JPS6147226B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、太陽電池素材等として有効に利用さ
れるアモルフアスシリコン膜の成長方法に関し、
殊に、こうしたアモルフアスシリコン膜中の結合
水素量の制御能を持つ成長方法に関する。

アモルフアスシリコン膜の成長方法としては一
般的なものにグロー放電法があり、比較的簡単な
方法として好まれているが、この方法においてモ
ノシラン、ジシラン、水素＋弗化シリコン＋アル
ゴンの混合ガス等の原料ガスからアモルフアスシ
リコン膜を堆積した場合、当該アモルフアスシリ
コン膜中には水素原子がシリコン原子と結合した
状態で含まれることが知られている。

然して仮に、この種の方法によつて上記のよう
にアモルフアスシリコン膜を堆積するに際し、光
電変換特性の劣化なしにアモルフアスシリコン膜
の結合水素量を制御できれば、それは更に有利で
ある。というのも、結合水素量は、例え光電変換
特性には大きな影響を及ぼさないものであつて
も、その外の各種の要因、例えばこのようにして
作成したアモルフアスシリコン膜を太陽電池素材
として利用する時等には最終的な製品としての当
該太陽電池等の機械的安定性とか熱的安定性等の
良否に多いに効いてくるからである。

然し、従来は、光電変換特性を向上させること
はないにしても、少なくとも損うことはないとい
う条件を満たしながら、外の要因の改善のために
アモルフアスシリコン膜中の結合水素量を制御し
ようとする発想は見ることができなかつた。

第１図には、従来のこの種のグロー放電法によ
るアモルフアスシリコン膜成長装置の概略的な基
本構成が示してある。簡単に説明すると、適当な
排気装置２０にて膜成長に適当な圧力に調整され
る減圧槽１０内にはプラズマ電極１１とアモルフ
アスシリコン膜を成長させるべき基板Ｓを載持す
るヒータ電極１２が配され、両電極間にはグロー
放電発生用の交流電源１が接続される一方で、モ
ノシラン、ジシラン等を含む原料ガスはガス供給
器３０から減圧槽内に供給される。このようなア
モルフアスシリコン膜成長装置にあつて、従来、
交流電源の周波数としては、最も一般的には
13.56MHzという比較的高い周波数が採用されて
おり、この周波数では、堆積したアモルフアス膜
中の結合水素量は膜の光導電率の良好な条件では
通常15原子％のオーダである。

然るに、従来普通とされていた、電離イオンの
高域遮断周波数を大きく越えるこのような比較的
高い周波数では、装置的に大きな不都合を生むお
それがあつた。一つには、上述の13.56MHzを電
源周波数として選んだ場合、当該周波数の1/4波
長は約5.53ｍとなるが、成長装置の寸法がこの程
度の大きさに近づくに連れ、当該装置内に定在波
が立ち、装置内の電力分布が不均一となり、その
結果、成長するアモルフアスシリコン膜の膜厚分
布が著しく不均一となるということがある。また
一つには、電源回路中に第１図中に示す整合回路
４０を必須とするということがある。こうした回
路は無い方が望ましいことは勿論である。

電源周波数を低周波に設定すれば上記の装置的
な欠点は解消されるが、装置的には従来構成のま
まで単に周波数を低下させ、高域遮断周波数以下
としただけの装置では、堆積したアモルフアス膜
中の結合水素量は20原子％を越してしまう場合が
多かつた。確かに、アモルフアスシリコン膜を利
用する光電変換素子においては、ギヤツプ内準位
を減少させて光電変換特性を改善するために或る
程度多量の結合水素は必要であるが、このような
オーダの値は顕かに多過ぎる。殊に熱的な安定性
等に不安が生じ、場合によつては改善される筈の
光電変換特性そのものが悪化することも考えられ
る。

本発明は、以上のような実情に鑑みて成された
もので、少なくとも光電変換特性に劣化を及ぼす
ことなく、更には装置を構成する際の不都合も無
く、アモルフアスシリコン膜中の結合水素量の制
御を行なえる方法を提供するものである。

上記の目的に沿つて構成された本発明を先ず概
説すれば、既述した成長装置において、交流電源
の周波数は電離イオンの高域遮断周波数（一般に
は100KHz程度までの値となる）以下とすると共
に、減圧槽内の二つの相対向する電極の中、少な
くともいづれか一方に他方に対しての直流バイア
スを印加することにより両電極間に直流電位差を
与え、当該直流バイアス値の調整でアモルフアス
シリコン膜中の結合水素量を制御しようとするも
のである。交流電源周波数を電離イオンの高域遮
断周波数以下とした理由は先にも少し述べてある
が、本発明実施例に即してより詳しく後述する。

以下、添付の図面に即した本発明の実施例に関
する説明を通じ、本発明の構成が確かに所期の効
果を有することを顕かにする。

第２図には本発明実施例に用いるに適当なアモ
ルフアスシリコン膜成長装置が示してある。電源
系を除いた装置の主たる構造部分には従来の第１
図示の装置構造に対し改変を要するものではな
い。従つて、特には改変を要さないこうした部分
に就いては第１図中と同一の符号を付し、説明を
省略するものもある。

この第２図示の装置においては、交流電源１は
その周波数が電離イオンの高域遮断周波数以下、
例えば100KHz以下であり、第１図中の従来は必
要であつた整合回路４０を介する必要もなく、そ
の一端がプラズマ電極１１に、他端は共通線路
（この場合接地）から交流バイパス用コンデンサ
３（以下単にパスコン３）を介してヒータ電極１
２に接続されている。

この交流電源系の閉ループに対して、パスコン
３と並列に好ましくは電圧可変の直流電源２が設
けられている。注意すべきは、本発明の場合、ヒ
ータ電極１２とプラズマ電極１１間に確実に直流
バイアスが掛かる状態となつていることである。
というのも、目的は若干相違するが、従来の報告
として、この種の装置に直流バイアスを掛けても
有意の効果は見い出せないという報告があつた
が、この報告において用いられている装置構成で
は、実際には両電極間に直流バイアスは印加され
ておらず、単にプラズマ電極の浮遊直流電位を測
つていたに過ぎないからである。

第３図以降の図面は、このような本発明による
交流電源周波数の選択と直流バイアス構成によ
り、所要の結合水素量制御が可能なことを示して
いる。

第３図は、後述する所から顕かなように、交流
電源周波数を電離イオンの高域遮断周波数以下の
30KHzに選択し、ヒータ電極１２に第２図示の構
成により正バイアスを掛けた場合、即ちプラズマ
電極１１に相対的に負バイアスを掛けた場合に、
そのバイアス電位の変化に対してシリコン膜の結
合水素量がどのように異なつて行くかを示してい
る。勿論、このデータは本発明者により始めて採
られたものである。いづれにしても、このデータ
の示す所に従えば、第２図示の構成により、ヒー
タ電極が正、即ちプラズマ電極を負にバイアスし
た場合、逆の極性にバイアスした場合に比して結
合水素量を約70％程度にまで減少させ得ることが
分かる。

もつとも、冒頭にも述べたように、結合水素量
を適当な値に制御しても、光電変換特性が悪化し
たのでは始まらない。が、本発明の方法によれ
ば、第３図示の曲線に従つて直流バイアス電圧の
制御によりアモルフアスシリコン膜の結合水素量
を制御しても、そうしてできた素子の光電変換特
性を少なくとも問題となる程劣化しないことが第
４図にて証明されている。即ち、第４図には、作
成した素子の光電変換特性の指標となる光導電率
と印加直流バイアス電圧値の関係が示されている
が、この曲線に顕かなように、光導電率は印加直
流バイアス電圧値の如何によらず殆んど一定なの
である。

本発明の効果に就き述べた所で、更に実践的な
考察を行なう。

既述のように、定在波の問題や整合回路を不要
とする等の要請からすれば、交流電源周波数は低
い方が良い。然し、従来の高周波を利用する装置
で堆積したアモルフアス膜に比べて結合水素量が
既述のように多過ぎるとやはり問題があつて、低
周波であつても適量のオーダの結合水素量が得ら
れるという保証が必要である。

先に述べたように、単に電源周波数を電離イオ
ンの高域遮断周波数以下に低下させただけでは何
故結合水素量が増加するのか、という原因を模索
した所、本発明者の研究の結果、当該電離イオン
の高域遮断周波数以下に迄交流電源周波数を落と
してくると、電離イオンが試料乃至基板の表面を
叩き、これによつて切れた膜表面の結合手に水素
が再び結合する、というメカニズムが生ずること
が分かつたのである。

逆に言えば、本発明はこのような知見に基いて
おり、その結果、結合水素量は第３図に示したよ
うに、電離イオンを基板から遠ざけるような極性
の直流バイアスを掛けることにより、従来の高周
波堆積したアモルフアス膜のレベル乃至はそれ以
下に制御性良く制御できる結果が得られたのであ
る。

ここで、実際には電離イオンの高域遮断周波数
がどの程度の値になるものかを考察してみる。

長さｄを速度ｖで走るイオンの高域遮断周波数
ｃは、次式で表すことができる。

ｃ＝ｖ／２πｄ ……(1) モノシランを原料ガスとしたグロー放電法によ
るCVDアモルフアスシリコン膜成長の場合、第
１図に示した通常の装置においては、一般にカソ
ード暗部の長さは約１cm、電極間電圧は600V〜
800Vとなつているので、当該Si：Ｈ⁺イオンが加
速される部分の電界Ｅは Ｅ＝６〜８×10²／cm となる。従つて、電界Ｅ対ガス圧Poの比Ｅ／Po
は、この種装置で一般的なガス圧1Torrにおいて Ｅ／Po＝６〜８×10²／cm・mmHg となる。

また、このような値に対しては、既に発表され
ているデータから、当該イオンの速度は（Ｅ／
Po）^1/2に比例することが分かつている。更に既
存のデータから推して考えると、こうした値での
モノシラン・イオンの速度ｖは ｖ２×10⁵cm／sec と考えられる。

従つて、上記の各値の下では、既述した(1)式に
即して遮断周波数ｃを求めると、 ｃ（１／３）×10⁵Hz となる。但し、通常の場合はガス圧が0.1Torr〜
数Torrの間で選択されるので、結局、遮断周波
数ｃは一般的に言つて100KHz程度迄の値とな
る。

これは極めて望ましい結果である。このように
低くて良い周波数においては、装置寸法の大型化
に対しても十分な寸法余裕があり、定在波対策は
考えなくても良いこと顕かだし、回路的に整合回
路等も不要となる効果があることが分かる。

以上において、本発明の要旨及びその効果が確
認されたが、以下では、本発明を実施する装置的
に見て更に量産に相応しい装置とする場合の配慮
に就き考えてみる。

第２図示の装置においては、ヒータ電極は接地
に対して直流的に或る電位を持つ。従つて、その
ままの構成では当該ヒータ電極を絶縁し、且つ基
板Ｓをも絶縁した上でこの基板を搬送するトレイ
に直流バイアスを印加できる構成を採らねばなら
ない。然しこれは勿論、実際的には不都合な場合
が多い。この点を解決するには、ヒータ電極乃至
基板が装置全体の基準電位乃至接地電位となるよ
うに図れば良い。従来はプラズマ電極１１は直流
的に浮遊電位となるように設計されるのが一般的
であつたが、上記の目的に対して本出願人が提案
する各例に就き挙げれば第５図及び第６図に各示
すようになる。

第５図示の場合は、バイアスを掛けるべきヒー
タ電極を共通線路即ち接地に落し、交流電源１は
直流電源２に直列に挿入するようにしたものであ
る。この実施例においては、直流電源２の電位は
正負いづれにも選べるように切替回路的に示して
ある。この回路の場合、等価的には勿論、第２図
示構成と同一であるが、直流電源に並列に挿入さ
れるパスコン３は原理的にはなくとも良い。但
し、交流電力の直流電源内における発熱損や直流
電位制御系への干渉を考えると、実際的には設け
られるのが望ましい。

第６図示の場合は、交流電源１のプラズマ電極
１１側の端子と接地との間にローパス・フイルタ
回路６を介して直流電源２を挿入したもので、こ
れでも勿論プラズマ電極に対してヒータ電極１２
を所定の直流バイアス関係に置くことができる。

このように、第５図乃至第６図に示すような実
際の装置構成を採用すれば、基板搬送トレイひい
ては作業領域及び作業者をグラウンド電位に置い
たままで特別な対策なしに本発明を適用すること
ができる。

以上詳記のように、本発明によれば、従来から
用いている装置に大きな改変を要さずに直流バイ
アス用電源を接続するのみで光電変換特性を犠牲
にすることなくアモルフアスシリコン膜の結合水
素量制御が可能であり、回路構成上も簡単化する
と共に定在波対策等も施す必要のないものとなる
ため、将来的に見ても太陽電池、薄膜FET等の
アモルフアスシリコン薄膜利用技術へ大きな貢献
を為すものと期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来からあるアモルフアスシリコン膜
成長装置の概略構成図、第２図は本発明の実施に
用いる一例の装置の概略構成図、第３図及び第４
図は本発明の効果の一例を示す特性図、第５図及
び第６図は本発明に用いる装置構成の他の例の概
略構成図、である。 図中、１はグロー放電用の交流電源、２は直流
バイアス用の直流電源、１０は減圧槽、１１はプ
ラズマ電極、１２はヒータ電極、３０は原料ガス
供給装置、Ｓはアモルフアスシリコン膜を成長さ
せるべき基板、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原料ガスの供給される減圧槽内に対向して配
   置された二つの電極間にて交流電源によるグロー
   放電を起こし、該二つの電極の中の一方の上に配
   置された基板上にアモルフアスシリコン膜を成長
   させるアモルフアスシリコン膜の成長方法であつ
   て、 上記交流電源の周波数を上記グロー放電による
   電離イオンの高域遮断周波数以下とすると共に、
   上記二つの電極の一方に、他方に対しての直流バ
   イアスを掛け、該直流バイアス値の制御によりア
   モルフアスシリコン膜中の結合水素量を制御する
   ことを特徴とするアモルフアスシリコン膜の成長
   方法。