CN102576668A - 催化cvd装置、膜的形成方法和太阳能电池的制造方法 - Google Patents

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Abstract

在催化CVD装置(100)中，控制部在成膜时前后的规定的时间内，将催化剂丝(13)的温度控制在待机温度。待机温度是低于成膜时催化剂丝(13)的温度且高于室温的规定温度。

Description

催化CVD装置、膜的形成方法和太阳能电池的制造方法
技术领域
本发明涉及在被成膜基材上进行成膜的催化CVD装置、膜的形成方法和太阳能电池的制造方法。
背景技术
一般而言，在制造太阳能电池等各种半导体器件等时，作为在基材上形成规定的沉积膜的方法，以往已知CVD法(化学气相沉积法)。作为这样的CVD法中的1种，近年来，研究了利用催化化学气相成长(Catalytic Chemical Vapor Deposition)的催化CVD法(例如，专利文献1)。
在催化CVD法中，使用加热的由钨和钼等构成的催化剂丝，将反应室内所供给的原料气体分解，使沉积膜在由基材支架所保持的基材上形成。因为不利用如等离子体CVD法那样的等离子体放电，所以催化CVD法被期待作为在基材表面和沉积膜表面上带来的不良影响少的成膜方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-327995号公报
发明内容
但是，在以往的催化CVD装置中，因为催化剂丝易断，必须频繁地更换催化剂丝，所以有批量生产率低的问题。
因此，本发明是为了解决上述问题而完成的发明，其目的在于提供可以实现催化剂丝长寿命化的催化CVD装置、膜的形成方法和太阳能电池的制造方法。
本发明特征的催化CVD装置，其要点在于：其是对设置于反应室内且被加热的催化剂丝供给原料气体，使所生成的分解产物沉积在反应室内的被成膜基材上，进行成膜的催化CVD装置，具有控制部，在向被成膜基材上成膜时，上述控制部可以进行控制使催化剂丝的温度为原料气体的分解温度，在成膜时前后各规定时间内，上述控制部可以进行控制使催化剂丝的温度为低于成膜时催化剂丝的温度且高于室温的规定温度。
本发明特征的催化CVD装置，在成膜时前后的各规定时间内，可以将催化剂丝的温度维持在低于成膜时的温度且高于室温的温度。因此，根据本发明，因为能够缓和催化剂丝的收缩和膨胀，所以能够实现催化剂丝的长寿命化。
另外，本发明特征的催化CVD装置，其要点在于：其是对设置于反应室内且被加热的催化剂丝供给原料气体，使所生成的分解产物沉积在反应室内的被成膜基材上，进行成膜的催化CVD装置，具备对催化剂丝通电的电源，并具有控制部，在向被成膜基材上成膜时，上述控制部对上述催化剂丝进行通电控制，使催化剂丝的温度为原料气体的分解温度，在成膜时前后各规定时间内，上述控制部对上述催化剂丝进行通电控制，使催化剂丝的温度为低于成膜时催化剂丝的温度且高于室温的规定温度。
根据这样的催化CVD装置，稳定运转时，因为对催化剂丝连续通电，不进行通电开始和停止的切换而进行控制，所以能够缓和由通电开始和停止的切换反复而对催化剂丝产生的收缩和膨胀。其结果，能够实现催化剂丝的长寿命化。
在本发明特征的催化CVD装置中，在成膜时前后的各规定时间内，可以对催化剂丝连续通电进行温度控制。
在本发明特征的催化CVD装置中，在成膜时前后的各规定时间内，催化剂丝的温度可以被控制在低于原料气体分解温度的温度。
在本发明特征的催化CVD装置中，规定温度可以是高于催化剂丝中的至少一部分发生延性-脆性转变温度的温度。此时，因为能够防止催化剂丝反复发生延性-脆性转变，所以能够实现催化剂丝的长寿命化。
在本发明特征的催化CVD装置中，在被成膜基材上形成规定的膜时，规定温度可以是将被成膜基材的温度维持在低于规定膜的膜质变化温度的温度。此时，能够抑制被成膜基材上所形成的非晶半导体膜和微晶半导体膜等膜的膜质在非成膜时变化。
本发明特征的膜的形成方法，其要点在于：包括使用上述本发明涉及的催化CVD装置中的任意1种，在被成膜基材上形成膜的工序。
本发明特征的太阳能电池的制造方法，其要点在于：包括使用上述本发明涉及的催化CVD装置中的任意1种，在被成膜基材上形成膜的工序。
根据本发明，就能够提供可以实现催化剂丝的长寿命化的催化CVD装置。另外，通过使用该催化CVD装置，能够提供批量生产率提高的膜的形成方法和太阳能电池的制造方法。
附图说明
图1是表示实施方式涉及的催化CVD装置100的结构的概略图。
图2是用于说明实施例涉及的成膜流程的图。
具体实施方式
以下，关于使用本发明的实施方式涉及的催化CVD装置的膜的制造方法，边参照附图边进行说明。另外，在以下的附图记载中，在相同或类似的部分上，附注相同或类似的符号。
但是，附图是示意性的，应该注意各尺寸比例等与实际的不同。因此，具体的尺寸等应该参考以下的说明加以判断。另外，即使在附图相互之间，当然也包含相互的尺寸关系和比例不同的部分。
[向催化剂丝的通电和催化剂丝寿命的关系]
在以往的催化CVD装置中，因为催化剂丝易断，所以必须频繁地更换催化剂丝，有膜的批量生产率低的问题。
因此，本发明的发明者们等关于催化剂丝易断的原因进行了深入研究。其结果，判断在成膜结束后停止向催化剂丝的通电，在成膜开始时再次向催化剂丝的通电上存在问题。
具体而言，在成膜结束后停止向催化剂丝的通电时，由于催化剂丝的热容量小，催化剂丝的温度从成膜时的温度(例如，1600℃～2000℃)以数秒钟下降到室温左右，因此催化剂丝急剧收缩。另外，开始向催化剂丝通电时，催化剂丝的温度从室温左右以数秒钟上升到成膜时的温度，因此催化剂丝急剧膨胀。判断由于这样的收缩和膨胀在每次通电的停止和开始的切换时重复，所以催化剂丝的寿命变短。
本发明是通过设计向催化剂丝的通电控制，实现催化剂丝的长寿命化的发明。以下，主要着眼于催化剂丝的通电控制进行说明。
[催化CVD装置的结构]
以下，关于实施方式涉及的催化CVD装置的结构，边参照附图边加以说明。图1是表示催化CVD装置100的结构的概略图。
如图1所示，催化CVD装置100具有加料室1、反应室10和取出室(未图示)。能够将基材托盘200上所保持的基材300从加料室1移动到反应室10，在基材300上形成沉积膜。
另外，加料室1、反应室10和取出室，在稳定运转状态中，在成膜时以外被排气到约1×10-4pa以下的压力。
(1)加料室的结构
加料室1是容纳基材托盘200的真空容器，以可以排气到真空状态的方式构成。加料室1具备灯加热器和夹套加热器等的加热结构2。
另外，加热结构2将基材托盘200所保持的基材300加热。由此，除去在基材托盘200和基材300中所吸附的水分。
另外，加料室1具备未图示的搬入装置和搬出装置。搬入装置将基材托盘200搬入加料室1内。搬出装置将在加料室1中准备好的基材托盘200搬向反应室10。
(2)反应室的结构
反应室10是容纳基材托盘200的真空容器。反应室10具备气体供给管11、气体排出管12、多根催化剂丝13、安装部14和电源15。
气体供给管11是用于在反应室10内供给原料气体(例如，SiH4和H2的混合气体或SiH4等)的流路。
气体排出管12是用于从反应室10内排出原料气体的流路。
催化剂丝13通过被加热，将反应室10内所供给的原料气体分解。催化剂丝13的两端被安装在安装部14，相对于反应室10的底面垂直地配置。催化剂丝13由通电被升温到能够分解原料气体的温度(以下，称为“分解温度”。例如，1600℃～2000℃)。原料气体被催化剂丝13分解，分解产物到达基材300，从而在基材300上形成沉积膜(例如，半导体膜或SiN膜等)。
作为催化剂丝13的材料，能够使用Ta、Mo、W丝等。另外，催化剂丝13可以在表面具有不同种类的层。作为其一例，可以列举在表面形成有硼化物层的钽丝。另外，作为催化剂丝11，可以使用直径为0.3mm～2.0mm、优选为0.5mm～1.0mm的催化剂丝。
电源15经过安装部14，在催化剂丝13上通电。作为电源15，可以使用恒流电源、恒压电源或可以控制恒流和控制恒功率两者的恒流/恒压电源。
在本实施方式中，电源15的控制可以是恒流控制和恒功率控制中的任意1种，通过设定电流值或功率值，控制催化剂丝13的温度。即，电源15的电流值或功率值被控制，从而在催化剂丝13中流动使催化剂丝13的温度达到预先规定温度的电流。
另外，反应室10具备未图示的搬入装置和搬出装置。由此，基材托盘200被搬入反应室10内或从反应室10被搬出。
(3)控制部的结构
催化CVD装置100具有未图示的控制部。
在催化CVD装置100稳定连续运转时，控制部在催化剂丝13中一直连续通电。
具体而言，在反应室10中在基材300上进行成膜的时间带(以下，称为“成膜时”)中，控制部通入可以将催化剂丝13的温度升温到将原料气体分解的温度的电流。另外，在反应室10中在基材300上不进行成膜的时间带(以下，称为“非成膜时”)中，控制部通入可以将催化剂丝13的温度控制到低于成膜时催化剂丝13的温度且高于室温的温度的电流。这样，即使在基材托盘200没有容纳于反应室10内时也在催化剂丝13上连续通电。由此，催化剂丝13从成膜时到非成膜时，一直被连续通电。
另外，非成膜时的催化剂丝13的温度(以下，称为“待机温度”。)是低于成膜时的催化剂丝13温度的温度，优选是低于原料气体分解温度的温度。由此，因为能够抑制催化剂丝13一直在高温加热，所以能够减少催化剂丝13的伸长。其结果，能够实现催化剂丝13的长寿命化。
另外，待机温度是高于将向催化剂丝13的通电停止时的温度(室温左右)的温度，优选是高于催化剂丝13的延性-脆性转变温度的温度。
其中，延性-脆性转变是指在催化剂丝的温度下降时，伴随温度下降而构成催化剂丝的材料显著变脆的现象。另外，延性-脆性转变温度是指在催化剂丝或其一部分上发生延性-脆性转变的温度。例如，作为催化剂丝的材料所公知的钨(W)的延性-脆性转变温度为300℃，如果在低于300℃的温度，就变得极脆。因此，在催化剂丝使用W时，通过将待机温度设为高于作为延性-脆性转变温度的300℃的温度，就能够使催化剂丝长寿命化。
此外，虽然催化剂丝13具有叠层结构时的延性-脆性转变温度不明确，但例如在使用表面具有硼化钽层的催化剂丝时，实验上确认了通过将超过500℃的温度设为待机温度，可以实现长寿命化。因此，在表面具有硼化钽层的钽时，可以认为延性-脆性转变温度是约500℃。
另外，成膜时的催化剂丝13的温度，只要是能够将原料气体分解的温度(即分解温度)，就能够适当选择，还可以使其变化。同样地，待机温度也能够在低于成膜时的催化剂丝13的温度且高于室温的温度中适当选择，还能够使其变化。
[使用催化CVD装置的膜形成方法]
接着，作为使用催化CVD装置100的膜形成方法的一例，关于半导体膜的形成方法，边参照附图边加以说明。
(1)加料室1
首先，准备具有第1主面、和设置在第1主面的相反侧的第2主面的基材300。在本实施方式中，基材300设为玻璃等的基板。
接着，在基材托盘200上保持基材300。
接着，将保持有基材300的基材托盘200搬入设为大气压的加料室1内。
接着，通过来自排气系统的排气，将加料室1排气到规定压力(例如，1×10-4pa以下)，并且由加热结构2将基材300和基材托盘200加热到约150℃～200℃。由此，将在基材300和基材托盘200中吸附的水分除去。
(2)非晶Si膜的形成
接着，将保持有基材300的基材托盘200从加料室1搬入反应室10内。此时，通过连续通电，配置在反应室10内的催化剂丝13被加热到待机温度。
接着，从气体供给管11在反应室10内，作为原料气体供给SiH4和H2的混合气体，并且将反应室10内的压力调整到规定值(例如，约0.5Pa～10Pa)。
接着，通过增大在催化剂丝13中流动的电流，使催化剂丝13升温到原料气体的分解温度。由此，原料气体被催化剂丝13分解，分解产物到达基材300的第1主面。这样进行操作，在基材300上形成非晶Si膜。
接着，在减小催化剂丝13中流动的电流的同时，停止原料气体的供给。由此，催化剂丝13通过连续通电被降温到待机温度。
接着，通过来自气体排出管12的排气，反应室10内的压力达到约1×10-4Pa以下后，将保持有基材300的基材托盘200搬出到取出室，在大气中取出。
此外，虽然在本实施方式中，在减小催化剂丝13中流动的电流的同时，停止原料气体的供给，但既可以在减小了电流后停止原料气体的供给，也可以在停止了原料气体的供给后减小电流。
接着，将新准备的保持有基材300的基材托盘200从加料室1搬入反应室10内。此时，催化剂丝13通过连续通电被维持在待机温度。
接着，通过从气体供给管11在反应室10内，供给上述的原料气体，将反应室10内的压力调整到规定值(例如，约0.5Pa～10Pa)。
接着，通过增大催化剂丝13中流动的电流，使催化剂丝13升温到原料气体的分解温度。由此，原料气体被催化剂丝13分解，分解产物到达基材300上。
如上连续地进行向基材300上的膜的形成时，在本实施方式中，催化剂丝13的温度在向基材300成膜时的前后，可以控制在低于成膜时的催化剂丝13的温度且高于室温的温度的待机温度。
[作用和效果]
在本实施方式涉及的催化CVD装置100中，在成膜时前后的规定时间中，控制部将催化剂丝13的温度控制在待机温度。待机温度是低于成膜时催化剂丝13的温度且高于室温的规定温度。
因此，相比于由电源15造成的通电开始和停止反复的情况，能够缓和在催化剂丝13上产生的收缩和膨胀。因此，能够实现催化剂丝13的长寿命化。
另外，待机温度低于成膜时的催化剂丝13的温度。因此，能够抑制通过一直被维持在高温而催化剂丝13被维持在延长的状态。
另外，因为催化剂丝13没有一直设在分解温度，所以能够抑制基材300被过热。其结果，能够抑制在基材300上所形成的膜质劣化。
另外，待机温度优选高于催化剂丝13的延性-脆性转变温度。此时，因为能够抑制在催化剂丝13上产生的延性-脆性转变，所以能够实现催化剂丝13的长寿命化。
另外，待机温度优选是能够将基材300的温度维持在低于基材300上所形成的非晶半导体膜和微晶半导体膜等膜的膜质变化温度的温度。此时，即使在基材300上形成有非晶半导体膜和微晶半导体膜等膜时，也能够抑制膜质变化。
另外，通过在成膜时前后的规定时间中，在催化剂丝13中连续通电，能够不使用加热器等其他的加热结构而将催化剂丝13控制在规定的温度。其结果，能够实现装置成本的降低。
另外，在本实施方式涉及的膜的形成方法中，因为使用上述催化CVD装置100，所以能够减少催化剂丝13的更换频率。其结果，能够提高膜的批量生产率。
[其它实施方式]
通过上述实施方式说明了本发明，但构成该公开的一部分的论述和附图，不应该理解为是限定该发明。从该公开，本领域技术人员就应当知晓各种取代实施方式、实施例和应用技术。
例如，在上述实施方式中，作为应用本发明的膜的形成方法的一例，说明了非晶Si膜的形成方法，但不限定于此。本发明也可以适用于非晶Si膜以外的半导体膜和SiN膜等半导体膜以外的膜的形成方法。本发明还可以用于具备半导体膜和半导体膜以外的膜中的至少1种膜的太阳能电池等半导体器件的制造方法。
另外，在上述实施方式中，催化CVD装置100设为仅具备1个反应室10的结构，但不限定于此。催化CVD装置100可以具备多个反应室。由此，能够在基材300上重叠形成同种膜或异种膜。此外，在基材300上所形成的膜上再形成膜时，待机温度优选为能够将基材300的温度维持在低于基材300上形成的膜质变化温度的温度。例如，在基材300上形成非晶半导体膜或微晶半导体膜时，通过将待机温度控制在能够将基材300的温度维持在约300℃以下的温度，就能够抑制由氢的脱离等造成的膜质变化。
实施例
以下，具体说明本发明涉及的催化CVD法的实施例，但本发明不受下述实施例所示的内容限定，在不变更其要点的范围内，能够适当变更地实施。
[实施例]
首先，将表面被硼化的钽丝作为催化剂丝配置在反应室内。
接着，按照图2所示的流程，反复进行催化剂丝的升温和降温。
具体而言，首先在预先将反应室内真空排气的工序中，将催化剂丝的温度保持在待机温度(500℃～700℃)。
接着，从在反应室内供给原料气体的工序到从反应室内将原料气体真空排气的工序途中，将催化剂丝的温度保持在分解温度(1600℃～2000℃)。
接着，通过从将原料气体真空排气的工序途中，对催化剂丝连续通电，将催化剂丝的温度保持在待机温度。
然后，反复进行以上的工序到催化剂丝断裂。
[比较例]
在比较例中，从预先将反应室内真空排气的工序、和将原料气体真空排气的工序途中，不对催化剂丝通电。其它与实施例同样进行。
[结果]
相比于比较例，在实施例中能够将催化剂丝的寿命提高到2倍以上。得到这样的结果是因为在实施例中对催化剂丝连续通电，能够缓和催化剂丝的膨胀和收缩的缘故。
另外，日本专利申请第2009-230598号(2009年10月2日申请)的全部内容作为参照引入本申请说明书中。
工业上的可利用性
如上所述，本发明涉及的催化CVD装置，因为能够实现催化剂丝的长寿命化，所以在催化CVD装置的制造领域中有用。另外，本发明涉及的膜的形成方法和太阳能电池的制造方法，因为能够提高批量生产率，所以在太阳能电池的制造领域中有用。
符号说明
1…加料室
2…加热结构
10…反应室
11…气体供给管
12…气体排出管
13…催化剂丝
14…安装部
15…电源
100…催化CVD装置
200…基材托盘
300…基材

Claims (8)

1.一种催化CVD装置，其特征在于：
其对设置于反应室内且被加热的催化剂丝供给原料气体，使所生成的分解产物沉积在所述反应室内的被成膜基材上，进行成膜，
该催化CVD装置具有控制部，在向所述被成膜基材上成膜时，所述控制部能够进行控制使所述催化剂丝的温度为所述原料气体的分解温度，在所述成膜时前后各规定的时间内，所述控制部能够进行控制使所述催化剂丝的温度为低于所述成膜时所述催化剂丝的温度且高于室温的规定温度。
2.一种催化CVD装置，其特征在于：
其对设置于反应室内且被加热的催化剂丝供给原料气体，使所生成的分解产物沉积在所述反应室内的被成膜基材上，进行成膜，
该催化CVD装置具备对所述催化剂丝通电的电源，
并具有控制部，在向所述被成膜基材上成膜时，所述控制部对所述催化剂丝进行通电控制，使所述催化剂丝的温度为所述原料气体的分解温度，在所述成膜时前后各规定时间内，所述控制部对所述催化剂丝进行通电控制，使所述催化剂丝的温度为低于所述成膜时所述催化剂丝的温度且高于室温的规定温度。
3.如权利要求1或2所述的催化CVD装置，其特征在于：
在所述成膜时前后各规定时间内，通过连续通电对所述催化剂丝进行温度控制。
4.如权利要求1～3中任一项所述的催化CVD装置，其特征在于：
在所述成膜时前后各规定时间内，所述催化剂丝的温度被控制为低于所述分解温度的温度。
5.如权利要求1～4中任一项所述的催化CVD装置，其特征在于：
所述规定温度是高于所述催化剂丝中的至少一部分发生延性-脆性转变温度的温度。
6.如权利要求1～5中任一项所述的催化CVD装置，其特征在于：
所述规定温度是在所述被成膜基材上形成规定膜时，能够将所述被成膜基材的温度维持在低于所述规定膜的膜质变化温度的温度。
7.一种膜的形成方法，其特征在于：
包括使用权利要求1～6中任一项所述的催化CVD装置，在被成膜基材上形成膜的工序。
8.一种太阳能电池的制造方法，其特征在于：
包括使用权利要求1～6中任一项所述的催化CVD装置，在被成膜基材上形成膜的工序。
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