JP2805611B2 - 被膜作製方法 - Google Patents

被膜作製方法

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JP2805611B2 JP8159121A JP15912196A JP2805611B2 JP 2805611 B2 JP2805611 B2 JP 2805611B2 JP 8159121 A JP8159121 A JP 8159121A JP 15912196 A JP15912196 A JP 15912196A JP 2805611 B2 JP2805611 B2 JP 2805611B2
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舜平 山崎
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明はプラズマ気相法によ
り、再現性、特性のよい被膜を作製する方法に関するも
のである。 【0002】 【従来の技術】従来のプラズマCVD法は、一つの反応
炉を使用して、PIN接合等を有する半導体装置の作製
が行われていた。しかし、このプラズマCVD法は、一
つの反応炉を使用して、異なる接合の作製を繰り返し行
うと、全くわけのわからない膜質の劣化、バラツキに悩
まされてしまい、半導体装置としての信頼性に不適当な
ものしかできなかった。このことは、炭素または炭素を
主成分とする膜を形成する場合であっても同様であっ
た。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、工程毎のバ
ラツキを抑え、品質の揃った炭素または炭素を主成分と
する膜を形成することを課題とする。特に、反応装置の
内壁や石英ホルダ等に存在するナトリウムの如きアルカ
リ金属を除去することを課題とする。 【0004】 【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本発明の被膜作製方法は、プラズマ気相法
により反応容器内に設けられた基板上に被を形成するに
際し、プラズマ化させた水素中に1%ないし5%の塩化
水素または塩素を添加した気体により前記反応容器の内
壁または基板ホルダに形成されたナトリウムの如きアル
カリ金属をプラズマクリ−ニングし、その後、前記反応
容器内に基板を配設し、プラズマ気相法により被膜を形
成することを特徴とする。 【0005】すなわち、本発明においては、前回作られ
た層のうち、反応装置の内壁、基板ホルダ等の表面に付
着したアルカリ金属等を水素中に含んだ塩素または塩化
水素等の反応性気体をプラズマ化することにより除去し
てしまう工程を設けることを特徴としている。 【0006】 【発明の実施の形態】以下、本発明は、多量生産用に横
型に配置された反応炉または反応筒(10cmφ〜30
cmφ、長さ1m〜5m)を用いる方法を中心として記
す。本発明は、かかる反応炉または反応筒の外側に一対
の反応性気体をプラズマ化する電磁エネルギ供給用の電
極と、当該電極の外側にこの反応炉または反応筒とを囲
んだ加熱装置とを具備し、この反応炉内を炉方向に反応
性気体を流し、この気体の流れに沿って基板を配置す
る。 【0007】さらに、かかる装置内に一対の電極により
発生する電磁界に垂直または平行に基板を配置し、これ
を複数段または複数列配置して2cm平方〜20cm平
方の基板、たとえば、10cm平方の基板を20段20
列計400枚の被形成面上に一度に膜、たとえば、炭
素、炭化珪素膜を形成せしめる。 【0008】そして、炭素−珪素結合を有する水素化物
またはハロゲン化物(炭化珪化物気体)よりなる反応性
気体、アセチレン等の炭化水素を用いて、被形成面上に
非単結晶の炭素、または炭素を主成分とする膜を0.0
5torr〜1torrの反応圧力で100度C〜40
0度Cの温度で形成せしめる。 【0009】また、さらに、かかる反応性気体に3価の
不純物であるB、Al、Ga、Inを含む不純物気体、
たとえば、ジボラン(B26 )、5価の不純物を含む
不純物気体、たとえば、フォスヒン(PH3 )またはア
ルシン(AsH3 )を漸次添加して、被形成面を有する
基板上に密接してP型層、I型層、およびN型層をPI
Nの順序にて積層形成せしめる。 【0010】さらに、プラズマ化する電磁エネルギのパ
ワ−により、アモルファス構造の半導体(ASとい
う)、5Å〜100Åの大きさの微結晶性を有するセミ
アモルファス(半非晶質、以下SASという)、または
5Å〜200Åの大きさのポリクリスタル(多結晶、以
下PCという)の構造を有する膜を作製することができ
る。 【0011】さらに、プラズマ反応に200W〜500
Wという高いエネルギが必要な場合であっても、被形成
面上には、このスピ−シスの実質的なプラズマエネルギ
を得る距離を基板間の距離で制御することができる。 【0012】本発明を利用して、炭化珪素を作ろうとす
る場合、炭素−珪素結合を有する材料を用いればよい。
すなわち、炭素−珪素結合を有する水素化物、またはハ
ロゲン化物、たとえば、テトラメチルシラン(Si(C
34 )(TMS)、テトラエチルシラン(Si(C
254 )、Si(CH3 )xCl4-x(1≦x≦
3)、Si(CH3 )xH4-x(1≦x≦3)等の反応
性気体を用いればよい。 【0013】炭素を得ようとする時は、アセチレン(C
22 )またはエチレン(C24)を主として用いる
ことができる。こうすることにより、炭化珪素( Six
1-x ) (0≦x<0.5)、または炭素(C)(これ
らを合わせるとSix 1-x(0≦x<0.5)と示す
ことができるため、以下炭化珪素という時はSix
1-x (0≦x<0.5)を意味するものとする。) 【0014】さらに、ここに3価または5価の不純物を
添加して被形成面よりP型、I型(真性またはオ−トド
−ピング等を含む人為的に不純物を添加しない実質的に
真性)、さらに、N型の半導体または半絶縁体を作製す
ることができる。 【0015】さらに、かかる反応性気体を用いると、反
応炉を1気圧以下、特に0.01torr〜10tor
r、代表的には0.3torr〜0.6torrの圧力
下にて50W以下の電磁エネルギにおいても、たとえ
ば、0.01MHz〜100MHz、特に500KHz
または13.56MHzにおいて被膜を形成することが
可能である。すなわち、低エネルギプラズマCVD装置
とすることができる。 【0016】さらに、50W〜500Wという高エネル
ギプラズマ雰囲気とすると、形成された炭化珪素は、微
結晶化し、その結果、P型またはN型において、ホウ素
またはリンを0.1%〜5%(ここでは(B26 また
はPH3 )/(炭化物気体または炭化珪化物気体の比を
パ−セントで示す)添加した場合、低エネルギで、電気
伝導度が10-9(Ωcm)-1〜10-3(Ωcm)-1であ
ったものが10-6(Ωcm)-1〜10+2(Ωcm)-1
約千倍にまで高められた。 【0017】さらに、この高エネルギ法を用いて得られ
た炭化珪素は、5Å〜200Åの大きさの微結晶構造を
有せしめることができる。かかる構造において、そのP
型またはN型の不純物のアクセプタまたはドナ−となる
イオン化率は、97%〜100%を有し、添加した不純
物のすべてを活性化することができる。 【0018】 【実 施 例】以下、図面に従って本発明の実施例を説
明する。図1は本発明を用いたプラズマCVD装置の概
要を説明するための図である。図1において、被形成面
を有する基板(1)は、角型の石英ホルダによって保持
され、7段2列計14枚で1構成となっている。基板
(1)およびホルダは、入口(30)より、反応炉(2
5)の前方の別室(29)に予め配置される。別室(2
9)は、バルブ(32)、ロ−タリポンプ(33)によ
り真空引きがなされる。さらに、前記基板(1)および
ホルダは、開閉扉(34)を開けて、反応炉内に自動送
り装置により導入されると共に、さらに、ミキサ用混合
板(35)も同時配置される。これらは、反応炉(2
5)および別室(29)とともに真空状態にされ、反応
炉(25)内に酸素(空気)が少しでも混入しないよう
に努めた。さらに、開閉扉(34)を閉じたことによ
り、図1の如く電極(9)、(10)の間に基板(1)
が配置された。 【0019】また、図1は反応系を上方より眺めた構造
を示したものである。基板(1)は、互いに裏面を合わ
せて垂直に配置させている。かくの如く、重力を利用し
てフレイクを下部に除去することは、量産歩留まりを考
慮する時、きわめて重要である。さらに、この基板
(1)を挿入させた反応炉(25)には、この基板
(1)に垂直または平行(特に、平行にすると膜の均一
性が得やすい)に電磁エネルギの電界が図2(A)また
は(B)、特に、(B)の如くに加わるように一対の電
極(9)、(10)を上下または左右に配置して設け
た。この電極の外側に電気炉(5)が設けられており、
基板(1)が100度C〜400度C、代表的には30
0度Cに加熱されている。 【0020】反応性気体は、水素またはヘリウムのキャ
リアガス、たとえば、ヘリウムを導入口(13)より、
3価の不純物であるジボランを導入口(14)より、5
価の不純物であるフォスヒンを導入口(15)より、4
価の添加物である珪化物気体のシランを導入口(16)
より導入した。 【0021】また、炭素−珪素結合を有する反応性気体
テトラメチルシラン(20)TMSを用いると、初期状
態で液体であるためステンレス容器(21)に保存され
る。この容器は、電子恒温槽(22)により所定の温度
に制御されている。 【0022】このテトラメチルシラン(20)TMS
は、沸点が25度Cであり、ロ−タリポンプ(12)、
バルブ(11)を経て排気させ、反応炉(25)内を
0.01torr〜10torr、特に、0.02to
rr〜0.4torrに保持させた。こうすることによ
り、1気圧より低い圧力により、結果として、特に、加
熱しなくともテトラメチルシラン(20)TMSを気化
させることができる。この気化したテトラメチルシラン
(20)TMSを100%の濃度で流量計を介して反応
炉に導入することは、従来の如くステンレス容器(2
1)をバブルして反応性気体を放出するやり方に比較し
て、その流量制御が精度よく可能であり、技術上重要で
ある。 【0023】また、反応炉(25)またはホルダ(2)
の内壁または表面に付着した反応生成物を除去する場合
は、導入口(17)より弗素化合物気体CF4 または酸
素との混合気体CF4 +O2 (2〜5%)を導入し、電
磁エネルギを加えてフッ素ラジカル、酸素ラジカルを発
生させて気相エッチングをして除去した。 【0024】さらに、このプラズマ放電においては、反
応性気体が混合室(8)を経て混合された後、励起室
(26)において分解または反応をおこさしめ、反応生
成物を基板上に形成する空間反応を主として用いた。電
磁エネルギは電源(4)より直流または高周波を主とし
て用いた。 【0025】このようにして被形成面上に炭化珪素膜を
形成した。たとえば、基板温度300度C、高周波エネ
ルギの出力25Wにおいて、シランまたはテトラメチル
シラン(20)TMSを50cc/分、キャリアガスと
してのHeを250cc/分で供給した。(反応性気体
/He)5において、160Å/分の膜成長速度を得る
ことができた。 【0026】さらに、この膜形成は、PIN接合、PN
接合、PI、NI接合、PINPIN接合等、その必要
な厚さに必要な反応生成物を基板上に漸次積層して形成
させることができた。 【0027】このようにして、被形成面上に膜を形成さ
せた後、反応性気体を反応筒より十分にパ−ジした後、
開閉扉(34)を開け、ミキサ用混合板(35)、ジグ
(3)上の基板(1)を別室(29)に自動引き出し、
管により反応炉(25)および別室(29)をともに真
空(0.01torr以下)にして移動させた。さら
に、開閉扉(34)を閉じた後、別室(29)に排出口
(31)よりバルブを開けて空気を充填し大気圧とした
後、外部にジグ(3)および膜の形成された基板(1)
を取り出した。 【0028】反応性気体は、混合室(8)にて混合され
た後、排気口(6)に層状(ミクロにはプラズマ化され
た状態ではランダム運動をしていた)に流し、この流れ
に平行に基板(1)を配置して、被形成面上にその膜厚
が±5%以内のバラツキで0.1μm〜3μmの厚さに
膜を形成せしめる。 【0029】図2(A)および(B)は図1における排
気口方向よりみた基板の配置と電極との関係を示す図で
ある。図2(A)は、基板(1)を水平、電極(9)、
(10)による電磁界を水平方向に配置したもので、こ
の場合、一度に導入できる基板(1)の枚数を増やすこ
とができる。 【0030】図2(B)は、電極(9)、(10)によ
る電磁界、基板(1)ともに垂直にしたもので、基板
(1)の配置数が(A)の2倍になる。図3(A)ない
し(E)は本発明の炭素膜作製方法の操作手順チャ−ト
を示す図である。 【0031】図3において、“0”である符号(49)
は、反応炉(25)の真空引きによる0.01torr
以下の圧力を保持していることを示す。さらに、“1”
の符号(40)は、本発明による反応炉(25)または
反応筒およびホルダ(2)に炭素または炭化珪素をコ−
ティングすることを示す。 【0032】このコ−ティングは、その詳細を示すと、
図3(B)、(C)である。図3(B)は、真空引き
(49)により0.01torr以下にし、10分〜3
0分保持した後、水素を電磁エネルギにより0分〜30
分、30W〜50Wの出力によりプラズマクリ−ニング
を行い、反応炉(25)の壁面等に吸着した不要物質、
水分、酸素を除去した。さらに、その水素を除去した
後、ヘリウムを同時に30W〜50Wの出力で、10分
〜30分プラズマ化(51)し、さらに、表面の水素を
除去した。この水素プラズマ発生(50)に対しては、
水素中に1%〜5%の濃度でHClまたはClを添加し
て行うと、塩素ラジカルが同時に発生し、このラジカル
が石英等ホルダの内側に存在しているナトリウムの如き
アルカリ金属を吸いだす効果を有する。このため、バッ
クグラウンドレベルでのナトリウム、水分、酸素の濃度
を形成された膜中にて、1014cm-3以下にすることが
でき、きわめて重要な前処理工程であった。 【0033】この塩素を添加した場合、さらに、この壁
面に残留吸着した塩素を除去するため、不活性気体によ
るスパッタリング(51)による除去も有効であった。
かかる石英等の反応容器は、内壁を十分プラズマクリ−
ニングすることによりこの容器内壁に不純物のプラズマ
で放出し易い状態を抑える膜を十分密着させることがで
きる。かくすると、この膜を数十μmの厚さまで形成し
ても残留応力等により壁面からこの保護膜が剥がれ、フ
レ−ク(粉)となり、被膜中に注入されるのを防ぐこと
ができる。 【0034】この後、これらの系を真空引き(49)し
た後、炭化物気体であるエチレンまたは炭化珪素化物で
あるテトラメチルシラン(20)TMSを導入し、プラ
ズマエネルギにより分解して、0.1μm〜2μm、代
表的には、0.2μm〜0.5μmの厚さに形成させ
た。これらの膜を形成させる際、高い電磁エネルギが加
わる領域、すなわち、不純物が再放出され易い領域、特
に、厚く付き易く、二重に好ましい結果をもたらした。 【0035】かかる本発明の複雑な前処理工程を行わな
い場合であっても、図3(C)に示す如く真空引き(4
9)の後、炭素または炭化珪素を(52)において同様
に0.1μm〜2μm形成し、反応炉壁からの酸素、ア
ルカリ金属の再放出を防ぐことが有効であった。 【0036】また、図3(A)においては、炭素膜作製
のため、基板のコ−ティング、系の真空引き(49)、
さらに、P型またはN型半導体層の作製(42)、I型
半導体層の作製(43)、N型層の作製(44)を行
い、第1の装置を作製(48)した。この装置は、前記
したPI、NI、PIN、PN等の接合を少なくとも1
つ有するディバイス設計仕様によって作られなければな
らないことはいうまでもない。 【0037】さらに、この後、この系に対し、反応炉
(25)のみ、またはこの反応炉(25)とホルダ
(2)とを挿入設置された反応系に対し(46)に示す
I型半導体層または(42)に示す層と同じ層のコ−テ
ィングにより前の装置作製の際用いられた工程(44)
の履歴が次の処理工程に対して影響を与えないようにし
た。その詳細は、図3(B)、(C)、(D)、(E)
に示す。 【0038】すなわち、図3(B)は、前記した前処理
と同じく真空引き(49)、水素プラズマ放電(5
0)、ヘリウムプラズマ処理(51)、半導体装置の処
理工程の最初の工程の半導体層を形成する工程(52)
を有する。しかし、この(50)(51)がすでに図3
(A)での(46)で行われているため、一般には、図
3(C)の(52)での0.1μm〜2μmの厚さの半
導体層の作製で十分であった。 【0039】また、この前の装置の作製(40)、すな
わち前の処理工程での履歴をなくすため、図3(D)、
(E)に示すプラズマエッチング工程を行ってもよい。
すなわち、図3(B)は、真空引き(49)、CF4
たはCF4 +O(約5%)を図1での導入口(17)よ
り導入し、20分〜1時間プラズマエッチング(53)
を行った。さらに、真空引き(49)をして、その後、
C、Fの残留物を除去するため、水素プラズマ処理(5
0)を10分〜30分、さらに、このI層に0.05μ
m〜0.5μmのI型、または次の工程の最初の処理工
程の半導体層(42)と同様の導電型成分の半導体層の
作製を行った。この方法が最も徹底して再現性を保証す
ることができた。 【0040】簡単な方法としては、図3(E)に示す
(49)の真空引き、プラズマエッチング(53)残部
吸着ガスの除去(50)の工程を行った。 【0041】かくすることにより、第1の半導体装置の
作製(48)の最後工程(44)と次の工程(48)の
最初の工程(42)との間でP型またはN型の不純物が
互いに(42)にて混入する可能性を除去することがで
きた。 【0042】図4(A)および(B)は、本発明の実施
例による方法で作られた光電変換装置の結果を説明する
ための図である。この場合、基板(1)として金属、た
とえば、ステンレス基板または透光性基板であるガラス
上にITOを500Å〜2000Åの厚さで形成し、さ
らに、この上に酸化スズまたは酸化アンチモンを100
Å〜500Åの厚さで形成させた多重膜の電極を有する
基板を用いた。この上に、P型炭素を主成分とする炭化
珪素(Six 1-x 0≦X<1)(たとえば、X=
0.3〜0.5)を100Å〜300Åの厚さ、またこ
の上面に真性または実質的に真性のアモルファス半導体
(AS)、またはセミアモルファス半導体(SAS)の
珪素を0.4μm〜0.7μmの厚さに、さらに、この
上面にN型炭素を主成分とする炭化珪素(Six 1-x
0≦X<1)(たとえば、X=0.3〜0.5)を1
00Å〜300Åの厚さに形成させたPIN構造を有せ
しめた。このP、I、N型半導体の仕様は、図3(A)
のチャ−トにおける(42)、(43)、(44)、
(42′)・・・・に対応させた。 【0043】さらに、この後、この工程にITOを60
0Å〜800Åの厚さに、またはアルミニウム金属膜を
真空蒸着法で形成して光電変換装置を作った。その変換
効率を図4(A)に示す。 【0044】図4(A)において、1cm2 のセルの大
きさでAM1(100mW/cm2)の条件にて、前処
理(40)をいれない場合(71)の3%が、また前処
理を行うと(70)の値が得られた。さらに、中間の
(46)の工程を加えることによる処理工程(製造日
毎)の効率の変化(60)になり、まったく加えないと
(61)が得られた。 【0045】図4(A)における符号(60)は、その
効率が11%〜9%を得ることができるのに対し、本発
明方法を用いない場合、1%〜4%しかなかった。 【0046】さらに、このセル面積を100cm2 にす
ると、本発明方法を用いると7%〜9%の効率を得るこ
とができるのに際し、本発明方法を用いないと0〜3%
であった。特に、ダイオ−ド特性がないものが30%以
上を有し、製造不可能であった。 【0047】図4(B)は、特に、表面程にてP型の半
導体を作る工程で、I型の珪素半導体を作った場合の電
気伝導度の値を示す。 【0048】前工程でP型半導体を作り、本発明方法の
中間処理法の前処理を行わない時、AM1の光照射によ
る電気伝導度が(65)である。暗伝導度(64)と逆
の場合もみられ、また、その値も10-6〜10-4で大き
なバラツキがあった。他方、本発明の前処理が行われた
場合、光伝導度(70)、暗伝導度(70’)が得られ
た。また、中間処理を行った時は、光伝導度(62)、
暗伝導度(63)が得られた。 【0049】以上の説明において、炭化珪素(SixC
1-X 0≦X<0.5)を中心として記した。本発明
は、図1に示す横型のプラズマCVD装置を中心として
示した。しかし、その電極の作り方を誘電型としたり、
またア−ク放電を利用するプラズマCVD装置であって
も、本発明は有効である。また、縦型、縦横型のベルジ
ャ−型のプラズマCVD装置であっても、同様に本発明
方法を適用することができる。 【0050】 【発明の効果】本発明によれば、水素中に塩化水素また
は塩素を添加することにより、不要な不純物が混入しな
い被膜を効率よく得ることができた。本発明によれば、
各処理工程中のバラツキがなく、そして、再現性よく品
質の優れた被膜を得ることができた。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明を用いたプラズマCVD装置の概要を説
明するための図である。 【図2】(A)および(B)は図1における排気口方向
よりみた基板の配置と電極との関係を示す図である。 【図3】(A)ないし(E)は本発明の炭素膜作製方法
の操作手順チャ−トを示す図である。 【図4】(A)および(B)は、本発明の実施例による
方法で作られた光電変換装置の結果を説明するための図
である。 【符号の説明】 1・・・基板 2・・・ホルダ 3・・・ジグ 4・・・電源 5・・・電気炉 8・・・混合室 9・・・電極 10・・電極 12・・ロータリポンプ 13、14、15、16、17・・・導入口 20・・反応性気体 21・・ステンレス容器 22・・電子恒温槽 25・・反応炉 26・・励起室 29・・別室 30・・入口 33・・ロータリポンプ 34・・開閉扉

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.プラズマ気相法により反応容器内に設けられた基板
    上に被膜を形成するに際し、 プラズマ化させた水素中に1%ないし5%の塩化水素ま
    たは塩素を添加した気体により前記反応容器の内壁また
    は基板ホルダに形成されたナトリウムの如きアルカリ金
    属をプラズマクリ−ニングし、 その後、前記反応容器内に基板を配設し、プラズマ気相
    法により被膜を形成することを特徴とする被膜作製方
    法。
JP8159121A 1996-05-31 1996-05-31 被膜作製方法 Expired - Lifetime JP2805611B2 (ja)

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