JP3913850B2 - 結晶薄膜の製法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液相エピタキシャル成長法にもとづく結晶薄膜の製法およびそれに用いる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体材料として用いられる結晶薄膜を得る方法としては、従来から、低融点金属の溶媒に溶質材料を高温で飽和させたのち、その飽和溶液を冷却して過飽和となる溶質材料を基板上に結晶として析出させて結晶薄膜を得る液相成長法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ、以下「ＬＰＥ」と略す）がよく知られている。このＬＰＥに用いる装置としては、例えば図１０に示すようなスライドボート方式の装置が汎用されている。
【０００３】
この装置は、上下２枚のスライドボート１，２を組み合わせたもので、下部ボート１が、矢印で示すように左右方向に移動可能になっている。また、下部ボート１の上面には、所定間隔で複数の凹部３（図では１個のみ表示）が形成されており、各凹部３内に、それぞれ基板４が嵌入されるようになっている。一方、上部ボート２には、所定間隔で複数の貫通穴５（図では２個表示）が形成されており、各貫通穴５が、下部ボート１の各凹部３と重ならないよう位置決めされた状態で、各貫通穴５内に溶媒金属６が充填されるようになっている。なお、上記溶媒金属６には、溶質として、結晶材料が添加溶融される。また、７は下部ボート１を移動させるための移動アームである。
【０００４】
上記溶媒金属を充填保持した状態で、移動アーム７を作動させて下部ボート１を移動させ、図示のように各貫通穴５と各凹部３内の基板４とが重なるよう位置決めする。そして、温度を下げて基板４表面に結晶薄膜材料を析出させることにより、エピタキシャル成長が行われる。
【０００５】
上記ＬＰＥによる結晶成長は、固相と液相間の準平衡状態からの結晶成長であるため、高純度でしかも欠陥が少ない完全性の高い結晶が得られる利点を有する。また、基板４の出し入れ等の取扱いが容易であるという利点も有する。したがって、上記ＬＰＥは、半導体用材料や、太陽電池等に用いられる結晶シリコン薄膜の形成方法として有望視されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＬＰＥ装置では、基板４に対する温度制御を、基板４を裏面側から保持する製膜用治具（図１０においては下部ボート１）を加熱することによって間接的に行っているが、製膜用治具と基板３の各接触面を、完全な鏡面に仕上げることは困難であり、両者を完全に密着させることができない。このため、基板４と治具との間における熱接触が不均一となって温度分布ができることから、結晶成長が均一に行われず、結晶の品質が低下するという問題がある。また、基板４の端部で結晶が異常成長する等の問題も発生している。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、基板に対し均一な熱伝導を与えることにより、制御性に優れ、しかも面方向に均一な結晶を得ることのできる、優れた結晶薄膜の製法およびそれに用いる装置を提供することをその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の請求項１記載の発明は、製膜用治具によって基板を裏面側から保持し、その状態で、上記基板表面を、結晶材料が溶質として添加溶融された溶媒金属に接触させ、基板温度を低下させることにより上記基板表面に溶質を析出させて結晶薄膜を得るに際し、上記基板の裏面と、製膜用治具との間に、熱伝導用の液化金属を充填保持するようにした結晶薄膜の製法を要旨とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２の発明は、上記結晶薄膜の製法において、充填保持された熱伝導用の液化金属の温度を、温度制御手段によって直接制御し、上記液化金属の温度によって、基板温度を制御するようにしたものであり、本発明の請求項３の発明は、上記結晶薄膜の製法において、充填保持された熱伝導用の液化金属の厚みを０．１〜２０ｍｍに設定するようにしたものである。
【００１０】
さらに、本発明の請求項４の発明は、上記結晶薄膜の製法において、製膜用治具に、熱伝導用の液化金属を充填保持するべき空間と連通する液化金属溜まりおよびガス抜き路を設け、上記液化金属溜まりから液化金属を自動充填するようにしたものである。
【００１１】
また、本発明の請求項５の発明は、製膜用治具によって基板を裏面側から保持し、その状態で、上記基板表面を、結晶材料が溶質として添加溶融された溶媒金属に接触させ、基板温度を低下させることにより上記基板表面に溶質を析出させて結晶薄膜を得る際に用いられる装置であって、上記基板の裏面と、製膜用治具との間に、熱伝導用の液化金属が充填保持されるようになっている結晶薄膜の製造装置を要旨とするものである。
【００１２】
そして、本発明の請求項６の発明は、上記結晶薄膜の製造装置において、充填保持される熱伝導用の液化金属の温度が、温度制御手段によって直接制御され、上記液化金属の温度によって基板温度が制御されるようになっているものであり、本発明の請求項７の発明は、上記結晶薄膜の製造装置において、充填保持される熱伝導用の液化金属の厚みが０．１〜２０ｍｍに設定されているものである。
【００１３】
さらに、本発明の請求項８の発明は、上記結晶薄膜の製造装置において、製膜用治具に、熱伝導用の液化金属を充填保持するべき空間と連通する液化金属溜まりおよびガス抜き路が設けられ、上記液化金属溜まりから液化金属が自動充填されるようになっているものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【００１５】
図１は、本発明に用いるＬＰＥ装置の一例を示している。すなわち、この装置は、図１０の装置と同様、スライドボート方式の装置であるが、下部ボート１の基板嵌入用の凹部３が、基板嵌入用空間とは別に、さらに一段深く形成されており、この凹部下段の空間３ａ内に、熱伝導用の液化金属１０が充填され封止されている。他の構成は図１０と同じであり、同一部分に同一符号を付している。
【００１６】
なお、熱伝導用の液化金属１０が充填された空間３ａと、基板嵌入用の空間（凹部３）の境界部には、わずかな段差が形成されており、基板４が液化金属１０内に落ち込まないよう、上記段差によって一定の高さ（基板４の表面が下部ボート１のすべり面と面一となる高さ）に基板４を保持している。
【００１７】
この装置によれば、基板４の裏面が直接下部ボート１と接することがなく、その間に液化金属１０が介在することになる。したがって、基板４を所定温度にするために、下部ボート１をヒータ等によって加熱した場合、熱伝導が、液化金属１０を介してむらなく均一に、しかも効率よく行われるため、基板４の温度を、下部ボート１の温度変化に対して優れた追従性で制御することができる。しかも、液化金属１０の横方向への熱伝導効果により、基板４の温度が、面方向において非常に均一になるという効果も得られる。
【００１８】
本発明に用いる熱伝導用の液化金属１０は、ＬＰＥによる製膜時の温度条件下において液体状態にある金属（本発明では、これを「液化金属」という）であり、このような液化金属１０としては、例えばすず，インジウム，鉛，アルミニウム，ガリウム，銅等の低融点金属があげられる。なかでも、融点が３５０℃以下の、すず，インジウム，鉛が好適である。すなわち、融点が高いものは、結晶析出のために温度を下げていくと金属が液体から固体に変化するおそれがあるからである。また、熱伝導率の高いものが好ましく、その点において、特にすずが好適である。
【００１９】
また、本発明に用いる基板４としては、例えば、カーボン，石英，アルミナ，炭化ケイ素，グラファイト，グラッシーカーボン，ジルコニア，窒化ケイ素等、無機系およびセラミック系の各種材料を用いることができる。これらは、液相成長を行う際の高温に耐えることができ、また溶媒金属６および熱伝導用の液化金属１０に溶解しない点で好適である。そして、なかでも特に、半導体デバイス作製の観点から、石英やグラッシーカーボンを用いることが好適である。
【００２０】
そして、これらの無機系およびセラミック系の基板４を用いた場合、その裏面に接触させる熱伝導用の液化金属１０の量は、できるだけ少ない方が熱伝導性の観点から好ましいが、液化金属１０の表面張力、基板４の大きさ、基板４と下部ボート１の対峙する面の表面粗さ等を考慮して、通常、その充填厚みｔ（図３参照）が０．１〜２０ｍｍとなるよう設定することが好適である。
【００２１】
さらに、本発明に用いる溶媒金属６および溶質（結晶材料）の種類，スライドボート１，２の材質，温度・圧力条件等についても、特に限定するものではなく、一般的なＬＰＥに従って適宜選択・設定される。
【００２２】
なお、上記の例は、スライドボート方式のＬＰＥ装置において、基板４の裏面と下部ボート１との間に熱伝導用の液化金属１０を充填保持することにより、下部ボート１に与えられる温度制御を、上記液化金属１０によって均一に基板４に伝達するようにしたものであるが、例えば図２に示すように、上記液化金属１０の充填部の下側に、下部ボート１とは異なる、独立した温度制御ブロック１１を設け、この温度制御ブロック１１の上面から、直接液化金属１０に温度制御を与えるようにしてもよい。なお、１２は上記温度制御ブロック１１内に、所定温度に調整された熱媒体（例えばヘリウムガス）を導入するための配管である。
【００２３】
上記図２の装置によれば、基板４の温度を、液化金属１０を介して、下部ボート１から独立して制御可能になり、これにより、基板４の温度のみならず、基板４および溶媒金属６（溶質を含む）に形成される温度勾配の大きさも制御可能となる。そして、前記図１の場合と同様、基板４の面方向における熱伝導の均一性にも優れていることと相俟って、製膜プロセスの自由度が飛躍的に高まるという利点を有する。しかも、得られる結晶薄膜の品質も極めて良好なものとなる。
【００２４】
また、本発明において、前述のような、無機系，セラミック系の基板４を用いる以外に、単結晶または多結晶の半導体基板を用いることもできる。ただし、その場合は、図３に示すように、半導体基板４ａの裏面と接触させる熱伝導用の液化金属１０を、最小限量に設定する必要がある。すなわち、液化金属１０の量が多いと、半導体基板４ａの裏面が液化金属１０に部分的に溶解したり、ピンホール等が発生するおそれがあるからである。上記液化金属の最小限量も、前述のとおり、液化金属の表面張力や、基板４，４ａの大きさ、基板４，４ａと下部ボート１の対峙する面の表面粗さ等に左右されるが、通常、その充填厚みｔは３０〜２００μｍとなるよう設定することが好適である。ちなみに、１インチ平方の角形基板４ａもしくは直径１インチの円形基板４ａを用いる場合、最小限量の液化金属１０の厚みｔは、約１００μｍに設定することが好適である。なお、液化金属１０の厚みを、このように非常に薄く設定すると、横方向の熱伝導による基板４ａ温度の均熱効果があまり期待できないため、下部ボート１を、熱伝導度の大きな材料（例えばボロンナイト等）で形成する必要がある。また、図３の装置において、図２の場合と同様、液化金属１０に対し、温度制御ブロック１１で直接温度制御を与えるような構造にすることができる。ただし、その場合も、上記と同様の理由から、上記温度制御ブロック１１を、熱伝導度の大きな材料で形成する必要がある。
【００２５】
なお、これらの装置において、基板４，４ａの下側に充填される熱伝導用の液化金属１０は、通常、基板４，４ａを下部ボート１の凹部３内に装着する前に、その下側の空間３ａ内に予め充填されるようになっているが、その場合、温度上昇に伴う液化金属１０の体積膨張によって液化金属１０が外側にはみ出したり、温度降下に伴う液化金属１０の体積減少によって基板４，４ａと液化金属１０との界面に隙間が生じて熱伝達が均一に行われなくなったりするおそれがある。そこで、これらの問題を回避するために、例えば図４〜図６に示すように、下部ボート１内に、液化金属溜まり１３を設け、上記液化金属溜まり１３と基板４，４ａの下側空間３ａを連通することにより、空間３ａ内に自動的に液化金属１０を流入させることが好適である。なお、その場合、下部ボート１の、上記液化金属溜まり１３が設けられた側とは反対側に、内部の残留ガスを排出するためのガス抜き路１４を併せて設けることが好適である。
【００２６】
また、本発明は、スライドボート方式のＬＰＥ装置以外の装置にも適用することができる。例えば、図７に示すような、ティッピング方式（傾斜法）の装置では、傾斜した炉心管２０内で、溶融槽２１に、溶質となる原料２２と溶媒金属６を入れ、溶媒金属６が偏った方とは反対側の溶融槽２１内に、クランプ２３を介して基板２４を装着し、高温下で原料２２を溶媒金属６中に拡散させ飽和させる。そして、炉心管２０を反対側に傾斜させて、溶質が飽和した溶媒金属６を、基板２４の上に移動させ、その状態で温度を低下させながらエピタキシャル成長を行うようになっている。この装置において、図８に示すように、装着された基板２４の裏側が当接する溶融槽２１の内側面に凹部を設け、この部分に熱伝導用の液化金属１０を充填保持することにより、前記スライドボート方式の装置と同様の効果を得ることができる。もちろん、上記液化金属１０を、溶融槽２１自身もしくは溶融槽２１の外側に設けられた液化金属溜まり（図示せず）から自動的に流入させて充填することもできる。
【００２７】
さらに、例えば図９（ａ）に示すような、片面ディップ方式（液浸法）の装置では、竪型炉３０内に、溶媒金属６を入れた白金るつぼ３１を配置し、この中に、溶質となる原料３２を入れて高温下で溶融させ、ついで上方から基板３３を下降させて溶媒金属６に浸し、その状態で温度を低下させてエピタキシャル成長を行うようになっている。この装置において、基板３３を保持する治具３４として、図９（ｂ）に示すように、基板３３の裏面側が熱伝導用の液化金属１０で充填された構造のものを用いることにより、前記スライドボート方式の装置と同様の効果を得ることができる。この場合も、上記液化金属１０を、基板保持用の治具３４の先端部もしくはそれ以外の部分に設けられた液化金属溜まり（図示せず）から自動的に流入させて充填することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１記載の発明によれば、基板の裏面側が、基板を保持する製膜用治具と直接接することがなく、その間に、熱伝導用の液化金属が介在することになるため、熱伝導が、液化金属を介してむらなく均一に、しかも効率よく行われる。したがって、基板温度を、周囲の温度変化に対して優れた追従性で制御することができる。しかも、液化金属の横方向への熱伝導効果により、基板温度が、面方向において非常に均一となるという効果も得られる。
【００２９】
また、本発明の請求項２記載の発明によれば、上記効果に加えて、さらに基板温度を、液化金属を介して独立して制御することができる。したがって、基板温度のみならず、基板と溶媒金属（溶質を含む）に形成される温度勾配の大きさも制御可能となり、製膜プロセスの自由度が飛躍的に高まるという利点を有する。しかも、得られる結晶薄膜の品質も極めて良好なものとなる。
【００３０】
さらに、本発明の請求項３記載の発明によれば、液化金属の充填厚みを限定することにより、上記効果を、より一層優れたものにすることができる。
【００３１】
そして、本発明の請求項４記載の発明によれば、液化金属を予め充填しておくのではなく、その都度、温度条件等に合わせて自動充填することができるため、液化金属と基板裏面との間に隙間が生じたり液化金属が外側にはみ出したりすることがなく、常に過不足なく両者の密着を保つことができるという利点を有する。
【００３２】
また、本発明の請求項５〜８記載の発明によれば、上記請求項１〜４記載の発明を良好に実施することのできる装置を提供することができる。
【００３３】
つぎに、実施例について説明する。
【００３４】
【実施例】
図１に示す装置（グラファイト製スライドボート方式の装置）を用い、下記の条件で実際に結晶薄膜を作製した。

【００３５】
上記のようにして得られたシリコン結晶薄膜は、図１０に示す従来の装置によって得られたものに比べ、結晶の面方向における均一性に優れ、高品質のものであった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いるＬＰＥ装置の一実施例を示す部分的な縦断面図である。
【図２】本発明に用いるＬＰＥ装置の他の実施例を示す部分的な縦断面図である。
【図３】本発明に用いるＬＰＥ装置のさらに他の実施例を示す部分的な縦断面図である。
【図４】本発明に用いるＬＰＥ装置の他の実施例を示す部分的な平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ′断面図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ′断面図である。
【図７】他のＬＰＥ装置の説明図である。
【図８】図７の装置に本発明を適用した構成の説明図である。
【図９】（ａ）はさらに他のＬＰＥ装置の説明図、（ｂ）は（ａ）の装置に本発明を適用した構成の説明図である。
【図１０】従来のＬＰＥ装置の一例を示す部分的な縦断面図である。
【符号の説明】
１ 下部ボート
２ 上部ボート
４ 基板
６ 溶媒金属
１０ 液化金属

Claims (8)

1. 製膜用治具によって基板を裏面側から保持し、その状態で、上記基板表面を、結晶材料が溶質として添加溶融された溶媒金属に接触させ、基板温度を低下させることにより上記基板表面に溶質を析出させて結晶薄膜を得るに際し、上記基板の裏面と、製膜用治具との間に、熱伝導用の液化金属を充填保持するようにしたことを特徴とする結晶薄膜の製法。
2. 上記充填保持された熱伝導用の液化金属の温度を、温度制御手段によって直接制御し、上記液化金属の温度によって基板温度を制御するようにした請求項１記載の結晶薄膜の製法。
3. 上記充填保持された熱伝導用の液化金属の厚みを０．１〜２０ｍｍに設定するようにした請求項１または２記載の結晶薄膜の製法。
4. 製膜用治具に、熱伝導用の液化金属を充填保持するべき空間と連通する液化金属溜まりおよびガス抜き路を設け、上記液化金属溜まりから液化金属を自動充填するようにした請求項１〜３のいずれか一項に記載の結晶薄膜の製法。
5. 製膜用治具によって基板を裏面側から保持し、その状態で、上記基板表面を、結晶材料が溶質として添加溶融された溶媒金属に接触させ、基板温度を低下させることにより上記基板表面に溶質を析出させて結晶薄膜を得る際に用いられる装置であって、上記基板の裏面と、製膜用治具との間に、熱伝導用の液化金属が充填保持されるようになっていることを特徴とする結晶薄膜の製造装置。
6. 上記充填保持される熱伝導用の液化金属の温度が、温度制御手段によって直接制御され、上記液化金属の温度によって基板温度が制御されるようになっている請求項５記載の結晶薄膜の製造装置。
7. 上記充填保持される熱伝導用の液化金属の厚みが０．１〜２０ｍｍに設定されている請求項５または６記載の結晶薄膜の製造装置。
8. 製膜用治具に、熱伝導用の液化金属を充填保持するべき空間と連通する液化金属溜まりおよびガス抜き路が設けられ、上記液化金属溜まりから液化金属が自動充填されるようになっている請求項５〜７のいずれか一項に記載の結晶薄膜の製造装置。

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