JPS6369981A - プラズマ化学処理によって層を形成する方法および装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高周波電源に対して好ましく適用される、気
体でチャージ可能な排気反応室に配置された３個以上の
電極を使用して、プラズマ化学処理によって基板の表面
に１以上の層を形成する方法および装置に関する。

［従来の技術］ プラズマ化学処理は、例えば、層の堆積および剥離また
プラズマ放電化学反応中の処理によって太陽電池を製造
するために使用される。プラズマ放電の化学反応中の処
理は、例えばＤＥ−ＯＳ２１　５２　８９５号明細書で
知られており、前記明細書では硫化銅／硫化カドミウム
タイプの薄い層の太陽電池の効率は硫化銅層に適用され
る硫化銅層に比較して薄い銅含有層によって増加する。

銅の含有量は水素雰囲気のグローフィールド中の処理に
よって表面への硫化銅層の還元によって追加層で発生す
る。機能的太陽電池を製造するための層の堆積は例えば
反転層太陽電池と関係して知られている。グロー処理は
例えば、Ｓｉ太陽電池を製造するのに使用される反応室
を洗浄するのに使用される。この場合には、グロー放電
は、ポリシランまたは例えば反応室に存在するドーピン
グ気体の重合体をエツチングすることによって洗浄する
のに使用される。

非晶質シリコン層を堆積するプラズマ化学処理では゛、
例えば、通常の大きさの電極が使用される。

これは、２つの対向する電極板を使用するという意味で
ある。これによって電界は均質となるが、気体が片側か
ら供給されると気体供給には問題が生じる。この欠点は
大きい表面を被覆しなければならない場合特に問題とな
る。高堆積速度で、気体混合物はＳｉＨ４とＢ２Ｈ６ま
たはＰＨ３のようなドーピング気体が劣化し、その結果
、層の厚さまたはドーピングは不規則となる。

このタイプの電極装置のさらに別の欠点は、層の質が荷
電粒子、つまりイオンまたは電子の衝突によって成長中
に影響されることである。

これに関係して、被覆される基板表面が２つの対向する
プレート電極の間に配置されないで、可能であれば基板
表面に対して平行に走る電界を形成するように、板の外
側に横に配列された非晶質シリコン層の堆積を行なう装
置が知られている。

このタイプの装置の欠点はプレートキャパシタ装置の性
質によって板の間にしか均質の界が形成されず、前記プ
レートが十分に接近している時に基板表面に対して平行
な電界成分で大きい表面を被覆しなければならないこと
である。プレートキャパシタの外側では、電界は不均質
であり、特に端部では、非常に弱い。不均質の電界分布
によってまず層の厚さが不均一となり、次に堆積速度は
板の間の距離の増加と共に非常に小さくなるために、こ
の電極の大きさの面積の大きい基板の被覆は、困難であ
り、効果的ではない（低シラン収量）。

この装置の問題は、２つの板の間の平行電界を発生させ
るための基本構造が、板が広く間隔を置いている（距離
（板の直径）場合に正確ではない、つまり大きい基板を
被覆するのに適していない（はぼ１００−以上）という
ことである。

それにもかかわらず堆積速度の均質化を改良するために
、第３の電極が軸方向の電極として導入され、電界に対
して平行に走る。面積の大きい被覆を行なうために、こ
の電極システムは交流極性を有する電極装置を設けるよ
うに反覆した列として配列される。

これは、交流によるロッド電極のシステムを示す第１ａ
図で説明される。前述のプレートキャバシタ装置では、
同じ電界の成長によって板の間隔が板の直径に比較して
大きいという限界が生じる。

重ね合せの原理によって電界の貢献のベクトル追加を有
するダイポール（破線）の電気力線によって最終的に界
プロファイルが生じる（実線）ことを図は示している。

電極では、電気力線は集中し、非常に不均質であり、概
念的な基板表面（Ｅ　　）に対して垂直の交流電界を生
じさせる。電極ロッドの間では、電界は非常に弱く、概
念的な基板表面（Ｅ　　）に対して平行である。

堆積速度は電極電位の“容量性の最適化”によって均一
となる。しかしながら対応する装置では、気体供給は問
題を引起こす。さらに、平面形状を持たない基板に関係
する電極装置は示されていない。

最初に説明されたタイプの方法は、多くのロッド状電極
が等しく間隔を置いて配置される米国特許第４．３９９
．０１４号明細書に開示される。

電極の極性は交互に選択される。処理される基板表面は
２つの電極システムの間にある。この方法は、プラスチ
ックＰＣＢの表面グロー処理のために商業的に使用され
る。この装置によって達成されるイオンによる表面の重
い衝撃は基板表面に対して垂直の加速電界の方向の結果
である。粒子衝撃の結果、表面は清浄にされ、化学結合
の破壊によってよい接着条件が得られる。しかしながら
、層を製造する場合、この効果は望ましくない。理由は
電界が基板表面に対して垂直に走る時にイオンと電子が
成長層を直接打撃し、基板表面の劣化が生じ、そのため
このタイプの製造方法はａ　−Ｓｉセルのような薄い層
の太陽電池には特に不利益であるためである。さらに、
電界は構造の不均質性（第１ａ図を参照）により、これ
は堆積速度を減殺する効果を伴う。

［発明の解決すべき問題点］ 本発明の目的は、大きい面積を困難なく被覆し、堆積速
度が均質で、電界が処理される表面に対して平行に配列
され、均質な気体供給が行われるような前述のタイプの
方法と物理的原理を発展させることである。

［問題点解決のための手段］ 前記目的は、表面が完全にまたはほとんど完全に電極間
で形成された電界に対して平行に位置し、被覆の形成に
必要な気体が電極の間および／またはそれら電極を通っ
て直接表面に流れ、連続した電極の電位が徐々に増加さ
れていることを特徴とする本発明の方法によって達成さ
れる。

本発明の理論によって、プラズマ援助被覆および基板表
面と加工された素子の表面の処理は、特に面積は大きい
が必ずしも平らではなく、前記表面と素子の大きさは処
理される区域の幾何学的形状に関して必ずしも平らでは
ない場合にも可能である。特に、本発明による理論は面
積の大きい薄い層の太陽電池、特に３０Ｘ３０ｄの大き
さのａ−Ｓｉ太陽電池をイオン衝撃による表面の損傷や
、堆積速度の不均質さがなく製造するのに適している。

必要な原理を変化させることなく必要な大きさに面積を
増加することができる。装置にはもちろん制限がある。

本発明による理論によれば、さらに、基板表面への選択
的材料の運搬が保証され、反応気体が多く使用されると
いう利点がある。

例えば、円筒形素子、あるいは本発明による方法による
他の形状の表面をプラズマ処理するために、本発明の実
施例では表面が電極によって形成されるエンベロープに
実質的に平行に配列される。

言替えれば、電極配置はプラズマ放電によってこの表面
を清浄にするため、および／または層を堆積するために
処理される表面の形状パターンに相当するように配置す
ることが必要である。

ここでは例えば連続動作のプラズマ化学処理を達成する
ために基板に対して同軸的に配置されるリング電極を使
用し、基板がリング電極の主軸に沿ってシフトされるこ
とが可能である。

基板加熱および高周波電源によって給電されることが好
ましい３個以上の電極、およびプラズマ化学処理に必要
な気体供給手段を有する排気反応室に基板が配置されて
いるプラズマ化学処理によって基板の表面に層を形成す
る装置は、電極が電極間に形成され表面に対して平行に
またはほとんど平行に位置する電界パターンに相当する
エンベロープを形成し、気体供給装置によって均一な分
布で表面に気体が放出可能であることを特徴とする。本
発明の実施例では、電極は中空シリンダとして形成され
、電極内を通って流れる気体の出口を有する。これは、
気体が処理される表面に対して直接、かつ均一に放出さ
れ、その結果非常に均質の堆積速度が達成されるという
利点がある。前記電極が処理される基板表面に対してほ
ぼ平行に位置する概念的な区域の電極配置によって、電
極間に形成される電界は処理される表面に対して平行に
走ることが保証される。その結果、表面のイオン衝撃は
生じず、プラズマ化学処理によって形成された層には悪
い効果は存在しない。

［実施例］ 第１ａ図は、交流電位適用される電極間を走るつまり米
国特許第４．３９９，０１４号明細書に開示された装置
による電界の電気力線分布を示す。

この装置の欠点は、処理される基板表面が荷電粒子で衝
撃を受け、損傷の危険があることである。

本発明によれば、−＠　３０　ｃｄｒの大きい面積、好
ましくは１００ｄ以上の面積を困難な（処理するために
従来技術によって交流極性から基本的に出発するもので
ある。

基板、基板加熱器、電極システム、および気体供給手段
はプラズマ反応器のような反応室（図示されない）に設
けられる。このような反応室で、基板表面は処理される
、つまり層を例えば表面に堆積し、または表面を清浄に
する。たとえは、ソーラー技術の非晶質シリコンの薄い
層の太陽電池を製造するのに使用される。しかしながら
、例えば金属材料、酸化物、窒化物、または炭化物によ
って表面を改良する加工物被覆も制限なく本発明に適用
される。

電極システムそれ自体は第１ｂ図および第２図の実施例
の平行に配列された円筒形または管状導電体ロッド１０
．１２．１４．１Ｂ、　１ｇ、または２０を具備する。

基板２２は電極１０〜２０から数センチメートル間隔を
置いて配置される。次いで気体を供給した後に高周波数
交流電圧によってプラズマまたはグロー放電が生じる。

もちろん高周波電源は直流電圧源で置換できる。

多くの電極１０乃至２０は、放電の電界が基板表面に平
行に配列されるように配置される。ある点である時の電
極ｌＯ乃至２０の電位を第１ａ図で観察すると、次いで
２つの隣接する電極は同じ電位差ρ１−ρｌ−１＝　ｕ
を有する場合に重ね合せの原理によって示される電界分
布が得られる。ρｌ−ρ１−１は全期間中すべての電極
１０乃至２０に対して同一であるために、ＨＦ放電の場
合に位相位置を考慮しなければならない。適切なＲＣネ
ットワークがこのために設けられる。実施例では、電位
は横軸値０、ｕ、２ｕ・・・によって明らかであるよう
に均一に生じる。

少なくとも低周波数に適切な電界分布は第２図に示され
るように影響を利用することによって行われる。同一符
号によって示される電極ｌＯ乃至２０は影響された電界
が発生し、外側の電極１０と２０が電位０および＋Ｕに
されることがわかる。

電界が電極システムからある距離で均一１；なることが
電気力線パターンから認められる。さらに、被覆される
基板表面に対して平行に配列され、電子とイオンは水平
に加速され、基板表面に衝突しない。これは被覆がイオ
ンの衝撃を受けることを阻止する。これは特に面積の大
きい薄い層の太陽電池の非晶質シリコン層を製造するの
に利点となる。前述のように電極ＩＯ乃至２０のワイア
リングによって他の材料で基板の大面積の被覆が可能に
なる。基板平面の電界が均一であることで、堆積速度は
非常に均一である。

さらに、本発明による電極の形成とそれら相互の関係に
よってプラズマ化学処理に必要な気体は処理される表面
を均一にカバーできる。電極１０乃至２０が中空円筒形
管として構成される場合、気体は溝または孔８６．８８
．９０を介して基板２２に直接通過するように管の内部
に分解せずに供給される利点を有する。これは第５図に
示される。気体はバルブ９４．９Ｂ、および流量計９８
を介して気体ボトルのような源９２から電極１０乃至１
８に供給され、反応室内部の接続は加工された素子を被
覆する場合に適切な電極システム（第４図−第６図によ
る）を迅速に再配置することができる速動結合１００で
ある。

気体供給システムは従って電極ＩＯ乃至２０と一体化さ
れ、速動結合１００によって取り外し式モジュールとし
て前記システムを構成することができる。

適切な気体供給システムは処理される表面に対して前面
から直接気体が流れる通常の装置の利点を提供する。こ
のような均質な気体流は堆積速度が従って非常に均質で
あることを保証する。気体を電極１０乃至１８内を通過
させることによって、気体は直接、分解せずに基板表面
に到達する。使用される気体は直接抜かれ、新しい気体
を供給と使用された気体の除去との間の静止状態は短時
間である。従って、使用された気体の濃厚化によって反
応雰囲気が長期間にわたる変化はない。

流出気体によって電極内で生じる圧力降下を阻止するた
めに、孔の大きさおよび／または間隔は各電極に沿って
変化する。

第３図、第４図、および第６図に基づいて、電極装置の
特定の実施例が明らかとなる。第３図では、ａｙド状ｆ
ｒ！ｉ極３０．３２．３４．３６．３８、オヨヒ４０は
特に内部または外部からの管または他の加工素子を被覆
するために円筒形ジャケットに配置される。電極３０乃
至４０の装置は処理される基板表面の大きさに調節され
る。ここで中空本体の内部表面を被覆することが可能で
ある。基板を必要なレベルに加熱するために、加熱器と
直接接続する必要はなく、基板それ自体の放射または電
流加熱によって暖めることができる。

電極３０乃至４０は支持リング４２．４４に絶縁して一
平面において配置される。これは例えば符号４６と４８
によって示される絶縁リングを使用すれば可能である。

電極３０乃至４０の電気装置は第４図に示される。

連続する電極間を同一電位差にするために高周波数交流
電圧がキャパシタ５２．５４．５６．５８および抵抗６
０．６２．６４を含むＲＣネットワークを介して電極３
０乃至４０に結合する電源５０として使用することが理
解される。これによって、電極が電位ρｏ　Ｍ−０、ρ
１−ｕ１ρ２−２ｕおよびρ３−３ｕを与えられ、ρ０
とρｌ、ρ１とρ２、ρ２とρ、の差が同一であり、以
下の電極３Ｂと４０、および３４と３０と３２に対する
電位が端電極に関係して継続的に上昇する。

電極３Ｂに基づいて、電極３０乃至４０が配置されるリ
ングの両側で電位は増加する。このリングつまり支持リ
ング４２．４４と平行に、電極３０乃至４０の間の電界
は重ね合せの原理に対してそれ自体が整列し、加工され
た素子は困難なくプラズマ化学処理によって処理される
。

第６図には、管７４のような加工素子を処理する、特に
被覆するために使用する電極６６．６Ｂ、７０．７２の
別の電極装置が示される。電極６６乃至７２は被覆され
る管７４に同軸的に配置された１！ング電極である。電
極６６乃至７２はＲＣネットワーク７８．８０．８２．
８４を介して高周波電圧電源７Ｂに接続され、電極から
電極、つまり電極Ｂ６と６８．６８と７０、および７０
と７２の間に同一電位差を設定するだけではなく、継続
的に増加する電位を設定する。

電極が板に配置されず例えば円筒形ジャケット（第３図
）に配置されるおよび／またはリング電極（第６図）と
して構成されると、本発明によって達成される利点を断
念する必要なく交流極性を有する装置が選択される。

さらに、処理される対象は第３図による装置の対称軸を
回転させ、または第６図による装置の対称軸の方向で′
運搬され、連続的にプラズマ化学処理が行われる。

第３図および第４図による装置を円筒形の対称ではない
加工素子に使用する場合、第７図に示されるように電界
は基板表面の回りのロッド電極の間隔を変更することに
よって加工素子のエンベロープに適合される。

リングとリングとの距離を変更し、あるいはＲＣネット
ワークを使用して電極電位を適合させることによって加
工素子のエンベロープに電界によって形成されたエンベ
ロープを適合させることができる。

電極それ自体は自己支持実施例（第６図）で取付けられ
ることができ、または絶縁支持体（第２図）に取付けら
れることができる。管の外側および／または内側、板の
表面または別の表面（被覆される素子の幾何学的形状に
適合される）に導体・条片またはワイアを配置し、本発
明による理論を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、従来技術に対する電界の電気力線分布を示
し、 第１ｂ図は、本発明によって得られた電界の電気力線分
布を示し、 第２図は、影響された相当する電気力線分布を示し、 第３図は、加工された素子を被覆する電極装置を示し、 第４図は、第３図による電極の回路を示し、第５図は、
気体供給手段を有する電極を示し、第６図は、電極装置
のさらに別の実施例を示し、第７図は、電極装置のさら
に別の実施例を示す。 ｌＯ〜２０．３０〜４０・・・電極、２２・・・基板、
４２．４４・・・支持リング、５２．５４．５６．５Ｂ
・・・キャパシタ、８０．６２．６４・・・抵抗、８６
．８８．９０・・・溝、９２・・・源、９４．９Ｂ・・
・バルブ、９８・・・流量計、１００・・・速動結合。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 一トー↑ε。 ｉｇ　１ａ Ｆｉｇ、　３ Ｆｉｇ、　４ Ｆｉｇ、　　７

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）気体で荷電可能な排気反応室に配置され、電源に
   より給電される３以上の電極を使用してプラズマ化学処
   理によって、電極間に形成された電界に対して少なくと
   も部分的に平行である基板の表面に１以上の面積の大き
   い層を形成する方法において、 前記表面は電極間に形成された電界に対して完全にまた
   はほとんど完全に平行に位置し、層の形成に必要な気体
   は電極間および／または電極を通って直接表面に流れ、
   連続する電極で電位が均一に増加していることを特徴と
   するプラズマ化学処理によって基板の表面に１以上の面
   積の大きい層を形成する方法。
2. （２）前記表面は電極によって発生したエンベロープに
   対して実質的に平行に配列されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の方法。
3. （３）電界は電極間の間隔を変化させ、および／または
   前記電極間の電位の変化ざることによって表面に適合さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法
   。
4. （４）前記基板は間接的に加熱されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の方法。
5. （５）前記表面を有する基板はプラズマ化学処理の間電
   極間を通過することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の方法。
6. （６）電源と接続可能な電極と処理に必要な気体に対す
   る１以上の供給装置が配置されている排気反応室に配置
   された基板の表面にプラズマ化学処理によって１以上の
   層を形成する装置において、電極は、電極間に形成され
   前記表面に対して平行にまたはほぼ平行に走る電界のパ
   ターンに相当するエンベロープを形成し、気体は気体供
   給装置によって均一に分布して表面に放出される ことを特徴とするプラズマ化学処理によって基板の表面
   に１以上の層を形成する装置。
7. （７）電極は中空円筒形状であり、気体の出口を有する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の装置。
8. （８）電極は前記表面を有する円筒のような基板に対し
   て同軸的に配列されたリング電極である特許請求の範囲
   第６項記載の装置。
9. （９）電極は円筒の周囲表面に配置されている特許請求
   の範囲第６項記載の装置。