JP2009038317A - Method of forming film of thin film solar battery, and film-forming device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a film of microcrystalline silicon having a large area and excellent film quality (high modulus of crystalization and low modulus of failure) in generating microcrystalline silicon using a high frequency plasma CVD method. <P>SOLUTION: The control of the film quality (modulus of crystallization and modulus of failure) of microcrystalline silicon is made easy by eliminating a restriction on the introduction of material gas by performing radical film formation using argon gas in forming the film of microcrystalline silicon for an optical absorption layer (an i layer) of a solar battery by using surface wave excitation plasma. High frequency power for use in surface wave excitation plasma treatment is set low by performing radical film formation using argon gas. Film formation with a large area is made possible by setting the radical of argon uniform. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、太陽電池、太陽電池の成膜方法および成膜装置に関し、特に、薄膜太陽電池の光吸収層(I層)を微結晶シリコン膜で形成する成膜に関する。   The present invention relates to a solar cell, a solar cell film forming method, and a film forming apparatus, and more particularly to a film forming method in which a light absorption layer (I layer) of a thin film solar cell is formed of a microcrystalline silicon film.

太陽電池としてアモルファスシリコン(a−Si)によるものが知られている。このアモルファスシリコンの太陽電池は、結晶に太陽電池と比較して効率は低いものの大面積化が容易であり、低い製造コストが実現できる可能性があるが、光を長時間照射すると、次第に特性が低下する光劣化の問題があるのに対して、微結晶シリコン(μc−Si)を用いた太陽電池は光劣化を示さず、a−Si太陽電池と同様のプロセスを適用でき、低コスト化が図れるとされている(特許文献1)。   A solar cell using amorphous silicon (a-Si) is known. Although this amorphous silicon solar cell is less efficient than a solar cell, it can easily be made large in area and can be manufactured at a low manufacturing cost. However, when it is irradiated with light for a long time, its characteristics gradually increase. While there is a problem of light degradation that decreases, solar cells using microcrystalline silicon (μc-Si) do not exhibit light degradation, and the same process as a-Si solar cells can be applied, resulting in lower costs. It is supposed to be possible (Patent Document 1).

また、従来、太陽電池をプラズマCVD装置によって製造することが知られている。図3はこのプラズマCVD装置の一構成例を示す図である。   Conventionally, it is known to manufacture a solar cell with a plasma CVD apparatus. FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of this plasma CVD apparatus.

反応容器202内に陽極208と陰極203とを対向した配置し、内部を排気装置207によって真空排気する。基板210の上に透明電極を形成した後、導入管206からSiH4を主ガス、H2を希ガス、B26をドーピングガスとして供給するとともに、電源204からインピーダンス整合器205を介して陰極203に高周波を印加して、陽極208と陰極203との間に放電プラズマ209を生成する。プラズマ209は各原料ガスを電離して反応性イオンとし、この反応性イオンが基板210の表面と反応してp型の結晶性シリコン層が基板上に堆積する。次に、SiH4を主ガス、H2を希ガスとして反応容器202に供給し、微結晶p層の上にi型微結晶シリコン層を形成する。さらに、SiH4を主ガス、H2を希ガス、PH3をドーピングガスとして供給してn型微結晶シリコン層を形成する。さらに、アルミニウム等の金属から成る裏面電極をn型微結晶シリコンに上に形成する。これによって、正負電極を備えたpin構造に太陽電池が形成される(特許文献2)。 An anode 208 and a cathode 203 are arranged opposite to each other in the reaction vessel 202, and the inside is evacuated by an exhaust device 207. After forming the transparent electrode on the substrate 210, SiH 4 is supplied from the introduction pipe 206 as the main gas, H 2 as the rare gas, and B 2 H 6 as the doping gas, and from the power source 204 through the impedance matching unit 205. A high frequency is applied to the cathode 203 to generate discharge plasma 209 between the anode 208 and the cathode 203. The plasma 209 ionizes each source gas to form reactive ions, and the reactive ions react with the surface of the substrate 210 to deposit a p-type crystalline silicon layer on the substrate. Next, SiH 4 is used as a main gas and H 2 is used as a rare gas to supply the reaction vessel 202 to form an i-type microcrystalline silicon layer on the microcrystalline p layer. Further, an n-type microcrystalline silicon layer is formed by supplying SiH 4 as a main gas, H 2 as a rare gas, and PH 3 as a doping gas. Further, a back electrode made of a metal such as aluminum is formed on the n-type microcrystalline silicon. Thereby, a solar cell is formed in a pin structure including positive and negative electrodes (Patent Document 2).

上述したように、微結晶シリコン膜は一般に平行平板プラズマCVD装置によって生成される。この平行平板プラズマCVD装置を用いて、大面積で結晶率が高く結晶欠陥が少ない膜を高速で成膜する場合には、異常放電の発生を防ぐために複雑な電極構造が必要となる。また、高密度の結晶を生成するには高周波を印加する必要があるが、複雑な電極構造から高周波を印加することが困難である。   As described above, the microcrystalline silicon film is generally generated by a parallel plate plasma CVD apparatus. When a film having a large area and a high crystal ratio and few crystal defects is formed at high speed using this parallel plate plasma CVD apparatus, a complicated electrode structure is required to prevent the occurrence of abnormal discharge. In addition, it is necessary to apply a high frequency to generate a high-density crystal, but it is difficult to apply a high frequency from a complicated electrode structure.

そのため、平行平板プラズマCVD装置を用いて結晶率が高い微結晶シリコン膜を高い成膜レートで成膜するには、RFやVHFよりも低い周波数域とするとともに、高温とする必要がある。低い周波数域で成膜を行うと、結晶欠陥が発生し易くなるという問題がある。また、高温処理とした場合には、プラズマCVD装置の内部に付着する生成物が多くなり、メンテナンス頻度が高まるという問題点が発生する。   Therefore, in order to form a microcrystalline silicon film having a high crystallinity at a high film formation rate using a parallel plate plasma CVD apparatus, it is necessary to set the frequency range to be lower than that of RF or VHF and to a high temperature. When film formation is performed in a low frequency range, there is a problem that crystal defects are likely to occur. Moreover, when it is set as a high temperature process, the product adhering to the inside of a plasma CVD apparatus will increase, and the problem that maintenance frequency increases will generate | occur | produce.

また、高周波プラズマCVD法によって、太陽電池の光吸収層(i層)を微結晶シリコン膜により生成することが特許文献3に提案されている。微結晶シリコンによって太陽電池の光吸収層(i層)を生成するには、高い高周波電力を投入する必要があるが、高い高周波電力を連続的に投入すると、材料ガスが基板上に均一に拡散する前に分解されるため、基板上に形成される結晶性薄膜の膜厚および結晶性が不均一になりやすいという問題がある。特許文献3では、この問題を解決するために、高周波電力にパルス変調を行うことにより、高周波電力が投入されない時間に材料ガスを拡散させ、結晶性薄膜の膜厚および結晶性を均一化している。   Patent Document 3 proposes that a light absorption layer (i layer) of a solar cell is generated from a microcrystalline silicon film by a high-frequency plasma CVD method. In order to generate a light absorption layer (i-layer) of a solar cell with microcrystalline silicon, it is necessary to input high-frequency power, but when high-frequency power is continuously applied, the material gas is uniformly diffused on the substrate. Therefore, there is a problem that the film thickness and crystallinity of the crystalline thin film formed on the substrate are likely to be non-uniform. In Patent Document 3, in order to solve this problem, by performing pulse modulation on the high-frequency power, the material gas is diffused during the time when the high-frequency power is not applied, and the film thickness and crystallinity of the crystalline thin film are made uniform. .

特開2004−31518号公報JP 2004-31518 A 特開2003−158276号公報JP 2003-158276 A 特開2005−50905号公報JP 2005-50905 A

上述したように、高周波プラズマCVD法によって太陽電池の光吸収層(i層)を微結晶シリコン膜により生成するには、高い高周波電力を投入する必要があるが、連続投入が難しいため高周波電力をパルス変調しなければならず、高周波電力を投入する装置が複雑化するという問題がある。   As described above, in order to generate a light absorption layer (i layer) of a solar cell from a microcrystalline silicon film by a high frequency plasma CVD method, it is necessary to input a high frequency power. There is a problem that a device for applying high frequency power becomes complicated because pulse modulation is required.

また、高周波プラズマCVD法として表面波励起プラズマ処理装置を使用することが考えられる。表面波励起プラズマ処理装置を用いて、大面積で結晶率が高く結晶欠陥が少ない膜を高速で成膜するには、材料ガスの導入方法が複雑となり、かつ、材料ガスの乖離を促進するための放電を確保するために大容量の電力が必要となるという問題がある。   Further, it is conceivable to use a surface wave excitation plasma processing apparatus as the high frequency plasma CVD method. In order to form a film with a large area, a high crystallinity, and a small number of crystal defects at high speed using a surface wave excitation plasma processing apparatus, the introduction method of the material gas is complicated and the separation of the material gas is promoted. There is a problem that a large amount of power is required to secure the discharge.

また、材料ガスの導入に制約されるため、生成される微結晶シリコンの膜質(結晶率、欠陥率)の制御が難しいという問題もある。   In addition, since the introduction of the material gas is restricted, there is a problem that it is difficult to control the film quality (crystal ratio and defect rate) of the generated microcrystalline silicon.

そこで、本発明は上記課題を解決して、高周波プラズマCVD法を用いた微結晶シリコンの生成において、大面積で、良好な膜質(高い結晶率、低い欠陥率)の微結晶シリコンを成膜することを目的とする。   Therefore, the present invention solves the above-described problems and forms microcrystalline silicon having a large area and good film quality (high crystal ratio, low defect rate) in the production of microcrystalline silicon using the high-frequency plasma CVD method. For the purpose.

また、表面波励起プラズマ処理による微結晶シリコン膜生成によって太陽電池の光吸収層(i層)を生成する場合に、表面波励起プラズマ処理に使用する高周波電力を低電力とすることを目的とする。   Another object of the present invention is to reduce the high-frequency power used for the surface wave excitation plasma processing when the light absorption layer (i layer) of the solar cell is generated by generating the microcrystalline silicon film by the surface wave excitation plasma processing. .

本発明は、表面波励起プラズマによる太陽電池の光吸収層(i層)用の微結晶シリコンの成膜において、アルゴンガスを用いたラジカル成膜を行うことで、材料ガスの導入の制約を無くし、微結晶シリコンの膜質(結晶率、欠陥率)の制御を容易とする。また、アルゴンガスを用いたラジカル成膜を行うことで、表面波励起プラズマ処理に使用する高周波電力を低電力とする。また、アルゴンのラジアルを均一とすることで大面積の成膜を可能とする。   The present invention eliminates restrictions on the introduction of material gas by performing radical film formation using argon gas in the formation of microcrystalline silicon for a light absorption layer (i layer) of a solar cell by surface wave excitation plasma. The film quality (crystal ratio, defect rate) of microcrystalline silicon can be easily controlled. Further, by performing radical film formation using argon gas, the high-frequency power used for the surface wave excitation plasma treatment is reduced. In addition, by making the argon radial uniform, a large-area film can be formed.

本発明は成膜方法の態様、成膜装置の態様、および、成膜方法で形成された太陽電池の態様の各態様とすることができる。   The present invention can be applied to various aspects of an aspect of a film formation method, an aspect of a film formation apparatus, and an aspect of a solar cell formed by the film formation method.

本発明の成膜方法の態様は、薄膜太陽電池の光吸収層(i層)を微結晶シリコン膜により形成する成膜方法において、微結晶シリコン膜を表面波励起プラズマ処理によって成膜するものであり、この表面波励起プラズマ処理は、プロセスガスとしてアルゴンガスを用いてラジカルを発生させる。このアルゴンのラジカルによって、材料ガスであるSiH4やH2の乖離を促進する。表面波励起プラズマによれば、アルゴンを乖離してラジカルを容易に得ることができる。また、ラジカルを容易に得ることができるため、大容量の高周波電力が不要となり、低電力化することができる。 An aspect of the film forming method of the present invention is a film forming method in which a light absorption layer (i layer) of a thin film solar cell is formed of a microcrystalline silicon film, and the microcrystalline silicon film is formed by surface wave excitation plasma treatment. In this surface wave excitation plasma treatment, radicals are generated using argon gas as a process gas. This argon radical promotes the separation of SiH 4 and H 2 which are material gases. According to surface wave excitation plasma, radicals can be easily obtained by separating argon. In addition, since radicals can be easily obtained, large-capacity high-frequency power is not necessary, and power can be reduced.

また、アルゴンは反応種でないため、微結晶シリコン膜の生成する上で阻害要因とならないという利点がある。   In addition, since argon is not a reactive species, there is an advantage that it does not become a hindrance to the formation of the microcrystalline silicon film.

本発明の成膜方法のより詳細な態様では、薄膜太陽電池の光吸収層(I層)を微結晶シリコン膜により形成する成膜方法において、マイクロ波の供給によって表面波が形成される領域にアルゴンガス(Ar)ガスを導入し、アルゴンガスを前記表面波によって励起させてラジカルを発生させてプラズマ状態とし、このプラズマ内に材料ガスを導入して、プラズマによって材料ガスのSiH4を乖離させ、乖離したシリコンによって半導体表面に微結晶シリコン膜を成膜する。 In a more detailed aspect of the film formation method of the present invention, in the film formation method in which the light absorption layer (I layer) of the thin film solar cell is formed of a microcrystalline silicon film, the region in which surface waves are formed by the supply of microwaves is provided. Argon gas (Ar) gas is introduced, and the argon gas is excited by the surface wave to generate radicals to form a plasma state. The material gas is introduced into the plasma, and the material gas SiH 4 is separated by the plasma. Then, a microcrystalline silicon film is formed on the semiconductor surface by the separated silicon.

本発明の成膜装置の態様は、薄膜太陽電池の光吸収層(I層)を微結晶シリコン膜により形成する成膜装置において、半導体表面に表面波励起プラズマ処理を施す成膜室と、成膜室にプロセスガスを導入するプロセスガス導入部と、成膜室に材料ガスを導入する材料ガス導入部とを備える。   A film forming apparatus according to the present invention includes a film forming apparatus for forming a light absorption layer (I layer) of a thin film solar cell with a microcrystalline silicon film, a film forming chamber for performing surface wave excitation plasma treatment on a semiconductor surface, A process gas introduction unit that introduces a process gas into the film chamber and a material gas introduction unit that introduces a material gas into the film formation chamber are provided.

プロセスガス導入部は、マイクロ波の供給によって表面波が形成される領域にアルゴンガス(Ar)ガスを導入し、このアルゴンガスを表面波励起してラジカルを発生させてプラズマ状態とする。また、材料ガス導入部は、表面波励起によるプラズマ内に材料ガスを導入し、このプラズマによって材料ガスのSiH4を乖離させ、乖離したシリコンによって半導体表面に微結晶シリコン膜を成膜する。 The process gas introduction unit introduces an argon gas (Ar) gas into a region where a surface wave is formed by the supply of microwaves, and the argon gas is excited by surface waves to generate radicals to form a plasma state. Further, the material gas introduction unit introduces a material gas into the plasma by surface wave excitation, causes the material gas SiH 4 to be separated by the plasma, and forms a microcrystalline silicon film on the semiconductor surface by the separated silicon.

本発明によれば、高周波プラズマCVD法を用いた微結晶シリコンの生成において、大面積で、結晶率が高く、欠陥率が低い、良好な膜質の微結晶シリコンを成膜することができる。   According to the present invention, in the production of microcrystalline silicon using the high-frequency plasma CVD method, it is possible to form microcrystalline silicon having a large area, a high crystal ratio, and a low defect rate, and a good film quality.

また、表面波励起プラズマ処理による微結晶シリコン膜生成によって太陽電池の光吸収層(i層)を生成する場合に、表面波励起プラズマ処理に使用する高周波電力を低電力とすることができる。   Further, when the light absorption layer (i layer) of the solar cell is generated by generating the microcrystalline silicon film by the surface wave excitation plasma treatment, the high frequency power used for the surface wave excitation plasma treatment can be reduced.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

はじめに、本発明の実施の形態による太陽電池について、図1を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態による太陽電池の断面図である。太陽電池100は、透明絶縁性基板101に、第1透明電極102、p型の微結晶Si層(p層)103、i型の微結晶Si層(i層)104、n型の微結晶Si層(n層)105、第2透明電極106、裏面電極107を順次形成することで生成される。   First, a solar cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of a solar cell according to an embodiment of the present invention. The solar cell 100 includes a transparent insulating substrate 101, a first transparent electrode 102, a p-type microcrystalline Si layer (p layer) 103, an i-type microcrystalline Si layer (i layer) 104, and an n-type microcrystalline Si. The layer (n layer) 105, the second transparent electrode 106, and the back electrode 107 are formed in order.

表面波励起プラズマCVD装置13は、微結晶シリコン膜によって薄膜太陽電池の光吸収層(I層)を形成する。なお、搬送装置を設けて、基板をチャンバー2内の表面波励起プラズマCVD装置13への搬入、表面波励起プラズマCVD装置13により微結晶シリコンを形成した基板をチャンバー外への搬出等を行うことができる。   The surface wave excitation plasma CVD apparatus 13 forms the light absorption layer (I layer) of a thin film solar cell with a microcrystalline silicon film. In addition, a transfer device is provided, and the substrate is carried into the surface wave excitation plasma CVD apparatus 13 in the chamber 2, and the substrate on which microcrystalline silicon is formed by the surface wave excitation plasma CVD apparatus 13 is taken out of the chamber. Can do.

表面波励起プラズマCVD装置(以下、SWP−CVD装置という)は、表面波を利用して大面積で高密度のプラズマを容易に発生させることができ、このプラズマは、表面波励起プラズマ(SWP:Surface Wave Plasma)と呼ばれる。なお、上記した符号は図2に基づくものである。   A surface wave excitation plasma CVD apparatus (hereinafter referred to as SWP-CVD apparatus) can easily generate a high-density plasma with a large area using surface waves, and this plasma is a surface wave excitation plasma (SWP: It is called “Surface Wave Plasma”. In addition, the above-mentioned code | symbol is based on FIG.

以下、成膜装置の構成について、図2に示す概略図を用いて説明する。図2において、成膜装置1は、チャンバー2、誘電体板3、マイクロ波導波管4、プロセスガス導入管5、材料ガス導入管6、真空排気管7、ステージ8、ヒータ9を備える。   Hereinafter, the configuration of the film forming apparatus will be described with reference to the schematic diagram shown in FIG. In FIG. 2, the film forming apparatus 1 includes a chamber 2, a dielectric plate 3, a microwave waveguide 4, a process gas introduction pipe 5, a material gas introduction pipe 6, a vacuum exhaust pipe 7, a stage 8, and a heater 9.

誘電体板3にはマイクロ波導波管4を通してマイクロ波発生源14からマイクロ波が供給され、誘電体板3の表面近傍にプラズマを励起する表面波励起プラズマ装置13の一部を構成している。誘電体板3の上面に接して、マイクロ波導波管4が設置され、誘電体板3と接するマイクロ波導波管4の底板には、開口で形成されるスロットアンテナが複数個設けられ、このスロットアンテナを通してマイクロ波が導入される。誘電体板3は、例えば、石英、アルミナまたはジルコニアなどで作製することができる。また、誘電体板3は、複数の部分から構成してもよい。   The dielectric plate 3 is supplied with microwaves from the microwave generation source 14 through the microwave waveguide 4 and constitutes a part of a surface wave excitation plasma apparatus 13 that excites plasma in the vicinity of the surface of the dielectric plate 3. . A microwave waveguide 4 is installed in contact with the upper surface of the dielectric plate 3, and a plurality of slot antennas formed by openings are provided on the bottom plate of the microwave waveguide 4 in contact with the dielectric plate 3. Microwave is introduced through the antenna. The dielectric plate 3 can be made of, for example, quartz, alumina, zirconia, or the like. The dielectric plate 3 may be composed of a plurality of portions.

また、マイクロ波導波管4には、マイクロ波の波端を整合して定在波が安定して形成されるように端整合器や側面反射板等を設けることができる。   Further, the microwave waveguide 4 can be provided with an end matching device, a side reflector or the like so that the standing wave can be stably formed by matching the microwave wave ends.

また、チャンバー2は、その内部空間に生成する表面波励起プラズマを利用して、ステージ8上に載置した基板の表面に成膜を施す密閉容器であり、内部を真空排気するための真空排気管7が設けられ、図示しない真空ポンプによって真空引きされる。ステージ8は、上下方向の移動と回転が可能であり、内部に設けたヒータ9によって成膜対象である基板を加熱することが可能である。また、必要に応じて、冷却する構成や、電界を印加する構成としてもよい。   The chamber 2 is a hermetically sealed container that forms a film on the surface of the substrate placed on the stage 8 using surface wave excitation plasma generated in the internal space, and is evacuated to evacuate the inside. A tube 7 is provided and evacuated by a vacuum pump (not shown). The stage 8 can move and rotate in the vertical direction, and can heat a substrate that is a film formation target by a heater 9 provided therein. Moreover, it is good also as a structure which cools and a structure which applies an electric field as needed.

また、誘電体板3にはプロセスガス導入管5が設けられ、マスフローコントローラ(MFC)15から調整バルブ12を介して例えば、Arガス等のプロセスガスが導入される。   The dielectric plate 3 is provided with a process gas introduction pipe 5, and a process gas such as Ar gas is introduced from the mass flow controller (MFC) 15 through the adjustment valve 12.

誘電体板3には、複数のマイクロ波導波管4が設けられ、各マイクロ波導波管4は複数のマイクロ波発生源14からそれぞれマイクロ波電力の供給を受ける。また、誘電体板3には、複数のプロセスガス導入管5が設けられ、各プロセスガス導入管5はそれぞれプロセスガスが導入される。   The dielectric plate 3 is provided with a plurality of microwave waveguides 4, and each microwave waveguide 4 is supplied with microwave power from a plurality of microwave generation sources 14. The dielectric plate 3 is provided with a plurality of process gas introduction pipes 5, and process gas is introduced into each process gas introduction pipe 5.

マイクロ波導波管4からマイクロ波を誘電体板3に導入することによって、チャンバー2内にはプラズマが励起されるが、このように誘電体板3に複数のマイクロ波導波管4および複数のプロセスガス導入管5を設けることによって、チャンバー2内に放電領域を均一に励起させることができる。なお、図2では、マイクロ波導波管4および複数のプロセスガス導入管5をそれぞれ2組示しているが、設ける個数は2組に限られるものではなく、誘電体板3の大きさや形状に合わせて定めることができる。   By introducing microwaves from the microwave waveguide 4 into the dielectric plate 3, plasma is excited in the chamber 2. Thus, the dielectric plate 3 has a plurality of microwave waveguides 4 and a plurality of processes. By providing the gas introduction tube 5, the discharge region can be uniformly excited in the chamber 2. In FIG. 2, two sets of the microwave waveguide 4 and the plurality of process gas introduction pipes 5 are shown, but the number provided is not limited to two sets, and is matched to the size and shape of the dielectric plate 3. Can be determined.

また、チャンバー2内には、材料ガスを導入する材料ガス導入管6が複数設けられる。図2では、チャンバー2の中央部分に第1材料ガス導入管6aを配置し、チャンバー2の側面側に第2材料ガス導入管6bおよび第3材料ガス導入管6cを配置する構成を示している。第1材料ガス導入管6aは、チャンバー2の中央部分の領域10aに材料ガスを導入し、第2材料ガス導入管6bおよび第3材料ガス導入管6cは、チャンバー2の側部分の領域10b、10cに材料ガスを導入する。なお、第1材料ガス導入管6a〜第3材料ガス導入管6cには、マスフローコントローラ(MFC)16a〜16cから材料ガスが供給される。   In the chamber 2, a plurality of material gas introduction pipes 6 for introducing a material gas are provided. FIG. 2 shows a configuration in which the first material gas introduction pipe 6 a is arranged in the center portion of the chamber 2, and the second material gas introduction pipe 6 b and the third material gas introduction pipe 6 c are arranged on the side surface side of the chamber 2. . The first material gas introduction tube 6a introduces a material gas into the region 10a in the central portion of the chamber 2, and the second material gas introduction tube 6b and the third material gas introduction tube 6c are formed in the region 10b on the side portion of the chamber 2, The material gas is introduced into 10c. The material gas is supplied from the mass flow controllers (MFCs) 16a to 16c to the first material gas introduction pipe 6a to the third material gas introduction pipe 6c.

なお、図2では、材料ガス導入管6を3組示していているが、設ける個数は3組に限られるものではなく、チャンバー2やステージ8の大きさや形状に合わせて定めることができる。   In FIG. 2, three sets of the material gas introduction pipes 6 are shown, but the number provided is not limited to three sets, and can be determined according to the size and shape of the chamber 2 and the stage 8.

また、ステージ8に設けるヒータ9についても、上記した各領域10に応じて複数箇所に設けることができる。図2では、領域10aに対応する位置にヒータ9aを設け、領域10bに対応する位置にヒータ9bを設け、領域10cに対応する位置にヒータ9cを設ける例を示している。   Further, the heaters 9 provided on the stage 8 can also be provided at a plurality of locations according to the respective regions 10 described above. FIG. 2 shows an example in which the heater 9a is provided at a position corresponding to the area 10a, the heater 9b is provided at a position corresponding to the area 10b, and the heater 9c is provided at a position corresponding to the area 10c.

成膜ガスのうち、プロセスガス導入管5からチャンバー2内へ導入されるプロセスガスは、N2ガス、O2ガス、H2ガス、NO2ガス、NOガス、NH3ガス等の反応性活性種の原料となるガスの他に、Arガス、Heガス、Neガス、Krガス、Xeガス等の希ガスである。成膜ガスのうち材料ガス導入管6からチャンバー2内へ導入される材料ガスは、SiH4ガス、Si26ガス等のシリコン薄膜或いはシリコン化合物薄膜の成分であるSi元素を含むガスである。 Of the deposition gas, the process gas introduced from the process gas introduction pipe 5 into the chamber 2 is reactive activity such as N 2 gas, O 2 gas, H 2 gas, NO 2 gas, NO gas, NH 3 gas, etc. In addition to the gas used as the seed material, it is a rare gas such as Ar gas, He gas, Ne gas, Kr gas, or Xe gas. Of the film forming gas, the material gas introduced into the chamber 2 from the material gas introduction pipe 6 is a gas containing Si element which is a component of a silicon thin film or silicon compound thin film such as SiH 4 gas and Si 2 H 6 gas. .

チャンバー2の底板には、図示しない真空排気ポンプに接続される真空排気管7が配設されている。プロセスガス導入管5、材料ガス導入管6を通してそれぞれ所定のガスを所定流量でチャンバー2内に導入しながら排気を行うことによって、チャンバー2内を所定圧力に保持することができる。   A vacuum exhaust pipe 7 connected to a vacuum exhaust pump (not shown) is disposed on the bottom plate of the chamber 2. By exhausting while introducing a predetermined gas into the chamber 2 at a predetermined flow rate through the process gas introduction pipe 5 and the material gas introduction pipe 6, the inside of the chamber 2 can be maintained at a predetermined pressure.

上記のように構成された表面波励起プラズマ装置13では、マイクロ波発生源14から周波数2.45GHzのマイクロ波をマイクロ波導波管5内に伝搬させ、終端整合器(図示していない)によってTE10モードの電磁波の定在波Tを発生させる。そして定在波Tは、定在波Tの波長の間隔に設置したスロットアンテナ(図示していない)から誘電体板3へ放射される。スロットアンテナ(図示していない)から放射された電磁波は誘電体板3の内部を伝播し、側面反射板(図示していない)で囲われた範囲で固有の定在波を発生させ、誘電体板3の表面に表面波(SW)を発生させる。この表面波(SW)によって誘電体板3の直下の成膜ガスが電離、解離されて表面波励起プラズマPが生成する。   In the surface wave excitation plasma apparatus 13 configured as described above, a microwave having a frequency of 2.45 GHz is propagated from the microwave generation source 14 into the microwave waveguide 5, and TE10 is transmitted by a termination matching unit (not shown). A standing wave T of a mode electromagnetic wave is generated. The standing wave T is radiated to the dielectric plate 3 from a slot antenna (not shown) installed at intervals of the wavelength of the standing wave T. The electromagnetic wave radiated from the slot antenna (not shown) propagates inside the dielectric plate 3 and generates a unique standing wave in a range surrounded by the side reflectors (not shown). A surface wave (SW) is generated on the surface of the plate 3. This surface wave (SW) ionizes and dissociates the deposition gas immediately below the dielectric plate 3 to generate surface wave excited plasma P.

表面波励起プラズマはマイクロ波のカットオフ密度以上の電子密度となり、プラズマ境界面で電磁波を全反射し、プラズマ内へ電磁波が吸収されないため、電磁波によるイオン、電子の加熱が生じることがなく、イオンエネルギーは10eV以下の低温を維持する。表面波励起プラズマは、誘電体板3の表面とプラズマ境界面の間でエネルギーの授受が行われ、誘電体板3の表面近傍のみに高エネルギーのプラズマが分布し、誘電体表面から離れるにしたがって指数関数的にエネルギーレベルが減少する。誘電体板3から200mm程度の距離ではイオンエネルギーは20ev以下となる。このように表面波励起プラズマには高エネルギー領域と低エネルギー領域が発生するので、高エネルギー領域でラジカル生成を行い、低エネルギー領域に材料ガスを導入することによって、高効率ラジカル生成と、低ダメージ高速成膜が可能となる。   Surface-wave-excited plasma has an electron density higher than the cut-off density of the microwave, totally reflects the electromagnetic wave at the plasma interface, and does not absorb the electromagnetic wave into the plasma. Energy maintains a low temperature of 10 eV or less. In the surface wave excitation plasma, energy is transferred between the surface of the dielectric plate 3 and the plasma boundary surface, and high energy plasma is distributed only in the vicinity of the surface of the dielectric plate 3, and as the distance from the dielectric surface increases. The energy level decreases exponentially. At a distance of about 200 mm from the dielectric plate 3, the ion energy is 20 ev or less. In this way, the surface wave-excited plasma has a high energy region and a low energy region. By generating radicals in the high energy region and introducing a material gas into the low energy region, high efficiency radical generation and low damage are achieved. High-speed film formation is possible.

表面波(SW)は、誘電体板3の内面全域に拡がるので、表面波励起プラズマもチャンバー2内でそれに対応した領域に拡がる。したがって、誘電体板3を拡張することで大面積対応が可能となる。この表面波励起プラズマを利用して、基板上に微結晶シリコンを成膜する。   Since the surface wave (SW) spreads over the entire inner surface of the dielectric plate 3, the surface wave excited plasma also spreads in the corresponding region in the chamber 2. Therefore, it is possible to cope with a large area by expanding the dielectric plate 3. Using this surface wave excitation plasma, a microcrystalline silicon film is formed on the substrate.

本発明は、この微結晶シリコンの成膜において、表面波励起プラズマの高エネルギー領域にプロセスガス導入管4からArガスを導入してラジカルを生成させるとともに、表面波励起プラズマの低エネルギー領域に材料ガス導入管6から材料ガスを導入することによって、低ダメージの高速成膜を行う。アルゴンガスのラジカルは材料ガスであるSiH4、H2の乖離を促進する。 In the present invention, in the film formation of microcrystalline silicon, Ar gas is introduced from the process gas introduction tube 4 into the high energy region of the surface wave excited plasma to generate radicals, and the material is used in the low energy region of the surface wave excited plasma. By introducing the material gas from the gas introduction pipe 6, high-speed film formation with low damage is performed. Argon gas radicals promote the separation of the material gases SiH 4 and H 2 .

ここで、結晶率Ic/Iaを3〜9とする微結晶シリコンをアルゴンガスを用いた表面波励起プラズマによって成膜する条件は、例えば、アルゴンガスのガス量を144sccm、マイクロ波電力を2.0kw、チャンバー内の圧力を7.0〜14Pa、成膜温度を150℃、SiH4ガスのガス量を18sccm、H2ガスのガス量を0〜80sccmとする。 Here, the conditions for depositing microcrystalline silicon with a crystal ratio Ic / Ia of 3 to 9 by surface wave excitation plasma using argon gas are, for example, an argon gas amount of 144 sccm and a microwave power of 2. The pressure in the chamber is 7.0 to 14 Pa, the film forming temperature is 150 ° C., the amount of SiH 4 gas is 18 sccm, and the amount of H 2 gas is 0 to 80 sccm.

本実施の形態では、高密度プラズマCVD装置によって反応ガスは完全に解離するので、高密度プラズマCVD装置の内部に付着する生成物の量は少ない。このため、高密度プラズマCVD装置のクリーニングの頻度は少なくなる。また、高密度プラズマCVD装置の内部の温度を低温とすることができるため、クリーニング作業が可能となる温度に下がるまでに要する時間が短い。このためクリーニングをするために高密度プラズマCVD装置を停止させる時間を短くすることができる。   In this embodiment, since the reaction gas is completely dissociated by the high-density plasma CVD apparatus, the amount of products attached to the inside of the high-density plasma CVD apparatus is small. For this reason, the frequency of cleaning of the high-density plasma CVD apparatus is reduced. Further, since the temperature inside the high-density plasma CVD apparatus can be lowered, the time required for the temperature to be lowered to a temperature at which the cleaning operation can be performed is short. For this reason, the time for stopping the high-density plasma CVD apparatus for cleaning can be shortened.

本発明は、太陽電池用薄膜に限らず、同様な成膜要求を有する基板上への薄膜の成膜に適用することができる。   The present invention is not limited to the thin film for solar cells, and can be applied to the deposition of a thin film on a substrate having similar deposition requirements.

本発明の実施の形態による太陽電池の断面図である。It is sectional drawing of the solar cell by embodiment of this invention. 本発明の成膜装置の構成を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the structure of the film-forming apparatus of this invention. 従来の平行平板プラズマCVD装置の構成を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the structure of the conventional parallel plate plasma CVD apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1…成膜装置、2…チャンバー、3…誘導体板、4…マイクロ波導入管、5,5a,5b…プロセスガス導入管、6,6a,6b,6c…材料ガス導入管、7…真空排気管、8…ステージ、9a,9b,9c…ヒータ、10,10a,10b,10c…領域、11…放電領域、12…調整バルブ、13…表面波励起プラズマ装置、14…マイクロ波発生源、15…マスフローコントローラ、16,16a,16b,16c…マスフローコントローラ、100…太陽電池。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Film-forming apparatus, 2 ... Chamber, 3 ... Derivative plate, 4 ... Microwave introduction pipe, 5, 5a, 5b ... Process gas introduction pipe, 6, 6a, 6b, 6c ... Material gas introduction pipe, 7 ... Vacuum exhaust Tube: 8 ... Stage, 9a, 9b, 9c ... Heater, 10, 10a, 10b, 10c ... Region, 11 ... Discharge region, 12 ... Adjustment valve, 13 ... Surface wave excitation plasma device, 14 ... Microwave generation source, 15 ... mass flow controller, 16, 16a, 16b, 16c ... mass flow controller, 100 ... solar cell.

Claims (4)

薄膜太陽電池の光吸収層(i層)を微結晶シリコン膜により形成する成膜方法において、
前記微結晶シリコン膜を表面波励起プラズマ処理によって成膜し、当該表面波励起プラズマ処理は、プロセスガスとしてアルゴンガスを用いてラジカルを発生させることを特徴とする、薄膜太陽電池の成膜方法。
In a film forming method for forming a light absorption layer (i layer) of a thin film solar cell with a microcrystalline silicon film,
A method for forming a thin-film solar cell, wherein the microcrystalline silicon film is formed by surface wave excitation plasma treatment, and the surface wave excitation plasma treatment generates radicals using argon gas as a process gas.
薄膜太陽電池の光吸収層(i層)を微結晶シリコン膜により形成する成膜方法において、
マイクロ波の供給によって表面波が形成される領域にアルゴンガス(Ar)ガスを導入し、当該アルゴンガスを前記表面波によって励起させてラジカルを発生させてプラズマ状態とし、
前記プラズマ内に材料ガスを導入して、当該プラズマによって材料ガスのSiH4を乖離させ、乖離したシリコンによって半導体表面に微結晶シリコン膜を成膜することを特徴とする薄膜太陽電池の成膜方法。
In a film forming method for forming a light absorption layer (i layer) of a thin film solar cell with a microcrystalline silicon film,
Argon gas (Ar) gas is introduced into a region where surface waves are formed by the supply of microwaves, and the argon gas is excited by the surface waves to generate radicals into a plasma state,
A method of forming a thin film solar cell, comprising introducing a material gas into the plasma, causing the plasma to dissociate SiH 4 of the material gas, and forming a microcrystalline silicon film on the semiconductor surface with the dissociated silicon .
請求項1又は2に記載の成膜方法により成膜された薄膜太陽電池。   A thin film solar cell formed by the film forming method according to claim 1. 薄膜太陽電池の光吸収層(i層)を微結晶シリコン膜により形成する成膜装置において、
前記半導体表面に表面波励起プラズマ処理を施す成膜室と、
前記成膜室にプロセスガスを導入するプロセスガス導入部と、
前記成膜室に材料ガスを導入する材料ガス導入部とを備え、
前記プロセスガス導入部は、マイクロ波の供給によって表面波が形成される領域にアルゴンガス(Ar)ガスを導入し、当該アルゴンガスを表面波励起してラジカルを発生させてプラズマ状態とし、
前記材料ガス導入部は、前記表面波励起によるプラズマ内に材料ガスを導入し、当該プラズマによって材料ガスのSiH4を乖離させ、乖離したシリコンによって半導体表面に微結晶シリコン膜を成膜することを特徴とする薄膜太陽電池の成膜装置。
In a film forming apparatus for forming a light absorption layer (i layer) of a thin film solar cell with a microcrystalline silicon film,
A film forming chamber for performing surface wave excitation plasma treatment on the semiconductor surface;
A process gas introduction section for introducing a process gas into the film forming chamber;
A material gas introduction unit for introducing a material gas into the film formation chamber;
The process gas introduction unit introduces an argon gas (Ar) gas into a region where a surface wave is formed by supplying microwaves, generates a radical by exciting the argon gas with a surface wave, and enters a plasma state.
The material gas introduction unit introduces a material gas into the plasma by the surface wave excitation, dissociates the material gas SiH 4 by the plasma, and forms a microcrystalline silicon film on the semiconductor surface by the dissociated silicon. A thin film solar cell film forming apparatus.
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