WO2001088221A1 - Appareil de depot chimique en phase vapeur (cvd) au plasma et procede associe - Google Patents

Appareil de depot chimique en phase vapeur (cvd) au plasma et procede associe Download PDF

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inductively
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PCT/JP2001/004113
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Tomoko Takagi
Masashi Ueda
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Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a plasma CVD apparatus and method, and more particularly to a plasma CVD apparatus and method using an inductively coupled electrode to form a thin film having excellent film thickness uniformity.
  • a parallel plate (capacitively coupled) plasma CVD device has been put into practical use.
  • a parallel plate type plasma CVD device only one surface facing one electrode plate can be formed. Therefore, when it is desired to perform simultaneous film formation on two surfaces in the same film formation chamber, it is at best to install two high-frequency electrodes in the film formation chamber, form two discharge regions, and perform film formation on both surfaces.
  • the uniformity of the thickness of the formed thin film is significantly reduced, and there is a problem that a solar cell having desired characteristics cannot be obtained.
  • the electrode becomes large, a standing wave is generated on its surface, which may cause a distribution of plasma. This is even more pronounced when using higher frequencies, such as the VHF band. For this reason, in the case of a high frequency of, for example, 8 OMHz, the size of the substrate is said to be 0.3 mx 0.3 m (U. Krol l et al., Mat. Res. Soc. Syrap Proc. Vol 557 (1999) pl21-126).
  • the plasma maintenance mechanism is completely different from that of the capacitive coupling type, and the high frequency of the VHF band, which is advantageous for the high-speed deposition of high quality films, does not cause the problem of the distance accuracy between electrodes unique to the above capacitive coupling type.
  • An inductively coupled plasma CVD method that can generate a high plasma density has been proposed. More specifically, a ladder-shaped electrode (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-236781) and an electrode obtained by bending a conductive wire in a zigzag pattern (Patent No. 2784544) are examples. An inductively coupled electrode type plasma CVD apparatus using such electrodes has been proposed.
  • the present inventors examined various inductively coupled electrodes including the electrode having the above structure, and found that, for example, an inductively coupled electrode bent in a ladder shape or in a zigzag shape corresponds to an increase in the size of the substrate. If the current density is too large, the current path will not be uniform, and standing waves will be generated partially in unexpected places, making it difficult to make the plasma density uniform. It has been found that it is difficult to cope with a large area substrate by the method.
  • This electrode has, for example, a structure in which a feeding part is provided at one end of a U-shaped electrode and the other end is grounded, and the distance between the grounding part and the feeding part and the folded part is one-two of the high-frequency excitation wavelength, and The standing wave is set up at the specified position (Japanese Patent No. 11 _ 25 55 219).
  • a film thickness distribution is obtained along the longitudinal direction of the electrode, which gradually decreases from the power supply side, then increases, and then decreases again at the maximum. .
  • This distribution is thought to be the result of the high frequency power attenuation and the effect of the standing wave acting synergistically, but since this film thickness distribution is reproducible, the desired film thickness uniformity can be obtained.
  • a substrate of the same size as this region is arranged to form a thin film having a uniform thickness.
  • this film forming method utilizes a uniform density region of plasma generated around the electrode, the electrode is naturally longer than the substrate size, and the apparatus itself is correspondingly larger.
  • an electrode capable of forming uniform plasma over a wider area in the longitudinal direction of the electrode is required. Polar structures and equipment are required.
  • an object of the present invention is to provide a plasma CVD apparatus and method capable of forming a high-quality thin film having excellent film thickness uniformity on a larger substrate.
  • an object of the present invention is to provide an electrode structure and a power supply method capable of expanding a plasma uniform region in the longitudinal direction of the electrode, thereby providing a thin film having excellent film thickness uniformity on a larger substrate with the same apparatus dimensions.
  • An object of the present invention is to realize a formable plasma CVD apparatus and method. It is another object of the present invention to provide a plasma CVD apparatus and a method capable of forming such a thin film with a high throughput. Furthermore, it is another object of the present invention to provide a plasma CVD apparatus and method with high productivity by suppressing the film adhering to the inner wall of the apparatus and extending the tallying cycle. Disclosure of the invention
  • the present inventor studied various methods for supplying high-frequency power, electrode structure, film forming conditions, etc. in order to expand the uniform region of plasma density.
  • the discharge area expands and contracts, and that the plasma density near the power supply changes relatively.
  • the density of the plasma it was found that when plasma was generated using electrodes having partially different electrode diameters, there was a tendency for the density of the plasma to vary depending on the size of the electrode diameter.
  • the U-shaped electrode was coated with a dielectric, the thickness distribution of the formed thin film showed a peculiar change depending on the coating method.
  • the present invention has been completed based on such findings by further studying plasma uniformization and film thickness uniformity.
  • the plasma CVD apparatus of the present invention is a plasma CVD apparatus in which an inductively-coupled electrode having a linear shape or a shape folded at the center is disposed in a reaction vessel, and high-frequency power is applied to both ends of the inductively-coupled electrode.
  • a high-frequency power is supplied so that a standing wave having a half wavelength or a natural number multiple of a half wavelength stands between the ground portion and the folded portion, and at least a portion from the power supply portion to the ground portion of the inductive coupling electrode is provided. It is characterized in that part of the electrode diameter is less than 1 Omm.
  • the electrode diameter is not particularly limited as long as it is 10 mm or less, but is preferably 1 mm to 10 mm from the viewpoint of easy handling and mounting. Further, the electrode diameter may be changed.
  • ⁇ is in a vacuum determined by the excitation frequency f and the radio wave propagation velocity c in a vacuum. And strictly different. According to the study of the present inventors, ⁇ is a first approximation. However, it is also affected by the dielectric material surrounding the electrodes, the permittivity of the plasma, and the geometric structure.
  • the plasma CVD apparatus of the present invention is a plasma CVD apparatus in which an inductively-coupled electrode having a linear shape or a shape folded at the center is disposed in a reaction vessel, and high-frequency power is applied to both ends of the inductively-coupled electrode.
  • a half-wave or a natural number multiple of a standing wave is generated between the feeding part and the grounding part, or between the feeding part and the grounding part and the folded part.
  • the high frequency power is supplied as described above, and the diameter of the inductive coupling type electrode is changed.
  • the plasma CVD apparatus of the present invention is a plasma CVD apparatus in which an inductively coupled electrode having a linear shape or a folded shape at the center is disposed in a reaction vessel, and a high-frequency wave is applied to both ends of the inductively coupled electrode.
  • a power supply unit and a ground unit are provided so that a standing wave having a half wavelength or a natural number multiple of a half wavelength stands between the power supply unit and the ground unit or between the power supply unit and the grounding unit and the turnback unit.
  • a high-frequency power is supplied, and a part or the entire surface of the inductive coupling electrode is coated with a dielectric.
  • the plasma density distribution in the longitudinal direction of the electrode can be made more uniform. That is, the same effect as in the case of changing the electrode diameter can be obtained, and a thin film having a uniform thickness can be formed on a larger substrate with the same apparatus dimensions. That is, miniaturization of the device is achieved.
  • the thickness of the dielectric is changed in the longitudinal direction of the electrode.
  • the electrode part near the power supply part is covered with a thick dielectric, and the thickness is gradually reduced, or the film thickness increases near the center of the electrode.
  • the vicinity of the center is covered with a thick dielectric, the end is tapered, and the thickness of the dielectric is reduced toward the end of the dielectric.
  • the electrode may be covered in a spiral shape along the longitudinal direction of the electrode.
  • the plasma CVD apparatus of the present invention is characterized in that a plurality of the inductively coupled electrodes are arranged in parallel on the same plane. By arranging a plurality of electrodes in the width direction of the substrate, it is possible to form a uniform thin film on a substrate of any width with a simple configuration.
  • the power supply sections of the plurality of inductively coupled electrodes are configured to always maintain the same high-frequency phase relationship. This is because if the phase of each electrode is not controlled, a non-uniform distribution with high reproducibility is likely to occur in the substrate width direction.
  • the plasma CVD device of the present invention is characterized in that the inductively coupled electrodes are arranged in a plurality of layers, and substrates are arranged on both sides of each layer.
  • the inductively coupled electrode unlike the case of the capacitively coupled electrode, a so-called multi-region film forming method can be adopted without causing an increase in the size of the apparatus and deterioration in maintainability. It is possible to construct a device on which a film can be simultaneously formed. As a result, the throughput is greatly improved, which greatly contributes to, for example, cost reduction of solar cells.
  • the plasma CVD apparatus of the present invention is a plasma CVD apparatus in which a plurality of inductively coupled electrodes having a linear shape or a shape folded at the center are arranged in parallel in a reaction vessel. It at each end A power supply unit and a grounding unit for high-frequency power are provided, respectively, and a standing wave of a half wavelength or a natural number multiple thereof is provided between the power supply unit and the grounding unit or between the power supply unit and the grounding unit and the turnback unit.
  • the high-frequency power is supplied so as to stand up, and the phases of the high-frequency power supplied to the power supply sections of the adjacent electrodes are opposite to each other.
  • the method of setting the opposite phase is effective even when the electrode is not covered with the dielectric, and suppresses the phenomenon that a thick region is formed near the center of the electrode.
  • an inductively coupled electrode having a linear shape or a folded shape at the center is arranged in a reaction vessel, and a high-frequency power feeder is provided at each end of the inductively coupled electrode.
  • a grounding part, and at least a part of the electrode diameter from the power supply part to the grounding part of the inductive coupling type electrode is set to 1 Omm or less, or the electrode diameter of the inductive coupling type electrode is changed.
  • the high-frequency power is supplied between the power supply part and the grounding part or between the power supply part and the grounding part and the folded part so that a standing wave having a half wavelength or a natural number multiple thereof is formed, and is introduced into the reaction vessel.
  • the method is characterized in that plasma of the reactive gas is generated, and a thin film containing at least one of the constituent elements of the reactive gas is formed.
  • an inductively-coupled electrode having a linear shape or a shape folded at the center and having a part or the entire surface thereof covered with a dielectric is disposed in a reaction vessel.
  • a high-frequency power supply unit and a ground unit are provided at both ends of the inductive coupling type electrode, respectively, and a half-wavelength or a half-wave or between the power supply unit and the ground unit and the folded unit is provided between the power supply unit and the ground unit.
  • a high-frequency power is supplied so that a standing wave having a natural number multiple times that of natural gas is generated to generate a plasma of the reactive gas introduced into the reaction vessel, and a thin film containing at least one of the constituent elements of the reactive gas is generated. Is formed.
  • a linear or A plurality of inductively coupled electrodes having a shape folded at the center are arranged in parallel, a power supply section for high-frequency power and a grounding section are provided at both ends of each of the plurality of inductively coupled electrodes, and a power supply section for adjacent electrodes is provided.
  • the phases of the high-frequency power supplied to the power supply unit are opposite to each other, and a standing wave having a half wavelength or a natural number multiple of a half wavelength is provided between the power supply unit and the ground unit or between the power supply unit and the ground unit and the turnback unit. It is characterized in that high-frequency power is supplied to generate plasma of the reactive gas introduced into the reaction vessel, and a thin film containing at least one of the constituent elements of the reactive gas is formed.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of the electrode shape of the inductively coupled electrode.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a dielectric covering shape.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a third embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic side sectional view showing a fourth embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the film thickness distribution of Example 1.
  • FIG. 8 is a graph showing the film thickness distribution of Example 2.
  • 1 is a film forming chamber
  • 2 is an inductively coupled electrode
  • 3 is a dielectric
  • 4 is a folded part
  • 5 is a gas inlet
  • 6 is an exhaust port
  • 7 is a high frequency power supply
  • 8 is a coaxial cable
  • 9 Denotes a high-frequency power supply unit
  • 10 denotes a grounding unit
  • 11 denotes a substrate
  • 12 denotes a substrate holder.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • an inductively-coupled electrode 2 having an outer diameter of 1 Omm or less and bent in a U-shape is disposed in a film forming chamber 1 having a gas inlet 5 and an exhaust port 6,
  • a high-frequency power supply section 9 at one end is connected to a high-frequency power supply 7 via a coaxial cable 8
  • a grounding section 10 at the other end is connected to a wall of a film forming chamber and grounded.
  • the length between the feeding section 9 and the grounding section 10 and the folded section 4 is determined to be approximately 1/2 of a high frequency excitation wavelength or a natural number multiple thereof. As a result, a stable discharge can be generated and maintained.
  • the folded portion refers to a semicircular portion having a curvature.
  • the inductively-coupled electrode of this embodiment is a U-shaped rod (wire) or tubular conductor made of SUS, Al, Cu or the like having an outer diameter of 10 mm or less.
  • a rectangular shape such as “U-shaped” may be used.
  • the entire electrode does not need to be a conductor, for example, an insulator covered with a conductor.
  • the electrode having the shape folded at the center of the present invention does not need to be, for example, one formed by bending a single bar, and for example, two linear electrodes are formed of a metal plate or the like.
  • the folded portion refers to a straight portion between them.
  • the electrode of the present embodiment may have a thickness larger than 10 mm if at least a part of the electrode from the power supply part to the folded part has a diameter of 10 mm or less. . Therefore, the same diameter Alternatively, the diameter may be changed in the longitudinal direction. For example, the diameter may be gradually increased from the power supply portion.
  • the lower limit of the electrode diameter is not particularly limited, and any fine wire may be used as long as the electrode can stably discharge without disconnection in relation to input power, etc. From, electrode diameter 1 mn! ⁇ ⁇ ⁇ 10 mm is preferably used.
  • the discharge area can be expanded toward the tip (returned part) with less input power. As a result, a wider film formation region is formed, and film formation on a large substrate becomes possible.
  • the plasma density in the vicinity of the power supply section is relatively reduced. That is, since the plasma density ratio in the vicinity of the power supply unit to the film formation region is reduced, energy is efficiently used for film formation, and the amount of film adhering to the inner wall of the device in the vicinity of the power supply unit is suppressed. Further, since the number of film formations until the film thickness adhering to the inner wall becomes a film thickness to be peeled increases, the maintenance cycle is extended, and the overall productivity can be improved.
  • a predetermined flow rate of a reactive gas is introduced into the film forming chamber 1 from the gas inlet 5, and a main valve (not shown) provided at the exhaust port 6 is adjusted to a predetermined pressure, and then the high frequency is set.
  • High frequency power is supplied from the power supply 7 to the power supply unit 9.
  • the frequency of the high frequency is adjusted so that the standing wave rises, plasma occurs along the electrode 2.
  • the plasma extends from the power supply side and the ground side along the electrode 2 toward the tip end (return portion) of the electrode, and the reactive gas is decomposed and activated by the plasma, and is disposed at a position facing the electrode 2.
  • a thin film having excellent thickness uniformity is deposited on the substrate 11.
  • the electrode diameter on the power supply side should be 1 O mm or less.
  • the discharge extends to the electrode tip with less power.
  • a thinner electrode can obtain a higher film forming rate.
  • the plasma density near the power supply is low, the amount of film adhering to the inner wall is reduced.
  • the inductively coupled electrode of the present embodiment is not limited to this, and the electrode diameter is not limited to 10 mm or more. Any shape that changes in the longitudinal direction of the electrode can be used. That is, if an electrode having the same diameter and a shape turned back at the center is used, the plasma will be partially shaded, but by changing the electrode diameter in accordance with this shaded distribution, the plasma shade ratio will be reduced. The uniformity of the film thickness can be improved.
  • the electrode diameter and providing a portion of 10 mm or less the effect of expanding the discharge region and the effect of uniformizing the plasma can be obtained, and a thin film having a uniform thickness can be obtained on a larger substrate. Formation is possible.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view showing a second embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • the configuration of the device is the same as that of FIG. 1 except for the inductive coupling type electrode.
  • the surface of the inductive coupling type electrode 2 is covered with a dielectric 3 such as Teflon.
  • the dielectric may be formed so as to cover the entire surface of the electrode, or may be formed so as to cover only a part of the electrode surface.
  • the film thickness uniformity can be improved, and the dielectric formation position and the shape thereof are determined according to the plasma density distribution (or film thickness distribution) pattern. For example, if the entire surface of the electrode is covered with a dielectric, the maximum of the film thickness distribution, which is thought to appear due to the synergistic effect of the attenuation effect due to the propagation of high-frequency power and the effect of the standing wave, decreases. The range of film formation for obtaining a predetermined film thickness is expanded. You. Further, by changing the thickness of the dielectric in the longitudinal direction of the electrode, the uniformity of the thickness of the obtained thin film can be further improved.
  • the dielectric may be formed not on the entire electrode surface, but only on the linear portion on the side of the power supply section, for example, as shown in FIG. 4 (a).
  • the dielectric may be formed not on the entire electrode surface, but only on the linear portion on the side of the power supply section, for example, as shown in FIG. 4 (a).
  • the plasma density may increase at the end of the dielectric, and a peak of the film thickness distribution may appear at a corresponding position on the substrate.
  • the cross section at the end of the dielectric should be tapered, and the thickness of the dielectric should be gradually reduced toward the end of the dielectric. Is preferred.
  • the dielectric may be spirally coated along the longitudinal direction of the electrode, and the plasma density at the end of the dielectric may be averaged, and the film thickness distribution may be similarly reduced. It will be improved.
  • the thickness of the dielectric is appropriately selected according to the degree of plasma density distribution (film thickness distribution) depending on the dielectric constant (material).
  • the thickness is preferably about 0.1 mm or more.
  • the dielectric may be any material such as an organic material such as Teflon or an inorganic material such as alumina or quartz as long as it is stable against plasma and heat. Materials are not preferred.
  • the inductive coupling type electrode not only the folded electrode shown in FIG. 1 but also a linear electrode can be used.
  • one end is attached to the opposite wall of the film forming chamber with the supply section as one end and the other end as the ground section.
  • the inductively-coupled electrode has the following features: 1) at least a part of the electrode diameter from the power supply portion to the ground portion is 10 mm or less; 3) By changing the electrode diameter, 3) By coating with a dielectric, and by combining them, it becomes possible to form a thin film with excellent film thickness uniformity on a larger substrate.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • the PCVD apparatus shown in FIGS. 1 and 3 has a configuration in which one inductively-coupled electrode is arranged in the film forming chamber. However, when the width of the substrate is large, as shown in FIG. May be arranged in parallel to the width of the substrate so that high-frequency power can be supplied to each electrode.
  • reference numeral 12 denotes a substrate holder.
  • the high-frequency phase is controlled in the power supply section of each electrode. If the phase of each electrode is not controlled, a non-uniform film thickness distribution with no reproducibility in the substrate width direction is likely to occur. Further, it is more preferable to supply the high-frequency power so that the adjacent electrodes have opposite phases (that is, the phases are shifted by 180 °). By reversing the phase of the high frequency between adjacent electrodes, a thin film having uniform characteristics and uniform characteristics can be formed over the entire substrate.
  • the above is not limited to an electrode having a folded shape such as a U-shape, and the same applies to the case where a linear rod-shaped electrode is used.
  • the length of the power supply portion and the length of the folded portion are set every other electrode (in the case of a linear electrode, the power supply portion is connected to the ground. (Length of the part) is extended by half the wavelength of high frequency
  • the unit may be provided outside the film forming chamber, or a coaxial cable equivalent to a length corresponding to a half wavelength may be added to the power supply unit.
  • a phase shifter may be provided in the high frequency power supply to supply every other high frequency shifted by half a wavelength.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of the plasma CVD apparatus of the present invention.
  • the electrode rows arranged in the substrate width shown in FIG. 5 are arranged in a plurality of layers at a predetermined interval, and the substrates are arranged on both sides of each electrode layer.
  • thin films can be simultaneously formed on a large number of substrates (six in the example in the figure), and the throughput can be greatly increased.
  • the distance between the electrode and the substrate can be as short as about 30 to 60 mm, it is possible to realize a thin film forming apparatus having an excellent throughput ratio to the installation area of the apparatus.
  • a high-frequency power supply in the VHF band of 30 to 300 MHz is preferably used.
  • various outer diameter rods are processed and arranged in a U-shape or a U-shape, and plasma is generated under various conditions to form a thin film, and the generated plasma is generated. The condition was visually observed.
  • a SUS or Cu rod or tube having an outer diameter of 1, 4, 6, or 10 mm is folded back so that the center-to-center distance becomes 30 mm, and a U-shape having a length of 1570 mm is obtained.
  • U-shape, and as shown in Fig. 4 (a) was coated with a Teflon tube.
  • the six electrodes were mounted on the same plane as shown in Fig. 5 with the center-to-center distance between adjacent rods set to 30 mm, and the distance between the electrode surface and the substrate surface was set to 40 mm, and the substrate 11 (1200 mm x 500 mm).
  • the power supply section of the electrode was connected to a terminal of the feedthrough inside the film formation chamber, and the grounding section was connected to the wall of the film formation chamber.
  • the S i H 4 gas introduced 2 0 0 sccm inside the film forming chamber 1 was set to 1 P a, supplies antiphase frequency alternately adjust the frequency so as to establishing a standing wave Then, a plasma was generated, and an a-Si thin film was formed on the substrate 11.
  • Electrodes with an outer diameter of 1 mm use C ul and set the thickness of Teflon to 2 mm.
  • electrodes with an outer diameter of 4, 6, and 1 Omm use stainless steel rods and set the thickness of Teflon to 1 mm.
  • the electrode shape is U-shaped for 1 mm and 10 mm diameter, and U-shaped for 4 mm and 6 mm diameter electrodes.
  • Table 1 shows the results of visual observation of the change in the discharge region when the applied power was changed for each electrode having a diameter of 1 to 10 mm.
  • FIG. 7 shows an example of the result of measuring the film thickness distribution in the electrode longitudinal direction at the center of the substrate for the formed thin film.
  • FIG. 7 is a graph comparing the change in the film forming rate using different electrode diameters. In Fig. 7, ⁇ 6 mm and ⁇ 10 mm apply 25 W per electrode, and ⁇ 4 mm applies 13.75 W per electrode. As is clear from the film thickness distribution shown in FIG.
  • a uniform film thickness distribution over a wide range can be obtained by setting the electrode diameter to 1 Omm or less and supplying a predetermined power. Also, it can be seen that, when the same power is applied, the thinner the electrode diameter, the faster the film formation rate can be obtained. From this, it seems that energy utilization efficiency is higher for thinner electrodes.
  • a-Si film was formed on a glass substrate.
  • a 10 mm diameter SUS round tube was folded back so that the center-to-center distance was 3 Omm, and it was made into a 11-shape with a length of 15 70111111, and the entire surface was a 1 mm thick Teflon tube.
  • the electrode coated with was used.
  • the six electrodes were mounted on the same plane as shown in Fig. 5 with the center-to-center distance between adjacent round tubes set to 30 mm, and the distance between the electrode surface and the substrate surface was set to 40 mm, and the substrate 11 (1 (200 mm x 500 mm) was placed.
  • Other conditions are the same as in the first embodiment.
  • the film thickness distribution in the electrode longitudinal direction at the center of the substrate was measured.
  • Figure 8 shows the results. For comparison, FIG. 8 also shows a case where a thin film was similarly formed using an electrode not covered with a dielectric.
  • Electrode Teflon coating, antiphase horizontal axis indicates position in the longitudinal direction of electrode on substrate, vertical axis indicates normalized film thickness.
  • the peak near the substrate position of 80 mm due to the synergistic effect between the attenuation of the high frequency and the standing wave disappears, and the uniformity of the film thickness is reduced. It can be seen that it is greatly improved. In addition, it can be seen that the uniformity of the film thickness is further improved by supplying every other high frequency power having the opposite phase.
  • the film thickness distribution can be greatly improved compared to the past. Further, by changing the thickness of the dielectric material in the longitudinal direction of the electrode or by partially forming the dielectric material, a more uniform thin film can be formed even on a large substrate of 1200 mm or more. It becomes possible.
  • the plasma region can be further expanded and uniform. Can be realized.
  • the maintenance cycle is extended and productivity is improved.
  • the plasma CVD method of the present invention at least a part of the folded-shaped inductively-coupled electrode from the feeding portion to the folded portion is set to 10 mm or less, and high-frequency power is supplied so that a standing wave is generated.
  • the discharge region can be expanded in the longitudinal direction of the electrode, and a thin film can be formed on a larger substrate.
  • the electrode diameter By making the electrode diameter smaller, plasma is generated with less power, and when the same power is applied, the electrode diameter A smaller film thickness can realize a higher film forming speed.
  • the plasma density in the vicinity of the power supply can be reduced, the film adhering to the inner wall of the device in the vicinity of the power supply can be reduced, and the frequency of cleaning can be greatly reduced.
  • the electrode diameter or coating the electrode with a dielectric material the plasma density can be partially adjusted in the longitudinal direction of the electrode, and a thin film with even more uniform film thickness can be formed. Become.
  • the inductively coupled electrode of the present invention By arranging the inductively coupled electrode of the present invention in a plurality of layers and arranging substrates on both sides thereof, it is possible to provide a high-throughput plasma CVD apparatus and method.

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Description

明 細 書 プラズマ C V D装置及び方法 技術分野
本発明はプラズマ C V D装置及ぴ方法に係り、 特に、 誘導結合型電極 を用い、 膜厚均一性に優れた薄膜を形成するプラズマ C V D装置及び方 法に関する。 背景技術
太陽電池はクリーンなエネルギー源として注目され期待されているが、 その普及を図るためにはコストダウンが不可欠であり、 そのために大型 基板に高品質で均一膜厚の a _ S i膜を高いスループッ トで形成できる 薄膜形成装置が強く望まれている。
a - S i のような薄膜の形成には、 平行平板型 （容量結合型） のブラ ズマ C V D装置が実用化されている。 平行平板型のプラズマ C V D装置 では、 一つの電極板に対し対向する一面しか成膜することができない。 このため同一成膜室内で二面に同時成膜を行いたい場合には、 成膜室内 に二つの高周波電極を設置し二つの放電領域を形成し両面成膜を行うの がせいぜいである。 放電領域数を増加させて多領域とするアイデアもあ るが、 現実的には構造の複雑さや保守性の悪さ等、 平行平板型電極の採 用に伴う問題点が原因となって、 実現が非常に難しい。
また、 基板の大型化とともに形成される薄膜の膜厚均一性が著しく低 下してしまい、 所望の特性の太陽電池が得られなくなるという問題があ る。
膜厚均一性の高い薄膜作製を行うには、 基板全体で均一密度のプラズ マを形成する必要があり、 このために様々な検討がなされてきた。 しか し、平行平板型電極方式では、基板の大型化に伴い電極が大型化すると、 均一密度のプラズマ形成は容易でなく、 その理由として、 次のような原 理上の問題が挙げられている。
すなわち、平行平板型電極では、均一密度のプラズマを形成するには、 基板全体にわたり電極間距離を精度良く維持して配置する必要があるが、 これは基板が大型化すると極めて困難となる。
さらには、 電極が大きくなるとその表面に定在波が発生してしまい、 このためプラズマが分布してしまう場合がある。 これは、 V H F帯等の より高い周波数を用いる場合には一層顕著になる。 このような理由から、 例えば 8 O M H zの高周波の場合、 基板の大きさは 0 . 3 m x 0 . 3 m が限界といわれている （U. Krol l et al. , Mat. Res. Soc. Syrap. Proc. vol 557 (1999) pl21 - 126) 。
そこで、 プラズマ維持メカニズムが容量結合型とは全く異なり、 上記 容量結合型固有の電極間距離精度等の問題が起こることがなく、 しかも 高品質膜の高速成膜に有利な V H F帯の高周波を用いて高いプラズマ密 度を発生できる誘導結合型のプラズマ C V D法が提案されている。 具体 的には、 梯子形状の電極 （特開平 4一 2 3 6 7 8 1号公報） や導電性線 材をジグザグに多数回折り曲げた電極 （特許第 2 7 8 5 4 4 2号公報） 等の電極を用いた誘導結合型電極方式のプラズマ C V D装置が提案され ている。
しかし、 本発明者らが、 上記構造の電極を含め、 種々の誘電結合型電 極を検討したところ、 例えば、 梯子形状やジグザグに折り曲げた誘導結 合型電極は、 基板の大型化に対応して大きくなると、 電流経路が均一と なりにくく、 また、 予期できない場所に部分的に定在波が発生してしま うため、 プラズマ密度を均一にするのは難しく、 従来の誘導結合型電極 方式で大面積基板に対応するのは困難であることが分かった。
そこで、 本発明者らは、 誘導結合型電極について、 プラズマ均一化の 基本的検討を行い、 上記従来の誘電結合型電極では、 問題となった定在 波を逆に利用した電極構造を開発した。 この電極は、 例えば U字型電極 の一端に給電部を設け、 他端を接地する構造とし、 接地部及び給電部と 折り返し部との距離を高周波の励起波長の 1ノ2として、 電極上の定め られた位置に定在波を立たせる構成とするものである （特顋平 1 1 _ 2 5 5 2 1 9号） 。 このような構成で、 プラズマを発生させ薄膜を形成す ると、電極の長手方向に沿って、給電部側から徐々に減少した後増加し、 極大をとつて再び減少する膜厚分布が得られる。 この分布は、 高周波電 力の減衰と定在波の効果とが相乗的に作用する結果と考えられるが、 こ の膜厚分布には再現性があるため、 所望の膜厚均一性が得られる領域だ けを利用し、 この領域と同程度の大きさの基板を配置して均一膜厚の薄 膜を形成するというものである。
この成膜方法は、 電極周辺に発生するプラズマの均一な密度領域を利 用するものであるため、 基板寸法に比べて電極は当然に長くなり、 装置 自体もその分大きなものとなる。 その一方で、 省スペース化、 保守容易 性や装置コス トの観点から、 装置の小型化に対する要望は強く、 そのた めには、 電極長手方向のより広い範囲で均一なプラズマを形成可能な電 極構造及び装置が必要となる。
また、 プラズマ C V D装置で安定した薄膜形成を連続して行うには、 内壁等に付着する膜が剥離する厚さになる前にクリ一ニング等を行い、 定期的に付着膜を除去する必要があるが、 U字型電極構造の場合、 給電 部近傍でのプラズマ密度が高くなることから、 給電部近傍の内壁に付着 する膜量が多くなり、 クリーニング頻度が高いという問題があることが 分かった。 本発明は、 かかる状況に鑑み、 より大型な基板に膜厚均一性に優れた 高品質薄膜を形成できるプラズマ C V D装置及び方法を提供することを 目的とする。 すなわち、 本発明の目的は、 電極長手方向のプラズマ均一 領域を拡大し得る電極構造及び電力供給方法を提供し、 これにより、 同 じ装置寸法で、 より大きな基板に膜厚均一性に優れた薄膜形成可能なプ ラズマ C V D装置及ぴ方法を実現することにある。 また、 係る薄膜を高 いスループッ トで形成できるプラズマ C V D装置及ぴ方法を提供するこ とを目的とする。 さらに、 装置内壁等に付着する膜を抑制してタリー二 ング周期を延長し、 生産性の高いプラズマ C V D装置及び方法を提供す ることを目的とする。 発明の開示
上記目的を達成すべく、 本発明者は、 プラズマ密度の均一領域の拡大 を図るため、 高周波電力の給電方法、 電極構造、 成膜条件等を種々検討 する中で、 U字型電極の径により放電領域が拡大縮小し、 さらに給電部 近傍のプラズマ密度が相対的に変化することを見出した。 また、 電極径 が部分的に異なる電極を用いてプラズマを発生させたところ、 電極径の 大きさに対応したプラズマ密度の濃淡が生じる傾向があることが分かつ た。 また、 U字型電極を誘電体で被覆すると、 被覆の仕方によって、 形 成される薄膜の膜厚分布は特異な変化を示すことを見出した。本発明は、 かかる知見を基に、 プラズマの均一化及び膜厚均一化の検討をさらに進 めて完成したものである。
すなわち、 本発明のプラズマ C V D装置は、 反応容器内に、 直線形状 又は中央で折り返した形状の誘導結合型電極を配置したプラズマ C V D 装置であって、 前記誘導結合型電極の両端部にそれぞれ高周波電力の給 電部と接地部とを設け、 前記給電部と接地部との間又は前記給電部及び 接地部と折り返し部との間に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立 つように高周波電力を供給する構成とし、 かつ、 前記誘導結合型電極の 給電部から接地部までの少なく とも一部の電極径を 1 O m m以下とした ことを特徴とする。
このように、 給電部と接地部との距離又は給電部及ぴ接地部と折り返 し部との距離 Lを、 高周波電力の励振波長； Lとの間で、 nを自然数とし たとき、 L == η · λノ 2の関係が略成立するように設定することにより、 安定したプラズマの発生 ·維持が可能となり、 電極上の所定の位置に均 一なプラズマ密度を形成することができる。
さらに、 電極径を 1 O m m以下で細くするほど、 少ない投入電力で放 電領域を伸ばすことができ、 より大型の基板に対応することができる。 しかも、 給電部近傍でのプラズマ密度が相対的に低くなるため、 その周 辺の内壁に堆積する付着膜量が減少し、 その結果、 タリーエング周期が 延びることになる。 このように、 電極径は 1 0 m m以下であれば、 特に 制限はないが、 取扱い、 取付け容易の観点から、 l m m〜 1 0 m mとす るのが好ましい。 また電極径を変化させても良い。
なお、 上記励振波長えと距離 Lとの間の関係において、 λは励振周波 数 f と真空中における電波伝搬速度 cとによって決定される真空中にお けるえ。とは厳密には異なっている。 本発明者らの検討によれば、 λは第 一近似としてはえ。で求まるものの、電極をとりまく誘電体やプラズマの 誘電率や幾何学的構造等にも影響を受ける。
また、 本発明のプラズマ C V D装置は、 反応容器内に、 直線形状又は 中央で折り返した形状の誘導結合型電極を配置したプラズマ C V D装置 であって、 前記誘導結合型電極の両端部にそれぞれ高周波電力の給電部 と接地部とを設け、 前記給電部と接地部との間又は前記給電部及び接地 部と折り返し部との間に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立つよ うに高周波電力を供給する構成とし、 かつ、 前記誘導結合型電極の電極 径を変化させたことを特徴とする。
1つの電極内で電極径を変化させると、 プラズマの強度がそれに応じ て変化する傾向にあるため、 同一径の電極を用いた場合に生じるプラズ マ密度の濃淡に対応して電極径を部分的に変えることにより、'プラズマ 密度の均一化を図ることができる。 この場合、 電極径を 1 0 m m以下と することにより、 放電領域を拡大しかつプラズマを均一化できるため、 より大型の基板に膜厚均一性に優れた薄膜を形成することが可能となる。 すなわち、 本発明のプラズマ C V D装置は、 反応容器内に、 直線形状 又は中央で折返した形状の誘導結合型電極を配置したプラズマ C V D装 置であって、 前記誘導結合型電極の両端部にそれぞれ高周波電力の給電 部と接地部とを設け、 前記給電部と接地部との間又は前記給電部及び接 地部と折り返し部との間に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立つ ように高周波電力を供給する構成とし、 かつ、 前記誘導結合型電極の表 面の一部又は全体を誘電体で被覆したことを特徴とする。
誘電体で電極表面を被覆することにより、 電極長手方向のプラズマ密 度分布をより均一化できることになる。 即ち、 電極径を変化させる場合 と同様の効果が得られ、 同じ装置寸法で、 より大型の基板に均一膜厚の 薄膜を形成することが可能となる。 すなわち、 装置の小型化が達成され ることになる。
また、 前記誘電体は電極長手方向に厚みを変化させるのが好ましい。 特に給電部付近で膜厚が厚くなると言う現象を抑制するため、 給電部に 近い電極部を厚い誘電体で覆い、 その厚みを徐々に薄く していったり、 電極中央付近で膜厚が厚くなるという現象を抑制するために、 中央付近 を厚い誘電体で覆い、 その端部をテーパー形状とし、 誘電体の端ほど誘 電体の厚みが減少する形状とするのが好ましい。 これにより、 誘電体端 部での急激なインピーダンス変化が抑えられ、 より均一密度のプラズマ を形成することが可能となる。 あるいは、 前記電極の長手方向に沿って らせん形状に電極を被覆しても良い。 これにより、 誘電体端部でのブラ ズマ密度が平坦化され、 電極に沿ったプラズマ密度は一層均一化する。 本発明のプラズマ C V D装置は、前記誘導結合型電極を同一平面内に、 複数個平行に配置したことを特徴とする。 基板の幅方向に複数の電極を 配置することにより、 簡単な構成でどのような幅の基板にも均一な薄膜 形成が可能となる。
この場合、 前記複数の誘導結合型電極の給電部において、 高周波の位 相を常に同じ関係が保たれるように構成するのが好ましい。 これは、 各 電極の位相が制御された状態にないと、 基板幅方向において再現性のな ぃ不均一な分布が生じ易くなるからである。 特に、 隣り合う電極間で逆 位相とするのが好ましい。 電極間で位相を交互に逆位相とすることで、 膜厚均一性は一層向上する。 すなわち、 隣り合う電極間の高周波電力の 相互作用により、 基板幅方向のみならず、 電極長手方向の膜厚均一性も さらに向上する。
さらに、 本発明のプラズマ C V D装置は、 前記誘導結合型電極を複数 の層に配置し、 各層の両側に基板を配置したことを特徴とする。 上記誘 導結合型電極を用いることにより、 容量結合型の場合とは異なり装置の 巨大化や保守性の悪化を招くことなく、 いわゆる多領域成膜方式を採用 することができ、 多数の基板面上に同時成膜することが可能な装置を構 築することが可能となる。 その結果、 スループットが大幅に向上し、 例 えば太陽電池の低コスト化に大きく貢献する。
また、 本発明のプラズマ C V D装置は、 反応容器内に、 直線形状又は 中央で折返した形状の誘導結合型電極を複数個平行に配置したプラズマ C V D装置であって、 前記複数の誘導結合型電極の各々の両端部にそれ ぞれ高周波電力の給電部及び接地部を設け、 前記給電部と接地部との間 又は前記給電部及び接地部と前記折り返し部との間に半波長若しくはそ の自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供給する構成とし、 かつ、 隣り合う電極の給電部に供給する高周波電力の位相が互いに逆位相とな るようにしたことを特徴とする。
逆位相とする方法は、 電極を誘電体で覆っていない場合にも有効であ り、 電極中央付近に膜厚の厚い領域が生ずる現象が抑制される。
一方、 本発明のプラズマ C V D法は、 反応容器内に、 直線形状又は中 央で折返した形状を有する誘導結合型電極を配置し、 前記誘導結合型電 極の両端部にそれぞれ高周波電力の給電部と接地部とを設け、 前記誘導 結合型電極の給電部から接地部までの少なく とも一部の電極径を 1 O m m以下とするか、 あるいは前記誘導結合型電極の電極径を変化させ、 前 記給電部と接地部との間又は前記給電部及び接地部と折り返し部との間 に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供給 して前記反応容器内に導入された反応性ガスのプラズマを発生させ、 該 反応性ガスの構成元素の少なく とも 1つを含む薄膜を形成することを特 徴とする。
また、 本発明のプラズマ C V D法は、 反応容器内に、 直線形状又は中 央で折返した形状を有しかつその表面の一部又は全体を誘電体で被覆し た誘導結合型電極を配置し、 前記誘導結合型電極の両端部にそれぞれ高 周波電力の給電部と接地部とを設け、 前記給電部と接地部との間又は前 記給電部及び接地部と折り返し部との間に半波長若しくはその自然数倍 の定在波が立つように高周波電力を供給して前記反応容器内に導入され た反応性ガスのプラズマを発生させ、 該反応性ガスの構成元素の少なく とも 1つを含む薄膜を形成することを特徴とする。
さらに、 本発明のプラズマ C V D法は、 反応容器内に、 直線形状又は 中央で折返した形状の誘導結合型電極を複数個平行に配置し、 前記複数 の誘導結合型電極の各々の両端部に高周波電力の給電部と接地部とを設 け、 隣り合う電極の給電部に供給する高周波電力の位相を互いに逆位相 とし、 かつ前記給電部と接地部との間又は前記給電部及び接地部と前記 折り返し部との間に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立つように 高周波電力を供給して前記反応容器内に導入された反応性ガスのプラズ マを発生させ、 該反応性ガスの構成元素の少なくとも 1つを含む薄膜を 形成することを特徴とする。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明のプラズマ C V D装置の第 1の実施形態を示す模式的 断面図である。
図 2は、 誘導結合型電極の電極形状の一例を示す模式図である。
図 3は、 本発明のプラズマ C V D装置の第 2の実施形態を示す模式的 断面図である。
図 4は、 誘電体の被覆形状の一例を示す模式図である。
図 5は、 本発明のプラズマ C V D装置の第 3の実施形態を示す模式的 断面図である。
図 6は、 本発明のプラズマ C V D装置の第 4の実施形態を示す模式的 側面断面図である。
図 7は、 実施例 1の膜厚分布を示すグラフである。
図 8は、 実施例 2の膜厚分布を示すグラフである。
なお、 図において、 1は成膜室、 2は誘導結合型電極、 3は誘電体、 4は折り返し部、 5はガス導入口、 6は排気口、 7は高周波電源、 8は 同軸ケーブル、 9は高周波電力給電部、 1 0は接地部、 1 1は基板、 1 2は基板ホルダーを示す。 発明を実施するための最良の形態
以下に本発明の実施の形態を図を参照して詳細に説明する。
(第 1の実施形態）
図 1は、 本発明のプラズマ C V D装置の第 1の実施形態を示す模式的 断面図である。 図に示すように、 プラズマ C V D装置は、 ガス導入口 5 と排気口 6を有する成膜室 1に、 外径 1 O m m以下で U字型に折り曲げ られた誘導結合型電極 2が配置され、 その一端の高周波電力の給電部 9 を同軸ケーブル 8を介して高周波電源 7に接続し、 他端の接地部 1 0を 成膜室の壁に連結して接地する。
ここで、 給電部 9及び接地部 1 0と折り返し部 4との間の長さは、 高 周波の励振波長の略 1 / 2又はその自然数倍に定められる。 これにより、 安定して放電を発生 ·維持することができる。 なお、 図 1に示す U字型 電極の場合、 折り返し部とは曲率を有する半円状の部分をいう。
本実施形態の誘導結合型電極としては、 図 1に示したように、 外径 1 0 m m以下の S U S、 A l、 C u製等の棒 （線） 状または管状の導体を U字型に折り返した形状のもの以外に、 例えば 「コ j の字型のような矩 形のものでも良い。 また、 電極全体が導体である必要はなく、 例えば、 絶縁体を導体で被覆した形態のものであっても良い。 本発明の中央で折 り返した形状の電極は、 例えば一本の棒材を折り曲げて一体に形成した ものである必要はなく、 例えば 2本の直線状電極を金属板等で接続 · 固 定した構造であっても良い。 なお、 コの字型電極の場合、 折り返し部と は、 間の直線部をいう。
本実施形態の電極は、 例えば図 2に示すように、 給電部から折り返し 部までの少なく とも一部の電極径が 1 0 m m以下であれば、 他の部分は 1 0 m mより太くても良い。 従って、 電極全体にわたって同一径であつ ても、 長手方向に変化させてもよく、 例えば、 給電部から徐々に径が增 加する形状であっても良い。 また、 電極径の下限は特に制限はなく、 投 入電力等との関係で電極が断線することなく安定して放電を持続できる ものであればどのような細線でも良いが、 取扱い、 取付け容易性から、 電極径 1 m n！〜 1 0 m mのものが好適に用いられる。
例えば、 給電側の電極を 1 0 m mより細くすることにより、 放電領域 をより小さい投入電力で先端部（折り返し部）側に拡げることができる。 この結果、 より広い成膜領域が形成され、 大型基板への成膜が可能とな る。
また、 給電側の電極径を小さくすることにより、 給電部近傍のプラズ マ密度が相対的に減少する。 即ち、 成膜領域に対する給電部近傍のブラ ズマ密度比が小さくなるため、 エネルギーが効率的に成膜に使われ、 ま た給電部近傍の装置内壁に付着する膜量が抑えられることになる。 そし て、 内壁に付着する膜厚が剥離する膜厚になるまでの成膜回数が増加す るため、 メンテナンス周期が伸び、 全体的な生産性を向上させることが 可能となる。
次に、 図 1に示したプラズマ C V D装置を用いて、 基板上に薄膜を形 成する方法を説明する。
まず、ガス導入口 5から所定の流量の反応性ガスを成膜室 1に導入し、 排気口 6部に設けられたメインバルブ （不図示） を調節して所定の圧力 に設定した後、 高周波電源 7から給電部 9に高周波電力を供給する。 高 周波の周波数を定在波が立つように調節すると、 電極 2に沿ってプラズ マが発生する。 プラズマは電極 2に沿って給電側及び接地側から電極先 端部 （折り返し部） に向かって伸び、 反応性ガスは、 プラズマにより分 解 '活性化され、 電極 2に対向する位置に配置された基板 1 1上に膜厚 均一性に優れた薄膜が堆積する。 ここで、 給電側の電極径を 1 O m m以 下とすることにより、 より小さい電力で電極先端部まで放電が伸びる。 また、 同じ電力を投入した場合、 電極径の細い方が速い成膜速度が得ら れる。 さらに、 給電部付近のプラズマ密度は低くなるため、 内壁への膜 の付着量が減少することになる。
以上は、 給電側の電極径を 1 0 m m以下とする場合について述べてき たが、 本実施形態の誘導結合型電極は、 これに限らず、 1 0 m m以上で あっても、 電極の径が電極長手方向に変化する形状のものであれば用い ることができる。 即ち、 同一径で、 中央で折り返した形状の電極を用い ると部分的にプラズマに濃淡が生じるが、 この濃淡分布に対応して電極 径を変化させることにより、 プラズマの濃淡比を減少させ、 膜厚の均一 性を向上させることができる。
従って、 電極径を変化させるとともに 1 0 m m以下の部分を設けるこ とにより、 放電領域拡大の効果とプラズマ均一化の効果とが得られるこ とになり、 一層大型の基板に均一膜厚の薄膜形成が可能となる。
(第 2の実施形態）
図 3は、 本発明のプラズマ C V D装置の第 2の実施形態を示す模式的 断面図である。 装置構成は、 誘導結合型電極を除いて図 1の装置構成と 同じであり、 誘導結合型電極 2の表面はテフロンのような誘電体 3で被 覆されている。
誘電体は、 図 3に示すように、 電極全面を被覆するように形成しても よいが、 電極表面の一部のみを被覆しても良い。 いずれの場合も、 膜厚 均一性を向上させることができ、 プラズマ密度分布 （或いは膜厚分布） のパターンに応じて、 誘電体形成位置及びその形状等が定められる。 例えば、 電極全面を誘電体で被覆すると、 高周波電力の伝搬に伴う減 衰の効果と定在波との効果との相乗的作用に起因して出現すると考えら れる膜厚分布の極大が減少し、 所定の膜厚が得られる成膜範囲が拡大す る。 さらに、 誘電体の厚さを電極長手方向に変化させることにより、 得 られる薄膜の膜厚均一性を更に向上させることができる。
また、 誘電体を電極表面全体ではなく、 例えば、 図 4 ( a ) に示した ように、 給電部側の直線部にのみ形成しても良い。 これにより、 給電部 側でのプラズマ密度の増大が抑えられ、 電極全体としてプラズマ密度が 平均化され、 膜厚均一性が向上する。
さらに、 プラズマ密度が高くなる電極部分のみに設けることにより、 電極長手方向に沿ってより膜厚均一性のある薄膜形成が可能となる。 こ こで、 被覆する誘電体の厚さによっては、 誘電体端部でプラズマ密度が 増大し、対応する基板上の位置で膜厚分布のピークが現れる場合がある。 この場合には、 図 4 ( b ) に示したように、 誘電体端部での断面をテー パー形状とし、 誘電体端部に向かって徐々に誘電体の厚みを薄くする形 状とするのが好ましい。 これにより、 端部に対応する部分での膜厚ピー クの出現が抑えられ、 膜厚分布は更に改善される。 あるいは、 図 4 ( c ) に示すように、 電極長手方向に沿って、 誘電体をらせん形に被覆しても 良く、 誘電体端部でのプラズマ密度が平均化され、 同様に膜厚分布は改 善される。
なお、 誘電体の厚さは、 その誘電率 （材質） により、 プラズマ密度分 布 （膜厚分布） の程度に応じて適宜選択されるが、 例えばテフロンの場 合 0 . 1 m m程度以上が好適に用いられる。 誘電体は、 プラズマ、 熱に 対して安定なものであれば、 テフロンのような有機系材料、 アルミナ、 石英のような無機系材料等のどのような材質のものでも良いが、 高周波 損失の大きな材料は好ましくない。
本実施形態においては、 誘導結合型電極として、 図 1に示した折り返 し形状の電極に限らず、 直線状の電極を用いることもできる。 この場合 は、一端を供給部、他端を接地部として成膜室の対向する壁に取り付け、 この 2点間距離 Lを高周波の励振波長； lとの間で、 L = n * ;i/2 (n は自然数） の関係が略成立するように設定する。
以上、 第 1の実施形態及び第 2の実施形態で述べてきたように、 誘導 結合型電極を、 1 ) 給電部から接地部までの少なく とも一部の電極径を 1 0mm以下とする、 2) 電極径を変化させる、 3) 誘電体で被覆する ことにより、 またこれらを組み合わせることにより、 より大型の基板に 対し、 膜厚均一性に優れた薄膜を形成することが可能となる。
(第 3の実施形態）
本発明のプラズマ CVD装置の第 3の実施形態を図 5に示す。
図 1及ぴ 3に示した P CVD装置は、 成膜室に誘導結合型電極を 1つ 配置する構成としたが、基板の幅が大きい場合には、図 5に示すように、 複数の電極を基板幅に対応して平行に配列し、 各々の電極に高周波電力 を供給できるようにすればよい。 なお、 図 5において、 1 2は基板ホル ダである。
ここで、 各電極の給電部で、 高周波の位相が制御された状態となるよ うに高周波電力を供給するのが好ましい。 各電極の位相が制御された状 態にないと基板幅方向に再現性のない不均一な膜厚分布が発生し易くな る。 さらに、 隣り合う電極間で逆位相となるように （即ち、 位相を 1 8 0° ずらして） 高周波電力を供給するのがより好ましい。 隣り合う電極 間で高周波の位相を逆転させることにより、 基板全体で特性の揃った均 一膜厚の薄膜を形成することができる。 以上は U字型のような折り返し 形状を有する電極に限らず、 直線状の棒状電極を用いた場合も同様であ る。
なお、逆位相の高周波を、複数の電極に交互に供給する方法としては、 複数の電極の一つおきに、 給電部と折り返し部の長さ （直線形状の電極 の場合は、 給電部と接地部との長さ） を高周波の半波長分長く して給電 部を成膜室外に設けるか、 又は半波長分の長さに等価な同軸ケーブルを 給電部に継ぎ足せばよい。 また、 高周波電源に移相器を設けて、 半波長 ずれた高周波を 1つおきに供給してもよい。 逆位相の高周波を入力する ことにより、 基板幅方向のみならず電極長手方向の膜厚均一性は一層向 上する。
(第 4の実施形態）
本発明のプラズマ C V D装置の第 4の実施形態を図 6に示す。
本実施形態のプラズマ C V D装置は、 図 5に示した基板幅に配列した 電極列を、 さらに所定の間隔を開けて複数層に配置し、 各電極層の両側 に基板を配置したものである。 このような構成とすることにより、 多数 の基板 （図の例では、 6枚） 上に薄膜を同時に形成することが可能とな り、 スループッ トを大幅に上げることができる。 しかも、 電極と基板間 距離は 3 0〜6 0 m m程度と短くできるため、 装置設置面積に対するス ループット比の優れた薄膜形成装置を実現することができる。
なお、 本発明においては、 3 0〜 3 0 0 M H zの V H F帯の高周波電 源が好適に用いられる。 実施例
次に、 実施例を挙げて、 本発明をより具体的に説明する。
(実施例 1 )
図 5に示す構造の装置において、 種々の外径の棒材を U字型又はコの 字型に加工して配置し、 種々の条件でプラズマを発生させて薄膜を形成 するとともに、 発生するプラズマ状態を目視で観察した。
本実施例では、 外径 1、 4、 6、 1 0 m mの S U S又は C u製棒又は 管を中心間距離が 3 0 m mとなるように折り返して、 長さ 1 5 7 0 m m の U字型又はコの字型とし、 図 4 ( a ) に示したように、 給電側の表面 をテフロンチューブで被覆した電極を用いた。 この電極 6本を、 隣接す る棒材の中心間距離を 3 0 mmとして、 図 5に示すように同一平面内に 取り付け、電極表面と基板表面との間隔を 4 0 mmとして、基板 1 1 ( 1 2 0 0 mm x 5 0 0 mm) を配置した。 なお、 電極の給電部はフィード スルーの成膜室内部側端子に連結し、 接地部は成膜室内壁に連結した。 この成膜室 1内部に S i H4ガスを 2 0 0 s c c mを導入し、 1 P aに 設定した後、 交互に逆位相の高周波を供給し、 定在波を立たせるように 周波数を調節してプラズマを発生させ、 a— S iの薄膜を基板 1 1上に 形成した。 このときの高周波の周波数は 8 5 MH zであり、 真空中の半 波長 （= 1 7 6 5 mm) は、 給電部 9と折り返し部 4との間の長さ L (= 1 5 7 0 mm) と異なるが、 これはプラズマの比誘電率が真空と異なる からであり、 この周波数で安定した放電が確認されている。
なお、 外径 1 mmの電極は、 C ul を用い、 テフロンの厚さを 2 mm とし、 外径 4、 6、 1 Ommの電極については、 ステンレス棒材を用い、 テフロンの厚さを 1 mmとした。 なお、 電極开状は、 1 mm、 1 0 mm 径の場合 U字型とし、 4mm、 6 mm径の電極はコの字型とした <；
1 ~ 1 0 mm径の各電極について、 投入電力を変化させたときの放電 領域の変化を目視観察した結果を表 1に示す。 また、 形成した薄膜につ いて、 基板中心部における電極長手方向の膜厚分布を測定した結果の一 例を図 7に示す。
(表 1) 電極 1 m本あたりの投入電力（W)
3. 13 6. 25 12. 5 18. 75 25
電極径 1 〇 ◎ ◎ ◎ ◎
(mm) 4 △ 〇 ◎ ◎ ◎
6 △ 〇 ◎ ◎
10 Δ 〇 ◎
◎:電極先端まで放電が伸びる
〇：電極の 3 4まで放電が伸びる
厶：電極の 1 Z 2まで放電が伸びる
一：安定した放電が維持できない 表 1が示すように、 電極径が大きいほど、 放電領域を電極先端側に広 げるにはより大きな投入電力が必要となり、 低い電力では放電領域が伸 ぴないか、 あるいは安定した放電を維持できない傾向があることが分か る。 逆に、 電極が細いほど、 低い電力で安定した放電を維持できるとと もに、 放電領域が伸び成膜領域を拡大できることが分かる。 図 7は異な る電極径を用いて成膜速度の変化を比較したグラフである。 図 7におい て、 φ 6 m mと φ 1 0 m mは電極 1本あたり 2 5 W、 φ 4 m mは 1 3 . 7 5 W投入している。 図 7の膜厚分布からも明かなように、 電極径を 1 O m m以下とし、 所定の電力を供給することにより、 広い範囲にわたつ て均一な膜厚分布を得ることができる。また、同じ電力を投入した場合、 電極径が細いほど速い成膜速度が得られることが分かる。 このことから、 細い電極ほどエネルギーの利用効率が高くなると思われる。
また、 表 1には示していないが、 電極径を小さくするほど、 給電部付 近のプラズマは暗くなり、 成膜領域のプラズマの明るさに近づく現象が 観察された。 これは、 図 7の膜厚分布において、 電極が太い場合には給 電部 （図の左端の外側の位置） に向かって成膜速度が大きく上昇するの に対し、 電極が細くなるほど成膜速度上昇の程度が減少することと一致 する。
(実施例 2)
本実施例では、 誘電体被覆及び給電方法の違いにより膜厚分布が変動 する様子を説明する。
図 5に示す構成のプラズマ CVD装置を用いて、 ガラス基板上に a - S iの成膜を行った。 本実施例では、 直径 1 0 mmの S U S製丸管を中 心間距離が 3 Ommとなりように折り返して、 長さ 1 5 70111111の11字 型とし、 その表面全面を厚さ 1 mmのテフロンチューブで被覆した電極 を用いた。 この電極 6本を、 隣接する丸管の中心間距離を 30mmとし て図 5に示すように同一平面内に取り付け、 電極表面と基板表面との間 隔を 4 0 mmとして、 基板 1 1 ( 1 2 0 0 mm x 5 0 0 mm) を配置し た。
この成膜室 1内部に S i H4ガスを 2 0 0 s c c mを導入し、 1 P aに 設定した後、 全電極に同位相、 又は交互に逆位相の高周波を 2 5 Wずつ 供給し、 定在波を立たせるように周波数を調節してプラズマを発生させ a - S iの薄膜を基板上に形成した。他の条件は実施例 1と同じである。 得られた薄膜について、 基板中心部における電極長手方向の膜厚分布 を測定した。 その結果を図 8に示す。 なお、 比較のため、 誘電体を被覆 しない電極を用いて同様に薄膜を形成した場合についても併せて図 8に 示した。
各グラフの電極構成及び高周波供給方法は、 （a) 電極被覆なし、 同 位相、 （b) 電極被覆なし、 逆位相、 （c) 電極テフロン被覆、 同位相、 ( d ) 電極テフロン被覆、 逆位相であり、 横軸は基板上の電極長手方向 の位置、 縦軸は規格化した膜厚を示す。
図 8が示すように、 テフロンで被覆した電極を用いることにより、 高 周波の減衰と定在波との相乗効果に起因する基板位置 8 0 O m m付近の ピークは消失し、 膜厚均一性は大きく改善されることが分かる。 また、 逆位相の高周波電力を 1つおきに供給することにより、 膜厚均一性はさ らに向上することが分かる。
このように、 1 m m厚のテフロンを均一に電極全面に形成し、 逆位相 の高周波を供給する装置構成とすることにより、 従来に比べ膜厚分布を 大幅に改善することが可能となるが、 さらに誘電体の膜厚を電極長手方 向に変化させるか、 あるいは誘電体を部分的に形成することにより、 1 2 0 0 m m若しくはそれ以上の大型基板でもより一層均一性の高い薄膜 を形成することが可能となる。
以上の実施例で述べたように、 直径 1 0 m m以下の U字型またはコの 字型電極を用い、 あるいは誘電体で被覆した電極を用いることにより、 プラズマ領域をより一層拡大し、 かつ均一化することが可能となる。 し かも、 給電部近傍での装置内壁への付着膜の形成を抑えることが可能と なることから、メンテナンス周期が伸ぴ、生産性が向上することになる。 産業上の利用可能性
本発明のプラズマ C V D法により、 すなわち、 折り返し形状の誘導結 合型電極の給電部から折り返し部までの少なく とも一部を 1 0 m m以下 とし、 定在波が立つように高周波電力を供給してプラズマを発生させる ことにより、 電極長手方向に放電領域を拡大することができ、 より大型 の基板への薄膜形成が可能となる。 電極径を細くすることにより、 より 小さな電力でプラズマが発生し、 また同じ電力を投入した場合、 電極径 の細いほうがより速い成膜速度を実現できる。 さらには、 給電部近傍で のプラズマ密度を低減することができるため、 給電部近傍の装置内壁に 付着する膜を減少させ、 クリーユング頻度を大きく下げることができる。 また、 電極径を変化させ、 又は電極を誘電体で被覆することにより、 電極長手方向でプラズマ密度を部分的に調整でき、 より一層、 膜厚均一 性に優れた薄膜を形成することが可能となる。
さらには、 誘導結合型電極を複数配置し、 一つおきに逆位相となる高 周波電力を供給することにより、 膜厚均一性を一層向上させることが可 能となる。
これにより、 クリーニング頻度が少なくてすみ、 しかも大型基板に膜 厚均一性の高い薄膜を形成可能なプラズマ C V D装置を実現することが 可能となる。
本発明の誘導結合型電極を複数層に配置しその両側に基板を配置する 構成とすることにより、 高スループッ トのプラズマ C V D装置及び方法 を提供することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 反応容器内に、 直線形状又は中央で折り返した形状の誘導結合型 電極を配置したプラズマ CVD装置であって、 前記誘導結合型電極の両 端部にそれぞれ高周波電力の給電部と接地部とを設け、 前記給電部と接 地部との間又は前記給電部及び接地部と折り返し部との間に半波長若し くはその自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供給する構成とし、 かつ、 前記誘導結合型電極の給電部から接地部までの少なくとも一部の 電極径を 1 O mm以下としたことを特徴とするプラズマ CVD装置。
2. 前記給電部から接地部までの少なく とも一部の電極径を 1 mm〜 1 0 mmとしたことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のプラズマ CV
3. 前記誘導結合型電極の電極径を変化させたことを特徴とする請求の 範囲第 1項又は第 2項に記載のプラズマ CVD装置。
4. 反応容器内に、 直線形状又は中央で折返した形状の誘導結合型電 極を配置したプラズマ CVD装置であって、 前記誘導結合型電極の両端 部にそれぞれ高周波電力の給電部と接地部とを設け、 前記給電部と接地 部との間又は前記給電部及び接地部と折り返し部との間に半波長若しく はその自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供給する構成とし、 かつ、 前記誘導結合型電極の電極径を変化させたことを特徴とするブラ ズマ CVD装置。
5. 前記誘導結合型電極の表面の一部又は全体を誘電体で被覆したこと を特徴とする請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか 1項に記載のプラズ マ C VD装置。
6. 反応容器内に、 直線形状又は中央で折返した形状の誘導結合型電極 を配置したプラズマ C V D装鬣であって、 前記誘導結合型電極の両端部 にそれぞれ高周波電力の給電部と接地部とを設け、 前記給電部と接地部 との間又は前記給電部及ぴ接地部と折り返し部との間に半波長若しくは その自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供給する構成とし、 か つ、 前記誘導結合型電極の表面の一部又は全体を誘電体で被覆したこと を特徴とするプラズマ CVD装置。
7. 前記誘電体の厚さを電極長手方向に変化させたことを特徴とする請 求の範囲第 5項又は第 6項に記載のプラズマ C VD装置。
8. 前記誘電体の端部において、 その断面をテーパー状としたことを特 徴とする請求の範囲第 5項又は第 6項に記載のプラズマ CVD装置。 9. 前記誘電体を電極の長手方向に沿ってらせん形状に被覆したことを 特徴とする請求の範囲第 5項〜第 8項のいずれか 1項に記載のプラズマ C VD装置。
1 0. 前記高周波は 6 OMH z以上の高周波であることを特徴とする請 求の範囲第 1項〜第 9項のいずれか 1項に記載のプラズマ CVD装置。 1 1. 複数の前記誘導結合型電極を、 同一平面内に平行に配置したこと を特徴とする請求の範囲第 1項〜第 1 0項のいずれか 1項に記載のブラ ズマ C VD装置。
1 2. 前記複数の誘導結合型電極の各々において、 所定の位相の関係が 保たれるように高周波電力を供給する構成としたことを特徴とする請求 の範囲第 1 1項に記載のプラズマ CVD装置。
1 3. 前記複数の誘導結合型電極の隣り合う電極の給電部において、 高 周波の位相が互いに逆位相となるように高周波電力を供給する構成とし たことを特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載のプラズマ CVD装置。
1 4. 反応容器内に、 直線形状又は中央で折返した形状の誘導結合型電 極を複数個平行に配置したプラズマ CVD装置であって、 前記複数の誘 導結合型電極の各々の両端部に高周波電力の給電部と接地部とを設け、 前記給電部と接地部との間又は前記給電部及び接地部と前記折り返し部 との間に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立つように高周波電力 を供給する構成とし、 かつ、 隣り合う電極の給電部に供給する高周波電 力の位相が互いに逆位相となるようにしたことを特徴とするプラズマ C V D装置。
1 5 . 前記誘導結合型電極を複数の層に配置し、 各層の両側に基板を配 置したことを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 1 4項のいずれか 1項に '記載のプラズマ C V D装置。
1 6 . 反応容器内に、 直線形状又は中央で折り返した形状を有する誘導 結合型電極を配置し、 前記誘導結合型電極の両端部にそれぞれ高周波電 力の給電部と接地部とを設け、 前記誘導結合型電極の給電部から接地部 までの少なく とも一部の電極径を 1 0 m m以下とし、 前記給電部と接地 部との間又は前記給電部及び接地部と折り返し部との間に半波長若しく はその自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供給して前記反応容 器内に導入された反応性ガスのプラズマを発生させ、 該反応性ガスの構 成元素の少なく とも 1つを含む薄膜を形成することを特徴とするプラズ マ C V D法。
1 7 . 前記給電部から接地部までの少なく とも一部の電極径を 1 m m〜 1 O m mとすることを特徴とすることを特徴とする請求の範囲第 1 6項 に記載のプラズマ C V D法。
1 8 . 前記誘導結合型電極の電極径を変化させることを特徴とすること を特徴とする請求の範囲第 1 7項に記載のプラズマ C V D法。
1 9 . 反応容器内に、 直線形状又は中央で折り返した形状を有する誘導 結合型電極を配置し、 前記誘導結合型電極の両端部にそれぞれ高周波電 力の給電部と接地部とを設け、前記誘導結合型電極の電極径を変化させ、 前記給電部と接地部との間又は前記給電部及び接地部と折り返し部との 間に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供 給して前記反応容器内に導入された反応性ガスのプラズマを発生させ、 該反応性ガスの構成元素の少なく とも 1つを含む薄膜を形成することを 特徴とするプラズマ C V D法。
2 0 . 前記電極の表面の一部又は全体を誘電体で被覆することを特徴と する請求の範囲第 1 6項〜第 1 9項のいずれか 1項に記載のプラズマ C V D法。
2 1 . 反応容器内に、 直線形状又は中央で折返した形状の誘導結合型電 極を配置し、 前記誘導結合型電極の両端部にそれぞれ高周波電力の給電 部と接地部とを設け、 前記給電部と接地部との間又は前記給電部及び接 地部と折り返し部との間に半波長若しくはその自然数倍の定在波が立つ ように高周波電力を供給する構成とし、 かつ、 前記誘導結合型電極の表 面の一部又は全体を誘電体で被覆したことを特徴とするプラズマ C V D 法。
2 2 . 複数の前記誘導結合型電極を、 同一平面内に平行に配置し、 前記 複数の誘導結合型電極の各々において、 所定の位相の関係が保たれるよ うに高周波電力を供給することを特徴とする請求の範囲第 1 6項〜第 2 1項のいずれか 1項に記載のプラズマ C V D法。
2 3 . 前記複数の誘導結合型電極の隣り合う電極の給電部において、 高 周波の位相が互いに逆位相となるように高周波電力を供給することを特 徴とする請求の範囲第 2 2項に記載のプラズマ C V D法。
2 4 . 反応容器内に、 直線形状又は中央で折返した形状の誘導結合型電 極を複数個平行に配置し、 前記複数の誘導結合型電極の各々の両端部に 高周波電力の給電部と接地部とを設け、 隣り合う電極の給電部に供給す る高周波電力の位相を互いに逆位相とし、 かつ前記給電部と接地部との 間又は前記給電部及び接地部と前記折り返し部との間に半波長若しくは その自然数倍の定在波が立つように高周波電力を供給して前記反応容器 内に導入された反応性ガスのプラズマを発生させ、 該反応性ガスの構成 元素の少なくとも 1つを含む薄膜を形成することを特徴とするプラズマ C V D法。
2 5 . 前記誘導結合型電極を複数の層に配置し、 各層の両側に基板を配 置することを特徴とする請求の範囲第 1 6項〜第 2 4項のいずれか 1項 に記載のプラズマ C V D法。
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