JP4158729B2 - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

本発明はプラズマＣＶＤ装置に関し、特に平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置に関する。

反応容器内に原料ガスを導入し、プラズマを発生させ、原料ガスの分解、反応により薄膜を形成するプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置は、半導体製造を始めとする薄膜形成に広く利用されている。特に平行平板電極間に電圧を印加して発生させるいわゆる容量結合型プラズマＣＶＤ装置は、装置構成が簡単であることから、一般にプラズマＣＶＤといえば平行平板電極方式である。

図８は、従来の平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
基板３２への成膜は、以下のとおりである。
図示しない搬送機構により基板３２を反応容器３１内に搬送し、接地電極３３に密着させる。基板３２を接地電極３３に内蔵されたヒータにより、所望の温度に加熱する。基板３２と高周波電圧印加電極３４間の放電空間３５に図示しないガス導入手段により薄膜原料となるガスを導入し、高周波電源４０によりインピーダンス整合器５０を介し高周波電圧印加電極３４に電圧を印加し、放電空間３５にプラズマを発生させる。原料ガスをプラズマ化して、分解、反応させることにより基板３２上に所望の薄膜を形成する。

このような平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置において、プラズマを発生させる電源は周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電源が利用されてきた。しかし、近年、電源周波数を高くすることにより、薄膜の形成速度及び膜質を向上できることがわかってきた。これは、電源の高周波化により、平行平板電極間に電子がトラップされ、低い印加電圧でプラズマを維持できることから、成膜中に基板に入射するエネルギー粒子によるダメージが軽減されるためと考えられている。このため、電源周波数は、より高い２０〜１００ＭＨｚ程度の高周波が選択されてきている。

さらに、このようなプラズマＣＶＤ装置においては、成膜対象となる基板が大型化する傾向にある。例えば、太陽電池におけるアモルファスシリコン薄膜形成での基板サイズは１ｍ角以上となっており、このような大面積基板での成膜均一性の確保が重要となっている。

一方、装置構成の観点からは、このような基板の大型化に対して、装置の設置床面積を低減するために、基板を大地に垂直に立てて搬送する縦搬送方式が採用されている。同様の理由から、高周波印加電極に高周波電力を給電する高周波給電系も装置上部に配置される。

しかし、このような電源の高周波化と基板の大面積化により、次のような問題が生じる。高周波で電磁波の波長が小さくなり、電極の寸法（例えば、１ｍ）が波長と同程度となった場合には、電極の各部位により電位が異なるという現象が発生する。すなわち、電極を分布定数回路として考える必要が生じる。

図９は、平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置の電極構造を分布定数回路で示した図であり、（Ａ）が平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置の電極構造の模式図、（Ｂ）は（Ａ）の電極構造を分布定数回路で示した回路図である。

図９（Ａ）のように高周波電源６０を接続する側の電極６１、６２の端が給電端で、その反対が開放端である。
受端が開放端の図９（Ｂ）のような有限長分布定数回路と考えると、開放端側で反射が起こるので、電極内に定在波が立つ。

定在波の立ちかたは、線路の分布定数（抵抗Ｒ［Ω／ｍ］、インダクタンスＬ［Ｈ／ｍ］、キャパシタンスＣ［Ｆ／ｍ］、漏洩抵抗Ｇ［Ｓ／ｍ］）により定まるので不明であるが、仮に特性インピーダンス５０Ωの信号ケーブル（Ｌ＝０．５ｍＨ／ｋｍ、Ｃ＝２００ｎＦ／ｋｍ）の値を使って計算すると、伝播速度ｖは以下の式（１）のようになる。

また、波長λは以下の式（２）で表される。

このように周波数が１３．５６ＭＨｚの場合には、波長λは７．３７ｍ、周波数が２７ＭＨｚになると、波長λは３．７ｍと短くなる。
また、定在波の腹と節の間隔はλ／４となるから、定在波の立ちかたは、図１０のようになる。

図１０は、開放端からの距離と定在波の振幅の関係を示す図である。
縦軸は、開放端の振幅を１としたときの定在波振幅であり、横軸が開放端からの距離（単位はメートル）である。また、開放端で完全反射をしていると仮定している。また、周波数が、１３．５６ＭＨｚの場合と、それより高い２７ＭＨｚの場合について示している。

実際には、電極間にプラズマが発生するので定在波の立ちかたは不明であるが、図１０のように、給電側より開放端側での電位が大きくなること、また２７ＭＨｚのように高周波になると、その電位差が大きくなることがわかる。この電極面内の電位差によって面内のプラズマ密度に差が生じ、結果として得られる膜厚は、給電端側が薄く、開放端側が厚い、きわめて不均一な膜厚分布となってしまう。

以上のように、「基板の大面積化」と「高周波化」は、成膜する膜厚の均一性を損なう方向にある。
このような問題を解決するために、従来から高周波電圧の給電方法について様々な工夫が提案されている。例えば、特許文献１、特許文献２には、電極面積を絶縁構造により分割して構成する方法が示されている。用いる周波数に対して、面積が十分小さい電極を多数配置することにより、大面積基板に均一成膜を行おうとするものである（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−２６８９９４号公報（図１） 特開２００３−６８６５９号公報（図１）

しかし、従来の高周波電圧の給電に関する技術では、以下のような問題がある。ひとつは、分割した各電極に対する給電系統を個別に設ける必要があり、装置が大型化、高コストとなることである。さらには、各電極に給電する給電系統は、給電線部での放電プラズマの発生抑制、接続すべき電極以外への容量結合の防止のため、各給電系統はシールド構造をとる必要があり、装置構成がより複雑化する。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高周波で大面積基板に均一な膜厚の薄膜を成膜可能で、かつ装置構成が簡単なプラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置において、電極面を互いに電気的に接続された複数の電極に分割した表面平板電極と、高周波電源が接続される電源接続平板電極とを含む互いに電気的に接続された複数の平板電極からなる高周波電圧印加電極層と、前記表面平板電極と対向して平行に配置された接地電極と、を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置が提供される。

上記の構成によれば、電源接続平板電極に接続された高周波電源により供給される高周波電流は、表皮効果により高周波電圧印加電極層を構成する互いに電気的に接続された複数の平板電極の表面を流れ、接地電極と対向して平行に配置されている表面平板電極にいたるまでに高周波電力のアンバランスが解消される。また、表面平板電極は電極面が互いに電気的に接続された複数の電極に分割して構成されているので、表面平板電極上では高周波電流の経路は短くなり、平板電極全体での電位差は小さくなる。

本発明により、電源接続平板電極に接続された高周波電源により供給される高周波電流は、表皮効果により高周波電圧印加電極層を構成する互いに電気的に接続された複数の平板電極の表面を流れ、接地電極と対向して平行に配置されている表面平板電極にいたるまでに高周波電力のアンバランスを解消することができる。また、表面平板電極は電極面が互いに電気的に接続された複数の電極に分割して構成されているので、表面平板電極上では高周波電流の経路は短くなり、平板電極全体での電位差を小さくできる。これにより、発生するプラズマ密度を均一にでき、形成される膜厚を均一にすることができる。

さらに、分割された複数の電極は、互いに電気的に接続されているので、給電系統は１つで済み、プラズマＣＶＤ装置の構成を簡単にできる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。
本発明の第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置は、図示しない真空ポンプにより減圧可能な反応容器１内に、互いに電気的に接続された複数の平板電極２ａ、２ｂ、２ｃからなる高周波電圧印加電極層２と、高周波電圧印加電極層２のうち、表面の平板電極２ｃと対向して平行に配置され、基板３を載置する接地電極４を有した構成である。表面の平板電極２ｃと基板３間が放電空間５となる。

高周波電圧印加電極層２のうち、平板電極２ａ（以下電源接続平板電極２ａという場合もある）は、例えば、周波数４０ＭＨｚの高周波電源２０と接続される。さらに、平板電極２ｂが、電源接続平板電極２ａ上に接続部材２ｄを介して配置され、平板電極２ｂ上には、接続部材２ｅ、２ｆ、２ｇを介して、電極面が４つに分割された平板電極２ｃ（以下表面平板電極２ｃという場合もある）が配置される。表面平板電極２ｃは、接地電極４と対向して平行に配置されている。接続部材２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇは導体であり、平板電極２ａ、２ｂ、２ｃを電気的に接続する。

平板電極２ａ、２ｂの幅の寸法は、例えば、１０００ｍｍ×１０００ｍｍである。
図２は、表面平板電極の一例を示す斜視図である。
表面平板電極２ｃは、図のように電極面を４つに分割している。分割した電極２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３、２ｃ−４は絶縁物では分割せず、導体である接続部材２ｅ、２ｆ、２ｇにより互いに電気的に導通状態となっている。

電極２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３、２ｃ−４の幅の寸法は、例えば、５００ｍｍ×５００ｍｍである。なお、ここでの寸法は、以下に示す本発明の実施の形態の原理に基づいて決定する。

以下、本発明の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の原理を図３〜図５で示す模式図を用いて具体的に説明する。
図３は、１枚の平板電極の上部に高周波電源を接続したときの高周波電流の流れを示した模式図である。

図で、破線の矢印が高周波電流の流れの方向を示している。
高周波電流は表皮効果とよばれる現象により、平板電極２ａの表面近傍（例えば４０ＭＨｚで、銅の場合、１０μｍ程度）を流れ、導体内部に侵入できなくなる。電流経路は電極面積の増大に伴って長くなり、平板電極２ａの幅の寸法が高周波の波長λの１／４より長くなると、定在波の腹と節が同一電極面内で生じてしまい、大きな電位差が発生する問題がある。この電位差は、図１０で示したように、給電側より開放端側での電位が大きくなる。すなわち、給電側と開放端側で高周波電力のアンバランスが生じる。

図４は、１枚の平板電極への給電点を電極中心にしたときの高周波電流の流れを示した模式図である。
平板電極２ａへの給電点を電極中心とした場合には、接地電極４に対向する電極表面における高周波電流の経路は、図３の場合に比べ半分の長さとなり、その分、電極表面における電位差が小さくなる。また、給電点を電極中心としているので、高周波電力のアンバランスは生じない。

図５は、平板電極を複数設けて接地電極と対向する電極面を分割した場合の高周波電流の流れを示した模式図である。
ここでは、図１で示した本発明の第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の高周波電圧印加電極層２を用いた場合について示している。

この図のように、平板電極２ａ、２ｂ、２ｃのように層構造とし、接地電極４と対向しない平板電極２ａに高周波電源を接続して高周波電力を供給することによって、第１層（平板電極２ａ）における高周波電力のアンバランスが、第１層から第２層（平板電極２ｂ）と、給電される段階で解消される。そして最終的に接地電極４と対向する平板電極２ｃ面には高周波電力はほぼ均等に供給されることになる。したがって、図４のように、給電点を電極中心にしなくてもよく、電極への給電点の自由度が高くなる。これにより、基板３を大地に垂直に立てて設置床面積を小さくする場合でも、高周波電源２０、インピーダンス整合器１０は、プラズマＣＶＤ装置の上部に配置することが可能になり、省スペース化が図れる。

また、接地電極と対向する表面平板電極２ｃの電極面を複数に分割することによって、高周波電流の経路は、図４と比べ更に短くなり、電極表面における電位差が小さくなる。
このとき、分割した電極の表面の幅の最大寸法は、高周波印加電圧の波長λの１／４以下とすれば、電極面内で、高周波の節と腹が発生することがない。開放端で反射した波は反射ごとに位相がずれて、電極上に定在波は存在しなくなる。

例えば、４０ＭＨＺの高周波電源の場合、λ／４は約１．９ｍである。分割した電極２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３、２ｃ−４（図２を参照）の表面の幅の最大寸法を、これより小さくすることで、表面平板電極２ｃの面全体の電位分布を均一化している。

なお、分割した電極２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３、２ｃ−４の表面の幅の寸法は、小さくすればするほど（例えば、波長の１／８、１／１６、…）表面での電位差が小さくなり効果的だが、電位が実質的に一定とみなせる値となる長さより小さくしても意味がなく、加工も面倒になるのでそれ以上の長さにする。例えば、電位の変動が１０％の場合は実質的に一定とみなし、分割した電極２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３、２ｃ−４の表面の幅の寸法はその場合の長さ以上とし、λ／４以下とする。

図１で示した本発明の第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置において、基板３への成膜は、以下のとおりである。
図示しない搬送機構により基板３を反応容器１内に搬送し、接地電極４に密着させる。基板３を接地電極４に内蔵されたヒータにより、所望の温度に加熱する。さらに、基板３と表面平板電極２ｃ間の放電空間５に図示しないガス導入手段により薄膜原料となるガスを導入する。また、高周波電源２０によりインピーダンス整合器１０を介し高周波電圧印加電極層２の電源接続平板電極２ａに電圧を印加し、放電空間５にプラズマを発生させる。原料ガスをプラズマ化して、分解、反応させることにより基板３上に所望の薄膜を形成する。

前述したように、表面平板電極２ｃの面全体の電位分布を均一化するので、基板３と分割された表面平板電極２ｃ間の放電空間５には、均一なプラズマが発生する。これにより、接地電極４に載置された基板３に均一性のよい膜を形成することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置を説明する。
図６は、本発明の第２の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。
図１で示した第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置と同一の構成要素については同一符号とし、説明を省略する。

第２の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置は、第１の実施の形態の電源接続平板電極２ａの代わりに、反応容器の一部を高周波電圧印加電極として用いる。すなわち、第２の実施の形態の反応容器は、高周波電圧印加電極の一部となる高周波電圧印加部１ａと、接地電極４が配置される高周波電圧非印加部１ｂとからなる。

高周波電圧印加部１ａと、高周波電圧非印加部１ｂとは、絶縁部材６により絶縁されている。高周波電圧印加部１ａは、接続部材２ｄを介して第２の層である平板電極２ｂと接続されている。

このような構成にすることにより、第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置と同様に、電気的に接続された３層の高周波電圧印加電極層を形成する。
これにより、第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置と同様に、基板３上に、均一性のよい膜の形成が可能であるとともに、複数層構造とする高周波電圧印加電極層を簡略化できるので、装置制作費の低減、省スペース化が可能になる。

図７は、基板上に成膜したアモルファスシリコン膜の膜厚を高周波電源の給電端側から開放端側に沿って測定した結果である。
ここでは、図６で示した第２の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置を用い膜を形成した場合と、図３で示したような、１枚の平板電極２ａを用いた場合を比較している。

図のように、１枚の平板電極２ａを用いた場合には、開放端側の電極電位が高いことから膜厚が厚く、給電端側では膜厚が薄い。これに対し、第２の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置によれば、ほぼ均一な膜厚分布が得られていることがわかる。

以上のように、本発明によれば、電源の高周波化によっても電極面内の電位を均一化でき、大面積で品質の良い均一な膜を形成することができる。また、複数に分割した電極を絶縁体で区切るのではなく、互いに電気的に接続するようにしたので給電系統が１つですみ、装置構成を簡略化できる。

なお、上記では高周波電圧印加電極層は３層構造の場合について説明したが、これに限定されることはなく、２層または４層以上あってもよい。
また、上記では表面平板電極を４つに分割した場合について説明したが、これに限定されることはなく、それ以上に分割するようにしてもよい。

本発明は、例えば、半導体製造工程や、太陽電池モジュール製造工程における薄膜形成の際に適用される。

本発明の第１の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。 表面平板電極の一例を示す斜視図である。 １枚の平板電極の上部に高周波電源を接続したときの高周波電流の流れを示した模式図である。 １枚の平板電極への給電点を電極中心にしたときの高周波電流の流れを示した模式図である。 平板電極を複数設けて接地電極と対向する電極面を分割した場合の高周波電流の流れを示した模式図である。 本発明の第２の実施の形態のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。 基板上に成膜したアモルファスシリコン膜の膜厚を高周波電源の給電端側から開放端側に沿って測定した結果である。 従来の平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置の構成図である。 平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置の電極構造を分布定数回路で示した回路図であり、図９（Ａ）が平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置の電極構造の模式図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）の電極構造を分布定数回路で示した回路図である。 開放端からの距離と定在波の振幅の関係を示す図である。

符号の説明

１ 反応容器
２ 高周波電圧印加電極層
２ａ、２ｂ、２ｃ 平板電極
２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ 接続部材
３ 基板
４ 接地電極
５ 放電空間
１０ インピーダンス整合器
２０ 高周波電源

Claims (4)

1. 平行平板電極方式のプラズマＣＶＤ装置において、
   電極面を互いに電気的に接続された複数の電極に分割した表面平板電極と、高周波電源が接続される電源接続平板電極とを含む互いに電気的に接続された複数の平板電極からなる高周波電圧印加電極層と、
   前記表面平板電極と対向して平行に配置された接地電極と、
   を有することを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
2. 分割した前記電極の表面の幅の寸法は、印加する高周波による前記表面での電位が実質的に一定とみなせる長さ以上であり、前記高周波の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記電位の変動が１０％の場合、前記電位を実質的に一定とみなすことを特徴とする請求項２記載のプラズマＣＶＤ装置。
4. 反応容器の一部を前記電源接続平板電極としたことを特徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。
   

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