JP3857024B2 - Method for forming microcrystalline silicon thin film - Google Patents

Method for forming microcrystalline silicon thin film Download PDF

Info

Publication number
JP3857024B2
JP3857024B2 JP2000216340A JP2000216340A JP3857024B2 JP 3857024 B2 JP3857024 B2 JP 3857024B2 JP 2000216340 A JP2000216340 A JP 2000216340A JP 2000216340 A JP2000216340 A JP 2000216340A JP 3857024 B2 JP3857024 B2 JP 3857024B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
gas
microcrystalline silicon
silicon thin
forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000216340A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002030438A (en
Inventor
和志 林
裕史 後藤
明 小林
清隆 石橋
明光 中上
和人 岡田
勇藏 森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kobe Steel Ltd filed Critical Kobe Steel Ltd
Priority to JP2000216340A priority Critical patent/JP3857024B2/en
Publication of JP2002030438A publication Critical patent/JP2002030438A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3857024B2 publication Critical patent/JP3857024B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマによる化学反応を利用して基材表面に微結晶シリコン薄膜を形成するための方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、薄膜太陽電池用材料としてアモルファスシリコンが脚光を浴びているが、このアモルファスシリコンには光照射による劣化という課題があり、未だ解決に至っていない。そこで、このアモルファスシリコンに代わる材料として、微結晶シリコンが着目されている。この微結晶シリコンは、光伝導度が高く、アモルファスシリコンで問題となる光照射による光劣化も見られないことから、前記アモルファスシリコンをしのぐ次世代高効率薄膜太陽電池用材料として期待されている(応用物理第68巻第10号p.1133、1999年)。
【0003】
従来、このような微結晶シリコンを成膜する手段として、反応容器内に平行平板型電極を設置したプラズマCVD装置を用いる方法が知られている。この方法は、前記装置の一方の電極に高周波電力または直流電力を印加して、接地された他方の電極との間でプラズマを発生させ、発生させたプラズマ内に反応ガスを供給し、プラズマにより反応ガスを分解することにより基材表面に所望の薄膜を得るものである。実際には、アモルファスシリコン成膜用に設計されたプラズマCVD装置を流用し、その反応容器内に、シランガスを水素で大量希釈したものを反応ガスとして供給する方法がとられているのが現状である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記微結晶シリコンを半導体薄膜材料として実用化するには、その製造コストの低減が最重要課題となる。例えば、微結晶シリコンを太陽電池モジュールに適用する場合、この微結晶シリコンはアモルファスシリコンに比べて光の吸収係数が小さいため、当該微結晶シリコンを太陽電池として機能させるにはアモルファスシリコンの10倍程度の膜厚が必要であり、その形成速度の高速化が不可欠となる。さらに、太陽電池の薄膜として用いるには、大面積の領域に均一な薄膜を形成する必要があり、このためにはプラズマ空間に均一かつ効率よく反応ガスを供給することが重要となる。
【0005】
しかしながら、一般的なプラズマCVD装置を用いた場合の微結晶シリコンの形成速度は1Å/s程度であり、工業的には不十分である。現在、小さな基材を用いた実験室レベルでは、プラズマ発生に波長の短いVHFを利用したり(Technical digest of the international PVSEC-11, p.945)、成膜速度を向上させるために反応ガス圧力を高くしたり(Technical digest of the international PVSEC-11, p.939)する技術も報告されているが、これらの技術では、雰囲気に大量に存在する水素の影響もあって、大面積で均一にプラズマを発生させることは困難である。さらに、圧力の向上に伴ってパーティクルが発生したり、プラズマ空間に対するガス供給が不均一になったりするため、基材上への均一な成膜はより困難となる。
【0006】
本発明が解決しようとする課題は、このように従来不可能とされていた微結晶シリコンの大面積かつ均一な薄膜を高速で形成することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは詳細な検討と精密な実験を行った結果、回転する電極を用いたプラズマCVD法により、従来不可能であった微結晶シリコンの大面積かつ均一な高速形成を実現できることを発見した。
【0008】
なお、このように回転電極を用いて成膜を行うプラズマCVD法は特開平9−104958号公報に記載されているが、同公報に開示されているのはアモルファスシリコン薄膜を形成する方法であり、微結晶シリコン薄膜を形成する方法についての開示、特に成膜条件についての詳細な開示はされていない。
【0009】
前記回転電極を用いたCVD法では、雰囲気圧力が高いため、水素及びシラン混合ガスの供給だけでは十分な結晶化エネルギーを成膜中に与えることができない。従って、前記回転電極を用いたプラズマCVDによって良好な微結晶シリコン薄膜を形成するには、ヘリウムをはじめとする不活性ガスの分解に形成されたエネルギー的に高い中性ラジカルの補助により結晶化を行わせる必要がある。その一方、質量の大きい不活性ガスが雰囲気ガス中に過度に混入すると、イオン衝撃の原因となり、基材表面にダメージを与えて結晶化を阻害する要因となる。
【0010】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、基材表面に微結晶シリコン薄膜を形成するための方法であって、円筒状の外周面をもつ回転電極が配置された反応容器内にシラン及び水素を含む反応ガスと不活性ガスとを導入する工程と、前記回転電極を回転させながら当該回転電極と基板とを対向させてその隙間にプラズマを発生させる工程と、そのプラズマにより前記反応ガスに化学反応を起こさせて前記基板上に薄膜を形成しながら前記基材を前記回転電極に対してその回転中心軸と略直交する方向に相対移動させる工程とを含み、前記反応容器内に導入される反応ガスのシランガスの分圧に対する水素ガスの分圧の比を12以上100以下とし、前記不活性ガスの分圧に対する反応ガスの分圧の比を0.05以上10以下とするものである。
【0011】
ここで「微結晶シリコン薄膜」とは、狭義では、ラマン散乱分光で520cm-1付近にTOフォノンに起因するピークを持つ、数10nm程度の結晶からなるシリコン膜のことを示すが、本発明にいう「微結晶シリコン薄膜」はこれに限らず、粒径が1nm乃至1000nm程度の多結晶シリコンからなる膜や、ナノ結晶成分やアモルファス成分を同時に含有する膜なども含む広い概念を意味するものである。
【0012】
前記の方法によれば、電極の回転に沿って反応ガスを効率よくプラズマ空間に導入することができるだけでなく、同ガスを基材表面に層流として引き込むことができる。従って、例えば基材に比べて十分横幅のある電極を用いることで、反応ガスを基材上に均一な状態で流すことができる。また、この方法では、数mm程度かそれより狭いギャップでプラズマ発生が可能であり、例えば共振器を利用して高周波電力を昇圧して電極間に印加することにより、電極間の電界強度を高くでき、水素濃度が高い状態でもプラズマを発生させることができる。さらに、回転電極を利用することにより、プラズマの集中に伴う電極の温度上昇を防ぐことができる。
【0013】
しかも、本発明では、適切に水素希釈されたシランガスを適切な濃度でプラズマ内に導入することにより、良好な微結晶シリコン薄膜の形成を可能にしている。具体的には、前記反応容器内に導入される反応ガスのうちのシランガスの分圧に対する水素ガスの分圧の比を12以上としているので、当該分圧比が12未満である場合に比べてシリコンの結晶化率を飛躍的に高めることができ、また、同分圧比を100以下にして水素ガスの過剰供給を抑えることにより、結晶成長に必要な水素の引き抜きを良好にするとともに、過剰の水素ガスによって基材表面へのシランラジカルの吸着が阻害されるのを防ぐことができる。さらに、前記分圧比を50以下とすれば、水素によるエッチング作用を抑えて、より良好な薄膜を形成することが可能になる。
【0014】
一方、本発明では、不活性ガスの分圧に対する反応ガスの分圧の比を10以下としているので、不活性ガスの分解に形成されたエネルギー的に高い中性ラジカルの補助により、十分な結晶化を行わせることができる。しかも、前記分圧比を0.05以上としているので、質量の大きい不活性ガスが雰囲気ガス中に過度に混入することに起因するイオン衝撃を抑え、このイオン衝撃が基材表面での結晶化を阻害することを防ぐことができる。
【0015】
すなわち、本発明は、前記各分圧比の設定により、回転電極を用いたプラズマCVDによる良好な微結晶シリコン薄膜の形成を可能にしているのである。
【0016】
本発明では、前記回転電極の使用により、電子温度を十分低く保つことができる利点が得られるが、ヘリウムなどの不活性ガスは電子温度を上昇させることが知られており、かかる不活性ガスを多く導入すると前記利点が半減することになる。従って、不活性ガスの分圧に対する反応ガスの分圧の比は0.2以上とすることが、より好ましい。
【0017】
ここで、前記反応容器内に前記反応ガス以外に含まれる不活性ガスはヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンからなる群より選ばれる。
【0018】
本発明では、前記回転電極を使用する関係上、前記反応容器内の全圧を80Torr以上で500Torr以下(すなわち1.07×104Pa以上で6.67×104Pa以下)とすることが望ましい。全圧が80Torr未満であると、回転電極を回転させても当該回転電極と基材表面との間に形成された微小隙間にガスを吸引することが困難となり、逆に全圧が500Torrを超えると、せっかく生成されたラジカル種が基材表面に到達する前に反応容器から排出されてしまうおそれが高くなり、また、気相中でシリコン原子同士がぶつかる確率が増えてパーティクルが発生しやすくなるからである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図1及び図2に基づいて説明する。
【0020】
図1において、密閉された反応容器10内には、基材搬送台12が設置され、その上に基材14が載置されるとともに、これら基材搬送台12及び基材14がアースに接続されている。そして、この基材14と僅かな隙間をもって対向するように回転電極18が配設されている。この回転電極18は、図の奥行き方向に延びる略円筒状の電極本体の中心部を回転軸16が貫いてなり、この回転軸16の両端が図略の支柱により回転可能に支持されている。回転軸16の端部は、導電性ワイヤ17及び反応容器外面に設けられた共振器(インピーダンスマッチング装置)19を介して図2に示す高周波電源20(直流電源でもよい。)に接続されている。
【0021】
この装置において、反応容器10内を排気し、回転電極18を回転させながらこれに高周波電力(直流電力でもよい)を印加して当該回転電極18と基材14との間にプラズマ22を発生させるとともに、図略の反応ガス供給源から反応ガス(SiH4とH2との混合ガス)及び希釈ガス(例えばHeなどの不活性ガス)を反応容器10内に導入すると、これらのガスは回転電極18の回転によって当該回転電極18と基材14との間に巻き込まれてプラズマ22に導かれ、ここで前記反応ガスが化学反応を起こす。このような化学反応を起こさせながら基材14を基材搬送台12とともに所定方向(回転電極18の回転軸方向と直交する方向)に走査する結果、基材14上の大面積の領域に薄膜23を高速形成することができる。
【0022】
この方法において、前記反応ガスのうちのシランガスの分圧に対する水素ガスの分圧の比を12以上100以下(より好ましくは50以下)とし、かつ、不活性ガスの分圧に対する反応ガスの分圧の比を0.05以上(より好ましくは0.2以上)10以下とすれば、前述の理由により、基材14上に形成される薄膜23を十分に結晶化された良好な微結晶シリコン薄膜とすることができる。また、反応容器10内の全圧を80Torr以上500Torr以下とするのがより好ましいことも、前述の通りである。
【0023】
なお、この実施の形態では、反応ガス及び不活性ガスのみを反応容器10内に導入して真性半導体薄膜を形成する方法を示したが、本発明はその他のガスの添加を排除するものではない。例えば、ジボランやフォスフィンに代表されるドーピングガスを添加してp型またはn型の半導体層を形成したり、バンドギャップ制御のために炭素源となるガスを添加したりすることは自由である。
【0024】
微結晶シリコンの形成温度は300℃以下、特に220℃以下であることが望ましいが、本発明はそれ以上の温度での成膜を除外するものではない。また、基材には一般にガラス基板が用いられることが多いが、基材の材質、特に表面材質は、前記ガラスに限られず、例えばガラス上に形成されたアモルファスシリコンや微結晶シリコン薄膜に重ねて微結晶シリコン薄膜を形成するようにしてもよい。また、単結晶シリコンなどを基材に用いた場合、本発明方法によって単結晶や粒径の大きな多結晶シリコンを形成することが可能である。
【0025】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について述べる。
【0026】
実施例1
プラズマCVD装置として、前記図1に示した回転電極18が幅30cmのアルミ合金製ドラム型電極であり、その回転駆動手段として回転軸16に高速回転モータが連結されたものを用いる。前記回転電極は防振用マグネットカップリングおよび磁気流体シールを介して前記高速回転モータに連結する。プラズマ発生用の電源には150MHzの高周波電源を用い、インピーダンスマッチングユニットを介して電極部に高周波電力を印加し、成膜ギャップ内にプラズマを発生させる。成膜ギャップは代表的な値として500ミクロンを採用する。回転電極後部には発生したパーティクルを除去するためのダクトを設け、フィルターによりパーティクルの除去を行う。
【0027】
この装置において、洗浄処理及び乾燥処理が施されたパイレックスガラス基材を試料台にセットし、成膜ギャップを調節し、真空排気を行った後、ヘリウムと水素及びシランからなる反応ガスとの混合気体をマスフローコントローラーを通してチャンバーに導入し、雰囲気圧力を400Torrにした。次に電極を回転させながらプラズマを発生させ、基材表面に微結晶シリコンの成膜を行った。このときの成膜条件は、シラン分圧1.5Torr、水素分圧28.5Torr、基材温度200℃、成膜時間60秒であり、全投入電力は約1000W(電極幅1cmあたりの投入電力は約33W)である。
【0028】
この条件で得られた薄膜をラマン分光分析した結果、図3(a)に示すようなラマンシフトが得られ、形成された薄膜が微結晶とアモルファスの混ざったシリコン、すなわち本発明にいう微結晶シリコンからなる薄膜であることが確認できた。
【0029】
一方、比較例として、水素分圧を8.5Torrとし、その他の成膜条件は前記と全く等しく設定して成膜実験を行った。この実験により得られたシリコン薄膜をラマン分析した結果を図3(b)に示す。同図に示されるラマンシフトは明らかにアモルファスシリコンのものであり、結晶化はほとんど認められない。
【0030】
実施例2
次に、水素希釈の効果を見るため、シラン分圧を10Torrに固定して水素希釈比のみ変化させて成膜実験を行った。全圧は基本的に200Torrとしたが、反応ガスの分圧が高い場合には当該分圧と不活性ガスの分圧との比となるように圧力調整をした。その他の条件は実施例1と同様である。この実験で得られた結果を図4に示す。同図から、シランに対する水素の濃度が12以上で結晶化率が急激に上昇することが理解できる。
【0031】
【発明の効果】
以上のように本発明は、反応容器内に設けられた電極を回転させながらプラズマCVDを行うことにより基材表面に微結晶シリコン薄膜を形成するものであり、前記反応容器内に導入される反応ガスのうちのシランガスの分圧に対する水素ガスの分圧の比を12以上100以下(よりこのましくは50以下)とし、かつ、不活性ガスの分圧に対する反応ガスの分圧の比を0.2以上(より好ましくは0.4以上)10以下とするものであるので、微結晶シリコン薄膜を大面積の領域に高速形成することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を実施するための微結晶シリコン薄膜形成装置の一例を示す断面正面図である。
【図2】同装置の要部を示す概略斜視図である。
【図3】(a)は本発明にかかる実施例で得られたシリコン薄膜のラマン散乱分光結果を示した図、(b)は比較例で得られたシリコン薄膜のラマン散乱分光結果を示した図である。
【図4】反応ガスにおける水素の希釈比とシリコン結晶化率との関係を示した図である。
【符号の説明】
10 反応容器
12 基材搬送台
14 基材
18 回転電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for forming a microcrystalline silicon thin film on a substrate surface using a chemical reaction by plasma.
[0002]
[Prior art]
In recent years, amorphous silicon has attracted attention as a thin film solar cell material. However, the amorphous silicon has a problem of deterioration due to light irradiation, and has not yet been solved. Therefore, microcrystalline silicon has attracted attention as a material that can replace this amorphous silicon. This microcrystalline silicon has high photoconductivity and no photodegradation due to light irradiation, which is a problem with amorphous silicon, and is expected as a next-generation high-efficiency thin-film solar cell material that surpasses the amorphous silicon ( Applied Physics Vol.68, No.10, p.1133, 1999).
[0003]
Conventionally, as a means for forming such a microcrystalline silicon film, a method using a plasma CVD apparatus in which parallel plate electrodes are installed in a reaction vessel is known. In this method, high frequency power or direct current power is applied to one electrode of the apparatus to generate plasma with the other electrode grounded, and a reactive gas is supplied into the generated plasma. A desired thin film is obtained on the substrate surface by decomposing the reaction gas. Actually, there is currently a method of diverting a large amount of silane gas diluted with hydrogen into the reaction vessel as a reaction gas using a plasma CVD device designed for amorphous silicon film formation. is there.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to put the microcrystalline silicon into practical use as a semiconductor thin film material, the reduction of its manufacturing cost is the most important issue. For example, when microcrystalline silicon is applied to a solar cell module, the microcrystalline silicon has a light absorption coefficient smaller than that of amorphous silicon. Therefore, in order to make the microcrystalline silicon function as a solar cell, it is about 10 times that of amorphous silicon. Therefore, it is essential to increase the formation speed. Furthermore, in order to use as a thin film of a solar cell, it is necessary to form a uniform thin film in a large area, and for this purpose, it is important to supply the reaction gas uniformly and efficiently to the plasma space.
[0005]
However, when a general plasma CVD apparatus is used, the formation rate of microcrystalline silicon is about 1 s / s, which is insufficient industrially. Currently, at the laboratory level using small substrates, VHF with a short wavelength is used for plasma generation (Technical digest of the international PVSEC-11, p.945), and the reaction gas pressure is used to improve the deposition rate. Technology (Technical digest of the international PVSEC-11, p.939) has also been reported, but these technologies are also uniform in a large area due to the influence of a large amount of hydrogen in the atmosphere. It is difficult to generate plasma. Furthermore, particles are generated as the pressure is increased, and gas supply to the plasma space becomes non-uniform, so that uniform film formation on the substrate becomes more difficult.
[0006]
The problem to be solved by the present invention is to form a large-area and uniform thin film of microcrystalline silicon, which has been impossible in the past, at high speed.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of detailed examinations and precise experiments, the present inventors have found that plasma CVD using a rotating electrode can realize a large area and uniform high-speed formation of microcrystalline silicon, which was impossible in the past. did.
[0008]
The plasma CVD method for forming a film using a rotating electrode is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-104958. However, the method disclosed in this publication is a method for forming an amorphous silicon thin film. However, there is no disclosure of a method for forming a microcrystalline silicon thin film, particularly a detailed disclosure of film forming conditions.
[0009]
In the CVD method using the rotating electrode, since the atmospheric pressure is high, sufficient crystallization energy cannot be given during film formation only by supplying hydrogen and silane mixed gas. Therefore, in order to form a good microcrystalline silicon thin film by plasma CVD using the rotating electrode, crystallization is performed with the aid of high energy neutral radicals formed by decomposition of inert gas such as helium. Need to be done. On the other hand, when an inert gas having a large mass is excessively mixed in the atmospheric gas, it causes ion bombardment, and damages the surface of the base material to inhibit crystallization.
[0010]
The present invention has been made paying attention to this point, and is a method for forming a microcrystalline silicon thin film on the surface of a substrate, in a reaction vessel in which a rotating electrode having a cylindrical outer peripheral surface is arranged. Introducing a reactive gas containing silane and hydrogen and an inert gas into the substrate, causing the rotating electrode and the substrate to face each other while rotating the rotating electrode, generating plasma in the gap, and A step of causing a chemical reaction to the reaction gas to form a thin film on the substrate and moving the base material relative to the rotating electrode in a direction substantially perpendicular to a rotation center axis thereof, The ratio of the partial pressure of the hydrogen gas to the partial pressure of the silane gas of the reaction gas introduced into the gas is 12 to 100, and the ratio of the partial pressure of the reactive gas to the partial pressure of the inert gas is 0.05 to 10 Than it is.
[0011]
Here, in the narrow sense, “microcrystalline silicon thin film” refers to a silicon film made of crystals of about several tens of nanometers having a peak due to TO phonons in the vicinity of 520 cm −1 by Raman scattering spectroscopy. The term “microcrystalline silicon thin film” refers to a broad concept including, but not limited to, a film made of polycrystalline silicon having a particle size of about 1 nm to 1000 nm, and a film containing nanocrystalline components and amorphous components simultaneously. is there.
[0012]
According to the above-described method, not only can the reactive gas be efficiently introduced into the plasma space along the rotation of the electrode, but also the gas can be drawn into the substrate surface as a laminar flow. Therefore, for example, by using an electrode having a sufficiently wide width as compared with the base material, the reaction gas can be flowed uniformly on the base material. In addition, in this method, plasma can be generated with a gap of several millimeters or narrower. For example, by using a resonator to boost high frequency power and applying it between the electrodes, the electric field strength between the electrodes can be increased. And plasma can be generated even in a high hydrogen concentration state. Furthermore, by using the rotating electrode, it is possible to prevent the temperature of the electrode from rising due to the concentration of plasma.
[0013]
Moreover, in the present invention, it is possible to form a good microcrystalline silicon thin film by introducing a silane gas appropriately diluted with hydrogen into the plasma at an appropriate concentration. Specifically, since the ratio of the partial pressure of hydrogen gas to the partial pressure of silane gas in the reaction gas introduced into the reaction vessel is set to 12 or more, silicon is compared with the case where the partial pressure ratio is less than 12. In addition, the partial pressure ratio is set to 100 or less to suppress excessive supply of hydrogen gas, so that the extraction of hydrogen necessary for crystal growth is improved and excess hydrogen is removed. It is possible to prevent the gas from inhibiting the adsorption of silane radicals on the substrate surface. Furthermore, if the partial pressure ratio is 50 or less, it becomes possible to suppress the etching action by hydrogen and form a better thin film.
[0014]
On the other hand, in the present invention, since the ratio of the partial pressure of the reactive gas to the partial pressure of the inert gas is 10 or less, sufficient crystallization is achieved with the aid of the energetically high neutral radical formed in the decomposition of the inert gas. Can be made. Moreover, since the partial pressure ratio is 0.05 or more, ion bombardment caused by excessive mixing of an inert gas having a large mass into the atmospheric gas is suppressed, and this ion bombardment causes crystallization on the substrate surface. Inhibiting can be prevented.
[0015]
That is, according to the present invention, it is possible to form a good microcrystalline silicon thin film by plasma CVD using a rotating electrode by setting the respective partial pressure ratios.
[0016]
In the present invention, the use of the rotating electrode provides the advantage that the electron temperature can be kept sufficiently low. However, it is known that an inert gas such as helium increases the electron temperature. The introduction of a large amount will halve the above-mentioned advantage. Therefore, the ratio of the partial pressure of the reactive gas to the partial pressure of the inert gas is more preferably 0.2 or more.
[0017]
Here, the inert gas contained in the reaction vessel other than the reaction gas is selected from the group consisting of helium, neon, argon, krypton, and xenon.
[0018]
In the present invention, it is desirable that the total pressure in the reaction vessel is 80 Torr or more and 500 Torr or less (that is, 1.07 × 10 4 Pa or more and 6.67 × 10 4 Pa or less) because the rotating electrode is used. When the total pressure is less than 80 Torr, it becomes difficult to suck the gas into the minute gap formed between the rotating electrode and the substrate surface even if the rotating electrode is rotated. Conversely, the total pressure exceeds 500 Torr. Then, there is a high risk that the radical species generated will be discharged from the reaction vessel before reaching the substrate surface, and the probability that silicon atoms will collide with each other in the gas phase increases and particles are likely to be generated. Because.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0020]
In FIG. 1, a base material carrier 12 is installed in a sealed reaction vessel 10, and a base material 14 is placed thereon, and the base material carrier 12 and the base material 14 are connected to ground. Has been. A rotating electrode 18 is disposed so as to face the substrate 14 with a slight gap. The rotating electrode 18 has a rotating shaft 16 extending through the center of a substantially cylindrical electrode body extending in the depth direction in the figure, and both ends of the rotating shaft 16 are rotatably supported by columns not shown. The end of the rotating shaft 16 is connected to a high-frequency power source 20 (which may be a DC power source) shown in FIG. 2 via a conductive wire 17 and a resonator (impedance matching device) 19 provided on the outer surface of the reaction vessel. .
[0021]
In this apparatus, the inside of the reaction vessel 10 is evacuated, and a high-frequency power (or DC power) may be applied to the rotating electrode 18 while rotating the rotating electrode 18 to generate plasma 22 between the rotating electrode 18 and the substrate 14. At the same time, when a reaction gas (mixed gas of SiH 4 and H 2 ) and a dilution gas (for example, an inert gas such as He) are introduced into the reaction vessel 10 from a reaction gas supply source (not shown), these gases are rotated electrodes. By the rotation of 18, it is caught between the rotating electrode 18 and the substrate 14 and guided to the plasma 22, where the reaction gas causes a chemical reaction. As a result of scanning the base material 14 in a predetermined direction (direction orthogonal to the rotational axis direction of the rotary electrode 18) together with the base material transport table 12 while causing such a chemical reaction, a thin film is formed on a large area on the base material 14. 23 can be formed at high speed.
[0022]
In this method, the ratio of the partial pressure of hydrogen gas to the partial pressure of silane gas in the reaction gas is set to 12 or more and 100 or less (more preferably 50 or less), and the partial pressure of the reaction gas with respect to the partial pressure of the inert gas. If the ratio is 0.05 or more (more preferably 0.2 or more) and 10 or less, a good microcrystalline silicon thin film in which the thin film 23 formed on the base material 14 is sufficiently crystallized for the reasons described above. It can be. Further, as described above, it is more preferable that the total pressure in the reaction vessel 10 is 80 Torr or more and 500 Torr or less.
[0023]
In this embodiment, the method of forming the intrinsic semiconductor thin film by introducing only the reaction gas and the inert gas into the reaction vessel 10 is shown, but the present invention does not exclude the addition of other gases. . For example, it is free to add a doping gas typified by diborane or phosphine to form a p-type or n-type semiconductor layer, or to add a gas serving as a carbon source for band gap control.
[0024]
Although the formation temperature of microcrystalline silicon is desirably 300 ° C. or lower, particularly 220 ° C. or lower, the present invention does not exclude film formation at higher temperatures. In general, a glass substrate is often used as the base material, but the material of the base material, particularly the surface material, is not limited to the glass, and for example, it is superimposed on an amorphous silicon or microcrystalline silicon thin film formed on the glass. A microcrystalline silicon thin film may be formed. Further, when single crystal silicon or the like is used as a base material, it is possible to form single crystal or polycrystalline silicon having a large particle size by the method of the present invention.
[0025]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described.
[0026]
Example 1
As the plasma CVD apparatus, the rotating electrode 18 shown in FIG. 1 is a drum electrode made of aluminum alloy having a width of 30 cm, and a rotating drive means having a high-speed rotating motor connected to the rotating shaft 16 is used. The rotating electrode is connected to the high-speed rotating motor through a vibration-proof magnet coupling and a magnetic fluid seal. A high frequency power source of 150 MHz is used as a power source for generating plasma, and high frequency power is applied to the electrode portion via the impedance matching unit to generate plasma in the film forming gap. A typical value for the deposition gap is 500 microns. A duct for removing generated particles is provided at the rear of the rotating electrode, and the particles are removed by a filter.
[0027]
In this apparatus, a Pyrex glass substrate that has been subjected to a cleaning process and a drying process is set on a sample stage, a film formation gap is adjusted, a vacuum evacuation is performed, and then helium is mixed with a reaction gas composed of hydrogen and silane. Gas was introduced into the chamber through the mass flow controller, and the atmospheric pressure was 400 Torr. Next, plasma was generated while rotating the electrode, and a microcrystalline silicon film was formed on the surface of the substrate. The film formation conditions at this time are: silane partial pressure 1.5 Torr, hydrogen partial pressure 28.5 Torr, substrate temperature 200 ° C., film formation time 60 seconds, total input power about 1000 W (input power per 1 cm of electrode width is about 33W).
[0028]
As a result of Raman spectroscopic analysis of the thin film obtained under these conditions, a Raman shift as shown in FIG. 3A was obtained, and the formed thin film was silicon in which microcrystal and amorphous were mixed, that is, microcrystal as referred to in the present invention. It was confirmed that the thin film was made of silicon.
[0029]
On the other hand, as a comparative example, a film formation experiment was performed with a hydrogen partial pressure of 8.5 Torr and other film formation conditions set to be exactly the same as described above. FIG. 3B shows the result of Raman analysis of the silicon thin film obtained by this experiment. The Raman shift shown in the figure is clearly that of amorphous silicon, and almost no crystallization is observed.
[0030]
Example 2
Next, in order to see the effect of hydrogen dilution, a film formation experiment was performed with the silane partial pressure fixed at 10 Torr and only the hydrogen dilution ratio changed. The total pressure was basically 200 Torr, but when the partial pressure of the reaction gas was high, the pressure was adjusted so that the ratio between the partial pressure and the partial pressure of the inert gas was obtained. Other conditions are the same as in the first embodiment. The results obtained in this experiment are shown in FIG. From this figure, it can be understood that the crystallization rate rapidly increases when the concentration of hydrogen relative to silane is 12 or more.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, the present invention forms a microcrystalline silicon thin film on the surface of a substrate by performing plasma CVD while rotating an electrode provided in the reaction vessel, and a reaction introduced into the reaction vessel. The ratio of the partial pressure of hydrogen gas to the partial pressure of silane gas in the gas is 12 or more and 100 or less (more preferably 50 or less), and the ratio of the partial pressure of the reaction gas to the partial pressure of the inert gas is 0. .2 or more (more preferably 0.4 or more) and 10 or less, there is an effect that a microcrystalline silicon thin film can be formed at high speed in a large area.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional front view showing an example of a microcrystalline silicon thin film forming apparatus for carrying out the method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a main part of the apparatus.
FIG. 3A is a diagram showing the results of Raman scattering spectroscopy of a silicon thin film obtained in an example according to the present invention, and FIG. 3B is a diagram showing the results of Raman scattering spectroscopy of a silicon thin film obtained in a comparative example. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a dilution ratio of hydrogen in a reaction gas and a silicon crystallization rate.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Reaction container 12 Base material conveyance base 14 Base material 18 Rotating electrode

Claims (5)

基材表面に微結晶シリコン薄膜を形成するための方法であって、円筒状の外周面をもつ回転電極が配置された反応容器内にシラン及び水素を含む反応ガスと不活性ガスとを導入する工程と、前記回転電極を回転させながら当該回転電極と基板とを対向させてその隙間にプラズマを発生させる工程と、そのプラズマで前記反応ガスに化学反応を起こさせて前記基板上に薄膜を形成しながら前記基材を前記回転電極に対してその回転中心軸と略直交する方向に相対移動させる工程とを含み、前記反応容器内に導入される反応ガスのシランガスの分圧に対する水素ガスの分圧の比を12以上100以下とし、前記不活性ガスの分圧に対する反応ガスの分圧の比を0.05以上10以下とすることを特徴とする微結晶シリコン薄膜の形成方法。A method for forming a microcrystalline silicon thin film on a substrate surface, wherein a reaction gas containing silane and hydrogen and an inert gas are introduced into a reaction vessel in which a rotating electrode having a cylindrical outer peripheral surface is arranged. Forming a thin film on the substrate by causing a chemical reaction to the reactive gas with the plasma and generating a plasma in the gap between the rotating electrode and the substrate facing each other while rotating the rotating electrode And the relative movement of the base material in the direction substantially perpendicular to the rotation center axis with respect to the rotating electrode, and the fraction of hydrogen gas relative to the partial pressure of the silane gas of the reaction gas introduced into the reaction vessel A method for forming a microcrystalline silicon thin film, characterized in that a pressure ratio is 12 or more and 100 or less, and a ratio of a partial pressure of the reaction gas to a partial pressure of the inert gas is 0.05 or more and 10 or less. 請求項1記載の微結晶シリコン薄膜の形成方法において、前記反応容器内に導入される不活性ガスの分圧に対する反応ガスの分圧の比を0.2以上10以下とすることを特徴とする微結晶シリコン薄膜の形成方法。2. The method for forming a microcrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein a ratio of a partial pressure of the reaction gas to a partial pressure of the inert gas introduced into the reaction vessel is 0.2 or more and 10 or less. A method for forming a microcrystalline silicon thin film. 請求項1または2記載の微結晶シリコン薄膜の形成方法において、前記反応容器内に導入される反応ガスのシランガスの分圧に対する水素ガスの分圧の比を12以上50以下とすることを特徴とする微結晶シリコン薄膜の形成方法。3. The method for forming a microcrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein a ratio of a partial pressure of hydrogen gas to a partial pressure of silane gas of the reaction gas introduced into the reaction vessel is 12 or more and 50 or less. A method for forming a microcrystalline silicon thin film. 請求項1〜3のいずれかに記載の微結晶シリコン薄膜の形成方法において、前記反応容器内の全圧を80Torr以上500Torr以下とすることを特徴とする微結晶シリコン薄膜の形成方法。4. The method for forming a microcrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the total pressure in the reaction vessel is 80 Torr or more and 500 Torr or less. 請求項1〜4のいずれかに記載の微結晶シリコン薄膜の形成方法において、前記反応容器内に含まれる不活性ガスがヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンからなる群より選ばれる少なくとも1種類であることを特徴とする微結晶シリコン薄膜の形成方法。5. The method for forming a microcrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein the inert gas contained in the reaction vessel is at least one selected from the group consisting of helium, neon, argon, krypton, and xenon. There is provided a method for forming a microcrystalline silicon thin film.
JP2000216340A 2000-07-17 2000-07-17 Method for forming microcrystalline silicon thin film Expired - Fee Related JP3857024B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000216340A JP3857024B2 (en) 2000-07-17 2000-07-17 Method for forming microcrystalline silicon thin film

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000216340A JP3857024B2 (en) 2000-07-17 2000-07-17 Method for forming microcrystalline silicon thin film

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002030438A JP2002030438A (en) 2002-01-31
JP3857024B2 true JP3857024B2 (en) 2006-12-13

Family

ID=18711621

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000216340A Expired - Fee Related JP3857024B2 (en) 2000-07-17 2000-07-17 Method for forming microcrystalline silicon thin film

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3857024B2 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3480448B2 (en) * 2001-03-05 2003-12-22 森 勇蔵 High-speed epitaxial Si film formation method
DE10308381B4 (en) * 2003-02-27 2012-08-16 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for the deposition of silicon
JP5055845B2 (en) * 2006-06-07 2012-10-24 富士ゼロックス株式会社 Thin film forming method and thin film forming apparatus
KR101181411B1 (en) 2010-12-02 2012-09-19 한국기계연구원 Method for controlling the crystallinity of micro-crystal silicon thin film deposited by atmospheric pressure plasma cvd apparatus
JP5825954B2 (en) * 2011-09-26 2015-12-02 日東電工株式会社 Surface treatment device and magnetic seal type current introduction terminal

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63175417A (en) * 1987-01-16 1988-07-19 Toa Nenryo Kogyo Kk Manufacture of silicon crystalline thin film
JP3295310B2 (en) * 1995-08-08 2002-06-24 三洋電機株式会社 High-speed film forming method and apparatus using rotating electrode
JP3634608B2 (en) * 1997-12-26 2005-03-30 三洋電機株式会社 Thin film forming apparatus using rotating electrode
JP4110623B2 (en) * 1998-07-28 2008-07-02 松下電工株式会社 Thin film thermistor device and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002030438A (en) 2002-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7723218B2 (en) Plasma CVD apparatus
JPH04240725A (en) Etching method
EP0478984A1 (en) Plasma enhanced chemical vapor processing system using hollow cathode effect
Mori et al. Atmospheric pressure plasma chemical vapor deposition system for high-rate deposition of functional materials
US6720037B2 (en) Plasma processing method and apparatus
TW200823977A (en) Plasma doping method and plasma doping apparatus
JP3857024B2 (en) Method for forming microcrystalline silicon thin film
JPH08293483A (en) Flattening method for solid surface with gas cluster ion beam
US6673722B1 (en) Microwave enhanced CVD system under magnetic field
Mori et al. High-rate growth of epitaxial silicon at low temperatures (530–690° C) by atmospheric pressure plasma chemical vapor deposition
JP2012054377A (en) Plasma chemical vapor deposition (cvd) device
Yasutake et al. An atomically controlled Si film formation process at low temperatures using atmospheric-pressure VHF plasma
JP4009098B2 (en) Film forming method and apparatus
JP3615919B2 (en) Plasma CVD equipment
Mantei et al. Diamond deposition in a permanent magnet microwave electron cyclotron resonance discharge
JPS6348817A (en) Epitaxial growth method
JPH0252422A (en) Manufacture of thin film and apparatus therefor
JPS6062113A (en) Plasma cvd equipment
JPH05213695A (en) Method for depositing thin diamond film
JP2649331B2 (en) Plasma processing method
JP3486292B2 (en) Cleaning method of metal mesh heater
JP3991446B2 (en) Thin film forming equipment
JP3584896B2 (en) Method for forming crystalline silicon film and apparatus for forming crystalline silicon film
JP2000058460A (en) Silicon thin-film manufacturing method
Hayashi et al. Role of cyclic process in the initial stage of diamond deposition during bias enhanced nucleation

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040402

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060816

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060912

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060913

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090922

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100922

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100922

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130922

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees