(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料ガスを内部に導入する機能と、電気的エネルギー供給により該材料ガスをプラズマ状態にする機能と、該材料ガスを活性種に分解する機能と、該活性種を成膜基板に堆積させ成膜する機能とを有する薄膜形成用プラズマ成膜装置であって、
成膜基板とは離れた位置にあり、かつ、成膜基板面と平行な露出面を持つ、複数の電極を備え、
互いに隣接する３本の電極を１組とし、２つの組の間にある１本の電極をそれぞれの組の外側の電極と同じ電位にすることによって、前記複数の電極間にアーチ型の放電経路を発生することを特徴とする薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項２】
前記複数の電極がストライプ状である請求項１に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項３】
前記複数の電極がドット状である請求項１に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項４】
前記複数の電極の表面が誘電体層で被覆されている請求項１または請求項２に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項５】
前記複数の電極間に形成された複数の導入孔から材料ガスが内部に導入される請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項６】
前記電気的エネルギー供給を行なう電圧が低周波あるいは高周波として印加される請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項７】
前記電気的エネルギー供給を行なう電圧が直流パルス状に印加される請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項８】
前記電気的エネルギー供給を行なう電圧印加が場所に応じて時間的にずれる形で行なわれる請求項６または請求項７に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項９】
前記複数の電極はそれぞれ、アノード電極またはカソード電極に切り替える切替スイッチを備え、前記アノード電極の位置を時間的に変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項１０】
前記アノード電極とカソード電極を交互に切り替えることを特徴とする請求項９に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【請求項１１】
前記電気的エネルギーは、それぞれの電極に対し、時間平均が等しくなるように供給されることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の薄膜形成用プラズマ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成用プラズマ成膜装置であり、特に半導体等機能薄膜形成用のプラズマ成膜装置に関し、より詳しくは、電子産業におけるアモルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉという）等の半導体膜や絶縁膜の製造に用いられるプラズマ励起化学気相成長法を用いた装置として好適な薄膜形成用プラズマ成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを使って半導体膜等を成膜し、集積回路・液晶ディスプレイ・アモルファス太陽電池などの電子デバイスを製造する方法、いわゆるプラズマ励起化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法は、その簡便性・操作性に優れるため、さまざまな電子デバイスを製造するのに使用されている。
【０００３】
ＣＶＤ法としては、以下のような方法が一般的であり、このＣＶＤ方法を用いる薄膜形成用プラズマ成膜装置（プラズマＣＶＤ装置）の構造を図８および図９を用いて説明する。図８はプラズマＣＶＤ装置の構造を概念的に説明する断面図であり、図９は該装置の主要部の構造を説明する斜視図である。
【０００４】
従来のプラズマＣＶＤ装置は、電極基板１１の第１の面上に形成された第１の電極１３−１と、電極基板１１の裏面に形成したガス供給空間１５と、前記第１の電極１３−１に所定の距離ｄを置いて対向配置した成膜基板３０と、該成膜基板３０の背面に設けた第２の電極１３−２と、真空容器５０と、導入端子５１と、成膜基板ホルダ５２と、電源６０と、ガス供給部７０とから構成される。電極基板１１およびこの上に配置された第１の電極１３−１にはプラズマ生成空間１０へ材料ガスＧを供給する複数のガス導入孔１２が設けられている。第１の電極１３‐１および第２の電極１３‐２には、電気的エネルギーを供給する電源６０の高周波の出力が供給される。ガス供給空間１５にはガス供給管１６を介してガス供給部７０が接続され、成膜時に膜形成用材料ガスが供給される。
【０００５】
このプラズマＣＶＤ装置は、お互いに電気的に絶縁され対向する位置に平行に設置された２枚の導体板からなる第１の電極１３‐１と第２の電極１３‐２の間で放電ＤＣを起こしてプラズマを発生させ、そこに材料ガスＧを流してガスを解離してラジカルＲを生成し、第２の電極１３−２に取り付けられたシリコンやガラスといった成膜基板３０の上に半導体膜などを成膜する。
【０００６】
成膜するための材料ガスを分解するためのプラズマを発生させる手段としては、通常周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波の電力が使用される。つまり、一方の導体板電極１３−２は接地電位とし、もう一方の対向する電極１３−１との間に高周波電圧を印加して両導体板間に高周波の電界を発生させ、その絶縁破壊現象によりグロー放電現象としてプラズマを生成する。高周波電圧がかかる側の電極１３−１をカソード電極と呼び、その近傍に大きな電界が形成される為、そこで加速されるプラズマ中の電子が材料ガスの解離を促しラジカルＲを生成する。
【０００７】
上記のようなプラズマＣＶＤ法には、近年のプラズマ工学・半導体工学の進歩に伴い、様々な新しい提案がある。一例を挙げると、用いる高周波の周波数を１３．５６ＭＨｚからＶＨＦ帯へ高めることにより、成膜される半導体膜の成膜速度を改善する、というもの（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１０（１９９２）１０８０  Ａ．Ａ．Ｈｏｗｌｉｎｇ）などがある。
【０００８】
液晶ディスプレイ・アモルファス太陽電池などの電子デバイスについて、特筆すべきは、大面積の電子デバイスであり、成膜基板３０の大きさは数十ｃｍ四方の大きさから１ｍ四方の大きさというものが望ましいとする大型化の要求が強い、ということである。
【０００９】
しかし、従来の小面積成膜基板３０への成膜により確立された方法には限界があり、液晶ディスプレイ・アモルファス太陽電池などの大面積電子デバイスを作製する場合には、しばしば大面積成膜基板３０へ、均一な膜厚でかつ高品質の成膜を行うことは困難であった。
【００１０】
膜厚の均一性が確保されない理由は、一つには高周波を用いる為に、電極１３−１，１３−２の部材のもつインダクタンスや電極１３−１，１３−２の部品の電気的接触の部分的な違いなどにより、プラズマを発生させる高周波等の電力が成膜基板３０の全面に均一に投入されず、結果としてプラズマ粒子やラジカル粒子の不均一な密度分布が生じてしまうことが挙げられる。この結果として、成膜基板３０の上に成膜される膜の厚みが場所によって変化してしまうという問題がある。
【００１１】
ａ−Ｓｉ膜を用いたＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）液晶ディスプレイの場合、スイッチング層であるａ−Ｓｉ膜の厚みが１つの成膜基板３０の上で変化すると、スイッチング特性が部分的に異なることとなり、結果として表示の不均一性が発生してしまう。プラズマ密度の不均一な分布を少なくし、成膜基板３０の上へ成長する膜厚を均一化する方法が望まれる。
【００１２】
また、高品質の成膜が困難な理由は、成膜基板３０を接地電極上において成膜することによる。すなわち、プラズマが発生すると接地電極上にある成膜基板３０の表面にはシース電圧と呼ばれる電位差が発生し、この電位差の発生はプラズマが存在する限り基本的に回避できない。シース電圧は成膜基板３０に対してプラズマ中のイオンを加速するようになっており、結果として薄膜の成膜表面にイオンが衝撃を与え、膜質を劣化させてしまう。
【００１３】
成膜基板３０への膜厚分布を改善し高品質膜を成膜する方法としては、例えば特開平１１−１４４８９２号公報に提案される方法がある。この製膜方法は、波状凹凸面を持つ電極を複数設け、成膜基板３０を電極から離れた位置に設置することで横電界を形成し、大面積に均一かつ高品質の成膜が可能になる、としている。しかし、この製膜方法では、数ｍｍの幅で放電電極を形成した場合、電極断面が三角形や台形、半円形、Ｔ字形となり、数ｍｍの高低差が電極に生じる。このため、電極表面の全面を成膜基板に対して一定距離の位置とすることができない。このような条件下で、均一な成膜を行なう為には、電極形成面からかなり離れた位置に成膜基板３０を設置して、電極間距離に対するばらつきの値の比率を小さくして、成膜しなければならない。また、この方法は、放電電極形成時に、数１０ｃｍ四方の大きさから１ｍ四方以上という大面積の電極形成面に波状凹凸を形成するという、高度の機械精度の必要な加工工程が要求される。また、放電経路の長さ（放電経路長）が構造上固定される形状であることから、プラズマ生成のパッシェン特性（プラズマ放電開始電圧の圧力×電極間距離依存性）により、動作圧力範囲が限られてしまう。また、複数の電極対に対して同時に電圧を印加するため、高出力の電源６０が必要となるという問題を有している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題に鑑み、本発明は、大面積成膜基板への均一かつ高品質の成膜を可能とする薄膜形成用プラズマ成膜装置を提供することを目的とし、さらに、一枚の成膜基板から取り出せる液晶パネルなどの製品の枚数を増やし、生産性の向上に寄与することを目的とする。
【００１５】
本発明は、成膜膜質の高品質化を実現し、ＴＦＴ液晶に使われているａ−Ｓｉ層のみならず二酸化珪素層や窒化珪素層さらには結晶性シリコン層などの成膜に対しても高品質膜を提供できる薄膜形成用プラズマ成膜装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜形成用プラズマ成膜装置は、材料ガスを内部に導入する機能と、電気的エネルギー供給により該材料ガスをプラズマ状態にする機能と、該材料ガスを活性種に分解する機能と、該活性種を成膜基板に堆積させ成膜する機能とを有する薄膜形成用プラズマ成膜装置であって、成膜基板とは離れた位置にあり、かつ成膜基板の面と平行な露出面を持つ、複数の電極の間に電圧を印加することにより該電気的エネルギー供給を行なう薄膜形成用プラズマ成膜装置である。
【００１７】
好ましくは、前記複数の電極がストライプ状である薄膜形成用プラズマ成膜装置である。
【００１８】
また、好ましくは、前記複数の電極の表面が誘電体層で被覆されている薄膜形成用プラズマ成膜装置である。
【００１９】
また、好ましくは、前記複数の電極の間の複数の導入孔から材料ガスが内部に導入される薄膜形成用プラズマ成膜装置である。
【００２０】
さらに、前記電気的エネルギー供給を行なう電圧が低周波あるいは高周波として印加される薄膜形成用プラズマ成膜装置である。
【００２１】
または、前記電気的エネルギー供給を行なう電圧が直流パルス状に印加される薄膜形成用プラズマ成膜装置である。
【００２２】
好ましくは、前記電気的エネルギー供給を行なう電圧印加が場所に応じて時間的に分割して行なわれる薄膜形成用プラズマ成膜装置である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置の構造を、図１から図７を用いて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置の概念的な構造を模式的に示す断面図であり、図２は、上記プラズマ成膜装置の主要部の構造を模式的に示す斜視図である。
【００２５】
図１および図２に示すように、本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置１は、電極基板１１の第１の面上にストライプ状に形成された互いに隣接する複数の電極１３と電極基板１１の裏面に形成したガス供給空間１５とを有し、前記電極１３に所定の距離ｄを置いて対向配置した成膜基板３０と、真空容器５０と、導入端子５１と、成膜基板ホルダ５２と、電源６０と、ガス供給部７０とから構成される。電極基板１１上に隣接して配置された電極１３の間にはガス導入孔１２が整列配置されている。各電極１３には、電気的エネルギーを供給する電源６０の高周波の出力が供給される。ガス供給空間１５にはガス供給管１６を介してガス供給部７０が接続され、成膜時に膜形成用材料ガスが供給される。
【００２６】
電極１３の面はすべて成膜基板３０の方向に向いており、言い換えると露出している電極１３の面と成膜基板３０の面は平行となっており、電極１３の表面が成膜基板３０に対して一定の距離ｄだけ離れて位置している。このような電極１３は、例えばガラス基板１１上にパターン印刷法により極めて簡単に形成することができる。この電極１３には、電源６０から高周波の電力が印加される。
【００２７】
ガス供給部７０からガス供給管１６を介してガス供給空間１５に供給された材料ガスＧは、電極基板１１の面上に形成された電極１３の間に整列したガス導入孔１２からプラズマ生成空間１０へ供給される。
【００２８】
この薄膜形成用プラズマ成膜装置１の動作の態様を図３を用いて説明する。この態様では、並列して設けられた３本の電極１３を一組の電極群とし、一組の電極群の１組の電極の内、中側の１本の電極に電源６０の出力（同軸出力の場合の内導体部、２端子出力の場合の負電圧出力部）を、外側の２本の電極に電源６０の接地電位部（同軸出力の場合の外導体部、２端子出力の場合の正電圧出力部）を接続するとともに、隣り合う２組の電極群の間に位置する１本の電極には群電極の外側の電極と同じ電位となるように接続した。例えば、図３（ａ）の場合、電極１３２が中側の１本の電極に相当し、ここに負の電位を印加する。そして、電極１３１・１３３が外側の２本の電極に相当し、ここには接地電位を印加する。また、電極１３６が中側の１本の電極に相当し、ここに負の電位を印加する。そして、電極１３５・１３７が外側の２本の電極に相当し、ここには接地電位を印加する。電極１３４には、外側の電極すなわち電極１３３と電極１３５と同じ接地電位を印加することになる。
【００２９】
このような構成とすることによって、図３（ａ）に示すように、１組の電極群（１３１・１３２・１３３）の電極１３のうち電極１３１―電極１３２の間、電極１３２―電極１３３の間に電位差を生じ、電極電極１３２の表面からのラジカルＲの発生量が最も多い。そして、電極１３２から電極１３１にかけて、あるいは、電極１３２から電極１３３にかけて発生量が順次少なくなるようにラジカルＲが生成される。また、隣接する２組の電極群の間に位置する電極１３４には、両側の電極群の外側の電極１３３と電極１３５と同じ電位の電圧を印加し、電極１３４と電極１３３の間、電極１３４と電極１３５の間には、電位差を生じないようにしている。
【００３０】
１組の電極群の電極のうち隣接する電極間に電位差を生じさせ、隣り合う組の電極群間に電位差を生じさせない電極を設け、切替スイッチ１９を順次切り替えて各電極への電圧の印加態様を変化させて電極群を順次移動させることによって、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、ラジカルＲの発生を成膜基板３０の左端部分から右側に向けて順次送ることができる。このようにして、成膜基板上に均質な薄膜を成膜することが可能となる。
【００３１】
このような構成の薄膜形成用プラズマ成膜装置におけるガス圧力とプラズマ放電開始電圧の関係を測定した結果得たプラズマ放電開始電圧のガス圧力依存特性を図４に示す。
【００３２】
図４の実線で示すように、本発明にかかる構成の薄膜形成用プラズマ成膜装置では、プラズマ放電開始電圧の低い領域、すなわち放電ＤＣが容易に発生する領域は、点（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にわたる広いガス圧力範囲に存在する。この場合、プラズマ放電開始電圧が低いフラットな領域は、３０Ｐａから１２０Ｐａであったが、その圧力値は用いる材料ガスに応じて変化する。
【００３３】
プラズマ放電開始電圧が低いフラットな領域の中で、圧力点として（ａ）、（ｂ）、（ｃ）について対応する放電ＤＣの発光を目視で観察した放電ＤＣの経路を図５の断面図に示す。すなわち、ガス圧力が低い点（ａ）の場合、放電ＤＣは高く盛り上り、実質的な放電ＤＣの経路は長くなる（図５に示す経路（ａ））。一方、圧力が高い点（ｃ）の場合、放電ＤＣの発光は低く電極基板１１に貼り付いた状態で、実質的な放電ＤＣの経路は短い（図５に示す経路（ｃ））。
【００３４】
測定結果として、成膜基板３０の上に成長したａ−Ｓｉ膜の膜厚分布を図６に示す。
【００３５】
一方、図８に示した第１の電極１３−１と成膜基板３０の背面に取付けた第２の電極１３‐２間に高周波電圧を印加する薄膜形成用プラズマ成膜装置におけるガス圧とプラズマ放電開始電圧の関係を、比較データとして図４内に参照（Ａ）、（Ｃ）として破線で示す。破線（Ａ）、（Ｃ）に示すように、各曲線で特定の圧力でプラズマ放電開始電圧が最低となりこの点を外れた領域ではプラズマ放電開始電圧が高くなっている。
【００３６】
すなわち、図８に示す構造での放電は、放電ＤＣの経路が予め決定されているような構造での放電ＤＣであり、従来から存在する平行平板型電極、あるいは波状凹凸面を持つ電極を複数設けるという特開平１１−１４４８９２号公報記載の例とほぼ等価であり、放電経路の長さ（放電経路長）が決定されている構造である。参照特性（Ａ）の場合は電極基板１１と成膜基板３０の間の距離が電極ピッチ間距離より長い場合であり、参照特性（Ｃ）の場合は電極基板１１と成膜基板３０の間の距離が電極ピッチ間距離程度の場合である。両方の場合とも、圧力依存性として極小値をもつような依存性であり、放電開始電圧が低いフラットな領域というのは存在しない。すなわち、少しの圧力変化が放電開始電圧を大きく変化させてしまう。また、パッシェン特性の動作点、すなわち（圧力×放電経路長依存性）として極小値のどちら側の条件かにより、膜厚分布が凹になったり凸になったりする。
【００３７】
一方、図１に示す本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置のような構造をとることにより、隣接する電極１３の間にはアーチ型の電界経路ができ、そしてその経路は圧力に応じて上方に膨らんだり下方にはりついたり自由な形態をとるので、実質的な電極間距離は電界経路長（放電経路長）の変化に応じて固定されずに変化する。すなわち、特開平１１−１４４８９２号公報に記載のように横電界を利用するのではなく、本発明では自由度の大きいアーチ型電界を利用している。そして、アーチ型の電界に沿って放電ＤＣが発生することによって、図４に示すようにプラズマ放電開始電圧が低いフラットな領域が広いガス圧力範囲にわたって実現でき、その存在により放電ＤＣを安定にでき、そして結果としてより均一な成膜分布の生成が実現できる。また、１つの成膜過程内でガス圧力を変化させられるという利点も生じる。さらに、図３に示したように、ラジカル流れＲは負電位側の電極表面で多く発生する。特開平１１−１４４８９２号公報に記載の場合は、電極表面と成膜基板間の距離が電極の波状構造に従って変化するため、電極表面で発生したラジカル流れＲは発生場所により成膜基板へ飛散する距離が異なる。ラジカルは飛散する間に少しずつ消滅するので、飛散する距離が異なると成膜基板３０への到達量が場所によって変化し、結果として膜厚の内面不均一性が発生する。一方、本発明の場合は、電極表面と成膜基板表面が平行であり、電極表面で発生したラジカル流れＲはどれもほぼ同じ距離飛散して成膜基板３０に到達できるため、膜厚の均一性が確保しやすい。すなわち、本発明のように、電極表面と成膜基板表面が平行となる構造を取ることで、プラズマ放電開始電圧の低いフラットな領域が広いガス圧力範囲にわたって実現できること、ラジカル流れＲはどれもほぼ同じ距離飛散すること、以上２点により成膜膜厚の均一性が確保しやすくなる。
【００３８】
図６のグラフを用いて、本発明における成膜基板３０の異なる個所での成膜速度と電極１３と成膜基板３０との間の距離ｄとの関係を説明する。図６（Ａ）は図２のＣ‐Ｄ間での成膜特性を、図６（Ｂ）は図２のＡ‐Ｂ間での成膜特性を示している。図６に示すように、基板間距離ｄを電極ピッチ距離程度にした場合には、成膜速度の分布として電極１３の配置形状が現れてしまうが、基板間距離ｄを電極ピッチ距離よりも長くすることで電極１３の形状の影響はなくなり、平均値に対して±５％以内の膜厚均一性を確保できた。
【００３９】
電極１３の形状としては、基板形状に合わせて面状のプラズマ生成空間２０を形成できれば良いので、電極基板面上に任意の形状で設置可能である。しかし、例えばドット状の多くの電極への正負の電位を印加するためには、導入端子５１と電極との間で立体配線する必要がある。一方、ストライプ形状の電極にすると、立体配線する必要は無く、電極基板１１の端部に引き出した部分で導入端子５１との接続が可能となり、より簡易な装置構成が実現できる。
【００４０】
以上のような成膜方法における電気的エネルギー供給用の電源６０の種類としては、周波数が６０Ｈｚ〜１３．５６ＭＨｚの低周波から高周波領域の交流電源が広く使用できる。交流電源を用いて隣接する電極１３の間に正負の電圧が印加されることにより、カソード電極１３が時間的に隣接電極間で交互に入れ替わる。すなわち、すべての電極１３がカソード電極として作用し、カソード近傍でラジカルがより多く生成されるため、結果として電極基板１１の内でより均一なラジカル形成が行なわれ成膜分布の均一化がなされる。
【００４１】
本発明では成膜基板３０の設置位置がアノード電極と分離されているので、周波数が低い場合に顕著になるアノード電極へのイオン衝撃が、成膜基板３０の成膜表面に悪影響を及ぼすことも無い。すなわち、高周波よりも扱いが容易な低周波電源を使用可能である。
【００４２】
電気的エネルギー供給用の電源６０の種類として直流パルス電源を用いることも可能である。その場合、図３に示すように、複数の電極１３に順番に負電圧を印加していく。そうすることで、すべての電極１３がカソード電極として作用し、カソード近傍でラジカルがより多く生成されるため、結果として電極基板１１の内でより均一なラジカル形成が行なわれ成膜分布の均一化がなされる。従って、直流パルス電源を用いることで、交流電源と同様の効果を出しながら、扱いが単純で簡易な電気的エネルギー供給が可能となる。
【００４３】
電気的エネルギー供給の形態として、個々の電極１３への供給を時間的にずらすことも可能である。すなわち、図３に示すように、時間平均として個々の電極１３へ供給される電気的エネルギーが同じであれば、そのタイミングが電極１３の間でずれていてもかまわない。これを利用すると、図３に示すように、各電極１３への配線上のスイッチを切り替えることで、一つの電源６０ですべての電極１３への電気的エネルギー供給がまかなえる。すなわち、電源６０そのものが直流電源であっても、その出力を切り替えることで個々の電極１３への供給を時間的にずらすことで、電源６０は１つで直流パルスとしての機能を出すことができる。
【００４４】
本発明者は、図１に示した構成の装置を用いてプラズマの生成およびａ−Ｓｉ膜の成膜を行った。このとき、用いた材料ガスはＳｉＨ４で、前述の図４および図５の場合を除いて圧力を１００Ｐａとした。材料ガスとしては、ＳｉＨ４ばかりでなく、成膜する膜の種類に応じて例えばＨ２、Ａｒ、Ｏ２、ＮＨ３あるいはこれらの混合ガスなどをＳｉＨ４に混合して使用することもできる。
【００４５】
以上は、ａ−Ｓｉ膜を中心とした半導体膜の成膜方法としての説明が中心であったが、本発明は、使用する材料ガスを変えるだけで、窒化シリコン膜や酸化シリコン膜といった絶縁膜の成膜に対しても、同様の効果を発揮できる。
【００４６】
（実施例）
以下、本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置の実施例について具体的に説明する。
【００４７】
（実施例１）
本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置（プラズマＣＶＤ装置）１を用いてａ−Ｓｉ膜を成膜した成膜結果を以下に説明する。
【００４８】
このとき、この薄膜形成用プラズマ成膜装置は、図１には省略したが、成膜基板３０を加熱する（成膜基板温度で２００℃）ために、成膜基板３０を保持している成膜基板ホルダー５２の後ろにヒーターを取り付けている。また、ガスを排出するためのメカニカル・ブースター・ポンプ、ロータリー・ポンプも装置に取り付けて使用した。材料ガスはＳｉＨ４（流量１０００ｓｃｃｍ）で圧力を１００Ｐａとし、材料ガスの供給は、図１に示すように電極基板１１のストライプ状電極１３の間に整列したガス導入孔１２から行った。
【００４９】
電気的エネルギー供給を行うエネルギーとして１００ｋＨｚの高周波（電圧５００Ｖ）を使用した。高周波を印加する電極１３は、１ｍ×１ｍの誘電体（ガラス）板上にストライプ状に多数形成されたものを用いた。電極１３の長さは９５ｃｍ、幅は５ｍｍ、厚みは１００μｍの形状で、電極１３の間は５ｍｍで設置し、電極１３の面はすべて成膜基板３０の方向に向いており、言い換えると露出している電極１３の面と成膜基板３０の面は平行である。電極１３には、隣合う電極１３の間で電圧が誘起されるように、一つの電極１３に電源６０の出力が印加されるときには隣り合う電極１３には出力が印加されないように、交互に電源６０の正負極性を接続した。ガス導入孔１２は、直径０．５ｍｍで電極１３の間に１０ｍｍ間隔で、電極基板１１に設置した。ａ−Ｓｉ膜を成長させる成膜基板３０としては、電極基板１１と対向する位置に厚み３ｍｍのガラス基板を、電極基板１１から２０ｍｍ間隔で設置した。
【００５０】
基板間距離ｄを変えた場合の成膜結果を、表１として示す。比較の為に、図８に示す従来型のプラズマＣＶＤ装置での成膜結果を含めて示す。その場合は、電極構成を変える他は同条件で成膜した。なお、表中の膜厚不均一性は、膜厚平均値に対する最大値・最小値の振れ分の割合を示したものである。
【００５１】
【表１】
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まず、成膜速度と膜厚不均一性について考察する。本発明にかかる構造のプラズマＣＶＤ装置の場合、基板間距離ｄを１５ｍｍにした場合は成膜速度は速いが、膜厚不均一性は±９％とそれほど良くはない。そこで、基板間距離ｄを２０ｍｍとすることで、成膜速度は少し落ちるものの、膜厚均一性は±３％と非常に良くなった。
【００５２】
一方、図８に示した構造のプラズマＣＶＤ装置を用いた場合、成膜速度は図１に示した型のプラズマＣＶＤ装置の場合と大差はないが、膜厚不均一性はそれほどよくならない。この原因としては、図８の構造のプラズマＣＶＤ装置の場合、電極１３−１と電極１３−２の間の距離が構造から規定されるので、パッシェン特性が鋭い極小値をとることとなり、パッシェン特性上の動作点の微調整が困難で、結果として膜厚不均一性を小さくできない。
【００５３】
本発明にかかる構成のプラズマＣＶＤ装置では、実質的な電極１３の間の距離（放電経路長）が圧力に応じて自発的に変化するので、図８に示す構造で問題となるようなパッシェン特性の動作点から起因する膜厚不均一性は生じず、ストライプ電極構成から生じる電極基板１１の上のラジカル生成位置の不均一性さえ抑えられれば、極めて均一性の高い成膜が実現できる。
【００５４】
また、本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置を用いた成膜での膜内水素結合の測定結果は以下のようになった。
【００５５】
すなわち、Ｓｉ−Ｈ結合量は全体の結合の１０．５％、Ｓｉ−Ｈ２結合量は全体の０．５％となった。一般に、全結合水素量は少ないほうがＳｉ−Ｓｉ結合の割合が多いので好ましく、またＳｉ−Ｈ結合量に対するＳｉ−Ｈ２結合量の比が小さい方がＳｉ−Ｓｉ結合のネットワークが確保されて好ましい。すなわち、測定結果として、膜質の指標となる全結合水素量が少なく、またもう一つの膜質の指標となるＳｉ−Ｈ結合量に対するＳｉ−Ｈ２結合量の比が０．０４８と極めて小さくなって、総合的に良好な膜質が確保されていることがわかった。
【００５６】
ちなみに、図４の参照特性（Ａ）の場合は、Ｓｉ−Ｈ結合量は全体の結合の１７．５％、Ｓｉ−Ｈ２結合量は全体の５．５％となった。すなわち、膜質は本発明に比べて悪化している。この理由としては、成膜基板３０をアノード電極１３−２上に設置したからである。つまり、本発明のように電極１３から離れた位置に、言い換えるとプラズマ生成空間１０から離れた位置に成膜基板３０を設置することで、高品質の成膜が可能となることがわかる。
【００５７】
材料ガスの放電ＤＣの部分への導入については、ただ単に容器壁の単孔から導入してガスを充満させる方法も取れるが、本発明のように隣接する電極間に整列配置した導入孔１２から材料ガスを導入するとより効果的である。すなわち、放電ＤＣの経路は複数の電極１３の間で形成され、それぞれの放電ＤＣは電極基板１１の面内で独立に存在する。そこで、それぞれの放電ＤＣに等量の材料ガスを導入するように、複数の電極１３の間の位置から複数の導入孔により供給すると、電極基板１１の面内での位置により材料ガスの枯渇が生じること無く均一に材料ガスが供給できる。
【００５８】
（実施例２）
本発明に基づいて実際に作製したプラズマＣＶＤ装置と、その装置を用いて作製したａ−Ｓｉ膜についてその結果を以下に説明する。この実施例は、図７に電極１３側を拡大して示した形のプラズマＣＶＤ装置を使用し、以下に述べる内容を除いて実施例１と同じ構成・条件である。
【００５９】
高周波を印加する電極１３は、１ｍ×１ｍの誘電体（ガラス）板上にストライプ状に多数形成されたものを用いた。ストライプ状電極１３の長さは９５ｃｍ、幅は８ｍｍ、厚みは１００μｍの形状で、電極１３の間は２ｍｍで設置し、電極１３の面はすべて成膜基板の方向に向いており、言い換えると電極１３の面と成膜基板の面は平行である。ストライプ状電極１３の上面には、厚み１ｍｍのガラス質誘電体（比誘電率１０）をペーストの塗布・焼成により形成した。電気的エネルギー供給を行うエネルギーとして１００ｋＨｚの高周波（電圧１０００Ｖ）を使用した。実施例１より印加電圧が増大しているのは、電極１３の上に被覆誘電体１８の層があることから電流値が過渡的にしか流れないので、同じ電気的エネルギー供給量を確保するためには電圧を増大させる必要があるためである。
【００６０】
成膜結果を以下に表２として示す。比較の為に、図８に示す従来型のプラズマＣＶＤ装置での成膜結果を含めて示す。従来型の装置では、電極構成を変える他は同条件で成膜した。なお、表中の膜厚不均一性は、膜厚平均値に対する最大値・最小値の振れ分の割合を示したものである。
【００６１】
【表２】
0003586197.tif 000003
まず、成膜速度と膜厚不均一性について考察する。図７に示す本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の場合、基板間距離ｄを１５ｍｍにした場合ですでに成膜速度は速く、かつ膜厚不均一性は±３％と非常に良い結果となった。一方、図８に示す従来型のプラズマＣＶＤ装置を用いた場合、成膜速度は本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の場合と大差はないが、膜厚不均一性はそれほどよくならない。この原因としては、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の場合は、図７で説明したように、電気的エネルギーが電極基板１１の面内で均一に消費されるため、極めて均一性の高い成膜が実現できた。
【００６２】
さらに、電極１３の上に被覆誘電体１８を取付けることの効果を調べた。この場合、電極の構造は、図７に示した通りで、図１に示した構造との違いは電極１３の上に５００μｍの被覆誘電体１８を設置したことである。この場合に成膜基板３０の上に成長したａ−Ｓｉ膜の成膜速度の均一性はより近い基板間距離で確保することが可能となる。
【００６３】
この理由としては、以下のように考えられる。放電ＤＣの進展の様子を図７に示した。すなわち、電極１３の上の或る個所で放電ＤＣが開始すると、放電電流により被覆誘電体１８部に荷電粒子が蓄積する。すると、蓄積した荷電粒子により、電極１３の間の空間に発生する電位差が減少して放電ＤＣが止まる。すると、放電ＤＣを持続させる為同じ電極１３の上の隣接する個所が放電ＤＣを始める。
【００６４】
このようにして、電極１３の上の被覆誘電体１８全域に荷電粒子が蓄積するように放電ＤＣが発生するので、より放電ＤＣが均一に発生する。すると、より短い基板間距離で均一な成膜が実現するため、成膜速度を上昇させることが可能となる。
【００６５】
（実施例３）
本発明に基づいて実際に作製したプラズマＣＶＤ装置と、その装置を用いて作製したａ−Ｓｉ膜について、その成膜結果を以下に示す。この実施例３に用いるプラズマＣＶＤ装置は、図１に示したプラズマＣＶＤ装置を使用し、以下に述べる内容を除いて実施例１と同じ構成・条件である。電気的エネルギー供給を行うエネルギーとして、幅１０μｓ・繰り返し周波数１００ｋＨｚの直流パルス電圧（５００Ｖ）印加を使用した。電極１３には、隣合う電極１３の間で電圧が誘起されるように、一つの電極１３に電源６０の出力が印加されるときには隣り合う電極１３には出力が印加されないように、図３に示すように、順番に電源６０の正負極性を接続した。
【００６６】
成膜結果を以下に表３として示す。比較の為に、同じプラズマＣＶＤ装置で電気的エネルギー供給が１００ｋＨｚの高周波で行われた結果（すなわち実施例１）を含めて示す。なお、表中の膜厚不均一性は、膜厚平均値に対する最大値・最小値の振れ分の割合を示したものである。
【００６７】
【表３】
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表３から明らかなように、成膜速度・膜厚不均一性・膜質のどれをとっても、電気的エネルギー供給が１００ｋＨｚの高周波で行われた結果と大差が無い。すなわち、電気的エネルギー供給の方法は、高周波だけでなく、直流パルスによっても同様の良好な結果が得られることがわかった。
【００６８】
【発明の効果】
以上の構成を有する本発明は、大面積成膜基板３０への均一かつ高品質の成膜を可能とする薄膜形成用プラズマ成膜装置を実現できた。すなわち、ますます大型化する液晶ディスプレイを作製するためには大面積成膜基板３０への均一な成膜技術が欠かせないが、この発明を用いることによりそのような成膜技術が実現できる。また、液晶ディスプレイの生産性を向上させるためには成膜基板３０から多面取りする必要があるが、成膜基板３０を大きくできることで一枚の成膜基板３０から取り出せる枚数が増え、生産性の向上にも寄与する。
【００６９】
また、電極基板１１の上にカソード・アノード両電極があることで成膜膜質の高品質化が実現できており、ＴＦＴ液晶に使われているａ−Ｓｉ層のみならず二酸化珪素層や窒化珪素層さらには結晶性シリコン層などの成膜に対しても高品質膜を提供できる。
【００７０】
さらに、本発明は、液晶ディスプレイ以外の分野では、同じくプラズマＣＶＤ法により成膜を行っているアモルファスシリコン太陽電池の光変換層であるａ−Ｓｉの成膜装置としても最適である。すなわち、住宅用太陽電池を念頭に置いた場合、大面積均一成膜が欠かせないし、また高品質な膜ほどａ−Ｓｉの光劣化が少ないことを考えると信頼性の高いアモルファスシリコン太陽電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置の構造の概要を示す断面図。
【図２】本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置の主要部の構造を示す斜視図。
【図３】図１に示す薄膜形成用プラズマ成膜装置を用いて、電気的エネルギー供給を行なう場合の態様を説明する模式図。
【図４】本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置を用いた場合のプラズマ放電開始電圧のガス圧力依存性を説明するグラフ。
【図５】本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置を用いた場合の、ガス圧力を変えた時の、放電経路の変化を説明する図。
【図６】本発明にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置を用い、成膜基板と電極基板の距離を変えた時の、成膜基板の上に成膜されたａ−Ｓｉ膜の膜厚不均一性を説明するグラフ。
【図７】本発明の他の実施形態にかかる薄膜形成用プラズマ成膜装置の概略構造を示す断面図。
【図８】従来の薄膜形成用プラズマ成膜装置の典型的構造を示す概略図。
【図９】図８の従来の薄膜形成用プラズマ成膜装置の主要部の構造の概要を示す斜視図。
【符号の説明】
１  プラズマ成膜装置
１０  プラズマ生成空間
１１  電極基板
１２  ガス導入孔
１３  電極
１５  ガス供給空間
１６  ガス供給管
１８  被覆誘電体
１９  切替スイッチ
３０  成膜基板
５０  真空容器
５１  導入端子
５２  成膜基板ホルダー
６０  電源
７０  ガス供給部
ｄ  基板間距離
ＤＣ  放電
Ｇ  ガス流れ
Ｒ  ラジカル流れ
【図１】
0003586197.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003586197.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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