JPH0766138A

JPH0766138A - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JPH0766138A
Application number: JP21400993A
Authority: JP
Inventors: Daiichi Kojo; 大一古城; Masayoshi Murata; 正義村田; Kazutaka Uda; 和孝宇田; Yoshiaki Takeuchi; 良昭竹内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1993-08-30
Filing date: 1993-08-30
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】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、半導体保護膜等の薄膜製造用のプラ
ズマＣＶＤ装置に関するもので、基板の中央部から周辺
部にわたって膜厚の均一な薄膜を製造できるようにす
る。【構成】反応容器１内にはプラズマ発生用電極３０、
接地電極３が配置され反応ガスが両電極間に導入され
る。電極３，３０間には高周波電源４よりグロー放電プ
ラズマ発生用の電力が供給され両電極３，３０間にはプ
ラズマが発生する。一方、互いに直交配置されたソレノ
イドコイル１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂには各々交
流電源１６より磁界発生用電力が供給され、これにより
基板１３と平行な面に回転磁界によりプラズマを揺り動
かす力を発生させる。プラズマ発生用電極３０にはプラ
ズマ導入孔１０１が中央部は小さく、周辺部に近ずくに
従って大きな直径となるように設けてあるので、反応ガ
スが中央部から周辺部に均一に分布し、前記の回転磁界
による力と共に基板に均一な厚さの薄膜を成形する。

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の製造に使用される大面積薄膜の製
造に適したプラズマＣＶＤ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大面積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９乃至図１１を参照して説明する。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プ
ラズマ発生用電極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１３．
５６ＭＨＺの周波数の電力がインピーダンスマッチング
回路５、第１の高周波ケーブル６及び電力導入端子７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８を介してアース９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５の接地側端
子は第３の高周波ケーブル１０により、反応容器１に接
続されている。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１１を通して、例えば、モ
ノシランＧがアースシールド１９とプラズマ発生用電極
２との間隙に導入される。アースシールド１９とプラズ
マ発生用電極２間の反応ガスは、プラズマ発生用電極２
の多数の反応ガス導入孔２０を通って、接地電極３とプ
ラズマ発生用電極２との間に供給される。反応容器１内
の反応ガスは排気管１２を通して図示しないポンプによ
り符号Ｅで示すように排気される。

【０００３】プラズマ発生用電極２の反応ガス導入孔２
０の直径及びアースシールド１９とプラズマ発生用電極
２との間隙は、その間隙内にプラズマが発生するのを抑
制するため、電子の平均自由行程より短く設定してい
る。また、図１０の平面図及び図１１の側面図に示すよ
うにプラズマ発生用電極２の隣接する反応ガス導入孔２
０の間隔は全て等しく、正六角形状に配置されている。

【０００４】製品となる基板１３は、プラズマ発生用電
極２と接地電極３とに平行に、すなわちプラズマ発生用
電極２及び接地電極３により発生する電界に直交するよ
うに設置される。

【０００５】反応容器１の周囲には、第１〜第４の厚み
のある有限長のソレノイドコイル１４ａ、１４ｂ、１５
ａ、１５ｂが配置されている。第１及び第２のソレノイ
ドコイル１４ａ、１４ｂが対をなし、第３及び第４のソ
レノイドコイル１５ａ、１５ｂも対をなし、図６に示す
ように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それぞれ平行に配
置される。第１及び第２のソレノイドコイル１４ａ、１
４ｂには、位相可変２出力発振器１６の一方の出力端子
から、第１の電力増幅器１７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１５ａ、
１５ｂにも位相可変２出力発振器１６の他方の出力端子
から、第２の電力増幅器１８を介して同様に正弦波形の
電力が供給される。上記位相可変２出力発振器１６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
て出力できるもので、これらの信号による第１及び第２
のソレノイドコイル１４ａ、１４ｂ並びに第３及び第４
のソレノイドコイル１５ａ、１５ｂが発生する磁界は、
それぞれ軸芯方向にほぼ一様な強さの磁界分布になって
いる。

【０００６】上記装置を用い、以下のようにして薄膜を
製造する。真空ポンプ（図示省略）を駆動して反応容器
１内を排気する。反応ガス導入管１１を通して、例えば
モノシランと水素の混合ガスＧを供給し、反応容器１内
の圧力を０．０５〜０．５Torrに保ち、高周波電源４か
らプラズマ発生用電極２にグロー放電用電力を印加する
と両電極２，３間にグロー放電プラズマが発生する。

【０００７】一方、位相可変２出力発振器１６からの２
出力を、第１及び第２のソレノイドコイル１４ａ、１４
ｂ並びに第３及び第４のソレノイドコイル１５ａ、１５
ｂに例えば、位相を９０°ずらした周波数の正弦波電力
をそれぞれ印加する。このとき、第１及び第２のソレノ
イドコイル１４ａ、１４ｂによる磁界Ｂ₁と、第３及び
第４のソレノイドコイル１５ａ、１５ｂによる磁界Ｂ₂
との合成磁界Ｂが発生する。この合成磁界Ｂはプラズマ
発生用電極２及び接地電極３の間の電界に対して直交す
る方向に一定の角速度で回転しながら、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。その結果、プラズマ発生用電極２と接地電極３の
間のグロー放電プラズマは、基板１３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２０
〜１００ガウス程度で良い。反応ガス導入管１１から供
給された反応ガスは、プラズマ発生用電極２と接地電極
３との間に生じるグロー放電プラズマによって分解され
る。

【０００８】水素イオンなどの荷電粒子は、プラズマ発
生用電極２と接地電極３との間の電界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
フトにより初速を与えられた状態でプラズマ発生用電極
２と接地電極３とに直交する方向に駆動される。したが
って、水素イオンなどの荷電粒子は基板１３を直撃する
ことは少ない。

【０００９】電気的に中性であるラジカルＳｉなどは、
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１３に至り、その基板表面に非晶質薄膜を形成す
る。ラジカルＳｉは、ラーマ軌道を飛んでいく荷電粒子
と衝突するため、第１〜第４のソレノイドコイル１４
ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂから発生する合成磁界Ｂを
プラズマ発生用電極２と接地電極３間の基板１３と平行
な面内を回転させることにより、基板１３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、基板１
３の面積は、反応容器１内の許容する限り大きくしても
問題がないため、大面積な基板１３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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の装置で
は、プラズマ発生用電極２の反応ガス導入孔２０から電
極間に均一に反応ガスを導入し、かつ、グロー放電プラ
ズマを発生させる電界と直交する方向に発生させた磁界
を、基板１３と平面な面内において回転させることによ
り、大面積・均一成膜を容易に行える。しかし、次のよ
うな問題がある。

【００１１】（１）反応ガスはプラズマ発生用電極２の
反応ガス導入孔２０から電極間に導入されているが、電
極周辺部の反応ガスの分布は、電極中央部の反応ガスの
分布と比較して不均一であり、かつ、電極周辺部の反応
ガス密度は、電極中央部の反応ガス密度より低い。この
ため、グロー放電プラズマを発生させる電界に対して直
交する方向の磁界を基板１３と平行な面内において回転
させても、大面積のアモルファスシリコン薄膜を製造す
る際、基板周辺部のアモルファスシリコン薄膜の膜厚
は、基板中央部のアモルファスシリコン薄膜の膜厚と比
較して薄くなる。よって、大面積なアモルファスシリコ
ン薄膜の膜厚分布を±１０％以下に維持し、かつ、成膜
速度を２オングストローム／秒以上に保つことは、非常
に困難であった。

【００１２】（２）上記（１）より大面積のアモルファ
スシリコン薄膜を製造する場合、基板周辺部は膜厚が薄
くなるため、アモルファスシリコン太陽電池や薄膜トラ
ンジスタなどに使用することができない。このため必要
以上に大きい基板及び反応容器を使用しなければなら
ず、アモルファスシリコン太陽電池や薄膜トランジスタ
などのコスト高の要因の１つとなっている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決するために、プラズマＣＶＤ装置のプラズマ発生用電
極に設けられている反応ガス導入孔を、例えば電極の中
央部から周辺部になるにつれて孔の直径を大きくする、
等の方法で、周辺部ほど反応ガスの吐出量が多くなるよ
うに形成せしめて従来から問題であった中央部と周辺部
での反応ガス分布、密度の不均一性をなくしたもので、
この結果、基板表面に成膜される薄膜は基板全体におい
て均一な膜厚分布が得られるものである。

【００１４】即ち、本発明は、反応容器と、この反応容
器に反応ガスを導入して排出する手段と、前記反応容器
内に収容された接地電極及び前記反応ガスの導入孔を有
するプラズマ発生用電極と、このプラズマ発生用電極に
グロー放電用電力を供給する電源と前記両電極間の電界
に直交し、かつ互いに軸芯が直交する方向になるように
反応容器を挟んで設置された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
する交流電源とを具備してなり、前記両電極間の電界に
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
るプラズマＣＶＤ装置において、前記プラズマ発生用電
極の反応ガス導入孔は周辺部ほど前記反応ガスの吐出量
が多くなるように形成したことを特徴とするプラズマＣ
ＶＤ装置を提供するものである。

【００１５】

【作用】本発明は前述のような手段としたので、プラズ
マＣＶＤ装置の反応容器内に反応ガスが導入され、プラ
ズマ発生用電極にグロー放電用電力が加わり接地電極と
の間でグロー放電プラズマが発生する。ここで、２対の
ソレノイドコイルに交流電源より電力が供給されると、
発生した磁界が両電極間の電界に対して直交する方向に
一定の角速度で回転しながら発生したグロー放電プラズ
マに印加され、その結果、プラズマは両電極と平行な
面、即ち、基板と平行な面内を全方向に揺り動かされ
る。一方、反応ガスは、プラズマ発生用電極に設けられ
た反応ガス導入孔が中央部から周辺部に近ずくにつれて
吐出量が多くなるように形成されているので密度の少な
い周辺部に多く分布するようになり、電極間に効率良く
かつ、均一分布になるように導入することができる。し
たがって、電極間のプラズマ密度は、２対のソレノイド
コイルから発生する合成磁界の回転力による平均化より
も更に時間的・空間的に平均化される。この結果、基板
表面に成膜された薄膜は、基板全体において均一な膜厚
分布を持つようになり、大面積の非晶質薄膜の製造に適
するものである。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
具体的に説明する。図１は本発明の一実施例に係るプラ
ズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図、図２は図１の実施
例でのプラズマ発生用電極の平面図、図３はその側面図
である。本発明の特徴となる部分は符号３０のプラズマ
発生用電極とこの電極に設けられた符号１０１の反応ガ
ス導入孔の部分であり、その他の構成は、図９に示す従
来のＣＶＤ装置と同じであるので同一の符号を引用して
説明する。

【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３０と接地電極３が互いに平行に
配置されている。このプラズマ発生用電極３０は、図２
の平面図、図３の側面図に示すように、多数の反応ガス
導入孔１０１を有しており、隣接する反応ガス導入孔１
０１は一定間隔で配置されているため、図４の反応ガス
導入孔配置図に示すように１つの反応ガス導入孔１０１
を中心とすると、他の反応ガス導入孔１０１は符号４０
で示す正六角形状に配置される。また、反応ガス導入孔
１０１は、プラズマ発生用電極３０の中央部から周辺部
に近づくにつれて、反応ガス導入孔１０１の直径を徐々
に大きくしている。

【００１８】反応ガス導入孔１０１の直径は、０．０５
〜０．５Torrの圧力範囲においての電子の平均自由行程
より短くなるように設定している。具体的には直径は３
mm以下が好ましい。その理由は、直径３mmを超えると、
０．０５〜０．５Torrの圧力下での電子の平均自由行程
よりも長くなるため反応ガス導入孔１０１内にプラズマ
が発生し、上記電極間のプラズマ密度の低下及び分布の
不均一性による基板上に成膜される薄膜の成膜速度の低
下と膜厚分布の不均一を引き起こす。

【００１９】図５はプラズマ発生用電極３０近辺の詳細
な側面図で、直径の異なる多数の反応ガス導入孔１０１
を有するプラズマ発生用電極３０全体はアースシールド
１９で覆われている。アースシールド１９は、反応容器
１及び第２高周波ケーブル８を介してアース９に接続さ
れている。アースシールド１９とプラズマ発生用電極３
０との間隙は、その間隙内にプラズマが発生するのを抑
制するため、プラズマ導入孔１０１の直径と同様に電子
の平均自由行程よりも短くした。アースシールド１９と
プラズマ発生用電極３０との間隙は、不導電性材質のＯ
リング２１を数個用いて超高真空にシールされている。
プラズマ発生用電極３０には、高周波電源４から例えば
好ましい周波数として１３．５６ＭＨＺの周波数の電力
がインピーダンス整合器５及び第１の高周波ケーブル６
を介して供給される。

【００２０】なお、プラズマ発生用電極３０は本例では
円形であるが、その形状及びこれに付随するアースシー
ルドは円形でなくても角形でも良く、プラズマ導入孔１
０１が周辺部で均一に配置されるように配慮すれば円形
に限定されるものではない。

【００２１】反応ガスＧは、図示しないボンベ及び流量
計から反応ガス導入管１１を通して例えば、モノシラン
がアースシールド１９とプラズマ発生用電極３０との間
隙に導入される。アースシールド１９とプラズマ発生用
電極３０間の反応ガスは、プラズマ発生用電極３０の直
径の異なる多数の反応ガス導入孔１０１を通って、接地
電極３とプラズマ発生用電極３０の間に供給される。図
１に戻って、反応容器１内の反応ガスは排気管１２を通
って、図示しない真空ポンプにより符号Ｅで図示のよう
に排気される。基板１３は反応ガス導入孔１０１を有す
るプラズマ発生用電極３０と平行な接地電極３の上に、
図示しない基板ホルダに支持される。

【００２２】反応容器１の周囲には、第１〜第４の厚み
のある有限長のソレノイドコイル１４ａ、１４ｂ及び１
５ａ、１５ｂが配置されている。図６は電極配置の平面
図であり、第１及び第２のソレノイドコイル１４ａ、１
４ｂが対をなし、又、第３及び第４のソレノイドコイル
１５ａ、１５ｂも同時に対をなし、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。

【００２３】第１及び第２のソレノイドコイル１４ａ、
１４ｂには、位相可変２出力発振器１６の一方の出力端
子から、第１の電力増幅器１７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１５
ａ、１５ｂにも同様に位相可変２出力発振器１６の他方
の出力端子から、第２の電力増幅器１８を介して正弦波
形の電力が供給される。

【００２４】上記の位相可変２出力発振器１６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
出力するもので、第１及び第２のソレノイドコイル１４
ａ、１４ｂが発生する磁界は、軸芯方向（Ｘ軸方向）に
ほぼ一様な強度分布になっており、第３及び第４のソレ
ノイドコイル１５ａ、１５ｂが発生する磁界も同様に軸
芯方向（Ｙ軸方向）にほぼ一様な強度分布になってい
る。

【００２５】次に、上記装置を用いてアモルファスシリ
コン薄膜を製造する場合を例にしてその作用を説明す
る。反応容器１内を図示省略の真空ポンプを駆動して十
分に排気（例えば、１×１／１０⁷Torr）した後、反応
ガス導入管１１を通して例えば、モノシランを５０〜１
００cc／分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。その後、高周波電源４からイン
ピーダンス整合器５及び電流導入端子７などを介して、
プラズマ発生用電極３０に電力を供給すると、両電極間
にモノシランのグロー放電プラズマが発生する。

【００２６】一方、位相可変２出力発振器１６からの２
出力を、第１及び第２の電力増幅器１７，１８を介し
て、それぞれ第１及び第２のソレノイドコイル１４ａ、
１４ｂ並びに第３及び第４のソレノイドコイル１５ａ、
１５ｂ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。このとき第１及び第２ソレノ
イドコイル１４ａ、１４ｂによる磁界と、第３及び第４
のソレノイドコイル１５ａ、１５ｂによる磁界との合成
磁界が発生する。この合成磁界はプラズマ放電用電極３
０及び接地電極３との間の電界に対して直交方向に一定
の角速度２０π（ラジアン／秒）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、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、プラズマ放電用電極３０
と接地電極３との間のプラズマは、基板１３と平行な面
内を全方向に揺り動かされる。なお、この場合の合成磁
界の強さは２０〜１００ガウス程度で良い。

【００２７】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、
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強度などに依存する。そこで、
以下に示す条件でアモルファスシリコン薄膜を作製し
た。

【００２８】電極として直径８００mmの円形電極を用
い、基板１３として５００mm×５００mm♯７０５９無ア
ルカリガラスを用いた。反応ガスとして、１００％モノ
シランガスを５０cc／分の流量で供給し、反応容器１内
の圧力として０．１Torrに設定した。プラズマ放電用電
極３０に高周波電源４より５０Ｗの高周波電力を印加し
た。ソレノイドコイル１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ
により印加される合成磁界の強さを０，２０，４０，６
０，８０，１００ガウスに設定した。

【００２９】図７、図８はこのような条件で薄膜を製造
したデータを基に従来の方法で得たものと比較したグラ
フである。図７は基板中心からの距離と膜厚分布との関
係を合成磁界を１００ガウスに設定したもので示してお
り、（ａ）図の白丸で記入した本発明による分布５０が
（ｂ）図の黒丸で表示した従来の分布６０よりも膜厚分
布が広い距離（面積）にわたって一様な分布となってい
るのがわかる。

【００３０】図８は磁界強度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したもので、白丸で
表示した本発明の速度５１が黒丸で示す従来の速度６１
で得られたものよりも成膜速度が向上することがわか
る。又、磁界強度が大きくなるに従って成膜速度を従来
より一段と向上する効果が大きい。

【００３１】なお、上記の実施例では、プラズマ発生用
電極３０の反応ガス導入孔１０１を中心から周辺部に離
れるに従って徐々に直径を大きくした配置として説明し
たが、孔の直径を従来と同じく一定として中心から周辺
部に離れるに従って孔のピッチを密にして配置するとよ
うにするかあるいは吐出量を調整する手段を設けて電極
周辺部になるに従ってガスの吐出量が多くなるようにし
ても上記の実施例と同じ効果が得られるものである。

【００３２】

【発明の効果】以上、具体的に説明したように本発明の
プラズマＣＶＤ装置によれば、プラズマ発生用電極の反
応ガス導入孔を電極の周辺部になるほど反応ガスの吐出
量が多くなるように形成したので、電極間に効率良く反
応ガスを導入し、そのため、反応ガスの分布は中央部と
周辺部で均一にすることができる。したがって、グロー
放電プラズマにより基板に薄膜を製造する際、大面積で
も基板中央部と周辺部で均一な膜厚の非晶質薄膜を高速
で成膜することができる。この効果により、大面積を有
する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くなったものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に掛かるプラズマＣＶＤ装置
の構成を示す断面図である。

【図２】図１における実施例でのプラズマ発生用電極の
平面図である。

【図３】図１のプラズマ発生用電極の側面図である。

【図４】図２におけるプラズマ発生用電極の反応ガス導
入孔の位置関係を示す配置図である。

【図５】図１におけるプラズマ発生用電極近辺の詳細図
である。

【図６】プラズマＣＶＤ装置における一般的な反応容器
とソレノイドコイルの配置図である。

【図７】本発明の効果を示す膜厚分布のグラフで（ａ）
が本発明によるもの、（ｂ）が従来の方法による分布で
ある。

【図８】本発明の効果を示す磁界強度と成膜速度の関係
を示すグラフである。

【図９】従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図
である。

【図１０】図９における従来のプラズマ発生用電極の平
面図である。

【図１１】図１０における従来のプラズマ発生用電極の
側面図である。

【符号の説明】

１反応容器３接地電極４高周波電源１３基板１４ａソレノイドコイル１４ｂソレノイドコイル１５ａソレノイドコイル１５ｂソレノイドコイル１６位相可変２出力発振器３０プラズマ発生用電極１０１反応ガス導入孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内良昭長崎市深堀町５丁目717番１号三菱重工業株式会社長崎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器と、この反応容器に反応ガスを
導入して排出する手段と、前記反応容器内に収容された
接地電極及び前記反応ガスの導入孔を有するプラズマ発
生用電極と、このプラズマ発生用電極にグロー放電用電
力を供給する電源と、前記両電極間の電界に直交し、か
つ互いに軸芯が直交する方向になるように反応容器を挟
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
を具備してなり、前記両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プラズマＣＶ
Ｄ装置において、前記プラズマ発生用電極の反応ガス導
入孔は周辺部ほど前記反応ガスの吐出量が多くなるよう
に形成したことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。