JP3631903B2

JP3631903B2 - プラズマ化学蒸着装置

Info

Publication number: JP3631903B2
Application number: JP14923098A
Authority: JP
Inventors: 正義村田; 良昭竹内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: JPH11340150A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ化学蒸着装置に関し、アモルファスシリコン太陽電池、薄膜半導体、光センサ、半導体保護膜等の各種電子デバイスに使用される薄膜の製造に適用されるプラズマ化学蒸着装置（以下、プラズマＣＶＤ装置と呼ぶ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉと記す）薄膜や窒化シリコン（以下、ＳｉＮｘと記す）薄膜を製造するために、従来より用いられているプラズマＣＶＤ装置の構成について、２つの代表的例について説明する。即ち、放電発生に用いる電極として、はしご状の平面形コイル電極、即ちラダーインダクタンス電極を用いる方法、及び平行平板電極を用いる方法について説明する。
【０００３】
まず、はしご型電極を用いる方法については、特開平４−２３６７８１号にはしご状平面形コイル電極として各種形状の電極を用いたプラズマＣＶＤ装置が開示されている。本方法の代表例について図１３を用いて説明する。図中の付番１は反応容器であり、この反応容器１内に放電用はしご型電極２と基板加熱用ヒータ３とが平行に配置されている。前記放電用はしご型電極２には、高周波電源４からインピーダンス整合器５を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。前記放電用はしご型電極２は、図１４に示すように一端がインピーダンス整合器５を介して高周波電源４に接続されており、他端はアース線７に接続され、反応容器１とともに接地されている。
【０００４】
放電用はしご型電極２に供給された高周波電力は、反応容器１とともに接地された基板加熱用ヒータ３と放電用はしご型電極２との間にグロー放電プラズマを発生させ、放電空間経由で反応容器１の壁へ、また放電用はしご型電極２のアース線７を介してアースへ流れる。なお、このアース線７には同軸ケーブルが用いられている。
【０００５】
前記反応容器１内には、図示しないボンベから反応ガス導入管８を通して、例えばモノシランと水素との混合ガスが供給される。供給された反応ガスは、放電用はしご型電極２により発生したグロー放電プラズマにより分解され、基板加熱用ヒータ３上に保持され、所定の温度に加熱された基板９上に堆積する。また、反応容器１内のガスは、排気管１０を通して真空ポンプ１１により排気される。
【０００６】
以下、上記装置を用いて薄膜を製造する場合について説明する。まず、真空ポンプ１１を駆動して反応容器１内を排気した後、反応ガス導入管８を通して、例えば、モノシランと水素との混合ガスを供給し、反応容器１内の圧力を０．０５〜０．５Ｔｏｒｒに保つ。
【０００７】
この状態で、高周波電源４から放電用はしご型電極２に高周波電力を印加すると、グロー放電プラズマが発生する。反応ガスは、放電用はしご型電極２と基板加熱用ヒータ３間に生じるグロー放電プラズマによって分解され、この結果ＳｉＨ_３，ＳｉＨ_２などのＳｉを含むラジカルが発生し、基板９表面に付着してａ−Ｓｉ薄膜が形成される。
【０００８】
次に、平行平板電極を用いる方法について図１５を参照して説明する。図中の付番２１は反応容器であり、この反応容器２１内に高周波電極即ちカソード電極２２と基板加熱用ヒータ２３とが平行に配置されている。前記高周波電極２２には、高周波電源２４からインピーダンス整合器２５を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。基板加熱用ヒータ２３は、反応容器２１とともに接地され、接地電極即ちアノード電極となっている。従って、高周波電極２２と基板加熱用ヒータ２３との間でグロー放電プラズマが発生する。
【０００９】
前記反応容器２１内には図示しないボンベから反応ガス導入管２６を通して例えばモノシランと水素との混合ガスが供給される。反応容器２１内のガスは、排気管２７を通して真空ポンプ２８により排気される。基板２９は、基板加熱用ヒータ２３上に保持され、所定の温度に加熱される。
【００１０】
こうした装置を用いて、以下のようにして薄膜を製造する。まず、真空ポンプ２８を駆動して反応容器２１内を排気する。次に、反応ガス導入管２６を通して例えばモノシランと水素との混合ガスを供給して反応容器２１内の圧力を０．０５〜０．５Ｔｏｒｒに保ち、高周波電源２４から高周波電極２２に電圧を印加すると、グロー放電プラズマが発生する。
【００１１】
反応ガス導入管２６から供給されたガスのうち、モノシランガスは高周波電極２２〜基板加熱用ヒータ２３間に生じるグロー放電プラズマによって分解される。この結果、ＳｉＨ_３、ＳｉＨ_２等のＳｉを含むラジカルが発生し、基板２９表面に付着して、ａ−Ｓｉ薄膜が形成される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術、即ちはしご型電極を用いる方法及び平行平板電極を用いる方法は、いずれも次のような問題を有している。
（１）図１３において、放電用はしご型電極２近傍に発生した電界により反応ガス、例えばＳｉＨ_４はＳｉ、ＳｉＨ、ＳｉＨ_２、ＳｉＨ_３、Ｈ、Ｈ_２等に分解され、基板９の表面にａ−Ｓｉ膜を形成する。しかしながら、ａ−Ｓｉ膜形成の高速化を図るため、高周波電源の周波数を現状の１３．５６ＭＨｚより、３０ＭＨｚないし１５０ＭＨｚへ高くすると、放電用はしご型電極２近傍の電界分布が一様性がくずれ、その結果として、ａ−Ｓｉ膜の膜厚分布が極端に悪くなる。図１６は、基板面積３０ｃｍ×３０ｃｍでのプラズマ電源周波数と膜厚分布の関係を示す。膜厚分布の一様性（±１０％以内）を確保できる基板の大きさ即ち面積は５ｃｍ×５ｃｍないし２０ｃｍ×２０ｃｍ程度である。
【００１３】
放電用はしご型電極を用いる方法による高周波電源４の高周波数化が困難な理由は次の通りである。図１７に示すように、放電用はしご型電極の構造に起因したインピーダンスの不均一性が存在するために、プラズマ発光の強い部分が局部的になる。例えば、上記電極の周辺部に強いプラズマが発生し、中央部には発生しない。特に６０ＭＨｚ以上の高周波数化に伴なってその減少は顕著になる。
【００１４】
従って、量産性向上や低コスト化に必要な大面積基板に関するプラズマ電源の高周波数化による成膜速度の向上は非常に困難で、不可能視されている。なお、ａ−Ｓｉの成膜速度はプラズマ電源周波数の２乗に比例するので、関連技術分野の学会においても研究が活発化しているが、大面積化への成功例はまだない。
【００１５】
（２）図１５において、高周波電極２２と基板加熱用ヒータ２３との間に発生する電界により、反応ガス、例えばＳｉＨ_４はＳｉ、ＳｉＨ、ＳｉＨ_２、ＳｉＨ_３、Ｈ、Ｈ_２等に分解され、基板２９の表面にａ−Ｓｉ膜を形成する。しかしながら、ａ−Ｓｉ膜形成の高速化を図るため、高周波電源２４の周波数を現状の１３．５６ＭＨｚより、３０ＭＨｚないし２００ＭＨｚへ高くすると、高周波電極２２と基板加熱用ヒータ２３間に発生する電界分布の一様性がくずれ、その結果として、ａ−Ｓｉ膜の膜厚分布が極端に悪くなる。図１６は、基板面積３０ｃｍ×３０ｃｍでのプラズマ電源周波数と膜厚分布（平均膜厚からのずれ）の関係を示す特性図である。膜厚分布の一様性（±１０％以内）が確保できる基板の大きさ即ち面積は、５ｃｍ×５ｃｍないし２０ｃｍ×２０ｃｍ程度である。
【００１６】
平行平板電極を用いる方法による高周波電源２４の高周波数化が困難な理由は、次の通りである。平行平板型電極は、電極周辺部と中央部の電気特性が異なるため、図１８（Ａ）に示すように電極周辺部に強いプラズマが発生するか、あるいは図１８（Ｂ）に示すように中央部分のみに強いプラズマが発生するという現象がある。
【００１７】
したがって、量産性向上や低コスト化に必要な大面積基板に関するプラズマ電源の高周波数化による成膜速度の向上は、非常に困難で、不可能視されている。なお、ａ−Ｓｉの成膜速度はプラズマ電源周波数の２乗に比例するので、関連技術分野の学会においても研究が活発化しているが、大面積化への成功例はまだ無い。
【００１８】
本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、平行平板電極へ高周波電力を供給する複数の同軸ケーブルを介して給電電力に分配する電力分配器を用いることにより、従来と比べ格段に良好な膜厚分布が得られるプラズマ化学蒸着装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、平行平板電極に周波数３０ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚのグロー放電発生用電力を供給する複数の供給点と前記電力分配器間に、これらに夫々電気的に接続するインピーダンス変換器を配置した構成とすることにより、さらに優れた膜厚分布が得られるプラズマ化学蒸着装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反応容器と、この反応容器に反応ガスを導入する手段と、前記反応ガスを前記反応容器内から排出する手段と、前記反応容器内に配置され、被処理物を支持するヒータ内蔵アノード電極と、このアノード電極に対向して設置されたカソード電極と、このカソード電極に周波数３０ＭＨｚないし２００ＭＨｚのグロー放電発生用電力を供給する電源とを有し、この電源から供給された電力によりグロー放電を発生し、前記被処理物表面上に非晶質薄膜あるいは微結晶薄膜あるいは多結晶薄膜を形成するプラズマ化学蒸着装置において、
前記カソード電極へのグロー放電発生用電力を給電線を用いて供給する給電点を、前記カソード電極を４等分あるいは６等分に区切った領域の中央点、または６等分以上に区切った領域の中央点とし、
夫々の前記給電点に前記グロー放電発生用電力を均等に分配する電力分配器を有し、更に前記カソード電極と前記電力分配器間にこれれに電気的に接続するインピーダンス変換器を配置したことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置である。
【００２１】
本発明において、前記電極と電力分配器間にこれらに夫々電気的に接続するインピーダンス変換器を配置することが、さらに優れた膜厚分布を得る上で好ましい。即ち、前記電極と電力分配器間にこれらに夫々電気的に接続するインピーダンス変換器、例えば図１０に示すようなフェライト性環状体に絶縁被覆導線を２本巻き付けて製作されたものを配置したことを特徴とする。
【００２２】
なお、本発明において、前記電力分配器としては、一般に用いられている高周波数用電力分配器があるが、３０ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚの高周波数用トランスと抵抗とコンデンサを有するものが挙げられる。
【００２３】
前記電力分配器は、前記カソード電極へのグロー放電発生用電力を給電線を用いて供給する給電点を前記電極を４等分あるいは６等分に区切った領域の中央点、あるいは６等分以上に分割された領域の中央点とし、夫々の給電点に前記電力を均等に分配する機能を有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例に係るプラズマＣＶＤ装置について図１及び図２を参照して説明する。ここで、図１は同装置の全体図、図２は同装置の一構成を示す放電用電極に高周波数電力を供給するための電気配線を示す説明図である。
【００２５】
図中の付番２１は反応容器である。この反応容器２１内には、グロー放電プラズマを発生させるための平行平板型のＳＵＳ３０４製の高周波電極すなわちカソード電極２２と、被処理物としての基板２９を支持するとともに該基板２９の温度を制御する基板加熱用ヒータ２３が配置されている。前記反応容器２１内には、反応ガスを前記カソード電極２２と基板２９の間に導入する反応ガス吐出孔３７ａを有した反応ガス導入管３７が配置されている。
【００２６】
前記反応容器２１内には、反応容器２１内の反応ガス等のガスを排気する排気管２７を介して真空ポンプ２８が接続されている。前記反応容器２１内には、アースシールド４０が配置されている。このアースシールド４０は、不必要な部分での放電を抑制する。なお、反応容器２１内の圧力は、図示しない圧力計によりモニタされ、前記真空ポンプ２８の排気量を調整することにより制御される。
【００２７】
前記カソード電極２２とアノード電極２３でＳｉＨ_４プラズマを発生すると、そのプラズマ中に存在するＳｉＨ_３、ＳｉＨ_２、ＳｉＨなどのラジカルが拡散現象により拡散し、基板２９表面に吸着されることにより、ａ−Ｓｉ膜あるいは微結晶Ｓｉあるいは薄膜多結晶Ｓｉが堆積する。なお、ａ−Ｓｉ膜あるいは微結晶Ｓｉあるいは薄膜多結晶Ｓｉは、成膜条件の中の、ＳｉＨ_４，Ｈ_２の原料比、圧力及びプラズマ発生用電力を適正化することで成膜できる公知の技術であるので、ここではＳｉＨ_４ガスを用いたａ−Ｓｉ成膜を例にとり説明する。当然ながら、微結晶Ｓｉ及び薄膜多結晶Ｓｉを成膜することも可能である。
【００２８】
前記カソード電極２２には、後述の給電線、インピーダンス変換器６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ，６１ｇ，６１ｈ、電力分配器６０、インピーダンス整合器２５を介して、高周波電源２４が接続されている。
【００２９】
図２は、上記カソード電極２２に高周波電力を供給するための電気配線を示す説明図である。図２において、例えば周波数６０ＭＨｚの電力を高周波数電源２４よりインピーダンス整合器２５、同軸ケーブル５９、電力分配器６０、同軸ケーブル４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ，４１ｇ，４１ｈ、インピーダンス変換器６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ，６１ｇ，６１ｈ、電流導入端子４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ及び真空用同軸ケーブル４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆ，４３ｇ，４３ｈを介して、上記カソード電極２２に溶着された８個の電力供給端子４４〜５１へ供給する。なお、上記カソード電極２２は、外寸法６００ｍｍ×６００ｍｍ、板厚２０ｍｍのＳＵＳ材で制作されている。
【００３０】
なお、上記電力供給端子の個数及び位置は、図３乃至図６に示すように、前記カソード電極２２を１等分、２等分、４等分及び６等分した領域の中央部にしたり、また図７及び図８に示すように６等分した形で、中央に１点付加あるいは９等分した形で中央部１点を欠いたものとなどとした。
【００３１】
前記電力分配器６０は、図９に示すように、電力２分配器６２及び２個の電力４分配器６３，６４により構成され、入力された高周波電力を均等に８分割する機能を持っている。
【００３２】
前記インピーダンス変換器は、電力分配器６０と真空用同軸ケーブル４３ａ〜４３ｈとカソード電極２２のインピーダンスの整合をとるために、図１０に示すようなフェライト製環状体６５に絶縁被覆導線を２本、トランス巻線比が２対３となるように巻きつけて製作されたインピーダンス変換器６１ａ〜６１ｈを用いた。
【００３３】
次に、上記構成のプラズマＣＶＤ装置を用いてａ−Ｓｉ膜を製作する方法について説明する。まず、真空ポンプ２８を稼働させて、反応容器２１内を排気し、到達真空度を２〜３×１０^−７Ｔｏｒｒとする。つづいて、反応ガス導入管３７より反応ガス、例えばＳｉＨ_４ガスを８０〜２００ＳＣＣＭ程度の流量で供給する。この後、反応容器２１内の圧力を０．０５〜０．１Ｔｏｒｒに保ちながら、高周波電源２４からインピーダンス整合器２５、電力分配器６０、インピーダンス変換器６１ａ〜６１ｈ及び真空用同軸ケーブル４３ａ〜４３ｈを介して、カソード電極２２に高周波数例えば６０ＭＨｚ電力を供給する。その結果、カソード電極２２と基板加熱ヒータ２３の間にＳｉＨ_４のグロー放電プラズマが発生する。このプラズマは、ＳｉＨ_４ガスを分解し、基板２９の表面にａ−Ｓｉ膜を形成する。但し、成膜速度は高周波電源２４の周波数及び出力にも依存するが、０．５〜３ｎｍ／ｓ程度である。
【００３４】
図１１は、図３〜図８に示したカソード電極２２を用いて高周波電源２４の周波数を６０ＭＨｚとし、面積４０ｃｍ×５０ｃｍのガラ基板（商品名：コーニング＃７０５９、コーニング社製造）にａ−Ｓｉ膜を成膜した結果を示す。ここで、成膜条件は、ＳｉＨ_４ガス流量６００ＳＣＣＭ、圧力０．３Ｔｏｒｒ、高周波電力５００Ｗであった。
【００３５】
図１１により、電力供給端子の個数が１個の場合、膜厚分布は±３８％と悪いが、該個数が２個の場合、膜厚分布は±３２％、該個数が４個の場合、膜厚分布±１０％、該個数が６個の場合、膜厚分布は±８％、該個数が７個の場合、膜厚分布±７％及び該個数が８個の場合、膜厚分布は±７％と順次、給電点を増加させるに従って、膜厚分布が改善されていることが判る。
【００３６】
図１２は、前記実施例で用いたインピーダンス変換器６１ａ乃至６１ｈを取りはずし、電力分配器の出力端子から同軸ケーブル４１ａ乃至４１ｈと電流導入端子４２ａ乃至４２ｄ及び真空用同軸ケーブル４３ａ乃至４３ｈを介して、上記カソード電極２２の給電点４４乃至５０へ電力を供給した場合のデータである。図１２は図１１より若干悪い膜厚分布となっているが、給電点の個数が６個乃至８個の場合、膜厚分布±１０％以下である。
【００３７】
なお、ａ−Ｓｉ太陽電池、薄膜トランジスタ及び感光ドラムなどの製造では、膜厚分布としては±１０％以内であれば性能上問題はない。
上記実施例によれば、カソード電極２２の給電点即ち端子を合計４個以上、望ましくは６個以上設置することにより、６０ＭＨｚを用いても、従来の装置及び方法に比べ、著しく良好な膜厚分布を得ることが可能になった。特に、高周波電源２４の周波数が６０ＭＨｚの場合、基板サイズ４０ｃｍ×５０ｃｍにて、膜厚分布±１０％以内を実現できた。このことは、ａ−Ｓｉ太陽電池、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）駆動液晶ディスプレィ及びａ−Ｓｉ感光体等の製造分野での生産性向上及び低コスト化に係る工業的価値が著しく大きいことを意味している。
【００３８】
一方、従来のプラズマ蒸着装置では、３０ＭＨｚ以上での高周波電源を用いると、膜厚分布が著しく悪く、３０ｃｍ×３０ｃｍないし５０ｃｍ×５０ｃｍ程度以上の大面積基板では実用化されていなかった。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、放電用高周波電極即ちカソード電極への高周波電力供給方法として、該電極の給電点を４点以上、望ましくは６点以上とし、かつ３０ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚ級の高周波数電源、インピーダンス整合器、電力分配器、インピーダンス変換器、電流導入端子及び真空用同軸ケーブルを用いることにより、従来技術と比べ、著しく良好な膜厚分布が得られるとともに、基板面積が従来の数倍に増大することが可能なプラズマ化学蒸着装置を提供することを目的とする。
【００４０】
上記の効果は、ａ−Ｓｉ薄膜応用に限らず、３０ＭＨｚ乃至２００ＭＨｚ級の高周波数電源を用いるプラズマＣＶＤ技術が、微結晶Ｓｉ及び薄膜多結晶Ｓｉの製造方法としての用途があることから、太陽電池、薄膜トランジスタ及び感光ドラム等の産業上の価値は著しく大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るプラズマＣＶＤ装置の全体図。
【図２】図１の装置の一構成を示すカソード電極に高周波数電力を供給するための電気配線系統図。
【図３】本発明の実施例に係るカソード電極に配置される電力供給端子が該電極中央部に１個配置された場合の構造図。
【図４】本発明の実施例に係るカソード電極に配置される電力供給端子が該電極を２等分した領域の中央部分へ合計２個配置された場合の構造図。
【図５】本発明の実施例に係るカソード電極に配置される電力供給端子が該電極を４等分した領域の中央部分へ合計４個配置された場合の構造図。
【図６】本発明の実施例に係るカソード電極に配置される電力供給端子が該電極を６等分した領域の中央部分へ合計６個配置された場合の構造図。
【図７】本発明の実施例に係るカソード電極に配置される電力供給端子が該電極を６等分した領域の中央部分へ６個と該電極中央部へ１個、合計７個配置された場合の構造図。
【図８】本発明の実施例に係るカソード電極に配置される電力供給端子が該電極を９等分した領域の中央部分へ、中央を除いて合計８個配置された場合の構造図。
【図９】図１の装置の一構成要素である電力分配器の説明図。
【図１０】図１の装置の一構成要素であるインピーダンス変換器の説明図。
【図１１】周波数６０ＭＨｚ，電力５００Ｗの条件下での図１の装置及び図３乃至図８のカソード電極を用いた場合の電力供給端子個数と膜厚分布を示す特性図。
【図１２】周波数６０ＭＨｚ，電力５００Ｗの条件下でのインピーダンス変換器を取り除いた図１の装置及び図３乃至図８のカソード電極を用いた場合の電力供給端子個数と膜厚分布を示す特性図。
【図１３】はしご型電極を用いた従来のプラズマＣＶＤ装置の説明図。
【図１４】図１３の装置の一構成要素である放電用電極に高周波電力を供給する電気配線の説明図。
【図１５】平行平板電極を用いた従来のプラズマＣＶＤ装置の説明図。
【図１６】従来装置におけるプラズマ電源周波数と膜厚分布との関係を示す特性図。
【図１７】図１３の従来装置におけるインピーダンスの不均一性を説明するための図。
【図１８】図１４の従来装置における電極周辺部と中央部分の電気特性の相違を説明するための図。
【符号の説明】
２１…反応容器、
２２…カソード電極、
２３…アノード電極、
２４…高周波電源、
２５…インピーダンス整合器、
２７…排気管、
２８…真空ポンプ、
２９…基板（被処理物）、
４０…アースシールド、
４１ａ〜４１ｈ…真空用同軸ケーブル、
４２ａ〜４２ｈ…電力導入端子、
６０…電力分配器、
６１ａ〜６１ｈ…インピーダンス変換器、
３７…反応ガス導入管。

Claims

反応容器と、この反応容器に反応ガスを導入する手段と、前記反応ガスを前記反応容器内から排出する手段と、前記反応容器内に配置され、被処理物を支持するヒータ内蔵アノード電極と、このアノード電極に対向して設置されたカソード電極と、このカソード電極に周波数３０ＭＨｚないし２００ＭＨｚのグロー放電発生用電力を供給する電源とを有し、この電源から供給された電力によりグロー放電を発生し、前記被処理物表面上に非晶質薄膜あるいは微結晶薄膜あるいは多結晶薄膜を形成するプラズマ化学蒸着装置において、
前記カソード電極へのグロー放電発生用電力を給電線を用いて供給する給電点を、前記カソード電極を４等分あるいは６等分に区切った領域の中央点、または６等分以上に区切った領域の中央点とし、
夫々の前記給電点に前記グロー放電発生用電力を均等に分配する電力分配器を有し、更に前記カソード電極と前記電力分配器間にこれれに電気的に接続するインピーダンス変換器を配置したことを特徴とするプラズマ化学蒸着装置。