JP2002237460A - プラズマcvd装置 - Google Patents
プラズマcvd装置Info
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- JP2002237460A JP2002237460A JP2001033904A JP2001033904A JP2002237460A JP 2002237460 A JP2002237460 A JP 2002237460A JP 2001033904 A JP2001033904 A JP 2001033904A JP 2001033904 A JP2001033904 A JP 2001033904A JP 2002237460 A JP2002237460 A JP 2002237460A
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Abstract
均一で優れた特性を有する半導体薄膜をより高速度で堆
積させ得るプラズマCVD装置を提供する。 【解決手段】 プラズマCVD装置は、プラズマCVD
反応室内において成膜基板を支持するための基板支持電
極と、基板に対面すべき対向電極とを備え、対向電極は
中空であってかつ基板に向けて反応ガスを吹出すために
複数のガス吹出孔3bを有するガス吹出面板3aを含
み、このガス吹出面板3aが基板と対向する面におい
て、プラズマの発生を促進するための複数のプラズマ促
進孔3hがガス吹出孔3bとは別に形成されており、そ
れらのプラズマ促進孔3hはガス吹出面板3aを貫通し
ていないことを特徴としている。
Description
に関し、特に、大面積で均一な半導体薄膜を高速度で製
造するため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。
感光ドラム上の感光層、液晶表示パネルの透明基板上に
形成されるTFT(薄膜トランジスタ)アレイ、薄膜太
陽電池などにおける種々の半導体層の形成のために利用
されている。ここで、液晶表示パネルはその画面の大型
化が望まれており、薄膜太陽電池においても大きな発電
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。すなわち、プラズマCVD装置において、大面積の
半導体薄膜を製造することが求められている。
造に適した縦型のプラズマCVD装置の一例が模式的な
断面図で図解されている。なお、本願の各図において、
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に変更されており、実際の寸法関係
を表わしてはいない。
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4を支持するための基板支持電極2を備
えている。また、反応室1内において、基板支持電極2
に対面して配置された対向電極(ガス吹出電極)3も設
けられている。対向電極3は、基板4に向けてプラズマ
CVD反応ガス5を吹出すための複数の孔3bを含むガ
ス吹出面板3aを有している。プラズマCVD反応を生
じさせるときには、基板支持電極2と対向電極3との間
に、高周波電源6によって通常は13.56MHzの高
周波電力が印加される。
マイト表面処理されたアルミ合金板やステンレス鋼板が
用いられ、約3〜6mmの範囲内の一定厚さTを有して
いる。ガス吹出孔3bは約0.2〜0.8mmの範囲内
の一定断面直径φDgを有し、その孔3bの長さHgは
それが貫通するガス吹出面板3aの一定厚さTに等し
い。そして、複数のガス吹出孔3bは、3〜15mmの
範囲内の一定のピッチPgで配列されている。
し、従来の非晶質薄膜太陽電池の他に比較的長波長の光
をも光電変換し得る結晶質薄膜太陽電池も開発され、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
したハイブリッド薄膜太陽電池も実用化されつつある。
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
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、約10
倍程度の大きな厚さを有することが望まれる。
較的薄い非晶質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
応室の圧力を利用することによって、厚い結晶質光電変
換層を高速度で堆積し得ることを開示している。
平板型高周波プラズマCVD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。
のように、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。ところが、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位置に依存して変動する傾向が
強くなるという事実がある。そして、この傾向は、異常
放電が生じ易くなる高い反応ガス圧、基板と対向電極と
の間の小さな間隔および高い高周波パワー密度の条件の
もと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顕著に
なる。なお、ここで異常放電とは、プラズマ強度に不均
一な分布を生じたり、平行平板電極の平行間隔以外の部
分で放電を生じることを意味する。他方、結晶質光電変
換層を含む薄膜太陽電池では、生産効率のさらなる向上
のために、その比較的厚い結晶質光電変換層の堆積速度
をさらに高めることが望まれている。
珪素膜、酸化珪素膜、または酸窒化珪素膜の堆積速度を
高めるために、図5(A)および(B)の断面部分図に
示されているように、末広ノズル形状のガス吹出孔3b
を有するガス吹出面板3aを対向電極3において用いる
ことを提案している。そして、特公平3−25510に
よれば、このような末広ノズル状のガス吹出孔3bに反
応ガスを通しながら高周波電力6を印加することによっ
てプラズマ密度が増大し、それに伴って反応ガスのかい
離と反応性が増大して膜堆積速度も増大するとされてい
る。
て、図5(A)や(B)に示されているような複雑な末
広ノズル形状の孔3bを加工形成することは困難であ
る。そのような加工が可能であるとしても、大面積のガ
ス吹出面板3aに多数の末広ノズル状ガス吹出孔3bを
形成することは、非常に多額の加工費用を要することに
なる。
るガス吹出面板3aに5mm間隔でガス吹出孔3bを形
成するとすれば、それらの孔3bの総数は4万個にもな
る。したがって、これらのガス吹出孔3bの1つを複雑
な末広ノズル形状に加工する費用を約200円程度に見
積もったとしても、4万個もの孔を加工するためには総
額で約800万円もの費用を要することになる。
ては、プラズマ反応が促進される末広ノズル内の喉部
(付け根部)に不所望のパーティクル状のダストが生成
して付着しやすくなり、その細い喉部がダストで詰まる
おそれが高くなる。
基板面上の平面的位置に依存することなく均一で優れた
特性を有する半導体薄膜をより高速度で堆積するために
好ましく用いられ得るプラズマCVD装置を低コストで
提供することを目的としている。
VD装置は、プラズマCVD反応室と、この反応室内に
おいて成膜用基板を支持するための基板支持電極と、基
板に対面すべき対向電極とを備え、この対向電極は中空
であってかつ基板に向けて反応ガスを吹出すために複数
のガス吹出孔を有するガス吹出面板を含み、このガス吹
出面板が基板と対向する面にはプラズマの発生を促進す
るための複数のプラズマ促進孔がガス吹出孔とは別に形
成されており、それらのプラズマ促進孔はガス吹出面板
を貫通していないことを特徴としている。
べて通常は大きな横断面直径を有している。
り合うことのないそれぞれの周期的パターンで配置され
ていることが好ましい。
同一周期のパターンで配置されていることが好ましい。
側とで所望の差圧が得られるように設定され、そのガス
吹出孔の長さの設定値がガス吹出面板の厚さより小さい
場合には、そのガス吹出孔の入口側がその孔径よりも大
きな径の差圧調整孔に接続されればよい。
て、反応室内のガス圧が533Pa以上、ガス吹出面板
と基板との間隔が15mm以下、そして基板支持電極と
対向電極との間に印加される高周波電力が300mW/
cm2以上のパワー密度に設定される条件のもとで、異
常放電を防止しつつシリコン系膜の高速度成膜を可能に
するプラズマCVD法を行うことができる。
特に、大面積の結晶質シリコン系光電変換層を含む薄膜
太陽電池の製造に好ましく用いられるものである。
D装置において好ましく用いられ得るガス吹出面板3a
の一例の断面を模式的に示し、図2は図1のガス吹出面
板3aの基板対向面を表わしている。すなわち、このガ
ス吹出面板3aの基板対向面において、プラズマの発生
を促進するために、円形の横断面形状と深さHpを有す
る複数の孔3hが形成されている。これらのプラズマ促
進孔3hは、ピッチPpで直交する格子状パターンに配
列されている。そして、その格子を構成する最小単位の
正方形セルの中心において一定断面直径φDgを有する
ガス吹出孔3bが形成されている。したがって、これら
のガス吹出孔3bの配列ピッチPgも、プラズマ促進孔
3hの配列ピッチPpに一致している。
3bの配列は直交格子状のパターンに限られず、他の種
々のパターンでも配列され得ることは言うまでもない。
ように複雑な末広ノズル形状のガス吹出孔と異なって、
プラズマ促進孔3hはボール盤などを用いて、はるかに
容易かつ安価に形成され得ることである。また、本実施
の形態におけるガス吹出孔3bは一定の横断面直径φD
gを有しているので、末広ノズル形状のガス吹出孔の場
合のようにそのノズルの喉部にダストが付着し易くなる
という問題を生じることがない。
合金板またはステンレス鋼板などを利用して形成するこ
とができる。このガス吹出面板においては、深さHpの
プラズマ促進孔3hを形成することが可能であってかつ
反応ガス圧に対して十分な平面精度を維持し得る強度を
有することが必要であり、その厚さTは2.5mm以上
であることが望まれ、3.0mm以上であることが好ま
しい。他方、ガス吹出面板3aは、CVD装置のメンテ
ナンス作業の際にその洗浄時のハンドリングが可能で、
かつ対向電極3に取付けたときにその電極本体の強度が
耐えられる重さでなければならない。この観点から、ア
ルミ合金のガス吹出面板の場合で、その厚さTは15m
m以下であることが望まれ、10mm以下であることが
好ましい。
いわゆるホロー(窪み)カソード効果(日刊工業新聞社
出版、小沼光晴著、「プラズマと成膜の基礎」pp.5
8−60参照)に類似してプラズマ発生の促進が期待さ
れるように1.5mm以上であることが望ましく、2.
0mm以上であることが好ましい。他方、ガス吹出面板
3aの強度維持の観点から、その面板がアルミ合金の場
合に、溝深さHpは13mm以下であることが望まれ、
7.5mm以下であることが好ましい。
の内部でプラズマ発生を促進させるホロー効果が期待で
きるように1.6mm以上であることが望まれ、2.0
mm以上であることが好ましい。他方、プラズマ促進孔
径φDpが大きくなりすぎれば、ガス吹出面板3aの基
板対向面のうちでプラズマ促進孔3h以外の平面領域と
基板4との間で放電が強くなって、孔3hによるプラズ
マ促進効果が得られなくなる。そして、プラズマ促進孔
3hとそれ以外の平面領域に対応して、基板4上で形成
される膜において厚さ変動を生じる場合もある。したが
って、プラズマ促進孔径φDpは基板4とガス吹出面板
3との間の距離E/Sより小さく設定され、8.0mm
以下であることが好ましく、6.0mm以下であること
がより好ましい。
は、まずその孔径φDp以上のピッチでなければ、理論
的に孔3hを配置することができない。また、2つのプ
ラズマ促進孔3hの間の平面部分の幅は加工の観点から
最低でも1mmは必要である。したがって、プラズマ促
進孔ピッチPpは2.6mm以上であることが望まれ、
3.0mm以上であることが好ましい。他方、プラズマ
促進孔3h間の平面部の幅が大きくなれば、孔3hによ
るプラズマ促進効果が連続的でなくなり、基板4上に堆
積される膜の厚さ分布に悪影響を与える。したがって、
プラズマ促進孔ピッチPpは15mm以下であることが
望まれ、7.0mm以下であることが好ましい。
出の分散と均一性が保たれるような差圧(ガス孔の入口
側と出口側との差圧)が得られる深さであることが望ま
れ、1.0mm以上であることが好ましく、1.5mm
以上であることがより好ましい。他方、ガス孔深さHg
が大きくなりすぎれば、その加工が困難になる。この加
工は通常はドリルを用いて行なわれるが、孔径の小さな
加工であるので、その深さが大きくなればドリルの破損
が多くなる。そして、ドリルの破損のたびにボール盤を
止めて破損ドリルを加工途中の孔から取除き、ドリルの
交換とその後の再加工が必要となる。しかも、前述のよ
うに、大面積のガス吹出面板のガス吹出孔加工では数万
個の加工が必要である。したがって、ガス孔深さHgは
ドリルの破損のおそれの少ない5.0mm以下であるこ
とが好ましく、4.0mm以下であることがより好まし
い。なお、ガス孔深さHgが3mm程度以下ならばレー
ザ加工も可能となり、加工時間と費用の節減も可能にな
る。
ガス吹出孔3bの深さHgより大きくなる場合には、そ
のガス吹出孔3bのガス入口側において、図3に示され
ているようにたとえば太いドリル孔からなる差圧調整孔
3cを形成すればよい。このような太いドリル孔は細い
ドリル孔に比べて容易に形成され得ることが理解されよ
う。これによって、ガス吹出孔3bの所望の深さHgを
設定することができ、そのガス入口側と出口側との間の
調整された差圧によってガスの分散性と均一性を確保す
ることができる。
ぎれば差圧が大きくなりすぎて必要な反応ガス流量の確
保が困難になる。また、成膜時に発生し得るパーティク
ルなどのダストが細いガス孔に詰まるおそれもある。さ
らに、ガス孔径φDgが小さすぎれば、その加工も困難
になる。したがって、ガス孔径φDgは0.1mm以上
であることが望まれ、0.2mm以上であることが好ま
しい。他方、ガス孔径φDgが大きすぎれば、ガス吹出
の分散と均一性が保たれるための十分な差圧が得られに
くくなる。したがって、ガス孔径φDgは0.7mm以
下であることが望まれ、0.5mm以下であることが好
ましい。
出孔3bとプラズマ促進孔3hとが互い重なり合うこと
のないそれぞれの周期的パターンで配置されることが望
まれる。その一例として、図2に示されているように、
ガス吹出孔ピッチPgはプラズマ促進孔ピッチPpと同
一であることが好ましい。よって、ガス吹出孔ピッチP
gは2.6mm以上で15mm以下の範囲内にあること
が好ましく、3.0mm以上で7.0mm以下の範囲内
にあることがより好ましい。
3hとが互い重なり合わないためには、それらのピッチ
PgとPpが必ずしも同一である必要はなく、それらの
一方に適切な一定の倍率を掛けた関係にある場合でも可
能である。
る際には、ガス孔3bの深さHg、径φDg、およびピ
ッチPgは、反応ガス流量やガスの分散性などを考慮し
て、上述のそれぞれの範囲内で最適な値を選択すること
ができる。
ズマ促進孔3h付きのガス吹出面板3aを用いることに
よって、そのガス吹出面板において基板対向面の表面積
の増大によって均一で安定したプラズマを得ることがで
きる。特に、高い反応ガス圧のもとでハイパワーの高周
波電力を印加する場合に、電極間距離を狭くしたときに
異常放電を起こすことなく、均一な分布のプラズマを得
ることができる。また、それらのプラズマ促進孔3hに
よって前述のホロー効果が期待され、成膜速度のさらな
る向上が期待され得る。さらに、プラズマ促進孔3hの
開口エッジ部のような突起部分からの2次電子放出が増
大するので、これによる成膜速度の向上も期待され得
る。
3に示されているようなガス吹出面板3aを用いること
によって、シランと水素を含む反応ガス圧533Pa以
上のもとで1μm/hr以上のシリコン膜堆積速度が十
分に可能であって、好ましく用いられる電源周波数範囲
も10〜50MHzに広がるとともに、印加され得るパ
ワー密度の範囲も50〜1500mW/cm2に広げら
れ得る。さらに、533Pa以上の反応ガス圧のもとに
おいても、プラズマを発生させ得る対向電極と基板との
間隔E/Sの可能範囲も5〜30mmまで広げられ得
る。
ズマ促進孔3hは、図5に示されているように複雑な末
広ノズル形状のガス吹出孔と異なって、ボール盤などを
用いてはるかに容易かつ安価に形成され得る。
は、末広ノズル形状のガス吹出孔の場合のようにそのノ
ズルの喉部にダストが付着し易くなるという問題を生じ
ることがない。
さT=4mmのステンレス鋼板が用いられた。そして、
プラズマ促進孔深さHp=2.4mm、プラズマ促進孔
径φDp=4.3mm、プラズマ促進孔ピッチPp=
5.3mm、ガス孔径ピッチPg=5.3mm、そして
ガス孔径φDg=0.45mmに設定された。このよう
なガス吹出面板3aを用いて、91cm×91cmの面
積と4mmの厚さを有するガラス基板4上にシリコン薄
膜がプラズマCVDで堆積された。反応ガスとしては、
シランとその100倍の流量の水素が反応室内に導入さ
れ、反応室内ガス圧は533Paに設定された。また、
ガス吹出面板3aと基板4との間隔(E/S)は15m
mに設定された。このような条件下で300mW/cm
2のパワー密度で高周波電力を印加したところ、異常放
電を生じることなく安定した高密度のプラズマが生成さ
れ、1μm/hr以上の速い堆積速度で均一な結晶質シ
リコン膜が形成された。
圧が667Paに増大されるとともにE/S間隔が12
mmに減少されたことのみにおいて、実施例1と異なっ
ていた。このような実施例2においても、1μm/hr
以上の速い堆積速度で均一な結晶質シリコン膜が形成さ
れた。
圧が1000Paに増大されるとともにE/S間隔が1
0mmに減少され、さらに高周波パワー密度が500m
W/cm2に増大されたことのみにおいて、実施例1と
異なっていた。このような実施例3においては、1.5
μm/hr以上のさらにはやい堆積速度で均一に結晶質
シリコン膜が形成された。
圧が1330Paに増大されるとともにE/S間隔が8
mmに減少され、さらに高周波パワー密度が800mW
/cm2に増大されたことのみにおいて、実施例1と異
なっていた。このような実施例4においては、2.0μ
m/hr以上の非常に速い堆積速度で均一な結晶質シリ
コン膜が形成された。
基板上の平面的位置に依存することなく均一で優れた特
性を有する半導体薄膜をより高速度で堆積するために好
ましく用いられ得るプラズマCVD装置を低コストで提
供することができる。
において好ましく用いられ得る対向電極のガス吹出面板
の一例を示す模式的な断面図である。
図である。
的な断面図である。
に好ましく用いられ得る縦型CVD装置の一例を示す模
式的な断面図である。
ズル状のガス吹出孔を示す模式的な断面図である。
極、3a ガス吹出面板、3b ガス吹出孔、3c 差
圧調整孔、3h プラズマ促進孔、4 基板、5反応ガ
ス、6 高周波電源。
Claims (7)
- 【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
スを吹出すために、複数のガス吹出孔を有するガス吹出
面板を含み、 前記ガス吹出面板が前記基板と対向する面において、プ
ラズマの発生を促進するための複数のプラズマ促進孔が
前記ガス吹出孔とは別に形成されており、 前記プラズマ促進孔は前記ガス吹出面板を貫通していな
いことを特徴とするプラズマCVD装置。 - 【請求項2】 前記プラズマ促進孔は前記ガス吹出孔に
比べて大きな横断面直径を有してい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】 前記ガス吹出孔と前記プラズマ促進孔と
は互いに重なり合うことのないそれぞれの周期的パター
ンで配置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】 前記ガス吹出孔と前記プラズマ促進孔と
は同一周期のパターンで配置されていることを特徴とす
る請求項3に記載のプラズマCVD装置。 - 【請求項5】 前記ガス吹出孔の径と長さはガス入口側
と出口側とで所望の差圧が得られるように設定され、そ
のガス吹出孔の長さの設定値が前記ガス吹出面板の厚さ
より小さい場合には、そのガス吹出孔の入口側がその孔
径よりも大きな径の差圧調整孔に接続されていることを
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CDV装置。 - 【請求項6】 請求項1から5のいずれかの項に記載さ
れたプラズマCVD装置を用いて、前記反応室内のガス
圧が533Pa以上、前記ガス吹出面板と前記基板との
間隔が15mm以下、そして前記基板支持電極と前記対
向電極との間に印加される高周波電力が300mW/c
m2以上のパワー密度に設定される条件のもとでシリコ
ン系膜を形成することを特徴とするプラズマCVD方
法。 - 【請求項7】 請求項1から5のいずれかの項に記載さ
れたプラズマCVD装置を利用して形成された結晶質シ
リコン系光電変換層を含むことを特徴とする薄膜太陽電
池。
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