JP5512728B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを生成して基板に対し処理を行うプラズマ処理装置に関する。

プラズマを生成して、基板に対し薄膜を形成するためのプラズマ処理装置が知られている。従来のプラズマ処理装置として、減圧容器と、減圧容器の壁面に設けられた開口部と、開口部を覆うように取り付けられる板状の高周波アンテナ導体と、を備える誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）方式のプラズマ処理装置が知られている（特許文献１）。
当該プラズマ処理装置は、減圧容器の開口部に高周波アンテナ導体が取り付けられた構造のため、広い範囲に亘って均一性の高いプラズマを生成することができる。特許文献１のプラズマ処理装置では、電極としての高周波アンテナ導体は、一方向に長い平板形状に形成され、通常、長手方向と直交する方向に複数本が並べて配されている。そして、高周波電流は、各電極の長手方向に流れる。

国際公開第２００９／１４２０１６号パンフレット

上述のような平板形状の電極では、減圧容器内で生成したプラズマ密度は、通常、電流が流れる方向と直交する電極の幅方向の中央部において最も高く、電極の幅方向におけるプラズ密度は均一には分布していない。
ところで、近年の薄膜太陽電池パネルのように大型化された基板に対しては、均一なアモルファスＳｉ薄膜や微結晶Ｓｉ薄膜を形成することが望まれ、薄膜形成時に高密度なプラズマが均一に形成されている必要がある。しかし、上述のようにプラズマ密度は電極の幅方向に均一に分布しないために、大型化された基板に対し均一に成膜を行うことは難しい。
本発明は、プラズマを生成して基板に対し処理を行う装置において、プラズマ密度の不均一さが改善されたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、プラズマを生成して基板に対し処理を行うプラズマ処理装置であって、
開口部を有し、前記基板が配されて減圧される減圧容器と、
前記減圧容器の開口部を覆うよう配され、高周波電流が供給されて高周波電流が第１の方向に流れる平板状電極と、を備え、
前記平板状電極は、前記減圧容器を向く側の面に、前記減圧容器の外側に向けて凹んだ凹部が高周波電流の流れる前記第１の方向に沿って延在して形成された１つの溝を有し、
前記凹部の最深部が、前記平板状電極の前記第１の方向と直交する第２の方向における前記平板状電極の幅の中央部に位置する、
ことを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置によれば、プラズマを生成して基板に対し処理を行う際のプラズマ密度の不均一さが改善される。

本発明の一実施形態であるプラズマ処理装置の構成を表す概略図である。 図１に示すプラズマ処理装置に用いる電極板の一例を示す斜視図である。 図１に示すプラズマ処理装置に用いる電極板の一例を示す断面図である。 図１に示すプラズマ処理装置に用いる電極板の変形例１を示す斜視図である。 図１に示すプラズマ処理装置に用いる電極板の変形例１を示す断面図である。 図１に示すプラズマ処理装置に用いる電極板の変形例２を模式的に示す断面図である。 （ａ）は、従来のプラズマ処理装置を用いて測定した電子密度の分布を示すグラフである。（ｂ）は、図１に示すプラズマ処理装置を用いて測定した電子密度の分布を示すグラフである。

以下、本発明のプラズマ処理装置について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるプラズマ処理装置１０の構成を示す概略図である。

図１に示すプラズマ処理装置１０は、生成されるプラズマを用いて、基板に薄膜を形成するＣＶＤ装置である。プラズマ処理装置１０は、電極板を流れる電流によって生成される磁界により、プラズマを生成するＩＣＰ方式である。この方式は、モノポールアンテナ等のアンテナ素子の共振により発生する高電圧によりプラズマを生成する容量結合プラズマ（Capacitive Coupled Plasma：ＣＣＰ）方式と異なる。

（プラズマ処理装置）
以下、薄膜としてアモルファスＳｉ膜を形成する例を用いて、プラズマ処理装置１０について説明する。
プラズマ処理装置１０は、給電ユニット１２と、成膜容器（減圧容器）１４と、ガス供給部１６と、ガス排気部１８と、を有する。

給電ユニット１２は、高周波電源２２と、高周波ケーブル２４と、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、電極板（平板状電極）３０と、を有する。
高周波電源２２は、例えば、１００〜３０００Ｗで数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電力を電極板３０に給電する。マッチングボックス２６は、高周波ケーブル２４を通して提供される電力が電極板３０に効率よく供給されるように、インピーダンスを整合する。マッチングボックス２６は、キャパシタおよびインダクタ等の素子を設けた公知の整合回路を備える。
マッチングボックス２６から延びる伝送線２８は、例えば、一定の幅を備える銅板状の伝送線路であり、電極板３０へ、例えば数アンペアの電流を流すことができる。
伝送線２９は、電極板３０から延び接地されている。

電極板３０は、後述する隔壁３２上に固定された一方向に長い平板状の部材である。なお、図１において、電極板３０は、長手方向断面が示されている。電極板３０は、成膜容器１４の上部に設けられた開口部４１を覆うよう配されている。電極板３０は、伝送線２８が接続されている端面と伝送線２９が接続されている端面との間を、長手方向（図中、Ｘ方向）に沿って電流が流れる。電極板３０は、例えば、銅、アルミニウム等が用いられる。電極板３０の、成膜容器１４を向いて配された面（本実施形態では下面）３０ａ（図２参照）には、１本の溝３１（図２参照）が形成されている。電極板３０の溝３１については、後述する。

成膜容器１４は、成膜空間４０を有している。成膜空間４０は、ガラス基板２０が配されて減圧される空間である。なお、成膜容器１４の上方には、上部空間３９が隣接して、成膜容器１４と一体に形成されている。開口部４１は、上部空間３９側に開口する。開口部４１には、隔壁３２が配され、成膜空間４０を上部空間３９に対してシールしている。成膜容器１４は、例えば、アルミニウム等の材質で形成され、成膜空間４０を１〜１００Ｐａの減圧状態にできるように、密閉されている。
上部空間３９には、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、電極板３０と、が配されている。隔壁３２の上部空間３９に面する側には、電極板３０が固定されている。電極板３０の周囲には、周囲の隔壁３２と絶縁するための絶縁部材３４が設けられている。絶縁部材３４は、例えば石英板である。一方、隔壁３２の成膜空間４０に面する側には、誘電体３６が設けられている。誘電体３６には、例えば石英板が用いられる。誘電体３６を設けるのは、電極板３０がプラズマに晒されるのを防ぎ、かつ効率よくプラズマへ電力を伝播させるためである。

成膜容器１４の成膜空間４０には、ヒータ４２と、サセプタ４４と、昇降機構４６と、が設けられている。
ヒータ４２は、サセプタ４４に載置するガラス基板２０を所定の温度、例えば２５０℃程度に加熱する。
サセプタ４４は、ガラス基板２０を載置する。
昇降機構４６は、ガラス基板２０を載置したサセプタ４４をヒータ４２ともに、成膜空間４０内を自在に昇降する。成膜プロセス段階では、電極板３０に近接するように、ガラス基板２０を所定の位置にセットする。

ガス供給部１６は、ガスタンク４８と、マスフローコントローラ５０と、を有する。
ガスタンク４８は、薄膜用原料ガスであるモノシランガス（ＳiＨ₄）を貯蔵する。
マスフローコントローラ５０は、モノシランガスの流量を調整する部分である。例えば形成される膜の膜厚や膜質等の結果に応じてモノシランガスの流量を調整することができる。モノシランガスは、成膜容器１４の成膜空間４０の側壁から成膜空間４０内に供給される。

ガス排気部１８は、成膜空間４０内の側壁から延びる排気管と、ターボ分子ポンプ５２と、ドライポンプ５４と、を有する。ドライポンプ５４は、成膜空間４０内を粗引きし、ターボ分子ポンプ５２は、成膜空間４０内の圧力を１×１０^-4Ｐａ以下に高精度に減圧を維持する。ターボ分子ポンプ５２とドライポンプ５４とは、排気管で接続されている。

（電極板）
次に、図２及び図３を参照しながら、電極板３０について詳細に説明する。
図２は、電極板３０を示す斜視図である。図３は、電極板３０の幅方向断面を示す図である。
電極板３０の溝３１には、電極板３０の上面側に凹んだ凹部３３が形成されている。凹部３３は、電極板３０の長手方向（第１の方向）に延びて形成されている。凹部３３は、電極板３０の長手方向と直交する幅方向（第２の方向）に滑らかに湾曲する凹曲面からなり、電極板３０の幅方向両端部に対して、幅方向中央部に近づくにつれ凹部３３の深さが深くなるように凹んでいる。凹部３３の凹み深さが最も深い最深部３３ａは、電極板３０の幅方向中央部にある。中央部とは、電極板３０の幅方向の中央（中心）から電極板３０の幅の３０％以内の範囲をいう。このような構造により、中央部の断面積が小さくなり、その結果中央部の抵抗が高くなるので、電極板３０の幅方向中央部において高周波電流は、幅方向両端部よりも小さくなり、幅方向中央部の鉛直下方の、成膜空間４０内における電磁波の強度は低くなる。その結果、中央部が、生成するプラズマに与える影響は相対的に小さくなる。

また、凹部３３は、図３に示すように、絶縁部材３５で埋められている。凹部３３に絶縁部材３５が埋められることにより、放電を引き起こす余地をなくすことができる。なお、図３において、絶縁部材３５は、破線で示す。また、図３において、絶縁部材３４や誘電体３６等の、電極板３０周辺の部材の図示は省略している。なお、凹部３３に配される絶縁部材３５は、他の実施形態では、凹部３３の空間の全てを埋めるよう設けられていなくてもよく、例えば、電極板３０の下面３０ａ側にのみ配され、この部分と最深部３３ａとの間に空間を有してもよい。この場合、この空間は、放電を抑制するために、成膜プロセスにおける成膜容器１４内の圧力よりも高い圧力の雰囲気を有することが好ましく、例えば大気圧の雰囲気を有することができる。

以上のプラズマ処理装置１０を用いたアモルファスＳｉ薄膜の成膜プロセスでは、まず、成膜の対象であるガラス基板２０をサセプタ４４に載置し、昇降機構４６により、電極板３０に近接するよう所定の高さ位置にセットされる。そして、ガラス基板２０は、ヒータ４２により加熱される。一方、ガス供給部１６からモノシランガスが、マスフローコントローラ５０により流量を調整されながら、成膜容器１４の成膜空間４０内に供給される。このとき、高周波電源２２から電極板３０に高周波電流が供給されることにより、成膜空間４０内に誘導電界が発生し、この誘導電界によって成膜空間４０内のモノシランガスが電離し、プラズマが生成する。これにより、ガラス基板２０表面にアモルファスＳｉ薄膜が形成される。なお、成膜空間４０は、プロセスの間、常時、ガス排気部１８によって排気され、成膜空間４０内で成膜に用いられなかったモノシランガスは排気される。

この成膜プロセスにおいて、電極板３０の幅方向中央部に最深部３３ａを有する凹部３３が形成されているため、電極板３０を流れる電流は、電極板３０の幅方向両端部では幅方向中央部よりも多く、成膜空間４０内の両端部の鉛直下方の場所の電磁波の強度は、従来に比べて高くなり、成膜空間４０内の中央部の鉛直下方の場所の電磁波の強度は、従来に比べて低くなる。このため、電極板３０の幅方向中央部がプラズマに与える影響は相対的に小さくなる。また、電極板３０の中央部の表面は、両端部の表面に比べて、凹部３３の深さ分成膜空間４０から離れているので、成膜空間４０内の中央部の鉛直下方の場所の電磁波の強度は低下する。これにより、電極板３０の幅方向中央部の鉛直下方の成膜空間４０内の場所におけるプラズマ密度が小さくなり、電極板３０の幅方向におけるプラズマ密度の分布の不均一さが緩和される。これにより、電極板３０の幅方向に不均一に成膜されてしまうのが改善される。

また、凹部３３は、電極板３０の幅方向中央部に近づくにつれ凹部３３の深さが深くなるように凹んでいるため、生成するプラズマの密度が、従来に比べて、近接する幅方向位置同士で大きく異なることが少なくなり、ガラス基板２０上に形成された薄膜の不均一さが強調されるのを回避できる。また、凹部３３は滑らかな凹曲面からなるため、このような効果がより顕著に現れる。
なお、本実施形態の凹部３３は、中央部に向かって深さが滑らかに深くなる形状を有するが、複数の微小な段差によって中央部に進むほど段階的に深さが深くなる形状を有してもよい。

（変形例１）
次に、本実施形態の変形例１について説明する。
図４は、電極板３０とは異なる電極板６０の斜視図である。図５は、電極板６０の幅方向断面図である。
電極板６０は、下面６０ａに、電極板６０の長手方向に延びる１つの溝６１を有し、溝６１の断面は、凹部６３の形状を成している。凹部６３は、下面６０ａに対して段差を伴って形成された凹部底面６３ａを有する。凹部底面６３ａは、下面６０ａと平行な面を有し、一定の凹み深さを有している。また、変形例１において、絶縁部材３４は、電極板６０を囲むとともに、図５に示すように、電極板６０の凹部６３の入り口を覆うように配されている。なお、図５において、絶縁部材３４は、破線で示す。また、図５において、凹部６３内に配された部分以外の絶縁部材６４や誘電体等の、電極板６０周辺の部材は、図示を省略している。凹部６３内に配された絶縁部材６４は、電極板６０の下面６０ａを形成するよう平面状に形成され、凹部底面６３ａとの厚み方向間にスペース６３ｂを形成している。このスペース６３ｂは、成膜プロセスにおいて、グロー放電を抑制するために、成膜容器内の圧力よりも高い圧力、例えば大気圧を示す。

このような変形例１によれば、電極板６０の幅方向両端部の断面積が中央部に比べて大きく、中央部の抵抗が高くなるので、両端部に電流が流れ易い。この結果、電極板６０の幅方向両端部それぞれの鉛直下方の場所において、電流の流れる量が多いために、成膜空間４０内の、電極板６０の両端部の鉛直下方の場所における電磁波の強度は高くなる。一方、電極板６０の中央部に流れる弱い電流によって形成される、中央部の鉛直下方の場所における電磁波の強度は弱いため、電極板６０の中央部の鉛直下方の場所に形成される電磁波の強度は中央部でピークになるものの、穏やかな山形状分布を示す。したがって、この電磁波の強度分布に応じて形成されるプラズマ密度の分布は、電極板６０の幅方向全域にわたって比較的フラットなものとなり、幅方向におけるプラズマ密度の不均一さが緩和されている。したがって、この変形例１の電極板６０を用いたプラズマ処理装置によっても、ガラス基板２０に対し、電極板３０の幅方向に不均一に成膜されてしまうのが改善される。

（変形例２）
次に、本実施形態の変形例２について説明する。
図６は、プラズマ処理装置の電極板３０付近を拡大して模式的に示す幅方向断面図である。なお、図６において、マッチンボックス等は、図示を省略する。
変形例２のプラズマ処理装置は、上述の電極板３０を３本備えている。３本の電極板３０は、電極板３０の幅方向に等間隔に、互いに平行に配されている。電極板３０は、いずれも凹部３３が下方を向いて配され、絶縁部材６４を介して隔壁３２に固定されている。マッチングボックス２６から延びる伝送線２８は、３つに分岐して、それぞれ、各電極板３０の長手方向の一方の端面に接続されている。また、各電極板３０の長手方向の他方の端面からは、伝送線２９が延びてそれぞれ接地されている。これにより、高周波電源２２からの高周波電流が、各電極板３０に対して、分岐して供給される。

この変形例２によれば、幅方向に複数の電極板３０が配されていることで、各電極板３０において上述のようにプラズマ密度の不均一さが改善される効果に加え、それぞれの電極版３０によるプラズマ密度の分布が重なり合うことによるプラズマ密度の不均一さが改善される効果が得られる。
なお、プラズマ処理装置が複数の電極板を備える場合の電極板の数は、３本に制限されず、２本又は４本以上であってよい。この場合、高周波電流を各電極板に対して均等に供給することが容易な点で、偶数本用いることが好ましい。また、複数の電極板を用いる場合に、電極板同士は、互いに間隔をあけず、絶縁部材を挟んで配されてもよい。

（実験例）
従来のプラズマ処理装置及び本発明のプラズマ処理装置を用いて、プラズマ密度として電子密度の分布をそれぞれ測定し、比較した。
従来のプラズマ処理装置では、下面が凹部を有しない平坦な形状の電極板を用い、本発明のプラズマ処理装置では、下面が上述の電極板３０と同様の形状の電極版を用いた点を除き、同様に構成した２台のプラズマ処理装置を用意した。
なお、各装置で用いた電極板は、１本である。電極板のサイズは、いずれも幅７５ｍｍ、縦（長手方向）１５０ｍｍ、厚さ１２ｍｍであった。さらに、本発明の装置では、電極板の下面に、幅６３ｍｍ、最深部の深さ１０ｍｍの凹部を形成した。最深部は、凹部の幅方向中央部に形成した。また、凹部は、下面の幅方向両端部にそれぞれ幅６ｍｍの平坦部分が残るよう、下面の幅方向中央に形成した。

以上の要領で用意した各プラズマ処理装置において、電極板に、２ｋＷで１３．５６ＭＨｚの高周波電流を流して、成膜空間内でプラズマを発生させ、電極板の幅方向にわたる電子密度の分布を測定した。測定は、ラングミュアプローブを用いて行った。試料ガスとして、アルゴンガスを用いた。結果を、図７に示す。なお、図７において、（ａ）は、従来のプラズマ処理装置、（ｂ）は、本発明のプラズマ処理装置、によるそれぞれ測定結果である。各グラフにおいて、縦軸は電子密度を示す。各測定値は、最大値が１となるよう規格化した。横軸は、電極板の幅方向を示す。横軸は、幅方向中央部の幅方向位置を０とし、幅方向中央部から最も離れた幅方向両端部の位置が−１，１となるよう規格化した。

図７から明らかなように、本発明のプラズマ処理装置では、従来のプラズマ処理装置に比べ、電極板の幅方向にわたるプラズマ密度の高低差が半分程度に抑えられており、プラズマ密度の不均一さが改善されている。

以上、本発明のプラズマ処理装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ プラズマ処理装置
１４ 成膜容器
２０ ガラス基板
２８，２９ 伝送線
３０，６０ 電極板
３０ａ，６０ａ 下面
３１，６１ 溝
３３，６３ 凹部
３３ａ，６３ａ 最深部
３４，３５，６４ 絶縁部材
４０ 成膜空間
６３ｂ スペース

Claims (6)

1. プラズマを生成して基板に対し処理を行うプラズマ処理装置であって、
   開口部を有し、前記基板が配されて減圧される減圧容器と、
   前記減圧容器の開口部を覆うよう配され、高周波電流が供給されて高周波電流が第１の方向に流れる平板状電極と、を備え、
   前記平板状電極は、前記減圧容器を向く側の面に、前記減圧容器の外側に向けて凹んだ凹部が高周波電流の流れる前記第１の方向に沿って延在して形成された１つの溝を有し、
   前記凹部の最深部が、前記平板状電極の前記第１の方向と直交する第２の方向における前記平板状電極の幅の中央部に位置する、
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記凹部は、前記第２の方向における前記平板状電極の両端部に対して、前記中央部に進むにしたがって前記凹部の深さが深くなるように凹んでいる、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記平板状電極の凹部は、滑らかな凹曲面からなる、
   請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記平板状電極の凹部は、前記減圧容器の内側を向く面に対して段差のある凹部底面を有する、
   請求項２に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記平板状電極は、絶縁部材で囲まれ、さらに、前記凹部の面と前記減圧容器との間には、前記減圧容器の圧力よりも高い圧力の空間を画するように絶縁部材が設けられている、
   請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記平板状電極を第１平板状電極というとき、前記第１平板状電極に沿って並列状に並べて配された少なくとも１つ以上の第２平板状電極を有し、前記第１平板状電極と前記第２平板状電極は、高周波電流を分岐して供給される、
   請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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