JPH05308051A - 水素化アモルファスシリコン膜の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 反応性スパッタ法により、暗抵抗が高く、光
導電性も高い水素化アモルファスシリコンの薄膜を形成
する。 【構成】 真空チャンバ２内には、直流電源１０及び高
周波電源１１にそれぞれ接続される一対のマグネトロン
電極７，８が設けられており、その電極７，８上にそれ
ぞれシリコンターゲット９が設置されている。ガス導入
口４から水素を含む不活性ガスを流しながら各電極７，
８により直流マグネトロンスパッタと高周波マグネトロ
ンスパッタとを同時に行うと、基板１２上にＳｉ−Ｈ結
合形態の異なる水素化アモルファスシリコン膜が堆積す
る。その結合形態は、各電極７，８による直流スパッタ
出力と高周波スパッタ出力との比を変えることによって
制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像素子や電子写真用
感光ドラムの感光層などのような受光素子に用いられる
水素化アモルファスシリコンの薄膜を製造する方法及び
装置に関するもので、特に、スパッタ法を利用した水素
化アモルファスシリコン膜の製造方法及び装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】水素化アモルファスシリコン膜の製造に
は、現在、主としてグロー放電法（プラズマＣＶＤ法）
が用いられている。そのグロー放電法による水素化アモ
ルファスシリコンの成膜は、シラン（ＳｉＨ₄ ）ガスを
高周波グロー放電によって分解させ、２００〜３００℃
に保った基板上に堆積させるというものである。このグ
ロー放電法は、大面積の成膜が容易であり、しかも光導
電性に優れた水素化アモルファスシリコン膜が得られる
ことから、特に太陽電池や電子写真用感光ドラムの製造
に適したものとされている。しかしながら、グロー放電
法によって得られる水素化アモルファスシリコンは暗抵
抗が小さいので、電子写真の感光層として用いる場合に
は、帯電性を向上させるために、ほう素に加えて窒素や
炭素等を添加したり、あるいはブロッキング層を加えて
積層化するなどの対策を行うことが必要となっている。

【０００３】そこで、その欠点を補うために、他の方法
による水素化アモルファスシリコンの成膜も試みられて
いる。例えば反応性スパッタ法を用い、水素を含有する
スパッタガスによりシリコンターゲットをスパッタし
て、スパッタ粒子を基板上に堆積させるようにすれば、
水素化アモルファスシリコン膜を形成することができ
る。そのような反応性スパッタ法によれば、暗抵抗の高
い水素化アモルファスシリコン膜を得ることができる。
また、その方法は、シラン等のガスを用いるグロー放電
法に比べると、はるかに安価で、安全性も高いという利
点を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、撮像素子あ
るいは電子写真の感光層として用いられる水素化アモル
ファスシリコンには、高い暗抵抗のみならず、高い光導
電性も要求される。しかしながら、上述のようなスパッ
タ法によっても、その両方の特性を有する水素化アモル
ファスシリコン膜を得ることは難しい。すなわち、スパ
ッタ法によって形成される水素化アモルファスシリコン
膜の暗抵抗が高いのは、膜中の水素含有量が高いこと、
及びそのＳｉ−Ｈ結合形態がＳｉＨ₂ 結合を主体として
いることに起因するものと考えられている。ところが、
ＳｉＨ₂ 結合が過剰となると、光導電性の低下を招くこ
とになる。したがって、スパッタ法により光導電性の高
い水素化アモルファスシリコン膜が形成されるようにす
るためには、ＳｉＨ₂ 結合の形成が比較的少なく抑えら
れるようにすることが必要となる。従来の反応性スパッ
タ法でも、スパッタガス中の水素ガス混合比を下げる
と、ＳｉＨ₂ 結合が減少してＳｉＨ結合が増加し、ある
程度は光導電性が改善される。しかしながら、そのよう
にすると、同時に膜中の水素含有量も減少し、暗抵抗が
低下してしまう。

【０００５】このように、一般の反応性スパッタ法で
は、形成される膜中の水素含有量を高く維持しながらＳ
ｉ−Ｈ結合形態を制御するということができないので、
スパッタ法によって高い暗抵抗と高い光導電性との両方
の要求を同時に満足する水素化アモルファスシリコンを
得ることは実質的に不可能となっている。そのために、
現在では、受光素子としての水素化アモルファスシリコ
ンの製法は、グロー放電法が主流とならざるを得ない状
況となっている。

【０００６】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであって、その目的は、高い暗抵抗及び高い光電
特性を同時に有する水素化アモルファスシリコンが、安
価で安全な反応性スパッタ法によって得られるようにす
ることである。換言すれば、その目的は、反応性スパッ
タ法において、形成される膜中の水素含有量とＳｉ−Ｈ
結合形態とが独立して制御されるようにすることによ
り、膜中の水素含有量をほとんど減少させることなく、
最適なＳｉ−Ｈ結合形態の水素化アモルファスシリコン
を形成することのできる水素化アモルファスシリコン膜
の製造方法及び装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明では、スパッタを、直流マグネトロンスパッ
タと高周波マグネトロンスパッタとの二つの方法で同時
に行うようにしている。すなわち、本発明による水素化
アモルファスシリコン膜の製造方法は、同一のチャンバ
内に直流電源型のマグネトロン電極と高周波電源型のマ
グネトロン電極とを設け、それらのマグネトロン電極に
よる直流スパッタ出力及び高周波スパッタ出力をそれぞ
れ制御しながら、直流によるマグネトロンスパッタと高
周波によるマグネトロンスパッタとを同時に行い、各マ
グネトロン電極上に設置されたシリコンターゲットから
飛び出すスパッタ粒子を同一の基板上に堆積させるよう
にしたことを特徴としている。また、本発明による水素
化アモルファスシリコン膜の製造装置は、水素ガスと不
活性ガスとが導入される真空チャンバ内に、シリコンタ
ーゲットがそれぞれ設置される一対のマグネトロン電極
を設け、各マグネトロン電極に、そのスパッタ出力を独
立して制御し得る直流電源及び高周波電源をそれぞれ接
続して、それらのマグネトロン電極によりそれぞれ直流
マグネトロンスパッタと高周波マグネトロンスパッタと
を行わせるようにするとともに、各シリコンターゲット
から飛び出すスパッタ粒子を、真空チャンバ内の基板ホ
ルダに支持されている単一の基板にともに付着堆積させ
るように構成したことを特徴としている。

【０００８】

【作用】マグネトロンスパッタ法は、マグネトロン電極
からの放電によりプラズマを発生させ、ターゲットから
飛び出したスパッタ粒子がそのプラズマ中を通過するよ
うにしたもので、従来のイオンビームなどによるスパッ
タ法に比べると、高速粒子による膜へのダメージが少な
いので、光導電性の改善を期待することができる。ま
た、そのマグネトロンスパッタ法は、成膜が速いという
特徴も有している。そのようなマグネトロンスパッタ法
を実施する装置には、放電形態により直流マグネトロン
型と高周波マグネトロン型とがあるが、いずれの放電形
態のマグネトロンスパッタ装置を用いても水素化アモル
ファスシリコンは形成することができる。本発明者ら
は、このマグネトロンスパッタ法について鋭意研究した
結果、直流マグネトロン型と高周波マグネトロン型とで
はＳｉ−Ｈ結合形態の大きく異なる水素化アモルファス
シリコンが形成されることを見いだした。その理由につ
いては、現時点ではまだすべてが明らかにはされていな
いが、プラズマ診断などの結果から、次のようなことが
推察される。すなわち、直流マグネトロン型と高周波マ
グネトロン型とでは、放電状態の違いにより、プラズマ
空間の電位分布が大きく異なる。そのために、基板へ到
達する水素イオンの入射エネルギにも大きな差が生じ
る。その結果、形成される水素化アモルファスシリコン
のＳｉ−Ｈ結合形態が異なってくる。

【０００９】このように、直流によるマグネトロンスパ
ッタと高周波によるマグネトロンスパッタとでは基板に
到達する水素イオンの入射エネルギに差が生じるので、
それらのスパッタを同時に行うと、入射エネルギの異な
る水素イオンが同一基板上に到達することになる。その
場合、直流スパッタ出力と高周波スパッタ出力との比を
変えると、それぞれのエネルギを有する入射水素イオン
量も変化する。したがって、直流マグネトロンスパッタ
と高周波マグネトロンスパッタとを同時に行いながら、
そのスパッタ出力をそれぞれ制御するようにすれば、形
成される水素化アモルファスシリコンのＳｉ−Ｈ結合形
態を一定範囲で制御することが可能となる。一方、スパ
ッタ全出力を一定にしておけば、基板に到達する入射水
素イオンの全体量はほとんど変化しない。

【００１０】本発明は、このような知見に基づいてなさ
れたものであり、上述のように直流マグネトロンスパッ
タと高周波マグネトロンスパッタとを複合した複合マグ
ネトロンスパッタ法を用いることを特徴とするものであ
る。そのような複合マグネトロンスパッタ法を用いる
と、形成される水素化アモルファスシリコン膜中の水素
含有量とＳｉ−Ｈ結合形態とを独立して制御することが
可能となる。そして、それによって、膜中の水素含有量
をほとんど減少させることなく、Ｓｉ−Ｈ結合形態を最
適なものにすることが可能となるので、高い暗抵抗を有
し、かつ光導電性に優れた良好な光応答性を有する水素
化アモルファスシリコンが得られることになる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図中、図１は本発明による水素化アモルファスシリ
コン膜製造装置の一実施例を示す概略構成図である。こ
の図から明らかなように、この水素化アモルファスシリ
コン膜製造装置１は真空チャンバ２を備えている。その
チャンバ２の壁面は金属等の導電性材料によって形成さ
れ、アース電位に保持されるようになっている。また、
そのチャンバ２は、図示されていないが適宜の水冷装置
によって冷却されるようになっている。チャンバ２には
排気口３とガス導入口４とが設けられており、その排気
口３に接続される真空ポンプ５によってチャンバ２内が
減圧されるとともに、ガス導入口４からチャンバ２内に
水素ガスとアルゴン等の不活性ガスとの混合ガスが導入
されるようになっている。

【００１２】チャンバ２内には、内部に永久磁石６を備
えた一対のマグネトロン電極７，８が配設されている。
そのマグネトロン電極７，８上には、それぞれ多結晶シ
リコン等のシリコンターゲット９，９が設置されるよう
になっている。こうして、各ターゲット９，９の表面側
にそれぞれ磁界が形成されるようにされている。また、
そのターゲット９は、マグネトロン電極７，８内に導入
される冷却水によって水冷されるようになっている。一
方のマグネトロン電極７は、チャンバ２の外部に設けら
れた直流電源１０に接続されている。また、他方のマグ
ネトロン電極８は、同じくチャンバ２の外部に設置され
た高周波電源１１に接続されている。したがって、一方
のマグネトロン電極７によって直流型のマグネトロンス
パッタが行われ、他方のマグネトロン電極８によって高
周波型のマグネトロンスパッタが行われるようになって
いる。そして、その直流電源１０及び高周波電源１１は
それぞれ独立して制御可能とされている。すなわち、そ
れらのマグネトロン電極７，８による直流スパッタ出力
及び高周波スパッタ出力は、それぞれ独立して制御可能
となっている。

【００１３】チャンバ２内には、更に、単結晶シリコン
あるいはガラス等の基板１２を支持する基板ホルダ１３
が設けられている。その基板ホルダ１３も導電性材料に
よって形成されており、チャンバ２の壁面とともにアー
ス電位に保持されるようになっている。基板１２は、基
板ホルダ１３に取り付けられたとき、各マグネトロン電
極７，８上のターゲット９，９に対して所定の間隔を置
いて位置するようにされ、各ターゲット９，９からそれ
ぞれ飛び出すスパッタ粒子が同時にその基板１２の表面
に付着堆積するようにされている。また、基板ホルダ１
３にはヒータ１４が設けられ、その基板ホルダ１３に取
り付けられる基板１２が加熱されるようになっている。

【００１４】次に、このように構成された水素化アモル
ファスシリコン膜製造装置１の作用について説明する。
この製造装置１を用いて水素化アモルファスシリコンの
薄膜を製造するときには、まず、その薄膜を付着させる
基板１２を基板ホルダ１３に取り付ける。そして、ヒー
タ１４によってその基板１２を加熱状態に保つ。次い
で、真空ポンプ５によりチャンバ２内を真空吸引しなが
ら、ガス導入口４からそのチャンバ２内に水素とアルゴ
ン等との混合ガスを少しずつ流す。その状態で、各マグ
ネトロン電極７，８上のシリコンターゲット９，９を陰
極とし、そのターゲット９，９とアースされている基板
１２との間にそれぞれ直流バイアス電圧及び高周波バイ
アス電圧を印加する。すると、各ターゲット９，９と基
板１２との間にそれぞれプラズマが形成される。したが
って、各ターゲット９，９の表面が水素を含むスパッタ
ガスによりスパッタされ、その表面からスパッタ粒子が
飛び出す。そのスパッタ粒子にはシリコン粒子と水素イ
オンとが含まれている。そして、それらが各マグネトロ
ン電極７，８によって形成されているそれぞれのプラズ
マ中を通って基板１２に到達し、その基板１２上におい
て結合する。その結果、基板１２の表面に水素化アモル
ファスシリコンの薄膜が形成される。

【００１５】このようにして、同一の基板１２上に直流
マグネトロンスパッタによる水素化アモルファスシリコ
ンと高周波マグネトロンスパッタによる水素化アモルフ
ァスシリコンとが同時に形成される。その場合、直流電
源型のマグネトロン電極７によって形成されるプラズマ
と高周波電源型のマグネトロン電極８によって形成され
るプラズマとではプラズマ空間における電位分布が異な
るので、それらのプラズマを通って基板１２に到達する
スパッタ粒子中の水素イオンの入射エネルギには差が生
じる。そして、そのようにエネルギの異なる水素イオン
がシリコン粒子と結合して形成される水素化アモルファ
スシリコンは、Ｓｉ−Ｈ結合形態が互いに異なるものと
なる。例えば入射エネルギの小さい水素イオンがシリコ
ン粒子と結合すると、ＳｉＨの多い水素化アモルファス
シリコンが形成される。また、入射エネルギの高い水素
イオンがシリコン粒子と結合すると、ＳｉＨ₂ の多い水
素化アモルファスシリコンが形成される。したがって、
このように直流マグネトロンスパッタと高周波マグネト
ロンスパッタとを同時に行うことにより、基板１２上に
は、ＳｉＨとＳｉＨ₂ とが混在した水素化アモルファス
シリコン膜が形成されることになる。その結合形態は、
直流スパッタ出力と高周波スパッタ出力との比を変える
ことによって制御することができる。例えば直流スパッ
タ出力の方を高くすると、基板１２に到達する水素イオ
ンは入射エネルギの小さいものが多くなるので、ＳｉＨ
の多い水素化アモルファスシリコンが得られることにな
る。逆に、高周波スパッタ出力の方を高くすると、入射
エネルギの高い水素イオンが多くなるので、形成される
水素化アモルファスシリコンはＳｉＨ₂ の多いものとな
る。一方、スパッタ全出力を一定としておけば、基板１
２に到達する水素イオンの全体量はほとんど変化しな
い。したがって、そのスパッタ出力を制御することによ
って、水素含有量をほとんど減少させることなくＳｉ−
Ｈ結合形態を制御することができ、高い暗抵抗と高い光
導電性とを有する望ましい特性の水素化アモルファスシ
リコンを得ることができる。

【００１６】このような水素化アモルファスシリコン製
造装置１を実際に試作し、それを用いて水素化アモルフ
ァスシリコン膜を形成した。マグネトロン電極７，８上
に設置するターゲット９は直径７５mm、厚さ５mmの円板
状の多結晶シリコンとし、基板１２としては単結晶シリ
コンを用いた。そのターゲット９と基板１２との中心間
距離は４５mmである。各ターゲット９の背面側に配置さ
れた永久磁石６によるターゲット９表面の最大磁界は３
００ガウスであった。ガス導入口４からチャンバ２内に
導入するガスは水素ガスとアルゴンとの混合ガスとし
た。このような条件の下で、マグネトロン電極７，８に
それぞれ直流電圧及び高周波電圧を印加して、直流マグ
ネトロンスパッタと高周波マグネトロンスパッタとを同
時に行った。スパッタ条件は、基板温度を３００℃、水
素ガスとアルゴンとの流量比Ｈ₂ ／Ａｒを０．６とし
た。また、直流スパッタ出力ＤＣ（ワット）と高周波ス
パッタ出力ＲＦ（ワット）との全出力ＤＣ＋ＲＦを一定
の６００ワットとして、その直流スパッタ出力とスパッ
タ全出力との比ＤＣ／（ＤＣ＋ＲＦ）を０〜１の範囲で
変化させた。単結晶シリコン基板１２上に堆積した水素
化アモルファスシリコン膜を分析したところ、その膜中
のＳｉ−Ｈ結合形態は、図２に示されているようにＤＣ
／（ＤＣ＋ＲＦ）に対応して変化し、ＳｉＨ₂ 結合水素
とＳｉＨ結合水素との比ＳｉＨ₂ ／ＳｉＨで約０．５〜
２の範囲に制御可能であることが確認された。その場
合、膜中の水素含有量はほとんど変化しない。また、図
３に示されているように、ＤＣ／（ＤＣ＋ＲＦ）が０．
４〜０．７の範囲では、暗導電率σd が１０^-12S・c
m^-1、光導電率σp が１０^-7 S・cm^-1 となった。このよ
うにして、この製造装置１により、暗抵抗が高く、しか
も光導電性の良好な水素化アモルファスシリコン膜が得
られることが確認された。

【００１７】なお、上記実施例においては、直流スパッ
タ出力と高周波スパッタ出力との和を一定として、その
比のみを変化させるようにしているが、その比とともに
全スパッタ出力を変化させるようにすることもできる。
そのようにすれば、形成される水素化アモルファスシリ
コン膜中のＳｉ−Ｈ結合形態のみでなく、水素含有量を
も制御することができる。したがって、水素化アモルフ
ァスシリコン膜の特性をより広く制御することが可能と
なる。直流電源１０と高周波電源１１とをそれぞれ用い
ることにより、そのように直流スパッタ出力と高周波ス
パッタ出力とをそれぞれ独立して制御することができ
る。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、各スパッタ出力をそれぞれ制御しながら、直
流によるマグネトロンスパッタと高周波によるマグネト
ロンスパッタとを同時に行い、シリコンターゲットから
飛び出すスパッタ粒子を同一の基板上に堆積させるよう
にしているので、形成される水素化アモルファスシリコ
ン膜中の水素含有量とＳｉ−Ｈの結合形態とを独立して
制御することが可能となる。したがって、反応性スパッ
タ法によって形成される水素化アモルファスシリコン膜
中の高い水素含有量を維持しながら、ＳｉＨ₂ 結合の生
成を抑制することができ、高い暗抵抗と高い光導電性と
を有する光応答性に優れた水素化アモルファスシリコン
を得ることができる。しかも、反応性スパッタ法を利用
するので、安全性が高く、安価に実施することができ、
成膜速度が速いというマグネトロンスパッタ法の特徴も
活かすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水素化アモルファスシリコン膜の
製造装置の一実施例を示す概略構成図である。

【図２】その製造装置による実験結果を示すもので、ス
パッタ出力比と得られた水素化アモルファスシリコン膜
のＳｉ−Ｈ結合形態及び水素含有量との関係を示すグラ
フである。

【図３】その製造装置におけるスパッタ出力比と得られ
た水素化アモルファスシリコン膜の暗導電率及び光導電
率との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 水素化アモルファスシリコン膜製造装置 ２ 真空チャンバ ７ 直流マグネトロン電極 ８ 高周波マグネトロン電極 ９ シリコンターゲット １０ 直流電源 １１ 高周波電源 １２ 基板 １３ 基板ホルダ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素を含有するスパッタガスによりシリ
   コンターゲットをスパッタし、そのターゲットから飛び
   出すスパッタ粒子を基板上に堆積させて薄膜を形成す
   る、反応性スパッタ法による水素化アモルファスシリコ
   ン膜の製造方法において；同一のチャンバ内に直流電源
   型のマグネトロン電極と高周波電源型のマグネトロン電
   極とを設け、 それらのマグネトロン電極による直流スパッタ出力及び
   高周波スパッタ出力をそれぞれ制御しながら、直流によ
   るマグネトロンスパッタと高周波によるマグネトロンス
   パッタとを同時に行い、 前記各マグネトロン電極上に設置されたシリコンターゲ
   ットからそれぞれ飛び出すスパッタ粒子を同一の基板上
   に堆積させることを特徴とする、 水素化アモルファスシリコン膜の製造方法。
2. 【請求項２】 水素ガスと不活性ガスとが導入される真
   空チャンバと、 その真空チャンバ内に設けられ、シリコンターゲットが
   それぞれ設置される一対のマグネトロン電極と、 それらのマグネトロン電極にそれぞれ接続され、そのス
   パッタ出力を独立して制御する直流電源及び高周波電源
   と、 前記真空チャンバ内に設けられ、前記各シリコンターゲ
   ットからそれぞれ飛び出すスパッタ粒子がともに付着堆
   積する位置で基板を支持する基板ホルダと、 を備えてなる、水素化アモルファスシリコン膜の製造装
   置。