JP3544136B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマによって処理を行う処理装置及び処理方法に関し、例えば薄膜太陽電池に用いることのできるアモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン、微結晶シリコン等の非単結晶シリコン系半導体の堆積膜をプラズマを利用して基板上に形成、あるいは、プラズマを利用したエッチング、アニーリング、アッシングに用いられるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非単結晶半導体の中でもアモルファスシリコンは、プラズマＣＶＤ法によって大面積の半導体膜を形成することができ、結晶シリコンや多結晶シリコンと比較して大面積の半導体デバイスを比較的容易に形成することができる。
【０００３】
そのため、アモルファスシリコン膜は、大きな面積を必要とする半導体デバイス、具体的には、太陽電池、複写機の感光ドラム、ファクシミリのイメージセンサー、液晶ディスプレー用の薄膜トランジスタ等に多く用いられている。
【０００４】
これらのデバイスは、ＬＳＩやＣＣＤ等の結晶半導体からなるデバイスと比較し、１つのデバイスの面積が大きく、例えば、太陽電池の場合、変換効率が１０％ならば、一般家庭の電力を賄う約３ｋＷの出力を得るには１家庭当り約３０平方メートルもの面積が必要とされ、１つの太陽電池素子もかなり大きな面積になる。そのため、大面積に高速で堆積膜が形成できる技術が望まれている。
【０００５】
アモルファスシリコン膜を形成するには、一般にＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６等のＳｉを含有する原料ガスを高周波放電によって分解してプラズマ状態にし、該プラズマ中に置かれた基板上に成膜するプラズマＣＶＤ法によっている。
【０００６】
プラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコン膜を成膜する場合、従来、ＲＦ周波数（１３．５６ＭＨｚ近傍）の高周波が一般的に用いられてきた。
【０００７】
しかし、近年、ＶＨＦ周波数を用いたプラズマＣＶＤが注目されている。例えば、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ・Ｓｉｌｉｃｏｎ・Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９２，ｐ１５〜ｐ２６（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ・Ｒｅｓｅａｒｃｈ・Ｓｏｃｉｅｔｙ・Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ・Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ・Ｖｏｌｕｍｅ・２５８）には放電周波数を１３．５６ＭＨｚのＲＦからＶＨＦ周波数にすることによって、成膜速度を格段に高めることができ、高速で良好な堆積膜を形成可能になると報告されている。
【０００８】
ところが、本発明者らがかかるＶＨＦ周波数のプラズマＣＶＤ法によって、大面積に堆積膜を形成しようとしたところ、以下のような点に気をつけるべきであることがわかった。
【０００９】
すなわち、従来の一般的なＲＦ周波数のプラズマＣＶＤ法で大面積に堆積膜を形成する場合に用いる平行平板型の放電電極をＶＨＦ周波数に用いようとすると、放電電極の面積が小さいうちはＲＦ周波数と同様に放電できても、大面積に均一なプラズマを得ようとして放電電極の面積を大きくすると、放電電極のインピーダンスが大きくなり、整合回路でマッチングがとれず、有効に電力を投入できないと分かった。
【００１０】
これに対しては、大面積に均一なプラズマを得ようとする場合、放電電極の形態としては、平板ではなく、一般に直棒状あるいは放射状あるいは櫛形状等の表面積の少ない棒状の形態とすれば都合が良い。ところが、この場合は、放電電極のインピーダンスがかなり小さくなるために整合回路から放電電極までの間の浮遊容量の影響を大きく受けるようになり、整合回路から先で高周波の波形が歪みやすくて高調波を生じやすくなった。そして、高周波の波形が歪んで高調波を生じると、投入電力が正確に読みとれなくなるとともに、マッチングも正確に合わせられなくなり、高周波の投入電力の再現性が著しく低下するという問題があった。
【００１１】
図２に示したプラズマ処理装置の一例としてプラズマＣＶＤ法を利用した堆積膜形成装置を用いて簡単に説明する。
【００１２】
図２に示される堆積膜形成装置は、大きくわけてプラズマ処理部（ここでは堆積部）１０１と高周波電源部１０２を有している。プラズマ処理部１０１は内部に放電室１０４を有する真空容器を備え、該放電室１０４は放電室１０４内に所望のガスと導入するためのガス導入管１０６と放電室１０４内を排気するための排気管１０５が夫々接続されている。プラズマ処理される（ここでは堆積膜が堆積される）基体１０７は放電室１０４内に設けられた基体載置部に載置される。また、基体１０７を必要に応じて所望の温度に加熱又は保持するためのヒーター１０８が適宜設けられる。
【００１３】
放電室１０４内で放電を生起させるための高周波電力を供給するため、真空容器１０３に設けられた高周波電力導入部１２２を介してアンテナ１０９が放電室１０４内に設けられる。該アンテナ１０９は高周波電源１０２に電気的に接続される。
【００１４】
高周波電源１０２は高周波を発振し、反射波を吸収する高周波電源回路部１１０と高周波電力の入射、反射を検出回路部１１１と整合回路１１２とに大きく分けることができる。
【００１５】
高周波電源回路部１１０は高周波発振回路１１３とサーキュレーター１１４、反射波吸収負荷１１５とを有し、電力検出回路１１１は方向性結合器１１６とそれに接続された検波器１１７、アンプ１１８、メーター１１９を入射電力用と反射電力用に２組有している。
【００１６】
方向性結合器１１６からの高周波電力（進行波）は高周波ケーブル１２１を通って整合回路１１２を介してインピーダンス調整されアンテナ１０９に接続される。アンテナ１０９からの反射波は進行波と経路を順に伝って方向性結合器１１６に到達する。
【００１７】
すなわち、図２に示すようなプラズマＣＶＤ法による堆積膜形成装置においては、高周波の投入電力は一般に高周波電源１０２に設けた電力検出回路１１１によって入射電力、反射電力を読みとるが、常時電力を監視する方向性結合器１１６を用いた透過型の電力検出回路１１１では基本発振周波数に対してのみ正しい値を示すように較正されている。そのため、整合回路１１２から先で高周波の波形が歪み、高調波を生じると、高調波を多く含んだ反射波が高周波電源１０２の電力検出回路１１１に戻ってくるため、入射、反射電力が正確に読めなくなり、マッチングも正確に合わせることができない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、導入される高周波電力が歪んで高調波を生じ易く、入射、反射電力が正確に読めない、マッチングが正確に合わせられないという問題を解決し、再現性良く、大面積にわたって均一にプラズマ処理（例えば堆積膜の形成エッチング）を行うことのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空容器内に高周波電力を投入して、プラズマを生起させ、該プラズマにより処理を行うプラズマ処理装置において、高周波電力の基本発振周波数がＶＨＦ周波数であり、少なくとも高周波電源の出力段に設けた方向性結合器と該方向性結合器に接続された検波器とからなる高周波電源の入射電力及び／又は反射電力検出回路に、基本発振周波数を透過し、その高調波成分をカットするローパスフィルターを、前記方向性結合器と検波器との間に挿入したことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明では上記プラズマ処理装置において、更に、放電電極が棒状電極であることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明のプラズマ処理方法では、真空容器内に高周波電力を投入して、プラズマを生起させ、該プラズマにより処理を行うプラズマ処理方法において、高周波電力の基本発振周波数がＶＨＦ周波数であり、該基本発振周波数を透過し、その高調波成分をカットする、高周波電源の入射電力及び／又は反射電力検出回路を構成する方向性結合器と検波器との間に挿入されたローパスフィルターを介して、基本発振周波数を検知することを含むことを特徴としている。
【００２３】
また、本発明では、上記プラズマ処理方法において、更に、前記検知した値に基づいて負荷と電源の整合を制御することを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１に本発明のプラズマ処理装置の一例としてプラズマＣＶＤ法による堆積膜形成装置の例の模式的構成図を示す。
【００２６】
図１に示した装置において、図２と同じ番号で示したものは同じものを示しており、堆積膜形成装置は大きくプラズマ処理部１０１と高周波電源部１０２を有する。
【００２７】
プラズマ処理部１０１は真空容器１０３内部に放電室１０４が設けられ、放電室１０４には排気装置（不図示）に接続された排気管１０５と、堆積膜の原料ガス（エッチングの場合はエッチングガス，希釈ガスの導入も可）を導入するガス導入管１０６と、堆積膜を堆積する基板１０７と、基板１０７を加熱するヒーター１０８と、高周波電力を放射するアンテナ１０９が設けられ、加熱された基板１０７上にプラズマＣＶＤ法により堆積膜を形成できる。
【００２８】
一方、高周波電源部１０２は、高周波を発振し、反射波を吸収する高周波電源回路１１０と、入射、反射電力を検出する電力検出回路１１１と、プラズマＣＶＤ装置１０１の負荷との間のインピーダンスマッチングを行う整合回路１１２と、高周波ケーブル１２１とを有する。
【００２９】
高周波電源回路１１０は高周波発振回路１１３と、サーキュレーター１１４、反射波吸収負荷１１５からなり、電力検出回路１１１は、方向性結合器１１６と、検波器１１７と、アンプ１１８と、メーター１１９と、ローパスフィルター１２０からなり、ローパスフィルター１２０は方向性結合器１１６と検波器１１７との間に挿入されている。ローパスフィルター１２０の有無が図２の装置との大きな違いである。
【００３０】
本発明の装置においては、高周波電源回路１１０と整合回路１１２の間に挿入される電力検出回路１１１に、基本発振周波数を通過させ、その高調波成分をカットするローパスフィルター１２０を挿入してあるので、整合回路１１２からプラズマＣＶＤ装置１０１の間で高周波電力の波形が歪んで基本発振周波数の高調波が生じ、電力検出回路１１１に反射波として返ってきても、その影響を受けることなく基本発振周波数の入射、反射電力のみを検出できる。
【００３１】
そのため、反射波の高調波成分によって投入電力が正確に読みとれなくなる、あるいは、マッチングも正確に合わせられなくなる等の問題が解消され、高周波の投入電力の再現性が著しく向上する。
【００３２】
以下では、本発明に係る実施態様例に関して説明する。
【００３３】
＜ローパスフィルター１２０＞
本発明の装置において好適に用いられるローパスフィルターとしては、高周波電源の基本発振周波数に対して十分透過し、その２倍波、３倍波等の高調波に対しては十分カットする様な透過特性を有するものが用いられる。
【００３４】
たとえば、基本発振周波数が１００ＭＨｚの場合、１００ＭＨｚに対しては９０％以上透過し、その高調波である２００ＭＨｚや３００ＭＨｚに対しては透過を１０％以下に抑制するようなものが好ましい。
【００３５】
ローパスフィルターの構造としては、高周波用のフィルタ回路を用いることができ、ＬやＣの組み合わせによって周波数透過特性をもたせた高周波回路でもよい。
【００３６】
また、本発明において、ローパスフィルターとは、一定周波数以上の高周波の透過を阻止する機能を有するフィルターのことで、一定周波数帯域を選択的に透過するいわゆるバンドパスフィルターも範疇に含んでいる。
【００３７】
具体的にはＬ型、Ｔ型、π型等のはしご形構造、あるいは格子形構造の回路や水晶フィルター等を用いることができる。
【００３８】
尚、フィルターの挿入によって、基本発振周波数の高周波も僅かながら透過率が下がるため、かかる電力計の電力較正はローパスフィルターを入れた状態で行なうのが望ましい。
【００３９】
以下に本発明において好ましいローパスフィルターの一例を具体的に説明する。
【００４０】
図３、図４はインダクタンスＬと静電容量Ｃにより構成されるローパスフィルターの一例を示す概略的回路である。
【００４１】
図３及び図４では、方向性結合器が図中左側に、検波器側が図中右側になる。図３では電源ライン側にインダクタンスＬ１が挿入され、その検波器側で静電容量Ｃ１が電源ラインとアースラインに接続されている。
【００４２】
図４では、図３に示したようなインダクタンスＬと静電容量Ｃの組みを２つと電源ライン側に更にインダクタンスＬと静電容量Ｃを並列に挿入している。
【００４３】
各図におけるインダクタンスＬと静電容量Ｃの関係は図示したとおりであるが、それらＬ１，Ｃ１，ｍは以下の関係式を夫々満足している。
【００４４】
【数１】
【００４５】
ここでｆｃは遮断周波数、ｆ∞は発振周波数、Ｒは公称インピーダンスである。
【００４６】
Ｌ１、Ｃ１、ｍは使用する高周波の周波数、透過させたい周波数帯に応じて先に説明した所望の条件を満たすように適宜選択すれば良い。
【００４７】
例えば、図３の構成の回路であれば図５のような、図４の構成の回路であれば図６のような周波数に対する減衰量特性を得ることができる。
【００４８】
また、図７は水晶フィルターによるローパスフィルターの例である。図において、８０１は水晶、８０２はコンデンサである。
【００４９】
本回路を使用する高周波の周波数、透過させたい周波数帯に応じて適宜設計すれば良い。
【００５０】
例えば図８のような周波数に対する減衰量特性を得ることができる。
【００５１】
本発明においてはローパスフィルターを設置する位置は重要である。本発明のローパスフィルターは検波器へ入る高周波を効果的に除去できるのであれば、何れの場所においてもある程度の効果を得ることができるが、以下に理由により方向性結合器と検波器の間に設けることが特に効果的である。
【００５２】
高周波のカットという目的のためだけであるならば、電源と負荷との間にローパスフィルターを設けることも可能であるが、この場合、高周波の検波器へ入る経路としては主に、▲１▼電源側から負荷（放電電極）側へ向かう途中で方向性結合器により検波器へ導かれる経路と、▲２▼負荷（放電電極）側から電源側へ向かう途中で方向性結合器により検波器へ導かれる経路とが考えられる。
【００５３】
従って少なくとも電源と負荷との間でかつ、電源と検波器の間及び負荷（放電電極）と検波器の間の２箇所にローパスフィルターを設ける必要がある。電源と負荷の間に流れる高周波電流はプラズマ処理を行うだけの電力が必要であるため、方向性結合器を介して検波器へ向かう電流と比較すると非常に大きな電流が流れている。従って、電源と負荷の間に設けるローパスフィルターは大電流に対応したものとする必要がある。その結果、▲１▼ローパスフィルター自体が大型化し、装置の設計の自由度を制限し、同時に装置コストを上昇させる、▲２▼ローパスフィルター自体である程度電力が損失されるので、特にローパスフィルターが複数であると電源からの電力が有効に負荷に伝達されないという不都合が生じる場合がある。この傾向は大電力になるほど顕著である。
【００５４】
従って本発明の効果をより高めるためには方向性結合器と検波器の間に設けることが好ましい。
【００５５】
＜高周波電力＞
本発明において用いられる高周波電力は、基本発振周波数がＶＨＦ周波数の高周波電力である。
【００５６】
本発明においてＶＨＦ周波数としては、従来、一般的に用いられている１３．５６ＭＨｚ等のＲＦ周波数よりも高く、２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波周波数よりも低い周波数範囲を指し、凡そ２０ＭＨｚ乃至５００ＭＨｚの周波数範囲である。
【００５７】
その範囲の中でも、プラズマ密度を高め、堆積速度の向上を望む場合には比較的高い周波数領域を選択し、大面積の均一性を望む場合には、より波長が長く大面積での均一性が高い、比較的低い周波数領域を選択する。
【００５８】
＜プラズマ処理部１１０＞
本発明において、プラズマを生起することによってプラズマ処理するプラズマ処理装置としては、先述したとおり堆積膜形成装置が知られており、例えばこのような装置では真空排気手段を有する真空容器１０３に堆積膜の原料ガスを導入しつつ、ＶＨＦ領域の高周波を投入し、真空容器１０３に配置した基体１０７表面に堆積膜を形成することができる。
【００５９】
たとえば、アモルファスシリコン膜を堆積させるには、少なくともＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６等の原料ガスと必要に応じて適度のＨ２等の希釈ガスを、真空ポンプによって排気した減圧可能な真空容器１０３内に導入し、ＶＨＦ電力をアンテナ１０９等の電力放射手段から該真空容器１０３内に投入し、原料ガスを放電分解し、１５０〜３５０℃程度の範囲内に温度制御したガラス、金属等の基板１０７表面に堆積膜を形成する。
【００６０】
具体的にシリコン原子を含有するガス化し得る化合物としては、鎖状または環状シラン化合物が用いられ、具体的には例えば、ＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６，ＳｉＦ４，ＳｉＦＨ３，ＳｉＦ２Ｈ２，ＳｉＦ３Ｈ，Ｓｉ３Ｈ８，ＳｉＤ４，ＳｉＨＤ３，ＳｉＨ２Ｄ２，ＳｉＨ３Ｄ，ＳｉＦＤ３，ＳｉＦ２Ｄ２，Ｓｉ２Ｄ３Ｈ３，（ＳｉＦ２）５，（ＳｉＦ２）６，（ＳｉＦ２）４，Ｓｉ２Ｆ６，Ｓｉ３Ｆ８，Ｓｉ２Ｈ２Ｆ４，Ｓｉ２Ｈ３Ｆ３，ＳｉＣｌ４，（ＳｉＣｌ２）５，ＳｉＢｒ４，（ＳｉＢｒ２）５，Ｓｉ２Ｃｌ６，ＳｉＨＣｌ３，ＳｉＨ２Ｂｒ２，ＳｉＨ２Ｃｌ２，Ｓｉ２Ｃｌ３Ｆ３などのガス状態のまたは容易にガス化し得るものが挙げられる。尚、ここで、Ｄは重水素を表す。
【００６１】
また、非単結晶シリコンゲルマニウムを堆積する場合に導入する原料ガスとして、具体的にゲルマニウム原子を含有するガス化し得る化合物としては、ＧｅＨ４，ＧｅＤ４，ＧｅＦ４，ＧｅＦＨ３，ＧｅＦ２Ｈ２，ＧｅＦ３Ｈ，ＧｅＨＤ３，ＧｅＨ２Ｄ２，ＧｅＨ３Ｄ，Ｇｅ２Ｈ６，Ｇｅ２Ｄ６等が挙げられる。
【００６２】
また、非単結晶炭化シリコンを堆積する場合に導入する原料ガスとして、具体的に炭素原子を含有するガス化し得る化合物としては、ＣＨ４，ＣＤ４，ＣｎＨ２ｎ＋２（ｎは整数），ＣｎＨ２ｎ（ｎは整数），Ｃ２Ｈ２，Ｃ６Ｈ６，ＣＯ２，ＣＯ等が挙げられる。
【００６３】
また、価電子制御するためにｐ型層またはｎ型層に導入される物質としては周期率表第ＩＩＩ族原子及び第Ｖ族原子が挙げられる。
【００６４】
第ＩＩＩ族原子導入用の出発物質として有効に使用されるものとしては、具体的にはホウ素原子導入用としては、Ｂ２Ｈ６等の水素化ホウ素、ＢＦ３，ＢＣｌ３等のハロゲン化ホウ素等を挙げることができる。
【００６５】
第Ｖ族原子導入用の出発物質として有効に使用されるのは、具体的には燐原子導入用としてＰＨ３等の水素化燐、ＰＦ３等のハロゲン化燐が挙げられる。このほかＡｓＨ３等も挙げることができる。
【００６６】
また、前記ガス化し得る化合物をＨ２，Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒ等のガスで適宜希釈して成膜室に導入しても良い。
【００６７】
放電電極の形態としては特に限定されないが、棒状、具体的には直棒状、放射状、櫛形状等の平板ではなく表面積の少ない形態のものが好ましい。
【００６８】
【実施例】
以下、本発明の堆積膜形成装置の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００６９】
本発明の装置の基本構成としては図１に示したものを用いた。このような本発明の装置を組み込んだ図９に示すロールツーロール方式の連続堆積膜形成装置を使って、帯状基板を連続的に搬送させながら６つの高周波プラズマ放電室を通過させ、基板上に２層タンデム太陽電池用の６層からなる非単結晶シリコン半導体積層膜を連続的に製造した。
【００７０】
図９において、長尺の帯状基板３０１は巻き出し室３０２でコイル状に巻かれた状態から引き出され、プラズマ放電室３０３〜３０８を順次通過して、巻き取り機構（不図示）を備えた巻き取り室３０９でコイル状に巻き取られる。巻き出し室３０１、各プラズマ放電室３０３〜３０８、巻き取り室３０９は各々隣合うチャンバーとガスゲート３１０によって接続されている。
【００７１】
帯状基板３０１を通過させるガスゲート３１０には、それぞれその基板搬送方向の中央部近傍にゲートガス導入管３１１が設けられ、Ｈ２，Ｈｅ等のガスが導入されることで、ガスゲート中央から隣合うチャンバーへのガスの流れが形成され、隣り合うチャンバーの原料ガスの混入を防ぎ、原料ガスを分離する。
【００７２】
各プラズマ放電室３０３〜３０８には、ガス導入管３１２、排気管３１３、放電電極３１４、基板加熱ヒータ３１５が設けられ、移動する帯状基板３０１の表面に半導体膜が積層される。
【００７３】
図９の本発明の装置を組み込んだ装置において、プラズマ放電室３０３〜３０８のうち、プラズマ放電室３０４および３０７が本発明の堆積膜形成装置で、高周波放電周波数は１０５ＭＨｚであり、プラズマ放電室３０４ではアモルファスシリコンゲルマニウムが、プラズマ放電室３０７ではアモルファスシリコンが堆積される。その他のプラズマ放電室３０３、３０５、３０６、３０８の高周波放電周波数は１３．５６ＭＨｚである。
【００７４】
また、放電周波数が１０５ＭＨｚのプラズマ放電室３０４および３０７において、高周波電力は放電室内に設けたアンテナ状の放電電極３１４から放射される。また、プラズマ放電室３０４及び３０７の放電室内にはアンテナ状の放電電極３１４とは別にバイアス電極３１６が設けられ、直流電源３１７から直流電圧が印加される。
【００７５】
（実施例１）
この実施例では、図１に示した構成の本発明の装置を組み込んだ図９に示す構成の装置を用いて、ステンレス基板上に６層のシリコン系非単結晶膜からなるｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池を製造した。
【００７６】
図９の成膜室の内、３０４、３０７が１０５ＭＨｚのＶＨＦ周波数の高周波でプラズマＣＶＤを行なう成膜室であり、図１に示したように高周波電源１０２の電力検出回路１１１にＬ，Ｃからなり、１６０ＭＨｚ以下の周波数を９０％以上透過し、３１０ＭＨｚ以上の周波数を１０％以下にカットする図３に示される回路構成を有するローパスフィルター１２０を入射、反射電力検出回路１１１に挿入した。
【００７７】
図９に示した装置において、先ず、長さ５００ｍ、幅３５６ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４３０−ＢＡ）の帯状基板３０１を、巻き出し室３０２のコイル状に巻かれたボビンからガスゲート３１０を介してプラズマ放電室３０３〜３０８を通し、巻き取り室３０９のボビンにコイル状に巻き取られるようにセットし、張力印加機構（不図示）により弛みなく張られるようにした。
【００７８】
次に、各真空容器３０２乃至３０９内を各室の排気手段により１Ｐａ以下に一度真空排気した。
【００７９】
引き続き排気を行いながら、各プラズマ放電室のガス供給手段（不図示）に接続されたガス導入管３１２からＨｅガスを各１００ｓｃｃｍ導入し、排気管３１３の排気弁（不図示）の開度を調整することで各真空容器の内圧を１００Ｐａに維持した。
【００８０】
この状態で、巻き取り室３０９のボビンに接続された基板搬送機構（不図示）により、帯状基板が毎分６００ｍｍの移動速度で連続的に移動するようにした。
【００８１】
次いで、各プラズマ放電室に設けた基板加熱ヒータ３１５および基板温度モニタ（不図示）により、各プラズマ放電室内で移動する帯状基板３０１が所定の温度になるように加熱制御した。
【００８２】
各プラズマ放電室内で基板３０１が均一に加熱されたら、引き続き加熱しつつ、Ｈｅガスの導入を停止し、ガス導入管３１２へのガスＳｉＨ４を含み原料ガスに切り替えた。
【００８３】
また、各ガスゲート１１０には、ガス供給手段（不図示）に接続されたゲートガス導入管３１１から原料ガス分離用のガスとしてＨ２を各１０００ｓｃｃｍ導入した。
【００８４】
次に、各プラズマ放電室の放電電極３１４に高周波電源から高周波電力を供給し、各グロー放電室にグロー放電を発生させ、原料ガスをプラズマ分解して、連続的に移動する帯状基板３０１上にシリコン系非単結晶膜の堆積膜を堆積させ、シリコン系非単結晶半導体からなる２層ランデム構造の太陽電池の半導体膜を形成した。
【００８５】
尚、プラズマ放電室３０４、３０７の放電周波数は１０５ＭＨｚで放電電極は棒状、プラズマ放電室３０３、３０５、３０６、３０８の放電周波数は１３．５６ＭＨｚで放電電極は平板状であった。
【００８６】
更に、プラズマ放電室３０４のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧３００Ｖを印加し、プラズマ放電室３０７のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧１００Ｖを印加した。
【００８７】
各プラズマ放電室の成膜条件を表１に示す。
【００８８】
【表１】
【００８９】
このような膜堆積を帯状基板の長さ４００ｍにわたって連続的に行った後、各プラズマ放電室への放電電力の供給と、原料ガスの導入と、帯状基板の加熱とを停止し、各室内を十分にパージし、帯状基板と装置内部を充分冷却した後、装置を大気開放し、半導体積層膜が形成されて巻き取り室のボビンに巻き取られた帯状基板を取り出した。
【００９０】
堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±５％以内に安定しており、反射電力の表示値は入射電力量の３％以下で安定していた。
【００９１】
また、整合回路１１２でのマッチングは容易で、マッチング状態も安定していた。
【００９２】
また、ローパスフィルター１２０を挿入してマッチングをとった状態で、電力検出回路１１１の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、フィルター１２０の前では第２高調波、第３高調波が基本波の１５％、１０％含有されていた。しかし、フィルター１２０の後では第２高調波、第３高調波は基本波の１％以下に低減されていた。
【００９３】
更に、取り出した帯状基板を連続モジュール化装置によって連続的に加工し、半導体積層膜の上に、透明電極として全面に６０ｎｍのＩＴＯ薄膜を形成し、集電電極として一定間隔に細線状のＡｇ電極を形成し、３５ｃｍ角のｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【００９４】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ２）の疑似太陽光照射下にて特性評価を行った。
【００９５】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±３％以内に安定していた。
【００９６】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±３％以内に安定していた。
【００９７】
（比較例１）
比較のため、放電室３０４、３０７の高周波電源の電力検出回路にローパスフィルターを挿入しない図２に示すものに代えて実施例１と同様に２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【００９８】
その結果、堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±１５％の範囲で安定せず、反射電力の表示値も入射電力量の１５％以上と大きく、安定しなかった。
【００９９】
また、整合回路１１２でのマッチングは反射が小さくなるポイントを探すことが難しく、成膜中にマッチング状態も安定していなかった。
【０１００】
反射が最も小さくなるようにマッチング調整をした状態で、電力検出回路１１２の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、第２高調波、第３高調波が基本波の３０％、２０％含有されていることが観測された。
【０１０１】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±２０％の範囲でばらついていた。
【０１０２】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±２５％と特性再現性が低かった。
【０１０３】
（実施例２）
放電室３０４、３０７における放電周波数を、２０ＭＨｚに変え、ローパスフィルター１２０を図７に示した回路構成として、２５ＭＨｚ以下の周波数を９０％以上透過させ、３５ＭＨｚ以上の周波数を１０％以下にカットするものに変えた以外は実施例１と同様にして、３５ｃｍ角のｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【０１０４】
堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±３％以内に安定しており、反射電力の表示値は入射電力量の２％以下で安定していた。
【０１０５】
また、整合回路１１２でのマッチングは容易で、マッチング状態も安定していた。
【０１０６】
ローパスフィルター１２０を挿入してマッチングをとった状態で、電力検出回路１１１の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、フィルター１２０の前では第２高調波、第３高調波が基本波の１０％、５％含有されていた。しかし、フィルター１２０の後では第２高調波、第３高調波は基本波の０．５％以下に低減されていた。
【０１０７】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ２）の疑似太陽光照射下にて特性評価を行った。
【０１０８】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±２％以内に安定していた。
【０１０９】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±２％以内に安定していた。
【０１１０】
（実施例３）
放電室３０４、３０７における放電周波数を、４５ＭＨｚに変え、ローパスフィルター１２０を図４に示される回路構成のものを用い、５５０ＭＨｚ以下の周波数を９０％以上透過させ、６００ＭＨｚ以上の周波数を１０％以下にカットするものに変えた以外は実施例１と同様にして、３５ｃｍ角のｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【０１１１】
堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±５％以内に安定しており、反射電力の表示値は入射電力量の３％以下で安定していた。
【０１１２】
また、整合回路１１２でのマッチングは容易で、マッチング状態も安定していた。
【０１１３】
ローパスフィルター１２０を挿入してマッチングをとった状態で、電力検出回路１１１の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、フィルター１２０の前では第２高調波、第３高調波が基本波の１５％、８％含有されていた。しかし、フィルター１２０の後では第２高調波、第３高調波は基本波の１％以下に低減されていた。
【０１１４】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ２）の疑似太陽光照射下にて特性評価を行った。
【０１１５】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±３％以内に安定していた。
【０１１６】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±３％以内に安定していた。
【０１１７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、従来の大面積にプラズマ処理を行う装置及び方法において、高速処理が可能なＶＨＦ周波数のプラズマ処理法を導入しようとした場合の、高周波電力が歪んで高調波を生じ易く、入射、反射電力が正確に読めない、マッチングが正確に合わせられないという問題を解決し、再現性良く、大面積にわたって均一に、高速で処理しうる高周波プラズマ処理装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ処理装置の構成の一例を説明するための概略的構成図である。
【図２】プラズマ処理装置の構成の一例を説明するための概略的構成図である。
【図３】ローパスフィルターの一例を説明するための概略的回路図である。
【図４】ローパスフィルターの一例を説明するための概略的回路図である。
【図５】図３のローパスフィルターによる減衰特性の一例を示す特性図である。
【図６】図４のローパスフィルターによる減衰特性の一例を示す特性図である。
【図７】ローパスフィルターの一例を説明するための概略的回路図である。
【図８】図７のローパスフィルターによる減衰特性の一例を示す特性図である。
【図９】プラズマ処理装置を有するロール・ツー・ロール方式の堆積膜形成装置の一例を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
１０１ プラズマ処理部
１０２ 高周波電源
１０３ 真空容器
１０４ 放電室
１０５ 排気管
１０６ ガス導入管
１０７ 基板
１０８ ヒーター
１０９ アンテナ
１１０ 高周波電源回路
１１１ 電力検出回路
１１２ 整合回路
１１３ 高周波発振回路
１１４ サーキュレーター
１１５ 反射波吸収負荷
１１６ 方向性結合器
１１７ 検波器
１１８ アンプ
１１９ メーター
１２０ ローパスフィルター
３０１ 帯状基板
３０２ 巻き出し室
３０３〜３０８ プラズマ放電室
３０９ 巻き取り室
３１０ ガスゲート
３１１ ゲートガス導入管
３１２ ガス導入管
３１３ 排気管
３１４ 放電電極
３１５ 基板加熱ヒータ
３１６ バイアス電極
３１７ 直流電源
８０１ 水晶
８０２ コンデンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマによって処理を行う処理装置及び処理方法に関し、例えば薄膜太陽電池に用いることのできるアモルファスシリコン、アモルファスシリコンゲルマニウム、アモルファス炭化シリコン、微結晶シリコン等の非単結晶シリコン系半導体の堆積膜をプラズマを利用して基板上に形成、あるいは、プラズマを利用したエッチング、アニーリング、アッシングに用いられるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非単結晶半導体の中でもアモルファスシリコンは、プラズマＣＶＤ法によって大面積の半導体膜を形成することができ、結晶シリコンや多結晶シリコンと比較して大面積の半導体デバイスを比較的容易に形成することができる。
【０００３】
そのため、アモルファスシリコン膜は、大きな面積を必要とする半導体デバイス、具体的には、太陽電池、複写機の感光ドラム、ファクシミリのイメージセンサー、液晶ディスプレー用の薄膜トランジスタ等に多く用いられている。
【０００４】
これらのデバイスは、ＬＳＩやＣＣＤ等の結晶半導体からなるデバイスと比較し、１つのデバイスの面積が大きく、例えば、太陽電池の場合、変換効率が１０％ならば、一般家庭の電力を賄う約３ｋＷの出力を得るには１家庭当り約３０平方メートルもの面積が必要とされ、１つの太陽電池素子もかなり大きな面積になる。そのため、大面積に高速で堆積膜が形成できる技術が望まれている。
【０００５】
アモルファスシリコン膜を形成するには、一般にＳｉＨ４やＳｉ２Ｈ６等のＳｉを含有する原料ガスを高周波放電によって分解してプラズマ状態にし、該プラズマ中に置かれた基板上に成膜するプラズマＣＶＤ法によっている。
【０００６】
プラズマＣＶＤ法によってアモルファスシリコン膜を成膜する場合、従来、ＲＦ周波数（１３．５６ＭＨｚ近傍）の高周波が一般的に用いられてきた。
【０００７】
しかし、近年、ＶＨＦ周波数を用いたプラズマＣＶＤが注目されている。例えば、Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ・Ｓｉｌｉｃｏｎ・Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９２，ｐ１５〜ｐ２６（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ・Ｒｅｓｅａｒｃｈ・Ｓｏｃｉｅｔｙ・Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ・Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ・Ｖｏｌｕｍｅ・２５８）には放電周波数を１３．５６ＭＨｚのＲＦからＶＨＦ周波数にすることによって、成膜速度を格段に高めることができ、高速で良好な堆積膜を形成可能になると報告されている。
【０００８】
ところが、本発明者らがかかるＶＨＦ周波数のプラズマＣＶＤ法によって、大面積に堆積膜を形成しようとしたところ、以下のような点に気をつけるべきであることがわかった。
【０００９】
すなわち、従来の一般的なＲＦ周波数のプラズマＣＶＤ法で大面積に堆積膜を形成する場合に用いる平行平板型の放電電極をＶＨＦ周波数に用いようとすると、放電電極の面積が小さいうちはＲＦ周波数と同様に放電できても、大面積に均一なプラズマを得ようとして放電電極の面積を大きくすると、放電電極のインピーダンスが大きくなり、整合回路でマッチングがとれず、有効に電力を投入できないと分かった。
【００１０】
これに対しては、大面積に均一なプラズマを得ようとする場合、放電電極の形態としては、平板ではなく、一般に直棒状あるいは放射状あるいは櫛形状等の表面積の少ない棒状の形態とすれば都合が良い。ところが、この場合は、放電電極のインピーダンスがかなり小さくなるために整合回路から放電電極までの間の浮遊容量の影響を大きく受けるようになり、整合回路から先で高周波の波形が歪みやすくて高調波を生じやすくなった。そして、高周波の波形が歪んで高調波を生じると、投入電力が正確に読みとれなくなるとともに、マッチングも正確に合わせられなくなり、高周波の投入電力の再現性が著しく低下するという問題があった。
【００１１】
図２に示したプラズマ処理装置の一例としてプラズマＣＶＤ法を利用した堆積膜形成装置を用いて簡単に説明する。
【００１２】
図２に示される堆積膜形成装置は、大きくわけてプラズマ処理部（ここでは堆積部）１０１と高周波電源部１０２を有している。プラズマ処理部１０１は内部に放電室１０４を有する真空容器を備え、該放電室１０４は放電室１０４内に所望のガスと導入するためのガス導入管１０６と放電室１０４内を排気するための排気管１０５が夫々接続されている。プラズマ処理される（ここでは堆積膜が堆積される）基体１０７は放電室１０４内に設けられた基体載置部に載置される。また、基体１０７を必要に応じて所望の温度に加熱又は保持するためのヒーター１０８が適宜設けられる。
【００１３】
放電室１０４内で放電を生起させるための高周波電力を供給するため、真空容器１０３に設けられた高周波電力導入部１２２を介してアンテナ１０９が放電室１０４内に設けられる。該アンテナ１０９は高周波電源１０２に電気的に接続される。
【００１４】
高周波電源１０２は高周波を発振し、反射波を吸収する高周波電源回路部１１０と高周波電力の入射、反射を検出回路部１１１と整合回路１１２とに大きく分けることができる。
【００１５】
高周波電源回路部１１０は高周波発振回路１１３とサーキュレーター１１４、反射波吸収負荷１１５とを有し、電力検出回路１１１は方向性結合器１１６とそれに接続された検波器１１７、アンプ１１８、メーター１１９を入射電力用と反射電力用に２組有している。
【００１６】
方向性結合器１１６からの高周波電力（進行波）は高周波ケーブル１２１を通って整合回路１１２を介してインピーダンス調整されアンテナ１０９に接続される。アンテナ１０９からの反射波は進行波と経路を順に伝って方向性結合器１１６に到達する。
【００１７】
すなわち、図２に示すようなプラズマＣＶＤ法による堆積膜形成装置においては、高周波の投入電力は一般に高周波電源１０２に設けた電力検出回路１１１によって入射電力、反射電力を読みとるが、常時電力を監視する方向性結合器１１６を用いた透過型の電力検出回路１１１では基本発振周波数に対してのみ正しい値を示すように較正されている。そのため、整合回路１１２から先で高周波の波形が歪み、高調波を生じると、高調波を多く含んだ反射波が高周波電源１０２の電力検出回路１１１に戻ってくるため、入射、反射電力が正確に読めなくなり、マッチングも正確に合わせることができない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、導入される高周波電力が歪んで高調波を生じ易く、入射、反射電力が正確に読めない、マッチングが正確に合わせられないという問題を解決し、再現性良く、大面積にわたって均一にプラズマ処理（例えば堆積膜の形成エッチング）を行うことのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空容器内に高周波電力を投入して、プラズマを生起させ、該プラズマにより処理を行うプラズマ処理装置において、高周波電力の基本発振周波数がＶＨＦ周波数であり、少なくとも高周波電源の出力段に設けた方向性結合器と該方向性結合器に接続された検波器とからなる高周波電源の入射電力及び／又は反射電力検出回路に、基本発振周波数を透過し、その高調波成分をカットするローパスフィルターを、前記方向性結合器と検波器との間に挿入したことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明では上記プラズマ処理装置において、更に、放電電極が棒状電極であることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明のプラズマ処理方法では、真空容器内に高周波電力を投入して、プラズマを生起させ、該プラズマにより処理を行うプラズマ処理方法において、高周波電力の基本発振周波数がＶＨＦ周波数であり、該基本発振周波数を透過し、その高調波成分をカットする、高周波電源の入射電力及び／又は反射電力検出回路を構成する方向性結合器と検波器との間に挿入されたローパスフィルターを介して、基本発振周波数を検知することを含むことを特徴としている。
【００２３】
また、本発明では、上記プラズマ処理方法において、更に、前記検知した値に基づいて負荷と電源の整合を制御することを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【００２５】
図１に本発明のプラズマ処理装置の一例としてプラズマＣＶＤ法による堆積膜形成装置の例の模式的構成図を示す。
【００２６】
図１に示した装置において、図２と同じ番号で示したものは同じものを示しており、堆積膜形成装置は大きくプラズマ処理部１０１と高周波電源部１０２を有する。
【００２７】
プラズマ処理部１０１は真空容器１０３内部に放電室１０４が設けられ、放電室１０４には排気装置（不図示）に接続された排気管１０５と、堆積膜の原料ガス（エッチングの場合はエッチングガス，希釈ガスの導入も可）を導入するガス導入管１０６と、堆積膜を堆積する基板１０７と、基板１０７を加熱するヒーター１０８と、高周波電力を放射するアンテナ１０９が設けられ、加熱された基板１０７上にプラズマＣＶＤ法により堆積膜を形成できる。
【００２８】
一方、高周波電源部１０２は、高周波を発振し、反射波を吸収する高周波電源回路１１０と、入射、反射電力を検出する電力検出回路１１１と、プラズマＣＶＤ装置１０１の負荷との間のインピーダンスマッチングを行う整合回路１１２と、高周波ケーブル１２１とを有する。
【００２９】
高周波電源回路１１０は高周波発振回路１１３と、サーキュレーター１１４、反射波吸収負荷１１５からなり、電力検出回路１１１は、方向性結合器１１６と、検波器１１７と、アンプ１１８と、メーター１１９と、ローパスフィルター１２０からなり、ローパスフィルター１２０は方向性結合器１１６と検波器１１７との間に挿入されている。ローパスフィルター１２０の有無が図２の装置との大きな違いである。
【００３０】
本発明の装置においては、高周波電源回路１１０と整合回路１１２の間に挿入される電力検出回路１１１に、基本発振周波数を通過させ、その高調波成分をカットするローパスフィルター１２０を挿入してあるので、整合回路１１２からプラズマＣＶＤ装置１０１の間で高周波電力の波形が歪んで基本発振周波数の高調波が生じ、電力検出回路１１１に反射波として返ってきても、その影響を受けることなく基本発振周波数の入射、反射電力のみを検出できる。
【００３１】
そのため、反射波の高調波成分によって投入電力が正確に読みとれなくなる、あるいは、マッチングも正確に合わせられなくなる等の問題が解消され、高周波の投入電力の再現性が著しく向上する。
【００３２】
以下では、本発明に係る実施態様例に関して説明する。
【００３３】
＜ローパスフィルター１２０＞
本発明の装置において好適に用いられるローパスフィルターとしては、高周波電源の基本発振周波数に対して十分透過し、その２倍波、３倍波等の高調波に対しては十分カットする様な透過特性を有するものが用いられる。
【００３４】
たとえば、基本発振周波数が１００ＭＨｚの場合、１００ＭＨｚに対しては９０％以上透過し、その高調波である２００ＭＨｚや３００ＭＨｚに対しては透過を１０％以下に抑制するようなものが好ましい。
【００３５】
ローパスフィルターの構造としては、高周波用のフィルタ回路を用いることができ、ＬやＣの組み合わせによって周波数透過特性をもたせた高周波回路でもよい。
【００３６】
また、本発明において、ローパスフィルターとは、一定周波数以上の高周波の透過を阻止する機能を有するフィルターのことで、一定周波数帯域を選択的に透過するいわゆるバンドパスフィルターも範疇に含んでいる。
【００３７】
具体的にはＬ型、Ｔ型、π型等のはしご形構造、あるいは格子形構造の回路や水晶フィルター等を用いることができる。
【００３８】
尚、フィルターの挿入によって、基本発振周波数の高周波も僅かながら透過率が下がるため、かかる電力計の電力較正はローパスフィルターを入れた状態で行なうのが望ましい。
【００３９】
以下に本発明において好ましいローパスフィルターの一例を具体的に説明する。
【００４０】
図３、図４はインダクタンスＬと静電容量Ｃにより構成されるローパスフィルターの一例を示す概略的回路である。
【００４１】
図３及び図４では、方向性結合器が図中左側に、検波器側が図中右側になる。図３では電源ライン側にインダクタンスＬ１が挿入され、その検波器側で静電容量Ｃ１が電源ラインとアースラインに接続されている。
【００４２】
図４では、図３に示したようなインダクタンスＬと静電容量Ｃの組みを２つと電源ライン側に更にインダクタンスＬと静電容量Ｃを並列に挿入している。
【００４３】
各図におけるインダクタンスＬと静電容量Ｃの関係は図示したとおりであるが、それらＬ１，Ｃ１，ｍは以下の関係式を夫々満足している。
【００４４】
【数１】
ここでｆｃは遮断周波数、ｆ∞は発振周波数、Ｒは公称インピーダンスである。
【００４６】
Ｌ１、Ｃ１、ｍは使用する高周波の周波数、透過させたい周波数帯に応じて先に説明した所望の条件を満たすように適宜選択すれば良い。
【００４７】
例えば、図３の構成の回路であれば図５のような、図４の構成の回路であれば図６のような周波数に対する減衰量特性を得ることができる。
【００４８】
また、図７は水晶フィルターによるローパスフィルターの例である。図において、８０１は水晶、８０２はコンデンサである。
【００４９】
本回路を使用する高周波の周波数、透過させたい周波数帯に応じて適宜設計すれば良い。
【００５０】
例えば図８のような周波数に対する減衰量特性を得ることができる。
【００５１】
本発明においてはローパスフィルターを設置する位置は重要である。本発明のローパスフィルターは検波器へ入る高周波を効果的に除去できるのであれば、何れの場所においてもある程度の効果を得ることができるが、以下に理由により方向性結合器と検波器の間に設けることが特に効果的である。
【００５２】
高周波のカットという目的のためだけであるならば、電源と負荷との間にローパスフィルターを設けることも可能であるが、この場合、高周波の検波器へ入る経路としては主に、▲１▼電源側から負荷（放電電極）側へ向かう途中で方向性結合器により検波器へ導かれる経路と、▲２▼負荷（放電電極）側から電源側へ向かう途中で方向性結合器により検波器へ導かれる経路とが考えられる。
【００５３】
従って少なくとも電源と負荷との間でかつ、電源と検波器の間及び負荷（放電電極）と検波器の間の２箇所にローパスフィルターを設ける必要がある。電源と負荷の間に流れる高周波電流はプラズマ処理を行うだけの電力が必要であるため、方向性結合器を介して検波器へ向かう電流と比較すると非常に大きな電流が流れている。従って、電源と負荷の間に設けるローパスフィルターは大電流に対応したものとする必要がある。その結果、▲１▼ローパスフィルター自体が大型化し、装置の設計の自由度を制限し、同時に装置コストを上昇させる、▲２▼ローパスフィルター自体である程度電力が損失されるので、特にローパスフィルターが複数であると電源からの電力が有効に負荷に伝達されないという不都合が生じる場合がある。この傾向は大電力になるほど顕著である。
【００５４】
従って本発明の効果をより高めるためには方向性結合器と検波器の間に設けることが好ましい。
【００５５】
＜高周波電力＞
本発明において用いられる高周波電力は、基本発振周波数がＶＨＦ周波数の高周波電力である。
【００５６】
本発明においてＶＨＦ周波数としては、従来、一般的に用いられている１３．５６ＭＨｚ等のＲＦ周波数よりも高く、２．４５ＧＨｚ等のマイクロ波周波数よりも低い周波数範囲を指し、凡そ２０ＭＨｚ乃至５００ＭＨｚの周波数範囲である。
【００５７】
その範囲の中でも、プラズマ密度を高め、堆積速度の向上を望む場合には比較的高い周波数領域を選択し、大面積の均一性を望む場合には、より波長が長く大面積での均一性が高い、比較的低い周波数領域を選択する。
【００５８】
＜プラズマ処理部１１０＞
本発明において、プラズマを生起することによってプラズマ処理するプラズマ処理装置としては、先述したとおり堆積膜形成装置が知られており、例えばこのような装置では真空排気手段を有する真空容器１０３に堆積膜の原料ガスを導入しつつ、ＶＨＦ領域の高周波を投入し、真空容器１０３に配置した基体１０７表面に堆積膜を形成することができる。
【００５９】
たとえば、アモルファスシリコン膜を堆積させるには、少なくともＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６等の原料ガスと必要に応じて適度のＨ２等の希釈ガスを、真空ポンプによって排気した減圧可能な真空容器１０３内に導入し、ＶＨＦ電力をアンテナ１０９等の電力放射手段から該真空容器１０３内に投入し、原料ガスを放電分解し、１５０〜３５０℃程度の範囲内に温度制御したガラス、金属等の基板１０７表面に堆積膜を形成する。
【００６０】
具体的にシリコン原子を含有するガス化し得る化合物としては、鎖状または環状シラン化合物が用いられ、具体的には例えば、ＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６，ＳｉＦ４，ＳｉＦＨ３，ＳｉＦ２Ｈ２，ＳｉＦ３Ｈ，Ｓｉ３Ｈ８，ＳｉＤ４，ＳｉＨＤ３，ＳｉＨ２Ｄ２，ＳｉＨ３Ｄ，ＳｉＦＤ３，ＳｉＦ２Ｄ２，Ｓｉ２Ｄ３Ｈ３，（ＳｉＦ２）５，（ＳｉＦ２）６，（ＳｉＦ２）４，Ｓｉ２Ｆ６，Ｓｉ３Ｆ８，Ｓｉ２Ｈ２Ｆ４，Ｓｉ２Ｈ３Ｆ３，ＳｉＣｌ４，（ＳｉＣｌ２）５，ＳｉＢｒ４，（ＳｉＢｒ２）５，Ｓｉ２Ｃｌ６，ＳｉＨＣｌ３，ＳｉＨ２Ｂｒ２，ＳｉＨ２Ｃｌ２，Ｓｉ２Ｃｌ３Ｆ３などのガス状態のまたは容易にガス化し得るものが挙げられる。尚、ここで、Ｄは重水素を表す。
【００６１】
また、非単結晶シリコンゲルマニウムを堆積する場合に導入する原料ガスとして、具体的にゲルマニウム原子を含有するガス化し得る化合物としては、ＧｅＨ４，ＧｅＤ４，ＧｅＦ４，ＧｅＦＨ３，ＧｅＦ２Ｈ２，ＧｅＦ３Ｈ，ＧｅＨＤ３，ＧｅＨ２Ｄ２，ＧｅＨ３Ｄ，Ｇｅ２Ｈ６，Ｇｅ２Ｄ６等が挙げられる。
【００６２】
また、非単結晶炭化シリコンを堆積する場合に導入する原料ガスとして、具体的に炭素原子を含有するガス化し得る化合物としては、ＣＨ４，ＣＤ４，ＣｎＨ２ｎ＋２（ｎは整数），ＣｎＨ２ｎ（ｎは整数），Ｃ２Ｈ２，Ｃ６Ｈ６，ＣＯ２，ＣＯ等が挙げられる。
【００６３】
また、価電子制御するためにｐ型層またはｎ型層に導入される物質としては周期率表第ＩＩＩ族原子及び第Ｖ族原子が挙げられる。
【００６４】
第ＩＩＩ族原子導入用の出発物質として有効に使用されるものとしては、具体的にはホウ素原子導入用としては、Ｂ２Ｈ６等の水素化ホウ素、ＢＦ３，ＢＣｌ３等のハロゲン化ホウ素等を挙げることができる。
【００６５】
第Ｖ族原子導入用の出発物質として有効に使用されるのは、具体的には燐原子導入用としてＰＨ３等の水素化燐、ＰＦ３等のハロゲン化燐が挙げられる。このほかＡｓＨ３等も挙げることができる。
【００６６】
また、前記ガス化し得る化合物をＨ２，Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒ等のガスで適宜希釈して成膜室に導入しても良い。
【００６７】
放電電極の形態としては特に限定されないが、棒状、具体的には直棒状、放射状、櫛形状等の平板ではなく表面積の少ない形態のものが好ましい。
【００６８】
【実施例】
以下、本発明の堆積膜形成装置の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【００６９】
本発明の装置の基本構成としては図１に示したものを用いた。このような本発明の装置を組み込んだ図９に示すロールツーロール方式の連続堆積膜形成装置を使って、帯状基板を連続的に搬送させながら６つの高周波プラズマ放電室を通過させ、基板上に２層タンデム太陽電池用の６層からなる非単結晶シリコン半導体積層膜を連続的に製造した。
【００７０】
図９において、長尺の帯状基板３０１は巻き出し室３０２でコイル状に巻かれた状態から引き出され、プラズマ放電室３０３〜３０８を順次通過して、巻き取り機構（不図示）を備えた巻き取り室３０９でコイル状に巻き取られる。巻き出し室３０１、各プラズマ放電室３０３〜３０８、巻き取り室３０９は各々隣合うチャンバーとガスゲート３１０によって接続されている。
【００７１】
帯状基板３０１を通過させるガスゲート３１０には、それぞれその基板搬送方向の中央部近傍にゲートガス導入管３１１が設けられ、Ｈ２，Ｈｅ等のガスが導入されることで、ガスゲート中央から隣合うチャンバーへのガスの流れが形成され、隣り合うチャンバーの原料ガスの混入を防ぎ、原料ガスを分離する。
【００７２】
各プラズマ放電室３０３〜３０８には、ガス導入管３１２、排気管３１３、放電電極３１４、基板加熱ヒータ３１５が設けられ、移動する帯状基板３０１の表面に半導体膜が積層される。
【００７３】
図９の本発明の装置を組み込んだ装置において、プラズマ放電室３０３〜３０８のうち、プラズマ放電室３０４および３０７が本発明の堆積膜形成装置で、高周波放電周波数は１０５ＭＨｚであり、プラズマ放電室３０４ではアモルファスシリコンゲルマニウムが、プラズマ放電室３０７ではアモルファスシリコンが堆積される。その他のプラズマ放電室３０３、３０５、３０６、３０８の高周波放電周波数は１３．５６ＭＨｚである。
【００７４】
また、放電周波数が１０５ＭＨｚのプラズマ放電室３０４および３０７において、高周波電力は放電室内に設けたアンテナ状の放電電極３１４から放射される。また、プラズマ放電室３０４及び３０７の放電室内にはアンテナ状の放電電極３１４とは別にバイアス電極３１６が設けられ、直流電源３１７から直流電圧が印加される。
【００７５】
（実施例１）
この実施例では、図１に示した構成の本発明の装置を組み込んだ図９に示す構成の装置を用いて、ステンレス基板上に６層のシリコン系非単結晶膜からなるｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池を製造した。
【００７６】
図９の成膜室の内、３０４、３０７が１０５ＭＨｚのＶＨＦ周波数の高周波でプラズマＣＶＤを行なう成膜室であり、図１に示したように高周波電源１０２の電力検出回路１１１にＬ，Ｃからなり、１６０ＭＨｚ以下の周波数を９０％以上透過し、３１０ＭＨｚ以上の周波数を１０％以下にカットする図３に示される回路構成を有するローパスフィルター１２０を入射、反射電力検出回路１１１に挿入した。
【００７７】
図９に示した装置において、先ず、長さ５００ｍ、幅３５６ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのステンレス（ＳＵＳ４３０−ＢＡ）の帯状基板３０１を、巻き出し室３０２のコイル状に巻かれたボビンからガスゲート３１０を介してプラズマ放電室３０３〜３０８を通し、巻き取り室３０９のボビンにコイル状に巻き取られるようにセットし、張力印加機構（不図示）により弛みなく張られるようにした。
【００７８】
次に、各真空容器３０２乃至３０９内を各室の排気手段により１Ｐａ以下に一度真空排気した。
【００７９】
引き続き排気を行いながら、各プラズマ放電室のガス供給手段（不図示）に接続されたガス導入管３１２からＨｅガスを各１００ｓｃｃｍ導入し、排気管３１３の排気弁（不図示）の開度を調整することで各真空容器の内圧を１００Ｐａに維持した。
【００８０】
この状態で、巻き取り室３０９のボビンに接続された基板搬送機構（不図示）により、帯状基板が毎分６００ｍｍの移動速度で連続的に移動するようにした。
【００８１】
次いで、各プラズマ放電室に設けた基板加熱ヒータ３１５および基板温度モニタ（不図示）により、各プラズマ放電室内で移動する帯状基板３０１が所定の温度になるように加熱制御した。
【００８２】
各プラズマ放電室内で基板３０１が均一に加熱されたら、引き続き加熱しつつ、Ｈｅガスの導入を停止し、ガス導入管３１２へのガスＳｉＨ４を含み原料ガスに切り替えた。
【００８３】
また、各ガスゲート１１０には、ガス供給手段（不図示）に接続されたゲートガス導入管３１１から原料ガス分離用のガスとしてＨ２を各１０００ｓｃｃｍ導入した。
【００８４】
次に、各プラズマ放電室の放電電極３１４に高周波電源から高周波電力を供給し、各グロー放電室にグロー放電を発生させ、原料ガスをプラズマ分解して、連続的に移動する帯状基板３０１上にシリコン系非単結晶膜の堆積膜を堆積させ、シリコン系非単結晶半導体からなる２層ランデム構造の太陽電池の半導体膜を形成した。
【００８５】
尚、プラズマ放電室３０４、３０７の放電周波数は１０５ＭＨｚで放電電極は棒状、プラズマ放電室３０３、３０５、３０６、３０８の放電周波数は１３．５６ＭＨｚで放電電極は平板状であった。
【００８６】
更に、プラズマ放電室３０４のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧３００Ｖを印加し、プラズマ放電室３０７のバイアス電極にはアース電位の帯状基板に対し正の向きに直流電圧１００Ｖを印加した。
【００８７】
各プラズマ放電室の成膜条件を表１に示す。
【００８８】
【表１】
このような膜堆積を帯状基板の長さ４００ｍにわたって連続的に行った後、各プラズマ放電室への放電電力の供給と、原料ガスの導入と、帯状基板の加熱とを停止し、各室内を十分にパージし、帯状基板と装置内部を充分冷却した後、装置を大気開放し、半導体積層膜が形成されて巻き取り室のボビンに巻き取られた帯状基板を取り出した。
【００９０】
堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±５％以内に安定しており、反射電力の表示値は入射電力量の３％以下で安定していた。
【００９１】
また、整合回路１１２でのマッチングは容易で、マッチング状態も安定していた。
【００９２】
また、ローパスフィルター１２０を挿入してマッチングをとった状態で、電力検出回路１１１の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、フィルター１２０の前では第２高調波、第３高調波が基本波の１５％、１０％含有されていた。しかし、フィルター１２０の後では第２高調波、第３高調波は基本波の１％以下に低減されていた。
【００９３】
更に、取り出した帯状基板を連続モジュール化装置によって連続的に加工し、半導体積層膜の上に、透明電極として全面に６０ｎｍのＩＴＯ薄膜を形成し、集電電極として一定間隔に細線状のＡｇ電極を形成し、３５ｃｍ角のｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【００９４】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ２）の疑似太陽光照射下にて特性評価を行った。
【００９５】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±３％以内に安定していた。
【００９６】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±３％以内に安定していた。
【００９７】
（比較例１）
比較のため、放電室３０４、３０７の高周波電源の電力検出回路にローパスフィルターを挿入しない図２に示すものに代えて実施例１と同様に２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【００９８】
その結果、堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±１５％の範囲で安定せず、反射電力の表示値も入射電力量の１５％以上と大きく、安定しなかった。
【００９９】
また、整合回路１１２でのマッチングは反射が小さくなるポイントを探すことが難しく、成膜中にマッチング状態も安定していなかった。
【０１００】
反射が最も小さくなるようにマッチング調整をした状態で、電力検出回路１１２の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、第２高調波、第３高調波が基本波の３０％、２０％含有されていることが観測された。
【０１０１】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±２０％の範囲でばらついていた。
【０１０２】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±２５％と特性再現性が低かった。
【０１０３】
（実施例２）
放電室３０４、３０７における放電周波数を、２０ＭＨｚに変え、ローパスフィルター１２０を図７に示した回路構成として、２５ＭＨｚ以下の周波数を９０％以上透過させ、３５ＭＨｚ以上の周波数を１０％以下にカットするものに変えた以外は実施例１と同様にして、３５ｃｍ角のｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【０１０４】
堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±３％以内に安定しており、反射電力の表示値は入射電力量の２％以下で安定していた。
【０１０５】
また、整合回路１１２でのマッチングは容易で、マッチング状態も安定していた。
【０１０６】
ローパスフィルター１２０を挿入してマッチングをとった状態で、電力検出回路１１１の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、フィルター１２０の前では第２高調波、第３高調波が基本波の１０％、５％含有されていた。しかし、フィルター１２０の後では第２高調波、第３高調波は基本波の０．５％以下に低減されていた。
【０１０７】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ２）の疑似太陽光照射下にて特性評価を行った。
【０１０８】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±２％以内に安定していた。
【０１０９】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±２％以内に安定していた。
【０１１０】
（実施例３）
放電室３０４、３０７における放電周波数を、４５ＭＨｚに変え、ローパスフィルター１２０を図４に示される回路構成のものを用い、５５０ＭＨｚ以下の周波数を９０％以上透過させ、６００ＭＨｚ以上の周波数を１０％以下にカットするものに変えた以外は実施例１と同様にして、３５ｃｍ角のｎｉｐｎｉｐ構造の２層タンデム型太陽電池モジュールを連続的に作成した。
【０１１１】
堆積膜形成の間、放電室３０４、３０７において電力計の入射電力の表示値は±５％以内に安定しており、反射電力の表示値は入射電力量の３％以下で安定していた。
【０１１２】
また、整合回路１１２でのマッチングは容易で、マッチング状態も安定していた。
【０１１３】
ローパスフィルター１２０を挿入してマッチングをとった状態で、電力検出回路１１１の方向性結合器１１６の入射側出力をスペクトラムアナライザで観測したところ、フィルター１２０の前では第２高調波、第３高調波が基本波の１５％、８％含有されていた。しかし、フィルター１２０の後では第２高調波、第３高調波は基本波の１％以下に低減されていた。
【０１１４】
そして、作成した太陽電池モジュールについて、ＡＭ１．５（１００ｍＷ／ｃｍ２）の疑似太陽光照射下にて特性評価を行った。
【０１１５】
特性評価の結果、作成した太陽電池モジュールの光電変換効率は、１ロール４００ｍの長さの中で±３％以内に安定していた。
【０１１６】
更に、同様にして１ロール５００ｍのＳＵＳ基板上に各４００ｍの長さに太陽電池モジュールを１０ロール作成し、各ロールの太陽電池モジュールの光電変換効率の平均値を比較したところ±３％以内に安定していた。
【０１１７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、従来の大面積にプラズマ処理を行う装置及び方法において、高速処理が可能なＶＨＦ周波数のプラズマ処理法を導入しようとした場合の、高周波電力が歪んで高調波を生じ易く、入射、反射電力が正確に読めない、マッチングが正確に合わせられないという問題を解決し、再現性良く、大面積にわたって均一に、高速で処理しうる高周波プラズマ処理装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ処理装置の構成の一例を説明するための概略的構成図である。
【図２】プラズマ処理装置の構成の一例を説明するための概略的構成図である。
【図３】ローパスフィルターの一例を説明するための概略的回路図である。
【図４】ローパスフィルターの一例を説明するための概略的回路図である。
【図５】図３のローパスフィルターによる減衰特性の一例を示す特性図である。
【図６】図４のローパスフィルターによる減衰特性の一例を示す特性図である。
【図７】ローパスフィルターの一例を説明するための概略的回路図である。
【図８】図７のローパスフィルターによる減衰特性の一例を示す特性図である。
【図９】プラズマ処理装置を有するロール・ツー・ロール方式の堆積膜形成装置の一例を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
１０１ プラズマ処理部
１０２ 高周波電源
１０３ 真空容器
１０４ 放電室
１０５ 排気管
１０６ ガス導入管
１０７ 基板
１０８ ヒーター
１０９ アンテナ
１１０ 高周波電源回路
１１１ 電力検出回路
１１２ 整合回路
１１３ 高周波発振回路
１１４ サーキュレーター
１１５ 反射波吸収負荷
１１６ 方向性結合器
１１７ 検波器
１１８ アンプ
１１９ メーター
１２０ ローパスフィルター
３０１ 帯状基板
３０２ 巻き出し室
３０３〜３０８ プラズマ放電室
３０９ 巻き取り室
３１０ ガスゲート
３１１ ゲートガス導入管
３１２ ガス導入管
３１３ 排気管
３１４ 放電電極
３１５ 基板加熱ヒータ
３１６ バイアス電極
３１７ 直流電源
８０１ 水晶
８０２ コンデンサ
Claims (4)
- 真空容器内に高周波電力を投入して、プラズマを生起させ、該プラズマにより処理を行うプラズマ処理装置において、
高周波電力の基本発振周波数がＶＨＦ周波数であり、少なくとも高周波電源の出力段に設けた方向性結合器と該方向性結合器に接続された検波器とからなる高周波電源の入射電力及び／又は反射電力検出回路に、基本発振周波数を透過し、その高調波成分をカットするローパスフィルターを、前記方向性結合器と検波器との間に挿入したことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 放電電極が棒状電極であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
- 真空容器内に高周波電力を投入して、プラズマを生起させ、該プラズマにより処理を行うプラズマ処理方法において、
高周波電力の基本発振周波数がＶＨＦ周波数であり、該基本発振周波数を透過し、その高調波成分をカットする、高周波電源の入射電力及び／又は反射電力検出回路を構成する方向性結合器と検波器との間に挿入されたローパスフィルターを介して、基本発振周波数を検知することを含むことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 前記検知した値に基づいて負荷と電源の整合を制御することを含むことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理方法。
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