JP4410788B2 - プラズマ化学蒸着方法及びプラズマ化学蒸着装置 - Google Patents

Description

本発明は、物質を基板に蒸着させるためプラズマを用いて基板上に製膜するプラズマ化学蒸着方法及びプラズマ化学蒸着装置に関する。

従来、例えば半導体等の物質を基板に蒸着させるプラズマ化学蒸着方法は、真空製膜室を有するプラズマ化学蒸着装置を用いて次のように行われる。
該プラズマ化学蒸着装置は、真空雰囲気に配置された基板と、該基板を保持するとともに接地されているアース電極と、該基板と間隔をもって平行に対向配置されたラダー型電極とを備える。このプラズマ化学蒸着装置に前記物質を含む製膜用ガスを導入すると共に、高周波電力給電回路からラダー型電極に給電し、ラダー型電極と基板間にプラズマを発生させる。すると、該プラズマにより前記製膜用ガスが分解されて、前記基板上に物質が蒸着する（例えば、特許文献１参照。）。

上述のようなプラズマ化学蒸着装置では、例えば、縦方向×横方向の寸法が１［ｍ］×１［ｍ］を超える大面積基板を製膜するような場合、真空製膜室内で生成される膜の膜厚分布を基板全体で均一化するため、前記ラダー型電極と前記基板との間にプラズマを発生させるために印加される高周波電力の電圧分布を前記基板全体において均一化させる対策が施される。例えば、特許文献１に示されているように、高周波電力給電回路によって、同一の周波数であって、かつ、一方の高周波電力の位相が他方の高周波電力の位相と異なる前記２つの高周波電力を発生させ、ラダー型電極を構成する放電電極に複数のケーブルを介して分配供給する。これによって、膜厚の均一化の妨げとなる放電電極上の定在波の発生を抑制させるとともに、高周波電力給電回路により発生した高周波電力を安定的に供給している。
特開２００１−２７４０９９号公報

ところで、上述のようなプラズマ化学蒸着装置では、上述のように、放電電極上の定在波の発生を抑制させる高周波電力を安定的に供給して製膜を図っていても、ラダー型電極に起因する膜厚分布の不平衡が発生する。すなわち、ラダー電極上で、隣接する放電電極部分が左右に存在する基板中央部の放電電極部分と、隣接する放電電極部分が左右のどちらか一方にしか存在しない給電方向と直角の方向の基板端部近傍の放電電極部分とでは、その配置及び構造上、それぞれの放電電極部分が基板に与える影響が異なる。そのため、局所的な膜厚分布の不平衡が発生し、大面積基板における膜厚の分布特性が十分に改善されていないという問題があった。
また、複数の給電点に連通する複数のケーブルのセッティング誤差等の配置に起因する各ケーブル間の電気的特性の均一化が困難となって、ケーブルを伝送される高周波電力に位相差が生じることによる上述と同様の問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、高周波電力を伝送するケーブルの電気的特性を操作することによって、高周波電力間の位相差の発生を抑えて、膜厚の分布特性を均一化する方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
請求項１に記載の発明は、製膜用ガスが導入される真空製膜室内に、放電電極と基板とが対向配置され、高周波電力給電回路により高周波電力を複数のケーブルを介して前記放電電極に備えられた複数の給電点へ給電し、前記放電電極と前記基板との間にプラズマを発生させて前記基板上に製膜するプラズマ化学蒸着方法において、前記基板中央部の隣接する前記放電電極部分では前記給電点同士の位相差が同位相となるように前記ケーブルの電気的特性を調整し、前記基板端部近傍の前記放電電極部分では前記ケーブルの電気的特性を調整して前記給電点の位相差を変化させ、前記高周波電力の前記給電点における位相を調整することを特徴とする。

このような方法とすることで、隣接する放電電極部分が左右に存在する基板中央部の放電電極部分と、隣接する放電電極部分が左右のどちらか一方にしか存在しない給電方向と直角の方向の基板端部近傍の放電電極部分とで、局所的な膜厚分布の不平衡が発生せず、大面積基板における膜厚の分布の均一化が促進される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ化学蒸着方法において、前記ケーブルは、前記真空製膜室の外部に設けられる外部ケーブルと、該真空製膜室の内部に設けられる内部ケーブルとを備え、前記外部ケーブルの長さ及び／又は比誘電率を変化させて前記電気的特性を調整することを特徴とする。

このような方法とすることで、内部ケーブルを含む真空製膜室内部の構成機器の調整作業を伴わずに、高周波電力の複数の給電点における位相の調整作業が実施できて、作業性が向上する。

請求項３に記載の発明は、製膜用ガスが導入される真空製膜室と、該真空製膜室内に配置された基板と、該基板に対向配置された放電電極と、該放電電極に設けられた複数の給電点に接続されたケーブルと、該ケーブルを介して高周波電力を該給電点に給電する高周波電力給電回路とを備え、前記放電電極と前記基板との間にプラズマを発生させて、前記基板上に製膜するプラズマ化学蒸着装置において、前記ケーブルは、前記高周波電力の給電点における電気的特性を調整する調整手段が設けられ、前記調整手段は、前記基板中央部の隣接する前記放電電極部分では前記給電点同士の位相差が同位相となるように前記ケーブルの電気的特性を調整し、前記基板端部近傍の前記放電電極部分では前記ケーブルの電気的特性を調整して前記給電点の位相差を変化させることを特徴とする。

このような装置とすることで、ケーブルの調整手段によって、内部ケーブルを含む真空製膜室内部の構成機器の調整作業を伴わずに、高周波電力の複数の給電点における位相の調整ができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のプラズマ化学蒸着装置において、前記調整手段は、前記高周波電力給電回路から前記給電点までのケーブル長さを変更・調整可能としたことを特徴とする。

このような装置とすることで、ケーブルの寸法操作によって、真空製膜室内部の構成機器の調整作業を伴わずに、高周波電力の複数の給電点における位相の調整ができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載のプラズマ化学蒸着装置において、前記調整手段は、前記ケーブルに絶縁体が備えられ、該絶縁体の比誘電率を調整することを特徴とする。

このような装置とすることで、ケーブルの絶縁体操作によって、真空製膜室内部の構成機器の調整作業を伴わずに、高周波電力の複数の放電電極における位相の調整ができる。

以上説明した本発明のプラズマ化学蒸着方法及びプラズマ化学蒸着装置において、基板中央部の隣接する放電電極の給電点、及び基板端部近傍の放電電極の給電点におけるケーブルの電気的特性を変化させることによって、複数の給電点に給電される高周波電力間の位相差の発生を抑えることができ、発生するプラズマの電圧分布が均一化されて、基板上に生成される薄膜の膜厚分布を均一化することができる。

また、本発明は、ケーブルの長さ寸法を調整することによって、各外部ケーブルを伝送する高周波電力の波長に対応した位相を変更・調整することができ、基板上に生成される薄膜の膜厚分布を均一化することができる。

また、本発明は、ケーブルが備える絶縁体の材質を調整することによって、ケーブルを伝送する高周波電力の波長が変更可能となり、この波長に対応した位相を変更・調整することができ、基板上に生成される薄膜の膜厚分布を均一化することができる。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態のプラズマ化学蒸着方法を実施するプラズマ化学蒸着装置の主要部の構成を示すブロック図である。
図１において、符号１０は、本実施の形態のプラズマ化学蒸着装置の真空製膜室であって、真空製膜室１０内には、放電電極として用意されたラダー電極１１と、ラダー電極１１と所定の間隔をもって対面配置され、かつ接地されているアース電極（図示せず）と、該アース電極により保持された基板１２とが備えられている。

また、真空製膜室１０には、基板１２への蒸着を希望するアモルファスシリコンや多結晶薄膜シリコン等の物質を含む製膜用ガスを導入するためのガス供給管１３と、プラズマによる分解後のガスを排気するためのガス排気管１４とが備えられている。また、真空製膜室１０は、図示しないガス供給源からガス供給管１３を介して製膜用ガスが供給されると共に、図示しない真空ポンプにより、ガス排気管１４を介してプラズマによる分解後のガスが吸引される構成をなしている。

ラダー電極１１は、平行な複数本の縦方向電極棒１１ａと、この縦方向電極棒１１ａに平行に対面配置された一対の横方向電極棒１１ｂ、１１ｃとが格子状に組み立てられて構成されている。ラダー電極１１を構成する横方向電極棒１１ｂには例えば８つの給電点１５ａ〜１５ｈが設けられ、同様にラダー電極１１を構成する横方向電極棒１１ｃにも８つの給電点１６ａ〜１６ｈが設けられている。
なお、各給電点１５ａ〜１５ｈ、及び各給電点１６ａ〜１６ｈは、それぞれ横方向電極棒１１ｂ、１１ｃをほぼ９等分する位置にそれぞれ設けられている。

なお、基板１２が例えば１１００［ｍｍ］×１４００［ｍｍ］角サイズである場合は、ラダー電極１１は、１２００［ｍｍ］×１５００［ｍｍ］角サイズ程度の基板１２よりも一回り大きなサイズのものを利用する。

また、製膜用ガスを分解するためのプラズマを発生させる高周波電力をラダー電極１１内の給電点１５ａ〜１５ｈへ給電するために、真空製膜室１０の外部に配置された電力分配器１７Ａの出力端子１７ａ〜１７ｈと真空製膜室１０の外壁に配設されたコネクタ１８ａ〜１８ｈとが配設されている。
さらに、各出力端子１７ａ〜１７ｈと各コネクタ１８ａ〜１８ｈとをそれぞれ接続する外部ケーブルとして、導体の周囲に絶縁体を有する代表的なケーブルである８本の同軸（外部）ケーブル１９ａ〜１９ｈと、各給電点１５ａ〜１５ｈと各コネクタ１８ａ〜１８ｈとを真空製膜室１０の内部でそれぞれ接続する８本の真空（内部）ケーブル２０ａ〜２０ｈとを備える。

ここで、電力分配器１７Ａは、高周波電源２１ａの出力する高周波電力を均等に給電点１５ａ〜１５ｈへ分配するための分配器として備えられている。この電力分配器１７Ａの入力端子は、効率よく高周波電力が供給されるように電力分配器１７Ａと高周波電源２１ａとの間のインピーダンス整合を調整するためのマッチングボックス２２ａを介して、高周波電源２１ａへ接続されている。

同様に、給電点１６ａ〜１６ｈには、真空製膜室１０の外部に配置された電力分配器１７Ｂの出力端子１７ｉ〜１７ｐと真空製膜室１０の外壁に配設されたコネクタ２３ａ〜２３ｈとが配設されている。各出力端子１７ｉ〜１７ｐと各コネクタ２３ａ〜２３ｈとは、８本の同軸ケーブル２４ａ〜２４ｈでそれぞれ接続され、各給電点１６ａ〜１６ｈとコネクタ２３ａ〜２３ｈとは、８本の真空ケーブル２５ａ〜２５ｈによってそれぞれ接続されている。また、電力分配器１７Ｂの入力端子は、マッチングボックス２２ｂを介して、高周波電源２１ｂへ接続されている。

ここで電力分配器１７Ｂは、電力分配器１７Ａと同様に、高周波電源２１ｂの出力する高周波電力を均等に給電点１６ａ〜１６ｈへ分配するための分配器である。また、マッチングボックス２２ｂは、マッチングボックス２２ａと同様に、効率よく高周波電力が供給されるように電力分配器１７Ｂと高周波電源２１ｂとの間のインピーダンス整合を調整するために用いられる。
上述のラダー電極１１と、同軸ケーブル１９ａ〜１９ｈ及び２４ａ〜２４ｈと、真空ケーブル２０ａ〜２０ｈ及び２５ａ〜２５ｈと、電力分配器１７Ａ、１７Ｂと、高周波電源２１ａ、２１ｂと、マッチングボックス２２ａ、２２ｂとは、本実施の形態のプラズマ化学蒸着装置の高周波電力給電回路２６を構成している。

図２に示す同軸ケーブル１９ａ〜１９ｈ及び２４ａ〜２４ｈは、一方向に延伸する心線（導体）２７と、心線２７を連続して覆う絶縁体２８と、さらに絶縁体２８を連続して覆う金属網２９と、これらを最外周から連続して覆う被覆３０とから構成されている。

図３に示す真空ケーブル２０ａ〜２０ｈ及び２５ａ〜２５ｈは、一方向に延伸する撚り線状の心線３１と、心線３１の表面を隙間なきように互いに隣接して覆う複数個からなる碍子３２と、これらを最外周から連続して覆う金属網３３とから構成されている。

このような構成により、本実施の形態のプラズマ化学蒸着装置では、真空状態にした真空製膜室１０内に、ガス供給管１３から例えばアモルファスシリコンを含む製膜用ガスを導入すると共に、例えば、周波数６０．０ＭＨｚの高高周波（ＶＨＦ）電力が、高周波電源２１ａからマッチングボックス２２ａと電力分配器１７Ａとを介して均等に給電点１５ａ〜１５ｈへ分配され、ラダー電極１１へ給電される。

一方、高周波電源２１ｂから位相が異なる周波数６０．０ＭＨｚの高高周波（ＶＨＦ）電力がマッチングボックス２２ｂと電力分配器１７Ｂとを介して均等に給電点１６ａ〜１６ｈへ分配され、ラダー電極１１へ給電される。この時、高周波電源２１ａ及び高周波電源２１ｂから供給される全電力は、例えば３０００Ｗとなるように調整される。

そして、上記の状態で１０分間程度、ラダー電極１１と基板１２との間にプラズマを発生させると、プラズマ中でアモルファスシリコンを含む製膜用ガスが分解され、ガス排気管１４からプラズマによる分解後のガスを排気しながら、基板１２の表面に希望のアモルファスシリコンの結晶が生成される。また、この時、周波数が同一で一方の高周波電力の位相を基準として、他方の高周波電力の位相を一定の周波数をもって変化させた２つの高周波電力をラダー電極１１に供給することにより、膜厚の均一化の妨げとなるラダー電極１１上の定在波の発生を抑制し、電圧分布を均一化することによって給電方向の膜厚分布の均一化が促進される。

次に、本実施の形態のプラズマ化学蒸着装置において、上述のように物質を基板１２に蒸着させる際に、同軸ケーブル１９ａ〜１９ｈ及び２４ａ〜２４ｈによって膜厚分布を均一化するプラズマ化学蒸着方法について説明する。

同軸ケーブル１９ａ〜１９ｈ及び２４ａ〜２４ｈは、絶縁体２８の材質として従来のＪＩＳ−Ｃ−３５０１により規格化されたポリエチレンとは異なり、ポリテトラフルオロエチレンを使用して、絶縁特性、寸法特性、及び操作性を向上させている。
また、真空ケーブル２０ａ〜２０ｈ及び２５ａ〜２５ｈは、撚り線状の心線３１が延在する方向に所定の長さ寸法を有する複数個のアルミナから形成された碍子３２が、心線３１の表面を連続的に隙間のないよう配設されて構成されている。
上記各ケーブルは、それぞれ一定の寸法をもって真空製膜室１０に配設されている。

一般に、絶縁体の比誘電率をε、比透磁率をμ、光速度をｃ、高周波電力の周波数をｆとするとケーブルを伝送する高周波電力の波長λは、下記（１）式により求めることができる。

これによると、本実施の形態で使用される同軸ケーブル１９ａ〜１９ｈ及び２４ａ〜２４ｈでは、伝送される高周波電力の波長は３．４５ｍとなることから、１波長分のずれを３６０°の位相差と換算すると、ケーブル長が１ｃｍ異なると１．０４°位相がずれることとなる。

一方、本実施の形態で使用される真空ケーブル２０ａ〜２０ｈ及び２５ａ〜２５ｈでは、伝送される高周波電力の波長は１．６６ｍとなることから、上述と同様の換算によれば、ケーブル長が１ｃｍ異なると２．１７°位相がずれることとなる。

従って、ケーブル長の差が位相差に与える影響が小さいために位相差の微調整が可能となる同軸ケーブル１９ａ〜１９ｈ及び２４ａ〜２４ｈの長さ寸法を変更することによって高周波電力の位相が調整される。すなわち、大気ケーブルの方が真空ケーブルに比べて、１ｃｍ当たりの位相ずれが小さいので、位相の微調整がしやすい。

そこで、まず基準長さを有する同軸ケーブル１９ａ〜１９ｈ及び２４ａ〜２４ｈ、真空ケーブル２０ａ〜２０ｈ及び２５ａ〜２５ｈを配設し、実際に高周波電力を供給して基板１２上に製膜させた後、膜厚等の蒸着状態を観察する。
観察結果に基づいて、調整すべき基板１２上の箇所に対応する電極及び給電点に連通する同軸ケーブルの全長を変化させて再び配設し、先の操作と同様の高周波電力を供給して製膜させる。

上記操作を繰り返すことによって、基板上の製膜分布を均一化する。
例えば、同軸ケーブル１９ｂ、１９ｃ、１９ｆ、１９ｇの全長を他のケーブルよりも１００ｍｍ延長した場合（位相では約１１°の遅れに相当）、製膜速度が１０％〜４０％の範囲で変化して、膜厚分布の偏差が±４３．８％から±３９．６％に改善される。

上記の方法によれば、基板上の製膜分布に基づく所定の外部ケーブルの長さ寸法を操作することによって、複数の給電点間に生じる高周波電力の位相差の発生を抑えて膜厚の分布特性を均一化する方法が提供できる。

なお、調整すべき同軸ケーブルの長さそのものは変化させずに、該当する同軸ケーブルが接続されているコネクタ１８ａ〜１８ｈ及び２３ａ〜２３ｈ、出力端子１７ａ〜１７ｐの何れか部分に各１以上の同様のコネクタを追加挿入しても、同軸ケーブルの長さ寸法を変化させることと同様の作用・効果を得ることができる。

また、（１）式から、同軸ケーブルの絶縁体の比誘電率を例えば４倍に変更することによって、ケーブルを伝送される高周波電力の波長が１／２倍となることから、同軸ケーブルの長さ寸法を変化させなくても、伝送する高周波電力の波長が変化する。よって、ケーブル長１ｃｍあたりに相当する位相差も１／２倍となることから、互いに異なる比誘電率を有する同軸ケーブルを配設することによっても、複数の給電点間に生じる電気的特性のばらつきを抑制することができ、上述と同様に膜厚の分布特性を均一化する方法が提供できる。

さらに、上記の高周波電力の波形は、三角波であっても、正弦波等であっても構わない。

本発明の一実施形態を実現するプラズマ化学蒸着装置の主要部を示すブロック図である。 本発明の一実施形態を実現するプラズマ化学蒸着装置に配設される外部ケーブルの構成図である。 本発明の一実施形態を実現するプラズマ化学蒸着装置に配設される内部ケーブルの構成図である。

符号の説明

１０ 真空製膜室
１１ ラダー電極（放電電極）
１２ 基板
１８ａ〜１８ｈ、２３ａ〜２３ｈ コネクタ
１９ａ〜１９ｈ、２４ａ〜２４ｈ 同軸ケーブル（外部ケーブル）
２０ａ〜２０ｈ、２５ａ〜２５ｈ 真空ケーブル（内部ケーブル）
２６ 高周波電力給電回路
２７ 心線（導体）
２８ 絶縁体

Claims (5)

1. 製膜用ガスが導入される真空製膜室内に、放電電極と基板とが対向配置され、高周波電力給電回路により高周波電力を複数のケーブルを介して前記放電電極に備えられた複数の給電点へ給電し、前記放電電極と前記基板との間にプラズマを発生させて前記基板上に製膜するプラズマ化学蒸着方法において、
   前記基板中央部の隣接する前記放電電極部分では前記給電点同士の位相差が同位相となるように前記ケーブルの電気的特性を調整し、
   前記基板端部近傍の前記放電電極部分では前記ケーブルの電気的特性を調整して前記給電点の位相差を変化させ、
   前記高周波電力の前記給電点における位相を調整することを特徴とするプラズマ化学蒸着方法。
2. 前記ケーブルは、前記真空製膜室の外部に設けられる外部ケーブルと、該真空製膜室の内部に設けられる内部ケーブルとを備え、
   前記外部ケーブルの長さ及び／又は比誘電率を変化させて前記電気的特性を調整することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ化学蒸着方法。
3. 製膜用ガスが導入される真空製膜室と、該真空製膜室内に配置された基板と、該基板に対向配置された放電電極と、該放電電極に設けられた複数の給電点に接続されたケーブルと、該ケーブルを介して高周波電力を該給電点に給電する高周波電力給電回路とを備え、前記放電電極と前記基板との間にプラズマを発生させて、前記基板上に製膜するプラズマ化学蒸着装置において、
   前記ケーブルは、前記高周波電力の給電点における電気的特性を調整する調整手段が設けられ、
   前記調整手段は、前記基板中央部の隣接する前記放電電極部分では前記給電点同士の位相差が同位相となるように前記ケーブルの電気的特性を調整し、前記基板端部近傍の前記放電電極部分では前記ケーブルの電気的特性を調整して前記給電点の位相差を変化させることを特徴とするプラズマ化学蒸着装置。
4. 前記調整手段は、前記高周波電力給電回路から前記給電点までのケーブル長さを変更・調整可能としたことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ化学蒸着装置。
5. 前記調整手段は、前記ケーブルに絶縁体が備えられ、該絶縁体の比誘電率を調整することを特徴とする請求項３に記載のプラズマ化学蒸着装置。

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