JPH09293680A

JPH09293680A - 半導体結晶膜および該結晶膜の製造方法ならびに該結晶膜の製造装置

Info

Publication number: JPH09293680A
Application number: JP8131381A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Muraki; 達哉村木; Riyuuji Saikudou; 龍司細工藤; Shinichi Ishizaka; 進一石坂; Masashi Yoneda; 昌司米田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】太陽電池に好適な多結晶シリコン膜を効率
よく、低コストで製造する。【解決手段】基板１０上に形成されたアモルファス
状半導体薄膜１１をアニールにより結晶化させて薄膜１
１ａとし、引き続き、この上層にアモルファス状半導体
薄膜１１を新たに形成するとともに、該上層の半導体薄
膜１１をアニールにより結晶化させる工程を１回以上繰
り返して薄膜を積層する。【効果】比較的膜厚の厚い半導体結晶膜を効率よ
く、また良質に製造することができ、大面積化も容易で
あるため太陽電池を安価に製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大面積、高品質、
低コスト化が容易で、例えば太陽電池の構成材料として
有用な半導体結晶膜および該結晶膜の製造方法ならびに
該結晶膜の製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体結晶膜（例えばシリコン多
結晶膜）の製法として、アモルファス膜にエネルギービ
ームを照射して結晶化させるアニール法が注目されてき
た。このアニールの熱源としては、ＣＯ₂ガス（波長：
８〜１８μｍ）、Ａｒガス（同〜０．５μｍ）、Ｎｄ：
ＹＡＧ（同１０６４．１ｎｍ）等のレーザ光や電子線な
どが用いられており、これらをアモルファス膜に照射す
ることによってアモルファス膜が溶融し、自然冷却過程
を経て大きな結晶粒が得られている。上記熱源は、比較
的波長が長く、透過性に優れているので、太陽電池等に
用いられる厚い膜の形成に適している．

【０００３】また、最近ではアニールの熱源としてエキ
シマレーザが着目されており、特に電子デバイス分野に
おいては多くの研究がなされている。その理由として、
アモルファス膜へのレーザ光照射により表面を完全な溶
融状態に至らしめることなく、かつ基板を損傷させるこ
となく多結晶化できるので、融点の低い安価な基板材料
を使用することができることが上げられる。例えばＴＦ
Ｔ（薄膜トランジスタ）では高温プロセスになると高価
な石英ガラスを使用せざるを得ないので、エキシマレー
ザを熱源とした低温アニールプロセスが実用化されつつ
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来法のうち
前者で用いられる熱源（ＣＯ₂ガスレーザ光、電子線
等）は、上記したように透過性に優れているものの、ビ
ーム幅が小さくスポット状になるため、エネルギー強度
ムラが大きく、ビームの中心部と外周部における結晶成
長の度合いが大きく異なる。従って、均一な膜を作るに
は走査時間が長くなりコスト高になるという問題があ
り、最近、太陽電池等で要望の強い大面積化も困難であ
る。さらに照射対象とするアモルファス膜が薄いと、ビ
ームが膜を通り抜けて基板に到達し、基板を損傷させる
原因となるので、アモルファス膜はある程度厚くなけれ
ばならない。しかし膜厚が大きいと脱水素が充分に行わ
れず、結晶成長の妨げになるため良好な結晶膜が得られ
難いという問題がある。また、これらの点から膜厚の選
択幅も小さい。

【０００５】一方、エキシマレーザは、波長が短いの
で、そのままでは結晶化深度はせいぜい２００ｎｍで浅
い。従って、一般にその膜厚が１００ｎｍ以下であるＴ
ＦＴにおいては、アモルファスシリコン薄膜からの脱水
素も充分に行われるので、良好な結晶化がなされるが、
ミクロンオーダーの厚みを必要とする太陽電池等には不
適である。以上のように、従来の方法では、比較的膜厚
が厚く、なおかつ良質の半導体結晶膜を高効率に低コス
トで製造することは困難であり、大面積化もコストの点
で難がある。本発明は、上記事情を背景としてなされた
ものであり、太陽電池等に好適な半導体結晶膜およびこ
の結晶膜を効率よく、かつ良質に製造できる半導体結晶
膜の製造方法ならびに製造装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のうち第１の発明の半導体結晶膜は、基板上
に同一材料の薄膜が積層された半導体結晶膜であって、
該結晶膜は各層で横方向に成長しているとともに、各層
間に亘って縦方向に成長した多結晶であることを特徴と
する。

【０００７】さらに、第２の発明の半導体結晶膜の製造
方法は、基板上に形成されたアモルファス状半導体薄膜
をアニールにより結晶化させ、引き続き、この上層にア
モルファス状半導体薄膜を新たに形成するとともに、該
上層の半導体薄膜をアニールにより結晶化させる工程を
１回以上繰り返して薄膜を積層することを特徴とする。

【０００８】第３の発明の半導体結晶膜の製造方法は、
第２の発明において、アニール用の加熱手段がエキシマ
レーザであることを特徴とする。第４の発明の半導体結
晶膜の製造方法は、第３の発明において、各層の薄膜の
厚さが１００〜２００ｎｍであることを特徴とする。

【０００９】さらに、第５の発明の半導体結晶膜の製造
装置は、半導体成膜炉とアニール炉とが共通のチャンバ
を有する複合炉で構成されており、該複合炉で成膜およ
びアニールを同時にまたは切換えて操業できるものとし
たことを特徴とする。

【００１０】本発明で薄膜を構成する半導体の種別とし
ては、シリコンが最も代表的であり、その用途として
は、好適には比較的厚い半導体膜を必要とし、かつ大面
積化が有効な太陽電池用として使用される。ただし、本
発明としては半導体の種別や用途が特に限定されるもの
ではなく、適宜選定することができる。なお、半導体薄
膜を形成する基板としては、ガラス基板が代表的である
が、これに限定されるものではなく、ＳＵＳなどの金
属、Ｓｉ、ＳｉＮ₄、ＳｉＯ₂などの半導体、樹脂類など
を用いることができる。したがって本発明としては基板
の種別は特に限定されないが、アニールの際に低温また
は基板に損傷を与えない状態で加熱を行うことが可能に
なるので、特に基板が融点が高くて高温特性に優れてい
ることが必要となるものではなく、よって高温特性には
劣るものの安価な材料の基板を使用することが可能にな
る。

【００１１】また、各層の薄膜を形成（成膜）する方法
は,本発明としては特に限定されるものではなく、光Ｃ
ＶＤ、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の各種ＣＶＤだけで
なく、スパッタ装置などのＰＶＤ等を適宜採用すること
ができる。なお、このように薄膜を基板上に形成する成
膜炉は、後述するアニールのためのアニール炉とチャン
バを共通にする複合炉で構成するのが望ましい。

【００１２】また、上記成膜における薄膜の厚さは、後
述するアニールの種別等を考慮して定めるが、１００〜
２００ｎｍの厚さとするのが望ましい。これは、例え
ば、アニールの加熱源としてエキシマレーザを用いた場
合で説明すると、上記膜厚が１００ｎｍ未満であると、
レーザ光の一部が膜を透過して基板に到達するため基板
温度が上昇し、よって基板が損傷を受けるおそれがあ
り、また、一回に成膜する膜厚が小さいと、必要な膜厚
にするためには薄膜の積層数が多くなり、装置の稼働回
数が多くなってコストアップの原因となるので、各層の
膜厚を１００ｎｍ以上とするのが望ましい。一方、膜厚
が２００ｎｍを越えると、アニールの際に膜の深い部位
まで充分なエネルギーが届かず、良好な結晶成長が望め
ない。したがって各層の膜厚は１００〜２００ｎｍ厚と
するのが望ましい。

【００１３】上記薄膜はアモルファス状態にあり、これ
をアニールすることにより結晶化する。すなわち、アニ
ールによる熱を受けた半導体薄膜は、溶融または半溶融
状態になり結晶化が進行して結晶粒が横方向に成長す
る。このアニールの加熱源としては、高出力ランプ、熱
源体の輻射、各種レーザ等を用いることができるが、特
に線状エキシマレーザの使用が好適である。これは、線
状エキシマレーザによれば、レーザ光の透過性は大きく
なくよって薄膜を半溶融状態にして低温での処理が可能
になり、基板の高温特性に対する要求度を下げて安価な
基板の使用を可能にするからであり、また広範囲を照射
できるので加熱むらが小さくなって均質な結晶化が可能
になり、十分に成長した結晶粒が得られるからである。

【００１４】上記した成膜とアニールを繰り返すことに
より薄膜が積層され、比較的膜厚の厚い半導体膜が得ら
れる。なお、積層した薄膜にアニール処理を行う際に
は、下層の薄膜が溶融または半溶融状態を維持している
ことにより、下層の薄膜を種結晶として上層の薄膜が結
晶成長するため、上層の薄膜での横方向への結晶成長に
加え、層間を亘る縦方向の結晶成長が起こり、縦方向に
不連続性のない良質な結晶膜が得られることになる。な
お、下層の薄膜を上記したように溶融または半溶融状態
に維持するためには、基板を適温に保つことが有効であ
り、該基板を５００〜８００℃に加熱するのが望まし
い。これは、加熱温度が５００℃未満であると、薄膜を
溶融または半溶融状態に維持することが難しくなり、結
晶の縦方向の連続性が損なわれるためであり、一方、８
００℃を越えると、基板が損傷、および結晶膜表面が荒
れる恐れがあるためである。なお、上記した成膜、アニ
ールの繰り返し回数は、所望の膜厚、各層の薄膜厚によ
っても異なるが、例えば太陽電池用として数千オングス
トローム以上の膜厚の半導体膜を得ることが可能であ
る。

【００１５】

【発明の実施形態】図１は、太陽電池用として、石英ガ
ラスからなる基板１０上に、シリコン結晶膜１２が数千
オングストローム以上の厚さで形成されたものを示すも
のであり、シリコン結晶膜１２は、１００〜２００ｎｍ
厚のシリコン結晶薄膜１１ａ…１１ａが積層されて構成
されている。各層のシリコン結晶薄膜１１ａの結晶粒１
２０…１２０は横方向に成長した比較的大きな結晶粒幅
を有する結晶組織を有しており、さらに、各層間では、
連続して縦方向に結晶成長している。以上のように、上
記シリコン結晶膜１２は、厚い膜厚に拘わらず縦方向に
も連続性を有する良質な結晶性を有しており、太陽電池
用として優れた特性を発揮することが可能になる。

【００１６】次に、上記シリコン結晶膜を製造する装置
として好適なものを図２に基づいて説明すると、チャン
バ１ａを有する複合炉１には、チャンバ１ａ内を減圧す
る真空ポンプ２が接続されており、チャンバ１ａ内に
は、後述する基板を載置してＸ、Ｙ方向に移動させる基
板載置装置３と、基板を加熱するヒータ４とが配置され
ている。また、チャンバ１ａの上方には、ＣＶＤ法によ
る成膜用加熱源として低圧水銀ランプ５が配置されてお
り、該ランプ５の直下のチャンバ１ａ壁には熱輻射用石
英窓５ａが設けられている。また、チャンバ１ａには成
膜用の反応ガス（シランガス）を内部に導入するための
ガス導入管７、７が接続されている。さらに、チャンバ
１ａには、線状エキシマレーザ光をチャンバ１ａ内に導
入するレーザ光用石英窓８ｄが設けられており、該石英
窓８ｄには、外部に配置されたエキシマレーザ発信器８
からのレーザ光９が全反射ミラー８ａ、８ｂ、レンズ８
ｃを経て照射されるように構成されている。

【００１７】以下に、上記装置を用いて石英ガラス製の
基板１０上にシリコン結晶膜を形成する方法について説
明すると、基板載置装置３上に基板１０を配置し、チャ
ンバ１ａ内を真空ポンプ２で減圧し、上記基板１０をヒ
ータ４で５００〜８００℃に加熱する。次いで、ガス導
入管７、７からチャンバ１ａ内に反応ガスとしてシラン
ガスを導入するとともに低圧水銀ランプ５を作動させ
る。その結果、水銀ランプ５の輻射熱は、熱輻射用石英
ガラス窓５ａを通してチャンバ１ａ内に照射され、反応
ガスが熱分解して基板１０上にアモルファス状のシリコ
ン薄膜１１が形成される。

【００１８】次いで、上記アモルファス状シリコン薄膜
１１にエキシマレーザ光９を照射して、レーザ光加熱に
よるアニールによってシリコン薄膜１１を結晶化させ
る。具体的には、真空中ないし不活性ガス中においてエ
ネルギー密度１００〜４００ｍＪ／ｃｍ²、望ましくは
アブレーションを起こす直前のエネルギーを有する線状
エキシマレーザ光をエキシマレーザ発信器８から出力す
る。エキシマレーザ発信器８から出力されたエキシマレ
ーザ光９は、全反射ミラー８ａ、８ｂ、レンズ８ｃを経
て、レーザ光用石英窓８ｄを透過してシリコン薄膜１１
に斜め方向から照射される。シリコン薄膜１１は線状エ
キシマレーザ光９を受けることにより半溶融状態にな
り、照射部位１５を中心として結晶化が進行するととも
に照射部位１５を中心として横方向に熱が伝達されて各
結晶粒１１０が横方向に成長し、結晶化されたシリコン
結晶薄膜１１ａが得られる。

【００１９】続いて、さらに低圧水銀ランプ５の作動お
よび反応ガスの導入により上記薄膜１１ａ上にシリコン
薄膜１１を成膜することにより薄膜を積層し、この新た
に成膜したアモルファス状のシリコン薄膜１１に、上記
したアニールを施して結晶化させる。なお、上層の薄膜
１１における成膜およびアニールは、下層のシリコン結
晶薄膜１１ａと同様の条件で行うことができる。また、
上層膜におけるアニールの際には、下層のシリコン薄膜
１１ａを半溶融状態に維持することにより、上層でレー
ザ照射を受けて横方向に成長する結晶粒１１１はそれぞ
れ下層の結晶粒１１０を種結晶として分断されることな
く縦方向にも結晶が成長していく。

【００２０】上記のように、アモルファスシリコン成膜
とレーザアニールの二つのプロセスを繰り返すことによ
り、図１に示すように縦方向に不連続性のない結晶粒１
２０が得られ、比較的膜厚の厚いシリコン結晶膜１２を
良好に形成することができる。上記方法によれば、アニ
ールされたアモルファスシリコン薄膜の積層化により、
容易に希望する膜厚及び結晶粒サイズの多結晶シリコン
膜を効率よく製造することができ、大面積化も容易に行
うことができる。なお、上記装置では、同一チャンバ内
でアモルファスシリコン成膜とアニールによる結晶化と
を交互に行ったが、条件の選定等によってはこれらを同
時に行うことも可能である。

【００２１】また、上記したように、積層された薄膜間
で縦方向の不連続性を招かないためには、下層の薄膜が
適温を保っていることが重要であり、上記実施形態では
基板を加熱する温度を制御することにより薄膜の温度低
下を防止している。ところで、上記基板の加熱によって
もアニール直後に比べれば、薄膜の温度は徐々に低下す
ることになる。ところが線状エキシマレーザ等の熱線に
よるアニールでは、全面加熱型と異なり、薄膜の表面を
走査しながら部分的に加熱するため、速い時期に走査し
た部分ほど温度の低下が速く、温度にばらつきが生じや
すい。しかも、この現象は薄膜を大面積化するほど顕著
になる。このような温度低下は、品質の安定性を損なう
ため極力避けることが必要である。上記問題を避けるた
め基板の加熱温度を挙げることも考えられるが、そのた
めには基板の材質として耐熱性の高いものを選択しなけ
ればならず、基板コストが上がるという問題がある。

【００２２】そこで、基板の加熱に加えて（特に高温に
する必要はない）、レーザ光を分割して薄膜の複数箇所
を同時にアニールしてアニール時間を短くするのが望ま
しい。この装置を図４に基づいて説明すると、エキシマ
レーザ光９の光路上に半透明ミラー（５０％透過）１９
ａを配置し、半透明ミラー１９ａで反射されたレーザ光
９ａを全反射ミラー１９ｂを介して薄膜１１上に斜め方
向から照射するとともに、半透明ミラー１９ａを透過し
たレーザ光９ｂを全反射ミラー１９ｂで反射して薄膜１
１の他の位置に斜め方向から照射しており、複数箇所の
同時照射によってアニール時間の短縮化を図っている。
なお、この実施形態では、レーザ光を２つに分割した
が、その数は任意であり、その数に基づいて薄膜の３箇
所以上に同時に照射することもできる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体結
晶膜によれば、基板上に同一材料の薄膜を積層した半導
体結晶膜であって、該結晶膜は各層で横方向に成長して
いるとともに、各層間に亘って縦方向に成長した多結晶
であるので、比較的膜厚の厚い半導体膜でも均質の性能
が得られる。

【００２４】さらに、本発明の半導体結晶膜の製造方法
によれば、基板上に形成したアモルファス状半導体薄膜
をアニールにより結晶化させ、引き続き、この上層にア
モルファス状半導体薄膜を新たに形成するとともに、該
上層の半導体薄膜をアニールにより結晶化させる工程を
１回以上繰り返して薄膜を積層するので、比較的膜厚の
厚い半導体膜を効率よく、製造することができ、しかも
得られた半導体膜は良好かつ均質に結晶化されている。
また、上記アニールをエキシマレーザにより行えば、低
温での効率的な処理が可能になり、また、大面積化も容
易である。この際に、各層の薄膜の厚さを１００〜２０
０ｎｍにすれば、基板を損傷することなく、確実に、ま
た良好に各層の薄膜を結晶化できる。

【００２５】さらに、本発明の半導体結晶膜の製造装置
によれば、半導体成膜炉とアニール炉とが共通のチャン
バを有する複合炉で構成されており、該複合炉で成膜お
よびアニールを同時にまたは切換えて操業できるものと
したので、半導体結晶膜を効率よく製造することがで
き、また、薄膜を積層した結晶膜も容易かつ効率よく製
造することができる。以上の如く、本発明の実施によ
り、良質かつ結晶粒径の大きい、膜厚がミクロンオーダ
ーの多結晶半導体膜膜を形成することが出来る。しかも
低温プロセスが可能になり、融点の低い安価な基板を使
用することが出来るので、低コスト、高効率、大面積の
例えば多結晶シリコン薄膜太陽電池の実用化に寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体膜の概念図である。

【図２】本発明の製造装置の一実施形態を示す概略断
面図である。

【図３】本発明の半導体膜の製造プロセスを示す概念
図である。

【図４】本発明の製造装置の他の実施形態を示す概略
断面図である。

【符号の説明】

１複合炉１ａチャンバ４ヒータ８エキシマレーザ発信器９レーザ光１０基板１１アモルファス状シリコン薄膜１１ａシリコン結晶薄膜１２シリコン結晶膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米田昌司東京都府中市日綱町１番１株式会社日本製鋼所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に同一材料の薄膜が積層された半
導体結晶膜であって、該結晶膜は各層で横方向に成長し
ているとともに、各層間に亘って縦方向に成長した多結
晶であることを特徴とする半導体結晶膜
【請求項２】基板上に形成されたアモルファス状半導
体薄膜をアニールにより結晶化させ、引き続き、この上
層にアモルファス状半導体薄膜を新たに形成するととも
に、該上層の半導体薄膜をアニールにより結晶化させる
工程を１回以上繰り返して薄膜を積層することを特徴と
する半導体結晶膜の製造方法
【請求項３】アニール用の加熱手段がエキシマレーザ
であることを特徴とする請求項２に記載の半導体結晶膜
の製造方法
【請求項４】各層の薄膜の厚さが１００〜２００ｎｍ
であることを特徴とする請求項３に記載の半導体結晶膜
の製造方法
【請求項５】半導体成膜炉とアニール炉とが共通のチ
ャンバを有する複合炉で構成されており、該複合炉で成
膜およびアニールを同時にまたは切換えて操業できるも
のとしたことを特徴とする半導体結晶膜の製造装置