JP5690299B2 - プラズマ形成装置 - Google Patents
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Description
ところで、近年、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、成膜時には減圧容器内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。このため、一方向に延在した長い形状の電極を用いることによって、より広範囲に高密度で均一なプラズマを形成することが有効と考えられる。
基板が配されて減圧される減圧空間を有する前記減圧容器と、
減圧空間にプラズマを発生させるための、互いに間隔をあけて直列に接続された、前記配された基板と略平行となる第1の方向に延在する第1の電極及び第2の電極と、
前記第1の電極の前記第2の電極と反対側の長手方向の一端に接続され、前記第1の電極及び前記第2の電極に高周波電流を供給する高周波電源と、
前記高周波電源と前記第1の電極の間に配された第1の可変コンデンサを含むマッチングボックスと、
前記第2の電極の前記第1の電極と反対側の一端側に配された第2の可変コンデンサと、を備え、
前記第2の可変コンデンサの前記第2の電極と反対側の一端側は接地されている。
前記第1の電極及び前記第2の電極は板状部材であり、
前記第1の電極及び前記第2の電極のそれぞれの周囲には、絶縁材が設けられている。
前記プラズマ形成装置は、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配された絶縁材を前記減圧空間の中心から離れるように跨いで、前記第1の電極と前記第2の電極を接続する導電性板状部材を備えている。
図1は、本発明の一実施形態であるプラズマ形成装置10の構成を示す概略図である。
以下、図1の他に図2及び図3も参照して、薄膜としてアモルファスSi膜あるいは微結晶Si薄膜を形成する例を用いて、プラズマ形成装置10について説明する。図2は、電極板30,31及びその周囲に注目して説明する長手方向断面図である。図3は、電極板30,31及びその周囲に注目して説明する平面図である。
プラズマ形成装置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。
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、31の負荷回路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、高周波電源22に直接接続された可変コンデンサ60と、可変コンデンサ60に並列接続された可変コンデンサ62とを備える。可変コンデンサ60は、伝送線28を通して、電極板30及び電極板31に直列接続されている。したがって、マッチングボックス26では、電極板30,31の負荷回路と高周波電源22との間でインピーダンスがマッチングするように、可変コンデンサ60,62のキャパシタンスが自動的に調整される。
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、例えば数十アンペアの電流を流すことができる。
伝送線29は、電極板31から延び、可変コンデンサ61を介して接地されている。
電極板30,31は、後述する成膜空間40にプラズマを発生させるためのプラズマ源であり、いずれも、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、電極板30、31は、図1において、長手方向断面が示されている。電極板30,31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の電極板31と反対側の端面30a(図2参照)には、伝送線28が接続されている。電極板30の電極板31側の端面30b(図2参照)と、電極板31の電極板30側の端面31a(図2参照)とは、後述する銅板66で接続されている。電極板31の電極板30と反対側の端面31b(図2参照)には、伝送線29が接続されている。これにより、伝送線28から供給される電流は、電極板30、銅板66、電極板31を長手方向(図2及び図3中、X方向)に流れて、伝送線29に流れる。
電極板30,31の長手方向長さは、特に制限されないが、後述する絶縁部材34の最も長い辺の長さより小さければよく、例えば1.2m未満である。また、電極板30,31の長手方向長さは等しく、電極板30,31に電力が印加されて生じる電位の定在波の節が、電極板30,31の間に位置しやすくなっている。なお、電極板30,31の長手方向長さは、電位の定在波の節の位置を調節する目的で異ならせてもよい。また、電極板30,31の幅方向(図1及び図2の紙面奥行き方向。図3のY方向)長さは、特に制限されないが、等しく、例えば10cmである。
電極板30と電極板31は、長手方向に、例えば30cmの間隔をあけて直列に接続されている。この電極板30,31間の間隔は、電極板30,31によって生成する磁場の強さを確保して、プラズマ密度の均一性に与える影響を抑える観点から、30cmを超えないのが好ましい。
絶縁部材34は、電極板30,31それぞれの周囲を囲むよう形成された枠状の部材であり、電極板30,31を金属製の成膜容器14から絶縁する。絶縁部材34は、例えばアルミナからなる。絶縁部材34のサイズは、例えば、最長の辺(長手方向に延びる辺)の長さが1.2mを超えない。これにより、単枚の絶縁部材34で電極板30,31の周囲を囲むことができ、成膜容器14の気密性を保ち、減圧時の十分な真空度を確保できる。
銅板66は、銅からなる板状部材である。銅板66は、電極板30から電極板31へ高周波電流を流す。銅板66は、電極板30,31の向い合う端面30b,31aから、成膜容器14から離れるよう上方に屈曲させた、下を向くコの字形状をしており、電極板30,31の周囲を囲む各絶縁部材34を跨いでいる。このような銅板66によって、電極板30,31間の鉛直下方において弱い磁界を発生させることできる。また、電極板30,31内で電流が幅方向に拡大し、縮小するような電流の流れを作らないために、銅板66は、電極板30,31の幅方向長さと同じ幅方向長さを有している。なお、他の実施形態では、銅板66に代えて、アルミニウム等、抵抗率の比較的低い他の材質からなる板状部材が用いてもよい。
可変コンデンサ61は、電極板31の端面31bに接続され、電極板31と反対側の端面は接地されている。可変コンデンサ61は、キャパシタンスが可変であり、発生させるプラズマの条件に応じて適宜変更できる。可変コンデンサ61は、例えば、可変コンデンサ60と同じキャパシタンスの範囲で調整可能なものが用いられる。プラズマ形成時、マッチングボックス26では、可変コンデンサ60,62を調整して電極板30,31と高周波電源22との間でインピーダンスマッチングが行われるが、このインピーダンスマッチングにより定められた可変コンデンサ60のキャパシタンスに応じて、可変コンデンサ61のキャパシタンスは調整される。具体的には、電極板30の端面30aと電極板31の端面30bとの間で所望の定在波を発生させることができるように、可変コンデンサ61は調整される。より具体的には、電極板30と電極板31との間に電位の定在波の節がくるように、可変コンデンサ61は調整される。なお、節の位置は、可変コンデンサ61のキャパシタンスを変更することにより調節できる。例えば、可変コンデンサ61のキャパシタンスを、可変コンデンサ60のキャパシタンスと等しくなるよう調節することで、電位の定在波の節を電極板30,31の間に位置させることができる。この状態では、節付近での電位が低いため、成膜容器14内のプラズマが電流モードで維持されやすく、プラズマ密度を増加させることができる。これは、電極板30,31、銅板66の電位の低い場所の鉛直下方の空間では、電流により生成された磁場に基づいて生成されるプラズマ(電流に由来するプラズマ)が支配的である(電流モードである)のに対し、電位の高い場所の鉛直下方の空間では、高電位によって生成されるプラズマ(電圧に由来するプラズマ)が支配的であることに起因する。このため、電極板30,31、銅板66において高電位の場所の鉛直下方の空間では、電子のエネルギーが低く、高密度なプラズマが生成されにくい。
成膜容器14は、成膜空間40を有している。なお、図1において、成膜容器14は、断面が示されている。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、上述のマッチングボックス26と、伝送線28,29と、電極板30,31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30,31が固定されている。隔壁32の成膜空間40に面する側には、誘電体36が、電極板30,31の下面30c,31cに設けられている。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、プラズマと電極板30とのアーキングを防ぎ、かつ安定したプラズマの生成を実現するためである。なお、誘電体36は、電極板30,31の下面30c,31c両方に及ぶ大きさの1枚の部材であってもよい。
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。
こうして、2つの電極板30,31の中央に電位の定在波の節が位置する状態では、電極板30,31間の中央での電位が低いため、その鉛直下方の成膜容器14内のプラズマが電流モードで維持されやすく、その結果、比較的密度の高いプラズマが得られる。また、直列に接続された電極板30,31にはほぼ同位相の電流が流れ、かつ、電極板30,31をそれぞれ囲む絶縁部材34の上方を通る銅板66による磁界も作用して、電極板30,31間でプラズマ中の電子は、ほとんどエネルギーを失わず存在できる。その結果、電極板30,31の間の鉛直下方でのプラズマ密度も高めることができ、プラズマの不均一性が改善される。
なお、本発明のプラズマ形成装置は、ICP方式であれば、特に制限されず、成膜空間40を画する隔壁の外側にプラズマ源を配置した外部電極方式のものであってもよい。また、直列に接続される電極板の数は、2本に制限されず、3本以上であってもよい。3本以上の場合、直列に接続された複数の電極の長手方向中央部分に位置する、電極板間の部分若しくは中央に位置する電極板の中央部分に電位の定在波の節が来るように可変コンデンサ61を調整するとよい。
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図4は、プラズマ形成装置の電極板30,31付近を拡大して模式的に示す幅方向断面図である。図4において、電極板30の断面が示される。
この変形例では、プラズマ形成装置は、上述の直列に接続された2つの電極板30,31からなる電極板ユニット68を3つ備える。3つの電極板ユニット68は、電極板30,31の幅方向に等間隔に、互いに平行に配されている。高周波電源22から延びる高周波ケーブル24が3つに分岐して、それぞれ、マッチングボックス26を介して各電極板ユニット68の電極板30の端面30aに接続されている。また、各電極板ユニット68の電極板31の端面31b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。また、各電極板ユニット68の電極板30,31間には、上述の銅板66が配され、電極板30と電極板31とを接続している。
なお、プラズマ形成装置が備える電極板ユニット68の数は、3つに制限されず、2つ又は4つ以上であってよい。この場合、高周波電流を各電極板ユニットに対して均等に供給することが容易な点で、偶数用いることが好ましい。
本発明の効果を確認するために、従来のプラズマ形成装置及び本発明のプラズマ形成装置を用いて、2つの電極板間でのプラズマ密度を測定し、比較した。
従来のプラズマ形成装置としては、上述のプラズマ形成装置10において、電極板31の端面31b側に可変コンデンサを配さず、また、電極板30,31間を銅板66に代えて複数の導線で接続したものを用いた。本発明のプラズマ形成装置としては、上述のプラズマ形成装置10を用いた。
なお、各装置で用いた電極板ユニットは、1つである。電極板30,31のサイズは、等しく、いずれも幅10cm、縦(長手方向)115cm、厚さ24mmであった。また、電極板30,31間の間隔は30cmであった。さらに、本発明の装置では、幅10cmの銅板を電極板30,31間に配し、電極板30,31を接続した。また、本発明の装置では、予め、可変コンデンサ60,61を調節して、電極板30,31の各端面30a,31bでの電位を等しくし、電極板30,31間の中央に電位の定在波の節が来るようにした。なお、可変コンデンサ61のキャパシタンスは、インピーダンスマッチングにより定められた可変コンデンサ60のキャパシタンスに応じて調整され、電極板30,31の間に電位の節が来るようにした。具体的には可変コンデンサ60のキャパシタンスは、可変コンデンサ60のキャパシタンスと同じになるように調整された。
14 成膜容器(減圧容器)
20 ガラス基板
22 高周波電源
26 マッチングボックス
28,29 伝送線
30 電極板(第1の電極板)
30a,30b 電極板の端面
31 電極板(第2の電極板)
31a,31b 電極板の端面
34 絶縁部材
40 成膜空間
60 可変コンデンサ(第1の可変コンデンサ)
61 可変コンデンサ(第2の可変コンデンサ)
66 銅板(導電性板状部材)
68 電極板ユニット
Claims (6)
- 減圧容器内でプラズマを形成するプラズマ形成装置であって、
基板が配されて減圧される減圧空間を有する前記減圧容器と、
減圧空間にプラズマを発生させるための、互いに間隔をあけて直列に接続された、前記配された基板と略平行となる第1の方向に延在する第1の電極及び第2の電極と、
前記第1の電極の前記第2の電極と反対側の長手方向の一端に接続され、前記第1の電極及び前記第2の電極に高周波電流を供給する高周波電源と、
前記高周波電源と前記第1の電極の間に配された第1の可変コンデンサを含むマッチングボックスと、
前記第2の電極の前記第1の電極と反対側の一端側に配された第2の可変コンデンサと、を備え、
前記第2の可変コンデンサの前記第2の電極と反対側の一端側は接地され、
前記第1の電極及び前記第2の電極は板状部材であり、
前記第1の電極及び前記第2の電極のそれぞれの周囲には、絶縁材が設けられ、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に配された絶縁材を前記減圧空間の中心から離れるように跨いで、前記第1の電極と前記第2の電極を接続する導電性板状部材を備えた、ことを特徴とするプラズマ形成装置。 - 前記第2の可変コンデンサは、前記第1の電極と前記第2の電極の間に、電位の定在波の節が位置するように調整される、請求項1に記載のプラズマ形成装置。
- 前記第1の電極及び前記第2の電極の前記第1の方向と直交する第2の方向における前記導電性板状部材の長さが、前記第1の電極及び前記第2の電極の前記第2の方向の長さと等しい、請求項1または2に記載のプラズマ形成装置。
- 前記第1の電極及び前記第2の電極の前記第1の方向の長さが等しい、請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ形成装置。
- 前記第1の電極及び第2の電極の前記第1の方向と直交する第2の方向の長さが等しい、請求項1〜4のいずれかに記載のプラズマ形成装置。
- 前記第1の電極と前記第2の電極を1つの電極ユニットというとき、
前記マッチングボックスと前記第2の可変コンデンサとの間に、複数の電極ユニットが並列して設けられている、
請求項1〜5のいずれかに記載のプラズマ形成装置。
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