KR950000310B1 - 플라즈마 cvd장치 - Google Patents

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미쓰비시주우고오교오 가부시기가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

플라즈마 CVD장치
제 1 도는 본 발명의 실시예에 있어서의 플라즈마 CVD장치의 구성을 도시한 횡단면도.
제 2 도는 상기 플라즈마 CVD장치에 사용되는 지그재그형상의 평면형코일전극의 평면도.
제 3 도는 제 2 도의 선 Ⅲ-Ⅲ을 따른 횡단면도.
제 4 도는 상기 플라즈마 CVD장치에 있어서의 전극과 기판의 배치를 도시한 선도.
제 5 도는 본 발명의 실시예에 있어서의 전극근방의 SiH발광강도분포를 도시한 설명도.
제 6 도는 지그재그형상의 평면형 코일전극의 인접하는 선재간의 거리와 비결정성 실리콘의 막두께분포와의 관계를 도시한 그래프.
제 7 도는 종래의 플라즈마 CVD장치의 구성을 도시한 횡단면도.
제 8 도는 종래의 플라즈마 CVD장치의 결점을 설명하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반응용기 5 : 코일
6 : 교류전원 7 : 반응가스도입관
8 : 배기관 9 : 진공펌프
10 : 기판 11 : 지그재그형상의 평면형코일전극
12 : 임피던스 정합회로 14 : 고주파전원
본 발명은 비결정성 실리콘태양전기, 박막반도체, 광센서, 그리고 반도체보호막등의 각종 전자장치에 사용되는 큰 면적의 박막의 제조에 적합한 플라즈마 CVD(화학적증착)장치에 관한 것이다.
큰 면적의 비결정성 실리콘박막을 제조하기 위하여 종래부터 사용되고 있던 플라즈마 CVD장치의 구성을 제 7 도를 참조해서 설명한다. 이 기술은, 예를 들면 일본국 특원소 61-106314호에 개시된 바와 같이 공지되어 있다.
반응용기(1)안에는 글로우방전플라즈마를 발생하기 위한 전극(2),(3)이 평행하게 배치되어 있다. 이들 전극(2),(3)에는, 저주파전원(4)으로부터 예를들면 60Hz의 상용주파수의 전력이 공급된다. 또, 전원으로서는, 직류전원이나 고주파전원을 이용할 수도 있다. 반응용기(1)의 주위에는, 코일(5)이 감겨 있으며, 교류전원(6)으로부터 교류전력이 공급된다. 반응용기(1)안에는, 실린더(도시안함)로부터 반응가스도입관(7)을 통해서 예를 들면 모노실란(monosilane)과 아르곤의 혼합가스가 공급된다.
반응용기(1)안의 가스는 배기관(8)을 통해서 진공펌프(9)에 의해 배기된다. 기판(10)은, 전극(2), (3)에 의해 형성된 방전공간의 바깥쪽에 위치되어 전극(2),(3)의 면과 직교하도록 적당한 수단에 의해 지지된다.
이 장치를 이용하여, 이하와 같이해서 박막을 제조할 수 있다. 진공펌프(9)를 구동해서 반응용기(1)로부터 가스를 제거한다. 반응가스도입관(7)을 통해서, 예를 들면 모노실란과 아르곤의 가스혼합물을 공급한다. 반응용기(1)내부의 압력을 0.05∼0.5Torr로 유지하고, 저주파전원(4)으로부터 전극(2), (3)에 전압을 인가하면, 글로우방전플라즈마(Glow discharge plasma)가 발생된다. 코일(5)에, 예를 들면 100Hz의 교류전압을 인가하여 전극(2),(3)사이에 발생된 전계(electric field)(E)와 직교하는 방향에 자계(B)를 발생시킨다. 이 자계(magnetic field)에 있어서의 1자속밀도는 약 10가우스정도로 된다.
반응가스도입관(7)으로부터 공급된 가스중 모노실란가스는 전극(2),(3)간에 발생된 글로우방전플라즈마에 의해서 분해된다. 이 결과, Si라디칼(radicals)이 발생하여, 기판(10)의 표면에 부착해서 박막을 형성한다.
아르곤 이온등의 하전입자는, 쿨롱힘(Coulombic force) F1=q·E과 로오렌쯔힘(Lorentz force) F2=q(V·B)(여기에서 V는 하전입자의 속도) 때문에 소위 E·B드리프트운동(drift motion)을 일으킨다. 하전입자(charged particles)는 이 E·B드리프트에 의해 초기속도를 부여받아, 기판(10)을 향해 전극(2),(3)과 직교하는 방향으로 날아간다. 그러나, 전극(2), (3)사이에 생긴 전계의 영향이 적은 방전공간에서는, 코일(5)에 의해 생긴 자계(B)에 의한 사이클로트론운동(cyclotron motion) 때문에 라아머어(Larmor)궤도를 따라 하전입자가 날아다닌다. 따라서, 아르곤이온등의 하전입자가 기판(10)을 직접 때리는 경우는 드물다.
전기적으로 중성인 Si라디칼은, 자계(B)의 영향을 받지 않고, 상기 하전입자의 상기 궤도로부터 방향을 돌려 기판(10)에 이르러 그의 표면에 비결정성 박막을 형성한다. Si라디칼은 라아머어궤도를 따라 날아가는 하전입자와 충돌하기 때문에, 전극(2),(3)의 앞쪽뿐만 아니라 그의 좌우쪽에 비결정성 박막이 형성된다. 또한, 자계(B)를 교류전원(6)에 의해 변동시키고 있기 때문에, 기판(10)의 표면에 비결정성 박막을 균일하게 형성할 수 있다. 또, 전극(2), (3)은 반응용기(1)의 내부에 끼워 넣을 수 있는 한 그 길이를 길게 해도 되므로, 기판(10)이 길게 되어 있어도, 그의 표면에 균일하게 비결정성 박막을 형성하는 것이 가능하다.
상기 설명한 종래의 장치에서는, 글로우방전플라즈마를 발생시키는 전극간의 방전전계(E)와 직교하는 방향에 자계(B)를 발생시키는 것에 의해 큰 면적상에 막을 용이하게 형성할 수 있다. 그러나, 이 장치는 다음과 같은 문제가 있다.
(1) 큰 면적의 막을 형성하는 경우, 전극은 긴 것을 이용할 필요가 있다. 긴 전극을 이용해서 안정한 플라즈마를 발생시키기 위해서는, 그 전원의 주파수는 가능한 한 낮아야만 한다. 따라서, 수 10Hz∼수 100Hz의 주파수를 가지는 전원이 사용되고 있다. 그러나, 주파수가 낮게 되어, 절반주기동안의 이온이동거리가 전극간격을 초과하는 바와 같은 조건하에서는, 직류방전의 경우와 마찬가지로, 플라즈마를 유지하므로 이온간의 충돌에 의해서 음극으로부터 방출된 2차전자가 본질적인 역할을 담당하게 된다.
그 때문에, 전극에 막이 형성되고 이 막에 의해 전극이 절연되면, 이 절연된 부분에서는 방전이 일어나지 않게 된다. 이 경우, 전극표면을 항상 깨끗하게 유지할 필요가 있다. 따라서, 전극을 자주 교환하고 청소하는 등의 번잡한 작업이 필요하게 되어, 비용이 보다 높아지는 원인의 하나로 되고 있다.
(2) 상기 (1)의 결점을 경감하기 위해서, 예를들면 13.56MHz의 고주파플라즈마원을 사용하면, 방전유지에 있어서 전극으로부터 방출된 2차전자는 본질적인 것으로 되지 않게 된다. 또한, 전극상에 막등의 약간의 절연물이 존재하여도, 전극간에는 글로우방전이 형성된다. 그러나, 긴 길이의 전극을 사용하는 경우에는, 고주파에 의한 표피효과에 의해 전류의 대부분이 표면(약 0.01mm)속을 흐르기 때문에, 전기저항이 증가한다. 예를들면, 전극의 길이가 약 1m이상이면, 전극상에 약간의 전위분포가 나타나서 균일한 플라즈마가 발생되지 않는다. 이것을 분포상수회로에서 고려해보면, 제 8 도에 도시한 바와 같이 될 수 있다. 제 8 도에 있어서, (X)는 전극의 길이방향의 거리를 나타낸다. 전극의 단위길이당의 저항(R)이 방전부분의 임피이던스(Z1),(Z2),…(Zn)에 비해서 무시할 수 없을 정도로 커지면, 전극내에 전위분포가 나타난다. 따라서, 고주파전원을 사용하는 경우에는, 큰 면적의 막을 형성하는 것이 매우 곤란하여, 실질적으로 적용이 불가능하였다.
(3) 상기 (1),(2)의 방법에서는, 50㎝×50㎝이상의 비결정성 실리콘박막을 제조할 때, 막두께 분포를 ±10%이하로 유지하고 막형속도를 1Å/sec이상으로 유지하는 것은 매우 곤란하였다.
반응용기와, 이 반응용기안에 반응가스를 도입하고 이 반응용기로부터 반응가스를 배출하는 수단과, 상기 반응용기안에 배치된 방전용 전극과, 이 방전용 전극에 글로우방전용 전력을 공급하는 전원을 구비하여, 반응용기내에 설치된 기판의 표면상에 비결정성 박막을 형성하는 플라즈마 CVD장치에 있어서, 본 발명의 플라즈마 CVD장치는 상기 방전용 전극을 1개의 선재를 U자형상으로 교호로 구부려서 만들어진 평면형 코일전극으로 형성하고, 상기 기판을 상기 방전용 전극과 대략 평행하게 지지한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 방전용 전극에 글로우방전용 전력을 공급하는 전원으로서는, 예를 들면 13.56MHz의 고주파전원을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 지그재그형상의 평면형 코일전극의 인접하는 선재간의 거리를 50mm이하로 하는 것이 바람직하다. 이 거리가 50mm를 초과하면, 기판표면상에 형성된 비결정성 실리콘의 막두께 분포가 30%이상으로 되어 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서는, 전원과 지그재그형상의 평면형 코일전극과의 사이에, 코일과 콘덴서로 이루어진 임피던스 정합회로를 설치하고, 전극에 플라즈마를 발생하기 위한 전력을 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 방전용 전극의 주위를 둘러싸고, 전극소자간에 발생한 전계(E)와 직교하는 방향에 자계(B)를 발생시키는 코일과, 이 코일에 자계를 발생하기 위한 전류를 공급하는 전원을 설치하여 자계에 의해 플라즈마를 요동시키는 것이 바람직하다. 그러나, 반드시 자계에 의해 플라즈마를 요동시킬 필요는 없다.
본 발명에 있어서는, 종래의 복수개의 평행한 평판형 전극대신에, 1개의 선재를 U자형상으로 교호로 구부려서 형성되는 지그재그형상의 평면형 코일전극을 반응용기내에 설치하므로서, 전극둘레의 전계가 보다 강하게 되며, 이 전계의 강도분포가 평탄하게 된다. 예를들면, 반응가스로서 SiH4가스를 사용한 경우 SiH발광강도(파장414mm에서의 발광)는 균일하게 된다. 따라서, 기판표면에 형성된 비결정성 실리콘막은 거의 균일한 막두께를 가지며, 또한 고속으로 막형성을 할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 플라즈마 CVD장치는, 큰 면적의 비결정성 박막제조에 적합하다. 본 발명에 있어서의 지그재그형상의 평면형 코일전극은 일종의 안테나이므로, 그의 길이()는 전원주파수의 파장(λ)에 대응해서 다음의 관계를 만족해야만 한다. 즉,
〈λ/4
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조해서 설명한다.
제 1 도는 본 발명의 플라즈마 CVD장치의 실시예의 구성을 도시한 횡단면도이며, 제 7 도에서와 동일한 부재에는 동일한 번호를 부가하였다. 반응용기(1)안에는, 글로우방전플라즈마를 발생시키기 위한 지그재그형상의 평면형 코일전극(11)이 배치되어 있다. 이 지그재그형상의 평면형 코일전극(11)은, 제 2 도 및 제 3 도에 도시한 바와 같이, 1개의 선재를 U자형상으로 교호로 구부려서 얻어지는 구조를 가지고 있다. 지그재그형상의 평면형 코일전극(11)의 전력공급점(11a),(11b)에는, 예를들면, 13.56MHz의 주파수의 전력이 임피던스 정합회로(12)를 개재해서 공급된다. 반응용기(1)의 주위에는, 코일(5)이 설치되어 있으며, 이 코일에는 교류전원(6)으로부터 전력이 공급된다. 또, 이 전원은 DC전원이어도 된다. 본 실시예에서는, 코일(5)에 의해 50∼120가우스의 자계가 발생된다. 반응용기(1)내에는, 실린더(도시안함)로부터 반응가스도입관(7)을 통해서, 예를들면, 모노실란과 아르곤의 혼합가스가 공급된다. 반응용기(1)내에 존재하는 가스는 배기관(8)을 통해서 진공펌프(9)에 의해 배기된다. 기판(10)은, 지그재그형상의 평면형 코일전극(11)과 평행하게 설치되어, 도시하지 않은 기판지지체에 의해 지지된다.
이 장치를 사용하여, 이하와 같은 순서에 따라 박막을 제조한다. 진공펌프(9)를 구동해서 반응용기(1) 내의 가스를 배출한다. 반응가스도입관(7)을 통해서 예를들면 모노실란과 아르곤의 혼합가스를 100∼200㎤/min의 비율로 공급한다. 반응용기(1)내의 압력을 0.05∼0.5Torr로 유지하고, 고주파전원(14)으로부터 임피이던스 정합회로(12)를 개재해서 지그재그형상의 평면형 코일전극(11)에 전압을 인가하면, 전극(11)의 주위에 글로우방전플라즈마가 발생한다. 이 발광상태를 단지 약 414nm의 파장을 가진 빛을 통과시키는 광필터를 개재해서 관측하면, 제 5 도와 같은 결과가 얻어진다. 전극(11)과 기판(10)사이에서 거의 일정한 발광강도를 나타낸다. 이것으로부터, 기판(10)의 표면에 부착한 비결정성 실리콘박막은, 그의 막두께 분포가 균일한 것으로 추측된다.
비결정성 실리콘박막의 막두께 분포는, 반응가스의 흐름율, 압력, SiH4의 농도, 전력 뿐만 아니라, 지그재그형상의 평면형 코일전극(11)의 인접하는 선재간의 거리에도 의존한다. 막형성에 대한 실험은 다음과 같은 조건하에서 수행하였다. 즉, 기판재료 : 유리, 기판면적 : 50㎝×50㎝, 반응가스의 종류 : 수소희석 20% SiH4, 반응가스흐름율 : 100㎤/min, 반응용기압력 : 0.3Torr, 고주파전력 : 150W
지그재그형상의 평면형 코일전극(11)의 인접하는 선재간의 거리는 5mm∼45mm의 범위에 설정하였다. 그래서, 막의 평균두께가 5000Å인 박막을 형성하였다. 인접하는 선재간의 거리와 막두께 분포와의 관계가 제 6 도에 도시되어 있다.
제 6 도에 도시된 바와 같이, 자계를 인가하지 않은 경우에는, 선재간의 거리가 30mm이하이면 막두께 분포가 ±20%이하이었다. 반면, (10Hz주파수의 정현파에 의한)±80가우스의 교번자계를 인가한 경우에는, 자계를 인가하지 않은 경우보다 막두께 분포가 양호하였다.
본 실시예에서는, 방전용 전극으로서 지그재그형상의 평면형 코일전극(11)을 사용하고, 플라즈마 발생용 전원으로서 13.56MHz의 고주파전원을 이용하고, 또, 전계와 직교하는 방향에 자계를 인가하므로서, 3∼5Å/sec의 고속으로 큰 면적의 비결정성 실리콘박막을 제조하는 것이 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 방전용 전극으로서 지그재그형상의 평면형 코일전극을 사용하므로서, 전극근방의 전계강도가 보다 강하게 되고, 보다 균일하게 되므로, 고속으로 큰 면적의 비결정성 실리콘박막을 제조하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명은, 예를 들면, 비결정성 실리콘태양전지, 박막반도체, 광센서 그리고 반도체보호막등의 제조분야에서 공업적으로 유용하며 그 가치가 크다.

Claims (2)

  1. 반응용기와, 이 반응용기안에 반응가스를 도입하고 이 반응용기로부터 반응가스를 배출하는 수단과, 상기 반응용기안에 배치된 방전용 전극과, 그리고 이 방전용 전극에 글로우방전용 전력을 공급하는 전원으로 구성되어, 반응용기안에 설치된 기판의 표면에 비결정성 박막을 형성하는 플라즈마 CVD장치에 있어서, 상기 방전용 전극을 1개의 선재를 U자형상으로 교호로 구부려서 만들어진 평면형 코일전극으로 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 CVD장치.
  2. 반응용기와, 이 반응용기안에 반응가스를 도입하고 이 반응용기로부터 반응가스를 배출하는 수단과, 상기 반응용기안에 배치된 방전용 전극과, 그리고 이 방전용 전극에 글로우방전용 전력을 공급하는 전원으로 구성되어, 반용용기안에 설치된 기판의 표면에 비결정성 박막을 형성하는 플라즈마 CVD장치에 있어서, 상기 방전용 전극을 1개의 선재를 U자형상으로 교호로 구부려서 만들어진 평면형 코일전극으로 형성하고, 상기 기판을 상기 방전용 전극과 평행하게 지지한 것을 특징으로 하는 플라즈마 CVD장치.
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