JP2002313744A

JP2002313744A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、それらを用いて作製した薄膜、基板および半導体装置

Info

Publication number: JP2002313744A
Application number: JP2001120954A
Authority: JP
Inventors: Kenji Wada; 健司和田; Haruyuki Morita; 春雪森田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-10-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波電極を複数の小電極に分割するだけで
は、各々の小電極に印加された高周波の畳重により、各
小電極面上の間隙に近いところで過大あるいは過小な電
界が生じ、均一なプラズマを生成させるには不充分であ
る。【解決手段】プラズマ処理装置において、高周波電極
を構成する複数の小電極２２，２４に対して、各小電極
に対応するように位相調整器１０２，１０４を配設し、
各小電極に印加する高周波電圧の位相のずれが１２０〜
２４０度の範囲となるように調整することで、膜厚分布
やエッチング速度の分布が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被処理部材に対し
膜堆積、エッチングあるいは表面改質を行なうのに好適
なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ならびに
これらの処理装置または処理方法を用いて作製した薄
膜、基板および半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、半導体装置の製造プロセスにおい
て、プラズマエネルギーを利用した薄膜堆積、エッチン
グ、表面改質等の処理が必要不可欠になっており、これ
らのプラズマ処理工程では、液晶ディスプレイや太陽電
池等の半導体装置の大型化、および処理能力向上の要求
に対応した被処理面積の大型化や処理速度の向上、そし
て処理品質の向上が重要な課題である。

【０００３】このようなプラズマ処理の現状について説
明する。代表的な膜堆積処理方法であるプラズマＣＶＤ
法を例に取ると、堆積される膜として、代表的にはシリ
コンの多結晶薄膜、微結晶薄膜、非晶質薄膜があり、シ
リコンの化合物としては酸化シリコン膜、窒化シリコン
膜、珪化金属膜などがある。プラズマＣＶＤ法における
量産性を向上させるために、高周波電力を高める、また
は原料ガスの供給量を増加させることで、製膜速度を増
大させることが可能である。しかしながら、高周波電力
として１３．５６ＭＨｚのＲＦ帯高周波を用いた従来の
方法において、そのような条件で膜堆積を行なうと、多
量のパウダーが生成し、パウダーが被処理部材へ付着す
ることによる膜質の低下、引いては歩留まりの低下を引
き起こすために、製膜速度を著しく向上させることが実
現困難である。

【０００４】このような良好な膜品質と高い製膜速度の
両立という課題の解決策として、高周波電力の高周波数
化が有望視されている。周波数を更に増加させたＶＨＦ
帯高周波を用いることで、プラズマ温度の低減と、プラ
ズマ密度の向上が同時に成し得ることが知られており、
ＶＨＦ帯高周波を用いることで、高品質な膜をより高速
で堆積できると期待される。

【０００５】しかしながら、ＶＨＦ帯高周波はＲＦ帯高
周波よりも波長が短いため、高周波電極の表面最大寸法
が大きくなるほど、電極上で発生する定在波の影響が大
きくなることが知られている。その結果、プラズマの面
内均一性が悪くなるため、膜堆積の場合は膜厚や膜特性
の面内均一性の悪化、エッチングの場合はエッチングレ
ートの面内均一性の悪化を引き起こしてしまう。また、
周波数が高くなるほど浮遊容量の影響が大きくなり、電
極間以外での高周波電力の損失が大きくなるため、安定
なプラズマ生成が困難になる。これらのことから、ＲＦ
帯高周波に対応した従来の装置では、ＶＨＦ帯高周波を
用いた大面積処理を行なうことは、実用上困難である。

【０００６】このような課題を鑑み、ＶＨＦ帯高周波を
用いて大面積処理を可能とする手法が特開２０００−２
６８９９４号公報、および特開２０００−３２３２９７
号公報に開示されている。図１４により、特開２０００
−２６８９９４号公報に開示されているプラズマＣＶＤ
装置の概要を説明する。ガス導入手段５と真空排気手段
６を備えた反応容器４において、高周波電源１から高周
波電力が印加され、整合器９を経た後に高周波電力が分
配され、複数に分割された高周波電極２の各々に高周波
電力が印加される。このような、複数に分割された高周
波電極を用いることにより、大面積でも均一なプラズマ
生成が可能であるとしている。一方、特開２０００−３
２３２９７号公報には、線状の電極に対し、高周波の位
相が１８０°ずれるようにして複数の給電点から印加す
る技術が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、特開２
０００−２６８９９４号公報に開示されているような、
高周波電極を複数に分割する手法の効果について詳細な
検討を行なった。本発明者らは、図２に示すような、５
０ｃｍ角のステンレス鋼平板からなり、互いに２０ｍｍ
離間されている４つの小電極２１〜２４からなる高周波
電極を仮定し、各々の小電極に１００ＭＨｚの高周波電
力を同出力かつ同位相となるように印加した時の電界強
度分布を電磁界計算により求めた。その結果を、図３に
示す。Ａ部に示すように、各々の小電極に印加される高
周波の畳重により、各小電極面上の間隙に近くなるほど
電界が過大となる分布が生じる。この場合に生じる電界
分布は、４０％程度に及ぶ。逆に、Ｂ部に示すように、
各小電極の間隙では電界が過小となる。このことは、各
小電極の間隙付近で不均一となるプラズマが発生し、処
理の均一性や品質に問題が生じることを示唆している。
つまり、均一なプラズマを生成させるためには、高周波
電極を複数に分割するほかにも、さらなる改良が必要で
あることが分かった。

【０００８】本発明は、上記課題を鑑みなされたもので
あり、半導体装置の大型化や処理能力向上に対応した被
処理面積の大型化や処理速度の向上、および処理品質の
向上を可能とするプラズマ処理装置およびプラズマ処理
方法、そして、大面積であっても膜厚分布が良好な薄膜
および半導体装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様は、
複数の小電極に分割されてなる電極と、被処理部材配設
部と、該複数の小電極に分割されてなる電極に、高周波
電力を印加することでプラズマを発生させて、被処理部
材に対し処理を行なうための高周波電源と、該複数の小
電極において、互いに隣接する小電極に印加される高周
波電圧の位相を１２０〜２４０度の範囲でずらせるため
の位相調整手段とを備えたプラズマ処理装置である。

【００１０】本発明の第２の態様は、周波数が２０〜５
００ＭＨｚの範囲にある高周波を用い、最大寸法が１ｍ
以上である基板上に、膜厚分布が１０％以内である薄膜
を堆積するプラズマＣＶＤ装置である。

【００１１】本発明の第３の態様は、複数の小電極にお
いて互いに隣接する小電極に印加される高周波電圧の位
相のずれが１２０〜２４０度の範囲にあるように調整し
て、複数の小電極と被処理部材配設部との間にプラズマ
を発生させ、被処理部材に対し処理を行なうすることを
特徴とするプラズマ処理方法である。

【００１２】本発明の第４の態様は、周波数が２０〜５
００ＭＨｚの範囲にある高周波を用いたプラズマＣＶＤ
法により、最大寸法が１ｍ以上である基板上に堆積され
た、膜厚分布が１０％以内である薄膜である。

【００１３】本発明の第５の態様は、第４の態様の薄膜
が少なくとも１主面上に形成されてなる基板である。

【００１４】本発明の第６の態様は、第４の態様の薄
膜、あるいは第５の態様の基板を用いて作製された半導
体装置である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明のプラズマ処理装置は、複
数の小電極に分割されてなる電極と、被処理部材配設部
とを備えており、該複数の小電極に分割されてなる電極
に、高周波電源から高周波電力を印加することでプラズ
マを発生させて、該被処理部材に対し処理を行なう装置
であり、該複数の小電極において、互いに隣接する小電
極に印加される高周波電圧の位相が、１２０〜２４０度
の範囲でずれていることを特徴とするプラズマ処理装置
である。

【００１６】複数の各小電極に印加された高周波は、反
応容器内で近傍の小電極へも伝搬し、相互に影響を及ぼ
しあう。先述した通り、各小電極に同位相の高周波電力
を印加する場合、各小電極面上の間隙に近いところでは
その影響が大きく、各々の高周波の畳重により、図３の
Ａ部に示すような、電界が過大となる分布が生じ得る。
しかし、各小電極に印加する高周波電圧の位相を調整し
て、各小電極面上の間隙に近いところでの電界を互いに
打ち消すことで、高周波電極全体でほぼ一様な電界強度
を得ることが可能となる。図４に本発明者らが電磁界計
算から求めた、各小電極に印加する高周波電圧の位相を
ずらした時の電界強度の分布を示す。この計算を行なう
条件として、図２に示す高周波電極を仮定し、４つの小
電極から任意に第1の小電極、例えば２１を選択する
と、この第1の小電極２１と隣接する第２の小電極２２
および２３に印加される高周波電圧の位相は、第１の小
電極２１に印加される高周波電圧の位相に対して１３５
度ずらされており、第１の小電極２１とは隣接せず、第
２の小電極２２および２３とは隣接する第３の小電極２
４に印加される高周波電圧の位相は、第１の小電極２１
に印加される高周波電圧の位相と同じにされている。図
３のＡ部に示すような過大な電界が抑制されており、各
小電極に印加する高周波電圧の位相を調整することで、
より均一なプラズマ処理を大きな面積の被処理部材に施
すことが可能となることが分かった。

【００１７】さらに、位相のずれを１８０度、１６０
度、９０度と変化させて同様の検討を行なった結果を図
５に示す。位相のずれが１８０度および１６０度の場合
は、１３５度の場合と同様に、小電極面内での電界分布
は２０％以内に抑えられている。一方、９０度の場合
は、小電極面内での電界分布は３０％程度ある。すなわ
ち、図３のＡ部に示すような過大な電界を抑制するに
は、隣接する小電極に印加する高周波電圧の位相を１２
０〜２４０度、さらに好ましくは１３０〜１６０度ない
しは２００〜２３０度の範囲内でずらすことが好適であ
り、図４に示すような、各小電極面上において均一とな
る電界強度分布を得られることが分かった。なお、図４
および図５には、位相ずれとして１２０〜１８０度の範
囲のみ示しているが、小電極の配置および位相ずらしの
パターンが対称であるため、１８０〜２４０度の範囲に
おける電界強度分布は、１２０〜１８０度の範囲におけ
るそれと全く同様である。

【００１８】先述したように、特開２０００−３２３２
９７号公報には、高周波の位相が１８０°ずれるように
して複数の給電点から印加する技術が開示されている
が、開示されている構成から所望の効果を得るために
は、給電点位置や電極サイズ等の設計上、著しい制約を
必要とする。一方、本発明は、好適な位相ずれ量として
より広い数値範囲を見出したことにより、高周波電極が
複数に分割されていれば、それぞれの構成に応じて適用
可能である。

【００１９】各小電極に印加される高周波電圧の位相調
整は、キャパシタンスやインダクタンスを用いた位相調
整器を高周波伝送線路に設けたり、高周波伝送線路の長
さを調整することで可能である。

【００２０】この際、各小電極の最大寸法を、印加する
高周波の波長の１／４以下とすることにより、各小電極
面上で定在波が発生することを防止できるので、大きな
面積の被処理部材に対して、より均一なプラズマ処理を
施すことが可能となる。

【００２１】特に、各小電極に印加される高周波電圧の
周波数を２０〜５００ＭＨｚの範囲とすることで、プラ
ズマ中の電子密度を増大させ、かつ、プラズマポテンシ
ャルを低く抑えることができるので、処理の高速化と処
理品質の向上が同時に可能となる。

【００２２】各小電極の間隙付近で形成される不均一な
電界を解消する手法として、各々の小電極に対し、パル
ス状に変調された高周波電力を印加することも有効であ
る。各小電極に印加する高周波電力がオフとなる時間で
は、プラズマ励起強度が低くなり、処理プロセスに寄与
するラジカル等の拡散が生じることによって、各小電極
の間隙付近で形成される不均一なプラズマが緩和され
る。その結果、大面積にわたる均一なプラズマ処理が可
能となる。また、高周波電力がオフとなる時間では、プ
ラズマ励起強度が低くなりラジカルの重合反応が抑止さ
れることから、パウダーの発生が低減できる効果も併せ
持つ。

【００２３】また、各々の小電極に印加されるパルス状
の高周波電力の、オンまたはオフならびにオン・オフ両
方のタイミングをずらすことにより、他の小電極から発
生する電界が畳重することによる影響を抑制することが
可能となる。図９にパルス状高周波電力の印加パターン
の一例を示す。図２に示す高周波電極を用い、ある任意
の第１の小電極２１に印加されるパルス状の高周波電力
がオンとなる時間では、隣接する第２の小電極２２およ
び２３に印加されるパルス状の高周波電力はオフであ
り、かつ、第１の小電極２１とは隣接せず、第２の小電
極２２および２３とは隣接する第３の小電極２４ではオ
ンとなるように、各々の小電極にパルス状の高周波電力
を印加することにより、簡便に他の小電極から発生する
電界が畳重することによる影響を抑制することができ、
大きな面積の被処理部材に対して、より均一なプラズマ
処理を施すことが可能となる。

【００２４】一方、高周波電源と各々の小電極とを結ぶ
高周波伝送線路に、整合器および電力モニタを配設する
ことにより、各小電極ごとに実際に印加されている高周
波の進行波電力および反射波電力を読み取ることが可能
となり、各小電極ごとに設けられた整合器を調整するこ
とができるので、各小電極ごとに任意の高周波電力を印
加することが可能となる。

【００２５】このような構成を用いると、例えば、各小
電極にある条件の高周波電力を印加した時の膜厚分布や
エッチング速度の分布から、各小電極に印加するべき高
周波電力の比率を算定し、各小電極に前記の算定した比
率を考慮して高周波電力を印加することで、膜厚分布や
エッチング速度の分布を改善することが可能となる。各
小電極に印加する高周波電力は、各整合器にて進行波と
反射波の比率を調整することで可能である。このように
して、大面積に均一なプラズマ処理を施すことが容易に
可能となる。

【００２６】また、高周波電源と各々の小電極とを結ぶ
高周波伝送線路に、高周波電力を各々の小電極に分配す
るための分配器をさらに設けることで、各小電極に電力
を印加するために必要となる高周波電源の数を減少させ
ることが可能となり、設備投資の低減や設備占有面積の
低減に寄与する。

【００２７】そして、各々の小電極ごとにガス導入手段
が設けられており、各々のガス導入手段ごとにガス流量
計とガス流量調整器を備える構成を用いると、例えば、
各小電極にある条件の高周波電力を印加した時の膜厚分
布やエッチング速度の分布から、各小電極に供給するべ
きガス流量の比率を算定し、各小電極に前記の算定した
比率を考慮してガスを供給することで、膜厚分布やエッ
チング速度の分布を改善することが可能となる。各小電
極に供給するガス流量は、各小電極に設けられたガス導
入手段に備えられるガス流量計およびガス流量調整器を
使用することにより調整可能である。このようにして、
大面積に均一なプラズマ処理を施すことが容易に可能と
なる。

【００２８】各小電極ごとにガス流量を設定することで
プラズマ処理を均一化するためには、反応室内に導入さ
れるガスの流れが、各小電極単位で均一であることが望
ましい。そのためには、各々の小電極に対し、ガス導入
手段により供給されるガスが蓄積される空間を内設し、
かつ被処理部材配設部に対向する位置に穿設された複数
の開口部を備えることが望ましい。

【００２９】本発明のプラズマ処理装置ならびにプラズ
マ処理方法は、半導体装置の製造工程における膜堆積、
エッチング、および表面改質等のプラズマ処理におい
て、処理能力向上に対応した被処理面積の大型化、処理
速度の向上および処理品質の向上をなし得るものであ
り、特に、従来のプラズマ処理装置およびプラズマ処理
方法では実現困難であった、周波数が２０〜５００ＭＨ
ｚの範囲にある高周波を用いたプラズマＣＶＤ法によ
り、最大寸法が１ｍ以上である基板上に堆積された、膜
厚分布が１０％以内である薄膜を得ることができる。こ
のような薄膜を用いて作製された半導体装置は、大面積
に渡り均一な性能を得ることができ、そのため製品歩留
が向上するため、安価に製造できる。なお、基板の最大
寸法とは基板表面における任意の２点間の距離が最大と
なる位置の寸法を意味しており、例えば、矩形平板状の
場合は対角線長さ、円盤状の場合は直径に相当する。

【００３０】以下、本発明の一実施例を、複数の角型小
電極に分割されてなる平行平板状の高周波電極が平面状
に配設されてなる高周波電極を有するプラズマＣＶＤ装
置により説明するが、本発明はこれにより何ら限定され
るものではない。例えば、小電極の形状も角型に限定さ
れるものではなく、円板型、球状、棒状等でもよく、各
小電極の配置も平行平板状や格子状に限定されるもので
はなく、同心円状などでもよい。また、プラズマ処理と
してＣＶＤに限定されるものではなく、エッチングなど
でも同様に処理品質を向上せしめる。

【００３１】

【実施例】（実施例１）本実施例に使用したプラズマＣ
ＶＤ装置の略断面図および略平面図をそれぞれ図１、図
１８に示す。ガス導入手段５と真空排気手段６を備えた
ステンレス鋼製の反応容器４内部に、複数の小電極２１
〜２４に分割されてなる平板状の高周波電極と、平板状
のステンレス鋼製の被処理部材配設部３とが互いに平行
となるように対向して配置されている。反応容器４と被
処理部材配設部３は電気的に接地されている。一方、複
数の小電極２１〜２４に分割されてなる高周波電極は反
応容器４と電気的に絶縁されている。図２に高周波電極
２の斜視図を示す。高周波電極２は４つの小電極２１〜
２４に分割されている。各々の小電極は５０ｃｍ角のス
テンレス鋼平板であり、これらを全体で正方形状となる
ように配設して、平板状の高周波電極とする。隣接する
小電極を２０ｍｍ離間することで、各々の小電極２１〜
２４は互いに電気的に分離されている。ただし、各々の
小電極間を電気絶縁体で埋めることでも、電気的に分離
することができる。

【００３２】高周波電源１から発振された高周波は、分
配器７によって４本の高周波伝送線路に分配され、各々
の高周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタ８１〜８
４、整合器９１〜９４および位相調整器１０１〜１０４
を経て、各々の小電極２１〜２４に印加される。各小電
極２１〜２４に印加する高周波電圧の位相を可変とする
位相調整器１０１〜１０４はインダクタンスおよびキャ
パシタンスから構成される電気回路である。また、各小
電極２１〜２４ごとに設けられた電力モニタ８１〜８４
の値を読み取り、整合器９１〜９４により反射電力量を
調整することで、各小電極２１〜２４に印加される高周
波電力が調整される。

【００３３】本実施例では、原料ガスにモノシランと水
素を用いて非晶質シリコン薄膜を製膜した。主な製膜条
件は次の通りである。被処理部材：ガラス基板（１ｍ角、最大寸法１４１ｃｍ）総ガス流量：ＳｉＨ₄ １３００ｓｃｃｍＨ₂ １８００ｓｃｃｍ基板温度：２００℃ 高周波電力：０．２Ｗｃｍ^-2 周波数：１００ＭＨｚガス圧力：５００Ｐａ図６に各小電極２１〜２４に印加する高周波電圧の波形
図を示す。小電極２１と小電極２４に印加する高周波電
圧は同位相である。また、小電極２２と小電極２３に印
加する高周波電圧は同位相である。そして、小電極２１
と小電極２４に印加する高周波電圧と、小電極２２と小
電極２３に印加する電圧とは互いに位相を１３５度ずら
している。このとき、各小電極２１〜２４へ印加される
高周波電力が同じとなるように調整した。

【００３４】１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄
膜が堆積されたガラス基板を反応容器４から取出し、ガ
ラス基板の縦および横方向に対して８等分となるように
切断して膜厚測定用サンプルを６４個作製した。段差計
を用いて、それらのサンプル中心部の膜厚測定を行な
い、平均膜厚と膜厚分布を評価した結果、平均膜厚１１
００ｎｍ、膜厚分布は７％となった。なお、６４個のサ
ンプルの（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）を膜
厚分布として求めた。

【００３５】（比較例１）各小電極ごとに印加する高周
波電圧の位相をずらさない、すなわち位相のずれを０度
とする以外は実施例１と同様にして製膜した時の膜厚分
布は１２％であった。

【００３６】（実施例２〜４）実施例１と同様にして、
印加する高周波電圧の位相のずれを９０、１６０、１８
０度に変化させた時の膜厚分布を、実施例１ならびに比
較例１の場合と併せて図７に示す。位相のずれが１２０
〜２４０度の範囲では、膜厚分布は１０％未満と特に良
好であった。これは図３、図４さらに図５に示した電極
面上での電界分布とよい相関を示す。

【００３７】これらのように、各小電極ごとに印加する
高周波電圧の位相をずらす、特に望ましくは、位相のず
れを１２０〜２４０度の範囲とすることで、大面積にわ
たり均一な製膜を行なうことが可能である。

【００３８】（実施例５）本実施例では、５０ｃｍ角の
ステンレス鋼平板からなる９個の小電極を、全体で正方
形状となるように配設して、平板状の高周波電極とし
た。本実施例の高周波電極の略斜視図を図１５に示す。
隣接する小電極を２０ｍｍ離間することで、各小電極１
５１〜１５９は電気的に分離されている。

【００３９】高周波電源から発振された高周波は、分配
器７によって９本の高周波伝送線路に分配され、各々の
高周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタ、整合器お
よび位相調整器を経て、各々の小電極１５１〜１５９に
印加される。各小電極１５１〜１５９ごとに設けられた
電力モニタの値を読み取り、整合器により反射電力量を
調整することで、各小電極１５１〜１５９に印加される
高周波電力が調整される。

【００４０】本実施例では、原料ガスにモノシランと水
素を用いて非晶質シリコン薄膜を製膜した。主な製膜条
件は次の通りである。被処理部材：ガラス基板（１２０ｃｍ角、最大寸法１７０ｃｍ）総ガス流量：ＳｉＨ₄ ２５００ｓｃｃｍＨ₂ ３４００ｓｃｃｍ基板温度：２００℃ 周波数：４０ＭＨｚガス圧力：４０Ｐａ本実施例では、奇数番の小電極、すなわち１５１、１５
３、１５５、１５７、１５９に印加する高周波電圧の位
相を同じとした。そして、偶数番の小電極、すなわち１
５２、１５４、１５６、１５８に印加する高周波電圧の
位相を同じとした。さらに、奇数番の小電極に印加する
高周波電圧の位相と、偶数番の小電極に印加する高周波
電圧の位相とは、１３５度ずれるように調整した。この
とき、各小電極１５１〜１５９へ印加する高周波電力
を、０．０４５〜０．０５５Ｗｃｍ ^-2の範囲内で、膜厚
分布が小さくなるように調整した。

【００４１】１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄
膜が堆積されたガラス基板を反応容器から取出し、ガラ
ス基板の縦および横方向に対して８等分となるように切
断して膜厚測定用サンプルを６４個作製した。段差計を
用いて、それらのサンプル中心部の膜厚測定を行ない、
膜厚分布を評価した結果、膜厚分布は９％となった。

【００４２】（実施例６）本実施例では、５０ｃｍ角の
ステンレス鋼平板からなる６個の小電極を、全体で長方
形状となるように配設して、平板状の高周波電極とし
た。本実施例の高周波電極の略斜視図を図１６に示す。
隣接する小電極を２０ｍｍ離間することで、各小電極１
６１〜１６６は電気的に分離されている。

【００４３】高周波電源から発振された高周波は、分配
器によって６本の高周波伝送線路に分配され、各々の高
周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタおよび整合器
を経て、各々の小電極１６１〜１６６に印加される。各
小電極１６１〜１６６ごとに設けられた電力モニタの値
を読み取り、整合器により反射電力量を調整すること
で、各小電極１６１〜１６６に印加される高周波電力が
調整される。

【００４４】本実施例では、原料ガスにモノシランと水
素を用いて非晶質シリコン薄膜を製膜した。主な製膜条
件は次の通りである。被処理部材：ガラス基板（８０×１２０ｃｍ角、最大寸法１４４ｃｍ）総ガス流量：ＳｉＨ₄ １６５０ｓｃｃｍＨ₂ ２２５０ｓｃｃｍ基板温度：２００℃ 周波数：４０ＭＨｚガス圧力：４０Ｐａ本実施例では、小電極１６１、１６４、１６５に印加す
る高周波電圧の位相を同じとした。そして、小電極１６
２、１６３、１６６に印加する高周波電圧の位相を同じ
とした。さらに、小電極１６１、１６４、１６５に印加
する高周波電圧の位相と、小電極１６２、１６３、１６
６に印加する高周波電圧の位相とは、１３５度ずれるよ
うに調整した。このとき、各小電極１６１〜１６６へ印
加する高周波電力を、０．０４５〜０．０５５Ｗｃｍ^-2
の範囲内で、膜厚分布が小さくなるように調整した。

【００４５】１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄
膜が堆積されたガラス基板を反応容器から取出し、ガラ
ス基板の縦、横それぞれの方向に対して８等分となるよ
うに切断して膜厚測定用サンプルを６４個作製した。段
差計を用いて、それらのサンプル中心部の膜厚測定を行
ない、膜厚分布を評価した結果、膜厚分布は８％となっ
た。

【００４６】実施例６、７に示されるように、本発明の
プラズマＣＶＤ装置を用いることにより、小電極の配置
形態にかかわらず、大面積にわたり均一な製膜を行なう
ことが可能である。また、基板サイズが大きくなるにつ
れて、必要となる小電極の数が増加するが、その場合、
各小電極に印加する高周波電力を調整することは、膜厚
分布低減に有効である。

【００４７】（実施例７）実施例１において用いた、ス
テンレス鋼製の５０ｃｍ角平板型小電極２１〜２４の代
わりに、図１９に示すようにステンレス鋼製の角型棒状
材を溶接し、梯子型に加工した小電極２５〜２８を用い
た。梯子型小電極の外形は５０ｃｍ角であり、角型の棒
状材の太さは１９ｍｍ、隣接する棒状材間のギャップは
１８ｍｍであった。実施例１と同様の条件で製膜した結
果、膜厚分布は８％となった。このように、小電極の形
状は平板型に限定されるものではない。なお、棒状材の
形状は、角型に限られたものではなく、丸型でも薄板型
であってもよい。

【００４８】（実施例８）図８に、本実施例に使用した
プラズマＣＶＤ装置の模式図を示す。本実施例のプラズ
マＣＶＤ装置は、図２に示した高周波電極を使用し、変
調用電源１０を備えており、高周波電源１から供給され
る高周波電圧をパルス変調することにより、各小電極２
１〜２４に印加する高周波電圧をパルス状にオン・オフ
して繰り返し印加することができる。本実施例では、各
小電極２１〜２４に印加する高周波電圧に対して、デュ
ーティー比５０％、１００ｋＨｚのパルス変調を行なっ
た。オン・オフするタイミングは各小電極２１〜２４で
同じとした。それ以外の条件は実施例１と同様にして製
膜した結果、膜厚分布は６％であった。また、パウダー
の発生もみとめられなかった。

【００４９】（実施例９）図９に、本実施例に使用した
プラズマＣＶＤ装置の模式図を示す。本実施例のプラズ
マＣＶＤ装置では、図２に示した高周波電極を使用し、
各小電極ごとに印加する高周波電圧をパルス状にオン・
オフするタイミングをずらすための遅延制御機能を有す
るゲート回路１２１〜１２４が各整合器と各小電極との
間に配設されている。図１０に、本実施例において、各
小電極２１〜２４に印加する高周波電圧に与える変調波
形図を示す。小電極２１と小電極２４に印加する高周波
電圧のオン・オフのタイミングを同じにする。また、小
電極２２と小電極２３とに印加する高周波電圧のオン・
オフのタイミングを同じにする。そして、小電極２１と
小電極２４に印加する高周波電圧のオン・オフのタイミ
ングと、小電極２２と小電極２３とに印加する高周波電
圧のオン・オフのタイミングが互いに反転するように調
整する。与えたパルス変調は、実施例８と同じくデュー
ティー比５０％、１００ｋＨｚである。パルス変調以外
の製膜条件は、実施例１と同じ条件にして製膜した結
果、膜厚分布は５％であった。また、実施例８と同様に
パウダーの発生もみとめられなかった。

【００５０】このように、各小電極ごとに印加する高周
波電圧をパルス状にオン・オフすること、さらに好まし
くは、その高周波電圧のオン・オフのタイミングを各小
電極ごとにずらすことにより、大面積にわたり均一な製
膜を行なうことが可能である。

【００５１】（実施例１０）本実施例に使用したプラズ
マＣＶＤ装置の略断面図を図１７に示す。ガス導入手段
５１〜５４が、各々の小電極２１〜２４に対応するよう
に設けられている。各々のガス導入手段５１〜５４に
は、ガス流量計５１１〜５１４とガス流量調整器５２１
〜５２４がそれぞれ備えられており、各小電極２１〜２
４に供給するガス流量を任意に設定できる。

【００５２】各小電極２１〜２４に対し、ガスを蓄積す
るための空間２１１〜２１４を内設し、さらに被処理部
材を配設する電極３に対向する位置に、複数の開口部２
２１〜２２４が穿設されている。ガス導入手段５１〜５
４を通して空間２１１〜２１４に供給されたガスは、開
口部２２１〜２２４を経由して反応容器４内部に導入さ
れる。

【００５３】なお、ガス導入手段５１〜５４を各小電極
２１〜２４に対応させて配設することに加えて、複数の
真空排気手段６を、被処理部材を配設する電極３に対し
て概略対称となる位置に配設することも、膜厚分布低減
のために有効である。

【００５４】一方、高周波電源１から発振された高周波
は、分配器７によって４本の高周波伝送線路に分配さ
れ、各々の高周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタ
８１〜８４および整合器９１〜９４を経て、各々の小電
極２１〜２４に印加される。各小電極２１〜２４ごとに
設けられた電力モニタ８１〜８４の値を読み取り、整合
器９１〜９４によって調整することで、各小電極２１〜
２４に印加される高周波電力が調整される。

【００５５】本実施例では、主な製膜条件は実施例１と
同様であるが、各々のガス流量調整器５２１〜５２４に
より、各小電極２１〜２４に対し供給されるガス量を１
０％以内の範囲で調整して非晶質シリコン薄膜を製膜し
た。

【００５６】１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄
膜が堆積されたガラス基板を反応容器４から取出し、１
０ｃｍ角に切断することで膜厚測定用サンプルを６４個
作製した。段差計を用いて、それらのサンプル中心部の
膜厚測定を行なった結果、膜厚分布は６％となった。

【００５７】（実施例１１）本実施例では、図９に示す
プラズマＣＶＤ装置を用いて、非晶質シリコン薄膜から
なる光電変換層を形成することで、薄膜太陽電池を作製
した。本実施例において作製した薄膜太陽電池の略断面
図を図１１に示す。基板１３１として８０ｃｍ角（最大
寸法１１３ｃｍ）で厚さ１．１ｍｍのガラス基板を用
い、この上に透明電極１３２として、スパッタリング法
によりＺｎＯを約1μｍの膜厚となるように形成した。
その後、透明電極１３２が形成された側が複数の小電極
からなる高周波電極に対向するように、基板１３１を図
９に示すプラズマＣＶＤ装置の反応容器内部に装入す
る。透明電極１３２の上に、膜厚３０ｎｍのｐ型非晶質
シリコン薄膜１３３、膜厚３００ｎｍのｉ型非晶質シリ
コン薄膜１３４、膜厚３０ｎｍのｎ型非晶質シリコン薄
膜１３５の順に製膜することで光電変換層を形成した。

【００５８】ｐ、ｉ、ｎ型各々の非晶質シリコン薄膜の
製膜条件を以下に示す。なお、印加した高周波の周波数
は、いずれの場合も１００ＭＨｚであり、各小電極２１
〜２４に印加する高周波電圧に対して図５に示した位相
のずれを生じさせている。また、ｉ型非晶質シリコン薄
膜１３４の製膜の際には、各小電極２１〜２４に印加す
る高周波電力に対して図１０に示したパルス変調を与え
ている。ｐ型非晶質シリコン薄膜の製膜条件高周波電力：０．０５Ｗ／ｃｍ² 変調高周波：無原料ガス：ＳｉＨ₄ １５０ｓｃｃｍＨ₂ １５００ｓｃｃｍＢ₂Ｈ₆（２．０％／Ｈ₂）３００ｓｃｃｍ製膜圧力：１３３Ｐａ基板温度：２００℃ ガス圧力：１３３Ｐａｉ型非晶質シリコン薄膜の製膜条件高周波電力：０．２Ｗ／ｃｍ² 変調高周波：オン時間＝５０μｓｅｃ．オフ時間＝５０μｓｅｃ．原料ガス：ＳｉＨ₄ ６００ＳＣＣＭＨ₂ ９００ＳＣＣＭ製膜圧力：５００Ｐａ基板温度：２００℃ ｎ型非晶質シリコン薄膜の製膜条件高周波電力：０．０４Ｗ／ｃｍ² 変調高周波：無原料ガス：ＳｉＨ₄ １００ｓｃｃｍＨ₂ １２００ｓｃｃｍＰＨ₃（２．０％／Ｈ₂）１００ｓｃｃｍ製膜圧力：１３３Ｐａ基板温度：２００℃ 反応容器から基板１３１を取り出した後、裏面電極１３
６として、スパッタリング法によりＡｇを３００ｎｍの
厚さとなるように形成した。裏面電極１３６は、光電変
換層を一旦透過した光を反射させることで、発電効率を
改善する役割をも有している。

【００５９】１枚のガラス基板当たり、１０個×１０個
の単位セル（電極面積４ｃｍ角）を作成し、その光電変
換効率の分布を測定した。図１２は、１００個の単位セ
ルにおける光電変換効率の平均値を１とした時の、その
バラツキを示したものである。

【００６０】（比較例２）図１４に示したプラズマＣＶ
Ｄ装置を用い、実施例１１と同様の製膜条件で作製した
場合における、１００個の単位セルにおける光電変換効
率のバラツキを、図１３に示す。

【００６１】本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いて作製
した薄膜太陽電池の光電変換効率のバラツキは小さく、
本発明のプラズマＣＶＤ装置およびプラズマＣＶＤ方法
により、歩留の向上がなし得ることが確認できた。

【００６２】本実施例では、本発明のプラズマＣＶＤ装
置およびプラズマＣＶＤ方法を、非晶質シリコン薄膜を
光電変換層とする薄膜太陽電池の製造プロセスに適用し
たが、本発明の効果はこれに限らない。例えば、多結晶
シリコン薄膜の製膜、あるいは非晶質シリコン薄膜や多
結晶シリコン薄膜のエッチング等においても、半導体装
置の大型化や処理能力向上に対応した被処理面積の大型
化や処理速度の向上、および処理品質の向上が可能であ
り、本発明により、膜堆積やエッチング等のプラズマ処
理工程において、歩留、信頼性、量産性が向上されるこ
とは言うまでもない。しかるに、薄膜太陽電池の製造プ
ロセスのみならず、薄膜トランジスタ等の製造プロセス
に適用できることは言うまでもない。

【００６３】

【発明の効果】本発明により、高周波電極を構成する複
数の小電極に対して、各小電極に対応するように位相調
整手段を配け、各小電極に印加する高周波電圧の位相ず
れが１２０〜２４０度の範囲となるように調整すること
で、各小電極面上の過大な電界を打ち消すことが可能と
なるプラズマ処理装置が提供される。

【００６４】したがって、本発明により、半導体装置製
造プロセスにおける製膜およびエッチング工程等のプラ
ズマ処理工程において、半導体装置の大型化や処理能力
向上に対応した被処理面積の大型化や処理速度の向上、
および処理品質の向上が可能であり、その結果、歩留ま
り、信頼性、量産性を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの態様であるプラズマＣＶＤ装
置の略断面図である。

【図２】本発明のプラズマＣＶＤ装置における高周波
電極の略斜視図である。

【図３】従来のプラズマＣＶＤ方法における高周波電
極面上の電界強度分布を示す図である。

【図４】本発明の１つの態様であるプラズマＣＶＤ装
置における、位相ずれを１３５度としたときの高周波電
極面上の電界強度分布を示す図である。

【図５】本発明の１つの態様であるプラズマＣＶＤ装
置における、位相ずれを（ａ）１８０度、（ｂ）１６０
度、（ｃ）９０度としたときの高周波電極面上の電界強
度分布を示す図である。

【図６】各々の小電極に印加する高周波電圧の波形図
である。

【図７】各々の小電極に印加する高周波電圧の位相の
ずれと膜厚分布の相関図である。

【図８】本発明のさらに別の態様であるプラズマＣＶ
Ｄ装置の略断面図である。

【図９】本発明のさらに別の態様であるプラズマＣＶ
Ｄ装置の略断面図である。

【図１０】各々の小電極に印加する高周波電圧に与え
る変調波形図である。

【図１１】本発明の半導体装置である薄膜太陽電池の
略断面図である。

【図１２】本発明のプラズマＣＶＤ方法により作製し
た薄膜太陽電池における光電変換効率のバラツキを示す
図である。

【図１３】従来のプラズマＣＶＤ方法により作製した
薄膜太陽電池における光電変換効率のバラツキを示す図
である。

【図１４】従来のプラズマＣＶＤ装置の略断面図であ
る。

【図１５】本発明のプラズマＣＶＤ装置における高周
波電極の略斜視図である。

【図１６】本発明のプラズマＣＶＤ装置における高周
波電極の略斜視図である。

【図１７】本発明のさらに別の態様であるプラズマＣ
ＶＤ装置の略断面図である。

【図１８】本発明の１つの態様であるプラズマＣＶＤ
装置の略平面図である。

【図１９】本発明のプラズマＣＶＤ装置における高周
波電極の別の態様を示す略斜視図である。

【符号の説明】

１高周波電源、２１〜２８，１５１〜１５９，１６１
〜１６６小電極、２１１〜２１４空間、２２１〜２
２４開口部、３被処理部材配設部、４反応容器、
５，５１〜５４ガス導入手段、５１１〜５１４ガス
流量計、５２１〜５２４ガス流量調整器、６真空排
気手段、７分配器、８１〜８４電力モニタ、９，９
１〜９４整合器、１０変調用電源、１０１〜１０４
位相調整器、１２１〜１２４ゲート回路、１３１
ガラス基板、１３２透明電極、１３３ｐ型非晶質シ
リコン、１３４ｉ型非晶質シリコン、１３５ｎ型非
晶質シリコン、１３６裏面電極。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 ＣＦターム(参考） 4G075 AA24 AA30 BA05 BC01 BC04 BC06 BD14 CA25 CA47 EC21 EC30 FC13 4K030 AA06 AA17 BA30 CA06 FA03 JA01 JA18 JA19 KA15 KA30 KA41 LA18 5F004 AA01 BA06 BB11 BB18 5F045 AA08 AB04 AC01 AD06 AE19 AE21 AF07 AF10 CA13 DP02 DQ10 EH13 EH20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の小電極に分割されてなる電極と、被処理部材配設部と、該複数の小電極に分割されてなる電極に、高周波電力を
印加することでプラズマを発生させて、被処理部材に対
し処理を行なうための高周波電源と、該複数の小電極において、互いに隣接する小電極に印加
される高周波電圧の位相を１２０〜２４０度の範囲でず
らせるための位相調整手段とを備えたプラズマ処理装
置。
【請求項２】前記位相調整手段により、前記高周波電
圧の位相を１３０度〜１６０度あるいは２００度〜２３
０度の範囲内でずらす、請求項１に記載のプラズマ処理
装置。
【請求項３】前記位相調整手段は、高周波伝送線路に
配設され、各々の小電極に印加される高周波電圧の位相
のずれを調整するための位相調整器を含む、請求項１ま
たは請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】前記各々の小電極に印加される高周波電
圧の位相が、前記高周波伝送線路の長さにより調整され
ていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記各々の小電極の最大寸法が、前記高
周波の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項
１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】該高周波電源と各々の小電極とを結ぶ高
周波伝送線路に、高周波電力をパルス状に変調する変調
電源が配設されていることを特徴とする請求項１〜５の
いずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】前記高周波電源と各々の小電極とを結ぶ
高周波伝送線路に、整合器および電力モニタが配設され
ていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載
のプラズマ処理装置。
【請求項８】各々の小電極ごとにガス導入手段が設け
られており、各々のガス導入手段ごとにガス流量計とガ
ス流量調整器を備えることを特徴とする請求項１〜５の
いずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】前記各々の小電極に対し、前記ガス導入
手段により供給されるガスが蓄積される空間を内設し、
かつ前記被処理部材配設部に対向する位置に穿設された
複数の開口部を備えることを特徴とする請求項８に記載
のプラズマ処理装置。
【請求項１０】周波数が２０〜５００ＭＨｚの範囲に
ある高周波を用い、最大寸法が１ｍ以上である基板上
に、膜厚分布が１０％以内である薄膜を堆積するプラズ
マＣＶＤ装置。
【請求項１１】複数の小電極において互いに隣接する
小電極に印加される高周波電圧の位相のずれが１２０〜
２４０度の範囲にあるように調整して、前記複数の小電
極と被処理部材配設部との間にプラズマを発生させ、被
処理部材に対し処理を行なうすることを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
【請求項１２】前記隣接する小電極に印加される前記
高周波電圧の位相を１３０度〜１６０度あるいは２００
度〜２３０度の範囲内でずらす、請求項１１に記載のプ
ラズマ処理方法。
【請求項１３】前記複数の小電極において、任意の第
１の小電極と隣接する第２の小電極とに印加される高周
波電圧の位相が異なり、かつ、該第１の小電極とは隣接せず、該第２の小電極と
は隣接する第３の小電極に印加される高周波電圧は、該
第１の小電極に印加される高周波電圧と同位相とするこ
とを特徴とする請求項１１または１２に記載のプラズマ
処理方法。
【請求項１４】前記高周波の周波数を２０〜５００Ｍ
Ｈｚの範囲とすることを特徴とする請求項１１〜１３の
いずれかに記載のプラズマ処理方法。
【請求項１５】前記各々の小電極に対し、パルス状に
変調された高周波電力を印加することを特徴とする請求
項１１〜１４のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
【請求項１６】前記複数の小電極に対し、印加される
パルス状の高周波電力の、オンまたはオフならびにオン
・オフ両方のタイミングを、前記各々の小電極で異なら
しめることを特徴とする請求項１５に記載のプラズマ処
理方法。
【請求項１７】前記複数の小電極において、任意の第
１の小電極に印加されるパルス状の高周波電力がオンと
なる時間では、該第１の小電極に隣接する第２の小電極
に印加されるパルス状の高周波電力はオフであり、かつ、該第１の小電極とは隣接せず、該第２の小電極と
は隣接する第３の小電極に印加されるパルス状の高周波
電力はオンとなるように調整されることを特徴とする請
求項１６に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１８】前記各々の小電極に印加する高周波電
力量を調整することを特徴とする請求項１１〜１４のい
ずれかに記載のプラズマ処理方法。
【請求項１９】各々の小電極ごとに設けられたガス導
入手段から供給されるガス流量を調節することを特徴と
する請求項１１〜１４のいずれかに記載のプラズマ処理
方法。
【請求項２０】周波数が２０〜５００ＭＨｚの範囲に
ある高周波を用いたプラズマＣＶＤ法により、最大寸法
が１ｍ以上である基板上に堆積された、膜厚分布が１０
％以内である薄膜。
【請求項２１】請求項２０に記載の薄膜が少なくとも
１主面上に形成されてなる基板。
【請求項２２】請求項２０に記載の薄膜、あるいは請
求項２１に記載の基板を用いて作製された半導体装置。