JP3137532B2 - プラズマcvd装置 - Google Patents

プラズマcvd装置

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JP3137532B2 JP06128665A JP12866594A JP3137532B2 JP 3137532 B2 JP3137532 B2 JP 3137532B2 JP 06128665 A JP06128665 A JP 06128665A JP 12866594 A JP12866594 A JP 12866594A JP 3137532 B2 JP3137532 B2 JP 3137532B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアモルファスシリコン太
陽電池、薄膜半導体、光センサ、半導体保護膜絶縁膜な
どを形成する化学蒸着型(Chemical Vapour Depositio
n, 以下CVDという)薄膜形成に用いられる高周波プ
ラズマCVD装置に関する。
【0002】
【従来の技術】大面積のa−Si系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
を図6,図7を参照して説明する。この技術的手段は、
例えば、特願平3−5329号(特開平4−23678
1号)などに開示されている装置である。
【0003】図6はプラズマCVD装置の断面図で、反
応容器1内には、グロー放電プラズマを発生させるため
の梯子状平面形コイル電極11(以下ラダー電極とい
う)が配置されている。このラダー電極11は図7の電
極平面図に示すように、2本の線材11a,11bに対
して垂直に数本の線材を梯子状に組み、接続した構造を
有し、外周部が四角形をなしている。図6に戻り、ラダ
ー電極11の電力供給点11a,11bには高周波電源
5から、例えば13.56MHz の高周波数の電力(Radi
o Frequency ;以下RF電力という)がインピーダンス
整合器6を介して供給される。
【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12を介して、例えばモノシラン/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
7を通して真空ポンプ8により反応容器1外へ排気され
る。
【0005】薄膜を蒸着する基板9はラダー電極11と
平行に設置され、図示しない基板ホルダにて基板加熱ヒ
ータ10上に支持される。
【0006】この装置を用いて以下のように薄膜を作製
する。まず、真空ポンプ8を駆動して反応容器1内を排
気する。反応ガス導入管12を通して、例えばモノシラ
ン/水素の混合ガスを100〜200CC/min 程度の
流量で供給し、反応容器1内の圧力を0.5〜1Torrに
保ち、高周波電源5からインピーダンス整合器6を介し
てラダー電極11にRF電力を印加するとラダー電極1
1と反応容器1との空間及び電極11の周囲にグロー放
電プラズマが発生する。発生したプラズマにより混合ガ
スが分解され、基板9表面にa−Si薄膜が堆積する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】前述の従来の装置は、
ラダー電極11を用いることにより一般的に用いられて
いる平行平板型電極に比べ、高速・大面積均一成膜が可
能となっている。しかし以下の問題がある。
【0008】(1)図8は従来のラダー電極の電磁場強
度分布の図で、ラダー電極より5mmの位置における電磁
場強度を示している。図示のように、RF=50Wの低
電力域では、ほぼ一様な電磁場強度分布であるが、RF
=100Wの高電力域では、電極線材11上は強電磁場
であるのに対し、電極線材11間は50Wより弱電磁場
強度となる。発生するプラズマの密度は電磁場強度に比
例する。従ってRF=50Wと100Wを比べた場合、
電極線材11近傍では100Wの方がプラズマの密度が
高くなっているのに対して電極線材11間では50Wの
方が高くなる。従来の方法では、原料となるガスは大部
分は電極線材11上を通らず、線材11の間を通って供
給されるので、成膜速度は電極線材11間のプラズマ密
度に比例する。その結果、図9の成膜速度とRF電力と
の関係図に示すようにRF電力を増加していくと、成膜
速度は増加するが、あるRF電力値からは、前述のよう
に電極間のプラズマ密度が高くならないのでRF電力を
増加しても成膜速度が下がるようになり、それ以上の高
速成膜ができなかった。
【0009】(2)上記(1)の欠点を補うために、図
10のプラズマCVD装置の断面図に示すようにガス導
入管12をラダー電極11に近づけ、ガス導入管12の
ガス吹出孔12aより吹出すガス13を、電極線材11
近傍に供給するように改善をしている。しかしながらこ
の場合、図11のガス導入管断面図に示すように電極1
1近くにあるガス導入管12の上に分解したガス成分に
より厚く堆積したSiNx膜14が堆積し、ガス吹出孔
12aを塞ぐようになる。ガス吹出孔12a周囲に堆積
したSiNx膜14はガス13が吹出す勢いによりフレ
ーク15となって吹飛び、このフレーク15が基板9上
に付着することで基板9上に堆積する薄膜に微少な傷を
生じせしめ、成膜速度は向上しても膜質は悪化した。
【0010】本発明はこのような課題を解決することを
目的として、ラダー電極近辺にできるだけ反応ガスを吹
出させて電極上での高磁場強度によりプラズマ密度を高
め、高速成膜を行うと共に高品質の非晶質薄膜を製造す
ることのできるプラズマCVD装置を提供するものであ
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】そのため、本発明は反応
容器内で放電用電極と対向して基板を配置し、放電用電
極からグロー放電プラズマを発生させて基板上に非晶質
薄板を形成するプラズマCVD装置において、放電用電
極を中空線材で構成すると共に中空線材の空洞内にガス
を流して電極線材表面から反応ガスを吹出すような構成
として、電極とプラズマ形成用のガス流路とを一体化し
たプラズマCVD装置とする。
【0012】即ち、本発明は、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、前記反応容
器内に収容された放電用電極と、この放電用電極にグロ
ー放電用電力を供給する電源とを有し、前記反応容器内
で前記放電用電極と対向して設置した基板表面に非晶質
薄膜を形成するプラズマCVD装置において、前記放電
用電極は複数本の中空線材からなる梯子状の平面形に形
成し、同複数本の中空線材の前記基板に対向する面の裏
面となる位置にガス吹出孔を設けると共に、同ガス吹出
孔と間隙を保って同吹出孔を覆うアースシールドを設け
てなり、前記中空線材の空洞にガスを流し、前記吹出孔
から噴出させることにより放電用電極にガス導入部を一
体化したことを特徴とするプラズマCVD装置を提供す
る。
【0013】
【作用】本発明はこのような手段により、反応ガスは放
電用電極を構成する中空線材の空洞内を通り、ガス吹出
孔より流出して反応容器内を所定の圧力にする。電源よ
り放電用電極に電力を供給し、グロー放電プラズマを発
生させ、放電用電極と対向して配置した基板表面にプラ
ズマにより分解した非晶質の薄膜が形成される。この薄
膜形成過程において、ガス吹出孔は中空線材の基板に対
向する面の裏側となる面に設けられており、かつ、アー
スシールドで覆われているので、反応ガスは吹出孔から
アースシールドで導かれて中空線材の基板側の周面上部
で電磁場強度の高い領域に導かれて、この領域でプラズ
マが発生するので、ガス吹出孔周辺はプラズマにさらさ
れず、そのため吹出孔周辺に薄膜が堆積し、これにより
フレークが飛散して基板表面に傷を付けるようなことも
なく、高速、高品質の成膜を形成することができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体
的に説明する。図1は本発明の一実施例に係るプラズマ
CVD装置の構成を示す断面図、図2は図1における中
空ラダー電極の平面図、図3はこの中空ラダー電極の詳
細な断面図、図4は中空ラダー電極の断面図で、ガス供
給とプラズマの状態を示す図、図5は成膜速度とRF電
極との関係を示す図である。
【0015】以下、実施例をこれらの図面を参照し、詳
細に説明するが、従来の装置(図6)と同一の部材には
同一の番号を付している。反応容器1内にはグロー放電
プラズマを発生させるための円筒形中空線材を使用した
弟子状平面形コイル電極2(以下、中空ラダー電極とい
う)が配置されている。この中空ラダー電極2は図2の
平面図及び図3の断面図に示すように2本の中空線材2
a,2bに対して垂直に数本の中空線材を接続し、梯子
状に組んだ構造を有し、外周部が四角形状をなしてい
る。
【0016】このラダー電極の寸法は反応容器の容量に
よるが、中空線材の長さは100〜1000mm、中空線
材間は10〜50mm、の範囲であり、中空線材の径は3
〜10mmが好ましい。
【0017】又、この中空線材の半周部分には、図3に
示すように、基板9に対向する中空線材の表面の裏面と
なる位置に一定の間隔を保って円弧状のアースシールド
3が設けられている。この電極とアースシールド3との
間隔は0.5〜2mm程度とし、成膜時の反応容器1内圧
力における電子の平均自由行程以下であることが望まし
い。各線材の空洞部は連通しており、又、この中空線材
にはアースシールド3と対向する位置に複数個のガス吹
出孔4が設けられ、中空線材の空洞部と連通している。
このガス吹出孔4の径は0.2〜0.7mm、孔の配列ピ
ッチは10〜25mm程度であることが好ましい。
【0018】中空ラダー電極2の電力供給点2a,2b
には、高周波電源5から、例えば13.56MHz の周波
数の電力がインピーダンス整合器6を介して供給され
る。また、中空ラダー電極2のガス供給点2Cには図示
を省略したガス供給管より、電気的に絶縁性の中空材を
介して中空ラダー電極2の空洞部へ、例えばモノシラン
/水素の混合ガスが供給され、ガス吹出孔4より反応容
器1内に送り出される。
【0019】なお、中空ラダー電極2を構成する中空線
材の断面形状は、楕円形であっても多角形であっても良
いが、その場合にはアースシールド3も中空線材表面と
の距離が一定となるように同一形状の楕円形、又は多角
形状とする必要がある。反応容器1内のガスは排気管7
を通して真空ポンプ8により排気される。
【0020】薄膜を成形すべき基板9は、中空ラダー電
極2と平行に設置され、図示しない基板ホルダにより基
板加熱ヒータ10に支持される。
【0021】この装置を用い、以下のようにして薄膜を
作製する。まず、真空ポンプ8を駆動して反応容器1内
を排気する。図示しないガス供給管より、ガス供給点2
Cから中空ラダー電極2の空洞部を介して、例えばモノ
シラン/水素の混合ガスを100〜200CC/min 程
度の流量で供給し、反応容器1内の圧力を0.5〜1To
rr程度に保ち、高周波電源5からインピーダンス整合器
6を介して中空ラダー電極2にRF電力を印加すると、
図4に示すように電極2のアースシールド3がない部分
の周囲にグロー放電プラズマが発生する。
【0022】プラズマ密度は電極線材近傍で大きく、離
れる程小さくなるが、本発明では図4に示すように、ガ
ス21は常に最もプラズマ密度の高い領域に供給され、
高密度プラズマ20はこの領域に発生し、かつ、ガス吹
出孔4の近辺はプラズマが発生してないので、ガス吹出
孔4はプラズマにさらされず、膜が堆積しないので高品
質・高速成膜が可能となることが推測される。そこで下
記条件で成膜実験を行った。
【0023】基板材料:ガラス、基板面積:300mm×
300mm、基板温度:250℃、反応ガス及び流量:S
iH4 =30CC/分、水素=120CC/分、反応容
器内圧力:1Torr、において印加する高周波電力を20
Wから100Wの範囲に設定した。成膜速度と高周波電
力との関係を図5に示す。
【0024】図5に示されるように、高周波電力を増加
すると成膜速度は増加し、100Wの高周波電力にて1
4オングストローム/sec と非常に速い成膜速度が得ら
れた。このとき、得られた膜の欠陥密度を電子ピン共鳴
方法により測定したところ1.2×1015個/CCであ
り、高品質の膜であることがわかった。
【0025】このように本実施例では、放電用電極とし
て図2及び図3に示す中空ラダー電極2を用いること
で、10〜15オングストローム/sec という高速成膜
速度で、かつ、高品質のa−Si薄膜を作製できるもの
である。
【0026】
【発明の効果】以上、具体的に詳述したように、本発明
によれば、放電用電極として中空線材からなる電極を用
いることにより、中空線材の吹出口より反応ガスを吹出
し、電極近傍の電磁場強度が強い部分に反応ガスを供給
するようにしたので高速で高品質の非晶質薄膜を製造す
ることができる。従って、アモルファスシリコン太陽電
池、薄膜半導体、光センサ、半導体保護膜などの製造分
野で工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るプラズマCVD装置の
構成を示す断面図である。
【図2】図1における中空ラダー電極の平面図である。
【図3】図1における中空ラダー電極の詳細な断面図で
ある。
【図4】本発明の一実施例に係る中空ラダー電極の断面
図で、ガス供給とプラズマ発生の状態を示す。
【図5】本発明の効果を示す図で、成膜速度とRF電力
との関係を図す。
【図6】従来のプラズマCVD装置の断面図である。
【図7】図6に示す従来のラダー電極の平面図である。
【図8】従来のラダー電極の電磁場強度分布を示す図で
ある。
【図9】従来のプラズマCVD装置の成膜速度とRF電
力との関係を示す図である。
【図10】従来の改良型のプラズマCVD装置の断面図
である。
【図11】従来のプラズマCVD装置におけるラダー電
極での膜堆積の状況を示す概念図である。
【符号の説明】
1 反応容器 2 中空ラダー電極 3 アースシールド 4 ガス吹出孔 5 高周波電源 6 整合器 7 排気管 8 真空ポンプ 9 基板 20 高密度プラズマ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C23C 16/50 - 16/517 C30B 25/00 - 25/22 H01L 21/205 INSPEC(DIALOG)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 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、前記反応容器内に収容され
    た放電用電極と、この放電用電極にグロー放電用電力を
    供給する電源とを有し、前記反応容器内で前記放電用電
    極と対向して設置した基板表面に非晶質薄膜を形成する
    プラズマCVD装置において、前記放電用電極は複数本
    の中空線材からなる梯子状の平面形に形成し、同複数本
    の中空線材の前記基板に対向する面の裏面となる位置に
    ガス吹出孔を設けると共に、同ガス吹出孔と間隙を保っ
    て同吹出孔を覆うアースシールドを設けてなり、前記中
    空線材の空洞にガスを流し、前記吹出孔から噴出させる
    ことにより放電用電極にガス導入部を一体化したことを
    特徴とするプラズマCVD装置。
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KR102168063B1 (ko) * 2012-01-27 2020-10-20 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 세그먼트화된 안테나 조립체

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