(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、上記反応容器内に収容された複数本の線材からなる梯子状の平面型放電用電極と、この放電用電極にグロー放電用電力を供給する電源とを有し、上記反応容器内で上記放電用電極に対向して設置された基板の表面に非晶質薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、上記基板から上記放電用電極をへだてた反対側にガス供給室を設け、同ガス供給室の上記放電用電極に対向する壁を網状金属で形成するとともに、上記ガス供給室内にガス吹出し孔を有するガス導入管と、上記網状金属の壁と上記ガス吹出し孔との間を画する網状のガス分散板とを設けたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はアモルファスシリコン太陽電池、薄膜半導体、光センサー、半導体保護膜絶縁膜などを形成する化学蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，本明細書では「ＣＶＤ」という）型薄膜形成に用いられる高周波プラズマＣＶＤ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大面積のａ−Ｓｉ系薄膜を製造するために、従来より用いられているプラズマＣＶＤ装置の構成の一例を図７および図８を参照して説明する。この技術的手段は、例えば特開平４−２３６７８１号などに開示されている装置である。
【０００３】
図７はプラズマＣＶＤ装置の断面図で、反応容器（１）内には、グロー放電プラズマを発生させるための梯子状平面型コイル電極（２）（以下「ラダー電極」という）が配置されている。このラダー電極（２）は図８の電極平面図に示すように、２本の線材に対して垂直に複数本の線材を梯子状に組んで接続した構造を有し、外周部が四角形をなしている。図７のラダー電極（２）の電力供給点（２ａ）、（２ｂ）には高周波電源（７）から、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波数（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ）の電力（以下「ＲＦ電力」という）がインピーダンス整合器（８）を介して供給される。
【０００４】
反応容器（１）内には、図示しないボンベから反応ガス供給管（６）を介して、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（９）を通して真空ポンプ（１０）により反応容器（１）外へ排出される。薄膜を蒸着する基板（１２）は、ラダー電極（２）と平行に設置され、図示しない基板ホルダーで基板加熱ヒータ（１１）上に支持される。
【０００５】
この装置を用いて以下のように薄膜を作製する。まず真空ポンプ（１０）を駆動して反応容器（１）内を排気する。反応ガス供給管（６）を通して、例えばモノシランと水素の混合ガスを１００〜２００ｃｃ／ｍｉｎ  程度の流量で供給し、反応容器（１）内の圧力を０．５〜１．０Ｔｏｒｒに保ち、高周波電源（７）からインピーダンス整合器（８）を介してラダー電極（２）にＲＦ電力を印加すると、ラダー電極（２）と反応容器（１）との空間および電極（２）の周囲の空間にグロー放電プラズマが発生する。発生したプラズマにより混合ガスが分解され、基板（１２）の表面にａ−Ｓｉ膜が堆積する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来の装置は、ラダー電極（２）を用いることにより一般的に用いられている平行平板電極に比べ、高速・大面積の均一成膜が可能となっているが、次のような解決すべき課題があった。
【０００７】
従来の方法では図９のＳｉＨ発光強度分布で示すように、反応ガス導入管（６）〜ラダー電極（２）〜基板（１２）の間全体でプラズマが発生し、ガスを分解している。すなわちガス流れの上流になる反応ガス導入管（６）〜ラダー電極（２）間で原料ガスが分解・消費される。このためガス流れの下流になる基板（１２）近傍では、分解生成物であるラジカルの濃度が増加し、次式に示す反応が進んで粉が発生しやすかった。
【０００８】
ＳｉＨ４  ＋ｅ−  （電子）  →  ＳｉＨ２  ＋Ｈ２  
ＳｉＨ２  ＋ＳｉＨ４        →  Ｓｉ２  Ｈ６  
ＳｉＨ２  ＋Ｓｉ２  Ｈ６      →  Ｓｉ３  Ｈ８  
‥‥‥‥‥‥‥‥
ＳｉＨ２  ＋Ｓｉｎ−１  Ｈ２ｎ  →  Ｓｉｎ  Ｈ２（ｎ＋１）（粉）
生じた粉は基板（１２）上に堆積生長する薄膜中に入り、膜質を低下させるばかりでなく、反応容器（１）の内壁や真空ポンプ内に付着して、装置稼動にも問題が生じていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記従来の課題を解決するために、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、上記反応容器内に収容された複数本の線材からなる梯子状の平面型放電用電極と、この放電用電極にグロー放電用電力を供給する電源とを有し、上記反応容器内で上記放電用電極に対向して設置された基板の表面に非晶質薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、上記基板から上記放電用電極をへだてた反対側にガス供給室を設け、同ガス供給室の上記放電用電極に対向する壁を網状金属で形成するとともに、上記ガス供給室内にガス吹出し孔を有するガス導入管と、上記網状金属の壁と上記ガス吹出し孔との間を画する網状のガス分散板とを設けたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置を提案するものである。
【００１０】
【作用】
本発明は前記構成を有し、基板から放電用電極をへだてた反対側にガス供給室を設け、同ガス供給室の上記放電用電極に対向する壁を網状金属で形成するとともに、上記ガス供給室内にガス吹出し孔を有するガス導入管を設けたので、反応ガスをガス供給室に導入することができる。そうすると反応ガスはガス供給室の網状金属の壁を透過して基板と放電用電極との間に直接供給され、排気される。その結果、反応ガスがプラズマ中に滞在する時間が短くなるから、過剰な反応を抑制することができ、したがって粉発生が抑制される。
【００１１】
本発明ではまた、上記網状金属の壁と上記ガス吹出し孔との間を画する網状のガス分散板を設けたので、膜質・膜厚分布に重大な影響を与えるガス導入量の均一性が確保される。
【００１２】
こうして、高速で高品質・大面積の均一成膜が可能となる。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の一実施例に係わるプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図、図２は図１におけるラダー電極を示す平面図、図３はこのラダー電極とガス供給室の関係を示す詳細断面図である。これらの図において、前記図７および図８により説明した従来のものと同様の部分については、冗長になるのを避けるため、同一の符号を付け詳しい説明を省く。
【００１４】
本実施例においては、グロー放電プラズマを発生させるために線材を組上げて構成される梯子状平面型コイル（２）（以下「ラダー電極」という）が反応容器（１）内に配置されている。本実施例で使用されるラダー電極（２）も図２の平面図に示すように二本の線材に対し垂直に複数本の線材を接続して梯子状に組んだ構造を有し、外周部は四角形状をなしている。
【００１５】
このラダー電極（２）を構成する線材の基板（１２）と対向しない側、すなわち基板（１２）からラダー電極をへだてた反対側（図２では下方）には、ガス供給室（４）が設けられている。そしてこのガス供給室（４）のラダー電極に対向する壁（図では天井壁）（３）は、アースシールド板として網状金属で形成されている。この網状金属の目開きの隙間は０．１〜１．０ｍｍ程度とし、成膜時の反応容器（１）内圧力における電子の平均自由行程以下であることが望ましい。また、ラダー電極（２）とアースシールド板（３）との間隔は０．５〜２ｍｍ程度とし、成膜時の反応容器（１）内圧力における電子の平均自由行程と同程度かそれ以下であることが望ましい。
【００１６】
ガス供給室（４）内の下部には複数本のガス供給管（６）が設けられており、それらガス供給管（６）の１本１本に複数のガス吹出し孔（５）が設けられている。このガス吹出し孔（５）の径は０．２〜０．７ｍｍ、孔のピッチは１０〜２５ｍｍ程度であることが好ましい。このガス供給管（６）と網状金属の天井壁との間には、ガスを分散させる網状金属製のガス分散板（６１）が、ガス供給室（４）内を上下に画するように配置される。このガス分散板（６１）の金網の目開きの隙間は０．２〜０．７ｍｍが望ましい。
【００１７】
ラダー電極（２）の電力供給点（２ａ）、（２ｂ）には、高周波電源（７）から、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数のＲＦ電力がインピーダンス整合器（８）を介して供給される。ガス供給室（４）の下部にはガス供給管（６）からガス吹出し孔（５）を経て例えばモノシランガスが供給され、網状金属で形成されたガス分散板（６１）とアースシールド板（３）を透過して反応容器（１）内に送り出される。反応容器（１）内のガスは排気管（９）を通じて真空ポンプ（１０）により排気される。薄膜を形成すべき基板（１２）はラダー電極（２）と平行に設置され、図示しない基板ホルダにより基板加熱ヒータ（１１）に支持される。
【００１８】
このような装置において、以下のようにして薄膜を製作する。まず真空ポンプ（１０）を駆動して反応容器（１）内を排気する。次にガス供給管（６）からガス吹出し孔（５）を介して、ガス供給室（４）内に例えばモノシランガスを２０〜１００ｃｃ／ｍｉｎ  程度の流量で供給する。そうすると、このガスはガス分散板（６１）、アースシールド板（３）を透過して反応容器（１）内に至る。反応容器（１）内の圧力を０．０３〜０．２Ｔｏｒｒ程度に保ち、高周波電源（７）からインピーダンス整合器（８）を介してラダー電極（２）に高周波電力を印加すると、図４に示されるように、ラダー電極（２）と基板（１２）の間にグロー放電プラズマが発生する。
【００１９】
本実施例では図４に示すように、反応ガス（１３）は基板（１２）とラダー電極（２）の間で生成されたプラズマ中に供給される。プラズマはこの領域に発生し、基板（１２）に対する薄膜の堆積には不必要な、電極線材の基板と対向していない部分（ラダー電極（２）と反応ガス供給管（６）との間）には発生しないから、過剰な反応が抑制され、粉の発生が抑制される。また、ガス吹出し孔（５）はプラズマにさらされず、膜が堆積しないから、ガス吹出し孔からガスが突出する勢いによる膜剥離がない。さらにアースシールド板（３）は網状金属で構成されているから、その表面積が大きく、同じ時間成膜に使用してもアースシールド板（３）に堆積する膜の厚さは薄くなって、アースシールド板からの膜剥離を抑制できる。したがって薄膜の高品質・高速成膜が可能となる。
【００２０】
それを確認するために、下記条件で成膜実験を行なった。
【００２１】
基板材料：            無アルカリガラス、
基板面積：            ３００×３００ｍｍ、
基板温度：            ２５０℃、
反応ガスおよび流量：  ＳｉＨ４  ＝７０ｃｃ／分、
反応容器内圧力：      ３０  ｍＴｏｒｒ、
印加した高周波電力：  ２０Ｗ〜１００Ｗ。
【００２２】
こうして得られた成膜速度とプラズマ中の粉の数との関係を図５に、電子スピン共鳴法（以下「ＥＳＲ」という）で測定した膜中欠陥密度と成膜速度の関係を図６に示す。
【００２３】
図５に示されるように、高周波電力を増加し成膜速度を増加すると、従来はプラズマ中の粉の数が急増したが、本発明では元々の数が少なく、また成膜速度増加による粉の数の増加も小さくなる結果が得られた。このとき得られた欠陥密度は図６に示すように、成膜速度１５Å／秒という高速成膜条件においても２．８×１０１５個／ｃｃであり、高品質の膜であることが判った。また、高周波電力を若干下げ成膜速度を５Å／秒以下の条件で製作した薄膜の欠陥密度は、本実施例で使用したＥＳＲの測定下限界（１×１０１５個／ｃｃ）以下であり、非常に高品質の膜であることが判った。このように本実施例では、図３に示すアースシールド板（３）に網状金属材料を用いてアースシールド板（３）自体から反応ガスを透過供給することにより、１５Å／秒という高速成膜速度で、かつ欠陥密度が２．８×１０１５個／ｃｃ以下の高品質のａ−Ｓｉ薄膜を製作できるものである。
【００２４】
【発明の効果】
以上具体的に詳述したように、本発明においては放電用電極の基板と対向しない側に金属金網で製作したガス供給室を配置して反応ガスを導入し、基板と電極との間に直接反応ガスを供給するようにしたので、高速で高品質の非晶質薄膜を製造することができる。したがって、アモルファスシリコン太陽電池、薄膜半導体、光センサ、半導体保護膜などの製造分野で工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施例に係わるプラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は図１におけるラダー電極を示す平面図である。
【図３】図３は図１におけるラダー電極とガス供給室金網の関係を示す詳細断面図である。
【図４】図４は上記実施例におけるガス供給とプラズマ状態を示す図である。
【図５】図５は本発明の効果として成膜速度とプラズマ中の粉の数との関係を示す図である。
【図６】図６は本発明の効果として膜中の欠陥密度と成膜速度との関係を示す図である。
【図７】図７は従来のプラズマＣＶＤ装置の構成の一例を示す断面図である。
【図８】図８は図７におけるラダー電極を示す平面図である。
【図９】図９は従来のプラズマＣＶＤ装置におけるガス吹出し孔から基板までの間のＳｉＨ発光強度分布を示す図である。
【符号の説明】
（１）    反応容器
（２）    ラダー電極
（３）    ガス供給室金網
（４）    ガス供給室
（５）    ガス吹出し孔
（６）    ガス導入管
（７）    高周波電源
（８）    インピーダンス整合器
（９）    ガス排気管
（１０）    真空ポンプ
（１１）  基板ヒータ
（１２）  基板
（１３）  ガス流れ
（６１）  ガス分散板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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