(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料をプラズマ化して成膜処理対象の球状基板の表面に薄膜を形成する成膜装置に使用可能なワークホルダにおいて、
前記球状基板が搭載され、前記球状基板が転動するように揺動される基板搭載面と、
前記基板搭載面の周囲を囲んで配置され、前記周囲の少なくとも一部において外側に向けて高くなるスロープ状の壁面を有する外壁と
を備え、前記スロープ状の壁面の傾斜角が、前記基板搭載面の中央付近で前記球状基板に形成される薄膜の膜厚と前記基板搭載面の外縁部で前記球状基板に形成される薄膜の膜厚とが均一になるように安定して前記基板搭載面上にプラズマが均一に形成される安定傾斜角に設定されていることを特徴とするワークホルダ。
【請求項２】
前記基板搭載面が揺動する方向以外の方向に配置された前記外壁の壁面が、前記安定傾斜角を有する前記スロープ状であることを特徴とする請求項１に記載のワークホルダ。
【請求項３】
前記基板搭載面が揺動する方向に配置された前記外壁の壁面が、前記基板搭載面が揺動する方向以外の方向に配置された前記外壁の壁面の傾斜角よりも大きい傾斜角のスロープ状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のワークホルダ。
【請求項４】
前記基板搭載面が揺動する方向に配置された前記外壁の壁面が、前記揺動によって前記球状基板が転動した際に前記基板搭載面から落下しない角度に設定された傾斜角のスロープ状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のワークホルダ。
【請求項５】
前記基板搭載面の全周囲における前記外壁の壁面が、傾斜角が前記安定傾斜角のスロープ状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のワークホルダ。
【請求項６】
前記基板搭載面が揺動する方向に配置された前記外壁の上部が、前記基板搭載面の上方に張り出していることを特徴とする請求項１又は２に記載のワークホルダ。
【請求項７】
前記球状基板の粒径よりも狭い幅で前記基板搭載面と平行に延伸する複数の溝が、前記基板搭載面に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のワークホルダ。
【請求項８】
周囲に外壁が配置されて成膜処理対象の球状基板が搭載される基板搭載面を有し、前記周囲の少なくとも一部において前記外壁が外側に向けて高くなるスロープ状の壁面を有するワークホルダと、
前記球状基板が前記基板搭載面上で転動するように、前記ワークホルダを前記基板搭載面と平行方向に揺動させる揺動機構と、
原料をプラズマ化して前記基板搭載面上の前記球状基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成機構と
を備え、前記スロープ状の壁面の傾斜角が、前記基板搭載面の中央付近で前記球状基板に形成される薄膜の膜厚と前記基板搭載面の外縁部で前記球状基板に形成される薄膜の膜厚とが均一になるように安定して前記基板搭載面上にプラズマが均一に形成される安定傾斜角に設定されていることを特徴とする成膜装置。
【請求項９】
前記ワークホルダが揺動する方向以外の方向に配置された前記外壁の壁面が、前記安定傾斜角を有する前記スロープ状であることを特徴とする請求項８に記載の成膜装置。
【請求項１０】
前記ワークホルダが揺動する方向に配置された前記外壁の壁面が、前記ワークホルダが揺動する方向以外の方向に配置された前記外壁の壁面の傾斜角よりも大きい傾斜角のスロープ状であることを特徴とする請求項８又は９に記載の成膜装置。
【請求項１１】
前記ワークホルダが揺動する方向に配置された前記外壁の壁面が、前記揺動によって前記球状基板が転動した際に前記基板搭載面から落下しない角度に設定された傾斜角のスロープ状であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項１２】
前記基板搭載面の全周囲における前記外壁の壁面が、傾斜角が前記安定傾斜角のスロープ状であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の成膜装置。
【請求項１３】
前記ワークホルダが揺動する方向に配置された前記外壁の上部が、前記基板搭載面の上方に張り出していることを特徴とする請求項８又は９に記載の成膜装置。
【請求項１４】
前記球状基板の粒径よりも狭い幅で前記基板搭載面と平行に延伸する複数の溝が前記基板搭載面に形成され、
前記揺動機構が、前記球状基板の一部分が前記溝に嵌ることによって前記球状基板が前記基板搭載面上で転動を開始するように、前記ワークホルダを前記基板搭載面と平行方向に揺動させることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状基板の表面に膜を形成するワークホルダ及び成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板の表面に膜を形成するために、原料をプラズマ化して成膜するプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）法などの方法が使用されている。そして、球状基板の表面全体に薄膜を形成するために、球状基板を搭載したワークホルダを揺動させて球状基板を転動させながら、球状基板に成膜を行う方法が提案されている。
【０００３】
このとき、球状基板がワークホルダ上でうまく転がらずに横滑りしてしまうと、球状基板の表面の一部にしか膜が形成されず、球状基板の表面全体に膜を均一に形成することができない。このため、ワークホルダの基板搭載面に溝を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、ワークホルダを揺動させたときに球状基板が溝に嵌ることによって、効果的に球状基板が転動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワークホルダを揺動させた際に転動した球状基板がワークホルダから落下することを防止するために、ワークホルダの基板搭載面の周囲を囲んで外壁を配置することが有効である。
【０００６】
しかしながら、基板搭載面の周囲に配置された外壁の影響によって、成膜時に形成されるプラズマが基板搭載面上で不均一となり、球状基板間に膜厚の差が生じる問題がある。即ち、基板搭載面と外壁との接続箇所付近にプラズマが入り込めない領域が生じるために、この領域に停止した球状基板に形成される膜が薄くなり、球状基板間で膜厚ばらつきが生じる。
【０００７】
本発明は、ワークホルダからの球状基板の落下を防止しつつ、球状基板間での膜厚ばらつきを抑制できるワークホルダ及び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、原料をプラズマ化して成膜処理対象の球状基板の表面に薄膜を形成する成膜装置に使用可能なワークホルダにおいて、（イ）球状基板が搭載され、球状基板が転動するように揺動される基板搭載面と、（ロ）基板搭載面の周囲を囲んで配置され、周囲の少なくとも一部において外側に向けて高くなるスロープ状の壁面を有する外壁とを備え、スロープ状の壁面の傾斜角が、基板搭載面の中央付近で球状基板に形成される薄膜の膜厚と基板搭載面の外縁部で球状基板に形成される薄膜の膜厚とが均一になるように安定して基板搭載面上にプラズマが均一に形成される安定傾斜角に設定されているワークホルダが提供される。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、（イ）周囲に外壁が配置されて成膜処理対象の球状基板が搭載される基板搭載面を有し、周囲の少なくとも一部において外壁が外側に向けて高くなるスロープ状の壁面を有するワークホルダと、（ロ）球状基板が基板搭載面上で転動するように、ワークホルダを基板搭載面と平行方向に揺動させる揺動機構と、（ハ）原料をプラズマ化して基板搭載面上の球状基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成機構とを備え、スロープ状の壁面の傾斜角が、基板搭載面の中央付近で球状基板に形成される薄膜の膜厚と基板搭載面の外縁部で球状基板に形成される薄膜の膜厚とが均一になるように安定して基板搭載面上にプラズマが均一に形成される安定傾斜角に設定されている成膜装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ワークホルダからの球状基板の落下を防止しつつ、球状基板間での膜厚ばらつきを抑制できるワークホルダ及び成膜装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。
【図２】基板搭載面の周囲に配置された外壁の成膜処理に及ぼす影響を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る成膜装置に使用されるワークホルダの外壁の壁面構造を示す模式図である。
【図４】本発明の実施形態に係る成膜装置に使用されるワークホルダの基板搭載面を示す模式的な上面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る成膜装置に使用されるワークホルダの外壁の形状を示す模式的な断面図であり、図５（ａ）は図４のＶａ−Ｖａ方向に沿った断面図であり、図５（ｂ）は図４のＶｂ−Ｖｂ方向に沿った断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る成膜装置に使用されるワークホルダの揺動方向に配置された外壁の形状の例を示す模式的な断面図であり、図６（ａ）は壁面が垂直な外壁を示し、図６（ｂ）は壁面と基板搭載面とのなす角が鋭角である外壁を示し、図６（ｃ）は庇が形成された外壁を示す。
【図７】本発明の実施形態に係る成膜装置に使用されるワークホルダの基板搭載面に溝を形成した例を示す模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る成膜装置を高周波プラズマＣＶＤ装置として構成した例を示す模式図である。
【図９】本発明のその他の実施形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
本発明の実施形態に係る成膜装置１は、成膜処理対象の球状基板の表面に薄膜を形成する。球状基板は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板であり、粒径は１〜数ｍｍ程度である。球状基板の形状は、全体として略球体であるが平坦な面を有する形状であるＤカット形状や、立方体形状などの多面体形状や球体形状などである。
【００１４】
成膜装置１は、図１に示すように、成膜処理対象の球状基板５０が搭載される基板搭載面１１を有するワークホルダ１０と、球状基板が転動するようにワークホルダ１０を基板搭載面１１と平行方向に揺動させる揺動機構２０と、原料をプラズマ化して基板搭載面１１上の球状基板５０の表面に薄膜を形成する薄膜形成機構３０とを備える。
【００１５】
基板搭載面１１上で転動した球状基板５０がワークホルダ１０から落下することを防止するために、ワークホルダ１０の外縁に基板搭載面１１の周囲を囲んで外壁１５が配置されている。基板搭載面１１の周囲の少なくとも一部において、外壁１５の基板搭載面１１側の内壁面である壁面１５０は外側に向けて高くなるスロープ状である。この壁面１５０の傾斜角は、基板搭載面１１上でプラズマが均一に安定して形成される傾斜角（以下において、「安定傾斜角」という。）に設定されている。この安定傾斜角について説明する前に、図１に示した成膜装置１を用いて球状基板５０の表面に成膜する方法の例を説明する。
【００１６】
先ず、ワークホルダ１０の基板搭載面１１上に処理対象の球状基板５０を搭載する。
【００１７】
次いで、揺動機構２０によって、基板搭載面１１と平行方向にワークホルダ１０を素早くスライドさせる。例えば、ワークホルダ１０を一往復乃至数往復させる。この揺動により、球状基板５０は基板搭載面１１上で転動する。ワークホルダ１０の揺動する速度は、基板搭載面１１上で球状基板５０が転動するように、球状基板５０の形状や粒径などを考慮して適宜設定される。
【００１８】
ワークホルダ１０の揺動を停止すると、基板搭載面１１上で球状基板５０は様々な姿勢で静止する。この状態で薄膜形成機構３０が原料プラズマを基板搭載面１１上に形成し、球状基板５０の露出した表面に原料が堆積して膜が形成される。
【００１９】
一定時間成膜した後、薄膜形成機構３０による膜の形成を中断し、揺動機構２０によってワークホルダ１０を再度揺動させる。これにより、表面の少なくとも一部に膜が形成された球状基板５０を基板搭載面１１上で転動させる。その後、ワークホルダ１０の揺動を停止させると、前回とは異なる姿勢で球状基板５０が基板搭載面１１上で静止する。この状態で、球状基板５０の新たに露出した表面に膜を形成する。
【００２０】
ワークホルダ１０を揺動させるステップと球状基板５０の表面に薄膜を形成するステップとを含む薄膜形成工程を複数回繰り返すことにより、球状基板５０の表面全体に均一に膜が形成される。例えば、球状基板５０の表面に形成する膜の所望の膜厚が８０ｎｍであるときに、１回の薄膜形成工程によって数ｎｍの膜が形成される場合には、薄膜形成工程を２０〜３０回程度繰り返す。
【００２１】
上記の成膜方法において基板搭載面１１上で原料をプラズマ化した際に、例えば図２に示すような垂直な外壁１５Ａが基板搭載面１１の周囲に配置されていると、図２に斜線のハッチングで示すように、基板搭載面１１と外壁１５Ａとの接続箇所付近に外壁１５Ａの影になってプラズマが入り込みにくい領域が生じる。このため、この領域に停止した球状基板５０に形成される膜が薄くなる。その結果、基板搭載面１１の外縁部で成膜される球状基板５０の膜厚が、基板搭載面１１の中央付近で成膜される球状基板５０の膜厚よりも薄くなるという現象が生じてしまう。
【００２２】
これに対し、図１に示したワークホルダ１０では、図３に示すスロープ状の壁面１５０の傾斜角θ、即ち、基板搭載面１１の外側への延長部分と壁面１５０とのなす角が、基板搭載面１１上の全面でプラズマが均一に安定して形成されるように、安定傾斜角に設定されている。このように壁面１５０の傾斜角θが安定傾斜角に設定されたワークホルダ１０では、基板搭載面１１上でのプラズマの不均一さが解消される。その結果、球状基板５０間での膜厚ばらつきが抑制される。
【００２３】
安定傾斜角の大きさは、プラズマの強度や原料ガスの種類や流量などに応じて適宜設定される。適切な安定傾斜角は、例えば実験などによって得ることができる。本発明者らにより、球状基板５０に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜する場合に壁面１５０の傾斜角θを４５度程度に設定することによって、球状基板５０間での膜厚のばらつきが抑制されることが確認された。プラズマが均一に安定して形成されるためには、傾斜角θは小さいほど好ましい。したがって、プラズマが均一に安定して形成されることが確認された傾斜角よりも小さい角度を、安定傾斜角として採用できる。
【００２４】
なお、揺動機構２０によるワークホルダ１０の揺動する方向（以下において、「揺動方向」という。）との関係に応じて、外壁１５の形状を以下のように変化させてもよい。
【００２５】
ワークホルダ１０の揺動方向に向かって球状基板５０は勢いよく転動し、ワークホルダ１０から球状基板５０が落下しやすい。一方、ワークホルダ１０の揺動方向と異なる方向では、揺動方向よりも球状基板５０の転動する勢いは弱い。したがって、揺動方向に配置された外壁１５の壁面１５０のスロープの傾斜角を他の方向に配置された外壁１５の壁面１５０のスロープの傾斜角よりも大きく設定してもよい。
【００２６】
例えば図４に示すようにワークホルダ１０の基板搭載面１１の形状が矩形であり、矢印で示すように基板搭載面１１が揺動する場合、揺動方向に配置された外壁１５１の形状は、プラズマの均一性よりも、ワークホルダ１０からの球状基板５０の落下防止を優先する。これに対し、揺動方向と異なる方向に配置された外壁１５２の形状は、傾斜角が安定傾斜角に設定されたスロープ状とする。
【００２７】
即ち、揺動方向に配置された図５（ａ）に示す外壁１５１の壁面１５０のスロープの傾斜角θ１は、揺動方向と異なる方向に配置された図５（ｂ）に示す外壁１５２の壁面１５０のスロープの傾斜角θ２よりも大きく設定する。具体的には、傾斜角θ１を、揺動によって球状基板５０が転動した際に基板搭載面１１から飛び出さない角度に設定する。したがって、安定傾斜角を傾斜角θ０とすると、以下の式（１）、式（２）の関係である：
θ２＜θ１  ・・・（１）
θ２≦θ０  ・・・（２）
ただし、安定傾斜角の大きさが、揺動方向に転動した球状基板５０が基板搭載面１１から落下するのを防止するためには不十分な場合がある。この場合、プラズマが不均一になる可能性があるとしても、揺動方向に配置された外壁１５には、ワークホルダ１０からの球状基板５０の落下しない形状を優先して採用することが好ましい。θ１≦θ０であることが好ましいが、揺動方向に配置された外壁１５１の傾斜角θ１については、ワークホルダ１０からの球状基板５０の落下防止を優先して設定される。
【００２８】
上記のように、基板搭載面１１の全周囲において外壁１５の壁面１５０がスロープ状であっても、揺動方向に配置された外壁１５については安定傾斜角よりも大きい傾斜角のスロープ状とする場合がある。この場合でも、球状基板５０が基板搭載面１１から落下するのを防止しつつ、揺動方向以外の外壁１５を安定傾斜角のスロープ状にすることでプラズマが不均一になる領域を小さくすることができる。その結果、球状基板５０間の膜厚ばらつきの発生を抑制できる。
【００２９】
なお、揺動方向に転動した球状基板５０が基板搭載面１１から落下するのを防止するために、外壁１５の壁面１５０がスロープ状では不十分な場合がある。その場合には、図６（ａ）に示すように揺動方向に配置された外壁１５の壁面１５０を基板搭載面１１に対して垂直にする。或いは、図６（ｂ）に示すように、壁面１５０がオーバーハングするように、外壁１５の壁面１５０と基板搭載面１１とのなす角を鋭角にする。または、図６（ｃ）に示すように、揺動方向に配置された外壁１５に、基板搭載面１１の上方に位置する庇を形成してもよい。このように揺動方向に配置された外壁１５の上部が基板搭載面１１の上方に張り出すように外壁１５を形成することによって、球状基板５０が基板搭載面１１から落下するのを効果的に防止できる。
【００３０】
揺動方向に配置された外壁１５の壁面１５０がスロープ状ではない場合にも、揺動方向以外の方向に配置された外壁１５の壁面１５０は、傾斜角が安定傾斜角であるスロープ状とする。これにより、基板搭載面１１上のプラズマが不均一になる領域を縮小することができる。
【００３１】
また、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示したように基板搭載面１１の上方に外壁１５の一部が張り出す場合には、プラズマの均一性に与える影響を小さくするように配慮して外壁１５の形状を設定する。例えば、外壁１５に形成する庇の大きさをできるだけ小さくする。
【００３２】
なお、外壁１５が高いほど、基板搭載面１１上のプラズマが入り込みにくい領域が広がる。一方、外壁１５が低いほど、揺動によって球状基板５０が基板搭載面１１上から落下しやすい。このため、外壁１５の高さは、球状基板５０が基板搭載面１１上から落下しない範囲で、できるだけ低いことが好ましい。外壁１５の高さは球状基板５０のサイズや基板搭載面１１の揺動する速度に応じて、実験やシミュレーションなどによって適宜設定される。例えば、本発明者らの実験によれば、球状基板５０の粒径が１ｍｍ程度の場合に、外壁１５の高さを４ｍｍ〜８ｍｍ程度に設定することによって、球状基板５０間の膜厚ばらつきが抑制され、且つ、基板搭載面１１上からの球状基板５０の落下を防止できた。このときの外壁１５には、図６（ｃ）に示した形状を採用した。
【００３３】
ところで、ワークホルダ１０の基板搭載面１１に、図７に示すように、基板搭載面１１と平行に延伸する複数の溝１１０を形成してもよい。この溝１１０の幅は、球状基板５０が転動しやすいように、球状基板５０の粒径よりも狭く設定されている。図７には、球状基板５０がＤカット形状である例を示している。
【００３４】
揺動機構２０が図７に示したワークホルダ１０を揺動させると、基板搭載面１１上に搭載された球状基板５０の一部分が溝１１０に嵌ることにより、球状基板５０が基板搭載面１１上で転動を開始する。球状基板５０が効果的に転動するように、ワークホルダ１０の揺動する方向と垂直に溝１１０が延伸している。
【００３５】
溝１１０が延伸する方向と垂直な方向に沿った溝１１０の断面形状（以下において、単に「断面形状」という。）は、球状基板５０の形状に応じて適宜決定される。即ち、溝１１０の断面形状は、ワークホルダ１０が揺動したときに球状基板５０の一部分が溝１１０に引っ掛かり、球状基板５０が転がるきっかけになればよい。図７では、Ｄカット形状である球状基板５０の形状に応じて、溝１１０の断面形状が三角形状である例を示した。しかし、溝１１０の断面形状は三角形状に限られない。例えば溝１１０の断面形状には、四角形状や半円形状も採用可能である。
【００３６】
図８に、成膜装置１を高周波プラズマＣＶＤ装置として構成した例を示す。図８に示した成膜装置１においては、チャンバー３１内のワークホルダ１０の基板搭載面１１上に処理対象の球状基板５０を搭載する。排気装置３２によりチャンバー３１内を減圧して所定のガス圧にした後、導入口３３から原料ガス３００をチャンバー３１内に導入する。接地されたワークホルダ１０と電極３４間に高周波電源３５から高周波電力を供給することにより、チャンバー３１内の原料ガス３００がプラズマ化される。形成されたプラズマに球状基板５０を曝すことにより、球状基板５０の露出した表面に膜が形成される。
【００３７】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る成膜装置１によれば、少なくとも球状基板５０が基板搭載面１１から落下しやすい領域以外において、ワークホルダ１０の基板搭載面１１の周囲に配置される外壁１５の壁面１５０を安定傾斜角のスロープ状にする。例えば揺動方向以外の方向において、外壁１５の壁面１５０を安定傾斜角のスロープ状にする。これにより、外壁１５の存在に起因するプラズマが不均一な領域が減少する。その結果、球状基板５０間の膜厚ばらつきが抑制される。また、揺動方向に配置された外壁１５に、ワークホルダ１０から球状基板５０が落下するのを防止する形状を採用する。これにより、成膜装置１によって成膜した球状基板５０の全数を回収できる。
【００３８】
成膜装置１は、例えば球状基板５０がＤカット形状や立方体形状の場合に、球状基板５０の表面全体に均一に膜を形成するために有効である。近年、集光効率の高い太陽電池セルとしてＤカット形状のＳｉ基板の研究が進められており、この分野での成膜装置などとして成膜装置１は有望である。
【００３９】
（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。
【００４０】
例えば、上記ではワークホルダ１０が揺動機構２０によって直接揺動される例を示した。しかし、例えばワークホルダ１０が小型であるなどの理由によって、揺動機構２０を直接ワークホルダ１０に接続することが困難な場合がある。そのような場合には、図９に示すように、揺動プレート１００にワークホルダ１０をはめ込み、揺動機構２０によって揺動プレート１００を揺動してもよい。
【００４１】
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】
【００４２】
１…成膜装置
１０…ワークホルダ
１１…基板搭載面
１５…外壁
２０…揺動機構
３０…薄膜形成機構
３１…チャンバー
３２…排気装置
３３…導入口
３４…電極
３５…高周波電源
５０…球状基板
１００…揺動プレート
１１０…溝
１５０…壁面
３００…原料ガス
【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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