JP2011171541A - Ｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができるＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】チャンバと、チャンバ内に設けられ、基板が載置されるとともに、載置された基板の温度を上昇させる基板ヒータ部を有するアノード電極と、アノード電極に対向する位置に配置され、チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給口が形成されたカソード電極を有するカソードユニットと、を備え、カソードユニットには、アノード電極側に流路制御板が設けられており、この流路制御板は、ガス供給口から吐出された原料ガスのアノード電極側への流れを抑える遮蔽部と、カソード電極側とアノード電極側とに連通して開口するガス流通孔とを有する。
【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又は微結晶シリコン薄膜太陽電池に適したＣＶＤ装置に関するものである。

従来より、アモルファスシリコン膜を用いた太陽電池の研究が進められており、実用化に至っている。このような太陽電池は、プラズマＣＶＤ装置を用いて形成されている。一般には、下記特許文献１に記載されているように、チャンバ内にカソード電極とアノード電極とが互いに対向する位置に配置されており、カソード電極に高周波電力を投入することにより、カソード電極と、基板との間でプラズマを励起させる。そして、チャンバ内に供給された原料ガスがプラズマにより分解されることにより、基板上に製膜ラジカル（長寿命ラジカル）が堆積されてアモルファスシリコン膜が製膜される。

ここで、アモルファスシリコン膜の膜質は生成温度に影響を受けるため、アノード電極には一般にヒータが内蔵されている。すなわち、原料ガスの分解が低温で行われると、製膜ラジカルの生成と同時に膜質を低下させる高エネルギ粒子（短寿命ラジカルを含む製膜に不要な粒子）が大量に発生し、アモルファスシリコン膜の膜質が低下する。したがって、アノード電極のヒータにより、基板が製膜に適した温度（例えば１００℃〜４００℃程度）に調節されるのと同時に、ヒータによる輻射熱により供給された原料ガスが暖められつつプラズマに分解されることにより、基板上にアモルファスシリコン膜が生成されていた。

特開２０００−１３８１６９

しかし、上述のＣＶＤ装置では、膜質の低下を抑えきれないという問題があった。すなわち、ＣＶＤ装置では、カソード電極とアノード電極とが互いに対向する位置に接近して配置されており、また、カソード電極から原料ガスが供給されるガス供給口がアノード電極側に開口しているため、供給された原料ガスがヒータによる輻射熱により十分に暖められる前に直接基板に到達する場合がある。その場合には、製膜に適した設定温度に調節されるはずの基板が冷却され、実際には設定温度以下の温度で製膜されてしまうという問題があった。

また、供給された原料ガスが、ヒータの輻射熱で十分暖められていない状態で分解されると、高エネルギ粒子が大量に発生することにより、高エネルギ粒子が基板上に堆積しアモルファスシリコン膜の膜質が低下してしまうという問題もあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができるＣＶＤ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明のＣＶＤ装置は、チャンバと、前記チャンバ内に設けられ、基板が載置されるとともに載置された基板の温度を上昇させる基板ヒータ部を有するアノード電極と、前記アノード電極に対向する位置に配置され、前記チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給口が形成されたカソード電極を有するカソードユニットと、を備え、前記カソードユニットには、前記アノード電極側に流路制御板が設けられており、この流路制御板は、前記ガス供給口から供給された原料ガスのアノード電極側への流れを抑える遮蔽部と、前記カソード電極側と前記アノード電極側とに連通して開口するガス流通孔とを有することを特徴としている。

上記ＣＶＤ装置によれば、前記流路制御板の遮蔽部により、ガス供給口から供給された原料ガスのアノード電極側への流れが妨げられるため、アノード電極に載置された基板に原料ガスが直接到達するのを抑えることができる。したがって、暖めきれていない原料ガスが直接基板に到達するのを抑えることができるため、基板が製膜温度以下の状態でアモルファスシリコン膜が製膜されるのを抑えることができる。また、前記流路制御板の遮蔽部により原料ガスのアノード電極側への流れが妨げられるため、カソードユニットに原料ガスを一時的に滞留させることができる。これにより、供給された原料ガスがアノード電極の基板ヒータ部からの輻射熱を受ける時間を長くとることができるため、遮蔽部がない場合に比べて原料ガスを十分暖められた状態で分解することができる。したがって、原料ガスが製膜に適した温度に設定されやすくなることにより、高エネルギ粒子の発生が抑えられ、低温の原料ガスが原因となる膜質の低下の問題を抑えることができる。

また、具体的な前記遮蔽部の様態としては、前記遮蔽部は、前記ガス供給口から離間した位置に配置され、かつ、少なくとも前記ガス供給口の開口領域を覆う構成とすることができる。

これにより、前記ガス供給口から噴出された原料ガスがアノード電極側に流れるのを抑えることができる。これにより、原料ガスが直接基板に到達するのを抑えることができ、原料ガスを製膜に適した温度に暖めることができる。

また、前記ガス供給口と前記ガス流通孔とは、カソード電極及びアノード電極の電極配置方向から見て、それぞれ互いに異なる位置に設けられている構成にすることができる。

この構成によれば、ガス供給口から噴出した原料ガスが、直接ガス流通孔から流出するのを抑えることができ、原料ガスの流れを抑えることができる。

また、前記カソード電極と前記流路制御板とによって、前記ガス供給口から供給された原料ガスが一時的に滞留する一時滞留部が形成されている構成としてもよい。

この構成によれば、原料ガスがカソード電極と流路制御板との間で滞留させることができるため、原料ガスを十分に暖めることができる。

また、前記一時滞留部は、前記流路制御板に形成される流路溝であって、この流路溝は、前記ガス供給口と前記ガス流路孔とに連通して接続されている構成としてもよい。

この構成によれば、一時滞留部を流路溝にすることにより一時滞留部の容積を小さくすることができるため、カソード電極のヒータ部から効率よく原料ガスに伝熱させることができる。

また、前記カソードユニットには、原料ガスの温度を上昇させるヒータ部を有する構成とすることもできる。

この構成によれば、原料ガスを基板ヒータ部の輻射熱だけでなく、ヒータ部によっても暖めることができるため、原料ガスを製膜に適した温度に設定しやすくなる。

本発明のＣＶＤ装置によれば、原料ガスが製膜に適した温度に設定されやすくなることにより、低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができる。

本発明の一実施形態におけるＣＶＤ装置を示す図である。 アノード電極側から見た流体制御板の一部を示す図である。 図２のＡ−Ａ断面における流体制御板が取付けられたカソード電極を示す図である。 他の実施形態におけるＣＶＤ装置を示す図である。 流体制御板が取付けられたカソード電極の他の実施形態における図である。

図１は、本発明の一実施形態におけるＣＶＤ装置を示す概略図である。

図１に示すように、ＣＶＤ装置は、チャンバ１と、このチャンバ１内に互いに対向する位置に配置されるカソード電極２０を有するカソードユニット２と、アノード電極３とを有している。そして、カソード電極２０に高周波電力を投入することによりプラズマが発生し、供給されたモノシランガスを主成分とする原料ガスがプラズマにより分解され製膜ラジカルが発生する。そして、製膜ラジカルがアノード電極３側に移動することにより、基板５上にアモルファスシリコン膜が製膜される。なお、製膜ラジカルとは、製膜に必要な長寿命ラジカル（ＳｉＨ３）のことであり、その他、膜質を低下させる粒子（短寿命ラジカルを含む製膜に不要な粒子）を高エネルギ粒子と呼ぶことにする。

チャンバ１は、その内部で製膜ラジカルを発生させて基板５上にアモルファスシリコン膜を形成させる容器であり、その内部が所定の圧力に保たれるように密封して構成されている。また、チャンバ１全体は、アースされており、生成した製膜ラジカルが基板５に到達する前に電気的な影響を受けるのを回避できるようになっている。

このチャンバ１の底面には、カソードユニット２のカソード電極２０と対向する位置に、アノード電極３が設けられている。このアノード電極３は、ステンレスやアルミニウム等の金属材料で形成されており、図１に示すように、アースされている。

また、アノード電極３は、基板ホルダ３１を有している。この基板ホルダ３１は、基板５を保持するものであり、薄膜を形成する基板５の表面がカソード電極２０と対向し、かつ、カソード電極２０とほぼ平行をなす姿勢で保持されるようになっている。また、アノード電極３には、基板ヒータ部３３が設けられており、この基板ヒータ部３３により、基板ホルダ３１に載置された基板５が所定の温度になるように制御されるようになっている。具体的には、プロセス温度として室温以上であればよく、好ましくは、１００〜４００℃、より好ましくは、２００〜３００℃に制御される。なお、この基板ヒータ部３３から照射される輻射熱の影響により、カソードユニット２に供給された原料ガスが暖められるようになっている。

また、このチャンバ１には、製膜ラジカルを生成するカソードユニット２と、このカソードユニット２に接続されるガス供給部２２とガス排気部２３とが設けられている。カソードユニット２は、プラズマを発生させるカソード電極２０と、このカソード電極２０を覆うアースシールド２６とを有している。具体的には、チャンバ１の天壁から絶縁性のアースシールド２６が延伸して設けられており、このアースシールド２６にカソード電極２０が絶縁板２４を介して取付けられている。

また、ガス排気部２３は、チャンバ１内のガスを排気するものであり、チャンバ１の上方ほぼ中央部分に設けられている。このガス排気部２３は、アースシールド２６内をチャンバ１の天壁に延びる配管２３ａによってカソードユニット２と連結されており、この配管２３ａが真空ポンプ２３ｂと連結されている。これにより、真空ポンプ２３ｂを作動させると、チャンバ１内のガスがこの配管２３ａを通じて排気されるようになっている。具体的には、本実施形態のカソード電極２０には、後述するようにガス排気孔２１ｂが形成されており、このガス排気孔２１ｂが配管２３ａと連通して接続されている。したがって、真空ポンプ２３ｂを作動させるとガス排気孔２１ｂを通じてチャンバ１内のガスが排気されるようになっている。

ガス供給部２２は、チャンバ１内に原料ガスを供給するものであり、チャンバ１の側壁に設けられている。このガス供給部２２は、チャンバ１の側壁に延びる配管２２ａによってカソードユニット２と連結されており、この配管２２ａと原料ガスが収容されたガスボンベ２２ｂとが連結されている。具体的には、カソードユニット２のカソード電極２０には、ガス供給口２１ａが設けられており、カソードユニット２に設けられたガスマニホールド２７と連通して接続されている。そして、ガスマニホールド２７と配管２２ａとが連結されていることにより、ガス供給口２１ａとガスボンベ２２ｂとが連通して接続されている。これにより、配管２２ａの途中に設けられた可変バルブ（不図示）を調節することで、原料ガスが所定流量でカソード電極２０のガス供給口２１ａに供給されるようになっている。

カソードユニット２のカソード電極２０は、高周波電力を投入することでガス排気孔２１ｂにスポット状にプラズマを発生させて、原料ガスを分解し製膜ラジカルを生成するものである。カソード電極２０は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料で形成されており、このカソード電極２０上には絶縁板２４が設けられている。そして、絶縁板２４の上には、ヒータ２５が設けられており、このヒータ２５により、カソード電極２０全体が所定の温度に制御されるようになっている。具体的には、プロセス温度として室温以上であればよく、好ましくは、１００〜４００℃、より好ましくは、２００〜３００℃に制御される。

また、このカソード電極２０には、図２、図３に示すように、ガス供給口２１ａとガス排気孔２１ｂとが複数形成されており、これらが互いに隣り合う位置に配置されている。すなわち、カソード電極２０の基板５側表面は、多数の孔が形成されたシャワーヘッド形状に形成されている。なお、図２は、カソードユニット２の流体制御板４０をアノード電極３側から見た図であり、図３は、図２のＡ−Ａ断面における概略図である。

ガス供給口２１ａは、チャンバ１内に原料ガスを供給する孔であり、筒状に形成されている。そして、ガス供給口２１ａの一方端はアノード電極３側に開口して形成されており、他方端は原料ガスが供給されるガスマニホールド２７を介してガス供給部２２と連結されている。これにより、ガス供給部２２から原料ガスが所定の圧力で供給されると、原料ガスがガスマニホールド２７を介してそれぞれのガス供給口２１ａの開口部分から噴出されるようになっている。
また、ガス排気孔２１ｂは、チャンバ１内の排ガスを排気する孔であり、筒状に形成されている。このガス排気孔２１ｂはガス供給口２１ａと隣り合う位置に形成されており、一方端はアノード電極３側に開口して形成されており、他方端は上述のガス排気部２３の配管２３ａに連通されている。これにより、真空ポンプ２３ｂを作動させると、すべてのガス排気孔２１ｂからチャンバ１内のガスがガス排気部２３を通じて排気されるようになっている。

また、ガス排気孔２１ｂの径は、カソード電極２０に所定の電圧が負荷されることにより、プラズマが発生する寸法に形成されている。したがって、カソード電極２０に連結された高周波電源６から高周波電力が投入されると、ホロー効果により、すべてのガス排気孔２１ｂにプラズマが発生するようになっている。

また、カソード電極２０のアノード電極３側には、流路制御板４０が設けられている。流路制御板４０は、ガスの流れを制御するものであり、原料ガスがアノード電極３側への流れを抑える遮蔽部４１と、カソード電極２０側及びアノード電極３側に開口するガス流通孔４２とを有しており、このガス流通孔４２同士を連結する流路溝４３ａ（本発明の一時滞留部４３）が形成されている。具体的には、図２に示すように、この流路制御板４０は、遮蔽部４１がほぼ平板形状に形成されており、ガス流通孔４２が遮蔽部４１を厚み方向に貫通するように所定間隔で複数形成されている。そして、流路溝４３ａは、これらのガス流通孔４２を連結するようにカソード電極２０側表面から所定深さで形成されている。本実施形態では、流路溝４３ａは図２の破線で示すように形成されている。

そして、遮蔽部４１とガス流通孔４２は、流路制御板４０がカソードユニット２に取付けられた状態で、カソード電極２０のガス供給口２１ａが遮蔽部４１と対向し、カソード電極２０のガス排気孔２１ｂがガス流通孔４２と対向するように配置されている。具体的には、カソード電極２０のガス供給口２１ａは、流路溝４３ａが交差する位置に配置され、流路溝４３ａの底面部分、すなわち、遮蔽部４１に対向する位置に配置されている（図２参照）。このように、ガス供給口２１ａとガス流通孔４２とは、カソード電極２０及びアノード電極３の電極配置方向から見て、それぞれ互いに異なる位置に配置されている。そして、遮蔽部４１は、ガス供給口２１ａから流路溝４３ａだけ離れた位置に配置されており、ガス供給口２１ａの開口領域全体を覆う状態になっている。

このような流路制御板４０により、カソード電極２０のガス供給口２１ａから噴出した原料ガスの流れが制御される。すなわち、図３に示すように、ガス供給口２１ａから噴出したガスは、流路溝４３ａを経てガス供給口２１ａに対向する遮蔽板４１に堰き止められる。すなわち、原料ガスのアノード電極３側への流れが妨げられる。また、遮蔽板４１に堰き止められた原料ガスは、流路溝４３ａで一時的に滞留し、カソード電極２０のガス排気孔２１ｂに吸引される。そして、ガス排気孔２１ｂに吸引された原料ガスは、ガス排気孔２１ｂに発生しているプラズマにより分解され、製膜ラジカルは、ガス排気孔２１ｂからガス流通孔４２を飛び出してアノード電極３側に移動するとともに、高エネルギ粒子はガス排気孔２１ｂから排気される。

これにより、原料ガスが製膜に適した温度に設定されやすくなり、低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができる。すなわち、一度ガス供給口２１ａからアノード電極３に向かって噴出した原料ガスは、流路制御板４０の遮蔽部４１によりアノード電極３側への流れが妨げられる。これにより、十分に暖められていない原料ガスがアノード電極３に直接到達するのが抑えられるため、アノード電極３上の基板に原料ガスが直接到達するのを抑えることができる。また、ガス供給口２１ａから噴出した原料ガスが流路溝４３ａで一時的に滞留するため、一時的に滞留している間に、原料ガスがカソードユニット２のヒータ２５、及び、アノード電極３の基板ヒータ部３３からの輻射熱により暖められる。したがって、原料ガスがガス排気孔２１ｂに到達する際には原料ガスが十分に暖められるため、プラズマにより分解される際に発生する高エネルギ粒子の割合は、十分に暖められていない原料ガスを分解する場合に比べて抑えることができる。すなわち、原料ガスが流路溝４３ａで一時的に滞留することにより原料ガスが十分に暖められるため、低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができる。

以上、本発明における上記実施形態のＣＶＤ装置では、カソード電極２０にホローカソード電極を用いたＣＶＤ装置の場合について説明したが、図４に示すように、平行平板電極を用いたＣＶＤ装置の場合であってもよい。この平行平板電極のＣＶＤ装置では、ガス排気部２３がチャンバ１の上部に独立して設けられ、このガス排気部２３によりチャンバ１内のガスを排気できるようになっている。そして、カソードユニット２に高周波電源を供給すると、カソードユニット２とアノード電極３との間でプラズマが発生し、カソードユニット２から供給された原料ガスがカソードユニット２とアノード電極３との間のプラズマによって分解され製膜ラジカルが生成されるようになっている。その他の構成については、上記実施形態と同様である。

このような平行平板電極のＣＶＤ装置であっても、低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができる。すなわち、ガス供給口２１ａからアノード電極３に向かって噴出した原料ガスは、流路制御板４０の遮蔽部４１によりアノード電極３側への流れが妨げられる。これにより、十分に暖められていない原料ガスがアノード電極３に直接到達するのを抑えることができる。すなわち、アノード電極３上の基板に原料ガスが直接到達することにより基板が冷却されるのを抑えることができる。また、ガス供給口２１ａから噴出した原料ガスが流路溝４３ａで一時的に滞留するため、この一時的に滞留している間に、原料ガスがカソードユニット２のヒータ２５、及び、アノード電極３の基板ヒータ部３３からの輻射熱により製膜に適した温度に暖められる。したがって、原料ガスが流路溝４３ａで一時的に滞留することにより、原料ガスが十分に暖められつつ、基板が製膜に適した温度に制御されるため、低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができる。

また、上記実施形態では、一時滞留部４３として流路溝４３ａである場合について説明したが、図５に示すように、一時滞留部４３が、溝形状ではなく、カソード電極２０と流路制御板４０の遮蔽部４１との間に形成される一様な空間であってもよい。この場合であっても、ガス供給口２１ａから噴出した原料ガスは、遮蔽部４１によりアノード電極３側への流れが妨げられることにより、低温の原料ガスが直接基板に到達するのを抑えることができる。また、この一時滞留部４３に供給された原料ガスは、カソードユニット２のヒータ２５、及び、アノード電極３の基板ヒータ部３３からの輻射熱により製膜に適した温度に暖められる。よって、原料ガスが十分に暖められつつ、基板が製膜に適した温度に制御されるため、低温の原料ガスが原因となる膜質低下の問題を抑えることができる。

１ チャンバ
２ カソードユニット
３ アノード電極
５ 基板
２０ カソード電極
４０ 流路制御板
４１ 遮蔽部
４２ ガス流通孔
４３ 一時滞留部
４３ａ 流路溝

Claims (6)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に設けられ、基板が載置されるとともに、載置された基板の温度を上昇させる基板ヒータ部を有するアノード電極と、
   前記アノード電極に対向する位置に配置され、前記チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給口が形成されたカソード電極を有するカソードユニットと、
   を備え、
   前記カソードユニットには、前記アノード電極側に流路制御板が設けられており、この流路制御板は、前記ガス供給口から吐出された原料ガスのアノード電極側への流れを抑える遮蔽部と、前記カソード電極側と前記アノード電極側とに連通して開口するガス流通孔とを有することを特徴とするＣＶＤ装置。
2. 前記遮蔽部は、前記ガス供給口から離間した位置に配置され、かつ、少なくとも前記ガス供給口の開口領域を覆うことを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ装置。
3. 前記ガス供給口と前記ガス流通孔とは、カソード電極及びアノード電極の電極配置方向から見て、それぞれ互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＶＤ装置。
4. 前記カソード電極と前記流路制御板とによって、前記ガス供給口から供給された原料ガスが一時的に滞留する一時滞留部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＣＶＤ装置。
5. 前記一時滞留部は、前記流路制御板に形成される流路溝であって、この流路溝は、前記ガス供給口と前記ガス流路孔とに連通して接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＣＶＤ装置。
6. 前記カソードユニットには、原料ガスの温度を上昇させるヒータ部を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＣＶＤ装置。

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