JP2562686B2

JP2562686B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2562686B2
Application number: JP1066525A
Authority: JP
Inventors: 光範坂間; 武深田; 直樹広瀬; 喬犬島
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1989-03-18
Filing date: 1989-03-18
Publication date: 1996-12-11
Anticipated expiration: 2011-12-11
Also published as: JPH02246111A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）発明の利用分野本発明は珪素を主成分としたアモルファス及び多結晶
の非単結晶半導体からなる光電変換装置または珪素を主
成分とする非単結晶半導体からなる薄膜電界効果トラン
ジスタ等大型基板上の素子形成に応用することができる
プラズマ処理装置に関するものである。

（ロ）従来の技術プラズマ化学気相堆積法（以下プラズマCVD法とい
う）により形成される珪素を主成分とした非単結晶半導
体薄膜や酸化珪素、窒化シリコン等の絶縁体薄膜は、太
陽電池、イメージセンサ等の光電変換装置、液晶表示装
置等に使用する薄膜電界効果トランジスタなどの材料と
して巾広く応用されている。これらの電子装置は性質の
異なる複数の薄膜を積層したものから構成され、これら
の装置の大型化および低価格化に伴い、これら積層膜を
工業的に大面積にかつ大量に作製する目的で行われてい
た従来のプラズマ処理装置を以下に示す。

第２図に最も一般的な平行平板電極を用いたプラズマ
CVD装置の概略断面図を示す。

この場合、１つの真空予備室（26）と１つの反応室
（23）が示されている。基板（１）は基板支持体（21）
上に設置され、支持体（21）と一緒に仕切り弁（22）を
通じて反応室（23）へ搬送される。該反応室（23）にて
基板（１）はヒーター（24）により加熱され、所定の温
度に達した後、放電電極（25）により反応性気体を分
解、活性化させて基板上に薄膜を形成するものである。

この方式は図より明らかな如く、基板と電極とが平行
であるので、大面積基板上に薄膜を形成する際には電極
面積を大きくする必要があった。

さらに一回の薄膜形成工程にて電極面積にほぼ等しい
だけの面積にしか形成できないため、基板の大量処理に
は不十分であった。

これらを解決する１つの方法として、本出願人らによ
るプラズマ気相反応装置（特願昭59−79623）がある。
この装置反応室の概略断面図を第３図に示す。

図面のように、平行平板電極（31）間に被膜形成用基
板（１）複数枚を電極に対し垂直となるように配設し、
一度の処理にて従来の10倍以上の基板処理枚数を達成
し、同時に装置の床面積は従来の装置とほぼ同等であっ
た。上下の放電電極（31）間隔を広げていくに従い、よ
り大きい基板上に被膜を作製することが可能となるが、
実際は上下の電極間隔が広くなるに従い、プラズマ放電
が不安定となるので、通常は電極の一辺の二倍以内にそ
の電極間隔をとっている。このような大面積、大量基板
処理のプラズマ気相反応法にもいくつかの欠点が存在す
る。

即ち、電極間の距離が相当長いため、基板上に形成さ
れた被膜は特定の製膜条件の場合以外は電極間方向に膜
厚分布を持ってしまう。その様子を第４図（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示す。これは第３図のプラズ
マ気相反応装置にて非単結晶珪素半導体を硝子基板上に
作製した場合の被膜の付き方の概略図を示す。第４図
（Ａ）のＩの領域で示すように、反応圧力が高めで高周
波電力の投入電力が低い場合は、第４図（Ｂ）に示すよ
うに基板の電極方向の上部及び下部に形成される被膜が
多くなり、このような膜厚分布を有する。この被膜を作
製中、プラズマ反応を行っている反応室内のプラズマ発
光領域は、上下の電極近傍に集まっているのが観察され
た。次に反応圧力が低く、高周波電力の投入電力が高い
場合は、第４図（Ａ）のIIIの領域、第４図（Ｄ）のよ
うに基板の電極方向に対し中央部付近に形成される被膜
が多く、このような膜厚分布を有する。

また狭い範囲ではあるが、第４図（Ａ）の領域IIでは
第４図（Ｃ）に示すようなほぼ均一な膜厚分布を得るこ
とが可能であった。

このように大面積基板上において不均一な膜厚分布を
有すると同一基板上に構成される各半導体素子の特性、
特に物理的及び電気的特性にひどいばらつきを生じ、大
面積基板上にTFTや光電変換装置を作製しても工業的な
価値はなかった。

（ハ）発明の目的本発明は、前記の従来法の欠点を補うものであり、大
量の大面積基板上に均一な膜厚分布を有する被膜を幅広
い条件下で作製する装置に関する。

（ニ）発明の構成本発明は前述の問題を解決するプラズマ処理装置に関
するものであり、反応室内壁と放電用電極（３）の間に
一対の電極シールド（４）を設け、前記電極シールド
（４）は、放電用電極（３）間にこの電極とは非平行な
状態で複数の基板（１）を配置するための基板サセプタ
ー（５）とで閉空間を形成し、この基板サセプターは一
方向に可動でき、反応室内の所定の位置に設置された際
に前述の電極シールドと閉空間を形成するものでありま
す。

このような構成によって、一対の放電電極及び複数の
基板は、すべて電極シールドと基板サセプターによって
取り囲まれており、プラズマ放電もこれら取り囲まれた
空間より外部にもれず各基板間にも、ほぼ等しい密度の
プラズマ雰囲気が形成され、大面積基板においても均一
性のよい被膜成形が可能となるものである。

また、基板サセプターは、一方向に可動可能で、かつ
所定の位置では、電極シールドと閉空間を形成する。こ
のため複数の基板が保持されたサセプターをプラズマ処
理の前後で移動させることで、プラズマ処理を連続的に
行なえるという特徴を持つ。

この電極シールドと基板サセプターの構造の一例を第
１図示す。

第１図（Ａ）においては基板サセプター（５）は図面
の右方向に可動でき、電極シールド（４）とで閉空間を
構成する。

この基板サセプター（５）と、電極シールド（４）と
の重なり部分は同図（Ｂ）にその拡大概略図が示してあ
り、このような構造をとって基板サセプターは可動し、
電極シールドと閉空間を構成する。

また、第５図にその他の電極シールドと基板サセプタ
ーとの組み合わせ例を示す。

本発明においては特にこれらに示した構造のみに限定
されることなく、その他の構造でも本発明の思想を反映
させることが可能である。

以下に実施例を示し本発明を説明する。

『実施例』本実施例においては、第６図に示すプラズマ気相反応
装置を使用し、硝子基板上に非単結晶半導体被膜を形成
した。同図において、300mm×400mmの大きさのガラス基
板（１）を電極に対して垂直に配置するように基板サセ
プター（５）にセッティングする。本実施例の場合、同
サセプター（５）に硝子基板（１）を10枚装着してある
が、硝子基板（１）の向かい合う間隔が20mm以上であれ
ば放電が再現性よく発生し、より多くの基板上に被膜形
成は可能であるが、基板上の膜厚の均一性を考えるなら
ば、本実施例の場合、10〜15枚程度が良い。尚この基板
間隔は、被膜作製時の圧力等他の要素によって変化する
ので、一に固定することは適当ではない。

また、電極シールド（４）と基板サセプター（５）
は、第１図に示す構造を有しており、これら電極シール
ド，基板サセプターは金属材料であるニッケル，ステン
レス，アルミニュームやセラミックス等の表面に導電材
料を形成した物が使用可能である。本実施例ではこれら
を10mmφのパンチング穴加工がなされたアルミニューム
材で構成した。このパンチングによる穴は反応性気体の
流れをよくする為と初期排気の時間短縮の為に設けたも
のであるがこのパンチングの穴よりプラズマが漏れるこ
とは無かった。

さらに本実施例では、電極シールドと基板サセプター
を接地し、より均一なプラズマが放電電極間のみに発生
するようにした。これにより各基板は、より均一なプラ
ズマ雰囲気下に置かれることになった。

この硝子基板がセットされたサセプター（５）を予備
室（62）よりプラズマ反応室に入れ、真空排気を行った
後、ゲイト弁（63）を開き、搬送機構（図示せず）によ
り第１の反応室（64）へ移動した後、図では描けないの
で省略してあるが、第６図の紙面と平行で手前側と奥側
にある基板加熱用ヒーターにより被膜形成温度である20
0〜300℃程度にまで加熱できる。

この状態で反応室（64）内にシランガスを50SCCMの流
量で導入し排気系のコンダクタンスを制御した反応室内
圧力を0.01〜0.1torrに保持できる。

次に、上下の平行平板電極（61）間に13.56MHzの高周
波電力を印加し、プラズマ放電は上下の電極シールド
（４）及び基板支持サセプター（５）の側面にて構成さ
れる空間中に閉じ込められ、反応室（64）の内壁まで到
達はしていない。よって形成される被膜も、前記の空間
内部にしか形成されず、反応室内壁をクリーニングする
必要がないか、またはクリーニングの回数を非常に少な
くすることが可能となっている。

本発明の装置を用いて、300mm×400mmの基板上にP,I,
N構造を有する太陽電池（素子面積1.05cm²）を500個作
製した。その特性を以下の表１に示す。

このように、光電変換効率のばらつきが非常に小さく
なっている。これは特にPIN型太陽電池のＩ型半導体層
の膜厚のばらつきが非常に少ないことと深い関係がある
ためである。

（ホ）効果本発明の構成によりプラズマ発生空間を基板が置かれ
た電極間のみに限定でき、より均一なプラズマを発生で
きた。

また、このようなプラズマ発生空間を限定でる基板サ
セプターは移動可能であるため、大量の基板を連続的に
処理できた。

また、本発明の装置を用いて被膜を作製すると、大面
積基板上に非常に均一な被膜を形成することが可能とな
る。これにより大面積基板よりとり出せる素子数が増加
し、さらにその特性も均一なものが得られるようにな
る。

また大面積の素子、例えば太陽電池等は、基板上の膜
質が均一となるので、全体として特性の向上が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第５図は本発明の電極シールドと基板サセプ
ターの組み合わせの様子を示す。第２図は従来のプラズマCVD装置を示す。第３図は本発明で用いたプラズマCVD装置を示す。第４図は従来法により形成された結果を示す。第６図は本発明のプラズマ処理装置。１……基板３……電極４……電極シールド５……基板サセプター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−111415（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−213020（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−237409（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】減圧状態に保持可能な反応室内の一対の平
行平板電極間に複数の基板の表面を前記電極とは平行で
ない位置に配置し、前記複数の基板上にプラズマ処理を
行うプラズマ処理装置であって、前記反応室の内壁と前
記電極との間に設けられた一対の電極シールドと、前記
複数の基板を保持するサセプターとを重ね合わせること
により、閉空間を構成し、前記閉空間内には前記電極と
前記複数の基板が設けられており、前記電極によって発
生されるプラズマは前記閉空間内のみに存在し、前記サ
セプターは一方向に引き出し可能なことを特徴とするプ
ラズマ処理装置。
【請求項２】減圧状態に保持可能な反応室内の一対の平
行平板電極間に複数の基板の表面を前記電極とは平行で
ない位置に配置し、前記複数の基板上にプラズマ処理を
行なうプラズマ処理装置であって、前記複数の基板を保
持するサセプターを所定の方向より移動させて所定の位
置に配置することにより、前記反応室の内壁と前記電極
の間に設けられた一対の電極シールドと、前記サセプタ
ーとを重ね合わせることによって、プラズマを閉じ込め
る空間を構成するプラズマ処理装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項および第２項におい
て、前記電極シールドと前記サセプターは導電性表面を
有する材料よりなり、それぞれは反応室と同様に接地さ
れていることを特徴とするプラズマ処理装置。