JPH0719912B2 - 薄膜半導体の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈技術分野〉 本発明は化学的気相分解によるプラズマ雰囲気中で搬送
される基板上に、単層または複数層の薄膜半導体層を成
膜してなる薄膜半導体の製造装置に関し、特に非晶質シ
リコン太陽電池の製造に好適な薄膜半導体の製造装置に
関する。

〈従来技術〉 化学的気相分解（以降CVDと記す）によるプラズマ雰囲
気中で基板上に単層または複数層の薄膜半導体層を成膜
して半導体装置を製造する方法は、例えばシラン（Si
H₄）ガスを放電分解して非晶質シリコン太陽電池を製造
する方法として、広く実施されている公知の技術であ
る。かかる製造方法において、効率よく薄膜半導体層を
成膜する、即ち大量生産に適した製造方法の一つとし
て、基板を連続的に搬送させながらCVDプラズマ放電雰
囲気中を通過させる方法が公知である。

この方法は大別して次の２種類に分けられる。１つは、
基板の仕込み室と取り出し室の間にプラズマ放電を行な
うための完全に分離・独立した単室，必要に応じて複数
室からなる反応室を設置し、枚葉の基板を移動台車等に
乗せて各室を順次移送させながら成膜を行なうロードロ
ック方式である。他の１つは、特開昭58−216475号公
報，特開昭59−34668号公報等の如く基板自体を長尺の
巻き物にして、巻出し室と巻取り室の間に、基板通路で
連絡した、単室，必要に応じて複数室からなる反応室を
設置し、連続的に搬送される薄膜状基板に成膜を行なう
ロール・ツー・ロール方式である。

かかる製造方式で、更に生産効率を高めるために高速成
膜を行なう場合、従来技術においては、充分な原料ガス
を供給しながら放電電力を増加させてプラズマ雰囲気中
の活性種濃度を高める方法がとられてきた。しかしこの
ような方法では放電電力の増加とともにプラズマ雰囲気
中の荷電粒子の運動エネルギーも増大するため、成膜面
が荷電粒子の衝突で損傷する、云わゆるプラズマ損傷が
顕著になって半導体薄膜の特性が損われ、半導体装置と
しての特性に悪影響を及ぼす欠点があった。基板上に半
導体層が形成されており、更にこの上に別の種類の半導
体層を形成する場合、具体的には非晶質シリコン太陽電
池の製造におけるｐ層又はｎ層を基板上に形成後その上
にｉ層を形成する場合には、この影響が顕著であった。

さらに高性能の薄膜半導体層、特に非晶質シリコン太陽
電池を製造しようとした場合堆積される膜の厚み方向に
組成やドーピング不純物量を変化させて成膜する事が好
ましい。膜の厚さ方向で組成やドーピング不純物量を変
化させて成膜する為には単一の反応室を用いて各層の成
膜ごとに反応ガスを切り替えるか、複数の専用反応室を
連結して反応室ごとに反応ガスを変えて成膜し、順次基
板を移送させる方法が行なわれている。これは単一の反
応室内ではプラズマ雰囲気中のガス組成は空間的にほぼ
均一であり、反応室内に組成の異なったガス雰囲気を適
当に分布させることができないためである。

しかし、何らかの方法で単一反応室内のガス組成に所望
の空間的分布をもたせることが可能ならば、単一の反応
室内で定常的に放電するプラズマ雰囲気中のガス組成の
異なる領域を基板を移送するだけで組成やドーピング量
の異なった複数層を一気に形成することが可能となり、
製造工程及び装置の簡略化が実現される。

また、CVDによるプラズマ雰囲気中で基板上に薄膜半導
体層を形成する手法の一つであるロール・ツー・ロール
方式においても、単一反応室内の反応ガスの組成に所望
の空間分布をもたせることができないために、従来、次
のような欠点が存在した。即ち、ロール・ツー・ロール
方式では定常放電プラズマ中で可撓性の帯状基板を連続
搬送して成膜するために、各反応室には同一組成の反応
ガスを連続的に供給する必要があって一走行で組成やド
ーピングの異なる複数層を形成するためにはその数だけ
の専用反応室が不可欠であった。

更に、複数の反応室をもつロール・ツー・ロール方式に
おいては、各反応室は完全に分離・独立している訳では
なく、基板の通路で連結されている。このため、隣接し
た反応室間で該基板通路を経由して各反応室の反応ガス
の相互混合をさけることができない。この相互混合が作
成しようとする薄膜半導体装置の特性を劣化させる場合
には反応室間の基板通路に一方向性のガスの流れを形成
したり、特開昭58−216475号公報，特開昭59−34668号
公報等に開示の如く、反応室間に専用の緩衝室を設けて
抽気又は差動排気して必要な程度迄ガス分離を行なって
いた。しかし、かかる従来方法ではひとたびこれらガス
分離機構を越えて侵入した隣接反応室の反応ガスは反応
室全域に拡散して反応室内で均一となり、隣接層との界
面の膜厚方向の組成分布や不純物分布のプロファイルの
制御性、例えばゆるやかな傾斜接合にするか、シャープ
な階段接合にするかと云った制御性に乏しかった。

〈目的〉 本発明は上記従来技術の欠点を解消し、高品質の薄膜半
導体装置を高速で形成する為になされたもので、ひとつ
の反応室内においてプラズマ衝撃を低下させ良好な界面
を形成する手段と反応室内の反応ガスの空気分布を制御
し堆積される膜の厚み方向に組成や不純物分布を制御す
る手段を有した薄膜半導体の製造装置を提供する事を目
的とする。

〈発明の構成〉 上述の目的は以下の本発明により達成される。すなわ
ち、本発明は基板を移送しつつ化学的気相分解によるプ
ラズマ雰囲気中で該基板上に所定の半導体層を形成する
薄膜半導体の製造装置において、対向した放電電極の基
板入側の所定範囲の中間に放電電極と平行にプラズマ衝
撃を低下させる多孔板からなる格子電極を少なくとも基
板全巾以上に亘って設けると共に、反応ガスを遮断する
仕切板を基板搬送方向に所定間隔で放電電極面に垂直方
向に配設して、少なくともプラズマ雰囲気を基板通路等
の限られた隙間を除いて基板搬送方向にガス拡散のない
複数の区域に区画し、膜厚方向に所定の組成分布を有す
る薄膜を形成するようになした反応室を有することを特
徴とする薄膜半導体の製造装置である。

上述の本発明は以下のようにしてなされたものである。
すなわち、本発明者らは前述の特開昭59−34668号公報
開示のものと同様な連続プラズマCVD装置で高品質、す
なわち太陽エネルギーの変換効率の高い非晶質シリコン
太陽電池の連続大量生産について検討してきたが、生産
性向上のため堆積速度を上げるために放電電力を大きく
するとその変換効率が下がる現象が観察された。そし
て、その原因の１つはｉ層の形成初期の下層からの不純
物混入に基づくもので、膜形成初期の下層のプラズマ衝
撃に基づくものであることを見出した。そして、この対
策について種々検討の結果放電電極間の基板入側のみに
格子電極を設けることにより格子電極存在部及びその近
傍のみで効果的にプラズマエネルギーが低下し前記プラ
ズマ損傷が防止でき、且つ、格子電極部以外では格子電
極の影響を受けることなく高速膜形成ができることを見
いだした。

さらに高品質ｉ層を形成する為にはｉ層膜中の不純物濃
度、特に、隣接するｐ層を堆積する反応室より混入して
くる極微量のＢ原子濃度のｉ層膜中での厚さ方向分布が
重要である事を見いだした。そしてその制御手段を種々
検討の結果、放電電極間に垂直にガスを遮断する仕切板
を設けてプラズマ雰囲気を区画してもプラズマ放電は影
響されず安定製膜ができることを見出すと共に、ガスを
遮断できる仕切板により区画されたプラズマ雰囲気の各
区域間の反応ガスの流路を基板表面近傍等に限定するこ
とにより、ガス導入口と排気口の基板搬送方向の位置に
より基板搬送方向のガス組成分布を制御できることを見
出した。本発明はこれら知見に基いてなされたものであ
る。

以下本発明の詳細を説明する。

本発明の格子電極は放電電極の基板入側のみに設ける。
その設ける領域は形成する半導体及び格子電極に印加す
るバイアス電圧等に関係し、実験的に定める必要がある
が膜形成速度を考慮すると基板入口から放電電極の半分
まで位の間で適宜選定するのが実用的である。格子電極
の形状は網状体，櫛状等多数の孔を全面に亘って有する
多孔板が使用される。その孔の大きさは、活性種の通過
が出来るだけ阻げない範囲でプラズマを閉じ込めること
ができる範囲で選定され、実際には実験的に定めるが網
状の場合は50番メッシュ以下で選定するのが実用的であ
る。

また、本発明の仕切板はガスを遮断できるものであれば
良く、その材は特に限定されないが、中でもプラズマ損
傷のないものが好ましく、ステンレス等が使用される。
なお、仕切板は反応室と共に接地するのが一般的である
が、浮遊もしくは適当なバイアス電圧を印加させても良
い。そしてその形状は、基板搬送方向のガスの拡散が無
視できるものであれば良く。通常は基板搬送路及び放電
電極面との間に微小な間隙を有するのみで、その他の部
分は完全に遮断し、前記間隙以外ではガス移動のない形
状が選定される。このようにすると間隙部でガス流速が
大となり、ガス拡散の防止がより完全となる点で好まし
い。しかし、反応室内の部材の配置によりガス流路が限
定される場合には該ガス流路を遮断するように仕切板は
設置すれば良いことは云うまでもない。なお、仕切板は
少なくとも基板前面との間にガス流路となるスリットを
有する必要がある。

又仕切板の数及びその間隙は、形成する膜の膜厚方向の
プロファイルに応じて選定される。この選定は実験によ
る。

一方反応ガスの導入口，排気口の配置も、同様に形成す
る膜厚方向のプロファイルに応じて実験により選定され
る。例えば２層膜を形成する場合には夫々の反応ガスの
導入口を反応室の両端に、共通の排気口をその中間に順
次配置すれば良く、又一層膜でその膜内の組成を変化さ
せたい場合は夫々の反応ガスの導入口を反応室の基板搬
送方向の両端部に配置し、その一端に共通の排気口を設
けること等により適当な勾配の組成分布を得ることがで
きる。

なお、本発明は長尺基板上に必要な半導体層を連続的に
順次形成する場合に有利に適用できる。中でも基板上に
既に半導体層が形成され、その上にこれと別種の半導体
層を形成する場合に効果的である。さらに、特開昭58−
216475号公報等の如く複数の反応室を連結したものにお
いて、その一層のプロファイルを制御するのにも適用で
きる。特に非晶質シリコン半導体層の形成、中でも前述
の通り大きな問題を有する非晶質シリコン太陽電池の連
続製造におけるｉ層の形成において大きな効果を奏す
る。

以下、本発明の詳細を非晶質シリコン太陽電池の連続製
造を例に説明する。

〈実施例〉 第１図は上記実施例の非晶質シリコン太陽電池の連続製
造装置の構成図、第２図はその反応室２の断面図であ
る。

その基本構成は前述の特開昭58−216475号公報，特開昭
59−34668号公報開示のものと同じで、ｐ型,i型及びｎ
型の各非晶質シリコン層を形成するCVDプラズマ放電の
各反応室1,2,3及び巻出室18並びに巻取室19をガス隔離
のための緩衝室13で連結し、巻出しロール20から巻取り
ロール21へ基板17をロール・ツー・ロール方式で移送し
つつp,i,nの３層を連続形成する構成となっている。な
お、図の４〜９は放電電極で、図の10は各放電電極に高
周波電力を供給する高周波電源である。

かかる反応室分離型ロール・ツー・ロール方式のCVDプ
ラズマ放電装置で、SiH₄ガス等周知の所定の原料ガスを
各反応室1,2,3に供給してロール状に巻き上げた長尺基
板上にp,i,n形非晶質シリコン膜を順次積層して太陽電
池を形成した。本例では前述の通り太陽電池の特性を左
右するｉ形非晶質シリコン層を形成する反応室２におい
て、対向する放電電極6,7の中間に格子電極22を設置し
た。該格子電極22は可撓性の長尺の基板17の進行方向に
沿って、放電電極6,7の前半1/3を覆うように設けてあ
る。該格子電極22には電源（図示省略）より所定バイア
ス電位を印加するようになっている。格子電極22の材料
はステンレス合金の金網とし、その網の粗さはプラズマ
を閉じ込めるのに充分細かく、かつ、活性種の通過を阻
げない程度に粗いもの、本例では20番メッシュの網目と
した。格子電極22は基板17から25mm離れて設置され（放
電電極間距離は50mm）、＋200〜−200Vの間の適当な値
に直流電圧が設定できる電源によりバイアスされてい
る。

対向する放電電極6,7の中間のプラズマ雰囲気を基板搬
送方向に必要な通路を除いて区画する仕切板11を電極面
に垂直かつ第２図の通り隙間14を除いて反応室の全断面
を遮断するように基板の搬送方向に所定間隔になるよう
に４枚設置した。従って該仕切板11によりプラズマ空間
は、電極面内で複数の区域に区分され、反応室２の基板
搬送方向下流端に設けたガス導入口15から供給された反
応ガスはその上流端部の排気ポート16に達するためには
必ず該仕切板11で設定された隙間14を通って流れる。

なお、前述の通り仕切板11は隙間14を形成するように対
向する放電電力の双方に対して若干の距離を離して設置
されている。この隙間14は１つには反応ガスの通路とし
て、また、パワー電極に対して電気絶縁のため、そして
アース電極に対しては基板17の通路を目的としており、
本実施例では3mmとした。ガス仕切板11の材料は電気的
に導体，不導体のいずれであっても本発明の目的を達す
るが、プラズマ雰囲気中に不純物を放出しないことが必
要である。本例ではステンレス合金で作成し、電気的に
はアースに接地した。

基板17として、本例では厚さ100μｍのポリエチレンテ
レフタリート上のフイルム上に3000Åのアルミ金属と50
Åステンレス合金を順次積層して用い、前述の特開昭59
−34668号公報同様にしp,i,n形の非晶質シリコン層を一
走行で連続成膜した。ｐおよびｎ形の非晶質シリコン膜
の厚さは200〜300Å,i形非晶質シリコン層の厚さは5000
Å程度となるように、放電電力，基板搬送速度，反応ガ
ス圧力を制御した。

ところで本例のロール・ツー・ロール方式では、通常、
隣接するp,n形非晶質シリコンを形成する反応室1,3から
ｉ層を形成する反応室２へB₂H₆及びPH₃ガスが緩衝室13
を経由して微量混入する。

ところで反応室２は前述の構成としてあるので、ｉ形非
晶質シリコンを形成する反応室２において判のガスはｎ
層用の反応室３寄りのガス導入口15から導入されｐ層用
の反応室１寄りの排気口16の方向に流れ、上記混入の拡
散は後述の通り制御される。

第３図に格子電極22に負のバイアス電位（−20V）を印
加し、放電電極6,7に印加する高周波電力を変えてｉ形
非晶質シリコン層を成膜した場合の、太陽電池特性（変
換効率）と放電電力の関係を実線Ａで示した。当然のこ
とながら、放電電力の増加は第３図に同時に示したよう
に堆積速度を上昇させ、高速成膜に対応している。本発
明による製造方法では、第３図の実線Ａ′に示すごと
く、放電電力が増加しても太陽電池の特性の悪化はほと
んど見られない。

一方、格子電極22を除いた上述の装置で全く同様にして
形成した太陽電池の特性は、第３図に破線Ｂ′で示した
ごとく、放電電力の増加に伴って太陽電池特性が低下し
た。

さらに格子電極22は設置した状態で、仕切板11のみを除
いた上述の装置で全く同様にして形成した太陽電池の特
性は、第３図に一点鎖線Ｃ′で示したごとく、全ての放
電電力領域で仕切板11を設けた実線Ａ′に比して太陽電
池特性が低下した。以上の通り本発明にもとづいて作成
した太陽電池はその特性が向上しており、本発明の有効
性が確認された。

一方、本実施例で成膜したp,i,n積層型の非晶質シリコ
ン膜について、ボロン（Ｂ）原子のデプスプロファイル
を二次イオン質量分析法（SiMS）で測定した結果を第４
図に実線Ａで示す。比較のために、他の条件は同じに、
仕切板11を設置しない従来装置の場合により形成した同
じp,i,n積層型の非晶質シリコン膜の分析結果を破線Ｂ
で同図に示した。

仕切板11を設けない従来装置の場合には隣接反応室1,3
から混入したB₂H₆ガスがｉ層用の反応室２全体に均一に
拡散する結果、ｉ層中のＢ原子の膜厚方向の濃度プロフ
ァイルはフラットになっている。一方、仕切板11を設置
した実施例の場合はｐ層とｉ層との界面におけるＢ原子
の組成プロファイルは切れが急峻になっており、また、
ｉ層中のプロファイルは一定の勾配の傾斜をもっている
ことがわかる。この結果は、仕切板11によってｉ反応室
２のプラズマ空間を区分することにより、同一反応室内
であってもｎ層用の反応室３寄りの部分からｐ層用の反
応室１寄りの部分に亘ってプラズマ雰囲気中の反応ガス
の組成が一定の空間分布を有することを示している。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の非晶質シリコン太陽電池の製造装置の
構成説明図，第２図は第１図の反応室２の仕切板11での
断面図，第３図は実施例で得られた太陽電池の特性を示
すグラフ，第４図は該実施例でのｉ層中のＢ原子分布を
示すグラフである。 1,2,3:反応室、11:仕切板 13:緩衝室、14:隙間 17:基板、22:格子電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板を移送しつつ化学的気相分解によるプ
   ラズマ雰囲気中で基板上に所定の半導体層を形成する薄
   膜半導体の製造装置に於いて、対向した放電電極の基板
   入側の所定範囲の中間に放電電極と平行にプラズマ衝撃
   を低下させる多孔板からなる格子電極を少なくとも基板
   全巾以上に亘って設けると共に、反応ガスを遮断する仕
   切板を基板搬送方向に所定間隔で放電電極面に垂直方向
   に配設して、少なくともプラズマ雰囲気を基板通路等の
   限られた隙間を除いて基板搬送方向にガス拡散のない複
   数の区域に区画し、膜厚方向に所定の組成分布を有する
   薄膜を形成するようになした反応室を有することを特徴
   とする薄膜半導体の製造装置。
2. 【請求項２】仕切板は前記隙間を除いて反応室の全断面
   を遮断するように設けられている特許請求の範囲第１項
   記載の薄膜半導体の製造装置。
3. 【請求項３】前記基板が可撓性の長尺の基板であり、ロ
   ール・ツー・ロール方式で搬送される請求項第１項若し
   くは第２項記載の薄膜半導体の製造装置。