JP2005244098A

JP2005244098A - プラズマプロセス装置

Info

Publication number: JP2005244098A
Application number: JP2004054814A
Authority: JP
Inventors: Chisato Niikura; ちさと新倉; Michio Kondo; 道雄近藤; Akihisa Matsuda; 彰久松田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】安定した高密度のプラズマをメッシュとカソード板との間に封じ込める形で生成することによりガスを効率よく分解し、高速製膜を実現させる。
【解決手段】プラズマＣＶＤ装置においては、平行平板電極(カソード、アノード)のアノード８表面に基板６を設け、カソード板１１表面と平行に表面から所定距離を隔てた位置に金属製メッシュ電極１０を、金属を介してカソード板１１に接続したものである。また、カソード板表面とメッシュ電極との距離を０．１〜５ｍｍ程度とすることが好ましい。この様な配置によって、メッシュ／カソード板間に安定な高密度プラズマが生成される。原料ガスとしてＳｉＨ_４及びＨ_２を用いた場合、基板上に結晶性の良好な微結晶シリコン薄膜を作製することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜半導体、特に、微結晶シリコン及び非晶質シリコン薄膜太陽電池に使用される大面積薄膜製造及び高速薄膜製造に適したプラズマ化学蒸着装置（ＣＶＤ）に関する。エッチングなどのプラズマプロセスへも適用可能である。

図３を参照しながら、大面積の非晶質又は微結晶シリコン薄膜を製造するために、従来から一般に用いられているプラズマＣＶＤ装置について説明する。

反応容器(１)内には、プラズマを発生させるための電極(カソード(７)、アノード(８))が平行に設置されている。これら電極(７)、(８)には、電源(２)から例えば周波数rfの電力が供給される。アノード電極(８)は、一般に接地されている。電源としては、直流、低周波、高周波電源を用いることができる。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(３)を通して、例えばモノシランと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(4)を通して真空ポンプ(５)により排気される。基板(６)は、アノード電極上に置かれ、電極内部ヒーター(９)により加熱されている場合が多い。この従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用い、原料ガスの高圧・枯渇条件を作ることにより高速製膜を図ることができる。高圧・枯渇条件を作るためには、電源に印加する電力密度ならびに周波数、原料ガス流量、プロセスガス圧力の高い条件を用いることが有効である。

しかし、上記のような平行平板型の構成では、通常、基板６は、アノード８上に配置されて薄膜の形成が行われており、カソード７側に電位降下するシース領域が存在するとともに、アノード８側にも電位の降下するシース領域が存在するため、正イオンは、このシース領域内の電界で加速されて、アノード８上の基板６の表面に衝突し、薄膜の形成に悪影響を与えるという問題点があった。上記影響は、堆積速度の高くなる印加電力の高い条件において強くなるという問題点を有していた。

上記問題点を解決するために、カソードと、電気的に絶縁された基板との間で発生プラズマのシース領域の外側に、多数の反応ガス通過穴が形成されてアース電位にされたメッシュ電極を配置し、前記プラズマ発生電極の近傍に反応ガスを供給する反応ガス供給管を設けたものが知られている（下記特許文献１参照）。

また、大きな基板上の平面的位置に依存することなく、均一で優れた光電変換特性を発揮し得る大面積の結晶質薄膜太陽電池、またはハイブリッド薄膜太陽電池の製造のために、ガス吹出面と基板との間において１枚以上のメッシュ状電極を設けたものが知られている（下記特許文献２参照）。
特開平６−４９６４８号公報特開２００２−７５８８３号公報

上記従来のプラズマＣＶＤ装置においては、微結晶シリコン薄膜太陽電池の工業的実用化に要求される膜の高速成長は達成されていない。また、上記従来のプラズマＣＶＤ装置においては、カソードとメッシュ電極とは、絶縁体を介して接続されており、精度よくメッシュ電極とカソードを作製することが困難であるという欠点を有していた。

本発明のプラズマＣＶＤ装置は、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、上記反応器内に収容された放電用平行平板電極(カソード、アノード)と、この放電用電極に電力を供給する高周波電源とを有し、反応容器内に設置された基板表面に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、アノード表面に基板を設置し、カソード板表面と平行に表面から所定距離離れた位置に金属製メッシュ電極を、金属を介して、カソード板に接続することを特徴とするものである。これより、安定した高密度のプラズマがメッシュとカソード板との間に封じ込められる形で生成され、ガスを効率よく分解し、高速製膜が実現される。

（作用）本発明においては、高周波電力を印加した平行平板型プラズマＣＶＤ装置において、図４に示すように、カソード板の表面と平行に表面から距離0.1〜5 mmの位置に金属製メッシュを配置することにより、メッシュ／カソード板間に安定な高密度プラズマが生成される。上記プラズマの生成は、高周波電圧印加によるシースの厚さの振動による統計的過熱に起因するものと考えられる。

上記間隔内に原料ガスを導入することにより、この間隔内において原料ガスの枯渇が高い割合で実現され、原料ガスを高い効率で利用しながら薄膜の高速製造が可能となる。

高密度プラズマが直接基板に接しない形で形成されるので、試料への高密度プラズマの熱などによる影響が小さい。また、メッシュをカソード板と一体型とするため、装置構成は比較的単純なダイオード型であり、工業における実用化に適している。

以下に、発明を実施するための最良の形態を示す。

本発明におけるＣＶＤ装置においては、圧力0.5 Torr以上が好ましい。低圧では、電子温度が高くなり、メッシュ／カソード板間に高密度プラズマが生成し易くなるが、圧力の低下は、製膜速度の低下を伴うので、ガス圧が低すぎるのは好ましくない。

しかし圧力が高過ぎると、メッシュ下方に、点状または柱状、安定または移動して偏在する高密度プラズマが発生しやすくなるので好ましくなく、ガス圧には最適値が存在する。

本発明においては、金属で接続されたメッシュ／カソード板間にプラズマを生成させるために、シース振動による電子の統計的加熱の効果が大きくなる40MHz以上の高周波電源を用いることが好ましい。

本発明においては、メッシュ／カソード板間において、原料ガス（シリコン系薄膜製造の場合は一般にSiH₄）の枯渇が高い割合で実現されているということが重要であり、最適な投入電力は、ガス流量などに依存するが、比較的高い投入電力を用いることが好ましい。

本発明においては、カソード板表面とメッシュ電極との距離を0.1〜5 mm程度とすることが好ましい。上記距離が小さ過ぎても大き過ぎてもこの間隔内に高密度プラズマが生成されにくく、また高密度プラズマが生成された場合も、大き過ぎると生成された分解種がこの間隔内で消失しやすくなるので、好ましくない。

本発明においては、高密度プラズマからのメッシュ材料への熱的ダメージを防ぐためメッシュは、ステンレスなどの融点の高い材料を用いることが好ましい。またメッシュ部分太さは、0.1 mm角(Φ)以上が好ましい。

メッシュ穴径は、0.1〜5 mm程度が好ましい。メッシュ形状は四角形、円形、多角形などが可能である。メッシュの開口率は４０％以上が好ましい。上記開口率が小さいとメッシュ／カソード間で生成された分解種の消失率が高くなるため、好ましくない。

本発明においては、メッシュ／アノード間距離は、プロセスガス圧に依存するが、大き過ぎないことが好ましい。上記距離の増大は、カソードーメッシュ間で生成された分解種の基板表面に到達するまでの間における気相反応の数の増大、そして製膜速度の低下を伴う。特に微結晶シリコン膜作製のためには、結晶化を推進する原子状水素が気相反応により消滅し基板表面に到達しにくくなるため、上記距離は大き過ぎない(ガス圧２Torrにおいて１５mm以下程度)ことが好ましい。

本発明においては、基板温度は、室温以上が好ましく、ガスシャワーヘッド型カソード板は、ガス導入口が一様にあいた金属平板の他、表面に曲面または平面からなる凹凸のある形状、例えばガス導入口部が窪んだ蜂の巣状の形状なども可能である。この場合、カソード板最表面とメッシュとが接する構成も有り得る。高密度プラズマが滞在しやすい環境を作るため、カソード板端、ならびにカソード板表面上の或る部分においてメッシュとカソード板表面とを薄い板状のもの(メッシュでも可)などでつなげ、比較的小空間に区切る形状としてもよい。

メッシュは、平板状でも、他の形状、例えば半円球を細密充填にてつなげたもの(球内側がカソード板側を向くように配置)、断面がサイン波である２つの平面を直角に交差させた形状なども可能である。

図1は、本発明に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。なお、従来の装置(図３)と同一の部材には同一番号を付してある。面積１２８cm²の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を使用し、ガスシャワーヘッド一体型ステンレス製カソード板(11)表面から距離約２mm離れた位置に表面と平行に、0.6mm角のステンレス製のメッシュ(10、図２)(開口率６４％、0.15mm厚)を配置し、カソード板とステンレス部品により接続した構成において、原料ガスとしてＳｉＨ₄およびＨ₂を用い、ガラス基板上に微結晶シリコン薄膜の作製を行った。製膜条件としては、ＳｉＨ₄流量を３０sccm、Ｈ₂流量を５１０sccmとし、放電用電源周波数６０MHz、投入電力１２５−９２５Ｗ、ガス圧力0.3〜2Torr、基板温度３５０℃、カソード-アノード電極間距離４−７mmの条件を用いた。

結晶性の良好な微結晶シリコン薄膜を、製膜速度約３０A/sにて作製することができた。このとき、プラズマ発光状態を、Ｓｉ*からの波長２８８nm近傍、またはＨ_αからの６５６nm近傍の発光のみを透過させる光フィルタを介して観測すると、図４のように見え、その際カソードとメッシュ電極との間における発光強度は、カソード／アノード間における発光強度全体の４０−７０％程度となっていることが観測された。

本発明は、薄膜半導体、特に、微結晶シリコン、非晶質シリコン薄膜太陽電池に使用される大面積薄膜の製造及び薄膜の高速製造に好適である。また、エッチングなどのプラズマプロセスへも適用可能である。

本発明に係るプラズマＣＶＤ装置の概念図本発明に係るプラズマＣＶＤ装置に用いられるメッシュ電極 (0.6 mm角、0.15 mm厚、開口率64%)の一例従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置図本発明に係るメッシュ電極近傍における (Si*、H_α)発光強度の空間分布図

符号の説明

1…反応容器
2…交流電源
3…反応ガス導入管
4…排気管
5…真空ポンプ
6…基板
7…カソード
8…アノード
9…ヒーター
10…メッシュ電極
11…ガスシャワーヘッド一体型カソード

Claims

反応容器、該反応容器内に反応ガスを導入する手段、該反応容器からガスを排出する手段、該反応器内に収容された放電用アノード電極及びカソード電極並びに該電極に電力を供給する電源を有し、該反応容器内に設置された基板表面にプラズマ処理を行うプラズマプロセス装置において、該カソード電極表面と平行に該カソード電極表面から所定距離離れた位置に、カソード電極に金属を介して接続した金属製メッシュ電極を配置したことを特徴とするプラズマプロセス装置。
上記所定距離は、0.1〜5mmであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス装置。
上記カソード電極と上記メッシュ電極は、同一の材料により作製されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマプロセス装置。
上記カソード電極と上記メッシュ電極は、一体成型されていることを特徴とする請求項３記載のプラズマプロセス装置。
上記プラズマプロセスは、ＣＶＤであることを特徴とする請求項１記載のプラズマプロセス装置。
上記プラズマプロセスは、エッチングであることを特徴とする請求項１記載のプラズマプロセス装置。