JP3759076B2 - Cat-PECVD method and film processing system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、製膜用ガスの分解・活性化手段にプラズマを用いたCVD(Chemical Vapor Deposition)法であるPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:プラズマCVD)法と、製膜用ガスの分解・活性化手段に熱触媒体を用いたCVD法であるCat−CVD(Catalytic Chemical Vapor Deposition:触媒CVD)法(HW−CVD(ホットワイヤーCVD)法も同一原理)とを融合させた、従来にない新しいCVD法であるCat−PECVD法、その方法を用いて形成した膜、およびその膜を用いて形成した薄膜デバイスに関し、特に薄膜Si系太陽電池等に代表される光電変換装置におけるSi系薄膜を高速で高品質に、しかも大面積にわたって均一膜厚かつ均質膜質で製膜でき、さらには非常に高い生産性をもって製膜を行える技術に関する。
【0002】
【従来技術およびその課題】
高品質・高速製膜技術は、各種薄膜デバイスの高性能・低コスト化には不可欠であり、特に光電変換装置の代表格である薄膜Si系太陽電池においては、Si系膜の高品質・高速製膜に加えて、大面積製膜、さらには高生産性も同時に要求されている。
【0003】
Si系薄膜の低温製膜法としては、大別してPECVD法とCat−CVD法とがこれまでに知られており、ともに水素化アモルファスシリコン膜や結晶質シリコン膜の形成を中心に活発な研究開発がなされてきている。
【0004】
図8に従来例1としてPECVD装置を、図9に従来例2としてCat−CVD装置を示す。図8中の500はシャワーヘッド、501はガス導入口、502はガス噴出口、503はプラズマ空間、504はプラズマ生成用電極、505は高周波電源、506は基体、507は基体加熱ヒーター、508はガス排気用真空ポンプ、509は電気絶縁用の絶縁部材である。また、図9中の600はシャワーヘッド、601はガス導入口、602はガス噴出口、603は活性ガス空間、604は熱触媒体、605は熱触媒体の加熱用電源、606は基体、607は基体加熱ヒーター、608はガス排気用真空ポンプである。
【0005】
ここでSiH4ガスとH2ガスを用いてSi膜を形成する場合を例にとると、図8に示したPECVD装置では、シャワーヘッド500に設けられたガス導入口501から導入された前記ガスは、ガス噴出口502からプラズマ空間503に導かれ、該プラズマ空間503にて励起活性化されて堆積種を生じ、これが対向した基板506上に堆積してSi膜が形成される。ここで前記プラズマは、高周波電源505を用いることで生成させる。
【0006】
また、図9に示したCat−CVD装置では、シャワーヘッド600に設けられたガス導入口601から導入された前記ガスは、ガス噴出口602から製膜空間に導かれ、該製膜空間に設置されている熱触媒体604にて活性化されて活性ガス空間603を形成し堆積種を生じ、これが対向した基板606上に堆積してSi膜が形成される。ここで熱触媒体604の加熱は、加熱用電源605を用いることで実現する。
【0007】
しかしながら、これらの従来技術には以下に述べる問題点があった。すなわち、PECVD法では、高速製膜を実現するには、プラズマパワーを大きくしてSiH4ガスやH2ガスの分解を促進する必要があるが、このプラズマパワーの増大は、とりもなおさずプラズマ中の電子温度Teを高める(プラズマポテンシャルVpはTeに比例して増大する)ことに他ならないので、一方で製膜表面へのイオン衝撃の増大や、SiH2分子の生成速度増大に起因した高次シランの生成促進(最終的には粉体の生成促進)につながり、高品質化に逆行する要素の招来を避けられなかった。
【0008】
ここで、プラズマパワーの増大に代えてプラズマの励起周波数をVHF帯以上とすれば、プラズマポテンシャルVpの低減によってイオン衝撃は低減され、水素化アモルファスシリコン膜や結晶質シリコン膜の高品質製膜には有効ではあるが(J. Meier et al, Technical digest of 11th PVSEC (1999) p. 221, O. Vetterl et al, Technical digest of 11th PVSEC (1999) p. 233、などを参照)、結晶質Si膜の形成には充分な原子状水素の生成が必要であり、このためにはいかにVHF帯周波数を用いてもある程度以上の高速製膜を求めると、どうしてもプラズマパワーの増大は避けられず、やはり前記した問題の招来を避けられなかった。
【0009】
そこで、プラズマパワーを上げることなく原子状水素密度を上げる方策として、水素希釈率を上げること、すなわちガス流量比H2/SiH4を上げることが考えられるが、これではSiH4ガスの分圧が下がってしまい、このままでは高速製膜には逆行する方向にあるので、結局はプラズマパワーを増大させてSiH4の分解を促進させねばならず、やはり前記した問題の招来を避けられなかった。
【0010】
また、プラズマパワーを増大させてもイオン衝撃を軽減できる方策として製膜圧力を上げることが考えられるが、製膜圧力の上昇は一方でガス分子密度の増大による高次シラン生成反応の促進を招くことにもなるので、この方法もまた粉体生成などの膜品質低減要因を排除することは困難であった。
【0011】
一方、Cat−CVD法では、プラズマを用いないので、前記したイオン衝撃の問題は原理的に存在せず、また粉体発生も極めて少なく、さらに原子状水素の生成が非常に促進されるので結晶質Si膜を比較的容易に高速に形成でき、さらには大面積化についても原理的な制約がないため、近年とみに注目を集めている(H. Matsumura, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) 3175-3187、 R. E. I. Schropp et al, Technical digest of 11th PVSEC (1999) p. 929-930などを参照)。
【0012】
しかし、現状では熱触媒体からの輻射による基体温度上昇の問題が避けられず、高品質な膜を安定して形成することは必ずしも容易ではない。またSiH4ガスを熱触媒体で直接分解するために、原子状Siの生成が避けられない。この原子状Siは高品質Si膜の形成には好ましくないものであり、また原子状Siが気相中でHやH2などと反応して生じるSiHやSiH2といったラジカルも高品質Si膜の形成には同じく好ましくないので、高品質な結晶質Si膜の高速形成は非常に困難であった。
【0013】
以上の課題に対して、本発明者らはかねてからPECVD法とCat−CVD法との融合化の検討を進め、既に、特願2000−130858号、特願2001−293031号、さらには特願2002−67445号において、熱触媒体内蔵カソード型のCat−PECVD法を開示してきた。
【0014】
図10に代表的な装置構造を示す。図10中の700はシャワーヘッド、701は原料系ガス導入口、702は非Si非C系ガス導入口、703は原料系ガス導入経路、704は非Si非C系ガス導入経路、705は熱触媒体、706は加熱用電源、707はプラズマ空間、708はプラズマ生成用電極、709は高周波電源、710は原料系ガス噴出口、711は非Si・非C系ガス噴出口、712は被製膜用の基体、713は基体加熱用ヒーター、714はガス排気用真空ポンプ、715は輻射遮断部材である。
【0015】
このCat−PECVD法は、Si系原料ガスとH2ガスとを分離導入し、H2ガスはガス導入経路に設置された熱触媒体705によって加熱・活性化され、Si系ガスとはプラズマ空間707中で混合されることによって膜の形成を行うものであって、高速製膜条件下であっても容易に結晶性の高い高品質結晶質Si膜が得られるものである。これは、この方法では熱触媒体を用いることでH2の分解・活性化量を、SiH4のプラズマによる分解・活性化量とは独立に自由に制御できること、またSiH4はプラズマのみによって活性化されるので、熱触媒体705による好ましくないラジカル生成を避けられること、また、輻射遮断部材715を設置することもできるので、熱触媒体705から基体712に直達する輻射を遮断でき製膜表面温度の好ましくない上昇を避けられること、さらには熱触媒体705を使う副次効果としてのガスヒーティング効果によって、気相中での高次シラン生成反応が抑制されること(SiH2分子の挿入反応による高次シラン生成反応は発熱反応であるため、ガスヒーティングによるガス温度の上昇は高次シラン生成反応に対してブレーキをかける効果を持つ)、などによるものと考えられる。さらに、シャワーヘッド700を使用すること、およびプラズマ生成用電極708として、従来の平板状電極に換えて非平板状の電極(例えばアンテナ電極)を用いることによって、27MHz以上の高周波電源を用いても大面積での均一膜厚・均質膜質製膜を実現できる能力を備えていた。また、この場合のさらに特殊な形態として、非平板状電極がシャワーヘッドを兼ねる方式も一部開示されていた。以上によって、1m角サイズでの満足できる均一膜厚分布(目安としては±15%以内)や均質膜質分布(例えば、結晶化率分布として±15%以内、効率特性分布として±10%以内)を高速・高品質製膜条件下で得ることができていた。
【0016】
しかしながら、これら顕著な効果を奏する本発明者らによる先行技術においても、前記非平板状電極がシャワーヘッドを兼ねる方式の技術はさらに改良すべき余地があり、特に装置の高生産性について画期的な技術開発が望まれていた。
【0017】
そこで本発明者らは、これらの課題を解決するために、特願2002−155537〜155544において開示したアンテナ電極型のCat−PECVD法を開発した。すなわち中空構造を有したアンテナ電極の中空部に熱触媒体を内蔵させる全く新規な製膜技術を発明した。これによってVHF帯を用いた高周波でも均一な大面積プラズマの生成を実現すると同時に、熱触媒体を付加した効果により、高速製膜条件下においても、例えば高品質な水素化アモルファスシリコン膜や結晶質シリコン膜などの製膜が可能となった。そしてアンテナ電極を複数個並列に配置したアレイ状アンテナ電極を製膜室に複数個並列配置することで、複数基体への同時製膜が可能となり、非常に生産性の高い膜処理システムを実現することができた。
【0018】
しかしながら、前記熱触媒体を内蔵したアンテナ電極においては、該アンテナ電極にプラズマを生成するために供給されるVHF帯の高周波電力と、該アンテナ電極内部の熱触媒体を加熱するために供給される電力との相互作用によってプラズマ生成が必ずしも安定しない場合があるという問題がなお残されていた。また、熱触媒体を内蔵したアンテナ電極は、該熱触媒体からの輻射熱によって加熱変形する場合があるという問題が残されていた。
【0019】
なお、Technical digest of 11th PVSEC (1999) p779には、プラズマCVD装置において、水素ガスの導入ポートの直後に熱触媒体を配置したものが開示されている。水素ガスとシランガスの導入ポートは異なっているが、この水素ガスとシランガスはシャワー電極を通すものではなく、大面積での均一な膜厚分布や膜質分布を得ることは困難である。また、熱触媒体はシャワー電極で製膜空間と隔離されていないので、シランガスとの接触反応の低減は不可能であり、高品質製膜においては好ましくない原子状Siや、それとの気相反応生成分子である同じく高品質製膜においては好ましくないSiHやSiH2等のラジカル生成は避けられない。また輻射遮断構造やプラズマ生成周波数のVHF帯化の概念も示されておらず高品質化は困難である。また後記する本発明の中核をなすアンテナ電極を用いるものでもない。
【0020】
また、Technical digest of 16th EPSEC (2000) p421には、容量結合型RFプラズマCVD装置において、熱触媒体をプラズマ空間に設置したものが開示されているが、ガスを分離して導入するものではなく、また導入されるガスはシャワー電極を通すものでもない。また、熱触媒体をプラズマ空間に設置してあるので基体への輻射遮断は不可能である。また、アンテナ電極の概念もない。
【0021】
また、特許第2692326号には、触媒体と基板との間にガスが通過できる輻射遮断部材を設置した触媒CVD法が開示されているが、原料ガスが熱触媒体で活性化されないようにガス分離して導入するものではなく、プラズマによる原料ガスの活性化を行うものでもない。もちろんアンテナ電極の概念もない。
【0022】
また、特開平10−310867号公報には、プラズマ発生用電極とガス導入口との間に触媒電極を備えた薄膜形成装置が開示されているが、原料ガスを分離して導入するものではなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0023】
また、特開平11−54441号公報には、熱触媒体が配置される容器内に原料ガスが供給され、この容器内部が基板と隔絶されており、ガス吹き出し口から差圧によりガスが基板に供給される触媒CVD装置が開示されているが、原料ガスを分離して導入するものではなく、またPECVD法に関するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0024】
また、特許第1994526号公報には、原料ガスとこの原料ガスを分解するための加熱ガスとを導入して膜を形成する方法が開示されているが、シャワーヘッドを用いるものではなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0025】
また、特許第1994527号公報には、原料ガスを熱分解して膜形成する方法が開示されているが、原料ガスを熱分解しない方法ではなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。また、プラズマを用いるものではなく、シャワーヘッドを用いるものでもない。もちろんアンテナ電極の概念もない。
【0026】
また、特許第1927388号公報には、製膜空間にタングステンからなるメッシュ状の活性化手段を設けて水素を含むガスを活性化して膜堆積させる方法が開示されているが、原料ガスを熱分解することなく分離導入する方法ではなく、輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0027】
また、特許第2547741号公報には、一方の輸送管が他方のそれを内部に配置する構造で、SiH4とH2とを分離導入する方法が開示されているが、シャワーヘッドを用いるものではなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0028】
また、特許第2927944号公報には、水素ガスを成膜空間とは異なる空間で活性化して、これを原料ガスと混合、接触させてプラズマ領域を形成し、上記水素ガスの活性化を周期的にすることで基体がプラズマに間欠的・周期的に晒されるようにして膜堆積を行う方法が開示されているが、シャワーヘッドを用いるものではなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0029】
また、特開2000−114256号公報には、原料ガスに触媒を作用させて分解し、これをプラズマ処理して膜形成する方法が述べられているが、原料ガスを分離導入するものではなく、またシャワーヘッドを用いるものでもなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0030】
また、特開2000−331942号公報には、プラズマ発生部から基板表面に至る近傍に設置された表面反応機構部分を有した装置構成で膜形成する方法が開示されているが、原料ガスを熱分解することなく分離導入するものではなく、またシャワーヘッドを用いるものではない。また、熱触媒体はプラズマと基板の間にあるので、基板への輻射遮断は不可能である。またアンテナ電極の概念もない。
【0031】
また、特開2000−323421号公報には、SiH4とH2とを分離導入し、SiH4ガスはプラズマで活性化してイオンおよびラジカルを基板に照射し、H2ガスはガス導入口に具備した加熱触媒体で活性化させて基板に照射する方法が開示されているが、シャワーヘッドを用いるものではなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0032】
また、特開平9−137274号公報には、プラズマ空間にSiH4とH2とを分離導入し、H2は導入過程で熱やプラズマなどで活性化する方法が開示されているが、シャワーヘッドを用いるものではなく、また輻射遮断構造を有するものでもない。またアンテナ電極の概念もない。
【0033】
また、特開平4−236781号公報には、梯子状の平面形コイル(ラダー)電極を用いた大面積均一製膜に優れたアンテナ電極型PECVD装置が開示されているが、熱触媒体を用いてガスを加熱・活性化するものではない。
【0034】
また、特開2001−295052号公報には、誘導結合型電極にAM変調したVHF高周波(20〜600MHz〜マイクロ波)を供給することで大面積均一膜厚製膜を可能とするアンテナ電極型PECVD装置が開示されているが、熱触媒体を用いてガスを加熱・活性化するものではない。
【0035】
また、特開平7−41950号公報には、難分解性ガスを予めガス加熱用ヒーターで加熱し、プラズマ中での分解性を向上させて高品質膜を得る方法が開示されているが、熱触媒体を用いるものではなく、従ってアンテナ電極内に熱触媒体を設置するものではなく、またガスを加熱するのみで活性化(分解)するに至るものでもない。またSiH4とH2とを分離導入して、H2のみを熱触媒体で加熱・活性化するものでもない。
【0036】
また、特開平6−283436号公報には、反応性ガスを加熱導入して、高速製膜を実現する方法が述べられているが、熱触媒体を用いるものではなく、従ってアンテナ電極内に熱触媒体を設置するものではなく、またガスを加熱するのみで活性化(分解)するに至るものでもない。またSiH4とH2とを分離導入して、H2のみを熱触媒体で加熱・活性化するものでもない。
【0037】
また、特開平5−283344号公報には、梯子状平面形コイル電極の線材に、線材の温度を独立に制御できるヒーターを組み込み、反応容器内の反応ガス圧力分布を制御して、均一・均質製膜を実現する方法が述べられているが、熱触媒体を用いるものではなく、従ってアンテナ電極内に熱触媒体を設置するものではなく、またガスを加熱するのみで活性化(分解)するに至るものでもない。またガスをガス種によって分離導入するものでもない。
【0038】
本発明は、このような背景のもとになされたものであり、Si系膜あるいはC系膜について、これらを高速かつ高品質に、そして大面積にわたって均一膜厚かつ均質膜質で製膜することができ、さらには非常に高い生産性を実現できるCat−PECVD法、およびそれを用いて形成した膜、およびその膜を用いて作製したデバイスを提供することを目的とする。
【0039】
【課題を解決するための手段】
本発明のCat−PECVD法は、分子式にSiおよび/またはCを含むガスを含んだ原料系ガスと、ガス導入経路に配設された熱触媒体によって加熱される分子式にSiとCを含まないガスからなる非Si非C系ガスとが、それぞれ分離された状態で、製膜空間に設置された中空構造を有した第1及び第2のガス導入管の中空部を通ってこれらガス導入管に設けられた複数のガス噴出口から前記製膜空間に噴出されるにあたって、前記原料系ガスはアンテナ電極を兼ねる前記第1のガス導入管を通して、前記非Si非C系ガスは非金属材料からなる前記第2のガス導入管を通して、それぞれ前記製膜空間に噴出され、該製膜空間に噴出された前記原料系ガスと前記非Si非C系ガスの混合ガスは、前記第1のガス導入管に接続された高周波電源からの高周波電力によって生成されたプラズマによって分解・活性化されて、前記製膜空間において前記第1及び第2のガス導入管に対向して配置された基体に膜が堆積されることを特徴とする。
【0040】
また、前記第2のガス導入管はセラミックス系の材料からなることを特徴とする。
【0041】
また、特に前記アンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管は、棒状、またはU字状であること、前記熱触媒体は前記第2のガス導入管の中空部に設置されていること、前記ガス導入管は複数個並列配置されてアレイ状ガス導入管ユニットを成していること、前記基体は前記アレイ状ガス導入管ユニットの両側に配置されること、前記基体のアレイ状ガス導入管ユニットに対面する面とは反対側の面には基体加熱ヒーターが配置されていること、前記アレイ状ガス導入管ユニットは、1製膜室に複数個存在し、且つ各ユニットはそれぞれのアレイ面が平行になるように配置されており、それぞれのアレイ状ガス導入管ユニットによる両面同時製膜が行える装置構成となっていること、および前記原料系ガス導入経路および/または前記非Si非C系ガス導入経路に、前記膜中にドーピングするためのガスを導入すること、をそれぞれ特徴とする。
【0044】
また、本発明は、前記Cat−PECVD法を実現する装置を少なくとも1室含む複数の処理室が接続されて成る膜処理システムであることを特徴とする。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を模式的に図示した図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明のCat−PECVD法を実現する装置の一例を示す全体図であり、平板状の基体の製膜面が紙面に垂直方向に向いている場合に熱触媒体が内蔵された第2のガス導入管位置における断面図である。図2はガス導入管をアレイ状に配置した一例を示すものであり、基体の製膜面が紙面に平行方向に向いている場合の断面図である(基体の存在を示すためにアレイ状ガス導入管ユニットは一部のみ示してある。またアンテナ電極を兼ねる金属材料からなる第1のガス導入管の端部構造の詳細は省略してある:詳細は図1や図4を参照)。図3は、アレイ状ガス導入管をその中心軸方向から見た断面図である。図4は、熱触媒体を内蔵せずアンテナ電極を兼ねる金属材料からなる第1のガス導入管の詳細構造を示す断面図である。図5は、熱触媒体を内蔵する第2のガス導入管の立体構造を示す斜視図である。
【0046】
これら図中の、101は分子式にSiおよび/またはCを含むガスを含んだ原料系ガスの導入口、102は分子式にSiとCを含まないガスからなる非Si非C系ガスの導入口、103は熱触媒体、104は熱触媒体103の加熱用電源、105はプラズマ、106aは熱触媒体を内蔵せずアンテナ電極を兼ねる金属材料からなる第1のガス導入管、106bは熱触媒体を内蔵した第2のガス導入管、107は高周波電源、108aは位相変換器、108bは電力分配器、109、109aおよび109bは被製膜用の基体、110は基体加熱用のヒーター、111aは熱触媒体を内蔵せずアンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管106aに設けられたガス噴出口、111bは熱触媒体を内蔵した第2のガス導入管106bに設けられたガス噴出口、112は電気絶縁用の絶縁部材、113は製膜空間を構成するチャンバー(製膜室)、114aおよび114bは、ガス導入管の中空部である。
【0047】
このように、本発明のCat−PECVD法は、分子式にSiおよび/またはCを含むガスを含んだ原料系ガスと、ガス導入経路に配設された熱触媒体によって加熱される分子式にSiとCを含まないガスからなる非Si非C系ガスとが、それぞれ分離された状態で、製膜空間に設置された中空構造を有した第1及び第2のガス導入管の中空部を通ってこれらガス導入管に設けられた複数のガス噴出口から前記製膜空間に噴出されるにあたって、前記原料系ガスは金属材料からなる前記第1のガス導入管を通して、前記非Si非C系ガスは前記第2のガス導入管を通して、それぞれ前記製膜空間に噴出され、該製膜空間に噴出された前記原料系ガスと前記非Si非C系ガスの混合ガスは、アンテナ電極を兼ねる前記第1のガス導入管に接続された高周波電源からの高周波電力によって生成されたプラズマによって分解・活性化されて、前記製膜空間において前記第1及び第2のガス導入管に対向して配置された基体に膜が堆積されることを特徴とする。
【0048】
なお、図示は省略するが、チャンバー113は真空ポンプによって真空排気される。このとき真空ポンプとしては、基体上に製膜される膜中への排気系からの不純物混入を抑制するためにターボ分子ポンプ等のドライ系のものを用いることが望ましい。このとき、到達真空度は少なくとも1×10-3Pa以下とし、1×10-4Pa以下とすればより望ましい。製膜時の圧力は10〜1000Pa程度の範囲とする。また、基体加熱用ヒーター110による基体109の温度は100〜400℃の温度条件とし、望ましくは150〜350℃とする。
【0049】
以下、各部位について詳細に説明していく。
=第1のガス導入管と第2のガス導入管の分離=
まず、第1のガス導入管と第2のガス導入管を分離する目的であるが、これは既に「従来技術およびその課題」の欄で述べたように、熱触媒体を内蔵したアンテナ電極を用いる場合、プラズマ生成のための高周波電力と熱触媒体加熱のための電力との相互作用によってプラズマ生成が必ずしも安定しない場合があるという問題を解決するためである。これは本発明のように、第1のガス導入管をアンテナ電極として機能させ、第2のガス導入管に熱触媒体を内蔵させれば実現できる。これによって均一なプラズマ生成が安定して実現しやすくなり、大面積での均一膜厚および均質膜質の製膜を行うことができる。
=第2のガス導入管の材料=
また、本発明の第2のガス導入管は、非金属材料からなる。非金属材料としては、ガラス、石英、アルミナ、SiCなどのセラミックス系の材料を用いることができる。これによって、熱触媒体を内蔵した金属材料からなるアンテナ電極を用いる場合の課題であったアンテナ電極が熱触媒体からの輻射熱によって加熱変形する場合があるという問題を解決することができる。
=ガス導入管形状=
まず、アンテナ電極を兼ねる金属材料からなる第1のガス導入管の形状としては、棒状、U字形等の形状を選ぶことができる。具体的には、棒状のものは最も単純なもので、例えば特開平1−47875号公報、特開平1−230782号公報、特開2001−274101号公報に示されている。またU字形については特開平4−21781号公報に示されている。
【0050】
ここで、従来の平板型電極に換えて、アンテナ型電極を用いる理由は以下の通りである。一般に、高周波電源の周波数fと波長λの関係は、プラズマ中で、λ=v/fで与えられる。ここでvはプラズマ中での電磁波の伝播速度で、これは真空中での電磁波の速度c(光速度)よりも小さいので、λは大きくてもc/f以下である。一方、プラズマ生成用電極のサイズとして角型電極の一辺の長さLを代表的特性長ととると、λ≫Lであれば、電磁波の干渉効果は生ぜず、均一なプラズマが生成されるので、均一膜厚・均質膜質の製膜が可能となる。例えば、f=13.5MHzとすると、λは最大で22m程度となり、1m角サイズのプラズマ生成電極では干渉効果は問題にならないことがわかる。
【0051】
しかし、高周波電源の周波数fを上げていき、λ/4がL程度以下の値になってくると、干渉効果が無視できなくなってくる。例えばf=60MHzとすると、λ/4は最大でも1.25mとなり、1m角サイズの単純な平板状のプラズマ生成用電極では干渉効果が生じてしまい、均一な電磁場分布、つまりは均一なプラズマ生成は望めないことがわかる。
【0052】
このため、高周波電源の周波数がVHF帯以上となる領域での1m角サイズ程度以上の大面積製膜においては、平板型のプラズマ生成用電極に替えてアンテナ型電極にし、後述する位相制御技術などを導入することでプラズマ生成の均一化を図る技術開発が進んでおり、本Cat−PECVD法においてもこれを利用することができる。
【0053】
なお、アンテナ電極の長軸方向に垂直な方向に平行な断面形状は、通常、円形あるいは方形のどちらでもよいが、より均一な製膜特性を特に求める場合には、面的により均一なプラズマ生成が実現できる方形とするのが好ましい。
=熱触媒体設置位置=
次に、熱触媒体103の設置位置であるが、最も望ましいのは、図1、図2、図3、図5にも示したように中空構造を有した第2のガス導入管の内部(中空部)に設置する場合である。熱触媒体が第2のガス導入管内部に設置されることによって、加熱・活性化された非Si非C系ガスは、その温度や活性度を過度に損なわれることなく第2のガス導入管の外部にアンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管によって生成されているプラズマ空間に送り込まれるので、その製膜に対する効果を充分に維持することができる。例えば非Si非C系ガスにH2を用い、原料系ガスにSiH4を用いた場合、熱触媒体を用いない場合では困難であった低水素希釈率(低H2/SiH4比)条件や低高周波電力条件での結晶質Si膜の形成が容易となったり、同じく熱触媒体を用いないでは困難であった膜中水素濃度が低い水素化アモルファスSi膜の形成が容易となったりする効果が得られる。
【0054】
以上のように、熱触媒体103の設置位置としては、第2のガス導入管内部が最も望ましいのであるが、第2のガス導入管よりも上流側のガス経路に設置されている場合でも上述した効果が得られることもあるので、第2のガス導入管内部に熱触媒体を設置することが特に困難である場合には、熱触媒体を第2のガス導入管よりも上流側のガス経路に設置することもできる。しかしいずれにせよ、熱触媒体は第2のガス導入管内部に設置するのが本発明の効果を最大限に発揮させるために最も望ましいことには変わりがない。
=ガス導入管のアレイ状化=
次に、ガス導入管の並べ方であるが、基体109は例えば太陽電池などの基板のようにある程度の面積をもった板材あるいはフィルム材であり、製膜はその面に対して行われるので、ガス導入管は、図2および図3に示すように、これを複数本並列に並べてアレイ状に配置してアレイ状ガス導入管ユニットとするのが望ましい。これによりアンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管がアレイ状アンテナ電極ユニットとして機能することになるので、均一に且つ大面積にプラズマ生成および製膜を行なうことができる。
=ガス分離導入方法=
次に、原料系ガスと非Si非C系ガスの分離導入方法であるが、図2および図3に示すように、原料系ガスは第1のガス導入管から、非Si非C系ガスは第2のガス導入管からそれぞれ独立に噴出される。このとき熱触媒体103は非Si非C系ガスが導入される第2のガス導入管106bの内部に設置されることが望ましい。
【0055】
ここで、原料系ガスと非Si非C系ガスとを分離導入する理由は、非Si非C系ガスのみを熱触媒体で加熱させたいがためである。すなわち、原料系ガスと非Si非C系ガスとを混合して導入してしまうと、非Si非C系ガスのみならず原料系ガスをもそのガス導入経路に配設された熱触媒体で加熱することになってしまい、熱触媒体温度が原料系ガスの分解温度以上である場合には、原料系ガスが分解・活性化されてガス導入経路途上で製膜が生じ、原料系ガスが製膜空間に到達する前に著しく消費されてしまうからである。
=ガス噴出口位置=
次に、ガス噴出口位置であるが、熱触媒体103が内部に設置されている第2のガス導入管106bの場合には、図3に示すように、そのガス噴出口111bは熱触媒体103からの熱輻射が被製膜基体109aあるいは109bに直達しないように配置されることが望ましい。これにより、熱触媒体から発生する輻射による製膜表面温度の好ましくない上昇を避けることができ、膜品質の安定的な制御を実現することができる。なお、熱触媒体が内部に設置されていないアンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管106aの場合にはガス噴出口は任意位置でもよい。
=アレイ状アンテナ電極ユニットの配置=
次に、アレイ状ガス導入管ユニットは、そのアレイ面が重力方向と平行になるように縦型に配置されるのが望ましい。こうすることで後に述べるようなアレイ状ガス導入管ユニット両面での製膜の際に、基体109への粉体の落下付着の防止を非常に効果的に実現できる。また、例えば基体109としてガラス基板などを用いる場合は、ガラス基板の搬送を縦型で行えるのでガラス基板の撓みの問題も生ずることなく取り扱いが非常に容易となる利点もある。もちろんこの場合、アレイ状ガス導入管ユニットそのものの撓みの問題も生じない利点もある。
【0056】
以上のようにアレイ状ガス導入管ユニットはそのアレイ面が重力方向と平行になるように縦型に配置されるのが望ましいのであるが、もちろんアレイ状ガス導入管ユニットをそのアレイ面が重力方向と垂直となるように横型に配置することも特に制限されるものではなく、アレイ状電極や基体の撓み、粉体の落下付着の問題がほとんど無視できるのであれば後者の横型配置を採用しても差し支えない。
=基体配置=
次に基体109はアレイ状ガス導入管ユニットの両側に配置されることが望ましい(図1、図3参照)。こうすることによってアレイ状アンテナ電極ユニット両面での同時製膜が可能となり装置の生産性を倍増することができる。
=基板加熱ヒーター配置=
次に、基体加熱ヒーター110は、図1に示すように、基体を挟んでアレイ状ガス導入管ユニットの両側に配置されることが望ましい。すなわち、前記基体のアレイ状ガス導入管ユニットに対面する面とは反対側の面には基体加熱ヒーターが配置されているのが望ましい。こうすることによって製膜中の基体製膜面温度を制御することができ高品質製膜がより実現しやすくなる。
=アレイ状ガス導入管ユニット数と配列=
次に、アレイ状ガス導入管ユニットは1製膜室に複数セット平行配置されていることが望ましい(図2には、アレイ状ガス導入管ユニットを3つ配置した例が示されている)。こうすることによって、複数のアレイ状ガス導入管ユニットによる同時製膜が可能となり、前記したアレイ状ガス導入管ユニットひとつでの両面同時製膜を考え合わせると、例えばアレイ状ガス導入管ユニットが2組平行配置されれば4面同時製膜が可能となり、さらに3組平行配置されれば6面同時製膜(図2はこの場合を示す)、4組平行配置されれば8面同時製膜・・・というようにアレイ状ガス導入管ユニットの平行配置数を増やしていけば製膜装置としての生産性を一挙に数倍以上にまで高めることができる。これは従来の平行平板型のPECVD装置では到底不可能なことである。
=給電方法=
次に、アンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管106aへの給電方法については、例えば一例を図2に示すように、高周波電源107からの高周波電力を電力分配器108bによって分配して送電してもよいし、あるいは、アンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管ごとに高周波電源を配設してもよい(不図示)。ここで高周波電源の数と分配の数とは必ずしも一致している必要はなく、通常はより少ない高周波電源数でより多くの電力分配を実現するようにすれば設備コスト低減に有効である。ここで、高周波電源1台では、必要な全高周波電力を分配供給できない場合は、必要に応じて高周波電源を複数台用意して高周波電力を分配供給することができる。
=位相制御=
次に、不必要な干渉効果(強め合いや弱め合い)によるプラズマの不均一分布を生じさせないためには、高周波電力の位相が少なくとも隣り合う電極間で異なっていることが望ましい。これは位相変換器108aを用いて実現することもできるが、アレイ状ガス導入管ユニットにおける隣り合う第1のガス導入管への給電点を、互いに対向方向に位置するように配置することでも同様の効果を実現することができ(不図示)、両者を併用することでさらに均一な大面積プラズマを生成することができる。
=高周波電力供給方法=
また、大面積にわたる均一膜厚・均質膜質の製膜をより実現しやすくする別の方法としては、アンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管106aに周波数の異なる複数の高周波電力を重ね合わせて投入することによって、異なる空間的密度分布を持つ複数のプラズマを重ね合わせる方法がある。これにより、プラズマ密度分布をより均一化させることができるので基体上へ大面積で均一な製膜を行なわせることができる。
【0057】
また別の方法としては、隣り合うアンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管ごとに異なる周波数の高周波電力を投入する方法もある(不図示)。このようにすれば、隣り合うアンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管間での電磁相互作用などによって、やはりプラズマ密度分布をより均一化させることができるので基体上へ大面積で均一な製膜を行なわせることができる。
【0058】
さらに別の方法としては、高周波電力周波数を時間的に変動・変調させて、プラズマの空間密度分布を時間的に変動させて、その時間平均をとるようにして結果的に均一製膜をする方法がある。
【0059】
さらに、プラズマを例えばパルス変調するなど、アンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管106aに高周波電力を断続的に供給するようにすれば、連続プラズマ生成の場合に比べて粉体の生成・成長を抑えることができ膜品質向上に有効な場合がある。
=高周波電源周波数=
次に、本発明のCat−PECVD法および装置では、プラズマを生成させるためのアンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管106aは高周波電源107に接続され、高周波電源107の周波数は13.56MHz以上であることを特徴としているが、特に本発明の効果、つまり大面積均一膜厚・均質膜質製膜に対する効果が顕著に現れるのが、27MHz以上(いわゆるVHF帯以上)の高周波領域である。
【0060】
すなわち、従来の平板状電極では、前述したように、1m角サイズ程度の均一膜厚かつ均質膜質の大面積製膜を比較的困難を伴わずに実現できるのはせいぜい27MHz程度までであったが、本発明によれば、27MHz以上の高周波領域においても従来技術よりも格段に優れた大面積均一膜厚・均質膜質製膜特性が得られる。
【0061】
VHF帯の高周波周波数としては連続量として任意の値を選ぶことができ、電極サイズや形状に応じて最適な周波数を選ぶことが望ましいが、通常は工業的に用いられることが多い、40MHz、60MHz、80MHz、100MHzなどの周波数を用いれば充分である。
【0062】
ここで、高周波電源107の周波数がより高いほうが、プラズマ中の電子密度が上がるので、原料系ガスの分解活性化率が増大して製膜速度はより速くなる。また、非Si非C系ガスとしてH2ガスを用いている場合は、原子状水素の生成割合も増大するので、結晶化促進効果もより顕著に得られる。したがって、高速製膜条件下でも結晶質Si膜を得ることができる。
【0063】
さらに本発明では、熱触媒体を用いて非Si非C系ガスの活性化をさらに促進することができるので、非Si非C系ガスとしてH2ガスを用いている場合は、上記したVHF自体の効果に加えてさらに結晶化促進効果が増大し、さらなる高速製膜条件下においても良質な結晶質Si膜を得ることができる。また特に水素化アモルファスSi膜の形成にあたっては、より低水素濃度の膜を形成することができ、従来のPECVD法単独によるものよりも光安定性に優れる水素化アモルファスSi膜を得ることができる。
【0064】
なお、高周波電源の周波数は、100MHz程度までのVHF帯に限定する必要はなく、より周波数の高いUHF帯やマイクロ波域での周波数まで利用することができる。
=熱触媒体=
次に、熱触媒体103は、これに電流を流してそのジュール発熱で加熱・高温化させて熱触媒体として機能させるために、少なくともその表面が金属材料からなるが、この金属材料はより好ましくは高融点金属材料であるTa、W、Re、Os、Ir、Nb、Mo、Ru、Ptのうちの少なくとも1種を主成分とするような金属材料からなることが望ましい。また、熱触媒体103としては、通常、上記のような金属材料をワイヤ状にしたものを用いることが多いが、特にワイヤ状に限るものではなく、板状、メッシュ状のものも用いることができる。なお、熱触媒体材料たる金属材料中に膜形成にあたって好ましくない不純物が含まれている場合には、熱触媒体103を製膜に使用する前に、予め製膜時の加熱温度以上の温度で数分間以上予備加熱すれば、不純物低減に効果的である。
=熱触媒体の加熱用電源=
なお、熱触媒体103の加熱用電源104としては、通常、直流電源を用いるのが簡便であるが、プラズマを生成させない程度の低周波の交流電源を用いても支障はない。また直流電源を用いる場合、後述するように非Si非C系ガスの加熱あるいは分解・活性化の程度を制御するために、直流電力を断続的に熱触媒体103に供給するようにもできる。
=非Si非C系ガスの活性化=
次に、非Si非C系ガスは熱触媒体103で加熱されてプラズマ空間105に導かれるのであるが、一部は熱触媒体103で分解・活性化され、その程度は熱触媒体温度に比例する。例えばH2ガスは、圧力にもよるが熱触媒体温度が約1000℃を超えるあたりから分解反応による原子状水素の生成が顕著になってくる。この原子状水素は上記したようにSi膜の結晶化促進に非常に効果的に作用する。なお熱触媒体温度が約1000℃以下であって、原子状水素の生成がそれほど顕著ではなく、結晶化促進効果があまり期待できない温度条件であっても、熱触媒体を使用するという副次効果としてのガスヒーティング効果により高次シラン生成反応が抑制されるので、高品質な水素化アモルファスシリコン膜の形成にはやはり効果的である。ただし熱触媒体温度は最低でも100℃以上、より好ましくは200℃以上とするのが上記効果を得るためには望ましい。200℃以上とすることでガスヒーティングの効果をより顕著に得ることができる。なお、熱触媒体温度の最高温度としては2000℃以下、より好ましくは1900℃以下とする。1900℃を超えると触媒体や周辺部材からの不純物の脱ガスや、触媒体の材料自体の蒸発などの問題が生じはじめるからであり、2000℃を超えると前記脱ガスや前記蒸発が著しくなる。
=活性化量調節方法=
ここで、上記したH2に代表される非Si非C系ガスの加熱あるいは分解・活性化の程度を上記した熱触媒体温度で制御すること以外の方法で実現する方法としては、以下に述べるものがある。
【0065】
第1の方法は、熱触媒体103の表面積を制御するものである。これによれば熱触媒体103の温度を下げることなく、ある温度以上に維持したまま非Si非C系ガスの加熱あるいは分解・活性化の程度を制御することができる。例えば熱触媒体103として線状のものを使う場合には、その線長と線径、さらにはひとつのアンテナ電極内に設置する数を選ぶことで熱触媒体103の表面積を制御することができる。特に、熱触媒体103をひとつのアンテナ電極内に複数本設置する場合は(不図示)、これらを独立に加熱できるようにしておけば、必要に応じて加熱する熱触媒体の数を決めることによって非Si非C系ガスの加熱あるいは分解・活性化の程度を段階的に変えることができる。
【0066】
第2の方法は、熱触媒体103の加熱を断続的あるいは周期的に行う方法である。具体的には加熱用電源104の電力をパルス状に与えるなど断続的に与える機構にしたり、低周波の交流電源で与えれば熱触媒体103の加熱を周期的に行うことができる。これによって単位時間あたりの非Si非C系ガスと熱触媒体103との反応時間を連続的に制御できるので非Si非C系ガスの加熱あるいは分解・活性化の程度を連続的に制御することができる。
【0067】
第3の方法は、原料系ガス噴出口111aの口径と非Si非C系ガス噴出口111bの口径とを別々に設計して調節したり、原料系ガス噴出口111aの総数と非Si非C系ガス噴出口111bの総数とを別々に設計して調節するものである。非Si非C系ガス噴出口111bにおける口径の縮小あるいは口総数の減少は、加熱あるいは分解・活性化された非Si非C系ガスのプラズマ空間105への噴出量を減少させ、非Si非C系ガス噴出口111bにおける口径の拡大あるいは口総数の増大は、加熱あるいは分解・活性化された非Si非C系ガスのプラズマ空間105への噴出量を増大させることができる。
【0068】
第4の方法は、ガスの導入経路に熱触媒体を配設しない非Si非C系ガスの導入経路を追加し(不図示)、熱触媒体103を経由する非Si非C系ガス流量と熱触媒体を経由しない非Si非C系ガス流量とを独立して制御できるようにするものである。すなわち、非Si非C系ガスの導入経路は複数あり、少なくとも1経路の非Si非C系ガスは前記熱触媒体で加熱されることなくプラズマ空間に導かれる。これによって加熱あるいは分解・活性化された非Si非C系ガスと加熱されない非Si非C系ガスとを任意のガス流量比で混合することができるようになるので、プラズマ空間105に放出される加熱あるいは分解・活性化された非Si非C系ガスの密度を連続的に変化させることができる。ここで、加熱されない非Si非C系ガス導入経路は原料系ガス導入経路に合流させてもよく、このように合流させれば導入構造がより簡単になる。
=ガス経路材料=
次に、非Si非C系ガス導入経路における、ガス配管内壁、中空アンテナ電極内壁の少なくともいずれかの表面の少なくとも一部は、Ni、Pd、Ptのうちの少なくともいずれかを含む材料からなっていることが望ましい。これらの金属元素は例えばH2などのガス分子の解離を促進する触媒作用があるので、分解・活性化された非Si非C系ガスが上記部材表面で再結合して失活してしまう確率を下げることができる。
=ガスヒーティング=
次に、原料系ガス導入経路にも熱触媒体が配設されている(不図示)ことが、ガスヒーティング効果を促進する上で望ましい。ただし、熱触媒体による原料系ガスの分解が生じないように、熱触媒体の温度は原料系ガスが分解する温度以下に制御されるようにする。例えば原料ガスとしてSiH4を使う場合は温度は500℃以下、望ましくは400℃以下にする。
【0069】
なお、上記ガスヒーティング効果を促進する別の方法としては、製膜室内壁面にヒーターを設置する方法がある。すなわち、特に製膜室内壁面を加熱しない従来の方法では、温度の低い該製膜室内壁面での高次シラン生成反応(発熱反応)が生じやすいため、これが膜品質悪化の重要な一因である粉体生成の原因となっていたのに対して、本法では製膜室内壁面を積極的に加熱するので、発熱反応である高次シラン生成反応が抑制され、粉体生成量を減らすことができる。ここで、原料系ガスに分子式にSiを含むガスが含まれている場合は、上記ヒーターの温度は500℃以下、望ましくは400℃以下とする。これにより、ヒーター表面での熱CVD反応(製膜反応)は充分に抑制されるので、この部分での原料ガスの浪費を抑制することができる。
=ドーピングガス導入方法=
次に、ドーピングガスを供給する場合は、ドーピングガスを原料ガス導入経路および/または非Si非C系ガス導入経路に導入することができる。このとき、p型ドーピングガスにはB26等を用い、n型ドーピングガスにはPH3等を用いることができる。
=電気回路=
触媒体加熱用電源104の回路には高周波阻止手段としてのパスコンデンサ(不図示)を設置することが望ましい。これによって高周波電源からの高周波成分の進入を阻止することができ、安定した製膜をより確実に実現することができる。
=基体形状=
基体109としては、例えば太陽電池などのデバイスの場合はガラス基板などの平板状のもの、あるいは金属材や樹脂材などのフィルム状のものを用いることができるし、また、感光ドラムなどのデバイスの場合は円筒状などの非平板状のものを用いることができる。
=膜=
本発明のCat−PECVD法によれば、高速で高品質な、しかも大面積にわたって膜厚・膜質ともに均一性の高い膜形成が可能となるのであるが(ここで、高速かつ高品質製膜についての効果は、本発明者らによる特願2001―293031号、特願2002−38686号に開示)、具体的には以下に述べる特にSi系膜あるいはC系膜についてその効果が顕著に発揮される。
【0070】
第1の例は、原料系ガスには分子式にSiを含んだガスは含まれるが、分子式にCを含んだガスは含まれず、非Si非C系ガスにはH2が含まれることによって形成されたSi系膜である。具体的には、例えば原料系ガスにはSiH4を、非Si非C系ガスにはH2を用いると、既に上記した理由で高品質な水素化アモルファスシリコン膜や高品質な結晶質シリコン膜を、高速で、しかも大面積にわたって膜厚・膜質の均一性が高い状態で形成することができる。
【0071】
本発明の方法によれば、水素化アモルファスシリコン膜中の水素濃度は15atomic%以下とすることができる。より好ましくは10atomic%以下、さらに好ましくは5atomic%以下とすることができ、これによって長年の課題であった水素化アモルファスシリコン膜の光劣化の問題を大幅に低減することができ、該膜を太陽電池に用いた場合に高い安定化効率を得ることができる。
【0072】
また、本発明の方法によれば、結晶質シリコン膜中の水素濃度は10atomic%以下とすることができる。より好ましくは5atomic%以下、さらに好ましくは3.5atomic%以下とすることができ、これによって後記する太陽電池の実施例の部分で述べる結晶粒界でのポスト酸化現象に起因した特性の経時劣化現象を低減することができる。すなわち膜中水素を5atomic%以下にすることで経時劣化率を数%程度以下に、膜中水素濃度を3.5atomic%以下にすることで経時劣化率をほとんどゼロにすることができる。
【0073】
第2の例は、原料系ガスには分子式にSiを含むガスと分子式にCを含むガスが含まれ、非Si非C系ガスにはH2が含まれることによって形成されたSi−C系膜である。具体的には、例えば原料系ガスにはSiH4とCH4を、非Si非C系ガスにはH2を用いると、既に上記した理由で高品質な水素化アモルファスシリコンカーバイド膜や高品質な結晶質シリコンカーバイド膜を、高速で、しかも大面積にわたって膜厚・膜質の均一性が高い状態で形成することができる。
【0074】
第3の例は、原料系ガスには分子式にSiを含むガスが含まれ、非Si非C系ガスにはH2が含まれ、分子式にNを含むガスは原料系ガスあるいは非Si非C系ガスの少なくともいずれかに含まれることによって形成されたSi−N系膜である。具体的には、例えば原料系ガスにはSiH4を、非Si非C系ガスにはH2を、Nを含むガスとしてNH3を用いると、既に上記した理由で高品質な水素化アモルファスシリコン窒化膜や高品質な結晶質シリコン窒化膜を、高速で、しかも大面積にわたって膜厚・膜質の均一性が高い状態で形成することができる。
【0075】
第4の例は、原料系ガスには分子式にSiを含むガスが含まれ、非Si非C系ガスには分子式にOを含むガスが含まれることによって形成されたSi−O系膜である。具体的には、例えば原料系ガスにはSiH4と必要ならH2を、非Si非C系ガスにはO2と必要ならHeやArを用いると、既に上記した理由で高品質なアモルファスシリコン酸化膜や高品質な結晶質シリコン酸化膜を、高速で、しかも大面積にわたって膜厚・膜質の均一性が高い状態で形成することができる。
【0076】
第5の例は、原料系ガスには分子式にSiを含むガスとGeを含むガスが含まれ、非Si非C系ガスにはH2が含まれることによって形成されたSi−Ge系膜である。具体的には、例えば原料系ガスにはSiH4とGeH4を、非Si非C系ガスにはH2を用いると、既に上記した理由で高品質な水素化アモルファスシリコンゲルマニウム膜や高品質な結晶質シリコンゲルマニウム膜を、高速で、しかも大面積にわたって膜厚・膜質の均一性が高い状態で形成することができる。
【0077】
第6の例は、原料ガスには分子式にCを含むガスが含まれ、非Si非C系ガスにはH2が含まれることによって形成されたC系膜である。具体的には、例えば原料系ガスにはCH4と必要であれば微量のO2を、非Si非C系ガスにはH2を用いると、既に上記した理由で高品質なアモルファスカーボン膜や高品質な結晶質カーボン膜を、高速で、しかも大面積にわたって膜厚・膜質の均一性が高い状態で形成することができる。具体的には、ダイヤモンド膜やダイヤモンドライクカーボン膜などの製膜を行うことができる。
=薄膜デバイス=
次に、本発明のCat−PECVD法で形成した上記膜を薄膜デバイスに使用すれば、以下に挙げるような薄膜デバイスを高性能かつ低コストで製造することができる。
【0078】
第1の薄膜デバイス例は、光電変換装置であり、本発明のCat−PECVD法による膜を光活性層に用いれば高性能な特性を、高速製膜、すなわち低コストで実現することができる。特に光電変換装置の代表格である太陽電池においては、本発明のCat−PECVD法の高速・高品質・大面積製膜特性が充分に発揮されて高効率かつ低コストな薄膜太陽電池を製造することができる。太陽電池以外でも、例えばフォトダイオードやイメージセンサやX線パネルなどの光電変換機能を有する装置でも同様な効果をもちろん得ることができる。
【0079】
第2のデバイス例は、光受容体装置であり、本発明のCat−PECVD法による膜を光受容層に用いれば高性能な特性を、高速製膜、すなわち低コストで実現することができる。特に感光ドラムにおけるシリコン系膜に用いると、数μmから数十μmに及ぶ比較的厚いシリコン系膜を短時間のうちに高品質で形成できるので製造コスト低減に非常に効果的である。
【0080】
第3のデバイス例は、表示用装置であり、本発明のCat−PECVD法による膜を駆動膜に用いれば高性能な特性を、高速製膜、すなわち低コストで実現することができる。特に太陽電池に次ぐ大面積デバイスの代表例であるTFTにおけるアモルファスシリコン膜や多結晶シリコン膜に用いると、太陽電池のところで述べたのと同じ理由でその製造コスト低減に非常に効果的である。TFT以外でも、例えばイメージセンサ、X線パネルなどの表示機能を持つ装置でも同様な効果を得ることができる。
=装置(図6参照)=
本発明のCat−PECVD法を実現する膜処理システムは、上記製法を実現できる製膜室を少なくとも1室有した複数の真空室からなる膜処理システムとする。
【0081】
ここで、上記複数の真空室には、少なくともp型膜形成用製膜室、i型膜形成用製膜室、n型膜形成用製膜室が含まれ、少なくともi型膜形成用製膜室は本発明のCat−PECVD法を実現できる製膜室であることが望ましい。
【0082】
また、複数の真空室の少なくともひとつはCat−CVD法を実現できる製膜室であることが望ましい。これによって例えばCat−CVD法による水素化アモルファスシリコン膜の高速・高品質製膜が可能となり、例えばタンデム型太陽電池のトップセルの光活性層に水素化アモルファスシリコン膜を使用することが可能となるなど、多層膜形成時の組み合わせ自由度を上げることができる。Cat−CVD法による水素化アモルファスシリコン膜は、PECVD法によるそれよりも低水素濃度とすることができることが知られており、より光吸収特性に優れたより小さい光学的バンドギャップ特性を実現することができる。また、水素化アモルファスシリコン膜の長年の課題である光劣化特性も低く抑えることができるという利点もある。
【0083】
また、複数の真空室の少なくともひとつはPECVD法を実現できる製膜室であることが望ましい。これによって例えば酸化物透明導電膜など原子状水素の還元作用に弱い膜表面への膜堆積をこの還元作用をできるだけ抑制した条件で実現することができるなど、多層膜形成時の組み合わせ自由度を上げることができる。
【0084】
また、複数の真空室には少なくとも前室が含まれることが製膜室を大気開放させない目的で望ましく、さらには、複数の真空室には少なくとも前室と後室が含まれれば生産性向上の上でより望ましい。また、複数の真空室には少なくとも加熱室が含まれることがやはり生産性向上の上で望ましい。
【0085】
上記複数の真空室の配置方法は、複数の真空室を線状に連続に接続配列することもできるし、複数の真空室を少なくともひとつ存在するコア室に接続するようにして星型に配置することもできる。
【0086】
ここで、製膜室は、例えばガラス基板などの基体を縦型に処理する縦型とするのが望ましい。縦型とすることで、横型デポダウン方式で問題となる粉体等の異物の落下付着の影響を受けにくくなり、また横型デポアップ方式で問題となる基体の反りによる基体製膜面での不均一温度分布の発生が起こりにくくなる。しかしこれらの問題が実際上問題とならない程度であればもちろん横型としても差し支えない。
=薄膜Si太陽電池=
以下、図10を用いて本発明によるデバイスとして、薄膜Si太陽電池を取り上げてその実施形態を説明する。図10中、11は透光性基板、12は第1の透明導電膜、13は半導体多層膜、13aは第1の半導体接合層、13bは第2の半導体接合層、14は第2の透明導電膜、15aは第1の取り出し電極となる金属膜、15bは第2の取り出し電極となる金属膜である。
【0087】
まず、透光性基板11を用意する。透光性基板11としては、ガラス、プラスチック、樹脂などを材料とした板材あるいはフィルム材などを用いることができる。
【0088】
次に、第1の透明導電膜12を形成する。透明導電膜12の材料としては、SnO2、ITO、ZnOなど公知の材料を用いることができるが、この後のSi膜を形成するときに、SiH4とH2を使用することに起因した水素ガス雰囲気に曝されることになるので、耐還元性に優れるZnO膜を少なくとも最終表面として形成するのが望ましい。製膜方法としては、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法など公知の技術を用いることができる。第1の透明導電膜12の膜厚は、反射防止効果と低抵抗化を考慮して60〜500nm程度の範囲で調節する。
【0089】
次に、半導体多層膜13を形成する。ここでは図にならって半導体膜がpinpin(あるいはnipnip)の構成で積層されたタンデム型を例にとって説明するが、タンデム型に限らず半導体膜がpin(あるいはnip)の構成で積層されたシングル接合型、また、半導体膜がpinpinpin(あるいはnipnipnip)の構成で積層されたトリプル接合型、あるいはそれ以上の多接合型素子構造についても本実施例で述べる内容はもちろん適用可能である。
【0090】
まず、水素化アモルファスシリコン膜を光活性層に含む第1の半導体接合層13aを形成する。具体的には、p型層(n型層)/光活性層/n型層(p型層)構造とし(不図示)、光活性層はi型とするのが望ましい。なお、上記表記は製膜順序を表し、下層/上層を意味する。
【0091】
ここで、p型層(n型層)については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は前記材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1×1021/cm3程度として、実質的にはp+型(n+型)とする。なお製膜時に用いるSiH4、H2、およびドーピング用ガスであるB26(PH3)などのガスに加えてCH4などのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSix1-x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。ここで該シリコン膜の製膜方法としては、従来から知られているPECVD法やCat−CVD法を用いることができるが、もちろん本発明の方法も用いることができる。
【0092】
次に、光活性層については水素化アモルファスシリコン膜を用い、膜厚は0.1〜0.5μm程度の範囲で調節する。導電型は基本的にはi型とするが、内部電界強度分布の微調整を目的に、n-型(p-型)とする場合もある(実際にはノンドープ膜であってもわずかにn型特性を示すのが通例である)。ここで該水素化アモルファスシリコン膜の製膜方法としては、従来から知られているPECVD法やCat−CVD法を用いることもできるが、本発明の方法を用いれば、高品質な水素化アモルファスシリコン膜を高速かつ大面積で、しかも高い生産性をもって製膜することができるので、高効率・低コスト薄膜Si太陽電池の製造にはとりわけ効果的である。また、本発明によれば、膜中水素濃度を15atomic%以下にすることができるが、より好ましくは、従来のPECVD法では実現困難な10atomic%以下、さらに好ましくは5atomic%以下の低水素濃度の膜が得られるので、水素化アモルファスシリコン膜が長年抱えていた課題である光劣化の程度を低減することができる。
【0093】
最後に、n型層(p型層)については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1021/cm3程度として、実質的にはn+型(p+型)とする。なお製膜時に用いるSiH4、H2、およびドーピング用ガスであるPH3(B26)などのガスに加えてCH4などのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSix1-x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。ここで該シリコン膜の製膜方法としては、従来から知られているPECVD法やCat−CVD法を用いることができるが、もちろん本発明の方法も用いることができる。
【0094】
なお、接合特性をより改善するために、p型層(n型層)と光活性層との間や光活性層とn型層(p型層)との間に実質的にi型の非単結晶Si層や非単結晶Six1-x層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。
【0095】
次に、結晶質シリコン膜を光活性層に含む第2の半導体接合層13bを形成する。具体的にはp型層(n型層)/光活性層/n型層(p型層)とし(不図示)、光活性層はi型とするのが望ましい。
【0096】
ここで、p型層(n型層)については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1E18〜1E21/cm3程度として、実質的にはp+型(n+型)とする。なお、製膜時に用いるSiH4、H2、およびドーピング用ガスであるB26(PH3)などのガスに加えてCH4などのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSix1-x膜が得られ、光吸収ロスの少ない窓層形成に非常に有効であるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。ここで該シリコン膜の製膜方法としては、従来から知られているPECVD法やCat−CVD法を用いることができるが、もちろん本発明の方法も用いることができる。
【0097】
次に、光活性層については微結晶シリコン膜に代表される結晶質シリコン膜を用い、膜厚は1〜3μm程度の範囲で調節する。導電型は基本的にはi型とするが、内部電界強度分布の微調整を目的に、n-型(p-型)とする場合もある。このとき、膜構造としては、結晶面のうち(110)面が優先的に成長した結果として生ずる(110)面配向の柱状結晶粒の集合体として製膜後の表面形状が光閉じ込めに適した自生的な凹凸構造となるようにするのが望ましい。ここで該結晶質シリコン膜の製膜方法としては、従来から知られているPECVD法やCat−CVD法を用いることもできるが、本発明の方法を用いれば、高品質な結晶質シリコン膜を高速かつ大面積で、しかも高い生産性をもって製膜することができるので、高効率・低コスト薄膜Si太陽電池の製造にはとりわけ効果的である。また、本発明によれば、膜中水素濃度が10atomic%以下の結晶質シリコン膜を得ることができるが、より好ましくは5atomic%以下、さらに好ましくは3.5atomic%以下の低水素濃度の膜を得ることができる。
【0098】
ここで、結晶質シリコン膜の場合、大部分の水素は結晶粒界部分に存在しており、該水素のSiとの結合状態とその密度が結晶粒界の品質(結晶粒界でのキャリア再結合速度の逆数に比例)を決定づける。すなわち、結晶粒界に存在するSi原子1つにH原子が2つと他のSi原子が2つ結合した状態であるSiH2結合の密度が大きいほど、いわゆるポスト酸化現象(製膜後に膜が大気雰囲気に曝されると、大気中のO2、CO2、H2Oなどの酸素を含んだガス成分が膜中結晶粒界に拡散・吸着・酸化して結晶粒界の結合状態に変化をもたらす)が生じやすく、結晶粒界の品質劣化に起因した膜全体としての膜品質の経時劣化(すなわち特性の経時劣化)を招来してしまうのであるが、膜中水素濃度が低くなると、それに応じて結晶粒界のSiH2結合密度も低減するので、前記したポスト酸化現象に起因した経時劣化現象を低減することができる。具体的には、膜中水素濃度を5atomic%以下にすると経時劣化率は数%程度以下に抑えることができ、さらに膜中水素濃度を3.5atomic%以下にすれば経時劣化率はほとんどゼロにすることができる。この結果、より高効率な太陽電池を製造することができる。
【0099】
最後に、n型層(p型層)については、水素化アモルファスシリコン膜や微結晶シリコン膜を含む結晶質シリコン膜を用いることができる。膜厚は材料に応じて2〜100nm程度の範囲で調節する。ドーピング元素濃度については1×1018〜1021/cm3程度として、実質的にはn+型(p+型)とする。なお製膜時に用いるSiH4、H2、およびドーピング用ガスであるPH3(B26)などのガスに加えてCH4などのC(炭素)を含むガスを適量混合すればSix1-x膜が得られ、光吸収ロスの少ない膜形成ができるとともに、開放電圧向上のための暗電流成分の低減にも有効である。また、C以外にもO(酸素)を含むガスやN(窒素)を含むガスを適量混合させることでも同様な効果を得ることができる。ここで該シリコン膜の製膜方法としては、従来から知られているPECVD法やCat−CVD法を用いることができるが、もちろん本発明の方法も用いることができる。
【0100】
なお、接合特性をより改善するためにp型層(n型層)と光活性層の間や光活性層とn型層(p型層)の間に実質的にi型の非単結晶Si層を挿入してもよい。このときの挿入層の厚さは0.5〜50nm程度とする。
【0101】
次に、第2の透明導電膜14を形成する。透明導電膜材料としては、金属酸化物材料としてのSnO2、ITO、ZnOなどを用いることができる。製膜方法としては、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、およびゾルゲル法など公知の技術を用いることができる。なお、該第2の透明導電膜14は、特に高効率化を求めない場合は省略することができる。
【0102】
最後に、取り出し電極1および取り出し電極2となる金属膜15aおよび金属膜15bを形成する。金属材料としては、導電特性および光反射特性に優れるAl、Agなどを用いるのが望ましい。製膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、スクリーン印刷法などの公知の技術を使用できる。電極パターンについては、マスキング法、リフトオフ法などを用いて所望のパターンに形成することができる。このとき膜厚は、0.1μm程度以上とする。なお、金属膜15aと第2の透明導電膜14、あるいは金属膜15bと第1の透明導電膜12との間の接着強度が弱い場合は、Tiなどの酸化しやすい金属薄膜を厚さ1〜10nm程度で上記2つの膜の間に介在させるようにするとよい。
【0103】
なお、変換効率をさらに向上させる目的で光閉じ込め構造を導入する場合は、特願2002−78196号に述べたような構造を採用することができる。すなわち、第1の透明導電膜と半導体多層膜との界面の凹凸の最大高さRmaxが、前記第2の透明導電膜と金属膜との界面の凹凸の最大高さRmaxよりも小さいことを特徴とする構造としたり(このとき、第1の透明導電膜と半導体多層膜との界面の凹凸の最大高さRmaxは0.08μm以下であることが望ましく、また、第2の透明導電膜と金属膜との界面の凹凸の最大高さRmaxは0.05μm以上であることが望ましい)、また、半導体多層膜と第2の透明導電膜との界面の凹凸の最大高さRmaxが、前記第1の透明導電膜と半導体多層膜との界面の凹凸の最大高さRmaxよりも大きく、かつ、前記第2の透明導電膜と金属膜との界面の凹凸の最大高さRmaxよりも小さいことを特徴とする構造としたり、さらには、透光性基板と第1の透明導電膜との界面が凹凸構造を有していることを特徴とする構造とすることによって、効果的な光閉じ込め構造を形成することができるので、光電流密度が増大し、より高い変換効率を実現できる。
【0104】
以上、本発明によれば、高品質なSi薄膜を、高速かつ大面積に、しかも高い生産性をもって製膜することができるので、高効率かつ低コストな薄膜Si太陽電池を製造することができる。
【0105】
【発明の効果】
請求項1〜9のCat−PECVD法によれば、分子式にSiおよび/またはCを含むガスを含んだ原料系ガスと、ガス導入経路に配設された熱触媒体によって加熱される分子式にSiとCを含まないガスからなる非Si非C系ガスとが、それぞれ分離された状態で、製膜空間に設置された中空構造を有した第1及び第2のガス導入管の中空部を通ってこれらガス導入管に設けられた複数のガス噴出口から前記製膜空間に噴出されるにあたって、前記原料系ガスはアンテナ電極を兼ねる前記第1のガス導入管を通して、前記非Si非C系ガスは非金属材料からなる前記第2のガス導入管を通して、それぞれ前記製膜空間に噴出され、該製膜空間に噴出された前記原料系ガスと前記非Si非C系ガスの混合ガスは、前記第1のガス導入管に接続された高周波電源からの高周波電力によって生成されたプラズマによって分解・活性化されて、前記製膜空間において前記第1及び第2のガス導入管に対向して配置された基体に膜が堆積されるので、プラズマ生成のための高周波電力と熱触媒体加熱のための電力との相互作用を無くすことができ、均一なプラズマ生成を実現しやすくなり、大面積での均一膜厚および均質膜質の製膜を行うことができる。
【0106】
特に請求項2に記載のCat−PECVD法では、前記第2のガス導入管がセラミックス系の材料からなるので、該ガス導入管が熱触媒体の輻射熱によって加熱変形することを抑えることができる。
【0108】
また、請求項10の膜処理システムによれば、生産性の高い薄膜デバイスの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るCat−PECVD法を実現する装置構造を説明する断面図である。
【図2】本発明に係るCat−PECVD法を実現するガス導入管配置例を模式的に説明する図であり、基体の製膜面をみた断面図である。
【図3】本発明に係るCat−PECVD法を実現するガス導入管配置例を模式的に説明する図であり、ガス導入管の中心軸方向からみた断面図である。
【図4】本発明に係るCat−PECVD法を実現する熱触媒体を内蔵しない第1のガス導入管例を模式的に説明する図であり、ガス導入管の中心軸方向を縦とした場合の縦断面図である。
【図5】本発明に係るCat−PECVD法を実現する熱触媒体を内蔵せずアンテナ電極を兼ねる金属材料からなる第2のガス導入管例を模式的に説明する斜視図である。
【図6】本発明に係る膜処理システムを模式的に説明する構成図である。
【図7】従来のPECVD装置例を模式的に説明する断面図である。
【図8】従来のCat−CVD装置例を模式的に説明する断面図である。
【図9】Cat−PECVD装置例を模式的に説明する断面図である。
【図10】本発明に係る薄膜デバイス例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
11:透光性基板
12:第1の透明導電膜
13:半導体多層膜
13a:第1の半導体接合層
13b:第2の半導体接合層
14:第2の透光性導電膜
15a:取り出し電極1
15b:取り出し電極2
101:原料ガス供給口
102:非Si非C系ガス供給口
103:熱触媒体
104:熱触媒体加熱用電源
105:プラズマ
106a:第1のガス導入管(アンテナ電極を兼ねる)
106b:第2のガス導入管
107:高周波電源
108a:位相変換器
108b:電力分配器
109:基体
110:基体加熱ヒーター
111a:第1のガス導入管のガス噴出口
111b:第2のガス導入管のガス噴出
112:絶縁部材
113:チャンバー
114a:中空部(非Si非C系ガス経路)
114b:中空部(原料ガス経路)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) method which is a CVD (Chemical Vapor Deposition) method using plasma as a means for decomposing and activating a film forming gas, and a method for decomposing and activating a film forming gas. Cat-CVD (Catalytic Chemical Vapor Deposition: Catalytic CVD), which is a CVD method using a thermal catalyst as the chemical conversion means, and a new, unprecedented The present invention relates to a Cat-PECVD method that is a CVD method, a film formed by using the method, and a thin film device formed by using the film, and in particular, high-speed Si-based thin films in photoelectric conversion devices typified by thin-film Si-based solar cells. The present invention relates to a technology capable of forming a film with a high quality, a uniform film thickness and a uniform film quality over a large area, and further capable of forming a film with very high productivity.
[0002]
[Prior art and its problems]
High-quality and high-speed film-forming technology is indispensable for high-performance and low-cost of various thin-film devices. Especially in thin-film Si-based solar cells that are representative of photoelectric conversion devices, the high-quality and high-speed of Si-based films In addition to film formation, large-area film formation and further high productivity are simultaneously required.
[0003]
The PECVD method and Cat-CVD method are widely known as low-temperature deposition methods for Si-based thin films, and both are actively researched and developed mainly for the formation of hydrogenated amorphous silicon films and crystalline silicon films. Has been made.
[0004]
FIG. 8 shows a PECVD apparatus as Conventional Example 1, and FIG. 9 shows a Cat-CVD apparatus as Conventional Example 2. 8, 500 is a shower head, 501 is a gas inlet, 502 is a gas outlet, 503 is a plasma space, 504 is a plasma generating electrode, 505 is a high-frequency power source, 506 is a base, 507 is a base heater, and 508 is A gas exhaust vacuum pump 509 is an insulating member for electrical insulation. In FIG. 9, 600 is a shower head, 601 is a gas inlet, 602 is a gas outlet, 603 is an active gas space, 604 is a thermal catalyst, 605 is a power source for heating the thermal catalyst, 606 is a base, 607 Is a substrate heater, and 608 is a gas exhaust vacuum pump.
[0005]
Where SiH Four Gas and H 2 Taking the case of forming a Si film using a gas as an example, in the PECVD apparatus shown in FIG. 8, the gas introduced from the gas inlet 501 provided in the shower head 500 is plasma from the gas outlet 502. It is guided to the space 503 and excited and activated in the plasma space 503 to generate deposition species, which are deposited on the opposing substrate 506 to form a Si film. Here, the plasma is generated by using a high frequency power source 505.
[0006]
In the Cat-CVD apparatus shown in FIG. 9, the gas introduced from the gas inlet 601 provided in the shower head 600 is guided from the gas jet port 602 to the film forming space and installed in the film forming space. The activated thermal catalyst 604 is activated to form an active gas space 603 to generate a deposition species, which is deposited on the opposing substrate 606 to form a Si film. Here, heating of the thermal catalyst 604 is realized by using a heating power source 605.
[0007]
However, these conventional techniques have the following problems. That is, in the PECVD method, in order to realize high-speed film formation, the plasma power is increased and SiH is increased. Four Gas or H 2 Although it is necessary to promote the decomposition of gas, this increase in plasma power is nothing but to increase the electron temperature Te in the plasma (the plasma potential Vp increases in proportion to Te). Increase the ion bombardment on the surface of the film, and SiH 2 This led to the promotion of higher-order silane production (final promotion of powder production) due to the increase in the production rate of molecules, and it was inevitable to invite elements that go against quality improvement.
[0008]
Here, if the plasma excitation frequency is set to the VHF band or higher instead of increasing the plasma power, the ion bombardment is reduced by the reduction of the plasma potential Vp, and a high-quality film formation of a hydrogenated amorphous silicon film or a crystalline silicon film is achieved. Is effective (see J. Meier et al, Technical digest of 11th PVSEC (1999) p. 221, O. Vetterl et al, Technical digest of 11th PVSEC (1999) p. 233), but crystalline Si The formation of a film requires the generation of sufficient atomic hydrogen. For this purpose, no matter how much the VHF band frequency is used, an increase in plasma power is unavoidably inevitably caused if a high-speed film formation is required. Invitation of the problems described above could not be avoided.
[0009]
Therefore, as a measure for increasing the atomic hydrogen density without increasing the plasma power, increasing the hydrogen dilution rate, that is, the gas flow rate ratio H 2 / SiH Four It is possible to increase the Four Since the partial pressure of the gas is lowered, the high-speed film formation is in a reverse direction as it is, so eventually the plasma power is increased and SiH is increased. Four It was necessary to promote the decomposition of the above, and it was impossible to avoid the above-mentioned problems.
[0010]
Although it is conceivable to increase the deposition pressure as a measure to reduce ion bombardment even if the plasma power is increased, the increase in deposition pressure on the other hand leads to the promotion of higher order silane formation reaction by increasing the gas molecule density. As a result, it has been difficult to eliminate factors that reduce film quality such as powder production.
[0011]
On the other hand, in the Cat-CVD method, since no plasma is used, the above-described problem of ion bombardment does not exist in principle, the generation of powder is extremely small, and the generation of atomic hydrogen is greatly promoted. In recent years, it has attracted attention (H. Matsumura, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (H. Matsumura, Jpn. J. Appl. Phys. 37). 1998) 3175-3187, REI Schropp et al, Technical digest of 11th PVSEC (1999) p. 929-930).
[0012]
However, at present, the problem of the substrate temperature rise due to radiation from the thermal catalyst is inevitable, and it is not always easy to stably form a high-quality film. SiH Four Generation of atomic Si is inevitable because the gas is directly decomposed by the thermal catalyst. This atomic Si is not preferable for the formation of a high-quality Si film, and the atomic Si is H or H in the gas phase. 2 SiH and SiH produced by reaction with 2 Such radicals are also unfavorable for the formation of a high-quality Si film, and it is very difficult to form a high-quality crystalline Si film at high speed.
[0013]
With respect to the above problems, the present inventors have already studied the integration of the PECVD method and the Cat-CVD method. Already, Japanese Patent Application Nos. 2000-130858, 2001-293031, and 2002 No. -67445 discloses a Cat-PECVD method with a built-in thermal catalyst.
[0014]
FIG. 10 shows a typical device structure. In FIG. 10, 700 is a shower head, 701 is a raw material gas introduction port, 702 is a non-Si non-C gas introduction port, 703 is a raw material gas introduction route, 704 is a non-Si non-C gas introduction route, and 705 is heat. Catalyst body, 706 is a heating power source, 707 is a plasma space, 708 is a plasma generating electrode, 709 is a high frequency power source, 710 is a raw material gas outlet, 711 is a non-Si / non-C gas outlet, and 712 is manufactured A substrate for the film, 713 is a heater for heating the substrate, 714 is a vacuum pump for exhausting gas, and 715 is a radiation blocking member.
[0015]
This Cat-PECVD method uses Si-based source gas and H 2 Gas and H 2 The gas is heated and activated by the thermal catalyst 705 installed in the gas introduction path, and the Si-based gas is mixed in the plasma space 707 to form a film. Even so, a high-quality crystalline Si film having high crystallinity can be easily obtained. This is because this method uses a thermal catalyst to produce H 2 Decomposition / activation amount of SiH Four Can be freely controlled independently of the amount of plasma decomposition and activation, and SiH Four Is activated only by plasma, so that undesirable radical generation by the thermal catalyst 705 can be avoided, and a radiation blocking member 715 can be installed, so that radiation directly reaching the substrate 712 from the thermal catalyst 705 can be generated. The film formation surface temperature can be prevented from being undesirably increased, and further, the gas heating effect as a secondary effect using the thermal catalyst 705 can suppress the higher order silane formation reaction in the gas phase ( SiH 2 Since the higher order silane formation reaction due to the molecule insertion reaction is an exothermic reaction, the increase in the gas temperature due to gas heating has the effect of braking the higher order silane formation reaction). Furthermore, a high frequency power source of 27 MHz or higher can be used by using the shower head 700 and using a non-plate electrode (for example, an antenna electrode) as the plasma generation electrode 708 instead of the conventional plate electrode. It had the ability to achieve uniform film thickness and uniform film quality in a large area. In addition, as a more special form in this case, a system in which a non-plate electrode also serves as a shower head has been partially disclosed. With the above, satisfactory uniform film thickness distribution (within ± 15% as a guideline) and homogeneous film quality distribution (for example, within ± 15% as crystallization rate distribution and within ± 10% as efficiency characteristic distribution) at 1m square size It could be obtained under high-speed and high-quality film forming conditions.
[0016]
However, even in the prior arts by the present inventors that exhibit these remarkable effects, there is room for further improvement in the technique of the method in which the non-planar electrode also serves as a shower head. Technology development was desired.
[0017]
In order to solve these problems, the present inventors have developed the antenna electrode type Cat-PECVD method disclosed in Japanese Patent Application No. 2002-155537-155544. That is, a completely new film-forming technique has been invented in which a thermal catalyst is built in a hollow portion of an antenna electrode having a hollow structure. This realizes uniform large-area plasma generation even at high frequencies using the VHF band, and at the same time, due to the effect of adding a thermal catalyst, for example, high-quality hydrogenated amorphous silicon film or crystalline material even under high-speed film forming conditions. Silicon film can be formed. By arranging a plurality of antenna antenna electrodes arranged in parallel in the film forming chamber, it becomes possible to form a film on a plurality of substrates simultaneously, thereby realizing a highly productive film processing system. I was able to.
[0018]
However, in the antenna electrode incorporating the thermal catalyst body, it is supplied to heat the VHF band high-frequency power supplied to generate plasma on the antenna electrode and the thermal catalyst body inside the antenna electrode. The problem still remains that plasma generation may not always be stable due to interaction with power. In addition, there remains a problem that the antenna electrode with the built-in thermal catalyst may be heated and deformed by radiant heat from the thermal catalyst.
[0019]
Technical digest of 11th PVSEC (1999) p779 discloses a plasma CVD apparatus in which a thermal catalyst is disposed immediately after a hydrogen gas introduction port. Although the introduction ports of hydrogen gas and silane gas are different, the hydrogen gas and silane gas do not pass through the shower electrode, and it is difficult to obtain a uniform film thickness distribution and film quality distribution in a large area. In addition, since the thermal catalyst is not isolated from the film forming space by the shower electrode, it is impossible to reduce the contact reaction with the silane gas, which is not preferable for high-quality film formation, and gas phase reaction with it. SiH and SiH, which are undesirable in the same high-quality film formation that is a generated molecule 2 Such radical generation is unavoidable. Moreover, the concept of the radiation blocking structure and the VHF band of the plasma generation frequency is not shown, and it is difficult to improve the quality. Moreover, the antenna electrode which makes the core of this invention mentioned later is not used.
[0020]
Also, Technical digest of 16th EPSEC (2000) p421 discloses a capacitively coupled RF plasma CVD apparatus in which a thermal catalyst is installed in the plasma space, but it does not introduce gas separately. Also, the introduced gas does not pass through the shower electrode. Moreover, since the thermal catalyst is installed in the plasma space, it is impossible to block radiation to the substrate. There is no concept of an antenna electrode.
[0021]
Japanese Patent No. 2692326 discloses a catalytic CVD method in which a radiation blocking member that allows gas to pass between the catalyst body and the substrate is installed, but the gas is used so that the source gas is not activated by the thermal catalyst body. It is not introduced separately and does not activate the source gas by plasma. Of course, there is no concept of antenna electrodes.
[0022]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-310867 discloses a thin film forming apparatus provided with a catalyst electrode between a plasma generating electrode and a gas inlet, but it does not separate and introduce a source gas. Also, it does not have a radiation blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0023]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-54441, a raw material gas is supplied into a container in which a thermal catalyst is placed, the inside of the container is isolated from the substrate, and the gas is supplied to the substrate by a differential pressure from a gas outlet. Although a catalytic CVD apparatus to be supplied is disclosed, the raw material gas is not separately introduced and is not related to the PECVD method. There is no concept of an antenna electrode.
[0024]
Japanese Patent No. 1994526 discloses a method of forming a film by introducing a raw material gas and a heating gas for decomposing the raw material gas, but it does not use a shower head and does not emit radiation. It does not have a blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0025]
Japanese Patent No. 1994527 discloses a method of forming a film by pyrolyzing the source gas, but it is not a method of not pyrolyzing the source gas and does not have a radiation blocking structure. Further, plasma is not used, and a shower head is not used. Of course, there is no concept of antenna electrodes.
[0026]
Japanese Patent No. 1927388 discloses a method in which a film-like activation means made of tungsten is provided in a film-forming space to activate a gas containing hydrogen to deposit a film. It is not a method of separating and introducing without performing, and it does not have a radiation blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0027]
Japanese Patent No. 2547741 discloses a structure in which one transport pipe is disposed inside the other, and SiH Four And H 2 Is disclosed, but it does not use a shower head and does not have a radiation blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0028]
In Japanese Patent No. 2927944, hydrogen gas is activated in a space different from the film formation space, and this is mixed with and brought into contact with the source gas to form a plasma region, and the hydrogen gas is activated periodically. Thus, although a method for depositing a film so that the substrate is intermittently and periodically exposed to plasma is disclosed, it does not use a shower head and does not have a radiation blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0029]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-114256 describes a method in which a catalyst is allowed to act on a raw material gas to decompose it, and plasma treatment is performed to form a film. Further, neither a shower head is used nor a radiation blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0030]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-319442 discloses a method of forming a film with an apparatus configuration having a surface reaction mechanism portion installed in the vicinity from the plasma generation unit to the substrate surface. It does not separate and introduce without being disassembled, and does not use a shower head. Further, since the thermal catalyst is between the plasma and the substrate, it is impossible to block radiation to the substrate. There is no concept of an antenna electrode.
[0031]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-323421 discloses SiH. Four And H 2 And SiH Four The gas is activated by plasma and irradiates the substrate with ions and radicals. 2 A method is disclosed in which a gas is activated by a heated catalyst provided in a gas inlet and irradiated onto a substrate. However, the gas does not use a shower head and does not have a radiation blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0032]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-137274 discloses SiH in the plasma space. Four And H 2 And introduced separately, H 2 Discloses a method of activating with heat or plasma in the introduction process, but it does not use a shower head nor has a radiation blocking structure. There is no concept of an antenna electrode.
[0033]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 4-236781 discloses an antenna electrode type PECVD apparatus excellent in large-area uniform film formation using a ladder-like planar coil (ladder) electrode. It does not heat or activate the gas.
[0034]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-295052 discloses an antenna electrode type PECVD that can form a large-area uniform film thickness by supplying AM-modulated VHF high frequency (20 to 600 MHz to microwave) to the inductively coupled electrode. Although an apparatus is disclosed, the gas is not heated and activated using a thermal catalyst.
[0035]
Japanese Patent Laid-Open No. 7-41950 discloses a method of obtaining a high quality film by heating a hardly decomposable gas in advance with a gas heating heater to improve decomposability in plasma. The catalyst body is not used, and therefore, the thermal catalyst body is not installed in the antenna electrode, and it is not activated (decomposed) only by heating the gas. SiH Four And H 2 Are introduced separately and H 2 It is not something that heats and activates only the thermal catalyst.
[0036]
Japanese Patent Laid-Open No. 6-283436 describes a method for realizing high-speed film formation by heating and introducing a reactive gas. However, it does not use a thermal catalyst, and therefore heat is not contained in the antenna electrode. The catalyst body is not installed, and it is not activated (decomposed) only by heating the gas. SiH Four And H 2 Are introduced separately and H 2 It is not something that heats and activates only the thermal catalyst.
[0037]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-283344 discloses a ladder-like planar coil electrode wire with a heater that can control the temperature of the wire material independently, and the reaction gas pressure distribution in the reaction vessel is controlled so as to be uniform and homogeneous. Although a method for realizing film formation is described, a thermal catalyst is not used, and therefore, a thermal catalyst is not installed in the antenna electrode, and it is activated (decomposed) only by heating the gas. It does not lead to. Further, the gas is not separated and introduced by the gas type.
[0038]
The present invention has been made based on such a background. The Si-based film or the C-based film is formed at a high speed and with a high quality, and with a uniform film thickness and a uniform film quality over a large area. It is another object of the present invention to provide a Cat-PECVD method capable of realizing high productivity, a film formed using the Cat-PECVD method, and a device manufactured using the film.
[0039]
[Means for Solving the Problems]
The Cat-PECVD method of the present invention does not include Si and C in the molecular formula heated by a source gas containing a gas containing Si and / or C in the molecular formula and a thermal catalyst disposed in the gas introduction path. These gas introduction pipes pass through the hollow portions of the first and second gas introduction pipes having a hollow structure installed in the film forming space in a state where the non-Si non-C based gases made of gas are separated from each other. When the material gas is ejected from the plurality of gas ejection ports provided in the first gas introduction pipe serving also as an antenna electrode, the non-Si non-C gas is produced from a non-metallic material. The mixed gas of the raw material gas and the non-Si non-C gas injected into the film-forming space through the second gas introduction pipe is the first gas introduction High frequency connected to the tube It is decomposed and activated by plasma generated by high-frequency power from a source, and a film is deposited on a substrate disposed opposite to the first and second gas introduction pipes in the film forming space. And
[0040]
Further, the second gas introduction pipe is made of a ceramic material.
[0041]
In particular, the first gas introduction pipe also serving as the antenna electrode has a rod shape or a U shape, the thermal catalyst is installed in a hollow portion of the second gas introduction pipe, and the gas A plurality of introduction pipes are arranged in parallel to form an array-like gas introduction pipe unit, the base is arranged on both sides of the array-like gas introduction pipe unit, and the array-like gas introduction pipe unit of the base is A substrate heater is disposed on the surface opposite to the facing surface, a plurality of the arrayed gas introduction pipe units exist in one film forming chamber, and each unit has a parallel array surface. And an apparatus configuration capable of simultaneous film formation on both sides by the respective arrayed gas introduction pipe units, and the raw material gas introduction path and / or the non-Si non-C. A gas introduction path, introducing a gas for doping in the membrane, respectively characterized.
[0044]
Further, the present invention is a film processing system in which a plurality of processing chambers including at least one chamber for realizing the Cat-PECVD method are connected.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings schematically shown. FIG. 1 is an overall view showing an example of an apparatus for realizing the Cat-PECVD method of the present invention, in which a thermal catalyst is incorporated when the film-forming surface of a flat substrate is oriented in a direction perpendicular to the paper surface. It is sectional drawing in the 2nd gas introduction pipe position. FIG. 2 shows an example in which gas introduction pipes are arranged in an array, and is a cross-sectional view when the film-forming surface of the substrate is oriented in a direction parallel to the paper surface (in order to show the presence of the substrate, an array of gas Only a part of the introduction pipe unit is shown, and the details of the end structure of the first gas introduction pipe made of a metal material also serving as an antenna electrode are omitted (see FIGS. 1 and 4 for details). FIG. 3 is a cross-sectional view of the arrayed gas introduction pipe as seen from the central axis direction. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a detailed structure of a first gas introduction pipe made of a metal material that does not contain a thermal catalyst and also serves as an antenna electrode. FIG. 5 is a perspective view showing a three-dimensional structure of a second gas introduction pipe containing a thermal catalyst.
[0046]
In these figures, 101 is an inlet for a raw material gas containing a gas containing Si and / or C in the molecular formula, 102 is an inlet for a non-Si non-C gas consisting of a gas not containing Si and C in the molecular formula, 103 is a thermal catalyst body, 104 is a power source for heating the thermal catalyst body 103, 105 is plasma, 106a is a first gas introduction pipe made of a metal material that does not contain a thermal catalyst body and also serves as an antenna electrode, and 106b is a thermal catalyst body , 107 is a high-frequency power source, 108a is a phase converter, 108b is a power distributor, 109, 109a and 109b are substrates for film formation, 110 is a heater for heating the substrate, and 111a is A gas outlet provided in the first gas introduction pipe 106a that does not contain a thermal catalyst and also serves as an antenna electrode, and 111b indicates a gas jet provided in the second gas introduction pipe 106b that contains a thermal catalyst. Mouth, 112 a chamber insulating member for electrically insulating and 113 constituting the deposition space (film deposition chamber), 114a and 114b is a hollow portion of the gas inlet tube.
[0047]
As described above, the Cat-PECVD method of the present invention includes a raw material gas containing a gas containing Si and / or C in the molecular formula, and Si in the molecular formula heated by the thermal catalyst disposed in the gas introduction path. Passing through the hollow portions of the first and second gas introduction pipes having a hollow structure installed in the film forming space in a state where the non-Si non-C gas composed of a gas not containing C is separated from each other. When the material gas is ejected from the plurality of gas ejection ports provided in the gas introduction pipes into the film forming space, the non-Si non-C gas is passed through the first gas introduction pipe made of a metal material. The mixed gas of the raw material gas and the non-Si non-C gas injected into the film forming space through the second gas introduction pipe, respectively, is also used as the antenna electrode. Connected to the gas inlet pipe The film is decomposed and activated by the plasma generated by the high-frequency power from the high-frequency power source, and a film is deposited on the substrate disposed facing the first and second gas introduction pipes in the film-forming space. It is characterized by.
[0048]
Although illustration is omitted, the chamber 113 is evacuated by a vacuum pump. At this time, as the vacuum pump, it is desirable to use a dry pump such as a turbo molecular pump in order to suppress contamination of impurities from the exhaust system into the film formed on the substrate. At this time, the ultimate vacuum is at least 1 × 10 -3 1 x 10 with Pa or less -Four If it is set to Pa or less, it is more desirable. The pressure during film formation is in the range of about 10 to 1000 Pa. The temperature of the substrate 109 by the substrate heating heater 110 is set to a temperature condition of 100 to 400 ° C., preferably 150 to 350 ° C.
[0049]
Hereinafter, each part will be described in detail.
= Separation of first gas introduction pipe and second gas introduction pipe =
First, the purpose is to separate the first gas introduction pipe and the second gas introduction pipe. As already described in the section of “Prior art and problems thereof”, the antenna electrode incorporating the thermal catalyst is provided. This is to solve the problem that, when used, the plasma generation may not always be stable due to the interaction between the high-frequency power for plasma generation and the power for heating the thermal catalyst. This can be realized by making the first gas introduction tube function as an antenna electrode and incorporating the thermal catalyst in the second gas introduction tube as in the present invention. As a result, uniform plasma generation can be realized stably, and a uniform film thickness and a uniform film quality can be formed in a large area.
= Material of the second gas introduction pipe =
Further, the second gas introduction pipe of the present invention is made of a non-metallic material. As the non-metallic material, ceramic materials such as glass, quartz, alumina, and SiC can be used. As a result, it is possible to solve the problem that the antenna electrode, which is a problem when using an antenna electrode made of a metal material with a built-in thermal catalyst, may be heated and deformed by radiant heat from the thermal catalyst.
= Gas inlet tube shape =
First, as the shape of the first gas introduction pipe made of a metal material also serving as an antenna electrode, a shape such as a rod shape or a U shape can be selected. Specifically, the rod-shaped one is the simplest, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 1-47475, 1-270382 and 2001-274101. The U shape is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-21781.
[0050]
Here, the reason why the antenna type electrode is used instead of the conventional flat plate type electrode is as follows. In general, the relationship between the frequency f of the high frequency power supply and the wavelength λ is given by λ = v / f in the plasma. Here, v is the propagation speed of the electromagnetic wave in the plasma, which is smaller than the speed c (light speed) of the electromagnetic wave in the vacuum, so that λ is at most c / f or less. On the other hand, if the length L of one side of the square electrode is a typical characteristic length as the size of the plasma generating electrode, if λ >> L, the electromagnetic interference effect does not occur and uniform plasma is generated. It is possible to form a film with a uniform film thickness and a uniform film quality. For example, when f = 13.5 MHz, λ is about 22 m at the maximum, and it can be seen that the interference effect does not become a problem with a plasma generation electrode of 1 m square size.
[0051]
However, when the frequency f of the high frequency power source is increased and λ / 4 becomes a value of about L or less, the interference effect cannot be ignored. For example, when f = 60 MHz, λ / 4 is 1.25 m at the maximum, and an interference effect occurs in a simple flat-plate plasma generating electrode of 1 m square size, and a uniform electromagnetic field distribution, that is, uniform plasma generation. I can't see.
[0052]
For this reason, in large-area film formation of about 1 m square size or more in a region where the frequency of the high-frequency power supply is equal to or higher than the VHF band, an antenna-type electrode is used instead of the flat-plate-type plasma generation electrode, and a phase control technique described later The development of technology for making the plasma generation uniform by introducing is progressing, and this can also be used in the Cat-PECVD method.
[0053]
In addition, the cross-sectional shape parallel to the direction perpendicular to the major axis direction of the antenna electrode may be either circular or rectangular. However, when more uniform film forming characteristics are particularly required, a more uniform plasma generation in a plane is possible. It is preferable to use a square that can realize
= Thermal catalyst installation position =
Next, regarding the installation position of the thermal catalyst 103, the most desirable is the inside of the second gas introduction pipe having a hollow structure as shown in FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3 and FIG. It is a case where it installs in a hollow part. By installing the thermal catalyst inside the second gas introduction pipe, the heated and activated non-Si non-C based gas is not excessively impaired in its temperature and activity. Since it is sent to the plasma space generated by the first gas introduction pipe that also serves as an antenna electrode outside, the effect on the film formation can be sufficiently maintained. For example, H to non-Si non-C gas 2 SiH as the raw material gas Four When using a low hydrogen dilution rate (low H), which was difficult without using a thermal catalyst 2 / SiH Four Ratio) and low-frequency power conditions, it is easy to form a crystalline Si film, and it is also easy to form a hydrogenated amorphous Si film with a low hydrogen concentration in the film, which was difficult without using a thermal catalyst. Effect.
[0054]
As described above, as the installation position of the thermal catalyst 103, the inside of the second gas introduction pipe is most desirable. However, even when the thermal catalyst 103 is installed in the gas path on the upstream side of the second gas introduction pipe, it is described above. Therefore, when it is particularly difficult to install a thermal catalyst within the second gas introduction pipe, the thermal catalyst is placed upstream of the second gas introduction pipe. It can also be installed on the route. In any case, however, it is still desirable that the thermal catalyst is installed inside the second gas introduction pipe in order to maximize the effects of the present invention.
= Arraying of gas introduction pipes =
Next, regarding the arrangement of the gas introduction pipes, the base 109 is a plate material or a film material having a certain area such as a substrate such as a solar cell, and the film is formed on the surface. As shown in FIGS. 2 and 3, it is desirable that a plurality of introduction pipes are arranged in parallel and arranged in an array to form an array-like gas introduction pipe unit. As a result, the first gas introduction pipe that also serves as the antenna electrode functions as an array antenna electrode unit, so that plasma generation and film formation can be performed uniformly and over a large area.
= Gas separation introduction method =
Next, a method for separating and introducing a raw material gas and a non-Si non-C gas is as shown in FIG. 2 and FIG. The gas is ejected independently from the second gas introduction pipe. At this time, it is desirable that the thermal catalyst 103 is installed inside the second gas introduction pipe 106b into which the non-Si non-C gas is introduced.
[0055]
Here, the reason why the raw material gas and the non-Si non-C gas are introduced separately is that only the non-Si non-C gas is desired to be heated by the thermal catalyst. That is, if the raw material gas and the non-Si non-C gas are mixed and introduced, not only the non-Si non-C gas but also the raw material gas is a thermal catalyst disposed in the gas introduction path. If the thermal catalyst temperature is equal to or higher than the decomposition temperature of the raw material gas, the raw material gas is decomposed and activated to form a film on the gas introduction path, and the raw material gas is This is because it is consumed significantly before reaching the film forming space.
= Gas outlet location =
Next, in the case of the second gas introduction pipe 106b in which the thermal catalyst 103 is installed, as shown in FIG. It is desirable that the heat radiation from 103 does not directly reach the film forming substrate 109a or 109b. Thereby, an undesired increase in the film forming surface temperature due to radiation generated from the thermal catalyst can be avoided, and stable control of the film quality can be realized. In the case of the first gas introduction pipe 106a also serving as an antenna electrode in which no thermal catalyst is installed, the gas outlet may be at an arbitrary position.
= Arrangement of array antenna electrode unit =
Next, it is desirable that the arrayed gas introduction pipe unit is arranged in a vertical shape so that the array surface is parallel to the direction of gravity. By doing so, it is possible to very effectively prevent the powder from adhering to the base 109 during film formation on both surfaces of the arrayed gas introduction tube unit as described later. Further, for example, when a glass substrate or the like is used as the base 109, the glass substrate can be transported in a vertical type, so that there is an advantage that the handling becomes very easy without causing a problem of bending of the glass substrate. Of course, in this case, there is also an advantage that the problem of bending of the arrayed gas introduction pipe unit itself does not occur.
[0056]
As described above, it is desirable that the array-shaped gas introduction tube unit is arranged vertically so that the array surface is parallel to the direction of gravity. Of course, the array-shaped gas introduction tube unit is arranged in the direction of gravity. The horizontal arrangement is not particularly limited, and the latter is used if the problems of array electrode deflection, substrate bending, and powder drop adhesion are almost negligible. There is no problem.
= Substrate arrangement =
Next, it is desirable that the substrate 109 is disposed on both sides of the arrayed gas introduction pipe unit (see FIGS. 1 and 3). By doing so, simultaneous film formation on both sides of the arrayed antenna electrode unit is possible, and the productivity of the apparatus can be doubled.
= Substrate heater arrangement =
Next, as shown in FIG. 1, it is desirable that the substrate heater 110 is disposed on both sides of the arrayed gas introduction tube unit with the substrate interposed therebetween. That is, it is desirable that a substrate heater is disposed on the surface of the substrate opposite to the surface facing the arrayed gas introduction pipe unit. By doing so, the temperature of the substrate surface during film formation can be controlled, and high-quality film formation can be realized more easily.
= Number and arrangement of arrayed gas introduction pipe units =
Next, it is desirable that a plurality of sets of array-like gas introduction pipe units are arranged in parallel in one film forming chamber (FIG. 2 shows an example in which three array-like gas introduction pipe units are arranged). By doing so, simultaneous film formation by a plurality of array-like gas introduction pipe units becomes possible. Considering the simultaneous double-side film formation by one array-like gas introduction pipe unit, for example, two array-like gas introduction pipe units are provided. If four sets are arranged in parallel, four-sided simultaneous film formation is possible, and if three sets are arranged in parallel, six-sided simultaneous film formation (FIG. 2 shows this case). If four sets are arranged in parallel, eight-sided simultaneous film formation As described above, if the number of parallel arrangements of the arrayed gas introduction pipe units is increased, the productivity as a film forming apparatus can be increased to several times or more at once. This is impossible with a conventional parallel plate type PECVD apparatus.
= Power supply method =
Next, as for a method of supplying power to the first gas introduction pipe 106a that also serves as an antenna electrode, for example, as shown in FIG. 2, high-frequency power from a high-frequency power source 107 is distributed and transmitted by a power distributor 108b. Alternatively, a high-frequency power source may be provided for each first gas introduction pipe that also serves as an antenna electrode (not shown). Here, the number of high-frequency power sources and the number of distributions do not necessarily need to match, and it is usually effective to reduce equipment costs if more power distribution is realized with a smaller number of high-frequency power sources. Here, if one high frequency power supply cannot distribute and supply all the necessary high frequency power, a plurality of high frequency power supplies can be prepared and distributed as necessary.
= Phase control =
Next, in order not to generate a non-uniform plasma distribution due to unnecessary interference effects (strengthening and weakening), it is desirable that the phases of the high-frequency power be different between at least adjacent electrodes. This can also be realized by using the phase converter 108a. However, the power supply points to the adjacent first gas introduction pipes in the array-like gas introduction pipe unit can be arranged so as to be opposed to each other. This effect can be realized (not shown), and by using both in combination, a more uniform large-area plasma can be generated.
= High-frequency power supply method =
In addition, as another method for making it easier to form a film having a uniform film thickness and a uniform film quality over a large area, a plurality of high-frequency powers having different frequencies are superimposed on the first gas introduction pipe 106a which also serves as an antenna electrode. By doing so, there is a method of superimposing a plurality of plasmas having different spatial density distributions. Thereby, since the plasma density distribution can be made more uniform, a uniform film can be formed over a large area on the substrate.
[0057]
As another method, there is a method of supplying high-frequency power having a different frequency for each of the first gas introduction pipes that also serve as adjacent antenna electrodes (not shown). In this way, the plasma density distribution can be made more uniform by electromagnetic interaction between the first gas introduction pipes that also serve as adjacent antenna electrodes. Can be performed.
[0058]
As another method, the high frequency power frequency is fluctuated and modulated in time, the spatial density distribution of the plasma is fluctuated in time, and the time average is taken, resulting in uniform film formation. There is.
[0059]
Further, if high-frequency power is intermittently supplied to the first gas introduction tube 106a that also serves as an antenna electrode, for example, by pulse-modulating the plasma, powder generation / growth can be achieved compared to the case of continuous plasma generation. In some cases, the film quality can be suppressed and the film quality can be improved.
= High frequency power supply frequency =
Next, in the Cat-PECVD method and apparatus of the present invention, the first gas introduction tube 106a that also serves as an antenna electrode for generating plasma is connected to the high-frequency power source 107, and the frequency of the high-frequency power source 107 is 13.56 MHz or higher. In particular, the effect of the present invention, that is, the effect on the large-area uniform film thickness / homogeneous film-forming is remarkable in the high frequency region of 27 MHz or higher (so-called VHF band or higher).
[0060]
That is, in the conventional flat electrode, as described above, it is possible to realize a large-area film formation with a uniform film thickness of about 1 m square size and a uniform film quality without relatively difficulty up to about 27 MHz. According to the present invention, even in a high frequency region of 27 MHz or higher, a large area uniform film thickness / homogeneous film forming characteristic that is markedly superior to that of the prior art can be obtained.
[0061]
As a high frequency frequency in the VHF band, an arbitrary value can be selected as a continuous amount, and it is desirable to select an optimum frequency according to the electrode size and shape, but usually 40 MHz and 60 MHz are often used industrially. It is sufficient to use frequencies such as 80 MHz and 100 MHz.
[0062]
Here, the higher the frequency of the high-frequency power source 107, the higher the electron density in the plasma, so that the decomposition activation rate of the raw material gas increases and the film formation rate becomes faster. Moreover, H is used as a non-Si non-C gas. 2 When a gas is used, the generation rate of atomic hydrogen is increased, so that the crystallization promoting effect can be obtained more remarkably. Therefore, a crystalline Si film can be obtained even under high-speed film forming conditions.
[0063]
Furthermore, in the present invention, since the activation of the non-Si non-C gas can be further promoted using the thermal catalyst, H as the non-Si non-C gas is used. 2 When a gas is used, the effect of promoting crystallization is further increased in addition to the above-described effect of VHF itself, and a high-quality crystalline Si film can be obtained even under further high-speed film forming conditions. In particular, when forming a hydrogenated amorphous Si film, a film having a lower hydrogen concentration can be formed, and a hydrogenated amorphous Si film having better light stability than that obtained by the conventional PECVD method alone can be obtained.
[0064]
Note that the frequency of the high frequency power supply need not be limited to the VHF band up to about 100 MHz, and can be used up to a higher frequency in the UHF band or microwave region.
= Thermal catalyst =
Next, at least the surface of the thermal catalyst 103 is made of a metal material in order to cause the current to flow through it to be heated and heated by the Joule heat generation to function as a thermal catalyst, but this metal material is more preferable. Is preferably made of a metal material mainly composed of at least one of Ta, W, Re, Os, Ir, Nb, Mo, Ru, and Pt, which are high melting point metal materials. Further, as the thermal catalyst 103, a metal material as described above is usually used in a wire shape, but is not limited to a wire shape, and a plate shape or a mesh shape may also be used. it can. In addition, when the metal material which is a thermal catalyst body material contains an undesirable impurity for film formation, before using the thermal catalyst body 103 for film formation, the temperature is higher than the heating temperature at the time of film formation in advance. Preheating for several minutes or more is effective in reducing impurities.
= Power source for heating the thermal catalyst =
As the heating power source 104 for the thermal catalyst 103, it is usually easy to use a DC power source, but there is no problem even if a low frequency AC power source that does not generate plasma is used. When a DC power source is used, DC power can be intermittently supplied to the thermal catalyst 103 in order to control the degree of heating or decomposition / activation of the non-Si non-C gas, as will be described later.
= Activation of non-Si non-C-based gas =
Next, the non-Si non-C-based gas is heated by the thermal catalyst 103 and guided to the plasma space 105, but a part of the non-Si non-C gas is decomposed and activated by the thermal catalyst 103. Proportional. For example, H 2 Depending on the pressure of the gas, the generation of atomic hydrogen due to the decomposition reaction becomes prominent when the temperature of the thermal catalyst exceeds about 1000 ° C. As described above, this atomic hydrogen acts very effectively on the crystallization promotion of the Si film. The secondary effect is that the thermal catalyst is used even under temperature conditions where the thermal catalyst temperature is about 1000 ° C. or less, the generation of atomic hydrogen is not so remarkable, and the crystallization promotion effect cannot be expected so much. Since the high-order silane formation reaction is suppressed by the gas heating effect, it is still effective for the formation of a high-quality hydrogenated amorphous silicon film. However, in order to obtain the above effect, it is desirable that the temperature of the thermal catalyst is at least 100 ° C., more preferably 200 ° C. or more. The effect of gas heating can be acquired more notably by setting it as 200 degreeC or more. The maximum temperature of the thermal catalyst body is 2000 ° C. or less, more preferably 1900 ° C. or less. If the temperature exceeds 1900 ° C., problems such as degassing of impurities from the catalyst body and peripheral members and evaporation of the material of the catalyst body itself will start to occur.
= Activation amount adjustment method =
Where H described above 2 Examples of methods for realizing the method other than controlling the degree of heating or decomposition / activation of the non-Si non-C gas represented by the above-described thermal catalyst temperature include the following.
[0065]
The first method is to control the surface area of the thermal catalyst 103. According to this, it is possible to control the degree of heating, decomposition, or activation of the non-Si non-C based gas while maintaining the temperature of the thermal catalyst 103 at a certain temperature or higher without lowering the temperature. For example, when a linear catalyst is used as the thermal catalyst 103, the surface area of the thermal catalyst 103 can be controlled by selecting the length and diameter of the thermal catalyst 103 and the number installed in one antenna electrode. . In particular, when a plurality of thermal catalyst bodies 103 are installed in one antenna electrode (not shown), the number of thermal catalyst bodies to be heated can be determined as necessary if they can be heated independently. The degree of heating or decomposition / activation of the non-Si non-C gas can be changed stepwise.
[0066]
The second method is a method of heating the thermal catalyst 103 intermittently or periodically. Specifically, the thermal catalyst 103 can be heated periodically by using a mechanism that intermittently supplies power from the heating power source 104 in a pulsed manner or by using a low-frequency AC power source. As a result, the reaction time between the non-Si non-C gas and the thermal catalyst 103 per unit time can be controlled continuously, so that the degree of heating, decomposition or activation of the non-Si non-C gas can be controlled continuously. Can do.
[0067]
The third method is to design and adjust the diameter of the raw material gas outlet 111a and the non-Si non-C gas outlet 111b separately, or adjust the total number of raw material gas outlets 111a and the non-Si non-C. The total number of system gas outlets 111b is designed and adjusted separately. The reduction in diameter or reduction in the total number of ports at the non-Si non-C gas jet port 111b reduces the amount of non-Si non-C gas that has been heated, decomposed, or activated and injected into the plasma space 105, thereby reducing non-Si non-C gas. The enlargement of the diameter or the increase in the total number of the nozzles at the system gas outlet 111b can increase the amount of the non-Si non-C gas that has been heated, decomposed, or activated into the plasma space 105.
[0068]
The fourth method is to add a non-Si non-C based gas introduction path (not shown) in which a thermal catalyst is not disposed in the gas introduction path, and a non-Si non-C based gas flow rate through the thermal catalyst 103; This makes it possible to independently control the non-Si non-C gas flow rate that does not pass through the thermal catalyst. That is, there are a plurality of non-Si non-C gas introduction paths, and at least one non-Si non-C gas is guided to the plasma space without being heated by the thermal catalyst. As a result, the heated or decomposed / activated non-Si non-C based gas and the non-heated non-Si non-C based gas can be mixed at an arbitrary gas flow ratio, so that they are released into the plasma space 105. The density of the non-Si non-C gas heated or decomposed / activated can be continuously changed. Here, the non-Si non-C gas introduction path that is not heated may be merged with the raw material gas introduction path, and the introduction structure becomes simpler when merged in this way.
= Gas path material =
Next, at least a part of the surface of at least one of the inner wall of the gas pipe and the inner wall of the hollow antenna electrode in the non-Si non-C-based gas introduction path is made of a material containing at least one of Ni, Pd, and Pt. It is desirable. These metal elements are for example H 2 Since there is a catalytic action that promotes dissociation of gas molecules such as the above, it is possible to reduce the probability that the decomposed / activated non-Si non-C-based gas is recombined on the surface of the member and deactivated.
= Gas heating =
Next, it is desirable that a thermal catalyst is also provided in the raw material gas introduction path (not shown) in order to promote the gas heating effect. However, the temperature of the thermal catalyst body is controlled to be equal to or lower than the temperature at which the raw material gas is decomposed so that the raw material gas is not decomposed by the thermal catalyst body. For example, SiH as the source gas Four When using, the temperature is 500 ° C. or lower, preferably 400 ° C. or lower.
[0069]
In addition, as another method for promoting the gas heating effect, there is a method of installing a heater on the wall surface of the film forming chamber. That is, in the conventional method in which the wall surface of the film forming chamber is not heated in particular, a high-order silane formation reaction (exothermic reaction) tends to occur on the wall surface of the film forming chamber at a low temperature. In contrast to the cause of powder generation, this method actively heats the inner walls of the film formation chamber, which suppresses the high-order silane generation reaction, which is an exothermic reaction, and reduces the amount of powder generated. it can. Here, when the raw material gas contains a gas containing Si in the molecular formula, the temperature of the heater is set to 500 ° C. or lower, desirably 400 ° C. or lower. Thereby, since the thermal CVD reaction (film formation reaction) on the heater surface is sufficiently suppressed, waste of the raw material gas at this portion can be suppressed.
= Doping gas introduction method =
Next, when supplying doping gas, doping gas can be introduce | transduced into a source gas introduction path | route and / or a non-Si non-C type | system | group gas introduction path | route. At this time, the p-type doping gas is B 2 H 6 Etc., and the n-type doping gas is PH Three Etc. can be used.
= Electric circuit =
It is desirable to install a pass capacitor (not shown) as high-frequency blocking means in the circuit of the catalyst body heating power source 104. As a result, entry of high-frequency components from the high-frequency power source can be prevented, and stable film formation can be realized more reliably.
= Substrate shape =
As the base 109, for example, in the case of a device such as a solar battery, a flat plate such as a glass substrate, or a film such as a metal material or a resin material can be used, and a device such as a photosensitive drum can be used. In this case, a non-flat plate such as a cylindrical shape can be used.
= Membrane =
According to the Cat-PECVD method of the present invention, it is possible to form a high-speed and high-quality film with high uniformity in film thickness and film quality over a large area. The effects of the present inventors are disclosed in Japanese Patent Application Nos. 2001-293031 and 2002-38686 by the present inventors). Specifically, the effects of the Si-based film or C-based film described below are remarkably exhibited. .
[0070]
In the first example, the gas containing Si in the molecular formula is included in the source gas, but the gas containing C in the molecular formula is not included, and the gas containing H in the non-Si non-C gas is used. 2 This is a Si-based film formed by the inclusion of. Specifically, for example, the source gas is SiH. Four H for non-Si non-C gases 2 Can be used to form a high-quality hydrogenated amorphous silicon film or a high-quality crystalline silicon film at a high speed with high uniformity in film thickness and film quality over a large area for the reasons already described above. .
[0071]
According to the method of the present invention, the hydrogen concentration in the hydrogenated amorphous silicon film can be made 15 atomic% or less. More preferably, it can be 10 atomic% or less, and more preferably 5 atomic% or less. This can greatly reduce the photodegradation problem of the hydrogenated amorphous silicon film, which has been a problem for many years. When used in a battery, high stabilization efficiency can be obtained.
[0072]
Further, according to the method of the present invention, the hydrogen concentration in the crystalline silicon film can be made 10 atomic% or less. More preferably 5 atomic% or less, and even more preferably 3.5 atomic% or less, whereby the deterioration of characteristics over time due to the post-oxidation phenomenon at the crystal grain boundaries described in the examples of solar cell embodiments described later. Can be reduced. That is, when the hydrogen in the film is 5 atomic% or less, the deterioration rate with time is about several percent or less, and when the hydrogen concentration in the film is 3.5 atomic% or less, the deterioration rate with time is almost zero.
[0073]
In the second example, the source gas contains a gas containing Si in the molecular formula and a gas containing C in the molecular formula, and the non-Si non-C gas contains H. 2 Is a Si—C-based film formed by the inclusion. Specifically, for example, the source gas is SiH. Four And CH Four H for non-Si non-C gases 2 For this reason, a high-quality hydrogenated amorphous silicon carbide film or a high-quality crystalline silicon carbide film must be formed at high speed and with a high uniformity of film thickness and film quality over a large area. Can do.
[0074]
In the third example, the raw material gas contains a gas containing Si in the molecular formula, and the non-Si non-C gas contains H. 2 A gas containing N in the molecular formula is a Si—N-based film formed by being included in at least one of a source gas and a non-Si non-C gas. Specifically, for example, the source gas is SiH. Four H for non-Si non-C gases 2 NH as a gas containing N Three For this reason, a high-quality hydrogenated amorphous silicon nitride film or a high-quality crystalline silicon nitride film must be formed at a high speed and with a uniform film thickness and film quality over a large area. Can do.
[0075]
A fourth example is a Si—O-based film formed by including a gas containing Si in the molecular formula in the source gas and a gas containing O in the molecular formula in the non-Si non-C gas. . Specifically, for example, the source gas is SiH. Four And H if necessary 2 For non-Si non-C based gases 2 And if necessary, if He or Ar is used, high-quality amorphous silicon oxide film or high-quality crystalline silicon oxide film can be formed at high speed and with high uniformity of film thickness and film quality over a large area for the reasons already mentioned above. Can be formed.
[0076]
In the fifth example, the source gas contains a gas containing Si and a gas containing Ge in the molecular formula, and non-Si non-C gas contains H. 2 Is a Si—Ge-based film formed by the inclusion of. Specifically, for example, the source gas is SiH. Four And GeH Four H for non-Si non-C gases 2 For this reason, a high-quality hydrogenated amorphous silicon germanium film or a high-quality crystalline silicon germanium film must be formed at high speed and with a high film thickness and film quality uniformity over a large area. Can do.
[0077]
In the sixth example, the source gas contains a gas containing C in the molecular formula, and the non-Si non-C gas contains H. 2 It is a C-type film | membrane formed by being included. Specifically, for example, the raw material gas is CH Four And if necessary, a small amount of O 2 H for non-Si non-C gases 2 Can be used to form a high-quality amorphous carbon film or a high-quality crystalline carbon film at a high speed and with high uniformity in film thickness and film quality over a large area. Specifically, a diamond film or a diamond-like carbon film can be formed.
= Thin film device =
Next, when the film formed by the Cat-PECVD method of the present invention is used for a thin film device, the following thin film device can be produced with high performance and low cost.
[0078]
A first example of a thin film device is a photoelectric conversion device. If a film by the Cat-PECVD method of the present invention is used for a photoactive layer, high-performance characteristics can be realized at high speed, that is, at low cost. In particular, in a solar cell that is representative of a photoelectric conversion device, a high-efficiency and low-cost thin-film solar cell is manufactured by fully utilizing the high-speed, high-quality, and large-area film-forming characteristics of the Cat-PECVD method of the present invention. be able to. Of course, the same effect can be obtained with a device having a photoelectric conversion function such as a photodiode, an image sensor, or an X-ray panel.
[0079]
The second device example is a photoreceptor device. If the Cat-PECVD film of the present invention is used for the photoreceptor layer, high-performance characteristics can be realized at high speed, that is, at low cost. In particular, when used for a silicon-based film in a photosensitive drum, a relatively thick silicon-based film ranging from several μm to several tens of μm can be formed with high quality in a short time, which is very effective in reducing the manufacturing cost.
[0080]
A third device example is a display device. If a film by the Cat-PECVD method of the present invention is used as a driving film, high-performance characteristics can be realized at high speed, that is, at low cost. In particular, when used for an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film in a TFT which is a representative example of a large area device next to a solar cell, it is very effective in reducing the manufacturing cost for the same reason as described in the solar cell. In addition to the TFT, a similar effect can be obtained even in an apparatus having a display function such as an image sensor or an X-ray panel.
= Device (see FIG. 6) =
The film processing system for realizing the Cat-PECVD method of the present invention is a film processing system comprising a plurality of vacuum chambers having at least one film forming chamber capable of realizing the above manufacturing method.
[0081]
Here, the plurality of vacuum chambers include at least a p-type film forming film forming chamber, an i-type film forming film forming chamber, and an n-type film forming film forming chamber, and at least an i-type film forming film forming chamber. It is desirable that the chamber is a film forming chamber capable of realizing the Cat-PECVD method of the present invention.
[0082]
Further, it is desirable that at least one of the plurality of vacuum chambers is a film forming chamber capable of realizing the Cat-CVD method. This enables high-speed and high-quality film formation of a hydrogenated amorphous silicon film by, for example, the Cat-CVD method. For example, a hydrogenated amorphous silicon film can be used for the photoactive layer of the top cell of a tandem solar cell. For example, the degree of freedom in combination when forming a multilayer film can be increased. It is known that a hydrogenated amorphous silicon film by a Cat-CVD method can have a lower hydrogen concentration than that by a PECVD method, and it is possible to realize a smaller optical bandgap characteristic having a more excellent light absorption characteristic. it can. In addition, there is an advantage that the photodegradation characteristics, which has been a problem for many years for hydrogenated amorphous silicon films, can be kept low.
[0083]
Further, it is desirable that at least one of the plurality of vacuum chambers is a film forming chamber capable of realizing the PECVD method. As a result, for example, it is possible to realize film deposition on a film surface that is vulnerable to the reduction action of atomic hydrogen, such as an oxide transparent conductive film, under conditions that suppress this reduction action as much as possible. be able to.
[0084]
In addition, it is desirable that the plurality of vacuum chambers include at least a front chamber for the purpose of preventing the film forming chamber from being opened to the atmosphere, and further, if the plurality of vacuum chambers include at least a front chamber and a rear chamber, productivity can be improved. More desirable above. In addition, it is desirable for improving productivity to include at least heating chambers in the plurality of vacuum chambers.
[0085]
The plurality of vacuum chambers can be arranged such that the plurality of vacuum chambers are continuously connected in a line, or the plurality of vacuum chambers are arranged in a star shape so as to be connected to at least one core chamber. You can also
[0086]
Here, it is desirable that the film forming chamber be a vertical type in which a substrate such as a glass substrate is processed into a vertical type. By adopting the vertical type, it becomes difficult to be affected by the falling and adhering of foreign matters such as powder, which is a problem with the horizontal deposition down method, and the uneven temperature on the substrate film surface due to the warping of the substrate that is a problem with the horizontal deposition method. Distribution is unlikely to occur. However, as long as these problems are practically not a problem, it is possible to use a horizontal type.
= Thin film Si solar cell =
Hereinafter, a thin film Si solar cell will be described as a device according to the present invention with reference to FIG. In FIG. 10, 11 is a translucent substrate, 12 is a first transparent conductive film, 13 is a semiconductor multilayer film, 13a is a first semiconductor bonding layer, 13b is a second semiconductor bonding layer, and 14 is a second transparent film. The conductive film, 15a is a metal film serving as a first extraction electrode, and 15b is a metal film serving as a second extraction electrode.
[0087]
First, the translucent substrate 11 is prepared. As the translucent substrate 11, a plate material or a film material made of glass, plastic, resin, or the like can be used.
[0088]
Next, the first transparent conductive film 12 is formed. As a material of the transparent conductive film 12, SnO 2 A known material such as ITO, ZnO can be used, but when forming a subsequent Si film, SiH Four And H 2 Therefore, it is desirable to form a ZnO film having excellent reduction resistance at least as the final surface. As a film forming method, a known technique such as a CVD method, a vapor deposition method, an ion plating method, or a sputtering method can be used. The film thickness of the first transparent conductive film 12 is adjusted in the range of about 60 to 500 nm in consideration of the antireflection effect and low resistance.
[0089]
Next, the semiconductor multilayer film 13 is formed. Here, a tandem type in which a semiconductor film is stacked in a pinpin (or nipnip) configuration will be described as an example, but not limited to a tandem type, a single junction in which a semiconductor film is stacked in a pin (or nip) configuration. Of course, the contents described in this embodiment can be applied to a multi-junction element structure in which a semiconductor film is stacked in a pinpinpin (or nipnipnip) configuration, or a multi-junction element structure having more than that.
[0090]
First, a first semiconductor junction layer 13a including a hydrogenated amorphous silicon film as a photoactive layer is formed. Specifically, it is desirable to have a p-type layer (n-type layer) / photoactive layer / n-type layer (p-type layer) structure (not shown), and the photoactive layer is preferably i-type. In addition, the said description represents the film forming order and means a lower layer / upper layer.
[0091]
Here, as the p-type layer (n-type layer), a crystalline silicon film including a hydrogenated amorphous silicon film or a microcrystalline silicon film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. 1 × 10 for doping element concentration 18 ~ 1x10 twenty one / Cm Three To the extent, practically p + Type (n + Type). SiH used during film formation Four , H 2 And B which is a doping gas 2 H 6 (PH Three ) And other gases in addition to CH Four If a proper amount of gas containing C (carbon) such as x C 1-x A film is obtained, which is very effective for forming a window layer with little light absorption loss, and also effective for reducing dark current components for improving the open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen). Here, as a method for forming the silicon film, a conventionally known PECVD method or Cat-CVD method can be used, but of course, the method of the present invention can also be used.
[0092]
Next, a hydrogenated amorphous silicon film is used for the photoactive layer, and the film thickness is adjusted in the range of about 0.1 to 0.5 μm. The conductivity type is basically i-type, but for the purpose of fine-tuning the internal electric field strength distribution, n - Type (p - (In practice, it is usual that a non-doped film shows a slight n-type characteristic). Here, as a method for forming the hydrogenated amorphous silicon film, a conventionally known PECVD method or Cat-CVD method can be used, but if the method of the present invention is used, a high-quality hydrogenated amorphous silicon film is used. Since the film can be formed at a high speed, a large area and with high productivity, it is particularly effective for the production of a high-efficiency and low-cost thin-film Si solar cell. Further, according to the present invention, the hydrogen concentration in the film can be reduced to 15 atomic% or less, but more preferably, the hydrogen concentration is 10 atomic% or less, more preferably 5 atomic% or less, which is difficult to realize by the conventional PECVD method. Since a film is obtained, the degree of photodegradation, which is a problem that the hydrogenated amorphous silicon film has had for many years, can be reduced.
[0093]
Finally, for the n-type layer (p-type layer), a crystalline silicon film including a hydrogenated amorphous silicon film or a microcrystalline silicon film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. 1 × 10 for doping element concentration 18 -10 twenty one / Cm Three To the extent, essentially n + Type (p + Type). SiH used during film formation Four , H 2 And PH as a doping gas Three (B 2 H 6 ) And other gases in addition to CH Four If a proper amount of gas containing C (carbon) such as x C 1-x A film can be obtained, a film can be formed with little light absorption loss, and it is also effective in reducing dark current components for improving the open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen). Here, as a method for forming the silicon film, a conventionally known PECVD method or Cat-CVD method can be used, but of course, the method of the present invention can also be used.
[0094]
In order to further improve the junction characteristics, a substantially i-type non-layer is formed between the p-type layer (n-type layer) and the photoactive layer or between the photoactive layer and the n-type layer (p-type layer). Single crystal Si layer or non-single crystal Si x C 1-x Layers may be inserted. The thickness of the insertion layer at this time is about 0.5 to 50 nm.
[0095]
Next, a second semiconductor bonding layer 13b including a crystalline silicon film as a photoactive layer is formed. Specifically, it is desirable that p-type layer (n-type layer) / photoactive layer / n-type layer (p-type layer) (not shown) and the photoactive layer be i-type.
[0096]
Here, as the p-type layer (n-type layer), a crystalline silicon film including a hydrogenated amorphous silicon film or a microcrystalline silicon film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. The doping element concentration is 1 × 1E18 to 1E21 / cm Three To the extent, practically p + Type (n + Type). SiH used during film formation Four , H 2 And B which is a doping gas 2 H 6 (PH Three ) And other gases in addition to CH Four If a proper amount of gas containing C (carbon) such as x C 1-x A film is obtained, which is very effective for forming a window layer with little light absorption loss, and also effective for reducing dark current components for improving the open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen). Here, as a method for forming the silicon film, a conventionally known PECVD method or Cat-CVD method can be used, but of course, the method of the present invention can also be used.
[0097]
Next, a crystalline silicon film typified by a microcrystalline silicon film is used for the photoactive layer, and the film thickness is adjusted in the range of about 1 to 3 μm. The conductivity type is basically i-type, but for the purpose of fine-tuning the internal electric field strength distribution, n - Type (p - Type). At this time, as the film structure, the surface shape after film formation is suitable for optical confinement as an aggregate of columnar crystal grains with (110) plane orientation generated as a result of preferential growth of (110) plane among crystal planes. It is desirable to have a natural concavo-convex structure. Here, as a method for forming the crystalline silicon film, a conventionally known PECVD method or Cat-CVD method can be used, but if the method of the present invention is used, a high-quality crystalline silicon film is formed. Since the film can be formed at high speed, large area, and high productivity, it is particularly effective for the production of a high-efficiency and low-cost thin-film Si solar cell. Further, according to the present invention, a crystalline silicon film having a hydrogen concentration in the film of 10 atomic% or less can be obtained, but a film having a low hydrogen concentration of 5 atomic% or less, more preferably 3.5 atomic% or less is more preferable. Obtainable.
[0098]
Here, in the case of a crystalline silicon film, most of the hydrogen exists in the grain boundary portion, and the bonding state and density of the hydrogen with Si depend on the quality of the grain boundary (the carrier rebound at the grain boundary). Is proportional to the reciprocal of the binding speed). That is, SiH in a state in which two H atoms and two other Si atoms are bonded to one Si atom existing in the grain boundary. 2 The higher the bond density, the more so-called post-oxidation phenomenon (when the film is exposed to the air atmosphere after film formation, 2 , CO 2 , H 2 Oxygen-containing gas components such as O are likely to diffuse, adsorb, and oxidize at the crystal grain boundaries in the film, resulting in a change in the bonding state of the crystal grain boundaries. Deterioration of the film quality over time (that is, deterioration of characteristics over time) is caused, but when the hydrogen concentration in the film decreases, the SiH at the grain boundary accordingly 2 Since the bond density is also reduced, the deterioration with time due to the post-oxidation phenomenon described above can be reduced. Specifically, if the hydrogen concentration in the film is 5 atomic% or less, the deterioration rate with time can be suppressed to about several percent or less, and if the hydrogen concentration in the film is 3.5 atomic% or less, the deterioration rate with time is almost zero. can do. As a result, a more efficient solar cell can be manufactured.
[0099]
Finally, for the n-type layer (p-type layer), a crystalline silicon film including a hydrogenated amorphous silicon film or a microcrystalline silicon film can be used. The film thickness is adjusted in the range of about 2 to 100 nm depending on the material. 1 × 10 for doping element concentration 18 -10 twenty one / Cm Three To the extent, essentially n + Type (p + Type). SiH used during film formation Four , H 2 And PH as a doping gas Three (B 2 H 6 ) And other gases in addition to CH Four If a proper amount of gas containing C (carbon) such as x C 1-x A film can be obtained, a film can be formed with little light absorption loss, and it is also effective in reducing dark current components for improving the open circuit voltage. In addition to C, the same effect can be obtained by mixing an appropriate amount of a gas containing O (oxygen) or a gas containing N (nitrogen). Here, as a method for forming the silicon film, a conventionally known PECVD method or Cat-CVD method can be used, but of course, the method of the present invention can also be used.
[0100]
In order to further improve the junction characteristics, a substantially i-type non-single crystal Si is formed between the p-type layer (n-type layer) and the photoactive layer or between the photoactive layer and the n-type layer (p-type layer). Layers may be inserted. The thickness of the insertion layer at this time is about 0.5 to 50 nm.
[0101]
Next, the second transparent conductive film 14 is formed. As a transparent conductive film material, SnO as a metal oxide material 2 ITO, ZnO, or the like can be used. As a film forming method, a known technique such as a CVD method, a vapor deposition method, an ion plating method, a sputtering method, and a sol-gel method can be used. Note that the second transparent conductive film 14 can be omitted if high efficiency is not particularly required.
[0102]
Finally, the metal film 15a and the metal film 15b to be the extraction electrode 1 and the extraction electrode 2 are formed. As the metal material, it is desirable to use Al, Ag, etc., which are excellent in conductive characteristics and light reflection characteristics. As the film forming method, known techniques such as vapor deposition, sputtering, ion plating, and screen printing can be used. The electrode pattern can be formed into a desired pattern using a masking method, a lift-off method, or the like. At this time, the film thickness is about 0.1 μm or more. When the adhesive strength between the metal film 15a and the second transparent conductive film 14 or between the metal film 15b and the first transparent conductive film 12 is weak, a metal thin film such as Ti having a thickness of 1 to 1 is used. It is preferable to interpose between the two films at about 10 nm.
[0103]
In addition, when introducing an optical confinement structure for the purpose of further improving the conversion efficiency, a structure as described in Japanese Patent Application No. 2002-78196 can be employed. That is, the maximum height Rmax of the unevenness at the interface between the first transparent conductive film and the semiconductor multilayer film is smaller than the maximum height Rmax of the unevenness at the interface between the second transparent conductive film and the metal film. (At this time, it is desirable that the maximum height Rmax of the unevenness at the interface between the first transparent conductive film and the semiconductor multilayer film is 0.08 μm or less, and the second transparent conductive film and the metal The maximum height Rmax of the unevenness at the interface with the film is preferably 0.05 μm or more), and the maximum height Rmax of the unevenness at the interface between the semiconductor multilayer film and the second transparent conductive film is the first height The maximum height Rmax of the unevenness at the interface between the transparent conductive film and the semiconductor multilayer film is larger than the maximum height Rmax of the unevenness at the interface between the second transparent conductive film and the metal film. Or a light-transmitting structure By forming a structure in which the interface between the conductive substrate and the first transparent conductive film has a concavo-convex structure, an effective optical confinement structure can be formed, so that the photocurrent density increases. And higher conversion efficiency can be realized.
[0104]
As described above, according to the present invention, a high-quality Si thin film can be formed at a high speed, a large area, and with high productivity, so that a highly efficient and low-cost thin-film Si solar cell can be manufactured. .
[0105]
【The invention's effect】
According to the Cat-PECVD method of claims 1 to 9, the molecular system heated by a raw material gas containing a gas containing Si and / or C in the molecular formula and a thermal catalyst disposed in the gas introduction path is Si. And non-Si non-C gas composed of a gas not containing C are separated from each other and pass through the hollow portions of the first and second gas introduction pipes having a hollow structure installed in the film forming space. When the material gas is ejected from the plurality of gas ejection ports provided in the gas introduction pipes to the film forming space, the non-Si non-C gas is passed through the first gas introduction pipe also serving as an antenna electrode. Is injected into the film forming space through the second gas introduction pipe made of a non-metallic material, and the mixed gas of the raw material gas and the non-Si non-C gas injected into the film forming space is Connected to the first gas inlet pipe It is decomposed and activated by the plasma generated by the high frequency power from the high frequency power source, and a film is deposited on the substrate disposed opposite to the first and second gas introduction pipes in the film forming space. Therefore, it is possible to eliminate the interaction between the high-frequency power for plasma generation and the power for heating the thermal catalyst, making it easier to achieve uniform plasma generation, and producing a uniform film thickness and uniform film quality over a large area. A membrane can be performed.
[0106]
Particularly, in the Cat-PECVD method according to claim 2, since the second gas introduction pipe is made of a ceramic material, it is possible to suppress the gas introduction pipe from being thermally deformed by the radiant heat of the thermal catalyst.
[0108]
According to the film processing system of the tenth aspect, it is possible to manufacture a thin film device with high productivity.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an apparatus structure for realizing a Cat-PECVD method according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for schematically explaining an arrangement example of a gas introduction pipe for realizing a Cat-PECVD method according to the present invention, and is a cross-sectional view of a base film forming surface.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an arrangement example of a gas introduction pipe that realizes a Cat-PECVD method according to the present invention, and is a cross-sectional view of the gas introduction pipe as viewed from the central axis direction.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of a first gas introduction pipe that does not incorporate a thermal catalyst body that realizes the Cat-PECVD method according to the present invention, where the central axis direction of the gas introduction pipe is vertical. FIG.
FIG. 5 is a perspective view schematically illustrating a second gas introduction pipe example made of a metal material that also serves as an antenna electrode without incorporating a thermal catalyst for realizing the Cat-PECVD method according to the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram schematically illustrating a film processing system according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a conventional PECVD apparatus.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a conventional Cat-CVD apparatus.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a Cat-PECVD apparatus.
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing an example of a thin film device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11: Translucent substrate
12: First transparent conductive film
13: Semiconductor multilayer film
13a: first semiconductor junction layer
13b: second semiconductor junction layer
14: Second translucent conductive film
15a: Extraction electrode 1
15b: Extraction electrode 2
101: Raw material gas supply port
102: Non-Si non-C gas supply port
103: Thermal catalyst body
104: Thermal catalyst heating power source
105: Plasma
106a: first gas introduction pipe (also serves as an antenna electrode)
106b: second gas introduction pipe
107: High frequency power supply
108a: Phase converter
108b: Power distributor
109: Substrate
110: Substrate heater
111a: Gas outlet of the first gas introduction pipe
111b: Gas ejection from the second gas introduction pipe
112: Insulating member
113: Chamber
114a: hollow part (non-Si non-C gas path)
114b: Hollow part (raw material gas path)

Claims (10)

分子式にSiおよび/またはCを含むガスを含んだ原料系ガスと、ガス導入経路に配設された熱触媒体によって加熱される分子式にSiとCを含まないガスからなる非Si非C系ガスとが、それぞれ分離された状態で、製膜空間に設置された中空構造を有した第1及び第2のガス導入管の中空部を通ってこれらガス導入管に設けられた複数のガス噴出口から前記製膜空間に噴出されるにあたって、前記原料系ガスはアンテナ電極を兼ねる前記第1のガス導入管を通して、前記非Si非C系ガスは非金属材料からなる前記第2のガス導入管を通して、それぞれ前記製膜空間に噴出され、該製膜空間に噴出された前記原料系ガスと前記非Si非C系ガスの混合ガスは、前記第1のガス導入管に接続された高周波電源からの高周波電力によって生成されたプラズマによって分解・活性化されて、前記製膜空間において前記第1及び第2のガス導入管に対向して配置された基体に膜が堆積されることを特徴とするCat−PECVD法。Non-Si non-C gas comprising a raw material gas containing a gas containing Si and / or C in the molecular formula, and a gas not containing Si and C in the molecular formula heated by a thermal catalyst disposed in the gas introduction path Are separated from each other through a hollow portion of the first and second gas introduction pipes having a hollow structure installed in the film forming space. The raw material gas passes through the first gas introduction pipe that also serves as an antenna electrode, and the non-Si non-C gas passes through the second gas introduction pipe made of a nonmetallic material. The mixed gas of the raw material gas and the non-Si non-C gas injected into the film forming space is supplied from the high frequency power source connected to the first gas introduction pipe. Generated by high frequency power Is decomposed and activated by the plasma, Cat-PECVD method, characterized in that layer on the first and second oppositely disposed substrates gas inlet tube is deposited in the film forming space. 前記第2のガス導入管がセラミックス系の材料からなることを特徴とする請求項1に記載のCat−PECVD法。The Cat-PECVD method according to claim 1, wherein the second gas introduction pipe is made of a ceramic material. 前記アンテナ電極を兼ねる第1のガス導入管は、棒状、またはU字状であることを特徴とする請求項1に記載のCat−PECVD法。  2. The Cat-PECVD method according to claim 1, wherein the first gas introduction pipe also serving as the antenna electrode has a rod shape or a U shape. 前記熱触媒体は前記第2のガス導入管の中空部に設置されていることを特徴とする請求項1に記載のCat−PECVD法。  The Cat-PECVD method according to claim 1, wherein the thermal catalyst is installed in a hollow portion of the second gas introduction pipe. 前記ガス導入管は複数個並列配置されてアレイ状ガス導入管ユニットを成していることを特徴とする請求項1に記載のCat−PECVD法。  The Cat-PECVD method according to claim 1, wherein a plurality of the gas introduction pipes are arranged in parallel to form an array-like gas introduction pipe unit. 前記基体は前記アレイ状ガス導入管ユニットの両側に配置されることを特徴とする請求項5に記載のCat−PECVD法。  6. The Cat-PECVD method according to claim 5, wherein the substrate is disposed on both sides of the arrayed gas introduction pipe unit. 前記基体のアレイ状ガス導入管ユニットに対面する面とは反対側の面には基体加熱ヒーターが配置されていることを特徴とする請求項5に記載のCat−PECVD法。  6. The Cat-PECVD method according to claim 5, wherein a substrate heater is disposed on the surface of the substrate opposite to the surface facing the arrayed gas introduction pipe unit. 前記アレイ状ガス導入管ユニットは、1製膜室に複数個存在し、且つ各ユニットはそれぞれのアレイ面が平行になるように配置されており、それぞれのアレイ状ガス導入管ユニットによる両面同時製膜が行える装置構成となっていることを特徴とする請求項5に記載のCat−PECVD法。  A plurality of the arrayed gas introduction pipe units exist in one film forming chamber, and each unit is arranged so that the respective array surfaces are parallel to each other. The Cat-PECVD method according to claim 5, wherein the Cat-PECVD method has an apparatus configuration capable of forming a film. 前記原料系ガス導入経路および/または前記非Si非C系ガス導入経路に、前記膜中にドーピングするためのガスを導入したことを特徴とする請求項1に記載のCat−PECVD法。  2. The Cat-PECVD method according to claim 1, wherein a gas for doping in the film is introduced into the source gas introduction path and / or the non-Si non-C gas introduction path. 請求項1〜9のいずれかに記載のCat−PECVD法を実現する装置を少なくとも1室含む複数の処理室が接続されて成る膜処理システム。  A film processing system in which a plurality of processing chambers including at least one chamber for realizing the Cat-PECVD method according to claim 1 are connected.
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