JP2014518591A - 基板に半導体材料を蒸着させる熱線方法及びその方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも二本の線の端部を線支持部で挟持して、電流を供給することにより加熱する、蒸着チェンバー内で基板上に半導体材料を蒸着させる熱線方法に関し、異なる材料から成る線に、電流を発生させるための電圧を時間的に相前後して加え、それにより、チェンバーを開くこと無く、順番に加熱する線材料の数に対応する数の異なる半導体を順番に基板上に蒸着できることを特徴とする。本方法を実施するための装置も開示されている。

Description

本発明は、基板に半導体材料を蒸着させる熱線方法及びその方法を実施するための装置に関する。熱線（ＨＷＣＶＤ：Ｈｏｔ Ｗｉｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法では、基板近傍の加熱した線を用いて、混合ガスをフラグメントに分解している。分解生成物は、基板上に蒸着する。使用するガス種の選択と混合比率によって、層の化学組成を非常に良好に調整することが可能である。

熱線方法を用いて、微結晶のシリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）や炭化珪素（μｃ−ＳｉＣ：Ｈ）などの半導体層を製作する場合、線材料の選択が、層の品質とプロセス中又はより長い動作期間に渡っての線の安定性とのために決定的に重要である。μｃ−Ｓｉ：Ｈを製作する場合には、タンタルが最適な材料であることが分かっている。μｃ−ＳｉＣ：Ｈを製作する場合には、レニウム（Ｒｅ）が最良の材料であることが分かっっている。レニウムを用いて、μｃ−Ｓｉ：Ｈも製作できるが、μｃ−Ｓｉ：Ｈとμｃ−ＳｉＣ：Ｈを交互に蒸着させると、レニウムの線を損傷してしまうこととなる。

速い方法により、熱線（ＨＷＣＶＤ）チェンバー内で複数の半導体層を蒸着できないことが欠点である。

本発明の課題は、複数の半導体層を速く蒸着できる熱線（ＨＷＣＶＤ）方法を提示するとともに、その方法を実施するための装置を提供することである。

本課題は、請求項１に記載された方法と、副請求項に記載されたその方法を実施するための装置とによって解決される。それらの有利な実施形態は、それぞれそれらを引用する請求項から明らかとなる。

本熱線方法は、蒸着チェンバー内で基板に半導体材料を蒸着させるために実施される。この場合、少なくとも二本の線の終端がチェンバー内の線支持部で挟持される。線を加熱し、それによって前駆化合物を熱又は触媒により分解して所望の半導体を基板に蒸着させるために、電圧の印加が行なわれる。この場合、異なる材料から成る線が、有利には、時間的に相前後して電源に接続されて、電流を流され、その結果、チェンバーを開くこと無く、順番に加熱する線材料の数に対応する数の異なる半導体が順番に基板に蒸着される。

本発明の範囲内において、従来技術では、蒸着チェンバー内での線材料の負担のかかる交換後でしか異なる層の蒸着が可能でないことが分かっている。線材料の交換は、蒸着チェンバーの開放、高価な線の交換及び新しい線の搬入時の更なる時間損失を必要とする。それに代わって、それぞれ蒸着プロセス毎に必要となる異なる線を備えた個々のチェンバーを配備することもできるが、そのことは、成膜した基板を一つのチェンバーから取り出して、更なる成膜用の別のチェンバーに移すことが必要であることが欠点である。即ち、その措置も時間を損失することとなる。

本発明では、異なる材料から成る少なくとも二本の線の終端が線支持部で挟持されて引っ張られている。これらの線は、時間的に相前後して、一つ以上の電源に接続されて電源を供給されることにより電流を流される。それによって、有利には、それぞれ一つの半導体の蒸着に必要な線材料だけが加熱されて、その材料の蒸着後に、他方の線が電気的に駆動され、その結果、チェンバーを開くこと無く、少なくとも二つの半導体材料が時間的に相前後して蒸着されるとの有利な作用効果が得られる。電圧の印加は、ガス状で線に供給される所謂前駆化合物を分解するために行なわれる。この化合物は、フラグメントに分解する。

これらのフラグメントは、場合によっては、別のフラグメント又は前駆化合物と反応した後、基板に蒸着する。

このようにして、有利には、異なる半導体材料を順番に速く安価に基板に蒸着させるとの作用効果が得られる。

本発明の一つの実施形態では、少なくとも二つの異なる線材料用の少なくとも二つの電気的に互いに絶縁された電流供給部を備えた線支持部を選択する。各電流供給部は、有利には、一つの材料から成る一本以上の線の加熱と、それによる加熱された線に沿った前駆化合物の分解及び所望の半導体の蒸着とを引き起こす。

特に有利には、各電流供給部によって、同じ材料から成る複数の線を同時に加熱する。一つの線種の線を加熱するための電流供給部は、分配機能を有する。それによって、有利には、同時に加熱された一種類の複数の線に沿って、複数の半導体材料を大きな基板面に蒸着できるとの作用効果が得られる。

特に有利には、少なくとも二本の異なる線の材料として、レニウムとタンタルが装置内で挟持される。それによって、有利には、線材料を不利に損傷させること無く、かつチェンバーを開けること無く、多くの蒸着プロセスに渡って連続した再現可能な形で、μｃ−Ｓｉ：Ｈとμｃ−ＳｉＣ：Ｈの半導体層を製作できるとの作用効果が得られる。

特に有利には、本方法の間に、線の交換のために熱線チェンバーを開けること無く、タンタル線又はレニウム線を用いて、μｃ−Ｓｉ：Ｈとμｃ−ＳｉＣ：Ｈを交互に蒸着させることができる。その場合、出発物質としては、μｃ−Ｓｉ：Ｈを製作するためのシラン（ＳｉＨ_４）と水素（Ｈ_２）のガス及びμｃ−ＳｉＣ：Ｈを製作するためのモノメチルシラン（Ｈ_３Ｓｉ−ＣＨ_３）と水素（Ｈ_２）が使用される。ドーピングのためには、ホスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）、トリメチルボロン（Ｂ（ＣＨ_３）_３）及びトリメチルアルミニウム（Ａｌ_２（ＣＨ_３）_６）が使用される。

この熱線（ＨＷＣＶＤ）方法を実施するための装置は、第一の材料の線を第二、第三等々の材料の線と異なる電気回路に同時に接続させる、少なくとも二本の異なる線を収容する線支持部を特徴とする。

この線支持部を用いて、一種類の材料の一本又は複数本の線が一つの所定の電気回路に接続される。

即ち、少なくとも二本の線とは、この支持部が異なる材料の少なくとも二本の線を支持できることを意味する。同じ材料の二本、三本又はそれ以上の本数の線をそれと異なる材料の二本、三本又はそれ以上の本数の線の近く又はそれらの間に、例えば、順番に交互に配置することもできる。異なる材料の複数本の線を交互に線支持部で支持することもでき、その場合、常に同じ材料から成る線が一つの所定の電気回路又は電源と同時に接続される。それによって、有利には、一つの所定の材料の線だけが同時に加熱され、それに対して、その時点では、それ以外の材料から成る線が加熱されないとの作用効果が得られる。半導体を蒸着させる場合、第二の材料から成る一本以上の線を加熱して、蒸着のために配備された半導体を蒸着させる。それによって、有利には、その半導体用の前駆化合物を分解するための相応の線材料が加熱されることによって、常に一つの所定の半導体だけが基板に蒸着されるとの作用効果が得られる。

本装置は、有利には、互いに平行な方向を向いた線の終端を収容する二つの支持ブロックから成る線支持部を備えている。これらの支持ブロックは、有利には、セラミック又はそれ以外の電流及び真空に耐える電気絶縁材料から構成される。それによって、有利には、セラミック自体が絶縁体として作用するので、電流供給部と端子が電気的に互いに影響し合うこと無く、セラミック製の支持部の互いに平行な方向を向いた正面側で線を挟持できるとの作用効果が得られる。その材料は、有利には、ＭＡＣＯＲ（登録商標）から構成することができる。ＭＡＣＯＲ（登録商標）は、例えば、４６％のＳｉＯ_２、１７％のＭｇＯ、１６％のＡｌ_２Ｏ_３、１０％のＫ_２Ｏ、７％のＢ_２Ｏ_３及び４％のＦから構成される。

これらの支持ブロックは、電流供給部として、少なくとも二つの導電性のバーを備えている。これらの電流バーは、例えば、一つの支持ブロックに取り付けられて、異なる電気回路の構成要素となるか、或いは順番に一つの電源と、場合によっては、同じ電源と接続される。各電流バーは、所定の種類の材料の線と電気的に接続されて、その線に電源の電流を分配する。従って、各バーは、所定の材料の線を加熱して、それにより所定の半導体を蒸着するための線を加熱するために配備されている。各電流バーは、一つの電源及び線と電気的に接続されるか、或いはその電源からの電流を同じ材料の線に分配する。

そのため、導電性のバーは、同じ材料から成る線と接続され、その結果、有利には、チェンバー内に導入された前駆ガスから所定の半導体を分解させて、基板上方の線の拡がりに対応した広い面積に渡って基板に蒸着させることができる。一つの電流バーを介して、所定の材料から成る単一の線だけを接続することもできる。

特に有利には、線支持部は、線に沿ってガス供給部も備えている。そのために、支持ブロックは、電流バーと線用の挟持部の外に、それと平行に配置されたガス供給部用の挟持部を備えている。これらのガス供給部は、例えば、射出孔を有するパイプ形状で支持ブロック内の線の下に配置される。このようにして、有利には、ガスを目的通り線に供給して、消費量を節約するとの作用効果が得られる。

即ち、支持ブロックは、例えば、有利には、全体として六つの挟持部を備えて、それぞれ同じ材料から成る三本の線を交互に挟持することができる。先ずは、例えば、第一の種類の第一の線は、その終端を二つの支持ブロックで挟持され、それにより支持ブロックの間で引っ張られている。次に、第二の種類の線が続く。第一の種類の線をレニウムから構成し、第二の種類の線をタンタルから構成することができる。次に、又もや第一の種類の線が続き、その次に、再度第二の種類の線が続く。このような少なくとも二種類の線の交互の位置は、特に有利には、基板上方の熱線チェンバーのガス体積を均一に加熱することとなる。

当然のことながら、本装置の支持ブロックの間に二種類を上回る種類の線を交互に配置することができる。その場合、支持ブロックは、使用する線種の数に対応する数の電流供給部を必要とする。

そのために、電流供給部としての電流バーを支持ブロックに配置することができる。第一の材料の線（線種１）と第二の材料の線（線種２）が別個に順番に駆動されるように、それらは熱線チェンバーの電源と接続される。それによって、有利には、一方の種類の線だけが電流を流されて加熱され、それに対して、他方の一つ以上の線種が作動されないとの作用効果が得られる。

請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法を実施するための本発明による熱線チェンバーは、二本の線の終端を収容する線支持部を特徴とし、この線支持部は、熱線チェンバーの少なくとも二つの電気回路と接続される少なくとも二つの別個の電気回路を構成することができる。

以下において、本発明を実施例に基づき詳しく説明するが、それによって、本発明を制限するものではない。

本発明による熱線蒸着（ＨＷＣＶＤ）チェンバーの横断面図 本発明による熱線（ＨＷＣＶＤ）方法を実施するための装置の分解図 図２の本発明による構成を更に支持ブロック単位で線支持部、ガス供給部及び二つの電流バーを介した電気回路との端子を図示した図

図１には、本発明による蒸着チェンバーが図示されている。主ガス弁１から、ガス供給部２を通して、チェンバー内にガスが導入される。二つの支持ブロックから成る線支持部５の下方から、ガスがチェンバー内の線６に流れる。基板７は、チェンバー内に線６に平行に配置されている。基板７用の加熱器４は、基板を加熱する。耐熱板３は、チェンバーを加熱器４から保護している。このチェンバーは、ポンプシステム９とチェンバーロボット８を付加されて完成する。

図２は、本発明による方法を実施するための本発明による装置の分解図を図示している。本発明による線支持部は、それぞれ電流バー１．１と１．２及び線支持スリーブ２の外に、二つの支持ブロック３，４を備えている。

二つの支持ブロック３，４の各々は、上方のセラミック製本体部３と下方のセラミック製平面体４から構成される。これらの上方と下方の部分は、捻子と穴４ｋ，３ｋ；４ｌ，３ｌによって螺合される。支持本体部３と平面体４は、組み立てられた状態で上下に押圧され、その結果、半円形の開口部３ａと４ａ、３ｂと４ｂ及び３ｃと４ｃは、それぞれ閉じた状態で各ガス供給部用の円形の挟持部を構成する（図３を参照）。

これらの線は、次の通り支持される。電流バー１．１と１．２は、線支持部３と接触しないように、互いに組み合わせて設置され、その結果、電流バー１．１の穴１ｅ，１ｇ及び１ｉが本体部３の穴３ｅ^＊，３ｇ^＊及び３ｉ^＊の上に置かれる。（最も右のスリーブだけが符号２で表示されている）線支持スリーブ２は、線支持スリーブ２の穴２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ及び２ｉ、電流バー１．１の穴１ｅ，１ｇ及び１ｉ、電流バー１．２の穴１ｄ，１ｆ及び１ｈ、並びに穴３ｄ^＊〜３ｉ^＊が、線の部分と螺合できるように上下に重なった位置となるように、線支持部の穴３ｄ〜３ｉに差し込まれる。

そのために、電流バー１．１と１．２の穴１ｄ〜１ｉに捻子が差し込まれて、支持体３に電流バーを挟持する。これらの捻子は、スリーブ２をも支持体３に固定する。このようにして、スリーブ２の内部の中空空間内に差し込まれた線がスリーブで挟持される。スリーブ２の正面側の小さい穴が、支持ブロックの間で引っ張られた全体として六本の線のための挿入穴を示している（図３を参照）。

これらの過程を本発明による装置の実際の部分に関して例示して説明する。組み立てられた状態では、二種類の材料から成る三本の線が、それぞれ右と左の線支持部に前述した通り交互に差し込まれて挟持されている。

図３には、その過程が図示されている。符号３１．１，３１．２，３３及び３４が、図２の符号１．１，１．２，３及び４に対応し、更なる説明のために図２を参照する。

線３１ｄ，３１ｆ及び３１ｈは、レニウムから構成される。それらは、図２に関して説明した通り、穴３ｄ，３ｆ及び３ｈを通してスリーブ２ｄ，２ｆ及び２ｈ内で挟持されている。

線３１ｅ，３１ｇ及び３１ｉは、タンタルから構成される。それらは、図２に関して説明した通り、穴３ｅ，３ｇ及び３ｉを通してスリーブ２ｅ，２ｇ及び２ｉ内で挟持されている。

これらの線は、図２に関して説明した通り、右と左の支持部３３，３４の間で引っ張られている。そのために、これらの線は、それらの線に対応するスリーブ内に押し込まれて、支持ブロック３３，３４と捻子止めされる。そのために、電流バー３１．１と３１．２は、支持ブロック上に配置される。図２に関して説明した通り、線は、電流バーの穴により挟持されて、ブロック３３，３４の間で引っ張られている。

動作中、第一又は第二の種類のガスが、順番にガス供給部３２ａ，３２ｂ及び３２ｃを通して、穴３５からチェンバー内に導入される。ガス供給部３２ａ〜３２ｃ毎に、前駆物質が二本の線に供給される、或いは二本の線に向けられる（図３を参照）。

端子Ａは、（図示されていない）直流電源と接続される。電流供給部を介して、電流バー３１．２の端子Ａに電流が流されると、電流バー３１．２と電気的に接続された線３１ｉ，３１ｇ及び３１ｅが加熱される。第一の電気回路が、端子Ａ^＊を介して閉路を構成する。

中空パイプ３２ａ〜３２ｃを介して導入された混合ガスが、加熱されたレニウム線によってフラグメント化される。

端子Ａにおける電流供給が遮断されるとともに、ガスの供給が停止される。

次に、端子Ｂに電流を流す。電流供給部を介して、電流バー３１．１の端子Ｂに電流が流れると、電流バー３１．１と電気的に接続された線３１ｄ，３１ｆ及び３１ｈが加熱される。第二の電気回路が、端子Ｂ^＊を介して閉路を構成する。

中空パイプ３２ａ〜３２ｃを介して導入された混合ガスが、タンタル線によってフラグメント化される。

即ち、レニウム線の動作時は、タンタル線が停止している、或いは加熱されず、並びにその逆である。

組み立てられた線支持部は、図２に図示されている穴４ｍと４ｎによって、図１に図示されている通り、チェンバーのフランジ１０に捻子止めされる。

以下において、この新しいＨＷＣＶＤ用線支持部を用いて、μｃ−Ｓｉ：Ｈ及びμｃ−ＳｉＣ：Ｈ層を製作するための実施例を説明する。

このＨＷＣＶＤ方法により、蒸着の間に線材料を交換すること無く、μｃ−Ｓｉ：Ｈとμｃ−ＳｉＣ：Ｈを交互に製作する線支持部を試験するための蒸着をロードロックチェンバーを用いたＨＷＣＶＤ蒸着設備内で行なった。それぞれ１０×１０ｃｍ^２の大きさのガラス基板をロードロックによって持ち込んだ。太陽電池用のμｃ−ＳｉＣ：Ｈ層の更なる処理のために、部分的にエッチングされたＺｎＯを成膜したガラス基板を使用した。赤外線顕微鏡による個別層の検査のために、Ｓｉウェーハを基板として使用した。

線支持部には、並列に接続されたそれぞれ三本の（μｃ−ＳｉＣ：Ｈを蒸着するための）レニウム線と、（μｃ−Ｓｉ：Ｈを蒸着するための）タンタル線を置いた。異なる線材料を別個に駆動する、即ち、電圧を供給することができる。

μｃ−Ｓｉ：Ｈの蒸着のために、以下のプロセス条件を設定した。

基板温度：１８０°Ｃ、タンタル線の温度：１９００〜２０００°Ｃ、プロセスガス：水素内の濃度２〜１０％のシラン、トータルガス流量：１００ｓｃｃｍ、プロセス圧力：０．０６ｈＰａ
μｃ−ＳｉＣ：Ｈの蒸着のために、以下のプロセス条件を設定した。

基板温度：２２０°Ｃ、レニウム線の温度：１７００〜１８００°Ｃ、プロセスガス：水素内の濃度０．３％のモノメチルシラン、トータルガス流量：１００ｓｃｃｍ、プロセス圧力：０．７５ｈＰａ
以下の表に蒸着シーケンス及び時間を図示する。

ここで提示した線材料の複数回の切換を行なっても、線材料を識別可能な程損傷しなかった。積層した層厚は、μｃ−Ｓｉ：Ｈに関しては約５μｍであり、μｃ−ＳｉＣ：Ｈに関しては約３μｍであった。

明暗導電率測定、赤外線顕微鏡を用いた水素含有量と水素化合物構造の測定及び光吸収率によって、μｃ−Ｓｉ：Ｈ層の品質を調べた。これらの層は、線支持部を用いて、一つの線材料だけから製作された層と同様に、良好な電気光学的品質に関する典型的な特徴を示した。

μｃ−ＳｉＣ：Ｈ層の品質は、それらの層をμｃ−Ｓｉ：Ｈ吸収層を備えた太陽電池に組み込むことによって調べた。この二本線支持部により製作されたμｃ−ＳｉＣ：Ｈウィンドウ層は、結果として、一つの線材料だけにより線支持部を使用した場合に得られる層と同様に、高い品質の太陽電池が得られた。

Claims (11)

1. 少なくとも二本の線の終端を線支持部で挟持して、電流を供給することにより加熱する、蒸着チェンバー内で基板上に半導体材料を蒸着させる熱線方法において、
   異なる材料から成る線に、電流を発生させるための電圧を時間的に相前後して加え、それにより、チェンバーを開くこと無く、順番に加熱する線材料の数に対応する数の異なる半導体を順番に基板上に蒸着できることを特徴とする方法。
2. 異なる線材料用の電気的に互いに絶縁された電流供給部を備えた線支持部を選定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 電流を分配して供給することによって、同じ材料から成る複数本の線を同時に加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも二本の異なる線の材料として、レニウムとタンタルを選定することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
5. タンタル線によるμｃ−Ｓｉ：Ｈの蒸着とレニウム線によるμｃ−ＳｉＣ：Ｈの蒸着を交互に行なうことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 請求項１から５までのいずれか一つに記載の熱線方法を実施するための装置であって、
   少なくとも二本の異なる線を収容する線支持部が配備され、これらの異なる材料から成る複数本の線が、それぞれ異なる電気回路と接続される装置。
7. 当該の線支持部が、互いに平行な方向を向いた線の終端を収容する二つの支持ブロックを備えていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 当該の支持ブロックがセラミック、特に、ＭＡＣＯＲ（登録商標）又はＡｌ_２Ｏ_３から構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
9. 当該の線支持部の各支持ブロックには、電源及び当該の線と電気的に接続された少なくとも二つの導電性のバーが配置されていることを特徴とする請求項６から８までのいずれか一つに記載の装置。
10. 当該の導電性のバーが、支持ブロックの同じ材料から成る複数本の線と接続されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 当該の線支持部が、当該の線に沿って、ガス供給部を有し、そのガス供給部を通して、本熱線（ＨＷＣＶＤ）装置の動作中に前駆化合物を線に供給することを特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。

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