JPH06105691B2 - 炭素添加非晶質シリコン薄膜の製造方法 - Google Patents
炭素添加非晶質シリコン薄膜の製造方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非晶質太陽電池の窓層、すなわち光入射側の
層の材料として用いられる炭素添加非晶質シリコン（以
下ａ−SiCと記す）薄膜の製造方法に関する。
層の材料として用いられる炭素添加非晶質シリコン（以
下ａ−SiCと記す）薄膜の製造方法に関する。
非晶質太陽電池では、光電変換作用をもつ層にできるだ
け多くの光を入射させるために窓層の光学吸収係数を低
くしなければならない。吸収係数を低くするにはバンド
ギャップを大きくすればよいので、非晶質シリコン（以
下ａ−Siと記す）太陽電池の窓層としては、バンドギャ
ップがａ−SiCより大きなａ−SiCが使用される。従来、
ａ−Si薄膜は、例えば、次のように製造された。まず、
モノシランガス（SiH4）とアセチレンガス（C2H2）の混
合ガスを真空槽中に10〜1000Paの圧力になるよう導入す
る。次に、この真空槽中に配置された一対の平行平板電
極間に、周波数13.56MHzの高周波電界を印加し、これに
よって前記平行平板電極間に、グロー放電を起こさせ
る。このグロー放電からのエネルギで原料ガスは分解
し、真空槽中に収容され150〜300℃に加熱された基板上
に、ａ−SiC薄膜が堆積する。なお、膜中の炭素濃度ｘ
は、アセチレン流量FC2 H2とモノシラン流量FSi H4の比
の関数であり、例えば浅野らが、雑誌「ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied P
hysics）」第63巻（1988年）第７号の2346頁に発表して
いるデータによると、次式のように表わされる。
け多くの光を入射させるために窓層の光学吸収係数を低
くしなければならない。吸収係数を低くするにはバンド
ギャップを大きくすればよいので、非晶質シリコン（以
下ａ−Siと記す）太陽電池の窓層としては、バンドギャ
ップがａ−SiCより大きなａ−SiCが使用される。従来、
ａ−Si薄膜は、例えば、次のように製造された。まず、
モノシランガス（SiH4）とアセチレンガス（C2H2）の混
合ガスを真空槽中に10〜1000Paの圧力になるよう導入す
る。次に、この真空槽中に配置された一対の平行平板電
極間に、周波数13.56MHzの高周波電界を印加し、これに
よって前記平行平板電極間に、グロー放電を起こさせ
る。このグロー放電からのエネルギで原料ガスは分解
し、真空槽中に収容され150〜300℃に加熱された基板上
に、ａ−SiC薄膜が堆積する。なお、膜中の炭素濃度ｘ
は、アセチレン流量FC2 H2とモノシラン流量FSi H4の比
の関数であり、例えば浅野らが、雑誌「ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス（Journal of Applied P
hysics）」第63巻（1988年）第７号の2346頁に発表して
いるデータによると、次式のように表わされる。
ｘ＝0.68×（FC2 H2／FSi H4）0.466 ……（１） また、光学的バンドギャップEg（電子ボルト）は、膜中
の炭素濃度ｘの一次関数であり、次式のように表わされ
る。
の炭素濃度ｘの一次関数であり、次式のように表わされ
る。
Eg＝1.72＋1.54x ……（２） したがって、原料ガスのモノシランとアセチレンの混合
比を変えることによって、生成されるａ−SiC薄膜の光
学的バンドギャップを連続的に変えることができる。
比を変えることによって、生成されるａ−SiC薄膜の光
学的バンドギャップを連続的に変えることができる。
ところが従来の製造方法には、作製したａ−SiC薄膜中
の炭素濃度の増加と共に、欠陥密度が急激に増加するた
め、光照射下での電気伝導度（光伝導度）等の電気的特
性が悪くなってしまうという欠点があった。例えば、光
学的バンドギャップが2.0電子ボルトのａ−SiC薄膜の光
伝導度は、強度100mW/cm2の疑似太陽光照射下で、10-8S
/cm程度と低い。
の炭素濃度の増加と共に、欠陥密度が急激に増加するた
め、光照射下での電気伝導度（光伝導度）等の電気的特
性が悪くなってしまうという欠点があった。例えば、光
学的バンドギャップが2.0電子ボルトのａ−SiC薄膜の光
伝導度は、強度100mW/cm2の疑似太陽光照射下で、10-8S
/cm程度と低い。
本発明の課題は、炭素を添加していない、低欠陥なａ−
Si薄膜と同程度の光伝導度を有するａ−SiC薄膜を、プ
ラズマ化学気相成長法で製造する方法を提供することに
ある。
Si薄膜と同程度の光伝導度を有するａ−SiC薄膜を、プ
ラズマ化学気相成長法で製造する方法を提供することに
ある。
上記の課題の解決のために、シラン系ガスと炭化水素系
ガスの混合ガスよりなる原料ガス中にグロー放電を発生
させ、基板上に所定の厚さのａ−SiC層を堆積させるプ
ラズマ・化学気相成長工程と、水素を含むガス中でグロ
ー放電を発生させることにより生じたプラズマに堆積し
たａ−SiC層をさらす水素プラズマ処理工程とを交互に
繰り返し、その際、１回のプラズマ・化学気相成長工程
で堆積されたａ−Si層の水素プラズマ工程で処理された
後の厚さが0.8nm未満であるものとする。
ガスの混合ガスよりなる原料ガス中にグロー放電を発生
させ、基板上に所定の厚さのａ−SiC層を堆積させるプ
ラズマ・化学気相成長工程と、水素を含むガス中でグロ
ー放電を発生させることにより生じたプラズマに堆積し
たａ−SiC層をさらす水素プラズマ処理工程とを交互に
繰り返し、その際、１回のプラズマ・化学気相成長工程
で堆積されたａ−Si層の水素プラズマ工程で処理された
後の厚さが0.8nm未満であるものとする。
水素プラズマは、成長表面から深さ３原子層より薄い約
0.8nmまでのａ−SiC層中の欠陥密度を低下させる作用が
あるため、厚さ0.8nm未満のａ−SiC層の堆積するプラズ
マCVD工程と、その水素プラズマ処理工程を交互に繰り
返して作成されたａ−SiC薄膜は、全体が低欠陥化され
ており、光伝導度が高い。さらに、水素プラズマには、
ａ−SiC薄膜をエッチングする作用があるため、厚さ0.8
nm以上のａ−SiC層を堆積し、水素プラズマ処理後に、
その層の厚さが0.8nm未満になる場合も、同様の効果が
あられる。
0.8nmまでのａ−SiC層中の欠陥密度を低下させる作用が
あるため、厚さ0.8nm未満のａ−SiC層の堆積するプラズ
マCVD工程と、その水素プラズマ処理工程を交互に繰り
返して作成されたａ−SiC薄膜は、全体が低欠陥化され
ており、光伝導度が高い。さらに、水素プラズマには、
ａ−SiC薄膜をエッチングする作用があるため、厚さ0.8
nm以上のａ−SiC層を堆積し、水素プラズマ処理後に、
その層の厚さが0.8nm未満になる場合も、同様の効果が
あられる。
〔実施例〕 第２図は本発明の一実施例に用いるプラズマCVDおよび
水素プラズマ処理装置を示す。真空槽11には成膜基板１
を支持する下部電極12が加熱台14の上に載せられ、上部
電極13と対向している。上部電極13には高周波電源15
が、加熱台14の中のヒータ16には電源17が接続されてい
る。また、真空槽11にはガス導入管18および排気管19が
開口しており、排気管19にはコンダクタンスバルブ21を
介して真空ポンプ20が接続されている。この装置を用い
ての本発明の一実施例を、第１図（ａ）〜（ｄ）を引用
して次に述べる。
水素プラズマ処理装置を示す。真空槽11には成膜基板１
を支持する下部電極12が加熱台14の上に載せられ、上部
電極13と対向している。上部電極13には高周波電源15
が、加熱台14の中のヒータ16には電源17が接続されてい
る。また、真空槽11にはガス導入管18および排気管19が
開口しており、排気管19にはコンダクタンスバルブ21を
介して真空ポンプ20が接続されている。この装置を用い
ての本発明の一実施例を、第１図（ａ）〜（ｄ）を引用
して次に述べる。
まず、ガラス基板１を、下部電極12の上に置いた後、コ
ンダクタンスバルブ21を全開にして、真空ポンプ20で、
真空槽11の内部を真空引きした。
ンダクタンスバルブ21を全開にして、真空ポンプ20で、
真空槽11の内部を真空引きした。
次に、加熱台14のヒータ16のスイッチを入れて、ガラス
基板１を200〜300℃の温度に加熱した。さらに、ガス導
入管18より、モノシランガスを10cc/分、アセチレンガ
スを1cc/分の流量で導入した後、コンダクタンスバルブ
21を調節して、真空槽中の圧力が100Paとなるようにし
た。こうすることにより、真空槽内には、モノシラン：
アセチレン＝10:1の分圧比の原料ガスで満たされる。こ
こで、周波数13.56MHzの高周波電源15で、上部電極13に
高周波電界を印加し、上部電極13と接地された下部電極
12の間で、グロー放電を起こさせる。このグロー放電に
より、原料ガスが分解し、ガラス基板１の上には、ａ−
SiC薄膜が堆積されるが、その堆積速度は0.05nm/秒であ
った。したがって、高周波電界を６秒だけ加えると、第
１図（ａ）に示されるように、ガラス基板１上には、厚
さ0.3nmのａ−SiC層２が堆積される。
基板１を200〜300℃の温度に加熱した。さらに、ガス導
入管18より、モノシランガスを10cc/分、アセチレンガ
スを1cc/分の流量で導入した後、コンダクタンスバルブ
21を調節して、真空槽中の圧力が100Paとなるようにし
た。こうすることにより、真空槽内には、モノシラン：
アセチレン＝10:1の分圧比の原料ガスで満たされる。こ
こで、周波数13.56MHzの高周波電源15で、上部電極13に
高周波電界を印加し、上部電極13と接地された下部電極
12の間で、グロー放電を起こさせる。このグロー放電に
より、原料ガスが分解し、ガラス基板１の上には、ａ−
SiC薄膜が堆積されるが、その堆積速度は0.05nm/秒であ
った。したがって、高周波電界を６秒だけ加えると、第
１図（ａ）に示されるように、ガラス基板１上には、厚
さ0.3nmのａ−SiC層２が堆積される。
次いで、原料ガスの供給を中止してコンダクタンスバル
ブ21を全開にし、真空槽11内を再び真空引きした後、今
度は水素を100cc/分の流量で、ガス導入管18より導入
し、コンダクタンスバルブ21を調節して、真空槽内の圧
力が100Paとなるようにした。次に、この水素ガス中
で、３秒間だけグロー放電を起こし、これによって生じ
る水素プラズマ４に、ａ−SiC層２をさらす。こうする
ことによって、ａ−SiC層の欠陥が著しく減少し、第１
図（ｂ）のように、ガラス基板上には低欠陥化されたａ
−SiC層３が形成された。
ブ21を全開にし、真空槽11内を再び真空引きした後、今
度は水素を100cc/分の流量で、ガス導入管18より導入
し、コンダクタンスバルブ21を調節して、真空槽内の圧
力が100Paとなるようにした。次に、この水素ガス中
で、３秒間だけグロー放電を起こし、これによって生じ
る水素プラズマ４に、ａ−SiC層２をさらす。こうする
ことによって、ａ−SiC層の欠陥が著しく減少し、第１
図（ｂ）のように、ガラス基板上には低欠陥化されたａ
−SiC層３が形成された。
第１図（ｃ）は、低欠陥化されたａ−SiC層３の上に、
さらに、厚さ0.3nmのａ−SiC層５を、第１図（ａ）と同
一の手順で堆積した状態を示す。第１図（ｄ）は、新た
に堆積されたａ−SiC層５を第１図（ｂ）と同様に水素
プラズマ処理で低欠陥化したところを示す。こうして、
ガラス基板１上には、厚さ0.6nmの低欠陥化されたａ−S
iC膜６が形成された。
さらに、厚さ0.3nmのａ−SiC層５を、第１図（ａ）と同
一の手順で堆積した状態を示す。第１図（ｄ）は、新た
に堆積されたａ−SiC層５を第１図（ｂ）と同様に水素
プラズマ処理で低欠陥化したところを示す。こうして、
ガラス基板１上には、厚さ0.6nmの低欠陥化されたａ−S
iC膜６が形成された。
以上のように、厚さ0.3nmのａ−SiC層の堆積と、水素プ
ラズマ処理による低欠陥化を交互に1500回繰り返すこと
により、ガラス基板１上に、厚さ0.45μｍの低欠陥化さ
れたａ−SiC薄膜が形成された。このａ−SiC薄膜の光学
的バンドギャップおよび強度100mW/cm2の疑似太陽光照
射下での光伝導度は順に2.0電子ボルト、1.0×10-5S/cm
であった。
ラズマ処理による低欠陥化を交互に1500回繰り返すこと
により、ガラス基板１上に、厚さ0.45μｍの低欠陥化さ
れたａ−SiC薄膜が形成された。このａ−SiC薄膜の光学
的バンドギャップおよび強度100mW/cm2の疑似太陽光照
射下での光伝導度は順に2.0電子ボルト、1.0×10-5S/cm
であった。
上記の実施例の他に、水素プラズマ処理時間を４秒より
長くした場合、水素プラズマによるａ−SiC薄膜のエッ
チングガ認められた。すなわち、同じ厚さのａ−SiC層
を堆積しても、水素プラズマ処理時間が長い程、１回の
ａ−SiC層堆積工程および水素プラズマ処理工程で形成
されるａ−SiC層の厚さは薄い。例えば、0.7nmのａ−Si
C層の堆積工程と、12秒の水素プラズマ処理工程を1000
回、交互に繰り返した場合に形成されたａ−SiC薄膜の
厚さは、0.3μｍであり、このことは、12秒の水素プラ
ズマ処理で、0.4nmのａ−SiC薄膜がエッチングされたこ
とを示す。しかし、この場合でも、光学的バンドギャッ
プと光伝導度は順に2.0電子ボルトおよび1.0×10-5S/cm
であった。
長くした場合、水素プラズマによるａ−SiC薄膜のエッ
チングガ認められた。すなわち、同じ厚さのａ−SiC層
を堆積しても、水素プラズマ処理時間が長い程、１回の
ａ−SiC層堆積工程および水素プラズマ処理工程で形成
されるａ−SiC層の厚さは薄い。例えば、0.7nmのａ−Si
C層の堆積工程と、12秒の水素プラズマ処理工程を1000
回、交互に繰り返した場合に形成されたａ−SiC薄膜の
厚さは、0.3μｍであり、このことは、12秒の水素プラ
ズマ処理で、0.4nmのａ−SiC薄膜がエッチングされたこ
とを示す。しかし、この場合でも、光学的バンドギャッ
プと光伝導度は順に2.0電子ボルトおよび1.0×10-5S/cm
であった。
上記の二つの実施例より、１回のａ−SiC層の堆積工程
と水素プラズマ処理工程で形成されるａ−SiC層の厚さ
で、ａ−SiC薄膜の光伝導度が決まることを示唆してい
るが、両工程の時間を変えて、１回に形成されるａ−Si
C層の厚さと光伝導度の関係を調べたところ、光伝導度
は水素プラズマのエッチングの有無に依存せず、１回に
形成されるａ−SiC層の厚さのみに依存することが判明
した。
と水素プラズマ処理工程で形成されるａ−SiC層の厚さ
で、ａ−SiC薄膜の光伝導度が決まることを示唆してい
るが、両工程の時間を変えて、１回に形成されるａ−Si
C層の厚さと光伝導度の関係を調べたところ、光伝導度
は水素プラズマのエッチングの有無に依存せず、１回に
形成されるａ−SiC層の厚さのみに依存することが判明
した。
第３図は、光学的バンドギャップが2.0電子ボルトにな
るような条件下で、上記の実施例で示した方法で作製さ
れたａ−SiC薄膜の厚さと光伝導度の関係を示すが、0.6
nm以下の場合に、従来法による場合の10倍以上高い光伝
導度を有するａ−SiC薄膜が作成されることが分かる。
しかし0.8nm以上では本発明による光伝導度の向上は認
められない。
るような条件下で、上記の実施例で示した方法で作製さ
れたａ−SiC薄膜の厚さと光伝導度の関係を示すが、0.6
nm以下の場合に、従来法による場合の10倍以上高い光伝
導度を有するａ−SiC薄膜が作成されることが分かる。
しかし0.8nm以上では本発明による光伝導度の向上は認
められない。
本発明によれば、ａ−SiCの単原子層に水素プラズマ処
理を施すとその層の欠陥が少なくなることを利用して、
２単原子層程度、0.8nm未満のａ−SiC層の堆積と水素プ
ラズマ処理とを繰返すことにより、同様のバンドギャッ
プで従来の数倍以上の光伝導度をもつａ−SiC薄膜が製
造でき、窓層の光の吸収係数の低くして太陽電池の特性
の向上に極めて有効である。
理を施すとその層の欠陥が少なくなることを利用して、
２単原子層程度、0.8nm未満のａ−SiC層の堆積と水素プ
ラズマ処理とを繰返すことにより、同様のバンドギャッ
プで従来の数倍以上の光伝導度をもつａ−SiC薄膜が製
造でき、窓層の光の吸収係数の低くして太陽電池の特性
の向上に極めて有効である。
第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例の工程を順次
示す断面図、第２図は本発明の実施に用いる装置の断面
図、第３図は本発明の実施の際の１回に生成されるａ−
SiC層の厚さとでき上がったａ−SiC薄膜の光伝導度との
関係線図である。 1:ガラス基板、2,5:a−SiC層、3,6:低欠陥化ａ−SiC
層、4:水素プラズマ。
示す断面図、第２図は本発明の実施に用いる装置の断面
図、第３図は本発明の実施の際の１回に生成されるａ−
SiC層の厚さとでき上がったａ−SiC薄膜の光伝導度との
関係線図である。 1:ガラス基板、2,5:a−SiC層、3,6:低欠陥化ａ−SiC
層、4:水素プラズマ。
Claims (1)
- 【請求項１】シラン系ガスと炭化水素系ガスの混合ガス
よりなる原料ガス中にグロー放電を発生させ、基板上に
所定の厚さの炭素添加非晶質シリコン層を堆積させるプ
ラズマ・化学気相成長工程と、水素を含むガス中でグロ
ー放電を発生させることにより生じたプラズマに堆積し
た炭素添加非晶質シリコン層をさらす水素プラズマ処理
工程とを交互に繰り返し、その際、１回のプラズマ・化
学気相成長工程で堆積された炭素添加非晶質シリコン層
の水素プラズマ工程で処理された後の厚さが0.8nm未満
であることを特徴とする炭素添加非晶質シリコン薄膜の
製造方法。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP63244794A JPH06105691B2 (ja) | 1988-09-29 | 1988-09-29 | 炭素添加非晶質シリコン薄膜の製造方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63244794A JPH06105691B2 (ja) | 1988-09-29 | 1988-09-29 | 炭素添加非晶質シリコン薄膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02197117A JPH02197117A (ja) | 1990-08-03 |
| JPH06105691B2 true JPH06105691B2 (ja) | 1994-12-21 |
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|---|---|---|---|
| JP63244794A Expired - Fee Related JPH06105691B2 (ja) | 1988-09-29 | 1988-09-29 | 炭素添加非晶質シリコン薄膜の製造方法 |
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| JP (1) | JPH06105691B2 (ja) |
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