JP2000286209A - 薄膜半導体結晶の溶融再結晶化方法 - Google Patents

薄膜半導体結晶の溶融再結晶化方法

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JP2000286209A
JP2000286209A JP11093366A JP9336699A JP2000286209A JP 2000286209 A JP2000286209 A JP 2000286209A JP 11093366 A JP11093366 A JP 11093366A JP 9336699 A JP9336699 A JP 9336699A JP 2000286209 A JP2000286209 A JP 2000286209A
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Japan
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melting
deposit
heating
substrate
thin film
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JP11093366A
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English (en)
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Atsushi Kamata
敦之 鎌田
Naoto Mogi
直人 茂木
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明では、結晶粒径を再現性良く拡大しな
おかつ堆積方向に結晶粒界の形成を抑制する方法を提供
することを課題とする。 【解決手段】 望むべくはYAGレーザ12の1.06
4μm発振線を用いて、堆積物15表面から照射加熱
し、裏面側から抵抗加熱体等により溶融部を1000℃
以上に加熱することが有効であることが確認された。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜半導体結晶の
溶融再結晶化方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来太陽電池は単結晶シリコンや多結晶
シリコンによる数百μm厚の基板を用いてpn接合を形
成することにより作製されていた。しかし、太陽電池の
需要の増大と共にシリコン結晶基板の供給が不足する状
況が見られ、このため需給バランスの関係から基板価格
が上昇する事態も生じ、低コスト化により普及を図る意
図が達成されない状況となってきた。このような事態を
解消するためには、厚い結晶基板を用いるセルから、薄
膜によるセル構造への転換が必須である。
【0003】近年、poly−Si薄膜セルが注目され
ている。poly−Si薄膜は現行の結晶シリコン基板
の1/10から1/100程度の厚さの薄膜で結晶系セ
ル並みの発電効率の期待できる点で非常に魅力的であ
る。これまで、poly−Si薄膜の形成方法としては
a−Si薄膜を固相結晶化させる、各種CVDで堆積さ
せる、LPEにより堆積させるといった方法が試みられ
ている。しかし、いずれの薄膜堆積方法も堆積速度は高
々数μm/hr程度と大きなものではなく、低コストを
実現する為の高生産性技術とは言えない。また、高効率
化をpoly−Si薄膜セルで実現するには結晶品質の
改善が必須である。結晶品質の改善は多結晶粒径を拡大
する事と結晶中で少数キャリアのトラップとなる欠陥
(拡張欠陥、点欠陥)そして不純物の低減が必要であ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】薄膜多結晶シリコン基
板を得る上で、有効な手法として溶融再結晶化法が有
る。これまでの再結晶化方法ではハロゲンランプを加熱
源として用い、溶融領域を移動させ結晶化を行ってい
る。従来のハロゲンランプを用いた再結晶化法では溶融
帯幅を均一に制御する事すなわち、堆積層内の温度分布
を一定に保つことが非常に難しく、光照射により温度が
上昇すると急激に溶融領域が拡大する現象が見られた。
そのため、再現性良くカラム状で大粒径の結晶粒を形成
することが困難であった。本発明では、結晶粒径を再現
性良く拡大しなおかつ堆積方向に結晶粒界の形成を抑制
する方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは堆積された
シリコン薄膜を、ランプ、レーザ、電子線等による加熱
手段により溶融し固化再結晶化させる事により、薄膜で
結晶粒径を拡大させる方法について鋭意検討した。実験
を積み重ねた結果、結晶粒径を再現性良く均一に拡大
し、堆積方向に結晶粒界抑制を阻害している要因が、溶
融させる際の急激な溶融帯幅の変化と、溶融帯幅の広い
事で有ることを明らかにした。従って、溶融帯幅を狭
く、均一に保つことが必要で、そのためには波長1.0
μmから1.2μmの赤外光により堆積物表面から照射
加熱し、裏面側から抵抗加熱体等により溶融部を100
0℃以上に加熱することが有効であることが確認され
た。望むべくはYAGレーザの1.064μm発振線を
用いて、堆積物表面より加熱する事が非常に有効である
ことを見出した。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を示して本
発明をさらに詳細に説明する。
【0007】まず、耐熱性基板としてグラファイトを用
いて、6Nの純度を有する多結晶シリコンを原料として
溶射法により堆積層50μmを基板上に成膜した。
【0008】このようにしてシリコンは、堆積速度10
μm/min以上の高速度で基板16上に堆積する。し
かし、基板16上に堆積したシリコン層15は、幾分多
孔質であり、しかも結晶粒径は高々数μm程度と小さい
ため、このままでは発電層として利用し得る特性は有し
ていない。
【0009】図1は本発明に用いられる溶融結晶化装置
の模式図である。カーボン基板16は抵抗加熱ヒーター
17上に設置され、47W/cm−2のヒータ出力によ
り加熱され、堆積物表面温度1200℃にまで加熱され
る。堆積物表面からはYAGレーザ12の1.064μ
mの発振線をオッシレーション装置12により実質的に
線状ビームに成形したものを照射した。レーザ出力は
(1W/cm−2)で、照射領域は速やかに溶融し、レ
ーザビームを定速度で移動させる事により溶融帯を連続
的に移動させる。固化速度は表面からの熱の放熱速度に
依存し、本実施例ではレーザビームが幅0.5mmと非
常に狭くなっているためビームの移動に伴い、速やかに
固化が進行する。ここで、13はレーザー光を制御する
ミラーであり、14はレーザー光を集光するレンズであ
る。従って、レーザビーム進行速度を速めることが可能
であり、5mm/sec程度の移動速度で十分に溶融固
化させ、結晶粒径を拡大することが可能である。ただ
し、ビーム幅と移動速度は一義的に決まるものではな
く、堆積したシリコンの堆積厚と裏面からの加熱パワー
そして、冷却能力に大きく依存する。表面から照射する
レーザの形、出力も結晶化に大きく影響する。結晶粒径
の拡大は、堆積層の厚さにも依存するが、例えば、50
μm厚のSi堆積層を溶融再結晶化した場合、平均的な
結晶粒径は200μm程度に拡大することができる。数
μm程度の結晶粒径では、たとえ高純度の結晶であった
としても、少数キャリア寿命は1μsecに満たない。
粒径が100μmを越えると、寿命は数10μsecか
ら100μsecを越える特性を有する結晶寿命を得る
ことが可能となる。
【0010】本発明のメカニズムは以下のように考える
ことができる。
【0011】シリコンの禁制帯幅は室温で1.11eV
で間接遷移である。1μmから1.2μmの波長はエネ
ルギーとして1.2から1.0eVに相当し、シリコン
の禁制帯幅にほぼ等しい。しかしながら、間接遷移であ
るために1−1.2eVの光の吸収係数は非常に小さく
高々数100cm−1程度である。ところが、YAGレ
ーザの波長である1.064μmに対してシリコンの光
吸収係数は温度依存性を持っており、図2に示すように
指数関数的に増大する。1000℃では吸収係数が10
5cm−1に達し、直接遷移材料の光吸収係数に匹敵す
る値を示す。この理由は、図4に示したように、シリコ
ンのバンドギャップの温度依存性により1000℃で禁
制帯幅が0.75eV程度まで低下し、レーザ光の1.
165eVに比べて非常に狭くなると共に、振電相互作
用が大きくなり吸収係数が増大すると考えられる。従っ
て、室温ではYAGレーザの1.064μm光を照射す
るとシリコン堆積層を透過して基板であるカーボンを直
接加熱する事になる。そのため熱伝導の良い基板を用い
るとレーザだけで溶融させることは困難である。熱伝導
の悪い基板を用いた場合には、基板側が加熱されシリコ
ン温度の上昇共に吸収領域は表面側に移動する。しか
し、温度分布は基板側の高い状態が維持され、溶融時に
基板側から溶融し易く、狭い領域を制御性良く溶融する
ことが難しい。本発明の場合には、基板をあらかじめ1
000℃以上望むべくは1200℃以上に加熱しておく
ことにより、基板と表面の温度分布をなくした状態でレ
ーザ照射すると表面層で光吸収が生じる。そのため堆積
層を表面側から溶融させることが可能である。同じレー
ザでも可視あるいは紫外の高出力レーザを照射して表面
で吸収させることも可能であるが、この場合には表面層
のみが溶融し、堆積層全体を溶融させることが困難にな
る。その理由は吸収が極表面で生じると共に表面が溶融
すると表面反射率が急激に増大し、光吸収量が急激に低
下する。そのため溶融が基板側に進行せず表面近傍で留
まってしまう為である。一方、YAGレーザの1.06
4μm光は表面溶融後も光吸収量の低下が少なく溶融は
基板側まで進行する。溶融した表面からレーザビームが
移動すると表面は輻射により急速に冷却され固化結晶化
が表面側から進行し、堆積方向に結晶粒界の入らないい
わゆるカラム状結晶粒(図3)の形成が可能である。
【0012】つぎに、基板温度とレーザパワー密度と基
板加熱出力との比に関して図4の様な結果を得た。堆積
層が堆積方向に結晶粒界を持たないいわゆるカラム状成
長が実現される条件は堆積層厚、基板加熱パワー、光照
射パワー密度に依存する。図3に示したように、横軸に
基板温度、縦軸に基板加熱パワー密度と光照射密度の比
をとることにより堆積層厚の影響を無視できる。この図
により明らかなことは、基板温度を800℃以上140
0℃までの範囲でカラム状の大粒径シリコン多結晶が得
られていることが判る。さらに、1000℃から120
0℃の範囲でより広い条件範囲で大粒径かされているた
め製造面で望ましい。また、単位面積あたりの入力パワ
ーは200から800W/cm2の範囲でかつ光照射/
基板加熱パワー密度比が2から40の間であることが望
ましいことが判った。
【0013】本発明は上記実施例に限られるものではな
く、基板加熱方法は抵抗加熱のみならず、ランプによる
加熱でも良いし、他の方法であっても良い。さらに、光
照射に関してもYAGレーザに限らず、波長帯をフィル
ター等で請求項の範囲に実質的に選択できていれば白色
光を用いても良い。さらに、他のレーザを波長チューニ
ングして用いても良い。堆積層も溶射堆積層だけでなく
粉末を堆積させた物でも良いし、CVDにより堆積させ
他ものであってもかまわない。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、再現性良く、高速に多
結晶薄膜シリコン基板を作製でき、しかもスライス、研
磨工程を排除し、原料の利用効率を70%以上にまで高
められることから、シリコンを発電層とした太陽光発電
素子の大幅な低コスト化が図れる。YAGレーザを用い
た結晶化により高速結晶化が可能になり、シリコン結晶
粒径の大型化が促進された。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を実施する上での装置を示す模式図。
【図2】シリコンの光吸収係数の温度変化を示す図。
【図3】カラム状多結晶を示す模式図。
【図4】基板温度に対するレーザパワー密度と加熱パワ
ー密度比の変化を示す図。
【符号の説明】
11 オッシレーション装置 12 YAGレーザ 13 制御ミラー 14 集光レンズ 15 シリコンの堆積層 16 基板 17 ヒーター

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 5μm以上300μm以下の厚さで堆積
    された多結晶シリコン層を加熱溶融した後、冷却し結晶
    化させて多結晶シリコン薄膜を形成方法において、前記
    堆積物の第二の主面からの加熱により堆積物表面の温度
    を1000℃以上シリコン融点以下に加熱し、前記堆積
    物の第一の主面側から実質的に線状に整形もしくはオッ
    シレーションさせた光ビームを堆積物表面に照射し、シ
    リコンを線状に溶融させ、溶融した線状領域と概ね直交
    する方向に光ビームを移動させる事により溶融領域を移
    動させ、移動後は前記溶融領域を速やかに冷却させ固化
    させる帯域溶融結晶化法により堆積物を大粒径多結晶化
    させる薄膜半導体結晶の溶融再結晶化方法。
  2. 【請求項2】 前記光ビームがYAGレーザの基本波で
    ある1.064μmの発振線を実質的に線状となるよう
    に周期的に走査させたビームである事を特徴とする請求
    項1に記載の薄膜半導体結晶の溶融再結晶化方法。
  3. 【請求項3】 前記堆積物裏面を加熱する加熱体からの
    出力が堆積物面積1cm2当たり30w以上であり、前
    記堆積物表面で溶融している領域の直下を含み、少なく
    とも表面を溶融するレーザビーム幅の3倍の領域が加熱
    体により加熱されていることを特徴とする請求項1に記
    載の薄膜半導体結晶の溶融再結晶化方法。
JP11093366A 1999-03-31 1999-03-31 薄膜半導体結晶の溶融再結晶化方法 Pending JP2000286209A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7737054B2 (en) 2003-03-17 2010-06-15 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus, laser irradiation method, and method for manufacturing a semiconductor device
JP2010141345A (ja) * 2010-02-03 2010-06-24 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置の作製方法
US7919726B2 (en) 2002-11-29 2011-04-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus, laser irradiation method, and method for manufacturing a semiconductor device
JP2013149897A (ja) * 2012-01-23 2013-08-01 Innovation & Infinity Global Corp 複合型太陽電池用の多結晶シリコン基板の製造方法

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7919726B2 (en) 2002-11-29 2011-04-05 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus, laser irradiation method, and method for manufacturing a semiconductor device
US7737054B2 (en) 2003-03-17 2010-06-15 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Laser irradiation apparatus, laser irradiation method, and method for manufacturing a semiconductor device
JP2010141345A (ja) * 2010-02-03 2010-06-24 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置の作製方法
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