JP4966083B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は、成膜装置に関するものであって、詳しくは、基板にアモルファスシリコン層を成膜する成膜装置に関する。

例えば、液晶ディスプレイなどに使用される薄膜トランジスタや、シリコン型の太陽電池などでは、ガラスなどの基板上にアモルファスシリコン層をなど成膜して製造される。このアモルファスシリコン層を成膜する際には、例えば、ＬＰＣＶＤ（Low Pressure CVD）を用いる方法が挙げられる。しかしながら、ＬＰＣＶＤは成膜温度を５００〜６００℃程度まで上げる必要があり、基板をガラス基板である場合には、ガラスが軟化、溶融する懸念があるために適用することが困難である。

一方、軟化点の低いガラス基板にアモルファスシリコン層を成膜するために、例えば、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced CVD）を用いる方法が挙げられる。このＰＥＣＶＤでは、成膜温度を比較的低くすることが可能なため、ガラス基板であってもアモルファスシリコン層を成膜することが可能である。

ＰＥＣＶＤでアモルファスシリコン層を形成した場合、反応ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ_４ ）ガスを用いた時に、成膜されたアモルファスシリコン層にシラン化合物（ＳｉＨ_Ｘ ）が含有される。このＳｉＨ_Ｘ のうち、ＳｉＨ_２ は、例えば、薄膜トランジスタにあっては、アモルファスシリコン層の電子移動度を低減させ、太陽電池にあっては、光電変換効率を下げるなど、製品の特性に悪影響を及ぼすことが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平４−３５４３２６号公報 特開２００６−１９５９３号公報

従来のＰＥＣＶＤ装置では、カソードに印加する電力として商用電源である１３．５６ＭＨｚの周波数の交流電圧が使用されいる。この周波数帯では、カソードに印加する電力の周波数と、アモルファスシリコン層に含まれるＳｉＨ_Ｘ に占めるＳｉＨ_２ の濃度とが略平坦な相関であるため、カソードに印加する電力の周波数を調整してＳｉＨ_２ の濃度を最も低くし、電子移動度や光電変換特性に優れたアモルファスシリコン層を得ることが困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、アモルファスシリコン層に含まれるＳｉＨ_２ の濃度を低減させ、電子移動度や光電変換特性に優れたアモルファスシリコン層を成膜することが可能な成膜装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は次のような成膜装置を提供した。すなわち、本発明の成膜装置では、基板にアモルファスシリコン層を成膜する成膜装置であって、
真空槽と、前記真空槽内に配置され、複数の孔を有するシャワープレートと、前記シャワープレートが一面に配置され、前記孔によって前記真空槽の内部と連通する空洞を有するシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドに接続され、前記空洞に原料ガスを供給する原料ガス供給系と、前記真空槽内の前記シャワープレートと対向する位置に平行に設けられ、前記基板を載置するための電極板と、前記電極板に接続され、前記電極板に１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の周波数の交流電圧を印加する交流電源と、前記アモルファスシリコン層に含まれるＳｉＨ_２ 濃度を検出する検出手段と、前記検出手段で検出されたＳｉＨ_２ 濃度に応じて前記交流電源から出力される交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備え、
前記周波数制御手段は、前記検出手段で検出されたＳｉＨ_２ 濃度に応じて、ＳｉＨ_２ 濃度が最も低くなるように交流電圧の周波数を制御することを特徴とする。

前記周波数制御手段は、前記基板の温度に応じて変化する、前記交流電圧の周波数と前記ＳｉＨ_２ 濃度との関係を示した参照テーブルを備えていればよい。また、前記基板はガラス基板であり、前記基板の成膜温度は、２００℃以上３５０℃以下であればよい。

本発明の成膜装置によれば、アモルファスシリコン層の成膜中に、検出手段によってＳｉＨ_２ の割合を検出し、周波数制御手段によってＳｉＨ_２ の割合が最も低くなる周波数になるように交流電源から出力される交流電圧の周波数を調整しつつ、基板にアモルファスシリコン層を成膜していくことができる。

これによって、周波数によるＳｉＨ_２ の割合の変動が少ない従来の１３．５６ＭＨｚ帯の交流電圧に代えて、周波数によってＳｉＨ_２ の割合を大きく下げることが可能な１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の周波数帯の交流電圧を用い、かつ、ＳｉＨ_２ の割合を検出してＳｉＨ_２ の割合が最小になる周波数の交流電圧を印加することにより、ＳｉＨ_２ の割合が極めて低いアモルファスシリコン層を成膜することが可能になる。

このようなＳｉＨ_２ の割合が極めて低いアモルファスシリコン層を成膜したガラス基板を、例えば薄膜トランジスタの製造に用いれば、電子移動度の高い高性能な薄膜トランジスタを得ることができる。また、シリコン型の太陽電池の製造に用いれば、光電変換効率に優れた高性能な太陽電池を得ることが可能になる。

以下、本発明に係る成膜装置の最良の形態について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の成膜装置の一例を示す断面図である。成膜装置１は真空槽２を有している。真空槽２には真空排気系２０が接続されている。この真空排気系２０は、真空槽２の内部空間Ｓを、例えば、１０Ｐａ以上５００Ｐａ以下の圧力範囲の減圧雰囲気に保つ。

真空槽２の内部空間Ｓには、加熱装置７が設けられている。加熱装置７の上には、例えば板状の絶縁物８が配置されている。この絶縁物８の上には電極板９が重ねて配置されている。絶縁物８は、加熱装置７や真空槽２に対して電極板９を電気的に絶縁させる。電極板９の上には、被成膜物である基板１０が載置されればよい。

真空槽２には、検出手段３１を構成するセンサ部３１ａが形成されている。この検出手段３１は、原料ガスのプラズマＰに含まれるＳｉＨ_２ の含まれる割合、または、電極板９に載置される基板に成膜されたアモルファスシリコン層のＳｉＨ_２ の割合を検出するものである。この検出手段３１は、例えば、フーリエ変換型赤外分光装置（ＦＴ−ＩＲ）であればよい。そして、検出手段３１は、測定されたＳｉＨ_２ の割合を示す信号を、後述する周波数制御手段３２に向けて出力する

真空槽２の内部空間Ｓの上部には、シャワーヘッド３が配置されている。このシャワーヘッド３が電極板９の上面に対向する側にはシャワープレート４が取り付けられている。シャワーヘッド３の内部は、空洞３ａとなっており、シャワープレート４には、この空洞３ａと連通する多数の孔４ａが形成されている。電極板９とシャワープレート４は、例えば３０ｍｍ以上の離間距離を保って互いに平行に配置されている。

シャワーヘッド３の空洞３ａには、原料ガス供給系１１が接続されており、シャワーヘッド３に向けて原料ガスが供給すると、シャワープレート４の孔４ａから、供給された原料ガスが真空槽２の内部空間Ｓに導入される。

電極板９は交流電源３０に電気的に接続される。交流電源３０は、電極板９に対して１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の範囲の周波数の交流電圧を印加する。一方、シャワープレート４と真空槽２とは電気的に接地され、接地電位に保たれている。

交流電源３０は、周波数制御手段３２に電気的に接続されている。この周波数制御手段３２は、検出手段３１で検出されたＳｉＨ_２ の割合を示す信号に基づいて、成膜温度ごとに予め記録された周波数とＳｉＨ_２ の割合との関係を示す参照テーブルを参照する。そして、ＳｉＨ_２ の生成される割合が最も低くなる周波数の交流電圧が出力されるように、交流電源３０を制御する。

このような構成の成膜装置の作用を説明する。図１に示した成膜装置１を用いて、太陽電池や液晶ディスプレイの薄膜トランジスタの製造に用いられるガラス基板に、アモルファスシリコン層を成膜する場合を例示する。また、図２は、ＳｉＨ_２ の割合を制御する流れを簡単に示したフローチャートである。まず、成膜装置１の真空排気系２０によって真空槽２内を排気し減圧雰囲気にする。そして、この減圧雰囲気を維持したまま真空槽２内にガラス基板１０を搬入し、電極板９に載置する。

加熱装置７を動作させ発熱させ、熱伝導によって絶縁物８および電極板９を介して、ガラス基板１０を昇温させる。ガラス基板１０は、ガラスが軟化することのない２００℃以上３００℃以下の範囲に加熱する。そして、原料ガス供給系１１からアモルファスシリコン層を形成するための原料ガスＧ、例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４ ）ガスをシャワープレート４に向けて供給し、内部空間Ｓの圧力を１０〜５００Ｐａにする。原料ガスＧはシャワープレート４の孔４ａから真空槽２内に向けて噴射される。

このように、真空槽２に原料ガスＧが導入され、真空槽２内が１０Ｐａ以上５００Ｐａ以下の減圧環境に保たれ、ガラス基板１０が２００℃以上３５０℃以下の範囲に加熱された状態で、交流電源３０を動作させ、電極板９に交流電圧を印加する。電極板９に印加する交流電圧は、１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の範囲の周波数、例えば８００ｋＨｚとされる。

シャワープレート４は接地電位であり、シャワープレート４をアノード電極（接地電位）、電極板９をカソード電極とする容量結合によってグロー放電が発生し、アノード電極とカソード電極の間に原料ガスであるモノシランのプラズマＰが発生する。

印加電圧の周波数は、従来は一般的に商用電源の周波数である１３．５６ＭＨｚであるが、本発明においては、１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の範囲の低い周波数を用いることによって、ガラス基板１０の近傍に偏在するようにプラズマＰが発生する。活性化した水素化シリコンのプラズマＰがガラス基板１０の表面に到達すると、モノシランの反応が進行し、ガラス基板１０の表面で分解されたラジカルが反応生成物であるアモルファスシリコンとして堆積する。プラズマＰはシャワープレート４からから離れた位置に偏在して発生しているので、シャワープレート４にはアモルファスシリコンは堆積せず、ガラス基板１０の表面に多く堆積し、成膜速度が速くなる。

このアモルファスシリコン層の成膜中に、検出手段３１例えばＦＴ−ＩＲは、プラズマＰのＳｉＨ_２ の割合を検出する（図２のＦ１）。センサ３１ａから得られたプラズマＰの観測光が入力された検出手段３１は、赤外光の強度分布に基づいてＳｉＨ_２ の割合を示す信号を周波数制御手段３２に送る。

周波数制御手段３２は、検出手段３１からＳｉＨ_２ の割合を示す信号が入力されると、成膜温度ごとに予め作成されている周波数とＳｉＨ_２ の割合との関係を示すテーブルを参照し、入力された信号とテーブルとを比較する（図２のＦ２）。そして、現在の成膜温度において、ＳｉＨ_２ の割合が最も低くなるように、交流電源３０から出力されている交流電圧の周波数を調整する（図２のＦ３）。

この時、周波数制御手段３２が参照する周波数とＳｉＨ_２ の割合との関係を示すテーブルの一例を図３に示す。図３（ａ）は、成膜温度（基板温度）２３０℃における、印加する交流電圧の周波数とＳｉＨ_２ の割合との関係を示したものである。また、図３（ｂ）は、成膜温度（基板温度）３２０℃の時の、印加する交流電圧の周波数とＳｉＨ_２ の割合との関係を示したものである。

これらのグラフによれば、成膜温度（基板温度）２３０℃では、電極板９に印加する交流電圧の周波数を４５０ｋＨｚにすることによって、成膜されるアモルファスシリコン層のＳｉＨ_２ の割合を最も減らすことができることがわかる。また、成膜温度（基板温度）３２０℃では、電極板９に印加する交流電圧の周波数を８００ｋＨｚにすることによって、成膜されるアモルファスシリコン層のＳｉＨ_２ の割合を最も減らすことができることがわかる。

アモルファスシリコン層の成膜中に、検出手段３１によってＳｉＨ_２ の割合をリアルタイムで検出し、周波数制御手段３２によってＳｉＨ_２ の割合が最も低くなる周波数になるように交流電源３０から出力される交流電圧の周波数を調整しつつ、ガラス基板１０にアモルファスシリコン層を成膜していく。そして、所定の膜厚になるまでアモルファスシリコン層１５を積層させる（図２のＦ４）。

このように、周波数によるＳｉＨ_２ の割合の変動が少ない従来の１３．５６ＭＨｚ帯の交流電圧に代えて、周波数によってＳｉＨ_２ の割合を大きく下げることが可能な１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の周波数帯の交流電圧を用い、かつ、ＳｉＨ_２ の割合を検出してＳｉＨ_２ の割合が最小になる周波数の交流電圧を印加することにより、ＳｉＨ_２ の割合が極めて低いアモルファスシリコン層１５を成膜することが可能になる。

このようなＳｉＨ_２ の割合が極めて低いアモルファスシリコン層１５を成膜したガラス基板１０を、例えば薄膜トランジスタの製造に用いれば、電子移動度の高い高性能な薄膜トランジスタを得ることができる。また、シリコン型の太陽電池の製造に用いれば、光電変換効率に優れた高性能な太陽電池を得ることが可能になる。

なお、上述した本発明の成膜装置は、連続成膜処理による成膜装置に用いても効果的である。即ち、連続して供給される基板のうち、最初の基板で上述したような工程で最適な（ＳｉＨ_２ の割合が最も低い状態の周波数）状態に調整してから、連続成膜することによって、成膜の都度、最適な条件が変動しやすいＣＶＤ装置などで、ＳｉＨ_２ の割合が極めて低いアモルファスシリコン層を連続して容易に成膜することが可能になる。

１００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の周波数帯において、印加する交流電圧の周波数とＳｉＨ_２ ／ＳｉＨの割合との関係、およびそれぞれの周波数で成膜したアモルファスシリコン層の電子移動度、光電変換効率を測定した。基板温度（成膜温度）２３０℃における、周波数とＳｉＨ_２ ／ＳｉＨの割合との関係、およびそれぞれの周波数で成膜したアモルファスシリコン層の電子移動度を図４（ａ）、光電変換効率を図４（ｂ）に示す。また、基板温度（成膜温度）３２０℃における、周波数とＳｉＨ_２ ／ＳｉＨの割合との関係、およびそれぞれの周波数で成膜したアモルファスシリコン層の電子移動度を図５（ａ）、光電変換効率を図５（ｂ）に示す。

図４、および図５に示す結果によれば、１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の周波数帯においては、いずれの成膜温度においても、周波数を変えることによって、ＳｉＨ_２ ／ＳｉＨの割合を大きく変えることが可能であることがわかる。そして、ＳｉＨ_２ の割合を低くできる周波数で成膜したアモルファスシリコン層は、いずれの成膜温度においても、電子移動度、光電変換効率を良好にできることが確認された。

本発明の一実施形態の成膜装置を示す断面図である。 本発明の成膜装置における成膜工程の一例を示すフローチャートである。 本発明の成膜装置における参照テーブルの一例を示すグラフである。 本発明の検証結果を示すグラフである。 本発明の検証結果を示すグラフである。

符号の説明

２ 真空槽
４ シャワープレート
９ 電極板
１０ ガラス基板
３０ 交流電源
３１ 検出手段
３２ 周波数制御手段

Claims (3)

1. 基板にアモルファスシリコン層を成膜する成膜装置であって、
   真空槽と、前記真空槽内に配置され、複数の孔を有するシャワープレートと、前記シャワープレートが一面に配置され、前記孔によって前記真空槽の内部と連通する空洞を有するシャワーヘッドと、前記シャワーヘッドに接続され、前記空洞に原料ガスを供給する原料ガス供給系と、前記真空槽内の前記シャワープレートと対向する位置に平行に設けられ、前記基板を載置するための電極板と、前記電極板に接続され、前記電極板に１００ｋＨｚ以上２ＭＨｚ以下の周波数の交流電圧を印加する交流電源と、前記アモルファスシリコン層に含まれるＳｉＨ_２ 濃度を検出する検出手段と、前記検出手段で検出されたＳｉＨ_２ 濃度に応じて前記交流電源から出力される交流電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備え、
   前記周波数制御手段は、前記検出手段で検出されたＳｉＨ_２ 濃度に応じて、ＳｉＨ_２ 濃度が最も低くなるように交流電圧の周波数を制御することを特徴とする成膜装置。
2. 前記周波数制御手段は、前記基板の温度に応じて変化する、前記交流電圧の周波数と前記ＳｉＨ_２ 濃度との関係を示した参照テーブルを備えていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記基板はガラス基板であり、前記基板の成膜温度は、２００℃以上３５０℃以下であることを特徴とする請求項１または２記載の成膜装置。
   
   

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