JPH0689456B2 - マイクロ波プラズマｃｖｄ法による機能性堆積膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、基体上に堆積膜、とりわけ機能性膜、特に半
導体デイバイス、電子写真用感光デイバイス、画像入力
用ラインセンサー、撮像デイバイス、光起電力素子等に
用いるアモルファス半導体等の機能性堆積膜を形成する
装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来、半導体デイバイス、電子写真用感光デイバイス、
画像入力用ラインセンサー、撮像デイバイス、光起電力
素子、その他各種のエレクトロニクス素子、光学素子等
に用いる素子部材として、アモルファスシリコン、例え
ば水素又は／及びハロゲン（例えばフッ素、塩素等）で
補償されたアモルファスシリコン（以下、「ａ−Si（H,
X）」と記す。）等のアモルファス半導体等の堆積膜が
提案され、その中のいくつかは実用に付されている。

そして、こうした堆積膜は、プラズマCVD法、即ち、原
料ガスを直流又は高周波、マイクロ波、グロー放電によ
って分解し、ガラス、石英、ステンレス、アルミニウム
などの基体上に薄膜状の堆積膜を形成する方法により形
成されることが知られており、そのための装置も各種提
案されている。

ところで最近、マイクロ波グロー放電分解によるプラズ
マCVD法（以下、「MW−PCVD法」と表記する。）が工業
的レベルでも注目されて来ており、該MW−PCVD法により
堆積膜を形成するための装置は、代表的には第３図の略
断面図で示される装置構成のものである。

第３図において、301は反応容器全体を示し、302は真空
容器、303はアルミナセラミックス又は石英等の誘電体
からなるマイクロ波導入窓、304はマイクロ波を伝送す
るマイクロ波導波路、305はマイクロ波電源、306は排気
装置（図示せず）にバルブ（図示せず）を介して連通す
る排気管、307は原料ガス供給源（図示せず）にバルブ3
13を介して連通するリング状の原料ガス供給管、307′
はガス放出孔、308は基体保持板、309は基体、310は基
体加熱ヒーター、311はプラズマ発生領域、312はマイク
ロ波をそれぞれ示している。

なお、真空容器302は放電トリガー等を用いることなく
自励放電にて放電を開始せしめるため、該マイクロ波電
源305の発振周波数に共振するような空胴共振器構造と
するのが一般的である。

そしてこうした装置による堆積膜の形成は次のようにし
て行なわれる。即ち、真空容器302内部を、排気管306を
介して真空排気すると共に、基体309を基体加熱ヒータ
ー310により所定温度に加熱、保持する。次に、原料ガ
ス供給管307を介して、例えばアモルファスシリコン堆
積膜を形成する場合であれば、シランガス、水素ガス等
の原料ガスが該原料ガス供給管に開口せられた複数のガ
ス放出孔307′を通して真空容器302内に放出される。こ
れと同時併行的に、マイクロ波電源305から周波数500MH
z以上の、好ましくは2.45GHzのマイクロ波312を発生
し、該マイクロ波は、導波路304を通りマイクロ波導入
窓303を介して真空容器302内に導入される。かくして、
真空容器302内の導入原料ガスは、マイクロ波のエネル
ギーにより励起されて解離し、中性ラジカル粒子、イオ
ン粒子、電子等が生成され、それ等が相互に反応し基体
309の表面に堆積膜が形成される。

ところで、上記構成のマイクロ波プラズマCVD法による
機能性堆積膜形成装置においては、基体の搬入・搬出、
あるいは真空容器内の保守・点検等のために、少なくと
も１ヶ所の開閉部を設けることが一般である。そして該
開閉部は、真空容器内を真空に保持するため、および導
入された原料ガスのガス雰囲気を保持するために、真空
シール手段を有していることが要求される。

従来、該シール手段としては、例えば、金属製のガスケ
ット、ゴム製のガスケットが用いられているが、開閉の
頻度、シールの確実性等の面から、ゴム製のガスケット
が広く用いられている。

しかしながら、こうした構成の堆積膜形成装置を用いて
くり返しマイクロ波プラズマCVD法による堆積膜形成を
行なったところ、以下のような２つの原因により、次第
に得られる堆積膜の膜質が劣化するという問題があるこ
とが判明した。

即ち、 （ｉ）マイクロ波がガスケットのゴム材質に吸収されて
ゴム材質を劣化させるため、真空シール性能が低下し、
空気のリーク等により堆積膜中の不純物が増大して、堆
積膜の特性が劣化する。

（ii）マイクロ波プラズマがガスケット部分にまで侵入
し、ガスケット近辺やガスケット自体に堆積膜又は粉体
が付着し、真空シール性能を劣化させるとともに、この
様な付着物自体が基体の搬入時又は原料ガス導入時に基
体に付着し、堆積膜の欠陥を発生させる。

そして前述の諸問題は、シランガス（SiH₄）等のケイ素
原子を含む原料ガスを分解して、水素原子又は／及びハ
ロゲン原子を含有する非晶質シリコン（以下、「ａ−Si
（H,X）」と表記する。）等のケイ素化合物膜を、特に
高速で堆積せしめる場合、用いるマイクロ波のエネルギ
ーが大きく、ポリシラン等の粉体が生じやすい等の理由
から、特に顕著なものとなる。

そしてこうした問題は基体が小規模のものであったにし
ても製品の成立に影響を与えるものであるが、基体がサ
イズの大きい、即ちいわゆる大面積基体の複写機、プリ
ンターといったものの感光体の場合にはことさらに影響
は大きい。即ち、複写機用の感光体を例にとれば、その
作成においては、20〜40μｍといった大なる膜厚の堆積
膜を形成するところ、膜堆積時間はおのずと長くなるわ
けであり、そして堆積膜にわずかでも穴が生じでもする
と感光体としての特性・機能を不完全なものにしてしま
い結局は不良品としてしまう。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のごとき従来のMW−PCVD法による堆積膜
形成装置における上述の諸問題を克服して、半導体デバ
イス、電子写真用感光デバイス、画像入力用ラインセン
サー、撮像デバイス、光起電力素子、その他各種エレク
トロニクス素子、光学素子等に用いる素子部材としての
機能性堆積膜を、MW−PCVD法により定常的に高効率で形
成することを可能にする装置を提供することを目的とす
るものである。

即ち、本発明の主たる目的は、MW−PCVD法により機能性
堆積膜を形成する装置において、電子写真感光体のごと
き長大な基体上に、比較的厚い堆積膜を高速成膜する場
合であっても、良好な膜質を有する堆積膜を定常的に形
成することを可能にする装置を提供することにある。

また本発明の他の目的は、量産化に優れ、高品質で、電
気的、光学的、あるいは光導電的に優れた特性を有する
機能性堆積膜を、MW−PCVD法により形成することができ
る装置を提供することにある。

〔発明の構成及び効果〕

本発明者は、従来のMW−PCVD法による堆積膜形成装置に
おける上述の諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成
すべく鋭意研究を重ねたところ、従来のMW−PCVD法によ
る堆積膜形成装置における諸問題は、真空容器の開閉部
の真空シール手段付近の構造を最適化することにより解
決できるという知見を得た。

本発明は、該知見に基づいて更に研究を重ねた結果完成
するに至ったものであり、密閉された真空容器、該真空
容器内に機能性堆積膜形成用基体を保持する手段、該真
空容器内に原料ガス供給する手段、該真空容器内を排気
する手段、および該真空容器内にマイクロ波放電プラズ
マを生成せしめる手段とからなるマイクロ波プラズマCV
D法による機能性堆積膜形成装置であって、前記真空容
器が少なくとも一箇所の開閉部を有しており、該開閉部
の閉鎖時における真空容器との密着部分が、真空容器内
のマイクロ波プラズマ発生空間から順にマイクロ波のシ
ールド手段、真空シール手段によって真空容器外の空間
と分離されていることを特徴とするものである。

以下、本発明のマイクロ波プラズマCVD法による堆積膜
形成装置を図面の実施例により、更に詳しく説明する
が、本発明の堆積膜形成装置はこれによって限定される
ものではない。

第１図は、本発明のマイクロ波プラズマCVD法による機
能性堆積膜形成装置における開閉部を模式的に示す部分
断面略図である。

第１図（ａ）及び（ｂ）は本発明の典型例を示すもので
あり、第１図（ｃ）は従来例を示すものである。

図中、101はマイクロ波プラズマ空間であり、102は開閉
部、103は開閉部と密着する真空容器の壁の残りの部
分、104は密着部分のすきま、105は真空シール手段、10
6は電磁波シールド手段を夫々示している。

以下、第１図（ａ）乃至（ｃ）に図示する開閉部を有す
る装置を用いた場合について詳述する。

第２図（ｃ）に示す従来の装置では、マイクロ波導入
時、開閉部のすきま104からマイクロ波の１部は、プラ
ズマ空間101へもれるが、途中、真空シール手段105に吸
収され、真空シール手段105を発熱させることにより、
劣化させる。

また、同時に原料ガスの分解により発生した、活性種を
含んだプラズマがすきま104より侵入して、真空シール
手段105、開閉部102の壁面、及び真空容器203の壁面
を、堆積膜又は粉体で汚染していく。

この汚染は、すきま104が狭いため、堆積終了後に、プ
ラズマドライエッチング等の手段で清浄することが困難
であり清浄するに充分なドライエッチングを行なうとエ
ッチングのエネルギー、プラズマの熱、フッ素ラジカル
等の活性種により、真空シール手段105は劣化されてし
まう。

一方、本発明による第２図（ａ）に図示する構成の装置
では、堆積時のマイクロ波は電磁波シールド手段106に
よりそれ以上の侵入が阻止されるため、真空シール手段
105は劣化されることもなく、又、膜の堆積、粉体の付
着は、大部分、電磁波シールド手段106までで止まって
しまうため、開閉部102の開閉の際、真空シールの能力
が低下することはない。

又、必要に応じて、真空シール105を劣化させることな
く電磁波シールド106に付着した堆積膜粉をドライエッ
チング等の手段で除去することが、容易にできる。

さらに、本発明の効果として、電磁波シールド手段106
がマイクロ波を反射させることによりシールドする方法
であれば、局部的なマイクロ波の反射の差が生じず、反
応槽内の空胴共振条件がとりやすく大きなＱ値を得るこ
とができる。

第２図（ｂ）は、本発明の装置の実施例を示すものであ
り、電磁波シールド手段106と真空シール手段105とが別
の部分に位置するように配置されている。

さらに、本発明の装置においては、最もマイクロ波プラ
ズマ側の電磁波シールド手段が、最もマイクロ波プラズ
マ側の真空シール手段より、マイクロ波プラズマ側であ
れば、電磁波シールド手段106、真空シール手段105の少
なくとも一方が複数でも、又、その配置が任意の順序で
あっても有効である。

本発明における電磁波シールド手段106は、本発明の目
的を効率的に達成せしめるためには、真空容器内の圧力
変化等によるすきま104の間隔の変化に追従しうるに充
分な弾性を有していることが、重要であることを本発明
者は実験的に確認した。

即ち、該弾性を有する電磁波シールド手段としては弾性
率の大きな金属材質による、Ｌ字部分、又は、曲線部分
を有するバネ構造の電磁波シールド材を用いることが望
ましい。特に、円筒状構造、一部が欠けた円筒状構造
（Ｃ字形構造）、スパイラル構造、又は、それらの変形
した構造をその一部分に持つ、金属性シールド材が耐久
性、確実性の面から最適である。そして、マイクロ波プ
ラズマ空間側からみた開口部の巾が、使用しているマイ
クロ波の波長λに対して、λ/8以下、最適にはλ/16以
下の場合、本発明の電磁波シールドは、有効な効果を得
ることができる。

前述のシールド材の材質としては、鉄、銅、ニッケル、
クロム、アルミニウム、スズ、亜鉛等の金属又は、いず
れかを一部含む合金、特にステンレスが良好である。

又、これらの材質の表面を、メッキ、真空蒸着、スパッ
タリング等の手段で処理することにより、さらに良好な
結果が得られる。表面処理のための材質としては、金、
銀、カドミウム、クロム、スズ、鉛、ニッケル、ベリリ
ウム、亜鉛、マグネシウム等が、有効である。

本発明の装置により堆積膜を形成するについて使用され
る原料ガスは、高周波またはマイクロ波のエネルギーに
より励起種化し、化学的相互作用して基体表面上に所期
の堆積膜を形成する類のものであれば何れのものであっ
ても採用することができるが、例えば、ａ−Si（H,X）
膜を形成する場合であれば、具体的には、ケイ素に水
素、ハロゲン、あるいは炭化水素等が結合したシラン類
及びハロゲン化シラン類等のガス状態のもの、または容
易にガス化しうるものをガス化したものを用いることが
できる。これらの原料ガスは１種を使用してもよく、あ
るいは２種以上を併用してもよい。また、これ等の原料
ガスは、He、Ar等の不活性ガスにより稀釈して用いるこ
ともある。さらに、ａ−Si（H,X）膜はｐ型不純物元素
又はｎ型不純物元素をドーピングすることが可能であ
り、これ等の不純物元素を構成成分として含有する原料
ガスを、単独で、あるいは前述の原料ガスまたは／およ
び稀釈用ガスと混合して反応室内に導入することができ
る。

また基体については、導電性のものであっても、半導電
性のものであっても、あるいは電気絶縁性のものであっ
てもよく、具体的には金属、セラミックス、ガラス等が
挙げられる。そして成膜操作時の基体温度は、特に制限
されないが、30〜450℃の範囲とするのが一般的であ
り、好ましくは50〜350℃である。

また、堆積膜を形成するにあたっては、原料ガスを導入
する前に反応室内の圧力を５×10^-6Torr以下、好ましく
は１×10^-6Torr以下とし、原料ガスを導入した時には反
応室内の圧力を１×10^-2〜1Torr、好ましくは５×10^-2
〜1Torrとするのが望ましい。

なお、本発明の装置による堆積膜形成は、通常は、前述
したように原料ガスを事前処理（励起種化）することな
く反応室に導入し、そこでマイクロ波のエネルギーによ
り励起種化し、化学的相互作用を生起せしめることによ
り行なわれるが、二種以上の原料ガスを使用する場合、
その中の一種を事前に励起種化し、次いで反応室に導入
するようにすることも可能である。

（実施例） 以下、第２図に示す本発明の実施例装置を用いた機能性
堆積膜の形成について具体的に説明するが、本発明はこ
れらによって限定されるものではない。

第２図（ａ）は、電子写真用感光体ドラムを製造するの
に適した、マイクロ波CVD法による機能性堆積膜形成装
置を模式的に示す透視略図であって、第２図（ｂ）は該
装置の天板が開口している状態を示す図である。

第２図において、201は真空容器、202はマイクロ波透過
性物質からなるマイクロ波導入窓、203はマイクロ波導
波部、204はマイクロ波、205は排気管、206はドラム状
基体、207はプラズマ発生領域を夫々示している。な
お、プラズマ発生領域207は、マイクロ波導入窓202およ
び同心円上に配置された基体206、206、・・・に囲まれ
たマイクロ波空胴共振構造となっており、導入されたマ
イクロ波のエネルギーを効率良く吸収する。

円筒状真空容器201は、第３図（ｂ）に図示するごと
く、上部天板208がマイクロ波導入窓202及びマイクロ波
導波部203とともに開閉し、基体206の搬入、搬出が容易
にできる構造となっている。

上部天板208と、真空容器側の連結部209の構造が、第２
図（ａ）に示すものを実施例として用い、第２図（ｃ）
に示すものを比較例として用い、同時に以下のようにし
て感光ドラムの成膜を行なった。

なお、真空シール手段としては、いずれもゴム製Ｏリン
グ（バイトン）を用い、電磁波シールド手段としてはス
テンレス製スパイラルシールド材を用いた。

まず、真空容器201の内部を、排気管205を介して真空排
気するとともに、円筒状基体206、206・・・・・に内蔵
されたヒーター（図示せず）により所定温度に加熱保持
し、駆動モーター（図示せず）を用いて所望の回転速度
で一定に回転させた。

こうしたところへ、原料ガス供給管（図示せず）を介し
て、シランガス（SiH₄）、水素ガス（H₂）ジボランガス
（B₂H₆）等の原料ガスを第１表に示す条件で真空容器20
1内に、１×10^-2Torr以下の真空度を維持しながら放出
した。次に、周波数2.45GHzのマイクロ波を導波部203及
びマイクロ波透過性物質からなる導入窓202を介してプ
ラズマ発生領域207内に導入し、円筒状基体206、206・
・・・・上に、電荷注入阻止層、感光層、及び表面層の
夫々を続々に形成せしめ、阻止型構造の感光体ドラムを
得た。

以上の様にして、作成した感光ドラムを、キャノン株式
会社製複写機NP7550に設置し、画像を出力したところ、
第２表に示す結果となった。

第２表に示す様に、第１回目の成膜では比較例、本発明
実施例共、非常に良好な結果が得られたが、成膜をくり
返すに従い、比較例では、画質が低下していった。

本発明者は、これらの結果を詳細に調べた結果以下の２
点を確認した。

即ち、従来装置において、 （１）画像流れは、マイクロ波の吸収のため、Ｏリング
が加熱し劣化したため、空気が真空容器201内にリーク
したために発生した。

（２）画像欠陥は、真空容器201の天板208と、真空容器
側の密着部分のＯリングまでのすきま（第１のすきま10
4に相当）及びＯリング上に形成した堆積膜が、天板の
開閉時にはがれ、基体に付着したために発生した。

これに対し、これらの画質低下は、スパイラル状の電磁
波シールドをマイクロ波プラズマ側にもつ本発明の実施
例では、まったく発生せず、高速堆積をくり返し行なう
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、マイクロ波プラズマCVD法による堆積膜形成
装置の真空シール部付近の断面略図であり、（ａ）及び
（ｂ）は本発明の典型例、（ｃ）は従来例である。 第２図（ａ）、（ｂ）は本発明のマイクロ波プラズマCV
D法による機能性堆積膜形成装置の典型的一例を示す透
視略図である。 第３図は、マイクロ波プラズマCVD法による平板基板上
への堆積膜形成装置の断面略図である。 図において、 101……マイクロ波プラズマ空間、102……開閉部、103
……真空容器、104……すきま、105……真空シール手
段、106……電磁波シールド手段、201……真空容器、20
2……マイクロ波導入窓、203……導波部、204……マイ
クロ波、205……排気管、206……基体、207……マイク
ロ波プラズマ空間、208……天板、209……天板連結部、
301……反応容器、302……真空容器、303……マイクロ
波導入窓、304……導波管、305……マイクロ波発振器、
306……排気管、307……原料ガス供給管、308……基体
保持板、309……基体、310……ヒーター、311……プラ
ズマ発生領域、312……マイクロ波、313……バルブ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】密封された真空容器、該真空容器内に機能
   性堆積膜形成用基体を保持する手段、該真空容器内に原
   料ガスを供給する手段、該真空容器内を排気する手段、
   および該真空容器内にマイクロ波放電プラズマを生成せ
   しめる手段とからなるマイクロ波プラズマCVD法による
   機能性堆積膜形成装置であって、前記真空容器が少なく
   とも一ヶ所の開閉部を有しており、該開閉部の閉鎖時に
   おける真空容器との密着部分が、真空容器内のマイクロ
   波プラズマ発生空間から順にマイクロ波のシールド手
   段、真空シール手段によって真空容器外の空間と分離さ
   れていることを特徴とするマイクロ波プラズマCVD法に
   よる機能性堆積膜形成装置。