JP3837539B2

JP3837539B2 - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP3837539B2
Application number: JP2003083531A
Authority: JP
Inventors: ちさと新倉; 道雄近藤; 彰久松田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004296526A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、薄膜半導体、特に、微結晶シリコン、非晶質シリコン薄膜太陽電池に使用される大面積薄膜の製造に適したプラズマＣＶＤ(化学蒸着)装置ならびにプラズマＣＶＤ(化学蒸着)薄膜(高速)製造方法に関する。エッチングなどのプラズマプロセスへも適用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
大面積の非晶質または微結晶シリコン薄膜を製造するために、従来から用いられているプラズマＣＶＤ装置の構成を図５を参照して説明する。
【０００３】
図５において、反応容器(1)内にはプラズマを発生させるための電極((7)カソード、(8)アノード)が平行に設置されている。これら電極(7)、(8)には、電源(2)から例えば周波数rfの電力が供給される。アノード電極は、一般には接地されている。電源としては、直流、低周波又は高周波電源を用いることができる。
【０００４】
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(3)を通して、例えば、モノシランと水素の混合ガスが供給される。反応容器(1)内のガスは、排気管(4)を通して真空ポンプ(5)により排気される。基板(6)は、アノード電極上に置かれ、電極内部ヒーター(9)により加熱されている場合が多い（例えば、下記「特許文献１」参照）。
【０００５】
この従来の（平行平板容量結合）プラズマＣＶＤ装置を用い、原料ガスの高圧・枯渇条件を作ることにより高速製膜を図ることができる。高圧・枯渇条件を作るためには、電源に印加する電力密度ならびに周波数、原料ガス流量、プロセスガス圧力の高い条件を用いることが有効である（例えば、下記「特許文献２」参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６２−２６３２３号
【特許文献２】
特開２００２−２８９５３０号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプラズマＣＶＤ装置においては、原料ガスの高圧・枯渇条件を作ることにより高速製膜を図ることができる。しかし、この方法では十分でなく、たとえば工業における微結晶シリコン薄膜太陽電池作製に求められる製膜速度(約10 nm/s)は、達成できていない。また、高圧条件下においては気相中でパウダーが形成されやすく、装置の稼働率を低下させている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明のプラズマＣＶＤ装置は、反応容器と、この反応容器内に反応ガスを導入し、排出する手段と、上記反応器内に収容された放電用平行平板電極(カソード、アノード)と、この放電用電極に電力を供給する電源とを有し、反応容器内に設置された基板表面に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、アノード表面に基板を設置し、カソード板を反応容器内に反応ガスを基板面内に均一に導入するシャワーヘッド型導入口と一体型とし、カソード板表面形状を、長円筒状の凹部を格子状に並べたものを溝で連結させた凹凸のあるものとし、長円筒状の凹部にその径より小さな径の穴を作製し反応ガス導入口とすることを特徴とするものである。これより、高密度のプラズマがカソード板表面の長円筒状の凹部から噴き出す形でカソード面内均一に安定に生成され、ガスを効率よく分解し、驚くべきことに10 nm/s程度の高速製膜が可能となる。
【０００９】
【実施の態様】
本願発明においては、反応容器内の圧力は、0.5 Torr以上が好ましい。圧力の低下は、製膜速度の低下を伴うので、ガス圧が低すぎるのは好ましくない。
【００１０】
また、原料ガス(シリコン系薄膜製造の場合は、一般にSiH₄)が高い割合で枯渇することが望ましく、最適な投入電力は、ガス流量及びガス圧等に依存するが、比較的高い投入電力を用いることが好ましい。しかし、本願発明におけるカソード板の表面形状にもとづく高いガスの分解効率により、低い投入電力を用いることも可能である。
【００１１】
また、カソード板材料としては、ステンレス等の融点の高いものを用いることが好ましい。
【００１２】
また、カソード板凹部径は、ガス圧に依存するが、0.2-20 mm程度が好ましい。凹部の深さは、径と同程度又は0.5-40 mm程度が好ましい。凹部を連結させる溝の幅は、凹部の径以下が好ましい。凹部径が小さく、カソード板表面積が大きい条件は、ホロー効果を得るためには好ましい。上記凹部径が大き過ぎると、堆積膜の均一性が悪くなり、また凹部での電子の閉じ込め効果が得られにくくなるため、好ましくない。
【００１３】
本願発明においては、カソード-アノード間距離は、プロセスガス圧に依存するが、大き過ぎないことが好ましい。上記距離の増大は、製膜速度の低下、またカソード板穴近傍で生成された分解種の基板表面に到達するまでの間の気相反応の数の増大を伴う。特に微結晶シリコン膜作製のためには、結晶化を推進する原子状水素が気相反応により消滅し基板表面に到達しにくくなるため、上記距離は、大き過ぎないことが好ましい。
【００１４】
また、基板温度は、室温以上が好ましい。
【００１５】
また、高密度プラズマが滞在しやすい環境を作るため、原料ガスを閉じ込めるように、カソード板端において板状のものなどで凹凸パターンの凸部周囲を囲むことが好ましい。
【００１６】
また、カソード板凹部は、長円筒状のものを溝で連結させたものとしたが、長円筒状のみ、または溝のみの形状なども可能である。
【００１７】
また、カソード板筒状凹部深さと溝の深さは、同じものとしたが、異なっていても可能である。
【００１８】
また、カソード板表面とカソード板凹部（筒状または溝状）側面とが成す角は、直線から成る直角であるものとしたが、この角部を丸く曲面とすることも可能である。
【００１９】
本願発明においては、反応ガスの導入をカソード板一体型シャワーヘッドからでなく、別なノズルあるいはカソード板に別な構成で設けられた導入口から行うことも可能である。
【００２０】
【作用】
本願発明においては、(放電用電極の)カソード板表面に格子状に配置されたガス導入部の凹部にてホロー効果によると考えられる電子の閉じ込めが起こり、高密度プラズマが凹部から噴き出す形で安定に生成され、ガスを効率よく分解し、大面積に均一に高速製膜が可能となる。カソード板表面からのγ作用による電子の放出は、広いカソード板表面積により、効果的に起こると考えられる。凹部に原料ガスを導入することにより凹部付近にて原料ガスの高い枯渇条件が作られ、原料ガスを高い効率で利用しながら薄膜の高速製造が可能である。原料ガスの利用効率が高いため、気相中でのパウダー生成は比較的少ない。装置構成は比較的簡単なダイオード型であり、工業における実用化に適している。
【００２１】
【実施例】
図1は、本願発明に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。なお、従来の装置(図5)と同一の部材には同一番号を付してある。面積128 cm²の平行平板容量結合プラズマＣＶＤ装置を使用し、ガスシャワーヘッド一体型カソード板(7)(図2)としては、図3、図4における (a, b, c, d, e, f) = (2, 3, 5, 4, 0.5, 1) ならびに (1, 1.5, 5, 4, 0.5, 0.5) (mm) のものを使用した。原料ガスとしては、SiH₄及びH₂を用い、ガラス基板上に微結晶シリコン薄膜の作製を行った。
【００２２】
製膜条件としては、SiH₄流量を15-50 sccm、H₂流量を300 sccmとした比較的低水素希釈条件で、放電用電源周波数60 MHz、投入電力525-925 W、ガス圧力9.3Torr、基板温度100-400 ℃、カソード表面-アノード電極間距離7 mmの条件を用いた。上記の条件において、結晶性の良好な微結晶シリコン薄膜を、製膜速度7-10 nm/sにて作製することができた。また、電子スピン共鳴法で見積もった欠陥密度が1×10¹⁶ cm^-3と低い高品質微結晶シリコン膜を、８nm/s 程度の高速にて作製することができた。
【００２３】
製膜中のプラズマ発光状態を、Si*からの波長288 nm近傍又はH_αからの656 nm近傍の発光のみを透過させる光フィルタを介して観測すると、凹部から噴き出すかたちで強い発光強度が観測された。
【００２４】
【発明の効果】
本願発明によれば、平行平板プラズマＣＶＤ装置において、アノード表面に基板を設置し、カソード板を反応容器内に反応ガスを基板面内に均一に導入するシャワーヘッド型導入口と一体型とし、カソード板表面を長円筒状の窪みを格子状に並べたものを溝で連結させた凹凸のある形状とし、長円筒状の凹部にその径より小さな径の穴を作製し反応ガス導入口とすることにより、高密度のプラズマがカソード板表面の長円筒状の凹部から噴き出す形で安定に生成され、ガスを効率よく分解し、高速で大面積に均一に薄膜を製造することが可能となる。したがって、薄膜半導体の製造またはエッチングなどのプラズマプロセスにおいて、特に微結晶ならびに非晶質シリコン薄膜太陽電池の製造分野で工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係るプラズマＣＶＤ装置の概観図
【図２】本願発明に係るプラズマＣＶＤに用いられるガスシャワーヘッド一体型カソード板の平面図（アノード板に対面する表面）
【図３】本願発明に係るプラズマＣＶＤに用いられるガスシャワーヘッド一体型カソード板表面部分の断面図（上側がアノード板に対面する表面であり、下側から上側に向かって原料ガスが反応容器内に導入される。）
【図４】本願発明に係るプラズマＣＶＤに用いられるガスシャワーヘッド一体型カソード板におけるアノード板に向かった表面の凹凸パターン図
【図５】従来のプラズマＣＶＤ装置の断面図
【符号の説明】
１・・反応容器
２・・交流電源
３・・反応ガス導入管
４・・排気管
５・・真空ポンプ
６・・基板
７・・ガスシャワーヘッド一体型カソード
８・・アノード
９・・ヒーター

Claims

反応容器、該容器内に反応ガスを導入する手段、ガスを排出する手段、該容器内に収容されたカソード及びアノードから成る放電用電極並びに該電極に電力を供給する電源を有し、該反応容器内に設置された基板表面に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、該反応ガスを該基板面内に均一に導入するシャワーヘッド型導入口と該カソード電極を一体型とし、該カソード電極表面に複数の筒状凹部を設け、該複数の凹部は、該筒の径より幅の狭い溝により相互に連結されており、該凹部の底部には、該凹部の底部の面積よりも小さな穴を穿ち、該穴を反応ガス導入口としたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
上記筒状は、円筒状であることを特徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。
上記凹部の並べ方は、平面視において格子状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
上記凹部の並べ方は、平面視において最密充填状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマＣＶＤ装置。