(57)【要約】【課題】高品質の薄膜を成膜することができるとともに、大面積の成膜に容易に対応することができるプラズマ処理装置および薄膜の製造方法を提供する。【解決手段】被処理体４を収納する反応チャンバー１と、反応チャンバー１内に配置され、被処理体４を保持するステージ５と、反応チャンバー１内に配置され、反応チャンバー１内に高周波放電を発生させる内部アンテナ７と、反応チャンバー１内を、下部空間１０ａと、上部空間１０ｂとに仕切る仕切板１１と、プラズマエリア１０ａ２に第１のガスを供給する第１のガス供給部と、プラズマ抑制エリア１０ａ１に第２のガスを供給する第２のガス供給部とを備え、反応チャンバー１内で、プラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて被処理体４上に薄膜を成膜する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を収納して該被処理体上に薄膜を成膜する反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に配置され、前記被処理体を保持するステージと、
前記反応チャンバー内に配置され、前記反応チャンバー内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源と、
前記反応チャンバー内を、前記ステージ側空間と、前記高周波プラズマ源側空間とに仕切る仕切部と、
前記ステージ側空間に第１のガスを供給する第１のガス供給部と、
前記ステージ側空間に第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２のガス供給部と、を備え、
前記反応チャンバー内で、前記高周波放電によりプラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記ステージに保持された前記被処理体上に薄膜を成膜するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記仕切部は、前記ステージのステージ面に対面して配置された仕切板であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記仕切部の一部または全部が誘電体からなることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記ステージ側空間に接続されて、該ステージ側空間を高真空排気する高真空排気系と、前記高周波プラズマ源側空間に接続されて、該高周波プラズマ源側空間を低真空排気する低真空排気系とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記ステージ側空間を、前記ステージに載置された前記被処理体が位置するプラズマ抑制エリアと、前記プラズマ抑制エリアと前記仕切部との間に少なくとも一部が介在するプラズマ抑制エリア外とに区画する区画部を備え、
前記第１のガス供給部は、前記プラズマ抑制エリア外に前記第１のガスを供給するように構成され、前記第２のガス供給部は、前記プラズマ抑制エリアに前記第２のガスを供給するように構成されており、
前記プラズマ抑制エリアと前記プラズマ抑制エリア外とは、前記プラズマ抑制エリア外の前記第１のガスが前記前記プラズマ抑制エリアに流入するように連通していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記区画部は、前記反応チャンバー内を仕切る遮蔽板により構成されており、該遮蔽板に前記プラズマ抑制エリア外と該プラズマ抑制エリアとを連通する連通部が形成されていることを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記第２のガス供給部は、前記第２のガスを前記プラズマ抑制エリアに向けて放出するガス放出部を有し、該ガス放出部が前記区画部に設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記第１のガス供給部が、前記被処理体よりも前記仕切部の近傍に前記第１のガスを供給するように設けられ、
前記第２のガス供給部が、前記仕切部から離れて前記被処理体の近傍に前記第２のガスを供給するように設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記第１のガスが、水素ガスまたは、水素ガスと希ガスとの混合ガスであり、
前記第２のガスが、モノシランガスおよびジシランガスの一方もしくは両方を含むシラン系ガス、または該シラン系ガスと、ホスフィンガスもしくはジボランガスとを含む混合ガスであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
反応チャンバー内を、被処理体に薄膜を形成する被処理体側の空間と高周波放電が行われる高周波プラズマ源側の空間とに仕切り、前記被処理体側の空間に前記高周波放電によってプラズマ化がなされるように第１のガスを供給するとともに、前記被処理体側の空間に前記プラズマ化が抑制されるように、前記第１のガスとは異なる第２のガスとを供給し、
プラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記被処理体上に薄膜を成膜することを特徴とする薄膜の製造方法。
【請求項１１】
前記被処理体側の空間を、前記プラズマ化が抑制されるプラズマ抑制エリアと、前記プラズマ化がなされるプラズマ抑制エリア外とに区画し、
前記第２のガスを前記プラズマ抑制エリアに供給するとともに、前記第１のガスを前記プラズマ抑制エリア外に供給し、
前記プラズマ抑制エリア外でプラズマ化された前記第１のガスを前記プラズマ抑制エリアに導入して前記第２のガスと接触させることを特徴とする請求項１０記載の薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数種のガスのうちの少なくとも一種を高周波放電によりプラズマ化して被処理体上に薄膜を形成するプラズマ処理装置および薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、微結晶シリコン薄膜は、薄膜太陽電池における長波長側の吸収層、薄膜トランジスタにおけるチャネル層などとして広く用いられている。薄膜トランジスタにおけるチャネル層として微結晶シリコン薄膜を用いた場合、アモルファスシリコン薄膜を用いた場合と比較して、高い移動度が得られることが知られている。
薄膜太陽電池、薄膜トランジスタなどのデバイスの素材となるシリコン膜を成膜する方法としては、従来、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長）法が広く用いられている。プラズマＣＶＤ法では、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス等のシラン系ガスと希釈用の水素ガスとの混合ガスを高周波放電により分解して、シリコン膜を基板上に堆積させる。
【０００３】
プラズマＣＶＤ法は、プラズマの生成方法の違いにより、容量結合型と誘導結合型に分類される。容量結合型プラズマＣＶＤ法では、平行平板電極間に高周波電圧を印加することにより高周波電界を発生させ、原料ガスをプラズマ化する。この方法は、成膜速度が遅く、数百Ｐａもの高いガス圧を必要とする。このため、２次反応によるポリマーの生成や、反応チャンバー内の放電によるチャンバー壁への付着物質による汚染、電極への付着物質による汚染によって、成膜される膜の膜質が劣化するおそれがある。
【０００４】
そこで、最近では、容量結合型プラズマＣＶＤ法に代わり、誘導結合型プラズマＣＶＤ法が用いられるようになってきている。誘導結合型プラズマＣＶＤ法は、高周波コイルに対して高周波電力を印加することにより、誘導結合型プラズマを発生させる。この方法は、高いプラズマ密度を得ることができるため、成膜速度を速くすることができるという特徴を有する。
【０００５】
例えば特許文献１には、このような誘導結合型プラズマＣＶＤ法及びこれに用いられる誘導結合型プラズマＣＶＤ装置が開示されている。
図４は、特許文献１に開示された誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。図４に示すように、誘導結合型プラズマＣＶＤ装置は、反応チャンバー１０１と、反応チャンバー１０１の上部外側に配置された渦巻状の高周波コイル１０２とを有している。反応チャンバー１０１の上部には、表面に酸素を含まないシリコン膜が蒸着された石英材よりなる誘電体窓１０３が形成されている。反応チャンバー１０１内において、誘電体窓１０３と薄膜を形成すべき基材１０４との間には、反応ガスを供給するためのリング状のガス供給ノズル１０５が配置されている。
【０００６】
次に、図４に示す誘導結合型プラズマＣＶＤ装置の動作について説明する。
真空状態に保持された反応チャンバー１０１内には、ガス供給ノズル１０５から反応ガスが供給される。また、高周波コイル１０２に高周波電力が印加されると、反応チャンバー１０１内に誘導結合型プラズマが生成する。反応チャンバー１０１内において生成した誘導結合型プラズマにより反応ガスがプラズマ化され、プラズマ化された反応ガスにより基材１０４上に薄膜が成膜される。
【０００７】
ところで、非特許文献１には、シランを用いたプラズマＣＶＤ法においては、長寿命種であるＳｉＨ３ラジカルが主たる成膜種であることが報告されている。他方、ＳｉＨ３ラジカル以外の分解生成物であるＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカル等は、原料ガスと２次反応、３次反応を起こし、高次の生成物を生成する短寿命種として知られている。これら短寿命種を排除することは、結晶性の向上に寄与する要因の一つであると考えられている。
また、非特許文献２及び非特許文献３には、水素ラジカルが微結晶シリコン薄膜の形成に影響を与えることが報告されている。
このように、高品質な微結晶シリコン薄膜を形成するためには、高次生成物やその前駆体を除去し、ＳｉＨ３ラジカル及び水素ラジカルを増加させることが必要であることが明らかにされている。
【０００８】
なお、特許文献２には、成膜室内に基盤ステージとプラズマ電極とが対向して配設された容量結合型のプラズマ処理装置において、プラズマ電極に成膜室の外部から供給されるシランガスを基板上に吹出させるシランガス貯気供給室と、プラズマ電極に成膜室の外部から供給される水素ガスを水素プラズマにして基板上に吹出させるとともに、シランガス貯気供給室から吹出されるシランガスをプラズマ化させる水素ガス供給部とを備えるプラズマ処理装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２７７６２号公報
【特許文献２】特開２０１０−７３９７０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】松田彰久、「シランプラズマ中における原料ガスの解離過程」、プラズマ・核融合学会誌、社団法人プラズマ・核融合学会、2000年8月、第76巻、第8号、p.760-765
【非特許文献２】A．Matsuda、「Growth mechanism of microcrystalline silicon obtained from reactive plasmas」、Thin Solid Films、米国、Elsevier B.V.、1999年1月11日、第337巻、p.1-6
【非特許文献３】小川俊輔、野々村修一、「微結晶系薄膜太陽電池の開発動向と透明電極表面保護膜」、表面技術、社団法人表面技術協会、2008年、第59巻、第3号、p.155-160
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、薄膜系シリコン太陽電池では、アモルファスシリコン層と微結晶シリコン層とが積層されたタンデム構造を採用することにより、効率的な光吸収を実現し、変換効率の向上を図ることが行われている。しかしながら、アモルファスシリコン層は光吸収率が高く、０．２〜０．３μｍ程度の膜厚で６〜７％程度の光変換率を達成している一方で、微結晶シリコン層は光吸収率が低く、１．５〜２μｍ程度の膜厚が必要であるにもかかわらず３〜５％程度の光変換効率しか得られないのが現状である。
【００１２】
他方、薄膜トランジスタでは、微結晶シリコンは、アモルファスシリコンより高い応答性が得られる可能性があり、また、多結晶シリコンでは応用困難なＧ５以上（第５世代以降）の大型基板への応用も期待されている。
これらの用途においては、例えば結晶化度や欠陥密度のような微結晶シリコン薄膜の膜質を改善することが重要である。膜質を改善することにより、太陽電池においては光変換効率の向上に、薄膜トランジスタにおいては応答性の向上に大きく貢献することができる。
【００１３】
高品質な微結晶シリコン薄膜を成膜するためには、前述の通り、水素ラジカルとＳｉＨ３ラジカルが必要であるといわれている。しかしながら、一般的に、シラン（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）とが同時に存在するような空間では、プラズマエネルギーを上げると、水素の解離が進行し、水素ラジカルの生成量が増加するが、同時にシランの解離も進行する。このため、成膜種であるシリル（ＳｉＨ３）ラジカルの生成量が相対的に減少する。逆に、シランの解離を抑制するためにプラズマエネルギーを下げると、水素の解離する割合も減少し、その結果として水素ラジカルの生成量が減少する。
このように、水素ラジカルの生成量とＳｉＨ３ラジカルの生成量とを同時に増加することは、相反する両立困難なことであると知られている。
【００１４】
また、誘導結合型プラズマＣＶＤ法においては、これに特有のアンテナ近傍における高密度プラズマによってシランの解離が進行する。このため、ＳｉＨ３ラジカルの生成がうまくできず、ＳｉＨ３ラジカルの生成量よりもＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成量が増加する。これらＳｉＨ３ラジカル以外のラジカルはシランと２次反応又は３次反応をすることにより、ダイマー、トリマー等が生成され、結果として膜の欠陥密度が増加し、膜質が低下するという問題が生じる。
上記のような理由により、従来のプラズマＣＶＤ法では、膜質を向上するためにＳｉＨ３ラジカルの生成量と水素ラジカルの生成量の両方を増加させることは困難である。
【００１５】
また、大面積の成膜に対応したＣＶＤ装置を開発する場合には、成膜が行われる反応容器を大型化するとともに、反応容器内を真空状態にした際に反応容器の天板が撓まないように天板を厚く設計する必要がある。さらに、誘導結合型プラズマＣＶＤ装置の場合に、外部アンテナ方式を採用すると、天板の厚さに比例して、外部アンテナからの高周波を反応容器内に伝達するための誘電体窓を厚くする必要がある。このため、外部アンテナ方式では、コスト面および製造面の両面で問題が生じ得る。他方、内部アンテナ方式を採用すると、これらの面で問題は生じないが、反応容器内に内部アンテナが露出しているため、成膜に際して内部アンテナに付着物が付着する。内部アンテナに付着した付着物は、内部アンテナの状態を変化させる原因となるだけでなく、膜質に影響を与えるパーティクルの発生源となる。
【００１６】
本発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、高品質の薄膜を成膜することができるとともに、大面積の成膜に容易に対応することができるプラズマ処理装置および薄膜の製造方法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】
【００１７】
すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、被処理体を収納して該被処理体上に薄膜を成膜する反応チャンバーと、前記反応チャンバー内に配置され、前記被処理体を保持するステージと、前記反応チャンバー内に配置され、前記反応チャンバー内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源と、前記反応チャンバー内を、前記ステージ側空間と、前記高周波プラズマ源側空間とに仕切る仕切部と、前記ステージ側空間に第１のガスを供給する第１のガス供給部と、前記ステージ側空間に第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２のガス供給部と、を備え、前記反応チャンバー内で、前記高周波放電によりプラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記ステージに保持された前記被処理体上に薄膜を成膜するように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の薄膜の製造方法は、反応チャンバー内を、被処理体に薄膜を形成する被処理体側の空間と高周波放電が行われる高周波プラズマ源側の空間とに仕切り、前記被処理体側の空間に前記高周波放電によってプラズマ化がなされるように第１のガスを供給するとともに、前記被処理体側の空間に前記プラズマ化が抑制されるように、前記第１のガスとは異なる第２のガスとを供給し、プラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記被処理体上に薄膜を成膜することを特徴とする。
【００１９】
第２のガスは、例えば解離したガスが被処理体に直接作用することで成膜を行うものであり、このようなガスを高周波放電によって直接プラズマ化してしまうと、高品質の薄膜を成膜することが困難になる。例えば、シランガスの解離が進行すると、所望のＳｉＨ３ラジカルの生成がうまくできず、Ｓｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成量が増加し、結果として高品質の微結晶シリコン薄膜が形成されない。
上記本発明によれば、高周波放電により第１のガスをプラズマ化する一方、高周波放電による第２のガスのプラズマ化を抑制し、このプラズマ化が抑制された第２のガスとプラズマ化された第１のガスとの接触によって第２のガスの分解反応が起きるため、高周波放電による第２のガスの解離が早期に進行することはなく、成膜種を効率よく生成して、高品質の薄膜を成膜することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、反応チャンバー内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源が反応チャンバー内に配置されているため、反応チャンバーにその外部から内部に高周波を伝達するための誘電体窓を設ける必要がない。したがって、反応チャンバーを容易に大型化することができ、大面積の成膜に容易に対応することができる。
【００２１】
さらに、反応チャンバー内は、仕切部により、ステージ側空間と高周波プラズマ源側空間とに仕切られており、ステージ側空間に第１のガスおよび第２のガスが供給される。このため、プラズマ化された第１のガスその他のプラズマ化されたガスが反応チャンバー内の高周波プラズマ源に直接接触することがない。これにより、高周波プラズマ源に付着した付着物によって薄膜の膜質に影響を与えるパーティクルが発生するのを防止する。したがって、高品質の薄膜を成膜することができるとともに、装置のクリーニングを容易なものとして優れたメンテナンス性を実現することができる。
なお、仕切部は、高周波プラズマ源による高周波放電がステージ側空間側に透過することができる材質であればよい。例えば、仕切部としては、その一部または全部が誘電体からなるものを用いることができる。また、仕切部は、ガスが直接プラズマ発生源に接触しないものであればよく、ステージ側空間とプラズマ発生源側空間とが連通するものであってもよい。ただし、ガスがプラズマ発生源側空間に移動するのを抑制するため、連通部分はないか、あっても小さい開口で形成するのが望ましい。
また、仕切部としては、ステージのステージ面に対面して配置された仕切板を用いることができる。第１のガスは、高周波プラズマ源による高周波放電により、ステージのステージ面に対面して配置された仕切板の板面に沿ってより均一にプラズマ化される。これにより、被処理体上に均質な薄膜を成膜することができる。
【００２２】
仕切部により仕切られたステージ側空間と高周波プラズマ源側空間とは、それぞれ互いに別個独立の真空排気系により真空排気することができる。互いに別個独立の真空排気系により両空間をそれぞれ真空排気することにより、単一の真空排気系により両空間を真空排気する場合と比較して両空間を目的とする真空度に容易に調整することができる。
なお、ステージ側空間は良質な薄膜形成のために相対的に高真空排気するが、高周波プラズマ源では高真空排気は必要なく、相対的に低い真空度で排気すればよい。
また、ステージ側空間と高周波プラズマ源側空間とを単一の真空排気系により真空排気する場合には、ステージ側空間と高周波プラズマ源側空間とを連通する連通部を仕切部に設け、ステージ側空間に真空排気系を接続して両空間を真空排気することも可能である。
【００２３】
前記ステージ側空間は、ステージに載置された前記被処理体が位置するプラズマ抑制エリアと、プラズマ抑制エリアと前記仕切部との間に少なくとも一部が介在するプラズマ抑制エリア外とに区画することができる。プラズマ抑制エリアでは高周波プラズマ源により発生された高周波放電によるガスのプラズマ化が抑制される一方、プラズマ抑制エリア外では前記高周波放電によるガスのプラズマ化がなされる。この場合、前記第１ガス供給部によりプラズマ抑制エリア外に第１のガスを供給し、前記第２ガス供給部によりプラズマ抑制エリアに第２のガスを供給する。これにより、プラズマ抑制エリア外において第１のガスをプラズマ化しつつ、プラズマ抑制エリアにおいて第２のガスのプラズマ化を抑制することができる。そして、プラズマ抑制エリア外の第１のガスがプラズマ抑制エリアに流入するようにプラズマ抑制エリアとプラズマ抑制エリア外とを連通させることで、プラズマ抑制エリアで、プラズマ化された第１のガスとプラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させることができる。また、ステージに載置された被処理体がプラズマ抑制エリアに位置することにより、成膜を効果的に行うことができる。このように、区画部によりプラズマ抑制エリアを形成することにより、第２のガスのプラズマ化を効果的に抑制することができ、高品質の薄膜の成膜に必要な成膜種を効率よく生成することができる。
【００２４】
なお、前記区画部は、例えば、反応チャンバー内を仕切る遮蔽板により構成することができる。遮蔽板には、プラズマ抑制エリアにプラズマ抑制エリア外の第１のガスが流入可能なように、プラズマ抑制エリア外とプラズマ抑制エリアとを連通する連通部を設けるのが望ましい。連通部は、遮蔽板に複数形成することができ、隣接する連通部の間隔を、第１のガスの平均自由行程のオーダー程度となるように設定することが望ましい。このように連通部の間隔を設定することにより、第１のガスが連通部を通過した後に十分に被処理体上に行き亘らせることができ、第２のガスと効率よく接触させることができる。
【００２５】
また、前記第１ガス供給部は、前記被処理体よりも前記仕切部の近傍に第１のガスを供給するように設けられているのが望ましい。このように第１ガス供給部を設置することにより、第１ガス供給部から供給される第１のガスを早期にプラズマ化させてプラズマ処理の効率を向上することができる。
【００２６】
また、前記第２ガス供給部は前記仕切部から離れて前記被処理体の近傍に第２のガスを供給するように設けられているのが望ましい。例えば第２ガス供給部に備える第２ガス吹出口を被処理体の近傍に配置するのが望ましい。このように第２ガス供給部を配置することにより、第２ガス供給部から供給される第２のガスのプラズマ化をより確実に抑制することができる。
例えば、第２のガス供給部は、第２のガスを前記プラズマ抑制エリアに向けて放出するガス放出部を有するものとし、該ガス放出部を前記区画部に形成することができる。第２のガス供給部のガス放出部を区画部に形成することにより、第２のガスのプラズマ化を確実に抑制することができる。
【００２７】
また、プラズマ抑制エリア外の第１のガスをプラズマ抑制エリア内に導入するためには、種々の方法を用いることができ、例えば、反応チャンバー内の圧力差を利用した方法が挙げられる。具体的には、プラズマ抑制エリア外をプラズマ抑制エリア内に対して陽圧にする。このような圧力差を設けることにより、プラズマ抑制エリア外にある第１のガスをプラズマ抑制エリア内に容易に導入することができる。
【００２８】
なお、第１のガスおよび第２のガスは、特定のガスに限定されるものではなく、被処理体上に成膜すべき薄膜の種類に応じて適宜選択することができる。例えば被処理体上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合、第１のガスとしては、水素ガスまたは、水素ガスと希ガスとの混合ガスが挙げられ、第２のガスとしては、モノシランガスおよびジシランガスの一方もしくは両方を含むシラン系ガス、または該シラン系ガスと、ホスフィンガスもしくはジボランガスとを含む混合ガスが挙げられる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のとおり、本発明によれば、反応チャンバー内を、被処理体に薄膜を形成する被処理体側の空間と高周波放電が行われる高周波プラズマ源側の空間とに仕切り、被処理体側の空間に高周波放電によってプラズマ化がなされるように第１のガスを供給するとともに、被処理体側の空間にプラズマ化が抑制されるように、第１のガスとは異なる第２のガスとを供給し、プラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記被処理体上に薄膜を成膜するので、高品質の薄膜を成膜することができるとともに、大面積の成膜に容易に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態のプラズマ処理装置を縦断面した概略端面図である。
【図２】同じく、（ａ）図は、その遮蔽板の平面構造を示す底面図であり、（ｂ）図は、（ａ）図のＡ−Ａ線端面図である。
【図３】同じく、複数の内部アンテナを備えた他の実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。
【図４】従来の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（実施形態１）
本発明の一実施形態のプラズマ処理装置を図１および図２に基づいて説明する。図１は本実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。図２（ａ）はその遮蔽板の平面構造を示す下面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線端面図である。
図１に示すように、本実施形態のプラズマ処理装置は、内部を真空状態に維持可能な反応チャンバー１を有している。
反応チャンバー１は、周側壁１ａ１及び底板１ａ２により構成される反応チャンバー下部本体１ａと、周側壁１ｂ１及び天板１ｂ２により構成される反応チャンバー上部本体１ｂとを有している。反応チャンバー下部本体１ａと反応チャンバー上部本体１ｂとは、例えば金属からなる遮蔽板２を介して上下に重ねられており、反応チャンバー１内が密閉されている。遮蔽板２は、その板面を水平にして反応チャンバー下部本体１ａと反応チャンバー上部本体１ｂとの間に挟持されている。遮蔽板２は、本発明の区画部に相当する。なお、反応チャンバー下部本体１ａと遮蔽板２との間には絶縁材３ａが介装され、反応チャンバー上部本体１ｂと遮蔽板２との間には絶縁材３ｂが介装されており、反応チャンバー１と遮蔽板２との間が絶縁されている。
【００３２】
反応チャンバー下部本体１ａの周側壁１ａ１および底板１ａ２は一体に構成され、反応チャンバー上部本体１ｂの周側壁１ｂ１および天板１ｂ２も一体に構成されている。なお、周側壁１ａ１および底板１ａ２は別体に構成されて密着固定され、周側壁１ｂ１および天板１ｂ２も別体に構成されて密着固定されていてもよく、さらに、それぞれ互いに分離することができるようにしてもよい。周側壁１ａ１、１ｂ１を高さの異なるものに変更することで、反応チャンバー１の高さを容易に変更することができる。
また、周側壁１ａ１の内径および外径は、それぞれ周側壁１ｂ１の内径および外径と一致しており、外周面および内周面に段差が生じることなく周側壁１ａ１と周側壁１ｂ１とが重ね合わされている。
【００３３】
遮蔽板２の下側の反応チャンバー１の内部中央には、遮蔽板２に対向するように、被処理体４を保持するステージ５が配置されている。被処理体４は、例えば、半導体基板、ガラス基板などである。
ステージ５には、ステージ５にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源６が接続されている。さらに、ステージ５上の被処理体４を加熱するための加熱用ヒーター（図示せず）が設置されている。加熱用ヒーターはステージ５に埋設してもよく、またステージ５の周囲に配置するものであってもよい。
【００３４】
反応チャンバー上部本体１ｂの天板１ｂ２には、反応チャンバー１内側に向けて、本発明の高周波プラズマ源に相当する内部アンテナ７が突設されている。この図では、天板１ｂ２の中央に内部アンテナ７が設けられているが、天板１ｂ２に間隔を置いて複数の内部アンテナ７を設けるものであってもよい。
内部アンテナ７には、反応チャンバー１外部から、マッチングボックス８を介して高周波電源９が接続されている。本実施形態のプラズマ処理装置は、外部アンテナ方式のように反応チャンバー１にその外部から内部に高周波を伝達するための誘電体窓を設ける必要がなく、反応チャンバー１を容易に大型化することができ、大面積の成膜に容易に対応することができる。
【００３５】
反応チャンバー上部本体１ｂの内側には、反応チャンバー１内を、ステージ５側の下部空間１０ａと内部アンテナ７側の上部空間１０ｂとに仕切る仕切板１１が設けられている。仕切板１１は、本発明の仕切部に相当する。下部空間１０ａは、本発明のステージ側空間に相当し、上部空間１０ｂは、本発明の高周波プラズマ源側空間に相当する。
仕切板１１は、その板面が、ステージ５のステージ面に対面し、互いに平行になるように水平に配置されている。仕切板１１は、その一部または全部が誘電体からなり、上部空間１０ｂ内の内部アンテナ７により発生した電磁波を下部空間１０ａ側に透過する。
【００３６】
下部空間１０ａの底板１ａ２には、下部空間１０ａを高真空排気する高真空排気系１２が接続されている。また、上部空間１０ｂには、上部空間１０ｂを低真空排気する低真空排気系１３が接続されている。低真空排気系１３は、高真空排気系１２により排気される下部空間１０ａの真空度よりも相対的に低い真空度に上部空間１０ｂを真空排気する。
なお、高真空排気系１２および低真空排気系１３のうち、低真空排気系１３を設けずに、高真空排気系１２のみにより下部空間１０ａと上部空間１０ｂとを真空排気するようにしてもよい。この場合、下部空間１０ａを介して上部空間１０ｂを真空排気することができるように、仕切板１１に、下部空間１０ａと上部空間１０ｂとを連通する連通部を形成する。
【００３７】
下部空間１０ａは、さらに、反応チャンバー下部本体１ａと反応チャンバー上部本体１ｂとの間に介装された遮蔽板２により上下に区画されている。下部空間１０ａのうち、遮蔽板２下方側の空間がプラズマ抑制エリア１０ａ１に割り当てられ、遮蔽板２と仕切板１１との間に介在する空間がプラズマ抑制エリア外となるプラズマエリア１０ａ２に割り当てられている。遮蔽板２は、高周波が上方から下方に容易には侵入しない材質で構成されていることが望ましく、例えば金属その他の導電材で構成されていることが望ましい。
【００３８】
周側壁１ｂ１には、仕切板１１の下側において、第１のガス導入口１４が設けられている。第１のガス導入口１４には、第１のガス供給管１５を介して第１のガスを供給する第１のガス供給源１６が接続されている。第１のガス導入口１４、第１のガス供給管１５、および第１のガス供給源１６は、本発明の第１のガス供給部を構成する。
被処理体４上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合、第１のガスとして、例えば、水素ガスまたは、水素ガスと希ガスとの混合ガスが用いられる。
なお、図１には、第１のガス導入口１４、第１のガス供給管１５、および第１のガス供給源１６が複数組（２組）設けられている場合を示しているが、これらは１組でも複数組でもよく、また、これらが設けられる位置関係も特定のものに限定されるものではない。
【００３９】
遮蔽板２は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、上下面に貫通する複数の連通孔２ａが遮蔽板２の板面方向に亘って分散配置されている。プラズマ抑制エリア１０ａ１とプラズマエリア１０ａ２とは、連通孔２ａを介して連通している。連通孔２ａは、本発明の連通部に相当する。連通孔２ａは、遮蔽板２の上面から下面に向かって板面に沿った断面積が次第に増加するテーパ穴形状を有しており、上部開口２ａ１に比べ下部開口２ａ２は、開口径が約３倍になっている。
なお、連通孔２ａの形状および形成位置は、図２に示すものに限定されるものではないが、連通孔２ａの形状は、遮蔽板２の上面から下面に向かって板面に沿った断面積が次第に増加するテーパ孔形状であることが望ましい。これにより、プラズマエリア１０ａ２側からプラズマ抑制エリア１０ａ１側にガスが拡散しつつ流入することができる。また、複数の連通孔２ａは、被処理体４上に均質の薄膜を形成するため、遮蔽板２の板面に亘って均等に形成されていることが望ましい。
【００４０】
また、連通孔２ａは、プラズマエリア１０ａ２内の第１のガスが、プラズマ抑制エリア１０ａ１内に流入するのに十分な大きさを有していればよく、大きく形成しすぎると、高周波の侵入を許し、プラズマ抑制エリア１０ａ１内の第２のガスのプラズマ化を招く。また、プラズマ抑制エリア１０ａ１からプラズマエリア１０ａ２にガスが流入しやすくなる。隣接する連通孔２ａの間隔は、真空状態でのプラズマエリア１０ａ２内における第１のガスの平均自由行程のオーダー程度となっている。
また、高真空排気系１２でプラズマ処理中も僅かに真空引きすることで、プラズマ抑制エリア１０ａ１側をプラズマエリア１０ａ２側よりも相対的に負圧にすることができ、プラズマエリア１０ａ２側からプラズマ抑制エリア１０ａ１側へのガスの流入を促すとともに、プラズマ抑制エリア１０ａ１側からプラズマエリア１０ａ２側へのガスの侵入を防止することができる。
【００４１】
また、遮蔽板２内部には、遮蔽板２の板面方向に沿い、かつ連通孔２ａを避けるようにして第２のガスが流通するガス流路２ｂが形成されている。ガス流路２ｂは、均等に複数本に分岐している。このガス流路２ｂには、遮蔽板２内に形成され、連通孔２ａの内壁に開口する複数のガス放出路２ｃが連通している。１つの連通孔２ａに対して、図２（ａ）に示すように、例えば４つのガス放出路２ｃが対称に連通孔２ａの内壁に開口している。なお、ガス放出路２ｃは、必ずしも連通孔２ａの内壁に開口している必要はなく、遮蔽板２の連通孔２ａの間の部分でガス流路２ｂから分岐して遮蔽板２の下面に開口していてもよい。
なお、複数のガス放出路２ｃは、被処理体４上に均質の薄膜を形成するため、遮蔽板２の板面に亘って均等に形成されていることが望ましい。
【００４２】
遮蔽板２の側端部には、ガス流路２ｂの一端が開口しており、該開口に第２のガス供給管１７が接続されている。ガス供給管１７には、第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２のガス供給源１８が接続されている。ガス放出路２ｃ、ガス流路２ｂ、第１のガス供給管１７、および第２のガス供給源１８は、本発明の第２のガス供給部を構成する。また、ガス放出路２ｃは、本発明のガス放出部に相当する。
【００４３】
被処理体４上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合、第２のガスとして、例えば、モノシランガスおよびジシランガスの一方または両方を含むシラン系ガスが用いられる。また、該シラン系ガスと、ホスフィンガスまたはジボランガスとを含む混合ガスを第２のガスとして用いることもできる。第２のガスにホスフィンガスを含ませることにより、リンがドープされた微結晶シリコン薄膜が成膜される。また、第２のガスにジボランガスを含ませることにより、ホウ素がドープされた微結晶シリコン薄膜が成膜される。
【００４４】
なお、図１には、第２のガス供給管１７および第２のガス供給源１８が複数組（２組）設けられている場合を示しているが、これらは１組でも複数組でもよく、また、これらが設けられる位置関係も特定のものに限定されるものではない。
【００４５】
次に、上記図１および図２（ａ）（ｂ）に示すプラズマ処理装置の動作について説明する。
ステージ５上に被処理体４を載置して保持し、高真空排気系１２により反応チャンバー１内の下部空間１０ａを高真空排気して所定の真空度の真空状態にする。これとともに、低真空排気系１３により反応チャンバー１内の上部空間１０ｂを低真空排気して下部空間１０ａの真空度よりも相対的に低い真空度の真空状態にする。下部空間１０ａおよび上部空間１０ｂが所定の真空状態になった後、加熱用ヒーターにより、ステージ５上の被処理体４を例えば３００℃前後に加熱する。また、バイアス電源６により、ステージ５に所定のバイアス電圧を印加する。ステージ５にバイアス電圧を印加することにより、プラズマ化された第１のガスがステージ５側に引き寄せられ、第２のガスとの接触効率が増加する。  高真空排気系１２および低真空排気系１３では、下部空間１０ａおよび上部空間１０ｂがそれぞれ所定の圧力状態に維持されるようにプラズマ処理中も真空排気を継続する。
【００４６】
次いで、第１のガス供給源１６から、第１のガス供給管１５および第１のガス導入口１４を通して第１のガスをプラズマエリア１０ａ２に供給する。プラズマエリア１０ａ２に供給された第１のガスは、遮蔽板２に形成された連通孔２ａからプラズマ抑制エリア１０ａ１に放出される。
上記第１のガスの供給と同時期または時期をずらして、第２のガス供給源１８から、第２のガス供給管１７を通してガス流路２ｂに第２のガスを供給する。ガス流路２ｂに供給された第２のガスは、ガス放出路２ｃからプラズマ抑制エリア１０ａ１にシャワー状に放出される。
第１のガスおよび第２のガスの供給に際しては、プラズマ抑制エリア１０ａ１に対してプラズマエリア１０ａ２が陽圧になるように両ガスの供給を行い、また、高真空排気系１２による高真空排気を行う。
被処理体４上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合には、例えば、第１のガスとして水素を用い、第２のガスとして例えばシランガスまたはジシランガスを用いる。ただし、本発明としては、第１のガスおよび第２のガスが上記に限定されないことは既述したとおりである。
【００４７】
上部空間１０ｂにおける内部アンテナ７には、マッチングボックス８を介して高周波電源９により高周波電圧を印加する。反応チャンバー１内では、高周波電圧が印加された内部アンテナ７により、上部空間１０ｂからプラズマエリア１０ａ２に向かって高周波放電が発生する。上部空間１０ｂと下部空間１０ａのプラズマエリア１０ａ２とを仕切る仕切板１１の一部または全部が誘電体からなるため、プラズマエリア１０ａ２に高周波が及ぶ。プラズマ抑制エリア１０ａ１では、遮蔽板２が金属で構成されているため、プラズマエリア１０ａ２に及ぶ高周波の影響が排除される。
【００４８】
プラズマエリア１０ａ２では、内部アンテナ７による高周波放電により第１のガスがプラズマ化される。この際には、プラズマ化されたガスは、仕切板１１によって内部アンテナ７に付着するのが防止される。
第１のガスは、被処理体４を保持するステージ５のステージ面に対面して配置された仕切板１１の板面に沿って均一にプラズマ化され、被処理体４上に均質な薄膜を成膜する。
プラズマエリア１０ａ２においてプラズマ化された第１のガスは、プラズマエリア１０ａ２から連通孔２ａを通してプラズマ抑制エリア１０ａ１に次第に流入する。
【００４９】
一方、第２のガスは、内部アンテナ７による高周波放電の影響を受けることなく、遮蔽板２内のガス流路２ｂを流れてガス放出路２ｃからプラズマ抑制エリア１０ａ１に放出される。第２のガスは、プラズマ抑制エリア１０ａ１においてプラズマ化が抑制された状態で、連通孔２ａから放出される、プラズマ化された第１のガスと接触して分解反応を起こす。この結果、被処理体４上に薄膜が形成される。
具体的には、第１のガスとして水素ガスを用い、第２のガスとしてシランガスを用いる場合、内部アンテナ７によるシランガスのプラズマ化を抑制しつつ、水素ガスのプラズマ化によって生じた水素ラジカルにより、シランガスの分解反応が起きる。これにより、成膜種となるＳｉＨ３ラジカルへのシランガスの分解を促進するとともに、Ｓｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成を抑制することができる。こうして、ＳｉＨ３ラジカルの生成量と水素ラジカルの生成量とを同時に増加させ、被処理体４上に高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。
本発明のプラズマ処理装置により成膜された薄膜は高品質であり、これを用いて太陽電池、薄膜トランジスタなどのデバイスを形成した場合、良好な電気的特性を得ることができる。
【００５０】
（実施形態２）
次に、本発明の他の実施形態のプラズマ処理装置を図３に基づいて説明する。図３は本実施形態のプラズマ処理装置を示す概略図である。なお、上記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
上記実施形態１では、単一の内部アンテナ７が設けられているものについて説明したが、内部アンテナは複数設けられていてもよい。本実施形態のプラズマ処理装置は、上記実施形態１のプラズマ処理装置において、単一の内部アンテナ７に代えて、複数の内部アンテナ７ａ、７ｂ、７ｃを有するものである。
【００５１】
図３に示すように、反応チャンバー上部本体１ｂの天板１ｂ２には、反応チャンバー１内側に向けて、内部アンテナ７と同様の複数の内部アンテナ７ａ、７ｂ、７ｃが並列して突設されている。
内部アンテナ７ａ、７ｂ、７ｃには、反応チャンバー１外部から、それぞれマッチングボックス８と同様のマッチングボックス８ａ、８ｂ、８ｃを介して高周波電源９が接続されている。
このように、複数の内部アンテナ７ａ、７ｂ、７ｃを設けて、これら内部アンテナ７ａ、７ｂ、７ｃにより反応チャンバー１内に高周波放電を発生させてもよい。
【００５２】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１      反応チャンバー
２      遮蔽板
２ａ    連通孔
２ｂ    ガス流路
２ｃ    ガス放出路
４      被処理体
５      ステージ
７      内部アンテナ
７ａ    内部アンテナ
７ｂ    内部アンテナ
７ｃ    内部アンテナ
９      高周波電源
１０ａ    下部空間
１０ａ１  プラズマ抑制エリア
１０ａ２  プラズマエリア
１０ｂ    上部空間
１１      仕切板
１２      高真空排気系
１３      低真空排気系
１４      第１のガス導入口
１５      第１のガス供給管
１６      第１のガス供給源
１７      第２のガス供給管
１８      第２のガス供給源
【図１】
2013016705.tif 000003
【図２】
2013016705.tif 000004
【図３】
2013016705.tif 000005
【図４】
2013016705.tif 000006