JP2016174159A

JP2016174159A - 成膜装置

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Publication number: JP2016174159A
Application number: JP2016078159A
Authority: JP
Inventors: 沢田　郁夫; Ikuo Sawada; 郁夫沢田; 雅人森嶋; Masahito Morishima; 幸正齋藤; Yukimasa Saito
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: KR20140135202A; JP6103104B2; JPWO2013136656A1; WO2013136656A1; US20140373783A1; JP5920453B2

Abstract

【課題】膜質が良好で均一な膜厚の薄膜を成膜することが可能な成膜装置を提供する。【解決手段】処理容器１０内にて反応ガスを反応させて基板Ｓに薄膜を成膜する成膜装置１において、第１の電極部４１ｍは基板Ｓの板面の上方側を覆う幅広な板状に形成され、第２の電極部４１ｎは、第１の電極部４１ｍの面内に設けられた複数の開口部の内側に配置され、開口部の内側面との間にプラズマが形成される強プラズマ生成空間１０１を構成する。第１、第２の電極部４１と基板Ｓとの隙間には、発光強度が弱いプラズマが生成される弱プラズマ生成空間１０２が形成される。強プラズマ生成空間１０１には第１の反応ガスが供給され、また弱プラズマ生成空間１０２には、第１の反応ガスの活性種と反応して基板上に薄膜を成膜する第２の反応ガスが供給され、弱プラズマ生成空間１０２内の反応ガスは排気部４３から排気される。【選択図】図１８

Description

本発明は、太陽電池などに用いられる大面積基板や半導体装置の製造に用いられる半導体ウエハに対して、シリコンなどの薄膜を成膜する技術に関する。

薄膜シリコン太陽電池は、バルク型の結晶シリコン太陽電池と比較してシリコンの消費量が少なく、大面積化が比較的容易であり、また製造コストも低いため近年盛んに研究がなされている。例えばタンデム型の薄膜シリコン太陽電池（以下、単に太陽電池という）は、微結晶シリコン膜の上面にアモルファスシリコン膜を積層して、各層で異なる波長域の光を吸収することにより光エネルギーの変換効率を高めたものである。

大面積基板上にアモルファスシリコン膜（ａ-Ｓｉ膜）や微結晶シリコン膜（μｃ-Ｓｉ膜）を成膜する場合には、例えば真空雰囲気でモノシラン（ＳＨ_４）ガスと水素（Ｈ_２）ガスとを反応させて基板上にシリコンを堆積させるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などが採用される。ａ-Ｓｉ膜とμｃ-Ｓｉ膜とは、ＳＨ_４ガスとＨ_２ガスとの分圧比を調節することなどにより作り分けることができる。

出願人は、高周波電力やマイクロ波などを印加してＳＨ_４やＨ_２をプラズマ化し、生成された活性種を反応させて、ガラス基板などの大型の基板にμｃ-Ｓｉ膜などの成膜を行うプラズマＣＶＤ法を利用した成膜装置を開発している（特許文献１）。

このような成膜装置の開発過程で、大型の基板の面内で膜の厚さをより均一にする技術や、また未結合手を持ったまま膜中に取り込まれたり、高次シランがさらに成長して微粒子化した状態で取り込まれたりすることにより形成されるＳｉ膜の欠陥を低減する技術の開発が課題となっている。
また、半導体装置の製造に用いられる半導体ウエハ（以下、ウエハという）についても同様に、低欠陥で面内均一性の高いＳｉ膜の成膜が要求されている。

特開２０１１− ８６９１２号公報：請求項１、図１、図１２、図１７

本発明はこのような背景の下になされたものであり、膜質が良好で均一な膜厚の薄膜を成膜することが可能な成膜装置を提供することを目的とする。

本発明に係る成膜装置は、処理容器内にて複数種類の反応ガスを反応させて基板に薄膜を成膜する成膜装置において、
前記処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、
この載置台に載置された基板の上方にて、その間に強プラズマ生成空間を形成するために、各々縦向きの姿勢で互いに間隔をおいて横方向に配置されると共に、その下端部と前記基板との間の隙間に、前記強プラズマ生成空間に形成されるプラズマよりも発光強度が弱いプラズマを生成するための弱プラズマ生成空間を形成する板状の複数の電極部と、
前記強プラズマ生成空間に第１の反応ガスを供給するための第１の反応ガス供給部と、
前記強プラズマ生成空間の下部側、または前記弱プラズマ生成空間に、第１の反応ガスの活性種と反応して基板上に薄膜を成膜する第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス供給部と、
前記弱プラズマ生成空間から反応ガスを排気するための排気部と、
前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部の一方及び他方に互いに位相が異なる高周波電力を印加する第１の高周波電源部、及び第２の高周波電源部と、を備え、
前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部間の距離が２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲であり、
前記載置台上の基板と電極部との距離が５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲であることと、
前記電極部の平面形状は、前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部間の距離が、成膜速度の速い領域で広く、成膜速度の遅い領域で狭くなるように形成されていることと、を特徴とする。

前記成膜装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記板状の電極部の下面には、この電極部の両側壁面側から中央部側へ向けて傾斜する傾斜面部が形成されていること。
（ｂ）前記載置台は、前記複数の電極部が並んでいる方向に沿って、当該載置台上に載置された基板を往復移動させる移動機構を備えていること。
（ｃ）前記電極部の側壁面には、前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部の側壁面を切り欠いて形成された複数の切り欠き部が互いに間隔をおいて配置されていること。
（ｄ）前記板状の電極部の間に形成された強プラズマ形成空間と交差する交差方向にも強プラズマ空間が形成されるように前記板状の電極部を分割し、前記第１の高周波電源部、及び第２の高周波電源部は、この交差方向に伸びる強プラズマ空間を挟んで隣り合う電極部にも互いに位相が異なる高周波電力を印加すること。または、前記電極部は、板状の複数の電極部を各々縦向きの姿勢で互いに間隔をおいて横方向に配置することに替えて、基板の板面の上方側を覆う幅広な板状の第１の電極部の面内に、互いに間隔を開けて複数の開口部を設け、前記開口部の内側に、当該開口部の内側面との間に隙間を形成して第２の電極部を配置することにより、前記強プラズマ生成空間を形成したこと。

（ｅ）前記排気部は、前記電極部内に形成された排気路と、前記弱プラズマ生成空間の反応ガスをこの排気路に排気するために当該電極の下面に設けられた排気孔とを備えていること。
（ｆ）第１の反応ガスは水素ガスであり、第２の反応ガスはシリコン化合物ガスであること。
（ｇ）前記処理容器内の圧力が１００Ｐａ以上、２０００Ｐａ以下であること。

本発明は、互いに間隔をおいて配置された板状の電極部の一方と他方とに位相が異なる高周波電力を印加し、これら電極部に挟まれた強プラズマ生成空間にプラズマを発生させる一方、成膜が行われる基板と各電極部との間の隙間にも前記強プラズマ生成空間に形成されるプラズマよりも発光強度の弱いプラズマを形成する。そして、強プラズマ生成空間では、第１の反応ガスの活性種を生成する一方、弱プラズマ生成空間では強プラズマ生成空間で生成した活性種と第２の反応ガスとの反応を進行させることにより、欠陥の少ない薄膜を基板表面に均一に成膜することができる。

本発明の実施の形態に係わる成膜装置の縦断側面図である。前記成膜装置の外観構成を示す斜視図である。前記成膜装置に設けられた電極部の構成を示す一部破断斜視図である。前記電極部の平面図である。前記電極部に高周波電力を供給する電力供給系統の構成を示す説明図である。前記成膜装置の作用を示す説明図である。第２の実施の形態に係わる成膜装置の説明図である。第３の実施の形態に係わる成膜装置の第１の説明図である。第３の実施の形態に係わる成膜装置の第２の説明図である。第４の実施の形態に係わる成膜装置の電極部の構成を示す平面図である。第５の実施の形態に係わる成膜装置の電極部の構成を示す平面図である。第６の実施の形態に関わる成膜装置の電極部の配置を示す平面図である。第６の実施の形態に関わる電極部の底面の拡大図である。第６の実施の形態に関わる電極部の一部破断斜視図である。第６の実施の形態に関わる成膜装置の電力供給系統の説明図である。第６の実施の形態に関わる電極部の変形例を示す平面図である。第６の実施の形態に関わる電極部の第２変形例を示す平面図である。第６の実施の形態に関わる電極部の第３変形例を示す平面図（その１）である。第６の実施の形態に関わる電極部の第３変形例を示す平面図（その２）である。ウエハを回転させる場合の電極部の構成を示す平面図である。実施例及び比較例に係わる成膜装置内の放電状態を示す説明図である。前記成膜装置の成膜速度の分布を示す説明図である。実施例に係わる成膜装置の電子密度分布をシミュレーションした結果を示す説明図である。実施例に係わる成膜装置に供給される高周波電力の波形図である。処理容器内の圧力と基板上に形成される電界の強度との関係を示す説明図である。反応ガスの流量比と成膜速度、及び結晶化度との関係を示す説明図である。

本発明の実施の形態として、隣り合って配置された電極部間に容量結合プラズマを形成し、Ｈ_２（第１の反応ガス）を活性化させてＳＨ_４（第２の反応ガス）と反応させ、薄膜であるμｃ-Ｓｉ膜の成膜を行う成膜装置の装置構成について図１〜図５を参照しながら説明する。

図１に示すように、成膜装置１は、真空容器である処理容器１０の内部に、成膜対象の基板Ｓが載置される載置台２と、載置台２上の基板Ｓ表面にＨ_２の活性種を供給するために強プラズマ生成空間１０１を形成すると共に、この活性種とＳｉＨ_４との反応を進行させる弱プラズマ生成空間１０２を形成するための電極部４１と、を配置した構成となっている。図１、図２に示すように処理容器１０は、密閉可能で扁平な金属製の容器として構成され、例えば１１００ｍｍ×１４００ｍｍ以上の大型のガラス基板Ｓを格納可能なサイズに構成されている。

図中、１１は処理容器１０に設けられた基板Ｓの短辺が通過可能な搬入出口、１２は搬入出口１１を開閉するためのゲートバルブである。また処理容器１０の側壁面には、処理容器１０内を真空排気するための排気管１３が設けられており、排気管１３の下流側に設けられた不図示の真空ポンプの作用により、処理容器１０内の空間を例えば１００Ｐａ〜２０００Ｐａに調節することができる。以下、処理容器１０内に設置された基板Ｓの短辺方向を縦方向とし、基板Ｓの長辺方向を横方向として説明を行う。

処理容器１０内の床面には、誘電体などからなる載置台２が配置されており、この載置台２上に既述の基板Ｓを載置してμｃ-Ｓｉ膜の成膜が実行される。基板Ｓの搬入出を行う外部の基板搬送機構（不図示）と載置台２との間の基板Ｓの受け渡しは、昇降板２４を介して昇降機構２５により昇降自在に構成された昇降ピン２２を用いて行われる。図１中、２３は処理容器１０内を真空雰囲気に保つため昇降ピン２２を囲むように設けられたベローズである。

載置台２には、例えば抵抗発熱体からなる温度調整部２１が埋設されており、この温度調整部２１は不図示の電力供給部から供給される電力により発熱し、載置台２の上面を介して基板Ｓを例えば２００℃〜３００℃の温度に調節することができる。ここで温度調整部２１は基板Ｓを加熱するものに限られず、プロセス条件に応じて基板Ｓを冷却して所定の温度に調節する例えばペルチェ素子などを採用してもよい。

本実施の形態に係る成膜装置１は、μｃ-Ｓｉ膜の成長に必要な活性種ＳｉＨ_３については基板Ｓ表面の近傍領域に高濃度で供給する一方で、ＳｉやＳｉＨ、ＳｉＨ_２などのＳｉＨ_３以外の活性種、高次シランやその微粒子などのμｃ-Ｓｉ膜の膜質低下を引き起こす物質については基板Ｓ表面への供給を抑えるため、以下に列記する作用を得ることが可能な構成となっている。

（１）Ｈ_２（第１の反応ガス）が供給される空間を強プラズマ生成空間１０１として構成し活性種であるＨラジカルを得る。一方、このＨラジカルとＳｉＨ_４（第２の反応ガス）とを反応させる基板Ｓの上面の空間は、前記強プラズマ生成空間１０１よりも発光強度の弱いプラズマを生成する弱プラズマ生成空間１０２として構成することにより不要な活性種の発生を抑えつつＳｉＨ_３を高濃度で基板Ｓ表面に供給する。
（２）ＨラジカルとＳｉＨ_４との混合ガスを基板Ｓ表面から速やかに排気することにより、ＨラジカルとＳｉＨ_４とのラジカル反応が必要以上に進行することに伴う不要な活性種の発生を抑制する。
以下、上述の作用を得るために成膜装置１に設けられている電極部４１等の構成について説明する。

図１、図３、図６に示すように、成膜装置１には載置台２に載置された基板Ｓの上方に、処理容器１０内の空間を分割するように、横方向に互いに間隔をおいて配置された板状の電極部４１が配置されている。各電極部４１は例えば細長い板状の金属製部材として構成され、処理容器１０の天井部（後述の絶縁部材３１）から縦向きの姿勢で下方側へ伸び出すように配置されている。また電極部４１の縦方向の長さは基板Ｓの短辺よりも長尺に形成されている。

各電極部４１は、基板Ｓの長辺の方向（横方向）に、等間隔で配置されており、これにより互いに隣り合う２本の電極部４１の間には、基板Ｓの短辺方向（縦方向）に伸びる細長い空間（強プラズマ生成空間１０１）が形成される。各電極部４１は絶縁部材３１を介して処理容器１０の天井部に固定されており、第１、第２の電源部６１、６２から高周波電力を供給することにより、この強プラズマ生成空間１０１にプラズマが生成されるが、電力供給系統の詳細な構成については後述する。

図６に示すように、強プラズマ生成空間１０１を挟んで隣り合って配置されている電極部４１間の距離ｗは、例えば２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、より好適には４ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲に調節されている。電極部４１間の距離が２ｍｍよりも小さくなると、強プラズマ生成空間１０１内にプラズマが立たなくなる一方、この距離が２０ｍｍよりも大きくなると、処理容器１０に生成するプラズマが弱くなってＨラジカルの生成量が低下し、成膜速度の低下などを引き起こす。

また電極部４１は、電極部４１の下面と基板Ｓ表面との間の距離ｈが５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下、より好適には７ｍｍ以上、３０ｍｍ以下に調節されている。電極部４１と基板Ｓとの距離が１００ｍｍよりも大きくなると、弱プラズマ生成空間１０２に生成するプラズマが弱くなって成膜速度が低下する。また、電極部４１と基板Ｓとの距離が５ｍｍより小さくなった場合には、弱プラズマ生成空間１０２に生成するプラズマの強度が強プラズマ生成空間１０１に生成するプラズマの強度に近づいてしまい、ＳｉＨ_４の分解などが過剰に進行して、μｃ-Ｓｉ膜の膜質を低下させる要因となる。

次いで、強プラズマ生成空間１０１や弱プラズマ生成空間１０２に反応ガスを供給し、反応後のガスを排気する機構について説明する。図１、図３に示すように、電極部４１を固定している絶縁部材３１の上面側には、処理容器１０との間に空間が形成されており、この空間内には、強プラズマ生成空間１０１にＨ_２を供給するためのＨ_２供給路３２が配設されている。

Ｈ_２供給路３２は、各強プラズマ生成空間１０１の上方側に配置されており、図３、図４、図６に示すように電極部４１の伸びる方向に沿ってＨ_２供給路３２に接続された分岐路３２３、及び絶縁部材３１に穿設されたＨ_２供給孔３２１を介して強プラズマ生成空間１０１内にＨ_２を供給することができる。

図１〜図３に示すように、これら複数本のＨ_２供給路３２は共通のＨ_２供給ライン５１１に接続されており、Ｈ_２ボンベと流量調整弁などにより構成されるＨ_２供給部５１から水素を受け入れて、予め設定された量のＨ_２を各強プラズマ生成空間１０１に供給することができる。Ｈ_２供給路３２、Ｈ_２供給ライン５１１、Ｈ_２供給部５１などは、本例の第１の反応ガス供給部に相当する。

また図１、図３に示すように、各電極部４１の内部には、弱プラズマ生成空間１０２にＳｉＨ_４を供給するためのＳｉＨ_４供給路４２と、弱プラズマ生成空間１０２に供給された反応ガスを排出するための排気路４３とが形成されている。
本例のＳｉＨ_４供給路４２は、図３中に破線で示すように、電極部４１の下部側の領域であって、当該電極部４１の両側壁面に近い領域にそれぞれ設けられ（合計２本）ており、電極部４１の伸びる方向に沿って形成されている。

各ＳｉＨ_４供給路４２からは、複数の分岐路４２３が互いに間隔をおいて下方側へ向けて伸び出しており、図３、図４、図６に示すように電極部４１の下面に形成され、電極部４１の前後の両側壁面に沿って２列に並ぶＳｉＨ_４供給孔４２１から弱プラズマ生成空間１０２に向けてＳｉＨ_４を供給することができる。ここでＳｉＨ_４供給孔４２１は、電極部４１の底面に設ける場合に限られるものではなく、例えばＳｉＨ_４供給路４２から分岐路４２３を水平方向に伸ばして電極部４１の下部側の側壁面にＳｉＨ_４供給孔４２１を形成し、強プラズマ生成空間１０１の下部側にＳｉＨ_４を供給するように構成してもよい。

図１〜図３に示すように、各電極部４１の内部に形成されたＳｉＨ_４供給路４２は共通のＳｉＨ_４供給ライン５２１に接続されており、ＳｉＨ_４ボンベと流量調整弁などにより構成されるＳｉＨ_４供給部５２からＳｉＨ_４を受け入れて、予め設定された量のＳｉＨ_４を供給することができる。ＳｉＨ_４供給路４２、ＳｉＨ_４供給ライン５２１、ＳｉＨ_４供給部５２などは本例の第２の反応ガス供給部に相当する。

さらに各電極部４１の内部には、既述のＳｉＨ_４供給路４２よりも内側の上方領域に２本の排気路４３が、前記ＳｉＨ_４供給路４２と平行に電極部４１の伸びる方向に沿って形成されている。これら２本の排気路４３からも複数の分岐路４３３が互いに間隔をおいて下方側へ向けて伸び出しており、２本の分岐路４３３は途中で合流し、電極部４１の下面に形成された排気孔４３１に接続されている。図４に示すように排気孔４３１は、２列に並ぶＳｉＨ_４供給孔４２１の列に挟まれるように電極部４１の下面の中央部に１列に配置されている。

図１〜図３に示すように、各電極部４１の内部に形成された排気路４３は共通の排気ライン５３１を介し、真空ポンプなどにより構成される外部の排気手段５３に接続されており、弱プラズマ生成空間１０２の反応ガスを外部へと排出することができる。これら排気路４３、排気ライン５３１や排気手段５３などは本例の排気部に相当している。

次いで、処理容器１０内の各電極部４１に高周波電力を供給する電力供給系統について説明する。図５に示すように、強プラズマ生成空間１０１を挟んで一方側の電極部４１（図５に電極部４１ａと記してある）は、各電極部４１ａに例えば１３．５６ＭＨｚ、２５００Ｗ／本（１本の電極部）の高周波電力を印加する第１の電源部６１（第１の高周波電源部）と接続されている。一方、強プラズマ生成空間１０１を挟んで他方側の電極部４１（図５中に電極部４１ｂと記してある）は、第１の電源部６１から供給される高周波電力に対して位相が１８０°遅れた（位相が反転した）、例えば１３．５６ＭＨｚ、２５００Ｗ／本の高周波電力を印加する第２の電源部６２（第２の高周波電源部）に接続されている。図中、６１２、６２２は各電源部６１、６２から供給される高周波電力のマッチングを行う整合器である。

図５に示した例では第１、第２の電源部６１、６２は、外部から入力された周波数信号に同期した高周波電力を出力することが可能な外部同期型の電源として構成されている。そして、これら第１、第２の電源部６１、６２を共通の周波数信号発生器６３に接続する際に、第１の電源部６１と周波数信号発生器６３とを接続する第１の信号線６１１よりも第２の電源部６２と周波数信号発生器６３とを接続する第２の信号線６２１の方が長くなっている。

これにより、周波数信号発生器６３から出力された周波数信号は、第１の電源部６１に入力されるタイミングより遅れて第２の電源部６２に入力され、この遅れを利用して高周波電力の位相が調整される。本法により各電源部６１、６２から出力される高周波電力の位相を調整できることは、後述の実施例に示すように実験的に確かめてある。
但し、第１の電源部６１と第２の電源部６２との位相差を調整する手法は特定の方法に限定されるものではなく、他の方法を採用してもよい。例えば１つの高周波電源部の出力に強制バラン回路を接続し、当該強制バラン回路の一の出力を電極部４１ａに印加し、当該一の出力と位相が反転した他の出力を電極部４１ｂに印加する構成としてもよい。

このように強プラズマ生成空間１０１を挟んで隣り合う電極部４１（４１ａ、４１ｂ）に位相の反転した高周波電力を印加することにより、電極部４１同士の隙間に供給されたＨ_２をプラズマ化してＨラジカルを生成する強プラズマ生成空間１０１が形成される。また、各電極部４１と、その下方側に載置された基板Ｓとの間にも電極部４１に印加される高周波電力に起因するプラズマが形成される。

ここで、互いに位相が反転し、いわゆるプッシュ-プルの状態で電極部４１ａ、４１ｂに高周波電力が印加される強プラズマ生成空間１０１とは異なり、載置台２上に載置された基板Ｓは、電気的に浮いた状態となっている。このため、各電極部４１と基板Ｓとの隙間の空間（弱プラズマ生成空間１０２）には、強プラズマ生成空間１０１に形成されるプラズマよりも弱いプラズマが生成される。

ここで強プラズマ生成空間１０１及び弱プラズマ生成空間１０２に形成されるプラズマの相対的な強度比、例えばプラズマ中の電子温度や電子密度の比は、処理容器１０の内部を透過波長フィルタ付きＣＣＤカメラにより撮影したときの発光強度の比で把握することができる。強プラズマ生成空間１０１の発光強度に対する弱プラズマ生成空間１０２の発光強度の比が１未満の場合に、弱プラズマ生成空間１０２には強プラズマ生成空間１０１に生成するプラズマよりも弱いプラズマが生成しているといえる。

上述の構成を備えた成膜装置１は、図１、図５に示すように制御部７と接続されている。制御部７は例えば図示しないＣＰＵと記憶部とを備えたコンピュータからなり、記憶部には当該成膜装置１の作用、つまり処理容器１０内に基板Ｓを搬入し、載置台２上に載置された基板Ｓに所定の膜厚のμｃ-Ｓｉ膜を成膜してから搬出するまでの動作に係わる制御等についてのステップ（命令）群が組まれたプログラムが記録されている。このプログラムは、例えばハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリーカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータにインストールされる。

以上に説明した構成を備えた成膜装置１の作用について説明する。初めに外部の基板搬送機構よって基板Ｓが搬送されてくると、成膜装置１は搬入出口１１のゲートバルブ１２を開き、載置台２から昇降ピン２２を突出させて基板搬送機構から基板Ｓを受け取る。

基板Ｓの受け渡しを終えたら基板搬送機構を処理容器１０の外に退避させてゲートバルブ１２を閉じると共に、昇降ピン２２を降下させて載置台２上に基板Ｓ載置する。また、この動作と平行して処理容器１０内の真空排気を行い、処理容器１０内を１００Ｐａ〜２０００Ｐａの範囲の例えば９００Ｐａに調節し温度調整部２１により基板Ｓが例えば２５０℃となるように温度調節を行う。

処理容器１０内の圧力調節及び基板Ｓの温度調節を終えたら、Ｈ_２供給部５１からＨ_２供給ライン５１１、Ｈ_２供給路３２を介して、総量で例えば４００００ｓｃｃｍのＨ_２を強プラズマ生成空間１０１に供給すると共に第１、第２の電源部６１、６２から各電極部４１に高周波電力を印加してＨ_２をプラズマ化する。一方、ＳｉＨ_４供給部５２からＳｉＨ_４供給ライン５２１、ＳｉＨ_４供給路４２を介して例えば総量で４００ｓｃｃｍのＳｉＨ_４を弱プラズマ生成空間１０２に向けて供給する。

この結果、図６に模式的に示すように、強プラズマ生成空間１０１内にはＨ_２供給路３２から供給されたＨ_２が下方側へ向け流れる下降流が形成される。このＨ_２が電極部４１から供給された電子と衝突することによりプラズマ化して活性種が形成される。Ｈ_２は２個の水素原子のみからなる分子なので、水素プラズマからは下記（１）式に示すように活性種としては水素ラジカルのみが生成される。
Ｈ_２＋ｅ⁻→２Ｈ＋ｅ⁻…（１）

一方でＳｉＨ_４供給孔４２１から流出したＳｉＨ_４は、電極部４１と基板Ｓとの間の弱プラズマ生成空間１０２に供給され、上流側から流れてきたＨラジカルと混合されて基板Ｓの表面を広がる。この結果、基板Ｓの表面には、前記ＨラジカルとＳｉＨ_４との混合ガスが供給され、この混合ガス内で下記の（２）式に示す反応が進行する。
ＳｉＨ_４＋Ｈ→ＳｉＨ_３＋Ｈ_２ …（２）
こうして高濃度のＳｉＨ_３が基板Ｓ表面に供給され、このＳｉＨ_３から良質なμｃ-Ｓｉ膜が基板Ｓの表面に成膜される。

このとき、弱プラズマ生成空間１０２に強プラズマ生成空間１０１よりも弱いプラズマを形成することにより、後述の実験結果に示すように従来の平行平板を用いた容量結合型の成膜装置に比べてＳｉやＳｉＨ、ＳｉＨ_２などの不要な活性種が生成されにくい条件を維持しつつ上記（２）の反応進行を進行させ、かつ基板Ｓへのイオンダメージを低減できる。

また、例えば電極部４１ａ、４１ｂのいずれか一方側例えば４１ｂを接地して強プラズマ生成空間１０１にプラズマを形成する場合には、接地された電極部４１ｂと基板Ｓとの間の空間にはプラズマが生成されにくく、また電極部４１ａと基板Ｓとの間の空間には比較的強いプラズマが生成される。このため、弱プラズマ生成空間１０２内にプラズマが生成される領域と、プラズマが生成されない領域とが形成され、基板Ｓに形成されるμｃ-Ｓｉ膜において良好な面内均一性が得られない場合がある。

これに比べて、隣り合う電極部４１ａ、４１ｂの双方に逆位相の高周波電力を印加する場合には、いずれの電極部４１についても基板Ｓとの間の空間で一様に弱いプラズマが生成されやすくなり、より面内均一性の高いμｃ-Ｓｉ膜を得ることができる。

また、混合ガス内では時間の経過につれて上記（２）式で生成されたＳｉＨ_３がさらにＨラジカルと反応し、ＳｉＨ_２、ＳｉＨ、Ｓｉが順次生成されるので、これらの活性種やその重合体である高次シランや微粒子がμｃ-Ｓｉ膜中に取り込まれ、その膜質を低下させることとなる。

そこで本実施の形態に係る成膜装置１は、各電極部４１の下面に弱プラズマ生成空間１０２内の反応ガスを排気する排気孔４３１が設けられている。そして処理容器１０内はこの排気孔４３１を介して排気路４３へ向けて常時真空排気されており、弱プラズマ生成空間１０２内を広がる混合ガスは、基板Ｓ表面に到達した後、流れ方向を上方側へ変え、排気孔４３１を介して処理容器１０から速やかに排気される。

このように電極部４１の下面に排気孔４３１を設けることにより、基板Ｓ表面における混合ガスの滞留時間を短くし、弱プラズマ生成空間１０２内でＨラジカルとＳｉＨ_４との反応を進行させた場合でも、基板Ｓ表面に高濃度のＳｉＨ_３を供給しつつ不要な活性種の生成を抑え、良好な膜質のμｃ-Ｓｉ膜を得ることができる。

以上に説明した構成により、（１）Ｈ_２が供給される空間を強プラズマ生成空間１０１として構成し活性種であるＨラジカルを多量に得る一方、ＳｉＨ_４が供給される空間を弱プラズマ生成空間１０２として構成し、成膜が行われる基板Ｓの上面に一様に弱いプラズマを形成することにより基板Ｓへのイオンダメージを抑えつつＳｉＨ_３を高濃度で基板Ｓ表面に供給できる。また、（２）ＨラジカルとＳｉＨ_４との混合ガスを基板Ｓ表面から速やかに排気することにより、ＨラジカルとＳｉＨ_４とのラジカル反応が必要以上に進行することに伴う不要な活性種の発生を抑制することができる。

こうして予め設定した時間だけ基板Ｓ表面への成膜を実行し、所望の膜厚のμｃ-Ｓｉ膜が得られたら、Ｈ_２及びＳｉＨ_４の供給、高周波電力の印加を停止して、外部の基板搬送機構により搬入時とは逆の動作で基板Ｓを処理容器１０から搬出して一連の動作を終える。

本実施の形態に係る成膜装置１によれば以下の効果がある。互いに間隔をおいて配置された板状の電極部４１の一方と他方とに例えば１８０°の位相差を有する高周波電力を印加し、これら電極部４１に挟まれた強プラズマ生成空間１０１にプラズマを発生させる一方、成膜が行われる弱プラズマ生成空間１０２にも前記強プラズマ生成空間１０１に形成されるプラズマよりも弱いプラズマを形成する。そして、強プラズマ生成空間１０１では、Ｈラジカルを生成する一方、弱プラズマ生成空間１０２ではこのＨラジカルとＳｉＨ_４との反応を進行させることにより、欠陥の少ないμｃ-Ｓｉ膜を基板Ｓ表面に均一に成膜できる。

このように、隣り合う電極部４１同士の距離ｗが２〜２０ｍｍの範囲に調整され、電極部４１の下面と基板Ｓとの間の距離ｈが５〜１００ｍｍの範囲に調整された成膜装置において、基板Ｓにさらに均一な膜厚のμｃ-Ｓｉ膜を成膜する手法を以下に列記する。

例えば、図７は各電極部４１ｃの下面に、当該電極部４１ｃの両側壁面側から中央部側へ向けて盛り上がるように傾斜する傾斜面部４６を設け、基板Ｓから傾斜面部４６の下端までの距離ｈ_２よりも基板Ｓから電極部４１ｃの両側壁面までの距離ｈ_１の方が大きくなるように構成した例である。電極部４１ｃの両側壁面は強プラズマ生成空間１０１の出口（開口部）に相当し、この領域の近傍に均一なプラズマが形成されることは後述のシミュレーションでも確認している。

強プラズマ生成空間１０１の出口の位置よりも傾斜面部４６の下端部の位置を基板Ｓに近づけて配置することにより、傾斜面部４６の下端部と基板Ｓとの結合を相対的に強化し、その位置でのプラズマ強度を高めることができる。したがって強プラズマ生成空間１０１の出口付近に形成されるプラズマの強度を低減することができ、弱プラズマ生成空間１０２内のプラズマの均一性を高めることとなる。なお、本例においてはｈ_２について５〜１００ｍｍの範囲内に調整されることとなる。

また、図８、図９に示すように処理容器１０内の床面上に、キャスター部２６を介して載置台２ａを支持し、駆動機構２７によって載置台２ａを電極部４１の並び方向に沿って往復移動させてもよい。強プラズマ生成空間１０１の出口近傍の電子密度が高い場合であっても、基板Ｓを横方向に往復移動させて、当該電子密度の高い領域と対向する基板Ｓの領域を移動させることにより、基板Ｓに成膜される膜厚を均一化することができる。

次いで図１０は、基板Ｓに成膜されるμｃ-Ｓｉ膜の成膜速度が速くなる領域の電極部４１間の距離ｗを離して、当該領域における強プラズマ生成空間１０１内のプラズマの強度を低減することにより、膜厚の面内均一性を向上させる電極部４１ｄの例を示している。例えばＳｉＨ_４供給孔４２１や排気孔４３１が密集している基板Ｓの中央側の領域は、処理容器１０の内壁面に近く、中央側に比べてＳｉＨ_４供給孔４２１や排気孔４３１が少ない基板Ｓの側端領域に比べてＨラジカルやＳｉＨ_４の供給量が多く、成膜速度が速くなる傾向がある。

そこで図１０の平面図に示すように、成膜速度が速い領域において隣り合う電極部４１ｄ同士の距離ｗ_１が大きくなるように電極部４１ｄの側壁面に凹部４４を形成している。この結果、成膜速度の遅い領域では、同速度が速い領域に比べて相対的に電極部４１ｄ同士の距離ｗ_２が小さくなっている。このような構成を採用することにより、成膜速度が速くなる領域ではプラズマの強度を小さくして、成膜速度を均一化し、膜厚の面内均一性の向上を図ることが可能となる。

ここで電極部４１ｄの平面形状は、図１０に示した例に限られるものではない。例えば図４に示した電極部４１を用いて予備実験を行い、成膜速度が速くなる領域を特定し、この領域に位置する電極部４１ｄ間の距離ｗが相対的に大きくなるようにすることで、電極部４１ｄの平面形状は適宜、調整することができる。

また隣り合う電極部４１の間隔の調整方法は、図１０に示したように電極部４１ｄ間の距離を一様に変化させる場合に限定されない。例えば図１１の電極部４１ｅに示すように、距離がｗの電極部４１ｅの側壁面に間隔をおいて切り欠き部４５を設け、この切り欠き部４５における電極部４１ｅ、４１の距離がｗ’となるようにしてもよい。これら切り欠き部４５が設けられている領域と、切り欠き部４５が設けられていない領域とにおける電極部４１ｅ、４１の距離の平均値が既述のｗ_１となるように切り欠き部４５の切り欠きの深さや配置間隔などを調整するとよい。

次に、半導体装置の製造に用いられるウエハへの成膜に適した電極部４１ｆを備えた成膜装置の構成例について図１２〜図１５を参照しながら説明する。図１２〜図１５においては、図１〜図５に示す第１の実施の形態と共通の機能を有する構成要素には、これらの図に示すものと共通の符号を付してある。

半導体装置の製造工程にてウエハ上に成膜されるμｃ-Ｓｉ膜は、太陽電池用の基板に成膜される場合に比べて、より高い水準の膜厚の面内均一性が求められる。
そこで、本例の成膜装置においては、図１２に示すように電極部４１ｆの底面の形状を例えば正方形とし、これらの電極部４１ｆが図中のＸ軸方向のみならず、Ｙ軸方向にも互いに間隔をおいて配置されている点が、細長い板状の電極部４１をＸ軸方向にのみ間隔をおいて配置した、第１の実施の形態に関わる成膜装置１と異なっている。言い替えると、図１２の電極部４１ｆは、図４に示した強プラズマ空間１０１が伸びる方向（Ｙ軸方向）と交差する交差方向（Ｘ軸方向）にも強プラズマ空間１０１が形成されるように、当該電極部４１をＹ軸方向にも分割することにより構成されているともいえる。

一方、これらの電極部４１ｆにおいても、強プラズマ生成空間１０１を挟んで隣り合って配置されている電極部４１ｆ間の距離は、例えば２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、より好適には４ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲に調節され、また、電極部４１の下面と基板Ｓ表面との間の距離ｈが５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下、より好適には７ｍｍ以上、３０ｍｍ以下に調節されている点は、第１の実施の形態と同じである。

図１３に拡大して示すように、各電極部４１ｆの底面には、例えば正方形の四隅の位置に各々ＳｉＨ_４供給孔４２１が設けられ、また、これらのＳｉＨ_４供給孔４２１に囲まれた中央部に排気孔４３１が設けられている。一方、隣り合う電極部４１ｆ同士の間には強プラズマ生成空間１０１が形成され、この強プラズマ生成空間１０１にＨ_２を供給するために、処理容器１０の天井部を成す絶縁部材３１にＨ_２供給孔３２１が設けられている点は、第１の実施の形態の成膜装置１と同じである。

図１４に示すように、これらＳｉＨ_４供給孔４２１やＨ_２供給孔３２１に対しては、絶縁部材３１の上面側に設けられたＳｉＨ_４、Ｈ_２の供給路４２、３２、及び絶縁部材３１や電極部４１ｆを貫通する分岐路４２３、３２３を介してＳｉＨ_４ガスやＨ_２ガスが供給される。また、排気孔４３１に流れ込んだ混合ガスは、分岐路４３３や排気路４３を介して外部へ排出される。なお、図が煩雑になることを避けるため、図１４においては供給・排気路４２、３２、４３及び分岐路４２３、３２３、４３３を各々１組ずつだけ示してある。

そして図１５に模式的に示すように、隣り合う電極部４１ｆに対して位相の反転した高周波電力が印加されるように各電極部４１ｆを第１、第２の電源部６１、６２に接続すると、図１２に白と灰色とで塗り分けて示すように、格子状に交差して伸びる強プラズマ生成空間１０１に囲まれて、位相の反転した電力が印加された電極部４１ｆが市松模様のように並んだ状態となる。ここで図１５において、第１の電源部６１に接続されている電極部４１ｆに「４１ａ」の符号を付し、第２の電源部６２に接続されている電極部４１ｆに「４１ｂ」の符号を付している点は、図５の場合と同様である。

電極部４１ｆの底面の形状を例えば正方形としてこれらの電極部４１ｆを前後左右に並べ、隣り合う電極部４１ｆに位相の反転した電力を印加することにより、左右方向（図１２のＸ軸方向）のみならず、前後方向（図１２のＹ軸方向）へもプラズマが分散される。従って、電極部４１ｆの下方側や、強プラズマ生成空間１０１の下方側の各領域において成膜速度に若干の違いがあったとしても、成膜速度の異なる領域が分散して配置されることになる。この結果、ウエハには、膜厚の異なる小さな領域がウエハの全面に分散して形成され、ウエハ全体を見ると膜厚の面内均一性が向上することになる。なお図１２には、電極部４１ｆの下方側に配置されるウエハの外周の位置を一点鎖線で示してある。

図１６には、電極部４１ｇ〜４１ｊの配置密度をウエハの中央側で小さく、周縁部側で大きくするために、正方形に形成された電極部４１ｇ〜４１ｊの底面の一辺の長さを、中央部側から周縁部側へ向けて次第に長くなるように構成した例を示している。本例は、図１０に示した電極部４１ｄの例に対応しており、例えばＳｉＨ_４供給孔４２１や排気孔４３１の配置密度の違いを相殺するように隣り合う電極部ｇ〜４１ｊ同士の間隔を変化させることにより、成膜速度を均一化し、膜厚の面内均一性の向上を図っている。

また、電極部の底面の形状は、正方形などの矩形形状に限られるものではなく、図１７に示すように底面が円形の電極部４１ｋを用いてもよいし、他の形状のものを利用してもよい。また、互いに交差して格子状に伸びる強プラズマ形成空間１０１は、直交する場合に限定されず、強プラズマ形成空間１０１を斜めに交差させてもよい。この場合には、電極部の底面の形状は例えばひし形となる。

図１８は、互いに位相が反転した高周波電力が印加される電極部４１ｍ、４１ｎのうち、一方側の電極部４１ｍ（第１の電極部）を一体化した例を示している。例えば、第１の電極部４１ｍは、ウエハの板面の上方側を覆う幅広の金属板からなり、他方側の電極部４１ｎ（第２の電極部）が配置される位置に、当該第２の電極部４１ｎの平面形状よりも一回り大きな開口部１０３が形成されている。そして、この開口部１０３内に第２の電極部４１ｎを挿入することにより、前記開口部１０３の内側面と、その内側に配置された第２の電極部４１ｎの外側面との間に隙間が形成され、この隙間が強プラズマ生成空間１０１となる。本例の開口部１０３は、既述の図１２に示した電極部４１ｆと同様に、位相の反転した高周波電力が印加される電極部４１ｍ、４１ｎ（白と灰色に塗り分けて示してある）が市松模様状に並ぶように配列されている。本例のように第１の電極部４１ｍを一体化することにより、第１の電極部４１ｍや給電供給系統の部品点数を減らしてコスト低減を図ることができる。

ここで、一体化された第１の電極部４１ｍや、開口部１０３内に挿入される第２の電極部４１ｎの形状は、図１８に示した例に限定されるものではない。図１９には、六角形に形成された第１の電極部４１ｑに、六角形の開口部１０３を規則正しく配置し、この開口部１０３内に第２の電極部４１ｐを挿入した例を示している。本例は、開口部１０３の間に挟まれた、第１の電極部４１ｑの六角形状の領域（図１９中に破線で示してある）と、第２の電極部４１ｐとがハニカム状に配列され、ウエハから見て対称性の高い電極部４１ｑ、４１ｐ配置となっている。この結果、反応ガスの流れやプラズマの分布の対称性を向上させ、均一な成膜を行うことができる。また、図１７に示したように、第２の電極部の形状を円形など他の形状にしてもよいし、図１６に示したように、第２の電極部の面積や強プラズマ空間１０１を成す隙間の幅をウエハの中央部側と周縁部側とで変化させてもよいことは勿論である。

この他、ウエハを支持する載置台２の下面側中央部に鉛直軸周りに回転する回転軸を設け、載置台２上のウエハを回転させながら成膜を行うことにより、周方向の膜厚の面内均一性をさらに向上させてもよい。一方で、円板形状のウエハは、中央部側の位置と、外周部側の位置とで周方向の長さが異なっているので、例えば図１２に示すように、同じ大きさに形成され、市松模様のように配置された電極部４１ｆの下方でウエハを回転させると、ウエハが一回転する間に、その上方を通り過ぎる電極部４１ｆの数が、中央部側と外周部側とで異なってしまう。この結果、ウエハの外周部側が内周部側よりもプラズマ集中部分（例えば強プラズマ形成空間１０１の下方領域）に高い頻度で曝されることとなり、径方向で見ると成膜速度の不均一性が拡大する懸念もある。

そこでウエハを回転させる場合には、図２０に示すように、ウエハの周方向に沿って伸びる強プラズマ空間１０１、及びこの方向と交差する方向、即ち、ウエハの径方向に沿って伸びる強プラズマ空間１０１によって分割された電極部４１ｌを設けるとよい。このように分割された電極部４１ｌは、ウエハの中央部側の位置と、外周部側の位置とでその上方に配置される電極部４１ｌの数が同じであるので、ウエハが一回転する間にその上方を通過する電極部４１ｌ、及び径方向に伸びる強プラズマ形成空間１０１の数が揃っており、径方向で見たときの成膜速度の均一化を図ることができる。

さらに、強プラズマ生成空間１０１に形成されるプラズマの強度を調整する手法として、第１、第２の電源部６１、６２から印加される高周波電力の位相差を１８０°よりも小さい、例えば３０°以上〜１８０°未満の範囲に調整して、当該位相を反転させる（位相を１８０°ずらす）場合よりもプラズマ強度が小さくなるようにしてもよい。
また、電極部４１に印加される高周波電力は、１３．５６ＭＨｚの例に限られるものではなく、他の周波数、例えば１００ＭＨｚやこれ以外の高周波電力を印加してもよいことは勿論である。

また、図１に示した成膜装置１では、電極部４１の下面に開口する排気孔４３１を介して弱プラズマ生成空間１０２内の反応ガスを外部へ排気する例を示したが、排気路４３は電極部４１内に形成する場合に限られない。例えば図１に示した排気管１３から排気を行っても良好な膜質が得られる場合には、この排気管１３を排気部として利用する場合を否定するものではない。

さらにまた本発明は、Ｈ_２とＳｉＨ_４とによるＳｉ膜の成膜に適用する場合に限定されるものではない。例えば第１の反応ガスをＨ_２とし、第２の反応ガスをＳｉＨ_４以外のシリコン化合物ガス、例えばＳｉＨ_２Ｃｌ_２として微結晶Ｓｉを成膜する場合などにも適用することができる。

（実験１）
隣り合う電極部４１間に、位相が反転した高周波電力を印加する本例の成膜装置１と、隣り合う電極部４１の一方側を接地した成膜装置とで弱プラズマ生成空間１０２のプラズマ強度及び、μｃ-Ｓｉ膜の成膜速度分布を比較した。

Ａ．実験条件
（実施例１）
図１に示した成膜装置１につき、電極部４１間の距離をｗ＝５ｍｍ、電極部４１の下面と基板Ｓとの距離をｈ＝２０ｍｍとし、第１の電源部６１から１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗ／本の高周波電力を印加し、第２の電源部６２から第１の電源部６１の高周波電力とは位相が１８０°ずれた１３．５６ＭＨｚ、６００Ｗ／本の高周波電力を印加して、処理容器１０内を透過波長フィルタ付きＣＣＤカメラで撮影しプラズマの発光強度を計測した。また、Ｈ_２供給路３２からＨ_２を１０００ｓｃｃｍで供給し、ＳｉＨ_４供給路４２からＳｉＨ_４を１０ｓｃｃｍで供給して、μｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の面内分布を計測した。処理容器１０内の圧力は９００Ｐａである。
（比較例１）
第１の電源部６１から印加する電力を５００Ｗ／本とし、（実施例１）にて第２の電源部６２に接続されていた電極部４１を接地した点以外は、（実施例１）と同様の条件で発光強度、及びμｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の面内分布の計測を行った。

Ｂ．実験結果
（実施例１）に係わる発光強度の計測結果の写真を図２１（ａ）に示し、（比較例１）に係わる計測結果を図２１（ｂ）に示す。また、（実施例１）、（比較例１）におけるμｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の面内分を図２２に示す。図２２の横軸は、第２の電源部６２に接続され、または接地されている電極部４１の中心からの横方向への距離、縦軸はその位置におけるμｃ-Ｓｉ膜の成膜速度［ｎｍ／秒］を示している。図２２中、（実施例１）の結果は菱形でプロットしてあり、（比較例１）の結果は四角でプロットしてある。

図２１（ａ）と図２１（ｂ）とを比較すると、（実施例１）に係わる図２１（ａ）では、隣り合って並ぶ電極部４１下面の発光強度が同程度であるの対し、（比較例１）では、第１の電源部６１に接続された電極部４１下面が明るく、接地された電極部４１下面が暗くなっている様子がはっきりと現れている。

このような発光強度の違いは、μｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の分布にも反映されており、図２２に示すように（実施例１）の成膜速度は各電極部４１間で比較的均一であるのに対し、（比較例１）の成膜速度は、接地された電極部４１が配置されている領域で明らかに低い。これは（実施例１）では、各電極部４１と基板Ｓとの間に弱いプラズマが均一に形成されてＨラジカルとＳｉＨ_４の反応の進行が促進されているのに対し、（比較例１）では接地された電極部４１の下方にプラズマが形成されにくいため、ＨラジカルとＳｉＨ_４との反応が主として基板Ｓの加熱にのみ支配されている結果であると解釈できる。

（シミュレーション２）
電極部４１に傾斜面部４６を設けた場合と設けない場合とにおける、弱プラズマ生成空間１０２内の電子密度の分布をシミュレーションした。

Ａ．シミュレーション条件
（実施例２−１）
図６に示した例につき、電極部４１間の距離をｗ＝１０ｍｍ、電極部４１の下面と基板Ｓとの距離をｈ＝２０ｍｍとし、第１の電源部６１から１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗ／本の高周波電力を印加し、第２の電源部６２から第１の電源部６１の高周波電力とは位相が１８０°ずれた１３．５６ＭＨｚ、６００Ｗ／本の高周波電力を印加した状態における強プラズマ生成空間１０１、弱プラズマ生成空間１０２の電子密度分布をプラズマ流体モデルによりシミュレーションした。プラズマ流体モデルの参考文献としては、Ｍ．Ｊ．Ｋｕｓｈｎｅｒ：Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ４２、１９４０１３（２００９）が挙げられる。なお処理容器１０内の圧力は９００Ｐａとした。
（実施例２−２）
図７に示した例と同様に電極部４１の下面に傾斜面部４６を設け、ｈ_１＝２０ｍｍ、ｈ_２＝１０ｍｍとした点以外は（実施例２−１）と同様の条件でシミュレーションを行った。

Ｂ．シミュレーション結果
（実施例２−１）のシミュレーション結果を図２３（ａ）に示し、（実施例２−２）のシミュレーション結果を図２３（ｂ）に示す。
図２３（ａ）に示した（実施例２−１）の結果によれば、強プラズマ生成空間１０１の開口部の下部側に電子密度の高い領域が確認された。これに対して、図２３（ｂ）に示す（実施例２−２）では、電極部４１ｃの下面に、電極部４１ｃの両側壁面側から中央部側へ向けて傾斜する傾斜面部４６を設けることにより、（実施例２−１）で観察された電子密度の高い領域がかなり解消され、弱プラズマ生成空間１０２全体に渡り均一にプラズマが形成されている。これは傾斜面部４６の先端で基板Ｓとの結合が強化されることで、強プラズマ生成空間１０１の出口において電子密度の集中が緩和されたものと考えられる。

（実験３）
図５に示すように、周波数信号発生器６３と第１、第２の電源部６１、６２とを第１、第２の信号線６１１、６２１を介して接続し、第２の信号線６２１の長さを変化させたときに第１、第２の電源部６１、６２から出力される高周波電力の波形をオシロスコープで測定した。
Ａ．実験条件
（実施例３−１）
周波数信号発生器６３から第１の電源部６１までの第１の信号線６１１の長さを１ｍとし、周波数信号発生器６３から第２の電源部６２までの第２の信号線６２１の長さを８．４ｍとした。
（実施例３−２）
周波数信号発生器６３から第２の電源部６２までの第２の信号線６２１の長さを２．８５ｍとした点以外は（実施例３−１）と同様である。
（実施例３−３）
周波数信号発生器６３から第２の電源部６２までの第２の信号線６２１の長さを４．７ｍとした点以外は（実施例３−１）と同様である。

Ｂ．実験結果
（実施例３−１）〜（実施例３−３）における高周波電力の波形の測定結果を各々図２４（ａ）〜図２４（ｃ）に示す。各図において第１の電源部６１から出力される高周波電力の波形を実線で示し、第２の電源部６２から出力される高周波電力の波形を破線で示してある。

図２４（ａ）に示した（実施例３−１）の場合、第１、第２の信号線６１１、６２１の長さの差を７．４ｍとすることで、第１、第２の電源部６１、６２から出力される高周波電力の位相差を１８０°ずらす（位相を反転させる）ことができた。また、図２４（ｂ）に示す（実施例３−２）、図２４（ｃ）に示す（実施例３−３）の場合にも、各々第１、第２の信号線６１１、６２１の長さの差を１．８５ｍ、３．７ｍとすることにより、高周波電力の位相差を４５°、９０°と変化させることがでた。これらの結果から、図５に示すように周波数信号発生器６３から入力される周波数信号に同期させて第１、第２の電源部６１、６２から高周波電力を出力する場合に、第１、第２の信号線６１１、６２１の長さを異ならせることにより、隣り合う電極部４１に印加される高周波電力の位相差を調整できることを確認できた。

（シミュレーション４）
処理容器１０内の圧力を変化させたとき、基板Ｓの表面に形成される電界の強度をシミュレーションした。

Ａ．シミュレーション条件
（実施例４）
（実施例２−１）と同様の条件で処理容器１０内の圧力を２００〜１０００Ｐａまで２００Ｐａ刻みで変化させ、圧力の変化に対する電界の強度の変化をシミュレーションした。
（比較例４−１）隣り合う電極部４１に同相（位相のずれが０°）の電力を印加する条件とした他は、（実施例４）と同様の条件でシミュレーションを行った。
（比較例４−２）電極間の隙間幅が５ｍｍの平行平板の下部電極上に基板Ｓを載置し、１３．５６ＭＨｚ、５００Ｗの高周波電力を印加した場合における、圧力の変化に対する電界の強度の変化をシミュレーションした。

Ｂ．シミュレーション結果
（実施例４、比較例４−１、４−２）のシミュレーション結果を図２５に示す。図の横軸は処理容器１０内の圧力（Ｐａ）を示し、縦軸は基板Ｓ上の電界の強度（Ｖ／ｍ）を示す。また、（実施例４）の結果をひし形のプロットで示し、（比較例４−１、４−２）の結果を各々四角及び三角のプロットで示す。
図２５に示した結果によれば、隣り合う電極部４１に印加される高周波電力の位相を反転させた（位相を１８０°ずらした）、（実施例４）は、いずれの圧力においても（比較例２−１、２−２）に比べて基板Ｓ上の電界の強度が小さくなっている。従って、隣り合う電極部４１に印加される高周波電力の位相が同相の場合や従来の平行平板に比べて、電界の強度が弱い、弱プラズマ生成空間１０２を形成することが可能であり、不要な活性種の発生を抑えつつＳｉＨ_３を高濃度で基板Ｓ表面に供給することができるといえる。

（実験５）
ＳｉＨ_４ガスに対するＨ_２ガスの供給比（Ｈ_２／ＳｉＨ_４）を変化させたとき、成膜速度及び成膜されたμｃ-Ｓｉ膜の結晶化度を測定した。

Ａ．実験条件
（実施例５）
（実施例２−１）と同様の条件でＨ_２／ＳｉＨ_４の値を２５（Ｈ_２、ＳｉＨ_４を各々１０００ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ）、３３（同１０００ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍ）、５０（１０００ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ）、１００（１０００ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍ）と変化させ、成膜速度及び、ラマン分光によりμｃ-Ｓｉ膜の結晶化度（結晶化部分（Ｘｃ）の質量％に対応するピーク強度）を計測した。
（比較例５）隣り合う電極部４１に同相（位相のずれが０°）の電力を印加した他は、（実施例５）と同様の条件で実験を行った。

Ｂ．実験結果
（実施例５、比較例５）の実験結果を図２６に示す。図の横軸はＨ_２／ＳｉＨ_４の値を示し、左側の縦軸は成膜速度（ｍｍ／秒）、右側の縦軸は結晶化度（Ｘｃ％）を示す。また、（実施例５）の結果をひし形のプロットで示し、（比較例５）の結果を四角のプロットで示す。各プロットのうち、黒く塗り潰したプロットは成膜速度、白抜きのプロットは結晶化度（結晶化部分のピーク強度％）を示している。
図２６に示した結果によれば、Ｈ_２／ＳｉＨ_４の値を変化させたとき、いずれの値においても（実施例５）の方が（比較例５）よりも成膜速度が遅かった。これは、シミュレーション４の結果からわかるように、隣り合う電極部４１に印加する高周波電力の位相を反転させた方が、同相の場合よりも基板Ｓの表面の電界強度が小さく、弱プラズマ生成空間１０２における活性種の発生量が少ないためではないかと考えられる。一方、（実施例５、比較例５）のいずれの場合においてもＨ_２／ＳｉＨ_４の値を小さくし、ＳｉＨ_４ガスの相対的な供給量を増やすと成膜速度が上昇していることが分かる。

また結晶化度については、Ｈ_２／ＳｉＨ_４の値を変化させたとき、いずれの値においても（実施例５）の方が（比較例５）よりもμｃ-Ｓｉ膜に含まれている結晶が多く、結晶化度の高い、良好な膜質のμｃ-Ｓｉ膜が得られているといえる。また、（実施例５、比較例５）のいずれの場合においてもＨ_２／ＳｉＨ_４の値を大きくし、Ｈ_２ガスの相対的な供給量を増やすと結晶化度が向上する傾向がみられる。従って、Ｈ_２／ＳｉＨ_４の値をプロセス変数とすることにより、要求される膜質の品質を満たしつつ、より成膜速度の大きな条件を選択して成膜を行うことが可能であるといえる。

本発明に係る成膜装置は、処理容器内にて複数種類の反応ガスを反応させて基板に薄膜を成膜する成膜装置において、
前記処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、
この載置台に載置された基板の上方に配置され、基板の板面の上方側を覆う幅広な板状の第１の電極部と、
底面側から見た前記第１の電極部の面内に、互いに間隔を開けて設けられた複数の開口部の内側に各々配置され、これら開口部の内側面との間に隙間を形成して前記第１の電極部との間に印加される高周波電力によってプラズマが形成される強プラズマ生成空間を構成するための複数の第２の電極部と、
前記強プラズマ生成空間に第１の反応ガスを供給するための第１の反応ガス供給部と、
前記強プラズマ生成空間の下部側、または、前記第１の電極部及び第２の電極部の下端部と前記基板との間の隙間に、前記強プラズマ生成空間に形成されるプラズマよりも発光強度が弱いプラズマを生成するために形成される弱プラズマ生成空間に、第１の反応ガスの活性種と反応して基板上に薄膜を成膜する第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス供給部と、
前記弱プラズマ生成空間から反応ガスを排気するための排気部と、を備え、
前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部間の距離が２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲であり、
前記載置台上の基板と電極部との距離が５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする。

前記成膜装置は以下の特徴を備えていてもよい。
（ａ）前記第２の電極部は、底面側から見た形状が円形であること。
（ｂ）前記第１の電極部及び第２の電極部の少なくとも一方の側壁面には、前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部の側壁面を切り欠いて形成された複数の切り欠き部が互いに間隔をおいて配置されていること。
（ｃ）前記第１の電極部と第２の電極部との間の隙間の幅は、下方側に配置された基板の中央部側に対向する位置と、前記基板の周縁部側に対向する位置との間で異なっていること。
（ｄ）前記複数の第２の電極部は、下方側に配置された基板の中央部側に対向する位置に設けられた第２の電極部と、前記基板の周縁部側に対向する位置に設けられた第２の電極部との間で、底面側から見た面積が異なっていること。

本発明は、互いに間隔をおいて配置された電極部に挟まれた強プラズマ生成空間にプラズマを発生させる一方、成膜が行われる基板と各電極部との間の隙間にも前記強プラズマ生成空間に形成されるプラズマよりも発光強度の弱いプラズマを形成する。そして、強プラズマ生成空間では、第１の反応ガスの活性種を生成する一方、弱プラズマ生成空間では強プラズマ生成空間で生成した活性種と第２の反応ガスとの反応を進行させることにより、欠陥の少ない薄膜を基板表面に均一に成膜することができる。

Ａ．実験条件
（実施例１）
図１に示した成膜装置１につき、電極部４１間の距離をｗ＝５ｍｍ、電極部４１の下面と基板Ｓとの距離をｈ＝２０ｍｍとし、第１の電源部６１から１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗ／本の高周波電力を印加し、第２の電源部６２から第１の電源部６１の高周波電力とは位相が１８０°ずれた１３．５６ＭＨｚ、６００Ｗ／本の高周波電力を印加して、処理容器１０内を透過波長フィルタ付きＣＣＤカメラで撮影しプラズマの発光強度を計測した。また、Ｈ_２供給路３２からＨ_２を１０００ｓｃｃｍで供給し、ＳｉＨ_４供給路４２からＳｉＨ_４を１０ｓｃｃｍで供給して、μｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の面内分布を計測した。処理容器１０内の圧力は９００Ｐａである。
（参考１）
第１の電源部６１から印加する電力を５００Ｗ／本とし、（実施例１）にて第２の電源部６２に接続されていた電極部４１を接地した点以外は、（実施例１）と同様の条件で発光強度、及びμｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の面内分布の計測を行った。

Ｂ．実験結果
（実施例１）に係わる発光強度の計測結果の写真を図２１（ａ）に示し、（参考例１）に係わる計測結果を図２１（ｂ）に示す。また、（実施例１）、（参考例１）におけるμｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の面内分を図２２に示す。図２２の横軸は、第２の電源部６２に接続され、または接地されている電極部４１の中心からの横方向への距離、縦軸はその位置におけるμｃ-Ｓｉ膜の成膜速度［ｎｍ／秒］を示している。図２２中、（実施例１）の結果は菱形でプロットしてあり、（参考例１）の結果は四角でプロットしてある。

図２１（ａ）と図２１（ｂ）とを比較すると、（実施例１）に係わる図２１（ａ）では、隣り合って並ぶ電極部４１下面の発光強度が同程度であるの対し、（参考例１）では、第１の電源部６１に接続された電極部４１下面が明るく、接地された電極部４１下面が暗くなっている様子がはっきりと現れている。

このような発光強度の違いは、μｃ-Ｓｉ膜の成膜速度の分布にも反映されており、図２２に示すように（実施例１）の成膜速度は各電極部４１間で比較的均一であるのに対し、（参考例１）の成膜速度は、接地された電極部４１が配置されている領域で明らかに低い。これは（実施例１）では、各電極部４１と基板Ｓとの間に弱いプラズマが均一に形成されてＨラジカルとＳｉＨ_４の反応の進行が促進されているのに対し、（参考例１）では接地された電極部４１の下方にプラズマが形成されにくいため、ＨラジカルとＳｉＨ_４との反応が主として基板Ｓの加熱にのみ支配されている結果であると解釈できる。

Claims

処理容器内にて複数種類の反応ガスを反応させて基板に薄膜を成膜する成膜装置において、
前記処理容器内に設けられ、基板を載置するための載置台と、
この載置台に載置された基板の上方に配置され、基板の板面の上方側を覆う幅広な板状の第１の電極部と、
前記第１の電極部の面内に、互いに間隔を開けて設けられた複数の開口部の内側に各々配置され、これら開口部の内側面との間に隙間を形成して前記第１の電極部との間に印加される高周波電力によってプラズマが形成される強プラズマ生成空間を構成するための複数の第２の電極部と、
前記強プラズマ生成空間に第１の反応ガスを供給するための第１の反応ガス供給部と、
前記強プラズマ生成空間の下部側、または、前記第１の電極部及び第２の電極部の下端部と前記基板との間の隙間に、前記強プラズマ生成空間に形成されるプラズマよりも発光強度が弱いプラズマを生成するために形成される弱プラズマ生成空間に、第１の反応ガスの活性種と反応して基板上に薄膜を成膜する第２の反応ガスを供給するための第２の反応ガス供給部と、
前記弱プラズマ生成空間から反応ガスを排気するための排気部と、を備え、
前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部間の距離が２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の範囲であり、
前記載置台上の基板と電極部との距離が５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする成膜装置。
前記第２の電極部は、底面側から見た形状が円形であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記第１の電極部及び第２の電極部の少なくとも一方の側壁面には、前記強プラズマ生成空間を挟んで隣り合う電極部の側壁面を切り欠いて形成された複数の切り欠き部が互いに間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記第１の電極部と第２の電極部との間の隙間の幅は、下方側に配置された基板の中央部側に対向する位置と、前記基板の周縁部側に対向する位置との間で異なっていることを特徴とする請求項１に記載が成膜装置。
前記複数の第２の電極部は、下方側に配置された基板の中央部側に対向する位置に設けられた第２の電極部と、前記基板の周縁部側に対向する位置に設けられた第２の電極部との間で、底面側から見た面積が異なっていることを特徴とする請求項１に記載が成膜装置。