JP3986483B2 - プラズマｃｖｄ装置用電極及びプラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に関し、特にプラズマＣＶＤ装置におけるプラズマ発生用電極構造に関する。

太陽電池などの光電交換装置の製造において、半導体層の製膜は重要な技術課題の一つである。例えば、タンデム太陽電池の製造工程においては、アモルファスシリコン層と微結晶シリコン層の製膜工程が含まれる。太陽電池パネルの面積の増大に伴う製膜の高速化・低コスト化、および、特に微結晶シリコン層の製膜工程における生成膜の高品質化は重要な技術課題である。アモルファスシリコンや微結晶シリコンなどの半導体の製膜に用いられる装置として、プラズマＣＶＤ装置が知られている。プラズマＣＶＤ装置内の放電電極として、例えばラダー電極が知られている。ラダー電極は、高周波電圧の制御、また電界分布の均一化において優れた特性を有している。

図１Ａは、ラダー電極を備える従来のプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概略図である。プラズマＣＶＤ装置１は、反応容器２と、高周波電源７と、反応容器２に収容され高周波電源７と接続されたラダー電極（放電電極）３を有する。ラダー電極３に対向するように接地電極４が配置されており、半導体膜が蒸着される被処理体としての基板５は、その接地電極４上に保持される。接地電極４は、基板５を加熱するためのヒータ６を内蔵している。ガス供給管８およびガス排気管９は、反応容器２の所定の場所に設置されている。反応ガス１０は、ガス供給源（図示されていない）からガス供給管８を通して反応容器２に導入される。反応ガス１０としては、シラン（ＳｉＨ４）ガスが例示される。図示されていない真空ポンプは、ガス排気管９を通してガスを排気し、反応容器２内の圧力を調整する。

図１Ｂは、図１Ａ中のＡから見たラダー電極３の構造を示す概略図である。複数の縦方向電極棒１２と一対の横方向電極棒１３とが梯子状に組み立てられ、ラダー電極３が構成されている。図１Ａに示すように、縦方向電極棒１２の断面は円形であり、その直径として１０ｍｍが例示される。隣接する縦方向電極棒１２間の距離ｐとして１６ｍｍが例示される。隣接する縦方向電極棒１２の中心間の距離ｑとして２６ｍｍが例示される。

図１Ａにおいて、ラダー電極３と基板５の間の距離ｄは、例えば１３ｍｍと設定される。ガス供給管８からシランガスが反応ガス１０として反応容器２に導入される。高周波電源７を用いラダー電極３に高周波電圧を印加することによって、ラダー電極３と基板５の間の領域にプラズマ１１が生成される。このように、気相の反応ガス１０が活性化されることにより、基板５表面に所望の半導体膜、例えばアモルファスシリコン膜が生成される。このようなラダー電極型プラズマＣＶＤ装置は特許文献１に記載されている。

また、特許文献２において、ラダー型放電電極の軸方向に対して垂直方向にクロスバーが挿入されている。これは、電極における定在波の形状を変えて、発生するプラズマを均一化させることを目的とする。また、特許文献２のラダー型放電電極において、その電極半径は小さく形成される。これは、電極における定在波の波長を増加させて、電圧分布を均一化することを目的とする。

反応ガスの結晶化率は、放電電極と被処理体である基板との間の距離（以下、ギャップと参照される）に依存する。ギャップが大きいほど反応ガスの結晶化率は下がり、アモルファス化する割合が増加する。よって、高品質な微結晶シリコン膜を基板に高速に生成する手段として、ギャップを小さくすることが考えられる。具体的には、５〜１０ｍｍという狭いギャップが要求される。

図２は、図１ＡにおけるプラズマＣＶＤ装置において、ラダー電極３と基板５のギャップｄを例えば５ｍｍに設定した場合の、プラズマ１１の発生の様子を表す概念図である。この場合、プラズマ１１は、ラダー電極３と基板５との間に均一に分布せずに、ラダー電極３の電極棒に対応した領域に偏って生成される。つまり、電極棒間の領域におけるプラズマは相対的に希薄になる。これは、ギャップｄが小さくなるにつれて、ラダー電極３のサイズが無視できなくなり、場所によって結晶化率が異なってくることに起因する。この結果、製膜工程が終了した基盤５の表面には、ラダー電極３の隣接する電極棒の間隔に対応したムラが生じる。このムラが、製造されたモジュールの特性低下の原因となる。

大面積太陽電池の製造工程において、均一で高品質な微結晶シリコン膜を高速に生成することが求められている。

特許２９８９２７９号公報 特開２００２−３２２５６３号公報

本発明の課題は、大面積の基板に高品質な膜を均一に生成することができるプラズマＣＶＤ装置用放電電極、及びプラズマＣＶＤ装置を提供することにある。

本発明の他の課題は、隣接する電極棒の間のピッチの精度を確保し、発生するプラズマの不均一を緩和することができるプラズマＣＶＤ装置用放電電極、及びプラズマＣＶＤ装置を提供することにある。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。これらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるプラズマＣＶＤ装置用電極（２０）は、複数の第一電極部（２１）と、一対の第二電極部（２２）と、複数のスペーサー（２４、２５）とを備える。複数の第一電極部（２１）は、互いに略平行である。一対の第二電極部（２２）は、複数の第一電極部（２１）と直角である。複数の第一電極部（２１）と一対の第二電極部（２２）は梯子状に構成される。複数のスペーサー（２４、２５）は、隣接する複数の第一電極部（２１）の間に挿入されている。

複数のスペーサー（２４、２５）は、複数の第一電極部（２１）に対して脱着可能であってもよい。複数のスペーサー（２４、２５）は、複数の第一電極部（２１）に沿って移動可能であってもよい。

複数のスペーサー（２４、２５）の一部は、一対の第二電極部（２２）に平行に一列に配置されてもよい。一対の第二電極部（２２）に平行で、且つ一対の第二電極部（２２）の中間に位置する線を第一の線とするとき、複数のスペーサー（２４、２５）は、第一の線に関して対称に配置されてもよい。複数の第一電極部（２１）に平行で、且つ一対の第二電極部（２２）の各々の中点を結ぶ線を第二の線とするとき、複数のスペーサー（２４、２５）は、第二の線に関して対称に配置されてもよい。

複数のスペーサー（２４）は、金属により形成されてもよい。この時、複数のスペーサー（２４）と複数の第一電極部（２１）は、同一の材料により形成されていてもよい。

複数のスペーサー（２５）は、絶縁体により形成されてもよい。

本発明におけるプラズマＣＶＤ装置（１）は、上記のプラズマＣＶＤ装置用電極を放電電極（２０）として備える。また、本発明におけるプラズマＣＶＤ装置（１）は、放電電極（２０）に対向するように配置された接地電極（４）を備える。基板（５）は放電電極（２０）に対向するように接地電極（４）により保持される。複数の第一電極部（２１）の間の距離は、基板（５）と放電電極（２０）の間の距離以下である。

本発明のプラズマＣＶＤ装置用放電電極およびプラズマＣＶＤ装置によれば、大面積の基板に高品質な膜を均一に生成することができる。

本発明のプラズマＣＶＤ装置用放電電極およびプラズマＣＶＤ装置によれば、隣接する電極棒の間のピッチの精度を確保し、発生するプラズマの不均一を緩和することができる。

添付図面を参照して、本発明によるプラズマＣＶＤ装置およびプラズマＣＶＤ装置用電極（放電電極）について説明する。

図３は、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置を表す概略図である。尚、図３において、図１Ａ中の構成と同様の構成には同じ符号が付されている。

プラズマＣＶＤ装置１は、反応容器２と、高周波電源７と、反応容器２に収容され高周波電源７と接続された放電電極２０を有する。放電電極２０に対向するように接地電極４が配置されており、半導体膜が蒸着される被処理体としての基板５は、その接地電極４上に保持される。接地電極４は接地されている。また、接地電極４は、基板５を加熱するためのヒータ６を内蔵している。ガス供給管８およびガス排気管９は、反応容器２の所定の場所に設置されている。反応ガス１０は、ガス供給源（図示されていない）からガス供給管８を通して反応容器２に導入される。反応ガス１０として、シラン（ＳｉＨ４）ガスと水素（Ｈ２）ガスの混合ガスが例示される。高周波電源７を用い、放電電極２０に高周波電圧を印可することによって、放電電極２０と基板５との間の領域にプラズマ１１が発生する。反応ガス１０が活性化されることにより、基板５表面に所望の半導体膜、例えば微結晶シリコン膜が生成される。図示されていない真空ポンプはガス排気管９を通してガス類を排気し、反応容器２内の圧力を調整する。

本発明において、高品質な微結晶シリコンを高速製膜するために、放電電極２０と基板５との間の距離ｄ（ギャップ）は小さく設定され、そのギャップｄとして５ｍｍが例示される。この時、隣接する放電電極２０の間の距離ｐ（以下、ピッチと参照される）は、ギャップｄ以下に設定されている。そのピッチｐとして２ｍｍが例示される。これにより、図２に示したようなプラズマ分布の局所的な不均一が緩和される。つまり、高結晶化率・高速製膜を達成するためにギャップを小さくした場合でも、プラズマが偏って発生することはなく均一に分布するという効果が得られる。

図４Ａは、本発明の放電電極２０の詳細な構造を示す図である。図４Ａは、図３におけるＡから見た放電電極２０の構造に対応する。ただし、図３における放電電極２０の電極棒の本数と、図４Ａにおける放電電極２０の電極棒の本数は必ずしも一致していない。

本発明において、放電電極２０は、複数の縦方向電極棒２１と一対の横方向電極棒２２とを備える。複数の縦方向電極棒２１は互いに略平行である。一対の横方向電極棒２２は互いに略平行である。複数の縦方向電極棒２１は、それぞれ一対の横方向電極棒２２に直角である。すなわち、複数の縦方向電極棒２１と一対の横方向電極棒２２とが梯子状になるように、放電電極２０が形成されている。複数の縦方向電極棒２１は、略等間隔をおいて配置されている。図４Ａにおいて、縦方向電極棒２１の本数として１５本が例示されるが、その本数は任意である。

このような形状の放電電極２０は、例えば、複数の縦方向電極棒２１と一対の横方向電極棒２２をそれぞれ別個に用意し、それらを連結または溶接することによって形成される。また、このような形状の放電電極２０は、例えば、平らな電極板を用意し、その電極板の所定の場所を打ち抜く、または削ることによっても形成される。どちらの場合でも、本発明による放電電極２０において、図１Ｂに示したような従来のラダー電極の持つ特徴、すなわち高周波電圧制御性および電界分布均一性が失われることはない。

高周波電源７と放電電極２０は、給電部２３を介して接続される。図４Ａに示されるように、複数の給電部２３が、一対の横方向電極棒２２の所定の位置に間隔をおいて設置されてもよい。複数の給電部の個数として８個が例示されるが、その個数は任意である。

本発明において、複数のスペーサー２４が、隣接する縦方向電極棒２１の間に挿入される。複数のスペーサー２４は、縦方向電極棒２１に対して脱着可能であってもよい。また、複数のスペーサー２４は、縦方向電極棒２１に沿って移動可能であってもよい。ある縦方向電極棒２１と、隣接する縦方向電極棒２１の間の一つの間隔に配置されるスペーサー２４の数は任意である。図４Ａにおいて、例として、複数のスペーサー２４はランダムな場所に配置されている。

複数のスペーサー２４による効果は以下の通りである。上記のように、高品質な微結晶シリコンを高速製膜するために、放電電極２０と基板５とのギャップｄは小さく設定される。また、隣接する複数の縦方向電極棒２１のピッチｐは、ギャップｄ以下に設定され（図３を参照）、そのピッチｐとして２ｍｍが例示される。このような狭ピッチの放電電極２０においては、ピッチｐの設定の僅かなずれ等が、無視できない影響をプラズマ生成に及ぼす。すなわち、ピッチｐの設定のずれ、あるいは電極棒の変形が、発生するプラズマの分布の不均一あるいは不安定の原因となる。特に、所望の半導体膜を蒸着させる基板５が大面積になるに伴い放電電極２０も大面積に形成される場合、上記のような影響は顕著となる。本発明のプラズマＣＶＤ装置用電極によれば、複数のスペーサー２４により放電電極２０のピッチｐの精度が確保される。また、複数のスペーサー２４により、発生するプラズマの不安定性が抑制される。

図４Ｂは、図４Ａ中の線Ｘ−Ｘ’に沿った放電電極２０（縦方向電極棒２１）の断面図である。複数の縦方向電極棒２１のそれぞれの断面として、長方形の形状が例示される。縦方向電極棒２１の幅ｗとして５ｍｍが例示される。縦方向電極棒２１の奥行きｒとして２０ｍｍが例示される。隣接する縦方向電極棒２１の間のピッチｐとして２ｍｍが例示される。隣接する縦方向電極棒２１の間の領域のうち、任意の場所にスペーサー２４が挿入されている。スペーサー２４の幅として２ｍｍが例示される。図４Ｂに示されるように、断面が長方形状の縦方向電極棒２１は、スペーサー２４を容易に挿入するのに好適である。ただし、その断面は長方形状に限られるわけではない。

（第一実施例）
本発明の第一実施例に係るプラズマＣＶＤ装置の放電電極２０において、スペーサー２４は金属で形成される。ここで、スペーサー２４の材料である金属と、放電電極２０（縦方向電極棒２１及び横方向電極棒２２）の材料である金属は同一であることが好適である。その同一の材料として、例えばアルミニウムが挙げられる。

本実施例の放電電極２０による効果は、次の通りである。金属製のスペーサー２４を用いると、スペーサー２４を介して隣接する縦方向電極棒２１の間に導電性が生じる。これにより、放電電極２０上の電圧分布を変化させることができる。すなわち、複数のスペーサー２４を脱着あるいは移動させることにより、放電電極２０において最適の電圧分布を実現することが可能である。よって、金属製のスペーサー２４を用いることにより、放電電極２０と基板５の間の領域に発生するプラズマの分布を最適に制御することが可能となる。言いかえれば、非処理体である基板５に蒸着させる半導体膜の種類、反応容器２内の環境（ガス圧、ヒータ温度、高周波電圧など）に応じて、発生するプラズマが均一に分布するように放電電極２０を調整することが可能となる。

以下、金属製のスペーサー２４を配置する際の、好適な配置例について示す。図４Ａに示したように、放電電極２０は複数の給電部２３を備え、その複数の給電部２３は横方向電極棒２２の所定の位置に設けられている。このような放電電極２０において、縦方向（縦方向電極棒２１に沿った方向）には電力が伝わりやすいが、横方向（横方向電極棒２２に沿った方向）には電力が伝わりにくい。そのため、放電電極２０上において、横方向に電圧分布のムラが発生する傾向がある。また、一対の横方向電極棒２２の中間付近（線Ｘ−Ｘ’付近）において、電圧分布のムラが発生しやすい傾向がある。

図５Ａは、本実施例における、複数のスペーサー２４の配置例を示す平面図である。図５Ｂは、図５Ａにおける線Ｘ−Ｘ’に沿った縦方向電極棒２１の断面を示す図である。図５Ａにおいて、複数のスペーサー２４の一部は、一対の横方向電極棒２２に平行になるように、一列に配置されている。また、そのような横方向の列が複数形成されている。例えば、一対の横方向電極棒２２の各々の近くに、そのような横方向の列が形成されている。また、一対の横方向電極棒２２の中間付近（線Ｘ−Ｘ’付近）にも、横方向に一列に並ぶように複数のスペーサー２４の一部が配置されている。これら、横方向に一列に並んだ複数のスペーサー２４によって、放電電極２０上の電圧分布の横方向のムラが解消される。更に、複数のスペーサー２４は、一対の横方向電極棒２２に平行でその中間に位置する線（線Ｘ−Ｘ’）に関して、対称に配置されている。また、複数のスペーサー２４は、複数の縦方向電極棒２１に平行でその中間に位置する線（線Ｙ−Ｙ’）に関して、対称に配置されている。これらのことにより、放電電極２０上の電圧分布の不均一が緩和される。

図６Ａは、本実施例における、複数のスペーサー２４の別の配置例を示す平面図である。図６Ｂは、図６Ａにおける線Ｘ−Ｘ’に沿った縦方向電極棒２１の断面を示す図である。図６Ａにおいて、複数のスペーサー２４の一部は、一対の横方向電極棒２２に平行になるように、一列に配置されている。また、そのような横方向の列が複数形成されている。例えば、一対の横方向電極棒２２の各々の近くに、そのような横方向の列が形成されている。また、一対の横方向電極棒２２の中間（線Ｘ−Ｘ’上）にも、横方向に一列に並ぶように複数のスペーサー２４の一部が配置されている。これら、横方向に一列に並んだ複数のスペーサー２４によって、放電電極２０上の電圧分布の横方向のムラが解消される。更に、複数のスペーサー２４は、一対の横方向電極棒２２に平行でその中間に位置する線（線Ｘ−Ｘ’）に関して、対称に配置されている。また、複数のスペーサー２４は、複数の縦方向電極棒２１に平行でその中間に位置する線（線Ｙ−Ｙ’）に関して、対称に配置されている。これらのことにより、放電電極２０上の電圧分布の不均一が緩和される。

複数のスペーサー２４の配置の形態は、上記二例には限られない。前述した通り、スペーサー２４は、縦方向電極棒２１に対して脱着可能、あるいは縦方向電極棒２１に沿って移動可能である。よって、複数のスペーサー２４を任意の形態に配置することが可能である。複数のスペーサー２４の一部は、横方向（線Ｘ−Ｘ’方向）に一列に並ぶように配置されることが好適である。複数のスペーサー２４は、一対の横方向電極棒２２に平行で中間に位置する線（線Ｘ−Ｘ’）に関して、対称に配置されることが好適である。また、複数のスペーサー２４は、複数の縦方向電極棒２１に平行で中間に位置する線(線Ｙ−Ｙ’)に関して対称に配置されることが好適である。これらのことにより、基板５に半導体膜を生成させる条件に応じて、発生するプラズマが均一に分布するように放電電極２０を調整することが可能である。

（第ニ実施例）
本発明の第ニ実施例に係るプラズマＣＶＤ装置の放電電極２０において、スペーサー２４は絶縁体で形成される。図７Ａは、本実施例における複数の絶縁体スペーサー２５の配置の一例を示す図である。図７Ｂは、図７Ａ中の線Ｘ−Ｘ’に沿った、縦方向電極棒２１の断面を示す図である。

図７Ａにおいて、複数の絶縁体スペーサー２５の一部は、一対の横方向電極棒２２に平行に一列に配置されている。そのような横方向の列が複数形成されている。例えば、一対の横方向電極棒２２の各々の近くに、そのような横方向の列が形成されている。また、一対の横方向電極棒２２の中間（線Ｘ−Ｘ’上）にも、横方向に一列に並ぶように複数の絶縁体スペーサー２５の一部が配置されている。その複数の絶縁体スペーサー２５によって、隣接する縦方向電極棒２１間のピッチｐが小さい放電電極２０において、ピッチｐの精度は確保される。すなわち、複数の絶縁体スペーサー２５によって、発生するプラズマの分布の不均一が緩和される。

複数の絶縁体スペーサー２５の配置の形態は、上記の例には限られない。絶縁体スペーサー２５は、縦方向電極棒２１に対して脱着可能、あるいは縦方向電極棒２１に沿って移動可能である。よって、複数の絶縁体スペーサー２５を任意の形態に配置することが可能である。これにより、放電電極２０の構造に応じて、複数の絶縁体スペーサー２５を最適に配置することが可能である。複数の絶縁体スペーサー２５は、一対の横方向電極棒２２に平行で中間に位置する線（線Ｘ−Ｘ’）に関して、対称に配置されることが好適である。複数の絶縁体スペーサー２５は、複数の縦方向電極棒２１に平行で中間に位置する線(線Ｙ−Ｙ’)に関して対称に配置されることが好適である。

図１Ａは、ラダー電極を備える従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。 図１Ｂは、図１Ａにおけるラダー電極の構造を示す平面図である。 図２は、ラダー電極を備える従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。 図３は、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す概略図である。 図４Ａは、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置用電極の詳細な構造を示す平面図である。 図４Ｂは、図４Ａ中の線Ｘ−Ｘ’に沿ったプラズマＣＶＤ装置用電極の断面図である。 図５Ａは、本発明の第一実施例に係るプラズマＣＶＤ装置用電極の詳細な構造を示す平面図である。 図５Ｂは、図５Ａ中の線Ｘ−Ｘ’に沿ったプラズマＣＶＤ装置用電極の断面図である。 図６Ａは、本発明の第一実施例に係る他のプラズマＣＶＤ装置用電極の詳細な構造を示す平面図である。 図６Ｂは、図６Ａ中の線Ｘ−Ｘ’に沿ったプラズマＣＶＤ装置用電極の断面図である。 図７Ａは、本発明の第ニ実施例に係るプラズマＣＶＤ装置用電極の詳細な構造を示す平面図である。 図７Ｂは、図７Ａ中の線Ｘ−Ｘ’に沿ったプラズマＣＶＤ装置用電極の断面図である。

符号の説明

１ プラズマＣＶＤ装置
２ 反応容器
４ 接地電極
５ 基板
６ ヒータ
７ 高周波電源
８ ガス供給管
９ ガス排気管
１０ 反応ガス
１１ プラズマ
２０ 放電電極
２１ 縦方向電極棒
２２ 横方向電極棒
２３ 給電部
２４ スペーサー
２５ 絶縁体スペーサー

Claims (10)

1. 互いに略平行な複数の第一電極部と、
   前記複数の第一電極部に直角な一対の第二電極部と、
   複数のスペーサーとを具備し、
   前記複数の第一電極部と前記一対の第二電極部は梯子状に構成され、
   前記複数のスペーサーは、隣接する前記複数の第一電極部の間に挿入されている
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
2. 請求項１において、
   前記複数のスペーサーは、前記複数の第一電極部に対して脱着可能である
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
3. 請求項１および２のいずれかにおいて、
   前記複数のスペーサーは、前記複数の第一電極部に沿って移動可能である
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記複数のスペーサーの一部は、前記一対の第二電極部に平行に一列に配置されている
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記一対の第二電極部に平行で、且つ前記一対の第二電極部の中間に位置する線を第一の線とし、
   前記複数のスペーサーは、前記第一の線に関して対称に配置されている
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記複数の第一電極部に平行で、且つ前記一対の第二電極部の各々の中点を結ぶ線を第二の線とし、
   前記複数のスペーサーは、前記第二の線に関して対称に配置されている
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記複数のスペーサーは、金属により形成されている
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
8. 請求項７において、
   前記複数のスペーサーと前記複数の第一電極部は、同一の材料により形成されている
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
9. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記複数のスペーサーは、絶縁体により形成されている
   プラズマＣＶＤ装置用電極。
10. 請求項１乃至９のいずれかにおけるプラズマＣＶＤ装置用電極と、
    前記プラズマＣＶＤ装置用電極に対向するように配置された接地電極とを具備し、
    基板は前記プラズマＣＶＤ装置用電極に対向するように前記接地電極により保持され、
    隣接する前記複数の第一電極部の間の距離は、前記基板と前記プラズマＣＶＤ装置用電極の間の距離以下である
    プラズマＣＶＤ装置。

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