JP2005072215A - 堆積膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電容器の成膜における温度上昇を抑え、放電容器および基板温度を堆積膜に最適な温度に維持する。
【解決手段】 空容器内に放電空間を形成する放電容器と、前記放電容器内に基板と所定の距離を置いて配置された電極とを有し、前記放電容器と前記電極裏面との間に第一の冷却手段を有し、前記放電容器と前記真空容器との間に第一の加熱手段を有することを特徴とする堆積膜形成装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波放電を利用した堆積膜形成装置であって、主にシリコン系の非晶質、及び微結晶半導体の製造に用いられるプラズマＣＶＤ装置及びプラズマエッチング法等による堆積膜形成装置に関する。

従来、プラズマを用いた堆積膜形成装置において、一般的に１３．５６ＭＨｚの高周波プラズマが用いられ、５０００ｃｍ２以上の大面積の放電空間が実現されている。たとえば、高周波プラズマを用いた体積膜形成装置によって、シリコン系の非結晶薄膜、結晶系薄膜の大面積高速成膜が試みられているが、プラズマ周波数に１３．５６ＭＨｚを用い、放電空間面積では４０００ｃｍ２以上が実現されるに至っている。しかし、放電空間面積が２０００ｃｍ２を越える様な大面積の成膜速度については、その全域において良質な堆積膜を得るには１０Å／ｓｅｃ程度以下である。以前の我々の実験では、成膜速度が２０Å／ｓｅｃ以上の結果も得ているが、成膜速度を１０Å／ｓｅｃ上げると、良好な膜質を得られなかったり、また副生成物である粉が多量に発生してしまうという問題が生じていた。

高い成膜速度を得るためには、主として、プラズマの濃度を高めること、または放電空間の高周波電力密度を高め、材料ガスの膜化する効率を上げることである。これら要因の値を増大するには、従来装置では、ガスの重合化や、イオン衝撃により堆積膜における欠陥密度が高くなり、良好な膜質を得ることが難しく、特性及び歩留りを考えると１０Å／ｓｅｃ以下の成膜速度が、一般的である。

しかしながら、シリコン系の非結晶薄膜、結晶系薄膜等の半導体を用いたディスプレイや太陽電池と言った大面積製品の生産性を改善するためには、これまで以上の良好なシリコン系の非結晶薄膜、結晶系薄膜等の半導体を大面積で高速に成膜する事が必要である。これに対して、堆積速度の増大化を図るためマイクロ波やＶＨＦ帯を用いた高速成膜化の研究が試みられ、マイクロ波やＶＨＦ帯の高周波プラズマを用いた堆積膜形成装置では、高い成膜速度を得た報告がなされている。

例えば、特公平７−１０５３５４号公報（特許文献１）に記載のものにおいては、膜の堆積速度が１０Å／ｓｅｃ程度であるが、放電容器内の部材（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）の冷却手段および加熱手段については、何も記載されていない。また、特開平１０−３２１７１号公報（特許文献２）にはカソード電極上にカソード電極と直列に容量結合させた素子を挿入する装置が記載されている。これによると、１ｍ角前後の大面積プラズマが生成可能とある。しかし、実施例では、５００ｍｍ角の基板に堆積膜を形成し、その成膜速度は、１５Å／ｓｅｃとなっている。また、この装置は、カソード及びアノードのインピーダンスを制御する手段であり、カソード電極の浮遊容量低減、及び共振回路を制御し使用する高周波で整合するための手段でしかない。

また、特開平２００１−２８４２６２号公報（特許文献３）に記載のものにおいては、カソードサイズ８６０ｍｍ×５１０ｍｍの大面積でかつ堆積膜の堆積速度が４４．５Å／ｓｅｃといった、高速成膜が可能であることが報告されている。しかし、長時間の成膜及び放電容器内の部材（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）の冷却手段および加熱手段については、何も記載されていない。

さらに、特開平６−３３３８４１号公報（特許文献４）に記載のものにおいては、放電空間用壁部材の温度を基板の温度よりも低く保持することにより、非単結晶シリコン系半導体膜の諸特性を均一化し、かつ向上できる形成方法および形成装置が記載されているが、その冷却手段は放電容器部材の成膜空間に接しない面に冷却手段であるフィンを設けている。また、特開平１１−１５０２８０号公報（特許文献５）には、放電容器の内壁に冷媒を流す構成が記載されている。それに対して、本発明は放電容器と電極裏面との間に冷却手段を有している。つまり、放電容器部材の成膜空間に接する面に冷却手段を設けていることから、本発明とは明らかに異なるものである。

これらの技術により、堆積速度の特性と生産性がある程度高いレベルで両立されるようになってきている。
特公平７−１０５３５４号公報 特開平１０−３２１７１号公報 特開平２００１−２８４２６２号公報 特開平６−３３３８４１号公報 特開平１１−１５０２８０号公報

しかしながら、上記したように理想的と思われた高周波プラズマＣＶＤ法においても、更なる高速成膜を求めると、つぎのような問題点が生じる。すなわち、投入電力の増大および基板−カソード間距離の縮小により、供給した高周波電力が、膜堆積用原料ガスの分解のみに使用されるのではなく、高いプラズマ密度を介して間接的に、あるいは高周波自身が直接的に成膜空間を形成する放電容器内の部材（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）を高温に加熱してしまうという問題がある。放電容器内の部材温度は高周波電力投入と同時に上昇し始め、しばらくの時間の後に、その時の放電電力値等によって定まる飽和温度に達し、その温度は３００℃から状況によっては４５０℃程に上昇することがある。その結果生じる第１の問題点としては、前記飽和温度に達するまで時間がかかり、前記飽和温度に達する時間まで、所望の温度で安定した均一な堆積膜が形成できない。第二の問題点としては、高い放電容器内の部材（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）の温度の影響を受けて、基板の温度が上昇してしまい、通常良質な堆積膜が形成されるとされている２５０℃前後の基板温度を維持できないことである。このような状況下で作成された太陽電池は、光電変換効率の低いものとなってしまう。また、その第３の問題としては、堆積室壁の材料によっては、その材料の軟化点近くまで達してしまい、成膜室壁がダメージを受けることである。具体的には例えばアルミニウムを成膜室壁に用いた場合においては、４５０℃近辺になると、ネジ止め箇所、引張応力のかかっている箇所などは変形して、ネジの保持能力が著しく低下する場合がある。こうした事態を防止するには高融点の材料を選択するか、あるいは、放電容器内の部材（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）の温度上昇を防ぐ冷却手段が必要となる。上記３点の問題から高周波プラズマを用いた場合に、放電容器内の部材（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）の冷却が重要な技術的課題として求められている。

そこで、本発明は放電容器内（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）を効率的に冷却および加熱することにより、上記従来のものにおける課題を解決し、長時間、大面積でかつ高速に処理することができ、被処理体に欠陥が発生することなく、機能膜及び高品質の薄膜を形成することのできる堆積膜形成装置、特に、良好なシリコン系の非結晶薄膜、微結晶薄膜等の半導体を形成することのできる堆積膜形成装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するため、高周波プラズマＣＶＤを用いた堆積膜形成装置を、つぎの（１）〜（４）のように構成した堆積膜形成装置を提供するものである。
（１）真空容器内に放電空間を形成する放電容器と、前記放電容器内に基板と所定の距離を置いて配置された電極とを有し、前記放電容器と前記電極裏面との間に第一の冷却手段を有し、前記放電容器と前記真空容器との間に第一の加熱手段を有することを特徴とする堆積膜形成装置。
（２）前記真空容器内に、前記基板の裏面と前記真空容器内壁との間に第二の冷却手段を有し、前記基板裏面と前記第二の冷却手段との間に第二の加熱手段を有することを特徴とする（１）に記載の堆積膜形成装置。
（３）前記基板と前記電極の前記所定の距離は、３ｍｍ〜３０ｍｍの範囲であることを特徴とする（１）に記載の堆積膜形成装置。
（４）前記電極と前記放電容器との間に、前記電極に対して前記基板とは反対側に前記電極とほぼ平行に前記所定の距離よりも狭い間隔で配置し、複数の各々絶縁して設置された導電部材を有することを特徴とする（１）に記載の堆積膜形成装置。

本発明は、放電容器と前記電極裏面との間に冷却手段を設け、前記放電容器と前記真空容器との間に加熱手段を設けることをより、放電容器の成膜における温度上昇を抑え、放電容器および基板温度を堆積膜に最適な温度に維持することが可能となり、長時間にわたって安定した品質の堆積膜、とりわけシリコン系の非晶質、及び微結晶半導体を利用した大面積の良質な光起電力素子を量産することのできる高周波プラズマＣＶＤ法を用いた堆積膜形成装置を実現することができる。

以下、本発明の堆積膜形成装置の実施形態を図面に基づき、本発明の具体的装置例および実施例を示すが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。

本発明は、上述のように、真空容器内に放電空間を形成する放電容器と、前記放電容器内に基板と所定の距離を置いて配置された電極を有し、前記放電容器と前記電極裏面との間に第一の冷却手段を有し、前記放電容器と前記真空容器との間に第一の加熱手段を有することにより、効率的に放電容器内の部材（堆積室壁、カソード及び基板ｅｔｃ）の温度を制御し、従来のプラズマＣＶＤ法による堆積膜形成装置の大きな課題である長時間わたって、大面積でかつ高速に処理することができ、被処理体に欠陥が発生することなく、機能膜及び高品質の薄膜を形成することのできる堆積膜形成装置、特に、良好なシリコン系の非結晶薄膜、微結晶薄膜等の半導体を高速に形成することが可能となるものである。以下図に基づいて、本発明の放電容器温度調節機構の内容を具体的に説明する。

図１は本発明の実施形態に基づく堆積膜処理装置の概念図である。１０１は真空容器であり、１０２は放電容器である。１０３はカソード電極で、電極内のガスマニュホールドに原料ガスが導入され、放電空間内に原料ガスを供給する。１０４はガスの流れ方向を示すものである。また、１０５は高周波電源、１０６は接地電極（基板ホルダー）であり、高周波グロー放電により放電容器内の放電空間に供給された原料ガスを分解し、堆積膜形成処理を行う。また、１０７は導電体プレートであり、放電容器内のプラズマインピーダンスを制御し、プラズマは放電空間全体に広がり、より安定したプラズマを得ることが可能となる。また、１０８は放電容器加熱ヒーターであり、放電容器と真空容器の間に設けられている。１０９は基板加熱ヒーター、１１０は排気手段である。

１１１は、第一の冷却手段である冷却プレートであり、ここでは放電容器内の放電空間側とカソード電極裏面側との間に冷却プレートが設けられている。１１２は第２の冷却手段である冷却プレートであり、基板裏面と基板加熱ヒーターの間に設けられている。また、それぞれの冷却プレートには冷却水が循環している。これにより放電容器内の温度および基板温度が効率良く制御することが可能となる。

以上の構成に基づいて、カソード電極に供給する高周波電力の周波数、放電空間圧力、電極間隔、原料ガス、加熱温度、冷却水の温度および流量を調整することにより、短時間で所望の基板温度に制御し、長時間にわたって、高品質堆積膜を形成することができる大面積高速成膜を可能にし、極めて生産性の高い堆積膜形成装置を提供することができる。

以下本発明の実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。

実施例１においては、図１に示した構成のプラズマＣＶＤ法による堆積膜形成装置を用いて、基板１１３上に微結晶シリコン膜を作成し、放電容器内の温度と基板裏面温度の長時間にわたる経時的変化について測定した。基板１１３としてはステンレス（ＳＵＳ４３０ＢＡ、幅３５０ｍｍ×長さ７００ｍ×厚さ０．２ｍｍ）を用いた。

まず、真空容器１０１を不図示のドライポンプで荒引きし、続いて不図示のメカニカルブースターポンプにより、真空計１１４の示度が約０．１Ｐａ以下になるまで排気した。不図示のガスボンベから不図示のマスフローコントローラーを介して、パージガスとして、Ｈｅガスをガス供給管から導入し、真空計１１４の示度が２５０Ｐａとなるように、それぞれの排気手段１１１に取り付けられたバタフライバルブ１１５を調整した。その後、基板加熱ヒーター１０９により基板１１３の表面温度を設定温度に保ち、また、放電容器加熱ヒーター１０８を設定温度まで上げ、加熱しながら１０時間排気した。

その後、不図示のガスボンベからマスフローコントローラーを介して、ガス供給管より表１に示すｉ型層形成条件でＳｉＨ４、Ｈ２の各原料ガスを導入し、各真空計１１４の示度が２５０Ｐａになるように、バタフライバルブ１１５を調整した。まず、上記原料ガスを流し、その後、原料ガスを流したまま高周波電源１０５より、６０ＭＨｚの表１に示す実効値の高周波電力をカソード電極１０３に印加し、放電空間にプラズマ放電を生起させ、基板１１３上に１８０分にわたって堆積膜を形成した。その時の放電容器内の温度と基板裏面温度の経時的に測定した結果を図３に示す。

図３から放電容器内の温度および基板裏面温度の上昇を抑制し、長時間にわたって、所望の基板裏面温度に制御できていることが確認された。

（比較例１）
比較例１においては、図２に示した構成のプラズマＣＶＤ装置を用いた。図２に示したプラズマＣＶＤ装置は、本発明の放電容器内の放電空間側とカソード電極裏面側との間に冷却プレートを設置せず、放電容器内の冷却を行わない状態で実施例１と同様な方法で堆積膜を形成した。また、実施例１と同様に、長時間にわたる放電容器と基板裏面温度の経時的変化を測定し、その結果を図２に示す。放電容器温度および基板裏面温度が上昇しつづけ、所望の温度を超えてしまい、長時間にわたって制御することができていないことが確認された。

実施例２においては、図４に示した構成のプラズマＣＶＤをに示した堆積膜形成装置を用いて、帯状基板上にｐｉｎ型シングルセルを作成し、その特性を調べた。図４に示した装置は、実施例１で述べた堆積膜形成装置における真空容器１０１と同様な真空容器４０１の両側にさらに堆積膜形成のための真空容器４０２〜４０５をそれぞれカスケード４０６に接続し、帯状の基板４０７上にｐｉｎ型シングルセルを作成することが可能なロールツーロールプラズマＣＶＤ装置である。

まず、図示しない排気ポンプにより、各真空容器４０１〜４０５を排気し、前記排気ポンプを動作させながら、各ゲートガス導入管４０８〜４１１から、各真空容器４０１〜４０５内の原料ガスが隣接する真空容器内に流入するのを防ぐためのゲートガスを導入する。続いて、各真空容器４０１、４０３、４０４に、所定の原料ガスを供給しつつ、図示しない駆動手段によって巻取りロール４１２を回転駆動し、帯状の基板４０７を連続的にその長手方向に搬送する。この状態で各真空容器４０１、４０３、４０４内でプラズマ放電を生起させることにより、帯状の基板４０７の上に堆積膜が形成される。このとき帯状の基板４０７が第１の真空容器４０２から第５の真空容器４０５に向かう方向に連続的に搬送されているので、基板４０７の表面には、第２の真空容器４０３での堆積層、第３の真空容器４０１での堆積層、第４の真空容器４０４での堆積層が順次積層されることになる。ただし、この実験で使用した基板４０７は下部電極として用いるため、スパッタリング法により、アルミニウム薄膜（０．２μｍ）、ＺｎＯ薄膜（１．２μｍ）を蒸着してあるＳＵＳ４３０製帯状基板である。

前記帯状の基板４０７を搬送速度１００ｍｍ／ｍｉｎで連続的に搬送しながら、基板４０７上に、第２の真空容器４０３でｎ型半導体層を、第３の真空容器４０１でｉ型半導体層を、第４の真空容器４０４でｐ型半導体層を順次堆積させた。ｎ型半導体層とｐ型半導体層の堆積の条件は表２に示すとおりであり、また、ｉ型半導体層の堆積の条件は上述の実施例１で表１により示したものと同じにした。また、その他の動作も実施例１と同様である。

このようにして作成したアモルファスシリコン太陽電池に、ＡＭ値が１．５、光強度が１００ｍＷ／ｃｍ２の疑似太陽光を照射し、このアモルファスシリコン太陽電池の任意の４０ヶ所において光電変換効率を測定した。その時の放電容器温度、基板裏面温度および光電変換効率を経時的に測定した結果を図３および図５に示す。図３および図５から、長時間にわたり、所望の放電容器および基板裏面温度を所望の温度に制御することが可能となり、その結果、安定した光電変換効率が得られていることが確認された。

（比較例２）
比較例２においては、本発明の放電容器内の放電空間側とカソード電極裏面側との間に冷却プレートを設置せず、放電容器内の冷却を行わない状態で実施例２と同様な方法で帯状基板上にｐｉｎ型シングルセルを作成した。その時の放電容器と基板裏面温度および光電変換効率を経時的に測定した結果を図３および図５に示す。放電容器温度および基板裏面温度が上昇しつづけ、所望の温度を超えてしまい、光電変換効率が急激に低下していることが確認された。

本発明の１つの実施形態による堆積膜形成装置を表す模式図である。 比較例に用いた従来技術の堆積膜形成装置を表す模式図である。 堆積膜形成時間における放電容器内の温度と基板裏面温度の関係を表したグラフである。 本発明の１つの実施形態によるロール・ツー・ロール成膜装置を表す模式図である。 堆積膜形成時間における光電変換効率の関係を表したグラフである。

符号の説明

１０１ 真空容器
１０２ 放電容器
１０３ カソード電極
１０４ ガスの流れ
１０５ 高周波電源
１０６ 接地電極
１０７ 導電体プレート
１０８ 放電容器加熱ヒーター
１０９ 基板加熱ヒーター
１１０ 排気手段
１１１ 冷却プレート
１１２ 冷却プレート
１１３ 基板
１１４ 真空計
１１５ バタフライバルブ
２０１ 真空容器
２０２ 放電容器
２０３ カソード電極
２０４ ガスの流れ
２０５ 高周波電源
２０６ 接地電極
２０７ 導電体プレート
２０８ 放電容器加熱ヒーター
２０９ 基板加熱ヒーター
２１０ 排気手段
２１１ 真空計
４０１ 第３の真空容器（ｉ型半導体層形成用）
４０２ 第１の真空容器
４０３ 第２の真空容器（ｎ型半導体層形成用）
４０４ 第４の真空容器（ｐ型半導体層形成用）
４０５ 第５の真空容器
４０６ ガスゲート
４０７ 帯状基板
４０８ ゲートガス導入管
４０９ ゲートガス導入管
４１０ ゲートガス導入管
４１１ ゲートガス導入管
４１２ 巻取りロール

Claims (4)

1. 真空容器内に放電空間を形成する放電容器と、前記放電容器内に基板と所定の距離を置いて配置された電極とを有し、前記放電容器と前記電極裏面との間に第一の冷却手段を有し、前記放電容器と前記真空容器との間に第一の加熱手段を有することを特徴とする堆積膜形成装置。
2. 前記真空容器内に、前記基板の裏面と前記真空容器内壁との間に第二の冷却手段を有し、前記基板裏面と前記第二の冷却手段との間に第二の加熱手段を有する請求項１に記載の堆積膜形成装置。
3. 前記基板と前記電極の前記所定の距離は、３ｍｍ〜３０ｍｍの範囲であること請求項１に記載の堆積膜形成装置。
4. 前記電極と前記放電容器との間に、前記電極に対して前記基板とは反対側に前記電極とほぼ平行に前記所定の距離よりも狭い間隔で配置し、複数の各々絶縁して設置された導電部材を有する請求項１に記載の堆積膜形成装置。
   

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