(57)【要約】【課題】従来の高圧枯渇法によって製造される微結晶シリコン薄膜と同等の良好な結晶性を維持しつつ、堆積レートを高速化させることが可能な薄膜形成装置および薄膜形成方法を得ること。【解決手段】成膜室１０内に基板ステージ１１とプラズマ電極１２とが対向して配設され、プラズマ電極１２にシランガスと水素ガスとを供給して、高周波電圧を印加してプラズマを生成し、基板ステージ１１に保持された基板１００上に微結晶シリコン膜を形成する薄膜形成装置において、プラズマ電極１２に成膜室１０の外部から供給されるシランガスを基板１００上に吹出させるシランガス貯気供給室１２０と、プラズマ電極１２に成膜室１０の外部から供給される水素ガスを水素プラズマにして基板１００上に吹出させるとともに、シランガス貯気供給室１２０から吹出されるシランガスをプラズマ化させる水素ガス供給部１３０と、を備える。【選択図】        図２−３
2010073970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室内に基板ステージとプラズマ電極とが対向して配設され、前記プラズマ電極にシランガスと水素ガスとを供給するとともに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、前記基板ステージに保持された基板上に微結晶シリコン薄膜を形成する薄膜形成装置において、
前記成膜室の外部から前記プラズマ電極に供給される前記シランガスを前記基板上に吹出させるシランガス供給手段と、
前記成膜室の外部から前記プラズマ電極に供給される前記水素ガスを水素プラズマにして、前記シランガス供給手段から吹出される前記シランガスに接触させるように前記基板上に吹出させて、前記シランガスをプラズマ化させる水素ガス供給手段と、
を備えることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記水素ガス供給手段は、水素原子を含む水素プラズマを生成し、前記基板に向かって徐々にプラズマ密度が低下するダウンフロープラズマとして吹出させ、前記ダウンフロープラズマに前記シランガス供給手段からの前記シランガスを接触させてＳｉＨ3分子を含むシランプラズマを生成す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】
前記シランガス供給手段は、接地電位にされ、外部から供給される前記シランガスを貯留するシランガス貯留室と、前記シランガス貯留室の前記基板ステージ側に設けられ、前記シランガスを前記基板ステージ側に吹出させる複数の筒状のシランガス吹出し口と、を有し、
前記水素ガス供給手段は、前記シランガス吹出し口の形成位置に対応して開口が設けられた導電性の平板状部材からなり、前記シランガス供給手段と接触しないように前記シランガス吹出し口に外挿され、高周波電圧が印加される電極板と、外部から供給される前記水素ガスを前記シランガス貯留室の側面を通って、前記電極板と前記シランガス貯留室との間の空間まで運ぶ水素ガス流通経路と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記電極板と前記シランガス貯留室の前記基板ステージ側の面との間隔は、前記電極板に高周波電圧を印加しても放電が発生しない間隔であり、前記電極板の前記開口内の前記シランガス吹き出し口との間隔は、前記電極板に高周波電圧を印加したときに放電が発生する間隔であることを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
基板ステージとプラズマ電極とが対向して配設された成膜室内の前記プラズマ電極にシランガスを供給し、前記基板ステージに保持された前記基板上に向けて前記シランガスを吹出させる第１の工程と、
前記成膜室内の前記プラズマ電極に、前記シランガスとは別に水素ガスを供給する第２の工程と、
前記プラズマ電極に高周波電圧を印加して前記水素ガスから水素プラズマを生成し、前記基板上に向けて前記水素プラズマを、前記シランガスの周囲から吹出させる第３の工程と、
前記水素プラズマによって前記シランガスをプラズマ化させる第４の工程と、
を含むことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項６】
前記第３の工程では、水素原子を含む水素プラズマを生成して、前記プラズマ電極から前記基板に向かうにしたがってプラズマ密度が徐々に低下するダウンフロープラズマを形成し、
前記第４の工程では、前記ダウンフロープラズマによって前記シランガスからＳｉＨ3分子を含むシランプラズマを生成することを特徴とする請求項５に記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微結晶シリコン薄膜を形成する薄膜形成装置および薄膜形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリコン薄膜太陽電池の光電変換層として、真性（ｉ型）の微結晶シリコン薄膜が広く用いられている。この微結晶シリコン薄膜の製造方法としては、シラン（ＳｉＨ4）と水素（Ｈ2）の混合ガスを用いたプラズマＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法により基板上に堆積させるのが一般的である。
【０００３】
このプラズマＣＶＤ法による微結晶シリコン薄膜の製造方法の従来例について説明する。真空容器内に基板を加熱、保持するとともに接地された基板ステージと、高周波電源と電気的に接続されるプラズマ電極とを、電極面を互いに平行にして配置する。基板ステージに基板を保持させた後、基板を１５０〜２５０℃に加熱しながら、プラズマ電極にシランガスと水素ガスの混合ガスを供給する。供給された混合ガスは、プラズマ電極に設けられたガスシャワーヘッドのガス供給穴から真空容器内に導入される。このとき、高周波電源からプラズマ電極に高周波電力を給電すると、放電によって、ＳｉＨ4／Ｈ2の混合プラズマが生成する。生成されたプラズマによって、化学的に活性なＳｉＨ3，ＳｉＨ2，ＳｉＨ，Ｓｉ，Ｈなどの原子分子が生成され、これらの粒子が基板上に入射、付着することによって、非晶質または結晶質のシリコン薄膜が堆積される（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
このようなプラズマＣＶＤ法で微結晶シリコン薄膜を堆積するには、「高圧枯渇法」と呼ばれる成膜手法が広く用いられている（たとえば、特許文献２参照）。具体的には、高圧力下で、シランガス流量［ＳｉＨ4］を充分小さくし（言い換えれば、水素ガス流量［Ｈ2］を充分大きくし）、シランガス流量比を［ＳｉＨ4］／（［ＳｉＨ4］＋［Ｈ2］）＝１〜５％程度にまで下げ、プラズマ中のシランガスを枯渇させることによって、微結晶シリコン薄膜の堆積が可能になる（逆に、シランガス流量比が大きいと、堆積した膜は非晶質になる）。この方法によって得られた微結晶シリコン薄膜を太陽電池の光電変換層に適用し、太陽電池セルを試作評価した結果、光電変換効率〜９％程度の実用的な特性が得られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３７４５９号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７１８７号公報
【特許文献３】特開平１１−３３０５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ｉ型微結晶シリコン薄膜の光吸収係数は非晶質シリコン薄膜に比較して小さいために、ｉ型微結晶シリコン薄膜を光電変換層とする太陽電池を作製する場合には、その膜厚を少なくとも２μｍ以上に厚くする必要がある。そのため生産性の観点からは、微結晶シリコン薄膜を高速に堆積する技術が求められている。具体的には、膜厚が２．５μｍの微結晶シリコン薄膜を５分程度の時間で堆積できることが理想であり、これを実現するためには、８．３ｎｍ／ｓ以上の堆積レートが必要となる。
【０００７】
しかし、上記特許文献２に記載のプラズマＣＶＤ法による微結晶シリコン薄膜の堆積方法では、シランガス／水素ガスの混合ガスにおけるシランガス流量比、すなわち［ＳｉＨ4］／（［ＳｉＨ4］＋［Ｈ2］）を調整することによって、結晶性を制御しようとするため、膜の結晶性と堆積レートとはトレードオフの関係にある。つまり、非晶質の膜を形成する場合には大きい堆積レートが容易に得られるが、結晶化させるためにシランガス流量比を下げると、堆積レートが大きく低下し、通常〜１ｎｍ／ｓ程度になってしまうという問題があった。そのため、たとえば２．５μｍの微結晶シリコン薄膜を堆積しようとすると、４０分以上の処理時間を要してしまう。
【０００８】
そこで、従来では、堆積レートを上げる目的で高周波電力を増加させてプラズマＣＶＤ法によって微結晶シリコン薄膜を製造している（たとえば、特許文献３参照）。しかし、シランガスはプラズマ中で電子衝突によって容易に解離するために、高周波電力を増加させてプラズマの電子密度が高くなると、ＳｉＨ2，ＳｉＨ，Ｓｉが多量に生成されてしまい、気相中でパーティクルの発生が起こり、欠陥の多いシリコン薄膜が成膜されてしまうという問題点があった。
【０００９】
以上のように、従来のプラズマＣＶＤ法では、結晶性のよい微結晶シリコン薄膜を８．３ｎｍ／ｓ程度の堆積レートで成膜することができず、太陽電池などの光電変換装置の製造工程のスループットの向上が困難となって、低コスト化の妨げとなっていた。
【００１０】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、従来の高圧枯渇法によって製造される微結晶シリコン薄膜と同等の良好な結晶性を維持しつつ、堆積レートを高速化させることが可能な薄膜形成装置および薄膜形成方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、この発明にかかる薄膜形成装置は、成膜室内に基板ステージとプラズマ電極とが対向して配設され、前記プラズマ電極にシランガスと水素ガスとを供給するとともに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、前記基板ステージに保持された基板上に微結晶シリコン薄膜を形成する薄膜形成装置において、前記成膜室の外部から前記プラズマ電極に供給される前記シランガスを前記基板上に吹出させるシランガス供給手段と、前記成膜室の外部から前記プラズマ電極に供給される前記水素ガスを水素プラズマにして、前記シランガス供給手段から吹出される前記シランガスに接触させるように前記基板上に吹出させて、前記シランガスをプラズマ化させる水素ガス供給手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、成膜室にシランガスと水素ガスを供給して微結晶シリコン薄膜を基板に堆積させる際に、シランガスと水素ガスとを空間的に分離して供給するようにしたので、高品質なシリコン薄膜の堆積に必要となるＳｉＨ3ラジカルの生成と、微結晶シリコン薄膜形成に必要となるＨ原子の生成を独立して行え、所望のシリコン薄膜の堆積と結晶化が実現できる。これによって、従来の手法では非晶質のシリコン薄膜しか得られなかった高いシランガスの流量比の条件においても、微結晶シリコン薄膜を堆積することができるので、微結晶シリコン薄膜を高速で成膜することが可能になり、シリコン薄膜太陽電池の製造工程のスループットが向上できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる薄膜形成装置および薄膜形成方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
図１は、この実施の形態による薄膜形成装置の概略構成の一例を示す図である。この薄膜形成装置は、成膜室１０内に、薄膜形成対象である基板１００を保持する基板ステージ１１と、基板ステージ１１の基板保持面と平行に電極面が配置されるプラズマ電極１２と、を備える。ここでは、基板ステージ１１は成膜室１０の下方に接地されて配置されており、プラズマ電極１２は基板ステージ１１の上方に高周波電源１４に接続されて配置される。成膜時には、プラズマ電極１２に高周波電圧が印加され、基板ステージ１１とプラズマ電極１２間にプラズマ２００が生成される。
【００１５】
また、成膜室１０には、成膜室１０内のガスを図示しない真空ポンプによって外部に排気するガス排気口１３と、シランガスを成膜室１０内のプラズマ電極１２に供給するシランガス供給口２１と、水素ガスを成膜室１０内のプラズマ電極１２に供給する水素ガス供給口３１と、が設けられている。
【００１６】
シランガス供給口２１には、シランを貯留する図示しないシラン貯留部がシランガス供給ライン２２によって接続されており、シランガス供給ライン２２の途中には、シランガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ２３が設けられている。また、水素ガス供給口３１には、水素ガスを貯留する図示しない水素ガス貯留部が水素ガス供給ライン３２によって接続されており、水素ガス供給ライン３２の途中には、水素ガスの流量を制御するためのマスフローコントローラ３３が設けられている。このように、この実施の形態では、成膜室１０内のプラズマ電極１２にシランガスと水素ガスとを別々に供給するようにしている。
【００１７】
図２−１〜図２−３は、プラズマ電極付近の詳細な構造の一例を模式的に示す図であり、図２−１は、プラズマ電極の上面図であり、図２−２は、プラズマ電極の下面図であり、図２−３は、図２−１と図２−２のＡ−Ａ断面図である。プラズマ電極１２は、基板ステージ１１に保持された基板１００上の全面に均一にシランガスを吹き付けることができるように形成されるシランガス供給手段であるシランガス貯気供給室１２０と、シランガス貯気供給室１２０の下部に、シランガス貯気供給室１２０の外部を伝い、その下部でシランガス吹出し口１２２付近に水素ガスをプラズマ状態で供給させる水素ガス供給手段である水素ガス供給部１３０と、が成膜室１０の上部に設けられたアース板１１０に支持、固定されている。
【００１８】
シランガス貯気供給室１２０は、導電性材料によって構成され、内部にシランガスを貯蔵することができる空間であるシランガス貯気部１２１を有するように構成されている。この図の例では、シランガス貯気供給室１２０の上部は、アース板１１０と共用されており、これによって、シランガス貯気供給室１２０がアース板１１０に固定された構造となっている。
【００１９】
シランガス貯気供給室１２０の上部には、シランガス供給ライン２２に接続されるシランガス供給口２１が設けられており、シランガス貯気供給室１２０の下部には、基板ステージ１１側にシランガスを均一に吹出すシランガス吹出し口１２２が複数設けられている。シランガス吹出し口１２２は、シランガス貯気供給室１２０の下面よりも外部に突出した筒状構造を有する。
【００２０】
また、シランガス貯気供給室１２０の側面１２３および下面１２４の外側には、水素ガス供給部１３０が設けられている。この水素ガス供給部１３０は、シランガス貯気供給室１２０と接触しないように配置され、高周波電源１４と接続される電極板１３１と、電極板１３１をアース板１１０に支持する絶縁材料からなる支持部材１５１と、を備える。この図の例では、円盤形状を有する平板状の電極板１３１が、シランガス貯気供給室１２０の下部に所定の間隔をおいて配置されており、シランガス貯気供給室１２０のシランガス吹出し口１２２に対応する位置には、シランガス吹出し口１２２の外径よりも大きな開口１３２が形成され、この開口１３２内にシランガス吹出し口１２２が接触しないように挿入される。具体的には、この開口１３２が、筒状構造のシランガス吹出し口１２２と同軸的に配設されるように、電極板１３１が取り付けられる。なお、電極板１３１に設けられる開口１３２の穴径は、電極板１３１の大きさや、基板１００上に堆積されるシリコン薄膜の膜厚分布によって最適化されるが、直径１〜１００ｍｍ、より望ましくは数ｍｍ〜数１０ｍｍの穴であることが望ましい。
【００２１】
支持部材１５１は、電極板１３１の周縁部に沿ってリング状に設けられており、電極板１３１の上面をアース板１１０に固定している。この支持部材１５１が取り付けられるアース板１１０の位置の一部には開口１１１が設けられており、この開口１１１の内面には、その内面を被覆するように支持部材１５１が形成されており、この開口１１１位置に合わせて支持部材１５１にも電極板１３１に到達する開口部１５２が形成されている。支持部材１５１の開口部１５２の内部には、高周波電源１４から延びるケーブル１４１が、電極板１３１に接続されるように配置される。また、支持部材１５１は、シランガス貯気供給室１２０の側面１２３と距離をおいて配置されている。
【００２２】
このように、シランガス貯気供給室１２０の側面１２３と支持部材１５１との間と、シランガス貯気供給室１２０の下面１２４と電極板１３１との間に形成された隙間は、上部のアース板１１０で水素ガス供給ライン３２に接続される水素ガス供給口３１と接続され、水素ガス流通経路１３３となる。また、シランガス吹出し口１２２の外壁と電極板１３１の開口１３２を形成する側壁との間に形成されるギャップ（空隙）は、水素ガス流通経路１３３と接続され、電極板１３１に印加される高周波電圧によって水素プラズマが生成される水素プラズマ生成部１３４となる。そして、この水素プラズマ生成部１３４の下端部が、基板ステージ１１に向かって水素プラズマを吹出す水素プラズマ吹出し口１３５となる。
【００２３】
なお、水素ガス供給部１３０における水素ガス流通経路１３３における隙間は、電極板１３１に給電された高周波電力によって、水素ガスが放電しない間隔が選択される。具体的には、放電における放電開始電圧と圧力との関係を表したパッシェン曲線の最小値から低圧力側および、高圧力側の領域で水素ガスが放電しない値に水素ガス流通経路１３３における隙間を設定する。
【００２４】
一方、水素プラズマ生成部１３４におけるギャップ（シランガス吹出し口１２２の外壁と電極板１３１の開口１３２を形成する側壁との間に形成されるギャップ）は、電極板１３１に給電された高周波電力によって、水素ガスが放電する間隔が選択される。具体的には、パッシェン曲線の最小値の領域で水素ガスが放電しない値に設定する。
【００２５】
また、上記した説明では、図２−１と図２−２に示されるように、プラズマ電極１２が円盤形状を有する場合を例に挙げているが、これに限定されるものではなく、矩形状や他の形状であってもよい。
【００２６】
つぎに、このような構成の薄膜形成装置における薄膜作製時の動作について、図１〜図３を用いて説明する。図３は、プラズマ電極付近の薄膜形成時の様子を模式的に示す断面図である。まず、成膜室１０内に基板１００を搬送し、基板ステージ１１上に基板１００を保持させた後、成膜室１０をガス排気口１３に接続される真空ポンプによって所定の真空度にする。ついで、シラン貯留部からシランガス供給ライン２２を介して、マスフローコントローラ２３で流量を制御されたシランガスをシランガス供給口２１からプラズマ電極１２に導入する。また、水素ガス貯留部から水素ガス供給ライン３２を介して、マスフローコントローラ３３で流量を制御された水素ガスを、シランガス供給口２１とは別に設けられた水素ガス供給口３１からプラズマ電極１２に導入する。
【００２７】
シランガスは、図２−３や図３に示されるように、シランガス供給口２１からシランガス貯気供給室１２０のシランガス貯気部１２１へと供給され、ここで、貯留される。その後、シランガス貯気供給室１２０の底部に設けられた複数のシランガス吹出し口１２２から成膜室１０内の空間へと導入される。このとき、シランガスは、シランガス貯気供給室１２０を介して複数のシランガス吹出し口１２２から成膜室１０内の空間に導入されるので、供給量が均一化される。
【００２８】
一方の水素ガスは、図２−３や図３に示されるように、水素ガス供給口３１からシランガス貯気供給室１２０の外周に形成された水素ガス流通経路１３３を経て、シランガス貯気供給室１２０の下側に複数形成された水素プラズマ生成部１３４へと供給され、水素プラズマ生成部１３４の下端部に位置する水素プラズマ吹出し口１３５から成膜室１０内の空間へと導入される。この構成によって、シランガス吹出し口１２２の全周囲から水素ガスが供給されることになるので、電極板１３１に施された複数の水素プラズマ生成部１３４に均一な流量の水素ガスを導入することができる。
【００２９】
一般にシランガスはプラズマ中で電子衝突により容易に解離するため、プラズマの電子密度が高すぎると、ＳｉＨ2，ＳｉＨ，Ｓｉが多量に生成されてしまい、気相中でパーティクルの発生が起こり、欠陥の多いシリコン薄膜が成膜されてしまう。したがって、高品質のシリコン薄膜を形成するには、好ましいＳｉＨ3分子をより選択的に生成することが重要である。そこで、高周波電力を低く設定してプラズマ密度を低く抑えることが有効となる。
【００３０】
一方、水素ガスは比較的解離しにくいガス種であることが知られている。これは、プラズマ中で電子衝突解離により発生したＨ原子は、気相中または成膜室１０（真空容器）の壁や電極表面で容易に再結合して、Ｈ2分子に戻ってしまうからである。このため、プラズマ中のＨ原子の密度を高めるには、プラズマ中の電子密度を大きくすることが有効である。
【００３１】
ここで、水素プラズマはプラズマ密度を１×１０10（ｃｍ-3）以上に高くし、シランプラズマはプラズマ密度を１×１０10（ｃｍ-3）以下に低くする。理由としては、水素プラズマについては、密度が高いほど水素原子が多く生成されるので結晶化が促進される。平行平板型プラズマ装置では一般に生成されるプラズマ密度は１×１０9（ｃｍ-3）から１×１０11（ｃｍ-3）なので上記の値とした。シランプラズマについては、プラズマ密度が高いとシランの解離が進み成膜に必要とされるＳｉＨ3結合以外の原子・分子が生成される。したがって、平行平板型プラズマ装置では一般に生成されるプラズマの低密度領域として上記の１×１０10（ｃｍ-3）以下とした。
【００３２】
また、よく知られているように、微結晶シリコン薄膜は、非晶質のシリコン薄膜を水素プラズマに曝すことによって、膜を結晶化させて形成される。したがって、高品質の微結晶シリコン薄膜を高速に堆積させるためには、低い電子密度でシランガスをＳｉＨ3分子が選択的に生成されるように分解して高品質なシリコン薄膜を堆積しつつ、高い電子密度で水素ガスを分解してシリコン薄膜の微結晶化に必要なＨ原子を生成する必要がある。
【００３３】
このような相反する要求を満たすために、この実施の形態では、以下に示すように水素プラズマとシランガスのプラズマの生成を分離して行うようにしている。つまり、図３に示されるように、水素プラズマ生成部１３４に導入された水素ガスは、電極板１３１に給電された高周波電力によって放電し、水素プラズマ２０１が生成される。ここで生成される水素プラズマ２０１は、特許文献１に記載されているホローカソード効果に加えて、電極板１３１の開口１３２を形成する側壁と同軸に配置され、アース電位に設定されたシランガス吹出し口１２２の外壁に流れる高周波電流によって、一層高密度の水素プラズマ２０１となる。これによって、多量のＨ原子が生成されるので、基板１００上に形成された非晶質のシリコン薄膜の微結晶化が高速に行われる。なお、水素プラズマ生成部１３４で生成された高密度の水素プラズマ２０１は、基板ステージ１１へ向かう方向に拡散し、プラズマ密度が徐々に低下するダウンフロープラズマ２０２となる。
【００３４】
一方、シランガス貯気供給室１２０のシランガス吹出し口１２２から成膜室１０へと導入されるシランガスは、シランガス貯気供給室１２０がアース電位にあるため、シランガス貯気供給室１２０内では放電することはなく、シランガス吹出し口１２２付近の領域で、上述した水素プラズマ吹出し口１３５から吹出される水素プラズマのダウンフロープラズマ２０２によって（ダウンフロープラズマ２０２に接触させることによって）シランプラズマ２０３となる。この領域は、水素のダウンフロープラズマ２０２であり拡散しているのでプラズマ密度が低いために、シランプラズマ２０３では高品質のシリコン薄膜を形成するのに好ましいＳｉＨ3分子がより選択的に生成される。
【００３５】
このように、欠陥の少ない高品質のシリコン薄膜の堆積に適した低密度のシランプラズマ２０３（ＳｉＨ3プラズマ）と、堆積したシリコンの結晶化に必要となる高密度のＨ原子を多量に含む水素プラズマ２０１とを生成できるので、基板ステージ１１に保持された基板１００上には、高品質な微結晶シリコン薄膜を高速に堆積することが可能になる。
【００３６】
最後に、以上に示した薄膜形成方法で形成した微結晶シリコン膜について成膜評価を行った結果について説明する。なお、ここでは、シランガス流量を１００ｓｃｃｍとし、水素ガス流量を９００ｓｃｃｍ（シランガス流量比＝１０％）とし、成膜室１０内の圧力を５００Ｐａとし、高周波電力を５００Ｗとし、プラズマ電極１２と基板１００との距離を１０ｍｍとし、基板ステージ１１の温度を２００℃とし、成膜時間を１０分として、シリコン薄膜を形成する。
【００３７】
以上の条件にてシリコン薄膜の成膜を行った結果、８．１ｎｍ／ｓの堆積レートが得られ、実用的な高速成膜が可能になった。また、ラマン分光法を用いて、シリコン薄膜中の結晶化率を測定した。ここで、シリコン薄膜の結晶化率は、ラマン散乱によって得られる作製したシリコン薄膜による散乱スペクトル中の４８０ｃｍ-1のアモルファスシリコンピークの強度Ｉaに対する５２０ｃｍ-1の結晶シリコンピークの強度Ｉcの比として求めることができる。その結果、上記の条件で作製したシリコン薄膜の結晶化率Ｉc／Ｉaは、７．２であり、良好な微結晶シリコン薄膜とされる値の範囲に収まった。なお、この例では、ガス流量、圧力、電力などのパラメータを固定しているが、これらの値に限定されるものではない。
【００３８】
この実施の形態によれば、成膜室１０にシランガスと水素ガスとを空間的に分離して供給し、水素プラズマ吹出し口１３５付近で、高密度の水素プラズマ２０１を生成して基板ステージ１１側へと吹出させ、基板ステージ１１に向かうにつれて、拡散によってプラズマ密度が低下するダウンフロープラズマ２０２を生成させ、シランガス吹出し口１２２からはシランガスを水素プラズマのダウンフロープラズマ２０２中に吹出させることによって低密度のシランプラズマ２０３（ＳｉＨ3プラズマ）を生成させるようにした。これによって、低い電子密度のシランプラズマ２０３中では、ＳｉＨ3分子が選択的に生成されるので、高品質なシリコン薄膜を堆積しつつ、高い電子密度で水素ガスを分解してシリコン薄膜の微結晶化に必要なＨ原子を生成して、基板１００上に形成された非晶質のシリコン薄膜に曝すことによって、微結晶シリコン膜を従来に比して高い堆積レートで形成することができる。
【００３９】
その結果、光電変換装置に微結晶シリコン薄膜を堆積させる際の成膜時間を従来に比して短縮化することができ、シリコン薄膜太陽電池の製造工程のスループットが向上できるといった従来にない顕著な効果を奏する。また、微結晶シリコン薄膜の成膜時間を短縮することができるので、エネルギ消費量を削減することができる。さらに、高品質なシリコン薄膜を形成することができるので、製品として規定を満たさないシリコン薄膜が製造される確率が低下し、原材料を有効に利用することもできる。
【００４０】
さらにまた、非晶質シリコン薄膜を用いた光電変換装置においては、長期間使用していると、光電変換特性が低下することが知られており、非晶質シリコン薄膜を用いた光電変換装置を用いた信頼性や高性能化には限界があった。そこで、非晶質シリコン薄膜に比して長期間の使用によっても光電変換特性が劣化し難い微結晶シリコン薄膜を有する光電変換装置を開発することが望まれていたが、この実施の形態では、非晶質シリコン薄膜を形成するのと同程度の堆積レートで微結晶シリコン薄膜を形成することができるので、この実施の形態で製造される微結晶シリコン薄膜を有する光電変換装置は、非晶質シリコン薄膜を有する光電変換装置に比して長期間の使用が可能で、耐久性が向上するという効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、この発明にかかる薄膜形成方法は、微結晶シリコン薄膜を光電変換層に有する太陽電池の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この実施の形態による薄膜形成装置の概略構成の一例を示す図である。
【図２−１】プラズマ電極の上面図である。
【図２−２】プラズマ電極の下面図である。
【図２−３】図２−１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】プラズマ電極付近の薄膜形成時の様子を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  成膜室
１１  基板ステージ
１２  プラズマ電極
１３  ガス排気口
１４  高周波電源
２１  シランガス供給口
２２  シランガス供給ライン
２３  マスフローコントローラ
３１  水素ガス供給口
３２  水素ガス供給ライン
３３  マスフローコントローラ
１００  基板
１１０  アース板
１２０  シランガス貯気供給室
１２１  シランガス貯気部
１２２  シランガス吹出し口
１３０  水素ガス供給部
１３１  電極板
１３３  水素ガス流通経路
１３４  水素プラズマ生成部
１３５  水素プラズマ吹出し口
１４１  ケーブル
１５１  支持部材
２０１  水素プラズマ
２０２  ダウンフロープラズマ
２０３  シランプラズマ
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図３】
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