プラズマ処理方法及び処理装置
【課題】成膜種を効率よく生成することができ、高品質の薄膜を成膜することができるプラズマ処理方法及び処理装置を提供する。
【解決手段】被処理体３を収納して被処理体３上に薄膜を成膜する反応チャンバー１と、反応チャンバー１内に配置され、被処理体３を保持するステージ４と、反応チャンバー１内に第１のガスを供給する第１のガス供給部１０と、反応チャンバー１内に第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２のガス供給部１４と、反応チャンバー１内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源７とを備えるプラズマ処理装置を用い、反応チャンバー１内において、高周波放電によってプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、ステージ４に保持された被処理体３上に薄膜を成膜する。
【解決手段】被処理体３を収納して被処理体３上に薄膜を成膜する反応チャンバー１と、反応チャンバー１内に配置され、被処理体３を保持するステージ４と、反応チャンバー１内に第１のガスを供給する第１のガス供給部１０と、反応チャンバー１内に第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２のガス供給部１４と、反応チャンバー１内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源７とを備えるプラズマ処理装置を用い、反応チャンバー１内において、高周波放電によってプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、ステージ４に保持された被処理体３上に薄膜を成膜する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いて被処理体上に薄膜を成膜するプラズマ処理方法及び処理装置に関し、特に、例えば太陽電池における変換効率の向上や薄膜トランジスタにおける移動度の向上に有用な微結晶シリコン薄膜の成膜に好適に用いられるプラズマ処理方法及び処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、微結晶シリコン薄膜は、薄膜太陽電池における長波長側の吸収層、薄膜トランジスタにおけるチャネル層等として広く用いられている。薄膜トランジスタにおけるチャネル層として微結晶シリコン薄膜を用いた場合、アモルファスシリコン薄膜を用いた場合と比較して、高い移動度が得られることが知られている。
薄膜太陽電池、薄膜トランジスタ等のデバイスの素材となるシリコン膜を成膜する方法としては、従来、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長）法が広く用いられている。プラズマＣＶＤ法では、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス等のシラン系ガスと希釈用の水素ガスとの混合ガスを高周波放電により分解し、シリコン膜を基板上に堆積させる。
【０００３】
プラズマＣＶＤ法は、プラズマの生成方法の違いにより、容量結合型と誘導結合型に分類される。容量結合型プラズマＣＶＤ法では、平行平板電極間に高周波電圧を印加することにより高周波電界を発生させ、原料ガスをプラズマ化する。この方法は、成膜速度が遅く、数百Ｐａもの高いガス圧を必要とする。このため、２次反応によるポリマーの生成や、反応チャンバー内の放電によるチャンバー壁への付着物質による汚染、電極への付着物質による汚染によって、成膜される膜の膜質が劣化するおそれがある。
【０００４】
そこで、最近では、容量結合型プラズマＣＶＤ法に代わり、誘導結合型プラズマＣＶＤ法が用いられるようになってきている。誘導結合型プラズマＣＶＤ法は、高周波コイルに対して高周波電力を印加することにより、誘導結合型プラズマを発生させる。この方法は、高いプラズマ密度を得ることができるため、成膜速度を速くすることができるという特徴を有する。
【０００５】
例えば特許文献１には、このような誘導結合型プラズマＣＶＤ法及びこれに用いられる誘導結合型プラズマＣＶＤ装置が開示されている。
図５は、特許文献１に開示された誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。図５に示すように、誘導結合型プラズマＣＶＤ装置は、反応チャンバー１０１と、反応チャンバー１０１の上部外側に配置された渦巻状の高周波コイル１０２とを有している。反応チャンバー１０１の上部には、表面に酸素を含まないシリコン膜が蒸着された石英材よりなる誘電体窓１０３が形成されている。反応チャンバー１０１内において、誘電体窓１０３と薄膜を形成すべき基材１０４との間には、反応ガスを供給するためのリング状のガス供給ノズル１０５が配置されている。
【０００６】
次に、図５に示す誘導結合型プラズマＣＶＤ装置の動作について説明する。
真空状態に保持された反応チャンバー１０１内には、ガス供給ノズル１０５から反応ガスが供給される。また、高周波コイル１０２に高周波電力が印加されると、反応チャンバー１０１内に誘導結合型プラズマが生成する。反応チャンバー１０１内において生成した誘導結合型プラズマにより反応ガスがプラズマ化され、プラズマ化された反応ガスにより基材１０４上に薄膜が成膜される。
【０００７】
ところで、例えば非特許文献１には、シランを用いたプラズマＣＶＤ法においては、長寿命種であるＳｉＨ３ラジカルが主たる成膜種であることが報告されている。他方、ＳｉＨ３ラジカル以外の分解生成物であるＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカル等は、原料ガスと２次反応、３次反応を起こし、高次の生成物を生成する短寿命種として知られている。これら短寿命種を排除することは、結晶性の向上に寄与する要因の一つであると考えられている。
また、非特許文献２及び非特許文献３には、水素ラジカルが微結晶シリコン薄膜の形成に影響を与えることが報告されている。
このように、高品質な微結晶シリコン薄膜を形成するためには、高次生成物やその前駆体を除去し、ＳｉＨ３ラジカル及び水素ラジカルを増加させることが必要であることが明らかにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２７７６２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】松田彰久、「シランプラズマ中における原料ガスの解離過程」、プラズマ・核融合学会誌、社団法人プラズマ・核融合学会、2000年8月、第76巻、第8号、p.760-765
【非特許文献２】A．Matsuda、「Growth mechanism of microcrystalline silicon obtained from reactive plasmas」、Thin Solid Films、米国、Elsevier B.V.、1999年1月11日、第337巻、p.1-6
【非特許文献３】小川俊輔、野々村修一、「微結晶系薄膜太陽電池の開発動向と透明電極表面保護膜」、表面技術、社団法人表面技術協会、2008年、第59巻、第3号、p.155-160
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来、薄膜系シリコン太陽電池では、アモルファスシリコン層と微結晶シリコン層とが積層されたタンデム構造を採用することにより、効率的な光吸収を実現し、変換効率の向上を図ることが行われている。しかしながら、アモルファスシリコン層は光吸収率が高く、０．２〜０．３μｍ程度の膜厚で６〜７％程度の光変換率を達成している一方で、微結晶シリコン層は光吸収率が低く、１．５〜２μｍ程度の膜厚が必要であるにもかかわらず３〜５％程度の光変換効率しか得られないのが現状である。
【００１１】
他方、薄膜トランジスタでは、微結晶シリコンは、アモルファスシリコンより高い応答性が得られる可能性があり、また、多結晶シリコンでは応用困難なＧ５以上（第５世代以降）の大型基板への応用も期待されている。
これらの用途においては、例えば結晶化度や欠陥密度のような微結晶シリコン薄膜の膜質を改善することが重要である。膜質を改善することにより、太陽電池においては光変換効率の向上に、薄膜トランジスタにおいては応答性の向上に大きく貢献することができる。
【００１２】
高品質な微結晶シリコン薄膜を成膜するためには、前述の通り、水素ラジカルとＳｉＨ３ラジカルが必要であるといわれている。しかしながら、一般的に、シラン（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）とが同時に存在するような空間では、プラズマエネルギーを上げると、水素の解離が進行し、水素ラジカルの生成量が増加するが、同時にシランの解離も進行する。このため、成膜種であるシリル（ＳｉＨ３）ラジカルの生成量が相対的に減少する。逆に、シランの解離を抑制するためにプラズマエネルギーを下げると、水素の解離する割合も減少し、その結果として水素ラジカルの生成量が減少する。
このように、水素ラジカルの生成量とＳｉＨ３ラジカルの生成量とを同時に増加することは、相反する両立困難なことであると知られている。
【００１３】
また、誘導結合型プラズマＣＶＤ法においては、これに特有のアンテナ近傍における高密度プラズマによってシランの解離が進行する。このため、ＳｉＨ３ラジカルの生成がうまくできず、ＳｉＨ３ラジカルの生成量よりもＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成量が増加する。これらＳｉＨ３ラジカル以外のラジカルはシランと２次反応又は３次反応をすることにより、ダイマー、トリマー等が生成され、結果として膜の欠陥密度が増加し、膜質が低下するという問題が生じる。
上記のような理由により、従来のプラズマＣＶＤ法では、膜質を向上するためにＳｉＨ３ラジカルの生成量と水素ラジカルの生成量の両方を増加させることは困難である。
【００１４】
この発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、成膜種を効率よく生成することができ、高品質の薄膜を成膜することができるプラズマ処理方法及び処理装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、
被処理体を収納して該被処理体上に薄膜を成膜する反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に配置され、前記被処理体を保持するステージと、
前記反応チャンバー内に第１のガスを供給する第１ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に前記第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源と、を備え、
前記反応チャンバー内において、前記高周波放電によってプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記ステージに保持された前記被処理体上に薄膜を成膜するように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のプラズマ処理方法は、
被処理体を収納した反応チャンバー内に、第１のガスと、該第１のガスとは異なる第２のガスとを供給し、
前記反応チャンバー内において、高周波放電により前記第１のガスをプラズマ化し、
プラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記被処理体上に薄膜を成膜することを特徴とする。
【００１７】
第２のガスは、例えば解離したガスが被処理体に直接作用することで成膜を行うものであり、このようなガスを高周波放電によって直接プラズマ化してしまうと、高品質の薄膜を成膜することが困難になる。例えば、シランガスの解離が進行すると、所望のＳｉＨ３ラジカルの生成がうまくできず、Ｓｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成量が増加し、結果として高品質の微結晶シリコン薄膜が形成されない。
上記本発明によれば、高周波放電により第１のガスをプラズマ化する一方、高周波放電による第２のガスのプラズマ化を抑制し、このプラズマ化が抑制された第２のガスとプラズマ化された第１のガスとの接触によって第２のガスの分解反応が起きるため、高周波放電による第２のガスの解離が早期に進行することはなく、成膜種を効率よく生成して、高品質の薄膜を成膜することができる。
【００１８】
第１のガスとしては、水素ガス、又は水素ガスと希ガス、ホスフィンガス及びジボランガスのうちの１種以上とを含むものが挙げられる。例えば、水素＋希ガス、水素＋ホスフィン、水素＋ホスフィン＋希ガス、水素＋ジボラン、水素＋ジボラン＋希ガスなどが示される。
第２のガスとしては、例えば微結晶シリコン薄膜の成膜を行うシランガス、ジシランガス等のシラン系ガスが挙げられる。
【００１９】
前記反応チャンバー内には、例えば高周波放電によるプラズマ化を抑制するプラズマ抑制エリアを形成する区画部を設けることで、第２のガスのプラズマ化を抑制できる。この場合、前記第１ガス供給部によりプラズマ抑制エリア外に第１のガスを供給し、前記第２ガス供給部によりプラズマ抑制エリア内に第２のガスを供給する。そして、プラズマ抑制エリア内に、プラズマ抑制エリア外の第１のガスが流入するように構成することで、プラズマ抑制エリア内で、プラズマ化された第１のガスとプラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させることができる。なお、前記ステージは、プラズマ抑制エリア側に設置することで、成膜を効果的に行うことができる。このように、反応チャンバー内に区画部によりプラズマ抑制エリアを形成することにより、第２のガスのプラズマ化を効果的に抑制することができ、高品質の薄膜の成膜に必要な成膜種を効率よく生成することができる。
【００２０】
なお、前記区画部は、例えば、反応チャンバー内を仕切る遮蔽板により構成することができる。遮蔽板には、プラズマ抑制エリア内にプラズマ抑制エリア外の第１のガスが流入可能なように、プラズマ抑制エリア外とプラズマ抑制エリア内とを連通する連通部を設けるのが望ましい。連通部は、遮蔽板に複数形成することができ、隣接する連通部の間隔を、第１のガスの平均自由行程のオーダー程度となるように設定することが望ましい。このように連通部の間隔を設定することにより、第１のガスが連通部を通過した後に十分に被処理体上に行き亘らせることができ、第２のガスと効率よく接触させることができる。
【００２１】
また、前記第１ガス供給部は、前記被処理体よりも前記高周波プラズマ源の近傍に第１のガスを供給するように設けられているのが望ましい。このように第１ガス供給部を設置することにより、第１ガス供給部から供給される第１のガスを早期に大量にプラズマ化させてプラズマ処理の効率を向上することができる。
【００２２】
また、前記第２ガス供給部は前記高周波プラズマ源から離れて前記被処理体の近傍に第２のガスを供給するように設けられているのが望ましい。例えば第２ガス供給部に備える第２ガス吹出口を被処理体の近傍に配置するのが望ましい。このように第２ガス供給部を配置することにより、第２ガス供給部から供給される第２のガスのプラズマ化をより確実に抑制することができる。この際に、第２のガスが第２ガス供給部で反応チャンバー内に供給される際に、プラズマ源に直接触れない位置で第２のガスが吹き出されるようにするのが望ましい。
【００２３】
高周波プラズマ源は、誘導結合型であることが望ましいが、その他の型であってもよい。また、高周波プラズマ源は、反応チャンバーに対して種々の態様で配置することができる。
例えば、反応チャンバーの外周部に、誘電体からなるプラズマ生成筒を外方に突出するように設け、このようなプラズマ生成筒の外周に、高周波プラズマ源を配置することができる。反応チャンバーの外周部に外方に突出するように設けられたプラズマ生成筒の外周に高周波プラズマ源を配置することにより、高周波プラズマ源による高周波放電が反応チャンバー内の全域に亘って発生するのを回避することができる。すなわち、高周波放電をプラズマ生成筒内に局所的に発生させることができる。したがって、第２のガスのプラズマ化を確実に抑制することができる。
【００２４】
また、反応チャンバー内に、第１ガス供給部の一部として誘電体からなるガス供給筒体を設置し、このガス供給筒体を通して反応チャンバー内に第１のガスが供給するように構成するとともに、前記反応チャンバー内であって該ガス供給筒体の外周に高周波プラズマ源を配置するようにしてもよい。前記反応チャンバー内でガス供給筒体の外周に高周波プラズマ源を配置することによって、高周波プラズマ源による高周波放電が効果的に第１のガスに及ぶとともに、プラズマ化された第１のガスをガス供給筒体を通して速やかに所望の位置にまで移送することができる。このため、ガス供給筒体は、プラズマ抑制エリア方向に伸長して、プラズマ抑制エリアに向いた開口を有するのが望ましい。また、高周波プラズマを該ガス供給筒体近傍の限られたエリアに及ぼすようにでき、反応チャンバー内の全域に亘って影響が及ぶのを回避することができる。このため、上記ガス供給筒体は、先端がプラズマ抑制エリアに至らない長さとし、該プラズマ抑制エリアから離れた位置に高周波プラズマ源を配置するのが望ましい。したがって、上記構成により第１のガスが確実にプラズマ化されるとともに第２のガスのプラズマ化をより確実に抑制することができる。
【００２５】
また、プラズマ抑制エリア外の第１のガスをプラズマ抑制エリア内に導入するためには、種々の方法を用いることができ、例えば、反応チャンバー内の圧力差を利用した方法が挙げられる。具体的には、プラズマ抑制エリア外をプラズマ抑制エリア内に対して陽圧にする。このような圧力差を設けることにより、プラズマ抑制エリア外にある第１のガスをプラズマ抑制エリア内に容易に導入することができる。
【発明の効果】
【００２６】
すなわち、本発明によれば、高周波放電によりプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させて第２のガスの分解反応を起こさせ、被処理体上に高品質の薄膜を効率よく成膜することができる。例えば、反応チャンバー内に第１のガスとして水素ガスを供給し、第２のガスとしてシランガスを供給して被処理体上に微結晶シリコン膜を形成する場合には、高品質な微結晶シリコン薄膜の成膜に必要なＳｉＨ３ラジカルの生成と、徴結晶シリコン薄膜の形成に必要となる水素ラジカルの生成を独立して行うことができ、これらラジカルの反応に基づいて高い結晶化度を有する高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】同じく、その第２のガス供給部（遮蔽板）の平面構造を示す上面図及び下面図である。
【図３】同じく、プラズマ源の設置位置を反応チャンバー内に変更した他の実施形態のプラズマ処理装置の概略図である。
【図４】同じく、反応チャンバー、第２のガス供給部、及びステージに電位差を与える他の実施形態のプラズマ処理装置の概略図である。
【図５】従来の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は当該実施形態のプラズマ処理装置の概略を示すものである。
このプラズマ処理装置は、内部を真空状態に維持可能な反応チャンバー１を有しており、該反応チャンバー１には、反応チャンバー１内部を真空状態にするための真空排気系２が接続されている。
また、反応チャンバー１の底部側には、被処理体３を保持するステージ４が配置されている。被処理体３は、例えば、半導体基板、ガラス基板等の基板である。
ステージ４には、ステージ４にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源５が接続されている。さらに、ステージ４には、ステージ４上の被処理体３を加熱するための加熱用ヒーター（図示せず）が埋設されている。
【００２９】
反応チャンバー１の上側外周部には、反応チャンバー１と連通する複数のプラズマ生成筒６が外方に突出して設けられており、該プラズマ生成筒６は、誘電体により構成されている。各プラズマ生成筒６の外周には、プラズマ生成筒６内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源７が設置されている。高周波プラズマ源７の一端にはマッチングボックス８を介して高周波電源９が接続されており、他端は接地電位に接続されている。
【００３０】
複数のプラズマ生成筒６には、反応チャンバー１内に第１のガスを供給する第１ガス供給部１０が接続されている。第１ガス供給部１０は、反応チャンバー１外に設置された第１ガスソース１９および該第１ガスソース１９に接続された複数の第１ガス供給管１２と、各第１ガス供給管１２の先端に接続され、前記プラズマ生成筒６内の天板に配置された第１ガス吹出部１３とを有している。第１ガス吹出部１３の先端には、下向きに形成した第１ガス吹出口１３ａが設けられている。
第１ガス吹出口１３ａは、高周波プラズマ源７の内周側に位置しており、高周波プラズマ源７の高周波放射方向にガス吹き出し方向を有している。すなわち、第１ガス供給部１０は、高周波プラズマ源７の近傍に第１のガスを供給するように設けられている。
【００３１】
被処理体３上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合、第１のガスとして、水素ガス、又は水素ガスと希ガス、ホスフィンガス及びジボランガスのうちの１種以上とを含むものが用いられる。第１のガスにホスフィンガスを含ませることにより、リンがドープされた微結晶シリコン薄膜が成膜される。また、第１のガスにジボランガスを含ませることにより、ホウ素がドープされた微結晶シリコン薄膜が成膜される。
【００３２】
さらに、反応チャンバー１には、該反応チャンバー１内に第２のガスを供給する第２ガス供給部１４が接続され、該反応チャンバー１内に第２ガス供給部１４の一部である第２ガス吹出部１７が配置されている。第２のガス供給部１４は、反応チャンバー１外に設置された第２ガスソース１５と該第２ガスソース１５に接続された複数の第２ガス供給管１６と、各第２ガス供給管１６の先端に接続され、前記プラズマ生成筒６内に配置された第２ガス吹出部１７とを有している。
前記第２ガス供給管１６は金属製で高周波が内部に侵入するのを防止する。第２ガス供給管１６は、前記反応チャンバー１外から前記プラズマ生成筒６の外方またはプラズマ生成筒６、６間を通って反応チャンバー１内に貫通し、その先端に第２ガス吹出部１７が設けられている。該第２ガス吹出部１７は、前記プラズマ生成筒６の下方側に位置しており、高周波プラズマ源７よりもステージ４上に配置される被処理体３の近くに配置されている。これにより第２のガスは、高周波放電に直接触れることなく、また、高周波放電の影響を受けることなく被処理体３の近傍に供給される。
【００３３】
図２は、第２ガス吹出部１７周辺の平面構造を示すものであり、図２（ａ）は平面視の図、図２（ｂ）は底面視の図である。
反応チャンバー１内では、該チャンバー１内を上下に区画する遮蔽板２０が前記ステージ４の直上に配置されており、該遮蔽板２０に前記第２ガス供給管１６がそれぞれ接続されて、下方に開口している。この第２ガス供給管１６の開口下方側が前記第２ガス吹出部１７となっている。また、遮蔽板２０には、前記第２ガス供給管１６が接続された箇所の間に上下に貫通する連通部２１が形成されている。
上記遮蔽板２０は、反応チャンバー１内を上下に区画する本発明の区画部に相当し、その上方側空間がプラズマ抑制エリア外となるプラズマエリア１ａに割り当てられ、その下方側空間がプラズマ抑制エリア１ｂに割り当てられている。遮蔽板２０は、高周波が上方から下方に容易には侵入しない材質で構成するのが望ましい。また、連通部２１は、プラズマエリア１ａ内の第１のガスが、プラズマ抑制エリア１ｂに流入するのに十分な大きさを有していればよく、大きく形成しすぎると、高周波の侵入を許し、プラズマ抑制エリア１ｂ内の第２のガスのプラズマ化を招くため好ましくない。また、隣接する連通部２１の間隔は、真空状態でのプラズマエリア１ａ内における第１のガスの平均自由行程のオーダー程度となっている。
【００３４】
なお、連通部２１は、遮蔽板２０の上面側から下面側に掛けて徐々に径が大きくなるテーパ穴で形成することができる。この形状によってプラズマエリア１ａからプラズマ抑制エリア１ｂ内に流入した第１のガスが、プラズマ抑制エリア１ｂ内で効果的に拡散し、第２のガスとの効果的な接触が可能になる。また、上記テーパ穴形状は、プラズマ抑制エリア１ｂに流入した第１のガスがプラズマエリア１ａに逆流するのを阻止する。
なお、プラズマ抑制エリア１ｂに対してプラズマエリア１ａを陽圧に設定することにより、プラズマエリア１ａ内から連通部２１を通してプラズマ抑制エリア１ｂへガスが速やかに移動する。前記陽圧は、プラズマエリア１ａの圧力及びプラズマ抑制エリア１ｂの圧力の設定によって実現することができ、また、プラズマ抑制エリア１ｂに接続された真空排気系２による緩やかな排気に伴って実現することができる。
【００３５】
また、遮蔽板２０の下方には上記第２ガス供給管１６の各開口に対応した複数の第２ガス吹出部１７が設けられている。該第２ガス吹出部１７は、複数の小孔からなる第２ガス吹出口１７ａが形成された板状の形状からなり、前記各連通部２１、２１間に位置しており、遮蔽板２０と上下に通気空間を隔てて該遮蔽板２０に固定されている。したがって、第２のガス吹出部１７では上記第２ガス吹出口１７ａを通して下方への第２のガスの吹き出しが可能になっている。
また、遮蔽板２０と第２ガス吹出部１７とは、第２ガス吹出部１７の側方からガスの吹き出しが可能になっている。すなわち、第２ガス吹出部１７の周縁には、遮蔽板２０下方に設けた案内突条２０ａが小隙間を有して配置されている。該案内突条２０ａは、内周面が下方に向けて内径が大きくなるテーパ案内面で形成されており、これに合わせて第２ガス吹出部１７の外周面を下方に向けて大径になるテーパー面で形成して前記テーパー案内面と前記テーパー面とを対向させている。このテーパー案内面とテーパ面との隙間から斜め下方に向けて第２のガスの吹き出しが可能になっている。
すなわち、第２ガス吹出部１７では、下方および側方から第２ガスが吹き出される。
【００３６】
次に、上記プラズマ処理装置の動作について説明する。
まず、ステージ４上に被処理体３を保持する。次いで、真空排気系２により反応チャンバー１内を排気し、反応チャンバー１内を所定の真空度の真空状態とする。反応チャンバー１内が所定の真空度になった後、ステージ４に埋設された加熱用ヒーターにより、ステージ４上の被処理体３を例えば３００℃前後に加熱する。また、バイアス電源５により、ステージ４に所定のバイアス電圧を印加する。ステージ４にバイアス電圧を印加することにより、ガスがステージ４側に引かれ、効率よくプラズマ処理を行うことが可能となる。この際に真空排気系２では、反応チャンバー１内が所定の圧力状態に維持されるように排気を継続する。
【００３７】
次いで、第１ガス供給部１０では、第１ガスソース１９、第１ガス供給管１２を通して第１ガス吹出部１３に第１のガスを供給する。これとともに、第２ガス供給部１４では、第２ガスソース１５、第２ガス供給管１６を通して第２ガス吹出部１７に第２のガスを供給する。この際、プラズマ抑制エリア１ｂに対してプラズマエリア１ａが陽圧になるように両ガスの供給を行い、また、真空排気系２による排気を行う。
この実施形態では被処理体３上に微結晶シリコン薄膜を成膜するため、第１のガスとして水素を用い、第２のガスとして、例えば、シラン（ＳｉＨ４）ガス又はジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを用いる。ただし、本発明としては第１のガスおよび第２のガスが上記に限定されないことは既述したとおりである。
【００３８】
また、高周波プラズマ源７には、マッチングボックス８を介して高周波電源９により高周波電圧を印加する。プラズマ生成筒６内では、第１ガス吹出部１３の第１ガス吹出口１３ａを通して第１のガスが吹き出される。プラズマ生成筒６では、高周波プラズマ源７による高周波放電によって誘導結合型プラズマが発生し、前記第１のガスが、例えば電子密度１０１１ｃｍ−１以上の高密度にプラズマ化される。
プラズマ化された第１のガスは、陽圧になっているプラズマエリア１ａから連通部２１を通してプラズマ抑制エリア内に次第に流入する。
【００３９】
プラズマ抑制エリア１ｂでは、上記したように第２のガスが第２ガス吹出部１７を通して供給されている。この際に、第２のガスは、高周波プラズマ源７により発生する高周波放電の影響を受けず、プラズマ化が抑制されてプラズマ抑制エリア１ｂ内に供給されている。
プラズマ抑制エリア１ｂ内では、プラズマ化された前記第１のガスとプラズマ化が抑制された第２のガスとが接触し、第２のガスは分解反応を起こす。この結果、被処理体３上に薄膜が形成される。
具体的には、第１のガスとして水素ガスを用い、第２のガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる場合、高周波プラズマ源７によるシランガスのプラズマ化を抑制しつつ、水素ガスのプラズマ化によって生じた水素ラジカルにより、シランガスの分解反応が起きる。これにより、成膜種となるＳｉＨ３ラジカルへのシランガスの分解を促進するとともに、Ｓｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成を抑制することができる。こうして、ＳｉＨ３ラジカルの生成量と水素ラジカルの生成量とを同時に増加させ、被処理体３上に高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。
本発明のプラズマ処理装置により成膜された薄膜は高品質であり、これを用いて太陽電池、薄膜トランジスタ等のデバイスを形成した場合、良好な電気的特性を得ることができる。
【００４０】
なお、前記した高周波プラズマ源７と第１ガス吹出部１３の位置関係は上記に限定されるものではなく適宜変更することができ、また、それぞれの数も適宜変更することができる。
【００４１】
（実施形態２）
上記実施形態では、高周波プラズマ源７の設置位置を反応チャンバー１外としていたが、高周波プラズマ源の設置位置を反応チャンバー１内としてもよい。
図３は、高周波プラズマ源７の設置位置を反応チャンバー１内に変更した他の実施形態を示すものである。なお、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
図３に示すように、反応チャンバー１内のプラズマエリア１ａでは、反応チャンバー１の天板部に誘電体からなるガス供給筒体２５が吊設されている。ガス供給筒体２５には、該ガス供給筒体２５に第１のガスを供給する第１ガス供給管１２が接続されており、第１ガス供給管１２は第１ガスソース１９に接続されている。したがって、この実施形態では、第１ガスソース１９、第１ガス供給管１２、ガス供給筒体２５によって第１ガス供給部１０が構成されている。
【００４２】
ガス供給筒体２５の外周には、反応チャンバー１内に位置するように高周波プラズマ源２６が配置されている。高周波プラズマ源２６の一端は、反応チャンバー１の上部から外部に引き出され、マッチングボックス８を介して高周波電源９に接続されている。高周波プラズマ源２６の他端は、反応チャンバー１の上部から外部に引き出され、接地電位に接続されている。
【００４３】
第１ガスソース１９、第１ガス供給管１２を通してガス供給筒体２５に供給される第１のガスは、ガス供給筒体２５内を移動しつつ高周波プラズマ源２６により高周波放電を受けてプラズマ化される。また、ガス供給筒体２５から吹き出された後も、上記高周波放電によって第１のガスのプラズマ化が進行する。プラズマ化された第１のガスは、前記実施形態と同様にプラズマエリア１ａからプラズマ抑制エリア１ｂに流入し、該プラズマ抑制エリア１ｂ内でプラズマ化が抑制された第２のガスと接触してプラズマ処理に供される。このように、高周波プラズマ源２６を反応チャンバー１内に設置してもよい。
【００４４】
（実施形態３）
また、上記では、ステージ４にバイアス電源５を接続していたが、遮蔽板２０にもバイアス電源を更に接続する等して、遮蔽板２０、及びステージ４の各部材間に電位差を与えるようにしてもよい。
図４は、反応チャンバー１、遮蔽板２０、及びステージ４の各部材間に電位差を与えるようにした他の実施形態を示すものである。なお、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略にする。
図４に示すように、ステージ４には、上記と同様にバイアス電源５が接続されている。また、遮蔽板２０には、遮蔽板２０にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源２８が接続されている。さらに、反応チャンバー１は、接地電位に接続されている。例えば、ステージ４の電位＞遮蔽板２０＞反応チャンバー１の電位を与えることで、プラズマエリアから遮蔽板２０にガスが引き寄せられ、さらに、ステージ４側にガスが引き寄せられて、ステージ４上の被処理体３に対し効率よくプラズマ処理を行うことが可能になる。
【００４５】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の説明に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 反応チャンバー
１ａ プラズマエリア
１ｂ プラズマ抑制エリア
３ 被処理体
４ ステージ
５ バイアス電源
７ 高周波プラズマ源
１０ 第１ガス供給部
１３ 第１ガス吹出部
１３ａ 第１ガス吹出口
１４ 第２ガス供給部
１７ 第２ガス吹出部
１７ａ 第２ガス吹出口
２０ 遮蔽板
２１ 連通部
２６ 高周波プラズマ源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いて被処理体上に薄膜を成膜するプラズマ処理方法及び処理装置に関し、特に、例えば太陽電池における変換効率の向上や薄膜トランジスタにおける移動度の向上に有用な微結晶シリコン薄膜の成膜に好適に用いられるプラズマ処理方法及び処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、微結晶シリコン薄膜は、薄膜太陽電池における長波長側の吸収層、薄膜トランジスタにおけるチャネル層等として広く用いられている。薄膜トランジスタにおけるチャネル層として微結晶シリコン薄膜を用いた場合、アモルファスシリコン薄膜を用いた場合と比較して、高い移動度が得られることが知られている。
薄膜太陽電池、薄膜トランジスタ等のデバイスの素材となるシリコン膜を成膜する方法としては、従来、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長）法が広く用いられている。プラズマＣＶＤ法では、シラン（ＳｉＨ４）ガス、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガス等のシラン系ガスと希釈用の水素ガスとの混合ガスを高周波放電により分解し、シリコン膜を基板上に堆積させる。
【０００３】
プラズマＣＶＤ法は、プラズマの生成方法の違いにより、容量結合型と誘導結合型に分類される。容量結合型プラズマＣＶＤ法では、平行平板電極間に高周波電圧を印加することにより高周波電界を発生させ、原料ガスをプラズマ化する。この方法は、成膜速度が遅く、数百Ｐａもの高いガス圧を必要とする。このため、２次反応によるポリマーの生成や、反応チャンバー内の放電によるチャンバー壁への付着物質による汚染、電極への付着物質による汚染によって、成膜される膜の膜質が劣化するおそれがある。
【０００４】
そこで、最近では、容量結合型プラズマＣＶＤ法に代わり、誘導結合型プラズマＣＶＤ法が用いられるようになってきている。誘導結合型プラズマＣＶＤ法は、高周波コイルに対して高周波電力を印加することにより、誘導結合型プラズマを発生させる。この方法は、高いプラズマ密度を得ることができるため、成膜速度を速くすることができるという特徴を有する。
【０００５】
例えば特許文献１には、このような誘導結合型プラズマＣＶＤ法及びこれに用いられる誘導結合型プラズマＣＶＤ装置が開示されている。
図５は、特許文献１に開示された誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。図５に示すように、誘導結合型プラズマＣＶＤ装置は、反応チャンバー１０１と、反応チャンバー１０１の上部外側に配置された渦巻状の高周波コイル１０２とを有している。反応チャンバー１０１の上部には、表面に酸素を含まないシリコン膜が蒸着された石英材よりなる誘電体窓１０３が形成されている。反応チャンバー１０１内において、誘電体窓１０３と薄膜を形成すべき基材１０４との間には、反応ガスを供給するためのリング状のガス供給ノズル１０５が配置されている。
【０００６】
次に、図５に示す誘導結合型プラズマＣＶＤ装置の動作について説明する。
真空状態に保持された反応チャンバー１０１内には、ガス供給ノズル１０５から反応ガスが供給される。また、高周波コイル１０２に高周波電力が印加されると、反応チャンバー１０１内に誘導結合型プラズマが生成する。反応チャンバー１０１内において生成した誘導結合型プラズマにより反応ガスがプラズマ化され、プラズマ化された反応ガスにより基材１０４上に薄膜が成膜される。
【０００７】
ところで、例えば非特許文献１には、シランを用いたプラズマＣＶＤ法においては、長寿命種であるＳｉＨ３ラジカルが主たる成膜種であることが報告されている。他方、ＳｉＨ３ラジカル以外の分解生成物であるＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカル等は、原料ガスと２次反応、３次反応を起こし、高次の生成物を生成する短寿命種として知られている。これら短寿命種を排除することは、結晶性の向上に寄与する要因の一つであると考えられている。
また、非特許文献２及び非特許文献３には、水素ラジカルが微結晶シリコン薄膜の形成に影響を与えることが報告されている。
このように、高品質な微結晶シリコン薄膜を形成するためには、高次生成物やその前駆体を除去し、ＳｉＨ３ラジカル及び水素ラジカルを増加させることが必要であることが明らかにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−２７７６２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】松田彰久、「シランプラズマ中における原料ガスの解離過程」、プラズマ・核融合学会誌、社団法人プラズマ・核融合学会、2000年8月、第76巻、第8号、p.760-765
【非特許文献２】A．Matsuda、「Growth mechanism of microcrystalline silicon obtained from reactive plasmas」、Thin Solid Films、米国、Elsevier B.V.、1999年1月11日、第337巻、p.1-6
【非特許文献３】小川俊輔、野々村修一、「微結晶系薄膜太陽電池の開発動向と透明電極表面保護膜」、表面技術、社団法人表面技術協会、2008年、第59巻、第3号、p.155-160
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来、薄膜系シリコン太陽電池では、アモルファスシリコン層と微結晶シリコン層とが積層されたタンデム構造を採用することにより、効率的な光吸収を実現し、変換効率の向上を図ることが行われている。しかしながら、アモルファスシリコン層は光吸収率が高く、０．２〜０．３μｍ程度の膜厚で６〜７％程度の光変換率を達成している一方で、微結晶シリコン層は光吸収率が低く、１．５〜２μｍ程度の膜厚が必要であるにもかかわらず３〜５％程度の光変換効率しか得られないのが現状である。
【００１１】
他方、薄膜トランジスタでは、微結晶シリコンは、アモルファスシリコンより高い応答性が得られる可能性があり、また、多結晶シリコンでは応用困難なＧ５以上（第５世代以降）の大型基板への応用も期待されている。
これらの用途においては、例えば結晶化度や欠陥密度のような微結晶シリコン薄膜の膜質を改善することが重要である。膜質を改善することにより、太陽電池においては光変換効率の向上に、薄膜トランジスタにおいては応答性の向上に大きく貢献することができる。
【００１２】
高品質な微結晶シリコン薄膜を成膜するためには、前述の通り、水素ラジカルとＳｉＨ３ラジカルが必要であるといわれている。しかしながら、一般的に、シラン（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）とが同時に存在するような空間では、プラズマエネルギーを上げると、水素の解離が進行し、水素ラジカルの生成量が増加するが、同時にシランの解離も進行する。このため、成膜種であるシリル（ＳｉＨ３）ラジカルの生成量が相対的に減少する。逆に、シランの解離を抑制するためにプラズマエネルギーを下げると、水素の解離する割合も減少し、その結果として水素ラジカルの生成量が減少する。
このように、水素ラジカルの生成量とＳｉＨ３ラジカルの生成量とを同時に増加することは、相反する両立困難なことであると知られている。
【００１３】
また、誘導結合型プラズマＣＶＤ法においては、これに特有のアンテナ近傍における高密度プラズマによってシランの解離が進行する。このため、ＳｉＨ３ラジカルの生成がうまくできず、ＳｉＨ３ラジカルの生成量よりもＳｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成量が増加する。これらＳｉＨ３ラジカル以外のラジカルはシランと２次反応又は３次反応をすることにより、ダイマー、トリマー等が生成され、結果として膜の欠陥密度が増加し、膜質が低下するという問題が生じる。
上記のような理由により、従来のプラズマＣＶＤ法では、膜質を向上するためにＳｉＨ３ラジカルの生成量と水素ラジカルの生成量の両方を増加させることは困難である。
【００１４】
この発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、成膜種を効率よく生成することができ、高品質の薄膜を成膜することができるプラズマ処理方法及び処理装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、
被処理体を収納して該被処理体上に薄膜を成膜する反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に配置され、前記被処理体を保持するステージと、
前記反応チャンバー内に第１のガスを供給する第１ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に前記第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源と、を備え、
前記反応チャンバー内において、前記高周波放電によってプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記ステージに保持された前記被処理体上に薄膜を成膜するように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のプラズマ処理方法は、
被処理体を収納した反応チャンバー内に、第１のガスと、該第１のガスとは異なる第２のガスとを供給し、
前記反応チャンバー内において、高周波放電により前記第１のガスをプラズマ化し、
プラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記被処理体上に薄膜を成膜することを特徴とする。
【００１７】
第２のガスは、例えば解離したガスが被処理体に直接作用することで成膜を行うものであり、このようなガスを高周波放電によって直接プラズマ化してしまうと、高品質の薄膜を成膜することが困難になる。例えば、シランガスの解離が進行すると、所望のＳｉＨ３ラジカルの生成がうまくできず、Ｓｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成量が増加し、結果として高品質の微結晶シリコン薄膜が形成されない。
上記本発明によれば、高周波放電により第１のガスをプラズマ化する一方、高周波放電による第２のガスのプラズマ化を抑制し、このプラズマ化が抑制された第２のガスとプラズマ化された第１のガスとの接触によって第２のガスの分解反応が起きるため、高周波放電による第２のガスの解離が早期に進行することはなく、成膜種を効率よく生成して、高品質の薄膜を成膜することができる。
【００１８】
第１のガスとしては、水素ガス、又は水素ガスと希ガス、ホスフィンガス及びジボランガスのうちの１種以上とを含むものが挙げられる。例えば、水素＋希ガス、水素＋ホスフィン、水素＋ホスフィン＋希ガス、水素＋ジボラン、水素＋ジボラン＋希ガスなどが示される。
第２のガスとしては、例えば微結晶シリコン薄膜の成膜を行うシランガス、ジシランガス等のシラン系ガスが挙げられる。
【００１９】
前記反応チャンバー内には、例えば高周波放電によるプラズマ化を抑制するプラズマ抑制エリアを形成する区画部を設けることで、第２のガスのプラズマ化を抑制できる。この場合、前記第１ガス供給部によりプラズマ抑制エリア外に第１のガスを供給し、前記第２ガス供給部によりプラズマ抑制エリア内に第２のガスを供給する。そして、プラズマ抑制エリア内に、プラズマ抑制エリア外の第１のガスが流入するように構成することで、プラズマ抑制エリア内で、プラズマ化された第１のガスとプラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させることができる。なお、前記ステージは、プラズマ抑制エリア側に設置することで、成膜を効果的に行うことができる。このように、反応チャンバー内に区画部によりプラズマ抑制エリアを形成することにより、第２のガスのプラズマ化を効果的に抑制することができ、高品質の薄膜の成膜に必要な成膜種を効率よく生成することができる。
【００２０】
なお、前記区画部は、例えば、反応チャンバー内を仕切る遮蔽板により構成することができる。遮蔽板には、プラズマ抑制エリア内にプラズマ抑制エリア外の第１のガスが流入可能なように、プラズマ抑制エリア外とプラズマ抑制エリア内とを連通する連通部を設けるのが望ましい。連通部は、遮蔽板に複数形成することができ、隣接する連通部の間隔を、第１のガスの平均自由行程のオーダー程度となるように設定することが望ましい。このように連通部の間隔を設定することにより、第１のガスが連通部を通過した後に十分に被処理体上に行き亘らせることができ、第２のガスと効率よく接触させることができる。
【００２１】
また、前記第１ガス供給部は、前記被処理体よりも前記高周波プラズマ源の近傍に第１のガスを供給するように設けられているのが望ましい。このように第１ガス供給部を設置することにより、第１ガス供給部から供給される第１のガスを早期に大量にプラズマ化させてプラズマ処理の効率を向上することができる。
【００２２】
また、前記第２ガス供給部は前記高周波プラズマ源から離れて前記被処理体の近傍に第２のガスを供給するように設けられているのが望ましい。例えば第２ガス供給部に備える第２ガス吹出口を被処理体の近傍に配置するのが望ましい。このように第２ガス供給部を配置することにより、第２ガス供給部から供給される第２のガスのプラズマ化をより確実に抑制することができる。この際に、第２のガスが第２ガス供給部で反応チャンバー内に供給される際に、プラズマ源に直接触れない位置で第２のガスが吹き出されるようにするのが望ましい。
【００２３】
高周波プラズマ源は、誘導結合型であることが望ましいが、その他の型であってもよい。また、高周波プラズマ源は、反応チャンバーに対して種々の態様で配置することができる。
例えば、反応チャンバーの外周部に、誘電体からなるプラズマ生成筒を外方に突出するように設け、このようなプラズマ生成筒の外周に、高周波プラズマ源を配置することができる。反応チャンバーの外周部に外方に突出するように設けられたプラズマ生成筒の外周に高周波プラズマ源を配置することにより、高周波プラズマ源による高周波放電が反応チャンバー内の全域に亘って発生するのを回避することができる。すなわち、高周波放電をプラズマ生成筒内に局所的に発生させることができる。したがって、第２のガスのプラズマ化を確実に抑制することができる。
【００２４】
また、反応チャンバー内に、第１ガス供給部の一部として誘電体からなるガス供給筒体を設置し、このガス供給筒体を通して反応チャンバー内に第１のガスが供給するように構成するとともに、前記反応チャンバー内であって該ガス供給筒体の外周に高周波プラズマ源を配置するようにしてもよい。前記反応チャンバー内でガス供給筒体の外周に高周波プラズマ源を配置することによって、高周波プラズマ源による高周波放電が効果的に第１のガスに及ぶとともに、プラズマ化された第１のガスをガス供給筒体を通して速やかに所望の位置にまで移送することができる。このため、ガス供給筒体は、プラズマ抑制エリア方向に伸長して、プラズマ抑制エリアに向いた開口を有するのが望ましい。また、高周波プラズマを該ガス供給筒体近傍の限られたエリアに及ぼすようにでき、反応チャンバー内の全域に亘って影響が及ぶのを回避することができる。このため、上記ガス供給筒体は、先端がプラズマ抑制エリアに至らない長さとし、該プラズマ抑制エリアから離れた位置に高周波プラズマ源を配置するのが望ましい。したがって、上記構成により第１のガスが確実にプラズマ化されるとともに第２のガスのプラズマ化をより確実に抑制することができる。
【００２５】
また、プラズマ抑制エリア外の第１のガスをプラズマ抑制エリア内に導入するためには、種々の方法を用いることができ、例えば、反応チャンバー内の圧力差を利用した方法が挙げられる。具体的には、プラズマ抑制エリア外をプラズマ抑制エリア内に対して陽圧にする。このような圧力差を設けることにより、プラズマ抑制エリア外にある第１のガスをプラズマ抑制エリア内に容易に導入することができる。
【発明の効果】
【００２６】
すなわち、本発明によれば、高周波放電によりプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された第２のガスとを接触させて第２のガスの分解反応を起こさせ、被処理体上に高品質の薄膜を効率よく成膜することができる。例えば、反応チャンバー内に第１のガスとして水素ガスを供給し、第２のガスとしてシランガスを供給して被処理体上に微結晶シリコン膜を形成する場合には、高品質な微結晶シリコン薄膜の成膜に必要なＳｉＨ３ラジカルの生成と、徴結晶シリコン薄膜の形成に必要となる水素ラジカルの生成を独立して行うことができ、これらラジカルの反応に基づいて高い結晶化度を有する高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】同じく、その第２のガス供給部（遮蔽板）の平面構造を示す上面図及び下面図である。
【図３】同じく、プラズマ源の設置位置を反応チャンバー内に変更した他の実施形態のプラズマ処理装置の概略図である。
【図４】同じく、反応チャンバー、第２のガス供給部、及びステージに電位差を与える他の実施形態のプラズマ処理装置の概略図である。
【図５】従来の誘導結合型プラズマＣＶＤ装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は当該実施形態のプラズマ処理装置の概略を示すものである。
このプラズマ処理装置は、内部を真空状態に維持可能な反応チャンバー１を有しており、該反応チャンバー１には、反応チャンバー１内部を真空状態にするための真空排気系２が接続されている。
また、反応チャンバー１の底部側には、被処理体３を保持するステージ４が配置されている。被処理体３は、例えば、半導体基板、ガラス基板等の基板である。
ステージ４には、ステージ４にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源５が接続されている。さらに、ステージ４には、ステージ４上の被処理体３を加熱するための加熱用ヒーター（図示せず）が埋設されている。
【００２９】
反応チャンバー１の上側外周部には、反応チャンバー１と連通する複数のプラズマ生成筒６が外方に突出して設けられており、該プラズマ生成筒６は、誘電体により構成されている。各プラズマ生成筒６の外周には、プラズマ生成筒６内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源７が設置されている。高周波プラズマ源７の一端にはマッチングボックス８を介して高周波電源９が接続されており、他端は接地電位に接続されている。
【００３０】
複数のプラズマ生成筒６には、反応チャンバー１内に第１のガスを供給する第１ガス供給部１０が接続されている。第１ガス供給部１０は、反応チャンバー１外に設置された第１ガスソース１９および該第１ガスソース１９に接続された複数の第１ガス供給管１２と、各第１ガス供給管１２の先端に接続され、前記プラズマ生成筒６内の天板に配置された第１ガス吹出部１３とを有している。第１ガス吹出部１３の先端には、下向きに形成した第１ガス吹出口１３ａが設けられている。
第１ガス吹出口１３ａは、高周波プラズマ源７の内周側に位置しており、高周波プラズマ源７の高周波放射方向にガス吹き出し方向を有している。すなわち、第１ガス供給部１０は、高周波プラズマ源７の近傍に第１のガスを供給するように設けられている。
【００３１】
被処理体３上に微結晶シリコン薄膜を成膜する場合、第１のガスとして、水素ガス、又は水素ガスと希ガス、ホスフィンガス及びジボランガスのうちの１種以上とを含むものが用いられる。第１のガスにホスフィンガスを含ませることにより、リンがドープされた微結晶シリコン薄膜が成膜される。また、第１のガスにジボランガスを含ませることにより、ホウ素がドープされた微結晶シリコン薄膜が成膜される。
【００３２】
さらに、反応チャンバー１には、該反応チャンバー１内に第２のガスを供給する第２ガス供給部１４が接続され、該反応チャンバー１内に第２ガス供給部１４の一部である第２ガス吹出部１７が配置されている。第２のガス供給部１４は、反応チャンバー１外に設置された第２ガスソース１５と該第２ガスソース１５に接続された複数の第２ガス供給管１６と、各第２ガス供給管１６の先端に接続され、前記プラズマ生成筒６内に配置された第２ガス吹出部１７とを有している。
前記第２ガス供給管１６は金属製で高周波が内部に侵入するのを防止する。第２ガス供給管１６は、前記反応チャンバー１外から前記プラズマ生成筒６の外方またはプラズマ生成筒６、６間を通って反応チャンバー１内に貫通し、その先端に第２ガス吹出部１７が設けられている。該第２ガス吹出部１７は、前記プラズマ生成筒６の下方側に位置しており、高周波プラズマ源７よりもステージ４上に配置される被処理体３の近くに配置されている。これにより第２のガスは、高周波放電に直接触れることなく、また、高周波放電の影響を受けることなく被処理体３の近傍に供給される。
【００３３】
図２は、第２ガス吹出部１７周辺の平面構造を示すものであり、図２（ａ）は平面視の図、図２（ｂ）は底面視の図である。
反応チャンバー１内では、該チャンバー１内を上下に区画する遮蔽板２０が前記ステージ４の直上に配置されており、該遮蔽板２０に前記第２ガス供給管１６がそれぞれ接続されて、下方に開口している。この第２ガス供給管１６の開口下方側が前記第２ガス吹出部１７となっている。また、遮蔽板２０には、前記第２ガス供給管１６が接続された箇所の間に上下に貫通する連通部２１が形成されている。
上記遮蔽板２０は、反応チャンバー１内を上下に区画する本発明の区画部に相当し、その上方側空間がプラズマ抑制エリア外となるプラズマエリア１ａに割り当てられ、その下方側空間がプラズマ抑制エリア１ｂに割り当てられている。遮蔽板２０は、高周波が上方から下方に容易には侵入しない材質で構成するのが望ましい。また、連通部２１は、プラズマエリア１ａ内の第１のガスが、プラズマ抑制エリア１ｂに流入するのに十分な大きさを有していればよく、大きく形成しすぎると、高周波の侵入を許し、プラズマ抑制エリア１ｂ内の第２のガスのプラズマ化を招くため好ましくない。また、隣接する連通部２１の間隔は、真空状態でのプラズマエリア１ａ内における第１のガスの平均自由行程のオーダー程度となっている。
【００３４】
なお、連通部２１は、遮蔽板２０の上面側から下面側に掛けて徐々に径が大きくなるテーパ穴で形成することができる。この形状によってプラズマエリア１ａからプラズマ抑制エリア１ｂ内に流入した第１のガスが、プラズマ抑制エリア１ｂ内で効果的に拡散し、第２のガスとの効果的な接触が可能になる。また、上記テーパ穴形状は、プラズマ抑制エリア１ｂに流入した第１のガスがプラズマエリア１ａに逆流するのを阻止する。
なお、プラズマ抑制エリア１ｂに対してプラズマエリア１ａを陽圧に設定することにより、プラズマエリア１ａ内から連通部２１を通してプラズマ抑制エリア１ｂへガスが速やかに移動する。前記陽圧は、プラズマエリア１ａの圧力及びプラズマ抑制エリア１ｂの圧力の設定によって実現することができ、また、プラズマ抑制エリア１ｂに接続された真空排気系２による緩やかな排気に伴って実現することができる。
【００３５】
また、遮蔽板２０の下方には上記第２ガス供給管１６の各開口に対応した複数の第２ガス吹出部１７が設けられている。該第２ガス吹出部１７は、複数の小孔からなる第２ガス吹出口１７ａが形成された板状の形状からなり、前記各連通部２１、２１間に位置しており、遮蔽板２０と上下に通気空間を隔てて該遮蔽板２０に固定されている。したがって、第２のガス吹出部１７では上記第２ガス吹出口１７ａを通して下方への第２のガスの吹き出しが可能になっている。
また、遮蔽板２０と第２ガス吹出部１７とは、第２ガス吹出部１７の側方からガスの吹き出しが可能になっている。すなわち、第２ガス吹出部１７の周縁には、遮蔽板２０下方に設けた案内突条２０ａが小隙間を有して配置されている。該案内突条２０ａは、内周面が下方に向けて内径が大きくなるテーパ案内面で形成されており、これに合わせて第２ガス吹出部１７の外周面を下方に向けて大径になるテーパー面で形成して前記テーパー案内面と前記テーパー面とを対向させている。このテーパー案内面とテーパ面との隙間から斜め下方に向けて第２のガスの吹き出しが可能になっている。
すなわち、第２ガス吹出部１７では、下方および側方から第２ガスが吹き出される。
【００３６】
次に、上記プラズマ処理装置の動作について説明する。
まず、ステージ４上に被処理体３を保持する。次いで、真空排気系２により反応チャンバー１内を排気し、反応チャンバー１内を所定の真空度の真空状態とする。反応チャンバー１内が所定の真空度になった後、ステージ４に埋設された加熱用ヒーターにより、ステージ４上の被処理体３を例えば３００℃前後に加熱する。また、バイアス電源５により、ステージ４に所定のバイアス電圧を印加する。ステージ４にバイアス電圧を印加することにより、ガスがステージ４側に引かれ、効率よくプラズマ処理を行うことが可能となる。この際に真空排気系２では、反応チャンバー１内が所定の圧力状態に維持されるように排気を継続する。
【００３７】
次いで、第１ガス供給部１０では、第１ガスソース１９、第１ガス供給管１２を通して第１ガス吹出部１３に第１のガスを供給する。これとともに、第２ガス供給部１４では、第２ガスソース１５、第２ガス供給管１６を通して第２ガス吹出部１７に第２のガスを供給する。この際、プラズマ抑制エリア１ｂに対してプラズマエリア１ａが陽圧になるように両ガスの供給を行い、また、真空排気系２による排気を行う。
この実施形態では被処理体３上に微結晶シリコン薄膜を成膜するため、第１のガスとして水素を用い、第２のガスとして、例えば、シラン（ＳｉＨ４）ガス又はジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを用いる。ただし、本発明としては第１のガスおよび第２のガスが上記に限定されないことは既述したとおりである。
【００３８】
また、高周波プラズマ源７には、マッチングボックス８を介して高周波電源９により高周波電圧を印加する。プラズマ生成筒６内では、第１ガス吹出部１３の第１ガス吹出口１３ａを通して第１のガスが吹き出される。プラズマ生成筒６では、高周波プラズマ源７による高周波放電によって誘導結合型プラズマが発生し、前記第１のガスが、例えば電子密度１０１１ｃｍ−１以上の高密度にプラズマ化される。
プラズマ化された第１のガスは、陽圧になっているプラズマエリア１ａから連通部２１を通してプラズマ抑制エリア内に次第に流入する。
【００３９】
プラズマ抑制エリア１ｂでは、上記したように第２のガスが第２ガス吹出部１７を通して供給されている。この際に、第２のガスは、高周波プラズマ源７により発生する高周波放電の影響を受けず、プラズマ化が抑制されてプラズマ抑制エリア１ｂ内に供給されている。
プラズマ抑制エリア１ｂ内では、プラズマ化された前記第１のガスとプラズマ化が抑制された第２のガスとが接触し、第２のガスは分解反応を起こす。この結果、被処理体３上に薄膜が形成される。
具体的には、第１のガスとして水素ガスを用い、第２のガスとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスを用いる場合、高周波プラズマ源７によるシランガスのプラズマ化を抑制しつつ、水素ガスのプラズマ化によって生じた水素ラジカルにより、シランガスの分解反応が起きる。これにより、成膜種となるＳｉＨ３ラジカルへのシランガスの分解を促進するとともに、Ｓｉラジカル、ＳｉＨラジカル、ＳｉＨ２ラジカルの生成を抑制することができる。こうして、ＳｉＨ３ラジカルの生成量と水素ラジカルの生成量とを同時に増加させ、被処理体３上に高品質の微結晶シリコン薄膜を成膜することができる。
本発明のプラズマ処理装置により成膜された薄膜は高品質であり、これを用いて太陽電池、薄膜トランジスタ等のデバイスを形成した場合、良好な電気的特性を得ることができる。
【００４０】
なお、前記した高周波プラズマ源７と第１ガス吹出部１３の位置関係は上記に限定されるものではなく適宜変更することができ、また、それぞれの数も適宜変更することができる。
【００４１】
（実施形態２）
上記実施形態では、高周波プラズマ源７の設置位置を反応チャンバー１外としていたが、高周波プラズマ源の設置位置を反応チャンバー１内としてもよい。
図３は、高周波プラズマ源７の設置位置を反応チャンバー１内に変更した他の実施形態を示すものである。なお、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略化する。
図３に示すように、反応チャンバー１内のプラズマエリア１ａでは、反応チャンバー１の天板部に誘電体からなるガス供給筒体２５が吊設されている。ガス供給筒体２５には、該ガス供給筒体２５に第１のガスを供給する第１ガス供給管１２が接続されており、第１ガス供給管１２は第１ガスソース１９に接続されている。したがって、この実施形態では、第１ガスソース１９、第１ガス供給管１２、ガス供給筒体２５によって第１ガス供給部１０が構成されている。
【００４２】
ガス供給筒体２５の外周には、反応チャンバー１内に位置するように高周波プラズマ源２６が配置されている。高周波プラズマ源２６の一端は、反応チャンバー１の上部から外部に引き出され、マッチングボックス８を介して高周波電源９に接続されている。高周波プラズマ源２６の他端は、反応チャンバー１の上部から外部に引き出され、接地電位に接続されている。
【００４３】
第１ガスソース１９、第１ガス供給管１２を通してガス供給筒体２５に供給される第１のガスは、ガス供給筒体２５内を移動しつつ高周波プラズマ源２６により高周波放電を受けてプラズマ化される。また、ガス供給筒体２５から吹き出された後も、上記高周波放電によって第１のガスのプラズマ化が進行する。プラズマ化された第１のガスは、前記実施形態と同様にプラズマエリア１ａからプラズマ抑制エリア１ｂに流入し、該プラズマ抑制エリア１ｂ内でプラズマ化が抑制された第２のガスと接触してプラズマ処理に供される。このように、高周波プラズマ源２６を反応チャンバー１内に設置してもよい。
【００４４】
（実施形態３）
また、上記では、ステージ４にバイアス電源５を接続していたが、遮蔽板２０にもバイアス電源を更に接続する等して、遮蔽板２０、及びステージ４の各部材間に電位差を与えるようにしてもよい。
図４は、反応チャンバー１、遮蔽板２０、及びステージ４の各部材間に電位差を与えるようにした他の実施形態を示すものである。なお、前記実施形態１と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略または簡略にする。
図４に示すように、ステージ４には、上記と同様にバイアス電源５が接続されている。また、遮蔽板２０には、遮蔽板２０にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源２８が接続されている。さらに、反応チャンバー１は、接地電位に接続されている。例えば、ステージ４の電位＞遮蔽板２０＞反応チャンバー１の電位を与えることで、プラズマエリアから遮蔽板２０にガスが引き寄せられ、さらに、ステージ４側にガスが引き寄せられて、ステージ４上の被処理体３に対し効率よくプラズマ処理を行うことが可能になる。
【００４５】
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の説明に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 反応チャンバー
１ａ プラズマエリア
１ｂ プラズマ抑制エリア
３ 被処理体
４ ステージ
５ バイアス電源
７ 高周波プラズマ源
１０ 第１ガス供給部
１３ 第１ガス吹出部
１３ａ 第１ガス吹出口
１４ 第２ガス供給部
１７ 第２ガス吹出部
１７ａ 第２ガス吹出口
２０ 遮蔽板
２１ 連通部
２６ 高周波プラズマ源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体を収納して該被処理体上に薄膜を成膜する反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に配置され、前記被処理体を保持するステージと、
前記反応チャンバー内に第１のガスを供給する第１ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に前記第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源と、を備え、
前記反応チャンバー内において、前記高周波放電によってプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記ステージに保持された前記被処理体上に薄膜を成膜するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記反応チャンバー内で前記高周波放電によるプラズマ化を抑制するプラズマ抑制エリアを形成する区画部を備え、
前記第１ガス供給部は、前記プラズマ抑制エリア外に前記第１のガスを供給し、
前記第２ガス供給部は、前記プラズマ抑制エリア内に前記第２のガスを供給し、
前記プラズマ抑制エリアは、該プラズマ抑制エリア外の前記第１のガスが流入するように構成されており、該プラズマ抑制エリア側に前記ステージが設置されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記区画部は、前記反応チャンバー内を仕切る遮蔽板により構成されており、該遮蔽板に前記プラズマ抑制エリア外と該プラズマ抑制エリア内とを連通する連通部が形成されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記第１ガス供給部が、前記被処理体よりも前記高周波プラズマ源の近傍に第１のガスを供給するように設けられ、
前記第２ガス供給部が、前記高周波プラズマ源から離れて前記被処理体の近傍に第２のガスを供給するように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記反応チャンバーの外周部に、誘電体からなるプラズマ生成筒が外方に突出して設けられており、
前記プラズマ生成筒の外周に、前記高周波プラズマ源が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記第１ガス供給部は、前記反応チャンバー内に設置された誘電体からなるガス供給筒体を有しており、
前記反応チャンバー内であって前記ガス供給筒体の外周に、前記高周波プラズマ源が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記第１のガスが、水素ガスまたは、水素ガスと、希ガス、ホスフィンガス及びジボランガスのうちの１種以上とを含み、
前記第２のガスが、モノシランガスおよびジシランガスの一方または両方を含むものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
被処理体を収納した反応チャンバー内に、第１のガスと、該第１のガスとは異なる第２のガスとを供給し、
前記反応チャンバー内において、高周波放電により前記第１のガスをプラズマ化し、
プラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記被処理体上に薄膜を成膜することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
前記反応チャンバー内に、前記高周波放電によるプラズマ化を抑制するプラズマ抑制エリアが形成されており、
前記第２のガスを前記プラズマ抑制エリア内に供給するとともに、前記第１のガスを該プラズマ抑制エリア外に供給してプラズマ化し、
前記プラズマ抑制エリア内にプラズマ化された前記第１のガスを導入し、該プラズマ抑制エリア内で前記第２のガスとプラズマ化された前記第１のガスとを接触させることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
【請求項１０】
前記プラズマ抑制エリア外を前記プラズマ抑制エリア内に対し陽圧にし、前記プラズマ抑制エリア内外の圧力差によって、前記プラズマ抑制エリア外にある前記第１のガスを、前記プラズマ抑制エリア内に導入することを特徴とする請求項９記載のプラズマ処理方法。
【請求項１】
被処理体を収納して該被処理体上に薄膜を成膜する反応チャンバーと、
前記反応チャンバー内に配置され、前記被処理体を保持するステージと、
前記反応チャンバー内に第１のガスを供給する第１ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に前記第１のガスとは異なる第２のガスを供給する第２ガス供給部と、
前記反応チャンバー内に高周波放電を発生させる高周波プラズマ源と、を備え、
前記反応チャンバー内において、前記高周波放電によってプラズマ化された第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記ステージに保持された前記被処理体上に薄膜を成膜するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記反応チャンバー内で前記高周波放電によるプラズマ化を抑制するプラズマ抑制エリアを形成する区画部を備え、
前記第１ガス供給部は、前記プラズマ抑制エリア外に前記第１のガスを供給し、
前記第２ガス供給部は、前記プラズマ抑制エリア内に前記第２のガスを供給し、
前記プラズマ抑制エリアは、該プラズマ抑制エリア外の前記第１のガスが流入するように構成されており、該プラズマ抑制エリア側に前記ステージが設置されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記区画部は、前記反応チャンバー内を仕切る遮蔽板により構成されており、該遮蔽板に前記プラズマ抑制エリア外と該プラズマ抑制エリア内とを連通する連通部が形成されていることを特徴とする請求項２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記第１ガス供給部が、前記被処理体よりも前記高周波プラズマ源の近傍に第１のガスを供給するように設けられ、
前記第２ガス供給部が、前記高周波プラズマ源から離れて前記被処理体の近傍に第２のガスを供給するように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記反応チャンバーの外周部に、誘電体からなるプラズマ生成筒が外方に突出して設けられており、
前記プラズマ生成筒の外周に、前記高周波プラズマ源が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記第１ガス供給部は、前記反応チャンバー内に設置された誘電体からなるガス供給筒体を有しており、
前記反応チャンバー内であって前記ガス供給筒体の外周に、前記高周波プラズマ源が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記第１のガスが、水素ガスまたは、水素ガスと、希ガス、ホスフィンガス及びジボランガスのうちの１種以上とを含み、
前記第２のガスが、モノシランガスおよびジシランガスの一方または両方を含むものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
被処理体を収納した反応チャンバー内に、第１のガスと、該第１のガスとは異なる第２のガスとを供給し、
前記反応チャンバー内において、高周波放電により前記第１のガスをプラズマ化し、
プラズマ化された前記第１のガスと、プラズマ化が抑制された前記第２のガスとを接触させて分解反応を起こさせ、該分解反応に基づいて、前記被処理体上に薄膜を成膜することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
前記反応チャンバー内に、前記高周波放電によるプラズマ化を抑制するプラズマ抑制エリアが形成されており、
前記第２のガスを前記プラズマ抑制エリア内に供給するとともに、前記第１のガスを該プラズマ抑制エリア外に供給してプラズマ化し、
前記プラズマ抑制エリア内にプラズマ化された前記第１のガスを導入し、該プラズマ抑制エリア内で前記第２のガスとプラズマ化された前記第１のガスとを接触させることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
【請求項１０】
前記プラズマ抑制エリア外を前記プラズマ抑制エリア内に対し陽圧にし、前記プラズマ抑制エリア内外の圧力差によって、前記プラズマ抑制エリア外にある前記第１のガスを、前記プラズマ抑制エリア内に導入することを特徴とする請求項９記載のプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１４２３２４（Ｐ２０１２−１４２３２４Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１９７２（Ｐ２０１０−２９１９７２）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００４２１５）株式会社日本製鋼所 (840)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００４２１５）株式会社日本製鋼所 (840)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]