JP2002075883A

JP2002075883A - プラズマｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2002075883A
Application number: JP2000268479A
Authority: JP
Inventors: Keiji Okamoto; 圭史岡本; Masashi Yoshimi; 雅士吉見
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】大幅な反応ガス圧の変更に対応し得るプラズ
マＣＶＤ装置を提供する。【解決手段】プラズマＣＶＤ装置は、反応室１内にお
いて成膜用基板２を支持する基板支持電極３と、その基
板２に対面すべき対向電極４と、基板支持電極３および
対向電極４に高周波電力を印加する高周波電源６とを備
え、対向電極４は中空であって基板２に向けて反応ガス
５を吹出すための複数の開口を含むガス吹出面４ａを有
するとともに、ガス吹出面４ａと基板２との間に１枚以
上のメッシュ状電極４ｂを含み、反応室１内のガス圧変
化に応じてガス吹出面４ａとメッシュ状電極４ｂのうち
でいずれか１つのみに高周波電力を印加するように選択
するスイッチング手段７をさらに備えている。

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
に関し、特に、大面積の結晶質薄膜太陽電池の製造に好
ましく用いられ得るプラズマＣＶＤ装置の改善に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、プラズマＣＶＤ装置は、複写機の
感光ドラム上の感光層、液晶表示パネル用の透明基板上
に形成されるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）アレイ、半導
体薄膜太陽電池などにおける種々の薄膜半導体層の形成
のために利用されている。

【０００３】ところで、近年では薄膜太陽電池も多様化
し、従来の非晶質薄膜太陽電池の他に結晶質薄膜太陽電
池も開発され、これらを積層したハイブリッド薄膜太陽
電池も実用化されつつある。

【０００４】半導体薄膜太陽電池は、一般に、少なくと
も表面が絶縁性の基板上に順に積層された第１電極、１
以上の半導体薄膜光電変換ユニット、および第２電極を
含んでいる。そして、１つの光電変換ユニットはｐ型層
とｎ型層でサンドイッチされたｉ型層を含んでいる。

【０００５】光電変換ユニットの厚さの大部分を占める
ｉ型層は実質的に真性の半導体層であって、光電変換作
用は主としてのこのｉ型層内で生じる。したがって、ｉ
型光電変換層は光吸収のためには厚い方が好ましいが、
必要以上に厚くすればその堆積のためのコストと時間が
増大することになる。

【０００６】他方、ｐ型やｎ型の導電型層は光電変換ユ
ニット内に拡散電位を生じさせる役目を果たし、この拡
散電位の大きさによって薄膜太陽電池の重要な特性の１
つである開放端電圧の値が左右される。しかし、これら
の導電型層は光電変換に直接寄与しない不活性な層であ
り、導電型層にドープされた不純物によって吸収される
光は発電に寄与しない損失となる。したがって、ｐ型と
ｎ型の導電型層は、十分な拡散電位を生じさせ得る範囲
内であれば、できるだけ小さな厚さを有することが好ま
しい。

【０００７】このようなことから、光電変換ユニットま
たは薄膜太陽電池は、それに含まれるｐ型とｎ型の導電
型層が非晶質か結晶質かにかかわらず、その主要部を占
めるｉ型の光電変換層が非晶質のものは非晶質ユニット
または非晶質薄膜太陽電池と称され、ｉ型層が結晶質の
ものは結晶質ユニットまたは結晶質薄膜太陽電池と称さ
れる。

【０００８】ところで、薄膜太陽電池の変換効率を向上
させる方法として、２以上の光電変換ユニットを積層し
てタンデム型にする方法がある。この方法においては、
薄膜太陽電池の光入射側に大きなバンドギャップを有す
る光電変換層を含む前方ユニットを配置し、その後に順
に小さなバンドギャップを有する（たとえばＳｉ−Ｇｅ
合金などの）光電変換層を含む後方ユニットを配置する
ことにより、入射光の広い波長範囲にわたって光電変換
を可能にし、これによって太陽電池全体としての変換光
率の向上が図られる。このようなタンデム型薄膜太陽電
池の中でも、非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換
ユニットを積層したものはハイブリッド薄膜太陽電池と
称される。

【０００９】たとえば、ｉ型非晶質シリコンが光電変換
し得る光の波長は長波長側において８００ｎｍ程度まで
であるが、ｉ型結晶質シリコンはそれより長い約１１０
０ｎｍ程度の波長の光までを光電変換することができ
る。ここで、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変
換層は光吸収のためには０．３μｍ以下の厚さでも十分
であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光電変換
層は長波長の光をも十分に吸収するためには２〜３μｍ
程度以上の厚さを有することが好ましい。すなわち、結
晶質光電変換層は、通常は、非晶質光電変換層に比べて
１０倍程度以上の大きな厚さを有することが望まれる。

【００１０】特開平１１−３３０５２０は、従来から比
較的薄い非晶質ｉ型光電変換層の堆積の場合に用いられ
ていた１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下のプラズマ反応室
内圧力の代わりに、６６７Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）以上の高
い反応室内圧力を利用することによって、高品質の厚い
結晶質ｉ型光電変換層を高速度で堆積し得ることを開示
している。他方、ｐ型層とｎ型層は厚さ約１０ｎｍ程度
の非常に薄い膜なので、均一な厚さに成膜されることが
重要である。そのためには、ｐ型層とｎ型層は通常４０
０Ｐａ（３Ｔｏｒｒ）以下の低いプラズマ反応室内圧力
の下で低速度で成膜されることが望ましい。

【００１１】ところで、平行平板型高周波プラズマＣＶ
Ｄ装置において、プラズマ放電を発生させて維持するた
めには、一般に、プラズマ反応室内のガス圧と平行平板
電極間距離とは逆の関係にある。すなわち、ガス圧が小
さいときには電極間距離を比較的大きくしなければなら
ず、逆にガス圧が大きいときには電極間距離を小さくし
なければならない。そこで、特開平１１−３３０５２０
は、電極間距離を変えることができる可動式の平行平板
電極を備えたプラズマＣＶＤ装置を開示している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】薄膜太陽電池は、より
大きな発電能力と生産効率の向上のために大面積化が求
められている。このような状況の下において、可動式平
行平板電極を有するプラズマＣＶＤ装置を利用して大き
な基板上に形成された薄膜太陽電池においては、その光
電変換特性が基板上の局所的な平面的位置に依存して変
動する傾向が高くなるという事実があることを本発明者
は見出した。そして、この傾向は６６７Ｐａ以上の高い
プラズマ反応ガス圧の下で堆積された結晶質光電変換層
を含む結晶質薄膜太陽電池またはハイブリッド薄膜太陽
電池において、それに用いられる矩形の基板の少なくと
も１辺が９０ｃｍを超えるように大きな場合に顕著にな
る。

【００１３】本発明者が見出したこのような先行技術に
おける課題に鑑み、本発明は、大きな基板上の平面的位
置に依存することなく、均一で優れた光電変換特性を発
揮し得る大面積の結晶質薄膜太陽電池、またはハイブリ
ッド薄膜太陽電池の製造のために好ましく用いられ得る
プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によるプラズマＣ
ＶＤ装置は、プラズマＣＶＤ反応室と、その反応室内に
おいて成膜用基板を支持するための基板支持電極と、そ
の基板に対面すべき対向電極と、基板支持電極と対向電
極とに高周波電力を印加するための高周波電源とを備
え、対向電極は中空であって基板に向けて反応ガスを吹
出すための複数の開口を含むガス吹出面を有するととも
に、ガス吹出面と基板との間において１枚以上のメッシ
ュ状電極を含み、反応室内のガス圧変化に応じてガス吹
出面とメッシュ状電極とのうちでいずれか１つのみに高
周波電力を印加するように選択するためのスイッチング
手段をさらに備えていることを特徴としている。

【００１５】スイッチング手段によって選択されなかっ
たガス吹出面またはメッシュ状電極は、電気的にフロー
ティング状態にされることが好ましい。

【００１６】メッシュ状電極は金属薄板を打抜きもしく
はエッチングすることによって形成されるか、または金
属ワイヤの編上げによって形成されてもよい。

【００１７】スイッチング手段は、反応室内のガス圧が
６６７Ｐａ未満のときにガス吹出面を選択し、６６７Ｐ
ａ以上のときにメッシュ状電極を選択するように用いら
れる。

【００１８】ガス吹出面およびメッシュ状電極の相互の
間隔は１ｃｍ以内であることが好ましい。

【００１９】薄膜太陽電池を作製する場合には、スイッ
チング手段は、基板上にｐ型またはｎ型の半導体層を堆
積するときにはガス吹出面を選択し、結晶質ｉ型光電変
換層を堆積するときにはメッシュ状電極を選択するよう
に用いられる。

【００２０】

【発明の実施の形態】まず、本発明者は、可動式平行平
板電極を有するプラズマＣＶＤ装置を利用して製造され
た大面積の結晶質薄膜太陽電池において、その基板上の
平面的位置に依存して光電変換特性が変動する原因につ
いて検討した。

【００２１】前述の反応ガス圧と電極間距離との関係か
らわかるように、従来のように非晶質光電変換層が１３
３Ｐａ以下の低い反応ガス圧の下でプラズマＣＶＤによ
って堆積される場合では、基板表面と対向電極との間に
プラズマ放電を発生かつ維持させるためには、それらの
間隔を２〜２．５ｃｍの比較的広い間隔に設定すること
ができる。しかし、結晶質光電変換層を高速度で堆積す
るために反応ガス圧を６６７Ｐａ以上に高く設定した場
合には、基板と対向電極との間にプラズマ放電を適切に
発生かつ維持させるためには、それらの間隔を約１．５
ｃｍ以下で好ましくは約１ｃｍ以下の狭い範囲に設定し
なければならない。

【００２２】ところで、たとえば矩形の基板の１辺が９
０ｃｍを超えるような大きな寸法の場合、可動式電極の
一方に支持された基板の表面と他方の対向電極の表面と
を完全に平行に設定することが困難である。これは、可
動式電極の動きの精度に限界があるからである。特に、
基板表面と対向電極表面との間の平行性からのずれ角が
小さな場合であっても、その基板の１辺の大きさが大き
くなれば両端部において基板と対向電極との間の不均一
な距離の差が大きくなる。

【００２３】また、反応ガス圧を高く設定することに伴
って、基板表面と対向電極表面との間のプラズマ放電を
適切に維持するためにそれらの間隔を１０ｍｍ以下に設
定する場合、基板の両端部における対向電極との距離の
差が１ｍｍであっても、その電極間距離の変動率は１０
％にもなる。他方、従来のように１３３Ｐａ以下の反応
ガス圧の下でプラズマＣＶＤを行なう場合には、基板表
面と対向電極表面との間隔はそれらの間にプラズマ放電
を維持するために２０〜２５ｍｍの範囲内にあればよい
ので、基板の両端部において対向電極までの距離が１ｍ
ｍの変動が生じたとしても、その誤差は５％以下にな
る。

【００２４】したがって、上述のような事情の下におい
て、可動電極を用いて比較的高い反応ガス圧の下で大面
積の基板上に結晶質薄膜太陽電池を形成した場合に、そ
の基板上の局所的な平面的位置に依存して光電変換特性
の変動が大きくなるものと考えられた。

【００２５】このような本発明者の知見に基づいてなさ
れた本発明による実施の形態の一例としてのプラズマＣ
ＶＤ装置が、以下において図１を参照しつつ説明され
る。

【００２６】図１においては、大面積の薄膜太陽電池の
製造に適した縦型のプラズマＣＶＤ装置が模式的な断面
図で図解されている。なお、この図において、長さ、
幅、厚さ、間隔などの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化
のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表わし
てはいない。

【００２７】この縦型プラズマＣＶＤ装置は、真空ポン
プ（図示せず）によって減圧可能なプラズマ反応室１内
において、基板２を支持するための基板支持電極３を備
えている。また、反応室１内において、基板支持電極３
に対面して配置された対向電極（ガス吹出電極）４も設
けられている。

【００２８】対向電極４は、基板２に向けてプラズマＣ
ＶＤ反応ガスを吹出すための複数の開口を含むガス吹出
面４ａを有している。対向電極４はまた、ガス吹出面４
ａと基板２の表面との間に配置されるメッシュ状電極４
ｂを含んでいる。このメッシュ状電極４ｂとガス吹出面
４ａとの間は、絶縁材のスペーサ４ｃによって電気的に
絶縁されている。メッシュ状電極４ｂとしては、金属薄
板の打抜き加工もしくはエッチング加工によって形成さ
れたもの、または金属ワイヤの編上げによって形成され
たものなどが用いられ得る。なお、図１においてはただ
１枚のメッシュ状電極４ｂが示されているが、望まれる
場合には互いに隔てられた複数枚のメッシュ状電極が用
いられてもよい。

【００２９】プラズマＣＶＤ反応を生じさせるときに
は、基板支持電極３と対向電極４との間に、高周波電源
６によって高周波電力が印加される。その時、対向電極
４においては、スイッチング手段７によってガス吹出面
４ａとメッシュ状電極４ｂとのいずれかが選択されて高
周波電源６に接続される。このとき、選択されなかった
ガス吹出面４ａまたはメッシュ状電極４ｂは電気的にフ
ローティング状態にされる。これは、メッシュ状電極４
ｂとガス吹出面４ａとの間にプラズマ放電が生じること
を防止するためである。

【００３０】なお、フローティング状態にされた電極で
あっても一定の静電容量を有しているので、メッシュ状
電極４ｂとガス吹出面４ａとの間隔に依存して、それら
の間にプラズマ放電を生じることもあり得る。したがっ
て、メッシュ状電極４ｂとガス吹出面４ａとの間隔はプ
ラズマ放電発生限界より小さいことが好ましく、たとえ
ば、６６７Ｐａ以上のガス圧の下では１ｃｍ以下であ
り、１３３３Ｐａ以上のガス圧の下では５ｍｍ以下であ
ることが好ましい。

【００３１】以下において、図１に示されているように
メッシュ状電極４ｂを含む縦型プラズマＣＶＤ装置を用
いてガラス基板上にｐ型シリコン層と結晶質ｉ型シリコ
ン層を積層した実施例が、そのようなメッシュ状電極を
含まない従来の縦型プラズマＣＶＤ装置を用いた比較例
とともに説明される。

【００３２】（比較例）まず、比較例としては、９１０
ｍｍ×９１０ｍｍの面積と４ｍｍの厚さを有するガラス
基板上に、ｐ型シリコン層と結晶質ｉ型シリコン層が順
次に堆積された。そのとき、図１に示されているような
メッシュ状電極４ｂを含まない従来の縦型プラズマＣＶ
Ｄ装置が用いられた。

【００３３】ｐ型シリコン層と結晶質ｉ型シリコン層の
いずれの堆積時においても、基板表面と対向電極のガス
吹出面との間隔は１２ｍｍに固定された値を有してい
た。この場合に、ｐ型シリコン層と結晶質ｉ型シリコン
層の両方を一定のガス圧で堆積するためには、最適な圧
力値が１３３３Ｐａであった。

【００３４】ｐ型シリコン層は、１０００ｓｃｃｍの流
量率のＳｉＨ₄、４０ＳＬＭの流量率のＨ₂、微量のボロ
ンドーパントガス、および４００ｍＷ／ｃｍ²の高周波
放電パワー密度の条件の下で１１秒間だけ成膜された。
このような成膜条件におけるｐ型シリコン層の成膜速度
は、約１．３ｎｍ／ｓｅｃであった。そして、基板上で
得られたｐ型シリコン層の厚さは、その基板上の平面的
位置に依存して、１２．０〜１６．５ｎｍの範囲内にあ
り、±１８％の大きな厚みむらがあった。

【００３５】他方、結晶質ｉ型シリコン層の堆積におい
ては、Ｈ₂の流量率が７０ＳＬＭに増大されかつドーパ
ントガスが添加されなかったことのみにおいてｐ型シリ
コン層の堆積の場合と異なっていた。ただし、結晶質ｉ
型シリコン層は平均で１．７μｍの大きな厚さまで堆積
され、その厚みむらは±４．５％であった。なお、Ｈ ₂
の流量率が増大されてもシリコン層の堆積速度は実質的
にＳｉＨ₄の流量率によって定まるので、結晶質ｉ型シ
リコン層の成膜速度も、実質的にｐ型シリコン層の場合
と同様に約１．３ｎｍ／ｓｅｃであった。

【００３６】（実施例）実施例においては、図１に示さ
れているような新規な縦型プラズマＣＶＤ装置を用い
て、比較例の場合と同様にガラス基板２上にｐ型シリコ
ン層と結晶質ｉ型シリコン層が順次に堆積された。この
場合に、メッシュ状電極４ｂとして、８０メッシュの開
口を有するステンレス製薄板メッシュが用いられた。基
板２の表面とメッシュ状電極４ｂとの間隔は１２ｍｍに
設定され、基板２の表面とガス吹出面４ａとの間隔は１
７ｍｍに設定されていた。

【００３７】このようなプラズマＣＶＤ装置を用いて、
ｐ型シリコン層の堆積時には、スイッチング手段７を介
してガス吹出面４ａに高周波電力が印加されるととも
に、メッシュ状電極４ｂは電気的にフローティング状態
にされた。他方、反応室１内の圧力は１３３Ｐａに下げ
られたが、他の成膜条件は比較例の場合と同じに設定さ
れ、１５０秒間だけ成膜された。このような成膜条件の
下でのｐ型シリコン層の成膜速度は約０．１ｎｍ／ｓｅ
ｃであった。そして、基板上で得られたｐ型シリコン層
の厚さは、その基板上の平面的位置に依存して１４．５
〜１６．０ｎｍの範囲内にあり、±９．５％の厚みむら
があった。

【００３８】他方、結晶質ｉ型シリコン層の堆積時に
は、スイッチング手段７を介してメッシュ状電極４ｂに
高周波電力が印加されるとともに、ガス吹出面４ａは電
気的にフローティング状態にされた。これ以外の条件を
比較例の場合と同様に設定した状態で結晶質ｉ型シリコ
ン層が平均で１．７μｍの厚さに堆積されたが、その厚
みむらは比較例の場合と同様に約±４．５％であった。

【００３９】以上の比較例と実施例との比較から明らか
なように、本発明によるプラズマＣＶＤ装置を用いて低
い反応ガス圧の下でｐ型シリコン層を堆積するととも
に、高い反応ガス圧の下で結晶質ｉ型シリコン層を堆積
することによって、その非常に薄いｐ型層を均一な膜厚
で形成することができるとともに、結晶質ｉ型層を高速
度で形成できることがわかる。なお、結晶質ｉ型シリコ
ン層上にｎ型シリコン層をさらに堆積する場合には、ｐ
型シリコン層の堆積の場合と同様の条件の下で堆積すれ
ばよいことは言うまでもない。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、大きな
基板上の平面的位置に依存することなく均一で優れた光
電変換特性を発揮し得る大面積の結晶質薄膜太陽電池ま
たはハイブリッド薄膜太陽電池の製造のために好ましく
用いられ得るプラズマＣＶＤ装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例による縦型プラズ
マＣＶＤ装置を図解する模式的な断面図である。

【符号の説明】

１プラズマＣＶＤ反応室、２成膜用基板、３基板
支持電極、４対向電極、４ａプラズマ反応ガス吹出
面、４ｂメッシュ状電極、４ｃ絶縁材料のスペー
サ、５プラズマＣＶＤ反応ガス、６高周波電源、７
スイッチング手段。

フロントページの続きＦターム(参考） 4K030 AA06 AA17 AA20 BA29 CA06 EA05 FA03 JA09 KA15 KA17 KA18 5F045 AA08 AB04 AC01 AC19 AE21 AE23 BB09 CA13 DA57 DP03 EF05 EH05 EH06 EH07 EH13 EH19 EM10 5F051 AA03 AA04 AA05 CA16 CA23 CA34 DA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマＣＶＤ反応室と、前記反応室内において成膜用基板を支持するための基板
支持電極と、前記基板に対面すべき対向電極と、前記基板支持電極と前記対向電極とに高周波電力を印加
するための高周波電源とを備え、前記対向電極は中空であって、前記基板に向けて反応ガ
スを吹出すための複数の開口を含むガス吹出面を有する
とともに、前記ガス吹出面と前記基板との間において１
枚以上のメッシュ状電極を含み、前記反応室内のガス圧変化に応じて前記ガス吹出面と前
記メッシュ状電極とのうちでいずれか１つのみに、前記
高周波電力を印加するように選択するためのスイッチン
グ手段をさらに備えていることを特徴とするプラズマＣ
ＶＤ装置。
【請求項２】前記スイッチング手段によって選択され
なかった前記ガス吹出面またはメッシュ状電極は電気的
にフローティング状態にされることを特徴とする請求項
１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】前記メッシュ状電極は薄板を打抜きもし
くはエッチングすることによって形成されているか、ま
たはワイヤの編上げによって形成されていることを特徴
とする請求項１または２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】前記スイッチング手段は前記反応室内の
ガス圧が６６７Ｐａ未満のときに前記ガス吹出面を選択
し、６６７Ｐａ以上のときに前記メッシュ状電極を選択
することを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に
記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項５】前記ガス吹出面および前記メッシュ状電
極の相互の間隔は１ｃｍ以内であることを特徴とする請
求項１から４のいずれかの項に記載のプラズマＣＶＤ装
置。
【請求項６】薄膜太陽電池を製造する場合に、前記ス
イッチング手段は、前記基板上にｐ型またはｎ型の半導
体層を堆積するときには前記ガス吹出面を選択し、結晶
質ｉ型光電変換層を堆積するときには前記メッシュ状電
極を選択することを特徴とする請求項１から５のいずれ
かの項に記載のプラズマＣＶＤ装置。