(57)【要約】【課題】  欠陥の形成および高次シランの混入が少ない高品質なアモルファスシリコン等の薄膜を形成可能なプラズマＣＶＤ装置およびアモルファスシリコン薄膜の製造方法を提供すること。【解決手段】  真空容器と、真空容器を減圧に保持するための真空排気装置と、複数のガス供給孔を備える第１の電極と、第１の電極に接続する高周波電源と、第１の電極に対向して設置し第１の電極に略平行に基板を保持する第２の電極とを備えたプラズマＣＶＤ装置であり、第１の電極のガス供給孔から第２の電極へ向かうガス直進流路を遮断する障害物を第１の電極と第２の電極との間に配置する。また、前記障害物は複数の開口を持つ平板であり、前記開口はガス直進流路にかからない部分に設ける。【選択図】図２
2009289782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
該真空容器を減圧に保持するための真空排気装置と、
複数のガス供給孔を備えた第１の電極と、
第１の電極に接続された高周波電源と、
該第１の電極に対向して設置され第１の電極に略平行に基板を保持するための第２の電極と、を備えたプラズマＣＶＤ装置であって、
前記第１の電極のガス供給孔から前記第２の電極へ向かうガス直進流路を遮断する障害物が第１の電極と第２の電極との間に配置されたプラズマＣＶＤ装置。
【請求項２】
前記障害物が複数の開口が形成された平板であり、該開口が前記ガス直進流路にかからない部分に形成されている請求項１に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項３】
前記複数の開口が形成された平板が加熱機構を備えたものである請求項２に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項４】
前記複数の開口が形成された平板が、前記第１の電極側の面において、前記第１の電極のガス供給孔に対向する位置に凹部を備えたものである請求項２又は３に記載のプラズマＣＶＤ装置。
【請求項５】
真空容器内を真空に保持し、
第１の電極に備えられた複数のガス供給孔から少なくともシランと水素とを含むガスで構成された原料ガスを供給し、
該第１の電極に高周波電力を印加して該原料ガスにプラズマを発生させ、
該第１の電極に対向して設置された第２の電極に保持された基板上に該原料ガスを堆積させてアモルファスシリコン薄膜を形成するアモルファスシリコン薄膜の製造方法であって、
前記第１の電極のガス供給孔から前記第２の電極へ向かうガス直進流路を遮断するように障害物を設け、該第１の電極のガス供給孔から供給された前記原料ガスを、該第２の電極に到達する前に該障害物に衝突させるアモルファスシリコン薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記障害物が複数の開口が形成された平板であり、該開口が前記ガス直進流路にかからない部分に形成されている請求項５に記載のアモルファスシリコン薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記複数の開口が形成された平板を加熱する請求項６に記載のアモルファスシリコン薄膜の製造方法。
【請求項８】
前記複数の開口が形成された平板が、前記第１の電極側の面において、前記第１の電極のガス供給孔に対向する位置に凹部を備えたものである請求項６又は７に記載のアモルファスシリコン薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマＣＶＤ装置およびアモルファスシリコン薄膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アモルファスシリコン等の薄膜を形成する方法の一つとして、プラズマ励起化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法（以下、プラズマＣＶＤ法という）は従来からよく知られている技術である。図８は従来の一般的な平行平板型プラズマＣＶＤ装置を説明する概略断面図である。真空容器１内を真空排気装置２により減圧し、第１の電極３に設けた複数のガス供給孔５から原料ガスを供給し、第１の電極３に接続された高周波電源６により電力を供給してプラズマを発生させ、第２の電極４上に保持した基板７の表面に薄膜を形成せしめる。原料ガスはガス供給管８により第１の電極３内部へ供給され、第１の電極３の内部を通じて複数のガス供給孔５から基板７表面へ均一に導入される。
【０００３】
例えば、太陽電池に用いられるアモルファスシリコン薄膜として高品質な膜を得るためには、膜の欠陥となる未結合手（ダングリングボンド）の形成および高次シラン（（ＳｉＨ２）ｎ：ｎ＝２〜５）の膜中への取り込みを抑制しなければならない。その欠陥を抑制するためには基板表面温度は２２０℃から２５０℃が好適であるとされている（非特許文献１）。これはこの範囲より低温であると成膜中のアモルファスシリコン薄膜表面での表面反応が抑制され、欠陥の多い膜となってしまい、またこの範囲より高温であると表面からの水素の脱離が発生して欠陥が多くなったり、太陽電池を作製する際の下地層へのダメージが問題になったりするためである。また、プラズマ中のガス温度も重要な因子である。これは、プラズマ中のガス温度が低下すると高次シランを生成する際に起こる三体反応が促進され膜中への高次シランの取り込みが懸念されることによる（非特許文献２）。この高次シランはアモルファスシリコン太陽電池の光劣化を引き起こすものであるため、膜中への取り込みはできるだけ抑える必要がある。
【０００４】
このような問題を解決するためにいくつかの手段が提案されている。例えば、プラズマ雰囲気中に導入するガスを加熱し、さらに基板を加熱することにより、基板温度の低下を抑制する方法が開示されている（特許文献１）。さらに、電極中に導入するガス温度を変化させることにより、基板の表面温度を制御する手段等が開示されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平８−９１９８７
【特許文献２】特開２０００−２７３６３７
【非特許文献１】A.Matsuda et al. Solar Energy Materials & Solar Cells 78 (2003) 3-26
【非特許文献２】Madoka Takai et al. APPLIED PHYSICS LETTERS 77 (2000) 2828
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のように導入するガスの加熱を行ったとしてもガス供給孔から真空容器内にガスを導入しようとすると流速は数ｍ／ｓ以上となるため、ガスの加熱を行おうとしても加熱機構の能力が現実的ではないという問題がある。また基板として一般的に用いられるガラスは熱伝導度の低い材料である。そのため基板を保持する電極を加熱してガラス裏面より加熱しても、表面がガス流れにより冷やされた場合ガラス表層の温度が低下することは十分考えられる。またたとえガスの加熱が可能であったとしてもガス供給孔内から真空容器内に導入される際の圧力差によって断熱膨張をおこしてガス温度が低下するため、結果としてガラス表層の温度を下げてしまうことが予想される。
【０００６】
そこで本発明の目的は、真空容器内に導入されるガスの流れを制御することにより基板温度およびガス温度の低下を防ぎ、欠陥の形成および高次シランの混入が少ない高品質なアモルファスシリコン等の薄膜を形成可能なプラズマＣＶＤ装置、およびそれを用いたアモルファスシリコン薄膜の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、
真空容器と、
該真空容器を減圧に保持するための真空排気装置と、
複数のガス供給孔を備えた第１の電極と、
第１の電極に接続された高周波電源と、
該第１の電極に対向して設置され第１の電極に略平行に基板を保持するための第２の電極と、を備えたプラズマＣＶＤ装置であって、
前記第１の電極のガス供給孔から前記第２の電極へ向かうガス直進流路を遮断する障害物が第１の電極と第２の電極との間に配置されたことを特徴とするプラズマＣＶＤ装置を提供する。
【０００８】
また、本発明は、
真空容器内を真空に保持し、
第１の電極に備えられた複数のガス供給孔から少なくともシランと水素とを含むガスで構成された原料ガスを供給し、
該第１の電極に高周波電力を印加して該原料ガスにプラズマを発生させ、
該第１の電極に対向して設置された第２の電極に保持された基板上に該原料ガスを堆積させてアモルファスシリコン薄膜を形成するアモルファスシリコン薄膜の製造方法であって、
前記第１の電極のガス供給孔から前記第２の電極へ向かうガス直進流路を遮断するように障害物を設け、該第１の電極のガス供給孔から供給された前記原料ガスを、該第２の電極に到達する前に該障害物に衝突させることを特徴とするアモルファスシリコン薄膜の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、以下に説明するとおり、真空容器内に導入されるガスの流れを制御することによりガス温度および基板温度の低下を防ぎ、欠陥の形成量および高次シランの混入量が少ない高品質なアモルファスシリコン等の薄膜を形成可能なプラズマＣＶＤ装置、および高品質なアモルファスシリコン薄膜の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の最良の実施形態の例を、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は、本発明のプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概略断面図である。真空容器１にはこの真空容器を減圧に保持するための真空排気装置２が接続されており、また真空容器１の内部には第１の電極３と第２の電極４が略平行に配置されている。
【００１２】
第１の電極３にはガス供給孔５が複数配置されている。ガス供給孔５は第１の電極３の表面から均一にガスを供給するために小径のものを多数設けることが好ましく、ガス供給孔５の直径は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下がよい。ガス供給孔５の第１の電極３における面内配置は均一性の観点から規則的な格子配置がよいが、第１の電極３の内部構造等を考慮して面内の任意の位置に配置してもかまわない。
【００１３】
第１の電極３には高周波電源６が接続され、第１の電極３に高周波高電圧を印加することにより真空容器内にプラズマを発生させる。高周波の周波数は任意に選択できるが、生産性および均一性の観点から、好ましくは１００ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下、さらに好ましくは１０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下がよい。
【００１４】
第２の電極４は基板７を第１の電極３に略平行に保持する。第２の電極４は基板７を加熱するための加熱機構９を備えていることが好ましい。また、第２の電極４は電気的に接地されていてかまわないが、図示しない直流電源または交流電源によりバイアス電圧を印加してもかまわない。
【００１５】
本発明においては、第１の電極３のガス供給孔５から第２の電極４へ向かうガス直進流路を遮断する障害物１０を第１の電極３と第２の電極４との間に配置する。ここで、ガス直進流路とは、第１の電極のガス供給孔５の出口が形成する平面をその平面に垂直に第２の電極４の方向に移動させたときの軌跡が形成する立体図形が占める空間領域である。この障害物１０により、ガス供給孔５から噴出したガスは直接基板に衝突することはなく必ず一旦障害物１０に衝突した後基板表面へと向かう。これにより温度の低いガスが基板を直撃することによる基板温度低下を避けることができるのである。障害物１０の形状の例としては、図１に示すような円筒状物体を複数本平行に並べたものや、円筒状物体の代わりに三角柱や四角柱を複数本平行に並べたものなどが考えられるが、本発明においては、図２のように前記障害物１０を複数の開口１２が形成された平板１１（以後、板状障害物１１）として、前記開口１２がガス直進流路にかからないように板状障害物１１を設置することが好ましい。この板状障害物１１を設けることにより、ガス供給孔５から供給されたガスは一旦第１の電極３と板状障害物１１に挟まれる空間に滞留した後、板状障害物の複数の開口１２から第２の電極４側の空間へと漏れ出ることとなる。このようにガス供給孔５から出てきたガスの流れを直接基板７に到達させないことにより、基板７の温度低下が回避され、また成膜中の基板温度の安定化を図ることができるため、好ましい。
【００１６】
板状障害物１１に形成された複数の開口１２は、それらの開口の面積を全て足し合わせた開口総面積が、第１の電極３のガス供給孔５の出口の面積を全て足し合わせた供給孔総面積よりも大きいことがガス流れの流速を下げるという観点から好ましく、好ましくは開口総面積は供給孔総面積の１０倍以上、より好ましくは５０倍以上、さらに好ましくは１００倍以上である方がよい。板状障害物１１の材質としては任意のものを選択することができるが、耐熱性および機械的強度の観点から金属またはセラミックスを用いることが好ましく、例えば金属としてはアルミニウム、セラミックスとしてはアルミナなどを用いることができる。また、板状障害物１１の厚さは任意のものを用いて良いが、薄すぎると機械的強度が弱く熱による変形が懸念され、また厚すぎるとプラズマが不安定になったり点灯しなかったりする。ゆえに、板状障害物１１の厚さは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以上８ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以上６ｍｍ以下がよい。
【００１７】
図３は第１の電極３の一例を示す概略平面図である。ここでは例として円形電極を示すが、電極の形状は角型であっても任意の形状であっても構わない。第１の電極３の表面には複数のガス供給孔５を備え、図３の例の場合ガス供給孔５は格子状に配置されている。本発明においては、板状障害物１１は第１の電極３のガス供給孔５から第２の電極４へ向かうガス直進流路を遮断する。前述したようにガス直進流路とは、ガス供給孔５の出口が形成する平面をその平面に垂直に第２の電極４の方向に移動させたときの軌跡が形成する立体図形が占める空間領域である。例えば、ガス供給孔５の出口形状が円形であればガス直進流路は円柱型の空間領域となり、出口形状が四角形であればガス直進流路は角柱型の空間領域となる。板状障害物１１はこのガス直進流路を遮断する、すなわち前記空間領域を板状障害物により完全に２分割する形状とする。図３に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の例を図４、図５、図６に示す。図４に示す板状障害物１１は、図３に示す第１の電極３に対して設置したとき図３におけるガス供給孔５からのガス直進流路にかからない部分に複数の円形開口１２を設けたものである。図５に示す板状障害物１１は、同様に図３に示す第１の電極３に対して設置したとき図３におけるガス供給孔５からのガス直進流路にかからない部分に複数の角型開口１２を設けたものである。また、図６に示す板状障害物１１は、同様に設置したとき図３におけるガス供給孔５からのガス直進流路を遮断する部分を含むような複数の円およびそれらの円を連結する短冊を残してそれ以外の部分を開口１２としたものである。これらのような板状障害物１１を適用することにより、ガス供給孔５から出てきたガスの流れが直接基板７に到達することを確実に防止できるため、基板温度が低下したり不安定になったりといった現象を未然に防ぐことができ、好ましい。
【００１８】
さらに、本発明における板状障害物１１は加熱機構を有することが好ましい。これは加熱された板状障害物１１がガスを加熱することによる結果として基板７の温度低下を防ぐことができるためである。さらに本発明の場合、ガス供給孔５から出たガスを板状障害物１１に積極的に衝突させる効果、および板状障害物１１と第１の電極３との間にガスを滞留させる効果により、板状障害物１１とガスとの熱交換を促進させ、効率的にガスを加熱することができるため好ましい。板状障害物１１の加熱機構の例としては、板状障害物１１を導電体で形成したうえで交流電流を流すことによる抵抗加熱を用いたり、あるいは板状障害物１１の内部に熱媒流路を形成して温度制御した熱媒を流したりすることなどをあげることができるが、その他任意の方法を用いてもかまわない。
【００１９】
図７は、本発明のプラズマＣＶＤ装置の他の一例を示す概略断面図である。本発明における板状障害物１１は、その第１の電極３に対向する面において前記ガス直線流路を遮断する位置に凹部１３を備えることが好ましい。図７の場合は凹部１３として円錐型の凹みを持つ場合を示している。このような凹部を板状障害物１１に設けると、ガス供給孔５から出たガス流は板状障害物１１の凹部１３に衝突することにより流れが乱れ、板状障害物１１と第１の電極３のとの間にガスが滞留している時間を増加させ、結果としてガスの加熱が促進されるため好ましい。凹部１３の形状としては、円錐型のほかに角錐型、半球型、円筒型など、任意の形状でかまわない。凹部１３の深さについては特に制限は無いが、深すぎると凹部１３に留まったガスから粉体を生成し凹部１３内に蓄積する懸念があり、また浅すぎるとガスの加熱効果が十分発揮できないため、好ましくは１ｍｍ以上６ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以上４ｍｍ以下がよい。
【００２０】
上記で説明した本発明のプラズマＣＶＤ装置を用いて、第２の電極４上にガラス基板を設置して真空排気した後、少なくともシランと水素を含む原料ガスをガス供給管８から導入して高周波電源６によりプラズマを発生させ、基板表面にアモルファスシリコン薄膜を形成させると、従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置で形成した膜と比べて高次シランの混入が少なく欠陥が低減された高品質な膜が得られるのである。また、この高品質なアモルファスシリコン薄膜を太陽電池に適用することで、光劣化が少ない高変換効率の太陽電池を作成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、プラズマＣＶＤ装置およびアモルファスシリコン薄膜形成に限らず、エッチング装置やその他各種薄膜形成、プラズマ表面処理装置などにも応用することができるが、その応用範囲が、これらに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明のプラズマＣＶＤ装置の他の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明における第１の電極３の一例を示す概略平面図である。
【図４】本発明において、図２に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の例を示す概略平面図である。
【図５】本発明において、図２に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の他の例を示す概略平面図である。
【図６】本発明において、図２に示す第１の電極３に適用できる板状障害物１１の他の例を示す概略平面図である。
【図７】本発明のプラズマＣＶＤ装置の他の一例を示す概略断面図である。
【図８】従来の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    真空容器
２    真空排気装置
３    第１の電極
４    第２の電極
５    ガス供給孔
６    高周波電源
７    基板
８    ガス供給管
９    加熱機構
１０  障害物
１１  複数の開口が形成された平板（板状障害物）
１２  開口
１３  凹部
【図１】
2009289782.tif 000003
【図２】
2009289782.tif 000004
【図３】
2009289782.tif 000005
【図４】
2009289782.tif 000006
【図５】
2009289782.tif 000007
【図６】
2009289782.tif 000008
【図７】
2009289782.tif 000009
【図８】
2009289782.tif 000010