JP4010044B2

JP4010044B2 - Film forming method and apparatus

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Publication number: JP4010044B2
Application number: JP00064498A
Authority: JP
Inventors: 浩哉桐村; 隆司三上
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1998-01-06
Filing date: 1998-01-06
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2018-01-06
Also published as: JPH11200054A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置における各画素に設けられるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）スイッチ等の材料として用いられたり、集積回路、太陽電池等に用いられる結晶性シリコン膜、その他の膜を形成する成膜方法及びその方法の実施に用いることができる成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
結晶性膜の形成を例にとると、ＣＶＤ法、特に熱ＣＶＤ法が多用されている。ＣＶＤ法により、例えば結晶性シリコン膜を形成するためには、通常、被成膜物品の温度を８００℃程度以上に保つ必要がある。また、真空蒸着法、スパッタ蒸着法等のＰＶＤ法も用いられるが、この場合も、該膜が結晶性を有するものにするためには、通常、被成膜物品の温度を７００℃程度以上に保つ必要がある。
【０００３】
また近年では、各種ＣＶＤ法、ＰＶＤ法により比較的低温下でアモルファスシリコン膜を形成した後、後処理として、８００℃程度以上の熱処理若しくは６００℃程度で２０時間程度以上の長時間にわたる熱処理を施したり、レーザアニール処理を施して、該膜を結晶性シリコン膜とすることが行われている。
しかし、前記のように、各種ＣＶＤ法、ＰＶＤ法により直接結晶性シリコン膜を形成する方法によっては、例えば液晶表示装置のガラス基板として比較的安価な低融点ガラスを用い、この基板上にＴＦＴを形成するために結晶性シリコン膜を形成しようとするとき、かかる低融点ガラスを７００℃や８００℃に保つと、溶融したり歪みが生じる等する。このようにＣＶＤ法やＰＶＤ法で直接結晶性シリコン膜を形成する手法では耐熱性が比較的低い材質からなる物品上への成膜が困難である。
【０００４】
また、前記の熱処理やレーザアニール処理を後処理として行い結晶性シリコン膜を得る方法は、直接結晶性シリコン膜を形成する方法に比べて、１工程多いため生産性が悪い。なお、レーザアニール処理はレーザ照射装置が高価であるとともに、大面積で均一性の良い膜が得られないという欠点もある。
このような問題は、シリコン膜に限らず、結晶化度の高い膜、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）等の膜を形成しようとする場合に生じる問題である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この点、本発明者は、被成膜物品を成膜原料ガスから得たプラズマに曝すとともに該物品表面にイオンビームを照射して膜を形成し、この際該プラズマを該物品の周縁部の近傍に形成すること、又は、該物品表面近傍の真空度を特に高くする（ガス圧を低くする）こと等により、該プラズマから被成膜物品への高速イオンや高速電子の直接入射が抑制され、膜成長面にダメージを与えず欠陥の少ない良質な膜の成長が促され、その結果、比較的低温下で生産性良く良質な結晶性を有する膜を形成できることを見い出した。
【０００６】
また、プラズマを被成膜物品の周縁部近傍に形成する方法では、該物品の中央部より周縁部への膜堆積速度が高くなるため、該物品の被成膜面の面積が大きくなってくると、該被成膜面の中央部の膜厚が周縁部の膜厚より小さくなり易いことも認められた。
そこで、本発明は、被成膜物品表面に比較的低温下で生産性良く膜形成できるとともに、欠陥の無い或いは少ない良質の結晶性を有する膜を形成でき、該物品の被成膜面の面積が大きい場合にも、形成される膜の面内均一性を高くすることができる成膜方法及び装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、次の▲１▼の成膜方法及び（ａ）の成膜装置を提供する。
▲１▼ 成膜原料ガスに電力供給して該ガスをプラズマ化し、該プラズマの下で被成膜物品上に膜形成する方法であって、該プラズマに該被成膜物品を曝すとともに該物品表面にイオンビームを照射して膜形成し、前記膜形成のための成膜原料ガスのプラズマ化にあたっては、該物品の周縁部に対向する位置に設置した電極に電力供給して該物品の周縁部付近に主プラズマを形成するとともに、該物品に対向する位置に設置したイオン源のイオンビーム照射口近傍に設けた多孔電極に電力供給して該物品に対応し且つ該物品から離れた位置に補助プラズマを形成するようにし、該多孔電極を通して前記イオンビーム照射を行うことを特徴とする成膜方法。
（ａ）真空排気手段を接続したプラズマ生成室内に成膜原料ガス供給手段により供給される成膜原料ガスをガスプラズマ化用電力供給手段による電力の供給によりプラズマ化し、該プラズマの下で、該プラズマ生成室内の支持手段に支持される被成膜物品上に膜形成する装置であって、該支持手段に支持される被成膜物品に対向する位置に該物品にイオンビームを照射するためのイオン源を備えており、該ガスプラズマ化用電力供給手段は、該支持手段に支持される被成膜物品の周縁部に対向する位置に設置された主プラズマ形成用の電極及び該イオン源のイオンビーム照射口近傍に設置された補助プラズマ形成用の多孔電極を含むものであることを特徴とする成膜装置。
【０００８】
前記▲１▼の方法及び（ａ）の装置によると、被成膜物品の周縁部付近に主プラズマを形成することにより、該主プラズマからの高速イオン（高エネルギを持つイオン）や高速電子の被成膜物品への直接入射が抑制され、膜成長面にダメージを与えず欠陥の少ない良質な結晶性を有する膜の成長が促される。それとともに該物品表面にイオンビームを照射し、そのイオン種及びイオン加速エネルギを適宜選択或いは調整することにより、表面励起、結晶性向上、結晶配向制御等の効果が得られ、膜構成原子の移動乃至マイグレーション（migration)が促進されて、被成膜物品上に良好な結晶性を有する膜が形成される。
【０００９】
この場合、比較的低温下で膜を結晶化させることができる。
また、１工程でこのような結晶性を有する膜が得られるため、成膜後の熱処理を省略することができ、生産性が良好である。
さらに、イオンビーム照射を行うことにより、膜と被成膜物品との界面部分処理時、成膜中及び成膜後の表面処理時のいずれの時においても、イオン種を選択し、或いはイオン加速エネルギを調整し、或いはこれらの組み合わせにより、膜応力制御、結晶性制御、結晶粒径制御、結晶配向制御、膜密着力制御等を行うことができる。なお、プラズマＣＶＤにおいてプラズマ励起による反応種のエネルギは数ｅＶ〜数１００ｅＶという広範囲に及ぶため、単なるプラズマＣＶＤではこのような制御を行い難い。
【００１０】
また、このような主プラズマのみでは、被成膜物品の被成膜面の面積が大きい場合には該物品表面の中央部の膜厚が周縁部に比べて小さくなり易いが、該物品表面の中央部に対応する位置に補助プラズマを形成してプラズマ分布を補正することにより、該物品表面の中央部への膜堆積が促進されて、面内均一性の高い膜を形成することができる。
【００１１】
なお、前記補助プラズマは、被成膜物品に対向する位置に設置したイオン源のイオンビーム照射口付近に配置された多孔電極への電力供給により被成膜物品の被成膜面から離れた位置に形成されるため、該補助プラズマからの高速イオンや高速電子の被成膜物品への直接入射は抑制されており、該補助プラズマの形成により、膜成長面にダメージを与えることは無い或いは殆ど無い。
【００１２】
また、前記課題を解決するために本発明は、次の▲２▼の成膜方法及び（ｂ）の成膜装置を提供する。
▲２▼ 成膜原料ガスに電力供給して該ガスをプラズマ化し、該プラズマの下で被成膜物品上に膜形成する方法であって、該プラズマに該被成膜物品を曝すとともに該物品表面にイオンビームを照射して膜形成し、前記膜形成のための成膜原料ガスのプラズマ化にあたっては、該物品に対向する位置に設置したイオン源のイオンビーム照射口近傍に設けた多孔電極に電力供給して、該物品に対応し且つ該物品から離れた位置に該プラズマを形成するとともに、該多孔電極を通して前記イオンビーム照射を行うことを特徴とする成膜方法。
（ｂ）真空排気手段を接続したプラズマ生成室内に成膜原料ガス供給手段により供給される成膜原料ガスをガスプラズマ化用電力供給手段による電力の供給によりプラズマ化し、該プラズマの下で、該プラズマ生成室内の支持手段に支持される被成膜物品上に膜形成する装置であって、該支持手段に支持される被成膜物品に対向する位置に該物品にイオンビームを照射するためのイオン源を備えており、該ガスプラズマ化用電力供給手段は、該イオン源のイオンビーム照射口近傍に設置されたプラズマ形成用の多孔電極を含むものであることを特徴とする成膜装置。
【００１３】
前記▲２▼の方法及び（ｂ）の装置によると、成膜原料ガスのプラズマが、該物品に対向する位置に設置したイオン源のイオンビーム照射口付近に配置された多孔電極への電力供給により、被成膜物品に対応し且つ該物品から離れた位置に形成されるため、該プラズマからの高速イオンや高速電子の被成膜物品への直接入射が抑制され、膜成長面にダメージを与えず欠陥の少ない良質な結晶性を有する膜の成長が促される。
【００１４】
また、該多孔電極を被成膜物品の被成膜面の大きさに対応するプラズマを形成できるだけの広がりを有するものとすることにより、該被成膜面の面積が大きいときでも、面内均一性の高い膜を形成することができる。
さらに、前記▲１▼の方法及び（ａ）の装置における場合と同様に、イオンビーム照射に基づく効果、すなわち比較的低温下で生産性良く膜形成できる等の効果もある。
【００１５】
本発明の▲１▼、▲２▼の方法及び（ａ）、（ｂ）の装置における多孔電極は、イオン源のイオンビーム照射口からのイオンの照射を妨害しないような孔を有するものとすればよい。このためには、イオン源のイオン引出し電極のうち最も外側の電極（通常は、接地電極）の孔と同じ位置に孔を有し、その孔の大きさが該電極の孔と同様又はそれより大きいものとすればよい。このような多孔電極として、例えばイオン源のイオン引出し電極のうちの最も外側の電極と形状、サイズ等において実質上同じものを用いることができる。また、多孔電極は形成される膜の均一性を高くする上で、被成膜物品の被成膜面の大きさに対応するプラズマを形成できるだけの広がりを有するものとすることが好ましい。
【００１６】
また、前記多孔電極は、それにより形成されるプラズマ中の高速イオン等による被成膜物品の損傷を避けるために、被成膜物品の被成膜面から２００ｍｍ程度以上、より好ましくは２５０ｍｍ程度以上離れた位置に設置することが好ましい。また、それには限定されないが、被成膜面積等に応じて該被成膜面から３００ｍｍ程度までの位置に設置することが考えられる。あまり被成膜物品から離れると、該プラズマによる被成膜物品の成膜が十分に行われなくなる。なお、従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置では、被成膜物品に対する電極は、通常該物品の被成膜面から２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度の位置に設置されるため、発生したプラズマ中の高速イオン等による膜の損傷が生じ易い。
【００１７】
また、本発明の▲１▼の方法及び（ａ）の装置における「被成膜物品の周縁部に対向する電極」には、文字通り被成膜物品の周縁部に対向している電極の他、被成膜物品の周縁部近傍にプラズマを形成できるようにその周縁部に臨む位置、その周縁部に関係する位置等に配置されているものも含まれる。具体的には、被成膜物品の周縁部に対向するリング状電極、筒状電極、コイル状電極、リジタノコイル型電極、マイクロ波導入用アンテナ等を挙げることができる。
【００１８】
前記リング状電極、筒状電極、コイル状電極を用いる場合、ガスプラズマ化用電力供給手段に含まれる電源としては代表例として高周波電源が用いられる。また、前記リジタノコイル型電極を用いる場合、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを得るために、普通には、電源としてマイクロ波電源が用いられるとともに、リジタノコイル型電極の外周部に対し磁場形成手段が備えられる。なお、リング状電極、筒状電極、コイル状電極、マイクロ波導入用アンテナを用いる場合も、該電極又はアンテナの外周部に対し磁場形成手段が備えられていてもよい。このように磁場を形成することにより低圧下（高真空度下）でもプラズマを形成維持し易くなる。
【００１９】
前記▲１▼の方法及び（ａ）の装置においては、前記イオン源は被成膜物品の周縁部に対向する電極の開口部を通して被成膜物品にイオンビームを照射できるものとすればよい。
また、前記（ａ）、（ｂ）の装置において、前記真空排気手段及び前記成膜原料ガスの供給手段が、被成膜物品表面近傍の真空度を１×１０^-2Ｔｏｒｒ〜１×１０^-6Ｔｏｒｒ程度の高真空（低圧）にできるように設定されていることが好ましく、前記▲１▼、▲２▼の方法においても、成膜中、被成膜物品表面近傍の真空度を１×１０^-2Ｔｏｒｒ〜１×１０^-6Ｔｏｒｒ程度の高真空（低圧）にすることが好ましい。
【００２０】
このような高真空下でガスをプラズマ化させると、気相反応が抑制されて不要なダストパーティクルの生成が少なくなり、被成膜物品表面への不純物の付着が抑制され、良質な結晶性膜が得られる。また、高真空下でガスをプラズマ化させるため、膜形成に寄与するラジカルの拡散域が広がり、それだけ大面積の被成膜物品上にも良質の結晶性膜を形成することができる。さらに、膜形成工程において成膜を行う容器内面等への膜付着が少なく、それだけクリーニング等のメンテナンスが容易になる。
【００２１】
なお、被成膜物品表面近傍が１×１０^-2Ｔｏｒｒより低真空（高圧）になってくると、高真空にすることによる前記効果が得られ難く、１×１０^-6Ｔｏｒｒより高真空（低圧）になってくると極端に成膜速度が低下する。
また、前記▲１▼、▲２▼の方法及び（ａ）、（ｂ）の装置において、成膜原料ガスとしてシリコン系ガスを含むガスを用いることができ、これにより被成膜物品上に結晶性シリコン膜を形成することができる。シリコン系ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ₄）ガス、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）ガス等の水素化シリコンガス、四フッ化シリコン（ＳｉＦ₄）ガス等のフッ化シリコンガス、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ₄）ガス等の塩化シリコンガス等を例示できる。結晶性シリコン膜を形成するためには、前記シリコン系ガスのうち少なくとも一種のガス又は前記シリコン系ガスのうち少なくとも一種のガスと反応性ガス（水素（Ｈ₂）ガス、フッ素（Ｆ₂）ガス、フッ化水素（ＨＦ）ガス等）のうち少なくとも一種のガスを用いることが好ましい。
【００２２】
また、前記▲１▼、▲２▼の方法及び（ａ）、（ｂ）の装置において、結晶性シリコン膜を形成する場合、前記イオンビームのイオン種として、不活性ガス（ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等）、前記成膜原料ガスとして例示した反応性ガス及び前記成膜原料ガスとして例示したシリコン系ガスのうち少なくとも一種のガスのイオンを用いることができる。
【００２３】
前記不活性ガスイオンを照射するときには、結晶化のための物理的励起制御が可能となる。また、前記反応性ガス及び前記シリコン系ガスのうち水素（Ｈ）又は（及び）フッ素（Ｆ）を含むものを用いるときには、水素原子、フッ素原子が膜中のアモルファス相のシリコン原子と結合してこれを気化し、シリコンの結晶化が促進されるとともに、シリコン−シリコンネットワーク中のダングリングボンドや膜中欠陥が低減され、一層良質な結晶性を有するシリコン膜を形成することができる。
【００２４】
なお、イオン源内からイオン原料ガスがプラズマ生成室内に拡散し、逆にプラズマ生成室内から成膜原料ガスがイオン源内に拡散するため、成膜原料ガスとイオン原料ガスとで同じガスを用いる場合は、該ガスは、成膜原料ガスとしてプラズマ生成室内に導入したもの又はイオン原料ガスとしてイオン源内に導入したものを双方で共用すればよい。
【００２５】
また、前記▲１▼、▲２▼の方法及び（ａ）、（ｂ）の装置において、イオンビームのイオン種として、シリコン系ガス、反応性ガス及び不活性ガスのうちの１種以上を用いる場合、前記イオンビームを被成膜物品に対し２０ｅＶ〜２ｋｅＶ程度、より好ましくは５０ｅＶ〜５００ｅＶ程度の低エネルギで照射することが考えられ、このとき、イオンビームを被成膜物品に照射することによる表面励起、結晶性向上、結晶配向制御等の効果を妨げることなく一層良質な結晶性を有するシリコン膜を形成することができる。
また、前記▲１▼、▲２▼の方法及び前記（ａ）、（ｂ）の装置において、前記イオンビームのイオン種として前記不活性ガス、前記反応性ガス及び前記シリコン系ガスのうち少なくとも一種のガスのイオンを用いるとともに、前記プラズマの原料ガスとして前記シリコン系ガスのうち少なくとも一種のガス、又は前記シリコン系ガスのうち少なくとも一種のガスと前記反応性ガスのうち少なくとも一種のガスとを用いる場合、前記被成膜物品表面に到達するプラズマからのシリコン原子数とイオンビームのイオン数との比（Ｓｉ／ｉ輸送比）を０．１〜１００程度とすることが好ましい。これは、Ｓｉ／ｉ輸送比が０．１より小さくなってくるとイオン量が過剰となり膜欠陥が発生し易くなるからであり、１００より大きくなってくるとイオン照射による結晶化効果が不十分になるからである。
【００２６】
なお、被成膜物品表面に到達するシリコン原子数は膜厚をモニタしつつ制御することができ、被成膜物品表面に到達するイオン数はイオン源からのイオンの引き出し電圧を制御したり、イオン源内のプラズマを発生させるための電力を制御すること等により制御することができる。
また、前記▲１▼、▲２▼の方法において、結晶性シリコン膜を形成する場合、被成膜物品の温度を室温〜６００℃程度にすることが好ましい。より好ましくは３００℃〜６００℃程度である。前記▲１▼、▲２▼の方法及び前記（ａ）、（ｂ）の装置によると、従来に比べてこのような低温下でも良質な結晶性を有するシリコン膜を得ることができる。なお、室温より低温にすると、形成されるシリコン膜中にアモルファス成分が増加し易く結晶性が却って低くなる場合がある。
【００２７】
さらに、前記▲１▼、▲２▼の方法において、結晶性シリコン膜を形成する場合、より結晶性を高める必要がある場合には、成膜後、後処理として、前記結晶性シリコン膜に３００℃〜６００℃程度の熱処理を施すことができる。熱処理温度は、より好ましくは４００℃〜６００℃程度である。前記▲１▼、▲２▼の方法及び前記（ａ）、（ｂ）の装置により得られるシリコン膜中の水素濃度は通常のＣＶＤ法により得られるシリコン膜より大幅に低い値にできるため、このように膜中水素濃度を低値として上述の後処理によりボイドの少ない一層良質な結晶性を有するシリコン膜を形成することができる。また、結晶化のために行われる従来の後処理より加熱温度を低くすることができるとともに、加熱時間も短くすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る成膜装置の１例の概略構成を示す図である。
この装置は、プラズマ生成室Ｃを有し、室Ｃには真空排気部１８が接続されるとともに、原料ガス供給部１２が接続されている。原料ガス供給部１２には原料ガス源、マスフローコントローラ等が含まれるが、これらについては図示を省略している。また室Ｃ内には被成膜物品保持部材１１が設置され、保持部材１１は被成膜物品１０を搬入搬出すべく図示しない駆動部により水平往復動可能で、室Ｃ内では被成膜物品加熱用ヒータ９上に配置される。また、保持部材１１に保持される被成膜物品１０周縁部に対向する位置には、円筒状電極１４ａが設置される。電極１４ａには整合器１６ａを介して高周波電源１７ａが接続されている。また、円筒状電極１４ａに対応するプラズマ生成室Ｃの外周の位置には、プラズマ安定維持のための磁場を入れる磁石１００ａが設けられている。
【００２９】
また、円筒状電極１４ａを挟み、保持部材１１に対向する位置には断面円形のイオン源２が設けられている。イオン源２にはイオン源用ガス供給部１が接続されているとともに、ガスプラズマ化のために整合器３を介して高周波電源４が接続されている。なお、ガス供給部１にもガス源等が含まれるが、これらは図示を省略している。また、イオン源２は、イオンを引き出すためのここでは３枚の電極（イオン源側から加速電極、減速電極、接地電極）からなる引出し電極系２１を有している。引出し電極系２１とイオン源２との間には加速電源５及び減速電源６が接続されている。なお、イオン源２の励起方法はここでは高周波型を示しているが、この他フィラメント型、マイクロ波型等を採用できる。また、引出し電極系は３枚電極構造に限定されず１枚〜４枚の電極からなるものでよい。
【００３０】
また、プラズマ生成室Ｃ内のイオン引出し電極系２１の付近には、被成膜物品１０より若干広い面積を有する多孔電極１４ｂが設置されている。多孔電極１４ｂは引出し電極系２１の最もプラズマ生成室Ｃ寄りの電極（接地電極）の孔と実質上同じ大きさ及び配列の孔１４ｂ’を有するものであり、該接地電極と孔の位置を実質上同じくして配置されている。多孔電極１４ｂには、整合器１６ｂを介して高周波電源１７ｂが接続されている。
【００３１】
この装置を用いて本発明方法を実施するにあたっては、被成膜物品１０を保持部材１１により保持してプラズマ生成室Ｃ内に搬入しヒータ９上の所定の成膜位置に設置するとともに、室Ｃ内を真空排気部１８の運転にて所定真空度とする。次いで、原料ガス供給部１２からプラズマ生成室Ｃ内に原料ガスを導入するとともに、整合器１６ａを介して高周波電源１７ａから円筒状電極１４ａに高周波電力を供給して前記導入した原料ガスをプラズマ化し、図中１３ａで示す位置すなわち円筒状電極１４ａのすぐ内側であって被成膜物品１０の周縁部の近傍の位置に主プラズマを形成する。また、整合器１６ｂを介して高周波電源１７ｂから多孔電極１４ｂに高周波電力を供給して前記導入した原料ガスをプラズマ化し、図中１３ｂに示す位置すなわち多孔電極１４ｂの直ぐ下方の位置に補助プラズマを形成する。
【００３２】
それとともにイオン源２にイオン源用ガス供給部１からイオンの原料ガスを導入し、これに整合器３を介して電源４から高周波電力を供給して、図中８で示すイオン源内の位置にプラズマを発生させ、引出し電極系２１に電源５、６により適当な電圧を印加することによりプラズマ８からイオンを引き出し、多孔電極１４ｂの孔１４ｂ’及び円筒状電極１４ａの開口部を通して被成膜物品１０に該イオンビームを照射する。これにより、被成膜物品１０上に所定の結晶性膜が形成される。
【００３３】
なお、成膜中は、被成膜物品１０表面近傍の真空度が１×１０^-2Ｔｏｒｒ〜１×１０^-6Ｔｏｒｒの範囲内になるようにプラズマ生成室内の真空度を調整する。また、例えば結晶性シリコン膜を形成する場合、成膜原料ガスとしてシリコン系ガスのうち少なくとも一種のガス又はシリコン系ガスと反応性ガスのうち少なくとも一種のガスを用いる。また、イオンビームのイオン種としてシリコン系ガス、反応性ガス及び不活性ガスのうち少なくとも一種のガスのイオンを用いる。この場合、イオンの加速エネルギは２０ｅＶ〜２ｋｅＶ、より好ましくは５０ｅＶ〜５００ｅＶとする。さらに、被成膜物品１０の温度はヒータ９によりＲＴ（室温）〜６００℃に保つ。
【００３４】
以上説明した方法及び装置によると、主プラズマ１３ａは主に物品１０の周縁部に対向する位置に形成されるため、主プラズマ１３ａ中の高速イオン及び高速電子の物品１０への入射量が少なく、しかも直接入射が抑制され、膜成長面にダメージを与えず欠陥の少ない良質の結晶性膜の成長が促される。また、物品１０にイオンビームを照射し、その照射のエネルギが２ｋｅＶ以下（特に５００ｅＶ以下）の低レベルに制御されていることにより、イオンビーム照射による表面励起、結晶性向上、結晶配向制御等の効果が妨げられず膜構成原子のマイグレーションが促進されて、物品１０上に良質な結晶性を有する膜が形成される。
【００３５】
また、被成膜物品１０の周縁部近傍に主プラズマ１３ａを形成するのに加えて、多孔電極１４ｂに電力供給して被成膜物品１０から離れた上方に該物品１０の被成膜面に相当する広がりを有する補助プラズマ１３ｂを形成することにより、被成膜物品１０の被成膜面が比較的広いものである場合にも、該面上に均一な結晶性膜を形成することができる。
【００３６】
また、１工程で結晶性膜が得られるため、成膜後の熱処理を省略することができ、生産性が良好である。
また、例えば結晶性シリコン膜を形成する場合、成膜中はシリコンを結晶化させるために物品１０の温度を６００℃より高くする必要はない。このことから、例えば液晶表示装置用のガラス基板として比較的低融点の安価なガラスを用い、その上にＴＦＴ用等のシリコン膜を形成できる。
【００３７】
また、ここでは１×１０^-2Ｔｏｒｒ〜１×１０^-6Ｔｏｒｒという高真空下で原料ガスをプラズマ化させるため、気相反応が抑制されて不要なパーティクルの生成が抑制され、被成膜物品１０への不純物の付着が抑制されて良質な結晶性膜が得られる。また、前記のとおり高真空下で原料ガスをプラズマ化するため、成膜に寄与するラジカルの拡散域が広くなり、大面積の被成膜物品１０上にも良質な結晶性膜を形成することができる。さらにプラズマ生成室Ｃ内面等への膜付着が少なく、従って室Ｃ内のクリーニングの頻度が少なくて済む。
【００３８】
また、図２は本発明に係る成膜装置の他の例の概略構成を示す図である。この装置は、図１の装置において、円筒状電極１４ａ、これに接続された整合器１６ａ及び高周波電源１７ａを備えていないものである。その他の構成は図１の装置と同様であり、実質上同じ部品には同じ参照符号を付してある。
この装置を用いて本発明方法を実施するにあたっては、多孔電極１４ｂへの電力供給によって成膜原料ガスをプラズマ化して、イオン源１の引出し電極系２１の直ぐ下方の位置にプラズマ１３ｂを形成するとともに、イオン源１から被成膜物品１０にイオンビームを照射して該物品１０上に結晶性膜を形成する。その他の動作は前記図１の装置を用いた成膜と同様である。
【００３９】
この方法及び装置によると、プラズマ１４ｂは被成膜物品１０の被成膜面から離れた位置に形成されるため、該プラズマからの高速イオンや高速電子の被成膜物品１０への入射量が少なく、しかも直接入射が抑制され、膜成長面にダメージを与えず欠陥の少ない良質な結晶性を有する膜の成長が促される。
また、多孔電極１４ｂへの電力供給により被成膜物品１０の被成膜面の大きさに対応する大きさを有するプラズマが形成されるため、該面の面積が大きいときでも、面内均一性の高い膜を形成することができる。
【００４０】
さらに、図１の装置による成膜の場合と同様に、イオンビーム照射に基づく効果、すなわち比較的低温下で生産性良く膜形成できる等の効果もある。
次に、図１、図２の装置を用いて本発明方法により結晶性シリコン膜を形成した具体的な実施例１、２及びその結果得られた結晶性シリコン膜の例について説明する。併せて、実施例１において補助プラズマを形成せず主プラズマのみ形成して結晶性シリコン膜を形成した比較例１及び従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いてシリコン膜を形成した比較例２についても説明する。

なお、前記実施例１及び２は被成膜物品を替えて５０回づつ行った。
比較例１
前記実施例１において補助プラズマを形成しない他は前記実施例１と同じ条件で結晶性シリコン膜を形成した。

次に、前記実施例１、２及び比較例２により得られた各シリコン膜について、フーリエ交換赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）、Ｘ線回折分析（ＸＲＤ）及びレーザラマン分光分析により水素濃度測定及び結晶性評価を行い、電子移動度測定を行うことでデバイス特性を評価した。また、後処理として熱処理を施し結晶構造の変化を調べた。
・ＦＴ−ＩＲ
波数２０００ｃｍ^-1のＳｉ−Ｈ(Stretching-band) 吸収ピーク積分強度から膜中の水素濃度を定量分析したところ、実施例１、２による各膜サンプルは５×１０²⁰ｃｍ^-3以下であるのに対し、比較例２による膜サンプルは２×１０²²ｃｍ^-3であった。このように本発明実施例１、２により得られた膜サンプルは比較例２によるものより水素濃度が著しく少なかった。
・ＸＲＤ
実施例１、２による各膜サンプルは、１１１面（２θ＝２８．２°）及び２２０面（２θ＝４７．２°）からのピークが検出され、シリコン(cubic) の結晶性が確認された。一方、比較例２による膜サンプルはアモルファス構造であることが確認された。
・レーザラマン分光分析
実施例１、２による各膜サンプルは、結晶化シリコンによるピーク（ラマンシフト＝５１５〜５２０ｃｍ^-1）のピークを検出し、１００Å〜２０００Åの結晶粒が認められた。一方、比較例２による膜サンプルはアモルファス構造によるピーク（ラマンシフト＝４８０ｃｍ^-1）が検出された。
・熱処理
実施例１、２及び比較例２により得られた各膜サンプルに後処理として５００℃、８時間の真空中での熱処理を施したところ、比較例２による膜サンプルはアモルファス構造のままで結晶化しなかったが、実施例１、２のものでは結晶粒径が１００Å〜２０００Åから５００Å〜３０００Åへ増大した。
・電子移動度
比較例２による膜サンプルが０．１ｃｍ²／Ｖ・ｓの電子移動度を示したのに対し、実施例１、２による膜サンプルでは結晶粒径１００Åのもので０．５ｃｍ²／Ｖ・ｓ、結晶粒径２０００Åのもので５０ｃｍ²／Ｖ・ｓの電子移動度を示した。
【００４１】
以上の結果から、本発明実施例１、２では従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いた比較例２によっては得られなかった結晶性シリコン膜が３００℃という低温度下で得られたことが分かる。
また、前記実施例１、２及び比較例１により得られた各シリコン膜について、光学式膜厚計を用いて膜厚分布を評価したところ、実施例１による膜は±３％であるのに対して、比較例１による膜は±８％であり、比較的大面積の被成膜物品を用いるときでも、該物品の上方に設置した多孔電極を用いてプラズマ分布を補正することにより、膜厚均一性が向上したことが分かる。また、実施例２による膜の膜厚分布は±５％であり、比較的大面積の被成膜物品を用いるときでも、該物品に対応する広がりを有する多孔電極を用いることにより面内均一性の高い膜を形成できたことが分かる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によると、被成膜物品表面に比較的低温下で生産性良く膜形成できるとともに、欠陥の無い或いは少ない良質の結晶性を有する膜を形成でき、該物品の被成膜面の面積が大きい場合にも、形成される膜の面内均一性を高くすることができる成膜方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成膜装置の１例の概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る成膜装置の他の例の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１イオン源用ガス導入口
２イオン源
２１引出し電極系
３、１６ａ、１６ｂ整合器
４、１７ａ、１７ｂ高周波電源
５加速電源
６減速電源
８イオン源内プラズマ
９被成膜物品加熱用ヒータ
１０被成膜物品
１１被成膜物品保持部材
１２原料ガス供給部
１３ａ主プラズマ
１３ｂ補助プラズマ
１４ａ円筒状電極
１４ｂ多孔電極
１４ｂ’ 多孔電極１４ｂの孔
１８真空排気部
Ｃプラズマ生成室
１００ａ、１００ｂ磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a film forming method for forming a crystalline silicon film used for a material such as a TFT (thin film transistor) switch provided in each pixel in a liquid crystal display device, a crystal silicon film used for an integrated circuit, a solar cell, and the like, and other films. The present invention relates to a film forming apparatus that can be used for carrying out the method.
[0002]
[Prior art]
Taking the formation of a crystalline film as an example, a CVD method, particularly a thermal CVD method is often used. In order to form, for example, a crystalline silicon film by CVD, it is usually necessary to keep the temperature of the article to be deposited at about 800 ° C. or higher. In addition, PVD methods such as vacuum deposition and sputter deposition are also used. In this case as well, in order to make the film have crystallinity, the temperature of the film-formed article is usually about 700 ° C. or higher. Need to keep.
[0003]
In recent years, after an amorphous silicon film is formed at a relatively low temperature by various CVD methods and PVD methods, a heat treatment at about 800 ° C. or higher or a heat treatment at about 600 ° C. for about 20 hours or longer is performed as a post treatment. Alternatively, a laser annealing process is performed to turn the film into a crystalline silicon film.
However, as described above, depending on the method of directly forming a crystalline silicon film by various CVD methods and PVD methods, for example, a relatively inexpensive low-melting glass is used as a glass substrate of a liquid crystal display device, and a TFT is formed on this substrate. When a crystalline silicon film is to be formed for formation, if such a low-melting glass is kept at 700 ° C. or 800 ° C., it will be melted or distorted. As described above, it is difficult to form a film on an article made of a material having relatively low heat resistance by a method of directly forming a crystalline silicon film by a CVD method or a PVD method.
[0004]
Further, the method of obtaining the crystalline silicon film by performing the heat treatment or the laser annealing as a post-treatment has one step more than the method of directly forming the crystalline silicon film, so that the productivity is poor. The laser annealing process has a drawback that a laser irradiation apparatus is expensive and a film having a large area and good uniformity cannot be obtained.
Such a problem is not limited to a silicon film, but occurs when a film having a high degree of crystallinity, such as a film of gallium arsenide (GaAs) or indium phosphide (InP), is to be formed.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In this regard, the present inventor exposes the film-forming article to plasma obtained from the film-forming raw material gas and irradiates the surface of the article with an ion beam to form a film. At this time, the plasma is applied to the peripheral portion of the article. Direct incidence of high-speed ions and high-speed electrons from the plasma onto the film-forming article is suppressed by forming it in the vicinity or by particularly increasing the degree of vacuum in the vicinity of the article surface (lowering the gas pressure). It has been found that the growth of a high-quality film with few defects without damaging the film growth surface is promoted, and as a result, it is possible to form a film having good crystallinity with good productivity at a relatively low temperature.
[0006]
Further, in the method of forming plasma in the vicinity of the peripheral portion of the article to be deposited, the film deposition rate from the central portion of the article to the peripheral portion becomes higher, so that the area of the deposition surface of the article becomes larger. It was also recognized that the film thickness at the center of the film formation surface tends to be smaller than the film thickness at the peripheral edge.
Therefore, the present invention can form a film on the surface of the film-formed article with relatively high productivity at a relatively low temperature, and can form a film having no defects or few high-quality crystallinity, and the area of the film-formed surface of the article It is an object of the present invention to provide a film forming method and apparatus capable of increasing in-plane uniformity of a formed film even when the film thickness is large.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides the following film forming method (1) and film forming apparatus (a).
(1) A method for forming a film on a film-forming article under the plasma by supplying power to a film-forming raw material gas, and exposing the film-forming article to the plasma A film is formed by irradiating the surface with an ion beam, and when the film forming raw material gas for forming the film is turned into plasma, power is supplied to an electrode disposed at a position opposite to the peripheral portion of the article, and the peripheral edge of the article A main plasma is formed in the vicinity of the part, and power is supplied to the porous electrode provided in the vicinity of the ion beam irradiation port of the ion source installed at a position facing the article to correspond to the article and to a position away from the article. A film forming method, wherein an auxiliary plasma is formed, and the ion beam irradiation is performed through the porous electrode.
(A) The film forming source gas supplied by the film forming source gas supply unit into the plasma generation chamber connected to the vacuum exhaust unit is turned into plasma by supplying power from the gas plasma generating power supply unit, and under the plasma, An apparatus for forming a film on a film-forming article supported by a supporting means in a plasma generation chamber for irradiating the article with an ion beam at a position facing the film-forming article supported by the supporting means An ion source is provided, and the gas plasma power supply means includes a main plasma forming electrode installed at a position facing the peripheral edge of the film formation article supported by the support means, and the ion source A film forming apparatus including a porous electrode for forming auxiliary plasma installed in the vicinity of an ion beam irradiation port.
[0008]
According to the method (1) and the apparatus (a), the main plasma is formed in the vicinity of the periphery of the article to be deposited, so that fast ions (high energy ions) and fast electrons from the main plasma are generated. Direct incidence on the article to be deposited is suppressed, and growth of a film having good crystallinity with few defects without damaging the film growth surface is promoted. At the same time, the surface of the article is irradiated with an ion beam, and by appropriately selecting or adjusting the ion species and ion acceleration energy, effects such as surface excitation, improvement in crystallinity, and crystal orientation control can be obtained, and movement of film constituent atoms Through migration, a film having good crystallinity is formed on the article to be deposited.
[0009]
In this case, the film can be crystallized at a relatively low temperature.
In addition, since a film having such crystallinity can be obtained in one step, heat treatment after film formation can be omitted, and productivity is good.
Further, by performing ion beam irradiation, ion species can be selected or ion acceleration can be performed at the time of partial interface treatment between the film and the article to be deposited, during film formation, and during surface treatment after film formation. By adjusting energy or a combination thereof, film stress control, crystallinity control, crystal grain size control, crystal orientation control, film adhesion control, and the like can be performed. In plasma CVD, the energy of reactive species due to plasma excitation covers a wide range of several eV to several hundred eV, and thus it is difficult to perform such control in mere plasma CVD.
[0010]
Further, with such a main plasma alone, when the area of the film formation surface of the article to be deposited is large, the film thickness at the center of the article surface tends to be smaller than that at the peripheral part. By forming an auxiliary plasma at a position corresponding to the central portion and correcting the plasma distribution, film deposition on the central portion of the article surface is promoted, and a film with high in-plane uniformity can be formed.
[0011]
The auxiliary plasma is positioned away from the film formation surface of the film formation article by supplying power to the porous electrode disposed in the vicinity of the ion beam irradiation port of the ion source installed at a position facing the film formation article. Therefore, direct incidence of fast ions and fast electrons from the auxiliary plasma on the film-formed article is suppressed, and the formation of the auxiliary plasma causes little or no damage to the film growth surface. No.
[0012]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides the following film forming method (2) and film forming apparatus (b).
(2) A method for forming a film on a film-forming article under the plasma by supplying electric power to a film-forming raw material gas, and exposing the film-forming article to the plasma. When forming a film by irradiating the surface with an ion beam, and forming the film forming material gas for forming the film into a plasma, a porous electrode provided in the vicinity of the ion beam irradiation port of the ion source installed at a position facing the article And forming the plasma at a position corresponding to the article and away from the article, and performing the ion beam irradiation through the porous electrode.
(B) The film forming raw material gas supplied by the film forming raw material gas supply means into the plasma generation chamber connected to the vacuum exhaust means is turned into plasma by supplying power from the gas plasma power supply means, and under the plasma, An apparatus for forming a film on a film-forming article supported by a supporting means in a plasma generation chamber for irradiating the article with an ion beam at a position facing the film-forming article supported by the supporting means A film forming apparatus comprising an ion source, wherein the gas plasma power supply means includes a plasma forming porous electrode installed in the vicinity of an ion beam irradiation port of the ion source.
[0013]
According to the method (2) and the apparatus (b), the plasma of the deposition source gas is supplied to the porous electrode disposed in the vicinity of the ion beam irradiation port of the ion source disposed at the position facing the article. Therefore, it is formed at a position corresponding to the article to be deposited and away from the article, so that direct incidence of fast ions and fast electrons from the plasma on the article to be deposited is suppressed, and the film growth surface is damaged. The growth of a film having good crystallinity with few defects and no defects is promoted.
[0014]
In addition, even when the area of the film-forming surface is large, the porous electrode has a spread enough to form a plasma corresponding to the size of the film-forming surface of the film-forming article. A highly reliable film can be formed.
Further, as in the case of the method (1) and the apparatus (a), there is an effect based on ion beam irradiation, that is, an effect that a film can be formed with high productivity at a relatively low temperature.
[0015]
The porous electrodes in the methods (1) and (2) of the present invention and the devices (a) and (b) should have holes that do not interfere with the irradiation of ions from the ion beam irradiation port of the ion source. That's fine. For this purpose, a hole is formed at the same position as the hole of the outermost electrode (usually the ground electrode) among the ion extraction electrodes of the ion source, and the size of the hole is the same as or larger than that of the electrode. It should be large. As such a porous electrode, for example, an electrode having substantially the same shape and size as the outermost electrode of the ion extraction electrodes of the ion source can be used. Further, it is preferable that the porous electrode is wide enough to form plasma corresponding to the size of the film formation surface of the film formation article in order to increase the uniformity of the film to be formed.
[0016]
Further, the porous electrode has a thickness of about 200 mm or more, more preferably about 250 mm or more from the film-forming surface of the film-forming article in order to avoid damage to the film-forming article due to high-speed ions or the like in the plasma formed thereby. It is preferable to install at a distant position. Although not limited to this, it can be considered to be installed at a position about 300 mm from the film formation surface according to the film formation area and the like. If it is too far away from the film-forming article, the film-forming article is not sufficiently formed by the plasma. In the conventional parallel plate type plasma CVD apparatus, the electrode for the film-forming article is usually installed at a position of about 20 mm to 40 mm from the film-forming surface of the article. Film damage is likely to occur.
[0017]
In addition, in the method of (1) of the present invention and the apparatus of (a), the “electrode facing the peripheral edge of the film-formed article” literally includes the electrode facing the peripheral edge of the film-formed article, Also included are those arranged at the position facing the peripheral edge, the position related to the peripheral edge, etc. so that plasma can be formed in the vicinity of the peripheral edge of the article to be deposited. Specifically, a ring-shaped electrode, a cylindrical electrode, a coiled electrode, a rigitano coil-type electrode, a microwave introduction antenna, and the like facing the peripheral edge of the film-formed article can be given.
[0018]
When using the ring-shaped electrode, the cylindrical electrode, and the coil-shaped electrode, a high-frequency power source is typically used as a power source included in the gas plasma power supply means. When the above-mentioned ligitano coil type electrode is used, in order to obtain an electron cyclotron resonance (ECR) plasma, a microwave power source is usually used as a power source, and a magnetic field forming means is provided on the outer periphery of the rigitano coil type electrode. . Note that when a ring-shaped electrode, a cylindrical electrode, a coiled electrode, or a microwave introduction antenna is used, a magnetic field forming unit may be provided on the outer periphery of the electrode or antenna. By forming a magnetic field in this way, it is easy to maintain and form plasma even under low pressure (high vacuum).
[0019]
In the method (1) and the apparatus (a), the ion source may be capable of irradiating the film formation article with an ion beam through the opening of the electrode facing the peripheral edge of the film formation article.
In the apparatuses (a) and (b), the evacuation unit and the film forming source gas supply unit set the degree of vacuum in the vicinity of the surface of the film-formed article to 1 × 10. ^-2 Torr ~ 1 × 10 ^-6 It is preferable that the pressure is set so that a high vacuum (low pressure) of about Torr can be achieved. Also in the methods (1) and (2), the degree of vacuum in the vicinity of the surface of the article to be deposited is 1 × 10 5 during the film formation. ^-2 Torr ~ 1 × 10 ^-6 A high vacuum (low pressure) of about Torr is preferable.
[0020]
When the gas is turned into plasma under such a high vacuum, the gas phase reaction is suppressed, the generation of unnecessary dust particles is reduced, and the adhesion of impurities to the surface of the article to be deposited is suppressed. Is obtained. Further, since the gas is turned into plasma under high vacuum, the diffusion region of radicals contributing to film formation is widened, and a high-quality crystalline film can be formed on a film-formed article having a large area. Furthermore, there is little adhesion of the film to the inner surface of the container where the film is formed in the film forming process, and maintenance such as cleaning becomes easier.
[0021]
Note that the vicinity of the surface of the article to be deposited is 1 × 10 ^-2 When the vacuum is lower than Torr (high pressure), it is difficult to obtain the above effect due to the high vacuum. ^-6 When the vacuum (low pressure) becomes higher than that of Torr, the film forming speed is extremely reduced.
In the methods (1) and (2) and the apparatuses (a) and (b), a gas containing a silicon-based gas can be used as a film forming raw material gas. A conductive silicon film can be formed. As a silicon-based gas, monosilane (SiH _Four ) Gas, disilane (Si ₂ H ₆ ) Silicon hydride gas such as gas, silicon tetrafluoride (SiF) _Four ) Silicon fluoride gas such as gas, silicon tetrachloride (SiCl) _Four ) Silicon chloride gas such as gas can be exemplified. In order to form a crystalline silicon film, at least one gas among the silicon-based gases or at least one gas among the silicon-based gases and a reactive gas (hydrogen (H ₂ ) Gas, fluorine (F ₂ ) Gas, hydrogen fluoride (HF) gas, etc.) is preferably used.
[0022]
In the methods (1) and (2) and the apparatuses (a) and (b), when a crystalline silicon film is formed, an inert gas (helium (He) gas) is used as the ion species of the ion beam. , Neon (Ne) gas, argon (Ar) gas, krypton (Kr) gas, xenon (Xe) gas, etc.), reactive gas exemplified as the film-forming source gas, and silicon-based gas exemplified as the film-forming source gas Among these, ions of at least one kind of gas can be used.
[0023]
When the inert gas ions are irradiated, physical excitation control for crystallization can be performed. Further, when using the reactive gas and the silicon-based gas containing hydrogen (H) or (and) fluorine (F), hydrogen atoms and fluorine atoms are bonded to the amorphous phase silicon atoms in the film. By vaporizing this, crystallization of silicon is promoted, dangling bonds and defects in the film in the silicon-silicon network are reduced, and a silicon film having higher quality crystallinity can be formed.
[0024]
In addition, when the ion source gas diffuses from the ion source into the plasma generation chamber and, conversely, the film formation source gas diffuses from the plasma generation chamber into the ion source. As the gas, a gas introduced into the plasma generation chamber as a film forming source gas or a gas introduced into the ion source as an ion source gas may be shared by both.
[0025]
In the methods (1) and (2) and the devices (a) and (b), one or more of silicon-based gas, reactive gas and inert gas are used as ion species of the ion beam. In this case, it is conceivable to irradiate the article to be deposited with a low energy of about 20 eV to 2 keV, more preferably about 50 to 500 eV. At this time, by irradiating the article to be deposited with the ion beam. A silicon film having higher crystallinity can be formed without hindering effects such as surface excitation, crystallinity improvement, and crystal orientation control.
In the methods (1) and (2) and the apparatuses (a) and (b), at least one of the inert gas, the reactive gas, and the silicon-based gas is used as the ion species of the ion beam. And at least one gas of the silicon-based gas, or at least one gas of the silicon-based gas and at least one gas of the reactive gas is used as the plasma source gas. In this case, the ratio (Si / i transport ratio) between the number of silicon atoms from the plasma reaching the surface of the film-formed article and the number of ions in the ion beam is preferably about 0.1 to 100. This is because when the Si / i transport ratio is smaller than 0.1, the amount of ions becomes excessive and film defects are likely to occur. When the Si / i transport ratio is larger than 100, the crystallization effect by ion irradiation is insufficient. Because it becomes.
[0026]
The number of silicon atoms that reach the surface of the film-forming article can be controlled while monitoring the film thickness, and the number of ions that reach the surface of the film-forming article can control the extraction voltage of ions from the ion source, It can be controlled by controlling the power for generating plasma in the ion source.
In the methods (1) and (2), when the crystalline silicon film is formed, it is preferable that the temperature of the article to be deposited is about room temperature to about 600 ° C. More preferably, it is about 300 to 600 ° C. According to the methods {circle around (1)} and {circle around (2)} and the devices (a) and (b), it is possible to obtain a silicon film having good crystallinity even at such a low temperature as compared with the prior art. Note that when the temperature is lower than room temperature, the amorphous component tends to increase in the formed silicon film, and the crystallinity may be lowered instead.
[0027]
Further, in the above methods (1) and (2), when a crystalline silicon film is formed, if it is necessary to further improve the crystallinity, 300 nm is added to the crystalline silicon film as a post-treatment after the film formation. Heat treatment can be performed at a temperature of about 0 to 600 ° C. The heat treatment temperature is more preferably about 400 ° C to 600 ° C. Since the hydrogen concentration in the silicon film obtained by the methods (1) and (2) and the devices (a) and (b) can be significantly lower than the silicon film obtained by the usual CVD method, As described above, the silicon film having a higher quality crystallinity with fewer voids can be formed by the above-described post-treatment with a low hydrogen concentration in the film. In addition, the heating temperature can be lowered and the heating time can be shortened as compared with the conventional post-treatment performed for crystallization.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a film forming apparatus according to the present invention.
This apparatus has a plasma generation chamber C, to which a evacuation unit 18 is connected and a source gas supply unit 12 is connected. The source gas supply unit 12 includes a source gas source, a mass flow controller, and the like, which are not shown. Further, a film-forming article holding member 11 is installed in the chamber C, and the holding member 11 can be horizontally reciprocated by a drive unit (not shown) to carry the film-forming article 10 in and out. It arrange | positions on the heater 9 for a heating. In addition, a cylindrical electrode 14 a is installed at a position facing the peripheral edge of the film formation article 10 held by the holding member 11. A high frequency power source 17a is connected to the electrode 14a via a matching unit 16a. In addition, a magnet 100a that puts a magnetic field for maintaining plasma stability is provided at a position on the outer periphery of the plasma generation chamber C corresponding to the cylindrical electrode 14a.
[0029]
Further, an ion source 2 having a circular cross section is provided at a position facing the holding member 11 with the cylindrical electrode 14a interposed therebetween. An ion source gas supply unit 1 is connected to the ion source 2 and a high frequency power source 4 is connected via a matching unit 3 for gas plasma conversion. In addition, although the gas supply part 1 also contains a gas source etc., these are abbreviate | omitting illustration. The ion source 2 has an extraction electrode system 21 composed of three electrodes (acceleration electrode, deceleration electrode, and ground electrode from the ion source side) for extracting ions. An acceleration power source 5 and a deceleration power source 6 are connected between the extraction electrode system 21 and the ion source 2. In addition, although the high frequency type | mold is shown here as the excitation method of the ion source 2, other filament types, microwave types, etc. are employable. Further, the extraction electrode system is not limited to a three-electrode structure, and may be composed of one to four electrodes.
[0030]
Further, in the vicinity of the ion extraction electrode system 21 in the plasma generation chamber C, a porous electrode 14 b having a slightly larger area than the film-formed article 10 is installed. The porous electrode 14b has holes 14b 'having substantially the same size and arrangement as the holes of the electrode (ground electrode) closest to the plasma generation chamber C of the extraction electrode system 21, and the positions of the ground electrode and the holes are substantially the same. Same as above. A high frequency power source 17b is connected to the porous electrode 14b via a matching unit 16b.
[0031]
In carrying out the method of the present invention using this apparatus, the film-forming article 10 is held by the holding member 11 and carried into the plasma generation chamber C and installed at a predetermined film-forming position on the heater 9. The inside of C is set to a predetermined degree of vacuum by operation of the vacuum exhaust unit 18. Next, the source gas is introduced from the source gas supply unit 12 into the plasma generation chamber C, and the high frequency power is supplied from the high frequency power source 17a to the cylindrical electrode 14a via the matching unit 16a to convert the introduced source gas into plasma. The main plasma is formed at the position indicated by 13a in the drawing, that is, immediately inside the cylindrical electrode 14a and in the vicinity of the peripheral edge of the article 10 to be deposited. Further, high-frequency power is supplied from the high-frequency power source 17b to the porous electrode 14b via the matching unit 16b to convert the introduced source gas into plasma, and auxiliary plasma is applied to the position shown in FIG. 13b, that is, a position immediately below the porous electrode 14b. Form.
[0032]
At the same time, ion source gas is introduced into the ion source 2 from the ion source gas supply unit 1, and high frequency power is supplied from the power source 4 through the matching unit 3 to a position in the ion source indicated by 8 in the figure. By generating a plasma and applying an appropriate voltage to the extraction electrode system 21 by the

power supplies

5 and 6, ions are extracted from the plasma 8, and the article to be deposited is passed through the hole 14b 'of the porous electrode 14b and the opening of the cylindrical electrode 14a. 10 is irradiated with the ion beam. Thereby, a predetermined crystalline film is formed on the film-formed article 10.
[0033]
During film formation, the degree of vacuum in the vicinity of the surface of the article 10 is 1 × 10. ^-2 Torr ~ 1 × 10 ^-6 The degree of vacuum in the plasma generation chamber is adjusted to be within the range of Torr. For example, when a crystalline silicon film is formed, at least one kind of silicon-based gas or at least one kind of silicon-based gas and reactive gas is used as a film forming source gas. In addition, ions of at least one of a silicon-based gas, a reactive gas, and an inert gas are used as ion species of the ion beam. In this case, the acceleration energy of ions is 20 eV to 2 keV, more preferably 50 eV to 500 eV. Further, the temperature of the article to be deposited 10 is kept at RT (room temperature) to 600 ° C. by the heater 9.
[0034]
According to the method and apparatus described above, since the main plasma 13a is mainly formed at a position facing the peripheral edge of the article 10, the amount of fast ions and fast electrons in the main plasma 13a incident on the article 10 is small. In addition, direct incidence is suppressed, and growth of a high-quality crystalline film with few defects without damaging the film growth surface is promoted. Further, by irradiating the article 10 with an ion beam, and the energy of the irradiation is controlled to a low level of 2 keV or less (particularly 500 eV or less), surface excitation by the ion beam irradiation, improvement of crystallinity, crystal orientation control, etc. The effect is not hindered and the migration of film constituent atoms is promoted, and a film having good crystallinity is formed on the article 10.
[0035]
Further, in addition to forming the main plasma 13a in the vicinity of the peripheral edge of the film-formed article 10, the power is supplied to the porous electrode 14b and the film 10 is separated from the film-formed article 10 above the film-formed surface. By forming the auxiliary plasma 13b having a corresponding spread, even when the film formation surface of the film formation object 10 is relatively wide, a uniform crystalline film can be formed on the surface. .
[0036]
In addition, since a crystalline film can be obtained in one step, heat treatment after film formation can be omitted, and productivity is good.
For example, when a crystalline silicon film is formed, the temperature of the article 10 does not need to be higher than 600 ° C. in order to crystallize silicon during the film formation. Therefore, for example, an inexpensive glass having a relatively low melting point can be used as a glass substrate for a liquid crystal display device, and a silicon film for TFT or the like can be formed thereon.
[0037]
Also here 1 × 10 ^-2 Torr ~ 1 × 10 ^-6 Since the source gas is turned into plasma under a high vacuum of Torr, the gas phase reaction is suppressed, the generation of unnecessary particles is suppressed, and the adhesion of impurities to the film-formed article 10 is suppressed. can get. In addition, since the source gas is turned into plasma under high vacuum as described above, the diffusion region of radicals contributing to film formation is widened, and a high-quality crystalline film is formed on the film-formed article 10 having a large area. Can do. Furthermore, there is little film adhesion to the inner surface of the plasma generation chamber C, and therefore the frequency of cleaning in the chamber C can be reduced.
[0038]
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of another example of the film forming apparatus according to the present invention. This apparatus does not include the cylindrical electrode 14a, the matching unit 16a connected thereto, and the high-frequency power source 17a in the apparatus of FIG. Other configurations are the same as those of the apparatus of FIG. 1, and substantially the same components are denoted by the same reference numerals.
In carrying out the method of the present invention using this apparatus, the film forming material gas is converted into plasma by supplying power to the porous electrode 14b, and the plasma 13b is formed at a position immediately below the extraction electrode system 21 of the ion source 1. At the same time, the ion source 1 is irradiated with an ion beam from the ion source 1 to form a crystalline film on the article 10. Other operations are the same as the film formation using the apparatus of FIG.
[0039]
According to this method and apparatus, since the plasma 14b is formed at a position away from the film formation surface of the film formation article 10, the incident amount of fast ions and fast electrons from the plasma on the film formation object 10 is reduced. In addition, direct incidence is suppressed, and growth of a film having good crystallinity with few defects without damaging the film growth surface is promoted.
In addition, since the plasma having a size corresponding to the size of the film formation surface of the film formation article 10 is formed by supplying power to the porous electrode 14b, in-plane uniformity even when the surface area is large. High film thickness can be formed.
[0040]
Further, as in the case of film formation by the apparatus of FIG. 1, there is an effect based on ion beam irradiation, that is, an effect that a film can be formed with high productivity at a relatively low temperature.
Next, specific examples 1 and 2 in which a crystalline silicon film is formed by the method of the present invention using the apparatus of FIGS. 1 and 2 and examples of the resulting crystalline silicon film will be described. In addition, Comparative Example 1 in which only the main plasma is formed without forming the auxiliary plasma in Example 1 and a crystalline silicon film is formed, and Comparative Example 2 in which a silicon film is formed using a conventional parallel plate plasma CVD apparatus. Also explained.

In Examples 1 and 2, the film-forming article was changed 50 times.
Comparative Example 1
A crystalline silicon film was formed under the same conditions as in Example 1 except that auxiliary plasma was not formed in Example 1.

Next, for each silicon film obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2, the hydrogen concentration was measured by Fourier exchange infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction analysis (XRD), and laser Raman spectroscopy. Crystallinity was evaluated and device characteristics were evaluated by measuring electron mobility. In addition, a heat treatment was applied as a post-treatment to examine changes in the crystal structure.
・ FT-IR
Wave number 2000cm ^-1 When the hydrogen concentration in the film was quantitatively analyzed from the Si-H (Stretching-band) absorption peak integrated intensity of each film, each film sample according to Examples 1 and 2 was found to be 5 × 10. ²⁰ cm ^-3 Whereas the membrane sample according to Comparative Example 2 is 2 × 10 ^{twenty two} cm ^-3 Met. Thus, the membrane samples obtained according to Examples 1 and 2 of the present invention had a significantly lower hydrogen concentration than that according to Comparative Example 2.
・ XRD
In each of the film samples according to Examples 1 and 2, peaks from 111 plane (2θ = 28.2 °) and 220 plane (2θ = 47.2 °) were detected, and the crystallinity of silicon (cubic) was confirmed. . On the other hand, the film sample according to Comparative Example 2 was confirmed to have an amorphous structure.
・ Laser Raman spectroscopy
Each film sample according to Examples 1 and 2 has a peak due to crystallized silicon (Raman shift = 515 to 520 cm). ^-1 ) Was detected, and 100 to 2000 crystal grains were observed. On the other hand, the film sample according to Comparative Example 2 has a peak due to the amorphous structure (Raman shift = 480 cm). ^-1 ) Was detected.
·Heat treatment
When each film sample obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 2 was subjected to a heat treatment in vacuum at 500 ° C. for 8 hours as a post-treatment, the film sample in Comparative Example 2 was crystallized with an amorphous structure. However, in Examples 1 and 2, the crystal grain size increased from 100 to 2000 to 500 to 3000.
・ Electron mobility
Membrane sample according to Comparative Example 2 is 0.1 cm ² / V · s electron mobility was shown, whereas the film samples according to Examples 1 and 2 had a crystal grain size of 100 mm and 0.5 cm. ² / V · s, crystal grain size 2000cm, 50cm ² The electron mobility of / V · s was shown.
[0041]
From the above results, it was found that the crystalline silicon film obtained in Examples 1 and 2 of the present invention was not obtained in Comparative Example 2 using the conventional parallel plate type plasma CVD apparatus at a low temperature of 300 ° C. I understand.
Moreover, when the film thickness distribution was evaluated using the optical film thickness meter for each of the silicon films obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, the film according to Example 1 was ± 3%. On the other hand, the film according to Comparative Example 1 is ± 8%, and even when a film-forming article having a relatively large area is used, the film is corrected by correcting the plasma distribution using a porous electrode placed above the article. It can be seen that the thickness uniformity is improved. In addition, the film thickness distribution of the film according to Example 2 is ± 5%, and even when a film-deposited article having a relatively large area is used, the in-plane uniformity can be obtained by using a porous electrode having a spread corresponding to the article. It can be seen that a high film can be formed.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, a film can be formed on the surface of an article to be deposited with high productivity at a relatively low temperature, and a film having no defects or few high-quality crystallinity can be formed. Even when the thickness is large, it is possible to provide a film forming method and apparatus capable of increasing the in-plane uniformity of the formed film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a film forming apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of another example of a film forming apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Gas inlet for ion source
2 Ion source
21 Lead electrode system
3, 16a, 16b Matching device
4, 17a, 17b High frequency power supply
5 Acceleration power supply
6 Deceleration power supply
8 Plasma in the ion source
9 Heater for film-forming article heating
10 Deposition article
11 Film-forming article holding member
12 Raw material gas supply section
13a Main plasma
13b Auxiliary plasma
14a Cylindrical electrode
14b Porous electrode
14b 'hole of porous electrode 14b
18 Vacuum exhaust part
C Plasma generation chamber
100a, 100b magnet

Claims

A method of forming a film on a film-forming article under the plasma by supplying power to a film-forming source gas and forming the film on the film-forming article under the plasma, wherein the film-forming article is exposed to the plasma and ions are formed on the surface of the article When a film is formed by irradiating a beam and the film forming material gas for forming the film is turned into plasma, power is supplied to an electrode installed at a position opposite to the peripheral portion of the article, and the vicinity of the peripheral portion of the article is supplied. While forming the main plasma, power is supplied to the porous electrode provided in the vicinity of the ion beam irradiation port of the ion source installed at the position facing the article, and the auxiliary plasma is provided at a position corresponding to the article and away from the article. And performing the ion beam irradiation through the porous electrode.

A method of forming a film on a film-forming article under the plasma by supplying power to a film-forming source gas and forming the film on the film-forming article under the plasma, wherein the film-forming article is exposed to the plasma and ions are formed on the surface of the article When a film is formed by irradiating a beam, and the film forming raw material gas for forming the film is turned into plasma, power is applied to a porous electrode provided in the vicinity of the ion beam irradiation port of the ion source installed at a position facing the article. A film forming method comprising: supplying the plasma to form the plasma at a position corresponding to the article and away from the article, and performing the ion beam irradiation through the porous electrode.

The film-forming method of Claim 1 or 2 which installs the said porous electrode in the position 200 mm or more away from the film-forming surface of the said film-forming article.

The film forming method according to claim 1, wherein the degree of vacuum in the vicinity of the surface of the film forming article is 1 × 10 ⁻² Torr to 1 × 10 ⁻⁶ Torr.

The film forming method according to claim 1, wherein a crystalline silicon film is formed on the film forming article using a gas containing a silicon-based gas as the film forming source gas.

6. The film forming method according to claim 5, wherein at least one kind of silicon-based gas or at least one kind of silicon-based gas and at least one kind of reactive gas are used as the film-forming source gas.

The film forming method according to claim 5 or 6, wherein ions of at least one of an inert gas, a reactive gas, and a silicon-based gas are used as ion species of the ion beam.

The film forming method according to claim 7, wherein the ion beam is irradiated with an ion energy of 20 eV to 2 keV.

The film forming method according to claim 5, wherein the temperature of the film forming article is set to room temperature to 600 ° C.

The film forming method according to claim 5, wherein after the film formation, as a post-treatment, the formed film is subjected to a heat treatment at 300 ° C. to 600 ° C.

A film forming raw material gas supplied from a film forming raw material gas supply means into a plasma generation chamber connected to a vacuum exhaust means is converted into a plasma by supplying power from a gas plasma power supply means, and the plasma generation chamber is under the plasma. An apparatus for forming a film on a film-formed article supported by the support means, wherein an ion source for irradiating the article with an ion beam is provided at a position facing the film-formed article supported by the support means The gas plasma power supply means includes an electrode for forming a main plasma installed at a position facing a peripheral edge of an article to be deposited supported by the support means, and ion beam irradiation of the ion source. A film forming apparatus including a porous electrode for forming auxiliary plasma installed in the vicinity of the mouth.

A film forming raw material gas supplied from a film forming raw material gas supply means into a plasma generation chamber connected to a vacuum exhaust means is converted into a plasma by supplying power from a gas plasma power supply means, and the plasma generation chamber is under the plasma. An apparatus for forming a film on a film-formed article supported by the support means, wherein an ion source for irradiating the article with an ion beam is provided at a position facing the film-formed article supported by the support means The film plasma forming power supply means includes a plasma forming porous electrode installed in the vicinity of an ion beam irradiation port of the ion source.

The film forming apparatus according to claim 11 or 12, wherein the porous electrode is installed at a position separated by 200 mm or more from a film forming surface of a film forming article supported by the support means.

The film forming apparatus according to claim 11, wherein the ion source is capable of irradiating an ion beam with an ion energy of 20 eV to 2 keV.