JP2010040808A - プラズマｃｖｄ装置及びシリコン系薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜中での欠陥形成と高次シランの混入の少ない高品質なシリコンなどの薄膜を形成可能なプラズマＣＶＤ装置、及びそれを用いたシリコン系薄膜の製造方法を提供する。
【解決手段】プラズマＣＶＤ装置は、チャンバー１と、該チャンバー１内部を減圧下に保つ排気装置２と、複数のガス供給孔５及び複数の排気孔６を備えた第１の電極３と、該第１の電極３に高周波を印加する高周波電源７と、該第１の電極３と対向して設置され、第１の電極３と略平行に基板１０を保持し、該基板１０を均一に加熱する機構９を備えた第２の電極４と、該第１の電極３と該第２の電極４の間で、第１の電極３のガス供給孔５から第２の電極４に向かうガス直進流路を遮断する位置に配置された障害物１１と、を備えたものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、薄膜形成用プラズマ成膜装置であり、特にアモルファス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等の半導体薄膜の製造に用いられるプラズマ励起化学気相成長法を用いた装置として好適な薄膜形成用プラズマ成膜装置に関する。
また、本発明の対象とするシリコン系薄膜とはアモルファスシリコン、微結晶シリコン、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイドなどのシリコンを主成分とした薄膜である。

シリコンなどの薄膜を形成する方法の一つとして従来からプラズマ励起化学気相成長（Cemical Vapor Deposition：CVD）法（以下、プラズマＣＶＤ法という）が知られている。従来は被成膜基板をのせるステージに対向して放電電極が配置されており、放電電極の表面に設けられた多数の穴から原料ガスを供給して放電される。

例えば、太陽電池に用いられる高品質なアモルファスシリコン薄膜を得るためには、膜の欠陥となる未結合手（ダングリングボンド）の形成と高次シラン（（ＳｉＨ_２）_ｎ：ｎ＝２〜５）の膜中への取り込みを抑制しなければならない。これらの欠陥を抑制するために、基板表面温度は２２０〜２５０℃が良いといわれている（非特許文献１）。この温度範囲より低いとアモルファスシリコン薄膜の表面で表面反応が抑制されて欠陥の多い膜になってしまう。また、この温度範囲より高いと膜表面から水素が脱離して欠陥が多くなったり、太陽電池を作製する際の下地層へのダメージが問題になったりする。また、プラズマ中のガス温度も重要な因子となり、プラズマ中のガス温度が低下すると高次シランを生成する際に起こる三体反応が促進され膜中への高次シランの取り込みが懸念される（非特許文献２）。この高次シランは光劣化を引き起こすため、できるだけ膜中への取り込みを抑制しなければならない。

このような問題を解決するため、いくつかの手法が提案されている。例えば、プラズマ中に導入するガスと基板の両方を加熱することで基板温度の低下を抑制する方法が開示されている（特許文献１）。さらに、電極中に導入するガス温度を変化させて基板温度の低下を抑制する方法が開示されている（特許文献２）。
特開平８−９１９８７ 特開２０００−２７３６３７ A.Matsuda et al. Solar Energy Materials & Solar Cells 78 (2003) 3-26 Madoka Takai et al. APPLIED PHYSICS LETTERS 77 (2000) 2828

しかし、上記のようにガスを加熱しても、ガス供給孔からチャンバー内にガスを導入した場合、ガスの流速は数ｍ／ｓ以上であるため、ガスの加熱機構の能力が現実的ではない。また、基板として一般的に用いられるガラスは熱伝導度の低い材料であるため、基板を保持する電極を裏側から加熱しても、表面がガス流によって冷やされると、ガラス表層の温度が低下する可能性がある。仮にガス加熱が可能であったとしても、ガス供給孔からチャンバー内に導入される際の圧力差によって断熱膨張が起きるとガス温度が低下するため、ガラス表層の温度も低下する可能性がある。

そこで、本発明はチャンバー内に導入されるガスの流れを制御することで基板およびガスの温度低下を抑制し、膜中での欠陥形成と高次シランの混入の少ない高品質なシリコンなどの薄膜を形成可能なプラズマＣＶＤ装置、及びそれを用いたシリコン系薄膜の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマＣＶＤ装置は以下の構成をとるものである。すなわち、
チャンバーと、
該チャンバー内部を減圧下に保つ排気装置と、
複数のガス供給孔及び複数の排気孔を備えた第１の電極と、
該第１の電極に高周波を印加する高周波電源と、
該第１の電極と対向して設置され、第１の電極と略平行に基板を保持し、該基板を均一に加熱する機構を備えた第２の電極と、
該第１の電極と該第２の電極の間で、第１の電極のガス供給孔から第２の電極に向かうガス直進流路を遮断する位置に配置された障害物と、を備えたプラズマＣＶＤ装置である。

また、本発明のシリコン系薄膜の製造方法は、
チャンバー内部を減圧下に保持し、
第１の電極に備えられた複数のガス供給孔から少なくともシランと水素とを含む原料ガスを供給し、
該第１の電極に高周波電力を印加して該原料ガスをプラズマ化し、
該第１の電極に対向して設置された第２の電極に保持された基板上に該原料ガスを堆積させるシリコン系薄膜の製造方法であって、
前記プラズマ化した原料ガス中の高次シランをチャンバーの外へ排気するとともに、
前記第１の電極のガス供給孔から前記第２の電極へ向かうガス直進流路を迂回するように、該第１の電極のガス供給孔から供給された原料ガスを該記第２の電極に到達させるシリコン系薄膜の製造方法である。

本発明によれば、ガスの流れを制御することで、ガス温度及び基板温度の低下を抑制し、欠陥形成量が少なく、かつ高次シランの混入量が少ない高品質なシリコン系薄膜を形成可能なプラズマＣＶＤ装置、及び高品質なシリコン系薄膜の製造方法を提供することができる。

本発明のプラズマＣＶＤ装置を図を用いて説明する。

図１は本発明のプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図である。この装置は、内部でプラズマを発生させるチャンバー１を備える。チャンバー１の内部には第１の電極３と第２の電極４が平行に設置されている。

第１の電極３にはガス供給孔５と排気孔６がそれぞれ複数配置されている。ガス供給孔５は第１の電極３の表面から均一にガスを供給するために小径のものを多数設けることが好ましく、ガス供給孔の直径は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下がよい。排気孔６は第１の電極３の表面から均一にガスを排気するために小径のものを多数設けることが好ましく、排気孔の直径は０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下、より好ましくは５ｍｍ以上１５ｍｍ以下がよい。ガス供給孔５と排気孔６の第１の電極３における面内配置は均一性の観点から、ガス供給孔５と排気孔６が交互に並んだ規則的な格子配置が好ましいが、第１の電極３の内部構造等を考慮して面内の任意の位置に配置してもかまわない。本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いてシリコン系薄膜を製造する場合、ガス供給孔５からは少なくともシランと水素とを含む原料ガスを供給する。またシリコン系薄膜とは、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイドなどのシリコンを主成分とした薄膜である。

第１の電極３には高周波電源７が接続され、第１の電極３に高周波電圧を印加することによりチャンバー１内にプラズマを発生させる。高周波の周波数は任意に選択できるが、生産性及び均一性の観点から、好ましくは１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下がよい。

第２の電極４は基板１０を第１の電極３に略平行に保持する。第２の電極４は基板１０を加熱するための基板加熱機構９を備えていることが好ましい。また、第２の電極４は電気的に接地されていてかまわないが、図示しない直流電源または交流電源によりバイアス電圧を印加してもかまわない。

本発明においては、第１の電極３のガス供給孔５から第２の電極４へ向かうガス直進流路を遮断する障害物８を第１の電極３と第２の電極４との間に配置する。ここで、ガス直進流路とは、第１の電極３のガス供給孔５の出口が形成する平面をその平面に垂直に第２の電極４の方向に移動させたときの軌跡が形成する立体図形が占める空間領域である。この障害物８により、ガス供給孔５から噴出されたガスは直接基板に衝突することはなく、必ず一旦障害物８に衝突した後、ガス直進流路を迂回するようにプラズマで分解されたラジカルは基板に到達し、ガスは第１の電極３に設けられた排気孔６から排気される。これにより温度の低いガスが基板に直接あたることがないため、基板温度の低下を防ぐことができる。さらに、第１の電極３に設けられた排気孔６から排気することで、膜の欠陥になる高次シランが基板に堆積される確率を低減させることができる。

障害物の形状の例としては、図１に示す障害物８のように円筒状物体を複数本平行に並べたものや、円筒状物体の代わりに三角柱や四角柱を複数本平行に並べたものなどが考えられる。図３は本発明の好ましいプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図である。本発明においては、図３に示すように障害物１１を複数の開口部１２が形成された平板（以降、板状障害物と呼ぶ）として、開口１２がガス直進流路にかからないように板状障害物１１を設置することが好ましい。この板状障害物１１を設けることにより、ガス供給孔５から供給されたガスは一旦第１の電極３と板状障害物１１に挟まれる空間に滞留した後、板状障害物の複数の開口１２から第２の電極４側の空間へと漏れ出ることになる。このようにガス供給孔５から出たガスを直接基板１０に到達させず、ガス直進経路を迂回させて到達させることにより、基板１０の温度低下が回避され、また成膜中の基板温度の安定化を図ることができるため好ましい。板状障害物１１に形成された複数の開口部１２は、それらの開口部の面積を全て足し合わせた開口部総面積が、第１の電極３のガス供給孔５の出口の面積を全て足し合わせた供給孔総面積よりも大きいことがガス流れの流速を下げるという観点から好ましく、好ましくは開口部総面積は供給孔総面積の１０倍以上、より好ましくは５０倍以上、さらに好ましくは１００倍以上である方がよい。板状障害物１１の材質としては任意のものを選択することができるが、耐熱性および機械的強度の観点から金属またはセラミックスを用いることが好ましく、例えば金属としてはアルミニウム、セラミックスとしてはアルミナなどを用いることができる。また、板状障害物１１の厚さは任意のものを用いて良いが、薄すぎると機械的強度が弱く熱による変形が懸念され、また厚すぎるとプラズマが不安定になったり点灯しなかったりする。故に、板状障害物１１の厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以上８ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以上６ｍｍ以下がよい。

さらに、本発明における板状障害物１１は加熱機構を有することが好ましい。これは加熱された板状障害物１１がガスを加熱することによる結果として基板１０の温度低下を防ぐことができるためである。さらに本発明の場合、ガス供給孔５から出たガスを板状障害物１１に積極的に衝突させる効果、および板状障害物１１と第１の電極３との間にガスを滞留させる効果により、板状障害物１１とガスとの熱交換を促進させ、効率良くガスを加熱することができるため好ましい。板状障害物１１の加熱機構の例としては、板状障害物１１を導電体で形成したうえで交流電流を流すことによる抵抗加熱を用いたり、あるいは板状障害物１１の内部に熱媒流路を形成して温度制御した熱媒を流したりすることなどをあげることができるが、その他任意の方法を用いても構わない。

図８は本発明の好ましいプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図である。本発明における板状障害物１１は、図８に示すようにその第１の電極３に対向する面において前記ガス直線流路を遮断する位置に凹部１３を備えることが好ましい。図８の場合は凹部１３の一例として円錐型の凹みを持つ場合を示している。このような凹部を板状障害物１１に設けると、ガス供給孔５から出たガス流は板状障害物１１の凹部１３に衝突することにより流れが乱れ、板状障害物１１と第１の電極３のとの間にガスが滞留している時間を増加させ、結果としてガスの加熱が促進されるため好ましい。凹部１３の形状としては、円錐型のほかに角錐型、半球型、円筒型など、任意の形状で構わない。凹部１３の深さについては特に制限は無いが、深すぎると凹部１３に留まったガスから粉体を生成し凹部１３内に蓄積する懸念があり、また浅すぎるとガスの加熱効果が十分発揮できないため、好ましくは１ｍｍ以上６ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以上４ｍｍ以下がよい。

図２は本発明の好ましいプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図である。図２に示すように、本発明における排気孔６は、その第２の電極４側の開口端が、ガス供給孔５の第２の電極４側の開口端よりも第２の電極４に近い位置へ突出していることが好ましい。突出している長さは１ｍｍ以上１００ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下がさらに好ましい。この第１の電極３のガス供給孔５と排気孔６の凹凸と障害物８（又は、板状障害物１１）により、ガス供給孔５の凹部で電子の閉じ込めが起こり、凹部で高密度プラズマが生成することでガス分解効率が上がり、成膜速度が上昇する。そして障害物８がガス導入による基板温度の低下を防ぎ、第１の電極３に設けられた排気孔から膜の欠陥になる高次シランを排気することができるので、高次シランを基板に到達する確率を低減することができるため、効率よく高品質なシリコン系薄膜を成膜することができる。

図４は第１の電極３の一例を示す概略平面図である。ここでは例として円形電極を示すが、電極の形状は四角形であっても任意の形状であっても構わない。第１の電極３の表面には複数のガス供給孔５と排気孔６を備え、図４の例の場合ガス供給孔５と排気孔６は格子状に配置されている。ここでは例として排気孔の形は円形を示すが、排気孔の形状は角型であっても任意の形状であっても構わない。

本発明においては、板状障害物１１は第１の電極３のガス供給孔５から第２の電極４へ向かうガス直進流路を遮断する。前述したようにガス直進流路とは、ガス供給孔５の出口が形成する平面をその平面に垂直に第２の電極４の方向に移動させたときの軌跡が形成する立体図形が占める空間領域である。例えば、ガス供給孔５の出口形状が円形であればガス直進流路は円柱型の空間領域となり、出口形状が四角形であればガス直進流路は角柱型の空間領域となる。板状障害物１１はこのガス直進流路を遮断する、すなわち前記空間領域を板状障害物により完全に２分割する形状とする。図４に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の例を図５、図６、図７に示す。図５に示す板状障害物１１は、図４に示す第１の電極３に対して設置したとき図４におけるガス供給孔５からのガス直進流路にかからない部分に複数の円形開口部１２を設けたものである。図６に示す板状障害物１１は、同様に図４に示す第１の電極３に対して設置したとき図４におけるガス供給孔５からのガス直進流路にかからない部分に複数の角型開口部１２を設けたものである。また、図７に示す板状障害物１１は、同様に設置したとき図４におけるガス供給孔５からのガス直進流路を遮断する部分を含むような複数の円およびそれらの円を連結する短冊を残してそれ以外の部分を開口部１２としたものである。これらのような板状障害物１１を適用することにより、ガス供給孔５から出てきたガスの流れが直接基板１０に到達することを確実に防止できるため、基板温度が低下したり不安定になったりといった現象を未然に防ぐことができ好ましい。

以上、詳述した本発明によれば、ガス温度及び基板温度の低下を抑制することができるため、欠陥形成量が少なく、かつ高次シランの混入量が少ない高品質なシリコン系薄膜を製造できる。その結果、太陽電池、液晶表示装置の薄膜トランジスタ等に有用なシリコン系薄膜を提供することができる。また、本発明はプラズマＣＶＤ装置及びシリコン系薄膜の形成に限らず、エッチング装置やその他各種薄膜の形成、プラズマ表面処理装置などにも応用することができるが、その応用範囲がこれらに限られるものではない。

本発明のプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図（排気孔の中の矢印は排気ガスの流れを示す）。 本発明の好ましいプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図（排気孔の中の矢印は排気ガスの流れを示す）。 本発明の好ましいプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図（排気孔の中の矢印は排気ガスの流れを示す）。 本発明における第１の電極３の一例を示す概略平面図。 本発明において、図３に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の第１の例を示す概略平面図である。 本発明において、図３に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の第２の例を示す概略平面図である。 本発明において、図３に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の第３の例を示す概略平面図である。 本発明にかかる第２の好ましい形状の障害物を設置したプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概観断面図（排気孔の中の矢印は排気ガスの流れを示す）。

符号の説明

１…チャンバー、２…真空排気装置、３…第１の電極、４…第２の電極、５…ガス供給孔、６…排気孔、７…高周波電源、８…障害物、９…基板加熱機構、１０…基板、１１…複数の開口が形成された平板（板状障害物）、１２…開口部、１３…凹部

Claims (9)

1. チャンバーと、
   該チャンバー内部を減圧下に保つ排気装置と、
   複数のガス供給孔及び複数の排気孔を備えた第１の電極と、
   該第１の電極に高周波を印加する高周波電源と、
   該第１の電極と対向して設置され、第１の電極と略平行に基板を保持し、該基板を均一に加熱する機構を備えた第２の電極と、
   該第１の電極と該第２の電極の間で、第１の電極のガス供給孔から第２の電極に向かうガス直進流路を遮断する位置に配置された障害物と、を備えたプラズマＣＶＤ装置。
2. 前記複数の排気孔の第２の電極側の開口端が、前記複数のガス供給孔の第２の電極側の開口端よりも第２の電極に近い位置にある請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記障害物が複数の開口が形成された平板であり、該複数の開口が前記ガス直進流路にかからない部分に形成されている請求項１又は２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
4. 前記複数の開口が形成された平板が、加熱機構を備えたものである請求項３に記載のプラズマＣＶＤ装置。
5. 前記複数の開口が形成された平板が、前記第１の電極側の面において、前記第１の電極のガス供給孔に対向する位置に凹部を備えたものである請求項３又は４に記載のプラズマＣＶＤ装置。
6. チャンバー内部を減圧下に保持し、
   第１の電極に備えられた複数のガス供給孔から少なくともシランと水素とを含む原料ガスを供給し、
   該第１の電極に高周波電力を印加して該原料ガスをプラズマ化し、
   該第１の電極に対向して設置された第２の電極に保持された基板上に該原料ガスを堆積させるシリコン系薄膜の製造方法であって、
   前記プラズマ化した原料ガス中の高次シランをチャンバーの外へ排気するとともに、
   前記第１の電極のガス供給孔から前記第２の電極へ向かうガス直進流路を迂回するように、該第１の電極のガス供給孔から供給された原料ガスを該記第２の電極に到達させるシリコン系薄膜の製造方法。
7. 前記第１の電極のガス供給孔から供給された原料ガスが前記第２の電極に到達するまでに、該原料ガスを前記チャンバー内部で一時的に滞留させる請求項６に記載のシリコン系薄膜の製造方法。
8. 前記チャンバー内部で一時的に滞留している原料ガスを加熱する請求項７に記載のシリコン系薄膜の製造方法。
9. 請求項６〜８のいずれかに記載の製造方法を用いて製造されたシリコン系薄膜付き基板。

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