JP5502210B2 - Microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、微結晶半導体薄膜製造方法に関し、特に、シリコン系薄膜太陽電池の光電変換層等に用いられる微結晶シリコンや微結晶シリコンゲルマニウム等の微結晶半導体薄膜製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a microcrystalline semiconductor thin film, and more particularly to a method for producing a microcrystalline semiconductor thin film such as microcrystalline silicon or microcrystalline silicon germanium used for a photoelectric conversion layer or the like of a silicon-based thin film solar cell.
シリコン系薄膜太陽電池の光電変換層の1つとして、例えば微結晶シリコン薄膜が広く用いられている。この微結晶シリコン膜の製造方法としては、シラン(SiH4)と水素(H2)との混合ガスを用いたプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により低温(〜200℃)下でガラス基板上に堆積させるのが一般的である(例えば、特許文献1、非特許文献1参照)。As one of photoelectric conversion layers of silicon-based thin film solar cells, for example, a microcrystalline silicon thin film is widely used. As a method for producing this microcrystalline silicon film, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method using a mixed gas of silane (SiH 4 ) and hydrogen (H 2 ) is used on a glass substrate at a low temperature (˜200 ° C.). It is common to deposit (for example, refer
プラズマCVD装置では、真空容器内に、放電プラズマを発生させるプラズマ電極と基板を設置するステージ電極(電気的に接地されている)とが対向して配置されている。微結晶シリコン薄膜を製造する場合は、この真空容器にシラン(SiH4)と水素(H2)との混合ガスを一定流量で供給し、真空容器内のガス圧力を所望の値に調整する。その後、プラズマ電極にRF(Radio Frequency:10〜30MHz)あるいはVHF(Very High Frequency:30〜300MHz)帯の高周波電圧を印加し、プラズマ電極とステージ電極とのギャップ間(ギャップ長:3〜10mm)に低圧グロー放電を起こさせ、SiH4/H2混合プラズマを発生させる。In a plasma CVD apparatus, a plasma electrode that generates discharge plasma and a stage electrode (electrically grounded) on which a substrate is placed are disposed in a vacuum container so as to face each other. When manufacturing a microcrystalline silicon thin film, a mixed gas of silane (SiH 4 ) and hydrogen (H 2 ) is supplied to the vacuum vessel at a constant flow rate, and the gas pressure in the vacuum vessel is adjusted to a desired value. Thereafter, a high frequency voltage of RF (Radio Frequency: 10 to 30 MHz) or VHF (Very High Frequency: 30 to 300 MHz) band is applied to the plasma electrode, and the gap between the plasma electrode and the stage electrode (gap length: 3 to 10 mm) A low-pressure glow discharge is caused to generate SiH 4 / H 2 mixed plasma.
この時、プラズマ中で生成される化学的に活性なSiH3、SiH2、SiH分子、またはSi、H原子が基板にまで輸送され、これらが表面に付着・反応することにより、基板上にはシリコン薄膜が堆積する。At this time, chemically active SiH 3 , SiH 2 , SiH molecules, or Si, H atoms generated in the plasma are transported to the substrate, and these adhere to and react with the surface. A silicon thin film is deposited.
一般的に、このプラズマCVD法で微結晶シリコン薄膜を堆積するには、「高圧枯渇法」と呼ばれる成膜手法が広く用いられている(たとえば、特許文献1、非特許文献1参照)。具体的には、比較的高いガス圧力(〜数100Pa以上)と高い高周波電力(〜数100W以上)の条件下で、供給するSiH4ガス流量F[SiH4]を充分小さくし(言い換えれば、H2ガス流量F[H2]を充分大きくし)、SiH4流量比=F[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])を1〜2%程度にまで下げ、プラズマ中のSiH4を枯渇させることにより、微結晶シリコン薄膜の堆積が可能となる。逆に、SiH4流量比=F[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])が〜2%よりも大きい場合には、堆積した膜は非晶質状態のシリコン薄膜になる。In general, in order to deposit a microcrystalline silicon thin film by this plasma CVD method, a film forming technique called “high pressure depletion method” is widely used (see, for example,
この方法によって得られた微結晶シリコン薄膜は、粒径が数nm〜数10nm程度のシリコン結晶粒と非晶質状態のシリコンとの混合状態として存在しており、いわゆる非晶質シリコン薄膜に比べ、長波長領域(600nm以上)で分光感度特性が良く、またキャリア移動度が大きいという特徴がある。 The microcrystalline silicon thin film obtained by this method exists as a mixed state of silicon crystal grains having a grain size of several nanometers to several tens of nanometers and silicon in an amorphous state. In the long wavelength region (600 nm or more), the spectral sensitivity characteristics are good and the carrier mobility is high.
この微結晶シリコン薄膜を光電変換層に用いた太陽電池セルにおいては、光電変換効率が〜9%程度の良好なセル特性が得られている。また、光電変換層が微結晶シリコン薄膜から成る太陽電池セルと光電変換層が非晶質シリコン膜から成る太陽電池セルとをそれぞれ直列に接続したタンデム型セル構造も提案されている。このような非晶質シリコン光電変換層と微結晶シリコン光電変換層とを用いたタンデム型の太陽電池では、紫外〜赤外域にかけて広い波長範囲で光吸収があることにより、光電変換効率が12〜15%に達する実用的な太陽電池セル・モジュールが報告されている。 In the solar cell using this microcrystalline silicon thin film for the photoelectric conversion layer, good cell characteristics with a photoelectric conversion efficiency of about 9% are obtained. Also proposed is a tandem cell structure in which a photovoltaic cell whose photoelectric conversion layer is made of a microcrystalline silicon thin film and a solar cell whose photoelectric conversion layer is made of an amorphous silicon film are connected in series. A tandem solar cell using such an amorphous silicon photoelectric conversion layer and a microcrystalline silicon photoelectric conversion layer has a light absorption in a wide wavelength range from ultraviolet to infrared, so that the photoelectric conversion efficiency is 12 to 12%. A practical solar cell module reaching 15% has been reported.
太陽電池の光電変換層として膜厚が2〜3μm程度の微結晶シリコン薄膜を形成しようとすると、上述の何れの成膜手法を用いても、その成膜初期にはインキュベーション層と呼ばれる薄い非晶質状のシリコン膜が形成される。この非晶質シリコン膜の表面近傍で核発生が起こると、この核を起点として微結晶シリコンが成長し続けるようになる。ここで、インキュベーション層の厚みは数10nm〜数100nmであり、光電変換層の膜厚の〜数%程度の割合を占める。 When a microcrystalline silicon thin film having a film thickness of about 2 to 3 μm is formed as a photoelectric conversion layer of a solar cell, a thin amorphous film called an incubation layer is formed at the initial stage of film formation, regardless of which film formation method is used. A quality silicon film is formed. When nucleation occurs near the surface of the amorphous silicon film, microcrystalline silicon continues to grow from this nucleation. Here, the thickness of the incubation layer is several tens nm to several hundreds nm, and occupies a ratio of about several% of the film thickness of the photoelectric conversion layer.
非晶質シリコン薄膜は、微結晶シリコン薄膜に比べて電荷移動度が低く、膜の電気抵抗が大きい。このため、微結晶シリコン薄膜の成膜時にインキュベーション層が厚く形成されると、光電変換層(すなわちインキュベーション層+微結晶シリコン薄膜)の抵抗が大きくなる。このため、このような光電変換層を有する太陽電池セルにおいては、電流−電圧特性のフィル・ファクタ(Fill Factor)の値が大きくなり、光電変換効率の低下を引き起こすという問題点があった。 An amorphous silicon thin film has a lower charge mobility and a higher electric resistance of the film than a microcrystalline silicon thin film. For this reason, if the incubation layer is formed thick when the microcrystalline silicon thin film is formed, the resistance of the photoelectric conversion layer (that is, the incubation layer + microcrystalline silicon thin film) increases. For this reason, in the photovoltaic cell which has such a photoelectric converting layer, the value of the fill factor (Fill Factor) of an electric current-voltage characteristic became large, and there existed a problem of causing the fall of photoelectric conversion efficiency.
また、シリコンの核発生後、微結晶シリコン薄膜は下地膜の上方に柱状に伸びて成長する。堆積したシリコン膜の結晶性は、膜の成長方向、すなわち下地膜の垂線方向に一様ではなく、膜の成長とともに結晶性が増加する傾向がある。このように結晶成長が不均一に起こるため、堆積した微結晶シリコン膜の結晶化率(膜全体の平均値)が光電変換層に適した値であっても、下地膜との界面近傍では膜の結晶性が低すぎる、あるいは膜の表面近傍では結晶性が高すぎることがあり、以下に述べる問題点があった。 Further, after the generation of silicon nuclei, the microcrystalline silicon thin film grows in a columnar shape above the base film. The crystallinity of the deposited silicon film is not uniform in the growth direction of the film, that is, the perpendicular direction of the base film, and the crystallinity tends to increase as the film grows. Since crystal growth occurs unevenly in this way, even if the crystallization rate of the deposited microcrystalline silicon film (average value of the entire film) is a value suitable for the photoelectric conversion layer, the film is not near the interface with the base film. The crystallinity of the film is too low, or the crystallinity may be too high near the surface of the film.
微結晶シリコン膜の結晶性が低すぎる場合には、膜中において非晶質シリコンが占める割合が多いため膜の電気抵抗が大きく、上述したように光電変換効率が低くなる。一方、微結晶シリコン膜の結晶性が高すぎる場合には、膜中の結晶粒界が多数存在するようになる。成膜した微結晶シリコン薄膜の断面を透過型電子顕微鏡を用いて観察すると、微結晶シリコン膜の結晶性が高すぎる場合は、結晶粒界が膜を貫通している箇所や粒界に沿ってクラックが発生している箇所がしばしば見られる。このため、微結晶シリコン薄膜を基板上に堆積した後、基板を真空容器から大気中に取り出すと、大気から酸素、窒素、炭化水素等の不純物が膜の表面から結晶粒界に沿って深部にまで入り込み、膜の内部を汚染するようになる。こうして、従来の方法で得られた微結晶シリコン薄膜では、膜の表面のみならず内部も酸化されていたり、炭素等の不純物に汚染されていたりしており、これらが太陽電池の特性に悪影響を及ぼすという問題点があった。 When the crystallinity of the microcrystalline silicon film is too low, since the proportion of amorphous silicon in the film is large, the electric resistance of the film is large, and the photoelectric conversion efficiency is low as described above. On the other hand, when the crystallinity of the microcrystalline silicon film is too high, many crystal grain boundaries exist in the film. When the cross-section of the deposited microcrystalline silicon thin film is observed using a transmission electron microscope, if the crystallinity of the microcrystalline silicon film is too high, the crystal grain boundary passes through the film or along the grain boundary. There are often places where cracks occur. Therefore, after the microcrystalline silicon thin film is deposited on the substrate, when the substrate is taken out from the vacuum container to the atmosphere, impurities such as oxygen, nitrogen, hydrocarbons, etc. from the atmosphere enter the deep part along the crystal grain boundary from the film surface. Until it becomes contaminated. Thus, in the microcrystalline silicon thin film obtained by the conventional method, not only the surface of the film but also the inside is oxidized or contaminated with impurities such as carbon, which adversely affects the characteristics of the solar cell. There was a problem of affecting.
このような問題点を解決する方法として、SiH4プロファイリング法と呼ばれる微結晶シリコン薄膜の形成手法が知られている(例えば、非特許文献2参照)。本手法では、微結晶シリコン薄膜を堆積する際、供給するSiH4ガスの流量を成膜中一定ではなく、時間的に変化させることを特徴としている。以下、SiH4プロファイリング法を具体的に説明する。As a method for solving such a problem, a technique for forming a microcrystalline silicon thin film called a SiH 4 profiling method is known (for example, see Non-Patent Document 2). This technique is characterized in that when depositing a microcrystalline silicon thin film, the flow rate of the SiH 4 gas to be supplied is not constant during film formation but is changed over time. Hereinafter, the SiH 4 profiling method will be specifically described.
非特許文献2に示されているSiH4プロファイリングの例では、シリコンの成膜時にH2ガス流量をF[H2]=600sccm一定とし、SiH4ガス流量を段階的にF[SiH4]=4sccmから12sccmまで増加させている。なお、通常の成膜方法では、成膜がスタートしてから終了まで、SiH4ガス流量を一定に保つようにするが、本文献では、SiH4ガス流量をF[SiH4]=12sccm(SiH4流量比は、F[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])=2%)に設定すると、比較的良好な微結晶シリコン膜が得られることが示されている。In the example of SiH 4 profiling shown in
SiH4プロファイリング法の一例として、先ずインキュベーション層が形成される成膜初期(0<t<20秒)においては、結晶の核発生を起こしやすくするため、結晶化率が高いSiH4ガス流量条件、すなわち、F[SiH4]=4sccmに設定する。この時、SiH4流量比はF[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])=0.7%となる。次に、これに続く成膜中期(20秒<t<40秒)では、SiH4ガス流量をF[SiH4]=8sccmまで増加させ、SiH4流量比がF[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])=1.3%となる比較的高い結晶性が得られる条件に移行する。これ以降(t>40秒)は、SiH4ガス流量をF[SiH4]=12sccmまで増加させ、通常のSiH4流量比F[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])=2%の条件で最後まで成膜を行う。As an example of the SiH 4 profiling method, in the initial stage of film formation where an incubation layer is formed (0 <t <20 seconds), in order to easily cause nucleation of crystals, a SiH 4 gas flow rate condition with a high crystallization rate, That is, F [SiH 4 ] = 4 sccm is set. At this time, the SiH 4 flow rate ratio is F [SiH 4 ] / (F [SiH 4 ] + F [H 2 ]) = 0.7%. Next, in the subsequent middle stage of film formation (20 seconds <t <40 seconds), the SiH 4 gas flow rate is increased to F [SiH 4 ] = 8 sccm, and the SiH 4 flow rate ratio is F [SiH 4 ] / (F [ SiH 4 ] + F [H 2 ]) = 1.3% The condition shifts to a condition where relatively high crystallinity is obtained. Thereafter (t> 40 seconds), the SiH 4 gas flow rate is increased to F [SiH 4 ] = 12 sccm, and the normal SiH 4 flow rate ratio F [SiH 4 ] / (F [SiH 4 ] + F [H 2 ]) The film is formed to the end under the condition of = 2%.
非特許文献2によると、下地膜との界面近傍においてSiH4流量比F[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])を段階的に増加させることにより、堆積した微結晶シリコン膜特性の再現性が向上し、しかも膜厚方向の結晶化率分布の均一性が改善できることが示されている。また、結晶性の均一性改善に対応し、試作した太陽電池セルの特性が向上することも示されている。According to
しかしながら、従来のSiH4プロファイリング法を用いた微結晶シリコン成膜では、成膜の初期〜中期において原料のSiH4ガス流量を比較的低い値に設定する。このため、これらの成膜期間ではシリコンの成膜速度が低下し、結果として太陽電池の製造工程のスループットを低下させ、低コスト化の妨げとなっていた。However, in the microcrystalline silicon film formation using the conventional SiH 4 profiling method, the SiH 4 gas flow rate of the raw material is set to a relatively low value in the initial to intermediate period of the film formation. For this reason, during these film formation periods, the film formation rate of silicon was lowered, resulting in a decrease in the throughput of the manufacturing process of the solar cell, which hindered cost reduction.
また、成膜の途中でSiH4流量を急速に変化させようとしても、流量を制御しているマスフローコントローラの時間応答が〜1秒程度あり、またこのマスフローコントローラから真空容器までの配管経路中をガスが輸送される時間が〜数秒程度ある。このことから、短時間での流量調整や短時間毎の流量の切り替えが困難であった。その結果、成膜初期のきめ細かな結晶制御に限界があり、結晶化率の均一性の更なる改善が求められていた。In addition, even if the SiH 4 flow rate is changed rapidly during film formation, the time response of the mass flow controller controlling the flow rate is about 1 second, and in the piping path from the mass flow controller to the vacuum vessel The time for the gas to be transported is about several seconds. This makes it difficult to adjust the flow rate in a short time and to switch the flow rate every short time. As a result, there is a limit to fine crystal control at the initial stage of film formation, and further improvement in uniformity of the crystallization rate has been demanded.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、微結晶半導体薄膜の成膜時に、膜厚方向に沿って均一な結晶性を維持しつつ成膜速度の低下を防ぐことができる微結晶半導体薄膜製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and a microcrystalline semiconductor capable of preventing a decrease in film formation speed while maintaining uniform crystallinity along the film thickness direction when forming a microcrystalline semiconductor thin film It aims at obtaining the thin film manufacturing method.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の微結晶半導体薄膜製造方法は、プラズマCVD法により微結晶半導体薄膜を製造する微結晶半導体薄膜製造方法であって、プラズマ電極を備えた真空容器内に微結晶半導体薄膜を堆積する基板を配置する工程と、前記真空容器内に水素を主成分に含むガスを連続的に供給しながら、少なくともシリコンまたはゲルマニウムを含む半導体材料ガスを断続的に供給するとともに、高周波電力を前記プラズマ電極に給電して前記プラズマ電極と前記基板との間にプラズマを生成して微結晶半導体薄膜を形成する微結晶半導体薄膜形成工程とを含み、前記微結晶半導体薄膜形成工程は、前記半導体材料ガスの供給をオン/オフ変調して前記半導体材料ガスを周期的に供給し、前記半導体材料ガスの供給をオンにしているときの前記高周波電力を前記半導体材料ガスの供給をオフにしているときの前記高周波電力よりも小さくし、前記オン/オフ変調の変調周波数または前記オン/オフ変調のデューティ比を経時的に変化させながら薄膜を形成すること、を特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method of the present invention is a microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method for manufacturing a microcrystalline semiconductor thin film by a plasma CVD method, and includes a plasma electrode . and disposing a board of depositing a microcrystalline semiconductor film in the vacuum vessel, while continuously supplying a gas containing a main component of hydrogen into the vacuum chamber, a semiconductor material gas containing at least silicon or germanium with intermittent supply, and a microcrystalline semiconductor film forming step of forming a microcrystalline semiconductor film by generating a plasma between the plasma electrodes by feeding the high frequency power to the plasma electrode and the substrate, wherein the higher the microcrystalline semiconductor film forming Engineering, said semiconductor material gas periodically supplying the supply of the semiconductor material gas is turned on / off modulation, wherein the semiconductor material gas The high-frequency power when the supply of the semiconductor material gas is turned off is smaller than the high-frequency power when the supply of the semiconductor material gas is turned off, and the modulation frequency of the on / off modulation or the duty of the on / off modulation A thin film is formed while changing the ratio with time.
本発明によれば、膜厚方向に均一な結晶化率を有する良好な微結晶半導体薄膜を高速に得ることができ、ひいては薄膜太陽電池の高性能化や低コスト化を実現する、という効果を有する。 According to the present invention, it is possible to obtain a good microcrystalline semiconductor thin film having a uniform crystallization rate in the film thickness direction at high speed, and to achieve high performance and low cost of the thin film solar cell. Have.
以下に、本発明にかかる微結晶半導体薄膜製造方法の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 Hereinafter, preferred embodiments of a method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる微結晶半導体薄膜製造装置の構成の一例を模式的に示す図である。この微結晶半導体薄膜製造装置は、従来のプラズマCVD装置を基本とするものであり、半導体薄膜を形成する雰囲気を内部に形成する真空容器10内に、基板ステージ12と、プラズマ電極13と、を備え、プラズマ電極13と基板ステージ12の対向する面が互いに平行となるように設置されている。真空容器10にはガス排気管11が設けられており、このガス排気管11に接続された図示しない真空ポンプによって、真空容器10内のガスが排気され、真空容器10内が所定の真空度に設定される。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the configuration of the microcrystalline semiconductor thin film manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention. This microcrystalline semiconductor thin film manufacturing apparatus is based on a conventional plasma CVD apparatus, and a
基板ステージ12は、電気的に接地されており、成膜処理を施す基板100が載置される構造となっている。また、この基板ステージ12の内部には、加熱ヒータが内蔵されており、成膜処理時には、基板温度を所定の温度、たとえば150〜250℃程度の値に設定される。なお、ここでは、基板ステージ12は、真空容器10の下部側に設けられている。
The
プラズマ電極13は、筒状の側面部131と、筒状構造の一方の端部の上面部133と反対側の底面から構成され、底面には複数の貫通孔が形成されたガスシャワーヘッド132を有する。また、プラズマ電極13は、ガスシャワーヘッド132が基板ステージ12の基板載置面と平行になるように、基板ステージ12の基板載置面から所定の距離上方に配置されるように、真空容器10内に固定される。ここでは、プラズマ電極13の筒状の側面部131や上面部133が、アルミナやテフロン(登録商標)などの絶縁スペーサ14によって真空容器10とは電気的に絶縁されるように、真空容器10に固定されている。
The
さらに、プラズマ電極13の筒状の上面部133は、プラズマ電極13設置位置に対応して設けられるシールドボックス20と、図示しないインピーダンス整合器とを介して、高周波電源40と電気的に接続されている。これによって、プラズマ電極13には、高周波電圧が印加される。高周波電源40の発振周波数は、13.56MHzや27.12MHzが一般的であるが、プラズマの密度を増加させて成膜の高速化を図るために、30〜150MHzの周波数、すなわちVHF帯が用いられることもある。このようにプラズマ電極13には高周波電圧が印加されるので、高周波の放射や漏洩を防ぐために、真空容器10の外部でプラズマ電極13を取り囲むように接地されたシールドボックス20が配置される。
Further, the cylindrical
プラズマ電極13の上面部133には、SiH4ガスとH2ガスとを供給するためのH2ガス供給口22aとSiH4ガス供給口22bとが別個に設けられており、これらはH2やSiH4ガスを供給するH2ガス供給管21aやSiH4ガス供給管21bに、それぞれ接続されている。プラズマを生成している時には、プラズマ電極13の上面部133には高周波電圧および直流の自己バイアス電圧が同時に印加されるので、ガス供給管21aや21bが金属(例えば、SUS製)の場合には、プラズマ電極13とガス供給管21a、21bとを電気的に絶縁させるため、ガス供給口22aや22bは、アルミナやテフロン(登録商標)などの絶縁体ブロックの内部にガスの流路を形成したものが用いられる。また、H2ガス供給管21a上には図示しないH2ガスを供給するH2ガス供給部からのH2ガスの流れをオン/オフするエア駆動式あるいは電磁式のガスバルブ23aと、H2ガスの流量をコントロールするマスフローコントローラ24aと、を備える。なお、ガスバルブ23aは、シールドボックス20の外部に配置される。The
SiH4ガス供給管21b上には図示しないSiH4ガスを供給するSiH4ガス供給部からのSiH4ガスの流れをオン/オフするエア駆動式あるいは電磁式のガスバルブ23bと、SiH4ガスの流量をコントロールするマスフローコントローラ24bと、薄膜形成中に真空容器10へのSiH4ガスの供給のオン/オフを行うエア駆動式のガスバルブ25と、を備える。ガスバルブ23bは、シールドボックス20の外部に配置され、エア駆動式のガスバルブ25は、シールドボックス20内のSiH4ガス供給口22bに近い位置に配置されている。ガスバルブ25は、エア駆動式であり、このガスバルブ25に圧縮空気を送るエア供給管30が配置されている。このエア供給管30には、圧縮空気の供給のオン/オフを行う電磁式のガスバルブ31がシールドボックス20の外部に設けられている。SiH 4 and the
ガスバルブ31を開閉することで、圧縮空気のガスバルブ25への供給がオン/オフされる。ガスバルブ31がオンされて開状態となり、ガスバルブ25に圧縮空気が供給されると、ガスバルブ25はオン(開状態)となり、SiH4ガス供給管21bを流れるSiH4ガスを真空容器10内へと供給することができる。また、ガスバルブ31がオフされて閉状態となり、ガスバルブ25への圧縮空気の供給が止められると、ガスバルブ25はオフ(閉状態)となり、SiH4ガス供給管21bを流れるSiH4ガスの真空容器10内への供給は止まる。このように、ガスバルブ25は圧縮空気によって開閉動作がされるので、真空容器10内へのSiH4ガスの供給を高速にオン/オフすることが可能となる。By opening and closing the
また、薄膜形成中にはプラズマ電極13に高周波電圧が印加されている状態にあるので、シールドボックス20内には高周波が放射される。このため、ガスバルブ25の金属部にも高周波電圧が印加されてしまうが、電磁気的な動作が一切ないエア駆動式のため、ガスバルブ25の誤動作や破損を抑えることができる。また、このガスバルブ25駆動用の圧縮空気の供給は、シールドボックス20の外に置かれた電磁式のガスバルブ31によって高速に行っている。
Further, since a high frequency voltage is applied to the
基板ステージ12とプラズマ電極13との間のプラズマが生成される空間(プラズマ生成空間)に対応する真空容器10の側面には、プラズマの状態を観測可能な光学窓15が配置されており、この光学窓15に、生成されるプラズマ中のSi原子またはSiH分子からの発光(たとえば、Si:288nm、SiH:414nm)の強度を観測する発光強度観測部50が設けられる。ここでは、発光強度観測部50として、プラズマの発光スペクトルからSi原子またはSiH分子からの発光を選択する干渉フィルタ51と、干渉フィルタ51で選択されたSi原子またはSiH分子の光を電気信号に変換する光電子増倍管52と、を備える。
An
また、この薄膜製造装置は、ガスバルブ31のバルブの開閉と、高周波電源40を制御する制御部60を備える。この制御部60は、所定の周期でSiH4ガスの真空容器10内への導入のオン/オフを切換えるバルブ開閉信号をガスバルブ31に供給するとともに、SiH4ガスの供給のオン/オフに同期してプラズマ電極13に供給される高周波電力の出力を振幅変調させるように、高周波電源40に電力変調信号を供給する。The thin film manufacturing apparatus also includes a
なお、発光強度観測部50で観測されたSi原子またはSiH分子からの発光強度を示す発光強度信号は制御部60に送られる。制御部60は、バルブ開信号をガスバルブ31に出力してから、実際にSi原子またはSiH分子の発光強度が増加するまでの遅れ時間と、バルブ閉信号をガスバルブ31に出力してから、実際にSi原子またはSiH分子の発光強度が減少するまでの遅れ時間を求め、この遅れ時間を加味して決定されたSiH4ガスの供給のオン/オフの期間に基づいて電力変調信号を出力する。Note that a light emission intensity signal indicating the light emission intensity from the Si atoms or SiH molecules observed by the light emission
つぎに、このような構成の微結晶半導体薄膜製造装置における微結晶半導体薄膜製造方法について説明する。まず、真空容器10内の基板ステージ12上に基板100を設置した後、ガス排気管11を通じて真空容器10内を真空排気し、真空容器10内を所定の真空度にする。また、基板ステージ12の加熱ヒータで基板100が所定の温度となるように加熱する。この状態で、H2ガス供給管21a上に設けられるガスバルブ23aを開け、H2ガス供給口22aから真空容器10内にH2ガスが所定の流量で供給される。このとき、H2ガス供給口22aから真空容器10内に流入したH2ガスは、筒状のプラズマ電極13内を流れ、プラズマ電極13の底部のガスシャワーヘッド132を通じて、プラズマ生成空間に供給される。Next, a microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method in the microcrystalline semiconductor thin film manufacturing apparatus having such a configuration will be described. First, after the
一方、SiH4ガスに関しては、SiH4ガス供給管21b上に設けられるガスバルブ23bを開け、絶えず開いた状態にしておくが、シールドボックス20内のエア駆動式のガスバルブ25を所定の周期で繰返し開閉させて、真空容器10内へのSiH4ガスの供給を高速にオン/オフさせる。具体的には、制御部60からのバルブ開信号を受けて、まずガスバルブ31が動作して開状態となり、圧縮空気がガスバルブ25にまで供給される。この空気圧の作用によりガスバルブ25が開き、SiH4ガスがプラズマ電極13のガスシャワーヘッド132を通じて真空容器10(プラズマ生成空間)内に供給される。また、制御部60からのバルブ閉信号を受けて、まずガスバルブ31が動作して閉状態となり、圧縮空気のガスバルブ25への供給が止まる。この圧縮空気が供給されないことによる空気圧の作用によってガスバルブ25が閉じ、SiH4ガスの真空容器10内への供給が停止する。On the other hand, with respect to SiH 4 gas, the
図2は、薄膜形成中におけるH2ガスとSiH4ガスの流量と高周波電源における高周波電力の時間に対する変化の様子を示す図である。この図に示されるように、H2ガスは時間によらず真空容器10内に常に所定の流量で供給されるが、SiH4ガスは、Tonの期間中に真空容器10内に供給され、Toffの期間中には真空容器10内に供給されない。また、高周波電力は、Tonの期間中、すなわちSiH4ガスのオン中にPonの出力でプラズマ電極13に印加され、Toffの期間中、すなわちSiH4ガスのオフ中にPoff(>Pon)の出力でプラズマ電極13に印加される。FIG. 2 is a diagram showing how H 2 gas and SiH 4 gas flow during thin film formation and how the high frequency power in the high frequency power supply changes with time. As shown in this figure, but always into the
SiH4ガスはプラズマ中で電子衝突により容易に解離するため、プラズマの電子密度が高すぎると、シリコン薄膜の前駆体であるSiH3のみならず、ガス粒子との衝突によりパーティクルの発生を引き起こすSiH2,SiH,Siも多量に生成されてしまい、気相中でパーティクルの発生が起こり、欠陥の多いシリコン膜が成膜されてしまう。よって、好ましいSiH3分子をより選択的に生成するため、SiH4のガス供給をオンにしているときには、高周波電力を低く設定してプラズマ密度を低く抑えることが有効である。一方、H2ガスは比較的解離しにくいガス種であることが知られている。これは、プラズマ中で電子衝突解離によって発生したH原子は、気相中または真空容器10の壁や電極表面で容易に再結合するため、H2分子に戻ってしまうからである。このため、プラズマ中のH原子の密度を高めるには、プラズマ中の電子密度を大きくする必要がある。Since SiH 4 gas is easily dissociated by electron collision in the plasma, if the plasma electron density is too high, not only SiH 3 that is a precursor of the silicon thin film but also SiH that causes generation of particles due to collision with gas particles. 2 , SiH and Si are also produced in large amounts, generating particles in the gas phase and forming a silicon film with many defects. Therefore, in order to generate preferable SiH 3 molecules more selectively, it is effective to set the high frequency power low to keep the plasma density low when the SiH 4 gas supply is turned on. On the other hand, H 2 gas is known to be a gas species that is relatively difficult to dissociate. This is because H atoms generated by electron impact dissociation in plasma easily recombine in the gas phase or on the wall of the
既に述べたように、非晶質のシリコン薄膜をH2プラズマに曝すことによって、膜を結晶化させることができる。また、プラズマ中のH原子の密度の増加に伴い、結晶化に要する時間が短くて済むことが知られている。したがって、H2プラズマを用いて非晶質のシリコン膜を素早く結晶化させるためには、H原子の密度を増加させる必要があり、プラズマを生成する高周波電力を可能な限り高くすればよい。よって、SiH4ガスの供給をオフにし、H2プラズマによって膜表面の結晶化を行う時間Toff(図2では、T1<t<T2,T3<t<T4,・・・)では、高周波電力を高く設定する(Pon<Poff)。以上の理由によって、薄膜形成中には、図2に示されるようにSiH4ガスの流量と高周波電力の出力を制御している。As already mentioned, the film can be crystallized by exposing the amorphous silicon thin film to H 2 plasma. It is also known that the time required for crystallization can be shortened as the density of H atoms in the plasma increases. Therefore, in order to quickly crystallize an amorphous silicon film using H 2 plasma, it is necessary to increase the density of H atoms, and the high-frequency power for generating plasma should be as high as possible. Therefore, the time T off when the supply of SiH 4 gas is turned off and the film surface is crystallized by H 2 plasma (in FIG. 2, T 1 <t <T 2 , T 3 <t <T 4 ,...) Then, the high frequency power is set high (P on <P off ). For the above reason, during the thin film formation, the flow rate of SiH 4 gas and the output of high frequency power are controlled as shown in FIG.
ここで、期間Tonでは、SiH4ガスとH2ガスが真空容器10内に供給され、高周波電力PonによってSiH3分子を多く含む電子密度の低いSiH4/H2混合プラズマが生成され、基板ステージ12上の基板100の表面には、非晶質シリコン薄膜が形成される。そして、期間Tonが終了し、期間Toffになると、H2ガスのみが真空容器10内に供給され、高周波電力Poff(>Pon)によって電子密度の高いH2プラズマが生成され、基板100上に形成された非晶質シリコン薄膜を短時間で結晶化させる。Here, in the period T on, SiH 4 gas and H 2 gas is supplied into the
このように、シリコンの堆積に適した低密度のSiH4/H2混合プラズマとシリコンの結晶化に適した高密度のH2プラズマの発生を交互に高速に切換えて行うことができる。そして、SiH4ガスの供給をオンにする期間Ton(=T1=T3−T2=・・・)とオフにする期間Toff(=T2−T1=T4−T3=・・・)を調整することによって、従来の成膜法では、高速成膜が可能だが非晶質のシリコン膜になってしまう成膜条件(すなわち高SiH4流量比)においても、微結晶シリコン薄膜を堆積することが可能になる。As described above, generation of a low density SiH 4 / H 2 mixed plasma suitable for silicon deposition and a high density H 2 plasma suitable for silicon crystallization can be alternately performed at high speed. Then, a period T on (= T 1 = T 3 −T 2 =...) For turning on the supply of SiH 4 gas and a period T off (= T 2 −T 1 = T 4 −T 3 =) for turning off the supply. ..)) Is adjusted so that microcrystalline silicon can be formed even under film formation conditions (ie, high SiH 4 flow rate ratio) that enable high-speed film formation by the conventional film formation method but become an amorphous silicon film. A thin film can be deposited.
ここで、実施の形態1にかかる微結晶半導体薄膜製造方法では、SiH4/H2混合プラズマを用いて微結晶シリコン薄膜を基板に堆積させる際に、SiH4ガスの供給のオン/オフ変調と高周波電力の供給(給電)とに時間変調を加えるとともに双方の時間変調を同期させ、かつオン/オフ変調の変調周波数またはデューティ比を成膜中において経時的に変化させる。オン/オフ変調のデューティ比は、Ton/(Ton+Toff)である。実施の形態1では、圧縮空気によって開閉動作がされるガスバルブ25を用いて真空容器10内へのSiH4ガスの供給のオン/オフ変調を行うため、オン/オフ変調の変調周波数またはオン/オフ変調のデューティ比を高速に且つ正確に行うことができる。これにより、成膜速度を殆ど変化させずに膜の結晶性を制御することができ、膜厚方向に均一な結晶化率を有する微結晶シリコン薄膜を高速に堆積することが可能となる。その結果、微結晶シリコン薄膜の製造工程のスループットを向上させることができ、例えば光電変換層として用いる太陽電池の製造工程のスループットを向上させることができる。Here, in the microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method according to the first embodiment, when the microcrystalline silicon thin film is deposited on the substrate using the SiH 4 / H 2 mixed plasma, on / off modulation of the supply of SiH 4 gas is performed. Time modulation is applied to the supply (feeding) of high-frequency power, both time modulations are synchronized, and the modulation frequency or duty ratio of on / off modulation is changed over time during film formation. The duty ratio of the on / off modulation is T on / (T on + T off ). In the first embodiment, the on / off modulation of the supply of SiH 4 gas into the
また、SiH4ガス供給のオン/オフ時間が比較的短くなると、これに正確に同期させて高周波電力に変調を加えることが困難になる。そのため、制御部60がガスバルブ31にバルブ開閉信号を発した時点から、実際に真空容器10内へのSiH4ガスの流入量が増加/減少する時間遅れを正しく知り、その時間遅れを考慮して高周波電力を振幅変調させるタイミングを決定することが望ましい。そこで、図1に示したように、SiH4に起因するSi原子あるいはSiH分子の発光強度の時間変化を発光強度観測部50でモニタする。Further, when the on / off time of the SiH 4 gas supply becomes relatively short, it becomes difficult to modulate the high-frequency power in synchronization with this accurately. Therefore, from the time when the
SiH4に起因するSi原子あるいはSiH分子の発光強度の時間変化をモニタすることにより、例えばバルブ開信号がt=0で制御部60から出力された後、SiH発光強度が増加し始める時点t1から、実際にプラズマ中にSiH4ガスが流入するまでの時間遅れ(=t1)を正しく知ることができる。逆に、例えばバルブ閉信号がt=t2で制御部60から出力された後、SiH発光強度が減少し始める時点t3から、SiH4ガスの供給オフの時間遅れ(=t3−t2)を正しく知ることができる。このように、発光強度観測部50によるモニタ結果を用いて、時間遅れを正確に知ることができ、その時間遅れを考慮して高周波電力を振幅変調させるタイミングを決定することができる。By monitoring the temporal change in the light emission intensity of Si atoms or SiH molecules caused by SiH 4 , for example, when the valve opening signal is output from the
以上のようにして、所定の厚さの微結晶シリコン薄膜が形成された後、H2ガス供給管21a上に設けられるガスバルブ23aと、SiH4ガス供給管21b上に設けられるガスバルブ23bとを閉じ、基板ステージ12の加熱ヒータをオフにし、真空容器10内を十分に排気した後、大気圧に戻し、基板ステージ12から基板100を真空容器10外に搬送して、薄膜形成処理が終了する。After the microcrystalline silicon thin film having a predetermined thickness is formed as described above, the
次に、上述した微結晶半導体薄膜製造方法(SiH4ガスパルス法)を用いてガラス基板上に成膜した微結晶シリコン膜の特性(成膜速度DR、結晶化率Ic/Ia)の変調周波数依存性および変調デューティ比依存性の評価について、図3と図4とを用いて説明する。図3は、成膜速度および結晶化率の変調周波数依存性について説明する図である。図3の(a)は、変調周波数Fと膜の成膜速度DRとの関係を示す特性図である。図3の(b)は、変調周波数Fと結晶化率Ic/Iaとの関係を示す特性図である。図4は、成膜速度および結晶化率の変調デューティ比依存性について説明する図である。変調デューティ比Rと、膜の成膜速度DRおよび結晶化率Ic/Iaとの関係を示す特性図である。図4の(a)は、変調デューティ比Rと膜の成膜速度DRとの関係を示す特性図である。図4の(b)は、変調デューティ比Rと結晶化率Ic/Iaとの関係を示す特性図である。Next, modulation of characteristics (deposition rate DR, crystallization rate I c / I a ) of the microcrystalline silicon film formed on the glass substrate using the above-described microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method (SiH 4 gas pulse method) Evaluation of frequency dependency and modulation duty ratio dependency will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram for explaining the dependency of the film formation rate and the crystallization rate on the modulation frequency. FIG. 3A is a characteristic diagram showing the relationship between the modulation frequency F and the film formation rate DR. FIG. 3B is a characteristic diagram showing the relationship between the modulation frequency F and the crystallization rate I c / I a . FIG. 4 is a diagram for explaining the dependency of the deposition rate and the crystallization rate on the modulation duty ratio. FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between a modulation duty ratio R, a film formation rate DR, and a crystallization rate I c / I a . FIG. 4A is a characteristic diagram showing the relationship between the modulation duty ratio R and the film deposition rate DR. FIG. 4B is a characteristic diagram showing the relationship between the modulation duty ratio R and the crystallization rate I c / I a .
成膜条件は、SiH4ガス流量をF[SiH4]=20sccm、H2ガス流量をF[H2]=980sccm(すなわち、SiH4流量比をF[SiH4]/(F[SiH4]+F[H2])=2%)とし、圧力を1000Paとし、またSiH4ガス供給がオン時の高周波電力(周波数60MHz)をPon=100W、オフ時の電力をPoff=300Wとし、プラズマ電極13と基板100との距離を6mmとし、基板ステージ12の温度を200℃に設定して、基板上にシリコン薄膜を堆積した。The film forming conditions are as follows: the SiH 4 gas flow rate is F [SiH 4 ] = 20 sccm, the H 2 gas flow rate is F [H 2 ] = 980 sccm (that is, the SiH 4 flow rate ratio is F [SiH 4 ] / (F [SiH 4 ] + F [H 2 ]) = 2%), the pressure is 1000 Pa, the high frequency power when the SiH 4 gas supply is on (
また、周波数依存性の評価においては、SiH4ガス供給のオン/オフ変調の周波数FをF=1〜5Hzの範囲(図3参照)で変化させた。このときの変調のデューティ比Rは、R=50%に固定した。一方、デューティ比依存性の評価については、SiH4ガス供給のオン/オフ変調のデューティ比RをR=10〜80%の範囲(図4参照)で変化させた。このときの変調周波数は、F=2Hzに固定した。なお、SiH4ガス流量F[SiH4]=20sccmは時間平均値である。Further, in the evaluation of the frequency dependence, the frequency F of the on / off modulation of the SiH 4 gas supply was changed in the range of F = 1 to 5 Hz (see FIG. 3). The modulation duty ratio R at this time was fixed to R = 50%. On the other hand, for the evaluation of the duty ratio dependency, the duty ratio R of the on / off modulation of the SiH 4 gas supply was changed in the range of R = 10 to 80% (see FIG. 4). The modulation frequency at this time was fixed at F = 2 Hz. The SiH 4 gas flow rate F [SiH 4 ] = 20 sccm is a time average value.
以上の条件でシリコン成膜を行うと、図3(a)および図4(a)に示すように、SiH4ガス供給のオン/オフ変調の周波数Fやデューティ比Rを変化させても成膜速度は殆ど一定であり、DR=1.4〜1.8nm/sの範囲であった。これはSiH4ガスを連続的に供給する通常の連続波プラズマ(Continuous Wave:CW)成膜時の成膜速度値(DR=1.5nm/s)とほぼ同じである。ここで、CW成膜の場合には高周波電力をPon=100W一定とした。When the silicon film is formed under the above conditions, the film is formed even if the on / off modulation frequency F and the duty ratio R of the SiH 4 gas supply are changed as shown in FIGS. 3 (a) and 4 (a). The speed was almost constant and DR was in the range of 1.4 to 1.8 nm / s. This is almost the same as the film formation rate value (DR = 1.5 nm / s) at the time of normal continuous wave (CW) film formation in which SiH 4 gas is continuously supplied. Here, in the case of CW film formation, the high-frequency power is set to P on = 100 W constant.
一方、膜の結晶性に関しては、CW成膜時に堆積した膜は完全に非晶質の状態であったが、SiH4ガス供給や高周波電力に変調を加えると、堆積した膜は非晶質から微結晶シリコンに変化し、またその結晶性は、変調の周波数Fやデューティ比Rに強く依存することが分かった。On the other hand, regarding the crystallinity of the film, the film deposited at the time of CW film formation was in a completely amorphous state. However, when the SiH 4 gas supply or high-frequency power was modulated, the deposited film became amorphous. It turned out to be microcrystalline silicon, and its crystallinity was strongly dependent on the modulation frequency F and the duty ratio R.
ラマン分光法により測定される480cm-1における非晶質シリコンのピークIaに対する520cm-1における結晶シリコンのピークIcのピーク強度比Ic/Ia(これを結晶化率と定義する)を用いて膜の結晶性を評価すると、図3(b)および図4(b)に示すように、CW成膜時の非晶質シリコン膜の結晶化率はIc/Ia=0.44であったが、変調周波数をF=1.5Hz、デューティ比をR=50%に設定すると、微結晶シリコン膜が得られ、その結晶化率は図3(b)に示すようにIc/Ia〜11にまで達した。なお、このピーク強度比Ic/Iaは、シリコン薄膜中の結晶化の度合いを表すものであり、この値が5以上10以下である場合に、太陽電池として使用する際に十分な結晶化率を有すると考えられている。The peak intensity ratio I c / I a (which is defined as the crystallization rate) of the crystalline silicon peak I c at 520 cm −1 to the amorphous silicon peak I a at 480 cm −1 measured by Raman spectroscopy. As shown in FIGS. 3B and 4B, the crystallinity of the amorphous silicon film during the CW film formation is I c / I a = 0.44. However, when the modulation frequency is set to F = 1.5 Hz and the duty ratio is set to R = 50%, a microcrystalline silicon film is obtained, and the crystallization rate is I c / Ia ~ 11 has been reached. The peak intensity ratio I c / I a represents the degree of crystallization in the silicon thin film. When this value is 5 or more and 10 or less, sufficient crystallization is possible when used as a solar cell. Is believed to have a rate.
また、図3(b)に示すように、変調のデューティ比RをR=50%に固定し、変調の周波数FをF=1.5Hzから5Hzにまで増加させると、シリコン膜の結晶化率は、Ic/Ia〜11から〜0.5まで単調に減少し、F=5HzでCW成膜時とほぼ同じ値になった。Further, as shown in FIG. 3B, when the modulation duty ratio R is fixed to R = 50% and the modulation frequency F is increased from F = 1.5 Hz to 5 Hz, the crystallization rate of the silicon film is increased. Decreased monotonically from I c / I a ˜11 to ˜0.5, and was almost the same value as that during CW film formation at F = 5 Hz.
また、図4(b)に示すように、変調の周波数をF=2Hzに固定し、変調のデューティ比RをR=10%から80%にまで増加させると、R=10〜30%までは結晶化率Ic/Iaは〜10程度で殆ど変化しないが、Rがそれ以上になると結晶化率Ic/Iaは〜0.5まで単調に減少し、R=80%でCW成膜時とほぼ同じ値になった。Further, as shown in FIG. 4B, when the modulation frequency is fixed to F = 2 Hz and the modulation duty ratio R is increased from R = 10% to 80%, R = 10-30% The crystallization rate I c / I a hardly changes at about -10, but when R exceeds that, the crystallization rate I c / I a decreases monotonously to ˜0.5, and CW formation is achieved at R = 80%. The value was almost the same as the film.
以上のように、SiH4ガスパルス法を用いた微結晶シリコン成膜では、SiH4やH2ガス流量を固定しているにもかかわらず、SiH4ガス供給のオン/オフ変調の変調周波数やデューティ比を調整することにより、シリコンの成膜速度には殆ど影響を与えず、膜の結晶性のみを制御できると言える。そして、変調周波数Fは、1Hzより大であり5Hz以下の範囲であることが好ましい。また、デューティ比Rは、10%〜80%の範囲にあることが好ましい。As described above, in the microcrystalline silicon film formation using the SiH 4 gas pulse method, the SiH 4 gas supply on / off modulation modulation frequency and duty are fixed even though the SiH 4 and H 2 gas flow rates are fixed. By adjusting the ratio, it can be said that only the crystallinity of the film can be controlled without substantially affecting the silicon deposition rate. The modulation frequency F is preferably greater than 1 Hz and less than or equal to 5 Hz. The duty ratio R is preferably in the range of 10% to 80%.
次に、上述した実施の形態1にかかる微結晶半導体薄膜製造方法、すなわち成膜時にオン/オフ変調の変調周波数を経時的に変化させるSiH4ガスパルス法による微結晶シリコン薄膜の一実施例について説明する。上記のSiH4ガスパルス法による微結晶シリコン成膜において、高周波電力をt=0秒にオンし、成膜がスタートしてからt=5秒までの間はSiH4ガス供給のオン/オフ変調の変調周波数FをF=1.5Hzとし(ステップ1)、その後、5秒<t<15秒の間はF=2.0Hz(ステップ2)、15秒<t<60秒の間はF=2.5Hz(ステップ3)、t=60秒以降はF=3.0Hz(ステップ4)にして成膜を行った。ここで、オン/オフ変調のデューティ比RはR=50%一定とした。また、SiH4ガス供給がオン時の高周波電力をPon=100W、オフ時の電力をPoff=300Wとした。Next, an example of the microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method according to the first embodiment described above, that is, an example of the microcrystalline silicon thin film by the SiH 4 gas pulse method that changes the modulation frequency of on / off modulation with time during film formation will be described. To do. In the microcrystalline silicon film formation by the SiH 4 gas pulse method described above, the high frequency power is turned on at t = 0 seconds, and the on / off modulation of the SiH 4 gas supply is performed until t = 5 seconds after the film formation starts. The modulation frequency F is set to F = 1.5 Hz (step 1), and then F = 2.0 Hz (step 2) for 5 seconds <t <15 seconds and F = 2 for 15 seconds <t <60 seconds. The film was formed at .5 Hz (step 3) and after t = 60 seconds, F = 3.0 Hz (step 4). Here, the duty ratio R of the on / off modulation is constant at R = 50%. Further, the high frequency power when the SiH 4 gas supply is on is P on = 100 W, and the power when the SiH 4 gas supply is off is P off = 300 W.
このように、成膜がスタートしてから60秒間の間に変調周波数FをF=1.5Hzから3.0Hzまで段階的に増加させているが、実施の形態1にかかる微結晶半導体薄膜製造装置では変調周波数Fや高周波電力の値は瞬時に変更することができる。また、各ステップを切り替えるのに要する時間は、プラズマ電極13と基板100との間のプラズマ生成領域でのSiH4ガスの滞在時間であり、これはおよそ〜数10msと見積もることができる。よって、本成膜法では、成膜の各ステップの間で切り替えに要する時間(〜数10ms)はステップ時間(最小5秒)よりも充分小さく、切り替え時間は無視することができる。As described above, the modulation frequency F is increased stepwise from F = 1.5 Hz to 3.0 Hz in 60 seconds after the film formation starts, but the microcrystalline semiconductor thin film manufacturing according to the first embodiment is performed. In the apparatus, the values of the modulation frequency F and the high frequency power can be changed instantaneously. Further, the time required to switch each step is the residence time of the SiH 4 gas in the plasma generation region between the
成膜の他の条件は、図3の場合と同じく、SiH4ガス流量F[SiH4]=20sccm、H2ガス流量F[H2]=980sccm(SiH4流量比はF[SiH4]/[F[SiH4]+F[H2]]=2%)、圧力:1000Pa、SiH4ガス供給がオン時の高周波電力:Pon=100W、オフ時の電力:Poff=300W、プラズマ電極と基板との距離:6mm、基板温度:200℃とした。Other conditions for film formation are the same as in the case of FIG. 3, SiH 4 gas flow rate F [SiH 4 ] = 20 sccm, H 2 gas flow rate F [H 2 ] = 980 sccm (the SiH 4 flow rate ratio is F [SiH 4 ] / [F [SiH 4 ] + F [H 2 ]] = 2%), pressure: 1000 Pa, high frequency power when SiH 4 gas supply is on: P on = 100 W, power when off : P off = 300 W, plasma electrode The distance from the substrate was 6 mm, and the substrate temperature was 200 ° C.
ところで、本実施例では、成膜条件やパルス条件を以上のように決定したので、結晶化率Ic/Iaと変調周波数Fとの関係(図3の(b)参照)より、ステップ1(0<t<5秒)ではIc/Ia〜11、ステップ2(5秒<t<15秒)ではIc/Ia〜10、ステップ3(15秒<t<60秒)ではIc/Ia〜8、ステップ4(60秒<t)ではIc/Ia〜7、となることが期待される。このように、成膜初期のステップ1やステップ2では、インキュベーション層の発生を極力抑えるために、膜表面で結晶の核発生や結晶成長が起こりやすい条件に設定している。By the way, in the present embodiment, since the film forming conditions and the pulse conditions are determined as described above, from the relationship between the crystallization rate I c / I a and the modulation frequency F (see FIG. 3B),
以上の条件でトータル1200秒間の成膜を行ったところ、膜厚が〜2.0μmのシリコン薄膜が得られた。膜厚から1200秒間の平均成膜速度を算出すると、成膜速度DR=1.67nm/s(=2μm/1200s)であった。この値は、SiH4ガスを連続で供給するCW成膜時の成膜速度(成膜速度DR=1.5nm/s)より大きく、成膜処理のスループットを向上させる上で都合が良い。本実施例では、成膜中に変調周波数FをF=1.5Hzから3.0Hzまで増加させているが、図3の(a)に示したように、各ステップの周波数Fの値に対応する成膜速度は、CW成膜時の値よりも僅かに大きく、成膜速度DR=1.7〜1.5nm/sの範囲である。このため、成膜中の平均成膜速度がCW成膜の場合よりも僅かに大きくなったと考えられる。When film formation was performed for a total of 1200 seconds under the above conditions, a silicon thin film having a thickness of ˜2.0 μm was obtained. When the average film formation rate for 1200 seconds was calculated from the film thickness, the film formation rate DR = 1.67 nm / s (= 2 μm / 1200 s). This value is larger than the film formation speed (film formation speed DR = 1.5 nm / s) at the time of CW film formation in which SiH 4 gas is continuously supplied, which is convenient for improving the throughput of the film formation process. In this embodiment, the modulation frequency F is increased from F = 1.5 Hz to 3.0 Hz during the film formation, but corresponds to the value of the frequency F at each step as shown in FIG. The film forming speed is slightly larger than the value at the time of CW film forming, and the film forming speed DR is in the range of 1.7 to 1.5 nm / s. For this reason, it is considered that the average film formation rate during film formation is slightly higher than that in the case of CW film formation.
また、ラマン分光法により求めたシリコン膜全体の結晶化率、すなわち480cm-1における非晶質シリコンのピークに対する520cm-1における結晶シリコンのピークのピーク強度比の値は、Ic/Ia=7.2であり、太陽電池として使用できる良質な微結晶シリコン薄膜を成膜することができた。Further, the crystallization rate of the entire silicon film obtained by Raman spectroscopy, that is, the value of the peak intensity ratio of a peak of crystalline silicon in 520 cm -1 to the peak of the amorphous silicon at 480cm -1, I c / I a = It was 7.2, and a good-quality microcrystalline silicon thin film that could be used as a solar cell could be formed.
膜厚方向の結晶性の均一性に関しては、これを直接評価することが困難なため、膜中の不純物(酸素および炭素)の濃度プロファイルをSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析により調べた。既に述べたように、微結晶シリコン薄膜は下地膜の上方に柱状に伸びて成長するので、膜の成長とともに結晶性が増加する傾向がある。表面付近の結晶性が高すぎる場合には、表面近傍に多数存在する結晶粒界に沿って、大気から酸素、窒素、炭化水素等の不純物が膜の深部にまで入り込み、膜の内部を汚染するようになる。よって、酸素等の不純物の濃度プロファイルから膜の結晶性の均一性を間接的に知ることができる。 Since it is difficult to directly evaluate the uniformity of crystallinity in the film thickness direction, the concentration profile of impurities (oxygen and carbon) in the film was examined by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis. As already described, since the microcrystalline silicon thin film grows in a columnar shape above the base film, the crystallinity tends to increase as the film grows. When the crystallinity near the surface is too high, impurities such as oxygen, nitrogen, hydrocarbons, etc. enter the deep part of the film from the atmosphere along the crystal grain boundaries that exist near the surface and contaminate the inside of the film. It becomes like this. Therefore, the uniformity of crystallinity of the film can be indirectly known from the concentration profile of impurities such as oxygen.
本実施例の成膜方法により得られた微結晶シリコン薄膜のSIMS分析結果を図5に示す。図5は、実施の形態1にかかる微結晶シリコン薄膜中の不純物濃度プロファイルを示す図である。図5より、不純物の酸素(O)や炭素(C)濃度は膜中でほぼ一定であり、かつ、膜中で検出された値(酸素濃度[O]=4×1018cm−3、炭素濃度[C]〜1017cm−3)は充分に低い。なお、デバイスグレードの微結晶シリコン薄膜では、酸素濃度[O]〜1018cm−3、炭素濃度[C]〜1017cm−3であると言われている。このように、本実施例で得られた微結晶シリコン薄膜では、膜表面からの酸素等の不純物の侵入が充分に抑えられており、膜の表面から内部にかけての結晶性の分布は均一であると言える。すなわち、本発明で得られた微結晶シリコン薄膜は太陽電池セルの光電変換層に適していると言える。FIG. 5 shows the SIMS analysis results of the microcrystalline silicon thin film obtained by the film forming method of this example. FIG. 5 is a diagram showing an impurity concentration profile in the microcrystalline silicon thin film according to the first embodiment. From FIG. 5, the oxygen (O) and carbon (C) concentrations of impurities are almost constant in the film, and the values detected in the film (oxygen concentration [O] = 4 × 10 18 cm −3 , carbon The concentration [C] to 10 17 cm −3 ) is sufficiently low. Note that it is said that a device grade microcrystalline silicon thin film has an oxygen concentration [O] of 10 18 cm −3 and a carbon concentration [C] of 10 17 cm −3 . Thus, in the microcrystalline silicon thin film obtained in this example, intrusion of impurities such as oxygen from the film surface is sufficiently suppressed, and the distribution of crystallinity from the film surface to the inside is uniform. It can be said. That is, it can be said that the microcrystalline silicon thin film obtained by the present invention is suitable for a photoelectric conversion layer of a solar battery cell.
この微結晶シリコン薄膜を用いて太陽電池セルを作製して実施例1の太陽電池セルとした。図6は、上述した方法で形成した微結晶シリコン薄膜を光電変換層として用いて作製した実施例1の薄膜太陽電池セルの構造を示す概略断面図である。 Using this microcrystalline silicon thin film, a solar battery cell was produced and used as the solar battery cell of Example 1. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the thin-film solar cell of Example 1 manufactured using the microcrystalline silicon thin film formed by the above-described method as a photoelectric conversion layer.
図6において、受光面側に位置するガラス基板201上には、透光性を有する透明の表面電極202が形成されている。この表面電極202は、酸化錫(SnO2)膜202aの表面にアルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO:Aluminum-doped Zinc Oxide)膜202bが堆積されて構成されている。AZO膜202bは、DCスパッタリング法で堆積し、その膜厚を45nmとした。表面電極202上には、いわゆるp−i−n電池セル部である光電変換ユニット203が形成されている。光電変換ユニット203は、表面電極202側から、ボロン(B)がドープされたp型微結晶シリコン(p層)203a、光電変換層であるi型微結晶シリコン(i層)203b、リン(P)がドープされたn型微結晶シリコン(n層)203cとが順次積層されて構成されている。In FIG. 6, a
ガラス基板201および表面電極202を通過して入射した光によりi層203b内で発生したキャリアは、内部電界によって電子はn層203c側に、ホールはp層203a側に、それぞれドリフトしていく。その結果、p層203aとn層203cとの間に起電力が発生する。
Carriers generated in the
光電変換ユニット203上には、該光電変換ユニット203を通過した光を反射させて再び光電変換ユニット203に戻し、かつn層203cにドリフトしてきた電子を集めるための裏面電極204が形成されている。裏面電極204は、光電変換ユニット203側から、透光性を有するAZO薄膜204aと銀(Ag)薄膜204bとが順次積層されて構成されている。ここで、AZO薄膜204aの膜厚は90nmとした。
On the
光電変換ユニット203のp層203aやn層203cの成膜では、通常のプラズマCVD法(すなわち、SiH4ガスや高周波電力の供給は全てCWで行なう)を用いて、p層203aの膜厚は15nm、n層203cの膜厚は40nmとした。ここで、p層203aの成膜では、SiH4/H2ガス(F[SiH4]/F[H2]=10/1000sccm)にB2H6ガスを微量に添加し(濃度〜0.002%程度)、全圧力:800Pa、高周波電力:200W、基板温度:200℃の条件下でp層203aを形成した。In the film formation of the
また、n層203cの成膜では、SiH4/H2ガス(F[SiH4]/F[H2]=10/1000sccm)にPH3ガスを微量に添加し(濃度〜0.002%程度)、全圧力:1000Pa、高周波電力:200W、基板温度:200℃の条件下でn層203cを形成した。Further, in forming the
一方、光電変換層であるi層203bの成膜では、上述したSiH4ガスパルス法を用いて、成膜中にオン/オフ変調の変調周波数をF=1.5Hzから3.0Hzまで変化させながら、膜厚〜2μmの微結晶シリコン薄膜を形成した。On the other hand, in the film formation of the
また、成膜がスタートしてから終了するまでの間(1200秒間)、SiH4ガス供給のオン/オフ変調の変調周波数FをF=3Hz、デューティ比RをR=50%に固定すること以外は、上記の実施例と同様にして比較例の微結晶シリコン薄膜を作製した。そして、得られた比較例の微結晶シリコン薄膜を用いて太陽電池セルを作製して比較例1の太陽電池セルとした。そして、このようにして得られた実施例1および比較例1の太陽電池セルの特性として、AM1.5の疑似太陽光(光量:100mW/cm2)を照射した時の短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)、フィル・ファクタF.F.(%)、光電変換効率η(%)を測定した。その結果を表1に示す。Further, during the period from the start to the end of film formation (1200 seconds), except that the modulation frequency F of the on / off modulation of the SiH 4 gas supply is fixed to F = 3 Hz and the duty ratio R is fixed to R = 50%. Produced a microcrystalline silicon thin film of a comparative example in the same manner as in the above example. And the photovoltaic cell was produced using the microcrystalline silicon thin film of the obtained comparative example, and it was set as the photovoltaic cell of the comparative example 1. And as a characteristic of the photovoltaic cell of Example 1 and Comparative Example 1 obtained in this way, the short circuit current density Jsc (mA) when irradiated with artificial sunlight of AM1.5 (light amount: 100 mW / cm 2 ). / Cm 2 ), open circuit voltage Voc (V), fill factor F.V. F. (%) And photoelectric conversion efficiency η (%) were measured. The results are shown in Table 1.
表1に示されるように、実施例1の太陽電池セルは、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、フィル・ファクタF.F.および光電変換効率ηがともに比較例1に比べ大きく、良好なセル特性が得られており、良好な太陽電池セルが実現されているのが分かる。特に、フィル・ファクタF.F.が比較例1に比べて大きく改善されているのは、成膜初期に形成される非晶質状態のインキュベーション層の厚みが低減し、微結晶シリコン層の直列抵抗値が減少した結果であると考えられる。 As shown in Table 1, the solar cell of Example 1 has a short circuit current density Jsc, an open circuit voltage Voc, a fill factor F.V. F. It can be seen that the photoelectric conversion efficiency η is larger than that of Comparative Example 1, good cell characteristics are obtained, and good solar cells are realized. In particular, the fill factor F.I. F. Is greatly improved as compared with Comparative Example 1 because the thickness of the amorphous incubation layer formed in the initial stage of film formation is reduced and the series resistance value of the microcrystalline silicon layer is reduced. Conceivable.
上述したように、この実施の形態1によれば、SiH4/H2混合プラズマを用いて微結晶シリコン薄膜を基板に堆積させる際に、SiH4ガスの供給のオン/オフ変調と高周波電力の供給とに時間変調を加えるとともに双方の時間変調を同期させ、かつオン/オフ変調の変調周波数またはデューティ比を成膜中において経時的に変化させる。これにより、成膜速度を殆ど変化させずに膜の結晶性を制御することができ、膜厚方向に均一な結晶化率を有する微結晶シリコン薄膜を高速に堆積することが可能となる。その結果、微結晶シリコン薄膜の製造工程のスループットを向上させることができ、例えば光電変換層として用いる太陽電池の製造工程のスループットを向上させることができるという効果を有する。As described above, according to the first embodiment, when the microcrystalline silicon thin film is deposited on the substrate using the SiH 4 / H 2 mixed plasma, the on / off modulation of the supply of SiH 4 gas and the high-frequency power are controlled. Time modulation is applied to the supply, both time modulations are synchronized, and the modulation frequency or duty ratio of the on / off modulation is changed over time during film formation. Thereby, the crystallinity of the film can be controlled with almost no change in the film forming speed, and a microcrystalline silicon thin film having a uniform crystallization rate in the film thickness direction can be deposited at a high speed. As a result, the throughput of the manufacturing process of the microcrystalline silicon thin film can be improved. For example, the throughput of the manufacturing process of the solar cell used as the photoelectric conversion layer can be improved.
従来のSiH4プロファイリング法では、SiH4流量の変更に要する時間はガス流量を制御しているマスフローコントローラの応答時間およびマスフローコントローラから真空容器までのガスの輸送時間により決まり、〜数秒程度の時間が必要とされる。このため、成膜プロファイリングの各ステップ時間は少なくとも〜5秒以上、より好ましくは〜10秒以上の時間に設定しなければならなかった。そのため、成膜速度が大きく短時間でも相当量の膜が堆積する場合には、結晶化率の分布を精密に制御するために成膜プロファイリングのステップ数を増やすことが困難であった。In the conventional SiH 4 profiling method, the time required to change the SiH 4 flow rate is determined by the response time of the mass flow controller that controls the gas flow rate and the transport time of the gas from the mass flow controller to the vacuum vessel. Needed. For this reason, each step time of film formation profiling has to be set to a time of at least ˜5 seconds or more, more preferably ˜10 seconds or more. Therefore, when the film formation rate is high and a considerable amount of film is deposited even in a short time, it is difficult to increase the number of film formation profiling steps in order to precisely control the distribution of the crystallization rate.
一方、本発明の薄膜製造方法では、ガス供給や高周波電力供給の変調周波数およびデューティ比は高速に変化させることができ、ガス供給をオン/オフ変調する変調周波数の切り替えに要する時間はおよそ〜数10msである。このため、成膜プロファイリングの各ステップ時間は〜1秒以下にまで短くすることができ、高精度な結晶制御が求められる成膜初期において、より多段階の成膜プロファイリングが可能となる。これにより、膜厚方向の結晶性の均一性をより向上させることができるという効果も有する。 On the other hand, in the thin film manufacturing method of the present invention, the modulation frequency and duty ratio of the gas supply and the high-frequency power supply can be changed at high speed, and the time required for switching the modulation frequency for on / off modulation of the gas supply is approximately ˜several. 10 ms. For this reason, each step time of film formation profiling can be shortened to ˜1 second or less, and more stages of film formation profiling can be performed at the initial stage of film formation in which high-precision crystal control is required. Thereby, it has the effect that the uniformity of the crystallinity of a film thickness direction can be improved more.
なお、上記においては、ガス流量、圧力、電力などのパラメータを固定しているが、微結晶シリコン膜の成膜条件は、これらの値に限られるものではない。 Note that in the above, parameters such as gas flow rate, pressure, and power are fixed, but the deposition conditions for the microcrystalline silicon film are not limited to these values.
また、上記においては、結晶化促進ガスとしてH2、半導体材料ガスとしてSiH4を用いた微結晶シリコン膜の製造方法について述べたが、H2ガスにHe、Ne、Ar等の不活性ガスなどを添加していてもよい。また、材料ガスとしてはSiH4に限定されるものではなく、Siを含む他のガス、例えばSi2H6でも良く、また、ジボラン(B2H6)、ホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)に代表されるドーパントガスを添加してもよい。In the above description, a method for manufacturing a microcrystalline silicon film using H 2 as a crystallization promoting gas and SiH 4 as a semiconductor material gas has been described. However, an inert gas such as He, Ne, or Ar is used as the H 2 gas. May be added. Further, the material gas is not limited to SiH 4 but may be other gas containing Si, for example, Si 2 H 6 , diborane (B 2 H 6 ), phosphine (PH 3 ), arsine (AsH). A dopant gas represented by 3 ) may be added.
また、微結晶シリコン以外に微結晶シリコンゲルマニウム(SixGe1−x)の成膜においても同様の効果がある。この場合には、半導体材料ガスとしてはSiH4とGeH4との混合ガスを用いればよい。また、発光強度観測部50では、プラズマ内のSiもしくはSiH、またはGeもしくはGeHからの発光を観測すればよい。In addition to the microcrystalline silicon, the same effect can be obtained in the formation of microcrystalline silicon germanium (Si x Ge 1-x ). In this case, a mixed gas of SiH 4 and GeH 4 may be used as the semiconductor material gas. Further, the emission
実施の形態2.
上述した実施例1では、微結晶シリコン薄膜の成膜初期において、SiH4ガス供給のオン/オフ変調のデューティ比Rは一定としてSiH4ガス供給のオン/オフ変調の周波数Fを経時的に変化させて成膜を行う場合について説明したが、逆にSiH4ガス供給のオン/オフ変調の周波数Fを一定としてSiH4ガス供給のオン/オフ変調のデューティ比Rを経時的に変化させても、結晶性の均一性を改善することができる。実施の形態2では、図1に示す微結晶半導体薄膜製造装置を用いた微結晶シリコン薄膜の成膜の成膜初期においてデューティ比Rを変化させる実施例について具体的に説明する。
In the first embodiment described above, in the initial stage of deposition of the microcrystalline silicon thin film, the duty ratio R of the on / off modulation of the SiH 4 gas supply time varying the frequency F of the SiH 4 gas supply on / off modulation as constant has described the case where not a film is formed is, even over time changing the duty ratio R of the SiH 4 gas supply on / off modulation frequency F on / off modulation of the SiH 4 gas supply a constant reversed The uniformity of crystallinity can be improved. In the second embodiment, an example in which the duty ratio R is changed at the initial stage of film formation of a microcrystalline silicon thin film using the microcrystalline semiconductor thin film manufacturing apparatus shown in FIG. 1 will be specifically described.
上述した実施の形態1にかかる微結晶半導体薄膜製造方法(SiH4ガスパルス法)による微結晶シリコン薄膜において、例えば高周波電力をt=0秒にオンし、成膜がスタートしてからt=5秒までの間はSiH4ガス供給のオン/オフ変調のデューティ比をR=20%とし(ステップ1)、その後、5秒<t<15秒の間はR=50%(ステップ2)、15秒<t<60秒の間はR=60%(ステップ3)、t=60秒以降はR=70%(ステップ4)として成膜を行った。ここで、SiH4ガス供給のオン/オフ変調の変調周波数FをF=2Hz一定とした。その他の成膜条件は、実施例1と同じであり、ここでは説明を省略する。In the microcrystalline silicon thin film by the microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method (SiH 4 gas pulse method) according to the first embodiment described above, for example, t = 5 seconds after the high frequency power is turned on at t = 0 seconds and the film formation starts. The duty ratio of ON / OFF modulation of the SiH 4 gas supply is set to R = 20% during the period up to R = 20% (step 1), and then R = 50% (step 2) for 5 seconds <t <15 seconds, 15 seconds Film formation was performed with R = 60% (step 3) for <t <60 seconds and R = 70% (step 4) after t = 60 seconds. Here, the modulation frequency F of the on / off modulation of the SiH 4 gas supply was constant at F = 2 Hz. Other film forming conditions are the same as those in the first embodiment, and a description thereof is omitted here.
ところで、本実施例では、成膜条件やパルス条件を以上のように決定したので、結晶化率Ic/Iaとデューティ比Rとの関係(図4の(b)参照)より、ステップ1(0<t<5秒)ではIc/Ia〜10、ステップ2(5<秒t<15秒)ではIc/Ia〜8、ステップ3(15秒<t<60秒)ではIc/Ia〜7、ステップ4(60秒<t)ではIc/Ia〜6、となることが期待される。実施例1と同様に、成膜初期のステップ1や2では、インキュベーション層の発生を極力抑えるために、膜表面で結晶の核発生や結晶成長が起こりやすい条件に設定している。By the way, in this embodiment, since the film forming conditions and the pulse conditions are determined as described above, from the relationship between the crystallization rate I c / I a and the duty ratio R (see FIG. 4B),
また、成膜速度DRとデューティ比Rとの関係(図4の(a)参照)より、各ステップのデューティ比Rの値(R=20〜70%)に対応する成膜速度は、DR=1.7〜1.5nm/sの範囲であり、CW成膜時の値よりも僅かに大きい。 Further, from the relationship between the film formation speed DR and the duty ratio R (see FIG. 4A), the film formation speed corresponding to the value of the duty ratio R of each step (R = 20 to 70%) is DR = The range is 1.7 to 1.5 nm / s, which is slightly larger than the value at the time of CW film formation.
以上の条件で膜厚が〜2μmの微結晶シリコン薄膜を成膜した。そして、この微結晶シリコン薄膜を光電変換層に用いた太陽電池セルを作製して実施例2の太陽電池セルとした。電池セルの膜構造および成膜方法は実施例1で述べたものと同じであり、ここでは省略する。また、光電変換層であるi層203bの成膜では、成膜がスタートしてから終了するまでの間(1200秒間)、SiH4ガス供給のオン/オフ変調の変調周波数FをF=2Hz、デューティ比RをR=70%に固定すること以外は、上記の実施例2と同様にして比較例の微結晶シリコン薄膜を作製した。そして、得られた比較例の微結晶シリコン薄膜を用いて太陽電池セルを作製して比較例2の太陽電池セルとした。そして、このようにして得られた実施例2および比較例2の太陽電池セルの特性として、AM1.5の疑似太陽光(光量:100mW/cm2)を照射した時の短絡電流密度Jsc(mA/cm2)、開放電圧Voc(V)、フィル・ファクタF.F.(%)、光電変換効率η(%)を測定した。その結果を表2に示す。Under the above conditions, a microcrystalline silicon thin film having a thickness of ˜2 μm was formed. And the solar cell using this microcrystalline silicon thin film for the photoelectric converting layer was produced, and it was set as the solar cell of Example 2. The film structure of the battery cell and the film formation method are the same as those described in Example 1, and are omitted here. Further, in the film formation of the
表2に示されるように、実施例2の太陽電池セルは、短絡電流密度Jsc、開放電圧Voc、フィル・ファクタF.F.および光電変換効率ηがともに比較例2に比べ大きく、良好なセル特性が得られており、良好な太陽電池セルが実現されているのが分かる。特に、フィル・ファクタF.F.が比較例2に比べて大きく改善されているのは、成膜初期に形成される非晶質状態のインキュベーション層の厚みが低減し、微結晶シリコン層の直列抵抗値が減少した結果であると考えられる。 As shown in Table 2, the solar cell of Example 2 has a short circuit current density Jsc, an open circuit voltage Voc, a fill factor F.I. F. It can be seen that the photoelectric conversion efficiency η is larger than that of Comparative Example 2 and good cell characteristics are obtained, and a favorable solar cell is realized. In particular, the fill factor F.I. F. Is significantly improved as compared with Comparative Example 2 because the thickness of the amorphous incubation layer formed in the initial stage of film formation is reduced and the series resistance value of the microcrystalline silicon layer is reduced. Conceivable.
なお、上記においては、ガス流量、圧力、電力などのパラメータを固定しているが、微結晶シリコン膜の成膜条件は、これらの値に限られるものではない。 Note that in the above, parameters such as gas flow rate, pressure, and power are fixed, but the deposition conditions for the microcrystalline silicon film are not limited to these values.
また、上記においては、結晶化促進ガスとしてH2、半導体材料ガスとしてSiH4を用いた微結晶シリコン膜の製造方法について述べたが、H2ガスにHe、Ne、Ar等の不活性ガスなどを添加していてもよい。また、材料ガスとしてはSiH4に限定されるものではなく、Siを含む他のガス、例えばSi2H6でも良く、また、ジボラン(B2H6)、ホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)に代表されるドーパントガスを添加してもよい。In the above description, a method for manufacturing a microcrystalline silicon film using H 2 as a crystallization promoting gas and SiH 4 as a semiconductor material gas has been described. However, an inert gas such as He, Ne, or Ar is used as the H 2 gas. May be added. Further, the material gas is not limited to SiH 4 but may be other gas containing Si, for example, Si 2 H 6 , diborane (B 2 H 6 ), phosphine (PH 3 ), arsine (AsH). A dopant gas represented by 3 ) may be added.
また、微結晶シリコン以外に微結晶シリコンゲルマニウム(SixGe1−x)の成膜においても同様の効果がある。この場合には、半導体材料ガスとしてはSiH4とGeH4との混合ガスを用いればよい。また、発光強度観測部50では、プラズマ内のSiもしくはSiH、またはGeもしくはGeHからの発光を観測すればよい。In addition to the microcrystalline silicon, the same effect can be obtained in the formation of microcrystalline silicon germanium (Si x Ge 1-x ). In this case, a mixed gas of SiH 4 and GeH 4 may be used as the semiconductor material gas. Further, the emission
以上のように、本発明にかかる微結晶半導体薄膜製造方法は、微結晶シリコンや微結晶シリコンゲルマニウム等の結晶性半導体薄膜を光電変換層に有する太陽電池の製造に有用である。また、薄膜太陽電池の高性能化や低コスト化にも貢献することができる。 As described above, the method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to the present invention is useful for producing a solar cell having a crystalline semiconductor thin film such as microcrystalline silicon or microcrystalline silicon germanium in a photoelectric conversion layer. Moreover, it can contribute to the performance improvement and cost reduction of a thin film solar cell.
10 真空容器
11 ガス排気管
12 基板ステージ
13 プラズマ電極
14 絶縁スペーサ
15 光学窓
20 シールドボックス
21a,21b ガス供給管
22a,22b ガス供給口
23a,23b,31 ガスバルブ
24a,24b マスフローコントローラ
25 ガスバルブ
30 エア供給管
40 高周波電源
50 発光強度観測部
51 干渉フィルタ
52 光電子増倍管
60 制御部
100 基板
131 側面部
132 ガスシャワーヘッド
133 上面部
201 ガラス基板
202 表面電極
202a 酸化錫膜
202b アルミニウムをドープした酸化亜鉛(AZO)膜
203a p型微結晶シリコン膜(p層)
203b i型微結晶シリコン膜(i層)
203c n型微結晶シリコン膜(n層)
204 裏面電極
204a AZO膜
204b 銀(Ag)薄膜DESCRIPTION OF
203b i-type microcrystalline silicon film (i layer)
203c n-type microcrystalline silicon film (n layer)
204 Back electrode 204a
Claims (7)
プラズマ電極を備えた真空容器内に微結晶半導体薄膜を堆積する基板を配置する工程と、
前記真空容器内に水素を主成分に含むガスを連続的に供給しながら、少なくともシリコンまたはゲルマニウムを含む半導体材料ガスを断続的に供給するとともに、高周波電力を前記プラズマ電極に給電して前記プラズマ電極と前記基板との間にプラズマを生成して微結晶半導体薄膜を形成する微結晶半導体薄膜形成工程とを含み、
前記微結晶半導体薄膜形成工程は、前記半導体材料ガスの供給をオン/オフ変調して前記半導体材料ガスを周期的に供給し、前記半導体材料ガスの供給をオンにしているときの前記高周波電力を前記半導体材料ガスの供給をオフにしているときの前記高周波電力よりも小さくし、前記オン/オフ変調の変調周波数または前記オン/オフ変調のデューティ比を経時的に変化させながら薄膜を形成すること、
を特徴とする微結晶半導体薄膜製造方法。 A microcrystalline semiconductor thin film manufacturing method for manufacturing a microcrystalline semiconductor thin film by a plasma CVD method,
Disposing a board of depositing a microcrystalline semiconductor film in a vacuum vessel having a plasma electrode,
While continuously supplying a gas containing a main component of hydrogen into the vacuum container, thereby intermittently supplying the semiconductor material gas containing at least silicon or germanium, the plasma by feeding high frequency power to the plasma electrode and a microcrystalline semiconductor film forming step of forming a microcrystalline semiconductor thin film by generating plasma between the electrode substrate,
The higher the microcrystalline semiconductor film forming Engineering, the high frequency power when the supply of the semiconductor material gas on / off modulating the semiconductor material gas periodically supplied, and to turn on the supply of the semiconductor material gas Is made smaller than the high-frequency power when the semiconductor material gas supply is turned off, and the thin film is formed while changing the modulation frequency of the on / off modulation or the duty ratio of the on / off modulation over time about,
A method for producing a microcrystalline semiconductor thin film.
を特徴とする請求項1に記載の微結晶半導体薄膜製造方法。The method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to claim 1.
を特徴とする請求項1または2に記載の微結晶半導体薄膜製造方法。 Increasing the modulation frequency over time;
The method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to claim 1 or 2 .
を特徴とする請求項3に記載の微結晶半導体薄膜製造方法。The method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to claim 3.
を特徴とする請求項1または2に記載の微結晶半導体薄膜製造方法。 Increasing the duty ratio over time;
The method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to claim 1 or 2 .
を特徴とする請求項5に記載の微結晶半導体薄膜製造方法。The method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to claim 5.
前記微結晶半導体薄膜形成工程では、前記ずれに基づいて前記プラズマ電極に印加する高周波電力の強度変調のタイミングと前記半導体材料ガスの供給のオン/オフ変調制御の切り替えのタイミングとに時間的なずれを設定すること、
を特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の微結晶半導体薄膜製造方法。 Prior to the microcrystalline semiconductor thin film formation step, the timing of switching on / off modulation control of the semiconductor material gas supply and the timing of on / off modulation of the semiconductor material gas supply into the vacuum chamber are shifted. Further including a deviation detecting step for obtaining
In the microcrystalline semiconductor thin film forming step, there is a time lag between the intensity modulation timing of the high frequency power applied to the plasma electrode and the switching timing of the on / off modulation control of the semiconductor material gas supply based on the deviation. Setting
The method for producing a microcrystalline semiconductor thin film according to any one of claims 1 to 6 .
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