JP2010037640A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面波プラズマにより結晶配向性（２２０）の比率が高い良質な微結晶シリコン薄膜を形成可能な表面波プラズマを用いた成膜装置を提供する。
【解決手段】チャンバ１０１と、被処理体１００を保持する基板保持部１０６と、チャンバ１０１内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂと、チャンバ１０１内にシリコン元素を含む材料ガスを導入する材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂと、マイクロ波を導入するマイクロ波導波管１０２と、基板保持部１０６と対向して設けられ、マイクロ波により基板保持部１０６と対向する面に生成された表面波により、チャンバ１０１内にプロセスガスの表面波プラズマを生成する誘電体板と、基板保持部１０６にＤＣパルスを印加するＤＣパルス電源１０９とを備え、基板保持部１０６にＤＣパルスを印加しながら、表面波プラズマ及び材料ガスを用いて被処理体１００上に微結晶シリコン薄膜を成膜する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面波プラズマを用いた成膜装置及び成膜方法に関する。

太陽電池の一つとして、微結晶シリコン（Ｓｉ）薄膜を用いた微結晶シリコン太陽電池が知られている。微結晶シリコン薄膜は、光劣化が小さく、光吸収係数で波長によって優れた特長を有する。微結晶シリコン薄膜は、例えば容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）装置を用いて電極間に発生させたＣＣＰを利用して形成される。

又、太陽電池製造等で使用されるプラズマ処理装置の一つに表面波プラズマ（ＳＷＰ）処理装置がある（例えば、特許文献１参照。）表面波プラズマ処理装置は、表面波を利用して大面積で高密度の表面波プラズマを容易に発生させることができる。

しかしながら、表面波プラズマの電子密度は１０¹¹／ｃｍ³〜１０¹²／ｃｍ³であり、ＣＣＰの電子密度の１０⁹／ｃｍ³〜１０¹⁰／ｃｍ³と比べて２桁程度高く、表面波プラズマがガスを解離する能力が極めて高い。このため、表面波プラズマ処理装置では、チャンバ内に導入したガス成分である水素（Ｈ₂）が過剰解離を起こしやすい。微結晶Ｓｉ薄膜は光を効率よく吸収するために結晶配向性（２２０）をもつことが重要であるが、Ｈ₂の過剰解離が結晶配向性（２２０）の成長を妨げる要因となる。このように、表面波プラズマ処理装置を用いて表面波プラズマにより結晶配向性（２２０）の比率が高い良質な微結晶シリコン薄膜を形成することは困難であった。
特開２００５−３４０３５８号公報

本発明の目的は、表面波プラズマにより結晶配向性（２２０）の比率が高い良質な微結晶シリコン薄膜を形成可能な表面波プラズマを用いた成膜装置及び成膜方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、チャンバと、チャンバ内に設けられ、被処理体を保持する基板保持部と、チャンバ内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入管と、チャンバ内にシリコン元素を含む材料ガスを導入する材料ガス導入管と、チャンバ内にマイクロ波を導入するマイクロ波導波管と、マイクロ波により基板保持部と対向する面に表面波が生成される誘電体板と、基板保持部にＤＣパルスを印加するＤＣパルス電源とを備え、基板保持部にＤＣパルスを印加しながら、表面波によりプロセスガス及び材料ガスの表面波プラズマを励起して、被処理体上に微結晶シリコン薄膜を成膜する成膜装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、チャンバ内に設けられた基板保持部に被処理体を載置するステップと、チャンバ内に、シリコン元素を含む材料ガス及びプロセスガスをそれぞれ導入するステップと、チャンバ内に設けられた誘電体板の基板保持部と対向する面にマイクロ波により表面波を生成し、基板保持部にＤＣパルスを印加しながら、表面波によりプロセスガス及び材料ガスの表面波プラズマを励起して、被処理体上に微結晶シリコン薄膜を成膜するステップとを含む成膜方法が提供される。

本発明によれば、表面波プラズマにより結晶配向性（２２０）の比率が高い良質な微結晶シリコン薄膜を形成可能な表面波プラズマを用いた成膜装置及び成膜方法を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものである。又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（成膜装置）
本発明の実施の形態に係る成膜装置は、図１に示すように、チャンバ１０１と、チャンバ１０１内に設けられ、被処理体１００を保持する基板保持部１０６と、チャンバ１０１内にシラン系ガスを導入するプロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂと、チャンバ１０１内にシリコン（Ｓｉ）を含む材料ガスを導入する材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂと、チャンバ１０１に設けられ、マイクロ波を導入するマイクロ波導波管１０２と、マイクロ波により基板保持部１０６と対向する面に生成された表面波により、チャンバ１０１内に少なくとも、プロセスガスの表面波プラズマＰを生成する誘電体板１０４と、基板保持部１０６にＤＣパルスを印加するＤＣパルス電源１０９とを備え、基板保持部１０６にＤＣパルスを印加しながら、表面波プラズマＰ及び材料ガスを用いて被処理体１００上に微結晶シリコン薄膜を成膜する表面波プラズマ処理装置である。

被処理体１００は例えばガラス基板であり、アモルファスシリコンや微結晶シリコン薄膜が表面上に形成されたガラス基板等を使用しても良い。

チャンバ１０１は、その内部空間に生成する表面波プラズマＰを利用して被処理体１００の表面に成膜するための密閉容器である。

基板保持部１０６は、昇降機構１０７に接続されている。基板保持部１０６は昇降機構１０７により上下方向の移動と回転が可能であり、必要に応じて、被処理体１００の加熱、冷却、電界印加などが可能なように構成されている。誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌは図示を省略した距離センサ等で計測でき、その計測結果に応じて昇降機構１０７により基板保持部１０６を上下して距離Ｌを調整することができる。

誘電体板１０４は、チャンバ１０１の上部に設けられる。誘電体板１０４としては、石英（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₃Ｏ₂）又はジルコニア（ＺｒＯ₂）等が使用可能である。マイクロ波導波管１０２は、誘電体板１０４の上面に接して載置されている。誘電体板１０４と接するマイクロ波導波管１０２の底部には、長矩形の開口であるスロットアンテナ１０３ａ，１０３ｂが複数個設けられている。

プロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂは、成膜ガスのうち、窒素（Ｎ₂）ガス、酸素（Ｏ₂）ガス、水素（Ｈ₂）ガス、二酸化窒素（ＮＯ₂）ガス、一酸化窒素（ＮＯ）ガス、アンモニア（ＮＨ₃）ガス等の反応性活性種の原料となるガス、及びアルゴン（Ａｒガス）、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスをチャンバ１０１へ導入可能である。材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂは、成膜ガスのうち、シラン（ＳｉＨ₄）ガス、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）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元素を含む材料ガスをチャンバ１０１へ導入可能である。

チャンバ１０１の底部には、図示を省略した真空排気ポンプに接続される真空排気管１０８が配設されている。プロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂ、材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂを通してそれぞれ所定のガスを所定流量でチャンバ１０１内に導入しながら排気を行うことによって、チャンバ１０１内を所定圧力に保持することができる。

（微結晶シリコン薄膜の成膜方法）
次に、本発明の実施の形態に係る微結晶シリコン薄膜の成膜方法を図１を用いて説明する。

微結晶シリコン薄膜の成膜時には、誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを５０〜１２５ｍｍ程度に設定しておく。基板保持部１０６上にガラス基板等の被処理体１００を載置する。プロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂからプロセスガスとして例えばＨ₂ガスを３．３８×１０^-1 Ｐａ・ｍ³／ｓ程度、材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂから材料ガスとして例えばＳｉＨ₄ガスを３．０４×１０^-2 Ｐａ・ｍ³／ｓ程度で導入する。そして、チャンバ１０１内を１４Ｐａ程度の圧力及び３００℃程度の温度に保持する。

成膜プロセス中、ＤＣパルス電源１０９により基板保持部１０６に１０Ｖ程度のＤＣパルスを印加する。マイクロ波電力を３．０ｋＷ程度とし、図示を省略したマイクロ波発生源から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波導波管１０２内に伝搬させ、電磁波の定在波を発生させる。定在波は、定在波の波長の間隔に設置したスロットアンテナ１０３ａ，１０３ｂから誘電体板１０４へ放射される。スロットアンテナ１０３ａ，１０３ｂから放射された電磁波は誘電体板１０４の内部を伝播し、誘電体板１０４の表面に表面波を発生させる。この表面波によって誘電体板１０４直下のプロセスガスが電離、解離されて表面波プラズマＰが生成する。表面波プラズマＰの領域では、材料ガスが分解したり化学反応を起こし、表面波プラズマＰに接触又は近接している被処理体１００の表面に微結晶シリコン薄膜が形成される。

本発明の実施の形態においては、微結晶シリコン薄膜の成膜時にＤＣパルス電源１０９により基板保持部１０６にＤＣパルスを印加する。従来は、基板保持部１０６にバイアスを印加しておらず、表面波プラズマＰはＣＣＰと比して電子密度が高いため、Ｈ₂が過剰解離を起こし結晶配向性（２２０）の成長の妨げとなっていた。本発明の実施の形態によれば、微結晶シリコン薄膜の成膜時に基板保持部１０６にＤＣパルスを印加することにより、Ｈ⁺イオンの被処理体１００への入射を促進することができ、Ｈ₂の過剰解離を抑制することができる。よって、表面波プラズマにより結晶配向性（２２０）の比率が高い良質な微結晶シリコン薄膜を形成可能となる。なお、ＤＣパルスは５〜１０Ｖ程度であることが好ましい。５Ｖより小さいと効果が少ない状態であり、５Ｖから１０Ｖ以下より大きいと（２２０）配向が高く出る。

又、微結晶シリコン薄膜の成膜時に誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを５０〜１２５ｍｍ程度に制御する。表面波プラズマＰの電子温度は、誘電体板１０４に近いほど高く、誘電体板１０４から離れるにつれて指数関数的に低くなる。従来の表面波プラズマ処理装置では誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを１２５ｍｍよりも大きく設定していた。距離Ｌを１２５ｍｍよりも大きい場合、２ｅＶ以下の電子温度が低い領域を使用することになり、結晶配向性（２２０）の成長を妨げる要因となっていた。又、距離Ｌが１２５ｍｍより小さい領域では、結晶配向性（２２０）の成長が大きくなる。本発明の実施の形態によれば、誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを５０〜１２５ｍｍ程度に制御することで、１０ｅＶ〜２０ｅＶ程度の電子温度が高い領域を使用することにより、結晶配向性（２２０）の比率が高い良質な微結晶シリコン薄膜を形成することが可能となる。

（太陽電池）
本発明の実施の形態に係る表面波プラズマ処理装置を用いて微結晶シリコン薄膜が形成される微結晶シリコン太陽電池の一例を説明する。本発明の実施の形態に係る太陽電池は、図２に示すように、ガラス基板１１と、ガラス基板１１上に配置された透明電極１２と、透明電極１２上に配置されたｐ型半導体層１３と、ｐ型半導体層１３上に配置されたｉ型半導体層１４と、ｉ型半導体層１４上に配置されたｎ型半導体層１５と、ｎ型半導体層１５上に配置された電極１６を備える。

透明電極１２としては酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ₂）又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等が使用可能である。ｐ型半導体層１３、ｉ型半導体層１４及びｎ型半導体層１５としては微結晶シリコン薄膜等がそれぞれ使用可能である。電極１６としては、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）等が使用可能である。太陽光はガラス基板１１及び透明電極１２を介してｐ型半導体層１３、ｉ型半導体層１４及びｎ型半導体層１５に入射し、光起電力により電力が発生する。

（太陽電池の製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係る太陽電池の製造方法の一例を図２を用いて説明する。なお、以下に述べる太陽電池の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。

（イ）まず、ガラス基板１１を用意し、スパッタリング法等によりガラス基板１１上にＩＴＯ等からなる透明電極１２を堆積する。

（ロ）次に、図１に示した表面波プラズマ処理装置を用いて、プロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂからＨ₂ガスを、材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂからＳｉＨ₄ガス及びジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）ガスをそれぞれ導入し、表面波プラズマＰにより透明電極１２上にホウ素（Ｂ）ドープの微結晶シリコン薄膜からなるｐ型半導体層１３を形成する。成膜の際には、誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを１２５ｍｍ程度に制御し、基板保持部１０６に１０Ｖ程度のＤＣパルスを印加しながら成膜する。

（ハ）引き続き、図１に示した表面波プラズマ処理装置を用いて、プロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂからＨ₂ガス、材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂからＳｉＨ₄ガスをそれぞれ導入し、表面波プラズマＰによりｐ型半導体層１３上に微結晶シリコン薄膜からなるｉ型半導体層１４を形成する。成膜の際には、誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを１２５ｍｍ程度に制御し、基板保持部１０６に１０Ｖ程度のＤＣパルスを印加しながら成膜する。

（ニ）次に、図１に示した表面波プラズマ処理装置を用いて、プロセスガス導入管１１０ａ，１１０ｂからＨ₂ガスを、材料ガス導入管１１１ａ，１１１ｂからＳｉＨ₄ガス及びリン化水素（ＰＨ₃）ガスを導入し、表面波プラズマＰによりｉ型半導体層１４上にリン（Ｐ）ドープの微結晶シリコン薄膜からなるｎ型半導体層１５を形成する。成膜の際には、誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを１２５ｍｍ程度に制御し、基板保持部１０６に１０Ｖ程度のＤＣパルスを印加しながら成膜する。

（ホ）最後に、スパッタリング法等によりＡｇ等からなる電極を堆積する。これにより図２に示した太陽電池が完成する。

本発明の実施の形態に係る成膜装置及び成膜方法によれば、基板保持部１０６にＤＣパルスを印加することによりＨ⁺イオンの基板への入射を促進し、且つ誘電体板１０４と基板保持部１０６との対向する距離Ｌを５０〜１２５ｍｍ程度に制御することにより、結晶配向性（２２０）の比率が高い良質な微結晶シリコン薄膜を形成することが可能となる。ひいては、光を効率よく吸収する太陽電池を製造することができる。

上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る表面波プラズマ処理装置の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る太陽電池の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０…ＴＥ
１１…ガラス基板
１２…透明電極
１３…ｐ型半導体層
１４…ｉ型半導体層
１５…ｎ型半導体層
１６…電極
１００…被処理体
１０１…チャンバ
１０２…マイクロ波導波管
１０３ａ，１０３ｂ…スロットアンテナ
１０４…誘電体板
１０６…基板保持部
１０７…昇降機構
１０８…真空排気管
１０９…ＤＣパルス電源
１１０ａ，１１０ｂ…プロセスガス導入管
１１１ａ，１１１ｂ…材料ガス導入管

Claims (3)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に設けられ、被処理体を保持する基板保持部と、
   前記チャンバ内にプロセスガスを導入するプロセスガス導入管と、
   前記チャンバ内にシリコン元素を含む材料ガスを導入する材料ガス導入管と、
   前記チャンバ内にマイクロ波を導入するマイクロ波導波管と、
   前記マイクロ波により前記基板保持部と対向する面に表面波が生成される誘電体板と、
   前記基板保持部にＤＣパルスを印加するＤＣパルス電源
   とを備え、
   前記基板保持部にＤＣパルスを印加しながら、前記表面波により前記プロセスガス及び前記材料ガスの表面波プラズマを励起して、前記被処理体上に微結晶シリコン薄膜を成膜することを特徴とする成膜装置。
2. 前記誘電体板と前記基板保持部との間隔が５０〜１２５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. チャンバ内に設けられた基板保持部に被処理体を載置するステップと、
   前記チャンバ内に、シリコン元素を含む材料ガス及びプロセスガスをそれぞれ導入するステップと、
   前記チャンバ内に設けられた誘電体板の前記基板保持部と対向する面にマイクロ波により表面波を生成し、前記基板保持部にＤＣパルスを印加しながら、前記表面波により前記プロセスガス及び前記材料ガスの表面波プラズマを励起して、前記被処理体上に微結晶シリコン薄膜を成膜するステップ
   とを含むことを特徴とする成膜方法。

Images