(57)【要約】【課題】誘電体窓表面への堆積膜の生成や結晶化を防止し、比較的大きなマイクロ波投入電力を長時間安定的に放電空間に伝送して均質なプラズマを生成し、高品質で均一性に優れた堆積膜を形成することができる堆積膜形成装置を提供する。【解決手段】平板スロットアンテナ１０３を具備し、このアンテナ１０３から誘電体窓１０４を介して放電空間内にマイクロ波を導入し、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって基体１０８上に堆積膜を形成する堆積膜形成装置であって、誘電体窓１０４の放電空間側の面に、複数の中空部材を並列に配して複数のガス流路に区画された材料ガス供給マニホールド１０７を配している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板スロットアンテナを具備し、該アンテナから誘電体窓を介して放電空間内にマイクロ波を導入し、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成装置において、
誘電体窓の放電空間側の面に、複数の中空部材を並列に配して複数のガス流路に区画された材料ガス供給マニホールドを配設したことを特徴とする堆積膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマＣＶＤ法によって基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成装置に係り、例えば、アモルファスシリコンやアモルファス合金、さらに微結晶シリコンを用いた太陽電池等の光起電力素子の半導体薄膜、窒化シリコンを用いた半導体素子の絶縁膜または光学薄膜を連続的に作製する堆積膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン系非単結晶は、プラズマＣＶＤ法によって大面積の半導体膜を形成することができ、結晶シリコンや多結晶シリコンと比較して、大面積の半導体デバイスを比較的容易に形成することに利用できる。そのため、アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン膜は、大きな面積を必要とする半導体デバイス、具体的には、太陽電池、複写機の感光ドラム、ファクシミリのイメージセンサー、液晶ディスプレー用の薄膜トランジスタなどに多く用いられている。
【０００３】
アモルファスシリコン膜の形成は、一般に、ＳｉＨ4やＳｉ2Ｈ6等のＳｉを含有する堆積膜形成用材料ガスを高周波放電によって分解してプラズマ状態にし、該プラズマ中に置かれた基体上に成膜するプラズマＣＶＤ法によりなされている。プラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコン膜を形成する場合には、従来のＲＦ周波数（１３．５６ＭＨｚ近傍）の高周波が一般に用いられてきた。しかし、２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数を用いることにより高密度プラズマを効率的に生成することができ、プラズマＣＶＤ法において堆積膜形成速度の向上が図れる可能性があることから、近年マイクロ波を用いたプラズマＣＶＤ法が注目されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、放電周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数を用いた平板スロットアンテナによるマイクロ波プラズマＣＶＤ法が提案されている。この発明によると、プラズマが効率的にかつ均一分布状態で生起されると共に、生起するプラズマにより試料の均一なエッチング又はアッシング、そして基体上への均一な成膜等を効率的に行い得るとしている。
【０００５】
一方、窒化シリコン薄膜は、半導体プロセスにおける絶縁材料および光学材料として優れた物性を有する観点から、主に高温プロセスであるＣＶＤ法による製法が取り上げられてきた。
【０００６】
しかしながら、比較的高い放電圧力を要したり、大電力を要するような微結晶シリコンや、基体の低温処理を要するような窒化シリコン堆積膜を形成する装置に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を採用しようとすると次のような問題が生じている。すなわち、マイクロ波を放射する平板スロットアンテナから誘電体窓を介してマイクロ波を放電空間に投入してプラズマを生起したところ、マイクロ波プラズマが誘電体窓近傍に集中し、その表面に堆積膜を生成して膜剥がれを生じることで、反応室内にコンタミ等が生じたり、特に誘電体窓に微結晶堆積膜が堆積してマイクロ波投入電力が不安定になったり、誘電体窓に割れが生じることがある。
【０００７】
さらに、近年の大面積化を狙った有機デバイス等のプロセス上においては、材料ガスの導入をいかに均一にするかが懸案事項となっている。
【０００８】
これらの不具合に対し、例えば、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４には、幾つかの改良案が開示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第２７２２０７０号公報
【特許文献２】
特開２０００−２２８３６６号公報
【特許文献３】
特願平７−２０６２１１号公報
【特許文献４】
特開平６−２４４１１８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
まず、特許文献２では、誘電体窓に材料ガスの流路を形成し、そこに至る導入経路のシール方法を工夫してガス漏れを防止している。しかしながら、この装置においては、導電性膜の誘電体窓本体への着膜に対しては対策されていない。
【００１１】
また、導電性膜の誘電体窓への着膜対策としては、リモートプラズマＣＶＤ法があり、特許文献３では、成膜室内をコンダクタンス調整板で仕切り、圧力差を持たせることで誘電体窓近傍の着膜を防ぐとしている。しかし、コンダクタンス調整板への着膜や供給されるガスの吹出し均一性については対策されていない。
【００１２】
さらに、特許文献４では、マイクロ波進行方向に向かってプラズマ制御手段の誘電体窓側に単独では堆積膜を形成することのないガスを供給し、放電空間側に堆積膜形成用材料ガスを供給することにより連続して移動する帯状部材上に堆積膜を形成するとしているが、静止基体上への均一成膜においては具体的開示はなされていない。
【００１３】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、基体上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法により堆積膜を形成するに際し、誘電体窓表面への堆積膜の生成や結晶化を防止し、比較的大きなマイクロ波投入電力を長時間安定的に放電空間に伝送して均質なプラズマを生成し、高品質で均一性に優れた堆積膜を形成することができ、光起電力素子等の半導体薄膜の形成に適した堆積膜形成装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成すべく、本発明に係る堆積膜形成装置は、平板スロットアンテナを具備し、該アンテナから誘電体窓を介して放電空間内にマイクロ波を導入し、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって基体上に堆積膜を形成する堆積膜形成装置において、
誘電体窓の放電空間側の面に、複数の中空部材を並列に配して複数のガス流路に区画された材料ガス供給マニホールドを配設したことを特徴とする。
【００１５】
上記の堆積膜形成装置において、材料ガス供給マニホールドは、接地された導電性部材により構成され、基体に対向しない導電性部材の側面にガス吹き出し孔を有することが好ましい。
【００１６】
また、材料ガス供給マニホールドは、誘電体窓からの高さが供給されるガス分子の平均自由行程以上に、中間部材同士の間隔が平均自由行程と同等の寸法に構成されることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限るものではない。
【００１８】
図１は、本実施形態の堆積膜形成装置における誘電体窓周りを模式的に示す電界方向断面図である。図１において、１０１は同軸管、１０２は真空容器隔壁、１０３は平板スロットアンテナ、１０４は誘電体窓、１０５はステージ、１０６は誘電体座、１０７は材料ガス供給マニホールド、１０８は基体、１０９はヒータ、１１０はガス導入管、１１１は排気配管である。
【００１９】
本実施形態の堆積膜形成装置は、図１に示すようなプラズマＣＶＤ装置であり、この装置を用いて微結晶シリコン半導体を成膜した。図１に示すように、真空容器１０２の内部は、不図示の真空ポンプによって排気配管１１１から真空排気される。真空雰囲気は、誘電体窓１０４の部分において、Ｏリングにより封止されている。
【００２０】
マイクロ波電力は、不図示のマイクロ波電源から同軸管１０１を通過し、平板スロットアンテナ１０３の端面に設置された誘電体窓１０４を透過して、放電室Ａへと放射される。この放射室Ａ内において、ガス導入管１１０から供給された材料ガスがマイクロ波電力により分解してプラズマ化され、ヒータ１０９にて所定温度に加熱された基体１０８上に堆積膜が形成される。
【００２１】
本実施形態の堆積膜形成装置の主要構成要素は、材料ガス供給マニホールド１０７、誘電体窓１０４、及び平板スロットアンテナ１０３により構成されており、以下これらの主要構成要素についてさらに説明を補足する。
【００２２】
（材料ガス供給マニホールド）
材料ガス供給マニホールド１０７は、導電性を有する複数の中空部材により構成され、これらの中間部材を略等間隔で並列に配して複数のガス流路を区画形成しており、基体１０８に対向しない中空部材の側面にはガス吹き出し孔を有し、該ガス吹き出し孔からガスを均等に吹き出し得る構造を有している。これらの中空部材は、高さが供給されるガス分子の平均自由行程以上で、部材同士の間隔が概ね平均自由行程とほぼ同等の寸法を有するように配されている。こうすることによって、プラズマ空間で活性化された着膜成分が材料ガス供給マニホールド１０７を介して誘電体窓側に回り込むことや、材料ガス供給マニホールド間で放電を生起することが防止され、誘電体窓１０４が着膜によって閉塞されるのを防止することができる。
【００２３】
図２は、同心円状に中空部材を加工した材料ガス供給マニホールドを示す概略図である。図２に示すように、材料ガスは、材料ガス供給マニホールド１０７の中空部材を貫通するように接続した材料ガス供給管１１０から各中空部材の内部に供給されて、基体に対向しない面に加工した孔２０１から吹き出され、主に隣合う中間部材にガスが吹き付けられる。このようにして材料ガスが基体に直撃しないことにより、基体への均一な堆積膜の形成が可能になると同時に、中空部材のプラズマに晒される側への堆積膜の着膜を最低限に抑制し、誘電体窓への着膜も防止するので、長時間にわたって安定放電が可能となる。
【００２４】
この場合、同心円状の中空部材がガスの拡散方向を矯正するように、基体へ向かう方向に収束するような傾きを持たせてもよい。こうすることで、基体の形状に応じた均一な着膜成分の流れを形成することができ、均一な成膜が可能となる。
【００２５】
材料ガス供給マニホールド１０７の中間部材の構成材料として、マイクロ波透過性の観点から誘電体が望ましいが、複雑な形状加工が困難な点や導入コストが高価な点から、接地した導電性部材でも十分に機能を果たし得る。
【００２６】
（誘電体窓）
誘電体窓１０４は、マイクロ波を放電空間に透過する機能と、放電空間を大気から真空封止する機能を併せ持っている。
【００２７】
真空容器が大気から真空へと排気されるに連れ、誘電体窓１０４には大気方向から圧力がかかり、そしてマイクロ波が透過して放電が生起されると、マイクロ波による誘電加熱やプラズマからの熱衝撃または堆積膜の着膜により、過酷な環境に曝される。
【００２８】
この中で最も大きな問題は、誘電体窓への堆積膜の着膜である。着膜が導電性膜のときには、マイクロ波の透過が阻害され、形成する堆積膜の成膜速度や均一性をも損なう。また、着膜物質の誘電損失係数の異なるときには、最悪の場合は誘電体窓の破損に至る。さらに、誘電体窓の着膜物質飛散による基体への汚染は、形成する堆積膜質の低下を来たす。
【００２９】
従来はこれらの問題に対処する方法として、誘電体を複数重ね合せること、大気圧が直接誘電体面に作用しないよう複数の誘電体で仕切った中間圧力領域を持たせることなどで対処されてきた。しかし、複数の誘電体を装備することにより誘電体損失係数を増やし、比較的大きな電力が投入できないことや装置構造が過大になることが問題となっていた。
【００３０】
本発明では、誘電体窓１０４のマイクロ波進行方向２次側の面に材料ガス供給マニホールド１０７が配置されているので、着膜の虞れはない。
【００３１】
誘電体窓１０４の構成材料としては、機械的強度、熱伝導率、及び誘電体損失係数において優れたセラミックスが好適に用いられ、例えば、ＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，ＴｉＯ2や、その複合焼結体が好ましいが、必要な物性をバランスよく満足している限りにおいては何ら限定を加えない。
【００３２】
さらに、誘電体窓１０４の真空封止部分については、マイクロ波による誘電加熱とプラズマからの誘電加熱の影響を受け易いので、Ｏリングの材質としては、一般的なバイトン製またはシリコン製が好ましく、誘電体窓１０４のＯリングによるシール部分に導電性金属蒸着によるシールドを施し、直接マイクロ波がＯリングに暴露しないような構造を採ることが好ましい。
【００３３】
これにより、プラズマに直接曝されるという過酷な熱衝撃を緩和し、着膜成分によるマイクロ波透過における誘電体損失係数及び反射損失を低減し、生起するプラズマを均一化して、長時間において安定した均質な堆積膜の形成が可能となる。
【００３４】
（平板スロットアンテナ）
平板スロットアンテナ１０３には、導体の平板上に多数のスロットが同心円状または渦巻状に配されている。マイクロ波供給用の同軸管１０１から導体平板の中心に向けて同軸管内導体と同軸管外導体とに接続した真空容器筐体部分に向けて、マイクロ波を導体平板の径方向に伝播させつつ、前記スロットから放射して真空容器１０２内に材料ガスのプラズマを発生させて、基体１０８上に堆積膜を形成させるものである。
【００３５】
上記の構成によると、材料ガス供給マニホールド１０７が放電空間側の部分に配設され、それぞれの中空部材の基体に対向しない側面から材料ガスが均等に吹出されることで、堆積膜の着膜が中空部材の基体に対向する面では最小限に抑えられ、誘電体窓１０４への着膜が防止される。また、材料ガスが基体を直撃せずに均等に吹き出されることから、基体１０８上に均等に堆積膜の形成がなされ、コンタミ等による基体１０８への成膜不良も防止することができる。
【００３６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３７】
〔実施例１〕
実施例１では、図１に例示した堆積膜形成装置を用いて、所定の成膜条件における材料ガス供給マニホールドの中空部材間隔の違いによる放電安定度の比較を行った。表１に本誘電体窓の構成の仕様と得られた結果を示した。
【００３８】
図１の誘電体窓１０４としてＡｌ2Ｏ3を用いて、逐次以下の手順で実験を行った。
【００３９】
まず、真空容器１０２を排気手段により０．１３３Ｐａ以下に一旦排気した。そして、ガス供給手段からガス導入管１１０を通じて一定流量のＡｒガスを流通しながら、ヒータ１０９で基体１０８を所定温度になるよう加熱制御した。
【００４０】
基体１０８が一定温度になってから、Ａｒに代えて材料ガスであるＳｉＨ4，Ｈ2をそれぞれ２４０、７２０ｓｃｃｍ導入した。
【００４１】
その上で、不図示のマイクロ波電源から２．４５ＧＨｚマイクロ波電力を供給し、放電圧力を２．６６Ｐａから１３３Ｐａにマイクロ波電力を５００Ｗから１５００Ｗに変化させながら放電室Ａの中にグロー放電を生起して、放電状況を確認した。
【００４２】
このとき、全ての圧力範囲、電力範囲において安定放電であった条件を○と表示し、一部異常放電をきたした条件を△と表示し、全く安定しなかった条件を×と表示して評価した。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
その結果、表１に示すように、材料ガス供給マニホールド１０７の中空部材間の間隔は５ｍｍあれば問題ないことが分かった。
【００４５】
〔実施例２〕
実施例２では、図１に例示した堆積膜形成装置を用いて、所定の成膜条件における成膜圧力の違いによる誘電体の溝側面に進入した着膜部分の長さの比較を行った。表２に誘電体窓の構成の仕様と得られた結果を示した。
【００４６】
図１の誘電体窓１０４として材料ガス供給マニホールド１０７の高さを変えたＡｌ2Ｏ3誘電体窓を用いて、逐次以下の手順で実験を行った。
【００４７】
まず、真空容器１０２を排気手段により０．１３３Ｐａ以下に一旦排気した。そして、ガス供給手段からガス導入管１１０を通じて一定流量のＡｒガスを流通しながら、ヒータ１０９で基体１０８を所定温度になるよう加熱制御した。
【００４８】
基体１０８が一定温度になってから、Ａｒに代えて材料ガスであるＳｉＨ4，Ｈ2をそれぞれ２４０、７２０ｓｃｃｍ導入した。
【００４９】
その上で、不図示のマイクロ波電源から２．４５ＧＨｚマイクロ波電力を供給し、放電圧力を１．３３Ｐａから１３３Ｐａに変化しながら放電室Ａの中に一定時間グロー放電を生起して、それぞれの圧力における材料ガス供給マニホールド１０７の上端から着膜部分の長さを求めた。
【００５０】
【表２】
2004207597.tif 000004
【００５１】
その結果、表２に示すように、材料ガス供給マニホールド１０７の高さは、平均自由行程と同等以上の長さがあれば、堆積膜が透過窓に達せず、問題なく安定放電を維持できることが分かった。
【００５２】
〔実施例３〕
実施例３では、図１に例示した堆積膜形成装置を用いて、所定の成膜条件における誘電体窓の構造の違いによる連続放電維持時間の比較を行った。
【００５３】
図１の誘電体窓１０４として材料ガス供給マニホールド１０７を誘電体窓１０４に配置して、逐次以下の手順で実験を行った。表３に誘電体窓の構成の仕様と得られた結果を示した。
【００５４】
まず、真空容器１０２を排気手段により０．１３３Ｐａ以下に一旦排気した。そして、ガス供給手段からガス導入管１１０を通じて一定流量のＡｒガスを流通しながら、ヒータ１０９で基体１０８を所定温度になるよう加熱制御した。
【００５５】
基体１０８が一定温度になってから、Ａｒに代えて材料ガスであるＳｉＨ4，Ｈ2をそれぞれ２４０、７２０ｓｃｃｍ導入した。
【００５６】
その上で、不図示のマイクロ波電源から２．４５ＧＨｚマイクロ波電力を供給し、放電圧力を１３．３Ｐａに維持しながら放電室Ａの中にグロー放電を生起して、安定化する投入電力を求めた。
【００５７】
その結果、表３に示すように、連続５時間以上にわたって、入射電力の表示値は±５％以内、入射電力に対する反射電力の表示値は５％以下の安定放電が確認できた。
【００５８】
〔比較例１〕
比較例１は、材料ガス供給マニホールドを配置しない以外は、実施例３と同様にして放電実験を行い、その結果を上記表３に示した。
【００５９】
表３に示すように、比較例１の堆積膜形成装置では、放電開始後約１０分間で放電が維持できなくなった。
【００６０】
【表３】
2004207597.tif 000005
【００６１】
〔実施例４〕
実施例４では、実施例３にて行った長時間放電実験を、材料ガスの処方を変えて行い、その結果を表４に示した。ここでは、ＳｉＨ4とＨ2の流量をそれぞれ２４０，９６０ｓｃｃｍおよび２４０，１２００ｓｃｃｍ導入した。
【００６２】
【表４】
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【００６３】
これによると、材料ガスの流量を変えたいずれの場合にも、連続５時間以上にわたって、入射電力の表示値は±１０％以内、入射電力に対する反射電力の表示値は１０％以下の安定放電が確認できた。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平板スロットアンテナを具備し、誘電体窓を介してマイクロ波を導入して行うプラズマＣＶＤ法による堆積膜形成装置において、誘電体窓の基体側の面に、導体性の複数の中間部材により区画された材料ガス供給マニホールドを配設することにより、誘電体窓表面への堆積膜の生成や結晶化を防止し、比較的大きなマイクロ波投入電力を長時間安定的に放電空間に伝送して均質なプラズマを生成し、高品質で均一性に優れた堆積膜を形成することができ、光起電力素子等の半導体薄膜の形成に適した堆積膜形成装置を提供することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の堆積膜形成装置における誘電体窓周りを模式的に示す断面図である。
【図２】同心円状に中空部材を加工した材料ガス供給マニホールドを示す概略図である。
【符号の説明】
１０１  同軸管
１０２  真空容器
１０３  平板スロットアンテナ
１０４  誘電体窓
１０５  アンテナ支持体
１０６  誘電体座
１０７  材料ガス供給マニホールド
１０８  基体
１０９  ヒータ
１１０  ガス導入管
１１１  排気配管
２０１  孔
Ａ  放電室
【図１】
2004207597.tif 000007
【図２】
2004207597.tif 000008