JP3554314B2 - Deposition film formation method - Google Patents

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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマCVD法による堆積膜形成方法に関し、特に、各種の機能性堆積膜を大面積の基板上に連続的に形成する堆積膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、全世界的に電力需要が急激に増大し、電力生産が活発になっているが、それにしたがい、火力発電や原子力発電に伴う環境汚染や地球温暖化の問題が顕在化してきている。こうした中で、太陽光を利用する太陽電池発電は、環境汚染や地球温暖化の問題を引き起こすことがなく、太陽光という資源の偏在も少ないので、今後のさらなる電力需要を満たすものとして注目を集めている。
【0003】
ところで、太陽電池発電を実用化するためには、使用する太陽電池が、光電変換効率が十分に高く、特性や安定性に優れ、かつ大量生産に適したものであることが要求される。また、発電規模からして、大面積の太陽電池が必要となる。こうしたことから、容易に入手できるシランなどの原料ガスをグロー放電により分解することによって、ガラスや金属シートなどの比較的安価な基板上に、アモルファスシリコンなどの半導体薄膜を堆積させて形成されるアモルファスシリコン系太陽電池が提案されている。このアモルファスシリコン系太陽電池は、単結晶シリコンなどから作製された太陽電池と比較して、量産性に優れ、低コストであると注目され、その製造方法についても各種の提案がなされている。
【0004】
太陽電池発電では、太陽電池の単位モジュールを直列または並列に接続してユニット化し、所望の電流、電圧を得るようにすることが多く、各単位モジュールにおいては断線や短絡が生じないことが要求され、さらに、単位モジュール間の出力電圧、出力電流のばらつきが少ないことが要求される。そのため、少なくとも単位モジュールを作製する段階で、その最大の特性決定要因である半導体層そのものの特性の均一さが要求される。また、モジュールの設計を容易にし、モジュールの組み立て工程を簡略なものとするため、大面積にわたって特性の優れた半導体堆積膜が形成できるようにすることが、太陽電池の量産性を高め、生産コストの大幅な低減をもたらすこととなる。
【0005】
太陽電池の重要な構成要素である半導体層は、pn接合あるいはpin接合などの半導体接合を含んでいるが、これら半導体接合は、導電型の異なる半導体層を順次積層したり、ある導電型の半導体層に異なる導電型のドーパントをイオン打ち込みあるいは熱拡散させることにより形成される。上述のアモルファスシリコン系太陽電池の作製においては、ホスフィン(PH)やジボラン(B)などのドーパントとなる元素を含む原料ガスを、主たる原料ガスであるシランガスなどに混合し、混合された原料ガスをグロー放電によって分解することによって所望の導電型を有する半導体膜が得られ、所望の基板上にこれらの半導体膜を順次積層させて形成することにより、容易に半導体接合が得られることが知られている。そこで、アモルファスシリコン系太陽電池を作製するにあたっては、各々の半導体層に対応して独立した成膜室を設け、この成膜室でそれぞれの半導体層を形成することが一般的である。
【0006】
このようなアモルファスシリコン系太陽電池の作製に適したプラズマCVD法による堆積膜形成方法として、米国特許第4400409号明細書には、ロール・ツー・ロール(Roll to Roll)方式によるものが開示されている。この堆積膜形成方法は、複数のグロー放電領域を設け、長尺の帯状の基板を、その基板が各グロー放電領域を順次貫通する経路に沿って配置し、必要とされる導電型の半導体層をそれぞれのグロー放電領域で堆積形成しつつ、帯状の基板をその長手方向に連続的に搬送させるものである。これによって所望の半導体接合を有する太陽電池を連続的に形成することができるようになっている。なお、この堆積膜形成方法では、各グロー放電領域で使われるドーパントガスが、他のグロー放電領域へ拡散、混入することを防ぐため、それぞれのグロー放電領域をガスゲートと呼ばれるスリット状の分離通路によって相互に分離し、さらにこの分離通路に例えばAr,Hなどの掃気用ガスの流れを形成するようになっている。こうした構成とすることにより、ロール・ツー・ロール方式による堆積膜形成方法は、太陽電池などの半導体素子の製造に適するものとなっている。
【0007】
一方、アモルファスシリコン系太陽電池の光電変換効率を向上させるための試みとして、a−SiGe:H,a−SiGe:F,a−SiGe:H:F,a−SiC:H,a−SiC:F,a−SiC:H:FなどのIV族合金半導体をi型(真性)半導体層と使用する場合に、光の入射側から、このi型半導体層の禁制体幅(バンドギャップ:E opt)を膜厚方向に連続的に適宜変化させることにより、太陽電池としての開放電圧(Voc)や曲線因子(fill factor:FF)が大幅に改善されることが見出されている(20th IEEE PVSC, 1988,"A Novel Design for Amorphous Silicon Solar Cells", S. Guha, J. Yang, et al.)。
【0008】
また、半導体デバイス、電子写真用感光デバイス、画像入力用ラインセンサ、撮像デバイスやその他の各種のエレクトロニクス素子、あるいは光学素子に対しても、アモルファス半導体、例えば水素および/またはハロゲン(フッ素、塩素など)で補償されたアモルファスシリコンなどの堆積膜が提案され、このうちのいくつかは実用に供されている。こうした堆積膜もプラズマCVD法で形成されるのが一般的である。すなわち、直流、高周波あるいはマイクロ波グロー放電によって原料ガスを分解し、ガラス、石英、耐熱性合成樹脂フィルム、ステンレス鋼、アルミニウムなどの材質である基板上に薄膜状の堆積膜を形成する方法により形成されている。
【0009】
ここで、プラズマCVD法についてさらに詳しく説明する。プラズマCVD法とは、電磁波などのエネルギーを特定物質に加えて放電させることにより、特定物質を化学的に活性なラジカルとし、さらに、ラジカルを基板あるいは基体に接触させることにより、基板上へ堆積膜を形成させる方法をいう。そして、プラズマCVD装置とは、プラズマCVD法を実施するために設計,製作された装置をいう。
【0010】
従来、プラズマCVD装置は、成膜ガス導入口および排気口を有する真空容器である成膜室と、成膜室に成膜ガス導入口を介して成膜ガスを供給するガス供給手段と、成膜室内の成膜ガスを成膜ガス排気口を介して排出するガス排出手段と、成膜室に供給された成膜ガスを解離させるための電磁波などのエネルギーを供給するエネルギー供給手段と、堆積膜形成用の基板を成膜室内へ搬送する基板搬送手段とから構成されている。
【0011】
ところで、プラズマCVD法はラジカルの強い活性に依拠するものであり、ラジカルの生成密度や基板の温度などを適宜選択することにより所望の堆積膜形成を行うものであるが、プラズマCVD法において処理速度を高めたり、大面積に亘って均一な堆積膜形成をする上で必要なことは、ラジカルを大面積に亘って均一かつ大量に生成させるプラズマ条件の選択である。
【0012】
従来、成膜ガスを解離させるためのエネルギーとしては、13.56MHzの高周波(RF)が使用されていたが、近年、より波長の短い2.45GHzのマイクロ波を用いることにより、高密度プラズマを効率的に生成することができ、プラズマCVD法において堆積膜形成速度の向上が図れる可能性があることから、マイクロ波を用いたプラズマCVD法が注目され、そのためのプラズマCVD装置が数多く提案されている。例えば上述したような各種エレクトロニクス素子、光学素子などに用いる素子材料としてのアモルファスシリコン(以下、「a−Si」と記す。)を所望の基板上にマイクロ波プラズマCVD装置が各種提案されている。
【0013】
例えば、特公昭58−49295、特公昭59−43991、実公昭62−36240の各公報などには、方形または同軸導波管にガス管を貫入させるかあるいは接触させてプラズマを生起させるものが示されている。この種の装置としては、図14に示されるものを代表的なものとして挙げることができる。この装置は、概略、真空系、排気系、マイクロ波導入系で構成されるものである。
【0014】
図14において、真空系は、反応容器981と、ガス輸送管982を介して接続した内径40mm程度のマイクロ波透過性の管983(例えば石英管)あるいは窓とで構成されている。管983(あるいは窓)は第1のガス導入管982と接続し、同時にマイクロ波導波管984と直交している。そして反応容器981内には、第2のガス導入管(不図示)が接続され、この第2のガス導入管から導入されるガス(例えばシランガス)は、排気管985とポンプ986とによって構成される排気系から排気されるようになっている。この装置にあっては、第1のガス導入管982から導入されるガス(酸素ガスあるいは窒素ガス)は、マイクロ波電源987から投入されたマイクロ波電力により解離する。マイクロ波電力による放電に際しては、摺動短絡板(プランジャー)988を動かしてマイクロ波の入力インピーダンスの整合をとり得るようになっている。かくして生成するプラズマ中のラジカルが、前記第2のガス導入管を介して導入されるシランガスなどと反応し、基板989上にSiOやSiNなどの膜が形成されることとなる。またこの装置により、光導電性材料や光起電力材料も数十Å/秒という速い堆積速度で成膜することが可能である。
【0015】
また、米国特許第4517223号明細書や米国特許第4504518号明細書には、低圧下でのマイクロ波グロー放電プラズマ内で小面積の基板上に薄膜を堆積形成させる方法が開示されている。この方法では、低圧下でのプロセスであるため、膜特性の低下の原因となる活性種のポリマリゼーションを防ぎ高品質の堆積膜が得られるだけではなく、プラズマ中でのポリシランなどの粉末の発生を抑え、かつ、堆積速度の飛躍的向上が図れるとされている。一方、米国特許第4729341号明細書には、一対の放射型導波管アプリケータを用いた高パワープロセスによって、大面積の円筒形基体上に光導電性半導体薄膜を堆積形成させる低圧マイクロ波プラズマCVD法及び装置が開示されている。
【0016】
マイクロ波プラズマCVD法を用いて大面積に均質な堆積なくを形成するためには、マイクロ波パワーや原料ガスの空間的密度(濃度)分布を制御して、均質なプラズマを生起、維持しなければならない。また、ロール・ツー・ロール方式すなわち基板移動成膜方式においては、堆積膜の膜厚方向に組成分布を持たせるためには、空間的組成分布を有するプラズマになるよう制御する必要がある。
【0017】
このようなプラズマを生起・維持するためには、反応容器(堆積膜形成容器)に複数のマイクロ波導入手段を設け、これらマイクロ波導入手段から反応容器に放射伝播するマイクロ波のエネルギー分布を制御し、あるいは、複数のガス供給手段を設けて反応容器内の原料ガスの濃度分布を調整することが行なわれる。
【0018】
均質なプラズマを長時間にわたって維持するためには、反応容器に供給されるマイクロ波エネルギーを一定に維持する必要がある。マイクロ波エネルギーを一定に維持する方法としては、マイクロ波の進行波エネルギーと反射波エネルギーとをそれぞれモニターし、進行波エネルギーから反射波エネルギーを減じることによって実効的な供給エネルギーを求め、この供給エネルギーが一定になるように制御を行なう方法がある。しかし、進行波と反射波のモニターはマイクロ波電源から反応容器に至る途中の導波管上で行なわれるので、反応容器への実際の供給エネルギーを正確に求めることができないという問題点がある。一方、反応容器内のプラズマパラメータを探針によってモニターし、各パラメータ値が一定となるようにマイクロ波電源からのマイクロ波エネルギーを制御する方法もある。しかし、複数のマイクロ波導入手段を有する大面積のマイクロ波プラズマCVD装置では、マイクロ波相互の干渉があるため、大面積にわたってプラズマをモニターして一様なプラズマを維持するのは困難である。
【0019】
以上の述べたような公知のプラズマCVD法と基板を移動させながら成膜を行なう基板移動成膜法とを組み合わせた、移動成膜式マイクロ波プラズマCVD装置が各種提案されており、代表的には図15に示すようなものである。
【0020】
図15において、スリット状開口部954,955を介して直列に接続された3個の成膜容器951〜953は、それぞれ真空気密構造をなしている。各スリット状開口部954,955には、成膜容器951〜953間で互いに原料ガスの混入を抑えるために、不活性ガスを噴射するゲートガス導入手段(不図示)がそれぞれ設けられている。スリット状開口部954,955の具体例としては、米国特許出願番号204,493号などに記載されているガスゲートが挙げられる。これら各成膜容器951〜953およびスリット状開口部954,955を貫通するようにして長尺の帯状の基板956が配置されている。基板956は、長手方向に連続的に搬送可能なものであって、繰り出し室974内に設けられた繰り出しローラ957から繰り出され、巻き取り室975内に設けられた巻き取りローラ958に巻き取られるようになっている。繰り出し室974と巻き取り室975は、それぞれ排気装置976,977に連通している。
【0021】
各成膜容器951〜953は、それぞれ、排気口968〜970を介して排気装置971〜973に連通している。また、各成膜容器951〜953には、基板956を加熱するためのランプヒータ959〜961と誘電体窓965〜967が設けられている。各誘電体窓965〜967は、マイクロ波電力を成膜容器内に効率よく透過しかつ真空気密を保持し得るような材料、例えば石英ガラス、アルミナセラミックスなどで形成されている。この誘電体窓965〜967の成膜容器外側には、マイクロ波の伝送路であって主として金属製である導波管(不図示)が接続され、整合アイソレータ(不図示)を介してマイクロ波電源(不図示)に接続されている。さらに、図示左右の2個の成膜容器951,953には原料ガス供給管962,963が設けられ、図示中央の成膜容器952には原料ガス供給管を兼ねバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加棒964が設けられている。
【0022】
こうした従来のマイクロ波プラズマCVD装置による堆積膜形成は以下のようにして行なわれる。すなわち排気装置971〜973により、それぞれ成膜容器951〜953内を排気して所望の圧力に調整する。次いでランプヒータ959〜961に通電して、基板956の温度を膜堆積に好適な温度に加熱保持する。このとき基板956は、繰り出しローラ957から巻き取りローラ958へと好適な速度で搬送されている。原料ガス供給管962,963と原料ガス供給管を兼ねたバイアス電圧印加棒964を介して、例えばpin構造の光起電力素子を形成する場合であれば、それぞれ、シラン(SiH)ガスとジボラン(B)ガスの混合ガスなど、シランガスなど、シランガスとホスフィン(PH)ガスの混合ガスなどを成膜容器951〜953に導入し、またバイアス印加棒964により適当な直流バイアス電圧を印加する。それと同時平行的にマイクロ波電源(不図示)を作動させて周波数500MHz以上の好ましくは2.45GHzのマイクロ波を発生させ、そのマイクロ波を導波管(不図示)を通じ誘電体窓965〜967を介して成膜容器951〜953内にそれぞれ導入する。かくして成膜容器951〜953内の原料ガスはマイクロ波のエネルギーにより励起されて解離し、基板956の表面にp型半導体層、i型半導体層、n型半導体層と順次堆積膜が形成されることになる。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した従来の堆積膜形成方法では、例えば電子写真感光体や太陽電池などのように大面積の基板上に堆積膜を大量に連続して安定に形成することが難しく、かつコストも高いものとなっていた。また、膜厚方向に連続的に組成が変化する大面積の堆積膜を均一に形成することが困難であるという問題点もある。
【0024】
すなわち、上述したようにマイクロ波エネルギーを一定に保つための制御方法が不十分であり、大量の堆積膜を均一に形成することが難しい。
【0025】
また、1辺の長さが300mmを越えるような大面積の部材を作成する場合、反応容器(成膜容器)は概ね10リットル以上の容量となる。この反応容器内にシランやゲルマン(GeH)などの原料ガスを導入して圧力を5〜20mTorrとしグロー放電を生起させる場合、必要となるマイクロ波電力は2〜4kW程度であった。そこでグロー放電の生起を容易にするため、点火用のアーク放電を起こす機構を反応容器内に設けるという提案がなされている(特開昭59−158323)。しかしながらこの場合、アーク放電用の電極がスパッタされて堆積膜中に不純物として混入し、堆積膜の電気的特性を劣化させるという新たな問題点を生じていた。グロー放電の生起を容易にする別の方法として、磁場とマイクロ波との相互作用により電子サイクロトロン共鳴(ECR)を起こさせる方法も一般に知られているが(特公昭63−67332)、この場合も直径150mm以上の大面積にわたって均一な磁場を形成するには膨大な装置コストを必要とし、経済性において甚だ不十分であった。
【0026】
さらに、上述のロール・ツー・ロール方式による堆積膜形成方法では、帯状の基板を連続的に移動させながら堆積膜を形成するので、基板がグロー放電領域を通過する間に成膜が行なわれる。したがって堆積膜の膜厚は、堆積速度とグロー放電領域の通過速度とによって比較的容易に制御することができる。一方、膜厚方向に組成分布を持たせるためには、基板が連続的に移動しているので、グロー放電領域内の膜形成雰囲気について、基板の移動方向に分布を持たせる必要がある。しかし、原料ガスの組成、圧力あるいはグロー放電のエネルギー密度といった膜形成雰囲気について、再現性よくこのような分布を持たせることは困難である。基板を固定させておく方式の堆積膜形成方法においても、堆積膜の均一性が損なわれるという理由により、膜形成雰囲気に分布を持たせることは行なわれていない。
【0027】
a−Siなどのアモルファス系堆積膜を形成する場合、マイクロ波電力のほかに基板にバイアス電圧による電界を加えることで堆積膜の特性が向上する場合があることが知られている。しかし、移動成膜式マイクロ波プラズマCVD装置における最適なバイアス印加方法は見い出されていない。図16は、従来の装置におけるバイアス電界のかかり方を示す模式図である。ここでは、成膜容器943のほぼ中央に、帯状の基板941の表面に対して平行にかつ基板941の長手方向に対して垂直に延びるバイアス印加棒942が設けられている。そして図中の矢印は電界を示している。この図から明らかなように、成膜容器943の端部付近(図示区間L)とそれ以外の場所とでは基板941に加わる電界の大きさが変化し、このために基板941の搬送の過程で印加される電界が変化することになる。特に、成膜容器943に入った直後と出る直前にある基板(図示区間Lにあるとき)に対しては、成膜容器941のほぼ中央部にある基板と比べ、直流バイアスのかかり方が極度に弱まってしまう。このことにより、成膜容器941の端部付近で形成される堆積膜の特性は、成膜容器941の中央部で形成される堆積膜の特性よりも劣ることになる。例えば、pin型光起電力素子の形成に当ってバイアス電圧を印加しながらi層の成膜を行なう場合、p層とi層との界面、あるいはi層とn層との界面で特性の悪いi層が堆積されることになり、光起電力素子としての特性を大きく低下させることになる。
【0028】
さらにまたマイクロ波によって生起するプラズマでは、プラズマにバイアス電圧を印加することによりプラズマ電位を制御することが可能であるが、長時間の連続成膜において安定して高品質の堆積膜を形成するに当っては、解決しなければならない問題点が種々残されている。
【0029】
具体的には、マイクロ波プラズマにバイアス電圧を印加することにより所望の品質の堆積膜を比較的大面積にわたって成膜することができるが、バイアス電圧を印加することによるバイアス電流は、その流れる壁面の状態に非常に敏感であり、バイアス電流の安定性が堆積膜の特性を大きく左右することになる。例えば、マイクロ波プラズマを用いたロール・ツー・ロール方式による堆積膜形成方法では、成膜容器の一面を構成する帯状の基板を連続的に移動させながら、所望の膜厚の堆積膜をこの基板上に形成させる一方、固定されている成膜容器の内壁には堆積膜が大量に付着することになる。その結果、例えばバイアス印加棒などによってバイアス電圧を印加する場合、バイアス電流の流れ込む壁面の状態すなわち導電性は、移動しつつある基板上では一定であるが、成膜容器を構成する壁面上では大きく変化してくる。この状態で成膜容器内に供給されるマイクロ波エネルギーとバイアス電圧とを一定とすると、見かけ上バイアス電流値は一定にはなるが、実際には基板に流れ込むバイアス電流が増加し、成膜容器の壁面に流れ込むバイアス電流が減少することになる。したがって、基板上に堆積される膜の膜質はバイアス電流の変化に伴い大きく変化してしてしまい、連続して一定の特性を有する堆積膜を再現性よく形成することは困難である。
【0030】
また、上述のロール・ツー・ロール方式による堆積膜形成方法では、マイクロ波プラズマ領域中に帯状の基板を通過させるため、プラズマ領域を取り囲む成膜容器にスリット状の穴を設け、この穴に基板を通すようになっている。このため、この穴の部分において基板と成膜容器との間に隙間が生じ、マイクロ波プラズマや原料ガスそのものがこの隙間を通して漏れ易く、安定して膜形成雰囲気を維持することが困難である。
【0031】
本発明の目的は、高品質の堆積膜を大面積の基板上に、連続かつ特性にばらつきなく、安定して再現性よく形成することのできる堆積膜形成方法を提供することにある。膜厚方向に組成が変化しない堆積膜のみならず、膜厚方向に組成の分布がある堆積膜も、連続かつ特性にばらつきなく、安定して再現性よく形成することのできるようにすることも目的である。
【0032】
【課題を解決するための手段】
本発明の堆積膜形成方法では、帯状の基板をその長手方向に連続的に移動させながら、前記基板が側壁の一面となる柱状の成膜空間に堆積膜形成用の原料ガスを導入し、同時に前記成膜空間へマイクロ波エネルギーを導入させてマイクロ波プラズマを前記成膜空間内に生起させ、前記基板の前記成膜空間側の表面上に堆積膜を形成させる堆積膜形成方法において、前記成膜空間が、堆積膜形成用の原料ガスの相互拡散が可能であるようにした壁によって分離されて複数の小成膜空間によって構成され、組成制御を行なって前記堆積膜を形成する。
【0033】
【作用】
本発明では、基板上への堆積膜の形成が行なわれる成膜空間を複数の小成膜空間に分割して構成するので、これら小成膜空間にそれぞれ独立して堆積膜の原料ガスおよびマイクロ波エネルギーを導入してプラズマを生起できる。したがって、小成膜空間ごとに、組成の異なった堆積膜を形成するための良好な成膜条件を設定できる。帯状の基板の移動方向に対して小成膜空間の成膜条件を堆積膜の組成が徐々に変化するように設定すれば、基板が連続的に移動しかつ堆積膜も連続的に形成、成長しているから、結果として、基板上に形成される堆積膜は、膜厚方向に組成が階段状に変化することになる。
【0034】
隣接する小成膜空間を分離する壁に原料ガスの透過を許すような適当な開口を設けると、隣接する小成膜空間の間で原料ガスおよびプラズマの相互拡散が起こり、移動する帯状の基板上に形成される堆積膜の組成は、前述した階段状の変化部分を滑らかに接続したものとなる。この壁に設けられる開口の開口率を大きくしすぎると、相互拡散が激しくなり各小成膜空間での良好な成膜条件を維持できなくなる。また、開口率を小さくすると、相互拡散が少なくなって、膜厚方向の組成変化がより明瞭な階段状変化を示すようになる。組成変化を滑らかにする必要がある場合には、成膜空間を分割して得られる小成膜空間の数を増やすことも有効である。
【0035】
これら小成膜空間には、堆積膜形成用の原料ガスを導入する原料ガス放出手段が設けられる。原料ガス放出手段には、原料ガスを小成膜空間内に放出するためのガス放出孔が設けられている。このガス放出孔の形状は、スリット状、円形状、楕円状、スポンジ状、メッシュ状などいずれの形状であってもよく、またガス放出孔の個数はいくつであってもよいが、この小成膜空間内で基板の横幅方向および移動方向に対して堆積膜の形成速度および膜質が均一となるように原料ガスが放出されるように工夫される必要がある。
【0036】
また、これら小成膜空間には、原料ガスを排気する原料ガス排気手段が設けられる。原料ガス排気手段には、原料ガスを吸引するためのガス排気孔が設けられる。このガス排気孔の形状は、スリット状、円形状、楕円状、スポンジ状、メッシュ状などいずれの形状であってもよく、またガス排気孔の個数はいくつであってもよいが、基板の横幅方向に対して均一にガスが排気されるように工夫される必要がある。マイクロ波エネルギーがガス排気孔から外部に漏洩しないように、ガス排気孔の開口面積は小さくするとよい。開口部の幅は、好ましくはマイクロ波の波長の1/4以下、より好ましくは1/20以下である。
【0037】
さらに、小成膜空間には、それぞれマイクロ波エネルギーをその小成膜空間に導入するマイクロ波導入手段が設けられる。マイクロ波エネルギーは、柱状の小成膜空間の面であって基板表面とは垂直である面から、帯状の基板に平行かつ基板の横幅方向に放射、伝搬されるようにするの好ましい。このマイクロ波エネルギーは、マイクロ波電源から導波管を介してマイクロ波導入手段に伝達され、このマイクロ波導入手段の先端に設けられたマイクロ波透過性部材(誘電体窓)を透過して小成膜空間内に放射、伝搬される。マイクロ波透過性部材は、大気圧下にある導波管内と減圧下にある成膜空間とを気密分離するためのものである。
【0038】
成膜空間が形成される真空容器内には、成膜空間を通過する帯状の基板の温度を調整するために、基板をはさんで成膜空間と対向するようにして、ヒータが設けられる。基板の温度を小成膜空間ごとに独立して設定できるように、各小成膜空間のそれぞれに対応してヒータの発熱量を独立に調整できるようにするとよい。また一般に、成膜空間を実質的に画定することになる成膜容器が真空容器内に設けられるが、基板がこの成膜容器を貫通することとなるスリット状の開口部から放電エネルギーやプラズマが漏洩しないように、これらの部分における開口面積は極力狭くするとよい。開口の狭い方の幅は、好ましくはマイクロ波の波長の1/4以下、より好ましくは1/20以下である。また、電磁シールド材を用いてもよい。
【0039】
《本発明の方法によって形成される堆積膜の例》
以上、本発明について説明したが、ここで本発明の堆積膜形成方法によって形成される堆積膜の例について説明する。
【0040】
このような堆積膜としては、Si,Ge,CなどのIV族半導体薄膜およびこれに価電子制御元素を含有させたものが代表として挙げられる。このほか、SiGe,SiC,GeC,SiSn,GeSn,SnCなどのIV族合金半導体薄膜、GaAs,GaP,GaSb,InP,InAsなどの III−V族化合物半導体薄膜、ZnSe,ZnS,ZnTe,CdS,CdSe,CdTeなどのII−VI族化合物半導体薄膜、CuAlS,CuAlSe,CuAlTe,CuInS,CuInSe,CuInTe,CuGaS,CuGaSe,CuGaTe,AgInSe,AgInTeなどのI−III−VI族化合物半導体薄膜、ZnSiP,ZnGeAs,CdSiAs,CdSnPなどのII−IV−V族化合物半導体薄膜、CuO,TiO,In,SnO,ZnO,CdO,Bi,CdSnOなどの酸化物半導体薄膜、およびこれらの半導体薄膜に価電子を制御するための価電子制御元素を含有させたものを挙げることが出来る。もちろん、これらの薄膜半導体は、非晶質(アモルファス)、多結晶、微結晶、単結晶のいずれの結晶性のものであってもよい。また、膜厚方向に組成を変化させた堆積膜の例として、もちろんa−Si:H、a−Si:H:Fなどの非晶質半導体において、水素および/またはフッ素含有量を変化させたものである。
【0041】
前述の堆積膜を形成するために用いられる堆積膜形成用の原料ガスは、所望の堆積膜の組成に応じて適宜その混合比を調製して成膜空間内に導入される。
【0042】
上述のIV族半導体またはIV族合金半導体薄膜を形成するために好適に用いられる、周期律表第IV族元素を含む化合物としては、Si原子、Ge原子、C原子、Sn原子、Pb原子を含む化合物であって、具体的にはSiH,Si,Si,Si,Si,Si10等のシラン系化合物、SiF,(SiF,(SiF,(SiF,Si,Si,SiHF,SiH,Si,Si,SiCl,(SiCl,SiBr,(SiBr,SiCl,SiBr,SiHCl,SiHBr,SiHI,SiClなどのハロゲン化シラン化合物、GeH,Geなどのゲルマン化合物、GeF,(GeF,(GeF,(GeF,Ge,Ge,GeHF,GeH,Ge,Ge,GeCl,(GeCl,GeBr,(GeBr,GeCl,GeBr,GeHCl,GeHBr,GeHI,GeClなどのハロゲン化ゲルマニウム化合物、CH,C,Cなどのメタン列炭化水素、C,Cなどのエチレン列炭化水素、Cなどの環状炭化水素、CF,(CF,(CF,(CF,C,C,CHF,CH,CCl,(CCl,CBr,(CBr,CCl,CBr,CHCl,CHI,CClなどのハロゲン化炭素化合物、SnH,Sn(CHなどのスズ化合物、Pb(CH,Pb(Cなどの鉛化合物などを挙げることができる。これらの化合物は1種で用いても2種以上混合して用いても良い。
【0043】
また、上述のIV族半導体あるいはIV族合金半導体を価電子制御するために用いられる価電子制御剤としては、p型の不純物として、周期律表第III族の元素、例えばB,Al,Ga,In,Tlなどが好適なものとして挙げられ、n型不純物として、周期律表第V族の元素、例えばN,P,As,Sb,Biなどが好適なものとして挙げられる。ことに、B,Ga,P,Sbなどが最適である。ドーピングされる不純物の量は、要求される電気的、光学的特性に応じて適宜決定される。このような不純物導入用の原料物質としては、常温常圧でガス状態の、または少なくとも膜形成条件下で容易にガス化し得るものが採用される。そのような不純物導入用の出発物質として具体的には、PH,P,PF,PF,PCl,AsH,AsF,AsF,AsCl,SbH,SbF,BiH,BF,BCl,BBr,B,B10,B,B11,B10,B12,AlClなどを挙げることが出来る。上記の不純物元素を含む化合物は、1種用いても2種以上併用してもよい。
【0044】
上述のII−VI族化合物半導体を形成するために用いられる、周期律表第II族元素を含む化合物としては、具体的には、Zn(CH,Zn(C,Zn(OCH,Zn(OC,Cd(CH,Cd(C,Cd(C,Cd(C,Hg(CH,Hg(C,Hg(C,Hg[C≡(C)]などが挙げられる。また周期律表第VI族元素を含む化合物としては、具体的にはNO,NO,CO,CO,HS,SCl,SCl,SOCl,SeH,SeCl,SeBr,Se(CH,Se(C,TeH,Te(CH,Te(Cなどが挙げられる。もちろん、これらの原料物質は1種のみならず2種以上混合して使用することも出来る。
【0045】
このII−VI族化合物半導体を価電子制御するために用いられる価電子制御剤としては、周期律表I,III,IV,V族の元素を含む化合物などを有効なものとして挙げることができる。具体的にはI族元素を含む化合物としては、LiC,Li(sec−C),LiS,LiNなどが好適なものとして挙げることができる。また、III族元素を含む化合物としては、BX,B,B10,B,B11,B10,B(CH,B(C,B12,AlX,Al(CHCl,Al(CH,Al(OCH,Al(CH)Cl,Al(C,Al(OC,Al(CHCl,Al(i−C,Al(i−C,Al(C,Al(OC,GaX,Ga(OCH,Ga(OC,Ga(OC,Ga(OC,Ga(CH,Ga,GaH(C,Ga(OC)(C,In(CH,In(C,In(C、V族元素を含む化合物としてはNH,HN,N,N,NH,PX,P(OCH,P(OC,P(OC,P(OC,P(CH,P(C,P(C,P(C,P(SCN),P,PH,AsH,AsX,As(OCH,As(OC,As(OC,As(OC,As(CH,As(C,As(C,SbX,Sb(OCH,Sb(OC,Sb(OC,Sb(OC,Sb(CH,Sb(C,Sb(Cなどが挙げられる。なお、Xはハロゲン元素(F,Cl,Br,I)を示す。もちろん、これらの原料物質は1種であってもよいが、2種またはそれ以上を併用してもよい。さらに、IV族元素を含む化合物としては前述した化合物を用いることが出来る。
【0046】
上述のIII−V族化合物半導体を形成するために用いられる、周期律表第III族元素を含む化合物としては、II−VI族化合物半導体を価電子制御するために用いられるIII族元素を含む化合物として上述したものをそのまま使用することができ、また、周期律表第V族元素を含む化合物としては、II−VI族化合物半導体を価電子制御するために用いられるV族元素を含む化合物として上述したものを同様にそのまま使用することができる。もちろん、これらの原料物質は1種であってもよいが、2種またはそれ以上を併用してもよい。
【0047】
このIII−V族化合物半導体を価電子制御するために用いられる価電子制御剤としては、周期律表II,IV,VI族の元素を含む化合物などを有効なものとして挙げることができる。このような化合物としては、上述したII族元素を含む化合物、上述したIV族元素を含む化合物、上述したVI族元素を含む化合物をそれぞれ使用することができる。
【0048】
上述した各原料ガスは、He,Ne,Ar,Kr,Xeなどの希ガス、あるいはH,HF,HClなどの希釈ガスと混合して堆積膜形成装置に導入してもよい。また、これら希ガスや希釈ガスを原料ガスとは独立に堆積膜形成装置に導入するようにしてもよい。
【0049】
また、これら半導体薄膜の堆積膜を形成する場合、堆積膜のバンドギャップ幅を変化させるなどの特性改善ガスとして、N,NHなどの窒素原子を含む分子、O,NOなどの酸素原子を含む分子、CH,C,C,C,Cなどの炭化水素、SiF,Si,GeFなどのフッ化物、またはこれらの混合ガスが挙げられる。
【0050】
本発明においては、堆積膜の膜厚方向に制御された組成分布を形成することが可能であるが、上述した半導体薄膜において組成制御を行うことにより、禁制帯幅制御、価電子制御、屈折率制御、結晶制御などが行われる。帯状の基板上に膜厚方向に組成制御された堆積膜を形成させることにより、電気的、光学的、機械的に優れた特性を有する大面積の薄膜半導体デバイスを作製することが出来る。すなわち、堆積形成された半導体層の膜厚方向に禁制帯幅及び/又は価電子密度を変化させることによりキャリアの走行性を高めたり、半導体界面でのキャリアの再結合を防止することで電気的特性が向上する。また、屈折率を連続的に変化させることにより光学的無反射面とすることができ、半導体層中への光透過率を向上させることができる。さらには、水素含有量などを変化させることによって、構造的変化を与えることができ、内部応力が緩和されて、基板との密着性の高い堆積膜を形成することができる。
【0051】
本発明において堆積膜の形成される基板としては、特にその材質が限定されるものではないが、例えば、Al,Cr,Mo,Au,In,Nb,Te,V,Ti,Pt,Pdなどの金属、これらの合金やステンレス鋼、表面を導電処理したポリカーボネートなどの合成樹脂、ガラス、セラミックス、紙などが通常使用される。
【0052】
《太陽電池の構成例》
本発明の堆積膜形成方法および堆積膜形成装置を用いて好適に製造される半導体デバイスの一例として、光起電力素子すなわち太陽電池がある。その層構成として典型的なものであるアモルファスシリコン系太陽電池について、図17(a)〜(d)を用いて説明する。
【0053】
図17(a)に示した太陽電池は、基板901の上に、下部電極902、n型半導体層903、i型半導体層904、p型半導体層905、透明電極906が順次積層され、さらに透明電極906の上に格子状の集電電極907が形成された構造となっている。この太陽電池は、透明電極906の側から光が入射されることを前提としたものである。なお、下部電極902は、各半導体層903〜905をはさんで透明電極906に対向する電極のことである。
【0054】
図17(b)に示した太陽電池は、基板901が透光性のものであって、この基板901の側から光が入射するものであり、基板901の上に、透明電極906、p型半導体層905、i型半導体層904、n型半導体層903、下部電極902が順次積層された構成となっている。
【0055】
以上の各太陽電池は、pin接合を1組のみ有するものであったが、入射光の利用効率を向上させるため、2組のpin接合を積層させることが行なわれる。図17(c)は2組のpin接合を有する太陽電池(いわゆるタンデム型太陽電池)の構成を示すものであり、この太陽電池は、基板901の上に、下部電極902、第1のpin接合911、第2のpin接合912、透明電極906、集電電極907が順次積層された構成となっている。光は、透明電極906の側から入射する。各pin接合911,912は、もちろん、n型半導体層903、i型半導体層904、p型半導体層905が積層した構造であるが、i型半導体層904については、光電変換効率を向上させるために、第1および第2のpin接合911,912のそれぞれによってバンドギャップや膜厚を異ならせることが行なわれる。
【0056】
さらに、光電変換効率を向上させるため、3組のpin接合を積層させることが行なわれる。図17(d)は3組のpin接合を有する太陽電池(いわゆるトリプル型太陽電池)の構成を示すものであり、この太陽電池は、基板901の上に、下部電極902、第1のpin接合911、第2のpin接合912、第3のpin接合913、透明電極906、集電電極907が順次積層された構成となっている。光は、透明電極906の側から入射する。この太陽電池においても、光電変換効率の向上のため、i型半導体層904のバンドギャップや膜厚は、各pin接合911〜913のそれぞれにおいて異なるようにされる。
【0057】
次に、上述した太陽電池の各構成要素の詳細について説明する。なお、図17(a)〜(d)に示した各太陽電池においては、n型半導体層903とp型半導体層905とを比較すると、p型半導体層905の方が光入射側に位置するようになっているが、n型半導体層903の方が光の入射側に位置するような層構成とすることも可能である。
【0058】
まず、基板901について説明する。
【0059】
この太陽電池において使用される基板901は、曲げやすく湾曲形状を形成し得る材質のものが好適に用いられ、導電性のものであっても、また電気絶縁性のものであってもよい。基板901は透光性のものであっても、また非透光性のものであってもよいが、基板901の側より光入射が行われる場合には、もちろん透光性であることが必要である。具体的には、本発明の各実施例で使用されるような帯状の基板を挙げることができる。帯状の基板を用いることにより、本発明の方法および装置によって太陽電池を基板上に連続的に形成でき、太陽電池の軽量化、強度向上、運搬スペースの低減などを図ることができる。
【0060】
次に、太陽電池から電力を取り出すための電極について説明する。
【0061】
この太陽電池では、その構成形態により適宜の電極が選択使用される。それらの電極としては、下部電極902、透明電極906、集電電極907を挙げることができる。(ただし、ここでいう透明電極906とは光の入射側に設けられたものを示し、下部電極902とは各半導体層903〜905をはさんで透明電極906に対向して設けられたものを示すこととする。)
これらの電極について以下に詳しく説明する。
【0062】
(i) 下部電極902
下部電極902としては、上述した基板901の材料が透光性であるか否かによって、光起電力発生用の光を照射する面が異なるので(たとえば基板901が金属などの非透光性の材料である場合には、図17(a)で示したように、透明電極906側から光を照射する。)、その設置される場所が異なる。
【0063】
具体的には、図17(a),(c),(d)のような層構成の場合には、電流取り出し用の電極として、基板901とn型半導体層903との間に、下部電極902が設けられる。なお、基板901が導電性である場合には、この基板901が下部電極902を兼ねることができるので、下部電極902を省略することができる。ただし、基板901が導電性であってもシート抵抗値が高い場合には、電流取り出し用の低抵抗の電極として、あるいは支持体面での反射率を高め入射光の有効利用を図る目的で、下部電極902を設置してもよい。
【0064】
図17(b)の場合には、透光性の基板901が用いられており、基板901の側から光が入射されるので、電流取り出しおよび光反射用の目的で、下部電極902が、基板901と対向し各半導体層903〜905をはさんで設けられている。
【0065】
下部電極902の材料としては、Ag,Au,Pt,Ni,Cr,Cu,Al,Ti,Zn,Mo,Wなどの金属またはこれらの合金が挙げられ、これらの金属の薄膜を真空蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリングなどで形成する。また、形成された金属薄膜が太陽電池の出力に対して抵抗成分とならぬように配慮されねばならず、下部電極902のシート抵抗値は、好ましくは50Ω以下、より好ましくは10Ω以下であることが望ましい。
【0066】
下部電極902とn型半導体層903との間に、導電性酸化亜鉛などの拡散防止層(不図示)を設けてもよい。この拡散防止層の効果としては、下部電極902を構成する金属元素がn型半導体層903中へ拡散するのを防止するのみならず、若干の抵抗値をもたせることで、各半導体層903〜905に生じたピンホールなどの欠陥による、下部電極902と透明電極906との間の短絡を防止すること、および薄膜による多重干渉を発生させ入射された光を太陽電池内に閉じ込めるなどのことを挙げることができる。
【0067】
(ii) 透明電極906
透明電極906は、太陽や白色蛍光灯などからの光を各半導体層903〜905内に効率良く吸収させるために、光の透過率が85%以上であることが望ましく、さらに、電気的には太陽電池の出力に対して抵抗成分とならぬようにシート抵抗値は100Ω以下であることが望ましい。このような特性を備えた材料として、SnO,In,ZnO,CdO,CdSnO,ITO(In+SnO)などの金属酸化物や、Au,Al,Cuなどの金属を極めて薄く半透明状に成膜した金属薄膜などが挙げられる。透明電極は、図17(a),(c),(d)に示す太陽電池においてはp型半導体層905の上に積層され、図17(b)に示す太陽電池においては基板901の上に積層されるものであるため、相互の密着性の良いものを選ぶことが必要である。透明電極906の作製方法としては、抵抗加熱蒸着法、電子ビーム加熱蒸着法、スパッタリング法、スプレー法などを用いることができ、所望に応じて適宜選択される。
【0068】
(iii) 集電電極907
集電電極907は、透明電極906の表面抵抗値を実効的に低減させる目的で、透明電極906の上に格子状に設けられる。集電電極907の材料としては、Ag,Cr,Ni,Al,Ag,Au,Ti,Pt,Cu,Mo,Wなどの金属またはこれらの合金の薄膜が挙げられる。これらの薄膜は積層させて用いることができる。また、各半導体層903〜905へ入射する光量が十分に確保されるよう、その形状および面積は適宜設計される。
【0069】
たとえば、その形状は太陽電池の受光面に対して一様に広がり、かつ受光面積に対してその面積は好ましくは15%以下、より好ましくは10%以下であることが望ましい。また、シート抵抗値としては、好ましくは50Ω以下、より好ましくは10Ω以下であることが望ましい。
【0070】
次に、n型半導体層903、i型半導体層904、p型半導体層905について説明する。
【0071】
(i) i型半導体層904
i型半導体層904を構成する半導体材料としては、a−Si:H,a−Si:F,a−Si:H:F,a−SiC:H,a−SiC:F,a−SiC:H:F,a−SiGe:H,a−SiGe:F,a−SiGe:H:F,poly−Si:H,poly−Si:F,poly−Si:H:FなどのIV族半導体材料およびIV族合金系半導体材料が挙げられる。このほか、II−VI族化合物半導体材料やIII−V族化合物半導体材料などが挙げられる。
【0072】
i型半導体層904においては、光電変換効率などの向上を目的として、膜厚方向に組成を変化させ、バンドギャップに変化を持たせることが行なわれる。図18(a)〜(d)に、i型半導体層904におけるバンドギャップの変化の様子(バンドギャッププロファイル)の具体例を示した。図中→印は光の入射側を表わしている。
【0073】
図18(a)に示したバンドギャッププロファイルは、i型半導体層904中において、バンドギャップが一定のものである。図18(b)に示したバンドギャッププロファイルは、i型半導体層904の光の入射側のバンドギャップが狭く、徐々にバンドギャップが広がるタイプのものである。バンドギャップの形状をこのようにすることにより、曲線因子(Fill Factor;FF)の改善に効果がある。図18(c)に示したバンドギャッププロファイルは、光の入射側のバンドギャップが広く、徐々にバンドギャップが狭くなるタイプのものであり、開放電圧(Voc)の改善に効果がある。図18(d)に示したバンドギャッププロファイルは、光の入射側のバンドギャップが広く、比較的急峻にバンドギャップが狭まり、再び広がっていくタイプのものであり、図18(b)と(c)とを組み合わせて両者の効果を同時に得ることができるものである。このようにバンドギャップに変化を持たせるためには、異なる半導体を組み合せればよい。例えば、a−Si:H(E opt=1.72eV)とa−SiGe:H(E opt=1.45eV)とを組み合せると、図18(d)に示すバンドギャッププロファイルをもつi型半導体層904を作製することが出来る。また、a−SiC:H(E opt=2.05eV)とa−Si:H(E opt=1.72eV)とを用いて、図18(c)に示すバンドギャッププロファイルをもつi型半導体層904を作製することが出来る。
【0074】
また、i型半導体層904に微量に添加する不純物の濃度を膜厚方向に変化させることにより、導電型をi型としたまま、i型半導体層904のフェルミレベルに変化を持たせることができる。バンドギャッププロファイルが図18(a)に示したものである(すなわちバンドギャップが変化しない)i型半導体層904における、フェルミレベルの変化の様子(フェルミレベルプロファイル)の具体例を図19(a)〜(d)に示した。図中→印は光の入射側を表わしている。
【0075】
図19(a)は、不純物の添加を行なわないi型半導体層904のフェルミレベルプロファイルである。これに対し、図19(b)に示したものは、光の入射側のフェルミレベルが価電子帯寄りで、徐々にフェルミレベルが伝導帯に寄るタイプのものであり、光発生キャリアの再結合を防ぎ、キャリアの走行性を高めるのに効果がある。図19(c)に示したものは、光の入射側よりフェルミレベルが徐々に価電子帯に寄るタイプのものであり、光の入射側にn型半導体層を設けた場合に、図19(b)の場合と同様の効果がある。図19(d)に示したものは、光の入射側よりほぼ連続的にフェルミレベルが価電子帯より伝導帯に変化しているタイプのものである。これらはバンドギャップが一定の場合を例示しているが、図18(b)〜(d)に示すバンドギャッププロファイルの場合においても、同様にフェルミレベルを制御することが出来る。
【0076】
これらのバンドギャッププロファイルおよびフェルミレベルプロファイルの設計を適宜行うことにより、光電変換効率の高い太陽電池を作製することが出来る。特に、これらのバンドギャッププロファイルおよびフェルミレベルプロファイルの制御は、図17(c),(d)に示した、いわゆるタンデム型またはトリプル型の太陽電池のi型半導体層904に適用されるのが望ましい。
【0077】
(ii) p型半導体層905およびn型半導体層903
p型半導体層905あるいはn型半導体層903は、前述したi型半導体層904を構成する半導体材料に、価電子制御剤を公知の方法でドーピングすることによって得られる。
【0078】
【実施例】
次に本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【0079】
図1は、本発明の一実施例の堆積膜形成方法の実施に使用される堆積膜形成装置の構成を示す概略図であり、図2は主要な内部構成を立体図として示したものである。図1および図2に示される堆積膜形成装置891は、概ね直方体形状の金属製の真空容器800と、この真空容器内に設けられた成膜容器801とからなる。
【0080】
堆積膜が形成される長尺の帯状の基板804は、真空容器800の図示左側すなわち搬入側の側壁に取り付けられたガスゲート803を経て、この真空容器800内に導入され、成膜容器801内の成膜空間802を貫通し、真空容器800の図示右側すなわち搬出側の側壁に取り付けられたガスゲート805を通って、真空容器800内の外部に排出されるようになっている。
【0081】
各ガスゲート803,805には、それぞれゲートガスを供給するためのゲートガス供給管806,807が接続されている。基板804は、搬入側のガスゲート803に接続された基板送り出し容器(不図示)から搬出側のガスゲート805に接続された基板巻き取り容器(不図示)に向けて、連続的に移動させられるようになっている。また、真空容器800には、この真空容器800内を直接排気するための排気管808が取り付けられ、この排気管808は、バルブ808aを介して真空ポンプなどの図示しない排気手段に接続されている。
【0082】
成膜容器801は、導電性部材で構成された柱状の構造をし、基板804は成膜容器801を形成する壁面の一部をなしている。プラズマが実質的に形成される空間である成膜空間802は、成膜容器801内に、基板804に接して形成される。この成膜空間802は、基板804に垂直にかつ幅方向に設置した金属製の壁(すなわち分離壁、仕切壁)809によって、複数の小成膜空間810に分割されている。各小成膜空間810には、基板804と垂直な成膜容器801の側面から、マイクロ波アプリケータ811が、基板804の移動方向に沿って並ぶように、取り付けられている。各マイクロ波アプリケータ811は、成膜空間802内にマイクロ波エネルギーを放射、伝達させるためのものであり、図示しないマイクロ波電源に一端が接続された導波管812の他端が、それぞれ接続されている。
【0083】
成膜容器801においては、この成膜容器801を貫通する帯状の基板804に垂直であって、マイクロ波アプリケータ811と対向する排気面819から原料ガスが排気される。排気面819はメッシュもしくはパンチングボードで形成され、マイクロ波エネルギーの漏洩を防いでいる。
【0084】
成膜容器801には、基板804と平行にかつ基板804の幅方向に延びた、ロッド状の原料ガス放出手段814が設けられている。原料ガス放出手段814に表面には、原料ガスを放出するための多数のガス放出孔が設けられている。原料ガス放出手段814は、成膜容器801の外部において、ガスボンベ、マスフローコントローラなどの図示しない原料ガス供給源に接続された原料ガス供給管815の一端と、絶縁ガイシ821を介して接続されている。小成膜空間810のそれぞれは、少なくともひとつの原料ガス放出手段814が設けられ、堆積膜形成用の原料ガスが供給されるようになっている。この原料ガス放出手段814は、金属製であって、直流もしくは交流のバイアス電圧を印加するためのバイアス電極も兼ねている。バイアス電極を兼ねるため原料ガス放出手段814には、バイアス供給線822を介して、真空容器800の外部のバイアス電源(不図示)から直流もしくは交流のバイアスを印加することができるようになっている。
【0085】
帯状の基板804をはさんで成膜空間802の反対側には、多数の赤外線ランプヒータ816と、これらの赤外線ランプヒータ816からの放射熱を効率良く基板804に集中させるためのランプハウス817が設けられている。赤外線ランプヒータ816で加熱された基板804の温度を監視するための熱電対818が、基板804に接触するように設けられている。
【0086】
次に、この堆積膜形成装置891の動作について説明する。
【0087】
まず、堆積膜形成装置891を貫通するように、搬入側のガスゲート803に接続された基板送り出し容器(不図示)から、搬出側のガスゲート805に接続された基板巻き取り容器(不図示)にまで、例えばSUS403BAからなる帯状の基板804を張り渡し、排気管808を通じて真空容器801および成膜空間802内を排気する。所定の真空度圧力に到達したら、各ゲートガス供給管806,807からゲートガスを各ガスゲート803,805に供給する。ゲートガスは、主として真空容器801に取り付けられた排気管808から排気されることになる。
【0088】
次に、基板送り出し容器(不図示)内に設けられた基板送り出し手段(不図示)と、基板巻き取り容器(不図示)内に設けられた基板巻き取り手段(不図示)とを作動させ、基板804を基板送り出し容器から基板巻き取り容器に向けて連続的に移動させる。そして、熱電対818の出力を監視しながら赤外線ランプヒータ816を作動させることにより、基板804を所定の温度にまで加熱する。各原料ガス供給管815から原料ガス放出手段814に原料ガスを供給し、各小成膜空間810内に放出させる。各原料ガス放出手段814に供給される原料ガスは、それぞれ、堆積膜の原料となる物質を複数種類含有している。
【0089】
次に、各導波管812を介してマイクロ波電源からマイクロ波電力を各マイクロ波アプリケータ811に供給して、成膜空間802内にマイクロ波グロー放電を生起させた。放電が生起するまでは基板804やその他成膜容器802を構成する壁面はマイクロ波の反射体となるので、効率良くマイクロ波エネルギーを成膜空間802内に蓄積でき、容易に放電を生起させることができる。放電生起後、例えば直流+90Vのバイアス電圧を原料ガス放出手段814に印加する。
【0090】
以上の動作により、原料ガスが成膜空間802内で分解し、連続的に移動しつつある基板804上に堆積膜が形成される。この堆積膜形成装置891では、各小成膜空間810では、原料ガスの種類、供給量、マイクロ波パワー、バイアス電圧、圧力を適当に選択することにより、堆積膜の形成条件を変えることができる。その結果、連続的に移動している基板804に形成される堆積膜には、膜厚方向に組成の分布が生じることになる。各小成膜空間810を分離する壁809(仕切板)の開口率を調整することにより、膜厚方向に生じる組成の傾斜角度を変えることができる。
【0091】
成膜空間を小成膜空間に分離して大面積の機能製堆積膜を連続的に形成する方法を適用した堆積膜形成装置は、図1および図2に示しただけのものではない。図3〜図5に、他の堆積膜形成装置の成膜容器の例を示す。
【0092】
図3に示したものでは、成膜容器801aの背面壁819aから成膜容器801a内のガスを排気するようになっている。また、原料ガス放出手段とバイアス電極とが各小成膜空間ごとに別個に設けられている。すなわち成膜容器801aの底面壁に原料ガス放出手段813が設けられ、原料ガスは原料ガス放出手段813のガスは小さな多数の開口から各小成膜空間810に放出されるようになっている。これに対しバイアス電極820は、基板804と平行にかつ基板804の幅方向に延びたロッド状の部材であって、成膜容器801aに取り付けられている。
【0093】
図4は、本発明の一実施例の堆積膜形成方法の実施に使用される成膜容器801bを示し、図4に示した成膜容器801bでは、マイクロ波アプリケータ811が、帯状の基板804と平行に、かつ基板804の幅方向に対向して成膜容器801bに設置されている。バイアス電極を兼ねた原料ガス放出手段814が、対向したマイクロ波アプリケータ811の中心軸上に基板804と平行に設置されている。小成膜空間810内の原料ガスは、成膜容器801bの基板804の移動方向両端の壁面819bから外部に排出される。また、各小成膜空間810を分離する壁809はパンチングボードで形成され、両隣の小成膜空間にガスの相互拡散が可能となっている。
【0094】
図5に示した成膜容器801cは、図4に示した成膜容器801bにおいて、各小成膜空間810内の原料ガスの排気方向を基板804と対向する成膜容器801cの底面にしたものである。したがって成膜容器801cの底面壁には多数の小さい開口が設けられている。
【0095】
次に、図1に示した堆積膜形成装置891を組み込んだ連続堆積膜形成装置850について、図6により説明する。
【0096】
この連続堆積膜形成装置850は、pin接合を有する半導体素子を帯状の基板804上に形成するのに適したものであり、基板送り出し容器851、第1の不純物形成用真空容器852、堆積膜形成装置891、第2の不純物形成用真空容器853、基板巻取り容器854を4個のガスゲート861,803,805,862によって直列に接続した構成となっている。各ガスゲート861,803,805,862には、それぞれゲートガスを供給するためのゲートガス供給管863,806,807,864がそれぞれ接続されている。
【0097】
基板送り出し容器851は、基板804を格納して基板巻取り容器854に向けて送り出すためのものであり、基板804が巻かれるボビン865が装着されるようになっている。また、基板送り出し容器851には、図示しない排気手段に接続された排気管866が取り付けられ、この排気管866の途中には、基板送り出し容器851内の圧力を制御するためのスロットルバルブ867が設けられている。さらに、基板送り出し容器851には、圧力計868、基板804を加熱するためのヒーター869、基板804を支持、搬送するため搬送ローラ870が設けられている。なお、ボビン865には、基板804を送り出すための図示しない基板送り出し機構が接続されている。
【0098】
第1および第2の不純物層形成用真空容器852,853は、同一の構造であって、p型あるいはn型の半導体層を形成するためのものである。各不純物層形成用真空容器852,853には、図示しない排気手段に接続された排気管871,872が取り付けられ、この排気管871,872の途中には、不純物層形成用真空容器852,853の内圧を制御するためのスロットルバルブ873,874が設けられている。各不純物層形成用真空容器852,853は、マイクロ波プラズマCVD法による連続堆積膜形成装置であり、その内部には、直方体状の成膜容器875,876がそれぞれ設けられている。この成膜容器875,876は、小成膜空間に分割されていないことを除けば上述の堆積膜形成装置891での成膜容器と同様のものであり、内部の成膜空間にプラズマを生起させ、移動する基板804上に堆積膜を形成するものである。成膜容器875,876内には、堆積膜形成用原料ガスを導入するための原料ガス放出手段877,878と、マイクロ波エネルギーを導入するためのマイクロ波アプリケータ879,880が設けられている。さらに各不純物層形成用真空容器852,853内には、堆積膜形成中の基板804を加熱するヒータ881,882と、基板804を搬送するための搬送ローラ825が設けられている。
【0099】
堆積膜形成装置891は、成膜空間802が7つの小成膜空間810に分割されている。基板巻取り容器854は、堆積膜が形成された基板804を巻取るためのものであり、基板送り出し容器851と同様の構成である。ただし帯状の基板804を巻取るため、ボビン883には、図示しない基板巻取り機構が接続されるようになっている。
【0100】
次に、この連続堆積膜形成装置850の動作について、pin接合を有する半導体素子を形成する場合を中心にして、説明する。
【0101】
まず、基板804を基板送り出し容器851から基板巻取り容器854に向けてたるまないように張力をかけてカテナリー曲線状に張りわたす。張り渡した基板805は各真空容器内に設置された搬送ローラ825に裏面(堆積膜が形成されない面)が接触している。続いて、基板送り出し容器851、各不純物形成用真空容器852,853、堆積膜形成装置891、基板巻取り容器854を排気し、所定の真空度に到達したら、各ガスゲート861,803,805,862にゲートガスを供給する。
【0102】
次に、各不純物層形成用真空容器302,303に、p型あるいはn型の半導体層を形成するための原料ガスを供給し、堆積膜形成装置891にi型の半導体層を形成するための原料ガスを供給し、さらに各不純物層形成用真空容器852,853、堆積膜形成装置891にマイクロ波電力を供給し、基板804の基板送り出し容器851から基板巻取り容器854に向けた移動を開始させることによって、これら各不純物層形成用真空容器852,853、堆積膜形成装置891においてプラズマが生起し、基板804の上に堆積膜が形成する。基板804は、第1の不純物層形成用真空容器852、堆積膜形成装置891、第2の不純物層形成用真空容器853と連続的に移動しているので、基板804の上にpin接合を有する半導体素子が形成されることになる。このとき、堆積膜形成装置891では、上述のように堆積膜の膜厚方向に組成の分布を持たせることができるので、形成された半導体素子においては、i型の半導体層の膜厚方向に、例えば、バンドギャップやフェルミレベルを変化させることができる。
【0103】
次に、本実施例について行なった実験結果について、具体的数値を挙げて説明する。なお、ここで述べる各実験例は、上記の「作用」欄で図17〜図19を用いて説明したアモルファスシリコン系太陽電池あるいはこの太陽電池の構成要素であるアモルファスシリコン半導体膜の形成に、本実施例の堆積膜形成方法を適用したものである。ここでi型半導体層のバンドギャッププロファイルあるいはフェルミレベルプロファイルについてさらに詳しく説明すると、これらのプロファイルは上述の図18あるいは図19に示されるように、連続的かつ滑らかに変化することが望ましい。しかし、堆積膜のバンドギャップあるいはフェルミレベルの変化に対してその最適な堆積膜形成条件(例えばガス種混合比、マイクロ波パワー、圧力、基板温度など)も変化するため、最適な堆積膜形成条件を維持したままバンドギャッププロファイルおよびフェルミレベルプロファイルの連続的制御を行なうことは容易ではない。本実施例では、成膜空間を複数の小成膜空間に分割することにより、図7(a)〜(c)および図9(a)に示したように近似的に階段状にこれらバンドギャップやフェルミレベルを変化させることにした。
【0104】
また、小成膜空間を分離する壁を通して原料ガスの相互拡散を生じさせることも可能であり、このようにすることによって、良好な堆積膜形成条件を維持しつつ、バンドギャップおよびフェルミレベルの階段状の変化部分を図8(a)〜(c)および図9(b)に示したように滑らかに接続することを可能とした。
【0105】
(実験例1)
図1に示した堆積膜形成装置891を用い、搬入側のガスゲート803、搬出側のガスゲート805に、それぞれ基板送り出し容器(不図示)、基板巻取り容器(不図示)を接続した。この基板送り出し容器と基板巻取り容器には、帯状の基板を繰り出す基板送り出し機構(不図示)と、帯状の基板を巻取る基板巻取り機構(不図示)が、それぞれ設けられている。ただし、堆積膜形成装置891の成膜空間は7つの小成膜空間810に分割した。小成膜空間810を分離する壁809は、原料ガスの相互拡散が起こらないように、開口のない板とした。
【0106】
まず、ステンレス(SUS304BA)からなる帯状の基板804(幅20cm×長さ200m×厚さ0.125mm)を十分に脱脂、洗浄し、基板送り出し容器にこの基板804を巻いたボビン(不図示)を装着し、基板804を、搬入側のガスゲート803、成膜容器801および搬出側のガスゲート805を介し、基板巻取り容器まで通し、基板804がたるまないように張力調整を行なった。そして、基板送り出し容器(不図示)、真空容器800、成膜容器801、基板巻取り容器(不図示)のそれぞれを、不図示のメカニカルブースターポンプ/ロータリーポンプで荒引きし、油拡散ポンプ(不図示)によって5×10−6Torr以下の高真空にまで排気した。そののち、赤外線ランプヒーター816を点灯させ、熱電対818の出力を監視しつつ、基板804の表面温度が300℃になるように温度制御を行ない、加熱、脱ガスを行なった。
【0107】
十分に脱ガスが行なわれたところで、表1に示す条件により、排気管808に接続された油拡散ポンプ(不図示)を作動させながら、各ガス放出手段814から堆積膜形成用の原料ガスを各小成膜容器810内に導入した。同時に、各ゲートガス供給管806,807より、各ガスゲート803,805に、ゲートガスとし、それぞれ流量が300sccmのHガスを供給し、真空容器800に直接接続された排気管808と基板送り出し容器(不図示)と基板巻取り容器(不図示)とを介してこのゲートガス、排気するようにした。この状態で、成膜容器801内の圧力を6mTorrに保持するようにした。
【0108】
【表1】

Figure 0003554314
【0109】
成膜容器801内の圧力が安定したところで、各導波管812、各マイクロ波アプリケータ811を介して、不図示のマイクロ波電源より周波数2.45GHzのマイクロ波を成膜容器801内に導入した。この結果、成膜空間802の各小成膜空間810内でマイクロ波グロー放電が生起し、プラズマが発生した。次に、基板送り出し容器(不図示)から基板巻取り容器(不図示)の方向に向け、すなわち図1の図示矢印方向に、基板804の移動を開始した。このときの移動速度は、100cm/minであった。10分間にわたり、基板804を連続的に移動させつつ基板804の上に、i型のa−SiGe:Hからなる堆積膜の形成を行なった。堆積膜の形成が終了したら、基板803を冷却させて堆積膜形成装置891から取り出した。
【0110】
この実験例1で形成された堆積膜について膜厚分布を測定したところ、基板804の幅方向および長手方法に関し、膜厚のばらつきは5%以内に収まっていた。堆積膜の形成速度を算出したところ、平均95Å/secであった。
【0111】
次に、基板804の、この実験例1でa−SiGe:Hからなる堆積膜が形成された部分について、任意に6ヶ所を選んで切りだし、2次イオン質量分析計(SIMS)(CAMECA社製、imf−3型)を用い、深さ方向の元素分布を測定した。その結果、図10に示した深さ方向分布が得られ、図7(c)に示したのと同様のバンドギャッププロファイルとなっていることがわかった。また、金属中水素分析計(堀場製作所製、EMGA−1100型)を用いて、堆積膜中の全水素を定量したところ、16±2原子%であった。なお、図10において、横軸は時間で表されているが、2次イオン質量分析においては、経過時間と深さが比例するので、図10の横軸を表面からの深さと考えて差し支えない。
【0112】
(実験例2)
上述の実験例1に用いた堆積膜形成装置891の7つの小成膜空間810を分離する壁809の開孔率を25%として、原料ガスの相互拡散をある程度可能とした。その他の装置構成は実験例1と変えずに、実験例1と同様の条件にて基板804上に堆積膜を形成した。
【0113】
この実験例2で形成された堆積膜について、その膜厚の分布のばらつきを調べたところ、5%以内に収まっており、また、堆積膜の形成速度は平均80Å/secであると算出された。次に、実験例8−1と同様に、この実験例8−2でa−SiGe:Hからなる堆積膜が形成された部分について、任意に6ヶ所を選んで切りだし、深さ方向の元素分布を測定した。その結果、図11に示した深さ方向分布が得られ、図8(c)に示したのと同様のバンドギャッププロファイルとなっていることがわかった。隣接する小成膜空間で形成される堆積膜のバンドギャップのつながりは連続的となった。また、堆積膜中の全水素を定量したところ、14±2原子%であった。
【0114】
(実験例3)
実験例2と同様にゲートガスを供給し、表2に示す条件で、基板804上にi型のa−SiC:Hからなる堆積膜を連続的に形成した。このとき、基板804の移動速度を95cm/minとした。また、成膜容器801の内圧は、堆積膜の形成中、12mTorrに保持するようにした。
【0115】
【表2】
Figure 0003554314
【0116】
堆積膜の形成が終了した後、この実験例3で形成された堆積膜について、その膜厚の分布のばらつきを調べたところ、5%以内に収まっており、また、堆積膜の形成速度は平均80Å/secであると算出された。また、実験例1と同様に、この実験例3でa−SiC:Hからなる堆積膜が形成された部分について、任意に6ヶ所を選んで切りだし、深さ方向の元素分布を測定した。その結果、図12に示した深さ方向分布が得られ、図8(b)に示したのと同様のバンドギャッププロファイルとなっていることがわかった。また、堆積膜中の全水素を定量したところ、14±2原子%であった。
【0117】
(実験例4)
実験例2と同様にして、表3に示す条件で、基板804上に、不純物としてBを含むa−Si:Hからなる堆積膜を連続的に形成した。このとき、基板804の移動速度を95cm/minとした。また、堆積膜の形成中、成膜容器801の内圧を5mTorrに保持するようにした。
【0118】
【表3】
Figure 0003554314
【0119】
堆積膜の形成が終了した後、この実験例4で形成された堆積膜について、その膜厚の分布のばらつきを調べたところ、5%以内に収まっており、また、堆積膜の形成速度は平均110Å/secであると算出された。実験例1と同様に、この実験例4でa−Si:Hからなる堆積膜が形成された部分について、任意に6ヶ所を選んで切りだし、深さ方向の元素分布を測定した。その結果、図13に示した深さ方向分布が得られ、図9(b)に示したのと同様のフェルミレベルプロファイルとなっていることがわかった。また、堆積膜中の全水素を定量したところ、18±2原子%であった。
【0120】
(実験例5)
図6に示す連続堆積膜形成装置850を用い、図17(a)に示した層構成のアモルファスシリコン系太陽電池を作製した。堆積膜形成装置891内の成膜空間802は7つの小成膜空間810に分割し、小成膜空間810を分離する壁は開口のない板とした。このアモルファスシリコン太陽電池は、単一のpin接合を有し、i型半導体層404におけるバンドギャッププロファイルは図8(c)に示したものとなっている。
【0121】
まず、上述の実験例1で使用したのと同様の、SUS430BAからなる帯状の基板804を、不図示の連続スパッタ装置に装着し、Ag電極(Ag純度:99.99%)をターゲットとして、基板804の上に厚さ1000ÅのAg薄膜をスパッタ蒸着した、さらに、ZnO(ZnO純度:99.999%)電極をターゲットとして厚さ1.2μmのZnO薄膜をAg薄膜の上にスパッタ蒸着し、基板804の上に下部電極902を形成した。
【0122】
次に、下部電極902の形成された基板804を、基板送り出し容器851に装着し、第1の不純物層形成用真空容器852、堆積膜形成装置891、第2の不純物層形成用真空容器853を介し、基板巻取り容器854まで通した。そして、基板804がたるまないようにその張力を調整し、実験例1と同様に、各不純物層形成用真空容器852,853、堆積膜形成装置891、基板送り出し容器851、基板巻取り容器854を5×10−6Torrまで排気した。
【0123】
続いて、基板804を基板送り出し容器851から基板巻取り容器854に向けて連続的に移動させながら、この基板804の上に、第1の不純物層形成用真空容器852でn型半導体層903を、堆積膜形成装置891でi型半導体層904を、第2の不純物層形成用真空容器853でp型半導体層905を順次形成するようにした。n型半導体層903とp型半導体層905の形成の条件は、表4に示すとおりであり、i型半導体層904の形成条件は、実験例8−1においてi型a−SiGe:Hからなる堆積層を形成する場合と同じにした。各半導体層903〜905の形成は、各不純物層形成用真空容器852,853の内部と堆積膜形成装置891の内部でマイクロ波グロー放電を生起させ、グロー放電によるプラズマが安定したら、基板804を移動速度95cm/minで移動させることにより行なった。なお、各不純物層形成用真空容器852,853内において、マイクロ波グロー放電が発生している領域の、基板804の移動方向の長さを表4の成膜領域の長さの欄に示した。
【0124】
【表4】
Figure 0003554314
基板804の全長(200m)のすべてにわたって、各半導体層903〜905が形成されたら、基板804を冷却させてから連続堆積膜形成装置850から取り出し、p型半導体層905の上に、さらに、透明電極906と集電電極907とを形成し、帯状の太陽電池を完成させた。
【0125】
次に、連続モジュール化装置(不図示)を用いて、作製した太陽電池を、大きさが36cm×20cmの多数の太陽電池モジュールに加工した。作製した太陽電池モジュールについて、AM値が1.5でエネルギー密度100mw/cmの疑似太陽光を用いて特性評価を行なったところ、光電変換効率で7.0%以上が得られ、また各太陽電池モジュール間の特性のばらつきも5%以内に収まった。また、作製した太陽電池モジュールの中から2個を抜き取り、連続200回の繰り返し曲げ試験を行なったところ、試験後においても特性が劣化することはなく、堆積膜の剥離などの現象も認められたかった。上述のAM値が1.5でエネルギー密度100mw/cmの疑似太陽光に連続して500時間照射したのちにおいても、光電変換効率の変動は、初期値に対して10.0%以内に収まっていた。
【0126】
この太陽電池モジュールを接続することにより、出力2.5kWの電力供給システムを作製することができた。
【0127】
(実験例6)
上述の実験例5に用いた連続堆積膜形成装置850において、堆積膜形成装置891の7つの小成膜空間810を分離する壁809の開孔率を25%として、原料ガスの相互拡散をある程度可能とした。i型半導体層904を実験例2と同様の条件で堆積させること以外は実験例5と同様にして太陽電池を作成し、太陽電池モジュールに加工した。なお、i型半導体層904は図8(c)に示すようなバンドギャッププロファイルとなっている。
【0128】
そして、作製した太陽電池モジュールについて、実験例5と同様の特性の評価を行なったところ、光電変換効率で8.0%以上が得られ、さらに各太陽電池モジュール間の特性のばらつきも5%以内に収まっていた。また、連続200回の繰り返し曲げ試験後においても、特性の劣化は認められず、堆積膜の剥離も起こらなかった。さらに、連続500時間の疑似太陽光照射ののちも、光電変換効率の変動は、初期値に対して8.5%以内に収まっていた。この太陽電池モジュールを使用することにより、出力5kWの電力供給システムを作製することができた。
【0129】
(実験例7)
実験例5,6においては、i型半導体層904としてa−SiGe:H堆積膜を用いたが、ここではa−SiGe:Hのかわりにa−SiC:Hを用いて太陽電池を作製し、太陽電池モジュールに加工した。このi型半導体層904を実験例3と同様の条件で堆積させる以外は実験例5と同様にした。なお、このi型半導体層904は、図8(b)に示すようなバンドギャッププロファイルとなっている。
【0130】
そして、作製した太陽電池モジュールについて、実験例5と同様の特性の評価を行なったところ、光電変換効率で7.2%以上が得られ、さらに各太陽電池モジュール間の特性のばらつきも5%以内に収まっていた。また、連続200回の繰り返し曲げ試験後においても、特性の劣化は認められず、堆積膜の剥離も起こらなかった。さらに、連続500時間の疑似太陽光照射ののちも、光電変換効率の変動は、初期値に対して8.5%以内に収まっていた。この太陽電池モジュールを使用することにより、出力5kWの電力供給システムを作製することができた。
【0131】
(実験例8)
実験例5,6においては、i型半導体層904としてa−SiGe:H堆積膜を用いたが、ここではa−SiGe:Hのかわりにa−Si:Hを用いて太陽電池を作製し、太陽電池モジュールに加工した。このi型半導体層904を実験例4と同様の条件で堆積させる以外は実験例5と同様にした。なお、このi型半導体層904は、図9(b)に示すようなフェルミレベルプロファイルとなっている。
【0132】
そして、作製した太陽電池モジュールについて、実験例5と同様の特性の評価を行なったところ、光電変換効率で8.4%以上が得られ、さらに各太陽電池モジュール間の特性のばらつきも5%以内に収まっていた。また、連続200回の繰り返し曲げ試験後においても、特性の劣化は認められず、堆積膜の剥離も起こらなかった。さらに、連続500時間の疑似太陽光照射ののちも、光電変換効率の変動は、初期値に対して8.5%以内に収まっていた。この太陽電池モジュールを使用することにより、出力2.5kWの電力供給システムを作製することができた。
【0133】
(実験例9)
図17(c)に示す、2組のpin接合を積層した構成のアモルファスシリコン系太陽電池を作製し、太陽電池モジュールに加工した。作製にあたっては、2組のpin接合を形成できるように、図6に示す連続堆積膜形成装置850の第2の不純物層形成用真空容器853と基板巻取り容器854との間に、この連続堆積膜形成装置850の第1の不純物層形成用真空容器852、堆積膜形成装置891、第2の不純物層形成用真空容器853を順次直列に接続したものを挿入した構成の装置を用いた。
【0134】
帯状の基板804としては、実験例1で使用したものと同様のものを使用し、2組のpin接合のうち、光の入射側から遠い方の第1のpin接合911は、上述の実験例6でのpin接合と同じ条件で形成し、光の入射側に近い方の第2のpin接合912は、実験例8−8のpin接合と同じ条件で形成した。第1および第2のpin接合911,912の形成後、実験例6と同様の工程により、太陽電池モジュールとした。
【0135】
作製した太陽電池モジュールについて、実験例5と同様の特性の評価を行なったところ、光電変換効率で11.0%以上が得られ、さらに各太陽電池モジュール間の特性のばらつきも5%以内に収まっていた。また、連続200回の繰り返し曲げ試験後においても、特性の劣化は認められず、堆積膜の剥離も起こらなかった。さらに、連続500時間の疑似太陽光の照射ののちの光電変換効率の変化率は7.5%以内に収まっていた。この太陽電池モジュールを使用することにより、出力2.5kWの電力供給システムを作製することができた。
【0136】
(実験例10)
図17(c)に示す、2組のpin接合を積層した構成のアモルファスシリコン系太陽電池を作製し、太陽電池モジュールに加工した。作製にあたっては、第1のpin接合911を上述の実験例8でのpin接合と同じ条件で形成し、第2のpin接合912をは実験例7のpin接合と同じ条件で形成したこと以外は、実験例9と同様にした。
【0137】
作製した太陽電池モジュールについて、実験例5と同様の特性の評価を行なったところ、光電変換効率で10.5%以上が得られ、さらに各太陽電池モジュール間の特性のばらつきも5%以内に収まっていた。また、連続200回の繰り返し曲げ試験後においても、特性の劣化は認められず、堆積膜の剥離も起こらなかった。さらに、連続500時間の疑似太陽光の照射ののちの光電変換効率の変化率は7.5%以内に収まっていた。この太陽電池モジュールを使用することにより、出力2.5kWの電力供給システムを作製することができた。
【0138】
(実験例11)
図17(d)に示す、3組のpin接合を積層した構成のアモルファスシリコン系太陽電池を作製し、太陽電池モジュールに加工した。作製にあたっては、3組のpin接合を形成できるように、図6に示す連続堆積膜形成装置850の第2の不純物層形成用真空容器853と基板巻取り容器854との間に、この連続堆積膜形成装置850の第1の不純物層形成用真空容器852、堆積膜形成装置891、第2の不純物層形成用真空容器853、第1の不純物層形成用真空容器852、堆積膜形成装置891、第2の不純物層形成用真空容器853を順次直列に接続したものを挿入した構成の装置を用いた。
【0139】
基板804としては、実験例1で使用したのと同様のものを使用し、3組のpin接合のうち、光の入射側から遠い方の第1のpin接合911は、上述の実験例6でのpin接合と同じ条件で形成し、第2のpin接合912は、実験例8のpin接合と同じ条件で形成し、光の入射側に位置する第3のpin接合913は、実験例7のpin接合と同じ条件で形成した。各pin接合911〜913の形成後、実験例6と同様の工程により、太陽電池モジュールとした。
【0140】
作製した太陽電池モジュールについて、実験例5と同様の特性の評価を行なったところ、光電変換効率で12.0%以上が得られ、さらに各太陽電池モジュール間の特性のばらつきも5%以内に収まっていた。また、連続200回の繰り返し曲げ試験後においても、特性の劣化は認められず、堆積膜の剥離も起こらなかった。さらに、連続500時間の疑似太陽光の照射ののちの光電変換効率の変化率は7%以内に収まっていた。この太陽電池モジュールを使用することにより、出力2.5kWの電力供給システムを作製することができた。
【0141】
以上、本発明の実施例について、主として、アモルファスシリコン系太陽電池を作製する場合について説明してきたが、本発明は、アモルファスシリコン系太陽電池以外の、大面積あるいは長尺であることが要求される薄膜半導体素子を形成する場合にも、好適に用いられるものである。このような薄膜半導体素子として、例えば、液晶ディスプレイの画素を駆動するための薄膜トランジスタ(TFT)や、密着型イメージセンサ用の光電変換素子、スイッチング素子などが挙げられる。これら薄膜半導体素子は画像入出力装置の主要な部品として使用されることが多く、本発明を実施することにより、これら薄膜半導体素子を高品質で均一性よく量産できることとなり、画像入出力装置がさらに広く普及することが期待されている。
【0142】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、移動成膜式マイクロ波プラズマCVD法において、壁で分離された複数の小成膜空間によって成膜空間を構成し、組成制御を行なうことにより、大面積の組成制御された機能性堆積膜を連続して再現性よく形成でき、また、大面積のプラズマの制御性、安定性が向上して、大面積にわたって一様なプラズマを生起することが可能となり、膜厚方向で組成の一様な堆積膜の形成を容易に行なえるようになるという効果がある。また、連続して移動する帯状の部材上に、任意のバンドギャッププロファイルを有する機能性堆積膜を連続して形成できるようになるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例での堆積膜形成装置の構成を示す模式断面図である。
【図2】図1の堆積膜形成装置の成膜容器の構成を示す要部破断斜視図である。
【図3】図1とは別の構成の成膜容器を示す要部破断斜視図である。
【図4】本発明の一実施例の堆積膜形成方法の実施に使用される成膜容器を示す要部破断斜視図である。

【図5】さらに別の構成の成膜容器を示す要部破断斜視図である。
【図6】図1の装置を組み込んだ連続堆積膜形成装置の構成を示す図である。
【図7】(a)〜(c)はi型半導体層のバンドギャッププロファイルを示す図である。
【図8】(a)〜(c)はi型半導体層のバンドギャッププロファイルを示す図である。
【図9】(a),(b)はi型半導体層のフェルミレベルプロファイルを示す図である。
【図10】2次イオン質量分析の結果を示す特性図である。
【図11】2次イオン質量分析の結果を示す特性図である。
【図12】2次イオン質量分析の結果を示す特性図である。
【図13】2次イオン質量分析の結果を示す特性図である。
【図14】従来のマイクロ波プラズマCVD装置の構成を示す模式断面図である。
【図15】従来の移動成膜式マイクロ波プラズマCVD装置の構成を示す模式断面図である。
【図16】従来のマイクロ波プラズマCVD装置におけるバイアス電界のかかり方を示す模式図である。
【図17】(a)〜(d)はそれぞれ太陽電池の構成を示す概略断面図である。
【図18】(a)〜(d)はi型半導体層のバンドギャッププロファイルを示す図である。
【図19】(a)〜(d)はi型半導体層のフェルミレベルプロファイルを示す図である。
【符号の説明】
800 真空容器
801,801a,801b,801c 成膜容器
802 成膜空間
803,805 ガスゲート
804 基板
809 壁
810 小成膜空間
811 マイクロ波アプリケータ
812 導波管
814 原料ガス供給手段
815 原料ガス供給管
820 バイアス電極
850 連続堆積膜形成装置
851 基板送り出し容器
852 第1の不純物層形成用真空容器
853 第2の不純物層形成用真空容器
854 基板巻取り容器
891 堆積膜形成装置[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a method for forming a deposited film by a plasma CVD method, and more particularly, to a method for forming a deposited film in which various functional deposited films are continuously formed on a large-area substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, demand for electric power has been rapidly increasing worldwide, and electric power production has become active. In accordance with this, environmental pollution and global warming problems associated with thermal power generation and nuclear power generation have become apparent. Under these circumstances, solar cell power generation using sunlight does not cause problems of environmental pollution or global warming, and there is little uneven distribution of solar resources. ing.
[0003]
By the way, in order to put solar cell power generation to practical use, it is required that a solar cell to be used has sufficiently high photoelectric conversion efficiency, excellent characteristics and stability, and is suitable for mass production. In addition, a large-area solar cell is required in view of the power generation scale. For this reason, an amorphous silicon formed by depositing a semiconductor thin film such as amorphous silicon on a relatively inexpensive substrate such as a glass or metal sheet by decomposing a readily available source gas such as silane by glow discharge. Silicon-based solar cells have been proposed. This amorphous silicon-based solar cell has attracted attention as being superior in mass productivity and low in cost as compared with a solar cell manufactured from single crystal silicon or the like, and various proposals have been made on a manufacturing method thereof.
[0004]
In photovoltaic power generation, unit cells of a photovoltaic cell are often connected in series or parallel to form a unit to obtain a desired current and voltage, and each unit module is required to be free from disconnection or short circuit. Further, it is required that variations in output voltage and output current between unit modules are small. Therefore, at least at the stage of manufacturing the unit module, uniformity of the characteristics of the semiconductor layer itself, which is the largest factor for determining the characteristics, is required. In addition, in order to simplify the module design and simplify the module assembling process, it is necessary to be able to form a semiconductor deposition film having excellent characteristics over a large area, thereby increasing the mass productivity of solar cells and reducing production costs. Will be greatly reduced.
[0005]
Semiconductor layers, which are important components of a solar cell, include semiconductor junctions such as a pn junction and a pin junction. These semiconductor junctions are formed by sequentially stacking semiconductor layers having different conductivity types or a semiconductor having a certain conductivity type. The layers are formed by ion implantation or thermal diffusion of dopants of different conductivity types. In the production of the above amorphous silicon solar cell, phosphine (PH3) And diborane (B2H6) Is mixed with a silane gas or the like as a main source gas, and the mixed source gas is decomposed by glow discharge to obtain a semiconductor film having a desired conductivity type. It is known that a semiconductor junction can be easily obtained by sequentially laminating and forming these semiconductor films on a substrate. Therefore, when fabricating an amorphous silicon-based solar cell, it is common to provide an independent film formation chamber corresponding to each semiconductor layer and form each semiconductor layer in this film formation chamber.
[0006]
As a method for forming a deposited film by a plasma CVD method suitable for manufacturing such an amorphous silicon-based solar cell, US Pat. No. 4,400,409 discloses a method using a roll-to-roll method. I have. In this deposition film forming method, a plurality of glow discharge regions are provided, a long strip-shaped substrate is arranged along a path in which the substrate sequentially passes through each glow discharge region, and a semiconductor layer of a required conductivity type is provided. Is formed in each glow discharge region, and the belt-shaped substrate is continuously transported in the longitudinal direction. Thereby, a solar cell having a desired semiconductor junction can be continuously formed. In this deposition film forming method, in order to prevent the dopant gas used in each glow discharge region from diffusing and mixing into other glow discharge regions, each glow discharge region is separated by a slit-shaped separation passage called a gas gate. Are separated from each other, and furthermore, Ar, H2The flow of scavenging gas is formed. With such a configuration, the method of forming a deposited film by the roll-to-roll method is suitable for manufacturing a semiconductor element such as a solar cell.
[0007]
On the other hand, as an attempt to improve the photoelectric conversion efficiency of an amorphous silicon solar cell, a-SiGe: H, a-SiGe: F, a-SiGe: H: F, a-SiC: H, a-SiC: F , A-SiC: H: F or the like, when an i-type (intrinsic) semiconductor layer is used as the i-type (intrinsic) semiconductor layer, the forbidden body width (band gap: Eg opt) Is continuously and appropriately changed in the film thickness direction, so that the open-circuit voltage (Voc) And fill factor (FF) have been found to be greatly improved (20th IEEE PVSC, 1988, " et al.).
[0008]
Also, for semiconductor devices, electrophotographic photosensitive devices, image input line sensors, imaging devices and other various electronic elements, or optical elements, amorphous semiconductors such as hydrogen and / or halogen (fluorine, chlorine, etc.) Have been proposed, and some of them have been put to practical use. Such a deposited film is generally formed by a plasma CVD method. That is, it is formed by a method of decomposing a raw material gas by direct current, high frequency or microwave glow discharge and forming a thin film deposition film on a substrate made of a material such as glass, quartz, heat-resistant synthetic resin film, stainless steel, and aluminum. Have been.
[0009]
Here, the plasma CVD method will be described in more detail. The plasma CVD method is a method in which energy such as electromagnetic waves is applied to a specific substance and discharged to make the specific substance a chemically active radical, and furthermore, the radical is brought into contact with a substrate or a substrate to form a deposited film on the substrate. Refers to a method of forming The plasma CVD apparatus is an apparatus designed and manufactured for performing the plasma CVD method.
[0010]
Conventionally, a plasma CVD apparatus includes a film forming chamber which is a vacuum vessel having a film forming gas inlet and an exhaust port, gas supply means for supplying a film forming gas to the film forming chamber through the film forming gas inlet, Gas exhaust means for exhausting a film forming gas in the film forming chamber through a film forming gas exhaust port, energy supplying means for supplying energy such as electromagnetic waves for dissociating the film forming gas supplied to the film forming chamber, And a substrate transfer means for transferring a substrate for film formation into the film formation chamber.
[0011]
By the way, the plasma CVD method relies on the strong activity of radicals, and a desired deposited film is formed by appropriately selecting the radical generation density and the substrate temperature. In order to increase the density and to form a uniform deposited film over a large area, it is necessary to select plasma conditions for generating radicals uniformly and in a large amount over a large area.
[0012]
Conventionally, a high frequency (RF) of 13.56 MHz has been used as energy for dissociating a film forming gas. However, in recent years, by using a microwave of 2.45 GHz having a shorter wavelength, high-density plasma has been generated. Since plasma can be efficiently produced and the deposition film formation rate can be improved in the plasma CVD method, a plasma CVD method using microwaves has been attracting attention, and many plasma CVD apparatuses have been proposed for the purpose. I have. For example, various microwave plasma CVD apparatuses have been proposed on amorphous silicon (hereinafter, referred to as “a-Si”) as an element material used for various electronic elements and optical elements as described above on a desired substrate.
[0013]
For example, JP-B-58-49295, JP-B-59-43991, and JP-B-62-36240 disclose a technique in which a gas pipe is penetrated or brought into contact with a rectangular or coaxial waveguide to generate plasma. Have been. As this type of device, the one shown in FIG. 14 can be mentioned as a typical one. This apparatus generally comprises a vacuum system, an exhaust system, and a microwave introduction system.
[0014]
In FIG. 14, the vacuum system includes a reaction vessel 981 and a microwave-permeable tube 983 (for example, a quartz tube) having an inner diameter of about 40 mm and a window connected through a gas transport tube 982. The tube 983 (or window) is connected to the first gas introduction tube 982 and is orthogonal to the microwave waveguide 984 at the same time. A second gas introduction pipe (not shown) is connected to the inside of the reaction container 981, and a gas (for example, silane gas) introduced from the second gas introduction pipe is constituted by an exhaust pipe 985 and a pump 986. Exhaust system. In this device, gas (oxygen gas or nitrogen gas) introduced from the first gas introduction pipe 982 is dissociated by microwave power supplied from a microwave power supply 987. When discharging with microwave power, the sliding short-circuit plate (plunger) 988 can be moved to match the microwave input impedance. The radicals in the plasma thus generated react with silane gas or the like introduced through the second gas introduction pipe, and SiO 2 is deposited on the substrate 989.2Thus, a film of SiN or SiN is formed. Further, with this apparatus, a photoconductive material or a photovoltaic material can be formed at a high deposition rate of several tens of Å / sec.
[0015]
U.S. Pat. No. 4,517,223 and U.S. Pat. No. 4,545,518 disclose a method of depositing a thin film on a small-area substrate in a microwave glow discharge plasma under a low pressure. In this method, since the process is performed under a low pressure, not only the high-quality deposited film can be obtained by preventing the polymerization of the active species which causes the deterioration of the film characteristics, but also the powder of polysilane or the like in the plasma can be obtained. It is said that generation can be suppressed and the deposition rate can be dramatically improved. On the other hand, US Pat. No. 4,729,341 discloses a low-pressure microwave plasma for depositing and forming a photoconductive semiconductor thin film on a large-area cylindrical substrate by a high-power process using a pair of radiation-type waveguide applicators. A CVD method and apparatus are disclosed.
[0016]
In order to form a uniform deposition on a large area without using a microwave plasma CVD method, a uniform plasma must be generated and maintained by controlling the microwave power and the spatial density (concentration) distribution of the source gas. Must. Further, in the roll-to-roll system, that is, the substrate moving film forming system, in order to have a composition distribution in the thickness direction of the deposited film, it is necessary to control the plasma to have a spatial composition distribution.
[0017]
In order to generate and maintain such plasma, a plurality of microwave introduction means are provided in a reaction vessel (deposited film forming vessel), and the energy distribution of microwaves radiated from the microwave introduction means to the reaction vessel is controlled. Alternatively, the concentration distribution of the raw material gas in the reaction vessel is adjusted by providing a plurality of gas supply means.
[0018]
In order to maintain a homogeneous plasma over a long period of time, it is necessary to keep the microwave energy supplied to the reaction vessel constant. As a method of keeping the microwave energy constant, the traveling wave energy and the reflected wave energy of the microwave are respectively monitored, and the effective supply energy is obtained by subtracting the reflected wave energy from the traveling wave energy. There is a method of performing control so that is constant. However, since the monitoring of the traveling wave and the reflected wave is performed on the waveguide on the way from the microwave power supply to the reaction vessel, there is a problem that the actual energy supplied to the reaction vessel cannot be accurately obtained. On the other hand, there is a method in which plasma parameters in a reaction vessel are monitored by a probe, and microwave energy from a microwave power supply is controlled so that each parameter value becomes constant. However, in a large-area microwave plasma CVD apparatus having a plurality of microwave introduction means, it is difficult to monitor plasma over a large area and maintain uniform plasma due to mutual interference of microwaves.
[0019]
There have been proposed various moving film forming type microwave plasma CVD devices that combine the above-described known plasma CVD method and the substrate moving film forming method of forming a film while moving a substrate. Is as shown in FIG.
[0020]
In FIG. 15, three film-forming containers 951 to 953 connected in series via slit-shaped openings 954 and 955 each have a vacuum-tight structure. Each of the slit-shaped openings 954 and 955 is provided with a gate gas introducing means (not shown) for injecting an inert gas in order to suppress mixing of source gases between the film forming vessels 951 to 953. Specific examples of the slit-shaped openings 954 and 955 include a gas gate described in U.S. Patent Application No. 204,493. A long strip-shaped substrate 956 is arranged so as to penetrate these film-forming containers 951 to 953 and the slit-shaped openings 954 and 955. The substrate 956 can be continuously conveyed in the longitudinal direction, is unreeled from an unwinding roller 957 provided in the unwinding chamber 974, and is wound by a winding roller 958 provided in the winding chamber 975. It has become. The feeding chamber 974 and the winding chamber 975 communicate with the exhaust devices 977 and 977, respectively.
[0021]
Each of the film forming containers 951 to 953 communicates with exhaust devices 971 to 973 through exhaust ports 968 to 970, respectively. Further, each of the film forming containers 951 to 953 is provided with lamp heaters 959 to 961 for heating the substrate 956 and dielectric windows 965 to 967. Each of the dielectric windows 965 to 967 is formed of a material capable of efficiently transmitting microwave power into the film forming container and maintaining vacuum tightness, such as quartz glass and alumina ceramics. A waveguide (not shown), which is a microwave transmission path and is mainly made of metal, is connected to the outside of the film forming container of the dielectric windows 965 to 967, and the microwave is transmitted through a matching isolator (not shown). It is connected to a power supply (not shown). Further, source gas supply pipes 962 and 963 are provided in the two film deposition vessels 951 and 953 on the left and right in the figure, and a bias for applying a bias voltage which also serves as the source gas supply pipe is provided in the film deposition vessel 952 at the center in the figure. A voltage application rod 964 is provided.
[0022]
Formation of a deposited film by such a conventional microwave plasma CVD apparatus is performed as follows. That is, the insides of the film forming containers 951 to 953 are evacuated by the exhaust devices 971 to 973, respectively, and adjusted to a desired pressure. Next, the lamp heaters 959 to 961 are energized to heat and maintain the temperature of the substrate 956 at a temperature suitable for film deposition. At this time, the substrate 956 is being conveyed at a suitable speed from the feeding roller 957 to the winding roller 958. In the case of forming a photovoltaic element having a pin structure, for example, via a bias voltage applying rod 964 also serving as the source gas supply pipes 962 and 963 and the source gas supply pipe, silane (SiH4) Gas and diborane (B2H6Silane gas such as silane gas, phosphine (PH)3A) A gas mixture or the like is introduced into the film forming containers 951 to 953, and an appropriate DC bias voltage is applied by a bias applying rod 964. At the same time, a microwave power supply (not shown) is operated to generate microwaves having a frequency of 500 MHz or more, preferably 2.45 GHz, and the microwaves are passed through waveguides (not shown) to dielectric windows 965 to 967. Through the film forming containers 951 to 953 respectively. Thus, the source gases in the film forming containers 951 to 953 are excited by microwave energy and dissociated, and a p-type semiconductor layer, an i-type semiconductor layer, and an n-type semiconductor layer are sequentially formed on the surface of the substrate 956. Will be.
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional method for forming a deposited film, it is difficult and costly to form a large number of deposited films continuously and stably on a large-area substrate such as an electrophotographic photosensitive member or a solar cell. It was. There is also a problem that it is difficult to uniformly form a large-area deposited film whose composition continuously changes in the thickness direction.
[0024]
That is, as described above, the control method for keeping the microwave energy constant is insufficient, and it is difficult to uniformly form a large amount of deposited film.
[0025]
When a member having a large area such that one side exceeds 300 mm is prepared, the capacity of the reaction vessel (film formation vessel) is approximately 10 liters or more. In this reaction vessel, silane or germane (GeH4) And the like, when the pressure is set to 5 to 20 mTorr to generate glow discharge, the required microwave power is about 2 to 4 kW. In order to facilitate the generation of glow discharge, it has been proposed to provide a mechanism for generating an arc discharge for ignition in a reaction vessel (JP-A-59-158323). However, in this case, a new problem arises in that the arc discharge electrode is sputtered and mixed as an impurity into the deposited film, thereby deteriorating the electrical characteristics of the deposited film. As another method for facilitating the generation of glow discharge, a method of causing electron cyclotron resonance (ECR) by interaction of a magnetic field and a microwave is generally known (Japanese Patent Publication No. 63-67332). In order to form a uniform magnetic field over a large area with a diameter of 150 mm or more, enormous equipment costs were required, and the cost was extremely insufficient.
[0026]
Further, in the above-described roll-to-roll deposition film formation method, since the deposition film is formed while continuously moving the belt-like substrate, the deposition is performed while the substrate passes through the glow discharge region. Therefore, the thickness of the deposited film can be controlled relatively easily by the deposition speed and the passing speed of the glow discharge region. On the other hand, in order to provide a composition distribution in the film thickness direction, since the substrate is continuously moving, it is necessary to provide a film forming atmosphere in the glow discharge region with a distribution in the moving direction of the substrate. However, it is difficult to provide such a distribution with good reproducibility for a film forming atmosphere such as the composition and pressure of the source gas or the energy density of glow discharge. Even in a deposited film forming method in which a substrate is fixed, no distribution is given to the film forming atmosphere because the uniformity of the deposited film is impaired.
[0027]
When forming an amorphous deposition film such as a-Si, it is known that the characteristics of the deposition film may be improved by applying an electric field by a bias voltage to the substrate in addition to the microwave power. However, an optimum bias application method in a moving film formation type microwave plasma CVD apparatus has not been found. FIG. 16 is a schematic diagram showing how a bias electric field is applied in a conventional device. Here, a bias applying rod 942 extending parallel to the surface of the band-shaped substrate 941 and perpendicular to the longitudinal direction of the substrate 941 is provided substantially at the center of the film forming container 943. Arrows in the figure indicate electric fields. As is clear from this figure, the magnitude of the electric field applied to the substrate 941 changes between the vicinity of the end of the film formation container 943 (section L in the drawing) and other places. The applied electric field will change. In particular, the DC bias is extremely applied to the substrate immediately before entering the film forming container 943 and immediately before exiting the film forming container 943 (when the substrate is in the illustrated section L), as compared with the substrate substantially at the center of the film forming container 941. Will be weakened. Thus, the characteristics of the deposited film formed near the end of the film forming container 941 are inferior to the characteristics of the deposited film formed in the central portion of the film forming container 941. For example, when forming an i-layer while applying a bias voltage to form a pin-type photovoltaic element, the characteristics are poor at the interface between the p-layer and the i-layer or at the interface between the i-layer and the n-layer. An i-layer will be deposited, and the characteristics as a photovoltaic element will be greatly reduced.
[0028]
In the case of plasma generated by microwaves, it is possible to control the plasma potential by applying a bias voltage to the plasma. At this time, there are various problems to be solved.
[0029]
Specifically, by applying a bias voltage to the microwave plasma, a deposited film of a desired quality can be formed over a relatively large area, but the bias current due to the application of the bias voltage causes And the stability of the bias current greatly affects the characteristics of the deposited film. For example, in a roll-to-roll deposition film formation method using microwave plasma, while continuously moving a belt-like substrate constituting one surface of a film formation container, a deposition film having a desired film thickness is formed on this substrate. On the other hand, a large amount of deposited film adheres to the inner wall of the fixed film forming container while being formed on the upper side. As a result, for example, when a bias voltage is applied by a bias application rod or the like, the state of the wall into which the bias current flows, that is, the conductivity is constant on the moving substrate, but is large on the wall constituting the film forming container. It changes. In this state, if the microwave energy and the bias voltage supplied to the film forming container are constant, the bias current value becomes apparently constant, but the bias current flowing into the substrate actually increases, and the film forming container The bias current flowing into the wall of the device is reduced. Therefore, the film quality of the film deposited on the substrate greatly changes with the change of the bias current, and it is difficult to continuously form a deposited film having constant characteristics with good reproducibility.
[0030]
In the above-described roll-to-roll deposition film forming method, a slit-shaped hole is provided in a film-forming container surrounding the plasma region in order to allow the band-shaped substrate to pass through the microwave plasma region. Through. For this reason, a gap is formed between the substrate and the film formation container at the hole, and microwave plasma or raw material gas itself easily leaks through the gap, and it is difficult to stably maintain the film forming atmosphere.
[0031]
An object of the present invention is to provide a method for forming a deposited film capable of forming a deposited film of high quality continuously on a large-area substrate with no variation in characteristics and stably with good reproducibility. In addition to a deposited film whose composition does not change in the film thickness direction, a deposited film having a composition distribution in the film thickness direction can be formed stably with good reproducibility without variation in characteristics. Is the purpose.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
In the method of forming a deposited film of the present invention, a raw material gas for forming a deposited film is introduced into a columnar deposition space in which the substrate is one surface of a side wall while continuously moving the belt-shaped substrate in the longitudinal direction, and at the same time, In the method for forming a deposited film, microwave energy is introduced into the deposition space to generate microwave plasma in the deposition space, and a deposited film is formed on a surface of the substrate on the deposition space side. Membrane space, Inter-diffusion of source gas for deposition film formationThe plurality of small deposition spaces are separated by walls, and the composition is controlled to form the deposited film.
[0033]
[Action]
In the present invention, the film formation space in which the deposited film is formed on the substrate is divided into a plurality of small film formation spaces. Plasma can be generated by introducing wave energy. Therefore, favorable film forming conditions for forming deposited films having different compositions can be set for each small film forming space. If the deposition conditions in the small deposition space are set so that the composition of the deposited film gradually changes with respect to the moving direction of the belt-shaped substrate, the substrate moves continuously and the deposited film is also formed and grown continuously. As a result, the composition of the deposited film formed on the substrate changes stepwise in the film thickness direction.
[0034]
When an appropriate opening is provided on the wall separating the adjacent small film formation spaces so as to allow the permeation of the source gas, the material gas and plasma mutually diffuse between the adjacent small film formation spaces, and the moving strip-shaped substrate is moved. The composition of the deposited film formed thereon is such that the above-mentioned step-shaped change portions are smoothly connected. If the opening ratio of the opening provided in the wall is too large, mutual diffusion becomes severe and it becomes impossible to maintain good film forming conditions in each small film forming space. In addition, when the aperture ratio is reduced, mutual diffusion is reduced, and the composition change in the film thickness direction shows a clearer step change. When it is necessary to make the composition change smooth, it is also effective to increase the number of small film formation spaces obtained by dividing the film formation space.
[0035]
These small film formation spaces are provided with source gas discharge means for introducing a source gas for forming a deposited film. The source gas release means is provided with a gas release hole for releasing the source gas into the small film formation space. The shape of the gas discharge holes may be any shape such as a slit shape, a circular shape, an elliptical shape, a sponge shape, a mesh shape, and the number of the gas discharge holes may be any number. It is necessary to devise the source gas so that the formation speed and film quality of the deposited film are uniform in the width direction and the movement direction of the substrate in the film space.
[0036]
Further, in these small film formation spaces, a source gas exhaust means for exhausting the source gas is provided. The source gas exhaust means is provided with a gas exhaust hole for sucking the source gas. The shape of this gas exhaust hole may be any shape such as a slit shape, a circular shape, an elliptical shape, a sponge shape, a mesh shape, and the number of gas exhaust holes may be any number. It must be devised so that the gas is exhausted uniformly in the direction. The opening area of the gas exhaust hole should be small so that the microwave energy does not leak from the gas exhaust hole to the outside. The width of the opening is preferably 1 / or less, more preferably 1/20 or less of the wavelength of the microwave.
[0037]
Further, each of the small film formation spaces is provided with a microwave introducing means for introducing microwave energy into the small film formation space. It is preferable that the microwave energy is radiated and propagated in a direction parallel to the band-shaped substrate and in a lateral width direction of the substrate from a surface of the columnar small deposition space which is perpendicular to the substrate surface. This microwave energy is transmitted from the microwave power source to the microwave introducing means via the waveguide, and is transmitted through the microwave transmitting member (dielectric window) provided at the tip of the microwave introducing means, and is reduced. Radiated and propagated in the film formation space. The microwave permeable member is for hermetically separating the inside of the waveguide under atmospheric pressure from the film formation space under reduced pressure.
[0038]
A heater is provided in the vacuum vessel in which the film-forming space is formed so as to face the film-forming space across the substrate in order to adjust the temperature of the band-shaped substrate passing through the film-forming space. It is preferable that the amount of heat generated by the heater can be independently adjusted for each of the small film formation spaces so that the temperature of the substrate can be set independently for each of the small film formation spaces. In general, a film forming container that substantially defines a film forming space is provided in a vacuum container. Discharge energy or plasma is supplied from a slit-shaped opening through which a substrate passes through the film forming container. In order to prevent leakage, the opening area in these portions should be as small as possible. The narrow width of the opening is preferably 1 / or less, more preferably 1/20 or less of the wavelength of the microwave. Further, an electromagnetic shielding material may be used.
[0039]
<< Example of deposited film formed by the method of the present invention >>
The present invention has been described above. Here, an example of a deposited film formed by the deposited film forming method of the present invention will be described.
[0040]
Representative examples of such a deposited film include a group IV semiconductor thin film such as Si, Ge, and C and a film containing a valence electron controlling element. In addition, group IV alloy semiconductor thin films such as SiGe, SiC, GeC, SiSn, GeSn, and SnC; group III-V compound semiconductor thin films such as GaAs, GaP, GaSb, InP, and InAs; ZnSe, ZnS, ZnTe, CdS, and CdSe II-VI compound semiconductor thin films such as CdTe and CdTe, CuAlS2, CuAlSe2, CuAlTe2, CuInS2, CuInSe2, CuInTe2, CuGaS2, CuGaSe2, CuGaTe, AgInSe2, AgInTe2I-III-VI compound semiconductor thin film such as ZnSiP2, ZnGeAs2, CdSiAs2, CdSnP2II-IV-V compound semiconductor thin film such as Cu2O, TiO2, In2O3, SnO2, ZnO, CdO, Bi2O3, CdSnO4Oxide semiconductor thin films, and those containing a valence electron controlling element for controlling valence electrons in these semiconductor thin films. Of course, these thin film semiconductors may be any of amorphous, polycrystalline, microcrystalline, and single crystalline. Further, as an example of a deposited film in which the composition is changed in the film thickness direction, the content of hydrogen and / or fluorine is changed in an amorphous semiconductor such as a-Si: H or a-Si: H: F. Things.
[0041]
The raw material gas for forming the deposited film used for forming the deposited film is introduced into the film formation space by appropriately adjusting the mixing ratio thereof according to the desired composition of the deposited film.
[0042]
The compound containing a Group IV element of the periodic table, which is preferably used for forming the above-described Group IV semiconductor or Group IV alloy semiconductor thin film, includes a Si atom, a Ge atom, a C atom, a Sn atom, and a Pb atom. A compound, specifically, SiH4, Si2H6, Si3H8, Si3H6, Si4H8, Si5H10Silane compounds such as SiF4, (SiF2)5, (SiF2)6, (SiF2)4, Si2F6, Si3F8, SiHF3, SiH2F2, Si2H2F4, Si2H3F3, SiCl4, (SiCl2)5, SiBr4, (SiBr2)5, Si2Cl6, Si2Br6, SiHCl3, SiHBr3, SiHI3, Si2Cl3F3Halogenated silane compounds such as GeH4, Ge2H6Such as germane compounds, GeF4, (GeF2)5, (GeF2)6, (GeF2)4, Ge2F6, Ge3F8, GeHF3, GeH2F2, Ge2H2F4, Ge2H3F3, GeCl4, (GeCl2)5, GeBr4, (GeBr2)5, Ge2Cl6, Ge2Br6, GeHCl3, GeHBr3, GeHI3, Ge2Cl3F3Such as halogenated germanium compounds, CH4, C2H6, C3H8Methane column hydrocarbons such as C2H4, C3H6Ethylene chain hydrocarbons such as C6H6Cyclic hydrocarbons such as CF4, (CF2)5, (CF2)6, (CF2)4, C2F6, C3F8, CHF3, CH2F2, CCl4, (CCl2)5, CBr4, (CBr2)5, C2Cl6, C2Br6, CHCl3, CHI3, C2Cl3F3Halogenated carbon compounds such as SnH4, Sn (CH3)4Tin compounds such as Pb (CH3)4, Pb (C2H5)6And the like. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
[0043]
The valence electron controlling agent used for controlling the valence electrons of the above-mentioned group IV semiconductor or group IV alloy semiconductor includes, as a p-type impurity, a group III element of the periodic table, for example, B, Al, Ga, Preferable examples include In and Tl, and preferable examples of the n-type impurity include elements belonging to Group V of the periodic table, such as N, P, As, Sb, and Bi. Particularly, B, Ga, P, Sb, etc. are optimal. The amount of the impurity to be doped is appropriately determined according to the required electrical and optical characteristics. As such a raw material for impurity introduction, a substance that is in a gas state at normal temperature and normal pressure or that can be easily gasified at least under film forming conditions is employed. As a starting material for introducing such impurities, specifically, PH3, P2H4, PF3, PF5, PCl3, AsH3, AsF3, AsF5, AsCl3, SbH3, SbF5, BiH3, BF3, BCl3, BBr3, B2H6, B4H10, B5H9, B5H11, B6H10, B6H12, AlCl3And the like. The compounds containing the above impurity elements may be used alone or in combination of two or more.
[0044]
As the compound containing a Group II element of the periodic table, which is used for forming the above-described II-VI compound semiconductor, specifically, Zn (CH3)2, Zn (C2H5)2, Zn (OCH3)2, Zn (OC2H5)2, Cd (CH3)2, Cd (C2H5)2, Cd (C3H7)2, Cd (C4H9)2, Hg (CH3)2, Hg (C2H5)2, Hg (C6H5)2, Hg [C≡ (C6H5)]2And the like. Compounds containing Group VI elements of the periodic table include, specifically, NO, N2O, CO2, CO, H2S, SCl2, S2Cl2, SOCl2, SeH2, SeCl2, Se2Br2, Se (CH3)2, Se (C2H5)2, TeH2, Te (CH3)2, Te (C2H5)2And the like. Of course, these raw materials can be used alone or in combination of two or more.
[0045]
As a valence electron controlling agent used for controlling the valence electrons of the II-VI group compound semiconductor, a compound containing an element of the periodic table I, III, IV or V can be mentioned as an effective one. Specifically, the compound containing a group I element is LiC3H7, Li (sec-C4H9), Li2S, Li3N and the like are preferred. Compounds containing a group III element include BX3, B2H6, B4H10, B5H9, B5H11, B6H10, B (CH3)3, B (C2H5)3, B6H12, AlX3, Al (CH3)2Cl, Al (CH3)3, Al (OCH3)3, Al (CH3) Cl2, Al (C2H5)3, Al (OC2H5)3, Al (CH3)3Cl3, Al (i-C4H9)3, Al (i-C3H7)3, Al (C3H7)3, Al (OC4H9)3, GaX3, Ga (OCH3)3, Ga (OC2H5)3, Ga (OC3H7)3, Ga (OC4H9)3, Ga (CH3)3, Ga2H6, GaH (C2H5)2, Ga (OC2H5) (C2H5)2, In (CH3)3, In (C3H7)3, In (C4H9)3And a compound containing a group V element is NH.3, HN3, N2H5N3, N2H4, NH4N3, PX3, P (OCH3)3, P (OC2H5)3, P (OC3H7)3, P (OC4H9)3, P (CH3)3, P (C2H5)3, P (C3H7)3, P (C4H9)3, P (SCN)3, P2H4, PH3, AsH3, AsX3, As (OCH3)3, As (OC2H5)3, As (OC3H7)3, As (OC4H9)3, As (CH3)3, As (C2H5)3, As (C6H5)3, SbX3, Sb (OCH3)3, Sb (OC2H5)3, Sb (OC3H7)3, Sb (OC4H9)3, Sb (CH3)3, Sb (C3H7)3, Sb (C4H9)3And the like. X represents a halogen element (F, Cl, Br, I). Of course, these raw materials may be used alone or in combination of two or more. Further, as the compound containing a group IV element, the compounds described above can be used.
[0046]
As the compound containing a Group III element of the periodic table used for forming the above-described Group III-V compound semiconductor, a compound containing a Group III element used for controlling valence electrons of a Group II-VI compound semiconductor is used. As the compound containing a Group V element of the periodic table, the compound containing a Group V element used for controlling a valence electron of a II-VI compound semiconductor can be used as it is. The same can be used as it is. Of course, these raw materials may be used alone or in combination of two or more.
[0047]
As the valence electron controlling agent used for controlling the valence electrons of the group III-V compound semiconductor, compounds containing elements of groups II, IV and VI of the periodic table can be cited as effective ones. As such a compound, a compound containing the above-described group II element, a compound containing the above-described group IV element, and a compound containing the above-described group VI element can be used.
[0048]
Each of the above-mentioned source gases is a rare gas such as He, Ne, Ar, Kr, Xe, or H.2, HF, HCl or the like, and may be introduced into the deposited film forming apparatus. Further, the rare gas or the diluent gas may be introduced into the deposition film forming apparatus independently of the source gas.
[0049]
Further, when forming a deposited film of these semiconductor thin films, N is used as a characteristic improving gas for changing the band gap width of the deposited film.2, NH3Molecules containing a nitrogen atom, such as O2, NO2Molecules containing oxygen atoms, such as CH4, C2H6, C2H4, C2H2, C3H8Such as hydrocarbons, SiF4, Si2F6, GeF4And a mixed gas thereof.
[0050]
In the present invention, it is possible to form a composition distribution controlled in the thickness direction of the deposited film. However, by controlling the composition in the semiconductor thin film described above, it is possible to control the forbidden band width, the valence electron, and the refractive index. Control, crystal control, and the like are performed. By forming a deposited film whose composition is controlled in the thickness direction on a belt-shaped substrate, a large-area thin-film semiconductor device having excellent electrical, optical, and mechanical characteristics can be manufactured. That is, by changing the forbidden band width and / or the valence electron density in the film thickness direction of the deposited semiconductor layer, the mobility of carriers is increased, and the recombination of carriers at the semiconductor interface is prevented, so that electrical connection is prevented. The characteristics are improved. Further, by continuously changing the refractive index, an optically non-reflective surface can be obtained, and the light transmittance into the semiconductor layer can be improved. Further, by changing the hydrogen content and the like, a structural change can be given, the internal stress is reduced, and a deposited film having high adhesion to the substrate can be formed.
[0051]
The substrate on which the deposited film is formed in the present invention is not particularly limited in its material, but may be, for example, Al, Cr, Mo, Au, In, Nb, Te, V, Ti, Pt, Pd, or the like. Metals, alloys thereof, stainless steel, synthetic resins such as polycarbonates whose surfaces are subjected to conductive treatment, glass, ceramics, paper and the like are usually used.
[0052]
《Configuration example of solar cell》
An example of a semiconductor device suitably manufactured using the deposited film forming method and the deposited film forming apparatus of the present invention is a photovoltaic element, that is, a solar cell. A typical amorphous silicon solar cell having such a layer structure will be described with reference to FIGS.
[0053]
In the solar cell shown in FIG. 17A, a lower electrode 902, an n-type semiconductor layer 903, an i-type semiconductor layer 904, a p-type semiconductor layer 905, and a transparent electrode 906 are sequentially stacked on a substrate 901, and the substrate is further transparent. The structure is such that a grid-like current collecting electrode 907 is formed on the electrode 906. This solar cell is based on the assumption that light enters from the transparent electrode 906 side. Note that the lower electrode 902 is an electrode opposed to the transparent electrode 906 with the semiconductor layers 903 to 905 interposed therebetween.
[0054]
In the solar cell shown in FIG. 17B, the substrate 901 is translucent and light enters from the side of the substrate 901, and the transparent electrode 906 and the p-type A semiconductor layer 905, an i-type semiconductor layer 904, an n-type semiconductor layer 903, and a lower electrode 902 are sequentially stacked.
[0055]
Although each of the above solar cells has only one set of pin junctions, two sets of pin junctions are stacked to improve the utilization efficiency of incident light. FIG. 17C shows a configuration of a solar cell having two sets of pin junctions (a so-called tandem type solar cell). The solar cell includes a substrate 901, a lower electrode 902, and a first pin junction. 911, a second pin junction 912, a transparent electrode 906, and a collecting electrode 907 are sequentially stacked. Light enters from the transparent electrode 906 side. Each of the pin junctions 911 and 912 has, of course, a structure in which an n-type semiconductor layer 903, an i-type semiconductor layer 904, and a p-type semiconductor layer 905 are stacked. The i-type semiconductor layer 904 is used to improve photoelectric conversion efficiency. Then, the band gap and the film thickness are made different depending on each of the first and second pin junctions 911 and 912.
[0056]
Furthermore, in order to improve the photoelectric conversion efficiency, three sets of pin junctions are stacked. FIG. 17D shows a configuration of a solar cell having three sets of pin junctions (so-called triple type solar cell). This solar cell has a lower electrode 902 and a first pin junction on a substrate 901. 911, a second pin junction 912, a third pin junction 913, a transparent electrode 906, and a current collecting electrode 907 are sequentially stacked. Light enters from the transparent electrode 906 side. Also in this solar cell, in order to improve the photoelectric conversion efficiency, the band gap and the film thickness of the i-type semiconductor layer 904 are made different in each of the pin junctions 911 to 913.
[0057]
Next, details of each component of the above-described solar cell will be described. In each of the solar cells shown in FIGS. 17A to 17D, when the n-type semiconductor layer 903 and the p-type semiconductor layer 905 are compared, the p-type semiconductor layer 905 is located on the light incident side. However, a layer configuration in which the n-type semiconductor layer 903 is located on the light incident side is also possible.
[0058]
First, the substrate 901 will be described.
[0059]
The substrate 901 used in this solar cell is preferably made of a material that can be easily bent and can form a curved shape, and may be conductive or electrically insulating. The substrate 901 may be light-transmitting or non-light-transmitting. However, when light is incident from the substrate 901 side, the substrate 901 needs to be light-transmitting. It is. Specifically, a belt-like substrate as used in each embodiment of the present invention can be mentioned. By using a belt-shaped substrate, a solar cell can be continuously formed on a substrate by the method and apparatus of the present invention, and the weight and strength of the solar cell can be improved, and the space for transportation can be reduced.
[0060]
Next, an electrode for extracting electric power from the solar cell will be described.
[0061]
In this solar cell, an appropriate electrode is selectively used depending on its configuration. As the electrodes, a lower electrode 902, a transparent electrode 906, and a collecting electrode 907 can be given. (However, the transparent electrode 906 here refers to the one provided on the light incident side, and the lower electrode 902 refers to the one provided opposite the transparent electrode 906 with the semiconductor layers 903 to 905 interposed therebetween. It will be shown.)
These electrodes will be described in detail below.
[0062]
(I) Lower electrode 902
The lower electrode 902 has a different surface on which light for generating photovoltaic light is irradiated depending on whether the material of the substrate 901 is translucent or not (for example, the substrate 901 is made of a non-translucent material such as a metal). In the case of a material, light is irradiated from the transparent electrode 906 side as shown in FIG. 17A.)
[0063]
Specifically, in the case of a layer configuration as shown in FIGS. 17A, 17C and 17D, a lower electrode is provided between the substrate 901 and the n-type semiconductor layer 903 as an electrode for extracting current. 902 are provided. Note that when the substrate 901 is conductive, the substrate 901 can also serve as the lower electrode 902, so that the lower electrode 902 can be omitted. However, when the sheet resistance is high even if the substrate 901 is conductive, the lower part is used as a low-resistance electrode for extracting current or for the purpose of increasing the reflectivity on the surface of the support and effectively utilizing incident light. An electrode 902 may be provided.
[0064]
In the case of FIG. 17B, a light-transmitting substrate 901 is used, and light enters from the substrate 901 side. Therefore, the lower electrode 902 is connected to the substrate 901 for current extraction and light reflection. The semiconductor layers 903 to 905 are provided so as to face the semiconductor layer 901.
[0065]
Examples of the material for the lower electrode 902 include metals such as Ag, Au, Pt, Ni, Cr, Cu, Al, Ti, Zn, Mo, and W and alloys thereof. It is formed by beam evaporation, sputtering, or the like. Further, care must be taken that the formed metal thin film does not become a resistance component with respect to the output of the solar cell, and the sheet resistance of the lower electrode 902 is preferably 50Ω or less, more preferably 10Ω or less. Is desirable.
[0066]
A diffusion preventing layer (not shown) such as conductive zinc oxide may be provided between the lower electrode 902 and the n-type semiconductor layer 903. The effect of the diffusion preventing layer is to prevent the metal element forming the lower electrode 902 from diffusing into the n-type semiconductor layer 903 and to provide a slight resistance value to each of the semiconductor layers 903 to 905. To prevent a short circuit between the lower electrode 902 and the transparent electrode 906 due to a defect such as a pinhole generated in the device, and to confine incident light in a solar cell by generating multiple interference by a thin film. be able to.
[0067]
(Ii) Transparent electrode 906
The transparent electrode 906 desirably has a light transmittance of 85% or more in order to efficiently absorb light from the sun, a white fluorescent lamp, or the like in each of the semiconductor layers 903 to 905. The sheet resistance is desirably 100Ω or less so as not to become a resistance component with respect to the output of the solar cell. As a material having such characteristics, SnO 22, In2O3, ZnO, CdO, Cd2SnO4, ITO (In2O3+ SnO2), And metal thin films formed of a metal such as Au, Al, Cu, etc. in an extremely thin and translucent state. The transparent electrode is laminated on the p-type semiconductor layer 905 in the solar cell shown in FIGS. 17A, 17C and 17D, and on the substrate 901 in the solar cell shown in FIG. Since they are laminated, it is necessary to select one having good mutual adhesion. As a method for forming the transparent electrode 906, a resistance heating evaporation method, an electron beam heating evaporation method, a sputtering method, a spray method, or the like can be used, and is appropriately selected as desired.
[0068]
(Iii) Current collecting electrode 907
The current collecting electrode 907 is provided in a grid on the transparent electrode 906 for the purpose of effectively reducing the surface resistance of the transparent electrode 906. Examples of the material of the current collecting electrode 907 include a thin film of a metal such as Ag, Cr, Ni, Al, Ag, Au, Ti, Pt, Cu, Mo, W, or an alloy thereof. These thin films can be used by being laminated. The shape and area of the semiconductor layers 903 to 905 are appropriately designed so that a sufficient amount of light enters the semiconductor layers 903 to 905.
[0069]
For example, it is desirable that the shape is uniformly spread on the light receiving surface of the solar cell, and that the area is preferably 15% or less, more preferably 10% or less with respect to the light receiving area. Further, the sheet resistance value is preferably 50Ω or less, more preferably 10Ω or less.
[0070]
Next, the n-type semiconductor layer 903, the i-type semiconductor layer 904, and the p-type semiconductor layer 905 will be described.
[0071]
(I) i-type semiconductor layer 904
Semiconductor materials constituting the i-type semiconductor layer 904 include a-Si: H, a-Si: F, a-Si: H: F, a-SiC: H, a-SiC: F, and a-SiC: H : F, a-SiGe: H, a-SiGe: F, a-SiGe: H: F, poly-Si: H, poly-Si: F, poly-Si: H: F and other Group IV semiconductor materials and IV Group alloy-based semiconductor materials. In addition, a group II-VI compound semiconductor material, a group III-V compound semiconductor material, and the like can be given.
[0072]
In the i-type semiconductor layer 904, the band gap is changed by changing the composition in the film thickness direction for the purpose of improving the photoelectric conversion efficiency and the like. FIGS. 18A to 18D show specific examples of changes in band gap (band gap profile) in the i-type semiconductor layer 904. The mark → in the figure indicates the light incident side.
[0073]
The band gap profile shown in FIG. 18A has a constant band gap in the i-type semiconductor layer 904. The band gap profile shown in FIG. 18B is of a type in which the band gap on the light incident side of the i-type semiconductor layer 904 is narrow and the band gap gradually widens. By setting the shape of the band gap in this way, it is effective to improve a fill factor (FF). The band gap profile shown in FIG. 18C is of a type in which the band gap on the light incident side is wide and the band gap gradually narrows, and the open-circuit voltage (Voc) Is effective for improvement. The band gap profile shown in FIG. 18 (d) is of a type in which the band gap on the light incident side is wide, the band gap is narrowed relatively steeply, and spreads again. ) Can be combined to obtain both effects simultaneously. To change the band gap as described above, different semiconductors may be combined. For example, a-Si: H (Eg opt= 1.72 eV) and a-SiGe: H (Eg opt(1.45 eV), an i-type semiconductor layer 904 having a band gap profile shown in FIG. 18D can be manufactured. Also, a-SiC: H (Eg opt= 2.05 eV) and a-Si: H (Eg opt= 1.72 eV), an i-type semiconductor layer 904 having a band gap profile shown in FIG. 18C can be manufactured.
[0074]
In addition, by changing the concentration of an impurity added to the i-type semiconductor layer 904 in a small thickness direction in the film thickness direction, the Fermi level of the i-type semiconductor layer 904 can be changed while the conductivity type remains i-type. . FIG. 19A shows a specific example of how the Fermi level changes (Fermi level profile) in the i-type semiconductor layer 904 whose band gap profile is shown in FIG. 18A (that is, the band gap does not change). To (d). The mark → in the figure indicates the light incident side.
[0075]
FIG. 19A is a Fermi level profile of the i-type semiconductor layer 904 to which no impurity is added. On the other hand, the one shown in FIG. 19B is of a type in which the Fermi level on the light incident side is closer to the valence band and the Fermi level is gradually closer to the conduction band. This is effective in preventing the occurrence of the carrier and improving the traveling performance of the carrier. FIG. 19C shows a type in which the Fermi level gradually approaches the valence band from the light incident side. When an n-type semiconductor layer is provided on the light incident side, the structure shown in FIG. The same effect as in the case b) is obtained. FIG. 19D shows a type in which the Fermi level changes from the valence band to the conduction band almost continuously from the light incident side. These illustrate the case where the band gap is constant. However, in the case of the band gap profiles shown in FIGS. 18B to 18D, the Fermi level can be similarly controlled.
[0076]
By appropriately designing the band gap profile and the Fermi level profile, a solar cell with high photoelectric conversion efficiency can be manufactured. In particular, the control of the bandgap profile and the Fermi level profile is desirably applied to the i-type semiconductor layer 904 of a so-called tandem-type or triple-type solar cell shown in FIGS. 17C and 17D. .
[0077]
(Ii) p-type semiconductor layer 905 and n-type semiconductor layer 903
The p-type semiconductor layer 905 or the n-type semiconductor layer 903 can be obtained by doping a semiconductor material constituting the above-described i-type semiconductor layer 904 with a valence control agent by a known method.
[0078]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0079]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a deposited film forming apparatus used for carrying out a deposited film forming method according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a three-dimensional view showing a main internal configuration. . The deposited film forming apparatus 891 shown in FIG. 1 and FIG. 2 includes a substantially rectangular parallelepiped metal vacuum container 800 and a film forming container 801 provided in the vacuum container.
[0080]
The long strip-shaped substrate 804 on which the deposited film is formed is introduced into the vacuum container 800 via a gas gate 803 attached to the left side of the vacuum container 800 in the drawing, that is, the side wall on the loading side, and is introduced into the film forming container 801. The gas passes through the film formation space 802, passes through a gas gate 805 attached to the right side of the vacuum container 800 in the drawing, that is, the side wall on the carry-out side, and is discharged to the outside of the vacuum container 800.
[0081]
Gate gas supply pipes 806 and 807 for supplying a gate gas are connected to the gas gates 803 and 805, respectively. The substrate 804 is continuously moved from a substrate delivery container (not shown) connected to the carry-in side gas gate 803 to a substrate take-up container (not shown) connected to the carry-out gas gate 805. Has become. Further, an exhaust pipe 808 for directly exhausting the inside of the vacuum vessel 800 is attached to the vacuum vessel 800, and the exhaust pipe 808 is connected to an exhaust means (not shown) such as a vacuum pump via a valve 808a. .
[0082]
The film formation container 801 has a columnar structure made of a conductive member, and the substrate 804 forms a part of a wall surface forming the film formation container 801. A film formation space 802 which is a space where plasma is substantially formed is formed in a film formation container 801 in contact with a substrate 804. The film formation space 802 is divided into a plurality of small film formation spaces 810 by a metal wall (that is, a separation wall or a partition wall) 809 provided in a direction perpendicular to the substrate 804 and in the width direction. In each small film formation space 810, a microwave applicator 811 is attached from the side surface of the film formation container 801 perpendicular to the substrate 804 so as to be arranged in the moving direction of the substrate 804. Each microwave applicator 811 radiates and transmits microwave energy into the film formation space 802, and the other end of the waveguide 812 having one end connected to a microwave power source (not shown) is connected to each other. Have been.
[0083]
In the film forming container 801, the raw material gas is exhausted from an exhaust surface 819 that is perpendicular to the band-shaped substrate 804 penetrating the film forming container 801 and faces the microwave applicator 811. The exhaust surface 819 is formed of a mesh or a punching board to prevent microwave energy from leaking.
[0084]
The film forming container 801 is provided with a rod-shaped source gas releasing means 814 extending in parallel with the substrate 804 and in the width direction of the substrate 804. On the surface of the raw material gas releasing means 814, a number of gas releasing holes for releasing the raw material gas are provided. The source gas discharging means 814 is connected to one end of a source gas supply pipe 815 connected to a source gas supply source (not shown) such as a gas cylinder or a mass flow controller via an insulating insulator 821 outside the film forming container 801. . At least one source gas releasing means 814 is provided in each of the small film forming spaces 810 so that a source gas for forming a deposited film is supplied. The source gas releasing means 814 is made of metal and also serves as a bias electrode for applying a DC or AC bias voltage. A DC or AC bias can be applied from a bias power supply (not shown) external to the vacuum vessel 800 to the source gas releasing means 814 via a bias supply line 822 to also serve as a bias electrode. .
[0085]
A large number of infrared lamp heaters 816 and a lamp house 817 for efficiently concentrating radiant heat from these infrared lamp heaters 816 on the substrate 804 are provided on the opposite side of the film forming space 802 with the band-shaped substrate 804 interposed therebetween. Is provided. A thermocouple 818 for monitoring the temperature of the substrate 804 heated by the infrared lamp heater 816 is provided so as to be in contact with the substrate 804.
[0086]
Next, the operation of the deposited film forming apparatus 891 will be described.
[0087]
First, from the substrate delivery container (not shown) connected to the carry-in side gas gate 803 to the substrate take-up container (not shown) connected to the carry-out gas gate 805 so as to pass through the deposited film forming apparatus 891. For example, a band-shaped substrate 804 made of, for example, SUS403BA is stretched, and the inside of the vacuum chamber 801 and the film forming space 802 are exhausted through an exhaust pipe 808. When the pressure reaches a predetermined degree of vacuum, a gate gas is supplied to each of the gas gates 803 and 805 from each of the gate gas supply pipes 806 and 807. The gate gas is mainly exhausted from an exhaust pipe 808 attached to the vacuum vessel 801.
[0088]
Next, a substrate feeding means (not shown) provided in a substrate feeding container (not shown) and a substrate winding means (not shown) provided in a substrate winding container (not shown) are operated, The substrate 804 is continuously moved from the substrate delivery container toward the substrate take-up container. Then, the substrate 804 is heated to a predetermined temperature by operating the infrared lamp heater 816 while monitoring the output of the thermocouple 818. The source gas is supplied from each source gas supply pipe 815 to the source gas discharging means 814 and discharged into each small film formation space 810. Each source gas supplied to each source gas release means 814 contains a plurality of types of substances serving as the source of the deposited film.
[0089]
Next, microwave power was supplied from a microwave power supply to each microwave applicator 811 via each waveguide 812 to generate a microwave glow discharge in the film formation space 802. Until the discharge occurs, the substrate 804 and other wall surfaces forming the film forming container 802 serve as microwave reflectors, so that microwave energy can be efficiently accumulated in the film forming space 802 and discharge can be easily generated. Can be. After the occurrence of the discharge, a bias voltage of, for example, +90 V DC is applied to the source gas discharging means 814.
[0090]
By the above operation, the source gas is decomposed in the film forming space 802, and a deposited film is formed on the substrate 804 which is moving continuously. In this deposited film forming apparatus 891, in each small film forming space 810, the conditions for forming the deposited film can be changed by appropriately selecting the type, supply amount, microwave power, bias voltage, and pressure of the source gas. . As a result, a composition distribution occurs in the thickness direction in the deposited film formed on the substrate 804 that is moving continuously. By adjusting the aperture ratio of the wall 809 (partition plate) separating each small film formation space 810, the inclination angle of the composition generated in the film thickness direction can be changed.
[0091]
A deposition film forming apparatus to which a method for continuously forming a large-area functional deposition film by separating a deposition space into small deposition spaces is not limited to that shown in FIGS. 3 to 5 show examples of a film forming container of another deposited film forming apparatus.
[0092]
In FIG. 3, the gas in the film forming container 801a is exhausted from the rear wall 819a of the film forming container 801a. Further, a source gas releasing means and a bias electrode are separately provided for each small film formation space. That is, the source gas releasing means 813 is provided on the bottom wall of the film forming vessel 801a, and the source gas is discharged from each of the source gas releasing means 813 into each of the small film forming spaces 810 through many small openings. On the other hand, the bias electrode 820 is a rod-shaped member extending in parallel with the substrate 804 and in the width direction of the substrate 804, and is attached to the film forming container 801a.
[0093]
FIG. 4 shows a film forming container 801b used for performing the deposited film forming method according to one embodiment of the present invention,In the film forming container 801b shown in FIG. 4, a microwave applicator 811 is installed in the film forming container 801b in parallel with the band-shaped substrate 804 and opposed to the width direction of the substrate 804. Source gas releasing means 814 also serving as a bias electrode is provided on the central axis of the opposed microwave applicator 811 in parallel with the substrate 804. The raw material gas in the small film formation space 810 is discharged outside from the wall surfaces 819b at both ends in the moving direction of the substrate 804 of the film formation container 801b. Further, a wall 809 separating each small film formation space 810 is formed by a punching board, so that gas can be diffused into both adjacent small film formation spaces.
[0094]
The film forming container 801c shown in FIG. 5 is different from the film forming container 801b shown in FIG. 4 in that the exhaust direction of the source gas in each small film forming space 810 is set to the bottom surface of the film forming container 801c facing the substrate 804. It is. Therefore, many small openings are provided on the bottom wall of the film forming container 801c.
[0095]
Next, a continuous deposited film forming apparatus 850 incorporating the deposited film forming apparatus 891 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
[0096]
This continuous deposited film forming apparatus 850 is suitable for forming a semiconductor element having a pin junction on a strip-shaped substrate 804, and includes a substrate sending container 851, a first impurity forming vacuum container 852, and a deposited film forming device. An apparatus 891, a second impurity-forming vacuum vessel 853, and a substrate take-up vessel 854 are connected in series by four gas gates 861, 803, 805, and 862. Gate gas supply pipes 863, 806, 807, and 864 for supplying a gate gas are connected to the gas gates 861, 803, 805, and 862, respectively.
[0097]
The substrate sending container 851 is for storing the substrate 804 and sending it out toward the substrate winding container 854, and is provided with a bobbin 865 around which the substrate 804 is wound. An exhaust pipe 866 connected to an exhaust unit (not shown) is attached to the substrate delivery container 851, and a throttle valve 867 for controlling the pressure in the substrate delivery container 851 is provided in the middle of the exhaust pipe 866. Has been. Further, the substrate delivery container 851 is provided with a pressure gauge 868, a heater 869 for heating the substrate 804, and a transport roller 870 for supporting and transporting the substrate 804. The bobbin 865 is connected to a substrate delivery mechanism (not shown) for delivering the substrate 804.
[0098]
The first and second vacuum chambers 852 and 853 for forming an impurity layer have the same structure and form a p-type or n-type semiconductor layer. Exhaust pipes 871 and 872 connected to exhaust means (not shown) are attached to each of the impurity layer forming vacuum vessels 852 and 853. In the middle of the exhaust pipes 871 and 872, impurity layer forming vacuum vessels 852 and 853 are provided. Are provided with throttle valves 873 and 874 for controlling the internal pressure. Each of the vacuum chambers 852 and 853 for forming an impurity layer is a continuous deposition film forming apparatus using a microwave plasma CVD method, and inside thereof, rectangular parallelepiped film forming vessels 875 and 876 are provided, respectively. The film forming containers 875 and 876 are the same as the film forming container in the above-described deposited film forming apparatus 891 except that they are not divided into small film forming spaces, and generate plasma in the internal film forming space. Then, a deposited film is formed on the moving substrate 804. In the film forming containers 875 and 876, source gas releasing means 877 and 878 for introducing a source gas for forming a deposited film and microwave applicators 879 and 880 for introducing microwave energy are provided. . Further, heaters 881 and 882 for heating the substrate 804 during formation of the deposited film and transport rollers 825 for transporting the substrate 804 are provided in the vacuum vessels 852 and 853 for forming the impurity layers.
[0099]
In the deposited film forming apparatus 891, a film forming space 802 is divided into seven small film forming spaces 810. The substrate winding container 854 is for winding the substrate 804 on which the deposited film is formed, and has the same configuration as the substrate unloading container 851. However, a bobbin 883 is connected to a substrate winding mechanism (not shown) for winding the band-shaped substrate 804.
[0100]
Next, the operation of the continuous deposited film forming apparatus 850 will be described focusing on the case of forming a semiconductor element having a pin junction.
[0101]
First, the substrate 804 is stretched from the substrate delivery container 851 to the substrate take-up container 854 with a tension so as not to sag, in a catenary curve shape. The back surface of the stretched substrate 805 is in contact with the transport roller 825 installed in each vacuum vessel (the surface on which the deposited film is not formed). Subsequently, the substrate delivery container 851, each impurity forming vacuum container 852, 853, the deposited film forming apparatus 891, and the substrate take-up container 854 are evacuated. When a predetermined degree of vacuum is reached, each of the gas gates 861, 803, 805, 862 is exhausted. Is supplied with a gate gas.
[0102]
Next, a source gas for forming a p-type or n-type semiconductor layer is supplied to each of the impurity layer forming vacuum vessels 302 and 303, and a deposition film forming apparatus 891 for forming an i-type semiconductor layer. The raw material gas is supplied, and microwave power is further supplied to the vacuum chambers 852 and 853 for forming the impurity layers and the deposition film forming apparatus 891, and the movement of the substrate 804 from the substrate delivery container 851 toward the substrate winding container 854 is started. As a result, plasma is generated in each of the vacuum chambers 852 and 853 for forming an impurity layer and the deposited film forming apparatus 891, and a deposited film is formed on the substrate 804. The substrate 804 has a pin junction on the substrate 804 because it is continuously moved with the first vacuum chamber 852 for forming an impurity layer, the deposition film forming apparatus 891, and the vacuum chamber 853 for forming a second impurity layer. A semiconductor element will be formed. At this time, in the deposited film forming apparatus 891, since the composition distribution can be provided in the thickness direction of the deposited film as described above, in the formed semiconductor element, the composition is distributed in the thickness direction of the i-type semiconductor layer. For example, the band gap and the Fermi level can be changed.
[0103]
Next, the results of an experiment performed on the present example will be described with specific numerical values. Each of the experimental examples described here is applied to the formation of the amorphous silicon-based solar cell or the amorphous silicon semiconductor film which is a component of the solar cell described in the above-mentioned “action” section with reference to FIGS. This is an application of the deposited film forming method of the embodiment. Here, the band gap profile or the Fermi level profile of the i-type semiconductor layer will be described in more detail. It is desirable that these profiles change continuously and smoothly as shown in FIG. 18 or FIG. However, the optimum conditions for forming the deposited film (eg, gas mixture ratio, microwave power, pressure, substrate temperature, etc.) also change with respect to changes in the band gap or Fermi level of the deposited film. It is not easy to continuously control the band gap profile and the Fermi level profile while maintaining the following. In this embodiment, by dividing the film formation space into a plurality of small film formation spaces, these band gaps are approximately stepped as shown in FIGS. 7A to 7C and 9A. And change the Fermi level.
[0104]
It is also possible to cause the interdiffusion of the source gas through the wall separating the small film formation space, whereby the band gap and the Fermi level steps can be maintained while maintaining good conditions for forming the deposited film. As shown in FIGS. 8 (a) to 8 (c) and FIG. 9 (b), it is possible to smoothly connect the shape change portions.
[0105]
(Experimental example 1)
Using the deposited film forming apparatus 891 shown in FIG. 1, a substrate delivery container (not shown) and a substrate take-up container (not shown) were connected to the carry-in side gas gate 803 and the carry-out side gas gate 805, respectively. Each of the substrate feeding container and the substrate winding container is provided with a substrate feeding mechanism (not shown) for feeding out a band-shaped substrate and a substrate winding mechanism (not shown) for winding a band-shaped substrate. However, the film forming space of the deposited film forming apparatus 891 was divided into seven small film forming spaces 810. The wall 809 separating the small film formation space 810 was a plate having no opening so that mutual diffusion of the source gas did not occur.
[0106]
First, a belt-like substrate 804 (width 20 cm × length 200 m × thickness 0.125 mm) made of stainless steel (SUS304BA) is sufficiently degreased and washed, and a bobbin (not shown) around which the substrate 804 is wound in a substrate delivery container. After mounting, the substrate 804 was passed through the gas gate 803 on the carry-in side, the film forming container 801 and the gas gate 805 on the carry-out side to the substrate winding container, and the tension was adjusted so that the substrate 804 did not sag. Then, each of the substrate delivery container (not shown), the vacuum container 800, the film formation container 801, and the substrate take-up container (not shown) is roughed by a mechanical booster pump / rotary pump (not shown), and an oil diffusion pump (not shown). 5 × 10-6Evacuation was performed to a high vacuum of Torr or less. Thereafter, while the infrared lamp heater 816 was turned on and the output of the thermocouple 818 was monitored, temperature control was performed so that the surface temperature of the substrate 804 became 300 ° C., and heating and degassing were performed.
[0107]
When the degassing is sufficiently performed, the source gas for forming a deposited film is discharged from each gas releasing means 814 while operating an oil diffusion pump (not shown) connected to the exhaust pipe 808 under the conditions shown in Table 1. It was introduced into each small film formation container 810. At the same time, the gate gas is supplied from the gate gas supply pipes 806 and 807 to the gas gates 803 and 805 at a flow rate of 300 sccm.2A gas is supplied, and the gate gas is exhausted through an exhaust pipe 808 directly connected to the vacuum container 800, a substrate sending container (not shown), and a substrate winding container (not shown). In this state, the pressure in the film forming container 801 was maintained at 6 mTorr.
[0108]
[Table 1]
Figure 0003554314
[0109]
When the pressure in the film forming container 801 is stabilized, a microwave having a frequency of 2.45 GHz is introduced into the film forming container 801 from each of the waveguides 812 and each of the microwave applicators 811 from a microwave power supply (not shown). did. As a result, microwave glow discharge was generated in each small film formation space 810 of the film formation space 802, and plasma was generated. Next, the movement of the substrate 804 was started from the substrate unloading container (not shown) toward the substrate winding container (not shown), that is, in the direction of the arrow shown in FIG. The moving speed at this time was 100 cm / min. Over a period of 10 minutes, a deposition film made of i-type a-SiGe: H was formed on the substrate 804 while continuously moving the substrate 804. After the formation of the deposited film was completed, the substrate 803 was cooled and taken out of the deposited film forming apparatus 891.
[0110]
When the film thickness distribution of the deposited film formed in Experimental Example 1 was measured, the variation in the film thickness was within 5% with respect to the width direction and the longitudinal direction of the substrate 804. The calculated formation rate of the deposited film was 95 ° / sec on average.
[0111]
Next, a portion of the substrate 804 where the deposited film made of a-SiGe: H was formed in Experimental Example 1 was arbitrarily selected and cut out, and a secondary ion mass spectrometer (SIMS) (CAMECA) was used. , Imf-3 type), and the element distribution in the depth direction was measured. As a result, the distribution in the depth direction shown in FIG. 10 was obtained, and it was found that the band gap profile was the same as that shown in FIG. 7C. The total hydrogen in the deposited film was determined using a hydrogen-in-metal analyzer (Model EMGA-1100, manufactured by HORIBA, Ltd.) and found to be 16 ± 2 atomic%. In FIG. 10, the horizontal axis is represented by time. However, in secondary ion mass spectrometry, the elapsed time is proportional to the depth. Therefore, the horizontal axis in FIG. 10 may be considered as the depth from the surface. .
[0112]
(Experimental example 2)
The opening ratio of the wall 809 separating the seven small film-forming spaces 810 of the deposited film forming apparatus 891 used in the above-mentioned Experimental Example 1 was set to 25%, so that mutual diffusion of the source gas was possible to some extent. The deposited film was formed on the substrate 804 under the same conditions as in Experimental Example 1 without changing the other device configuration.
[0113]
The variation in the distribution of the film thickness of the deposited film formed in Experimental Example 2 was examined. The variation was within 5%, and the deposition film formation speed was calculated to be 80 ° / sec on average. . Next, in the same manner as in Experimental Example 8-1, six portions were arbitrarily selected from the portion where the deposited film made of a-SiGe: H was formed in Experimental Example 8-2, and the element in the depth direction was cut out. The distribution was measured. As a result, the distribution in the depth direction shown in FIG. 11 was obtained, and it was found that the band gap profile was similar to that shown in FIG. The connection of the band gap of the deposited film formed in the adjacent small film formation space became continuous. When the total hydrogen in the deposited film was quantified, it was 14 ± 2 atomic%.
[0114]
(Experimental example 3)
A gate gas was supplied in the same manner as in Experimental Example 2, and a deposited film made of i-type a-SiC: H was continuously formed on the substrate 804 under the conditions shown in Table 2. At this time, the moving speed of the substrate 804 was 95 cm / min. The internal pressure of the film forming container 801 was kept at 12 mTorr during the formation of the deposited film.
[0115]
[Table 2]
Figure 0003554314
[0116]
After the formation of the deposited film was completed, the variation in the distribution of the film thickness of the deposited film formed in Experimental Example 3 was examined. The variation was within 5%. It was calculated to be 80 ° / sec. In the same manner as in Experimental Example 1, six portions were arbitrarily selected from the portion where the deposited film made of a-SiC: H was formed in Experimental Example 3, and the element distribution in the depth direction was measured. As a result, the distribution in the depth direction shown in FIG. 12 was obtained, and it was found that the band gap profile was the same as that shown in FIG. 8B. When the total hydrogen in the deposited film was quantified, it was 14 ± 2 atomic%.
[0117]
(Experimental example 4)
In the same manner as in Experimental Example 2, a deposited film of a-Si: H containing B as an impurity was continuously formed on the substrate 804 under the conditions shown in Table 3. At this time, the moving speed of the substrate 804 was 95 cm / min. During the formation of the deposited film, the internal pressure of the film forming container 801 was maintained at 5 mTorr.
[0118]
[Table 3]
Figure 0003554314
[0119]
After the formation of the deposited film was completed, the variation in the distribution of the film thickness of the deposited film formed in Experimental Example 4 was examined. The variation was within 5%. It was calculated to be 110 ° / sec. As in Experimental Example 1, six portions were arbitrarily selected from the portion where the deposited film made of a-Si: H was formed in Experimental Example 4, and the element distribution in the depth direction was measured. As a result, the distribution in the depth direction shown in FIG. 13 was obtained, and it was found that the Fermi level profile was similar to that shown in FIG. 9B. When the total hydrogen in the deposited film was determined, it was 18 ± 2 atomic%.
[0120]
(Experimental example 5)
Using the continuous deposited film forming apparatus 850 shown in FIG. 6, an amorphous silicon solar cell having the layer configuration shown in FIG. 17A was manufactured. The film formation space 802 in the deposition film forming apparatus 891 was divided into seven small film formation spaces 810, and the walls separating the small film formation spaces 810 were plates without openings. This amorphous silicon solar cell has a single pin junction, and the band gap profile in the i-type semiconductor layer 404 is as shown in FIG.
[0121]
First, a strip-shaped substrate 804 made of SUS430BA similar to that used in the above-described Experimental Example 1 was mounted on a continuous sputtering device (not shown), and a target was an Ag electrode (Ag purity: 99.99%). An Ag thin film having a thickness of 1000 ° was sputter-deposited on 804, and a 1.2 μm thick ZnO thin film was sputter-deposited on the Ag thin film using a ZnO (ZnO purity: 99.999%) electrode as a target. A lower electrode 902 was formed on 804.
[0122]
Next, the substrate 804 on which the lower electrode 902 is formed is mounted on a substrate delivery container 851, and a first impurity layer forming vacuum container 852, a deposited film forming apparatus 891, and a second impurity layer forming vacuum container 853 are mounted. Through the substrate winding container 854. Then, the tension of the substrate 804 is adjusted so that the substrate 804 does not sag, and the vacuum containers 852 and 853 for forming the impurity layers, the deposition film forming apparatus 891, the substrate delivery container 851, and the substrate take-up container 854 are arranged in the same manner as in Experimental Example 1. 5 × 10-6Evacuated to Torr.
[0123]
Subsequently, while continuously moving the substrate 804 from the substrate unloading container 851 toward the substrate winding container 854, the n-type semiconductor layer 903 is formed on the substrate 804 by the first vacuum container 852 for forming an impurity layer. Then, the i-type semiconductor layer 904 is formed sequentially by the deposition film forming apparatus 891, and the p-type semiconductor layer 905 is formed sequentially by the second impurity layer forming vacuum chamber 853. The conditions for forming the n-type semiconductor layer 903 and the p-type semiconductor layer 905 are as shown in Table 4, and the conditions for forming the i-type semiconductor layer 904 include i-type a-SiGe: H in Experimental Example 8-1. It was the same as when forming the deposited layer. The semiconductor layers 903 to 905 are formed by generating microwave glow discharge inside the vacuum chambers 852 and 853 for forming impurity layers and inside the deposition film forming apparatus 891, and when the plasma by the glow discharge is stabilized, the substrate 804 is formed. This was performed by moving at a moving speed of 95 cm / min. In each of the impurity layer forming vacuum vessels 852 and 853, the length of the region in which the microwave glow discharge is generated in the moving direction of the substrate 804 is shown in the column of the length of the film formation region in Table 4. .
[0124]
[Table 4]
Figure 0003554314
When the semiconductor layers 903 to 905 are formed over the entire length (200 m) of the substrate 804, the substrate 804 is cooled, taken out of the continuous deposition film forming apparatus 850, and further placed on the p-type semiconductor layer 905. The electrode 906 and the current collecting electrode 907 were formed to complete a belt-shaped solar cell.
[0125]
Next, using a continuous modularization apparatus (not shown), the produced solar cell was processed into a large number of solar cell modules having a size of 36 cm × 20 cm. For the manufactured solar cell module, the AM value was 1.5 and the energy density was 100 mw / cm.2When the characteristics were evaluated using pseudo sunlight, the photoelectric conversion efficiency was 7.0% or more, and the variation in characteristics among the solar cell modules was within 5%. In addition, when two of the fabricated solar cell modules were extracted and subjected to a continuous bending test of 200 times, the characteristics did not deteriorate even after the test, and phenomena such as peeling of the deposited film were not observed. Was. When the above-mentioned AM value is 1.5 and the energy density is 100 mw / cm2After 500 hours of continuous irradiation with the pseudo sunlight, the fluctuation of the photoelectric conversion efficiency was within 10.0% of the initial value.
[0126]
By connecting this solar cell module, a power supply system with an output of 2.5 kW could be manufactured.
[0127]
(Experimental example 6)
In the continuous deposited film forming apparatus 850 used in the above-described Experimental Example 5, the porosity of the wall 809 separating the seven small film forming spaces 810 of the deposited film forming apparatus 891 is set to 25%, and the mutual diffusion of the raw material gas is made to some extent Made it possible. A solar cell was prepared and processed into a solar cell module in the same manner as in Experimental Example 5, except that the i-type semiconductor layer 904 was deposited under the same conditions as in Experimental Example 2. Note that the i-type semiconductor layer 904 has a band gap profile as shown in FIG.
[0128]
Then, when the same characteristics as in Experimental Example 5 were evaluated for the manufactured solar cell module, a photoelectric conversion efficiency of 8.0% or more was obtained, and the variation in characteristics between the respective solar cell modules was also within 5%. It was in. Further, even after the continuous bending test of 200 times, no deterioration of the characteristics was observed, and no peeling of the deposited film occurred. Furthermore, even after 500 hours of continuous pseudo-sunlight irradiation, the variation in photoelectric conversion efficiency was within 8.5% of the initial value. By using this solar cell module, a power supply system with an output of 5 kW could be manufactured.
[0129]
(Experimental example 7)
In Experimental Examples 5 and 6, an a-SiGe: H deposition film was used as the i-type semiconductor layer 904. Here, a solar cell was manufactured using a-SiC: H instead of a-SiGe: H. Processed into a solar cell module. The procedure was the same as in Experimental Example 5 except that the i-type semiconductor layer 904 was deposited under the same conditions as in Experimental Example 3. The i-type semiconductor layer 904 has a band gap profile as shown in FIG.
[0130]
When the same characteristics as those of Experimental Example 5 were evaluated for the manufactured solar cell module, a photoelectric conversion efficiency of 7.2% or more was obtained, and the variation in characteristics between the respective solar cell modules was also within 5%. It was in. Further, even after the continuous bending test of 200 times, no deterioration of the characteristics was observed, and no peeling of the deposited film occurred. Furthermore, even after 500 hours of continuous pseudo-sunlight irradiation, the variation in photoelectric conversion efficiency was within 8.5% of the initial value. By using this solar cell module, a power supply system with an output of 5 kW could be manufactured.
[0131]
(Experimental example 8)
In Experimental Examples 5 and 6, an a-SiGe: H deposited film was used as the i-type semiconductor layer 904. Here, instead of a-SiGe: H, a solar cell was manufactured using a-Si: H. Processed into a solar cell module. The procedure was the same as in Experimental Example 5 except that the i-type semiconductor layer 904 was deposited under the same conditions as in Experimental Example 4. The i-type semiconductor layer 904 has a Fermi level profile as shown in FIG.
[0132]
Then, the same characteristics as in Experimental Example 5 were evaluated for the manufactured solar cell module. As a result, a photoelectric conversion efficiency of 8.4% or more was obtained, and the variation in characteristics between the respective solar cell modules was also within 5%. It was in. Further, even after the continuous bending test of 200 times, no deterioration of the characteristics was observed, and no peeling of the deposited film occurred. Furthermore, even after 500 hours of continuous pseudo-sunlight irradiation, the variation in photoelectric conversion efficiency was within 8.5% of the initial value. By using this solar cell module, a power supply system with an output of 2.5 kW could be manufactured.
[0133]
(Experimental example 9)
An amorphous silicon solar cell having a configuration in which two sets of pin junctions are stacked as shown in FIG. 17C was manufactured and processed into a solar cell module. At the time of fabrication, the continuous deposition film is formed between the second impurity layer forming vacuum container 853 and the substrate winding container 854 of the continuous deposition film forming apparatus 850 shown in FIG. 6 so that two sets of pin junctions can be formed. An apparatus having a structure in which a first vacuum layer 852 for forming an impurity layer, a deposited film forming apparatus 891, and a vacuum chamber 853 for forming a second impurity layer 853 of the film forming apparatus 850 were sequentially connected in series was used.
[0134]
As the band-shaped substrate 804, the same one as that used in Experimental Example 1 is used. Of the two sets of pin junctions, the first pin junction 911 that is farther from the light incident side is the same as the above-described experimental example. 6, and the second pin junction 912 closer to the light incident side was formed under the same conditions as the pin junction of Experimental Examples 8-8. After the formation of the first and second pin junctions 911 and 912, a solar cell module was obtained through the same steps as in Experimental Example 6.
[0135]
When the same characteristics as in Experimental Example 5 were evaluated for the manufactured solar cell module, a photoelectric conversion efficiency of 11.0% or more was obtained, and the variation in characteristics between the respective solar cell modules was within 5%. I was Further, even after the continuous bending test of 200 times, no deterioration of the characteristics was observed, and no peeling of the deposited film occurred. Furthermore, the rate of change in photoelectric conversion efficiency after 500 hours of continuous irradiation with pseudo-sunlight was within 7.5%. By using this solar cell module, a power supply system with an output of 2.5 kW could be manufactured.
[0136]
(Experimental example 10)
An amorphous silicon solar cell having a configuration in which two sets of pin junctions are stacked as shown in FIG. 17C was manufactured and processed into a solar cell module. In the fabrication, except that the first pin junction 911 was formed under the same conditions as the pin junction in the above-described Experimental Example 8, and the second pin junction 912 was formed under the same conditions as the pin junction in the Experimental Example 7. The same as in Experimental Example 9.
[0137]
When the same characteristics as in Experimental Example 5 were evaluated for the manufactured solar cell module, a photoelectric conversion efficiency of 10.5% or more was obtained, and the variation in characteristics between the respective solar cell modules was within 5%. I was Further, even after the continuous bending test of 200 times, no deterioration of the characteristics was observed, and no peeling of the deposited film occurred. Furthermore, the rate of change in photoelectric conversion efficiency after 500 hours of continuous irradiation with pseudo-sunlight was within 7.5%. By using this solar cell module, a power supply system with an output of 2.5 kW could be manufactured.
[0138]
(Experimental example 11)
An amorphous silicon solar cell having a configuration in which three sets of pin junctions are stacked as shown in FIG. 17D was manufactured and processed into a solar cell module. In order to form three continuous pin junctions, the continuous deposition film is formed between the second impurity layer forming vacuum container 853 and the substrate winding container 854 of the continuous deposition film forming apparatus 850 shown in FIG. A first impurity layer forming vacuum vessel 852, a deposited film forming apparatus 891, a second impurity layer forming vacuum vessel 853, a first impurity layer forming vacuum vessel 852, a deposited film forming apparatus 891, of the film forming apparatus 850; An apparatus having a configuration in which a vacuum vessel 853 for forming a second impurity layer 853 was sequentially connected in series was used.
[0139]
As the substrate 804, the same one as that used in Experimental Example 1 is used. Among the three pin junctions, the first pin junction 911 farther from the light incident side is used in Experimental Example 6 described above. The second pin junction 912 is formed under the same conditions as the pin junction of Experimental Example 8, and the third pin junction 913 positioned on the light incident side is formed under the same conditions as those of Experimental Example 8. It was formed under the same conditions as the pin junction. After the formation of each of the pin junctions 911 to 913, a solar cell module was obtained through the same steps as in Experimental Example 6.
[0140]
When the same characteristics as in Experimental Example 5 were evaluated for the manufactured solar cell module, a photoelectric conversion efficiency of 12.0% or more was obtained, and the variation in characteristics between the respective solar cell modules was within 5%. I was Further, even after the continuous bending test of 200 times, no deterioration of the characteristics was observed, and no peeling of the deposited film occurred. Furthermore, the rate of change of the photoelectric conversion efficiency after the irradiation of pseudo sunlight for 500 hours was within 7%. By using this solar cell module, a power supply system with an output of 2.5 kW could be manufactured.
[0141]
As mentioned above, although the example of the present invention was mainly explained about the case where an amorphous silicon solar cell is manufactured, the present invention is required to have a large area or a long shape other than the amorphous silicon solar cell. It is preferably used also when forming a thin film semiconductor element. Examples of such a thin film semiconductor element include a thin film transistor (TFT) for driving a pixel of a liquid crystal display, a photoelectric conversion element for a contact image sensor, and a switching element. These thin-film semiconductor elements are often used as main components of an image input / output device, and by implementing the present invention, these thin-film semiconductor elements can be mass-produced with high quality and uniformity. It is expected to spread widely.
[0142]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a moving film forming type microwave plasma CVD method, a film forming space is constituted by a plurality of small film forming spaces separated by a wall, and composition control is performed, thereby forming a large area composition. A controlled functional deposition film can be formed continuously and with good reproducibility, and the controllability and stability of large-area plasma are improved, making it possible to generate uniform plasma over a large area. There is an effect that a deposited film having a uniform composition in the thickness direction can be easily formed. Further, there is an effect that a functional deposition film having an arbitrary band gap profile can be continuously formed on a belt-shaped member that moves continuously.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a configuration of a deposited film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a fragmentary perspective view showing a configuration of a film forming container of the deposited film forming apparatus of FIG. 1;
FIG. 3 is a fragmentary perspective view showing a film forming container having a configuration different from that of FIG. 1;
FIG. 4Used for carrying out the deposited film forming method of one embodiment of the present invention.FIG. 2 is a fragmentary perspective view showing a film forming container.

FIG. 5 is a fragmentary perspective view showing a film forming container having still another configuration.
FIG. 6 is a view showing a configuration of a continuous deposition film forming apparatus incorporating the apparatus of FIG. 1;
FIGS. 7A to 7C are diagrams showing band gap profiles of an i-type semiconductor layer.
FIGS. 8A to 8C are diagrams showing band gap profiles of an i-type semiconductor layer.
FIGS. 9A and 9B are diagrams showing Fermi level profiles of an i-type semiconductor layer.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a result of secondary ion mass spectrometry.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a result of secondary ion mass spectrometry.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a result of secondary ion mass spectrometry.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing a result of secondary ion mass spectrometry.
FIG. 14 is a schematic sectional view showing a configuration of a conventional microwave plasma CVD apparatus.
FIG. 15 is a schematic sectional view showing a configuration of a conventional moving film formation type microwave plasma CVD apparatus.
FIG. 16 is a schematic diagram showing how a bias electric field is applied in a conventional microwave plasma CVD apparatus.
FIGS. 17A to 17D are schematic cross-sectional views each showing a configuration of a solar cell.
FIGS. 18A to 18D are diagrams showing band gap profiles of an i-type semiconductor layer.
FIGS. 19A to 19D are diagrams showing Fermi level profiles of an i-type semiconductor layer.
[Explanation of symbols]
800 Vacuum container
801, 801a, 801b, 801c Deposition container
802 deposition space
803,805 gas gate
804 substrate
809 wall
810 Small film formation space
811 Microwave applicator
812 Waveguide
814 Source gas supply means
815 Source gas supply pipe
820 bias electrode
850 Continuous deposited film forming equipment
851 substrate delivery container
852 Vacuum container for forming first impurity layer
853 Vacuum container for forming second impurity layer
854 substrate winding container
891 deposited film forming equipment

Claims (2)

帯状の基板をその長手方向に連続的に移動させながら、前記基板が側壁の一面となる柱状の成膜空間に堆積膜形成用の原料ガスを導入し、同時に前記成膜空間へマイクロ波エネルギーを導入させてマイクロ波プラズマを前記成膜空間内に生起させ、前記基板の前記成膜空間側の表面上に堆積膜を形成させる堆積膜形成方法において、
前記成膜空間が、堆積膜形成用の原料ガスの相互拡散が可能であるようにした壁によって分離されて複数の小成膜空間によって構成され、組成制御を行なって前記堆積膜を形成することを特徴とする堆積膜形成方法。
While continuously moving the belt-shaped substrate in the longitudinal direction, a source gas for depositing a film is introduced into a columnar film-forming space in which the substrate is one surface of a side wall, and simultaneously, microwave energy is supplied to the film-forming space. Introducing a microwave plasma in the film-forming space by being introduced, and forming a deposited film on the surface of the substrate on the film-forming space side, a deposition film forming method,
The film forming space is constituted by a plurality of small film forming spaces separated by a wall capable of mutually diffusing a source gas for forming a deposited film, and forming the deposited film by controlling the composition. A method for forming a deposited film.
各小成膜空間に導入されるマイクロ波エネルギーの強度および堆積膜形成用原料ガスの組成が、前記小成膜空間ごとにそれぞれ独立に制御される請求項1に記載の堆積膜形成方法。2. The method according to claim 1, wherein the intensity of the microwave energy introduced into each of the small film formation spaces and the composition of the deposited film forming source gas are independently controlled for each of the small film formation spaces.
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