JPH0758690B2

JPH0758690B2 - 薄膜製造装置及び方法

Info

Publication number: JPH0758690B2
Application number: JP59032649A
Authority: JP
Inventors: 信弘福田
Original assignee: 三井東圧化学株式会社
Priority date: 1984-02-24
Filing date: 1984-02-24
Publication date: 1995-06-21
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPS60177620A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はグロー放電を利用する薄膜製造装置に関し、特
に放電開始手段を設けた装置およびその装置を用いる薄
膜の形成方法に関する。

グロー放電を利用する薄膜作成技術は、非晶質薄膜や微
結晶含有薄膜の作成に最近大いに検討されている。これ
らの薄膜の用途は太陽電池、光センサー、イメージング
デバイス、薄膜トランジスタ、感光ドラム等に広く開け
ている。

これらデバイスを作成するにあたり、薄膜は単一層を形
成するのみで機能させることは稀であり、通常は基板、
導体層、半導体層、絶縁対層などと共に積層形成あるい
は並置形成されて機能させられる。それ故薄膜の作成に
おいては、界面をいかに制御して形成するかが目的とす
るデバイスを機能させる上で非常に重要な問題であっ
た。通常界面を形成するためには一旦放電を停止して、
つぎに新たなる原料を導入して、それに適合する形成条
件で放電を開始する方法で行なわれている。即ち界面を
形成するためには多くの場合、新たなる放電の開始を伴
うものである。しかして、この場合、放電中には高エネ
ルギーのイオンが存在し、これが先に形成された薄膜を
損傷したり、先に形成された薄膜中に存在する不純物を
新たに形成する薄膜中に自動ドープする原因となる。か
かるイオンによる弊害は放電電力が大きくなればなるだ
け増大する傾向にある。しかるに従来、グロー放電を開
始させるには通常安定な放電を維持するに必要な放電電
力（以下安定放電維持電力という）よりも数倍以上大き
な電力を必要としていたため、上記した弊害がしばしば
発生し、この放電開始電力を小さくすることが望まれて
いた。またガス原料、薄膜形成条件、薄膜製造装置の形
状等を変更するとグロー放電用始電力も変化し、極端な
場合は安定放電維持電力の十数倍の開始電力を必要とす
ることもあった。このように界面形成時に高放電開始電
力を印加せざるを得ない時には、得られるデバイスの特
性が必然的に低下するという問題があった。

この問題を解決するために従来は、インピーダンスマッ
チングに工夫がこらされていたが、原料、条件、装置等
を変更した場合には、これとても満足な結果は得られな
かった。

本発明は、グロー放電の開始手段を設けることを着眼し
て本問題を克服した。

すなち、本発明は、基板加熱手段、ガス導入手段、真空
排気手段およびグロー放電手段を少くとも有するグロー
放電による薄膜製造装置において、グロー放電の能動的
開始手段を有することを特徴とする薄膜製造装置であ
り、および、グロー放電により二層以上の薄膜（以下多
層薄膜という）を形成する方法において、グロー放電の
能動的開始手段を用いることによって低電力密度でグロ
ー放電を開始する工程を含むことを特徴とする多層薄膜
製造方法を提供するものである。

以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。

本発明はグロー放電の能動的開始手段として、たとえば
第１図に示すような放電管10又は第２図に示すような高
電圧印加端子20を好ましい手段として使用するものであ
る。

放電管としては、ガイスラー管が最も便利に使用される
ので以下ガイスラー管を例にとって説明する。

まず第１図に示すごとく薄膜製造装置のグロー放電室30
の内部とガイスラー管10の内部とが連通するように設備
する。ガイスラー管10はグロー放電室30に直接とりつけ
てもよいが、好ましくはシャッター、金属メッシュ40、
変曲部分50等を介在させて設けられる。ガイスラー管の
電極60は外部に設備した高電圧発生手段（図示せず）接
続されている。ガイスラー管はグロー放電の開始時期す
なわち多層薄膜を形成するに際し、新しい界面を形成す
る時にのみ必要とされて薄膜の本体部分を形成する期間
中には必要とされない。なお、ガイスラー管がグロー放
電室30に直接設備された場合には、薄膜製造期間に、ガ
イスラー管にも薄膜が生成する結果ガイスラー管の作用
効果が低減し、長期間の使用が困難になる。

第２図には、高電圧印加端子20を設けた薄膜製造装置を
示しているが、ガイスラー管について述べたことがその
まま妥当する。

つぎに本発明の好ましい動作を実施態様を述べる。グロ
ー放電の開始手段として放電管を用いる場合には、グロ
ー放電手段である電極70に0.03W/cm²好ましくは0.01W/c
m²以下の電力を印加し、薄膜形成の原料ガスをガス導入
手段80を通して供給し真空排気手段90により5Torr以下
の真空度に保持する。基板温度が所望の値になった後
に、放電管たとえばガイスラー管の電極に接続している
高電圧印加手段たとえばインダクションコイルの如き手
段を用いて高電圧を１〜３秒間印加して放電を発生させ
る。この放電に誘起されて薄膜製造装置のグロー放電室
にもグロー放電が前述の如き0.01W/cm²以下の低電力密
度でスムースに開始されるのである。

なお、該開始手段として高電圧印加端子20を用いる場合
には、たとえばテスラーコイル（図示せず）を用いてそ
の放電端子20を高電圧印加端子とする。前述の如くグロ
ー放電手段である電極70に0.03W/cm²好ましくは0.01W/c
m²以下の電力を印加し薄膜形成の原料ガスを供給し、真
空排気手段90により5Torr以下の真空度に保持する。基
板温度が所望の値になった後に、テスラーコイルの電源
を入れて１〜３秒間放電させると、これが引き金（トリ
ガー）となって、薄膜製造装置のグロー放電室にも、前
述の如き0.01W/cm²以下の低電力密度でグロー放電が開
始されるのである。このように本発明はグロー放電開始
電力を低くおさえることができるものであり、放電開始
のために従来必要であった高電力の印加をなくすことが
できる装置を提供するものである。本装置は、装置の材
質や大きさを限定しないので良質の薄膜や薄膜デバイス
の工学的な大型の規模での作成にも適している。

以下、実施例においてさらに具体的に本発明の装置を用
いて多層薄膜）より具体的には非晶室シリコン太陽電池
を形成する場合について述べる。

なお、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ないことはもちろんである。

（実施例）第１図は、基板加熱手段100、真空排気手段90、ガス導
入手段80および基板110を設置することのできる平行平
板電極70′およひ高周波電力印加電極70を有するグロー
放電室30に金属メッシュ40および変曲部分50を介してガ
イスラー管10が設備されている薄膜形成装置の一部であ
る。基板110には酸化スズ膜よりなる透明電極が形成さ
れている。基板温度を150〜400℃の間で適宜選択し、グ
ロー放電室内の圧力を5Torr以下に設定する。まずＰ層
の形成はSiH₄、CH₄、B₂H₆をH₂で希釈して行なう。これ
らの流量比はSiH₄：CH₄＝7:3SiH₄：H₂＝1:6であり、B₂H
₆はSiH₄に対し約0.1％の割合で添加した。これらの原料
ガス混合物を流しながら圧力1.0Torr、形成温度250℃と
して高周波電力印加電極70の入力側に0.01W/cm²の電力
を印加した。ついでインダクションコイルの電源を入れ
ガイスラー管を２秒間放電させた。この瞬間に該電極70
の入力側に設備されているパワーメータの反射波は減少
し、グロー放電室に放電が発生したことを確認した。放
電開始後、所定の放電電力においてＰ層を約100A形成し
た後放電を停止した。つぎに真空を破ることなくｉ層形
成室へと基板110を移送した。ｉ層形成室も第１図に示
した装置を有している。ｉ層はS_i2H₆ガス単独で形成し
た。S_i2H₆ガスを流しつつ圧力を0.15Torr形成温度を300
℃に調整した後、高周波電力印加電極70に0.05W/cm²の
電力を印加した。ついでＰ層形成時と同様にガイスラー
管を放電させた。この瞬間、グロー放電室30の電極70−
70′間で暗く弱く発光が観察されてグロー放電が開始し
たことを確認した。ついで所望の放電電力においてｉ層
を約5000Å形成した後放電を停止した。つぎに真空を破
ることなくｎ層形成室へと基板110を移送した。ｎ層はS
iH₄、PH₃をH₂で希釈して行なう。これらの流量比はSi
H₄：H₂＝1:8であり、PH₃はSiH₄に対し約0.8％の割合で
添加した。これらの原料ガス混合物を流しながら圧力0.
5Torr、形成温度250℃として高周波電力印加電極70の入
力側に0.01W/cm²の電力を印加した。ついでＰ層、ｉ層
形成時と同様にガイスラー管を放電させた。この瞬間に
該電極70の入力側の反射波は減少し、グロー放電室に放
電が発生したことを確認した。ついで所望の放電電力に
おいてｎ層を約150Å形成した後放電を停止した。基板
を冷却室へ移して、冷却後真空蒸着室へ写し、アルミニ
ウムを蒸着し電極とした。基板側からA_MI（100mw/cm²）
の光を照射して光電持性を測定した。

（比較例）比較のために本発明における能動的なグロー放電開始手
段を用いない場合について以下に示す。薄膜の形成条件
は先に述べた実施例と同じにした。まずＰ層において
は、インピーダンスマッチングを調整したにもかかわら
ず、0.01W/cm²では放電開始せず0.056W/cm²でようやく
放電した。しかしながら、グロー放電開始のために高周
波電力印加電極70に0.056W/cm²の電力を印加してから放
電開始までに約２分40秒もの誘導期間を必要とした。ま
たｉ層では0.056W/cm²では放電せず0.1W/cm²でようやく
放電をした。しかるにこのときも約５分30秒の誘導期間
を必要とした。ｎ層はＰ層と同じ放電電力で放電が開始
したが約２分の誘導期間が必要であった。

実施例と比較例とで光電特性を比較してみると開放端電
圧、短絡電流のいずれにおいても第３図に１例を示した
ように本実施例の方がはるかに良好であり、その結果得
られた光電変換効率は本実施例が7.5％〜8.5％であるの
に対し、比較例は4.2〜5.6％であった。

すなわち、比較例においては、多層薄膜を形成する場
合、高い放電開始電力を長時間印加することによりデバ
イスの特性（光電変更効率）が大巾に低下せざるを得な
かったのに対し、本発明は低放電開始電力でしかも瞬間
的に容易に放電が開始するため、かかる特性の低下を伴
うことなく高光電変換効率が確保できることがわかる。
また、他の比較例として次の実験を行った。実施例にお
いて設備されている金属メッシュ40および変曲部分50を
介さずに直接ガイスラー管10を設備した薄膜形成装置を
用いて、実施例に従って非晶質シリコン太陽電池を形成
した。まず、グロー放電形態は、ガイスラー管10により
変化し、その結果、非晶質シリコン太陽電池の均一形成
が困難であった。実施例ではｉ層が約5000Å形成できた
が、本比較例においては、2500Å〜7000Åへと膜厚が変
化し、変換効率も5.1〜8.1％に変化した。また、この比
較例を繰り返して行ったところ、４回目からは、ガイス
ラー管10は薄膜の形成のために、能動的開始手段として
も作用しなくなって仕舞った。

【図面の簡単な説明】

第１図は放電管を用いた場合の本発明の薄膜製造装置の
模式的な断面図である。第２図は高電圧印加端子を用い
た場合の本発明の薄膜製造装置の模式的な断面図であ
る。第３図は本実施例により作成したｐ−ｉ−ｎ型非晶
質シリコン太陽電池の特性および比較のための太陽電池
の特性を同一図面上に示すグラフである。第３図におい
て、Ａは本発明の実施例の太陽電池のＩ−Ｖ曲線、Ｂは
比較例のＩ−Ｖ曲線である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板加熱手段、ガス導入手段、真空排気手
段およびグロー放電手段を少くとも有するグロー放電に
よる薄膜製造装置において、シャッター、金属メッシ
ュ、および変曲部分のいずれか一つ以上の部材を介在さ
せることによりグロー放電プラズマに暴露されない位置
にグロー放電の能動的開始手段としての放電管または高
電圧印加端子を有することを特徴とする薄膜製造装置。
【請求項２】グロー放電により二層以上の薄膜（以下多
層薄膜という）を形成する方法において、シャッター、
金属メッシュ、および変曲部分のいずれか一つ以上の部
材を介在させることによりグロー放電プラズマに暴露さ
れない位置に設けられたグロー放電の能動的開始手段を
用いることによって低電力密度でグロー放電を開始する
工程を含むことを特徴とする多層薄膜製造方法。
【請求項３】積層される任意の二つの薄膜を形成するに
際し、第１の薄膜を形成後グロー放電を停止し、グロー
放電プラズマに暴露されない位置に設けられたグロー放
電の能動的開始手段を用いることによって低電力密度で
再びグロー放電を開始し、しかる後より小なる放電維持
電力によりグロー放電を継続して第１の薄膜上に第２の
薄膜を形成する工程を含む特許請求の範囲第２項記載の
方法。