JP4841735B2 - Deposition method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微結晶シリコン膜等を高速で成膜可能なプラズマCVD装置に関するものであり、高い結晶性を有する薄膜を高速度で成膜でき、かつパウダー(目的外反応によって発生する粒子)の発生が少なく、装置の保守整備が容易なプラズマCVD装置及び成膜方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition )装置はシリコン薄膜、ダイヤモンド薄膜の成膜等に良く用いられている。プラズマCVD法には容量結合型と誘導結合型の2通りあるが、容量結合型では通常、真空チャンバー内に一対の平行平板状のカソード、アノード電極を備える。
【0003】
シリコン薄膜の用途として代表的なものに太陽電池がある。薄膜シリコン系太陽電池は、製造及び材料コスト低減等の観点から、バルク結晶シリコン太陽電池に代わる太陽電池として検討が進められてきている。薄膜シリコン系太陽電池は通常、p層/i層/n層、またはp層/n層の膜構成を有し、これら各層の膜の成膜には通常プラズマCVD法が用いられる。真空チャンバー内にモノシラン(SiH4 )、ジシラン(Si2 H6 )等の反応性ガスを単独、又はこれらのガスと水素(H2 )との混合ガスを導入し、カソードにRF、VHF等の高周波電力を投入してプラズマを励起し、このプラズマにより反応性ガスを分解し、基板上にシリコン膜を堆積する。
【0004】
基板は通常アノード上に置かれ、アノード内のヒータにより、成膜中の基板温度がコントロールされる。この際、成膜条件、すなわちモノシラン又はジシランと水素との流量比、基板温度等を変えることによりアモルファス膜、微結晶膜を作り分けることができる。原料ガスにジボラン(B2 H6 )を添加するとホウ素が添加され、膜はp型となる。また、ホスフィン(PH3 )を添加するとリンが添加され、膜はn型となる。)
アモルファスシリコン膜については、従来、成膜メカニズム、膜質等の基礎検討から太陽電池セル化等応用まで幅広く研究が進んでおり、既に一部では工業化の段階にまで進んでいるが、アモルファスシリコン太陽電池の本質的な問題として光劣化の問題が残されている。アモルファス構造はエネルギー的に準安定であり、外部エネルギーにより構造変化を引き起こし易い。アモルファスシリコンの場合、光照射によりアモルファスシリコン中のシリコン原子のダングリングボンド、すなわち欠陥の密度が増加するため、光照射により変換効率が比率にして五から15%程度低下する。
【0005】
これに対し、微結晶シリコン太陽電池は、光劣化が起きない材料として近年注目を浴びてきている。しかし、微結晶シリコン太陽電池については、その開発研究が緒についた段階で、結晶化メカニズム、膜質、セル構造の最適化など多くの検討課題が残されており、現在活発な開発研究が進められている。
【0006】
アモルファスシリコンは直接遷移型半導体であるため、吸収係数が比較的大きく、十分な太陽光の吸収を得るために、i層は通常300〜500nm程度であるのに対し、微結晶シリコンは結晶シリコンと同様、間接遷移半導体であるため、吸収係数がアモルファスシリコンより小さく、2〜3μm程度の膜厚が必要となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
微結晶シリコン太陽電池では、十分な光吸収を得るために、アモルファスシリコン膜より厚い膜が必要であるが、従来、微結晶シリコン膜の成膜速度は0.1nm/秒程度であったため、2〜3μm程度堆積するためには数時間必要で、生産性に劣っていた。
【0008】
それ故、現在プラズマCVD法において微結晶シリコン膜の成膜速度を上げ ることが重要な課題の1つとなっている。成膜速度を上げるための方法として、成膜圧力を高圧(数百Pa 台(数Torr台))にし、イオンダメージを低減させ、高いRF電力又は高いVHF電力を投入して、原料ガスの枯渇領域で成膜するHigh pressure depletion 法(例えば、 Japanese Journal of Applied Physics 37巻(1998年) Ll 1 1 6頁、 Journal of Non-Crystalline Solids、266−269巻(2000年) 、84頁)が提案されている。
【0009】
前記の方法は装置構成の大きな変更を必要とせず、成膜条件を変更するだけで、3nm/秒程度の成膜速度で高い結晶性の微結晶膜が得られる。しかし、この方法は高圧力下の原料ガス中で成膜するため、パウダーが発生し易く、成膜速度、膜質の再現性を保つために頻繁にカソードやチャンバー内部をクリーニングすることが必要で、装置の整備に手間がかかり、生産性が悪かった。また、成膜速度が4nm/秒以上では、膜の結晶性が著しく低下するため、結晶性の良好な膜を成膜することができなかった。
【0010】
本発明は前述の問題点を解決すべくなされたものであり、生産性に優れるとともに、高い結晶性を有する微結晶膜が得られ、かつパウダーの発生が少なく、チャンバー清掃の手間の少ないプラズマCVD装置及び成膜方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、平行平板型のカソード及びアノードを備え、第1電極たる前記カソードと、第2電極たる前記アノードとの間に導電性のメッシュからなる第3電極を備えたプラズマCVD装置を用いて基板に膜を形成する方法であって、前記アノード側に前記基板を密着して設置し、前記第3電極と前記基板との間の距離を10mm以下、投入パワーが1.1W/cm2以上とした条件のもと、High Pressure Depletion法を用いてシランと水素の混合ガスの原料ガスの枯渇領域で成膜を行い、ラマン結晶性(I(520cm−1)/I(480cm−1))が0.5より大きい微結晶シリコン膜を成膜することを特徴とする成膜方法を提供する。
【0012】
本発明は、High Pressure Depletion 法の実施に適した容量結合型プラズマCVD装置において、更に金属製メッシュなど導電性メッシュからなる第3電極を付加し、この第3電極と基板との距離を10mm以下に設定している。基板との距離を接近させて(10mm以下に)配置した導電性メッシュは、膜成長表面へのイオンダメージを低減させる働きをする。更に、投入パワーを増大させていくと、メッシュ寄りにおいてもプラズマの発光は強まり、特殊なプラズマ状態になる。このプラズマ状態の下ではパウダーの発生が抑制され、結晶性の良好な微結晶膜を生産性よく形成できる。
【0014】
また、前記カソードとして、ガス噴射用の穴が多数形成されているシャワーヘッド型のカソードを用いる態様が好ましい。シャワーヘッド型カソードは、原料ガスを効率よく導入することができ、成膜速度を高めることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明のプラズマCVD装置及び成膜方法について詳説する。図1は本発明の実施形態に係るプラズマCVD装置における電極構成の模式図である。同図中、符号1はカソード、2はプラズマ、3は金属製メッシュ、4は内部に基板加熱用ヒータを装着したアノードである。11は微結晶シリコンを成膜するガラス基板である。本例において、アノード4は接地電位となっており、ガラス基板11はアノード4上にアノード4に接して設置される。
【0017】
金属製メッシュ3は電気的に接地してアノード4と等電位とし、金属製メッシュ3とガラス基板11の距離は、この間で放電が起きないような距離とする。なお、以下、必要に応じて金属製メッシュ3を「メッシュ電極」又は単に「メッシュ」と表現する。
【0018】
図2には、図1の電極構成で放電を起こした時のプラズマポテンシャルが模式的に示されている。メッシュ電極3とガラス基板11との間では放電は起きず、また、プラズマからガラス基板11に入射する電子のほとんどはメッシュ電極3に捕獲されるため、ガラス基板11はチャージアップしない。それゆえメッシュ電極3と、アノード4及びガラス基板11は、電気的に等電位(接地的電位)となり、両者の間に電位差は生じない。
【0019】
その一方、成膜圧力数百Pa (数Torr)においては粒子の平均自由行程は0.1mm以下であり、メッシュ電極3とガラス基板11が数mm離れているだけでも、メッシュ電極3を通過したイオンはガラス基板11に到達するまでに、数10回衝突する。したがって、メッシュ電極3とガラス基板11が等電位であれば、衝突後のイオンは電場で加速されることなく、膜表面に入射する。すなわち、膜表面へのイオンダメージが抑制される。
【0020】
メッシュ電極3とガラス基板11との距離は10mm以下とする必要があり、より望ましくは1〜10mm、特に1〜5mmにする。メッシュ電極3−ガラス基板11間の距離が1mmより短いと、メッシュのパターンがガラス基板11の膜に転写されてしまう恐れがあり、また、10mmより長いと、メッシュ電極3とガラス基板11との間で放電が起こる恐れがある。放電が起きると、メッシュ電極3とガラス基板11は等電位とならず、膜成長表面へのイオンダメージが生ずる。
【0021】
金属製メッシュ3の開口率は5〜95%の範囲が適当であり、より望ましくは、30〜90%の範囲が適当である。開口率が5%より小さいと、成膜速度が著しく低下する。また、開口率が95%より大きいと、プラズマからガラス基板11に入射する電子がメッシュ3に捕獲されず、ガラス基板11まで到達するため、ガラス基板11がチャージアップしてしまう恐れがある。本例では金属製のメッシュを用いているが、メッシュの材質は、導電性を有していれば特に限定されず、ステンレス、銅その他の金属のみならず、炭素などの導電性材料を用いることができる。
【0022】
次に、上記の如く構成されたプラズマCVD装置の作用について説明する。図1に示した電極配置において、カソード1への投入パワーが低パワーであれば、プラズマの発光強度はカソード−メッシュ間のカソード寄りにおいて強い。しかし、投入パワーを増大させていくと、あるパワー以上でカソード1寄りに加えてメッシュ電極3寄りにおいても強く発光するようになる。この原因については究明されていないが、メッシュを構成する細線部分からの電子放出によるものと考えられる。
【0023】
この時、プラズマの発光強度を解析すると、メッシュ電極3寄りにおいては主にSiの励起状態(波長288nm)の発光強度が強くなっていることが判明した。また、このようなプラズマ状態の時、プラズマ中でのパウダーの発生が抑制され、パウダーのチャンバー壁等への付着量が著しく低減されることが実証された。この原因として、メッシュ電極3寄りで起きる放電により高次シラン(パウダーの原因物質)が分解され、原料が効率良く使われるためであると考えられる。
【0024】
これまでメッシュ電極3とアノード4はともに接地電位として述べてきたが、必ずしも接地電位にする必要はなく、正の電位又は負の電位としてもよい。特に、負の電位とすると、プラズマ電位とメッシュ電位との差が大きくなるので、メッシュ電極3から電子が放出され易くなり、メッシュ電極3寄りの発光が生ずるプラズマ状態が起き易くなる。また、必ずしもメッシュ3とアノード4の電位を等電位にする必要はなく、メッシュ3の電位をアノード4に対して負にすることが好ましい。この時、メッシュ3を通過したイオン(正イオン)はアノード4に向けて加速されない。
【0025】
このような電極配置において、更にカソード1としてシャワーヘッドカソード(カソード先端にガス噴射用の穴が多数形成されているカソード)を用いると、カソード−ガラス基板間の原料ガスの濃度が増加するため、同じ投入パワーにおいて成膜速度を著しく増大させることができる。
【0026】
本発明を適用したプラズマCVD装置では、微結晶シリコン膜が5nm/秒以上の速度で成膜されるにもかかわらず、膜中の欠陥密度を低い値に抑え、膜の結晶性を上げることができる。この原因も未だ充分には解明されていないが、第3電極によるイオンダメージの低減効果、又は第3電極寄りの強い発光強度のプラズマによる高次シラン発生の抑制効果などが原因として考えられる。
【0027】
これまでは被成膜物としてガラス基板の場合を述べてきたが、基板はガラスに限定されず、樹脂製基板や金属製基板も用いることができる。前者の場合、基板温度は樹脂基板が変形しない程度に低温にしなければならない。
【0028】
また、本発明の結晶性薄膜の高速堆積化について、これまでシリコン薄膜について述べてきたが、これに限らず、例えばダイヤモンド薄膜や、窒化シリコン(Si3 N4 )など、プラズマCVDで成膜される他の薄膜の成膜についても本発明は効果を持ち、結晶性の良好な膜を高速で堆積することができる。
【0029】
本発明の実施形態によれば、基板との距離を接近させて配置した金属製メッシュ3(第3電極)は、膜成長表面へのイオンダメージを低減させる働きをする。投入パワーを増大させていくと、メッシュ寄りにおいてもプラズマの発光は強まり、特殊なプラズマ状態になる。この時、プラズマ中でのパウダーの発生が抑制される。更に、本発明は成膜した微結晶シリコン膜の欠陥密度を著しく低く抑えることができる。
【0030】
【実施例】
<実施例1>
洗浄した厚さ0.7mmのガラス基板を直径126mmのシャワーヘッドカソード及びアノードを備えた容量結合型プラズマCVD装置内に図1のようにセットし、1.33×10-6Pa 台(1×10-8Torr台)まで排気した。接地電位とした開口率64%の金属製メッシュ3をガラス基板11の真上2mmの距離に置いた。図3にその実施状況の概念図を示す。実施条件は、カソード1の大きさ125cm2 、アノードの大きさ128cm2 、カソード−基板間距離17mm、励起周波数60MHz、成膜圧力266Pa (2Torr)、基板温度250℃とした。図4の表1に示した実施条件の下でシリコン単層膜を成膜したときの膜の評価結果を図5に示す。
【0031】
図4に示した「実施例1」の欄に記載した条件下でシリコン単層膜を成膜した。膜の評価方法は以下の通りである。実施例1乃至6及び比較例1乃至5において同様の評価方法を用いた。
【0032】
膜の結晶性は、He-Ne レーザー光(波長632.8nm)を用いたRenishaw製Ramascope 型顕微ラマン装置を用い、測定プロファイルにおける、結晶シリコンのピークIc (520cm-1)とアモルファスシリコンのピークIa (480cm-1)の高さの比Ic /Ia で評価した。通常Ic /Ia が0.5以下では膜はアモルファスであり、0.5より大きいと微結晶で、値が大きくなるほど結晶性は良好となる。
【0033】
膜厚d は波長 250nm〜2500nmの範囲で透過率を測定し、最も長波長側における透過率の極大値(ピーク)での波長λmax と最も長波長側における極小値(バレー)での波長λmin と膜の屈折率n から、次式(1)
【0034】
【数1】
d =(λmax ×λmin)/(λmax-λmin)/4n …(1)
により求めた。ここで、屈折率n は、最も長波長側における透過率の極大値Tmaxと最も長波長側における極小値Tmin、基板の屈折率n2、空気の屈折率n0(=1)より、次式(2)
【0035】
【数2】
n =(1/2) ×[(n0+n2)×{(Tmax/Tmin)1/2}+{((Tmax/Tmin)×(n0+n2)2−4n0 ×n2)1/2}] …(2)
により求めた。
【0036】
透過率は日立製U-4000型分光透過率測定装置により測定した。膜の欠陥密度はElectron Spin Resonance (ESR)測定(Bruker製EMX 型ESR 測定装置)により求めた。パウダーの量は膜厚1μm成膜後、チャンバー壁に付着したパウダー量を目視で観察した。
【0037】
実施例1の条件で形成した膜の膜質を図5の表2に示す。実施例1に係る膜の成膜速度は5.0nm/秒であり、膜は微結晶シリコン膜であった。膜のラマン結晶性は3.0であった。欠陥密度は5.5×1016/cm3 であった。実用上は1×1017/cm3 以下であることが好ましいと考えられている。成膜後、チャンバー壁に付着したパウダー量は極めて少量であった。
<実施例2〜実施例6及び比較例1〜比較例5>
図4の「実施例2」〜「比較例5」の欄に示した条件とした以外は、それぞれ実施例1と同様にして成膜した。得られたそれぞれのシリコン膜の膜質を図5に示す。
【0038】
実施例1乃至6及び比較例1乃至5の結果が示すように、メッシュ−基板間距離が約10mmという値を境界として、それ以下の領域では良好な微結晶シリコン膜が得られ、11mm以上ではアモルファスシリコンになることが判明した。また、図4及び図5には示されていないが、メッシュ−基板間距離を10mmとした条件の下では、微結晶シリコン膜が得られる。
【0039】
次に、成膜速度とラマン結晶性について投入パワーとの関係を述べる。図6は、図1に示した平行平板電極を装着した容量結合型プラズマCVD装置を用いて成膜を行った際の成膜速度とラマン結晶性(Ic /Ia =I(520cm -1)/I(480cm -1)) のそれぞれについて投入パワー依存性を示すものである。実施条件は、実施例1と同様に、原料ガスとしてSiH4 とH2 の混合ガス(流量比SiH4 / H2 =30/270) を用い、シャワーヘッドカソードの大きさ125cm2 、アノード電極の大きさ128cm2 、カソード−基板間距離17mm、励起周波数60MHz、成膜圧力266Pa (2Torr)、基板温度250℃とした。
【0040】
図6中実線はメッシュ電極を有する本実施形態に係るプラズマCVD装置によって成膜した膜の膜質を示し、点線は比較のため、メッシュ電極を具備しないプラズマCVD装置によって成膜した膜の膜質を示す。黒丸印(●)及び白丸印(○)は成膜速度と投入パワーの関係を示し、黒三角印(▲)及び白三角印(△)はラマン結晶性と投入パワーの関係を示している。同図に示すように、本実施形態に係るプラズマCVD装置では180W以上の投入パワーを与えると、ラマン結晶性Ic /Ia が約3の微結晶膜シリコン膜が、5〜6nm/秒の成膜速度で得られる。
【0041】
図7は、プラズマ発光解析の結果を示すグラフである。同図によれば、135W以上の高いパワーでは、Si(波長288nm)の強度が他のライン(Si H、Hα、Hβ)に比べて著しく増大している。すなわち、高いパワーでは金属製メッシュ3寄りにおいて主にSiの励起状態(波長288nm)の発光強度が強くなっていることを示している。また、このようなプラズマ状態の時、プラズマ中でのパウダーの発生が抑制され、チャンバー壁等へのパウダーの付着量が著しく低減されることは既に述べた通りである。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る成膜方法によれば、基板と第3電極の間の距離が10mm以下となるように、導電性メッシュ(第3電極)を基板に接近させて配置した構成により、高パワー領域でメッシュ寄りに特殊なプラズマ状態を得ることができ、欠陥密度の小さい微結晶シリコン膜を5nm/秒以上という高速で堆積することができる。また、このときパウダーの発生量を低減できるため、装置クリーニングのためのメンテナンスを軽減することができ、コストダウンにつながる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るプラズマCVD装置の電極構成を示す模式図
【図2】図1の電極構成におけるプラズマポテンシャルの模式図
【図3】実施例1の実施状況を示す概念図
【図4】実施例1乃至6及び比較例1乃至5の実施条件を示した図表
【図5】図4に示した各実施条件でシリコン単層膜を成膜したときの膜の評価結果を示した図表
【図6】成膜速度とラマン結晶性の投入パワー依存性を示すグラフ
【図7】プラズマ発光解析の結果を示すグラフ
【符号の説明】
1…カソード、2…プラズマ、3…金属製メッシュ、4…アノード、11…ガラス基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma CVD apparatus capable of forming a microcrystalline silicon film or the like at a high speed, and can form a thin film having high crystallinity at a high speed, and of powder (particles generated by an unintended reaction). The present invention relates to a plasma CVD apparatus and a film forming method that are less likely to occur and that can be easily maintained.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus is often used for forming a silicon thin film or a diamond thin film. There are two types of plasma CVD methods, capacitive coupling type and inductive coupling type. In the capacitive coupling type, a vacuum chamber is usually provided with a pair of parallel plate cathode and anode electrodes.
[0003]
A typical example of a silicon thin film is a solar cell. Thin-film silicon solar cells have been studied as solar cells that can replace bulk crystal silicon solar cells from the viewpoint of manufacturing and material cost reduction. A thin-film silicon solar cell usually has a p-layer / i-layer / n-layer or p-layer / n-layer film configuration, and a plasma CVD method is usually used to form these layers. A reactive gas such as monosilane (SiH 4 ) or disilane (Si 2 H 6 ) alone or a mixed gas of these gases and hydrogen (H 2 ) is introduced into the vacuum chamber, and RF, VHF, or the like is introduced into the cathode. High frequency power is applied to excite the plasma, the reactive gas is decomposed by this plasma, and a silicon film is deposited on the substrate.
[0004]
The substrate is usually placed on the anode, and the substrate temperature during film formation is controlled by a heater in the anode. At this time, the amorphous film and the microcrystalline film can be separately formed by changing the film forming conditions, that is, the flow rate ratio of monosilane or disilane and hydrogen, the substrate temperature, and the like. When diborane (B 2 H 6 ) is added to the source gas, boron is added and the film becomes p-type. When phosphine (PH 3 ) is added, phosphorus is added and the film becomes n-type. )
Amorphous silicon films have been studied extensively from basic studies such as film formation mechanism and film quality to applications such as solar cells, and some of them are already in the industrialization stage. The problem of light degradation remains as an essential problem. An amorphous structure is metastable in terms of energy and is likely to cause structural changes due to external energy. In the case of amorphous silicon, dangling bonds of silicon atoms in the amorphous silicon, that is, the density of defects increases due to light irradiation, so that the conversion efficiency decreases by about 5 to 15% by light irradiation.
[0005]
On the other hand, microcrystalline silicon solar cells have recently attracted attention as materials that do not cause photodegradation. However, with regard to microcrystalline silicon solar cells, at the stage of their development research, there are many issues to be investigated such as crystallization mechanism, film quality, and cell structure optimization, and active development research is currently underway. ing.
[0006]
Since amorphous silicon is a direct transition semiconductor, the absorption coefficient is relatively large. In order to obtain sufficient sunlight absorption, the i layer is usually about 300 to 500 nm, whereas microcrystalline silicon is crystalline silicon. Similarly, since it is an indirect transition semiconductor, the absorption coefficient is smaller than that of amorphous silicon, and a film thickness of about 2 to 3 μm is required.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
A microcrystalline silicon solar cell requires a film thicker than an amorphous silicon film in order to obtain sufficient light absorption. Conventionally, the deposition rate of a microcrystalline silicon film has been about 0.1 nm / second, and therefore, It took several hours to deposit about ˜3 μm, and the productivity was poor.
[0008]
Therefore, at present, increasing the deposition rate of the microcrystalline silicon film in the plasma CVD method is one of the important issues. As a method for increasing the deposition rate, the deposition pressure is increased (several hundred Pa (several Torr)), ion damage is reduced, high RF power or high VHF power is applied, and the source gas is depleted. High pressure depletion method (e.g. Japanese Journal of Applied Physics 37 (1998)
[0009]
The above-described method does not require a large change in the apparatus configuration, and a highly crystalline microcrystalline film can be obtained at a film forming rate of about 3 nm / second only by changing the film forming conditions. However, since this method forms a film in a source gas under a high pressure, it is easy to generate powder, and it is necessary to frequently clean the inside of the cathode and the chamber in order to maintain the film formation speed and the reproducibility of the film quality. The maintenance of the equipment took time and productivity was poor. In addition, when the film formation rate was 4 nm / second or more, the crystallinity of the film was remarkably lowered, so that a film with good crystallinity could not be formed.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is excellent in productivity, and a microcrystalline film having high crystallinity can be obtained, and generation of powder is small, and plasma CVD with less labor for chamber cleaning is achieved. An object is to provide an apparatus and a film forming method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
[0012]
In the capacitively coupled plasma CVD apparatus suitable for the implementation of the High Pressure Depletion method, the present invention further includes a third electrode made of a conductive mesh such as a metal mesh, and the distance between the third electrode and the substrate is 10 mm or less. Is set. The conductive mesh placed close to the substrate (less than 10 mm) serves to reduce ion damage to the film growth surface. Further, when the input power is increased, the light emission of the plasma becomes stronger near the mesh, and a special plasma state is obtained. Under this plasma state, generation of powder is suppressed, and a microcrystalline film with good crystallinity can be formed with high productivity.
[0014]
Furthermore, as a pre-Symbol cathode, embodiments employing cathode of showerhead that holes for gas injection are formed many preferred. The shower head type cathode can introduce the source gas efficiently, and can increase the deposition rate.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the plasma CVD apparatus and film forming method of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of an electrode configuration in a plasma CVD apparatus according to an embodiment of the present invention. In the figure,
[0017]
The
[0018]
FIG. 2 schematically shows a plasma potential when a discharge is generated with the electrode configuration of FIG. No discharge occurs between the
[0019]
On the other hand, at a film forming pressure of several hundred Pa (several Torr), the mean free path of particles is 0.1 mm or less, and the
[0020]
The distance between the
[0021]
The opening ratio of the
[0022]
Next, the operation of the plasma CVD apparatus configured as described above will be described. In the electrode arrangement shown in FIG. 1, if the input power to the
[0023]
At this time, when the emission intensity of the plasma was analyzed, it was found that the emission intensity mainly in the excited state of Si (
[0024]
So far, both the
[0025]
In such an electrode arrangement, if a shower head cathode (a cathode in which a number of gas injection holes are formed at the cathode tip) is further used as the
[0026]
In the plasma CVD apparatus to which the present invention is applied, although the microcrystalline silicon film is formed at a speed of 5 nm / second or more, the defect density in the film can be suppressed to a low value and the crystallinity of the film can be increased. it can. The cause of this has not been fully elucidated yet, but it is thought to be due to the effect of reducing ion damage by the third electrode or the effect of suppressing the generation of higher order silane by the plasma with strong emission intensity near the third electrode.
[0027]
Up to now, the case of a glass substrate has been described as the film formation object, but the substrate is not limited to glass, and a resin substrate or a metal substrate can also be used. In the former case, the substrate temperature must be low enough that the resin substrate does not deform.
[0028]
Further, the high speed deposition of the crystalline thin film of the present invention have been described silicon thin film so far, not limited to this, for example, a diamond thin film or, such as silicon nitride (Si 3 N 4), it is formed by a plasma CVD The present invention is also effective for forming other thin films, and a film having good crystallinity can be deposited at a high speed.
[0029]
According to the embodiment of the present invention, the metal mesh 3 (third electrode) arranged close to the substrate functions to reduce ion damage to the film growth surface. As the input power is increased, the emission of plasma becomes stronger even near the mesh, and a special plasma state is obtained. At this time, the generation of powder in the plasma is suppressed. Furthermore, the present invention can significantly reduce the defect density of the deposited microcrystalline silicon film.
[0030]
【Example】
<Example 1>
A cleaned glass substrate having a thickness of 0.7 mm is set in a capacitively coupled plasma CVD apparatus having a shower head cathode and an anode having a diameter of 126 mm as shown in FIG. 1, and is placed on a 1.33 × 10 −6 Pa level (1 × 10 −8 Torr level). A
[0031]
A silicon single layer film was formed under the conditions described in the column “Example 1” shown in FIG. The evaluation method of the film is as follows. The same evaluation method was used in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5.
[0032]
The crystallinity of the film was measured using a Renishaw Ramascope type Raman microscope using He-Ne laser light (wavelength 632.8 nm), and the crystalline silicon peak I c (520 cm −1 ) and the amorphous silicon peak in the measurement profile. Evaluation was made using a height ratio I c / I a of I a (480 cm −1 ). Usually, when I c / I a is 0.5 or less, the film is amorphous, and when it is larger than 0.5, the film is microcrystalline, and the larger the value, the better the crystallinity.
[0033]
The film thickness d is measured in the wavelength range from 250 nm to 2500 nm, and the wavelength λmax at the maximum value (peak) of the transmittance on the longest wavelength side and the wavelength λmin at the minimum value (valley) on the longest wavelength side From the refractive index n of the film, the following equation (1)
[0034]
[Expression 1]
d = (λmax × λmin) / (λmax−λmin) / 4n (1)
Determined by Here, the refractive index n is expressed by the following equation from the maximum value Tmax of the transmittance on the longest wavelength side and the minimum value Tmin on the longest wavelength side, the refractive index n 2 of the substrate, and the refractive index n 0 (= 1) of air. (2)
[0035]
[Expression 2]
n = (1/2) × [(n 0 + n 2 ) × {(Tmax / Tmin) 1/2 } + {((Tmax / Tmin) × (n 0 + n 2 ) 2 −4n 0 × n 2 ) 1/2 }] ... (2)
Determined by
[0036]
The transmittance was measured with a Hitachi U-4000 type spectral transmittance measuring device. The defect density of the film was determined by Electron Spin Resonance (ESR) measurement (Erux ESR measurement device manufactured by Bruker). The amount of the powder was visually observed after adhering to the chamber wall after the film thickness of 1 μm was formed.
[0037]
The film quality of the film formed under the conditions of Example 1 is shown in Table 2 of FIG. The film formation speed of the film according to Example 1 was 5.0 nm / second, and the film was a microcrystalline silicon film. The film had a Raman crystallinity of 3.0. The defect density was 5.5 × 10 16 / cm 3 . In practice, it is considered to be preferably 1 × 10 17 / cm 3 or less. After film formation, the amount of powder adhering to the chamber wall was very small.
<Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 to 5>
Films were formed in the same manner as in Example 1 except that the conditions shown in the columns of “Example 2” to “Comparative Example 5” in FIG. The film quality of each obtained silicon film is shown in FIG.
[0038]
As the results of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 show, a good microcrystalline silicon film can be obtained in a region below the boundary between the mesh-substrate distance of about 10 mm and above 11 mm. It turned out to be amorphous silicon. Although not shown in FIGS. 4 and 5, a microcrystalline silicon film can be obtained under the condition that the distance between the mesh and the substrate is 10 mm.
[0039]
Next, the relationship between the deposition rate and the input power for the Raman crystallinity will be described. 6 shows the film formation rate and Raman crystallinity (I c / I a = I (520 cm −1 ) when film formation is performed using the capacitively coupled plasma CVD apparatus equipped with the parallel plate electrodes shown in FIG. ) / I (480 cm −1 )) shows the input power dependency. As in the case of Example 1, the operating conditions were a mixed gas of SiH 4 and H 2 (flow rate ratio SiH 4 / H 2 = 30/270) as a source gas, a shower head cathode size of 125 cm 2 , an anode electrode The size was 128 cm 2 , the cathode-substrate distance was 17 mm, the excitation frequency was 60 MHz, the deposition pressure was 266 Pa (2 Torr), and the substrate temperature was 250 ° C.
[0040]
In FIG. 6, the solid line shows the film quality of the film formed by the plasma CVD apparatus according to the present embodiment having the mesh electrode, and the dotted line shows the film quality of the film formed by the plasma CVD apparatus not equipped with the mesh electrode for comparison. . Black circle marks (●) and white circle marks (◯) indicate the relationship between the film formation rate and input power, and black triangle marks (▲) and white triangle marks (Δ) indicate the relationship between Raman crystallinity and input power. As shown in the figure, in the plasma CVD apparatus according to the present embodiment, when an input power of 180 W or more is applied, a microcrystalline silicon film having a Raman crystallinity I c / I a of about 3 is 5 to 6 nm / sec. Obtained at the film formation rate.
[0041]
FIG. 7 is a graph showing the results of plasma emission analysis. According to the figure, at a high power of 135 W or more, the intensity of Si (
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the engagement Ru film forming method in the present invention, so that the distance between the substrate and the third electrode becomes 10mm or less, disposed conductive mesh (third electrode) is brought closer to the substrate With this configuration, a special plasma state close to the mesh can be obtained in the high power region, and a microcrystalline silicon film having a low defect density can be deposited at a high speed of 5 nm / second or more. In addition, since the amount of powder generated can be reduced at this time, maintenance for cleaning the apparatus can be reduced, leading to cost reduction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an electrode configuration of a plasma CVD apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of a plasma potential in the electrode configuration of FIG. 4 is a chart showing the implementation conditions of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5. FIG. 5 shows the evaluation results of the films when a silicon single layer film is formed under each implementation condition shown in FIG. Chart [Fig. 6] Graph showing deposition power dependence of deposition rate and Raman crystallinity [Fig. 7] Graph showing results of plasma emission analysis [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記アノード側に前記基板を密着して設置し、前記第3電極と前記基板との間の距離を10mm以下、投入パワーが1.1W/cm2以上とした条件のもと、High Pressure Depletion法を用いてシランと水素の混合ガスの原料ガスの枯渇領域で成膜を行い、ラマン結晶性(I(520cm−1)/I(480cm−1))が0.5より大きい微結晶シリコン膜を成膜することを特徴とする成膜方法。A film is formed on a substrate using a plasma CVD apparatus including a parallel plate type cathode and an anode, and a third electrode made of a conductive mesh between the cathode as the first electrode and the anode as the second electrode. A method of forming,
The high pressure depletion method is performed under the condition that the substrate is placed in close contact with the anode side, the distance between the third electrode and the substrate is 10 mm or less , and the input power is 1.1 W / cm 2 or more. Is used to form a microcrystalline silicon film having a Raman crystallinity (I (520 cm −1 ) / I (480 cm −1 )) greater than 0.5. A film forming method characterized by forming a film.
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