JP2000045074A

JP2000045074A - 表面処理方法

Info

Publication number: JP2000045074A
Application number: JP10210513A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Mizukami; 裕之水上; Masayuki Koushiri; 雅之高尻; Koichi Ishida; 晃一石田
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2000-02-15

Abstract

(57)【要約】【課題】荷電粒子の衝突による膜質の劣化を防止し、高
速且つ高品質に成膜可能な表面処理装置を提供する。【解決手段】表面処理装置(1) のケーシング(2) はプラ
ズマ発生電極(5,5′)を備えたプラズマ発生室(3) と、
基板支持台(8) を備えた基板処理室(4) との二室に画成
されている。前記両室(3,4) の隔壁を構成する電極
(5′) にはプラズマ吹出口(6) が形成されており、両室
(3,4) が連通される。このプラズマ吹出口(6) とのノズ
ル形状は、同吹出口の最小断面積Ａn ／前記プラズマ発
生室の最大断面積Ａp ≦１／２に設定し、前記基板の表
面温度を１００〜５５０℃に、前記基板処理室(4) の圧
力を０．０１〜３ｔｏｒｒに設定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は基板への各種表面処
理、特に基板への成膜処理に適した表面処理装置に関
し、更に詳しくは、高品質で高速に成膜が可能な表面処
理装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の平行平板型プラズマＣＶＤ (Chem
ical Vapor Deposition)装置は、ケーシング内に一対の
平板状のプラズマ発生電極が平行に対向して設けられて
いる。前記プラズマ発生電極のうち、一方の電極は基板
支持台としての機能を兼ね備えており、更に、同装置は
基板の温度を、気相成長に適した温度に調整するために
ヒータが設けられている。前記一方の電極に基板を載置
した状態で、両プラズマ発生電極間に高周波数の電源
（１３. ５６ＭＨ_Zの電源）による電圧が印加される
と、これら電極間で放電が行われる。この放電によりプ
ラズマが発生し、原料ガス、例えばモノシランガスがプ
ラズマ化にされ、前記基板表面にシリコン膜が形成され
る。

【０００３】かかる従来の平行平板型のプラズマＣＶＤ
装置にあっては、基板を載置する平板状の前記プラズマ
発生電極の面積を大きくすることで、大面積の基板を一
度の成膜処理で成膜することができるといった利点を有
している。しかしながら、従来の平行平板型のプラズマ
ＣＶＤ装置にあっては、両プラズマ発生電極によりプラ
ズマ化された原料ガスは成膜ガス処理室内に均一に拡散
され、その一部が前記電極上に載置された基板の成膜に
寄与するだけである。このため原料ガスの利用効率が低
く、例えばアモルファスシリコン薄膜や徴結晶シリコン
薄膜を基板上に成膜しようとする場合、成膜速度が０.
０１μｍ／分程度と、投入電力が大きいにもかかわら
ず、成膜速度は遅い。そのため太陽電池などの比較的膜
厚の厚い半導体デバイスを製作するには、更に長時問を
要し、低スループット、高コストの主要因となってい
た。

【０００４】そこで、成膜速度を上げるために、高周波
電源による投入電力を増大させることも考えられる。し
かしながら、両プラズマ発生電極間には当然に電流が流
れており、この電流の大きさに応じてプラズマ内の荷電
粒子が加速される。この加速された荷電粒子は電極間に
配された基板に直接衝突し、基板はこの荷電粒子の衝突
によるダメージで、膜質の劣化を来す。かかる荷電粒子
の衝突数は投入電力の増大に伴って増加し、同荷電粒子
の衝突ダメージによる膜質の劣化も著しくなる。更には
高周波電源による高周波電力の増大に伴い、気相中で微
粉末が多量に発生することになり、微粉末による膜質の
劣化も飛躍的に増大することとなる。

【０００５】従って、従来の平行平板型のプラズマＣＶ
Ｄ装置にあっては、こうした荷電粒子の衝突によるダメ
ージや微粉末による膜質の劣化を避けるために、投入電
力（投入パワー）を抑え、電流を少なくせざるを得な
い。即ち、実質的には投入電力、電流の上限値が存在
し、成膜速度を一定レベル以上に高めることができなか
った。

【０００６】これに対して、例えば特開昭６３−２５５
３７３号公報に開示されている反応装置は、ケーシング
が高周波電源に接続された対向する一対のプラズマ発生
電極と絶縁壁とにより囲まれたプラズマ発生室と基板処
理室との２室に画成されている。前記プラズマ発生室に
は原料ガス導入口が設けられ、一方の前記プラズマ発生
電極の中心に、前記プラズマ発生室から前記基板処理室
に連通する開口が形成されている。また、前記基板処理
室の前記開口に対向する位置には、基板が支持されてい
る。

【０００７】前記反応装置では前記一対のプラズマ発生
電極に高周波電源により高周波電力を投入すると、両電
極間でプラズマが発生し、前記プラズマ発生室内に導入
された原料ガスがプラズマ化される。このとき、プラズ
マ発生室よりも基板処理室を低圧にすることで、プラズ
マがジェット流となって前記電極に形成された開口から
前記処理室へと噴き出し、同開口に対向して支持された
基板上に導かれる。同装置では更に、前記開口から基板
まで間にプラズマ流と平行な磁場を付与することで、プ
ラズマ流が更に集束されて基板に導かれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このようにプラズマ流
を基板に向けて積極的に吹き付ける反応装置では、投入
電力を増大させることなく、成膜速度を高めることがで
きる。更には、成膜速度が高まるにもかかわらず、薄膜
の結晶化も促進され、従来よりも速い成膜速度で高品質
の薄膜を形成することができる。とはいえ、薄膜の品質
向上及び成膜速度の高速化は更なる課題として求められ
ている。本発明はかかる要求に対応すべくなされたもの
であり、成膜処理やエッチング処理などの表面処理を更
に高速で行うことができ、且つ高品質な製品を得ること
のできる表面処理方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用効果】本発明者ら
が鋭意検討を行ったところ、プラズマ発生室と基板処理
室とが二室に画成され、プラズマ発生電極と基板表面と
の距離が３〜１５０ｍｍである表面処理装置では、プラ
ズマ吹出口の開口面積、基板表面温度、基板処理室の圧
力などの条件が、表面処理後の基板の品質及び処理速度
を左右することがわかった。そのため、製品の品質及び
処理速度を向上させるべく、多数の実験を行い、本発明
に至ったものである。

【００１０】即ち、本発明は、ケーシングがプラズマ発
生電極を備えたプラズマ発生室と、基板支持台を備えた
基板処理室との二室に画成され、同基板処理室はプラズ
マ吹出口を介して前記プラズマ発生室と連通されてなる
表面処理装置を使用し、前記プラズマ発生電極によりプ
ラズマを発生させて原料ガスをプラズマ化し、前記基板
支持台上に載置された基板表面にプラズマ処理する表面
処理方法であって、前記表面処理装置の前記プラズマ吹
出口のノズル形状を、同吹出口の最小断面積がＡn 、前
記プラズマ発生室の最大断面積がＡp であるとき、Ａn
／Ａp ≦１／２に設定すること、及び、前記基板の表面
温度を１００〜５５０℃に設定すること、を含んでなる
ことを特徴とする表面処理方法を主要な構成としてい
る。

【００１１】プラズマ発生室と基板処理室との二室に画
成し、例えばプラズマ発生室内のプラズマをプラズマ吹
出口から基板に向けて吹きつけ、成膜処理を施した場
合、成膜速度も高まり、更には結晶化も促進されるた
め、均一の高品質な膜質をもつ薄膜が高速で形成され
る。また、本発明では、Ａn ／Ａp ≦１／２に設定する
と共に前記基板の表面温度を１００〜５５０℃に設定す
ることにより、薄膜の結晶性、光電特性が更に向上す
る。好ましくは、前記表面温度を１５０〜５００℃に設
定する。

【００１２】更に、前記基板処理室の圧力を０．０１〜
３ｔｏｒｒに設定することが好ましく、その場合には、
薄膜の結晶性、光電特性、並びに成膜速度が著しく向上
する。また、前記圧力を０．０５〜１ｔｏｒｒに設定す
ることがより好ましい。

【００１３】なお、上述の成膜処理の他に、表面処理と
してエッチング処理を施す場合にも、上述の条件とする
ことでその処理速度が高速化されると共に得られた製品
の品質も向上するものである。但し、エッチング処理を
施す際には、上述の条件の他にエッチング条件が適宜、
付加される場合がある。

【００１４】また、前記基板としてはガラス、有機フィ
ルム、或いはＳＵＳ等の金属を使用することができる。
さらに本発明の装置はエッチング等の表面処理にも使用
できるが、前記基板表面に多結晶シリコンやアモルファ
スシリコンなどの薄膜を形成する際に特に好適に使用さ
れる。

【００１５】前記プラズマ発生電極には直流電源又は高
周波電源を接続して直流〜高周波電圧まで印加すること
ができるが、特に高周波電力が投入されることが好まし
い。なお、この投入電力は５〜５００Ｗであることが望
ましい。

【００１６】更に、本発明では前記プラズマ吹出口の数
は１に限定されるものではなく、複数のプラズマ吹出口
を形成することも可能である。その場合に、最小断面積
Ａnは各吹出口における最小断面積の和である。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、本発明の表面処理方法を実施するに際して好適な表
面処理装置について図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明の表面処理方法を実施するのに好適な表面
処理装置１の概略図である。同装置１は外気と遮断さ
れ、接地されたケーシング２が、プラズマ発生室３と基
板処理室４との２室に画成されている。前記プラズマ発
生室３は図示せぬ原料ガス導入口を備えており、モノシ
ラン等の原料ガスが導入される。また、前記原料ガス導
入口からは、プラズマの発生を促進すると共にプラズマ
を安定化し、且つ原料ガスを基板Ｓまで搬送するための
キャリアガスが、前記原料ガスに混合されて導入され
る。なお、キャリアガス専用の導入口を別途設けてもよ
い。

【００１８】更に同プラズマ発生室３内には高周波電源
Ｐに接続された一対の板状プラズマ発生電極５，５′が
配されている。一対の電極５，５′のうち一方の電極５
は前記プラズマ発生室３の上壁３ａに絶縁体３ｂを介し
て取り付けられており、他方の電極５′は前記基板処理
室４との隔壁を構成している。隔壁を構成する前記他方
の電極５′の中心にはプラズマ吹出口６が形成されてお
り、同プラズマ吹出口６を介して前記プラズマ発生室３
と基板処理室４とが連通されている。

【００１９】更に、前記プラズマ吹出口６には、上流側
が円筒形状をなし下流側は前記基板処理室４に向けて拡
径する載頭円錐形状をなすノズル体７が取り付けられて
いる。前記ノズル体７の最小断面積、即ち、円筒形状部
分の断面積をＡn とし、前記プラズマ発生室４の最大断
面積をＡp としたとき、Ａn ／Ａp ≦１／２となってい
る。

【００２０】前記基板処置室４内には前記プラズマ吹出
口６に対向する位置に基板支持台８が配されている。こ
の基板支持台８上に載置された基板Ｓの表面と隔壁を構
成する前記プラズマ発生電極５′との間の距離は３〜１
５０ｍｍである。前記支持台８の下方にはヒータ９が備
えられており、前記基板支持台８上に載置された基板Ｓ
の温度を、気相成長に適した温度に調整する。なお、前
記基板処理室４は図示せぬバルブ、圧力調整弁及び真空
ポンプにより、室圧が調整される。

【００２１】前記一対のプラズマ発生電極５，５′に高
周波電源Ｐにより高周波電力を投入すると、前記電極
５，５′間で放電が起こり、前記プラズマ発生室３内に
プラズマが発生する。そのプラズマにより、同プラズマ
発生室３内に導入されたモノシランガス等の原料ガス及
びキャリアガスがプラズマ化される。このとき、前記基
板処理室４は室圧が前記プラズマ発生室３よりも低圧に
調整されているため、同プラズマ発生室３内のプラズマ
は、前記プラズマ吹出口６に取り付けられたノズル体７
からジェット流となって前記基板処理室４内へと噴出す
る。このとき、前記ジェット流は、前記ノズル体７によ
り基板Ｓに向けて所望の角度で積極的且つ確実に案内さ
れる。このプラズマのジェット流により前記処理室４内
の基板Ｓ表面がプラズマ処理され、同基板４の表面に薄
膜が形成される。

【００２２】以下、上述の表面処理装置１を用いた本発
明の表面処理方法について、実施例及び比較例を参照し
て説明する。なお、以下の全ての実施例及び比較例にお
いて、原料ガスであるモノシランガスを流量７ｓｃｃｍ
で導入し、キャリアガスである水素ガスを流量７０ｓｃ
ｃｍで導入した。また、前記プラズマ発生室３と基板処
理室４との隔壁を構成する前記プラズマ発生電極５′と
基板Ｓ表面との間隔は２５ｍｍとし、前記プラズマ発生
電極５，５′には３０Ｗの高周波電力を投入した。

【００２３】また、各実施例及び比較例では結晶性及び
光電特性について評価した。その評価方法は以下のとお
りである。＜結晶性＞レーザラマン分光法により、非晶質性をあら
わす４８０ｃｍ^-1のＴＯフォノンと、結晶性をあらわす
５２０ｃｍ^-1のＴＯフォノンの強度比から結晶化率を求
めた。また、Ｘ線解析法によっても結晶性を評価し、そ
れら両方の結果を総合し、結晶性として○、△、×で評
価した。＜光電特性＞いわゆる、コプラナー（coplaner）型のア
ルミ電極により、暗伝導度と光伝導度とを測定し、○、
△、×で評価した。なお光伝導度は、ＡＭ１．５、１０
０ｍＷ／ｃｍ²の光源の光を照射し、電圧・電流特性を
調べて抵抗を測定した。

【００２４】（実施例１〜５及び比較例１，２）基板処
理室４の圧力を０．５ｔｏｒｒとし、基板Ｓの表面温度
を２５０℃に設定して、プラズマ吹出口６の最小断面積
Ａn ／前記プラズマ発生室４の最大断面積Ａp の値を１
〜１／１００００まで変化させて結晶性及び光電特性に
ついて評価した。その結果を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】Ａn ／Ａp の値が１の比較例１では、基板
Ｓの表面に形成された薄膜が非晶質となり、また、Ａn
／Ａp の値が１／１．５である比較例２では、前記薄膜
の結晶性がくずれたものであった。Ａn ／Ａp の値が１
／２以下の実施例１〜５は全て、結晶性の良好な薄膜が
形成されていた。また、光電特性についてみても、これ
らの実施例１〜５は優れたものであった。

【００２７】（実施例６〜１２及び比較例３，４）基板
処理室４の圧力を０．５ｔｏｒｒ、Ａn ／Ａp の値を１
／１００として、基板Ｓの表面温度を２５〜６００℃ま
で変化させて、成膜速度、結晶性及び光電特性について
評価した。その結果を表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】実施例６〜１２及び比較例３，４はいずれ
も成膜速度が６０Å／ｓであり、成膜速度は基板Ｓの表
面温度に依存しないことがわかった。しかしながら、表
２からもわかるように、前記表面温度は結晶性及び光電
特性に大きく関与している。表面温度が１００℃未満で
あると基板Ｓの表面に形成された薄膜は非晶質となり、
表面温度が１００℃付近で結晶化が始まる。更に１５０
℃以上になると優れた結晶性が得られた。また、光電特
性についてみると、表面温度が１００℃未満の場合と、
５５０℃より高い温度の場合には、光電特性を示さなか
った。結晶性及び光電特性の双方に鑑み、基板Ｓの表面
温度は１００〜５５０℃であり、更には１５０〜５００
℃であることが好ましい。

【００３０】（実施例１３〜１８及び比較例５）基板Ｓ
の表面温度を２５０℃、Ａn ／Ａp の値を１／１００と
して、基板処理室４の圧力を０．０１〜５ｔｏｒｒまで
変化させて、成膜速度、結晶性及び光電特性について評
価した。その結果を表３に示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】基板処理室４の圧力が５ｔｏｒｒである比
較例５は、成膜速度は１０Å／ｓとさほど高速ではない
にも関わらず、基板表面に形成された薄膜はアモルファ
スとなり、結晶性に劣るものであった。一方、前記圧力
が０．０１〜３ｔｏｒｒの実施例１３〜１８は、いずれ
も結晶性及び光電特性が良好であった。更に、前記圧力
が０．０１〜１ｔｏｒｒまでは、同圧力が高くなるにつ
れて成膜速度が速くなりり、前記圧力が１ｔｏｒｒを越
えると成膜速度が遅くなる。結晶性及び光電特性の点か
らは前記圧力は０．０１〜３ｔｏｒｒに設定することが
好ましいが、更に成膜速度について考慮した場合には、
前記圧力を０．０５〜３ｔｏｒｒとすることが望まし
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面処理方法を実施するのに好適な表
面処理装置の概略図である。

【符号の説明】

１表面処理装置２ケーシング３プラズマ発生室３ａ上壁３ｂ絶縁体４基板処理室５，５′ プラズマ発生電極６プラズマ吹出口７ノズル体８基板支持台９ヒータＳ基板Ｐ高周波電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田晃一神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製作所研究本部内Ｆターム(参考） 4K030 BA29 BA30 CA02 CA06 CA07 EA05 FA03 JA09 JA10 5F045 AA08 AB03 AC01 AD05 AD06 AD07 AD08 AD09 AE17 AE19 AE21 AF07 BB12 BB18 CA13 DA65 DP03 EF01 EF02 EH13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケーシングがプラズマ発生電極を備えた
プラズマ発生室と、基板支持台を備えた基板処理室との
二室に画成され、同基板処理室はプラズマ吹出口を介し
て前記プラズマ発生室と連通されてなる表面処理装置を
使用し、前記プラズマ発生電極によりプラズマを発生させて原料
ガスをプラズマ化し、前記基板支持台上に載置された基
板表面にプラズマ処理する表面処理方法であって、前記表面処理装置の前記プラズマ吹出口のノズル形状
を、同吹出口の最小断面積がＡn 、前記プラズマ発生室
の最大断面積がＡp であるとき、Ａn ／Ａp ≦１／２に
設定すること、及び、前記基板の表面温度を１００〜５５０℃に設定するこ
と、を含んでなることを特徴とする表面処理方法。
【請求項２】前記基板の表面温度を１５０〜５００℃
に設定してなる請求項１記載の表面処理方法。
【請求項３】前記基板処理室の圧力を０．０１〜３ｔ
ｏｒｒに設定してなる請求項１又は２記載の表面処理方
法。
【請求項４】前記基板処理室の圧力を０．０５〜１ｔ
ｏｒｒに設定してなる請求項３記載の表面処理方法。