JPH0618177B2 - 半導体デバイスの製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体デバイスの製造装置、特にアモルファ
ス半導体デバイスの製造装置に関する。

規制的な格子構造を特徴とする結晶質材料は、従来、信
頼性の高い半導体デバイスを製造する上で不可欠なもの
であると考えられてきた。有利な特性を有する太陽電
池、スイッチ等はこのような材料により製造されている
が、半導体製造に結晶質材料を使用すると、その処理に
かなりのコストがかかる。単結晶シリコン等は高価で且
つ多くの時間を要する方法でなければ製造できない。チ
ョクラクルスキー法等の結晶製造法では、インゴットを
成長させた後に薄く切断してウエハにしなければならな
い。従って、この技術は本来、バッチ処理方式によるも
のである。

最近では、アモルファス半導体材料からデバイスを製造
する分野での開発が進み、その結果、製造コストを著し
く低減できるまでになった。特に、パネルを形成するた
めに多数のデバイスを製造しなければならない太陽電池
の場合、処理を経済的に行なえるか否かの影響は非常に
大きい。結晶質材料の代わりにアモルファス材料により
半導体デバイスを製造できることは、たとえば、オブシ
ンスキーのイズ（Ｏvshinsky and Izu）の米国特許第 4
217374号明細書（結晶質半導体と同等のアモルファス半
導体」に記載されている。種々の導電率をもつ層を連続
的にグロー放電下で蒸着すると共に不純物を導入するこ
とにより製造されるシリコン太陽電池とその製造法が、
1978年 3月16日出願のオブシンスキーとマダン（Ｏvshi
nsky and Ｍadan）による米国特許出願第887353号明細
書「結晶質半導体と同等のアモルファス半導体」（米国
特許第 4226898号）に記載されている。以上２つの先行
技術は、アモルファス半導体技術の代表的なものとし
て、本明細書に参考として含まれている。

アモルファス半導体デバイスが製造可能となったこと
で、結晶質デバイスの製造に伴なう本質的な欠点が明ら
かになった。結晶の成長が前述のようにバッチ式である
ことの他に、インゴットを切断して利用しうる複数のウ
エハの形にする際に、細心の注意を払って成長させた材
料のかなりの量が失なわれることである。その後も表面
の仕上げ処理に大きな労力を必要とする場合が多い。

一般に、アモルファス半導体デバイスはバッチ法により
製造される。結晶質デバイスの場合と同様に、このよう
な製造法では高価な装置が無駄に遊んでいる無駄時間が
生じるため、太陽電池等のアモルファス半導体デバイス
の経済的価値が損なわれる。近年、連続的な処理により
アモルファス半導体を製造できるようにするための努力
が続けられている。

本発明の目的は、化学的組成の異なる層を良好に形成
し、高性能な半導体デバイスを製造でき、且つ製造装置
の占める空間が小さくてすむ半導体デバイス装置を提供
することにある。

本発明によれば、前記目的は、 半導体層を形成するためのガスを導入するためのガス導
入手段とガスを排気するための排気手段と帯状基板の搬
入口とに搬出口と設けられチャンバ内の雰囲気を外部雰
囲気から分離するためのスリットを有する分離手段とを
備えた堆積チャンバの複数と、前記複数のチャンバ内を
連続的に前記基板を通過させるための駆動力を与える駆
動手段と、前記基板の通過を案内する案内手段と、を具
備し、前記複数のチャンバ内で各々化学組成の異なる半
導体層を形成する半導体デバイスの製造装置において、 前記案内手段は、各チャンバ内においては前記基板の被
堆積面をほぼ平面状に保持するとともに前記複数のチャ
ンバにわたり前記基板の被堆積面が外側に向き各々非同
一平面となるように前記基板の進行方向を変更して案内
する手段であり、 前記複数のチャンバは、前記基板の進行方向の長さが異
なり、前記進行方向の変更に応じて各々の配置が屈曲し
ており、前記進行方向の長さが長いチャンバ内では前記
基板の被堆積面が下方を向いてほぼ水平となるように案
内されて前記半導体層の堆積を行うことを特徴とする半
導体デバイスの製造装置 によって達成される。

本発明によれば、複数の堆積チャンバを直線状に配置す
る場合に対して少ない張力で各チャンバ内に平面状の被
堆積面を形成し易い。また長いチャンバにおける被堆積
面を下に向けることで被堆積面上への異物の付着を極め
て少なくできる。しかも装置全体をコンパクトにまとめ
ることができる。

次に、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。添付図面において、同様の部分は同じ番号により示
す。

第１Ａ図は、本発明を含む装置の部分縦断面図である。
この図はある意味において、アモルファス半導体材料の
層を可撓性のフィルム基板10に形成させるための組立て
ラインを示している。第１Ａ図を通して端面図で示され
ているフィルム基板10は連続するウエブ状材料シートか
ら成り、その幅は１ないし４フィート（約30.5〜122 c
m）であるのが好ましい。本発明は実際には多数のアモ
ルファス半導体材料の層を蒸着することを目的としてい
るので、第１Ａ図は完全に半導体デバイスを処理する間
の中途の工程を示すものである。デバイスとして完成さ
せるにはさらに他の素子が必要であり、それらの素子は
特定の処理法により付着させなければならない。このよ
うな処理は、フィルム基板10（ロール状）を供給部分14
のリール12にセットする前およびフィルム基板10が巻取
り部分18のリール16に複数のアモルファス半導体材料層
が蒸着されたロールとして巻取られた後に行なえば良
い。

本発明に従って太陽電池を製造する場合には、フィルム
基板10として可撓性の金属箔または金属表面を付けた箔
を利用する。デバイスの構成によっては、アモルファス
半導体材料の層を蒸着する前に、薄い酸化物絶縁層およ
び／または一連のベース接点を形成することが必要にな
る場合もある。従って、本明細書においては、「フィル
ム基板」という用語は「可撓性フィルム」のみならず、
前述のような予備処理によりフィルムに素子が付加され
たものをも含む。太陽電池の処理における予備工程およ
び仕上げ工程はイズ、カネラおよびオブシンスキーの特
許出願に記載されている。

フィルム基板10は、第１Ａ図の装置を通って供給リール
12から巻取りリール16へほぼ反時計方向に巻取られ、そ
の際、付加的に中間アイドラリール20，22，24および26
により案内される。供給リール12及び巻取りリール16は
本発明に係る駆動手段を構成し、中間アイドラリール2
0，22，24，26は本発明に係る案内手段を構成する。フ
ィルム基板10はこれらのアイドラリールが限定する進路
を通る間に、チェンバ28，30および32を通過する。これ
らのチェンバにおいて、Ｐ型、真性（Ｉ型）およびＮ型
のアモルファス半導体材料の層の蒸着が厳密な制御の下
で行なわれる。図示したような装置の好ましい実施例は
アモルファスシリコンのＰＩＮ太陽電池を連続的に製造
するためのものであり、以下の説明もこれに基いている
が、不純物および反応ガスの他の成分、供給部分14と巻
取り部分18との間のチェンバの順序等の変数が変われ
ば、これに対応して横断面図の配置も変わり、製造され
るデバイスも設計し直さなければならない。従って、本
発明の連続的な装置により様々のデバイスを製造するこ
とができる。その場合には他の構成要素および蒸着手順
を用いるが、これは本発明の範囲内に含まれるものと考
える。

真性層（Ｉ型層）蒸着チェンバ30は、Ｐ型層蒸着チェン
バ28またはＮ型層蒸着チェンバ32よりかなり長い。この
連続蒸着法では、フィルム基板10が供給リール12から巻
取りリール16へ、実質的に一定の速度で進むことが必要
である。Ｎ型層、真性層、Ｐ型層が前進するフィルム基
板10の様々な部分に連続的に蒸着されるので、任意のチ
ェンバで費される時間の関数である層の厚さはチェンバ
の相対的長さを決定する大きな要素である。

第１Ａ図の装置により見本として製造されるデバイス
は、一般に、真性層と不純物を添加した層との間に10：
１から30：１の範囲の層厚比を生じる。これらの比によ
れば、チェンバ30の長さは約16フィート（４ｍ89cm）、
チェンバ28およびチェンバ32の長さは約 2.5フィート
（76.3cm）となる。また、異なる相対的寸法を有する他
のデバイスを製造するには、チェンバの長さをこれに合
わせなければならない。

デバイスのマスク処理が必要であれば、フィルム基板10
がチェンバ28，30および32を通る間に、各々複数の条
片、たとえば幅１インチ（2.54cm）を含むベルト状のマ
スク34，36および38をフィルム基板10の幅全体にわたっ
て対応する条片領域に当てれば良い。第１Ａ図の装置の
部分横断面図である第１Ｂ図に、マスクを構成する条片
39を示す。各マスク34，36および38は夫々、一対のロー
ラ34′，36′および38′の間で循環する。一対のローラ
34′，36′および38′は各々独立して駆動されるか、ま
たはフィルム基板10を装置を通して駆動するリールから
リールへの前進機構に連動されるかのいずれかとすれば
良い。いずれの場合にも、マスクと前進するフィルム基
板10との間に適切な同期状態が維持されるので、蒸着層
は確実に正しく整合される。

マスク34，36および38と正しく重ね合わせるために、前
進するフィルム基板10の内部で適切な大きな張力を維持
しなければならない。しかしながら、張力が過剰または
不十分であるとフィルム基板10の位置決め、または進行
が適正でなくなり、その結果、フィルム基板10またはそ
の上に蒸着された材料が損傷するため、張力の大きさを
慎重に調整しなければならない。供給リール12に係合す
るサーボ制御モータ駆動装置がフィルム基板10全体の張
力を制御する。巻取りリール16に係合するモータ駆動装
置40は連続調節することができ、フィルム基板を最適の
速度で前進させる。

マスク34，36および38と、前進するフィルム基板10とは
ごく近接して接触していることが望ましい。第１Ａ図の
装置により製造されるような通常のＰＩＮ太陽電池にお
いては、Ｐ型層とＮ型層がごく薄く、条片の周囲のマス
クとフィルム基板の分離による漏れはほとんどないよう
に確実に保証されている。真性層は比較的厚いので、真
性層の蒸着の間には、フィルム基板10とマスク36とを互
いに密着させておくことがきわめて大切である。第１Ａ
図に示すように、真性層の蒸着は水平に向いたチェンバ
30において行なわれる。ただし、チェンバ30内での水平
方向の蒸着が不可欠であるわけではなく、所望の任意の
立位をとっても良い。フィルム基板10はチェンバ30を通
過するときに水平であるので、自然にたるむが、チェン
バ30を通して長さに沿ってある程度の変位が生じる。フ
ィルム基板10が16フィート（４ｍ89cm）のチェンバ30内
を進むにつれて、 5/8インチ（1.58cm）の程度のたるみ
が生じることがわかっている。

第１Ａ図に示すように、複数対のピンチローラ42が前進
するフィルム基板10の縁部案内およびウエブ引張部材と
して働く。ピンチローラ42は不可欠なものではない。使
用する場合には、フィルム基板10の自然のたるみにこだ
わる必要はなく、適切な密着マスク処理を行なうために
フィルム基板10とマスク36の位置をより確実に調節でき
るようにする。

フィルム基板10が前進する際に通るチェンバ28，30およ
び32は各々、フィルム基板10の一方の側に複数の水晶赤
外線ランプを保持するホルダー44を有し、フィルム基板
10の他方の側にプラズマを発生する陰極46を有する。不
活性反応ガスは陰極を通って各々のチェンバ内に入る。
陰極は、フィルム基板10の表面において均一なガス圧力
を維持する手段を付加的に含む。分離弁48は各々の蒸着
チェンバの入口と出口に配置される。これらの弁は各々
のチェンバの不活性反応ガス環境を汚染することなく連
続するフィルム基板10とマスクをチェンバからチェンバ
へ通過させるものであるが、後により詳細に説明する。
各々のチェンバに関連する制御手段（第１Ａ図には図示
せず）は、特に第３Ａ図および第３Ｂ図を参照して説明
する。

第２Ａ図から第２Ｃ図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図の装置
に使用される分離弁の一実施例の詳細図である。分離弁
は前進するフィルム基板10を各チェンバに出入りさせる
と共に、同時に、各チェンバのガス環境を他のチェンバ
から分離する不活性ガスの壁を提供する。特に、Ｐ型層
またはＮ型層蒸着チェンバ28，32内に存在する不純物ガ
スにより真性層蒸着チェンバ30が汚染されるのを妨げる
働きをし、これは高性能デバイスの製造には不可欠な要
素である。

第２Ａ図は分離弁48の正面図である。分離弁48は整列す
る一対のマニホルド50，52から形成される。接合される
と、フランジ54がマニホルド50，52を取囲み、分離弁48
が完成する。フランジ54には複数の穴56があり、チェン
バの前壁または後壁のいずれかにボルト、リベット等に
より分離弁48を取付けることができる。下方マニホルド
52の接合面に溝58が形成されている。溝58は中央の位置
にあって、マニホルド50，52が接合されたときに分離弁
48内の中央に位置するスリット60または細孔を形成す
る。スリット60はチェンバの壁と、装置の他の部分とを
連通して、連続的に動いているフィルム基板10、および
マスクを使用する場合にはマスクを出入りできるように
する。

第２Ｂ図は第２Ａ図の線２Ｂ−２Ｂに沿った縦断面図で
ある。第２Ｂ図を見ると、フィルム基板10の通過を助け
るためにスリット60が広がっている、すなわち斜めにな
っていることがわかる。フィルム基板10がスリット60を
通過する際に害を受けたり、劣化したりしないようにさ
らに保護するために、スリット60の対向する（頂部と底
部の）表面にはテフロン等の潤滑剤がコーティングされ
ている。適切な保護テフロン層は噴霧により付着させた
後に、摂氏 600度に加熱して形成すれば良い。第１Ａ図
および第１Ｂ図の装置においては、フィルム基板10はス
リット60を通過したとき活性表面を下に向けている。こ
の向きの場合、分離弁48は、前進するフィルム基板10が
スリット60の底で溝58に接触するのではなく、その反対
側をかすめるように配置される。

ガス入口通路62は不活性ガス源64と、少なくともスリッ
ト60の幅と同じ長さだけ延びている溝66とを連通する。
この構成は、分離弁48の平面図である第２Ｃ図からも最
も容易に見て取ることができる。スリット60の幅は点線
68から点線70までの距離により限定される。円筒形の溝
66の半分は上方マニホルド50内に形成され、残りの半分
は下方マニホルド52内に形成されている。この溝66は両
端で、ガス入口通路62およびガス出口通路72と連通す
る。前述のように、ガス入口通路62は不活性ガス源64と
連通しており、ガス出口通路72は真空ポンプ74に連結さ
れている。

不活性ガス源64および真空ポンプ74は相互に作用して、
円筒形の溝66内部のアルゴン等の不活性ガスの流れを蒸
着チェンバ内の圧力より幾分大きい圧力に維持する。こ
のようにして分離弁48の内部にガスの層が形成され、反
応ガスの相互汚染と共に、より重要である不純物ガスの
真性蒸着チェンバ内への侵入を防ぐ。このような不純物
ガスはたとえ微量でも真性材料の質を低下させ、太陽電
池の性能を悪くする。

分離弁48の第１の目的はチェンバの内部を分離すること
であるが、チェンバ内の大量の不活性ガスが蒸着過程を
妨げることがある。このため、円筒形の溝66内部のガス
圧力はチェンバのガス圧力（約１ Ｔorr）よりほんの
わずか高い値に維持される。不活性ガスがチェンバ内へ
逃げるのを妨げる力は、スリット60の狭い部分（第２Ｂ
図に最も良く示されている）が長くなるにつれて大きく
なる。従って、スリット60の横断面は円筒形の溝66から
チェンバ内部へ逃げる不活性ガスの量をできる限り少な
くできるように設計する。

第３Ａ図は蒸着チェンバ76の部分縦断面で示した図であ
る。チェンバ内部ではグロー放電分解過程のため環境が
制御維持されており、その結果、プラズマとフィルム基
板10の平衡状態が保たれている。蒸着チェンバは、前壁
82および後壁84と、側壁86および88とにリベットまたは
その他の方法により固定された頂壁78および底壁80によ
り限定される。すべての壁は、チェンバ内へ導入される
様々なガスと反応しない金属または合金から形成されて
いるのが好ましい。反応ガスの分解により発生するプラ
ズマは陰極90と移動するフィルム基板10との間に閉込め
られるので、アモルファス半導体材料がチェンバの壁面
に付着することは本質的にない。ここに、陰極90の電位
はＲＦ電源100 により調整されて、陰極90とアースされ
たフィルム基板10との間に必要な電界を生じさせる。

スリット分離弁92および94は夫々、蒸着チェンバ76の前
壁82と後壁84に配置される。前述のように、これらの分
離弁はフィルム基板10およびオフセットマスク96を構成
する複数の条片（使用する場合）が蒸着チェンバ76内を
通過できるようにするためのものである。

フィルム基板10が蒸着チェンバ76内を通る間、蒸着過程
は連続的に厳密に制御される。すなわち、製造過程に不
可欠な変数と製造の結果得られる製品とが連続的に監視
され、様々な修正制御装置にフィードバックされる。蒸
着チェンバ76は、膜厚を含む、様々な製造過程パラメー
タを制御する装置を完全な形で具備しているという点で
理想的である。

第１Ａ図のチェンバ30は、たとえば、真性アモルファス
シリコン層の膜厚を検出する手段を含む。前述のよう
に、真性層はＰ型またはＮ型不純物を導入した層の約10
ないし30倍の厚さを有する。不純物を導入した層は相対
的に薄いが、これらの層の厚さの検出および測定を行な
っても良い。

反応ガスはＳｉＦ_４またはシラン等のシリコン化合物
と、結晶質シリコンにきわめて良く似た電気的特性を有
する材料の層を形成するためにエネルギーギャップ内の
局部的状態の密度を低下させるように作用するフッ素ま
たは水素等の少なくとも１つの変質元素とを含むべきで
あり、様々な反応ガスは反応ガス処理装置98により蒸着
チェンバ76内へ導入される。反応ガス処理装置98は適切
な反応ガス供給源と、蒸着チェンバ76の内部から消耗さ
れたか、または反応しなかったガスを排出する手段とを
含む。さらに、反応ガス処理装置98は反応ガスを再利用
するための洗浄手段等を含むのが好ましい。

反応ガス処理装置98は陰極90に連結される。後で論じる
ように、陰極90は独特のバフル手段を含んでいるため、
電界により誘起される均一なプラズマを形成する等電位
表面を提供する他に、フィルム基板10の表面全体にわた
って反応ガスの均一な流れを生じさせ且つ消耗したガス
を均一に排除させる。ガスの流れが均一であれば、均一
の電気的、光学的特性を有するアモルファス材料をフィ
ルム基板10の表面全体に確実に蒸着することができる。
フィルム基板10は本明細書に記載されているような装置
を通して一定の電位、たとえばアース電位に維持して、
フィルム基板10と陰極90との間に適切な電界を形成する
ようにすべきである。

蒸着チェンバ76内に検出器102 を配置する。検出器102
は前進するフィルム基板10に隣接した保持ブラケットに
より支持された光学的高温計または熱電対である。検出
器102 は、波長が５ミクロンの放射線に応答しうるもの
で、サーボ回路104 に結合される。サーボ回路104 はラ
ンプホルダー108 内に保持された複数の水晶赤外線ラン
プ106 を制御する。蒸着チェンバ76内の加熱領域から恒
温領域へ、すなわち入口から出口へ進むにつれてランプ
の間隔が広くなる。このパターンは第１近似では、フィ
ルム基板10が蒸着チェンバ76に入ったときに基板を約摂
氏 300度の所望の温度まで比較的早く加熱でき、また、
その後も、プラズマに当てるときに最良の蒸着を行なう
ためにこの温度を維持できるものである。赤外線の検出
器102 は約５ミクロンの波長でピーク感度となるように
選択されている。これは、この波長が摂氏 300度で最大
放射線量が得られるピークに当たるためである。サーボ
回路104 は摂氏 300度の放射線パターンを利用してエラ
ー信号を発生する。サーボ回路104 は次にこのエラー信
号を電流に変換して、ランプホルダー108 内の水晶赤外
線ランプ106 の強さを調整する。

第３Ｂ図は、第３Ａ図の線３Ｂ−３Ｂに沿った蒸着チェ
ンバ76の縦断面図である。蒸着チェンバ76内に放射ビー
ムエネルギー源110 が配置されていることがわかる。こ
こから発生するエネルギーはフィルム基板10から反射し
た後、光学軸112 に沿って光学的検出器114 に投射され
る。光学的検出器114 は、放射ビームエネルギー源110
が白色光を放射する場合には焦点合せ光学系およびモノ
クロメータを含んでいても良い。または、放射ビームエ
ネルギー源110 をレーザーにして、検出器114 がレーザ
ーエネルギー検出器とすることも可能であろう。

本発明の実施例においては、フィルム基板10上に蒸着さ
れる層の厚さを検出するために、放射ビームエネルギー
源110 と検出器114 の組合せを利用している。第３Ｂ図
には放射ビームエネルギー源と検出器の組合せが一対し
か示されていないが、本発明の実施例で、検出器／放射
ビームエネルギー源の組合せを複数用いても良いことは
第３Ａ図から明らかである。各検出器114 は厚さ制御回
路116 に接続される。厚さ制御回路116 は検出器の出力
を受信し、その信号を適切な増幅器、波形分析器を介し
て処理した後、帰還回路またはサーボ制御回路に印加す
る。この帰還またはサーボ制御回路は基準厚さインジケ
ータに対して動作する。基準厚さは、フィルム基板10の
進路に沿った放射ビームエネルギー源／検出器の組合せ
の特定の位置の関数である。厚さ制御回路116 が適切な
プログラムを組込まれたマイクロプロセッサを含んでい
ても全く同じである。いずれの場合も、厚さ制御回路11
6 は、検出器114 の段または位置に適していない厚さが
検出されたときに、ＲＦ電力および／またはウエブの速
度および／またはガスの流れを制御する弁を変化させる
信号を取出す。これらの変数の制御状態は制御回路116
；電源100 （ＲＦ電力制御）；中間アイドラリール2
0，26の駆動装置（ウエブ速度制御）；反応ガス処理装
置98（弁の動作）の多重出力により指示される。

検出器114 の出力は付加的に記録装置118 に印加され
る。記録装置118 は出力解読して厚さのヒストグラムを
作成する適切な回路を含む。そのため、フィルム基板10
の一部が使用不可能である場合に、その部分の位置を容
易に見つけ出して、最終製品から分割除去することがで
きる。厚さ検出システムにおいてレーザー光線ではな
く、白色光が利用される場合、光学的検出器および関連
する制御回路は薄膜干渉作用の原理を基礎とすることが
できる。白色光源からのエネルギーがフィルム基板10等
の表面から反射するとき、光を反射した層の厚さは反射
ビームの波長の関数としての強さと入射ビームの強さと
を比較することにより測定することができる。蒸着膜の
厚さは次の式により計算される。

ただし、 ｄ：層の厚さ Ｎ：波長λ_１からλ_２へ変化する強さの類似する極値の
数 λ_１，λ_２：選択した強さの極値における波長 ｎ_１，ｎ_２：層材料の屈折率 θ：波長λ_１およびλ_２における入射角 この式は通常の入射の場合には正確に当てはまる。

所望の厚さに応じてある基準が厚さ制御回路116 に印加
される。厚さ制御回路116 内の回路装置は、測定された
反射率スペクトルを利用しうるエラー信号に変換する。
厚さ制御回路116 はＲＦ電源110 、中間アイドラリール
駆動装置20および26、並びに反応ガス処理装置98のうち
のいずれか１つ、またはこれらすべてに修正信号を印加
することにより、エラー信号を連続的にゼロに近づけよ
うとする。このようにエラー信号に応答して制御信号を
発生させるのに適したサーボ制御回路の詳細および設計
は従来通りであると考えられ、必要な構成および素子に
関しては電子工学および電気機械技術の分野で良く知ら
れている。

レーザー等の単色の光を用いる場合、厚さ制御回路116
は反射極値の変化（反射光の強さのピークおよび最低
値）の数をカウントするように校正される。周知のよう
に、強さの変化の数は所定の厚さに対応する。従ってチ
ェンバ内に配列された各々の検出器は蒸着組立てライン
に沿った位置に従って、異なる強さの反射光を検出する
ようにすべきである。このようにすれば、強さの変化
は、白色光を使用する場合に干渉色のあらかじめ選択し
ておいた厚さと模様がエラー信号の発生基準を提供する
のと全く同様に、厚さ制御回路116 の基準入力として作
用する。いずれの場合も、厚さ制御回路116 はエラー信
号に応答して適切な制御信号を提供する機能を果たす。

第４Ａ図から第４Ｆ図は陰極90に関するものである。陰
極90は２つの機能、すなわちグロー放電の電極としての
機能と、新鮮な反応ガスの流れをプラズマ領域へ導き、
消耗した反応ガスをプラズマ領域から排出して均一で一
定の圧力のグロー放電を維持する導管としての機能との
双方を果たす。陰極90は、ＲＦ電源100 に電気接続され
た頂部電極板119 を含む。頂部電極板119 には複数のガ
ス入口開口120 が均等に配列されている。ガス入口開口
120 は、均一の流れの新鮮な反応ガスをグロー放電過程
の陽極として働くフィルム基板10の表面に与える。

ガス入口開口の間に、均一な間隔をおいて消耗された反
応ガスを収集する複数の排気口122 が配置されている。
排気口122 は反応ガス処理装置98の真空手段と連通し、
フィルム基板10と陰極90との間の領域から消耗した反応
ガスを均一に排除する。ステンレス鋼製であるのが好ま
しいスクリーン124 が各々の排気口に関連して設けら
れ、排気口122 に複数の均一に間隔の開口を形成するこ
とにより放出ガスの流れをより均一にする。スクリーン
124 はまた、固体汚染物質の収集にも有用である。

スクリーン124 は一対のステンレス鋼製リング126 およ
び128 の間に保持される。絶縁性座金130 がスクリーン
124 を取巻いて、リング126 および128 の間を電気的に
絶縁している。スクリーン124 と、下方のリング128 は
図面に示すように、後に説明するバフル部材にアースさ
れる。スクリーンがアースされているので、ポンプ排出
領域は陰極90の電極板119 と前進するフィルム基板10と
の間の活性プラズマ領域から分離される。これらの領域
をアースすることにより、消耗された反応ガスは暗い空
間を通って排出されるため、プラズマの発生は電極板11
9 とフィルム基板10との間の領域に限られる。

セラミック紙絶縁体134 等の絶縁体が頂部電極板119 に
隣接して配置される。複数の開口136 を通ってガスが流
れる。開口136 は、電極板119 のガス入口開口120 およ
び排気口122 の双方と関連している。頂部電極板119 の
下方にガス分配チェンバ137 および138 が配置される。
ガス分配チェンバ137 および138 は、頂部、中央および
下方のバフル板140 ，142 および144 により夫々境界を
限定され且つ形成されている。バフル板140 ，142 ，14
4 は第４Ｃ図，第４Ｄ図および第４Ｅ図に夫々平面図で
示されている。これら３枚の板を同時に見ると、各々の
バフル板が排気口122 の横断面と等しい横断面を有し且
つ組立てられたとき、電極板119 の排気口122 と一列に
並ぶように配置された複数の穴146 を備えていることが
わかる。一方、ガス入口開口として働く複数の穴148 が
３枚のバフル板140 ，142 および144 を通じて様々な模
様で配置されていることも観察できる。このようにバフ
ル板相互間で故意にずれを生じさせたのは、ガス分配チ
ェンバ136 ，138 に与えられる流入ガスがガス入口150
からフィルム基板10まで等しい距離を進むように保証し
て、フィルム基板10の表面の反応ガスの圧力を均等にす
るためである。

反応ガスは、反応ガス処理装置98と連通するガス入口15
0 を介して装置内に入る。反応ガス処理装置98とガス入
口150 とで本発明に係るガス導入手段を構成する。ドー
ナツ形チェンバ152 は反応ガスを受入れて、下方バフル
板144 の入口穴148 を介して最終的に下方ガス分配チェ
ンバ138 内へ通す。このようにして、反応ガスは下方ガ
ス分配チェンバに入り、十分な圧力が生じて、続いて中
央バフル板142 の均等な間隔で配置された入口穴を介し
て上方ガス分配チェンバ136 内への反応ガスの流れが起
こるまで、下方ガス分配チェンバ138 内に充満する。反
応ガスは、再び均一な圧力が生じて、その結果、頂部電
極板119 の穴を介して反応ガスが陰極90とフィルム基板
10との間の領域へ流れるまで、上方ガス分配チェンバ13
6 内にとどまる。プラズマは、電極110 とフィルム基板
10との間に印加される電界と反応ガスとの相互作用によ
り前記領域内に限って発生する。

グロー放電分解過程の間に反応ガスの一部は消耗される
か、または使用されない。陰極90には、この消耗したガ
スを均一に排出する手段が設けられているので、フィル
ム基板10の表面領域全体にわたってプラズマの化学的性
質は均一に維持される。セラミック等から成る円筒形の
電気絶縁性ガス出口ポート154 は、プラズマ領域から排
出口122 を介して真空チェンバ156 内へ通じる消耗ガス
通路へ伸びている。ガス出口ポート154 はバフル板140
，142 および144 のガス射出穴146 と一列に整列され
ている。真空チェンバ156 は排気ポート158 を介して反
応ガス処理装置98の真空手段すなわちポンプ手段と連通
する。反応ガス処理装置98と排気ポート158 とで本発明
に係るガス排出手段を構成する。排気ポート158 の上方
には、排気口122 から排気ポート158 までの排気ガス流
路を均等化し且つ排気過程の結果として生じる表面圧力
差を最小限に抑えるためのバフル160 が設けられてい
る。陰極90を利用することにより、均一の電気的特性を
有する極めて均一なアモルファス材料層がフィルム基板
上に蒸着されるという効果がある。全ての反応ガスがガ
ス入口150 から頂部電極板119 のガス入口開口120 まで
の同じ距離を進むようにしたこと、および消耗してガス
がプラズマ領域から排気ポート158 までの実質的に均一
な距離を進むことにより、フィルム基板10の表面におい
て均一の圧力と、プラズマの均一な化学的性質が確保さ
れる。さらに、このように圧力とプラズマの化学的性質
が均一であるために、実質上、層を均一に蒸着でき且つ
蒸着層の光導電性および暗導電性等の電気的特性が均一
になる。このような均一性は、先行技術による側方に間
隔をとって配置されたマニホルドを用いて面積の大きい
フィルム基板10に反応ガスを与えた場合には得られない
ことが判明している。

陰極の別の実施例を第４Ｆ図に縦断面図で示す。陰極16
2 は、消耗ガス用チェンバ164 が付加されている点で第
４Ａ図の陰極と異なっている。さらに、ガス出口ポート
166 は、先の実施例では真空チェンバ156 を具備してい
た領域を介して延在するように示されている。本実施例
においては、流入する反応ガスの流路を均等化するため
に用いられていたガス分配チェンバ136 および138 の場
合と同様に小チェンバを形成するために一列に並んでい
ない穴を有するチェンバの内部に複数のバフルを設ける
ことにより均等な流路を得ている。

動作中、チェンバ28，30および32内のプラズマ領域にお
いて同時に蒸着が行なわれる。チェンバのプラズマ領域
の間で、反応ガスの付着分子はチェンバの分離弁の開口
と関連するガスの層によりフィルム基板10から取除かれ
る。チェンバ内部において、電気的にアースされたフィ
ルム基板10はフィルム基板10とチェンバの陰極162 とに
より境界を限定されているプラズマ領域を一度通って前
進する。陰極は全体として第４Ａ図から第４Ｆ図に図示
したモジュールと同一のモジュールを複数個用いて構成
しても良く、この場合には、モジュールを合わせたとき
の表面積が相対的に大きくなる。このように表面積が相
対的に広いと、しばしば蒸着を複雑にするエッジ効果が
低減するので、蒸着層を均一にする上で有利である。

フィルム基板10がプラズマ領域を通って前進するにつれ
て、新規な陰極の電極を具備する頂上表面を介して、新
鮮な反応ガスの均一な流れがフィルム基板10に向けられ
る。反応ガスは蒸着すべき合金（ＳｉＦ_４等）の１つ以
上の元素または化合物と、１つ以上の変質元素（感光剤
および不純物を含んでいても良い）とを含み、陰極とフ
ィルム基板との間に印加される電界により電離してプラ
ズマを形成する。

プラズマからフィルム基板10上に起こる半導体材料の蒸
着速度は、多数の変数の関数である。各々の変数は装置
を通して厳密に調整制御される。前述のように、フィル
ム基板10の温度は摂氏 200度から 300度に維持される
が、多数の製造過程変数を監視、制御するために層の厚
さを監視する。さらに、低電力、低周波数のプラズマが
一般的にすぐれた性能特性をもつ合金を蒸着するのに有
効である。プラズマによる層蒸着技術はまだ新しく、十
分には理解されていないが、欠陥の最も少ない蒸着構造
を形成するには、運動エネルギの小さい蒸着分子を低電
力環境の下に維持するのが好都合である。

発明者は、本発明による装置において使用するための多
数の低電力（プラズマ発生に際して、１ワット／cm²で
はなく約 0.1ワット／cm²を必要とする）技術を開発し
た。これらの技術により、一般に、蒸着される層の特性
は向上し且つ厚さおよび化学的、構造的な組成が均一と
なるような蒸着を行なうことができる。

高周波数電界（一般に、スパッタリングや、先行技術の
グロー放電蒸着法に用いられている13.56 ｍＨｚ電界
等）に関連する共振現象は、プラズマ内部で電子の振動
を誘起すると考えられる。このような共振は、電子が陰
極とフィルム基板との間の間隙を飛行してフィルム基板
の付近で反応ガスを電離させるのを妨げるものである。

低電力、低周波数の蒸着プラズマを発生させるのが望ま
しいことは、発明者により実験調査されている。プラズ
マを13.56ｍＨｚで発生させたとき、著しく不均一なプ
ラズマ色が観察されたが、これはブラズマ領域内部の化
学的性質の均一性が欠如していることを示すものである
ことがわかった。プラズマ色が不均一であるのは、種類
の異なる反応ガスが異なる点で励起するためであると考
えられる。13.56 ｍＨｚの高調波数においては、ガス
入口に近接する点のプラズマが青色であるのに対し、ガ
ス出口に近い点のプラズマの色は赤味がかっていること
が観察された。青色領域では、赤色領域より速い蒸着速
度が観察された。これに対し、75 kＨｚの電界と相互作
用する反応ガスにより形成されるプラズマは均一な色を
有し、従って、比較的均一な厚さのアモルファス半導体
材料の層を蒸着させることがわかった。約50 kＨｚない
し約200 ｋＨｚの範囲の周波数の電界により発生される
プラズマからはきわめて均一な組成の層を得ることがで
きる。

プラズマおよび層が均一であることに加えて、13.56 ｍ
Ｈｚで蒸着されたシリコン材料が内部引張応力を特徴と
するのに対して、より低い周波数で蒸着されたものは内
部応力が小さいことが観察された。引張応力により蒸着
層が剥離する場合が生じると考えられるが、これは過去
において観察されている。このように、層の構造と蒸着
力は低周波数、低電力蒸着技術により向上する。

反応ガスの混合体の中に希釈剤として大量の不活性ガ
ス、たとえばＡｒ、Ｎｅ、Ｈｅ等を導入すると、比較的
高い周波数の13.56 ｍＨｚでも、きわめて有利なフォト
ルミネセンスおよび光導電性を示す真性シリコンの蒸着
をより良好に行なえる。より詳細には、アルゴンと、Ｓ
ｉＦ_４およびＨ_２の混合ガス（通例となっている比は４
ないし９：１である）とを同量ずつ使用したとき、有利
な結果が得られた。ここで、プラズマのエネルギープロ
フィールが不活性ガスの混入により著しく変化するとい
う理論が成立つ。蒸着ガスと種々のエネルギー状態の電
離した不活性ガスとの相互作用により、所望の蒸着に都
合の良い種類のプラズマを容易に形成することができる
であろう。従って、不活性ガスは、高品質のアモルファ
スＳｉ合金を有効に蒸着するのに必要なエネルギーおよ
び種類のプロフイールをもつプラズマを形成するための
一種の中間エネルギー緩衝器として働く。

アモルファスという用語は、広範囲にわたり不定構造を
有する合金または材料を指すが、短いまたは中間的な秩
序正しい構造を有していても良く、また時にはある種の
結晶質構造を含んでいても良い。

このように、チェンバ内部でのグロー放電／プラズマ蒸
着過程を大気を含む望ましくない反応物質（大気に限定
されない）から分離するのに特に適する弁が半導体処理
技術に導入されたことが明らかである。デバイスの組立
てラインに沿って多数の蒸着チェンバが連続して配列さ
れ、個々のチェンバが様々の化学的組成を有する層を蒸
着するために利用される場合に、この分離弁は特に有用
である。このような場合に変質元素を混合すると、得ら
れるデバイスの有用性が低下することがある。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は本発明に係る装置の縦断面図
および横断面図、第２Ａ図から第２Ｃ図は第１Ａ図及び
第１Ｂ図の装置に使用される分離弁の正面図、縦断面図
及び平面図、第３Ａ図および第３Ｂ図は夫々蒸着チェン
バの縦断面図、第４Ａ図および第４Ｂ図は陰極の平面図
および横断面図、第４Ｃ図から第４Ｅ図は陰極の内部バ
フル板の部分平面図、第４Ｆ図は陰極の別の実施例であ
る。 10……フィルム基板、28……Ｐ型蒸着チェンバ、30……
真性層蒸着チェンバ、 32……Ｎ型層蒸着チェンバ、48……分離弁、 58……溝、60……スリット、 64……不活性ガス源、66……円筒形溝、 74……真空ポンプ、76……蒸着チェンバ、 92，94……スリット分離弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マサツグ・イズ アメリカ合衆国，ミシガン州，バーミンガ ム，ベルバイン・トレイル 31515 (56)参考文献 特開 昭53−1465（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−125681（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−105366（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−33150（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体層を形成するためのガスを導入する
   ためのガス導入手段とガスを排気するための排気手段と
   帯状基板の搬入口と搬出口とに設けられチャンバ内の雰
   囲気を外部雰囲気から分離するためのスリットを有する
   分離手段とを備えた堆積チャンンバの複数と、前記複数
   のチャンバ内を連続的に前記基板を通過させるための駆
   動力を与える駆動手段と、前記基板の通過を案内する案
   内手段と、を具備し、前記複数のチャンバ内で各々化学
   組成の異なる半導体層を形成する半導体デバイスの製造
   装置において、 前記案内手段は、各チャンバ内においては前記基板の被
   堆積面をほぼ平面状に保持するとともに前記複数のチャ
   ンバにわたり前記基板の被堆積面が外側を向き各々非同
   一平面となるように前記基板の進行方向を変更して案内
   する手段であり、 前記複数のチャンバは、前記基板の進行方向の長さが異
   なり、前記進行方向の変更に応じて各々の配置が屈曲し
   ており、前記進行方向の長さが長いチャンバ内では前記
   基板の被堆積面が下方を向いてほぼ水平となるように案
   内されて前記半導体層の堆積を行うことを特徴とする半
   導体デバイスの製造装置。
2. 【請求項２】前記案内手段が前記チャンバ間に設けられ
   たリールを有することを特徴とする請求項１に記載の半
   導体デバイスの製造装置。
3. 【請求項３】前記複数のチャンバはＰ型半導体層，Ｉ型
   半導体層，Ｎ型半導体層を形成するためのチャンバであ
   ることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスの
   製造装置。
4. 【請求項４】前記Ｉ型半導体層を形成するためのチャン
   バの基板の進行方向の長さが、前記Ｐ型半導体層を形成
   するためのチャンバの基板の進行方向の長さおよび前記
   Ｎ型半導体層を形成するためのチャンバの基板の進行方
   向の長さより長いことを特徴とする請求項３に記載の半
   導体デバイスの製造装置。
5. 【請求項５】前記駆動手段により前記複数のチャンバ内
   を通過する基板の速度が、実質的に一定であることを特
   徴とする請求項１または請求項４に記載の半導体デバイ
   スの製造装置。