JP5375763B2

JP5375763B2 - プラズマ装置およびこれを用いた半導体薄膜の製造方法

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Publication number: JP5375763B2
Application number: JP2010168200A
Authority: JP
Inventors: 知弘池田; 睦津田; 正和滝
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2013-12-25
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Also published as: JP2012028682A

Description

本発明は、プラズマエッチング装置や、シリコンなどの薄膜を基板上に高速に形成するためのプラズマＣＶＤ装置および薄膜製造方法に関する。

プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）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の画素制御を行うための薄膜トランジスタに必要な、大面積の薄膜を高速で成膜することができるプラズマＣＶＤ装置が大量生産に用いられている。上記のような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ＣＶＤ装置を使用するのが一般的である。

平行平板型プラズマＣＶＤ装置は、一対の平行平板電極間で高周波プラズマ放電を生じさせる成膜装置であり、通常、真空排気可能なチャンバ（以下、真空チャンバ）内に被成膜基板を搭載、固定するステージと、ステージから数ｍｍから数十ｍｍの距離を隔てて対向するシャワーヘッド電極を有している。シャワーヘッド電極にはガス供給口となるアパーチャが多数設けられており、シャワープレートとも呼ばれる。ここでは、以降シャワープレートの呼称を用いることにする。薄膜の品質を確保するため、シャワープレートとステージは互いの平行な位置関係が保たれる構造となっている。シリコン薄膜を成膜する場合、シャワープレートのアパーチャを通して、シラン（ＳｉＨ_４）や水素（Ｈ_２）等の成膜ガスを放電空間となる電極間ギャップに供給する。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となり、高周波放電を形成する。この放電状態を安定に維持するようにインピーダンスが適宜調整される。成膜ガスはプラズマ中で高エネルギー状態のラジカルへと分解され、被成膜基板へと入射することで基板上にシリコン膜を形成する。ステージ上への基板の搬送、ステージからの搬出のため、ステージがシャワープレート面と平行を保って昇降する移動機構が備えられていることが多い。

特許文献１には、高周波の接地電流の表皮効果に起因したプラズマの安定性に係わる問題が記載されている。表皮効果は、導体を流れる電流の周波数が増加すると、電流が導体のごく表面の層に集中して流れる現象で、例えばアルミニウムの場合、高周波電流は表面から深さ数十μｍという非常に薄い領域しか伝播することができない。すなわち、高周波の接地電流は、低周波の場合のように導体を直接貫通するような経路ではなく、導体である真空チャンバの内壁面に沿った経路を伝わって電源まで戻る。

プラズマ装置においては、ステージを接地した場合、ステージ裏面から真空チャンバ内壁に沿った比較的長い経路をとることになるため、接地経路自体の抵抗やインダクタンス、キャパシタンスなどで生じる、いわゆる接地インピーダンスが大きくなる。接地インピーダンスが高い状態では、ステージに予期しない電位が誘起されたり、成膜室以外での異常放電が発生したりするなど、種々の問題が生じ、その結果、被成膜基板上のプラズマが不安定となる。プラズマＣＶＤ装置の成膜特性（成膜速度や膜の物性など）は電子温度や電子密度などのプラズマパラメータに強く依存するため、プラズマが不安定であると成膜特性も大きく不均一となる。特に、被成膜基板が１ｍ程度の大型になると装置が大きくなり、この問題が顕在化することが知られている。特許文献１には、その対策としてステージと真空チャンバを接続する通電部材として、接地ストラップを用いた方法が開示されている。

特許文献２には接地経路を短縮して接地インピーダンスを低減するため、ステージ外周全域に通電部材としてプレート部材を設ける方法が開示されている。接地経路を確保する上で、先に述べた昇降機構に対応する必要が生じるため、ステージ外周と真空チャンバに両端を固定された可とう性のプレート部材がステージの移動に従って変形する方法が用いられている。

特許文献３には、高周波電源に接続されたステージの下部に設けられた昇降部の周囲と、真空チャンバの間に通電部材としてコンタクトフィンガを取り付け、コンタクトフィンガの摺動機構により昇降部と真空チャンバの電気的接続を図る方法が開示されている。

特許文献４では、設置経路を短縮するため、真空チャンバ側に通電部材として可とう性のカーテン状部材を接続したブロックないしフレームをステージ外周部で持ち上げて接続を図る方法が示されており、ステージが接地状態でカーテン状部材が追従する範囲でステージを昇降させることが可能である。

特開２００８−２７４４３７号公報特開２００８−２４４０７９号公報特開平６−３３３８７９号公報特開２００９−２８０９１３号公報

被成膜基板の搬送、搬出には、多くの場合、真空チャンバ外部の、例えばロードロック室に配設されたロボットハンドが用いられる。通常、基板をピンで支持し、ステージと基板との間に隙間を作り、その隙間にロボットハンドのアームを差し入れて基板を搬送、搬出する。このため、薄膜シリコン太陽電池やフラットパネルディスプレイ用のガラス基板など、メートルクラスの大型の被成膜基板を用いる際にはロボットハンドも必然的に大型になってしまい、ステージは数百ｍｍのオーダーで昇降動作をする必要がある。また、真空チャンバ内の洗浄を行う際の空間を確保する必要がある場合も生じることがある。

したがって、特許文献２に記載されたプラズマ成膜装置では、接地経路のプレート部材がステージの昇降動作を妨げないように、ステージの可動範囲を見越したうえでプレート部材の形状を設計する必要があった。すなわち、特許文献２の構成では、プレート部材の長さをステージの昇降範囲、つまり、数百ｍｍよりも長く設計しなくてはならない。これはプロセスパラメータとして昇降させる必要がある１０ｍｍ〜５０ｍｍと比較すると一桁以上長いことから、接地インピーダンスを最小化するという観点では不利な方法であり、設計上の制約となっていた。

従来、上記のような構成においても、比較的周波数の低い１３．５６ＭＨｚの高周波電力を用いてプラズマを生成する場合は問題になることが少なかった。ところが、成膜速度を向上させてスループットを高めるために、さらに周波数が高いＶＨＦ（ｖｅｒｙｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の高周波電力を用いる場合には表皮効果が顕著になって、接地インピーダンスの問題はきわめて深刻になる。例えば接地ストラップのインピーダンスのうち、抵抗成分は表皮効果によって周波数の平方根に比例して増加し、誘導成分は周波数に比例して増加する。そのため高周波電力の周波数を１３．５６ＭＨｚから６０ＭＨｚに増加させると、接地インピーダンスは単純計算で少なくとも２倍以上増加してしまう。

これは同じ１３．５６ＭＨｚの高周波電力を用いて、接地経路を２倍長く構成することとほぼ同様の結果をもたらす。つまり、接地ストラップ等を用いてステージから真空チャンバに至る経路をバイパスした効果が相殺され、プラズマ生成の安定化に関する問題が顕在化する。一例として、真空チャンバまでの接地経路が４００ｍｍとなるように構成した平行平板型プラズマ成膜装置を用い、６０ＭＨｚの高周波電力を投入してプラズマ生成を試みたところ、電極ギャップ内において安定した放電を得ることは非常に困難であった。

特許文献４に記載されているプラズマ装置においては、基板を搬入、搬出するためにステージを降下させた状態ではステージが真空チャンバと接続されていないため、ステージの移動範囲に制約がなく、前述のプレート部材のような設計上の制約は生じない。しかしながら、単にブロックないしフレームをステージで持ち上げる構成では、ステージ外周部全体で均一な接触状態を確保することは困難である。さらに、成膜に用いる場合、成膜プロセスによって外周部にも被膜が堆積することから、基板を入れ替えた成膜バッチごとのインピーダンスについて再現性が得られない問題があった。そのため、特に接地インピーダンスの影響が大きいＶＨＦ帯の周波数においてはプラズマが不安定ないし不均一に生成される問題を回避することは困難であった。

また、実際に成膜が行われるプラズマ空間付近で可とう性の部材を用いることは、この上に堆積した被膜がひび割れて飛散し、被成膜基板上に載って不具合を生じたり、プラズマ中に浮遊してプラズマを乱したりする要因となることから、歩留まりを低下させる要因となっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接地インピーダンスを最小化してＶＨＦ帯の周波数領域においても大型基板での処理を安定に行うことができるプラズマ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるプラズマ装置は、導電性の真空チャンバと、真空チャンバと絶縁されて設置されたガスの供給口を有するシャワープレートと、シャワープレートに対向して設置された基板を搭載するステージと、シャワープレートに高周波電力を給電する手段と、真空チャンバを接地する手段と、ステージを移動させてステージとシャワープレートとの間隔を調整するステージ移動機構と、ステージの外周部に固定された、外周部と真空チャンバとの間を短絡する導電性の通電部材とを有し、通電部材はステージの移動に沿って摺動する電気接点を形成し、電気接点は高周波電力によってシャワープレートと前記基板との間に発生したガスのプラズマから遮蔽されている構成としたものである。

ステージの外周部に通電部材を固定してステージの移動に沿って褶動する電気接点を形成し、この電気接点をプラズマから遮蔽することにより、ＶＨＦ周波数帯のプラズマ放電を用いて大面積の基板に対するプラズマ処理を安定に行うことができる。

この発明の実施の形態１におけるプラズマ装置の構成を概略的に示す断面図である。この発明の実施の形態１におけるコンタクトフィンガの配置方法を示す平面図である。この発明の実施の形態１におけるプラズマ装置の構成を概略的に示す部分断面図である。この発明の実施の形態２におけるプラズマ装置の構成を概略的に示す部分断面図である。この発明の実施の形態３におけるプラズマ装置の構成を概略的に示す部分断面図である。この発明の実施の形態３におけるコンタクトフィンガの構成を示す斜視図である。この発明の実施の形態３におけるコンタクトフィンガの構成を示す平面図である。この発明の実施の形態４におけるプラズマ装置の構成を概略的に示す部分断面図である。

以下に、本発明にかかるプラズマＣＶＤ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１.
図１は、本発明にかかるプラズマ装置の実施の形態１の構成を概略的に示す断面図である。図１に示すプラズマ装置１００は、真空チャンバ１０１、移動機構を有するステージ１２１、多数のガス供給口を有するシャワープレート１２２、給電バー１１３、及び高周波電源１１１を備える。また、ステージ１２１外周部に接地経路の通電部材となるコンタクトフィンガ１４１を備える。

真空チャンバ１０１は下フランジ１０２と、下フランジ１０２と上フランジ１０３の間で気密シールがなされて内部と大気を分離する。下フランジ１０２と上フランジ１０３はステージ１２１の基板搭載面やシャワープレート１２２と平行な開口部を成しており、構成としては真空チャンバ１０１の一部と見なせる。上フランジ１０３には絶縁スペーサ１３２、１３３が接合されており、さらにそれらの絶縁スペーサは電極ブロック１２３を固定している。これらの構造物がステージ１２１、シャワープレート１２２を内部に含む減圧容器を構成しており、ステージ１２１とシャワープレート１２２の間が高周波プラズマの発生するプラズマ空間１６０となる。電極ブロック１２３の上方は大気圧の領域である。

さらに、真空チャンバ１０１は排気ポート１０６、ゲートバルブ１０４を有する。減圧容器内は図示されていない真空ポンプによって、チャンバ１０１に備えられた排気ポート１０６から真空排気される。真空チャンバ１０１は、通常、アルミニウム合金などの金属で作製されており、良好な電気導電性を有している。ステージ１２１は支柱１２４で支持されており、被成膜基板１７０はステージ１２１上に静置される。支柱１２４を図示しない駆動機構に接続することで、ステージ１２１を上下方向に昇降可能に構成している。

真空チャンバ１０１にはゲートバルブ１０４が配設され、ゲートバルブ１０４を通してステージ１２１上へ被成膜基板１７０の搬送が行われる。ステージ１２１上に被成膜基板１７０が搭載された状態で、支柱１２４とステージ１２１が上昇してシャワープレート１２２に接近する。ステージ１２１とシャワープレート１２２の距離が所望の値になるように調整され、続いて高周波電力が供給されてプラズマが発生する。成膜やエッチングなどのプラズマ処理が完了した後、支柱１２４とステージ１２１が下降してシャワープレート１２２から遠ざかり、被成膜基板１７０はゲートバルブ１０４を通過してステージ１２１上から真空チャンバ１０１外部に搬出される。

電極ブロック１２３はシャワープレート１２２を支持して、シャワープレート１２２と電気的に接続されており、給電バー１１３と接続されている。また、電極ブロック１２３は絶縁スペーサ１３３と接合されており、さらに絶縁スペーサ１３２を介して上フランジ１０３と絶縁されている。電極ブロック１２３の上方には、電極ブロック１２３を囲うシールドボックス１８０が設けられており、シールドボックス１８０は絶縁スペーサ１３１によって給電バー１１３と絶縁されている。

また、電極ブロック１２３からシールドボックス１８０を貫通してプラズマ生成用ガスの導入配管が設けられており、外部のガス供給設備に接続される成膜ガス供給ポート１０５を有している。シールドボックス１８０、真空チャンバ１０１、下フランジ１０２、上フランジ１０３はともに高周波電源１１１の接地側に接続されており、感電や輻射ノイズの発生を防止している。

次に、高周波給電部について詳細に説明する。高周波電源１１１の周波数は高速成膜を実現するためにＶＨＦ帯が選定される。大面積の電極にＶＨＦ帯の高周波電力を供給するには、定在波の影響を少なくするため複数箇所から給電する方式が好適である。給電箇所の数は装置の大きさや構造により選定されるが、本発明の効果は給電箇所の数に依るものではないので、図１では高周波の給電を１台の電源から行う場合について説明する。
高周波給電部は高周波電源１１１、給電バー１１３、整合器１１２からなる。高周波電源１１１から出力された高周波電力は通常同軸ケーブルの給電線を介して伝送され、整合器１１２を通して給電バー１１３に供給される。給電バー１１３は整合器１１２から伝送される高周波電力を電極ブロック１２３に伝送する役割を持つ。給電バー１１３は銅やアルミニウムといった導電率の高い材料で構成されており、電極ブロック１２３にネジ等で固定される。高周波電流は表皮効果のため電極ブロック１２３の表面近傍のごく浅い部分を流れ、同様にシャワープレート１２２の表面部分に供給される。
高周波電源１１１の接地電位となる同軸ケーブルの外部導体は、整合器１１２の筐体ないしその近傍のシールドボックス１８０に接続されている。

次に、高周波電流の帰還経路を構成する接地手段について説明する。本実施の形態では、ステージ１２１を接地するための通電部材として、コンタクトフィンガ１４１を用いている。コンタクトフィンガ１４１はステージ１２１の基板搭載面に近い外周部に固定され、略半円弧状の部分は、ステージ１２１の移動に沿う形で高周波電源１１１の接地側に接続されたチャンバ１０１内壁面を摺動することが可能である。すなわち、コンタクトフィンガ１４１と真空チャンバ１０１の接触部が電気接点を形成しており、ステージ１２１が上下に移動しても、この電気接点が維持され、ステージ１２１と真空チャンバ１０１の電気的接続を確保している。したがって、接地経路は、ステージ１２１、真空チャンバ１０１の下部、下フランジ１０２、上フランジ１０３、シールドボックス１８０を経由して高周波電源１１１の接地側に至る構成となっている。
コンタクトフィンガ１４１によって、実質的にステージ１２１から支柱１２４、真空チャンバ１０１の下部を経由して高周波電源１１１に至る接地経路のうち、ステージ１２１外周部とその近傍の真空チャンバ１０１とを短絡する構成となることから、ステージ１２１の接地インピーダンスを大幅に低減することが可能になる。具体的には、ステージ１２１の裏面、支柱１２４、真空チャンバ１０１の下部の経路が主たる接地経路から外れる形になる。接地インピーダンスの低減により、プラズマ空間１６０外部のステージ１２１と真空チャンバ１０１の間で不要な放電の生起が防止され、ＶＨＦ帯の高周波電力を用いてもプラズマを安定に維持することが可能となる。

摺動する電気接点については、真空チャンバ１０１内壁面とステージ１２１の移動方向が略平行になるようにすれば、ステージ１２１が移動してもチャンバ１０１内壁面上での接続状態が変化することはない。図２はコンタクトフィンガの配置方法を示す平面図であり、接地インピーダンスを最小とするため、コンタクトフィンガ１４１は図２のようにステージ１２１の外周を覆う形で配置することが望ましい。真空チャンバ１０１の平面形状は正方形ないし長方形が一般的であるが、円形の場合は、コンタクトフィンガ１４１の摺動する接触部が曲面で構成される。

コンタクトフィンガ１４１は弾性を有する導電性材料で構成され、例えばアルミニウム合金や、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、またはタングステンないしタングステンを含む合金からなる金属板などが好ましい。金属板の材料によっては、使用する成膜ガス種や、プラズマ空間１６０内部のエッチング洗浄に用いるガスと反応する場合があることから、材質は適宜選択されなければならない。

図３はコンタクトフィンガ１４１周辺の詳細を示す断面図であり、図１の二点鎖線で示された部分に対応している。コンタクトフィンガ１４１は、ねじ部材１４２と押え部材１４３を用いてステージ１２１に固定されている。図１には記載されていなかった、真空チャンバ１０１内壁面上のコンタクトフィンガ１４１と接触して電気接点を形成する板状通電部材１０７を用いることも出来る。板状通電部材１０７はコンタクトフィンガ１４１と対となる他の接地用通電部材であり、真空チャンバ１０１が摺動で磨耗し易いアルミニウム合金からなる場合に磨耗が生じにくい材料を用いることで、電気接点の寿命を改善することが出来る。実際には、コンタクトフィンガ１４１と同様の材料を用いればよい。板状通電部材１０７はステージ１２１の移動方向について、高周波放電を使用するステージ１２１の位置範囲を考慮して寸法が設定される。

また、コンタクトフィンガ１４１は電気的なシールド部材としても作用するため、プラズマ空間１６０外部への高周波電力の不要な輻射を抑制することができる。十分な輻射抑制効果を得るには、コンタクトフィンガ１４１同士の間隔を高周波電力の波長に対して十分短くする必要がある。具体的には、上記の間隔は波長の１／１００を超えない程度が好ましく、これは６０ＭＨｚの高周波では５ｃｍに相当する。コンタクトフィンガ１４１そのものにガス流を妨げないようにスリットを設ける場合においても、該スリットのサイズを同様に波長に比べて十分小さくすることが望ましい。

次に、コンタクトフィンガ１４１をステージ１２１の基板搭載面に近い外周部に固定することに伴う問題点について説明する。

通常、プラズマＣＶＤ装置では被成膜基板１７０以外のプラズマ空間１６０近傍のチャンバ１０１内壁部やステージ１２１上にも膜が堆積する。成膜処理を繰り返すことにより、これらの膜が厚く堆積すると、細かくひび割れて小片状態となって剥離し、成膜室内のパーティクルとなって飛散する。このパーティクルが被成膜基板１７０側に到達すると、該プラズマ成膜装置を用いて作製したデバイスの特性に甚大な影響を及ぼすことが多い。たとえば、薄膜上に残留すれば膜構造の欠陥となり、また、プラズマ空間１６０中を浮遊するだけでも高周波プラズマを乱す要因となって膜質の不均一を招く。

したがって、プラズマ空間１６０に近い位置に摺動する電気接点を用いると、チャンバ１０１内壁面上およびコンタクトフィンガ１４１上に膜が堆積して、摺動時にチャンバ１０１内壁面上の膜が削り取られたり、またコンタクトフィンガ１４１が撓んで変形することにより膜が剥がれたりすることを考慮する必要がある。

この問題に対処するには、図３に示すように、摺動部位がプラズマ空間１６０から遮蔽される位置に、ステージ１２１側の防着板１５１と、上フランジ１０３側の防着板１５２を用いる方法が適切である。防着板１５１、１５２はそれぞれ一対で上フランジ１０３とステージ１２１側から真空チャンバ１０１内壁面と略平行な遮蔽面を有しており、それぞれがプラズマ空間１６０から見て重なり合うように配置されることで、摺動部の電気接点をプラズマ空間１６０から二重に遮蔽する構造となっている。防着板１５１、１５２により、高周波プラズマで生じた活性種が真空チャンバ１０１内壁面およびコンタクトフィンガ１４１上に到達することを防止して膜の堆積を抑制できるため、上記のようなパーティクルの生成を抑制することができる。また、真空チャンバ１０１内壁面およびコンタクトフィンガ１４１上に膜が堆積して膜片からなるパーティクルが飛散したとしても、防着板１５１、１５２によってプラズマ空間１６０内にパーティクルが侵入することを防止することができる。特に、防着板１５１はパーティクルが衝突した後、パーティクルが真空ポンプ側に落下することから、ステージ１２１上へのパーティクル侵入を防ぐ上で重要である。

上記の構成からなるプラズマＣＶＤ装置を用いることにより、ステージが下方に移動してからの基板搬入、搬出が可能で、且つステージが上方に移動してから大面積の薄膜を均一、高速かつ安定に成膜することが可能となる。

防着板１５１、１５２、板状通電部材１０７およびコンタクトフィンガ１４１は取り外し可能に固定されることにより、取り外して堆積した膜の除去を行ってから再度設置したり、新たな部材と交換したりすることが容易になり、メンテナンス作業を効率化する利点を有する。コンタクトフィンガ１４１をステージ１２１の基板搭載面上に固定した場合は、フランジを開けて真空チャンバ１０１内を大気開放した状態でステージ１２１を上昇させ、コンタクトフィンガ１４１を真空チャンバ１０１外に露出させることにより、コンタクトフィンガ１４１の交換などのメンテナンス作業を効率的に行うことが出来る。

なお、図１ではコンタクトフィンガ１４１はステージ１２１側に固定されているが、真空チャンバ１０１内壁面上に固定することも可能である。その場合、板状通電部材１０７はステージ１２１の外周部に固定することが出来る。板状通電部材１０７にコンタクトフィンガより柔らかい材料を用いる場合は、摩滅による接点不良を防止するため、定期的に板状通電部材１０７を交換すればよい。

被成膜基板１７０上にシリコン薄膜を成膜するには、例えば、シリコン源としてモノシラン（ＳｉＨ_４）ガス、キャリアガスとして水素（Ｈ_２）ガスを用い、それらを混合したガスをプラズマ生成用の成膜ガスとして用いる。成膜ガスはガス供給ポート１０５を通して電極ブロック１２３内に供給され、シャワープレート１２２に構成した多数のアパーチャ１２５を通して対向するステージ１２１上のプラズマ空間１６０へと流入する。電極ブロック１２３には高周波電力が供給されており、プラズマ空間１６０中の成膜ガスは高周波電力により分解され、高周波プラズマを生じる。この過程でＳｉＨ_３、ＳｉＨ_２、ＳｉＨ、Ｓｉ、Ｈなどの活性種が生成され、これらの活性種が被成膜基板１７０に入射し、被成膜基板１７０表面上に非晶質あるいは微結晶のシリコンを形成する。高周波プラズマを一定時間継続した結果として、被成膜基板１７０上に非晶質あるいは微結晶質のシリコン薄膜が成膜される。

以下、図１〜図３に示す装置を用いてシランガス（ＳｉＨ_４）と水素ガス（Ｈ_２）との混合ガスで高周波プラズマを発生させ、ガラス基板上に微結晶シリコン膜を堆積させた実験について説明する。
真空排気した真空チャンバ１０１内のステージ１２１に被成膜基板１７０として１４００ｍｍ×１１００ｍｍのガラス基板（厚み：４ｍｍ）を設置し、ステージ１２１に内蔵されているシースヒータを用いて２００℃に加熱した。次に、電極ブロック１２３と被成膜基板１７０との間隔が５ｍｍになるようにステージ１２１の高さ位置を設定した。この状態で、成膜ガス供給ポート１０５にＳｉＨ_４ガスとＨ_２ガスをそれぞれ１ｓｌｍと５０ｓｌｍの流量で供給し、プラズマ空間１６０内のガス圧力が１０００Ｐａとなるよう排気速度を調整した。ガス圧力が安定した後、シャワープレート１２２側に６０ＭＨｚの高周波電力を給電してＳｉＨ_４／Ｈ_２混合プラズマを発生させ、高周波電力を２０ｋＷ給電した状態で２０分間成膜を行った。

図１に示す装置を用いてシリコン薄膜の成膜実験を行ったところ、得られた薄膜の平均膜厚２μｍに対して、面内の膜厚分布は±６％の範囲内に収まった。作製した薄膜を太陽電池に利用することを想定して、ラマン分光法によって結晶シリコンの形成比率を調査したところ十分なピーク強度比率が得られ、上記形成比率の面内均一性も実用範囲内であることを確認することが出来た。このことから、実用的な基板サイズにおいても、特性の優れたシリコン膜の成膜が可能であるとの結論を得た。
一方、特許文献１で開示されている接地ストラップによる構成を用いた場合、同じ条件で膜厚１μｍのシリコン薄膜を成膜すると、面内の膜厚分布は平均値に対して±３８％の範囲になり、実用性の低い結果となった。

本実施の形態では、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ＳｉＨ_４とＨ_２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。

実施の形態２.
図４は、摺動する電気接点を用いた第２の実施の形態の構成を概略的に示す、プラズマ装置１００の部分断面図である。図４には、接地用の通電部材として、被成膜基板１７０の搭載面上のステージ１２１外周部に固定され、シャワープレート１２２側に略直角に屈曲した形状のコンタクトフィンガ１４４が示されている。略直角に屈曲して上方に伸びる部分はプラズマ空間１６０内部と向かい合う平面部を有している。

実施の形態１のコンタクトフィンガ１４１と較べると、本実施の形態のコンタクトフィンガ１４４は以下の（１）〜（３）のような新たな効果が得られる。
（１）略半円弧状の摺動部はシャワープレート１２２側に近づいているため、結果として電気接点が給電線側に近づくことから、接地インピーダンスがさらに低減する。
（２）プラズマ空間１６０側に対向する平面部が防着板の機能を兼ねることから、ステージ１２１側の防着板１５１を省略できる。防着板１５２と組み合わせて用いることで、発生したパーティクルをほぼ完全にポンプ側へ落下させることが出来る。
（３）ステージ１２１上面に固定部があるので、真空チャンバ１０１を上下のフランジで開けて、大気開放した状態における取り外し及び取り付けが容易になる。

なお、機械設計の観点から、コンタクトフィンガ１４４の屈曲部は、一定の曲率半径をもった円弧状の断面形状であることが好ましい。これによって屈曲部の応力を分散させて、板バネとしての信頼性を向上させることができる。

また、図４に示すように、本実施例においても、真空チャンバ１０１内壁面上に板状通電部材１０７を使用すれば、真空チャンバ１０１内壁面の磨耗を防止出来る。

コンタクトフィンガ１４４の固定部については、図４に示すようにステージ１２１外縁部を絶縁カバー１５４で覆ってもよい。絶縁カバー１５４はコンタクトフィンガ１４４の固定部の凸形状を隠して平坦面とし、プラズマに対する影響を除去することが出来る。また、被成膜基板１７０とほぼ同じ厚みを有するように設定すれば、被成膜基板１７０外周における膜の不均一性を緩和する効果が期待できる。

したがって、上記の構成からなるプラズマＣＶＤ装置を用いることにより、ステージが移動しての基板搬入、搬出が可能、且つ大面積の薄膜を均一、高速かつ安定に成膜することが可能となる。

実施の形態３.
図５は、摺動する電気接点を用いた第３の実施の形態の構成を概略的に示すプラズマ装置１００の部分断面図である。この実施の形態では、ステージ１２１の被成膜基板１７０搭載側の面に固定され、真空チャンバ１０１側部分がシャワープレート１２２側方向に突出した形状のコンタクトフィンガ１４５が用いられている。真空チャンバ１０１側に固定された板状通電部材１０８はコンタクトフィンガ１４５の摺動部と接触して電気接点を形成する通電部材である。板状通電部材１０８のステージ１２１側には防着板１０９が設けられている。

例えば、接地用の通電部材である、コンタクトフィンガ１４５は図６の斜視図に示すような形状を有している。押え部材１４３を介して、ねじ１４２を通して固定するための穴部２０３、実施の形態１および実施の形態２のコンタクトフィンガと同様に摺動して電気接点を形成する略半円弧状に曲がった曲面部２０１、板状通電部材１０８および防着板１０９が挿入されるＴ字形スリット２０２を有している。

図７は、コンタクトフィンガ１４５に板状通電部材１０８および板状の防着板１０９が挿入され、曲面部２０１と板状通電部材１０８が接触した状態を示す平面図である。板状通電部材１０８は真空チャンバ１０１の内壁面上にあって、たとえば真空チャンバ１０１内壁面に垂直に立てられており、摺動面はステージ１２１の移動方向と平行になっている。板状の防着板１０９は、板面がプラズマ空間１６０内部に対向する平面となるように板状通電部材１０８の面と互いに交わる方向に固定されており、断面が略Ｔ字形状となるように一体化している。コンタクトフィンガ１４５の摺動面は板状通電部材１０８の表裏を成している互いに対向する２つの平面からなり、それぞれの平面が曲面部２０１が接触して電気接点を形成する。接地経路を短縮する作用については実施の形態２と同様である。

上記のような構造を取ることにより、板状通電部材１０８上の摺動面がプラズマ空間１６０側から真空チャンバ１０１側を臨む方向に対して平行に位置し、さらに、防着板１０９によってプラズマ空間１６０から見て板状通電部材１０８上の摺動する接触面を遮蔽しているため、接触面への膜の堆積を大幅に抑制できる。また、接触面上に堆積した膜が飛散した場合も、防着板１０９によって遮られて落下するためプラズマ空間１６０側にパーティクルが侵入することはない。なお、防着板１０９は板状通電部材１０８に対して必ずしも直角になっている必要は無く、プラズマ空間１６０に対向していれば良い。

また、ひとつの板状通電部材１０８の両面に摺動面が設置されているため、次のような効果が得られる。
ステージ１２１の移動方向に対して板状通電部材１０８がわずかに傾いている場合や、コンタクトフィンガ１４５が傾いている場合でも、少なくとも板状通電部材１０８上の向かい合う２つの面のいずれかで電気接点が形成されて導通状態が維持される。この作用により、装置の公差に限界のある大型のプラズマ装置においても、接地経路が安定に維持される。

なお、本実施の形態の変形例として、真空チャンバ１０１側にコンタクトフィンガ１４５を固定し、ステージ１２１の外周部に板状通電部材１０８を固定しても同様の作用効果を得ることが出来る。

実施の形態４．
図８は実施の形態４におけるプラズマ装置について、ステージ１２１の接地機構の構成を概略的に示す断面図である。本実施の形態における通電部材であるコンタクトフィンガ１４６は、実施の形態３で用いられたコンタクトフィンガ１４４と比較すると略半円弧状の摺動部の向きが真空チャンバ１０１側ではなく、防着板１５２側に向いている点が異なっている。
シャワープレート１２２を支持している上フランジ１０３に固定された板状の防着板１５２を導電性の材料として、ステージ１２１からの接地経路としてコンタクトフィンガ１４６と防着板１５２を経由して上フランジ１０３に至る経路が形成している。すなわち、防着板１５２はシャワープレート１２２側の上フランジ１０３に固定されて通電部材の機能を兼ねている。形態としては、シャワープレート１２２に対して通電部材が相対的に固定されて、ステージ１２１の移動によって電気接点が摺動する。したがって、板状の防着板１５２は、電気接点をプラズマから遮蔽する遮蔽部材としての機能と通電部材としての機能を併せ持っていることから、両者を一体化したものと見なすことが出来る。
この場合の接地経路は、下フランジ１０２を経由する場合と較べて経路が短縮されており、さらに接地インピーダンスを低減することが出来る。
発生したパーティクルがコンタクトフィンガ１４６上に落下する可能性に対しては、ステージ１２１からステージ面に平行に延びている部分にスリットを設けて、パーティクルが落下しやすいようにすることができる。

その他、上記の構成では、ステージ１２１の移動方向と真空チャンバ１０１内壁面の平行関係を考慮する必要が無い。代わりに上フランジ１０３の位置を正確に決める必要があるが、下フランジ１０２に位置決めピンを立てるなど、一般的な機械的手段で十分な精度を得ることが出来る。したがって、特に大型の被成膜基板１７０を処理するために必要な大型の真空チャンバ１０１で許容される寸法公差が大きくなって、装置の製造コストが抑制される。

上記の構成からなるプラズマＣＶＤ装置を用いることにより、ステージが移動しての基板搬入、搬出が可能、且つ接地インピーダンスが小さいことから、ＶＨＦ帯の周波数領域において安定な高周波放電が得られ、大面積の薄膜を均一、高速かつ安定に成膜することが可能となる。

なお、本発明のプラズマ装置は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、イオン注入装置などにも適用することが出来る。

また、この発明のプラズマ装置を縦型の装置に適用する場合は、パーティクルがプラズマ空間１６０に落下することの無いように、プラズマ空間１６０上方の防着板およびコンタクトフィンガの形状、寸法を適宜調整すればよい。どちらの型に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。この発明については、上述した以外にも種々の変形、修飾、組み合わせ等が可能である。

１０１真空チャンバ
１０２下フランジ
１０３上フランジ
１０４ゲートバルブ
１０５成膜ガス供給ポート
１０６排気ポート
１０７、１０８板状通電部材
１０９防着板
１１１高周波電源
１１２整合器
１１３給電バー
１２１ステージ
１２２シャワープレート
１２３電極ブロック
１３１、１３２、１３３絶縁スペーサ
１４１、１４４、１４５、１４６コンタクトフィンガ
１４２ねじ部材
１４３押え部材
１５１、１５２防着板
１５４絶縁カバー
１６０プラズマ空間
１７０被成膜基板
１８０シールドボックス
２０１曲面部

Claims

導電性の真空チャンバと、
前記真空チャンバと絶縁されて設置されたガスの供給口を有するシャワープレートと、
前記シャワープレートに対向して設置された基板を搭載するステージと、
前記シャワープレートに高周波電力を給電する給電手段と、
前記真空チャンバを接地する接地手段と、
前記ステージを移動させて前記ステージと前記シャワープレートとの間隔を調整するステージ移動機構と、
前記ステージの外周部に固定された、前記外周部と前記真空チャンバとの間を短絡する導電性の通電部材とを有し、
前記通電部材は前記ステージの移動に沿って摺動する電気接点を形成し、
前記電気接点は前記高周波電力によって前記シャワープレートと前記基板との間に発生した前記ガスのプラズマから遮蔽されていることを特徴とするプラズマ装置。
前記通電部材は、前記真空チャンバの内壁部分に固定された前記真空チャンバと異なる材質からなる第２通電部材と接触して前記電気接点を形成することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ装置。
前記通電部材は、前記ステージ上の前記基板の搭載面側に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ装置。
前記電気接点を、前記ステージの前記基板の搭載面より前記シャワープレート側方向に離れた位置に形成していることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ装置。
前記電気接点は、前記ステージの移動方向と平行な、板状の前記通電部材または板状の前記第２通電部材の表面の、互いに対向する二つの平面上に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ装置。
前記電気接点は板状の遮蔽部材によって前記プラズマから遮蔽されており、
前記板状の遮蔽部材は、前記通電部材または前記第２通電部材と一体である
ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ装置。
前記真空チャンバは前記ステージの前記基板の搭載面に対して平行なフランジで開閉可能であり、
前記第２通電部材は前記接地手段の側の前記真空チャンバに対して固定されている
ことを特徴とする請求項２に記載のプラズマ装置。
前記基板を搭載した前記ステージが前記シャワープレートに接近する方向に移動して前記電気接点を形成した後、化学気相蒸着法により成膜を行い、
成膜完了後に前記ステージが前記シャワープレートから遠ざかる方向に移動して
前記ステージ上から前記基板が搬送されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のプラズマ装置を用いる半導体薄膜の製造方法。