JPS5835928B2 - アモルフアスシリコンの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽電池、電子写真感光体その他に利用され
るアモルファスシリコンの製造方法に関するものである
。

近年、気相成長法により得られるアモルファスシリコン
は、太陽電池その他において極めて有用である点で注目
を浴びている。

従来におけるアモルファスシリコンの製造方法の代表的
なものとしては、例えば直流イオンブレーティング法を
挙げることができる。

この方法は、真空槽内にシリコン蒸発源と基板とを配設
し、蒸発源よりシリコンを蒸発せしめてその蒸気に例え
ばタングステンヒーターより放出される熱電子を照射し
てシリコン蒸気を活性化し、シリコン蒸気を電離せしめ
、生成したシリコンイオンを、負の直流電圧を印加した
前記基板に衝突せしめることにより、当該基板の表面に
アモルファスシリコンを形成せしめるものである。

尚、この際水素ガス等を添加してシリコン膜中に水素ガ
ス等を含有せしめる事ができる。

しかしながら、斯かる直流イオンブレーティング法にお
いては、熱電子を放出せしめるためのタングステンヒー
ターよりタングステンが蒸発して、形成されるアモルフ
ァスシリコン中に好ましくない不純物として混入するよ
うになる。

又タングステンヒーターの代りにイオン化電極を用いる
ことも考えられ、この場合にはイオン化電極物質の蒸発
量は少ないがなお好ましくない不純物が混入するおそれ
があり、更にいずれも装置が複雑になる欠点がある。

又上記の如き方法によって形成されるアモルファスシリ
コンには、非晶質というその不規則な原子配列構造によ
り、いわゆるダングリングボンドが多く存在する。

このダングリングボンドは、結合をつくるべき電子が結
合をつくらずにそのまま残っている状態若しくは共有結
合が切れたままの状態であり、このため光電現象などの
シリコンの半導体材料としての作用が十分に発揮されな
い欠点がある。

一方、シラン（ＳｉＨ４）ガスをグロー放電により分解
せしめて生成するシリコンイオンによりアモルファスシ
リコンを形成せしめ、同時に生ずる活性水素原子をアモ
ルファスシリコンに導入してそのダングリングボンドを
封鎖する方法も知られているが、この方法においては、
シリコンに対する水素原子の割合を任意に変化せしめる
ことが不可能であり、このため所期の特性を有するアモ
ルファスシリコンを得ることは困難である。

本発明は以上の如き事情に鑑み、そのダングリングボン
ドが封鎖され従って半導体材料として優れた性能を有し
、しかも所望の性状及び機能を有するアモルファスシリ
コンを簡単な装置により容易に製造することのできる方
法を提供することを目的とする。

以下図面によって本発明の一実施例について説明する。

本発明においては、第１図に示すように、真空槽を形成
するペルジャー１にバタフライバルブ２を有する排気路
３を介して真空ポンプ（図示せず）を接続し、これによ
り、当該ペルジャー１内を例えば１０−６〜１Ｏ−２Ｔ
ｏｒｒの高真空状態とすると共に、水素放電管４におい
て水素ガスを放電せしめて得られるイオン化水素を、前
記ペルジャー１内に突入して伸びる導管５により、前記
ペルジャー１内に配設したシリコン蒸発源６の直上位置
に導入し、斯かる状態において前記シリコン蒸発源６を
加熱してこれよりシリコンを蒸発せしめると共に、当該
シリコン蒸発源６と対向するよう配設した基板７を予め
そのヒーター８により加熱すると共に直流電源９により
この基板７に負の電圧を印加した状態としておき、ペル
ジャー１内にグロー放電を生起せしめてシリコン蒸気を
電離せしめ、これによりこの基板７の表面にアモルファ
スシリコンを形成せしめる。

１０はシャッターである。

以上において、前記シリコン蒸発源６を加熱するために
は、抵抗加熱、電子銃加熱、誘導加熱などの任意の加熱
手段を利用することができる。

基板７の加熱温度は室温から約５００℃までの任意の値
とすることができるが一般的には１００〜３００℃の範
囲内に設定され、又この基板７への印加電圧は通常−５
００Ｖ〜−５ＫＶの範囲内に設定される。

第２図は前記水素放電管４を詳細に示す。

この水素放電管４は水素ガスが流れるガラス製の水素供
給管１３と、この水素供給管１３内に設けた放電電極１
４．１５と、これら放電電極１４．１５間の放電領域に
おいて前記水素供給管１３の外周に設けた冷却用外套管
１６とを含み、前記放電領域における水素ガス圧力が１
Ｏ−２Ｔｏｒｒ以下に維持された状態で電源１７よりの
電圧により放電電極１４．１５間に放電が生起せしめら
札これによって水素ガスの一部が電離してイオン化水素
が生威し、これが電離しなかった水素ガスと共に、前記
水素供給管１３と連続する導管５により導入される。

そして冷却用外套管１６には冷却水が流過せしめら礼遇
熱状態となることが防止される。

尚放電電極１４．１５間の距離は通常ｌＯ〜１５は、印
加電圧は５００〜５ｏｏｖである。

又水素ガスを放電させるためには、直流電源に代えて高
周波電源を用いることができ、この場合には放電効率の
向上が期待され、しかも放電電極を水素供給管１３内に
露出せしめずにその外周に高周波コイルを設ければよい
から、前記放電電極の電極物質が不純物として導入され
ることを回避することができる。

以上の水素放電管４に供給される水素ガスは、水素ガス
ボンベより得られるものをそのまま用いてもよいが、基
板Ｉ上に形成されるアモルファスシリコンに好ましくな
い不純物が混入されることは避けるべきであり、従って
高純度の水素ガスを水素放電管４に供給するのが好まし
い。

高純度水素ガスを得る手段としては種々のものが知られ
ているが、例えば第３図に示すような水素純化器を用い
るのが便利である。

この水素純化器は、パラジウムより成る内管２１と、こ
の内管２１を包囲する外管２２と、内管２１を加熱する
ヒーター２３とより成り、外管２２内に例えば水素ガス
ボンベよりの原水素ガスを流過せしめながらヒーター２
３により内管２１を加熱すると、水素ガスはこの内管２
１の管壁を透過し、この結果内管２１に接続したガラス
管より成る吐出管２４より高純度水素ガスが得られるも
のである。

本発明は以上の通りであるから、シリコン蒸発源６から
蒸発したシリコン蒸気はグ陥−放電により電離し、その
結果生成したシリコンイオンが加熱された基板７の負電
圧に引かれて当該基板７に射突し、電荷を失って被着し
てアモルファスシリコンが形成される。

そして前記シリコンが電離される空間内には、水素放電
管４よりのイオン化水素が存在し或いは更にイオン化水
素と共に導入された水素ガスがグロー放電によって電離
して生じたイオン化水素が存在するため、これらイオン
化水素がシリコンイオンと共に基板７に射突するように
なり、この結果、前記基板７の表面に形成されるアモル
ファスシリコンはそのダングリングボンドが水素原子に
より封鎖されたものとなる。

而してシリコン蒸気をそのまま電離せしめるグロー放電
を生起せしめ或いは更にその放電状態を接続せしめるこ
とは困難であって、通常シリコン蒸気を活性化すること
が必要であり、このため従来においてはタングステンヒ
ーターよりの熱電子をシリコン蒸気に照射せしめる等の
手段が採られている。

然るに本発明においては、水素放電管４により生成せし
めたイオン化水素をシリコン蒸発源６の近傍に導入せし
めるため、このイオン化水素がシリコン蒸気に混合され
て全体として活性化された状態が形成されるため、グロ
ー放電を容易に生起せしめ得ると共にその放電状態を安
定なものとすることができる。

その上、水素放電管４においては水素ガスの放電により
シリコンに対して電離作用を有する紫外線が相当放射さ
れてイオン化水素と共にシリコン蒸気に照射され、従っ
てこの紫外線によってもシリコンの電離を一層促進せし
めることができる。

前記グロー放電を更に容易に生起せしめ或いは更にその
放電状態を安定にするためには、シリコン蒸発量を多く
してもよいが、本発明においては、ペルジャー１内に導
入するイオン化水素の量を多くすること、又は第２図に
示したように、前記導管５に例えば放電電極１５と対と
なる加速電極１８及びその電源１９を設けてイオン化水
素を加速せしめることにより、容易に又好便に上記目的
を達成することができる。

又第２図に示す極性とは反対の極性に電源をつなぐこと
によっても充分な効果が得られる。

その際には電子が加速され水素イオンは圧力差によって
ペルジャー内に流入することになる。

そしてシリコン蒸気を活性化するための機構を用いない
ため、構成の簡単な装置により本発明方法を実施するこ
とができる。

又本発明においては、既述のようにペルジャー１内のグ
ロー放電によって水素ガスも電離されるため、その結果
生成したイオン化水素が、水素放電管４において生成し
たイオン化水素と共にアモルファスシリコン中に導入さ
札従って水素ガスの使用効率が高く得られると共に、導
管５により導入されるイオン化水素量及びこれと共に導
入される水素ガス量を、例えば水素放電管４への水素ガ
ス供給量、水素放電管４における放電電圧等を変化せし
めることにより制御することができ、従って基板７に形
成されるアモルファスシリコンにおける水素導入率を制
御することができて結局所望の性能を有するアモルファ
スシリコンを得ることができる。

イオン化水素は金属に衝突するとイオン化された状態が
失われるが、水素放電管４における水素供給管１３及び
これに続く導管５をガラスより成るものとし更にイオン
化水素を直接シリコン蒸発源６の近傍に供給することに
より、生成せしめたイオン化水素をその活性が失われな
いようにして利用することができ、この結果、例えばペ
ルジャー１を金属製とすることができる。

これは、ガラス管によりイオン化水素を移送せしめると
きには、初期のイオン化水素は管の内面に付着するよう
になるが、その後のイオン化水素は、既に付着したイオ
ン化水素により管の内面に付着することが防止さ札従っ
て十分長い距離に亘って移送せしめることができるから
である。

又本発明においては、前記ペルジャー１内にドーピング
剤蒸発源を設け、シリコン蒸発源６のシリコンの蒸発と
同時にリン、ヒ素、ホウ素、アンチモン等を蒸発せしめ
ることにより、これらを不純物として含み、従ってｎ型
又はｐ型の半導体としてのアモルファスシリコンを製造
することができる。

ドーピン剤としては、ホスフィン、アルシン、ジボラン
等の化合物を利用することも可能であり、この場合には
それらのガスを単にペルジャー１内に存在せしめればよ
い。

更に本発明においては、既述のようにシリコン蒸気を活
性化するための機構、例えば熱電子用タングステンヒー
ター、イオン化電極等は一切不要であり、従ってこれら
よりの好ましくない不純物が混入するおそれは皆無であ
って所期の組成のアモルファスシリコンを得ることがで
きる。

又シリコン蒸気にはイオン化水素が混合されて全体とし
て活性化されるため、シリコン蒸気をそのまま電離せし
める場合に比してシリコン蒸発源６の蒸発速度の最低必
要限度を大幅に緩和することができ、従って蒸発速度を
任意に制御することによって所望の性能のアモルファス
シリコンを得ることができる。

又第１図に示したように、ペルジャー１内を排気するた
めの排気路３にバタフライバルブ２その他の気圧制御機
構を設けることにより、ペルジャー１内のイオン化水素
を含む水素圧を１Ｏ−２Ｔｏｒｒ以下の任意の大きさに
制御することができ、この点からも水素導入率を制御し
て所望の性能のアモルファスシリコンを得ることができ
る。

そして前記気圧制御機構としてバタフライバルブ２を用
いると、１０−６１０−２ Ｔｏｒｒという広範囲に亘
って容易に気圧制御を行なうことができるので好ましい
。

以上のように本発明方法によれば極めて簡単な方法によ
り、そのダングリングボンドが水素原子により封鎖され
従って半導体材料として優れた性能を有し、しかも任意
にかつ正確に制御し得る条件を含むため所望の性能を有
するアモルファスシリコンを簡単な装置により容易に製
造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明アモルファスシリコンの製造方法に使用
する装置の一例を示す構成説明図、第２図はイオン化水
素加速機構を有する水素放電管の説明用断面図、第３図
は水素純化器の一例を示す説明用断面図である。 １・・・ペルジャー、２・・・バタフライバルブ、３・
・・排気路、４・・・水素放電管、５・・・導管、６・
・・シリコン蒸発源、７・・・基板、８・・・ヒーター
、９・・・直流電源、１０・・・シャッター １３・・
・水素供給管、１４゜１５・・・放電電極、１６・・・
冷却用外套管、１７゜１９・・・電源、１Ｂ・・・加速
電極、２１・・・内管、２２・・・外管、２３・・・ヒ
ーター ２４・・抵出管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空槽内に配設したシリコン蒸発源の近傍に、放電
   によって生成せしめたイオン化水素を導入し、このイオ
   ン化水素が存在する雰囲気下において、前記シリコン蒸
   発源よりシリコンを蒸発せしめてこのシリコン蒸気を、
   前記真空槽内に配設した基体に負の直流電圧を印加する
   ことにより、グ陥−放電により電離せしめ、以って前記
   基体の表面に水素原子を導入したアモルファスシリコン
   を形成せしめることを特徴とするアモルファスシリコン
   の製造方法。 ２ 前記シリコン蒸発源の近傍に、放電によって生成せ
   しめたイオン化水素あるいは電子を加速せしめて導入す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアモル
   ファスシリコンの製造方法。 ３ 前記真空槽内に配設されたドーピング剤蒸発源より
   、前記シリコンの蒸発と同時にドーピング剤を蒸発せし
   め、以ってドーピング剤を含有するアモルファスシリコ
   ンを形成せしめることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項又は第２項記載のアモルファスシリコンの製造方法。 ４ 前記真空槽内が１Ｏ−２Ｔｏｒｒ以下の制御された
   真空度に保たれることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項、第２項又は第３項記載のアモルファスシリコンの製
   造方法。