JP2010123627A - 真空処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板側面33に原料ガスを放出する複数のガス供給孔35を有するとともに接地されている接地電極5と、それぞれ高周波電力が供給される複数の分割電極3a〜3hが接地電極5の基板側面33に対向するように並列されて形成され、接地電極5に対向する表面に基板8を保持する放電電極3と、分割電極3a〜3hの裏面側に取り付けられ、分割電極3a〜3hをインダクタンス成分を介して接地させるアースバー6と、が備えられていることを特徴とする。
【選択図】図3
Description
このような真空処理装置としては、熱CVD(Chemical Vapor Deposition)装置、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)装置、ドライエッチング装置、スパッタリング装置等がある。
これらの真空処理装置においては、生産性を向上させるために基板の大型化が図られている。特に、1m2を越える大面積基板を用いる場合、膜質分布に不均一が生じて製品性能が低下するため、膜厚、膜質が均一となるよう製膜できることが強く求められている。
これは、真空容器である製膜室内に、基板を保持する対向電極(接地電極)と、基板に対向するように配置された放電電極と、が備えられている。対向電極は接地され、製膜室に固定されている。
放電電極は、給電方向に対して直角方向に複数に分割されており、分割された電極(分割電極)の給電方向の両端に独立した高周波電源が接続されている。放電電極は、製膜室にセラミックス製の絶縁棒によって対向電極との間隔を調整できるように支持されている。
放電電極を覆うように配置された防着板が、対向電極に接離可能に取り付けられている。防着板は、放電電極を覆う構造となっており、かつ電気的に接地されるので、電磁シールドの役割を果たすため、プラズマが対向電極と放電電極との間の空間から外側に拡散するのを防止している。
これは、接地電極と放電電極との間に生成されたプラズマのうち、電子は軽量であるため高速で運動し、短時間でプラズマから抜け出して装置壁などに衝突し、消滅する。一方、正イオンは電子に比べて遙かに質量が大きく、移動速度が遅いため、プラズマ中に長時間存在し続ける。このため、プラズマは全体として正の電荷を帯びるようになる。この現象は、特に高周波投入電極である放電電極近傍において著しい。この正電荷に誘引されて放電電極には負電荷が蓄積され、負の自己バイアス電圧が発生する。プラズマ中の正イオンは、この負の自己バイアス電圧によって加速され、放電電極上に載置された基板に衝突する。このイオン加速による物理的な力が化学反応に加わることにより、高速に緻密な膜が形成される。
放電電極への供給電力が大きい場合には、生成されるプラズマに放電電極の局所構造(ガス供給・排気)に起因する局所分布が発生し易くなるので、製膜されたシリコン膜に膜質分布が生じて製品の性能低下を招くことがある。これは、特に、性能調整の過程でガス条件が変わると膜質分布が増大する傾向がある。
放電電極は、ガス供給部、ガスの温度を調整する熱媒、高周波電力の供給部等が備えられているので、構造が複雑となり、コストが高くなる。
また、放電電極はそれを支持するセラミック絶縁棒の支持部分を調整して放電電極の位置が微調整されているので、位置決めが難しく時間を要する。
特許文献2に示されるものは、放電電極への高周波電力の供給の仕方を工夫して高周波電力と自己バイアス電圧とを独立して制御することにより、基板の温度上昇を低減し、膜特性の向上と膜応力の低下をはかろうとしているが、1m2或いは1m角を越える大面積基板を用いる場合、放電電極への高周波電力の分布が生じて膜厚と膜質分布に不均一が生じて製品性能の低下につながる。
すなわち、本発明にかかる真空処理装置は、一面に原料ガスを放出する複数の供給孔を有するとともに接地されている接地電極と、それぞれ高周波電力が供給される複数の分割電極が前記接地電極の前記一面に対向するように並列されて形成され、前記接地電極に対向する表面に基板を保持する放電電極と、前記分割電極の裏面側に取り付けられ、前記分割電極をインダクタンス成分を介して接地させる接地部と、が備えられていることを特徴とする。
このとき、放電電極は分割された分割電極で構成されているので、分割電極内で給電方向に高周波電力が流れ、隣り合う電極の方向に流れ難い。このため、プラズマが給電方向に整流されるので、個々の放電電極への高周波電力の供給を調整することによってプラズマの均一化を容易にはかることができる。
また、分割電極は、その裏面側に取り付けられた接地部によってインダクタンス成分を介して高周波では短絡することなく接地されているので、プラズマの正の帯電によって分割電極の表面に発生する負の自己バイアス電圧は接地部を通って放散される。したがって、自己バイアス電圧の帯電が抑制されるので、放電電極に保持された基板に対するイオン衝撃を低減させることができる。
これらにより、製品の性能向上をはかることができる。
また、防着板を移動させることによって防着板及び放電電極の位置を設定できるので、作業が簡素化され、作業性を向上させることができる。
本発明によると、供給孔は、基板の周縁部に対応する部分の配置密度が基板の中央部に対応する部分の配置密度よりも密にされているので、ガス濃度が低下する周縁部に中央部よりも多くの原料ガスを供給することができる。これにより、基板面内で略均一なガス濃度分布が得られるので、生成されるプラズマに局所分布が発生するのを抑制できる。これにより、製膜されたシリコン膜に膜質分布が生じず、製品の性能向上を図ることができる。
本発明によると、接地電極と基板とによって形成される空間の周囲に、該空間に向かってガスを供給する供給部が備えられているので、ガス濃度が低下する周縁部に供給部によってガスを供給することができる。これにより、基板面内で略均一なガス濃度分布が得られるので、生成されるプラズマに局所分布が発生するのを抑制できる。これにより、製膜されたシリコン膜に膜質分布が生じず、製品の性能向上を図ることができる。
したがって、基板面内で略均一なガス濃度分布が得られるので、生成されるプラズマに局所分布が発生するのを抑制できる。これにより、膜質分布が均一なシリコン膜を製膜することができ、太陽電池モジュールなどの製品の性能向上を図ることができる。
また、接地電極は高周波給電が不要なため、ガスを排気する複数の排気部を設けることは容易である。
また、放電電極によってプラズマの整流が行えるので、接地電極の供給孔は略均等に分散するように配置することができる。これにより、生成されるプラズマに局所分布が発生するのを抑制できるので、製膜されたシリコン膜に膜質分布が生じず製品の性能向上を図ることができる。
さらに、分割電極は、その裏面側に取り付けられた接地部によって接地されているので、放電電極に保持された基板に対するイオン衝撃を低減させることができる。
これらにより、製品の性能向上をはかることができる。
もともとある程度複雑な構造をした放電電極の内部にガス供給用の構成を備えることがないので、放電電極の構造を簡素化でき、コストを低減することができる。
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態にかかる薄膜製造装置(真空処理装置)1について図1〜図5に基づいて説明する。
図1は、薄膜製造装置1の概略構成を示すブロック図である。図2は、図1のX−X断面図である。図3は、図1のY−Y断面図である。図4は、図3のA部を拡大して示す拡大断面図である。図5は、図4のB視図である。
放電電極3の表面側(接地電極5に対向する面側)には、基板8を保持可能な保持手段(図示省略)が備えられている。分割電極3a〜3h間には隙間があるため放電電極の表面は均一な板面ではなく、基板8との間の電位分布が局部的に不均一になる場合がある。このときには、基板8より同等もしくは少し大きなサイズの誘電体(ガラス質材やセラミックス材)、もしくは誘電体で表面を被覆した金属板を設けると更に好ましい。
各分割電極3a〜3hのY方向(給電方向)両端部には、製膜室2の壁を貫通する同軸給電管15の端部が接続されるとともに同軸給電管15の内部に挿通されている高周波給電伝送路14bが接続されている。高周波給電伝送路14bが接続されている部分は、高周波電力が供給される給電点21を構成する。高周波電力は13MHzから100MHzの高高周波までが対象になるが、本発明における分割電極3a〜3hは、特に30MHz以上の高高周波においても均一なプラズマを形成するのに適している。
これにより、分割電極3a〜3h自身の温度を制御して、放電電極3の全体が概ね均一な温度を有するようにし、かつ、保持している基板8の温度を均一化する。
熱媒体23は、非導電性媒体であり、水素やヘリウムなどの高熱伝導性ガス、フッ素系不活性液体、不活性オイル、及び純水等が使用でき、中でも150℃〜250℃の範囲でも圧力が上がらずに制御が容易であることから、フッ素系不活性液体(例えば商品名:ガルデン、F05など)の使用が好適である。
アースバー6は、接地部材6aと、インダクタンス成分を含む接続部材6bとを備える。接地部材6aは、分割電極3a〜3hの裏側の面に略平行に設けられた、厚く細長い板状の導電体である。接地部材6aの厚さは、例えば、10〜50mmとされ、幅は例えば、50〜100mmとされる。なお、厚さと幅とが略同等の大きさとなる棒状や角材状とされてもよい。接地部材6aはその両端が防着板4に接続され、防着板4を介して接地されている。
アースバー6は、防着板4に取り付けられているので、防着板4を介して製膜室2に強固に支持される。
防着板4は接地電極5に対して接離可能なように支持されているので、防着板4を移動させることによってアースバー6を介して放電電極3は接地電極5に対して接離することができる。すなわち、製膜時は、防着板4、放電電極3及び基板8を、接地電極5へ近づける。それにより、放電電極3に高周波電力を供給すると、基板8と接地電極5との間にプラズマ生成空間が形成される。プラズマ生成空間の厚さ、基板8と接地電極5との距離は、例えば、3mm〜20mmとすることができる。
また、防着板4を移動させることによって防着板4及び放電電極3の位置を設定できるので、作業が簡素化し作業性を向上させることができる。
接地電極5は、接地線9で接地された製膜室2に支持されているので、電気的には接地されており、放電電極3に対向する電極となる。
接地電極5は、製膜室2の壁として利用する、すなわち、製膜室2の壁面と共用することもできる。
接地電極5の基板8に面する基板側面33は、略平面状とされている。基板側面33には、多数のガス供給孔(供給孔)35が設けられている。
ガス供給管10からガス導入空間29に導入されたプラズマ生成用の原料ガスは、オリフィス25を通ってガス供給空間31に流入し、ガス供給孔35から基板8に向けて略均一な流量で噴出される。
ガス供給孔35は、図5に示されるように全範囲に亘り略均等な配置密度となるように正方配置とされている。
ガス供給孔35は、正方配置に限定されるものではなく、千鳥状配置等適宜な配置とされてよい。
熱媒体37は、非導電性媒体であり、水素やヘリウムなどの高熱伝導性ガス、フッ素系不活性液体、不活性オイル、及び純水等が使用でき、中でも150℃〜250℃の範囲でも圧力が上がらずに制御が容易であることから、フッ素系不活性液体(例えば商品名:ガルデン、F05など)の使用が好適である。
すなわち、当該ループ回路の端部において、反射電力が互いに逆位相となっている当該ループ回路の両端部からそれぞれ反射されてきた反射電力どうしを相殺させて、反射電力を最小化する。
ループ伝送路7は、製膜室2の外において、高周波給電伝送路14b同士を接続している。この接続位置は、それぞれ高周波給電伝送路14b上の任意位置でよい。
ただし、図1では、分割電極3aに関する整合器13、高周波給電伝送路14a及び高周波給電伝送路14bについてのみ示している。
なお、分割電極3a〜3hへの電力供給を、8個を超えるまたは8個未満の整合器13及び高周波給電伝送路14a、14bとの組みで行うことも可能である。
また各々個別の高周波電源部12から電力を供給しても良い。
これらの場合、その組の数に対応するように、分割電極3a〜3hを加減して組み分けるのが好ましい。
薄膜製造装置1の放電電極3に基板8をセットする。基板8は1m2を越える大面積基板であり、たとえば、1.4m×1.1m×板厚3.5mm〜4.5mmを例示できる。
ついで、放電電極3及び防着板4を接地電極5に向けて移動させる。防着板4の先端が接地電極5に当接したら接地電極5の移動を停止させる。このとき、基板8の表面と放電電極3との間隔は3mm〜20mmが例示される。
原料ガス配管10から接地電極5に供給される原料ガスは、接地電極5のガス導入空間29に導入される。ガス導入空間29に導入された原料ガスは、オリフィス25を通ってガス供給空間31に供給される。この原料ガスは基板側面33の複数のガス供給孔35からシャワー状に噴出され、設置電極5と基板8との間に供給される。原料ガスは、例えば、SiH4+H2である。
これにより、放電電極3と接地電極5との間に原料ガスのプラズマが発生し、基板8上にシリコン膜が製膜される。
なお、この製膜時に、分割電極3a〜3hの内部に熱媒体23を、オリフィス部材27の内部に熱媒体37を流通させ、放電電極3及び接地電極5の温度を制御し、基板8の温度を制御する。
このように略均等に分散配置されたガス供給孔35から原料ガスをシャワー状に供給するので、生成されるプラズマに局所分布が発生するのを抑制できる。これにより、製膜されたシリコン膜に膜質分布が生じず製品の性能向上を図ることができる。
したがって、自己バイアス電圧の帯電が抑制されるので、放電電極3に保持された基板8に対するイオン衝撃を低減させることができる。薄膜シリコン太陽電池においては、イオン衝撃は一般に膜質を悪化させると考えられており、分割電極3a〜3hと接地電極5の双方が直流的に設置(インダクタンスを介して接地されていること)は、薄膜シリコン太陽電池の製造装置として好都合である。
よって、本装置構成により、製品の性能向上をはかることができる。
これらは、大面積の基板8(例えば、基板サイズが1m角以上のもの)に対して製膜する場合に、特に、有効である。更には放電電極8へ大電力を供給して高速製膜する場合においても、分割電極の電圧分布があっても、インダクタンスを介して帯電粒子(電子)が拡散・除去されることから、電圧分布によらず基板8に対するイオン衝撃を本質的に低減し高品質膜を形成し、製品の性能向上をはかることができるので、有効である。
次に、本発明の第二実施形態に係る薄膜製造装置1について、図6を用いて説明する。
本実施形態は、ガス供給孔35の配置が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、ガス供給孔35は、図6に示されるように基板8の周縁部に対応する部分の配置密度が基板8の中央部に対応する部分の配置密度よりも密になるように配置されている。
ガス供給孔35の配置密度は、中央部から周縁部に向けて複数の階段状に変化させてもよいし、順次漸増するように変化させてもよい。
これにより、ガス供給孔35から供給される原料ガスの供給量は、基板8の周縁部に対する供給量が、基板8の中央部に対するそれよりも多くなる。
本実施形態では、ガス供給孔35からの原料ガスの供給状態が変わるので、それについて説明する。
基板8の中央部に供給された原料ガスは、基板8の周縁部に向けて流れ、排出される。言い換えると、基板8の中央部で分解されたガスが周縁に向かって流れることになる。したがって、基板8の周縁部では、ガス供給孔35から供給される原料ガスに中央部で分解されたガスが混ざるとともに製膜に取り込まれて消費されてゆくので、原料ガスのガス濃度、特にシリコン膜の主原料のSiH4ガス濃度が低下することになる。
これにより、中央部で分解されたガスと混ざっても原料ガスの濃度を中央部と略同程度に維持することができる。
したがって、基板面内で略均一なガス濃度分布が得られるので、生成されるプラズマに局所分布が発生するのを抑制できる。これにより、製膜されたシリコン膜に膜質分布が生じず製品の性能向上を図ることができる。
次に、本発明の第三実施形態にかかる薄膜製造装置1について、図7及び図8を用いて説明する。
本実施形態は、ガス供給の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、製膜時に形成されるプラズマ生成空間(接地電極5と基板8とによって形成される空間)の周囲に、この空間に向かって原料ガスを供給するガス供給部材(供給部)41が備えられている。
ガス供給部材41は、プラズマ生成空間の周囲を覆うように矩形状に配置された管材であり、プラズマ生成空間に向いた管壁に間隔を空けて複数のガス供給孔43が設けられている。ガス供給孔43は、スリットとされていてもよい。
ガス供給部材41は、位置が変動しないように接地電極5に取り付けられている。なお、ガス供給部材41は防着板4に取り付けるようにしてもよい。
本実施形態では、原料ガスの供給状態が変わるので、それについて説明する。
ガス供給孔35から基板8の中央部に供給された原料ガスは、基板8の周縁部に向けて流れ、排出される。言い換えると、基板8の中央部で分解されたガスが周縁に向かって流れることになる。したがって、基板8の周縁部では、ガス供給孔35から供給される原料ガスに中央部で分解されたガスが混ざるとともに製膜に取り込まれて消費されてゆくので、原料ガスのガス濃度、特にシリコン膜主成分のSiH4ガス濃度が低下することになる。したがって、原料ガスのガス濃度は、図8の濃度変化線45に示されるように、中央部でガス濃度が高く、周囲に行くに連れてガス濃度が低下する。
このガス供給部材41により供給される原料ガスのガス濃度は、たとえば、シリコン膜主成分のSiH4ガス濃度で説明すると、図8の濃度変化線47に示されるように、周縁部でシリコン膜主成分のSiH4ガス濃度が高く、中央部に行くに連れてシリコン膜主成分のSiH4ガス濃度が低下する。言い換えると、原料ガスのガス濃度が低下する周縁部に中央部よりも多くの原料ガスを供給することができる。
ガス供給孔35から供給される原料ガスと、ガス供給部材41から供給される原料ガスとを合わせると、原料ガスのガス濃度は、図8の濃度変化線49に示されるように、基板面内で略均一なガス濃度分布が得られる。
なお、製膜されたシリコン膜の膜物性(シリコン膜厚等)をみて、ガス供給部材41から供給する原料ガスの供給量を調整するのが好ましい。
次に、本発明の第四実施形態に係る薄膜製造装置1について、図9及び図10を用いて説明する。
本実施形態は、接地電極5の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
本実施形態では、接地電極5に複数の排気スリット51が設けられている。排気スリット51は、オリフィス25の位置に、Z方向(厚さ方向)に貫通し、Y方向に延在するように形成されている。
排気スリット51とオリフィス25とは、交互に、すなわち、隣り合う排気スリット51の間にオリフィス25が1列存在するように配置されている。
排気スリット51は、隣り合う排気スリット51の間にオリフィス25が複数列存在するように配置されていてもよい。また、Z方向(厚さ方向)に貫通した孔がY方向とX方向へ適当なピッチで形成されていてもよい。
排気スリット51の一端は、基板側面33でプラズマ生成空間に開口し、他端は、接地電極5の他方の面(裏面)に開口しているので、圧力差によってプラズマ生成空間のガスは排気スリット51を通って接地電極5の裏面側に排気される。
このように、排気スリット51がプラズマ生成空間に存在する、例えば、分解されたガス等をその近傍から排気することができるので、基板8面内の領域で原料ガスの濃度に影響することを抑制できる。
したがって、基板面内で略均一なガス濃度分布が得られるので、生成されるプラズマに局所分布が発生するのを抑制できる。これにより、製膜されたシリコン膜に膜質分布が生じず製品の性能向上を図ることができる。
また、原料ガスは、SiH4+H2に限定されることは無く、シリコン系薄膜全般を含めた各種薄膜を形成する原料ガスに有効である。
3 放電電極
3a〜3h 分割電極
5 接地電極
6 アースバー
8 基板
33 基板側面
35 ガス供給孔
41 ガス供給部材
51 排気スリット
Claims (5)
- 一面に原料ガスを放出する複数の供給孔を有するとともに接地されている接地電極と、
それぞれ高周波電力が供給される複数の分割電極が前記接地電極の前記一面に対向するように並列されて形成され、前記接地電極に対向する表面に基板を保持する放電電極と、
前記分割電極の裏面側に取り付けられ、前記分割電極をインダクタンス成分を介して接地させる接地部と、
が備えられていることを特徴とする真空処理装置。 - 前記接地部は、前記分割電極を支持する構造部材であることを特徴とする請求項1に記載された真空処理装置。
- 前記供給孔は、前記基板の周縁部に対応する部分の配置密度が前記基板の中央部に対応する部分の配置密度よりも密にされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された真空処理装置。
- 前記接地電極と前記基板とによって形成される空間の周囲に、該空間に向かって前記ガスを供給する供給部が備えられていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載された真空処理装置。
- 前記接地電極の前記一面には、前記ガスを排気する複数の排気部が備えられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載された真空処理装置。
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