JP2004128159A

JP2004128159A - 高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生方法

Info

Publication number: JP2004128159A
Application number: JP2002288996A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Kawamura; 川村　啓介; Akira Yamada; 山田　明; Hiroshi Mashima; 真島　浩; Yoshiaki Takeuchi; 竹内　良昭
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2004-04-22
Also published as: US20050241768A1; US7141516B2; EP1548808A1; WO2004032213A1; EP1548808A4

Abstract

【課題】従来の装置よりさらに大面積基板における膜厚の均一化を図ることができる高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生方法を提供する。
【解決手段】反応容器１内にアース電極３を配置すると共に、アース電極３に対向して放電電極２を配置する。アース電極３に密接して被処理体としての基板４を配置する。放電電極２に高周波電圧を加えてアース電極および放電電極の間にプラズマを発生させる。ＲＦ電源１５は第１の高周波電圧を発生し、発生した電圧を放電電極２の一方の側部に設けられた給電点９へ出力する。ＲＦ電源１６は第２の高周波電圧を発生し、発生した電圧を放電電極２の他方の側部に設けられた給電点９へ出力する。ここで、第２の高周波電圧は、第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する電圧であり、かつ、該低周波信号が所定の変調信号によって変調されている。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽電池や薄膜トランジスタなどに用いられるアモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶薄膜シリコン、窒化シリコンなどの半導体の製膜や、半導体膜のエッチングに用いられる高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の高周波プラズマ発生装置の一例を示す図であり、図６は同装置の反応容器１の断面図である。これらの図に示す高周波プラズマ発生装置は太陽電池用のアモルファスシリコン半導体薄膜を製造するために用いられるものである。
【０００３】
図５に示す反応容器１内に放電電極としてのラダー電極２およびアース電極３を備えている。反応容器１は気密につくられ、ガス供給管および排気管（共に図示略）が適所にそれぞれ開口している。ガス供給管はガス供給源に連通し、これを通って製膜用ガスが反応容器１内に導入されるようになっている。排気管は真空ポンプの吸引側に連通している。この真空ポンプにより反応容器１の内圧は１×１０−６Ｔｏｒｒ程度まで真空排気することができるようになっている。
【０００４】
アース電極３とラダー電極２とは所定の間隔（例えば２０ｍｍの間隔）をもって対面配置されている。アース電極３は、被処理体としてのガラス基板４を保持するための機構を備え、ガラス基板４を加熱するためのヒータを内蔵している。ラダー電極２は、ガラス基板４より大きくする必要があり、ガラス基板４が１．１ｍ×１．４ｍ角サイズである場合は１．２５ｍ×１．５５ｍ角サイズとする。なお、ガス供給管のガス吹き出し口は、ラダー電極２よりも後方（ガラス基板４と反対側）にて開口していることが望ましく、複数の箇所からガスが並行に供給されることが好ましい。
【０００５】
ラダー電極２は、図５に示すように、平行な複数本の縦方向電極棒６，６・・・と一対の横方向電極棒７，８とを格子状に組み立ててなるものであり、アース電極３により保持されるガラス基板４と平行に対面配置されている。ラダー電極２の横方向電極棒７，８にはそれぞれ８つの給電点９，９・・・が設けられており、横方向電極棒７の各給電点９はそれぞれ電力分配器１１に接続され、横方向電極棒８の各給電点９はそれぞれ電力分配器１２に接続されている。電力分配器１１、１２はそれぞれ同軸ケーブルを介してインピーダンスマッチング用の整合器１３、１４に接続され、整合器１３，１４がそれぞれＲＦ（高周波）電源１５、１６に接続されている。そして、ＲＦ電源１５が発振器１７の出力に接続されている。また、ＲＦ電源１６は位相変調器２１を介して発振器１７の出力に接続されている。位相変調器２１は、発振器１７の出力信号Ｓの位相を正弦波（または三角波）発振器１８の出力に従って変調し、ＲＦ電源１６へ出力する回路である。ここで、発振器１８の出力振幅は固定であり、したがって、位相変調器２１における位相変調幅△θは固定である。
【０００６】
このような構成において、例えば、２００℃に設定したアース電極３上にａ−Ｓｉ薄膜を製膜するガラス基板４を設置し、ガス供給管からＳｉＨ４ガスを例えば流速２ＳＬＭで導入し、真空排気管に接続した真空ポンプ系の排気速度を調整することで反応容器１内の圧力を例えば４０Ｐａ（３００ｍＴｏｒｒ）に調節する。そして、発振器１７において発生した６０ＭＨｚの高周波信号をＲＦ電源１５、１６において増幅し、整合器１３、１４および電力分配器１１、１２を介してラダー電極２の横方向電極棒７，８に印加する。これにより、ガラス基板４とラダー電極２の間にプラズマが発生する。ここで、高周波電力が効率良くプラズマ発生部に供給されるように整合器１３，１４を調整する。プラズマ中ではＳｉＨ４が分解し、ガラス基板４の表面にａ−Ｓｉ膜が製膜される。例えば、５〜１０分間程度この状態で製膜を行うことにより必要な厚さのａ−Ｓｉ膜が製膜される。
【０００７】
ところで、上述した従来の高周波プラズマ発生装置には、均一大面積製膜が難しいという欠点がある。これは、高周波の波長が電極２，３のサイズと同程度のオーダーであることから、電極端などで生じる反射波を主因とする定在波の発生するためである。例えば、６０ＭＨｚのラダー電極上の波長は約３ｍとなる。なお、真空中の６０ＭＨｚの波長は５ｍであるが、プラズマありの場合、静電容量増加により波長が短くなる。この波長が３ｍであるということは、電極の長さ１．２５ｍに対し１／４波長が約０．７５ｍとなり、電極上に電圧最大点と最小点が生じることになる。これにより、電極上の電圧分布に伴ってプラズマが不均一となり、結果として、製膜が不均一になる問題が発生する。
【０００８】
このような問題を解決する装置として、特願２００１−１３３８３０の装置があり、また、特許文献１に記載される装置がある。
特願２００１−１３３８３０の装置は、１周波プラズマと、２周波プラズマの高速切替法であるため、不連続的にプラズマが切り替わり、給電点付近に強いプラズマが形成される。そのため、膜厚分布均一化に限界があり、また、膜質の面からも強いプラズマが存在すると、ナノクラスター発生による膜質低下の恐れがある。
【０００９】
一方、特許文献１に記載される装置は、図５に示す構成において、横方向電極７と８に加える高周波の位相を周期的に変化させるという装置である。すなわち、ＲＦ電源１６の出力の位相をＲＦ電源１５の出力の位相に対し、周期的に変化させるものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−２７４０９９号公報（図４、段落００９１〜００９６）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
この特許文献１に記載された装置は、図５に示す装置における膜厚の不均一を改善するものであるが、未だ縦方向（電極６の方向）に次のような不均一状態が残る。すなわち、ＲＦ電源１５の出力に対するＲＦ電源１６の出力の位相差△θを−９０°〜＋９０°の範囲で周期的（１０ＫＨｚ）に変化させると、図７（ｉ）に示すように、ガラス基板４の中央部に膜厚が大の部分ができ、位相差△θを−１３５°〜＋１３５°の範囲で周期的に変化させると、図７（ｉｉ）に示すように、（ｉ）よりやや外側に膜厚が大の部分ができ、位相差△θを−１８０°〜＋１８０°の範囲で周期的に変化させると、図７（ｉｉｉ）に示すように、ガラス基板４の外縁部に膜厚が大の部分ができる。実際の製膜膜厚分布は図８のようになり，その状況が確認できる。図７（ｉ）は図８（ｅ），図７（ｉｉ）は図８（ｆ），図７（ｉｉｉ）は図８（ｇ）に対応している。このように位相変調角度を固定した状態では膜厚分布の均一化が困難であった。また，位相変調を行わないで位相を＋４５°ずらして固定した製膜膜厚分布は図８（ｂ）に示すように基板上部まで膜厚が厚い部分があり，同じ位相巾４５°の位相変調有りの図８（ｄ）と膜厚分布の対応関係が一致せず，位相変調の場合は電圧が高い部分と膜厚が厚い部分が必ずしも一致するとは限らないことが明確になった。
【００１２】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、上述した従来の装置よりさらに大面積基板における膜厚の均一化を図ることができる高周波プラズマ発生装置および高周波プラズマ発生方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、第１の高周波電圧を発生する第１の高周波発生手段と、前記第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加える第１の給電手段と、第２の高周波電圧を発生する第２の高周波発生手段と、前記第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加える第２の給電手段とを具備し、前記第２の高周波電圧は、前記第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する電圧であり、かつ、該低周波信号が所定の変調信号によって変調されていることを特徴とする高周波プラズマ発生装置である。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、高周波信号を発生する高周波発振器と、前記高周波発振器の出力を増幅して第１の高周波電圧として出力する第１の高周波発生手段と、前記第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加える第１の給電手段と、所定の変調信号によって変調された低周波信号を発生する低周波発振器と、前記高周波発振器の出力の位相を前記低周波発振器の出力にしたがって変調する位相変調器と、前記位相変調器の出力を増幅して第２の高周波電圧として出力する第２の高周波発生手段と、前記第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加える第２の給電手段とを具備することを特徴とする高周波プラズマ発生装置である。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の高周波プラズマ発生装置において、前記放電電極は２本の横方向電極棒の間に複数の縦方向電極棒を配置して構成したラダー型電極であり、前記給電点は前記横方向電極に設けられていることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生方法において、第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加えると共に、前記第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する第２の高周波電圧であって、かつ、該低周波信号が所定の変調信号によって変調されている第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加えることを特徴とする高周波プラズマ発生方法である。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置のクリーニング方法において、前記反応容器内にＮＦ３などのハロゲン化合物（ガス）を導入し、第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加えると共に、前記第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する第２の高周波電圧であって、かつ、該低周波信号が所定の変調信号によって変調されている第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加えることを特徴とする高周波プラズマ発生装置のクリーニング方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、この発明の一実施の形態について説明する。図１は同実施の形態による高周波プラズマ発生装置の構成を示すブロック図であり、この図において、図５の各部と同一構成の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１９】
この実施形態による高周波プラズマ発生装置が図５に示す装置と異なる点は、発振器２０および位相変調器２１が単純な三角波などだけではなく任意の変調波形に対応している点である。発振器２０は、図２に示すように、周波数が２０ＫＨｚの三角波であって、周波数が１ＫＨｚの三角波によって振幅変調された信号を発生する回路である。また、位相変調器２１は、発振器１７の出力信号Ｓ（６０ＭＨｚ）の位相を発振器２０の出力に従って変調し、ＲＦ電源１６へ出力する回路である。すなわち、この位相変調器２１は、図２に示すように、発振器２０の出力ピーク値が正の最大値の場合に信号Ｓの位相を＋１１０°変化させてＲＦ電源１６へ出力し、発振器２０の出力ピーク値が負の最大値の場合に信号Ｓの位相を−１１０°変化させてＲＦ電源１６へ出力する。また、発振器２０の出力ピーク値が正の最小値の場合に信号Ｓの位相を＋２０°変化させてＲＦ電源１６へ出力し、負の最小値の場合に信号Ｓの位相を−２０°変化させてＲＦ電源１６へ出力する。
【００２０】
上述した、位相変調器２１によって位相変調された６０ＭＨｚの高周波信号ＳはＲＦ電源１６によって増幅され、整合器１４、電力分配器１２を介してラダー電極２の横方向電極棒８へ出力される。このような構成によれば、横方向電極棒８へ加えられる高周波信号の位相変調角が時間的に変化するので、プラズマが折り返す部分を固定ではなく変動させることができ、これにより、プラズマの集中を防ぐことができ、プラズマの均一化を図ることがきる。
【００２１】
図３は、上記実施形態による高周波プラズマ発生装置によって形成したアモルファスシリコン半導体薄膜の膜厚分布を示したものである。これは図８の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）を連続的に変化させて膜厚分布を時間平均的に均一化したものと理解できる。この図から明らかなように、図２に示すような方法による位相変調を行うことによって薄膜の均一性が従来のものより格段と向上する。図４に、図３に示す半導体薄膜の膜厚測定結果を示す。
【００２２】
なお、上述した実施形態においては、発振器２０の発振波形、変調波形がいずれも三角波であったが、これは三角波にかぎるものではなく、サイン波、矩形波等であってもよい。また、この発振器２０の信号周波数（２０ＫＨｚ）、変調波形の周波数（１ＫＨｚ）はいずれも一例であり、これに限るものではない。
【００２３】
ところで、高周波プラズマ発生装置においては、アモルファスシリコン膜等の製膜を連続的に行ううちに、シリコンの膜が反応容器１内部に堆積し、さらに落下するものも生じ、あるいは気相中にシリコン粉が発生する。そして、これらのシリコン粉末が製膜中のガラス基板４に付着すると、不良品が発生する。
【００２４】
そこで、この実施形態においては、次に述べるセルフクリーニングが行われる。すなわち、高周波プラズマ発生装置の製膜作業を一時中止し、反応容器１内に反応性の強いエッチングガスとなるＮＦ３（三フッ化窒素）を注入し、ラダー電極２の横方向電極棒７，８の各々に、上述した製膜時と同じ６０ＭＨｚの高周波電圧（一方は位相変調を行っている）を加える。これにより、ＮＦ３がプラズマ化されて分解され、分解によって生じたＦ（フッ素）ラジカルにより反応容器１内がエッチングされ、次式のようにシリコン膜やシリコン粉がＳｉＦ４（フッ化珪素）として気化され除去される。
Ｆラジカル＋Ｓｉ→ＳｉＦ４
【００２５】
この場合、従来の装置においては、プラズマの不均一のため場所によってオーバエッチング（Ｆラジカルによる金属部分の腐食）が発生する問題があったが、この実施形態によれば、プラズマを均一に発生することができることから、オーバエッチングが生じないセルフクリーニングを行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加えると共に、第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する第２の高周波電圧であって、かつ、低周波信号が所定の変調信号によって変調されている第２の高周波電圧を放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加えるようにしたので、従来の装置よりさらに大面積基板における膜厚の均一化を達成することができる効果がある。
これにより、例えば、電池用のアモルファスシリコン半導体薄膜の製造にこの発明による装置を用いた場合、膜厚が均一にできるので電池性能向上に大きく寄与する。また、プロセス中のレーザエッチング工程においてレーザ切れが大幅に向上する。これも電池性能の向上に寄与する。
【００２７】
また、この発明によれば、膜厚が均一であることから、干渉縞のような模様ができることがなく、製品の外観が良くなる利点がある。
また、この発明によるクリーニング方法によれば、オーバエッチングが生じないセルフクリーニングを行うことができる効果がある。また、クリーニング分布向上により、クリーニング時間の短縮、クリーニング前後の製膜分布への影響の最小化へ寄与する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態による高周波プラズマ発生装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同実施形態における発振器２０において発生する位相変調用の信号を示す図である。
【図３】同実施形態の効果を説明するための図である。
【図４】図３に示す半導体薄膜の膜厚測定結果を示す図である。
【図５】従来の高周波プラズマ発生装置の構成例を示す図である。
【図６】従来の高周波プラズマ発生装置における反応容器１の断面図である。
【図７】従来の高周波プラズマ発生装置の問題点を説明するための図である。
【図８】従来の高周波プラズマ発生装置の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１…反応容器
２…ラダー電極
３…アース電極
６…縦方向電極棒
７，８…横方向電極棒
１５、１６…ＲＦ電源
１７、２０…発振器
２１…位相変調器

Claims

反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、
第１の高周波電圧を発生する第１の高周波発生手段と、
前記第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加える第１の給電手段と、
第２の高周波電圧を発生する第２の高周波発生手段と、
前記第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加える第２の給電手段と、
を具備し、前記第２の高周波電圧は、前記第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する電圧であり、かつ、該低周波信号が所定の変調信号によって変調されていることを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置において、
高周波信号を発生する高周波発振器と、
前記高周波発振器の出力を増幅して第１の高周波電圧として出力する第１の高周波発生手段と、
前記第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加える第１の給電手段と、
所定の変調信号によって変調された低周波信号を発生する低周波発振器と、
前記高周波発振器の出力の位相を前記低周波発振器の出力にしたがって変調する位相変調器と、
前記位相変調器の出力を増幅して第２の高周波電圧として出力する第２の高周波発生手段と、
前記第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加える第２の給電手段と、
を具備することを特徴とする高周波プラズマ発生装置。
前記放電電極は２本の横方向電極棒の間に複数の縦方向電極棒を配置して構成したラダー型電極であり、前記給電点は前記横方向電極に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高周波プラズマ発生装置。
反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生方法において、
第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加えると共に、
前記第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する第２の高周波電圧であって、かつ、該低周波信号が所定の変調信号によって変調されている第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加える
ことを特徴とする高周波プラズマ発生方法。
反応容器内にアース電極を配置すると共に、該アース電極に対向して放電電極を配置し、前記アース電極に密接して被処理体としての基板を配置し、前記放電電極に高周波電圧を加えて前記アース電極および前記放電電極の間にプラズマを発生させる高周波プラズマ発生装置のクリーニング方法において、
前記反応容器内にＮＦ３，ＣＦ４，ＣＣＬ４，ＳＦ６等のハロゲン化合物を導入し、
第１の高周波電圧を前記放電電極の一方の側部に設けられた給電点へ加えると共に、
前記第１の高周波電圧と周波数が等しく、位相が低周波信号に従って変化する第２の高周波電圧であって、かつ、該低周波信号が所定の変調信号によって変調されている第２の高周波電圧を前記放電電極の他方の側部に設けられた給電点へ加える
ことを特徴とする高周波プラズマ発生装置のクリーニング方法。