JPH0272677A - 薄膜半導体の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く技術分野〉 本発明は化学的気相分解によるプラズマ雰囲気中で搬送
される基板上に、単層または複数層の薄膜半導体層を成
膜してなる薄膜半導体の製造装置に関し、特に非晶質シ
リコン太陽電池の製造に好適な薄膜半導体の製造装置に
関する。

〈従来技術〉 化学的気相分解く以降ＣＶＤと記す）によるプラズマ雰
囲気中で基板上に単層または複数層の薄膜半導体層を成
膜して半導体装置を製造する方法は、例えばシラン（Ｓ
ｉ　１−１４　）ガスを放電分解して非晶質シリコン太
陽電池を製造する方法とじて広〈実施されている公知の
技術である。かかる製造方法において、効率よく薄膜半
導体層を成膜する、即ち大量生産に適した製造方法の一
つとして、基板を連続的に搬送させなからＣＶＤプラズ
マ放電雰囲気中を通過させる方法が公知である。

この方法は大別して次の２種類に分けられる。

１つは、基板の仕込み室と取り出し室の間にプラズマ放
電を行なうための完全に分離・独立した単室、必要に応
じて複数室からなる反応室を設置し、枚葉の基板を移動
台車等に乗せて各室を順次移送させながら成膜を行なう
ロードロック方式である。

他の１つは、特開昭５８−２１６４７５号公報、特開昭
５９３４６６８号公報等の如く基板自体を長尺の巻き物
にして、巻出し室と巻取り室の間に、基板通路で連絡し
た、単室、必要に応じて複数室からなる反応室を設置し
、連続的に搬送される薄膜状基板に成膜を行なうロール
・ツー・ロール方式である。

かかる製造方式で、更に生産効率を高めるために高速成
膜を行なう場合、従来技術においては、充分な原料ガス
を供給しながら放電電力を増加させてプラズマ雰囲気中
の活性種濃度を高める方法がとられてきた。しかしこの
ような方法では放電電力の増加とともにプラズマ雰囲気
中の荷電粒子の運動エネルギーも増大するため、成膜面
が荷電粒子の衝突で損傷する、云わゆるプラズマ損傷が
顕著になって半導体薄膜の特性が損われ、半導体装置と
しての特性に悪影響を及ぼす欠点があった。

基板上に半導体層が形成されており、更にこの上に別の
種類の半導体層を形成する場合、具体的には非晶質シリ
コン太陽電池の製造におけるｐ層又はｎ層を基板上に形
成後その上にｉ層を形成する場合には、この影響が顕著
であった。

さらに高性能の薄膜半導体層、特に非晶質シリコン太陽
電池を製造しようとした場合堆積される膜の厚み方向に
組成やドーピング不純物量を変化させて成膜する事が好
ましい。膜の厚さ方向で組成やドーピング不純物量を変
化させて成膜する為には単一の反応室を用いて各層の成
膜ごとに反応ガスを切り替えるか、複数の専用反応室を
連結して反応室ごとに反応ガスを変えて成膜し、順次基
板を移送させる方法が行なわれている。これは単の反応
室内ではプラズマ雰囲気中のガス組成は空間的にほぼ均
一であり、反応室内に組成の異なったガス雰囲気を適当
に分布させることができないためである。

しかし、何らかの方法で単一反応室内のガス組成に所望
の空間的分布をもたせることが可能ならば、単一の反応
室内で定常的に放電するプラズマ雰囲気中のガス組成の
異なる領域を基板を移送するだけで組成やドーピング量
の異なった複数層を気に形成することが可能となり、製
造工程及び装置の簡略化が実現される。

また、ＣＶＤによるプラズマ雰囲気中で基板上に薄膜半
導体層を形成する手法の一つであるロール・ツー・ロー
ル方式においても、単一反応室内の反応ガスの組成に所
望の空間分布をもたせることができないために、従来、
次のような欠点が存在した。即ち、ロール・ツー・ロー
ル方式では定常放電プラズマ中で可撓性の帯状基板を連
続搬送して成膜するために、各反応室には同一組成の反
応ガスを連続的に供給する必要があって一定性で組成や
ドーピングの異なる複数層を形成するためにはその数だ
けの専用反応室が不可欠であった。

更に、複数の反応室をもつロール・ツー・ロール方式に
おいては、各反応室は完全に分離・独立している訳では
なく、基板の通路で連結されている。このため、隣接し
た反応室間で該基板通路を経由して各反応室の反応ガス
の相互混合をさけることができない。この相互混合が作
成しようとする薄膜半導体装置の特性を劣化させる場合
には反応室間の基板通路に一方向性のガスの流れを形成
したり、特開昭５８−２１６４７５号公報、特開昭５９
３４６６８号公報等に開示の如く、反応室間に専用の緩
衝室を設けて抽気又は差動排気して必要な程度迄ガス分
離を行なっていた。しかし、かかる従来方法ではひとた
びこれらガス分離機構を越えて侵入した隣接反応室の反
応ガスは反応室全域に拡散して反応室内で均一となり、
隣接層との界面の膜厚方向の組成分布や不純物分布のプ
ロファイルの制御性、例えばゆるやかな傾斜接合にする
か、シヤーブな階段接合にするかと云った制御性に乏し
かった。

〈目的〉 本発明は上記従来技術の欠点を解消し、高品質の薄膜半
導体装置を高速で形成する為になされたもので、ひとつ
の反応室内においてプラズマ衝撃を低下させ良好な界面
を形成する手段と反応室内の反応ガスの空間分布を制御
し堆積される膜の厚み方向に組成や不純物分布を制御す
る手段を有した薄膜半導体の製造装置を提供する事を目
的とする。

〈発明の構成〉 上述の目的は以下の本発明により達成される。

すなわち、本発明は基板を移送しつつ化学的気相分解に
よるプラズマ雰囲気中で該基板上に所定の半導体層を形
成する薄膜半導体の製造装置において、対向した放電電
極の基板入側の所定範囲の中間に放電電極と平行にプラ
ズマ衝撃を低下させる多孔板からなる格子電極を少なく
とも基板全巾以上に亘って設けると共に、反応ガスを遮
断する仕切板を基板搬送方向に所定間隔で放電電極面に
垂直方向に配設して、少なくともプラズマ雰囲気を基板
通路等の限られた隙間を除いて基板搬送方向にガス拡散
のない複数の区域に区画し、膜厚方向に所定の組成分布
を有する薄膜を形成するようになした反応室を有するこ
とを特徴とする薄膜半導体の製造装置である。

上述の本発明は以下のようにしてなされたものである。

すなわち、本発明者らは前述の特開昭５９３４６６８号
公報開示のものと同様な連続プラズマＣＶＤ装置で高品
質、すなわち太陽エネルギーの変換効率の高い非晶質シ
リコン太ｆｉ電池の連続大量生産について検討してきた
が、生産性向上のため堆積速度を上げるために放電電力
を大きくするとその変換効率が下がる現象が観察された
。そして、その原因の１つはｉ層の形成初期の下層から
の不純物混入に基づくもので、膜形成初期の下層のプラ
ズマ衝撃に基づくものであることを見出した。

そして、この対策について種々検討の結果放電電極間の
基板入側のみに格子電極を設けることにより格子電極存
在部及びその近傍のみで効果的にプラズマエネルギーが
低下し前記プラズマ損傷が防止でき、且つ、格子電極部
以外では格子電極の影響を受けることなく高速膜形成が
できることを見いだした。

さらに高品質ｉ層を形成する為には１層膜中の不純物濃
度、特に、隣接するｐ層を堆積する反応室より混入して
くる極微量のＢ原子濃度の１層膜中での厚さ方向分布が
重要である事を見いだした。

そしてその制御手段を種々検討の結果、放電電極間に垂
直にガスを遮断する仕切板を設けてプラズマ雰囲気を区
画してもプラズマ放電は影響されず安定製膜ができるこ
とを見出すと共に、ガスを遮断できる仕切板により区画
されたプラズマ雰囲気の各区域間の反応ガスの流路を基
板表面近傍等に限定することにより、ガス導入口と排気
口の基板搬送方向の位置により基板搬送方向のガス組成
分布を制御できることを見出した。本発明はこれら知見
に基いてなされたものである。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明の格子電極は放電電極の基板入側のみに設ける。

その設ける領域は形成する半導体及び格子電極に印加す
るバイアス電圧等に関係し、実験的に定める必要がある
が膜形成速度を考慮すると基板入口から放電電極の半分
まで位の間で適宜選定するのが実用的である。格子電極
の形状は網状体、櫛状等多数の孔を全面に亘って有する
多孔板が使用される。その孔の大きさは、活性種の通過
を出来るだけ阻げない範囲でプラズマを閉じ込めること
ができる範囲で選定され、実際には実験的に定めるが網
状の場合は５０番メツシュ以下で選定するのが実用的で
ある。

また、本発明の仕切板はガスを遮断できるものであれば
良く、その材は特に限定されないが、中でもプラズマ損
傷のないものが好ましく、ステンレス等が使用される。

なお、仕切板は反応室と共に接地するのが一般であるが
、浮遊もしくは適当なバイアス電圧を印加させても良い
。そしてその形状は、基板搬送方向のガスの拡散が無視
できるものであれば良く、通常は基板搬送路及び放電電
極面との間に微小な間隙を有するのみで、その他の部分
は完全に遮断し、前記間隙以外ではガス移動のない形状
が選定される。このようにすると間隙部でガス流速が大
となり、ガス拡散の防止がより完全となる点で好ましい
。しかし、反応室内の部材の配置によりガス流路が限定
される場合には該ガス流路を遮断するように仕切板は設
置すれば良いことは云うまでもない。なお、仕切板は少
なくとも基板前面との間にガス流路となるスリットを有
する必要がある。

又仕切板の数及びその間隙は、形成する膜の膜厚方向の
プロファイルに応じて選定される。この選定は実験によ
る。

方反応ガスの導入口、排気口の配置も、同様に形成する
膜厚方向のプロファイルに応じて実験により選定される
。例えば２層膜を形成する場合には夫々の反応ガスの導
入口を反応室の両端に、共通の排気口をその中間に順次
配置すれば良く、又−層膜でその膜内の組成を変化させ
たい場合は夫々の反応ガスの導入口を反応室の基板搬送
方向の両端部に配置し、その一端に共通の排気口を設け
ること等により適当な勾配の組成分布を得ることができ
る。

なお、本発明は長尺基板上に必要な半導体層を連続的に
順次形成する場合に有利に適用できる。

中でも基板上に既に半導体層が形成され、その上にこれ
と別種の半導体層を形成する場合に効果的である。さら
に、特開昭５８−２１６４７５号公報等の如く複数の反
応室を連結したものにおいて、その層のプロファイルを
制御するのにも適用できる。

特に非晶質シリコン半導体層の形成、中でも前述の通り
大きな問題を有する非晶質シリコン太陽電池の連続製造
における１層の形成において大きな効果を奏する。

以下、本発明の詳細を非晶質シリコン太陽電池の連続製
造を例に説明する。

〈実施例〉 第１図は上記実施例の非晶質シリコン太陽電池の連続製
造装置の構成図、第２図はその反応室２の断面図である
。

その基本構成は前述の特開昭５８−２１６４７５号公報
。

特開昭５９−３４６６８号公報開示のものと同じで、ｐ
型。

ｉ型及びｎ型の各非晶質シリコン層を形成するＣＶＤプ
ラズマ放電の各反応室１．２．３及び巻出室１８並びに
巻取室１９をガス隔離のための緩衝室１３で連結し、巻
出しロール２０から巻取りロール２１へ基板１７をロー
ル・ツー・ロール方式で移送しつつｐ、ｉ、ｎの３層を
連続形成する構成となっている。なお、図の４〜９は放
電電極で、図の１０は各放電電極に高周波電力を供給す
る高周波電源である。

かかる反応室分離型ロール・ツー・ロール方式のＣＶＤ
プラズマ放電装置で、Ｓ！Ｈ＋ガス等周知の所定の原料
ガスを各反応室１．２．３に供給してロール状に巻き上
げた長尺基板上にｐ。

ｎ形非晶質シリコン膜を順次積層して太陽電池を形成し
た。本例では前述の通り太陽電池の特性を左右するｉ形
非晶質シリコン層を形成する反応室２において、対向す
る放電電極６，７の中間に格子電極２２を設置した。該
格子電極２２は可撓性の長尺の基板１７の進行方向に沿
って、放電電極６，７の前半１／３を覆うように設けで
ある。該格子電極２２には電源（図示省略）より所定バ
イアス電位を印加するようになっている。格子電極２２
の材料はステンレス合金の金網とし、その網の粗さはプ
ラズマを閉じ込めるのに充分細かく、かつ、活性種の通
過を阻げない程度に粗いもの、本例では２０番メツシュ
の網目とした。格子電極２２は基板１７から２５履離し
て設置され（放電電極間距離は５０履）、＋２００〜−
２００■の間の適当な値に直流電圧が設定できる電源に
よりバイアスされている。

対向する放電電極６．７の中間のプラズマ雰囲気を基板
搬送方向に必要な通路を除いて区画する仕切板１１を電
極面に垂直かつ第２図の通り隙間１４を除いて反応室の
全断面を遮断するように基板の搬送方向に所定間隔にな
るように４枚設置した。

従って該仕切板１１によりプラズマ空間は、電極面内で
複数の区域に区分され、反応室２の基板搬送方向下流端
に設けたガス導入口１５から供給された反応ガスはその
上流端部の排気ポート１６に達するためには必ず該仕切
板１１で設定された隙間１４を通って流れる。

なお、前述の通り仕切板１１は隙間１４を形成するよう
に対向する放電電極の双方に対して若干の距離を離して
設置されている。この隙間１４は１つには反応ガスの通
路として、また、パワー電極に対して電気絶縁のため、
そしてアース電極に対しては基板１７の通路を目的とし
ており、本実施例では３ＩＩｒＩＲとした。ガス仕切板
１１の材料は電気的に導体。

不導体のいずれであっても本発明の目的を達するが、プ
ラズマ雰囲気中に不純物を放出しないことが必要である
。本例ではステンレス合金で作成し、電気的にはアース
に接地した。

基板１７として、本例では厚さ　１００μｍのポリエチ
レンテレフタレートのフィルム上に３０００人のアルミ
金属と５０人のステンレス合金を順次積層して用い、前
述の特開昭５９−３４６６８号公報同様にしｐ。

、ｎ形の非晶質シリコン層を一走行で連続成膜した。ｐ
およびｎ形の非晶質シリコン膜の厚さは２００〜３００
人、ｉ形弁晶質シリコン層の厚さは５０００人程度８な
るように、放電電力、基板搬送速度９反応ガス圧力を制
御した。

ところで本例のロール・ツー・ロール方式では、通常、
隣接するｐ、ｎ形弁晶質シリコンを形成する反応室１．
３から１層を形成する反応室２へＢ２　Ｈｓ及びＰＨ３
ガスが緩衝室１３を経由して微量混入する。

ところで反応室２は前述の構成としであるので、ｉ形弁
晶質シリコンを形成する反応室２において反応ガスはｎ
層用の反応室３寄りのガス導入口１５から導入されｐ層
用の反応室１寄りの排気口１６の方向に流れ、上記混入
の拡散は後述の通り制御される。

第３図に格子電極２２に負のバイアス電位（−２０■）
を印加し、放電電極６，７に印加する高周波電力を変え
てｉ形弁晶質シリコン層を成膜した場合の、太陽電池特
性（変換効率）と放電電力の関係を実線Ａで示した。当
然のことながら、放電電力の増加は第３図に同時に示し
たように堆積速度を上昇させ、高速成膜に対応している
。本発明による製造方法では、第３図の実線Ａ′に示す
ごとく、放電電力が増加しても太陽電池の特性の悪化は
ほとんど見られない。

方、格子電極２２を除いた上述の装置で全く同様にして
形成した太陽電池の特性は、第３図に破線Ｂ′で示した
ごとく、放電電力の増加に伴って太陽電池特性が低下し
た。

さらに格子電極２２は設置した状態で、仕切板１１のみ
を除いた上述の装置で全く同様にして形成した太陽電池
の特性は、第３図に一点鎖線Ｃ′で示したごとく、全て
の放電電力領域で仕切板１１を設けた実線Ａ′に比して
太陽電池特性が低下した。

以上の通り本発明にもとづいて作成した太陽電池はその
特性が向上しており、本発明の有効性が確認された。

方、本実施例で成膜したｐ、ｉ、ｎ積層型の非晶質シリ
コン膜について、ボロン（Ｂ）原子のデプスプロファイ
ルを二次イオン質量分析法（Ｓｉ　ＭＳ）で測定した結
果を第４図に実線Ａで示す。比較のために、他の条件は
同じに、仕切板１１を設置しない従来装置の場合により
形成した同じｐ、ｉ、ｎ積層型の非晶質シリコン膜の分
析結果を破線Ｂで同図に示した。

仕切板１１を設けない従来装置の場合には隣接反応室１
．３から混入したＢ２　Ｈｓガスがｉ層用の反応室２全
体に均一に拡散する結果、ｉ層中のＢ原子の膜厚方向の
濃度プロファイルはフラットになっている。一方、仕切
板１１を設置した実施例の場合はｐ層とｉ層との界面に
おけるＢ原子の組成プロファイルは切れが急峻になって
おり、また、層中のプロファイルは一定の勾配の傾斜を
もっていることがわかる。この結果は、仕切板１１によ
って１反応室２のプラズマ空間を区分することにより、
同一反応室内であってもｎ層用の反応室３寄りの部分か
らｐ層用の反応室１寄りの部分に亘ってプラズマ雰囲気
中の反応ガスの組成が一定の空間分布を有することを示
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の非晶質シリコン太陽電池の製造装置の
構成説明図、第２図は第１図の反応室２の仕切板１１で
の断面図、第３図は実施例で得られた太陽電池の特性を
示すグラフ、第４図は該実施例でのｉ層中のＢ原子分布
を示すグラフである。 １．２．３：反応室　　　１１：仕切板１３：緩衝室　
　　　　　　１４：隙間１７：基板　　　　　　　　２
２：格子電極特許出願人　帝　人　株　式　会　礼 式　　理　　人　　弁理士　　前　　１）　純　　博赦
電句カ（Ｗ＋

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板を移送しつつ化学的気相分解によるプラズマ雰
   囲気中で基板上に所定の半導体層を形成する薄膜半導体
   の製造装置に於いて、対向した放電電極の基板入側の所
   定範囲の中間に放電電極と平行にプラズマ衝撃を低下さ
   せる多孔板からなる格子電極を少なくとも基板全巾以上
   に亘って設けると共に、反応ガスを遮断する仕切板を基
   板搬送方向に所定間隔で放電電極面に垂直方向に配設し
   て、少なくともプラズマ雰囲気を基板通路等の限られた
   隙間を除いて基板搬送方向にガス拡散のない複数の区域
   に区画し、膜厚方向に所定の組成分布を有する薄膜を形
   成するようになした反応室を有することを特徴とする薄
   膜半導体の製造装置。 ２、仕切板は前記隙間を除いて反応室の全断面を遮断す
   るように設けられている特許請求の範囲第１項記載の薄
   膜半導体の製造装置。 ３、前記基板が可撓性の長尺の基板であり、ロール・ツ
   ー・ロール方式で搬送される請求項第１項若しくは第２
   項記載の薄膜半導体の製造装置。