KR101225632B1 - 광전 변환 소자 제조 장치 - Google Patents

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아키노부 테라모토
테츠야 고토
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고쿠리츠다이가쿠호진 도호쿠다이가쿠
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 마이크로파 플라즈마에서의 고효율·고속 성막과 동시에, 산소 혼입을 저지하고, 결함수를 저감시킬 수 있는 광전 변환 소자 제조 장치 및 방법, 그리고 광전 변환 소자를 제공하기 위한 것이다.
(해결 수단) 본 발명은, 기판(W)상에 반도체의 적층막을 마이크로파 플라즈마 CVD법에 의해 성막시키는 광전 변환 소자 제조 장치(100)에 있어서, 박막을 성막시키고자 하는 대상의 기판(W)이 올려놓여지는 기대(base)를 내장하는 밀폐 공간인 챔버(10)와, 상기 챔버(10) 내의 플라즈마 여기 영역에 플라즈마 여기 가스를 공급하는 제1 가스 공급부(40)와, 상기 챔버(10) 내의 압력을 조정하는 조압부(70)와, 상기 챔버(10) 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스를 공급하는 제2 가스 공급부(50)와, 마이크로파를 상기 챔버(10) 내에 도입하는 마이크로파 인가부(20)와, 상기 기판(W)에 대하여 기판 바이어스 전압을 상기 가스종에 따라서 선택하여 인가하는 바이어스 전압 인가부(60)를 구비한다.

Description

광전 변환 소자 제조 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING PHOTOELECTRIC CONVERSION ELEMENTS}
본 발명은 예를 들면 광전 변환 소자 제조 장치 및 방법, 그리고 광전 변환 소자에 관한 것으로, 특히, 성막 속도의 향상과 변환 효율의 증대를 실현하는 광전 변환 소자 제조 장치 및 방법, 그리고 광전 변환 소자에 관한 것이다.
종래부터 사용되어 온 석유 자원에는 자원으로서의 유한성이나, 연소에 수반하는 이산화탄소의 증대에 따른 소위 지구온난화 현상 등의 제 문제가 부수되는 점에서, 최근, 클린 에너지원으로서 태양 전지가 점점 주목받고 있다.
종래, 태양 전지에 요구되는 것은 CPT(cost payback time)로, 이것은, 다음 식에 의해 정해진다.
Figure 112012047301608-pat00001
2007년 현재에 있어서, 상기의 CPT값은, 결정계 태양 전지에서 25년, 박막계 태양 전지에서 40년 정도라고 한다. 이 페이백이 얻어지는 기간이 상당히 장기간이 되는 점에서, 필연적으로, 과대한 비용(초기 비용)의 부담이 부득이해지고, 이것이 태양 전지가 현실적으로 보급되기 어려운 요인의 하나로 되어 있었다.
CPT값을 낮추는(cost payback time을 감소시키는) 데에는, 초기 도입 비용의 저하, 도입에 의한 연간 이득의 증대, 연간 운용 비용의 저하 등의 실현이 필요하다. 이들을 실현하려면, 태양 전지의 장치값을 저하시키기 위해, 성막 속도를 향상시키고 변환 효율을 증대시키는 것이 필요하다. 성막 속도를 향상시키기 위해서는, 고밀도 플라즈마를 이용할 수 있다. 또한, 변환 효율을 증대시키기 위해서는, 결함수가 적고, 산소 농도가 낮은 막을 만드는 것이 필요하다.
한편으로, 넓은 파장 영역을 갖는 태양광을 남김없이 이용하는 것도 필요해지는데, 이를 위해서는 탠덤(tandem)형 태양 전지가 이용된다.
일본공개특허공보 2006-210558호 일본공개특허공보 2002-29727호 일본공개특허공보 평9-51116호
종래부터 플라즈마의 생성에는 마이크로파가 이용되고 있고, 그것에 의해 고밀도 플라즈마가 실현되어 성막 속도는 향상되고 있기는 하지만, 충분히 치밀한 막을 성막할 수 없었다. 그 때문에 대기 중에 노출되었을 때 등, 산소나 수분을 막 중에 취입해 버려, 실용에 견딜 수 있는 충분히 저산소이고 결함 밀도가 낮은 막을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.
특히 태양 전지에서는, Si(실리콘) 중에 산소가 혼입되면 Si가 n형화되어 암(暗)도전율의 증대(리크 전류의 증대)나, 결함에 의한 광도전율의 저하가 발생한다는 보고가 되고 있다.
한편으로, 최근, 저비용 태양 전지로서 주목받는 아몰퍼스(amorphous)·실리콘 태양 전지의 최대 과제는, 변환 효율이 결정계 태양 전지에 비하여 낮다는 점이다.
이에 대해서도, 예를 들면 p형 반도체, i형 반도체, n형 반도체를 적층하고, 상이한 흡수 파장대를 갖는 pin 접합의 조(組)를 몇 층분인가 적층한 탠덤형 태양 전지가 여러 가지 연구되고는 있지만, 입사광의 유효 이용성 및 광흡수 특성이라는 성능과 재질과의 관계에서, 아직 개량의 여지가 있다. 특히, 아몰퍼스 실리콘계와 미결정 실리콘계, 미결정 실리콘계와 미결정 실리콘계와의 조합에 따른 탠덤형 태양 전지에 대해서는, 입사광의 유효 이용성 및 광흡수 특성에 더하여, 상기의 암(暗)도전율의 증대(리크 전류의 증대)나 광도전율의 저하가 과제이다. 상기의 특허문헌을 포함하여 종래 기술 모두, 이들 과제에 대하여 다루고 있지 않고, 또한 회답을 주는 것도 아니다.
이러한 종래 기술상의 과제인 산소의 취입은, 기판상에 치밀한 막을 형성함으로써 억제할 수 있다고 생각되어, 본 발명자는, 치밀한 막의 형성에 자기(自己) 바이어스 전압이 크게 관계하는 것을 밝혀냈다.
그래서, 본 발명은, 태양 전지 성막에 있어서, 마이크로파 플라즈마를 이용함으로써 고효율의 성막을 실현하여 성막 속도를 향상시킴과 동시에, 자기 바이어스 전압을 적응적으로 선택·제어함으로써 치밀한 막을 형성하여 산소의 혼입을 억제하고, 또한 결함수를 저감시켜, 변환 효율을 증대시킬 수 있는 광전 변환 소자 제조 장치 및 방법, 그리고 광전 변환 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 이러한 종래 기술상의 과제인 산소의 취입을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 우선, 태양 전지의 성막 일반에 있어서, 마이크로파 플라즈마를 이용함으로써 고효율의 성막을 실현하여 성막 속도를 향상시킴과 동시에, 산소 혼입을 억제하고, 또한 결함수를 저감시킴으로써, 변환 효율을 증대시킬 수 있는 광전 변환 소자 제조 장치 및 방법, 그리고 광전 변환 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 변환 효율이 높은 태양 전지(미결정계, 아몰퍼스계를 포함함)를 제공하는 것이다.
우선, 본 발명에 따른 광전 변환 소자 제조 장치는, 기판상에 반도체의 적층막을 마이크로파 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성막시키는 광전 변환 소자 제조 장치에 있어서, 박막을 성막시키고자 하는 대상의 기판이 올려놓여지는 기대(base)를 내장하는 밀폐 공간인 챔버와, 상기 챔버 내의 플라즈마 여기 영역에 플라즈마 여기 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와, 상기 챔버 내의 압력을 조정하는 조압부(調壓部)와, 상기 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스를 공급하는 제2 가스 공급부와, 마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 인가부와, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 상기 가스종(種)에 따라서 선택하여 인가하는 바이어스 전압 인가부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 광전 변환 소자 제조 방법은, 박막을 성막시키고자 하는 대상의 기판이 올려놓여진 기대를 내장하는 챔버 내에 플라즈마 여기 가스를 도입하는 제1 스텝과, 상기 챔버 내를 조압(調壓)하는 제2 스텝과, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하고 나서 당해 챔버 내에 원료 가스를 도입하거나, 또는 상기 챔버 내에 원료 가스를 도입하고 나서 당해 챔버 내에 마이크로파를 도입하는 제3 스텝과, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 인가하는 제4 스텝을 구비하여, 상기 박막의 결함수가 1017개/㎤ 이하인 광전 변환 소자를 제조하는 것을 특징으로 한다.
혹은 대체적(代替的)으로, 본 발명에 따른 광전 변환 소자 제조 방법은, 박막을 성막시키고자 하는 대상의 기판이 올려놓여진 기대를 내장하는 챔버 내에 플라즈마 여기 가스를 도입하는 제1 스텝과, 상기 챔버 내를 조압하는 제2 스텝과, 상기 챔버 내에 마이크로파를 도입하고 나서 당해 챔버 내에 원료 가스를 도입하거나, 또는 상기 챔버 내에 원료 가스를 도입하고 나서 당해 챔버 내에 마이크로파를 도입하는 제3 스텝과, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 인가하는 제4 스텝을 구비하여, 상기 박막의 산소 농도가 1019atom/㎤ 이하인 광전 변환 소자를 제조하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 구비하는 본 발명에 따르면, 챔버 내에 내장된 기대상에 올려놓여진 기판 상부의 플라즈마 여기 영역에 대하여, 제1 가스 공급부로부터 제1 샤워 헤드를 통하여 플라즈마 여기 가스가 도입된다. 다음으로, 조압부가 챔버 내의 압력을 조절한다. 이 다음으로, 플라즈마 발생원이 챔버 내에 마이크로파를 도입하고 나서 제2 가스 공급부가 제2 샤워 헤드를 통하여 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스를 도입하거나, 또는 제2 가스 공급부가 제2 샤워 헤드를 통하여 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스를 도입하고 나서 플라즈마 발생원이 챔버 내에 마이크로파를 도입한다. 그런 후에, 바이어스 전압 인가부가 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 도입한다. 이 바이어스 전압은 플라즈마를 변동시키지 않고, 자기 바이어스로서만 기능하도록 가스종 등에 의해 적응하는 바이어스 파워를 선택한다. 이렇게 하면, 기판 표면에서의 조사 이온 에너지를 제어할 수 있다. 바꿔 말하면, 우선, 마이크로파 도입에 의해, 고밀도의 플라즈마가 실현된다. 이 고밀도 플라즈마에 의해 고성막 속도가 실현된다.
상기 구성에 의해 치밀한 막이 형성되고, 생성된 막 중의 결함 밀도를 저감하고, 산소 농도를 저하시켜, 암도전율(리크 전류)의 저감과 광도전율의 향상을 초래하기 때문에, 태양 전지의 변환 효율을 증대시키게 된다.
이 경우에 있어서, 상기 제1 스텝 내지 제4 스텝을, 상기 제3 스텝에서 도입하는 원료 가스를 제1 원료 가스, 제2 원료 가스, 제3 원료 가스로 순차 바꾸어 실행함으로써, 상기 기판에 p형 반도체막, i형 반도체막, n형 반도체막을 순차 적층시키고, 이렇게 하여 형성되는 1층분의 pin 접합을, 1 이상의 소망하는 층만큼 적층시키도록 구성할 수 있다. 결함 밀도를 저감하고, 산소 농도를 저하시킨 막을 가져, 암도전율(리크 전류)의 저하, 광도전율의 증대를 달성하는 본 광전 변환 소자를, pin 접합으로서 실현할 수 있고, 이들의 pin 접합을 순차 적층시킴으로써 태양광 각각의 파장 영역을 효율적으로 흡수하도록 구성하는(탠덤화하는) 것이 가능해진다.
또한 이 적층수가 2인 경우에, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘을 포함하는 제1 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 제2 pin 접합으로, 당해 2개의 층이 형성되도록 구성해도 좋다. 혹은, 적층수가 3인 경우에, 적어도 i층이 아몰퍼스 실리콘을 포함하는 제1 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 제2 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 제3 pin 접합에 관하여, 상기 제1 pin 접합－제2 pin 접합－제3 pin 접합 또는 상기 제3 pin 접합－제2 pin 접합－제1 pin 접합으로 적층이 형성되도록 구성해도 좋다.
상기 2층 구성을 구비하는 본 발명에 따르면, 예를 들면 1층째를 미결정 혹은 다결정 pin 접합, 2층째를 미결정 혹은 다결정 pin 접합으로 함으로써, 입사광의 유효 이용, 광흡수 특성의 향상이 한층 촉진된다. 매우 적합하게는 1층째에 미결정 혹은 다결정 실리콘 pin 접합(적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘을 포함하는 pin 접합), 2층째에 미결정 혹은 다결정 게르마늄 pin 접합(적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 pin 접합)이 적층되는 탠덤 구조 태양 전지로 한다. 이에 따라, 단층형에 비하여 입사광을 유효하게 이용할 수 있음과 함께, 미결정 혹은 다결정 실리콘－미결정 혹은 다결정 게르마늄의 조합에 의해 광흡수 특성이 더욱 향상된다. 이 경우, 시뮬레이션에 의하면, Voc=1.0V, Isc=25.8mA/㎠, Efficiency=20.8％가 얻어진다.
또한, 상기 3층의 구성을 구비하는 본 발명에 따르면, 1층째를 비결정 pin 접합, 2층째를 미결정 혹은 다결정 pin 접합, 3층째를 미결정 혹은 다결정 pin 접합으로 함으로써, 혹은 이들의 순열을 3층째, 2층째, 1층째로 함으로써, 입사광의 유효 이용, 광흡수 특성의 향상이 한층 더 촉진된다. 매우 적합하게는 1층째에 아몰퍼스 실리콘 pin 접합(적어도 i층이 아몰퍼스 실리콘을 포함하는 pin 접합), 2층째에 미결정(또는 다결정) 실리콘 게르마늄 pin 접합(적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 pin 접합), 3층째에 미결정(또는 다결정) 게르마늄 pin 접합(적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 pin 접합)이 적층되는 탠덤 구조 태양 전지로 한다. 이에 따라, 단층형에 비하여 입사광을 더욱 유효하게 이용할 수 있음과 함께, 아몰퍼스 실리콘－미결정(또는 다결정) 실리콘 게르마늄－미결정(또는 다결정) 게르마늄의 조합에 의해 광흡수 특성이 더욱 향상된다. 이 경우, 시뮬레이션에 의하면, Voc=1.75V, Isc=17.2mA/㎠, Efficiency=24.3％가 얻어진다.
게다가 이들의 성막에 있어서는, 기판에 대하여 기판 바이어스 전압이 인가됨으로써, 전술과 같이 치밀한 막을 성막할 수 있고, 저산소 농도로 결함 밀도가 낮은 박막의 태양 전지가 실현되게 된다.
또한 상기 구성에 있어서, 기판의 표면에 미소한 피라미드형의 요철 가공을 형성하여, 태양광을 가두어, 집광 효율을 증대시키는 구성으로 해도 좋다.
또한, 본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 기판상에, p형 반도체막, i형 반도체막, n형 반도체막이 마이크로파에 의해 여기된 플라즈마를 이용하여 성막되어 구성되는 pin 접합이 1층 이상 적층되어 이루어지는 광전 변환 소자에 있어서, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 인가함으로써, 성막된 적어도 1층의 결함수를 1017개/㎤ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
그리고 또한, 본 발명에 따른 광전 변환 소자는, 기판상에, p형 반도체막, i형 반도체막, n형 반도체막이 마이크로파에 의해 여기된 플라즈마를 이용하여 성막되어 구성되는 pin 접합이 1층 이상 적층되어 이루어지는 광전 변환 소자에 있어서, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 인가함으로써, 성막된 적어도 1층의 산소 농도를 1019atom/㎤ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 구비하는 본 발명에 따르면, 광전 변환 소자에 따른 pin 접합을 형성하는 p형 반도체, i형 반도체, n형 반도체는, 챔버 내에 플라즈마 여기 가스가 도입되어 조압 후에, 원료 가스의 도입→마이크로파의 도입 혹은 대체적으로 마이크로파의 도입→원료 가스의 도입이 이루어지고, 그 후에 기판에 대하여 바이어스 전압 인가부에 의한 기판 바이어스 전압이 가스종에 따라서 적응적으로 선택되어 인가하여 성막된다. 즉, 파워를 적응적으로 선택함으로써, 플라즈마에 의해 여기된 원료 가스가 바이어스 전압 인가 기판상에 성막되게 되기 때문에, 이러한 광전 변환 소자는 마이크로파 도입에 의한 저전자 온도가 초래하는 불순물 농도의 저감, 및, 바이어스 전압 인가에 의한 조사 에너지 제어가 초래하는 막의 치밀화가 달성된다. 이에 따라, 이렇게 해서 성막되는 광전 변환 소자는, 산소의 혼입이 최대한 저지되는 결과, 저산소 농도가 실현되기 때문에, 암도전율(리크 전류)이 저하되고, 광도전율이 증대되는 고품질의 것이 되는 것이 가능해진다.
또한 이 적층수가 2인 경우에, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘을 포함하는 제1 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 제2 pin 접합으로, 당해 2개의 층이 형성되도록 구성해도 좋다. 혹은, 적층수가 3인 경우에, 적어도 i층이 아몰퍼스 실리콘을 포함하는 제1 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 제2 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 제3 pin 접합에 관하여, 상기 제1 pin 접합－제2 pin 접합－제3 pin 접합 혹은 상기 제3 pin 접합－제2 pin 접합－제1 pin 접합으로 적층이 형성되도록 구성해도 좋다.
이들 구성을 구비하는 광전 변환 소자에 관한 본 발명에 따르면, 입사광의 유효 이용, 광흡수 특성의 향상이 한층 촉진된다. 구체적으로는, 단층형에 비하여 입사광을 유효하게 이용할 수 있음과 함께, 미결정 혹은 다결정 실리콘－미결정 혹은 다결정 게르마늄의 조합에 의해, 혹은 아몰퍼스 실리콘－미결정 혹은 다결정 실리콘 게르마늄－미결정 혹은 다결정 게르마늄의 조합에 의하여, 광흡수 특성이 더욱 향상된다.
또한, 상기의 구성에 의해 실현되는 광전 변환 소자는, 산소 농도가 1019atom/㎤ 이하 혹은 결함수가 1017개/㎤ 이하인 것을 확인할 수 있다. 즉, 매우 저도(低度)의 산소 농도, 혹은 매우 적은 결함수의 광전 변환 소자의 성막을 실현할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 챔버 내에 내장된 기대상에 올려놓여진 기판 상부의 플라즈마 여기 영역에 대하여 플라즈마 여기 가스가 도입되고, 챔버 내의 압력이 조절되며, 챔버 내에 마이크로파가 도입되고 나서 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스가 도입되거나 또는 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스가 도입되고 나서 챔버 내에 마이크로파가 도입되고, 기판에 대하여 기판 바이어스 전압이 인가되는 프로세스에 있어서, 이 바이어스 전압은 플라즈마를 변동시키지 않고, 자기 바이어스로서만 기능한다. 가스종 등에 의해 적응하는 바이어스 파워를 선택한다. 이렇게 하여, 기판 표면에서의 조사 이온 에너지를 제어할 수 있다.
바꿔 말하면, 마이크로파 도입에 의해, 고밀도의 플라즈마가 실현되고, 이 고밀도의 플라즈마에 의해 고성막 속도가 실현된다. 동시에, 바이어스 전압 인가부에 의한 기판 바이어스 전압의 인가에 의해 조사 에너지가 제어되는 점에서 막의 치밀화가 실현되고, 이에 따라, 외부에 노출시켜도 산소의 혼입이 최대한 저지되는 결과, 저산소 농도가 실현되고, 막 중의 결함 밀도가 저하된 고품질의 성막이 실현된다.
또한, 이것을 광전 변환 소자 분야에 응용한 경우에는, 저산소 농도를 갖는, 결함 밀도가 저하된 고품질의 Si 등의 막의 형성이 가능해지는 점에서, 암도전율(리크 전류)의 저하, 광도전율의 증대가 초래된다.
또한, 탠덤형 태양 전지에 있어서, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘을 포함하는 제1 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 제2 pin 접합으로 2층이 형성되도록 함으로써, 입사광의 유효 이용, 광흡수 특성의 향상이 한층 촉진되는 태양 전지가 실현된다.
그리고 또한, 탠덤형 태양 전지에 있어서, 적어도 i층이 아몰퍼스 실리콘을 포함하는 제1 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 실리콘 게르마늄을 포함하는 제2 pin 접합과, 적어도 i층이 미결정 혹은 다결정 게르마늄을 포함하는 제3 pin 접합에 관하여, 상기 제1 pin 접합－제2 pin 접합－제3 pin 접합 또는 상기 제3 pin 접합－제2 pin 접합－제1 pin 접합으로 적층이 형성되도록 함으로써, 입사광의 유효 이용, 광흡수 특성의 향상이 한층 더 촉진되는 태양 전지가 실현된다.
또한, 이들 탠덤형 태양 전지의 성막 과정에 있어서는, 마이크로파 도입에 의해, 고밀도의 플라즈마가 실현되고, 이 고밀도의 플라즈마에 의해 고성막 속도가 실현됨과 동시에, 기판 바이어스 전압의 인가에 의해 조사 에너지가 제어되는 점에서, 막의 치밀화가 실현되고, 이에 따라, 외부에 노출시켜도 산소의 혼입이 최대한 저지되는 결과, 산소 농도가 낮고, 결함 밀도가 저하된 고품질의 성막이 실현된다. 이 점에서, 암도전율(리크 전류)의 저하, 광도전율의 증대라는 특성을 가진 태양 전지, 즉 변환 효율이 높은 태양 전지가 실현된다.
도 1은 본 발명의 매우 적합한 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자 제조 장치의 전체의 개략 구성을 나타낸 구성 개념도이다.
도 2는 본원 발명자가 상기의 기술적 사상의 효과를 실험에 의해 확인하고자, 일정한 조건을 설정한 아래에서 얻어진 RF 바이어스에 의한 막질 개선의 효과를 그래프로서 나타낸 것이다.
도 3은 본원 발명자가 상기의 기술적 사상의 효과를 실험에 의해 확인하고자, 일정한 조건을 설정한 아래에서 얻어진 RF 바이어스에 의한 막질 개선의 효과를 그래프로서 나타낸 것이다.
도 4는 본원 발명자가 상기의 기술적 사상의 효과를 실험에 의해 확인하고자, 일정한 조건을 설정한 아래에서 얻어진 RF 바이어스에 의한 막질 개선의 효과를 그래프로서 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 상기의 제조 장치 및 제조 방법에 의해 제조되는 광전 변환 소자 중, 6층인 경우의 광전 변환 소자(200)의 단면적 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 이 6층의 미결정 금속 pin 접합－미결정 금속 pin 접합 중, 제1 pin 접합에 미결정 실리콘(μc－Si)을 채용하고, 제2 pin 접합에 미결정 게르마늄(μc－Ge)을 채용한 경우의 시뮬레이션 결과로서의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 상기의 제조 장치 및 제조 방법에 의해 제조되는 광전 변환 소자 중, 9층인 경우의 광전 변환 소자(300)의 단면적(斷面的) 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 이 9층의 아몰퍼스 금속 pin 접합－미결정 금속화합물 pin 접합－미결정 금속 pin 접합 중, 제1 pin 접합에 아몰퍼스 실리콘(a－Si)을 채용하고, 제2 pin 접합에 미결정 실리콘 게르마늄(μc－SiGe)을 채용하며, 제3 pin 접합에 미결정 게르마늄(μc－Ge)을 채용한 경우의 시뮬레이션 결과로서의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 매우 적합한 일 실시 형태에 따른 광전 변환 소자 제조 장치의 전체의 개략 구성을 나타낸 구성 개념도이다. 여기에서는, 본 발명의 기술 사상을 실현하는 일 예로서 광전 변환 소자 제조 장치의 경우를 예로 들어 설명하지만, 당해 사상은 반도체의 성막 장치 일반에 적용 가능한 것이며, 하기의 설명은, 성막 장치·성막 방법으로서의 본원의 실시 형태의 설명도 포함하는 것이다. 동 도면에는 본 발명의 설명에 필요한 개소만을 나타내고 있으며, 그 외의 사항에 대해서는 종래부터 공지인 기술을 채용하고 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 광전 변환 소자 제조 장치(100)는, 기판(W)에 대하여 플라즈마 처리를 행하기 위한 플라즈마 처리실이며 기판(W)이 올려놓여지는 기대(12)를 내장하는 챔버(10)와, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시켜 이 발생한 마이크로파를 챔버(10) 내에 공급하는 마이크로파 인가부(20)와, 마이크로파 인가부(20)에 접속되고, 챔버(10) 내에 마이크로파를 안내하는 안테나부(30)(매우 적합하게는, RLSA: Radial Line Slot Antenna를 이용함)와, 플라즈마 여기용 가스를 챔버(10) 내(의 매우 적합하게는 플라즈마 여기 영역)에 공급하는 플라즈마 여기용 가스 공급부(40)와, 성막의 원료가 되는 원료 가스, SixHy(예를 들면 SiH4, SiH6), SiClxHy(예를 들면 SiCl2H2), Si(CH3)4, SiF4 등을 챔버 내(의 매우 적합하게는 확산 플라즈마 영역)에 공급하는 원료 가스 공급부(50)와, 고주파에 의한 기판 바이어스 전압을 발생시키고, 기대(12)에 내장된 (도시하지 않은) 전극에 대하여 이 고주파에 의한 기판 바이어스 전압을 인가하는 RF 전력 인가부(60)와, 챔버(10) 내로부터 배기관(72)을 통과시켜 배기하여 챔버 내부의 압력을 조정하는 조압·배기부(70)와, 이들 각부·각 장치 전체의 동작을 제어하는 전체 제어부(80)를 적어도 구비하여 구성된다.
챔버(10)는, 예를 들면 알루미늄 합금 등에 의해 구성된다. 도 1은 챔버(10)의 (개념적)단면도이다. 챔버(10) 내부의 대략 중앙 위치에, 기판(W)이 올려놓여지는 기대(12)가 배치된다. 기대(12)에는, 도시하지 않은 온도 조정부가 설치되고, 이러한 온도 조정부에 의해 기판(W)은 적합한 온도, 예를 들면 실온∼대략 600℃로 가열·보열될 수 있다.
챔버(10)의 예를 들면 저부에는, 배기관(72)이 접속되어 있다. 배기관(72)의 타단은 조압·배기부(70)에 접속된다. 조압·배기부(70)는 예를 들면 배기 펌프 등의 배기 기구(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 조압·배기부(70) 등에 의해, 챔버 내는 감압 상태가 되고, 혹은 소정의 압력으로 설정된다.
마이크로파 인가부(20)는, 마이크로파에 의해 플라즈마를 발생시키기 위한 기구이다. 플라즈마 여기 영역(도시하지 않음)에서는 비교적 고에너지의 전자(예를 들면 Ar의 경우는 대략 2.0eV 이하)에 의해 (후술하는) 여기용 가스의 이온이 생성되고, 이러한 이온과 원료 가스가 챔버(10) 내의 확산 플라즈마 영역 또는 기판(W) 표면 부근에서 충돌하는 결과, 반응종, 이온종, 라디칼종, 발광종 등이 생성되고, 이들 활성종이 기판(W)상에 퇴적됨으로써 막이 형성된다. 마이크로파로서는, 예를 들면 2.45GHz를 상단 샤워 상부로부터 도입한다.
안테나부(30)는, RLSA(레이디얼·라인·슬롯·안테나) 및 (도시하지 않은) 도파로를 갖고 있다. RLSA를 이용함으로써 기판 전면에 있어서 균일한 고밀도, 저전자 온도의 플라즈마를 생성할 수 있어, 기판에 대하여 성막의 손상을 저감시키고, 면 내에서 균일하게 성막하는 것을 가능하게 한다. 또한 RLSA를 이용한 마이크로파 도입의 경우에는, 저전자 온도가 실현되고, 챔버가 스퍼터되는 것이 억제되기 때문에, 챔버벽 등으로부터 불순물, 예를 들면 산소나 수분이 발생하여 이것이 막 중에 취입되는 일이 없어져, 막 중의 불순물 농도가 낮아진다.
플라즈마 여기용 가스 공급부(40)는, 플라즈마 여기용 가스, 예를 들면 Ar/H2, H2, Ar2, He, Ne, Xe, Kr 등을 공급하는 기구이다. 이 플라즈마 여기용 가스 공급부(40)에는, 예를 들면, 천판(도시하지 않음)에 설치된 가스 유로를 흐르게 하고, 천판의 하면에 다수 분산시켜 배치된 각 가스 분사 구멍으로부터 여기 공간(도시하지 않음)의 대략 전면을 향하여 샤워 상태로 확산시켜 공급할 수 있도록, 다수의 가스 분출공이 형성되어 있는 상단 샤워 플레이트(42)를 갖고 있다. 또한 동 도면에서는, 가스 유로(도시하지 않음)로는 측면부측 개구를 통하여 가스가 공급되도록 되어 있지만, 이 가스 공급에는 상부의 개구를 통하여 가스가 유통되는 구성으로 해도 좋다. 이 상단 샤워 플레이트(42)는 매우 적합하게는, 석영이나 알루미나 등으로 형성할 수 있다.
원료 가스 공급부(50)는, 플라즈마 여기 프로세스에 의해 성막시키기 위한 원료 가스, SixHy(예를 들면 SiH4, SiH6), SiClxHy(예를 들면 SiCl2H2), Si(CH3)4, SiF4 등을 공급하는 기구이다. 이 원료 가스의 공급에 의해, 원료 가스가 여기되어 활발화되고, 소망하는 기판(W)의 표면에 성막된다. 이 원료 가스 공급부(50)는, 확산 플라즈마의 영역에 설치되어 있는 공급부이며, 예를 들면 가스 유로의 도상(途上)에 다수의 가스 분출공이 형성되어 있는 하단 샤워 플레이트(52)가 구비되어 있다. 이 하단 샤워 플레이트(52)는, 영역 내에 균일하게 가스를 공급할 수 있도록, 예를 들면, 연직 방향 비스듬히 분출공이 뚫려 있어도 좋다. 또한 동 도면에서는, 가스 유로(도시하지 않음)로는 양 단부측으로부터 가스가 공급되고, 이 가스 공급에는 상부의 개구를 통하여 가스가 유통되도록 되어 있다. 이 하단 샤워 플레이트(52)는 매우 적합하게는, 금속이나 석영 등으로 형성할 수 있다. 온도를 제어하기 위해서는 금속을 이용하는 것이 적합하다.
RF 전력 인가부(60)는, 기대(12)에 내장된 (도시하지 않은) 전극에 대하여 고주파에 의한 기판 바이어스 전압을 인가하는 기구이다. 본 발명에서는, 플라즈마 여기에는 마이크로파 인가부(20)에 의한 마이크로파를 이용하고, RF 전력 인가부(60)에 의해 인가되는 고주파에 의한 기판 바이어스 전압은 자기 바이어스를 발생시키기 위해 이용한다. 고주파에 의한 기판 바이어스 전압을 인가해도 플라즈마는 변동하지 않는다. 이 고주파는, 자기 바이어스를 만들 수 있는 주파수이면 좋고, 이론적으로는, 예를 들면 100MHz 정도가 가능하며, 매우 적합하게는 40MHz 정도가 좋다. 그 중에서도, 13.56MHz 이하로 하는 것이 가장 매우 적합하다. 후술의 실시예에서는, 400kHz를 채용한 경우를 예로 들어 설명하고 있다.
또한, 이 RF의 값은, 플라즈마 여기 가스 또는 원료 가스의 종류에 따라서 조절하는 것이 요망된다. 여기 가스의 종류로서는, 예를 들면, Ar/H2, H2, Ar2, He, Ne, Xe, Kr 등이 가능하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 원료 가스로서는, SixHy(예를 들면 SiH4, SiH6), SiClxHy(예를 들면 SiCl2H2), Si(CH3)4, SiF4 등이 가능하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
전체 제어부(80)는, 상기 각부·각 장치 전체의 제어 외에, 마이크로파 인가부(20), 플라즈마 여기용 가스 공급부(40), 원료 가스 공급부(50), RF 전력 인가부(60), 조압·배기부(70)의 각 기구·장치의 세밀한 제어 및 동작 타이밍의 제어·관리 등을, 예를 들면 제어 소프트웨어 혹은 제어 회로에 의해 행하는 기능을 갖는 부분이며, 이것은 이러한 기능을 하는 소프트웨어, 회로, 소프트웨어를 탑재한 기억 매체 등으로서 실현된다.
다음으로, 이와 같이 구성되는 광전 변환 소자 제조 장치(100)의 동작을, 이 장치(100)를 이용하여 광전 변환 소자를 제조하는 프로세스에 의해 설명한다.
우선, 챔버(10)의 측벽에 형성되어 있는 도시하지 않는 게이트 밸브를 통하여 성막을 소망하는 대상인 기판(W)이 (도시하지 않은) 반송 아암에 의해 챔버(10) 내의 기대(12) 상의 소망하는 위치에 올려놓여진다. 이 기판(W)은 필요에 따라서 그 표면이 가공되어 있어도 좋다.
다음으로, 챔버(10) 내가, 전체 제어부(80)의 제어를 받은 조압·배기부(70)의 작용에 의해서, 소정의 처리 압력으로 유지된 후에, 플라즈마 여기용 가스 공급부(40)에 의해 플라즈마 여기용 가스가 상단 샤워 플레이트(42)를 통하여 (전체 제어부(80)의 제어를 받아) 유량 제어되면서 챔버(10) 내의 플라즈마 여기 영역에 도입된다.
다음으로, (전체 제어부(80)의 제어를 받아) 조압·배기부(70)가 챔버(10) 내의 압력을 조정한다. 이때, 챔버(10) 내는 도시하지 않은 온도 조정부에 의해 일정한 소망의 온도가 되도록 조정되어 있다.
다음으로, 원료 가스 공급부(50)에 의해 원료 가스가 하단 샤워 플레이트(52)를 통해(전체 제어부(80)의 제어를 받아) 유량 제어되면서 챔버(10) 내의 확산 플라즈마 영역에 도입되면, 전체 제어부(80)의 제어를 받은 마이크로파 인가부(20)에 의해, 마이크로파가 도시하지 않은 직사각형 도파관이나 동축 도파관 등을 통하여 안테나부(30) 내에 도입된다.
마이크로파가 도입된 챔버(10) 내의 (도시하지 않은)플라즈마 여기 영역에서는, 후술하는 바와 같이, 플라즈마 여기 가스(예를 들면 H2 등)가 플라즈마 여기되어 이온화되고, H+, e－, H 라디칼, H2 라디칼이 생성된다. 이 여기 가스 이온이, 확산 플라즈마 영역 또는 기판(W) 표면에서, 원료 가스, SixHy(예를 들면 SiH4, SiH6), SiClxHy(예를 들면 SiCl2H2), Si(CH3)4, SiF4 등에 충돌함으로써 원료 가스를 라디칼화시켜 SiHx(x=0∼4)가 생성된다. 이 라디칼이 기판(W)상에 불완전 상태로 부착되고, 부착 후에 완전 상태로 되어 퇴적됨으로써 막이 성막된다.
이때, 안테나부(30) 내는 도시하지 않은 온도 조정부에 의해 최적 온도로 온도 조정되어 있고, 열팽창에 의한 변형 등을 받지 않기 때문에, 마이크로파는 전체로서 균일하게 그리고 최적 밀도로 도입된다.
또한, 상기의 원료 가스 공급부(50)에 의한 원료 가스의 공급 동작과, 마이크로파 인가부(20)에 의한 마이크로파 도입 동작은, 순서를 역으로 해도 좋다.
한편, 기대(12) 내에 설치되는 도시하지 않은 온도 조정부에 의해 기판(W)의 온도가 일정하게 조정되는 것과 매우 적절한 타이밍에, 전체 제어부(80)에 의해 구동·제어된 RF 전력 인가부(60)에 의해, 기대(12)에 대하여 고주파에 의한 기판 바이어스 전압이 인가된다. 이 고주파에 의한 기판 바이어스 전압에 의해서는 플라즈마는 변동하지 않는다. 이 바이어스 전압은 플라즈마를 변동시키지 않고, 자기 바이어스로서만 기능한다는 점에서, 기판(W) 표면에서의 조사 이온 에너지를 제어할 수 있다.
RLSA(30)를 통하여 발생된 플라즈마에 의해 플라즈마 여기 영역 내에서는, 저온도 전자의 전자 e－에 의해 여기 가스 Ar2(여기 가스로서는 이것으로 한정되지 않고, 예를 들면, Ar/H2, H2, Ar2, He, Ne, Xe, Kr 등이라도 좋음)가 여기되고, 저에너지 Ar+ 이온이 생성되어 있다. 확산 플라즈마 영역 또는 기판(W) 표면에서, 이 Ar 이온이 원료 가스, SixHy(예를 들면 SiH4, SiH6), SiClxHy(예를 들면 SiCl2H2), Si(CH3)4, SiF4 등과 충돌하여, 라디칼인 SiHx(x=0∼4)가 생성된다. 기대(12) 내에 매입되어 있는 전극에 RF(400kHz)의 자기 바이어스 전압이 인가된 상태에서, 상기 생성된 라디칼이 기판(W)상에 불완전 상태로 부착된 후, 화학 반응에 의해 완전 상태로 퇴적됨으로써 막이 형성된다.
이때, 기대(12)에 자기 바이어스 전압이 인가된 상태에서 라디칼이 퇴적되기 때문에, 이들의 성막에 있어서는, 고성막 속도의 실현·저불순물의 혼입이라는 마이크로파 플라즈마에 의한 효과를 나타냄과 동시에, RF 도입에 의한 조사 이온 에너지의 제어를 통하여, 저산소 농도로 결함 밀도가 낮은 박막의 태양 전지가 실현되게 된다.
이렇게 하여 성막 처리가 소정의 시간만큼 행해진 후, 기판(W)은, 도시하지 않은 게이트 밸브로부터 챔버(10)의 밖으로 반출된다.
후술하는 바와 같이, 예를 들면 탠덤(적층)형 태양 전지의 경우에는, 상기의 프로세스로 1층을 성막한 후, 2층, 3층, …은 예를 들면, 상기 챔버(10) (및 제조 장치(100))와 대략 동일한 구성을 구비하는 제2 챔버, 제3 챔버, …로 이송하여 동일한 프로세스를 행함으로써, 적층형 광전 변환 소자가 얻어질 수 있도록 해도 좋고, 혹은 동일 챔버 내에서 배기를 반복하여 적층시키도록 해도 좋다.
이렇게 하여 성막된 기판(W)은, 챔버(10) 내의 마이크로파 밀도가 균일한 점에서 균일하게 형성된 막두께를 갖고, 챔버 내의 온도가 일정하게 조정되는 점에서 성막 품질이 일정하게 유지되는 것에 더하여, 고성막 속도의 실현·저불순물의 혼입이라는 마이크로파 플라즈마에 의한 효과를 나타냄과 동시에, 기판에 대하여 고주파에 의한 기판 바이어스 전압이 인가되기 때문에, RF 도입에 의한 조사 이온 에너지의 제어를 통하여, 고정밀도, 고품질로의 성막이 실현된다. 광전 변환 소자로서는, 저산소 농도로 결함 밀도가 낮은 박막의 태양 전지가 실현되게 된다. 이때문에, 태양 전지로서, 암도전율(리크 전류)이 저하되고 광도전율이 증대하여, 변환 효율이 증대된다.
도 2 내지 도 4는, 동일하게, 본원 발명자가 상기의 기술적 사상의 효과를 실험에 의해 확인하고자, 일정한 조건을 설정한 아래에서 얻어진 고주파(RF)에 의한 기판 바이어스 전압에 의한 막질 개선의 효과를 그래프로서 나타낸 것이다. 특히, 도 2는 RF 자기 바이어스 투입 전력과 결함 밀도와의 관계를 나타낸 도면이며, 도 3은, SIMS(Secondary Ionization Mass Spectrometer: 이차 이온 질량 분석계)에 의해 계측된, 실리콘 박막 깊이와 동(同) 박막 중의 산소 농도와의 관계를, 바이어스를 가한 경우와 가하지 않은 경우로 분별하여 나타낸 도면이다. 또한 동 도면에 있어서, 실리콘 농도는 5×1022(atom/㎤)로 하고 있다. 또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, RF 인가에 의해, 막 중의 결함 밀도가 저하되는 것이 확인되었다. 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 기대로의 RF 인가한 마이크로파 플라즈마에 의해, 저산소 농도의 실리콘(Si)막이 성막되는 것이 확인되었다. 또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 바이어스 이외에는 동일 조건 하에서 행한 바, 막질 개선의 모습이, 0W, 100W, 150W, 200W의 각각에 대해서 시각적으로 확인되었다.
즉, 전술한 본 실시 형태에 따르면, 마이크로파 도입에 의해, 고밀도의 플라즈마가 실현된다. 이 고밀도의 플라즈마에 의해 고성막 속도가 실현된다. 한편, RLSA를 이용한 경우에는, RLSA에 의해 저전자 온도의 플라즈마가 생성되어 챔버가 스퍼터되는 것이 억제되기 때문에, 챔버벽 등으로부터 불순물이 발생하는 일이 없어져, 막 중의 불순물 농도가 낮아진다. 이러한 마이크로파 플라즈마에 의한 효과를 나타내는 것에 더하여, 또한 고주파(RF)에 의한 기판 바이어스 전압을 기판에 대하여 인가함으로써, 조사 에너지가 제어되기 때문에 막이 치밀화된다. 막이 치밀화됨으로써, 예를 들면 평가 시에 외부에 꺼내도 산소의 혼입이 최대한 저지되는 결과, 저산소 농도가 실현되게 된다.
다음으로, 이러한 제조 장치 및 제조 방법에 의해 제조되는 광전 변환 소자의 구조에 대해서 설명한다.
도 5는, 상기의 제조 장치 및 제조 방법에 의해 제조되는 광전 변환 소자 중, 6층인 경우의 광전 변환 소자(200)의 단면적 구성을 나타낸 도면이다. 또한 동 도면에 있어서는, 치수는 설명을 위해 일부를 강조하여 나타내는 경우도 있고, 반드시 정확한 치수를 반영하고 있지 않은 경우도 있다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 광전 변환 소자(200)의 제조에 있어서는, 기판(W)으로서 예를 들면 투명 전극을 이용한다. 이 투명 전극은, 예를 들면 작은 피라미드형의 요철이 그 표면에 가공 형성되어 있다. 단 여기에서 나타내는 예는 일 예에 지나지 않고, 전극은 반드시 투명 전극이 아니어도 좋고, 또한 전극의 표면은 반드시 작은 피라미드형의 요철이 가공 형성되어 있지 않아도 좋다. 상기 설명한 프로세스에 의한 결과, 광전 변환 소자(200)는, 투명 전극(TCO)(210)의 위에, 미결정 실리콘(μc－Si)의 p층(221), i층(223), n층(225)이 형성되고(제1 pin 접합), 이러한 제1 pin 접합의 위에, 미결정 게르마늄(μc－Ge)의 p층(231), i층(233), n층(235)이 형성되며(제2 pin 접합), 그 위에 금속(예를 들면 알루미늄)(290)이 적층되어 구성된다.
이와 같이 미결정 또는 다결정 pin 접합－미결정 또는 다결정 pin 접합의 탠덤 6층 구조로 함으로써, 각각의 파장 대역에 적합한 수광 성능을 발휘할 수 있다. 여기서는 매우 적합하게는, 제1 pin 접합에 미결정 실리콘을 채용하고, 제2 pin 접합에 미결정 게르마늄을 채용한다. 이 구성에 의해, 미결정 실리콘 및 미결정 게르마늄으로부터 pin 구조가 각각에 적합한 파장 대역의 태양광 스펙트럼을 효율 좋게 흡수하는 것이 가능해진다. 또한, 이 제1 pin 접합 및 제2 pin 접합의 구성을 교체해도 좋다.
도 6은, 이 6층의 미결정 또는 다결정 pin 접합－미결정 또는 다결정 pin 접합 중, 제1 pin 접합에 미결정 실리콘(μc－Si)을 채용하고, 제2 pin 접합에 미결정 게르마늄(μc－Ge)을 채용한 경우의 시뮬레이션 결과로서의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다. pin 접합의 치수로서는, 이 예에서는, 미결정 실리콘의 p층(221)을 50㎚, i층(223)을 4.5㎛, n층(225)을 50㎚, 미결정 게르마늄의 p층(231)을 50㎚, i층(233)을 0.5㎛, n층(235)을 50㎚로 하고 있다. 이때, 예를 들면, 광흡수 특성은 Voc=1.0V, Isc=25.8mA/㎠, Efficiency=20.8％로 하고 있지만, 양호한 개선이 얻어지는 것을 기대할 수 있다.
도 7은, 상기의 제조 장치 및 제조 방법에 의해 제조되는 광전 변환 소자 중, 9층인 경우의 광전 변환 소자(300)의 단면적 구성을 나타낸 도면이다.
동 도면에 나타내는 바와 같이, 광전 변환 소자(300)의 제조에 있어서는, 기판(W)으로서 예를 들면 투명 전극을 이용한다. 이 투명 전극은, 예를 들면 작은 피라미드형의 요철이 그 표면에 가공 형성되어 있다. 단 여기에서 나타내는 예는 일 예에 지나지 않고, 전극은 반드시 투명 전극이 아니어도 좋고, 또한 전극의 표면은 반드시 작은 피라미드형의 요철이 가공 형성되어 있지 않아도 좋다. 상기 설명한 프로세스에 의한 결과, 광전 변환 소자(300)는, 투명 전극(TCO)(310)의 위에, 아몰퍼스 실리콘(a－Si)의 p층(321), i층(323), n층(325)이 형성되고(제1 pin 접합), 이러한 제1 pin 접합의 위에, 미결정 실리콘 게르마늄(μc－SiGe)의 p층(331), i층(333), n층(335)이 형성되며(제2 pin 접합), 이러한 제2 pin 접합의 위에, 미결정 게르마늄(μc－Ge)의 p층(341), i층(343), n층(345)이 형성되고(제3 pin 접합), 그 위에 금속(예를 들면 알루미늄)(390)이 적층되어 구성된다. 또한, 이 제1 pin 접합, 제2 pin 접합, 제3 pin 접합의 구성을 3→2→1의 순서로 교체해도 좋다.
이와 같이 아몰퍼스 pin 접합－미결정 또는 다결정 pin 접합－미결정 또는 다결정 pin 접합의 탠덤 9층 구조로 함으로써, 각각의 파장 대역에 적합한 수광 성능을 발휘할 수 있다. 여기에서는 매우 적합하게는, 제1 pin 접합에 아몰퍼스 실리콘을 채용하고, 제2 pin 접합에 미결정 실리콘 게르마늄을 채용하며, 제3 pin 접합에 미결정 게르마늄을 채용한다. 이 구성에 의해, 아몰퍼스 실리콘, 미결정 실리콘 게르마늄 및 미결정 게르마늄으로부터 pin 구조가 각각에 적합한 파장 대역의 태양광 스펙트럼을 효율 좋게 흡수하는 것이 가능해진다.
도 8은, 이 9층의 아몰퍼스 pin 접합－미결정 또는 다결정 pin 접합－미결정 또는 다결정 pin 접합 중, 제1 pin 접합에 아몰퍼스 실리콘(a－Si)을 채용하고, 제2 pin 접합에 미결정 실리콘 게르마늄(μc－SiGe)을 채용하며, 제3 pin 접합에 미결정 게르마늄(μc－Ge)을 채용한 경우의 시뮬레이션 결과로서의 광흡수 특성을 나타낸 그래프이다. pin 접합의 치수로서는, 이 예에서는, 아몰퍼스 실리콘의 p층(321)을 50㎚, i층(323)을 1.0㎛, n층(325)을 50㎚, 미결정 실리콘 게르마늄의 p층(331)을 50㎚, i층(333)을 3.5㎛, n층(335)을 50㎚, 미결정 게르마늄의 p층(341)을 50㎚, i층(343)을 0.5㎛, n층(345)을 50㎚으로 하고 있다. 이때, 예를 들면, 광흡수 특성은 Voc=1.75V, Isc=217.2mA/㎠, Efficiency=24.3％로 하고 있지만, 양호한 개선이 얻어지는 것을 기대할 수 있다. 또한, 이 제1 pin 접합, 제2 pin 접합, 제3 pin 접합의 구성을 제3 pin 접합, 제2 pin 접합, 제1 pin 접합이라는 순서로 교체해도 좋다.
특히 아몰퍼스 실리콘을 도입하는 탠덤 구조의 경우, 구조 유연성에 의해 금제대폭(禁制帶幅)이 상이한 재료간의 접합의 형성 용이성 등이라는 이점도 누릴 수 있음은 물론이다.
또한, 화합물로서 상기에서는 μc－SiGe를 채용한 경우를 예로 들어 설명했지만, μc－SiC을 채용해도 좋다.
RLSA를 이용한 마이크로파 도입의 경우에는, 저전자 온도가 실현되고, 챔버가 스퍼터되는 것이 억제되기 때문에, 챔버벽 등으로부터 불순물, 예를 들면 산소나 수분이 발생하여 이것이 막 중에 취입되는 일이 없어져, 막 중의 불순물 농도가 낮아진다. 단, RLSA를 사용하지 않는 경우라도, 동종의 효과가 얻어지는 경우도 있다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 본원의 제조 장치 및 제조 방법, 그리고 이들에 의해 제조되는 광전 변환 소자에 따르면, 마이크로파 플라즈마를 도입하면서, 기판에 대하여 고주파에 의한 기판 바이어스 전압이 인가되는 점에서, 고성막 속도의 실현·저불순물의 혼입이라는 마이크로파 플라즈마에 의한 효과를 나타냄과 동시에, 저산소 농도로 결함 밀도가 낮은 박막의 태양 전지가 실현되게 된다. 따라서, 암도전율(리크 전류)의 저하, 광도전율의 증대, 변환 효율의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 태양 전지에 있어서, 1층째를 미결정 또는 다결정 pin 접합, 2층째를 미결정 또는 다결정 pin 접합으로 함으로써, 입사광의 유효 이용, 광흡수 특성의 향상이 한층 촉진되는 태양 전지가 실현된다. 이에 따라, 단층이라도, 생성된 막 중의 결함 밀도가 저감되고, 산소 농도가 저하됨으로써, 암도전율(리크 전류)의 저감과 광도전율의 향상이 초래되기 때문에, 변환 효율이 증대된 태양 전지가 실현된다.
이것을 또한 탠덤형 태양 전지로서 구성한 경우에는, 1층째를 아몰퍼스 pin 접합, 2층째를 미결정 또는 다결정 pin 접합, 3층째를 미결정 또는 다결정 pin 접합으로 함으로써, 결함 밀도가 저감되고 산소 농도가 저하되어 변환 효율이 증대된 고품질막을 적층하기 때문에, 이들의 효과를 적층적으로 발휘시키고 나서 태양광을 남김없이 낭비없이 이용할 수 있어, 입사광의 유효 이용, 광흡수 특성의 향상이 한층 더 촉진되는 태양 전지가 실현된다.
또한, 본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변경하여 실시하는 것이 가능하다.
예를 들면, 상기에서는 고주파에 의한 기판 바이어스 전압에 대해서 설명했지만, 반드시 고주파가 아니어도 좋고, 요컨대, 기판에 대한 적절한 바이어스 전압을 인가할 수 있는 것이면 된다.
또한, 예를 들면, 상기에서는, 마이크로파는, RLSA(Radial Line Slot Antenna)를 사용하여 발생시킨 것을 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되는 취지가 아니라, 다른 소스에 의해 마이크로파를 발생시킨 것이라도 좋다.
또한, 전술한 것은 본원에 따른 기술 사상을 구현하기 위한 실시 형태의 일 예를 나타낸 것에 지나지 않는 것으로, 다른 실시 형태로도 본원에 따른 기술 사상을 적용하는 것이 가능하다.
그리고 또한, 본원 발명을 이용하여 생산되는 장치, 방법, 시스템이, 그 2차적 생산품에 등재되어 상품화된 경우라도, 본원 발명의 가치는 전혀 감소되는 것이 아니다.
(산업상 이용가능성)
본 발명에 따르면, RF 인가부에 의해 도입되는 기판 바이어스 전압은 자기 바이어스로서만 기능하도록 가스종 등에 의해 적응하는 바이어스 파워가 선택됨으로써, 기판 표면에서의 조사 이온 에너지를 제어할 수 있다. 이 효과는, 생성된 막 중의 결함 밀도를 저감시키고, 산소 농도를 저하시키며, 암도전율(리크 전류)의 저감과 광도전율의 향상을 초래하여, 태양 전지의 변환 효율을 증대시킨다. 따라서, 이들의 이점은, 반도체 산업, 반도체 제조 산업에 그치지 않고, 정보 산업, 전기기구 산업 등을 비롯한, 반도체를 이용한 이차적 제품을 제조·사용하는 모든 산업, 혹은 완성품인 태양 전지를 이용할 가능성이 있는 주택 산업, 우주 산업, 건설 산업 등에 있어서, 대단한 유익성을 초래하는 것이다.

Claims (4)

  1. 기판상에 반도체의 적층막을 마이크로파 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 성막시키는 광전 변환 소자 제조 장치에 있어서,
    박막을 성막시키고자 하는 대상의 기판이 올려놓여지는 기대(base)를 내장하는 밀폐 공간인 챔버와,
    상기 챔버 내의 플라즈마 여기 영역에 플라즈마 여기 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와,
    상기 챔버 내의 압력을 조정하는 조압부(調壓部)와,
    상기 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스를 공급하는 제2 가스 공급부와,
    마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 인가부와,
    상기 기대에 접속되며, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압 인가부와,
    상기 적층막의 결함수가 1017개/㎤ 이하가 되도록, 상기 바이어스 전압 인가부가 상기 기판에 대하여 인가하는 상기 기판 바이어스 전압을 조절하는 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 장치.
  2. 기판상에 반도체의 적층막을 마이크로파 플라즈마 CVD법에 의해 성막시키는 광전 변환 소자 제조 장치에 있어서,
    박막을 성막시키고자 하는 대상의 기판이 올려놓여지는 기대를 내장하는 밀폐 공간인 챔버와,
    상기 챔버 내의 플라즈마 여기 영역에 플라즈마 여기 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와,
    상기 챔버 내의 압력을 조정하는 조압부와,
    상기 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스를 공급하는 제2 가스 공급부와,
    마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 인가부와,
    상기 기대에 접속되며, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압 인가부와,
    상기 적층막의 산소 농도가 1019atom/㎤ 이하가 되도록, 상기 바이어스 전압 인가부가 상기 기판에 대하여 인가하는 상기 기판 바이어스 전압을 조절하는 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 장치.
  3. 기판상에 반도체의 적층막을 마이크로파 플라즈마 CVD법에 의해 성막시키는 광전 변환 소자 제조 장치에 있어서,
    박막을 성막시키고자 하는 대상의 기판이 올려놓여지는 기대를 내장하는 밀폐 공간인 챔버와,
    상기 챔버 내의 플라즈마 여기 영역에 플라즈마 여기 가스를 공급하는 제1 가스 공급부와,
    상기 챔버 내의 압력을 조정하는 조압부와,
    상기 챔버 내의 플라즈마 확산 영역에 원료 가스를 공급하는 제2 가스 공급부와,
    마이크로파를 상기 챔버 내에 도입하는 마이크로파 인가부와,
    상기 기대에 접속되며, 상기 기판에 대하여 기판 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전압 인가부와,
    상기 적층막의 결함수가 1017개/㎤ 이하 또한 산소 농도가 1019atom/㎤ 이하가 되도록, 상기 바이어스 전압 인가부가 상기 기판에 대하여 인가하는 상기 기판 바이어스 전압을 조절하는 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로파는 RLSA(Radial Line Slot Antenna)를 사용하여 상기 챔버 내에 전파시키는 것을 특징으로 하는 광전 변환 소자 제조 장치.
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