JP2010141030A - 多結晶シリコン膜の形成方法、多結晶シリコン膜の形成装置及び多結晶シリコン膜が形成された基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン蒸発源15の加熱によりシリコン微粒子を生成し、次に、シリコン微粒子を移送し、超音速フリージェットJの気流に乗せて真空チャンバー30中に噴出して、真空チャンバー30中に配置された基板33上に物理蒸着させ、シリコン微粒子からなる多結晶シリコン膜を形成する。
【選択図】図2
Description
これらには、アモルファスシリコン(a−Si)膜が主に使用されているが、その電子移動度は多結晶シリコンの100分の1以下であるため、より高電子移動度を有するデバイスを形成するためにアモルファスシリコン膜から多結晶シリコン膜への転換が必要不可欠であると指摘されている(非特許文献1など参照)。
したがって、後処理工程が必要なく、成膜されたままの状態(as deposited)で良質な多結晶シリコン膜を形成する技術の確立が重要であり、新しいコーティングプロセスの開発が模索されている。
多結晶シリコン膜を形成させる新しい技術に求められることは、(1)成膜速度が速く実用化する際に量産性が高いこと、(2)良好なデバイス特性を確保するため緻密な膜が形成できること、(3)TFTや薄膜太陽電池に用いる基板材質としてガラス、フレキシブル金属シート(薄板)、ポリマーフィルムなど様々な材質が検討されており、多様な材質に成膜できること、(4)基板へのダメージを与えないよう低温で成膜できることなどが考えられる。
非特許文献2および非特許文献3は、超音速フリージェット(Supersonic Free Jet:SFJ)物理蒸着(Physical Vapor Deposition:PVD)装置について開示している。
蒸発チャンバー内には、水冷されたハース上に設置した蒸発源材料と、高融点金属(具体的にはタングステン)製の電極が備えられており、一度蒸発チャンバー内を所定の圧力に減圧した後、所定のガス雰囲気に置換して、蒸発源をアノード(陽極)とし、アノードと一定間隔離れた位置にある高電導性金属製電極をカソード(陰極)とし、それぞれ負電圧と正電圧を印加して両極間にアーク放電を生起させる移行式アークプラズマによって、蒸発源材料が加熱されて蒸発する。所定のガス雰囲気とした蒸発チャンバー内では、蒸発源の加熱により蒸発した原子は互いに凝集しナノメートルオーダーの直径の微粒子(以下ナノ粒子と称する)が得られる。
差圧によるガス流は、蒸発チャンバーから成膜チャンバーへと接続する移送管の先端に取り付けられた特別に設計された超音速ノズル(ラバールノズル)によりマッハ数3.6程度の超音速にまで加速され、ナノ粒子は超音速フリージェットの気流に乗って高速に加速されて成膜チャンバー中に噴出し、基板上に堆積する。
上記の物理蒸着装置などを用いて、例えば、特許文献2に開示されるように、アルミニウムマトリクス中にシリコン微粒子が分散されてなる膜を成膜することが可能となった。
次に、シリコン微粒子を移送し、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着させ、シリコン微粒子からなる多結晶シリコン膜を形成する。
蒸発チャンバーは、内部にシリコン蒸発源と加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において加熱部によりシリコン蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子からシリコン微粒子を生成する。
成膜チャンバーは、内部に蒸発チャンバーからシリコン微粒子を含むガスを搬送する経路となる移送管に接続された超音速ノズルと成膜対象である基板を備え、蒸発チャンバーから移送されたシリコン微粒子を超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、基板にシリコン微粒子を物理蒸着させて多結晶シリコン膜を形成する。
例えば、樹脂、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属、またはガラスやセラミックスなどからなる基板33上に、多結晶シリコン膜1が形成されている。膜厚の薄い樹脂基板を用いることでフレキシブル基板を構成可能である。
上記の多結晶シリコン膜1は、TFTや薄膜太陽電池を形成するための半導体として用いることができる。
また、上記の多結晶シリコン膜1は、これを構成するシリコン微粒子の配向性が実質的に無配向となるように形成する。ここで、配向性が実質的に無配向であるとは、特定の結晶面に配向していると限定できないような場合に相当する。
例えば、非特許文献5に記載のウィルソンの式で示される配向指数Xの値が、各結晶面に対して1程度、例えば0.85〜1.20の範囲内であるような場合を示す。ウィルソンの式において、配向指数XはIF/IFRで示される。ここで、IFは各結晶面のX線回折強度の相対値であり、IFRは配向のない多結晶粉末試料における対応する結晶面のX線回折強度の相対値である。
即ち、例えば、上記の多結晶シリコン膜1は、シリコン蒸発源の加熱によりシリコン微粒子が生成され、得られたシリコン微粒子が移送され、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出されて、真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着されて、基板上に形成された、シリコン微粒子からなる膜である。
上記のSFJ−PVD法により形成された本実施形態の多結晶シリコン膜は、SFJ−PVD装置により短時間に形成された良好な特性の多結晶シリコン膜である。
本実施形態のSFJ−PVD装置は、蒸発チャンバー10及び成膜用の真空チャンバーである成膜チャンバー30を備え、両者は移送管17により接続されている。
上記の蒸発チャンバー10と成膜チャンバー30の間において、両チャンバー間の圧力差によりガスの流れが生じ、蒸発チャンバー10で生成された多結晶シリコン微粒子は雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー30へと移送される。
多結晶シリコン微粒子と雰囲気ガスを含む流体は、超音速ノズル35から超音速ガス流(超音速フリージェットJの気流)として成膜チャンバー30中において基板33に向けて噴出する。
まず、蒸発チャンバー10内を排気して所定の超高真空雰囲気とした後、He、ArあるいはN2などの不活性ガスを所定の流量で供給して所定の圧力雰囲気とする。
成膜チャンバー30内を排気して所定の超高真空雰囲気とする。
蒸発チャンバー10と成膜チャンバー30の間の圧力差によりガスの流れを生じさせ、蒸発チャンバー10で生成されたシリコン微粒子を雰囲気ガスとともに移送管を通して成膜チャンバー30へと移送し、図3に示すように、シリコン微粒子SPを超音速フリージェットの気流に乗せて成膜チャンバー30中に噴出して、成膜チャンバー30中に配置された基板33上に堆積(物理蒸着)させる。
以上のようにして、図1に示すように、基板33上にシリコン微粒子からなる多結晶シリコン膜1を形成する。
従来方法でのCVD法などと比較して低温処理で成膜可能である。膜厚の薄い樹脂基板を用いる場合でも、基板にダメージを与えないで成膜可能である。
SFJ−PVD法は、スパッタリング法に比べて速い成膜速度を実現できる物理蒸着であるので、例えば、好ましくは数μm〜1000μm程度であり、例えば3μm〜6μm程度の膜厚でも容易に形成することができる。3〜6μmの膜厚の多結晶シリコン膜は、TFTや太陽電池を製造するのに適した半導体として好ましく用いることができる。
無配向とすることでTFTや太陽電池を製造するのに適した半導体として好ましく用いることができる。
上記の配向性が実質的に無配向であるとは、上述のように、特定の結晶面に配向していると限定できないような場合に相当する。例えば、非特許文献5に記載のウィルソンの式で示される配向指数Xの値が、各結晶面に対して1程度、例えば0.85〜1.20の範囲内であるような場合を示す。
特に、フレキシブル基板と構成する膜厚の薄い樹脂基板あるいはその他の樹脂基板上に高品質で厚い多結晶シリコン膜を形成するのは非常に困難であったが、本実施形態の多結晶シリコン膜の形成方法では、基板の種類によらず成膜可能であり、樹脂基板上に高品質で厚い多結晶シリコン膜を容易に形成することができる。
また、成膜チャンバー30において、基板に不活性ガスあるいはその他のガスを含むガスを吹き付けながら成膜するようにしてもよい。
上記の実施形態による多結晶シリコン膜の形成方法に従って、ガラス基板上に多結晶シリコン膜を6μm程度の膜厚で形成した。成膜時間は、11分であった。
得られた多結晶シリコン膜の表面を観察した。多結晶シリコン膜の表面には亀裂などの欠陥は確認されなかった。
SEM及びTEMによる画像の観察においても、多結晶シリコン膜に欠陥は確認されなかった。また、図4などから膜厚は6μm程度にまで厚い膜となっていることが確認された。また、図5から、得られた多結晶シリコン膜は、粒径が数nm〜10nm程度のシリコン微粒子が緻密に堆積した膜となっていることが確認された。
上記で得られた多結晶シリコン膜のX線回折スペクトルを測定した。
図6は得られたX線回折スペクトルを示す。図6中、上記で得られた多結晶シリコン膜のX線回折スペクトルをaで示し、粉末状態にした多結晶シリコンのX線回折スペクトルをbで示す。
図6のスペクトルaとbのピークの位置はよく一致する。図に示すように、(111)、(220)、(311)の各面に帰属できる強いピークと、(400)、(331)の各面に帰属できる弱いピークが観察された。これから、上記で得たシリコン膜が多結晶体となっていることが確認できた。
これをまとめて表1に示す。表1は、各ピークの回折角(2θ)、帰属される面(hkl)、各ピークに対するIF値及びIFR値、及びこれらから算出された配向係数Xをそれぞれ示す。
図6からは、(400)と(331)のピークは強度が低いので誤差がある程度含まれると考えられるが、表1より、配向係数はいずれに面に対しても0.85〜1.20の範囲内であり、上記で得た多結晶シリコン膜は実質的に無配向であることが確認できた。
次に、上記の得た多結晶シリコン膜のラマンスペクトルを測定した。ラマンスペクトルの測定は、YAGレーザ(波長532nm)を用い、照射エネルギー0.5mW、露光時間10s、積算30回の条件で測定した。
図7は得られたラマンスペクトルを示す。図7中、上記で得られた多結晶シリコン膜のラマンスペクトルをaで示し、単結晶シリコンウェハ(100)面のラマンスペクトルをbで示す。
図7中のbのスペクトルに示すように、結晶シリコン成分に起因するピークは520cm−1付近に現れる。
上記で得られた多結晶シリコン膜のラマンスペクトルは、結晶シリコン成分に起因するピークは520cm−1付近の鋭いピークと、480cm−1付近の幅の広いピークが重畳して観測された。480cm−1のピークはアモルファスシリコン成分に起因するものと帰属される。上記で得られた多結晶シリコン膜のTOモードピークが確認された。
ラマンスペクトルの結果より算出した結晶化率(R)は82%以上であり、結晶化率の高い高品質の多結晶シリコン膜であることが確認された。
(1)低温処理であるので樹脂基板にも適用できる。
(2)SFJ−PVD法は、速い成膜速度を実現でき、3〜6μm程度の厚い多結晶シリコン膜を容易に形成することができる。
例えば、基板の種類は特に限定されず、種々の基板に適用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
10…蒸発チャンバー
11…排気管
12…マスフローコントロール
13…ガス供給源
14…るつぼ
15…シリコン蒸発源
16…加熱部
17…移送管
20…マスフローコントロール
21…酸素供給源
31…排気管
32…ステージ
33…基板
35…超音速ノズル
SP…シリコン微粒子
J…超音速フリージェット
Claims (8)
- シリコン蒸発源の加熱によりシリコン微粒子を生成する工程と、
前記シリコン微粒子を移送し、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出して、前記真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着させ、前記シリコン微粒子からなる多結晶シリコン膜を形成する工程と
を有する多結晶シリコン膜の形成方法。 - 前記シリコン微粒子を生成する工程を不活性ガス雰囲気で行う
請求項1に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。 - 前記多結晶シリコン膜を形成する工程において、成膜温度を150℃以下として前記多結晶シリコン膜を形成する
請求項1または2に記載の多結晶シリコン膜の形成方法。 - 前記多結晶シリコン膜を形成する工程において、3μm以上の膜厚の多結晶シリコン膜を形成する
請求項1〜3のいずれかに記載の多結晶シリコン膜の形成方法。 - 前記多結晶シリコン膜を形成する工程において、前記シリコン微粒子として粒径が数nm〜10nmであるシリコン微粒子を堆積させる
請求項1〜4のいずれかに記載の多結晶シリコン膜の形成方法。 - 前記多結晶シリコン膜を形成する工程において、前記シリコン微粒子の配向性が実質的に無配向となるように形成する
請求項1〜5のいずれかに記載の多結晶シリコン膜の形成方法。 - 内部にシリコン蒸発源と加熱部を備え、所定のガス雰囲気下あるいは大気下において前記加熱部により前記シリコン蒸発源を加熱して蒸発させ、蒸発した原子からシリコン微粒子を生成する蒸発チャンバーと、
内部に前記蒸発チャンバーから前記シリコン微粒子を含むガスを搬送する経路となる移送管に接続された超音速ノズルと成膜対象である基板を備え、前記蒸発チャンバーから移送された前記シリコン微粒子を前記超音速ノズルが生み出す超音速ガス流に乗せ、前記基板に前記シリコン微粒子を物理蒸着させて多結晶シリコン膜を形成する成膜チャンバーと
を有する多結晶シリコン膜の形成装置。 - 樹脂からなる基板と、
シリコン蒸発源の加熱によりシリコン微粒子が生成され、前記シリコン微粒子が移送され、超音速フリージェットの気流に乗せて真空チャンバー中に噴出されて、前記真空チャンバー中に配置された基板上に物理蒸着されて前記基板上に形成された、前記シリコン微粒子からなる多結晶シリコン膜と
を有する多結晶シリコン膜が形成された基板。
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