(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉを含む原料ガスを、水素及び希ガスで希釈して反応ガスとし、高周波電力を用いて発生させたプラズマによって分解し、分解によって生じた反応種により薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
前記薄膜は、光導電率が１．０Ｅ−５[Ｓ／ｃｍ]以上を有するアモルファスシリコン薄膜であって、
前記原料ガスが所定の圧力にて所定の流量で供給される状態において、前記原料ガスを含んだ反応ガスの全圧を１００Ｔｏｒｒ以上、大気圧以下とし、投入電力を増加したときに形成される薄膜の光学ギャップの低下が緩和し始めてから、再度、光学ギャップの低下の緩和が解消して低下し始めるまでの電力範囲を予め求めて、求められた電力範囲に投入電力を設定することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
Ｓｉを含む原料ガスを、水素、及び希ガスで希釈して反応ガスとし、高周波電力を用いて発生させたプラズマによって分解し、分解によって生じた反応種により薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
前記薄膜は、光導電率が１．０Ｅ−５[Ｓ／ｃｍ]以上を有するアモルファスシリコン薄膜であって、
前記原料ガスが所定の圧力にて所定の流量で供給される状態において、前記原料ガスを含んだ反応ガスの全圧を１００Ｔｏｒｒ以上、大気圧以下とし、
単位電極幅当たりの投入電力を増加したときの成膜速度が、最大値に達した後に減少する領域を求め、
単位電極幅当たりの投入電力Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕を、所定の原料ガス圧力および原料ガス供給量における成膜速度の最大値Ｘ〔オングストローム／ｓｅｃ〕に対して、求められた前記領域である
Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕  ＞  ０．１５５・Ｘ〔オングストローム／ｓｅｃ〕
の範囲に設定することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項３】
Ｓｉを含む原料ガスであるＳｉＨ４を、水素、及び希ガスで希釈して反応ガスとし、高周波電力を用いて発生させたプラズマによって分解し、分解によって生じた反応種により薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
前記薄膜は、光導電率が１．０Ｅ−５[Ｓ／ｃｍ]以上を有するアモルファスシリコン薄膜であって、
前記原料ガスが所定の圧力にて所定の流量で供給される状態において、前記原料ガスを含んだ反応ガスの全圧を１００Ｔｏｒｒ以上、大気圧以下とし、
各ＳｉＨ４濃度において成膜速度が最大値を示す単位電極幅当たりの投入電力の関係を予め求め、
単位電極幅当たりの投入電力Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕を、供給する反応ガス中の原料ガス濃度Ｘ〔％〕に対して、上記関係によって算出される投入電力以上である
Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕  ＞  ６０．２・Ｘ〔％〕＋１２．９
の範囲に設定することを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項４】
単位試料−電極間ギャップ当りにおける単位電極幅当りの投入電力Ｙ［Ｗ／ｃｍ／μｍ］を、供給する反応ガス中の原料ガス濃度Ｘ［％］に対して、
０．３０１・Ｘ〔％〕＋０．０６４５  ＜  Ｙ〔Ｗ／ｃｍ／μｍ〕
の範囲に設定することを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成方法。
【請求項５】
電極を有し、前記電極は被処理物に対向して配置され、前記電極に高周波電力を印加する事によって前記プラズマを発生させ、更に前記電極を所望の回転数で回転させる回転電極とする事を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマにより発生する反応種を用いて、基板等の被処理物に対してシリコンの薄膜を形成する薄膜形成方法に関し、更に詳しくは、投入電力の最適化により、成膜速度および膜品質を向上させることができる薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対向する電極間に高周波電力を印加し、その電極間に所定の圧力および流量の原料ガスを導入することによって、プラズマが発生することが知られており、プラズマ中にて発生するイオン、ラジカル等の反応種を用いて被処理物の表面に薄膜を形成する方法が実用化されている。この薄膜形成方法は、プラズマＣＶＤ法と呼ばれ、半導体製造プロセスにおいて多用されている。
【０００３】
半導体製造プロセスにおけるプラズマＣＶＤ法を用いた薄膜形成方法の一つとして、アモルファスシリコン薄膜の形成方法がある。プラズマＣＶＤ法を用いて、ガラス板、金属板等の基板表面にアモルファスシリコン薄膜を形成する場合には、シラン（ＳｉＨ4）、ジシラン等のＳｉ元素を含む原料ガスを、数Ｔｏｒｒ程度の圧力でプラズマ中に導入し、基板の加熱温度を、１００℃〜３００℃の範囲内に設定することにより、その基板表面に良質のアモルファスシリコン薄膜が形成される。
【０００４】
太陽電池用のアモルファスシリコン薄膜の場合には、光導電率が１．０Ｅ−５〔Ｓ・ｃｍ〕以上の特性が必要とされている。また、太陽電池用に限らず、薄膜の成膜速度は、製造コストの観点から高速であることが望まれる。従って、成膜プロセスにおいては、薄膜が高特性であって、しかも、成膜速度を速くすることが要求されている。
【０００５】
プラズマＣＶＤ法を用いてアモルファスシリコン薄膜を形成する場合における投入電力に対する成膜特性の依存性については、一般的に、図１５の各グラフに示す傾向であることが知られている。
【０００６】
図１５の各グラフは、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35(1996)pp.26-33に記載されたものであり、投入電力および反応ガスにおける水素ガス／原料ガス比が、成膜速度、光学ギャップ、導電率等に及ぼす影響を、それぞれ示している。図１５の各グラフにおいて、投入電力（横軸）は単位面積当たりの投入電力の逆数（RF  power）-1で示されている。従って、この値が小さいほど投入電力は大きくなる。
【０００７】
図１５の各グラフに示されているように、プラズマＣＶＤ法を用いてアモルファスシリコン薄膜を形成する場合には、成膜特性は投入電力に依存しており、図１５の（ｅ）に示すように、投入電力の増大と共に成膜速度が増大し、同時に、図１５の（ｃ）に示すように、膜中の水素濃度が上昇することによって、図１５の（ｂ）に示すように、光学ギャップが増大し、図１５の（ａ）に示すように、光導電率が低下する。その結果、形成されるアモルファスシリコン薄膜の品質が低下することが確認されている。
【０００８】
従って、光導電率が高い高品質の薄膜が得られる投入電力の適正範囲は、より低電力側へ偏ったものとなる。しかしながら、このように投入電力を低下させた場合には、成膜速度も低下するために、高速で成膜することができず、高品質の膜を高速で効率よく製造することが容易でないという問題がある。
【０００９】
また、通常、プラズマ中に投入される電力は、単位基板面積当たり、最大でも３０〔ｍＷ／ｃｍ2 〕程度であり、高密度で電力を投入することも容易ではない。
【００１０】
さらに、図１５の各グラフに示す投入電力に対する成膜特性の依存性は、数Ｔｏｒｒ程度の圧力で原料ガスをプラズマ中に導入した場合のデータであり、大気圧程度の高圧力下において原料ガスを含んだ反応ガスをプラズマ中に導入した場合に、高い導電率を示す良膜質が得られる電圧範囲については、明確には示されていない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35(1996)pp.26-33に記載されている投入電力に対する成膜特性の依存度のデータでは、投入電力の増大と共に、成膜速度および光ギャップが増大し、光導電率が低下するために、高い膜品質を得るために投入電力を大きくすることができず、単位面積当たりの投入電力が高い範囲において、高い膜品質を得ることは容易でなく、高品質の薄膜を高速にて効率よく成膜することを実現することは容易でないという問題がある。また、高密度で電力を投入すること自体が容易でなく、さらには、原料ガスの圧力を大気圧付近の高い圧力に設定した場合に、高品質の薄膜を得ることかできる電力範囲については不明である。
【００１２】
近時、プラズマＣＶＤ法等に使用されるプラズマ処理装置として、回転電極を用いることが提案されている。この場合には、ドラム状の回転電極を被処理物に対向させて、この回転電極を高速回転させると、回転電極の局所的な加熱が防止され、発生するプラズマが安定する。また、被処理物と回転電極との間のプラズマの発生領域に原料ガスが効率よく供給されると共に、プラズマ処理後のガスが、プラズマの発生領域から効率的に排出される。これらのことから、回転電極を用いたプラズマ処理装置では、プラズマ処理による薄膜の製造効率を向上させることができる。
【００１３】
しかしながら、このような回転電極を用いたプラズマ処理装置では、高圧雰囲気にてプラズマ処理を実施しなければならず、反応容器内が大気圧程度の非常に高い圧力に設定される。しかも、プラズマは、回転電極と被処理物との間の狭い領域にのみ、局所的に発生するため、被処理物の表面全体をプラズマ処理する場合には、被処理物を移動させる必要がある。
【００１４】
このように、回転電極を用いるプラズマ処理装置では、高圧雰囲気、被処理物の移動等、特有の処理条件とされるために、高品質の薄膜が得られる電力を設定する方法についてはまだ教示されていない。
【００１５】
本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、その目的は、高速成膜と高い膜品質とを同時に実現できるプラズマ処理による薄膜形成方法を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、高密度で電力を投入することができるプラズマ処理による薄膜形成方法を提供することにある。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、高いガス圧力下で高い膜品質を得ることかできるプラズマ処理による薄膜形成方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜形成方法は、Ｓｉを含む原料ガスを、高周波電力を用いて発生させたプラズマによって分解し、分解によって生じた反応種により薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記原料ガスが所定の圧力にて所定の流量で供給される状態において、投入電力を増加したときに形成される薄膜の光学ギャップの低下が緩和し始めてから、再度、光学ギャップの低下の緩和が解消して低下し始めるまでの電力範囲を予め求めて、求められた電力範囲に投入電力を設定することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の薄膜形成方法は、Ｓｉを含む原料ガスを、高周波電力を用いて発生させたプラズマによって分解し、分解によって生じた反応種により薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記原料ガスが所定の圧力にて所定の流量で供給される状態において、投入電力を増加したときに形成される薄膜の成膜速度の上昇が緩和するか若しくは減少する電力範囲を予め求めて、求められた電力範囲に投入電力を設定することを特徴とする。
【００２０】
この場合、単位電極幅当たりの投入電力Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕を、所定の原料ガス圧力および原料ガス供給量における成膜速度の最大値Ｘ〔オングストローム／ｓｅｃ〕に対して、
Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕  ＞  ０．１５５・Ｘ〔オングストローム／ｓｅｃ〕
の範囲に設定することが好ましい。
【００２１】
あるいは、単位電極幅当たりの投入電力Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕を、供給する反応ガス中の原料ガス濃度Ｘ〔％〕に対して、
Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕  ＞  ６０．２・Ｘ〔％〕＋１２．９
の範囲に設定することが好ましい。
【００２２】
さらに、本発明の薄膜形成方法は、Ｓｉを含む原料ガスを、高周波電力を用いて発生させたプラズマによって分解し、分解によって生じた反応種によって薄膜を形成する薄膜形成方法であって、単位電極幅当たりの投入電力Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕を、供給する反応ガス中の原料ガス濃度Ｘ〔％〕に対して、
（１１０．３・Ｘ〔％〕＋１７．９）×０．７  ＜  Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕
＜  （１１０．３・Ｘ〔％〕＋１７．９）×１．３
の範囲に設定することを特徴とする。
【００２３】
この場合、単位試料−電極間ギャップ当りにおける単位電極幅当りの投入電力Ｙ［Ｗ／ｃｍ／μｍ］を、供給する反応ガス中の原料ガス濃度Ｘ［％］に対して、
０．７×（０．５５２・Ｘ〔％〕＋０．０８９５）＜  Ｙ〔Ｗ／ｃｍ／μｍ〕＜
１．３×（０．５５２・Ｘ〔％〕＋０．０８９５）
の範囲に設定することが好ましい。
【００２４】
また、単位試料−電極間ギャップ当りにおける単位電極幅当りの投入電力Ｙ［Ｗ／ｃｍ／μｍ］を、供給する反応ガス中の原料ガス濃度Ｘ［％］に対して、
０．３０１・Ｘ〔％〕＋０．０６４６＜Ｙ〔Ｗ／ｃｍ／μｍ〕
の範囲に設定することが好ましい。
【００２５】
本発明の薄膜形成方法においては、いずれの場合においても、供給される反応ガスの全圧を１００Ｔｏｒｒ以上に設定することが好ましい
また、いずれの場合においても、原料ガスに添加される水素ガス量と原料ガス量との比である水素ガス供給量／原料ガス供給量を、１以上１４以下に設定することが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
本発明のプラズマ処理による薄膜形成方法は、プラズマ処理装置によって、試料上にアモルファスシリコン薄膜を実験的に形成し、この実験から得られたデータに基づいて完成されたものであり、以下の説明によって、設定される投入電力の根拠について明らかになる。また、成膜特性に対する原料ガス圧力の影響、および、原料ガスに添加される水素ガス量と原料ガス量との比の影響についても明らかになる。
【００２８】
＜実験装置及び実験方法＞
図１は、アモルファスシリコン薄膜を実験的に形成するために使用されるプラズマ処理装置の一例を示す概略構成図である。このプラズマ処理装置は、精密工学会誌Vol.65.No.11.1999.p1600-1604および精密工学会１９９８年度関西地方定期学術講演会講演論文集p121-122に記載された実験装置である。
【００２９】
図１に示されたプラズマ処理装置は、反応容器１５と、反応容器１５内における上下方向の中程に水平に配置された架台１９と、架台１９上に設置されたドラム状の回転電極５と、反応容器１５内における回転電極５の下方に設置された試料台１１とを備えている。
【００３０】
回転電極５の軸心部には、回転軸５ａが設けられており、回転軸５ａの各端部が、架台１９上に設けられたベアリング６によって、それぞれ回転可能に支持されている。回転軸５ａには、反応容器１５の外部に取付けられた回転モータ８の回転力が、マグネットカップリング７を介して、電気的に絶縁された状態で伝達されるようになっており、回転軸５ａの回転によって、回転電極５が回転される。各ベアリング６は、架台１９上に絶縁体１４を介して支持されている。このようにして回転される回転電極５は、グランドに対して電気的に絶縁されている。
【００３１】
回転電極５には、反応容器１５の上面に設置された空洞共振器３が接続されており、この空洞共振器３に、高周波電力を供給するための高周波電源１が、同軸線路２を介して接続されている。空洞共振器３は、反応容器１５内の伝送線路４および回転電極５における回転軸５ａの各端部を支持するベアリング６を介して、回転電極５と電気的に接続されている。
【００３２】
試料台１１は、回転電極５の表面に下方から対向するように、架台１９内に配置されており、試料台１１上には、被処理物としての試料１０が載置されるようになっている。試料台１１上に載置された試料１０は、所定のギャップを隔てて回転電極５の表面に対向される。この試料台１１は、その下方に設けられたＸステージ１２によって水平方向に移動され、また、Ｚステージ１３によって垂直方向に移動されるようになっている。Ｘステージ１２は、プラズマ処理に際して、試料台１１を、回転電極５の軸心に沿って水平に試料台１１を移動させるようになっており、これにより、試料台１１上の試料１０は、表面全体にわたって成膜される。Ｚステージ１３は、回転電極５の表面と試料１０とのギャップを調整するために用いられる。なお、試料台１１上の試料１０は、グランドに電気的に接続されている。
【００３３】
このような構成のプラズマ処理装置では、次のようにして、試料１０の表面にアモルファスシリコン薄膜が形成される。
【００３４】
まず、原料ガスとしてのＳｉＨ4に、ＨｅガスおよびＨ2ガスを混合して、反応容器１５内に導入する。また、高周波電源１から、周波数１５０ＭＨｚの高周波電力を発振させる。高周波電源１から発振された高周波電力は、同軸線路２によって空洞共振器３の内部に伝送され、空洞共振器３によって、共振および昇圧されて反応容器１５内に導入される。反応容器１５内に導入された高周波電力は、伝送線路４及びベアリング６を介して回転電極５に供給される。これにより、回転電極５と、その下方の試料台１１上に載置された試料１０との間に高圧電界が発生し、反応容器１５内に導入された反応ガスに基づくプラズマ９が発生する。そして、プラズマ内の反応種に基づく薄膜（ここではアモルファスシリコン薄膜）が試料１０の表面に形成される。
【００３５】
このような薄膜形成方法では、反応容器１５内の圧力が大気圧付近の非常に高い圧力に設定されるため、回転電極５と試料１０との間のギャップでは、回転電極５の回転方向における狭い限定された領域にしかプラズマ９が発生しない。そのため、Ｘステージ１２によって試料台１１を回転電極５の回転方向へ水平移動させて、試料１０を同方向に移動させることにより、試料１０の表面全体にわたって薄膜を形成することができる。
【００３６】
回転モータ８は、マグネットカップリング７によって、電気的に絶縁された状態を維持しつつ、回転電極５を所望の回転数で高速回転させており、高速回転する回転電極５の表面に追従して反応ガスが、ギャップ内に発生したプラズマ９へ供給される。試料台１１は、内蔵された図示しないヒータにより、ステージ温度を室温から４００℃程度まで加熱制御できるようになっており、これにより、試料１０の表面温度を変化させることができる。また、回転電極５と試料１０との間のギャップは、Ｚステージ１３によって調整される。実験条件に示されるステージ温度とは試料台の設定温度で、試料の表面温度とは多少異なる。
【００３７】
このように、回転電極５を用いたプラズマ処理装置による薄膜形成方法では、回転電極５の高速回転と高圧雰囲気下にて発生するプラズマという２つの大きな特徴があり、この特徴により、従来とは異なる成膜特性が示される。そして、高周波電力、試料の表面温度、電極回転数、反応ガス温度等の処理条件を、適切に設定することにより、様々な膜質のアモルファスシリコン薄膜を形成することができる。本発明では、特に、光導電率が高い高品質なアモルファスシリコン薄膜を形成するための高周波電力の範囲について説明する。
【００３８】
以下に、図１のプラズマ処理装置を使用して得た成膜特性についてのデータを用いて、高い膜品質が得られる電力範囲について詳細に説明する。
【００３９】
まず、本発明における成膜速度の算出方法について、図２に基づいて説明する。
【００４０】
図２（ａ）は、回転電極５とはギャップを介して対向された試料１０の表面にアモルファスシリコンが堆積する状態を示しており、図２（ｂ）は、回転電極５の回転方向における試料１０の表面に堆積するアモルファスシリコンの堆積速度分布を示している。
【００４１】
前述したように、回転電極５を用いたプラズマ処理装置によってアモルファスシリコン薄膜を形成する場合は、反応容器内の圧力が大気圧付近の非常に高い圧力に設定されるため、回転電極５と試料１０との間のギャップでは、回転電極５の回転方向における狭い限定された領域にしかプラズマが発生しない。このため、回転電極５の下方では、回転電極５の回転方向におけるアモルファスシリコンの堆積速度分布は、概ね図２（ｂ）の曲線１６にて示すようになる。
【００４２】
本発明では、この曲線１６にて示される実際の堆積速度分布を、ギャップ内にて発生するプラズマ９の回転電極５の回転方向における幅方向寸法ｗの範囲で一定であると仮定して平均化し、図２（ｂ）に示された平均化された幅方向寸法（直線１７）によって得られる堆積速度分布における堆積速度を、成膜速度として用いている。この成膜速度は、試料を走査させて成膜を行った時のアモルファスシリコン薄膜の膜厚および試料の移動速度を用いて、次の式（１）にて表される。
【００４３】
ｘ＝（ｈ・ｖ）／ｗ    …（１）
ここで、ｘは成膜速度、ｈはアモルファスシリコン薄膜の膜厚、ｖは試料１０の移動速度、ｗは、前述したように、ギャップ間に発生するプラズマ９の回転電極５の回転方向における幅方向寸法（プラズマ幅）である。
【００４４】
なお、プラズマ幅ｗは、投入電力、ＳｉＨ4濃度等の処理条件によって変化するが、本発明における成膜速度の数値は、このプラズマ幅を全て３０ｍｍと仮定して、試料１０の移動速度と膜厚とに基づいて算出している。この移動速度は走査速度とも呼ばれる。
【００４５】
＜投入電力の設定方法１＞
図３および図４は、それぞれ、図１に示すプラズマ処理装置を用いて、表１に示す条件にて薄膜形成を行った場合に、投入電力に対する成膜速度および膜特性の依存性を評価した結果を示したものであり、図３（ａ）は、投入電力に対する導電率を示すグラフ、図３（ｂ）は、投入電力に対する光感度を示すグラフ、図４（ａ）は投入電力に対する光学ギャップを示すグラフ、図４（ｂ）は、投入電力に対する成膜速度を示すグラフである。
【００４６】
【表１】
0003966495.tif 000002
表１に示すように、プラズマ処理装置の回転電極５は、軸方向の長さ（電極幅）が１０ｃｍ、直径が３００ｍｍになっている。大面積基板の成膜を行う場合には、回転電極５の軸方向寸法である電極幅を大きくすることによって、回転電極５と試料１０との間のギャップに発生するプラズマ９は、回転電極５の軸方向に沿って広がることになるが、そのような場合において、同様のプラズマ状態を維持するためには、回転電極５の軸方向に沿った電極幅の増大に比例して投入電力を増大する必要がある。このため、実際の投入電力〔Ｗ〕としては、回転電極５の軸方向に沿った電極幅〔ｃｍ〕で割った単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕を用いることが望ましい。以下の説明では、投入電力として、この単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕を用いている。
【００４７】
実際の投入電力〔Ｗ〕を、単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕とするには、回転電極５の軸方向における電極幅〔ｃｍ〕にて除すればよい。用いている電極幅より、試料が小さく、回転軸方向のプラズマ幅が小さい場合には、回転軸方向のプラズマ幅で割ればよい。回転電極５以外の電極を用いる場合は、その電極の１辺の長さを電極幅として取り扱えばよい。
【００４８】
図３および図４に示されたアモルファスシリコン薄膜の膜特性において、特に、図４（ａ）に示される投入電力に対する光学ギャップの依存性に注目すると、投入電力の変化に対する光学ギャップの挙動は、以下の３つの領域▲１▼、▲２▼、▲３▼に弁別される。
【００４９】
ここで、光学ギャップＥopt［ｅＶ］は、得られたアモルファスシリコンの光吸収係数α［１／ｃｍ］の光の振動数ν［Ｈｚ］に対する依存性から求められ、ｈ・νに対する（αｈν）1/3のプロットを描き、前記プロットの直線部分の延長線がｈ・ν軸と交わる点をＥoptとしている。
【００５０】
即ち、前記プロットの直線部分を抽出し、次式を当てはめた場合に得られるＥoptの値を採用している。
【００５１】
（αｈν）1/3＝Ｂ（ｈ・ν−Ｅopt）
但し、ｈは、プランク定数、Ｂは前記プロットの傾きを表す定数である。
【００５２】
領域▲１▼は、投入電力が比較的低い領域（図４（ａ）のグラフでは、５０Ｗ／ｃｍ以下の領域）であり、投入電力の増加と共に光学ギャップがほぼ一定の割合で低下している。領域▲２▼は、領域▲１▼に続く領域（図４（ａ）では、５０〜１００Ｗ／ｃｍの領域）であり、投入電力の増加に対し、光学ギャップの低下が緩和された飽和状態になり、ほぼ一定の値を示している。領域▲３▼は、領域▲２▼に続く投入電力が比較的高い領域（図４（ａ）では、１００Ｗ／ｃｍ以上の領域）であり、投入電力の増加に伴って、光学ギャップの低下が緩和された状態が解消し、再度、光学ギャップがほぼ一定の割合で低下している。
【００５３】
投入電力が比較的低い領域▲１▼では、図３（ａ）に示すように、光導電率の最低値が、１．００Ｅ−６（Ｓ・ｃｍ）未満と低く、また、図４（ａ）に示すように、光学ギャップの最大値が１．７５ｅＶと高い。従って、従来技術により教示される高い膜品質が得られる電力範囲は、領域▲１▼より低い領域となるはずである。実際、領域▲１▼では、投入電力が比較的低い（５０Ｗ／ｃｍ以下）とは言え、従来の低雰囲気下におけるプラズマ処理技術の場合と比較すると、プラズマ幅ｗが僅か３ｃｍに過ぎないので、投入電力密度は大きい。
【００５４】
この領域▲１▼で注目すべき点は、図４（ｂ）に示すように、投入電力の増加と共に、成膜速度は緩やかな上昇を示し、また、図４（ｂ）に示すように、光学ギャップは低下し、同時に、図３（ａ）に示すように、導電率は増加して、膜品質が急激に向上していることである。この現象は、従来の低雰囲気下におけるプラズマ処理技術が示す膜品質の投入電力に対する依存性とは全く逆の傾向になっている。この理由は以下のとおりである。
【００５５】
大気圧付近の高圧力下においてプラズマを発生させているため、プラズマは、回転電極５と試料１０との間の限定された狭い領域にしか発生せず、プラズマが発生している領域における電力密度は大きくなる。その結果、試料１０の表面の加熱が大幅に促進され、膜中水素濃度が低下される。しかしながら、この場合には、同時に、ＳｉＨ3等の表面拡散種の拡散距離も大きくなり、従って、膜品質が向上する。
【００５６】
このように、高圧力下においてプラズマを発生させた場合、その発生範囲が狭くなる。このため、プラズマ領域における電力密度が増大し、試料１０の表面の加熱が促進される。これにより、高い電流密度域において電力密度の増大に伴って膜品質が向上するという、従来の低圧雰囲気下におけるプラズマ処理の場合とは異なった高圧雰囲気下におけるプラズマ処理特有の現象が生じる。その結果、高い膜品質が得られる電力範囲が、従来の低圧雰囲気下におけるプラズマ処理における場合よりも大きい領域に存在している。また、従来の低電圧雰囲気下におけるプラズマ処理の場合における電力の決定方法とは異なった、より大きい電力範囲に投入電力を設定することにより、高い膜品質の薄膜を形成することができる。
【００５７】
領域▲１▼よりも投入電力が増大して、領域▲２▼に入ると、成膜速度は増加が緩和され減少に向かい、光学ギャップの低下も緩和されて飽和状態になる。これは、投入電力の増大に伴う試料１０表面温度の上昇、および、これによる膜中水素濃度の低下と、表面拡散種の拡散距離の増加とが同程度になるためであり、得られるアモルファスシリコン薄膜の品質はピークとなる。図４（ａ）に示すように、投入電力を増加させたときに光学ギャップの低下が緩和し始める電力値（図４（ａ）のグラフでは５０Ｗ／ｃｍ）から、その緩和状態が解消されて再び光学ギャップが低下し始める電力値までの範囲では、図３（ｂ）に示すように、光感度は、ほぼ１．０Ｅ＋６を超えており、また、図３（ａ）に示すように、光導電率も１．０Ｅ−５（Ｓ・ｃｍ）を超え、高い膜品質が得られる電力範囲となる。
【００５８】
領域▲２▼よりも投入電力をさらに増大して、領域▲３▼に入ると、プラズマによる加熱により試料１０の温度が著しく上昇し、その結果、得られるアモルファスシリコン薄膜の膜中水素濃度が著しく低下し、図４（ａ）に示すように、再び光学ギャップが低下する。このような電力範囲では、膜中ダングリングボンドの水素終端化が行われず、逆に膜品質が低下し、図３（ａ）に示すように、光感度は１．０Ｅ＋６以下になり、また、図３（ａ）に示すように、光導電率も低下する。
【００５９】
以上のように、高圧力下においてプラズマを発生させる際に、投入電力を増加させると、光学ギャップの低下が緩和し始める電力値から、その緩和状態が解消されて、再度、光学ギャップが低下し始める電力値までの電力範囲で、高い膜品質が得られる。そして、この高い膜品質が得られる電力範囲は、従来の成膜時における電力範囲よりも相当に高い。従って、この電力範囲内に投入電力を設定することにより、高速成膜と高い膜品質とを同時に実現することが可能となる。これは、従来技術に教示されていない電力の決定方法である。
【００６０】
表１に示される処理条件において、投入電力が５０Ｗ／ｃｍおよび８０Ｗ／ｃｍの場合について、ＰＩＮ構造のアモルファスシリコン太陽電池のＩ層を所定の膜厚で作製した。作製された太陽電池の変換効率を表２に示す。
【００６１】
【表２】
0003966495.tif 000003
表２に示されるように、光学ギャップの低下が飽和する領域▲２▼の電力範囲を中心として高い膜品質が得られている。なお、この表２における太陽電池の変換効率は、他の方法によってＩ層を作製した場合の太陽電池の変換効率を基準値として規格化したものである。
【００６２】
前述したように、投入電力の増加と共に光学ギャップが低下する現象は、高圧力下においてプラズマを発生させることにより、プラズマが収縮して電力密度が高くなり、試料１０が加熱されて膜中水素濃度が低下することに起因する。このため、原料ガスをジシラン等に変更した場合、ＰＨ3、Ｂ2Ｈ6等のドーパントガスを添加した場合、また、表１において、反応ガス圧力以外の条件を変えた場合等にも、同様に、上記の電力範囲は成立する。
【００６３】
反応ガスの圧力を変化させた場合、プラズマによる試料１０の加熱状態が変化する。従来技術である低圧プラズマの場合、反応ガス圧力は、最大でも１０Ｔｏｒｒ程度である。従って、低圧プラズマでは、プラズマ中でエネルギー消費を行う原子の単位体積当たりの数密度も小さく、投入電力密度を大きくできないが、高圧プラズマでは、反応ガス圧力に比例して前記原子の単位体積当たりの数密度も増加し、投入電力密度を高くすることが可能となるため、試料表面を十分に加熱できる。
【００６４】
反応ガス圧力が、低圧プラズマの１０倍程度の１００Ｔｏｒｒ以上の場合、プラズマは効率よく試料１０を加熱するため、投入電力の増加に伴って光学ギャップは低下するとともに導電率は向上し、光学ギャップの低下が飽和する電力範囲で高い膜品質が得られる。このように、１００Ｔｏｒｒ以上という圧力範囲で成膜を行う場合には、投入電力の増加に伴う光学ギャップの低下が飽和する領域において、導電率の高い膜品質が得られる。
【００６５】
表１においては、回転電極５の軸方向に沿った電極幅が１０ｃｍ、回転電極５の回転方向におけるプラズマ幅を３０ｍｍとして、５００Ｗ〜１２００Ｗ程度の電力が投入されている。単位面積当たりの電力密度に換算すると、１６Ｗ／ｃｍ2から４０Ｗ／ｃｍ2程度になる。３０Ｗの電力を投入した場合でも、単位面積当たりの電力密度は１Ｗ／ｃｍ2である。このように、単位面積当たりの投入電力が大きいために、効率よく試料１０を加熱することができる。
【００６６】
図５および図６は、図１のプラズマ処理装置を用いて表３に示す条件で薄膜形成を行った場合における投入電力に対する成膜速度及び膜特性の依存性を評価した結果をそれぞれ示したものであり、図５（ａ）は投入電力に対する導電率を示すグラフ、図５（ｂ）は投入電力に対する光感度を示すグラフ、図６（ａ）は投入電力に対する光学ギャップを示すグラフ、図６（ｂ）は投入電力に対する成膜速度を示すグラフである。
【００６７】
【表３】
0003966495.tif 000004
表３に示されるように、反応ガス中の原料ガス濃度、すなわちＳｉＨ4濃度が、０．１％、０．５％、１％と変更されている。図６（ａ）に示すように、光学ギャップの投入電力に対する各ＳｉＨ4濃度に注目すると、ＳｉＨ4濃度が異なる場合においても、投入電力の増加に伴い光学ギャップが順次低下し、また、図５（ａ）に示すように、導電率は上昇する。さらに、投入電力を増加させた場合、図６（ａ）に示すように、光学ギャップの低下は飽和し、同時に、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、光感度および光導電率は最大値を示し、高い膜品質が得られている。
【００６８】
また、図９および図１０は、図１のプラズマ処理装置を用いて表４に示す条件で薄膜形成を行った場合における投入電力に対する成膜速度および膜特性の依存性を評価した結果をそれぞれ示したものであり、図９（ａ）は投入電力に対する導電率を示すグラフ、図９（ｂ）は投入電力に対する光感度を示すグラフ、図１０（ａ）は投入電力に対する光学ギャップを示すグラフ、図１０（ｂ）は投入電力に対する成膜速度を示すグラフである。
【００６９】
【表４】
0003966495.tif 000005
表４に示されるように、反応ガス中のＳｉＨ4濃度が１％に、Ｈ2濃度が５〔％〕にそれぞれなっている。図１０（ａ）に示すように、投入電力に対する光学ギャップが飽和状態になって一定値を示す電力範囲（図１０（ａ）では７０Ｗ／ｃｍ〜１７０Ｗ／ｃｍの範囲）では、光導電率が、１．０Ｅ−５（Ｓ・ｃｍ）以上となり、高い膜品質が得られている。このことから、ＳｉＨ4濃度、水素濃度、或いはＨ2／ＳｉＨ4比が変化しても、上記の電力範囲が成立する。
【００７０】
＜投入電力の設定方法２＞
次に、図６（ｂ）に示された投入電力に対する成膜速度の依存性に注目する。なお、図６（ｂ）は、前述したとおり、図１のプラズマ処理装置を用いて表３に示す条件で薄膜形成を行った場合における投入電力に対する成膜速度の依存性を評価した結果を、種々のＳｉＨ4濃度について示したものである。
【００７１】
図６（ｂ）に示された投入電力に対する成膜速度の依存性より次のことが理解される。いずれのＳｉＨ4濃度についても、投入電力の増加に伴い成膜速度は増加し、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、その増加が緩和されて飽和状態になる領域、すなわち、最大値に達した後に減少する領域において、光導電率あるいは光感度が最大値を示す。
【００７２】
従って、所定の原料ガス圧力及び供給量において投入電力のみを変化させたときに得られる投入電力に対する成膜速度の依存性において、成膜速度が最大値を示す電力以上の範囲に投入電力を設定することにより、高い膜品質のアモルファスシリコン薄膜が形成される。
【００７３】
そして、各ＳｉＨ4濃度において、成膜速度が最大値を示す投入電力と、そのときの成膜速度の最大値との関係は、次の式（２）によって、近似的に示される。
【００７４】
成膜速度が最大値を示す単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕
＝  成膜速度の最大値〔オングストローム／ｓｅｃ〕    …（２）
この関係は、図６（ｂ）のグラフに直線にて示されている。
【００７５】
従って、成膜条件が変更されても、所定の原料ガス供給量及び原料ガス圧力の下で投入電力のみを変化させた場合に得られる成膜速度の最大値〔オングストローム／ｓｅｃ〕の０．１５５倍以上に電力を投入することにより、高い膜品質が得られる。
【００７６】
また、各ＳｉＨ4濃度において成膜速度が最大値を示す投入電力と、ＳｉＨ4濃度との関係は、図７に示すようになる。この関係は、次の式（３）によって近似的に示される。
【００７７】
各ＳｉＨ4濃度において成膜速度が最大値を示す単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕
＝  ６０．２×ＳｉＨ4濃度〔％〕＋１２．９  …（３）
この関係は、図７に直線で示されている。
【００７８】
すなわち、各ＳｉＨ4濃度において成膜速度が最大値を示す単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕は、ＳｉＨ4濃度が異なる場合においても、式（３）より求められる。従って、ＳｉＨ4濃度が決定すれば、式（３）によって算出される投入電力以上に電力を設定することにより、高い膜品質が得られる。
【００７９】
＜投入電力の設定方法３＞
次に、図５（ａ）に示された投入電力に対する光導電率の依存性に注目する。なお、図５（ａ）は、前述したとおり、図１のプラズマ処理装置を用いて表３に示す条件で薄膜形成を行った場合における投入電力に対する光伝導率の依存性を評価した結果を、種々のＳｉＨ4濃度について示したものである。
【００８０】
図５（ａ）において、光伝導率が最大値を示す電力と、ＳｉＨ4濃度との関係を図示すると、図８のようになる。図８より、各ＳｉＨ4濃度において、光導電率が最大値を示す単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕と、反応ガス中のＳｉＨ4濃度との関係は、次の式（４）にて示される。
【００８１】
各ＳｉＨ4濃度において光導電率が最大値を示す単位電極幅当たりの投入電力〔Ｗ／ｃｍ〕
＝  １１０．３×ＳｉＨ4 濃度〔％〕＋１７．９  …（４）
この関係は、図８中に直線で示されている。
【００８２】
従って、各ＳｉＨ4濃度において、式（４）で示される電力を投入することによって、光導電率の高い高品質なアモルファスシリコン薄膜を得ることができる。
【００８３】
また、図５（ａ）のグラフからは、式（４）にて示される電力に対して３０％以上増加あるいは減少させると、光導電率は１．０Ｅ−５〔Ｓ・ｃｍ〕以下となり、膜品質が悪化することがわかる。従って、高い膜品質を得ることができる電力範囲は、式（４）で示される投入電力の０．７倍から１．３倍の範囲となる。
【００８４】
図９（ａ）は、前述したとおり、ＳｉＨ4濃度が１％、Ｈ2濃度が５％の反応ガスを使用した場合における投入電力に対する導電率の依存性を示すグラフであるが、光導電率が最大値を示す単位電極幅当たりの投入電力は、１３０Ｗ／ｃｍである。従って、Ｈ2／ＳｉＨ4比を変化させた場合においても、式（４）にて示される投入電力の０．７倍から１．３倍の範囲の投入電力において、高い膜品質が得られる。
【００８５】
ここで、さらに、試料−電極間ギャップを変化させた場合について、図１３および表７を用いて説明する。
【００８６】
【表７】
0003966495.tif 000006
図６および図７のＳｉＨ4濃度０．１％（試料−電極間ギャップは２００μｍ）において、σPが最大値となる単位電極幅あたりの投入電力は、２５Ｗ／ｃｍである。ここで、さらに、表７に示される実験条件において、試料−電極間ギャップを変化させ、（単位電極幅あたりの投入電力［Ｗ／ｃｍ］）／（試料−電極間ギャップ）の値がほぼ一定値となるように、単位電極幅当りの投入電力［Ｗ／ｃｍ］も同時に変化させた場合のσPの挙動を、図１３に示す。
【００８７】
図１３より分かるように、試料−電極間ギャップを変化させた場合においても、それに応じて単位電極幅あたりの投入電力を変化させて、（単位電極幅あたりの投入電力［Ｗ／ｃｍ］）／（試料−電極間ギャップ）の値がほぼ一定値となるように設定することにより、σPの値は、１．０Ｅ−４［Ｓ・ｃｍ］付近を維持し、良膜質が得られていることが分かる。これは、試料−電極間ギャップを変化させると、プラズマ体積が変化し、同時にプラズマに対する投入電力密度が変化するため、同時に単位電極幅当りの投入電力を変化させて、（単位電極幅あたりの投入電力［Ｗ／ｃｍ］）／（試料−電極間ギャップ）の値をほぼ一定とすることにより、良膜質が得られる電力状態を実現することによる。
【００８８】
従って、良膜質が得られる電力範囲［Ｗ］は、式（４）で教示される単位電極幅当りの電力［Ｗ／ｃｍ］の０．７倍から１．３倍の範囲であったが、試料−電極間ギャップを考慮し、（単位試料−電極間ギャップ当り、単位電極幅当りの投入電力［Ｗ／ｃｍ／μｍ］）で管理すると、前述の式（４）は、試料−電極間ギャップで割ることにより、以下の式（５）のようになる。
【００８９】
０．７×（０．５５×ＳｉＨ4濃度［％］＋０．０８９５）  ＜
各ＳｉＨ4濃度において、良膜質が得られる（単位試料−電極間ギャップ当りにおける単位電極幅当りの投入電力［Ｗ／ｃｍ／μｍ］）
＜１．３×（０．５５×ＳｉＨ4濃度［％］＋０．０８９５）    …（５）
また、さらに、前記単位試料−電極間ギャップ当りにおける単位電極幅当りの投入電力［Ｗ／ｃｍ／μｍ］によって管理し、同じ電力状態を維持することは、成膜速度が最大位置を描く電力値［Ｗ］においても同様に適用することができ、従って、式（３）を試料−電極間ギャップ［μｍ］で割ることにより、より良膜質を得られる電力範囲が、以下の（６）式で表される。
【００９０】
０．３０１×ＳｉＨ4濃度［％］＋０．０６４５）  ＜
各ＳｉＨ4濃度において、良膜質が得られる（単位試料−電極間ギャップ当りにおける単位電極幅あたりの投入電力［Ｗ／ｃｍ／μｍ］）  …（６）
＜反応ガス圧力の影響およびＨ2／ＳｉＨ4比の影響＞
反応ガス圧力が成膜特性に影響し、従来の低圧プラズマにおける圧力の１０倍程度の１００Ｔｏｒｒ以上の圧力の場合、プラズマにより試料１０が効率よく加熱され、導電率の高い膜品質が得られることは、前述した。
【００９１】
最後に、Ｈ2／ＳｉＨ4比の影響について説明する。
【００９２】
プラズマ処理によるアモルファスシリコン薄膜の形成では、ＳｉＨ4等の原料ガスを水素ガスで希釈して電極間に供給する。ここにおける水素ガス／原料ガス比は水素希釈比と呼ばれている。
【００９３】
図１１および図１２は、２つの条件下でＨ2／ＳｉＨ4比を変化させた場合の、Ｈ2／ＳｉＨ4比に対する成膜特性の依存性を示している。第１の条件では、ＳｉＨ4濃度が０．５〔％〕である表１に示す条件で成膜を行う場合に、単位電極幅当たりの投入電力が、光学ギャップの低下が緩和する飽和状態の領域（領域▲２▼）に含まれる８０Ｗ／ｃｍに設定されている。第２の条件では、ＳｉＨ4濃度が１％である表４に示す条件で成膜を行う場合に、単位電極幅当たりの投入電力が、光学ギャップの低下が緩和された領域（領域▲２▼）に含まれる１３０Ｗ／ｃｍに設定されている。
【００９４】
それぞれの条件を、表５に示す。それぞれにおける単位電極幅当たりの投入電力は、光学ギャップの低下が緩和された飽和状態の領域（領域▲２▼）のほぼ中央に位置している。
【００９５】
【表５】
0003966495.tif 000007
これら２つの条件下においてＨ2／ＳｉＨ4比に対する成膜特性の依存性を図１１および図１２にそれぞれ示しており、図１１（ａ）はＨ2／ＳｉＨ4比に対する導電率を示すグラフ、図１１（ｂ）はＨ2／ＳｉＨ4比に対する光感度を示すグラフ、図１２（ａ）はＨ2／ＳｉＨ4比に対する光学ギャップを示すグラフ、図１２（ｂ）はＨ2／ＳｉＨ4比に対する成膜速度を示すグラフである。
【００９６】
図１１（ａ）に示されたＨ2／ＳｉＨ4比に対する光導電率σｐの依存性に注目すると、Ｈ2／ＳｉＨ4比が１から１４の範囲で光導電率σｐがピークを示し、高い膜品質が得られていることがわかる。
【００９７】
また、図１２（ａ）に示されたＨ2／ＳｉＨ4比に対する光ギャップＥｏｐｔの依存性からは、次のことがわかる。
【００９８】
Ｈ2／ＳｉＨ4比が低い領域（ＳｉＨ4が０．５％および１％とも、Ｈ2／ＳｉＨ4比が０〜３の範囲）では、Ｈ2／ＳｉＨ4比の増大に伴って光ギャップが上昇するか或いはほとんど変化しない。この領域を領域Ａと呼ぶ。
【００９９】
領域ＡからＨ2／ＳｉＨ4比を大きくすると（ＳｉＨ4が０．５％ではＨ2／ＳｉＨ4比が３〜６の場合、ＳｉＨ4が１％ではＨ2／ＳｉＨ4比が３〜５の場合）、Ｈ2／ＳｉＨ4比がより低い領域Ａにおける光ギャップの挙動とは異なり、その光ギャップは徐々に低下する。この領域を領域Ｂと呼ぶ。
【０１００】
Ｈ2 ／ＳｉＨ4比をさらに大きくしていと（ＳｉＨ4が０．５％では、Ｈ2／ＳｉＨ4比が６〜１４の場合、ＳｉＨ4が１％では、Ｈ2／ＳｉＨ4比が５〜１０の場合）、光ギャップの低下が緩和された飽和状態になる。この領域を領域Ｃと呼ぶ。
【０１０１】
Ｈ2／ＳｉＨ4比を領域Ｃよりもさらに大きくしていくと（ＳｉＨ4が１％ではＨ2／ＳｉＨ4比比が１０以上の場合）、光ギャップは、再度、ほぼ一定の割合で低下する。この領域を領域Ｄと呼ぶ。
【０１０２】
このように、Ｈ2／ＳｉＨ4比の増減に対する光ギャップの挙動変化は大きく、Ｈ2／ＳｉＨ4比の増大に伴って光ギャップが上昇するか或いはほとんど変化しない領域Ａと、その後において、光ギャップが緩やかに低下して飽和し、さらにほぼ一定割合で低下する領域Ｂ、Ｃ、Ｄとに大別される。
【０１０３】
また、図１２（ｂ）に示されるＨ2／ＳｉＨ4比に対する成膜速度の依存性を見ても、Ｈ2／ＳｉＨ4比の増大に伴って成膜速度が向上することがわかる。
【０１０４】
従来の低圧プラズマでは、一般的に、Ｈ2／ＳｉＨ4比の増大に伴って光ギャップおよび成膜速度は、ともに低下する。しかし、高圧プラズマでは、光ギャップおよび成膜速度ともに、従来の低圧プラズマとは異なる挙動を示す。
【０１０５】
そして、図１１（ａ）に示されたＨ2／ＳｉＨ4比に対する導電率の依存性から、ＳｉＨ4濃度が０．５％、１％のそれぞれについて、領域ＢおよびＣにおいて、光導電率のピークが存在し、高い膜品質が得られる。
【０１０６】
表５に示されるＳｉＨ4濃度が０．５％の条件で、Ｈ2／ＳｉＨ4比が１（領域Ａ）、３（領域Ａ〜Ｂ）、６（領域Ｃ）の場合について、ＰＩＮ構造のアモルファスシリコン太陽電池のＩ層を所定の膜厚で作製した。作製された太陽電池の変換効率を表６に示す。
【０１０７】
【表６】
0003966495.tif 000008
表６に示されるように、領域Ｃにおいて高い膜品質が得られている。なお、ここにおける太陽電池の変換効率は、他の方法でＩ層を作製した場合の太陽電池の変換効率を基準値として規格化したものである。
【０１０８】
また、ここで、ＳｉＨ4濃度に注目する。
【０１０９】
図１４は、表８中のＳｉＨ4濃度０．１［％］および１［％］において成膜を行い、得られたアモルファスシリコンの膜中の不純物［ｃｍ-3］（酸素密度および窒素密度）を、ＳＩＭＳによって測定した結果である。
【０１１０】
図１４より分かるように、ＳｉＨ4濃度が高いほうが、膜中の不純物密度が小さいことが分かる。
【０１１１】
【表８】
0003966495.tif 000009
表８より分かるように、原料ガスの分圧は、最大で７．６Ｔｏｒｒ程度であり、一般的な低圧プラズマとほぼ変わらない値である。従って、反応容器壁からの水分分離、反応容器リーク等による窒素および酸素原子のアモルファスシリコン膜への混入は、同様に発生するが、リーク防止、反応容器ベーキング実施等の一般的な方法により前記リーク等に起因する膜中不純物を低減させることができる。
【０１１２】
しかし、本方式では、さらに、原料ガスをＨｅ、Ａｒ等の希ガスによって希釈するため、前記希ガス中の不純物が成膜されたアモルファスシリコン中に混入し、膜中不純物として膜特性を劣化させる。これは、原料ガスをＨｅ、Ａｒ等の希ガスで希釈することに起因するものである。本装置においては、ターボ分子ポンプを用いて、５Ｅ−６Ｔｏｒｒまで反応容器内を真空排気している。
【０１１３】
本実験に用いたＨｅガスの純度は、高純度Ｈｅ；９９．９９９９［％］である。このとき、最大０．０００１［％］は不純物が混入していることになる。
【０１１４】
このとき、表８中のＳｉＨ4濃度０．１［％］においては、ＳｉＨ4とＨｅガス不純物の割合は、（Ｈｅガス中不純物／ＳｉＨ4ガス）＝１０００［ｐｐｍ］となることが分かる。このとき、アモルファスシリコン中の酸素および窒素密度は、それぞれ、Ｏ＝３Ｅ１９、Ｎ＝１Ｅ１９［ｃｍ-3］である。
【０１１５】
しかし、表８中のＳｉＨ4濃度１［％］においては、ＳｉＨ4とＨｅガス不純物の割合は、（Ｈｅガス中不純物／ＳｉＨ4ガス）＝１０００［ｐｐｍ］となり、膜中の不純物である酸素および窒素密度は、それぞれ、Ｏ＝５Ｅ１８、Ｎ＝３Ｅ１８［ｃｍ-3］となり、膜中の不純物密度が低下していることがわかる。
【０１１６】
これは、希釈ガスＨｅ中の不純物０．０００１［％］に対してＳｉＨ4濃度［％］を増加させることによって、（Ｈｅガス中不純物／ＳｉＨ4ガス）比を低下させ、それによって、アモルファスシリコン膜中の不純物密度を低下させることによる。従って、図１４より分かるように、ＳｉＨ4濃度が高いほうが膜中の不純物密度が小さくなる。
【０１１７】
一般的にアモルファスシリコンの不純物量において、酸素および窒素密度は、１．０Ｅ１８［ｃｍ-3］以下が良膜質と言われているため、少なくとも表８中の結果からＳｉＨ4濃度１［％］以上が必要であることが分かる。
【０１１８】
また、図１４中のＳｉＨ4濃度０．１［％］と１［％］の場合における２点間を結ぶ直線より、膜中不純物密度が１Ｅ１８［ｃｍ-3］以下になるＳｉＨ4濃度を算出すると、酸素でＳｉＨ4濃度；１．１４［％］以上、窒素でＳｉＨ4濃度；１．２６［％］以上が好ましいことがわかる。
【０１１９】
その他の方式においても、前記希釈ガス中の不純物を取り除くことが考えられるが、本実験に用いたＨｅガスの純度は、９９．９９９９［％］であり、０．０００１［％］の不純物が混入していることになり、これを超高純度Ｈｅに置き換えて９９．９９９９［％］とした場合、前記希釈ガスの値段が高くなり、高圧プラズマにおいてプラズマを発生させ、薄膜を形成する本方式の場合、大幅なコスト増加になり、不具合が生じる。また、該純化器等によって希釈ガスの不純物を除去する場合においても、前記ガス純化器を取り付ける分、コスト増加になり不具合が生じる。
【０１２０】
従って、希釈ガスに対するＳｉＨ4濃度［％］を少なくとも１［％］以上、好ましくは、１．２６［％］以上とすることによって、膜中不純物の少ないアモルファスシリコン膜を低コストにて作製することができる。
【０１２１】
なお、上記実施形態で使用したプラズマ処理装置は、回転電極を備え、高圧雰囲気という特徴を有している。さらに、単位面積当たりの投入電力が大きい高電力密度の特徴を有し、その他、１０ｍｍ以下の狭い試料−電極間ギャップ、高周波、高速成膜、Ｈｅ希釈等の特徴も有する。前述した電力範囲で高い膜品質が得られる要因は、これらの特徴のなかでも、電極を高速回転させることによって１ヵ所で電極が加熱されることを阻止し、高い電力において安定してプラズマを発生させることにある。しかし、他に高圧力下において安定したプラズマを発生させる方式が存在しないわけではない。従って、本発明で使用されるプラズマ処理装置は、回転電極を用いる構成に限られるものではない。
【０１２２】
【発明の効果】
本発明は、このように、Ｓｉを含む原料ガスを、高周波電力を用いて発生させたプラズマによって分解し、分解によって生じた反応種によって薄膜を形成するプラズマ処理による薄膜形成方法において、所定の原料ガス圧力および原料ガス供給量において投入電力を増加した場合に、形成される薄膜の光学ギャップの低下が緩和し始める電力から、その緩和が解消されて、再度、光学ギャップが低下し始める電力までの電力範囲に、前記投入電力を設定することによって、高速成膜と高い膜品質とを同時に実現することができる。
【０１２３】
また、所定の原料ガス圧力および原料ガス供給量において投入電力を増加したときに、形成される薄膜の成膜速度が緩和されるか若しくは減少する電力範囲に、前記投入電力を設定することによっても、高速成膜と高い膜品質とを同時に実現することができる。
【０１２４】
さらに、単位電極幅当たりの投入電力Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕を、供給する反応ガス中の原料ガス濃度Ｘ〔％〕に対して、（１１０．３・Ｘ〔％〕＋１７．９）×０．７＜Ｙ〔Ｗ／ｃｍ〕＜（１１０．３・Ｘ〔％〕＋１７．９）×１．３の範囲に設定することによっても、高速成膜と高い膜品質とを同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜形成方法の実施に使用されるプラズマ処理装置の概略構成図である。
【図２】そのプラズマ処理装置における回転電極の直下における堆積速度分布の説明図である。
【図３】投入電力に対する成膜特性の依存性をそれぞれ示しており、（ａ）は、投入電力に対する導電率を示すグラフ、（ｂ）は、投入電力に対する光感度を示すグラフである。
【図４】投入電力に対する成膜特性の依存性をそれぞれ示しており（ａ）は、投入電力に対する光学ギャップを示すグラフ、（ｂ）は、投入電力に対する成膜速度を示すグラフである。
【図５】投入電力に対する成膜特性の依存性を、原料ガス濃度をパラメータとしてそれぞれ示しており、（ａ）は、投入電力に対する導電率を示すグラフ、（ｂ）は、投入電力に対する光感度を示すグラフである。
【図６】投入電力に対する成膜特性の依存性を、原料ガス濃度をパラメータとしてそれぞれ示しており、（ａ）は、投入電力に対する光学ギャップを示すグラフ、（ｂ）は、投入電力に対する成膜速度を示すグラフである。
【図７】原料ガス濃度を変化させたときの、成膜速度が最大値を示す投入電力と原料ガス濃度との関係を示すグラフである。
【図８】原料ガス濃度を変化させたときの、光導電性が最大値を示す投入電力と原料ガス濃度との関係を示すグラフである。
【図９】水素ガス／原料ガス比を変更したときの、成膜特性の投入電力に対する依存性をそれぞれ示しており、（ａ）は、投入電力に対する導電率を示すグラフ、（ｂ）は、投入電力に対する光感度を示すグラフである。
【図１０】水素ガス／原料ガス比を変更したときの、投入電力に対する成膜特性の依存性をそれぞれ示しており、（ａ）は、投入電力に対する光学ギャップを示すグラフ、（ｂ）は、投入電力に対する成膜速度を示すグラフである。
【図１１】水素ガス／原料ガス比に対する成膜特性の依存性をそれぞれ示しており、（ａ）は、水素ガス／原料ガス比に対する導電率を示すグラフ、（ｂ）は、水素ガス／原料ガス比に対する光感度を示すグラフである。
【図１２】水素ガス／原料ガス比に対する成膜特性の依存性をそれぞれ示しており、（ａ）は、水素ガス／原料ガス比に対する光学ギャップを示すグラフ、（ｂ）は、水素ガス／原料ガス比に対する成膜速度を示すグラフである。
【図１３】電極−試料間ギャップを変化させた場合の光導電率を示すグラフである。
【図１４】それぞれのＳｉＨ4濃度に対する膜中不純物濃度を示すグラフである。
【図１５】従来の低圧プラズマ処理技術により薄膜を形成したときの、成膜速度及び水素ガス／原料ガス比に対する成膜特性の依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  高周波電源
５  回転電極
８  回転モータ
９  プラズマ
１０  試料
１１  試料台
１５  反応容器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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