに膜形成元素を含む反応ガスを供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成するとともに、数Torr〜数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガスを反応ガス層流の上層にその流れを乱さないように供給し、反応ガス中に拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成してなる高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法を提供する。
【００１０】
この場合、前記反応ガス層流とラジカルガス流を平行又は鋭角に合流させてなることがより好ましい実施例である。更に、前記基板を反応ガスの流れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対的に移動させることが実用的である。
【００１１】
また、連続成膜装置については、ガス流路の少なくとも一側壁面を基板表面で形成するとともに、ガス流路内であって基板表面に対して微小間隔を隔てて仕切板を配設し、該仕切板と基板表面とで反応ガス流路を形成し且つ該仕切板と基板表面と対面するガス流路の他側壁面とで若しくは一対の仕切板間でラジカルガス流路を形成し、前記仕切板の下流側端部を反応ガス流路とラジカルガス流路の合流部となし、反応ガス流路の上流側に膜形成元素を含む反応ガスの供給手段を設け、一方ラジカルガス流路の上流側に数Ｔｏｒｒ〜数気圧の高圧力プラズマを発生させる高周波高電界領域を形成するとともに、該領域に不活性ガス等のラジカル生成ガスの供給手段を設けてなり、高圧力の反応ガス及びラジカル生成ガスをガス供給手段からそれぞれ供給し、基板表面に沿って反応ガスの層流を形成するとともに、高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガス流を前記合流部で反応ガス層流に合流させ、反応ガス中に拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成してなる高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜装置を構成した。
【００１２】
ここで、前記仕切板を平行平板となして基板表面に対して平行に配設してなること、又は前記仕切板の一面を基板表面に対して平行に配設し、他面を基板表面に対して鋭角を有する傾斜面となしたこと、そして前記仕切板がプラズマ発生用の電極を兼ねてなること、更に前記基板をガス流路に対して流れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対的に平行移動させてなることが好ましい実施例である。
【００１３】
【作用】
以上の如き内容からなる本発明の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法及びその装置は、プラズマ発生領域、即ちラジカル生成領域と、成膜領域とを分離し、基板表面のみに膜形成元素を含む反応ガス（原料ガス）を供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成した状態で、プラズマ発生領域で発生された数Ｔｏｒｒ〜数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガスを、前記反応ガスの層流の上層に反応ガスの流れを乱さないように平行又は鋭角に合流させて、ラジカルガス中の中性ラジカルによって反応ガスを分解し、その結果生成された膜形成元素のラジカル種を基板表面に堆積させて成膜するのである。この場合に、基板を反応ガスの流れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対的に移動させることによって、広面積又は連続的な成膜が可能となる。
【００１４】
ここで、反応ガスを不活性ガスで希釈して基板表面に供給することが重要である。その希釈作用を以下に説明する。
▲１▼大気圧におけるガス分子の平均自由行程は数１００ｎｍであるため、反応ガスの濃度が濃い場合、それらが分解されて生成したラジカル種同士が気相中で凝集してクラスタあるいは粉になる。そのようなクラスタや粉が基板上に堆積すると、薄膜の内部に多数の欠陥が取り囲まれ、また表面形状も凹凸の激しいものとなり、その結果、電気的・光学的特性の悪い膜しか得られない。従って、反応ガスを予め不活性ガスで希釈し、反応ガスの平均自由行程を十分長くすれば、気相中でのラジカル種の凝集を抑制することが可能となる。
▲２▼反応ガスの濃度が濃い場合、プラズマ発生領域から輸送されてきた中性ラジカルの数に対して、反応ガス分子の数の方が多くなり、その結果、供給した反応ガスの一部しか分解されないため、高価な反応ガスの利用効率が低くなる。従って、反応ガスを予め不活性ガスで希釈することによって、反応ガスの利用効率を向上させることが可能となる。
【００１５】
【実施例】
次に本発明の詳細を添付図面に示した実施例に基づいて説明する。図１は本発明の成膜原理を示す概念図であり、図中１はガス流路、２は基板表面、３はガス流路１の壁面、４は仕切板、５は反応ガス流路、６はラジカルガス流路をそれぞれ示している。
【００１６】
ここで、「反応ガス」とは、膜形成元素を含む原料ガスのことであり、適宜不活性ガス等を混合したものも総称して反応ガスという。また、「ラジカルガス」とは、不活性ガス等のラジカル生成ガスをプラズマ中で分解あるいは励起して生成した中性ラジカルを含むガスのことである。例えば、基板上にシリコン薄膜を形成する場合には、反応ガスとしてシランガス（ＳｉＨ４  ：原料ガス）とＨｅの混合ガスを用い、ラジカル生成ガスとしてＨｅとＨ２  の混合ガスを用いた。この場合のラジカルガスは、励起状態のＨｅ原子ラジカルと水素原子ラジカル（水素原子の基底状態を含む）及び中性粒子（励起されないＨｅ原子、水素分子）の混合状態である。
【００１７】
本発明の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法は、基板表面のみに膜形成元素を含む反応ガスを供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成するとともに、数Ｔｏｒｒ〜数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガスを反応ガス層流の上層にその流れを乱さないように供給し、反応ガス中に拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を基板表面に堆積させて薄膜を連続的に形成することを要旨としている。
【００１８】
また、本発明の連続成膜装置の第１実施例は、図１（ａ）  に示すように、平行偏平なガス流路１を基板表面２とそれに対向する壁面３とで形成するとともに、ガス流路１内であって基板表面２に対して微小間隔を隔てて仕切板４を配設し、該仕切板４と基板表面２とで反応ガス流路５を形成し且つ該仕切板４と基板表面２と対面するガス流路１の他側壁面３とでラジカルガス流路６を形成し、前記仕切板４の下流側端部を反応ガス流路５とラジカルガス流路６の合流部７となし、反応ガス流路５の上流側に膜形成元素を含む反応ガスの供給手段８を設け、一方ラジカルガス流路６の上流側に数Ｔｏｒｒ〜数気圧の高圧力プラズマを発生させる高周波高電界領域（図示せず）を形成するとともに、該領域に不活性ガス等のラジカル生成ガスの供給手段９を設けてなり、高圧力の反応ガス及びラジカル生成ガスをガス供給手段８，９からそれぞれ供給し、基板表面２に沿って反応ガスの層流を形成するとともに、高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガス流を前記合流部７で反応ガス層流に合流させ、反応ガス中に拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、膜形成元素を基板表面２に堆積させて薄膜を連続的に形成することを特徴としている。
【００１９】
ここで、本発明において基板表面２の近傍に反応ガスの薄い層流を形成し、その上層に反応ガスの流れを乱さないようにラジカルガスの流れを形成することが重要である。本実施例では、平行偏平なガス流路１の幅Ｄ１  を１００μｍに設定し、仕切板４の厚さＤ２  は１０〜２０μｍであり、また反応ガス流路５の幅Ｄ３  は１０〜２０μｍとしている。
【００２０】
そして、ラジカル生成ガスの供給手段９から数Ｔｏｒｒ〜数気圧のラジカル生成ガスを、１０ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの高周波高電界を印加したプラズマ発生領域に供給して高圧力プラズマを発生させ、プラズマ中で生成されたラジカルガスをガス流に伴ってラジカルガス流路６に供給し、反応ガス流路５に供給した反応ガス流と前記合流部７で平行に混合し、該合流部７よりも下流側の成膜領域で反応ガスを分解して基板表面２に堆積させるのである。
【００２１】
本発明の連続成膜装置の第２実施例は、図１（ｂ）  に示すように、ガス流路１を平行に配した一対の基板表面２，２で形成し、各基板表面２に対して微小間隔を隔てて仕切板４を配設し、該仕切板４と基板表面２とで反応ガス流路５を形成し且つ両仕切板４，４間でラジカルガス流路６を形成したものであり、各反応ガス流路５に供給手段８から反応ガスを供給するとともに、ラジカルガス流路６に供給手段９からラジカル生成ガスをプラズマ発生領域を通過させ、生成したラジカルガスを供給し、各仕切板４の下流側端部の合流部７で合流させ、その下流側で前記同様に各基板表面２に薄膜を形成するのである。
【００２２】
本発明の連続成膜装置の第３実施例は、図１（ｃ）  に示すように、ガス流路１を基板表面２とそれに対向する壁面３の平行面３ａとで形成するとともに、ガス流路１内であって基板表面２に対して微小間隔を隔てて仕切板４の平面部４ａを配設して反応ガス流路５を形成し、該平面部４ａに対して鋭角に設定した仕切板４の傾斜部４ｂと、壁面３に該傾斜部４ｂと平行に形成した傾斜面３ｂとでラジカルガス流路６を形成したものである。ここで、前記仕切板４の下流側先端部は、鋭角を有するナイフエッジとなっており、その先端部の幅Ｄ４  は１０〜２０μｍに設定し、下流側端部は合流部７となっている。従って、反応ガス流路５に供給され基板表面２の近傍に形成された反応ガスの薄い層流と、ラジカルガス流路６に供給されたラジカルガス流とは合流部７で鋭角に合流し、その下流側で前記同様に各基板表面２に薄膜を形成するのである。
【００２３】
前述の実施例において、ガス流路１に沿って反応ガスの流れ方向に対して順方向又は逆方向へ基板Ｓを相対的に平行移動させることにより、大きな面積を連続的に成膜することが可能となる。この場合、基板Ｓは剛性を有するガラス板や金属板若しくは合成樹脂板等の剛体板であっても、また可撓性を有する高分子フィルムや金属フィルム等の可撓性フィルムであっても良い。剛体板ではその有効面積にわたって平行移動させ、可撓性フィルムでは一対のドラムに巻き取って成膜領域に連続的に繰り送ることで連続的に成膜するのである。
【００２４】
次に、図２〜図４に示した第１実施例に基づく具体的な成膜装置について説明する。図示したものは、本発明に係る成膜原理を実証するための実験装置であって、基板Ｓは固定して成膜するが、本発明は図示した実施例に限定されるものではない。
【００２５】
本成膜装置は、立設した石英ガラス管１０の上下端を上フランジ板１１と下フランジ板１２とで閉止し、下フランジ板１２の上面には筒状の導電体１３を固定するとともに、導電体１３の中心部に絶縁体１４を介在させて円柱状の中心電極体１５を固定し、前記導電体１３の上端に固定した電極板１６の中心孔１７に前記中心電極体１５の先端を臨ませている。また、前記電極板１６の上面には上下方向に貫通した平行な間隙を有する成膜部１８を取付け、該成膜部１８の間隙内の一側面には基板Ｓを取付け、残余の空間をガス流路１となし、該ガス流路１の下端は前記中心孔１７に臨ませている。また、基板表面２に対して下端寄りに配したスペーサ１９を介して仕切板４を固定し、基板表面２と仕切板４との間に形成された反応ガス流路５に、成膜部１８及び基板Ｓを貫通して反応ガスの供給手段８としての反応ガス供給管２０を接続している。更に、前記導電体１３と中心電極体１５との間に形成された空間部には下フランジ板１２に貫通したラジカル生成ガスの供給手段９としてのラジカル生成ガス供給管２１を接続している。
【００２６】
そして、前記中心電極体１５に高周波高電圧を印加し、一方、電極板１６及び導電体１３を接地し、好ましくは下フランジ板１２を導電性材料で形成し、該下フランジ板１２に導電体１３及び電極板１６を電気的に接続した状態で下フランジ板１２を接地し、中心電極体１５の先端と電極板１６の中心孔１７の間に高周波高電圧領域を形成する。そこで、前記ラジカル生成ガス供給管２１から１気圧程度のラジカル生成ガスを導電体１３と中心電極体１５の間の空間部に供給すると、高周波高電圧領域でラジカル生成ガスに基づく高圧力プラズマが発生し、このプラズマ発生領域Ｐで生成された中性ラジカル等は、中心孔１７を通してラジカルガス流路６に供給される。一方、反応ガス供給管２０から供給された反応ガスは、基板表面２と仕切板４間の反応ガス流路５を通って基板表面２に沿った厚さの薄い層流となる。ここで、反応ガスの圧力は、ラジカル生成ガスの圧力と一致若しくは若干高く設定する。そして、前記上フランジ板１１には排気管２２が接続され、図示しないロータリーポンプ等の排気手段が接続され、石英ガラス管１０の内部が排気される。
【００２７】
また、プラズマの発生によって導電体１３、電極板１６及び中心電極体１５が加熱されるので、導電体１３及び中心電極体１５を水冷するための冷却管２３を内部に配管している。更に、高圧力プラズマの発生状態を確認するため、導電体１３の内外に貫通した覗き窓２４と、上フランジ板１１であって成膜部１８のガス流路１の直上に覗き窓２５を設けている。
【００２８】
図５は、第３実施例に基づく具体的な成膜装置の要部を示し、本成膜装置は基本的には前述の図２〜図４に示した第１実施例に基づく成膜装置と同様であるが、成膜部１８の構造が相違するものである。即ち、本成膜装置の成膜部１８は、その間隙内の一側面に基板Ｓを取付け、残余の空間をガス流路１となし、断面略三角形状の仕切板４の平面部４ａを基板表面２に対して微小間隔を隔てて配設して反応ガス流路５を形成し、該平面部４ａに対して鋭角に設定した仕切板４の傾斜部４ｂと、ガス流路１の他側壁面３に該傾斜部４ｂと平行となるように切欠形成した傾斜面３ｂとでラジカルガス流路６を形成したものである。
【００２９】
次に、本発明の成膜装置におけるガスの供給系及び排気系について図６に基づき簡単に説明する。ガスの供給系は、前記反応ガスの供給手段８とラジカル生成ガスの供給手段９及び窒素ガス等のパージ用ガスの供給手段２６からなり、ガスの排気系は、大気圧以下又は大気圧以上のガスを排気し且つ危険な原料ガスを処理する機能を備えた排気手段２７からなる。前記反応ガスの供給手段８は、本実施例ではシランガスボンベ２８からフィルター２９、ダイアフラム式調整弁３０、開閉弁３１、フィルター３２、流量計３３、ニードル弁３４及び逆止弁３５を直列に接続して反応ガス供給管２０に接続するとともに、ヘリウムガスボンベ３６からダイアフラム式調整弁３７と流量計３８を介して反応ガス供給管２０に接続し、シランガスとヘリウムガスの流量を調節し、混合比率を設定して反応ガス流路５に供給することが可能である。また、ラジカル生成ガスの供給手段９は、本実施例ではヘリウムガスボンベ３９からフィルター４０、ダイアフラム式調整弁４１及び開閉弁４２を介してラジカル生成ガス供給管２１に接続するとともに、水素ガスボンベ４３からダイアフラム式調整弁４４、逆止弁４５、流量計４６、ニードル弁４７及び開閉弁４８を介してラジカル生成ガス供給管２１に接続し、ヘリウムガスと水素ガスの流量を調節し、混合比率を設定してラジカルガス流路６に供給することが可能である。
【００３０】
また、パージ用ガスの供給手段２６は、窒素ガスボンベ４９からダイアフラム式調整弁５０、逆止弁５１及び開閉弁５２を介してシランガスボンベ２８とフィルター２９との間に接続し、通常は開閉弁５２を閉じておき、シランガスを使用する前に配管内の空気（酸素）を窒素に置換し、またシランガスを使用した後に配管内のシランガスを窒素に置換する際に、開閉弁５３を開いて使用するのである。
【００３１】
また、排気手段２７は、排気管２２に接続した配管を分岐し、一方を開閉弁５３を介してロータリーポンプ５４に接続し、更に開閉弁５５を介してシランガスの除外装置５６に接続して排気し、他方をフィルター５７及び開閉弁５８を介して流量計５９に接続し、更に開閉弁６０介して前記除外装置５６に接続して排気するものである。ここで、成膜装置内の圧力、即ち石英ガラス管１０内の圧力を大気圧以下に設定して成膜を行う場合には、開閉弁５８，６０を閉じ、開閉弁５３，５５を開いてロータリーポンプ５４で強制排気し、大気圧以上に設定して成膜を行う場合には、逆に開閉弁５３，５５を閉じ、開閉弁５８，６０を開いて自然排気するのである。また、前記排気管２２は、通常は閉じておく開閉弁６１を介して反応ガス供給管２０にも接続し、開閉弁６１を開くことでシランガスの配管内を排気できるようにしている。
【００３２】
本実施例では、反応ガスとして、シランガスとヘリウムガスの混合ガスを用いるが、更に水素ガスを混合して用いることができるように、前記反応ガス供給管２０は、開閉弁６２を介して水素ガスボンベ４３に接続されたニードル弁４７と開閉弁４８との間に接続されている。このように配管することで、開閉弁６２を開けば反応ガスとして、シランガスとヘリウムガス及び水素ガスの混合ガスを利用することが可能となる。
【００３３】
また、前記ロータリーポンプ５４は、開閉弁６３を介してシランガスボンベ２８に接続されたダイアフラム式調整弁３０と開閉弁３１との間に接続され、開閉弁６３を開くことでシランガスの排気と、またロータリーポンプ５４内のガスを窒素ガスで置換できるようにしている。
【００３４】
次に、前述の第１実施例に基づく成膜装置によって実際に基板表面２にシリコン薄膜を形成する場合を説明する。先ず、反応ガス流路５とラジカルガス流路６の合流部７における流れの状態を計算機シュミレーションで調べ、仕切板４の厚さ及び反応ガス流路５とラジカルガス流路６の幅の最適化を行った。図７は、仕切板４の厚さを５０μｍ、反応ガス流路５の幅を２０μｍ、ラジカルガス流路６の幅を１００μｍとして、ラジカルガスの流れを示している。この場合、合流部７で大きな渦流が発生していることが判り、ラジカルガス流が反応ガスの層流を乱すことが推測される。一方、図８は、仕切板４の厚さを２０μｍ、反応ガス流路５の幅を２０μｍ、ラジカルガス流路６の幅を１００μｍとして、ラジカルガスの流れを示し、この場合は合流部７で渦流が発生しないことが判った。しかし、仕切板４の厚さが２０μｍの場合でも流線の間隔をもっと細かく刻めば、小さい渦流は発生するが、反応ガスの層流を乱さない程度であると推測できる。実際に、仕切板４の厚さが５０μｍのときに得られた薄膜よりも２０μｍの場合の方が、成膜速度も速く、表面の凹凸も少ないことが判った。そこで、本実施例では、仕切板４の厚さを２０μｍに設定して以下の成膜を行った。
【００３５】
また、実際の成膜に先立ち、ヘリウムと水素の混合ガスからなるラジカル生成ガスを用いた大気圧プラズマを発生させ、混合割合を変化させてシランの分解量を調べた。シランの分解量は、基板表面へのシリコンの堆積量（μｍ）を測定して調べた。図９はその結果を示し、水素濃度が約７０％以上の場合においてシランの分解量が多くなることを示し、シランの分解にはヘリウムと水素を混合したラジカル生成ガスを用いることが有効であることが確認された。尚、ヘリウム等の不活性ガスは、プラズマの発生を容易にし且つその維持も安定化するとともに、寿命の比較的長い準安定状態の中性ラジカルを生成する上で不可欠であるので、ヘリウムの濃度は１０〜３０％に設定することが好ましい。
【００３６】
そして、膜成形元素としてシリコンを含むシランガスを主体とした反応ガスを基板表面の近傍に流すとともに、ヘリウムと水素を混合したラジカル生成ガスをプラズマ発生領域を通過させて生成したラジカルガスを反応ガスの層流の上層に平行に流してシリコン薄膜の成膜を行った。成膜条件によらず、反応ガスとラジカルガスの合流部から下流に向かって基板にしっかり付着したシリコン薄膜が得られた。この場合の成膜条件を以下の表に示す。
【００３７】
0003632999.tif 000002
【００３８】
この成膜によって、反応ガスとして、純粋なシラン（ヘリウムで希釈しないこと）を用いて成膜した場合、シランの利用効率は数％以下であることが判った。また、最大成膜速度は約５ｎｍ／ｓであった。
【００３９】
一方、反応ガスとして、シランをヘリウムで１０％に希釈した混合ガス（ヘリウム：９０％、シラン：１０％）を用いた場合、供給したシランの約７０％が分解し、成膜に寄与した。この場合の最大成膜速度は約７ｎｍ／ｓであった。また、シランをヘリウムで２．５％に希釈した混合ガス（ヘリウム：９７．５％、シラン：２．５％）を用いた場合、供給したシランの略全てが分解し、成膜に寄与した。この場合の最大成膜速度は約２ｎｍ／ｓであった。これらの結果は図１０に示し、このグラフの横軸はシランガス合流部からの距離であり、縦軸は成膜速度である。
【００４０】
以上のことから、シランガスをヘリウムで希釈することによって、シランの利用効率を大幅に高め得るとともに、最大成膜速度も向上することが判った。また、シランガス合流部からの距離に応じて成膜速度を制御でき、シランガスの濃度を下げれば合流部から比較的遠い距離まで略均一厚さの成膜ができることが判った。実際には、ヘリウムで希釈してシランの濃度を２〜２０％の範囲内に設定すれば、効率良く成膜を行えるのである。一般的に、反応ガスとして、膜形成元素を含む原料ガスを不活性ガスで希釈することは有効であると言える。
【００４１】
次に、本発明の技術的思想に基づく連続成膜装置の各種変形例について簡単に説明する。図１１は、長尺の可撓性フィルムＦの表面に連続的に薄膜を形成する装置を示し、導電体１３と中心電極体１５との関係は図２に示した装置と同様であるが、電極板１６と成膜部１８を変形して図１（ｃ）  に示した第３実施例と同様なガス流路１を形成し、更に可撓性フィルムＦの送り機構を付加したものである。この場合、前記導電体１３の上面６４は同一平面となし、該上面６４に平行平板状の電極板１６ａと、該電極板１６ａよりも肉厚の平行平板状の電極板１６ｂとを、互いの端縁を対向させて固定している。一方の電極板１６ａの上面は前記壁面３の平行面３ａに対応し、端縁上面に切欠形成した鋭角のナイフエッジ状の斜面は傾斜面３ｂに対応している。他方の電極板１６ｂの上面は前記仕切板４の平面部４ａに対応し、端縁下面に切欠形成した鋭角のナイフエッジ状の斜面は傾斜部４ｂに対応している。そして、前記各電極板１６ａ，１６ｂと平行であり且つ所定間隔を設けてガイド部材６５を配設し、該ガイド部材６５の下面は平面状の摺動面６６となっている。そこで、ガイド部材６５の両側に一対のドラム６７，６８を配設し、両ドラム６７，６８に巻回した可撓性フィルムＦの中間部をガイド部材６５の摺動面６６に密接させている。
【００４２】
ここで、可撓性フィルムＦと電極板１６ｂの平面部４ａとの間には微小な間隙を有し、該間隙が前記反応ガス流路５となり、また電極板１６ａの傾斜面３ｂと電極板１６ｂの傾斜部４ｂとの間隙が前記ラジカルガス流路６となり、ラジカルガス流路６の下方開口部は前記中心電極体１５の先端に対峙している。この場合、反応ガスは可撓性フィルムＦと電極板１６ｂの間に供給され、ラジカルガスは両電極板１６ａ，１６ｂの間隙から供給され、一方のドラム６７から他方のドラム６８へ可撓性フィルムＦを反応ガスの流れ方向と同じ順方向へ繰り送ることによって、その下面に連続的に薄膜を形成するのである。また、ドラム６７，６８は逆回転させれば、反応ガスの流れ方向と逆方向へ可撓性フィルムＦを移動させることが可能である。その他の構成は前記同様であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は省略する。
【００４３】
図１２は、同時に二つの可撓性フィルムＦ１，Ｆ２の表面に連続的に薄膜を形成することが可能な装置の要部を示し、本成膜装置の基本構成は、図１（ｂ）  に示した第２実施例に対応するもである。本成膜装置は、一対の反対称なガイド部材６９，７０を対向させて配設し、それぞれの平行な摺動面６９ａ，７０ａと端部側へテーパー状に拡開した傾斜した摺動面６９ｂ，７０ｂとでガス流路１を形成し、各傾斜した摺動面６９ｂ，７０ｂには所定間隔を隔てて電極を兼ねた仕切板７１，７２を配設するとともに、各ガイド部材６９，７０の摺動面に沿って前記同様にドラム６７，６８に巻回された可撓性フィルムＦ１，Ｆ２の中間部を密接させたものである。そして、両仕切板７１，７２に高周波高電圧を印加すると、その間隔が狭まった先端間に高周波高電界領域（プラズマ発生領域Ｐ）が形成される。その他の構成は前記同様であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は省略する。
【００４４】
図１３は、同時に二枚の剛性を有する基板Ｓ１，Ｓ２の表面に連続的に薄膜を形成することが可能な装置の要部を示し、本成膜装置の基本構成は、図１（ｃ）  に示した第３実施例に対応するものである。本成膜装置は、先端の断面形状がテーパー状を有し、他は平行な平面部を有する主電極体７３と、該主電極体７３の先端部に所定間隔を隔てて且つ互いに所定の間隔を隔てて配設した一対の副電極体７４，７５とで電極部を構成し、前記主電極体７３のテーパー状の各斜面７３ａ，７３ｂと副電極体７４の先端の斜面７４ａ及び副電極体７５の先端の斜面７５ａを略平行に設定し、更に主電極体７３の一側平面部と副電極体７４の平面部に対して所定間隔を隔てて平行に基板Ｓ１を配するとともに、主電極体７３の他側平面部と副電極体７５の平面部に対して所定間隔を隔てて平行に基板Ｓ２を配したものである。ここで、前記副電極体７４，７５と各基板Ｓ１，Ｓ２の間が反応ガス流路５となり、主電極体７３の各斜面７３ａ，７３ｂと副電極体７４，７５の各斜面７４ａ，７５ａの間がラジカルガス流路６となる。そして、前記主電極体７３に高周波高電圧を印加し、副電極体７４，７５は接地し、主電極体７３の先端部にプラズマ発生領域Ｐが形成される。また、基板Ｓ１，Ｓ２は電極体に対して平行に相対的移動可能である。その他の構成は前記同様であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は省略する。
【００４５】
図１４は、広い面積の剛性を有する基板Ｓの表面に連続的に薄膜を形成することが可能な装置の要部を示し、本成膜装置の基本構成は、図１（ｃ）  に示した第３実施例に対応するものである。本成膜装置は、電極ブロック体７６の平面部７７に開口し且つ該平面部７７に対して鋭角に傾斜したスリット状の反応ガス流路５とラジカルガス流路６を略平行に形成し、平面部７７に対して所定間隔を隔てて平行に基板Ｓを配設したものである。また、反応ガス流路５はラジカルガス流路６よりも上流側に開口している。反応ガス流路５とラジカルガス流路６とによって分断された電極ブロック体７６の各小ブロックを下流側から順に７６ａ，７６ｂ，７６ｃとし、各小ブロックは電気的に絶縁されている。そして、小ブロック７６ａと７６ｂ間に高周波高電圧を印加して、ラジカルガス流路６の平面部７７に開口した部分のプラズマ発生領域Ｐで高周波プラズマが発生し、生成したラジカルガスが基板Ｓと平面部７７の間を流れてきた反応ガス流と合流し、その合流部７の下流で薄膜が形成される。この場合、基板Ｓと電極ブロック体７６とを相対的に平行移動させることで、基板Ｓの大きい面積に連続的に薄膜を形成することができる。
【００４６】
図１５は、図１４に示した成膜装置の電極ブロック体７６をタンデムに配した構造のものであり、各電極ブロック体を７８，７９，８０で示している。尚、図示しないが、各電極ブロック体７８，７９，８０は、それぞれ電気的に絶縁している。本成膜装置の成膜原理は前記同様であるが、前述の各電極ブロック体を７８，７９，８０の反応ガス流路５及びラジカルガス流路６に同時にガスを供給するのではなく、例えば電極ブロック体８０にガスを供給して一定時間成膜を行い、その後電極ブロック体８０のガス供給を止めて次の下流側の電極ブロック体７９にガス供給を開始し、一定時間成膜を行うというように、各電極ブロック体での成膜を順番に行うのである。従って、原理的には基板Ｓを移動させなくても大面積の成膜が可能である。但し、薄膜の均一性を向上させる目的で、基板Ｓを相対的に移動させる機構を設けることが好ましい。その他の構成は前記同様であるので、同一構成には同一符号を付してその説明は省略する。
【００４７】
【発明の効果】
以上にしてなる本発明の高圧力下でのラジカルＣＶＤ法による連続成膜方法及びその装置によれば、プラズマ発生領域、即ちラジカル生成領域と、成膜領域とを分離し、基板表面のみに膜形成元素を含む反応ガス（原料ガス）を不活性ガスで希釈して供給し、基板表面の近傍に厚さ及び密度が均一且つ厚さの薄い反応ガスの層流を形成した状態で、プラズマ発生領域で発生された数Torr〜数気圧の高圧力プラズマ中で生成した高密度の中性ラジカルを含むラジカルガスを、前記反応ガスの層流の上層に反応ガスの流れを乱さないように平行又は鋭角に合流させて、反応ガス中へ拡散してきた中性ラジカルによって反応ガスを分解し、その結果生成された膜形成元素のラジカル種を基板表面に堆積させて成膜するので、基板を直接プラズマに曝さず、即ち高いエネルギーの荷電粒子による欠陥等の損傷を導入せず且つ３００℃以下の低温度で成膜を行えるとともに、反応ガスが分解されて生成したラジカル種同士が気相中で凝集することを抑制し、その結果気相中でクラスタや粉の発生を防止し、電気的・光学的特性に優れた薄膜を基板表面に高速成膜することができる。つまり、反応ガスを不活性ガスで希釈して基板表面に供給すれば、反応ガス（原料ガス）の濃度が低くなり、ラジカル種同士が気相中で凝集してクラスタあるいは粉になって基板表面に堆積することを確実に抑制することができるとともに、高価で後処理が必要な反応ガスの利用効率を向上させることができる。
【００４８】
この場合に、基板を反応ガスの流れ方向に対して順方向又は逆方向へ相対的に移動させることによって、広面積又は連続的な成膜ができ、極めて実用的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の成膜装置の基本構成を示す原理図であり、（ａ）  は反応ガス流とラジカルガス流を平行に合流させて一枚の基板表面に成膜する場合、（ｂ）  は反応ガス流とラジカルガス流を平行に合流させて同時に二枚の基板表面に成膜する場合、（ｃ）  は反応ガス流とラジカルガス流を鋭角に合流させて一枚の基板表面に成膜する場合を示している。
【図２】本発明の成膜装置の実施例を示す断面図である。
【図３】同じく要部の拡大断面図である。
【図４】図３の要部の拡大断面図である。
【図５】本発明の成膜装置の他の実施例を示す要部の拡大断面図である。
【図６】ガスの供給系と排気系を示す配管図である。
【図７】反応ガス流とラジカルガス流を平行に合流させる場合におけるラジカルガス流の計算機シュミレーションの結果を示す流線図である。
【図８】同じく仕切板を薄くした場合の流線図である。
【図９】ラジカル生成ガス中のヘリウムと水素の混合比に対するシリコン堆積量の変化を示すグラフである。
【図１０】シランガスをヘリウムで希釈した場合におけるシランガス合流部からの距離の変化によるシリコン膜の成膜速度を示すグラフである。
【図１１】可撓性フィルムの表面に連続的に成膜する装置の要部断面図である。
【図１２】同じく二枚の可撓性フィルムの表面に同時に連続的に成膜する装置の要部断面図である。
【図１３】二枚の基板の表面に同時に連続的に成膜する装置の要部断面図である。
【図１４】大面積の基板の表面に連続的に成膜する装置の要部断面図である。
【図１５】同じくタンデム型の成膜装置の要部断面図である。
【符号の説明】
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２  基板
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２  可撓性フィルム
１  ガス流路
２  基板表面
３  壁面
３ａ  平行面
３ｂ  傾斜面
４  仕切板
４ａ  平面部
４ｂ  傾斜部
５  反応ガス流路
６  ラジカルガス流路
７  合流部
８  反応ガスの供給手段
９  ラジカル生成ガスの供給手段
１０  石英ガラス管
１１  上フランジ板
１２  下フランジ板
１３  導電体
１４  絶縁体
１５  中心電極体
１６  電極板
１７  中心孔
１８  成膜部
１９  スペーサ
２０  反応ガス供給管
２１  ラジカル生成ガス供給管
２２  排気管
２３  冷却管
２４，２５  覗き窓
２６  パージ用ガスの供給手段
２７  排気手段
２８  シランガスボンベ
２９，３２，４０，５７  フィルター
３０，３７，４１，４４，５０  ダイアフラム式調整弁
３１，４２，４８，５２，５３，５５，５８，６０，６１，６２，６３  開閉弁
３３，３８，４６，５９  流量計
３４，４７  ニードル弁
３５，４５，５１  逆止弁
３６，３９  ヘリウムガスボンベ
４３  水素ガスボンベ
４９  窒素ガスボンベ
５４  ロータリーポンプ
５６  除外装置
６４  上面
６５  ガイド部材
６６  摺動面
６７，６８  ドラム
６９，７０  ガイド部材
７１，７２  仕切板
７３  主電極体
７４，７５  副電極体
７６  電極ブロック体
７６ａ，７６ｂ，７６ｃ  小ブロック
７７  平面部
７８，７９，８０  電極ブロック体
【図１】
0003632999.tif 000003
【図２】
0003632999.tif 000004
【図３】
0003632999.tif 000005
【図４】
0003632999.tif 000006
【図５】
0003632999.tif 000007
【図６】
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【図７】
0003632999.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003632999.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003632999.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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