JPS637374A - マイクロ波プラズマｃｖｄ法による機能性堆積膜の形成法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
導体デバイス、電子写真用感光体デバイス、画像入力用
ラインセンサー、撮像デ・２イス、光起電力デバイス等
に用いるアモルファス半導体膜等の機能性堆積膜を形成
する方法及び装置に関する。

〔従来技術の説明〕

従来、半導体デバイス、電子写真用感光体デバイス、画
像入力用ラインセンサー、撮像デバイス、光起電力デバ
イス、その他各種エレクトロニクス素子、光学素子、等
に用いる素子部材トシて、アモルファス・シリコン、例
えば水素原子又は／及びノ・ロゲン原子（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−３ｉ（Ｈ，Ｘ）　Ｊと表記する。）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、耐熱性合成樹脂フィルム
、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、ｒＭＷ−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Ｍ　Ｗ　−
Ｐ　ＣＶ　Ｄ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、１は真空容器、２はマイクロ波導入窓
（石英、アルミナ、セラミックス等製）、３はマイクロ
波導波路、４は図示しないマイクロ波電源からのマイク
ロ波、５は図示しない排気装置にバルブ（図示せず）を
介して連通する排気管、６は基体、７は真空室、８は図
示しない原料ガス供給源に連通する原料ガス供給管、そ
して９は基体加熱ヒーター９′を内蔵する基体ホルダー
をそれぞれ示す。

そしてこの装置による堆積膜形成は以下のようにして行
われる。即ち、真空容器１内部を、排気管５を介して２
　Ｘ　１０−５ｔｏｒｒの真空度になるように真空排気
すると共に、基体６をヒーター９により２５０℃に加熱
、保持する。次に、原料ガス供給手段（図示せず）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（例えば５ＩＦ４ガス）流量５
００ｓｅｃｍ、水素ガス（Ｈ２ガス）流量２００　ｓｅ
ｃｍの混合原料ガスを、リング形状で内側に複数のガス
放出孔を有する原料ガス放出リング８を介して、真空容
器１内の基体６近傍にＩ　Ｘ　１０−２ｔｏｒｒの真空
度を維持しながら放出する。

次にマイクロ波電源（図示せず）から、例えば周波数２
．４５ＧＨ２のマイクロ波４をマイクロ波導波路３およ
びマイクロ波共振構造としたマイクロ波導入窓２を介し
て真空室７内に導入する。

かくして真空室７にプラズマが生起し、化学的相互作用
をもたらして基体６の表面に堆積膜が形成されるところ
となる。

ところで真空室７内で生起・する前記プラズマは、電子
とイオン粒子からなる電離体であることから、−種の電
気的導体として作用する。特に、周波数２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波電力によってプラズマを励起させた場合、
その高周波振動に追従運動可能なイオン粒子は、電子の
ように低質量のものに限られる。したがって、生起した
プラズマの密度を考慮する場合、電子密度に着目すれば
十分である。ところが、真空度２Ｘ１０−２ｔｏｒｒそ
して、マイクロ波電力２００Ｗの条件下で生起したプラ
ズマが、電子温度がＴｅ　＝　４電子ボルト（以下ｅＶ
と記す）程度であり、電子密度がｎｅ　＝　ｌ　Ｑ”ｍ
−３程度の低圧放電プラズマであると、２．４５ＧＨｚ
のマイクロ波は導入窓から数１０μｍの距離のプラズマ
界面で反射されてしまい、プラズマ中に進入することが
出来なく、プラズマ密度は導入窓から遠ざかるに従って
、急激に減衰するところとなる。

そのため、上述のごとき従来装置により大面積基体にマ
イクロ波プラズマを用いて所望のアモルファス・シリコ
ン堆積膜を形成するとなると、大口径のマイクロ波導入
窓の使用が必要になり、その場合、いずれにしろそうし
た大口径のマイクロ波導入窓を装置に設置するところ、
装置規模は不可避的に犬きぐなってしまい、該マイクロ
波導入窓が真空容器１の一壁を兼ねることから、装置強
度に係る別途の問題を生じ装置設計上、特段の配慮を払
う必要性が生じるのに加えて、真空室７の容積がいきお
い大きくなるところ原料ガスの利用効率が低下してしま
うといった問題を惹起し、所望の成膜製品が得られたに
してもそれをかなりコスト高のものにしてしまう。

以上は、基体が平板状の場合についてのところであるが
、基体を円筒状にしてその大面積化をはかる観点に立っ
て第３図に図示の装置原理で第２図に図示のように装置
設計して大面積円筒状基体表面に所望の堆積膜を形成す
るとなると、下述するように各種の問題が存在する。

第２図において、１は円筒状の真空容器、２は円形マイ
クロ波導入窓（石英、アルミナ、セラミックス等Ｍ）、
３はマイクロ波導波管、４は図示しないマイクロ波電源
からのマイクロ波、５は図示しない排気装置に排気パル
プ（図示せず）を介して連通ずる排気管、６は基体保持
円筒９上に設置した円筒状基体、７は真空室、８は図示
しない原料ガス供給源に連通ずる原料ガス放出リング、
９は基体加熱ヒーター９′を内蔵する基体保持円筒をそ
れぞれ示す。

そして、第２図に図示の装置による円筒状基体６上への
堆積膜形成は上述の第３図に図示の装置の場合と同様に
して行われる。

ところで、第２図に図示の装置による堆積膜形成を、成
膜操作時の真空室７の真空度（内圧）を２　Ｘ　１０−
２Ｔｏｒｒにする場合、８　Ｘ　１０−３Ｔｏｒｒ　Ｋ
する場合、そして５　Ｘ　１０−３Ｔｏｒｒ　Ｋする場
合の堆積膜形成状態を、円筒状基体の中心軸方向のａ−
ｓｌ：Ｈ：Ｘ膜堆積速度分布の観点で観察してみると以
下のようである。

即ち、第４図に示すグラフは、長さ４００＋＋ｏｎの円
筒状基体の上部からマイクロ波電力を投入した場合の膜
堆積速度分布を表わすものである。

第４図のグラフにおいて、実線ａは、２Ｘ１０−”Ｔｏ
ｒｒの真空度でのａ−８ｉ　：Ｈ：Ｘの膜堆積の場合の
膜堆積速度分布であり、破線６は、８Ｘ１０−３’Ｉ’
ｏｒｒの真空度でのａ−８ｉ：Ｈ：Ｘの膜堆積の場合の
膜堆積速度分布である。

この第４図のグラフからするに、曲線ａに比べて曲線す
の方が成膜領域が拡大していることが理解される。この
ことからして、真空度が高くなるにつれて、成膜に寄与
する活性種の平均自由行程が延びそれにより成膜領域が
拡大するものと考えられはするものの、実際はそうでは
ない。

即ち、真空室７の真空度（内圧）を５Ｘ１０−３Ｔｏｒ
ｒにして前述と同様にして成膜操作すると、断続放電罠
なってしまい安定して成膜を行うことができなくなる。

また、暗導電率σｄ（Ω−’ｃｍ−’）及び明／暗導電
率比（Ｓ／Ｎ比）について観察してみると以下のようで
ある。

即ち、第４図のグラフに示したａ−８ｉ　：Ｈ：Ｘ堆積
膜についての暗導電率σｄ（Ω−’ｃｒｎ”’）の基体
軸方向分布は第５図のグラフに示すとおりであり、また
それら堆積膜の明／暗導電率比の基体軸方向分布は第６
図のグラフに示すとおりである。なお、第５及び６図の
グラフにおいて、実線ａは、２　Ｘ　１０−２Ｔｏｒｒ
の真空度でのａ　−Ｓｉ　：Ｈ：Ｘの堆積膜の場合につ
いてのものであり、破線すは、真空度８　Ｘ　１Ｏ−３
Ｔｏｒｒの真空度でのａ　−Ｓｉ　：Ｈ：Ｘの堆積膜の
場合についてのものである。

第６図のグラフからするに、膜堆積速度が遅い領域はど
Ｓ／Ｎ比のよい膜が得られるということができはするも
のの、要するに特性分布は基体軸方向に暗導電率で一桁
程度もの差を生じてしまう。

したがって、第２図に図示の類の装置によっては、大面
積円筒状基体への所望の堆積膜を定常的に安定して形成
するのは極めて困難であることが理解される。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述した類の装置における上述の諸問
題を克服して、アモルファスシリコン（ａ−３ｉ）半導
体膜、特に大面積の半導体デバイス、光起電力素子、電
子写真感光体デバイス、その他の各種エレクトロニクス
素子、光学素子等に用いられる素子部材としての機能性
堆積膜を、ＭＷ−ＰＣＶＤ法により安定して形成する方
法及び装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

本発明は、本発明者が前述した類の装置における諸問題
を解決して上記本発明の目的を達成すべく鋭意研究を重
ね、下述する知見を得、該知見に基いて更なる研究を行
った結果完成するに至ったものである。

本発明者はまず、マイクロ波で励起されるような低圧放
電プラズマ（電子密度ｎｅ＝１０１５〜１０１７ｒｒ？
）を十分に自己励起させようとする場合、プラズマ生起
室（真空室）の形状がマイクロ波共振器として作用する
構造のものである必要のあることを見極めた。

即ち、前出の第２図に図示する類の中心導体（円筒状基
体）を有する装置構造のものについていえば、プラズマ
生起室（真空室）がマイクロ波に対して同軸若しくは半
同軸共振器としての構造を有することが必要である。

この知見をもって前出の第２図に図示する類の装置につ
いて検討したところ、該装置における高真空雰囲気下で
マイクロ波プラズマが不安定放電になる原因は、プラズ
マ生起室（真空室）がマイクロ波に対して同軸若しくは
半同軸共振器となる構造を有さないことから、プラズマ
の生起領域が真空度によって変化して望ましい共振条件
からズしてしまうことにあることが判明した。

即ち、同軸共振器構造となる空間以外の、たとえば排気
口等の空間がマイクロ波の進入可能な開口を有する場合
には、該空間もマイクロ波共振器の一部として作用し、
とりわけ高真空雰囲気中でのマイクロ波伝搬経路内に排
気口等がある場合には共振条件はズレるところとなる。

因みに、前出の装置の設計は、−般的には同軸形プラズ
マ生起室（真空室）について、そのマイクロ波導入窓を
ＴＥ１１モードのものにし、そして真空室を公知の同軸
共振器理論に沿った形状のものにし、そこに周波数２．
４５ＧＨ２のマイクロ波を投入するようにし、そして排
気管についてその開口直径を３．５８ｃｎ１以上のもの
にするところ、該排気口にもマイクロ波は進入し共振器
の一部として作用して上述の問題を惹起するところ、こ
の問題を回避すべく装置設計を別途前えねばならない。

しかしながら、このような複数な構造を考慮して共振条
件を設定することは実用上困難である。

こうしたところにあって本発明者は、基体を円筒形状の
ものにする場合に主眼して、第２図に図示の装置につい
て、プラズマ発生室（真空室）以外の空間、即ち排気管
の前記室内への開口部に多数の貫通穴（１ｒａｎ〜３．
５８　ｃｍｌ　）を有する金属板（パンチングメタル）
、その他に金属メツシュ網板１個〜３．５８ｃｒｎのメ
ツシュサイズを見かけ上前記聞口部を塞ぐように設置し
て、装置を操作して円筒形状基体表面への成膜を試みた
ところ、前述の問題は解消されて基体が大面積のもので
あっても該基体の表面全体に亘って均一に所望の堆積膜
が形成されることがわかった。

本発明はかくして得られた知見また確認した事実に基い
て完成するに至ったものであり、本発明の機能性堆積膜
の形成装置は内部に基体保持手段を有し原料ガス供給手
段と排気手段を備えていてマイクロ波電源からする一方
向からのマイクロ波の透過を許すマイクロ波透過窓が成
膜室の壁を構成するＭＷ−ＰＣＶＤ法による機能性堆積
膜の形成装置であって、少くとも前記排気手段の前膜室
への開口部がマイクロ波を有効に反射し得る材料で形成
されていてガスの円滑な排出を許すと共に前記マイクロ
波の漏れを遮断する間隙構造部材で見かけ上閉塞されて
いることを特徴とするものである。

上記構成内容の本発明のＭＷ−ＰＣＶＤ法による機能性
堆積膜の形成装置は、代表的には第１図に図示の形式の
ものである。

しかしこれは飽くまでも例示であり、したがって本発明
は、該装置例により何ら限定されるものではない。

以下に、上記第１図に図示の装置例により本発明の内容
を更に詳しく説明する。なお、第１図において前出の図
に共通するところは同一の記号をもって示した。

本発明の、Ｍ　Ｗ−プラズマＣＶＤ法による堆積膜形成
装置は、成膜室７をマイクロ波共振器として作用するも
のにした点で第２図に図示の装置とは根本的に異る。

即ち第１図に図示の装置例で代表される本発明の装置は
、排気管５の真空室７への開口に、間隙構造のマイクロ
波反射部材１０が該開口部を見かけ上閉塞するように設
置されている。そして該間隙構造のマイクロ波反射部材
は、マイクロ波を有効に反射せしめると同時に、ガスの
円滑な排出を許し且つマイクロ波の漏れを遮断するよう
に作用する必要がある。そしてまた該間隙構造のマイク
ロ波反射部材は、成膜時にマイクロ波の作用で形成する
堆積膜に悪影響を与えるイオン、粒子等が発生しない金
属で構成されていることも必要である。こうしたことか
ら、前記間隙構造のマイクロ波反射部材は、間隙構造と
して連続穿入構造、連続網目構造、場合により連続格子
構造であることができるが、連続穿入構造又は連続網目
構造であるのが望ましい。

そしてそれらのサイズについては、穿入構造の場合、直
径１＋＋ａｗ〜３．５８αの範囲で任意に選択できるが
、好ましいところはＩＣｒｎ程度の直径のものである。

また網目構造の場合も同様で、そのメツシュサイズは、
１期〜３．５８ｃｒｎの範囲で任意に選択できるが、好
ましぐは１ｃｒｎ程度のものである。また構成金属材料
については、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）、純
銅、ニッケルでメツキした鉄等が好ましいものとして例
示できる。

以上述べたところは、基体が円筒形である場合について
のものであるが、第３図に図示の装置構造をもって平板
基体を大型のものにする場合についても本発明は勿論有
効であり、その場合にあっても排気口に前述の間隙構造
部材を取り付けることにより所望の機能性堆積膜を形成
することができる。

〔実施例〕

以下に、本発明のＭＷ−プラズマＣＶＤ法による機能性
堆積膜の形成装置を操作して所望の機能性堆積膜を形成
するところを実施例を挙げて説明するが、本発明はそれ
ら実施例により何ら制限されるものではない。

実施例１（機能性堆積膜の形成） 第１図の装置において、シランガス（ＳｉＦ４）流量５
００ｓｃｃｍ、水素ガス（Ｈ２）流量２００　ｓｅｃｍ
の混合原料ガスを、ＭＷ導入窓近傍に設けたリング状ガ
ス放出パイプ８からプラズマ生起室７内に放出した。プ
ラズマ生起室（真空室７）の構造は、直径２０ｃ！ｎ、
　　長さ４３ｃｒｎの円筒金属チャ／バーの中心に（基
体として８α（直径）×４２．５ｃｒｎ（長さ）のアル
ミシリンダーを配置した。

排気管５は、マイクロ波導入窓２と相対する反射端面に
有り、その開口部には前記金属製マイクロ波反射板１０
を配設した。

該装置において、基体表面温度２５０℃、真空度５　Ｘ
　１０−３ｔｏｒｒと２　Ｘ　１０−”　ｔｏｒｒで、
周波数２．４５ＧＨ２のマイクロ波電力を８００Ｗ投入
した。かぐしてプラズマは自己励起し、放電安定性を調
べるため１時間放電を行ったが、第２図の装置の場合と
比較して、きわめて安定した放電であった。

上述の条件でａ−３ｉ：Ｈ：Ｆで構成される膜を堆積さ
せ、得られた円筒基体表面上に堆積された膜について、
その基体軸方向膜厚分布、および暗導電率、明／暗導電
率比（ＳｌＮ比）を測定した。各測定値を第７図、第８
図および第９図に示す。

第７図から明らかなように、前記第２図の装置において
、８　Ｘ　１０−３ｔｏｒｒの真空度でａ−８ｉ膜堆積
を行った時の堆積速度分布（第４図の曲線ｂ）と比較し
て、成膜領域が大巾に拡大した。

また、５　Ｘ　１０−３ｔｏｒｒ曲線ａよりも、２　Ｘ
　１Ｏ−３ｔｏｒｒ曲線すの真空度においてａ−８ｉ膜
を堆積した場合の方が、さらに成膜領域が拡大し、マイ
クロ波透過窓から２５ｃｒｎの距離までほぼ均一な堆積
速度分布を得ることができた。また、暗導電率（第８図
、曲線ａ、ｂ）と明／暗導電率比（第９図、曲線ａ、ｂ
）の分布についても、均一な領域が拡大した。

実施例２（感光体ドラムの作成） 実施例１におけると同様に第１図に図示の装置を構成し
、円筒形基体６として実施例ＩＫおいて使用したものと
同様のアルミンリンダを使用して、成膜条件を下記の表
Ａに示すとおりにし、装置操作は実施例１と同様にして
三層（電荷注入阻止層、感光層そして表面層）で構成さ
れる光受容層を有する感光体ドラムを作成した。

以上のようにして作成した感光体ドラムを、キャノン製
複写機ＮＰ７５５０の改造機に取りつけ、画像を出した
ところ、プロセススピードをあげＡ４サイズ紙１００枚
／分で出力しても、まったく画像ムラも画像メモリもな
い良好な画像が得られた。

又、この条件で加速テストとしてトナー中に研磨剤を入
れ耐久を行なったところ、Ａ４サイズ紙１００万枚出力
後も、表面層の膜厚に摩耗による変化はみられたものの
、画像ムラ、画像メモリ等の問題は全く認められなかっ
た。

〔発明の効果の概略〕

本発明によれば、成膜室をマイクロ波共振器として作用
するように、該成膜室に係る排気口等の空間をガスの通
過をさまたげないようにして投入するマイクロ波を遮断
することにより、前記成膜室の共振条件が内圧によって
変動することなしに高真空に保持された前記成膜室内で
の低電離プラズマの安定生起を可能にし、それにより大
面積基体であってもその全表面に均一膜厚にして均質で
あり、そして優れた所望特性を発揮する機能性堆積膜を
膜堆積速度を低下させることなく効率的に形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＭＷ−プラズマＣｖＤ法による装置の
透視略図である。第７図は、前記本発明の装置における
膜堆積速度分布を示し、第８図は前記本発明の装置によ
り形成された堆積膜の暗導電率分布を示し、第９図は該
堆積膜の明／暗導電率比の分布を示す。第３図は従来の
平板基体用ＭＷ−ＰＣＶＤ装置の断面略図であり、第２
図はこれを円筒形基体用のものにした堆積装置の断面略
図である。第４図はその装置における堆積速度分布を示
し、第５図および第６図は、それぞれ、該装置により形
成された堆積膜の暗導電率分布そして明／暗導電率比分
布を示す。 図において、 １・・・真空容器、２・・・マイクロ波導入窓、３・・
・導波管、４・・・マイクロ波、５・・・排気口、６・
・・基体、７・・・成膜室（プラズマ生起室）、８・・
・原料ガス放出リング、９・・・基体加熱用ヒーター、
１０・・・間隙構造部材（マイクロ波シールド部材）。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波プラズマＣＶＤ法により機能性堆積膜
   を基体表面上に形成するに際して、マイクロ波が一方向
   から投入される成膜室がマイクロ波共振器として作用す
   るように、該成膜室の排気口等の空間をガスの通過をさ
   またげないようにしてそこに投入するマイクロ波を遮断
   するようにしたことを特徴とするマイクロ波プラズマＣ
   ＶＤ法による機能性堆積膜の形成法。
2. （２）内部に基体保持手段を有し原料ガス供給手段と排
   気手段を備えていてマイクロ波電源からする一方向から
   のマイクロ波の透過を許すマイクロ波透過窓が成膜室の
   壁を構成するマイクロ波プラズマＣＶＤ法による機能性
   堆積膜の形成装置であつて、少くとも前記排気手段の前
   記成膜室への開口部がマイクロ波を有効に反射し得る材
   料で形成されていてガスの円滑な排出を許すと共に前記
   マイクロ波の漏れを遮断する間隙構造部材で見かけ上閉
   塞されていることを特徴とするマイクロ波プラズマＣＶ
   Ｄ法による機能性堆積膜の形成装置。