JPH08217594A

JPH08217594A - マグネトロン型誘導結合方式放電反応装置

Info

Publication number: JPH08217594A
Application number: JP7020219A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Murata; 正義村田; Yoshiaki Takeuchi; 良昭竹内; Daiichi Kojo; 大一古城
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 1996-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】太陽電池、薄膜トランジスタ、等の各種電子
デバイスの製造に適用されるマグネトロン型誘導結合方
式放電反応装置に関し、プラズマ分布を均一化し、均一
な成膜を製造する。【構成】反応容器１１には反応ガス導入管１７と排気
管１８があり、反応ガスが封入される。内部には基板ヒ
ータ１３が電源１０８で加熱され、基板１０、高周波電
源１４に接続した電極１２が平行に配置される。電極１
２は多数の閉路で構成され、電源１４により各閉路に方
向の異る電界（Ｅ）が発生する。励磁コイル１００ａ，
１００ｂは交流電源１０８により励磁され、回転磁界
（Ｂ）が発生し、この回転磁界（Ｂ）は電界（Ｅ）及び
基板１０と直交する方向に発生する。一方、電極１２に
はプラズマが発生し、このプラズマはＥ×Ｂドリフトを
受け、移動するが電界の方向が異る方向であり、一方向
のみ移動せず、プラズマ分布が均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アモルファスシリコン
太陽電池、薄膜トランジスタ、光センサ、半導体保護膜
など各種電子デバイスの製造に使用されるプラズマＣＶ
Ｄ方法及び装置、並びにプラズマエッチング方法及び装
置に適用されるマグネトロン型誘導結合方式放電反応装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プラズマＣＶＤ方法により各種皮
膜を製造し、プラズマエッチング方法により処理を行う
には反応容器内に一対の平行平板電極を配置し、その電
極間でプラズマを発生させ、そのプラズマの中あるいは
その近傍で成膜あるいはエッチング処理を行うものであ
るが、プラズマの高密度化及び均一化のため、種々の工
夫がなされている。

【０００３】最近では電磁コイルや永久磁石で発生させ
た磁界をプラズマに印加させることにより、プラズマ密
度を高める方法やプラズマ密度の不均一性を平均化させ
る方法が用いられている。これらの方法は一般にマグネ
トロン方式と呼ばれるが、この方式を大別すると磁界と
電界を直交させる方法と磁界と電界を平行にする方法が
ある。

【０００４】従来のマグネトロン方式の典型的な技術と
しては、特開昭６１−２１７５７３号，特開昭６３−２
４３２８６号，等に開示されている。この従来例を図
９，図１０を参照して説明する。図９は従来の装置の電
極と電磁コイルの構成図、図１０は図９の平面図で、電
極と電磁コイルにより回転磁界の発生の説明図である。
両図において、図示省略の反応容器内にはプラズマを発
生させるための電極１，２が平行に設置されている。こ
れら電極１，２には高周波電源４より、例えば１３．５
６MH_Zの高周波電力が供給される。基板３は電極１の上
に設置される。図示していない反応容器の周囲には、図
１０に見られるように、二対の電磁コイル５ａ，５ｂ及
び６ａ，６ｂが互いに直角に設置され、それぞれ、交流
電源５ｃ及び６ｃに接続されている。交流電源５ｃ及び
６ｃより、位相が９０°ずれた正弦波電流を上記コイル
５ａ，５ｂ及び６ａ，６ｂに供給すると、磁界Ｂ１及び
Ｂ２が発生し、合成磁界Ｂが形成される。

【０００５】例えば、プラズマＣＶＤによるアモルファ
スシリコン成膜の場合には、以下に述べるようにする。
反応容器内の圧力を１０^-6Torr乃至１０^-7Torrにした後
に、反応ガスとしてモノシランを５０乃至１００cc／分
程度の流量で供給し、反応容器内圧力を０．０５乃至
０．５Torrに保つ。その後、高周波電源４より電極１，
２に電力を供給すると、電極内にモノシランプラズマが
発生する。他方、前述のように電磁コイル５ａ，５ｂ及
び６ａ，６ｂでは回転磁界Ｂを発生する。

【０００６】そうすると、電極１，２の間にあるプラズ
マの中の電子は、両電極間の電界Ｅと上記磁界Ｂの相乗
効果により、図１１に示すように、電界Ｅと電界Ｂで形
成される面に対して垂直方向にＥ×Ｂドリフトを受け、
かつ、磁界ＢによるLarmor運動を起こす。すなわち、電
子の反応ガス分子との衝突頻度が著しく増大し、プラズ
マ密度が増大する。また、磁界Ｂによる電子の旋回運動
により、拡散が抑制されるので、電極２の自己バイアス
電位は低い傾向になる。

【０００７】従って、このようなプラズマＣＶＤ方法に
よれば、成膜速度が向上し、かつ、回転磁界Ｂの空間的
平均化作用により、膜厚の均一度が向上する。プラズマ
エッチングとして用いる場合、プラズマ密度の増加によ
る高速エッチングが可能となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来の技術で
は、平行平板電極間の電界Ｅと直交する方向に回転磁界
Ｂを発生させることにより、Ｅ×Ｂドリフトでプラズマ
密度の向上及び成膜分布の均一性向上を図っているが、
次のような問題点がある。

【０００９】（１）放電電界の方向が一対の平行平板電
極面の法線方向のみであるので、プラズマはＥ×Ｂドリ
フトにより該電極間の外側に移動し、空間的に偏りが生
じる。すなわち、図１２及び図１３に示すように、電極
１，２の間にあるプラズマはＥ×Ｂの方向に移動するた
め、プラズマ密度は空間的に偏り２３をもつ。従って、
プラズマＣＶＤに用いられる場合プラズマが存在する空
間と存在しない空間での成膜速度が大幅に異なるため回
転磁界Ｂの回転による空間的平均効果で均一化すること
は、困難となる。特に、基板３の大きさが直径５０cm程
度以上になると、図１４に示すように基板中心部におい
て成膜速度が遅くなり、膜厚分布は著しい不均一にな
る。

【００１０】（２）上記（１）の理由により、回転磁界
の強さを数１０ガウス以上にすると、Ｅ×Ｂドリフトで
プラズマが偏るので、その強さを数１０ガウスで例えば
プラズマＣＶＤによりアモルファスシリコンを成膜する
と、その成膜速度は４〜５Å／Ｓと遅い。もしも、回転
磁界の強さを数１０ガウス以上にすると、成膜速度は向
上するが、Ｅ×Ｂドリフトの偏りにより、膜厚分布の一
様性が著しく悪くなる。

【００１１】（３）プラズマエッチングに用いられる場
合、上記（１）項に述べたＥ×Ｂドリフトによるプラズ
マの移動は、基板３上のプラズマ電位分布に著しい不均
一性を発生する。すなわち、エッチング速度に著しい不
均一性が発生する。この不具合は、基板３の大きさが大
きくなればなる程、著しく大きくなる。従って、基板３
の大きさが直径３０cm程度以上になると実用価値が著し
く低下する。なお、磁界Ｂの強さを弱くすると、上記プ
ラズマ電位分布の不均一性は改善されるが、Ｅ×Ｂドリ
フトによるプラズマの高密度化の効果が著しく低下し、
高速エッチングのメリットが消失し、マグネトロン方式
が成立しなくなる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために、電極及び基板を内蔵する反応容器、
電源，反応容器内への反応ガス供給手段、供給された反
応ガスの排出手段及び電磁コイルを備えたマグネトロン
型放電反応装置において、電極を複数の閉路で構成して
複数方向の電界を発生させる構成とし、電磁コイルで発
生する磁界の方向を電極で発生した電界及び基板の面と
直交するように同電磁コイルを配置した構成とする。

【００１３】即ち、本発明は、電極及び基板を内蔵する
反応容器と、同電極に高周波電力を供給する電源と、前
記反応容器内で前記基板に成膜するために所定の反応ガ
スを供給する反応ガス供給手段と、同供給手段で供給さ
れた反応容器内の反応ガスを排出する手段と、前記反応
容器の周囲に配置され、前記電極により生ずる電界と直
交する磁界を発生させる電磁コイルとを具備したマグネ
トロン型放電反応装置において、前記電極は複数の閉路
で構成され、放電電界の方向が複数方向となる誘導結合
方式電極であり、かつ、前記電磁コイルは同コイルが発
生する磁界の方向が前記電極で発生する放電電界及び前
記基板の面と直交するように配置されてなることを特徴
とするマグネトロン型誘導結合方式放電反応装置を提供
する。

【００１４】

【作用】本発明はこのような手段により、反応容器に反
応ガス供給手段から反応ガスが所定の量供給され、電極
に高周波電力が供給されると電極近傍にグロー放電プラ
ズマが発生する。電極は複数の閉路で構成される誘導結
合方式電極であるので、高周波電力を供給すると各閉路
にループ状電流が流れる。その結果、電極の各閉路には
Faradyの法則に基づいて複数方向の誘導電界が発生す
る。一方電磁コイルが励磁されると、電極に発生した電
界及び基板表面と直交する方向に回転磁界を発生するの
で、この回転磁界と複数方向の電界とで発生したプラズ
マの移動は従来と異り、一方向に限定されず複数方向の
ドリフトを受け、複数方向を向き、プラズマの一方向へ
の偏りは大幅に軽減される。又、プラズマ中の電子は基
板の法線方向にある回転磁界によってLarmor運動を受
け、旋回するのでプラズマ密度が著しく増加する。

【００１５】従って、回転磁界を用いた従来のマグネト
ロン方式の欠点であるプラズマの偏りの発生を抑制し、
かつ、プラズマの高密度化及びプラズマ空間分布の均一
化が図られ、大面積のアモルファスシリコン薄膜を高速
で、かつ均一に成膜できるようになる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例に図面に基づいて具体
的に説明する。図１は本発明の第１実施例に係るマグネ
トロン型誘導結合方式放電反応装置の全体構成を示す断
面図である。図において、反応容器１１内にはプラズマ
を発生するため電極１２として、図２に示すように多数
の閉路２２で構成された誘導結合方式電極１２が基板１
０に平行に設置されている。この電極１２は図２に示す
ような構造をもつが、電力供給端子１０６，１０９に、
高周波電源１４から例えば１３．５６MH_Zの周波数の電
力がインピーダンスマッチング回路１０４、第１及び第
２の高周波ケーブル１０６，１０９及び電力導入端子１
０５ａ，１０５ｂを介して供給される。

【００１７】そうすると、図３に示すように、複数の閉
路２２には高周波電流が輪状電流（ループ電流）として
流れる。その結果、図４に示すようにFaradyの法則に基
づく誘導電界Ｅ（ベクトル）と誘導磁界Ｈ（ベクトル）
が次式の関係を満す形で発生する。

【００１８】

【数１】

【００１９】基板１０は基板ヒータ１３の上に設置され
るが、電極１２と基板１０、基板ヒータ１３は平行に配
置される。基板ヒータ１３には電源１０８より電力線１
０７ａ，１０７ｂにより電流導入端子１１１ａ，１１１
ｂを介して電力が供給される。

【００２０】反応容器１１内には、図示しないボンベ及
び流量計から反応ガス導入管１７を通して、例えばモノ
シランガスが供給される。反応容器１１内のガスは排気
管１８を通して、図示しない真空ポンプで排出される。
反応容器１１内の圧力は圧力計１１０で測定される。

【００２１】反応容器１１の周囲には、第１及び第２の
電磁コイル１００ａ，１００ｂが配置されている。第１
及び第２の電磁コイル１００ａ，１００ｂに発振器１０
３及び電力増幅器１０２より、直流あるいは低周波数の
電力が供給されると磁界Ｂ（ベルトル）が発生する。こ
の磁界Ｂ（ベルトル）の方向は、電極１２で発生される
電界Ｅ（ベルトル）即ち、図４に示される電界Ｅ₁，Ｅ
₂，Ｅ₃及びＥ₄（Ｅ ₁〜Ｅ₄はベルトル）に直交する
方向で、かつ、基板１０の法線方向になるように発生す
る。

【００２２】次に、このような装置を用いて、例えばア
モルファスシリコン薄膜を製造する場合について以下に
説明する。真空ポンプを駆動して反応容器１１内を排気
する。反応容器１１内が充分に排気（例えば、１０^-7To
rr）された後、反応ガス導入管１７を通して、例えばモ
ノシランガスを５０〜２００cc／分程度の流量で供給
し、反応容器１１内の圧力を０．０５Torr乃至０．５To
rrに保つ。高周波電源１４からインピーダンスマッチン
グ回路１０４及び電流導入端子１０５ａ，１０５ｂなど
を介して、電極１２に電力を供給すると、電極１２近傍
にモノシランのグロー放電プラズマが発生する。なお、
この場合のプラズマは誘導結合方式プラズマと呼ばれ
る。

【００２３】他方、発振器１０３及び増幅器１０２よ
り、第１及び第２の電磁コイル１００ａ，１００ｂに電
力を供給する。そうすると、前述の図４で説明のように
基板１０の法線方向で、かつ、電極１２で発生の電界Ｅ
₁，Ｅ₂，Ｅ₃及びＥ₄（Ｅ₁〜Ｅ₄はベルトル）に直
交する方向の磁界Ｂ（ベクトル）が発生する。この磁界
Ｂ（ベクトル）と、図４にベクトルで図示したＥ₁乃至
Ｅ₄により、プラズマ中の電子はそれぞれ、（ベクトル
Ｅ₁）×（ベクトルＢ），（ベクトルＥ₂）×（ベクト
ルＢ），（ベクトルＥ₃）×（ベクトルＢ）及び（ベク
トルＥ₄）×（ベクトルＢ）のドリフトを受ける。又、
電子は回転磁界Ｂ（ベクトル）によるLarmor運動、すな
わち旋回運動をする。

【００２４】即ち、電極１２近傍のプラズマは基板１０
の中心より周辺を向いた方向に動く。しかしながら電子
は回転磁界Ｂ（ベクトル）により束縛されるのでプラズ
マ密度は大幅に増加する。従って、基板１３近傍のプラ
ズマは空間的に揺り動かされるが、上記の４つの（ベク
トルＥ）×（ベクトルＢ）ドリフトは方向が互いに異な
るので偏りは発生しない。

【００２５】図３で示す電極１２の電力供給点１０６，
１０９に高周波電力を供給すると、電極１２の周辺にも
モノシランガスのグロー放電が発生する。その発光状態
を図５に示すが、この発光状態は電極１２上のＰ₁点と
Ｐ₂点を結ぶ線及びＰ₃点とＰ₄点を結ぶ線に沿って発
光分析計で計測した波長４１４nmの発光強度分布であ
る。

【００２６】すなわち、図５に示す測定結果は、電極１
２の電力供給点１０６，１０９に高周波電力を供給する
ことによりグロー放電を発生させることが可能なことを
示している。なお、当然ながら供給電力が直流の場合に
はこのような現象は起らない。一般に、周波数がメガヘ
ルツ以上であれば、表皮効果により図５に示したグロー
放電が発生する。

【００２７】アモルファスシリコン薄膜の膜厚分布及び
成膜速度は、電極の面積、電極と基板の間隔、反応ガス
の流量、濃度、圧力、電極に供給される電力、及びグロ
ー放電プラズマに印加される回転磁界Ｂの強度などに依
存する。そこで、以下のような条件でアモルファスシリ
コン薄膜を成膜した。電極として１００cm×１００cmの
ものを用い、基板としてガラスを用いた。反応ガスとし
て、１００％モノシランガスを２００cc／min の流量で
供給し、反応容器内の圧力を０．０５Torrに設定した。
電極に供給した電力が４００Ｗ、磁界の強度が３０ガウ
ス及び６０ガウス（直流磁界）とし、アモルファスシリ
コン薄膜の膜厚分布の一例を図６に示す。

【００２８】図６によれば、広い面積にわたって、高速
成膜で、かつ均一に成膜されていることがわかる。ま
た、反応ガスとして、例えばＣＦ４を導入すれば、リア
クティブイオンエッチングとして用いられることは当然
のことである。

【００２９】更に、上記に説明の第１実施例は基本的な
構成を示すもので、この基本を理解すれば多数の変形方
式を構成することができる。例えば、第２実施例として
図７に示すように電極の構成を多数の三角形からなる電
極１２ａで形成し、電力供給端子１０６ａ，１０９ａか
ら高周波電力を供給するようにして第１実施例の電極１
２に代えて用いるようにしても良い。

【００３０】更に、第３実施例として、図８に示すよう
に電極の外形を円形状として内部を同心円状に複数に分
割し、円弧状に区分した複数の電極１２ｂとし、電力供
給端子１０６ｂ，１０９ｂから高周波電力を供給するよ
うにして第１実施例の電極１２に代えて用いるようにし
ても良い。

【００３１】このような第１〜第３実施例によれば、
（１）格子状の電極１２，１２ａ，１２ｂに高周波電力
を供給することにより、図４に示すように各格子状に輪
状電流Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃，Ｉ₄を発生させる。この輪状
電流Ｉ₁〜Ｉ₄により誘導電界Ｅ₁〜Ｅ₄（Ｅ₁〜Ｅ₄
はベクトル値）が発生する。（２）電磁コイル１００
ａ，１００ｂでこれら誘導電界に直交し、かつ基板１０
の面にも直交するような回転磁界Ｂ（ベクトル）を印加
する。

【００３２】上記（１），（２）によりマグネトロン方
式特有の（ベクトルＥ）×（ベクトルＢ）ドリフトによ
るプラズマの移動は、一方向に限定されず複数方向へ向
くことを可能とする。即ち、（ベクトルＥ₁）×（ベク
トルＢ），（ベクトルＥ₂）×（ベクトルＢ），（ベク
トルＥ₃）×（ベクトルＢ）及び（ベクトルＥ₄）×
（ベクトルＢ）方向へのドリフトが起る。しかも、図
２，図７，図８に示すように電極には多数の格子、即ち
閉路に分割されているので図１２，図１３に示す従来の
ような（ベクトルＥ）×（ベクトルＢ）ドリフトによる
プラズマの偏りは大幅に軽減される。

【００３３】又、（３）基板１０の表面は、電界と平行
で、かつ、該磁界に直交するように設置される。従っ
て、プラズマ中の電子は基板１０の法線方向にある該磁
界によってLarmor運動を受け、旋回するのでプラズマ密
度が著しく増加するようになる。

【００３４】

【発明の効果】以上、具体的に説明したように、本発明
によれば、電極及び基板を内蔵する反応容器，電源，反
応容器内への反応ガス供給手段、反応ガス排出手段及び
電磁コイルを備えたマグネトロン型放電反応装置におい
て、電極を複数の閉路で構成して複数方向の電界を発生
させる構成とし、電磁コイルで発生する磁界の方向を電
極で発生した電界及び基板の面と直交するように同電磁
コイルを配置した構成としたので、従来の回転磁界を用
いたマグネトロン方式の欠点であるプラズマの偏りの発
生を抑制し、かつ、プラズマの高密度化及びプラズマ空
間分布の均一化が図られ、大面積のアモルファスシリコ
ン薄膜を高速で、かつ均一に成膜できるようになった。
従って、アモルファス太陽電池，薄膜トランジスタ，光
電子デバイスなどの製造分野での工業的価値は著しく大
きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るマグネトロン型誘導
結合方式放電反応装置の構成図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る電極の構造を示す斜
視図である。

【図３】本発明の第１実施例に係る電極での電流分布図
である。

【図４】本発明の第１実施例に係る電極近傍での電界発
生の説明図である。

【図５】本発明の第１実施例に係る電極での発光強度分
布を示す図である。

【図６】本発明の第１実施例に係る放電反応装置を用い
たアモルファスシリコン成膜結果を示すグラフである。

【図７】本発明の第２実施例に係るマグネトロン型誘導
結合方式放電反応装置の電極構造を示す斜視図である。

【図８】本発明の第３実施例に係るマグネトロン型誘導
結合方式放電反応装置の電極構造を示す平面図である。

【図９】従来のマグネトロン型放電反応装置の主要部の
構成図である。

【図１０】従来のマグネトロン型放電反応装置における
回転磁界発生の説明図である。

【図１１】従来のマグネトロン型放電反応装置における
Ｅ×Ｂドリフトの説明図である。

【図１２】従来のマグネトロン型放電反応装置における
Ｅ×Ｂドリフトによるプラズマの偏り発生を示す図であ
る。

【図１３】従来のマグネトロン型放電反応装置における
Ｅ×Ｂドリフトによるプラズマの偏り発生を平面に示し
た図である。

【図１４】従来のマグネトロン型放電反応装置で成膜さ
れたアモルファスシリコン成膜速度分布を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０基板１１反応容器１２，１２ａ，１２ｂ電極１３基板ヒータ１４高周波電源１７反応ガス導入管１８排気管１００ａ，１００ｂ電磁コイル１０３発振器１０８電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/31 9216−2ＧＨ０５Ｈ 1/46 ＢＨ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極及び基板を内蔵する反応容器と、同
電極に高周波電力を供給する電源と、前記反応容器内で
前記基板に成膜するために所定の反応ガスを供給する反
応ガス供給手段と、同供給手段で供給された反応容器内
の反応ガスを排出する手段と、前記反応容器の周囲に配
置され、前記電極により生ずる電界と直交する磁界を発
生させる電磁コイルとを具備したマグネトロン型放電反
応装置において、前記電極は複数の閉路で構成され、放
電電界の方向が複数方向となる誘導結合方式電極であ
り、かつ、前記電磁コイルは同コイルが発生する磁界の
方向が前記電極で発生する放電電界及び前記基板の面と
直交するように配置されてなることを特徴とするマグネ
トロン型誘導結合方式放電反応装置。