JP2000073174A - プラズマcvd装置及び薄膜電子デバイス製造方法 - Google Patents
プラズマcvd装置及び薄膜電子デバイス製造方法Info
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Abstract
化を図るようにしたプラズマCVD装置及び薄膜電子デ
バイス製造方法を提供する。 【解決手段】 真空容器1内のプラズマ生成電極を、高
周波電力が供給される導体棒4Sと接地された導体棒4
Gとが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子
型電極としたものである。
Description
反応性ガスをプラズマ化し、基板上に薄膜を形成するプ
ラズマCVD装置及び薄膜電子デバイス製造方法に係る
ものであり、薄膜電子デバイス、例えば薄膜トランジス
タ、太陽電池、電子写真感光体等の製造・開発プロセス
に用いられるプラズマCVD装置に関する。
料加工プロセスは、薄膜電子デバイスや新材料の製造等
に広く用いられている必要不可欠な技術である。このう
ち、薄膜形成に例をとると、従来より提案されているプ
ラズマCVD装置としては、特開平4−021781号
公報に開示される如く、例えば1本の線材をU字状に交
互に折り曲げたジグザグ状平面形コイルを形成し、この
コイルと対峙する基板との間に高周波電圧をかけてプラ
ズマを発生させるものがあり、電界強度を強くしかつ均
一として大面積薄膜を得ようとするものがある。
と排気系とが連通された真空容器内にあって、上述のジ
グザグ状平面形コイルである放電用(高圧側)電極とこ
れに対峙して基板を載せた接地側電極との間にて発生す
る高周波電界によりプラズマを生成し、この生成したプ
ラズマにより反応性ガスを分解して反応種を作り、基板
上に薄膜を堆積するというものである。
ては、特開平4−236781号公報に開示される如
く、例えば複数本の線材からなる梯子状平面コイルと基
板との間に高周波電圧をかけてプラズマを発生させ、電
界強度を強くしかつ均一として大面積薄膜を得ようとす
るものである。
界によりプラズマを生成し、基板上に薄膜を堆積するこ
とは前述の従来例と同じである。
従来例にも挙げるごとくジグザグ状や梯子状平面コイル
である高圧側電極と基板を載せた接地側電極とに高周波
電圧を加えるものが一般的であり、換言すれば高圧側電
極と接地側電極とが電気的に結合しているのが一般的で
あり、接地側電極上に載せた基板の物性が高周波電界に
影響を及ぼしプラズマ生成に影響を与えることになっ
て、プラズマ生成制御が困難になることがある。
力を増加した場合、基板表面が強いプラズマに直接さら
されることとなり、基板表面がプラズマ中のイオンによ
るダメージを受け、膜質が劣化するという問題もある。
により大面積薄膜を得るといっても、これら高圧側電極
と基板との間に高周波電圧をかけることになり、かかる
点電子密度分布に片寄りが発生し連続分布とならないた
め均一成膜はできにくく、この結果大面積薄膜を形成す
るにしても限界がある。
で、プラズマ生成電極と基板側の電極とを電気的に独立
したものとして、プラズマ制御の困難性や基板表面の膜
質の劣化を防止し、また更なる大面積化を進めるように
したプラズマCVD装置及び薄膜電子デバイス製造方法
の提供を目的とする。
発明は、次の発明特定事項を有する。第1の発明は、ガ
ス導入系と排気系とが連通された真空容器内に、高周波
電力供給手段に接続された電極とこの電極と対向して配
置された基板とを有するプラズマCVD装置において、
上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地され
た導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列され
た梯子型電極であることを特徴とする。
電極を構成する高圧側導体棒と接地側導体棒との間の距
離dは、高周波プラズマ中の電子の振幅Aの2倍に略等
しいことを特徴とする。
て、上記電極は、円筒状梯子型電極とし、この電極の内
側に円筒状基板を備えた円筒状基板ホルダを備えたこと
を特徴とする。
にあって、上記電極に接続される高周波電源とは別の周
波数可変とした高周波電源を基板を支持する第2の電極
に接続することを特徴とする。
の発明にあって、上記電極とこの電極と対峙する基板と
の間に反応性ガスを噴出するガス管を、上記梯子型電極
及び基板のまわりに囲むように備えたことを特徴とす
る。
は第5の発明にあって、上記電極に給電する高周波電力
の波長λとしたとき、高周波電源からみた互いの給電点
の距離がλ/4 以下となる複数の給電点を備えたことを
特徴とする。
又は第5の発明にあって、複数の給電点を備えた電極
は、各給電点ごとに独立した電極に対応させてユニット
を形成し、複数ユニットを形成したことを特徴とする。
又は7のプラズマCVD装置の梯子状電極に対向して配
置された基板上にプラズマにより成膜するようにした薄
膜電子デバイス製造方法を特徴とする。
本発明の実施の形態の一例を説明する。図1は本発明の
高周波プラズマCVD装置の断面構成図である。図1に
おいて、真空容器1は、ガスボンベ等のガス源(図示省
略)に接続されたガス導入系2と真空ポンプに接続され
た排気系3との気体出入口を有する。この真空容器1内
には、梯子型電極4と基板5を載せる基板ホルダ6とが
離間して対峙して置かれ、梯子型電極4はプラズマ生成
電極であり、インピーダンスマッチングのためのマッチ
ング回路7を介して高周波電源8に接続される。
示すように高周波電力を給電するための高圧側の金属枠
4aと接地側の金属枠4bとの間に差し渡された複数本
の導体棒4S,4Gが互いに離間して並べられる。この
導体棒のうち高圧側の金属枠4aに差し込まれ電気的に
接続するもの4Sは、接地側の金属枠4bでは絶縁体受
座4cを介して電気的に絶縁されて差し込まれる。ま
た、導体棒のうち接地側の金属枠4bに差し込まれて電
気的に接続するもの4Gは、高圧側の金属枠4aでは絶
縁体受座4cを介して電気的に絶縁して接続される。し
たがって、高圧側の金属枠4aと導体棒4Sには高周波
電圧が加わり、反面、導体棒4G及び金属棒4bは接地
されることになる。図1では黒丸を例えば高圧側導体棒
4S、白丸を接地側の導体棒4Gとして示す。
ダ6に対して反対側には、ガス導入系2と連通する中空
部を有するシャワープレート9が配置されており、シャ
ワープレート9の多数の噴出孔からは均一にガスが噴出
するようになっている。一方、基板ホルダ9内には基板
5を加熱するためのヒータ10が配置されている。な
お、基板ホルダ6ひいては基板5及び真空容器1は接地
されている。
体棒4Sに高周波電力を加えた場合、接地側の導体棒4
Gとの間にて電極面に沿ってプラズマが生成する。そし
て、このプラズマは導体棒4S,4Gに沿い生成するこ
とになり、このプラズマの生成に当って基板側の電位は
直接影響を及ぼさない。つまり、梯子型電極4に対して
基板5及び基板ホルダ6は電気的に独立したものとな
る。
は、次式[数1]にて表される。
は電子の質量、eは電子の電荷量、ω=2πfは高周波
電力の角周波数である。そして、交互に配置された高圧
側の導体棒4Sと接地された導体棒4Gとの距離dを前
記電子の振幅Aの2倍近傍とする。つまりd≒2Aとす
る。仮に、d≪2Aであれば、プラズマ中の電子が容易
に導体棒に到達して結果的にプラズマはうまく生成され
なくなる。一方、d≫2Aでは、プラズマが生成される
が、導体棒間に体積の大きいプラズマが生成されること
になり、結果的にプラズマの均一性を悪化させるからで
ある。また、電極周辺の構造物との距離は、電極と構造
物との間での放電を避けるために、少なくともdより大
きくすることも必要である。この時、電極の支持はセラ
ミック等の絶縁体で行われる。
体棒4S,4G間をd=2Aとなるように配置する。か
かる構成にて導体棒4S,4G間に形成される高周波電
界により効率良くプラズマが形成されることになる。よ
って高圧側の導体棒4Sと接地側の導体棒4Gとを交互
に梯子状に並べることにより、電極全体として均一で大
面積プラズマを生成することができる。
に給電した場合を想定し、二次元の数値シミュレーショ
ンを実施した結果、プラズマ中の電子密度の空間分布は
図3のようになった。図3に示すように、電気密度は梯
子型電極の導体棒の並びに沿って、連続的に分布してお
り、大面積で均一なプラズマ生成が可能であることを示
している。すなわち、真空容器内に供給された反応ガス
は、電極面に沿って生成されたプラズマによって分解さ
れ、反応種が生成される。この反応種は、通常この種の
プロセスで用いられるガス圧である数mTorr〜数百mTo
rrのもとでは、速やかに拡散し加工物に達した付近では
均一な分布となる。このため、この反応種による一様な
加工が可能となる。
円筒状基板51に対して円筒状梯子型電極41を形成し
た例を示している。例えば、具体例として感光体ドラム
に代表されるような円筒状の基板に対するCVDを前提
としたものである。真空容器1内には円筒状梯子型電極
41を円筒状基板51を保持する円筒状基板ホルダ61
と同心に設置されている。この場合、円筒状梯子型電極
41の梯子段を形成する導体棒の並びは図4の如く円周
方向に並べても良いし、あるいは円筒軸方向に並べても
よい。
同様マッチング回路7を介して高周波電源8が接続され
ており、更に高圧側導体棒と接地側導体棒との交互に配
置により、円筒状梯子型電極41のこの導体棒に沿って
プラズマを生成できることは図1の場合と同様である。
更に、図1と同様に円筒状梯子型電極41の背後にはシ
ャワープレート9から反応性ガスが噴出するようにして
あり、プラズマによって分解された反応種により円筒状
基板の表面に対する一様な成膜が可能となる。つまり、
図4の構成では、図1のものを円筒状に形成した構成と
なっている。
基板5を載せるステージに第2の電極11を備え、この
第2の電極11にマッチング回路12を介して別の高周
波電源13を接続する構成を図1の構成に加えたもので
ある。この図5によれば、第2の電極11上に載せた基
板5の表面電位は高周波電力によってその周波数にて時
間的に変動し、しかも真空容器1や基板ホルダ6が接地
されて相対的に負電圧が重畳されることになるので、梯
子型電極4により生成されたプラズマ中のイオンは、プ
ラズマ中の空間電位と基板5の表面電位との間で時間的
に変動する電位差により加速され、成膜中の基板表面に
入射する。
力の周波数を変えた時の、基板5に入射するSiH3 イ
オン(図中実線)とH+ イオン(図中点線)の各々のイ
オンエネルギーの分布の変化を示したものである。図6
に示すように低い周波数(例えば13.56 MHz )ではエ
ネルギー分布は広くなるが、周波数を高くすると(例え
ば70MHz )広がりが小さくなることから、周波数の大
きさによって入射イオンエネルギーを制御可能なことが
わかる。高すぎるイオンエネルギーは膜中の欠陥密度を
増大し膜質を劣化させる一方で、数十eV程度の入射エネ
ルギーを持ったイオンは成膜中のアニーリング効果を助
長し、膜質を緻密で良質なものにすることも知られてい
るので、本例による高周波電力を用いたイオンエネルギ
ーの制御は非常に有効である。
梯子型電極4と基板5との間にこの電極4や基板5を囲
む大きさのリング状のガス管14を配置しており、この
リング状のガス管14の内側には多数のガス噴出口が形
状される構成を有している。このリング状のガス管14
からは成膜前駆体のもとになる反応性ガスを流出するも
のであり、ガス導入系2からは成膜前駆体のもとになる
反応性ガスとは別のガスを導入しそのガスが梯子型電極
4の導体棒間に生成したプラズマによって分解してでき
た反応種により、ガス管14から導入した反応性ガスを
分解して成膜を行なうようにしている。つまり、図1,
図4,図5に示すように反応性ガスを直接プラズマにて
分解することなく、別のガスの分解による反応種にてガ
ス管14からの反応性ガスを分解することにより、成膜
前駆体となる反応種の組成を制御することができる。
ャワープレート9からはArガスを導入し、ガス管14
からはSiH4 ガスを導入すれば、プラズマ中の電子衝
突によって生成したAr準安定原子とSiH4 ガスの反
応によりSiH2 を生成することから、成膜前駆体とな
る反応種SiH3 ,SiH2 等においてSiH2 の比率
を上げることができる。また、例えば、シャワープレー
ト9からはH2 ガスを導入し、ガス管14からは同様に
SiH4 ガスを導入すれば、プラズマ中の電子衝突によ
って生成したH原子とSiH4 の反応によりSiH3 を
生成することから、成膜前駆体となる反応種SiH3 ,
SiH2 においてSiH3 の比率を上げることができ
る。いずれにしても、SiH4 ガスを直接プラズマによ
って分解し生成する反応種の組成とは異なる組成にする
ことができ、成膜反応の制御が可能となる。
挙げたが、これらの具体例は相互適用が可能であり、例
えば図4の円筒構造にて図5,図7の構成を組み合せる
ことができ、また、図5と図7の構成を組み合せること
もできる。
CVD装置では、高周波電力が給電される導体棒と接地
された導体棒とを交互に梯子状に配列したことにより、
少なくとも基板側は梯子状電極とは電気的に独立したも
のとなり、電子密度分布が連続して均一な分布となり、
成膜プロセスの自由度が増加し、高品質成膜のための制
御性が向上し、一層の大面積薄膜が期待される。
化したプラズマ生成につき述べたのであるが、ここで高
周波電力についても言及する。高周波プラズマの生成
は、基板へのイオンダメージを減少させる等高品質加工
のため行なわれ、従来使用されてきた13.56 MHz の外
更に高い数十〜数百MHz の高周波電力が使用されつつあ
る。ところが、高周波電力の高周波数化に伴い波長が電
極サイズと同程度になると定在波が発生してしまい、プ
ラズマ分布が不均一になったり、高周波による電子捕捉
効果が強くなって電極と周囲の構造物との間に局所的に
プラズマが生成されやすくなり、プラズマの大面積で均
一な生成が困難になりつつある。
果によりプラズマが局所化する性質を逆に利用して、プ
ラズマ分布が不均一になるという問題を解決する。前述
したように本発明の実施の形態の一例では、高周波電力
が給電された導体棒4Sと接地された導体棒4Gを交互
に梯子状に並べた複数の導体棒から成る梯子型電極4を
真空容器1内に設置することにより、電極全体として大
面積・均一なプラズマを生成し、一様な加工を実現する
ようにしたものであるが、高周波電力の周波数による波
長λが梯子型電極4の寸法と比較して十分大きい場合に
は、この電極への給電については高圧側金属棒4aへの
一点での給電点の設置で問題はない。ところが、高周波
電力の周波数に基づく波長λにより、λ/4 の長さが電
極の縦又は横の寸法と同程度になる場合には、定在波の
発生によりプラズマの不均一を招来するため、高周波電
源側からみて互いの距離がλ/4 以下となる複数の給電
点を設けることが考えられる。
する高周波電力の波長をλとした時、電極の縦または横
の寸法がλ/4 と同程度になる場合において、電極全体
で電圧分布を一様にするための電極の構成について一例
を説明する。この図8に示す例では、高圧側金属枠4a
と接地側金属枠4bとを一対ずつ設け、両側に接地側金
属枠4b1,4b2を中央に高圧側金属枠4a1,4a
2をそれぞれ備えている。そして、高圧側金属枠4a
1,4a2にはそれぞれ2か所の給電点16a,16
b,16c,16dが設置され、電源からみた各給電点
16a,16b,16c,16dの距離をλ/4 以下と
している。
発生する電圧分布との関係を示している。100MHz の
場合、λ=2mなので、給電点間距離LとL=λ/2 の
関係となり、この時非常に大きな電圧分布が発生する。
L<λ/4 となる54.24 MHz 以下では、電圧分布はか
なりの程度一様化されており、複数の給電点を設けた場
合の互いの距離をλ/4 以下とする根拠となっている。
上記のように、複数の給電点を配置し、電極全体で導体
棒に沿って電圧分布をほぼ一様に発生すれば、図2の場
合と同様に各導体棒間において、一様なプラズマ生成が
可能となり、高周波電力の周波数が高くなったために波
長λが小さくなり、λ/4 が電極寸法とほぼ同程度の場
合でも、大面積で均一なプラズマの生成が可能となる。
の周波数が高くなり、それを波長λとした時、λ/2 が
電極の縦または横の寸法より大きくなる場合、給電点の
数も増やさなければならない。この時、電気的に接続し
ており、かつ、電源から見てλ/4 以上の離れた位置に
ある給電点が存在すると、これらの給電点により発生す
る定在波が互いに干渉して、結果的に電圧分布を悪化さ
せる恐れがある。これを抑制し、電極全体で電圧分布を
一様にするための電極の構成について図10を用いて説
明する。図10は図8にて用いた複数給電された電極を
一つの電極ユニット17として、必要な電極面積だけ複
数のユニットを平面内に配置したもので、図は4ユニッ
トを配置した例である。各ユニットには高周波電力が各
々給電されているのみで、ユニット間は電気的に接続さ
れていない。こうすることによって、λ/4 以上離れた
給電点同士の定在波の干渉はなくなり、各々均一にプラ
ズマが生成されたユニットを平面内に配置することによ
って、全体として大面積で均一なプラズマの生成が可能
となる。
の効果を奏する。第1の発明では、ガス導入系と排気系
とが連通された真空容器内に、高周波電力供給手段に接
続された電極とこの電極と対向して配置された基板とを
有するプラズマCVD装置において、上記電極は、高周
波電力が供給される導体棒と接地された導体棒とが相互
に絶縁されて交互に梯子状に配列された梯子型電極とし
たことにより、基板側とは電気的に独立することにな
り、プラズマ生成制御、イオン制御、均一化が図られ、
成膜制御、膜質の劣化防止、更なる大面積化が図れる。
電極を構成する高圧側導体棒と接地側導体棒との間の距
離dは、高周波プラズマ中の電子の振幅Aの2倍に略等
しいこととしたことにより、生成するプラズマを均一化
する。
えて、上記電極は、円筒状梯子型電極とし、この電極の
内側に円筒状基板を備えた円筒状基板ホルダを備えたこ
とにより、円筒形の基板に対処することができる。
にあって、上記電極に接続される高周波電源とは別の高
周波電源を基板を支持する第2の電極に接続することに
より、第2電極により周波数の波長を変化させることで
入射イオンエネルギを制御でき、良質な膜質を得ること
ができる。
の発明にあって、上記電極とこの電極と対峙する基板と
の間に反応性ガスを噴出する管を、上記梯子型電極及び
基板のまわりに囲むように備えたことにより、ガス管か
らの反応性ガスをプラズマにて直接分解せず、別のガス
を分解することで、反応種の組成制御が可能となる。
第5の発明にあって、上記電極に給電する高周波電力の
波長λとしたとき、高周波電源からみた互いの給電点の
距離がλ/4 以下となる複数の給電点を備えたことによ
り、定在波発生によるプラズマ不均一を防止することが
できる。
は第5の発明にあって、複数の給電点を備えた電極は、
各給電点ごとに独立した電極に対応させてユニットを形
成し、複数ユニットを形成したことにより、大面積で均
一なプラズマ生成とすることができる。
上にプラズマにて成膜した電子デバイスを製造するもの
である。
分布図。
図。
Claims (8)
- 【請求項1】 ガス導入系と排気系とが連通された真空
容器内に、高周波電力供給手段に接続された電極とこの
電極と対向して配置された基板とを有するプラズマCV
D装置において、 上記電極は、高周波電力が供給される導体棒と接地され
た導体棒とが相互に絶縁されて交互に梯子状に配列され
た梯子型電極である、 ことを特徴とするプラズマCVD装置。 - 【請求項2】 上記電極を構成する高圧側導体棒と接地
側導体棒との間の距離dは、高周波プラズマ中の電子の
振幅Aの2倍に略等しいことを特徴とする請求項1記載
のプラズマCVD装置。 - 【請求項3】 上記電極は、円筒状梯子型電極とし、こ
の電極の内側に円筒状基板を備えた円筒状基板ホルダを
備えたことを特徴とする請求項1又は2記載のプラズマ
CVD装置。 - 【請求項4】 上記電極に接続される高周波電源とは別
の周波数可変とした高周波電源を基板を支持する第2の
電極に接続することを特徴とする請求項1、2又は3記
載のプラズマCVD装置。 - 【請求項5】 上記電極とこの電極と対峙する基板との
間に反応性ガスを噴出するガス管を、上記梯子型電極及
び基板のまわりに囲むように備えたことを特徴とする請
求項1、2、3又は4記載のプラズマCVD装置。 - 【請求項6】 上記電極に給電する高周波電力の波長λ
としたとき、高周波電源からみた互いの給電点の距離が
λ/4 以下となる複数の給電点を備えたことを特徴とす
る請求項1、2、3、4又は5記載のプラズマCVD装
置。 - 【請求項7】 複数の給電点を備えた電極は、各給電点
ごとに独立した電極に対応させてユニットを形成し、複
数ユニットを形成したことを特徴とする請求項1、2、
3、4又は5記載のプラズマCVD装置。 - 【請求項8】 請求項1、2、3、4、5、6又は7記
載のプラズマCVD装置における梯子状電極に対向して
配置された基板上にプラズマにより成膜するようにした
薄膜電子デバイス製造方法。
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JP23966198A JP3572204B2 (ja) | 1998-08-26 | 1998-08-26 | プラズマcvd装置及び薄膜電子デバイス製造方法 |
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