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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Chemischen Abscheidung aus
der Dampfphase in einem Plasma, Plasma CVD-Vorrichtung, zum Bilden eines dünnen
Filmes, der in verschiedenen elektronischen Bauelementen wie einer Solarzelle aus
amorphem Silizium, einer mikrokristallinen Solarzelle, einer polykristallinen Dünnfilm-
Solarzelle, einem Dünnfilm-Halbleiter-Bauelement, einem optischen Sensor und einem
Schutzfilm für einen Halbleiter.
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Verschiedene Plasma CVD-Vorrichtungen werden zum Bilden eines dünnen
Films aus amorphem Silizium (hier nachfolgend als "a-Si" bezeichnet), eines
mikrokristallinen dünnen Films, eines polykristallinen dünnen Films oder eines dünnen Films
aus Siliziumnitrid (hier nachfolgend als "SiNx" bezeichnet) verwendet. Die
herkömmlichen Plasma-CVD-Vorrichtungen können typischerweise in eine Ausführung, bei der
eine sprossenleiterförmige Elektrode zur Erzeugung der Entladung benutzt wird, und
eine andere Ausführung mit parallel angeordneten Plattenelektroden eingeteilt werden.
Die sprossenleiterförmige Elektrode enthält beispielsweise eine sprossenleiterförmige
Antennen-Elektrode, sprossenleiterförmige induktive Elektrode und eine
sprossenleiterförmige ebene spulenartige Elektrode.
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Das japanische Patent Nr. 4-236781 (Kokai) offenbart eine Plasma CVD-
Vorrichtung, welche eine sprossenleiterförmige Elektrode verschiedener Formen
benutzt. Fig. 12 zeigt ein typisches Beispiel der in dem vorgenannten japanischen
Patent offenbarten Plasma CVD-Vorrichtung. Wie in der Zeichnung gezeigt, sind eine
sprossenleiterförmige Elektrode 2 zur Erzeugung einer Entladung und eine
Heizvorrichtung 3 zum Erwärmen eines Substrates parallel zueinander in einem
Reaktionsbehälter 1 angeordnet. Eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz von
beispielsweise 13,56 MHz wird der sprossenleiterförmigen zur Erzeugung einer Entladung
bestimmten Elektrode 2 von einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 4 über ein Gerät zur
Impedanzanpassung 5 zugeführt. Wie in Fig. 13 gezeigt, ist die sprossenleiterförmige
Elektrode 2 zur Erzeugung einer Entladung an einem Ende über das Gerät zur
Impedanzanpassung 5 mit der Hochfrequenz-Spannungsquelle 4 und ferner an dem
anderen Ende mit einem Massekabel 7 verbunden und somit geerdet. Auch der
Reaktionsbehälter 1 ist mit dem Erdpotential verbunden.
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Die an die sprossenleiterförmige Elektrode 2 zur Erzeugung einer Entladung
angelegte Hochfrequenz-Spannung dient einer Erzeugung eines Glimmentladungs-
Plasmas in einem freien Raum zwischen der Heizvorrichtung 3 für das Substrat, die
ebenfalls gemeinsam mit dem Reaktionsbehälter 1 geerdet ist, und der zur
Entladungserzeugung bestimmten sprossenleiterförmigen Elektrode 2. Nach der Erzeugung des
Glimmentladungs-Plasmas wird die Hochfrequenz-Spannung durch den
Entladungsraum in die Wand des Reaktionsbehälters 1 und durch das mit der
sprossenleiterförmige Elektrode 2 verbundene Massekabel 7 auf Erdpotential geführt. Ein
Koaxialkabel wird als Massekabel 7 benutzt.
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Ein gemischtes Gas, das sich aus beispielsweise Monosilan und Wasserstoff
zusammensetzt, wird von einer nicht gezeigten Gasflasche über ein Rohr 8 zur
Einleitung eines Reaktionsgases dem Reaktionsbehälter 1 zugeführt. Das dem
Reaktionsbehälter 1 zugeführte Reaktionsgas wird durch eine von der zur Entladungserzeugung
bestimmten sprossenleiterförmigen Elektrode 2 erzeugte Plasma-Glimmentladung,
zersetzt, um auf einem auf der Heizvorrichtung 3 angeordneten und auf eine
vorbestimmte Temperatur erwärmten Substrat 9 abgeschieden zu werden. Andererseits wird
das Gas im Reaktionsbehälter 1 durch eine Vakuumpumpe 11 durch ein Abgasrohr 10
abgepumpt.
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Bei dem Erzeugen eines dünnen Filmes unter Benutzung der zuvor
beschriebenen Vorrichtung wird der innere Raum des Reaktionsbehälters 1 zuerst durch Betrieb der
Vakuumpumpe 11 ausgepumpt, gefolgt von einem Einleiten eines gemischten Gases,
das aus beispielsweise Monosilan und Wasserstoff zusammengesetzt ist, durch das
Rohr zur Einleitung eines Reaktionsgases 8 in den Reaktionsbehälter 1. Bei diesem
Schritt wird der Innendruck in dem Reaktionsbehälter 1 bei 6,6661 bis 66,661 Pa
gehalten. Unter diesen Bedingungen wird eine Hochfrequenz-Spannung von einer
Hochfrequenz-Spannungsquelle 4 an die zur Entladungserzeugung bestimmte
sprossenleiterförmige Elektrode 2 angelegt, um ein Glimmentladungs-Plasma zu
erzeugen. Daher wird das Reaktionsgas durch das in dem freien Raum zwischen der
sprossenleiterförmigen Elektrode 2 und der Heizvorrichtung 3 für das Substrat erzeugte
Glimmentladungs-Plasma zersetzt, um Si-enthaltende Radikale SiH&sub3; und SiH&sub2; zu
erzeugen. Diese Radikale haften zur Bildung eines a-Si-Filmes an einer Oberfläche des
Substrates 9.
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Fig. 14 zeigt eine andere Ausführung der herkömmlichen Plasma CVD-
Vorrichtung, bei der parallel angeordnete plattenförmige Elektroden benutzt werden.
Wie in der Zeichnung gezeigt, enthält die Vorrichtung einen Reaktionsbehälter 21. Eine
Hochfrequenzelektrode 22 und eine Heizvorrichtung 23 für ein Substrat sind in dem
Reaktionsbehälter 21 parallel zueinander angeordnet. Eine Hochfrequenz von
beispielsweise 13,56 MHz wird der Hochfrequenzelektrode 22 über ein Gerät zur
Impedanzanpassung 25 von einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 24 bereitgestellt.
Die Heizvorrichtung 23 für das Substrat ist mit dem Reaktionsbehälter 21 verbunden.
Auch der Reaktionsbehälter ist mit dem Erdpotential verbunden. Es folgt daraus, dass
die Heizvorrichtung 23 für das Substrat indirekt mit dem Erdpotential verbunden ist, um
eine Erdungselektrode zu bilden mit dem Ergebnis, dass ein Glimmentladungs-Plasma
in dem freien Raum zwischen der Hochfrequenzelektrode 22 und der Heizvorrichtung
23 für das Substrat erzeugt wird.
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Ein gemischtes, beispielsweise aus Monosilan und Wasserstoff
zusammengesetztes Gas wird von einer nicht gezeigten Gasflasche über ein Rohr 26 zur Einleitung
eines Reaktionsgases dem Reaktionsbehälter 21 zugeführt. Andererseits wird das Gas
in dem Reaktionsbehälter 21 mit einer Vakuumpumpe 28 durch ein Abgasrohr 27
abgepumpt. Ein Substrat 29 ist auf der Heizvorrichtung 23 für das Substrat angeordnet, um
auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt zu werden.
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Zur Bildung eines dünnen Filmes unter Benutzung der in Fig. 14 dargestellten
Vorrichtung wird der innere Raum des Reaktionsbehälters 21 zuerst mit einer
Vakuumpumpe 28 ausgepumpt, und dann ein gemischtes, beispielsweise aus Monosilan und
Wasserstoff bestehendes Gas über das Rohr 26 zur Einleitung eines Reaktionsgases in
den Reaktionsbehälter 21 eingebracht. Bei diesem Schritt wird der Innendruck in dem
Reaktionsbehälter 21 bei 6,6661 bis 66,661 Pa gehalten. Wenn eine Hochfrequenz-
Spannung von einer Hochfrequenz-Spannungsquelle 24 der Hochfrequenzelektrode 22
zugeführt wird, wird ein Glimmentladungs-Plasma in dem Reaktionsbehälter erzeugt.
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Das in dem gemischten, durch das Rohr 26 zur Einleitung eines Reaktionsgases
dem Reaktionsbehälter 21 zugeführten Gas enthaltene Monosilan-Gas wird durch das
Glimmentladungs-Plasma, das in dem freien Raum zwischen der
Hochfrequenzelektrode 22 und der Heizvorrichtung 23 für das Substrat erzeugt wird, zersetzt, um Si-
enthaltende Radikale wie SiH&sub3; und SiH&sub2; zu erzeugen. Diese Si-enthaltenden Radikale
haften zur Bildung eines dünnen a-Si-Filmes an einer Oberfläche des Substrates 29.
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Jedoch weist jede Vorrichtung des Standes der Technik, die eine parallel zu
einer sprossenleiterförmigen Elektrode angeordnete plattenförmige Elektrode
verwendet, im Folgenden beschriebene Probleme auf.
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(1) In der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung wird ein Reaktionsgas, zum Beispiel
SiH&sub4;, durch ein in der Nähe der sprossenleiterförmigen Elektrode 2 erzeugtes
elektrisches Feld in Si, SiH, SiH&sub2;, SiH&sub3;, H, H&sub2;z usw. zersetzt, um einen a-Si-Film auf der
Oberfläche des Substrates 9 zu bilden. Wenn jedoch die Frequenz der Hochfrequenz-
Spannung von dem gegebenen Wert von 13,56 MHz auf 30 bis 200 MHz in einem
Versuch zur Erhöhung der Bildungsrate des a-Si-Filmes erhöht wird, ist das elektrische
Feld in der Nähe der sprossenleiterförmigen Elektrode nicht gleichmäßig verteilt, was zu
einer ausgeprägt geringen Gleichmäßigkeit der Dicke des gebildeten a-Si-Filmes führt.
Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Frequenz
der Spannungsquelle für das Plasma und der Verteilung der Filmdicke in Bezug auf ein
Substrat mit einer Fläche von 30 · 30 cm² darstellt. Es sollte beachtet werden, dass die
Größe des Substrates, die eine Gleichmäßigkeit der Filmdicke sicherstellt, d. h. eine
Abweichung von +/-10% von der durchschnittlichen Filmdicke 5 · 5 cm² bis 20 · 20 cm²
beträgt.
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Im Folgenden wird der Grund angegeben, warum eine Steigerung der Frequenz
der Hochfrequenz-Spannungsquelle 4 in der Vorrichtung, die eine sprossenleiterförmige
Elektrode benutzt, schwierig ist. Insbesondere ist die von dem Aufbau der
sprossenleiterförmigen Elektrode abgeleitete Ungleichmäßigkeit der Impedanz der in Fig. 12
gezeigten Vorrichtung eigen, mit dem Ergebnis, dass eine starke Plasma-Lichtemission
lokalisiert ist, wie in Fig. 16 gezeigt. Zum Beispiel wird eine starke
Plasma-Lichtemission nur in einem peripheren Abschnitt der sprossenleiterförmigen Elektrode und
nicht in einem mittleren Abschnitt erzeugt. Der Unterschied der Plasma-Dichte zwischen
dem peripheren und dem mittleren Abschnitt ist besonders auffallend, wenn die
Frequenz der Hochfrequenz-Spannungsquelle bis auf 60 MHz oder stärker erhöht wird.
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Unter diesen Umständen ist es sehr schwierig und wird im Wesentlichen als
unmöglich betrachtet, die Bildungsrate des Filmes durch eine Erhöhung der Frequenz
der Plasma-Spannungsquelle zu erhöhen, wenn ein großes, für eine Verbesserung der
Produktivität einer Massenherstellung und Kostenreduzierung erforderliches Substrat
benötigt wird. Es sollte beachtet werden, dass die Bildungsrate des Filmes aus a-Si
proportional zum Quadrat der Frequenz der Plasma-Spannungsquelle ist. Deshalb
werden nachdrückliche Untersuchungen in diesem technischen Gebiet hinsichtlich der
Steigerung der Frequenz der Plasma-Spannungsquelle unternommen. Allerdings ist ein
erfolgreiches Ergebnis bei einem großen Substrat noch nicht berichtet worden.
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(2) In der in Fig. 14 gezeigten Vorrichtung wird ein Reaktionsgas wie zum
Beispiel SiH&sub4; durch ein in dem freien Raum zwischen der Hochfrequenzelektrode 22
und der Heizvorrichtung 23 für das Substrat erzeugtes elektrisches Feld in Si, SiH,
SiH&sub2;, SiH&sub3;, H, H&sub2; usw. zersetzt, um einen a-Si-Film auf der Oberfläche des Substrates
29 zu bilden. Wenn die Frequenz der Hochfrequenz-Spannung jedoch von dem
gegenwärtigen Wert von 13,56 MHz auf 30 bis 200 MHz in einem Versuch die Bildungsrate
des a-Si-Filmes zu erhöhen, erhöht wird, ist das in dem freien Raum zwischen der
Hochfrequenzelektrode 22 und der Heizvorrichtung 23 für das Substrat erzeugte
elektrische Feld nicht mehr gleichmäßig verteilt, was zu einer ausgeprägt geringen
Gleichmäßigkeit der Dicke des gebildeten a-Si-Filmes führt. Fig. 15 ist eine graphische
Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Frequenz der Spannungsquelle für
das Plasma und der Verteilung der Filmdicke in Bezug auf ein Substrat mit einer Fläche
von 30 · 30 cm² darstellt. Es sollte beachtet werden, dass die Größe des Substrates,
die eine Gleichmäßigkeit der Filmdicke sicherstellt, d. h. eine Abweichung von +/-10%
von der durchschnittlichen Filmdicke, 5 · 5 cm² bis 20 · 20 cm², beträgt.
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Im Folgenden wird der Grund angegeben, warum eine Steigerung der Frequenz
der Hochfrequenz-Spannungsquelle 24 in der Vorrichtung, die parallel zueinander
angeordnete Plattenelektroden benutzt, schwierig ist. Insbesondere unterscheiden sich
der periphere Abschnitt und der mittlere Abschnitt der Elektroden mit parallelen Platten
in der elektrischen Charakteristik voneinander. Das Ergebnis ist, dass ein starkes
Plasma in den peripheren Abschnitten der parallelen Elektroden 22 und 23, wie in Fig.
17A gezeigt, oder nur in dem mittleren Abschnitt der parallelen Elektroden 22 und 23,
wie in Fig. 17B gezeigt, vorliegt.
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Unter den Umständen ist es sehr schwierig und wird als beinahe unmöglich
angesehen, die Bildungsrate des Films durch Erhöhen der Frequenz der Plasma-
Spannungsquelle zu erhöhen, wenn es um ein großes, zur Steigerung der Produktivität
einer Massenherstellung und Kostenreduktion erforderliches Substrat geht. Es sollte
beachtet werden, dass die Bildungsrate des Filmes aus a-Si proportional zum Quadrat
der Frequenz der Plasma-Spannungsquelle ist. Deshalb werden nachdrückliche
Untersuchungen in diesem technischen Gebiet hinsichtlich der Steigerung der Frequenz der
Plasma-Spannungsquelle unternommen. Allerdings ist ein erfolgreiches Ergebnis bei
einem großen Substrat noch nicht berichtet worden.
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Es wurde ebenso festgestellt, dass das erzeugte Plasma an der Verbindung des
Massekabels 7 und der sprossenleiterförmigen Elektrode 2 schwächer ist und zu einer
Reduzierung der Fimbildungsrate führt, wenn des Massekabel 7 mit der
sprossenleiterförmigen Elektrode 2 wie in Fig. 12 gezeigt verbunden ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Plasma CVD-Vorrichtung
bereitzustellen, in der eine Spannungsversorgungsleitung, die eine zur Erzeugung der
Entladung bestimmte sprossenleiterförmige Elektrode und eine Spannungsquelle
verbindet, von einem Koaxialkabel gebildet wird, und in der die sprossenleiterförmige
Elektrode nicht über ein Massekabel mit dem Erdpotential verbunden ist, um eine
Verringerung der Filmbildungsrate zu verhindern.
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Eine weitere Aufgabe ist es, eine Plasma CVD-Vorrichtung bereitzustellen, in der
wenigstens vier Koaxialkabel mit peripheren Abschnitten einer sprossenleiterförmigen
ebenen spulenartigen Elektrode verbunden sind, um einen
Spannungsversorgungsanschluss bilden, wodurch es möglich wird, eine im Vergleich zum Stand der Technik
zufriedenstellende Verteilung der Filmdicke zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Plasma
CVD-Vorrichtung zum Bilden eines amorphen Dünnfilms, eines mikrokristallinen
Dünnfilms oder eines polykristallinen Dünnfilms auf einer Oberfläche eines Substrats,
bereitgestellt, wobei die Vorrichtung einen Reaktionsbehälter, in dem das Substrat
angeordnet ist, Mittel zum Einleiten eines Reaktionsgases in den Reaktionsbehälter und
Mittel zum Ausstoßen des unbrauchbaren Gases aus dem Reaktionsbehälter, eine
sprossenleiterförmige, in dem Reaktionsbehälter zur Erzeugung einer Entladung
untergebrachte Elektrode und eine Spannungsquelle zum Zuführen von elektrischer
Energie zu der sprossenleiterförmigen Elektrode enthält, um es der
sprossenleiterförmigen Elektrode zu ermöglichen, eine Glimmentladung zu erzeugen, wobei eine die
sprossenleiterförmige Elektrode und die Spannungsquelle verbindende Leitung der
Spannungsversorgung aus einem Koaxialkabel gebildet ist und wobei die
sprossenleiterförmige Elektrode nicht über ein Massekabel mit dem Erdpotential verbunden ist.
Die sprossenleiterförmige Elektrode ist aus einer Sprossenleiter-Antennen-
Elektrode oder einer sprossenleiterförmigen ebenen spulenartigen Elektrode gebildet.
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Die Erfindung kann mit der folgenden detaillierten Beschreibung und den
begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden. Dabei zeigen:
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Fig. 1 den gesamten Aufbau einer Plasma CVD-Vorrichtung gemäß einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung,
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Fig. 2 zeigt die elektrische Leitungsführung zur Zuführung der Hochfrequenz-
Spannung zu der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung enthaltenen Elektrode zur
Erzeugung einer Entladung,
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Fig. 3 veranschaulicht eine in der vorliegenden Erfindung benutzte
sprossenleiterförmige Elektrode, bei der ein einzelner Spannungsversorgungsanschluss an einer
rechten Seite und ein anderer Spannungsversorgungsanschluss an einer linken Seite
gebildet ist, wobei sich insgesamt zwei Spannungsversorgungsanschlüsse ergeben,
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Fig. 4 veranschaulicht eine in der vorliegenden Erfindung benutzte
sprossenleiterförmige Elektrode, bei der zwei Spannungsversorgungsanschlüsse an der rechten
Seite und zwei zusätzliche Spannungsversorgungsanschlüsse an der linken Seite
gebildet sind, wobei sich ingesamt vier Spannungsversorgungsanschlüsse ergeben,
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Fig. 5 veranschaulicht eine in der vorliegenden Erfindung benutzte
sprossenleiterförmige Elektrode, bei der zwei Spannungsversorgungsanschlüsse an der oberen
Seite und zwei zusätzliche Spannungsversorgungsanschlüsse an der unteren Seite
gebildet sind, wobei sich ingesamt vier Spannungsversorgungsanschlüsse ergeben,
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Fig. 6 veranschaulicht eine in der vorliegenden Erfindung benutzte
sprossenleiterförmige Elektrode, bei der ein einzelner Spannungsversorgungsanschluss an jeder
der vier Ecken gebildet ist, wobei sich ingesamt vier Spannungsversorgungsanschlüsse
ergeben,
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Fig. 7 veranschaulicht eine in der vorliegenden Erfindung benutzte
sprossenleiterförmige Elektrode, bei der ein einzelner Spannungsversorgungsanschluss an jeder
der vier Ecken und ein einzelner Spannungsversorgungsanschluss an jeder der
rechten, linken, oberen und unteren Seite gebildet ist, wobei sich ingesamt acht
Spannungsversorgungsanschlüsse ergeben,
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Fig. 8 veranschaulicht eine in der vorliegenden Erfindung benutzte
sprossenleiterförmige Elektrode, bei deren einzelner Spannungsversorgungsanschluss an jeder
der vier Ecken und zwei Spannungsversorgungsanschlüsse an jeder der rechten und
linken Seiten gebildet ist, wobei sich ingesamt acht Spannungsversorgungsanschlüsse
ergeben,
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Fig. 9 veranschaulicht eine in der vorliegenden Erfindung benutzte
sprossenleiterförmige Elektrode, bei der ein einzelner Spannungsversorgungsanschluss an jeder
der vier Ecken und zwei Spannungsversorgungsanschlüsse an jeder der oberen und
unteren Seiten gebildet ist, wobei sich ingesamt acht
Spannungsversorgungsanschlüsse ergeben,
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Fig. 10 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Anzahl von
Spannungsversorgungsanschlüssen und der Verteilung der Filmdicke, wobei der Fall, wo eine
elektrische Leistung von 500 W mit einer Frequenz von 60 MHz der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung zugeführt wird, erfasst ist,
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Fig. 11 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Anzahl von
Spannungsversorgungsanschlüssen und der Verteilung der Filmdicke, wobei der Fall, wo eine
elektrische Leistung von 500 W mit einer Frequenz von 80 MHz der Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung zugeführt wird, erfasst ist,
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Fig. 12 zeigt den gesamten Aufbau einer herkömmlichen Plasma CVD-
Vorrichtung, die eine sprossenleiterförmige induktive Elektrode benutzt,
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Fig. 13 zeigt die elektrischen Anschlüsse zur Zuführung einer Hochfrequenz-
Spannung zu der in der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung enthaltenen Elektrode zur
Erzeugung einer Entladung,
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Fig. 14 zeigt den gesamten Aufbau einer herkömmlichen Plasma CVD-
Vorrichtung, die parallel zueinander angeordnete plattenförmige Elektroden benutzt,
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Fig. 15 zeigt die Beziehung zwischen der Frequenz der Spannungsquelle des
Plasmas und der Verteilung der Fimdicke,
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Fig. 16 zeigt die Ungleichmäßigkeit in einer Impedanz in einer herkömmlichen in
Fig. 12 gezeigten Vorrichtung und
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Fig. 17A und 17B zeigen die Unterschiede der elektrischen Charakteristika
zwischen dem peripheren und dem mittleren Abschnitt der Elektrode der
herkömmlichen, in Fig. 14 gezeigten Vorrichtung.
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In der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungsversorgungsanschluss zur
Zufuhr einer Hochfrequenz-Spannung zu einer sprossenleiterförmigen Elektrode an der
Verbindung zwischen der sprossenleiterförmigen Elektrode und einem zur Zuführung
einer Hochfrequenz-Spannung zu der sprossenleiterförmigen Elektrode benutzten
Koaxialkabel gebildet. Es ist erwünscht, wenigstens vier
Spannungsversorgungsanschlüsse an peripheren Abschnitten der sprossenleiterförmigen Elektrode
auszubilden. Genauer gesagt ist es wünschenswert, wenigstens zwei
Spannungsversorgungsanschlüsse an einer der oberen, unteren, rechten und linken Seiten der
sprossenleiterförmigen Elektrode zu bilden. Zum Beispiel sollten zwei
Spannungsversorgungsanschlüsse jeweils an der oberen und an der unteren Seite der sprossenleiterförmigen
Elektrode gebildet werden, wobei sich ingesamt vier Spannungsversorgungsanschlüsse
ergeben. Alternativ sollten vier Spannungsversorgungsanschlüsse jeweils an der
rechten und an der linken Seiten der sprossenleiterförmigen Elektrode gebildet werden,
wobei sich insgesamt acht Spannungsversorgungsanschlüsse ergeben.
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In der vorliegenden Erfindung wird ein Spannungsversorgungsanschluss, der die
sprossenleiterförmige zur Erzeugung der Entladung bestimmte Elektrode und die
Spannungsversorgung verbindet, als Koaxialkabel ausgeführt. Die
sprossenleiterförmige Elektrode ist mit dem Erdpotential aber nicht über ein Massekabel verbunden.
Wegen des besonderen Aufbaus ermöglicht es die Plasma CVD-Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung, eine Reduzierung der Filmbildungsrate zu verhindern. Es sollte
beachtet werden, dass die bei der vorliegenden Erfindung verwendete
sprossenleiterförmige Elektrode in eine sprossenleiterförmige Antennen-Elektrode und eine
sprossenleiterförmige ebene spulenartige Elektrode eingeteilt werden kann.
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In der Plasma CVD-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sind
Spannungsversorgungsanschlüsse, die an Verbindungen zwischen der sprossenleiterförmigen
Elektrode und Koaxialkabeln gebildet werden, an peripheren Abschnitten der
sprossenleiterförmigen Elektrode angebracht. Ebenso sind wenigstens vier
Spannungsversorgungsanschlüsse an der sprossenleiterförmigen Elektrode gebildet. Der besondere
Aufbau ermöglicht es, eine im Vergleich zum Stand der Technik zufriedenstellende
Verteilung der Fimdicke zu bekommen.
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Fig. 1 und 2 zeigen gemeinsam eine Plasma CVD-Vorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 1 den gesamten Aufbau der
Vorrichtung zeigt, und Fig. 2 die elektrische in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung
enthaltene Leitungsführung zum Zuführen der Hochfrequenz-Spannung zu der
sprossenleiterförmigen Elektrode zeigt.
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Wie in den Zeichnungen gezeigt, enthält die Plasma CVD-Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung einen Reaktionsbehälter 31. In dem Reaktionsbehälter 31 sind
eine Entladungselektrode (eine sprossenleiterförmige Elektrode) 32 zur Erzeugung
eines Glimmentladungs-Plasmas und eine, ein Substrat tragende und zur Steuerung
der Temperatur des Substrates verwendete, Heizvorrichtung 34 angeordnet. Die
Entladungselektrode 32 weist eine Breite von 572 mm und eine Länge von 572 mm auf und
ist aus einem SUS-Stab mit einem Durchmesser von 6 mm hergestellt. Der Abstand
zwischen den Mittelpunkten der benachbarten SUS-Stäbe beträgt 26 mm.
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Eine Hochfrequenz-Spannungsquelle 36 ist mit der Entladungselektrode 32 über
ein Gerät zur Impedanzanpassung 35 verbunden. Eine elektrische Spannung mit einer
Frequenz von beispielsweise 13,56 MHz bis 200 MHz wird der Entladungselektrode 32
von der Hochfrequenz-Spannungsquelle 36 geliefert. Ein Rohr 37 zur Einleitung eines
Reaktionsgases mit einem Auslass 37a für ein Reaktionsgas ist in dem
Reaktionsbehälter 31 zur Einleitung eines Reaktionsgases in einem Bereich um die
Entladungselektrode 32 angeordnet. Ebenso ist eine Vakuumpumpe 39 zum Ausstoßen des
unbrauchbaren Gases aus dem Reaktionsbehälter 31 mit dem Rektionsbehälter 31
über ein Auslassrohr 38 verbunden.
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Ein Erdungsschild 40 ist in dem Reaktionsbehälter 31 angeordnet. Das
Erdungsschild 40 dient der Unterdrückung der Erzeugung einer Entladung in unerwünschten
Abschnitten. Da das Erdungsschild 40 in Verbindung mit dem Auslassrohr 38 und der
Vakuumpumpe 39 benutzt wird, ermöglicht es auch, dass das Reaktionsgas und andere
gebildete Produkte durch das Auslassrohr nach außen ausgelassen werden, nachdem
das durch das Rohr 37 zur Einleitung eines Reaktionsgases in den Reaktionsbehälter
eingeleitete Reaktionsgas wie SiH&sub4; durch die zur Erzeugung einer Entladung bestimmte
Elektrode 32 in ein Plasma umgewandelt worden ist. Übrigens wird der Druck in dem
Reaktionsbehälter 31 durch eine nicht gezeigte Vakummessröhre überwacht und durch
Einstellen der Absaugrate der Vakuumpumpe 39 gesteuert.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, sind vier Spannungsversorgungsanschlüsse 41, 42, 43, 44
an die obere Seite der Entladungselektrode 32 geschweißt. Vier zusätzliche
Spannungsversorgungsanschlüsse 45, 46, 47, 48 sind an die untere Seite der
Entladungslektrode 32 geschweißt. Vier Stromzufuhranschlüsse 49, 50, 51, 52 mit
jeweils zwei Stiften sind zwischen der Entladungselektrode 32 und dem Gerät 35 zur
Impedanzanpassung angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird eine Hochfrequenz-
Spannung mit einer Frequenz von beispielsweise 60 MHz bis 80 MHz von der
Hochfrequenz-Spannungsquelle 36 den Spannungsversorgungsanschlüssen 41 bis 48 durch
das Gerät zur Impedanzanpassung 35, acht Koaxialkabel 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68,
die Stromzufuhranschlüsse 49 bis 52 und acht mit den
Spannungsversorgungsanschlüssen 41 bis 48 verbundenen Koaxialkabeln 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60
zugeführt. In der vorliegenden Erfindung ist es notwendig wenigstens vier
Spannungsversorgungsanschlüsse zu verwenden. Ein Massekabel ist ebenso nicht mit den
Spannungsversorgungsanschlüssen verbunden.
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Fig. 3 bis 8 zeigen verschiedene sprossenleiterförmige Entladungselektroden,
die sich voneinander in der Position und der Anzahl der
Spannungsversorgungsanschlüsse unterscheiden. Insbesondere zeigt Fig. 3, dass ein einzelner
Spannungsversorgungsanschluss 32a in einem mittleren Abschnitt der oberen Seite der
Ent
ladungselektrode 32 gemeinsam mit einem anderen einzelnen, in einem mittleren
Abschnitt der unteren Seite der Entladungselektrode 32 angebrachten
Spannungsversorgungsanschluss 32b angebracht ist, wobei sich insgesamt zwei
Spannungsversorgungsanschlüsse 32a und 32b ergeben. Fig. 4 zeigt, dass zwei
Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32b voneinander beabstandet an der linken Seite der
Entladungselektrode 32 angebracht sind, so dass die linke Seite der Entladungselektrode 32
durch diese Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32b äquidistant in drei Abschnitte
unterteilt ist. Entsprechend sind zwei Spannungsversorgungsanschlüsse 32c, 32d
voneinander beabstandet an der rechten Seite der Entladungselektrode 32 angebracht,
so dass die rechte Seite der Entladungselektrode 32 durch diese
Spannungsversorgungsanschlüsse 32c, 32d äquidistant in drei Abschnitte unterteilt ist. Es sind also
vier Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32b, 32c, 32d an der Entladungselektrode
32 in der in Fig. 4 gezeigten Anordnung angebracht. Fig. 5 zeigt, dass zwei
Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32b voneinander beabstandet an der oberen Seite der
Entladungselektrode 32 angebracht sind, so dass die obere Seite der
Entladungselektrode 32 durch diese Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32b äquidistant in
drei Abschnitte unterteilt ist. Entsprechend sind zwei Spannungsversorgungsanschlüsse
32c, 32d voneinander beabstandet an der unteren Seite der Entladungselektrode 32
angebracht, so dass die untere Seite der Entladungselektrode 32 durch diese
Spannungsversorgungsanschlüsse 32c, 32d äquidistant in drei Abschnitte unterteilt ist.
Es sind also vier Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32b, 32c, 32d an der
Entladungselektrode 32 in der in Fig. 5 gezeigten Anordnung angebracht.
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Fig. 6 zeigt, dass vier Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32b, 32c und 32d
in den vier Eckabschnitten der Entladungselektrode 32 angebracht sind. Fig. 7 zeigt,
dass vier Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32c, 32e und 32g in den vier
Eckabschnitten der Entladungselektrode 32 angebracht sind, und dass vier zusätzliche
Spannungsversorgungsanschlüsse 32b, 32d, 32f und 32h in den mittleren Abschnitten
der oberen Seite, der linken Seite, der unteren Seite und der rechten Seite der
Entladungselektrode 32 angebracht sind, wobei sich insgesamt acht
Spannungsversorgungsanschlüsse ergeben. Fig. 8 zeigt, dass vier Spannungsversorgungsanschlüsse
32a, 32b, 32e und 32f in den vier Eckabschnitten der Entladungselektrode 32
angebracht sind, dass zwei weitere Spannungsversorgungsanschlüsse 32c und 32d
voneinander beabstandet an der linken Seite der Entladungselektrode 32 angebracht
sind, so dass die linke Seite der Entladungselektrode 32 durch diese
Spannungs
versorgungsanschlüsse 32c und 32d äquidistant in drei Abschnitte unterteilt ist, und
dass zwei zusätzliche Spannungsversorgungsanschlüsse 32g, 32h voneinander
beabstandet an der rechten Seite der Entladungselektrode 32 angebracht sind, so dass die
rechte Seite der Entladungselektrode 32 durch diese
Spannungsversorgungsanschlüsse 32g und 32h äquidistant in drei Abschnitte unterteilt ist. Ferner zeigt Fig. 9,
dass vier Spannungsversorgungsanschlüsse 32a, 32d, 32e und 32b in den vier
Eckabschnitten der Entladungselektrode 32 angebracht sind, dass zwei zusätzliche
Spannungsversorgungsanschlüsse 32b und 32c voneinander beabstandet an der
oberen Seite der Entladungselektrode 32 angebracht sind, so dass die obere Seite der
Entladungselektrode 32 durch diese Spannungsversorgungsanschlüsse 32b und 32c
äquidistant in drei Abschnitte unterteilt ist und dass zwei weitere
Spannungsversorgungsanschlüsse 32f und 32g voneinander beabstandet an der unteren Seite der
Entladungselektrode 32 angebracht sind, so dass die untere Seite der Entladungselektrode
32 durch diese Spannungsversorgungsanschlüsse 32f, 32g äquidistant in drei
Abschnitte unterteilt ist.
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Bei einer Bildung eines a-Si-Filmes unter Benutzung der Plasma
CVD-Vorrichtung nach dem zuvor beschriebenen Aufbau, wird ein Reaktionsgas aus SiH&sub4; durch
die Entladung über die Entladungselektrode 32 in ein Plasma umgewandelt. Als
Ergebnis diffundieren Radikale wie SiH&sub3;, SiH&sub2;, SiH usw. in dem Plasma, um von einer
Oberfläche des Substrates 33 absorbiert zu werden, was zur Abscheidung eines a-Si-
Filmes, eines mikrokristallinen Si-Filmes oder eines polykristallinen Si-Filmes auf der
Oberfläche des Substrates 33 führt. Es ist übrigens in dem Fachgebiet bekannt, dass
ein a-Si-Film, ein mikrokristalliner Si-Film oder ein polykristalliner Si-Film durch
geeignete Steuerung der Filmbildungs-Bedingungen wie des Verhältnisses des
Durchsatzes von SiH&sub4; zu dem von H&sub2;, des Druckes und der Erzeugungsleistung des Plasmas
gebildet werden kann. Daher werden wir hierin den Fall, wo ein a-Si-Film unter
Benutzung von SiH&sub4;-Gas als ein Reaktionsgas gebildet wird, beschrieben.
Selbstverständlich kann die Plasma CVD-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung auch benutzt
werden, um einen mikrokristallinen Si-Film oder einen polykristallinen Si-Film zu bilden.
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In dem ersten Schritt wird die Vakuumpumpe 39 betrieben, um den
Reaktionsbehälter 31 zu evakuieren, um ein Vakuum von 26,664 · 10&supmin;&sup6; bis 39,997 · 10&supmin;&sup6; Pa zu
erreichen. Dann wird ein Reaktionsgas, beispielsweise SiH&sub4;-Gas durch das Rohr 37 zur
Einleitung eines Reaktionsgases in den Reaktionsbehälter bei einem Durchsatz von
ungefähr 80 bis 200 cc/min eingelassen. Dann wird von einer Hochfrequenz-
Spannungsquelle 36 der Entladungselektrode 32 durch das Gerät 35 zur
Impedanzanpassung eine Hochfrequenz-Spannung zugeführt, während der Druck im
Reaktionsbehälter 31 bei 6,6661 bis 66,661 Pa gehalten wird. Als Ergebnis wird ein
Glimmentladungs-Plasma von SiH&sub4; in der Nähe der Entladungselektrode 32 erzeugt. Das
erzeugte Plasma zersetzt das SiH&sub4;-Gas, was zur Bildung eines a-Si-Filmes auf der
Oberfläche des Substrates 33 führt. Es sollte beachtet werden, das die
Filmbildungsrate, die auch von der Frequenz und der Ausgangsleistung der Hochfrequenz-
Spannungsquelle 36 abhängig ist, ungefähr 0.5 bis 3 nm/s beträgt.
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Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die experimentellen Daten zu der
Beziehung zwischen der Verteilung der Filmdicke und der Anzahl der
Spannungsversorgungsanschlüsse zeigt, wobei der Fall abgedeckt ist, bei dem ein a-Si-Film auf
einem Corning #7059, einem unter der Handelsbezeichnung eines von der Corning
Incorporated gefertigten Glas-Substrates mit einer Fläche von 40 · 50 cm² unter
Benutzung der in Fig. 3 bis 9 gezeigten Entladungselektroden unter Einstellung der
Frequenz der Hochfrequenz-Spannungsquelle 36 auf 60 MHz, gebildet wurde. Bei
diesen Experimenten wurden der Durchsatz von SiH&sub4;-Gas auf 700 cc/min. der Druck
auf 26,6644 Pa und die Hochfrequenzleistung auf 500 W eingestellt. Wie in Fig. 10
gezeigt, betrug die Abweichung der Filmdicke von der mittleren Dicke +/-26% in dem
Fall, bei dem die Entladungselektrode 32 mit zwei Spannungsversorgungsanschlüssen
versehen war. Andererseits war die Abweichung der Filmdicke von der mittleren Dicke
nur +/-14% in dem Fall, bei dem die Entladungselektrode 32 mit vier
Spannungsversorgungsanschlüssen versehen war und +/-6% in dem Fall, bei dem die
Entladungselektrode 32 mit acht Spannungsversorgungsanschlüssen versehen war.
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Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, welche die experimentellen Daten zu der
Beziehung zwischen der Verteilung der Filmdicke und der Anzahl der
Spannungsversorgungsanschlüsse zeigt, wobei der Fall abgedeckt ist, bei dem ein a-Si-Film auf
einem Corning #7059, einem unter der Handelsbezeichnung eines von der Corning
Incorporated gefertigten Glas-Substrates mit einer Fläche von 40 · 50 cm² unter
Benutzung der in Fig. 3 bis 9 gezeigten Entladungselektroden unter Einstellung der
Hochfrequenz-Spannungsquelle 36 auf 80 MHz gebildet wurde. Bei diesen
Experimenten wurden der Durchsatz von SiH&sub4;-Gas auf 700 cc/min. der Druck auf 26,6644 Pa
und die Hochfrequenzleistung auf 500 W eingestellt. Wie in Fig. 11 gezeigt, betrug die
Abweichung der Filmdicke von der mittleren Dicke +/-30% in dem Fall, bei dem die
Entladungselektrode 32 mit zwei Spannungsversorgungsanschlüssen versehen war.
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Andererseits war die Abweichung der Filmdicke von der mittleren Dicke nur +/-18% in
dem Fall, bei dem die Entladungselektrode 32 mit vier
Spannungsversorgungsanschlüssen versehen war, und +/-8% in dem Fall, bei dem die Entladungselektrode 32
mit acht Spannungsversorgungsanschlüssen versehen war.
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Bei der Herstellung einer a-Si Solarzelle, eines Dünnfilmtransistors, einer
photoempfindlichen Trommel usw. sind keine Schwierigkeiten beim Betrieb aufgetreten,
wenn die Verteilung der Filmdicke innerhalb eines Bereiches von +/-10% von der
mittleren Dicke lag.
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Wie von den experimentellen Daten offensichtlich, war es möglich, eine im
Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren und der herkömmlichen Vorrichtung eine
auffallend gesteigerte Verteilung der Filmdicke durch Vorsehen von wenigstens vier
Spannungsversorgungsanschlüssen, bevorzugt von wenigstens acht
Spannungsversorgungsanschlüssen in den peripheren Abschnitten einer sprossenleiterförmigen
Entladungselektrode in jedem der Fälle, wo die Frequenz der Hochfrequenz-
Spannungsquelle 36 auf 60 MHz und 80 MHz eingestellt war, zu erhalten. Besonders
wo die Frequenz der Hochfrequenz-Spannungsquelle 36 auf 60 MHz eingestellt war,
wich die Verteilung der Dicke des auf einem Substrat mit einer Fläche von 40 · 50 cm²
gebildeten Filmes um weniger als +/-10% von der mittleren Dicke ab. Dies belegt
deutlich, dass die vorliegende Erfindung einen hohen industriellen Wert hinsichtlich der
Produktivität und Kostenreduzierung bei der Herstellung einer a-Si Solarzelle, eines
durch einen Dünnfilmtransistor (TFT) betriebenen Flüssigkristall-Anzeige-Bauelementes
und eines photosensitiven Körpers aus a-Si besitzt.
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Andererseits ist die Verteilung der Filmdicke bei einer herkömmlichen
Vorrichtung zur Plasma Gasphasen-Abscheidung ganz ungleichmäßig in dem Fall, wo eine
Hochfrequenz-Spannungsquelle mit einer Frequenz von 30 MHz oder mehr verwendet
wird. Dadurch ist es schwierig, die herkömmliche Vorrichtung zur Plasma Gasphasen-
Abscheidung bei einer Bildung eines dünnen Filmes auf einem großen Substrat von
einer Größe von 30 · 30 cm² bis 50 · 50 cm² praktisch zu gebrauchen.