JPH05311447A

JPH05311447A - プラズマｃｖｄ法及びその装置

Info

Publication number: JPH05311447A
Application number: JP11333692A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Murata; 正義村田; Yoshiaki Takeuchi; 良昭竹内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-05-06
Filing date: 1992-05-06
Publication date: 1993-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】大面積のアモルファスシリコン薄膜を高速に成
膜できるプラズマＣＶＤ装置を提供する。【構成】反応容器１と、この反応容器１に反応ガスを導
入し、排出する手段と、反応容器１内に収容された放電
用電極２、３と、放電用電極２、３にグロー放電用電力
を供給する電源４と、放電用電極２、３間の電界に直交
し、かつ互いに直交する方向に軸芯をもつように、反応
容器１をはさんで設置された２対のソレノイドコイル５
ａ、５ｂ、１００ａ、１００ｂと、これらのソレノイド
コイルに磁界発生用電力を供給する交流電源とを有し、
これらのソレノイドコイルに磁界発生用の電力を供給す
る交流電源１０３とを有し、放電用電極２、３間の電界
と直交するように支持された基板１０上にアモルファス
シリコン薄膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアモルファスシリコン太
陽電池、薄膜トランジスタ、光センサ、半導体保護膜な
ど各種電子デバイスに使用される大面積薄膜の製造に適
したプラズマＣＶＤ法及びプラズマＣＶＤ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】大面積のアモルファスシリコン薄膜を製
造するために、従来より用いられているプラズマＣＶＤ
装置の構成を図１０を参照して説明する。この技術的手
段は例えば特願昭６１−１０６３１４号などに開示され
ているように公知である。

【０００３】反応容器１内には、グロー放電プラズマを
発生させるための電極２、３が平行に配置されている。
これら電極２、３には、低周波電源４から例えば６０Ｈ
ｚの商用周波数の電力が供給される。なお、電源として
は、直流電源や高周波電源を用いることもできる。反応
容器１の周囲には、これを囲むようにコイル５が巻かれ
ており、交流電源６から交流電力が供給される。反応容
器１内には、図示しないボンベから反応ガス導入管７を
通して例えばモノシランと水素との混合ガスが供給され
る。反応容器１内のガスは排気管８を通して真空ポンプ
９により排気される。基板１０は、電極２、３が形成す
る放電空間の外側に、電極２、３の面と直交するように
適宜の手段で支持される。

【０００４】この装置を用い、以下のようにして薄膜を
製造する。真空ポンプ９を駆動して反応容器１内を排気
する。反応ガス導入管７を通して例えばモノシランと水
素との混合ガスを供給し、反応容器１内の圧力を０．０
５〜０．５Ｔｏｒｒに保ち、低周波電源４から電極２、
３に電圧を印加すると、グロー放電プラズマが発生す
る。コイル５に例えば１０Ｈｚの交流電圧を印加し、電
極２、３間に発生する電界Ｅと直交する方向に磁界Ｂを
発生させる。すなわち、グロー放電プラズマを発生させ
る電極間の放電電界Ｅと直交する方向に磁界Ｂを発生さ
せる。この磁界Ｂの強さは正弦波状に変化するため、そ
の方向が周期的に変化する。この磁界における磁束密度
は５０〜１００ガウス程度でよい。

【０００５】反応ガス導入管７から供給されたガスは電
極２、３間に生じるグロー放電プラズマによって分解さ
れる。この結果、ラジカルＳｉが発生し、基板１０表面
に付着して薄膜を形成する。

【０００６】水素イオンなどの荷電粒子は、電極２、３
間で電界Ｅによるクーロン力Ｆ₁＝ｑＥと、ローレンツ
力Ｆ₂＝ｑ（Ｖ・Ｂ）（ここで、Ｖは荷電粒子の速度）
とによっていわゆるＥ・Ｂドリフト運動を起こす。荷電
粒子は、Ｅ・Ｂドリフトによって初速を与えられた状態
で、電極２、３と直交する方向に飛びだし、基板１０に
向けて飛んでゆく。しかし、電極２、３間に生じる電界
の影響が小さい放電空間では、コイル５により生じた磁
界Ｂによるサイクロトロン運動により、Ｌａｒｍｏｒ軌
道を描いて飛んでいく。したがって、水素イオンなどの
荷電粒子が基板１０を直撃することは少ない。

【０００７】電気的に中性であるラジカルＳｉは、磁界
Ｂの影響を受けず、上記荷電粒子群の軌道からそれて基
板１０に至り、その表面に非晶質薄膜を形成する。ラジ
カルＳｉはＬａｒｍｏｒ軌道を飛んでいく荷電粒子と衝
突するため、電極２、３の前方だけでなく、左または右
に広がった形で非晶質薄膜が形成される。しかも、磁界
Ｂを交流電源６により変動させているので、基板１０の
表面に非晶質薄膜を均一に形成することが可能となる。
なお、電極２、３の長さは、反応容器１の長さの許すか
ぎり長くしても何ら問題がないので、基板１０が長尺の
ものであっても、その表面に均一な非晶質薄膜を形成す
ることが可能となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の装置で
は、グロー放電プラズマを発生させる電極間の放電電界
Ｅと直交する方向に磁界Ｂを発生させることにより、大
面積の成膜を容易に可能としている。しかし、次のよう
な問題がある。

【０００９】（１）大面積の成膜を行う場合、電極とし
て長尺のものを用いる必要がある。長尺の電極を用いて
安定したプラズマを発生させるには、その電源の周波数
は可能なかぎり低い方が容易であるため、数１０Ｈｚ〜
数１００Ｈｚの電源が用いられている。しかし、周波数
が低くなり、半周期の間のイオン移動距離が電極間隔を
越えるような条件の下では、直流放電の場合と同様に、
プラズマを維持するために、イオン衝突によって陰極よ
り放出された二次電子が本質的な役割を担うことにな
る。そのため電極に膜が付着して絶縁されると、その部
分では放電が起こらないようになる。この場合、電極表
面を常にクリーンに保つ必要がある。そのため、電極を
頻繁に交換したり頻繁に清掃するなどの煩雑な作業が必
要となり、コスト高の要因の一つとなっている。

【００１０】（２）上記（１）の欠点を補うために、プ
ラズマ発生源に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源を
用いると、放電維持に対する電極放出二次電子は本質的
なものでなくなり、電極上に膜などの絶縁物が存在して
いても、電極間にはグロー放電が形成される。しかしな
がら、長尺の電極を用いる場合には、高周波による表皮
効果により電流の大部分が表面（約０．０１ｍｍ）を流
れるため、電気抵抗が増加する。例えば、電極の長さが
約１ｍ以上になると、電極上に電位分布が現れて一様な
プラズマが発生しなくなる。これを分布定数回路で考え
ると、図１１に示すようになる。図１１において、ｘは
電極の長さ方向の距離を示している。すなわち、電極の
単位長さ当りの抵抗Ｒが放電部分のインピーダンス
Ｚ₁、Ｚ₂、…、Ｚ_nに比べて無視できないほど大きく
なってくると、電極内に電位分布が現れる。したがっ
て、高周波電源を用いる場合には、大面積の成膜を行う
ことは非常に困難であり、実際上これまでは実現できな
かった。

【００１１】（３）上記（１）、（２）の方法では、図
１２に示すように、磁界の強さが正弦波状に変化する変
調磁界が、プラズマに印加される。この場合、磁界の強
さが一定である場合に比べ、磁界によりプラズマ密度を
増大させ、それに基づいて成膜速度を向上させる効果は
それほど大きくない。例えば、アモルファスシリコンを
成膜する場合には、成膜速度を１〜２オングストローム
／ｓｅｃ以上に保つことは困難であった。本発明は、大
面積成膜が可能で、かつ成膜速度を大きくできるプラズ
マＣＶＤ法及びその装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマＣＶＤ
法は、反応容器内に基板を設置して反応ガスを供給し、
放電用電極間にグロー放電プラズマを発生させ、基板上
に非晶質薄膜を形成するプラズマＣＶＤ法において、上
記放電用電極間の電界に直交し、かつ互いに直交する２
つの方向に磁界を印加することを特徴とするものであ
る。

【００１３】本発明のプラズマＣＶＤ装置は、反応容器
と、この反応容器に反応ガスを導入し、排出する手段
と、上記反応容器内に収容された放電用電極と、この放
電用電極にグロー放電用電力を供給する電源と、上記放
電用電極間の電界に直交し、かつ互いに直交する方向に
軸芯をもつように、反応容器をはさんで設置された２対
のソレノイドコイルと、これらのソレノイドコイルに磁
界発生用電力を供給する交流電源とを有し、上記放電用
電極間の電界に直交するように支持された基板上に非晶
質薄膜を形成することを特徴とするものである。本発明
において、２対のソレノイドコイルにはそれぞれ、例え
ば位相可変２出力発振器から出力される、位相が制御さ
れた正弦波電流が供給される。

【００１４】

【作用】本発明においては、２対のソレノイドコイルに
よる合成磁界Ｂが、プラズマ発生用放電電極の電界Ｅに
対し直交方向に印加される。位相可変２出力発振器から
２対のソレノイドコイルに供給される正弦波電流の位相
を適当に制御すれば、この合成磁界Ｂは一定の角速度ω
で回転し、その強さは時間に依存せず一定値である。こ
の結果、電極間のプラズマは、角速度ωで回転する力Ｆ
（Ｅ・Ｂドリフト）を受ける。すなわち、プラズマは放
電電界Ｅに直交する平面内で全方向に揺り動かされる。
したがって、プラズマ密度は時間的、空間的に平均化さ
れ、成膜面積を大幅に増大できる。また、磁界によるプ
ラズマ封じ込め効果により、成膜速度を向上できる。

【００１５】また、本発明では、対をなす２個の厚みの
ある有限長ソレノイドコイル間では磁界が一様な分布を
示すので、中間に入る反応容器及びガスの導入用排出用
配管類の設置空間を大きく取れる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明の一実施例のプラズマＣＶＤ装置の
構成を示す断面図である。なお、従来例の図１０と同一
部材には、同一番号を付している。

【００１７】反応容器１内には、グロー放電プラズマを
発生させるための電極２と接地電極３が互いに平行に配
置されている。電極２には、高周波電源４から例えば１
３．５６ＭＨｚの周波数の電力がインピーダンスマッチ
ング回路１０４、第１の高周波ケーブル１０６及び電力
導入端子１０５を介して供給される。接地電極３は、反
応容器１及び第２高周波ケーブル１０７を介してアース
１０８に接続されている。また、上記インピーダンスマ
ッチング回路１０４の接地側端子は第３の高周波ケーブ
ル１０９により、反応容器１に接続されている。

【００１８】接地用電極３の近傍には、電極２、３と平
行にすなわち電極２、３により発生する電界に直交する
ように、図示しない基板ホルダにより基板１０が設置さ
れる。反応容器１内には、図示しないボンベ及び流量計
から反応ガス導入管７を通して例えばモノシランが供給
される。反応容器１内のガスは排気管８を通して真空ポ
ンプ（図示せず）により排気される。反応容器１内の圧
力は圧力計１１０で測定される。

【００１９】反応容器１の周囲には、第１〜第４の厚み
のある有限長ソレノイドコイル５ａ、５ｂ、１００ａ、
１００ｂが配置されている。図２及び図３に示すよう
に、第１及び第２のソレノイドコイル５ａ、５ｂが対を
なし、第３及び第４のソレノイドコイル１００ａ、１０
０ｂが対をなし、それぞれの軸芯が互いに直交する方向
すなわちｘ軸方向及びｙ軸方向に合致するように配置さ
れる。

【００２０】第１及び第２のソレノイドコイル５ａ、５
ｂには、位相可変２出力発振器１０３の一方の出力端子
から、第１の電力増幅器１０１を介して正弦波形の電力
が供給される。第３及び第４のソレノイドコイル１００
ａ、１００ｂには、位相可変２出力発振器１０３の他方
の出力端子から、第２の電力増幅器１０２を介して正弦
波形の電力が供給される。上記位相可変２出力発振器１
０３は、２つの正弦波信号を、それぞれの相対位相を任
意に設定して出力できる。その信号は図示しないオシロ
スコープで観測される。図４に示すように、第１及び第
２のソレノイドコイル５ａ、５ｂが発生する磁界は、軸
芯の方向（ｘ軸方向）にほぼ一様な強さの分布になって
いる。第３及び第４のソレノイドコイル１００ａ、１０
０ｂが発生する磁界も、図４と同様に軸芯の方向（ｙ軸
方向）にほぼ一様な強さの分布になっている。

【００２１】上記装置を用い、以下のようにして例えば
アモルファスシリコン薄膜を製造する。真空ポンプを駆
動して反応容器１内を排気する。反応容器１内が十分に
排気（例えば１０^-7Ｔｏｒｒ）された後、反応ガス導入
管７を通して例えばモノシランを５０〜１００ｃｃ／ｍ
ｉｎ程度の流量で供給し、反応容器１内の圧力を０．０
５〜０．５Ｔｏｒｒに保つ。高周波電源４からインピー
ダンスマッチング回路１０４及び電力導入端子１０５な
どを介して、電極２、３に電力を供給すると、電極間に
モノシランのグロー放電プラズマが発生する。

【００２２】一方、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、
位相可変２出力発振器１０３からの２出力を、第１及び
第２の電力増幅器１０１、１０２を介して、それぞれ第
１及び第２のソレノイドコイル５ａ、５ｂ、並びに第３
及び第４のソレノイドコイル１００ａ、１００ｂに、例
えば位相を９０°ずらした周波数１０Ｈｚの正弦波電力
を印加する。このとき、同図（ａ）に示すように、第１
及び第２のソレノイドコイル５ａ、５ｂによる磁界Ｂ₁
と、第３及び第４のソレノイドコイル１００ａ、１００
ｂによる磁界Ｂ₂の合成磁界Ｂが発生する。図６に示す
ように、この合成磁界Ｂは電極２、３の間の電界Ｅに対
し直交方向に一定の角速度２０π（ラジアン／ｓｅｃ）
で回転しながら、上記グロー放電プラズマに印加され
る。この結果、図７に示すように、グロー放電プラズマ
は、一定の角速度で回転する力（Ｅ・Ｂドリフト）を受
ける。したがって、電極２と３との間のプラズマは、基
板１０と平行な面内を全方向に揺り動かされる。なお、
合成磁界Ｂの強さは４０〜１００ガウス程度でよい。

【００２３】アモルファスシリコン薄膜の膜厚分布及び
成膜速度は、電極の面積、電極間隔、反応ガスの流量、
濃度、圧力、電極間に供給される電力、及びグロー放電
プラズマに印加される合成磁界Ｂの強度などに依存す
る。そこで、以下のような条件でアモルファスシリコン
薄膜を成膜した。電極として１２００ｍｍ×１２００ｍ
ｍのものを用い、基板としてガラスを用いた。反応ガス
として、１００％モノシランガスを１００ｃｃ／ｍｉｎ
の流量で供給し、反応容器内の圧力を０．５Ｔｏｒｒに
設定した。電極２、３間に２００Ｗの高周波電力を印加
した。ソレノイドコイル５ａ、５ｂ、１００ａ、１００
ｂにより印加される合成磁界Ｂの強さを０、２０、４
０、６０、８０、１００ガウスに設定した。

【００２４】図８に得られたアモルファスシリコン薄膜
の膜厚分布を示す。図８から、磁界を印加しない場合と
比較して、合成磁界Ｂの強さが４０及び８０ガウスの場
合には、広い面積にわたって膜厚が一様になっている。

【００２５】また、図９に磁界の強さと得られたアモル
ファスシリコン薄膜の成膜速度との関係を示す。図９か
ら、本発明の方法では、磁界を印加しない場合に比べ、
合成磁界Ｂを印加すれば、成膜速度を著しく向上できる
ことがわかる。一方、従来の方法では磁界の強度を強く
しても成膜速度を向上させる効果が小さい。例えば１０
０ガウスの磁界を印加したときの成膜速度は、従来の方
法では２オングストローム／ｓｅｃ程度であるのに対
し、本発明の方法では４オングストローム／ｓｅｃと大
幅に向上している。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、グ
ロー放電プラズマに放電電界と直交する平面内を一定角
速度で回転する合成磁界を印加することにより、大面積
の非晶質薄膜を高速に成膜できる。したがって、アモル
ファスシリコン太陽電池、液晶ディスプレイ用薄膜トラ
ンジスタ及び光電子デバイスなどの製造分野での工業的
価値が著しく大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマＣＶＤ装置の構
成を示す断面図。

【図２】同プラズマＣＶＤ装置の反応容器と２対のソレ
ノイドコイルとの位置関係を示す平面図。

【図３】同プラズマＣＶＤ装置の反応容器と２対のソレ
ノイドコイルとの位置関係を示す平面図。

【図４】同プラズマＣＶＤ装置の対をなすソレノイドコ
イル間の磁界強度分布を示す図。

【図５】（ａ）は２対のソレノイドコイルによる合成磁
界を説明する図、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ対をなす
２個のソレノイドコイルが発生する磁界を説明する図。

【図６】２対のソレノイドコイルによる合成磁界の回転
を説明する図。

【図７】合成磁界と放電電界との相互作用により発生す
るＥ・Ｂドリフトの回転を説明する図。

【図８】本発明の装置により得られたアモルファスシリ
コン薄膜の膜厚分布を示す特性図。

【図９】本発明の装置により得られたアモルファスシリ
コン薄膜の成膜速度と磁界の強さとの関係を示す特性
図。

【図１０】従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面
図。

【図１１】従来のプラズマＣＶＤ装置の欠点を示す説明
図。

【図１２】従来のプラズマＣＶＤ装置において印加され
る磁界を説明する図。

【符号の説明】

１…反応容器、２、３…電極、４…高周波電源、５ａ、
５ｂ、１００ａ、１００ｂ…ソレノイドコイル、１０…
基板、１０１、１０２…増幅器、１０３…位相可変２出
力発振器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内に基板を設置して反応ガスを
供給し、放電用電極間にグロー放電プラズマを発生さ
せ、基板上に非晶質薄膜を形成するプラズマＣＶＤ法に
おいて、上記放電用電極間の電界に直交し、かつ互いに
直交する２つの方向に磁界を印加することを特徴とする
プラズマＣＶＤ法。
【請求項２】反応容器と、この反応容器に反応ガスを
導入し、排出する手段と、上記反応容器内に収容された
放電用電極と、この放電用電極にグロー放電用電力を供
給する電源と、上記放電用電極間の電界に直交し、かつ
互いに直交する方向に軸芯をもつように、反応容器をは
さんで設置された２対のソレノイドコイルと、これらの
ソレノイドコイルに磁界発生用電力を供給する交流電源
とを有し、上記放電用電極間の電界に直交するように支
持された基板上に非晶質薄膜を形成することを特徴とす
るプラズマＣＶＤ装置。