JP2601488C

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Publication number: JP2601488C
Authority: JP
Publication date: 1999-04-12

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は、グロー放電により連続的に薄膜を形成する成膜装置に関するもので
あり、とくに、高性能の半導体薄膜を高成膜速度において均一に形成する成膜装
置に関する。〔従来技術〕シリコン化合物のグロー放電分解や光分解により得られる非晶質シリコン系の
半導体薄膜は、光−電気エネルギーの変換能力に優れ、光起電力素子として利用
されている。しかも、電卓等民生用機器ばかりでなく、電力用太陽電池としての
利用も検討されているが、このためには、大面積の太陽電池を安価に製造する必
要がある。この点においても、非晶質シリコン系太陽電池は、基本的に面積の拡
大が比較的容易であり、大面積化の研究が行われている。しかしながら、従来の容量結合型の平行平板電極を用いる成膜装置においては
、高性能の半導体薄膜を高成膜速度で均一に形成するとき、いくつかの問題があ
った。すなわち、まず第一にこの成膜方法は高周波が印加される電極（高周波印加電
極）と接地されている電極（接地電極）の間に膜が形成される基板が設置される
ものであるが、この場合、高周波印加電極面内において、グロー放電の均一性が確保されなければ、薄膜の均一性は得られない。次に、大面積の基板に成膜する
場合には、当然のことながら、高周波印加電極の面積を基板よりも大きくせねば
ならないが、大面積の電極においては、高周波電流独特の表皮効果が生じて有効
に高周波電流を導入することができない。また、電気力線にもとづく端効果およ
び先の表皮効果の結果、高周波印加電極周辺部のグロー放電が強くなり、成膜速
度が不均一になるばかりでなく、得られた薄膜の特性も不均一となるうえ、高速
成膜条件においては、高周波印加電極周辺部のグロー放電はより一層強くなり、
かかる問題点がさらに一層強調される。〔発明の目的〕本発明の目的は、高周波印加電極と接地電極間において、高濃度プラズマを生
じさせ、均一な半導体薄膜を高成膜速度で基板上に形成することのできる半導体
薄膜の所謂インライン成膜装置を提供することである。〔基本的着想〕本発明者らは、かかる観点から鋭意検討した結果、連続形成に用いられる種々
のプラズマＣＶＤ装置およびグロー放電の詳細な検討の結果、高周波印加電極表
面を凹凸に形成することにより、電極全体に高濃度プラズマが均一に拡がること
を見いだして、本発明を完成するに至った。すなわち、大面積の平行平板電極に
おいては上記のごとく電極面上でプラズマが局在すると云う問題点があるところ
、本発明者らは、特定の表面形状の電極を用いると、高密度のプラズマが電極全
面に一様に生成することを見いだし、これをインライン方式の成膜装置による高
速成膜に利用したものである。〔発明の開示〕本発明は、高周波印加電極と接地電極の間に発生するグロー放電中に、基板を
設置・もしくは進行せしめて該基板上に薄膜を形成するインライン成膜装置にお
いて、該高周波印加電極表面が凹凸状に形成されていることを特徴とする成膜装
置であって、該凹凸部の深さ（ｈ）を該高周波印加電極と該接地電極の間隔（ｄ
）の１／２以上に充分深く形成し、かつ、凸部の巾（ｗ）が該間隔（ｄ）の１／
２以上になるように形成してあり、形成される薄膜の均一性を確保しつつ、高速
成膜する成膜装置にかかるものである。本発明の対象としているインライン成膜装置とは、真空を破ることなく基板（
実際には、基板保持具に保持固定された基板）を成膜室に搬送し、基板は成膜室
内に設置され、もしくは室内を移動・進行しながら半導体薄膜が形成される装置
である。第１図に本発明の一実施例たる具体的な態様を模式的な断面図で示した。すなわち、高周波印加電極１と接地電極２の間に発生するグロー放電中に、基
板４を設置せしめて該基板上に薄膜を形成するインライン成膜装置において、該
高周波印加電極表面が凹凸状に形成されている成膜装置である。なお、第２図は
その斜視図である。もちろん、基板４はグロー放電中を移動・進行せしめられ、
該基板上に薄膜が連続的に形成されることも出来る。本発明において、凹凸の形状は特に限定されないが、製作上からは、断面を矩
形に作ることがプラズマの均一性もそこなわれないので実用的であり好ましい。
第１図に示したものの外に、断面が矩形である高周波印加電極の凹凸形状におけ
る具体的な事例のいくつかを第３図に示す。第１図に示すような高周波印加電極の凹凸における山の高さｈ、すなわち凹部
の深さは、電極間隔ｄの１／２以上、好ましくはｄと同じかそれ以上である。け
だし、高速成膜条件においては成膜時の圧力を高めることが要求されるので、山
の高さｈが電極間隔ｄに比べて１／２未満のように小さい場合には、電極表面を
凹凸に形成した効果が小さくなり、好ましいものではない。また、薄膜の均一性
は高周波印加電極と接地電極との間隔ｄや高周波印加電極と基板との間隔等の装
置形状によっても影響されるが、高周波印加電極の凹凸における山の高さｈを電
極間隔ｄの１／２以上、好ましくはｄと同じかそれ以上とすることにより、これ
らの装置形状による影響をほとんど無くすことが可能である。一方、第１図、第２図に示すような高周波印加電極の凹凸における山の巾ｗす
なわち凸部の幅は、電極間隔ｄの１／２以上、好ましくはｄと同じかそれ以上で
ある。しかしながら、あまり巾が広い場合には、電極の凹凸による均−成膜の効
果が小さくなり好ましいものではない。薄膜の均一性は高周波印加電極と接地電極との間隔や高周波印加電極と基板と
の間隔等の装置形状によっても影響されるが、高周波印加電極の山の巾ｗを５ｃｍ以下とすることにより、これらの装置形状による影響はほとんど無くすことが
可能である。さらに、この場合も高周波印加電極と接地電極および基板等との間
隔は特に限定されるものではない。さらに、第１図、第２図に示すような、高周波印加電極の凹凸における谷の巾
Ｌは、５ｍｍ以上で、好ましくはｄと同じかそれ以上である。この場合もＬがあ
まり広いと電極表面を凹凸状に形成したことによる均−成膜の効果は小さくなり
、５ｃｍ以下であることが好ましい。本発明において、凹凸形状の高周波印加電極にアースシールド５、５’を設備
することは必須の条件ではないが、高周波印加電極にアースシールドを設備する
ことにより、放電を有効に対向する接地電極側に方向づけることができる。この
ために、アースシールドを形成できる間隔をとることが好ましい。具体的な事例
としては、５ｍｍ以上の間隔が存在すれば十分である。第１図に具体的な事例を
示した。これら高周波印加電極や接地電極等の材質については、特に制限されるもので
はないが、形成される半導体薄膜に与える不純物質、電気伝導性、熱的安定性等
を考慮するとステンレス鋼であるＳＵＳ３１６やＳＵＳ３０４やアルミニウムが
好ましい材料として用いられる。本発明のインライン成膜装置とは、上記したごとく、真空を破ることなく基板
を成膜室に搬送することのできる、基板導入室および基板取り出し室、または基
板取り出し室を兼ねる基板導入室、またはこれらの機能を果たす基板導入手段や
基板取り出し手段を少なくとも有する成膜装置であり、基板は成膜室内に設置さ
れ、もしくは室内を移動しながら半導体薄膜が形成される装置である。成膜室は
反応ガス導入手段および排気手段を備えた金属製の反応容器であり、少なくとも
基板を加熱するための加熱手段、高密度のプラズマを発生するための巾狭の高周
波印加電極および接地電極、基板保持具（基板キャリヤー）を移動させるための
搬送手段が設備されているものである。なお、基板保持具とは、半導体薄膜が形
成される基板を、はめ込み、設置等により固定して搬送するための搬送具である
。従って、基板の主面が露出しており、この面上に薄膜が形成されうるものであ
る限り、基板の基板キャリヤへの設置方法については、何ら限定されるものはない。通常、基板保持具は、基板と略同一の大きさか、これよりやや大きいのが普
通である。基板保持具上に保持された基板は、高周波印加電極と接地電極の間に
発生する高周波プラズマ中を、高周波印加電極および対向する接地電極とに対し
て垂直方向に設置され、もしくは該方向に進行し、半導体薄膜等が移動中の基板
上に形成されるのである。反応容器の材質は限定されるものではないが、好ましい材質としてはステンレ
ススチール、ニッケルおよびその合金、アルミニウムおよびその合金などである
。加工性や耐蝕性を考慮した取扱い上からはステンレススチール（ＳＵＳ３１６
，ＳＵＳ３０４）あるいはアルミニウムおよびその合金が好ましいものである。本発明において、基材の材質は限定されるものではない。ガラス基板、酸化ス
ズや酸化スズ・インジウムの様な透明導電膜付きガラス基板、セラミックス基板
、アルミニウム、クロム、ステンレス（ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４）などの金
属薄膜やアルミニウム、クロム、ステンレス（ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ３０４）な
どの金属を蒸着したセラミックス基板やポリエチレンテレフタレートなどの高分
子基板、ステンレス基板、多結晶および単結晶シリコンウェハーなどが基板とし
て有効に用いられる。本発明で用いる反応性ガスは、主にシリコン化合物であり、一般式Si_nH_2n+2（
ここではｎは自然数）で示されるシラン、例えばモノシラン、ジシランである。
さらに、一般式SiH_xF_4-x（ｘは、０〜４の整数）で示されるフルオロシラン、一
般式 Ge_nH_2n+2（ｎは、自然数）で示される水素化ゲルマンなどである。また、
目的に応じて、フォスフィンPH₃、ジボランB₂H₆、ヘリウムHe、炭化水素ガスC_yH
_2y+2、C_yH_2y、C_yH_2y-2（ｙは、自然数）、モノメチルシランなどの有機けい素ガ
スなどを単独ないし混合して用いることができる。〔実施例〕まず、基板挿入室に基板保持具を設置し、真空系で０．０１torr以下に排気し
つつ、加熱手段で基板を所定の温度になるまで加熱する。所定の圧力並びに基板
温度に達した後、第１図に示される形状の凹凸状の高周波印加電極（ｈ＝２０ｍ
ｍ、ｗ＝２０ｍｍ，Ｌ＝２０ｍｍ）を用い、ジシランの放電を発生させている反
応室内に基板保持具に保持せしめて搬送し、接地電極に固定した後アモルファスシリコン薄膜を成膜した。成膜条件；ジシラン１０ｃｃ／ｍｉｎ高周波電力５０Ｗ基板温度２５０℃ 反応圧力０．１ｔｏｒｒ電極寸法１００ｍｍφ 基板寸法２０＊８０ｍｍ成膜結果；平均成膜速度２５Ａ／ｓｅｃ基板上の成膜速度分布（第４図） ±５％代表的な光伝導度３．５＊１０^-5 Ｓ／ｃｍ代表的な暗伝導度４．６＊１０^-11 Ｓ／ｃｍ〔比較例〕成膜条件を実施例と同条件にして電極のみを通常の平行平板型高周波印加電極
を用いて成膜した結果、成膜速度は１１Ａ／ｓｅｃ〜２７Ａ／ｓｅｃの間で変化
し、均一成膜が極めて困難であることを確認した。〔発明の効果〕以上のごとく、本発明においては、本発明で規定する特定の表面に凹凸を形成
した高周波印加電極を用いることにより、高成膜速度で大面積の基板上に均質に
成膜することができる。得られた薄膜の特性は優れたものであり、本発明の産業
上の利用可能性は、極めて大きいものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a film forming apparatus for continuously forming a thin film by glow discharge, and in particular, to uniformly form a high-performance semiconductor thin film at a high film forming rate. The present invention relates to a film forming apparatus. [Prior Art] An amorphous silicon-based semiconductor thin film obtained by glow discharge decomposition or photodecomposition of a silicon compound has excellent photo-electric energy conversion ability and is used as a photovoltaic element. In addition, the use as not only consumer electronic devices such as calculators but also solar cells for electric power is being studied. For this purpose, it is necessary to manufacture large-area solar cells at low cost. Also in this regard, the area of the amorphous silicon-based solar cell is basically relatively easy to expand, and research on increasing the area is being conducted. However, in a conventional film forming apparatus using a capacitively coupled parallel plate electrode, there are some problems when a high-performance semiconductor thin film is uniformly formed at a high film forming rate. That is, first of all, in this film forming method, a substrate on which a film is formed is placed between an electrode to which a high frequency is applied (a high-frequency application electrode) and an electrode that is grounded (a ground electrode). In this case, the uniformity of the thin film cannot be obtained unless uniformity of the glow discharge is secured in the surface of the high frequency application electrode. Next, when a film is formed on a large-area substrate, the area of the high-frequency application electrode must be larger than that of the substrate, as a matter of course. Therefore, the high-frequency current cannot be effectively introduced. In addition, as a result of the edge effect based on the lines of electric force and the skin effect, the glow discharge around the high-frequency application electrode becomes strong, and not only the deposition rate becomes non-uniform, but also the characteristics of the obtained thin film become non-uniform. In addition, under high-speed film forming conditions, the glow discharge around the high-frequency application electrode becomes even stronger,
Such a problem is further emphasized. [Object of the Invention] An object of the present invention is to provide a high-concentration plasma between a high-frequency application electrode and a ground electrode to form a uniform semiconductor thin film on a substrate at a high deposition rate, so-called in-line. An object of the present invention is to provide a film forming apparatus. [Basic idea] The present inventors have conducted intensive studies from such a viewpoint, and as a result of detailed examination of various plasma CVD apparatuses and glow discharges used for continuous formation, as a result of forming a high-frequency application electrode surface with irregularities. The present inventors have found that high-concentration plasma spreads uniformly over the entire electrode, and have completed the present invention. That is, in the case of a large-area parallel plate electrode, there is a problem that plasma is localized on the electrode surface as described above. It was found that the film was formed uniformly on the entire surface of the electrode, and this was used for high-speed film formation by an in-line type film forming apparatus. [Disclosure of the Invention] The present invention relates to an in-line film forming apparatus for forming a thin film on a substrate by installing or advancing a substrate during a glow discharge generated between a high frequency applying electrode and a ground electrode. A film forming apparatus characterized in that an electrode surface is formed in an uneven shape, wherein a depth (h) of the uneven portion is determined by a distance (d) between the high-frequency application electrode and the ground electrode.
)), And the width (w) of the projection is 1/1/2 of the distance (d).
The present invention relates to a film forming apparatus for performing high-speed film formation while ensuring uniformity of a formed thin film. The in-line film forming apparatus that is the object of the present invention is a substrate (without breaking vacuum).
In actuality, the apparatus is a device in which a substrate (a substrate held and fixed by a substrate holder) is transported to a film formation chamber, and the substrate is set in the film formation chamber or a semiconductor thin film is formed while moving and proceeding in the room. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a specific embodiment as one embodiment of the present invention. That is, in an in-line film forming apparatus in which the substrate 4 is installed and a thin film is formed on the substrate during the glow discharge generated between the high-frequency application electrode 1 and the ground electrode 2, the surface of the high-frequency application electrode is formed in an uneven shape. It is a film forming apparatus that has been used. FIG. 2 is a perspective view thereof. Of course, the substrate 4 is moved and advanced during the glow discharge,
A thin film can be continuously formed on the substrate. In the present invention, the shape of the concavities and convexities is not particularly limited, but from the viewpoint of manufacturing, it is practical and preferable to form a rectangular cross section because the uniformity of the plasma is not impaired.
In addition to those shown in FIG. 1, FIG. 3 shows some specific examples of irregularities of the high-frequency application electrode having a rectangular cross section. The height h of the peak in the unevenness of the high-frequency application electrode as shown in FIG. 1, that is, the depth of the recess is at least １／ of the electrode interval d, preferably equal to or more than d. However, under high-speed film formation conditions, it is required to increase the pressure at the time of film formation. Therefore, when the height h of the peak is smaller than 1/2 of the electrode distance d, the surface of the electrode may be uneven. However, the effect formed on the substrate becomes small, which is not preferable. The uniformity of the thin film is also affected by the shape of the device, such as the distance d between the high frequency application electrode and the ground electrode and the distance between the high frequency application electrode and the substrate. By setting the distance d to １／ or more, preferably equal to or more than d, it is possible to almost eliminate the influence of these device shapes. On the other hand, the peak width w of the unevenness of the high-frequency application electrode as shown in FIGS. 1 and 2, that is, the width of the convex portion is at least １／ of the electrode interval d, preferably equal to or more than d. However, if the width is too large, the effect of uniform film formation due to the unevenness of the electrodes is reduced, which is not preferable. The uniformity of the thin film is affected by the device shape such as the distance between the high-frequency application electrode and the ground electrode and the distance between the high-frequency application electrode and the substrate. However, by setting the peak width w of the high-frequency application electrode to 5 cm or less. In addition, it is possible to almost eliminate the influence of these device shapes. Further, also in this case, the distance between the high-frequency application electrode, the ground electrode, the substrate, and the like is not particularly limited. Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the width L of the valley in the unevenness of the high-frequency application electrode is 5 mm or more, and is preferably equal to or more than d. Also in this case, if L is too large, the effect of uniform film formation due to the formation of the electrode surface in an uneven shape is small, and is preferably 5 cm or less. In the present invention, it is not essential that the ground shields 5 and 5 ′ are provided on the high-frequency application electrode having the uneven shape. Can be oriented. For this reason, it is preferable to provide an interval at which an earth shield can be formed. As a specific case, it is sufficient if there is an interval of 5 mm or more. FIG. 1 shows a specific case. The material of the high-frequency application electrode, the ground electrode, and the like is not particularly limited. However, in consideration of impurities, electric conductivity, thermal stability, and the like given to the semiconductor thin film to be formed, stainless steel SUS316 or SUS304 or aluminum is used as a preferable material. As described above, the in-line film forming apparatus of the present invention can transfer a substrate to a film forming chamber without breaking vacuum, a substrate introducing chamber and a substrate extracting chamber, or a substrate introducing chamber that also serves as a substrate extracting chamber, or This is a film formation apparatus having at least a substrate introduction unit and a substrate removal unit that perform these functions, and is a device in which a substrate is installed in a film formation chamber or a semiconductor thin film is formed while moving in the room. The film forming chamber is a metal reaction vessel provided with a reaction gas introduction unit and an exhaust unit, and includes at least a heating unit for heating the substrate, a narrow high-frequency application electrode for generating high-density plasma, and a ground electrode. In addition, transport means for moving the substrate holder (substrate carrier) is provided. Note that the substrate holder is a carrier for fixing and carrying a substrate on which a semiconductor thin film is to be formed by fitting, setting, or the like. Therefore, as long as the main surface of the substrate is exposed and a thin film can be formed on this surface, there is no limitation on the method of installing the substrate on the substrate carrier. Usually, the substrate holder is generally the same size as the substrate or slightly larger than this. The substrate held on the substrate holder is placed in a high-frequency plasma generated between the high-frequency application electrode and the ground electrode in a direction perpendicular to the high-frequency application electrode and the opposite ground electrode, or proceeds in the direction. Then, a semiconductor thin film or the like is formed on the moving substrate. The material of the reaction vessel is not limited, but preferred materials include stainless steel, nickel and its alloys, aluminum and its alloys, and the like. Stainless steel (SUS316) from the viewpoint of workability and corrosion resistance
, SUS304) or aluminum and its alloys are preferred. In the present invention, the material of the substrate is not limited. Glass substrate, glass substrate with transparent conductive film such as tin oxide or tin oxide / indium, ceramic substrate, metal thin film such as aluminum, chromium, stainless steel (SUS316, SUS304), aluminum, chromium, stainless steel (SUS316, SUS304), etc. A ceramic substrate on which a metal is deposited, a polymer substrate such as polyethylene terephthalate, a stainless steel substrate, a polycrystalline or single-crystal silicon wafer, etc. are effectively used as the substrate. The reactive gas used in the present invention is mainly a silicon compound and has a general formula Si _n H _{2n + 2} (
Here, n is a silane represented by a natural number, for example, monosilane or disilane.
Moreover, (the x, an integer of 0 to 4) general formula SiH _{_x} F _{_4-x} fluorosilane represented by the general formula Ge _n H _{2n + 2} _(n is a natural number) and the like hydrogenated germane represented by. Also,
Depending on the purpose, phosphine PH ₃ , diborane B ₂ H ₆ , helium He, hydrocarbon gas C _y H
_{_{_{2y + 2, C y H 2y}}} , C y H 2y-2 (y is a natural number), and organosilicon gas such as monomethyl silane can be used alone or in combination. [Example] First, a substrate holder is set in a substrate insertion chamber, and a substrate is heated to a predetermined temperature by a heating means while evacuating to 0.01 torr or less by a vacuum system. After reaching the predetermined pressure and the substrate temperature, the uneven high-frequency application electrode (h = 20 m) having the shape shown in FIG.
(m, w = 20 mm, L = 20 mm), and transported while being held by a substrate holder in a reaction chamber where disilane discharge was generated, and fixed to a ground electrode, to form an amorphous silicon thin film. Film formation conditions : Disilane 10 cc / min High frequency power 50 W Substrate temperature 250 ° C. Reaction pressure 0.1 torr Electrode size 100 mmφ Substrate size 20 * 80 mm Film formation result ; Average film formation speed 25 A / sec Film formation speed distribution on the substrate (FIG. 4) ) ± 5% Typical photoconductivity 3.5 * 10 ^-5 S / cm Typical dark conductivity 4.6 * 10 ^-11 S / cm [Comparative example] The film forming conditions were the same as in the example. As a result, only the electrode was formed using a normal parallel plate type high frequency application electrode. As a result, the film formation speed varied between 11 A / sec and 27 A / sec, and it was confirmed that uniform film formation was extremely difficult. [Effects of the Invention] As described above, in the present invention, by using a high-frequency application electrode having irregularities formed on a specific surface specified in the present invention, a uniform film can be formed on a large-area substrate at a high film forming rate. can do. The properties of the obtained thin film are excellent, and the industrial applicability of the present invention is extremely large.

【図面の簡単な説明】第１図は表面を凹凸状に形成した高周波印加電極を有する反応室の模式的な断
面図であり、第２図はおなじくその斜視図である。第３図は、断面が矩形である高周波印加電極の凹凸形状およびその配置の実施
の態様の例を示す説明図である。第４図は実施例において成膜速度分布を計測し
た基板上の位置を示す説明図である。長方形の中心を通り長辺と平行に５ｍｍ間
隔で測定点を設けた。図において、１・・・高周波印加電極、２・・・接地電極、３、３’・・・ヒ
ーター、４・・・基板、５、５’・・・アースシールド、ｈ・・・凹凸における
山の高さ、ｗ・・・凹凸における山の巾、Ｌ・・・凹凸における谷の巾BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a reaction chamber having a high-frequency application electrode having an uneven surface, and FIG. 2 is a perspective view thereof. FIG. 3 is an explanatory view showing an example of an embodiment of the uneven shape and arrangement of the high-frequency application electrode having a rectangular cross section. FIG. 4 is an explanatory diagram showing the positions on the substrate where the film deposition rate distribution was measured in the example. Measurement points were provided at 5 mm intervals in parallel with the long sides through the center of the rectangle. In the drawing, 1 ... high frequency application electrode, 2 ... ground electrode, 3 ... 3 heater ... 4 ... substrate 5, 5 '... ground shield, h ... Height, w: width of the peak in the unevenness, L: width of the valley in the unevenness

Claims

Claims: (1) An in-line film forming apparatus for installing or moving a substrate to form a thin film on a substrate during a glow discharge generated between a high-frequency application electrode and a ground electrode. A film forming apparatus characterized in that an electrode surface is formed in an uneven shape, wherein the depth (h) of the uneven portion is set to 1 / (d) of the distance (d) between the high frequency application electrode and the ground electrode.
Formed at a depth sufficiently larger than 2 and the width (w) of the convex portion is at least 以上 of the interval (d).
Yes formed so that, while maintaining the uniformity of the film formed, film forming apparatus for high-speed film formation.