JP5378416B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。
本願は、２００９年１月９日に出願された特願２００９−００４０２３号に基づき優先
権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、プラズマ処理の一例として、プラズマ状態のプロセスガスを用いて、基板上に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ法による成膜装置（ｐ−ＣＶＤ成膜装置）が知られている。このｐ−ＣＶＤ成膜装置は、例えば基板上にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜を形成する際に利用される。

図６は、従来のｐ−ＣＶＤ成膜装置の一例を示す模式的な断面図である。
図６において、成膜装置１０１はチャンバ１０２を有しており、チャンバ１０２の下部には、チャンバ１０２の底面を挿通し、上下方向に昇降可能な支柱１２５が配置されている。チャンバ１０２内における支柱１２５の端部には、板状のベースプレート１０３が取り付けられている。チャンバ１０２の上部には、絶縁フランジ１８１を介して電極フランジ１０４が取り付けられている。

チャンバ１０２と電極フランジ１０４との間において、電極フランジ１０４には、シャワープレート１０５が取り付けられている。シャワープレート１０５と電極フランジ１０４との間には、空間１３１が形成されている。

電極フランジ１０４にはガス導入管１０７が接続されている。成膜ガス供給部１２１からガス導入管１０７を通じてプロセスガスは、空間１３１内に供給される。シャワープレート１０５には多数のガス噴出口１０６が設けられている。空間１３１内に供給されたプロセスガスは、ガス噴出口１０６からチャンバ１０２内に噴出される。

また、被処理体である基板１１５に膜を形成する際に、チャンバ１０２の内壁面などにも成膜材料が付着してしまう。このような成膜材料を除去するため、成膜装置１０１は、チャンバ１０２に接続されたラジカル源１２３と、ラジカル源１２３に接続されたフッ素ガス供給部１２２とを有する。フッ素ガス供給部１２２から供給されたフッ素ガスは、ラジカル源１２３において分解され、フッ素ラジカルが得られ、フッ素ラジカルをチャンバ１０２内の成膜空間に供給することにより、付着物（成膜材料）が除去される。

ベースプレート１０３の表面は、平坦に形成されている。ベースプレート１０３の上面には、支持部１１０が載置されている。このようにベースプレート１０３上に支持部１１０を載置することで、支持部１１０の変形量が抑制される。
また、支持部１１０の表面は、ベースプレート１０３と同様に平坦に形成されている。支持部１１０の上面には、基板１１５が載置されている。
基板１１５が配置されると、基板１１５とシャワープレート１０５とは互いに近接して略平行になる。
支持部１１０上に基板１１５が配置された状態で、ガス噴出口１０６からプロセスガスを噴出させると、プロセスガスは基板１１５の表面上に供給される。

電極フランジ１０４及びシャワープレート１０５は、導電材で構成されている。電極フランジ１０４はチャンバ１０２の外部に設けられたＲＦ電源１３３（高周波電源）に接続されている。

上記構成の成膜装置１０１を用いて基板１１５の表面に薄膜を形成するには、まず、真空ポンプ１２８を用いてチャンバ１０２内を減圧する。
チャンバ１０２内を真空状態に維持された状態で、基板１１５が真空チャンバ１０２内に搬入され、支持部１１０上に載置される。
その後、ガス導入管１０７を通じてプロセスガスが供給され、ガス噴出口１０６から真空チャンバ１０２内にプロセスガスが噴出される。

電極フランジ１０４は絶縁フランジ１８１を介してチャンバ１０２と電気的に絶縁されている。チャンバ１０２が接地された状態で、高周波電源１３３（例えばＲＦ電源）を起動し、電極フランジ１０４に高周波電圧を印加する。これにより、シャワープレート１０５と支持部１１０との間に高周波電圧が印加され、放電が発生し、シャワープレート１０５と基板１１５の表面との間にプロセスガスのプラズマＰが発生する。このように発生したプラズマＰ内でプロセスガスが分解され、基板１１５の表面で気相成長反応が生じ、基板１１５の表面に薄膜が成膜される。

また、上記のような成膜工程が何度か繰り返されると、チャンバ１０２の内壁面などに成膜材料が付着するため、チャンバ１０２内は定期的にクリーニングされる。クリーニング工程においては、フッ素ガス供給部１２２から供給されたフッ素ガスがラジカル源１２３によって分解され、フッ素ラジカルが生じ、フッ素ラジカルがチャンバ１０２内に供給される。このようにチャンバ１０２内の成膜空間にフッ素ラジカルを供給することによって、化学反応が生じ、チャンバ１０２の内壁面などに付着された付着物が除去される。

ところで、従来の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）製造などに比べて、太陽電池の製造、特に微結晶Ｓｉ（マイクロクリスタルシリコン（μｃ−Ｓｉ））を利用した太陽電池の製造においては、生産性の観点から成膜速度の高速化が必要である。
成膜条件として、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）に対して水素（Ｈ２）が比較的高い倍率で希釈された高圧プロセスが用いられることが一般的である。このような高速成膜法としては、ナローギャップによる高圧枯渇法が有効に用いられる（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

また、マイクロクリスタルシリコンの成膜法においては、水素ラジカルがマイクロクリスタルシリコンの膜質に影響を与える。水素ラジカルの量が多い場合には、シリコン膜が結晶化し易い。また、水素ラジカルの量が少ない場合にはアモルファス膜が得られ易い。
近年、上述した太陽電池の製造においては、ＬＣＤ製造におけるＧ５サイズ（１１００ｍｍ×１３００ｍｍ）程度以上の大きさを有する基板を使用して、太陽電池を生産することが多い。
実際の生産装置においては、電極フランジに１箇所又は複数箇所にガス導入口が設けられており、モノシラン及び水素の混合ガス（プロセスガス）が空間１３１内に供給されている。更に、シャワープレートによってプロセスガスの放出速度が均一化され、このプロセスガスが成膜空間に放出され、発生されたプラズマによってプロセスガスが分解され、基板上に膜が形成されている（例えば、特許文献３参照）。

実際のプラズマ処理装置においては、サセプタ（支持部）の周辺部に形成された排気口を通じて処理空間内のガスが排気されている。そのため、モノシラン及び水素が同じ比率で含まれている混合ガスを均一に処理空間内に供給（放出）しても、プラズマ反応によってモノシランガスが分解することによって水素ラジカルが発生し、基板１１５の外側において水素ガスから生じる水素ラジカルＨ^＊１とモノシランガスが分解して生じる水素ラジカルＨ^＊２とが足し合わされた水素ラジカルＨ^＊の量が高く（多く）なるという問題があった。
即ち、処理空間内に存在するラジカルを含むガスを排気することによって、サセプタの周辺部、つまり、支持部の外側へ向かう流れが生じ、処理空間内の位置に応じて水素ラジカルＨ^＊の量にばらつきが生じるという問題があった。

このような状態は、例えば、図７のように模式的に示される。
図７は、従来のプラズマ処理装置を用いてプロセスガスを供給（放出）し、反応させた場合に、処理空間（成膜空間）に含まれる水素ラジカルの量（濃度）と、処理空間における位置（測定点）との関係を示す模式図である。
図７において、水素ガスから生じる水素ラジカルＨ^＊１の濃度が一点鎖線で示され、モノシランガスが分解して生じる水素ラジカルＨ^＊２の濃度が二点鎖線で示され、水素ラジカルＨ^＊１及びＨ^＊２が足し合わされた水素ラジカルＨ^＊の量が実線で示されている。
図７に示すように、従来構造を有するプラズマ処理装置においては、モノシランと水素とが混合されたプロセスガスが均一に成膜空間内に放出されるようにシャワープレートを調整しても、処理空間内の位置に応じて水素ラジカルＨ^＊の量にばらつきが生じてしまう。基板１１５の中央部（成膜空間の中央部）から周縁部までの領域において、基板１１５にプラズマ処理を均一に行うことが困難であった。
従って、基板１１５上に成膜された膜質の面内均一性を得ることが難しいという問題があった。

また、上記特許文献１及び特許文献２においては、プロセスガスを均一に供給（放出）して高速成膜が実現されているが、成膜空間に供給（放出）されたプロセスガスの反応により発生する水素ラジカルの量が考慮されていない。
更に、上記特許文献３においては、基板上に堆積される堆積膜の膜厚の均一性が向上されているが、処理空間における複数の位置の各々に存在する水素ラジカルＨ^＊の量が考慮されていない。
そのため、上記特許文献１〜３においては、処理空間内の位置に応じて水素ラジカルＨ^＊の量を均一に調整することができず、基板１１５の中央部から周縁部までの領域において、基板１１５にプラズマ処理を均一に行うことができない。

特開２００２−２８０３７７号公報 特開２００４−２９６５２６号公報 特開２００６−１３７９９号公報

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理が施される基板の中央部から周縁部までの領域において、基板に均一にプラズマ処理を行うことが可能なプラズマ処理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、本発明のプラズマ処理装置は、チャンバと、複数のガス導入口を有する電極フランジと、前記チャンバ及び前記電極フランジによって挟まれた絶縁フランジとから構成され、反応室を有する処理室と、前記反応室内に収容され、基板が載置され、前記基板の温度を制御する支持部と、前記反応室内に収容され、前記基板に対向するように配置され、前記基板に向けてプロセスガスを供給するシャワープレートと、前記電極フランジと前記シャワープレートとの間の空間内に設けられ、複数の前記ガス導入口の各々に連通し、同心状かつ環状に配置され、前記シャワープレートに向けて異なる組成の前記プロセスガスを独立して供給する複数のガス供給部と、前記シャワープレートと前記支持部との間に電圧を印加する電圧印加部とを含む。
この構成においては、ガス供給部に複数の第一ガス噴出口が設けられている。また、シャワープレートに複数の第二ガス噴出口が設けられている。また、ガス供給部は、同心状に配置された環状部を含む。また、シャワープレートは、第一電極部として機能する。また、支持部は、第二電極部として機能する。第二ガス噴出口を通して基板に向けて供給されたプロセスガスは、水素ガスとシリコン含有ガスを含む。その際、ガス供給部は、基板の中央部に供給される水素の濃度よりも、基板の周縁部に供給される水素の濃度を低くするように前記プロセスガスを基板上に供給する。電圧印加部は、前記シャワープレートと前記支持部の間に電圧を印加してプラズマを発生させることにより、本発明のプラズマ処理装置は、基板にマイクロクリスタルシリコン膜を形成する。

本発明のプラズマ処理装置は、成膜装置であることが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置においては、前記シャワープレートと前記支持部の距離は、１５〜２５ｍｍであることが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置においては、シャワープレートに向けて異なる組成若しくは種類のプロセスガスを独立して供給する複数のガス供給部が設けられ、ガス供給部に複数の第一ガス噴出口が配置されている。この構成によれば、基板の処理面（表面）の中央部から周縁部までの領域において、所定位置毎にプロセスガスの反応によって発生する水素ラジカル量を考慮して、プラズマ処理を行う前に、ガス供給部毎にプロセスガスの水素濃度（比率）を調整できる。従って、混合ガスの比率或いは各ガスの濃度が不均一であるプロセスガスを空間内に供給（放出）することができる。

また、シャワープレートには複数の第二ガス噴出口が配置されており、第二ガス噴出口を通して基板に向けてプロセスガスが供給される。また、電圧印加部は、前記シャワープレートからなる第一電極部と、支持部からなる第二電極部との間に高周波電圧を印加する。これによって、ガス供給部の第一ガス噴出口を通じて空間内に、混合ガスの比率或いは各ガスの濃度が不均一であるプロセスガスが供給（放出）される。このプロセスガスは、シャワープレートの第二ガス噴出口を通じて基板が配置された反応空間へ均一に供給される。これによって、プラズマ状態のプロセスガスが得られる。

例えば、プロセスガスとして、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス及び水素（Ｈ_２）ガスからなる混合ガスを用いた場合、基板の処理面の中央部から周縁部までの領域において、所定位置毎にプロセスガスに含まれる水素ガス及びモノシランガスの混合比率が変更される。これによって、水素ガスから生じる水素ラジカルＨ^＊１と、モノシランガスが分解して生じる水素ラジカルＨ^＊２とが足し合わされた水素ラジカルＨ^＊の総量が、上記所定位置の各々において等しくなるように制御することが可能となる。つまり、基板の処理面の中央部から周縁部までの領域において、処理面上の位置に依存せず、水素ラジカルを均一に処理面に曝すことができる。

本発明によれば、基板の処理面の全面にプラズマ処理を均一に施すことが可能なプラズマ処理装置が得られる。
例えば、上述したように、プロセスガスとして、水素ガス及びモノシランガスを含む混合ガスを用いた場合には、処理面の全面に形成されたシリコン膜の厚さを均一にすることができ、膜質も均質であるシリコン膜（例えば、ａ−Ｓｉ膜又は微結晶Ｓｉ（マイクロクリスタルシリコン（μｃ−Ｓｉ））膜など）を成膜することが可能となる。
また、プロセスガスとして、基板の処理面上に成膜された膜をエッチングする混合ガスを用いた場合には、所望のエッチング速度で、処理面上の膜の全面を均一にエッチングすることができる。また、処理面上に形成された膜上に開口部を有するレジストパターンが形成されている場合には、開口部の形状に応じて処理面上に形成された膜をエッチングすることができる。

また、電極フランジを加工する工程において生産性が低下することがなく、ガス導入口の数の増加に伴って電極フランジの機械強度が低下することがない。更に、ガス供給系の数が増えることなく、製造コストが増加することもない。

本発明に係るプラズマ処理装置の構成を示す概略断面図である。 本発明に係るプラズマ処理装置が有するガス供給部の構造の一例を示す概略平面図である。 本発明に係るプラズマ処理装置が有するガス供給部の構造の一例を示す概略平面図である。 ラマン分光法によって測定される基板の処理面上の複数の測定点を示す模式図である。 本発明に係るプラズマ処理装置の成膜空間において、プラズマ状態のプロセスガス内に存在する水素ラジカルの量（濃度）と位置との関係を示す模式図である。 従来のプラズマ処理装置の構成を示す概略図である。 従来のプラズマ処理装置の成膜空間において、プラズマ状態のプロセスガス内に存在する水素ラジカルの量（濃度）と位置との関係を示す模式図である。

以下、本発明に係るプラズマ処理装置の実施形態を図面に基づき説明する。
また、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法及び比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
また、本実施形態においては、プラズマ処理装置が成膜装置である場合について説明する。

図１は、本実施形態における成膜装置の構成を示す概略図である。
図１に示すように、プラズマＣＶＤ法による成膜装置１（ｐ−ＣＶＤ成膜装置）は、反応室αを有する処理室を備えている。処理室は、チャンバ２と、電極フランジ４と、チャンバ２及び電極フランジ４に挟まれた絶縁フランジ８１とから構成されている。即ち、チャンバ２の上部には、絶縁フランジ８１を介して電極フランジ４が取り付けられている。従って、電極フランジ４は、絶縁フランジ８１を介してチャンバ２と電気的に絶縁されている。

一方、チャンバ２の底部１１には、開口部が形成されている。この開口部には支柱２５が挿通され、支柱２５はチャンバ２の下部に配置されている。チャンバ２内に位置する支柱２５の端部は、板状のベースプレート３の底面１９に接続されている。

また、成膜装置１は、反応室α内に収容され、かつ、被処理体である基板１０が載置される支持部１５を備えている。この支持部１５は、反応室αの下方の位置に配置されている。

チャンバ２には、排気管２８の一端が接続されている。排気管２８の他端には、真空ポンプ２７が設けられている。真空ポンプ２７が起動すると、真空ポンプ２７は、排気管２８を通じて、チャンバ２内に存在するガス及び反応生成物を排気し、チャンバ２内が真空状態となるように減圧する。従って、反応室αは、気密な真空処理室を構成する。なお、チャンバ２は、電気的に接地され、チャンバ２の電位は接地電位に維持されている。ここで、接地電位とは、チャンバ２の電位がグランド電位状態もしくはアースした状態であることを意味する。

ベースプレート３は、表面が平坦に形成された板状の部材である。ベースプレート３の上面には、支持部１５が載置されている。ベースプレート３は、インコネル（登録商標）などのニッケル系合金で形成されている。なお、ベースプレート３は、剛性を有し、耐食性及び耐熱性を有する材料であれば、他の材料によって形成されてもよい。

また、支柱２５は、チャンバ２の外部に設けられた昇降機構（不図示）に接続されており、基板１０の鉛直方向において上下に移動可能である。つまり、支柱２５の端部に接続されているベース部材３とベース部材３上に配置された支持部１５とは、上下方向に昇降可能である。また、チャンバ２の外部においては、支柱２５の外周を覆うようにベローズ２６が設けられている。

電極フランジ４のチャンバ２側には空間３１を形成するようにシャワープレート５が取り付けられている。このシャワープレート５は、反応室α内に収容され、基板１０の処理面に対向するように配置されている。シャワープレート５は、基板１０に向けてプロセスガス（以下、「成膜ガス」という。）を供給する。従って、シャワープレート５と電極フランジ４との間に空間３１が形成されている。

シャワープレート５には、複数の第二ガス噴出口６が設けられている。空間３１内に導入された成膜ガスは、第二ガス噴出口６を通じてチャンバ２内に噴出される。

また、電極フランジ４及びシャワープレート５は、共に導電材で構成されている。電極フランジ４は、チャンバ２の外部に設けられた電圧印加部であるＲＦ電源３３（高周波電源）に接続されている。
ＲＦ電源３３は、シャワープレート５からなる第一電極部と、支持部１５からなる第二電極部との間に高周波電圧を印加する。このような高周波電圧の印加に伴って、第二ガス噴出口６を通して基板１０に向けて供給された成膜ガスは、プラズマ状態になる。

支持部１５は、ベースプレート３と同様に、表面が平坦に形成された板状の部材である。支持部１５の上面には基板１０が載置される。この支持部１５は、接地電極として機能するため、支持部１５の材料としては導電性を有する材料が採用される。基板１０が支持部１５上に配置されると、基板１０とシャワープレート５とは互いに近接して平行に位置する。支持部１５上に基板１０が配置された状態で、ガス噴出口６を通じて成膜ガスが噴出されると、その成膜ガスは基板１０の処理面に供給される。

また、支持部１５の内部には、温度を制御するヒータ１６が設けられており、支持部１５の温度は調節可能である。このヒータ１６は、例えばアルミニウム合金で形成されている。ヒータ１６は、支持部１５の鉛直方向から見た支持部１５の略中央部の裏面１７から突出されている。ヒータ１６は、ベースプレート３の鉛直方向から見たベースプレート３の略中央部に形成された貫通孔１８及び支柱２５の内部に挿通され、チャンバ２の外部へと導かれている。ヒータ１６は、チャンバ２の外部において電源（不図示）に接続され、支持部１５の温度を調節する。

更に、チャンバ２には、排気管２８とは異なるガス導入管２４が接続されている。このガス導入管２４には、ラジカル源２３を介してフッ素ガス供給部２２が設けられている。ラジカル源２３は、フッ素ガス供給部２２から供給されたフッ素ガスを分解する。ガス導入管２４は、フッ素ガスが分解されて得られたフッ素ラジカルを、チャンバ２内の成膜空間に供給する。

また、電極フランジ４には、複数のガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃが接続されている。また、電極フランジ４には、複数のガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃが設けられている。ガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃは、チャンバ２の外部に設けられた原料ガス供給部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃとガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃとを各々接続する。ガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃは、原料ガス供給部２１からガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃを通じて空間３１内に成膜ガス（例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガスと水素（Ｈ_２）ガスの混合ガス）を供給する。

原料ガス供給部２１は、複数の原料ガス供給部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃによって構成されている。原料ガス供給部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、異なる組成又は種類のプロセスガスを独立して空間３１内へ供給（放出）する。原料ガス供給部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの各々においては、成膜プロセスを行う前に、成膜ガスに含まれるガスの混合比率、例えば、水素ガス及びモノシランガスの混合比率を調整することができる。図１に示すように、本実施形態においては、原料ガス供給部２１は、３つの原料ガス供給部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃによって構成されている。
また、ガス導入管７は、原料ガス供給部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに各々接続しており、原料ガス供給部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃとガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃとの間の途中で、各々が二つの経路に分岐された３組のガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃを含む。

また、空間３１内には、シャワープレート５に向けて異なる組成又は種類の成膜ガスを独立して導くガス供給部８が複数配置されている。ガス供給部８は、内部にガスが流れる流路を有する管によって形成されている。複数のガス供給部８の各々は、同心状かつ環状に配置されている。即ち、複数のガス供給部８の各々の中心位置は、一致している（図３参照）。この環状部の各々には、複数の第一ガス噴出口９が設けられている。本実施形態において、ガス供給部８は、図２又は図３に示すように、３つの環状部８Ａ，８Ｂ，８Ｃによって構成されている。図２又は図３において、内側に位置する第一環状部８Ａには、複数の第一ガス噴出口９Ａが配置されている。外側に位置する第三環状部８Ｃには、複数の第一ガス噴出口９Ｃがそれぞれ配置されている。第一環状部８Ａと第三環状部８Ｃとの間（中間位置）に位置する第二環状部８Ｂには、複数の第一ガス噴出口９Ｂがそれぞれ配置されている。

また、このようなガス供給部８は、電極フランジ４に設けられた複数のガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃに各々連通している。本実施形態においては、ガス供給部８を構成する１つの環状部において、２つのガス導入口が環状部に連通された構成が示されている。即ち、第一環状部８Ａは２つのガス導入口３４Ａに連通され、第二環状部８Ｂは２つのガス導入口３４Ｂに連通され、第三環状部８Ｃは２つのガス導入口３４Ｃに連通されている。そして、３つの環状部８Ａ，８Ｂ，８Ｃの各々は、ガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを介して、ガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃに接続されている。

本実施形態において、ガス供給部８（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ）とガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃとが接続される複数の接続点（ガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの位置）は、環状部の中心に基づいて対称に配置されている。また、ガス供給部８Ａ，８Ｂ，８Ｃの各々の２箇所に上述のガス導入管が接続されている。
即ち、図２に示すように、環状部８Ａ，８Ｂ，８Ｃとガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃとが接続される接続点は、環状部の長手方向に交差する中心線ＣＬに基づいて、線対称に位置されている。換言すれば、環状部の短手方向の中央部に接続点が配置されている。
一方、図３に示すように、環状部８Ａ，８Ｂ，８Ｃとガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃとが接続される接続点は、環状部の中心Ｏに基づいて、点対称に位置されている。換言すれば、環状部における互いに対向する角部に接続点が配置されている。
このように接続点を対称（線対称又は点対称）に配置することにより、接続点の位置に基づいて、混合ガスの比率或いは各ガスの濃度が不均一である成膜ガスを空間３１内へ供給（放出）することができる。
また、環状部８Ａ，８Ｂ，８Ｃからなるガス供給部８は、基板１０上に供給されるガス濃度の分布を所望に得るために、適切に調整可能である。
例えば、後述するように、環状部８Ａ，８Ｂ，８Ｃの形状及び構造を調整することにより、基板１０の中央部に供給される水素の濃度よりも、基板１０の周縁部に供給される水素の濃度を低くするように原料ガスを基板上に供給することが可能である。

次に、上述した構成を有する成膜装置１を用いて基板１０に成膜する場合について説明する。
まず、真空ポンプ２７を用いてチャンバ２内を減圧する。
チャンバ２内が真空に維持した状態で、基板１０はチャンバ２内に搬入され、支持部１５上に載置される。
ここで、基板１０を載置する前は、支持部１５はチャンバ２内の下方に位置している。つまり、基板１０が搬入される前においては、支持部１５とシャワープレート５との間隔が広くなっているので、ロボットアーム（不図示）を用いて基板１０を支持部１５上に容易に載置することができる。

そして、基板１０が支持部１５上に載置された後に、昇降機構（不図示）が起動し、支柱２５が上方へ押し上げられ、支持部１５上に載置された基板１０も上方へと移動する。これによって、適切に成膜を行うために必要な間隔になるようにシャワープレート５と基板１０との間隔が所望に決定され、この間隔が維持される。

その後、成膜ガスは、原料ガス供給部２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）からガス導入管７に供給され、ガス導入管７Ａ，７Ｂ，７Ｃによって分岐され、ガス導入口３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃに到達する。更に、成膜ガスは、上述した複数の接続点を通じて、第一環状部８Ａ，第二環状部８Ｂ，及び第三環状部８Ｃに供給され、第一ガス噴出口９（９Ａ，９Ｂ，９Ｃ）を通じて空間３１内に供給（放出）される。更に、成膜ガスは、第二ガス噴出口６を通じて空間３１からチャンバ２内に供給される。

次に、ＲＦ電源３３を起動して電極フランジ４に高周波電圧を印加する。
これにより、シャワープレート５と支持部１５との間に高周波電圧が印加されて放電が生じ、電極フランジ４と基板１０の処理面（表面）との間にプラズマＰが発生する。そして、プラズマＰ内でプロセスガスが分解され、基板１０の処理面で気相成長反応が生じ、基板１０の処理面に薄膜が形成される。

本実施形態においては、発振周波数として１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚの高周波電源（ＲＦ電源）が使用されている。また、このような成膜装置１を用いて量産に適した成膜速度を得るために、成膜空間の圧力が１００Ｐａ〜３００Ｐａに設定される。この圧力条件においては、電圧が印加されるシャワープレート５と接地電極である支持部１５との間の距離（電極間距離）は、一般的に１５〜２５ｍｍ程度である。

また、上記のような成膜工程が何度か繰り返されると、チャンバ２の内壁面などに成膜材料が付着するため、チャンバ２内は定期的にクリーニングされる。
クリーニング工程においては、フッ素ガス供給部２２から供給されたフッ素ガスがラジカル源２３によって分解され、フッ素ラジカルが生じ、フッ素ラジカルがチャンバ２に接続されたガス導入管２４を通り、真空チャンバ２内に供給される。このようにチャンバ２内の成膜空間にフッ素ラジカルを供給することによって、化学反応が生じ、成膜空間の周囲の配置された部材又はチャンバ２の内壁面に付着された付着物が除去される。

上述したように、本実施形態においては、電極フランジ４とシャワープレート５との間に設けた空間３１内に、ガス供給部８が設けられている。ガス供給部８は、シャワープレート５に向けて異なる組成又は種類のプロセスガスを独立して供給する同心状に配置された複数の環状部８Ａ，８Ｂ，８Ｃを含む。このような構成によれば、プロセスガス（成膜ガス）の反応（例えばモノシランの分解反応）によって発生する水素ラジカルの量を考慮し、成膜プロセスを行う前に、プロセスガスに含まれる混合ガスの比率、例えば、水素ガス及びモノシランガスの混合比率をガス供給部毎に制御（調整）することが可能である。従って、混合ガスの比率或いは各ガスの濃度が不均一である成膜ガスを空間内に供給（放出）することができる。
これにより、ガス供給部から供給され、かつ、混合ガスの比率或いは各ガスの濃度が不均一であるプロセスガスを、シャワープレートを介して基板１０が配置された反応空間へ均一に供給することができる。
また、高周波電圧の印加によってプラズマ状態のプロセスガスが成膜空間において得られる。プラズマ状態のプロセスガスにおいては、水素ガスから生じる水素ラジカルＨ^＊１とモノシランガスが分解して生じる水素ラジカルＨ^＊２とが足し合わされた水素ラジカルＨ^＊の総量の分布が基板１０上においてばらついたり、不均一にならない。従って、基板１０上において水素ラジカルＨ^＊の総量が均一な水素ラジカルを得ることができる。
従って、基板１０の中央部から周縁部までの全域において、基板１０上の位置に依存せず、水素ラジカルを均一に基板１０の処理面に曝すことができる。これによって、均質な組成を有する膜を安定して形成することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。即ち、本実施形態で述べた具体的な材料又は構成等は本発明の一例であり、適宜変更が可能である。
例えば、上記の実施形態においては、図２及び図３に示すように、一つの環状部に２つの接続点が設けられた構成を採用したが、必要に応じて、３つ以上の接続点が環状部に設けられてもよい。また、接続点の位置は、必要に応じて適切に決定される。

また、上記の実施形態においては、成膜装置に本発明を適用した場合について説明したが、成膜装置に限定されず、本発明はエッチング装置に適用してもよい。
この場合、エッチングに用いられるプロセスガスは、基板上に形成されたエッチングされる膜の種類に応じて適切に選択される。
このようなエッチング装置によれば、所望のエッチング速度で、処理面上の膜の全面を均一にエッチングすることができる。また、処理面上に形成された膜上に開口部を有するレジストパターンが形成されている場合には、開口部の形状に応じて処理面上に形成された膜をエッチングすることができる。

次に、実施例を述べる。
この実施例においては、上述したプラズマ処理装置１を用いて、プロセスガスに含まれる水素濃度を調整し、成膜空間における水素ラジカルの量を均一にして、基板の処理面上に膜を形成し、膜質の面内均一性を確認した。

まず、短辺ｙが１１００ｍｍであり、長辺ｘが１４００ｍｍである矩形のＴＣＯ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｏｘｉｄｅ）基板を準備した。プラズマ処理装置においては、第一電極部として機能するシャワープレート５の大きさは１３００ｍｍ×１６００ｍｍであり、第二電極部として機能する支持部１５（ヒータを内蔵するサセプタ）の大きさは１４００ｍｍ×１７００ｍｍである。このようなプラズマ処理装置を用いて、基板の表面に、膜厚１．５μｍのｉ型のシリコン層（Ｉ層）を形成した。

また、本実施例では、成膜に用いられる原料ガスとして、ケイ素（シリコン）を含有するガス（シランガス：ＳｉＨ４）と、反応を促進する希釈ガス（水素ガス：Ｈ２）とが所定の比率で混合されたプロセスガスを、プロセスガス供給部２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ）の各々から供給した。
ガス供給部８の内側に配置された第一環状部８Ａにおいては、ケイ素含有ガスの流量を０．３３ｓｌｍに設定し、希釈ガスの流量を５．０ｓｌｍに設定した。また、中間に配置された第二環状部８Ｂにおいては、ケイ素含有ガスの流量を０．３３ｓｌｍに設定し、希釈ガスの流量を４．７ｓｌｍに設定した。また、外側に配置された第三環状部８Ｃにおいては、ケイ素含有ガスの流量を０．３３ｓｌｍに設定し、希釈ガスの流量を４．３ｓｌｍに設定した。本実施例におけるガス供給は、図５のように模式的に示される。

図５は、本発明に係るプラズマ処理装置１を用いてプロセスガスを供給（放出）し、反応させたときに、成膜空間に含まれる水素ラジカルの量（濃度）と基板上の位置との関係を示す模式図である。
図５において、横軸の中央に示された符号「Ｏ」は、基板上の中央部を示し、符号「Ｏ」から左方向及び右方向は、基板の周縁部に向う方向を示す。
図５において、水素ガスから生じる水素ラジカルＨ^＊１の濃度が一点鎖線で示されており、モノシランガスが分解して生じる水素ラジカルＨ^＊２の濃度が二点鎖線で示されている。ラジカルＨ^＊１及びＨ^＊２が足し合わせた水素ラジカルＨ^＊の量が実線で示されている。
図５に示すように、本発明に係るプラズマ処理装置１を用いた本実施例においては、ガス供給部８を用いることによって、原料ガスに含まれる水素ガスから生じる水素ラジカルＨ^＊１の濃度が基板の端部（周縁部）に向うに従って下がるように、プロセスガスが調整されている。即ち、混合ガスの比率或いは各ガスの濃度が不均一になるようにプロセスガスが調整されており、このプロセスガスが基板上に供給されている。即ち、ガス供給部８は、基板の中央部に供給される水素の濃度よりも、基板の周縁部に供給される水素の濃度を低くするように原料ガスを基板上に供給する。

本実施例のプラズマ処理装置１においては、第一環状部８Ａは、２５０ｍｍ×３２５ｍｍの大きさを有し、配管径が１／２インチであり、第一ガス噴出口９Ａの開口径が１ｍｍであり、第一ガス噴出口９Ａのピッチ（間隔）が３０ｍｍであった。
また、第二環状部８Ｂは、５００ｍｍ×６５０ｍｍの大きさを有し、配管径が１／２インチであり、第一ガス噴出口９Ｂの開口径が１ｍｍであり、第一ガス噴出口９Ｂのピッチ（間隔）が３０ｍｍであった。
更に、第三環状部８Ｃは、１１００ｍｍ×１３００ｍｍの大きさを有し、配管径が１／２インチであり、第一ガス噴出口９Ｃの開口径が１ｍｍであり、第一ガス噴出口９Ｃのピッチ（間隔）が３０ｍｍであった。

また、成膜条件として、高周波電源３３の周波数が２７．１２ＭＨｚであり、高周波のＰｏｗｅｒ密度が１．２Ｗ／ｃｍ^２であり、シャワープレートと基板との距離が１０ｍｍであり、圧力が７００Ｐａである。

そして、基板上に形成された薄膜の膜質を測定するために、基板上において互いに対称な複数の測定点を選択した。測定点としては、図４に示すように、基板の左上部分に位置するＡ点、基板の中央部分に位置するＢ点、及び基板の右下部分に位置するＣ点からなる３点を選択した。Ａ点，Ｂ点，Ｃ点の大きさは、各々２５ｍｍ×２５ｍｍである。
各測定点において、形成された薄膜をラマン分光法により評価した。具体的に、ラマン散乱スペクトルで５２０ｃｍ^−１の結晶Ｓｉに起因するピーク強度（Ｉｃ）と、４８０ｃｍ^−１のアモルファスＳｉに起因するピーク強度（Ｉａ）とを観測し、ＩｃをＩａで除すことによって結晶化率（Ｉｃ／Ｉａ）を求めた。各測定点において形成された薄膜の結晶化率を評価した。本実施例の評価結果を表１に示した。

一方、比較例として、上述した従来のプラズマ処理装置１０１を用い、上記実施例と同様に、ＴＣＯ基板の表面にＩ層を１．５μｍの膜厚で形成した。
比較例においては、成膜に用いられる原料ガスがガス導入管１０７を通じて供給され、ガス流量として、ケイ素含有ガスの流量が１ｓｌｍに設定し、希釈ガスの流量１５ｓｌｍに設定した。比較例によって形成した薄膜をラマン分光法により上記実施例と同様に評価した。比較例の評価結果を表１に示した。

表１に示す結晶化率の評価結果より、本発明のプラズマ処理装置を用いた場合、基板の処理面上に均質な組成を有する膜を形成できたことが分かる。一方、従来のプラズマ処理装置を用いた場合、本発明と比較して、均質な組成を有する膜が得られていないことが分かる。
上述したように、本発明のプラズマ処理装置のように、電極フランジとシャワープレートとの間に設けた空間内に、同心状に配置された複数の環状部から構成されるガス供給部が配置されている。これによって、シャワープレートに向けて混合比率の異なるプロセスガスを独立して供給することが可能であり、シャワープレートに向けて供給（放出）されるプロセスガス（成膜ガス）に含まれる水素ラジカルの量（濃度）が調整されている。従って、上記の実施例における評価結果から明らかなように、基板の処理面の中央部から周縁部までの領域において、基板の処理面に対してプラズマ処理を均一に行うことができ、基板上に均質な組成を有する膜を形成できたことが分かる。

また、従来のプラズマ処理装置を用いた場合においては、基板上に形成された膜の組成が基板の位置に応じて不均質な組成であった。これに対し、本発明のプラズマ処理装置を用いる場合では、基板上の位置に関係なく、基板上に均質な組成を有する膜を全体的に形成することができたことが分かる。

なお、上記実施例においては、モノシラン及び水素が混合されたプロセスガスを用いてＩ層を成膜した場合について述べたが、本発明はこれに限定されない。モノシラン及び水素が混合されたプロセスガスを用いてｐ型のシリコン層（Ｐ層）又はｎ型のシリコン層（Ｎ層）を成膜する場合、モノシラン及び水素が混合されたプロセスガス以外のガスが採用されてもよい。例えば、ゲルマン（ＧｅＨ_４）又はジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）と水素の組合せ、あるいはジシラン，ゲルマン，及び水素の組合せ等を用いた場合であっても、本発明を実施することができる。

本発明に係るプラズマ処理装置は、液晶ディスプレイ又は太陽電池等の種々の半導体製造分野で利用することが可能であり、特に生産性の観点から成膜速度の高速化が必要とされるマイクロクリスタルシリコンを利用した太陽電池の製造において有用である。

α 反応室、１ 成膜装置（プラズマ処理装置）、２ チャンバ、 ３ ベースプレート、４ 電極フランジ、５ シャワープレート、６ 第二ガス噴出口、７（７Ａ，７Ｂ，７Ｃ） ガス導入管、８（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ） ガス供給部、９ 第一ガス噴出口、１０ 基板（被処理体）、１５ 支持部、１６ ヒータ、２１（２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ） 原料ガス供給部、３１ 空間、３３ ＲＦ電源（高周波電源、電圧印加部）、３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ ガス導入口、８１ 絶縁フランジ。

Claims (3)

1. チャンバと、複数のガス導入口を有する電極フランジと、前記チャンバ及び前記電極フランジによって挟まれた絶縁フランジとから構成され、反応室を有する処理室と、
   前記反応室内に収容され、基板が載置され、前記基板の温度を制御する支持部と、
   前記反応室内に収容され、前記基板に対向するように配置され、前記基板に向けてプロセスガスを供給するシャワープレートと、
   前記電極フランジと前記シャワープレートとの間の空間内に設けられ、複数の前記ガス導入口の各々に連通し、同心状かつ環状に配置され、前記シャワープレートに向けて異なる組成の前記プロセスガスを独立して供給する複数のガス供給部と、
   前記シャワープレートと前記支持部との間に電圧を印加する電圧印加部と、
   を含むプラズマ処理装置であって、
   前記プロセスガスは水素ガスとシリコン含有ガスを含み、
   前記ガス供給部は、前記基板の中央部に供給される水素の濃度よりも、前記基板の周縁部に供給される水素の濃度を低くするように前記プロセスガスを前記基板上に供給し、
   前記電圧印加部は、前記シャワープレートと前記支持部の間に電圧を印加してプラズマを発生させることにより、
   前記基板にマイクロクリスタルシリコン膜を形成することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記プラズマ処理装置は、成膜装置であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記シャワープレートと前記支持部の距離は、１５〜２５ｍｍであることを特徴とするプラズマ処理装置。

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