(57)【要約】  基板上にパッシベーション膜を形成する薄膜形成装置であって、パッシベーション膜の原料ガスを含む反応ガスが導入されるチャンバーと、チャンバー内に配置され、基板を載せる基板プレートと、チャンバー内に配置され、基板プレート上の基板と対向する面に溝が形成された電極と、４０ｋＨｚ以上且つ４５０ｋＨｚ以下の周波数の交流電力を、その交流電力の供給を一定の周期で停止させながら、基板プレートと電極間に供給して基板の上面において原料ガスを含むプラズマを励起する交流電源とを備える。
2012160718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にパッシベーション膜を形成する薄膜形成装置であって、
前記パッシベーション膜の原料ガスを含む反応ガスが導入されるチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、前記基板を載せる基板プレートと、
前記チャンバー内に配置され、前記基板プレート上の前記基板と対向する面に溝が形成された電極と、
５０ｋＨｚ以上且つ４５０ｋＨｚ以下の周波数の交流電力を、該交流電力の供給を一定の周期で停止させながら、前記基板プレートと前記電極間に供給して前記基板の上面において前記原料ガスを含むプラズマを励起する交流電源と
を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記電極に形成された前記溝の底部に、前記反応ガスが通過する複数の噴出孔の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記交流電力の供給が停止される時間が２５μ秒以上且つ５０μ秒以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記溝の幅が５ｍｍ以上且つ１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記プラズマが励起された状態において前記基板を３００℃以上且つ４５０℃以下に設定する加熱装置を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項６】
前記チャンバー内の前記反応ガスの圧力が５０Ｐａ以上且つ１００Ｐａ以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項７】
前記基板が結晶シリコン系太陽電池基板であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項８】
前記基板上に形成される前記パッシベーション膜が、結晶シリコン系太陽電池の反射防止膜であることを特徴とする請求項７に記載の薄膜形成装置。
【請求項９】
前記基板上に形成される前記パッシベーション膜の成膜速度が１８０ｎｍ／分以上であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを励起して成膜処理を行う薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜工程、エッチング工程、アッシング工程などにおいてプラズマ処理装置が用いられている。例えば、プラズマ処理装置としてプラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置が知られている。【０００３】
プラズマＣＶＤ装置では、高周波電力などにより原料ガスがプラズマ化され、化学反応によって基板上に薄膜が形成される。また、成膜効率を向上させるために、ホローカソード放電を利用したプラズマＣＶＤ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２９６５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
結晶シリコン系太陽電池の反射防止膜などのパッシベーション膜には、一般的に屈折率１．９〜２．４、膜厚７０〜１００ｎｍ程度の窒化シリコン膜などが使用されている。このような薄膜を形成する場合に、プラズマＣＶＤ装置の交流電源の周波数として１ＭＨｚ以下の低い周波数を使用すると、結晶シリコン膜の表面及び結晶シリコン膜が形成される基板の内部のパッシベーション効果が高まり、太陽電池の変換効率が向上する。しかし、１ＭＨｚ以下の低い周波数を使用すると、成膜プロセス時のプラズマ密度が低下し、成膜効率が低下する。【０００６】
一方、ホローカソード放電を用いるプラズマＣＶＤ装置では、１ＭＨｚ以上の周波数の交流電源が使用される。例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）用の薄膜シリコン膜を形成する場合には、１ＭＨｚ以上の周波数を用いても特に問題はない。しかし、結晶シリコン系太陽電池の反射防止膜を成膜する場合などにおいては、１ＭＨｚ以上の周波数の交流電源を用いると結晶シリコン膜の表面及び基板内部のパッシベーション効果が低くなり、太陽電池の変換効率が低下するという問題があった。【０００７】
上記問題点に鑑み、本発明は、パッシベーション効果の低下が抑制された薄膜を形成し、且つ、成膜効率の高い薄膜形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、基板上にパッシベーション膜を形成する薄膜形成装置であって、（イ）パッシベーション膜の原料ガスを含む反応ガスが導入されるチャンバーと、（ロ）チャンバー内に配置され、基板を載せる基板プレートと、（ハ）チャンバー内に配置され、基板プレート上の基板と対向する面に溝が形成された電極と、（ニ）４０ｋＨｚ以上且つ４５０ｋＨｚ以下の周波数の交流電力を、その交流電力の供給を一定の周期で停止させながら、基板プレートと電極間に供給して基板の上面において原料ガスを含むプラズマを励起する交流電源とを備える薄膜形成装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、パッシベーション効果の低下が抑制された薄膜を形成し、且つ、成膜効率の高い薄膜形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の電極の表面に形成される溝の例を示す模式図である。
【図３】供給される電力の周波数と基板表面に衝突するイオン数との関係を示すグラフである。
【図４】基板温度と変換効率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る薄膜形成装置による薄膜形成と、比較例による薄膜形成との比較を示す表である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る薄膜形成装置の構成を示す模式図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る薄膜形成装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
本発明の実施形態に係る薄膜形成装置１０は、基板１００上にパッシベーション膜１１０を形成する薄膜形成装置である。図１に示すように、薄膜形成装置１０は、パッシベーション膜１１０の原料ガスを含む反応ガス１２０が導入されるチャンバー１１と、チャンバー１１内に配置され、基板１００を載せる基板プレート１２と、チャンバー１１内に配置され、基板プレート１２上の基板１００と対向する面に、反応ガス１２０が通過する複数の噴出孔１３１の開口部及びその開口部の周囲に形成された溝１３２が配置された電極１３と、５０ｋＨｚ以上且つ４５０ｋＨｚ以下の周波数の交流電力を、その交流電力の供給を一定の周期で停止させながら、基板プレート１２と電極１３間に供給して基板１００の上面において原料ガスを含むプラズマを励起する交流電源１４とを備える。
【００１３】
反応ガス１２０は、ガス供給機構１５によってチャンバー１１内に導入される。また、ガス排気機構１６によってチャンバー１１内が減圧される。チャンバー１１内の反応ガスの圧力が所定のガス圧に調整された後、マッチングボックス１４１を介して、交流電源１４により所定の交流電力が設置された基板プレート１２と電極１３間に供給される。これにより、チャンバー１１内の原料ガスを含む反応ガス１２０がプラズマ化される。形成されたプラズマに基板１００を曝すことにより、基板１００の露出した表面に所望の薄膜が形成される。
【００１４】
図１に示したように、電極１３の基板１００に対向する表面には噴出孔１３１の開口部と溝１３２が配置されており、電極１３はホローカソード放電を生じさせるホローカソード電極として機能する。即ち、電極１３の表面に形成された溝１３２においてホローカソード効果による電子の閉じ込めが起こり、溝１３２から供給される形態で高密度プラズマが安定に生成される。その結果、原料ガスが効率よく分解され、高速で大面積に均一にパッシベーション膜１１０が基板１００上に形成される。
【００１５】
図２に、電極１３の基板１００と対向する面１３０に、一列分の噴出孔１３１の配列方向に沿って噴出孔１３１の周囲に連続的に溝１３２を形成した例を示す。噴出孔１３１の開口部の周囲に配置されていれば、溝１３２のレイアウトに種々の構成を採用できる。例えば、格子の交点に噴出孔１３１の開口部が配置されるようにして、格子状に溝１３２を形成してもよい。
【００１６】
通常、ホローカソード放電を利用してプラズマを励起する場合、電極間に供給される交流電力の周波数は１ＭＨｚ以上である。このため、５０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの周波数の交流電力を使用する薄膜形成装置１０においては、チャンバー１１内においてプラズマを安定して形成するために、一定の周期で交流電力の供給が停止される。
【００１７】
即ち、交流電源１４は、基板プレート１２と電極１３間への交流電力の供給をパルス制御して、交流電力の供給を周期的にオン・オフさせる。例えば、交流電力を供給するオン時間を６００μ秒、交流電力の供給を停止するオフ時間を５０μ秒として、オン時間とオフ時間を交互に繰り返すように基板プレート１２と電極１３間に交流電力が供給される。なお、オン時間は３００μ秒〜１５００μ秒程度、オフ時間は２５μ秒〜５０μ秒程度に設定される。オフ時間を長く設定しすぎるとパワー効率が低下するため、最長でもオフ時間は５０μ秒程度に設定することが好ましい。通常、交流電力の周波数が１ＭＨｚ以上であるような場合は、交流電力の供給をオフする必要はない。
【００１８】
薄膜形成装置１０において基板プレート１２と電極１３間に供給される交流電力の周波数を５０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚとしたのは、チャンバー１１内でプラズマが形成された状態において基板１００に衝突するイオンの数を多くするためである。これにより、以下に述べるように基板１００の表面及び内部のパッシベーション効果を大きくし、結晶シリコン系太陽電池の変換効率を向上させることなどができる。
【００１９】
例えばポリシリコン基板が、結晶シリコン系太陽電池の基板に使用される。ポリシリコン基板では、ポリシリコンの粒界が欠陥となる。この欠陥にキャリアが補足され、変換効率が低下する。しかし、水素（Ｈ）イオンなどを基板１００に衝突させることにより、ポリシリコン内の結晶の未結合手をＨイオンにより終端させることができる。これにより、欠陥によるキャリアの補足が減少し、パッシベーション効果が大きなる。その結果、結晶シリコン系太陽電池の変換効率が向上する。
【００２０】
図３に示したグラフは、電極間に供給される電力の周波数と基板表面に衝突するイオン数との関係を示す（Akihisa Matsuda他、「Influence of Power-Source Frequency on the Properties of GD a-Si:H」、Japanese Journal of Applied Physics、Vol.23、N0.8、August, 1984、L568-L569）。図３に示されるように、周波数が１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの場合に基板に衝突するイオン数が多く、周波数が１ＭＨｚ以上の場合に基板に衝突するイオン数が少ない。
【００２１】
したがって、基板プレート１２と電極１３間に供給される交流電力の周波数を１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚにすることにより、周波数が１ＭＨｚ以上の場合に比べて多数のイオンを基板１００に衝突させることができる。既に説明したように、Ｈイオンなどを基板１００に衝突させることにより、基板１００の表面及び内部のパッシベーション効果を大きくすることができる。なお、より確実には、交流電力の周波数を５０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚにすることが好ましい。
【００２２】
上記のように、薄膜形成装置１０によれば、交流電源１４が供給する交流電力の周波数を５０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚにすることにより、基板１００の表面及び内部のパッシベーション効果が大きくなる。つまり、薄膜形成装置１０によれば、パッシベーション効果の高い薄膜を形成できる。これにより、例えば太陽電池の変換効率を向上させることができる。
【００２３】
以下に、図１に示した薄膜形成装置１０によって、結晶シリコン系太陽電池の反射防止膜を形成する場合を考える。即ち、基板１００が結晶シリコン系太陽電池基板であり、パッシベーション膜１１０が反射防止膜である。このとき、基板１００には、ｐ型シリコン基板上に表面拡散濃度が１×１０18〜１×１０22のｎ型半導体層を形成した基板、或いは、ｎ型シリコン基板上に表面拡散濃度が１×１０18〜１×１０22のｐ型半導体層を形成した基板などが採用可能である。また、パッシベーション膜１１０は、屈折率が１．３〜３．０、膜厚が５０〜１５０ｎｍ程度の窒化シリコン（ＳｉＮ）膜などである。
【００２４】
基板１００上に、例えばＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜１１０を形成するためには、原料ガスにはモノシラン、アンモニアなどが採用され、キャリアガスとして窒素（Ｎ）、水素（Ｈ）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などが採用される。
【００２５】
溝１３２の幅は５ｍｍ〜１０ｍｍに設定される。通常のホローカソード放電を利用する場合に高周波電極の表面に形成される溝の幅は１〜４ｍｍ程度である。薄膜形成装置１０では、溝１３２の幅を広くすることにより、プラズマを安定して形成することができる。ただし、幅が広すぎるとプラズマの状態が不安定になりやすくなるため、溝１３２の溝は１０ｍｍを超えないことが好ましい。なお、噴出孔１３１の開口部の径は、電極１３に形成される噴出孔１３１の数にも依存するが、一般的に１ｍｍ以下である。
【００２６】
通常、ホローカソード放電を利用する場合には、反応ガスの圧力は５００Ｐａ以上である。しかし、薄膜形成装置１０においては、チャンバー１１内でプラズマを安定して形成するために、原料ガスとキャリアガスを含む反応ガス１２０の圧力を５０Ｐａ〜１００Ｐａ程度に低く設定することが好ましい。
【００２７】
また、チャンバー１１内でプラズマが励起された状態において、基板１００を２５０℃〜５５０℃に設定することが、高い太陽電池変換効率（以下において、単に「変換効率」という。）を実現する点で好ましい。図４に基板温度と変換効率との関係を示すように、基板温度が３００℃〜４５０℃において、１５．６％〜１６％以上の高い変換効率が得られる。
【００２８】
図１に示した薄膜形成装置１０では、基板プレート１２に内蔵されたヒータ１７によって、基板１００の温度を任意に設定することができる。上記のように、基板１００の温度を３００℃〜４５０℃に設定することにより、高い変換効率が得られる。更に、基板１００の温度を４００℃〜４５０℃にすることがより好ましい。
【００２９】
以下に、図１に示した薄膜形成装置１０と比較例の薄膜形成装置とをそれぞれ用いて、結晶シリコン系太陽電池の反射防止膜としてパッシベーション膜１１０を形成した例を、図５に示す。ここで、薄膜形成装置１０の交流電力の周波数は２５０ｋＨｚである。比較例１では、交流電力の周波数が２５０ｋＨｚで、ホローカソード電極を使用せずに並行平板電極を使用した。比較例２では、ホローカソード電極を使用し、交流電力の周波数は２１３．５６ＭＨｚである。なお、作成した結晶シリコン系太陽電池は、ポリシリコン基板上に膜厚８０ｎｍのＳｉＮ膜を形成した構造である。
【００３０】
図５に示すように、薄膜形成装置１０と、交流電力の周波数が２５０ｋＨｚの比較例１とでは、太陽電池変換効率は同等である。しかし、比較例１の成膜レートが２８ｎｍ／分であるのに対し、ホローカソード電極を使用した薄膜形成装置１０の成膜レートは１８０ｎｍ／分であり、薄膜形成装置１０の成膜効率は非常に高い。
【００３１】
また、薄膜形成装置１０と、ホローカソード電極を使用した比較例２とでは、成膜レートは同等である。しかし、交流電力の周波数が１３．５６ＭＨｚである比較例２の太陽電池変換効率が１６．３％であるのに対して、薄膜形成装置１０の太陽電池変換効率は１６．５％であり、比較例２よりも大きい。つまり、交流電力の周波数が高い比較例２ではパッシベーション効果の低下が大きく、変換効率が低下する。一方、薄膜形成装置１０では、比較例２と比較してパッシベーション効果の低下が抑制され、高い変換効率が得られる。
【００３２】
したがって、薄膜形成装置１０では、低い周波数の交流電極を供給することによって高い太陽電池変換効率を得ながら、ホローカソード電極を使用することによる高い成膜効率を実現できる。
【００３３】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係る薄膜形成装置１０では、周波数が５０ｋＨｚ〜４５０ｋＨｚの交流電力を用いて、ホローカソード放電を利用した成膜を実現できる。その結果、パッシベーション効果の低下が抑制された薄膜を形成し、且つ、成膜効率の高い薄膜形成装置１０を提供することができる。
【００３４】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３５】
図１では、電極１３の内部を反応ガス１２０が通過し、電極１３の表面に形成された噴出孔１３１の開口部から反応ガス１２０がチャンバー１１内に噴出する例を示した。しかし、電極１３が上記のようなシャワープレート型電極でない場合にも、本発明は適用可能である。
【００３６】
例えば、図６に示すように、反応ガス１２０を電極１３の内部を通過させずに、ガス供給機構１５から直接チャンバー１１内に反応ガス１２０を導入してもよい。図６に示した薄膜形成装置１０においても、表面に溝１３２が形成された電極１３はホローカソード電極として機能する。即ち、電極１３の表面に形成された溝１３２においてホローカソード効果による電子の閉じ込めが起こり、高密度プラズマが安定に生成される。その結果、原料ガスが効率よく分解され、高速で大面積に均一にパッシベーション膜１１０が基板１００上に形成される。なお、図１に示した薄膜形成装置１０と同様に、図６に示した薄膜形成装置１０においても、溝１３２のレイアウトに種々の構成を採用できる。即ち、溝１３２を格子状に形成してもよいし、ストライプ状に形成してもよい。
【００３７】
また、図７に示すように、基板１００が配置される位置が複数ある薄膜形成装置１０についても、本発明は適用可能である。図７に示した例では、基板プレート１２及び電極１３は、互いに紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の歯部分を有する櫛型形状をなし、基板プレート１２と電極１３の櫛の歯部分が交差指状に配置される。基板１００は、基板プレート１２の電極１３に対向する複数の歯部分にそれぞれ搭載される。
【００３８】
そして、複数の基板１００が垂直に配置された図７のチャンバー１１内に、ガス供給機構１５から反応ガス１２０が導入される。電極１３の歯部分の表面に溝１３２が形成されており、電極１３はホローカソード電極として機能する。図７に示した例では、溝１３２が電極１３の歯部分を貫通して形成されている。図７に示した薄膜形成装置１０によれば、複数の基板１００に同時にパッシベーション膜を形成することが可能である。
【００３９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の薄膜形成装置は、パッシベーション効果の低下が抑制された薄膜を形成する用途に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2012160718.tif 000010
2012160718.tif 000011