JPH01227426A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、グロー放電により薄−を形成する成膜装置に
関するものであり、と（に、高性能の半導体薄膜を高成
膜速度において均一に形成する成膜装置に関する。

【従来技術］ シリコン化合物のグロー放電分解や光分解により得られ
る非晶質シリコン系の半導体薄膜は、光−電気エネルギ
ーの変換能力に優れ、光起電力素子として利用されてい
る。すでに、電卓や時計等の民生用機器には実用化され
ているが、さらに、電力供給のための太陽電池としての
利用も検針されている。このため秤は、太陽電池を安価
に製造する必要がある。非晶質シリコン系太陽電池は、
低コスト化を可能にするを力な材料であるが、製造プロ
セス面での改良が必要である。すなわち、太陽電池のパ
ネル化コストならびに、製造装置にかかるコストを低下
させるために、大面積の太陽電池を能率よ（製造するプ
ロセスが必要であり、均一な成膜を高成膜速度で行いう
る装置の開発が要求される。

従来、グロー放電分解において、−船釣に用いられてい
る容量結合型平行平板電極を有する成膜装置においては
、次に示す問題のため、高性能の半導体薄膜を高成膜速
度で均一に形成することが困難であった。すなわち、ま
ず、従来の成膜方法においては、高周波が印加される電
極（高周波印加電極）と接地されている電極（接地電極
）の間に膜が形成される基板が設置されるものである。

この場合、高周波印加電極面内において、グロー放電の
均一性が確保されなければ、薄膜の均一性は得られない
０次に、大面積の基板に成膜する場合には、当然のこと
ながら、高周波印加電極の面積を基板よりも大きくセね
ばならないので、高周波電流独特の表皮効果のために導
体部分が限られて、大面積の電極表面に、均一に高周波
電流を導入することが困難である。また、電気力線にも
とずく端効果および先の表皮効果の結果、高周波印加電
極周辺部のグロー放電が強くなり、成膜速度が不均一に
なるばかりでなく、得られた薄膜の特性も不均一となる
。さらに、成膜圧力を比較的高く維持する必要がある高
速成膜条件においては、これらの不均一性がより一層強
調され、かかる問題点がさらに深刻となる。特に、実用
成膜装置として有用なインライン成膜装置においては、
基板（実際には、基板保持具に保持固定された基板）を
移動しながら成膜することもできるが、基板の進行方向
に対して垂直な方向の均一性に大きい問題を生じている
。均一性の改善のために、高周波印加電極にバイアス電
圧を加えることや、高周波印加電極と設置電極との間の
電位をバランスさせる等の対策がとられているが、以上
の説明で明らかなように、これらは本質的な解決を導く
には至っていない。

［発明の目的］ 本発明の目的は、均一な半導体薄膜を高成膜速度で基板
上に形成することのできる半導体薄膜形成装置を提供す
ることである。

し基本的着想〕 本発明者らは、かかる観点から、種々のプラズマＣＶＤ
装置およびグロー放電の詳細な検討の結果、高周波印加
電極を凹凸にすることにより、電極全体にプラズマによ
る発光部分が均一に拡がることを見いだした。さらに、
この凹凸電極を用いて成膜したところ、驚くべきことに
は、常用されている高周波放電の制御パラメータ、すな
わち、原料ガス流量、反応圧力、高周波電力、基板温度
等が等しいにもかかわらず、成膜速度は２倍以上に増加
し、そのうえ、膜厚の均一性も向上するという、すぐれ
た結果および該均一性は凹部の輻によって変更できる結
果を得た。

［発明の開示］ 本発明は、グロー放電分解を利用して薄膜を形成する成
膜装置において、高周波印加電極を凹凸の形状に形成し
、該凹部の幅を変更せしめた成膜装置であり、また、 成膜速度分布が均一になるように各凹部の幅を変更せし
めた装置であり、また、 凹部の幅を外周部分に比較して中心部分において、より
広く形成せしめた成膜装置であり、また凹部の幅を中心
部分に比較して外周部分において、より広く形成せしめ
た成膜装置、である。

凹部の幅は０　、５ｃ輪〜１０ｃ論であり、その範囲で
、凹部の幅を位置により変更せしめ、例えば、中心部分
の幅を外周部分よりも広く形成せしめるか（第１図）、
もしくは、凹部の幅を中心部分に比較して外周部分にお
いてより広く形成せしめたりする（第４図）、凹部の幅
が、１０ｃｍを越えて幅広くなると凹凸電極としての作
用効果が著しく低下して、従来技術において用いられて
いる単なる平行平板電極で得られる結果と大差なくなる
。好ましくは５ｃ■以下である。一方凹部の幅が０．５
ｃｍより狭い場合には、凹凸電極としての作用効果が著
しく低下する。

本発明は、好ましくは、成膜速度が均一になるように、
各凹部の幅を変更せしめるものであるが、その基本的な
指針は、本発明者らが見出した新規な知見による。すな
わち、凹部の幅を小にすれば、成膜速度は、減少し、逆
に、凹部の幅を大にすれば、成膜速度が増加する。実際
には、ある幅に対して成膜操作を行い、該成膜後に膜厚
の位置による分布を計測し、この操作を繰り返して、凹
部の幅の位置による変化（分布）の最適値を決定するこ
とができることはいうまでもない、実際的な方法として
は、例えば、該最適値はプラズマ発光を観測して、これ
が均一になるように、凹部の幅の最適分布値を決定すれ
ばよいのである。けだし、プラズマ発光が均一性を失っ
てくると、成膜速度が不均一になり、得られる薄膜の膜
厚が不均一となるからである。特に、成膜時の圧力を高
めることが要求される高速成膜条件において、この不均
一性が顕著となる。

なお、凸部の幅は０．５−１以上であり、１０ｃｍ以下
であることが好ましい、　０．５ｓ＋−未満では、凹凸
電極の効果が現れず、実質的には、平行平板電極との区
別がつかなくなる＊　１０ｃｍを越える領域においては
、凹部の中央部と端部とでプラズマ発光が均一性を失っ
て（る、この結果、成膜速度が不均一になり得られる薄
膜の膜厚が不均一となる０本発明において、凹部幅は、
好ましくは、０．５ｍ−以上５ｃｍ以下である。

また、凹部の深さｄは成膜速度に影響を与えるので、こ
れを変更可能にしてお（ことは成膜速度の均一性を改善
することにおいて好ましいことである。ｄは少なくとも
０　、５ｃｍ以上必要あることが好ましいが、その上限
としては、高々、５．Ｏｃ−もあれば、十分である。　
０．５ｃ■未満では、凹凸の効果が減少して、実質的に
平行平板電極と大差な（なる、ｄの深さは成膜装置によ
って適宜決定されるものである。ｄを小にすれば、成膜
速度は、・減少し、ｄを大にすれば、成膜速度が増加す
る。光電変換装置に用いる半導体薄膜を形成する場合に
は、ｄは凹凸電極全面において、一定でよいが、成膜速
度の均一性を、さらに、向上させるためには、電極の各
位置に応じて適宜変更することもできる。すなわち、ま
ず、特定のｄに対して成膜試験を行い、この成膜結果を
参照して、成膜速度が不足のばあいには、対応する位置
にある凹み深さをより増加せしめる。逆に、もし、速度
が過大の場合には、その位置の凹み深さを減じるように
すればよいのである。

以上のごとき調整を繰り返すことにより、大面積でかつ
均一性の高いｉｍを高成膜速度で形成できるのである。

本発明の対象となる装置は、高周波電力を利用した、有
電極方式の成膜装置であり、バッチ方式の成膜装置なら
びにインライン方式の成膜装置のいずれもが対象となる
。ここで、インライン方式の成膜装置とは、真空を破る
ことなく基板（実際には、基板保持具に保持固定された
基板）を成膜室に搬送することができるものであり、基
板を成膜室内で移動・進行せしめて、または、成膜室内
に静置した状態において、半導体薄膜が形成される装置
である。

また、当然のことながら、薄膜の均一性は高周波印加電
極と接地電極との間隔や高周波印加電極と基板との間隔
等の装置形状によっても影響されるが、これらに対して
も、本発明では対応ができる。すなわち、主として、凹
部の幅の変更を行うことで成膜速度を均一にすることが
可能であり、場合によっては、さらに凹部の幅の変更と
ともに凹部の深さを変更することにより、成膜速度をよ
り均一にすることが可能である。なお、凹部の深さの変
更は、１を極の形状を変更することで行うことができる
が、具体的には、凹みの形状に合わせた材料または、凹
みの形状に追随可能な材料を凹部に挿入設置することが
実用的であり、深さの変更を容易にする方法である。

第１図および第２図に本発明の一実施例を示す具体的な
ａＳを示した。なお、第１図は高周波印加電極を凹凸形
状にした時の成膜装置の電極部分の模式的な断面図であ
り、第２図はその斜視図である。

本発明の具体的示例として、高周波印加電極１と接地電
極２の間に発生するグロー放電中を、基板保持具５に保
持された基板を進行せしめて該基板上に薄膜を゛連続的
に形成するインライン成膜装置において、該高周波印加
電極の凹部の幅が０．５゛Ｃ−〜１０ｃ、■の範囲で変
更せられており、所望により、凹部の欅さｄは可変であ
り、対向する接地電極との間を基板が移送されていく成
膜装置である。

本発明においては、とくに、高周波印加電極の面積が大
きい場合には、これらを分割して、高周波印加電極、１
．１°、１１・−・・−・−・・−・−・・・・・のよ
うに、複数個同時に用いることもできる（第３図）。

この場合において、高周波印加電極間の間隔１〜１”、
１゛〜１″−・−・・・−−−−−−・はとくに限定さ
れるものではない、しかして、高周波印加１を極ｌには
アースシールドを設備することにより、放電を有効に対
向する接地電極側に方向づけることができるが、このた
めに、電極間隔としてはアースシールドを形成できる間
隔をとることが好ましい、したがって具体的な水側とし
ては、少なくとも５間開以上の間隔が存在すれば十分で
ある。なお、複数の高周波印加電極は、第３図に図示し
た如く並列せしめるのが好ましい。

なお、当然のことながら、接地電極の形状は本発明にお
いては、必須の要件ではない。

これら高周波印加電極や接地電極等の材質については、
とくに制限されるものではないが、形成される半導体薄
膜に与える不純物量、電気伝導性、熱的安定性等を考慮
するとステンレス鋼である５ｔｌＳ３１６やＳ［ｌ５３
０４やアルミニウムが好ましい材料として用いられる。

本発明のインライン成膜装置とは、バッチ方式の成膜装
置が有する機能に加えて、さらに、真空を破ることなく
基板を成膜室に搬送することのできる、基板導入室およ
び基板取り出し室、または基板取り出し室を兼ねる基板
導入室、またはこれらの機能を果たす基板導入手段や基
板取り出し手段等の機能を少なくとも有する成膜装置で
あり、基板は静置もしくは、移動しながら、その上に半
導体薄膜が形成される装置である。成膜室は反応ガス導
入手段および排気手段を備えた金属製の反応容器であり
、少な（とも基板を加熱するための加熱手段、凹凸形状
の高周波印加電極、接地電極、基板保持具（基板キャリ
ヤー）を移動させるための搬送手段が設備されている０
本発明において、基板保持具とは、半導体薄膜が形成さ
れる基板を、はめ込み、設置等により固定して搬送する
ための搬送具である。従って、基板の主面が露出してお
り、この主面上に薄膜が形成されうるちのである限り、
基板の基板キャリアへの設置方法については、何ら限定
されるものはない０通常、基板保持具は、基板と路間−
の大きさか、これよりやや大きい、基板保持具の材質と
しては、形成される半導体薄膜に与える不純物量、電気
伝導性、熱的安定性等を考慮すると、ステンレス鋼であ
る５０５３１６や５ＵＳ３０４やアルミニウムが好まし
い材料として挙げられる。

なお、第３図において、３はプラズマ制御電極であり、
プラズマの不必要な広がりを抑えるために設置すること
もまた好ましい態様である。

反応容器の材質は限定されるものではないが、好ましい
材質としてはステンレススチール、ニッケルおよびその
合金、アルミニウムおよびその合金などである。加工性
や耐蝕性を考慮した取扱い上からはステンレス基板−Ｒ
／　（ＳＵＳ３Ｌ６，５ｔｌＳ３０４　）あるいはアル
ミニウムおよびその合金が好ましいものである。これら
の反応器壁は弗素系樹脂でコーティングすることもでき
る。

本発明において、基板の材質は限定されるものではない
、ガラス基板、酸化スズや酸化スズ・インジウムの様な
透明溝を膜付きガラス基板、セラミックス基板、アルミ
ニウム、クロム、ステンレス（ＳＵＳ３１６．５ｔｌＳ
３０４　）などの金属薄板やアルミニウム、クロム、ス
テＶＬｔス（ＳＬＩＳ３１６．５ｔｌＳ３０４　）など
の金属を蒸着したセラミックス基板やポリエチレンテレ
フタレート、ポリイミドなどの高分子基板、ステンレス
基板、多結晶および単結晶シリコンウニへ−などが基板
として有効に用いられる。

本発明、で用いる反応性ガスは、主にシリコン化合物ガ
スであり、一般弐Ｓ’、Ｈｔｍ＋ｔ　　（ここでｎは自
然数）で示されるシラン、例えばモノシラン、ジシラン
である。さらに、一般式５ｉ）ＩｘＦｎ−ｘ　（Ｘは、
０〜４の整数）で示されるフルオロシラン、一般式Ｇｅ
＊ｌ１ｚｎ＊＊　　（ｎは、自然数）で示される水素化
ゲルマンなどである。また、目的に応じて、フォスフイ
ンｐＨ，、ジポランＢｚＨ＆、ヘリウムＨｅ。

炭化水素ガス　Ｃｙｌｂｙ、ｘ　、Ｃ，Ｈｚア−ｃｙｏ
ｚｙ−ｘ（ｙは、自然数）、モノメチルシランなどの有
機けい素ガスなどを単独ないし混合して用いることがで
きる。

【実施例］ 第１図に示される凹凸形状の高周波印加電極ｌにおいて
、凹部の幅が端部で１０ｓ＋ｎ、中央部で２０ｍｍとな
るように配置し、成膜の均一性を図った。まず、基板挿
入室に５ＵＳ３０４製の基板保持具を設置し、真空系で
０．０１ｔｏｒｒ以下に排気しつつ、加熱手段で基板を
所定の温度になるまで加熱する。所定の圧力並びに基板
温度に達した後、ジシランの放電が発生している反応室
内に２５０　Ｘ　　１００ｍ−のガラス基板を嵌めこん
だ３００　Ｘ　２３Ｇｍｍの基板保持具を搬送手段にて
送り込み、反応室を進行通過せしめる間にアモルファス
シリコン薄膜を成膜した。

底１１１０ ジシラン　　２０　　ｃｃ／ｓｉｎ 高周波電力　６〇一 基板温度　　３００℃ 反応圧力　　０．６　ｔｏｒｒ 電極寸法　　２０６２００　−一 基板寸法　　２５０ｍ１００　ａ− 底ｌ監来； 凹部の幅　中央　２ｃｍ、外周　１ｃｍ凹部の深さ　　
　　　２ｃｍ 平均成膜速度　　　２５　　＾／ｓｅｃ基板の進行方向
に対して垂直な方向の成膜速度分布　　　　　　±４χ
（第９図） 代表的な光導電率　ａ、ｓ＊ｔｏ−ｓ　　Ｓ／ｃｍ代表
的な暗導電率　４．６＊１０”　Ｓ／ｃｍ〔比較例〕 成膜条件のうち、外周部の凹部の幅を０．４ｃｍとした
以外は実施例と同条件にして行った。下記のごと（、成
膜速度の低下が生じたうえ、成膜速度の均一性にも乏し
かうた。

平均成膜速度　　　２２　　轟／ｓｅｃ基板の進行方向
に対して垂直な方向の成膜速度分布　　　　　　±１５
１　（第９図） 代表的な光導電率　３．２傘１Ｏ−ｓＳ／ｃ鵬代表的な
暗導電率　２．６＊１０−”　Ｓへ■〔発明の効果１ 以上のごとく、本発明で規定する特定の凹凸形状の高周
波印加電極を用いることにより、高成膜速度で大面積の
基板上に均質に成膜することができる。得られた薄膜の
特性は優れたものであり、本発明の産業上の利用可能性
は、極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施の態様を示す例であり、凹凸形
状の高周波印加電極を有する反応室の模式的な断面図で
ある。第２図はおなじく斜視図である。 第３図〜第８図は、凹凸形状で、かつ、凹部の幅を変更
可能とした高周波印加電極の実施の態様の例を示すもの
であって、第３図並びに第５図〜第６図は斜視図、第４
図並びに第７図〜ｗ４８図は断面図である。 第９図は、本発明の実施例において、成膜速度分布を計
測した基板上の位置を示す説明図である。 なお、この場合、対角線上０．５ｃ−間隔で測定点を設
けた。 図において、１−−−−−−−・−・・凹凸形状の高周
波印加電極、２・・−・−・・−−−−−・接地電極、
３・−・曲曲・プラズマ制御電極、４・・−・−・−・
・・七−ター、５−・−・−・・−・−・基板保持具、
６・−・・−・−・アースシールド、７−・−−−−一
・・−・凹凸電極の凸部を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）グロー放電分解を利用して薄膜を形成する成膜装
   置において、高周波印加電極を凹凸の形状に形成し、該
   凹部の幅を変更せしめた成膜装置。
2. （２）成膜速度分布が均一になるように各凹部の幅を変
   更せしめた特許請求の範囲第１項記載の装置。
3. （３）凹部の幅を外周部分に比較して中心部分において
   、より広く形成せしめた特許請求の範囲第１項記載の成
   膜装置。
4. （４）凹部の幅を中心部分に比較して外周部分において
   、より広く形成せしめた特許請求の範囲第１項記載の成
   膜装置。