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1
大気雰囲気下でシリコン結晶膜を連続成長させるHeat-Beam装置
古村雄二、西原晋治、清水紀善、村直美、山本隆一郎、大場隆之*
(株)フィルテック*東京大学大学院工学系研究科
2012年8月8日
CVD 反応分科会第16回シンポジウム於:東京大学工学部2号館
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2
SiH4+H2常圧排気
連続Si結晶膜
移動する連続基板(ガラス、鉄板)
Heat-Beam CVD 装置
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HB-CVDUnit 4P-Si800ºC
HB-CVDUnit 9SiN700ºC
HB-500ºC steamCleanerunit3
SOGPrintUnit 6700ºC
FormingUnit 10600ºC
TOCPrintUnit 7600ºC
metalPrintUnit 8400ºC
Steel Roll FeederUnit 1
HB-CVDUnit 5n-Si800ºC
目指す印刷式薄膜製造装置System to print PV cell on rolled steel
Steel pressUnit 2
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4
内容
1.無限連続基板への結晶成長の目標
2.加熱した反応ガスを基板に垂直に吹き付ける表面加熱Heat-Beam(HB)非平衡CVD
3.HB-CVD装置の構造
4.成膜結果
5.まとめ
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substrate at a high temperature
CVD cool gas
Heater
SiH4を含むガス
瞬間加熱装置薄膜
Non-equilibrium CVD reactionby chemical heat beam
Equilibrium reactionBy substrate heating
移動
Usual CVD HB-CVD
HB-CVD の特徴HB-CVD の特徴
無限連続基板
film
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6
温度の深さ分布の推定イメージ(基板全体を加熱しない)
深さ
温度 HB gas
Substrate
Temperature Ts
Glass
HB
Temperature THB
Temperature THB
Temperature Ts
Scan
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熱量の基板内への伝達(ランツ・マーシャルの式を参照して実験に合わせる方法)
熱伝達率 h =A・ ・0.664・( /Da)0.33・(uL/ )0.5/L: 流体の熱伝導率
/Da: Pr; プランドル数uL/ : Re; レイノルド数L: 代表の長さ(定数)A: 実験に合わせこむ係数
基板内の熱移動
熱伝播係数: 実験式 d2/a=t1/2d: 厚みa:熱拡散率t1/2: 熱量半分の到達時間
: 動粘性係数Da: 流体の熱拡散率
u: 流体流速HB gas
Substrate
Glass
熱伝達熱移動
u
Scan
基板内の温度分布を推定
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0
100
200
300
400
500
600
700
0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200 0.220 0.240 0.260
温度
(℃)
深さ(mm)
試料: 厚さ1mmのガラス板HB温度: 1000 ℃HBスリット: 2mmスキャン: 10mm/s
時間
試料表面
基板内温度分布
~7.7ms間隔
200ms(End of scan)
7.7ms
17.3ms
合わせた実験温度
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表面温度ガス速度依存性
スキャン速度 [cm/s]
HBガス速度 (m/s)
温度(℃)
0.17
0.33
0.25
0.5~
500550
600650
700
750800
850900
9501000
5 10 15 20
試料: 厚さ1mmm のガラス板THB:1000℃
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スキャン速度 Higher10 mm/min
加熱領域 スキャン速度が速いと加熱層が薄くなる
HBアニールの表面加熱特性--スキャン速度と表面加熱層--
0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45
400
450
500
550
600
650
700
750
800
10 30 50 70 90 110 130 150 170スキャン速度 (mm/min)
基板表面温度
(℃)
表面加熱層の深さ
(cm
)
MFC flow rate=10SLM20
4030
glass
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20cm
Poly crystalline Si formed from thick amorphous SiBy HB annealing at 800ºCat a scan speed of 100mm/min
12.7cm
Amorphous Si
Poly crystalline Si (left half)formed from thick amorphous Si(right half)by HB annealing at 800ºC
Poly crystalline Si
表面加熱の応用
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Hardened SiOC
Surface annealing at high temperaturesabove substrate limits to form a film
Polycarbonate sheet( PC, 0.1mm) with a coated SiOC filmannealed by HB at 600
glueglass
by a furnace ( 250ºC)
sheet
表面加熱の応用
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HB-CVD の思想HB-CVD の思想
1)CVDガスを加熱励起して基板に高速で吹き付け2) 反応種を高速供給させる非平衡反応3) 基板を大気から挿入して大気に引き出す連続成長4)基板の拡張は自由な装置構造
廉価に大型基板薄膜製造
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SiH4を含むガス
鏡面の薄膜
移動
HB-CVD
無限連続基板:移動する巨大核
気相に核となる粒子はない
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試作したHB-CVD室
ع15
Air isolating device
Air-free CVD space
<0.01-ppm oxygen
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HB-CVD printer deposits PV films HB-CVD printer deposits PV films
Push-pull air-stopper and substrate-bearing at a high temperatureup to 900ºC
+-
- ++
+
-
-
0.01-ppm Air isolator
<1mm separationP-type N-type
Glass or steel
p/n junction film (Si, Ge, SiC) on a substrate (Si, Al, steel, glass)
Atmospheric Air
PN
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HB-CVD proved a CVD-printer at a high temp.
HB-CVD tool (200~800ºC)
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Silicon printed on glass(650℃)
15cm
Silicon
Experimental result of HB-CVD siliconfrom SiH4+H2 system
Position0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Thickness(nm)
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成長シリコン膜のラマンシフト(cm-1)
519cm-1
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TEM回折像
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HB-CVDで可能と考える材料
将来の薄膜太陽電池材料・Si結晶・Ge結晶・CIGS系膜・Carbon膜・ZnO膜・TiN,TiO2膜・SiN膜・GaN膜
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まとめ
1. CVD反応ガスを加熱して基板に吹き付ける非平衡Heat-Beam CVD装置を開発した。
2.無限連続基板の上に大気圧下で結晶シリコン膜を成長させた
3.無限連続基板の上に結晶膜を積層させる製造方法が可能となった。
4.結晶積層とパタン絶縁膜、パタン導電膜と組み合わせて廉価な連続基板太陽光発電セルの製造に応用できる
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謝辞
基板へのHBガスの熱流物理については、東京大学マテリアル工学専攻霜垣教授にご教示頂きました。ここに感謝申し上げます。