JP5132670B2 - プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマＣＶＤ装置に関する。

プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等の薄膜を基板上に成膜するための装置として広く用いられている。今日では、例えば薄膜シリコン太陽電池の発電層に用いられるシリコン薄膜のような大面積の薄膜を高速で一時に成膜することができるプラズマＣＶＤ装置も開発されている。大面積のシリコン薄膜を成膜するには、平行平板型プラズマＣＶＤ装置を使用するのが一般的であり、大面積の基板に対応した大型のシャワー電極が用いられる。

特許文献１には、大型の非接地電極を用いて、一般的に使用される１３．５６ＭＨｚより高いＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ）の高周波でプラズマを生成する場合に、以下の問題点が生じることが記載されている。すなわち、大型の非接地電極では、ＶＨＦ帯の高周波を用いると、高周波の定在波効果によりプラズマが不均一に生成される。また、高周波になると表皮効果により、高周波の給電伝播経路を形成する金属導体中の表面層に高周波電流が集中して流れる。そのため、高周波電源から非接地電極への給電伝播経路でのインピーダンス増加や、表面状態により表面部分に流れる高周波電流が不確定となる問題が生じる。これによっても、プラズマが不均一に生成される。

また、特許文献１には、上記の問題の解決策として、非接地電極への高周波の給電位置を非接地電極の側面とする方法が記載されている。これにより、特許文献１によれば、非接地電極の側面のプラズマ生成空間に近い表面の位置から前面の中央部の表面へ伝播していく電流の流れ分布が実現されるので、大型の非接地電極を用いてＶＨＦ帯の高周波でプラズマを発生させてもプラズマを均一に生成することができるとされている。

特許第３４１６６２２号公報 特開２００５−２２０３６８号公報

特許文献１に記載されている方法は、放電用ガス導入管からガス吹き出し口にかけて非接地電極（シャワー電極）が一体となっている電極構造に適用することが前提となっている。

一方、特許文献２には、導入管が設けられたヘッド本体と複数の放出口が設けられたシャワープレートとを有するシャワーヘッドにおいて、接続面（ヘッド本体の上面）の四隅に配置された複数の給電点からヘッド本体へ高周波電圧を供給することが記載されている。このシャワーヘッドでは、シャワープレートがヘッド本体から分離可能に構成されていると考えられる。

シャワープレート分離型のシャワーヘッド（シャワー電極）では、シャワープレートをヘッド本体に接触させてネジで固定する方法がとられる。そのため、シャワープレート分離型のシャワーヘッドでは、ネジの締め付け具合により、ヘッド本体（本体部）とシャワープレートとの接触面での導通性が不均一になる可能性が高い。また、ヘッド本体とシャワープレートとの接触面における不完全な接触状態に起因して電気抵抗が大きくなり、その接触面における電力損失が増大する可能性がある。これにより、ヘッド本体の上面から高周波電力を給電しヘッド本体からシャワープレートへ伝達させると、シャワープレートにより生成されるプラズマが不均一になるとともにプラズマを生成する際の効率が悪化すると考えられる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シャワー電極におけるシャワープレートが本体部から分離可能な場合に、プラズマを均一に効率よく生成できるプラズマＣＶＤ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるプラズマＣＶＤ装置は、成膜室を形成する真空槽と、前記成膜室内に配設されて被成膜基板が載置されるステージ部と、前記被成膜基板に向けて成膜ガスを供給するとともに前記ステージ部との間に高周波電界を形成して前記成膜ガスにプラズマを発生させるシャワー電極とを備え、前記シャワー電極は、内部空間と、前記内部空間へ前記成膜ガスを供給する本体部と、表面における前記成膜室に面した第１の領域に複数の孔を有しており、前記内部空間から前記複数の孔を介して前記成膜室に前記成膜ガスを供給するように前記第１の領域が前記ステージ部と対向しているシャワープレートとを有し、前記シャワープレートは、前記本体部から分離可能であり、前記シャワープレートの前記表面は、前記第１の領域の外側に配された第２の領域に給電点を有することを特徴とする。

本発明によれば、高周波をシャワー電極のプラズマと接する面（ところ）に直接給電できるので、シャワー電極におけるシャワープレートが本体部から分離可能な場合に、プラズマを均一に効率よく生成できるプラズマＣＶＤ装置を得ることができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の実施の形態１の構成を概略的に示す断面図である。 図２は、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の実施の形態２の構成を概略的に示す断面図である。

以下に、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の実施の形態１の断面構成を概略的に示す図である。図１に示すプラズマＣＶＤ装置は、真空槽１０１、ステージ部１０３、シャワー電極１２１、給電線１１５ａ，１１５ｂ、及び真空ガスケット（真空シール部）１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃを備える。

真空槽１０１は、壁部１０１ａ及びフランジ部１０１ｂを有する。壁部１０１ａは、成膜室１０２を形成するように延びている。フランジ部１０１ｂは、後述のシャワープレート１１２の表面１１２ａにおける第２の領域１１２ａ２と対向するように、壁部１０１ａから外側に延びている。真空槽１０１により形成された成膜室１０２内は、排気口１０５から図示しない排気ポンプにより真空排気される。

ステージ部１０３は、成膜室１０２内に配設されている。ステージ部１０３の上には、被成膜基板１０４が載置される。

シャワー電極１２１は、被成膜基板１０４に向けてプロセスガス（成膜ガス）を供給するとともにステージ部１０３との間に高周波電界を形成してそのプロセスガスにプラズマを発生させる。すなわち、シャワー電極１２１からステージ部１０３側に吐出したプロセスガスをシャワー電極１２１とステージ部１０３との間に形成した高周波電界によりプラズマ１０６化して、ステージ部１０３上に載置されたガラス基板等の被成膜基板１０４上に所定の薄膜を形成する。

シャワー電極１２１は、ガス拡散空間（内部空間）１１０、本体部１０９、及びシャワープレート１１２を有する。

ガス拡散空間１１０は、本体部１０９とシャワープレート１１２とにより囲まれることによりシャワー電極１２１の内部に形成された空間である。

本体部１０９は、その内部を貫通するように、大気側からガス拡散空間１１０へ延びたガス供給口１１８を有する。本体部１０９は、ガス供給口１１８を介してガス拡散空間１１０へプロセスガスを供給する。

シャワープレート１１２は、本体部１０９から分離可能に構成されている。シャワープレート１１２の表面１１２ａは、成膜室１０２に面した第１の領域１１２ａ１と、第１の領域１１２ａ１の外側に配された第２の領域１１２ａ２とを有する。シャワープレート１１２は、その表面１１２ａにおける第１の領域１１２ａ１に複数のガス吹き出し孔（複数の孔）１１１を有している。シャワープレート１１２は、ガス拡散空間１１０から複数のガス吹き出し孔１１１を介して成膜室１０２にプロセスガスを供給するように、第１の領域１１２ａ１がステージ部１０３と対向している。シャワープレート１１２の表面１１２ａは、第２の領域１１２ａ２に給電点１２３ａ，１２３ｂを有する。

ここで、真空槽１０１におけるフランジ部１０１ｂは、給電穴（貫通穴）１１４ａ、１１４ｂを有する。給電点１２３ａ，１２３ｂには、給電穴１１４ａ、１１４ｂを通して給電線１１５ａ，１１５ｂが接続されている。すなわち、給電線１１５ａ，１１５ｂは、給電穴１１４ａ、１１４ｂを通じて第２の領域１１２ａ２における給電点１２３ａ，１２３ｂに電力を供給する。

また、シャワープレート１１２は、表面１１２ａの沿った方向の幅が、ステージ部１０３よりも大きい。シャワー電極１２１における本体部１０９及びシャワープレート１１２は、それぞれ、アルミニウムにより作製されるが、熱伝導性、電気伝導性、機械的強度等を考慮して他の金属材料、合金材料、複合金属材料等により作製することも可能である。

シャワー電極１２１は、シャワープレート１１２が取り付いた側を電気的に絶縁する絶縁フランジ１１３を挟んで真空槽１０１のフランジ部１０１ｂへボルト１２０により固定されて取り付けられている。絶縁フランジ１１３は、アルミナセラミクス、テフロン（登録商標）などの誘電体が用いられる。ボルト１２０は、シャワー電極を電気的に絶縁した状態でフランジ部１０１ｂに固定するためアルミナセラミクス、テフロン（登録商標）などの誘電体材料を用いるか、金属製のボルトをシャワー電極から絶縁して取り付けられる。

真空ガスケット１２２ａは、絶縁フランジ１１３とフランジ部１０１ｂとの間を真空シールしている。真空ガスケット１２２ｂは、シャワープレート１１２と絶縁フランジ１１３との間を真空シールしている。真空ガスケット１２２ｃは、本体部１０９とシャワープレート１１２との間を真空シールしている。

ここで、シャワープレート１１２の表面１１２ａは、ガス吹き出し孔１１１を有さない周辺部すなわち第２の領域１１２ａ２が、真空ガスケット１２２ｂにより真空シールされた部分よりも外側、つまり成膜室１０２の外側まで延長された形状となっている。すなわち、真空ガスケット１２２ｂは、第１の領域１１２ａ１と給電点１２３ａ，１２３ｂとの間で成膜室１０２をシールする。

次に、高周波の給電経路について説明する。高周波電源１１７ａ、１１７ｂの周波数は高速成膜を実現するためにＶＨＦ帯が選定される。前述したように大面積のシャワー電極にＶＨＦ帯の高周波を給電するには、定在波の影響を少なくするため複数箇所から給電する方式が用いられる。給電箇所の数は装置の大きさや構造により選定されるが、図１の断面図では高周波の給電を２台の電源から行う場合について説明する。現在の薄膜シリコン太陽電池作製では、メータサイズ（１．４×１．１ｍｍ）の大面積基板に成膜する大型のプラズマＣＶＤ装置が一般に用いられる。大型のプラズマＣＶＤ装置では２箇所以上から給電することになるが、その場合は真空槽の周囲に複数の高周波電源を配置して複数個所から給電を行うことになる。

高周波電源１１７ａ、１１７ｂから出力された高周波電力は、整合器１１６ａ、１１６ｂを介して給電線１１５ａ、１１５ｂへ伝達される。給電線１１５ａ、１１５ｂは、伝達された高周波電力を、第２の領域１１２ａ２における給電点１２３ａ，１２３ｂに給電する。給電点１２３ａ、１２３ｂは、第２の領域１１２ａ２における真空ガスケット１２２ｂの外側の領域に配される。給電線１１５ａ、１１５ｂは、導電性の良好な銅、アルミニウムなど棒状の金属が用いられ、シャワープレート１１２とはネジ構造で接続する。また給電線１１５ａ、１１５ｂは、真空槽１０１におけるフランジ部１０１ｂから高周波的に絶縁するための空間あるいは絶縁部材で形成した給電穴１１４ａ、１１４ｂを通って、さらに絶縁フランジ１１３を貫通してシャワープレート１１２の第２の領域１１２ａ２における給電点１２３ａ，１２３ｂに接続される。

真空槽１０１のフランジ部１０１ｂの外周には、金属製のシールド箱１０８を配設して真空槽１０１と共に接地し、シャワー電極１２１に給電された高周波が外部に漏えいしない構造になっている。なお、ガス供給口１１８はシールド箱１０８から絶縁ブッシュ１１９で絶縁され且つ、図示しないプロセスガス供給源からも絶縁して配設される。

被成膜基板１０４上にシリコン薄膜を成膜するときには、例えば、シリコン源としてのモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスとキャリアガスとしての水素（Ｈ₂）ガスとの混合ガスがプロセスガスとして用いられる。プロセスガスは、ガス供給口１１８からシャワー電極１２１におけるガス拡散空間１１０に導入された後、シャワープレート１１２から成膜室１０２内のステージ部１０３側に吐出されて、上述の高周波でプラズマ１０６化される。このプラズマ１０６によりＳｉＨ₃，ＳｉＨ₂，ＳｉＨ，Ｓｉ，Ｈ等の活性種が生成され、これらの活性種が被成膜基板１０４に入射してその被成膜基板１０４上に非晶質あるいは微結晶のシリコンが堆積する。結果として、被成膜基板１０４上に非晶質あるいは微結晶のシリコン薄膜が成膜される。

シャワー電極１２１における上述の構成及び高周波の給電方法により、高周波をシャワー電極１２１のプラズマと接する面（ところ）に直接給電できるので、高周波の給電伝播経路でのインピーダンス増大や不安定性が低減でき、確実に高周波電力を給電可能となる。また、真空槽１０１の大気側（外側）からシャワープレート１１２に高周波電力を給電できるので、真空で高周波を導入するための端子が不要になる。さらに、シャワープレート１１２までの給電経路が大気側で形成できるので、給電経路で放電することなく給電ができる利点がある。その結果として、大面積の薄膜を高速で安定に成膜することが容易になる。また、メンテナンスが容易になる。

以上のように、プラズマＣＶＤ装置の実施の形態１によれば、高周波をシャワー電極１２１のプラズマと接する面（ところ）に直接給電できるので、シャワー電極１２１におけるシャワープレート１１２が本体部１０９から分離可能な場合に、プラズマを均一に効率よく生成できる。すなわち、大型のシャワー電極に高周波を効率良く安定に給電できるので、大面積の薄膜を高速で安定に成膜し易くなる。

また、真空槽１０１のフランジ部１０１ｂに貫通する給電穴１１４ａ、１１４ｂを設けて、その穴の大気側からシャワープレートに給電するので、整合器１１６ａ、１１６ｂと電極との距離を短くでき、高周波電力の供給が安定に行える。なお、整合器１１６ａ、１１６ｂを真空槽１０１のフランジ部１０１ｂの大気側の面に固定するようにしてもよい。

実施の形態２．
図２は、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の実施の形態２の断面構成を概略的に示す図である。以下では、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。

実施の形態１と異なるのは、高周波の給電点２２３ａ、２２３ｂをシャワープレート２１２と絶縁フランジ２１３を真空シールする真空ガスケットの大気側の近傍に接続した点である。そのため、給電線２１５ａ、２１５ｂは、斜めに形成された給電穴２１４ａ、２１４ｂと絶縁フランジ２１３とを貫通してシャワープレート２１２に給電される。すなわち、給電穴（貫通穴）２１４ａ、２１４ｂは、給電点２２３ａ、２２３ｂに近づくにしたがって成膜室１０２が近くなるように傾斜しながら真空槽２０１のフランジ部２０１ｂ内を延びている。この場合、シャワープレート２１２は、給電線２１５ａ、２１５ｂが接続される外径までの大きさで良い。すなわち、シャワー電極２２１におけるシャワープレート２１２は、表面２１２ａに沿った方向において、本体部１０９より幅が小さい。

この構成によれば、シャワープレート２１２の表面２１２ａにおいて、第２の領域２１２ａ２におけるプラズマを生成する第１の領域２１２ａ１の近傍に高周波を給電できるので、効率良く確実に高周波を給電できる。また、シャワープレート２１２を必要最小限の大きさ、すなわち表面２１２ａに沿った方向における本体部１０９より小さい幅で構成できるので、交換頻度の高い部品を安価にできる利点もある。

なお、本発明は上記の形態に限定されるものではない。例えば、給電線は金属製の棒状としたが、高周波の同軸ケーブルでも可能である。また、この発明のプラズマＣＶＤ装置は、横型および縦型のいずれであってもよく、どちらの型にするかは当該プラズマＣＶＤ装置の用途等に応じて適宜選択可能である。この発明については、上述した以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

以上のように、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置は、薄膜を基板上に成膜することに有用であり、特に、薄膜シリコン太陽電池の発電層に用いられるシリコン薄膜のような大面積の薄膜を成膜することに適している。

１０１，２０１ 真空槽
１０１ａ 壁部
１０１ｂ，２０１ｂ フランジ部
１０２ 成膜室
１０３ ステージ部
１０４ 被成膜基板
１０５ 排気口
１０６ プラズマ
１０８ シールド箱
１０９ 本体部
１１０ ガス拡散空間
１１１ ガス吹き出し孔
１１２，２１２ シャワープレート
１１２ａ，２１２ａ 表面
１１２ａ１，２１２ａ１ 第１の領域
１１２ａ２，２１２ａ２ 第２の領域
１１３，２１３ 絶縁フランジ
１１４ａ，２１４ａ 給電穴
１１４ｂ，２１４ｂ 給電穴
１１５ａ，２１５ａ 給電線
１１５ｂ，２１５ｂ 給電線
１１６ａ 整合器
１１６ｂ 整合器
１１７ａ 高周波電源
１１７ｂ 高周波電源
１１８ ガス供給口
１１９ 絶縁ブッシュ
１２０ ボルト
１２１，２２１ シャワー電極
１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ 真空ガスケット
１２３ａ，２２３ａ 給電点
１２３ｂ，２２３ｂ 給電点

Claims (3)

1. 成膜室を形成する真空槽と、
   前記成膜室内に配設されて被成膜基板が載置されるステージ部と、
   前記被成膜基板に向けて成膜ガスを供給するとともに前記ステージ部との間に高周波電界を形成して前記成膜ガスにプラズマを発生させるシャワー電極と、
   を備え、
   前記シャワー電極は、
   内部空間と、
   前記内部空間へ前記成膜ガスを供給する本体部と、
   表面における前記成膜室に面した第１の領域に複数の孔を有しており、前記内部空間から前記複数の孔を介して前記成膜室に前記成膜ガスを供給するように前記第１の領域が前記ステージ部と対向しているシャワープレートと、
   を有し、
   前記シャワープレートは、前記本体部から分離可能であり、
   前記シャワープレートの前記表面は、前記第１の領域の外側に配された第２の領域に給電点を有し、
   前記真空槽は、
   前記成膜室を形成するように延びた壁部と、
   前記第２の領域に対向するように前記壁部から外側に延びたフランジ部と、
   を有し、
   前記フランジ部は、貫通穴を有し、
   前記プラズマＣＶＤ装置は、前記貫通穴を通じて前記第２の領域における前記給電点に電力を供給する給電線をさらに備えた
   ことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
2. 前記第１の領域と前記給電点との間で前記成膜室をシールする真空シール部をさらに備え、
   前記貫通穴は、前記給電点に近づくにしたがって前記成膜室が近くなるように傾斜しながら前記フランジ部内を延びている
   ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
3. 前記シャワープレートは、前記表面に沿った方向において、前記本体部より幅が小さい
   ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。

Images