プラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法
【課題】ＶＨＦ帯の高周波電力の供給を行って大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができるプラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法を得ること。
【解決手段】プラズマ成膜装置は、真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜装置であって、前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、前記複数の給電点のそれぞれには、パルス変調された高周波電力が給電され、前記高周波におけるパルスは、ｏｎ時間における第１の期間に第１の電力を有し、前記ｏｎ時間における前記第１の期間に続く第２の期間に第２の電力を有し、前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高い。
【解決手段】プラズマ成膜装置は、真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜装置であって、前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、前記複数の給電点のそれぞれには、パルス変調された高周波電力が給電され、前記高周波におけるパルスは、ｏｎ時間における第１の期間に第１の電力を有し、前記ｏｎ時間における前記第１の期間に続く第２の期間に第２の電力を有し、前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ成膜装置は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等の薄膜を基板上に成膜するための装置として広く用いられている。今日では、例えば薄膜シリコン太陽電池の発電層や、フラットディスプレイパネルに用いられる薄膜トランジスタのような、メーターサイズの大面積薄膜を高速で一時に成膜することができるプラズマ成膜装置も開発されている。大面積のシリコン薄膜を成膜するには、平行平板型プラズマ成膜装置を使用するのが一般的である。
【０００３】
平行平板型プラズマ成膜装置は、真空チャンバ内において数ｍｍから数十ｍｍの距離を隔てて対向している２つの電極を有する。これら２つの電極は、水平面内に設置され、一方の電極に高周波電力を供給し、他方の電極が接地されている。シリコン薄膜を成膜する場合、シラン（ＳｉＨ４）や水素（Ｈ２）等の成膜ガスを、一方の電極に設けられた多数のガス穴を通して放電空間となる電極間のギャップ領域に供給する。放電空間に供給されたガスは高周波電力によってプラズマ化する。成膜ガスはプラズマ中で分解され、ラジカルやイオンとなって被成膜基板へと入射し、基板上にシリコン膜を形成する。一般に、接地されている側となる他方の電極がステージとして用いられ、他方の電極の上に被成膜基板が載置される。
【０００４】
一方、近年、成膜品質や成膜速度向上といったニーズに応えるため、従来一般的であった１３．５６ＭＨｚよりも周波数の高いＶＨＦ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波電力を用いて生成したＶＨＦプラズマを成膜に用いることが盛んに研究されている。ＶＨＦプラズマは高密度、低電子温度であるという特徴を備えるため、上記のニーズに対する解として期待が持たれている。
【０００５】
しかしながら、高周波電力の周波数が増加すると、高周波電力の「波」としての性質が顕著に表れ、成膜特性が電極面内で不均一になる傾向にある。すなわち、高周波電力の周波数が増加すると、電極面内で高周波電力が干渉を起こし、定在波を形成することで電界強度分布が不均一になり、その結果プラズマ密度が不均一となり、最終的に成膜速度や膜質そのものが不均一になってしまう傾向にある。近年のメーターサイズ（１.１ｍ×１.４ｍ）の基板においてはこの傾向を顕著なものとさせる要因となっており、実用化の上で大きな課題となっている。
【０００６】
これらの課題に対して特許文献１には、高周波を印加する電極と基板を載置する電極との間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、高周波を印加する電極に複数個所から高周波電力を供給する方法が記載されている。具体的には、電極の左右の４箇所に供給される高周波電力が、互いに干渉しないように時間分割された２種類のパルス変長出力となるように発生され、パルス変調出力には相対的な位相差を設けるものとなっている。これにより、特許文献１によれば、４箇所の内の二つに高周波電力を供給したときの電界強度分布と、他方のみに高周波電力を供給したときの電界強度分布とを重ね合わせて時間平均された電界強度分布を得ることができるので、（縦横の長さが１ｍ×１ｍ以上の）大面積基板全面のプラズマの均一性を高めることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１６６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のプラズマ処理装置では、電極の４つの電力供給箇所への高周波の給電を、電極の左右で交互（左側２箇所に対して右側２箇所）にパルス的に切り替え、さらに各パルス出力に相対的な位相差を設けることにより、それぞれの電界分布が重なり合って時間平均で均一化するとされている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の高周波の周波数は２７．１２ＭＨｚであるため、より高い周波数のＶＨＦ帯では定在波の影響が顕著になり均一化が困難と推測される。
【００１０】
そのため本発明者らは、特許文献１に記載のプラズマ処理装置の構成において、６０ＭＨｚのＶＨＦを用いて均一化の検証を試みた。その結果、高周波を給電する箇所を時間的に切り替えて位相差を設けると、確かに電界分布は変化するものの、プラズマを生成するとプラズマ分布は所望の分布に変化しない不具合が生じた。なお、検証の詳細と不具合が生じた原因とについては、後述の実施の形態に記載する。
【００１１】
このように、特許文献１に記載のプラズマ処理装置を用いてＶＨＦ帯の高周波電力を供給し、メーターサイズの基板（大面積の被処理基板）を処理した場合、均一なプラズマを得ることは困難である。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＶＨＦ帯の高周波電力の供給を行って大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができるプラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるプラズマ成膜装置は、真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜装置であって、前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、前記複数の給電点のそれぞれには、パルス変調された高周波電力が給電され、前記高周波におけるパルスは、ｏｎ時間における第１の期間に第１の電力を有し、前記ｏｎ時間における前記第１の期間に続く第２の期間に第２の電力を有し、前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パルスの初期の高周波電力を残りの期間より高めたことにより、プラズマを確実に形成できるため、パルスの繰り返し周波数を高めた場合でも所望のプラズマ分布を得ることができる。これにより、ＶＨＦ帯の高周波電力の供給を行って大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施の形態にかかるプラズマ処理装置を示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態における高周波電力の給電系統図である。
【図３】図３は、先行技術における高周波の電力と位相量の関係を示すシーケンス図である。
【図４】図４は、先行技術における電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態による高周波の電力と位相量の関係を示すシーケンス図である。
【図６】図６は、実施の形態による電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態における高周波の電力と位相量の関係を示すシーケンス図である。
【図８】図８は、実施の形態における電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態における電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかるプラズマ成膜装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態．
実施の形態にかかるプラズマ成膜装置１００の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態にかかるプラズマ成膜装置１００の構成を概略的に示す断面図である。
【００１８】
プラズマ成膜装置１００は、図１に示すように、真空チャンバ１、排気口３、成膜室８、絶縁フランジ４、電極（第１の電極）５、ガス供給口６、シャワープレート７、ステージ（第２の電極）２、及び複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄ（図２参照）を備える。
【００１９】
真空チャンバ１は、プラズマ成膜装置１００の外壁における側部及び底部を形成するとともに、成膜室８の側部及び底部を覆うように延びている。
【００２０】
排気口３は、真空チャンバ１内（成膜室８）に連通されているとともに、排気管（図示せず）を介して真空ポンプ（図示せず）に接続されており、真空チャンバ１内を真空ポンプで排気するために設けられている。
【００２１】
成膜室８は、電極５と真空チャンバ１とで覆われて形成された空間である。成膜室８では、後述のように、プラズマが生成される。
【００２２】
絶縁フランジ４は、電極５と真空チャンバ１とを高周波電力的に絶縁するとともに、電極５と真空チャンバ１との間を真空封止している。これにより、成膜室８は、真空排気可能な空間となっている。
【００２３】
電極５は、プラズマ成膜装置１００の外壁における上部を形成するとともに、成膜室８の上部を覆うように延びている。また、電極５は、例えば、成膜室８の上部及び側部を覆うように延びている。電極５には、複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄ（図２参照）が接続されている。
【００２４】
ガス供給口６は、ガス供給管（図示せず）を介してガス供給源（図示せず）に接続されており、電極５とシャワープレート７との間の空間にガス供給源から成膜ガスを供給するために設けられている。
【００２５】
シャワープレート７は、複数のガス穴を有しており、このガス穴から成膜ガスを成膜室８に導入する。
【００２６】
ステージ２は、成膜室８内において電極５の第１の主面５ａと対向するように配置されているとともに例えば接地されており、電極５に対する対向電極（第２の電極）として機能する。また、ステージ２上には、被成膜基板９が載置されている。
【００２７】
複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄは、図２に示すように、電極５の第２の主面５ｂの左右端近傍における２箇所ずつに（合計４箇所に）接続されており、電極５へ高周波電力を供給する。第２の主面５ｂは、電極５におけるステージ２に対向する第１の主面５ａの反対側の面である。
【００２８】
プラズマ成膜装置１００では、ガス供給口６から供給された成膜ガスが、シャワープレート７の複数のガス穴を介して成膜室８に導入され、成膜室８の圧力が真空ポンプ（図示せず）で適切な値に設定される。この状態で電極５に複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄから高周波を印加すると、電極５とステージ２との間にプラズマが生成されて被成膜基板９上に薄膜が堆積する。
【００２９】
次に、プラズマ成膜装置１００に適用した電極５への高周波電力の給電方法について図２を用いて説明する。図２は、プラズマ成膜装置における電極５へ高周波電力を給電するための複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄの給電系統・構成を示す図である。
【００３０】
図２では、一例として、電極５が長方形で、ステージ２と対向するシャワープレート７の大きさは１．２ｍ×１．５ｍとし、成膜室８側の反対面である大気側から高周波を給電する場合の構成が示されている。給電する電力の周波数は高速成膜を実現するために例えば６０ＭＨｚのＶＨＦ帯を用いる。
【００３１】
まず、電極５の第２の主面５ｂにおける相対する２辺として両短辺５ｂ１、５ｂ２を考える。そして、両短辺５ｂ１、５ｂ２側から電極５へＶＨＦ帯の高周波電力を給電する方法について説明する。
【００３２】
電極５の短辺５ｂ１側には、高周波電力の給電点２７ａ、２７ｂが設けられ、電極５の短辺５ｂ２側には、高周波電力の給電点２７ｃ、２７ｄが設けられている。すなわち、電極５は、方形の形状を有しており、第２の主面５ｂは、その方形における相対する２辺の一方（短辺５ｂ１）の側に配された複数の給電点（複数の第１の給電点）２７ａ、２７ｂと、相対する２辺の他方（短辺５ｂ２）の側に配された複数の給電点（複数の第２の給電点）２７ｃ、２７ｄとを有する。
【００３３】
給電点２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄには、それぞれ、高周波電力の整合状態を調整するマッチャー（整合器）２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄが接続される。マッチャー２６ａ〜２６ｄから給電点２７ａ〜２７ｄへの接続は図示しない導電性の良い金属の板、棒あるいは、高周波同軸ケーブルが用いられる。この４つの給電点２７ａ〜２７ｄは、それぞれが電極周縁から近い領域に設定される。
【００３４】
マッチャー２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄには、それぞれ、高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄで増幅された高周波電力が給電される。
【００３５】
信号発生器２１は、ＶＨＦの信号（例えば、６０ＭＨｚの正弦波）を発生させ分配器２２へ供給する。分配器２２は、ＶＨＦの信号（例えば、６０ＭＨｚの正弦波）を例えば４つの電力信号に分配し位相器２３へ供給する。
【００３６】
位相器２３は、４つの信号のそれぞれの位相を調整する。すなわち、位相器２３は、４つの信号に対応した４つの位相調整部２３ａ〜２３ｄを有する。４つの位相調整部２３ａ〜２３ｄは、４つの信号を受けて位相を調整する。各位相調整部２３ａ〜２３ｄは、調整後の信号を、対応するオン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄへ供給する。
【００３７】
オン／オフ切り替え器２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、位相器２３からの出力信号をパルス化し、対応する高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに高周波信号を出力する。高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄは、入力された高周波信号を増幅し、高周波電力として出力する。
【００３８】
なお、位相器２３における位相制御（位相調整）は、図示しない制御器により制御されてもよい。あるいは、オン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄには高周波出力をオン／オフするため、図示しない制御器からオン／オフ信号が入力されて制御されてもよい。あるいは、場合によっては、オン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄがオン／オフ動作をせず、連続出力として使用することも可能である。
【００３９】
すなわち、各高周波電源１０ａ〜１０ｄは、等価的に、信号発生器２１、分配器２２、位相器２３、対応するオン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄ、対応する高周波アンプ２５ａ〜２５ｄ、及び対応するマッチャー（整合器）２６ａ〜２６ｄを有する電源回路として機能する。複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄは、複数の給電点２７ａ〜２７ｄにＶＨＦ帯の高周波電力を給電する。
【００４０】
本発明者らは、上記の構成において、まず前述した先行技術の問題点について検証した。信号発生器２１でＶＨＦの信号（例えば、６０ＭＨｚの正弦波）を発生させ、位相器２３により給電点２７ａ、２７ｂに供給すべき高周波電力の位相を同位相に設定し、給電点２７ｃ、２７ｄに供給すべき高周波電力の位相を給電点２７ａ、２７ｂの高周波電力の位相に対して＋−６０度に設定する。又、図３に示したパルスのシーケンスでオン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄを動作させ、パルスのデューティー（図中のＸ）４０％、１サイクル（図中のＳ）の繰り返し周波数１KHｚに設定した。
【００４１】
図３において（イ）は給電点２７ａと給電点２７ｂとに給電するパルスのｏｎ、ｏｆｆ動作を示している。（ロ）はｏｎ動作時の位相量を示しており、ここでは位相量０°で給電している。一方（ハ）は給電点２７ｃと給電点２７ｄとに給電するパルスのｏｎ、ｏｆｆ動作を示しており、（ニ）はｏｎ動作時の位相量を示している。（ニ）において、位相量は＋６０°と−６０°とを時間的に交互に切り替えて給電される。以上の給電シーケンスと位相制御とにより、高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄから６０ＭＨｚの高周波電力を給電すると、電極５の左右の給電点２７ａ、２７ｂと給電点２７ｃ、２７ｄとには、位相差が＋６０°と−６０°とであるＶＨＦが交互に給電される。その結果、電極５とステージ２との間には、位相量に対応した電界分布が１ＫＨｚで変化しながら形成される。なお、真空中における位相変化による電界分布の変化量（移動量）は、周波数６０ＭＨｚの位相量＋６０°〜−６０°において約１６７ｃｍとなる。
【００４２】
次に、上記のＶＨＦの給電により、Ｈ２ガスによるプラズマ生成を行い、その分布を評価した。プラズマ分布は、ステージ表面に埋設したイオン捕集プローブ（図示しない）に負（−）電圧を印加して、プラズマからプローブに流入するイオン電流を計測して評価した。放電条件はＨ２流量１０００ｓｃｃｍ、圧力１０００Ｐａ、電極とステージとの間隔５ｍｍ、ＶＨＦ電力１０００Ｗ×４箇所とした。
【００４３】
以上の条件でプラズマを生成すると、電極５とステージ２との間に形成される電界の定在波分布（電界分布の山）は、前述したように位相量の時間変化に対応して電極の左右に分かれて形成されると予想される。しかしながら、評価した結果では、図４に示すように、計測されたＨ２プラズマの分布は、電界の分布に対応して左右に分離することなく、電極中央部に局在して生成された。なお、イオン電流の計測では、繰り返し周波数１ＫＨｚに対して十分に平均化できるよう１秒間積算した。
【００４４】
プラズマが電界分布に対応しないで局在して分布してしまう原因は以下のように考えられる。高周波がパルス的に印加されると、印加の瞬間における放電が開始するまでは、電極間のインピーダンスは無負荷状態（まだプラズマが無い状態）となっているので、位相量に対応した電界分布が形成される。次に電極間に形成された電界により放電が開始しプラズマが生成されると、プラズマが新たな電極間のインピーダンス負荷として生じることになる。そのため、初期時の無負荷状態で電極間に形成された電界は、プラズマ負荷を含めた電極間のインピーダンスに対して再形成された分布へと変化する。一瞬変化した電界分布は、当初の電界分布と異なるため、所望のプラズマ分布を形成しない。一旦プラズマが生成されると電極とステージとの間のインピーダンス負荷が確定するため電界分布が安定し、プラズマ分布も確定する。
【００４５】
この現象は高周波をパルス的に印加すると、パルスの印加初期において電極間のインピーダンスがダイナミックに変化することに起因している。パルスの繰り返し周波数が秒程度の遅い場合は、上記のパルス印加の初期におけるインピーダンスのダイナミックな変化は無視できる。しかし、ｍｓｅｃ以下の高速になると、パルス幅に占めるインピーダンスがダイナミックに変化する期間が無視できなくなるため、所望のプラズマ分布が得られない問題を生じる。そのため前述の検証実験ではパルス的に印加する高周波の位相差＋−６０°を１ＫＨｚで変化させて電界分布の山（電界の強い凸部分）の位置を変化させているにもかかわらず、プラズマ分布は大きく変化しなかったと考えられる。
【００４６】
このような先行技術の結果は、電極への複数給電によりプラズマ分布の均一化を行う際に、給電箇所とＶＨＦ電力の位相とを高速で切り替えると、所望のプラズマ変化が得られず均一化が困難であることを示している。
【００４７】
以上の課題を解決する本実施の形態による給電方法について述べる。
【００４８】
まず、本実施の形態による図５に示す給電方法について説明する。
【００４９】
給電点２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄにＶＨＦを給電する方法を図５に示す。パルス的に給電するＶＨＦ電力を一定電力（パルスの高さ一定）で行うのではなく、パルスの初期時にＶＨＦ電力を所定値より高くしパルスの残りの期間にＶＨＦ電力を所定値にして給電する。
【００５０】
図５に示すパルスにおける初期の電力（Ｈ１＋Ｈ２）は、パルスにおける定常状態の電力（Ｈ１）に対して５％以上高くすることが好ましい。
【００５１】
仮に、初期の電力（Ｈ１＋Ｈ２）がパルスにおける定常状態の電力（Ｈ１）に対して５％未満の割合で高くなっている場合、インピーダンスのダイナミックな変化による電界形成への影響が顕在化し、所望のプラズマ分布が得られない傾向にある。
【００５２】
また、電力を高くする期間（Ｗ２）は、例えば、パルス幅（Ｗ１）における最初の５％以上２０％以下の期間であることが好ましい。
【００５３】
仮に、電力を高くする期間（Ｗ２）がパルス幅（Ｗ１）の５％未満である場合、インピーダンスのダイナミックな変化による電界形成への影響が顕在化し、所望のプラズマ分布が得られない傾向にある。あるいは、仮に、電力を高くする期間（Ｗ２）がパルス幅（Ｗ１）の２０％より長くなると、プラズマ特性に影響を及ぼすことになり、所望のプラズマ分布が得られない傾向にある。
【００５４】
なお、これら値は、放電条件により最適化することができる。
【００５５】
本実施の形態による図５に示す給電方法を用いて、プラズマ分布の評価を行った結果を図６に示す。この評価では、図５に示す初期の電力（Ｈ１＋Ｈ２）は、定常状態の電力（Ｈ１）に対して３０％増とした。又、高くする期間（Ｗ２）は、パルス幅（Ｗ１）における最初の１０％とした。
【００５６】
その結果、図６に示すように、プラズマ分布は、分布の山（凸部）が電極の長辺方向に分離して２つ形成された。このように電界分布の変化に対応してプラズマが生成されるのは、パルスの初期時に定常のＶＨＦ電力（Ｈ１）より高い電力（Ｈ２）を印加することで、インピーダンスのダイナミックな変化による電界形成への影響を小さくできるからと考えられる。なお、分布の山と山との間隔は約８０ｃｍであり、前述した真空中の電界分布の移動量に対して小さい値となっているが、これはプラズマ中を伝播するＶＨＦの波長短縮（通常プラズマ中での短縮率は０．５〜０．９）によるものである。すなわち、先行技術に比べて、均一なプラズマ分布が得られることが確認された。
【００５７】
次に、本実施の形態による図７に示す給電方法について説明する。図７に示す給電方法では、パルスの初期時にＶＨＦ電力を所定値より高くしパルスの残りの期間にＶＨＦ電力を所定値にして給電する点は、図５に示す給電方法と同様である。
【００５８】
電極５に給電点２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄの４箇所からＶＨＦをパルス的に給電するシーケンスと位相との関係を図７に示す。４箇所に給電するパターンは（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）の３つで１サイクル（Ｓ）となっている。まず（Ｘ）の期間では、給電点２７ａ〜２７ｄの４箇所とも０°の同位相で給電する。次の（Ｙ）の期間では、給電点２７ａ、２７ｂを０°の同位相で、給電点２７ｃ、２７ｄを−１８０°の逆位相で給電する。最後の（Ｚ）期間では、給電点２７ａ、２７ｃを０°の同位相で、給電点２７ｂ、２７ｄを−１８０°の逆位相で給電する。
【００５９】
（Ｘ）〜（Ｚ）の１サイクルの繰り返しを１ＫＨｚで行い、（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）の期間のそれぞれのデューティー比を３０％とした。以上の給電方法でプラズマを生成すると、図８に示した３つのパターンのプラズマ分布が形成される。（Ｘ）の期間では、４つの給電点ともに同相で給電するので、電極の中央部に凸型のプラズマ分布が形成される。（Ｙ）の期間では、電極長辺方向で同相／逆相給電をするので、電極の中央が谷となり、短辺の両側にかけてプラズマが強くなる分布が形成される。（Ｚ）の期間では、電極短辺方向で同相／逆相給電をするので、電極の中央が谷となり、電極の中央から長辺の両側にかけてプラズマが強くなる分布が形成される。
【００６０】
図７に示す３つのパターン（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）を１ＫＨｚで繰り返すことにより、プラズマ分布も図８に示す（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）の３つのパターンで変化・移動しながら生成される。その結果、時間平均で図９に示すプラズマ分布が得られた。この場合のプラズマ分布の均一性は、１．４ｍ×１．１ｍの領域において１３％が得られ、大面積に均一なプラズマを生成することができた。すなわち、先行技術に比べて、さらに均一なプラズマ分布が得られることが確認された。
【００６１】
次に、プラズマ成膜装置１００に上記の図７に示す給電方法を適用して、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）との混合ガスで高周波プラズマを発生させ、大面積のガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた実験例について説明する。
【００６２】
図１において、ステージ２上には被成膜基板９として１４００ｍｍ×１１００ｍｍのガラス基板（厚み：４ｍｍ）を設置した。被成膜基板９はステージ２に内蔵されている図示されないシースヒータを用いて２００℃に加熱した。次に、シャワープレート７と被成膜基板９との間隔が１０ｍｍになるようステージ２の高さ位置を調節した。この状態でガス供給口６にシランガス（ＳｉＨ４）及び水素ガス（Ｈ２）をそれぞれ１ｓｌｍ及び５０ｓｌｍの流量で供給し、成膜室８のガス圧力が１０００Ｐａとなるよう調節した。ガス圧力が安定した後、電極５に図２に示した高周波電力供給系からＶＨＦ帯６０ＭＨｚの高周波電力を供給して、シラン（ＳｉＨ４）／水素（Ｈ２）の混合プラズマを発生させた。高周波アンプ２５ａ〜２５ｄの出力は、それぞれ２０００Ｗとし、前述した図７に示す給電方法により給電点２７ａ〜２７ｄに給電し、２０分間成膜を行った。
【００６３】
このような実験の結果、ガラス基板上にシリコン系薄膜が２μｍ堆積され、面内の膜厚分布は平均値に対して±１５％の範囲内であった。成膜した薄膜を太陽電池に利用することを想定して、ラマン分光法により見積もった膜の結晶化率はＩｃ／Ｉａ＝７．２であり、微結晶シリコンを用いた薄膜太陽電池に適する微結晶シリコン薄膜が得られた。
【００６４】
なお、高周波アンプ２５ａ〜２５ｄの出力は前述の値に限ることなく、プロセス条件（ガス圧力、ガス流量、電極とステージとの間の距離）に対応してそれぞれの出力値を変えることにより均一なプラズマ分布を得ることができる。
【００６５】
その場合、複数の給電点２７ａ〜２７ｄには、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点と定常状態の高周波電力Ｈ１の大きい給電点とが混在することになる。このとき、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点は、定常状態の高周波電力Ｈ１の大きい給電点に比べて、パルスの初期に給電する高周波電力（Ｈ１＋Ｈ２）の定常状態の電力（Ｈ１）に対する割合（すなわち、（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）を大きくする。これにより、所望のプラズマ分布が得られやすい。
【００６６】
以上のように、実施の形態では、電極への複数給電をパルス的に切り替えて行う場合、パルスが切り替わる初期に高周波の電力を大きくする。すなわち、電極に複数の高周波の給電点を設け、給電点にはパルス変調された高周波を給電し、パルスのｏｎ時間の最初の５％乃至２０％の期間は、残りの期間の高周波電力より５％以上高く給電される。
【００６７】
この給電方法において、プラズマ電極へ複数箇所からパルス的に高周波を給電する際、パルスの初期の高周波電力を残りの期間より高めたことにより、プラズマを確実に形成できるため、パルスの繰り返し周波数を高めた場合でも所望のプラズマ分布を得ることができ、大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができる。すなわち、ＶＨＦ帯の高周波電力の供給を行って大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができる。
【００６８】
ここで、仮に、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点と大きい給電点とで割合（（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）を同じにすると、高周波電力Ｈ１の小さい給電点では、パルスの初期時のプラズマインピーダンスのダイナミックな変化に対して影響を受け易いため、所望の電界を形成しにくくなる。
【００６９】
それに対して、実施の形態では、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点における割合（（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）を、定常状態の高周波電力Ｈ１の大きい給電点における割合（（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）よりも大きくするので、パルスの初期時のプラズマインピーダンスのダイナミックな変化に対する影響の受けやすさを両者で均等化できる。これにより、均一なプラズマを得ることが容易になる。
【００７０】
なお、上記の実施の形態では、ガス流量、圧力、高周波電力等のパラメータに関して数値を示しているが、これらの数値は適宜変更可能である。また、シリコン薄膜形成のための成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）との混合ガスの場合について説明したが、さらに、Ａｒ、Ｎｅ等の希ガスを添加させてもよい。その他、プロセスの目的に応じて適切なガス種が選択される。
【００７１】
また、上記の実施の形態にかかるプラズマ成膜装置では、真空チャンバ１と電極５とで成膜室８が形成される構成を例示しているが、成膜室８内に電極５とステージ２とを配置する構成に、上記の実施の形態で説明したような給電方法を適用しても同様の効果が得られる。
【００７２】
また、上記の実施の形態にかかるプラズマ成膜装置は、例えば、プラズマエッチング装置、アッシング装置、スパッタリング装置などにも適用することが出来る。
【００７３】
また、上記では横型の成膜室８について説明を行ったが、上記の実施の形態にかかるプラズマ成膜装置は縦型の成膜室にも適用可能である。どちらの型の成膜室を採用するかは当該プラズマ装置の用途等に応じて適宜選択が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明にかかるプラズマ成膜装置は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等の薄膜を基板上に成膜するための装置に有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 真空チャンバ
２ ステージ
３ 排気口
４ 絶縁フランジ
５ 電極
５ａ 第１の主面
５ｂ 第２の主面
５ｂ１、５ｂ２ 短辺
６ ガス供給口
７ シャワープレート
８ 成膜室
９ 被成膜基板
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 高周波電源
２１ 信号発生器
２２ 分配器
２３ 位相器
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 位相調整部
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ オン／オフ切り替え器
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 高周波アンプ
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ マッチャー
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ 給電点
１００ プラズマ成膜装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ成膜装置は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等の薄膜を基板上に成膜するための装置として広く用いられている。今日では、例えば薄膜シリコン太陽電池の発電層や、フラットディスプレイパネルに用いられる薄膜トランジスタのような、メーターサイズの大面積薄膜を高速で一時に成膜することができるプラズマ成膜装置も開発されている。大面積のシリコン薄膜を成膜するには、平行平板型プラズマ成膜装置を使用するのが一般的である。
【０００３】
平行平板型プラズマ成膜装置は、真空チャンバ内において数ｍｍから数十ｍｍの距離を隔てて対向している２つの電極を有する。これら２つの電極は、水平面内に設置され、一方の電極に高周波電力を供給し、他方の電極が接地されている。シリコン薄膜を成膜する場合、シラン（ＳｉＨ４）や水素（Ｈ２）等の成膜ガスを、一方の電極に設けられた多数のガス穴を通して放電空間となる電極間のギャップ領域に供給する。放電空間に供給されたガスは高周波電力によってプラズマ化する。成膜ガスはプラズマ中で分解され、ラジカルやイオンとなって被成膜基板へと入射し、基板上にシリコン膜を形成する。一般に、接地されている側となる他方の電極がステージとして用いられ、他方の電極の上に被成膜基板が載置される。
【０００４】
一方、近年、成膜品質や成膜速度向上といったニーズに応えるため、従来一般的であった１３．５６ＭＨｚよりも周波数の高いＶＨＦ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波電力を用いて生成したＶＨＦプラズマを成膜に用いることが盛んに研究されている。ＶＨＦプラズマは高密度、低電子温度であるという特徴を備えるため、上記のニーズに対する解として期待が持たれている。
【０００５】
しかしながら、高周波電力の周波数が増加すると、高周波電力の「波」としての性質が顕著に表れ、成膜特性が電極面内で不均一になる傾向にある。すなわち、高周波電力の周波数が増加すると、電極面内で高周波電力が干渉を起こし、定在波を形成することで電界強度分布が不均一になり、その結果プラズマ密度が不均一となり、最終的に成膜速度や膜質そのものが不均一になってしまう傾向にある。近年のメーターサイズ（１.１ｍ×１.４ｍ）の基板においてはこの傾向を顕著なものとさせる要因となっており、実用化の上で大きな課題となっている。
【０００６】
これらの課題に対して特許文献１には、高周波を印加する電極と基板を載置する電極との間にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、高周波を印加する電極に複数個所から高周波電力を供給する方法が記載されている。具体的には、電極の左右の４箇所に供給される高周波電力が、互いに干渉しないように時間分割された２種類のパルス変長出力となるように発生され、パルス変調出力には相対的な位相差を設けるものとなっている。これにより、特許文献１によれば、４箇所の内の二つに高周波電力を供給したときの電界強度分布と、他方のみに高周波電力を供給したときの電界強度分布とを重ね合わせて時間平均された電界強度分布を得ることができるので、（縦横の長さが１ｍ×１ｍ以上の）大面積基板全面のプラズマの均一性を高めることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２１６６７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のプラズマ処理装置では、電極の４つの電力供給箇所への高周波の給電を、電極の左右で交互（左側２箇所に対して右側２箇所）にパルス的に切り替え、さらに各パルス出力に相対的な位相差を設けることにより、それぞれの電界分布が重なり合って時間平均で均一化するとされている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の高周波の周波数は２７．１２ＭＨｚであるため、より高い周波数のＶＨＦ帯では定在波の影響が顕著になり均一化が困難と推測される。
【００１０】
そのため本発明者らは、特許文献１に記載のプラズマ処理装置の構成において、６０ＭＨｚのＶＨＦを用いて均一化の検証を試みた。その結果、高周波を給電する箇所を時間的に切り替えて位相差を設けると、確かに電界分布は変化するものの、プラズマを生成するとプラズマ分布は所望の分布に変化しない不具合が生じた。なお、検証の詳細と不具合が生じた原因とについては、後述の実施の形態に記載する。
【００１１】
このように、特許文献１に記載のプラズマ処理装置を用いてＶＨＦ帯の高周波電力を供給し、メーターサイズの基板（大面積の被処理基板）を処理した場合、均一なプラズマを得ることは困難である。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＶＨＦ帯の高周波電力の供給を行って大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができるプラズマ成膜装置及びプラズマ成膜方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるプラズマ成膜装置は、真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜装置であって、前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、前記複数の給電点のそれぞれには、パルス変調された高周波電力が給電され、前記高周波におけるパルスは、ｏｎ時間における第１の期間に第１の電力を有し、前記ｏｎ時間における前記第１の期間に続く第２の期間に第２の電力を有し、前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、パルスの初期の高周波電力を残りの期間より高めたことにより、プラズマを確実に形成できるため、パルスの繰り返し周波数を高めた場合でも所望のプラズマ分布を得ることができる。これにより、ＶＨＦ帯の高周波電力の供給を行って大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施の形態にかかるプラズマ処理装置を示す断面図である。
【図２】図２は、実施の形態における高周波電力の給電系統図である。
【図３】図３は、先行技術における高周波の電力と位相量の関係を示すシーケンス図である。
【図４】図４は、先行技術における電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態による高周波の電力と位相量の関係を示すシーケンス図である。
【図６】図６は、実施の形態による電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態における高周波の電力と位相量の関係を示すシーケンス図である。
【図８】図８は、実施の形態における電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態における電極とステージとの間に形成されるプラズマ分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかるプラズマ成膜装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態．
実施の形態にかかるプラズマ成膜装置１００の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態にかかるプラズマ成膜装置１００の構成を概略的に示す断面図である。
【００１８】
プラズマ成膜装置１００は、図１に示すように、真空チャンバ１、排気口３、成膜室８、絶縁フランジ４、電極（第１の電極）５、ガス供給口６、シャワープレート７、ステージ（第２の電極）２、及び複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄ（図２参照）を備える。
【００１９】
真空チャンバ１は、プラズマ成膜装置１００の外壁における側部及び底部を形成するとともに、成膜室８の側部及び底部を覆うように延びている。
【００２０】
排気口３は、真空チャンバ１内（成膜室８）に連通されているとともに、排気管（図示せず）を介して真空ポンプ（図示せず）に接続されており、真空チャンバ１内を真空ポンプで排気するために設けられている。
【００２１】
成膜室８は、電極５と真空チャンバ１とで覆われて形成された空間である。成膜室８では、後述のように、プラズマが生成される。
【００２２】
絶縁フランジ４は、電極５と真空チャンバ１とを高周波電力的に絶縁するとともに、電極５と真空チャンバ１との間を真空封止している。これにより、成膜室８は、真空排気可能な空間となっている。
【００２３】
電極５は、プラズマ成膜装置１００の外壁における上部を形成するとともに、成膜室８の上部を覆うように延びている。また、電極５は、例えば、成膜室８の上部及び側部を覆うように延びている。電極５には、複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄ（図２参照）が接続されている。
【００２４】
ガス供給口６は、ガス供給管（図示せず）を介してガス供給源（図示せず）に接続されており、電極５とシャワープレート７との間の空間にガス供給源から成膜ガスを供給するために設けられている。
【００２５】
シャワープレート７は、複数のガス穴を有しており、このガス穴から成膜ガスを成膜室８に導入する。
【００２６】
ステージ２は、成膜室８内において電極５の第１の主面５ａと対向するように配置されているとともに例えば接地されており、電極５に対する対向電極（第２の電極）として機能する。また、ステージ２上には、被成膜基板９が載置されている。
【００２７】
複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄは、図２に示すように、電極５の第２の主面５ｂの左右端近傍における２箇所ずつに（合計４箇所に）接続されており、電極５へ高周波電力を供給する。第２の主面５ｂは、電極５におけるステージ２に対向する第１の主面５ａの反対側の面である。
【００２８】
プラズマ成膜装置１００では、ガス供給口６から供給された成膜ガスが、シャワープレート７の複数のガス穴を介して成膜室８に導入され、成膜室８の圧力が真空ポンプ（図示せず）で適切な値に設定される。この状態で電極５に複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄから高周波を印加すると、電極５とステージ２との間にプラズマが生成されて被成膜基板９上に薄膜が堆積する。
【００２９】
次に、プラズマ成膜装置１００に適用した電極５への高周波電力の給電方法について図２を用いて説明する。図２は、プラズマ成膜装置における電極５へ高周波電力を給電するための複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄの給電系統・構成を示す図である。
【００３０】
図２では、一例として、電極５が長方形で、ステージ２と対向するシャワープレート７の大きさは１．２ｍ×１．５ｍとし、成膜室８側の反対面である大気側から高周波を給電する場合の構成が示されている。給電する電力の周波数は高速成膜を実現するために例えば６０ＭＨｚのＶＨＦ帯を用いる。
【００３１】
まず、電極５の第２の主面５ｂにおける相対する２辺として両短辺５ｂ１、５ｂ２を考える。そして、両短辺５ｂ１、５ｂ２側から電極５へＶＨＦ帯の高周波電力を給電する方法について説明する。
【００３２】
電極５の短辺５ｂ１側には、高周波電力の給電点２７ａ、２７ｂが設けられ、電極５の短辺５ｂ２側には、高周波電力の給電点２７ｃ、２７ｄが設けられている。すなわち、電極５は、方形の形状を有しており、第２の主面５ｂは、その方形における相対する２辺の一方（短辺５ｂ１）の側に配された複数の給電点（複数の第１の給電点）２７ａ、２７ｂと、相対する２辺の他方（短辺５ｂ２）の側に配された複数の給電点（複数の第２の給電点）２７ｃ、２７ｄとを有する。
【００３３】
給電点２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄには、それぞれ、高周波電力の整合状態を調整するマッチャー（整合器）２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄが接続される。マッチャー２６ａ〜２６ｄから給電点２７ａ〜２７ｄへの接続は図示しない導電性の良い金属の板、棒あるいは、高周波同軸ケーブルが用いられる。この４つの給電点２７ａ〜２７ｄは、それぞれが電極周縁から近い領域に設定される。
【００３４】
マッチャー２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄには、それぞれ、高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄで増幅された高周波電力が給電される。
【００３５】
信号発生器２１は、ＶＨＦの信号（例えば、６０ＭＨｚの正弦波）を発生させ分配器２２へ供給する。分配器２２は、ＶＨＦの信号（例えば、６０ＭＨｚの正弦波）を例えば４つの電力信号に分配し位相器２３へ供給する。
【００３６】
位相器２３は、４つの信号のそれぞれの位相を調整する。すなわち、位相器２３は、４つの信号に対応した４つの位相調整部２３ａ〜２３ｄを有する。４つの位相調整部２３ａ〜２３ｄは、４つの信号を受けて位相を調整する。各位相調整部２３ａ〜２３ｄは、調整後の信号を、対応するオン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄへ供給する。
【００３７】
オン／オフ切り替え器２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄは、位相器２３からの出力信号をパルス化し、対応する高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに高周波信号を出力する。高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄは、入力された高周波信号を増幅し、高周波電力として出力する。
【００３８】
なお、位相器２３における位相制御（位相調整）は、図示しない制御器により制御されてもよい。あるいは、オン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄには高周波出力をオン／オフするため、図示しない制御器からオン／オフ信号が入力されて制御されてもよい。あるいは、場合によっては、オン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄがオン／オフ動作をせず、連続出力として使用することも可能である。
【００３９】
すなわち、各高周波電源１０ａ〜１０ｄは、等価的に、信号発生器２１、分配器２２、位相器２３、対応するオン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄ、対応する高周波アンプ２５ａ〜２５ｄ、及び対応するマッチャー（整合器）２６ａ〜２６ｄを有する電源回路として機能する。複数の高周波電源１０ａ〜１０ｄは、複数の給電点２７ａ〜２７ｄにＶＨＦ帯の高周波電力を給電する。
【００４０】
本発明者らは、上記の構成において、まず前述した先行技術の問題点について検証した。信号発生器２１でＶＨＦの信号（例えば、６０ＭＨｚの正弦波）を発生させ、位相器２３により給電点２７ａ、２７ｂに供給すべき高周波電力の位相を同位相に設定し、給電点２７ｃ、２７ｄに供給すべき高周波電力の位相を給電点２７ａ、２７ｂの高周波電力の位相に対して＋−６０度に設定する。又、図３に示したパルスのシーケンスでオン／オフ切り替え器２４ａ〜２４ｄを動作させ、パルスのデューティー（図中のＸ）４０％、１サイクル（図中のＳ）の繰り返し周波数１KHｚに設定した。
【００４１】
図３において（イ）は給電点２７ａと給電点２７ｂとに給電するパルスのｏｎ、ｏｆｆ動作を示している。（ロ）はｏｎ動作時の位相量を示しており、ここでは位相量０°で給電している。一方（ハ）は給電点２７ｃと給電点２７ｄとに給電するパルスのｏｎ、ｏｆｆ動作を示しており、（ニ）はｏｎ動作時の位相量を示している。（ニ）において、位相量は＋６０°と−６０°とを時間的に交互に切り替えて給電される。以上の給電シーケンスと位相制御とにより、高周波アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄから６０ＭＨｚの高周波電力を給電すると、電極５の左右の給電点２７ａ、２７ｂと給電点２７ｃ、２７ｄとには、位相差が＋６０°と−６０°とであるＶＨＦが交互に給電される。その結果、電極５とステージ２との間には、位相量に対応した電界分布が１ＫＨｚで変化しながら形成される。なお、真空中における位相変化による電界分布の変化量（移動量）は、周波数６０ＭＨｚの位相量＋６０°〜−６０°において約１６７ｃｍとなる。
【００４２】
次に、上記のＶＨＦの給電により、Ｈ２ガスによるプラズマ生成を行い、その分布を評価した。プラズマ分布は、ステージ表面に埋設したイオン捕集プローブ（図示しない）に負（−）電圧を印加して、プラズマからプローブに流入するイオン電流を計測して評価した。放電条件はＨ２流量１０００ｓｃｃｍ、圧力１０００Ｐａ、電極とステージとの間隔５ｍｍ、ＶＨＦ電力１０００Ｗ×４箇所とした。
【００４３】
以上の条件でプラズマを生成すると、電極５とステージ２との間に形成される電界の定在波分布（電界分布の山）は、前述したように位相量の時間変化に対応して電極の左右に分かれて形成されると予想される。しかしながら、評価した結果では、図４に示すように、計測されたＨ２プラズマの分布は、電界の分布に対応して左右に分離することなく、電極中央部に局在して生成された。なお、イオン電流の計測では、繰り返し周波数１ＫＨｚに対して十分に平均化できるよう１秒間積算した。
【００４４】
プラズマが電界分布に対応しないで局在して分布してしまう原因は以下のように考えられる。高周波がパルス的に印加されると、印加の瞬間における放電が開始するまでは、電極間のインピーダンスは無負荷状態（まだプラズマが無い状態）となっているので、位相量に対応した電界分布が形成される。次に電極間に形成された電界により放電が開始しプラズマが生成されると、プラズマが新たな電極間のインピーダンス負荷として生じることになる。そのため、初期時の無負荷状態で電極間に形成された電界は、プラズマ負荷を含めた電極間のインピーダンスに対して再形成された分布へと変化する。一瞬変化した電界分布は、当初の電界分布と異なるため、所望のプラズマ分布を形成しない。一旦プラズマが生成されると電極とステージとの間のインピーダンス負荷が確定するため電界分布が安定し、プラズマ分布も確定する。
【００４５】
この現象は高周波をパルス的に印加すると、パルスの印加初期において電極間のインピーダンスがダイナミックに変化することに起因している。パルスの繰り返し周波数が秒程度の遅い場合は、上記のパルス印加の初期におけるインピーダンスのダイナミックな変化は無視できる。しかし、ｍｓｅｃ以下の高速になると、パルス幅に占めるインピーダンスがダイナミックに変化する期間が無視できなくなるため、所望のプラズマ分布が得られない問題を生じる。そのため前述の検証実験ではパルス的に印加する高周波の位相差＋−６０°を１ＫＨｚで変化させて電界分布の山（電界の強い凸部分）の位置を変化させているにもかかわらず、プラズマ分布は大きく変化しなかったと考えられる。
【００４６】
このような先行技術の結果は、電極への複数給電によりプラズマ分布の均一化を行う際に、給電箇所とＶＨＦ電力の位相とを高速で切り替えると、所望のプラズマ変化が得られず均一化が困難であることを示している。
【００４７】
以上の課題を解決する本実施の形態による給電方法について述べる。
【００４８】
まず、本実施の形態による図５に示す給電方法について説明する。
【００４９】
給電点２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄにＶＨＦを給電する方法を図５に示す。パルス的に給電するＶＨＦ電力を一定電力（パルスの高さ一定）で行うのではなく、パルスの初期時にＶＨＦ電力を所定値より高くしパルスの残りの期間にＶＨＦ電力を所定値にして給電する。
【００５０】
図５に示すパルスにおける初期の電力（Ｈ１＋Ｈ２）は、パルスにおける定常状態の電力（Ｈ１）に対して５％以上高くすることが好ましい。
【００５１】
仮に、初期の電力（Ｈ１＋Ｈ２）がパルスにおける定常状態の電力（Ｈ１）に対して５％未満の割合で高くなっている場合、インピーダンスのダイナミックな変化による電界形成への影響が顕在化し、所望のプラズマ分布が得られない傾向にある。
【００５２】
また、電力を高くする期間（Ｗ２）は、例えば、パルス幅（Ｗ１）における最初の５％以上２０％以下の期間であることが好ましい。
【００５３】
仮に、電力を高くする期間（Ｗ２）がパルス幅（Ｗ１）の５％未満である場合、インピーダンスのダイナミックな変化による電界形成への影響が顕在化し、所望のプラズマ分布が得られない傾向にある。あるいは、仮に、電力を高くする期間（Ｗ２）がパルス幅（Ｗ１）の２０％より長くなると、プラズマ特性に影響を及ぼすことになり、所望のプラズマ分布が得られない傾向にある。
【００５４】
なお、これら値は、放電条件により最適化することができる。
【００５５】
本実施の形態による図５に示す給電方法を用いて、プラズマ分布の評価を行った結果を図６に示す。この評価では、図５に示す初期の電力（Ｈ１＋Ｈ２）は、定常状態の電力（Ｈ１）に対して３０％増とした。又、高くする期間（Ｗ２）は、パルス幅（Ｗ１）における最初の１０％とした。
【００５６】
その結果、図６に示すように、プラズマ分布は、分布の山（凸部）が電極の長辺方向に分離して２つ形成された。このように電界分布の変化に対応してプラズマが生成されるのは、パルスの初期時に定常のＶＨＦ電力（Ｈ１）より高い電力（Ｈ２）を印加することで、インピーダンスのダイナミックな変化による電界形成への影響を小さくできるからと考えられる。なお、分布の山と山との間隔は約８０ｃｍであり、前述した真空中の電界分布の移動量に対して小さい値となっているが、これはプラズマ中を伝播するＶＨＦの波長短縮（通常プラズマ中での短縮率は０．５〜０．９）によるものである。すなわち、先行技術に比べて、均一なプラズマ分布が得られることが確認された。
【００５７】
次に、本実施の形態による図７に示す給電方法について説明する。図７に示す給電方法では、パルスの初期時にＶＨＦ電力を所定値より高くしパルスの残りの期間にＶＨＦ電力を所定値にして給電する点は、図５に示す給電方法と同様である。
【００５８】
電極５に給電点２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄの４箇所からＶＨＦをパルス的に給電するシーケンスと位相との関係を図７に示す。４箇所に給電するパターンは（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）の３つで１サイクル（Ｓ）となっている。まず（Ｘ）の期間では、給電点２７ａ〜２７ｄの４箇所とも０°の同位相で給電する。次の（Ｙ）の期間では、給電点２７ａ、２７ｂを０°の同位相で、給電点２７ｃ、２７ｄを−１８０°の逆位相で給電する。最後の（Ｚ）期間では、給電点２７ａ、２７ｃを０°の同位相で、給電点２７ｂ、２７ｄを−１８０°の逆位相で給電する。
【００５９】
（Ｘ）〜（Ｚ）の１サイクルの繰り返しを１ＫＨｚで行い、（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）の期間のそれぞれのデューティー比を３０％とした。以上の給電方法でプラズマを生成すると、図８に示した３つのパターンのプラズマ分布が形成される。（Ｘ）の期間では、４つの給電点ともに同相で給電するので、電極の中央部に凸型のプラズマ分布が形成される。（Ｙ）の期間では、電極長辺方向で同相／逆相給電をするので、電極の中央が谷となり、短辺の両側にかけてプラズマが強くなる分布が形成される。（Ｚ）の期間では、電極短辺方向で同相／逆相給電をするので、電極の中央が谷となり、電極の中央から長辺の両側にかけてプラズマが強くなる分布が形成される。
【００６０】
図７に示す３つのパターン（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）を１ＫＨｚで繰り返すことにより、プラズマ分布も図８に示す（Ｘ）、（Ｙ）、（Ｚ）の３つのパターンで変化・移動しながら生成される。その結果、時間平均で図９に示すプラズマ分布が得られた。この場合のプラズマ分布の均一性は、１．４ｍ×１．１ｍの領域において１３％が得られ、大面積に均一なプラズマを生成することができた。すなわち、先行技術に比べて、さらに均一なプラズマ分布が得られることが確認された。
【００６１】
次に、プラズマ成膜装置１００に上記の図７に示す給電方法を適用して、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）との混合ガスで高周波プラズマを発生させ、大面積のガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた実験例について説明する。
【００６２】
図１において、ステージ２上には被成膜基板９として１４００ｍｍ×１１００ｍｍのガラス基板（厚み：４ｍｍ）を設置した。被成膜基板９はステージ２に内蔵されている図示されないシースヒータを用いて２００℃に加熱した。次に、シャワープレート７と被成膜基板９との間隔が１０ｍｍになるようステージ２の高さ位置を調節した。この状態でガス供給口６にシランガス（ＳｉＨ４）及び水素ガス（Ｈ２）をそれぞれ１ｓｌｍ及び５０ｓｌｍの流量で供給し、成膜室８のガス圧力が１０００Ｐａとなるよう調節した。ガス圧力が安定した後、電極５に図２に示した高周波電力供給系からＶＨＦ帯６０ＭＨｚの高周波電力を供給して、シラン（ＳｉＨ４）／水素（Ｈ２）の混合プラズマを発生させた。高周波アンプ２５ａ〜２５ｄの出力は、それぞれ２０００Ｗとし、前述した図７に示す給電方法により給電点２７ａ〜２７ｄに給電し、２０分間成膜を行った。
【００６３】
このような実験の結果、ガラス基板上にシリコン系薄膜が２μｍ堆積され、面内の膜厚分布は平均値に対して±１５％の範囲内であった。成膜した薄膜を太陽電池に利用することを想定して、ラマン分光法により見積もった膜の結晶化率はＩｃ／Ｉａ＝７．２であり、微結晶シリコンを用いた薄膜太陽電池に適する微結晶シリコン薄膜が得られた。
【００６４】
なお、高周波アンプ２５ａ〜２５ｄの出力は前述の値に限ることなく、プロセス条件（ガス圧力、ガス流量、電極とステージとの間の距離）に対応してそれぞれの出力値を変えることにより均一なプラズマ分布を得ることができる。
【００６５】
その場合、複数の給電点２７ａ〜２７ｄには、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点と定常状態の高周波電力Ｈ１の大きい給電点とが混在することになる。このとき、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点は、定常状態の高周波電力Ｈ１の大きい給電点に比べて、パルスの初期に給電する高周波電力（Ｈ１＋Ｈ２）の定常状態の電力（Ｈ１）に対する割合（すなわち、（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）を大きくする。これにより、所望のプラズマ分布が得られやすい。
【００６６】
以上のように、実施の形態では、電極への複数給電をパルス的に切り替えて行う場合、パルスが切り替わる初期に高周波の電力を大きくする。すなわち、電極に複数の高周波の給電点を設け、給電点にはパルス変調された高周波を給電し、パルスのｏｎ時間の最初の５％乃至２０％の期間は、残りの期間の高周波電力より５％以上高く給電される。
【００６７】
この給電方法において、プラズマ電極へ複数箇所からパルス的に高周波を給電する際、パルスの初期の高周波電力を残りの期間より高めたことにより、プラズマを確実に形成できるため、パルスの繰り返し周波数を高めた場合でも所望のプラズマ分布を得ることができ、大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができる。すなわち、ＶＨＦ帯の高周波電力の供給を行って大面積の被処理基板を処理した場合でも均一なプラズマを得ることができる。
【００６８】
ここで、仮に、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点と大きい給電点とで割合（（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）を同じにすると、高周波電力Ｈ１の小さい給電点では、パルスの初期時のプラズマインピーダンスのダイナミックな変化に対して影響を受け易いため、所望の電界を形成しにくくなる。
【００６９】
それに対して、実施の形態では、定常状態の高周波電力Ｈ１の小さい給電点における割合（（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）を、定常状態の高周波電力Ｈ１の大きい給電点における割合（（Ｈ１＋Ｈ２）／Ｈ１）よりも大きくするので、パルスの初期時のプラズマインピーダンスのダイナミックな変化に対する影響の受けやすさを両者で均等化できる。これにより、均一なプラズマを得ることが容易になる。
【００７０】
なお、上記の実施の形態では、ガス流量、圧力、高周波電力等のパラメータに関して数値を示しているが、これらの数値は適宜変更可能である。また、シリコン薄膜形成のための成膜ガスとしてシラン（ＳｉＨ４）と水素（Ｈ２）との混合ガスの場合について説明したが、さらに、Ａｒ、Ｎｅ等の希ガスを添加させてもよい。その他、プロセスの目的に応じて適切なガス種が選択される。
【００７１】
また、上記の実施の形態にかかるプラズマ成膜装置では、真空チャンバ１と電極５とで成膜室８が形成される構成を例示しているが、成膜室８内に電極５とステージ２とを配置する構成に、上記の実施の形態で説明したような給電方法を適用しても同様の効果が得られる。
【００７２】
また、上記の実施の形態にかかるプラズマ成膜装置は、例えば、プラズマエッチング装置、アッシング装置、スパッタリング装置などにも適用することが出来る。
【００７３】
また、上記では横型の成膜室８について説明を行ったが、上記の実施の形態にかかるプラズマ成膜装置は縦型の成膜室にも適用可能である。どちらの型の成膜室を採用するかは当該プラズマ装置の用途等に応じて適宜選択が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明にかかるプラズマ成膜装置は、アモルファスシリコン薄膜や微結晶シリコン薄膜等の薄膜を基板上に成膜するための装置に有用である。
【符号の説明】
【００７５】
１ 真空チャンバ
２ ステージ
３ 排気口
４ 絶縁フランジ
５ 電極
５ａ 第１の主面
５ｂ 第２の主面
５ｂ１、５ｂ２ 短辺
６ ガス供給口
７ シャワープレート
８ 成膜室
９ 被成膜基板
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 高周波電源
２１ 信号発生器
２２ 分配器
２３ 位相器
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ 位相調整部
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ オン／オフ切り替え器
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ 高周波アンプ
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ マッチャー
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ 給電点
１００ プラズマ成膜装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜装置であって、
前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、
前記複数の給電点のそれぞれには、パルス変調された高周波電力が給電され、
前記高周波におけるパルスは、ｏｎ時間における第１の期間に第１の電力を有し、前記ｏｎ時間における前記第１の期間に続く第２の期間に第２の電力を有し、
前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高い
ことを特徴とするプラズマ成膜装置。
【請求項２】
前記第１の期間は、前記ｏｎ時間における最初の５％以上２０％以下の期間であり、
前記第２の期間は、前記ｏｎ時間における残りの期間である
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項３】
前記複数の給電点は、
第１の給電点と、
前記第１の給電点より大きな高周波電力が給電される第２の給電点と、
を有し、
前記第１の給電点における前記第１の電力の前記第２の電力に対する割合は、前記第２の給電点における前記第１の電力の前記第２の電力に対する割合より大きい
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項４】
真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜方法であって、
前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、
前記プラズマ成膜方法は、前記複数の給電点のそれぞれに、パルス変調された高周波電力が給電される給電工程を含み、
前記給電工程は、
前記複数の給電点のそれぞれに第１の電力を給電する第１の工程と、
前記第１の工程に続いて、前記複数の給電点のそれぞれに第２の電力を給電する第２の工程と、
を含み、
前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高い
ことを特徴とするプラズマ成膜方法。
【請求項５】
前記第１の工程は、パルスのｏｎ時間における最初の５％乃至２０％の期間に行われ、
前記第２の工程は、前記ｏｎ時間における残りの期間に行われる
ことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ成膜方法。
【請求項１】
真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜装置であって、
前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、
前記複数の給電点のそれぞれには、パルス変調された高周波電力が給電され、
前記高周波におけるパルスは、ｏｎ時間における第１の期間に第１の電力を有し、前記ｏｎ時間における前記第１の期間に続く第２の期間に第２の電力を有し、
前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高い
ことを特徴とするプラズマ成膜装置。
【請求項２】
前記第１の期間は、前記ｏｎ時間における最初の５％以上２０％以下の期間であり、
前記第２の期間は、前記ｏｎ時間における残りの期間である
ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項３】
前記複数の給電点は、
第１の給電点と、
前記第１の給電点より大きな高周波電力が給電される第２の給電点と、
を有し、
前記第１の給電点における前記第１の電力の前記第２の電力に対する割合は、前記第２の給電点における前記第１の電力の前記第２の電力に対する割合より大きい
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項４】
真空チャンバと第１の電極とで成膜室が形成され、前記成膜室内に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極上に被成膜基板が載置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間に発生させたプラズマを用いて成膜をおこなうプラズマ成膜方法であって、
前記第１の電極における前記第２の電極に対向する第１の主面の反対側の第２の主面は複数の給電点を有し、
前記プラズマ成膜方法は、前記複数の給電点のそれぞれに、パルス変調された高周波電力が給電される給電工程を含み、
前記給電工程は、
前記複数の給電点のそれぞれに第１の電力を給電する第１の工程と、
前記第１の工程に続いて、前記複数の給電点のそれぞれに第２の電力を給電する第２の工程と、
を含み、
前記第１の電力は、前記第２の電力より５％以上高い
ことを特徴とするプラズマ成膜方法。
【請求項５】
前記第１の工程は、パルスのｏｎ時間における最初の５％乃至２０％の期間に行われ、
前記第２の工程は、前記ｏｎ時間における残りの期間に行われる
ことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図５】
【図７】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７４７３６（Ｐ２０１２−１７４７３６Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３２５２０（Ｐ２０１１−３２５２０）
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１７日（２０１１．２．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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