JP2003068659A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法、それらを用いて作製した薄膜、基板、半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波電極を複数の小電極に分割するだけで
は、各々の小電極に印加された高周波の畳重により、各
小電極面上の間隙に近いところで過大あるいは過小な電
界が生じ、均一なプラズマを生成させるには不充分であ
り、各小電極に印加する高周波電圧の位相を調整するこ
とで、膜厚分布やエッチング速度の分布が改善される。
しかしながら、隣接する小電極の高周波電圧に位相差が
ある場合には、隣接する小電極間に強い電界が生じ、そ
の強い電界により、局所的な膜厚の不均一が生じる。 【解決手段】 高周波電極を構成する複数の小電極に対
して、高周波電圧の位相をずらして印加するプラズマ処
理装置において、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃ
を調節可能とし、複数の小電極と被処理部材との距離ｄ
ａとの関係を、０．５≦ｄｃ／ｄａ≦３の範囲に調節す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ処理装置に
係り、被処理部材に対し膜堆積、エッチングあるいは表
面改質を行うのに好適な処理装置及びこの処理装置を用
いた処理方法、ならびにこれらの処理装置または処理方
法を用いて作製した薄膜、基板、半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、半導体装置の製造プロセスにおい
て、プラズマエネルギーを利用した薄膜堆積、エッチン
グ、表面改質等の処理が必要不可欠になっており、これ
らのプラズマ処理工程では、液晶ディスプレイや太陽電
池等の半導体装置の大型化、及び処理能力向上の要求に
対応した被処理面積の大型化や処理速度の向上、そして
処理品質の向上が重要な課題である。

【０００３】このようなプラズマ処理の現状について説
明する。代表的な膜堆積処理方法であるプラズマＣＶＤ
法を例に取ると、堆積される膜として、代表的にはシリ
コンの多結晶薄膜、微結晶薄膜、非晶質薄膜があり、シ
リコンの化合物としては酸化シリコン膜、窒化シリコン
膜、珪化金属膜などがある。プラズマＣＶＤ法における
量産性を向上させるために、高周波電力を高める、また
は原料ガスの供給量を増加させることで、製膜速度を増
大させることが可能である。しかしながら、高周波電力
として１３．５６ＭＨｚのＲＦ帯高周波を用いた従来の
方法において、そのような条件で膜堆積を行うと、多量
のパウダーが生成し、パウダーが被処理部材へ付着する
ことによる膜質の低下、引いては歩留まりの低下を引き
起こすために、製膜速度を著しく向上させることが実現
困難である。

【０００４】このような良好な膜品質と高い製膜速度の
両立という課題の解決策として、印加電圧の高周波数化
が有望視されている。周波数を更に増加させたＶＨＦ帯
高周波を用いることで、プラズマ温度の低減と、プラズ
マ密度の向上が同時に成し得ることが知られており、Ｖ
ＨＦ帯高周波を用いることで、高品質な膜をより高速で
堆積できると期待される。

【０００５】しかしながら、ＶＨＦ帯高周波はＲＦ帯高
周波よりも波長が短いため、高周波電極の表面最大寸法
が大きくなるほど、電極上で発生する定在波の影響が大
きくなることが知られている。その結果、プラズマ密度
の電極面内均一性が悪くなるため、膜堆積の場合は膜厚
や膜特性の面内均一性の悪化、エッチングの場合はエッ
チングレートの面内均一性の悪化を引き起こしてしま
う。また、周波数が高くなるほど浮遊容量の影響が大き
くなり、電極間以外での高周波電力の損失が大きくなる
ため、安定なプラズマ生成が困難になる。これらのこと
から、ＲＦ帯高周波に対応した従来の装置では、ＶＨＦ
帯高周波を用いた大面積処理を行うことは、実用上困難
である。

【０００６】このような課題を鑑み、ＶＨＦ帯高周波を
用いて大面積処理を可能とする手法が特開２０００−２
６８９９４号公報に開示されている。図１９により、特
開２０００−２６８９９４号公報に開示されているプラ
ズマＣＶＤ装置の概要を説明する。ガス導入手段５１と
真空排気手段５２を備えた反応容器４において、高周波
電源１から高周波電力が印加され、整合器９を経た後に
高周波電力が分配され、複数に分割された高周波電極２
１〜２４の各々に高周波電力が印加される。このよう
な、複数に分割された高周波電極を用いることにより、
大面積でも均一なプラズマ生成が可能であるとしてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、特開２
０００−２６８９９４号公報に開示されているような、
高周波電極を複数に分割する手法の効果について詳細な
検討を行った。本発明者らは、図２に示すような、５０
ｃｍ角のステンレス鋼平板からなり、互いに１２ｍｍ離
間されている４つの小電極２１〜２４からなる高周波電
極を仮定し、さらに、それぞれの電極に側面および裏面
での放電を防止するためのアースシールドを設けて、各
々の小電極に１００ＭＨｚの高周波電力を同出力かつ同
位相となるように印加した時の電界強度分布を電磁界計
算により求めた。このとき、高周波電極と被処理部材と
の距離は３０ｍｍとした。ここで、図１に示すように、
小電極から被処理部材へと向かう方向をｘ方向とし、ｘ
方向と直交する小電極面と平行の２方向をｙ方向、ｚ方
向とする。電磁界計算の結果得られたｘ方向の電界Ｅｘ
の強度分布を図３に示す。図の曲線から分かるように、
図３の横軸は高周波電極面上の対角方向における位置を
示しており、矢印イが高周波電極の大きさ、矢印ロ、ハ
が小電極の大きさをそれぞれ示している。また、縦軸は
電界強度を示す。複数の小電極から構成される高周波電
極全体に対する中心付近（図３のＡ部）で電界が過大と
なる分布が生じる。これは、各々の小電極に印加される
高周波の畳重により生ずるものと考えられる。逆に、Ｂ
部に示すように、各小電極の間隙では電界が過小とな
る。このことは、プラズマ処理の際に複数の小電極から
構成される高周波電極全体に対する中心付近（Ａ部）で
過大なプラズマが発生し、各小電極の間隙付近（Ｂ部）
で過小なプラズマが発生すると予測される。このような
プラズマにより処理を行うと、処理の均一性や品質に問
題が生じることは明らかである。つまり、均一なプラズ
マを生成させるためには、高周波電極を複数に分割する
ほかにも、さらなる改良が必要である。

【０００８】そこで、本発明者らは、各小電極に印加す
る高周波電圧の位相を調整して、複数の小電極から構成
される高周波電極全体に対する中心付近（Ａ部）での電
界を互いに打ち消すことで、高周波電極全体でほぼ一様
な電界強度を得ることが可能であることを見出した。図
４に本発明者らが電磁界計算から求めた、各小電極に印
加する高周波電圧の位相をずらした時の、ｘ方向の電界
Ｅｘの強度分布を示す。図４の横軸と縦軸は図３と同じ
である。この計算を行う条件として、図２に示す高周波
電極を仮定し、４つの小電極から任意に第1の小電極、
例えば２１を選択すると、この第1の小電極２１と隣接
する第２の小電極２２および２３に印加される高周波電
圧の位相は、第１の小電極２１に印加される高周波電圧
の位相に対して１３５度ずらされており、第１の小電極
２１とは隣接せず、第２の小電極２２および２３とは隣
接する第３の小電極２４に印加される高周波電圧の位相
は、第１の小電極２１に印加される高周波電圧の位相と
同じにされている。図３のＡ部に示すような過大な電界
が抑制されており、各小電極に印加する高周波電圧の位
相を調整することで、より均一なプラズマ処理を大きな
面積の被処理部材に施すことが可能となることが分かっ
た。さらに、位相のずれを種々変化させて同様の検討を
行った結果、図３のＡ部に示すような過大な電界を抑制
するには、隣接する小電極に印加する高周波電圧の位相
をずらすことが好適であり、図４に示すような、各小電
極面上において均一となる電界強度分布を得られること
が分かった。

【０００９】図４に示す均一となる電界分布と実際の膜
厚分布との相関を調べるため、製膜実験を行った。その
結果得られた膜厚分布を図５に示す。図５の横軸は図３
に示すそれと同じであり、縦軸は膜厚分布を示す。小電
極面上に相当する部分の膜厚は、図４の計算結果と同様
の均一な分布を示したが、各小電極の間隙に相当するＢ
部分では、図４の結果からは電界が小さいため膜厚が小
さくなることが予測されたにもかかわらず、むしろ膜厚
が大きくなる傾向が見られた。

【００１０】そこで、反応容器のポートより、高周波電
極と被処理部材の間にラングミュアプローブを挿入し、
プラズマ電子密度分布を測定した結果を図６に示す。図
６の横軸は図３に示すそれと同じであり、縦軸は電子密
度を示している。図６に示すように、各小電極の間隙に
相当するＢ部分において、電子密度が大きくなっている
ことが分かった。

【００１１】そこで、ｘ方向の電界Ｅｘのみならず、各
小電極と平行のｙ方向の電界Ｅｙおよびｚ方向の電界Ｅ
ｚをも含めた電界Ｅ＝（Ｅｘ²＋Ｅｙ²＋Ｅｚ²）^1/2の、
小電極主面より被処理部材側に３ｍｍ離れた位置におけ
る面内分布を、図４と同じ条件で計算した結果として図
７に示す。図７の電界Ｅは、各小電極の間隙に相当する
Ｂ部でむしろ強くなることが分かった。隣接する小電極
間に印加される高周波電圧に位相差がある場合には、隣
接する小電極間に電位差が生じるため、図８に示すＣ領
域のような間隙部の小電極に近い領域において、隣接す
る小電極間の電界（小電極面と平行のｙもしくはｚ方向
の電界）が生じているためであると考えられる。その結
果、各小電極の間隙に相当する部分での膜厚が大きくな
ったと考えられる。

【００１２】本発明は、上記課題を鑑みなされたもので
あり、半導体装置の大型化や処理能力向上に対応した被
処理面積の大型化や処理速度の向上、及び処理品質の向
上を可能とするプラズマ処理装置及びプラズマ処理方
法、そして、それを用いて作製した薄膜、基板、半導体
装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様は、
反応容器内に、複数の小電極に分割されてなる電極と、
被処理部材配設部を備え、該複数の小電極に分割されて
なる電極に、高周波電源から位相をずらした高周波電力
を印加することでプラズマを発生させて、被処理部材に
対し処理を行う装置において、隣接する小電極間の間隙
の大きさが、調節可能であることを特徴とするプラズマ
処理装置である。

【００１４】本発明の第２の態様は、反応容器内に、複
数の小電極に分割されてなる電極と、被処理部材配設部
を備え、該複数の小電極に分割されてなる電極に、高周
波電源から位相をずらした高周波電力を印加することで
プラズマを発生させて、被処理部材に対し処理を行う装
置において、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃと、
該複数の小電極と被処理部材との距離ｄａが、 ０．５≦ｄｃ／ｄａ≦３ の関係にあることを特徴とするプラズマ処理装置であ
る。

【００１５】本発明の第３の態様は、第１および第２の
態様のプラズマ処理装置において、互いに隣接する小電
極に印加される高周波電圧の位相のずれが１２０〜２４
０度の範囲にあるように調整することを特徴とするプラ
ズマ処理方法である。

【００１６】本発明の第４の態様は、周波数が２０〜５
００ＭＨｚの範囲にある高周波を用いたプラズマＣＶＤ
法により、最大寸法が１ｍ以上である基板上に堆積され
た、膜厚分布が１０％以内である薄膜である。

【００１７】本発明の第５の態様は、第４の態様の薄膜
が少なくとも１主面上に形成されてなる基板である。

【００１８】本発明の第６の態様は、第４の態様の薄
膜、あるいは第５の態様の基板を用いて作製された半導
体装置である。

【００１９】

【発明の実施の形態】複数の小電極に分割された電極
に、同位相の電力を印加した場合には、小電極の間隙部
では電界が生じないため、間隙部でのプラズマ処理の不
均一が生じる。したがって、間隙部をできるだけ小さく
することによって、間隙部の電界の落ち込みを抑制し、
プラズマ処理の不均一を防ぐことが一般的である。

【００２０】一方、隣接する小電極間に印加される高周
波電圧に位相差がある場合には、間隙部において隣接す
る小電極間に電位差が生じるため、隣接する小電極の間
隙では、図８に示すＣ領域のように小電極に近い領域
で、隣接する小電極間に小電極面と平行となるｙもしく
はｚ方向の電界が生じる。そのため、隣接する小電極の
間隙の大きさを小さくしすぎると、隣接する小電極間の
電界が強くなりすぎて、不均一なプラズマとなってしま
う。したがって、隣接する小電極間にかかる電界の大き
さを、プラズマ処理が均一になるように調節することが
必要となる。

【００２１】プラズマ処理の均一性に大きく影響する電
界分布は、隣接する小電極間にかかる電界の大きさと、
小電極と被処理部材との間にかかる電界の大きさにより
決まる。隣接する小電極間にかかる電界は、隣接する小
電極間の間隙の大きさと関係している。一方、小電極と
被処理部材との間にかかる電界の大きさは、小電極と被
処理部材との間の距離と関係している。

【００２２】したがって、隣接する小電極間の間隙の大
きさと、複数の小電極と被処理部材との間の距離との関
係が重要となる。具体的には、隣接する小電極間の間隙
の大きさが、複数の小電極と被処理部材との距離と比較
して小さすぎる場合には、小電極と被処理部材間にかか
る電界よりも、隣接する小電極間の電界が強くなりす
ぎ、間隙部でのプラズマ生成が過剰になるため、プラズ
マ処理は不均一となる。逆に、隣接する小電極間の間隙
の大きさが、複数の小電極と被処理部材との間の距離と
比較して、大きすぎると、小電極と被処理部材間にかか
る電界よりも、隣接する小電極間の電界のほうが弱くな
りすぎ、間隙部でのプラズマ生成が少なすぎるため、プ
ラズマ処理は不均一となる。

【００２３】そこで、プラズマ生成条件に合わせて、隣
接する小電極の間隙の大きさを調節して、隣接する小電
極間にかかる電界の大きさを調節することにより、プラ
ズマ処理を均一とすることを可能とした。

【００２４】複数の小電極に印加する電力に位相差を与
えた場合には、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃ
と、該複数の小電極と被処理部材との距離ｄａが、０．
５≦ｄｃ／ｄａ≦３の関係にあることで、良好な膜厚分
布を得ることが可能となる。

【００２５】さらに、プラズマ処理の均一性をよくする
には、互いに隣接する小電極に印加される高周波電圧の
位相のずれを１２０度〜２４０度の範囲とすることがよ
り好ましい。この場合には位相差が大きいために隣接す
る電極間の電位差が大きくなるため、隣接する小電極間
の間隙の大きさｄｃと、該複数の小電極と被処理部材と
の距離ｄａが、０．７≦ｄｃ／ｄａ≦２の関係にあるこ
とがより望ましい。

【００２６】高品質なプラズマ処理を行うために、形成
される薄膜が受けるイオンダメージが少ない、例えば、
圧力が２００Ｐａ以上２０００Ｐａ以下のプロセス条件
において、複数の小電極に印加する電力に位相差を与え
た場合には、圧力が高いために反応が頻繁に起こり、粒
子の平均自由行程が小さくなるため、隣接する小電極間
の間隙の大きさは、より小さい方が適切となり、隣接す
る小電極間の間隙の大きさｄｃと、該複数の小電極と被
処理部材との距離ｄａが、０．５≦ｄｃ／ｄａ≦２の関
係にある場合、プラズマ処理の均一性が向上する。さら
にプラズマ処理の均一性を向上させるには、互いに隣接
する小電極に印加される高周波電圧の位相のずれを１２
０度〜２４０度の範囲とすることが好ましい。この場合
には位相差が大きいために隣接する電極間の電位差が大
きくなるため、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃと
該複数の小電極と被処理部材との距離ｄａが、０．７≦
ｄｃ／ｄａ≦１．５の関係にあることがより好ましい。

【００２７】なお、隣接する小電極間の間隙の大きさと
は、実質的に高周波が印加される小電極間の距離であ
り、各小電極を取り囲むように誘電体やアースシールド
が設置されている場合や、隣接する小電極間に誘電体が
充填されている場合においても、図８に示す距離Ｄのよ
うに実質的に高周波が印加される小電極間の距離であ
る。

【００２８】また、本発明のプラズマ処理装置におい
て、各小電極の最大寸法を、印加する高周波の波長の１
／４以下とすることにより、各小電極面上で定在波が発
生することを防止できるので、大きな面積の被処理部材
に対して、より均一なプラズマ処理を施すことが可能と
なる。なお、基板の最大寸法とは基板表面における任意
の２点間の距離が最大となる位置の寸法を意味してお
り、例えば、矩形平板上の場合は対角線長さ、円板状の
場合は直径に相当する。

【００２９】さらに、位相のずれを種々変化させた結果
より、図３のＡ部に示すような過大な電界を抑制するに
は、隣接する小電極に印加する高周波電圧の位相を１２
０〜２４０度の範囲内でずらすことが、プラズマ処理の
均一性を向上させるのに好適である。

【００３０】各小電極に印加される高周波電圧の周波数
を２０〜５００ＭＨｚの範囲とすることで、プラズマ中
の電子密度を増大させ、且つ、プラズマポテンシャルを
低く抑えることができるので、処理の高速化と処理品質
の向上が同時に可能となる。

【００３１】本発明のプラズマ処理装置ならびにプラズ
マ処理方法は、半導体装置の製造工程における膜堆積、
エッチング、及び表面改質等のプラズマ処理において、
処理能力向上に対応した被処理面積の大型化、処理速度
の向上及び処理品質の向上をなし得るものであり、該装
置または方法を用いて作製された半導体装置は、高性能
かつ安価に製造できるという利点を有する。

【００３２】以下、本発明の一実施例を、複数の角型小
電極および梯子型小電極に分割され、平板状となるよう
に配設されてなる高周波電極を有するプラズマＣＶＤ装
置により説明するが、本発明はこれにより何ら限定され
るものではない。例えば、小電極の形状も角型に限定さ
れるものではなく、棒型、円板型、球状等でもよく、各
小電極の配置も平板状に限定されるものではなく、格子
状、同心円状などでもよい。また、プラズマ処理として
膜堆積に限定されるものではなく、エッチングなどでも
同様に処理品質を向上せしめる。 （実施例１〜５および比較例１）本実施例に使用したプ
ラズマＣＶＤ装置の略断面図を図1に示す。ガス導入手
段５１と真空排気手段５２を備えたステンレス鋼製の反
応容器４内部に、複数の小電極２１〜２４に分割されて
なる平板状の高周波電極と、被処理部材３を載置するス
テンレス鋼製の被処理部材配設部３１とが互いに平行と
なるように対向して配置されている。反応容器４と被処
理部材３を載置するステンレス鋼製の被処理部材配設部
３１は電気的に接地されている。一方、複数の小電極２
１〜２４に分割されてなる高周波電極は反応容器４と電
気的に絶縁されている。図２に高周波電極２１〜２４の
斜視図を示す。各々の小電極は５０ｃｍ角のステンレス
鋼平板であり、これらを全体で正方形状となるように配
設して、平板状の高周波電極とする。小電極の側面およ
び裏面での異常放電を防ぐために、それぞれの小電極の
側面および裏面を囲むようにステンレス鋼製の平板によ
るアースシールド６１〜６４を設置した。さらに、隣接
する小電極間の間隙の大きさを調節するために、それぞ
れの小電極に対し、高周波電極全体の中心に向かって対
角方向に水平移動可能な水平方向移動機構７１〜７４を
設けた。また、被処理部材と小電極との距離を調節する
ため、被処理部材配設部に、垂直方向に移動可能な垂直
方向移動機構８を設けた。水平方向移動機構７１〜７
４、垂直方向移動機構８は高真空直線導入端子により真
空を破らずに手動で移動可能な機構とした。高真空直線
導入端子とは、大気側から高真空中の真空容器内に直線
運動を導入する端子であり、大気側のハンドルを回転さ
せて、その回転をギアにより直線運動に変換すること
で、真空側の軸をスクロールさせる機構を持つものであ
る。

【００３３】高周波電源１から発振された高周波は、分
配器９によって４本の高周波伝送線路に分配され、各々
の高周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタ１０１〜
１０４、整合器１１１〜１１４及び位相調整器１２１〜
１２４を経て、各々の小電極２１〜２４に印加される。
各小電極２１〜２４に印加する高周波電圧の位相を可変
とする位相調整器１２１〜１２４はインダクタンスおよ
びキャパシタンスから構成される電気回路である。ま
た、各小電極２１〜２４ごとに設けられた電力モニタ１
０１〜１０４の値を読み取り、整合器１１１〜１１４に
よって調整することで、各小電極２１〜２４に印加され
る高周波電力が調整される。

【００３４】本実施例では、原料ガスにモノシランと水
素を用いて非晶質シリコン薄膜を製膜した。主な製膜条
件は次の通りである。

【００３５】被処理部材：ガラス基板（１ｍ角） 総ガス流量：ＳｉＨ₄ １３００ｓｃｃｍ Ｈ₂ １８００ｓｃｃｍ 基板温度：２００℃ 高周波電力：０．２Ｗｃｍ^-2 周波数：１００ＭＨｚ 圧力：３０Ｐａ 図９に各小電極２１〜２４に印加する高周波電圧の波形
図を示す。小電極２１と小電極２４に印加する高周波電
圧は同位相である。また、小電極２２と小電極２３に印
加する高周波電圧は同位相である。そして、小電極２１
と小電極２４に印加する高周波電圧と、小電極２２と小
電極２３に印加する電圧とは互いの位相差が３０、６
０、１２０、１３５、１８０度となるようにずらしてい
る。このとき、各小電極２１〜２４へ印加される高周波
電力が同じとなるように調整した。小電極２１と小電極
２４に印加する高周波電圧と、小電極２２と小電極２３
に印加する電圧との位相差３０度を実施例１、６０度を
実施例２、１２０度を実施例３、１３５度を実施例４、
１８０度を実施例５とする。

【００３６】垂直方向移動機構８によって、小電極と被
処理部材との距離を３０ｍｍに設定し、水平方向移動機
構７１〜７４によって小電極の間隙の大きさを調節し
た。

【００３７】１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄
膜が堆積されたガラス基板を反応容器４から取り出し、
ガラス基板の縦および横方向に対して９等分となるよう
に切断して膜厚測定用サンプルを８１個作製した。奇数
により等分し、その中心部の膜厚を、段差計を用いて測
定することで、小電極面上の膜厚と各小電極の間隙部直
上の膜厚との比較評価を行うこととした。なお、８１個
のサンプルの（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）
を膜厚分布として求めた。

【００３８】水平方向移動機構７１〜７４により小電極
の間隙の大きさを変化させたときの膜厚分布を図１０に
示す。図１０の横軸は小電極の間隙ｄｃと被処理部材と
の距離ｄａのｄｃ／ｄａの関係を示し、縦軸は膜厚分布
を示す。また、比較のため小電極２１〜２４に印加する
高周波電圧を同位相とし、他の条件は実施例１〜５と全
く同じとして製膜した比較例１の膜厚分布を図１０に併
せて示す。ここで、位相差は０度（同位相）から１８０
度までの範囲で変化させているが、位相差の対称性を考
慮すると位相差０度から３６０度までの範囲で変化させ
ていることと同様となる。

【００３９】図１０の結果より、隣接する小電極間の間
隙の大きさｄｃと、該複数の小電極と被処理部材との距
離ｄａが、０．５≦ｄｃ／ｄａ≦３の関係にあるとき
に、同位相で高周波電力を印加した場合よりも膜厚分布
が低減可能となる。

【００４０】特に、位相差が１２０度〜１８０度の範囲
のとき、１０％以内の膜厚分布の膜が得られる。位相差
の対称性を考慮すると、位相差が１２０度〜２４０度の
範囲であることが、より均一な膜を得るのに好ましい。

【００４１】さらに、位相差が１２０度〜１８０度の範
囲、位相差の対称性を考慮すると１２０度〜２４０度の
範囲のとき、複数の小電極と被処理部材との距離ｄａ
と、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃは、０．７≦
ｄｃ／ｄａ≦２の範囲にあるとき、１０％以内の膜厚分
布のより均一な膜が得られる。 （実施例６〜１０および比較例２）垂直方向移動機構８
により複数の小電極と被処理部材との距離を２０ｍｍ、
圧力を２００Ｐａとし、それ以外は実施例１と同様の条
件で製膜したものを実施例６、以下実施例２〜５と同様
の位相差のものを順に実施例７〜１０とする。実施例６
〜１０の膜厚分布を評価した。また、比較のため小電極
２１〜２４に印加する高周波電圧を同位相とし、他の条
件は実施例６と全く同じとして、製膜した比較例２の膜
厚分布を併せて図１１に示す。

【００４２】図１１の結果より、圧力が２００Ｐａの場
合には、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃと、該複
数の小電極と被処理部材との距離ｄａが、０．５≦ｄｃ
／ｄａ≦２の関係にあるときに、同位相で高周波電力を
印加した場合よりも膜厚分布が低減される。

【００４３】また、圧力が２００Ｐａの場合には、位相
差が１２０度〜１８０度の範囲のとき、１０％以内の膜
厚分布の膜が得られ、位相差の対称性を考慮すると、位
相差が１２０度〜２４０度の範囲であることが、より均
一な膜を得るのに好ましい。

【００４４】さらに、圧力が２００Ｐａの場合には、位
相差が１２０度〜１８０度の範囲のとき、つまり位相差
の対称性を考慮して１２０度〜２４０度の範囲のとき、
複数の小電極と被処理部材との距離ｄａと、隣接する小
電極間の間隙の大きさｄｃは、０．７≦ｄｃ／ｄａ≦
１．５の範囲にあるとき、１０％以内の膜厚分布のより
均一な膜が得られる。 （実施例１１〜２０および比較例３、４）垂直方向移動
機構８により複数の小電極と被処理部材との距離を１５
ｍｍとし、圧力を５００Ｐａとし、それ以外は実施例１
と同様の条件で製膜したものを実施例１１、以下実施例
２〜５と同様の位相差のものを順に実施例１２〜１５と
した。実施例１１〜１５の膜厚分布を評価した。また、
比較として小電極２１〜２４に印加する高周波電圧を同
位相とし、他の条件は全く同じとして、製膜した比較例
３の膜厚分布を併せて図１２に示す。

【００４５】垂直方向移動機構８により複数の小電極と
被処理部材との距離を７ｍｍとし、圧力を２，０００Ｐ
ａとし、それ以外は実施例１と同様の条件で製膜したも
のを実施例１６、以下実施例２〜５と同様の位相差のも
のを順に実施例１７〜２０とした。実施例１６〜２０の
膜厚分布を評価した。また、小電極２１〜２４に印加す
る高周波電圧を同位相とし、他の条件はと全く同じとし
て、製膜した比較例４の膜厚分布を併せて図１３に示
す。

【００４６】図１２、図１３および図１１の結果より、
圧力が大きくなるに従い、隣接する小電極間の間隙の大
きさｄｃを、複数の小電極と被処理部材との距離ｄａで
除したｄｃ／ｄａの、同位相で高周波電力を印加した比
較例よりも膜厚分布が低減可能となる範囲は、上限が小
さくなる。したがって、圧力が２００Ｐａ以上２，００
０Ｐａ以下では、０．５≦ｄｃ／ｄａ≦２の範囲にある
ときに、膜厚分布が低減可能となる。

【００４７】また、圧力が２００Ｐａ以上２０００Ｐａ
以下の場合には、位相差が１２０度〜１８０度の範囲の
とき、１０％以内の膜厚分布の膜が得られ、位相差の対
称性を考慮すると１２０度〜２４０度の範囲であること
が、均一性のよい膜を得るのに好ましい。

【００４８】さらに、圧力が２００Ｐａ以上２０００Ｐ
ａ以下の場合には、位相差が１２０度〜１８０度の範囲
のとき、つまり位相差の対称性を考慮して１２０度〜２
４０度の範囲のとき、複数の小電極と被処理部材との距
離ｄａと、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃとの関
係は、０．７≦ｄｃ／ｄａ≦１．５の範囲にあるとき、
１０％以内の膜厚分布の、均一性のよい膜が得られる。 （実施例２１〜２５および比較例５）実施例１において
用いた５０ｃｍ角のステンレス鋼平板小電極２１〜２４
の代わりに、図１４に示すようにステンレス鋼製の角型
棒状材を溶接し、梯子型に加工した小電極２５〜２８を
用いた。梯子型小電極の外形は５０ｃｍ角であり、角型
の棒状材の太さは１９ｍｍ、隣接する棒状材間のギャッ
プは１８ｍｍであった。実施例１と同様の条件で製膜し
たものを実施例２１、以下実施例２〜５と同様の位相差
のものを順に実施例２２〜２５とした。実施例２１〜２
５の膜厚分布を評価した。また、梯子型に加工した小電
極２５〜２８に印加する高周波電圧を同位相とし、他の
条件は全く同じとして、製膜した比較例５の膜厚分布を
併せて図１５に示す。

【００４９】図１５の結果より、複数の小電極形状が、
平板でなく、梯子型状であっても、平板状と同等の結果
が得られた。

【００５０】上述の各実施例においては、１枚の大きさ
が５０ｃｍ角である正方形状の小電極もしくは梯子型の
小電極を４枚並べたものとしたが、その形状は、長方
形、多角形、円形等種々の形状であってもよく、各小電
極の最大寸法が、印加する高周波電圧の波長の１／４以
下である場合に、特に顕著な効果が得られる。また、本
例においては、隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃと
複数の小電極と被処理部材との距離ｄａのうち、隣接す
る小電極間の間隙の大きさｄｃを変化させることでｄｃ
／ｄａを調節したが、複数の小電極と被処理部材との距
離ｄａを変化させることでもｄｃ／ｄａを調節すること
が可能である。 （実施例２６）本例では、図１に示すプラズマＣＶＤ装
置を用いて、非晶質シリコン薄膜からなる光電変換層を
形成することで、薄膜太陽電池を作製した。本例におい
て作製した薄膜太陽電池の略断面図を図１６に示す。基
板１３１として８０ｃｍ角で厚さ１．１ｍｍのガラス基
板を用い、この上に透明電極１３２として、スパッタリ
ング法によりＺｎＯを約1μｍの膜厚となるように形成
した。その後、透明電極１３２が形成された側が複数の
小電極からなる高周波電極に対向するように、基板１３
１を図１に示すプラズマＣＶＤ装置の反応容器内部に装
入する。透明電極１３２の上に、膜厚３０ｎｍのｐ型非
晶質シリコン薄膜１３３、膜厚３００ｎｍのｉ型非晶質
シリコン薄膜１３４、膜厚３０ｎｍのｎ型非晶質シリコ
ン薄膜１３５の順に製膜することで光電変換層を形成し
た。ｐ、ｉ、ｎ型各々の非晶質シリコン薄膜の製膜条件
を以下に示す。なお、印加した高周波の周波数は、いず
れの場合も１００ＭＨｚであり、各小電極２１〜２４に
印加する高周波電圧に対して、図９に示した１３５度の
位相のずれを生じさせている。また、垂直方向移動機構
８によって、小電極と被処理部材との距離を３０ｍｍに
設定し、水平方向移動機構７１〜７４によって小電極の
間隙の大きさを４０ｍｍに調節した。ｐ型非晶質シリコ
ン薄膜の製膜条件 高周波電力：０．０５Ｗ／ｃｍ² 原料ガス：ＳｉＨ₄ １５０ｓｃｃｍ Ｈ₂ １５００ｓｃｃｍ Ｂ₂Ｈ₆（２．０％／Ｈ₂） ３００ｓｃｃｍ 圧力：３０Ｐａ 基板温度：２００℃ 小電極と被処理部材との距離：３０ｍｍ 複数小電極の間隙の大きさ：４０ｍｍ ｉ型非晶質シリコン薄膜の製膜条件 高周波電力：０．２Ｗ／ｃｍ² 原料ガス：ＳｉＨ₄ ６００ＳＣＣＭ Ｈ₂ ９００ＳＣＣＭ 圧力：３０Ｐａ 基板温度：２００℃ 小電極と被処理部材との距離：３０ｍｍ 複数小電極の間隙の大きさ：４０ｍｍ ｎ型非晶質シリコン薄膜の製膜条件 高周波電力：０．０４Ｗ／ｃｍ² 原料ガス：ＳｉＨ₄ １００ｓｃｃｍ Ｈ₂ １２００ｓｃｃｍ ＰＨ₃（２．０％／Ｈ₂） １００ｓｃｃｍ 圧力：３０Ｐａ 基板温度：２００℃ 小電極と被処理部材との距離：３０ｍｍ 複数小電極の間隙の大きさ：４０ｍｍ 反応容器から基板１３１を取り出した後、裏面電極１３
６として、スパッタリング法によりＡｇを３００ｎｍの
厚さとなるように形成した。裏面電極１３６は、光電変
換層を一旦透過した光を反射させることで、発電効率を
改善する役割をも有している。

【００５１】１枚のガラス基板当たり、９個×９個の単
位セル（４ｃｍ角）を作成し、その光電変換効率の分布
を測定した。図１７は、８１個の単位セルにおける光電
変換効率の平均値を１とした時の、そのバラツキを示し
たものである。 （比較例６）図１９に示したプラズマＣＶＤ装置を用
い、複数の小電極に同位相で高周波電力を印加、垂直方
向移動機構８によって、小電極と被処理部材との距離を
３０ｍｍに設定し、水平方向移動機構７１〜７４によっ
て小電極の間隙の大きさを６ｍｍに調節したほかは、実
施例６と同様の製膜条件で作製した場合における、８１
個の単位セルにおける光電変換効率のバラツキを、図１
８に示す。

【００５２】本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いて作製
した薄膜太陽電池の光電変換効率のバラツキは小さく、
本発明のプラズマＣＶＤ装置及びプラズマＣＶＤ方法に
より、歩留の向上をなし得ることが確認できた。

【００５３】本実施例では、本発明のプラズマＣＶＤ装
置及びプラズマＣＶＤ方法を、非晶質シリコン薄膜を光
電変換層とする薄膜太陽電池の製造プロセスに適用した
が、本発明の効果はこれに限らない。例えば、多結晶シ
リコン薄膜の製膜、あるいは非晶質シリコン薄膜や多結
晶シリコン薄膜のエッチング等においても、半導体装置
の大型化や処理能力向上に対応した被処理面積の大型化
や処理速度の向上、及び処理品質の向上が可能であり、
本発明により、膜堆積やエッチング等のプラズマ処理工
程において、歩留まり、信頼性、量産性が向上されるこ
とは言うまでもない。しかるに、薄膜太陽電池の製造プ
ロセスのみならず、薄膜トランジスタ等の製造プロセス
に適用できることは言うまでもない。

【００５４】

【発明の効果】本発明により、高周波電極を構成する複
数の小電極に対して、高周波電圧の位相差をずらして印
加するプラズマ処理装置において、隣接する小電極間の
間隙の大きさｄｃを調節可能とし、複数の小電極と被処
理部材との距離ｄａとの関係を、０．５≦ｄｃ／ｄａ≦
３の範囲に調節することで、膜厚分布やエッチング速度
の分布が改善される。

【００５５】したがって、本発明により、半導体装置製
造プロセスにおける製膜及びエッチング工程等のプラズ
マ処理工程において、半導体装置の大型化や処理能力向
上に対応した被処理面積の大型化や処理速度の向上、及
び処理品質の向上が可能であり、その結果、歩留まり、
信頼性、量産性を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの態様であるプラズマＣＶＤ装置
の略断面図を示す。

【図２】プラズマＣＶＤ装置における高周波電圧を印加
する分割した小電極の略斜視図を示す。

【図３】従来のプラズマＣＶＤ方法における高周波電極
面上の小電極から被処理部材へと向かう電界の強度分布
を示す図である。

【図４】高周波電圧の位相をずらして印加するプラズマ
ＣＶＤ装置における高周波電極面上の小電極から被処理
部材へと向かう電界の強度分布を示す図である。

【図５】高周波電圧の位相をずらして印加するプラズマ
ＣＶＤ装置において、堆積したサンプルの膜厚分布を示
す図である。

【図６】高周波電圧の位相をずらして印加するプラズマ
ＣＶＤ装置におけるプラズマ電子密度分布を示す図であ
る。

【図７】高周波電圧の位相をずらして印加するプラズマ
ＣＶＤ装置における高周波電極面上の電界強度分布を示
す図である。

【図８】プラズマＣＶＤ装置の略断面図を示す。

【図９】各々の小電極に印加する高周波電圧の波形図を
示す。

【図１０】実施例１〜５および比較例１にかかるｄｃ／
ｄａと膜厚分布の相関図を示す。

【図１１】実施例６〜１０および比較例２にかかるｄｃ
／ｄａと膜厚分布の相関図を示す。

【図１２】実施例１１〜１５および比較例３にかかるｄ
ｃ／ｄａと膜厚分布の相関図を示す。

【図１３】実施例１６〜２０および比較例４にかかるｄ
ｃ／ｄａと膜厚分布の相関図を示す。

【図１４】プラズマＣＶＤ装置における高周波電圧を印
加する分割した梯子型小電極の略斜視図である。

【図１５】実施例２１〜２５および比較例５にかかるｄ
ｃ／ｄａと膜厚分布の相関図を示す。

【図１６】本発明の半導体装置である薄膜太陽電池の略
断面図を示す。

【図１７】本発明のプラズマＣＶＤ方法により作製した
薄膜太陽電池における光電変換効率のバラツキを示す。

【図１８】従来のプラズマＣＶＤ方法により作製した薄
膜太陽電池における光電変換効率のバラツキを示す。

【図１９】従来のプラズマＣＶＤ装置の略断面図を示
す。

【符号の説明】

１…高周波電源 ２１〜２４…小電極 ２５〜２８…梯子型小電極 ３…被処理部材 ３１…被処理部材配設部 ４…反応容器 ５１…ガス導入手段 ５２…真空排気手段 ６１〜６４…ステンレス鋼製のアースシールド ７１〜７４…水平方向移動機構 ８…垂直方向移動機構 ９…分配器 １０１〜１０４…電力モニタ １１１〜１１４…整合器 １２１〜１２４…位相調整器 １３１…ガラス基板 １３２…透明電極 １３３…ｐ型非晶質シリコン １３４…ｉ型非晶質シリコン １３５…ｎ型非晶質シリコン １３６…裏面電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森田 春雪 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 早川 尚志 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA17 BA30 CA06 FA03 JA01 JA03 JA09 JA18 JA19 KA30 LA16 5F045 AA08 AB04 AC01 AD06 AE19 AF07 BB02 BB09 BB15 CA13 CA15 DP05 EH04 EH06 EH07 EH14 EH20 5F051 AA05 BA14 CA02 CA03 CA04 CA07 CA15 CA26 CA34 CA40 DA04 FA02

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器内に、複数の小電極に分割され
   てなる電極と、被処理部材配設部を備え、 該複数の小電極に分割されてなる電極に、高周波電源か
   ら位相をずらした高周波電力を印加することでプラズマ
   を発生させて、被処理部材に対し処理を行う装置におい
   て、 隣接する小電極間の間隙の大きさが、調節可能であるこ
   とを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 反応容器内に、複数の小電極に分割され
   てなる電極と、被処理部材配設部を備え、 該複数の小電極に分割されてなる電極に、高周波電源か
   ら位相をずらした高周波電力を印加することでプラズマ
   を発生させて、被処理部材に対し処理を行う装置におい
   て、 隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃと、該複数の小電
   極と被処理部材との距離ｄａが、 ０．５≦ｄｃ／ｄａ≦３ の関係にあることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 互いに隣接する小電極に印加される高周
   波電圧の位相のずれを１２０〜２４０度の範囲とするこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理
   装置。
4. 【請求項４】 前記隣接する小電極間の間隙の大きさｄ
   ｃと、該複数の小電極と被処理部材との距離ｄａが、 ０．７≦ｄｃ／ｄａ≦２ の関係にあることを特徴とする請求項３に記載のプラズ
   マ処理装置。
5. 【請求項５】 圧力が２００Ｐａ以上２０００Ｐａ以下
   のプロセス条件において、 前記隣接する小電極間の間隙の大きさｄｃと、該複数の
   小電極と被処理部材との距離ｄａが、 ０．５≦ｄｃ／ｄａ≦２ の関係にあることを特徴とする請求項１または２に記載
   のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 互いに隣接する小電極に印加される高周
   波電圧の位相のずれを１２０〜２４０度の範囲とするこ
   とを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 前記隣接する小電極間の間隙の大きさｄ
   ｃと、該複数の小電極と被処理部材との距離ｄａが、 ０．７≦ｄｃ／ｄａ≦１．５ の関係にあることを特徴とする請求項６に記載のプラズ
   マ処理装置。
8. 【請求項８】 前記各々の小電極の最大寸法が、前記高
   周波の波長の１／４以下であることを特徴とする請求項
   １〜７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
9. 【請求項９】 周波数が２０〜５００ＭＨｚの範囲にあ
   る高周波を用い、最大寸法が１ｍ以上である基板上に、
   膜厚分布が１０％以内である薄膜を堆積する請求項１〜
   ８のいずれかに記載のプラズマ装置。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９に記載のプラズマ処理装
    置における前記複数の小電極において、互いに隣接する
    小電極に印加される高周波電圧の位相のずれを１２０〜
    ２４０度の範囲とすることを特徴とするプラズマ処理方
    法。
11. 【請求項１１】 請求項１〜９に記載のプラズマ処理装
    置において、互いに隣接する小電極に印加される前記高
    周波の周波数を２０ＭＨｚから５００ＭＨｚとすること
    を特徴とするプラズマ処理方法。
12. 【請求項１２】 請求項１〜９に記載のプラズマ処理装
    置において、周波数が２０〜５００ＭＨｚの範囲にある
    高周波を用いたプラズマＣＶＤ法により、最大寸法が１
    ｍ以上である基板上に堆積された、膜厚分布が１０％以
    内である薄膜。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の薄膜が少なくとも
    １主面上に形成されてなる基板。
14. 【請求項１４】 請求項１２に記載の薄膜、あるいは請
    求項１３に記載の基板を用いて作製された半導体装置。