2014 Fiscal Year Annual Research Report
大気圧プラズマの制御と反応解析に基づいた薄膜デバイス作製プロセスの高機能化
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26249010
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
垣内 弘章 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10233660)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
押鐘 寧 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40263206)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 特殊加工 / 薄膜作製技術 / 大気圧プラズマ / 薄膜デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱酸化膜付きSiウエハを基板として用い，大気圧VHFプラズマ（He/H2/SiH4）により形成したSi薄膜の構造や性質に対し，プラズマ中ガス滞在時間がどのように影響するかについて詳細に検討した．
まず，長さ16mmの平行平板型電極（幅80mm）の成膜特性について，これまでのデータの再現性確認の意味も含めて検討した．基板温度は220℃とした．ガスがプラズマ領域に入ると直ちにSiH4およびH2ガスが分解され始めるため，プラズマ領域の上流側において厚い膜（主にアモルファスSi）が形成された．一方，プラズマ領域の下流側では，上流側で消費されて残った低濃度のSiH4が膜成長に寄与する結果，実質的なH2/SiH4比が非常に大きくなるため主に微結晶Siが得られた．
次に，形成されたSi薄膜の電気特性を評価するために，基板を水平方向に移動させて一様な厚さのSiを成膜し，TFTの試作と特性評価を行った．種々の条件で作製したTFTの特性評価を行ったところ，基板をガス流れと同じ方向（順方向）に移動させ，プラズマ上流側がTFTのチャネルになるようにして作製したTFTについては，概ね一般的な高性能アモルファスSi-TFTと同程度の高い電界効果移動度（0.5～1.5 cm2/Vs）が得られることが確認された．しかし，基板を逆方向に移動（プラズマの下流側がチャネル）して作製したTFTの移動度は非常に小さく，やはり高性能な微結晶Si-TFTは得られなかった．
そこで，プラズマ中ガス滞在時間を短くし，プラズマ中でのSiH4の過分解を抑止する目的で，長さ5mmの電極を用いて同様の成膜およびTFT試作による検討を行った．その結果，同じ電力密度条件で比較すると，逆方向移動の場合でも16mmの電極よりも高い電界効果移動度（最大0.6 cm2/Vs）が達成された．これらの結果から，高品質なSi成膜のためには，プラズマ中のガス滞在時間を制御しながらガス条件を適切に選択することが本質的に重要であることが示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
大気圧VHFプラズマ中では，気相中での原料ガスの分解反応が0.1msオーダの非常に短い時間スケールで進行する．そのため，形成される膜の構造や性質がプラズマ中におけるガス流れパターンに大きく影響される．膜厚や膜質がプラズマ中でのガス流れの影響を受けること自体は，一般的な減圧プラズマによる薄膜作製プロセスでも多数報告されていることであるが，大気圧のような高圧力雰囲気下では，それがはるかに顕著に生じることになる．しかし，平成26年度の研究遂行により，プラズマ中でのガス滞在時間の制御，つまりプラズマ領域をガスが通過する時間を電極長さの変更によって短くすれば，プラズマ領域内の膜厚・膜質の分布を緩和することができることが示された．これらの成果は，本研究を開始するにあたり，我々が着想していた研究の方策が正しいことを示唆するものである．
今後，供給電力のパルス変調を併用すれば，プラズマ領域内の膜厚・膜質の分布をさらに緩和し，均質かつ高品質なアモルファスSiおよび微結晶Si薄膜を形成できる可能性は十分にあるといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度に引き続き，成膜実験を通じて高性能なTFTの低温・高能率作製プロセス実現に向けた検討を進める．特に，数値シミュレーションによる大気圧VHFプラズマ中でのガス流れ・反応過程の解析を併用し，より詳細に成膜プロセスを理解することに努める．具体的な研究方策は下記の通りである．
(1) 電極長さの違いがSi薄膜の特性に及ぼす影響の検証： 26年度に引き続き，プラズマ発生用電極の長さの短縮により，プラズマ領域の上流部と下流部での膜厚の違いをより小さくすることを目的とした成膜検討を行う．実際にTFTを試作し，その特性評価結果を基に，膜特性のさらなる改善を目指す．
(2) 投入電力のパルス変調が大気圧プラズマ中でのSi薄膜成長に与える効果の検証： 投入するVHF電力をパルス変調することにより，プラズマのOn/Off制御を行い，大気圧プラズマ中での膜厚や膜質のガス流れ方向の不均質性の解消を目指す．プラズマをパルス変調すると．平均的な投入電力が減少するため，ポリマー等の定融点材料を基板に用いる際には有利になる反面，成膜表面から供給される熱エネルギーが減少するため，優れた電気特性を有するSi薄膜が得られにくくなるデメリットも予想される．したがって，プラズマのOn時間やDuty比が膜の均質性やTFT特性に与える影響を系統的に調べる．
(3) 大気圧プラズマ中での成膜プロセスの数値シミュレーション： 現有の熱流体解析ソフト（PHOENICS-CVD）を活用し，大気圧プラズマ中でのSi成長過程のシミュレーションを行い，実験結果との比較により成膜プロセスを理解する．
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