JP4355490B2 - 堆積膜形成装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマCVD法によって基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成装置に係り、例えば、アモルファスシリコンやアモルファス合金、さらに微結晶シリコンを用いた太陽電池等の光起電力素子の半導体薄膜、窒化シリコンを用いた半導体素子の絶縁膜または光学薄膜を連続的に作製する堆積膜形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン系非単結晶は、プラズマCVD法によって大面積の半導体膜を形成することができ、結晶シリコンや多結晶シリコンと比較して、大面積の半導体デバイスを比較的容易に形成することに利用できる。そのため、アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン膜は、大きな面積を必要とする半導体デバイス、具体的には、太陽電池、複写機の感光ドラム、ファクシミリのイメージセンサー、液晶ディスプレー用の薄膜トランジスタなどに多く用いられている。
【0003】
アモルファスシリコン膜の形成は、一般に、SiH4やSi2H6等のSiを含有する堆積膜形成用材料ガスを高周波放電によって分解してプラズマ状態にし、該プラズマ中に置かれた基体上に成膜するプラズマCVD法によりなされている。プラズマCVD法によってアモルファスシリコン膜を形成する場合には、従来のRF周波数(13.56MHz近傍)の高周波が一般に用いられてきた。しかし、2.45GHzのマイクロ波周波数を用いることにより高密度プラズマを効率的に生成することができ、プラズマCVD法において堆積膜形成速度の向上が図れる可能性があることから、近年マイクロ波を用いたプラズマCVD法が注目されている。
【0004】
例えば、特許文献1には、放電周波数2.45GHzのマイクロ波周波数を用いた平板スロットアンテナによるマイクロ波プラズマCVD法が提案されている。この発明によると、プラズマが効率的にかつ均一分布状態で生起されると共に、生起するプラズマにより試料の均一なエッチング又はアッシング、そして基体上への均一な成膜等を効率的に行い得るとしている。
【0005】
一方、窒化シリコン薄膜は、半導体プロセスにおける絶縁材料および光学材料として優れた物性を有する観点から、主に高温プロセスであるCVD法による製法が取り上げられてきた。
【0006】
しかしながら、比較的高い放電圧力を要したり、大電力を要するような微結晶シリコンや、基体の低温処理を要するような窒化シリコン堆積膜を形成する装置に、マイクロ波プラズマCVD法を採用しようとすると次のような問題が生じている。すなわち、マイクロ波を放射する平板スロットアンテナから誘電体窓を介してマイクロ波を放電空間に投入してプラズマを生起したところ、マイクロ波プラズマが誘電体窓近傍に集中し、その表面に堆積膜を生成して膜剥がれを生じることで、反応室内にコンタミ等が生じたり、特に誘電体窓に微結晶堆積膜が堆積してマイクロ波投入電力が不安定になったり、誘電体窓に割れが生じることがある。
【0007】
さらに、近年の大面積化を狙った有機デバイス等のプロセス上においては、材料ガスの導入をいかに均一にするかが懸案事項となっている。
【0008】
これらの不具合に対し、例えば、特許文献2、特許文献3、及び特許文献4には、幾つかの改良案が開示されている。
【0009】
【特許文献1】
特許第2722070号公報
【特許文献2】
特開2000−228366号公報
【特許文献3】
特願平7−206211号公報
【特許文献4】
特開平6−244118号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
まず、特許文献2では、誘電体窓に材料ガスの流路を形成し、そこに至る導入経路のシール方法を工夫してガス漏れを防止している。しかしながら、この装置においては、導電性膜の誘電体窓本体への着膜に対しては対策されていない。
【0011】
また、導電性膜の誘電体窓への着膜対策としては、リモートプラズマCVD法があり、特許文献3では、成膜室内をコンダクタンス調整板で仕切り、圧力差を持たせることで誘電体窓近傍の着膜を防ぐとしている。しかし、コンダクタンス調整板への着膜や供給されるガスの吹出し均一性については対策されていない。
【0012】
さらに、特許文献4では、マイクロ波進行方向に向かってプラズマ制御手段の誘電体窓側に単独では堆積膜を形成することのないガスを供給し、放電空間側に堆積膜形成用材料ガスを供給することにより連続して移動する帯状部材上に堆積膜を形成するとしているが、静止基体上への均一成膜においては具体的開示はなされていない。
【0013】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、基体上にマイクロ波プラズマCVD法により堆積膜を形成するに際し、誘電体窓表面への堆積膜の生成や結晶化を防止し、比較的大きなマイクロ波投入電力を長時間安定的に放電空間に伝送して均質なプラズマを生成し、高品質で均一性に優れた堆積膜を形成することができ、光起電力素子等の半導体薄膜の形成に適した堆積膜形成装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明に係る堆積膜形成装置は、平板スロットアンテナを具備し、該アンテナから誘電体窓を介して放電空間内にマイクロ波を導入し、マイクロ波プラズマCVD法によって基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成装置において、
前記誘電体窓の放電空間側の面に、複数の中空部材を並列に配して複数のガス流路に区画され、前記基体に対向しない位置にガス吹出し孔を有する材料ガス供給マニホールドを配設したことを特徴とする。
【0015】
上記の堆積膜形成装置において、材料ガス供給マニホールドは、接地された導電性部材により構成され、基体に対向しない導電性部材の側面にガス吹き出し孔を有することが好ましい。
【0016】
また、材料ガス供給マニホールドは、誘電体窓からの高さが供給されるガス分子の平均自由行程以上に、中空部材同士の間隔が平均自由行程と同等の寸法に構成されることが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限るものではない。
【0018】
図1は、本実施形態の堆積膜形成装置における誘電体窓周りを模式的に示す電界方向断面図である。図1において、101は同軸管、102は真空容器隔壁、103は平板スロットアンテナ、104は誘電体窓、105はステージ、106は誘電体座、107は材料ガス供給マニホールド、108は基体、109はヒータ、110はガス導入管、111は排気配管である。
【0019】
本実施形態の堆積膜形成装置は、図1に示すようなプラズマCVD装置であり、この装置を用いて微結晶シリコン半導体を成膜した。図1に示すように、真空容器102の内部は、不図示の真空ポンプによって排気配管111から真空排気される。真空雰囲気は、誘電体窓104の部分において、Oリングにより封止されている。
【0020】
マイクロ波電力は、不図示のマイクロ波電源から同軸管101を通過し、平板スロットアンテナ103の端面に設置された誘電体窓104を透過して、放電室Aへと放射される。この放射室A内において、ガス導入管110から供給された材料ガスがマイクロ波電力により分解してプラズマ化され、ヒータ109にて所定温度に加熱された基体108上に堆積膜が形成される。
【0021】
本実施形態の堆積膜形成装置の主要構成要素は、材料ガス供給マニホールド107、誘電体窓104、及び平板スロットアンテナ103により構成されており、以下これらの主要構成要素についてさらに説明を補足する。
【0022】
(材料ガス供給マニホールド)
材料ガス供給マニホールド107は、導電性を有する複数の中空部材により構成され、これらの中空部材を略等間隔で並列に配して複数のガス流路を区画形成しており、基体108に対向しない中空部材の側面にはガス吹き出し孔を有し、該ガス吹き出し孔からガスを均等に吹き出し得る構造を有している。これらの中空部材は、高さが供給されるガス分子の平均自由行程以上で、部材同士の間隔が概ね平均自由行程とほぼ同等の寸法を有するように配されている。こうすることによって、プラズマ空間で活性化された着膜成分が材料ガス供給マニホールド107を介して誘電体窓側に回り込むことや、材料ガス供給マニホールド間で放電を生起することが防止され、誘電体窓104が着膜によって閉塞されるのを防止することができる。
【0023】
図2は、同心円状に中空部材を加工した材料ガス供給マニホールドを示す概略図である。図2に示すように、材料ガスは、材料ガス供給マニホールド107の中空部材を貫通するように接続した材料ガス供給管110から各中空部材の内部に供給されて、基体に対向しない面に加工した孔201から吹き出され、主に隣合う中空部材にガスが吹き付けられる。このようにして材料ガスが基体に直撃しないことにより、基体への均一な堆積膜の形成が可能になると同時に、中空部材のプラズマに晒される側への堆積膜の着膜を最低限に抑制し、誘電体窓への着膜も防止するので、長時間にわたって安定放電が可能となる。
【0024】
この場合、同心円状の中空部材がガスの拡散方向を矯正するように、基体へ向かう方向に収束するような傾きを持たせてもよい。こうすることで、基体の形状に応じた均一な着膜成分の流れを形成することができ、均一な成膜が可能となる。
【0025】
材料ガス供給マニホールド107の中空部材の構成材料として、マイクロ波透過性の観点から誘電体が望ましいが、複雑な形状加工が困難な点や導入コストが高価な点から、接地した導電性部材でも十分に機能を果たし得る。
【0026】
(誘電体窓)
誘電体窓104は、マイクロ波を放電空間に透過する機能と、放電空間を大気から真空封止する機能を併せ持っている。
【0027】
真空容器が大気から真空へと排気されるに連れ、誘電体窓104には大気方向から圧力がかかり、そしてマイクロ波が透過して放電が生起されると、マイクロ波による誘電加熱やプラズマからの熱衝撃または堆積膜の着膜により、過酷な環境に曝される。
【0028】
この中で最も大きな問題は、誘電体窓への堆積膜の着膜である。着膜が導電性膜のときには、マイクロ波の透過が阻害され、形成する堆積膜の成膜速度や均一性をも損なう。また、着膜物質の誘電損失係数の異なるときには、最悪の場合は誘電体窓の破損に至る。さらに、誘電体窓の着膜物質飛散による基体への汚染は、形成する堆積膜質の低下を来たす。
【0029】
従来はこれらの問題に対処する方法として、誘電体を複数重ね合せること、大気圧が直接誘電体面に作用しないよう複数の誘電体で仕切った中間圧力領域を持たせることなどで対処されてきた。しかし、複数の誘電体を装備することにより誘電体損失係数を増やし、比較的大きな電力が投入できないことや装置構造が過大になることが問題となっていた。
【0030】
本発明では、誘電体窓104のマイクロ波進行方向2次側の面に材料ガス供給マニホールド107が配置されているので、着膜の虞れはない。
【0031】
誘電体窓104の構成材料としては、機械的強度、熱伝導率、及び誘電体損失係数において優れたセラミックスが好適に用いられ、例えば、AlN,Al2O3,SiO2,Si3N4,TiO2や、その複合焼結体が好ましいが、必要な物性をバランスよく満足している限りにおいては何ら限定を加えない。
【0032】
さらに、誘電体窓104の真空封止部分については、マイクロ波による誘電加熱とプラズマからの誘電加熱の影響を受け易いので、Oリングの材質としては、一般的なバイトン製またはシリコン製が好ましく、誘電体窓104のOリングによるシール部分に導電性金属蒸着によるシールドを施し、直接マイクロ波がOリングに暴露しないような構造を採ることが好ましい。
【0033】
これにより、プラズマに直接曝されるという過酷な熱衝撃を緩和し、着膜成分によるマイクロ波透過における誘電体損失係数及び反射損失を低減し、生起するプラズマを均一化して、長時間において安定した均質な堆積膜の形成が可能となる。
【0034】
(平板スロットアンテナ)
平板スロットアンテナ103には、導体の平板上に多数のスロットが同心円状または渦巻状に配されている。マイクロ波供給用の同軸管101から導体平板の中心に向けて同軸管内導体と同軸管外導体とに接続した真空容器筐体部分に向けて、マイクロ波を導体平板の径方向に伝播させつつ、前記スロットから放射して真空容器102内に材料ガスのプラズマを発生させて、基体108上に堆積膜を形成させるものである。
【0035】
上記の構成によると、材料ガス供給マニホールド107が放電空間側の部分に配設され、それぞれの中空部材の基体に対向しない側面から材料ガスが均等に吹出されることで、堆積膜の着膜が中空部材の基体に対向する面では最小限に抑えられ、誘電体窓104への着膜が防止される。また、材料ガスが基体を直撃せずに均等に吹き出されることから、基体108上に均等に堆積膜の形成がなされ、コンタミ等による基体108への成膜不良も防止することができる。
【0036】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【0037】
〔実施例1〕
実施例1では、図1に例示した堆積膜形成装置を用いて、所定の成膜条件における材料ガス供給マニホールドの中空部材間隔の違いによる放電安定度の比較を行った。表1に本誘電体窓の構成の仕様と得られた結果を示した。
【0038】
図1の誘電体窓104としてAl2O3を用いて、逐次以下の手順で実験を行った。
【0039】
まず、真空容器102を排気手段により0.133Pa以下に一旦排気した。そして、ガス供給手段からガス導入管110を通じて一定流量のArガスを流通しながら、ヒータ109で基体108を所定温度になるよう加熱制御した。
【0040】
基体108が一定温度になってから、Arに代えて材料ガスであるSiH4,H2をそれぞれ240、720sccm導入した。
【0041】
その上で、不図示のマイクロ波電源から2.45GHzマイクロ波電力を供給し、放電圧力を2.66Paから133Paにマイクロ波電力を500Wから1500Wに変化させながら放電室Aの中にグロー放電を生起して、放電状況を確認した。
【0042】
このとき、全ての圧力範囲、電力範囲において安定放電であった条件を○と表示し、一部異常放電をきたした条件を△と表示し、全く安定しなかった条件を×と表示して評価した。
【0043】
【表1】
【0044】
その結果、表1に示すように、材料ガス供給マニホールド107の中空部材間の間隔は5mmあれば問題ないことが分かった。
【0045】
〔実施例2〕
実施例2では、図1に例示した堆積膜形成装置を用いて、所定の成膜条件における成膜圧力の違いによる誘電体の溝側面に進入した着膜部分の長さの比較を行った。表2に誘電体窓の構成の仕様と得られた結果を示した。
【0046】
図1の誘電体窓104として材料ガス供給マニホールド107の高さを変えたAl2O3誘電体窓を用いて、逐次以下の手順で実験を行った。
【0047】
まず、真空容器102を排気手段により0.133Pa以下に一旦排気した。そして、ガス供給手段からガス導入管110を通じて一定流量のArガスを流通しながら、ヒータ109で基体108を所定温度になるよう加熱制御した。
【0048】
基体108が一定温度になってから、Arに代えて材料ガスであるSiH4,H2をそれぞれ240、720sccm導入した。
【0049】
その上で、不図示のマイクロ波電源から2.45GHzマイクロ波電力を供給し、放電圧力を1.33Paから133Paに変化しながら放電室Aの中に一定時間グロー放電を生起して、それぞれの圧力における材料ガス供給マニホールド107の上端から着膜部分の長さを求めた。
【0050】
【表2】
【0051】
その結果、表2に示すように、材料ガス供給マニホールド107の高さは、平均自由行程と同等以上の長さがあれば、堆積膜が透過窓に達せず、問題なく安定放電を維持できることが分かった。
【0052】
〔実施例3〕
実施例3では、図1に例示した堆積膜形成装置を用いて、所定の成膜条件における誘電体窓の構造の違いによる連続放電維持時間の比較を行った。
【0053】
図1の誘電体窓104として材料ガス供給マニホールド107を誘電体窓104に配置して、逐次以下の手順で実験を行った。表3に誘電体窓の構成の仕様と得られた結果を示した。
【0054】
まず、真空容器102を排気手段により0.133Pa以下に一旦排気した。そして、ガス供給手段からガス導入管110を通じて一定流量のArガスを流通しながら、ヒータ109で基体108を所定温度になるよう加熱制御した。
【0055】
基体108が一定温度になってから、Arに代えて材料ガスであるSiH4,H2をそれぞれ240、720sccm導入した。
【0056】
その上で、不図示のマイクロ波電源から2.45GHzマイクロ波電力を供給し、放電圧力を13.3Paに維持しながら放電室Aの中にグロー放電を生起して、安定化する投入電力を求めた。
【0057】
その結果、表3に示すように、連続5時間以上にわたって、入射電力の表示値は±5%以内、入射電力に対する反射電力の表示値は5%以下の安定放電が確認できた。
【0058】
〔比較例1〕
比較例1は、材料ガス供給マニホールドを配置しない以外は、実施例3と同様にして放電実験を行い、その結果を上記表3に示した。
【0059】
表3に示すように、比較例1の堆積膜形成装置では、放電開始後約10分間で放電が維持できなくなった。
【0060】
【表3】
【0061】
〔実施例4〕
実施例4では、実施例3にて行った長時間放電実験を、材料ガスの処方を変えて行い、その結果を表4に示した。ここでは、SiH4とH2の流量をそれぞれ240,960sccmおよび240,1200sccm導入した。
【0062】
【表4】
【0063】
これによると、材料ガスの流量を変えたいずれの場合にも、連続5時間以上にわたって、入射電力の表示値は±10%以内、入射電力に対する反射電力の表示値は10%以下の安定放電が確認できた。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平板スロットアンテナを具備し、誘電体窓を介してマイクロ波を導入して行うプラズマCVD法による堆積膜形成装置において、誘電体窓の基体側の面に、導体性の複数の中空部材により区画された材料ガス供給マニホールドを配設することにより、誘電体窓表面への堆積膜の生成や結晶化を防止し、比較的大きなマイクロ波投入電力を長時間安定的に放電空間に伝送して均質なプラズマを生成し、高品質で均一性に優れた堆積膜を形成することができ、光起電力素子等の半導体薄膜の形成に適した堆積膜形成装置を提供することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の堆積膜形成装置における誘電体窓周りを模式的に示す断面図である。
【図2】同心円状に中空部材を加工した材料ガス供給マニホールドを示す概略図である。
【符号の説明】
101 同軸管
102 真空容器
103 平板スロットアンテナ
104 誘電体窓
105 アンテナ支持体
106 誘電体座
107 材料ガス供給マニホールド
108 基体
109 ヒータ
110 ガス導入管
111 排気配管
201 孔
A 放電室
Claims (1)
- 平板スロットアンテナを具備し、該アンテナから誘電体窓を介して放電空間内にマイクロ波を導入し、マイクロ波プラズマCVD法によって基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成装置において、
前記誘電体窓の放電空間側の面に、複数の中空部材を並列に配して複数のガス流路に区画され、前記基体に対向しない位置にガス吹出し孔を有する材料ガス供給マニホールドを配設したことを特徴とする堆積膜形成装置。
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