JPS609657B2 - イオンプレ−テイング方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体デバイスを製造するためのィオンプレー
テイング方法及び装置に関する。

イオンプレーテイソグ方法はＤ、Ｍ、Ｍａｔｔｏｘ氏の
研究に始まり、金属の乾式メッキ法として改良開発され
、付着金属の基板との接着力が良いことやつき廻りが良
い利点を持つため、さかんに工業用として機工部品の金
属薄膜コーティング装置に利用されている。

イオンプレーティング法の原理は、薄膜形成用の原料を
蒸発させ、該蒸発源と基板の途中に、気化原料をイオン
化するイオン化装置を設け、基板に負の高い直流電圧を
印加し、イオン加速用電界を加えることによりイオンを
加速し基板表面に堆積させるものであるごこのため、基
板に到達する原料中には大量の中性粒子と同時に各種の
イオン化された粒子が存在し、この到達イオンの運動エ
ネルギーは数百ｅＶにも達する。このイオンの高い運動
エネルギーが基板または堆積しつつある薄膜の原子に与
えられるために、原子の位置変化や温度上昇を招き、励
起状態にある原子間の化学的な効果も相乗して、化学結
合の反応性が高まる。その結果の１例として付着金属と
基板との接着力が向上する特徴を有する。上記従来例の
イオンプレーティング法では、イオン加速用電界として
基板に負の直流電圧のみを印加するため、イオンプレー
テイング装置にはイオン加速用電源として負の直流（Ｄ
Ｃ）のみが供給されていた。ところで、我々は村山氏の
開発したりング状高周波（ＲＦ）電極のイオン化装置を
用いたイオンプレーティング法で半導体薄膜の形成を試
みた。

しかし、例えばシリコンェピタキシャル層を形成した場
合、あるいはアモルファスシリコン薄膜を形成した場合
、膜中に導入された欠陥が薄膜の特性を低下させている
と考えられる結果を見し、出した。シリコンェピタキシ
ャル層を形成し、太陽電池に応用した場合、イオン加速
電圧の効果を調べたところ、ＤＣ−７００Ｖ以上の印加
電圧ではＯＶの場合よりむしろ太陽電池特性を悪化させ
ていることがわかった。又比較的特性の良いＤＣ−４０
０Ｖの印加電圧の場合でもアズデポジション（ａｓｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）膜では特性が悪くへイオン衝撃によ
るダメージを熱処理して緩和する必要があることがわか
つた。

さらにアモルファスシリコン薄膜を形成した場合イオン
衝撃のダメージによる欠陥にもとず〈準位密度が多いと
思われる特性が得られた。これは前述したイオンプレー
ティング法の加速イオンの持つ特徴により、金属の茂式
めつき法とは別の用途、例えば半導体薄膜の形成に用い
た場合、イオン衝撃による何らかの欠陥が必然的に導入
されてしまう欠点を有するためであった。又、正、負イ
オンの両方に効果を待せることができない欠点や「成膜
後アニールしなければならない欠点などもあった。した
がたって、従来の‐イオンプレーティング方法及び装置
では良質な半導体薄膜を形成することは極めて困難であ
った。本発明の目的は、上記例のごときイオンプレーテ
ィング法の加速イオンの過剰な運動エネルギーにより半
導体薄膜の欠陥を多くする欠点を解決するために、イオ
ン加速用電圧の印加方法を改良し、金属材料のみならず
半導体材料にも広く適用可能なイオンプレーティング方
法および装置を提供することにある。本発明によれば、
イオン加速用電界として、１００ＫＨｚ以下の周波数で
実効値がＩＫＶ以下の低周波交流電圧、もしくはＩＫＶ
以下の直流が童畳した前記低周波交流電圧を原料蒸着源
と加熱される基板保持臭との間に印加することを特徴と
するイオンプレーティング方法が構成される。又、他の
本発明によれば、真空容器内に少なくとも原料蒸発源及
びイオン化源及び基板保持臭及び基板加熱源及びガス導
入口及びガス排気口を有し、原料蒸発源と基板保持具と
の間にイオン化源が設けられ、真空容器外部に設けられ
た原料蒸発用電源及び基板加熱用電源及びイオン化電源
にそれぞれ真空容器内の原料蒸発源及び基板加熱源及び
イオン化源が接続され、真空容器内の基板保持臭と原料
蒸発源は真空容器外部に設けられたイオン加速用電源に
接続されたイオンプレーティング装置において、該イオ
ン加速用電源は１００ＫＨｚ以下の周波数で実効値がＩ
ＫＶ以下の低周波交流の電源と、ＩＫＶ以下の直流の電
源とから成り、該交流電源と該直流電源とは直列に接続
され、該交流電源の１端を×とし、該交流電源と該直流
電源とのｏ接続端をＹとし、該直流電源の１端をＺとし
て、上記×，Ｙ，Ｚの内の２端と基板保持臭と接続され
る出力端ａ′と蒸発源と接続される出力端ひとが選択的
に切り換えられて接続されることを特徴と．するイオン
プレーティング装置が構成される。

本発明の装置は、従来のイオンプレーティング装置の有
する負の直流電源に加えて低周波交流電源も有し、さら
に切換スイッチを設けることにより、直流印加電圧の正
負の適性を変えうるため、イオンプレーティング中の気
体分子中にハロゲン元素を含み「電子を付着して負イオ
ンになりやすい負性気体の場合には、絶対値として正の
印加電圧を印加することで、負性気体原料からでも良質
なイオンプレーティング薄膜がが得られる。又、低周波
交流電圧のみのときもしくは直流電圧値より低周波交流
電圧の実効値が大である場合も、正イオンと負イオンの
両方を成膜中に入射させることができ、良質な薄膜が得
られる。又、半導体薄膜の如きダメージに敏感な膜でも
、イオンの運動が追従できる１００ＫＨｚ以下で実効値
ＩＫＶ以下の低周波交流をイオン加速電界として用いる
ため、低周波の半サイクルごとに加速、反発もしくは減
速を繰り返すため、反発もしくは減速する半サイクルで
は軟着陸するように堆積させたり、堆積中にイオンの衝
撃を止めアニールする期間を挿入して堆積させるなどに
より、ダメージを最小限にできる。以下本発明の実施例
を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明のイオンプレーティング法を実施した装
置の模式図である。

薄膜形成室１は真空排気ポンプに排気導管２を介して接
続されて高真空に保たれる。一方薄膜形成室１にはガス
導入管３を介して所望の徴量なガスが必要に応じてガス
系のバルブ操作により漸次供給され、１０‐４〜１０‐
汀ｏｒｒ程度の真空度に保たれる。この薄膜形成室１内
の下側には、薄膜形成原料の蒸発用シリコン塊４を加熱
蒸発させるための電子ビーム加熱源５を有し、シリコン
蒸気を発生させる。上部には薄膜を堆積させるための基
板６が保持されている。イオン加速用の電位を与えるた
め、該基板６の保持具とシリコン蒸発源とはイオン加速
用電源１２で電気的に接続されている。又、該基板６と
シリコン塊４との中間には発生したシリコン蒸気をイオ
ン化するためのＲＦコイルからなるイオン化室８が設け
られている。さらに該基板６を加熱するために該基板保
持臭の上部には赤外線ランプ７が配置されている。必要
な電源として、電子ビーム用電源９、イオン化用ＲＦ電
源１０、基板加熱用電源１１、イオン加速用電源１２が
それぞれ接続されている。イオン加速用電源１２はさら
にＡＣ電源部１３とＤＣ電源部１４とから構成されてい
る。第２図は本発明のイオンプレーティング装置のイオ
ン加速用電源部を示す模式図である。

イオン加速電圧は第１図ａ，ｂ点に対応する第２図のａ
′，ｂ′点より供給する。イオン加速用電源部２２は低
周波交流電源部２３と直流電源部２４及び印加方法を選
択する切襖スイッチ２５，２６とから構成されている。
功換スイッチのＸ，Ｙ，Ｚは各々の電源端子×，Ｙ，Ｚ
に結線されている。次に、上記本発明の方法及び発明さ
れた装置を詳細に述べる。先ず、所定の前処理が施され
たシリコンウェハー基板６をイオンプレーティング装置
内の基板保持具に設置する。

イオンプレーティング装置の公知の取扱い操作により、
薄膜形成室１を真空排気した後基板６を赤外線ランプ７
により加熱し８００℃に保つ。ついでガス導入管３より
アルゴンガスを導入し、薄膜形成室１内の真空度を３×
１０‐４Ｔｏｒｒとする。

ＲＦコイル等のイオン化室８に１３．５８Ｍ比のＲＦ電
力を電源１０より供給し、放電励起する。しかる後、電
子ビーム加熱源５より電子ビームを発生させ、該電子ビ
ームで、蒸発用シリコン材料としての抵抗率２０００−
伽のｎ形シリコン魂４を溶融し蒸発させる。発生した蒸
発シリコンは上部に設けられたイオン化室８を通過する
際アルゴンガスとともに一部イオン化される。イオン化
室８の上部に設置された基板６には該蒸発シリコンが飛
来し、高真空中で堆積するため８００℃程度の低い温度
でもェピタキシャル層が得られる。かくのごとき過程に
おいて、基板６に印加するイオン加速用電圧の印加方法
により、得られるシリコンェピタキシャル層の膜質に差
が生じることがわかった。すなわち得られるシリコンヱ
ピタキシヤル層を用いて、公知のプロセスを経て太陽電
池を作成した結果、第３図のようにその特性に差異が見
とめられた。０ 第３図は横軸がイオン加速用電源の直
流印加電圧を示し、縦軸が太陽電池の効率の改善率を示
し、従釆法の直流印加電圧ＯＶの場合に得られる太陽電
池の効率を１として規格化し、イオン加速電圧を印加し
て得られる効率との比をとる。

破線夕３１で示した特性は従来法の直流負電圧のみ印加
した場合である。−１００Ｖ、一３００Ｖと増加させる
ことによって、太陽電池の効率は１．３音２．１倍と向
上し、約−４００Ｖで最大２．２倍まで改善される。し
かし、さらに一５００Ｖ、一７００Ｖと増した場合は１
．９０倍、０．９５音と逆に改善率は激減する。ところ
が本発明の方法により、イオン加速電圧の印加方法を変
更した場合、次のようにへ さらに太陽電池の効率の改
善率が向上することが判明した。実施例 １ タ ィオン加速電圧として直流負電圧に低周波交流電圧
を重畳させた。

重畳させる低周波交流電圧成分としては周波数５０Ｈｚ
波高値３００Ｖピークトーピーク（Ｐ−Ｐ）を用いた。
前述のごとき手順をもってシリコンェピタキシヤル層を
形成し、かつ公０知のプロセスを経て太陽電池を作成し
た結果、直流賃電圧成分の値によって、第３図の実線３
２に示すような特性が得られた。直流負電圧ＯＶにおい
ても従来法と比べて、低周波交流電圧が重畳しているた
め、太陽電池の効率は多少向上し、改善率１．２倍が得
られた。さらに直流負電圧を−１００Ｖ、一３００Ｖと
増加させることによって、太陽電池の効率は１．７句音
、２．２倍と向上し、約一５５０Ｖで最大２．５倍まで
改善され従来の最大値２．２倍よりさらに向上した。さ
らに一７００Ｖと増した場合は２．４倍と改善率が多少
小さくなるものの従来法のごとき激減する現象は見られ
なかった。又、一ＩＫＶ以上ではイオン加速電圧を印加
しない場合に得られる太陽電池の効率より低下してしま
うので、直流成分はＩＫＶ以下にする必要のあることが
分った。したがって、イオン加速電圧の最適条件領域を
広く選択することができ、かつ、太陽電池の効率の改善
率をさらに向上させることができた。実施例 ２ 前述のごとき手順をもって太陽電池を作成した。

ただし、シリコンェピタキシャル層をイオンプレーティ
ングする際、イオン加速電圧の重畳させる低周波交流電
圧成分として、０．５日２５００Ｖｐ−ｐを用いた。そ
の結果、第３図の実線３３に示すような特性が得られた
。直流負電圧成分ＯＶにおいても太陽電池の効率は１．
６倍改善された。さらに直流負電圧を−１００Ｖ、一３
０肌と増加させることによって、太陽電池の効率は２．
１倍、２．７倍と向上し、約一６５０Ｖで最大３．２３
音まで改善され従釆と比較し著しく膜質が向上した。さ
らに一７００Ｖと増してもほとんど変化がなく大きな改
善率が得られた。したがって実施例１と同様にイオン加
速電圧の最適条件領域を広く選択することができ、かつ
、太陽電池の効率は大幅に改善された。従来法に比べ、
低周波交流電圧を重畳させた効果は著しい。これは、実
施例１、及び２において、基板６に飛来するシリコンイ
オン及びアルゴンイオンが、過剰に基板６を衝撃するこ
となく「イオンの運動エネルギーが交流成分で変調され
て加速減速が行なわれ、密着性を有する程度に軟着陸す
るごとく堆積するためである。シリコン基板にシリコン
薄膜をェピタキシャル成長させるためには、低周波交流
電圧成分の周波数は５０ＨＺに比べ０．５ＨＺが半サイ
クルごとのアニール効果を大きくするためには好ましい
ことが明らかとなった。他の基板を用いる場合や他の原
料をイオンプレーティングする場合は放電によって生成
されるイオンの易動度及び自由行程及び原料の蒸発量等
によって該電圧をイオンプレーティングする材料に合せ
て選択し、該周波数はイオンプレーティング膜に堆積中
作用させたいイオンが低周波交流の交番電界に追従でき
る１０皿Ｈｚ以下の周波数を選択することが必要である
。又、実施例として太陽電池を作成したが、他の半導体
デバイスにおいても、欠陥の少ない高品質な半導体薄膜
が必要なことは自明であり、本発明のイオンプレーティ
ング方法を用いれば、他の半導体デバイス用薄膜を作成
するためにも有利である。実施例 ３ 所定の処理が施されたガラス基板を用いた。

前述のごとき手順をもってシリコン薄膜をガラス基板面
上にイオンプレーティングした。ただし、形成条件とし
て基板温度３００ｏｏに保ち、１００％の４弗化桂素を
ガス導入管より導入し、薄膜形成室内の真空度を５×１
０‐汀ｏｒｒとした。基板温度が３００℃と極めて低温
であるため、堆積させたシリコン薄膜は結晶性を失い、
いわゆるアモルファスシリコン薄膜となる。又、放電を
起こさせる際の雰囲気ガスとして活性な４弗化桂素を用
いたため、該ガスの放電分解で生成した弗素と蒸発させ
たシリコンとが放電プラズマ中で一部反応する。ここで
イオン加速電圧の印加方法は低周波交流電圧のみとした
。本発明のイオンプレーティング装置ではイオン加速用
電源の第２図における功換スイッチ２５をＸに、２６を
Ｙに各々切換接続することで低周波交流電圧のみ供給す
ることができる。さて、アモルファスシリコン薄膜を形
成するための基板温度が低温であるため、安価なガラス
基板を用いることができる。しかし本発明が関するごと
きイオンを利用した薄膜形成では、ガラス基板は絶縁性
を示すので、堆積表面がイオンで帯電されてしまい、続
く薄膜形成を阻害する恐れがあり、イオン加速用電圧と
しては直流より交流が好ましい。ここでは１０００日２
の低周波交流電圧を用い印加電圧として７００Ｖｐ−ｐ
まで印加した。その結果得られたアモルファスシリコン
には弗素が混入していることが赤外吸収スペクトル測定
で判明した。該スペクトルの吸収量より混入量を算出し
た値は第４図破線４１に示す。第４図は機軸が印加電圧
を示し、縦軸がアモルファスシリコン中に混入した弗素
のアトミックパーセントを示す。３００Ｖｐ−ｐ、５０
０Ｖｐ−ｐと印加することにより２．５％、４％と増加
できることがわかった。

従来法のごとく、直流負電圧のみ印加した場合は負イオ
ンになっている弗素等を基板に積極的に集収することが
できず、その混入量は１％以下の極めて少ない混入量し
か得られなかった。このような欠点を低周波交流電圧を
印加することで、正負の両イオンを基板に入射させるこ
とで帯電を防ぎ、かつ正電位半周期で負帯電している発
素を積極的に入射させ、多量の弗素を含むアモルファス
シリコン薄膜を堆積することができることが確められた
。又、負電位の半周期で正イオンとなった弗素や、他の
イオンが基板に入射していることも確められた。実施例
４ 基板として、酸化インジウム錫膜が片面に設けられたガ
ラス板に公知な前処理を施したものを用いた。

該基板上に前述のごとき手順をもって、弗素を混入させ
たアモルファスシリコン薄膜を堆積させた。ただし、イ
オン加速電圧の印加方法は第２図における切換スイッチ
２５をＺ、２６をＸに各各切換接続し、直流正電圧に低
周波交流電圧を重畳させた。低周波交流電圧成分として
は、周波数６０ＨＺ、波高値２５０Ｙｐ−ｐを用いた。
その結果得られたアモルファスシリコン薄膜中の弗素の
混入量は第４図実線４２に示す値となった。基板に酸化
インジウム錫膜の導電性膜が設けられていること、及び
直流正電圧成分が印加されていることにより、膜中の弗
素の混入量を著しく向上させることができた。直流正電
圧成分を十３００Ｖ、十５００Ｖと重畳させることによ
り、１１％、１５％と増加させることができた。さらに
得られた膜の近赤外の吸収端を測定した結果、第５図に
示す特性が得られた。第５図において、横軸は光子エネ
ルギーｈ〃〔ｅｖ〕を示し、縦軸は吸収係数Ｑを用いた
（Ｑｈレ）１′２〔（ｅｖ′弧）ｉ′２〕を示す。第６
図の特性のカーブフイツテイングよりオプテイカルバン
ドギャップＥｏおよび膜質の良さを表わすＢ値が求めら
れる（Ｅ、Ａ、Ｄａｖｊｓ他Ｐｈｉｌ、Ｍａｇ、２２（
１９７０）ｐ．９０３）。本実施例より得られたアモル
ファスシリコン薄膜のオプテイカルバンドギヤツプはデ
ータにカーブフィツティングした実線５２よりＥｏら１
．８（ｅｖ）と求められる。従釆法のごとき直流負電圧
のみ印加して得られる膜は弗素含有量が少ないためか破
線５１よりＥｏら１．６（ｅｖ）であった。本発明によ
り得られる膜はより大きなオプティカルバンドギャップ
を持つ膜となり、かつ破線５１と実線５２を比較すると
明らかに傾きが異なり、従来法による膜より本発明によ
る膜のＢ値が大きく、膜中の局在準位密度等の欠陥の少
ない良質な腰が形成されることがわかった。ところで、
本発明のイオンプレーティング装置のイオン加速用電源
の切換スイッチ部２５，２６‘ま２個の１回路３接点の
スイッチでそれぞれ独立に構成されているが、２回路６
接点のスイッチを用いても同様に、ａ′，ｂ′端に対し
て×−Ｙ，Ｘ−Ｚ，Ｙ−Ｙ，Ｙ一Ｚ，Ｚ−Ｘ，Ｚ一Ｙ、
の組合せで直流電源、低周波高流電源の出力機と接続可
能であり、切換スイッチの操作より各々、低周波交流電
圧、低周波交流電圧が重畳した直流負電圧、零電圧（ア
ース電位）、直流負電圧、低周波交流電圧が蚤畳した直
流正電圧、及び直流正電圧が供給できる。以上実施例で
はシリコン原料を用いて本発明のイオンプレーティング
方法及び装置の利点を述べた。

他の半導体材料を用いて、他の半導体薄膜が形成される
場合、又は金属材料を用いて半導体デバイスの電極等を
形成する場合においても、本発明の方法の利点及び装置
の機能は十分に活され、半導体薄膜に与える欠陥を極め
て少なくすることができかつ良好なイオンプレーティン
グ薄膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するための、イオンプレーティン
グ装置の模式図である。 １は薄膜形成室、２は排気導管、３はガス導入管、４は
蒸発用材料、５は電子ビーム加熱源、６は基板、７は赤
外線ランプ、８はイオン化室、９は電子ビーム用電源、
１０はイオン化用ＲＦ電源、１１は基板加熱用電源、１
２はイオン加速用電源、１３は低周波交流電源部、１４
は直流電源部である。 第２図は本発明によるイオンプレーティング装置のイオ
ン加速用電源部を説明するための模式図である。 ２２はイオン加速用電源、２３は低周波交流電源部、２
４は直流電源部、２５，２６は切換スイッチであり、Ｘ
，Ｙ，Ｚは各電源の出力端に接続される切換スイッチ端
を示し、ａ′ｂ′はイオン加速用電圧を供給する端子で
ある。 第３図は太陽電池の効率向上を説明するための特性図で
ある。 機軸は負の直流イオン加速電圧であり、縦軸は太陽電池
の効率の改善率を示す。３１は従来の方法で作成した場
合の特性であり、３２，３３，３４は本発明の方法によ
り作成した場合の特性である。 第４図はイオンプレーティング膜中に混入させる元素量
の向上を説明するための特性図である。 機軸は交流もしくは直流のイオン加速電圧であり、縦軸
は混入した元素のアトミックパーセントを示す。４１は
従釆の方法で作成した場合の特性図であり、４２は本発
明の方法及び装置により作成した場合の特性である。 第５図は、イオンプレーティング膜の膜貿の良さを説明
するための近赤外吸収端近僕の特性図である。 横軸は光子エネルギーｈひを示し、縦軸は（Ｑｈ〃）１
′２を示す。５１は従来の方法で作成した場合の特性で
あり、５２は本発明の方法及び装置を用いて作成した場
合の特性である。 繁′図 第２図 第３図 第４図 繁Ｓ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオン加速用電界として、１００ＫＨｚ以下の周波
   数で実効値が１ＫＶ以下の低周波交流電圧、もしくは１
   ＫＶ以下の直流が重畳した前記低周波交流電圧を原料蒸
   着源と加熱される基板保持具との間に印加することを特
   徴とするイオンプレーテイング方法。 ２ 真空容器内に少なくとも原料蒸発源及びイオン化源
   及び基板保持具及び基板加熱源及びガス導入口及びガス
   排気口を有し、原料蒸発源と基板保持具との間にイオン
   化源が設けられ、真空容器外部に設けられた原料蒸発用
   電源及び基板加熱用電源及びイオン化電源にそれぞれ真
   空容器内の原料蒸発源及び基板加熱源及びイオン化源が
   接続され、真空容器内の基板保持具と原料蒸発源は真空
   容器外部に設けられたイオン加速用電源に接続されたイ
   オンプレーテイング装置において、該イオン加速用電源
   は１００ＫＨｚ以下の周波数で実効値が１ＫＶ以下の低
   周波交流の電源と、１ＫＶ以下の直流の電源とから成り
   、該交流電源と該直流電源とは直列に接続され、該交流
   電源の１端をＸとし、該交流電源と該直流電源との接続
   端をＹとし、該直流電源の１端をＺとして、、上記Ｘ，
   Ｙ，Ｚの内の２端と基板保持具と接続される出力端ａ′
   と蒸発源と接続される出力端ｂ′とが選択的に切り換え
   られて接続されることを特徴とするイオンプレーテイン
   グ装置。