JP2708503B2

JP2708503B2 - 薄膜形成装置

Info

Publication number: JP2708503B2
Application number: JP63266107A
Authority: JP
Inventors: 正人小山; 信弘福田
Original assignee: 三井東圧化学株式会社
Priority date: 1988-10-24
Filing date: 1988-10-24
Publication date: 1998-02-04
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JPH02113521A

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。

［従来技術とその課題］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、いつくかの問題があった。

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
きくしなければならないが、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、電気力線にもとずく端
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ったり、あるいは逆に弱くなった
りすことにより、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、高密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
所謂プラズマ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
極表面に突起物および枠を形成しこれを凹凸形状の高周
波印加電極とすることにより電極全体に高密度プラズマ
が均一に拡がることを見いだし、更に、突起物の形状、
数量や枠の大きさを変えることにより、発生するプラズ
マの密度を制御でき、成膜速度を大きく制御できること
も見いだして、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、これをプラズマ成膜装置による高速成膜に利用し本
発明を完成したのである。

［発明の開示］本発明は、プラズマ分解反応を利用して薄膜を形成する成膜装置
において、高周波印加電極が凹凸形状を有し、当該凹凸
部分は突起物と少なくともこの突起物の一部を囲む枠と
からなることを特徴とするプラズマ成膜装置、であり、
より具体的には、成膜装置の反応槽内に高周波印加電極と接地電極を有
し、該電極間に基板の設け、該電極間に発生するグロー
放電により、該基板上に薄膜を形成するプラズマ成膜装
置において、該高周波印加電極表面に突起物と枠を形成
し、該突起物周囲および枠内部に発生する高密度プラズ
マを利用するプラズマ成膜装置、にかかるものである。

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６（実際には、基板保持具に
保持固定された基板）を設置せしめて該基板上に薄膜を
形成するプラズマ成膜装置において、基本的に該高周波
印加電極表面に枠３および突起物４が設置されている成
膜装置である。なお、第２図はその斜視図である。

本発明において、枠の形状は特に限定されないが、突
起物の少なくとも一部を囲むことがプラズマの密度を高
めるので実用的であり好ましい。また枠の数は一つある
いは複数であってもよい。例えば第３図は、枠が二つ形
成されている状態を示す。勿論、同様にして、枠の数は
１〜20個程度の範囲で形成することが好ましい。もちろ
ん、さらにそれ以上形成することは自由である。また、
突起物の形状は特に限定されないが、基本的には、表面
積が大きくなるような形状のものほど好ましい。この枠
および突起物は高周波電極として一体型に形成してあっ
ても、また取り外し可能であっても構わない。なお、本
発明においては、「突起物の少なくとも一部を」枠で囲
むものであって、第４図のごとく、枠の外に残りの突起
物が存在していてもよい。

第１図に示すような高周波印加電極の枠の高さｈは、
0.5cm以上、5cm以下であることが好ましい。ｈが0.5cm
未満のように小さい場合には、電極表面に枠を形成した
効果が小さくなり、好ましいものではない。

一方、第１図に示すような高周波印加電極に形成され
る枠の幅ｄは、高周波印加電極の枠の頂点と基板との間
隔（電極間隔）以下、好ましくは0.1mm以上10cm以下で
ある。ｄが10cmより広い場合には、電極表面の枠により
均一成膜の効果が小さくなり好ましいものではない。

さらに、第１図、第２図に示すような、高周波印加電
極の枠の大きさｗは、特に限定されないが好ましくは20
mm以上1000mm以下程度である。

本発明における突起物の形状は限定的なものではない
が、高周波印加電極表面に垂直に設置するため円柱状、
角柱状のものが望ましい。さらに突起物は上述したごと
く、表面積が大きいほど高密度プラズマが生じやすいの
で成膜速度を大きくするためには、このような突起物を
多数設けるのが望ましいが、突起物同士が近すぎると逆
に高密度プラズマは得られないので、互いに5mm以上程
度間隔を有して設置するのが好ましい。また、突起物の
高さＨは、0.5cm以上、5cm以下であって、枠の高さと同
程度でも、また枠より高くても低くてもよい。くわえ
て、突起物の高さを全て一定にする必要もないことは勿
論である。なお、形状としては、円柱状、角柱状のもの
が望ましく、この頂部に、球状または皿状の頭部を形成
して、皿ビス状、釘状、針状等に形成してもよい。

本発明においては、「突起物の少なくとも一部を」枠
で囲むものであって、枠がなく突起物のみの場合は高密
度プラズマが得られにくく、成膜速度の増加効果は低
い。また、枠のみ、もしくは枠の外側にのみ突起物を形
成した場合は、やや効果が認められるものの、枠の内側
に突起物を形成する効果に比べると成膜速度増加の効果
は低いものでしかない。さらに、内側とともに枠の外側
にも突起物を設置すると、成膜速度の増加効果は高ま
る。

これら高周波印加電極や接地電極等の材質について
は、とく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量、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、銅等が好ましい材料として用いられる。

本発明のプラズマ成膜装置とは、上記したごとき、基
板を成膜室内に設置し、半導体薄膜を形成する装置であ
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を設け、または、これらの機
能を果たす基板導入および基板取り出し手段を設備する
ことは必須の条件ではないが、これらを具備することに
より、成膜を効率よく行うことができる。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枠形状および突起物よ
り形成される高周波印加電極および接地電極が設備され
ているものである。また、成膜を効率よく行うために、
基板保持具（基板キャリヤー）を移動させるための搬送
手段を設備することもできる。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、基板の基板キャリアへの設置方法につ
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
該プラズマに対しては垂直方向に、高周波印加電極の表
面および対向する接地電極の表面とに対しては平行方向
に設置される。また、基板保持具および搬送手段を用い
て、半導体薄膜等を移動中の基板上に形成させることも
できる。

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、基板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
の金属薄板やアルミニウム、クロム、ステンレス（SUS3
16,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ガ
スであり、一般式Si_nH_2n+2（ここで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図に示される枠および突起物より形成されて
いる凹凸形状の高周波印加電極を用い、具体的には、20
0mm角電極上に外枠150mm角、内枠（＝ｗ）130mm、枠幅
ｄ＝10mm、高さ（＝ｈ）30mmの枠を設け、枠内に高さ30
mm、直径5mmの円柱を９本設置したものを用い、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 30cc/min 高周波電力 60W 基板温度 300℃ 反応圧力 0.035torr 電極寸法 200mm角基板寸法 150mm角成膜結果；平均成膜速度 20Å/sec 基板上の成膜速度分布 ±５％代表的な光導電率 1.6＊10^-5S/cm 代表的な暗導電率 1.2＊10^-11S/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５Å/sec前後と小さく、また、高速成膜し
ようとすると、成膜速度分布が大きく、高速均一成膜が
極めて困難であることを確認するに到った。

同様にして、実施例と同様にして突起物のみの場合
は、７〜８Å/sec、枠のみの場合は、10〜12Å/sec、突
起物を枠の外側にのみ形成した場合は、やはり10〜12Å
/secであった。

［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
表面に枠およびこれを囲む突起物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。

【図面の簡単な説明】第１図は、枠および突起物より形成されている高周波印
加電極を有する反応室の模式的な断面図であり、第２図
は本電極の斜視図である。また第３図、第４図は本電極
における枠および突起物の配置の実施の態様の例を示す
斜視図である。図において、１……高周波印加電極、２……接地電極、３……枠、４……突起物、５……高周波電源、６……基板、を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ分解反応を利用して薄膜を形成す
る成膜装置において、高周波印加電極が凹凸形状を有
し、当該凹凸部分は突起物と少なくともこの突起物の一
部を囲む枠とからなることを特徴とするプラズマ成膜装
置。