JP2010529682A - 均一なシリコン膜を堆積させる装置及びそれを製造する方法 - Google Patents

均一なシリコン膜を堆積させる装置及びそれを製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ソーラーセル用途のためのシリコン膜を堆積させる基板支持アセンブリとガス分配プレートとの間に勾配間隔が作られた方法及び装置を提供する。
【解決手段】 一実施形態において、ソーラーセル用途のための膜を堆積させる装置は、処理チャンバと、処理チャンバ内に配置され且つ上部に四辺形の基板を支持するように構成された基板支持体と、基板支持体の上で処理チャンバ内に配置されたガス分配プレートを含んでもよく、ここで、ガス分配プレートの底面は、縁と角を含む周辺を持ち、また、ガス分配プレートの角は、ガス分配プレートの縁より基板支持体に近い。
【選択図】 図２

Description

開示の背景
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的には、ガス分配プレートアセンブリ及び処理チャンバ内でそれを製造する方法に関する。
背景技術の説明
[0002]光電池（ＰＶ）装置又はソーラーセルは、太陽光を直流（ＤＣ）電力に変換するデバイスである。ＰＶ又はソーラーセルは、典型的には、１つ以上のｐ-ｉ-ｎ接合部を有する。各々の接合部は、一方の側がｐ型領域として示され、もう一方の側がｎ型領域として示される、半導体材料の中に２つの異なる領域を備えている。ＰＶセルのｐ-ｉ-ｎ接合部が（光子のエネルギーからなる）太陽光にさらされると、ＰＶ効果によって太陽光は直接電気に変換される。ＰＶソーラーセルは、所定量の電力を発生させ、セルは、望ましい量のシステム電力を分配するサイズのモジュールに敷設される。ＰＶモジュールは、多数のＰＶソーラーセルを接続することによって作られ、その後、個々のフレームとコネクタでパネルに結合される。
[0003]ＰＶソーラーセルは、典型的には、大きな透明基板上に形成された光電変換ユニットを含む。光電変換ユニットは、透明基板上に連続して配置されたｐ型と真性型（ｉ型）とｎ型のシリコン層を含む。光電変換ユニットを形成するために利用可能なシリコン膜には、多結晶シリコン（ｐｏｌｙ-Ｓｉ）膜と、微結晶シリコン（μｃ-Ｓｉ）膜と、アモルファスシリコン（ａ-Ｓｉ）膜が含まれてもよい。プラズマ増強型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）は、通常、透明基板上にシリコン膜を堆積させるために使われる。ＰＥＣＶＤプロセスは、透明基板を含む真空チャンバへ前駆ガス又はガス混合物を導入することによって行われる。前駆ガス又はガス混合物は、透明基板の表面に向かって分配プレートから供給される。ＲＦ電力は、チャンバ内に配置される分配プレート及び／又は基板支持アセンブリに印加されて、前駆ガス又はガス混合物の中にプラズマを形成するので、透明基板の表面上に望ましい膜特性のシリコン層を堆積させる。
[0004]より大きなソーラーセル基板に対する要求が増大し続けるにつれて、大きな基板表面の上に、ＰＥＣＶＤプロセス中に均一なプラズマ及び／又はプロセスガスフローを維持することは、ますます困難になってきた。プロセスの不均一性による大きな基板上に堆積される膜の中央部分と縁部分との間の膜特性の変動は、大きく且つ効率の良いソーラーセルを生産するのにかなりの難題が存在する。基板サイズが増大するにつれて、縁と中央の特性の変動がより問題になってきた。
[0005]それ故、化学気相堆積プロセスによって大面積基板上に膜特性の均一な分配を持つ膜を堆積させるための改善された装置が求められている。
[0006]ソーラーセル用途のシリコン膜を堆積させる基板支持アセンブリとガス分配プレートとの間に勾配間隔が画成された方法及び装置を提供する。一実施形態において、ソーラーセル用途の膜を堆積させる装置は、処理チャンバと、処理チャンバ内に配置され且つその上に四辺形基板を支持するように構成される基板支持体と、基板支持体の上に処理チャンバ内に配置されるガス分配プレートと、を含んでもよく、ここで、ガス分配プレートの底面は、縁と角を含む周辺を持ち、ガス分配プレートの角は、ガス分配プレートの縁より基板支持体に近い。
[0007]他の実施形態において、ソーラーセル用途の膜を堆積させる装置は、処理チャンバと、処理チャンバ内に配置され且つその上に四辺形基板を支持するように構成された基板支持体と、基板支持体の上に処理チャンバ内に配置されるガス分配プレートと、を含んでもよく、また、ガス分配プレートの底面は、縁と角を含む周辺を持ち、ガス分配プレートの縁は凹形である。
[0008]更に他の実施形態において、チャンバ内でソーラーセル用途のシリコン膜を堆積させる方法は、基板支持体に向いているガス分配プレートを持つチャンバ内に基板を準備するステップであって、ガス分配プレートの角と基板支持体との間の間隔がガス分配プレートの縁の中間点と基板支持体との間の間隔より近い、前記ステップと、ガス分配プレートを通って処理ガスを流し込むステップと、基板上にシリコン膜を堆積させるステップと、を含んでもよい。
[0009]更に他の実施形態において、チャンバ内でソーラーセル用途のシリコン膜を堆積させる方法は、ガス分配プレートが基板支持アセンブリに向いているチャンバ内に基板を準備するステップであって、ガス分配プレートと基板支持アセンブリがこれらの間で画成された勾配間隔を持つ、前記ステップと、ガス分配プレートを通って形成された複数のアパーチャを通ってチャンバ内へガス混合物を供給するステップであって、ガス混合物のシランガスと水素ガスの比が１：２０〜１：２００である、前記ステップと、基板上にシリコン膜を堆積させるステップと、を含んでもよい。
[0010]本発明の上記特徴が詳細に実現され得るように、上で簡単に纏めた本発明のより詳しい説明を実施形態によって参照することができ、その一部は添付の図面に示されている。
図１は、本発明による処理チャンバの一実施形態を示す概略断面図である。 図２は、本発明による曲率表面を持つガス分配プレートの例示的実施形態の断面図である。 図３Ａは、湾曲面を持ったガス分配プレート１１０を製造するためのプロセスフローの異なる段階におけるガス分配プレート１１０を示す断面図である。 図３Ｂは、湾曲面を持ったガス分配プレート１１０を製造するためのプロセスフローの異なる段階におけるガス分配プレート１１０を示す断面図である。 図４は、ガス分配プレートの中に形成されたアパーチャの実施形態を示す図である。 図５Ａは、プレートの中に異なる構成の第二の穴を持つアパーチャを示す図である。 図５Ｂは、プレートの中に異なる構成の第二の穴を持つアパーチャを示す図である。 図５Ｃは、プレートの中に異なる構成の第二の穴を持つアパーチャを示す図である。 図５Ｄは、プレートの中に異なる構成の第二の穴を持つアパーチャを示す図である。 図５Ｅは、プレートの中に異なる構成の第二の穴を持つアパーチャを示す図である。 図５Ｆは、プレートの中に異なる構成の第二の穴を持つアパーチャを示す図である。 図６は、プレート６００の中に形成された異なる構成を持ったアパーチャを有する湾曲したガス分配プレート６００を示す他の実施形態である。 図７は、勾配間隔がチャンバ内に配置された湾曲した基板支持アセンブリによって作られてもよい他の実施形態を示す図である。 図８は、勾配間隔がチャンバ内に配置された湾曲した基板支持アセンブリによって作られてもよい他の実施形態を示す図である。 図９Ａは、湾曲したガス分配プレートの異なる実施形態を示す平面図である。 図９Ｂは、湾曲したガス分配プレートの異なる実施形態を示す平面図である。
[0020]理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一要素を示すために同一符号を用いている。一実施形態の要素と特徴を更に列挙することなく有益に他の実施形態に組み込まれてもよいことが企図されている。
[0021]しかしながら、添付の図面は本発明の例示的実施形態のみを示しているので、本発明の範囲を制限するものとみなされるべきでなく、本発明は他の同等に有効な実施形態を許容してもよいことは留意すべきである。
詳細な説明
[0022]ソーラーセルのような大面積用途のシリコン膜を堆積させる方法及び装置を本発明において提供する。一実施形態において、装置は、ガス分配プレートと基板支持アセンブリとの間に画成された縁と角との勾配間隔を持っている。基板表面とガス分配プレートとの間に作られた間隔勾配は、ガス分配プレートを通って基板表面に供給されるプロセスガス及び／又はそこから形成されたプラズマの縁と角との分配の柔軟な制御を与える。制御された間隔勾配は、基板上に堆積された膜の厚さ及び／又はプロファイルを調整する能力を高める。ガス分配プレートと基板との間の異なる横方向の間隔によって作られた間隔勾配は、また、基板の幅の上で膜特性の変動を制御することを容易にするプロセス制御に寄与する。
[0023]図１は、ソーラーセルの一つ以上の膜又は他の大面積デバイスが形成されてもよいプラズマ増強型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ１００の一実施形態の概略断面図である。適切な一プラズマ化学気相堆積チャンバは、カリフォルニア州サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社から入手できる。他の製造業者のものを含む他の堆積チャンバが本発明を実施するのに用いられてもよいことは企図されている。
[0024]チャンバ１００は、通常は、プロセス容積１０６を固定した壁１０２と底部１０４を含む。ガス分配プレート１１０と基板支持アセンブリ１３０は、プロセス容積１０６を画成する。プロセス容積１０６は、基板１４０がチャンバ１００の内外に搬送することができるように壁１０２を通って形成されたバルブ１０８によって接続される。
[0025]基板支持アセンブリ１３０は、基板１４０を上部で支持する基板受容面１３２とステム１３４とを含む。ステム１３４は、基板支持アセンブリ１３０を基板搬送と処理位置との間で上下するリフトシステム１３６に結合されている。シャドーフレーム１３３は、必要により、基板１４０の周辺の上に載置されて、処理時に基板１４０の縁上の堆積を防止する。リフトピン１３８は、基板支持アセンブリ１３０を通って移動可能に配置され、基板１４０を基板受容面１３２から隔置するように適合されている。基板支持アセンブリ１３０もまた、望ましい温度に基板支持アセンブリを維持するように用いられる加熱素子及び／又は冷却素子１３９を含んでいてもよい。基板支持アセンブリ１３０もまた、基板支持アセンブリ１３０の周辺の周りにＲＦ接地を与える接地ストラップ１３１を含んでいてもよい。接地ストラップの例は、２０００年２月１５日に発行されたＬａｗらの米国特許第６,０２４,０４４号、２００６年１２月２０日に出願のＰａｒｋらの米国特許出願第１１／６１３,９３４号に開示され、これらの開示内容は本明細書の全体で援用されている。
[0026]ガス分配プレート１１０は、その周辺でサスペンション１１４によってバッキングプレート１１２に結合されている。ガス分配プレート１１０は、また、一つ以上の中央支持体１１６によってバッキングプレート１１２に結合されて、ガス分配プレート１１０のたるみ（sag）を防止し更に／又は真直度／曲率を制御することを援助することができる。一実施形態において、ガス分配プレート１１０は、異なる寸法を持った異なる構成であってもよい。一つの例示的実施形態において、ガス分配プレート１１０は、四辺形のガス分配プレートである。ガス分配プレート１１０は、基板支持アセンブリ１３０上に配置された基板の上面１１８に向いている複数のアパーチャ１１１が中に形成された下流表面１５０を持っている。一実施形態において、アパーチャ１１１は、ガス分配プレート１１０にわたり、形、数、密度、寸法、分配が異なってもよい。アパーチャ１１１の直径は、約０.０１インチ〜約１インチに選択されてもよい。ガス源１２０は、バッキングプレート１１２に結合されて、バッキングプレート１１２を通って、次に、ガス分配プレート１１０の中に形成されたアパーチャ１１１を通ってプロセス容積１０６にガスを供給する。
[0027]真空ポンプ１０９は、チャンバ１００に結合されて、プロセス容積１０６を望ましい圧力に制御する。ＲＦ電源１２２は、バッキングプレート１１２及び／又はガス分配プレート１１０に結合されて、ＲＦ電力を供給して、ガス分配プレート１１０と基板支持アセンブリ１３０との間に電界が作られるので、ガス分配プレート１１０と基板支持アセンブリ１３０との間のガスからプラズマを生成させることができる。種々のＲＦ周波数、例えば、約０.３ＭＨｚ〜約２００ＭＨｚの周波数が用いられてもよい。一実施形態において、ＲＦ電源は、１３.５６ＭＨｚの周波数で供給される。ガス分配プレートの例は、２００２年１１月１２日に発行されたＷｈｉｔｅらの米国特許第６,４７７,９８０号、２００５年１１月１７日に公開されたＣｈｏｉらの米国特許公開第２００５０２５１９９０号、２００６年３月２３日に公開されたＫｅｌｌｅｒらの米国特許公開第２００６／００６０１３８号に開示され、これらの開示内容は本明細書の全体で援用されている。
[0028]一実施形態において、ガス分配プレート１１０の下流表面１５０の縁は、プレート１１０の縁と角と、基板受容面１３２の間、結果として、プレート１１０と基板１４０の表面１１８との間に距離勾配が画成されるように湾曲されていてもよい。湾曲面１５０の形（例えば、凸面、平面又は凹面）は、個々のプロセス要求を満たすように選択されてもよい。例えば、膜特性の均一性が、必ずしも基板の幅にわたる厚さの均一性に対応しないことを見出した。特に、基板の幅にわたる結晶分率（fraction）の均一性（即ち、結晶化した膜のパーセント）が膜厚の均一性から切り離されていることを見出した。それ故、結晶分率の不均一性は、基板の角において最もよく見られる。それ故、縁と角との間隔勾配は、基板の縁にわたる膜特性の均一性を調整するために用いられてもよく、それによって基板の角における特性の不均一性が修正される。更に、縁と角との間隔もまた、制御されるので、膜特性の分配均一性が基板の縁と角との間で制御されることになる。一実施形態において、ガス分配プレート１１０の凹に湾曲した縁は、ガス分配プレート１１０の縁の中央部分がプレート１１０の角より基板表面１１８から離間されるように用いられ、それによって基板の角に相対して基板１４０の縁に沿って供給されるガス流量が減少し、それによって基板１４０上に形成される膜プロファイル及び／又は膜特性が調整されてもよい。他の実施形態において、ガス分配プレート１１０の凸に湾曲した縁は、ガス分配プレート１１０の角が分配プレート１１０の縁より基板表面１１８から間隔が更に遠くに離間されるように用いられ、それによって基板の縁に相対して基板１４０の角に沿って供給されるガスフロー量が増加し、それによって基板１４０上に形成される膜プロファイル及び／又は膜特性が調整されてもよい。
[0029]遠隔プラズマ源１２４、例えば、誘導結合遠隔プラズマ源が、ガス源とバッキングプレートとの間に結合されていてもよい。基板を処理する間に、洗浄ガスが遠隔プラズマ源１２４においてエネルギーが与えられて、チャンバ要素を洗浄するために用いられるプラズマが遠隔で供給されてもよい。洗浄ガスは、更に、電源１２２によってガス分配プレート１１０に供給されるＲＦ電力によって励起されてもよい。適切な洗浄ガスとしては、ＮＦ３、Ｆ２、及びＳＦ６が挙げられるが、これらに限定されない。遠隔プラズマソースの例は、１９９８年８月４日に発行されたＳｈａｎｇらの米国特許第５,７８８,７７８号に開示されている。
[0030]一実施形態において、チャンバ１００内で処理されてもよい基板１４０は、表面積が１０,０００ｃｍ２以上、例えば、４０,０００ｃｍ２以上、例えば、５５,０００ｃｍ２以上であってもよい。処理後、基板が切断されて、より小さなソーラーセル又は他のデバイスを形成してもよいことは理解される。
[0031]一実施形態において、加熱素子及び／又は冷却素子１３９が設定されて、約４００℃以下、例えば、約１００℃〜約４００℃、又は約１５０℃〜約３００℃、例えば、約２００℃の堆積中の基板支持アセンブリ温度を示してもよい。
[0032]基板受容面１３２上に配置される基板の上面とガス分配プレート１１０との間の堆積中のわずかな（nominal）間隔は、通常は、４００ミル〜約１,２００ミル、例えば、４００ミル〜約８００ミル、又は望ましい堆積結果を与えるガス分配プレート１１０にわたって他の距離に変えてもよい。凹面下流表面ガス分配プレート１１０が用いられる一つの例示的実施形態施形態において、プレート１１０の縁の中央部分と基板受容面１３２との間の間隔は、約４００ミル〜約１４００ミルであり、プレート１１０の角と基板受容面１３２との間の間隔は、約３００ミル〜約１２００ミルである。
[0033]シリコン膜を堆積するために、シリコンベースのガスと水素ベースのガスが提供される。適切なシリコンベースのガスとしては、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、四フッ化シリコン（ＳｉＦ４）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、及びこれらの組み合わせが挙げられるがこれらに限定されない。適切な水素ベースのガスとしては水素ガス（Ｈ２）が挙げられるがこれに限定されない。ｐ型シリコン層のｐ型ドーパントは、各々がＩＩＩ族元素、例えば、ホウ素又はアルミニウムを含んでもよい。一実施形態において、ホウ素は、ｐ型ドーパントとして用いられる。ホウ素含有供給源の例としては、トリメチルボレート（ＴＭＢ）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、ＢＦ３、Ｂ(Ｃ２Ｈ５)３、ＢＨ３、ＢＦ３、及びＢ(ＣＨ３)３及び類似の化合物が挙げられる。一実施形態において、ＴＭＢは、ｐ型ドーパントとして用いられる。ｎ型シリコン層のｎ型ドーパントは、各々がＶ族元素、リン、ヒ素、又はアンチモンを含んでいてもよい。リン含有供給源の例としては、ホスフィン及び類似の化合物が挙げられる。ドーパントは、典型的には、キャリヤガス、例えば、水素、アルゴン、ヘリウム、及び他の適切な化合物と供給される。本明細書に開示されるプロセス法において、水素ガスの全流量が与えられる。それ故、水素ガスがキャリヤガスとして、例えば、ドーパントとして提供される場合には、キャリヤガス流量を水素の全流量から差し引いて、どのくらいの追加の水素ガスをチャンバに提供するかを決定しなければならない。
[0034]図２は、本発明の一実施形態による曲率表面を持つガス分配プレート１１０の例示的実施形態の断面図である。ガス分配プレート１１０は、バッキングプレート１１２に向いている上側２２０と基板支持アセンブリ１３０に向いている対向する下流側１５０を持っている。一実施形態において、ガス分配プレート１１０の下流側１５０は、基板支持アセンブリ１３０の表面１３２に相対して凹面を持っていてもよい。ガス分配プレート１１０の湾曲下流側１５０は、ガス分配プレート１１０の縁部分２０８より基板支持面１３２から内向きに離れて伸長する中央部分２１０を持っている。ガス分配プレート１１０の下流側１５０は、プレート１１０の縁２０８と４つの角を含む周辺を持っている。ガス分配プレート１１０の下流側１５０が湾曲しているので、ガス分配プレート１１０の角は、基板支持アセンブリ１３０の上面１３２に近い。
[0035]図９Ａに示されるガス分配プレート９０２の一実施形態を更に参照すると、ガス分配プレート９０２は、角９２２、９２４、９２６、９２８と縁９０６、９０８、９１０、９１２を含む周辺を持っている。プレート９０２を通って形成されるアパーチャは、明瞭にするために示されていないことは留意されたい。プレート９０２の縁９０６の中央９１４は、プレート９０２の縁９０８、９１０と角９２２、９２４、９２６、９２８より基板支持アセンブリ１３０から更に間隔が離れている。角９２２、９２４、９２６、９２８を通るアパーチャは、縁９０６の中央９１４を通って形成されたアパーチャと比べて長さが長いので、角９１２、９１４、９２６、９２８を通るフローと比較して縁９０６の中央９１４までプレート９０２を通ってより多くのプロセスガスが分配されるように大きなフローコンダクタンスを持っている。プラズマ増強型ＣＶＤプロセスを用いるポリシリコンを堆積させる場合、結晶体積及び／又は結晶分率の均一性の増加は、プレートの周辺の周りに均一な間隔を持つガス分配プレートと比較して縁と角との間隔勾配を持つガス分配プレートを用いて得られることが見出された。図９Ａに示される実施形態は、プレート９０２の２つの縁のみで画成された縁と角との間隔勾配が示しているが、図９Ｂは、角９６０、９６２、９６４、９６６に比べて４つの縁９５０、９５２、９５４、９５６の各々に沿って画成された間隔勾配を持つガス分配プレート９０４の他の実施形態を示している。更に、ガス分配プレート９０２、９０４は、ガス分配プレート９０２、９０４の平坦側が上に向きつつ間隔勾配が基板に向いて示されているが、ガス分配プレート９０２、９０４の平坦側は基板に向けられてもよく又はガス分配プレート９０２、９０４の両側が縁と角との間隔勾配を含んでいてもよい。
[0036]図２に戻って参照すると、中央部分２１０の下流表面から基板支持面１３２までの距離２０６は、縁部分２０８から基板支持面１３２までの距離２０４より大きく、凹面を形成する。中央部分２１０の下流表面から基板支持面１３２までの距離２０６は、約４００ミル〜約１４００ミルに制御され、縁部分２０８の下流表面から基板支持面１３２までの距離２０４は、約３００ミル〜約１２００ミルに制御される。他の実施形態において、中央部分２１０における下流表面からの距離２０６と縁部分２０８における距離２０４との間の長さの差は、約５０ミル〜約５００ミルに制御される。
[0037]複数のアパーチャ１１１は、開口部がガス分配プレート１１０の上側２２０と下流側１５０上に形成されたプレート１１０の中に形成される。アパーチャ１１１は、異なるプロセス要求を満たすために異なる構成、形、特徴、数を持ってもよい。図２に示される実施形態において、アパーチャ１１１は、第二の穴２１４に結合された第一の穴２１２を含み、ガス源１２０からのガスが基板支持アセンブリ１３０まで貫通して通過することを可能にする流路を集合的に形成する。第一の穴２１２は、ガス分配プレート１１０の上側２２０の中に形成された上開口部２３０を持つ。第一の穴２１２は、第一の深さ２２６に伸び、上開口部２３０から下開口部２３２まで伸びている。下開口部２３２は、第二の穴２１４の上開口部２３４に結合している。第二の穴２１４は、第二の深さ２２８を持ち、ガス分配プレート１１０の上開口部２３４から下流表面１５０上に形成された下開口部２３６まで伸びている。図２に示される実施形態は、第一の穴２１２と第二の穴２１４を含むアパーチャ１１１を示しているが、アパーチャ１１１は、必要に応じて単一の真っ直ぐな孔、又は他の任意の異なる構成であってもよい。
[0038]一実施形態において、第二の穴は、ホロー陰極効果が起こらない範囲で選択された直径２３８を持っている。例えば、堆積中、プラズマを生成して、チャンバ内に供給されるガス混合物をイオン化し、穴が特定の直径を持つ場合にプラズマが第二の穴２１４に入ることになる。第二の穴２１４の中に形成される直径の選択された範囲において、プラズマはガス分配プレート１１０内の第二の穴２１４中に存在し、それによって電子放出、電子の振動運動、ガスのイオン化が増加し、その結果、いわゆる“ホロー陰極効果”が生じて、処理中に残存するプラズマを援助する。対照的に、第二の穴２１４が範囲より小さい直径又は範囲より大きい直径で選ばれる実施形態において、プラズマは第二の穴２１４に残ることができず、それによってプラズマが第二の穴２１４中に残ることを防止すると共に望ましくない過剰反応及び／又は過剰堆積が排除される。一実施形態において、第二の穴２１４の直径２３８は、約０.０１インチ〜約０.８インチの直径を持っている。
[0039]ホロー陰極効果が望ましい一部の実施形態において、第二の穴２１４の直径２３８は、中に作られるホロー陰極効果を可能にするのに充分な約０.０５インチ〜約０.５インチの間の直径を持つように選択されてもよい。
[0040]下流表面１５０が凹面を持つように湾曲されることになるので、ガス分配プレート１１０の中央部分２１０の中に形成される第二の穴２１４は、ガス分配プレート１１０の縁部分２０８の中に形成される深さ２４０より深さ２２８が短くなる。ガス分配プレート１１０の下流表面１５０が異なる構成、例えば、凸面を持つことになる実施形態において、第一の穴と第二の穴の双方の長さ、深さ、直径は異なってもよい。ホロー陰極勾配（ＨＣＧ）（例えば、プレート１１０にわたる勾配を作るために長さ又は直径が異なる穴）と間隔勾配双方が望ましい一部の他の実施形態において、湾曲した下流表面１５０は、プレート１１０と基板支持アセンブリ１３０との間の間隔勾配を与えだけでなく、第二の穴２１４を機械加工して、異なる長さを形成し、それによって基板表面に望ましいホロー陰極勾配と間隔勾配が同時に作られる。
[0041]下流表面１５０と基板支持アセンブリ１３０との間の距離が基板支持面１３２にわたって徐々に変化するので、基板表面上に堆積するように構成される膜も同様に変動してもよい。異なる膜を堆積させることは、チャンバ内に異なるＲＦ電力、ガスフロー、前駆物質化学種、プロセス圧を適用して、プロセスを可能にすることになる。プラズマはチャンバにわたって分配が異なるので、基板表面上に堆積される膜は、異なるプロファイルを持つことになる。更に、ＲＦ電力から発生する定在波効果も、チャンバ内のプラズマとイオン分配とガスフローに影響し、それによって基板表面にわたりプラズマの不均一性が生じることになる。ガス分配プレート１１０の湾曲した下流表面１５０と基板支持面１３２との間に作られる勾配間隔は、チャンバ内の不均一なプラズマ及び／又はガス、イオン分配を相殺することができるように設け、それによって膜特性と膜プロファイルの均一性を調整して、異なるプロセス要求を満たす方法が提供される。
[0042]図３Ａ-図３Ｂは、異なる製造段階におけるガス分配プレート１１０を示す断面図である。図３Ａに示されるように、複数のアパーチャ１１１がプレート１１０の中に予めドリルで穴が開けられてもよい。アパーチャ１１１は、上記図２のように完成したプレート１１０の中に第一の穴２１２、２１８と第二の穴２１４、２１６が形成されている。プレート１１０の中央部分３１０に形成される第一の穴２１２と第二の穴２１４は、縁部分３１２に形成される第一の穴２１８と第二の穴２１６と同一のものである。プレート１１０は、凹面３０６へ機械加工されるか或いは他の方法で形成される平坦下流表面３０２を持っている。機械加工プロセスは、図３Ｂに示されるように、プレート１１０の下流表面３０２からプレート１１０の一部を除去し、縁部分３１２より薄いプレート１１０の中央部３１０を持つプレート１１０の凹面３０６が作られる。プレート１１０の湾曲面３０６は、チャンバ１００内にプレート１１０を取り付ける際に湾曲面３０６と基板支持アセンブリ１３０との間に徐々に変化する距離を作っている。弦の深さ３０４は、湾曲面３０６と（想像線３０２で図示されている）元の平坦な表面との間に約０.０５インチ〜約１インチで作られ、それによって湾曲面３０６と向いている基板支持アセンブリとの間に徐々に変化する距離が作られる。湾曲面３０６と元の平坦な表面（想像線３０２で図示されている）との間に形成される弦の深さ３０４は、プレート１１０のサイズに相対して小さい。一実施形態において、最大の弦の深さ３０５は、プレート１１０の特徴的な長さの約３パーセント以下の長さ、例えば、約０.１パーセント〜約２.０パーセントに制御されてもよい。弦の深さ３０４を矩形プレート又は円形プレートと比較するために、特徴的な長さは“相当半径（equivalnet radius）”であると見なされる。円形ディフューザの場合、相当半径はプレートの半径に等しい。正方形プレート又は矩形プレートの場合、相当半径は対角線の１／２である。寸法が約２２００ｍｍ×１８７０ｍｍのプレートの実施形態において、相当半径は約１４４０ｍｍであり、最大の弦の深さ３０４は約２８.４ｍｍである。
[0043]一実施形態において、第二の穴２１４の構成は、機械加工プロセス後に変更されてもよい。プレート１１０のより多量の中央部分３１０が機械加工されて、湾曲面３０６が作られてもよい。第二の穴２１４の一部が機械加工されて、それによって第二の穴２１４の深さ及び／又は長さが短くなってもよい。それ故、中央部分３１０における機械加工された第二の穴２１４は、縁部分２０８における第二の穴２１６より深さ及び／又は長さが短い。
[0044]他の実施形態において、アパーチャ３２０は、プレート１１０の湾曲面３０６が機械加工された後にドリルで穴が開けられてもよい。アパーチャのドリルでの穴あけプロセスと機械加工プロセスの順序は、異なる製造要求に従って変動してもよい。
[0045]他の実施形態において、熱アニールプロセスがプレート１１０上で行われて、その下流表面上の湾曲面を形成してもよい。熱アニールプロセスは、プレート１１０を炉のようなエンクロージャの中に設けて、プレート１１０を熱処理することによって行われてもよい。プレート１１０が加熱され軟化するので、プレート１１０は重力によって引っ張られてたるみ、プレート１１０の下流表面上に望ましい湾曲面を形成する。異なる製造方法の例は、２００６年１０月１２日に公開されたＣｈｏｉらの米国特許公開第２００６／０２２８４９６号に開示されている。湾曲面を形成するための熱アニールプロセスは、図３Ａ-図３Ｂに記載される機械加工プロセスによって形成される表面曲率とは対照的に、より小さな曲率がプレート１１０上に形成されるように望まれる実施形態において用いられる場合がある。
[0046]図４は、ガス分配プレート４００の中に形成されたアパーチャ４１２を示す実施形態である。アパーチャ４１２は、異なる深さ、直径、形等を持つ異なる方法によってプレート４００の中に形成されてもよい。一実施形態において、アパーチャ４１２は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械加工によってプレート４００の中に形成されてもよい。ある種の望ましい構成を持ったアパーチャ４１２の分配は、プレート４００の中に予めドリルで穴が開けられてもよい。一実施形態において、アパーチャの一部は、プレートの一部に予めドリルで穴が開けられてもよい。その後、他のアパーチャが、プレート４００にわたって望ましい分配が完成するまでプレート４００の残りの部分にドリルで穴が開けられてもよい。一実施形態において、アパーチャ４１２は、第二の深さ４０４を持つ第二の穴４１０を接続している第一の深さ４０２を持つ第一の穴４０８を持っている。第二の穴４１０は、処理中に基板支持アセンブリ１３０に向くように構成されるプレート４００の下流表面４１４に形成される。一実施形態において、第一の穴４０８の深さは、約０.２インチ〜２インチであり、第二の穴の深さは、約０.１インチ〜約１インチである。第二の穴４１０は、ホロー陰極効果が起こらない望ましい範囲内で選択された直径４０６を持っている。一実施形態において、第二の穴４１０の直径４０６は、プラズマが第二の穴４１０の中に存在してホロー陰極効果を作ることができない約０.０５インチ未満の範囲で選ばれてもよい。他の実施形態において、第二の穴４１０の直径４０８は、第二の穴４１０の中で電子振動を防止する約０.５インチを超える範囲で選択され、それによってホロー陰極効果が第二の穴４１０の中で作られることを防止してもよい。ホロー陰極効果が望ましい場合がある一部の実施形態において、第二の穴４１０の直径４０８は、約０.０５インチ〜約０.５インチに制御されてもよい。
[0047]図５Ａ-図５Ｆは、プレートの中に形成される第二の穴５０１-５０６の構成が異なるアパーチャ５０７-５１２を示す図である。第二の穴５０１-５０６は、異なる構成、例えば、正方形５０１、段差壁形５０２、円錐形５０３、ラッパ形５０４、多段差壁形５０５、円いラッパ形５０６等を持ってもよい。第一の穴５１３-５１８は、異なるプロセス要求を満たすために変動してもよい。
[0048]図６は、異なる構成を持ったアパーチャ６０８がプレート６００の中に形成された湾曲したガス分配プレート６００の他の実施形態を示す図である。アパーチャ６０８は、その間に形成されたオリフィス６０４により接続された第一の穴６０６と第二の穴６０２を持っている。第一の穴６０６は、プレート６００の上側６１２上に第一開口部６１０が形成されたプレート６００の上部に形成される。第二の穴６０２は、基板支持アセンブリ１３０に向かって開口部６１６が開放されたプレート６００の湾曲した下流側６１４に形成される。第二の穴６０２の開口部６１６は、望ましい角度でラッパ状に広がり、それによって基板表面にわたるプロセスガスの均一分配を援助する。第二の穴６０２の構成は、その中にホロー陰極効果を作らないように制御されてもよい。或いはまた、第二の穴６０２の構成は、ホロー陰極効果を可能にするか又は阻止するいかなる方法で制御されてもよい。
[0049]図７は、勾配間隔がチャンバ１００内に配置された湾曲した基板支持アセンブリ７０２によって作られてもよい他の実施形態を示す図である。基板支持アセンブリ７０２は、支持アセンブリ７０２の縁部分７０６より厚い中央部分７０８と、縁部分７０６より薄い角７２０を持つ、凹面のような湾曲面７０４を持ってもよい。或いはまた、基板支持アセンブリ７０２は、凸面又は凹面の基板支持面を持ってもよい。例えば、中央部分７０８は、縁部分７０６の上に持ち上がっていてもよい。基板支持体の凸形もまた、基板と基板表面との間に空気が封入される（entrapped）ことを防止するのを援助する。基板支持アセンブリ７０２が湾曲していてもよいので、チャンバ内に配置された基板支持アセンブリ７０２とガス分配プレート７１６との間の距離は、望ましい処理結果を得るように選択されてもよい。一実施形態において、基板支持アセンブリ７０２の中央部分７０８とガス分配プレート７１６との間の距離７１０は、基板支持アセンブリ７０２の縁部分７０６からプレート７１６の間の距離より大きくてもよく又は逆もまた同じである。一実施形態において、基板支持アセンブリ７０２の中央７０８と縁部分７０６との間の厚さの差（即ち、中央７０８は縁７０６より厚いか又は薄い）は、約０.０５インチ〜約０.５インチであってもよい。図７に示される実施形態において、ガス分配プレート７１６は、基板支持アセンブリ７０６の凸面に向いている湾曲した下流表面を持っている。或いはまた、ガス分配プレート７１６は、異なるプロセス要求を満たすように選択された任意の異なる種類の構成を持っていてもよい。例えば、第一の下流表面を持つガス分配プレートは、凸面又は凹面基板支持面と用いられる。基板支持アセンブリ７０２とガス分配プレート７１６の表面曲率は、必要に応じて異なる組み合わせを持たせてもよい。
[0050]図８に示される例示的な実施形態において、勾配間隔は、下流表面８１２がほぼ平面のガス分配プレート８１６を持つチャンバ１００内に配置された湾曲した基板支持アセンブリ８０２によって作られてもよい。基板支持アセンブリ８０２が、基板支持アセンブリ８０２の縁部分８０６と角８２０より厚い中央部分８０８を持つ凸面８０４を持つように湾曲されているので、基板支持アセンブリ８０２の中央部分８０８とガス分配プレート８１６との間の距離８１０は、基板支持アセンブリ８０２の縁部分８０６からプレート８１６までの距離８１４より小さくなり、縁部分８０６とガス分配プレート８１６との間の距離は、角８２０とプレート８１６との間の距離より小さい。或いはまた、ガス分配プレート８１６と基板支持アセンブリ８０２は、任意の構成の形態であってもよく、必要に応じて個々の任意のプロセスのその任意の組み合わせであってもよい。
[0051]湾曲したガス分配アセンブリ及び／又は湾曲した基板支持アセンブリを用いるソーラーセル用途のシリコン膜を堆積させる例示的な実施形態において、堆積プロセスは、アモルファス層又は微結晶層を堆積させるように構成されていてもよい。微結晶層は、ソーラーセルデバイスのｐ-ｉ-ｎ接合部内に形成されたｉ型層であってもよい。ｐ-ｉ-ｎ接合部は、上に堆積された第１透明導電酸化物（ＴＣＯ）層を持つガラス基板上に形成されていてもよい。更に、第二透明導電酸化物ＴＣＯ層は、ｐ-ｉ-ｎ接合部の最上部に堆積されて、望ましいソーラーセルデバイスを形成してもよい。或いはまた、微結晶層は、他のデバイスを形成するために用いてもよい。真性型微結晶シリコン層を堆積させる実施形態において、シランガスと水素ガスの比が約１：２０〜約１：２００のガス混合物が、チャンバ１００内に供給されてもよい。ガス分配プレートと基板支持アセンブリとの間に画成された勾配間隔は、弦の深さが約０.０５インチ〜約０.５インチを持つように選択される。或いはまた、勾配間隔は、ガス分配プレートと基板支持アセンブリとの間の距離が約３００ミル〜約１４００ミルを持つように選択されてもよい。シランガスは、約０.５ｓｃｃｍ／Ｌ〜約５ｓｃｃｍ／Ｌの流量で供給されてもよい。水素ガスは、約４０ｓｃｃｍ／Ｌ〜約４００ｓｃｃｍ／Ｌの流量で供給されてもよい。一部の実施形態において、シランガス流量は、堆積中に第一流量から第二流量に増加させてもよい。一部の実施形態において、水素ガス流量は、堆積中に第一流量から第二流量に減少さてもよい。約３００ミリワット／ｃｍ２以上、好ましくは６００ミリワット／ｃｍ２以上のＲＦ電力が、ガス分配プレートに与えられてもよい。一部の実施形態において、電力密度は、堆積中に第一電力密度から第二電力密度に減少されてもよい。チャンバの圧力は、約１トール〜約１００トール、例えば、約３トール〜約２０トール、例えば、約４トール〜約１２トールに維持される。或いはまた、堆積中の圧力は、所定の期間の処理後、第一圧力から第二圧力に増加させるように１つ以上のステップに分けられてもよい。真性形微結晶シリコン層の堆積速度は、約２００オングストローム／分以上、望ましくは５００オングストローム／分であってもよい。微結晶真性層を堆積させるための方法及び装置は、“光電池装置の微結晶シリコン層を堆積させるための方法及び装置”と称する２００６年６月２３日に出願された米国特許出願第１１／４２６,１２７号に開示され、本開示内容と矛盾しない範囲で全明細書に援用されている。微結晶シリコン真性層は、約２０パーセント〜約８０パーセント、例えば、約５５パーセント〜約７５パーセントの結晶分率を持っている。
[0052]従って、ソーラーセル用途に適したシリコン膜を堆積させるために勾配間隔が基板支持アセンブリとガス分配プレートとの間に作られた装置が提供される。改良された装置は、有利には、基板上に堆積された膜プロファイルと膜特性のより良好な制御を与え、それによって膜品質、光電変換効率、デバイス性能が向上する。特に、基板の角における結晶体積と結晶分率は、従来の実施より改善されている。
[0053]上記は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他の多くの実施形態が本発明の基本範囲から逸脱せずに構成されてもよく、本発明の範囲は以下の特許請求によって決定される。
１００…チャンバ、１０２…壁、１０４…底部、１０６…プロセス容積、１０８…バルブ、１０９…真空ポンプ、１１０…ガス分配プレート、１１１…アパーチャ、１１２…バッキングプレート、１１４…サスペンション、１１６…中央支持体、１１８…上面、１２０…ガス源、１２２…ＲＦ電源、１２４…遠隔プラズマ源、１３０…基板支持アセンブリ、１３１…接地ストラップ、１３２…基板受容面、１３３…シャドウフレーム、１３４…ステム、１３６…リフトシステム、１３８…リフトピン、１３９…加熱素子又は冷却素子、１４０…基板、１５０…下流表面、２０４…距離、２０６…距離、２０８…縁部分、２１０…中央部分、２１２…第一の穴、２１４…第二の穴、２１６…第二の穴、２１８…第一の穴、２２０…上側、２２８…第二の深さ、２３０…上開口部、２３２…下開口部、２３８…直径、２４０…深さ、３０２…下流表面、３０４…弦の深さ、３０６…凹面、３１０…中央部分、３１２…縁部分、３２０…アパーチャ、４００…プレート、４０２…第一の深さ、４０４…第二の深さ、４０８…第一の穴、４１０…第二の穴、４１２…アパーチャ、４１４…下流表面、５０１…正方形、５０２…段差壁形、５０３…円錐形、５０４…ラッパ形、５０５…多段差壁形、５０６…丸いラッパ形、５０７…アパーチャ、５０８…アパーチャ、５０９…アパーチャ、５１０…アパーチャ、５１１…アパーチャ、５１２…アパーチャ、６００…ガス分配プレート、６０２…第二の穴、６０６…第一の穴、６０８…アパーチャ、６１０…第一開口部、６１２…上側、６１４…下流側、６１６…開口部、７０２…基板支持アセンブリ、７０４…湾曲面、７０６…縁部分、７０８…中央部分、７１０…距離、７１６…ガス分配プレート、７２０…角、８０２…基板支持アセンブリ、８０４…凸面、８０６…縁部分、８０８…中央部分、８１０…距離、８１６…ガス分配プレート、８２０…角、９０２…ガス分配プレート、９０６…縁、９０８…縁、９１０…縁、９１２…縁、９１４…中央部、９２２…角、９２４…角、９２６…角、９２８…角、９５０…縁、９５２…縁、９５４…縁、９５６…縁、９６０…角、９６２…角、９６４…角、９６６…角。

Claims (23)

  1. ソーラーセル用途に適した膜を堆積させる装置であって、
    処理チャンバと、
    該処理チャンバ内に配置され且つ上部に四辺形基板を支持するように構成された基板支持体と、
    該基板支持体の上に該処理チャンバ内に配置されたガス分配プレートであって、該ガス分配プレートの底面が縁と角を含む周辺を持ち、また、該ガス分配プレートの該角が該ガス分配プレートの該縁より該基板支持体に近い、前記ガス分配プレートと、
    を備える、前記装置。
  2. 該ガス分配プレートの該底面が、更に、該ガス分配プレートの該縁より該基板支持体から更に離間されている中央を備えている、請求項１に記載の装置。
  3. 該基板支持体が、更に、
    湾曲した上面、
    を備えている、請求項１に記載の装置。
  4. 該ガス分配プレートを通って形成される複数のアパーチャ、
    を更に備える、請求項１に記載の装置。
  5. 該アパーチャの直径が、約０.０１インチ〜約１インチである、請求項４に記載の装置。
  6. 該ガス分配プレートの中央の厚さが、該ガス分配プレートの該縁の厚さより大きい、請求項５に記載の装置。
  7. 該ガス分配プレートが、湾曲した下流表面を持っている、請求項１に記載の装置。
  8. 該湾曲面が、該ガス分配プレート上にあり、弦の深さが約０.０５インチ〜約１インチである、請求項７に記載の装置。
  9. 該湾曲面が、該ガス分配プレート上に形成され、弦の深さが該プレートの長さの約３パーセントを超えない、請求項７に記載の装置。
  10. ソーラーセル用途に適した膜を堆積させる装置であって、
    処理チャンバと、
    該処理チャンバ内に配置され且つ上部に四辺形の基板を支持するように構成される基板支持体と、
    該基板支持体の上に該処理チャンバ内に配置されたガス分配プレートであって、該ガス分配プレートの底面が、縁と角を含む周辺を持ち、また、該ガス分配プレートの該縁が、凹面である、前記ガス分配プレートと、
    を備える、前記装置。
  11. 該ガス分配プレートの該角の厚さが、該縁の中間点での該ガス分配プレートの厚さより大きく、また、該ガス分配プレートの中央の厚さが、該縁の該中間点での該厚さより小さい、請求項１０に記載の装置。
  12. 該ガス分配プレートが、更に、
    貫通して形成される複数のアパーチャであって、該ガス分配プレートの該縁に沿って位置する該アパーチャのフローコンダクタンスが、該ガス分配プレートの角に位置する該アパーチャのコンダクタンスより大きく且つ中央に位置する該アパーチャのコンダクタンスより小さい、前記複数のアパーチャ、
    を備える、請求項１０に記載の装置。
  13. ソーラーセル用途に適したシリコン膜を堆積させる方法であって、
    基板支持体に向いているガス分配プレートを持つ処理チャンバ内に基板を準備するステップであって、該ガス分配プレートの角と該基板支持体との間の間隔が、該ガス分配プレートの縁の中間点と該基板支持体との間の間隔より近い、前記ステップと、
    該ガス分配プレートに処理ガスを流し込むステップと、
    該基板上にシリコン膜を堆積させるステップと、
    を含む、前記方法。
  14. 該ガス分配プレートにガスを流し込むステップが、更に、
    該処理ガスが該チャンバ内に提供される該ガス分配プレートのアパーチャの中にプラズマ放電が形成することを防止する段階、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 該シリコン膜が、微結晶シリコン層である、請求項１３に記載の方法。
  16. 該ガス分配プレートにガスを流し込むステップが、更に、
    該ガス分配プレートを通って形成される複数のアパーチャを通って、シリコンを含有するガス混合物を供給する段階であって、該アパーチャの直径が、約０.０１インチ〜約１インチである、前記段階、
    を含む、請求項１３に記載の方法。
  17. 該ガス混合物を供給する段階が、更に、
    シランガスと水素ガスを１：２〜１：２００の比で供給すること、
    を含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 該微結晶シリコン層が、ソーラーセルデバイスに用いるのに適したｐ型層上に堆積されたｉ型層である、請求項１３に記載の方法。
  19. ソーラーセル用途に適したシリコン膜を堆積させる方法であって、
    基板支持アセンブリに向いているガス分配プレートを持つ処理チャンバ内に基板を準備するステップであって、該ガス分配プレートと該基板支持アセンブリが、間に画成された縁と角との勾配間隔を持つ、前記ステップと、
    該ガス分配プレートを通って形成された複数のアパーチャを通って該チャンバ内にガス混合物を供給するステップであって、該ガス混合物のシランガスと水素ガスとの比が１：２０〜１：２００である、前記ステップと、
    該基板上にシリコン膜を堆積させるステップと、
    を含む、前記方法。
  20. 該勾配間隔が、該基板支持アセンブリに向いている該ガス分配プレートの湾曲面によって画成されている、請求項１９に記載の方法。
  21. 該勾配間隔が、該ガス分配プレートに向いている該基板支持アセンブリの湾曲面によって画成されている、請求項１９に記載の方法。
  22. 該シリコン膜が、微結晶シリコン層である、請求項１９に記載の方法。
  23. 該微結晶シリコン層が、ソーラーセルデバイスに用いるのに適したｐ型層上に堆積されたｉ型層である、請求項２２に記載の方法。
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