JP4696232B2 - Thin film production equipment - Google Patents

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JP4696232B2
JP4696232B2 JP2003178012A JP2003178012A JP4696232B2 JP 4696232 B2 JP4696232 B2 JP 4696232B2 JP 2003178012 A JP2003178012 A JP 2003178012A JP 2003178012 A JP2003178012 A JP 2003178012A JP 4696232 B2 JP4696232 B2 JP 4696232B2
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thin film
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holder
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伸行 松木
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体または絶縁体または金属または誘電体の薄膜材料を、結晶またはアモルファス基板上に、アモルファスまたはエピタキシャル成長して、新機能デバイスを形成し得る薄膜材料作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体、絶縁体、金属または誘電体材料の薄膜化、複合堆積化により、種々の新機能を有する電子デバイス作製の試みが行われてきた。高速電子デバイスに関してはエピタキシャル膜が、太陽電池・光センサなどには高光吸収材料であるアモルファス膜が用いられる。上記エピタキシャル膜や上記アモルファス膜の作製には超高真空蒸着装置が用いられる。
【０００３】
超高真空蒸着装置で基板上にエピタキシャル膜を作製する場合、基板を数100 °Cまで加熱することによって、基板表面の格子振動エネルギーを増大し、蒸着原子の再配列を促進する必要があった。また、このような高温の作製プロセスでは耐熱性の高い基板を用いる必要があった。
【０００４】
また、超高真空蒸着装置で基板上にアモルファス膜を作製する場合、多量の未結合手が膜中に形成される。未結合手は伝導キャリアのトラップ準位として働くため移動度の低下や電界効果発現の低下を招く主要な原因となる。そのため、製膜後のアニール処理による改質プロセスが必要であった。
【０００５】
アモルファス半導体膜を光吸収材料として用いる場合、光照射に伴う電気特性の劣化、すなわち光劣化が問題となる。光劣化は、原子間結合が平均距離よりも長い結合である弱結合がキャリアの非輻射再結合のエネルギーによって断ち切られ、新たな未結合手が生成することによって起こると考えられている。光劣化したアモルファス材料を回復させるためには、熱によるアニールが必要である。また、電流注入によっても同様の劣化が起こることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題に鑑み、基板、および蒸着線束中途に設けた網状電極への電圧印加により、蒸着原子を電界加速し運動エネルギーを増大させることで、エピタキシャル成長の低温化の促進と光劣化の原因となるアモルファス膜中弱結合を低減させ、また、堆積時に未結合手にとって終端基となりうる原子を照射することによって、キャリアトラップ準位となる未結合の膜中密度を低減させえる薄膜作製装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜作製装置は、半導体の薄膜材料を、結晶またはアモルファス基板上に、アモルファス成長して、デバイスを形成する薄膜作製装置において、
薄膜堆積装置と、該薄膜堆積装置とは互いにゲートバルブを介して接続され、かつ基板を保持するための基板ホルダを大気中より超高真空中に導入するためのロードロックと、上記基板ホルダを上記薄膜堆積装置とロードロックの間で搬送する搬送マニピュレータとを備え、
上記薄膜堆積装置は、上記基板ホルダと、上記薄膜材料を半導体分子ビームとして蒸発させる蒸着装置と、導入気体を解離し、堆積時に未結合手にとって終端基となりうる原子を原子ビームとして基板上に照射する気体解離照射装置と、上記基板ホルダを保持し、かつ、この基板ホルダの位置を調節し、かつ基板ホルダに電圧を印加できる構造を有するホルダ位置調節装置と、基板ホルダを加熱するための基板ヒータと、上記基板ヒータの位置を調節するための基板ヒータ位置調節装置とを備え、
上記蒸着装置は、上記半導体分子ビームを電界加速し運動エネルギーを増大させ、かつ、収束させるための網状電極を備え、
上記蒸着装置より蒸発し、かつ、運動エネルギーを増大させ、収束させた上記半導体分子ビームと、上記気体解離照射装置より射出した原子ビームを、上記基板上に、同時に照射することによってアモルファス半導体薄膜を作製することを特徴としている。
【０００８】
前記2個の超高真空槽は、互いにゲートバルブを介して接続した、半導体薄膜を形成する蒸着装置と、前記基板ホルダを大気中より超高真空中に導入するためのロードロックよりなる。上記基板ホルダは、導電体により作製され、かつ前記ホルダ調節装置に設置した状態の場合に、電気的接触を有している。
前記蒸着装置は、薄膜材料を電子ビーム、または、抵抗加熱、または、ヒータよって加熱蒸発させることが好ましい。
【０００９】
上記気体解離照射装置は、導入気体分子を、好ましくは、加熱タングステンヒータ、または、高周波プラズマによって原子状に解離させ、前記基板上に照射させることができる。
前記網状電極は、前記超高真空装置および接地から電気的に絶縁され、かつ-20 kVから+20 kVの電圧を印加可能な構造、すなわち、前記超高真空装置の壁面を貫通するように設置された電流導入端子を通して、導線によって前記網状電極に電圧を供給することが可能である。
前記ホルダ位置調節装置は、前記基板ホルダを安定に載置するための嵌合溝を備え、かつ大気中から電圧を供給し印加可能な構造を備えた可動サセプタを備えている。
【００１０】
前記基板ヒータは、放射赤外線等によって基板ホルダを非接触に加熱する構造である。
前記基板ヒータ調節装置は、基板ホルダと基板字ヒータの間の距離を調節する。
前記搬送マニピュレータは、前記基板ホルダを保持するチャックと、前記２個の超高真空装置間で上記基板ホルダを搬送するのに十分な長さのロッドを備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施の形態を説明する。図１はこの発明の薄膜作製装置の構成を示す立面図である。本装置は、２個の超高真空装置を互いに接続して構成されている。すなわち、薄膜堆積装置１にゲートバルブ２を介してロードロック３が接続されている。また、ロードロック３には薄膜堆積装置１とロードロック３を結ぶ方向に搬送マニピュレータ４が接続されている。また、薄膜堆積装置１は、蒸着装置５と気体解離照射装置６と基板ホルダ位置調節装置７と基板ヒータ位置調節装置８と基板ヒータ９と、基板シャッタ10とを具備している。また、ロードロック３には、基板ホルダ11を出し入れするための挿入扉12が設けられている。なお、上記の薄膜堆積装置１、ロードロック３はそれぞれ真空ポンプ、真空ゲージまたは各種のバルブ等を有しているが、これらは通常の真空装置と同じであるので、図示を省略する。
【００１３】
図２は蒸着装置５の構成を立面図により示している。円筒13および堆積材料蒸発装置14および網状電極支持棒15および高電圧導線16が、フランジ17に接続されている。網状電極支持棒15は、フランジ17に接続されたボールベアリング18により接続されている。フランジ17よりも大気側に突出した網状電極支持棒15の先端に筒状永久磁石19が接続されており、フランジ17に接続された鞘状真空封止管20の外側に設置した筒状永久磁石19によって、網状電極支持棒15が回転操作される。また網状電極22は、絶縁碍子23によって網状電極支持棒15に接続されている。高電圧導線16は、一方の端が電流導入端子21に接続されており、またもう一方の端は網状電極22とボルト・ナットによって接続されている。高電圧導線16は、網状電極支持棒15や円筒13への接触による電流漏洩を防止するため、絶縁被覆されていることが好ましい。なお、上記の堆積材料蒸発装置14は、電子ビーム射出装置および堆積材料載置ルツボおよび堆積材料載置ルツボ水冷ブロック等により構成されているが、これらは通常の電子ビーム蒸着装置と同じであるので、図示を省略する。
【００１４】
図３は網状電極22の平面図を示している。金属板に数mm径の多数の貫通孔を有しているか、または細金属線を編むことにより形成する網によって構成されていることが好ましい。
【００１５】
図４は気体解離照射装置６の構成を立面図により示している。円筒24の下端にフランジ25が接続される。気体導入管27がフランジ25に貫通接続され、気体流量制御装置によって流量制御された気体を導入する。フィラメント支持兼電流導入棒27は電流導入端子28を介してフランジ25に固定されている。電流導入端子28は、超高真空を封止しつつフランジ25との電気絶縁を確保する構造を有する。気体解離用タングステンフィラメント29は、フィラメント支持兼電流導入棒27の先端部に、ネジ30によって固定される。なお、気体導入管26に接続される気体流量制御装置は、通常の気体流量制御装置と同じであるので、図示を省略する。
【００１６】
図５に基板ホルダの構成を示す。図５ａは基板ホルダの平面図を示している。図５ｂは基板ホルダの立面図を示している。基板ホルダはヒートシンク31と基板留め具32、およびネジ33から構成されている。基板留め具32とネジ33によって、基板をヒートシンク31表面に押さえつけ固定すると同時にヒートシンク31から基板への熱伝導を確実にする。
【００１７】
【実施例】
つぎに、本発明の薄膜作製装置を使用した薄膜作製の実施例を説明する。本実施例は水素化アモルファスシリコン薄膜試料を作製する例を示している。この、水素化アモルファスシリコン薄膜試料は、石英ガラス／水素化アモルファスシリコンとノンドープシリコン基板／水素化アモルファスシリコンの構造を有している。以下に水素化アモルファスシリコン薄膜試料の作製工程を説明する。
【００１８】
１．基板洗浄
(1)石英ガラス基板を純水およびアルカリ洗浄液によって洗浄する。
(2)ノンドープシリコンウェハ基板をアセトン・エタノールによって洗浄する。
２．基板セット
(3)基板ホルダ上に基板留め具32により石英ガラス基板およびノンドープシリコンウェハ基板を固定する。
【００１９】
３．成長室への導入
(4)ゲートバルブ２を閉じて、ロードロック３内を乾燥窒素により大気圧にする。
(5)挿入扉12を開けて基板ホルダを搬送マニピュレータ４先端部のチャックに取り付ける。
(6)挿入扉12を閉じてロードロック３内を1 x 10-7 Torr程度まで減圧する。
(7)ゲートバルブ２を開けて搬送マニピュレータ４を操作し基板ホルダをホルダ位置調節装置に載置する。
(8)搬送マニピュレータ４は再びロードロック３まで引き戻し、ゲートバルブ２を閉じる。
(9)ホルダ位置調節装置を操作によって上昇させ基板ヒータ９に近接させる。
【００２０】
４．基板加熱
(10)基板ヒータへの通電により基板ホルダを250 °Cになるまで昇温する。
(11)気体解離用タングステンフィラメント30を通電により1800 °Cまで昇温する。
(12)電子ビーム射出装置に20 mA通電し、固形シリコン材料の予備加熱を行う。
【００２１】
５．アモルファスシリコン膜堆積
(13)気体導入管27より水素を導入し、薄膜堆積装置１内の圧力を2 x 10-5 Torrになるように調整する。
(14)電子ビーム電流を50 mAまで増加させて、シリコン原料を溶融、蒸発させる。
(15)基板シャッタ10を開き、堆積を開始する。
【００２２】
６．膜堆積終了・取り出し
(16)水素化アモルファスシリコン膜を3000 〜 5000 Å程度堆積した後、基板シャッタ10を閉じ製膜を停止する。
(17)電子ビーム射出装置電子ビーム電流を徐々に０まで下げる。
(18)基板ヒータの通電を停止する。
(19)水素の導入を停止する。
(20)基板温度が70 °C程度まで下がるまで待機する。
(21)基板ホルダ位置調節装置７を下げて基板ホルダ11を基板ヒータ９より離す。
(22)ゲートバルブ２を開き、搬送マニピュレータ４を操作して基板ホルダ11を基板ホルダ位置調節装置７上からロードロック３内に移動する。
(23)ゲートバルブ２を閉じ、基板ホルダ11の温度が室温になるまでさらに１時間程度待機する。
(24)ロードロック３の排気を停止し、乾燥窒素によってロードロック３の大気圧開放を行う。
(25)挿入扉12を開け、基板ホルダ11を取り出す。
【００２３】
実験結果：
図６は、本発明の薄膜作製装置で作製した水素化アモルファスシリコン（図6a）と、従来のプラズマCVD装置で作製した水素化アモルファスシリコン（図6b）の光照射劣化特性を示している。
光照射強度は300 mW/cm2、照射時間は６時間、光照射時の水素化アモルファスシリコン温度は60 °Cである。本発明の薄膜作製装置で作製した水素化アモルファスシリコンの方が、従来のプラズマCVD装置で作製した水素化アモルファスシリコンに比べて、膜中欠陥密度（電子スピン共鳴法による測定）の増加率が小さく、光照射に対して安定な水素化アモルファスシリコンが得られた。
【００２４】
【発明の効果】
以上の構成による本発明の薄膜作製装置によれば、基板上に低温で半導体、金属、絶縁体、または誘電体物質を低温でエピタキシャル成長をさせて薄膜作製することができ、また光照射や電流注入に対して安定なアモルファス薄膜材料を作製することができる。
このように、本発明によれば、従来の装置で作製するよりも優れた特性を有する薄膜材料を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜作製装置の構成を示した立面図である。
【図２】本発明の薄膜作製装置の蒸着装置の構成を示した図である。
【図３】本発明の薄膜作製装置の蒸着装置の網状電極の構造を模式的に示した図である。
【図４】本発明の薄膜作製装置の気体解離照射装置の構成を示した図である。
【図５】本発明の薄膜作製装置の基板ホルダの構成を示した図である。
【図６】本実施例で作製した水素化アモルファスシリコンの光劣化特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 薄膜堆積装置
２ ゲートバルブ
３ ロードロック
４ 搬送マニピュレータ
５ 蒸着装置
６ 気体解離照射装置
７ 基板ホルダ位置調節装置
８ 基板ヒータ位置調節装置
９ 基板ヒータ
10 基板シャッタ
11 基板ホルダ
12 挿入扉
13 円筒
14 堆積材料蒸発装置
15 網状電極支持棒
16 高電圧導線
17 フランジ
18 ボールベアリング
19 筒状永久磁石
20 鞘状真空封止管
21 電流導入端子
22 網状電極
23 絶縁碍子
24 円筒
25 フランジ
26 気体導入管
27 フィラメント支持兼電流導入棒
28 電流導入端子
29 気体解離用タングステンフィラメント
30 ネジ
31 ヒートシンク
32 基板留め具
33 ネジ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a thin film material of the semiconductor or insulator or metal or dielectric, on a crystalline or amorphous substrate, amorphous or epitaxial growth, relates to a thin film material manufactured equipment capable of forming a new functional device.
[0002]
[Prior art]
Attempts have been made to produce electronic devices having various new functions by thinning and composite deposition of semiconductors, insulators, metals or dielectric materials. Epitaxial films are used for high-speed electronic devices, and amorphous films that are highly light-absorbing materials are used for solar cells and optical sensors. An ultra-high vacuum deposition apparatus is used for producing the epitaxial film or the amorphous film.
[0003]
When producing an epitaxial film on a substrate with an ultra-high vacuum deposition device, it was necessary to increase the lattice vibration energy on the substrate surface and promote rearrangement of the deposited atoms by heating the substrate to several hundred ° C. . Further, in such a high temperature manufacturing process, it is necessary to use a substrate having high heat resistance.
[0004]
In addition, when an amorphous film is formed on a substrate with an ultrahigh vacuum deposition apparatus, a large amount of dangling bonds are formed in the film. The dangling bond acts as a trap level of the conductive carrier and thus becomes a major cause of lowering mobility and lowering of the field effect. Therefore, a modification process by annealing after film formation is necessary.
[0005]
When an amorphous semiconductor film is used as a light-absorbing material, deterioration of electrical characteristics accompanying light irradiation, that is, light deterioration becomes a problem. Photodegradation is considered to occur when a weak bond whose interatomic bond is longer than the average distance is broken by the energy of non-radiative recombination of carriers, and a new dangling bond is generated. In order to recover the photo-degraded amorphous material, thermal annealing is required. It is also known that the same deterioration occurs due to current injection.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above-described problems of the prior art, the present invention accelerates the temperature of epitaxial growth by increasing the kinetic energy by accelerating the electric field of vapor deposition atoms by applying voltage to the substrate and the mesh electrode provided in the middle of the vapor deposition line bundle. The weak bond in the amorphous film, which causes photodegradation, is reduced, and the density in the unbonded film, which becomes the carrier trap level, is reduced by irradiating atoms that can be a termination group for the unbonded hands during deposition. An object of the present invention is to provide a thin film manufacturing apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The thin film production apparatus of the present invention is a thin film production apparatus for forming a device by growing a thin film material of a semiconductor on a crystal or amorphous substrate to form a device.
A thin film deposition apparatus, the thin film deposition apparatus are connected to each other via a gate valve, and a load lock for introducing a substrate holder for holding the substrate into the ultrahigh vacuum from the atmosphere, and the substrate holder A transport manipulator for transporting between the thin film deposition apparatus and the load lock;
The thin film deposition apparatus, and the substrate holder, irradiating the thin film material and deposition apparatus for evaporating a semiconductor molecule beam to dissociate the introduced gas, the atoms can be terminated based on the substrate as atomic beam for dangling bonds as deposited Gas dissociation irradiation apparatus, a holder position adjusting apparatus having a structure capable of holding the substrate holder, adjusting the position of the substrate holder, and applying a voltage to the substrate holder, and a substrate for heating the substrate holder A heater, and a substrate heater position adjusting device for adjusting the position of the substrate heater,
The vapor deposition apparatus, the semiconductor molecule beam increases the field acceleration and kinetic energy, and comprises a mesh electrode for converging,
Was evaporated from the vapor deposition apparatus, and the kinetic energy is increased, and the semiconductor molecule beam is converged, the injection was atomic beam than the gas dissociation irradiation apparatus, on the substrate, an amorphous semiconductor thin film by irradiating simultaneously It is characterized by manufacturing.
[0008]
The two ultra-high vacuum chambers comprise a vapor deposition apparatus for forming a semiconductor thin film connected to each other via a gate valve, and a load lock for introducing the substrate holder into the ultra-high vacuum from the atmosphere. The substrate holder is made of a conductor and has electrical contact when installed in the holder adjusting device.
The vapor deposition apparatus preferably heats and evaporates the thin film material with an electron beam, resistance heating, or a heater.
[0009]
In the gas dissociation irradiation apparatus, the introduced gas molecules can be dissociated into atoms by a heated tungsten heater or high-frequency plasma, and can be irradiated onto the substrate.
The mesh electrode is electrically insulated from the ultra-high vacuum device and ground, and can be applied with a voltage of -20 kV to +20 kV, that is, installed so as to penetrate the wall of the ultra-high vacuum device. It is possible to supply a voltage to the mesh electrode by a conducting wire through the current introduction terminal.
The holder position adjusting device includes a movable susceptor including a fitting groove for stably placing the substrate holder and having a structure capable of supplying and applying a voltage from the atmosphere.
[0010]
The substrate heater has a structure that heats the substrate holder in a non-contact manner by radiant infrared rays or the like.
The substrate heater adjusting device adjusts the distance between the substrate holder and the substrate character heater.
The transfer manipulator includes a chuck that holds the substrate holder and a rod that is long enough to transfer the substrate holder between the two ultra-high vacuum apparatuses.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an elevation view showing the configuration of the thin film production apparatus of the present invention. This apparatus is configured by connecting two ultrahigh vacuum apparatuses to each other. That is, the load lock 3 is connected to the thin film deposition apparatus 1 via the gate valve 2. In addition, a transfer manipulator 4 is connected to the load lock 3 in the direction connecting the thin film deposition apparatus 1 and the load lock 3. The thin film deposition apparatus 1 includes a vapor deposition apparatus 5, a gas dissociation irradiation apparatus 6, a substrate holder position adjustment apparatus 7, a substrate heater position adjustment apparatus 8, a substrate heater 9, and a substrate shutter 10. Further, the load lock 3 is provided with an insertion door 12 for taking in and out the substrate holder 11. The thin film deposition apparatus 1 and the load lock 3 each have a vacuum pump, a vacuum gauge, various valves, etc., which are the same as ordinary vacuum apparatuses, and are not shown.
[0013]
FIG. 2 shows the configuration of the vapor deposition apparatus 5 in an elevation view. The cylinder 13, the deposited material evaporator 14, the mesh electrode support rod 15, and the high voltage conductor 16 are connected to the flange 17. The mesh electrode support rod 15 is connected by a ball bearing 18 connected to the flange 17. A cylindrical permanent magnet 19 is connected to the tip of the mesh electrode support rod 15 protruding to the atmosphere side from the flange 17, and is installed outside the sheathed vacuum sealed tube 20 connected to the flange 17. The mesh electrode support rod 15 is rotated by 19. The mesh electrode 22 is connected to the mesh electrode support rod 15 by an insulator 23. The high voltage conducting wire 16 has one end connected to the current introduction terminal 21 and the other end connected to the mesh electrode 22 by a bolt / nut. In order to prevent current leakage due to contact with the mesh electrode support rod 15 or the cylinder 13, the high voltage conductor 16 is preferably coated with insulation. The deposition material evaporation device 14 includes an electron beam injection device, a deposition material placement crucible, a deposition material placement crucible water-cooling block, and the like, but these are the same as a normal electron beam evaporation device. The illustration is omitted.
[0014]
FIG. 3 shows a plan view of the mesh electrode 22. It is preferable that the metal plate has a large number of through-holes having a diameter of several millimeters, or is constituted by a net formed by knitting fine metal wires.
[0015]
FIG. 4 shows the configuration of the gas dissociation irradiation apparatus 6 in an elevation view. A flange 25 is connected to the lower end of the cylinder 24. A gas introduction pipe 27 is connected through the flange 25 to introduce a gas whose flow rate is controlled by a gas flow rate control device. The filament support / current introduction rod 27 is fixed to the flange 25 via a current introduction terminal 28. The current introduction terminal 28 has a structure that ensures electrical insulation from the flange 25 while sealing an ultra-high vacuum. The tungsten filament 29 for gas dissociation is fixed to the tip of the filament support / current introduction rod 27 with a screw 30. Note that the gas flow rate control device connected to the gas introduction pipe 26 is the same as a normal gas flow rate control device, and thus illustration is omitted.
[0016]
FIG. 5 shows the configuration of the substrate holder. FIG. 5a shows a plan view of the substrate holder. FIG. 5b shows an elevation view of the substrate holder. The substrate holder includes a heat sink 31, a substrate fastener 32, and screws 33. The substrate holder 32 and the screw 33 secure the heat transfer from the heat sink 31 to the substrate while simultaneously pressing and fixing the substrate to the surface of the heat sink 31.
[0017]
【Example】
Next, an example of thin film production using the thin film production apparatus of the present invention will be described. This example shows an example of producing a hydrogenated amorphous silicon thin film sample. This hydrogenated amorphous silicon thin film sample has a structure of quartz glass / hydrogenated amorphous silicon and non-doped silicon substrate / hydrogenated amorphous silicon. A process for producing a hydrogenated amorphous silicon thin film sample will be described below.
[0018]
1. Substrate cleaning
(1) The quartz glass substrate is cleaned with pure water and an alkaline cleaning solution.
(2) The non-doped silicon wafer substrate is cleaned with acetone / ethanol.
2. Board set
(3) The quartz glass substrate and the non-doped silicon wafer substrate are fixed on the substrate holder by the substrate fastener 32.
[0019]
3. Introduction to the growth room
(4) Close the gate valve 2 and bring the inside of the load lock 3 to atmospheric pressure with dry nitrogen.
(5) Open the insertion door 12 and attach the substrate holder to the chuck at the tip of the transfer manipulator 4.
(6) Close the insertion door 12 and depressurize the load lock 3 to about 1 × 10 −7 Torr.
(7) Open the gate valve 2 and operate the transfer manipulator 4 to place the substrate holder on the holder position adjusting device.
(8) The transfer manipulator 4 is pulled back to the load lock 3 again, and the gate valve 2 is closed.
(9) The holder position adjusting device is raised by operation and brought close to the substrate heater 9.
[0020]
4). Substrate heating
(10) The substrate holder is heated to 250 ° C by energizing the substrate heater.
(11) The tungsten filament 30 for gas dissociation is heated to 1800 ° C by energization.
(12) Apply 20 mA to the electron beam injector and preheat the solid silicon material.
[0021]
5. Amorphous silicon film deposition
(13) Hydrogen is introduced from the gas introduction pipe 27 and the pressure in the thin film deposition apparatus 1 is adjusted to 2 × 10 −5 Torr.
(14) Increase the electron beam current to 50 mA to melt and evaporate the silicon raw material.
(15) Open the substrate shutter 10 and start deposition.
[0022]
6). Film deposition end / removal
(16) After depositing about 3000 to 5000 mm of hydrogenated amorphous silicon film, the substrate shutter 10 is closed to stop film formation.
(17) Electron beam injection device The electron beam current is gradually reduced to zero.
(18) Stop energizing the substrate heater.
(19) Stop the introduction of hydrogen.
(20) Wait until the substrate temperature drops to about 70 ° C.
(21) The substrate holder position adjusting device 7 is lowered to separate the substrate holder 11 from the substrate heater 9.
(22) Open the gate valve 2 and operate the transfer manipulator 4 to move the substrate holder 11 from the substrate holder position adjusting device 7 into the load lock 3.
(23) Close the gate valve 2 and wait for about one hour until the temperature of the substrate holder 11 reaches room temperature.
(24) Stop the exhaust of the load lock 3 and release the atmospheric pressure of the load lock 3 with dry nitrogen.
(25) Open the insertion door 12 and take out the substrate holder 11.
[0023]
Experimental result:
FIG. 6 shows the light irradiation deterioration characteristics of hydrogenated amorphous silicon (FIG. 6a) produced by the thin film production apparatus of the present invention and hydrogenated amorphous silicon (FIG. 6b) produced by a conventional plasma CVD apparatus.
The light irradiation intensity is 300 mW / cm 2 , the irradiation time is 6 hours, and the hydrogenated amorphous silicon temperature at the time of light irradiation is 60 ° C. The rate of increase in defect density in the film (measured by electron spin resonance) is smaller in hydrogenated amorphous silicon produced by the thin film production apparatus of the present invention than in hydrogenated amorphous silicon produced by conventional plasma CVD apparatus. Hydrogenated amorphous silicon stable to light irradiation was obtained.
[0024]
【The invention's effect】
According to the thin film production apparatus of the present invention having the above-described configuration, a thin film can be produced by epitaxially growing a semiconductor, metal, insulator, or dielectric substance at a low temperature on a substrate, and light irradiation or current injection can be performed. A stable amorphous thin film material can be produced.
Thus, according to the present invention, it is possible to produce a thin film material having characteristics superior to those produced by a conventional apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an elevation view showing the configuration of a thin film production apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a configuration of a vapor deposition apparatus of the thin film production apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing the structure of a mesh electrode of a vapor deposition apparatus of the thin film production apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a gas dissociation irradiation apparatus of the thin film production apparatus of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a substrate holder of the thin film manufacturing apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing the photodegradation characteristics of hydrogenated amorphous silicon produced in this example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin film deposition apparatus 2 Gate valve 3 Load lock 4 Transport manipulator 5 Deposition apparatus 6 Gas dissociation irradiation apparatus 7 Substrate holder position adjustment apparatus 8 Substrate heater position adjustment apparatus 9 Substrate heater
10 Board shutter
11 Substrate holder
12 Insert door
13 cylinder
14 Deposited material evaporation system
15 Reticulated electrode support rod
16 High voltage conductor
17 Flange
18 Ball bearing
19 Cylindrical permanent magnet
20 sheathed vacuum sealed tube
21 Current introduction terminal
22 Mesh electrode
23 Insulator
24 cylinder
25 Flange
26 Gas inlet pipe
27 Filament support and current introduction rod
28 Current introduction terminal
29 Tungsten filament for gas dissociation
30 screws
31 heat sink
32 Board fastener
33 screws

Claims (9)

半導体の薄膜材料を、結晶またはアモルファス基板上に、アモルファス成長して、デバイスを形成する薄膜作製装置において、
薄膜堆積装置と、該薄膜堆積装置とは互いにゲートバルブを介して接続され、かつ基板を保持するための基板ホルダを大気中より超高真空中に導入するためのロードロックと、上記基板ホルダを上記薄膜堆積装置とロードロックの間で搬送する搬送マニピュレータとを備え、
上記薄膜堆積装置は、上記基板ホルダと、上記薄膜材料を半導体分子ビームとして蒸発させる蒸着装置と、導入気体を解離し、堆積時に未結合手にとって終端基となりうる原子を原子ビームとして基板上に照射する気体解離照射装置と、上記基板ホルダを保持し、かつ、この基板ホルダの位置を調節し、かつ基板ホルダに電圧を印加できる構造を有するホルダ位置調節装置と、基板ホルダを加熱するための基板ヒータと、上記基板ヒータの位置を調節するための基板ヒータ位置調節装置とを備え、
上記蒸着装置は、上記半導体分子ビームを電界加速し運動エネルギーを増大させ、かつ、収束させるための網状電極を備え、
上記蒸着装置より蒸発し、かつ、運動エネルギーを増大させ、収束させた上記半導体分子ビームと、上記気体解離照射装置より射出した原子ビームを、上記基板上に、同時に照射することによってアモルファス半導体薄膜を作製することを特徴とする、薄膜作製装置。In a thin film manufacturing apparatus for forming a device by growing a semiconductor thin film material amorphously on a crystal or amorphous substrate,
A thin film deposition apparatus, the thin film deposition apparatus are connected to each other via a gate valve, and a load lock for introducing a substrate holder for holding the substrate into the ultrahigh vacuum from the atmosphere, and the substrate holder A transport manipulator for transporting between the thin film deposition apparatus and the load lock;
The thin film deposition apparatus, and the substrate holder, irradiating the thin film material and deposition apparatus for evaporating a semiconductor molecule beam to dissociate the introduced gas, the atoms can be terminated based on the substrate as atomic beam for dangling bonds as deposited Gas dissociation irradiation apparatus, a holder position adjusting apparatus having a structure capable of holding the substrate holder, adjusting the position of the substrate holder, and applying a voltage to the substrate holder, and a substrate for heating the substrate holder A heater, and a substrate heater position adjusting device for adjusting the position of the substrate heater,
The vapor deposition apparatus, the semiconductor molecule beam increases the field acceleration and kinetic energy, and comprises a mesh electrode for converging,
Was evaporated from the vapor deposition apparatus, and the kinetic energy is increased, and the semiconductor molecule beam is converged, the injection was atomic beam than the gas dissociation irradiation apparatus, on the substrate, an amorphous semiconductor thin film by irradiating simultaneously A thin film manufacturing apparatus characterized by manufacturing. 前記基板ホルダは、導電体により作製され、かつ前記ホルダ調節装置に設置した状態の場合に、電気的接触を有することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  The thin film production apparatus according to claim 1, wherein the substrate holder is made of a conductor and has electrical contact in a state where the substrate holder is installed in the holder adjustment apparatus. 前記蒸着装置は、薄膜材料を電子ビーム、または、抵抗加熱、または、ヒータよって加熱蒸発させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  The thin film production apparatus according to claim 1, wherein the vapor deposition apparatus heats and evaporates the thin film material with an electron beam, resistance heating, or a heater. 前記気体解離照射装置は、導入気体分子を加熱タングステンヒータ、または、高周波プラズマによって原子状に解離させ、前記基板上に照射させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  2. The thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the gas dissociation irradiation apparatus dissociates the introduced gas molecules in an atomic form by a heated tungsten heater or high-frequency plasma and irradiates the substrate. 前記網状電極が、前記超高真空装置および接地から電気的に絶縁され、かつ-20kVから+20kVの電圧を印加可能な構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  2. The thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the mesh electrode is electrically insulated from the ultra-high vacuum apparatus and ground and has a structure capable of applying a voltage of −20 kV to +20 kV. 前記ホルダ位置調節装置は、前記基板ホルダを安定に載置するための嵌合溝を備え、かつ大気中から電圧を供給し印加可能な構造を備えた可動サセプタを備えることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  The holder position adjusting device includes a movable susceptor including a fitting groove for stably placing the substrate holder and having a structure capable of supplying and applying a voltage from the atmosphere. Item 2. The thin film manufacturing apparatus according to Item 1. 前記基板ヒータは、前記基板ホルダを放射赤外線等によって非接触に加熱する構造であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  The thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the substrate heater has a structure in which the substrate holder is heated in a non-contact manner by radiant infrared rays or the like. 前記基板ヒータ位置調節装置は、前記基板ヒータと前記基板ホルダの間の距離を調節することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  2. The thin film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the substrate heater position adjusting device adjusts a distance between the substrate heater and the substrate holder. 前記搬送マニピュレータは、前記基板ホルダを保持するチャックと、前記２個の超高真空装置間で上記基板ホルダを搬送するのに十分な長さのロッドを備えることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。  The transport manipulator includes a chuck that holds the substrate holder and a rod that is long enough to transport the substrate holder between the two ultra-high vacuum devices. The thin film production apparatus described.
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