| 研究課題/領域番号 |
25390108
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 研究機関 | 岐阜大学 |
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研究代表者 |
牟田 浩司 岐阜大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10219850)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | シランプラズマ / 高次シラン / クラスタ / プラズマパラメータ / 大面積一様化 / 高速製膜 |
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| 研究概要 |
本研究は微結晶シリコン製膜プロセスの高速化・大面積一様化を目指して、特にガス流れに注目し、プラズマや膜特性との関係を詳細に調べ、製膜プロセスの高度化を図ることを目的としている。一般に製膜速度を上げると膜質が下がる傾向にあり本方式でも懸念される。そこで、本年度はガス流れとプラズマパラメータと膜質の関係を詳細に調べ、高速製膜でも品質を維持できるような装置開発を行った。まず、プラズマ生成方式として、電源周波数がVHF帯のワイドレンジで大面積一様化が可能かつ低電子温度に有利なバラン給電を採用した。さらに膜へのイオン衝撃を軽減するためリモートプラズマ型にした。プラズマパラメータを加熱プローブにより、基板への到達種を四重極質量分析器より評価した。次にガス流れとして2タイプのシャワーヘッドノズルを電極に設けた。すなわち基板方向のみに流す一方向流と、基板と基板反対側に同時流す二方向流を実現した。後者は、シランプラズマ中で生成される高次シランやクラスタをガス流れで除去することを狙っている。得られた結果は以下の通りである。
（１）低パワーでは低電子温度のシランプラズマが大面積一様かつ安定に生成され、基板への高次シランの到達もほとんど無く良好な膜質が得られたが、製膜速度は遅い。一方、高パワーでは電子温度が急激に上昇し、プラズマが不安定で、イオン化した高次シランが多量に基板に到達しており、膜質も悪い
（２）二種類のガス流れ間で、プラズマパラメータや膜質に大差は見られなかった。
（１）はパワーを上げることで電子温度が急上昇し、プラズマ中でのクラスタ反応が促進され、プラズマの不安定性や膜質の劣化を導いたことがわかった。（２）については、今回設備が間に合わず低速噴流での実験となったため、大差が出なかったのではないかと考えられる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
バラン給電方式により、VHF帯の広い範囲で安定かつ大面積一様にプラズマを生成できることを、実験により確認できた。また、加熱プローブによるプラズマパラメータの測定により、電源入力パワーを増加していくと、ある閾値で電子温度が急激に増加することがわかった。これは、シランプラズマ中のクラスタ反応が原因で、入力パワーの増加による電子温度の上昇でクラスタの種であるSiH, SiH2の生成が増え、クラスタ生成反応が加速的に進み、生成クラスタは負イオン化するためプラズマ維持機構で電子温度がさらに上昇するといった連鎖反応が起きていることで理解される。さらに四重極質量分析器による測定の結果、生じたクラスタのうち負に帯電したものはほとんどプラズマに閉じ込められるが、正に帯電したものの多くは基板に到達していることがわかった。製膜・膜分析の結果、そこでの膜は欠陥密度の高いものであることが示された。したがって、クラスタ反応を極力抑える積極的な対策が必要で、パワーを増やしても低電子温度を維持し、クラスタを除去する新たな電極構成を考案した。構造の基本はマルチホローカソード電極であり、高密度低電子温度プラズマ生成が期待できると同時にホロー内の電界分布により正に帯電したクラスタの大幅な除去が可能だと考えられる。しかし、クラスタの大半は負に帯電しているため、それを基板方向に漏れ出さないように閉じ込めるためのプラズマも必要だと考え、二層構造のプラズマを生成する電極構造とした。電極製作はすでに終えており、効果の検証実験はこれからである。
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| 今後の研究の推進方策 |
高速製膜を行う上で、一定の品質を維持するにはプラズマ中に生成されるクラスタの積極的な抑制・除去対策が不可欠である。その対策としてマルチホローカソード電極の使用があげられるが、さらにクラスタ除去効果を高めるため、プラズマを二層構造とする新奇な電極を製作した。そこで、まず電極を用いてプラズマを生成し、それぞれのプラズマを加熱プローブで詳細に測定し、プラズマパラメータの違いや特徴を明らかにする。また数値シミュレーションを行い、本方式のプラズマを評価すると同時に、プラズマ中でのクラスタの挙動をある程度理解できるようにする。この知見を基に、クラスタの生成抑制、閉じ込めに効果的な電極の最適化（ホロー径、ホロー深さ、ホローピッチなど）を行う。次に、閉じ込めたクラスタを除去する一方で、膜の前駆体であるSiH3を選択的に基板に拡散させるようなガス流れを検討する。先ずは、すでに製作した2タイプ（基板への一方向流、基板と反対方向にも流れがある二方向流）について実験を行い、ガス流れがプラズマや膜質にどのような影響を与えるかを定量的に調べる。数値シミュレーションも行い、製膜速度を向上させながらクラスタを効率的に除去するガスの流し方を検討する。さらに、ガス流量を上げていき、高速流での問題点などを明らかにする。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
当初の計画では、大面積一様プラズマ生成→ガス流れの検討→超音速噴流製膜の予定であったが、膜の品質（欠陥密度や結晶性など）がある程度保証されなければ、どんなに製膜速度が上がっても太陽電池薄膜としては使い物にならない。これまでの研究で、シランプラズマを用いたプラズマCVDでは多かれ少なかれ高次シランやクラスタが発生し、膜質を劣化させることがわかっている。特に微結晶シリコン製膜では比較的ガス圧を高く設定するのでクラスタが出来やすいが、当初ガス流れのみで除去できると予測していた。しかし予備実験の結果、ガス流れのみでは不十分で、より徹底した対策が必要であることがわかった。そこで、ガス流れの検討に行く前にクラスタ対策に力を注ぐことになり、ガス流れの研究に必要な予算は次年度に使えるように計画を変更した。
大面積マルチホローカソードプラズマを加熱プローブを用いて評価するためには、多チャンネル高速測定が不可欠で、高速絶縁型ADボードを購入し、構築する。上記システムを用いて、プラズマパラメータのホロー形状（ホロー径、ホロー深さ、ホローピッチなど）依存性を効率よく調べ、ホロー形状を最適化する。加熱プローブを多数製作する必要があり、加熱用電源も購入する予定である。またホローカソード電極も数個製作する予定である。
当研究室所有のシランガス除害システムでは、流せるシランガスの流量が限られる。そこで、超音速実験ではシャワーヘッドノズルの一部だけを用いる。流れは不足膨張噴流になると考えられ、クラスタが生成しやすくなる分、除去対策が一層シビアになると考えられる。いずれにしても、シャワーヘッドノズル電極の改良や新規製作が必要である。
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