JP2779033B2 - 多結晶Si薄膜の成長方法 - Google Patents

多結晶Si薄膜の成長方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、絶縁膜上に数十μm以上の膜厚の平滑、
かつ欠陥密度の低い大きな粒径を持つ多結晶Si薄膜を形
成する方法に係るものであり、特に低コストで高効率な
薄膜多結晶Si太陽電池の製造方法に関するものである。
〔従来の技術〕
従来の絶縁膜上への多結晶Si薄膜の成長は、例えば第
5図に示すような方法が用いられている。すなわち、第
5図において、6はSi基板、2はこのSi基板上に形成さ
れた第1の絶縁膜、3はこの第1の絶縁膜2上に形成さ
れた多結晶Si薄膜、4はこの多結晶Si薄膜3上に形成さ
れた第2の絶縁膜、5はこの第2の絶縁膜4側より照射
する熱エネルギーで集光されたランプアニール光であ
る。
次に製造方法について説明する。
Si基板6上に、CVD法により第1の絶縁膜2,多結晶Si
薄膜3,第2の絶縁膜4を順次形成し、その後、第2の絶
縁膜4側より、ランプアニール光5を照射することによ
り、多結晶Si薄膜3を再結晶化する。
この場合の多結晶Si薄膜3はCVD法により作製するた
め、1回の工程で形成できる膜厚は装置の制約上10μm
程度であり、また、成膜速度も遅いため、数十μm以上
の膜厚を得るには、多大な時間がかかっていた。さら
に、膜厚を厚くすれば、再結晶化工程で膜が均一に再結
晶化されず、面方位が無秩序で表面の凹凸が大きく結晶
欠陥密度の高いSi膜しか得られないという欠点があっ
た。
一方、例えばJapanece Journal of Applied Physics
Vol.28 No.3 March 1989のp440〜p445に開示されてい
る、第6図に示す製造方法を用いることも行われてい
る。
すなわち、第6図において、9は単結晶Si基板、7は
部分的に除去されたSiO2膜、8はこのSiO2膜7上に形成
された多結晶Si薄膜である。
単結晶Si基板9上に部分的に除去されたSiO2膜7を形
成し、この後に液相成長を行うことにより、SiO2膜7が
選択的に除去されな単結晶Si基板9の露出部を核として
SiO2膜7上にまで横に拡がる、いわゆるラテラル成長を
行わせることにより、多結晶Si薄膜8が形成できる。
しかしながら、上記製造方法においては、単結晶Si基
板9は面方位が(111)である必要があり、それ以外の
面方位の多結晶Si,多結晶Si,金属級Siなどの基板上に
は、平坦な膜を形成することができないという欠点があ
る。さらに、上記の例の場合、SiO2膜7に部分的に除去
されたSiの露出部を形成することが要求され、これが無
い全面SiO2膜7上には、平滑な多結晶Si薄膜8の形成は
不可能であった。
一方、レーザアニールにより薄膜を再結晶化する場合
には、点状の溶融域を試料全面にわたって走査する必要
があり、このため大面積を必要とする太陽電池の場合に
は多大な時間がかかり、低コストを図ることも極めて難
しい。さらに、レーザにより再結晶化する場合、全面に
絶縁膜を形成した基板上では、レーザの走査ととも結晶
成長する際、結晶軸の回転が発生し、面方位の揃った単
結晶を得ることは困難であり、従って、この上に第2の
結晶層を成長させた場合、大面積にわたり平坦性の良い
均一な結晶を得ることは難しい。
また、レーザアニールにより単結晶を得る方法とし
て、特開平1−297814号公報に液体層を薄膜上に形成
し、さらにガラスをその上に配置してレーザ照射により
再結晶化した後、この上に半導体層を成長する方法が示
されているが、液体を用いることは、その性質上取り扱
いが難しく、また、半導体にとって致命的な不純物汚染
の問題もあり、高品質な薄膜を得ることは困難であっ
た。また、固相成長により薄膜を再結晶化する方法とし
て、特開昭61−85815号公報に非晶質基板上に薄膜Siを
形成した後、熱酸化させると同時に固相成長を行わせ粒
径拡大し、さらにその粒径拡大した多結晶Si薄膜上にSi
膜を成膜する方法が開示されている。しかし、この方法
による多結晶Si薄膜の結晶粒径は高々3000Å程度であ
り、また面方位も各結晶ごとに無秩序なものであるた
め、この方法により太陽電池として必要な例えば60μm
程度の厚さまで多結晶Si薄膜を成膜すれば表面の凹凸は
10μm以上にもなる。また、この時の薄膜多結晶Si表面
欠陥密度は108/cm2以上にもなり、太陽電池として必要
な2〜3μm以下の凹凸および106/cm2程度に欠陥密度
の低い高品質なSi膜を得ることはできず、この膜を用い
て高効率な太陽電池を作製することは不可能である。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記のような従来の多結晶Si薄膜の成長方法にあって
は、数十μm以上の膜厚の平滑で粒径の大きな多結晶Si
薄膜が任意のSi基板上に形成した絶縁膜上には短時間に
形成できないという問題点があった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされた
もので、絶縁膜上に数十μm以上の膜厚の平滑で粒径の
大きな多結晶Si薄膜を短時間で得ることを目的としてい
る。
〔課題を解決するための手段〕
この発明に係る多結晶Si薄膜の成長方法は、Si基板上
に形成した第1の絶縁膜上に、第1の多結晶Si薄膜を形
成し、さらにその上に第2の絶縁膜を形成した後、前記
第2の絶縁膜側から熱エネルギーを与え前記第1の多結
晶Si薄膜を再結晶化した後、前記第2の絶縁膜を除去
し、再結晶化した前記第1の多結晶Si薄膜を下地とし
て、この上に第2の多結晶Si薄膜を成長するものであ
る。
〔作用〕
この発明においては、第1の多結晶Si薄膜を第2の絶
縁膜を介して熱エネルギーを与えて再結晶化し、その
後、この再結晶化した第1の多結晶Si薄膜上に第2の多
結晶Si薄膜を所望の厚さに形成するので、絶縁膜上に数
十μm以上の膜厚の平滑で粒径の大きな多結晶Si薄膜を
短時間で形成することができる。
〔実施例〕
以下、この発明の実施例について説明する。
第1図,第2図はこの発明の多結晶Si薄膜の成長方法
の一実施例を説明する図である。
第1図において、1は金属級Si基板、2は第1の絶縁
膜で、例えばCVDにより形成したSiO2膜である。3は0.5
〜5μm程度の多結晶Si薄膜(ここでは、第1の多結晶
Si薄膜という)、4は第2の絶縁膜であり、例えばSiO2
膜とSiN膜の2層構造の膜が用いられる。5はこの第2
の絶縁膜4側より照射し、試料上を1回の走査で溶融再
結晶できるよう線上にする集光されたランプアニール光
で、その熱エネルギー源としては、例えば赤外線ランプ
ヒータあるいはカーボンヒータ等が用いられる。また、
第2図で、11は例えば液相成長により第1の多結晶Si薄
膜3上に形成された第2の多結晶Si薄膜である。
次に、成長方法について説明する。
金属級Si基板1上にCVD法により第1の絶縁膜2,0.5〜
5μm程度の膜厚の第1の多結晶Si薄膜3,第2の絶縁膜
4を順次形成する。次いで、ランプアニール光5によ
り、第2の絶縁膜4を介して第1の多結晶Si薄膜3を再
結晶化する。この時、再結晶化した第1の多結晶Si薄膜
3は、表面が(100)面が支配的になるということが、
厚さが5μm程度より薄くなればJournal of Material
Research 3(6),NoV/DEC 1989のp1232〜1237において
報告されている。
これによって、(100)に面方位が比較的揃った平坦
な、かつ粒径の大きな第1の多結晶Si薄膜3が得られる
ことになる。
次に、第2の絶縁膜4をエッチング除去し、再結晶化
した第1の多結晶Si薄膜3を露出させ、この上にSnを溶
媒とした液相成長法により数十μm以上の第2の多結晶
Si薄膜11を形成する。
以上により、金属級Si基板1上に形成した第1の絶縁
膜2上に厚さ数十μm以上の平坦で粒径の大きな多結晶
Si薄膜が形成されることになる。
第3図,第4図はこの発明による他の実施例を説明す
る断面図である。
第3図,第4図において、第1図,第2図と同一符号
は同じものを示し、21は前記第1の絶縁膜2に部分的に
開けられたスルーホールである。
次に、成長方法について説明する。
金属級Si基板1上にCVD法により第1の絶縁膜2を形
成する。第1の絶縁膜2の形成後、下地の金属級Si基板
1と後工程で形成する第1の多結晶Si薄膜3とのコンタ
クトが取れるようにスルーホール21を第1の絶縁膜2に
形成する。
その後、第1の多結晶Si薄膜3をSiH4の熱分解によっ
て形成し、さらに第2の絶縁膜4を成膜する。次に、ラ
ンプアニール光5を第2の絶縁膜4側より照射し、第1
の多結晶Si薄膜3を再結晶化させる。この時、第1図,
第2図の実施例で記したように、再結晶化膜は(100)
面が支配的となるように成長する。
次に、第2の絶縁膜4をエッチング除去し、再結晶化
した第1の多結晶Si薄膜3を露出させ、この上にSnを溶
媒とした液相成長法により数十μm以上の第2の多結晶
Si薄膜11を形成する。
以上のようにして、下地の金属級Si基板1と電気的に
接続された平坦で、かつ粒径の大きな多結晶Si薄膜が形
成されることになる。
上記各実施例により形成された第1,第2の多結晶Si薄
膜3および11は、低コスト・高効率太陽電池の有力候補
である非晶質Si/薄膜多結晶Si積層型太陽電池の薄膜多
結晶Siセルに応用できるものであり、特に第1図,第2
図の実施例のような基板とのコンタクトの無い薄膜多結
晶Siは、同一基板上で太陽電池セルの直列接続を行う必
要のある集積型太陽電池の製造方法として極めて有効な
ものである。
なお、上記各実施例では、金属級Si基板1について説
明したが、単結晶Si基板あるいは多結晶Si基板を用いる
こともできる。また、第1,第2の絶縁膜2,4の形成方法
として熱CVD法を用いたものを示したが、熱CVD法以外の
方法によっても同様の効果を奏する。例えば、プラズマ
CVD、光CVDのように気相反応によるものだけでなく、Si
O2膜に関しては塗布・焼成によりSiO2となるPPSQ(ポリ
フェニルシルセスキオキサン)やPVSQ(ポリビニレーテ
ィッド・フェニルシルセスキオキサン)が利用できるの
は言うまでもない。
一方、熱エネルギー源として本実施例では集光された
ランプアニール光を用いたが、試料上を1回の走査で溶
融再結晶化できるヒータ、例えば線状のカーボンヒー
タ、タレグステンヒータでも同様の効果を奏する。
また、上記各実施例では、液相成長に用いる溶媒とし
てSnを用いるものを示したが、Snの代わりにAlもしくは
Gaを溶媒として用いても同様に多結晶Si薄膜を形成でき
る。さらに、本実施例では液相成長により第2の多結晶
Si薄膜を形成したが、CVDにより同様の成膜が出来るこ
とは言うまでもない。
〔発明の効果〕
以上説明したように、この発明は、Si基板上に第1の
絶縁膜,第1の多結晶Si薄膜および第2の絶縁膜を順次
形成し、前記第2の絶縁膜側から入射する線状の熱エネ
ルギーにより前記第1の多結晶Si薄膜を帯域溶融再結晶
化した後、前記第2の絶縁膜を除去し、前記再結晶化し
た第1の多結晶Si薄膜を下地としてこの上に第2の多結
晶Si薄膜を所望の厚さまで結晶成長させるので、短時間
に多結晶Si薄膜を形成でき、例えば低コスト高効率太陽
電池の有力な候補である非晶質Si薄膜多結晶Si積層型セ
ルの薄膜多結晶Siセル作製に適用することができる等の
効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はこの発明の一実施例による多結晶
Si薄膜の形成方法を示す断面図、第3図および第4図は
この発明の他の実施例による多結晶Si薄膜の形成方法を
示す断面図、第5図および第6図は従来の多結晶Si薄膜
の形成方法を示す断面図である。 図において、1は金属級Si基板、2は第1の絶縁膜、3
は第1の多結晶Si薄膜、4は第2の絶縁膜、5はランプ
アニール光、11は第2の多結晶Si薄膜、21はスルーホー
ルである。 なお、各図中の同一符号は、同一または相当部分を示
す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−85815(JP,A) 特開 昭60−160114(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Si基板上に第1の絶縁膜、0.5μmから5
    μmの厚さを有する第1の多結晶Si薄膜および第2の絶
    縁膜を順次形成し、前記第2の絶縁膜側から入射させる
    熱エネルギーにより前記第1の多結晶Si薄膜を帯域溶融
    再結晶化した後、前記第2の絶縁膜を除去し、前記再結
    晶化した第1の多結晶Si薄膜を下地としてこの上に第2
    の多結晶Si薄膜を10μmから100μmの厚さまで結晶成
    長させることを特徴とする多結晶Si薄膜の成長方法。
  2. 【請求項2】上記第1の多結晶Si薄膜はCVDにより第1
    の絶縁膜上に成膜することを特徴とする請求項1に記載
    の多結晶Si薄膜の成長方法。
  3. 【請求項3】上記第2の多結晶Si薄膜はCVDあるいは液
    相成長により第1の多結晶Si薄膜上に結晶成長すること
    を特徴とする請求項1に記載の多結晶Si薄膜の成長方
    法。
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