JP2011179096A - 薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマを用いて基板に薄膜を形成するとき、プラズマの発生密度を向上させて薄膜の形成を短時間で済ませる。
【解決手段】基板に薄膜を形成する薄膜形成装置は、減圧状態で基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、前記成膜容器の前記成膜空間内に、薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、前記成膜空間の前記薄膜用原料ガスを用いてプラズマを生成するプラズマ電極部と、を有する。プラズマ電極部は、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材であって、前記板部材の第１の主面が前記成膜空間に向き、前記第１の主面に、電流の流れる方向に沿って延びる溝状の凹部が複数設けられている電極板をプラズマ生成用電極として備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、プラズマを用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成装置に関する。

従来より、基板に薄膜を形成するためにＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置が用いられる。特に、ＣＶＤ装置を用いて薄膜太陽電池に用いるアモルファスＳｉ薄膜をガラス基板に形成するプロセスが注目されている。アモルファスＳｉ薄膜の形成では、例えば、モノシラン（ＳｉＨ₄）をプラズマ化して、ガラス基板上にアモルファスＳｉ薄膜を形成する。近年、薄膜太陽電池用パネルは大型化しており、大型のパネルに均一なアモルファスＳi薄膜を形成することが望まれている。このために、プラズマＣＶＤ装置では、高密度なプラズマが均一に形成されること必要である。

例えば、プラズマＣＶＤ装置の一例として、プラズマ生成室内に複数本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内ガスに高周波電力を印加して誘導結合型プラズマを発生させるプラズマ生成方法およびプラズマ生成装置が知られている（特許文献１）。
当該プラズマ生成方法およびプラズマ生成装置は、複数本の高周波アンテナのうち少なくとも一部の複数本の高周波アンテナについては、順次隣り合わせて、且つ、各隣り合うもの同士が互いに向かい合った並列配置となるように設置する。さらに、この複数本の高周波アンテナは、該順次隣り合わせて、且つ、各隣り合うもの同士が互いに向かい合った並列配置となるように設置する。この高周波アンテナのそれぞれに印加する高周波電圧の位相を制御することで誘導結合プラズマにおける電子温度を制御する。

また、真空容器と、前記真空容器の壁面に設けられた開口部と、前記開口部を気密に覆うように取り付けられる板状の高周波アンテナ導体と、を備えるプラズマ生成装置が知られている（特許文献２）。
当該プラズマ生成装置は、プラズマ生成装置の開口部に高周波アンテナ導体が取り付けられた構造のため、広い範囲に亘って均一性が高いプラズマを生成することができる。

特開２００７−１４９６３９号公報 ＷＯ２００９／１４２０１６Ａ１

図５（ａ）は、板状の高周波アンテナ導体を用いたプラズマ成膜装置の一例の構成を簡略化して説明する図である。図５（ａ）に示すプラズマ成膜装置１００は、電極板１０２が成膜容器１０４の成膜室外に、隔壁１０６を隔てて設けられ、隔壁１０６の、成膜空間に面する側の面には、誘電体１０８が設けられる。誘電体１０８の対向する位置には、薄膜を形成するためのガラス基板Ｇが配置される。ガラス基板Ｇは、ヒータ１１０上に設けられたサセプタ１１２に載置される。

図５（ｂ）は、成膜空間に磁場を生成する電極板１０２の概略斜視図である。電極板１０２は、図５（ｂ）に示すように、板状の電極である。電極板１０２の一方の端面は、数１０ＭＨｚの高周波電源に接続され、電極板１０２の他方の端面は接地されている。電極板１０２では、電流がＸ方向に流れる。この電極板１０２を用いてプラズマを生成する方式では、上述の互いに隣り合わせた複数の高周波アンテナにより生成された高電圧を用いてプラズマを生成する装置と異なり、生成された磁場を用いてプラズマが生成される。
しかし、この電極板１０２により生成されるプラズマの密度は、アモルファスＳｉ薄膜を形成するには十分でなく、成膜速度が遅いといった問題がある。また、複数本の高周波アンテナに高周波電力を給電することにより誘導結合型プラズマを発生させる上述の公知のプラズマ生成方法およびプラズマ生成装置についても十分なプラズマ密度を均一に生成することができないといった問題がある。

そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、プラズマを用いて基板に薄膜を形成するとき、プラズマ密度を向上させて薄膜の形成を効率よく行うことのできる薄膜形成装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
減圧状態で基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜容器の前記成膜空間内に、薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記成膜空間において、前記薄膜用原料ガスを用いてプラズマを生成させるプラズマ電極部と、を有し、
前記プラズマ電極部は、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材であって、前記板部材の第１の主面が前記成膜空間に向くように配置され、前記第１の主面に、電流方向に沿って延びる溝状の凹部が複数設けられている電極板をプラズマ生成用電極として備える。

その際、前記電極板の前記第１の主面と対向する第２の主面の表面積は、前記第１の主面の表面積よりも小さい、ことが好ましい。

また、前記第１の主面と対向する第２の主面には、前記電流方向と直交する方向に沿って伸びる凹凸を備える、ことが好ましい。

前記電極板を、第１の電極板というとき、
前記プラズマ電極部は、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材であって、前記板部材の第３の主面が前記成膜空間に向くように配置され、前記第３の主面に、電流方向に沿って延びる溝状の凹部が複数設けられている第２の電極板を、前記第1の電極板に離間して備え、
前記第２の電極板は、前記第１の電極板に並行するように配置され、
前記第１の電極板および前記第２の電極板のそれぞれにおいて、前記第１の電極板及び前記第２の電極板同士が隣り合う側の端に位置する凹部の深さが、他の凹部の深さに比べて深い、ことが好ましい。

前記電極板の前記凹部の最も深い場所と前記第２の主面との距離が０．２ｍｍより長い、ことが好ましい。

上述の薄膜形成装置では、生成されるプラズマ密度を高くし、薄膜の形成を効率よく行うことができる。

本発明の一実施形態である薄膜形成装置の構成を表す概略図である。 図１に示す薄膜形成装置に用いる電極板の一例を示す斜視図である。 図１に示す薄膜形成装置に用いる電極板の他の例を示す斜視図である。 図１に示す薄膜形成装置に用いる電極板の他の例を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、従来の薄膜形成装置に用いる電極板の例を説明する図である。

以下、本発明の薄膜形成装置について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態である薄膜形成装置１０の構成を示す概略図である。

図１に示す薄膜形成装置１０は、生成されるプラズマを用いて、基板に薄膜を形成するＣＶＤ装置である。薄膜形成装置１０は、電極板を流れる電流によって生成される磁界により、プラズマを生成する方式である。この方式は、モノポールアンテナ等のアンテナ素子の共振により発生する高電圧によりプラズマを生成する方式と異なる。

（薄膜形成装置）
以下、薄膜としてアモルファスＳｉ薄膜を形成する例を用いて、薄膜形成装置１０について説明する。
薄膜形成装置１０は、給電ユニット１２と、成膜容器１４と、ガス供給部１６と、ガス排気部１８と、を有する。

給電ユニット１２は、高周波電源２２と、高周波ケーブル２４と、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、電極板３０と、を有する。
高周波電源２２は、例えば、１００〜３０００Ｗで数１０ＭＨｚの高周波電力を電極板３０に給電する。マッチングボックス２６は、高周波ケーブル２４を通して提供される電力が電極板３０に効率よく供給されるように、インピーダンスを整合する。マッチングボックス２６は、キャパシタおよびインダクタ等の素子を設けた公知の整合回路を備える。
マッチングボックス２６から延びる伝送線２８は、例えば、一定の幅を備える銅板状の伝送線路であり、電極板３０へ、例えば数アンペアの電流を流すことができる。
伝送線２９は、電極板３０から延び接地されている。

電極板３０は、後述する隔壁３２上に固定された一方向に長い板部材であって、この板部材の第１の主面が成膜容器１４内の成膜空間に向いて隔壁３２に対して並行に配置されている。電極板３０は、伝送線２８が接続されている端面と伝送線２９が接続されている端面との間の、板部材の長手方向に沿って電流を流す。電極板３０は、第１の主面に、電流の流れる方向に沿って延びる凹部が複数設けられている。この点は、後述する。

成膜容器１４は、内部空間３８を容器内に有し、内部空間３８は、隔壁３２により上部空間と下部の成膜空間４０に区分けされている。成膜容器１４は、例えば、アルミニウム等の材質で形成されて内部空間３８を１〜１００Ｐａの減圧状態にできるように、密閉されている。成膜容器１４の上部空間には、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、電極板３０と、を有する。隔壁３２の上部空間に面する側には、電極板３０が固定されている。電極板３０の周囲には、周囲の隔壁３２と絶縁するための絶縁部材３４が設けられている。一方、隔壁３２の成膜空間４０に面する側には、誘電体３６が設けられている。誘電体３６には、例えば石英板が用いられる。誘電体３６を設けるのは、プラズマによる電極板３０の腐食を防ぎ、かつ効率よくプラズマへ電力を伝播させるためである。

成膜容器１４の成膜空間４０には、ヒータ４２と、サセプタ４４と、昇降機構４６と、が設けられている。
ヒータ４２は、サセプタ４４に載置するガラス基板２０を所定の温度、例えば２５０℃程度に加熱する。
サセプタ４４は、ガラス基板２０を載置する。
昇降機構４６は、ガラス基板２０を載置したサセプタ４４をヒータ４２ともに、成膜空間４０内を自在に昇降する。成膜プロセス段階では、電極板３０に近接するように、ガラス基板２０を所定の位置にセットする。

ガス供給部１６は、ガスタンク４８と、マスフローコントローラ５０と、を有する。
ガスタンク４８は、薄膜用原料ガスであるモノシランガス（ＳiＨ₄）を貯蔵する。
マスフローコントローラ５０は、モノシランガスの流量を調整する部分である。例えば
形成される膜の膜厚や膜質等の結果に応じてモノシランガスの流量を調整することができる。モノシランガスは、成膜容器１４の成膜空間４０の側壁から成膜空間４０内に供給される。

ガス排気部１８は、成膜空間４０内の側壁から延びる排気管と、ターボ分子ポンプ５２と、ドライポンプ５４と、を有する。ドライポンプ５４は、成膜空間４０内を粗引きし、ターボ分子ポンプ５２は、成膜空間４０内の圧力を１×１０^-4Ｐａ以下に高精度に減圧を維持する。ターボ分子ポンプ５２とドライポンプ５４とは、排気管で接続されている。

（電極板）
図２は、給電ユニット１２に用いられる電極板３０の一例の斜視図である。
電極板３０は、電極板３０の第１の主面３０ａが内部空間４０に向くように、隔壁３２に固定されている。第１の主面３０ａには、電流方向（図中、Ｘ方向）に沿って延びる溝状の凹部３０ｃが複数設けられている。電極板３０は、例えば、銅、アルミニウム等が用いられる。

図２に示す例では、凹部３０ｃとして、直線的に傾斜した傾斜面で凹部が形成されたＸ方向に延びる溝が４本設けられている。このため、電極板３０は、第１の主面３０ａの表面積が第１の主面３０ａと反対側の第２の主面３０ｂの表面積に対して大きい。電極板３０を流れる高周波の電流は表面効果により、第１の主面３０ａ，第２の主面３０ｂの表層に集まる。しかし、第１の主面は、第２の主面３０ｂに比べて表面積が大きいので、第１の主面３０ａの表層を流れる電流は、第２の主面３０ｂに比べて大きい。このため、第１の主面３０ａの表層を流れる電流により、成膜空間４０内に形成される磁場は、凹部３０ｃが設けられていない電極板（図５（ｂ）参照）に比べて大きくなる。このため、従来に比べて磁場により生成されるプラズマは高密度化される。しかも、電極板３０を用いて磁場を生成するので、薄膜形成装置１０は広範囲に均一な磁場を生成することができ、その結果、広範囲に高密度のプラズマを生成することができる。

なお、電極板３０を流れる電流の表層は、電極板３０の電気抵抗率、電流の周波数、および、電極板３０の透磁率に依存して定まるが、銅あるいはアルミニウムを電極板３０の材質とし、電流の周波数を数１０ＭＨｚとする場合、表層の深さはおよそ０．１ｍｍ程度である。したがって、第１の主面３０ａと第２の主面３０ｂの表層に流れる電流を考慮して、電極板２０の厚さは、０．２ｍｍより厚いことが好ましい。すなわち、電極板３０の凹部３０ｃの最も深い場所と第２の主面３０ｂとの距離が０．２ｍｍより長いことが好ましい。

図２に示す電極板３０の凹部３０ｃは、いずれも同じ深さの凹部であるが、凹部３０ｃの深さは一定である必要はなく、分布を持たせることもできる。例えば、電極板３０の幅方向（Ｘ方向と直交する方向）の中央部で凹部３０ｃの深さを深くしてもよいし、電極板３０の幅方向（Ｘ方向と直交する方向）の両側で凹部３０ｃの深さを深くしてもよい。電極板３０は、凹部の深さの代わりに、凸部の高さを変えてもよい。少なくとも、第１の主面３０ａの表面積が第２の主表面３０ｂの表面積に対して大きければよい。
第１の主面３０ａに設ける凹部３０ｃの数も限定されない。

また、電極板３０の凹部３０ｃの深さあるいは凸部の高さを、図２中のＸ方向（長手方向）に沿って徐々に変化させることもできる。例えば、電流の上流側の部分が下流側の部分に対してプラズマ密度が低い場合、上流側の表面積の差（第１の主面側の表面積と第２の主面側の表面積との差）を大きくし、下流側では表面積の差を小さくするとよい。
また、複数設けられる凹部３０ｃの間隔も一定である必要はなく、間隔を幅方向（Ｘ方向と直交する方向）に変化させてもよい。

（第１変形例）
図３は、電極板３０とは異なる電極板６０の斜視図である。
電極板６０の第１の主面６０ａは、電極板３０の第１の主面３０ａに設けられる凹部３０ｃと同様の凹部を備える。一方、第２の主面６０ｂには、電流が流れるＸ方向に対して直交する方向に延びるフィン状の薄板部材６０ｃが複数設けられている。第２の主面６０ｂの側に薄板部材６０ｃを設けるのは、電流の流れる方向の断面積を第２の主面６０ｂの側で大きく変化させることにより、抵抗を大きくするためである。このため、第２の主表面６９ｂに比べて抵抗が小さい第１の主面６０ａに電流が流れ易くなる。したがって、第１の主面６０ａに流れる電流を大きくし、第１の主面３０ａに流れる電流により、成膜空間４０内に形成される磁場を、従来に比べて大きくすることができる。
また、薄板部材６０ｃは、電極板６０を電流が流れることにより発生する熱を放熱する点でも、有効である。なお、電極板６０の第２の主面６０ｂには、薄板部材６０ｃが設けられることに限定されず、電流の流れる方向と直交する方向に沿って伸びる凹凸を備えればよい。電極板６０には、少なくとも、第２の主面６０ｂの表層を流れる電流の抵抗を大きくするような凹凸が設けられるとよい。

（第２変形例）
図４は、大面積のプラズマを生成するために、電極板６２，６４を設ける場合の例を説明する図である。
電極板６２，６４は、図１に示す隔壁３２に固定される。このとき、電極板６２，６４は電流の流れる方向に並列するように配置される。電極板６２，６４は、電極板３０の凹部３０ｃと同様に、成膜空間４０の側に向く第１の主面６２ａ，６４ａの側に、凹部６２ｃ₁，６２ｃ₂，凹部６４ｃ₁，６４ｃ₂がＸ方向に沿って設けられている。凹部６２ｃ₂は、電極板６２，６４が隣接する側の端に位置する凹部であり、凹部６４ｃ₂は、電極板６２，６４が隣接する側の端に位置する凹部である。凹部６２ｃ₂，凹部６４ｃ₂の深さは、凹部６２ｃ₁，凹部６４ｃ₁の深さに比べて深くなっている。このように、電極板６２，６４が隣り合う側に位置する凹部の深さを深くするのは、第１の主面６２ａ，６４ａにおける表面積を電極板６２，６４が隣り合う側で大きくして表面積を大きくすることで、電流を増大させるためである。図２に示す電極板３０を２つ並列して配置した場合、２つの電極板が隣り合う部分では電流が流れ難い。このため、この部分の電流により生成される磁場も大きくならず、その結果、２つの電極板が隣り合う部分でのプラズマ密度は低い。そのため、均一なプラズマが生成されにくい。
しかし、深さの深い凹部６２ｃ₂，凹部６４ｃ₂を設けた電極板６２，６４を用いることで、２つの電極板が隣り合う部分の電流の低下を抑制でき、均一に電流を流すことができる。その結果、均一な磁場を形成することができ、均一かつ高密度なプラズマを生成することができる。

以上のように、プラズマを生成するために用いる電極板では、電流が一方の端面から他方の端面に流れる。この電極板の第１の主面が成膜空間に向き、この第１の主面に、電流方向に沿って延びる凹部が複数設けられている。このため、第１の主面に流れる電流を増大することができ、従来に比べて成膜空間内の磁場を高くすることができる。したがって、プラズマを高密度に生成することができる。

以上、本発明の薄膜形成装置について詳細に説明したが、本発明の薄膜形成装置は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

１０ 薄膜形成装置
１２ 給電ユニット
１４，１０４ 成膜容器
１６ ガス供給部
１８ ガス排気部
２０ ガラス基板
２２ 高周波電源
２４ 高周波ケーブル
２６ マッチングボックス
２８，２９ 伝送線
３０，６０，６２，６４，１０２ 電極板
３０ａ，６０ａ，６２ａ，６４ａ 第１の主面
３０ｂ，６０ｂ 第２の主面
３０ｃ，６２ｃ₁，６２ｃ₂，６４ｃ₁，６４ｃ₂ 溝部
３２，１０６ 隔壁
３４ 絶縁部材
３６，１０８ 誘電体
３８ 内部空間
４０ 成膜空間
４２，１１０ ヒータ
４４，１１２ サセプタ
４６ 昇降機構
４８ ガスタンク
５０ マスフローコントローラ
５２ ターボ分子ポンプ
５４ ドライポンプ
６０ｃ 薄板部材
１００ プラズマ成膜装置

Claims (5)

1. 基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
   減圧状態で基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、
   前記成膜容器の前記成膜空間内に、薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
   前記成膜空間において、前記薄膜用原料ガスを用いてプラズマを生成させるプラズマ電極部と、を有し、
   前記プラズマ電極部は、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材であって、前記板部材の第１の主面が前記成膜空間に向くように配置され、前記第１の主面に、電流方向に沿って延びる溝状の凹部が複数設けられている電極板をプラズマ生成用電極として備える、ことを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記第２の主面は、電流方向に沿って平坦形状を成し、
   前記電極板の前記第１の主面と対向する第２の主面の表面積は、前記第１の主面の表面積よりも小さい、請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記第１の主面と対向する第２の主面には、前記電流方向と直交する方向に沿って伸びる凹凸を備える、請求項１に記載の薄膜形成装置。
4. 前記電極板を、第１の電極板というとき、
   前記プラズマ電極部は、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材であって、前記板部材の第３の主面が前記成膜空間に向くように配置され、前記第３の主面に、電流方向に沿って延びる溝状の凹部が複数設けられている第２の電極板を、前記第1の電極板に離間して備え、
   前記第２の電極板は、前記第１の電極板に並行するように配置され、
   前記第１の電極板および前記第２の電極板のそれぞれにおいて、前記第１の電極板及び前記第２の電極板同士が隣り合う側の端における凹部の深さが、他の位置における凹部の深さに比べて深い、請求項1〜３のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
5. 前記電極板の前記凹部の最も深い場所と前記第２の主面との距離が０．２ｍｍより長い、請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。