JP4947766B2 - シリコン系薄膜の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン系薄膜の形成方法に関する。より詳しくは、絶縁機能またはバリア機能を有するシリコン系の薄膜を、基板上にＣＶＤ法により形成する方法に関する。

シリコン窒化膜は、半導体デバイスの保護膜や絶縁膜として重要であり、その形成には熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ（化学気相成長）法が用いられる。熱ＣＶＤ法では、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスとを用い７５０〜８００°Ｃの温度での熱分解反応により基板表面にシリコン窒化膜を化学的に気相成長させる。プラズマＣＶＤ法では、やはりＳｉＨ_４ガスとＮＨ_３ガスとを用いこの反応ガスに高周波電界を印加し、その電気的エネルギーを利用してガスを活性化し、プラズマ反応により３００°Ｃ前後の低温で基板表面にシリコン窒化膜を化学的に気相成長させる。従来、このようにして形成したシリコン窒化膜は、クラックや剥離が生じやすいという問題があった。

クラックや剥離を生じ難くできるシリコン窒化膜の形成方法として、例えば特許文献１には、プラズマにより励起されたハロゲン系ガスを用い、真空条件下において基板表面をエッチング処理することで、基板に残留する不純物を完全に除去し且つ表面に均質で微細な凹凸を形成して、シリコン窒化膜と基板との密着性及び膜質の向上を図るという技術が開示されている。また、特許文献２には、製膜室の前段に前処理室を設け、この前処理室でＥＣＲプラズマを基板の表面に照射し、基板の表面に吸着している水分や基板上に製膜されている薄膜中に含まれる水分の脱離を行なうという技術が開示されている。
特開平５−３１５２５１号公報 特開平５−３３１６１８号公報

しかしながら、上記した特許文献１の手法を、有機ＥＬ等の電子デバイスの形成された基板に適用した場合には、電子デバイス自体がエッチングされてしまう虞がある。また、上記した特許文献２の手法を上記基板に適用した場合には、電子デバイスは、水分の脱離を行なう際に絶えずＥＣＲプラズマに曝されるので、プラズマダメージを受けやすい。また、製膜室の前段に前処理室を設けるため、装置構成が大掛かりなものとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基板上に形成された電子デバイスにダメージを与えることなく且つ装置構成を大掛かりなものとすることなく、基板上へのシリコン系薄膜の密着性を向上させることができ、クラックや剥離が生じ難いシリコン系薄膜を形成できるシリコン系薄膜の形成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１のシリコン系薄膜の形成方法は、絶縁機能またはバリア機能を有するシリコン系薄膜を、基板Ｋ上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成するシリコン系薄膜の形成方法において、先ず、原料ガスとして、水素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、前記基板Ｋ上にＩＣＰを用いたプラズマＣＶＤ法により第１薄膜１１を形成し、次いで、窒素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、絶縁機能またはバリア機能を有する第２薄膜１２を、前記第１薄膜１１上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成し、第１薄膜１１及び第２薄膜１２を形成するにあたり、薄膜形成中に基板Ｋを揺動運動させることを特徴とする。

請求項２のシリコン系薄膜の形成方法は、絶縁機能またはバリア機能を有するシリコン系薄膜を、基板Ｋ上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成するシリコン系薄膜の形成方法において、先ず、原料ガスとして、水素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、前記基板Ｋ上にＩＣＰを用いたプラズマＣＶＤ法により第１薄膜１１を形成し、次いで、酸素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、絶縁機能またはバリア機能を有する第２薄膜１２を、前記第１薄膜１１上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成し、第１薄膜１１及び第２薄膜１２を形成するにあたり、薄膜形成中に基板Ｋを揺動運動させることを特徴とする。

請求項２のシリコン系薄膜の形成方法は、第１薄膜１１及び第２薄膜１２を形成するにあたり用いる、シリコン元素を含むガスとして、ＨＭＤＳガスを用いる。

本発明において、基板とは、絶縁機能やバリア機能が付与される対象となるものであり、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム等の樹脂フィルムそのもの、あるいは、この樹脂フィルム上に有機ＥＬ等の電子デバイスが形成されたものをいう。

本発明によると、基板上に形成された電子デバイスにダメージを与えることなく且つ装置構成を大掛かりなものとすることなく、基板へのシリコン系薄膜の密着性を向上させることができ、クラックや剥離が生じ難いシリコン系薄膜が形成できるようになる。

以下、添付図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明の実施に用いる封止膜形成装置の正面概略図、図２は図１の封止膜形成装置の平面概略図である。なお、この封止膜形成装置は、膜形成の実験用に製作されたものであり、有機ＥＬ基板等の半導体装置の製造工場における生産ラインで用いられる装置とは異なる。

図１に示すように封止膜形成装置１は、ロードロック室２、ロードロック室２に連設するロボット室３、及びロボット室３に連設する成膜室４を備える。この封止膜形成装置１が形成目的とする封止膜はシリコン窒化膜である。

ロードロック室２は、ゲートバルブ２１によりロボット室３と隔絶可能とされる。また、真空ポンプ２２に接続されると共に、その内部に基板ストッカー２３を備える。基板ストッカー２３は、基板Ｋの周縁部を支持するための支持ピン２４を備える。ここで、基板Ｋは、表面に有機ＥＬ素子９が形成されており、そのサイズは３７０ｍｍ×４７０ｍｍとする。

ロボット室３は、内部に基板搬送ロボット３１を備える。基板搬送ロボット３１は、モータ３２、アーム３３及び可動支持台３４を備える。可動支持台３４は、モータ３２の駆動によりアーム３３を介してＸ，Ｙ，Ｚ各方向に移動自在に構成される。可動支持台３４は、上記基板ストッカー２３と同様な支持ピン３５を備える。

成膜室４は、ロボット室３と連通しており、流量制御バルブ４１を介して真空ポンプ４２に接続され、流量制御バルブ４３を介してＨＭＤＳ供給タンク４４に接続され、流量制御バルブ４５を介してＮ_２供給タンク４６に接続され、流量制御バルブ５１を介してＨ_２供給タンク５２及びＡｒ供給タンク５３に接続される。成膜室４の内部には、ループアンテナ４７を備える。

ループアンテナ４７は、プラズマを生成する手段であり、絶縁チューブ４８と導電性電極４９とにより構成される。絶縁チューブ４８は、成膜室４内に互いに２本対向して平行配設される。導電性電極４９は、２本の絶縁チューブ４８に挿設され、図２のように平面視が略Ｕ字形を呈するように成膜室４の互いに対向する側壁を貫通し、高周波電流を供給する電源５０に接続される。高周波電流５０の周波数は１３．５６ＭＨｚであることが好ましい。なお、使用するプラズマはＣＣＰ、ＩＣＰ、バリア放電、ホロー放電などでもよい。

次に、図３、４も参照して、本発明に係るシリコン窒化膜の形成方法について説明する。図３は本発明によるシリコン窒化膜の形成段階を説明するための図であり、図３（Ａ）は未封止の有機ＥＬ素子基板の側面概略図、図３（Ｂ）は第１薄膜を形成した有機ＥＬ素子基板の側面概略図、図３（Ｃ）は第２薄膜を形成した有機ＥＬ素子基板の側面概略図を示す。図４はシリコン窒化膜を形成する手順を示すフローチャートである。

封止膜形成装置１は、次に示す初期状態にあるものとして説明する。すなわちロードロック室２は、ゲートバルブ２１が閉じた状態であり、ロードロック室２の内圧は大気圧である。基板ストッカー２３には、表面に有機ＥＬ素子９が形成された未封止の基板Ｋ（図３（Ａ）参照）が、その素子形成面Ｋ１を鉛直下方に向けた状態で保持されている。また、成膜室４及びロボット室３は、真空ポンプ４２により内圧が９．９×１０^−５Ｐａ以下に減圧されている。

まず、真空ポンプ２２が作動を開始し、ロードロック室２を減圧する(ステップＳ１)。ロードロック室２の内圧が成膜室４及びロボット室３の内圧とほぼ同じになった時点でゲートバルブ２１を開く。続いて、基板搬送ロボット３１は、アーム３３をロードロック室２に伸延させ、基板ストッカー２３に保持された未封止の基板Ｋを、同じ姿勢、すなわちその素子形成面Ｋ１を鉛直下方に向けた状態で可動支持台３４上に受け取る。基板Ｋを受け取った後、基板搬送ロボット３１はアーム３３を収縮させる。アーム３３が収縮した後、ゲートバルブ２１は閉じ、基板搬送ロボット３１は、図１の２点鎖線に示すように、アーム３３を成膜室４に伸延させ、ループアンテナ４７の上方に基板Ｋをセットする(ステップＳ２)。

成膜室４に基板Ｋがセットされると、封止膜の形成処理が開始する。すなわち流量バルブ５１を開くことによりＨ_２ガスとＡｒガスの混合ガスを成膜室４に導入する。それと同時に流量バルブ４３を開くことにより、ＨＭＤＳガスを成膜室４に導入する。Ａｒガスを添加することで、比較的小エネルギーのプラズマで解離反応を行うことができる。このときの各ガスの導入速度は、Ｈ_２ガスとＡｒガスの混合ガスを２０ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍ、ＨＭＤＳガスを３ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍとすることが好ましい（ステップＳ３）。続いて、電源５０からループアンテナ４７に高周波電流を流す。これにより、ループアンテナ４７の周辺にプラズマが発生する。このときのプラズマ電力は５ｋＷ〜１０ｋＷとすることが好ましい（ステップＳ４）。基板Ｋの表面では表面反応が行われ、図３（Ｂ）に示すように、有機ＥＬ素子９を被覆するように第１薄膜１１が形成される。

所定時間Ｔ１が経過した後、流量バルブ５１を閉じることによりＨ_２ガスとＡｒガスの混合ガスの導入を停め、流量バルブ４５を開くことによりＮ_２ガスを成膜室４に導入する。なお、Ｎ_２ガスに代えてＮＨ_３ガスを導入してもよい。それと同時に流量バルブ４３によりＨＭＤＳガスの導入速度を調節する。このときの各ガスの導入速度は、Ｎ_２ガスを２０ｓｃｃｍ〜４０ｓｃｃｍ、ＨＭＤＳガスを３ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍとすることが好ましい（ステップＳ５）。続いて、電源５０からループアンテナ４７に、プラズマ電力が４ｋＷ〜８ｋＷとなるように高周波電流を流す。これにより、ループアンテナ４７の周辺にプラズマが発生する（ステップＳ６）。基板Ｋの表面では表面反応が行われ、図３（Ｃ）に示すように、第１薄膜１１を被覆するように第２薄膜１２、すなわちシリコン窒化膜を形成する。所定時間Ｔ２が経過した後、流量バルブ４５を閉じることによりＮ_２ガスの導入を停め、流量バルブ４３を閉じることによりＨＭＤＳガスの導入を停める（ステップＳ７）。

以上のように、先ず、原料ガスとして、Ｈ_２ガスとＡｒガスとＨＭＤＳガスとを用い、基板Ｋ上にプラズマＣＶＤ法により第１薄膜１１を形成し、次いで、Ｎ_２ガスとＨＭＤＳガスとを用い、シリコン窒化膜である第２薄膜１２を形成する。ＨＭＤＳガスを原料ガスとして用いるため、爆発の虞がなく安全性に優れる。

前段の工程（ステップＳ１〜Ｓ４）で形成した第１薄膜１１は、密着性が良いことが判明している。この第１薄膜１１を基板Ｋと第２薄膜１２との間に介在させることで、基板Ｋと第２薄膜１２との密着性が向上し、その結果、第２薄膜１２は、クラックや剥離が生じ難くなり、性能ばらつきの少ない信頼性のあるものとすることができる。本発明の方法は、従来とは異なりエッチング処理等を用いないため、有機ＥＬ素子９等の電子デバイスにダメージを与えることがない。また、第１薄膜１１は、基板Ｋの上に化学的に気相成長するに従い、有機ＥＬ素子９等の電子デバイスをプラズマエネルギーから保護する機能も有するため、プラズマエネルギーによる電子デバイスへのダメージが少なくて済む。また、第１薄膜１１の形成と第２薄膜１２との形成は、同室（成膜室４）内で行われるため、装置構造が大掛かりなものにならない。

なお、後段の工程（ステップＳ５〜Ｓ７）で第２薄膜１２を形成するにあたり、Ｎ_２ガスやＮＨ_３ガス等の窒素元素を含むガスに代えて、酸素元素を含むガスを用いてもよい。この場合には、第２薄膜１２はシリコン酸化膜となり、シリコン窒化膜と同様に、絶縁機能またはバリア機能に優れるものとなる。

有機ＥＬデバイスが形成された基板上において、有機ＥＬ自身が熱によりダメージを受けるのを避けるため、各膜形成時の温度は１００°Ｃ以下が好ましい。なお、以上に述べた封止膜形成中に、可動支持台３４をＸ方向に所定周期で揺動運動させてもよい。これによりムラのない均一な膜とすることができる。

第２薄膜１２の形成が終了すると、ロードロック室２においてゲートバルブ２１が開き、基板搬送ロボット３１はアーム３２を収縮させ、その後ロードロック室２に伸延させる。そして、封止済みの基板Ｋを基板ストッカー２３に移載し、基板搬送ロボット３１はアーム３３を収縮させる。アーム３３が収縮した後、ゲートバルブ２１は閉じ、ロードロック室２を大気圧に戻して開放した後（ステップＳ８）、封止膜形成済みの基板Ｋを外部へ取り出すことができる（ステップＳ９）。

上記封止膜形成装置１にて、次に示すＡ，Ｂの手法によりシリコン窒化膜の形成を行った。Ａの手法では、上記実施形態に示したように、第１薄膜１１を形成した後に、第２薄膜１２を形成した。Ｂの手法では、第１薄膜１１を形成せずに第２薄膜１２を形成した。
（Ａ）膜形成条件を以下に示す。
第１薄膜の形成時
成膜室４内の圧力：３Ｐａ
Ｈ_２ガスとＡｒガスの混合ガスの導入速度：３０ｓｃｃｍ
ＨＭＤＳガスの導入速度：３ｓｃｃｍ
プラズマ電力：９ｋＷ
第２薄膜の形成時
成膜室４内の圧力：３Ｐａ
Ｎ_２ガスの導入速度：３０ｓｃｃｍ
ＨＭＤＳガスの導入速度：３ｓｃｃｍ
プラズマ電力：６ｋＷ
（Ｂ）第２薄膜の形成条件は、Ａの場合と同一であり、第１薄膜は形成していない（水素プラズマ処理無し）。

Ａで形成した膜とＢで形成した膜との比較結果を表１に示す。Ａのように第１薄膜を形成した場合は、水に浸けておいても、超音波洗浄をしても剥がれがなかったが、Ｂのように第１薄膜を形成しなかった場合は水に浸けておくだけでクラックが入り、超音波洗浄をすると殆ど剥がれてしまった。

○：剥がれ無し
△：小さい剥がれ有り
×：剥がれ有り

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上に開示した実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこの実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。

本発明の実施に用いる封止膜形成装置の正面概略図である。 図１の封止膜形成装置の平面概略図である。 本発明によるシリコン窒化膜の形成段階を説明するための図である。 シリコン窒化膜を形成する手順を示すフローチャートである。

符号の説明

９ 有機ＥＬ素子（電子デバイス）
１１ 第１薄膜
１２ 第２薄膜
Ｋ 基板

Claims (3)

1. 絶縁機能またはバリア機能を有するシリコン系薄膜を、基板上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成するシリコン系薄膜の形成方法において、
   先ず、原料ガスとして、水素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、前記基板上にＩＣＰを用いたプラズマＣＶＤ法により第１薄膜を形成し、
   次いで、窒素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、絶縁機能またはバリア機能を有する第２薄膜を、前記第１薄膜上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成し、
   第１薄膜及び第２薄膜を形成するにあたり、薄膜形成中に基板を揺動運動させることを特徴とするシリコン系薄膜の形成方法。
2. 絶縁機能またはバリア機能を有するシリコン系薄膜を、基板上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成するシリコン系薄膜の形成方法において、
   先ず、原料ガスとして、水素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、前記基板上にＩＣＰを用いたプラズマＣＶＤ法により第１薄膜を形成し、
   次いで、酸素元素を含むガスと、シリコン元素を含むガスとを用い、絶縁機能またはバリア機能を有する第２薄膜を、前記第１薄膜上にＩＣＰを用いたＣＶＤ法により形成し、
   第１薄膜及び第２薄膜を形成するにあたり、薄膜形成中に基板を揺動運動させることを特徴とするシリコン系薄膜の形成方法。
3. 第１薄膜及び第２薄膜を形成するにあたり用いる、シリコン元素を含むガスとして、Ｈ
   ＭＤＳガスを用いる請求項１または請求項２に記載のシリコン系薄膜の形成方法。

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