JP2008019470A - プラズマ処理装置の給電構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】真空容器2a内の基板8に対向して配置される高周波電極6及び接地電極7を備え、高周波電極6と接地電極7との間に、高周波電源3から給電線5を経た高周波給電によって電圧を印加するとともにガスを流すことによってプラズマを生成し、基板8の表面にプラズマ処理を行うようにしたプラズマ処理装置において、給電線5は、上流側の高周波電源3接続側の断面積を大きく、下流側の高周波電極6接続側の断面積を高周波電源3接続側の断面積よりも小さく形成している。
【選択図】図1
Description
かかるプラズマ処理技術の装置としては、例えば容量結合型の平行平板プラズマCVD装置もしくはエッチング装置が挙げられる。
この平行平板プラズマCVD装置もしくはエッチング装置においては、基板が配置される真空容器内に流すガスを、例えばSiH4に代表される製膜ガスとすれば、当該基板に薄膜が堆積され、また、例えばCF4に代表されるエッチングガスとすれば、当該基板に対してエッチングが行われることになる。
ここでは、SiH4を主体としたガスで基板上にSi系薄膜を形成するプラズマCVD法によって、薄膜太陽電池を製造する例を挙げることとする。
図5において、プラズマ処理装置1の真空容器2の内部に形成された真空室2aには、外部の高周波電源3から整合回路4及び給電線5を通して高周波電力が供給される高周波電極6と、基板8を挟んで当該高周波電極6と対向する位置に接地電極7とが配置されている。真空容器2と給電線5とは、電気的に絶縁されている。なお、接地電極7は必ずしも接地電位である必要はなく、目的に応じて直流、もしくは高周波電力の印加が可能な機構を有していても良い。
上記給電線5と上記高周波電極6との接触位置は、通常、高周波電極6の中心にあり、また、これら高周波電極6と給電線5とは垂直に接触しており、高周波電極6側から見て給電線5は対称な配置となっている。
図6に示されるプラズマCVD法によるプラズマ処理装置においては、給電線5と高周波電極6との接触部位が、図5の装置のような高周波電極6の中心部ではなく、高周波電極6の上部周縁部に配置されている。その他の構成は図5と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示されている。
かかる構造は、例えば装置レイアウト等の問題で外部の高周波電源3からの電力導入形式が図5のような構成を取れない場合に採用されている。
その他の構成は図5と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示されている。
即ち図8において、真空室2a内には、2個の高周波電源3a,3bから給電線5a,5bを通して高周波電力が供給される高周波電極6a,6bと、該高周波電極6a,6bとそれぞれ対向する位置に接地電極7a,7b(当該接地電極7a,7bに代えて、目的に応じて直流もしくは高周波電力の印加が可能な機構でも良い)とが設置されている。接地電極7a,7bの上方には基板8a,8bを設置する機構(図示省略)が設けられ、また、接地電極7a,7b内には基板8a,8bを加熱するための加熱機構が設けられている。
かかるプラズマ処理装置においては、真空室2a内に、高周波電極6a,6b及び接地電極7a,7bの組が2組設置されており、各々の高周波電極6a,6bに対して配置された高周波電源3a,3bにより、それぞれ独立に電力を印加することが可能となっている。
このような構成を取ることにより、図5〜図7に示すような高周波電極6及び接地電極7が1組設けられるプラズマ処理装置に比べて、処理能力を2倍にすることができる。
図8のようなプラズマ処理装置を用いて、長尺の高分子材料あるいはステンレス鋼などの金属材料からなる可撓性基板上に薄膜太陽電池を製造することにより、薄膜太陽電池の生産性を向上することが可能となる。その他の構成は図5と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
先ず、図示しない排気手段によって、真空室2a内を所要の真空度まで真空引きを行う。次いで、必要に応じ接地電極73内のヒータによって基板8の加熱を行う。
真空引き直後においては、真空室2a内や基板8の表面等に水分等の不純物が吸着している場合が多く、これらの不純物が十分に脱ガスされない状態で薄膜形成を行うと、薄膜中に大量の不純物が含まれるため膜質の低下につながる。そこで、真空室2a内の脱ガスを促進する目的で、薄膜形成前にガス導入ラインからガスを導入し、圧力制御器と製膜ガス排気ラインによって真空室2a内を一定の圧力に保持したまま該真空室2a内の加熱(ベーキング)を行う。
上記ベーキング中に流すガスは、H2等の熱伝導性が比較的良好なガス、He,Ar等の不活性ガス、あるいは製膜を行う際に流す製膜ガス等を採用している。また、ベーキング中の基板温度は、実際に製膜を行う時の基板温度よりも高めに設定する場合がある。これは、ベーキング中の基板温度を製膜時の基板温度よりも高めに設定することにより脱ガスを促進し、製膜時における脱ガス量を低減するためである。
上記脱ガス後、基板温度を製膜する際の基板温度に設定し、必要に応じて数種類の製膜ガスを所定の流量比で混合してなる混合ガスを真空室2a内に流して所要圧力に保持し、しかる後、高周波電極6に電圧を印加し、高周波電極6〜接地電極7間にプラズマを発生させて基板8上に薄膜形成を行う。種々の製膜条件で基板8上に多層膜を形成することにより、薄膜太陽電池等を作製することが可能となる。
一方、図6及び図7に示す例の場合は、外部から真空室2a内に電力を供給する機構が真空容器2に対して上部位置に配置されている。特に図7に示す例では、給電線5と高周波電極6との接続部位は、高周波電極6の中心部であるが、外部から真空室2a内に電力を供給する機構が真空容器2に対して上部位置に配置され、外部から真空室2a内に電力を供給する機構と高周波電極6とを互いに繋げる給電線5は、図5や図6の場合に比較すると長くなる。
即ち、図8に示す例では、真空室2a内には、高周波電極6a,6b及び接地電極7a,7bが2組設置されており、各々の高周波電極6a,6bに対して配置された高周波電源3a,3b及び整合回路4a,4bにより、それぞれ独立に電力を供給することが可能な構成とされている。
然るに図8に示す例においては、給電線5a,5bの形状は、外部から真空室2a内に電力を供給する機構を設置する箇所、並びに、給電線5a,5bと高周波電極6a,6bとの接続位置で決まるが、高周波電力を用いる場合には、給電線5a,5bの長さや形状に応じたインダクタンス成分が存在し、整合回路4a,4bと給電線5a,5bとの接続点で過大な電圧が発生することから、給電線5a,5bをできるだけ広く短くして接続することが好ましい。
図8に示す例のように、電源として高周波電力を用い、給電線5(5a,5b)が長くなる場合、給電線5(5a,5b)には高電圧が生じ、真空容器2内外で様々な影響が出ることになる。例えば給電線5(5a,5b)が、プラズマが印加される反応室内に存在する場合には、給電線5(5a,5b)の周囲も反応ガスで満たされており、給電線5(5a,5b)と適当な距離だけ離れた部位に接地電位を有する反応室壁体(真空容器1の壁体)等があると、給電線5(5a,5b)と反応室壁体との間で放電が生じやすくなり、パワーロスやプラズマが生じた領域近傍における薄膜の付着やエッチングが生じる等の不具合が発生することになる。また、整合回路4に高電圧が印加され、整合回路4内で絶縁破壊が生じやすくなるという不具合が発生することになる。
なお、この真空容器2a内の不要な放電対策としては、図9に示す例のように、シールド板12を高周波電圧が印加される高周波電極6と給電線5との間に挿入し、シールド板12の両端を接地電位部に接続させ、電磁気的な干渉を弱くすることで、良好なプラズマ処理を行うことが提案されている。
図10において、板状、または円筒状の給電線5は、整合回路4の端子に接続され、絶縁シール材21を介して真空容器2を貫通した後、真空室2a内に入り、高周波電極6の背面側に接続され、高周波給電が行われるようになっている。かかる構成においては、高周波電極6の背面側の給電線5の接続作業を行う為のサービスハッチ22が必要となる。その他の構成は図7と同様で、図7と同一の部材は同一の符号で示されている。
かかるプラズマ処理装置において、真空容器の内部に形成した真空室内に並行して搬送される2列の基板の間には、それぞれ対向配置された電圧を印加する高周波電極及び接地電極が設けられており、真空容器の外部に設置された高周波電源からの高周波電流を給電線を通して前記高周波電極に通電して、成膜時に気密状態となる成膜室に電圧が印加され、基板の表面に薄膜を形成するためのプラズマが当該成膜室内に生成されるようになっている。
かかる問題に対処する手段として、給電線5a,5b(中心導体)の外周に、シールド体(外周導体)を設けた、同軸ケーブル等を使用することにより、電磁気的な干渉を低減して、良好なプラズマ処理を行う手段が知られている。
このような外周導体と中心導体との同軸ケーブルからなる給電線5a,5bにおいて、従来は、中心導体の形状を、糸状、角状、円筒状の形状とし、また外周導体の形状を、円管形状、角管形状としている。然るに前記給電線5a,5bは、インピーダンスマッチングを図る必要があることから、適切な導体サイズの選定及び適切な中心導体〜外周導体間距離を確保することにより、最適なインダクタンス、キャパシタンスとする必要がある。
その結果、給電線5a,5bも長くなり、損失が大きくなる傾向にあるとともに、供給電力も数kW〜5kW程度までの電力投入が必要となる。
このため、給電線5a,5bは、シールド機能を有する外周導体の内部に、銀や銅からなる中心導体を通す構造とすることにより、シールド機能を持たせて電磁的な干渉を防止するとともに、同軸ケーブルとすることにより低損失な給電線が得られる。
このため、かかる従来技術にあっては、高周波電極6からの熱伝導により給電線5が温度上昇により加熱状態となるという問題が発生する。
かかる場合において、高周波電極6a,6b及び接地電極7a,7bの背面側スペースを削減するためには、予め給電線5a,5bを接続した状態で高周波電極6a,6bを組込み、上部空間で真空容器2の外部からの給電線5a,5bと接続する必要が生じる。
かかる従来技術にあっては、長尺で不安定な形態にある給電線5a,5bを高周波電極6a,6bに組付けた状態での、真空容器2内への取付けが必要となることから、給電線5a,5bと高周波電極6a,6bとの接続部に過大応力が発生するおそれがあるとともに、組立て時に給電線5a,5bと高周波電極6a,6bとの接続部を、目視点検したり、増し締めしたりすることが困難であるため、メンテナビリティーが悪い給電構造となってしまう、等の問題がある。
即ち、前記給電線は、前記高周波電源側に接続される給電フランジと、該給電フランジの下流側に接続される給電フランジ接続側給電線と、前記高周波電極に接続される電極接続側給電線と、前記給電フランジ接続側給電線及び電極接続側給電線を接続する主給電線とにより構成され、前記電極接続側給電線の表面積を前記主給電線の表面積と同等、または、大きく形成している。
即ち、複数の高周波電極及び複数の接地電極を設けたプラズマCVD装置において、前記給電線の前記ガイドピン式連結構造からなる電極接続フランジ部を、前記複数の高周波電極の間の空間に配置している。
また、前記給電線における真空容器側の給電フランジ接続側給電線の断面積を主給電線の断面積よりも大きくすることにより、高周波電極からの伝熱量及び高周波給電に伴う給電線の自己発熱量を、真空容器の外部の給電フランジ側へ伝熱させて放熱を促進することが可能となる。これにより、給電線の最高温度を許容値の200〜250℃以下に抑制することができる。
これにより、給電線の温度上昇による給電線周りの絶縁部材の損傷、炭化を防止でき、長期間良好な絶縁性を維持できる。
また、前記冷却水通水路は、真空容器の外部にある給電フランジにのみ設けられているので、冷却水通水路からの真空容器内への漏水の懸念がなく、信頼性の高いプラズマCVD装置となる。
しかも、高周波電極の背面側に設けた角溝部に角形状フランジを嵌め込むことにより、該角形状フランジの共回りを防止することができ、かかる共回りに伴うトルクにより給電線が変形あるいは切断するのを防止できる。
図1は本発明の第1実施形態に係るプラズマCVD装置の概略断面図である。
図1において、1はプラズマCVD装置、2は真空容器であり、該真空容器2の内部には真空室2aが形成されている。この真空室2a内には、基板8が搬送され、かつ基板8を間において、対向配置された電圧を印加する高周波電極6及び接地電極7が設けられ、これら高周波電極6及び接地電極7によって、成膜時に気密状態となる成膜室2bに電圧が印加され、基板8の表面に薄膜を形成するためのプラズマが当該成膜室2b内に生成されるようになっている。
給電線5は、板状に形成されており、整合回路4の出口端子に接続される給電フランジ54、該給電フランジ54の出口端子に接続され、かつL字状に形成された給電フランジ接続側給電線53、該給電フランジ接続側給電線53の出口端子に接続される主給電線52、及び該主給電線52の出口端子と高周波電極6の背面中央部とを接続する電極接続側給電線51によって構成されている。
また、給電線5は、電極接続側給電線51の断面積を主給電線52の断面積よりも小さく、給電フランジ接続側給電線53の断面積を主給電線52の断面積よりも大きくした構成となっている。しかも、電極接続側給電線51は、高周波電極6及び主給電線52との両端締付け片部が平行で、中間部が主給電線52から高周波電極6へ向かって下り傾斜面の略クランク形状に形成されている。
なお、給電フランジ54の外周と真空容器2との間には、絶縁シール材21が介装されている。
また、給電線5の主給電線52と外周導体9の内面との間には、複数(本実施形態では2個)の絶縁材からなる間隔片91が介装されており、該間隔片91は、加工性の良好な耐熱樹脂材料、例えば、テフロン(登録商標)(PTFE)、ポリアミドイミド(PAI)等の材料から形成されている。しかも、間隔片91の厚さtを調整することにより、給電線5の外周導体9内への取付け位置が調整可能となっている。
図1において、成膜時には、図示しないアクチュエータによって、真空容器2の真空室2a内に搬送され、接地電極7及び成膜室2bで停止された基板8が図示しない接地電極支持枠まで移動し、気密状態の成膜室2bが高周波電極6と基板8との間に形成される。
そして、高周波電源3の出力電圧が整合回路4及び給電線5を介して高周波電極6の中央部に給電され、これら高周波電極6及び接地電極7の間に高周波電圧が印加される。これによって、成膜室2b内にプラズマが発生し、図示しない導入管から導入された反応ガスが分解され、接地電極7に内蔵されたヒータ(図示せず)によって加熱された基板8の表面上に薄膜が形成されることになる。
また、給電線5における給電フランジ接続側給電線53の表面積を主給電線52の表面積と同等、または、大きくすることにより、高周波電極6からの高周波給電に伴う給電線5の自己発熱量を、低減することが可能となる。
これにより、給電線5の最高温度を200〜250℃以下に抑制することができる。
かかる給電線5の可撓性の上昇により、給電線5と高周波電極6との接続作業性が向上するとともに、成膜時の温度上昇に伴う熱膨張量を、断面積が小さく柔軟な電極接続側給電線51の部分で吸収することも可能となり、高周波電極6及び給電線5に過大な熱応力が発生するのを防止することができ、高周波電極6及び給電線5の耐久性が向上する。
図2は本発明の第2実施形態に係るプラズマCVD装置の概略断面図である。
本発明の第2実施形態においては、給電フランジ54に冷却水通水路10が設けられており、該冷却水通水路10中を流れる冷却水によって、給電線5が冷却されるように構成されている。その他の構成は、図1に示す第1実施形態と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示されている。
これにより、給電線5の温度上昇による給電線5周りの絶縁部材の損傷、炭化を防止でき、長期間良好な絶縁性を維持できる。
また、冷却水通水路10は、真空容器2の外部にある給電フランジ54にのみ設けられているので、冷却水通水路10からの真空容器2内への漏水の懸念がなく、信頼性の高いプラズマCVD装置が得られることになる。
図3は本発明の第3実施形態に係るプラズマCVD装置を示し、(A)は概略断面図(図1に対応した図)、(B)は(A)におけるY部拡大図である。
本発明の第3実施形態においては、給電線5と高周波電極6との接続部がガイドピン式連結構造の電極接続フランジ部11によって構成されている。
即ち、図3(A)、(B)において、かかるガイドピン式連結構造からなる電極接続フランジ部11においては、給電線5の電極接続側給電線51の端部に複数(本実施形態では2本)のガイドピン11bが端部に仮固定された角形状フランジ11aを複数のビス51aで固定して設けられ、角形状フランジ11aは高周波電極6の背面側に設けた角溝部61に嵌め込まれている。
また、ガイドピン11bが挿入されるガイドピン挿入孔11fを有するフランジ11cは、高周波電極6の正面側(基板8に対向する側)に設けた角溝部62に嵌め込まれるようになっている。
その他の構成は、図1に示す第1実施形態と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示されている。
また、高周波電極6の背面側に設けた角溝部61に角形状フランジ11aを嵌め込むことにより、角形状フランジ11aの共回りを防ぐことが可能となるため、かかる共回りに伴うねじりトルクにより給電線5が変形するのを防止できる。
しかも、ガイドピン11bは、角形状フランジ11aの端部に仮固定されており、角形状フランジ11aとフランジ11cにより高周波電極6を挟み込む形態で高周波電極6の正面側から締付けねじ11eを締め付けて給電線5と高周波電極6とを接続していることから、ガイドピン11bをガイドにして高周波電極6と給電線5との接続完了後に、プラズマ処理を行う際には、ガイドピン11bを抜き出すことが可能となるので、ガイドピン11bの設置による電解集中等により、成膜に影響を及ぼすのを回避できる。また、ねじ接続等によりガイドピン11bが着脱可能な構成とすれば、取外すことができ、メンテナンス性が良好となる。
図4は本発明の第4実施形態に係るプラズマCVD装置を示す概略断面図である。
本発明の第4実施形態においては、複数の高周波電極6,6及び複数の接地電極7,7を設けたプラズマCVD装置において、上記第3実施形態と同様に、給電線と高周波電極との接続部がガイドピン式連結構造からなる電極接続フランジ部11によって構成されている。
即ち、この第4実施形態の基本構成は、図8に示されるプラズマCVD装置と同様に、真空室2a内に、高周波電極6,6及び接地電極7,7が2組設置されており、各々の高周波電極6,6に対して配置された高周波電源3,3及び整合回路4,4及び給電線5,5により、それぞれ独立に電力を供給することが可能な構成となっている。そして、かかる第4実施形態では、この基本構成に対して、給電線5,5と高周波電極6,6との接続部が上記第3実施形態と同様なガイドピン式連結構造11,11にて構成されている。このようなガイドピン式連結構造からなる電極接続フランジ部11,11の構造は、図3(B)と同一である。
なお、図4において、図3と同一の部材は同一の符号で示されている。
2 真空容器
2a 真空室
3 高周波電源
4 整合回路
5 給電線
51 電極接続側給電線
52 主給電線
53 給電フランジ接続側給電線
54 給電フランジ
6 高周波電極
61 角溝部(電極背面側)
62 角溝部(電極正面側)
7 接地電極
8 基板
9 外周導体
91 間隔片
10 冷却水通水路
11 電極接続フランジ部
11a 角形状フランジ
11b ガイドピン
11c フランジ
11e 締付けねじ
Claims (5)
- 真空容器内の基板に対向して配置される高周波電極及び接地電極を備え、これら高周波電極と接地電極との間に高周波電源から給電線を経た高周波給電によって電圧を印加するとともにガスを流すことによってプラズマを生成し、前記基板の表面に製膜、エッチング等のプラズマ処理を行うようにしたプラズマ処理装置において、前記給電線は、上流側の前記高周波電源接続側の断面積を大きく、下流側の前記高周波電極接続側の断面積を前記高周波電源接続側の断面積よりも小さく形成したことを特徴とするプラズマ処理装置の給電構造。
- 前記給電線は、前記高周波電源側に接続される給電フランジと、該給電フランジの下流側に接続される給電フランジ接続側給電線と、前記高周波電極に接続される電極接続側給電線と、前記給電フランジ接続側給電線及び電極接続側給電線を接続する主給電線とにより構成され、前記電極接続側給電線の表面積を前記主給電線の表面積と同等、または、大きく形成したことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置の給電構造。
- 前記給電線の上流側の前記真空容器に取付けられる給電フランジに、前記給電線を冷却する冷却水が通流する冷却水通水路を設けたことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置の給電構造。
- 前記給電線の下流側の前記高周波電極側端部に、ガイドピンを有する角形状フランジを設けて、前記高周波電極の背面側に設けた角溝部に埋め込むとともに、前記ガイドピンが挿入可能なガイドピン挿入孔を有するフランジと前記角形状フランジとで前記高周波電極を挟持して、前記高周波電極の正面側から前記給電線と前記電極を接続可能に構成したガイドピン式連結構造からなる電極接続フランジ部を備えたことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理装置の給電構造。
- 複数の高周波電極及び複数の接地電極を設けたプラズマCVD装置において、前記給電線の前記ガイドピン式連結構造からなる電極接続フランジ部を、前記複数の高周波電極の間の空間に配置したことを特徴とする請求項4に記載のプラズマ処理装置の給電構造。
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