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JPH04320323A - Semiconductor thin film - Google Patents

Semiconductor thin film

Info

Publication number
JPH04320323A
JPH04320323A JP3087954A JP8795491A JPH04320323A JP H04320323 A JPH04320323 A JP H04320323A JP 3087954 A JP3087954 A JP 3087954A JP 8795491 A JP8795491 A JP 8795491A JP H04320323 A JPH04320323 A JP H04320323A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
film
ion
thickness
semiconductor thin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3087954A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kenji Miyaji
宮地 賢司
Noriyuki Yanagawa
紀行 柳川
Yoshinori Ashida
芦田 芳徳
Nobuhiro Fukuda
福田 信弘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Original Assignee
Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Toatsu Chemicals Inc filed Critical Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Priority to JP3087954A priority Critical patent/JPH04320323A/en
Publication of JPH04320323A publication Critical patent/JPH04320323A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a semiconductor thin film with a crystallizability in an extremely thin-film state for improving performance of an amorphous solar cell. CONSTITUTION:A process for allowing a thin film to be grown while emitting ion onto a growth surface and that for performing only irradiation of ion are repeated and then a title item is a crystallizability semiconductor thin film where a thickness of the thin film which is formed by each repetition is 1 to 100Angstrom and an entire film thickness is 300Angstrom or less, thus enabling a crystallizability semiconductor thin film with a film thickness of 300Angstrom or less which could not be produced by conventional technologies to be formed. Photoelectric conversion efficiency can be improved by applying this thin film to a conductive thin film of an amorphous solar cell.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は非晶質太陽電池の高性能
化に関し、特に、結晶性半導体薄膜を極薄膜状態で形成
する技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to improving the performance of amorphous solar cells, and more particularly to a technique for forming an extremely thin crystalline semiconductor thin film.

【0002】0002

【従来の技術】非晶質太陽電池は、電卓や時計を駆動す
るための出力の小さいエネルギー供給源として既に実用
化されている。しかしながら、太陽光発電用途のように
、 0.1W以上のような出力の大きいエネルギー供給
源としては、性能および安定性に関しては十分とはいえ
ず、性能向上をめざして、各種の検討が実施されている
。しかして、太陽電池の光電変換効率は開放端電圧、短
絡光電流ならびに曲線因子の積で表される。各種の検討
の結果、短絡光電流ならびに曲線因子については、現在
の達成値は理論的に予想される値に近づいてきたが、こ
と開放端電圧は未だ充分改善されていない。
2. Description of the Related Art Amorphous solar cells have already been put into practical use as a low-output energy supply source for driving calculators and watches. However, as an energy supply source with a large output of 0.1W or more, such as in photovoltaic power generation applications, it cannot be said that the performance and stability are sufficient, and various studies have been carried out with the aim of improving performance. ing. Therefore, the photoelectric conversion efficiency of a solar cell is expressed as the product of open circuit voltage, short circuit photocurrent, and fill factor. As a result of various studies, the currently achieved values for the short-circuit photocurrent and fill factor are approaching the theoretically expected values, but the open-circuit voltage, in particular, has not yet been sufficiently improved.

【0003】太陽電池の信頼性向上のために、近年、光
入射側にp層を設けたpin型非晶質太陽電池が検討さ
れている。この非晶質太陽電池において、開放端電圧を
改善するためには、p型半導体薄膜の光電特性を改善せ
ねばならず、特に、光学的バンドギャップの拡大と電気
導電率の向上を同時に行わねばならないところに、技術
の困難性があった。
In order to improve the reliability of solar cells, pin-type amorphous solar cells in which a p-layer is provided on the light incident side have been studied in recent years. In order to improve the open circuit voltage of this amorphous solar cell, it is necessary to improve the photoelectric properties of the p-type semiconductor thin film, and in particular, it is necessary to expand the optical band gap and improve the electrical conductivity at the same time. This was not possible due to technical difficulties.

【0004】これらを満足する材料として、微結晶薄膜
が提案されているが、プラズマCVD法などの従来技術
を用いて、透明電極上にp型微結晶薄膜を形成すべき成
膜条件で薄膜の形成を試みても、結果的には非晶質太陽
電池の開放端電圧は向上していない。この理由として、
pin型非晶質太陽電池のp層として必要十分な50〜
300Åの膜厚において、透明電極上にp型微結晶薄膜
を形成することが困難なためであることが報告されてい
る(例えば、ビー.ゴールドスタイン他「通常のRFグ
ロー放電によって成膜されたp型 SiC:H微結晶薄
膜の特性」、アプライドフィジックス  レター、53
巻、2672〜2674頁、1988年発行(B.Go
ldstein et al.,”Propertie
s of p+ microcrystalline 
films of SiC:H deposited 
by conventional rf glow d
ischarge”, Applied Physic
s letters, 53, p2672〜2674
 (1988))。つまり、50〜 300Åの膜厚に
おいては結晶化せず、高抵抗化しており、曲線因子も低
く、開放端電圧の改善も得られない。一方、ECR(E
lectron CyclotronResonane
) プラズマCVD法を用いてp層を形成した場合は、
開放端電圧の改善および光電変換効率の向上が報告され
ているが、本法ではイオン衝撃による下地材料への損傷
が激しく、本法によって得られるp型微結晶薄膜の特性
を十分に引き出せていないのが現状である(例えば、ユ
タカ.ハットリ他「ECR−CVDで形成したp型微結
晶 SiC膜を用いた高効率アモルファスヘテロ接合太
陽電池」テクニカル  ダイジェスト  オブ  イン
ターナショナル PVSEC−3、171 〜174頁
、1987年発行(Y.Hattori et al.
, ”High Efficiency Amorph
ous Heterojunction Solar 
cell Employing ECR−CVD Pr
oduced p−Type Microcrysta
lline SiC Film”, Technica
l Digest of the Internati
onal PVSEC−3、p.171 〜174(1
987))。
A microcrystalline thin film has been proposed as a material that satisfies these requirements, but it is difficult to form a thin film using conventional techniques such as plasma CVD under film-forming conditions to form a p-type microcrystalline thin film on a transparent electrode. Despite attempts to form amorphous solar cells, the open-circuit voltage of amorphous solar cells has not improved. The reason for this is
50~ which is necessary and sufficient for the p layer of a pin type amorphous solar cell
It has been reported that this is because it is difficult to form a p-type microcrystalline thin film on a transparent electrode at a film thickness of 300 Å (for example, B. Goldstein et al. “Characteristics of p-type SiC:H microcrystalline thin films”, Applied Physics Letters, 53
Volume, pp. 2672-2674, published 1988 (B.Go
ldstein et al. ,”Property
s of p+ microcrystalline
films of SiC:H deposited
by conventional rf glow d
Applied Physics
s letters, 53, p2672-2674
(1988)). In other words, at a film thickness of 50 to 300 Å, the film does not crystallize, has a high resistance, has a low fill factor, and cannot improve the open circuit voltage. On the other hand, ECR(E
lectron Cyclotron Resonane
) When the p layer is formed using the plasma CVD method,
Improvements in open-circuit voltage and photoelectric conversion efficiency have been reported, but this method causes severe damage to the underlying material due to ion bombardment, and the characteristics of the p-type microcrystalline thin film obtained by this method cannot be fully exploited. (For example, Hattori Yutaka et al., "High-efficiency amorphous heterojunction solar cell using p-type microcrystalline SiC film formed by ECR-CVD," Technical Digest of International PVSEC-3, pp. 171-174, 1987. Published in 2013 (Y. Hattori et al.
, ”High Efficiency Amorph
ous Heterojunction Solar
Cell Employing ECR-CVD Pr
oduced p-Type Microcrysta
lline SiC Film”, Technica
Digest of the International
onal PVSEC-3, p. 171 to 174 (1
987)).

【0005】近年、成膜後、マイクロ波プラズマや高周
波プラズマ等で発生させた原子状水素で処理することを
繰り返すことにより、微結晶薄膜を得られることが報告
されているが、これらについては、全膜厚が 300Å
以下でも微結晶化が可能であるかは言及されていない(
例えば、エー.アサノ「水素化アモルファスシリコンお
よび微結晶シリコン薄膜の網目構造に対する水素原子の
影響」、アプライド  フィジックス  レター、56
巻、533 〜535 頁、1990年発行 (A.A
sano, ”Effects ofhydrogen
 atoms on the network str
ucture of hydrogenated am
orphous and microcrystall
ine silicon thin films”, 
Applied Physics letters, 
56, p.533〜535  (1990))、イサ
ム.シミズ他「低基板温度での結晶性シリコンの成長に
対する化学反応制御」、マテリアル  リサーチ  ソ
サエティー  シンポジウム  プロシーディング、1
64 巻、195 〜204 頁、1990年発行(I
.Shimizu et al.,”CONTROLO
F CHEMICAL REACTIONS FOR 
GROWTH OF CRYSTALLINE Si 
AT LOW SUBSTRATE TEMPERAT
URE”, Materials Research 
Society Symposium Proceed
ing Vol.164, p.195 〜204 (
1990)))。
In recent years, it has been reported that microcrystalline thin films can be obtained by repeating treatment with atomic hydrogen generated by microwave plasma, high-frequency plasma, etc. after film formation. Total film thickness is 300Å
It is not mentioned whether microcrystalization is possible in the following (
For example, A. Asano, “Influence of hydrogen atoms on the network structure of hydrogenated amorphous silicon and microcrystalline silicon thin films,” Applied Physics Letters, 56.
Volume, pages 533-535, published in 1990 (A.A.
sano, ``Effects of hydrogen
atoms on the network str
structure of hydrogenated am
orphous and microcrystall
ine silicon thin films”,
Applied Physics letters,
56, p. 533-535 (1990)), Isamu. Shimizu et al. “Chemical reaction control for crystalline silicon growth at low substrate temperatures”, Materials Research Society Symposium Proceedings, 1
Volume 64, pages 195-204, published in 1990 (I
.. Shimizu et al. ,”CONTROLO
F CHEMICAL REACTIONS FOR
GROWTH OF CRYSTALLINE Si
AT LOW SUBSTRATE TEMPERAT
Materials Research
Society Symposium Proceedings
ing Vol. 164, p. 195 ~ 204 (
1990))).

【0006】また、900 〜1000Åのシリコン薄
膜を形成後、イオンビームで処理することにより、微結
晶薄膜が得られることも報告されているが、これらの場
合、keV 〜MeV オーダーの高エネルギ−のイオ
ンを照射しなければならず(例えば、ジェー.エス.イ
ム他「アモルファスシリコン薄膜内でのイオン照射によ
る結晶核生成」アプライド  フィジックス  レター
、57巻、1766〜1768頁、1990年発行 (
J.S.Imet al., ”Ion irradi
ation enhanced crystal nu
cleation in amorphous Si 
thin films”, Applied Phys
ics letters, 57, p.1766 〜
1768 (1990))、シー.スピネラ他「化学気
相堆積法によるアモルファスシリコンへのイオンビーム
照射下での粒成長機構」アプライド  フィジックス 
 レター、57巻、554 〜556 頁、1990年
発行(C.Spinella et al., ”Gr
ain growth kinetics durin
g ion beam irradiation of
 chemical vapor deposited
 amorphous silicon”, Appl
ied Physics letters, 57, 
p.554 〜556 (1990)))、下地材料へ
の損傷が生じること、並びに、装置が極めて大型で高価
なものになり、実用的でない。
It has also been reported that a microcrystalline thin film can be obtained by forming a silicon thin film with a thickness of 900 to 1000 Å and then treating it with an ion beam. ions must be irradiated (for example, J.S. Im et al., "Crystal Nucleation by Ion Irradiation in Amorphous Silicon Thin Films," Applied Physics Letters, Vol. 57, pp. 1766-1768, published in 1990 (
J. S. Imet al. , ”Ion irradi
ation enhanced crystal nu
creation in amorphous Si
thin films”, Applied Phys
ics letters, 57, p. 1766 ~
1768 (1990)), C. Spinella et al. “Grain growth mechanism under ion beam irradiation of amorphous silicon by chemical vapor deposition” Applied Physics
Letters, Vol. 57, pp. 554-556, published in 1990 (C. Spinella et al., “Gr.
ain growth kinetics durin
g ion beam irradiation of
chemical vapor deposited
amorphous silicon”, Appl
ied Physics letters, 57,
p. 554-556 (1990))), damage to the underlying material occurs and the device becomes extremely large and expensive, making it impractical.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来不可能
であった極薄膜状態(300Å以下)で結晶性を有する
薄膜を得ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to obtain a thin film having crystallinity in an extremely thin film state (300 Å or less), which was previously impossible.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するため、鋭意検討した結果、成長表面へ1ke
V以下の低エネルギーイオンを照射しながら 100Å
以下の極薄膜を形成後、更にイオン照射を継続すること
により膜の結晶化が促進され、その工程を繰り返すこと
により、300 Å以下の膜厚でも結晶性を有する半導
体薄膜を形成することが可能であることを見出し、本発
明を完成した。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present inventors have made extensive studies and have found that
100Å while irradiating with low energy ions below V
After forming the ultra-thin film shown below, crystallization of the film is promoted by continuing ion irradiation, and by repeating this process, it is possible to form a semiconductor thin film with crystallinity even at a film thickness of 300 Å or less. They found that this is the case, and completed the present invention.

【0009】本発明は、荷電粒子を含む雰囲気で薄膜形
成を行う工程(以下、成膜工程と略称する)と薄膜形成
原料の供給を停止して当該薄膜形成表面に荷電粒子のみ
を導く工程(以下、改質工程と略称する)とを繰り返し
、かつ、両工程の一回づつの繰り返しにおいて形成され
る薄膜の厚みが1から 100Åである全膜厚が 30
0Å以下の結晶性半導体薄膜である。
The present invention comprises a step of forming a thin film in an atmosphere containing charged particles (hereinafter referred to as a film forming step) and a step of stopping the supply of the thin film forming raw material to guide only the charged particles to the surface on which the thin film is to be formed. (hereinafter abbreviated as "modification step"), and the thickness of the thin film formed in each repetition of both steps is 1 to 100 Å, and the total film thickness is 30 Å.
It is a crystalline semiconductor thin film of 0 Å or less.

【0010】成膜工程は、その薄膜成長を荷電粒子を含
む雰囲気で行うことに特徴を有し、薄膜形成原料の供給
手段、即ち成膜手段自体は、特に限定されるものではな
い。具体的には、真空蒸着、スパッタリング、イオンプ
レーティングなどの物理的成膜方法や光CVD、プラズ
マCVDなどの化学気相成膜(CVD)法により実施さ
れる。荷電粒子を含む雰囲気とは、陽イオンまたは陰イ
オンを含む雰囲気を発生させ、基板にバイアス電圧を印
加する等の手段により、基板の薄膜表面に導く(衝突さ
せる) ものである。
The film forming process is characterized in that the thin film is grown in an atmosphere containing charged particles, and the means for supplying the thin film forming raw material, that is, the film forming means itself is not particularly limited. Specifically, this is carried out by a physical film forming method such as vacuum evaporation, sputtering, or ion plating, or a chemical vapor deposition (CVD) method such as optical CVD or plasma CVD. The atmosphere containing charged particles is one in which an atmosphere containing cations or anions is generated and guided (collided) with the thin film surface of the substrate by means such as applying a bias voltage to the substrate.

【0011】一方、改質工程とは、成膜工程での薄膜形
成原料の供給を停止し、荷電粒子を含む雰囲気のみ継続
させ、基板の薄膜形成表面に導き(衝突させ)、半導体
薄膜の性質を改善する工程である。
On the other hand, in the modification process, the supply of the thin film forming raw material in the film forming process is stopped, and only the atmosphere containing charged particles is continued, which is introduced (collided) with the thin film forming surface of the substrate to change the properties of the semiconductor thin film. It is a process to improve

【0012】以下に、効果的な物理的成膜方法を説明す
る。前述したように、成膜工程での荷電粒子を含む雰囲
気は、これから説明する物理的成膜方法や化学気相成膜
法と併せて行われるものであるが、独立に制御できるも
のであり、改質工程での荷電粒子を含む雰囲気と同じ発
生方法であるので、効果的な発生法などについては、後
述する改質工程の具体的な項で説明する。
An effective physical film forming method will be explained below. As mentioned above, the atmosphere containing charged particles in the film formation process is performed in conjunction with the physical film formation method and chemical vapor deposition method described below, but it can be controlled independently. Since this is the same generation method as the atmosphere containing charged particles in the modification process, effective generation methods will be explained in the specific section on the modification process described later.

【0013】成膜のための出発原料として、シリコン、
炭化シリコン、窒化シリコン、シリコン−ゲルマニウム
合金または複合粉末、シリコン−錫合金または複合粉末
などの元素や化合物、合金を効果的に用いることができ
る。この他にも炭素、ゲルマニウム、錫等の元素、化合
物、合金を用いることもできる。
As starting materials for film formation, silicon,
Elements, compounds, and alloys such as silicon carbide, silicon nitride, silicon-germanium alloy or composite powder, silicon-tin alloy or composite powder can be effectively used. Other than these, elements, compounds, and alloys such as carbon, germanium, and tin can also be used.

【0014】成膜条件は、薄膜成長中にイオンを照射す
る以外には、とくに限定されるものではなく、アルゴン
、キセノン、ヘリウム、ネオン、クリプトン等の希ガス
、水素、炭化水素、フッ素、窒素、酸素ガス等の雰囲気
で成膜することができる。具体的な条件として、ガス流
量は、0.1 〜 100sccm、反応圧力は、0.
0001mtorr 〜100mtorrの範囲である
。また、成膜速度に応じて、流量、圧力、電力等の成膜
条件は適宜選択される。
The film forming conditions are not particularly limited, except that ions are irradiated during thin film growth, and rare gases such as argon, xenon, helium, neon, and krypton, hydrogen, hydrocarbons, fluorine, and nitrogen are used. The film can be formed in an atmosphere of , oxygen gas, or the like. As specific conditions, the gas flow rate is 0.1 to 100 sccm, and the reaction pressure is 0.1 to 100 sccm.
The range is from 0001 mtorr to 100 mtorr. Further, film forming conditions such as flow rate, pressure, and electric power are appropriately selected depending on the film forming rate.

【0015】成膜温度については、基板温度を管理する
ことで成膜が行われる。温度範囲は、基本的には制約を
うけるものではないが、改質工程に適合させて温度を設
定することが好ましい。具体的には、500 ℃以下の
温度範囲で選択される。
Regarding the film formation temperature, film formation is performed by controlling the substrate temperature. Although the temperature range is basically not subject to any restrictions, it is preferable to set the temperature in accordance with the reforming process. Specifically, it is selected within a temperature range of 500°C or less.

【0016】次に、効果的な化学気相成膜法の具体的示
例をに示す。
Next, a specific example of an effective chemical vapor deposition method will be shown below.

【0017】成膜のための原料ガスとして、一般式Si
n H2n+2(nは自然数)で表されるモノシラン、
ジシラン、トリシラン、テトラシランなどシラン化合物
やフッ化シラン、有機シラン、炭化水素、ゲルマン化合
物などが用いられる。また、水素、重水素、フッ素、塩
素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプト
ン、窒素などのガスを原料ガスとともに導入しても良い
。これらのガスを用いる場合には、原料ガスに対して、
0.01〜100 %(容積比率)の範囲で用いると効
果的であり、成膜速度や膜特性を考慮して適宜選択され
るものである。
As a raw material gas for film formation, general formula Si
Monosilane represented by n H2n+2 (n is a natural number),
Silane compounds such as disilane, trisilane, and tetrasilane, fluorinated silanes, organic silanes, hydrocarbons, and germane compounds are used. Further, a gas such as hydrogen, deuterium, fluorine, chlorine, helium, argon, neon, xenon, krypton, or nitrogen may be introduced together with the raw material gas. When using these gases, for the raw material gas,
It is effective when used in a range of 0.01 to 100% (volume ratio), and is appropriately selected in consideration of the film formation rate and film characteristics.

【0018】成膜条件については、物理的成膜方法と同
様に、薄膜成長中に荷電粒子を含む雰囲気で行うこと以
外にはとくに限定されるものではない。具体的な条件を
以下に開示する。
[0018] As with the physical film forming method, there are no particular limitations on the film forming conditions, other than that the thin film is grown in an atmosphere containing charged particles. The specific conditions are disclosed below.

【0019】光CVDは、低圧水銀ランプや重水素ラン
プや希ガスランプなどの、波長350nm以下の紫外光
源を用いて原料ガスを分解し成膜が行われる。成膜時の
条件として、ガス流量1〜 100sccm、反応圧力
15mtorr 〜大気圧、基板温度 200〜 60
0℃、基板の耐熱性、成膜速度から考えられる成膜時間
、改質工程の温度等を考慮すると、より好ましくは、3
00 〜 500℃の範囲において適宜選択される。
In optical CVD, film formation is performed by decomposing a source gas using an ultraviolet light source with a wavelength of 350 nm or less, such as a low-pressure mercury lamp, deuterium lamp, or rare gas lamp. Conditions during film formation include gas flow rate of 1 to 100 sccm, reaction pressure of 15 mtorr to atmospheric pressure, and substrate temperature of 200 to 60 mtorr.
0°C, the heat resistance of the substrate, the film formation time considered from the film formation rate, the temperature of the modification process, etc., more preferably 3.
The temperature is appropriately selected within the range of 00 to 500°C.

【0020】また、プラズマCVDについて、以下に具
体的に示す。放電の方式として、高周波放電、直流放電
、マイクロ波放電、ECR放電等の方式を有効に用いる
ことができる。原料ガスの流量1〜 900sccm、
反応圧力0.001mtorr〜大気圧、電力1mW/
cm2〜 10W/cm2の範囲で十分である。これら
の成膜条件は成膜速度、放電方法に応じ適宜変更される
ものである。基板温度は 200〜 600℃であり、
より好ましくは、 300〜 500℃である。
Further, plasma CVD will be specifically described below. As the discharge method, methods such as high frequency discharge, direct current discharge, microwave discharge, and ECR discharge can be effectively used. Flow rate of raw material gas: 1 to 900 sccm,
Reaction pressure 0.001 mtorr to atmospheric pressure, power 1 mW/
A range of cm2 to 10 W/cm2 is sufficient. These film forming conditions are changed as appropriate depending on the film forming rate and the discharge method. The substrate temperature is 200-600℃,
More preferably, it is 300 to 500°C.

【0021】本発明において、改質工程及び成膜工程に
おける荷電粒子を含む雰囲気とは、非堆積性のガスを用
いた放電により、荷電粒子を発生させ、成長表面に暴露
した雰囲気であり、その雰囲気中にイオン化されていな
いものが存在していても、なんら本発明の効果を妨げる
ものではない。この放電雰囲気に暴露するとともに、基
板にバイアス電圧を印加し、イオン化した成分を効果的
に基板上に導くことは改質方法としてより好ましい手段
である。放電を発生させる方式は高周波放電、直流放電
、マイクロ波放電、ECR放電等を有効に利用すること
ができる。又、イオン発生装置により、効果的にイオン
を発生せしめ、これを基板表面に導くことも本発明にお
いては有用な方法である。具体的には、カウフマン型イ
オン銃やECRイオン銃など種々のイオン発生装置が用
いられる。非堆積性のガスとは、水素、フッ素、フッ素
化合物等の反応性ガス及びアルゴン、ネオン、ヘリウム
、キセノン、クリプトン等の希ガス等であり、水素ガス
、重水素ガス、フッ化水素ガス、フッ素ガス、三フッ化
窒素、四フッ化炭素、アルゴンガス、ネオンガス、ヘリ
ウムガス、キセノンガス、クリプトンガス等を有効に用
いることができる。また、これらのガスの混合物も有効
に用いることができる。
In the present invention, the atmosphere containing charged particles in the modification step and the film forming step is an atmosphere in which charged particles are generated by discharge using a non-depositing gas and exposed to the growth surface. Even if non-ionized substances exist in the atmosphere, this does not impede the effects of the present invention in any way. A more preferable modification method is to expose the substrate to this discharge atmosphere and apply a bias voltage to the substrate to effectively guide the ionized components onto the substrate. As a method for generating discharge, high frequency discharge, direct current discharge, microwave discharge, ECR discharge, etc. can be effectively used. Furthermore, it is also a useful method in the present invention to effectively generate ions using an ion generator and guide them to the substrate surface. Specifically, various ion generators such as a Kauffman ion gun and an ECR ion gun are used. Non-depositional gases include reactive gases such as hydrogen, fluorine, and fluorine compounds, and rare gases such as argon, neon, helium, xenon, and krypton. Gases such as nitrogen trifluoride, carbon tetrafluoride, argon gas, neon gas, helium gas, xenon gas, and krypton gas can be effectively used. Additionally, mixtures of these gases can also be used effectively.

【0022】次に、改質工程の具体的な条件を開示する
。放電を用いる場合には、放電電力1〜500W、非堆
積性のガスの流量5〜 500sccm、圧力0.00
1mtorr〜大気圧の範囲において、発生維持される
。イオン銃を用いる場合には、非堆積性ガスの流量 0
.1〜 50sccm 、圧力0.0001mtorr
 〜100mtorrであり、イオンの発生ならびに十
分の寿命を有する圧力範囲が用いられる。また、イオン
エネルギーとしては、10〜1000eVの範囲で十分
であり、好ましくは 100〜600eVである。イオ
ンのエネルギーをこの範囲を越えて高くすると、改質の
効果よりも、イオンによる損傷やスパッタリング現象が
激しくなり効果的でない。
Next, specific conditions for the modification step will be disclosed. When using discharge, the discharge power is 1 to 500 W, the flow rate of non-depositing gas is 5 to 500 sccm, and the pressure is 0.00.
It is generated and maintained in the range of 1 mtorr to atmospheric pressure. When using an ion gun, the flow rate of non-depositional gas is 0
.. 1~50sccm, pressure 0.0001mtorr
~100 mtorr, a pressure range is used that provides ion generation and sufficient lifetime. Further, the ion energy is sufficient in the range of 10 to 1000 eV, preferably 100 to 600 eV. If the ion energy is increased beyond this range, the damage caused by the ions and the sputtering phenomenon will be more severe than the reforming effect, making it ineffective.

【0023】改質工程における温度条件は基板の温度で
管理される。この基板温度は、成膜工程の基板温度と同
じかあるいはより低い温度であり、室温から600 ℃
、好ましくは、200 〜500 ℃である。
[0023] The temperature conditions in the modification step are controlled by the temperature of the substrate. This substrate temperature is the same as or lower than the substrate temperature in the film forming process, and ranges from room temperature to 600°C.
, preferably 200 to 500°C.

【0024】一回の成膜工程においては、1〜 100
Å、好ましくは3〜50Åの膜厚に形成される。膜厚が
 100Åを越える場合には、本発明の効果が低下する
。また、1Å未満の膜厚においては、実用性の観点から
成膜、改質の繰り返し回数が増加するので好ましくない
。1サイクルに要する時間は、特に限定される要件では
ないが、1000秒以内である。
[0024] In one film forming process, 1 to 100
The film thickness is preferably 3 to 50 Å. When the film thickness exceeds 100 Å, the effect of the present invention decreases. Further, a film thickness of less than 1 Å is not preferable because the number of repetitions of film formation and modification increases from the viewpoint of practicality. The time required for one cycle is not particularly limited, but is within 1000 seconds.

【0025】本発明の半導体薄膜が形成される基板は、
本発明のプロセス温度に耐えること以外には限定される
条件はない。青板ガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラ
ス等の透光性の材料や金属、セラミックス、耐熱性高分
子材料等を基板として使用できる。また、太陽電池やセ
ンサー等に用いられる電極が形成された基板も本発明に
おいて有効に用いられることは勿論である。
The substrate on which the semiconductor thin film of the present invention is formed is:
There are no limiting conditions other than withstanding the process temperatures of the present invention. Translucent materials such as blue plate glass, borosilicate glass, and quartz glass, metals, ceramics, heat-resistant polymer materials, and the like can be used as the substrate. Moreover, it goes without saying that substrates on which electrodes used for solar cells, sensors, etc. are formed can also be effectively used in the present invention.

【0026】[0026]

【実施例】実施例1 本発明を実施するための装置を図1に示す。装置は、シ
リコンを堆積するための電子ビーム蒸着装置(1)及び
イオンを発生するためのイオン発生装置(2)から構成
されている。電子ビーム蒸着装置とイオン発生装置にシ
ャッター(3)を設け、このシャッターの開閉により、
成膜と改質を繰り返すことができる。出発原料として、
高純度シリコンをるつぼにセットし、電子ビームを入射
し、蒸発させた。基板温度は、次の改質工程の温度であ
る 300℃に設定した。イオン発生装置に、水素ガス
 10sccm 、圧力1x10−3torr導入し、
イオンビーム電圧300V、加速電圧 50V印加し、
イオンビームを発生させ、イオンビームのシャッターを
開き、基板(4)にイオンビームを照射した。同時に、
電子ビーム蒸着装置のシャッターを20秒開き、基板上
に20Åシリコン薄膜を蒸着した。次に、電子ビーム蒸
着装置のシャッターを閉じ、イオンビーム照射のみを1
0秒行った。こうして、電子ビーム蒸着装置のシャッタ
ーの開閉を各々の時間間隔で繰り返した。10回の繰り
返しにより約 200Åの薄膜を得た。ここで用いた基
板は、石英ガラス基板又は酸化スズがコートされたガラ
ス基板を用いた。これらの試料の結晶化の有無を調べる
ために、ラマン散乱スペクトルによる評価を行った。そ
の結果を図2に示す。図から明らかなように、本試料は
、シリコン結晶に起因する 520cm−1のラマン散
乱スペクトルが観測され、 200Åの膜厚においても
結晶性の薄膜を得られることが確認できた。
EXAMPLES Example 1 An apparatus for carrying out the present invention is shown in FIG. The apparatus consists of an electron beam evaporator (1) for depositing silicon and an ion generator (2) for generating ions. A shutter (3) is provided on the electron beam evaporation device and the ion generator, and by opening and closing this shutter,
Film formation and modification can be repeated. As a starting material,
High-purity silicon was placed in a crucible, and an electron beam was applied to it to evaporate it. The substrate temperature was set at 300°C, which is the temperature for the next modification step. Introducing hydrogen gas at 10 sccm and pressure at 1 x 10-3 torr into the ion generator,
Applying an ion beam voltage of 300 V and an acceleration voltage of 50 V,
An ion beam was generated, the ion beam shutter was opened, and the substrate (4) was irradiated with the ion beam. at the same time,
The shutter of the electron beam evaporator was opened for 20 seconds to deposit a 20 Å silicon thin film on the substrate. Next, the shutter of the electron beam evaporator is closed and only ion beam irradiation is performed.
It took 0 seconds. In this way, the shutter of the electron beam evaporator was repeatedly opened and closed at each time interval. A thin film of about 200 Å was obtained by repeating this process 10 times. The substrate used here was a quartz glass substrate or a glass substrate coated with tin oxide. In order to investigate the presence or absence of crystallization in these samples, evaluation was performed using Raman scattering spectra. The results are shown in FIG. As is clear from the figure, a Raman scattering spectrum of 520 cm-1 due to silicon crystals was observed in this sample, and it was confirmed that a crystalline thin film could be obtained even at a film thickness of 200 Å.

【0027】実施例2 実施例1において、一回当たりの蒸着厚みならびに改質
時間のみ変更し、それぞれ、約4Åおよび6秒とした。 蒸着厚みの変更は、電子ビーム蒸着装置のシャッターを
開く時間を変更することにより実施した。実施例1にお
いて、電子ビーム蒸着による蒸着速度が約1Å/秒と判
明したので、本実施例においては一回の成膜時間を4秒
とした。蒸着工程−改質工程の50回の繰り返しにより
約 200Åの薄膜を得た。実施例1と同様のラマン散
乱スペクトルを測定した結果、実施例1と同様に 52
0cm−1でのシリコン結晶特有のラマン散乱スペクト
ルを得た。本実施例は、非常に効果的であるが、成膜−
改質の回数が実施例1の5倍以上と多くなっり、かつ、
アモルファスシリコンに起因する 480cm−1のラ
マン散乱スペクトルに対する 520cm−1のラマン
散乱スペクトルの比が半分に減少したことから、結晶化
率が減少していると判断される。
Example 2 In Example 1, only the deposition thickness and modification time per one time were changed to approximately 4 Å and 6 seconds, respectively. The deposition thickness was changed by changing the time for opening the shutter of the electron beam evaporator. In Example 1, the deposition rate by electron beam evaporation was found to be about 1 Å/sec, so in this example, the time for one film formation was set to 4 seconds. A thin film of about 200 Å was obtained by repeating the vapor deposition process and the modification process 50 times. As a result of measuring the same Raman scattering spectrum as in Example 1, 52
A Raman scattering spectrum unique to silicon crystals at 0 cm-1 was obtained. Although this example is very effective, the film formation
The number of times of modification is more than 5 times that of Example 1, and
Since the ratio of the Raman scattering spectrum at 520 cm −1 to the Raman scattering spectrum at 480 cm −1 due to amorphous silicon decreased by half, it was determined that the crystallinity rate decreased.

【0028】実施例3 実施例1において、一回当たりの蒸着厚みならびに改質
時間のみ変更し、それぞれ、約80Åおよび10秒とし
た。 蒸着厚みの変更は電子ビーム蒸着装置のシャッターを開
く時間を変更することにより実施した。実施例1におい
て、電子ビーム蒸着による蒸着速度が約1Å/秒と判明
したので、本実施例においては一回の成膜時間を80秒
とした。蒸着工程−改質工程の3回の繰り返しにより約
 240Åの薄膜を得た。実施例1と同様のラマン散乱
スペクトルを測定した結果、実施例1と同様に 520
cm−1でのシリコン結晶特有のラマン散乱スペクトル
を得た。本実施例は非常に効果的であり、成膜−改質の
回数が実施例1の約 1/3で工程短縮が可能であるが
、アモルファスシリコンに起因する 480cm−1の
ラマン散乱スペクトルに対する 520cm−1のラマ
ン散乱スペクトルの比が 1/4に減少したことから、
結晶化率が減少していると判断される。
Example 3 In Example 1, only the deposition thickness and modification time per one time were changed to approximately 80 Å and 10 seconds, respectively. The deposition thickness was changed by changing the opening time of the shutter of the electron beam evaporator. In Example 1, since the deposition rate by electron beam evaporation was found to be approximately 1 Å/sec, the time for one film formation was set to 80 seconds in this example. A thin film of about 240 Å was obtained by repeating the vapor deposition process and the modification process three times. As a result of measuring the same Raman scattering spectrum as in Example 1, 520
A Raman scattering spectrum specific to silicon crystals at cm-1 was obtained. This example is very effective and can shorten the process by reducing the number of times of film formation and modification to about 1/3 of Example 1, but the Raman scattering spectrum of 520 cm due to amorphous silicon is Since the ratio of the Raman scattering spectrum of -1 decreased to 1/4,
It is judged that the crystallization rate has decreased.

【0029】比較例1 実施例1において、イオン照射のみでの改質工程を経る
ことなく 200Åの厚みにまで形成した。すなわち、
イオンビーム蒸着装置と電子ビーム蒸着装置のシャッタ
ーを同時に開き、実施例1において、電子ビーム蒸着に
よる蒸着速度が約1Å/秒と判明したので、 200秒
後に両方のシャッターを閉じて形成を終了した。本試料
も実施例と同様にラマン散乱スペクトルを測定したとこ
ろ、図3に示すように、 520cm−1でのシリコン
結晶特有のラマン散乱スペクトルを認められなかった。 本比較例は、成膜とイオン照射による改質を繰り返すこ
とが、全膜厚 300Å以下の状態で結晶性薄膜を得る
上で必須であることを明らかにするものである。
Comparative Example 1 In Example 1, the film was formed to a thickness of 200 Å without going through the modification process using only ion irradiation. That is,
The shutters of the ion beam evaporator and the electron beam evaporator were opened at the same time, and since the deposition rate by electron beam evaporation was found to be about 1 Å/sec in Example 1, both shutters were closed after 200 seconds to complete the formation. When the Raman scattering spectrum of this sample was measured in the same manner as in the example, as shown in FIG. 3, no Raman scattering spectrum peculiar to silicon crystal at 520 cm −1 was observed. This comparative example makes it clear that repeating film formation and modification by ion irradiation is essential for obtaining a crystalline thin film with a total film thickness of 300 Å or less.

【0030】比較例2 実施例1において、Si薄膜を 200Åの厚みにまで
形成した後、イオン照射のみを継続した。照射のみの時
間は1000秒とした。本条件により得られた薄膜のラ
マン散乱スペクトルも、 520cm−1でのシリコン
結晶特有のスペクトルは認められなかった。本比較例は
成膜−改質工程の繰り返しにおいて、一回当たりの膜厚
に上限があることを示すものである。
Comparative Example 2 In Example 1, after forming the Si thin film to a thickness of 200 Å, only ion irradiation was continued. The time for irradiation alone was 1000 seconds. In the Raman scattering spectrum of the thin film obtained under these conditions, no spectrum peculiar to silicon crystals at 520 cm-1 was observed. This comparative example shows that there is an upper limit to the film thickness per repetition in the film formation-modification process.

【0031】比較例3 実施例1において、成膜工程でイオン照射を行わずに膜
形成を実施した。すなわち、電子ビーム蒸着装置のシャ
ッターを20秒開き、基板上に20Åシリコン薄膜を蒸
着後、電子ビーム蒸着装置のシャッターを閉じるととも
に、イオンビームのシャッターを開き、イオンビーム照
射を10秒行った。次に、イオンビームのシャッターを
閉じるとともに、電子ビーム蒸着装置のシャッターを再
び開けて成膜を行う。この成膜と改質の繰り返しを10
回繰り返すことにより、約 200Åの薄膜を得た。本
条件で形成した薄膜をラマン散乱スペクトルで測定した
結果、 520cm−1でのシリコン結晶特有のラマン
散乱スペクトルは認められなかった。本比較例は、一回
当たりの成膜厚みの条件を選択して、成膜−改質工程を
繰り返しても、成膜工程において、イオン照射がない場
合は、その効果が現れないことを明らかにするものであ
る。
Comparative Example 3 In Example 1, film formation was performed without ion irradiation in the film formation process. That is, the shutter of the electron beam evaporator was opened for 20 seconds to deposit a 20 Å silicon thin film on the substrate, and then the shutter of the electron beam evaporator was closed, the ion beam shutter was opened, and ion beam irradiation was performed for 10 seconds. Next, the shutter of the ion beam is closed, and the shutter of the electron beam evaporation apparatus is opened again to form a film. Repeat this film formation and modification for 10
By repeating this process several times, a thin film of about 200 Å was obtained. As a result of Raman scattering spectrum measurement of the thin film formed under these conditions, a Raman scattering spectrum peculiar to silicon crystals at 520 cm-1 was not observed. This comparative example clearly shows that even if the film formation-modification process is repeated by selecting the conditions for the film formation thickness per time, the effect will not appear if there is no ion irradiation in the film formation process. It is something to do.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上の実施例ならびに比較例から明らか
なように、本方法を用いて作製した半導体薄膜は、 3
00Å以下の膜厚においても、結晶性を有する薄膜であ
ることが確認できた。このことは、従来、困難であった
微結晶半導体薄膜の非晶質太陽電池のp層への適用を可
能にするものであり、非晶質太陽電池の光電変換効率の
改善ならびに信頼性の向上につながるものである。した
がって、本発明は電力用太陽電池に要求される高変換効
率ならびに高信頼性を可能にする技術を提供できるもの
であり、エネルギー産業にとって、きわめて有用な発明
である。
[Effects of the Invention] As is clear from the above Examples and Comparative Examples, the semiconductor thin film produced using the present method has 3
It was confirmed that the thin film had crystallinity even at a film thickness of 00 Å or less. This makes it possible to apply microcrystalline semiconductor thin films to the p-layer of amorphous solar cells, which was previously difficult, and improves the photoelectric conversion efficiency and reliability of amorphous solar cells. This is something that leads to. Therefore, the present invention can provide a technology that enables high conversion efficiency and high reliability required for power solar cells, and is an extremely useful invention for the energy industry.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明を実施するための、半導体薄膜製造装置
の例を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a semiconductor thin film manufacturing apparatus for implementing the present invention.

【図2】実施例1で示した方法で形成された半導体薄膜
のラマン散乱スペクトルを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a Raman scattering spectrum of a semiconductor thin film formed by the method shown in Example 1.

【図3】比較例1で示した条件で形成された半導体薄膜
のラマン散乱スペクトルを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a Raman scattering spectrum of a semiconductor thin film formed under the conditions shown in Comparative Example 1.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  電子ビーム蒸着装置 2  イオンビーム発生装置 3  シャッター 4  基板 5  基板ヒーター 6  ターボ分子ポンプ、 7  油回転ポンプ、 8  ガス流量計、 9  基板バイアス電源 1 Electron beam evaporation equipment 2 Ion beam generator 3 Shutter 4 Board 5 Substrate heater 6 Turbo molecular pump, 7 Oil rotary pump, 8 Gas flow meter, 9 Substrate bias power supply

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  荷電粒子を含む雰囲気で薄膜形成を行
う工程と薄膜形成原料の供給を停止して、荷電粒子を含
む雰囲気で当該薄膜形成表面をさらに改質する工程とを
繰り返し、かつ、その一回の繰り返しにおいて形成され
る薄膜の厚みが1から 100Åである全膜厚が 30
0Å以下の結晶性半導体薄膜
Claim 1: Repeating the step of forming a thin film in an atmosphere containing charged particles and the step of stopping the supply of the thin film forming raw material and further modifying the thin film forming surface in an atmosphere containing charged particles, and The thickness of the thin film formed in one repetition is 1 to 100 Å, and the total film thickness is 30 Å.
Crystalline semiconductor thin film of 0 Å or less
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