JP2012190957A - 薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間使用しても均一な薄膜の形成を維持することができ、さらに、形成される薄膜に薄膜の特性を低下するような不純物が含まれ難い薄膜形成装置を提供する。
【解決手段】薄膜形成装置は、成膜容器と、前記成膜容器の成膜空間内に薄膜形成に用いるガスを導入するガス導入部と、前記成膜空間内の基板を載置する載置台の上部に、電流が一方の端面から他方の端面に流れ、主面が前記成膜空間に向くプラズマ生成用電極板が設けられ、前記成膜空間内の前記ガスを用いて前記成膜空間内でプラズマを生成させるプラズマ電極部と、前記成膜空間に向く前記電極板の面の一部を遮蔽する第１の誘電体板と、前記電極板の面の残りの部分を遮蔽する交換可能な第２の誘電体板と、を含む電極板遮蔽部と、を有する。前記第２の誘電体板は、前記電極板の電流が流れる端面間の経路長の中央の位置に対して少なくとも上流側に位置する領域に設けられる。
【選択図】 図２

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に関する。

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やＴＦＴ（Thin Film Transistor）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。

このようなプラズマ生成装置として、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１）。
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を有するため、この高周波アンテナ導体によりプラズマ生成領域に必要な磁界を与えることができ、容易にプラズマを生成することができる。このプラズマを用いて効率よく薄膜を形成することができる。

ＷＯ２００９／１４２０１６Ａ１

しかし、上記プラズマ生成装置では、成膜処理を長期間行ったとき、均一な薄膜が形成できず、また、形成される微結晶Ｓｉ薄膜の特性が、薄膜太陽電池やＴＦＴの電気特性を低下する場合がある。例えば、微結晶Ｓｉ薄膜のキャリアの移動度が低下して、薄膜太陽電池の発電効率が低下する場合がある。これは、形成される微結晶Ｓｉ薄膜内に、キャリアをトラップし易い不純物が含まれるためである、と考えられる。

そこで、本発明は、長期間使用しても均一な薄膜の形成を維持することができ、さらに、形成される薄膜に薄膜の特性を低下するような不純物が含まれ難い薄膜形成装置を提供することを目的とする。

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る。当該装置は、
減圧状態で基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜容器の前記成膜空間内に薄膜形成に用いるガスを導入するガス導入部と、
前記成膜空間内の基板を載置する載置台の上部に、電流が一方の端面から他方の端面に流れ、主面が前記成膜空間に向くプラズマ生成用電極板が設けられ、前記成膜空間内の前記ガスを用いて前記成膜空間内でプラズマを生成させるプラズマ電極部と、
前記成膜空間に向く前記電極板の面の一部を遮蔽する第１の誘電体板と、前記電極板の面の残りの部分を遮蔽する交換可能な第２の誘電体板と、を含む電極板遮蔽部と、を有する。
前記第２の誘電体板は、前記電極板の電流が流れる端面間の経路長の中央の位置に対して少なくとも上流側に位置する領域に設けられる。

前記薄膜はＳｉ薄膜であり、前記第２の誘電体板は、チッ化アルミニウムあるいはチッ化ケイ素からなる板である、ことが好ましい。

前記電極板の端面には、５００Ｖ以上の高周波電圧が印加され、
前記第２の誘電体板は、前記経路長の中央の位置より上流側に位置する領域であって、前記電極板のピーク間の電圧が５００Ｖ以上である領域に設けられる、ことが好ましい。

また、前記第２の誘電体板は、前記電極板から見て、前記成膜空間と反対側にある空間から着脱自在に交換される、ことが好ましい。

上述の薄膜形成装置では、長期間使用しても均一な薄膜の形成を維持することができ、さらに、形成される薄膜に薄膜の特性を低下するような不純物が含まれ難い。

本発明の一実施形態である薄膜形成装置の構成を表す概略図である。 （ａ）は、図１に示す電極板と電極板遮蔽部を拡大した拡大断面図であり、（ｂ）は、電極板遮蔽部を拡大した斜視図である。 図２（ａ）に示す矩形形状の電極板に代えて用いられる他の例の電極板を示す図である。 電極板と生成されるプラズマの電子密度の関係を説明する図である。

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。

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。

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。このため、プラズマを生成する素子が共振するように供給する電力の周波数を調整する必要がない。

（薄膜形成装置）
以下、薄膜として微結晶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。

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、プラズマ電極部３０と、を有する。
高周波電源２２は、例えば、１００〜２０００Ｗで数１０ＭＨｚの高周波電力を電極板３０の電極板３０ａ（図２（ａ），（ｂ）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電極板３０ａ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から延び接地されている。

電極板３０ａ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３１ｅが成膜容器１４内の成膜空間に向いて隔壁３２に対して並行に配置されている。電極板３０ａは、伝送線２８が接続されている端面と伝送線２９が接続されている端面との間の、板部材の長手方向に沿って電流を流す。

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及び電極板３０ａ等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と、を有する。隔壁３２の上部空間に面する側には、電極板３０ａが固定されている。電極板３０ａ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、誘電体からなる電極板遮蔽部３６が設けられている。電極板遮蔽部３６には、例えば石英板とチッ化アルミニウムが部材として用いられる。電極板遮蔽部３６を設けるのは、プラズマによる電極板３０ａ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。

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、が設けられている。
ヒータ４２は、サセプタ４４に載置するガラス基板２０を所定の温度、例えば２５０℃程度に加熱する。
サセプタ４４は、ガラス基板２０を載置する。
昇降機構４６は、ガラス基板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に近接するように、ガラス基板２０を所定の位置にセットする。

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、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の側壁から成膜空間４０内に供給される。

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。

（プラズマ電極板部及び電極板遮蔽部）
図２（ａ）は、電極板３０ａと電極板遮蔽部３６を拡大した拡大断面図であり、図２（ｂ）は、電極板遮蔽部３６を拡大した斜視図である。
プラズマ電極部３０の電極板３０ａは、成膜空間４０内のサセプタ４４の上部に設けられ、反応ガスを用いてプラズマを生成させる。電極板３０ａは、矩形形状の一方向に長尺な板部材である。電極板３０ａでは、給電線２８と接続された一方の端面３１ａから給電線２９に接続された他方の端面３１ｂに向けて、すなわちＸ方向に電流が流れる。電極板３０ａの一方の主面３１ｅは成膜空間４０に向いている。給電線２９は、図１に示すように接地されている。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には、例えば５００Ｖ〜１ｋＶの高周波電圧を印加する。

電極板遮蔽部３６は、第１の誘電体板３６ａと第２の誘電体板３６ｂとを有する。第１の誘電体板３６ａは、成膜空間４０に向く電極板の面の一部を遮蔽する。第１の誘電体板３６ａは、例えば石英板からなり、隔壁３２に固定されている。第２の誘電体板３６ｂは、
電極板３０ａの成膜空間４０に向く面の残りの部分を遮蔽する。第２の誘電体板３６ｂは、電極板３０ａの電流が流れる端面間の経路長の中央の位置の少なくとも上流側に位置する領域に設けられる。
また、図２（ｂ）に示すように、第１の誘電体板３６ａの一部には孔３６ｃが設けられており、この孔３６ｃに第２の誘電体板３６ｂが交換可能に設けられている。具体的には、第１の誘電体板３６ａの孔３６ｃの側面に階段状のステップが設けられ、このステップに、第２の誘電体板３６ｂの側面に設けられた階段状のステップが噛み合って孔３６ｃに固定される。すなわち、第２の誘電体板３６ｂは、隔壁３２に固定された第１の誘電体板３６ａの孔３６ｃに、電極板３０ａから見て成膜空間４０と反対側にある上部空間から着脱自在に交換できる構成となっている。

薄膜形成装置１０において、第２の誘電体板３６ｂが、電極板３０ａの電流が流れる端面間の経路長の中央の位置（中心位置）の少なくとも上流側に設けられるのは、電極板３０ａの電流が流れる端面間の経路長の中央の位置の少なくとも上流側の電極板遮蔽部３６の表面では、生成されるプラズマ中のイオン、特に水素イオンによるエッチング反応によりエッチングが支配的に進行するからである。このようにエッチングが支配的となるのは、電極板３０ａの給電線２９と接続されている端面３１ｂでは０Ｖの電位（ピーク間の電圧）であるのに対して、上記部分の電極板３０ａには、５００Ｖ以上の電位（ピーク間の電圧）を有するからである。すなわち、上記部分では、５００Ｖ以上の電位があるので、例えばプラズマ中のＨイオンによって第２の誘電体板３６ｂがエッチングされ易い。このため、薄膜形成装置１０の使用によって、第２の誘電体板３６ｂの厚さがエッチングで薄くなり、その結果、電極板３０ａと成膜空間４０との間の距離が僅かに近くなり、電極板３０ａにより形成される磁場が使用開始時点から変化する。このため、磁場によって生成されるプラズマ密度の分布も僅かに変化する。その結果、基板２０に形成されるＳｉ薄膜も均一でなくなる。しかし、エッチングされ易い領域に設けられる第２の誘電体板３６ｂは、着脱自在であるため、薄膜形成装置１０の使用に伴って厚さが微小に変化しても、第２の誘電体板３６ｂを取替えることにより、電極板３０ａにより形成される磁場の変化を抑制することができる。したがって、長期間薄膜形成装置１０を使用しても均一な薄膜の形成を維持することができる。

特に、第２の誘電体板３６ｂに酸素原子等のような、基板２０に形成する薄膜の特性を低下させる成分が含まれている場合、第２の誘電体板３６ｂはエッチングされるので、基板２０に形成される薄膜に上記成分が含まれる場合がある。そのため、第２の誘電体板３６ｂには、薄膜の特性を低下させる成分が含まれない材料が用いられる。例えば、モノシランガスを用いる本実施形態の場合、第２の誘電体板３６ｂにチッ化アルミニウムあるいはチッ化ケイ素を用いることが、薄膜の特性を低下させない点で好ましい。したがって、形成される薄膜に薄膜の特性を低下するような不純物が含まれないようにすることができる。
また、図２（ｂ）に示すように、孔３６ｃの側面および第２の誘電体板３６ａの側面にステップを設けて、電極板３０ａから見て成膜空間４０と反対側に位置する上部空間から第２の誘電体板３６ｂを着脱自在に交換できる構造を有するので、プラズマの生成に大きな影響を与える成膜空間４０内部を開けて第２の誘電体板３６ｂを取り外す必要が無くなる。すなわち、第２の誘電体板３６ｂは成膜空間４０内部を開けることなく上部空間から容易に交換することができる。

上述したように、第１の誘電体板３６ａ及び第２の誘電体板３６ｂを含む電極板遮蔽部３６の表面がエッチングされるか、あるいは薄膜が形成されるかは、使用するガスの種類、電極板３０ａに印加する周波数及び電圧、及び成膜空間４０内の成膜時の圧力によって変化するが、モノシランガスを用い、１３．５６〜６０ＭＨｚの高周波を電極板３０ａに５００Ｖ〜１ｋＶ印加し、そのときの成膜空間４０の圧力雰囲気を０．１〜１００Ｐａとする場合、電極板３０ａの電位（ピーク間の電圧）が凡そ５００Ｖとなる位置を境にしてその上流側（給電側）に位置する電極板遮蔽部３６の面ではエッチングが支配的である。したがって、この場合、第２の誘電体基板３６ｂは、電極板３０ａの電位（ピーク間の電圧）が５００Ｖより高い領域に対応する部分に設けられることが好ましい。

図３は、図２（ａ）に示す矩形形状の電極板３０ａに代えて用いられる電極板３０ｂの例を示している。電極板３０ｂは、Ｕ字形状を成しており、往路部分３０ｃと復路部分３０ｄとを有し、往路部分３０ｃと復路部分３０ｄとは並行している。
このように、Ｕ字形状の電極板３０ｂを用いることで、生成されるプラズマの密度を均一にすることができ、薄膜を基板２０に均一に形成することができる。

図４（ａ），（ｂ）は、電極板と生成されるプラズマの電子密度の関係を説明する図である。
図４（ａ）に示す電極板６０を用いたとき、モノシランガス（１．３Ｐａ）を導入した成膜空間４０内で生成されるプラズマの電子密度は、図４（ｂ）に示すような値となる。
電極板６０は、電極板３０と異なり屈曲部を有さない一方向に伸びる電極板である。このとき、電極板６０の端面６０ａに１ｋＷの高周波電力（１３．５６〜６０ＭＨｚ）が付与され、端面６０ｂが接地されている。
すなわち、図４（ｂ）に示すように、接地側（端面６０ｂの側）では電子密度が高く、給電側（端面６０ａの側）では電子密度が低い。この理由については、明確ではないが、接地側では電流により生成された磁場に基づいて生成されるプラズマ（電流に由来するプラズマ）が支配的であるのに対し、給電側では高電圧によって生成されるプラズマ（電圧に由来するプラズマ）が支配的であることに起因すると考えられる。高電圧の給電側では、電子はその電界により加熱されるため、十分なエネルギを受けることができず、高密度なプラズマが生成されにくいと考えられるからである。

したがって、電極板３０ｂを、接地側でプラズマ密度が高くなることを利用して、図３（ａ）に示すように、Ｕ字形状とすることにより、給電側のプラズマ密度の低い領域と、接地側のプラズマ密度の高い領域とが混ざり合って、平均的なプラズマ密度を生成する。この結果、成膜空間４０で均一な磁場を形成する。したがって、電極板３０ｂは、均一なプラズマ密度を達成することができる。

このような電極板３０ｂにおいても、少なくともＵ字状に流れる電流の端面間の経路長の中央の位置の少なくとも上流側（図３では、斜線で施された領域）に対応する位置に、第２の誘電体板３６ａが設けられることが好ましい。

以上、本発明の薄膜形成装置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。

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 プラズマ電極部
３０ａ，３０ｂ，６０ 電極板
３０ｃ 往路部分
３０ｄ 復路部分
３１ａ，３１ｂ，６０ａ，６０ｂ 端面
３１ｅ 主面
３２ 隔壁
３４ 絶縁部材
３６ 電極板遮蔽部
３６ａ 第１の誘電体板
３６ｂ 第２の誘電体板
３８ 内部空間
４０ 成膜空間
４２ ヒータ
４４ サセプタ
４６ 昇降機構
４８ ガスタンク
５０ マスフローコントローラ
５２ ターボ分子ポンプ
５４ ドライポンプ

Claims (4)

1. 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、
   前記成膜容器の前記成膜空間内に薄膜形成に用いるガスを導入するガス導入部と、
   前記成膜空間内の基板を載置する載置台の上部に、電流が一方の端面から他方の端面に流れ、主面が前記成膜空間に向くプラズマ生成用電極板が設けられ、前記成膜空間内の前記ガスを用いて前記成膜空間内でプラズマを生成させるプラズマ電極部と、
   前記成膜空間に向く前記電極板の面の一部を遮蔽する第１の誘電体板と、前記電極板の面の残りの部分を遮蔽する交換可能な第２の誘電体板と、を含む電極板遮蔽部と、を有し、
   前記第２の誘電体板は、前記電極板の電流が流れる端面間の経路長の中央の位置に対して少なくとも上流側に位置する領域に設けられる、ことを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記薄膜はＳｉ薄膜であり、
   前記第２の誘電体板は、チッ化アルミニウムあるいはチッ化ケイ素からなる板である、請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記電極板の端面には、５００Ｖ以上の高周波電圧が印加され、
   前記第２の誘電体板は、前記経路長の中央の位置より上流側に位置する領域であって、前記電極板のピーク間の電圧が５００Ｖ以上である領域に設けられる、請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
4. 前記第２の誘電体板は、前記電極板から見て、前記成膜空間と反対側にある空間から着脱自在に交換される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。

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