2020 Fiscal Year Annual Research Report
nanostructuring on semiconductor surface for optical management by high-pressure hydrogen plasma
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20H02049
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大参 宏昌 大阪大学, 工学研究科, 助教 (00335382)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安武 潔 大阪大学, 工学研究科, 教授 (80166503)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 水素 / プラズマ / ナノ構造 / シリコン / 太陽電池 / 光無反射 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標は、省Si資源・高効率な薄型c-Si太陽電池の製造・普及に向け、廉価・無毒な水素ガスからなる高圧プラズマを用い、波長200～1100 nmの入射光に対して無反射と光閉じ込めを実現する機能性ナノ構造を廉価・低環境負荷に創成する加工プロセスの学理を構築することにある。本年度は、高アスペクト比のナノ構造（ナノコーン構造）の形成に対してイオンが与える影響を探索するため、Si基板の温度を制御しつつ基板バイアスを印加可能なステージ、さらに微量不純物がナノコーン形成に与える影響を探索するための微量不純物添加装置を設計・製作した。また、加工パラメータとして、H2ガス流量、基板温度、基板バイアス、加工時間、投入電力に着目し、得られるSiナノ構造に及ぼす影響を明らかにした。その結果、Si加工表面に強制的な水素ガス供給がある場合、ナノコーン構造が出現しにくくなることが明らかとなった。このことは、実用的な側面から、ナノ構造形成プロセスに水素の連続供給が不要であることを意味しており、ガス消費量の低減が実現できる。また高い基板温度では、ナノコーン内の欠陥密度が減少するとともにナノコーンの高さが増加する一方、低基板温度では、極めて高密度な欠陥が生成されることが分かり、この高密度欠陥層には金属ゲッタリング能力があることが明らかとなった。基板バイアス依存性では、基板に0V以下のバイアスを印加した場合、ナノコーン構造が形成され、正のバイアス印可時には高アスペクトな構造は得られないことが明らかとなり、正イオンの基板入射が極めて重要であることが明らかとなった。さらに、長時間加工を行っても、基板温度一定であれば、ナノコーン構造の高さはある値で飽和することを明らかにした。以上の検討の結果、高圧プラズマでありながらイオンの入射がナノ構造創成に重要な働きをしていることを示す手がかりを得ることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度、ナノコーン形成メカニズム解明への足掛かりとして、形成されるナノ構造の性状と加工パラメータの相関を概ね当初の予定通り明らかにすることができた。とりわけイオンの影響を示唆する基板バイアス依存性が得られた点は、今後研究を展開していく上でも重要なマイルストーンが得られたと考えている。また、本年度得られた固体表面に入射するイオンの運動が重要という知見に基づき、なぜイオンが効果的なのか？に対する疑問の解決にあたるため、用いている狭ギャップ局在プラズマの電子温度や電子密度などの内部パラメータを明らかにする研究の実施が必要となるが、このプラズマに特化したマイクロプローブの制作は、当該年度内に完了しており、それを用いてのデータ採取に着手可能な段階に到達している。さらに現状で得られているSi表面ナノコーン構造は、積分球を用いた光反射率の測定から、先行研究と比べても格段に低い反射率が得られていることが明らかになりつつあり、以上の観点から本研究の進捗状況は、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の実績から、ナノコーン構造の創成には、プラズマ中イオンにより誘起される異方性表面反応が重要であることが示唆された。ここで固体表面に入射するイオンの振る舞いは、固体表面近傍に形成されるプラズマシースに強く依存するため、これを理解する必要がある。このため、今後の計画として、作製した微小ラングミュアプローブを用いて、各種条件で生成した狭ギャップ高密度プラズマのプローブ測定を行い、電子密度、電子温度、ならびにプラズマポテンシャルを明らかにする。明らかになったプラズマ内部パラメータとナノ構造形成挙動の相関を明らかにする。
また、本年度は、種々のプロセス条件として基板温度、基板バイアス、水素ガス流量、加工時間に着目し、ナノ構造形成挙動の依存性を明らかにした。今後は、プロセス圧力についても早急に検討を加えるとともに、加工対象となるSi基板の性状に対する依存性を明らかにしていく予定である。具体的には、加工対象とするSi基板のドーパントタイプ、導電率、面方位、単結晶・多結晶、Si試料表面の曲率、さらにはSi表面加工変質層の有無がナノ構造形成挙動に与える影響を明らかにする予定である。
また、本年度作製した微量不純物添加装置を用いて、プロセス雰囲気中の微量不純物（水、窒素、アルゴン、ヘリウム、等）がナノ構造創成挙動に与える影響を解明する。これは、本年度得られた「ナノ構造形成にイオンの影響が重要である」という知見から、Ar、ならびにHeをプロセスガス中に添加することで、イオンの質量、平均自由行程等を変化させることができ、形成されるナノ構造の性状に変化が現れると考えられるためである。そのため、これら希ガス系添加ガスが、どのような影響を与えるかを明らかにし、形成メカニズムのより深い理解を目指す。
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