JP2009289782A - Plasma cvd device and method for manufacturing thin amorphous silicon film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマCVD装置およびアモルファスシリコン薄膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a plasma CVD apparatus and an amorphous silicon thin film manufacturing method.
アモルファスシリコン等の薄膜を形成する方法の一つとして、プラズマ励起化学気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法(以下、プラズマCVD法という)は従来からよく知られている技術である。図8は従来の一般的な平行平板型プラズマCVD装置を説明する概略断面図である。真空容器1内を真空排気装置2により減圧し、第1の電極3に設けた複数のガス供給孔5から原料ガスを供給し、第1の電極3に接続された高周波電源6により電力を供給してプラズマを発生させ、第2の電極4上に保持した基板7の表面に薄膜を形成せしめる。原料ガスはガス供給管8により第1の電極3内部へ供給され、第1の電極3の内部を通じて複数のガス供給孔5から基板7表面へ均一に導入される。
As one method for forming a thin film of amorphous silicon or the like, a plasma-enhanced chemical vapor deposition (CVD) method (hereinafter referred to as plasma CVD method) is a well-known technique. FIG. 8 is a schematic sectional view for explaining a conventional general parallel plate type plasma CVD apparatus. The inside of the
例えば、太陽電池に用いられるアモルファスシリコン薄膜として高品質な膜を得るためには、膜の欠陥となる未結合手(ダングリングボンド)の形成および高次シラン((SiH2)n:n=2〜5)の膜中への取り込みを抑制しなければならない。その欠陥を抑制するためには基板表面温度は220℃から250℃が好適であるとされている(非特許文献1)。これはこの範囲より低温であると成膜中のアモルファスシリコン薄膜表面での表面反応が抑制され、欠陥の多い膜となってしまい、またこの範囲より高温であると表面からの水素の脱離が発生して欠陥が多くなったり、太陽電池を作製する際の下地層へのダメージが問題になったりするためである。また、プラズマ中のガス温度も重要な因子である。これは、プラズマ中のガス温度が低下すると高次シランを生成する際に起こる三体反応が促進され膜中への高次シランの取り込みが懸念されることによる(非特許文献2)。この高次シランはアモルファスシリコン太陽電池の光劣化を引き起こすものであるため、膜中への取り込みはできるだけ抑える必要がある。 For example, in order to obtain a high-quality film as an amorphous silicon thin film used for a solar cell, formation of dangling bonds (dangling bonds) that cause film defects and higher-order silane ((SiH2) n: n = 2 to 2). Incorporation of 5) into the membrane must be suppressed. In order to suppress the defect, the substrate surface temperature is preferably 220 ° C. to 250 ° C. (Non-patent Document 1). If the temperature is lower than this range, surface reaction on the surface of the amorphous silicon thin film during film formation is suppressed, resulting in a film with many defects. If the temperature is higher than this range, hydrogen is desorbed from the surface. This is because defects occur and the number of defects increases, or damage to the underlayer when a solar cell is manufactured becomes a problem. The gas temperature in the plasma is also an important factor. This is because when the gas temperature in the plasma is lowered, the three-body reaction that occurs when generating higher-order silane is promoted, and there is a concern that higher-order silane is taken into the film (Non-Patent Document 2). Since this higher order silane causes photodegradation of the amorphous silicon solar cell, it is necessary to suppress the incorporation into the film as much as possible.
このような問題を解決するためにいくつかの手段が提案されている。例えば、プラズマ雰囲気中に導入するガスを加熱し、さらに基板を加熱することにより、基板温度の低下を抑制する方法が開示されている(特許文献1)。さらに、電極中に導入するガス温度を変化させることにより、基板の表面温度を制御する手段等が開示されている(特許文献2)。
しかし、上記のように導入するガスの加熱を行ったとしてもガス供給孔から真空容器内にガスを導入しようとすると流速は数m/s以上となるため、ガスの加熱を行おうとしても加熱機構の能力が現実的ではないという問題がある。また基板として一般的に用いられるガラスは熱伝導度の低い材料である。そのため基板を保持する電極を加熱してガラス裏面より加熱しても、表面がガス流れにより冷やされた場合ガラス表層の温度が低下することは十分考えられる。またたとえガスの加熱が可能であったとしてもガス供給孔内から真空容器内に導入される際の圧力差によって断熱膨張をおこしてガス温度が低下するため、結果としてガラス表層の温度を下げてしまうことが予想される。 However, even if the gas to be introduced is heated as described above, if the gas is introduced into the vacuum vessel from the gas supply hole, the flow rate becomes several m / s or more. There is a problem that the capability of the mechanism is not realistic. Glass generally used as a substrate is a material having low thermal conductivity. Therefore, even if the electrode holding the substrate is heated and heated from the rear surface of the glass, it is considered that the temperature of the glass surface layer is lowered when the surface is cooled by the gas flow. Even if the gas can be heated, the gas temperature decreases due to adiabatic expansion due to the pressure difference when it is introduced from the gas supply hole into the vacuum vessel. As a result, the temperature of the glass surface layer is lowered. It is expected that.
そこで本発明の目的は、真空容器内に導入されるガスの流れを制御することにより基板温度およびガス温度の低下を防ぎ、欠陥の形成および高次シランの混入が少ない高品質なアモルファスシリコン等の薄膜を形成可能なプラズマCVD装置、およびそれを用いたアモルファスシリコン薄膜の製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to prevent a decrease in the substrate temperature and the gas temperature by controlling the flow of the gas introduced into the vacuum vessel, such as high-quality amorphous silicon with less formation of defects and high-order silane contamination. It is an object of the present invention to provide a plasma CVD apparatus capable of forming a thin film and an amorphous silicon thin film manufacturing method using the same.
上記目的を達成するために、本発明は、
真空容器と、
該真空容器を減圧に保持するための真空排気装置と、
複数のガス供給孔を備えた第1の電極と、
第1の電極に接続された高周波電源と、
該第1の電極に対向して設置され第1の電極に略平行に基板を保持するための第2の電極と、を備えたプラズマCVD装置であって、
前記第1の電極のガス供給孔から前記第2の電極へ向かうガス直進流路を遮断する障害物が第1の電極と第2の電極との間に配置されたことを特徴とするプラズマCVD装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A vacuum vessel;
An evacuation device for holding the vacuum vessel at a reduced pressure;
A first electrode having a plurality of gas supply holes;
A high frequency power source connected to the first electrode;
A plasma CVD apparatus comprising: a second electrode disposed opposite to the first electrode for holding the substrate substantially parallel to the first electrode;
Plasma CVD, characterized in that an obstacle for blocking a straight gas flow path from the gas supply hole of the first electrode to the second electrode is disposed between the first electrode and the second electrode. Providing equipment.
また、本発明は、
真空容器内を真空に保持し、
第1の電極に備えられた複数のガス供給孔から少なくともシランと水素とを含むガスで構成された原料ガスを供給し、
該第1の電極に高周波電力を印加して該原料ガスにプラズマを発生させ、
該第1の電極に対向して設置された第2の電極に保持された基板上に該原料ガスを堆積させてアモルファスシリコン薄膜を形成するアモルファスシリコン薄膜の製造方法であって、
前記第1の電極のガス供給孔から前記第2の電極へ向かうガス直進流路を遮断するように障害物を設け、該第1の電極のガス供給孔から供給された前記原料ガスを、該第2の電極に到達する前に該障害物に衝突させることを特徴とするアモルファスシリコン薄膜の製造方法を提供する。
The present invention also provides:
Hold the vacuum container in a vacuum,
Supplying a source gas composed of a gas containing at least silane and hydrogen from a plurality of gas supply holes provided in the first electrode;
Applying high frequency power to the first electrode to generate plasma in the source gas;
A method for producing an amorphous silicon thin film, wherein an amorphous silicon thin film is formed by depositing the raw material gas on a substrate held by a second electrode placed opposite to the first electrode,
An obstacle is provided so as to block a straight gas flow path from the gas supply hole of the first electrode to the second electrode, and the source gas supplied from the gas supply hole of the first electrode Provided is a method for producing an amorphous silicon thin film, which is caused to collide with the obstacle before reaching a second electrode.
本発明によれば、以下に説明するとおり、真空容器内に導入されるガスの流れを制御することによりガス温度および基板温度の低下を防ぎ、欠陥の形成量および高次シランの混入量が少ない高品質なアモルファスシリコン等の薄膜を形成可能なプラズマCVD装置、および高品質なアモルファスシリコン薄膜の製造方法を提供できる。 According to the present invention, as described below, by controlling the flow of the gas introduced into the vacuum vessel, the gas temperature and the substrate temperature are prevented from being lowered, and the amount of defects formed and the amount of higher-order silane mixed are small. A plasma CVD apparatus capable of forming a high-quality amorphous silicon thin film and a method for producing a high-quality amorphous silicon thin film can be provided.
以下、本発明の最良の実施形態の例を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, examples of the best mode of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のプラズマCVD装置の一例を示す概略断面図である。真空容器1にはこの真空容器を減圧に保持するための真空排気装置2が接続されており、また真空容器1の内部には第1の電極3と第2の電極4が略平行に配置されている。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the plasma CVD apparatus of the present invention. A
第1の電極3にはガス供給孔5が複数配置されている。ガス供給孔5は第1の電極3の表面から均一にガスを供給するために小径のものを多数設けることが好ましく、ガス供給孔5の直径は0.1mm以上2mm以下、より好ましくは0.3mm以上1mm以下がよい。ガス供給孔5の第1の電極3における面内配置は均一性の観点から規則的な格子配置がよいが、第1の電極3の内部構造等を考慮して面内の任意の位置に配置してもかまわない。
A plurality of
第1の電極3には高周波電源6が接続され、第1の電極3に高周波高電圧を印加することにより真空容器内にプラズマを発生させる。高周波の周波数は任意に選択できるが、生産性および均一性の観点から、好ましくは100kHz以上100MHz以下、さらに好ましくは10MHz以上60MHz以下がよい。
A high
第2の電極4は基板7を第1の電極3に略平行に保持する。第2の電極4は基板7を加熱するための加熱機構9を備えていることが好ましい。また、第2の電極4は電気的に接地されていてかまわないが、図示しない直流電源または交流電源によりバイアス電圧を印加してもかまわない。
The
本発明においては、第1の電極3のガス供給孔5から第2の電極4へ向かうガス直進流路を遮断する障害物10を第1の電極3と第2の電極4との間に配置する。ここで、ガス直進流路とは、第1の電極のガス供給孔5の出口が形成する平面をその平面に垂直に第2の電極4の方向に移動させたときの軌跡が形成する立体図形が占める空間領域である。この障害物10により、ガス供給孔5から噴出したガスは直接基板に衝突することはなく必ず一旦障害物10に衝突した後基板表面へと向かう。これにより温度の低いガスが基板を直撃することによる基板温度低下を避けることができるのである。障害物10の形状の例としては、図1に示すような円筒状物体を複数本平行に並べたものや、円筒状物体の代わりに三角柱や四角柱を複数本平行に並べたものなどが考えられるが、本発明においては、図2のように前記障害物10を複数の開口12が形成された平板11(以後、板状障害物11)として、前記開口12がガス直進流路にかからないように板状障害物11を設置することが好ましい。この板状障害物11を設けることにより、ガス供給孔5から供給されたガスは一旦第1の電極3と板状障害物11に挟まれる空間に滞留した後、板状障害物の複数の開口12から第2の電極4側の空間へと漏れ出ることとなる。このようにガス供給孔5から出てきたガスの流れを直接基板7に到達させないことにより、基板7の温度低下が回避され、また成膜中の基板温度の安定化を図ることができるため、好ましい。
In the present invention, an
板状障害物11に形成された複数の開口12は、それらの開口の面積を全て足し合わせた開口総面積が、第1の電極3のガス供給孔5の出口の面積を全て足し合わせた供給孔総面積よりも大きいことがガス流れの流速を下げるという観点から好ましく、好ましくは開口総面積は供給孔総面積の10倍以上、より好ましくは50倍以上、さらに好ましくは100倍以上である方がよい。板状障害物11の材質としては任意のものを選択することができるが、耐熱性および機械的強度の観点から金属またはセラミックスを用いることが好ましく、例えば金属としてはアルミニウム、セラミックスとしてはアルミナなどを用いることができる。また、板状障害物11の厚さは任意のものを用いて良いが、薄すぎると機械的強度が弱く熱による変形が懸念され、また厚すぎるとプラズマが不安定になったり点灯しなかったりする。ゆえに、板状障害物11の厚さは1mm以上10mm以下、好ましくは2mm以上8mm以下、より好ましくは3mm以上6mm以下がよい。
The plurality of
図3は第1の電極3の一例を示す概略平面図である。ここでは例として円形電極を示すが、電極の形状は角型であっても任意の形状であっても構わない。第1の電極3の表面には複数のガス供給孔5を備え、図3の例の場合ガス供給孔5は格子状に配置されている。本発明においては、板状障害物11は第1の電極3のガス供給孔5から第2の電極4へ向かうガス直進流路を遮断する。前述したようにガス直進流路とは、ガス供給孔5の出口が形成する平面をその平面に垂直に第2の電極4の方向に移動させたときの軌跡が形成する立体図形が占める空間領域である。例えば、ガス供給孔5の出口形状が円形であればガス直進流路は円柱型の空間領域となり、出口形状が四角形であればガス直進流路は角柱型の空間領域となる。板状障害物11はこのガス直進流路を遮断する、すなわち前記空間領域を板状障害物により完全に2分割する形状とする。図3に示す第1の電極3に適用できる板状障害物11の例を図4、図5、図6に示す。図4に示す板状障害物11は、図3に示す第1の電極3に対して設置したとき図3におけるガス供給孔5からのガス直進流路にかからない部分に複数の円形開口12を設けたものである。図5に示す板状障害物11は、同様に図3に示す第1の電極3に対して設置したとき図3におけるガス供給孔5からのガス直進流路にかからない部分に複数の角型開口12を設けたものである。また、図6に示す板状障害物11は、同様に設置したとき図3におけるガス供給孔5からのガス直進流路を遮断する部分を含むような複数の円およびそれらの円を連結する短冊を残してそれ以外の部分を開口12としたものである。これらのような板状障害物11を適用することにより、ガス供給孔5から出てきたガスの流れが直接基板7に到達することを確実に防止できるため、基板温度が低下したり不安定になったりといった現象を未然に防ぐことができ、好ましい。
FIG. 3 is a schematic plan view showing an example of the
さらに、本発明における板状障害物11は加熱機構を有することが好ましい。これは加熱された板状障害物11がガスを加熱することによる結果として基板7の温度低下を防ぐことができるためである。さらに本発明の場合、ガス供給孔5から出たガスを板状障害物11に積極的に衝突させる効果、および板状障害物11と第1の電極3との間にガスを滞留させる効果により、板状障害物11とガスとの熱交換を促進させ、効率的にガスを加熱することができるため好ましい。板状障害物11の加熱機構の例としては、板状障害物11を導電体で形成したうえで交流電流を流すことによる抵抗加熱を用いたり、あるいは板状障害物11の内部に熱媒流路を形成して温度制御した熱媒を流したりすることなどをあげることができるが、その他任意の方法を用いてもかまわない。
Furthermore, the plate-
図7は、本発明のプラズマCVD装置の他の一例を示す概略断面図である。本発明における板状障害物11は、その第1の電極3に対向する面において前記ガス直線流路を遮断する位置に凹部13を備えることが好ましい。図7の場合は凹部13として円錐型の凹みを持つ場合を示している。このような凹部を板状障害物11に設けると、ガス供給孔5から出たガス流は板状障害物11の凹部13に衝突することにより流れが乱れ、板状障害物11と第1の電極3のとの間にガスが滞留している時間を増加させ、結果としてガスの加熱が促進されるため好ましい。凹部13の形状としては、円錐型のほかに角錐型、半球型、円筒型など、任意の形状でかまわない。凹部13の深さについては特に制限は無いが、深すぎると凹部13に留まったガスから粉体を生成し凹部13内に蓄積する懸念があり、また浅すぎるとガスの加熱効果が十分発揮できないため、好ましくは1mm以上6mm以下、より好ましくは2mm以上4mm以下がよい。
FIG. 7 is a schematic sectional view showing another example of the plasma CVD apparatus of the present invention. The plate-
上記で説明した本発明のプラズマCVD装置を用いて、第2の電極4上にガラス基板を設置して真空排気した後、少なくともシランと水素を含む原料ガスをガス供給管8から導入して高周波電源6によりプラズマを発生させ、基板表面にアモルファスシリコン薄膜を形成させると、従来の平行平板型プラズマCVD装置で形成した膜と比べて高次シランの混入が少なく欠陥が低減された高品質な膜が得られるのである。また、この高品質なアモルファスシリコン薄膜を太陽電池に適用することで、光劣化が少ない高変換効率の太陽電池を作成することが可能となる。
Using the plasma CVD apparatus of the present invention described above, a glass substrate is placed on the
本発明は、プラズマCVD装置およびアモルファスシリコン薄膜形成に限らず、エッチング装置やその他各種薄膜形成、プラズマ表面処理装置などにも応用することができるが、その応用範囲が、これらに限られるものではない。 The present invention can be applied not only to a plasma CVD apparatus and amorphous silicon thin film formation but also to an etching apparatus, various other thin film formations, a plasma surface treatment apparatus, etc., but the application range is not limited thereto. .
1 真空容器
2 真空排気装置
3 第1の電極
4 第2の電極
5 ガス供給孔
6 高周波電源
7 基板
8 ガス供給管
9 加熱機構
10 障害物
11 複数の開口が形成された平板(板状障害物)
12 開口
13 凹部
DESCRIPTION OF
12
Claims (8)
該真空容器を減圧に保持するための真空排気装置と、
複数のガス供給孔を備えた第1の電極と、
第1の電極に接続された高周波電源と、
該第1の電極に対向して設置され第1の電極に略平行に基板を保持するための第2の電極と、を備えたプラズマCVD装置であって、
前記第1の電極のガス供給孔から前記第2の電極へ向かうガス直進流路を遮断する障害物が第1の電極と第2の電極との間に配置されたプラズマCVD装置。 A vacuum vessel;
An evacuation device for holding the vacuum vessel at a reduced pressure;
A first electrode having a plurality of gas supply holes;
A high frequency power source connected to the first electrode;
A plasma CVD apparatus comprising: a second electrode disposed opposite to the first electrode for holding the substrate substantially parallel to the first electrode;
A plasma CVD apparatus in which an obstacle that blocks a straight gas flow path from the gas supply hole of the first electrode toward the second electrode is disposed between the first electrode and the second electrode.
第1の電極に備えられた複数のガス供給孔から少なくともシランと水素とを含むガスで構成された原料ガスを供給し、
該第1の電極に高周波電力を印加して該原料ガスにプラズマを発生させ、
該第1の電極に対向して設置された第2の電極に保持された基板上に該原料ガスを堆積させてアモルファスシリコン薄膜を形成するアモルファスシリコン薄膜の製造方法であって、
前記第1の電極のガス供給孔から前記第2の電極へ向かうガス直進流路を遮断するように障害物を設け、該第1の電極のガス供給孔から供給された前記原料ガスを、該第2の電極に到達する前に該障害物に衝突させるアモルファスシリコン薄膜の製造方法。 Hold the vacuum container in a vacuum,
Supplying a source gas composed of a gas containing at least silane and hydrogen from a plurality of gas supply holes provided in the first electrode;
Applying high frequency power to the first electrode to generate plasma in the source gas;
A method for producing an amorphous silicon thin film, wherein an amorphous silicon thin film is formed by depositing the raw material gas on a substrate held by a second electrode placed opposite to the first electrode,
An obstacle is provided so as to block a straight gas flow path from the gas supply hole of the first electrode to the second electrode, and the source gas supplied from the gas supply hole of the first electrode A method of manufacturing an amorphous silicon thin film that collides with the obstacle before reaching the second electrode.
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