JP4578693B2

JP4578693B2 - プラズマｃｖｄ装置およびプラズマｃｖｄ装置を用いたシリコン系膜の製造方法

Info

Publication number: JP4578693B2
Application number: JP2001033903A
Authority: JP
Inventors: 栄史栗部
Original assignee: Kaneka Corp
Current assignee: Kaneka Corp
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: JP2002237459A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマＣＶＤ装置およびプラズマＣＶＤ装置を用いたシリコン系膜の製造方法に関し、特に、大面積で均一な半導体薄膜を高速度で製造するために好ましく用いられ得るプラズマＣＶＤ装置の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
今日、プラズマＣＶＤ装置は、複写機の感光ドラム上の感光層、液晶表示パネルの透明基板上に形成されるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）アレイ、薄膜太陽電池などにおける種々の半導体層の形成のために利用されている。ここで、液晶表示パネルはその画面の大型化が望まれており、薄膜太陽電池においても大きな発電能力と生産効率の向上のために大面積化が求められている。すなわち、プラズマＣＶＤ装置において、大面積の半導体薄膜を製造することが求められている。
【０００３】
図８においては、大面積の半導体薄膜の製造に適した縦型のプラズマＣＶＤ装置の一例が模式的な断面図で図解されている。なお、本願の各図において、長さ、幅、厚さ、間隔などの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【０００４】
この縦型プラズマＣＶＤ装置は、真空ポンプ（図示せず）によって減圧可能なプラズマ反応室１内において、基板４を支持するための基板支持電極２を備えている。また、反応室１内において、基板支持電極２に対面して配置された対向電極（ガス吹出電極）３も設けられている。対向電極３は、基板４に向けてプラズマＣＶＤ反応ガス５を吹出すための複数の孔３ｂを含むガス吹出面板３ａを有している。プラズマＣＶＤ反応を生じさせるときには、基板支持電極２と対向電極３との間に、高周波電源６によって通常は１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加される。
【０００５】
一般に、ガス吹出面板３ａとしては、アルマイト表面処理されたアルミ合金板やステンレス鋼板が用いられ、約３〜６ｍｍの範囲内の一定厚さＴを有している。ガス吹出孔３ｂは約０．２〜０．８ｍｍの範囲内の一定断面直径φＤｇを有し、その孔３ｂの長さＨｇはそれが貫通するガス吹出面板３ａの一定厚さＴに等しい。そして、複数のガス吹出孔３ｂは、３〜１５ｍｍの範囲内の一定のピッチＰｇで配列されている。
【０００６】
ところで、近年では薄膜太陽電池も多様化し、従来の非晶質薄膜太陽電池の他に比較的長波長の光をも光電変換し得る結晶質薄膜太陽電池も開発され、非晶質光電変換ユニットと結晶質光電変換ユニットを積層したハイブリッド薄膜太陽電池も実用化されつつある。ここで、光吸収係数の大きな非晶質シリコン光電変換層は光吸収のためには０．３μｍ以下の厚さでも十分であるが、光吸収係数の小さな結晶質シリコン光電変換層は長波長の光をも十分に吸収するためには２〜３μｍ程度の厚さを有することが好ましい。すなわち、結晶質光電変換層は、通常は、非晶質光電変換層に比べて、約１０倍程度の大きな厚さを有することが望まれる。
【０００７】
特開平１１−３３０５２０は、従来から比較的薄い非晶質光電変換層の堆積の場合に用いられていた１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）以下のプラズマ反応室内圧力の代わりに、６６７Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）以上の高い反応室の圧力を利用することによって、厚い結晶質光電変換層を高速度で堆積し得ることを開示している。
【０００８】
ところで、図８に示されているような平行平板型高周波プラズマＣＶＤ装置において、プラズマ放電を発生させて維持するためには、一般に、プラズマ反応室内のガス圧と平行平板電極間距離とは逆の関係にある。すなわち、ガス圧が小さいときには電極間距離を比較的大きくしなければならず、逆にガス圧が大きいときには電極間距離を小さくしなければならない。そこで、特開平１１−３３０５２０は、電極間距離を変えることができる可動式の平行平板電極を備えたプラズマＣＶＤ装置を開示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
薄膜太陽電池は、前述のように、より大きな発電能力と生産効率の向上のために大面積化が求められている。ところが、平行平板電極を有するプラズマＣＶＤ装置を利用して大きな基板上に形成された薄膜太陽電池においては、その光電変換特性が基板上の局所的な平面位置に依存して変動する傾向が強くなるという事実がある。そして、この傾向は、異常放電が生じ易くなる高い反応ガス圧、基板と対向電極との間の小さな間隔および高い高周波パワー密度の条件のもとで堆積された結晶質光電変換層を含む結晶質薄膜太陽電池またはハイブリッド薄膜太陽電池において顕著になる。なお、ここで異常放電とは、プラズマ強度に不均一な分布を生じたり、平行平板電極の平行間隔以外の部分で放電を生じることを意味する．他方、結晶質光電変換層を含む薄膜太陽電池では、生産効率のさらなる向上のために、その比較的厚い結晶質光電変換層の堆積速度をさらに高めることが望まれている。
【００１０】
ところで、特公平３−２５５１０は、窒化珪素膜、酸化珪素膜、または酸窒化珪素膜の堆積速度を高めるために、図９（Ａ）および（Ｂ）の断面部分図に示されているように、末広ノズル形状のガス吹出孔３ｂを有するガス吹出面板３ａを対向電極３において用いることを提案している。そして、特公平３−２５５１０によれば、このような末広ノズル状のガス吹出孔３ｂに反応ガスを通しながら高周波電力６を印加することによってプラズマ密度が増大し、それに伴って反応ガスのかい離と反応性が増大して膜堆積速度も増大するとされている。
【００１１】
しかしながら、ガス吹出面板３ａにおいて、図９（Ａ）や（Ｂ）に示されているような複雑な末広ノズル形状の孔３ｂを加工形成することは困難である。そのような加工が可能であるとしても、大面積のガス吹出面板３ａに多数の末広ノズル状ガス吹出孔３ｂを形成することは、非常に多額の加工費用を要することになる。
【００１２】
たとえば、１ｍ×１ｍの大きな面積を有するガス吹出面板３ａに５ｍｍ間隔でガス吹出孔３ｂを形成するとすれば、それらの孔３ｂの総数は４万個にもなる。
したがって、これらのガス吹出孔３ｂの１つを複雑な末広ノズル形状に加工する費用を約２００円程度に見積もったとしても、４万個もの孔を加工するためには総額で約８００万円もの費用を要することになる。
【００１３】
また、末広ノズル状ガス吹出孔３ｂにおいては、プラズマ反応が促進される末広ノズル内の喉部（付け根部）に不所望のパーティクル状のダストが生成して付着しやすくなり、その細い喉部がダストで詰まるおそれが高くなる。
【００１４】
このような状況に鑑み、本発明は、大きな基板面上の平面的位置に依存することなく均一で優れた特性を有する半導体薄膜をより高速度で堆積するために好ましく用いられ得るプラズマＣＶＤ装置を低コストで提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマＣＶＤ装置は、プラズマＣＶＤ反応室と、この反応室内において成膜用基板を支持するための基板支持電極と、基板に対面すべき対向電極とを備え、この対向電極は中空であってかつ基板に向けて反応ガスを吹出すために複数のガス吹出孔を有するガス吹出面板を含み、このガス吹出面板が基板と対向する面にはプラズマの発生を促進するためのプラズマ促進溝が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
ガス吹出孔は、プラズマ促進溝の底面に配置されていることが好ましい。しかし、ガス吹出孔は、プラズマ促進溝を除く平面領域に配置されてもよい。
【００１７】
ガス吹出孔の長さはガス吹出面板の厚さより小さく、そのガス吹出孔の入口側がその孔径よりも大きな径の差圧調整孔に接続されている。
【００１８】
以上のようなプラズマＣＶＤ装置を用いて、反応室内のガス圧が５３３Ｐａ以上、ガス吹出面板と基板との間隔が１５ｍｍ以下、そして基板支持電極と対向電極との間に印加される高周波電力が３００ｍＷ／ｃｍ²以上のパワー密度に設定される条件のもとで、異常放電を防止しつつシリコン系膜の高速度成膜を可能にするプラズマＣＶＤ法を行うことができる。
【００１９】
また、このようなプラズマＣＶＤ装置は、特に、大面積の結晶質シリコン系光電変換層を含む薄膜太陽電池の製造に好ましく用いられるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるプラズマＣＶＤ装置において好ましく用いられ得るガス吹出面板３ａの一例の断面を模式的に示し、図２は図１のガス吹出面板３ａの基板対向面を表わしている。すなわち、このガス吹出面板３ａの基板対向面において、プラズマの発生を促進するために、台形状の横断面形状と深さＨｐを有する複数の溝３ｇが形成されている。これらのプラズマ促進溝３ｇは、ピッチＰｐで直交する格子状に配列されている。そして、これらの溝３ｇの各交差部の中心において一定断面直径φＤｇを有するガス吹出孔３ｂが形成されている。したがって、これらのガス吹出孔３ｂの配列ピッチＰｇも、プラズマ促進溝３ｇの配列ピッチＰｐに一致している。
【００２１】
ただし、プラズマ促進溝３ｇとガス吹出孔３ｂの配列は直交格子状のパターンに限られず、他の種々のパターンでも配列され得ることはいうまでもない。
【００２２】
ここで重要なことは、図９に示されているように複雑な末広ノズル形状のガス吹出孔と異なって、プラズマ促進溝３ｇはフライス盤や平削盤などを用いて、はるかに容易かつ安価に形成され得ることである。また、本実施の形態におけるガス吹出孔３ｂは一定の横断面直径φＤｇを有しているので、末広ノズル形状のガス吹出孔の場合のようにそのノズルの喉部にダストが付着し易くなるという問題を生じることがない。
【００２３】
ガス吹出面板３ａは、従来と同様にアルミ合金板またはステンレス鋼板などを利用して形成することができる。このガス吹出面板においては、深さＨｐの溝３ｇを形成することが可能であってかつ反応ガス圧に対して十分な平面精度を維持し得る強度を有することが必要であり、その厚さＴは３ｍｍ以上であることが望まれ、４ｍｍ以上であることが好ましい。他方、ガス吹出面板３ａは、ＣＶＤ装置のメンテナンス作業の際にその洗浄時のハンドリングが可能で、かつ対向電極３に取付けたときにその電極本体の強度が耐えられる重さでなければならない。
この観点から、アルミ合金のガス吹出面板の場合で、その厚さＴは１５ｍｍ以下であることが望まれ、１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
溝３ｇの深さＨｐとしては、いわゆるホロー（窪み）カソード効果（日刊工業新聞社出版、小沼光晴著、「プラズマと成膜の基礎」ｐｐ．５８−６０参照）に類似してプラズマ発生の促進が期待されるように１ｍｍ以上であることが望ましく、２．５ｍｍ以上であることが好ましい。他方、ガス吹出面板３ａの強度維持の観点から、その面板がアルミ合金の場合に、溝深さＨｐは１３ｍｍ以下であることが望まれ、７．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
溝幅Ｂｐとしては、溝３ｇの内部でプラズマ発生を促進させるホロー効果が期待できるように１．６ｍｍ以上であることが望まれ、２．０ｍｍ以上であることが好ましい。他方、溝幅Ｂｐが大きくなりすぎれば、ガス吹出面板３ａの基板対向面のうちで溝部３ｇ以外の島領域と基板４との間で放電が強くなって、溝３ｇによるプラズマ促進効果が得られなくなる。そして、溝部３ｇとそれ以外の島部に対応して、基板４上で形成される膜において厚さ変動を生じる場合もある。したがって、溝幅Ｂｐは基板４とガス吹出面板３との間の距離Ｅ／Ｓより小さく設定され、８ｍｍ以下であることが好ましく、６ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００２６】
溝ピッチＰｐに関しては、まず溝幅Ｂｐ以上のピッチでなければ、理論的に溝３ｇを配置することができない。また、溝３ｇ以外の島部分の幅は加工の観点から最低でも１ｍｍは必要である。したがって、溝ピッチＰｐは２．６ｍｍ以上であることが望まれ、３．５ｍｍ以上であることが好ましい。他方、溝３ｇ以外の島部分の幅が大きくなれば、溝３ｇによるプラズマ促進効果が連続的でなくなり、基板４上に堆積される膜の厚さ分布に悪影響を与える。したがって、溝ピッチＰｐは２５ｍｍ以下であることが望まれ、８．５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
ガス孔３ｂの深さＨｇに関しては、ガス吹出の分散と均一性が保たれるような差圧（ガス孔の入口側と出口側との差圧）が得られる深さであることが望まれ、１．０ｍｍ以上であることが好ましく、１．５ｍｍ以上であることがより好ましい。他方、ガス孔深さＨｇが大きくなりすぎれば、その加工が困難になる。この加工は通常はドリルを用いて行なわれるが、孔径の小さな加工であるので、その深さが大きくなればドリルの破損が多くなる。そして、ドリルの破損のたびにボール盤を止めて破損ドリルを加工途中の孔から取除き、ドリルの交換とその後の再加工が必要となる。しかも、前述のように、大面積のガス吹出面板のガス吹出孔加工では数万個の加工が必要である。したがって、ガス孔深さＨｇはドリルの破損のおそれの少ない５ｍｍ以下であることが好ましく、４ｍｍ以下であることがより好ましい。なお、ガス孔深さＨｇが３ｍｍ程度以下ならばレーザ加工も可能となり、加工時間と費用の節減も可能になる。
【００２８】
ガス孔径φＤｇに関しては、これが小さすぎれば差圧が大きくなりすぎて必要な反応ガス流量の確保が困難になる。また、成膜時に発生し得るパーティクルなどのダストが細いガス孔に詰まるおそれもある。さらに、ガス孔径φＤｇが小さすぎれば、その加工も困難になる。したがって、ガス孔径φＤｇは０．１ｍｍ以上であることが望まれ、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。他方、ガス孔径φＤｇが大きすぎれば、ガス吹出の分散と均一性が保たれるために十分な差圧が得られにくくなる。したがって、ガス孔径φＤｇは０．８ｍｍ以下であることが望まれ、０．６ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
なお、具体的にガス吹出面板３ａを設計する際には、ガス孔３ｂの深さＨｇ、径φＤｇ、およびピッチＰｇは、反応ガス流量やガスの分散性などを考慮して、上述のそれぞれの範囲内で最適な値を選択することができる。
【００３０】
図１および図２に示されているようなプラズマ促進溝３ｇ付きのガス吹出面板３ａを用いることによって、そのガス吹出面板において基板対向面の表面積の増大によって均一で安定したプラズマを得ることができる。特に、高い反応ガス圧のもとでハイパワーの高周波電力を印加する場合に、電極間距離を狭くしたときに異常放電を起こすことなく、均一な分布のプラズマを得ることができる。また、それらの溝３ｇによって前述のホロー効果が期待され、成膜速度のさらなる向上が期待され得る。さらに、溝３ｇのエッジ部や溝の交差部におけるような突起部分からの２次電子放出が増大するので、これによる成膜速度の向上も期待され得る。
【００３１】
より具体的には、図１および図２に示されているようなガス吹出面板３ａを用いることによって、シランと水素を含む反応ガス圧５３３Ｐａ以上のもとで１μｍ／ｈｒ以上のシリコン膜堆積速度が十分に可能であって、好ましく用いられる電源周波数範囲も１０〜５０ＭＨｚに広がるとともに、印加され得るパワー密度の範囲も５０〜１５００ｍＷ／ｃｍ²に広げられ得る。さらに、５３３Ｐａ以上の反応ガス圧のもとにおいても、プラズマを発生させ得る対向電極と基板との間隔Ｅ／Ｓの可能範囲も５〜３０ｍｍまで広げられ得る。
【００３２】
ところで、図１および図２に示された実施形態では横断面形状が台形のプラズマ促進溝３ｇを含むガス吹出面板が用いられているが、本発明はこれらの溝形態に限られず、図３に示されているような矩形の横断面を有する溝３ｇ、図４に示されているような三角形の横断面を有する溝３ｇ、または図５に示されているようなドーム状の横断面を有する溝３ｇのいずれを含むガス吹出面板３ａも同様に好ましく用いられ得ることが理解されよう。
【００３３】
図６と図７においては、さらに他の実施形態によるガス吹出面板３ａが示されている。図６と図７に示されたガス吹出面板３ａは、図１と図２に示されたものに類似して、その基板対向面において台形状の横断面形状を有する複数のプラズマ促進溝３ｇが形成されており、これらの溝は直交する格子状に配列されている。しかし、ガス吹出孔３ｂは、それらの溝３ｇに囲まれた島部の中心に配置されている。このように図６と図７に示されたガス吹出面板においても、図１と図２に示されたものと同様の効果を発揮し得ることが理解されよう。
【００３４】
ただし、ガス吹出面板３ａの厚さＴが所望のガス吹出孔３ｂの深さＨｇより大きくなる場合には、そのガス吹出孔３ｂのガス入口側において、たとえば太いドリル孔からなる差圧調整孔３ｃを形成すればよい。このような太いドリル孔は細いドリル孔に比べて容易に形成され得ることが理解されよう。これによって、ガス吹出孔３ｂの所望の深さＨｇを設定することができ、そのガス入口側と出口側との間の調整された差圧によってガスの分散性と均一性を確保することができる。
【００３５】
また、上述の種々の実施形態におけるいずれのプラズマ促進溝３ｇも、図９に示されているように複雑な末広ノズル形状のガス吹出孔と異なって、フライス盤や平削盤を用いてはるかに容易かつ安価に形成され得ることが理解されよう。
【００３６】
さらに、上述の種々の実施形態におけるいずれのガス吹出孔３ｂも、末広ノズル形状のガス吹出孔の場合のようにそのノズルの喉部にダストが付着し易くなるという問題を生じることのないことを理解されよう。
【００３７】
（実施例１）
ガス吹出面板３ａとして、厚さＴ＝６．４ｍｍのステンレス鋼板が用いられた。そして、溝深さＨｐ＝３．４ｍｍ、溝ピッチＰｐ＝５．３ｍｍ、溝幅Ｂｐ＝２．４ｍｍ、ガス孔深さＨｇ＝３．０ｍｍ、そしてガス孔径φＤｇ＝０．４５ｍｍに設定された。
【００３８】
このようなガス吹出面板３ａを用いて、９１ｃｍ×９１ｃｍの大きな面積と４ｍｍの厚さを有するガラス基板４上にシリコン薄膜がプラズマＣＶＤで堆積された。反応ガスとしては、シランとその１００倍の流量の水素が反応室内に導入され、反応室内ガス圧は５３３Ｐａに設定された。また、ガス吹出面板３ａと基板４との間隔（Ｅ／Ｓ）は１５ｍｍに設定された。このような条件下で３００ｍＷ／ｃｍ²のパワー密度で高周波電力を印加したところ、異常放電を生じることなく安定した高密度のプラズマが生成され、１μｍ／ｈｒ以上の速い堆積速度で均一な結晶質シリコン膜が形成された。
【００３９】
（実施例２）
実施例２では、反応室内ガス圧が６６７Ｐａに増大されるとともにＥ／Ｓ間隔が１２ｍｍに減少されたことのみにおいて、実施例１と異なっていた。このような実施例２においても、１μｍ／ｈｒ以上の速い堆積速度で均一な結晶質シリコン膜が形成された。
【００４０】
（実施例３）
実施例３では、反応室内ガス圧が１０００Ｐａに増大されるとともにＥ／Ｓ間隔が１０ｍｍに減少され、さらに高周波パワー密度が５００ｍＷ／ｃｍ²に増大されたことのみにおいて、実施例１と異なっていた。このような実施例３においては、１．５μｍ／ｈｒ以上のより速い堆積速度で均一な結晶質シリコン膜が形成された。
【００４１】
（実施例４）
実施例４では、反応室内ガス圧が１３３０Ｐａに増大されるとともにＥ／Ｓ間隔が８ｍｍに減少され、さらに高周波パワー密度が８００ｍＷ／ｃｍ²に増大されたことのみにおいて、実施例１と異なっていた。このような実施例４においては、２．０μｍ／ｈｒ以上の非常に速い堆積速度で均一な結晶質シリコン膜が形成された。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、大きな基板上の平面的位置に依存することなく均一で優れた特性を有する半導体薄膜をより高速度で堆積するために好ましく用いられ得るプラズマＣＶＤ装置を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマＣＶＤ装置において好ましく用いられ得る対向電極のガス吹出面板の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】図１のガス吹出面板の基板対向面を示す平面図である。
【図３】他の形態によるガス吹出面板を示す模式的な断面図である。
【図４】他の形態によるガス吹出面板を示す模式的な断面図である。
【図５】他の形態によるガス吹出面板を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態によるガス吹出面板を示す模式的な断面図である。
【図７】図６のガス吹出面板の基板対向面を示す平面図である。
【図８】大面積の基板上に半導体薄膜を堆積するために好ましく用いられ得る縦型ＣＶＤ装置の一例を示す模式的な断面図である。
【図９】先行技術によるガス吹出面板における末広ノズル状のガス吹出孔を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１プラズマ反応室、２基板支持電極、３対向電極、３ａガス吹出面板、３ｂガス吹出孔、３ｃ差圧調整孔、３ｇプラズマ促進溝、４基板、５反応ガス、６高周波電源。

Claims

プラズマＣＶＤ反応室と、前記反応室内において成膜用基板を支持するための基板支持電極と、前記基板に対面すべき対向電極とを備え、
前記対向電極は中空であって、前記基板に向けて反応ガスを吹出すために、複数のガス吹出孔および複数の差圧調整孔を有するガス吹出面板を含み、前記差圧調整孔は前記ガス吹出孔の入口側の孔径よりも大きな径を有し、
前記ガス吹出孔の長さが前記ガス吹出面板の厚さより小さく、そのガス吹出孔の入口側が前記差圧調整孔に接続されており、
前記ガス吹出面板が前記基板と対向する面において、プラズマの発生を促進するためのプラズマ促進溝が形成されていることを特徴とするプラズマＣＶＤ装置。
前記ガス吹出孔は前記プラズマ促進溝の底面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
前記ガス吹出孔は前記プラズマ促進溝を除く平面領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
請求項１から３のいずれかの項に記載されたプラズマＣＶＤ装置を用いて、シリコン系膜を製造する方法であって、
前記反応室内のガス圧が５３３Ｐａ以上、前記ガス吹出面板と前記基板との間隔が１５ｍｍ以下、そして前記基板支持電極と前記対向電極との間に印加される高周波電力が３００ｍＷ／ｃｍ²以上のパワー密度に設定される条件のもとでプラズマＣＶＤが行われる、シリコン系膜の製造方法。