(57)【要約】【課題】製膜速度を低減させずに、製膜初期の膜質低下を防止し、安定して基板上に製膜することができるＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】チャンバと、このチャンバ内に原料ガスを供給するガス供給部と、チャンバ内のガスを排気するガス排気部と、前記チャンバ内に開口し、前記ガス供給部に連通接続されるガス供給孔を有するカソード電極と、前記カソード電極に対向する位置に配置されるとともに基板が載置されるアノード電極とを備えており、前記カソード電極の基板側表面付近に原料ガスのプラズマを発生させることにより、前記基板上に薄膜を形成するＣＶＤ装置であって、前記カソード電極と前記アノード電極との間に、少なくとも基板表面を覆う開閉可能なシャッター部を備えており、このシャッター部は、開状態で基板とカソード電極とを対面するのを許容し、閉状態で基板とカソード電極とが対面するのを遮断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバ内に開口し、チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給孔を有するカソード電極と、
前記カソード電極に対向する位置に配置されるとともに基板が載置されるアノード電極と、
チャンバ内のガスを排気するガス排気部と、
を備えており、前記カソード電極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、前記基板上に薄膜を形成するＣＶＤ装置であって、
前記カソード電極と前記アノード電極との間に、少なくとも基板表面を覆う開閉可能なシャッター部を備えており、このシャッター部は、開状態で基板とカソード電極との対面を許容し、閉状態で基板とカソード電極との対面を遮断することを特徴とするＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記シャッター部は、前記カソード電極の基板側表面から次式を満たす距離ｄに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ装置。
Ｖｓ≦Ｂ＊ｐ＊ｄ／（ｃｏｎｓｔ+ｌｎ（ｐ＊ｄ））
ここで、Ｖｓ：カソード電極の放電電圧  ｐ：チャンバ内圧力
Ａ、Ｂ：電界Ｅに対する電子の衝突電離係数ａを次式で表したときに定まる係数。
ａ＝ｐ＊Ａ＊ｅｘｐ（−Ｂ／（Ｅ／ｐ））
【請求項３】
前記シャッター部は、少なくとも基板と対向する領域全体が開口する開口領域を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記カソード電極とシャッター部とアノード電極とが鉛直方向と直交する方向に配列されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜半導体、特に、アモルファスシリコン又は微結晶シリコン薄膜太陽電池に適したＣＶＤ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アモルファスシリコン膜を用いた太陽電池の研究が進められており、実用化に至っている。このような太陽電池は、プラズマＣＶＤ装置を用いて形成されている。一般には、下記特許文献１に記載されているように、チャンバ内にカソード電極とアノード電極とが配置されており、カソード電極に高周波電力を投入することにより、カソード電極と、これらの電極間に配置されたメッシュ電極との間でプラズマを励起させる。そして、このプラズマにより原料ガスを分解することにより、基板上に製膜ラジカルを堆積させて薄膜を形成する。なお、原料ガスを分解する際には、製膜ラジカル（長寿命ラジカル）の生成と同時に薄膜の品質を低下させる高エネルギ粒子（短寿命ラジカルを含む製膜に不要な粒子）も生成されるが、この高エネルギ粒子はメッシュ電極によって捕獲されるようになっている。
【０００３】
一方、下記特許文献２に記載されているように、上記ＣＶＤ装置よりも高エネルギ粒子を効率よく捕獲しながら製膜できるＣＶＤ装置も開発されている。具体的には、カソード電極としてガス導入用穴と排ガス用穴が形成されたホローカソード電極が用いられ、このホローカソード電極に高周波電力を投入すると、ガス導入用穴にプラズマが励起し、ガス導入用穴に供給された原料ガスが分解されることにより、製膜ラジカルが生成される。そして、製膜ラジカルの生成と同時に高エネルギ粒子も生成されるが、この高エネルギ粒子は、排ガス用穴によって排気されることにより、基板上には製膜ラジカルが堆積され薄膜が形成されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９５３０
【特許文献２】特開２００７−２１４２９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載のＣＶＤ装置では、基板とカソード電極の間にはメッシュ電極が存在するため、基板とカソード電極間に遮蔽物が存在することになる。そのためメッシュ電極は、膜の品質を低下させる高エネルギ粒子だけでなく、製膜ラジカルをも捕獲してしまうため、製膜速度が上がらないという問題があった。
【０００６】
また、上記特許文献２では、製膜初期では、高エネルギ粒子が大量に発生するのに加え、ガス導入用穴から供給されたガスが排ガス用穴から排気されるというガスの流れが不安定な状態になる。そのため、製膜初期においては、排ガス用穴によって高エネルギ粒子が十分に捕獲されず、高エネルギ粒子が基板に到達してしまうのを抑制するのが困難であった。
【０００７】
さらに、製膜時には、ホローカソード電極及びアノード電極が製膜に適した所定温度に制御されるが、製膜初期の状態では、ホローカソード電極全体の温度が一定になっていない不安定な状態であり、ホローカソード電極のガス導入用穴から供給される原料ガスが製膜時よりも低温で供給される。その結果、低温で分解された分解ガスが基板に到達することにより、基板の温度も不安定になることから、製膜条件に影響を与え膜質が低下する一要因になるという問題もあった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、製膜速度を下げずに、製膜初期の膜質が低下することを防止し、安定して基板上に製膜することができるＣＶＤ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明のＣＶＤ装置は、チャンバと、前記チャンバ内に開口し、チャンバ内に原料ガスを供給するガス供給孔を有するカソード電極と、前記カソード電極に対向する位置に配置されるとともに基板が載置されるアノード電極と、チャンバ内のガスを排気するガス排気部と、を備えており、前記カソード電極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、前記基板上に薄膜を形成するＣＶＤ装置であって、前記カソード電極と前記アノード電極との間に、少なくとも基板表面を覆う開閉可能なシャッター部を備えており、このシャッター部は、開状態で基板とカソード電極との対面を許容し、閉状態で基板とカソード電極との対面を遮断することを特徴としている。
【００１０】
上記ＣＶＤ装置によれば、開状態で基板とカソード電極との対面を許容し、閉状態で基板とカソード電極との対面を遮断するシャッター部を設けているため、製膜速度を下げずに基板上に安定した均一な薄膜を形成することができる。すなわち、カソード電極に高周波電力を投入すると、ガス供給孔にプラズマが励起することにより、ガス供給孔に供給された原料ガスが分解されて製膜ラジカル（長寿命ラジカル）が生成される。製膜初期の段階では、ガス供給孔から供給され、ガス排気部から排気されるガスの流れが不安定な状態であるため、製膜ラジカルの発生と同時に発生する高エネルギ粒子（短寿命ラジカルを含む製膜に不要な粒子）を十分捕獲するのが困難であるが、製膜初期の段階でシャッター部を閉状態にしておくことで高エネルギ粒子が基板に到達するのを防止することができる。また、製膜初期では、カソード電極の温度が不安定な状態であるため、低温の分解ガスが発生するが、シャッター部を閉状態にすることで低温の分解ガスが基板に到達して基板の温度に影響を与えるのを防止することができる。したがって、製膜初期には、シャッター部を閉状態にし、ガスの流れや温度等の製膜条件が安定した段階でシャッター部を開状態にすることにより、基板上に安定した薄膜を形成することができる。そして、シャッター部が開状態では基板とカソード電極との対面が許容されるため、基板とカソード電極との間にメッシュ状の遮蔽板などが存在せず、製膜速度を下げずに均一な薄膜を形成することができる。
【００１１】
また、前記シャッター部は、前記カソード電極の基板側表面から次式を満たす位置ｄに設けられていることが好ましい。
Ｖｓ≦Ｂ＊ｐ＊ｄ／（ｃｏｎｓｔ+ｌｎ（ｐ＊ｄ））
ここで、Ｖｓ：カソード電極の放電電圧  ｐ：チャンバ内圧力
Ａ、Ｂ：電界Ｅに対する電子の衝突電離係数ａを次式で表したときに定まる係数。
ａ＝ｐ＊Ａ＊ｅｘｐ（−Ｂ／（Ｅ／ｐ））
【００１２】
この構成によれば、カソード電極とシャッター部との距離がパッシェンの法則を満たす距離ｄ以上の距離に維持されるため、カソード電極とシャッター部との間でプラズマが発生するのを防止することができる。すなわち、カソード電極とシャッター部との距離がｄよりも小さくなると、カソード電極とシャッター部との間でプラズマが発生し、カソード電極の表面に形成されるプラズマ雰囲気に乱れが生じることにより、高エネルギ粒子が大量に発生し、膜質が悪化するという問題が生じる。したがって、カソード電極とシャッター部との距離を上式満たすｄに設定することで、カソード電極とシャッター部との間にプラズマが発生するのを抑えて安定した製膜を形成することができる。
【００１３】
また、前記シャッター部は、少なくとも基板と対向する領域全体が開口する開口領域を有する構成にしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、シャッター部を開状態にすると、カソード電極と基板全体とが直接対面し、これらの間に遮るものが存在しない。すなわち、開口領域に、メッシュ等の遮蔽領域が存在することにより、カソード電極で生成された製膜ラジカルを効率的に到達させることができずに、製膜速度が低下してしまうという問題を回避することができる。
【００１５】
また、前記カソード電極とシャッター部とアノード電極とが鉛直方向と直交する方向に配列されている構成とすることもできる。
【００１６】
この構成によれば、シャッター部の開閉動作により、仮にパーティクルが発生した場合であっても、重力の影響によりパーティクルが基板表面に落下して膜質に影響するという問題を回避することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のＣＶＤ装置によれば、製膜速度を低下させずに、製膜初期の膜質低下を防止し、安定して基板上に製膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態におけるＣＶＤ装置を示す概略図である。
【図２】上記ＣＶＤ装置のカソード電極の概略断面図である。
【図３】シャッター部の開閉動作を示す図であり、（ａ）は閉状態を示す図であり、（ｂ）は開状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態におけるＣＶＤ装置を示す概略図であり、図２は、カソード電極を示す概略断面図である。
【００２０】
図１、図２に示すように、ＣＶＤ装置は、チャンバ１と、このチャンバ１内に互いに対向する位置に配置されるカソード電極２１を有するカソードユニット２と、アノード電極３と、これらカソード電極２１とアノード電極３との間に配置されるシャッター部４と、を有している。そして、カソード電極２１に高周波電力を投入してカソード電極２１にプラズマを発生させると、カソード電極２１に供給される原料ガスが分解されて製膜ラジカルが生成され、この製膜ラジカルがアノード電極３に載置された基板５上に堆積して基板５上に薄膜が形成されるようになっている。なお、製膜ラジカルとは、製膜に必要な長寿命ラジカルのことであり、その他、均一な製膜の形成を妨げる粒子（短寿命ラジカルを含む）を高エネルギ粒子と呼ぶことにする。
【００２１】
チャンバ１は、その内部で製膜ラジカルを発生させて基板５上に薄膜を形成させる容器であり、その内部が所定の圧力に保たれるように構成されている。また、チャンバ１全体は、アースされており、生成した製膜ラジカルが基板５に到達する前に電気的な影響を受けるのを回避できるようになっている。
【００２２】
このチャンバ１には、製膜ラジカルを生成するカソードユニット２が設けられている。このカソードユニット２は、プラズマを発生させるカソード電極２１と、このカソード電極２１に原料ガスを供給するガス供給部２２と、チャンバ１内のガスを排気させるガス排気部２３とを有している。
【００２３】
ガス排気部２３は、チャンバ１の上方ほぼ中央部分に設けられている。具体的には、チャンバ１内外を連通して接続する配管２３ａが設けられており、この配管２３ａが真空ポンプ２３ｂと連結されている。したがって、真空ポンプ２３ｂを作動させると、チャンバ１内のガスがこの配管２３ａを通じて排気されるようになっている。本実施形態では、この配管２３ａの先端部分が径方向に広がる形状を有しており、この先端部分に、カソード電極２１が取り付けられている。そして、後述するようにカソード電極２１には、排気孔２１ｂが形成されており、真空ポンプ２３ｂを作動させると排気孔２１ｂを通じてチャンバ１内のガスが排気されるようになっている。
【００２４】
ガス供給部２２は、チャンバ１内に原料ガスを供給するものであり、絶縁板２４を介して、カソード電極２１につながっている。具体的には、チャンバ１に連通して接続させる配管２２ａが設けられており、この配管２２ａの一方が後述のガス供給板２２ｃを通じてカソード電極２１のガス供給孔２１ａと連結され、他方が原料ガスボンベ２２ｂに連結されている。そして、配管２２ａの途中には可変バルブ（不図示）が設けられており、この可変バルブを調節することで、原料ガスが所定流量でカソード電極２１のガス供給孔２１ａに供給されるようになっている。
【００２５】
カソード電極２１は、高周波電力を投入することでガス供給孔にスポット状にプラズマを発生させて、原料ガスを分解し製膜ラジカルを生成するものである。カソード電極２１は、ステンレスやアルミニウムなどの金属材料で形成されており、カソード電極２１上に絶縁板２４、ガス供給板２２ｃを介して設けられたヒータ２５により、カソード電極２１全体が所定の温度に制御されるようになっている。具体的には、プロセス温度として室温以上であればよく、好ましくは、１００〜４００℃、より好ましくは、２００〜３００℃に制御される。
【００２６】
また、このカソード電極２１には、図２に示すように、ガス供給孔２１ａと排気孔２１ｂとが複数形成されており、これらが互いに隣り合う位置に配置されている。すなわち、カソード電極２１の基板側表面は、多数の孔が形成されたシャワーヘッド形状に形成されている。
【００２７】
ガス供給孔２１ａは、チャンバ１内に原料ガスを供給する孔であり、筒状に形成されている。そして、ガス供給孔２１ａの一方端は基板側表面に開口して形成されており、他方端は原料ガスを分配するガス供給板２２ｃを介してガス供給部２２と連結されている。これにより、ガス供給部２２から原料ガスが所定の圧力で供給されると、原料ガスがガス供給板２２ｃを介してそれぞれのガス供給孔２１ａの開口部分からチャンバ１内に供給されるようになっている。
【００２８】
また、ガス供給孔２１ａの径は、カソード電極２１に所定の電圧が負荷されることにより、プラズマが発生する寸法に形成されている。したがって、カソード電極２１に連結された高周波電源６から高周波電力が投入されると、ホロー効果により、すべてのガス供給孔２１ａにプラズマが発生するようになっている。
【００２９】
また、排気孔２１ｂは、チャンバ１内の排ガスを排気する孔であり、筒状に形成されている。この排気孔２１ｂはガス供給孔２１ａと隣り合う位置に形成されており、一方端は基板側表面に開口して形成されており、他方端は上述のガス排気部２３の配管２３ａに連通されている。これにより、真空ポンプ２３ｂを作動させると、すべての排気孔２１ｂからチャンバ１内のガスがガス排気部２３を通じて排気されるようになっている。
【００３０】
これにより、原料ガスを供給しつつ真空ポンプ２３ｂを作動させた状態では、ガス供給孔２１ａから排気孔２１ｂに向かってガスの流れが形成される。そして、ヒータ２５により、カソード電極２１全体が所定の温度に制御しつつ、ガス供給孔２１ａに原料ガスを供給し、高周波電力を投入すると、ガス供給孔２１ａ内のプラズマにより原料ガスが分解され、製膜ラジカルが発生する。そして、この製膜ラジカルの発生と同時に高エネルギ粒子も発生するが、高エネルギ粒子は、製膜ラジカルに比べて拡散長の短い重い粒子であるため、ガス供給孔２１ａに隣り合う位置に設けられた排気孔２１ｂを通じて選択的に排気される。すなわち、カソード電極２１の基板側表面からは、製膜ラジカルが有効に生成されるようになっている。
【００３１】
また、チャンバ１の底面には、カソード電極２１と対向する位置に、アノード電極３が設けられている。このアノード電極３は、ステンレスやアルミニウム等の金属材料で形成されており、図１に示すように、アースされている。
【００３２】
また、アノード電極３は、基板ホルダ３１を有している。この基板ホルダ３１は、基板５を保持するものであり、薄膜を形成する基板５の表面がカソード電極２１の基板側表面とほぼ平行をなす姿勢で保持されるようになっている。そして、アノード電極３には、ヒータ（不図示）が設けられており、このヒータにより、基板ホルダ３１に載置された基板５が所定の温度になるように制御されるようになっている。具体的には、プロセス温度として室温以上であればよく、好ましくは、１００〜４００℃、より好ましくは、２００〜３００℃に制御される。
【００３３】
また、カソード電極２１とアノード電極３との間には、シャッター部４が設けられている。このシャッター部４は、製膜処理を行う初期の段階で、カソード電極２１で発生した高エネルギ粒子が基板５に到達するのを防止するとともに、所定のプロセス温度に達していない低温のガスが基板５に到達して基板５の温度が下がるのを防止するためのものである。
【００３４】
シャッター部４は、チャンバ１に固定される支持板４１と、この支持板４１に取付けられるシャッター扉４２とを有している。支持板４１は、平板状部材であり、この支持板４１によりシャッター扉４２が支持されている。この支持板４１は、チャンバ１の壁に取付られており、チャンバ１の壁から中央部分に延びる姿勢で取付けられている。
【００３５】
また、このシャッター部４は、カソード電極２１から所定の位置に設けられている。すなわち、カソード電極２１に高周波電力を投入したときに、カソード電極２１とシャッター部４との間でプラズマが発生するのを抑える位置に設けられている。具体的には、シャッター部４のシャッター扉４２とカソード電極２１との距離ｄが次式を満たす位置に設けられている。
Ｖｓ≦Ｂ＊ｐ＊ｄ／（ｃｏｎｓｔ+ｌｎ（ｐ＊ｄ））
ここで、Ｖｓ：カソード電極の放電電圧  ｐ：チャンバ内圧力
Ａ、Ｂ：電界Ｅに対する電子の衝突電離係数ａを次式で表したときに定まる係数。
ａ＝ｐ＊Ａ＊ｅｘｐ（−Ｂ／（Ｅ／ｐ））
【００３６】
すなわち、シャッター扉４２とカソード電極２１とが上記式を満たす距離ｄ以上の距離を有していれば、パッシェンの法則により、プラズマの発生を抑制することができる。これにより、カソード電極２１で発生したプラズマを乱すことなく安定したプラズマ雰囲気内で製膜ラジカルが生成される。なお、上式の＊は積算を表す記号である。
【００３７】
また、シャッター扉４２は、カソード電極２１と基板５との対面を許容又は遮断するものである。このシャッター扉４２は、２枚一組で構成されており、このシャッター扉４２が開閉動作することにより、カソード電極２１と基板５との対面を許容又は遮断できるようになっている。具体的には、シャッター扉４２は支持板４１に沿って移動できるように構成されており、本実施形態では、基板に対してほぼ平行な方向に往復動作できるように構成されている。そして、２枚のシャッター扉４２が中央位置で当接する状態、すなわち図３（ａ）に示す閉状態では、カソード電極２１と基板５との対面が遮断され、２枚のシャッター扉４２が中央位置から離れた状態、すなわち図３（ｂ）に示す開状態では、カソード電極２１と基板５との対面が許容される。
【００３８】
また、このシャッター部４の開口領域αは、基板５との対向領域βよりも大きくなるように設定されている。すなわち、このシャッター扉４２は、片側のシャッター扉４２の大きさが、少なくとも基板５の半面の大きさよりも大きく形成されており、両側のシャッター扉４２が閉じられた状態では、基板５を完全に覆う状態になり、両側のシャッター扉４２が開かれた状態では、基板５全体とカソード電極２１とが、直接対向できるようになっている。これにより、シャッター扉４２が開状態では、カソード電極２１で生成された製膜ラジカルが、その途中で遮られることなく到達することができる。これにより、製膜ラジカルの拡散により、基板５表面全体に亘って均一に製膜ラジカルが到達でき、基板５上の薄膜の均一精度を向上させることができる。
【００３９】
以上、上記実施形態のおけるＣＶＤ装置によれば、開状態で基板５とカソード電極２１との対面を許容し、閉状態で基板５とカソード電極２１との対面を遮断するシャッター部４を設けているため、基板５上に安定した薄膜を形成することができる。すなわち、カソード電極２１に高周波電力を投入すると、ガス供給孔２１ａにプラズマが励起することにより、ガス供給孔２１ａに供給された原料ガスが分解されて製膜ラジカルが生成される。製膜初期の段階では、ガス供給孔２１ａから供給されたガスが排気孔２１ｂから排気されるガスの流れが不安定な状態であるため、製膜ラジカルの発生と同時に発生する高エネルギ粒子が十分捕獲されるのが困難であるが、製膜初期の段階でシャッター部４を閉状態にしておくことで高エネルギ粒子が基板５に到達するのを防止することができる。また、製膜初期では、カソード電極２１の温度が不安定な状態であるため、低温の分解ガスが発生するが、シャッター部４を閉状態にすることで低温の分解ガスが基板５に到達して基板５の温度に影響を与えるのを防止することができる。したがって、製膜初期には、シャッター部４を閉状態にし、ガスの流れや温度等の製膜条件が安定した段階でシャッター部４を開状態にすることにより、基板５上に安定した薄膜を形成することができる。
【００４０】
また、上記実施形態では、カソード電極２１、シャッター部４、アノード電極３が鉛直方向に配置される例について説明したが、これらが鉛直方向と直交する方向（水平方向）に配置されるＣＶＤ装置であってもよい。各部の説明は上記ＣＶＤ装置と同様であるため、詳細な説明は省略するが、カソード電極２１、シャッター部４、アノード電極３がこの順に水平方向に配置されれば、シャッター部４の開閉動作の際、仮にパーティクル等が発生した場合であっても、パーティクルが重力の影響により鉛直方向に落下する。すなわち、鉛直方向と直交方向の基板５表面に落下するのを防止することができるため、均一な膜質を有する薄膜を形成することができる。
【００４１】
また、上記実施形態では、カソード電極２１に排気孔２１ｂを設ける例について説明したが、チャンバ１に設けた配管２３ａにより、直接チャンバ１内のガスを排気させる構成でもよい。この場合、その配管２３ａは、カソード電極２１の基板側表面よりも基板５と反対側に設けるのが好ましい。これにより、カソード電極２１で発生した高エネルギ粒子が基板５側に拡散するのを防止することができる。
【００４２】
また、上記実施形態では、シャッター部４のシャッター扉４２が２枚一組である例について説明したが、シャッター扉４２が１枚で構成されるものであってもよい。この構成であれば、シャッター扉４２同士が当接する部分が存在しないため、仮にシャッター扉４２が閉状態であっても、この当接する部分から高エネルギ粒子が基板側に抜けてしまうという問題を回避することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  チャンバ
３  アノード電極
４  シャッター部
５  基板
２１  カソード電極
２１ａ  ガス供給孔
２１ｂ  排気孔
２２  ガス供給部
２２ａ  ガス供給管
２２ｂ  ガスボンベ
２２ｃ  ガス供給板
２３  ガス排気部
２４  絶縁板
２５  ヒータ
４２  シャッター扉
【図１】
2011035248.tif 000003
【図２】
2011035248.tif 000004
【図３】
2011035248.tif 000005