(57)【要約】【課題】薄膜中の欠陥を低減して光劣化の発生し難いシリコン系非晶質半導体薄膜の製造方法及び装置を提供する。【解決手段】プラズマチャンバ１１中にレーザ１２からレーザ光を照射し、透過光又は散乱光の強度からプラズマ中の微粒子濃度を検出し、検出された微粒子濃度を低減するように、基板ホルダ１４の温度、高周波電源１８の出力の変調パターン、原料ガス流速及び希釈ガス量の少なくとも一つを制御することにより、非晶質半導体薄膜中の欠陥密度が減少し、光劣化を低減することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマＣＤＶ法によるシリコン系非晶質半導体薄膜の製造方法であって、
プラズマ中に存在する微粒子濃度を検出する微粒子濃度検出段階と、
前記微粒子濃度検出段階で検出された微粒子濃度に応じて、基板ホルダ温度、高周波電力の変調パターン、原料ガス流速及び希釈ガス量の少なくとも一つを制御する制御段階を含むシリコン系非晶質半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
プラズマＣＤＶ法によるシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置であって、
プラズマ中に存在する微粒子濃度を検出する微粒子濃度検出手段と、
前記微粒子濃度検出手段によって検出された微粒子濃度に応じて、基板ホルダ温度、高周波電力の変調パターン、原料ガス流速及び希釈ガス量の少なくとも一つを制御する制御手段を具備するシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置。
【請求項３】
前記微粒子濃度検出手段が、
レーザ光を放射するレーザと、
前記レーザにより放射されプラズマチャンバのプラズマ域を透過したレーザ光の強度を検出する透過光強度検出手段を具備する請求項２に記載のシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置。
【請求項４】
前記微粒子濃度検出手段が、
プラズマチャンバ内部に、前記レーザにより放射されたレーザ光を順次反射して前記レーザ光強度検出手段に導く複数の反射鏡をさらに具備する請求項３に記載のシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置。
【請求項５】
前記微粒子濃度検出手段が、
レーザ光を放射するレーザと、
前記レーザにより放射され、プラズマ中の微粒子により散乱されたレーザ光の強度を検出する散乱光強度検出手段を具備する請求項２に記載のシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置。
【請求項６】
前記散乱光強度検出手段が、
プラズマ中の微粒子によりレーザ光の進行方向に散乱される前方散乱光を検出するリング状ディテクタである請求項５に記載のシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置。
【請求項７】
前記散乱光強度検出手段が、
プラズマ中の微粒子によりレーザ光の進行方向反対方向に散乱される後方散乱光を反射し、前記レーザが放射するレーザ光を透過するハーフミラと、
前記ハーフミラで反射された後方散乱光を検出するディテクタを具備する請求項５に記載のシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン系非晶質半導体薄膜の製造方法及び装置に係り、特に光劣化の発生し難いシリコン系非晶質半導体薄膜の製造方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン系非晶質半導体薄膜は、大面積化が容易であるだけでなく、低価格化も容易であるために、太陽電池あるいは液晶ディスプレイ用薄膜トランジスタへの応用が検討されている。
【０００３】
しかしながら、シリコン系非晶質半導体薄膜の膜中の欠陥密度はおよそ１０１６〜１０１７個／ｃｃと結晶系半導体と比較して数桁多く、太陽電池に適用した場合にはこの欠陥に起因する光劣化により発電効率が経時的に２０％程度低下することを回避できない。
【０００４】
そこで、本出願人は、基板近傍のＳｉＨラジカル回転温度を３５０℃以上としかつ基板温度をＳｉＨラジカル回転温度より低く保つことにより、低欠陥密度シリコン系非晶質半導体の製造方法を既に提案している（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
公開平１０−３１２９６９号公報（［０００７］〜［０００８］、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法は、低欠陥密度シリコン系非晶質半導体薄膜の最適な製造方法を提供するものの、本質的に欠陥の発生を抑制可能な製造方法を提供するものではない。
【０００７】
本発明は、欠陥はシランガスプラズマ中に発生する微粒子（高次シラン）が非晶質中に取り込まれたものであることに鑑みなされたものであって、シランガスプラズマ中の微粒子の発生量を抑制するように制御することにより、薄膜中の欠陥を低減して光劣化の発生し難いシリコン系非晶質半導体薄膜の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプラズマＣＶＤ法によるシリコン系非晶質半導体薄膜薄膜の製造方法は、プラズマ中に存在する微粒子濃度を検出し、微粒子濃度に応じて、基板ホルダ温度、高周波電力の変調パターン、原料ガス流速及び希釈ガス量の少なくとも一つを制御する。
【０００９】
本発明にあっては、プラズマ中の微粒子濃度を低減するように、微粒子濃度に応じて基板ホルダ温度、高周波電力の変調パターン、原料ガス流速及び希釈ガス量の少なくとも一つを制御することにより、非晶質半導体薄膜中の欠陥密度が減少する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置の構成図であって、プラズマＣＶＤ装置１０を中心に構成されている。
【００１１】
プラズマＣＶＤ装置１０のプラズマチャンバ１１の対向する側壁には、レーザ光をプラズマチャンバ１１内に照射する照射窓１１１及びプラズマチャンバ１１内に発生する微粒子の量を計測する観測窓１１２が設けられている。そして、照射窓１１１に対向してレーザ１２が、観測窓１１２に対向して光センサ１３が配置される。
【００１２】
なお、照射窓１１１及び観測窓１１２をプラズマチャンバ１１の壁面より外側に設置する、即ち照射窓１１１及び観測窓１１２をプラズマチャンバ１１の内壁より引込ますことにより、窓ガラスが微粒子による汚染を低減することが望ましい。さらに、窓ガラス内側に希釈ガス（例えば水素ガス）を吹き付けることにより、微粒子による窓ガラス内側の汚染を一層低減することもできる。
【００１３】
プラズマチャンバ１１内には基板ホルダ１４が設けられ、基板ホルダ１４上には基板（例えばガラス製）１５が搭載される。
【００１４】
さらに、プラズマチャンバ１１上方には基板１５に形成される薄膜の化学種（例えばシリコン）の気体（原料ガス）及び希釈ガスを供給するガス供給管１７が取り付けられている高周波電極１６が配置されている。この高周波電極１６の基板１５側にはプラズマチャンバ１１内にガスを導入するためのガス拡散孔１７１が形成されている。このガス拡散孔１７１からガスをプラズマチャンバ１１内に拡散させる。
【００１５】
基板ホルダ１４の内部にはヒータ１４１及び温度センサ１４２が取り付けられているが、ヒータ１４１にはヒータ電源１４３から電力が供給される。
【００１６】
高周波電極１６と基板ホルダ１４の間に高周波電源１８から高周波電力が供給され、プラズマチャンバ１１内のガスをプラズマ化する。
【００１７】
さらに、プラズマチャンバ１１内に発生する微粒子の量と相関がある温度センサ１４２で検出される基板ホルダ１４の温度、高周波電源１８の変調方法、原料ガスの流速、並びに原料ガスを希釈する希釈ガスの流量を制御するために制御装置１９が使用される。
【００１８】
即ち、制御装置１９は、光センサ１３で検出されるプラズマチャンバ１１内クラスタ量、及び温度センサ１４２で検出される基板ホルダ１４の温度を取り込み、ヒータ電源１４３がヒータ１４１に供給する電力、原料ガス流速、希釈ガス流量、及び高周波電源１８の変調パターンを制御する。
【００１９】
基板１５に薄膜を形成するときは、基板ホルダ１４をヒータ１４１で加熱する。さらにプラズマチャンバ１１に供給される原料ガス及び希釈ガスを高周波電源１８から供給される高周波電力でプラズマ化することにより、基板１５上面にシリコン非晶質薄膜が形成される。
【００２０】
レーザ１２から放射されるレーザ光はプラズマ中を透過するが、レーザ光の一部はプラズマ中の微粒子によって散乱されるため、観測窓１１２を介して光センサ１３に到達するレーザ光の光量はプラズマ中の微粒子量が多いほど減少する。即ち、プラズマチャンバ１１を貫通するレーザ光の光量によりプラズマ中の微粒子量を検出することが可能となる。
【００２１】
従って、光センサ１３（例えばフォトダイオード、ＣＣＤ等）でプラズマチャンバ１１を透過するレーザ光量を検出すれば、光センサ１３の出力に基づきプラズマ中の微粒子量を決定することができる。
【００２２】
よって、光センサ１３の出力に基づき、ヒータ電源１４３がヒータ１４１に供給する電力、原料ガス流速、希釈ガス流量、及び高周波電源１８のオン・オフを制御することにより、プラズマ中の微粒子量を抑制することができる。
【００２３】
図２は基板ホルダ温度と散乱光強度の関係を示すグラフであって、縦軸に散乱光強度（単位はｃｐｓ（ｃｏｕｎｔ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ））を、横軸は基板ホルダ１４の温度（単位は℃）を表す。
【００２４】
この図から判明するように、基板ホルダ１４の温度が１５０℃であるときに、散乱光強度が大きくなる、即ち、プラズマ中の微粒子量が多くなる。
【００２５】
従って、光センサ１３の出力からプラズマ中の微粒子量が多いと判定されたときには、基板ホルダ１４の温度が１５０℃から離れるように、即ち、室温、あるいは３００℃となるように制御すればよい。
【００２６】
図３は、高周波電力変調パターンと微粒子濃度の関係を示すグラフ（イ）及び高周波電力変調パターンの説明図（ロ）である。
【００２７】
高周波電力変調パターンと微粒子の濃度の関係を示すグラフ（イ）の縦軸は微粒子の濃度を、横軸は高周波電源のオフ時間を示す。
【００２８】
即ち（イ）の領域Ａは１００ミリ秒間連続して高周波電源をオンとした後の微粒子の濃度を示す。
【００２９】
Ｂは高周波電源のオン時間を１０ミリ秒に固定し、オフ時間を１０−２秒から１０３の範囲で変更して合計１００ミリ秒間高周波電源をオンとした後の微粒子濃度の変化を示す。
【００３０】
Ｃはオン時間を３ミリ秒、Ｄはオン時間を０．５ミリ秒とした場合の微粒子濃度の変化である。なお、（ロ）にオン時間及びオフ時間の定義を示す。
【００３１】
即ち、オン時間（Ｔｏｎ）は高周波電源が高周波電力を出力している時間であり、オフ時間（Ｔｏｆｆ）は高周波電力が高周波電力を出力していない時間である。
【００３２】
このグラフから判明するように、オン時間とオフ時間の比を１対２００程度に選択することにより微粒子濃度を１桁低減できる。
【００３３】
図４は原料ガスの流速と微粒子の成長率の関係を示すグラフであって、横軸に原料ガス流速を、横軸に微粒子の成長率をとる。
【００３４】
このグラフから判明するように、原料ガスの流速を４ｃｍ／秒以上に選択することにより微粒子の成長率を遅くすることができる。
【００３５】
さらに、原料ガスを希釈ガスで希釈する、即ち希釈率を増加することにより微粒子の発生を抑制できることが知られている。
【００３６】
従って、光センサ１３によってプラズマチャンバ１１を透過するレーザ光の光量を検出する場合には、光センサの出力が低下してプラズマ中の微粒子の濃度が増加した場合には、制御１９により以下の少なくとも一つの制御を行う。
１．基板ホルダ１４の温度が１５０℃から離れるようにヒータ電源１４３がヒータ１４１に供給する電力を制御する。
２．高周波電源１８のオン時間とオフ時間の比が１対２００に近づくように、高周波電源のオン・オフを制御する。
３．プラズマチャンバ１１への原料ガスの流入速度が４ｃｍ／秒以上となるように、原料ガスボンベ２０とプラズマチャンバ１１の間に設置されたバルブ２１の開度を制御する。
４．プラズマチャンバ１１に流入する希釈ガス量が増加するように、希釈ガスボンベ２２とプラズマチャンバ１１の間に設置されたバルブ２３の開度を制御する。
【００３７】
上記は，プラズマチャンバ１１の一方側面から他方側面に向かって直進するレーザ光の光軸上の微粒子量を検出することとなるが、プラズマはプラズマチャンバ１１内に拡散しているのでプラズマ拡散域の平均的な微粒子量を検出することがより望ましい。
【００３８】
図５は、上記課題を解決するためのプラズマチャンバの横断面図であって、プラズマチャンバ１１は長方形断面を有する。
【００３９】
プラズマチャンバ１１の短辺に設けられた照射窓１１１から斜めにレーザ１２からプラズマチャンバ１１内にレーザ光を照射する。
【００４０】
レーザ光は、プラズマチャンバ１１の長辺に沿って配置された反射鏡５１，５２，５３・・で反射され、プラズマ拡散領域５０を斜めに通過して観測窓１１２からプラズマチャンバ１１の外にでる。このレーザ光の光軸上に光センサ１３を配置する。即ち、プラズマ領域を通過する光路が長くなり、プラズマ領域の平均的な微粒子濃度を検出することが可能となる。なお、反射鏡の枚数はプラズマチャンバ１１の長さに応じて適宜決定することができる。
【００４１】
上記２つの発明では、光センサ１３によってプラズマチャンバ１１の中を通過する光量を検出しているが、微粒子により散乱される散乱光の強度を検出することにより微粒子濃度を検出することも可能である。ただし、散乱光の強度を検出する場合には光センサの出力が大きくなるほど微粒子の濃度が高くなる。
【００４２】
即ち、プラズマ中の微粒子の濃度が増加して光センサの出力が増加した場合に、制御１９により既に述べた制御の少なくとも一つの制御を行う。
【００４３】
散乱光を検出する場合の第一の実施形態においては、光センサ１３としてリング状ディテクタを使用する。
【００４４】
図６はリングディテクタの正面図であって、中心部６０には貫通孔が設けられている。そして、貫通孔の周囲には、同心円状に複数の光電素子（例えばＣＣＤ）６１，６２、６３・・・が配置される。
【００４５】
上記構成を有するリングディテクタでは、レーザ光は貫通孔を通過するため、レーザ光の光量は検出されない。
【００４６】
微粒子により散乱された光は、同心円状の光電素子によって検出されるが、微粒子の大きさが大きくなるほど散乱光の散乱角度は大きくなるので、外側の光電素子の出力が大きいときはプラズマ中の大きい微粒子が存在するといえる。
【００４７】
即ち、リングディテクタでは微粒子の濃度を大きさ別に検出することが可能となるため、微粒子の大きさ別の濃度を考慮して、ヒータ電源１４３がヒータ１４１に供給する電力、原料ガス流速、希釈ガス流量、及び高周波電源１８のオン・オフを制御することにより、プラズマ中の微粒子量をより正確に抑制することが可能となる。
【００４８】
散乱光を検出する場合の第二の実施形態は、後方散乱光を利用する。
【００４９】
図７は後方散乱光を検出する場合の構成図であって、観測窓１１２は照射窓１１１と共通となる。
【００５０】
即ち、レーザ１２から照射されたレーザ光はハーフミラ７０及び照射窓１１１を介してプラズマチャンバ１１内に入射し、対向壁に到達する。対向壁にはレーザ光の反射を防止するためにビームダンパ７１を設置することが望ましい。
【００５１】
プラズマ内の微粒子で散乱された散乱光は照射窓１１１を介してプラズマチャンバ１１の外に出て、ハーフミラ７０で反射され光センサ１３で検出される。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係るシリコン系非晶質半導体薄膜の製造方法及び装置によれば、プラズマ中の微粒子濃度を検出し、この検出結果に応じて基板ホルダ温度、高周波電力の変調パターン、原料ガス流速及び希釈ガス量の少なくとも一つを制御することにより、微粒子濃度を低減することが可能となり、その結果、欠陥密度の低い非晶質半導体薄膜を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコン系非晶質半導体薄膜の製造装置の構成図である。
【図２】基板ホルダ温度と散乱光強度の関係を示すグラフである。
【図３】高周波電力変調パターンと微粒子濃度の関係を示すグラフ及び高周波電力変調パターンの説明図である。
【図４】原料ガスの流速と微粒子成長率の関係を示すグラフである。
【図５】プラズマチャンバの横断面図である。
【図６】リングディテクタの正面図である。
【図７】後方散乱光を検出する場合の構成図である。
【符号の説明】
１０…プラズマＣＶＤ装置
１１…プラズマチャンバ
１１１…照射窓
１１２…観測窓
１２…レーザ
１３…光センサ
１４…基板ホルダ
１４１…ヒータ
１４２…温度センサ
１５…基板
１６…高周波電極
１７…ガス供給管
１７１…ガス拡散孔
１８…高周波電源
１９…制御装置
【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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