JP2009239160A - Plasma cvd device and plasma cvd method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はプラズマCVD装置及びプラズマCVD法に関するものである。特にシリコン薄膜太陽電池や、薄膜トランジスタなどに利用される高品質なアモルファスシリコン薄膜を形成する、ためのプラズマCVD装置及びプラズマCVD法に関するものである. The present invention relates to a plasma CVD apparatus and a plasma CVD method. In particular, the present invention relates to a plasma CVD apparatus and a plasma CVD method for forming high-quality amorphous silicon thin films used for silicon thin film solar cells and thin film transistors.
従来、太陽電池に用いられるようなアモルファスシリコン薄膜を作製するための技術としてプラズマCVD法が採用されている。このような従来のプラズマCVD装置を図3に示す.図3に示す従来のプラズマCVD装置1には真空度を保持する排気系を備えた真空容器2内には放電電極3と、基板を保持する接地電極4が設置されている。接地電極4上には基板5が保持されており、接地電極4の内部には基板を加熱するための加熱機構7が内蔵されている。原料ガスは放電電極3内部へと絶縁物を介しガス供給管10により供給され、放電電極3の内部を通じシャワープレート13より、基板5上へ均一に導入される。また放電電極3には高周波電源9が接続されており、排気系により一定の圧力に保持し、放電電極3に高周波電力を印加して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する。
Conventionally, a plasma CVD method has been adopted as a technique for producing an amorphous silicon thin film used in a solar cell. Such a conventional plasma CVD apparatus is shown in FIG. In the conventional
このようなアモルファスシリコン薄膜の形成に際し、高品質な膜を得るためには、未結合種である欠陥(ダングリングボンド)が少なく、高次シラン((SiH2)n:n=2〜5)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手段として基板表面温度は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、またこれより高温となると表面からの水素の脱離が発生し欠陥が多くなったり、太陽電池を作製する際に下地へのダメージが問題になったりするからである。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3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からである(非特許文献2)。この高次シランはアモルファスシリコンの光劣化を引き起こすものとして膜中への取り込みは出来るだけ抑えられなければならない。 In forming such an amorphous silicon thin film, in order to obtain a high quality film, there are few defects (dangling bonds) which are unbonded species, and higher order silane ((SiH 2 ) n: n = 2 to 5). Must be suppressed. A substrate surface temperature of 220 ° C. to 250 ° C. is suitable as a means for suppressing such defects (Non-patent Document 1). If the temperature is lower than this range, the surface reaction on the amorphous silicon thin film surface during film formation is suppressed, resulting in a film having many defects, and if the temperature is higher than this range, desorption of hydrogen from the surface occurs. This is because the number of defects increases or damage to the base becomes a problem when a solar cell is manufactured. The gas temperature in the plasma is also an important factor. This is because when the gas temperature in the plasma is lowered, the three-body reaction that occurs when the higher-order silane is generated is promoted, and there is a concern that higher-order silane is taken into the film (Non-Patent Document 2). Since this higher order silane causes photodegradation of amorphous silicon, the incorporation into the film must be suppressed as much as possible.
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。例えば特許文献1ではプラズマ雰囲気中に導入する反応ガスを加熱し、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)。
しかしながら、上記のようにガス加熱を行ったとしても、シャワーヘッド内から真空チャンバ内にガスを導入しようとすると流速は数m/s以上となり、ガス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。そのため設置する電極を加熱し、ガラス裏面より加熱しても、表面がガスにより冷やされた場合、ガラス表層の温度が下がってしまうことは十分考えられる。またいくら加熱が可能であったとしてもシャワーヘッド内から真空容器内に導入された際に圧力差によって断熱膨張をおこし、周囲の温度を下げてしまうことが予想される。 However, even if gas heating is performed as described above, the flow rate becomes several m / s or more when gas is introduced from the shower head into the vacuum chamber, and the ability of the heating mechanism is real even if gas heating is performed. There is a problem that is not appropriate. Glass generally used as a substrate is a material having low thermal conductivity. Therefore, even if the electrode to be installed is heated and heated from the back surface of the glass, it is considered that the temperature of the glass surface layer is lowered when the surface is cooled by gas. Moreover, no matter how much heating is possible, it is expected that when introduced from the shower head into the vacuum vessel, adiabatic expansion occurs due to the pressure difference, and the ambient temperature is lowered.
本発明は上記のような事情を鑑みてなされたものであり、欠陥が低く、高次シランの混入のない高品質なアモルファスシリコン薄膜を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to obtain a high-quality amorphous silicon thin film that has low defects and does not contain higher-order silane.
上記課題を解決するために、本発明のプラズマCVD装置は、
真空容器と、
該真空容器内の真空度を保持する排気系と、
被成膜基板を置くための接地電極と、
該被成膜基板を加熱するための加熱機構と、
原料ガスを供給可能な放電電極と、
該原料ガスにプラズマを発生させるために該放電電極に高周波電力を印加する高周波電源と、を備えた平行平板型プラズマCVD装置において、
該放電電極には該真空容器内に原料ガスを供給するための凹部が設けられており、該凹部の壁面には原料ガスを凹部内に供給するための原料ガス供給孔が設けられており、該原料ガス供給孔は原料ガスを該凹部内に凹部の壁面に向けて放出するように形成されていることを特徴とするものである。
In order to solve the above problems, the plasma CVD apparatus of the present invention is:
A vacuum vessel;
An exhaust system for maintaining the degree of vacuum in the vacuum vessel;
A ground electrode for placing a deposition substrate;
A heating mechanism for heating the film formation substrate;
A discharge electrode capable of supplying a source gas;
In a parallel plate type plasma CVD apparatus comprising: a high frequency power source that applies high frequency power to the discharge electrode to generate plasma in the source gas;
The discharge electrode is provided with a recess for supplying the source gas into the vacuum vessel, and the wall surface of the recess is provided with a source gas supply hole for supplying the source gas into the recess, The source gas supply hole is formed so as to discharge the source gas into the recess toward the wall surface of the recess.
また、本発明のプラズマCVD法は、
真空容器内を真空に保持し、
放電電極から原料ガスを供給し、
放電電極に高周波電力を印加して原料ガスにプラズマを発生させ、
接地電極に置かれて加熱されている被成膜基板に薄膜を形成するプラズマCVD法において、
該放電電極には該真空容器内に原料ガスを供給するための凹部が設けられており、該凹部の壁面から凹部内に凹部の壁面に向けて原料ガスを放出することを特徴とするものである。
Moreover, the plasma CVD method of the present invention comprises:
Hold the vacuum container in a vacuum,
Supply raw material gas from the discharge electrode,
Apply high frequency power to the discharge electrode to generate plasma in the source gas,
In the plasma CVD method of forming a thin film on a deposition target substrate placed on a ground electrode and heated,
The discharge electrode is provided with a recess for supplying a source gas into the vacuum vessel, and the source gas is discharged from the wall surface of the recess into the recess toward the wall surface of the recess. is there.
本発明によれば、原料ガスが放電電極の凹部内に凹部の壁面に向けて放出されることにより、原料ガス流が直接基板に到達するのを防ぎ、原料ガス流が被成膜基板から熱を奪うことを防ぎ、被成膜基板表面温度の低下を防ぐことができる。その結果、低欠陥密度でかつ、高次シランの混入のな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。 According to the present invention, the source gas is released into the recess of the discharge electrode toward the wall surface of the recess, thereby preventing the source gas flow from directly reaching the substrate, and the source gas flow is heated from the deposition substrate. Can be prevented, and the surface temperature of the film formation substrate can be prevented from lowering. As a result, it is possible to obtain a high-quality amorphous silicon thin film having a low defect density and free from high-order silane.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing embodiments thereof.
[第一実施の形態]
図1は本発明の第一実施の形態によるプラズマCVD装置の構成を示す概略図である。本発明のプラズマCVD装置1には、真空度を保持する排気系を備えた真空容器2と、真空容器2内には放電電極3と、被成膜基板5が置かれる接地電極4が設置されている。被成膜基板5は接地電極4上に動かないように置かれていればよく、例えば接地電極4に座繰りを設けて被成膜基板5をその中に置いたり、別の治具で被成膜基板5を接地電極4に押し付けてもよい。また接地電極4の内部には被成膜基板5を加熱するための加熱機構7が内蔵されている。図1では加熱機構7は接地電極4に内蔵されているが、接地電極を介さずに直接に被成膜基板を加熱する加熱機構を設けてもよい。ただし、真空中では気体を通じた熱伝達が難しいので、加熱機構を設置電極に内蔵するのが効果的な構造である。さらに、放電電極3の内部には放電電極を加熱する加熱機構6が内蔵されていることも好ましい。放電電極3の表面には円筒状の穴が配置され、凹部8を形成している。原料ガスは放電電極3内部へと絶縁物を介しガス供給管10により供給され、放電電極3の内部を通じ電極表面の凹部8壁面から同じ凹部8内の別の場所の壁面へ向けて放出され、凹部8内つまり真空容器内に導入される。このようにして、原料ガスを放電電極3の凹部8へと導入し、排気系により一定の圧力に保持した後、放電電極3に接続されている高周波電源9により高周波電力を印加してプラズマを発生させ、被成膜基板表面に薄膜を形成する。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a plasma CVD apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the
このような構成で薄膜を成膜すると、低温の原料ガスが一旦凹部8内にたまり、被成膜基板に直接噴射されるのが防がれるため、熱導電率の低いガラス基板等であっても表面温度を下げることなく成膜が可能である。その結果、薄膜の成長表面での表面反応が促進され欠陥が少ない膜が得られるものと考えられる。また、凹部8内に原料ガスがたまるので、さらに放電電極3を加熱することで原料ガスを効率的に加熱することが可能である。
When a thin film is formed in such a configuration, a low temperature source gas once accumulates in the
凹部8の直径は2mm以上30mm以下が好ましく、さらに好ましくは5mm以上20mm以下であり、放電圧力により凹部8に放電が入り込まない範囲で適宜選択可能である。また凹部8の深さは、凹部8の直径をD(mm)としたときに、D以上5D以下であることが好ましい。凹部8深さがD以上であれば、導入された原料ガスが凹部内を十分に拡散するので好ましい。凹部8深さが深くても効果の発現上問題はないが電極が大きくなるので、現実的には凹部8深さの上限は5D程度である。
The diameter of the
[第二実施の形態]
図2は本発明の好ましい第二実施の形態によるプラズマCVD装置の構成を示す概略図である。本発明の第一実施の形態との違いは、さらに放電電極3の凹部8の開口側に、凹部8の開口の開孔率を制限するものとして貫通孔を有する表面プレート11を設置した。開孔率を制限する目的としては、凹部へ放電が集中することを防ぐためである。凹部へ放電が集中すると凹部内部での電子温度が上昇し、原料ガスの過剰な分解や、ガス導入穴へ膜が付着してしまう。その結果、被成膜基板上にできる薄膜に特性のムラができてしまう。開孔率に関しては凹部8直径より小さなものであれば制限がないがあまり小さいと基板表面上へ向かう流速が大きくなってしまうため、放電が凹部8に入り込まない範囲で出来るだけ大きなものが良い。このようにして、原料ガスを放電電極3の凹部8の壁面へと導入し、排気系により一定の圧力に保持した後、放電電極3に接続されている高周波電源9により高周波電力を印加してプラズマを発生させ、被成膜基板表面に薄膜を形成する。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a schematic view showing a configuration of a plasma CVD apparatus according to a second preferred embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment of the present invention is that a
また表面プレートに施されている凹部8へのプラズマの進入を防ぐ手段として貫通孔でなく、同様の理由で凹部直径を狭めるためのパンチングプレート状のものでもかまわない。
Further, as a means for preventing the plasma from entering the
このような構成で薄膜を成膜すると、第一実施形態と同様の優れた薄膜が得られ、さらに凹部への放電の集中を防げるので、凹部の形状自由度も上げることができる。 When a thin film is formed in such a configuration, an excellent thin film similar to that of the first embodiment can be obtained, and further, the concentration of discharge in the concave portion can be prevented, so that the degree of freedom in the shape of the concave portion can be increased.
次に第一実施の形態のプラズマCVD装置、第二実施の形態のプラズマCVD装置、従来のプラズマCVD装置を用いて基板上へアモルファスシリコン薄膜を形成した場合の結果について説明する。欠陥密度は石英上へ成膜したアモルファスシリコン薄膜をESRを用いて測定した。また高次シランの混入の指標としてシリコン基板に成膜したアモルファスシリコン薄膜をFTIRを用いて(SiH2)密度を測定した。 Next, the results when an amorphous silicon thin film is formed on a substrate using the plasma CVD apparatus of the first embodiment, the plasma CVD apparatus of the second embodiment, and a conventional plasma CVD apparatus will be described. The defect density was measured using ESR on an amorphous silicon thin film formed on quartz. In addition, the density of an amorphous silicon thin film formed on a silicon substrate as an index of the inclusion of higher order silane was measured using FTIR (SiH 2 ).
(実施例1)
図1に示される第一実施形態のプラズマCVD装置を用いてアモルファスシリコン薄膜を形成した。放電電極3は150mm角、放電電極3と基板5との距離は30mmとした。放電電極3表面に形成される凹部8の中心の間隔は20mmとし、6列×6列配置した。凹部8は直径8mm、深さ20mmとした。放電電極3および、接地電極4の加熱源の温度は放電電極3を250℃、接地電極4が240℃とした。放電には60MHzの高周波を用い高周波パワー密度0.1W/cm2、SiH4流量15sccm、水素流量50sccm、真空容器内の圧力を30Paとして40mm範囲に厚さ4000Åのアモルファスシリコン薄膜を形成した。このとき得られたアモルファスシリコン薄膜の欠陥密度は5×1015cm−3であり、(SiH2)密度は1%以下であった。
Example 1
An amorphous silicon thin film was formed using the plasma CVD apparatus of the first embodiment shown in FIG. The
(比較例1)
図3に示される従来のプラズマCVD装置を用いてアモルファスシリコン薄膜を形成した。放電電極3は150mm角、放電電極3と基板5との距離は30mmとした。放電電極3および、接地電極4の加熱源の温度は放電電極3を250℃、接地電極4が240℃とした。放電には60MHzの高周波を用い高周波パワー密度0.1W/cm2、SiH4流量15sccm、水素流量50sccm、真空容器内の圧力を30Paとして40mm範囲に厚さ4000Åのアモルファスシリコン薄膜を形成した。このとき得られたアモルファスシリコン薄膜の欠陥密度は8×1015cm−3であり、(SiH2)密度は4%であった。
(Comparative Example 1)
An amorphous silicon thin film was formed using the conventional plasma CVD apparatus shown in FIG. The
(実施例2)
図2に示される第二実施形態のプラズマCVD装置を用いてアモルファスシリコン薄膜を形成した。凹部8の開口側に、凹部8の開口の開孔率を制限する直径6mmの貫通孔を有する表面プレートを設置した。真空容器内の圧力を100Paとし、それ以外の成膜条件は実施例2と同様にしてアモルファスシリコン薄膜の成膜を行った。特定の凹部にプラズマが集中することもなく、均一な放電が確認された。このとき得られたアモルファスシリコン薄膜の欠陥密度は7×1015cm−3であり、(SiH2)密度は1%以下であった。
(Example 2)
An amorphous silicon thin film was formed using the plasma CVD apparatus of the second embodiment shown in FIG. On the opening side of the
(まとめ)
実施例1および比較例1との比較から明らかなように、同一条件で成膜されているのにも関わらず、本発明にかかる第一実施形態に示されるプラズマCVD装置を用いると、アモルファスシリコン薄膜中の欠陥密度および(SiH2)密度が低く抑えられることが分かる。
(Summary)
As is apparent from the comparison with Example 1 and Comparative Example 1, when the plasma CVD apparatus shown in the first embodiment according to the present invention is used, amorphous silicon is formed even though the film is formed under the same conditions. It can be seen that the defect density and (SiH 2 ) density in the thin film can be kept low.
また、実施例2より、本発明にかかる第二実施形態に示されるプラズマCVD装置においては、真空容器内の圧力を高くした場合においても、均一な放電が得られ、アモルファスシリコン薄膜中の欠陥密度および(SiH2)密度が低く抑えられることがわかる。 Further, from Example 2, in the plasma CVD apparatus shown in the second embodiment according to the present invention, even when the pressure in the vacuum vessel is increased, uniform discharge is obtained, and the defect density in the amorphous silicon thin film is obtained. It can be seen that the (SiH 2 ) density can be kept low.
1 プラズマCVD装置
2 真空容器
3 放電電極
4 接地電極
5 基板
6 放電電極加熱機構
7 基板加熱機構
8 放電電極上に設けられた凹部
9 高周波電源
10 ガス供給管
11 表面プレート
12 開口率制御部
13 シャワープレート
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該真空容器内の真空度を保持する排気系と、
被成膜基板を置くための接地電極と、
該被成膜基板を加熱するための加熱機構と、
原料ガスを供給可能な放電電極と、
該原料ガスにプラズマを発生させるために該放電電極に高周波電力を印加する高周波電源と、を備えた平行平板型プラズマCVD装置において、
該放電電極には該真空容器内に原料ガスを供給するための凹部が設けられており、該凹部の壁面には原料ガスを凹部内に供給するための原料ガス供給孔が設けられており、該原料ガス供給孔は原料ガスを該凹部内に凹部の壁面に向けて放出するように形成されているプラズマCVD装置。 A vacuum vessel;
An exhaust system for maintaining the degree of vacuum in the vacuum vessel;
A ground electrode for placing a deposition substrate;
A heating mechanism for heating the film formation substrate;
A discharge electrode capable of supplying a source gas;
In a parallel plate type plasma CVD apparatus comprising: a high frequency power source that applies high frequency power to the discharge electrode to generate plasma in the source gas;
The discharge electrode is provided with a recess for supplying the source gas into the vacuum vessel, and the wall surface of the recess is provided with a source gas supply hole for supplying the source gas into the recess, The source gas supply hole is a plasma CVD apparatus formed so as to discharge source gas into the recess toward the wall surface of the recess.
放電電極から原料ガスを供給し、
放電電極に高周波電力を印加して原料ガスにプラズマを発生させ、
接地電極に置かれて加熱されている被成膜基板に薄膜を形成するプラズマCVD法において、
該放電電極には該真空容器内に原料ガスを供給するための凹部が設けられており、該凹部の壁面から凹部内に凹部の壁面に向けて原料ガスを放出するプラズマCVD法。 Hold the vacuum container in a vacuum,
Supply raw material gas from the discharge electrode,
Apply high frequency power to the discharge electrode to generate plasma in the source gas,
In the plasma CVD method of forming a thin film on a deposition target substrate placed on a ground electrode and heated,
A plasma CVD method in which the discharge electrode is provided with a recess for supplying a source gas into the vacuum vessel, and the source gas is discharged from the wall surface of the recess into the recess toward the wall surface of the recess.
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Cited By (2)
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JP2011171541A (en) * | 2010-02-19 | 2011-09-01 | Toray Eng Co Ltd | Cvd apparatus |
JP2012253347A (en) * | 2011-05-31 | 2012-12-20 | Semes Co Ltd | Apparatus for treating substrate |
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2008
- 2008-03-28 JP JP2008085853A patent/JP2009239160A/en active Pending
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