(57)【要約】【課題】プラズマを用いて基板に薄膜を形成するとき、従来に比べて成膜速度が向上する薄膜形成装置および薄膜形成方法を提供する。【解決手段】薄膜形成装置は、減圧状態で基板載置面に載置した基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、前記成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面に分散した複数のガス導入孔を通して前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、前記原料ガス導入部の上方に設けられ、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材をプラズマ生成素子として有し、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成させるプラズマ電極部と、前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、を有する。この装置を用いて、薄膜を基板に形成する。【選択図】  図１
2012188684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
減圧状態で基板載置面に載置した基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔を通して前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記原料ガス導入部の上方に設けられ、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材をプラズマ生成素子として有し、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成させるプラズマ電極部と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、
前記成膜空間は１０〜１００Ｐａの減圧状態である、請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記プラズマ生成素子は、１００〜２０００Ｗの高周波の給電を受けることによりプラズマを生成し、
前記バイアス電圧部は、前記載置面には５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧を印加する、請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
基板載置面に基板を載置した減圧状態の成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔から前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する工程と、
前記ガス導入孔の上方に設けられた板部材に対して、前記板部材の一方の端面から他方の端面に電流を流すことにより、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成する工程と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加する工程と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項５】
前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、
前記成膜空間は１０〜１００Ｐａに減圧される、請求項４に記載の薄膜形成方法。
【請求項６】
前記板部材に１００〜２０００Ｗの高周波を給電することによりプラズマを生成し、
前記載置面に５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧が印加される、請求項４または５に記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いて基板に薄膜を形成する薄膜形成装置及び薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、基板に薄膜を形成するためにＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置が用いられる。特に、ＣＶＤ装置を用いて薄膜太陽電池に用いる微結晶Ｓｉ薄膜をガラス基板に形成するプロセスが注目されている。微結晶Ｓｉ薄膜の形成では、例えば、モノシラン（ＳｉＨ4）をプラズマ化して、ガラス基板上に微結晶Ｓｉ薄膜を形成する。近年、薄膜太陽電池用パネルは大型化しており、大型のパネルに均一な微結晶Ｓi薄膜を形成することが望まれている。このために、プラズマＣＶＤ装置では、高密度なプラズマが均一に形成されること必要である。
【０００３】
例えば、プラズマＣＶＤ装置の一例として、プラズマ生成室内に複数本の高周波アンテナを設置し、該高周波アンテナにて該プラズマ生成室内ガスに高周波電力を印加して誘導結合型プラズマを発生させるプラズマ生成方法およびプラズマ生成装置が知られている（特許文献１）。
当該プラズマ生成方法およびプラズマ生成装置は、複数本の高周波アンテナを、順次隣り合わせて、且つ、各隣り合うもの同士が互いに向かい合った並列配置となるように設置する。この高周波アンテナのそれぞれに印加する高周波電圧の位相を制御することで誘導結合プラズマにおける電子温度を制御する。
【０００４】
また、真空容器と、前記真空容器の壁面に設けられた開口部と、前記開口部を気密に覆うように取り付けられる板状の高周波アンテナ導体と、を備えるプラズマ生成装置が知られている（特許文献２）。
当該プラズマ生成装置は、プラズマ生成装置の開口部に高周波アンテナ導体が取り付けられた構造のため、広い範囲に亘って均一性が高いプラズマを生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１４９６３９号公報
【特許文献２】ＷＯ２００９／１４２０１６Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の板状の高周波アンテナ導体を用いたプラズマ成膜装置では、高周波アンテナ導体として長方形状の電極板が設けられる。この電極板の成膜空間に面する側の主面（面積が最大の面）には、誘電体が設けられる。誘電体の対向する位置には、薄膜を形成するためのガラス基板が配置される。
【０００７】
上記電極板の一方の端面は、数１０ＭＨｚの高周波電源に接続され、他方の端面は接地され上記一方の端面から他方の端面に電流が流れる。この電極板を用いて生成される磁場によりプラズマを生成する。この方式は、上述の互いに隣り合わせた複数の高周波アンテナにより生成された高電圧を用いてプラズマを生成する、すなわち誘導結合型プラズマ生成方式の装置と異なる。この電極板により生成される微結晶Ｓｉ薄膜は比較的均一な膜が生成できるものの、成膜速度は必ずしも十分でないといった問題がある。また、上述の誘導結合型プラズマ生成方式を用いたプラズマ生成装置についても十分な成膜速度が得られないといった問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、プラズマを用いて基板に薄膜を形成するとき、従来に比べて成膜速度が向上する薄膜形成装置および薄膜形成方法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】
【０００９】
本発明の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
減圧状態で基板載置面に載置した基板に薄膜を形成する成膜空間を備える成膜容器と、
前記成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔を通して前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する原料ガス導入部と、
前記原料ガス導入部の上方に設けられ、電流が一方の端面から他方の端面に流れる板部材をプラズマ生成素子として有し、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成させるプラズマ電極部と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加するバイアス電圧部と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成装置である。
【００１０】
その際、前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、前記成膜空間は１０〜１００Ｐａの減圧状態である、ことが好ましい。
【００１１】
また、前記プラズマ生成素子は、１００〜２０００Ｗの高周波の給電を受けることによりプラズマを生成し、前記バイアス電圧部は、前記載置面には５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧を印加する、ことが好ましい。
【００１２】
また、本発明の一態様は、基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
基板載置面に基板を載置した減圧状態の成膜空間内の前記基板載置面の上方において、前記基板載置面に対して対向する面上に分散した複数のガス導入孔から前記成膜空間内に薄膜用原料ガスを導入する工程と、
前記ガス導入孔の上方に設けられた板部材に対して、前記板部材の一方の端面から他方の端面に電流を流すことにより、前記薄膜用原料ガスを用いて前記成膜空間においてプラズマを生成する工程と、
前記基板載置面に、負電圧のバイアス電圧を印加する工程と、を有する、ことを特徴とする薄膜形成方法である。
【００１３】
その際、前記薄膜用原料ガスはシランガスであり、前記成膜空間は１０〜１００Ｐａに減圧される、ことが好ましい。
【００１４】
また、前記板部材に１００〜２０００Ｗの高周波を給電することによりプラズマを生成し、前記載置面に５０〜５００Ｖの直流電圧または交流電圧が印加される、ことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上述の薄膜形成装置及び薄膜形成方法では、従来に比べて成膜速度が向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態である薄膜形成装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す薄膜形成装置に用いる電極板を示す図である。
【図３】図１に示す薄膜形成装置に用いるシャワーヘッドの配置を説明する図である。
【図４】図１に示す薄膜形成装置で形成される基板の上方の空間電位の分布の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の薄膜形成装置について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態である薄膜形成装置１０の構成を示す概略図である。
【００１８】
図１に示す薄膜形成装置１０は、生成されるプラズマを用いて、基板に薄膜を形成するＣＶＤ装置である。薄膜形成装置１０は、電極板を流れる電流によって生成される磁界により、プラズマを生成する方式である。この方式は、モノポールアンテナ等のアンテナ素子等の共振により発生する高電圧によりプラズマを生成する方式と異なる。
【００１９】
（薄膜形成装置）
以下、薄膜としてアモルファスＳｉ薄膜を形成する例を用いて、薄膜形成装置１０について説明する。
薄膜形成装置１０は、給電ユニット１２と、成膜容器１４と、ガス供給部１６と、ガス排気部１８と、を有する。
【００２０】
給電ユニット１２は、高周波電源２２と、高周波ケーブル２４と、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、プラズマ生成素子３０と、を有する。
高周波電源２２は、例えば、１００〜２０００Ｗで数１０ＭＨｚの高周波電力をプラズマ生成素子３０の電極板３０ａ，３０ｂ（図２参照）に給電する。マッチングボックス２６は、高周波ケーブル２４を通して提供される電力がプラズマ生成素子３０に効率よく供給されるように、インピーダンスを整合する。マッチングボックス２６は、キャパシタおよびインダクタ等の素子を設けた公知の整合回路を備える。
マッチングボックス２６から延びる伝送線２８は、例えば、一定の幅を備える銅板状の伝送線路であり、電極板３０ａ，３０ｂへ数１０アンペアの電流を流すことができる。伝送線２９は、電極板３０ａ，３０ｂから延び接地されている。  
【００２１】
電極板３０ａ，３０ｂは、後述する隔壁３２上に固定された板部材であって、この板部材の第１の主面が成膜容器１４内の成膜空間に向いて配置されている。図２は、電極板３０ａ，３０ｂを示す図である。電極板３０ａ，３０ｂは、伝送線２８の分岐線と接続する端面と伝送線２９の分岐線と接続する端面との間の、板部材の長手方向に沿って電流を流す。電極板３０ａ，３０ｂは、図２に示すように、矩形形状を成している。電極板３０ａ，３０ｂは、電極板３０ａ，３０ｂに電流が流れることで磁場を成膜空間４０内に生成する。この電極板３０ａ，３０ｂは、従来のアンテナ素子のようにアンテナ素子を共振させてアンテナ素子近傍の空間で高電圧を生成する方式と異なり、共振が発生しなくてもよく、生成された磁場によってプラズマを生成する。このため、電極板３０ａ，３０ｂの共振に対応するように周波数を調整する必要がない。また、電極板３０ａ，３０ｂは、成膜空間４０に向く第１の主面近傍を流れる電流によってプラズマを生成する磁場を作るので、成膜空間４０内の広い範囲で略均一な密度のプラズマを生成することができる。電極板３０は、例えば、銅、アルミニウム等が用いられる。電極板３０ａ，３０ｂのサイズは、用いる基板２０の大きさに依存するが、例えば基板２０の大きさがφ１５０ｍｍである場合、厚さは０．２〜３０ｍｍであり、幅は９０〜２２５ｍｍ、長さは１５０〜２２５ｍｍである。
【００２２】
成膜容器１４は、内部空間３８を容器内に有し、内部空間３８は、隔壁３２により上部空間と下部の成膜空間４０に区分けされている。成膜容器１４は、例えば、アルミニウム等の材質で形成されて内部空間３８を０．１Ｐａ以下の減圧状態にできるように、密閉されている。成膜容器１４の上部空間には、マッチングボックス２６と、伝送線２８，２９と、電極板３０ａ，３０ｂを含むプラズマ生成素子３０と、を有する。隔壁３２の上部空間に面する側には、電極板３０ａ，３０ｂが固定されている。電極板３０ａ，３０ｂの周囲には、周囲の隔壁３２と絶縁するための絶縁部材３４が設けられている。一方、隔壁３２の成膜空間４０に面する側には、誘電体３６が設けられている。誘電体３６には、例えば石英板が用いられる。誘電体３６を設けるのは、プラズマによる電極板３０の腐食を防ぎ、かつ効率よくプラズマへ電磁エネルギを供給させるためである。
【００２３】
成膜容器１４の成膜空間４０には、ヒータ４２と、サセプタ４４と、昇降機構４６と、が設けられ、サセプタ４４にはバイアス電圧部４７が接続されている。
ヒータ４２は、サセプタ４４に載置する基板２０を所定の温度、例えば２５０℃程度に加熱する。
サセプタ４４は、基板２０を載置する載置面を有する。
バイアス電圧部４７は、５０〜５００Ｖ、周波数０．１〜１０ｋＨｚの交流電圧をバイアス電圧としてサセプタ４４に印加する。本実施形態では、バイアス電圧部４７は、交流電圧をバイアス電圧としてサセプタ４４に印加するが、ＤＣ電圧をバイアス電圧として印加することもできる。この場合、ＤＣ電圧は負電圧である。すなわち、バイアス電圧は、ＤＣ電圧であれ、交流電圧であれ、負電圧をサセプタ４４に印加できればよい。この点は後述する。
昇降機構４６は、基板２０を載置したサセプタ４４をヒータ４２ともに、成膜空間４０内を自在に昇降する。成膜プロセス段階では、電極板３０ａ，３０ｂに近づくように、基板２０を所定の位置にセットする。
【００２４】
ガス供給部１６は、ガスタンク４８と、マスフローコントローラ５０と、シャワーヘッド５１と、を有する。
ガスタンク４８は、薄膜用原料ガスであるモノシランガス（ＳiＨ4）を貯蔵する。
マスフローコントローラ５０は、モノシランガスの流量を調整する部分である。例えば
形成される膜の膜厚や膜質等の結果に応じてモノシランガスの流量を調整することができる。モノシランガスは、成膜容器１４の成膜空間４０内のプラズマ生成素子３０の直下に設けられたシャワーヘッド５１からから成膜空間４０内に供給される。
【００２５】
図３は、シャワーヘッド５１の配置を説明する図である。図３では、隔壁３２及び誘電体３６は図示されていない。
シャワーヘッド５１は、成膜空間４０内にモノシランガスを導入する原料ガス導入部である。シャワーヘッド５１は、成膜空間４０内のサセプタ４４の基板載置面の上方において、基板載置面に対して対向する面に分散して設けられた複数のガス導入孔５１ａを備える。このガス導入孔５１ａを通して成膜空間４０内にモノシランガスがシャワー状に均一に導入される。導入されたモノシランガスは、プラズマ生成素子３０の給電により発生する磁場により電離されることにより、プラズマＰが生成される。このプラズマは、シャワーヘッド５１の下方直下に略均一に形成される。
【００２６】
ガス排気部１８は、成膜空間４０内の側壁から延びる排気管と、ターボ分子ポンプ５２と、ドライポンプ５４と、を有する。ドライポンプ５４は、成膜空間４０内を粗引きし、ターボ分子ポンプ５２は、成膜空間４０内の圧力を所定の圧力に維持する。ターボ分子ポンプ５２とドライポンプ５４とは、排気管で接続されている。
【００２７】
このような薄膜形成装置１０では、まず、サセプタ４２の基板載置面に基板２０を載置して、成膜空間４０を減圧状態にする。このとき、シャワーヘッド５１の複数のガス導入孔５１ａからモノシランガスを成膜空間４０内に導入する。このとき、プラズマ密度が高くなり、成膜を効率よく行えるようにするために、１０〜１００Ｐａの減圧状態にすることが好ましい。１０〜１００Ｐａの減圧状態でプラズマ密度が高くなるのは、電極板３０ａ，３０ｂをプラズマ生成素子３０として用いる構成に依拠する。
この後、プラズマ生成素子３０に給電して、電極板３０ａ，３０ｂの一方の端面から他方の端面に電流を流すことにより、モノシランガスを用いて成膜空間４０においてプラズマＰを生成する。このとき、プラズマ生成素子３０に１００〜２０００Ｗ、数１０ＭＨｚの高周波を給電することが、成膜を効率よく行う点で好ましい。
このとき、サセプタ４２の基板載置面に、負電圧のバイアス電圧をバイアス電圧部４７が印加する。例えば、５０〜５００Ｖ、０．１〜１０ｋＨｚの交流電圧が印加される。
【００２８】
このように、プラズマＰを生成するとき、基板載置面にバイアス電圧を印加して基板２０に電位を下げるのは、以下の理由による。
図４は、基板２０の上方の空間電位の分布の一例を示す図である。図４に示す空間電位は、図３に示す基板２０の表面を原点として基板面の垂直上方の方向をＺ方向としている。
基板２０の表面は、バイアス電位が印加されており、負の電圧が印加されているときの状態を示している。このとき、負のバイアス電位からプラズマＰの形成領域まで電位は急激に立ち上がり、プラズマＰの形成領域で略一定になっている。したがって、図４に示すように、基板面からプラズマＰの形成領域の間に電位が急激に変化する、すなわち電界の非常に高いシース領域が存在する。この領域の厚さであるシース厚は、上記プラズマの生成条件（給電電力１００〜２０００Ｗ、圧力１０〜１００Ｐａ）において、数ｍｍである。一方、成膜空間４０内の圧力１０〜１００Ｐａにおけるモノシランガスから電離した水素イオン、ＳｉＨ2イオンおよびＳｉＨ3イオンの平均自由行程は０．１〜１ｍｍである。このため、上記シース厚に比べて上記平均自由行程が短いため、電界の高いシース領域において、水素イオン、ＳｉＨ2イオンおよびＳｉＨ3イオンが互いに衝突しやすい。このため、この荷電交換衝突により、膜のプリカーサとなるＳｉＨ2ラジカルあるいはＳｉＨ3ラジカルが多数生成される。すなわち、基板２０に、水素イオン、ＳｉＨ2イオン、ＳｉＨ3イオンがバイアス電圧によって引き寄せられるが、基板２０に衝突する前に、水素イオン、ＳｉＨ2イオン、ＳｉＨ3イオンはラジカルを形成し、Ｓｉのラジカル（ＳｉＨ3等）が生成される。このため、基板２０には、Ｓｉのラジカルが堆積してＳｉ薄膜を形成する。その際、ヒータ４４で基板２０は加熱されているので、結晶化して微結晶Ｓｉ薄膜が形成される。このように、成膜形成装置１０は、サセプタ４４にバイアス電圧を印加することにより、効率よく成膜することができる。
バイアス電圧が交流電圧であり正の電圧のとき、プラズマＰの空間電位（プラズマポテンシャル）に近づく。しかし、このとき、基板２０は水素イオン、ＳｉＨ2イオンおよびＳｉＨ3イオンを引き込まないので、成膜はされにくい他、エッチングも受けにくい。以上より、バイアス電圧は、負のＤＣ電圧であることが効率的であるが、交流電圧であっても成膜速度は従来に比べて向上する。
【００２９】
例えば、プラズマ生成素子３０に電力１５００Ｗ、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を給電し、成膜空間４０の圧力を２０Ｐａとし、流量４０ｓｃｃｍのモノシランガスを成膜空間４０に導入して基板２０の成膜を行ったとき、バイアス電圧をサセプタ４４に印加しなかった場合の成膜速度は１５０ｎｍ／分であった。これに対して、周波数１ｋＨｚ、電圧６０Ｖのバイアス電圧をサセプタ４４に印加したときの成膜速度は１７５ｎｍ／分であった。これより、薄膜形成装置１０の装置構成において、バイアス電圧の印加が成膜速度に有効であることがわかる。
【００３０】
このように、本実施形態では、シャワーヘッド５１を用いて薄膜用原料ガスを導入し、電極板を用いたプラズマ生成素子３０により磁場を生成してプラズマを生成する一方、サセプタ４４に負の電圧を有するバイアス電圧を印加することにより、成膜速度が従来に比べて向上する。
【００３１】
以上、本発明の薄膜形成装置および薄膜形成方法について詳細に説明したが、本発明の薄膜形成装置は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００３２】
１０  薄膜形成装置
１２  給電ユニット
１４  成膜容器
１６  ガス供給部
１８  ガス排気部
２０  ガラス基板
２２  高周波電源
２４  高周波ケーブル
２６  マッチングボックス
２８，２９  伝送線
３０  プラズマ生成素子
３０ａ，３０ｂ  電極板
３２  隔壁
３４  絶縁部材
３６  誘電体
３８  内部空間
４０  成膜空間
４２  ヒータ
４４  サセプタ
４６  昇降機構
４７  バイアス電圧部
４８  ガスタンク
５０  マスフローコントローラ
５１  シャワーヘッド
５１ａ  ガス導入孔
５２  ターボ分子ポンプ
５４  ドライポンプ
【図１】
2012188684.tif 000003
【図２】
2012188684.tif 000004
【図３】
2012188684.tif 000005
【図４】
2012188684.tif 000006