JP3862615B2 - シリコン系薄膜形成装置およびシリコン系薄膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波プラズマCVDを用いてシリコン系薄膜を形成する装置及び方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
シリコン系薄膜を形成する方法として、高周波プラズマ法は、大面積化や低温形成が容易であり、プロセススループットが向上する点から、量産化に対して有力な手段の一つである。
【0003】
シリコン系薄膜を含む半導体素子の一例として、太陽電池を製造する例について考えてみると、化石燃料を利用した既存のエネルギーに比べて、シリコン系薄膜を用いた太陽電池は、エネルギー源が無尽蔵であること、発電過程がクリーンであるという利点があるものの、普及を進めるためには、発電電力量あたりの単価をさらに下げることが必要となっている。それを実現するためには、高周波プラズマCVD法による製造工程のスループットを向上し、光電変換効率を高め、同時に、大面積化したときに高い均一性を確保するための技術の確立は重要な技術課題の一つとなっている。
【0004】
以上のことを背景に近年、高周波プラズマ法の製造技術の改善に関する技術について、さまざまな取り組みが行なわれている。
【0005】
非晶質シリコン半導体素子の形成方法としては、特公平5−56850では、膜厚の厚い非晶質層を形成するときの電極間距離を、膜厚の薄い非晶質層を形成するときの電極間距離よりも短く設定し、基板温度および真空度をより高く設定するものが開示されている。
【0006】
また、特開2000−252484では、pinの積層構造を有する非晶質シリコン系薄膜光電変換装置を製造する方法において、電極間距離を8mm以上15mm以下とするなどの限定した条件下で、少なくとも1層を形成するものが開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
基板上に高周波プラズマCVD法を用いてシリコン系薄膜を形成する方法において、電極間距離を限定した条件で行なうことについては、上記の従来技術で開示されている。ところが、形成するシリコン系薄膜に応じて、複数の周波数を用いてシリコン系薄膜を形成することや、その場合の周波数と電極間距離の関係、さらには形成するシリコン系薄膜の導電型との関係については、開示されていない。
【0008】
本発明は、複数の異なった導電型のシリコン系薄膜からなる複数のシリコン系薄膜の形成装置において、形成する膜に応じて複数の周波数を用い、電極間距離を限定し、さらには形成するシリコン系薄膜の導電型との関係を規定することによって、さらなる高品質のシリコン系薄膜を均一に形成することが可能なシリコン系薄膜の形成装置、およびシリコン系薄膜形成方法、およびシリコン系薄膜を含む半導体素子を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数の堆積膜形成容器を用いて基板上に高周波プラズマ法によりシリコン系薄膜を形成する装置であって、前記堆積膜形成容器内には、前記基板と高周波印加電極とが対向して配置されており、前記基板との間隔が10mm±5mmになるように配置された第1の高周波印加電極と、該第1の高周波印加電極に接続された30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波印加手段をもつ堆積膜形成容器と、前記基板との間隔が20mm±5mmになるように配置された第2の高周波印加電極と、該第2の高周波印加電極に接続された10MHz以上30MHz以下から選ばれ、第1の周波数より小さい第2の周波数の高周波印加手段をもつ堆積膜形成容器とを有することを特徴とするシリコン系薄膜の形成装置を提供する。
【0010】
本発明は、複数の堆積膜形成容器を用いて基板上に高周波プラズマ法によりシリコン系薄膜を形成する方法であって、前記堆積膜形成容器内には、前記基板と高周波印加電極とが対向して配置されており、前記基板との間隔が10mm±5mmになるように配置された第1の高周波印加電極と、該第1の高周波印加電極に接続された30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波を印加しながら堆積膜を形成する第1の工程と、前記基板との間隔が20mm±5mmになるように配置された第2の高周波印加電極と、該第2の高周波印加電極に接続された10MHz以上30MHz以下から選ばれ、第1の周波数より小さい第2の周波数の高周波を印加しながら堆積膜を形成する第2の工程とを有することを特徴とするシリコン系薄膜の形成方法を提供する。
【0012】
前記基板として長尺基板が用いられ、ロール間で該長尺基板を掛け渡して搬送するロール・ツー・ロール装置が備えられていることが好ましい。前記第1の工程で、実質的に真性のシリコン系薄膜を形成することが好ましい。前記第2の工程で、n型またはp型の導電型を有するシリコン系薄膜を形成することが好ましい。実質的に真性のシリコン系薄膜を形成する工程と、n型またはp型の導電型を有するシリコン系薄膜を形成する工程とにより、前記基板上にpin型の半導体素子を形成することが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明者は、前述した課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、複数の堆積膜形成容器を用いて基板上に複数のシリコン系薄膜を形成する際、前記電力印加電極と前記基板との間隔が10mm±5mmになるように配置された堆積膜形成容器内の電力印加電極に30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波電力を印加し、前記電力印加電極と前記基板との間隔が20mm±5mmになるように配置された堆積膜形成容器内の電力印加電極に10MHz以上30MHz以下から選ばれる第2の周波数の高周波電力を印加する構成とすることにより、より高品質で均一性に優れたシリコン系薄膜を形成することが可能であり、このシリコン系薄膜を組み合わせることにより、優れた特性をもつ半導体素子の形成が可能であることを見出し、本発明に到ったものである。
【0014】
上記の構成にすることにより、以下の作用がある。
【0015】
複数の堆積膜形成容器を用い、膜厚、導電型などのバリエーションのあるシリコン系薄膜を作成して半導体素子を形成するという製造工程のスループットの観点からみると、複数のシリコン系薄膜のなかで、大きな膜厚が必要なシリコン系薄膜は、相対的に大きな成膜速度で形成することが求められる。高周波プラズマCVD法を用いてシリコン系薄膜を形成する方法においては、堆積膜形成に寄与する反応種を高密度で形成させることにより、成膜速度の高速化を実現することが可能である。
【0016】
堆積膜形成に寄与する反応種を高密度で形成させるためには、電力印加電極と基板の距離を近づけることによってプラズマ密度を増加させる方法や、高周波の周波数を大きくすることによって原料ガスの分解効率を高める方法などで可能となる。
【0017】
また、高品質の膜を形成するためには、原料ガスの滞留時間を制御して原料ガスの供給を不足なく行ない、枯渇させないようにすることが重要な技術要素としてあげられる。
【0018】
以上の観点から、形成する膜に応じて、複数の周波数の高周波、具体的には、30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波と10MHz以上30MHz以下から選ばれる第2の周波数の高周波を使い分け、それぞれの周波数に対して適切な電力印加電極と基板の距離を設定して、シリコン系薄膜の形成を行なうことは好ましいものである。
【0019】
前記第1の周波数は前記第2の周波数より周波数が大きく、より速い堆積速度でシリコン系薄膜を形成するために用いるのに好ましいものである。
【0020】
ここで第1の周波数が30MHzよりも小さいと、原料ガスの分解効率が小さいために高速成膜をするのが困難であり、500MHzより大きい場合には、大きな電力印加電極を用いて、マッチングをとって均一に電力を供給することが困難であるという問題点がある。
【0021】
それぞれの場合において、シリコン系薄膜を形成するときの圧力は10Pa以上1000Pa以下、プラズマの生起している放電空間の体積をV(m3)、前記原料ガスの流量をQ(cm3/min(normal))、放電空間の圧力をP(Pa)としたときに、τ=592×V×P/Qで定義される滞留時間τ(秒)が0.01秒以上10秒以下であることが、気相反応を十分に行ない、原料ガスの枯渇を抑制し、高品質なシリコン系薄膜を形成するために好ましい範囲としてあげられる。また滞留時間τ(秒)が0.1秒以上3秒以下とすることで、高速成膜が可能で、かつ気相中のポリシランなどの反応副生成物の形成を抑制できるため、より好ましいものである。
【0022】
そして、30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波を用いたシリコン系薄膜の形成時には、前記電力印加電極と前記基板との間隔が10mm±5mmになるようにし、10MHz以上30MHz以下から選ばれる第2の周波数の高周波を用いたシリコン系薄膜の形成時には、前記電力印加電極と前記基板との間隔が20mm±5mmになるようにすることで、それぞれの放電に対して適切なプラズマ密度を均一に、安定して形成することが可能となり、所望の成膜速度と膜質のシリコン系薄膜を得ることができる。
【0023】
ここで、シリコン系薄膜を含む半導体素子として、pin接合を有する光起電力素子を例にとると、p型半導体層、i型半導体層、n型半導体層のなかで、膜厚の大きなi型半導体層の形成を、電力印加電極と基板との間隔が10mm±5mmになるように配置し、電力印加電極に30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波電力を印加することによって行ない、p型半導体層、n型半導体層の形成を、電力印加電極と基板との間隔が20mm±5mmになるように配置し、電力印加電極に10MHz以上30MHz以下から選ばれる第2の周波数の高周波電力を印加することによって行なうことは、好ましいものである。この構成の別の効果としては、第2の周波数を用いてp型半導体層やn型半導体層を形成すると、第1の周波数を用いて形成する場合に比べて、ドーピング効率が向上し、pin接合における内部電界が向上し、開放電圧や曲線因子が向上する。これは、周波数のより小さい第2の周波数の高周波電力を用いた場合、生起するプラズマ内の電子温度が相対的に高くなり、それによってシリコン系薄膜の成膜面が活性化されるためなのではないかと思われる。
【0024】
ここで、i型半導体層の大部分の領域が、電力印加電極と基板との間隔が10mm±5mmになるように配置し、電力印加電極に30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波電力を印加することによって形成されていれば上記の効果は発現されるため、i型半導体層の全領域を前記の条件で行なう必要は必ずしもない。同様にn型半導体層、p型半導体層の大部分の領域が、電力印加電極と基板との間隔が20mm±5mmになるように配置し、電力印加電極に10MHz以上30MHz以下から選ばれる第2の周波数の高周波電力を印加することによって形成されていれば良く、n型半導体層、p型半導体層の全領域を前記の条件で行なう必要は必ずしもない。例えばi型半導体層とp型半導体層および/またはn型半導体層の界面領域において、電力印加電極と基板との間隔が20mm±5mmになるように配置し、電力印加電極に10MHz以上30MHz以下から選ばれる第2の周波数の高周波電力を印加することによってi型半導体層の一部の領域が形成される構成をとっても構わないし、電力印加電極と基板との間隔が10mm±5mmになるように配置し、電力印加電極に30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波電力を印加することによってn型半導体層および/またはp型半導体層の一部の領域が形成される構成をとっても構わない。
【0025】
シリコン系薄膜の形成方法として、ロール・ツー・ロール法を用いることも好ましいものである。ロール・ツー・ロール法は、複数の堆積膜形成用容器が、十分に長い帯状の基板が順次貫通する経路に沿って配置されていて、前記堆積膜形成用容器のそれぞれにおいて、必要とされる堆積膜を形成しつつ、前記基板をその長手方向に連続的に搬送させることによって、所望の堆積膜を大面積で連続的に形成することができる構成をもつものであり、生産性の高いシリコン系薄膜の生産手段として好ましいものである。
【0026】
ロール・ツー・ロール法を用いて、複数のシリコン系薄膜を含む半導体素子を形成する場合には、基板を搬送しながらそれぞれのシリコン系薄膜の形成を行なうために、各層を形成する堆積膜形成用容器の大きさ、必要となる膜厚、成膜速度の関係が重要なパラメータとなるが、本発明の構成をとることにより、大きな膜厚が必要なシリコン系薄膜を高速で形成することができるため、堆積膜形成装置を小さくすることが可能になる。なお、ロール・ツー・ロール法においては、堆積膜形成用容器どうしは、ガスゲートなどによって実質的に原料ガスが混ざらない構成になっていれば、それぞれの堆積膜形成容器を複数の堆積膜形成容器とみなすことができるものである。
【0027】
次に本発明のシリコン系薄膜を含む半導体素子として、光起電力素子の構成要素について以下で説明する。
【0028】
図1は本発明の光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。図中101は基板、102は半導体層、103は透明導電層、104は集電電極である。また、101−1は基体、101−2は金属層、101−3は金属酸化物層であり、これらは基板101の構成部材である。
【0029】
(基体)
基体101−1としては、金属、樹脂、ガラス、セラミックス、半導体バルク等からなる板状部材やシート状部材が好適に用いられる。その表面には微細な凸凹を有していてもよい。透明基体を用いて基体側から光が入射する構成としてもよい。また、基体を長尺の形状とすることによってロール・ツー・ロール法を用いた連続成膜を行うことができる。特にステンレス、ポリイミド等の可撓性を有する材料は基体101−1の材料として好適である。
【0030】
(金属層)
金属層101−2は電極としての役割と、基体101−1にまで到達した光を反射して半導体層102で再利用させる反射層としての役割とを有する。その材料としては、Al、Cu、Ag、Au、CuMg、AlSi等を好適に用いることができる。その形成方法としては、蒸着、スパッタ、電析、印刷等の方法が好適である。金属層101−2は、その表面に凸凹を有することが好ましい。それにより反射光の半導体層102内での光路長を伸ばし、短絡電流を増大させることができる。
【0031】
(金属酸化物層)
金属酸化物層101−3は、入射光及び反射光の乱反射を増大し、半導体層102内での光路長を伸ばす役割を有する。また、金属層101−2の元素が半導体層102へ拡散あるいはマイグレーションを起こし、光起電力素子がシャントすることを防止する役割を有する。さらに、適度な抵抗をもつことにより、半導体層のピンホール等の欠陥によるショートを防止する役割を有する。さらに、金属酸化物層101−3は、金属層101−2と同様にその表面に凸凹を有していることが望ましい。金属酸化物層101−3は、ZnO、ITO等の導電性酸化物からなることが好ましく、蒸着、スパッタ、CVD、電析等の方法を用いて形成されることが好ましい。またこれらの形成方法を適宜組み合わせて行なうこともできる。これらの導電性酸化物に導電率を変化させる物質を添加してもよい。金属酸化物層を形成する場合には、金属層と接する領域では、金属酸化物層の形成速度を小さくする方法が好ましいものである。また、金属層と接する領域では、形成雰囲気中に酸素を含有させることも好ましいものである。
【0032】
スパッタ法によって金属層101−2、金属酸化物層101−3を形成する条件は、方法やガスの種類と流量、内圧、投入電力、成膜速度、基板温度等が大きく影響を及ぼす。例えばDCマグネトロンスパッタ法で、酸化亜鉛ターゲットを用いて酸化亜鉛膜を形成する場合には、ガスの種類としてはAr、Ne、Kr、Xe、Hg、O2などがあげられ、流量は、装置の大きさと排気速度によって異なるが、例えば成膜空間の容積が20リットルの場合、1cm3/min(normal)から100cm3/min(normal)が望ましい。また成膜時の内圧は10mPaから10Paが望ましい。投入電力は、ターゲットの大きさにもよるが、直径15cmの場合、10Wから10kWが望ましい。また基板温度は、成膜速度によって好適な範囲が異なるが、1μm/hで成膜する場合は、70℃から450℃であることが望ましい。
【0033】
また電析法によって酸化亜鉛膜を形成する条件は、耐腐食性容器内に、硝酸イオン、亜鉛イオンを含んだ水溶液を用いるのが好ましい。硝酸イオン、亜鉛イオンの濃度は、0.001mol/lから1.0mol/lの範囲にあるのが望ましく、0.01mol/lから0.5mol/lの範囲にあるのがより望ましく、0.1mol/lから0.25mol/lの範囲にあるのがさらに望ましい。硝酸イオン、亜鉛イオンの供給源としては特に限定するものではなく、両方のイオンの供給源である硝酸亜鉛でもよいし、硝酸イオンの供給源である硝酸アンモニウムなどの水溶性の硝酸塩と、亜鉛イオンの供給源である硫酸亜鉛などの亜鉛塩の混合物であってもよい。さらに、これらの水溶液に、異常成長を抑制したり密着性を向上させるために、炭水化物を加えることも好ましいものである。炭水化物の種類は特に限定されるものではないが、グルコース(ブドウ糖)、フルクトース(果糖)などの単糖類、マルトース(麦芽糖)、サッカロース(ショ糖)などの二糖類、デキストリン、デンプンなどの多糖類などや、これらを混合したものを用いることができる。水溶液中の炭水化物の量は、炭水化物の種類にもよるが概ね、0.001g/lから300g/lの範囲にあるのが望ましく、0.005g/lから100g/lの範囲にあるのがより望ましく、0.01g/lから60g/lの範囲にあることがさらに望ましい。電析法により酸化亜鉛膜を堆積する場合には、前記の水溶液中に酸化亜鉛膜を堆積する基体を陰極にし、亜鉛、白金、炭素などを陽極とするのが好ましい。このとき負荷抵抗を通して流れる電流密度は、10mA/dmから10A/dmであることが好ましい。
【0034】
(基板)
以上の方法により、基体101−1上に必要に応じて、金属層101−2、金属酸化物層101−3を積層して基板101を形成する。また、素子の集積化を容易にするために、基板101に絶縁層を設けてもよい。
【0035】
(半導体層)
本発明のシリコン系半導体及び半導体層102の主たる材料としては、非晶質相あるいは結晶相、さらにはこれらの混相系のSiが用いられる。Siに代えて、SiとC又はGeとの合金を用いても構わない。半導体層102には同時に、水素及び/又はハロゲン原子が含有される。その好ましい含有量は0.1〜40原子%である。さらに半導体層102は、酸素、窒素などを含有してもよい。半導体層をp型半導体層とするにはIII属元素、n型半導体層とするにはV属元素を含有する。
【0036】
p型層及びn型層の電気特性としては、活性化エネルギーが0.2eV以下のものが好ましく、0.1eV以下のものが最適である。また比抵抗としては100Ωcm以下が好ましく、1Ωcm以下が最適である。
【0037】
スタックセル(pin接合を複数有する光起電力素子)の場合、光入射側に近いpin接合のi型半導体層はバンドギャップが広く、遠いpin接合になるに随いバンドギャップが狭くなるのが好ましい。また、i層内部ではその膜厚方向の中心よりもp層寄りにバンドギャップの極小値があるのが好ましい。光入射側のドープ層(p型層もしくはn型層)は光吸収の少ない結晶性の半導体か、又はバンドギャップの広い半導体が適している。
【0038】
i型半導体層は、アモルファスからなるもの、結晶相を含むものがあげられる。層内にこれらの形態を組み合わせた構成としても構わない。pin接合を2組積層したスタックセルの例としては、各pin接合に含まれる主なi型シリコン系半導体層の組み合わせとして、光入射側から(アモルファス半導体層、結晶相を含む半導体層)、(結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層)となるものがあげられる。また、pin接合を3組積層した光起電力素子の例としては、各pin接合に含まれるi型シリコン系半導体層の組み合わせとして、光入射側から(アモルファス半導体層、アモルファス半導体層、結晶相を含む半導体層)、(アモルファス半導体層、結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層)、(結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層、結晶相を含む半導体層)となるものがあげられる。
【0039】
i型半導体層としては光(630nm)の吸収係数(α)が5000cm-1以上、ソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)による擬似太陽光照射化の光伝導度(σp)が10×10-5S/cm以上、暗伝導度(σd)が10×10-6S/cm以下、コンスタントフォトカレントメソッド(CPM)によるアーバックエナジーが55meV以下であるのが好ましい。i型半導体層としては、わずかにp型、n型になっているものでも使用することができる。
【0040】
本発明の構成要素である半導体層102についてさらに説明を加えると、図1は本発明の半導体層の一例として、一組のpin接合をもつ半導体層102を示す模式的な断面図である。図中102−1はn型半導体層であり、さらに、i型半導体層102−2、p型半導体層102−3を積層する。pin接合を複数持つ半導体層においては、そのなかのうちの少なくとも一つが前記の構成であることが好ましい。
【0041】
(半導体層の形成方法)
本発明のシリコン系薄膜を形成するには、高周波プラズマCVD法が適している。以下、高周波プラズマCVD法によって半導体層102を形成する手順の好適な例を示す。
(1)減圧状態にできる堆積膜形成容器内を所定の堆積圧力に減圧する。
(2)堆積室内に原料ガス、希釈ガス等の材料ガスを導入し、堆積室内を真空ポンプによって排気しつつ、堆積室内を所定の堆積圧力に設定する。
(3)基板101をヒーターによって所定の温度に設定する。
(4)高周波電源によって発振された高周波を前記堆積室に導入する。前記堆積室への導入方法は、高周波を導波管によって導き、アルミナセラミックスなどの誘電体窓を介して堆積室内に導入したり、高周波を同軸ケーブルによって導き、金属電極を介して堆積室内に導入したりする方法がある。
(5)堆積室内にプラズマを生起させて原料ガスを分解し、堆積室内に配置された基板101上に堆積膜を形成する。この手順を必要に応じて複数回繰り返して半導体層102を形成する。
【0042】
本発明のシリコン系薄膜の形成に適した原料ガスとしては、SiH4、Si2H6、SiF4等のシリコン原子を含有したガス化しうる化合物があげられる。合金系にする場合にはさらに、GeH4やCH4などのようにGeやCを含有したガス化しうる化合物を原料ガスに添加することが望ましい。原料ガスは、希釈ガスで希釈して堆積室内に導入することが望ましい。希釈ガスとしては、H2やHeなどがあげられる。さらに窒素、酸素等を含有したガス化しうる化合物を原料ガス乃至希釈ガスとして添加してもよい。
【0043】
半導体層をp型層とするためのドーパントガスとしてはB2H6、BF3等が用いられる。また、半導体層をn型層とするためのドーパントガスとしては、PH3、PF3等が用いられる。結晶相の薄膜や、SiC等の光吸収が少ないかバンドギャップの広い層を堆積する場合には、原料ガスに対する希釈ガスの割合を増やし、比較的高いパワーの高周波を導入するのが好ましい。
【0044】
(透明導電層)
透明導電層103は、光入射側の電極であるとともに、その膜厚を適当に設定することにより反射防止膜の役割をかねることができる。透明導電層103は、半導体層102の吸収可能な波長領域において高い透過率を有することと、抵抗率が低いことが要求される。好ましくは550nmにおける透過率が80%以上、より好ましくは85%以上であることが望ましい。透明導電層103の材料としては、ITO、ZnO、In2O3等を好適に用いることができる。その形成方法としては、蒸着、CVD、スプレー、スピンオン、浸漬などの方法が好適である。これらの材料に導電率を変化させる物質を添加してもよい。
【0045】
(集電電極)
集電電極104は集電効率を向上するために透明電極103上に設けられる。その形成方法として、マスクを用いてスパッタによって電極パターンの金属を形成する方法や、導電性ペーストあるいは半田ペーストを印刷する方法、金属線を導電性ペーストで固着する方法などが好適である。
【0046】
なお、必要に応じて光起電力素子の両面に保護層を形成することがある。同時に光起電力素子の裏面(光入射側と反射側)などに鋼板等の補強材を併用してもよい。
【0047】
【実施例】
以下の実施例では、堆積膜形成装置を用いてシリコン系薄膜を堆積し、光起電力素子を形成する例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらの実施例は本発明の内容を何ら限定するものではない。
【0048】
[実施例1]
本実施例は、図2に示した本発明の堆積膜形成装置201を用い、以下の手順で図3に示した光起電力素子を形成した例である。
【0049】
図2は、本実施例で用いた本発明のシリコン系薄膜及び光起電力素子を製造する堆積膜形成装置を示す模式的な断面図である。図2に示す堆積膜形成装置201は、基板送り出し容器202、半導体形成用真空容器211〜216、基板巻き取り容器203が、ガスゲート221〜227を介して結合することによって構成されている。この堆積膜形成装置201には、各容器及び各ガスゲートを貫いて帯状の基板204がセットされる。帯状の基板204は、基板送り出し容器202に設置されたボビンから巻き出され、基板巻き取り容器203で別のボビンに巻き取られる。
【0050】
半導体形成用真空容器211〜216は、それぞれプラズマ生起領域を形成する堆積室を有している。該堆積室は、プラズマの生起している放電空間を、前記基板204と電力印加電極241〜246で上下を限定し、電力印加電極を取り囲むように設置された放電板で横方向を限定するように構成されている。
【0051】
該堆積室内の平板状の電力印加電極241〜246には、高周波電源251〜256から高周波電力を印加することによってグロー放電を生起させ、それによって原料ガスを分解し基板204上に半導体層を堆積させる。電力印加電極241〜246は、基板204と対向しており、不図示の高さ調整機構が具備されている。前記高さ調整機構により、前記導電性基板204と電力印加電極241〜246との間の距離を変えることができ、同時に放電空間の体積を変えることができる。また、各半導体形成用真空容器211〜216には、原料ガスや希釈ガスを導入するためのガス導入管231〜236が接続されている。
【0052】
図2に示した堆積膜形成装置201は、半導体形成用真空容器を6個具備しているが、すべての半導体形成用真空容器でグロー放電を生起させる必要はなく、製造する光起電力素子の層構成にあわせて各容器でのグロー放電の有無を選択することができる。尚、本実施例及び他の実施例において、グロー放電を生起させていない半導体形成用真空容器にはガス導入管から200cm3/min(normal)のH2ガスを供給した。また、各半導体形成用真空容器には、各堆積室内での基板204と放電空間との接触面積を調整するための、不図示の成膜領域調整板が設けられている。
【0053】
図3は本実施例で作成した堆積膜を含む光起電力素子を示す模式的な断面図である。図中101は基板、102は半導体層、103は透明導電層、104は集電電極である。また、101−1は基体、101−2は金属層、101−3は金属酸化物層であり、これらは基板101の構成部材である。この光起電力素子の半導体層102は、非晶質n型半導体層102−1Aと結晶相を含むi型半導体層102−2Aと結晶相を含むp型半導体層102−3Aとからなっている。すなわち、この光起電力素子はいわゆるpin型シングルセル光起電力素子である。
【0054】
まず、基板の作成を行なった。ステンレス(SUS430BA)からなる帯状の基体(幅50cm、長さ200m、厚さ0.125mm)を十分に脱脂、洗浄し、不図示の連続スパッタリング装置に装着し、Ag電極をターゲットとして、厚さ100nmのAg薄膜(金属層101−2)をスパッタ蒸着させた。さらにZnOターゲットを用いて、厚さ1.2μmのZnO薄膜(金属酸化物層101−3)をAg薄膜の上にスパッタ蒸着し、帯状の基板204を形成した。
【0055】
次に基板送り出し容器202に、基板204を巻いたボビンを装着し、基板204を搬入側のガスゲート、半導体形成用真空容器211〜216、搬出側のガスゲートを介し、基板巻き取り容器203まで通し、帯状の基板204は接地電位になるようにし、弛まないように張力調整を行った。そして、基板送り出し容器202、半導体形成用真空容器211〜216、基板巻き取り容器203を不図示の真空ポンプからなる真空排気系により、1.0mPaまで真空排気した。
【0056】
真空排気系を作動させつつ、半導体形成用真空容器211、212、213、214、216へガス導入管231、232、233、234、236から原料ガス及び希釈ガスを供給した。同時に不図示の各ゲートガス供給管から、各ガスゲートにゲートガスとして500cm3/min(normal)のH2ガスを供給した。この状態で真空排気系の排気能力を調整して、半導体形成用真空容器211、212、213、214、216内の圧力を所定の圧力に調整した。形成条件は表1に示す通りである。
【0057】
次に、半導体形成用真空容器211、212、213、214、216内の圧力が安定したところで、基板送り出し容器202から基板巻き取り容器203の方向に、基板204の移動を開始した。
【0058】
次に、半導体形成用真空容器211、212、213、214、216内の電力印加電極241、242、243、214、216に高周波電源251、252、253、254、256より高周波を導入し、半導体形成用真空容器211、212、213、214、216内の堆積室内にグロー放電を生起し、基板204上に、非晶質n型半導体層(膜厚30nm)、結晶相を含むi型半導体層(膜厚1.5μm)、結晶相を含むp型半導体層(膜厚10nm)を形成し光起電力素子を形成した。
【0059】
ここで、半導体形成用真空容器211には周波数13.56MHz、パワー密度5mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極241から、半導体形成用真空容器212、213、214には周波数60MHz、パワー密度が400mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極242、243、244から、半導体形成用真空容器216には周波数13.56MHz、パワー密度30mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極246から導入した。各金属電極のプラズマ面と対向する面積は50cm×1mであり、各金属電極と基板との距離(以下CS距離と呼ぶ)は、表1に示すように設定した。
【0060】
次に不図示の連続モジュール化装置を用いて、形成した帯状の光起電力素子を36cm×22cmの太陽電池モジュールに加工した。
【0061】
【表1】
【0062】
[比較例1−1]
すべての高周波電源を、13.56MHzの周波数を用いて行なったこと以外は、実施例1と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0063】
[比較例1−2]
すべての高周波電源を、60MHzの周波数を用いて行なったこと以外は、実施例1と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0064】
[比較例1−3]
すべてのCS距離を10mmで行なったこと以外は、実施例1と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0065】
[比較例1−4]
すべてのCS距離を20mmで行なったこと以外は、実施例1と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0066】
以上のようにして実施例1及び比較例1−1乃至1−4で作成した太陽電池モジュールの光電変換効率をソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)を用いて測定した。測定結果を表2に示す。
【0067】
【表2】
【0068】
比較例1−1では、半導体形成用真空容器212、213、214を用いてi型半導体層を形成する際に、実施例1と比較して高い成膜速度を得ることができず、基板の搬送速度を実施例1よりも遅くしなければ、必要な膜厚を得ることができなかった。また、堆積室内に副生成物の発生が見られ、必要な装置のメンテナンス頻度がより多くなった。
【0069】
比較例1−2では、実施例1と比較して、光電変換効率が小さくなった。特に開放電圧、曲線因子の低下分が大きかった。
【0070】
比較例1−3では、半導体形成用真空容器216を用いてp型半導体層を形成する際に、プラズマが不安定になる領域があり、光電変換効率のサンプルごとのばらつきも大きかった。
【0071】
比較例1−4では、半導体形成用真空容器212、213、214を用いてi型半導体層を形成する際に、実施例1と比較して高い成膜速度を得ることができず、基板の搬送速度を実施例1よりも遅くしなければ、必要な膜厚を得ることができなかった。
【0072】
以上のことから、実施例1は、比較例1−1乃至1−4と比較して、光電変換効率の特性および、製造工程のスループット、プラズマの安定性、均一性の点で優れていることがわかる。
【0073】
[実施例2]
本実施例は、図2に示した堆積膜形成装置201を用い、以下の手順で図4に示した光起電力素子を形成した例である。
【0074】
図4は本実施例で作成した本発明のシリコン系薄膜を有する光起電力素子を示す模式的な断面図である。図中、図3と同様の部材には同じ符号を付して説明を省略する。この光起電力素子の半導体層は、非晶質n型半導体層102−1A、非晶質i型半導体層102−2B、結晶相を含むp型半導体層102−3Aとからなっている。
【0075】
実施例1と同様に基板の作成を行ない、次に堆積膜形成装置201を用いて、基板204上に、非晶質n型半導体層(膜厚30nm)、非晶質i型半導体層(膜厚300nm)、結晶相を含むp型半導体層(膜厚10nm)を形成し光起電力素子を形成した。形成条件は表3に示すとおりである。
【0076】
ここで、半導体形成用真空容器211には周波数13.56MHz、パワー密度5mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極241から、半導体形成用真空容器212、213、214には周波数60MHz、パワー密度が100mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極242、243、244から、半導体形成用真空容器216には周波数13.56MHz、パワー密度30mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極246から導入した。各金属電極のプラズマ面と対向する面積は50cm×1mであり、各金属電極と基板との距離(以下CS距離と呼ぶ)は、表3に示すように設定した。
【0077】
次に不図示の連続モジュール化装置を用いて、形成した帯状の光起電力素子を36cm×22cmの太陽電池モジュールに加工した。
【0078】
【表3】
【0079】
[比較例2−1]
すべての高周波電源を、13.56MHzの周波数を用いて行なったこと以外は、実施例2と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0080】
[比較例2−2]
すべての高周波電源を、60MHzの周波数を用いて行なったこと以外は、実施例2と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0081】
[比較例2−3]
すべてのCS距離を12mmで行なったこと以外は、実施例2と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0082】
[比較例2−4]
すべてのCS距離を20mmで行なったこと以外は、実施例2と同様に太陽電池モジュールを作成した。
【0083】
以上のようにして実施例2及び比較例2−1乃至2−4で作成した太陽電池モジュールの光電変換効率をソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)を用いて測定した。測定結果を表4に示す。
【0084】
【表4】
【0085】
比較例2−1では、半導体形成用真空容器212、213、214を用いてi型半導体層を形成する際に、実施例2と比較して高い成膜速度を得ることができず、基板の搬送速度を実施例2よりも遅くしなければ、必要な膜厚を得ることができなかった。また、堆積室内に副生成物の発生が見られ、必要な装置のメンテナンス頻度がより多くなった。
【0086】
比較例2−2では、実施例2と比較して、光電変換効率が小さくなった。特に開放電圧、曲線因子の低下分が大きかった。
【0087】
比較例2−3では、半導体形成用真空容器216を用いてp型半導体層を形成する際に、プラズマが不安定になる領域があり、光電変換効率のサンプルごとのばらつきも大きかった。
【0088】
比較例2−4では、半導体形成用真空容器212、213、214を用いてi型半導体層を形成する際に、実施例2と比較して高い成膜速度を得ることができず、基板の搬送速度を実施例2よりも遅くしなければ、必要な膜厚を得ることができなかった。
【0089】
以上のことから、実施例2は、比較例2−1乃至2−4と比較して、光電変換効率の特性および、製造工程のスループット、プラズマの安定性、均一性の点で優れていることがわかる。
【0090】
[実施例3−1、3−2、比較例3−1、3−2]
本実施例は、図2に示した堆積膜形成装置201を用い、以下の手順で図4に示した光起電力素子を形成した例である。
【0091】
実施例2と同様に基板の作成を行ない、次に堆積膜形成装置201を用いて、基板204上に、非晶質n型半導体層(膜厚30nm)、非晶質i型半導体層(膜厚300nm)、結晶相を含むp型半導体層(膜厚10nm)を形成し光起電力素子を形成した。形成条件のうち、半導体形成用真空容器211、216のCS距離は表5に示すように変化させて行ない、その他の条件は実施例2と同様に行なった。
【0092】
次に不図示の連続モジュール化装置を用いて、形成した帯状の光起電力素子を36cm×22cmの太陽電池モジュールに加工した。
【0093】
以上のようにして作成した太陽電池モジュールの光電変換効率をソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)を用いて測定した。測定結果を表5に示す。
【0094】
【表5】
【0095】
比較例3−1では、半導体形成用真空容器216を用いてp型半導体層を形成する際に、プラズマが不安定になる領域があり、光電変換効率のサンプルごとのばらつきも大きかった。
【0096】
比較例3−2では、実施例と比べて開放電圧と曲線因子が低下し光電変換効率が低下した。また半導体形成用真空容器211、216を用いてn型半導体層、p型半導体層を形成する際に、実施例と比較して高い成膜速度を得ることができず、基板の搬送速度を実施例よりも遅くしなければ、必要な膜厚を得ることができなかった。
【0097】
以上のことから、実施例3−1、3−2は、比較例3−1、3−2と比較して、光電変換効率の特性および、製造工程のスループット、プラズマの安定性、均一性の点で優れていることがわかる。
【0098】
[実施例4−1、4−2、比較例4−1、4−2]
本実施例は、図2に示した堆積膜形成装置201を用い、以下の手順で図4に示した光起電力素子を形成した例である。
【0099】
実施例2と同様に基板の作成を行ない、次に堆積膜形成装置201を用いて、基板204上に、非晶質n型半導体層(膜厚30nm)、非晶質i型半導体層(膜厚300nm)、結晶相を含むp型半導体層(膜厚10nm)を形成し光起電力素子を形成した。形成条件のうち、半導体形成用真空容器212、213、214のCS距離は表6に示すように変化させて行ない、その他の条件は実施例2と同様に行なった。
【0100】
次に不図示の連続モジュール化装置を用いて、形成した帯状の光起電力素子を36cm×22cmの太陽電池モジュールに加工した。
【0101】
以上のようにして作成した太陽電池モジュールの光電変換効率をソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)を用いて測定した。測定結果を表6に示す。
【0102】
【表6】
【0103】
比較例4−1では、半導体形成用真空容器212、213、214を用いてi型半導体層を形成する際に、プラズマが不安定になる領域があり、光電変換効率のサンプルごとのばらつきも大きかった。
【0104】
比較例4−2では、半導体形成用真空容器212、213、214を用いてi型半導体層を形成する際に、実施例と比較して高い成膜速度を得ることができず、基板の搬送速度を実施例よりも遅くしなければ、必要な膜厚を得ることができなかった。
【0105】
以上のことから、実施例4−1、4−2は、比較例4−1、4−2と比較して、光電変換効率の特性および、製造工程のスループット、プラズマの安定性、均一性の点で優れていることがわかる。
【0106】
[実施例5]
本実施例は、図2に示した堆積膜形成装置201を用い、以下の手順で図5に示した光起電力素子を形成した例である。
【0107】
図5は本実施例で作成した本発明のシリコン系薄膜を有する光起電力素子を示す模式的な断面図である。図中、図3と同様の部材には同じ符号を付して説明を省略する。この光起電力素子の半導体層は、非晶質n型半導体層102−1A、結晶相を含むi型半導体層102−2A、非晶質i型半導体層102−2B、結晶相を含むp型半導体層102−3A、非晶質n型半導体層102−1A、非晶質i型半導体層102−2B、結晶相を含むp型半導体層102−3Aとからなっている、pin接合が2層になっているいわゆるスタックセルである。
【0108】
実施例1と同様に基板の作成を行ない、次に堆積膜形成装置201を用いて、基板204上に、非晶質n型半導体層(膜厚30nm)、結晶相を含むi型半導体層(膜厚2.0μm)、非晶質i型半導体層(膜厚10nm)、結晶相を含むp型半導体層(膜厚10nm)を形成して第1のpin接合を作成したあと、基板を基板巻き取り容器で巻き取り、再び基板送り出し容器202にセットして、また同様な手順で、非晶質n型半導体層(膜厚30nm)、非晶質i型半導体層(膜厚300nm)、結晶相を含むp型半導体層(膜厚10nm)を形成して第2のpin接合を作成して、光起電力素子を形成した。
【0109】
ここで、第1のpin接合を形成するときには、半導体形成用真空容器211には周波数13.56MHz、パワー密度5mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極241から、半導体形成用真空容器212、213、214には周波数60MHz、パワー密度が400mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極242、243、244から、半導体形成用真空容器215には周波数13.56MHz、パワー密度5mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極245から、半導体形成用真空容器216には周波数13.56MHz、パワー密度30mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極246から導入した。各金属電極のプラズマ面と対向する面積は50cm×1mであり、各CS距離は、表7に示すように設定した。
【0110】
また、第2のpin接合を形成するときには、半導体形成用真空容器211には周波数13.56MHz、パワー密度5mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極241から、半導体形成用真空容器212、213、214には周波数60MHz、パワー密度が100mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極242、243、244から、半導体形成用真空容器215には周波数13.56MHz、パワー密度5mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極245から、半導体形成用真空容器216には周波数13.56MHz、パワー密度30mW/cm3の高周波電力をAl製の金属電極からなる電力印加電極246から導入した。各金属電極のプラズマ面と対向する面積は50cm×1mであり、各CS距離は、表7に示すように設定した。
【0111】
次に不図示の連続モジュール化装置を用いて、形成した帯状の光起電力素子を36cm×22cmの太陽電池モジュールに加工した。
【0112】
以上のようにして作成した太陽電池モジュールの光電変換効率をソーラーシミュレーター(AM1.5、100mW/cm2)を用いて測定した。
【0113】
本実施例の光電変換効率は、実施例1および実施例2のものよりも優れていた。以上のことから、本実施例は、光電変換効率の特性および、製造工程のスループット、プラズマの安定性、均一性の点で優れていることがわかる。
【0114】
【表7】
【0115】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の堆積膜形成容器を用いて基板上に複数のシリコン系薄膜を形成するに際し、前記電力印加電極と前記基板との間隔が10mm±5mmになるように配置された堆積膜形成容器内の電力印加電極に30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波電力を印加し、前記電力印加電極と前記基板との間隔が20mm±5mmになるように配置された堆積膜形成容器内の電力印加電極に10MHz以上30MHz以下から選ばれる第2の周波数の高周波電力を印加する構成とすることにより、より高品質で均一性に優れたシリコン系薄膜を形成することが可能であり、このシリコン系薄膜を組み合わせることにより、優れた特性をもつ半導体素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図2】本発明の堆積膜形成装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図3】本発明の光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図4】本発明の光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図5】本発明の光起電力素子の一例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
101 基板
101−1 基体
101−2 金属層
101−3 金属酸化物層
102 半導体層
102−1 n型半導体層
102−1A 非晶質n型半導体層
102−2 i型半導体層
102−2A 結晶相を含むi型半導体層
102−2B 非晶質i型半導体層
102−3 p型半導体層
102−3A 結晶相を含むp型半導体層
103 透明導電層
104 集電電極
201 堆積膜形成装置
202 基板送り出し容器
203 基板巻き取り容器
204 基板
211〜216 半導体形成用真空容器
221〜227 ガスゲート
231〜236 ガス導入管
241〜246 電力印加電極
251〜256 高周波電源
Claims (7)
- 複数の堆積膜形成容器を用いて基板上に高周波プラズマ法によりシリコン系薄膜を形成する装置であって、前記堆積膜形成容器内には、前記基板と高周波印加電極とが対向して配置されており、前記基板との間隔が10mm±5mmになるように配置された第1の高周波印加電極と、該第1の高周波印加電極に接続された30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波印加手段をもつ堆積膜形成容器と、前記基板との間隔が20mm±5mmになるように配置された第2の高周波印加電極と、該第2の高周波印加電極に接続された10MHz以上30MHz以下から選ばれ、第1の周波数より小さい第2の周波数の高周波印加手段をもつ堆積膜形成容器とを有することを特徴とするシリコン系薄膜の形成装置。
- 前記基板として長尺基板が用いられ、ロール間で該長尺基板を掛け渡して搬送するロール・ツー・ロール装置が備えられていることを特徴とした、請求項1に記載のシリコン系薄膜の形成装置。
- 複数の堆積膜形成容器を用いて基板上に高周波プラズマ法によりシリコン系薄膜を形成する方法であって、前記堆積膜形成容器内には、前記基板と高周波印加電極とが対向して配置されており、前記基板との間隔が10mm±5mmになるように配置された第1の高周波印加電極と、該第1の高周波印加電極に接続された30MHz以上500MHz以下から選ばれる第1の周波数の高周波を印加しながら堆積膜を形成する第1の工程と、前記基板との間隔が20mm±5mmになるように配置された第2の高周波印加電極と、該第2の高周波印加電極に接続された10MHz以上30MHz以下から選ばれ、第1の周波数より小さい第2の周波数の高周波を印加しながら堆積膜を形成する第2の工程とを有することを特徴とするシリコン系薄膜の形成方法。
- 前記第1の工程で、実質的に真性のシリコン系薄膜を形成することを特徴とした、請求項3に記載のシリコン系薄膜の形成方法。
- 前記第2の工程で、n型またはp型の導電型を有するシリコン系薄膜を形成することを特徴とした、請求項3に記載のシリコン系薄膜の形成方法。
- 請求項4に記載の実質的に真性のシリコン系薄膜を形成する工程と、請求項5に記載のn型またはp型の導電型を有するシリコン系薄膜を形成する工程とにより、前記基板上にpin型の半導体素子を形成することを特徴とするシリコン系薄膜の形成方法。
- 前記シリコン系薄膜の形成方法が、前記基板として長尺基板が用いられ、ロール間で該長尺基板を掛け渡して搬送するロール・ツー・ロール方式を用いたものであることを特徴とする請求項4乃至6のいずれか一項に記載のシリコン系薄膜の形成方法。
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