氧化鋁的成膜方法及濺射裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明通過濺射法以穩(wěn)定的氧化度和高成膜速度進行氧化鋁的成膜。本發(fā)明的氧化鋁的成膜方法，包括：第一等離子體發(fā)生步驟，使導入有濺射氣體和反應性氣體的真空容器內發(fā)生等離子體；第二等離子體發(fā)生步驟，對鋁靶外加濺射電壓、通過靜磁場發(fā)生磁控等離子體；以及，控制步驟，控制反應性氣體向真空容器內的導入量。并且，在第二等離子體發(fā)生步驟中，對濺射電壓進行恒電壓控制；在控制步驟中，控制第二等離子體發(fā)生步驟中反應性氣體的導入量，以使濺射電流值成為目標電流值。第一等離子體發(fā)生步驟，是使用由圈數(shù)低于一圈的導體構成的高頻天線，至少使第二等離子體發(fā)生步驟中發(fā)生高頻電感耦合等離子體的步驟。
【專利說明】氧化鋁的成膜方法及濺射裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池硅基板的鈍化膜所用的氧化鋁的基于反應性濺射法的成膜技術。

【背景技術】
[0002]近年來，伴隨著太陽能電池的高效率化，需要有一種P型硅表面的有效性鈍化膜。而且，關于硅片P型面，具有正電荷的SiNx尚談不上具有合適的電場效應，理想的是要求具有負電荷的膜。
[0003]已知作為該具有負電荷的鈍化膜優(yōu)選為氧化招(Al2O3)15而且，以往為了作為鈍化膜利用氧化鋁，一直在采用ALD法或PE-CVD法。但是，ALD法的成膜速度極其緩慢、生產效率差，因此存在不適合批量生產的問題。另外，在PE-CVD法中，由于使用易燃的液體TMD(三甲基鋁)溶液，存在需要在裝置設計和原料使用中小心注意的問題。
[0004]另一方面，也有人在研究基于磁控濺射法進行的氧化鋁膜的成膜。作為薄膜形成方法的一種，磁控濺射法已在半導體、液晶顯示裝置、磁記錄裝置、光學薄膜等的制造領域中得到了廣泛的實用化。作為磁控濺射法，有:使用氧化物、氮化物、氟化物等的化合物靶，并且作為濺射電源使用高頻電源，從而形成化合物薄膜的高頻磁控濺射法(專利文獻I)；使用金屬靶，并且作為濺射電源使用直流電源的同時，導入反應性氣體，從而形成金屬氧化物、氮化物、氟化物等的薄膜的反應性DC磁控濺射法(專利文獻2)等。不論哪一種方法都按用途得到了廣泛應用。
[0005]現(xiàn)有技術文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本特開2004-31493號公報
[0008]專利文獻2:日本特開平8-232064號公報


【發(fā)明內容】

[0009]發(fā)明要解決的課題
[0010]但是，由于氧化鋁的硬度非常高、靶表面由鋁的氧化物所覆蓋的緣故，即使采用專利文獻1、2的方法，也存在難以提高成膜速度的問題。另外，在濺射法中，為了在P型Si表面形成鈍化效果高的氧化鋁膜，需要高精度且穩(wěn)定地控制所成膜的氧化鋁的氧化度。但是，當采用專利文獻1、2的方法成膜氧化鋁膜時，通常進行以電力恒定模式驅動濺射電源的控制(濺射電壓的恒功率控制)，因此，氧化鋁的氧化度會由于過渡模式中的成膜而變得不穩(wěn)定。由此，時而鋁的氧化過度、時而氧化不充分的現(xiàn)象交替地重復，存在所成膜的氧化鋁的氧化度不穩(wěn)定的問題。
[0011]本發(fā)明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供一種能夠在反應性濺射法中以穩(wěn)定的氧化度且高成膜速度來使氧化鋁成膜的技術。
[0012]解決課題的方法
[0013]為了解決上述課題，第一方式的氧化鋁的成膜方法，其是在設置有用于形成靜磁場的磁控陰極的真空容器中，以使該真空容器內的壓力達到目標壓力的方式控制并導入濺射氣體和氧的反應性氣體，從而對設置于該陰極的鋁靶進行濺射，在與該鋁靶對置的硅基板上形成氧化膜的氧化鋁的成膜方法，包括:第一等離子體發(fā)生步驟，其在導入有前述濺射氣體和前述反應性氣體的真空容器內發(fā)生等離子體；第二等離子體發(fā)生步驟，對前述鋁靶外加負電壓、由負電壓和正電壓組成的直流脈沖和交流電壓中的任意一種濺射電壓，通過前述靜磁場發(fā)生磁控等離子體；以及控制步驟，控制向前述真空容器內的前述反應性氣體的導入量，并且，前述第二等離子體發(fā)生步驟是恒電壓控制前述濺射電壓的步驟，前述控制步驟是控制前述第二等離子體發(fā)生步驟中前述反應性氣體的導入量以使流向前述磁控陰極的濺射電流值成為目標電流值的步驟，前述第一等離子體發(fā)生步驟是使用設置于前述真空容器內且由圈數(shù)低于一圈的導體構成的高頻天線，至少在前述第二等離子體發(fā)生步驟中使高頻電感耦合等離子體發(fā)生的步驟。
[0014]第二方式的氧化鋁的成膜方法，是在第一方式的氧化鋁的成膜方法中，前述目標電流值是所成膜的氧化鋁的氧化度成為化學計量學上的氧化鋁和氧化度比化學計量學上的氧化鋁低的氧化鋁的各氧化度的邊界附近的氧化度時的前述濺射電流值。
[0015]第三方式的氧化鋁的成膜方法，是在第一或第二方式的氧化鋁的成膜方法中，前述控制步驟是從前述反應性氣體的等離子體的發(fā)光強度的變化預測前述濺射電流值的變化來控制前述反應性氣體的導入量，以使前述濺射電流值成為前述目標電流值的步驟。
[0016]第四方式的氧化鋁的成膜方法，是在第一或第二方式的氧化鋁的成膜方法中，前述濺射電壓是負電壓。
[0017]第五方式的氧化鋁的成膜方法，是在第一或第二方式的氧化鋁的成膜方法中，前述目標壓力為0.2Pa以上且7Pa以下。
[0018]第六方式的氧化鋁的成膜方法，是在第五方式的氧化鋁的成膜方法中，前述目標壓力為0.4Pa以上且2Pa以下。
[0019]第七方式的氧化鋁的成膜方法，是在第一或第二方式的氧化鋁的成膜方法中，前述濺射電壓的負電壓的絕對值為100V以上且300V以下。
[0020]第八方式的氧化鋁的成膜方法，是在第七方式的氧化鋁的成膜方法中，前述濺射電壓的負電壓的絕對值為150V以上且250V以下。
[0021]第九方式的濺射裝置，其是在設置有用于形成靜磁場的磁控陰極的真空容器中，以使該真空容器內的壓力達到目標壓力的方式控制并導入濺射氣體和氧的反應性氣體，從而對設置于該陰極的鋁靶進行濺射，在與該鋁靶對置的硅基板上形成氧化膜的濺射裝置，包括:等離子體生成氣體導入部，將前述濺射氣體和前述反應性氣體導入前述真空容器內；控制部，控制通過前述等離子體生成氣體導入部向前述處理空間導入的前述反應性氣體的導入量；高頻天線，設置于前述真空容器內且由圈數(shù)低于一圈的導體構成；高頻電源，將高頻電供給前述高頻天線，以在導入有前述濺射氣體和前述反應性氣體的前述真空容器內發(fā)生高頻電感耦合等離子體；以及濺射用電源，對前述鋁靶外加負電壓、由負電壓和正電壓組成的直流脈沖電壓、以及交流電壓中的任一種濺射電壓，以通過由前述磁控陰極形成的靜磁場在導入有前述濺射氣體和前述反應性氣體的前述真空容器內發(fā)生磁控等離子體，并且，前述濺射用電源對前述濺射電壓進行恒電壓控制；前述控制部在前述磁控等離子體的發(fā)生中控制由前述等離子體生成氣體導入部向前述真空容器內導入的前述反應性氣體的導入量，以使流向前述磁控陰極的濺射電流值成為目標電流值。
[0022]發(fā)明效果
[0023]基于本發(fā)明，在第一等離子體發(fā)生步驟中，使用設置于導入有濺射氣體和反應性氣體的真空容器內且由圈數(shù)低于一圈的導體構成的高頻天線，至少在第二等離子體發(fā)生步驟中的真空容器內發(fā)生高頻電感耦合等離子體。并且，在第二等離子體發(fā)生步驟中，對靶外加濺射電壓而發(fā)生磁控等離子體。因而，基于氧自由基的增加和成膜對象基板上的氧化反應的促進以及伴隨這些出現(xiàn)的氧化靶表面的軟化的綜合效果，使成膜速度高速化。另外，基于本發(fā)明，在第二等離子體發(fā)生步驟中對濺射電壓進行恒電壓控制的同時，以使流向磁控陰極的濺射電流值成為目標電流值的方式控制第二等離子體發(fā)生步驟中反應性氣體的導入量。當對濺射電壓進行恒電壓控制時、即以電壓恒定模式驅動濺射電源時，基板上形成的氧化鋁膜的氧化度，具有落到與真空容器內的氧量、即與反應性氣體量對應的穩(wěn)定的平衡點的趨勢。另外，當對濺射電壓進行恒電壓控制時，鋁靶表面的氧化度越高、即真空容器內的反應性氣體量越多，則濺射電流值變得越大、并且在基板上成膜的氧化鋁的氧化度也變得越高。因此，基于本發(fā)明，通過以使濺射電流值成為目標電流值的方式將反應性氣體導入真空容器內，例如，不管是因吸附于基板上的水分等引起的反應性氣體等的干擾因素，都能夠使基板上形成的氧化鋁膜的氧化度穩(wěn)定。即，能夠以穩(wěn)定的氧化度以及高成膜速度使氧化鋁進行成膜。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是用于實現(xiàn)實施方式的氧化鋁成膜方法的濺射裝置的主要部分的概略結構例示圖。
[0025]圖2是表示高頻天線的例子的側視圖。
[0026]圖3是用于說明基于實施方式的氧化鋁成膜方法進行成膜的過程的示意圖。
[0027]圖4是表示實施方式的氧化鋁成膜方法的效果的示意圖。
[0028]圖5表示對實施方式的氧化鋁成膜方法進行實驗時的時間曲線圖的一個例子。
[0029]圖6是對實施方式的氧化鋁的成膜方法的步驟進行例示的流程圖。
[0030]圖7是對實施方式的氧化鋁的成膜方法的步驟進行例示的流程圖。
[0031]圖8是表示濺射電流值與反應性氣體的等離子體發(fā)光強度之間關系的示意圖。
[0032]圖9是表示利用濺射電流值變化的預測來控制反應性氣體的導入量的例子的示意圖。
[0033]附圖標記的說明
[0034]10 濺射裝置
[0035]11 腔室
[0036]12 磁控濺射用磁石
[0037]14 底板(陰極)
[0038]15 基板臺
[0039]161高頻電源
[0040]162濺射用電源
[0041]19等離子體生成氣體導入部
[0042]24靶保持部
[0043]60靶(鋁靶)
[0044]74基板
[0045]80高頻天線
[0046]90等離子體發(fā)生部
[0047]111光譜儀
[0048]164電流計
[0049]191反應性氣體供給部
[0050]192流量控制器
[0051]200控制部

【具體實施方式】
[0052]下面，根據(jù)【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。在附圖中，對具有相同結構和功能的部分附加了相同的附圖標記， 并在下述說明中省略了重復的說明。另外，各附圖只是示意性地進行表示的圖而已，例如，各附圖中所示物的尺寸和位置關系等未必得到準確的圖示。另外，在一部分附圖中，為了說明方向附加了 XYZ正交坐標軸。該坐標軸中的Z軸的方向表示垂直線的方向，XY平面是水平面。
[0053]<關于實施方式>
[0054]< 1.濺射裝置的結構>
[0055]圖1是對用于實現(xiàn)實施方式的氧化鋁成膜方法的濺射裝置10的主要部分的概略結構進行例示的圖。圖2是表示高頻天線80的例子的側視圖。下面，參照圖1、圖2說明濺射裝置10的結構。
[0056]濺射裝置10是通過離子對板狀單金屬的鋁靶(也簡稱為“靶”)60進行濺射，從而在基板74的表面形成規(guī)定的薄膜的裝置。鋁具有導電性的。
[0057]濺射裝置10包括:腔室(“真空容器”)11，其通過真空泵(未圖示)能夠使其內部形成真空；等離子體生成氣體導入部19，其將等離子體生成氣體導入已予以真空排氣的腔室11內；靶保持部24，其設置于腔室11內并用于保持靶60 ;基板臺15，其能保持作為成膜對象的基板74 ;以及濺射用電源162。另外，濺射裝置10還包括:控制部200，其設置有計算機等，對濺射裝置10各部分的動作進行集中控制；反應性氣體供給部191，其將氧的反應性氣體供給于腔室11內；流量控制器192，其設置于反應性氣體供給部191的配管途徑中；以及，光譜儀111，其能夠測定入射于光學纖維的探針中的光的光譜強度?？刂撇?00與濺射裝置10的各部進行電連接，后述的目標電流值等控制濺射裝置10所必需的各種信息被預先存儲于控制部200內的存儲部中。
[0058]基板臺15，是以使由靶保持部24保持的靶60的表面(+ Z側的面)與基板74的表面(-Z側的面)按規(guī)定距離間隔對置的方式保持基板74。在基板74的正下方(-Z側的緊鄰附近)，可開關的成膜閘門(shutter)(省略圖示)至少跨越基板74的整個區(qū)域而被設置。另外，濺射用電源162通過對底板(“陰極”)14外加負電壓的直流濺射電壓(“陰極外加電壓”、“偏置電壓”)、或者由負電壓和正電壓構成的脈沖狀濺射電壓(“脈沖直流電壓”)或交流濺射電壓，在靶60與由基板臺15保持的基板74之間生成磁控等離子體用電場。以電壓恒定模式驅動濺射用電源162，從而將來自濺射用電源162的輸出電壓控制為恒電壓。即，濺射用電源162對濺射電壓進行恒電壓控制。通過設置于濺射用電源162的電流計164檢測流向后述磁控陰極的濺射電流值(“偏置電流值”)并供給控制部200。通過使氧化鋁成膜過程中的鋁靶60表面的氧化度(“氧化率”、“氧化狀態(tài)”)穩(wěn)定，能夠形成(成膜)高品質的鈍化膜。若施行恒電壓控制，則與施行恒功率控制時相比更容易使所成膜的氧化鋁的氧化度穩(wěn)定。另外，基板臺15具有省略圖示的加熱器或冷卻機構，以控制基板74的溫度。
[0059]另外，濺射裝置10還具有等離子體發(fā)生部90，通過該等離子體發(fā)生部90生成導入腔室11內的等離子體生成氣體的高頻電感耦合等離子體。基板臺15通過安裝構件設置于腔室11上部的內壁。
[0060]另外，等離子體發(fā)生部90具有不接觸靶60的側面且沿著該側面配置的線狀高頻天線(“等離子體源”)80。高頻天線80由金屬制管狀導體構成。等離子體發(fā)生部90通過高頻天線80分別生成濺射氣體和反應性氣體的高頻電感耦合等離子體。
[0061]然后，濺射裝置10通過靶60基于混合等離子體的濺射而在基板74上的二維區(qū)域進行成膜，其中，該混合等離子體是由后述磁控濺射用磁石12形成的靜磁場而在靶60的表面部分發(fā)生的等離子體生成氣體的磁控等離子體、與通過等離子體發(fā)生部90發(fā)生的等離子體生成氣體的高頻電感耦合等離子體的混合等離子體。
[0062]在腔室11的側面設置有可開關的出入口 351。作為成膜對象的基板74從出入口351送入腔室11內，通過未圖示的固定構件安裝在基板臺15上后實施基于濺射的成膜，再從出入口 351送出至腔室11的外部。在對基板74進行成膜時，在成膜之前先將基板74送入腔室11內，在關閉出入口 351的狀態(tài)下，通過未圖示的真空泵，對作為腔室11的內部空間的處理室113進行真空抽氣。
[0063]然后，在關閉出入口 351的狀態(tài)下，將等離子體生成氣體從等離子體生成氣體導入部19的氣體導入口 20導入腔室11內，由此使處理室113保持在規(guī)定的壓力下、規(guī)定的氣體分壓下。氣體導入口 20例如形成于高頻天線80與祀60之間的部分等中。當?shù)入x子體發(fā)生部90具有多個高頻天線80時，氣體導入口 20例如分別設置于與各高頻天線80對應的位置。
[0064]濺射裝置10是通過反應濺射而形成作為鋁的氧化物的氧化鋁膜，因此，作為等離子體生成氣體，采用了作為惰性氣體的Ar氣體或Kr氣體等濺射氣體、以及氧(O2)的反應性氣體。濺射氣體是從省略了圖示的濺射氣體供給部通過等離子體生成氣體導入部19進行供給。另外，等離子體生成氣體導入部19通過配管與流量控制器192連接，流量控制器192通過配管與供給所儲存的反應性氣體的反應性氣體供給部191連接。另外，控制部200監(jiān)控從濺射用電源162所供給的濺射電流值，從而由控制部200控制流量控制器192，由此能夠控制從反應性氣體供給部191供給腔室11內的反應性氣體的導入量。另外，在腔室11的側壁設置有窗部17，該窗部17在密閉腔室11內的同時可透過腔室11內的等離子體發(fā)光，在窗部附近，以使等離子體發(fā)光可入射的方式設置有光譜儀111的探針112。光譜儀111設置成至少對氧的反應性氣體的等離子體發(fā)光的輝線波長的光、即至少對777nm波長的光進行分光從而可檢測其強度。通過窗部17由光譜儀111檢測的已被分光的等離子體的發(fā)光強度，被供給至控制部200?？刂撇?00基于所供給的發(fā)光強度中氧的反應性氣體的等離子體發(fā)光的強度，能夠控制后述的反應性氣體的導入量。
[0065]在腔室11的底部設置有開口，而且，以從下側堵塞該開口的方式，安裝有用于收納后述的底板14和磁控濺射用磁石(永久磁石)12 (組合起來稱作“磁控陰極”)以及高頻天線80的靶/天線配置部18。靶/天線配置部18與腔室11底部的連接部是通過密封材料來確保氣密性。因此，靶/天線配置部18的壁具有充當腔室11的壁的一部分的作用。在靶/天線配置部18中，在基板臺15正下方的位置上設置有靶配置區(qū)(靶配置部)181。與此同時，在靶/天線配置部18的壁內(即、腔室11的壁內)的靶配置區(qū)181的側方，以夾著靶配置區(qū)181的方式設置有一對天線固定區(qū)182。磁控陰極在靶60的表面附近形成靜磁場。
[0066]在靶配置區(qū)181的上部有腔室11的處理室113。在靶配置區(qū)181內設置有磁控濺射用磁石12。在磁控濺射用磁石12的上面設置有底板14，而且，與底板14對置的基板臺15則設置于腔室11的上側內壁。對基板臺15進行了接地處理。此外，基板臺15也可以處于未接地的浮動(floating)狀態(tài)。磁控濺射用磁石12的上下方向的位置被調整為能夠使在設置于其上面的底板14上所放置的靶60的上面配置于靶/天線配置部18的上端附近(不需要與上端相同位置)。另外，靶60是通過底板14和靶保持部24而保持于底板14的上面(+Z側的面)。通過如此設置磁控濺射用磁石12和底板14 (組合起來稱作“磁控陰極”)，靶60配置在面對腔室11的處理室113的空間內。
[0067]磁控濺射用磁石12在包括由靶保持部24保持的靶60的表面的區(qū)域內形成靜磁場(磁控磁場)，從而能夠在靶60的表面部分形成等離子體。在靶60的表面部分中的等離子體的分布情況，是根據(jù)腔室11中所導入的等離子體生成氣體的分壓、由磁控濺射用磁石12發(fā)生的磁控磁場或者對靶外加的電壓強度等而發(fā)生變動。
[0068]另外，在靶配置區(qū)181上端與腔室11的處理室113之間的邊界上設置有陽極189，該陽極189是從靶配置區(qū)1 81的側壁向內側延伸、并相對于靶60的邊緣附近(含邊緣的部分)保持一定的距離。
[0069]在天線固定區(qū)182內插入有聞頻天線80。另外，灘射裝直10具有向聞頻天線80供給高頻電的高頻電源161。高頻電源161通過匹配電路163與高頻天線80連接。
[0070]高頻天線80是用于支援基于磁控陰極濺射的等離子體的發(fā)生，例如，如圖2所示是將金屬制管狀導體彎曲成U字形而成，在兩個天線固定區(qū)182內，以“U”字上下顛倒的狀態(tài)分別豎立設置一個高頻天線80。此外，高頻天線80的配置方式可以有各種變化。作為高頻天線80的形狀，例如，也可以采用圓弧狀的形狀。另外，高頻天線80的圈數(shù)低于一圈。為了防止駐波的發(fā)生，優(yōu)選設定高頻天線80的長度為由高頻電源161供給的電力波長的1/4以下的長度。從高頻天線的一端供給高頻電，使另一端接地。由此，生成電感耦合等離子體。若采用上述高頻天線80，則與使用線圈狀(漩渦狀)天線發(fā)生電感耦合等離子體的方法相比，因天線的電感低而降低天線的電壓，因此能夠抑制等離子損傷。另外，通過將天線長度縮短至高頻波長的1/4以下，能夠抑制在駐波影響下產生的等離子體偏差所引起的濺射偏差(不均勻)。另外，由于能夠將天線收納于腔室內，因此能夠提高濺射效率。并且，在對應成膜對象的基板尺寸而增加高頻天線80的個數(shù)的同時，增大靶的尺寸，從而即使在基板尺寸大的情況下，也能夠提高濺射速度。
[0071]U字形的高頻天線相當于圈數(shù)低于一圈的電感耦合天線，與圈數(shù)為一圈以上的電感耦合天線相比電感低，因此，在高頻天線兩端發(fā)生的高頻電壓降低，伴隨生成的等離子體的電容耦合引起的等離子體電位的高頻振蕩受到抑制。由此，減少了伴隨對地電位的等離子體電位震蕩引起的過度的電子損失，降低等離子體電位。由此，可實施基板上的離子損傷低的薄膜形成工藝。構成高頻天線80的金屬制管狀導體具有如下功能:在使用濺射裝置10時，使水等制冷劑151通過其內部，從而冷卻高頻天線80。為了使靶60表面附近的等離子體密度更高，將高頻天線80的高度方向的位置調整為“U”字的底部與靶60上面的同等水平的高度相比高出幾厘米左右。此外，由于靶60和底板14等的溫度也非常高，優(yōu)選與高頻天線80同樣地通過制冷劑151進行冷卻。
[0072]高頻天線80的上端側的局部貫穿天線固定區(qū)182而突出設置在腔室11的內部偵U。通過由石英等組成的電介質的保護管411，覆蓋高頻天線80的該突出設置部分。
[0073]此外，基于磁控濺射用磁石12的靶60表面的水平磁通密度的最大值是20~50mT(毫特斯拉)，即使磁通密度低于沒有高頻電感耦合天線的支援時的磁通密度(60~10mT),也能夠生成充足的等離子體。
[0074]基板臺15可通過在基板臺15的下面設置的省略圖示的爪狀構件等保持基板74?；?4例如由娃片等構成。
[0075]如上所述構成的濺射裝置10，是將濺射氣體和氧的反應性氣體導入設置有底板14的腔室11中，對設置于該陰極的鋁靶60進行濺射，在與該靶60對置的基板74上形成氧化鋁膜。
[0076]< 2.關于氧化鋁的成膜過程>
[0077]圖3是用于說明預測在采用實施方式的氧化鋁成膜方法進行的成膜過程中發(fā)生更多的現(xiàn)象的示意圖。圖4是實施方式的氧化鋁成膜方法的效果的示意圖。圖4的曲線Gl表示基于通常(沒有基于高頻電感耦合等離子體發(fā)生等離子體的支援的情況)的反應性磁控濺射的氧化鋁(Al2O3)的成膜速度與氧量之間的關系。曲線G2、G3表示采用有基于高頻電感耦合等離子體發(fā)生等離子體的支援的本實施方式的氧化鋁成膜方法中成膜速度與氧量之間的關系。曲線G2對應于作為濺射電壓外加負電壓的直流電壓的情況；曲線G3對應于作為濺射電壓外加脈沖直流電壓或交流電壓的情況。
[0078]< 2-1.關于成膜速度的高速化>
[0079]在基于通常(沒有基于高頻電感耦合等離子體發(fā)生等離子體的支援的情況)的反應性磁控濺射的氧化鋁(Al2O3)的成膜過程中，若增加腔室11內的氧分壓，則會促進靶60表面上的氧化反應。若進一步增加氧分壓，則其表面基本上被化學計量學上的氧化鋁(Al2O3)所覆蓋。由于化學計量學上的氧化鋁的硬度高，因此，降低了濺射產額(sputteringyield)，其結果，成膜速度降低(比起圖4的曲線Gl的虛線LI更位于紙面右側的包含點SI的區(qū)域)。
[0080]由虛線框601~603 (圖3)所圍的示意圖，分別表示預測在實施方式的氧化鋁的成膜方法中發(fā)生的氧化鋁(Al2O3)的成膜過程的一部分。即分別表示預測在基于利用高頻天線80發(fā)生的高頻電感耦合等離子體支援等離子體的產生的反應性磁控濺射中發(fā)生的氧化鋁(Al2O3)的成膜過程的一部分。此外，可預測在上述情況下也會發(fā)生通常的反應性磁控濺射中的上述生成過程。
[0081] 根據(jù)通過高頻電感耦合等離子體支援等離子體發(fā)生的本實施方式的氧化鋁的成膜方法，即使作為濺射電壓外加負電壓的直流電壓、由負電壓與正電壓構成的脈沖直流電壓、或者交流電壓中的任一者，也能夠充分地提升高頻電感耦合等離子體的密度。另外，在處理室113內，與離子相比，自由基非常多。并且，氧自由基積極地作用于作為成膜對象的基板74的表面，由此促進基板74表面的化學計量學上的氧化鋁(Al2O3)的生成。如此促進基于氧自由基進行的基板74表面氧化的結果(虛線框602內的示意圖)，在靶表面上能夠選擇低氧添加量下的濺射條件，因此，氧化度低于化學計量學上的氧化度的氧化鋁狀態(tài)下的濺射得到了促進、即非化學計量學上的氧化鋁(AlO)狀態(tài)下的濺射得到了促進，靶表面被軟化(虛線框601內的示意圖)。即，靶表面成為低氧化度的軟化狀態(tài)的氧化鋁，在提高濺射產額的另一方面，從靶中濺射的AlO粒子通過增加的氧自由基在成膜對象基板的表面上或者基板一靶之間的真空空間中變成化學計量學上的氧化鋁(Al2O3),并成膜于基板上(虛線框602內的示意圖)。因此，與沒有基于高頻電感耦合等離子體支援等離子體發(fā)生的通常的反應性磁控濺射相比，作為成膜對象的基板表面上的氧化鋁的成膜速度得到高速化(包括圖4的曲線G2的點S2的虛線L2與虛線L3之間的區(qū)域，以及包括曲線G3的點S3的在虛線L3與虛線L4之間的區(qū)域)。
[0082]此外，根據(jù)作為濺射電壓外加脈沖直流電壓或交流電壓的本實施方式的氧化鋁的成膜方法，由負電壓和正電壓組成的電壓外加在靶上。除了外加負的直流電壓時帶來的效果以外，伴隨著電子引入靶表面帶來的效果，通過氧自由基進行的靶表面的化學反應引起的靶表面的軟化得到了進一步的促進(虛線框603內的示意圖)，進一步促進了來自靶表面的非化學計量學上的AlO的濺射。由此，在進一步提高靶的濺射產額的同時，能夠抑制氧化膜在靶上的形成。因此，根據(jù)作為濺射電壓外加脈沖直流電壓或交流電壓的本實施方式的氧化鋁的成膜方法，有基于高頻電感耦合等離子體發(fā)生等離子體的支援，并且與作為濺射電壓外加負的直流電壓的本實施方式的氧化鋁的成膜方法相比，能夠使成膜速度進一步高速化(包括對應于圖4的曲線G3的最高成膜速度的點S3的虛線L3與虛線L4之間的區(qū)域)。
[0083]< 2-2.關于氧化度的穩(wěn)定化>
[0084]對濺射裝置10而言，在磁控等離子體的發(fā)生處理中對濺射電壓進行恒電壓控制的同時，通過控制部200控制磁控等離子體的發(fā)生處理中反應性氣體向腔室11內的導入量，以使流向磁控陰極的濺射電流值成為目標電流值。具體而言，根據(jù)從所檢測的濺射電流值中減去目標電流值得到的差值，若差的符號為正，則根據(jù)差值而施行減少反應性氣體的導入量的處理；若差的符號為負，則根據(jù)差值而施行增加反應性氣體的導入量的處理。對增減的導入量的值而言，例如，由控制部200通過參照預先存儲于控制部200的存儲部的運算式、表不對應關系的表等求出。
[0085]在對濺射電壓進行恒電壓控制時，即在以電壓恒定模式驅動濺射用電源162時，在基板74上形成的氧化鋁膜的氧化度，具有落到與腔室11內的氧量、即與反應性氣體量相對應的穩(wěn)定的平衡點的趨勢。
[0086]另外，靶60表面的氧化度越高，靶60在受到濺射時越多地放出二次電子。由此，在對濺射電壓進行恒電壓控制時，當靶60表面的氧化度越高、即腔室11內的反應性氣體量越多，則濺射電流值變大的同時，在基板74上成膜的氧化鋁的氧化度也變高。
[0087]因此，通過以使濺射電流值成為目標電流值的方式將反應性氣體導入腔室11內，例如，不管由吸附于基板74的水分等引起的反應性氣體等的干擾因素，能夠使基板74上形成的氧化鋁膜的氧化度得到穩(wěn)定。即，能夠以穩(wěn)定的氧化度以及高成膜速度在基板74上成膜氧化鋁。
[0088]另外，在反應性氣體導入量的控制中所參照的目標電流值，優(yōu)選設定為下述濺射電流值，即所成膜的氧化鋁的氧化度成為化學計量學上的氧化鋁和氧化度比化學計量學上的氧化鋁低的氧化鋁的各氧化度邊界附近的氧化度時的濺射電流值。
[0089]在此，在圖4中，基于與虛線L3相比為紙面右側區(qū)域的氧量，會在基板74表面生成化學計量學上的氧化鋁(Al2O3);基于與虛線L3相比為紙面左側區(qū)域的氧量，會生成非化學計量學上的氧化鋁(A10)。并且，例如像圖4的虛線L3附近的點S2的成膜條件那樣，當基板74的表面所成膜的氧化鋁的氧化度成為化學計量學上的氧化鋁和氧化度比化學計量學上的氧化鋁低的氧化鋁的各氧化度的邊界附近的氧化度時，確認能夠成膜發(fā)揮高鈍化效果的氧化鋁。
[0090]因此，與濺射裝置10中的目標電流值相對應的氧化鋁的氧化度，不僅是提高氧化鋁的鈍化效果的氧化度，而且也是成膜速度快的氧化度。因此，能夠以高成膜速度且穩(wěn)定地進行發(fā)揮適合于P型硅基板的鈍化膜的高鈍化效果的氧化鋁的成膜。
[0091]<3.濺射裝置的工作>
[0092]圖6、圖7是對實施方式的氧化鋁的成膜方法的步驟進行例示的流程圖。濺射裝置10通過磁控濺射用磁石(永久磁石)12在靶60的附近形成靜磁場。另外，圖5是通過實驗實現(xiàn)實施方式的氧化鋁的成膜方法時的時間曲線圖的一個例子的圖。
[0093]首先，關閉省略圖示的成膜閘門后，從出入口 351將靶60和基板74送入腔室11的處理室113。然后，分別將基板74安裝在基板臺15、將靶60安裝在底板14，關閉出入口351 (步驟S110，圖5的時間t0)。此外，關閉出入口 351后調節(jié)處理室113內的溫度至規(guī)定的溫度。
[0094]接著，通過真空泵使腔室11內成為真空后,開始通過等離子體生成氣體導入部19向腔室11內導入由Ar等非活性氣體組成的濺射氣體，以使腔室11的處理室113達到目標壓力(步驟S120，圖5的時間tl)。作為目標壓力，優(yōu)選采用0.2Pa以上且7Pa以下的壓力。并且，更優(yōu)選采用0.4Pa以上且2Pa以下的壓力。然而，目標壓力并不限定于這些壓力，也可以采用更廣范圍的壓力。另外，當目標壓力為3Pa以下時，此后為了點火以后的高頻電感耦合等離子體，有時會追加暫時將成膜室的壓力提高至3Pa以上的步驟。其原因在于，使用該天線的高頻電感耦合等離子體具有在3Pa以下的壓力下難以點火的特性。此外，一旦點火了等離子體，則此后即使恢復至低壓力(目標壓力)也能夠繼續(xù)發(fā)生等離子體。
[0095]接著，通過由高頻電源161向高頻天線80輸入高頻電(步驟S130，圖5的時間t2 )，在高頻天線80的周圍形成高頻感應磁場,實施使派射氣體的高頻電感稱合等離子體發(fā)生的等離子體發(fā)生處理(“第一等離子體發(fā)生處理”)。在后面的處理步驟中，當將氧的反應性氣體供給腔室11內時，第一等離子體發(fā)生步驟中也發(fā)生反應性氣體的高頻電感耦合等離子體。高頻電流的供給一直持續(xù)至氧化鋁的成膜處理結束。
[0096]接著，通過底板14和濺射用電源162，外加(偏壓的外加)由負電壓的直流電壓組成的濺射電壓、由負電壓和正電壓組成的脈沖濺射電壓、或者交流濺射電壓，施行外加濺射電壓的處理(步驟S140，圖5的時間t3)。由此，施行磁控等離子體發(fā)生處理(“第二等離子體發(fā)生處理”)。此外，在采用負電壓的直流電壓作為濺射電壓時，能夠在更好地抑制界面上的損傷的同時在基板74上進行氧化鋁的成膜。另外，作為脈沖直流電壓和交流電壓的頻率，例如能夠采用20~100ΚΗz，但也可以采用其它頻率。對濺射電壓而言，優(yōu)選控制其負電壓的絕對值為100V以上且300V以下(負電壓為-100V以下且-300V以上);進而，更優(yōu)選控制在150V以上且250V以下(負電壓為-150V以下且-250V以上)。然而，濺射電壓的范圍并不限定于此，也可以采用更寬范圍內的電壓。在后面的處理步驟中，當將反應性氣體供給腔室11內時，第二等離子體發(fā)生步驟中也發(fā)生反應性氣體的磁控等離子體。另外，將外加濺射電壓的處理，一直持續(xù)至氧化鋁的成膜處理結束。
[0097]接著，僅基于濺射氣體實施預濺射，直至由控制部200監(jiān)控的濺射電流值達到低于規(guī)定的電流值，對靶60的表面附著的初期氧化覆膜充分地進行濺射去除(步驟S150)。
[0098]充分去除靶60表面的初期氧化覆膜后，濺射電流值會大致穩(wěn)定在低值上，因此，在此時通過流量控制器192、等離子體生成氣體導入部19開始進行來自反應性氣體供給部191的氧的反應性氣體(更準確而言，優(yōu)選5%氧氣體和Ar等非活性氣體的稀釋混合氣體)的供給(步驟S160，圖5的時間t4)。此外，開始供給反應性氣體后，處理室113的壓力也保持于目標壓力。另外，在濺射的性質上，在開始供給反應性氣體后，短時間內濺射電流值會下降。
[0099]然后，緩慢增大已開始供給的反應性氣體的導入量，將濺射電流值暫時提高至目標電流值以上。然后，這次是慢慢減少反應性氣體的導入量而降低濺射電流值，當濺射電流值達到目標電流值時，打開成膜閘門，開始進行對基板74表面的氧化鋁的成膜處理，同時以使濺射電流值保持于目標電流值的方式，開始控制反應性氣體的導入量(步驟S170，圖5的時間t5)。此外，在圖5的實驗結果中，從時間t3至時間t5的經(jīng)過時間為5分鐘。
[0100]在開始成膜處理后，也持續(xù)控制反應性氣體的導入量，以使濺射電流值保持于目標電流值。此外，在圖5所示的實驗結果中，反應性氣體的導入量以夾著曲線Lll反復進行增減的同時隨著時間經(jīng)過而慢慢增加。這是因為，例如有如下所述的干擾因素:即在等離子體發(fā)生時，附著在基板74上而殘留的水分等被一次性分解從而氧(反應性氣體)急劇增加，隨著成膜處理的推進，從殘留的水分生成的反應性氣體減少。以使濺射電流值成為目標電流值的方式控制從反應性氣體供給部191所供給的反應性氣體的導入量的結果，該導入量緩慢增加。在該導入量的控制中，也可以根據(jù)反應性氣體的等離子體發(fā)光強度的變化預測濺射電流值的變化，并控制反應性氣體的導入量，以使濺射電流值成為目標電流值。由此，進一步提聞將灘射電流值保持于目標電流值的精度。
[0101]圖8是表示濺射電流值與反應性氣體的等離子體發(fā)光強度之間關系的示意圖。圖9是表示利用濺射電流值變化的預測來控制反應性氣體的導入量(氧供給量)的例子的示意圖。
[0102]如前面所述，濺射電流值是與靶60表面的鋁的氧化度相對應的電流值，但由于基于氧化反應的性質的時間滯后，相對于處理室113內的氧的反應性氣體的等離子體發(fā)光強度的變化，濺射電流值的變化滯后。具體地，相對于目標電流值Ia而言，例如當濺射電流像曲線51那樣進行變化時，反應性氣體的等離子體發(fā)光強度例如像曲線52所示地進行變化。如此地，反應性氣體的等離子體發(fā)光強度根據(jù)濺射電流值的變化，在時間上早于濺射電流值進行變化。
[0103]在圖9中，如曲線55所示，當控制至時間T21向處理室113導入氧的反應性氣體的導入量(氧供給量)為穩(wěn)定值時，用曲線53表示相對于目標電流值Ia的濺射電流值，用曲線54表示反應性氣體的等離子體發(fā)光強度。時間T21是在實驗中獲得最新數(shù)據(jù)的時間。此時，在直至時間T21的期間內，反應性氣體的等離子體發(fā)光強度變小，據(jù)此情況預測:在時間T21以后，濺射電流值也隨著時間的經(jīng)過而像如圖9中虛線所示地變小。此時，在時間T21以后濺射電流值發(fā)生實際變化之前，例如像曲線55的虛線所示的部分那樣增加反應性氣體的導入量，由此能夠進一步減小濺射電流值相對于目標電流值Ia的偏差。因此，能夠在使所成膜的氧化鋁的氧化度更穩(wěn)定的情況下，將氧化鋁成膜于基板74上。此外，由光譜儀111檢測的反應性氣體的等離子體發(fā)光強度，是透過了窗部17的光，因此，有時會因窗部17的污染而引起由光譜儀111檢測的等離子體發(fā)光強度的絕對值的失常，但是，等離子體發(fā)光強度的變化方向是正確的，因此，優(yōu)選根據(jù)該變化方向控制反應性氣體的導入量。
[0104]返回圖7，當所成膜的氧化鋁的膜厚達到規(guī)定厚度(或者經(jīng)過規(guī)定時間)時，關閉成膜閘門，結束成膜處理(步驟S180，圖5的時間t6)。此外，在圖5的實驗結果中，從時間t5至時間t6的經(jīng)過時間為20分鐘。然后，停止由濺射用電源162外加于底板14的濺射電壓(偏壓)(步驟S190，圖5的時間t7)，在該停止操作后(或者與停止操作同時)，停止從高頻電源161向高頻天線80的高頻電的供給(步驟S200，圖5的時間t8)。接著，停止氣體的供給(步驟S210，圖5的時間t9)，開放出入口 351，將基板74從腔室11的處理室113送出(步驟S220)。
[0105]基于如上所述本實施方式的氧化鋁的成膜方法，第一等離子體發(fā)生步驟通過使用設置于導入有濺射氣體和氧的反應性氣體的腔室11內且由圈數(shù)低于一圈的導體構成的高頻天線80，至少在第二等離子體發(fā)生步驟中腔室11內發(fā)生高頻電感耦合等離子體。另外，在第二等離子體發(fā)生步驟中，對靶60外加濺射電壓而使磁控等離子體發(fā)生。因而，基于氧自由基的增加和作為成膜對象的基板74上的氧化反應的促進以及伴隨這些產生的氧化后靶60表面的軟化的綜合效果，使成膜速度高速化。另外，基于本發(fā)明，在第二等離子體發(fā)生步驟中對濺射電壓進行恒電壓控制的同時，控制第二等離子體發(fā)生步驟中反應性氣體的導入量，以使流向磁控陰極的濺射電流值成為目標電流值。在對濺射電壓進行恒電壓控制時，即在以電壓恒定模式驅動濺射電源時，基板74上形成的氧化鋁膜的氧化度，具有落到與腔室11內的氧量、即與反應性氣體量相對應的穩(wěn)定的平衡點的趨勢。另外，在對濺射電壓進行恒電壓控制時，鋁靶60表面的氧化度越高、即腔室11內的反應性氣體量越多，則濺射電流值越大的同時，在基板74上成膜的氧化鋁的氧化度也越高。因此，基于本發(fā)明，通過以使濺射電流值成為目標電流值的方式將反應性氣體導入腔室11內，例如，不管是由吸附于基板74的水分等引起的反應性氣體等的干擾因素，也能夠使基板74上形成的氧化鋁膜的氧化度得到穩(wěn)定。即，能夠以穩(wěn)定的氧化度以及高成膜速度進行氧化鋁的成膜。
[0106]另外，基于如上所述本實施方式的氧化鋁的成膜方法，對目標電流值而言，是當所成膜的氧化鋁的氧化度成為化學計量學上的氧化鋁和氧化度比化學計量學上氧化鋁低的氧化鋁的各氧化度邊界附近的氧化度時的濺射電流值。該氧化度，不僅是所成膜的氧化鋁的鈍化效果變高的氧化度，而且是成膜速度快的氧化度。因此，能夠以高成膜速度且穩(wěn)定地進行發(fā)揮適合P型硅基板的鈍化膜的高鈍化效果的氧化鋁的成膜。
[0107]另外，基于如上所述本實施方式的氧化鋁的成膜方法，在控制步驟中，在實際的濺射電流值的變化之前，從對應于該變化而變化的反應性氣體的等離子體發(fā)光強度的變化中預測濺射電流值的變化來控制反應性氣體的導入量，以使濺射電流值成為目標電流值。因此，能夠使氧化度更加穩(wěn)定的情況下進行氧化鋁的成膜。
[0108]另外，基于如上所述本實施方式的氧化鋁的成膜方法，濺射電壓為負電壓。從而，能夠在更好地抑制界面上的損傷的情況下在基板74上進行氧化鋁的成膜，因此，能夠形成更適合作為太陽能電池硅基板的鈍化膜的氧化鋁膜。
[0109]雖然已詳細示出并記述了本發(fā)明，但上述記述只是全部方式中的示例而言，并不限定本發(fā)明。因此，本發(fā)明可在其發(fā)明宗旨范圍內對實施方式進行適宜的變形、省略。例如，為了提升高頻天線的維護性能，也可以配置成使其U形狀中央部分的直線部分不突出設置于天線固定區(qū)182中；另外，從維護性能和等離子體的生成能力的平衡角度進行判斷，也可以僅使其直線部分的上側半部突出而設置。另外，當連續(xù)施行多個基板74的成膜時，也可以施行如下處理:除掉腔室11的上部壁面，將分別安裝有基板74的多個基板臺15，以使腔室11的上部無法出現(xiàn)間隙的方式，將相鄰的基板臺15彼此的前端與后端緊貼著并沿著輸送方向進行排列，在此狀態(tài)下輸送各基板臺15的同時，對各基板74施行成膜處理。此時，當實施基于預濺射進行的靶60的初期氧化覆膜的去除時，例如，通過將多個基板臺15中最前頭的基板臺15作為未安裝基板74的仿真基板(du_y substrate),從而可在不使用成膜閘門的情況下去除初期氧化覆膜。
【權利要求】
1.一種氧化鋁的成膜方法，其是在設置有用于形成靜磁場的磁控陰極的真空容器中，以使該真空容器內的壓力達到目標壓力的方式控制并導入濺射氣體和氧的反應性氣體，從而對設置于該陰極的鋁靶進行濺射，在與該鋁靶對置的硅基板上形成氧化膜的氧化鋁的成膜方法，包括: 第一等離子體發(fā)生步驟，其在導入有所述濺射氣體和所述反應性氣體的真空容器內發(fā)生等離子體； 第二等離子體發(fā)生步驟，其對所述鋁靶外加負電壓、由負電壓和正電壓組成的直流脈沖電壓和交流電壓中的任意一種濺射電壓，通過所述靜磁場使磁控等離子體發(fā)生；以及控制步驟，其控制向所述真空容器內導入的所述反應性氣體的導入量， 并且，所述第二等離子體發(fā)生步驟是恒電壓控制所述濺射電壓的步驟， 所述控制步驟是控制所述第二等離子體發(fā)生步驟中所述反應性氣體的導入量，以使流向所述磁控陰極的濺射電流值成為目標電流值的步驟， 所述第一等離子體發(fā)生步驟是使用設置于所述真空容器內且由圈數(shù)低于一圈的導體構成的高頻天線，至少在所述第二等離子體發(fā)生步驟中使高頻電感耦合等離子體發(fā)生的步驟。
2.如權利 要求1所述的氧化鋁的成膜方法，其中， 所述目標電流值是，所成膜的氧化鋁的氧化度成為化學計量學上的氧化鋁和氧化度比化學計量學上的氧化鋁低的氧化鋁的各氧化度邊界附近的氧化度時的所述濺射電流值。
3.如權利要求1或2所述的氧化鋁的成膜方法，其中， 所述控制步驟是，從所述反應性氣體的等離子體發(fā)光強度的變化預測所述濺射電流值的變化來控制所述反應性氣體的導入量，以使所述濺射電流值成為所述目標電流值的步驟。
4.如權利要求1或2所述的氧化鋁的成膜方法，其中，所述濺射電壓是負電壓。
5.如權利要求1或2所述的氧化鋁的成膜方法，其中，所述目標壓力為0.2Pa以上且7Pa以下。
6.如權利要求5所述的氧化鋁的成膜方法，其中，所述目標壓力為0.4Pa以上且2Pa以下。
7.如權利要求1或2所述的氧化鋁的成膜方法，其中，所述濺射電壓的負電壓的絕對值為10V以上且300V以下。
8.如權利要求7所述的氧化鋁的成膜方法，其中，所述濺射電壓的負電壓的絕對值為150V以上且250V以下。
9.一種濺射裝置，其是在設置有用于形成靜磁場的磁控陰極的真空容器中，以使該真空容器內的壓力達到目標壓力的方式控制并導入濺射氣體和氧的反應性氣體，從而對設置于該陰極的鋁靶進行濺射，在與該鋁靶對置的硅基板上形成氧化膜的濺射裝置，包括: 等離子體生成氣體導入部，其將所述濺射氣體和所述反應性氣體導入所述真空容器內； 控制部，其控制通過所述等離子體生成氣體導入部向所述處理空間導入的所述反應性氣體的導入量； 高頻天線，其設置于所述真空容器內且由圈數(shù)低于一圈的導體構成；高頻電源，其將高頻電供給所述高頻天線，以在導入有所述濺射氣體和所述反應性氣體的所述真空容器內發(fā)生高頻電感耦合等離子體；以及 濺射用電源，其對所述鋁靶外加負電壓、由負電壓和正電壓組成的直流脈沖電壓以及交流電壓中的任一種濺射電壓，以通過由所述磁控陰極形成的靜磁場，在導入有所述濺射氣體和所述反應性氣體的所述真空容器內發(fā)生磁控等離子體， 并且，所述濺射用電源對所述濺射電壓進行恒電壓控制， 所述控制部在所述磁控等離子體的發(fā)生中控制由所述等離子體生成氣體導入部向所述真空容器內導入的所述反應性氣體的導入量，以使流向所述磁控陰極的濺射電流值成為目標電流 值。
【文檔編號】C23C14/08GK104073773SQ201410014269
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年1月13日 優(yōu)先權日:2013年3月27日
【發(fā)明者】尾崎一人 申請人:大日本網(wǎng)屏制造株式會社