JP4692878B2

JP4692878B2 - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP4692878B2
Application number: JP2005159161A
Authority: JP
Inventors: 康史榊原
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP2006336040A

Description

本発明は、高周波電力を利用したプラズマＣＶＤ装置に関し、特に、均一な薄膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置に関する。

反応室内に原料ガスを導入し、そこに高周波電力によってプラズマを発生させて、原料ガスの分解や反応を利用して薄摸を形成するプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置は、集積回路製造工程の半導体薄膜形成工程やその他の用途に広く利用されている。特に互いに平行な一組の平板電極の間に高周波電圧を印加して発生させる平行平板電極を利用する容量結合型プラズマＣＶＤ装置は、装置構成が簡単であることから、広くプラズマＣＶＤ装置として普及している。

図６に従来の平行平板電極方式の容量結合型プラズマＣＶＤ装置１００の構成を示す。このプラズマＣＶＤ装置は、真空排気して原料ガスを導入できる反応室２を備えている。この反応室２には、基板１が配置されてその基板上に薄膜が形成される。この成膜の工程は、例えば、図示しない搬送機構により基板１を反応室内に搬送し、接地電極４の平面部分に密着させる。そして、基板１を接地電極４に内蔵されたヒータにより所望の温度に加熱する。次に、基板１と高周波印加電極３間の放電空間５に図示しないガス導入手段により薄膜原料となるガスを導入し、プラズマ励起電源６によりインピーダンス整合器７を介して高周波印加電極３に高周波電圧を印加し、放電空間５にプラズマを発生させる。このようにプラズマ化された原料ガスは、その励起エネルギーによって分解され、反応して基板上に薄膜となって堆積する。

このようなプラズマＣＶＤ装置を用いて大型の基板に成膜を行いたいという要求がある。この要求は、例えば太陽電池用途でのアモルファスシリコン薄膜形成において見られ、その場合の基板サイズは１ｍ角以上となっている。このような大型の基板を対象とするプラズマＣＶＤ装置においては、プラズマＣＶＤ装置の設置床面積を低減する目的のために、基板を大地に垂直に立てて搬送する縦搬送方式が採用され、さらに、高周波印加電極に高周波電力を給電する高周波給電系も装置上部に配置される。

一方、成膜速度の向上およびＣＶＤ装置の稼働率向上の観点から、アモルファスシリコン薄膜形成において生成されるパウダーの生成量を低減させたいという要求がある。例えば、水素化アモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ：Ｈ膜）の成膜中にはＳｉＨ₄ガスが分解してＳｉＨ₃＊、ＳｉＨ₃、ＳｉＨ₂＊、ＳｉＨ₂のように、各種ラジカルやイオンが生成されるが、このうちＳｉＨ₃＊のラジカルが成膜に寄与することが知られている。このとき生成されるＳｉＨ₂イオンの量は少ないが、最近の報告によれば、このＳｉＨ₂イオンの半径が大きく又帯電しているために気相反応を起こしてＳｉ₂Ｈｘｎを生成し、一旦生成されたＳｉ₂Ｈｘｎはその半径が大きいために加速度的に気相反応を起してＳｉ_nＨ_mの大きなクラスターを形成してやがてはパウダーとして認識されるまでに至るということである。また、生成されるパウダーの粒径の成長速度は、その粒径が飽和するまでには１秒以上かかるという報告もなされている。

このようなパウダーの発生の問題を解決する方法として、例えば特許文献１〜３には、高周波発振回路と周期的にオン・オフを行う発振回路とを組み合わせて、周期的にオン・オフさせた変調高周波電源をプラズマ励起電源としてプラズマ（パルスプラズマ）を生成するプラズマＣＶＤ装置を用いる方法が提案されている。
特公平７−４７８２３号公報特開平８−２２２５２０号公報特開平８−２８８２２８号公報

しかしながら、パウダーを抑制するためにパルスプラズマを用いることと、大型基板を用いることとは互いにトレードオフの関係にある。電極の寸法と高周波の波長が同程度である場合には、電極の電位は一様とはならず、電極の位置により電位が異なるという現象が発生する。このような現象に対しては電極を分布定数回路として考える必要がある。

図６に示した従来のプラズマＣＶＤ装置１００の電極構造を分布定数回路の等価回路によって表すと図７のようになる。この分布定数回路は受端が開放端となる有限長分布定数回路であるため、開放端側で反射が起こり、電極上に定在波が生じる。

定在波の様相は給電線路の分布定数の影響も受けるが、一例として、特性インピーダンス５０Ωの信号ケーブル（L=0.5mH/km、C=200nF/km）の値を使って計算すると、
伝播速度ν=1/(LC)^1/2=1/(0.5×10^-3×200×10^-9)^1/2[km/s]=1.0×10⁸[m/s]
波長λ=ν/f=1.O×l0⁸/(13.56×10⁶)=7.37[m]（13.56MHz）
=1.0×10⁸/(27×10⁶)=3.7[m] (27MHz)
となる。定在波の腹と節の間隔はλ／４となるから、定在波の振幅は、開放端で完全に反射するという条件では、図８のようになる。このように、高周波電源の周波数により異なるものの、例えば、給電端に比べて開放端側の電位が大きくなることがある。特に、成膜される基板が大型化し、周波数が高くする場合には、定在波の影響が一層大きくなる。

このような定在波の分布により、電極間に発生するプラズマは、電位の高い開放端から点火し、その後、電極間全面に広がることとなる。図９に高周波電源の出力を連続波（ＣＷ）出力としたときとパルス出力としたときの膜厚分布の比較を示す。このときの成膜条件は、高周波電力持続時間は３ｍｓｅｃ、繰返し周期は１３ｍｓｅｃ、基板面積あたりの高周波投入電力は８０ｍＷ／ｃｍ²であり、また、電極間距離は３ｃｍ、原料ガス流量は、ＳｉＨ₄が１００ｃｃｍ、Ｈ₂が１００ｃｃｍ、圧力１７３Ｐａ（１．３Ｔｏｒｒ）である。図９に示したように、パルス出力時の基板内の膜厚分布は、連続波出力の場合と比べて不均一となる。発明者は、プラズマが電極面内の電位の高い個所から開始し、１ｍ程度の大面積電極では、数ｍｓｅｃの間では電極面全体にプラズマが広がりきらないことがこの原因であると考えている。

一般に、電極面内の電位差を小さくするためには、送電距離をなるべく小さくすることが必要であり、高周波電力の給電を高周波印加電極の中心部からおこなうことが望ましい。しかしながら、図１０に示す従来のプラズマＣＶＤ装置２００のように、装置の設置床面積低減の観点からインピーダンス整合器７を装置上部に配置した場合、高周波印加電極３の中心点から給電しても、電極上部側の膜厚が薄くなる傾向にある。これは配線と電極間が浮遊キャパシタンスにより容量結合し、高周波電流が電極の上部に流れやすいためである。結果的に、浮遊キャパシタンスを低減するためには配線と高周波印加電極の距離を大きくとらねばならず、反応室容積が大きくなる。設置床面積を増大させるようなプラズマＣＶＤ装置の大型化は、装置の製作コストが増大するばかりでなく、プラズマＣＶＤ装置を設置する建屋の建設費も増大させる。

本発明は上記問題の少なくともいくつかの問題を解決することを課題とする。

上記の目的を達成するために、本発明においては、減圧可能な反応容器内にプラズマを生成するための高周波の電力を供給するプラズマ励起電源と、前記反応容器内に垂直に配置され、平面部分を有する接地電極と、複数の平板電極を有し前記反応容器内に配置される高周波電圧印加電極であって、該平板電極のそれぞれは、少なくとも一部が重なりを有するよう互いに離間されて互いに中心部が電気的に結合または短絡されており、該平板電極の一つが、前記接地電極の前記平面部分からほぼ一様な距離だけ離間して配置されており、前記各平板電極の内の前記接地電極から最も離れて位置する平板電極がその上端部に前記プラズマ励起電源からの給電を受け、前記接地電極と前記高周波電圧印加電極とからなる電極対に前記高周波の電圧が印加される、高周波電圧印加電極と、を備え、前記高周波電圧印加電極に、前記複数の平板電極のうちの少なくとも二つの隣り合う平板電極間における下部側の静電容量を上部側の静電容量よりも大きくさせる静電容量調整手段を設けてなるプラズマＣＶＤ装置が提供される。係るプラズマＣＶＤ装置においては、例えば、高周波印加電極のうち、高周波電源に最初に接続されて給電される平板電極（第１の平板電極）において高周波電力が一様でない場合であっても、第１の平板電極に結合されていたり、あるいは短絡されている他の平板電極に電力が伝わる過程で高周波電力はほぼ一様になるように供給される。なお、平板電極が短絡されているとは、直流成分が伝達されるように導電性のある部材で互いが接続されていることをいい、結合されているとは、交流成分が伝達されるように、容量成分あるいはリアクタンス成分によって互いに交流電力が伝達されるように、例えば誘電体を介して容量的に結合していることをいう。

また、本発明においては、前記プラズマ励起電源が高周波発振回路と前記高周波発信回路を周期的にオン・オフさせる発振回路とを組み合わせて変調高周波を発生させるものとすると好適である。本発明においては、高周波電圧印加電極の構成の工夫により、高周波高周波を変調高周波としてもパウダーの発生を抑制して薄膜の形成を行うことができる。

さらに、本発明において、前記静電容量調整手段は、前記少なくとも二つの隣り合う平板電極における下部側の対向面積を上部側の対向面積よりも大きくさせるように構成されると好適である。この場合には、例えば、給電線と接続される第１の平板電極に生じる高周波電力のアンバランスをキャンセルするために、第１の平板電極に隣り合う平板電極（第２の平板電極）の面形状を、第１の平板電極のものとは異なるものとし、第１と第２の第１の平板電極同士の間の静電容量の分布を調整することとする。これにより、高周波電力の供給はバランスよく行われる。

さらに、本発明において、前記静電容量調整手段は、前記少なくとも二つの隣り合う平板電極における下部側の間隔を上部側の間隔よりも小さくさせるように構成されると好適である。例えば、給電線と接続される第１の平板電極に生じる高周波電力のアンバランスをキャンセルするために、第１の平板電極と第２の平板電極の間の空隙を位置により異なることとし、第１の平板電極と第２の平板電極の間の静電容量の分布を調整することとする。これにより、高周波電力の供給はバランスよく行われる。

さらに、本発明において、前記静電容量調整手段は、前記少なくとも二つの隣り合う平板電極の間の空間における下部空間に配置した誘電体であると好適である。例えば、給電線と接続される第１の平板電極に生じる高周波電力のアンバランスをキャンセルするために、第１の平板電極と第２の平板電極の間に誘電体を部分的に挿入することとし、第１の平板電極と第２の平板電極間の静電容量の分布を調整することとする。この方法は、各層の電極面積を変える方法、あるいは各層の空隙長を変える方法に比べ、誘電体の挿入により、電力バランスの調整が可能なために、より微細な調整が簡便にできるさらなる利点がある。

本発明のプラズマＣＶＤ装置においては、設置床面積の小さいコンパクトな装置において、電源の周波数を高めたり成膜に用いる基板を大きくしたりする場合であっても、電極面内の電位分布を均一化でき、大面積で品質の良い均一な膜を製造することができる。

図１は、本発明の第１の実施例としてプラズマＣＶＤ装置１０の構成を示す断面図である。プラズマＣＶＤ装置１０においては、高周波電圧印加電極３と、薄膜を形成する基板１を載置する接地電極４とが、図示しない真空ポンプにより減圧可能な反応容器２内に配置される。高周波電圧印加電極３と接地電極４との基板に平行な面内での大きさは１０００ｍｍ×１０００ｍｍである。高周波電圧印加電極３は、接地電極４の平面部分４ａから一定の距離だけ離間して対向するように配置されており、その平面部分４ａに基板１が載置される。このように構成される高周波電圧印加電極３と接地電極４との電極対が容量結合プラズマＣＶＤ装置の平行平板電極として動作する。

プラズマＣＶＤ装置１０においては、高周波電圧印加電極３が、互いに離間して配置された第１の平板電極３ａ、第２の平板電極３ｂ、第３の平板電極３ｃを有している。これらの第１〜３の平板電極３ａ〜３ｃは、同じ外形を有しており、互いに重なるように配置されて、それぞれの中心部においてスタッド３ｓによって互いの間隔が保持されている。このスタッド３ｓは、導電性を有する金属によって構成され、第１〜３の平板電極３ａ〜３ｃを互いに電気的に短絡している。そして、第３の平板電極３ｃが接地電極４の平面部分４ａに対向するように配置される。

この高周波印加電極３への給電は、プラズマ励起電源６により行われる。具体的には、高周波電源６からの高周波電力は、反応容器２の上部側壁より導入した給電線により、高周波印加電極３の第１の平板電極３ａの上部側端部に給電される。この場合、平板電極３ａの上部側と下部側の高周波電力は不均一となる。しかし、この高周波電力は、第１の平板電極３ａ、第２の平板電極３ｂ、第３の平板電極３ｃの順に電力が伝達するうちに均一化され、高周波印加電極面３のうち接地電極４と対向する第３の平板電極３ｃへの高周波電力はほぼ均一に供給されることになる。なお、プラズマ励起電源６は、高周波発振回路６ａと、その高周波発振回路６ａを周期的にオン・オフさせる発振回路６ｂとを組み合わせて変調高周波を発生させる。また、接地電極４とプラズマ励起電極の接地端子は共にアースに接続される。

図２は、本発明の第２の実施例としてプラズマＣＶＤ装置２０の構成を示す断面図である。本実施例では高周波印加電極３の第２の平板電極３ｂの形状を上部と下部で非対称としている。具体的には、第２の平板電極３ｂの上部側の面積を下部側の面積の１／２としている。第２の平板電極３ｂをこのような構成とすると、第１の平板電極３ａと第２の平板電極３ｂ間の静電容量が、下部側が２倍となり、インピーダンス整合器７からの給電を上部から行った場合でも電極の上部と下部での高周波電力のバランスを保つことができる。

図３は、本発明の第３の実施例としてプラズマＣＶＤ装置３０の構成を示す断面図である。本実施例では第３の平板電極３ｃは用いず、高周波印加電極３の第１の平板電極３ａと第２の平板電極３ｂの間隔を、上部における平均の間隔が下部における平均の間隔の２倍となるようにしている。このような構成とすることで、第１の平板電極３ａと第２の平板電極３ｂ間静電容量が下部側で２倍となり、電極の上部と下部の高周波電力のバランスを保つことができる。

図４は、本発明の第４の実施例としてプラズマＣＶＤ装置４０の構成を示す断面図である。本実施例では高周波印加電極３の第１第２の平板電極３ａと第２第２の平板電極３ｂの間の下部側に比誘電率ε_ｒが約２である誘電体（例えば四フッ化エチレン：ＰＴＦＥ：テフロン）３ｄを挿入するものである。このようにすることで、電極の第１層の平板電極３ａと第２の平板電極３ｂの間の静電容量が下部側で２倍となる。これにより、電極の上部と下部の高周波電力のバランスを保つことができる。

本実施の形態の上記実施例では、いずれも第１の平板電極３ａと第２の平板電極３ｂ間の下部側の静電容量を上部側の２倍とすることとしたが、この静電容量の比率は２倍に限定されるものではなく、装置の具体的な構成に応じて、特に、基板サイズ、使用周波数により適宜変更することができる。また、本発明の実施の方法として、第２の実施例と第３の実施例、および第４の実施例を組み合わせておこなうことも可能である。

図５は、本発明の第５の実施例としてプラズマＣＶＤ装置５０の構成を示す断面図である。本実施例は、反応室容器の壁の一部２ａを高周波電極の一部となるよう構成するものである。このように構成することにより、壁の一部２ａが高周波電極の一部となるため、高周波電極３は２つの平板電極を離間させて重ねて配置する構成となり、電極構造が複雑化せず、装置が大型化しない利点がある。なお、この場合、反応室容器の壁の一部２ａは、反応室容器２の他の部分から絶縁部材２ｉによって電気的に絶縁されており、この部分による高周波の影響も考慮して高周波電圧印加電極３の構成が設計される。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合わせが可能である。

図１は本発明の実施例１のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図２は本発明の実施例２のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図３は本発明の実施例３のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図４は本発明の実施例４のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図５は本発明の実施例５のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図６は従来のプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。図７は従来のプラズマＣＶＤ装置の等価回路を示す回路図である。図８は従来のプラズマＣＶＤ装置の電極電位分布を示す分布図である。図９は従来のプラズマＣＶＤ装置により成膜したときの膜厚分布を示す分布図である。図１０は従来のプラズマＣＶＤ装置の他の構成を示す断面図である。

符号の説明

１：基板
２：反応室
３：高周波電圧印加電極
４：接地電極
５：放電空間
６：プラズマ励起電源
７：インピーダンス整合器
８：浮遊キャパシタンス

Claims

減圧可能な反応容器内にプラズマを生成するための高周波の電力を供給するプラズマ励起電源と、
前記反応容器内に垂直に配置され、平面部分を有する接地電極と、
複数の平板電極を有し前記反応容器内に配置される高周波電圧印加電極であって、該平板電極のそれぞれは、少なくとも一部が重なりを有するよう互いに離間されて互いに中心部が電気的に結合または短絡されており、該平板電極の一つが、前記接地電極の前記平面部分からほぼ一様な距離だけ離間して配置されており、前記各平板電極の内の前記接地電極から最も離れて位置する平板電極がその上端部に前記プラズマ励起電源からの給電を受け、前記接地電極と前記高周波電圧印加電極とからなる電極対に前記高周波の電圧が印加される、高周波電圧印加電極と、を備え、
前記高周波電圧印加電極に、前記複数の平板電極のうちの少なくとも二つの隣り合う平板電極間における下部側の静電容量を上部側の静電容量よりも大きくさせる静電容量調整手段を設けたことをことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
前記プラズマ励起電源が高周波発振回路と前記高周波発信回路を周期的にオン・オフさせる発振回路とを組み合わせて変調高周波を発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記静電容量調整手段は、前記少なくとも二つの隣り合う平板電極における下部側の対向面積を上部側の対向面積よりも大きくさせるように構成されてることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記静電容量調整手段は、前記少なくとも二つの隣り合う平板電極における下部側の間隔を上部側の間隔よりも小さくさせるように構成されてることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記静電容量調整手段は、前記少なくとも二つの隣り合う平板電極の間の空間における下部空間に配置した誘電体であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。