(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と、この反応容器に反応ガスを供給するガス供給手段と、この反応容器に設けられた電極と、この電極に高周波電力を供給する電力供給部とを備えたプラズマ生成装置であって、前記電極が１本の線材を交互に折り曲げてＵ字状ジグザグ平面に形成されたコイル型電極であり、かつ高周波電源からインピーダンス整合器、電力分配器、複数のインピーダンス変換器及び複数の同軸ケーブルを介してこのコイル型電極の複数箇所に前記高周波電力を供給するようにしたことを特徴とするプラズマ生成装置。
【請求項２】
コイル型電極が、１本の線材を交互に折り曲げてＵ字状ジグザグ平面に形成した複数のコイル型電極を三次元的に配置したものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ生成装置。
【請求項３】
コイル型電極の隣り合う線材同士を、ほぼ同一長さにて交互に折り曲げてＵ字状ジグザグ平面に形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ生成装置。
【請求項４】
コイル型電極が、基板とほぼ平行に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載のプラズマ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アモルファスシリコン太陽電池、薄膜半導体、光センサ、半導体保護膜等の各種電子デバイスの薄膜の製造等に適用されるプラズマ生成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アモルファスシリコン（以下ａ−Ｓｉと記す）薄膜や窒化シリコン薄膜などの成膜、エッチング、反応容器内のクリーニングなどのために、プラズマ生成装置が用いられる。この種プラズマ生成装置において、超高周波（周波数数十〜数百ＭＨｚ）プラズマは、一般的な１３．５６ＭＨｚ程度のプラズマに比べ、▲１▼プラズマ密度が高いので高速成膜が可能、▲２▼基板へ入射するイオンのエネルギーが小さいのでプロセス時のダメージが小さく高品質膜成膜が可能、という利点がある。しかしながら、超高周波では大面積で均一なプラズマの生成が難しい。そこでその対策として、一般的な平行平板型電極に代わり、新たな電極構造として、ラダー型電極（はしご型電極）を用いることが提案されている。以下、はしご型電極を用いた従来のプラズマ生成装置について説明する。
【０００３】
図６は、従来のプラズマ生成装置の構成図、図７は同はしご型電極の斜視図、図８は同プラズマ電源周波数と膜厚分布の相関図である。図６において、１は反応容器であり、この反応容器１内に放電用のはしご型電極２と基板加熱用ヒータ３とが平行に配置されている。はしご型電極２には、高周波電源４からインピーダンス整合器５を介して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。はしご型電極２は、図７に示すように一端がインピーダンス整合器５を介して高周波電源４に接続されており、他端はアース線７に接続され、反応容器１とともに接地されている。
【０００４】
はしご型電極２に供給された高周波電力は、反応容器１とともに接地された基板加熱用ヒータ３とはしご型電極２との間にグロー放電プラズマを発生させ、放電空間経由で反応容器１の壁へ、またはしご型電極２のアース線７を介してアースへ流れる。なお、このアース線７には同軸ケーブルが用いられている。
【０００５】
反応容器１内には、図示しないボンベから反応ガス導入管８を通して、例えばモノシランと水素との混合ガスが供給される。供給された反応ガスは、はしご型電極２により発生したグロー放電プラズマにより分解され、基板加熱用ヒータ３上に保持され、所定の温度に加熱された基板９上に堆積する。また、反応容器１内のガスは、排気管１０を通して真空ポンプ１１により排気される。
【０００６】
以下、上記プラズマ生成装置を用いて薄膜を製造する場合について説明する。まず、真空ポンプ１１を駆動して反応容器１内を排気した後、反応ガス導入管８を通して、例えば、モノシランと水素との混合ガスを供給し、反応容器１内の圧力を０．０５〜０．５Ｔｏｒｒに保つ。
【０００７】
この状態で、高周波電源４からはしご型電極２に高周波電力を供給すると、グロー放電プラズマが発生する。反応ガスは、はしご型電極２と基板加熱用ヒータ３間に生じるグロー放電プラズマによって分解され、この結果ＳｉＨ３、ＳｉＨ２などのＳｉを含むラジカルが発生し、基板９表面に付着してａ−Ｓｉ薄膜が形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電極としてはしご型電極を用いる上記従来方法は、次のような問題を有している。すなわち、はしご型電極２近傍に発生した電界により反応ガス、例えばＳｉＨ４はＳｉ、ＳｉＨ、ＳｉＨ２、ＳｉＨ３、Ｈ、Ｈ２等に分解され、基板９の表面にａ−Ｓｉ膜を形成する。しかしながら、ａ−Ｓｉ膜形成の高速化を図るため、高周波電源の周波数を現状の１３．５６ＭＨｚより、３０ＭＨｚないし１５０ＭＨｚへ高くすると、はしご型電極２近傍の電界分布の一様性がくずれ、その結果として、ａ−Ｓｉ膜の膜厚分布が極端に悪くなる。図８は、基板面積３０ｃｍ×３０ｃｍでのプラズマ電源周波数と膜厚分布（平均膜厚からのずれ）の関係を示す。膜厚分布の一様性（＝１０％以内）を確保できる基板の大きさ即ち面積は５ｃｍ×５ｃｍないし２０ｃｍ×２０ｃｍ程度である。
【０００９】
放電用はしご型電極を用いる方法による高周波電源の高周波数化が困難な理由は次の通りである。すなわち、はしご型電極の構造に起因したインピーダンスの不均一性、すなわち電極分岐点（インピーダンス不連続点）が存在するために、プラズマ発光の強い部分が局部的になる。例えば、上記電極の周辺部に強いプラズマが発生し、中央部には発生しない。特に６０ＭＨｚ以上の高周波数化に伴なってその減少は顕著になる。このような問題点は、薄膜の成膜の場合に限らず、エッチング、クリーニングのような他のプラズマ処理の場合にも生じる。
【００１０】
したがって本発明は、殊に超高周波領域における電圧分布を改善し、大面積であってもより均一なプラズマを生成して成膜、エッチング、クリーニングなどのプラズマ処理を行うことができるプラズマ生成装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の手段のプラズマ生成装置は、反応容器と、この反応容器に反応ガスを供給するガス供給手段と、この反応容器に設けられた電極と、この電極に高周波電力を供給する電力供給部とを備えたプラズマ生成装置であって、前記電極が１本の線材を交互に折り曲げてＵ字状ジグザグ平面に形成されたコイル型電極であり、かつ高周波電源からインピーダンス整合器、電力分配器、複数のインピーダンス変換器及び複数の同軸ケーブルを介してこのコイル型電極の複数箇所に前記高周波電力を供給するようにしたものである。
また、第２の手段のプラズマ生成装置は、第１の手段において、コイル型電極が、１本の線材を交互に折り曲げてＵ字状ジグザグ平面に形成した複数のコイル型電極を三次元的に配置したものである。
また、第３の手段のプラズマ生成装置は、第１又は２の手段において、コイル型電極の隣り合う線材同士を、ほぼ同一長さにて交互に折り曲げてＵ字状ジグザグ平面に形成したものである。
また、第４の手段のプラズマ生成装置は、第１乃至３のいずれか１の手段において、コイル型電極が、基板とほぼ平行に配置されているものである。
なお、コイル型電極とは、電極を構成する線材が電極分岐点を持たず、１本の連続した線材から成り、同線材が所定の方向に蛇行させて設けられていることを特徴とする電極である。蛇行させた線材の配置により、任意の３次元構造の電極形状が可能となる。
【００１２】
上記構成において、コイル型電極に高周波電力を供給してプラズマを生成すると、コイル型電極ははしご型電極のように電極分岐点（インピーダンス不連続点）がないため、電力の反射が起こりにくく、したがって超高周波であっても、プラズマを均一に生成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１はプラズマ生成装置の構成図、図２はコイル型電極の電気配線の斜視図、図３はコイル型電極の正面図である。
図１において、３１は反応容器である。この反応容器３１内には、グロー放電プラズマを発生させるためのＳＵＳ３０４製の放電用のコイル型電極３２と、被処理物としての基板３３を支持するとともにこの基板３３の温度を制御する基板加熱用ヒータ３４が配置されている。反応容器３１内には、反応ガスをコイル型電極３２周辺に導入する反応ガス吐出孔３７ａを有するガス供給手段としての反応ガス導入管３７が配置されている。
【００１４】
反応容器３１には、反応容器３１内の反応ガス等のガスを排気する排気管３８を介して真空ポンプ３９が接続されている。反応容器３１内にはアースシールド４０が配置されている。このアースシールド４０は、不必要な部分での放電を抑制し、かつ、排気管３８及び真空ポンプ３９と組合せて使用されることにより、反応ガス導入管３７より導入されたＳｉＨ４等の反応ガスを放電用のコイル型電極３２でプラズマ化した後、反応ガス及びその他生成物等を排気管３８を介して排出する機能を有している。なお、反応容器３１内の圧力は、図示しない圧力計によりモニタされ、真空ポンプ３９の排気量を調整することにより制御される。反応容器３１はアース線７で接地されている。
【００１５】
コイル型電極３２でＳｉＨ４プラズマを発生させると、そのプラズマ中に存在するＳｉＨ３、ＳｉＨ２、ＳｉＨなどのラジカルが拡散現象により拡散し、基板３３表面に吸着されることにより、ａ−Ｓｉ膜あるいは微結晶Ｓｉあるいは薄膜多結晶Ｓｉが堆積する。なお、ａ−Ｓｉ膜、微結晶Ｓｉ及び薄膜多結晶Ｓｉは、成膜条件の中の、ＳｉＨ４、Ｈ２の流量比、圧力及びプラズマ発生用電力を適正化することで成膜できる公知の技術であるので、ここではＳｉＨ４ガスを用いたａ−Ｓｉ成膜を例にとり説明する。当然ながら、微結晶Ｓｉ及び薄膜多結晶Ｓｉを成膜することも可能である。
【００１６】
コイル型電極３２には、インピーダンス変換器６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅ、６１ｆ、６１ｇ、６１ｈ、電力分配器６０、インピーダンス整合器３５を介して、高周波数電源３６が接続されており、これにより高周波電力が供給される。
【００１７】
図２は、コイル型電極３２に高周波数電力を供給するための電気配線図である。図２において、例えば周波数６０ＭＨｚの電力を高周波数電源３６よりインピーダンス整合器３５、電力分配器６０、同軸ケーブル４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ、電流導入端子４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ及び真空用同軸ケーブル４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ、４３ｆ、４３ｇ、４３ｈを介して、コイル型電極３２に溶着された複数個（本例では８個）の電力供給端子４４〜５１（図３も参照）へ供給する。図３に示すように、電力供給端子４４〜５１は、コイル型電極３２の全体に位置バランスよく極力均等に配置されている。
【００１８】
電力分配器６０は、入力された高周波数電力を均等に８分割する機能をもっている。インピーダンス変換器６１ａ〜６１ｈは、電力分配器６０と真空用同軸ケーブル４３ａ〜４３ｈとコイル型電極３２のインピーダンスの整合をとるものである。
【００１９】
次に、上記構成のプラズマ生成装置を用いてａ−Ｓｉ膜を成膜する方法について説明する。まず、真空ポンプ３９を稼働させて、反応容器３１内を排気し、真空度を２〜３×１０−７Ｔｏｒｒとする。つづいて、反応ガス導入管３７より反応ガス、例えばＳｉＨ４ガスを５００〜８００ＳＣＣＭ程度の流量で供給する。この後、反応容器３１内の圧力を０．０５〜０．５Ｔｏｒｒに保ちながら、高周波電源３６からインピーダンス整合器３５、電力分配器６０、インピーダンス変換器６１ａ〜６１ｈ及び真空用同軸ケーブル４３ａ〜４３ｈを介して、コイル型電極３２に高周波数例えば６０ＭＨｚ電力を供給する。その結果、コイル型電極３２の近傍にＳｉＨ４  のグロー放電プラズマが発生する。
【００２０】
このプラズマは、ＳｉＨ４ガスを分解し、基板３３の表面にａ−Ｓｉ膜を形成する。但し、成膜速度は高周波電源３６の周波数及び出力にも依存するが、０．５〜３ｎｍ／ｓ程度である。なお、インピーダンス変換器６１ａ〜６１ｈの有無は任意であるが、これが有りの場合は、無しの場合よりも、膜厚分布（平均膜厚からのずれ）を小さくし、より均一な厚さの薄膜を製造できる。
【００２１】
図４は、他の実施の形態のコイル型電極の正面図である。このコイル型電極３２も、電力供給端子４４〜５１はコイル型電極３２の全体に位置バランスよく極力均等に配置されている。
また、コイル型電極は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように複数層重ねるようにして三次元的配置してもよい。この場合、隣り合う線材の長さを均一にするとプラズマ密度の均一化が図れる。
このように本発明は様々な設計変更が可能であって、要は、電極の大きさ、電源周波数などに応じて電力供給端子の位置をバランスよく変えることにより、電極全体に均一なプラズマを生成するようにすればよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、コイル型電極に高周波電力を供給してプラズマを生成すると、コイル型電極ははしご型電極のように電極分岐点（インピーダンス不連続点）がないため、電力の反射が起こりにくく、したがって超高周波であっても、プラズマを均一に生成することができ、薄膜の成膜やガラス基板のクリーニングなどのプラズマ処理を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ生成装置の構成図
【図２】コイル型電極の電気配線の斜視図
【図３】コイル型電極の正面図
【図４】コイル型電極の正面図
【図５】コイル型電極の斜視図
【図６】従来のプラズマ生成装置の構成図
【図７】従来のはしご型電極の斜視図
【図８】従来のプラズマ電源周波数と膜厚分布の相関図
【符号の説明】
３１  反応容器
３２  コイル型電極
３６  高周波数電源
３７  反応ガス導入管
４４〜５１  電力供給端子
【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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