JP2000164518A

JP2000164518A - 半導体堆積膜の形成方法及びその形成装置

Info

Publication number: JP2000164518A
Application number: JP10347781A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Sawayama; 忠志澤山; Yasushi Fujioka; 靖藤岡; Akira Sakai; 明酒井; Shotaro Okabe; 正太郎岡部; Yuzo Koda; 勇蔵幸田; Masahiro Kanai; 正博金井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】非晶質半導体薄膜或は微結晶層を含む非晶質半
導体膜の形成。【解決手段】成膜室１１０内側に面している基板１０２
表面近傍を、反応ガスが積極的に流れるように排気し、
半導体堆積膜を形成する、真空気密の可能な反応容器１
０１内に、その一面が基板１０２で構成され他面が壁面
で構成される成膜室１１０を設け、その内に反応ガスを
導入するとともに排気手段により排気して所望の圧力に
維持し、該成膜室１１０内に高周波電力を導入してプラ
ズマを生起し、前記基板１０２上に半導体堆積膜を形成
する半導体堆積膜の形成方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波および半導
体原料ガスを用いた半導体堆積膜の形成方法及びその形
成装置、特に非晶質半導体薄膜或は微結晶層を含む非晶
質半導体膜の形成方法及びその形成装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えば、アモルファス（非晶質）シリコ
ン膜等を用いた光起電力素子の作製には、一般的には、
プラズマＣＶＤ法が広く用いられており、企業化されて
いる。しかしながら、光起電力素子を電力需要を賄うも
のとして確立させるめには、使用する光起電力素子が、
光電変換効率が充分に高く、特性安定性に優れたもので
あり、且つ大量生産し得るものであることが基本的に要
求される。そのためには、アモルファスシリコン膜等を
用いた光起電力素子の作製においては、電気的、光学
的、光導電的あるいは機械的特性及び繰り返し使用での
疲労特性あるいは使用環境特性の向上を図るとともに、
大面積化、膜厚及び膜質の均一化を図りながら、しかも
高速成膜によって再現性のある量産化を図らねばならな
いため、これらのことが、今後改善すべき問題点として
指摘されている。

【０００３】その中で、これまでマイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法による堆積膜作製方法については多くの報告がな
されている。例えば、”ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒ
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａ−ＳｉＧｅ：Ｈｆ
ｉｌｍｓｕｔｉｌｉｚｉｎｇａｍｉｃｒｏｗａｖ
ｅ−ｅｘｃｉｔｅｄｐｌａｓｍａ”Ｔ．Ｗａｔａｎａｂ
ｅ，Ｍ．Ｔａｎａｋａ，Ｋ．Ａｚｕｍａ，Ｍ．Ｎａｋａ
ｔａｎｉ，Ｔ．Ｓｏｎｏｂｅ，Ｔ．Ｓｉｍａｄａ，Ｊ
ａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅ
ｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４，Ａｐｒ
ｉｌ，１９８７，ｐｐ．Ｌ２８８−Ｌ２９０、”Ｍｉｃ
ｒｏｗａｖｅ−ｅｘｃｉｔｅｄｐｌａｓｍａＣＶＤ
ｏｆａ−Ｓｉ：Ｈｆｉｌｍｓｕｔｉｌｉｚｉｎ
ｇａｈｙｄｒｏｇｅｎｐｌａｓｍａｓｔｒｅａｍ
ｏｒｂｙｄｉｒｅｃｔｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｏ
ｆｓｉｌａｎｅ” Ｔ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｍ．Ｔａ
ｎａｋａ，Ｋ．Ａｚｕｍａ，Ｍ．Ｎａｋａｔａｎｉ，
Ｔ．Ｓｏｎｏｂｅ，Ｔ．Ｓｉｍａｄａ，Ｊａｐａｎｅｓ
ｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓ，ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．８，Ａｕｇｕｓｔ，１９８
７，ｐｐ．１２１５−１２１８等にＥＣＲを使用したマ
イクロ波プラズマＣＶＤ法が記述されている。

【０００４】また、特開昭５９−１６３２８号公報にお
ける「プラズマ気相反応装置」には、マイクロ波プラズ
マＣＶＤ法で半導体膜を堆積する方法が示されている。
更に、特開昭５９−５６７２４号公報における「マイク
ロ波プラズマによる薄膜作製方法」にもマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法で半導体膜を堆積する方法が示されてい
る。また、ＲＦプラズマＣＶＤ法において、アノードと
カソードの間にメッシュ状の第三の電極を設ける堆積膜
の作製法が、”Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇ
ｈｌｙｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅｈｙｄｒｏｇ
ｅｎａｔｅｄａｍｏｒｐｈｏｕｓＳｉ−Ｇｅａｌ
ｌｏｙｓｕｓｉｎｇａｔｒｉｏｄｅｐｌａｓｍ
ａｒｅａｃｔｏｒ”Ａ．Ｍａｔｓｕｄａｅｔ．ａ
ｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ
ｓ，Ｖｏｌ．４７Ｎｏ．１０，１５Ｎｏｖｅｍｂｅ
ｒ１９８５ｐｐ．１０６１−１０６３に示されてい
る。

【０００５】さらに、光起電力素子を用いる発電方式に
あっては、単位モジュールを直列又は並列に接続し、ユ
ニット化して所望の電流、電圧を得る形式が採用される
ことが多く、各モジュールにおいては断線やショートが
生起しないことが要求される。加えて、各モジュール間
の出力電圧や出力電流のばらつきのないことが重要であ
る。こうしたことから、少なくとも単位モジュールを作
製する段階でその最大の特性決定要素である半導体層そ
のものの特性均一性が確保されていることが要求され
る。そして、モジュール設計をし易くし、且つモジュー
ル組立工程の簡略化できるようにする観点から大面積に
亘って特性均一性の優れた半導体堆積膜が提供されるこ
とが光起電力素子の量産性を高め、生産コストの大幅な
低減を達成せしめるについて要求される。

【０００６】光起電力素子については、その重要な構成
要素たる半導体層は、いわゆるｐｎ接合、ｐｉｎ接合等
の半導体接合がなされている。アモルファスシリコン等
の薄膜半導体を用いる場合、ホスフィン（ＰＨ₃），ジ
ボラン（Ｂ ₂Ｈ₆）等のドーパントとなる元素を含む原料
ガスを主原料ガスであるシラン等に混合してグロー放電
分解することにより所望の導電型を有する半導体膜が得
られ、所望の基板上にこれらの半導体膜を順次積層作製
することによって容易に前述の半導体接合が達成できる
ことが知られている。そしてこのことから、アモルファ
スシリコン系の光起電力素子を作製するについて、その
各々の半導体層作製用の独立した成膜室を設け、該成膜
室にて各々の半導体層の作製を行う方法が提案されてい
る。

【０００７】因に、米国特許第４，４００，４０９号明
細書には、ロール・ツー・ロール（ＲｏｌｌｔｏＲ
ｏｌｌ）方式を採用した連続プラズマＣＶＤ装置が開示
されている。この装置によれば、複数のグロー放電領域
を設け、所望の幅の十分に長い可撓性の基板を、該基板
が前記各グロー放電領域を順次貫通する経路に沿って配
置し、前記各グロー放電領域において必要とされる導電
型の半導体層を堆積しつつ、前記基板をその長手方向に
連続的に搬送せしめることによって、半導体接合を有す
る素子を連続作製することができるとされている。な
お、該明細書においては、各半導体層作製時に用いるド
ーパントガスが他のグロー放電領域へ拡散、混入するの
を防止するにはガスゲートが用いられている。具体的に
は、前記各グロー放電領域同士を、スリット状の分離通
路によって相互に分離し、さらに該分離通路に例えばＡ
ｒ、Ｈ₂等の掃気用ガスの流れを作製させる手段が採用
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなロール・ツー・ロール方式は、半導体素子の量産に
適する方式であるものの、前述したように、光起電力素
子を大量に普及させるためには、さらなる光電変換効
率、特性安定性や特性均一性の向上、製造コストの低減
が望まれている。特に、光電変換効率や特性安定性の向
上のためには、各単位モジュールの光電変換効率や特性
劣化率を０．１％刻み（割合で約１．０１倍相当）で改
良するのは当然であるが、更には、単位モジュールを直
列又は並列に接続し、ユニット化した際には、ユニット
を構成する各単位モジュールの内の最小の電流又は電圧
特性の単位モジュールが律速してユニットの特性が決る
ため、各単位モジュールの平均特性を向上させるだけで
なく、特性バラツキも小さくすることが非常に重要とな
る。そのために単位モジュールを作製する段階でその最
大の特性決定要素である半導体層そのものの特性均一性
を確保することが望まれている。また、製造コストの低
減のために、各モジュールにおいては断線やショートが
生起しないように、半導体層の欠陥を減らすことによ
り、歩留りを向上させることが強く望まれている。

【０００９】そこで、本発明は、上記した従来のものに
おける課題を解決し、光電変換効率および特性安定性あ
るいは特性均一性の向上を図ることができ、また、製造
コストの低減を図ることができ、例えば、堆積膜の形成
速度を数Å／ｓ以上という高速にしても、電気的、光学
的特性に優れた非晶質シリコン膜による高品質で高性能
な非晶質半導体膜を作成することのできる半導体堆積膜
の形成方法及びその形成装置を提供することを目的とし
ている。また、本発明は、放電の安定性を高め、量産時
の素子の歩留りを向上させるとともに、メンテナンス性
を向上させることのできる半導体堆積膜の形成方法及び
その形成装置を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するため、半導体堆積膜の形成方法及びその形成装置
を、つぎのように構成したことを特徴とするものであ
る。すなわち、本発明の半導体堆積膜の形成方法は、真
空気密の可能な反応容器内に、その一面が基板で構成さ
れ他面が壁面で構成される成膜室を設け、前記成膜室内
に反応ガスを導入するとともに排気手段により排気して
所望の圧力に維持し、該成膜室内に高周波電力を導入し
てプラズマを生起し、前記基板上に半導体堆積膜を形成
する半導体堆積膜の形成方法であって、前記成膜室内側
に面している前記基板表面近傍を、反応ガスが積極的に
流れるように排気し、半導体堆積膜を形成することを特
徴としている。また、本発明の半導体堆積膜の形成方法
は、前記成膜室における前記基板表面近傍を、反応ガス
が積極的に流れるように排気する構成が、前記基板表面
近傍に形成された前記成膜室における壁面の排気穴から
なることを特徴としている。また、本発明の半導体堆積
膜の形成方法は、前記壁面の穴の開いている部分の面積
が、穴の開いていない部分の面積に対して１：１〜１：
８であることを特徴としている。また、本発明の半導体
堆積膜の形成方法は、前記成膜室内に導入する高周波の
波長をλとすると、前記壁面の個々の穴径はλ／４より
小さいことを特徴としている。また、本発明の半導体堆
積膜の形成方法は、前記成膜室の壁面が、金属板で形成
されていることを特徴としている。また、本発明の半導
体堆積膜の形成方法は、前記成膜室の壁面が、接地した
前記反応容器に電気的に接続され、前記成膜室内に高周
波電力を導入するための電極にＤＣバイアス電源が接続
されていることを特徴としている。また、本発明の半導
体堆積膜の形成方法は、前記高周波電力の周波数が２０
ＭＨｚ以上２．４５ＧＨｚ以下であることを特徴として
いる。また、本発明の半導体堆積膜の形成方法は、前記
基板が、帯状部材であって、該帯状部材が長手方向に連
続的に搬送されることを特徴としている。

【００１１】また、本発明の半導体堆積膜の形成装置
は、真空気密の可能な反応容器内に、その一面が基板で
構成され他面が壁面で構成される成膜室を設け、前記成
膜室内を排気する排気手段と、前記成膜室内に反応ガス
を導入する手段と、前記成膜室内に高周波電力を導入す
る電極と、を少なくとも有する半導体堆積膜の形成装置
において、前記成膜室を構成する壁面の基板近傍に、前
記成膜室を排気するための排気穴が形成されていること
を特徴としている。また、本発明の半導体堆積膜の形成
装置は、前記壁面の穴の開いている部分の面積が、穴の
開いていない部分の面積に対して１：１〜１：８である
ことを特徴としている。また、本発明の半導体堆積膜の
形成装置は、前記成膜空間内に導入する高周波の波長を
λとすると、前記壁面の個々の穴径はλ／４より小さい
ことを特徴としている。また、本発明の半導体堆積膜の
形成装置は、前記成膜室の壁面が、金属板で形成されて
いることを特徴としている。また、本発明の半導体堆積
膜の形成装置は、前記成膜室の壁面が、接地した前記反
応容器に電気的に接続され、前記成膜室内に高周波電力
を導入するための電極にＤＣバイアス電源が接続されて
いることを特徴としている。また、本発明の半導体堆積
膜の形成装置は、前記高周波電源の周波数が、２０ＭＨ
ｚ以上２．４５ＧＨｚ以下の高周波電力を出力する高周
波電源であることを特徴としている。また、本発明の半
導体堆積膜の形成装置は、前記基板が、帯状部材であっ
て、該帯状部材を長手方向に連続的に搬送する手段を有
することを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明者らは、前述した課題を解
決するために鋭意研究を重ねてきた結果、良質の非晶質
シリコン膜（微結晶層を含有する非結晶シリコン膜も含
む）を高速で形成するための方法または装置を、上記の
ように構成することによって、原料ガスの利用効率を上
げることを可能としたものである。本発明において、前
記成膜室を構成する壁面の基板近傍に、前記成膜室を排
気するための排気穴を設ける構成が、プラズマを実質的
に閉じ込め、原料ガスの利用効率を向上させ、非晶質シ
リコン膜の高品質化を図る上で、如何に寄与しているか
の詳細は確かでないが、今までのところ、以下のような
要因が考えられる。すなわち、基板近傍に多くの排気穴
が開いた金属板で包囲された空間に高周波電力を集中的
に投入する事ができるとともに、排気穴によって排気コ
ンダクタンスが実質的に低下するので、原料ガスの分解
・活性化が促進され、高密度のプラズマを発生させるこ
とができる。活性化された原料ガスは基板近傍の排気穴
から排気されるため、必ず基板の近傍を通過することに
なり、成膜室の壁面に比べより多くの膜が基板表面に堆
積するものと思われ、成膜室の内壁に堆積した膜が剥離
して基板に付着してしまうといったことが起こりにくく
なる。さらに分解された原料ガス中のイオン種が基板上
にボンバードを起こしやすくなり堆積膜に局部的にアニ
ールを行ない、膜中のストレスを緩和し、欠陥を減少さ
せることで良質の堆積膜を得ることができると思われ
る。

【００１３】本発明においては、成膜室の壁面の穴の開
いている部分の面積が穴の開いていない部分の面積に対
して１：１〜１：８であることが好ましく、それを１：
２〜１：６とすることがより好ましい。成膜室の壁面を
構成する材料としては、Ｆｅ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｗ等
の金属の単体あるいはステンレス等の合金であることが
好ましく、加工が容易という点でＡｌが、強度や耐久性
という点でステンレスが好ましい。また、成膜室の壁面
の排気穴の形状としては、線状の素材を編んだもの、板
状の素材に細かい切り目をいれて引き広げたもの（エキ
スパンディドメタル）、パンチングメタル等様々なもの
を用いることができ、個々の排気穴の形状は同一でも不
揃いでも構わないが、円を等間隔に配列したパンチング
メタルが作成または入手のし易さ等から好ましい。ま
た、個々の排気穴の最大寸法は、投入する高周波の周波
数により調整することで高周波パワーの漏れを押え高密
度のプラズマを発生させることができる。高周波パワー
の漏れを押える円の最大寸法は導入する高周波の周波数
によって異なるが、成膜空間内に導入する高周波の波長
をλとすると、前記金属板の個々の穴径はλ／４より小
さくすることが好ましい。金属板を接地した場合には、
プラズマ中の異常な電荷蓄積を速やかに解消させ、スパ
ーク等の異常放電を防いで、放電の安定性を向上できる
ため、金属板を用いない場合や、金属板を接地しない場
合に比べて、異常放電（スパーク）の発生回数を低減で
きる。また、接地した金属板を用いてプラズマを閉じ込
めることによって、成膜速度を向上させることも同時に
達成できた。

【００１４】更に、本発明においては、導入する高周波
電力の周波数を２０ＭＨｚ以上２．４５ＧＨｚ以下とい
う特定の範囲としたことにより、本発明の効果をより顕
著なものとしている。この理由としては、２０ＭＨｚ〜
２．４５ＧＨｚの周波数とすることにより、原料ガスの
分解性及び／又は分解した後の活性種の種類、割合、数
を最適に制御できるためであると推測される。一般に高
周波プラズマにおいて、導入する電磁波の周波数に応じ
てプラズマ中の電子密度、或は該電子のエネルギー、さ
らに電極に発生するセルフバイアス、基板に入射するイ
オンエネルギー等が変化する。例えば、周波数が高くな
ると一般に電子温度は高くなり、高エネルギー電子は増
加する。また入射イオンエネルギーは分布幅が狭くなる
（但し分布の中心値は圧力、パワー等によって変化す
る）。また電極のセルフバイアスは小さくなる。従って
導入する電磁波の周波数によってプラズマ中で生成され
る電子、イオン、ラジカル等（以後これらを活性種と記
す）の種類、割合、或はプラズマ自体の安定性が変化す
る。これらの変化が、本発明の効果の一助となっている
ものと考えられる。例えばＳｉＨ₄ガスが電磁波により
分解する場合、前述のようにイオン、ラジカル等の活性
種が生成するが、これらの活性種はその種類によって、
反応性が異なる。このうち不安定（反応性の高い）な活
性種は気相中での２次反応で失活したり、或は基板表面
上で比較的短時間で膜として堆積してしまう。このよう
な場合、堆積膜中のネットワーク形成時の緩和時間が不
十分となり、歪みの多い堆積膜となる場合が多い。一
方、安定（反応性が低く比較的寿命の長い）な活性種
は、堆積膜中のネットワーク形成時の緩和時間が十分得
られ、歪みの少ない安定な堆積膜となる。従って、２０
ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚの周波数は、活性種の種類、割
合、数等を比較的好ましい条件に制御できるものと考え
られる。

【００１５】また、放電圧力は、５〜１００ｍｔｏｒｒ
の範囲が好ましく、５ｍｔｏｒｒより低圧では、放電の
維持が困難となり、１００ｍｔｏｒｒより高圧では、ポ
リシラン等の不都合な副生成物が生じる恐れがある。堆
積膜の原料ガスとしては、例えば、シラン（Ｓｉ
Ｈ₄）、ジシラン（Ｓｉ ₂Ｈ₆）等のアモルファスシリコ
ン形成原料ガス、ゲルマン（ＧｅＨ₄）等の他の機能性
堆積膜形成原料ガス又は、それらの混合ガスが挙げられ
る。希釈ガスとしては水素（Ｈ₂）、アルゴン（Ａ
ｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、等が挙げられる。また、ドー
ピングを目的としてジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）、フッ化硼素
（ＢＦ₃）、ホスフィン（ＰＨ₃）等のドーパントガスを
同時に放電空間（成膜空間）に導入しても本発明は同様
に有効である。基板材質としては、例えば、ステンレ
ス、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｎｂ、Ｔｅ、Ｖ、
Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ等の金属、これらの合金又は表
面を導電処理したポリカーボネート等の合成樹脂、ガラ
ス、セラミック、紙等が本発明では通常使用される。基
体の短手方向は、１０ｍｍ以上が好ましく、特に、２０
ｍｍ以上５００ｍｍ以下が最適である。基板の長さには
特に制限はなく、長手方向に連続的に搬送しながら堆積
膜を形成することもできる。本発明での堆積膜形成時の
基板の温度はいずれの温度でも有効だが、特に２０℃以
上５００℃以下が好ましく、５０℃以上４５０℃以下が
より良好な効果を示すためより好ましい。

【００１６】本発明での高周波の反応容器までの導入方
法として例えば同軸ケーブルによる方法が挙げられ、成
膜室内への導入は、室内ヘアンテナまたは平板電極を設
置する方法が挙げられるが、より好ましくは多角形、円
形いずれでも良いが、電磁波を均一に導入するために、
例えば、円、正多角形等の対称形が良い。又、電極の断
面積としては、好ましくは１ｍｍ²以上８００ｃｍ²以
下、好ましくは３ｍｍ²以上５００ｃｍ² 以下、最適には
５ｍｍ²以上３５０ｃｍ²以下が好ましい。さらに、円筒
状の電極とするときには、該電極断面の直径は、好まし
くは１ｍｍ以上１５ｃｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以
上１２ｃｍ以下、最適には３ｍｍ以上１０ｃｍ以下が好
ましい。

【００１７】本発明において、電極における高周波電力
の電力密度としては、好ましくは０．０１〜５０Ｗ／ｃ
ｍ²、より好ましくは、０．１〜３０Ｗ／ｃｍ²、最適に
は０．５〜１０Ｗｃｍ²である。電力密度が０．０１Ｗ
／ｃｍ²より小さいと、本発明の効果が小さくなり、逆
に５０Ｗ／ｃｍ²より大きいと、放電が不安定となり、
異常放電を起こし易くなる。また電極の長さとしては、
基板の長さによって異なるが、好ましくは基板の長さに
対して５％以上２００％以下、より好ましくは１０％以
上１８０％以下、最適には２０％以上１５０％以下が好
ましい。また、電極の材質としては、電磁波を伝送可能
なものであれば特に制限はなく、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、
Ｍｏ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｎｂ、Ｔｅ、Ｖ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐ
ｂ、Ｆｅ、等の金属、およびこれらの合金、たとえばス
テンレス（例えばＪＩＳ規格ＳＵＳ３００系、４００
系）等が挙げられる。パワー条件としては、堆積膜形成
速度が飽和する際のエネルギーの好ましくは５％以上２
００％以下であり、より好ましくは１５％以上１５０％
以下である。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明するが、
これらの実施例は本発明の内容を何ら限定するものでは
ない。［実施例１］図１に本発明を具体的に説明する為の第１
の例を示す。１０２は基板であり、該基板１０２は反応
容器１０１上部に保持され、基板の裏面側からヒーター
１０８により加熱され所定の温度に加熱されている。原
料ガス導入管１０３を通して、反応容器１０１下部より
成膜室１１０内部に原料ガスが導入される。原料ガスは
排気ポンプ（不図示）を使って同図左右方向へと排気さ
れる。高周波電力は高周波電源１０４から、高周波電極
１０６を通して成膜室１１０内部へ導入され原料ガスを
分解・励起しプラズマを発生させる。また、高周波電極
にはＤＣ電源１０５からＤＣバイアスを印加する。基板
１０２、高周波電極１０６、および原料ガス導入管１０
３は排気穴１０９の形成された金属板１０７に包囲され
ており、発生したプラズマは実質的に金属板１０７内に
閉じ込められている。この成膜装置を用いて、ｉ型非晶
質シリコン・ゲルマニウム半導体（以下ａ−ＳｉＧｅと
略記）膜の形成を行った。ａ−ＳｉＧｅ膜の形成条件を
表１に掲げる。

【００１９】

【表１】ｉ型ａ−ＳｉＧｅ膜の形成条件原料ガスとしては、ＳｉＨ₄７５ｓｃｃｍ、ＧｅＨ₄７５
ｓｃｃｍを希釈ガスである水素６００ｓｃｃｍと合わせ
て用いている。プラズマ生起用の高周波としては、周波
数１００ＭＨｚのＶＨＦを用い、高周波電極１０６を通
して成膜室１１０内部に投入している。投入電力は高周
波電力（１００ＭＨｚのＶＨＦ）が１０００Ｗ、ＤＣバ
イアスは＋３００Ｖ、基板１０２の温度は３００℃とし
た。金属板１０７の基板近傍には、排気穴１０９を構成
するためにステンレス製パンチングボードを使用し、そ
れ以外はステンレス製の排気穴の開いていない板を用い
た（図３）。各排気穴の開口は円形をしており、直径５
ｍｍで穴同士の間隔は８ｍｍの開口率３５．４％、排気
穴の開いている部分の面積：排気穴の開いていない部分
の面積比が１：２の金属板を用いて、実質的にプラズマ
を閉じ込めるように配設した。この例では、金属板１０
７はステンレス製の反応容器１０１に電気的に接続さ
れ、反応容器１０１は接地してある。

【００２０】上記成膜条件で、ａ−ＳｉＧｅ膜を堆積し
たときの堆積速度を、金属板を用いない場合（図２）の
堆積速度と比較すると、基板近傍に多数の排気穴の開い
た金属板１０７を使用した時の堆積速度は、４１Å／
ｓ、金属板を使用しない場合の堆積速度は３２Å／ｓで
あり、金属板１０７を使用することによって、高周波電
力や成膜圧力を変化させることなく、堆積速度を約２８
％向上させることができた。これは、金属板１０７で実
質的にプラズマを閉じ込める事によって、原料ガスの分
解、活性化が促進され高密度で、高電子温度のプラズマ
が生成されたためと考えられる。また、同様に、金属板
１０７を用いた場合と用いない場合の連続放電において
の異常放電（スパーク）の発生回数を比較すると、金属
板１０７の採用によって異常放電回数は１０回から３回
に低減した。これは、プラズマ中の異常な電荷蓄積を金
属板１０７によって速やかに解消できた結果と考えられ
る。このようにして、金属極１０７を用いて実質的にプ
ラズマを閉じ込めることにより、堆積速度を向上させつ
つ、放電を安定化できることが確かめられた。

【００２１】次に、前述の金属板１０７を用いて形成し
たａ−ＳｉＧｅ膜の品質をｐｉｎ型光起電力素子を作成
し、その光電変換を測定することによって評価した。Ａ
Ｍ−１．５（１００ｍＷ／ｃｍ²）光照射下に設置し、
光電変換効率を測定した。ｐｉｎ型光起電力素子の構成
を図５に示す。まず、ステンレス基板５０１上に裏面反
射層として、銀膜５０２を５０００Å、酸化亜鉛膜５０
３を２μｍとし、この順に堆積した。その後、ｎ型非晶
質シリコン半導体膜（ｎ型層）５０４を約３００Å、前
述のａ−ＳｉＧｅ膜５０５を約６０００Å、ｐ型非晶質
シリコン半導体膜（ｐ型層）５０６を約１００Å、この
順に堆積した。ｎ型層およびｐ型層の形成条件は表２に
掲げてある。

【００２２】

【表２】ｎ型層とｐ型層の形成条件続いて、反射防止膜兼表面電極として酸化インジウムス
ズ膜５０７を７００Å堆積し、最後に集電電極５０８と
してＣｒ２０００Å、Ａｇ８０００Å、Ｃｒ２００Åを
この順に堆積した。

【００２３】ａ−ＳｉＧｅ膜５０５の形成周波数を１０
ＭＨｚから３ＧＨｚの周波数帯域で変化させて変換効率
を測定した。その結果を図７に示す。変換効率は、およ
そ２０ＭＨｚから２．４５ＧＨｚの周波数帯域の範囲で
良好な変換効率が得られている。

【００２４】さらに、ａ−ＳｉＧｅ膜５０５の形成周波
数を１００ＭＨｚとした場合で金属板１０７は図３と同
様の排気穴の形状の物を用いて排気穴の開いている部分
の面積が排気穴の開いていない部分の面積に対して２：
１〜１：１０と変化させた時の変換効率の変化を図８に
示す。面積比が１：１〜１：８の範囲で良好な特性が得
られている。排気穴の開いている部分の面積：排気穴の
開いていない部分の面積が１：８より排気穴の開いてい
ない部分の面積が大きいとした場合には、放電領域の圧
力が上昇し過ぎた為に、また、排気穴の開いている部分
の面積：排気穴の開いていない部分の面積が１：１より
排気穴の開いている部分の面積が大きいとした場合に
は、成膜室の内壁に堆積した膜が剥離して基板に付着し
たり、分解された原料ガス中のイオン種が基板上をボン
バードする機会が減少するためアニールの効果が薄れた
ものと思われる。

【００２５】［実施例２］基板１０２は成膜室１１０上
部に保持され、ヒーター１０８により所望の温度に加熱
し、図１の製造装置を用い、実施例１と同様の手順で表
３の条件で基板１０２上に図６に示したｐ，ｐ／ｉ，
ｉ，ｎ／ｉ，ｎの５層からなる光起電力素子を作製し
た。

【００２６】

【表３】各層の形成条件金属板１０７についても実施例１とまったく同様のもの
とした。実施例１と同様に作製した光起電力素子は光電
変換効率を測定することによって評価した。

【００２７】（比較例２−１）成膜室の壁面として金属
板を用いない以外は実施例２と全く同様に、図２の製造
装置を用い、実施例２と同様の手順で表３の条件で基板
２０２上に図６に示したｐ，ｐ／ｉ，ｉ，ｎ／ｉ，ｎの
５層からなる光起電力素子を作製した。実施例１と同様
に光電変換効率を測定し、比較例２−１の光起電力素子
のバラツキを基準１．００にして、特性バラツキの比較
を行なった。

【００２８】欠陥密度は、実施例２で作成した光起電力
素子を、５ｃｍ角の面積で１００個切出し、逆方向電流
を測定することにより、各光起電力素子の欠陥の有無を
検出して、欠陥密度を評価した。比較例１の光起電力素
子の欠陥密度を基準１．００にして、欠陥密度数を求め
た。

【００２９】光劣化特性は、実施例２及び比較例２−１
で作成した帯状部材上の光起電力素子を、５ｃｍ角の面
積で１００個切出し、ＡＭ−１．５（１００ｍＷ／ｃｍ
²）光照射下に設置し、１００００時間放置し、光電変
換効率を測定して、その光電変換効率の低下率を評価し
た。この低下率は、比較例２−１の光起電力素子の低下
率を基準１．００にして、劣化特性比較を行なった。

【００３０】

【表４】特性比較表表４に示すように、比較例２−１の光起電力素子に対し
て、実施例２の光起電力素子は、変換効率のバラツキ、
欠陥密度、光劣化率において各数値は１．００より低く
なっている。すなわち、本発明の作製装置による光起電
力素子が優れた特性を有することが判明し、本発明の効
果が実証された。

【００３１】［実施例３］図４に本発明を具体的に説明
する為の第３の例を示す。送り出し用真空容器４０２、
ｎ型層反応容器４３３、ｉ型層反応容器４３０、ｐ型層
反応容器４２６、巻き取り用真空容器４２２はガスゲー
ト４０４，４０９，４１６，４２１，４２４，４２７，
４３１，４３４で接続され排気口４０５，４１０，４１
５，４１７より排気ポンプ（不図示）で真空に排気され
ている。帯状基板４０３は送り出し用ボビン４０１に巻
かれておりｎ型層反応容器４３３、ｉ型層反応容器４３
０、ｐ型層反応容器４２６へ搬送される。そして各真空
容器内で成膜等の処理が行なわれた帯状基板４０３は巻
き取り用ボビン４２３により巻き取られる。ここでガス
ゲート４０４，４０９，４１６，４２１，４２４，４２
７，４３１，４３４より掃気用ガスが流されており各真
空容器間でガスが混入するのを防いでいる。

【００３２】帯状基板４０３は各成膜室上部を通過しな
がら、各反応容器のヒーターにより所望の温度に加熱さ
れている。ｎ型層反応容器４３３では、高周波電力は高
周波電源４０７から、高周波電極４０６を通して成膜室
内部へ導入され原料ガスを分解・励起しプラズマを発生
させる。ここではｎ型非晶質シリコン半導体膜（ｎ型
層）を形成する。またｐ型層反応容器４２６では同様に
してｐ型非晶質シリコン半導体膜（ｐ型層）を形成す
る。ｉ型層反応容器４３０については実施例１の表１と
同様の条件でｉ型ａ−ＳｉＧｅ膜（ｉ型層）の形成を行
った。ｎ型層、ｐ型層それぞれの膜の形成条件は実施例
１の表２と同様とした。この例ではｉ型層成膜室の壁面
の基板近傍に排気穴が開いた金属板を用いたことで成膜
速度が向上しｐｉｎ型光起電力素子を高速で製造するこ
とが可能となった。また膜中のストレスを緩和し、欠陥
を減少させることで良質の堆積膜を得ることができ素子
の歩留りを向上できる効果がある。また、成膜室壁面
等、所望部以外の膜堆積が大幅に減少するため、メンテ
ナンス性も向上出来るという効果がある。

【００３３】（比較例３−１）ｉ型層成膜室の壁面とし
て金属板を用いない以外は実施例３と全く同様に、図４
の製造装置を用い、実施例３と同様の手順で表２の条件
で基板４０３上に図５に示したｐｉｎの３層からなる光
起電力素子を作製した。特性均一性、欠陥密度、光劣化
特性は実施例２と同様に比較例３−１の光起電力素子を
基準１．００にして、各特性の比較を行なった。表５に
示すように、比較例３−１の光起電力素子に対して、実
施例３の光起電力素子は、変換効率のバラツキ、欠陥密
度、光劣化率において優れており、本発明の作製装置に
より作製した光起電力素子が優れた特性を有することが
判明し、本発明の効果が実証された。

【００３４】

【表５】特性比較表

【００３５】

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、成膜室
内側に面している前記基板表面近傍を、反応ガスが積極
的に流れるように排気する構成によって、原料ガスの利
用効率を上げることが可能となり、光電変換効率および
特性安定性あるいは特性均一性の向上を図ることがで
き、例えば、堆積膜の形成速度を数Å／ｓ以上という高
速にしても、電気的、光学的特性に優れた非晶質シリコ
ン膜による高品質で高性能な非晶質半導体膜を作成する
ことができる。また、本発明によると、放電の安定性を
高めることが可能となり、成膜室のメンテナンス性も向
上し、生産時のスループットを向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気穴の形成されている金属板で成膜
室を構成した半導体堆積膜装置の概要を模式的に示す図
である。

【図２】金属板を用いない場合の半導体堆積膜装置の概
要を模式的に示す図である。

【図３】本発明の半導体堆積膜装置における成膜室を構
成する排気穴の形成されている金属板を示す図である。

【図４】本発明の帯状部材を長手方向に連続的に搬送し
て半導体堆積膜を形成するようにした半導体堆積膜装置
の概要を模式的に示す図である。

【図５】本発明の３層からなるｐｉｎ型光起電力素子の
構成を示す図である。

【図６】本発明のｐ，ｐ／ｉ，ｉ，ｎ／ｉ，ｎの５層か
らなる光起電力素子の構成を示す図である。

【図７】本発明の堆積膜を形成するために用いる高周波
電力の周波数と変換効率との関係を示す図である。

【図８】本発明の排気穴の比率と変換効率との関係を示
す図である。

【符号の説明】

１０１，２０１：反応容器１０２，２０２，５０１，６０１：基板１０３，２０３，４０８，４１２，４２０：原料ガス導
入管１０４，２０４，４０７，４１３，４１９：高周波電源１０５，２０５，４１４：ＤＣ電源１０６，２０６，４０６，４２８，４１８：高周波電極１０７，３０２：金属板１０８，２０７，４２５，４２９，４３２：ヒーター１０９，３０１，４１１：排気穴１１０，２０８，４２６，４３０，４３３：成膜室４０１：送り出し用ボビン４０２：送り出し用真空容器４０３：帯状基板４０４，４０９，４１６，４２１，４２４，４２７，４
３１，４３４：ガスゲート４２２：巻き取り用真空容器４２３：巻き取り用ボビン５０２，６０２：銀膜５０３，６０３：酸化亜鉛膜５０４，６０４：ｎ型非晶質シリコン半導体膜５０５，６０６：ｉ型非晶質シリコンゲルマニウム半導
体膜５０６，６０８：ｐ型非晶質シリコン半導体膜５０７，６０９：酸化インジウムスズ膜５０８，６１０：集電電極６０５：ｉ型非晶質シリコン半導体膜（ｎ／ｉバッファ
層）６０７：ｉ型非晶質シリコン半導体膜（ｐ／ｉバッファ
層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者酒井明東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者岡部正太郎東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者幸田勇蔵東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者金井正博東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2H068 DA23 DA71 EA25 EA30 4K030 AA05 AA06 AA17 BA09 BA30 BB12 CA17 EA11 FA01 GA14 HA02 JA03 JA18 KA08 KA14 KA20 KA45 KA46 LA12 5F045 AA08 AB04 AC01 AC16 AC17 AC19 BB09 CA13 DA65 DP04 EB02 EE20 EF20 EG02 EH12 EH20 HA24 5F051 AA05 BA05 BA14 BA15 CA16 CA22 CA23 CA24 DA16 GA02 GA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空気密の可能な反応容器内に、その一面
が基板で構成され他面が壁面で構成される成膜室を設
け、前記成膜室内に反応ガスを導入するとともに排気手
段により排気して所望の圧力に維持し、該成膜室内に高
周波電力を導入してプラズマを生起し、前記基板上に半
導体堆積膜を形成する半導体堆積膜の形成方法であっ
て、前記成膜室内側に面している前記基板表面近傍を、反応
ガスが積極的に流れるように排気し、半導体堆積膜を形
成することを特徴とする半導体堆積膜の形成方法。
【請求項２】前記成膜室における前記基板表面近傍を、
反応ガスが積極的に流れるように排気する構成が、前記
基板表面近傍に形成された前記成膜室における壁面の排
気穴からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体
堆積膜の形成方法。
【請求項３】前記壁面の穴の開いている部分の面積が、
穴の開いていない部分の面積に対して１：１〜１：８で
あることを特徴とする請求項２に記載の半導体堆積膜の
形成方法。
【請求項４】前記成膜室内に導入する高周波の波長をλ
とすると、前記壁面の個々の穴径はλ／４より小さいこ
とを特徴とする請求項２に記載の半導体堆積膜の形成方
法。
【請求項５】前記成膜室の壁面が、金属板で形成されて
いることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１
項に記載の半導体堆積膜の形成方法。
【請求項６】前記成膜室の壁面が、接地した前記反応容
器に電気的に接続され、前記成膜室内に高周波電力を導
入するための電極にＤＣバイアス電源が接続されている
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体堆積膜の形成
方法。
【請求項７】前記高周波電力は、その周波数が２０ＭＨ
ｚ以上２．４５ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求
項１〜請求項６のいずれか１項に記載の半導体堆積膜の
形成方法。
【請求項８】前記基板が、帯状部材であって、該帯状部
材が長手方向に連続的に搬送されることを特徴とする請
求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の半導体堆積膜
の形成方法。
【請求項９】真空気密の可能な反応容器内に、その一面
が基板で構成され他面が壁面で構成される成膜室を設
け、前記成膜室内を排気する排気手段と、前記成膜室内
に反応ガスを導入する手段と、前記成膜室内に高周波電
源からの高周波電力を導入する電極と、を少なくとも有
する半導体堆積膜の形成装置において、前記成膜室を構成する壁面の基板近傍に、前記成膜室を
排気するための排気穴が形成されていることを特徴とす
る半導体堆積膜の形成装置。
【請求項１０】前記壁面の穴の開いている部分の面積
が、穴の開いていない部分の面積に対して１：１〜１：
８であることを特徴とする請求項９に記載の半導体堆積
膜の形成装置。
【請求項１１】前記成膜空間内に導入する高周波の波長
をλとすると、前記壁面の個々の穴径はλ／４より小さ
いことを特徴とする請求項９に記載の半導体堆積膜の形
成装置。
【請求項１２】前記成膜室の壁面が、金属板で形成され
ていることを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれ
か１項に記載の半導体堆積膜の形成装置。
【請求項１３】前記成膜室の壁面が、接地した前記反応
容器に電気的に接続され、前記成膜室内に高周波電力を
導入するための電極にＤＣバイアス電源が接続されてい
ることを特徴とする請求項１２に記載の半導体堆積膜の
形成装置。
【請求項１４】前記高周波電源は、その周波数が２０Ｍ
Ｈｚ以上２．４５ＧＨｚ以下の高周波電力を出力する高
周波電源であることを特徴とする請求項９〜請求項１３
のいずれか１項に記載の半導体堆積膜の形成装置。
【請求項１５】前記基板が、帯状部材であって、該帯状
部材を長手方向に連続的に搬送する手段を有することを
特徴とする請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載
の半導体堆積膜の形成装置。