(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器と該反応容器内にガスの供給／排気を行う第１のガス供給／排気手段と、複数の高周波電極と、該複数の高周波電極と基板の間にガスの供給／排気を行うための第２のガス供給／排気手段と、該高周波用電極と一定の間隔を有してほぼ平行に配設され該基板を支持する基盤ホルダーと、該高周波用電極に接続されグロー放電用電力を供給する電源を備え、該基板上に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、
第２のガス供給／排気手段は高周波電極とともに高周波電極ヘッドとして集積化され、該高周波電極近傍でガスの供給／排気を行い、第２のガス供給／排気手段によるガスの移動方向は基板と平行方向であることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記複数の高周波電極は誘電体を有しており、複数の高周波電極のそれぞれには該誘電体を介して高周波電力が供給されることを特徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ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、半導体デバイス、電子写真用感光体、画像センシングデバイス、光起電力デバイス等に用いるアモルファス半導体膜等の薄膜の形成に適用されるプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のアモルファスシリコン（以後ａ−Ｓｉとする）の薄膜形成に適用されるプラズマＣＶＤ装置の構成を図を用いて説明する。
図５は装置概略図を示しており、反応容器５０内に高周波電極５１と基板加熱用ヒータを備えた基板ホルダー５３とが平行に配置されている。高周波電極５１には高周波電源５４が接続され、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。基板ホルダー５３は反応容器５０とともに接地され、接地電極となっている。そのため、高周波電極５１と基板ホルダー５３との間には、グロー放電プラズマが発生する。反応容器５０内には反応ガス供給管５５を通して、例えばモノシランと水素の混合ガスが供給され、反応容器内５０内のガスは排気管５６を通して排気される。基板５２は上記基板ホルダー５３の上に保持され、所定の温度に加熱される。
【０００３】
次にこの装置の動作を順に説明する。真空ポンプ（図示せず）を駆動して反応容器５０内を排気した後、反応ガス供給管５５を通して例えばモノシランと水素を供給する。反応容器５０内の圧力を０．０５〜０．１Ｔｏｒｒに保ちながら、高周波電源５４から高周波電極５１に電圧を印加すると、高周波電極５１と基板ホルダー５３の間にグロー放電プラズマが発生し、反応ガス供給管５５から供給されたガスの内、モノシランガスはこのグロー放電プラズマにより分解される。そしてＳｉを含むラジカルが発生し、基板５２の表面に付着してａ−Ｓｉ薄膜が形成される。
【０００４】
しかしながら、上記の様な装置では成膜速度が遅いため、プラズマ条件（周波数、電力、駆動波形）、ガス条件（分圧、流量、添加ガス種、不純物濃度）、温度条件等の最適化が検討されているが、現在のところ達成できる速度は数Å／ｓ程度であり、量産性やコストの点から更なる高速化が望まれている。
【０００５】
この点を改善する一方法が、例えば特開平９−１０４９８５号公報に開示されており、この装置の一例を以下に図を用いて説明する。図６は装置概略図を示しており、反応容器６０内にはドラム状電極である回転電極６１が設けられており、モータ（図示せず）により回転駆動される。回転電極６１の下方には基板を載せるための基板ホルダー６３が設けられている。基板ホルダー６３はテーブル６７の上に載せられている。テーブル６７は左右方向及び上下方向に移動可能なテーブルである。回転電極６１はアルミニウム製ドラムの周囲に絶縁膜として１００μｍのアルミナ膜が形成されており、直径３００ｍｍ、幅１００ｍｍの寸法を有する。ダクト６６は回転電極６１と基板６２の間に配せられ、ガスの排出口となる。回転電極６１に高周波電源６４より高周波電力が印加され、回転電極６１と基板ホルダー６３との間でプラズマが発生する。そして回転電極６１の回転により反応ガスがプラズマ領域に供給され分解されて、基板上に薄膜が形成される。テーブル６７を左右方向に移動することにより、このような薄膜を基板上に連続して形成することができる。
【０００６】
以上に説明した装置において、例えば、Ｈｅガスを希釈ガスとして用いた０．１％のＳｉＨ4ガス、雰囲気圧力１ａｔｍ、回転電極と基板との距離０．１μｍ、回転電極の回転数１８０００ｒｐｍ、３００ｗ、１５０ＭＨｚの高周波電力の条件により５００Å／ｓの成膜速度が達成されている。これらの成膜条件では、反応ガス密度を高めることにより成膜に寄与するＳｉを含むラジカル密度が高まり、成膜速度が速くなる。また、Ｓｉを含むラジカル密度が上がればそれらが母ガスと反応してポリマー化し、やがてパーティクルとなって膜質低下を及ぼすが、この装置では回転電極の高速回転と、ガスの粘性により狭ギャップのプラズマ空間に高速でガスを供給、排出し、ガスのプラズマ空間での滞在時間を適度にコントロールすることにより、パーティクルが大きく成長する前に反応空間から排出し、さらにパーティクルを含んだガスをダクトで吸入することにより、チャンバ内にパーティクルが飛散するのを防止している。
【０００７】
また、電極や基板が大面積化したときに生じるガス濃度の不均一を改善する方法として、例えば特開平６−１２４９０６号公報において、基板と相対向する面に複数のガス吹き出し口とガス排気口が電極全面にわたって設けることが提案されている。この方法によれば、プラズマ空間内にガスが均等に供給され均等に排気されるため、ガス濃度に偏りが生じずプラズマ密度が均一になり結果的に膜厚むらの小さい薄膜を作製することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記に示した前者の装置では、膜品質の低下を抑えながら成膜速度の高速化が可能となるが、反応空間が局所的であるため、広い面積にわたって成膜する場合基板を搬送しながら成膜する必要があり、結果的に面積当たりの成膜速度は小さくなってしまう。この課題に対処するため、電極の長軸化、複数化が考えられるが、これらの成膜面積の大面積化については次のような問題がある。一つには、非常に高速で回転する電極を長軸化するには回転電極の偏心、円筒度、軸受け性能、ギャップの精度の点で限界がある。二つ目には、一つの電極を大面積にした場合、プラズマを均一に生成するのが非常に難しい。また、高周波電極の放電面は曲面であり放電ギャップが異なるため、プラズマ密度が分布を持ち、例え基板を搬送した場合においても膜品質に悪影響を及ぼす。三つ目には、成膜領域に対する電極体積が非常に大きいため、成膜領域を増やすと（電極を複数個設けると）装置が非常に大型なものになる。
【０００９】
また後者の装置では膜厚むらは改善されるが、供給時のガスの流れの方向と排気時の同方向が反対方向になるため、ガスの流れが乱れ、渦となって滞留するところができ、ガスが滞留するところでは重合反応が進んでパーティクルが生成され、膜内に取り込まれたり、膜面にパーティクルによる打痕残るなど膜質劣化への影響があり、電極と基板のギャップが小さくなると上記問題がより顕著になると考えられる。
【００１０】
そこで本発明は、膜質の低下を抑えながら、高速かつ大面積での成膜が可能となるプラズマＣＶＤ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】
請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置は、反応容器と該反応容器内にガスの供給／排気を行う第１のガス供給／排気手段と、複数の高周波電極と、該複数の高周波電極と基板の間にガスの供給／排気を行うための第２のガス供給／排気手段と、該高周波電極と一定の間隔を有してほぼ平行に配設され該基板を支持する基盤ホルダーと、該高周波電極に接続されグロー放電用電力を供給する電源を備え、該基板上に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置において、第２のガス供給／排気手段は高周波電極とともに高周波電極ヘッドとして集積化され、該高周波電極近傍でガスの供給／排気を行い、第２のガス供給／排気手段によるガスの移動方向は基板と平行方向である。
【００１２】
請求項２記載のプラズマＣＶＤ装置は、前記複数の高周波電極は誘電体を有しており、複数の高周波電極のそれぞれには該誘電体を介して高周波電力が供給される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願の発明の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施例に係るプラズマＣＶＤ装置の構成を示す図である。反応容器１０内に電極ヘッド１１と移動可能な基板ホルダー１３とが平行に配置され、基板ホルダー１３上に設置された基板１２と電極ヘッド１１に含まれている高周波電極１１１とのギャップが１ｍｍ以下に調整することができるようになっている。高周波電極１１１には高周波電源１４が接続され、高周波電力が供給される。基板ホルダー１３は反応容器１０とともに接地され、接地電極となっている。そのため高周波電極１１１と基板ホルダー１３との間には、グロー放電プラズマが発生する。反応容器１０内には反応ガス供給管１５を通して、例えばモノシランと水素とヘリウムの混合ガスが供給され、さらに電極ヘッド１１に含まれている反応ガス供給経路を通って高周波電極１１１の極近傍に供給され、高周波電極１１１下流側近傍から電極ヘッド１１に含まれている反応ガス排出経路を通り、さらに排気管１６を通して排気される。
【００１４】
図２は電極ヘッド１１の一部を拡大した図で、反応ガス供給管１５に接続された反応ガス供給経路１１２と反応ガス排気管１６に接続された反応ガス排出経路１１３と誘電体１１４と高周波電極１１１が積層されており、反応ガス供給経路１１２の下面と反応ガス排出経路１１３の上面及び反応ガス供給経路１１２と反応ガス排出経路１１３のガスの流れに平行な面は導体で覆われている。なお誘電体１１４は誘電損を考慮してＰＴＦＥ（四弗化エチレン）から形成した。
【００１５】
高周波電力が反応ガス排出経路１１３の上面より投入されると、表皮効果により電力は反応ガス供給経路１１２の下面に伝わり、誘電体１１４を介して高周波電極１１１に供給される。また図中の矢印はガスの流れを表しており、ガスの一部は高周波電極１１１近傍に流れ、残りはさらに反応ガス供給経路１１２を通り、下流側の高周波電極１１１近傍に供給される。排気は、各々の高周波電極１１１から反応ガス排出経路１１３に集められ、さらに排気管１６を通ってチャンバ外に排出される。構造上、高周波電極直上の経路には高周波電極奥行き寸法と同程度の開口部を設けることができるため、高周波電極面へのガスの供給量の均一性を考えるとこの経路をガスの供給側とする方が望ましい。各高周波電極近傍に均一にガスの供給、排出するためには、開口部面積、全体のガス流量（ガス圧力）は重要であり、各々のコンダクタンスに応じて設計する必要がある。
【００１６】
図３は電極ヘッド１１の全体図で、分割された複数の高周波電極が配設された状態を示している。この図において例えば一つの高周波電極の幅は３０ｍｍ、奥行きは１００ｍｍで、基板搬送方向に４個、奥行き方向に６個配設されている。また電極ヘッド１１の３隅には光学式のギャップセンサー１１５が設けられており、基板との距離を調整できるようになっている。
【００１７】
次にこの装置の動作について説明する。真空ポンプ（図示せず）を駆動して反応容器１０内を排気した後、反応容器１０内の雰囲気圧力が約１ａｔｍになるまでヘリウムでパージし、反応ガス供給管１５を通して例えばモノシランと水素とヘリウムの混合ガスを１ａｔｍに調整しながら供給する。ガスの漏出防止の安全性のため、実際には１ａｔｍより若干負圧にしておく方が望ましい。
【００１８】
高周波電源１４から高周波電極１１１に例えば１４４ＭＨｚの高周波電圧を印加すると、高周波電極１１１と基板ホルダー１３の間にグロー放電プラズマが発生し、反応ガス供給管１５から電極ヘッド内の反応ガス供給経路１１２を通って高周波電極部に供給されたモノシランガスは、このグロー放電プラズマにより分解される。そしてＳｉを含むラジカルが発生し、基板１２の表面に付着してａ−Ｓｉ薄膜が形成される。また基板面まで輸送されなかったラジカル、ポリマー化した分子、パーティクルを含むガスは排気経路１１３、排気管１６を通ってチャンバ外に排出される。排出されたガスはパーティクルを除くためのフィルターを通った後、再度チャンバ内に供給される。成膜中基板１２は、基板ホルダー１３とともに矢印方向に移動させられる。
【００１９】
上記の装置では、狭ギャップ間に高周波電圧を印加し、高圧下でフラズマを発生することにより、薄膜の堆積に寄与するラジカルを高密度に生成することができるので、成膜速度が高速化される。
【００２０】
また反応ガスのプラズマ領域への供給そして排気を大流量で行い、プラズマ領域でのガスの滞在時間を短くすることにより、分解されたガスがポリマー化し大きなパーティクルになる前に堆積領域から排出し、堆積膜への影響を格段に低減することができる。またプラズマ領域近傍でガスを供給、排出することによりガスの無駄を省き、さらにガスの供給と排気時のガスの流れる方向を同方向とすることにより乱れの少ない流れとなり、薄膜堆積基板上でガスの流れが渦となったり滞りができることなくガスが供給、排気されるため、ガスのプラズマ領域滞在時間が精度良く制御され、結果的に膜厚むらの小さい薄膜が形成でき、またパーティクルへの成長を抑制したり、成長してしまったパーティクルを完全に排出することができるため、薄膜堆積基板や反応容器内の不所望な所へのガスの付着、堆積を防止し、長期に渡って高品質な薄膜を堆積することが可能となる。
【００２１】
さらに、基板とのギャップを精度良く調整できる電極ヘッドに高周波電極が集積化され固定された電極ヘッドを用いることにより、一つの電極面内、電極ヘッド双方におけるギャップの均一性に優れるため、プラズマ密度の均一性、堆積された膜の厚さ、品質の均一性に優れる。
【００２２】
さらにまた、誘電体を介して電力が供給される複数の分割された高周波電極を同一平面上に並べることにより、各高周波電極でのプラズマ密度が均一化される。
【００２３】
この動作を図を用いて詳しく説明する。
図４は、投入電力を徐々に上げていったときのプラズマ発生の様子を模式的に示したものである。（ａ）は単一の電極で構成した場合であり、投入電力を徐々に増加していくと、まず一番ブレークダウンし易いところでグロー放電が開始する。一度グロー放電が始まるとその周囲のグロー放電が起こっていないところと比べて、電子、イオンの密度や電子温度が極めて高くなり、見かけ上この部分抵抗値が下がったようになるので、投入電力を増加しても最初にグロー放電が起こった部分で電力が主に消費されてしまい、グロー放電が電極全体になかなか広がらない。さらに投入電力を増加すると最終的には電極全面にプラズマが生成されるが、ガスの分解には不必要に大きな電力となり、また均一性も悪い。特に電極からの２次電子放出がある場合顕著となる。
【００２４】
図４（ｂ）は、面積が小さい電極に誘電体を介して電力が供給される場合である。上記（ａ）の場合と比べて、プラズマ領域が広がる過程は上記と変わりないが、投入電力を増やしていくと、既にプラズマが発生している電極では誘電体部分で電力が消費され、電極間に供給される実効的な電力はそれほど増えないため、セルフバイアスがかかった状態となる。従って投入電力を増やしても、既にプラズマが発生している電極ではそれほどプラズマ密度は増加せず、未だプラズマが発生していない電極では投入電力の増加に従いプラズマが発生する。結果的に全面にプラズマが生成されるに至るまでの投入電力増加分が少なく、密度のばらつきも少ない。
【００２５】
従って上記を比較すると、誘電体を介し複数の分割された高周波電極を同一平面上に並べることにより、同じ面積を単一の電極で構成した場合と比べて、小さな消費電力でプラズマ密度を均一化しやすい。
【００２６】
以上に説明を行った誘電体を介し複数の分割された高周波電極を同一平面上に並べる図１〜図３に示す装置を用いてａ−Ｓｉの成膜実験を行った。
【００２７】
その条件としては、モノシラン０．１〜０．５％、水素１〜５％を含む１ａｔｍのヘリウムガスを反応ガスとし、その給排気量を２０００ｌ／ｍｉｎ．、投入電力を１４４ＭＨｚ、５００〜１０００Ｗ、放電ギャップ５００μｍ、基板温度２００℃、基板移動速度１ｍｍ／ｓであった。
【００２８】
その結果、成膜速度は１０〜１００Å／ｓで、６００ｍｍ×６００ｍｍの範囲にわたって光導電率が１０-5〜１０-6／Ω・ｃｍ、暗導電率１０-10〜１０-11／Ω・ｃｍと良好なａ−Ｓｉ膜を作製することができた。
【００２９】
尚、上記に示した実施例ではガスの移動方向に対して直角方向にも分割された電極をもつ装置について説明したが、ガスの移動方向に対して、平行方向にのみ分割された電極を用いてもよい。この場合、供給ガスの濃度むらが大きくなるが、電極構造はかなり単純な構成となるため、装置コストを下げることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明ののプラズマＣＶＤ装置によれば、大きな面積にわたって高品質な薄膜を高速に成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマＣＶＤ装置の実施例を示した構成図である。
【図２】本発明によるプラズマＣＶＤ装置に適用される電極ヘッドの要部拡大図である。
【図３】本発明によるプラズマＣＶＤ装置に適用される電極ヘッドの全体図である。
【図４】本発明と従来のプラズマＣＶＤ装置のプラズマ状態を示した図である。
【図５】従来のプラズマＣＶＤ装置を示した構成図である。
【図６】従来の改良されたプラズマＣＶＤ装置を示した構成図である。
【符号の説明】
１０  反応容器
１１  電極ヘッド
１２  基板
１３  基板ホルダー
１４  高周波電源
１５  反応ガス供給管
１６  反応ガス排気管
１１１  高周波電極
１１２  反応ガス供給経路
１１３  反応ガス排気経路
１１４  誘電体
１１５  ギャップセンサー
【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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