JP2011032503A

JP2011032503A - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2011032503A
Application number: JP2009177478A
Authority: JP
Inventors: Kenji Oba; 健二大場
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-17

Abstract

【課題】薄膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置において、プレートをヒーターにより加熱することにより成膜用基板を昇温して成膜する時に、プレートの中央部に比べ周辺部は放熱が大きいため、プレートの中央部と周辺部とで温度の不均一が発生し、プレートの中央部においた成膜用基板とプレートの周辺部においた成膜用基板とでは、成膜した薄膜の膜質や膜厚に差異が発生することがあった。
【解決手段】反応室内に対向して配置された一対の電極板と、該電極板間に配置された、成膜用基板を載置するためのプレートと、を備えたプラズマＣＶＤ装置において、前記プレートは、基体と、該基体の表面に形成されてなる表層部と、から成り、該表層部は前記プレートの中央部よりも周辺部の方が厚いこと。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ装置に関するものである。

真空排気機構を備えた反応室内で成膜用基板上に薄膜を成膜するプラズマＣＶＤ装置は、半導体装置や液晶表示装置などの製造工程で使用されている。

一般にこのようなプラズマＣＶＤ装置では、反応室内に互いに対向するように配置された一対の電極板の間に、成膜用基板を載置するプレートを配置して、真空排気機構で所定の圧力まで減圧した後、モノシランガスや水素ガスなどの原料ガスを反応室内部に導入して、両電極間に電圧を印加してプラズマを発生させ、成膜用基板の表面に膜を堆積させるものである。

プラズマＣＶＤ装置で成膜する時にはその反応による熱で反応室内が加熱されるため、良好な膜質を得るために成膜用基板を載置するプレートをヒーターで加熱する。例えば、成膜用基板の温度を４００℃程度まで加熱して成膜することが行われている（特許文献１参照）。

これに伴い加熱したプレートが反るという問題があるが、プレートの表面に溶射膜などを成膜して、このプレートを繰り返し使用した場合の加熱による反りを低減することも提案されている（特許文献２参照）。

特開平１０−３４０８９６号公報特開２００８−１５６７１８号公報

上述のようにプラズマＣＶＤ装置においてプレートをヒーターにより加熱する場合では、プレートの中央部に比べて周辺部の放熱が大きいため、プレートの中央部と周辺部とで温度の不均一が発生し、プレートの中央部に載置した成膜用基板とプレートの周辺部においた成膜用基板とでは、成膜した薄膜の膜質や膜厚に差異が発生するという問題点があった。

このような差異が発生すると、例えばシリコンウエハなどの半導体基板を使用した太陽電池素子の場合、プラズマＣＶＤ装置により半導体基板の表面上に反射防止膜として窒化シリコン薄膜を成膜するが、成膜した薄膜の膜質や膜厚に差異が発生すると、完成した太陽電池素子の光電変換効率がばらつき、歩留り低下の原因となる。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、成膜時のプレートの中央部と周辺部とで温度の不均一を低減することにより、膜質、膜厚のばらつきの少なくできるプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。

上記に鑑みて本発明のプラズマＣＶＤ装置は、反応室内に対向して配置された一対の電極板と、前記電極板間にプラズマを発生させるための電力供給手段と、前記電極板間に配置された成膜用基板を載置するためのプレートと、を備えたプラズマ化学的気相成長(ＰＣＶＤ)装置において、前記プレートは基体と、該基体の表面に形成されてなる表層部と、から成り、該表層部は前記プレートの中央部よりも周辺部の方が厚いことを特徴とする。

さらに、前記プレートの前記周辺部における前記表層部の厚さは、前記プレートの前記中央部における前記表層部の厚さの３倍以上６倍未満であることを特徴とする。

さらに、前記プレートの一主面において、前記周辺部の前記プレート主面全体に対する面積比率が３０％〜５５％であることを特徴とする。

さらに、前記基体の材質はカーボンであることを特徴とする。

また、前記表層部の材質はアルミニウムニッケル合金であることを特徴とする。

本発明のプラズマＰＶＤ装置によれば、反応室内に対向して配置された一対の電極板と、該電極板間に配置された成膜用基板を載置するためのプレートとを備えたプラズマＣＶＤ装置において、前記プレートは基体と、該基体の表面に形成されてなる表層部とから成り、該表層部は前記プレートの中央部よりも周辺部の方が厚いことにより、プレートの中央部と周辺部との温度を均一にできるため、薄膜の膜質、膜厚のばらつきを小さくすることが可能となる。

例えば、１５０ｍｍ以上の大型シリコン基板を１０〜５０枚に対して、プラズマＣＶＤ装置により窒化シリコン膜を同時に成膜するときに、プレート上のすべての成膜用基板１に均一な膜厚、膜質の成膜が可能となり、特に、太陽電池素子のロット毎の光電変換効率の平均値のばらつきを少なくすることが可能となった。

プラズマＣＶＤ装置の構造を示した透視図である。本発明に係るプラズマＣＶＤ装置に用いられる搬送カートの構造の一例を示す平面図である。（ａ）は本発明に係るプラズマＣＶＤ装置のプレートの一例の平面図、（ｂ）は（ａ）のプレートのＸ−Ｘにおける構造を示す断面図である。本発明に係るプラズマＣＶＤ装置のプレート表面への溶射の状態の一例を示した断面図である。

本発明のプラズマＣＶＤ装置の一実施形態は、反応室内に対向して配置された一対の電極板と、該電極板間に配置された成膜用基板を載置するためのプレートとを備えたプラズマＣＶＤ装置（プラズマ化学的気相成長装置、以下ＰＣＶＤ装置と略す）において、前記プレートは基体と、該基体の表面に形成されてなる表層部とから成り、該表層部は前記プレートの中央部よりも周辺部の方が厚いというものである。

図１において、１は成膜用基板、２は搬送カート、３はロードロック室、４は成膜室、５はアンロードロック室、６は搬送機構、７は電極板、８は電力供給手段、９はマスフローコントローラー、１０は真空ポンプ、１１はアース、１２はヒーターを示す。

搬送機構について、成膜用基板１が載置された搬送カート２は、搬送機構６でロードロック室３に搬入され、大気状態から真空状態に排気されると共に、所定の温度まで昇温されるものである。そして、基板１と搬送カート２は昇温されたまま成膜室４に搬送され、成膜室４で成膜される。そして、成膜後にアンロードロック室５に運ばれ、真空状態から大気状態にパージされて搬出される。

薄膜の成膜について、成膜室４内を真空ポンプ１０で排気し、マスフローコントローラー９からガスを成膜室４内に導入しながら、ＲＦ電源などの電力供給手段８からＲＦ電力を印加することで、導入したガスを活性状態に励起させて、電極板７とアース１１側の搬送カート２との間でプラズマを発生させるものである。これにより搬送カート２上のプレート１７に載置した成膜用基板１の上面に半導体膜や絶縁膜や導電膜などの薄膜を成膜することができる。

図２は本発明に係るＰＣＶＤ装置のプレートを載せるための搬送カートの構造の一例を示す平面図で、１７はプレート、１８は基板位置決めピン、１９は金属枠、２０はプレート固定冶具、２１は搬送カート固定治具、２２はプレート１７上に成膜用基板１が載置されない部分を示す。

本発明に係るＰＣＶＤ装置における搬送カート２の一例としては、金属枠１９にプレート１７をはめ込んで、プレート固定冶具２０により固定する構造であり、ＰＣＶＤ装置の搬送機構６によりその内部を移動し、ロードロック室３、成膜室４、アンロードロック室５の各チャンバー内の所定の位置で、搬送カート固定治具２１により固定されるようになっている。このような金属枠１９、プレート固定冶具２０、搬送カート固定治具２１はステンレスなどの材質から成る。

図３は、ＰＣＶＤ装置に用いる本発明に係るプレート１７の一例を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘにおける構造を示す断面図で、２５はプレートの基体、２６は表層部、２７はプレートの中央部、２８はプレートの周辺部を示す。

本発明に係るＰＣＶＤ装置におけるプレート１７の一例としては、搬送中の成膜用基板１が振動などにより動いて成膜用基板１同士が重ならないように、また、プレート１７から成膜用基板１が転落しないようにするために、基板位置決めピン１８が設けられている。この基板位置決めピン１８は、その間隔は成膜用基板１の縦横の寸法に対して大きくなるように形成されている。このような基板位置決めピン１８は、カーボンやアルミナなどのセラミック、ステンレスなどの材質から成る。プレート１７の大きさは使用するＰＣＶＤ装置のチャンバーの大きさなどにより最適に決定すれば良いが、例えば７００×１４００mm程度の大きさのプレート１７に、１５０〜１６０mm角程度のシリコン多結晶基板が４８枚程度載置される。

ここで、ＰＣＶＤ装置による薄膜は、成膜用基板１が載置されない部分２２にも成膜されることになる。特に生産において連続して成膜が行われる場合は、成膜用基板１が載置されない部分２２で徐々に厚膜化することになる。これにより、搬送カート２を３００〜５００℃の高温に加熱した状態で連続して成膜を行うと、プレート１７の材質と、薄膜との熱膨張係数の違いにより、プレート１７が堆積した厚膜に引っ張られて反りが発生し、ヒーター１２とプレート１７との間に隙間が生じてしまい、プレート１７が均一に加熱されなくなるために温度の均一性が低下する。

図３（ｂ）に示すように、本発明に係るＰＣＶＤ装置におけるプレート１７の成膜用基板１を載置する面側の表層部２６は、プレート１７の中央部２７の厚みＳに比べ、周辺部２８の厚みＴが厚いものであり、必然的に周辺部２８の熱容量がより高くなる。これによりプレート１７の周辺部２８の保温機能を高めることができ、周辺部２８の温度を中央部２７の温度に近いものとすることができる。

薄膜の堆積は基体２５の上面、下面、各側面の全面になされるため、本発明に係る表層部２６は、基体２５の上面、下面、各側面の全面に形成することが望ましい。表層部２６の中央部２７の厚みＳや周辺部２８の厚みＴは、プレート１７の温度分布や、プレート１７の各部分の成膜用基板１の膜厚、膜質を観ながら、研磨などで微調整することが可能である。なお、膜質、膜厚のばらつきの評価方法については、エリプソメーターを用いることで測定可能である。

また、本発明のＰＣＶＤ装置においては、この表層部２６を形成することにより、成膜した薄膜とプレート１７との付着力を低下させることで、このプレート１７の反りを緩和することができるという作用もある。

さらに、本発明のＰＣＶＤ装置の一実施形態は、前記プレートの前記周辺部における前記表層部の厚さが、前記プレートの前記中央部における前記表層部の厚さの３倍以上６倍未満であることが好ましい。

プレート１７の表層部２６において、その中央部２７の膜厚は、３０μｍ以上が好適であり、周辺部２８の膜厚は中央部２７の膜厚に比べ3〜６倍であることが適当である。この範囲であれば、保温が十分となりプレート１７の温度を均一にし易く、また、電界分布に影響しないので、膜厚、膜質を安定にし易いためである。さらに、この範囲であれば、溶射膜の応力や熱膨張によって基体２５から表層部２６が剥離することを低減できる。なおプレート１７の下面や側面にも形成する場合も３０μｍ以上が好適である。

さらに、本発明のＰＣＶＤ装置の一実施形態は、前記プレートの一主面において、前記周辺部の前記プレート主面全体に対する面積比率が３０％〜５５％であることが好ましい。

この範囲であれば、プレート１７全体の反りをバランスよく抑制することができる。プレート１７の表層部２６の周辺部２８の幅は、ＰＣＶＤ装置での成膜温度やヒーター１２の温度分布、プレート１７の基体２５と表層部２６の材質などを考慮して最適に決定すれば良い。なお周辺部２８図３に示されるように、プレート１７の周囲に沿っていることが好ましく、例えば７００×１４００mm程度の大きさのプレート１７であれば、このプレート１７の周囲に沿って、１５０〜２００ｍｍ程度の幅で周辺部２８を形成することが好適である。

このような表層部２６は、成膜用基板１を載置する面側の表層部２６の全面を周辺部２８の厚みに成膜し、その後中央部２７の部分を機械加工などで切削、研磨して薄くすることや、溶射時に中央部２７にのみ別の部材をマスクとして置き、中央部２７の膜厚を薄くすることで可能である。

さらに、本発明のＰＣＶＤ装置の一実施形態は、前記基体の材質がカーボンであることが好ましい。

本発明に係るプレート１７の基体２５は、厚さ５〜２５ｍｍ程度の平板状のもので、例えばカーボン、アルミニウム、アルミニウム合金などの材料からなり、特に熱膨張、熱変形の小さいカーボンが好ましい。

また、本発明のＰＣＶＤ装置の一実施形態は、前記表層部の材質がニッケルアルミドであることが好ましい。

本発明に係るプレート１７に溶射により形成される表層部２６としては、アルミニウム、アルミニウムニッケル合金、アルミニウムニッケルクロム合金、アルミニウムシリコン合金、アルミブロンズ、銅、ニッケル、銅ニッケル合金、モリブデン、モリブデン鉄合金、タンタル、タングステン、炭化タングステン、炭化クロム、炭化チタン、アルミナ、酸化クロム、酸化チタンなどがある。

このうち、アルミニウムや銅などの導電性の膜では、基板１とプレート１７の間の電気抵抗が部分的に異なり、ＰＣＶＤ装置による成膜で膜厚や膜質で差が生じることがあるため、アルミナ、酸化クロム、酸化チタンなどの絶縁膜からなり、特に耐プラズマ性と赤外線吸収が良いアルミニウムニッケル合金が好ましい。

次に本発明のＰＣＶＤ装置の一実施形態における表層部２６の形成方法について説明する。

表層部２６は基体２５の全面、もしくは、プレート１７の成膜用基板１を載置する側の面（上面）に形成されるものである。この表層部２６は溶射により形成可能であり、すなわち金属やセラミックを高温で融かして、高速でプレート１７の表面で吹きつけて形成したものである。

図４は本発明に係るプレート１７表面への溶射の状態の一例を示した図である。図４において３０は陰極、３２は冷却水出口、３３は作動ガス導入口、３４は材料投入口、３６はノズル、３７は溶射粒子のプラズマジェット、３８は冷却水入り口、３９は陽極を示す。

これにおいて、材料投入口３４より粉末材料を投入し、作動ガス導入口３３より作動ガスとしてアルゴンやヘリウムなどを投入して、陽極３９、陰極３０の間に電圧をかけると投入された粉末材料は高速のプラズマジェット３７となり、プレート１７の表面に吹き付け、表層部２６を形成することができる。

１；成膜用基板
２；搬送カート
３；ロードロック室
４；成膜室
５；アンロードロック室
６；搬送機構
７；電極板
８；電力供給手段
９；マスフローコントローラー
１０；真空ポンプ
１１；アース
１２；ヒーター
１７；プレート
１８；基板位置決めピン
１９；金属枠
２０；プレート固定冶具
２１；搬送カート固定治具
２２；プレート上の基板が載置されない部分
２５；基体
２６；表層部
２７；中央部
２８；周辺部
３０；陰極
３２；冷却水出口
３３；作動ガス導入口
３４；材料投入口
３６；ノズル
３７；溶射粒子のプラズマジェット
３８；冷却水入り口
３９；陽極
４０ａ；プレート中央部に堆積した膜
４０ｂ；プレート周辺部に堆積した膜
４１ａ；プレート中央部に堆積した膜に働く応力
４１ｂ；プレート周辺部に堆積した膜に働く応力

Claims

反応室内に対向して配置された一対の電極板と、
該電極板間に配置された、成膜用基板を載置するためのプレートと、を備えた
プラズマＣＶＤ装置において、
前記プレートは、基体と、
該基体の表面に形成されてなる表層部と、から成り、
該表層部は前記プレートの中央部よりも周辺部の方が厚い
ことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
前記プレートの前記周辺部における前記表層部の厚さが、
前記プレートの前記中央部における前記表層部の厚さの３倍以上６倍未満である
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記プレートの一主面において、前記周辺部の前記プレート主面全体に対する面積比率が３０％〜５５％である
ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記基体の材質がカーボンであること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記表層部の材質がアルミニウムニッケル合金であること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマＣＶＤ装置。