JP4172739B2 - プラズマcvd法およびそれに用いる装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマCVD法およびそれに用いる装置に関し、特に太陽電池や電界効果トランジスタ等の薄膜多結晶Siデバイスを製造するためのプラズマCVD法およびそれに用いる装置に関する。
【0002】
【従来技術とその課題】
薄膜多結晶Si太陽電池に代表される薄膜多結晶Siデバイスを低コストで製造するには、多結晶Si膜をガラス基板等の低コスト基板上に600℃程度以下の比較的低温度下で、高速に形成する技術が必要である。これに対する製膜方法としては、従来より、主にプラズマCVD法と触媒CVD法とが研究開発されてきている。
【0003】
従来のプラズマCVD装置を図3に示す。図3中、11はチャンバー、12はシャワー電極、13は基板加熱ヒーター、14は原料ガス導入管、15は基板、16は真空ポンプ、17は高周波発生源である。このような装置を用いたプラズマCVD法では、従来より13.5MHzの高周波電源17をプラズマ発生源に使うことが多かったが、この周波数帯では、太陽電池用多結晶Si膜を製膜するには大量の水素で希釈する必要があり、この条件では高速製膜は望めなかった。
【0004】
高周波パワーを上げれば製膜速度は上昇させることができるが、パワー増大に応じて膜のプラズマダメージが大きくなるため、欠陥密度が低い高品質な多結晶Si膜の形成は困難であった。
【0005】
上記に対し、近年になって、40MHzや100MHzといったVHF帯の高周波電源を用いることでプラズマダメージの少ない高品質な薄膜多結晶Si膜が比較的高速に形成できることが見出され、薄膜多結晶Si太陽電池への応用技術開発が活発になってきている(J.Meier et al, Technical digest of 11th PVSEC(1999) p.221, O. Vetterl et al, Technical digest of 11th PVSEC(1999)p.233)。
【0006】
しかし、高周波電源を高周波化するにつれて、大面積化が困難となってくるという問題があり、大面積製膜を必要とする太陽電池製膜技術として用いるには依然として問題があった。
【0007】
また、従来の触媒CVD装置を図4に示す。図4中、11はチャンバー、13は基板加熱ヒーター、14は原料ガス導入管、15は基板、16は真空ポンプ、18は熱触媒体である。このような装置を用いた触媒CVD法(=Cat−CVD法;ホットワイヤーCVD法(HW−CVD法)も同一原理)では、原料ガス14の活性化はタングステン等の熱触媒体18によって行うので、プラズマCVD法で問題となるプラズマダメージは原理的に存在せず、また、熱触媒体18による原料ガス14の活性化効率も高いので比較的容易に高速製膜を行うことができ、さらに、大面積化に対しては原理的な制約が無いので、近年になって、太陽電池用薄膜多結晶Si膜の製膜技術として注目を集めつつある(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)。
【0008】
しかし、現状では、Si膜を製膜する際の原料ガスとなるSiH4やSi2H6等のSi系原料ガス14と熱触媒体18との化合反応(シリサイド形成)を防止するために、熱触媒体18を1600℃程度以上にする必要があり、これに伴っての残留ガス圧の上昇や、熱触媒体18中の不純物成分の蒸発や雰囲気ガスとの反応気化等によって多結晶Si膜中への不純物混入が生じやすいという問題があった。
【0009】
また、熱触媒体18による熱輻射によって基板15の温度が製膜中に上昇し、基板15の温度制御が困難であるという問題もある。
【0010】
さらに、この方法では、製膜種の熱運動エネルギーが大きく、比較的低温度下においても高い結晶化率の多結晶Si膜を高速に形成できるものの、製膜種の電子温度がプラズマCVD法でのそれよりも低いために、製膜種と製膜表面原子との結合反応が弱く、欠陥密度が低い高品質な膜が得られにくいという問題もある。
【0011】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みて案出されたものであり、高速製膜が困難であったり、プラズマダメージが大きかったり、大面積化が困難であるという従来のプラズマCVD法の問題点を解消するとともに、基板の温度制御が困難であったり、欠陥密度が低い高品質な膜が得られにくいという従来の触媒CVD法の問題点を解消したプラズマCVD法およびそれに用いる装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係るプラズマCVD法では、チャンバー内に導入されたSi系ガスと非Si系ガスからなる原料ガスをプラズマで活性化させてこの原料ガス中の成分を被着基板上に堆積させるプラズマCVD法において、前記Si系ガスの導入経路と前記非Si系ガスの導入経路とが分離されて各々シャワー電極の噴射孔に接続され、前記非Si系ガスの導入経路に熱触媒体が配設され、そして前記Si系ガスおよび前記非Si系ガスを、それぞれの導入経路を通過させてシャワー電極の噴出孔により噴出させ、そしてプラズマで活性化させることを特徴とする。
【0015】
また、請求項2に係るプラズマCVD装置では、チャンバー内に導入されたSi系ガスと非Si系ガスからなる原料ガスをプラズマで活性化させてこの原料ガス中の成分を被着板上に堆積させるプラズマCVD装置において、前記Si系ガスの導入経路と前記非Si系ガスの導入経路とが分離されて各々シャワー電極の噴射孔に接続され、前記非Si系ガスの導入経路に熱触媒体が配設され、そして前記Si系ガスおよび前記非Si系ガスを、それぞれの導入経路を通過させてシャワー電極の噴出孔により噴出させ、そしてプラズマで活性化させるようにしたことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプラズマCVD法およびプラズマCVD装置の実施形態を説明する。図1は請求項1に係るプラズマCVD法に用いるプラズマCVD装置を示す図であり、1はチャンバー、2はシャワー電極、3は基板加熱ヒータ、4は原料ガス導入管、6は真空ポンプ、7は高周波発生装置、8は熱触媒体である。
【0018】
装置の基本構造は従来の平行平板型(容量型)のプラズマCVD装置と同様であり、シャワー電極2には原料ガス配管4と高周波電源7が接続されており、排気系には真空ポンプ6が、基板ホルダー(不図示)には基板加熱用ヒーター3が設置されている。
【0019】
原料ガス導入管4から導入される原料ガスには、Si系ガスとしてはSiH4やSi2H6等を、非Si系ガスとしての希釈ガスにはH2やCl2等を、p型ドーピングガスにはB2H6等を、n型ドーピングガスにはPH3等を用いる。
【0020】
排気系の真空ポンプ6には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真空ポンプ6を設置することが望ましい。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。
【0021】
高周波電源7の周波数としては、メートル角サイズ程度以上の大面積製膜を行う場合には従来からの13.5MHzを用いるのが望ましいが、特に大面積製膜にこだわらない限り40MHzや100MHz程度以上のVHF帯の高周波電源7を使っても製膜は問題なく行うことができる。
【0022】
熱触媒体8には、タングステンやタンタルといった高融点材料を用い、直流電流を流すことで発熱高温化させる。熱触媒体8の温度はSi系原料ガスとの低温反応を避けるために1600℃程度以上とする。熱触媒体8の形状は線状でも面状でもよい。
【0023】
基板温度は基板加熱ヒーター3により100〜400℃程度の温度条件とし、望ましくは200〜300℃程度とする。本装置では、熱触媒体8がシャワー電極2を挟んで膜形成領域から離れた位置に設置されているので、製膜面への熱輻射が低く抑えられ、基板温度の制御を容易に行うことができる。
【0024】
また、本装置では、熱触媒体8によって原料ガスの活性化を効率的に行えるので、低プラズマダメージとするために高周波パワーを比較的低パワーの条件としても、高速な製膜が可能となる。
【0025】
さらにまた、本装置では、プラズマCVD法と触媒CVD法とを組み合わせた構成となっているので、それぞれの特長を活かしたより高品質で高結晶化率の多結晶Si膜を比較的低温度下においても高速に形成することができる。
【0026】
すなわち、プラズマを生成している高周波パワーは製膜種の主に電子に吸収されてその電子温度を高めて製膜種と製膜表面の原子との結合反応を促進し、膜中欠陥の原因である未結合手(不対電子)密度を低減できるので、比較的低温度下においても高品質な多結晶Si膜を得ることができる。一方、熱触媒体8は製膜種の熱運動エネルギーを高めて製膜種の製膜表面でのマイグレーションを促進するので、比較的低温度下においても高い結晶化率の多結晶Si膜を得ることができる。
【0027】
なお、基板5とシャワー電極2との間の距離を可変としておけば、製膜条件の自由度をさらに上げることができ、例えばこの距離を2cm程度以下とすることにより、より高い製膜圧力でのプラズマ発生が可能となり、より低プラズマダメージでより高速な膜形成が可能となる。
【0028】
図2には、原料ガス導入経路4を非Si系ガス4aとSi系ガス4bとに分け、熱触媒体8を非Si系ガス4aの導入経路のみに設置した場合の装置構成を示す。なお、ガス導入経路4中での製膜を避けて製膜をより効率的に行うため、非Si系ガス4aとSi系ガス4bとの混合はシャワー電極2を出てから行う構造とすることが望ましい。
【0029】
本装置構成では非Si系ガス4aのみを熱触媒体8で活性化し、Si系ガス4bと熱触媒体8との接触が避けられているので、熱触媒体8の温度条件を1600℃程度以下にすることができ、不必要な残留ガス圧の上昇や熱触媒体8中の不純物成分の蒸発や雰囲気ガスとの反応気化等を避けられ、多結晶Si膜中への不純物混入を低減することができる。
【0030】
なお、図2には、ガス導入経路4をSi系4aと非Si系4bとに分け、熱触媒体8を非Si系4aにのみ設置した場合を示したが、導入する複数のガスの経路4のそれぞれに独立に熱触媒体8を設置する(あるいは設置しない)構造とすれば、製膜条件設定の自由度をいっそう拡大できるので、より高品質な膜形成を期待することができる。
【0031】
また、本実施形態においては、平行平板型のプラズマCVD装置を例にとって説明したが、それ以外の例えばECR型等のリモートプラズマCVD装置等に対しても同様な考え方で応用可能であることは言うまでもない。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るプラズマCVD法によれば、原料ガスの経路におけるプラズマ発生領域よりも上流側にタングステンもしくはタンタルからなる熱触媒体を配設して原料ガス中の成分を被着基板上に堆積させることから、原料ガスの活性化を効率的に行うことができ、プラズマダメージの少ない高品質で高結晶化率の薄膜多結晶Si膜を比較的低温度下で高速に形成することができる。もって、低コストかつ高効率な薄膜多結晶Si太陽電池の製造が可能となる。
【0033】
また、本発明に係るプラズマCVD装置によれば、原料ガスの経路中におけるプラズマ発生領域よりも上流側にタングステンもしくはタンタルからなる熱触媒体を配設したことから、原料ガスの活性化を効率的に行うことができ、プラズマダメージの少ない高品質で高結晶化率の薄膜多結晶Si膜を比較的低温度下で高速に形成することができる。もって、低コストかつ高効率な薄膜多結晶Si太陽電池の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプラズマCVD法に用いる装置の一実施形態を示す図である。
【図2】本発明に係るプラズマCVD法に用いる装置の他の実施形態を示す図である。
【図3】従来のプラズマCVD装置を示す図である。
【図4】従来の熱触媒体CVD装置を示す図である。
【符号の説明】
1:チャンバー、2:シャワー電極、3:基板加熱ヒータ、4:原料ガス導入管、6:真空ポンプ、7:高周波発生装置、8:熱触媒体
Claims (2)
- チャンバー内に導入されたSi系ガスと非Si系ガスからなる原料ガスをプラズマで活性化させてこの原料ガス中の成分を被着基板上に堆積させるプラズマCVD法において、
前記Si系ガスの導入経路と前記非Si系ガスの導入経路とが分離されて各々シャワー電極の噴射孔に接続され、
前記非Si系ガスの導入経路に熱触媒体が配設され、そして
前記Si系ガスおよび前記非Si系ガスを、それぞれの導入経路を通過させてシャワー電極の噴出孔により噴出させ、そしてプラズマで活性化させることを特徴とするプラズマCVD法。 - チャンバー内に導入されたSi系ガスと非Si系ガスからなる原料ガスをプラズマで活性化させてこの原料ガス中の成分を被着板上に堆積させるプラズマCVD装置において、
前記Si系ガスの導入経路と前記非Si系ガスの導入経路とが分離されて各々シャワー電極の噴射孔に接続され、
前記非Si系ガスの導入経路に、熱触媒体が配設され、そして
前記Si系ガスおよび前記非Si系ガスを、それぞれの導入経路を通過させてシャワー電極の噴出孔により噴出させ、そしてプラズマで活性化させるようにしたことを特徴とするプラズマCVD装置。
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