JPS5910254B2 - プラズマポジション法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は改良されたプラズマデポジション法及びプラズ
マデポジション装置に関するものであり、その目的とす
るところは高光導電性を有するアモルファス薄膜あるい
は多結晶状の非品質薄膜の新規な形成方法及びその装置
の構成を提供することにある。

アモルファス薄膜例えばアモルファスシリコン（以下ａ
−Ｓｉと記す）を例えば石英ガラスやステンレス基板上
に堆積する方法として従来スパッタ法，真空蒸着法或い
はグロー放電法が主である。

このうち前二者の方法によって作成した膜は禁止帯中の
局在準位密度が高い為ｐｎ制御が効かず例えば太陽電池
等への応用｛て適さず、用途が著しく限定されることが
知られている。

これに対し例えばＳｉＨ４ガスのグロー放電中で基板温
度を約３００℃以下の低温で形成されるａ−ｓｉＶＣは
大きな光導電性があり、更に禁止帯中の局在準位密度が
前二者の方法に比し７著しく小さ＜Ｐｎ制御が可能な事
が見出だされこれを応用して現在迄の所約５％程度の変
換効率を持つ太陽電池が試作されている。

以下第１図〜第３図をもとにして従来より最も一般的に
行なわれているグロー放電によるａ−Ｓｉ等のプラズマ
デポジション法およびその装置について述べる。

第１図ａは誘導結合型グロー放電装置の構成図で１は石
英管、２ぱ例えば２５０℃に昇温された基板、３は該基
板２を昇温する為のヒーター、４は例えばＨ２ガス或い
はＨｅガスで２０係に稀釈されたＳｉＨ４ガスである。

該石英管１の外部から高周波（ｒｆ）電力の印加によっ
て図示されているようなグロ廿放電プラズマ５が形成さ
れ基板２上にａ−Ｓｉ薄膜が形成される。

第１図ｂは容量結合型グロー放電によってａ−ｓｉ薄膜
を形成するための装置の構成図である。

この装置は電極間に高周波電圧を印加することによりグ
ロー放電プラズマ５を形成し、基板２上にａ−Ｓｉ薄膜
を形成する。

４は例えば第１図ａと同様のＨ２ガス或いはＨｅガスで
稀釈されたＳｉＨ４ガスである。

第１図ａおよび第１図ｂの装置によって形成したａ−Ｓ
ｉは前述のスパッタリング法や真空蒸着法によるａ−Ｓ
ｉに比し局在準位密度は著しく小さく高光導電性を有す
るとは云えまだ１０１７ｃｒｎ−３ｅＶ−１程度の局在
準位密度が存在しており一層の膜質向上が、例えば太陽
電池の効率改善の為にも不可欠でこの為の努力がなされ
続けている。

第２図は容量結合型グロー放電装置に直流電圧を印加で
きるようにしたものである。

このＤＣバイアスにより詳細は不明であるがプラズマ状
態の変調或いは基板に堆積するときの粒子の運動エネル
ギーを変化せしめる事が可能と考えられる。

直流電界を基板側を負になるように印加する事によって
吸収の重心は２１００ｃｍ−’から２０００Ｃｒｒｌ−
’方向へ移り光学ギャップが２．ＯｅＶから１．７ｅＶ
に減少するが電気的には大きな特性変化は認められない
事が報告されている。

一方電界を印加する代りに外部磁場を印加する事によっ
て膜特性の向上を図れたという報告がある。

第３図は容量結合型グロー放電装置に外部磁場を印加し
つつａ．Ｓｉ薄膜を基板上に堆積する装置を示す。

同図において、６は石英管、γはこの石英管内に収納さ
れた基板、８は磁場を印加するだめの電磁石用コイル、
９ａ，９ｂは端子１０ａ，１０ｂより高周波電圧が印加
される電極、１１は真空ポンプに連結される孔、１２は
圧力ゲージに連結している孔である。

本装置により成長させたａ−Ｓｉは（ＳｉＨ２）ｎやＳ
ｉＨ−３による吸収を示さず、光伝導が増加し禁止帯中
の局在準位密度が減少し、磁場印加下で膜堆積速度が増
加するという報告がある。

これらは磁場印加によりプラズマ密度の増加と関連があ
るものと推察されている。

以上述べた如くａ−Ｓｉの膜質向上の為に種々の努力・
工夫がなされているが、どれら新しい工夫も従来の高周
波放電（容量型，誘導型双方）に対し内部的に電極を設
けて電界を印加したり、又は外部的に磁場を印加したり
している訳でそのグロー放電の基本となる電極構造は平
行平板であり圧力・流量等の放電条件は従来の延長線上
に位置づけられるものと考えられる。

従って前述の如く、単なる容量結合型或いは誘導結合型
或いはＤＣグロー放電法によって形成されたａ−Ｓｉ薄
膜の電気的、光学的特性或いは成長速度等に改良が見ら
れるものの画期的なものとはいい難い。

本発明は前述の従来の高周波グロー放電（以下ｒｆグロ
ー放電と記す）の放電ガス圧力領域（約ＩＴｏｒｒ）よ
りもはるかに高真空領域の１０−２〜１０−３ Ｔｏｒ
ｒ付近でも高密度のプラズマ密度を有しグロー放電を持
続できる方法、所謂ＰＩＧグロー放電法をプラズマデポ
ジション法に適用し高品質、即ち高光導電性を有し低局
在準位密度を有するａ−Ｓｉ薄膜を均一かつ一度に多く
形成する方法を提供する事を目的としている。

ＰＩＧという名前はその発明者の名前に由来するもので
（Ｐｅｎｎｉｎｇ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｇａｕｇｅ
）元来真空度を測定するために考案されたものでそれが
熱電子を放出するフィラメントを要せず一定範囲の圧力
で放電する事からイオン源としても用いられるようにな
ったものである。

近年高密度ＬＳＩの製造の為の中心的技術の一つとなっ
たイオンインプランテーション装置のイオン源としても
太いに用いられていることは周知である。

イオ？源として用いられているＰＩＧ方式の代表的構成
および寸法および動作原理を第４図に基づいて説明する
。

図示されているように直径約１５ｍｍφのタンタルもし
くはチタン等の金属よりなる円筒状カソード１３，モリ
ブデン等の金属からなるアノード１４、高品質のグラフ
ァイトもしくはチタンその他の金属よりなる直径約５Ｍ
ｒＬの穴１５をもつアパーチャ−１６、垂直方向ｃ−ｃ
’の磁力線をもつ外部磁場、イオンビームを引出す電極
系１７よりなる。

１８はアノード１４を支える絶縁材料である。

円筒状カソード１３とアノード１４間には直流電源１９
によって１〜２ＫＶの電圧が印加されている。

また、直流電源２０は２０〜５０ＫＶである。

さらに、電磁石用コイル２１によって１．５〜４ＫＧａ
ｕｓｓの磁束密度の磁界が生起する。

該電極間に得るべきイオンの原子を含む原料ガス（Ｂ＋
に対してＢＦ３ ，Ｐ＋に対してＰＨ３等）を導入し外
部磁場印加工（例えば３ Ｋ Ｇａｕｓｓ）にアノード
電圧を印加する（例えば２ＫＶ）ことによって所謂ＰＩ
Ｇグロー放電を生ぜしめ得る。

このグロー放電によって生じたプラズマ中から所要の加
速電圧でイオンビーム２２を得る。

このＰＩＧ放電は１０−２〜１０−３程度の従来の容量
結合型や誘導結合型のｒｆグロー放電に比べ比較的高真
空で高密度のプラズマを生成せしめることが可能である
ことは周知である（勿論従来の容量結合型或いは誘導結
合型ｒｆグロー放電もイオン源としても用いられている
）。

本発明は本ＰＩＧグロー放電を高品質のアモルファス薄
膜あるいはその他非品質系薄膜の堆積に初めて応用する
もので以下若干の実施例を説明する。

第５図はＰＩＧグロー放電法によるａ−Ｓｉのプラズマ
デポジション装置の一実施例であり、まず本装置の概略
説明と本装置を用いたａ−Ｓｉの堆積例について説明す
る。

第５図において２３は外径約１３０ｍｍφ，内径約１
２ ０ｒｒｖｎφの石英管でこの石英管内はあらかじめ
約１０ ’ ｍｍＨｇのオーダーに排気する。

従来のｒｆ或いはＤＣによるグロー放電法によるａ−Ｓ
ｉの堆積においてはガス圧力範囲としてはＩＴｏ ｒ
ｒ付近でありほとんど拡散ポンプによる排気は行なわれ
ていなかった。

この１０−６ｒＩｒｒｎＨｇ付近迄の予備排気によって
Ｈ２０やＣＯ２等の残留ガス量を著しく低減せしめ得る
。

特にカーボンの混入によるａ−Ｓｉの特性の劣下を軽減
し得るものと考えられる。

また、２４ぱカソードであり、外部電極端子より一定の
電位を与えられ外部配管より所要のガス例えばＨ２ガス
で２０係に稀釈されたＳｉＨ４ガスがカソードに連結さ
れた配管２５から放電空間に供給される。

２６は配管２５内を通って流れてきたガスを放電空間に
できるだけ均一に導入できるように設けた開孔である。

勿論ガスはカソードと連結しない別の外部端子より導入
してもよい事は云うまでもない。

該カン一ド２４の直径は本実施例に於いては１００ｗｎ
φで材料はステンレススチール或いはアルミニウムであ
る。

２７ぱ外径１００ｒｒｒｒｒＬφ，内径８０ｗｒＬφ，
長さ３０調のステンレススチール若しくはアルミニウム
で製作されたアノード電極で正電圧が加えられる。

本プラズマデポジション装置ではカソード２４とアノー
ド２７間の距離ｄは可変であるが本実施例に於いては５
門とした。

２８は温度可変の基板ホルダーでステンレススチール製
であり、２９はステンレススチール，石英ガラス，単結
晶シリコン等のａ−Ｓｉを堆積すべき基板であり約２５
０℃に昇温保持される。

３０はアノード２７に対するリート゛線である。

アノード２７と基板ホルダー２８間の距離は約５胴であ
る。

３１は放電空間に印加する外部磁場を形成する電磁石で
ある。

上記構成のプラズマデポジションに於いて放電条件，放
電部構造寸法，堆積結果例を次表にまとめて示す。

同表でアノード電圧の欄は例えば安定化された直流電圧
を示し、稀釈ガスの欄でＨｅ又はＨ２と記入してあるの
はＳ ｉＨ４をＨｅもしくはＨ２で稀釈してあることを
示す。

Ｈｅ稀釈の場合についてはデータ例は少なく明確な事は
まだ言えない。

しかし例えばＨ２稀釈の場合については光学ギャップに
ついてみると１．７１〜１．７６ｅＶと一般的に報告さ
れているものに比べ若干低く大きな光導電率σＰＨが得
られている。

表において光導電率σｐｈの欄には螢光灯下５００１ｘ
で測定されたものと、Ｈｅ−Ｎｅ単色光下での測定した
場合の両方を示しており、それぞれ大きな値が得られて
いる。

なお、第５図においては一方のカソードを通じて、Ｓｉ
Ｈ４＋Ｈ２ガスを供給しているが、カソードを用いるこ
となく、別の空間からガスを送り、そのカンード面にも
基板を配する、一度に多くの薄膜基板を形成できる。

このように複数のアノード、複数のカソードを対向させ
て放電空間をつくっても、電極の端部で放電するのみで
あるが外部磁界を形成させているので、均一な放電が得
られ、広い放電空間にしても均一な膜が形成できる。

次に、ａ−Ｓｉ或いは他の薄膜を量産的に形成するのに
適したプラズマデポジション装置の構成について述べる
。

第６図は量産タイプのプラズマデポジション装置の構成
例を示す。

減圧容器内に平行に配置した昇温可能なカソードとなる
接地電位或いは一定負電位の基板ホルダ３２、該カソー
ドとなる基板ホルダー３２間に正電位を与える電極群３
３，該基板ホルダー３２の面に垂直な磁場ヲ与エるンレ
ノイドコイル３４から成り立っている。

本装置によれば図から明らかなように２つの対向するカ
ソードは全く等価なものであり、両面を基板ホルダーと
して使える為従来のものに比し量産性に富むという特長
を有する。

第７図は第６図のものとほぼ同じ構成であるが各カソー
ド間に電極を設ける代りに１つの例えば円筒状の電極３
５を用い、その中にｆ行カソード電極３２を内蔵する如
く電極を配置した例である。

今迄述べてきた本発明の実施例において両カソード電極
は接地電位に保持された場合について述べた。

しかし勿論カソード電極間に電圧を印加してもよい。

これによって放電を維持しながら両カソード前面に形成
されるイオンシースの厚みを変える事が可能であり、基
板に堆積するときのイオン成分の運動エネルギーを自由
にコントロールする事ができる。

磁場については放電管外部から印加する例について説明
したが減圧容器内に電極と一体化された形で収納しても
よいことは言う迄もない。

更に基板加熱も例示されている方式に対して、電気炉の
場合のように外部的に加熱する事も可能である。

本発明によって生じる効果を以下に述べる。

ＰＩＧグロー放電を利用した本発明のプラズマデポジシ
ョン法およびプラズマデポジション装置によれば、従来
の一般的なｒｆ或いはＤＣグロー放電の場合に比べ、磁
場の印加下において放電圧力範囲を広げることができ、
特に従来に比してより高真空領域においてグロー放電が
可能となるとともに高密度プラズマの生成が可能である
。

すなわち、従来に比してより高真空の放電領域で薄膜の
堆積が可能で、例えば前述のような一放電条件で高い光
導電性を持つａ−Ｓｉの堆積が可能である。

又、磁場とアノート゛電圧とガス圧を調整することによ
り超高速のａ−Ｓｉ薄膜或いは他の非晶質薄膜，多結晶
薄膜、更には絶縁薄膜の堆積が可能であり、例えば約５
００Ｇａｕｓｓ，約５５０Ｖのアノード電圧で５０〜６
０ｍＡのＡ−Ｓ電流下においてＨｅで２０係稀釈された
ＳｉＨ４を４μｍ／ｈｒの高速で石英基板上に堆積でき
る。

さらに、対向するカソート電極は全く等価である為堆積
する為の実効面積が増加し量産性に富む装置の作成も可
能となる。

又、磁場の作用で放電を電極間に集中し、例えば石英ガ
ラス等の放電管壁とプラズマの相互作用による不純物混
入の影響を著しく小さくできる等の効果を有し工業上の
利用価値が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，第２図および第３図はそれぞれ従来のプ
ラズマデポジション装置の構成図、第４図はＰＩＧグロ
ー放電を行なうための装置の構成図、第５図は本発明の
一実施例におけるプラズマデポジション装置の正面断面
図、第６図は本発明の他の実施例におけるプラズマデポ
ジション装置の正面断面図、第７図は本発明のさらに他
の実施例におけるプラズマデポジション装置の正面断面
図である。 ２３・・・・・・容器（石英管）、２４，２８，３２・
・・・・・陰極電極（カソード）、２７，３３，３５・
・・・・・陽極電極（アノード）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 減圧状態にした容器内に複数の陰極電極を配置し、
   さらにこれらの陰極電極間もしくは前記陰極軍極を囲む
   よう、前記陰極電極面に対して直角な方向に陽極電極を
   配置し、前記陰極電極と前記陽極電極との間に電圧を印
   加しながら、これら電極間にＳｉを主成分とする原料ガ
   スを供給し、かつ印加磁場の下でグロー放電プラズマを
   誘起させて、前記陰極電極の少なくとも一つの上に設置
   された基板上に前記原料ガスの分解生成吻による薄膜を
   堆積させることを特徴とするプラズマデポジション法。 ２ 印加磁界の方向が陰極電極面に対して垂直である事
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のプラズマデポ
   ジション法。 ３ 陰極電極間に交流電圧あるいは高周波電圧を印加し
   、且つ陽極電極に正の電位を与える事を特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のプラズマデポジション法。 ４ 表面に基板を配した陰極は多段に配列され、前記陰
   極に垂直な方向に陽極を配列したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のプラズマデポジション法。 ５ 陰極相互間毎に前記陰極とは垂直方向に互いに対向
   した陽極を配したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のプラズマデポジション法。