JPH07122497A

JPH07122497A - 薄膜形成装置と薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH07122497A
Application number: JP5267683A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tanaka; 田中　　勉; Yutaka Takizawa; 裕瀧澤; Katsuyuki Suga; 勝行菅; 健一 ▲梁▼井; Kenichi Yanai; Fumiyo Takeuchi; 文代竹内
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1995-05-12

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、化学気相成長法を用いた薄膜形成
装置、及び薄膜形成方法に関し、マイクロ波の導入窓に
膜が堆積することが一切なく、成膜レートが安定して速
い薄膜形成装置を提供することを目的としている。【構成】マイクロ波または光７の内、一つ以上のエネ
ルギ波を用いて、成膜チャンバ１内のマイクロ波または
光７を透過する材料からなる導入窓４及び絶縁性基板５
を経て成膜空間21に導入され、該成膜空間21に導入され
た成膜用ガス８を分解し、絶縁性基板５上に膜形成を行
う薄膜形成装置であって、該絶縁性基板５と該導入窓４
との間に、非成膜用ガス82を導入する非成膜空間22が設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池やイメージセ
ンサー、液晶表示装置等に使用される半導体装置の半導
体薄膜を形成するための化学気相堆積法を用いた薄膜形
成装置、及び薄膜形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図10は従来例の説明図である。図におい
て、１は成膜チャンバ、３は基板導入口、４は導入窓、
５は絶縁性基板、６は排気系、７はマイクロ波、８は成
膜用ガス、９は基板トレー、10はプラズマ、23は基板、
24は基板保持機構、25は基板加熱機構、26は高周波電源
である。

【０００３】従来、半導体薄膜を形成するための薄膜形
成装置はいろいろあるが、特に太陽電池やイメージセン
サー、液晶表示装置等に使用されるアモルファスシリコ
ンにおいては、図10（ａ）に示すような平行平板型プラ
ズマＣＶＤ装置が一般的に使用されている。しかし、こ
のような平行平板型プラズマＣＶＤ装置では、その堆積
レートが小さいため（α−Siの場合およそ０．１ｎｍ／
秒）、太陽電池やイメージセンサー等で必要な膜厚（１
μｍ以上）を得ようとすると、膨大な時間（約２時間３
０分以上）がかかり、生産性が悪いといった欠点があっ
た。

【０００４】それに対して、平行平板型プラズマＣＶＤ
装置で使用される１３．５６ＭＨｚの高周波電源に換え
て、２．４５ＧＨｚのマイクロ波電源を用いるマイクロ
波プラズマＣＶＤ装置が検討されている。その構造の模
式断面図を図10（ｂ）に示す。

【０００５】この装置は、反応容器である成膜チャンバ
１、成膜用ガス８の導入管、薄膜を堆積しようとする絶
縁性基板５、及び絶縁性基板５を保持するための基板ト
レー９、絶縁性基板５の成膜チャンバ１内への導入口で
ある基板導入口３、マイクロ波を透過するマイクロ波導
入窓４、容器内の圧力を任意の圧力に保持するための排
気系６により構成されている。また、ここには図示され
ないが、マイクロ波の発振用電源が接続されている。更
に、必要に応じて、絶縁性基板の加熱機構を設けている
こともある。

【０００６】この装置にマイクロ波７を導入し、成膜チ
ャンバ１内の成膜用ガス８をマイクロ波７により励起分
解することにより、分解されたガスを絶縁性基板５上に
堆積して、薄膜を形成する。

【０００７】このようなマイクロ波ＣＶＤ装置は、マイ
クロ波７の周波数が高いために成膜用ガス８の電離度が
大きくなるため、成膜用ガス８の分解効率を高くでき、
大きい堆積レート（３ｎｍ／秒以上）を得ることが可能
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような装
置では、図10（ｂ）の構成より明らかなように、絶縁性
基板５上への薄膜の堆積と同時に、マイクロ波７の導入
窓４にも膜が堆積する。例えば、マイクロ波７の導入窓
４にα−Siが付着した場合には、マイクロ波７はα−Si
で吸収されるため、所定のパワーが投入されなくなり、
薄膜の堆積レートが落ちたり、成膜の不均一化、不均質
化や膜の特性の低下を招くという問題が生じていた。

【０００９】また、この導入窓４は、成膜チャンバ１内
部の気密を保持する必要があるが、上述のように導入窓
４に膜が付着すると、その交換を頻繁に行う必要が生
じ、その都度繊細な作業を行う必要があるため、作業性
を著しく低下させるという問題が生じる。

【００１０】更に、図10（ｂ）に示すような装置とほと
んど同一な構成で、マイクロ波の代わりに低圧水銀ラン
プ等からの光を導入し、成膜用ガス８を分解して膜形成
する光ＣＶＤ装置があるが、この光ＣＶＤ装置において
も導入窓４に膜が堆積し、マイクロ波ＣＶＤ装置と同様
の問題が生じていた。

【００１１】本発明ではこのような問題点に鑑みて提供
されたもので、マイクロ波の導入窓に膜が堆積すること
が一切なく、成膜レートが安定して速い薄膜形成装置を
提供することを目的としている。また、光ＣＶＤ装置で
光の導入窓に膜が堆積することがないような装置を提供
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図であり、薄膜形成装置の模式断面構成図を示す。図に
おいて、１は成膜チャンバ、４は導入窓、５は絶縁性基
板、６は排気系、７はマイクロ波または光、８は成膜用
ガス、21は成膜空間、22は非成膜空間である。

【００１３】本装置は、成膜チャンバ１と、絶縁性基板
５、マイクロ波または光７を導入するための導入窓４、
および成膜チャンバ１を所定の圧力に保持するための排
気系６により構成されている。成膜チャンバ１は所望の
堆積膜を得る成膜用ガス８を導入し、所定の圧力に保持
されている。

【００１４】本特許の基本概念は、マイクロ波または光
７を、導入窓４および絶縁性基板５を透過させた後に、
成膜空間21へと導入し、成膜用ガス８を分解して絶縁性
基板５に膜を堆積させる所にある。また、絶縁性基板５
と導入窓４との間の空間は非成膜空間22とすることにあ
る。

【００１５】即ち、本発明の目的は、マイクロ波または
光７の内、一つ以上のエネルギ波を用いて、成膜チャン
バ１内のマイクロ波または光７を透過する材料からなる
導入窓４及び絶縁性基板５を経て成膜空間21に導入さ
れ、該成膜空間21に導入された成膜用ガス８を分解し、
絶縁性基板５上に膜形成を行う薄膜形成装置において、
該絶縁性基板５と該導入窓４との間に、非成膜用ガス82
を導入する非成膜空間22が設けられることにより、達成
される。

【００１６】

【作用】本発明の手段によれば、導入窓の内側は非成膜
空間22となっており、所望の膜形成を行うためにマイク
ロ波または光７を導入しても、導入窓４の内側にはマイ
クロ波または光７の導入効率を低下させるような膜は形
成されない。よって、再現性の良い成膜が可能となり、
また導入窓４の交換に必要だった時間は全く必要なくな
り、作業性の向上の効果が著しい。

【００１７】また、導入されたマイクロ波または光７
は、導入窓４、非成膜空間22、絶縁性基板５を透過し、
成膜空間21に存在する成膜用ガス８にエネルギを与えて
分解させる。分解した成膜用ガス８は、絶縁性基板５上
に堆積し、所望の膜を形成する。よって、この装置構成
によれば、非成膜空間22に面する導入窓４の内側に膜が
形成されず、絶縁性基板５上に毎回同じ条件での成膜が
確保される。

【００１８】従って、本発明の手段により、従来の問題
点は完全に解決されることとなる。

【００１９】

【実施例】図２〜図９は本発明の種々の実施例の装置構
成図である。図において、１、11は成膜チャンバ、12は
非成膜チャンバ、21は成膜空間、22は非成膜空間、３は
基板導入口、４、41、42は導入窓、５は絶縁性基板、
６、61、62は排気系、７、71、72はマイクロ波または
光、８、81は成膜用ガス、82は非成膜用ガスである。

【００２０】先ず、図２を用いて、本発明の第１の実施
例について説明する。本装置の成膜チャンバ１は、例え
ばステンレスにより構成されており、その一部には、例
えば石英ガラス等を用いてマイクロ波または光７を導入
するための導入窓４が形成されている。マイクロ波７は
図示されていない例えばマグネトロン発振器により、
２.45 ＧＨｚの周波数で生成される。

【００２１】また、成膜用ガス８を分解するエネルギ波
として光を用いる場合には成膜用ガス８を分解し得る
光、例えばシリコン系薄膜を成膜する際に用いられるジ
シランガスを分解するためには、低圧水銀ランプ等を接
続すれば良い。

【００２２】また、成膜チャンバ１には、内部圧力を一
定に保持するため、図示されていないロータリーポンプ
または必要に応じてブースタポンプ等に接続された排気
系６が形成されている。

【００２３】絶縁性基板５は、成膜チャンバ１の一部に
形成された基板導入口３を経由して成膜チャンバ１内に
導入され、導入窓４を覆うように設置される。この場合
には、非成膜空間22は絶縁性基板５と導入窓４の間の空
間であり、絶縁性基板５と導入窓４をほとんど密着する
ように設置すれば、成膜用ガス８はこの間に進入できず
非成膜空間22を形成することが不可能となる。

【００２４】また、この非成膜空間22を完全に形成する
ためには、本発明の第２の実施例として、図３に示すよ
うに、絶縁性基板５と導入窓４との間に例えば水素(H₂)
ガスのような非成膜用ガス82を流すような構成にするこ
とが望ましい。また、非成膜用ガス82を流す方法として
は、本発明の第３の実施例として、図４に示すように、
マイクロ波または光７を導入する窓を穴あき導入窓42と
導入窓41の二層構成にし、その間に非成膜用ガス81を導
入して絶縁性基板５の裏面に吹きつけるようにすると、
一層効果的に非成膜空間22を形成することが可能とな
る。

【００２５】次に、本装置を用いて例えば太陽電池の受
光層を成すアモルファス・シリコン（α−Si）膜を絶縁
性基板５上に成膜する方法について説明する。絶縁性基
板５は図２に示すように、導入窓４に密着するように設
置された状態で、成膜用ガス８として水素(H₂)ガスで10
％程度に希釈されたシラン(SiH₄)ガスを 100sccm導入
し、成膜チャンバ１（成膜空間21) の圧力を排気系６に
より０.1Torrに保持する。非成膜空間22は絶縁性基板５
と導入窓４の間の密着した空間であるため、成膜用ガス
８はほとんど入り込まない。

【００２６】また、図３または図４に示すような構成に
する場合には、非成膜用ガス82としてH₂ガスを50sccm程
度流せば良い。この状態で、例えばマイクロ波７を３０
０Ｗ導入する。マイクロ波パワーによりSiH₄ガス及びH₂
ガスは励起プラズマ化することにより分解され、絶縁性
基板５上にα−Si膜を堆積する。

【００２７】このようにして得られたα−Si膜は、堆積
速度は 500nm／分の高速堆積が可能であった。また、そ
の膜質は非常に良質であり、一般に太陽電池の評価で用
いられるＡＭ１．５の光照射下での光電流と暗電流との
比がおおよそ５桁得られた。

【００２８】図５を用いて、本発明の第４の実施例の装
置構成を説明する。図５においては、非成膜空間22をほ
ぼ独立したチャンバとして構成しており、その非成膜空
間22の内部に非成膜用ガス82を導入している点が第１の
実施例と異なる。

【００２９】本実施例では、成膜チャンバ11は成膜用ガ
ス81を導入する成膜チャンバ11と非成膜用ガス22を導入
する非成膜チャンバ12とに分離されている。非成膜チャ
ンバ12の一部には、例えば石英ガラス等を用いて、マイ
クロ波または光７を導入するための導入窓４が形成され
ている。

【００３０】それぞれのチャンバには、それぞれのチャ
ンバを一定圧力に保持するため、図示されていないロー
タリーポンプまたは必要に応じてブースターポンプ、タ
ーボポンプ等に接続された排気系61及び62が形成されて
いる。

【００３１】絶縁性基板５は、非成膜チャンバ12の一部
に形成された基板導入口３を経由して非成膜チャンバ12
内に導入され、成膜チャンバ11と非成膜チャンバ12を空
間的に分離するように設置されている。

【００３２】絶縁性基板５を成膜チャンバ11と非成膜チ
ャンバ12を空間的に分離するように設置した状態で、成
膜用ガス81としてアルゴン(Ar)ガスで５％程度に希釈さ
れたゲルマン(GeH₄)ガスを 100sccm導入し、成膜チャン
バ11の圧力を排気系61により０.1Torrに保持する。非成
膜チャンバ12には、非成膜用ガス82としてヘリウム(He)
ガスを 100sccm導入し、排気系62によりその圧力を１To
rrに保持する。

【００３３】この状態で，例えばマイクロ波を３００Ｗ
導入する。マイクロ波パワーによってGeH₄ガス及びArガ
スは励起プラズマ化することにより分解され、絶縁性基
板51上にα−Ge膜を堆積する。また、この時非成膜チャ
ンバ12内のガス種類と圧力によっては、非成膜チャンバ
12内でもプラズマ放電が起こりうるが、非成膜チャンバ
12には非成膜用ガス82を導入しているため、絶縁性基板
５の裏面には一切膜の堆積は起こらない。

【００３４】上記の実施例は更に、次のような構成にす
ることが可能である。成膜チャンバ11の圧力を非成膜チ
ャンバ12の圧力と比較して０.3Torr程度圧力を低めに設
定することにより、例えば図5 に示すような構成で比重
３ｇ／ｃｍ³、厚さ１ｍｍの絶縁性基板５を固定するこ
とが可能となる。また、絶縁性基板５の設置場所は、本
発明の第5 の実施例として、図６に示すように、成膜チ
ャンバ11側であってもかまわない。この場合には、成膜
チャンバ11の圧力を高めに設定する。

【００３５】また、図５に示す構成において非成膜チャ
ンバ12の圧力を成膜チャンバ11の圧力に比較して高めに
設定することは、成膜用ガス81が非成膜チャンバ12に逆
流することが防げるとともに、絶縁性基板５の所望の一
面にのみ確実に成膜を行うことが可能となるため、更に
望ましい構成となる。

【００３６】更に、導入されるエネルギ波７としてマイ
クロ波を選択した場合には、成膜チャンバ11及び非成膜
チャンバ12を特定の圧力に保持することにより、いわゆ
るプラズマを形成することも、しないことも任意に選択
ができる構成となる。

【００３７】例えば、本発明の第６の実施例として、図
７に示すような装置構成において、導入エネルギ波とし
て２.45 ＧＨｚの周波数のマイクロ波７を使用した場
合、非成膜チャンバ12の圧力を20Torrとし、成膜チャン
バ11の圧力を０.05Torr とすることにより、マイクロ波
は非成膜チャンバ12ではミスマッチング（非整合）とな
りプラズマを形成しない。この状態では、マイクロ波は
非成膜チャンバ12では吸収されず、効率良く成膜チャン
バ11に導入される。

【００３８】成膜チャンバ11の圧力は、マイクロ波とマ
ッチングがとれているためプラズマを形成し、成膜用ガ
ス81の分解を行い、絶縁性基板５上に膜を堆積すること
が可能となる。

【００３９】また、この他にも図６に示すような装置構
成において、非成膜チャンバ12内の圧力を１×10^-4Torr
以下に保持し、成膜チャンバ11を０.1Torrに保持した場
合にも上記と同様に、マイクロ波７は非成膜チャンバ12
でミスマッチングとなりプラズマも形成しなくなり、効
率良くマイクロ波を成膜チャンバ11に導くことが可能と
なる。

【００４０】本発明の第７の実施例の装置構成を図８を
用いて説明する。この実施例においては、成膜空間21に
接するように絶縁性基板５を２枚以上設置し、処理枚数
の増加を図った点が第１の実施例と異なる。また、第１
の実施例では成膜空間21が成膜チャンバ11の壁面と近い
場合には、膜が成膜チャンバ11にも付着しゴミの原因と
なる恐れがあるが、本実施例の構成にすれば、成膜空間
21と成膜チャンバ11の壁面との間に絶縁性基板５が設置
されているため、成膜チャンバ１１の壁面に付着する膜
からのゴミの発生が抑えられる。

【００４１】また、本発明の第８の実施例として、図９
に示すように、絶縁性基板５を成膜空間21を覆うように
４枚以上もしくは６枚まで設置することも可能である。
６枚の絶縁性基板５で成膜空間21をほぼ覆った場合に
は、成膜チャンバ11の壁面への膜の付着はほとんど無く
なり、メンテナンス等の作業が著しく低減される。また
この場合には、形成された膜の均一性を向上させるため
に、二つ以上のマイクロ波または光の導入口を設けるこ
とが望ましい。

【００４２】本発明の実施例は、更に次のような構成ま
たは方法にすることが可能である。成膜される膜がシリ
コン(Si)またはゲルマニウム(Ge)のいずれか一方以上を
含む膜を形成する場合には、成膜されたSiまたはGeを含
む膜にはマイクロ波または光のエネルギを吸収させるこ
とが可能となる。その膜に吸収されたエネルギは熱エネ
ルギに変換されるため、成膜と同時に形成された膜を改
質することが可能となる。

【００４３】例えば、SiH4とメタン(CH₄) とジボラン(B
₂H₆)とH₂を成膜用ガス81として導入し、絶縁性基板５上
にｐ型のアモルファスシリコンカーバイド（ｐ⁺α−Si
Ｃ）を成膜する際、投入したマイクロ波エネルギを 300
Ｗにした場合には、ｐ⁺α−SiＣを得ることができる
が、マイクロ波エネルギを 700Ｗにした場合には、結晶
化したｐ型のシリコンカーバイド（ポリシリコンカーバ
イド：ｐ⁺ポリSiＣ）を得ることができた。この場合
は、マイクロ波エネルギを増すことによって、α−SiＣ
に吸収されるマイクロ波パワーが臨界値を超えて結晶化
したと考えられる。その結果、導電率は10²(Ω・cm)
^-1、バンドギャップが２.5eVのｐ⁺ポリ−SiＣが得ら
れた。

【００４４】また、ジシラン(Si₂H₆) を成膜用ガス81と
して導入し、エネルギ波として低圧水銀ランプ光を導入
した場合にも、低圧水銀ランプ強度を40Ｗとした場合に
は良質なα−Si膜が形成されたが、低圧水銀ランプ強度
を 100Ｗとした場合には、結晶化したシリコン（多結晶
シリコン：ポリSi）となった。また、この際、絶縁性基
板５を別の加熱機構（シースヒータ）を用いて 200℃に
保持しておいた場合には、低圧水銀ランプ強度を70Ｗに
することで、ポリSiを得ることが出来た。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の成膜装置
を用いれば、エネルギ波の導入窓の内側は非成膜空間と
なっているため、導入窓にはマイクロ波または光の導入
効率を低下させる膜は形成されないため、繰り返し膜形
成を行っても、非常に再現性の良い成膜を行うことが可
能となった。

【００４６】また、高真空を得るために気密性の良い設
置が必要となる導入窓には、膜が形成されないため、導
入窓の交換が不要となり作業性の向上が著しい。また２
枚以上の基板を成膜空間を覆うように設置するためゴミ
等が低減される。

【００４７】更に、導入するエネルギ波を選択し、その
エネルギ強度を制御することにより、形成された膜を改
質することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図

【図２】本発明の第１の実施例の装置構成図

【図３】本発明の第２の実施例の装置構成図

【図４】本発明の第３の実施例の装置構成図

【図５】本発明の第４の実施例の装置構成図

【図６】本発明の第５の実施例の装置構成図

【図７】本発明の第６の実施例の装置構成図

【図８】本発明の第７の実施例の装置構成図

【図９】本発明の第８の実施例の装置構成図

【図10】従来例の説明図

【符号の説明】

１、11 成膜チャンバ 12 非成膜チャンバ 21 成膜空間 22 非成膜空間３基板導入口４、41、42 導入窓５絶縁性基板６、61、62 排気系７、71、72 マイクロ波または光８、81 成膜用ガス 82 非成膜用ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲梁▼井健一神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (72)発明者竹内文代神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロ波または光(7) の内、一つ以上
のエネルギ波を用いて、該マイクロ波または光(7) を透
過する材料からなる導入窓(4) 及び絶縁性基板(5) を経
て成膜空間(21)に導入され、該成膜空間(21)に導入され
た成膜用ガス(8) を分解し、該絶縁性基板(5) 上に膜形
成を行う薄膜形成装置であって、該絶縁性基板(5) と該導入窓(4) との間に、非成膜用ガ
ス(82)を導入する非成膜空間(82)が設けられていること
を特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】前記成膜空間(21)と前記非成膜空間(22)
とが前記絶縁性基板(5) により分離された装置構成を有
することを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項３】前記非成膜空間(22)の内部圧力は、該非
成膜空間(22)内に存在する非成膜用ガス(82)を分解しな
い圧力に保持し、且つ、前記成膜空間(21)内の内部圧力
は、該成膜空間(21)内に存在する成膜用ガス(81)を分解
する圧力に保持する機構を有することを特徴とする請求
項１または請求項２記載の薄膜形成装置。
【請求項４】請求項１記載の薄膜形成装置において形
成された膜に、成膜と同時に前記マイクロ波または光
(7) を吸収させて、該膜の膜質を変化させることを特徴
とする薄膜形成方法。