JP2002289530A - プラズマｃｖｄ装置及び成膜方法 - Google Patents
プラズマｃｖｄ装置及び成膜方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】微結晶シリコン太陽電池等の製造に適用され、
高い結晶性を有する微結晶膜を高速で堆積でき、かつパ
ウダーの発生が少ない生産性に優れたプラズマＣＶＤ装
置及び成膜方法を提供する。 【解決手段】平行平板型のカソード１及びアノード４を
備えた容量結合型プラズマＣＶＤ装置において、アノー
ド４上に被成膜物たるガラス基板１１を設置するととも
に、ガラス基板１１の直上に金属製メッシュ３などの第
３電極を配置し、第３電極とガラス基板１１の距離は１
０ｍｍ以下とする。
高い結晶性を有する微結晶膜を高速で堆積でき、かつパ
ウダーの発生が少ない生産性に優れたプラズマＣＶＤ装
置及び成膜方法を提供する。 【解決手段】平行平板型のカソード１及びアノード４を
備えた容量結合型プラズマＣＶＤ装置において、アノー
ド４上に被成膜物たるガラス基板１１を設置するととも
に、ガラス基板１１の直上に金属製メッシュ３などの第
３電極を配置し、第３電極とガラス基板１１の距離は１
０ｍｍ以下とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微結晶シリコン膜
等を高速で成膜可能なプラズマＣＶＤ装置に関するもの
であり、高い結晶性を有する薄膜を高速度で成膜でき、
かつパウダー（目的外反応によって発生する粒子）の発
生が少なく、装置の保守整備が容易なプラズマＣＶＤ装
置及び成膜方法に関するものである。
等を高速で成膜可能なプラズマＣＶＤ装置に関するもの
であり、高い結晶性を有する薄膜を高速度で成膜でき、
かつパウダー（目的外反応によって発生する粒子）の発
生が少なく、装置の保守整備が容易なプラズマＣＶＤ装
置及び成膜方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor
Deposition ）装置はシリコン薄膜、ダイヤモンド薄膜
の成膜等に良く用いられている。プラズマＣＶＤ法には
容量結合型と誘導結合型の２通りあるが、容量結合型で
は通常、真空チャンバー内に一対の平行平板状のカソー
ド、アノード電極を備える。
Deposition ）装置はシリコン薄膜、ダイヤモンド薄膜
の成膜等に良く用いられている。プラズマＣＶＤ法には
容量結合型と誘導結合型の２通りあるが、容量結合型で
は通常、真空チャンバー内に一対の平行平板状のカソー
ド、アノード電極を備える。
【０００３】シリコン薄膜の用途として代表的なものに
太陽電池がある。薄膜シリコン系太陽電池は、製造及び
材料コスト低減等の観点から、バルク結晶シリコン太陽
電池に代わる太陽電池として検討が進められてきてい
る。薄膜シリコン系太陽電池は通常、ｐ層／ｉ層／ｎ
層、またはｐ層／ｎ層の膜構成を有し、これら各層の膜
の成膜には通常プラズマＣＶＤ法が用いられる。真空チ
ャンバー内にモノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ
2 Ｈ6 ）等の反応性ガスを単独、又はこれらのガスと水
素（Ｈ2 ）との混合ガスを導入し、カソードにＲＦ、Ｖ
ＨＦ等の高周波電力を投入してプラズマを励起し、この
プラズマにより反応性ガスを分解し、基板上にシリコン
膜を堆積する。
太陽電池がある。薄膜シリコン系太陽電池は、製造及び
材料コスト低減等の観点から、バルク結晶シリコン太陽
電池に代わる太陽電池として検討が進められてきてい
る。薄膜シリコン系太陽電池は通常、ｐ層／ｉ層／ｎ
層、またはｐ層／ｎ層の膜構成を有し、これら各層の膜
の成膜には通常プラズマＣＶＤ法が用いられる。真空チ
ャンバー内にモノシラン（ＳｉＨ4 ）、ジシラン（Ｓｉ
2 Ｈ6 ）等の反応性ガスを単独、又はこれらのガスと水
素（Ｈ2 ）との混合ガスを導入し、カソードにＲＦ、Ｖ
ＨＦ等の高周波電力を投入してプラズマを励起し、この
プラズマにより反応性ガスを分解し、基板上にシリコン
膜を堆積する。
【０００４】基板は通常アノード上に置かれ、アノード
内のヒータにより、成膜中の基板温度がコントロールさ
れる。この際、成膜条件、すなわちモノシラン又はジシ
ランと水素との流量比、基板温度等を変えることにより
アモルファス膜、微結晶膜を作り分けることができる。
原料ガスにジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）を添加するとホウ素が
添加され、膜はｐ型となる。また、ホスフィン（Ｐ
Ｈ3 ）を添加するとリンが添加され、膜はｎ型とな
る。) アモルファスシリコン膜については、従来、成膜メカニ
ズム、膜質等の基礎検討から太陽電池セル化等応用まで
幅広く研究が進んでおり、既に一部では工業化の段階に
まで進んでいるが、アモルファスシリコン太陽電池の本
質的な問題として光劣化の問題が残されている。アモル
ファス構造はエネルギー的に準安定であり、外部エネル
ギーにより構造変化を引き起こし易い。アモルファスシ
リコンの場合、光照射によりアモルファスシリコン中の
シリコン原子のダングリングボンド、すなわち欠陥の密
度が増加するため、光照射により変換効率が比率にして
五から１５％程度低下する。
内のヒータにより、成膜中の基板温度がコントロールさ
れる。この際、成膜条件、すなわちモノシラン又はジシ
ランと水素との流量比、基板温度等を変えることにより
アモルファス膜、微結晶膜を作り分けることができる。
原料ガスにジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）を添加するとホウ素が
添加され、膜はｐ型となる。また、ホスフィン（Ｐ
Ｈ3 ）を添加するとリンが添加され、膜はｎ型とな
る。) アモルファスシリコン膜については、従来、成膜メカニ
ズム、膜質等の基礎検討から太陽電池セル化等応用まで
幅広く研究が進んでおり、既に一部では工業化の段階に
まで進んでいるが、アモルファスシリコン太陽電池の本
質的な問題として光劣化の問題が残されている。アモル
ファス構造はエネルギー的に準安定であり、外部エネル
ギーにより構造変化を引き起こし易い。アモルファスシ
リコンの場合、光照射によりアモルファスシリコン中の
シリコン原子のダングリングボンド、すなわち欠陥の密
度が増加するため、光照射により変換効率が比率にして
五から１５％程度低下する。
【０００５】これに対し、微結晶シリコン太陽電池は、
光劣化が起きない材料として近年注目を浴びてきてい
る。しかし、微結晶シリコン太陽電池については、その
開発研究が緒についた段階で、結晶化メカニズム、膜
質、セル構造の最適化など多くの検討課題が残されてお
り、現在活発な開発研究が進められている。
光劣化が起きない材料として近年注目を浴びてきてい
る。しかし、微結晶シリコン太陽電池については、その
開発研究が緒についた段階で、結晶化メカニズム、膜
質、セル構造の最適化など多くの検討課題が残されてお
り、現在活発な開発研究が進められている。
【０００６】アモルファスシリコンは直接遷移型半導体
であるため、吸収係数が比較的大きく、十分な太陽光の
吸収を得るために、ｉ層は通常３００〜５００ｎｍ程度
であるのに対し、微結晶シリコンは結晶シリコンと同
様、間接遷移半導体であるため、吸収係数がアモルファ
スシリコンより小さく、２〜３μｍ程度の膜厚が必要と
なる。
であるため、吸収係数が比較的大きく、十分な太陽光の
吸収を得るために、ｉ層は通常３００〜５００ｎｍ程度
であるのに対し、微結晶シリコンは結晶シリコンと同
様、間接遷移半導体であるため、吸収係数がアモルファ
スシリコンより小さく、２〜３μｍ程度の膜厚が必要と
なる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】微結晶シリコン太陽電
池では、十分な光吸収を得るために、アモルファスシリ
コン膜より厚い膜が必要であるが、従来、微結晶シリコ
ン膜の成膜速度は０．１ｎｍ／秒程度であったため、２
〜３μｍ程度堆積するためには数時間必要で、生産性に
劣っていた。
池では、十分な光吸収を得るために、アモルファスシリ
コン膜より厚い膜が必要であるが、従来、微結晶シリコ
ン膜の成膜速度は０．１ｎｍ／秒程度であったため、２
〜３μｍ程度堆積するためには数時間必要で、生産性に
劣っていた。
【０００８】それ故、現在プラズマＣＶＤ法において微
結晶シリコン膜の成膜速度を上げることが重要な課題の
１つとなっている。成膜速度を上げるための方法とし
て、成膜圧力を高圧（数百Ｐa 台（数Torr台））にし、
イオンダメージを低減させ、高いＲＦ電力又は高いＶＨ
Ｆ電力を投入して、原料ガスの枯渇領域で成膜するHigh
pressure depletion 法（例えば、 Japanese Journal
of Applied Physics３７巻（１９９８年) Ll 1 1 6
頁、 Journal of Non-Crystalline Solids、２６６−２
６９巻（２０００年) 、８４頁）が提案されている。
結晶シリコン膜の成膜速度を上げることが重要な課題の
１つとなっている。成膜速度を上げるための方法とし
て、成膜圧力を高圧（数百Ｐa 台（数Torr台））にし、
イオンダメージを低減させ、高いＲＦ電力又は高いＶＨ
Ｆ電力を投入して、原料ガスの枯渇領域で成膜するHigh
pressure depletion 法（例えば、 Japanese Journal
of Applied Physics３７巻（１９９８年) Ll 1 1 6
頁、 Journal of Non-Crystalline Solids、２６６−２
６９巻（２０００年) 、８４頁）が提案されている。
【０００９】前記の方法は装置構成の大きな変更を必要
とせず、成膜条件を変更するだけで、３ｎｍ／秒程度の
成膜速度で高い結晶性の微結晶膜が得られる。しかし、
この方法は高圧力下の原料ガス中で成膜するため、パウ
ダーが発生し易く、成膜速度、膜質の再現性を保つため
に頻繁にカソードやチャンバー内部をクリーニングする
ことが必要で、装置の整備に手間がかかり、生産性が悪
かった。また、成膜速度が４ｎｍ／秒以上では、膜の結
晶性が著しく低下するため、結晶性の良好な膜を成膜す
ることができなかった。
とせず、成膜条件を変更するだけで、３ｎｍ／秒程度の
成膜速度で高い結晶性の微結晶膜が得られる。しかし、
この方法は高圧力下の原料ガス中で成膜するため、パウ
ダーが発生し易く、成膜速度、膜質の再現性を保つため
に頻繁にカソードやチャンバー内部をクリーニングする
ことが必要で、装置の整備に手間がかかり、生産性が悪
かった。また、成膜速度が４ｎｍ／秒以上では、膜の結
晶性が著しく低下するため、結晶性の良好な膜を成膜す
ることができなかった。
【００１０】本発明は前述の問題点を解決すべくなされ
たものであり、生産性に優れるとともに、高い結晶性を
有する微結晶膜が得られ、かつパウダーの発生が少な
く、チャンバー清掃の手間の少ないプラズマＣＶＤ装置
及び成膜方法を提供することを目的とする。
たものであり、生産性に優れるとともに、高い結晶性を
有する微結晶膜が得られ、かつパウダーの発生が少な
く、チャンバー清掃の手間の少ないプラズマＣＶＤ装置
及び成膜方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に請求項１に係る発明は、平行平板型のカソード及びア
ノードを備え、第１電極たる前記カソードと、第２電極
たる前記アノードとの間に導電性のメッシュからなる第
３電極を備えたプラズマＣＶＤ装置であって、前記カソ
ード又は前記アノードの何れか一方の側に被成膜物たる
基板が設置され、前記第３電極と前記基板との間の距離
が１０ｍｍ以下であることを特徴としている。
に請求項１に係る発明は、平行平板型のカソード及びア
ノードを備え、第１電極たる前記カソードと、第２電極
たる前記アノードとの間に導電性のメッシュからなる第
３電極を備えたプラズマＣＶＤ装置であって、前記カソ
ード又は前記アノードの何れか一方の側に被成膜物たる
基板が設置され、前記第３電極と前記基板との間の距離
が１０ｍｍ以下であることを特徴としている。
【００１２】本発明は、High Pressure Depletion 法の
実施に適した容量結合型プラズマＣＶＤ装置において、
更に金属製メッシュなど導電性メッシュからなる第３電
極を付加し、この第３電極と基板との距離を１０ｍｍ以
下に設定している。基板との距離を接近させて（１０ｍ
ｍ以下に）配置した導電性メッシュは、膜成長表面への
イオンダメージを低減させる働きをする。更に、投入パ
ワーを増大させていくと、メッシュ寄りにおいてもプラ
ズマの発光は強まり、特殊なプラズマ状態になる。この
プラズマ状態の下ではパウダーの発生が抑制され、結晶
性の良好な微結晶膜を生産性よく形成できる。
実施に適した容量結合型プラズマＣＶＤ装置において、
更に金属製メッシュなど導電性メッシュからなる第３電
極を付加し、この第３電極と基板との距離を１０ｍｍ以
下に設定している。基板との距離を接近させて（１０ｍ
ｍ以下に）配置した導電性メッシュは、膜成長表面への
イオンダメージを低減させる働きをする。更に、投入パ
ワーを増大させていくと、メッシュ寄りにおいてもプラ
ズマの発光は強まり、特殊なプラズマ状態になる。この
プラズマ状態の下ではパウダーの発生が抑制され、結晶
性の良好な微結晶膜を生産性よく形成できる。
【００１３】本発明の一態様として請求項２に係るプラ
ズマＣＶＤ装置は、前記アノードに基板を設置し、前記
第３電極の電位を前記アノードと等電位又は前記アノー
ドより負電位とすることを特徴としている。アノード−
第３電極間に放電が起きないようにしたので、高いパワ
ーにすることで第３電極寄りにプラズマの発光が強ま
り、この時のプラズマ状態においてパウダーの発生が抑
制される。
ズマＣＶＤ装置は、前記アノードに基板を設置し、前記
第３電極の電位を前記アノードと等電位又は前記アノー
ドより負電位とすることを特徴としている。アノード−
第３電極間に放電が起きないようにしたので、高いパワ
ーにすることで第３電極寄りにプラズマの発光が強ま
り、この時のプラズマ状態においてパウダーの発生が抑
制される。
【００１４】また、請求項３に示したように、前記カソ
ードとして、ガス噴射用の穴が多数形成されているシャ
ワーヘッド型のカソードを用いる態様が好ましい。シャ
ワーヘッド型カソードは、原料ガスを効率よく導入する
ことができ、成膜速度を高めることができる。
ードとして、ガス噴射用の穴が多数形成されているシャ
ワーヘッド型のカソードを用いる態様が好ましい。シャ
ワーヘッド型カソードは、原料ガスを効率よく導入する
ことができ、成膜速度を高めることができる。
【００１５】請求項４に記載した発明は、請求項１に係
る装置発明に対応する方法発明を提供する。すなわち、
請求項４に係る方法は、平行平板型のカソード及びアノ
ードを備え、第１電極たる前記カソードと、第２電極た
る前記アノードとの間に導電性のメッシュからなる第３
電極を備えたプラズマＣＶＤ装置を用いて基板に膜を形
成する方法であって、前記カソード又は前記アノードの
何れか一方の側に前記基板を密着して設置し、前記第３
電極と前記基板との間の距離を１０ｍｍ以下とした条件
のもとで成膜を行うことを特徴としている。
る装置発明に対応する方法発明を提供する。すなわち、
請求項４に係る方法は、平行平板型のカソード及びアノ
ードを備え、第１電極たる前記カソードと、第２電極た
る前記アノードとの間に導電性のメッシュからなる第３
電極を備えたプラズマＣＶＤ装置を用いて基板に膜を形
成する方法であって、前記カソード又は前記アノードの
何れか一方の側に前記基板を密着して設置し、前記第３
電極と前記基板との間の距離を１０ｍｍ以下とした条件
のもとで成膜を行うことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、添付図面に従って本発明の
プラズマＣＶＤ装置及び成膜方法について詳説する。図
１は本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置におけ
る電極構成の模式図である。同図中、符号１はカソー
ド、２はプラズマ、３は金属製メッシュ、４は内部に基
板加熱用ヒータを装着したアノードである。１１は微結
晶シリコンを成膜するガラス基板である。本例におい
て、アノード４は接地電位となっており、ガラス基板１
１はアノード４上にアノード４に接して設置される。
プラズマＣＶＤ装置及び成膜方法について詳説する。図
１は本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置におけ
る電極構成の模式図である。同図中、符号１はカソー
ド、２はプラズマ、３は金属製メッシュ、４は内部に基
板加熱用ヒータを装着したアノードである。１１は微結
晶シリコンを成膜するガラス基板である。本例におい
て、アノード４は接地電位となっており、ガラス基板１
１はアノード４上にアノード４に接して設置される。
【００１７】金属製メッシュ３は電気的に接地してアノ
ード４と等電位とし、金属製メッシュ３とガラス基板１
１の距離は、この間で放電が起きないような距離とす
る。なお、以下、必要に応じて金属製メッシュ３を「メ
ッシュ電極」又は単に「メッシュ」と表現する。
ード４と等電位とし、金属製メッシュ３とガラス基板１
１の距離は、この間で放電が起きないような距離とす
る。なお、以下、必要に応じて金属製メッシュ３を「メ
ッシュ電極」又は単に「メッシュ」と表現する。
【００１８】図２には、図１の電極構成で放電を起こし
た時のプラズマポテンシャルが模式的に示されている。
メッシュ電極３とガラス基板１１との間では放電は起き
ず、また、プラズマからガラス基板１１に入射する電子
のほとんどはメッシュ電極３に捕獲されるため、ガラス
基板１１はチャージアップしない。それゆえメッシュ電
極３と、アノード４及びガラス基板１１は、電気的に等
電位（接地的電位）となり、両者の間に電位差は生じな
い。
た時のプラズマポテンシャルが模式的に示されている。
メッシュ電極３とガラス基板１１との間では放電は起き
ず、また、プラズマからガラス基板１１に入射する電子
のほとんどはメッシュ電極３に捕獲されるため、ガラス
基板１１はチャージアップしない。それゆえメッシュ電
極３と、アノード４及びガラス基板１１は、電気的に等
電位（接地的電位）となり、両者の間に電位差は生じな
い。
【００１９】その一方、成膜圧力数百Ｐa （数Torr）に
おいては粒子の平均自由行程は０．１ｍｍ以下であり、
メッシュ電極３とガラス基板１１が数ｍｍ離れているだ
けでも、メッシュ電極３を通過したイオンはガラス基板
１１に到達するまでに、数１０回衝突する。したがっ
て、メッシュ電極３とガラス基板１１が等電位であれ
ば、衝突後のイオンは電場で加速されることなく、膜表
面に入射する。すなわち、膜表面へのイオンダメージが
抑制される。
おいては粒子の平均自由行程は０．１ｍｍ以下であり、
メッシュ電極３とガラス基板１１が数ｍｍ離れているだ
けでも、メッシュ電極３を通過したイオンはガラス基板
１１に到達するまでに、数１０回衝突する。したがっ
て、メッシュ電極３とガラス基板１１が等電位であれ
ば、衝突後のイオンは電場で加速されることなく、膜表
面に入射する。すなわち、膜表面へのイオンダメージが
抑制される。
【００２０】メッシュ電極３とガラス基板１１との距離
は１０ｍｍ以下とする必要があり、より望ましくは１〜
１０ｍｍ、特に１〜５ｍｍにする。メッシュ電極３−ガ
ラス基板１１間の距離が１ｍｍより短いと、メッシュの
パターンがガラス基板１１の膜に転写されてしまう恐れ
があり、また、１０ｍｍより長いと、メッシュ電極３と
ガラス基板１１との間で放電が起こる恐れがある。放電
が起きると、メッシュ電極３とガラス基板１１は等電位
とならず、膜成長表面へのイオンダメージが生ずる。
は１０ｍｍ以下とする必要があり、より望ましくは１〜
１０ｍｍ、特に１〜５ｍｍにする。メッシュ電極３−ガ
ラス基板１１間の距離が１ｍｍより短いと、メッシュの
パターンがガラス基板１１の膜に転写されてしまう恐れ
があり、また、１０ｍｍより長いと、メッシュ電極３と
ガラス基板１１との間で放電が起こる恐れがある。放電
が起きると、メッシュ電極３とガラス基板１１は等電位
とならず、膜成長表面へのイオンダメージが生ずる。
【００２１】金属製メッシュ３の開口率は５〜９５％の
範囲が適当であり、より望ましくは、３０〜９０％の範
囲が適当である。開口率が５％より小さいと、成膜速度
が著しく低下する。また、開口率が９５％より大きい
と、プラズマからガラス基板１１に入射する電子がメッ
シュ３に捕獲されず、ガラス基板１１まで到達するた
め、ガラス基板１１がチャージアップしてしまう恐れが
ある。本例では金属製のメッシュを用いているが、メッ
シュの材質は、導電性を有していれば特に限定されず、
ステンレス、銅その他の金属のみならず、炭素などの導
電性材料を用いることができる。
範囲が適当であり、より望ましくは、３０〜９０％の範
囲が適当である。開口率が５％より小さいと、成膜速度
が著しく低下する。また、開口率が９５％より大きい
と、プラズマからガラス基板１１に入射する電子がメッ
シュ３に捕獲されず、ガラス基板１１まで到達するた
め、ガラス基板１１がチャージアップしてしまう恐れが
ある。本例では金属製のメッシュを用いているが、メッ
シュの材質は、導電性を有していれば特に限定されず、
ステンレス、銅その他の金属のみならず、炭素などの導
電性材料を用いることができる。
【００２２】次に、上記の如く構成されたプラズマＣＶ
Ｄ装置の作用について説明する。図１に示した電極配置
において、カソード１への投入パワーが低パワーであれ
ば、プラズマの発光強度はカソード−メッシュ間のカソ
ード寄りにおいて強い。しかし、投入パワーを増大させ
ていくと、あるパワー以上でカソード１寄りに加えてメ
ッシュ電極３寄りにおいても強く発光するようになる。
この原因については究明されていないが、メッシュを構
成する細線部分からの電子放出によるものと考えられ
る。
Ｄ装置の作用について説明する。図１に示した電極配置
において、カソード１への投入パワーが低パワーであれ
ば、プラズマの発光強度はカソード−メッシュ間のカソ
ード寄りにおいて強い。しかし、投入パワーを増大させ
ていくと、あるパワー以上でカソード１寄りに加えてメ
ッシュ電極３寄りにおいても強く発光するようになる。
この原因については究明されていないが、メッシュを構
成する細線部分からの電子放出によるものと考えられ
る。
【００２３】この時、プラズマの発光強度を解析する
と、メッシュ電極３寄りにおいては主にＳｉの励起状態
（波長２８８ｎｍ）の発光強度が強くなっていることが
判明した。また、このようなプラズマ状態の時、プラズ
マ中でのパウダーの発生が抑制され、パウダーのチャン
バー壁等への付着量が著しく低減されることが実証され
た。この原因として、メッシュ電極３寄りで起きる放電
により高次シラン（パウダーの原因物質）が分解され、
原料が効率良く使われるためであると考えられる。
と、メッシュ電極３寄りにおいては主にＳｉの励起状態
（波長２８８ｎｍ）の発光強度が強くなっていることが
判明した。また、このようなプラズマ状態の時、プラズ
マ中でのパウダーの発生が抑制され、パウダーのチャン
バー壁等への付着量が著しく低減されることが実証され
た。この原因として、メッシュ電極３寄りで起きる放電
により高次シラン（パウダーの原因物質）が分解され、
原料が効率良く使われるためであると考えられる。
【００２４】これまでメッシュ電極３とアノード４はと
もに接地電位として述べてきたが、必ずしも接地電位に
する必要はなく、正の電位又は負の電位としてもよい。
特に、負の電位とすると、プラズマ電位とメッシュ電位
との差が大きくなるので、メッシュ電極３から電子が放
出され易くなり、メッシュ電極３寄りの発光が生ずるプ
ラズマ状態が起き易くなる。また、必ずしもメッシュ３
とアノード４の電位を等電位にする必要はなく、メッシ
ュ３の電位をアノード４に対して負にすることが好まし
い。この時、メッシュ３を通過したイオン（正イオン）
はアノード４に向けて加速されない。
もに接地電位として述べてきたが、必ずしも接地電位に
する必要はなく、正の電位又は負の電位としてもよい。
特に、負の電位とすると、プラズマ電位とメッシュ電位
との差が大きくなるので、メッシュ電極３から電子が放
出され易くなり、メッシュ電極３寄りの発光が生ずるプ
ラズマ状態が起き易くなる。また、必ずしもメッシュ３
とアノード４の電位を等電位にする必要はなく、メッシ
ュ３の電位をアノード４に対して負にすることが好まし
い。この時、メッシュ３を通過したイオン（正イオン）
はアノード４に向けて加速されない。
【００２５】このような電極配置において、更にカソー
ド１としてシャワーヘッドカソード（カソード先端にガ
ス噴射用の穴が多数形成されているカソード）を用いる
と、カソード−ガラス基板間の原料ガスの濃度が増加す
るため、同じ投入パワーにおいて成膜速度を著しく増大
させることができる。
ド１としてシャワーヘッドカソード（カソード先端にガ
ス噴射用の穴が多数形成されているカソード）を用いる
と、カソード−ガラス基板間の原料ガスの濃度が増加す
るため、同じ投入パワーにおいて成膜速度を著しく増大
させることができる。
【００２６】本発明を適用したプラズマＣＶＤ装置で
は、微結晶シリコン膜が５ｎｍ／秒以上の速度で成膜さ
れるにもかかわらず、膜中の欠陥密度を低い値に抑え、
膜の結晶性を上げることができる。この原因も未だ充分
には解明されていないが、第３電極によるイオンダメー
ジの低減効果、又は第３電極寄りの強い発光強度のプラ
ズマによる高次シラン発生の抑制効果などが原因として
考えられる。
は、微結晶シリコン膜が５ｎｍ／秒以上の速度で成膜さ
れるにもかかわらず、膜中の欠陥密度を低い値に抑え、
膜の結晶性を上げることができる。この原因も未だ充分
には解明されていないが、第３電極によるイオンダメー
ジの低減効果、又は第３電極寄りの強い発光強度のプラ
ズマによる高次シラン発生の抑制効果などが原因として
考えられる。
【００２７】これまでは被成膜物としてガラス基板の場
合を述べてきたが、基板はガラスに限定されず、樹脂製
基板や金属製基板も用いることができる。前者の場合、
基板温度は樹脂基板が変形しない程度に低温にしなけれ
ばならない。
合を述べてきたが、基板はガラスに限定されず、樹脂製
基板や金属製基板も用いることができる。前者の場合、
基板温度は樹脂基板が変形しない程度に低温にしなけれ
ばならない。
【００２８】また、本発明の結晶性薄膜の高速堆積化に
ついて、これまでシリコン薄膜について述べてきたが、
これに限らず、例えばダイヤモンド薄膜や、窒化シリコ
ン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）など、プラズマＣＶＤで成膜される他
の薄膜の成膜についても本発明は効果を持ち、結晶性の
良好な膜を高速で堆積することができる。
ついて、これまでシリコン薄膜について述べてきたが、
これに限らず、例えばダイヤモンド薄膜や、窒化シリコ
ン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）など、プラズマＣＶＤで成膜される他
の薄膜の成膜についても本発明は効果を持ち、結晶性の
良好な膜を高速で堆積することができる。
【００２９】本発明の実施形態によれば、基板との距離
を接近させて配置した金属製メッシュ３（第３電極）
は、膜成長表面へのイオンダメージを低減させる働きを
する。投入パワーを増大させていくと、メッシュ寄りに
おいてもプラズマの発光は強まり、特殊なプラズマ状態
になる。この時、プラズマ中でのパウダーの発生が抑制
される。更に、本発明は成膜した微結晶シリコン膜の欠
陥密度を著しく低く抑えることができる。
を接近させて配置した金属製メッシュ３（第３電極）
は、膜成長表面へのイオンダメージを低減させる働きを
する。投入パワーを増大させていくと、メッシュ寄りに
おいてもプラズマの発光は強まり、特殊なプラズマ状態
になる。この時、プラズマ中でのパウダーの発生が抑制
される。更に、本発明は成膜した微結晶シリコン膜の欠
陥密度を著しく低く抑えることができる。
【００３０】
【実施例】＜実施例１＞洗浄した厚さ０．７ｍｍのガラ
ス基板を直径１２６ｍｍのシャワーヘッドカソード及び
アノードを備えた容量結合型プラズマＣＶＤ装置内に図
１のようにセットし、１．３３×１０-6Ｐa 台（１×１
０-8Torr台）まで排気した。接地電位とした開口率６４
％の金属製メッシュ３をガラス基板１１の真上２ｍｍの
距離に置いた。図３にその実施状況の概念図を示す。実
施条件は、カソード１の大きさ１２５ｃｍ2 、アノード
の大きさ１２８ｃｍ2 、カソード−基板間距離１７ｍ
ｍ、励起周波数６０ＭＨｚ、成膜圧力２６６Ｐa （２To
rr）、基板温度２５０℃とした。図４の表１に示した実
施条件の下でシリコン単層膜を成膜したときの膜の評価
結果を図５に示す。
ス基板を直径１２６ｍｍのシャワーヘッドカソード及び
アノードを備えた容量結合型プラズマＣＶＤ装置内に図
１のようにセットし、１．３３×１０-6Ｐa 台（１×１
０-8Torr台）まで排気した。接地電位とした開口率６４
％の金属製メッシュ３をガラス基板１１の真上２ｍｍの
距離に置いた。図３にその実施状況の概念図を示す。実
施条件は、カソード１の大きさ１２５ｃｍ2 、アノード
の大きさ１２８ｃｍ2 、カソード−基板間距離１７ｍ
ｍ、励起周波数６０ＭＨｚ、成膜圧力２６６Ｐa （２To
rr）、基板温度２５０℃とした。図４の表１に示した実
施条件の下でシリコン単層膜を成膜したときの膜の評価
結果を図５に示す。
【００３１】図４に示した「実施例１」の欄に記載した
条件下でシリコン単層膜を成膜した。膜の評価方法は以
下の通りである。実施例１乃至６及び比較例１乃至５に
おいて同様の評価方法を用いた。
条件下でシリコン単層膜を成膜した。膜の評価方法は以
下の通りである。実施例１乃至６及び比較例１乃至５に
おいて同様の評価方法を用いた。
【００３２】膜の結晶性は、He-Ne レーザー光（波長６
３２．８ｎｍ）を用いたRenishaw製Ramascope 型顕微ラ
マン装置を用い、測定プロファイルにおける、結晶シリ
コンのピークＩc （５２０cm-1）とアモルファスシリコ
ンのピークＩa （４８０cm-1）の高さの比Ｉc ／Ｉa で
評価した。通常Ｉc ／Ｉa が０．５以下では膜はアモル
ファスであり、０．５より大きいと微結晶で、値が大き
くなるほど結晶性は良好となる。
３２．８ｎｍ）を用いたRenishaw製Ramascope 型顕微ラ
マン装置を用い、測定プロファイルにおける、結晶シリ
コンのピークＩc （５２０cm-1）とアモルファスシリコ
ンのピークＩa （４８０cm-1）の高さの比Ｉc ／Ｉa で
評価した。通常Ｉc ／Ｉa が０．５以下では膜はアモル
ファスであり、０．５より大きいと微結晶で、値が大き
くなるほど結晶性は良好となる。
【００３３】膜厚d は波長 250ｎｍ〜2500ｎｍの範囲で
透過率を測定し、最も長波長側における透過率の極大値
（ピーク）での波長λmax と最も長波長側における極小
値（バレー）での波長λmin と膜の屈折率n から、次式
（１）
透過率を測定し、最も長波長側における透過率の極大値
（ピーク）での波長λmax と最も長波長側における極小
値（バレー）での波長λmin と膜の屈折率n から、次式
（１）
【００３４】
【数１】d ＝（λmax ×λmin)/(λmax-λmin)/4n …（１） により求めた。ここで、屈折率n は、最も長波長側にお
ける透過率の極大値Tmaxと最も長波長側における極小値
Tmin、基板の屈折率n2、空気の屈折率n0(=1)より、次式
（２）
ける透過率の極大値Tmaxと最も長波長側における極小値
Tmin、基板の屈折率n2、空気の屈折率n0(=1)より、次式
（２）
【００３５】
【数２】n ＝(1/2) ×[(n0+n2)×｛(Tmax/Tmin)1/2｝＋｛((Tmax/Tmin)×(n0+n2 )2−4n0 ×n2)1/2｝] …（２） により求めた。
【００３６】透過率は日立製U-4000型分光透過率測定装
置により測定した。膜の欠陥密度はElectron Spin Reso
nance （ＥＳＲ）測定（Bruker製EMX 型ESR 測定装置）
により求めた。パウダーの量は膜厚１μｍ成膜後、チャ
ンバー壁に付着したパウダー量を目視で観察した。
置により測定した。膜の欠陥密度はElectron Spin Reso
nance （ＥＳＲ）測定（Bruker製EMX 型ESR 測定装置）
により求めた。パウダーの量は膜厚１μｍ成膜後、チャ
ンバー壁に付着したパウダー量を目視で観察した。
【００３７】実施例１の条件で形成した膜の膜質を図５
の表２に示す。実施例１に係る膜の成膜速度は５．０ｎ
ｍ／秒であり、膜は微結晶シリコン膜であった。膜のラ
マン結晶性は３．０であった。欠陥密度は５．５×１０
16／ｃｍ3 であった。実用上は１×１０17／ｃｍ3 以下
であることが好ましいと考えられている。成膜後、チャ
ンバー壁に付着したパウダー量は極めて少量であった。 ＜実施例２〜実施例６及び比較例１〜比較例５＞図４の
「実施例２」〜「比較例５」の欄に示した条件とした以
外は、それぞれ実施例１と同様にして成膜した。得られ
たそれぞれのシリコン膜の膜質を図５に示す。
の表２に示す。実施例１に係る膜の成膜速度は５．０ｎ
ｍ／秒であり、膜は微結晶シリコン膜であった。膜のラ
マン結晶性は３．０であった。欠陥密度は５．５×１０
16／ｃｍ3 であった。実用上は１×１０17／ｃｍ3 以下
であることが好ましいと考えられている。成膜後、チャ
ンバー壁に付着したパウダー量は極めて少量であった。 ＜実施例２〜実施例６及び比較例１〜比較例５＞図４の
「実施例２」〜「比較例５」の欄に示した条件とした以
外は、それぞれ実施例１と同様にして成膜した。得られ
たそれぞれのシリコン膜の膜質を図５に示す。
【００３８】実施例１乃至６及び比較例１乃至５の結果
が示すように、メッシュ−基板間距離が約１０ｍｍとい
う値を境界として、それ以下の領域では良好な微結晶シ
リコン膜が得られ、１１ｍｍ以上ではアモルファスシリ
コンになることが判明した。また、図４及び図５には示
されていないが、メッシュ−基板間距離を１０ｍｍとし
た条件の下では、微結晶シリコン膜が得られる。
が示すように、メッシュ−基板間距離が約１０ｍｍとい
う値を境界として、それ以下の領域では良好な微結晶シ
リコン膜が得られ、１１ｍｍ以上ではアモルファスシリ
コンになることが判明した。また、図４及び図５には示
されていないが、メッシュ−基板間距離を１０ｍｍとし
た条件の下では、微結晶シリコン膜が得られる。
【００３９】次に、成膜速度とラマン結晶性について投
入パワーとの関係を述べる。図６は、図１に示した平行
平板電極を装着した容量結合型プラズマＣＶＤ装置を用
いて成膜を行った際の成膜速度とラマン結晶性（Ｉc ／
Ｉa ＝Ｉ(520cm -1)／Ｉ(480cm -1)) のそれぞれについ
て投入パワー依存性を示すものである。実施条件は、実
施例１と同様に、原料ガスとしてＳｉＨ4 とＨ2 の混合
ガス（流量比ＳｉＨ4/ Ｈ2 ＝30/270) を用い、シャワ
ーヘッドカソードの大きさ１２５ｃｍ2 、アノード電極
の大きさ１２８ｃｍ2 、カソード−基板間距離１７ｍ
ｍ、励起周波数６０ＭＨｚ、成膜圧力２６６Ｐa （２To
rr）、基板温度２５０℃とした。
入パワーとの関係を述べる。図６は、図１に示した平行
平板電極を装着した容量結合型プラズマＣＶＤ装置を用
いて成膜を行った際の成膜速度とラマン結晶性（Ｉc ／
Ｉa ＝Ｉ(520cm -1)／Ｉ(480cm -1)) のそれぞれについ
て投入パワー依存性を示すものである。実施条件は、実
施例１と同様に、原料ガスとしてＳｉＨ4 とＨ2 の混合
ガス（流量比ＳｉＨ4/ Ｈ2 ＝30/270) を用い、シャワ
ーヘッドカソードの大きさ１２５ｃｍ2 、アノード電極
の大きさ１２８ｃｍ2 、カソード−基板間距離１７ｍ
ｍ、励起周波数６０ＭＨｚ、成膜圧力２６６Ｐa （２To
rr）、基板温度２５０℃とした。
【００４０】図６中実線はメッシュ電極を有する本実施
形態に係るプラズマＣＶＤ装置によって成膜した膜の膜
質を示し、点線は比較のため、メッシュ電極を具備しな
いプラズマＣＶＤ装置によって成膜した膜の膜質を示
す。黒丸印（●）及び白丸印（○）は成膜速度と投入パ
ワーの関係を示し、黒三角印（▲）及び白三角印（△）
はラマン結晶性と投入パワーの関係を示している。同図
に示すように、本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置で
は１８０Ｗ以上の投入パワーを与えると、ラマン結晶性
Ｉc ／Ｉa が約３の微結晶膜シリコン膜が、５〜６ｎｍ
／秒の成膜速度で得られる。
形態に係るプラズマＣＶＤ装置によって成膜した膜の膜
質を示し、点線は比較のため、メッシュ電極を具備しな
いプラズマＣＶＤ装置によって成膜した膜の膜質を示
す。黒丸印（●）及び白丸印（○）は成膜速度と投入パ
ワーの関係を示し、黒三角印（▲）及び白三角印（△）
はラマン結晶性と投入パワーの関係を示している。同図
に示すように、本実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置で
は１８０Ｗ以上の投入パワーを与えると、ラマン結晶性
Ｉc ／Ｉa が約３の微結晶膜シリコン膜が、５〜６ｎｍ
／秒の成膜速度で得られる。
【００４１】図７は、プラズマ発光解析の結果を示すグ
ラフである。同図によれば、１３５Ｗ以上の高いパワー
では、Ｓｉ（波長２８８ｎｍ）の強度が他のライン（Ｓ
i Ｈ、Ｈα、Ｈβ）に比べて著しく増大している。すな
わち、高いパワーでは金属製メッシュ３寄りにおいて主
にＳｉの励起状態（波長２８８ｎｍ）の発光強度が強く
なっていることを示している。また、このようなプラズ
マ状態の時、プラズマ中でのパウダーの発生が抑制さ
れ、チャンバー壁等へのパウダーの付着量が著しく低減
されることは既に述べた通りである。
ラフである。同図によれば、１３５Ｗ以上の高いパワー
では、Ｓｉ（波長２８８ｎｍ）の強度が他のライン（Ｓ
i Ｈ、Ｈα、Ｈβ）に比べて著しく増大している。すな
わち、高いパワーでは金属製メッシュ３寄りにおいて主
にＳｉの励起状態（波長２８８ｎｍ）の発光強度が強く
なっていることを示している。また、このようなプラズ
マ状態の時、プラズマ中でのパウダーの発生が抑制さ
れ、チャンバー壁等へのパウダーの付着量が著しく低減
されることは既に述べた通りである。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るプラ
ズマＣＶＤ装置及び成膜方法によれば、基板と第３電極
の間の距離が１０ｍｍ以下となるように、導電性メッシ
ュ（第３電極）を基板に接近させて配置した構成によ
り、高パワー領域でメッシュ寄りに特殊なプラズマ状態
を得ることができ、欠陥密度の小さい微結晶シリコン膜
を５ｎｍ／秒以上という高速で堆積することができる。
また、このときパウダーの発生量を低減できるため、装
置クリーニングのためのメンテナンスを軽減することが
でき、コストダウンにつながる。
ズマＣＶＤ装置及び成膜方法によれば、基板と第３電極
の間の距離が１０ｍｍ以下となるように、導電性メッシ
ュ（第３電極）を基板に接近させて配置した構成によ
り、高パワー領域でメッシュ寄りに特殊なプラズマ状態
を得ることができ、欠陥密度の小さい微結晶シリコン膜
を５ｎｍ／秒以上という高速で堆積することができる。
また、このときパウダーの発生量を低減できるため、装
置クリーニングのためのメンテナンスを軽減することが
でき、コストダウンにつながる。
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマＣＶＤ装置の
電極構成を示す模式図
電極構成を示す模式図
【図２】図１の電極構成におけるプラズマポテンシャル
の模式図
の模式図
【図３】実施例１の実施状況を示す概念図
【図４】実施例１乃至６及び比較例１乃至５の実施条件
を示した図表
を示した図表
【図５】図４に示した各実施条件でシリコン単層膜を成
膜したときの膜の評価結果を示した図表
膜したときの膜の評価結果を示した図表
【図６】成膜速度とラマン結晶性の投入パワー依存性を
示すグラフ
示すグラフ
【図７】プラズマ発光解析の結果を示すグラフ
１…カソード、２…プラズマ、３…金属製メッシュ、４
…アノード、１１…ガラス基板
…アノード、１１…ガラス基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 道雄 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 経済産 業省産業技術総合研究所電子技術総合研究 所内 (72)発明者 松田 彰久 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 経済産 業省産業技術総合研究所電子技術総合研究 所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA17 BA29 BB04 CA06 CA12 JA03 KA15 KA17 KA30 5F045 AA08 AB03 AC01 AD06 AE21 AF07 BB08 BB09 BB10 BB12 BB15 CA13 EH05 EH06 EH14 GB11 5F051 AA04 AA05 CA16 CA23 DA04
Claims (4)
- 【請求項１】 平行平板型のカソード及びアノードを備
え、第１電極たる前記カソードと、第２電極たる前記ア
ノードとの間に導電性のメッシュからなる第３電極を備
えたプラズマＣＶＤ装置であって、前記カソード又は前
記アノードの何れか一方の側に被成膜物たる基板が設置
され、前記第３電極と前記基板との間の距離が１０ｍｍ
以下であることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。 - 【請求項２】 前記アノード上に前記基板が設置され、
前記第３電極の電位を前記アノードと等電位又は前記ア
ノードより負電位とするように構成されていることを特
徴とする請求項１記載のプラズマＣＶＤ装置。 - 【請求項３】 前記アノード上に前記基板が設置され、
前記カソードは、原料ガスを噴射するための穴が多数形
成されているシャワーヘッド型のカソードであることを
特徴とする請求項１又は２記載のプラズマＣＶＤ装置。 - 【請求項４】 平行平板型のカソード及びアノードを備
え、第１電極たる前記カソードと、第２電極たる前記ア
ノードとの間に導電性のメッシュからなる第３電極を備
えたプラズマＣＶＤ装置を用いて基板に膜を形成する方
法であって、 前記カソード又は前記アノードの何れか一方の側に前記
基板を密着して設置し、 前記第３電極と前記基板との間の距離を１０ｍｍ以下と
した条件のもとで成膜を行うことを特徴とする成膜方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001085172A JP4841735B2 (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 成膜方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001085172A JP4841735B2 (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 成膜方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002289530A true JP2002289530A (ja) | 2002-10-04 |
| JP4841735B2 JP4841735B2 (ja) | 2011-12-21 |
Family
ID=18940730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001085172A Expired - Lifetime JP4841735B2 (ja) | 2001-03-23 | 2001-03-23 | 成膜方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4841735B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007208093A (ja) * | 2006-02-03 | 2007-08-16 | Canon Inc | 堆積膜の形成方法及び光起電力素子の形成方法 |
| JP2009097037A (ja) * | 2007-10-16 | 2009-05-07 | Fuji Electric Systems Co Ltd | プラズマｃｖｄ成膜装置およびそれを用いた成膜方法 |
| WO2010050034A1 (ja) * | 2008-10-30 | 2010-05-06 | 三菱重工業株式会社 | 光電変換装置及び光電変換装置の製造方法 |
| JP2014067943A (ja) * | 2012-09-27 | 2014-04-17 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | 薄膜形成装置、薄膜形成方法 |
| US9243327B2 (en) | 2009-11-02 | 2016-01-26 | Toray Industries, Inc. | Plasma CVD device and method of manufacturing silicon thin film |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2001011641A (ja) * | 1999-07-02 | 2001-01-16 | Hitachi Kokusai Electric Inc | 成膜処理方法 |
-
2001
- 2001-03-23 JP JP2001085172A patent/JP4841735B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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| US7700165B2 (en) | 2006-02-03 | 2010-04-20 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of forming deposited film and method of forming photovoltaic element |
| JP2009097037A (ja) * | 2007-10-16 | 2009-05-07 | Fuji Electric Systems Co Ltd | プラズマｃｖｄ成膜装置およびそれを用いた成膜方法 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4841735B2 (ja) | 2011-12-21 |
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