JP2001152347A - プラズマｃｖｄ装置およびシリコン系薄膜光電変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜中での被処理基板表面の薄膜へのイオン
ダメージをより効果的に抑制することが可能なプラズマ
ＣＶＤ装置を提供する。 【解決手段】 排気部材を有する反応容器と、前記反応
容器内に配置され、被処理基板を保持するアノード電極
と、前記反応容器内に前記アノード電極に対向する前面
に配置され、複数のガス吹き出し穴が開口されたカソー
ド電極と、前記カソード電極の背面から前記各ガス吹き
出し穴内にそれらの穴内面に対して所望距離隔ててそれ
ぞれ挿入され、かつ前記カソード電極に対して電気的に
分離されたアノード棒と、前記カソード電極に向けて反
応ガスを供給するためのガス供給手段と、前記カソード
電極に電力を印加するための電源とを具備したことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマＣＶＤ装
置およびこのプラズマＣＶＤ装置を用いて結晶質シリコ
ン系薄膜光電変換層を成膜する工程を含むシリコン系薄
膜光電変換装置の製造方法に関する。

【０００２】なお、本明細書において、「結晶質」と
「微結晶」の用語は、部分的に非晶質状態を含むものを
も意昧するものとする。

【０００３】

【従来の技術】薄膜光電変換装置の代表的なものとして
非晶質シリコン系太陽電池が知られている。この太陽電
池に用いられる非晶質光電変換材料は、通常２００℃前
後の低い成膜温度の下でプラズマＣＶＤ法によって形成
できるため、基板としてガラス、ステンレス、有機フィ
ルム等の安価なものを使用できる。その結果、非晶質光
電変換材料は、低コストの光電変換装置を製造するのた
めの有力材料として期待されている。また、非晶質シリ
コンは可視光領域での吸収係数が大きいため、５００ｎ
ｍ以下の薄い膜厚の非晶質シリコンからなる光電変換層
を有する太陽電池において１５ｍＡ／ｃｍ²以上の短絡
電流が実現されている。

【０００４】しかしながら、非晶質シリコン系材料は長
期間の光照射を受けると、Stebler-Wronsky効果により
光電変換特性が低下するなどの問題を抱えており、さら
にその有効感度波長領域が８００ｎｍ程度に制限されて
いる。したがって、非晶質シリコン系材料を用いた光電
変換装置においては、その信頼性や高性能化には限界が
見られ、基板選択の自由度や低コストプロセスを利用し
得るという本来の利点が十分には生かされていない。

【０００５】このようなことから、近年、例えば多結晶
シリコンや微結晶シリコンのような結晶質シリコンを含
む薄膜を利用した光電変換装置の開発が精力的に行なわ
れている。これらの開発は、安価な基板上に低温プロセ
スで良質の結晶質シリコン薄膜を形成することによって
光電変換装置の低コスト化と高性能化を両立させるとい
う試みであり、太陽電池だけでなく光センサ等の様々な
光電変換装置への応用が期待されている。

【０００６】結晶質シリコン薄膜の形成方法としては、
例えばＣＶＤ法やスパッタリング法にて基板上に直接堆
積させるか、同様のプロセスで一旦非晶質膜を堆積させ
た後に熱アニールやレーザアニールを行なうことによっ
て結晶化を図るなどの方法が知られている。いずれの方
法においても前述した安価な基板を用いるためには成膜
時の温度を５５０℃以下にする必要がある。

【０００７】前記各成膜プロセスの中でも、プラズマＣ
ＶＤ法によって直接結晶質シリコン薄膜を堆積させる手
法は、プロセスの低温化や薄膜の大面積化が最も容易で
あり、しかも比較的簡便なプロセスで高品質な結晶質薄
膜が得られるものと期待されている。

【０００８】ところで、プラズマＣＶＤ法に用いられる
装置としては従来より図７および図８に示す構造のもの
が知られている。図７中の矩形状の反応容器１は、対向
する両側壁に排気部材である排気管２，２がそれぞれ連
結されている。前記排気管２，２は、それら他端が図示
しない真空ポンプ等に連結されている。基板を出し入れ
するための図示しないバルブは、前記反応容器１の対向
する側壁に設けられている。矩形状のアノード電極３
は、前記反応容器１内に支持軸４により支持、吊下され
てている。前記アノード電極３下部には、保持されるべ
き基板を加熱するための図示しないヒータが内蔵されて
いる。前記アノード電極３は、例えばグランドに接続さ
れている。

【０００９】前記反応容器１を貫通して底部に連通され
た筒体５を有する有底矩形枠状のシールド部材６は、前
記アノード電極３と対向して配置されている。前記筒体
５内に挿入されたガス供給管７が底部に連通された有底
矩形枠状のカソード支持部材８は、前記シールド部材６
内に絶縁材を介するか、もしくは空気絶縁されて配置さ
れている。

【００１０】カソード電極９は、図７，図８に示すよう
に前記カソード支持部材８上に前記アノード電極３と対
向する前面に位置するように支持固定され、かつ複数の
ガス吹き出し穴１０が開口されている。例えば高周波電
源（図示せず）は、前記カソード電極９に接続されてい
る。ガス分散板１１は、前記有底矩形枠状のカソード支
持部材８内に前記カソード電極９と対向し、かつ所望距
離隔てるように配置されている。

【００１１】このような構成のプラズマＣＶＤ装置にお
いて、図示しないバルブを通して基板１２を反応容器１
内のアノード電極３上に保持し、そのアノード電極３に
内蔵した図示しないヒータの発熱により前記基板１２を
所望温度に加熱する。反応ガス（例えばシラン系ガスと
水素を含む反応ガス）をガス供給管７を通して有底矩形
枠状のカソード支持部材８内に供給し、この支持部材８
内に配置されたガス分散板１１を通してその上部に支持
されたカソード電極９のガス吹き出し穴１０から反応ガ
スをアノード電極３に保持された基板１２に向けて吹き
出す。同時に、図示しない真空ポンプのような排気装置
を駆動して前記反応容器１内のガスを排気管２，２を通
して排気して前記反応容器１内を所定の真空度に保持す
る。

【００１２】反応容器１内の真空度が安定した状態で、
図示しない電源から前記カソード電極９に例えば高周波
電力を印加する。このような高周波電力の印加によりカ
ソード電極９と前記基板１２の間にプラズマ１３が生成
される。プラズマ１３が生成されると、その中で反応ガ
ス（シラン系ガス）が分解されてシリコンが前記所望温
度（例えば５５０℃以下）に加熱された前記基板１２表
面に堆積されてシリコン薄膜が成膜される。

【００１３】しかしながら、前述した従来のＣＶＤ装置
においては、カソード電極９とアノード電極３に保持さ
れた基板１２の間に主に強いプラズマ１３を発生するた
め、前記基板１２に成膜された薄膜にイオンダメージを
与える場合がある。

【００１４】このようなことから、図９に示すプラズマ
ＣＶＤ装置が開発されている。なお図９において前述し
た図７、図８と同様な部材は同符号を付して説明を省略
する。このプラズマＣＶＤ装置は、前記アノード電極３
と対向する前面に配置され、複数のガス吹き出し穴１０
が開口され、かつこのガス吹き出し穴１０の背面部分に
穿設され、これらの穴１０と連通し、その穴１０より径
の小さいガス導入孔１４を有するカソード電極９を備え
ている。

【００１５】このような構成のプラズマＣＶＤ装置にお
いて、図示しないバルブを通して基板１２を反応容器１
内のアノード電極３上に保持し、そのアノード電極３に
内蔵した図示しないヒータの発熱により前記基板１２を
所望温度に加熱する。反応ガス（例えばシラン系ガスと
水素を含む反応ガス）をガス供給管７を通して有底矩形
枠状のカソード支持部材８内に供給し、この支持部材８
内に配置されたガス分散板１１を通してその上部に支持
されたカソード電極９ガス導入孔１４およびガス吹き出
し穴１０から反応ガスをアノード電極３に保持された基
板１２に向けて吹き出す。同時に、図示しない真空ポン
プのような排気装置を駆動して前記反応容器１内のガス
を排気管２，２を通して排気して前記反応容器１内を所
定の真空度に保持する。

【００１６】反応容器１内の真空度が安定した状態で、
図示しない電源から前記カソード電極９に例えば高周波
電力を印加する。このような高周波電力の印加により前
記カソード電極９と前記基板１２の間に弱いプラズマ１
３が生成されるとともに、ホロカソード効果により前記
ガス吹き出し穴１０の開口付近に強いプラズマ１５が閉
じ込めらる。プラズマ１３，１４が生成されると、その
中で反応ガス（シラン系ガス）が分解されてシリコンが
前記所望温度（例えば５５０℃以下）に加熱された前記
基板１２表面に堆積されてシリコン薄膜が成膜される。

【００１７】前述した図９に示す従来のＣＶＤ装置にお
いては、主にカソード電極９内部で強い放電を行なうた
め、カソード電極９内部でプラズマを発生でき、基板１
２に成膜された薄膜へのイオンダメージを抑制すること
が可能になる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、成膜中での
被処理基板表面の薄膜へのイオンダメージをより効果的
に抑制することが可能なプラズマＣＶＤ装置を提供する
ことを目的とする。

【００１９】本発明は、成膜中での被処理基板表面の薄
膜へのイオンダメージをより効果的に抑制できるととも
に、高速度で均質かつ均一な膜形成が可能なプラズマＣ
ＶＤ装置を提供することを目的とする。

【００２０】本発明は、シリコン系光電変換層を有する
光電変換ユニットを積層する際、前記プラズマＣＶＤ装
置を用いて高品位の結晶質シリコン系光電変換層を成膜
して性能改善を達成したシリコン系薄膜光電変換装置の
製造方法を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係わるプラズマ
ＣＶＤ装置は、排気部材を有する反応容器と、前記反応
容器内に配置され、被処理基板を保持するアノード電極
と、前記反応容器内に前記アノード電極に対向する前面
に配置され、複数のガス吹き出し穴が開口されたカソー
ド電極と、前記カソード電極の背面から前記各ガス吹き
出し穴内にそれらの穴内面に対して所望距離隔ててそれ
ぞれ挿入され、かつ前記カソード電極に対して電気的に
分離されたアノード棒と、前記カソード電極に向けて反
応ガスを供給するためのガス供給手段と、前記カソード
電極に電力を印加するための電源とを具備したことを特
徴とするものである。

【００２２】本発明に係わるシリコン系薄膜光電変換装
置の製造方法は、基板上に形成された少なくとも１つの
光電変換ユニットを含み、この光電変換ユニットはプラ
ズマＣＶＤ法によって順次積層された一導電型半導体層
と、シリコン系薄膜光電変換層と、逆導電型半導体層と
を含むシリコン系薄膜光電変換装置を製造するに際し、
前記ユニットのうちの前記光電変換層は、前述したプラ
ズマＣＶＤ装置の反応容器内のアノード電極に前記基板
を保持し、電源から複数のガス吹き出し穴が開口された
カソード電極に電力を供給するとともに前記アノード電
極およびアノード棒を接地し、かつシラン系ガスと水素
ガスを含む反応ガスを前記カソード電極の複数のガス吹
き出し穴とこれら穴内に挿入された前記アノード棒との
間に吹き出し、主に前記ガス吹き出し穴内面と前記アノ
ード棒の間にプラズマを発生させることにより成膜され
ることを特徴とするものである。

【００２３】本発明に係わる別のプラズマＣＶＤ装置
は、排気部材を有する反応容器と、前記反応容器内に配
置され、被処理基板を保持するアノード電極と、前記反
応容器内に前記アノード電極に対向する前面に配置さ
れ、複数のガス吹き出し穴が開口されたカソード電極
と、前記カソード電極の背面から前記各ガス吹き出し穴
内にそれらの穴内面に対して所望距離隔ててそれぞれ挿
入され、かつ前記カソード電極に対して電気的に分離さ
れたアノード筒体と、前記カソード電極およびアノード
筒体に向けて反応ガスを供給するためのガス供給手段
と、前記カソード電極に電力を印加するための電源とを
具備したことを特徴とするものである。

【００２４】本発明に係わる別のシリコン系薄膜光電変
換装置の製造方法は、基板上に形成された少なくとも１
つの光電変換ユニットを含み、この光電変換ユニットは
プラズマＣＶＤ法によって順次積層された一導電型半導
体層と、シリコン系薄膜光電変換層と、逆導電型半導体
層とを含むシリコン系薄膜光電変換装置を製造するに際
し、前記ユニットのうちの前記光電変換層は、前述した
別のプラズマＣＶＤ装置の反応容器内のアノード電極に
前記基板を保持し、電源から複数のガス吹き出し穴が開
口されたカソード電極に電力を供給するとともに前記ア
ノード電極および複数のアノード筒体を接地し、かつシ
ラン系ガスと水素ガスを含む反応ガスを前記複数のアノ
ード筒体からこれらアノード筒体が挿入された前記カソ
ード電極の複数の穴内に吹き出し、主に前記穴内面と前
記アノード筒体の間にプラズマを発生させることにより
成膜されることを特徴とするものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わるプラズマＣ
ＶＤ装置を図１〜図３を参照して詳細に説明する。

【００２６】図１は、本発明に係わるプラズマＣＶＤ装
置を示す概略図、図２は図１のプラズマＣＶＤ装置の要
部断面図、図３は図２のIII−III矢視図である。

【００２７】矩形状の反応容器２１は、対向する両側壁
に排気部材である排気管２２，２２がそれぞれ連結され
ている。前記排気管２２，２２は、それら他端が図示し
ない真空ポンプ等に連結されている。基板を出し入れす
るための図示しないバルブは、前記反応容器２１の対向
する側壁に設けられている。

【００２８】矩形状のアノード電極２３は、前記反応容
器２１内に支持軸２４により支持、吊下されてている。
前記アノード電極２３下部には、保持されるべき基板を
加熱するための図示しないヒータが内蔵されている。前
記アノード電極２３は、例えばグランドに接続されてい
る。

【００２９】前記反応容器２１を貫通して底部に連通さ
れた筒体２５を有する有底矩形枠状のシールド部材２６
は、前記アノード電極２３と対向して配置されている。
前記筒体２５内に挿入されたガス供給管２７が底部に連
通された有底矩形枠状のカソード支持部材２８は、前記
シールド部材２６内に絶縁材を介するか、もしくは空気
絶縁されて配置されている。

【００３０】カソード電極２９は、図１〜図３に示すよ
うに前記カソード支持部材２８上に前記アノード電極２
３と対向するように支持固定されている。電源、例えば
高周波電源（図示せず）は前記カソード電極２９に接続
されている。

【００３１】前記カソード電極２９には、複数の円柱状
ガス吹き出し穴３０が開口されている。合成樹脂のよう
な絶縁材料からなるメッシュ３１は、前記カソード電極
２９の背面に対して所望距離隔てて配置されている。複
数の円柱状アノード棒３２は、図２および図３に示すよ
うにそれら下部に形成された円板部３３が前記メッシュ
３１上に所望の間隔をあけて固定され、かつ前記ガス吹
き出し穴３０内に例えば同心的に挿入されている。この
ような構成において、前記各アノード棒３２間の前記メ
ッシュ３１部分は前記有底矩形枠状のカソード支持部材
２８内に供給された反応ガスの通路として機能する。ま
た、前記アノード棒３２は前記カソード電極２９に対し
て電気的に分離されている。前記各アノード棒３２は前
記シールド部材２６を通してグランドに接続されてい
る。

【００３２】ガス分散板３４は、前記有底矩形枠状のカ
ソード支持部材２８内に前記カソード電極２９と対向
し、かつ所望距離隔てるように配置されている。

【００３３】なお、前記複数のアノード棒は絶縁材料か
らなるメッシュ上に配置する形態に限らず、アノード棒
のガス流通穴と同じ位置にアノード棒のガス流通穴より
少なくとも大きなガス流通穴を有するセラミック等で作
られた絶縁板を用いてもよい。

【００３４】前記ガス吹き出し穴は、円柱形状に限ら
ず、三角柱、四角柱または六角柱の形状にしてもよい。
前記アノード棒は、円柱状に限らず、三角柱、四角柱ま
たは六角柱の形状にしてもよい。ただし、前記ガス吹き
出し穴を例えば三角柱とした場合、前記アノード棒も三
角柱にする、つまり同一の形状にすることが好ましい。

【００３５】次に、前述した図１〜図３に示す構成のプ
ラズマＣＶＤ装置の作用を説明する。

【００３６】まず、図示しないバルブを通して基板３４
を反応容器２１内のアノード電極２３に保持させ、その
アノード電極２３に内蔵した図示しないヒータの発熱に
より前記基板３４を所望温度に加熱する。反応ガス（例
えばシラン系ガスと水素を含む反応ガス）をガス供給管
２７を通して有底矩形枠状のカソード支持部材２８内に
供給し、この支持部材２８内に配置されたガス分散板３
４を通し、さらに複数のアノード棒３２間のメッシュ３
１部分を通してカソード電極２９の複数のガス吹き出し
穴３０とこれら穴３０内にそれぞれ挿入されたアノード
棒３２の間に吹き出す。同時に、図示しない真空ポンプ
のような排気装置を駆動して前記反応容器２１内のガス
を排気管２２，２２を通して排気して前記反応容器２１
内を所定の真空度に保持する。

【００３７】反応容器２１内の真空度が安定した状態
で、図示しない電源から前記カソード電極２９に例えば
高周波電力を印加する。このような高周波電力の印加に
より前記反応ガスが供給される前記カソード電極２９の
複数のガス吹き出し穴３０とこれら穴３０内にそれぞれ
挿入された前記アノード棒３２間に強いプラズマ３６が
生成される。プラズマ３６が生成されると、その中で反
応ガス（シラン系ガス）が分解されるため、前記所望温
度（例えば５５０℃以下）に加熱され、かつグランドに
接続された前記基板３４表面に前記反応ガスの分解生成
物であるシリコンが堆積されてシリコン薄膜が成膜され
る。

【００３８】前述した成膜時において、プラズマ３５を
カソード電極２９の複数のガス吹き出し穴３０とこれら
穴３０内にそれぞれ挿入された前記アノード棒３２間に
積極的に生成して封じ込めることによって、プラズマ３
５による前記基板３４に成膜されたシリコン薄膜へのイ
オンダメージを効果的に抑制することができる。

【００３９】また、反応ガスが流通する前記カソード電
極２９の複数のガス吹き出し穴３０をこれら穴３０内に
挿入したアノード棒３２で分断して環状空間とすること
によって、反応ガスの分布を一様にできるため、均質か
つ均一厚さの薄膜を前記基板３４上に成膜できる。

【００４０】さらに、比較的大量の反応ガスを前記ガス
供給管２７から前記有底矩形枠状のカソード支持部材２
８内に供給しても、反応ガスが前記カソード電極２９と
対向する前記アノード電極２３に保持された基板３４に
直接吹付けられるのを回避できるため、前記基板３う表
面に薄膜を高速で成膜することができる。

【００４１】次に、本発明に係わるプラズマＣＶＤの他
の形態を図４，図５を参照して説明する。なお、前述し
た図１〜図３と同様な部材は同符号を付して説明を省略
する。図４は、プラズマＣＶＤ装置の要部断面図、図５
は図４のV−V矢視図である。

【００４２】このプラズマＣＶＤ装置は、アノード電極
２３に対向する前面に複数の円柱状の穴３７を開口した
金属からなる導電性のカソード電極２９が配置されてい
る。。前記カソード電極２９の複数の穴３７に対応する
箇所に支持穴３８が開口された絶縁材料からなる支持板
３９は、前記カソード支持部材２８内ににそのカソード
電極２９に対して所望距離隔てて配置されている。複数
のガス吹き出しアノード円筒体４０は、その下部に形成
された円環部４１が前記支持板３９の支持穴３８にそれ
ぞれ挿着され、かつ前記カソード電極２９の各穴３７内
にそれらの穴３７内面に対して所望距離隔ててそれぞれ
挿入されている。前記各アノード円筒体４０の先端は、
前記カソード電極２９の各穴３７の開口から内部側に位
置されている。

【００４３】なお、前記カソード電極の穴は、円柱形状
に限らず、三角柱、四角柱または六角柱の形状にしても
よい。アノード筒体は、円筒体に限らず、三角筒体、四
角筒体または六角筒体の形状にしてもよい。ただし、前
記穴あき板の穴ガスを例えば三角筒体とした場合、前記
アノード筒体も三角筒体にする、つまり同一の形状にす
ることが好ましい。

【００４４】次に、前述した図４，図５に示す構成のプ
ラズマＣＶＤ装置の作用を説明する。

【００４５】まず、図示しないバルブを通して基板３５
を反応容器内のアノード電極２３上に保持し、そのアノ
ード電極２３に内蔵した図示しないヒータの発熱により
前記基板３２を所望温度に加熱する。反応ガス（例えば
シラン系ガスと水素を含む反応ガス）をガス供給管２７
を通して有底矩形枠状のカソード支持部材２８内に供給
し、この支持部材２８内に配置されたガス分散板３４を
通し、さらにその上部側に配置された複数のアノード円
筒体４０を通してそれらの先端からカソード電極２９の
複数の穴３７に吹き出す。同時に、図示しない真空ポン
プのような排気装置を駆動して前記反応容器内のガスを
排気管を通して排気して前記反応容器内を所定の真空度
に保持する。

【００４６】反応容器内の真空度が安定した状態で、図
示しない電源から前記カソード電極２９に例えば高周波
電力を印加する。このような高周波電力の印加により前
記反応ガスが供給される前記カソード電極２９の穴３７
とこれら穴３７内にそれぞれ挿入された前記アノード円
筒体４０との間に強いプラズマ３６が生成される。プラ
ズマ３６が生成されると、その中で反応ガス（シラン系
ガス）が分解されるため、前記所望温度（例えば５５０
℃以下）に加熱され、かつグランドに接続された前記基
板３５表面に前記反応ガスの分解生成物であるシリコン
が堆積されてシリコン薄膜が成膜される。

【００４７】前述した成膜時において、プラズマ３６を
前記カソード電極２９の穴３７とこれら穴３７内にそれ
ぞれ挿入された前記アノード円筒体４０間に積極的に生
成し、封じ込めることによって、プラズマ３６による前
記基板３５に成膜されたシリコン薄膜へのダメージを効
果的に抑制することができる。

【００４８】なお、前述したプラズマＣＶＤ装置におい
て反応容器内にアノード電極を上部側、カソード電極を
下部側に配置したアップフロー型について説明したが、
アノード電極を下部側、カソード電極を上部側に配置し
たダウンフロー型にしてもよい。

【００４９】また、アノード電極とカソード電極を垂直
方向に立てて配置する縦型フロー型にも同様に適用でき
る。

【００５０】次に、本発明に係わるシリコン系薄膜光電
変換装置の製造方法を図６を参照して説明する。

【００５１】図６は、本発明の１つの実施形態により製
造されるシリコン系薄膜光電変換装置を模式的に示す斜
視図である。

【００５２】（第１工程）まず、基板１０１上に裏面電
極１１０を形成する。

【００５３】前記基板１０１としては、例えばステンレ
ス等の金属、有機フィルム、または低融点の安価なガラ
ス等を用いることができる。

【００５４】前記裏面電極１１０は、例えばＴｉ，Ｃ
ｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，ＣｕおよびＰｔから選択された
少なくとも１以上の金属またはこれらの合金からなる層
を含む金属薄膜１０２およびＩＴＯ，ＳｎＯ₂，および
ＺｎＯから選択された少なくとも１つ以上の酸化物から
なる層を合む透明導電性薄膜１０３をこの順序で積層す
ることにより形成される。ただし、金属薄膜１０２また
は透明導電性薄膜１０３のみで裏面電極１１０を構成し
てもよい。これらの薄膜１０２，１０３は、例えば蒸着
法やスパッタリング法によって形成される。

【００５５】（第２工程）次いで、前記裏面電極１１０
上にプラズマＣＶＤ法によって一導電型半導体層１０
４、結晶質シリコン系薄膜光電変換層１０５および逆導
電型半導体層１０６を順次積層することにより光電変換
ユニット１１１を形成する。この光電変換ユニット１１
１は、１ユニットに限らず、複数のユニットを前記裏面
電極に形成してもよい。

【００５６】前記一導電型半導体層１０４、結晶質シリ
コン系薄膜光電変換層１０５および逆導電型半導体層１
０６について、以下に詳述する。

【００５７】１）一導電型半導体層１０４ この一導電型半導体層１０４は、例えば導電型決定不純
物原子であるリンが０．０１原子％以上ドープされたｎ
型シリコン層、またはボロンが０．０１原子％以上ドー
ブされたｐ型シリコン層などを用いることができる。た
だし、一導電型半導体層１０４に関するこれらの条件は
限定的なものではなく、不純物原子としては例えばｐ型
シリコン層においてはアルミニウム等でもよく、またシ
リコンカーバイドやシリコンゲルマニウムなどの合金材
料を用いてもよい。

【００５８】一導電型シリコシ系薄膜１０４は、多結
晶、微結晶、または非晶質のいずれでもよく、その膜厚
は１〜１００ｎｍより好ましくは２〜３０ｎｍにするこ
とが望ましい。

【００５９】２）結晶質シリコン系薄膜光電変換層１０
５ この結晶質シリコン系薄膜光電変換層１０５は、例えば
前述した図１〜図３に示すプラズマＣＶＤ装置を用い、
その反応容器２１内のアノード電極２３に予め一導電型
の半導体層１０４が成膜された前記基板１０１（３５）
を保持し、電源からカソード電極２９に電力を供給する
とともに前記アノード電極２３およびアノード棒３２を
接地し、かつシラン系ガスと水素ガスを含む反応ガスを
ガス供給管２７を通して有底矩形枠状のカソード支持部
材２８内に供給し、この支持部材２８内に配置されたガ
ス分散板３４を通し、さらに複数のアノード棒３２間の
メッシュ３１部分を通してカソード電極２９の複数のガ
ス吹き出し穴３０とこれら穴３０内にそれぞれ挿入され
たアノード棒３２の間に吹き出し穴３０内面と前記アノ
ード棒３２の間にプラズマを発生させることにより成膜
される。

【００６０】前記成膜工程において、前記アノード電極
２３に内蔵したヒータによる基板のシリコン堆積部の加
熱温度はガラス等の安価な基板の使用を可能にする５５
０℃以下とすることが好ましい。

【００６１】前記成膜工程において、前記反応容器２１
内の圧力を５Ｔｏｒｒ以上の高い圧力にすることが好ま
しい。このような条件に設定することにより、前記基板
３６（１０１）表面に成膜される結晶質シリコン薄膜へ
のイオンダメージをより低減することが可能になる。そ
の結果、成膜速度を速めるために高周波パワーを高く
（例えばプラズマ放電電力密度が１００ｍＷ／ｃｍ²以
上）したり、ガス流量を増加させても、成膜中の薄膜表
面へのイオンダメージを低減して結晶質シリコン系薄膜
光電変換層を高速度で成膜することが可能になる。ま
た、高圧力にすることによって、結晶粒界や粒内の欠陥
が水素でパッシベーションされ易くなるため、それらに
起因する結晶質シリコン系薄膜への欠陥密度を減少させ
ることが可能になる。より好ましい前記反応容器２１内
の圧力は５〜２０Ｔｏｒｒである。

【００６２】前記シラン系ガスとしては、例えばモノシ
ラン、ジシラン等が好ましいが、これらに加えて四フッ
化ケイ素、四塩化ケイ素、ジクロルシラン等のハロゲン
化ケイ素ガスを用いてもよい。このようなシラン系ガス
に加えて希ガス等の不活性ガス、好ましくはヘリウム、
ネオン、アルゴン等を用いもよい。

【００６３】前記成膜工程において、前記反応容器２１
内に導入される全反応ガス（シラン系ガスと水素ガスを
含む）に含まれるシラン系ガスに対する水素ガスの流量
比は１００倍以上にすることが好ましい。このように全
反応ガスに含まれるシラン系ガスに対する水素ガスの流
量比を１００倍以上にすることによって、活性化された
水素のエッチング作用等によって、低品位で剥離し易い
結晶質シリコンが反応場である膜堆積部以外に領域に堆
積されのを防ぐことが可能になる。

【００６４】前記成膜工程において、プラズマ放電電力
密度を１００ｍＷ／ｃｍ²以上にすることが好ましい。

【００６５】このような図１〜図３に示すプラズマＣＶ
Ｄ装置を用いて、シラン系ガスと水素ガスを含む反応ガ
スをガス供給管２７を通して有底矩形枠状のカソード支
持部材２８内に供給し、この支持部材２８内に配置され
たガス分散板３４を通し、さらに複数のアノード棒３２
間のメッシュ３１部分を通してカソード電極２９の複数
のガス吹き出し穴３０とこれら穴３０内にそれぞれ挿入
されたアノード棒３２の間に吹き出すとともに、前記カ
ソード電極２５に例えば高周波電力をそれぞれ印加する
ことによって、前述したようにプラズマ３６をカソード
電極２９の複数のガス吹き出し穴３０と前記アノード棒
３２との間に積極的に生成し、封じ込めてプラズマ３６
による前記基板３５に成膜されたシリコン薄膜へのイオ
ンダメージを効果的に抑制でき、反応ガスの分布を一様
にでき、さらに比較的大量の反応ガスを前記ガス供給管
２７から前記有底矩形枠状のカソード支持部材２８内に
供給しても、反応ガスが前記カソード電極２９と対向す
る前記アノード電極２３に保持された基板３５に直接吹
付けられるのを回避できる。その結果、前記アノード電
極２３に保持された基板３５（１０１）の一導電型半導
体の表面全体にイオンダメージが抑制され、かつ膜厚お
よび膜質な高品位の結晶質シリコン系薄膜光電変換層を
高速度で成膜することができる。

【００６６】また、前述した成膜速度の向上によって、
膜成長初期における結晶核生成時間が短いために相対的
に核発生密度が減少し、大粒径で強く結晶配向した結晶
粒を有する結晶質シリコン系薄膜を形成することが可能
になる。

【００６７】具体的には、結晶質シリコン系薄膜光電変
換層１０５はその中に含まれる結晶粒の多くが一導電型
半導体層（下地層）１０４から上方に柱状に延びて成長
される。これらの多くの結晶粒は膜面に平行に（１１
０）の優先結晶配向面を有し、そのＸ線回折で求めた
（２２０）回折ピークに対する（１１１）回折ピークの
強度比は２／５以下、より好ましくは１／１０以下であ
ることが望ましい。

【００６８】さらに、前記成膜工程において前記基板の
シリコン堆積部（一導電型半導体層）の温度を１００〜
４００℃に設定することにより、０．１原子％以上で２
０原子％以下の水素を含む多結晶シリコンまたは体積結
晶化分率８０％以上の微結晶シリコンからなる結晶質シ
リコン系薄膜光電変換層を形成することが可能になる。

【００６９】なお、プラズマＣＶＤ装置は図１〜図３に
示す構造に限らず、図４，図５に示すプラズマＣＶＤ装
置を用いても前記アノード電極２３に保持された基板３
５（１０１）の一導電型半導体の表面全体へのイオンダ
メージが抑制された高品位の結晶質シリコン系薄膜光電
変換層を成膜することができる。

【００７０】前記結晶質シリコン系薄膜光電変換層は
０．５〜１０μｍの厚さを有することが好ましい。

【００７１】また、下地層である１導電型層１０４の表
面形状が実質的に平面である場合でも、光電変換層１０
５の形成後のその表面にはその膜厚よりも約１桁ほど小
さい間隔の微細な凹凸を有する表面テクスチャ構造が形
成される。

【００７２】３）逆導電型半導体層１０６ この逆導電型半導体層１０６としては、例えば導電型決
定不純物原子であるボロンが０．０１原子％以上ドープ
されたｐ型シリコン薄膜、またはリンが０．０１原子％
以上ドープされたｎ型シリコン薄膜などが用いられ得
る。ただし、逆導電型半導体層１０６についてのこれら
の条件は限定的なものではない。不純物原子としては、
例えばｐ型シリコンにおいてはアルミニウム等でもよ
く、またシリコンカーバイドやシリコンゲルマニウム等
の合金材料の膜を用いてもよい。この逆導電極シリコン
系薄膜１０６は、多結晶、微結晶または非晶質のいずれ
でもよく、その膜厚は３〜１００ｎｍの範囲内に設定さ
れ、より好ましくは５〜５０ｎｍの範囲内に設定され
る。

【００７３】（第３工程）次いで、前記光電変換ユニッ
ト１１１上に透明導電性酸化膜１０７、櫛形状の金属電
極１０８を順次形成することにより図８に示す構造の光
電変換装置を製造する。

【００７４】前記透明導電性酸化膜１０７は、例えばＩ
ＴＯ，ＳｎＯ₂，ＺｎＯ等から選択された少なくとも１
以上の層から形成される。

【００７５】前記櫛形状の金属電極１０８（グリッド電
極）は、例えばＡｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｔ等から選
択された少なくとも１以上の金属またはこれらの合金の
層をパターニングすることにより形成される。これらの
金属もしくは合金の層は、例えばスパッタリング法また
は蒸着法によって成膜される。

【００７６】このような方法で製造された図６に示す光
電変換装置において、光１０９は前記透明導電性酸化膜
１０７に入射されて光電変換がなされ、前記裏面電極１
１０の例えば金属薄膜１０２および前記金属電極１０８
の端子間から出力される。

【００７７】なお、図６ではシリコン系薄膜光電変換装
置の１つを例示しているだけであって、本発明は図６に
示すシリコン結晶質光電変換層を含む少なくとも１つの
結晶系薄膜光電変換ユニットに加えて、周知の方法で形
成される非晶質系薄膜光電変換ユニットまたは非晶質光
電変換層を含む少なくとも１つの非晶質系薄膜光電変換
ユニットをも合むタンデム型光電変換装置にも適用する
ことが可能である。

【００７８】また、ｎｉｐのみならず、ｐｉｎ型の光電
変換装置にも適用できる。

【００７９】以上述べた本発明によれば、シリコン系薄
膜光電変換装置の一連の製造工程のうちで、スループッ
トを向上させる結晶質シリコン系光電変換層を高品質で
成膜することできるため、シリコン系薄膜光電変換装置
の高性能化と低コスト化に大きく貢献することができ
る。

【００８０】

【実施例】以下、本発明に係わる好ましい実施例を参考
例と対比して詳細に説明する。

【００８１】（参考例１）前述した図６の実施の形態に
類似して、参考例１としての結晶質シリコン薄膜太陽電
池を製造した。

【００８２】まず、長さ１２６ｍｍ，幅１２６ｍｍ，厚
さ１．１ｍｍのガラス基板１０１上に裏面電極１１０と
して、厚さ３００ｎｍのＡｇ膜１０２と厚さ１００ｎｍ
のＺｎＯ膜１０３のそれぞれがスパッタリング法によっ
て順次形成した。裏面電極１１０上に厚さ１０ｎｍでリ
ンドープされたｎ型微結晶シリコン層１０４、厚さ３μ
ｍでノンドープの多結晶シリコン薄膜光電変換層１０
５、および厚さ１０ｎｍでボロンドープされたｐ型微結
晶シリコン層１０６をそれぞれプラズマＣＶＤ法により
成膜し、ｎｉｐ光電変換ユニット１１１を形成した。光
電変換ユニット１１１上に前面電極１０７として、厚さ
８０ｎｍの透明導電性ＩＴＯ膜をスパッタリング法にて
堆積し、その上に電流取出のための櫛形Ａｇ電極１０８
を蒸着法およびパターニング技術により形成した。

【００８３】前記ｎ型微結晶シリコン層１０４は、ＲＦ
プラズマＣＶＤ法によって堆積した。このときに用いら
れた反応ガスの流量は、シランが５．０ｓｃｃｍ、水素
が２００ｓｃｃｍ、ホスフィンが０．０５ｓｃｃｍであ
った。また、反応容器内の圧力は１Ｔｏｒｒにし、ＲＦ
パワー密度を３０ｍＷ／ｃｍ²に設定した。

【００８４】前記光電変換層１０５は、４００℃の基板
温度と５Ｔｏｒｒの反応容器内圧力の下にプラズマＣＶ
Ｄ法により形成した。このとき用いられたカソード電極
はアノード電極との対向面に直径０．５ｍｍのガス吹き
出し穴が１ｃｍの間隔で設けられ、基板を保持するアノ
ード電極との距離を１．５ｃｍに設定した。前記カソー
ド電極のガス吹き出し穴から吹出された反応ガスにおい
て、シラン／水素の流量比を１／１８とし、放電パワー
を８０ｍＷ／ｃｍ²に設定した。

【００８５】このような条件の下において、光電変換層
１０５の成膜速度は１．１μｍ／ｈであった。

【００８６】このようにして得られた参考例１の太陽電
池において、図６に示す入射光１０９としてＡＭ１．５
の光を１００ｍＷ／ｃｍ²の光量で照射したときの出力
特性を調べた。その結果、開放端電圧が０．３０２Ｖ、
短絡電流密度が１４．８ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子が３
６．２％、変換効率が１．６％であった。このように従
来のプラズマＣＶＤ装置により成膜された光電変換層１
０５を有する太陽電池において、前記出力特性が低下す
るのはカソード電極とアノード電極に保持された基板の
下地層（ｎ型微結晶シリコン層１０４）および成膜され
た光電変換層１０５との間に生成されたプラズマのイオ
ンダメージにより膜質等が劣化されたためである。

【００８７】（実施例１）光電変換層１０５の成膜を前
述した図１〜図３に示す構造のプラズマＣＶＤ装置を用
い、かつプラズマＣＶＤ条件を一部変更した以外、参考
例１と同じ条件の下で太陽電池を製造した。

【００８８】すなわち、実施例１においては前記アノー
ド電極２３と対向する前面に配置されたカソード電極２
９に直径１０ｍｍのガス吹き出し穴３０を１２ｍｍ間隔
で開口し、これらガス吹き出し穴３０内にポリイミド製
メッシュ３１上に支持固定された直径４ｍｍの円柱状の
アノード棒３２をそれぞれ挿入した構造のプラズマＣＶ
Ｄ装置を用いた。

【００８９】また、シラン／水素の比率を１／１００に
変更し、放電パワーが１５０ｍＷ／ｃｍ²に増大させ
た。

【００９０】このような条件下において、光電変換層１
０５の成膜速度は３．１μｍ／ｈであった。すなわち、
カソード電極の構造を改良した実施例１においてはシラ
ンに対する水素の流量比が参考例１に比べてさらに増大
させているにもかかわらず、それに伴って放電パワーを
さらに少し増大させることによって成膜速度がさらに高
められ得ることがわかる。

【００９１】この実施例１の太陽電池において、図６に
示す入射光１０９としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／
ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性を調べた。その
結果、開放端電圧が０．４８１Ｖ、短絡電流密度が２
０．２ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子が６９．３％、変換効率
が６．７％であった。このことから、実施例１の太陽電
池は、参考例１のものに比べて、成膜速度がさらに高め
られ、しかも光電変換特性を向上できることがわかる。

【００９２】（実施例２）光電変換層１０５の成膜を前
述した図４，図５に示す構造のプラズマＣＶＤ装置を用
いた以外、参考例１と同じ条件の下で太陽電池を製造し
た。

【００９３】すなわち、実施例２においては前記アノー
ド電極２３と対向する前面に配置されたステンレス製カ
ソード電極２９の穴３７を直径１２ｍｍで１４ｍｍ間隔
とし、これら穴３７内にポリイミド製支持板３９の支持
穴３８に支持された外径６ｍｍ、内径３ｍｍのアノード
円筒体４０をそれぞれ先端が前記穴３７の開口から３ｍ
ｍ内側に位置するように挿入した構造を有するプラズマ
ＣＶＤ装置を用いた。

【００９４】このような構造のプラズマＣＶＤ装置に変
更した条件下において、光電変換層１０５の成膜速度は
２．８μｍ／ｈであった。

【００９５】この実施例１の太陽電池において、図６に
示す入射光１０９としてＡＭ１．５の光を１００ｍＷ／
ｃｍ²の光量で照射したときの出力特性を調べた。その
結果、開放端電圧が０．４７８Ｖ、短絡電流密度が１
９．１ｍＡ／ｃｍ²、曲線因子が６７．２％、変換効率
が４．２％であった。実施例２の太陽電池は、参考例１
のものに比べて、光電変換特性を向上できることがわか
る。

【００９６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、成
膜中での被処理基板表面の薄膜へのイオンダメージをよ
り効果的に抑制することができ、太陽電池の光電変換装
置、液晶表示装置等の膜形成に有効に適用することが可
能なプラズマＣＶＤ装置を提供できる。

【００９７】また、本発明によれば成膜中での被処理基
板表面の薄膜へのイオンダメージをより効果的に抑制で
きるとともに、高速度で均質かつ均一な膜を形成でき、
太陽電池の光電変換装置、液晶表示装置等の膜形成に有
効に適用することが可能なプラズマＣＶＤ装置を提供で
きる。

【００９８】さらに、本発明によればシリコン系光電変
換層を有する光電変換ユニットを積層する際、前記プラ
ズマＣＶＤ装置を用いて高品位のシリコン系光電変換層
を成膜して性能改善を達成したシリコン系薄膜光電変換
装置の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるプラズマＣＶＤ装置を示す概略
図。

【図２】図１のプラズマＣＶＤ装置の要部断面図。

【図３】図２のIII−III矢視図。

【図４】本発明に係わる別のプラズマＣＶＤ装置の要部
断面図。

【図５】図４のV−V矢視図。

【図６】本発明の１つの実施の形態により製造されるシ
リコン系薄膜光電変換装置を模式的に示す斜視図。

【図７】従来のプラズマＣＶＤ装置を示す概略図。

【図８】図７のプラズマＣＶＤ装置の要部断面図。

【図９】従来の別のプラズマＣＶＤ装置を示す要部断面
図。

【符号の説明】

２１…反応容器、 ２２…排気管、 ２３…アノード電極、 ２９…カソード電極、 ３０…ガス吹き出し穴、 ３２…アノード棒、 ３５…基板、 ３６…プラズマ、 ３７…穴、 ４０…アノード円筒体。 １０２…Ａｇ等の薄膜、 １０３…ＺｎＯ等の薄膜 １０４…一導電型半導体層、 １０５…結晶質シリコン系光電変換層、 １０６…逆導電型半導体層、 １０７…ＩＴＯ等の透明導電膜、 １１０…裏面電極、 １１１…結晶質シリコン系光電変換ユニット。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K030 AA06 BA29 EA06 FA01 KA17 LA16 5F045 AA08 AB03 AB04 AC01 AC03 AC05 AC16 AC17 AC19 AF07 AF10 BB16 CA13 DP05 EF05 EF08 EF11 EF14 EH13 EK21 5F051 AA03 AA04 AA05 CA15 CA23 CA24 CA34 DA04 GA02 GA03 GA05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気部材を有する反応容器と、 前記反応容器内に配置され、被処理基板を保持するアノ
   ード電極と、 前記反応容器内に前記アノード電極に対向する前面に配
   置され、複数のガス吹き出し穴が開口されたカソード電
   極と、 前記カソード電極の背面から前記各ガス吹き出し穴内に
   それらの穴内面に対して所望距離隔ててそれぞれ挿入さ
   れ、かつ前記カソード電極に対して電気的に分離された
   アノード棒と、 前記カソード電極に向けて反応ガスを供給するためのガ
   ス供給手段と、 前記カソード電極に電力を印加するための電源とを具備
   したことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
2. 【請求項２】 排気部材を有する反応容器と、 前記反応容器内に配置され、被処理基板を保持するアノ
   ード電極と、 前記反応容器内に前記アノード電極に対向する前面に配
   置され、複数のガス吹き出し穴が開口されたカソード電
   極と、 前記カソード電極の背面から前記各ガス吹き出し穴内に
   それらの穴内面に対して所望距離隔ててそれぞれ挿入さ
   れ、かつ前記カソード電極に対して電気的に分離された
   アノード筒体と、 前記カソード電極およびアノード筒体に向けて反応ガス
   を供給するためのガス供給手段と、 前記カソード電極に電力を印加するための電源とを具備
   したことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
3. 【請求項３】 基板上に形成された少なくとも１つの光
   電変換ユニットを含み、この光電変換ユニットはプラズ
   マＣＶＤ法によって順次積層された一導電型半導体層
   と、シリコン系薄膜光電変換層と、逆導電型半導体層と
   を含むシリコン系薄膜光電変換装置を製造するに際し、 前記ユニットのうちの前記光電変換層は、請求項１記載
   のプラズマＣＶＤ装置の反応容器内のアノード電極に前
   記基板を保持し、電源から複数のガス吹き出し穴が開口
   されたカソード電極に電力を供給するとともに前記アノ
   ード電極およびアノード棒を接地し、かつシラン系ガス
   と水素ガスを含む反応ガスを前記カソード電極の複数の
   ガス吹き出し穴とこれら穴内に挿入された前記アノード
   棒との間に吹き出し、主に前記ガス吹き出し穴内面と前
   記アノード棒の間にプラズマを発生させることにより成
   膜されることを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置
   の製造方法。
4. 【請求項４】 基板上に形成された少なくとも１つの光
   電変換ユニットを含み、この光電変換ユニットはプラズ
   マＣＶＤ法によって順次積層された一導電型半導体層
   と、シリコン系薄膜光電変換層と、逆導電型半導体層と
   を含むシリコン系薄膜光電変換装置を製造するに際し、 前記ユニットのうちの前記光電変換層は、請求項２記載
   のプラズマＣＶＤ装置の反応容器内のアノード電極に前
   記基板を保持し、電源から複数のガス吹き出し穴が開口
   されたカソード電極に電力を供給するとともに前記アノ
   ード電極および複数のアノード筒体を接地し、かつシラ
   ン系ガスと水素ガスを含む反応ガスを前記複数のアノー
   ド筒体からこれらアノード筒体が挿入された前記カソー
   ド電極の複数の穴内に吹き出し、主に前記穴内面と前記
   アノード筒体の間にプラズマを発生させることにより成
   膜されることを特徴とするシリコン系薄膜光電変換装置
   の製造方法。