JP3980314B2 - Plasma processing apparatus and plasma processing method - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板や液晶表示装置の薄膜トランジスタの製造における薄膜形成処理、エッチング処理または表面改質処理に用いられるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
今日、半導体装置などの製造プロセスにおいて、プラズマを利用した、薄膜形成、エッチング、表面改質などの処理が必要不可欠となっている。これらのプラズマを利用した処理（以下、プラズマ処理）では、液晶ディスプレイや太陽電池等などの大型化、量産化にともない処理面積の大型化、処理速度の向上および処理品質の向上が求められている。
【０００３】
次にプラズマ処理の現状について説明する。プラズマ処理の代表的な薄膜形成処理であるプラズマＣＶＤ法は、たとえば次のように薄膜が形成される。形成されるシリコン膜としては、代表的にはシリコン多結晶薄膜、シリコン微結晶薄膜、非晶質シリコン薄膜がある。また、シリコン化合物薄膜としては、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、珪化金属膜などがある。プラズマＣＶＤ法で量産性を向上させるには、製膜速度を向上させることが有効である。製膜速度を向上させることは、（ａ)高周波電力を高めるか、または（ｂ）原料ガスの供給量を増加させることにより、実現される。
【０００４】
しかしながら、高周波として１３．５６ＭＨｚのＲＦ帯高周波を用い、従来の方法にしたがって高周波電力を高めて薄膜形成を行うと、高周波電力の増大にともない多量のパウダーが発生する問題を生じる。このため、パウダーが基板に付着して、膜質の劣化、ひいては歩留りの低下を引き起こす。また、原料ガスの供給量を増加させる方法も同様の問題を生じる。このため、上記の方法では製膜速度を大きく向上させることは、実現不可能である。
【０００５】
良好な膜質の確保と高い製膜速度との両立という課題の解決策として、高周波電力の高周波数化が有望視されている。上記ＲＦ帯高周波よりもさらに周波数を増加させたＶＨＦ帯高周波電力を用いることにより、プラズマ温度の低減と、プラズマ密度の向上とがともに得られることが知られている。このため、ＶＨＦ帯高周波電力を用いることにより、高品質の薄膜を高速で形成することが期待される。
【０００６】
しかしながら、ＶＨＦ帯高周波はＲＦ帯高周波よりも波長が短いため、高周波電極の寸法が大きくなるほど、プラズマに及ぼす電極上で発生する定在波の影響が大きくなる。このため、プラズマの面内均一性が悪くなる。たとえば薄膜形成の場合には、膜厚や膜特性の面内均一性の劣化、またエッチングの場合にはエッチングレートの面内均一性の劣化を引き起こしてしまう。さらに周波数が高くなるほど浮遊容量の影響が大きくなり、電極間以外での高周波電力の損失が大きくなる。この結果、安定したプラズマ生成が困難になる。
【０００７】
とりわけ、カソード電極の中心からずれた位置に給電した場合、周波数が高いほど、または電極の最大寸法が大きいほど、プラズマ処理の不均一性が大きくなる。電極の最大寸法が１ｍ近い被処理装置では、１３．５６ＭＨｚの周波数を用いたときでさえ、カソード電極裏面の略中央に給電されるのが一般的である。たとえば、４０ｃｍ角程度の大きさの梯子型の高周波電極の場合でも、端部に給電したときには高い周波数では大きなプラズマ分布が生じ、給電位置を電極の端部から電極の中央付近に変えることにより、プラズマ分布の均一性が改善されることが報告されている(Y.Mashima:Jpn.J.Phys.38(1999)4305)。しかし、ＶＨＦ帯高周波を用いた場合、カソード電極裏面の略中央に給電を行っても、大面積の処理を行なうことは実用上困難である。
【０００８】
このような問題に対処するために、ＶＨＦ帯高周波を用いて大面積処理を可能にするプラズマＣＶＤ装置が開示された（特開2000-268994）。このプラズマＣＶＤ装置では、図１５に示すように、ガス導入手段１５１と、真空排気手段１５２とを備えた反応容器１０４において、高周波電源１０１から高周波電力が給電される。この高周波電力は、電力モニタ１０８、整合器１０９および分配器１０７を経た後で、複数に分割された電極１２１，１２２，１２３，１２４の各々の中央部１１０に給電される。このため、電極から基板に向かう方向であるｘ方向の電界Ｅｘを、比較的均一な分布とすることができる。この結果、複数に分割された電極の中央部に高周波電力を供給することにより、大面積でも均一なプラズマ分布を得ることが可能になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開2000-268994に開示されたプラズマＣＶＤ装置では、プラズマの均一性を向上させるために、電極の中央部に給電位置１１０が配置されている。しかし、高周波電力を部分電極の中央部に給電する構成では、プラズマ処理装置設計上の自由度が制限される。すなわち、電極の中央部に給電位置１１０を配置した給電形態では、給電部がプラズマ処理の妨げとなり、給電部のない主面側でしかプラズマ処理ができない。すなわち、電極の一方の面側（おもて面側）および他方の面側（裏面側）の両方で並行して基板を処理することができない。したがって、高周波電極の両方の面を用いて、高い生産性をもってプラズマ処理することができない。
【００１０】
また、本発明者らは、上記複数に分割された高周波電極を用いて、(ａ)その電極の外周端部に、(ｂ)同位相の給電を行った場合について、詳細な検討を行った。まず、高周波を印加する電極として、５０ｃｍ角のステンレス鋼鈑の電極４個を互いに２０ｍｍ離間させて四隅に配した四角形の電極を設定した。本発明者らは、その電界強度分布を電磁界計算により求めた。各々の部分電極には、１００ＭＨｚの高周波電力を同出力かつ、上述（ｂ）のように、同位相となるように給電する条件を採用した。給電箇所は、上述（ａ）のように、部分電極によって構成される電極における外周端部の互いに対向する２辺に対応する部分電極の端部に配置した。ここで、部分電極から基板へと向かう方向をｘ方向とする。上記電磁界計算で得られたｘ方向の電界Ｅxの強度分布を図１６に示す。
【００１１】
図１６のＡ部では、各部分電極の端部に近づくほど電界Ｅxが大きく増大している。この増大は、各々の部分電極に給電される高周波電力の重畳によるものである。また、部分電極の間隙のＢ部では、電界Ｅxが小さくなる。部分電極の端部や間隙におけるこのような電界Ｅxの増減は、対応する位置でプラズマが不均一になることを意味する。このような不均一なプラズマによって処理を行なうと、処理結果の不均一性に問題を生じ、品質の劣化を招来することは明らかである。上記の結果は、均一なプラズマを生成させるためには、高周波電極を単に複数の部分電極に分割するだけでは不十分なことを示している。
【００１２】
本発明は、処理速度の向上および処理品質の向上ならびに大面積化を可能とするプラズマ処理装置およびプラスマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置は、高周波電源と、基板に処理を施す処理室とを備え、処理室内において、電極に高周波電源から高周波電力を給電してプラズマを発生し、基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置である。このプラズマ処理装置では、電極が、所定の間隙をあけて位置する複数の部分電極から構成され、高周波電力が部分電極の各々に印加される印加点が、電極の外周端部に位置し、隣り合って位置する２つの部分電極に印加される高周波電圧の位相が異なるように、高周波電力の給電経路に位相差生成手段を備える。隣り合う部分電極の間隙に配置され、その両側の部分電極の主面よりも基板配設部側に突き出ている誘電体を備える（請求項１）。
【００１４】
電極の端部に高周波電圧の印加点（高周波電力の給電点）を設けることにより、電極の両方の面の側においてプラズマ処理をすることが可能となる。その結果、大面積のプラズマ処理を高能率で行うことが可能となる。上記の印加点は、電極の外周端部であれば、電極面上の端縁部でもよいし、または電極の側面上である側端部でもよい。
【００１５】
また、上記の基板は、プラズマ処理が施される被処理材をすべて含むものである。形状を問わず、原材料、中間原料、半製品、製品を問わず、半導体基板、ガラス基板等を問わず、対象となる。
また、上記の誘電体が隣り合う部分電極の間隙に配置されている構成により、各部分電極の間隙部における電界による不均一なプラズマ生成を防止することができる。
また、上記の誘電体が、その両側の部分電極の主面よりも基板配設部側に突き出ている構成により、各間隙部の部分電極の表面付近において強い電界がかかる領域を誘電体で占めることができる。このため、不均一部を構成する上記の領域でのプラズマ生成を防止することができる。
【００１６】
上記のプラズマ処理装置では、電極は、四角形が対辺の中央どうしを結ぶ交差する線状間隙によって分割され隔てられた形状および配置を有する、部分四角形の部分電極４つを備え、印加点は、部分電極の外縁辺に１つずつ設けられ、その配置が、四角形の第１の辺に対応する位置に２つ、その第１の辺に対向する第２の辺に対応する位置に２つとされることができる（請求項２）。
【００１７】
この構成によれば、４つの部分電極の相対する外側２方から高周波電力を電極内の間隙部で衝突させるように給電する。この結果、間隙部に近い部分電極近傍における過大な電界を互いに打ち消し合うことにより、均一な電界強度の分布を得ることができる。
【００１８】
上記のプラズマ処理装置では、上記の高周波電圧の位相の差を、１２０°〜２４０°の範囲内とすることが好ましい（請求項３）。
【００１９】
電極の端部に高周波電力を給電しても、位相を１２０°〜２４０°の範囲内にずらせて高周波を給電することにより、間隙付近の部分電極の端部において、高周波を干渉させ、互いに打ち消すことができる。このため、同位相で高周波を給電した場合に比べて、間隙付近の電極端部に生じる過大な電界を防止し、間隙を除いて平坦な電界分布を得ることができる。このため、プラズマ密度分布を電極全体にわたって均一にすることができる。
【００２４】
上記のプラズマ処理装置では、高周波電源と、部分電極とを結ぶ高周波伝送路に、高周波電力をパルス状に変調する変調電源が配設されることができる（請求項４）。
【００２５】
この構成により、各部分電極に給電する高周波電力がオフになる時間では、プラズマ励起強度が低くなり、処理プロセスに寄与するラジカル等の拡散が生じる。このため、各部分電極の間隙付近での不均一部を構成するプラズマを緩和することができる。この結果、大面積の基板を均一にプラズマ処理することが可能となる。さらに、高周波電力がオフとなる時間では、プラズマ励起強度が低くなりラジカルの重合反応が抑止されるので、パウダーの発生を低減することができる。
【００２６】
上記のプラズマ処理装置では、基板配設部が、電極の一方の主面側において所定の距離をあけて対向する第１の基板配設部と、電極の他方の主面側において所定の距離をあけて対向する第２の基板配設部とから構成されることができる（請求項５）。
【００２７】
上記のように、電極の端部に高周波電圧の印加点（高周波電力の給電点）を設け、基板配設部を電極の両方の面側に設けることにより、給電部分に妨げられることなく電極の両側にプラズマを生成することができる。この結果、高能率でプラズマ処理を基板に施すことが可能になる。
【００２８】
上記のプラズマ処理装置では、誘電体が、一方の主面側においてその主面よりも第１の基板配設部側に突き出ており、かつ他方の主面側においてその主面よりも第２の基板配設部側に突き出ていることができる（請求項６）。
【００２９】
この構成により、電極の両方の面側において部分電極の間隙部での不均一電界による不均一プラズマ部生成を防止することができる。
【００３０】
上記のプラズマ処理装置では、部分電極の差し渡し最大長さが、高周波の波長の１／４以下であることができる（請求項７）。
【００３１】
この構成により、各部分電極の面上で定在波の発生を防止することができる。この結果、大面積の基板に対して、より均一なプラズマ処理を施すことが可能になる。
【００３２】
上記のプラズマ処理装置では、高周波の周波数が２０ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの範囲とすることができる（請求項８）。
【００３３】
この構成により、プラズマ中の電子密度を増大させ、かつプラズマポテンシャルを低く抑えることができる。このため、プラズマ処理の高速化とプラズマ処理の品質を向上させることができる。
【００３４】
本発明のプラズマ処理方法は、所定の間隙をあけて位置する複数の部分電極から構成される電極の外周端部である部分電極の端部の印加点に、隣り合って位置する２つの部分電極の位相が異なるように高周波電圧を印加する（請求項９）。
【００３５】
この構成により、電極の外側から内側に向けて高周波電力を供給することにより、電極内部の間隙付近の部分電極の端部において、高周波を干渉させ、互いに打ち消すことができる。このため、間隙部を除いて平坦な電界分布を得ることができる。このため、プラズマ密度分布を電極全体にわたって均一にすることができる。
【００３６】
本発明のプラズマ処理方法では、隣り合う２つの部分電極に給電される高周波電圧の位相の差を１２０°〜２４０°の範囲として基板にプラズマ処理を施すことができる（請求項１０）。
【００３７】
電極の端部に高周波電力を給電しても、位相を１２０°〜２４０°の範囲内にずらせて高周波を給電することにより、間隙付近の部分電極の端部において、高周波を互いに打ち消すことができる。
【００３８】
本発明のプラズマ処理方法では、高周波の周波数を２０ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの範囲とすることができる（請求項１１）。
【００３９】
この構成により、プラズマ中の電子密度を増大させ、かつプラズマポテンシャルを低く抑えることができる。このため、プラズマ処理の高速化とプラズマ処理の品質を向上させることができる。
【００４０】
上記のいずれかのプラズマ処理方法によってプラズマ処理が施されることにより、目的とする基板を得ることができる。また、上記のいずれかのプラズマ処理方法によって薄膜が形成された最大寸法が１ｍ以上の基板であって、その薄膜の膜厚分布が１０％以内であるものとできる。
【００４１】
上記の基板は、いずれも大面積であっても均一にプラズマ処理が高能率で施されたものであり、安価で品質に優れたものを得ることができる。
【００４２】
半導体装置は、上記のいずれかの基板を備えることができる。
【００４３】
上述のように、上記基板は大面積であっても安価で品質が優れている。このような基板を備えることにより、安価で品質に優れた半導体装置、たとえば大面積の液晶表示装置を提供することが可能となる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
（本発明の理論的背景）
（ａ） 複数の部分電極に印加する高周波電圧の位相差
本発明のプラズマ処理装置は、高周波電力が供給される電極は部分電極から構成され、かつ高周波電力は電極の端部に給電される。部分電極の端部に給電された高周波は、反応容器内で近傍の部分電極へも伝搬し、相互に影響を及ぼしあう。先述した通り、各部分電極に同位相の高周波電力を給電する場合、各部分電極の間隙に近い表面上では、各々の高周波の畳重により、図１６のＡ部のように電界が過大となる箇所を生じる。本発明では、高周波電力を電極の端部に供給する。しかし、各部分電極に給電する高周波電圧の位相を調整して、各部分電極面上の間隙に近いところでの電界を互いに打ち消すようにする。この結果、電極の端部に高周波電力を供給しても、電極全体でほぼ一様な電界強度を得ることが可能となる。
【００４５】
次に位相をずらして各部分電極に高周波電圧を印加した場合の電磁界計算の結果を紹介する。この計算を行う条件として、図１に示す電極を仮定する。図１において、高周波電力の給電位置１０は各部分電極の側端部である。この給電位置１０は、同時に電極全体の側端部でもある。本発明では、上記の給電位置１０は、部分電極によって構成される電極の端部とする。
【００４６】
４つの部分電極のうち、任意に第１の部分電極２１に着目する。この第１の部分電極２１と隣り合う第２の部分電極２２および２３に給電される高周波電圧の位相は、第１の部分電極２１に給電される高周波電圧の位相に対して１３５°ずらされるものと仮定する。第１の部分電極２１とは隣接せず、第２の部分電極２２および２３とは隣り合う第３の部分電極２４に給電される高周波電圧の位相は、第１の部分電極２１に給電される高周波電圧の位相と同じとする。また、高周波電圧は各部分電極の端部に印加するものとする。なお、本説明において隣り合うとは、平面的に見て線状の境界間隙をもって隣り合うことをさす。すなわち、上記２つの部分電極２１および２４は、隣り合う関係にはない。
【００４７】
上記仮定の下に、本発明者らが電磁界計算を行って、基板方向の電界Ｅxの分布を求めた。その結果を図２に示す。図２によれば、間隙部に近接した部分電極端部における過大な電界が抑制されている。この結果、各部分電極に給電する高周波電圧の位相を調整することにより、より均一なプラズマ処理を大きな面積の基板に施すことが可能となることが分かった。
【００４８】
さらに、位相のずれを種々変化させて同様の検討を行った結果、間隙近くの部分電極端部に生じる過大な電界を抑制するには、隣り合う部分電極に給電する高周波電圧の位相を１２０°〜２４０°の範囲内でずらすことが有効であることが分かった。すなわち、隣り合う部分電極に印加される高周波電圧の位相差を１２０°〜２４０°とすることにより、図２に示すように、各部分電極の面上において均一な電界強度分布を得られることが分かった。
【００４９】
各部分電極に給電される高周波電圧の位相調整は、キャパシタンスやインダクタンスを用いた位相調整器を高周波伝送線路に設けることにより可能である。また、各部分電極に向けて幹線から分岐した高周波伝送線路の長さに差を設けることにより可能である。
【００５０】
（ｂ） 部分電極間に配置される誘電体
隣り合う部分電極間に給電される高周波電圧に位相差がある場合には、隣り合う部分電極間に電位差が生じる。この電位差により、位相の異なる隣り合う部分電極に向かう強い電界が各部分電極の間隙に生じる。この各部分電極の間隙における強い電界で形成される不均一なプラズマ生成を解消する手法として、該複数の部分電極間に誘電体を挿入することが有効である。これにより、各部分電極の間隙部での電界による不均一なプラズマ生成を防ぐことが可能となる。さらに好ましくは、部分電極間の誘電体を部分電極面よりも基板側に突出させることで、各部分電極の間隙部の表面付近における強い電界がかかる領域を誘電体で占めることにより、不均一なプラズマ生成を防ぐことができる。
【００５１】
（ｃ） パルス状高周波電力
各部分電極の間隙付近で形成される不均一な電界を解消する手法として、各々の部分電極に対し、パルス状に変調された高周波電力を給電することも有効である。各部分電極に給電する高周波電力がオフとなる時間では、プラズマ励起強度が低くなり、処理プロセスに寄与するラジカル等の拡散が生じることによって、各部分電極の間隙付近で形成される不均一なプラズマが緩和される。その結果、大面積にわたる均一なプラズマ処理が可能となる。また、高周波電力がオフとなる時間では、プラズマ励起強度が低くなりラジカルの重合反応が抑止されることから、パウダーの発生が低減できる。
【００５２】
（ｄ） その他
（ｄ１）本発明の分割した各部分電極の端部へ位相をずらした高周波電圧を給電するプラズマ処理装置は、カソード電極裏面の略中央に給電する形態にとらわれることがなく、装置設計上の自由度が広がると共に、複数の部分電極の両主面側に基板を配設して、同時にプラズマ処理することが可能となり、処理能力を向上せしめる。このような複数の部分電極の両主面側に基板を配設した構造においては、各部分電極の間隙部での電界による不均一なプラズマ生成を防ぐために、部分電極間に挿入した誘電体が、該複数の部分電極の両主面より基板側に突出していることが好ましい。
【００５３】
（ｄ２）また、分割した各部分電極の端部への給電位置は、基板の略中心に対して略対称となる位置に配置されていることが好ましい。
【００５４】
（ｄ３）また、本発明のプラズマ処理装置において、各部分電極の最大寸法を、給電する高周波の波長の１／４以下とすることにより、各部分電極面上で定在波が発生することを防止できるので、大きな面積の基板に対して、より均一なプラズマ処理を施すことが可能となる。
【００５５】
（ｄ４）各部分電極に給電される高周波電圧の周波数を２０〜５００ＭＨｚの範囲とすることで、プラズマ中の電子密度を増大させ、かつ、プラズマポテンシャルを低く抑えることができるので、処理の高速化と処理品質の向上が同時に可能となる。
【００５６】
本発明のプラズマ処理装置ならびにプラズマ処理方法は、半導体装置の製造工程における薄膜形成、エッチング、および表面改質等のプラズマ処理において、処理能力向上に対応した被処理面積の大型化、処理速度の向上および処理品質の向上をなし得るものである。また、そのプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を用いて作製された半導体装置は、処理される基板を高性能かつ安価に提供できるという利点を有する。
【００５７】
以下、本発明の実施例を、複数の平板状角型部分電極が平板状に配設されてなる高周波電極を有するプラズマＣＶＤ装置により説明する。しかし、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。例えば、部分電極の形状も角型に限定されるものではなく、棒型、円板型、梯子型、球状等でもよい。また、各部分電極の配置も平板状に限定されるものではなく、線状の電極を同心円状に配置したものなどでもよい。また、プラズマ処理としてＣＶＤ処理に限定されるものではなく、プラズマを用いたエッチング処理などでも同様に処理品質を向上させることができる。
【００５８】
（実施例１）
本例に使用したプラズマＣＶＤ装置の略断面図を図３に示す。ガス導入手段５１と真空排気手段５２を備えたステンレス鋼製の反応容器４の内部に、複数の部分電極２１〜２４に分割されてなる平板状の電極２を配置している。高周波電力の給電位置１０は、電極２の側端部に位置している。これらの部分電極は、いずれも、基板３を載置する平板状のステンレス鋼製の基板配設部３１と平行となるように対向して配置されている。反応容器４と基板配設部３１は電気的に接地されている。一方、複数の部分電極２１〜２４に分割されてなる電極２は反応容器４と電気的に絶縁されている。
【００５９】
電極２の構成は、図１の斜視図に示すものを用いた。すなわち、電極２は４つの部分電極２１〜２４に分割されている。各々の部分電極は５０ｃｍ角のステンレス鋼平板であり、これらを全体で正方形状となるように配設して、平板状の電極とする。隣り合う部分電極を２０ｍｍ離間させることで、各々の部分電極２１〜２４は互いに電気的に分離されている。
【００６０】
高周波電源１から発振された高周波は、分配器７によって４本の高周波伝送線路に分配される。各々の高周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタ８１〜８４、整合器９１〜９４および位相調整器７１〜７４を経て、図３に示すように各々の部分電極２１〜２４の側端部の給電位置１０に給電される。本例においては、高周波電力を給電する電極の端部を、図１に示すように、各電極の側面の略中央とした。各部分電極２１〜２４に給電する高周波電圧の位相を可変とする位相調整器７１〜７４はインダクタンスおよびキャパシタンスから構成される電気回路である。また、各部分電極２１〜２４ごとに設けられた電力モニタ８１〜８４の値を読み取り、整合器９１〜９４によって調整することで、各部分電極２１〜２４に給電される高周波電力が調整される。
【００６１】
本例では、原料ガスにモノシランと水素を用いて非晶質シリコン薄膜を製膜した。主な製膜条件は次の通りである。
【００６２】
１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄膜が堆積されたガラス基板を反応容器４から取出し、ガラス基板の縦および横方向に対して９等分となるように切断して膜厚測定用サンプルを８１個作製した。段差計を用いて、それらのサンプル中心部の膜厚測定を行い、平均膜厚と膜厚分布を評価した結果、平均膜厚１１００ｎｍ、膜厚分布は１４％となった。最も膜厚の大きい場所は、部分電極の間隙部直上であった。なお、８１個のサンプルの（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）を膜厚分布として求めた。
【００６３】
（比較例１）
主な製膜条件は実施例１と同様にして、給電する高周波電圧を全て同位相として製膜を行ったところ、膜厚分布は３５％となった。
【００６４】
（実施例２）〜（実施例７）
主な製膜条件は実施例１と同様にして、給電する高周波電圧の位相のずれを９０°、１２０°、１８０°、２２５°、２４０°、２７０°に変化させた時の膜厚分布を図５に示す。いずれも部分電極の間隙部直上で膜厚が大きかったものの、特に位相のずれが１２０°〜２４０°の範囲では、膜厚分布は１５％程度と良好であった。これらのように、各部分電極ごとに給電する高周波電圧の位相をずらす、特に望ましくは、位相のずれを１２０°〜２４０°の範囲とすることで、大面積にわたり均一な製膜を行うことが可能である。
【００６５】
（実施例８）
本例に使用したプラズマＣＶＤ装置の構成図を図６に示す。ガス導入手段５１と真空排気手段５２を備えたステンレス鋼製の反応容器４内部に、複数の部分電極２１〜２４に分割されてなる平板状の高周波電極２を配置した。平板状高周波電極２は、基板３を載置するステンレス鋼製の基板配設部３１と平行となるように対向して配置されている。反応容器４と基板３を載置するステンレス鋼製の基板配設部３１は電気的に接地されている。一方、複数の部分電極２１〜２４に分割されてなる高周波電極２は反応容器４と電気的に絶縁されている。各々の部分電極は５０ｃｍ角のステンレス鋼平板であり、これらを全体で正方形状となるように配設して、平板状の高周波電極とする。隣り合う部分電極を２０ｍｍ離間し、その間隙部に比誘電率９．７のアルミナ磁器からなる誘電体６を配置することで、各々の部分電極２１〜２４は互いに電気的に分離されている。
【００６６】
誘電体６は昇降機構６１により、上下に昇降可能である。昇降機構６１は高真空直線導入端子（図示せず）により真空を破らずに手動で昇降可能な機構とした。本例における高周波電極と誘電体の斜視構造を図７に示す。誘電体６の表面と部分電極２１〜２４の表面の相対距離をＸｍｍで表わす。本例においては、誘電体６の表面と部分電極の表面の相対距離は０ｍｍとした。本例において誘電体６は、部分電極の間隙を完全に埋めているため、部分電極と接しており、かつ、アース電位である反応容器４の壁とも昇降機構６１を通じて接した構造となっている。しかし、部分電極および、装置壁と接していることは、本質的ではなく、部分電極に接していない場合においても、あるいは装置壁に接していない場合においても、本発明の効果は得られる。
【００６７】
高周波電源１から発振された高周波は、分配器７によって４本の高周波伝送線路に分配され、各々の高周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタ８１〜８４、整合器９１〜９４および位相調整器７１〜７４を経て、各々の部分電極２１〜２４の端部に給電される。本例においては、高周波電力を給電する電極の端部を、図７に示す各電極の側面の略中央とした。各部分電極２１〜２４に給電する高周波電圧の位相を可変とする位相調整器７１〜７４はインダクタンスおよびキャパシタンスから構成される電気回路である。また、各部分電極２１〜２４ごとに設けられた電力モニタ８１〜８４の値を読み取り、整合器９１〜９４によって調整することで、各部分電極２１〜２４に給電される高周波電力が調整される。
【００６８】
本例では、原料ガスにモノシランと水素を用いて非晶質シリコン薄膜を製膜した。製膜条件は、実施例１と同じとした。そして、各部分電極２１〜２４に給電する高周波電圧も実施例１と同じとした。すなわち、部分電極２１と部分電極２４に給電する高周波電圧は同位相、部分電極２２と部分電極２３に給電する高周波電圧は同位相である。そして、部分電極２１と部分電極２４に給電する高周波電圧と、部分電極２２と部分電極２３に給電する電圧とは互いに位相を１３５°ずらしている。このとき、各部分電極２１〜２４へ給電される高周波電力が同じとなるように調整した。
【００６９】
１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄膜が堆積されたガラス基板を反応容器４から取出し、ガラス基板の縦および横方向に対して９等分となるように切断して膜厚測定用サンプルを８１個作製した。段差計を用いて、それらのサンプル中心部の膜厚測定を行い、平均膜厚と膜厚分布を評価した結果、平均膜厚１０００ｎｍ、膜厚分布は９．５％となった。これは、部分電極間に誘電体を挿入したことにより、部分電極の間隙部直上の膜厚の増大が抑制されたためだと考えられる。
【００７０】
（実施例９）〜（実施例１４）
主な製膜条件は実施例８と同様にして、誘電体６を昇降させ、誘電体６の面と部分電極２１〜２４の面との相対距離を変化させたときの膜厚分布を図８に示す。誘電体面の位置は、部分電極面を原点の０とし、基板３に近づく向きを正の方向として表わし、−０．５、０．５、１、２、３、４ｍｍの６点でサンプルを作製した。図８には、誘電体面の位置０ｍｍの実施例８、および誘電体の挿入されていない実施例１も含めて表示している。
【００７１】
図８より、誘電体が基板方向に突出していることが望ましく、とりわけ、本例においては突出長が３ｍｍ以下である場合に、膜厚分布は１０％未満と良好であり、突出長２ｍｍのとき膜厚分布は最小で５％となった。誘電体の突出長と各部分電極の間隙部での膜厚との関係は、突出長が大きくなるにしたがって、間隙部での膜厚が小さくなる結果が得られた。本例においては、誘電体の突出長が３ｍｍを超えると、各部分電極の間隙部での膜厚が部分電極面上での膜厚よりも小さくなった。誘電体の突出長を大きくすることで、隣り合う部分電極間にかかる電界を抑制する効果が大きくなるためである。
【００７２】
（実施例１５）
図９に、本例に使用したプラズマＣＶＤ装置の模式図を示す。本例のプラズマＣＶＤ装置は、変調用電源１５を備えており、高周波電源１から供給される高周波電圧をパルス変調することにより、各部分電極２１〜２４の端部に給電する高周波電圧をパルス状にオン・オフして繰り返し給電することができる。本例においては、図７に示した高周波電極２を用い、誘電体の突出長を２ｍｍとした。本例では、各部分電極２１〜２４に給電する高周波電圧に対して、デューティー比５０％、１００ｋＨｚのパルス変調を行った。オン・オフするタイミングは各部分電極２１〜２４で同じとした。それ以外の条件は実施例１と同様にして製膜した結果、膜厚分布は４％であった。また、パウダーの発生も認められなかった。
【００７３】
（実施例１６）
本例に使用したプラズマＣＶＤ装置の略断面図を図１０に示す。ガス導入手段５１と真空排気手段５２を備えたステンレス鋼製の反応容器４内部に、複数の部分電極２１〜２４に分割されてなる平板状の高周波電極２を配置した。また、その複数の部分電極の両主面側に基板３、１３を載置するステンレス鋼製の基板配設部３１、１４を、高周波電極２に平行となるように対向して配置した。反応容器４と基板３、１３を載置するステンレス鋼製の基板配設部３１、１４は電気的に接地されている。一方、複数の部分電極２１〜２４に分割されてなる高周波電極２は反応容器４と電気的に絶縁されている。図１１に示すように、高周波電極２の部分電極は５０ｃｍ角のステンレス鋼平板であり、これらを全体で正方形状となるように配設して、平板状の高周波電極とする。隣り合う部分電極を２０ｍｍ離間し、その間隙部に比誘電率９．７のアルミナ磁器からなる誘電体６を挿入することで、各々の部分電極２１〜２４は互いに電気的に分離されている。本例における高周波電極と誘電体の斜視構造を図１１に示す。誘電体６は、複数の部分電極の両主面側において、部分電極表面より基板側へ２ｍｍ突出している。
【００７４】
高周波電源１から発振された高周波は、分配器７によって４本の高周波伝送線路に分配され、各々の高周波伝送線路ごとに設けられた電力モニタ８１〜８４、整合器９１〜９４および位相調整器７１〜７４を経て、各々の部分電極２１〜２４の端部に給電される。本例においては、高周波電力を給電する電極の端部を、図１１に示す各電極の側面の略中央とした。各部分電極２１〜２４に給電する高周波電圧の位相を可変とする位相調整器７１〜７４はインダクタンスおよびキャパシタンスから構成される電気回路である。また、各部分電極２１〜２４ごとに設けられた電力モニタ８１〜８４の値を読み取り、整合器９１〜９４によって調整することで、各部分電極２１〜２４に給電される高周波電力が調整される。
【００７５】
本例では、原料ガスにモノシランと水素を用いて、複数の部分電極の両主面に対向する基板配設部に配設された２枚のガラス基板に対して、同時に非晶質シリコン薄膜の製膜を行った。製膜条件は、実施例１と同じとした。そして、各部分電極２１〜２４に給電する高周波電圧も実施例１と同じとした。すなわち、部分電極２１と部分電極２４に給電する高周波電圧は同位相、部分電極２２と部分電極２３に給電する高周波電圧は同位相である。そして、部分電極２１と部分電極２４に給電する高周波電圧と、部分電極２２と部分電極２３に給電する電圧とは互いに位相を１３５°ずらしている。このとき、各部分電極２１〜２４へ給電される高周波電力が同じとなるように調整した。
【００７６】
１時間の製膜処理の後、非晶質シリコン薄膜が堆積された２枚のガラス基板を反応容器４から取出し、各々ガラス基板の縦および横方向に対して９等分となるように切断して１枚のガラス基板あたりの膜厚測定用サンプルを８１個作製した。段差計を用いて、それらのサンプル中心部の膜厚測定を行い、各々のガラス基板に製膜された非晶質シリコン薄膜の平均膜厚と膜厚分布を評価した結果、一方は、平均膜厚９５０ｎｍ、膜厚分布は６．７％が得られ、もう一方は、平均膜厚９７０ｎｍ、膜厚分布は６．５％が得られた。
【００７７】
このように、本発明により、複数の部分電極の両主面に対向するように基板を配設して、同時にプラズマ処理することが可能となり、処理能力が向上する。
【００７８】
上述の各実施例においては、１枚の大きさが５０ｃｍ角である正方形状の部分電極を複数枚並べたものとしたが、その形状は、長方形、多角形、円形等種々の形状であってもよく、各部分電極の最大寸法が、給電する高周波電圧の波長の１／４以下である場合に、特に顕著な効果が得られる。
【００７９】
（実施例１７）
本例では、図９に示すプラズマＣＶＤ装置を用いて、非晶質シリコン薄膜からなる光電変換層を形成することで、薄膜太陽電池を作製した。本例において作製した薄膜太陽電池の略断面図を図１２に示す。基板として８０ｃｍ角で厚さ１．１ｍｍのガラス基板１１を用い、この上に透明電極３２として、スパッタリング法によりＺｎＯを約１μｍの膜厚となるように形成した。その後、透明電極３２が形成された側が複数の部分電極からなる高周波電極２に対向するように、基板１１をプラズマＣＶＤ装置の反応容器内部に装入する。透明電極３２の上に、膜厚３０ｎｍのｐ型非晶質シリコン薄膜３３、膜厚３００ｎｍのｉ型非晶質シリコン薄膜３４、膜厚３０ｎｍのｎ型非晶質シリコン薄膜３５の順に製膜することで光電変換層を形成した。
【００８０】
ｐ、ｉ、ｎ型各々の非晶質シリコン薄膜の製膜条件を以下に示す。なお、給電した高周波の周波数は、いずれの場合も１００ＭＨｚとした。この時の各部分電極２１〜２４に給電する高周波電圧の波形図を図４に示す。部分電極２１と部分電極２４に給電する高周波電圧は同位相である。また、部分電極２２と部分電極２３に給電する高周波電圧は同位相である。そして、部分電極２１と部分電極２４に給電する高周波電圧と、部分電極２２と部分電極２３に給電する電圧とは互いに位相を１３５°ずらしている。また、ｉ型非晶質シリコン薄膜３４の製膜の際には、各部分電極２１〜２４に給電する高周波電力をパルス変調している。
(１)ｐ型非晶質シリコン薄膜の製膜条件
【００８１】
１枚のガラス基板当たり、９個×９個の単位セル（単位セルの電極サイズ４ｃｍ角）を作成し、その光電変換効率の分布を測定した。図１３は、８１個の単位セルにおける光電変換効率の平均値を１とした時の、そのバラツキを示したものである。
【００８２】
(比較例２)
図１５に示した従来のプラズマＣＶＤ装置を用い、実施例１７と同様の製膜条件で作製した場合における、８１個の単位セルにおける光電変換効率のバラツキを、図１４に示す。
【００８３】
図１３と図１４とを比較することにより、本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いて作製した薄膜太陽電池の光電変換効率のばらつきは、従来のプラズマＣＶＤ装置を用いた場合よりも小さくなることが分かる。この結果、本発明のプラズマＣＶＤ装置およびプラズマＣＶＤ方法により、歩留の向上をなし得ることを確認できた。
【００８４】
本例では、本発明のプラズマＣＶＤ装置およびプラズマＣＶＤ方法を、非晶質シリコン薄膜を光電変換層とする薄膜太陽電池の製造プロセスに適用したが、本発明の効果はこれに限らない。例えば、多結晶シリコン薄膜の製膜、あるいは非晶質シリコン薄膜や多結晶シリコン薄膜のエッチング等においても、半導体装置の大型化や処理能力向上に対応した被処理面積の大型化や処理速度の向上、および処理品質の向上が可能であり、本発明により、膜堆積やエッチング等のプラズマ処理工程において、歩留まり、信頼性、量産性が向上されることは言うまでもない。また、薄膜太陽電池の製造プロセスのみならず、薄膜トランジスタ等の製造プロセスに適用できることは言うまでもない。
【００８５】
【発明の効果】
本発明により、高周波電極を構成する複数の部分電極の端部に高周波電力を給電し、各部分電極に給電する高周波電圧の位相をずらすことにより、各部分電極面上の間隙に近い部分におけるプラズマの不均一を解消するプラズマ処理装置が提供される。
【００８６】
したがって、本発明により、半導体装置製造プロセスにおける製膜およびエッチング工程等のプラズマ処理工程において、半導体装置の大型化や処理能力向上に対応した被処理面積の大型化や処理量・処理速度の向上、および処理品質の向上が可能であり、その結果、歩留まり、信頼性、量産性を向上させることが可能となる。
【００８７】
また、複数の部分電極の間隙に誘電体を配置することにより、さらに均一なプラズマ分布を得ることができる。さらに、部分電極間の誘電体を部分電極の面から基板側に突き出させることにより、いっそう均一性に優れたプラズマを得ることができる。また、部分電極に給電する高周波電力をパルス状に変調することにより、大面積にわたって均一なプラズマ処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態におけるプラズマＣＶＤ装置の電極の構成を示す斜視図である。
【図２】 本発明の実施の形態におけるプラズマＣＶＤ装置の電極面での電界Ｅxの強度分布を示す図である。
【図３】 本発明の実施例１におけるプラズマＣＶＤ装置を示す構成図である。
【図４】 図３のプラズマＣＶＤ装置における各々の部分電極に印可する高周波電圧の波形図である。
【図５】 各々の部分電極に印可する高周波電圧の位相のずれと膜厚分布の相関図である。
【図６】 本発明の別の態様である実施例８におけるプラズマＣＶＤ装置を示す構成図である。
【図７】 図６のプラズマＣＶＤ装置の電極部分の斜視図である。
【図８】 本発明の実施例９〜１４において、部分電極間に配置した誘電体の部分電極面よりの突出長と膜厚分布の相関図である。
【図９】 本発明のさらに別の態様である実施例１５および実施例１７におけるプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
【図１０】 本発明のさらに別の態様である実施例１６におけるプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
【図１１】 図１０のプラズマＣＶＤ装置の電極部分の斜視図である。
【図１２】 本発明の実施例１７における半導体装置である薄膜太陽電池の断面構成図である。
【図１３】 本発明の実施例１７において作製した薄膜太陽電池における光電変換効率のばらつき分布図である。
【図１４】 図１３の光電変換効率のばらつき分布と比較するために従来のプラズマＣＶＤ方法により作製した薄膜太陽電池の光電変換効率のばらつき分布図である。
【図１５】 従来のプラズマＣＶＤ装置の構成図である。
【図１６】 従来のプラズマＣＶＤ装置における電極面上の電界Ｅxの強度分布を示す図である。
【符号の説明】
１ 高周波電源、２ 電極（高周波電極）、２１〜２４ 部分電極、３，１３基板、４ 反応容器、６ 誘電体、６１ 誘電体の昇降機構、１０ 給電位置（給電点）、１１ ガラス基板、３１，１４ 基板配設部、１５ 変調用電源、５１ ガス導入手段、５２ ガス排気手段、６１ 昇降機構、７ 分配器、８１〜８４ 電力モニタ、９１〜９４ 整合器、７１〜７４ 位相調整器、３２ 透明電極、３３ ｐ型非晶質シリコン、３４ ｉ型非晶質シリコン、３５ ｎ型非晶質シリコン、３６ 裏面電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus used for thin film formation processing, etching processing or surface modification processing in the manufacture of thin film transistors for semiconductor substrates and liquid crystal display devices.andPlasma processing methodTo the lawRelated.
[0002]
[Prior art]
Today, in the manufacturing process of semiconductor devices and the like, processing such as thin film formation, etching, and surface modification using plasma is indispensable. In processing using these plasmas (hereinafter referred to as plasma processing), liquid crystal displays, solar cells, etc. are required to increase in size, increase in processing area, increase in processing speed and processing quality with mass production. .
[0003]
Next, the current state of plasma processing will be described. In the plasma CVD method, which is a typical thin film forming process of plasma processing, for example, a thin film is formed as follows. Typical examples of the silicon film to be formed include a silicon polycrystalline thin film, a silicon microcrystalline thin film, and an amorphous silicon thin film. Examples of the silicon compound thin film include a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a metal silicide film. In order to improve mass productivity by the plasma CVD method, it is effective to improve the film forming speed. Improving the film forming speed is realized by (a) increasing the high frequency power or (b) increasing the supply amount of the raw material gas.
[0004]
However, when the RF band high frequency of 13.56 MHz is used as the high frequency and the thin film is formed by increasing the high frequency power according to the conventional method, there is a problem that a large amount of powder is generated as the high frequency power increases. For this reason, the powder adheres to the substrate, causing deterioration of the film quality and, consequently, the yield. Further, the method of increasing the supply amount of the source gas causes the same problem. For this reason, it is impossible to greatly improve the film forming speed by the above method.
[0005]
Increasing the frequency of high-frequency power is considered promising as a solution to the problem of ensuring good film quality and high film-forming speed. It is known that both the reduction of the plasma temperature and the improvement of the plasma density can be obtained by using the VHF band high frequency power whose frequency is further increased than the RF band high frequency. For this reason, it is expected to form a high-quality thin film at high speed by using the VHF band high-frequency power.
[0006]
However, since the wavelength of the VHF band high frequency is shorter than that of the RF band high frequency, the influence of the standing wave generated on the electrode on the plasma increases as the size of the high frequency electrode increases. For this reason, the in-plane uniformity of plasma deteriorates. For example, in the case of forming a thin film, the in-plane uniformity of film thickness and film characteristics is deteriorated, and in the case of etching, the in-plane uniformity of etching rate is deteriorated. Furthermore, the higher the frequency, the greater the effect of stray capacitance, and the higher the loss of high-frequency power other than between the electrodes. As a result, stable plasma generation becomes difficult.
[0007]
In particular, when power is supplied to a position shifted from the center of the cathode electrode, the higher the frequency or the larger the maximum dimension of the electrode, the greater the non-uniformity of the plasma treatment. In a device to be processed whose maximum electrode size is close to 1 m, power is generally supplied to the approximate center of the back surface of the cathode electrode even when a frequency of 13.56 MHz is used. For example, even in the case of a ladder-type high-frequency electrode having a size of about 40 cm square, a large plasma distribution occurs at a high frequency when power is supplied to the end portion, and by changing the power supply position from the end portion of the electrode to the vicinity of the center of the electrode, It has been reported that the uniformity of plasma distribution is improved (Y. Mashima: Jpn. J. Phys. 38 (1999) 4305). However, when a VHF band high frequency is used, it is practically difficult to perform a large area process even if power is supplied to the approximate center of the back surface of the cathode electrode.
[0008]
In order to cope with such a problem, a plasma CVD apparatus that enables a large area process using a VHF band high frequency has been disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-268994). In this plasma CVD apparatus, as shown in FIG. 15, high-frequency power is supplied from a high-
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the plasma CVD apparatus disclosed in the above Japanese Patent Laid-Open No. 2000-268994, in order to improve the uniformity of plasma, a
[0010]
In addition, the present inventors have made a detailed study on the case where (a) the same phase power is supplied to the outer peripheral end of the electrode by using the above-mentioned divided high-frequency electrode. . First, as electrodes for applying a high frequency, four electrodes of four 50 cm square stainless steel plates were set apart from each other by 20 mm and arranged at four corners. The inventors obtained the electric field strength distribution by electromagnetic field calculation. For each partial electrode, a condition was adopted in which high-frequency power of 100 MHz was supplied with the same output and the same phase as in (b) above. As described above (a), the power feeding location was arranged at the end of the partial electrode corresponding to the two opposite sides of the outer peripheral end of the electrode constituted by the partial electrode. Here, the direction from the partial electrode toward the substrate is defined as the x direction. FIG. 16 shows the intensity distribution of the electric field Ex in the x direction obtained by the electromagnetic field calculation.
[0011]
In the portion A of FIG. 16, the electric field Ex greatly increases as it approaches the end of each partial electrode. This increase is due to the superposition of the high-frequency power supplied to each partial electrode. Further, the electric field Ex becomes small in the portion B of the gap between the partial electrodes. Such increase / decrease of the electric field Ex at the end portion or gap of the partial electrode means that the plasma becomes non-uniform at the corresponding position. Obviously, when processing is performed with such non-uniform plasma, problems occur in the non-uniformity of the processing results, leading to quality degradation. The above results show that it is not sufficient to simply divide the high-frequency electrode into a plurality of partial electrodes in order to generate a uniform plasma.
[0012]
The present invention provides a plasma processing apparatus capable of improving processing speed, improving processing quality, and increasing the area.andHow to process plasmaThe lawThe purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The plasma processing apparatus of the present invention includes a high-frequency power source and a processing chamber that performs processing on the substrate. In the processing chamber, plasma is generated by supplying high-frequency power to the electrodes from the high-frequency power source, and plasma is applied to the substrate. It is a processing device. In this plasma processing apparatus, the electrode is composed of a plurality of partial electrodes positioned with a predetermined gap, and the application point at which the high frequency power is applied to each of the partial electrodes is positioned at the outer peripheral end of the electrode and adjacent to the electrode. A phase difference generating means is provided in the high-frequency power feeding path so that the phases of the high-frequency voltages applied to the two partial electrodes positioned together are different.. Provided with a dielectric that is disposed in the gap between adjacent partial electrodes and protrudes toward the substrate placement portion side from the main surface of the partial electrodes on both sides thereof(Claim 1).
[0014]
By providing a high-frequency voltage application point (high-frequency power feeding point) at the end of the electrode, it is possible to perform plasma treatment on both sides of the electrode. As a result, large area plasma treatment can be performed with high efficiency. The application point may be an edge on the electrode surface as long as it is an outer peripheral edge of the electrode, or a side edge on the side surface of the electrode.
[0015]
Further, the substrate includes all the materials to be processed that are subjected to plasma processing. Regardless of shape, regardless of raw materials, intermediate raw materials, semi-finished products, products, semiconductor substrates, glass substrates, etc. are targeted.
In addition, the configuration in which the dielectric is disposed in the gap between adjacent partial electrodes can prevent non-uniform plasma generation due to the electric field in the gap between the partial electrodes.
Further, the dielectric occupies a region to which a strong electric field is applied in the vicinity of the surface of the partial electrode in each gap due to the configuration in which the dielectric is protruded toward the substrate disposition side from the main surfaces of the partial electrodes on both sides thereof. be able to. For this reason, it is possible to prevent plasma generation in the above-described region constituting the non-uniform portion.
[0016]
In the above plasma processing apparatus, the electrode includes four partial electrodes having a quadrangular shape and an arrangement in which the quadrangular shape is divided and separated by intersecting linear gaps connecting the centers of the opposite sides. One electrode is provided on each outer edge side of the electrode, and two arrangements are provided at positions corresponding to the first side of the quadrangle, and two positions are provided at positions corresponding to the second side opposite to the first side. (Claim 2).
[0017]
According to this configuration, power is supplied so that high-frequency power collides with the gaps in the electrodes from the two opposite outer sides of the four partial electrodes. As a result, uniform electric field strength distribution can be obtained by canceling out excessive electric fields in the vicinity of the partial electrodes near the gap.
[0018]
In the plasma processing apparatus, it is preferable that the phase difference of the high-frequency voltage is in a range of 120 ° to 240 °.
[0019]
Even if high-frequency power is supplied to the ends of the electrodes, the high-frequency power is supplied by shifting the phase within the range of 120 ° to 240 °, thereby causing high-frequency interference at the ends of the partial electrodes near the gap and canceling each other. be able to. For this reason, it is possible to prevent an excessive electric field generated at the electrode end near the gap and to obtain a flat electric field distribution excluding the gap as compared with the case where high frequency is fed in the same phase. For this reason, plasma density distribution can be made uniform over the whole electrode.
[0024]
In the above plasma processing apparatus, a modulation power source that modulates high-frequency power in a pulse shape can be disposed in a high-frequency transmission path that connects the high-frequency power source and the partial electrode.4).
[0025]
With this configuration, during the time when the high-frequency power supplied to each partial electrode is turned off, the plasma excitation intensity is reduced, and diffusion of radicals and the like contributing to the treatment process occurs. For this reason, the plasma which comprises the nonuniform part in the gap vicinity of each partial electrode can be relieved. As a result, it is possible to uniformly plasma process a large area substrate. Further, during the time when the high-frequency power is turned off, the plasma excitation intensity is lowered and the radical polymerization reaction is suppressed, so that the generation of powder can be reduced.
[0026]
In the above-described plasma processing apparatus, the substrate disposition portion has a predetermined distance on the other main surface side of the electrode and the first substrate disposition portion facing each other with a predetermined distance on one main surface side of the electrode. And a second substrate disposing portion that is opposed to each other.5).
[0027]
As described above, by providing a high-frequency voltage application point (high-frequency power feeding point) at the end of the electrode and providing the substrate disposition portion on both sides of the electrode, the feeding portion is not obstructed. Plasma can be generated on both sides. As a result, it is possible to perform plasma processing on the substrate with high efficiency.
[0028]
In the above-described plasma processing apparatus, the dielectric protrudes on the one main surface side from the main surface to the first substrate disposition portion side, and on the other main surface side, the second surface is higher than the main surface. It can protrude toward the substrate mounting part side (claim)6).
[0029]
With this configuration, it is possible to prevent generation of a non-uniform plasma portion due to a non-uniform electric field in the gap portion of the partial electrode on both surface sides of the electrode.
[0030]
In the above-described plasma processing apparatus, the maximum length of the partial electrode can be ¼ or less of the wavelength of the high frequency.7).
[0031]
With this configuration, standing waves can be prevented from being generated on the surface of each partial electrode. As a result, a more uniform plasma process can be performed on a large-area substrate.
[0032]
In the above plasma processing apparatus, the high frequency can be in the range of 20 MHz to 500 MHz.8).
[0033]
With this configuration, the electron density in the plasma can be increased and the plasma potential can be kept low. For this reason, it is possible to increase the plasma processing speed and improve the quality of the plasma processing.
[0034]
In the plasma processing method of the present invention, two partial electrodes positioned adjacent to each other at the application point at the end of the partial electrode that is the outer peripheral end of the electrode composed of a plurality of partial electrodes positioned with a predetermined gap. The high frequency voltage is applied so that the phases of9).
[0035]
With this configuration, by supplying high-frequency power from the outside to the inside of the electrode, it is possible to cause high-frequency interference at the end of the partial electrode near the gap inside the electrode and cancel each other. For this reason, a flat electric field distribution can be obtained except for the gap. For this reason, plasma density distribution can be made uniform over the whole electrode.
[0036]
In the plasma processing method of the present invention, the substrate can be subjected to plasma processing with the difference in phase of the high-frequency voltage supplied to two adjacent partial electrodes being in the range of 120 ° to 240 °.0).
[0037]
Even if high-frequency power is supplied to the ends of the electrodes, high-frequency power can be canceled at the ends of the partial electrodes near the gap by shifting the phase within the range of 120 ° to 240 ° and supplying high-frequency power. .
[0038]
In the plasma processing method of the present invention, the high frequency can be in the range of 20 MHz to 500 MHz.1).
[0039]
With this configuration, the electron density in the plasma can be increased and the plasma potential can be kept low. For this reason, it is possible to increase the plasma processing speed and improve the quality of the plasma processing.
[0040]
UpPlasma treatment is performed by any of the plasma treatment methods described above.BysubstrateCan be obtained.Also,UpA substrate having a maximum dimension of 1 m or more on which a thin film is formed by any of the plasma processing methods described above, and the thickness distribution of the thin film can be within 10%.The
[0041]
Any of the above-mentioned substrates can be obtained by being uniformly plasma-treated at a high efficiency even if it has a large area, and can be obtained at a low cost and with excellent quality.
[0042]
HalfThe conductor device can include any of the above substrates.The
[0043]
As described above, the substrate is inexpensive and excellent in quality even if it has a large area. By providing such a substrate, it is possible to provide an inexpensive and high-quality semiconductor device, for example, a large-area liquid crystal display device.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Theoretical background of the present invention)
(A) Phase difference of high frequency voltage applied to a plurality of partial electrodes
In the plasma processing apparatus of the present invention, the electrode to which high-frequency power is supplied is composed of a partial electrode, and the high-frequency power is supplied to the end of the electrode. The high frequency fed to the end of the partial electrode propagates to the neighboring partial electrodes in the reaction vessel and affects each other. As described above, when high-frequency power having the same phase is supplied to each partial electrode, the electric field becomes excessive on the surface close to the gap between the partial electrodes due to the high-frequency folding of each partial electrode as shown in part A of FIG. Produce a place. In the present invention, high frequency power is supplied to the end of the electrode. However, the phase of the high-frequency voltage supplied to each partial electrode is adjusted so that the electric fields near the gap on each partial electrode surface cancel each other. As a result, even if high-frequency power is supplied to the end of the electrode, it is possible to obtain a substantially uniform electric field strength across the entire electrode.
[0045]
Next, we introduce the results of electromagnetic field calculations when a high-frequency voltage is applied to each partial electrode while shifting the phase. The electrode shown in FIG. 1 is assumed as a condition for performing this calculation. In FIG. 1, the
[0046]
Of the four partial electrodes, attention is paid to the first
[0047]
Under the above assumption, the present inventors performed an electromagnetic field calculation to determine the distribution of the electric field Ex in the substrate direction. The result is shown in FIG. According to FIG. 2, an excessive electric field at the end of the partial electrode close to the gap is suppressed. As a result, it was found that a more uniform plasma treatment can be performed on a substrate having a large area by adjusting the phase of the high-frequency voltage supplied to each partial electrode.
[0048]
Furthermore, as a result of performing the same examination by variously changing the phase shift, in order to suppress an excessive electric field generated at the end of the partial electrode near the gap, the phase of the high-frequency voltage supplied to the adjacent partial electrode is set to 120 °. It has been found that shifting within the range of ~ 240 ° is effective. That is, by setting the phase difference of the high-frequency voltage applied to adjacent partial electrodes to 120 ° to 240 °, a uniform electric field strength distribution can be obtained on the surface of each partial electrode as shown in FIG. I understood.
[0049]
The phase adjustment of the high-frequency voltage fed to each partial electrode can be performed by providing a phase adjuster using capacitance or inductance in the high-frequency transmission line. Moreover, it is possible by providing a difference in the length of the high-frequency transmission line branched from the main line toward each partial electrode.
[0050]
(B) Dielectric disposed between the partial electrodes
When there is a phase difference in the high-frequency voltage supplied between the adjacent partial electrodes, a potential difference is generated between the adjacent partial electrodes. Due to this potential difference, a strong electric field directed to adjacent partial electrodes having different phases is generated in the gaps between the partial electrodes. Inserting a dielectric between the plurality of partial electrodes is effective as a method for eliminating the generation of uneven plasma formed by a strong electric field in the gap between the partial electrodes. As a result, it is possible to prevent non-uniform plasma generation due to the electric field in the gap between the partial electrodes. More preferably, the dielectric between the partial electrodes protrudes to the substrate side from the surface of the partial electrodes, so that a region where a strong electric field is applied in the vicinity of the surface of the gap of each partial electrode is occupied by the dielectric, thereby causing nonuniformity. Plasma generation can be prevented.
[0051]
(C) Pulsed high frequency power
As a method for eliminating the non-uniform electric field formed in the vicinity of the gap between the partial electrodes, it is also effective to supply high-frequency power modulated in a pulse shape to each partial electrode. During the time when the high-frequency power supplied to each partial electrode is turned off, the plasma excitation intensity becomes low, and diffusion of radicals and the like contributing to the treatment process occurs, resulting in nonuniform plasma formed in the vicinity of the gap between the partial electrodes. Is alleviated. As a result, uniform plasma processing over a large area is possible. Further, during the time when the high-frequency power is turned off, the plasma excitation intensity is lowered and the radical polymerization reaction is suppressed, so that the generation of powder can be reduced.
[0052]
(D) Other
(D1) The plasma processing apparatus for supplying a high-frequency voltage whose phase is shifted to the end of each divided partial electrode according to the present invention is not limited to the form of supplying power to the substantially center of the back surface of the cathode electrode, and the apparatus design is free. As the degree of spread increases, it becomes possible to dispose a substrate on both main surface sides of the plurality of partial electrodes and perform plasma processing at the same time, thereby improving the processing capability. In such a structure in which the substrates are arranged on both main surface sides of the plurality of partial electrodes, in order to prevent non-uniform plasma generation due to the electric field in the gap between the partial electrodes, a dielectric inserted between the partial electrodes is used. Preferably, the plurality of partial electrodes protrude toward the substrate side from both main surfaces.
[0053]
(D2) Moreover, it is preferable that the feeding position to the end of each divided partial electrode is arranged at a position that is substantially symmetrical with respect to the substantial center of the substrate.
[0054]
(D3) Further, in the plasma processing apparatus of the present invention, by setting the maximum dimension of each partial electrode to ¼ or less of the wavelength of the high frequency to be fed, standing waves are generated on the surface of each partial electrode. Therefore, a more uniform plasma treatment can be performed on a substrate having a large area.
[0055]
(D4) Since the frequency of the high-frequency voltage fed to each partial electrode is in the range of 20 to 500 MHz, the electron density in the plasma can be increased and the plasma potential can be kept low, so the processing speed is increased. And processing quality can be improved at the same time.
[0056]
The plasma processing apparatus and the plasma processing method of the present invention increase the processing area and increase the processing speed corresponding to the improvement of processing capability in plasma processing such as thin film formation, etching, and surface modification in the manufacturing process of a semiconductor device. In addition, the processing quality can be improved. In addition, a semiconductor device manufactured using the plasma processing apparatus or the plasma processing method has an advantage that a substrate to be processed can be provided with high performance and low cost.
[0057]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to a plasma CVD apparatus having a high-frequency electrode in which a plurality of flat rectangular partial electrodes are arranged in a flat plate shape. However, the present invention is not limited at all by this. For example, the shape of the partial electrode is not limited to a square shape, and may be a rod shape, a disc shape, a ladder shape, a spherical shape, or the like. Further, the arrangement of the partial electrodes is not limited to a flat plate shape, and linear electrodes may be arranged concentrically. Further, the plasma processing is not limited to the CVD processing, and the processing quality can be similarly improved by the etching processing using plasma.
[0058]
Example 1
A schematic cross-sectional view of the plasma CVD apparatus used in this example is shown in FIG. A flat plate-
[0059]
As the configuration of the
[0060]
The high frequency oscillated from the high
[0061]
In this example, an amorphous silicon thin film was formed using monosilane and hydrogen as source gases. The main film forming conditions are as follows.
[0062]
After the film formation process for 1 hour, the glass substrate on which the amorphous silicon thin film is deposited is taken out of the
[0063]
(Comparative Example 1)
The main film forming conditions were the same as in Example 1, and film formation was performed with all the high-frequency voltages to be fed in the same phase. The film thickness distribution was 35%.
[0064]
(Example 2) to (Example 7)
The main film forming conditions are the same as in Example 1, and the film thickness distribution when the phase shift of the high-frequency voltage to be fed is changed to 90 °, 120 °, 180 °, 225 °, 240 °, 270 °. As shown in FIG. In all cases, the film thickness was large immediately above the gap between the partial electrodes, but the film thickness distribution was good at about 15% particularly in the range of 120 ° to 240 ° in phase shift. As described above, it is possible to perform uniform film formation over a large area by shifting the phase of the high-frequency voltage supplied to each partial electrode, particularly preferably by setting the phase shift to a range of 120 ° to 240 °. Is possible.
[0065]
(Example 8)
FIG. 6 shows a configuration diagram of the plasma CVD apparatus used in this example. A flat plate-like high-
[0066]
The dielectric 6 can be moved up and down by an elevating
[0067]
The high frequency oscillated from the high
[0068]
In this example, an amorphous silicon thin film was formed using monosilane and hydrogen as source gases. The film forming conditions were the same as in Example 1. The high frequency voltage supplied to each of the
[0069]
After the film formation process for 1 hour, the glass substrate on which the amorphous silicon thin film is deposited is taken out of the
[0070]
(Example 9) to (Example 14)
The main film forming conditions are the same as in Example 8, and the film thickness distribution when the dielectric 6 is moved up and down to change the relative distance between the surface of the dielectric 6 and the surfaces of the
[0071]
From FIG. 8, it is desirable that the dielectric protrudes in the direction of the substrate. In particular, in this example, when the protrusion length is 3 mm or less, the film thickness distribution is less than 10%, and when the protrusion length is 2 mm. The minimum film thickness distribution was 5%. Regarding the relationship between the protrusion length of the dielectric and the film thickness at the gap portion of each partial electrode, a result was obtained in which the film thickness at the gap portion decreased as the protrusion length increased. In this example, when the protrusion length of the dielectric exceeded 3 mm, the film thickness in the gap portion of each partial electrode became smaller than the film thickness on the partial electrode surface. This is because by increasing the protrusion length of the dielectric, the effect of suppressing the electric field applied between the adjacent partial electrodes is increased.
[0072]
(Example 15)
FIG. 9 shows a schematic diagram of the plasma CVD apparatus used in this example. The plasma CVD apparatus of this example includes a
[0073]
(Example 16)
A schematic cross-sectional view of the plasma CVD apparatus used in this example is shown in FIG. A flat plate-like high-
[0074]
The high frequency oscillated from the high
[0075]
In this example, monosilane and hydrogen are used as the source gas, and the amorphous silicon thin film is simultaneously applied to two glass substrates disposed on the substrate disposing portion facing both main surfaces of the plurality of partial electrodes. Film formation was performed. The film forming conditions were the same as in Example 1. The high frequency voltage supplied to each of the
[0076]
After the film formation process for 1 hour, the two glass substrates on which the amorphous silicon thin films are deposited are taken out of the
[0077]
As described above, according to the present invention, it is possible to dispose the substrate so as to face both main surfaces of the plurality of partial electrodes and perform plasma processing at the same time, thereby improving the processing capability.
[0078]
In each of the above-described embodiments, a plurality of square-shaped partial electrodes each having a size of 50 cm square are arranged, but the shapes thereof are various shapes such as a rectangle, a polygon, and a circle. In particular, when the maximum dimension of each partial electrode is ¼ or less of the wavelength of the high-frequency voltage to be fed, a particularly remarkable effect can be obtained.
[0079]
(Example 17)
In this example, a thin film solar cell was manufactured by forming a photoelectric conversion layer made of an amorphous silicon thin film using the plasma CVD apparatus shown in FIG. A schematic cross-sectional view of the thin film solar cell fabricated in this example is shown in FIG. A
[0080]
The conditions for forming the p, i and n type amorphous silicon thin films are shown below. Note that the frequency of the fed high frequency was 100 MHz in all cases. FIG. 4 shows a waveform diagram of the high frequency voltage supplied to each of the
(1) Conditions for forming p-type amorphous silicon thin film
[0081]
9 × 9 unit cells (unit cell electrode size: 4 cm square) were prepared per glass substrate, and the distribution of photoelectric conversion efficiency was measured. FIG. 13 shows the variation when the average value of the photoelectric conversion efficiency in the 81 unit cells is 1.
[0082]
(Comparative Example 2)
FIG. 14 shows the variation in photoelectric conversion efficiency in 81 unit cells when the conventional plasma CVD apparatus shown in FIG. 15 is used and the film formation conditions are the same as in Example 17.
[0083]
By comparing FIG. 13 and FIG. 14, it can be seen that the variation in photoelectric conversion efficiency of the thin-film solar cell manufactured using the plasma CVD apparatus of the present invention is smaller than that in the case of using the conventional plasma CVD apparatus. . As a result, it was confirmed that the yield can be improved by the plasma CVD apparatus and the plasma CVD method of the present invention.
[0084]
In this example, the plasma CVD apparatus and the plasma CVD method of the present invention are applied to a manufacturing process of a thin film solar cell using an amorphous silicon thin film as a photoelectric conversion layer, but the effects of the present invention are not limited thereto. For example, even in the production of polycrystalline silicon thin films, etching of amorphous silicon thin films or polycrystalline silicon thin films, etc., the processing area can be increased and the processing speed can be increased in response to the increase in the size of semiconductor devices and the improvement in processing capacity. Needless to say, the present invention improves yield, reliability, and mass productivity in plasma processing steps such as film deposition and etching. Moreover, it cannot be overemphasized that it can apply not only to the manufacturing process of a thin film solar cell but to manufacturing processes, such as a thin-film transistor.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, plasma in a portion close to the gap on each partial electrode surface is obtained by supplying high-frequency power to the ends of the plurality of partial electrodes constituting the high-frequency electrode and shifting the phase of the high-frequency voltage supplied to each partial electrode. There is provided a plasma processing apparatus that eliminates non-uniformity.
[0086]
Therefore, according to the present invention, in the plasma processing step such as film formation and etching step in the semiconductor device manufacturing process, the processing area is increased in size and the processing amount / processing speed is increased corresponding to the increase in the processing capacity and the semiconductor device. In addition, the processing quality can be improved, and as a result, the yield, reliability, and mass productivity can be improved.
[0087]
Further, a more uniform plasma distribution can be obtained by disposing a dielectric in the gap between the plurality of partial electrodes. Further, by causing the dielectric between the partial electrodes to protrude from the surface of the partial electrode to the substrate side, it is possible to obtain plasma with even better uniformity. Further, by modulating the high-frequency power supplied to the partial electrodes in a pulse shape, a uniform plasma process can be performed over a large area.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an electrode of a plasma CVD apparatus in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an intensity distribution of an electric field Ex on an electrode surface of a plasma CVD apparatus in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a plasma CVD apparatus in Example 1 of the present invention.
4 is a waveform diagram of a high-frequency voltage applied to each partial electrode in the plasma CVD apparatus of FIG.
FIG. 5 is a correlation diagram between a phase shift of a high-frequency voltage applied to each partial electrode and a film thickness distribution.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a plasma CVD apparatus in Example 8, which is another aspect of the present invention.
7 is a perspective view of an electrode portion of the plasma CVD apparatus in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a correlation diagram between the protrusion length of the dielectric disposed between the partial electrodes from the partial electrode surface and the film thickness distribution in Examples 9 to 14 of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of a plasma CVD apparatus in Examples 15 and 17 which are still another aspect of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of a plasma CVD apparatus in Example 16 which is still another aspect of the present invention.
11 is a perspective view of an electrode portion of the plasma CVD apparatus in FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional configuration diagram of a thin-film solar cell which is a semiconductor device in Example 17 of the present invention.
FIG. 13 is a dispersion distribution diagram of photoelectric conversion efficiency in the thin film solar cell manufactured in Example 17 of the present invention.
14 is a variation distribution diagram of photoelectric conversion efficiency of a thin-film solar cell manufactured by a conventional plasma CVD method for comparison with the variation distribution of photoelectric conversion efficiency in FIG.
FIG. 15 is a configuration diagram of a conventional plasma CVD apparatus.
FIG. 16 is a diagram showing an intensity distribution of an electric field Ex on an electrode surface in a conventional plasma CVD apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記電極が、所定の間隙をあけて位置する複数の部分電極から構成され、
前記高周波電力が前記部分電極の各々に印加される印加点が、前記電極の外周端部に位置し、
隣り合って位置する前記２つの部分電極に印加される高周波電圧の位相が異なるように、前記高周波電力の給電経路に位相差生成手段を備え、
前記隣り合う部分電極の間隙に配置され、その両側の部分電極の主面よりも前記基板配設部側に突き出ている誘電体を備える、プラズマ処理装置。A high-frequency power source and a processing chamber for processing the substrate disposed in the substrate disposition portion, and in the processing chamber, plasma is generated by supplying high-frequency power from the high-frequency power source to the electrode, and plasma is generated on the substrate A plasma processing apparatus for performing processing,
The electrode is composed of a plurality of partial electrodes positioned with a predetermined gap,
An application point where the high-frequency power is applied to each of the partial electrodes is located at an outer peripheral end of the electrode,
A phase difference generating means is provided in the high-frequency power feeding path so that the phases of the high-frequency voltages applied to the two partial electrodes located adjacent to each other are different .
Disposed in a gap between the adjacent partial electrodes, Ru comprises a dielectric protruding to the substrate placement portion side from the main surface of both sides of the partial electrode, the plasma processing apparatus.
前記印加点は、前記部分電極の外縁辺に１つずつ設けられ、その配置が、前記四角形の第１の辺に対応する位置に２つ、その第１の辺に対向する第２の辺に対応する位置に２つとされている、請求項１に記載のプラズマ処理装置。The electrode includes four partial rectangular partial electrodes having a shape and an arrangement in which the square is divided and separated by intersecting linear gaps connecting the centers of opposite sides,
The application points are provided one by one on the outer edge side of the partial electrode, and are arranged at two positions corresponding to the first side of the quadrangle and on the second side opposite to the first side. The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein there are two corresponding positions.
対向する第２の基板配設部とから構成される、請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。The substrate disposing portion opposes the first substrate disposing portion facing a predetermined distance on one main surface side of the electrode, and a predetermined distance on the other main surface side of the electrode. composed of the second substrate placement part, a plasma processing apparatus according to any one of claims 1-4.
所定の間隔をあけて位置する複数の部分電極から構成される電極と、
隣り合って位置する前記部分電極の間隙に配置され、その両側の部分電極の主面よりも
前記基板配設部側に突き出ている誘電体とを備えた、プラズマ処理装置を用いるプラズマ処理方法であって、
前記電極の外周端部である前記部分電極の端部の印加点に、隣り合って位置する前記２つの部分電極の位相が異なるように高周波電圧を印加する、プラズマ処理方法。 A substrate placement section;
An electrode composed of a plurality of partial electrodes positioned at a predetermined interval ;
It is arranged in the gap between the partial electrodes located adjacent to each other, and is more than the main surface of the partial electrodes on both sides.
A plasma processing method using a plasma processing apparatus, comprising a dielectric projecting toward the substrate arrangement portion side,
A plasma processing method, wherein a high frequency voltage is applied to an application point at an end portion of the partial electrode, which is an outer peripheral end portion of the electrode, so that phases of the two partial electrodes located adjacent to each other are different.
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