(57)【要約】【課題】基板の成膜処理時における熱膨張に起因するカソード電極の変形が抑制されたプラズマＣＶＤ成膜装置を提供する。【解決手段】基板プレートの垂直方向に延伸する搭載面に搭載された基板に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜装置であって、基板プレートが格納されるチャンバーと、搭載面と対向するカソード面を有してチャンバー内に配置され、一方の端部がチャンバーに固定され、一方の端部とカソード面を挟んで対向する他方の端部の位置がカソード面の伸縮に応じてカソード面と平行に水平方向にスライドするカソード電極と、基板プレートとカソード電極間に交流電力を供給して、搭載面とカソード面間において原料ガスをプラズマ状態にする交流電源とを備え、原料ガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を基板上に形成する。【選択図】図１
2015014029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板プレートの垂直方向に延伸する搭載面に搭載された基板に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜装置であって、
前記基板プレートが格納されるチャンバーと、
前記搭載面と対向するカソード面を有して前記チャンバー内に配置され、一方の端部が前記チャンバーに固定され、前記一方の端部と前記カソード面を挟んで対向する他方の端部の位置が前記カソード面の伸縮に応じて前記カソード面と平行に水平方向にスライドするカソード電極と、
前記基板プレートと前記カソード電極間に交流電力を供給して、前記搭載面と前記カソード面間において前記原料ガスをプラズマ状態にする交流電源と
を備え、前記原料ガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を前記基板上に形成することを特徴とするプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項２】
前記カソード電極の前記他方の端部と接続する取り付けブロックと、
前記チャンバーに固定され、水平方向に延伸する空洞の開口部が前記カソード電極に対向する表面に配置された支持部と
を更に備え、前記空洞内を前記取り付けブロックが前記カソード面と平行に水平方向にスライドすることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項３】
前記支持部が、前記空洞内で前記カソード電極の前記他方の端部と接触する伸縮性を有する板金を備え、前記板金を介して前記交流電力が前記カソード電極に供給されることを特徴とする請求項２に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項４】
前記カソード面の面法線方向に並行に配列された複数の前記カソード電極を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【請求項５】
前記カソード電極が、前記カソード面に開口部を有する貫通孔を有し、前記基板プレートとの間にホローカソード放電を生じさせるホローカソード電極であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプラズマＣＶＤ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを形成して成膜を行うプラズマＣＶＤ成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜、エッチング、アッシングなどの処理にプラズマ処理装置が用いられている。例えば成膜装置として、平行平板を構成するカソード電極とアノード電極間にプラズマを形成して成膜処理を行うプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）成膜装置が知られている。プラズマＣＶＤ成膜装置では、高周波電力などにより原料ガスがプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。
【０００３】
成膜処理において基板の加熱が必要な場合がある。例えば太陽電池の反射防止膜の成膜処理などでは、処理対象の基板の温度を予め決められた設定温度にした状態で、基板に窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜などを形成する。このため、成膜処理時の加熱によってカソード電極が熱膨張するおそれがある。カソード電極が熱膨張することにより、カソード面に歪みが生じて、膜厚分布の異常や成膜レートの低下などの問題が生じる。
【０００４】
カソード電極の熱膨張によるカソード面の歪みを防止するために、例えば水平な基板プレート上に基板を配列して配置するカートタイプのサンプルホルダを使用する場合に、基板プレートと対向する複数のカソード電極を用意し、熱膨張しても隣接するカソード電極同士がぶつからないように各カソード電極を互いに離間して配置する方法が考えられている。或いは、水平方向に延伸する電極板にスライダ部を配置する方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平５−９６０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、カートタイプのサンプルホルダを使用した場合は成膜装置の設置面積（フットプリント）が大きいという問題がある。これに対し、基板を搭載する搭載面が垂直方向に延伸する基板プレートを有するボートタイプのサンプルホルダを使用すれば装置の設置面積を抑制できる。しかし、ボートタイプのサンプルホルダを使用する場合には、カソード電極を垂直方向に配置する必要がある。更に、サンプルホルダが複数の基板プレートを有する場合には、基板プレートの搭載面にそれぞれ対向する複数のカソード電極を用意する必要がある。
【０００７】
本発明は、基板の成膜処理時における熱膨張に起因するカソード電極の変形が抑制されたプラズマＣＶＤ成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、基板プレートの垂直方向に延伸する搭載面に搭載された基板に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜装置であって、（イ）基板プレートが格納されるチャンバーと、（ロ）搭載面と対向するカソード面を有してチャンバー内に配置され、一方の端部がチャンバーに固定され、一方の端部とカソード面を挟んで対向する他方の端部の位置がカソード面の伸縮に応じてカソード面と平行に水平方向にスライドするカソード電極と、（ハ）基板プレートとカソード電極間に交流電力を供給して、搭載面とカソード面間において原料ガスをプラズマ状態にする交流電源とを備え、原料ガスに含まれる原料を主成分とする薄膜を基板上に形成するプラズマＣＶＤ成膜装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、基板の成膜処理時における熱膨張に起因するカソード電極の変形が抑制されたプラズマＣＶＤ成膜装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置に格納されるサンプルホルダの構成を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の支持部の構成を示す、カソード面と平行な面に沿った模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の固定部の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置の支持部の構成を示す上面図である。
【図６】ホローカソード電極の構造例を示す模式図であり、図６（ａ）は斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＶＩ−ＶＩ方向に沿った断面の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置１は、基板プレートの垂直方向に延伸する搭載面に搭載された基板に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ成膜装置である。プラズマＣＶＤ成膜装置１は、図１に示すように、基板プレート１１が格納されるチャンバー２０と、基板プレート１１の搭載面１１０と対向するカソード面３１を有してチャンバー２０内に配置されたカソード電極３０と、基板プレート１１とカソード電極３０間に交流電力を供給して、基板プレート１１の搭載面１１０とカソード面３１間において原料ガス５００をプラズマ状態にする交流電源４０とを備える。カソード電極３０の、一方の端部（以下において「固定端３０１」という。）がチャンバー２０に固定され、固定端３０１とカソード面３１を挟んで対向する他方の端部（以下において「自由端３０２」という。）の位置が、カソード面３１の伸縮に応じてカソード面３１と平行に水平方向にスライドする。自由端３０２のスライドの詳細については後述する。
【００１３】
図１では、カソード電極３０を透過して、基板プレート１１及び基板１００を記載している。
【００１４】
成膜処理対象の基板１００は、例えば図２に示すようなサンプルホルダ１０に搭載される。図２に示すサンプルホルダ１０は、搭載面１１０をそれぞれ有する複数の基板プレート１１が搭載面１１０の面法線方向と並行に配列されたボートタイプである。基板プレート１１のそれぞれの底部は底板１２によって固定されている。搭載面１１０を複数有するボートタイプのサンプルホルダ１０を使用することにより、プラズマＣＶＤ成膜装置１の設置面積を小さくできる。そして、１回の成膜処理工程で処理できる基板１００の枚数を増やすことができ、全体の処理時間を短縮することができる。なお、１つの搭載面１１０に搭載される基板の枚数は任意に設定できる。サンプルホルダ１０は、プラズマＣＶＤ成膜装置１内でアノード電極として機能する。
【００１５】
プラズマＣＶＤ成膜装置１では、原料ガス５００に含まれる原料を主成分とする薄膜が基板１００上に形成される。図１に示したガス供給装置５０からチャンバー２０内に原料ガス５００が導入される。原料ガス５００を導入後、排気装置６０によってチャンバー２０内の圧力が調整される。
【００１６】
チャンバー２０内の原料ガス５００の圧力が所定のガス圧に調整された後、交流電源４０によって所定の交流電力がカソード電極３０と基板プレート１１間に供給される。これにより、チャンバー２０内の原料ガス５００がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１００を曝すことにより、原料ガス５００に含まれる原料を主成分とする所望の薄膜が基板１００の露出した表面に形成される。
【００１７】
図１に示したように、カソード電極３０の固定端３０１は、チャンバー２０の内壁に固定された固定部７０に固定されている。
【００１８】
カソード電極３０の自由端３０２に、取り付けブロック３５が接続されている。取り付けブロック３５は、水平方向に移動可能なように、チャンバー２０の内壁に固定された支持部８０に取り付けられている。具体的には、図３に示すように、カソード電極３０に対向する表面に開口部が配置されて支持部８０の内部に水平方向に延伸する空洞８００が形成され、空洞８００内部に取り付けブロック３５の少なくとも一部が配置されている。取り付けブロック３５の断面積は空洞８００の断面積よりも小さい。このため、取り付けブロック３５は、空洞８００内を矢印で示したようにカソード面３１と平行に水平方向にスライドできる。図３では貫通孔により空洞８００が形成されている例を示したが、空洞８００が貫通孔でなくてもよい。
【００１９】
図３に示したように、空洞８００の内壁には伸縮性を有する板金８１が配置されており、空洞８００内で板金８１と取り付けブロック３５とが常に接触するようになっている。板金８１及び取り付けブロック３５を介して、支持部８０とカソード電極３０は電気的に接続されている。
【００２０】
なお、固定部７０と支持部８０は導電性を有するブスバー９０と電気的に接続されている。このため、交流電源４０が出力する電力は、ブスバー９０を介してカソード電極３０に供給される。
【００２１】
図１に示したプラズマＣＶＤ成膜装置１では、成膜処理時の基板１００の加熱処理によってカソード面３１が膨張した場合に、取り付けブロック３５が支持部８０の空洞８００内をチャンバー２０側にスライドする。一方、カソード面３１が収縮した場合には、取り付けブロック３５が支持部８０の空洞８００内をカソード電極３０側にスライドする。このため、加熱処理に起因するカソード電極３０の伸縮に応じて、自由端３０２の位置がカソード面３１と平行に水平方向にスライドする。これにより、カソード面３１の歪みの発生が抑制される。
【００２２】
複数の基板プレート１１がチャンバー２０内に格納される場合には、図４に示すように、それぞれの基板プレート１１の搭載面１１０と対向する複数のカソード電極３０の固定端３０１が、互いに離間して固定部７０に固定される。また、図５に示すように、カソード電極３０の自由端３０２にそれぞれ接続する複数の取り付けブロック３５が、互いに離間して支持部８０に固定される。このため、熱膨張に応じて複数のカソード電極３０を個別に伸縮させることができる。
【００２３】
なお、ホローカソード放電を利用して高密度のプラズマを発生させるために、カソード電極３０のカソード面３１に凹部や貫通孔などを配置して構成される凹凸形状の構造体（以下において、「放電構造体」という）を形成してもよい。放電構造体を有するホローカソード電極を用いて、基板プレート１１とカソード面３１との間にホローカソード放電を発生させることができる。
【００２４】
例えば、放電構造体として、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すようにカソード電極３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３０３が形成された構造を採用可能である。貫通孔３０３の開口部は、基板プレート１１の搭載面１１０と対向するようにカソード面３１に形成される。貫通孔３０３の直径は、目詰まりの心配が無く、且つメンテナンスが容易であるように３ｍｍ〜８ｍｍ程度に設定され、例えば５ｍｍである。
【００２５】
図６（ａ）、図６（ｂ）に示したカソード電極３０の表裏のカソード面３１にそれぞれ励起されるプラズマは、貫通孔３０３によって連結する。このため、カソード電極３０の両面におけるプラズマ濃度の濃淡の差は自然に補正され、カソード面３１に密度が均一なプラズマ空間を生成できる。したがって、カソード電極３０に多数の貫通孔３０３を形成したマルチホローカソード構造を採用することによって、カソード電極３０の両面に均一なマルチホロー放電を得ることができる。「マルチホロー放電」とは、各貫通孔３０３にそれぞれ生じたホローカソード放電が合わさってカソード電極３０のカソード面３１に生じる放電である。これにより、カソード面３１に均一な高密度プラズマを実現することができる。その結果、原料ガスが効率よく分解され、高速で大面積に均一に薄膜が基板１００上に形成される。
【００２６】
ところで、カソード電極３０に貫通孔３０３が形成されている場合は、貫通孔３０３の内壁に成膜処理中に膜が堆積する。ホローカソード放電により貫通孔３０３の内壁に堆積した膜は、非常に硬度が高く、外側に広がろうとする応力を有する。熱膨張により広がった貫通孔３０３の内壁に膜が堆積し、温度が下がっても膜応力によって元に戻りきれないことが繰り返されて、貫通孔３０３を有するカソード電極３０はより変形しやすい。
【００２７】
しかし、図１に示したプラズマＣＶＤ成膜装置１では、カソード電極３０の自由端３０２がカソード面３１と平行にスライドするため、カソード電極３０の変形を抑制できる。なお、貫通孔３０３を形成した場合に限らず、カソード面３１に放電構造体として溝やディンプルなどの凹部を形成したカソード電極３０の場合にも、同様に変形を抑制できる。
【００２８】
カソード電極３０には、アルミニウム（Ａｌ）材やステンレス鋼（ＳＵＳ）材などが使用されるが、熱膨張が少ないことからカーボン材を使用することが好ましい。例えば、Ａｌ材のＡ５０５２の熱膨張係数は２３．５×１０-6／℃、ＳＵＳ材のＳＵＳ３１６の熱膨張係数は１７．３×１０-6／℃、カーボン材の熱膨張係数は５．５×１０-6／℃である。金属製のカソード電極３０では、成膜処理における３００℃〜４５０℃の加熱により、カソード面３１が歪むことが確認されている。
【００２９】
プラズマＣＶＤ成膜装置１においては、原料ガスを適宜選択することによって所望の薄膜を形成できる。例えば、シリコン半導体薄膜、シリコン窒化薄膜、シリコン酸化薄膜、シリコン酸窒化薄膜、カーボン薄膜などを基板１００上に形成することができる。具体的には、アンモニア（ＮＨ3）ガスとシラン（ＳｉＨ4）ガスの混合ガスを用いて、基板１００上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜が形成される。或いは、シラン（ＳｉＨ4）ガスとＮ2Ｏガスの混合ガスを用いて、基板１００上に酸化シリコン（ＳｉＯx）膜が形成される。例えば太陽電池の反射防止膜としては、屈折率が１．８〜３．０、膜厚が５０〜１５０ｎｍ程度の窒化シリコン膜を形成する。
【００３０】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ成膜装置１では、カソード電極３０の端部の位置が熱膨張に応じて水平方向にスライドする。このため、ボートタイプのサンプルホルダ１０に搭載された基板１００の成膜処理時における熱膨張に起因するカソード電極３０の変形が防止され、カソード面３１の歪みが発生しない。その結果、図１に示したプラズマＣＶＤ成膜装置１によれば、膜厚分布の異常や成膜レートの低下などを抑制することができる。
【００３１】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３２】
既に述べた実施形態の説明においては、カソード電極３０の自由端３０２に接続された取り付けブロック３５が支持部８０の空洞８００内をスライドする例を示したが、自由端３０２が空洞８００内をスライドするようにしてもよい。
【００３３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００３４】
１…プラズマＣＶＤ成膜装置
１０…サンプルホルダ
１１…基板プレート
１２…底板
２０…チャンバー
３０…カソード電極
３１…カソード面
３５…取り付けブロック
４０…交流電源
５０…ガス供給装置
６０…排気装置
７０…固定部
８０…支持部
８１…板金
９０…ブスバー
１００…基板
１１０…搭載面
３０１…固定端
３０２…自由端
３０３…貫通孔
５００…原料ガス
８００…空洞
【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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