JP2012188684A - Thin film deposition apparatus, and thin film deposition method - Google Patents

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一樹 滝澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin film deposition apparatus offering an increased film deposition rate compared to those in conventional ones when depositing a thin film on a substrate using a plasma, and a thin film deposition method.SOLUTION: The thin film deposition apparatus includes: a film deposition vessel equipped with a film deposition space where the thin film is formed on the substrate placed on a substrate placement surface under vacuum; a material gas introducing part that is located above the substrate placement surface inside the film deposition space and introduces a film deposition material gas into the film deposition space through a plurality of gas introduction holes distributed on a surface facing the substrate placement surface; a plasma electrode part that is located above the material gas introducing part, has a plate member through which electric current flows from one edge to the other as a plasma generating element and generates the plasma in the film deposition space using the film deposition material gas; and a bias voltage part that applies a negative bias voltage to the substrate placement surface. The thin film is deposited on the substrate using the apparatus.

Description

本発明は、プラズマを用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関する。   The present invention relates to a thin film forming apparatus and a thin film forming method for forming a thin film on a substrate using plasma.

従来より、基板に薄膜を形成するためにＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置が用いられる。特に、ＣＶＤ装置を用いて薄膜太陽電池に用いる微結晶Ｓｉ薄膜をガラス基板に形成するプロセスが注目されている。微結晶Ｓｉ薄膜の形成では、例えば、モノシラン（ＳｉＨ4）をプラズマ化して、ガラス基板上に微結晶Ｓｉ薄膜を形成する。近年、薄膜太陽電池用パネルは大型化しており、大型のパネルに均一な微結晶Ｓi薄膜を形成することが望まれている。このために、プラズマＣＶＤ装置では、高密度なプラズマが均一に形成されること必要である。 Conventionally, a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus is used to form a thin film on a substrate. In particular, a process of forming a microcrystalline Si thin film for use in a thin film solar cell on a glass substrate using a CVD apparatus has attracted attention. In the formation of the microcrystalline Si thin film, for example, monosilane (SiH 4 ) is turned into plasma to form the microcrystalline Si thin film on the glass substrate. In recent years, thin-film solar cell panels have become larger, and it is desired to form uniform microcrystalline Si thin films on large panels. For this reason, in a plasma CVD apparatus, it is necessary to form a high-density plasma uniformly.

例えば、プラズマＣＶＤ装置の一例として、プラズマ生成室内に複数本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内ガスに高周波電力を印加して誘導結合型プラズマを発生させるプラズマ生成方法およびプラズマ生成装置が知られている（特許文献１）。
当該プラズマ生成方法およびプラズマ生成装置は、複数本の高周波アンテナを、順次隣り合わせて、且つ、各隣り合うもの同士が互いに向かい合った並列配置となるように設置する。この高周波アンテナのそれぞれに印加する高周波電圧の位相を制御することで誘導結合プラズマにおける電子温度を制御する。 For example, as an example of a plasma CVD apparatus, a plasma generation method in which a plurality of high-frequency antennas are installed in a plasma generation chamber, and inductively coupled plasma is generated by applying high-frequency power to the plasma generation chamber gas with the high-frequency antenna; A plasma generator is known (Patent Document 1).
In the plasma generation method and the plasma generation apparatus, a plurality of high-frequency antennas are sequentially arranged adjacent to each other so that the adjacent ones face each other. The electron temperature in the inductively coupled plasma is controlled by controlling the phase of the high frequency voltage applied to each of the high frequency antennas.

また、真空容器と、前記真空容器の壁面に設けられた開口部と、前記開口部を気密に覆うように取り付けられる板状の高周波アンテナ導体と、を備えるプラズマ生成装置が知られている（特許文献２）。
当該プラズマ生成装置は、プラズマ生成装置の開口部に高周波アンテナ導体が取り付けられた構造のため、広い範囲に亘って均一性が高いプラズマを生成することができる。 There is also known a plasma generation apparatus including a vacuum vessel, an opening provided on a wall surface of the vacuum vessel, and a plate-like high-frequency antenna conductor attached so as to cover the opening in an airtight manner (patent Reference 2).
Since the plasma generation apparatus has a structure in which a high-frequency antenna conductor is attached to the opening of the plasma generation apparatus, it is possible to generate plasma with high uniformity over a wide range.

特開２００７−１４９６３９号公報JP 2007-149639 A ＷＯ２００９／１４２０１６Ａ１WO2009 / 142016A1

上述の板状の高周波アンテナ導体を用いたプラズマ成膜装置では、高周波アンテナ導体として長方形状の電極板が設けられる。この電極板の成膜空間に面する側の主面（面積が最大の面）には、誘電体が設けられる。誘電体の対向する位置には、薄膜を形成するためのガラス基板が配置される。   In the above-described plasma film forming apparatus using the plate-shaped high-frequency antenna conductor, a rectangular electrode plate is provided as the high-frequency antenna conductor. A dielectric is provided on the main surface (surface having the largest area) of the electrode plate facing the film formation space. A glass substrate for forming a thin film is disposed at a position facing the dielectric.

上記電極板の一方の端面は、数１０ＭＨｚの高周波電源に接続され、他方の端面は接地され上記一方の端面から他方の端面に電流が流れる。この電極板を用いて生成される磁場によりプラズマを生成する。この方式は、上述の互いに隣り合わせた複数の高周波アンテナにより生成された高電圧を用いてプラズマを生成する、すなわち誘導結合型プラズマ生成方式の装置と異なる。この電極板により生成される微結晶Ｓｉ薄膜は比較的均一な膜が生成できるものの、成膜速度は必ずしも十分でないといった問題がある。また、上述の誘導結合型プラズマ生成方式を用いたプラズマ生成装置についても十分な成膜速度が得られないといった問題がある。   One end surface of the electrode plate is connected to a high frequency power supply of several tens of MHz, the other end surface is grounded, and a current flows from the one end surface to the other end surface. Plasma is generated by a magnetic field generated using this electrode plate. This method is different from the above-described apparatus that generates plasma using a high voltage generated by a plurality of adjacent high-frequency antennas, that is, an inductively coupled plasma generation method. Although the microcrystalline Si thin film produced by this electrode plate can produce a relatively uniform film, there is a problem that the film forming speed is not always sufficient. In addition, there is a problem that a sufficient film forming speed cannot be obtained for the plasma generating apparatus using the inductively coupled plasma generating method.

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、プラズマを用いて基板に薄膜を形成するとき、従来に比べて成膜速度が向上する薄膜形成装置および薄膜形成方法を提供することを目的とする。   Accordingly, in order to solve the above-described problems, the present invention has an object to provide a thin film forming apparatus and a thin film forming method in which when a thin film is formed on a substrate using plasma, the film forming speed is improved as compared with the conventional method. And

本発明の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
減圧状態で基板載置面に載置した基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔を通して前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記原料ガス導入部の上方に設けられ、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材をプラズマ生成素子として有し、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成させるプラズマ電極部と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成装置である。 One aspect of the present invention is a thin film forming apparatus for forming a thin film on a substrate,
A film formation container having a film formation space for forming a thin film on a substrate placed on the substrate placement surface in a reduced pressure state;
Raw material for introducing a thin film source gas into the film formation space through a plurality of gas introduction holes dispersed on a surface facing the substrate placement surface above the substrate placement surface in the film formation space A gas introduction part;
Plasma that is provided above the source gas introduction part, has a plate member that flows from one end face to the other end face as a plasma generating element, and generates plasma in the deposition space using the thin film source gas An electrode part;
A thin film forming apparatus comprising: a bias voltage section that applies a negative bias voltage to the substrate mounting surface.

その際、前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、前記成膜空間は１０〜１００Ｐａの減圧状態である、ことが好ましい。   In that case, it is preferable that the raw material gas for thin films is silane gas, and the film-forming space is in a reduced pressure state of 10 to 100 Pa.

また、前記プラズマ生成素子は、１００〜２０００Ｗの高周波の給電を受けることによりプラズマを生成し、前記バイアス電圧部は、前記載置面には５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧を印加する、ことが好ましい。   The plasma generating element generates plasma by receiving a high frequency power supply of 100 to 2000 W, and the bias voltage unit applies a DC voltage or an AC voltage of 50 to 500 V to the mounting surface. Is preferred.

また、本発明の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
基板載置面に基板を載置した減圧状態の成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔から前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する工程と、
前記ガス導入孔の上方に設けられた板部材に対して、前記板部材の一方の端面から他方の端面に電流を流すことにより、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成する工程と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加する工程と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成方法である。 Another embodiment of the present invention is a thin film forming method for forming a thin film on a substrate,
Above the substrate placement surface in the reduced-pressure deposition space where the substrate is placed on the substrate placement surface, a plurality of gas introduction holes dispersed on a surface facing the substrate placement surface are formed. Introducing a raw material gas for the thin film into the membrane space;
Plasma is generated in the film formation space using the thin film source gas by flowing a current from one end surface of the plate member to the other end surface of the plate member provided above the gas introduction hole. And a process of
And a step of applying a negative bias voltage to the substrate mounting surface.

その際、前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、前記成膜空間は１０〜１００Ｐａに減圧される、ことが好ましい。   In that case, it is preferable that the raw material gas for thin films is silane gas, and the said film-forming space is pressure-reduced to 10-100 Pa.

また、前記板部材に１００〜２０００Ｗの高周波を給電することによりプラズマを生成し、前記載置面に５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧が印加される、ことが好ましい。   Moreover, it is preferable that plasma is generated by feeding a high frequency of 100 to 2000 W to the plate member, and a DC voltage or an AC voltage of 50 to 500 V is applied to the mounting surface.

上述の薄膜形成装置及び薄膜形成方法では、従来に比べて成膜速度が向上することができる。   In the above-described thin film forming apparatus and thin film forming method, the film forming speed can be improved as compared with the conventional case.

本発明の一実施形態である薄膜形成装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the thin film forming apparatus which is one Embodiment of this invention. 図１に示す薄膜形成装置に用いる電極板を示す図である。It is a figure which shows the electrode plate used for the thin film forming apparatus shown in FIG. 図１に示す薄膜形成装置に用いるシャワーヘッドの配置を説明する図である。It is a figure explaining arrangement | positioning of the shower head used for the thin film forming apparatus shown in FIG. 図１に示す薄膜形成装置で形成される基板の上方の空間電位の分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of distribution of the space potential above the board | substrate formed with the thin film forming apparatus shown in FIG.

以下、本発明の薄膜形成装置について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態である薄膜形成装置１０の構成を示す概略図である。 Hereinafter, the thin film forming apparatus of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a thin film forming apparatus 10 according to an embodiment of the present invention.

図１に示す薄膜形成装置１０は、生成されるプラズマを用いて、基板に薄膜を形成するＣＶＤ装置である。薄膜形成装置１０は、電極板を流れる電流によって生成される磁界により、プラズマを生成する方式である。この方式は、モノポールアンテナ等のアンテナ素子等の共振により発生する高電圧によりプラズマを生成する方式と異なる。   A thin film forming apparatus 10 shown in FIG. 1 is a CVD apparatus that forms a thin film on a substrate using generated plasma. The thin film forming apparatus 10 is a system that generates plasma by a magnetic field generated by a current flowing through an electrode plate. This method is different from a method in which plasma is generated by a high voltage generated by resonance of an antenna element such as a monopole antenna.

（薄膜形成装置）
以下、薄膜としてアモルファスＳｉ薄膜を形成する例を用いて、薄膜形成装置１０について説明する。
薄膜形成装置１０は、給電ユニット１２と、成膜容器１４と、ガス供給部１６と、ガス排気部１８と、を有する。 (Thin film forming equipment)
Hereinafter, the thin film forming apparatus 10 will be described using an example of forming an amorphous Si thin film as a thin film.
The thin film forming apparatus 10 includes a power supply unit 12, a film forming container 14, a gas supply unit 16, and a gas exhaust unit 18.

給電ユニット１２は、高周波電源２２と、高周波ケーブル２４と、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、プラズマ生成素子３０と、を有する。
高周波電源２２は、例えば、１００〜２０００Ｗで数１０ＭＨｚの高周波電力をプラズマ生成素子３０の電極板３０ａ，３０ｂ（図２参照）に給電する。マッチングボックス２６は、高周波ケーブル２４を通して提供される電力がプラズマ生成素子３０に効率よく供給されるように、インピーダンスを整合する。マッチングボックス２６は、キャパシタおよびインダクタ等の素子を設けた公知の整合回路を備える。
マッチングボックス２６から延びる伝送線２８は、例えば、一定の幅を備える銅板状の伝送線路であり、電極板３０ａ，３０ｂへ数１０アンペアの電流を流すことができる。伝送線２９は、電極板３０ａ，３０ｂから延び接地されている。 The power supply unit 12 includes a high frequency power source 22, a high frequency cable 24, a matching box 26, transmission lines 28 and 29, and a plasma generation element 30.
The high frequency power supply 22 supplies, for example, high frequency power of several tens of MHz at 100 to 2000 W to the electrode plates 30a and 30b (see FIG. 2) of the plasma generating element 30. The matching box 26 matches the impedance so that the power provided through the high-frequency cable 24 is efficiently supplied to the plasma generating element 30. The matching box 26 includes a known matching circuit provided with elements such as a capacitor and an inductor.
The transmission line 28 extending from the matching box 26 is, for example, a copper plate-shaped transmission line having a certain width, and can pass a current of several tens of amperes to the electrode plates 30a and 30b. The transmission line 29 extends from the electrode plates 30a and 30b and is grounded.

電極板３０ａ，３０ｂは、後述する隔壁３２上に固定された板部材であって、この板部材の第１の主面が成膜容器１４内の成膜空間に向いて配置されている。図２は、電極板３０ａ，３０ｂを示す図である。電極板３０ａ，３０ｂは、伝送線２８の分岐線と接続する端面と伝送線２９の分岐線と接続する端面との間の、板部材の長手方向に沿って電流を流す。電極板３０ａ，３０ｂは、図２に示すように、矩形形状を成している。電極板３０ａ，３０ｂは、電極板３０ａ，３０ｂに電流が流れることで磁場を成膜空間４０内に生成する。この電極板３０ａ，３０ｂは、従来のアンテナ素子のようにアンテナ素子を共振させてアンテナ素子近傍の空間で高電圧を生成する方式と異なり、共振が発生しなくてもよく、生成された磁場によってプラズマを生成する。このため、電極板３０ａ，３０ｂの共振に対応するように周波数を調整する必要がない。また、電極板３０ａ，３０ｂは、成膜空間４０に向く第１の主面近傍を流れる電流によってプラズマを生成する磁場を作るので、成膜空間４０内の広い範囲で略均一な密度のプラズマを生成することができる。電極板３０は、例えば、銅、アルミニウム等が用いられる。電極板３０ａ，３０ｂのサイズは、用いる基板２０の大きさに依存するが、例えば基板２０の大きさがφ１５０ｍｍである場合、厚さは０．２〜３０ｍｍであり、幅は９０〜２２５ｍｍ、長さは１５０〜２２５ｍｍである。   The electrode plates 30 a and 30 b are plate members fixed on a partition wall 32 to be described later, and the first main surface of the plate members is arranged facing the film formation space in the film formation container 14. FIG. 2 is a diagram showing the electrode plates 30a and 30b. The electrode plates 30 a and 30 b flow current along the longitudinal direction of the plate member between the end face connected to the branch line of the transmission line 28 and the end face connected to the branch line of the transmission line 29. The electrode plates 30a and 30b have a rectangular shape as shown in FIG. The electrode plates 30a and 30b generate a magnetic field in the film formation space 40 when a current flows through the electrode plates 30a and 30b. Unlike the conventional antenna element that resonates the antenna element and generates a high voltage in the space near the antenna element, the electrode plates 30a and 30b do not need to generate resonance, and are generated by the generated magnetic field. Generate plasma. For this reason, it is not necessary to adjust the frequency so as to correspond to the resonance of the electrode plates 30a and 30b. Further, since the electrode plates 30a and 30b generate a magnetic field that generates plasma by a current flowing in the vicinity of the first main surface facing the film formation space 40, plasma with a substantially uniform density is generated in a wide range within the film formation space 40. Can be generated. For example, copper, aluminum, or the like is used for the electrode plate 30. The size of the electrode plates 30a and 30b depends on the size of the substrate 20 to be used. For example, when the size of the substrate 20 is φ150 mm, the thickness is 0.2 to 30 mm, the width is 90 to 225 mm, and the length is long. The length is 150 to 225 mm.

成膜容器１４は、内部空間３８を容器内に有し、内部空間３８は、隔壁３２により上部空間と下部の成膜空間４０に区分けされている。成膜容器１４は、例えば、アルミニウム等の材質で形成されて内部空間３８を０．１Ｐａ以下の減圧状態にできるように、密閉されている。成膜容器１４の上部空間には、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、電極板３０ａ，３０ｂを含むプラズマ生成素子３０と、を有する。隔壁３２の上部空間に面する側には、電極板３０ａ，３０ｂが固定されている。電極板３０ａ，３０ｂの周囲には、周囲の隔壁３２と絶縁するための絶縁部材３４が設けられている。一方、隔壁３２の成膜空間４０に面する側には、誘電体３６が設けられている。誘電体３６には、例えば石英板が用いられる。誘電体３６を設けるのは、プラズマによる電極板３０の腐食を防ぎ、かつ効率よくプラズマへ電磁エネルギを供給させるためである。   The film formation container 14 has an internal space 38 in the container, and the internal space 38 is divided into an upper space and a lower film formation space 40 by a partition wall 32. For example, the film forming container 14 is made of a material such as aluminum and is sealed so that the internal space 38 can be in a reduced pressure state of 0.1 Pa or less. A matching box 26, transmission lines 28 and 29, and a plasma generating element 30 including electrode plates 30a and 30b are provided in the upper space of the film formation container 14. Electrode plates 30a and 30b are fixed to the side of the partition wall 32 facing the upper space. An insulating member 34 is provided around the electrode plates 30a and 30b to insulate the surrounding partition walls 32 from each other. On the other hand, a dielectric 36 is provided on the side of the partition wall 32 facing the film formation space 40. For the dielectric 36, for example, a quartz plate is used. The dielectric 36 is provided in order to prevent the electrode plate 30 from being corroded by plasma and to efficiently supply electromagnetic energy to the plasma.

成膜容器１４の成膜空間４０には、ヒータ４２と、サセプタ４４と、昇降機構４６と、が設けられ、サセプタ４４にはバイアス電圧部４７が接続されている。
ヒータ４２は、サセプタ４４に載置する基板２０を所定の温度、例えば２５０℃程度に加熱する。
サセプタ４４は、基板２０を載置する載置面を有する。
バイアス電圧部４７は、５０〜５００Ｖ、周波数０．１〜１０ｋＨｚの交流電圧をバイアス電圧としてサセプタ４４に印加する。本実施形態では、バイアス電圧部４７は、交流電圧をバイアス電圧としてサセプタ４４に印加するが、ＤＣ電圧をバイアス電圧として印加することもできる。この場合、ＤＣ電圧は負電圧である。すなわち、バイアス電圧は、ＤＣ電圧であれ、交流電圧であれ、負電圧をサセプタ４４に印加できればよい。この点は後述する。
昇降機構４６は、基板２０を載置したサセプタ４４をヒータ４２ともに、成膜空間４０内を自在に昇降する。成膜プロセス段階では、電極板３０ａ，３０ｂに近づくように、基板２０を所定の位置にセットする。 A heater 42, a susceptor 44, and an elevating mechanism 46 are provided in the film forming space 40 of the film forming container 14, and a bias voltage unit 47 is connected to the susceptor 44.
The heater 42 heats the substrate 20 placed on the susceptor 44 to a predetermined temperature, for example, about 250 ° C.
The susceptor 44 has a placement surface on which the substrate 20 is placed.
The bias voltage unit 47 applies an AC voltage of 50 to 500 V and a frequency of 0.1 to 10 kHz to the susceptor 44 as a bias voltage. In the present embodiment, the bias voltage unit 47 applies an AC voltage as a bias voltage to the susceptor 44, but can also apply a DC voltage as a bias voltage. In this case, the DC voltage is a negative voltage. That is, the bias voltage may be a DC voltage or an AC voltage as long as a negative voltage can be applied to the susceptor 44. This point will be described later.
The elevating mechanism 46 moves the susceptor 44 on which the substrate 20 is placed together with the heater 42 freely in the film forming space 40. In the film forming process stage, the substrate 20 is set at a predetermined position so as to approach the electrode plates 30a and 30b.

ガス供給部１６は、ガスタンク４８と、マスフローコントローラ５０と、シャワーヘッド５１と、を有する。
ガスタンク４８は、薄膜用原料ガスであるモノシランガス（ＳiＨ4）を貯蔵する。
マスフローコントローラ５０は、モノシランガスの流量を調整する部分である。例えば
形成される膜の膜厚や膜質等の結果に応じてモノシランガスの流量を調整することができる。モノシランガスは、成膜容器１４の成膜空間４０内のプラズマ生成素子３０の直下に設けられたシャワーヘッド５１からから成膜空間４０内に供給される。 The gas supply unit 16 includes a gas tank 48, a mass flow controller 50, and a shower head 51.
The gas tank 48 stores monosilane gas (SiH 4 ) that is a raw material gas for a thin film.
The mass flow controller 50 is a part that adjusts the flow rate of the monosilane gas. For example, the flow rate of the monosilane gas can be adjusted according to the results of the film thickness and film quality of the formed film. The monosilane gas is supplied into the film forming space 40 from a shower head 51 provided immediately below the plasma generating element 30 in the film forming space 40 of the film forming container 14.

図３は、シャワーヘッド５１の配置を説明する図である。図３では、隔壁３２及び誘電体３６は図示されていない。
シャワーヘッド５１は、成膜空間４０内にモノシランガスを導入する原料ガス導入部である。シャワーヘッド５１は、成膜空間４０内のサセプタ４４の基板載置面の上方において、基板載置面に対して対向する面に分散して設けられた複数のガス導入孔５１ａを備える。このガス導入孔５１ａを通して成膜空間４０内にモノシランガスがシャワー状に均一に導入される。導入されたモノシランガスは、プラズマ生成素子３０の給電により発生する磁場により電離されることにより、プラズマＰが生成される。このプラズマは、シャワーヘッド５１の下方直下に略均一に形成される。 FIG. 3 is a diagram for explaining the arrangement of the shower head 51. In FIG. 3, the partition wall 32 and the dielectric 36 are not shown.
The shower head 51 is a source gas introduction unit that introduces monosilane gas into the film formation space 40. The shower head 51 includes a plurality of gas introduction holes 51 a provided on the surface facing the substrate mounting surface above the substrate mounting surface of the susceptor 44 in the film formation space 40. Monosilane gas is uniformly introduced in the form of a shower into the film formation space 40 through the gas introduction hole 51a. The introduced monosilane gas is ionized by a magnetic field generated by the power supply of the plasma generating element 30 to generate plasma P. This plasma is formed substantially uniformly immediately below the shower head 51.

ガス排気部１８は、成膜空間４０内の側壁から延びる排気管と、ターボ分子ポンプ５２と、ドライポンプ５４と、を有する。ドライポンプ５４は、成膜空間４０内を粗引きし、ターボ分子ポンプ５２は、成膜空間４０内の圧力を所定の圧力に維持する。ターボ分子ポンプ５２とドライポンプ５４とは、排気管で接続されている。   The gas exhaust unit 18 includes an exhaust pipe extending from a side wall in the film formation space 40, a turbo molecular pump 52, and a dry pump 54. The dry pump 54 roughens the inside of the film formation space 40, and the turbo molecular pump 52 maintains the pressure in the film formation space 40 at a predetermined pressure. The turbo molecular pump 52 and the dry pump 54 are connected by an exhaust pipe.

このような薄膜形成装置１０では、まず、サセプタ４２の基板載置面に基板２０を載置して、成膜空間４０を減圧状態にする。このとき、シャワーヘッド５１の複数のガス導入孔５１ａからモノシランガスを成膜空間４０内に導入する。このとき、プラズマ密度が高くなり、成膜を効率よく行えるようにするために、１０〜１００Ｐａの減圧状態にすることが好ましい。１０〜１００Ｐａの減圧状態でプラズマ密度が高くなるのは、電極板３０ａ，３０ｂをプラズマ生成素子３０として用いる構成に依拠する。
この後、プラズマ生成素子３０に給電して、電極板３０ａ，３０ｂの一方の端面から他方の端面に電流を流すことにより、モノシランガスを用いて成膜空間４０においてプラズマＰを生成する。このとき、プラズマ生成素子３０に１００〜２０００Ｗ、数１０ＭＨｚの高周波を給電することが、成膜を効率よく行う点で好ましい。
このとき、サセプタ４２の基板載置面に、負電圧のバイアス電圧をバイアス電圧部４７が印加する。例えば、５０〜５００Ｖ、０．１〜１０ｋＨｚの交流電圧が印加される。 In such a thin film forming apparatus 10, first, the substrate 20 is mounted on the substrate mounting surface of the susceptor 42, and the film forming space 40 is in a reduced pressure state. At this time, monosilane gas is introduced into the film formation space 40 from the plurality of gas introduction holes 51 a of the shower head 51. At this time, a reduced pressure of 10 to 100 Pa is preferable in order to increase the plasma density and perform film formation efficiently. The reason why the plasma density increases in a reduced pressure state of 10 to 100 Pa depends on the configuration in which the electrode plates 30 a and 30 b are used as the plasma generation element 30.
Thereafter, power is supplied to the plasma generating element 30 and current is passed from one end face of the electrode plates 30a and 30b to the other end face, thereby generating plasma P in the film forming space 40 using monosilane gas. At this time, it is preferable to supply the plasma generating element 30 with a high frequency of 100 to 2000 W and several tens of MHz in terms of efficient film formation.
At this time, the bias voltage unit 47 applies a negative bias voltage to the substrate mounting surface of the susceptor 42. For example, an AC voltage of 50 to 500 V and 0.1 to 10 kHz is applied.

このように、プラズマＰを生成するとき、基板載置面にバイアス電圧を印加して基板２０に電位を下げるのは、以下の理由による。
図４は、基板２０の上方の空間電位の分布の一例を示す図である。図４に示す空間電位は、図３に示す基板２０の表面を原点として基板面の垂直上方の方向をＺ方向としている。
基板２０の表面は、バイアス電位が印加されており、負の電圧が印加されているときの状態を示している。このとき、負のバイアス電位からプラズマＰの形成領域まで電位は急激に立ち上がり、プラズマＰの形成領域で略一定になっている。したがって、図４に示すように、基板面からプラズマＰの形成領域の間に電位が急激に変化する、すなわち電界の非常に高いシース領域が存在する。この領域の厚さであるシース厚は、上記プラズマの生成条件（給電電力１００〜２０００Ｗ、圧力１０〜１００Ｐａ）において、数ｍｍである。一方、成膜空間４０内の圧力１０〜１００Ｐａにおけるモノシランガスから電離した水素イオン、ＳｉＨ2イオンおよびＳｉＨ3イオンの平均自由行程は０．１〜１ｍｍである。このため、上記シース厚に比べて上記平均自由行程が短いため、電界の高いシース領域において、水素イオン、ＳｉＨ2イオンおよびＳｉＨ3イオンが互いに衝突しやすい。このため、この荷電交換衝突により、膜のプリカーサとなるＳｉＨ2ラジカルあるいはＳｉＨ3ラジカルが多数生成される。すなわち、基板２０に、水素イオン、ＳｉＨ2イオン、ＳｉＨ3イオンがバイアス電圧によって引き寄せられるが、基板２０に衝突する前に、水素イオン、ＳｉＨ2イオン、ＳｉＨ3イオンはラジカルを形成し、Ｓｉのラジカル（ＳｉＨ3等）が生成される。このため、基板２０には、Ｓｉのラジカルが堆積してＳｉ薄膜を形成する。その際、ヒータ４４で基板２０は加熱されているので、結晶化して微結晶Ｓｉ薄膜が形成される。このように、成膜形成装置１０は、サセプタ４４にバイアス電圧を印加することにより、効率よく成膜することができる。
バイアス電圧が交流電圧であり正の電圧のとき、プラズマＰの空間電位（プラズマポテンシャル）に近づく。しかし、このとき、基板２０は水素イオン、ＳｉＨ2イオンおよびＳｉＨ3イオンを引き込まないので、成膜はされにくい他、エッチングも受けにくい。以上より、バイアス電圧は、負のＤＣ電圧であることが効率的であるが、交流電圧であっても成膜速度は従来に比べて向上する。 Thus, when the plasma P is generated, the bias voltage is applied to the substrate mounting surface to lower the potential to the substrate 20 for the following reason.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the distribution of the space potential above the substrate 20. The space potential shown in FIG. 4 has the Z direction as the direction perpendicular to the substrate surface with the surface of the substrate 20 shown in FIG. 3 as the origin.
The surface of the substrate 20 is in a state where a bias potential is applied and a negative voltage is applied. At this time, the potential suddenly rises from the negative bias potential to the plasma P formation region, and is substantially constant in the plasma P formation region. Therefore, as shown in FIG. 4, there is a sheath region where the potential changes abruptly between the substrate surface and the region where the plasma P is formed, that is, the electric field is very high. The sheath thickness, which is the thickness of this region, is several mm under the above plasma generation conditions (feed power 100 to 2000 W, pressure 10 to 100 Pa). On the other hand, the mean free path of hydrogen ions, SiH 2 ions and SiH 3 ions ionized from the monosilane gas at a pressure of 10 to 100 Pa in the film formation space 40 is 0.1 to 1 mm. For this reason, since the mean free path is shorter than the sheath thickness, hydrogen ions, SiH 2 ions, and SiH 3 ions easily collide with each other in a sheath region having a high electric field. For this reason, a large number of SiH 2 radicals or SiH 3 radicals serving as film precursors are generated by this charge exchange collision. That is, hydrogen ions, SiH 2 ions, and SiH 3 ions are attracted to the substrate 20 by the bias voltage, but before they collide with the substrate 20, the hydrogen ions, SiH 2 ions, and SiH 3 ions form radicals, and Si Radicals (such as SiH 3 ) are generated. Therefore, Si radicals are deposited on the substrate 20 to form a Si thin film. At that time, since the substrate 20 is heated by the heater 44, it is crystallized to form a microcrystalline Si thin film. In this way, the film forming apparatus 10 can efficiently form a film by applying a bias voltage to the susceptor 44.
When the bias voltage is an alternating voltage and is a positive voltage, it approaches the space potential (plasma potential) of the plasma P. However, at this time, since the substrate 20 does not attract hydrogen ions, SiH 2 ions, and SiH 3 ions, it is difficult to form a film and is not easily etched. From the above, it is efficient that the bias voltage is a negative DC voltage, but the film forming speed is improved compared to the conventional case even if the bias voltage is an AC voltage.

例えば、プラズマ生成素子３０に電力１５００Ｗ、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を給電し、成膜空間４０の圧力を２０Ｐａとし、流量４０ｓｃｃｍのモノシランガスを成膜空間４０に導入して基板２０の成膜を行ったとき、バイアス電圧をサセプタ４４に印加しなかった場合の成膜速度は１５０ｎｍ／分であった。これに対して、周波数１ｋＨｚ、電圧６０Ｖのバイアス電圧をサセプタ４４に印加したときの成膜速度は１７５ｎｍ／分であった。これより、薄膜形成装置１０の装置構成において、バイアス電圧の印加が成膜速度に有効であることがわかる。   For example, the plasma generation element 30 is supplied with high frequency power of 1500 W and 13.56 MHz, the pressure of the film formation space 40 is set to 20 Pa, and monosilane gas with a flow rate of 40 sccm is introduced into the film formation space 40 to form the substrate 20. When the bias voltage was not applied to the susceptor 44, the film formation rate was 150 nm / min. In contrast, the deposition rate when a bias voltage having a frequency of 1 kHz and a voltage of 60 V was applied to the susceptor 44 was 175 nm / min. From this, it can be seen that, in the apparatus configuration of the thin film forming apparatus 10, application of a bias voltage is effective for the film forming speed.

このように、本実施形態では、シャワーヘッド５１を用いて薄膜用原料ガスを導入し、電極板を用いたプラズマ生成素子３０により磁場を生成してプラズマを生成する一方、サセプタ４４に負の電圧を有するバイアス電圧を印加することにより、成膜速度が従来に比べて向上する。   As described above, in the present embodiment, the thin film source gas is introduced using the shower head 51 and a magnetic field is generated by the plasma generating element 30 using the electrode plate to generate plasma, while the susceptor 44 has a negative voltage. By applying a bias voltage having the above, the film forming speed is improved as compared with the conventional case.

以上、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法について詳細に説明したが、本発明の薄膜形成装置は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   As described above, the thin film forming apparatus and the thin film forming method of the present invention have been described in detail. However, the thin film forming apparatus of the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Of course.

１０ 薄膜形成装置
１２ 給電ユニット
１４ 成膜容器
１６ ガス供給部
１８ ガス排気部
２０ ガラス基板
２２ 高周波電源
２４ 高周波ケーブル
２６ マッチングボックス
２８，２９ 伝送線
３０ プラズマ生成素子
３０ａ，３０ｂ 電極板
３２ 隔壁
３４ 絶縁部材
３６ 誘電体
３８ 内部空間
４０ 成膜空間
４２ ヒータ
４４ サセプタ
４６ 昇降機構
４７ バイアス電圧部
４８ ガスタンク
５０ マスフローコントローラ
５１ シャワーヘッド
５１ａ ガス導入孔
５２ ターボ分子ポンプ
５４ ドライポンプ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Thin film formation apparatus 12 Power supply unit 14 Film formation container 16 Gas supply part 18 Gas exhaust part 20 Glass substrate 22 High frequency power supply 24 High frequency cable 26 Matching box 28, 29 Transmission line 30 Plasma generating element 30a, 30b Electrode plate 32 Partition 34 Insulation member 36 Dielectric 38 Internal space 40 Deposition space 42 Heater 44 Susceptor 46 Elevating mechanism 47 Bias voltage unit 48 Gas tank 50 Mass flow controller 51 Shower head 51a Gas introduction hole 52 Turbo molecular pump 54 Dry pump

Claims (6)

基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
減圧状態で基板載置面に載置した基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔を通して前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記原料ガス導入部の上方に設けられ、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材をプラズマ生成素子として有し、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成させるプラズマ電極部と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成装置。 A thin film forming apparatus for forming a thin film on a substrate,
A film formation container having a film formation space for forming a thin film on a substrate placed on the substrate placement surface in a reduced pressure state;
Raw material for introducing a thin film source gas into the film formation space through a plurality of gas introduction holes dispersed on a surface facing the substrate placement surface above the substrate placement surface in the film formation space A gas introduction part;
Plasma that is provided above the source gas introduction part, has a plate member that flows from one end face to the other end face as a plasma generating element, and generates plasma in the deposition space using the thin film source gas An electrode part;
A thin film forming apparatus, comprising: a bias voltage section that applies a negative bias voltage to the substrate mounting surface. 前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、
前記成膜空間は１０〜１００Ｐａの減圧状態である、請求項１に記載の薄膜形成装置。 The thin film source gas is a silane gas,
The thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the film formation space is in a reduced pressure state of 10 to 100 Pa. 前記プラズマ生成素子は、１００〜２０００Ｗの高周波の給電を受けることによりプラズマを生成し、
前記バイアス電圧部は、前記載置面には５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧を印加する、請求項１または２に記載の薄膜形成装置。 The plasma generation element generates plasma by receiving high-frequency power supply of 100 to 2000 W,
The thin film forming apparatus according to claim 1, wherein the bias voltage unit applies a DC voltage or an AC voltage of 50 to 500 V to the mounting surface. 基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
基板載置面に基板を載置した減圧状態の成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔から前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する工程と、
前記ガス導入孔の上方に設けられた板部材に対して、前記板部材の一方の端面から他方の端面に電流を流すことにより、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成する工程と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加する工程と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成方法。 A thin film forming method for forming a thin film on a substrate,
Above the substrate placement surface in the reduced-pressure deposition space where the substrate is placed on the substrate placement surface, a plurality of gas introduction holes dispersed on a surface facing the substrate placement surface are formed. Introducing a raw material gas for the thin film into the membrane space;
Plasma is generated in the film formation space using the thin film source gas by flowing a current from one end surface of the plate member to the other end surface of the plate member provided above the gas introduction hole. And a process of
And a step of applying a negative bias voltage to the substrate mounting surface. 前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、
前記成膜空間は１０〜１００Ｐａに減圧される、請求項４に記載の薄膜形成方法。 The thin film source gas is a silane gas,
The thin film formation method according to claim 4, wherein the film formation space is decompressed to 10 to 100 Pa. 前記板部材に１００〜２０００Ｗの高周波を給電することによりプラズマを生成し、
前記載置面に５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧が印加される、請求項４または５に記載の薄膜形成方法。


Plasma is generated by supplying a high frequency of 100 to 2000 W to the plate member,
The thin film forming method according to claim 4 or 5, wherein a DC voltage or an AC voltage of 50 to 500 V is applied to the mounting surface.


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CN112030110A (en) * 2020-08-21 2020-12-04 无锡爱尔华光电科技有限公司 Vacuum coating equipment with separable base materials

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