JP2010182729A

JP2010182729A - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2010182729A
Application number: JP2009022558A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Shimizu; 均清水
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】平行平板電極間に電圧を印加してプラズマを発生させるＣＶＤ装置の提供。
【解決手段】基板の非成膜面側に接地電極を配設するとともに、その他方の面に接地電極に対向して高周波電極を配設するプラズマＣＶＤ装置において、前記高周波電極１０を、表面平板電極１０ａと裏面平板電極１０ｂで構成し、これら表面平板電極１０ａと裏面平板電極１０ｂの相互間の周囲に中間平板電極１０ｃを配設して、前記表面平板電極１０ａと裏面平板電極１０ｂ相互間に空気溜まり部１１を形成し、前記表面平板電極１０ａに形成された噴出孔からガスを噴出させて前記基板２の主面に薄膜を成膜させるとともに、前記表面平板電極１０ａを前記中間平板電極１０ｃに締結する締結部材を通す締結部材取付孔を前記表面平板電極の周囲に形成するとともに、該締結部材取付孔６２内周面に柔軟保持材７０を介在させて前記締結部材５１を弾性的に保持した装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、平行平板電極間に電圧を印加してプラズマを発生させるプラズマＣＶＤ装置に関する。

反応容器内に原料ガスを導入し、プラズマを発生させ、原料ガスの分解、反応により薄膜を形成するプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置は、半導体製造を始めとする薄膜形成に広く利用されている。特に平行平板電極間に電圧を印加してプラズマを発生させるいわゆる容量結合型プラズマＣＶＤ装置は、装置構成が簡単であることから、一般に利用されている。

従来のプラズマＣＶＤ装置は、図５に示すように、反応炉を構成するチャンバ１００に接地電極１０１とシャワー電極１０２を配置し、シャワー電極１０２に高周波電源１０３を接続する。シャワー電極１０２は絶縁リング１０４に支持されており、チャンバ１００に支持されたノズル部１０５から反応ガスおよびキャリヤーガスが導入されてシャワー電極１０２の噴射孔１０６より噴射される。そして、シャワー電極１０２に高周波電圧が印加されると、グロー放電により反応ガスがプラズマ化し、反応による生成物がウエハ１０７の表面に蒸着して薄膜が形成される。

この従来のプラズマ装置として、反応ガスの導入側である高周波電極側にガス分散板を配置することにより、第１および第２のガス溜まりを設けて反応ガスの不均一供給を防止するようにした構成のものが考えられている（特許文献１参照）。

特開平６−１５１４１１号公報

ところで、近年、大型基板上に薄膜を形成する大面積成膜技術の進歩により、生産性の向上を目的とした大面積基板上に薄膜を形成する大面積成膜技術の研究もなされている。
大面積成膜工程では、膜厚の均一性を得るため、反応容器の容積、基板の面積、成膜速度にあったガス流量を制御し成膜面内に混合ガスを均等に配分し、均等に排気し、広い成膜面上にガス流れの偏倚がないことが重要であり、電極面から混合ガスをシャワー状に噴出させる供給方式が用いられている。

しかしながら、装置のレイアウト上、反応容器外から混合ガスを電極に導くガス経路を確保することになるが、基板が大型化してガス経路が長くなる場合、耐食性のある金属細管を用い、また、絶縁が必要な場合は絶縁細管によりガス経路を確保する必要がある。このように、ガス経路を確保すると、電極の近傍に細管が這うこととなり、電極と細管との間において電磁波が影響して高周波電位の均一性が損なわれ、放電分布が悪化し、この結果、膜厚の均一性が低下する問題があった。

また、基板のサイズが大型化して成膜面積が大面積になると、成膜に必要な混合ガスの流量が増加し、未分解生成物であるパウダーが増える傾向にあり、高周波電極の裏面にパウダーが多く堆積する。従って、平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置において、安定した成膜を行うためには、電極交換、反応室内のパウダー除去等のメンテナンスが不可欠となる。

しかしながら、電極面積は、成膜面積に比例して大きくなり、大面積成膜の場合は、電極面積も大面積となって重量が増加し、メンテナンスの施工性が悪くなるという問題があった。また、高周波電極が熱によって表面平板電極側が裏面平板電極側に対して伸び、表面平板電極側が裏面平板電極側に対して反ってくる課題がある。

本発明は、上記課題を解決し、成膜対象である基板の大型化に伴う問題点、特に高周波電極の裏面平板電極側に対する表面平板電極側の伸びに伴う不具合を解決し得るプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、成膜室内に配置された基板の非成膜面側に接地電極を配設するとともに、前記基板の他方の面側に前記接地電極に対向して高周波電極を配設し、該高周波電極と前記接地電極との間でプラズマ放電を発生させることによって前記高周波電極に対向する前記基板の主面に薄膜を成膜させるプラズマＣＶＤ装置において、前記高周波電極を、表面平板電極と裏面平板電極で構成し、これら表面平板電極と裏面平板電極の相互間の周囲に中間平板電極を配設して、前記表面平板電極と裏面平板電極相互間に空気溜まりを形成し、前記表面平板電極に形成された噴出孔からガスを噴出させて前記基板の主面に薄膜を成膜させるとともに、前記表面平板電極を前記中間平板電極に締結する締結部材を通す締結部材取付孔を前記表面平板電極の周縁部に形成するとともに、該締結部材取付孔内周面に柔軟保持材を介在させて前記締結部材を弾性的に保持したことにある。
また、本発明は、前記柔軟保持材として、金属線を螺旋状に巻回して一方に傾斜するように筒状に形成したコイルばねの始端と終端を締結した環状の反撥輪を用いるとともに、該反撥輪を前記締結部材取付孔の内周面に同心状に配設し、この反撥輪の中心軸線上に前記締結部材を挿通して前記中間平板電極に締結したことにある。
さらに、本発明は、前記柔軟保持材として、軸線上に挿通孔を形成した耐熱性の弾性体を用いるとともに該弾性体を前記締結部材取付孔に介在させて前記締結部材を該弾性体の前記挿通孔に挿通して前記中間平板電極に締結したことにある。

請求項１によれば、表面平板電極の周縁部に形成された締結部材取付孔に柔軟保持材を介在させて前記締結部材を弾性的に保持して中間平板電極に締結することで、表面平板電極と裏面平板電極に生じる伸び量の差を柔軟保持材により吸収することができることから、表面平板電極の反りを低減し、膜厚分布の均一性を確保した製膜を行うことができる。
請求項２によれば、柔軟保持材として、環状の反撥輪を前記締結部材取付孔の内周面に同心状に配設したので、柔軟保持材が変形し易く表面平板電極と裏面平板電極に生じる伸び量の差を吸収することができる。
請求項３によれば、柔軟保持材として、軸線上に挿通孔を形成した弾性体を用いたので、安価な材料で、容易に表面平板電極と裏面平板電極に生じる伸び量の差を吸収することができる。

本発明の実施の形態によるプラズマＣＶＤ装置を示す概念断面図である。図１の高周波電極を拡大して示す断面図である。表面平板電極が裏面平板電極に対して伸びた状態を示す高周波電極を拡大して示す断面図である。柔軟保持材としての環状の反撥輪を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。従来のプラズマＣＶＤ装置を示す断面図である。

以下、図示の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマＣＶＤ装置１を示す断面図である。このプラズマＣＶＤ装置１は、アモルファスＳｉや微結晶Ｓｉ等のＳｉ系薄膜を基板２上に堆積させることにより、薄膜Ｓｉ系太陽電池を製造する容量結合型の平行平板電極方式のプラズマ装置である。

このプラズマＣＶＤ装置１においては、真空容器３の内部に高周波電源４及び整合回路５から給電線６を介して高周波電力が供給される高周波電極１０と、この高周波電極１０に対向する接地電極２０とが配置されている。

前記真空容器３と給電線６とは、互いに電気的に絶縁されている。なお、接地電極２０は、必ずしも接地電位である必要はなく、目的に応じて直流または高周波電位の印加が可能な構成が設けられる場合もある。

給電線６と高周波電極１０との間には、電源接続平板電極７が設けられている。この電源接続平板電極７は、全体が平板状に形成されており、一方の主面７ａに給電線６が接続され、他方の主面７ｂの中心部には、間隔維持接続板４０が固定され、この間隔維持接続板４０を介して高周波電極１０が接続されている。また、電源接続平板電極７の内部には、その端面７ｃから中心部に向かってガス流通孔３１が形成されている。電源接続平板電極７の端面７ｃ及び主面７ｂの中心部には、ガス流通孔３１の開口部７ｄ，７ｅが形成されている。

前記開口部７ｄには、絶縁体からなる絶縁筒８が接続されており、この絶縁筒８には、真空容器３の外部から供給される混合ガスの流路である可撓性のある円筒管９が接続されている。これにより、外部から供給された混合ガスは、円筒管９及び絶縁筒８を介して、電源接続平板電極７内のガス流通孔３１に導入されるようになっている。なお、円筒管９は円筒部材であるが、図１においては線によって示している。

また、電源接続平板電極７の主面７ｂの中心部には、ガス流通孔３１の開口部７ｅを覆う位置に、外形が略円板形状に形成された間隔維持接続板４０が固定されている。この固定された間隔維持接続板４０と電源接続平板電極７の主面７ｂとの間には、間隙３５が形成されるようになっている。また、間隔維持接続板４０の電源接続平板電極７との接続側の面には、凹状のガス共通路４１が形成されている。このガス共通路４１は、間隔維持接続板４０の外形（円板形状）に沿った円環状に形成されており、その一部には、間隔維持接続板４０の他方の面に連通する複数のガス導入孔４２が等間隔で形成されている。これにより、外部からガス流通孔３１に導入された混合ガスは、電源接続平板電極７の主面７ｂの開口部７ｅ、電源接続平板電極７と間隔維持接続板４０との間に形成された間隙３５、間隔維持接続板４０のガス共通路４１を介してガス導入孔４２に導入されるようになっている。ガス導入孔４２に導入された混合ガスは、間隔維持接続板４０に接続された高周波電極１０に導入される。

すなわち、高周波電極１０は、図２および図３に示すように、アルミニウム製の表面平板電極１０ａと、裏面平板電極１０ｂとが周囲を枠状の中間平板電極１０ｃを介して接続された構成を有しており、表面平板電極１０ａと裏面平板電極１０ｂとの間に、周囲を中間平板電極１０ｃによって封止された間隙によってガス溜り部１１が形成されている。ガス導入孔４２に導入された混合ガスは、裏面平板電極１０ｂに形成されたガス導入孔１３を介してガス溜り部１１に導入されるようになっている。ガス溜り部１１に導入されたガスは、表面平板電極１０ａに形成された多数の吹出し孔１２から真空容器内３に噴出されるものである。

表面平板電極１０ａは間隔維持接続板４０の突出部４０ａにネジ５０によって中心部を固定されており、かつ表面平板電極１０ａの周囲をネジ５１（締結部材）によって中間平板電極１０ｃに固定されている。表面平板電極１０ａの周囲には、ネジ孔６０（締結部材取付孔）が円周方向に一定間隔で形成されており、このネジ孔６０の開口側にネジ頭部５１ａを収容する大径の凹部６１が形成され、この凹部６１の内側に、小径の収納穴６２が形成されている。この収納穴６２には、ネジ５１の径方向の動きを吸収する緩衝作用を持つ環状の柔軟保持材７０が収容されている。表面平板電極１０ａのネジ孔６０は、中間平板電極１０ｃに刻設されたネジ溝６０ａに続いており、前記ネジ５１を、ネジ孔６０を通してネジ溝６０ａに螺着することで、表面平板電極１０ａが中間平板電極１０ｃに固定されている。ネジ孔６０の径は、表面平板電極１０ａの伸びを許容するためにネジ５１の径に対して十分大きく、所謂、ばか孔に形成されている。

前記柔軟保持材７０は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、金属線を螺旋状に巻回して筒状に形成したコイルばね７１を一方に傾斜するように一定角度押し潰し、このコイルばね７１の始端と終端を締結して、環状の反撥輪７２を形成したものである。該反撥輪７２を前記収納穴６２（締結部材取付孔）の内周面に同心状に配設し、この反撥輪７２の中心軸線上に前記ネジ５１を挿通して前記中間平板電極１０ｃに締結したものである。この実施の形態では、柔軟保持材７０としては、アルミニウム、ニッケル等の金属線を用いたもので、耐熱温度としては、約３００℃のものを用いている。柔軟保持材７０の大きさとしては、例えば、図４（ａ）（ｂ）に示されているように、ＩＤ（内径）＝Φ５．５ｍｍ、Ｃ＝３．２５ｍｍ、Ａ（螺旋の径）＝４ｍｍ、Ｂ（線材の太さ）＝０．４ｍｍの素材を用いた。
表面平板電極１０ａと裏面平板電極１０ｂの温度差が６０℃あった場合、表面平板電極１０ａと裏面平板電極１０ｂの伸び量の差は、２．３ｅ-６／℃×５００ｍｍ×６０℃＝０．０７ｍｍとなる。柔軟保持材７０が変形し易く、表面平板電極１０ａと裏面平板電極１０ｂの拘束部伸び差を吸収する。

前記接地電極２０には、図示しない搬送手段によって基板２が配置されており、前記表面平板電極１０ａに形成された多数の吹出し孔１２から吹出された混合ガスが基板２の表面に均等に付着するものである。

前記電源接続平板電極７は、枠体１４および絶縁枠１５によって真空容器３に固定されている。枠体１４は真空容器３の接地電位と同電位である。前記電源接続平板電極７は、真空シールを介して絶縁枠１５に固定されている。これにより、基板２自体で封止される反応室１６を形成することができる。

このプラズマＣＶＤ装置１において、基板２の表面に薄膜を形成する手順を説明する。
まず、真空容器３内を図示しない排気機構によってある程度の真空まで真空引きを行い、その後に必要に応じて、接地電極２０上の基板２を加熱するヒータ（図示せず）によって基板２を加熱する。真空引き直後の場合には、真空容器３の内壁面や基板２の表面等に水分等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、膜中に大量の不純物が含まれてしまい、膜質の低下につながることとなる。そこで、真空容器３内の脱ガスを促進する目的で薄膜形成前に円筒管９および絶縁筒８を介してガスを導入し、図示しない圧力制御器と図示しない原料ガス排気ラインによって真空容器３内を一定の圧力に保持したまま真空容器３内の加熱（ベーキング）を行う。

加熱中に流すガスは、Ｈ_２等のような熱伝導性が比較的良いガス、Ｈｅ、Ａｒ等の不活性ガス、あるいは成膜を行う際に流す原料ガス等を採用する。脱ガス後に、基板２の温度を成膜する際の温度に設定し、数種類の原料ガスを適当な流量比で混合した混合ガスを、円筒管９および絶縁筒８を介して電源接続平板電極７の内部のガス流通孔３１に所定の圧力で導入する。ガス流通孔３１に導入された混合ガスは、間隔維持接続板４０のガス共通路４１、ガス導入孔４２及び、裏面平板電極１０ｂに形成されたガス導入孔１３を介して、高周波電極１０のガス溜り部１１に導入される。ガス溜り部１１に導入された混合ガスは、ここで一時、滞留した後、表面平板電極１０ａに形成された複数の吹出し孔１２から成膜室に均等に吹出される。この状態において、高周波電極１０に電力を供給し、高周波電極１０と接地電極２０との間の放電空間にプラズマを発生させて基板２の表面に薄膜を形成する。これにより、例えば、種々の成膜条件で基板２表面に多層膜を形成し、薄膜太陽電池等を製造することができる。

前記接地電極２０は、図示しないアクチュエータによって、矢印ｂ方向及びこれとは反対方向に移動可能となっている。接地電極２０を矢印ｂ方向に移動させ、枠体１４と接地電極２０とによって基板２の周囲を挟むことにより、基板２、枠体１４、絶縁枠１５及び電源接続平板電極７によって反応室１６が形成される。この反応室１６は、真空容器３内の他の空間から隔離された空間となる。

そして、高周波電極１０は、加熱によって表面平板電極１０ａが裏面平板電極１０ｂに対して伸びることになる。このとき、表面平板電極１０ａは間隔維持接続板４０の突出部４０ａにネジ５０によって中心部を固定されており、かつ表面平板電極１０ａの周囲をネジ５１（締結部材）によって中間平板電極１０ｃに固定されているので、表面平板電極１０ａが伸びることにより、ネジ５１も遠心方向に移動しようとする。このとき、環状の柔軟保持材７０がネジ５１によって径方向に圧縮されてネジ５１を元の位置に保持することができる。こうして、表面平板電極１０ａのみが径方向に伸び、裏面平板電極１０ｂに対して表面平板電極１０ａの伸びを許容する。表面平板電極１０ａは温度の低下によって元の位置に復帰することができる。したがって、加熱に伴う表面平板電極１０ａの反りを防ぐことができる。

なお、柔軟保持材７０としては、前記環状の反撥輪７２の他に合成ゴム等で形成した環状に形成した耐熱性の弾性体を柔軟保持材として用いることもできる。

本発明は、基板上に薄膜を成膜して薄膜太陽電池を製造する場合に適用することができる。

１プラズマＣＶＤ装置
２基板
３真空容器
４高周波電源
７電源接続平板電極
１０高周波電極
１０ａ表面平板電極
１０ｂ裏面平板電極
１０ｃ中間平板電極
１１ガス溜り部
１２吹出し孔
１６反応室
２０接地電極
５１ネジ（締結部材）
６２収納穴
７０柔軟保持材
７２反撥輪

Claims

成膜室内に配置された基板の非成膜面側に接地電極を配設するとともに、前記基板の他方の面側に前記接地電極に対向して高周波電極を配設し、該高周波電極と前記接地電極との間でプラズマ放電を発生させることによって前記高周波電極に対向する前記基板の主面に薄膜を成膜させるプラズマＣＶＤ装置において、前記高周波電極を、表面平板電極と裏面平板電極で構成し、これら表面平板電極と裏面平板電極の相互間の周囲に中間平板電極を配設して、前記表面平板電極と裏面平板電極相互間に空気溜まり部を形成し、前記表面平板電極に形成された噴出孔からガスを噴出させて前記基板の主面に薄膜を成膜させるとともに、前記表面平板電極を前記中間平板電極に締結する締結部材を通す締結部材取付孔を前記表面平板電極の周囲に形成するとともに、該締結部材取付孔内周面に柔軟保持材を介在させて前記締結部材を弾性的に保持したことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
前記柔軟保持材として、金属線を螺旋状に巻回して一方に傾斜するように筒状に形成したコイルばねの始端と終端を締結した環状の反撥輪を用いるとともに、該反撥輪を前記締結部材取付孔の内周面に同心状に配設し、この反撥輪の中心軸線上に前記締結部材を挿通して前記中間平板電極に締結したことを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記柔軟保持材として、軸線上に挿通孔を形成した耐熱性の弾性体を用いるとともに該弾性体を前記締結部材取付孔に介在させて前記締結部材を該弾性体の前記挿通孔に挿通して前記中間平板電極に締結したことを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。