JP2007214296A - プラズマプロセス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アモルファスシリコン薄膜の光劣化と関連する拡散長の短い核種をより一層排除することができ、また、大面積製膜も可能なプラズマプロセス装置を提供する。
【解決手段】反応容器１と、その容器内に反応ガスを導入するガス導入管６と、容器外へ排ガスを排出するガス排気管４と、容器内に収容した第一電極２及び第二電極３からなる放電用平行電極と、前記電極に電力を供給する電源９とを有してなるプラズマプロセス装置において、第一電極２には、ガス導入管６に連通するガス導入用穴１１及び前記ガス排気管６に連通する排ガス用穴１２の双方を設ける。好ましくは、第一電極２の第二電極３に対向する表面に、多数の凹部を所定パターンで設ける。
【選択図】 図１。

Description

本発明は、薄膜半導体、特に、アモルファスシリコンもしくは微結晶シリコン薄膜太陽電池、ディスプレイ用薄膜トランジスタなどに使用される高品質薄膜の大面積製造に適したプラズマプロセス装置、より詳しくは、反応容器と、その容器内に反応ガスを導入するガス導入管と、容器外へ排ガスを排出するガス排気管と、容器内に収容した第一電極及び第二電極からなる放電用平行電極と、前記電極に電力を供給する電源とを有し、前記第一電極の第二電極に対向する表面にガス導入口及びガス排気口を設け、通常前記第二電極の第一電極に対向する表面に基板を設置するプラズマプロセス装置に関するものである。

アモルファスシリコン薄膜を製造するためのプラズマプロセス装置は、従来から、いくつか知られている。

例えば、特許文献１には、少なくともシリコンを含むガスと、合金とすべき他元素を含むガスのグロー放電分解法で、グロー放電プラズマと基板との間に、網状グリッドを設置し、該グリッドに負のバイアスを印加することにより、プラズマ領域をカソード電極と該グリッド間に完全に閉じ込め、グリッドと基板との距離を制御し、高い光伝導度を有する狭光学バンド・ギャップの薄膜を得る方法が開示されている。

特許文献1に記載の方法は、基板への長寿命ラジカルの選択的輸送効果を有し、高品質アモルファスシリコン薄膜の作製に有効であることが明らかとなっている。しかし、アモルファスシリコンには特性の光劣化という問題があり、この問題解決のためには、基板への長寿命ラジカルの選択的輸送だけでは十分でなく、光劣化と関連する拡散長の短い核種を他のメカニズムでさらに排除する必要がある。本発明者らは、上記問題解決のために種々検討して、本発明を完成した。

特開昭６１−２７８１３１号

本発明の目的とするところは、アモルファスシリコンの光劣化と関連する拡散長の短い核種をより一層排除することにある。

本第一発明のプラズマプロセス装置は、前記第一電極には、前記ガス導入管に連通するガス導入用穴及び前記ガス排気管に連通する排ガス用穴の双方が設けてあることを特徴とする構成を採用した。

本第二発明のプラズマプロセス装置は、第一発明において、前記第一電極の第二電極に対向する表面に、多数の凹部を所定パターンで設けてあることを特徴とする構成を採用した。

本第三発明のプラズマプロセス装置は、第二発明において、少なくとも前記ガス導入用穴を前記凹部内に設けたことを特徴とする構成を採用した。

本第四発明のプラズマプロセス装置は、第二又は第三発明において、少なくとも前記排ガス用穴を前記凹部内に設けたことを特徴とする構成を採用した。

本第五発明のプラズマプロセス装置は、第二から第四発明の何れかにおいて、前記凹部は、所定パターンで配置されたスポット型凹部と、このスポット型凹部を相互に連通する溝型凹部とにより構成されてなることを特徴とする構成を採用した。

本第六発明のプラズマプロセス装置は、第五発明において、前記スポット型凹部に、前記ガス導入用穴と排ガス用穴との少なくとも何れか一方を設けてあることを特徴とする構成を採用した。

本第七発明のプラズマプロセス装置は、第五発明において、前記溝型凹部に、前記ガス導入用穴と排ガス用穴との少なくとも何れか一方を設けてあることを特徴とする構成を採用した。

本第八発明のプラズマプロセス装置は、第五から第七発明において、そのスポット型凹部は、角筒、円筒、円錐又は角錐状に形成してあることを特徴とする構成を採用した。

本第一発明のプラズマプロセス装置によれば、電極表面付近から基板と反対方向への排気によって作られるガス流により、拡散長の短い核種の選択的除去が可能となる。特にシラン/水素プラズマを用いる薄膜作製プロセスの場合、アモルファスシリコンの光劣化と関連する高次シラン関連反応種などを、プロセスから選択的に除去することができる。また、電極表面からのガス導入により、電極面内に均一なガス供給が可能である。これらによって、高安定薄膜シリコンの大面積製膜が可能となる。そのため、特にアモルファスシリコンもしくは微結晶シリコンなどのシリコン系薄膜太陽電池や薄膜トランジスタを使用するディスプレイの生産設備として工業的価値が大きい。また、他の半導体薄膜・絶縁体薄膜・金属又は導体薄膜の製造、エッチング・表面処理などのプラズマプロセスへも適用可能である。装置構成は簡単なダイオード型であり、工業における実用化に適している。

本第二発明によれば、先に本発明者らが提案した特開２００４−２９６５２６号に記載のプラズマＣＶＤ装置と同様に、電極表面の各凹部付近でのスポット状高密度プラズマの生成、及び、基板近傍での低電子温度プラズマの生成が可能となる。ガス分解に有効な高密度プラズマが基板から離れた位置で生成されることにより、ガスの高効率分解と短寿命種の消失による基板への長寿命ラジカルの選択的輸送が実現する。カソード電極とアノード電極間に網状グリッドの挿入が無い条件において、基板への長寿命ラジカルの選択的輸送効果を有するために、高品質薄膜シリコンの高速製膜に有効である。上記第一発明の効果とあいまって高品質・高安定シリコン薄膜の大面積高速製膜をより一層効果的に行えるようになった。

また、本第三発明により、大面積上への均一なガス供給が可能となり、さらに、スポット状高密度プラズマの生成する近傍（凹部）から原料ガスを導入することにより、原料ガスを高い効率で利用しながら薄膜製造などの高速プロセスが可能となる。

さらに、本第四発明では、凹部入口付近の高密度プラズマスポットにて生成される分解種が、核種間の反応により高次シラン種やクラスターなどに成長する前に除去することが可能となった。

また、本第五発明では、スポット型凹部に生成するスポット状プラズマが孤立せずに相互に連結可能とすることより、特に、大面積プロセスにおいて、場合によって問題となる（スポット状プラズマが電極面上を動き回るなどの）不安定なプラズマ生成状態が防がれる。また、スポット型凹部を連結する溝型凹部によって、ガス供給の面内均一性もより一層向上する。

添付図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態をさらに具体的に説明する。

図１は本発明に係るプラズマプロセス装置の正面から見た概観図である。
このプラズマプロセス装置は、反応容器１と、この反応容器内に反応ガスを導入する導入管６と、図示しない真空ポンプにより排気する排気管４と、上記反応器内に収容された放電用平行電極（カソード電極２とアノード電極３）と、この放電用電極２、３に電力を供給する電源９とで構成されている。
前記アノード電極３上に基板８を設置し、この基板８の表面に薄膜を形成する装置である。
ここに示した放電用平行電極（カソード電極２とアノード電極３）のうち特にカソード電極（第一電極）２の構造に特徴がある。
なお、図１では、ガス導入は電極表面に設けられたガス導入口から行っているが、反応容器１の側方などに設けたガス導入口からも補助的なガス導入を行うことができる。電源９は、通常、高周波又は超高周波を用いるが、直流とすることも可能である。

図２は、本実施例に係る放電用平行電極のカソード電極２を示し、アノード電極（第二電極）３に対向する面の凹凸パターンを示す図（底面図）である。図３は図２のＡ−Ａ縦断面図、図４は図２のＢ−Ｂ縦断面図である。
カソード電極２の表面形状は、図２〜図４に示すように長円筒状のスポット型凹部１３ａ、１３ｂを交互に格子状に並べ、このスポット型凹部１３ａ、１３ｂの隣接するもの同士を溝型凹部１４で連通して所定パターンの凹凸を形成したものである。
前記スポット型凹部１３ａの奥端面には、ガス導入用小穴１１が形成してあり、他のスポット型凹部１３ｂの奥端面には、排ガス用穴１２が形成してある。
前記スポット型凹部１３ａの奥には、前記ガス導入管６に通じるガス通路１６が設けてあり、前記ガス導入用小穴１１は、このガス通路１６を介してガス導入管６に通じている。
前記排ガス用穴１２は、カソード電極２の上面に貫通していて前記ガス排気管４に連通している。
この結果、両電極間の排気ガスは、排ガス用穴１２により、カソード電極２の上面全体から排気されることなる。
反応容器内のガス・反応生成物は、カソード電極２へ設けた多数の排ガス用穴１２から、所定の排気速度で排気する。なお、このとき、反応容器の他の箇所に設けた排気管からも同時に、所定の排気速度で排気することも可能である。

図５は本発明の実施例２に係る放電用平行電極のカソード電極２を示し、アノード電極（第二電極）３に対向する面の凹凸パターンを示す図（底面図）である。図６は図５のＡ−Ａ縦断面図である。
本実施例は、スポット型凹部１３ｂとこれを連結する溝型凹部１４により所定のパターンを形成したものである。
前記スポット型凹部１３ｂには、排ガス用穴１２が設けてあり、前記凹部１３ｂ、１４を設けていない箇所にガス導入用小穴１１を設けた。
ガス通路１６は、溝型凹部１４の奥部を通って、ガス導入用小穴１１を互いに連結するように設置してある。
その他の点は前記実施例１と同様なので説明を省略する。

図７は本発明の実施例３に係る放電用平行電極のカソード電極２を示し、アノード電極（第二電極）３に対向する面の凹凸パターンを示す図（底面図）である。図８は図７のＡ−Ａ縦断面図である。図９は図７のＢ−Ｂ縦断面図である。
本実施例は、スポット型凹部１３ａと、これを連結する溝型凹部１４により所定のパターンを形成したものである。
前記スポット型凹部１３ａにはガス導入用小穴１１が設けてあり、前記溝型凹部１４には排ガス用穴１２が設けてある。
ガス通路１６は、溝型凹部１４のない箇所を通ってガス導入用小穴１１同士をつないでいる。
その他の点は前記実施例１と同様なので説明を省略する。

図１０は本発明の実施例４に係る放電用平行電極のカソード電極２を示し、アノード電極（第二電極）３に対向する面の凹凸パターンを示す図（底面図）である。図１１は図１０のＡ−Ａ縦断面図である。
本実施例は、スポット型凹部１３ａとこれを連結する溝型凹部１４により所定のパターンを形成したものである。
前記スポット型凹部１３ａにはガス導入用小穴１１が設けてあり、凹部にない箇所に排ガス用穴１２が設けてある。
ガス通路１６は、溝型凹部１４の奥部を通ってガス導入用小穴１１同士をつないでいる。
その他の点は前記実施例１と同様なので説明を省略する。

その他の実施例

本発明の放電用平行電極における第一電極（通常は、カソード電極）２の対向電極側表面には、個々のスポット型凹部１３（１３ａ／１３ｂ）の集まりからなる所定パターンの凹部を設ける。個々のスポット型凹部１３の形状は、三角形、四角形、六角形など多角形筒状窪み、円錐又は角錐などとすることもできるが好ましくは円筒状窪みとし、これら個々のスポット型凹部１３の大きさは好ましくは均一又は概ね均一とする。
また、個々のスポット型凹部１３の配置（凹部の所定の全体パターン）は平面視で好ましくは格子状配置（格子を形成する交点に個々の凹部を設けた形状）又は最密充填状配置（個々の凹部の中心を結ぶ直線が凹部の中心を交点として６０°の角度に交差する網目の、その交点に個々の凹部を設けた形状）とする。

第一電極２及び対向電極（第二電極）３の材料としては、アルミニウム、銅、ステンレスなどの金属（合金）が可能であるが、ステンレス又はアルミ並びにその合金を用いることが好ましい。
また、第一電極（通常は、カソード電極）２及び対向電極（第二電極）３の大きさ（面積）は、通常は４ｍ^２（２ｍ平方）程度、好ましくは０．００５ｍ^２（７ｃｍ平方）〜４ｍ^２（２ｍ平方）程度、更に好ましくは０．０４ｍ^２（２０ｃｍ平方）〜４ｍ^２（２ｍ平方）程度の範囲で可能である。電極の厚みは、凹部又は溝部の深さより厚いものとする。
個々のスポット型凹部１３の大きさ（凹部の径又は幅）は、シース厚さの２倍以上であることが必要である。プロセス条件に依存するが、１〜４０ｍｍ程度が好ましい。
スポット型凹部１３の深さは、径の１〜３倍程度又は１〜８０ｍｍ程度が好ましい。スポット型凹部１３ａとスポット型凹部１３ｂの深さは、同等でもよく、一方が他方より深くてもよい。
スポット型凹部１３の間隔（ピッチ）は、スポット型凹部１３の大きさ（凹部の径又は幅）の１〜４倍程度が可能であるが、好ましくは１．５倍程度とする。凹部１３の間隔（ピッチ）が大きすぎると、製膜などプロセスの面内均一性のために好ましくない。

ガス導入用小穴（ガス導入口）１１の径は、０．１〜１ｍｍ程度の範囲内が可能で、好ましくは０．５ｍｍ以下とする。排ガス用穴（ガス排気口）１２の径は、ガス導入用小穴１１の径以上、凹部１３ｂの径又は幅以下とする。
スポット型凹部１３の最適な大きさは、圧力・プラズマ励起電源周波数などのプロセス条件に依存するが、凹部径又は幅が上記範囲にあって十分に小さいと、凹部（ホロー）による電子の閉じ込め効果が得られるので好ましい。
凹部パターンのサイズ、ピッチ、深さなどは、プロセス条件によって、最適な値を選択することができる。
また、第一電極２の表面に高密度プラズマが滞在しやすい環境を作るため、第一電極２の（四）周端部では電極最表面と同等の高さの土手（帯状物）で囲むようにして、原料ガスを閉じ込めるようにすることが好ましい。
第一電極２と対向電極（第二電極）３の間の距離は、プロセスガス圧力などによって最適な値を選択することができる。上記電極間距離が十分に大きいと、長寿命ラジカルの選択的輸送、並びに面内均一プロセスのためには有利であるが、高速プロセスのためには不利である。
また、プロセス温度（基板温度）は、通常は室温以上であり、好ましくは１００〜４００℃、より好ましくは２００〜３００℃である。
プラズマ励起周波数は、１００ｋＨｚ〜１４０ＭＨｚの範囲が可能であり、好ましくは１０〜１００ＭＨｚ、更に好ましくは１３．５６ＭＨｚとその偶数倍である。

上記個々のスポット型凹部１３は、溝型凹部１４で各々を連結しないで独立的なものとすることもできるが、好ましくは、隣接する凹部同士を溝型凹部１４で連結して全体として網目状パターンを形成する。
このときの溝型凹部１４の深さは、ガス通路１６の構造にもよるが、個々のスポット型凹部１３と同程度であっても、それより浅いものであっても、あるいは深いものであってもよい。
また、溝型凹部１４の幅は、スポット型凹部１３の径（又は幅）よりも小さいものとし、好ましくはその０．７倍よりも小さいものとし、更に好ましくはその１／５〜３／５程度とする。
なお、隣接するスポット型凹部１３同士を溝部１４で連結した場合、第一電極（通常は、カソード電極）２の（対向電極側）表面に設けた「所定パターンの凹部」は、個々の凹部１３（１３ａ／１３ｂ）と溝部（溝型凹部）１４との合計で形成された凹部（全体）を意味する。

なお、上記した個々のスポット型凹部１３及び溝型凹部１４のいずれにも、ガス導入用小穴（ガス導入口）１１及び排ガス用穴（ガス排気口）１２のいずれをも設けず、これら凹部のない箇所にこれらの穴１１、１２を設けることも可能である。

程度にもよるが、図１２に示すように所定パターン状に配置した凹部の一部を欠落２０ａ、２０ｂさせたり、図１３に示すように所定パターン状に配置したガス導入用小穴と排ガス用穴の一部を欠落２１ａ、２１ｂさせても本発明の効果を損なうことはない。

〔作用〕
第一電極（カソード電極）２の対向電極（第二電極）側の表面に設けた所定パターンのスポット型凹部１３において、高周波プラズマのシースの振動による電子の統計的加熱、並びにホロー効果による電子の閉じ込めが起こり、各凹部１３（入り口）付近でスポット状高密度プラズマが安定に生成し、ガスを効率よく分解し、大面積上に均一に高速にて製膜などのプロセスが可能となる。カソード電極表面からのγ作用による電子の放出は、広いカソード電極表面積によって効果的に起こると考えられる。
隣接するスポット型凹部１３（１３ａ／１３ｂ）が溝部１４により連結されているものでは、各スポット型凹部に生成するスポット状プラズマが孤立せずに相互に連結可能となることより、特に、大面積プロセスにおいて、条件により問題となる（スポット状プラズマが電極面上を動き回るなどの）不安定なプラズマ生成状態が防がれる。また、凹部を連結する溝部によって、ガス供給の面内均一性も向上する。
高密度プラズマの生成する近傍（凹部）から原料ガスを導入することにより、原料ガスを高い効率で利用しながら薄膜製造などの高速プロセスが可能である。

基板近傍で低電子温度プラズマが生成され、ガス分解に有効なプラズマが基板から空間的に分離してカソード電極表面近傍で生成されることにより、ガス分解により生成した分解種が基板へ輸送される過程で、反応性の高い短寿命種は(シラン親分子など)他の核種との反応により消失し、長寿命ラジカルが選択的に基板表面へ輸送されることになる。シラン／水素プラズマによるシリコン薄膜作製の場合、欠陥密度の高い膜成長を起こすＳｉＨ_ｘ（ｘ≦２）、並びに、アモルファスシリコンの光劣化と相関のあることが知られているＳｉ−Ｈ_２結合含有量の多い膜成長を起こすＳｉ_４Ｈ_９などの高次シラン関連反応種などといった短寿命種が基板への輸送過程で消失し、製膜種として好ましい長寿命なＳｉＨ_３ラジカルが基板へ選択的に輸送され、高品質膜の作製が可能となる。

また、ガス分解に有効な高密度プラズマスポットが生成される電極表面の凹部付近から基板と反対方向への排気は、プラズマ中における拡散長の短い重い核種（シラン／水素プラズマの場合、高次シラン関連種、クラスターなど）を、ガス流を利用して選択的に排気する作用がある。高次シラン関連種、クラスターなどのプラズマ中における消失速度は、（ＳｉＨ_２など反応性の高い）核種との化学反応による消失速度、拡散による消失速度（拡散長に比例する）、及び、ガス流（排気）による消失速度（滞在時間に反比例する）の和となることが予想される。これより、滞在時間を短くすることは、拡散長の短い核種の消失速度を、拡散長の長い核種の消失速度に対して、増加させる効果がある。
拡散長の長い核種はガス流から拡散によって抜け出して、基板方向へ輸送されることになる。これより、シラン／水素プラズマの場合、特にアモルファスシリコンの光劣化と相関のあるＳｉ−Ｈ_２結合含有量の多い膜成長を起こすＳｉ_４Ｈ_９など高次シラン関連反応種の膜成長への寄与を低減し、高安定な高品質膜の作製を可能とする。装置の稼働率を低下させるパウダー生成の抑制にも有効である。

本発明に係るプラズマプロセス装置の正面から見た概観図。 本発明の実施例１に係る放電用平行電極の第一電極（カソード電極）の凹部パターンを示す対向電極側からみた底面図。 図２のＡ−Ａ縦断面図。 図２のＢ−Ｂ縦断面図。 実施例２の凹部パターンを示す底面図。 図５のＡ−Ａ縦断面図。 実施例３の凹部パターンを示す底面図。 図７のＡ−Ａ縦断面図。 図７のＢ−Ｂ縦断面図。 実施例４の凹部パターンを示す底面図。 図１０のＡ−Ａ縦断面図。 実施例１において凹部の一部を欠落させたパターンの例を示す底面図。 実施例１においてガス導入用小穴と排ガス用穴の一部を欠落させたパターンの例を示す底面図

符号の説明

１・・反応容器
２・・第一電極（通常は、カソード電極）
３・・第二電極（通常は、アノード電極）
４・・ガス排気管
６・・ガス導入管
８・・基板
９・・電源（通常は、（超）高周波電源）
１０・・ヒーター
１１・・ガス導入用小穴（ガス導入口）
１２・・排ガス用穴（ガス排気口）
１３・・凹部
１３ａ・・ガス導入用小穴をもつ凹部
１３ｂ・・排ガス用穴をもつ凹部
１４・・溝部（溝型凹部）
１６・・ガス通路
２０ａ・・凹部を欠落させた部分
２０ｂ・・凹部を欠落させた部分
２１ａ・・ガス導入用小穴を欠落させた部分
２１ｂ・・排ガス用穴を欠落させた部分

Claims (8)

1. 反応容器と、その容器内に反応ガスを導入するガス導入管と、容器外へ排ガスを排出するガス排気管と、容器内に収容した第一電極及び第二電極からなる放電用平行電極と、前記電極に電力を供給する電源とを有してなるプラズマプロセス装置において、前記第一電極には、前記ガス導入管に連通するガス導入用穴及び前記ガス排気管に連通する排ガス用穴の双方が設けてあることを特徴とするプラズマプロセス装置。
2. 請求項１に記載のプラズマプロセス装置であって、前記第一電極の第二電極に対向する表面に、多数の凹部を所定パターンで設けてあることを特徴とするプラズマプロセス装置。
3. 請求項２に記載のプラズマプロセス装置であって、少なくとも前記ガス導入用穴を前記凹部内に設けたことを特徴とするプラズマプロセス装置。
4. 請求項２又は３に記載のプラズマプロセス装置であって、少なくとも前記排ガス用穴を前記凹部内に設けたことを特徴とするプラズマプロセス装置。
5. 請求項２から４の何れかに記載のプラズマプロセス装置であって、前記凹部は、所定パターンで配置されたスポット型凹部と、このスポット型凹部を相互に連通する溝型凹部とにより構成されてなることを特徴とするプラズマプロセス装置。
6. 請求項５に記載のプラズマプロセス装置であって、前記スポット型凹部に、前記ガス導入用穴と排ガス用穴との少なくとも何れか一方を設けてあることを特徴とするプラズマプロセス装置。
7. 請求項５に記載のプラズマプロセス装置であって、前記溝型凹部に、前記ガス導入用穴と排ガス用穴との少なくとも何れか一方を設けてあることを特徴とするプラズマプロセス装置。
8. 請求項５から７の何れかに記載のプラズマプロセス装置であって、そのスポット型凹部は、角筒、円筒、円錐又は角錐状に形成してあることを特徴とするプラズマプロセス装置。