JP5014857B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明は成膜装置の技術分野にかかり、特に、基板保持パネルの両側に成膜対象物を配置し、基板保持パネルを走行させながら成膜する成膜装置に関する。

半導体・薄型ディスプレイ・太陽電池製造デバイスの製造工程の薄膜形成おいて、プラズマＣＶＤ法がありアモルファスシリコン、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜などのシリコン化合物を成膜している。
太陽電池用のシリコン薄膜量産装置では、アース電極をトレイ形状にし、そのトレイの両面に基板を設置し、各基板に対向するように２組のＲＦ印加シャワープレート電極を設置し、２枚の基板に成膜しながら量産性を向上させる装置が使用されている。

図２の符号１００は、従来技術の太陽電池用の成膜装置を示している。
この成膜装置１００は、真空槽１１１の底壁上に走行軌道１３１が敷設されており、走行軌道１３１の上方にはガイド１３３が配置されている。

走行軌道１３１上には、上端部がガイド１３３と接触した状態で、基板保持パネル１２２が乗せられており、基板保持パネル１２２は、走行軌道１３１上を走行できるように構成されている。走行軌道１３１は、真空槽１１１に電気的に接続されており、真空槽１１１は接地電位に接続されて、基板保持パネル１２２は、走行軌道１３１を介して接地電位に接続されている。

基板保持パネル１２２の両側には、第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂがそれぞれ配置されている。
第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂは真空槽１１１から絶縁されており、マッチングボックス１２５ａ、１２５ｂを介して、それぞれ交流電源１２７ａ、１２７ｂに接続されている。

第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂには、原料ガス導入系１１３がそれぞれ接続されており、基板保持パネル１２２の表面と裏面に、それぞれ第一、第二の成膜対象物１１４ａ、１１４ｂを配置し、真空排気系１２８によって真空槽１１１内を真空排気し、第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂのノズル孔１１８ａ、１１８ｂから真空槽１１１内に原料ガスが導入される。

第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂに交流電圧を印加すると、第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂと基板保持パネル１２２の間にプラズマが形成され、プラズマ中で原料ガスが分解され、第一、第二の成膜対象物１１４ａ、１１４ｂの表面に薄膜が形成される。

上記のような成膜装置１００では、第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂに印加する交流電圧の周波数は１３．５６ＭＨｚであり、真空槽１１１内の圧力は、５０〜５００Ｐａの範囲である。電極間距離(第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂの表面と基板保持パネル１２２の表面との間の距離)は、１０〜３０ｍｍの範囲である。
上記のような成膜装置１００では、基板保持パネル１２２は、基板保持パネル１２２の下端に設けられた車輪によって走行軌道１３１上を走行する。

基板保持パネル１２２と第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂとは近接しているため、走行に伴う左右の揺れによって、基板保持パネル１２２と第一、第二のシャワーヘッド１１６ａ、１１６ｂとの間の距離が変化すると、電極間容量が変化し、形成される薄膜の膜厚分布が不均一になってしまう。

また、基板保持パネル１２２は車輪で走行軌道１３１と接触しており、基板保持パネル１２２の走行中は車輪と走行軌道１３１の接触状態が変化し、接触抵抗が変わってしまう。その結果、基板保持パネル１２２が走行中、プラズマの状態が変化し、膜厚分布が不均一になってしまう。
基板を縦置き搬送する技術は、例えば下記技術文献に記載されている。
特開２００６−１４３４６２号公報

本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、均一な膜厚分布の薄膜を高速に成膜できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、前記真空槽の内部に配設された走行軌道と、前記走行軌道上に鉛直に配置され、表面と裏面にそれぞれ成膜対象物を保持し、前記走行軌道上を走行する基板保持パネルと、前記走行軌道上の前記基板保持パネルの両側にそれぞれ配置され、前記真空槽内に原料ガスを導入する第一、第二のシャワーヘッドとを有する成膜装置であって、前記走行軌道は、前記真空槽とは電気的に絶縁され、前記基板保持パネルの上部に取り付けられた接続部材を介して、前記基板保持パネルに交流電圧を印加可能にされ、前記真空槽は接地電位に接続され、前記接続部材には、１００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の周波数の交流電圧を出力する交流電源が接続され、前記第一、第二のシャワーヘッドと、前記基板保持パネルの間の距離は、５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下にされた成膜装置である。
また、本発明は、前記基板保持パネルを走行させながら成膜を行う成膜装置である。
また、本発明は、前記基板保持パネルを前記第一、第二のシャワーヘッドに対して静止させて成膜を行う成膜装置である。

交流電源やマッチングボックスが一組で済み、コストを削減できる。
基板保持パネルに印加する交流電圧の周波数を１００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の低周波にし、真空槽と第一、第二のシャワーヘッドを接地電位に接続することで、プラズマが基板保持パネルに近い位置に形成され、高速成膜が可能になる。
また、低周波にしたことで電極間距離を大きくできるので、基板保持パネルが走行の際に左右に揺れても、均一な膜厚分布の薄膜が得られる。

図１の符号１０は、本発明の一例の成膜装置を示している。
この成膜装置１０は、真空槽１１を有しており、真空槽１１の内部の底壁上には走行軌道２１が敷設されている。
走行軌道２１上には、基板保持パネル２２が鉛直に乗せられている。

走行軌道２１は、レールやラック等で構成されており、走行軌道２１がレールの場合には、基板保持パネル２２の下端には車輪２９が設けられ、車輪２９が走行軌道２１上に乗せられる。

真空槽１１は接地電位に接続されている。
基板保持パネル２２の上端には、脱着可能な接続部材２３が取り付けられている。真空槽１１の天井には絶縁部材２６が配置されており、接続部材２３は、絶縁部材２６によって真空槽１１とは絶縁された状態で、真空槽１１の外部に電気的に取り出されており、マッチングボックス２５を介して交流電源２７に接続されている。

走行軌道２１は絶縁性材料で構成されており、基板保持パネル２２や接続部材２３は、走行軌道２１によって真空槽１１とは絶縁されている。
また、基板保持パネル２２は、下端部や左右両端部は真空槽１１から絶縁されており、交流電源２７を起動すると、真空槽１１を接地電位に置いた状態で、接続部材２３との接続部分から、交流電圧が印加されるように構成されている。

基板保持パネル２２は板状の電極板であり、不図示の基板保持機構が設けられている。基板保持パネル２２の表面側と裏面側には、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂがそれぞれ鉛直に保持されている。
第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂは、１１００×１４００ｍｍ、厚さ５ｍｍのガラス基板である。

基板保持パネル２２の表面と裏面に面する位置には、それぞれ第一、第二のシャワーヘッド１６ａ、１６ｂが、基板保持パネル２２や、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂとは非接触で配置されている。

第一、第二のシャワーヘッド１６ａ、１６ｂは、第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂと、第一、第二の背面電極１９ａ、１９ｂを有している。第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂは板状であり、中央部分が第一、第二の背面電極１９ａ、１９ｂと離間され、周囲が第一、第二の背面電極１９ａ、１９ｂに接続されており、第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂと、第一、第二の背面電極１９ａ、１９ｂとで、シャワーヘッド１６ａ、１６ｂの内部に第一、第二のガス供給室１２ａ、１２ｂがそれぞれ形成されている。

ここでは、第一、第二のシャワーヘッド１６ａ、１６ｂの一部である第一、第二の背面電極１９ａ、１９ｂは、真空槽１１の壁面の一部を構成しており、真空槽１１の内側には第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂが向けられている。

第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂは、基板保持パネル２２に保持された第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂと、所定距離離間して平行になるように配置されている。

第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂには、複数のノズル孔１８ａ、１８ｂがそれぞれ形成されており、第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂと第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂの間の空間は、ノズル孔１８ａ、１８ｂによって、第一、第二のガス供給室１２ａ、１２ｂにそれぞれ接続されている。

真空槽１１の外部には、ガス導入系１３が配置されている。第一、第二のガス供給室１２ａ、１２ｂは、それぞれガス導入系１３に接続されており、ガス導入系１３から第一、第二のガス供給室１２ａ、１２ｂ内に原料ガスを導入すると、導入された原料ガスは、ノズル孔１８ａ、１８ｂを通って、第一、第二のシャワーヘッド１６ａ、１６ｂから第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂに向けて噴出されるように構成されている。

走行軌道２１は、真空槽１１に固定されている。
接続部材２３は基板保持パネル２２から着脱自在であり、基板保持パネル２２の上端に、一時的に固定されている。
基板保持パネル２２にはモータ等の走行装置が接続されており、接続部材２３によって交流電源２７に接続された状態で、走行軌道２１上を移動できるように構成されている。

この成膜装置１０によって処理対象物１４ａ、１４ｂ表面に薄膜を形成する工程について説明すると、真空槽１１には、真空排気系２８が接続されており、先ず、真空排気系２８によって真空槽１１内を所定圧力まで真空排気し、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂが配置された基板保持パネル２２を、真空槽１１内に搬入する。

次いで、第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂからシリコンの原料ガスを真空槽１１内に噴出させ、真空槽１１内で移動させながら交流電源２７を動作させる。
交流電源２７は、１００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの低周波交流電圧を出力するように設定されており、その低周波交流電圧が接続部材２３を介して第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂと基板保持パネル２２との間に印加されると、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂの表面近傍に原料ガスのプラズマが形成される。

接続部材２３は、基板保持パネル２２の中央部ではなく、上端に取り付けられているが、印加される交流電圧は低周波であるため、基板保持パネル２２の面内の電界強度は均一になる。

第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂは、走行軌道２１に沿って延設されており、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂを保持した状態で基板保持パネル２２が走行軌道上を走行すると、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂはプラズマと共に移動し、薄膜が成長する。

基板保持パネル２２と第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂは、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂよりも大きく、その間に配置された第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂの表面には、プラズマが均一に形成され、膜厚分布のよい薄膜が形成される。
ここでは、基板保持パネル２２を走行させながら成膜したが、基板保持パネル２２を走行させず、第一、第二のシャワーヘッド１６ａ、１６ｂに対して静止させて成膜する場合も本発明に含まれる。

基板保持パネル２２が第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂに面する位置を通過し、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂに所定膜厚の薄膜が形成された後、真空槽１１の外部に搬出し、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂを基板保持パネル２２から取り外し、接続部材２３を交流電源から取り外す。

本発明の成膜装置１０では、第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂと基板保持パネル２２のうち、プラズマは交流電圧が印加された基板保持パネル２２に近い位置に形成され、プラズマ中で生成された反応性の高いラジカルやイオンが、第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂに多量に入射し、成膜速度は速い。
他方、プラズマに遠い位置にある第一、第二のシャワープレート１７ａ、１７ｂに付着する薄膜は少量である。

アモルファスシリコンを成膜する場合、原料ガスとしてＳｉＨ₄ガスを用いる。周波数が低い場合、プラズマ密度も低くなって成膜速度が低下しやすいが、原料ガスにＳｉＨ₄系ガスを用い、周波数を１００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの範囲にした場合、プラズマは、低周波交流電圧を印加した電極(ここでは基板保持パネル２２)の近傍のみに形成されるため、ガスの分解が第一、第二の成膜対象物１４ａ、１４ｂの表面近傍で行われ、シャワーヘッドに１３．５６ＭＨｚほどの高周波電圧を印加した場合と同等の成膜速度が得られる。

また、電圧を印加した電極側にはセルフバイアス電圧が発生するため、基板保持パネル２２に高周波の交流電圧を印加すると、チャージアップによって形成される薄膜のダメージが大きくなりやすいが、低周波にしたことで、質量の重いイオンも電子とともに電極間を往復移動し、電荷中和の効果により形成される薄膜へのチャージアップが少ない。これにより、投入電力を大きくすることができる。

以上により、本発明の成膜装置１０では、膜質のよい薄膜を高速成膜することができる。
またマッチングボックス２５と交流電源２７が一組で済むため、装置コストも低下する。

なお、ＳｉＨ₄ガスを用いてアモルファスシリコン薄膜を形成する場合、真空槽１１内は、１００Ｐａ程度のＳｉＨ₄ガス雰囲気にする。アモルファスシリコン成膜に必要な放電パワーは、基板の面積に対して、０．０５Ｗ／ｃｍ²程度である。

シリコン窒化膜を成膜する場合、原料ガスにはＳｉＨ₄、ＮＨ₃、及びＮ₂の混合ガスを使用し、０．５〜１．０Ｗ／ｃｍ²程度の電力を投入すると、１５０〜３００ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度が得られる。この成膜速度の値は、枚葉式の成膜装置では得られるものの、従来の両面成膜装置では達成できなかった速さである。

本発明のような平行平板放電では、電極間距離(第一のシャワーヘッド１６ａの表面と基板保持パネル２２の表面の間の距離と、第二のシャワーヘッド１６ｂの表面と基板保持パネル２２の裏面の間の距離)は圧力、周波数が変数となり、放電のしやすさは、(周波数)×(圧力)×(距離)の値であらわすことができる。
従って、圧力が一定であれば、周波数が低い場合の電極間距離の方が、高い場合の電極間距離よりも大きくできる。

周波数が１３．５６ＭＨｚの場合は、電極間距離は約２０ｍｍであり、周波数が１００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの低周波では、電極間距離を５０ｍｍ以上と大きくすることができる。電極間距離が大きい場合、基板保持パネルが左右に数ｍｍ移動してもプラズマに対する影響が小さく、膜厚分布はほとんど変化なく成膜できる。

本発明において、電極間距離は５０ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲で、ほとんど同じ成膜速度で成膜できることを確認した。
上記実施例では、走行軌道２１は、真空槽１１とは絶縁されたレールであったが、真空槽１１とは絶縁したラックで構成し、基板保持パネル２２の下端にピニオンを設けてもよい。要するに、走行軌道２１は、鉛直に配置された基板保持パネル２２が、真空槽１１とは電気的に絶縁された状態で走行できるものであればよい。

本発明の成膜装置を説明するための図 従来技術の成膜装置を説明するための図

符号の説明

１０……成膜装置
１１……真空槽
１４ａ、１４ｂ……第一、第二の成膜対象物
１６ａ、１６ｂ……第一、第二のシャワーヘッド
２１……走行軌道
２２……基板保持パネル
２３……接続部材

Claims (3)

1. 真空槽と、
   前記真空槽の内部に配設された走行軌道と、
   前記走行軌道上に鉛直に配置され、表面と裏面にそれぞれ成膜対象物を保持し、前記走行軌道上を走行する基板保持パネルと、
   前記走行軌道上の前記基板保持パネルの両側にそれぞれ配置され、前記真空槽内に原料ガスを導入する第一、第二のシャワーヘッドとを有する成膜装置であって、
   前記走行軌道は、前記真空槽とは電気的に絶縁され、
   前記基板保持パネルの上部に取り付けられた接続部材を介して、前記基板保持パネルに交流電圧を印加可能にされ、
   前記真空槽は接地電位に接続され、前記接続部材には、１００ｋＨｚ以上１０００ｋＨｚ以下の周波数の交流電圧を出力する交流電源が接続され、
   前記第一、第二のシャワーヘッドと、前記基板保持パネルの間の距離は、５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下にされた成膜装置。
2. 前記基板保持パネルを走行させながら成膜を行う請求項１記載の成膜装置。
3. 前記基板保持パネルを前記第一、第二のシャワーヘッドに対して静止させて成膜を行う請求項１記載の成膜装置。

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