JP2013100564A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来に比べて製造が容易であり、かつ基板に向けて原料ガスを均一に供給することのできる成膜装置を提供する。
【解決手段】
本発明に係る薄膜を形成する成膜装置は、基板４を配置している第一電極３と、基板４に対向しかつ高周波電圧が印加される第二電極２とを備えており、第二電極２は、基板４に対向する面にシャワー板９を有しているとともに、シャワー板９の基板４に対向する面に一枚のメッシュ板１０を有しており、シャワー板９は、原料ガスを通過させる複数の孔９ａを有しており、メッシュ板１０は、シャワー板９の孔９ａを通過した原料ガス５を通過させるためのメッシュ構造を有し、メッシュ板１０と基板４との間にプラズマが発生する空間を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマＣＶＤにより薄膜を形成する成膜装置に関する。

エネルギー問題、環境問題の双方の解決に大きく貢献する可能性があるとして、近年、太陽電池が注目されている。太陽電池は、光起電力効果を利用して、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。この太陽電池は、シリコン薄膜であるｐ型半導体膜と、ｉ型半導体膜と、ｎ型半導体膜とを順次に積層することにより製造される。

上記のようなシリコン薄膜を形成するための方法として、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）が挙げられる。プラズマＣＶＤにおいては、水素で希釈したシランガス（ＳｉＨ_４）をプラズマ中で分解することによって基板上にシリコン薄膜が堆積される。シランガスの希釈率、シリコン薄膜を堆積させる基板の温度などを変えることによって、水素化アモルファスシリコン薄膜、微結晶シリコン薄膜が形成される。また、リンを不純物として含むホスフィンを原料ガスに添加すると、ｎ型の半導体膜が形成される。あるいは、ホウ素を不純物として含むジボランを原料ガスに添加すると、ｐ型の半導体膜が形成される。原料ガスに不純物を添加しない場合には、ｉ型半導体膜が形成される。

プラズマＣＶＤの具体例として、容量結合型ＣＶＤ、誘導結合型ＣＶＤ、マイクロ波ＣＶＤ、ＥＣＲ−ＣＶＤ（Electron-Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition）などが挙げられる。なかでも、広く用いられているのは容量結合型ＣＶＤである。この容量結合型ＣＶＤは、一対の平行平板電極間にプラズマを励起するため、他の方法と比較して装置の構造が単純であるとともに、形成される膜の均一性が高く、膜の大面積化が容易であるという利点を持つ。

容量結合型ＣＶＤにより薄膜を形成する従来の成膜装置の概略図を図３に示す。図３の成膜装置は、真空にすることのできる成膜室５１を備えている。この成膜室５１内には、第一電極５３と第二電極５２とが設けられている。第一電極５３と第二電極５２は、いずれも平板状であり、この平板形状の平面部分を互いに向き合わせて、平行に配置されている。第二電極５２には高周波電源５６が接続されており、第一電極５３は接地されている。第二電極５２には、原料ガス５５を成膜室５１へ導入するための原料ガス導入管５８が設けられている。さらに、第二電極５２は中空構造である。第二電極５２の基板５４側にはシャワー板５９が設けられている。このシャワー板５９には、複数の孔５９ａが間隔Ｌ_４を置いて設けられている。また、第一電極５３には、成膜を行う対象となる基板５４が配置されている。この基板５４を所定の温度に加熱するヒータ５７が第一電極５３内に設けられている。シャワー板５９と基板５４との間隔はＬ_５である。

図３に示した成膜装置においては、原料ガス５５が、原料ガス導入管５８を通して、真空排気された成膜室５１へと供給される。第二電極５２には、高周波電源５６から高周波電力が供給されている。成膜室５１へ供給された原料ガス５５は、第二電極５２を通してシャワー板５９に設けられた複数の孔５９ａから基板５４へシャワー状に放出される。放出された原料ガス５５は、第一電極５３と第二電極５２との間に発生したプラズマにより分解される。その結果、基板５４上に薄膜が形成されることになる。

大面積の太陽電池を作るためには、基板の全面に均一に分布よく薄膜を形成することが必要である。図３の基板５４と第二電極５２との間に均一に放電が発生するように、原料ガス５５を基板５４に向けて均一に供給して均等に電界を印加する必要がある。これに伴って、シャワー板５９に設けられる孔５９ａの間隔Ｌ_４も小さくする必要がある。基板５４に向けて放出される原料ガス５５の均一性をさらに高めるためには、シャワー板５９の孔５９ａの間隔Ｌ_４を、シャワー板５９と基板５４との間の間隔Ｌ_５よりも小さくすることが好ましい。結果として、シャワー板５９に形成される孔５９ａの数が非常に多くなる。例えば、１ｍ^２の電極に１０ｍｍ間隔に孔を形成した場合、孔の数は１万個となる。このような多くの孔を加工するためには、長時間を要する。また、孔の形状をノズル状とすることも行われている。この場合はレーザー加工を使用するが、加工にさらなる時間を要することとなる。

このように加工に時間を要するシャワー板を用いない成膜装置として、特許文献１のようなものが挙げられる。特許文献１に記載の成膜装置においては、シャワー板を設けない代わりに、第二電極の第一電極に対向する面をメッシュ構造としている。

また、シャワー板とメッシュ構造を持つメッシュ板とを併用した成膜装置として、特許文献２のようなものが挙げられる。特許文献２に記載の成膜装置においては、メッシュ板が三枚積層されており、この積層されたメッシュ板のメッシュ構造の内部にプラズマが閉じ込められる。

特開２０００−３１５１２号公報 特開２００９−１４１１１６号公報

容量結合型プラズマＣＶＤによる従来の成膜装置において、高圧で成膜を行う場合には第一電極と第二電極との間の間隔を小さくする必要がある。このような装置において原料ガスを均一に供給するためには、シャワー板に多くの孔を設けることが必要となる。このような多くの孔をシャワー板に設けるための加工は容易ではない。

一方で、特許文献１に記載の成膜装置においては、第二電極に供給された原料ガスは、第二電極に設けられたメッシュのみを通して基板へ向けて放出される。原料ガスを拡散させるための機構がメッシュ以外には存在しないため、大きな面積の薄膜を形成する際に、基板全面に均等に原料ガスを放出することが難しい。

また、特許文献２に記載の成膜装置においては、三枚にわたって積層されたメッシュ板のメッシュ構造の内部にプラズマが閉じ込められるため、フォローカソード的なプラズマとなり、平行平板プラズマとは異なる。また、基板に向けて放出された原料ガスをプラズマにより均一に分解することが難しい。

本発明は、上記の問題点に鑑み、従来に比べて製造が容易であり、かつ基板に向けて原料ガスを均一に供給することのできる成膜装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る第一電極と第二電極との間にプラズマを発生させて原料ガスを分解することにより基板上に薄膜を形成する成膜装置は、基板を配置している第一電極と、前記基板に対向しかつ高周波電圧が印加される第二電極とを備えている。そして、前記第二電極は、前記基板に対向する面にシャワー板を有しているとともに、前記シャワー板の前記基板に対向する面に一枚のメッシュ板を有している。前記シャワー板は、原料ガスを通過させる複数の孔を有している。また、前記メッシュ板は、前記シャワー板の孔を通過した原料ガスを通過させるためのメッシュ構造を有している。前記メッシュ板と前記基板との間には前記プラズマが発生する空間が設けられている。

上記目的を達成するため、本発明に係る第一電極と第二電極との間にプラズマを発生させて原料ガスを分解することにより基板上に薄膜を形成する成膜装置は、基板を配置している第一電極と、前記基板に対向しかつ高周波電圧が印加される第二電極とを備えている。そして、前記第二電極は、前記基板に対向する面にシャワー板を有しているとともに、前記シャワー板の前記基板に対向する面に一枚のラダー板を有している。前記シャワー板は、原料ガスを通過させる複数の孔を有している。また、前記ラダー板は、前記シャワー板の孔を通過した原料ガスを通過させるためのラダー構造を有している。前記ラダー板と前記基板との間には前記プラズマが発生する空間が設けられている。

成膜装置の別の形態によれば、前記シャワー板に設けられた複数の孔の間隔が、前記第一電極上の前記基板と前記シャワー板との間の間隔よりも小さいか又は等しい。

成膜装置の別の形態によれば、前記シャワー板と前記メッシュ板との間隔が、前記メッシュ板と前記基板との間隔よりも大きい。

成膜装置の別の形態によれば、前記シャワー板と前記ラダー板との間隔が、前記ラダー板と前記基板との間隔よりも大きい。

本発明に係る第一電極と第二電極との間にプラズマを発生させて原料ガスを分解することにより基板上に薄膜を形成する成膜装置は、基板を配置している第一電極と、前記基板に対向しかつ高周波電圧が印加される第二電極とを備えている。そして、前記第二電極は、前記基板に対向する面にシャワー板を有しているとともに、前記シャワー板の前記基板に対向する面に一枚のメッシュ板を有している。前記シャワー板は、原料ガスを通過させる複数の孔を有している。また、前記メッシュ板は、前記シャワー板の孔を通過した原料ガスを通過させるためのメッシュ構造を有している。前記メッシュ板と前記基板との間には前記プラズマが発生する空間が設けられている。このような成膜装置によれば、原料ガスはシャワー板を通過した後にメッシュ板を通過して基板へと放出されるため、基板へ放出される原料ガスの均一性が高まる。さらに、本成膜装置は、シャワー板とメッシュ板とを有しているため、従来に比べてシャワー板の孔の数を少なくすることができ、結果としてシャワー板の加工が従来よりも容易となる。

本発明に係る第一電極と第二電極との間にプラズマを発生させて原料ガスを分解することにより基板上に薄膜を形成する成膜装置は、基板を配置している第一電極と、前記基板に対向しかつ高周波電圧が印加される第二電極とを備えている。そして、前記第二電極は、前記基板に対向する面にシャワー板を有しているとともに、前記シャワー板の前記基板に対向する面に一枚のラダー板を有している。前記シャワー板は、原料ガスを通過させる複数の孔を有している。また、前記ラダー板は、前記シャワー板の孔を通過した原料ガスを通過させるためのラダー構造を有している。前記ラダー板と前記基板との間には前記プラズマが発生する空間が設けられている。このような成膜装置によれば、原料ガスはシャワー板を通過した後にラダー板を通過して基板へと放出されるため、基板へ放出される原料ガスの均一性が高まる。さらに、本成膜装置は、シャワー板とラダー板とを有しているため、従来に比べてシャワー板の孔の数を少なくすることができ、結果としてシャワー板の加工が従来よりも容易となる。

成膜装置の別の形態によれば、前記シャワー板に設けられた複数の孔の間隔が、前記第一電極上の前記基板と前記シャワー板との間の間隔よりも小さいかまたは等しいため、基板に向けて原料ガスをより均一に供給することができる。

成膜装置の別の形態によれば、前記シャワー板と前記メッシュ板との間隔が、前記メッシュ板と前記基板との間隔よりも大きいため、前記シャワー板と前記メッシュ板との間で原料ガスを拡散させることができ、その結果として基板に向けて原料ガスをより均一に供給することができる。

成膜装置の別の形態によれば、前記シャワー板と前記ラダー板との間隔が、前記ラダー板と前記基板との間隔よりも大きいため、前記シャワー板と前記ラダー板との間で原料ガスを拡散させることができ、その結果として基板に向けて原料ガスをより均一に供給することができる。

シャワー板とメッシュ板とを備えている成膜装置の断面図である。 図２（Ａ）はメッシュ板の平面図であり、図２（Ｂ）はラダー板の平面図である。 従来の成膜装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、プラズマＣＶＤにより薄膜を形成する成膜装置の断面図である。図１に示した成膜装置は、成膜室１を備えている。この成膜室１は、高真空に排気できるようになっているとともに、室内の圧力を一定に保つことができるようになっている。成膜室１内には、第一電極３と第二電極２とが備えられており、両者は平行に配置されている。第二電極２には、原料ガス５を成膜室１内に供給するための原料ガス導入管８が設けられている。第二電極２には高周波電源６が接続されており、第一電極３は接地されている。第一電極３には、薄膜を形成する対象となる基板４が配置されている。第一電極３内には、第一電極３と基板４とを所定の温度にまで加熱するためのヒータ７が設けられている。

第二電極２は中空構造である。そして、第二電極２の基板４側にはシャワー板９が設けられている。このシャワー板９には複数の孔９ａが設けられており、これらの孔９ａの間隔はＬ_１である。さらに、第二電極２には一枚のメッシュ板１０が設けられている。このメッシュ板１０は、シャワー板９よりも基板４に近い位置に設けられている。メッシュ板１０は、図２（Ａ）に示すように金属線を編みこんだものである。メッシュ板１０のメッシュの間隔は十分に細かい。シャワー板９とメッシュ板１０との間隔はＬ_２である。また、メッシュ板１０と基板４との間隔はＬ_３である。シャワー板９の孔９ａの間隔Ｌ_１は、シャワー板９と基板４との間隔Ｌ_２＋Ｌ_３よりも小さいかまたは等しいことが好ましい。さらに、シャワー板９とメッシュ板１０との間隔Ｌ_２は、メッシュ板１０と基板４との間隔Ｌ_３よりも大きいことが好ましい。

上記のような構成の成膜装置において、成膜室１が真空排気された後に、ヒータ７により第一電極３が加熱されて基板４が所定の温度になる。原料ガス５は、原料ガス導入管８を通して第二電極２へと供給され、シャワー板９に設けられた孔９ａを通過し、続いてメッシュ板１０のメッシュ孔を通過して、メッシュ板１０と基板４との間に供給される。このとき、原料ガス５の流量は所定の値とされて、成膜室１内の圧力は一定に保たれる。一方、高周波電源６は、第二電極２に対して高周波電力を印加する。すると、第二電極２に設けられたメッシュ板１０と基板４との間にプラズマが発生する。このプラズマにより、メッシュ板１０と基板４との間に供給された原料ガス５が分解され、基板４上に薄膜が形成される。このとき、上述したようにメッシュ板１０のメッシュの間隔は十分に細かいため、発生したプラズマは、シャワー板９とメッシュ板１０との間には侵入しない。

図１に示した成膜装置によれば、原料ガス５は、シャワー板９を通過した後にメッシュ板１０を通過して基板４へと放出されるため、シャワー板９の孔９ａの間隔Ｌ_１をそれほど小さくしなくても、基板４に向けて原料ガス５を均一に供給することができる。結果としてシャワー板９の加工は容易なものとなる。また、シャワー板９の孔９ａの間隔Ｌ_１を、シャワー板９と基板４との間隔Ｌ_２＋Ｌ_３よりも小さいかまたは等しくすることにより、基板４に向けて放出される原料ガス５の均一性をより高めることができる。さらに、シャワー板９とメッシュ板１０との間隔Ｌ_２を、メッシュ板１０と基板４との間隔Ｌ_３よりも大きくすることにより、シャワー板９とメッシュ板１０との間で原料ガス５を拡散させることができる。その結果、基板４に向けて放出される原料ガス５の均一性がさらに高まることになる。

［実施例１］
本実施例において、図１に示した成膜装置を用いて微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）薄膜を形成する。シャワー板９には、原料ガスを通過させるための直径１ｍｍの孔９ａが設けられており、これらの孔９ａの間隔Ｌ_１は２０ｍｍである。第二電極２内のシャワー板９とメッシュ板１０との間隔Ｌ_２は１５ｍｍであり、メッシュ板１０と基板４との間の間隔Ｌ_３は５ｍｍである。すなわち、シャワー板９の孔９ａの間隔（Ｌ_１＝２０ｍｍ）は、シャワー板９と基板４との間隔（Ｌ_２＋Ｌ_３＝２０ｍｍ）と等しい。メッシュ板１０は、直径０．４ｍｍの金属線を１．５ｍｍ間隔で編み込んだものである。原料ガス５は、シラン（ＳｉＨ_４）と水素の混合ガスである。シランの流量は２０ｓｃｃｍであり、水素の流量は２０００ｓｃｃｍである。成膜室１内の圧力は１２Ｔｏｒｒである。基板４の温度は２００度である。高周波電源６の周波数は２７ＭＨｚであり、電力は３００Ｗである。

このような構成の成膜装置により、微結晶シリコン薄膜が形成される。形成された微結晶シリコン薄膜を評価するために、メッシュ板１０のメッシュ孔、及びメッシュ孔とメッシュ孔の中間位置に対向する基板上におけるシリコン膜について結晶化の程度を比較する。結晶化の測定にはラマン分光を用いる。ラマン分光スペクトルのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）ピーク（４８０ｃｍ^−１）高さをＩａとし、結晶Ｓｉピーク（５２０ｃｍ^−１）高さをＩｃとする。そして、この両者の比率Ｉｃ／Ｉａを、結晶化率を表すパラメータとする。

メッシュ板１０のメッシュ孔に対向するシリコン膜上の位置におけるＩｃ／Ｉａの値は４．３であった。また、メッシュ板１０のメッシュ孔とメッシュ孔の中間位置に対向するシリコン膜上の位置におけるＩｃ／Ｉａの値は４．５であった。両者は、ほぼ等しい値であった。

成膜中のプラズマの観察結果、及び成膜後の第二電極２の観察結果から、メッシュ板１０とシャワー板９との間にはプラズマが発生していないことがわかった。

［実施例２］
本実施例においても、図１に示した成膜装置を用いて微結晶シリコン薄膜を形成する。第二電極２内のシャワー板９とメッシュ板１０との間隔Ｌ_２は５ｍｍであり、メッシュ板１０と基板４との間の間隔Ｌ_３も５ｍｍである。その他は実施例１と同様である。すなわち、シャワー板９の孔９ａの間隔（Ｌ_１＝２０ｍｍ）は、シャワー板９と基板４との間隔（Ｌ_２＋Ｌ_３＝１０ｍｍ）よりも大きい。

このような構成の成膜装置により形成された微結晶シリコン薄膜を実施例１と同様の方法で評価した。すると、メッシュ板１０のメッシュ孔位置に対向するシリコン膜上の位置におけるＩｃ／Ｉａの値は３．４であった。また、メッシュ板１０のメッシュ孔とメッシュ孔の中間位置に対向するシリコン膜上の位置におけるＩｃ／Ｉａの値は４．８であった。上記実施例１と比べて、Ｉｃ／Ｉａの値は、シリコン膜上の位置によって差があることが判明した。その一因として、シャワー板９と基板４との間隔（Ｌ_２＋Ｌ_３）が１０ｍｍと小さいことにより、基板４へ向けて放出された原料ガス５の均一性が低下したことが考えられる。

［参考例］
本参考例において、図３に示した従来の成膜装置を用いて微結晶シリコン薄膜を形成する。シャワー板５９には、直径１ｍｍの孔５９ａが設けられている。孔５９ａの間隔Ｌ_４は２０ｍｍである。第二電極５２内のシャワー板５９と第一電極５３との間の間隔Ｌ_５は５ｍｍである。すなわち、孔５９ａの間隔（Ｌ_４＝２０ｍｍ）は、シャワー板５９と第一電極５３との間の間隔（Ｌ_５＝５ｍｍ）よりも大きい。原料ガス５５はシラン（ＳｉＨ_４）と水素の混合ガスである。シランの流量は２０ｓｃｃｍであり、水素の流量は２０００ｓｃｃｍである。成膜室５１内の圧力は１２Ｔｏｒｒであり、基板５４の温度は２００度である。高周波電源５６の周波数は２７ＭＨｚであり、電力は３００Ｗである。

このような構成の成膜装置により形成された微結晶シリコン薄膜を実施例１と同様の方法で評価した。すると、シャワー板５９の孔５９ａに対向するシリコン膜上の位置におけるＩｃ／Ｉａの値は約１のアモルファスシリコンとなった。また、シャワー板５９の孔５９ａと孔５９ａとの中間位置に対向するシリコン膜上の位置におけるＩｃ／Ｉａの値は、５．４であった。両者は一致しない結果となった。また、形成されたシリコン膜の膜質が場所によって均一ではないことがわかった。また、シャワー板５９の孔５９ａに対応した模様が現れ、孔５９ａに対応する位置において白濁していることが目視により判明した。この箇所でアモルファスシリコンとなっていることも確認された。本参考例と比べて、上記実施例１では分布が改善されていることがわかった。

他の実施の形態では、図１に示したメッシュ板１０に代えて一枚のラダー板１１を用いる。ラダー板１１は、図２（Ｂ）に示すように金属線がある間隔をおいて並んだ構成である。ラダー板１１は、メッシュ板１０よりも加工が容易であるため、成膜装置の製造も容易となる。このような成膜装置によれば、原料ガス５は、シャワー板９を通過した後にラダー板１１を通過して基板４へと放出されるため、基板４に向けて原料ガス５を均一に供給することができる。

また、シャワー板９の孔９ａの間隔Ｌ_１を、シャワー板９と基板４との間隔Ｌ_２＋Ｌ_３よりも小さいかまたは等しくすることにより、基板４に向けて放出される原料ガス５の均一性をより高めることができる。さらに、シャワー板９とラダー板１１との間隔Ｌ_２を、ラダー板１１と基板４との間隔Ｌ_３よりも大きくすることにより、シャワー板９とラダー板１１との間で原料ガス５を拡散させることができる。その結果、基板４に向けて放出される原料ガス５の均一性がさらに高まることになる。

１ 成膜室
２ 第二電極
３ 第一電極
４ 基板
５ 原料ガス
６ 高周波電源
７ ヒータ
８ 原料ガスの導入管
９ シャワー板
９ａ シャワー板９に設けられた孔
１０ メッシュ板
１１ ラダー板
５１ 成膜室
５２ 第二電極
５３ 第一電極
５４ 基板
５５ 原料ガス
５６ 高周波電源
５７ ヒータ
５８ 原料ガスの導入管
５９ シャワー板
５９ａ シャワー板５９に設けられた孔

Claims (5)

1. 第一電極と第二電極との間にプラズマを発生させて原料ガスを分解することにより基板上に薄膜を形成する成膜装置であって、
   基板を配置している第一電極と、
   前記基板に対向しかつ高周波電圧が印加される第二電極と
   を備えており、前記第二電極は、前記基板に対向する面にシャワー板を有しているとともに、前記シャワー板の前記基板に対向する面に一枚のメッシュ板を有しており、前記シャワー板は、原料ガスを通過させる複数の孔を有しており、前記メッシュ板は、前記シャワー板の孔を通過した原料ガスを通過させるためのメッシュ構造を有し、前記メッシュ板と前記基板との間に前記プラズマが発生する空間を設けたことを特徴とする成膜装置。
2. 第一電極と第二電極との間にプラズマを発生させて原料ガスを分解することにより基板上に薄膜を形成する成膜装置であって、
   基板を配置している第一電極と、
   前記基板に対向しかつ高周波電圧が印加される第二電極と
   を備えており、前記第二電極は、前記基板に対向する面にシャワー板を有しているとともに、前記シャワー板の前記基板に対向する面に一枚のラダー板を有しており、前記シャワー板は、原料ガスを通過させる複数の孔を有しており、前記ラダー板は、前記シャワー板の孔を通過した原料ガスを通過させるためのラダー構造を有し、前記ラダー板と前記基板との間に前記プラズマが発生する空間を設けたことを特徴とする成膜装置。
3. 前記シャワー板に設けられた複数の孔の間隔が、前記第一電極上の前記基板と前記シャワー板との間の間隔よりも小さいかまたは等しい、請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 前記シャワー板と前記メッシュ板との間隔が、前記メッシュ板と前記基板との間隔よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
5. 前記シャワー板と前記ラダー板との間隔が、前記ラダー板と前記基板との間隔よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。

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