JP3611309B2 - プラズマ化学蒸着装置における放電電極の構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチング、及び、これら製膜によってチェンバ内に堆積したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）のＮＦ３ガスのプラズマによるフッ素ラジカルクリーニング（セルフクリーニング）などに用いられるプラズマ化学蒸着装置（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）における、放電電極の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと称する）、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチングを行ったり、これら製膜によってチェンバ内に堆積したシリコンを、ＮＦ３ガスでセルフクリーニングするために用いられるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置には、平行平板型電極を用いたものと、ラダー型電極を用いたものの２種類がある。
【０００３】
図６は平行平板型電極を用いた装置の一構成例で、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持手段６を設置して電気的に接地し、この基板加熱支持手段６と対向させて例えば２０ｍｍ離した位置に平板電極６０を設置する。そして平板電極６０に、外部の高周波電源６１をインピーダンス整合器６２、および同軸ケーブル６３を介して接続し、さらに基板加熱支持手段６と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシールド５を設置する。
【０００４】
そして、例えば２００℃に設定した基板加熱支持手段６上にａ−Ｓｉ薄膜を製膜する基板７を設置し、ガス導入管６４からシラン（ＳｉＨ４）ガスを例えば流速５０ｓｃｃｍで導入し、真空排気管６５に接続した図示しない真空ポンプ系の排気速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置１内の圧力を例えば１００ｍＴｏｒｒに調節する。そして、高周波電力が効率良くプラズマ発生部に供給されるようにインピーダンス整合器６２を調整して高周波電源６１から高周波電力を供給すると、基板７と平板電極６０の間にプラズマ６６が発生し、このプラズマ６６の中でシラン（ＳｉＨ４）が分解して基板７表面にａ−Ｓｉ模が製膜される。そのため、例えば１０分間程度この状態で製膜を行うことにより、必要な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。
【０００５】
図７はラダー型電極７０を用いた装置の一構成例を示し、図８は、ラダー型電極７０の構造がよく分かるように図７のＡ方向から描いた図である。ラダー型電極については、例えば特開平４−２３６７８１号公報に詳細に述べられ、またラダー型電極を発展させた電極形状として、複数の電極棒を平行に並べた電極群を２つ直行させて配置させた網目状の電極を用いた構造が特開平１１−１１１６２２号公報に報告されている。
【０００６】
この図７における高周波プラズマ発生装置においては、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持手段６（図８には図示していない）を設置して電気的に接地し、基板加熱支持手段６と対向して例えば２０ｍｍ離した位置にラダー型電極７０を設置する。ラダー型電極７０には、外部の高周波電源６１をインピーダンス整合器６２および同軸ケーブル６３を介して接続し、基板加熱支持手段６と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシールド５が設置してある。
【０００７】
そして、例えば２００℃に設定した基板加熱支持手段６上にａ−Ｓｉ膜を製膜する基板７を設置し、ガス供給管からシラン（ＳｉＨ４）ガスを例えば流速５０ｓｃｃｍで導入する。そしてプラズマ化学蒸着装置１内の圧力を、図示しない真空排気管に接続した真空ポンプ系の排気速度で例えば１００ｍＴｏｒｒに調整する。この状態で高周波電力をラダー型電極７０に供給すると、基板７とラダー型電極７０の間にプラズマ７１が発生するから、高周波電力が効率良くプラズマ７１の発生部に供給されるようにインピーダンス整合器５を調整する。するとプラズマ７１中ではシラン（ＳｉＨ４）が分解し、基板７にａ−Ｓｉ膜が製膜されるから、例えば１０分程度この状態で製膜を行うことにより、必要な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。
【０００８】
この図７の構成例は図６の構成例と比較し、第一に電極として平板電極を用いずに円形断面の電極捧を梯子型に組んだラダー型と呼ばれる電極を用いているため、電極棒の間を原料のシラン（ＳｉＨ４）ガスが自由に流れて原料供給が均一に行われ、第二に給電を電極の１箇所に行うのではなく、７２で示した複数（ここでは４点）箇所で行うことで、プラズマが均一に発生できるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このようにプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置は構成されているが、現在、上記技術を用いて作製される太陽電池用薄膜半導体、フラットパネルディスプレイ用薄膜トランジスタなどは、大面積（例えば１．５×１．２ｍ程度）・高速製膜による低コスト化、および、低欠陥密度、高結晶化率などの高品質化が求められ、また、このような大面積の製膜によってチェンバ内に堆積したａ−ＳｉのＮＦ３ガスによるセルフクリーニングも、製膜と同様大面積・高速化が要求されている。
【００１０】
そしてこれら要求を満たす新しいプラズマ生成方法として、高周波電源の高高周波化（３０〜８００ＭＨｚ）がある。該高高周波化により製膜速度の高速化と高品質化が両立されることが、例えば文献Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４２４，ｐｐ．９，１９９７に記されている。特に、ａ−Ｓｉに代る新しい薄膜として注目されている微結晶Ｓｉ薄膜の高速高品質製膜に、この高高周波が適していることが最近分かってきている。
【００１１】
ところがこの高高周波による製膜は、均一大面積製膜が難しいという欠点がある。これは、高高周波の波長が電極サイズと同程度のオーダー以下であることから、電極両端から高高周波を互いに向かい合う方向に供給することによる電極上定在波の発生、電極端などで生じる反射波を主因とする電極上定在波の発生、浮遊インダクタンスの存在による電圧分布への影響、プラズマと高周波との相互干渉、周波数増加に伴うシースキャパシタンス増加による定在波長の減少などでプラズマが不均一となり、結果、製膜が不均一になるためである。そのため、製膜における膜厚分布が、中央部において大きく薄くなるという結果が生じる。また、セルフクリーニングに用いるＮＦ３プラズマは、ＮＦ３ガスが負性ガス（電子を付着しやすい性質）であるため、プラズマ自体が非常に不安定であると共に、ガス流れ（下流側にプラズマ発生）や電極間隔の相違によって分布が不均一になる。
【００１２】
このうち、平行平板電極を用いた場合の代表例として示した図６の構成例においては、電極サイズが３０ｃｍ×３０ｃｍを越え、または、周波数が３０ＭＨｚを越えると、上記定在波の影響が顕著となり、半導体製膜上最低限必要な製膜膜厚均一性±１０％の達成が困難になる。
【００１３】
一方、ラダー型電極を用いた場合の代表例としてあげた図７、図８は、ラダー型電極を用いていることに加え、１点給電では顕著に生じてしまう定在波を、４点に給電することにより低減したことを特徴とするものである。しかしながら、この場合でも、電極サイズが３０ｃｍを越え、または、周波数が８０ＭＨｚを越えると均一な製膜の実現が難しくなってくる。
【００１４】
以上のような問題は学会でも注目され、これまでに例えば文献Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．３７７，ｐｐ．２７，１９９５に記されているように、平行平板の給電側と反対側にロスのないリアクタンス（コイル）を接続することが提案されている。これは、定在波の電極端からの反射条件を変えることで、定在波の波形の中で分布が比較的平らな部分、例えば正弦波の極大付近を電極上に発生させて、電極に生じる電圧分布を少なくするものである。しかしながら、この方法は定在波を根本から無くすのではなく、正弦波のうち平らな部分が電極上に発生するようにするだけであるため、均一部分が得られるのは波長の１／８程度までであり、それを越える範囲の均一化は原理的に不可能である。
【００１５】
また、大面積で均一なプラズマを発生するための電極構造として、特開２０００−３８７８号公報、特開２０００−５８４６５号公報、特開２０００−３２３２９７号公報などに示された技術があるが、これらは最大８０ｃｍ×８０ｃｍ程度の電極に対応しているだけであり、本発明が目指しているような１．５ｍ×１．２ｍというような大面積には対応できない。そのため、プラズマ化学蒸着装置において高高周波を用いてプラズマを発生させる場合、従来の技術では、１ｍ×１ｍを越えるような非常に大きな基板を対象として、大面積で均一なプラズマを発生させ、均一処理を行うことはできなかった。
【００１６】
なお、本発明の類似技術として、２つの異なる高周波を２つの放電電極にそれぞれ供給する技術があり、例えば、Ｍ．Ｎｏｉｓａｎ，Ｊ．Ｐｅｌｌｅｔｉｅｒ，ｅｄ．，”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｐｌａｓｍａｓ”、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４，ｓｅｃｏｎｄ ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｐｐ．４０１，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂ．Ｖ．１９９９に詳述されている。
【００１７】
しかし、この技術の目的は、１つの高周波をプラズマ生成のために、他方の高周波を絶縁性基板の表面バイアス電圧制御のために用い、基板への活性イオン等の流入量、および入射エネルギーを制御することであり、本発明のように１ｍ×１ｍを越えるような非常に大きな基板を対象として大面積において均一なプラズマを発生させ、均一処理を行う目的とは全く異なるものである。
【００１８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、高高周波（ＶＨＦ）を利用するプラズマ化学蒸着装置において、定在波、シースキャパシタンス、セルフクリーニング用ＮＦ３ガス流れの不均一などで生じるプラズマ発生状況の不均一を防止し、大面積でプラズマ発生状況が均一となるようなプラズマ化学蒸着装置における放電電極の構造を提供することが課題である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明においては、ラダー型放電電極において電極軸方向に対して垂直方向にクロスバーを挿入し、定在波の形を変えてプラズマを均一化させる、電極の径を小さくしてシースキャパシタンスを減少させて定在波波長を増加させ、放電電極における電圧分布を均一化する、放電電極を左右方向に分割し、電極左右方向の電力バランスを図る等の方法でプラズマの発生状況が大面積で均一となるようにした。
【００２０】
そのため本発明においては、請求項１に記載したように、
プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用のラダー型放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極の軸方向に対して垂直方向へクロスバーを付加し、定在波形状を変化させて発生するプラズマを均一化させたことを特徴とする。
【００２１】
このようにすることにより、定在波の形状が変化してプラズマ領域が拡大され、発生するプラズマが均一化される。
【００２２】
そして請求項２に記載した発明は、
プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用のラダー型放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極軸方向に対して垂直方向へクロスバーを付加し、かつ、定在波波長を増加させる範囲で前記ラダー型放電電極径を小さくし、発生するプラズマを均一化することを特徴とする。
【００２３】
このように放電電極径を小さくすることで、電極の周りに発生するシースキャパシタンスを減少させることができ、定在波波長が増加してプラズマ領域が拡大され、発生するプラズマが均一化される。
【００２４】
そしてこのクロスバーは、請求項３に記載したように、ラダー型放電電極の軸方向中点を中心に対称位置に対で設けることで、放電電極両端に設けた給電部から同一距離とし、効果を大きくすると共に、電極径を小さくした場合の機械的強度の補強の役割を持たせることができる。
【００２５】
そしてこの放電電極は、請求項４に記載したように、
プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割し、放電電極左右方向の電力バランスを図ってプラズマ密度の偏重を低減するようにしたことを特徴とする。
【００２６】
このように放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割することにより、ＮＦ３ガスのように放電が不安定なガスが片側に偏って流れた際に生じる放電の集中によるプラズマの集中を押さえ、放電電極全面にわたって均一な放電を得ることができる。
【００２７】
そして分割した放電電極の給電部は、各分割単位で安定して放電がおこなわれるよう請求項５に記載のように、前記分割した放電電極毎に給電部を設けることが好ましい。
更に前記第２の異なる周波数の高周波の発振周波数を同位相のまま時間的に変動させて周波数変調を行うのがよく、又前記サイクルを交互に切り換えて給電を行う第１の同一周波数の高周波が、一のサイクルにおいて他のサイクルに対し、位相をずらして給電されるのがよい。
そしてこのような放電電極構造は、
前記ラダー型放電電極の両端に設けた第１と第２の給電部に夫々接続された第１と第２の高周波電源と、第１の高周波電源と切り換えスイッチを介して第２の高周波電源にいずれかの高周波を位相変調することができる第１の高周波発振器と、発振周波数を同位相のまま時間的に変動させる周波数変調可能に構成し、切り換えスイッチを介して第２の高周波電源に供給する第２の高周波発振器とを具えてなる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２９】
図１は、本発明になる放電電極構造を有したプラズマ化学蒸着装置の一実施例概略ブロック図、図２は本発明になる放電電極構造の実施例を示した概略図、図３は本発明になる放電電極構造の一実施例を説明するための図、図４は放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を０：１から９：１までの１０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図、図５は給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図である。
【００３０】
図１において、１は内部が気密に作られたプラズマ化学蒸着装置、２は放電電極、３、４は放電電極２へ高周波を給電するための第１と第２の給電部、５は不要なプラズマが生成しないように設けたアースシールド、６は放電電極２から例えば２０〜３４ｍｍ程度離して設置し、基板７を保持、加熱するための図示していない機構と加熱するためのヒータを内蔵している加熱支持手段、８は図示しないガス供給源に連通し、例えば製膜のためのシラン（ＳｉＨ４）ガスやセルフクリーニングのためのＮＦ３ガスなどの反応ガス９を導入するためのガス導入管、１０は排気管、１１はプラズマ化学蒸着装置１内の内圧を１×１０−６Ｔｏｒｒ程度まで真空排気可能な真空ポンプ、１２、１３は第１と第２の高周波電源Ａ、Ｂを構成するＲＦアンプ、１４は例えば６０ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を発振して高周波電源（ＲＦアンプ）Ａと切り替えスイッチ１６に送ると共に、どちらかの高周波を位相変調することができるフェーズシフターを有した第１の高周波（ＲＦ）発振器、１５は例えば５８．５ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を発振すると共に、この周波数を例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動可能に構成したした第２の高周波（ＲＦ）発振器、１６は第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波を受け、これを切り替えて高周波電源Ｂ１３に供給する切り替えスイッチ、１７は、切り替えスイッチ１６による第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波の切り替えに際し、これらの高周波の時間割合、すなわちデューティ比を変化させるファンクションジェネレータである。図２において２０、２１、２３、２４、２５、２６、２８、２９はラダー型電極２に付加したクロスバー、図３における３０はラダー型放電電極の１つの電極を示したもの、３１、３２は高周波を放電電極３０に給電する給電用ケーブル、３３はＤＣバイアス電源である。
【００３１】
このうち第１の高周波発振器１４は、例えば６０ＭＨｚの高周波を発振してこれを高周波電源Ａ１２、切り替えスイッチ１６に送り、第２の高周波発振器１５は例えば５８．５ＭＨｚの高周波を発振して切り替えスイッチ１６に送る。そしてこの切り替えスイッチ１６は、第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源Ｂ１３に送る。そのため高周波電源Ａ１２は、６０ＭＨｚの高周波を第１の給電部３に給電し、高周波電源Ｂ１３は、一定サイクルで切り替わる６０ＭＨｚと５８．５ＭＨｚの高周波を第２の給電部４に給電する。
【００３２】
そして、この切り替えスイッチ１６による第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波の切り替えは、ガス圧やガス種などのガス条件に応じたファンクションジェネレータ１７からの信号で、その時間割合、すなわちデューティ比を変化できるようになっている。また第１の高周波発振器１４は、内部にフェーズシフターを有し、高周波電源Ａ１２、または切り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波とは位相をずらせられるようにしてあり、更に第２の高周波発振器１５は、その発振周波数を例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動可能に構成してある。
【００３３】
一方このプラズマ化学蒸着装置１の放電電極２は、図２（Ａ）に示したように例えばラダー型に構成され、第１の給電部３、第２の給電部４は、図のように放電電極２の両端部に黒丸で示した例えば８ポイントずつで構成する。なお、この給電部３、４は８ポイントのみに限らず、４ポイント、１６ポイントなど、必要に応じてポイント数を設定できる。
【００３４】
そして図２（Ｂ）は、本発明における放電電極構造の第１の実施例を示したもので、このラダー型放電電極２の軸方向中心に対して対称な位置にクロスバー２０、２１を付加したものである。このようにクロスバー２０、２１を付加することにより、定在波の形状が変化してプラズマ領域が拡大して発生するプラズマが均一化される。なお、この図２（Ｂ）においてはクロスバーを２本として示したが、この本数は２本だけに限ることなく任意の本数とすることができる。
【００３５】
また図２（Ｃ）は、本発明における放電電極構造の第２の実施例を示したもので、放電電極２を左右にｎ個に分割し、それぞれに給電部３１、３２、……３ｎ、４１、４２、……４ｎを設けたものである。こそしてこの図に示したように、各分割単位毎にクロスバー２３、２４、２５、２６、２８、２９を設けても良い。このように放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割することにより、放電電極左右方向の電力バランスが図られ、ＮＦ３ガスのように放電が不安定なガスが片側に偏って流れた場合、プラズマがその部分に集中して電力を消費し、他の部分のプラズマが少なくなってしまうのを防止し、放電電極全面にわたって均一な放電を得ることができる。また、クロスバーを付加することにより、定在波の形状が変化してプラズマ領域が拡大して発生するプラズマが均一化されるので、分割したことと相まって、より均一なプラズマを得ることができる。なお、この図２（Ｃ）においては本発明をラダー型電極の場合を例に説明したが、電極は平板型でも良く、この場合はクロスバーは付加しない。また、分割数も８分割だけに限られるものではなく、任意の数に分割可能である。
【００３６】
さらに図３は、本発明における放電電極構造の第３の実施例を説明するための図であり、放電電極３０の給電部３、または４へ高周波を給電する給電用ケーブル２１、２２は、出口の軸方向をラダー型電極３０の第１と第２の給電部３、４を結ぶ方向（軸方向）と一致させて接続し、またこの放電電極３０には、ＤＣバイアス電源２３からＤＣバイアスを印加してある。そして本発明においては、ラダー型電極３０の径を例えば６ｍｍ程度に小さくし、シースキャパシタンスを減少させて定在波波長を増加させ、プラズマ領域を拡大して発生するプラズマを均一化するようにした。シースキャパシタンスというのは、プラズマが生成される過程でラダー型電極３０の周りにシースと呼ばれる電子の集まりができ、この電子の集まりで一種の絶縁を保ったような状態が生じて直流的な電流が流れず、あたかもコンデンサが電極の周りにあるような状態になることをいう。そして、このシースキャパシタンスが大きくなると定在波波長が小さくなり、プラズマの発生にムラが生じる。
【００３７】
この定在波波長は、放電電極２内の高周波電圧の伝搬速度ｖに比例しており、そしてこの伝搬速度ｖは下記（１）式で表される。
【数１】
上記（１）式において、Ｌはラダー型電極の機械的幾何学的形状で発生するインダクタンスで一定である。Ｃは前記したシースキャパシタンスで、これは下記（２）式で表される。
Ｃ＝ε×（ｓ／ｄ）…… （２）
（ｓ：面積、ｄ：シースキャパシタンスの距離）
そのため、ラダー型電極３０の径が小さくなるとこのｄが小さくなり、シースキャパシタンスＣが小さくなる。すると（１）式により、放電電極３０内の高周波電圧の伝搬速度ｖが大きくなり、それに伴って定在波の波長が大きくなってプラズマが均一に発生する領域が増大する。
【００３８】
但し、このようにラダー型電極３０の径を小さくすると、本発明が目指している１．５ｍ×１．２ｍのような大面積の場合には機械的な強度が減少する。そのため本発明においては、前記図２の（Ｂ）、（Ｃ）のようにクロスバーを併用することで、補強を行っている。
【００３９】
また、前記したように放電電極２の給電部３、または４へ高周波を給電する給電用ケーブル３１、３２の出口軸方向を放電用ラダー型電極３０の軸方向と一致させて接続すると、給電パワーがスムーズにラダー型電極３０に入ってゆき、電流リターン距離が最小化されて給電部での電力ロスが低減し、プラズマ領域の拡大を図ることができる。なお、この給電用ケーブル３１、３２は同軸ケーブル、平行平板、平行線など、どのような形状のものでも良い。また、この放電電極２にＤＣバイアス電源３３からＤＣバイアスを印加すると放電電極２のシースキャパシタンスを減少させることができ、電圧分布が均一化の方向に向かって定在波波長を増加させ、プラズマ密度を平均化させることができる。
【００４０】
このように構成した本発明のプラズマ化学蒸着装置１を用い、ａ−Ｓｉ、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や、これらの製膜によってチェンバ内に堆積したａ−ＳｉのＮＦ３ガスによるセルフクリーニングなどを行う場合、例えば製膜においては、２００℃に設定した加熱支持手段６に基板７を取り付け、ガス導入管８からシラン（ＳｉＨ４）ガスなどの反応ガス９を例えば流速５０ｓｃｃｍで導入し、排気管１０に接続した真空ポンプ１１の排気速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置１内の圧力を例えば１００ｍＴｏｒｒに調節する。
【００４１】
そして、第１の高周波発振器１４からは例えば６０ＭＨｚの高周波を、第２の高周波発振器１５からは例えば５８．５ＭＨｚの高周波を、それぞれ高周波電源Ａ１２、切り替えスイッチ１６に送る。そしてこの切り替えスイッチ１６により、第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源Ｂ１３に送る。すると高周波電源Ａ１２は、６０ＭＨｚの高周波を第１の給電部３に給電し、高周波電源Ｂ１３は、一定サイクルで切り替わる６０ＭＨｚと５８．５ＭＨｚの高周波を第２の給電部４に給電する。
【００４２】
すると放電電極２と基板７との間にプラズマが発生し、ガス導入管８から導入されたシラン（ＳｉＨ４）ガスなどの反応ガス９が分解し、基板７上にａ−Ｓｉが製膜されてゆく。なお、前記したＮＦ３ガスによるプラズマ化学蒸着装置１内のセルフクリーニングも全く同様であり、ＮＦ３ガスがプラズマによって分解してフッ素ラジカルになり、クリーニングが行われる。
【００４３】
そしてこのとき発生したプラズマは、第１と第２の給電部３、４に同じ６０ＭＨｚの高周波が給電された時と、第１の給電部３に６０ＭＨｚの高周波、第２の給電部４に５８．５ＭＨｚという具合に異なる周波数の高周波が給電された時とでは、図４に示したようにその発生状況が異なる。すなわちこの図４に示したグラフは、前記したようにプラズマ化学蒸着装置１にシラン（ＳｉＨ４）ガスなどの反応ガス９を導入し、放電電極２の第１と第２の給電部３、４に同じ周波数（６０ＭＨｚ）の高周波を給電した時間と、異なる周波数の高周波を給電（第１の給電部３に６０ＭＨｚ、第２の給電部４に５８．５ＭＨｚを給電）した時間の比を、０：１０から９：１までの１０パターンで変化させ、プラズマの発生状況を調べたものである。
【００４４】
この図４において、横軸は第１の給電部３（０ｃｍ）からの距離を示し、右端（１１０ｃｍ）が第２の給電部４に相当する。縦軸はプラズマの電圧相対値で、この値が高いほどプラズマ密度が高くなる。図中ａの線は、給電した周波数が異なる場合の時間を１０とし、同一周波数を給電した場合の時間を０、すなわち給電した周波数が異なる場合のみのプラズマ発生状況を示し、ｂの線は同じく異なる周波数９に対して同じ周波数が１の場合で、以下同様にｎの線は異なる周波数１に対して同じ周波数が９の場合である。
【００４５】
このグラフからわかるように、第１と第２の給電部３、４に異なる周波数を給電したａでは、放電電極２の両端部、すなわち給電部３、４付近で最もプラズマ密度が高く、中央部で最もプラズマ密度が低くなっている。それに対し、第１と第２の給電部３、４に同じ周波数を給電した割合が最も高いｎでは、放電電極２の中央部で最もプラズマ密度が高く、中央部から両端の給電部３、４に近付くに従って低くなり、給電部３、４付近でまた多少高くなっている。そして、第１と第２の給電部３、４に異なる周波数を給電する時間と、同一周波数を給電する時間を５対５の同じとしたｆでは、このａとｎのプラズマ発生状況が足し合わされ、放電電極２の両端部でプラズマ密度が多少高くなっているが、中央部の広範囲で均一なプラズマ発生状況となっている。
【００４６】
すなわちこの図４のグラフは、６０ＭＨｚという高高周波において放電電極２の両端の給電部３、４に同一周波数の高周波を給電した場合は中央部でプラズマ密度が高くなり、異なる周波数の高周波を給電した場合は中央部の密度が低くなることを示しており、これを適宜なサイクルで交互に行うことで、大面積においてプラズマ発生状況を均一化できる。なおこの給電部３、４に同一周波数と異なる周波数の高周波を交互に給電するサイクルは、１Ｈｚから１０ＭＨｚまでほぼ同一の効果が得られた。
【００４７】
そしてこの状態において、さらに第２の高周波発振器１５の発振周波数を、例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように、同位相のまま時間的に変動させてやる。するとこの周波数の変動によってプラズマ発生状況を意図的に変えることができ、プラズマ密度をさらに平均化することができる。
【００４８】
また、第１の高周波発振器１４に含まれるフェーズシフターにより、高周波電源Ａ１２、または切り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波に対して位相をずらしてやる。すると、例えば図５に５０の実線で示したように、位相がずれていない時に放電電極２の中央部でプラズマ密度が低くなる給電状態においては、位相をずらすことによって、プラズマ密度の低い位置を５１、または５２の破線、または一点鎖線で示したように左右にずらすことができる。そのため、時間平均で見るとさらに広範囲でプラズマ密度を均一化できる。
【００４９】
また、ガス圧やガス種などのガス条件が変化した場合は、ファンクションジェネレータ１７から切り替えスイッチ１６に信号を送り、切り替えスイッチ１６に送られてくる第１の高周波発振器１４からの高周波と、第２の高周波発振器１５からの高周波の高周波電源Ｂ１３へのそれぞれの送出時間比、すなわちデューティ比（Ｄｕｔｙ比）を図４に示したように変化させる。このようにすることで、放電電極２の第１と第２の給電部３、４における同一周波数の高周波が給電される時間と、異なった周波数の高周波が給電される時間の比（デューティ比）が変化し、それによって図４に示したようにプラズマの発生状況の比を種々に変化させることができる。
【００５０】
これは、ガス圧、ガス種などのガス条件によって同じデューティ比でもプラズマの発生状況が異なることに対処するためのもので、放電がおきやすいガス条件の場合、放電電極２の両端部３、４から給電した電力は放電電極２の中央部に達する前に放電してしまい、中央部での放電が少なくなる。そのため、図４におけるａのグラフのように放電電極２の中央部でプラズマ発生密度が低くなるから、この場合は、同一周波数の高周波を給電する時間を長くし、逆に中央部のプラズマ密度が高くなったときは同一周波数の高周波を給電する時間を短くする。これによって、ガス圧、ガス種類などのガス条件が変化しても、中央部のプラズマ密度がコントロールでき、さらに均一化することが可能となる。
【００５１】
なお、以上説明してきた方法で製膜やセルフクリーニングを実施する際、製膜速度やセルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で、均一なプラズマが発生しやすいＮ２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等のガスを適正比（０．１〜２５％程度）注入してやると、さらに均一な製膜が実現できる。
【００５２】
そしてこのような製膜やクリーニングにおいて、本発明におけるプラズマ化学蒸着装置における放電電極は、前記したようにラダー型放電電極軸方向に対して垂直方向にクロスバーを挿入し、定在波の形を変えてプラズマを均一化させること、電極径を小さくしてシースキャパシタンスを減少させ、定在波波長を増加させて放電電極における電圧分布を均一化すること、放電電極を左右方向に分割して電極左右方向の電力バランスを図ることなどにより、定在波、シースキャパシタンス、セルフクリーニング用ＮＦ３ガス流れの不均一などで生じるプラズマ発生状況の不均一などを防止し、さらに大面積でのプラズマ発生状況を均一とすることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によるプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造によれば、定在波、シースキャパシタンス、セルフクリーニング用ＮＦ３ガス流れの不均一などで生じるプラズマ発生状況の不均一を防止し、大面積でプラズマ発生状況を均一とすることができる。また、圧力条件、流量条件などのガス条件が変わった場合でもハードをさわることなく、高速で均一な製膜、均一なセルフクリーニングをおこなうことが可能となり、大面積製膜における製膜製品の歩留まりの向上、コスト低減という大きな成果を得ることができ、さらに、ハード調整が少ないため初期調整が容易となってランニングコストも低減できるなど、大きな効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる放電電極の構造を有したプラズマ化学蒸着装置の一実施例概略ブロック図である。
【図２】本発明になる放電電極の構造の実施例を示した概略図である。
【図３】本発明になる放電電極の構造を説明するための図である。
【図４】放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を０：１０から９：１までの１０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図である。
【図５】給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図である。
【図６】従来の平行平板型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。
【図７】従来のラダー型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。
【図８】従来のラダー型電極の構造を説明するための図である。
【符号の説明】
２ 放電電極
３ 第１の給電部
４ 第２の給電部
２０〜２９ クロスバー
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチング、及び、これら製膜によってチェンバ内に堆積したアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）のＮＦ３ガスのプラズマによるフッ素ラジカルクリーニング（セルフクリーニング）などに用いられるプラズマ化学蒸着装置（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）における、放電電極の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと称する）、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や半導体膜のエッチングを行ったり、これら製膜によってチェンバ内に堆積したシリコンを、ＮＦ３ガスでセルフクリーニングするために用いられるプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置には、平行平板型電極を用いたものと、ラダー型電極を用いたものの２種類がある。
【０００３】
図６は平行平板型電極を用いた装置の一構成例で、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持手段６を設置して電気的に接地し、この基板加熱支持手段６と対向させて例えば２０ｍｍ離した位置に平板電極６０を設置する。そして平板電極６０に、外部の高周波電源６１をインピーダンス整合器６２、および同軸ケーブル６３を介して接続し、さらに基板加熱支持手段６と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシールド５を設置する。
【０００４】
そして、例えば２００℃に設定した基板加熱支持手段６上にａ−Ｓｉ薄膜を製膜する基板７を設置し、ガス導入管６４からシラン（ＳｉＨ４）ガスを例えば流速５０ｓｃｃｍで導入し、真空排気管６５に接続した図示しない真空ポンプ系の排気速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置１内の圧力を例えば１００ｍＴｏｒｒに調節する。そして、高周波電力が効率良くプラズマ発生部に供給されるようにインピーダンス整合器６２を調整して高周波電源６１から高周波電力を供給すると、基板７と平板電極６０の間にプラズマ６６が発生し、このプラズマ６６の中でシラン（ＳｉＨ４）が分解して基板７表面にａ−Ｓｉ模が製膜される。そのため、例えば１０分間程度この状態で製膜を行うことにより、必要な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。
【０００５】
図７はラダー型電極７０を用いた装置の一構成例を示し、図８は、ラダー型電極７０の構造がよく分かるように図７のＡ方向から描いた図である。ラダー型電極については、例えば特開平４−２３６７８１号公報に詳細に述べられ、またラダー型電極を発展させた電極形状として、複数の電極棒を平行に並べた電極群を２つ直行させて配置させた網目状の電極を用いた構造が特開平１１−１１１６２２号公報に報告されている。
【０００６】
この図７における高周波プラズマ発生装置においては、プラズマ化学蒸着装置１内に基板加熱支持手段６（図８には図示していない）を設置して電気的に接地し、基板加熱支持手段６と対向して例えば２０ｍｍ離した位置にラダー型電極７０を設置する。ラダー型電極７０には、外部の高周波電源６１をインピーダンス整合器６２および同軸ケーブル６３を介して接続し、基板加熱支持手段６と対向する面と反対側に不要なプラズマが生成しないようにアースシールド５が設置してある。
【０００７】
そして、例えば２００℃に設定した基板加熱支持手段６上にａ−Ｓｉ膜を製膜する基板７を設置し、ガス供給管からシラン（ＳｉＨ４）ガスを例えば流速５０ｓｃｃｍで導入する。そしてプラズマ化学蒸着装置１内の圧力を、図示しない真空排気管に接続した真空ポンプ系の排気速度で例えば１００ｍＴｏｒｒに調整する。この状態で高周波電力をラダー型電極７０に供給すると、基板７とラダー型電極７０の間にプラズマ７１が発生するから、高周波電力が効率良くプラズマ７１の発生部に供給されるようにインピーダンス整合器５を調整する。するとプラズマ７１中ではシラン（ＳｉＨ４）が分解し、基板７にａ−Ｓｉ膜が製膜されるから、例えば１０分程度この状態で製膜を行うことにより、必要な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。
【０００８】
この図７の構成例は図６の構成例と比較し、第一に電極として平板電極を用いずに円形断面の電極捧を梯子型に組んだラダー型と呼ばれる電極を用いているため、電極棒の間を原料のシラン（ＳｉＨ４）ガスが自由に流れて原料供給が均一に行われ、第二に給電を電極の１箇所に行うのではなく、７２で示した複数（ここでは４点）箇所で行うことで、プラズマが均一に発生できるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このようにプラズマ化学蒸着装置における高周波プラズマ発生装置は構成されているが、現在、上記技術を用いて作製される太陽電池用薄膜半導体、フラットパネルディスプレイ用薄膜トランジスタなどは、大面積（例えば１．５×１．２ｍ程度）・高速製膜による低コスト化、および、低欠陥密度、高結晶化率などの高品質化が求められ、また、このような大面積の製膜によってチェンバ内に堆積したａ−ＳｉのＮＦ３ガスによるセルフクリーニングも、製膜と同様大面積・高速化が要求されている。
【００１０】
そしてこれら要求を満たす新しいプラズマ生成方法として、高周波電源の高高周波化（３０〜８００ＭＨｚ）がある。該高高周波化により製膜速度の高速化と高品質化が両立されることが、例えば文献Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．４２４，ｐｐ．９，１９９７に記されている。特に、ａ−Ｓｉに代る新しい薄膜として注目されている微結晶Ｓｉ薄膜の高速高品質製膜に、この高高周波が適していることが最近分かってきている。
【００１１】
ところがこの高高周波による製膜は、均一大面積製膜が難しいという欠点がある。これは、高高周波の波長が電極サイズと同程度のオーダー以下であることから、電極両端から高高周波を互いに向かい合う方向に供給することによる電極上定在波の発生、電極端などで生じる反射波を主因とする電極上定在波の発生、浮遊インダクタンスの存在による電圧分布への影響、プラズマと高周波との相互干渉、周波数増加に伴うシースキャパシタンス増加による定在波長の減少などでプラズマが不均一となり、結果、製膜が不均一になるためである。そのため、製膜における膜厚分布が、中央部において大きく薄くなるという結果が生じる。また、セルフクリーニングに用いるＮＦ３プラズマは、ＮＦ３ガスが負性ガス（電子を付着しやすい性質）であるため、プラズマ自体が非常に不安定であると共に、ガス流れ（下流側にプラズマ発生）や電極間隔の相違によって分布が不均一になる。
【００１２】
このうち、平行平板電極を用いた場合の代表例として示した図６の構成例においては、電極サイズが３０ｃｍ×３０ｃｍを越え、または、周波数が３０ＭＨｚを越えると、上記定在波の影響が顕著となり、半導体製膜上最低限必要な製膜膜厚均一性±１０％の達成が困難になる。
【００１３】
一方、ラダー型電極を用いた場合の代表例としてあげた図７、図８は、ラダー型電極を用いていることに加え、１点給電では顕著に生じてしまう定在波を、４点に給電することにより低減したことを特徴とするものである。しかしながら、この場合でも、電極サイズが３０ｃｍを越え、または、周波数が８０ＭＨｚを越えると均一な製膜の実現が難しくなってくる。
【００１４】
以上のような問題は学会でも注目され、これまでに例えば文献Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．Ｖｏｌ．３７７，ｐｐ．２７，１９９５に記されているように、平行平板の給電側と反対側にロスのないリアクタンス（コイル）を接続することが提案されている。これは、定在波の電極端からの反射条件を変えることで、定在波の波形の中で分布が比較的平らな部分、例えば正弦波の極大付近を電極上に発生させて、電極に生じる電圧分布を少なくするものである。しかしながら、この方法は定在波を根本から無くすのではなく、正弦波のうち平らな部分が電極上に発生するようにするだけであるため、均一部分が得られるのは波長の１／８程度までであり、それを越える範囲の均一化は原理的に不可能である。
【００１５】
また、大面積で均一なプラズマを発生するための電極構造として、特開２０００−３８７８号公報、特開２０００−５８４６５号公報、特開２０００−３２３２９７号公報などに示された技術があるが、これらは最大８０ｃｍ×８０ｃｍ程度の電極に対応しているだけであり、本発明が目指しているような１．５ｍ×１．２ｍというような大面積には対応できない。そのため、プラズマ化学蒸着装置において高高周波を用いてプラズマを発生させる場合、従来の技術では、１ｍ×１ｍを越えるような非常に大きな基板を対象として、大面積で均一なプラズマを発生させ、均一処理を行うことはできなかった。
【００１６】
なお、本発明の類似技術として、２つの異なる高周波を２つの放電電極にそれぞれ供給する技術があり、例えば、Ｍ．Ｎｏｉｓａｎ，Ｊ．Ｐｅｌｌｅｔｉｅｒ，ｅｄ．，”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｐｌａｓｍａｓ”、Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４，ｓｅｃｏｎｄ ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｐｐ．４０１，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂ．Ｖ．１９９９に詳述されている。
【００１７】
しかし、この技術の目的は、１つの高周波をプラズマ生成のために、他方の高周波を絶縁性基板の表面バイアス電圧制御のために用い、基板への活性イオン等の流入量、および入射エネルギーを制御することであり、本発明のように１ｍ×１ｍを越えるような非常に大きな基板を対象として大面積において均一なプラズマを発生させ、均一処理を行う目的とは全く異なるものである。
【００１８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、高高周波（ＶＨＦ）を利用するプラズマ化学蒸着装置において、定在波、シースキャパシタンス、セルフクリーニング用ＮＦ３ガス流れの不均一などで生じるプラズマ発生状況の不均一を防止し、大面積でプラズマ発生状況が均一となるようなプラズマ化学蒸着装置における放電電極の構造を提供することが課題である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明においては、ラダー型放電電極において電極軸方向に対して垂直方向にクロスバーを挿入し、定在波の形を変えてプラズマを均一化させる、電極の径を小さくしてシースキャパシタンスを減少させて定在波波長を増加させ、放電電極における電圧分布を均一化する、放電電極を左右方向に分割し、電極左右方向の電力バランスを図る等の方法でプラズマの発生状況が大面積で均一となるようにした。
【００２０】
そのため本発明においては、請求項１に記載したように、
プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用のラダー型放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極の軸方向に対して垂直方向へクロスバーを付加し、定在波形状を変化させて発生するプラズマを均一化させたことを特徴とする。
【００２１】
このようにすることにより、定在波の形状が変化してプラズマ領域が拡大され、発生するプラズマが均一化される。
【００２２】
そして請求項２に記載した発明は、
プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用のラダー型放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極軸方向に対して垂直方向へクロスバーを付加し、かつ、定在波波長を増加させる範囲で前記ラダー型放電電極径を小さくし、発生するプラズマを均一化することを特徴とする。
【００２３】
このように放電電極径を小さくすることで、電極の周りに発生するシースキャパシタンスを減少させることができ、定在波波長が増加してプラズマ領域が拡大され、発生するプラズマが均一化される。
【００２４】
そしてこのクロスバーは、請求項３に記載したように、ラダー型放電電極の軸方向中点を中心に対称位置に対で設けることで、放電電極両端に設けた給電部から同一距離とし、効果を大きくすると共に、電極径を小さくした場合の機械的強度の補強の役割を持たせることができる。
【００２５】
そしてこの放電電極は、請求項４に記載したように、
プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割し、放電電極左右方向の電力バランスを図ってプラズマ密度の偏重を低減するようにしたことを特徴とする。
【００２６】
このように放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割することにより、ＮＦ３ガスのように放電が不安定なガスが片側に偏って流れた際に生じる放電の集中によるプラズマの集中を押さえ、放電電極全面にわたって均一な放電を得ることができる。
【００２７】
そして分割した放電電極の給電部は、各分割単位で安定して放電がおこなわれるよう請求項５に記載のように、前記分割した放電電極毎に給電部を設けることが好ましい。
更に前記第２の異なる周波数の高周波の発振周波数を同位相のまま時間的に変動させて周波数変調を行うのがよく、又前記サイクルを交互に切り換えて給電を行う第１の同一周波数の高周波が、一のサイクルにおいて他のサイクルに対し、位相をずらして給電されるのがよい。
そしてこのような放電電極構造は、
前記ラダー型放電電極の両端に設けた第１と第２の給電部に夫々接続された第１と第２の高周波電源と、第１の高周波電源と切り換えスイッチを介して第２の高周波電源にいずれかの高周波を位相変調することができる第１の高周波発振器と、発振周波数を同位相のまま時間的に変動させる周波数変調可能に構成し、切り換えスイッチを介して第２の高周波電源に供給する第２の高周波発振器とを具えてなる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２９】
図１は、本発明になる放電電極構造を有したプラズマ化学蒸着装置の一実施例概略ブロック図、図２は本発明になる放電電極構造の実施例を示した概略図、図３は本発明になる放電電極構造の一実施例を説明するための図、図４は放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を０：１から９：１までの１０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図、図５は給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図である。
【００３０】
図１において、１は内部が気密に作られたプラズマ化学蒸着装置、２は放電電極、３、４は放電電極２へ高周波を給電するための第１と第２の給電部、５は不要なプラズマが生成しないように設けたアースシールド、６は放電電極２から例えば２０〜３４ｍｍ程度離して設置し、基板７を保持、加熱するための図示していない機構と加熱するためのヒータを内蔵している加熱支持手段、８は図示しないガス供給源に連通し、例えば製膜のためのシラン（ＳｉＨ４）ガスやセルフクリーニングのためのＮＦ３ガスなどの反応ガス９を導入するためのガス導入管、１０は排気管、１１はプラズマ化学蒸着装置１内の内圧を１×１０−６Ｔｏｒｒ程度まで真空排気可能な真空ポンプ、１２、１３は第１と第２の高周波電源Ａ、Ｂを構成するＲＦアンプ、１４は例えば６０ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を発振して高周波電源（ＲＦアンプ）Ａと切り替えスイッチ１６に送ると共に、どちらかの高周波を位相変調することができるフェーズシフターを有した第１の高周波（ＲＦ）発振器、１５は例えば５８．５ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を発振すると共に、この周波数を例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動可能に構成したした第２の高周波（ＲＦ）発振器、１６は第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波を受け、これを切り替えて高周波電源Ｂ１３に供給する切り替えスイッチ、１７は、切り替えスイッチ１６による第１と第２の高周波発振器１４、１５からの高周波の切り替えに際し、これらの高周波の時間割合、すなわちデューティ比を変化させるファンクションジェネレータである。図２において２０、２１、２３、２４、２５、２６、２８、２９はラダー型電極２に付加したクロスバー、図３における３０はラダー型放電電極の１つの電極を示したもの、３１、３２は高周波を放電電極３０に給電する給電用ケーブル、３３はＤＣバイアス電源である。
【００３１】
このうち第１の高周波発振器１４は、例えば６０ＭＨｚの高周波を発振してこれを高周波電源Ａ１２、切り替えスイッチ１６に送り、第２の高周波発振器１５は例えば５８．５ＭＨｚの高周波を発振して切り替えスイッチ１６に送る。そしてこの切り替えスイッチ１６は、第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源Ｂ１３に送る。そのため高周波電源Ａ１２は、６０ＭＨｚの高周波を第１の給電部３に給電し、高周波電源Ｂ１３は、一定サイクルで切り替わる６０ＭＨｚと５８．５ＭＨｚの高周波を第２の給電部４に給電する。
【００３２】
そして、この切り替えスイッチ１６による第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波の切り替えは、ガス圧やガス種などのガス条件に応じたファンクションジェネレータ１７からの信号で、その時間割合、すなわちデューティ比を変化できるようになっている。また第１の高周波発振器１４は、内部にフェーズシフターを有し、高周波電源Ａ１２、または切り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波とは位相をずらせられるようにしてあり、更に第２の高周波発振器１５は、その発振周波数を例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように変動可能に構成してある。
【００３３】
一方このプラズマ化学蒸着装置１の放電電極２は、図２（Ａ）に示したように例えばラダー型に構成され、第１の給電部３、第２の給電部４は、図のように放電電極２の両端部に黒丸で示した例えば８ポイントずつで構成する。なお、この給電部３、４は８ポイントのみに限らず、４ポイント、１６ポイントなど、必要に応じてポイント数を設定できる。
【００３４】
そして図２（Ｂ）は、本発明における放電電極構造の第１の実施例を示したもので、このラダー型放電電極２の軸方向中心に対して対称な位置にクロスバー２０、２１を付加したものである。このようにクロスバー２０、２１を付加することにより、定在波の形状が変化してプラズマ領域が拡大して発生するプラズマが均一化される。なお、この図２（Ｂ）においてはクロスバーを２本として示したが、この本数は２本だけに限ることなく任意の本数とすることができる。
【００３５】
また図２（Ｃ）は、本発明における放電電極構造の第２の実施例を示したもので、放電電極２を左右にｎ個に分割し、それぞれに給電部３１、３２、……３ｎ、４１、４２、……４ｎを設けたものである。こそしてこの図に示したように、各分割単位毎にクロスバー２３、２４、２５、２６、２８、２９を設けても良い。このように放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割することにより、放電電極左右方向の電力バランスが図られ、ＮＦ３ガスのように放電が不安定なガスが片側に偏って流れた場合、プラズマがその部分に集中して電力を消費し、他の部分のプラズマが少なくなってしまうのを防止し、放電電極全面にわたって均一な放電を得ることができる。また、クロスバーを付加することにより、定在波の形状が変化してプラズマ領域が拡大して発生するプラズマが均一化されるので、分割したことと相まって、より均一なプラズマを得ることができる。なお、この図２（Ｃ）においては本発明をラダー型電極の場合を例に説明したが、電極は平板型でも良く、この場合はクロスバーは付加しない。また、分割数も８分割だけに限られるものではなく、任意の数に分割可能である。
【００３６】
さらに図３は、本発明における放電電極構造の第３の実施例を説明するための図であり、放電電極３０の給電部３、または４へ高周波を給電する給電用ケーブル２１、２２は、出口の軸方向をラダー型電極３０の第１と第２の給電部３、４を結ぶ方向（軸方向）と一致させて接続し、またこの放電電極３０には、ＤＣバイアス電源２３からＤＣバイアスを印加してある。そして本発明においては、ラダー型電極３０の径を例えば６ｍｍ程度に小さくし、シースキャパシタンスを減少させて定在波波長を増加させ、プラズマ領域を拡大して発生するプラズマを均一化するようにした。シースキャパシタンスというのは、プラズマが生成される過程でラダー型電極３０の周りにシースと呼ばれる電子の集まりができ、この電子の集まりで一種の絶縁を保ったような状態が生じて直流的な電流が流れず、あたかもコンデンサが電極の周りにあるような状態になることをいう。そして、このシースキャパシタンスが大きくなると定在波波長が小さくなり、プラズマの発生にムラが生じる。
【００３７】
この定在波波長は、放電電極２内の高周波電圧の伝搬速度ｖに比例しており、そしてこの伝搬速度ｖは下記（１）式で表される。
【数１】
Ｃ＝ε×（ｓ／ｄ）…… （２）
（ｓ：面積、ｄ：シースキャパシタンスの距離）
そのため、ラダー型電極３０の径が小さくなるとこのｄが小さくなり、シースキャパシタンスＣが小さくなる。すると（１）式により、放電電極３０内の高周波電圧の伝搬速度ｖが大きくなり、それに伴って定在波の波長が大きくなってプラズマが均一に発生する領域が増大する。
【００３８】
但し、このようにラダー型電極３０の径を小さくすると、本発明が目指している１．５ｍ×１．２ｍのような大面積の場合には機械的な強度が減少する。そのため本発明においては、前記図２の（Ｂ）、（Ｃ）のようにクロスバーを併用することで、補強を行っている。
【００３９】
また、前記したように放電電極２の給電部３、または４へ高周波を給電する給電用ケーブル３１、３２の出口軸方向を放電用ラダー型電極３０の軸方向と一致させて接続すると、給電パワーがスムーズにラダー型電極３０に入ってゆき、電流リターン距離が最小化されて給電部での電力ロスが低減し、プラズマ領域の拡大を図ることができる。なお、この給電用ケーブル３１、３２は同軸ケーブル、平行平板、平行線など、どのような形状のものでも良い。また、この放電電極２にＤＣバイアス電源３３からＤＣバイアスを印加すると放電電極２のシースキャパシタンスを減少させることができ、電圧分布が均一化の方向に向かって定在波波長を増加させ、プラズマ密度を平均化させることができる。
【００４０】
このように構成した本発明のプラズマ化学蒸着装置１を用い、ａ−Ｓｉ、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や、これらの製膜によってチェンバ内に堆積したａ−ＳｉのＮＦ３ガスによるセルフクリーニングなどを行う場合、例えば製膜においては、２００℃に設定した加熱支持手段６に基板７を取り付け、ガス導入管８からシラン（ＳｉＨ４）ガスなどの反応ガス９を例えば流速５０ｓｃｃｍで導入し、排気管１０に接続した真空ポンプ１１の排気速度を調整することで、プラズマ化学蒸着装置１内の圧力を例えば１００ｍＴｏｒｒに調節する。
【００４１】
そして、第１の高周波発振器１４からは例えば６０ＭＨｚの高周波を、第２の高周波発振器１５からは例えば５８．５ＭＨｚの高周波を、それぞれ高周波電源Ａ１２、切り替えスイッチ１６に送る。そしてこの切り替えスイッチ１６により、第１の高周波発振器１４から送られてきた６０ＭＨｚと第２の高周波発振器１５から送られてきた５８．５ＭＨｚの高周波を一定サイクルで切り替え、高周波電源Ｂ１３に送る。すると高周波電源Ａ１２は、６０ＭＨｚの高周波を第１の給電部３に給電し、高周波電源Ｂ１３は、一定サイクルで切り替わる６０ＭＨｚと５８．５ＭＨｚの高周波を第２の給電部４に給電する。
【００４２】
すると放電電極２と基板７との間にプラズマが発生し、ガス導入管８から導入されたシラン（ＳｉＨ４）ガスなどの反応ガス９が分解し、基板７上にａ−Ｓｉが製膜されてゆく。なお、前記したＮＦ３ガスによるプラズマ化学蒸着装置１内のセルフクリーニングも全く同様であり、ＮＦ３ガスがプラズマによって分解してフッ素ラジカルになり、クリーニングが行われる。
【００４３】
そしてこのとき発生したプラズマは、第１と第２の給電部３、４に同じ６０ＭＨｚの高周波が給電された時と、第１の給電部３に６０ＭＨｚの高周波、第２の給電部４に５８．５ＭＨｚという具合に異なる周波数の高周波が給電された時とでは、図４に示したようにその発生状況が異なる。すなわちこの図４に示したグラフは、前記したようにプラズマ化学蒸着装置１にシラン（ＳｉＨ４）ガスなどの反応ガス９を導入し、放電電極２の第１と第２の給電部３、４に同じ周波数（６０ＭＨｚ）の高周波を給電した時間と、異なる周波数の高周波を給電（第１の給電部３に６０ＭＨｚ、第２の給電部４に５８．５ＭＨｚを給電）した時間の比を、０：１０から９：１までの１０パターンで変化させ、プラズマの発生状況を調べたものである。
【００４４】
この図４において、横軸は第１の給電部３（０ｃｍ）からの距離を示し、右端（１１０ｃｍ）が第２の給電部４に相当する。縦軸はプラズマの電圧相対値で、この値が高いほどプラズマ密度が高くなる。図中ａの線は、給電した周波数が異なる場合の時間を１０とし、同一周波数を給電した場合の時間を０、すなわち給電した周波数が異なる場合のみのプラズマ発生状況を示し、ｂの線は同じく異なる周波数９に対して同じ周波数が１の場合で、以下同様にｎの線は異なる周波数１に対して同じ周波数が９の場合である。
【００４５】
このグラフからわかるように、第１と第２の給電部３、４に異なる周波数を給電したａでは、放電電極２の両端部、すなわち給電部３、４付近で最もプラズマ密度が高く、中央部で最もプラズマ密度が低くなっている。それに対し、第１と第２の給電部３、４に同じ周波数を給電した割合が最も高いｎでは、放電電極２の中央部で最もプラズマ密度が高く、中央部から両端の給電部３、４に近付くに従って低くなり、給電部３、４付近でまた多少高くなっている。そして、第１と第２の給電部３、４に異なる周波数を給電する時間と、同一周波数を給電する時間を５対５の同じとしたｆでは、このａとｎのプラズマ発生状況が足し合わされ、放電電極２の両端部でプラズマ密度が多少高くなっているが、中央部の広範囲で均一なプラズマ発生状況となっている。
【００４６】
すなわちこの図４のグラフは、６０ＭＨｚという高高周波において放電電極２の両端の給電部３、４に同一周波数の高周波を給電した場合は中央部でプラズマ密度が高くなり、異なる周波数の高周波を給電した場合は中央部の密度が低くなることを示しており、これを適宜なサイクルで交互に行うことで、大面積においてプラズマ発生状況を均一化できる。なおこの給電部３、４に同一周波数と異なる周波数の高周波を交互に給電するサイクルは、１Ｈｚから１０ＭＨｚまでほぼ同一の効果が得られた。
【００４７】
そしてこの状態において、さらに第２の高周波発振器１５の発振周波数を、例えば５８．５ＭＨｚから５９．９ＭＨｚ、あるいは６０．１ＭＨｚから６１．５ＭＨｚのように、同位相のまま時間的に変動させてやる。するとこの周波数の変動によってプラズマ発生状況を意図的に変えることができ、プラズマ密度をさらに平均化することができる。
【００４８】
また、第１の高周波発振器１４に含まれるフェーズシフターにより、高周波電源Ａ１２、または切り替えスイッチ１６のいずれかに送る高周波を、他方に送る高周波に対して位相をずらしてやる。すると、例えば図５に５０の実線で示したように、位相がずれていない時に放電電極２の中央部でプラズマ密度が低くなる給電状態においては、位相をずらすことによって、プラズマ密度の低い位置を５１、または５２の破線、または一点鎖線で示したように左右にずらすことができる。そのため、時間平均で見るとさらに広範囲でプラズマ密度を均一化できる。
【００４９】
また、ガス圧やガス種などのガス条件が変化した場合は、ファンクションジェネレータ１７から切り替えスイッチ１６に信号を送り、切り替えスイッチ１６に送られてくる第１の高周波発振器１４からの高周波と、第２の高周波発振器１５からの高周波の高周波電源Ｂ１３へのそれぞれの送出時間比、すなわちデューティ比（Ｄｕｔｙ比）を図４に示したように変化させる。このようにすることで、放電電極２の第１と第２の給電部３、４における同一周波数の高周波が給電される時間と、異なった周波数の高周波が給電される時間の比（デューティ比）が変化し、それによって図４に示したようにプラズマの発生状況の比を種々に変化させることができる。
【００５０】
これは、ガス圧、ガス種などのガス条件によって同じデューティ比でもプラズマの発生状況が異なることに対処するためのもので、放電がおきやすいガス条件の場合、放電電極２の両端部３、４から給電した電力は放電電極２の中央部に達する前に放電してしまい、中央部での放電が少なくなる。そのため、図４におけるａのグラフのように放電電極２の中央部でプラズマ発生密度が低くなるから、この場合は、同一周波数の高周波を給電する時間を長くし、逆に中央部のプラズマ密度が高くなったときは同一周波数の高周波を給電する時間を短くする。これによって、ガス圧、ガス種類などのガス条件が変化しても、中央部のプラズマ密度がコントロールでき、さらに均一化することが可能となる。
【００５１】
なお、以上説明してきた方法で製膜やセルフクリーニングを実施する際、製膜速度やセルフクリーニング速度等の条件を満たす範囲で、均一なプラズマが発生しやすいＮ２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等のガスを適正比（０．１〜２５％程度）注入してやると、さらに均一な製膜が実現できる。
【００５２】
そしてこのような製膜やクリーニングにおいて、本発明におけるプラズマ化学蒸着装置における放電電極は、前記したようにラダー型放電電極軸方向に対して垂直方向にクロスバーを挿入し、定在波の形を変えてプラズマを均一化させること、電極径を小さくしてシースキャパシタンスを減少させ、定在波波長を増加させて放電電極における電圧分布を均一化すること、放電電極を左右方向に分割して電極左右方向の電力バランスを図ることなどにより、定在波、シースキャパシタンス、セルフクリーニング用ＮＦ３ガス流れの不均一などで生じるプラズマ発生状況の不均一などを防止し、さらに大面積でのプラズマ発生状況を均一とすることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によるプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造によれば、定在波、シースキャパシタンス、セルフクリーニング用ＮＦ３ガス流れの不均一などで生じるプラズマ発生状況の不均一を防止し、大面積でプラズマ発生状況を均一とすることができる。また、圧力条件、流量条件などのガス条件が変わった場合でもハードをさわることなく、高速で均一な製膜、均一なセルフクリーニングをおこなうことが可能となり、大面積製膜における製膜製品の歩留まりの向上、コスト低減という大きな成果を得ることができ、さらに、ハード調整が少ないため初期調整が容易となってランニングコストも低減できるなど、大きな効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる放電電極の構造を有したプラズマ化学蒸着装置の一実施例概略ブロック図である。
【図２】本発明になる放電電極の構造の実施例を示した概略図である。
【図３】本発明になる放電電極の構造を説明するための図である。
【図４】放電電極の給電部に、同一周波数の高周波と異なった周波数の高周波を０：１０から９：１までの１０種の比率で給電したときのプラズマ発生状況の説明図である。
【図５】給電部へ同一周波数を給電する際、一方の高周波の位相を他方の位相とずらした場合の説明図である。
【図６】従来の平行平板型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。
【図７】従来のラダー型電極を用いたプラズマ化学蒸着装置の一構成例である。
【図８】従来のラダー型電極の構造を説明するための図である。
【符号の説明】
２ 放電電極
３ 第１の給電部
４ 第２の給電部
２０〜２９ クロスバー
Claims (8)
- プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用のラダー型放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極の軸方向に対して垂直方向へクロスバーを付加し、定在波形状を変化させて発生するプラズマを均一化させたことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。 - プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用のラダー型放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極軸方向に対して垂直方向へクロスバーを付加し、かつ、定在波波長を増加させる範囲で前記ラダー型放電電極径を小さくし、発生するプラズマを均一化することを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。 - 前記クロスバーを、ラダー型放電電極の軸方向中点を中心に対称位置に対で設けたことを特徴とする請求項１、または２に記載したプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。
- プラズマ化学蒸着装置におけるプラズマ発生用放電電極の構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端の給電部に第１の同一周波数の高周波を給電するサイクルと、第２の異なる周波数の高周波を給電するサイクルを有し、このサイクルを交互に切り換えて給電を行うように構成するとともに、前記放電電極を軸方向に対して垂直方向に複数に分割し、放電電極左右方向の電力バランスを図ってプラズマ密度の偏重を低減するようにしたことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。 - 前記分割した放電電極毎に給電部を設けたことを特徴とする請求項４に記載したプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。
- 前記第２の異なる周波数の高周波の発振周波数を同位相のまま時間的に変動させて周波数変調を行うことを特徴とする請求項１、２、若しくは４記載のプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。
- 前記サイクルを交互に切り換えて給電を行う第１の同一周波数の高周波が、一のサイクルにおいて他のサイクルに対し、位相をずらして給電されることを特徴とする請求項１、２、４若しくは５記載のプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。
- 請求項１、２、若しくは４記載のプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造であって、
前記ラダー型放電電極の両端に設けた第１と第２の給電部に夫々接続された第１と第２の高周波電源と、第１の高周波電源と切り換えスイッチを介して第２の高周波電源にいずれかの高周波を位相変調することができる第１の高周波発振器と、発振周波数を同位相のまま時間的に変動させる周波数変調可能に構成し、切り換えスイッチを介して第２の高周波電源に供給する第２の高周波発振器とを具えてなることを特徴とするプラズマ化学蒸着装置における放電電極構造。
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