【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、グロー放電分解法を用いたアモルファス半導体薄膜の製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、不純物制御技術の成功によりアモルファスシリコン，アモルファスゲルマニウム，アモルファスシリコンゲルマニウム等のいわゆるアモルファス半導体が新規半導体材料として注目され、特に太陽光エネルギ変換素子等デバイスへの実用化研究が活発に進められている。

【０００３】このような、アモルファス半導体は周知の技術であるグロー放電分解法（プラズマＣＶＤとも称されている。）により作成されている。 このような、従来のアモルファス半導体製造の代表例として、特開平７−
９９１５９号公報に提案されている方法の概略を以下に説明する。

【０００４】図１０は、従来のダイオード方式による容量結合型プラズマＣＶＤ装置の概略図を示す。 図１０に示すように、反応容器０１内のカソード電極０２及びアノード電極０３間にメッシュ発熱体としてステンレス製のメッシュ電極０４が配設されている。 ここで、カソード電極０２とメッシュ電極０４との間の距離は４０ｍ
ｍ、メッシュ電極０４とアノード電極０３との間の距離は２０ｍｍとしており、メッシュ電極０４はカソード電極０２，アノード電極０３の両電極とは接地されておらず、浮遊電位状態である。 そして、外部に設けた加熱用電源０５とはトランス０６でつながっており、スライダック０７によって、その電圧を調整することで、メッシュ電極０４に流れる電流量を制御している。 基板はアノード電極０３上にステンレス治具で密着性良く固定されている。

【０００５】成膜前に準備として、吸着した不純物をできるだけ排気するために反応容器０１の壁，基板，メッシュ電極０４を十分に加熱した後に、所定の温度まで下げて２×１０ ^-8 Torr程度の真空度まで排気している。 この真空排気はターボ分子ポンプに接続している高真空排気口０８より排気され、成膜中は、メカニカルブースターポンプとロータリーポンプに接続している圧力調整用排気口０９からの排気により、反応容器０１内を一定圧力に保っている。

【０００６】そして、原料ガスとして純モノシランガスを反応容器０１内に導入し、高周波電源０１０よりカソード電極０２，アノード電極０３間に13.56 ＭＨｚの高周波電圧を印加し、成膜条件としてＳｉＨ ₄流量：２SC
CM, rfパワー:1W/cm ² , 圧力:0.03Torr,基板温度:250
℃，メッシュ温度:75 〜400 ℃により、１〜２μｍの膜厚で水素化非晶質シリコン膜が成膜される。

【０００７】このようにして得られた水素化非晶質シリコン膜上に、真空蒸着法によってアルミニウム（Ａｌ）
のコプラナー電極を0.２ｍｍ間隔で形成し、そして定常光電流法（ＣＰＭ法とも称される。）により、これら試料における半導体中の欠陥密度の定量が行われる。

【０００８】メッシュ電極０４の温度を横軸に、欠陥密度を縦軸にした両者の関係を図１１に図示する。 通常の基板温度、すなわち、２５０℃で形成したときの欠陥密度は１０ ¹⁵個／ｃｍ ³程度であるが、メッシュ電極０４
を２００℃に加熱した場合には、１０ ¹⁴個／ｃｍ ³まで約一桁低下している。

【０００９】この高品質成膜のメカニズムは気相への熱エネルギの供給によるもので気相中ラジカルの温度上昇により、基板表面での膜形成にてラジカル拡散長増大で欠陥が低減される結果として、膜中の欠陥密度が低減できると、みられている。 すなわち、反応容器内にメッシュ発熱体を配置し、反応の成長中に上記メッシュ発熱体を加熱することによって、気相中に熱エネルギを与えると、基板表面に付着するラジカル（ＳｉＨ ₃ ，ＳｉＨ ₂
等）そのもののエネルギ状態が高くなることにより、これらが成長表面に到達した後の表面上における拡散距離が、実際の基板温度における拡散距離よりも大きくなるのである。 そして反応容器内の圧力は極めて低いため、
メッシュ発熱体から基板への熱伝導は殆ど問題にならないのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の技術では、欠陥密度１０ ¹⁴個／ｃｍ ³台の高品質アモルファスシリコン膜を形成できるものの、気相中のラジカルを加熱するために、メッシュ発熱体を用いるので、以下のような課題がある。

【００１１】 メッシュ発熱体にもアモルファスシリコン膜が付着し、例えば図１２に示すように、メッシュ発熱体であるメッシュ電極０４にアモルファスシリコン膜０１１が付着してその開口部０４ａの面積が小さくなるという問題がある。 このため、基板表面に付着するラジカル流が少なくなり、成膜速度は、約１Å／ｓないしは、２Å／ｓが限界である。 上記メッシュ電極０４へのアモルファスシリコン膜付着量が、基板成膜回数毎に増大し、図１３に示すように、成膜速度の経時変化が発生する、という問題がある。 このことは、例えば太陽電池及びディスプレイ用薄膜トランジスタ等の製造への応用では、引き続いて実施する基板への成膜毎に成膜速度を予め測定する必要が生じ、或いは上記応用での成膜プロセスでの膜厚の管理に不確定さが生じ、製造する製品性能の再現性及び信頼性が著しく低下する。 したがって、アモルファスシリコンの研究には使用することができるものの、工業的応用には利用することができない、という致命的な問題がある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発明のアモルファス半導体薄膜の製造装置は、反応容器内に配設された基板上にアモルファスシリコン薄膜を成膜するアモルファス半導体薄膜の製造装置において、基板とグロー放電プラズマを発生させるラダーアンテナ型電極との間に、上記基板の表面を加熱する基板表面加熱ヒータを設けてなり、該表面加熱温度を制御するヒータが棒状の所定間隔を有する線材により形成されてなることを特徴とする。

【００１３】上記アモルファス半導体薄膜の製造装置において、上記基板表面加熱ヒータをコンデンサを介して接地したことを特徴とする。

【００１４】上記アモルファス半導体薄膜の製造装置において、上記反応容器内には、反応ガスが投入されるガス混合箱が配設され、該ガス混合箱の基板に面する側に開口部を有し、該開口部を覆うようにラダーアンテナ型電極が配設されていることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るアモルファス半導体薄膜の製造装置の実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

【００１６】本発明のアモルファス半導体薄膜の製造装置概略図を図１乃至図３に示す。 ここで、図１はプラズマＣＶＤ装置の断面図、図２はプラズマＣＶＤ装置に用いられるラダーアンテナ型電極の概略図及び図３は基板表面加熱ヒータの概略図を示す。 図１に示すように、反応容器１１内には、内部に加熱ヒータ１２を有する基板加熱ヒータ本体１３が配設されており、該基板加熱ヒータ本体１３の表面に設けられた基板１４を直接加熱するようにしている。

【００１７】また、該基板１４の図中上面側には、基板表面加熱ヒータ１５が配設されており、基板１４の上方からその表面を加熱するようにしている。 上記基板表面加熱ヒータ１５は、図２に示すように、一本の線材により同一平面内でヒータを構成するものであり、直線ヒータ部分１６ａとＵ字ヒータ部分１６ｂとを連結して線材ヒータ１６を形成してなるものである。 該線材ヒータ１
６の両端部には、電力供給線１７ａ，１７ｂ及び電流導入端子１８ａ，１８ｂを介して基板表面加熱用電源１９
より電力が供給されている。

【００１８】一方、図１に示すように、反応容器１１内の上方側には、ガス混合箱２０が配設されており、外部よりガス導入管２１を介して反応ガス（ＳｉＨ ₄ ）２２
を導入している。 該ガス混合箱２０には、該ガス混合箱２０の基板１４に面する側に開口部２０ａが形成されており、該開口部２０ａを覆うように（或いは塞ぐように）グロー放電プラズマを発生させるラダーアンテナ型電極２３が配置されており、供給される反応ガス２２をグロー放電プラズマ化している。 これにより、供給される反応ガス２２がすべて、上記ラダーアンテナ型電極２
３の間を通過するようになり、効率的な反応が可能となる。 上記ラダーアンテナ型電極２３は、図３に示すように、２本の棒状の枠材２４に該枠材２４と直交する方向に設けたハシゴ状のラダー部材２５とから電極を構成してなり、該電極２３の電力供給点２６ａ，２６ｂには、
電力供給線２７ａ，２７ｂ及び電流導入端子２８ａ，２
８ｂを介して、高周波電源２９及びインピーダンス整合器３０により電力が供給されている。

【００１９】上記反応ガス導入管２１は、図示してない反応ガス供給装置及び反応ガス混合箱２０と組み合わせて使用することにより、任意の流量の反応ガスをラダーアンテナ型電極２３の方へ吐出するようにしている。 なお、上記反応容器１１内のガスは、排気口１１ａを通して図示しない真空ポンプにより外部に排気されている。

【００２０】また、上記製造装置において、上記反応ガスのグロー放電プラズマ化によって、該基板の表面に例えばアモルファスシリコン系の薄膜が形成されるが、該基板表面の温度は、該薄膜の物性値を大きく左右する要因となるので、温度計によって、監視して基板温度を制御することが重要である。

【００２１】ここで、図１に示すように、上記基板加熱ヒータ本体１３は、その内部に配置された加熱ヒータ１
２及び冷却管３１並びに予め該ヒータ本体の内部に設置されている第１の温度計（例えば熱電対方式温度計）３
２と組み合わせて用いることにより、後述する基板１４
の温度を任意の値に設定することができる。 また、基板１４の表面の温度は、該基板表面に予め設置された第２
の温度計（例えば熱電対方式温度計）３３で測定されている。

【００２２】なお、基板表面加熱用電源には、直流電源，商用周波数電源（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）及び半波，
全波整流器を内蔵した電源等を適宜使用することができる。

【００２３】また、上記基板表面加熱ヒータ１５は、上記ラダーアンテナ型電極２３が発生する電界・磁界により、誘導された高周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）の電圧が発生（誘導ノイズ）するので、高周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）の電圧を接地するのに高周波除去コンデンサ（例えば１３．５６ＭＨｚのとき、６００ｐ
Ｆ）３４を介して誘導ノイズを除去する。

【００２４】次に、図１に示した装置を用いて、高品質アモルファスシリコン膜を製造する場合の実施例を説明する。

【００２５】先ず、図１に示す装置を用い、基板加熱ヒータ本体１３及び基板表面加熱ヒータ１５の基本特性を確認した。 反応容器中にＳｉＨ ₄を流量８０ＳＣＣＭで供給し、図示しない圧力計にて圧力を５０ｍＴｏｒｒとした。 この条件にて測定した基板表面加熱ヒータ１５の温度（図示してないが、例えば極細（１５μｍ径）の熱電対をヒータ表面に取付け計測）と基板表面温度（第２
の温度計３３の出力）の関係を図４に示す。

【００２６】基本特性確認試験は、実際の成膜を模擬する為に、各条件毎に１０回基板を出し入れした。 図４において、測定値のバラツキ（Ｉ印）は第２の温度計３３
を設けた基板１４を反応容器１１より出し入れして、１
０回測定した結果のバラツキを示す。 但し、基板加熱ヒータ本体１３の温度は１２０℃とした。

【００２７】更に、上記条件にて、基板表面加熱ヒータ１５の温度を室温とし、基板加熱ヒータ本体１３によってのみ加熱した場合のヒータの温度と基板加熱表面の温度の関係を把握した。 その結果を、図５に示す。

【００２８】図５において、測定値のバラツキ（Ｉ印）
は第２の温度計３３を設けた基板１４を反応容器１１より出し入れして、１０回測定した結果のバラツキを示す。 なお、図４及び図５において、基板表面加熱ヒータ１５の使用及び不使用でばらつきが大きく異なるのは、
図６に示すように、基板表面加熱ヒータ１５の使用時（温度Ｔｗ）は、基板１４の表面側（Ｔｓ）が、基板裏側の温度より高いので、基板１４と基板加熱ヒータ本体１３との接触状況の影響が少ないのに対し、他方、基板表面加熱ヒータ１５を用いない場合は、図６に点線で示すように、基板１４は基板加熱ヒータ本体１３の表面（Ｔｈ）側からのみ熱を受けるので、その接触状況の影響が大きいものと考えられる。

【００２９】次に、基板表面加熱ヒータの有無の条件でプラズマ電位分布をプローブ法（ラングミュアプローブ法とも称する。）で測定した。 その結果を図７に示す。
図７に示すように、基板表面加熱ヒータ１５を用いて加熱する場合には、基板１４の表面と基板表面加熱ヒータ１５の間のプラズマ電位が、該ヒータ１５とラダーアンテナ型電極２３の間のプラズマ電位に比べて約１／４に小さくなっている。 すなわち、基板１４の表面近傍のプラズマは弱々しく、ＳｉＨ ₄のグロー放電プラズマによる分解，解離が行われていないことを示している。

【００３０】この現象は、高品質のアモルファスシリコン膜の製造に極めて重要である。 すなわち、図７において、基板表面加熱ヒータ１５でプラズマが遮蔽された効果が存在することから、基板１４の表面に到達可能なラジカルは長寿命のＳｉＨ ₃ラジカルが支配的であり、短寿命のＳｉＨ ₂ラジカルは途中で、例えばＳｉＨ ₂ ＋Ｈ
₂ →ＳｉＨ ₄等に変化する。 従って、この状態においては、ＳｉＨ ₃ラジカルを主体とする高品質膜すなわち低欠陥密度の膜形成が可能となる。 なお、基板表面温度の高低は到達したＳｉＨ ₃ラジカルの基板表面上での拡散距離の長短に関係することから、その温度の高精度制御もより一層に重要な要因である。 上記の知見を基に、以下に示すようにして、アモルファスシリコン膜を製造した。

【００３１】＜代表的成膜条件＞ ＳｉＨ ₄流量：８０ＳＣＣＭ 圧力：５０ｍＴｏｒｒ ＲＦパワー：５０Ｗ 基板表面温度：１４０〜２２０℃ 基板加熱ヒータ線材間隔：１〜２０ｍｍ 基板：コーニング社製７０５９ガラス ＜成膜方法＞ 厚さ1.1 ｍｍのガラス基板を中性洗剤で超音波洗浄したあと、純水で水洗，乾燥し、更にアセトンでついでエタノールにて洗浄，乾燥する。 該ガラス基板を図１に示した装置の基板加熱ヒータに設置する。 反応容器を真空排気し、２×１０ ^-8 Torr 程度まで真空度を保つ。 次に、基板加熱ヒータ及び基板表面加熱ヒータを所定の温度に保ちつつ、ひき続き、真空排気を続行し、反応容器内の不純物をベーキングにより排除する。 反応容器内のクリーン度は、図示しない質量分析計でモニタし、所定のクリーン度に達した後、反応ガス導入管２１により、ＳｉＨ ₄ガスを供給する。 ＳｉＨ ₄ガスの流量を８０ＳＣＣＭ，圧力を５０ｍＴｏ
ｒｒに設定し、かつラダーアンテナ型電極に供給のＲＦ
電力を５０Ｗとし、基板表面温度を１４０℃乃至２２０
℃及び基板表面加熱ヒータ線材間隔を１ｍｍ乃至２０ｍ
ｍとして、アモルファスシリコン膜を膜厚１μｍにて製造した。 製造したアモルファスシリコン膜の欠陥密度を測定するため、該膜上に真空蒸着法によりアルミニウム（Ａｌ）のコプラナー電極を0.２ｍｍ間隔で形成した。
そして、定常光電流法（ＣＰＭ法）により、上記アモルファスシリコン膜の欠陥密度を測定した。

【００３２】その結果を図８に示す。 図８に示すように、基板表面加熱ヒータ１５及び基板加熱用ヒータ１３
を組み合わせて用いることにより、基板表面温度を１６
０℃乃至２００℃に保ち、且つ該基板表面加熱ヒータ１
５のプラズマ遮蔽効果を活用することにより、欠陥密度が１０ ¹⁴個／ｃｍ ³の高品質アモルファスシリコン膜が得られた。 また、基板表面加熱用ヒータ１５の線材ヒータ１６の線材間隔を１ｍｍ乃至２０ｍｍとして、成膜時間依存性、すなわち、膜厚３０００Åの膜を約１００回成膜するのに相当する膜厚：約３０μｍを、それぞれ成膜し、成膜速度の変化を測定した。 但し、該ヒータの線材１６の直径は0.２ｍｍであった。 その結果を図９に示す。

【００３３】図９より、該ヒータの線材間隔が３ｍｍ以上であれば、成膜速度の成膜時間依存性はほとんどないことが判明した。 すなわち、図９は、初期成膜速度を（Ｒ ₀ ）、膜厚約３０００Å膜を約１００回成膜したことに相当する膜厚３０μｍを成膜した時点での成膜速度をＲ ₁₀₀とし、成膜速度の低減率を［１−（Ｒ ₁₀₀ ／Ｒ
₀ ）］で定義し、該低減率を図示したものである。 図９
によると、該ヒータの線材間隔が３ｍｍ以上であれば、
該ヒータに付着のアモルファスシリコン膜による閉塞はほとんど無いことが判明した。

【００３４】なお、上記基板表面加熱ヒータの線材の線径を約１ｍｍとした場合についても、図８及び図９とほぼ同様な場合の結果であった。 更に、高周波電源の周波数は、１３．５６ＭＨｚの他に、３０ＭＨｚを用いた結果、図７のプラズマ電位分布は、プラズマ電圧が低下する傾向にあった。 すなわち、膜質はより高品質になる傾向があった。

【００３５】

【発明の効果】以上、実施の形態と共に説明したように、本発明は、反応容器内に配設された基板上にアモルファスシリコン薄膜を成膜するアモルファス半導体薄膜の製造装置において、基板の加熱温度を制御するヒータが棒状の線材により形成されてなるので、該棒状の線材からなる線材ヒータを用いて、基板の表面の温度を精度よく制御でき、成膜プロセスでの膜厚の管理が容易となる。

【００３６】また、高周波成分の誘起電圧をアースに短絡する手段としてコンデンサを付加したので、プラズマ源のラダーアンテナ型電極で発生する電界に侵されず、
ノイズ電圧を誘起せず、基板表面加熱ヒータが第２の電極となることが防止される。

【００３７】高周波電力で反応ガス（例えばＳｉＨ ₄ ）
をプラズマ化し、ＳｉＨ ₃及びＳｉＨ ₂等多種類のラジカルを作って、そのラジカルを基板表面へ拡散させることでアモルファスシリコン系薄膜を形成させるが、本発明ではその際に、上記プラズマを基板の表面側に設けた基板表面加熱ヒータによって遮蔽し、上記プラズマが基板表面近傍で発生しないようにした。 なお、この効果は、上記各種ラジカルの中で長寿命すなわち、拡散長が最も長いＳｉＨ ₃ラジカルのみが支配的に基板表面に到達可能となり、高品質の薄膜の形成が可能となる。

【００３８】本発明では、電極として反応ガス供給で圧損の少ないラダーアンテナ型電極を用いたことにより、
反応ガス供給制御が精度よく実施可能となり、従来のようなプラズマ発生源として陰極及び陽極と称される２枚１対の平行平板電極を用いた場合のような、反応ガスの圧損による制御が困難となることが防止された。

【００３９】さらに、本発明では、上記アモルファス半導体薄膜の製造装置において、上記反応容器内には、反応ガスが投入される箱状のガス混合箱が配設され、該ガス混合箱の基板に面する側に開口部を有し、該開口部を覆うようにラダーアンテナ型電極が配設されているので、供給される反応ガスがすべて、上記ラダーアンテナ型電極の間を通過するようになり効率的な反応が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアモルファス半導体薄膜の製造装置の概略図である。

【図２】本発明の基板表面加熱ヒータの概略図である。

【図３】本発明のラダーアンテナ型電極の概略図である。

【図４】基板表面加熱ヒータの温度と基板表面の温度との関係図である。

【図５】基板加熱ヒータ本体の温度と基板表面の温度との関係図である。

【図６】基板加熱の各位置での温度の状態を示す図である。

【図７】プラズマ電位と基板表面加熱の有無による状態を示す図である。

【図８】基板表面温度と欠陥密度との関係を示す図である。

【図９】基板表面加熱ヒータの線材の間隔と成膜速度の低減率との関係図である。

【図１０】従来のプラズマＣＶＤ装置の概略図である。

【図１１】従来のプラズマＣＶＤ装置のメッシュ電極温度と欠陥密度との関係図である。

【図１２】メッシュ電極にアモルファスシリコン膜が付着した状態を示す図である。

【図１３】従来のプラズマＣＶＤ装置を用いた成膜回数と成膜速度との関係を示す図である。

【符号の説明】

０１ 反応容器 ０２ カソード電極 ０３ アノード電極 ０４ メッシュ電極 ０５ 加熱用電源 ０６ トランス ０７ スライダック ０８ 高真空排気口 ０９ 圧力調整用排気口 １１ 反応容器 １２ 加熱ヒータ １３ 基板加熱ヒータ本体 １４ 基板 １５ 基板表面加熱ヒータ １６ 線材ヒータ １７ａ，１７ｂ 電力供給線 １８ａ，１８ｂ 電流導入端子 １９ 基板表面加熱用電源 ２０ ガス混合箱 ２０ 開口部 ２１ ガス導入管 ２２ 反応ガス（ＳｉＨ ₄ ） ２３ ラダーアンテナ型電極 ２４ 枠材 ２５ ラダー部材 ２６ａ，２６ｂ 電力供給点 ２７ａ，２７ｂ 電力供給線 ２８ａ，２８ｂ 電流導入端子 ２９ 高周波電源 ３０ インピーダンス整合器 ３１ 冷却管 ３２ 第１の温度計 ３３ 第２の温度計 ３４ 高周波ノイズ除去コンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青井 辰史 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 高野 暁己 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内