JP5138594B2 - 大気圧下で連続化学気相堆積する装置、方法、及びその使用 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧下で基板上に連続化学気相堆積する装置及び方法に関する。この装置は反応チャンバに基づき、基板は反応チャンバの開放された側面に沿って案内され、その結果、反応チャンバの内部に向いた基板の側面が対応して被覆される。

ガス状の出発物質（いわゆる先駆物質）から形成される薄層は、多くの技術的な実現によって形成される。あらゆる方法に共通するのは、ガス状の先駆物質又は気相状態にされた先駆物質が反応チャンバ内に入れられ、エネルギーの結合によって内部で分解され、ガスの成分が被覆されるべき部分上に堆積されることである。このような方法の１つは、大気圧化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ）である。この方法は、先駆物質と処理チャンバが略大気圧にあることを特徴とする。ＡＰＣＶＤの一例は、クロロシランから形成されるシリコン層のＡＰＣＶＤエピタキシである。この場合、通常水素が混合されるクロロシランは、約１０００−１２００℃の温度で反応チャンバにおいて分解され、結晶シリコン基板上にシリコンが同じ結晶方向で堆積される。この処理は、特に、複数の薄い結晶Ｓｉ層を含む太陽電池に使用される。特に、この適用例では、約１０−２０μｍ厚さのＳｉ層を非常に経済的に（３０ユーロ未満／ｍ^２）且つ高スループット（＞２０ｍ^２／ｈ）で堆積可能なシリコン堆積反応炉が必要となる。現水準の技術の反応炉では、この要件を達成することができない。現水準の技術の反応炉は、ａ）スループットが小さすぎる（例えば、ＡＳＭ社のＥｐｓｉｌｏｎ３０００の場合、１ｍ^２／ｈ）、また、ｂ）先駆物質に含まれるシリコンを非常に不完全に（数パーセント）しか使用しないということが理由である。シリコンの化学気相堆積／エピタキシのための高スループット反応炉（Hurrle，S. Reber，N. Schillinger，J. Haase，J.G. Reichartによる「High Throughput Continuous CVD Reactor for Silicon Deposition」，Proc. 19^th European Conference on Photovoltaic Energy Conversion （WIP - Munich, ETA - Florence 2004），459頁）の製造開発が求められている。シリコンの堆積に加えて、大気圧下で堆積可能な全てのその他の層も、原則として、この反応炉内で形成可能である。

反応炉は、以下の原理で具現化される（図１参照）。２つの基板１、１'の並行列がガスロックを介して管２の中に動かされる。管の内部には、左右に開放しているチャンバ３がある。チャンバのこれらの開口部は、以下「堆積領域」とも称する。基板の並行列のそれぞれは、チャンバの開いた側面を過ぎるよう動かされて開口部を閉じ、それにより、管容積に対してチャンバ容積を密閉する。先駆物質は、前方（即ち、入り口ガスロック側）からガス注入口４を介してチャンバ内に導入され、チャンバの後方領域におけるガス排出口５を介して吸出される。この堆積チャンバの特徴は、堆積チャンバ外の容積と比べて、小さい、低圧力が維持されることである。これにより、大量のプロセスガスが堆積チャンバから漏れることが阻止される。上述した温度において、先駆物質（ここでは、ＳｉＨＣｌ_３／Ｈ_２）は分解され、シリコンが、連続的に後方移動する並行列の基板の内面に主に堆積される。プロセスガス混合物は、堆積チャンバの後端においてガスが完全に消耗され更なる堆積が生じないよう選択されることが好適である。その結果、堆積プロファイル（即ち、プロファイル又は異なる堆積厚さ）が自然に形成されるが、これは、基板の動作によって完全に補償される。基板は、管の後端においてガスロックを介して装置から出る。この反応炉の更なる特徴は、基板が、均一なフィード速度で連続的に被覆可能であることである。即ち、制御が複雑なサイクル動作が必要でない。

グラファイトから形成されるチャンバの部分６及び他の表面においても、望ましくない「寄生的な」堆積物が形成される。これらの堆積物は、全ての断面が一定に保たれ、不都合なフレークが形成されないよう定期的に除去される必要がある。チャンバの表面に加えて、例えば、ガス注入ノズル又はガス排出開口も寄生的な堆積物の影響を受ける。

上述した原理は、太陽電池の製造に適した装置に対して、スループットを増加しなければならず、また、装置の動作時間を最大限最適化する、即ち、中断のない永続的動作を最大限保証する必要がさらにある。本発明はこの要件を考慮に入れる。

本発明は、従来技術の方法に比べてスループットが大幅に増加可能である、化学気相堆積のための堆積装置を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載する特徴を有する総括的な装置、請求項１２に記載する特徴を有する化学気相堆積反応炉、及び、請求項１４に記載する特徴を有する方法によって実現される。更なる従属項は、有利な発展例を示す。

本発明では、大気圧下で基板上に連続化学気相堆積する装置を提供する。この装置は、対向するよう位置付けられる２つの開放された側面を有する反応チャンバを含む。被覆されるべき基板は、開放された側面に沿って運搬されることが可能であり、その結果、反応チャンバは閉じられる。従って、反応チャンバは、基板の運搬方向に対して前方の前方壁と、基板の運搬方向に対して後方の後方壁、又は別の密閉手段を有するよう構成される。これらの前方壁及び後方壁は、対向するよう位置付けられる２つの側壁を介して接続される。本発明の装置の側壁は、プロセスガス用の少なくとも２つの注入口及び少なくとも２つの排出口を有し、これらは、基板の運搬方向において、少なくとも一部の領域において交互に配置されることが、本発明において必要不可欠である。ガス注入口及びガス排出口が交互に配置されることによって、ガス流は、装置の中を向流する。その結果、装置内、即ち、被覆されることを意図しない場所での寄生的な被覆物の形成が最小限に抑えられる、又は、完全に阻止される。従来技術とは対照的に、寄生的な被覆物の形成を最小限に抑える、又は、完全に阻止するために連続動作を中断することが必要ではないため、大幅にスループットを高めることが可能である。

本発明による概念は、以下のアプローチに基づく。
・装置内を並行に運搬される基板の列数を増加可能である。
・堆積領域の長さが延長される。
・堆積動作の進行時に寄生的な被覆物の形成が阻止可能である、又は、寄生的に被覆された表面は連続動作時に洗浄可能である。

これらのアプローチは、以下の手段によって実現可能である。
・ガス注入口及びガス排出口、並びに関連付けられるガス流の巧みな配置。
・ガス混合物にある反応均衡の巧みな移動。
・ガス注入口及びガス排出口は、好適には側壁上のノズルの形で配置される。

この実施形態において、ガス注入口は、第１の側壁上に配置され、一方、ガス排出口は、対向するよう位置付けられる側壁上に配置される。従って、基板の運搬方向に本質的に垂直に延在するガス流が形成される。ガス注入口及びガス排出口が交互に配置される場合、連続的なガス注入口又はガス排出口のガス流は対向方向に延在するので向流の原則が採用される。

好適には、装置は、基板上への堆積のための先駆物質を導入する少なくとも１つのガス注入口を有する。本発明の装置の更なる好適な実施形態では、装置は、寄生的な堆積物を除去するためのエッチングガスを導入する少なくとも１つのガス注入口を有する。

本発明の装置の第２の実施形態は、ガス注入口及びガス排出口は、基板の運搬方向に垂直に延在する管の形で構成され、また、管の丈全体に分布する複数のノズルを有する事実に基づく。従って、第２の実施形態では、少なくとも１つのガス注入管と１つのガス排出管を有するシステムを使用する。個々の管は、ブロックの形で配置されることが好適である。１つの好適な実施形態では、１つのブロックは、２つのガス注入管を含み、ガス排出管は、この２つのガス注入管の間に位置付けられることを提供する。従って、装置は、全体として、このようなタイプのブロックを多数有し、これらは、基板の運搬方向において連続的に配置される。追加のガス注入管を、エッチングガス用にブロック内に配置することも可能である。

被覆されるべき基板としては、好適には、シリコン、セラミック、ガラス、及び／又はそれらの合成物又は層系を使用する。

本発明では、化学気相堆積反応炉も提供する。この反応炉は、加熱炉を含み、この加熱炉内において、互いに対して並行に配置される少なくとも２つの装置は、先行する請求項のうちいずれか一項に従って配置される。別の化学気相堆積反応炉も、同様に、加熱炉を含み、この加熱炉において、本発明の装置が連続的に配置される。

本発明では、大気圧下で、本発明による装置を使用して基板上に連続化学気相堆積する方法も提供する。ガス供給は、この方法によって、基板上への堆積時に、装置内での寄生的な堆積物が阻止及び／又は同時に除去されるよう制御される。

好適には、少なくとも１つの先駆物質が、少なくとも１つのガス注入口を介して供給され、次に、被覆工程時に基板上に堆積される。ガスは、少なくとも１つのガス排出口を介して装置から吸出される。ガスの吸出しは、好適には、ポンプを介して行われることが可能である。

本発明の方法の好適な実施形態では、少なくとも１つの供給ガスの組成を周期的に変更することによって、装置内の寄生的な堆積物は、堆積工程時に、阻止及び／又は除去されることが可能である。寄生的な堆積物が除去されるべき場合、好適には、少なくとも１つのエッチングガスが、これらの堆積物を除去するために供給される。その場合、エッチングガスの供給は、少なくとも１つのエッチングガス用のガス注入口を介して行われる。エッチングガスが別個のガス注入口を介して供給されることも、エッチングガスと先駆物質が同じガス注入口を介して供給されることも両方可能であり、後者の場合、時間的な周期で行われる。

本発明の方法では、少なくとも１つの前駆物質及び前記少なくとも１つのエッチングガスを、異なるガス注入口を介して装置に、周期的に交互に供給することが特に好適である。更に、少なくとも１つのエッチングガスと少なくとも１つの先駆物質は、化学的に互換性があることが好適である。

好適には、側壁にあるガス注入口、又は、ガス注入管のノズルは、基板の方向にガス流が形成可能であるよう基板に向けて方向付けられるよう位置付けられるべきである。対照的に、少なくとも１つのエッチングガス用のガス注入口又はガス注入管のノズルは、装置のこれらの構成要素への寄生的な堆積物がエッチバックされるよう、寄生的な堆積物を有する装置の表面に向けて方向付けられるべきである。

更に、上述したブロック状の構成では、装置内に異なるプロセスガスが供給され、それにより、異なる層又は層組成物が、基板の運搬時に基板上に堆積可能であることが好適である。

本発明の方法は、２つの異なる変形に従って実施可能である。第１の変形では、処理チャンバの境界部と基板との間にスロットがあり、このスロットの寸法は、実質的に変化しない。その結果、装置内を通る基板の連続運搬（即ち、基板の停滞がない）と、運搬周期と静止周期を含むサイクル型運搬の両方が可能となる。プロセスガスの発生は、好適なパージガス制御によって阻止される。或いは、基板と処理チャンバとの間の密閉を実現するために、スライド式シール材を使用することも可能である。しかし、このようなシール材は、高温時及び高純度要件の場合に問題が発生しうる。

第２の変形では、スロットの幅が処理時に周期的に変更され、基板は装置内を律動的に運搬される。堆積周期時、基板は、処理チャンバの境界部に置かれ、処理チャンバを、適切に気密に閉じる。短い運搬周期時に、基板は、チャンバから上げられ、更に運搬され、再び置かれる。運搬周期時に生成されるスロットからのガス発生は、好適なパージガス制御によって阻止される。これは、上述した変形と同様に、処理チャンバ内の圧力が、適切なパージガス流の発生が可能となるまで又は少なくとも外部への流れが阻止されるまで周囲圧力に対して低くされることによってもたらされる。この第２の変形の利点は、一方で、圧力又は流れ変動に対して許容値が高いことと、その他方で、例えばパージガス及びそれに伴う汚染に関して汚染堆積容積が低いことにある。

本発明の主題を以下の実施形態を参照してより詳細に説明するが、本発明の主題は、本願に記載する特定の実施形態に限定されることを意図しない。

従来技術の化学気相堆積反応炉を示す図である。

運搬方向において交互にされるガス注入口及びガス排出口を有する、本発明の装置の好適な一実施形態を示す図である。

ブロック内に配置されるガス注入管及びガス排出管を使用する、本発明の装置の一実施形態を示す図である。

図３の実施形態を示す平面図である。

ガス注入管及びガス排出管と、追加のエッチバック管のブロック状の配置を有する本発明の装置の更なる実施形態を示す図である。

複数の、図５に示す本発明の装置が互いに並行に配列される、本発明による配置を示す図である。

第１の実施形態
第１の好適な実施形態において、先駆物質は、注入ノズルを介して堆積チャンバ１内に運ばれる。注入ノズルは、基板によって形成されるのではない堆積チャンバの縦（長手）側面に位置付けられる（図２参照）。１つのガス注入口２及び１つのガス排出口３がそれぞれ、互いに略対向するよう位置付けられ、２つの連続ペア（例えば、図２のペア１及びペア２）は鏡像に配置される。この場合、連続ペアのガス流は、向流する。本発明では、このシステムは、１つのペアのガス注入口からガス排出口への先駆物質は理論的に可能な値の高いパーセントで使用されるよう動作される。即ち、ガスの消耗によって、ある時点において堆積が略起こらなくなるプロファイルが形成される。寄生的な層のエッチバックは、１つ以上の注入口ペアからの化学的に互換性のあるエッチングガスを使用して、残りのペアが依然として堆積動作にある間に行われる。或いは、エッチバックは、先駆物質のガス組成を変える（例えば、クロロシランの場合にＣＩ／Ｈ比を上げる）ことによって実現可能である。エッチバック時、ガス流は、寄生的に被覆された表面が好適に処置され、かつ、後に使用されるべき層が最大限確保されるよう変更される。これにより、１つのノズルペアに割り当てられた寄生的に被覆された表面は、少なくとも、効果的にエッチバックされなければならない。エッチバック終了後、ノズルペアには堆積用の先駆物質が再び供給され、また、エッチバックは、異なるノズルペアで再び開始する。この処理はさらに、周期的に続けられる。

処理において有利であるならば、ガス注入口及びガス排出口の機能を周期的に交換可能である。

ｍ個のペアが１つの堆積チャンバを形成する。

第２の実施形態
本発明の第２の実施形態は、以下の点、即ち、堆積チャンバの側面における注入ノズル又は排出ノズルではなく、複数の注入／排出ノズルを有するガス注入管を有することを特徴とする。この複数の注入／排出ノズルは、動作方向に対して垂直に堆積チャンバを横断する管の丈全体に亘って分布する。前方及び後方におけるガス注入管はそれぞれ、１つのガス排出管に割り当てられる（図３及び図４参照）。ガスは、基板の方向にガス注入管から噴き出されることが好適である。以下において、この構成配置を「ブロック」と呼ぶ。堆積動作時、先駆物質は、両方のガス注入管内に導入され、消費されたガスは、両方のガス注入管の間にあるガス排出管により吸出される。堆積チャンバ内では、任意の数のこのようなブロックが連続して配置される。エッチバックには、１つ以上のブロックがエッチングガスを使用して動作される。このエッチングガスは、その流れにおいて、寄生的に被覆された表面が好適にエッチングガス処理されエッチバックされるよう選択される。第２の実施形態は、以下の通りに拡張される。１つのエッチバック管あたりに２つのガス注入管ではなく、ブロックには、ガス排出管の前方又は後方に追加のガス注入管が追加される（「拡張ブロック」）。ｍ個の拡張ブロックが、１つの堆積チャンバを形成する。

第３の実施形態
第３の実施形態では、第２の実施形態によるブロックに、先行する別個のエッチバック管が追加される（図５参照）。このエッチバック管にエッチングガスが供給され、それぞれ隣接するガス注入管及びガス排出管をエッチバック可能である。エッチングガスの流れの方向は、寄生的な堆積物を有する場所が優先的にエッチングされるよう選択される。エッチバックは、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に周期で（即ち、隣接ガス注入管への先駆物質の供給は、エッチバック時には中断される）、また、全てのガス注入管の堆積動作の進行時の両方で行うことができる。この動作の重要な特徴は、ガス注入管及びガス排出管の場所におけるガス組成が、エッチング方向における堆積から反応均衡がずらされるようエッチングガスによって変更されることである。エッチングガスの方向及び量によって、基板自体上でエッチングが生じることが最大限に阻止される。さらに、第３の実施形態のブロックは、第２の実施形態と同様に、追加のガス注入管によって拡張可能である。１つの堆積チャンバに対して、ｍ個のブロックが直列に連続して配置され、ｍ番目のブロックの後の１つのエッチバック管は、堆積チャンバを閉じる。

Claims (29)

1. 大気圧下で複数の基板上に連続化学気相堆積する装置であって、
   対向するよう位置付けられる２つの開放面を有する反応チャンバを含み、
   前記複数の基板は、前記反応チャンバの前記開放面に沿って運搬されて前記反応チャンバを閉じることが可能であり、
   前記反応チャンバは、前記複数の基板の運搬方向に対して、前方の前方壁と、後方の後方壁とを有し、
   前記前方壁及び前記後方壁は、対向するよう位置付けられる２つの側壁を介して接続され、
   前記反応チャンバは複数の領域を有し、
   前記２つの側壁の各々は、それぞれ少なくともプロセスガス用の１つの注入口及び１つの排出口を有し、前記注入口及び前記排出口は、前記運搬方向において、前記複数の領域の各々において交互に配置され、
   側壁上のガス注入口は、対向するよう位置付けられる側壁上のガス排出口に割り当てられ、
   前記運搬方向に対して本質的に垂直に延在するガス流が形成される、
   装置。
2. 前記ガス注入口及び前記ガス排出口は、前記側壁上に複数のノズルの形で配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数の基板上への堆積のための先駆物質を導入する少なくとも１つのガス注入口を有する、請求項１または２に記載の装置。
4. 寄生的な堆積物を除去するためのエッチングガスを導入する少なくとも１つのガス注入口を有する、請求項１から３のうちいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ガス注入口及び前記ガス排出口は、前記運搬方向に対して垂直に延在する複数の管の形に構成され、また、前記管の丈全体に分布する複数のノズルを有する、請求項１に記載の装置。
6. 複数の管が、複数のブロックの形で配置される、請求項５に記載の装置。
7. １つのブロックは、２つのガス注入管を含み、
   ガス排出管は、前記２つのガス注入管の間に位置付けられる、請求項６に記載の装置。
8. 前記運搬方向において、連続して配置される多数のブロックを有する、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記ブロックは、エッチングガス用の追加のガス注入管を有する、請求項６から８のうちいずれか一項に記載の装置。
10. 前記複数の基板は、シリコン、セラミック、ガラス、及び／又はこれらの合成物又は層系から構成される、請求項１から９のうちいずれか一項に記載の装置。
11. 加熱炉を含み、
    前記加熱炉内で、互いに並行に配置される少なくとも２つの装置が、請求項１から１０のうちいずれか一項に従って配置される、化学気相堆積反応炉。
12. 加熱炉を含み、
    前記加熱炉内で、連続的に配置される少なくとも２つの装置が、請求項１から１０のうちいずれか一項に従って配置される、化学気相堆積反応炉。
13. 大気圧下で、請求項１から１０のうちいずれか一項に記載の装置を使用して複数の基板上に連続化学気相堆積する方法であって、
    ガス供給は、前記複数の基板上への堆積時に、前記装置内での寄生的な堆積物が阻止及び／又は同時に除去されるよう制御される、方法。
14. 少なくとも１つの先駆物質が、少なくとも１つのガス注入口を介して供給される、請求項１３に記載の方法。
15. ガスは、少なくとも１つのガス排出口を介して前記装置から吸出される、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 前記吸出しは、ポンプを介して行われる、請求項１５に記載の方法。
17. 少なくとも１つの供給ガスの組成を周期的に変更することによって、前記装置内の寄生的な堆積物が阻止及び／又は除去される、請求項１３から１６のうちいずれか一項に記載の方法。
18. 前記装置内の寄生的な堆積物は、少なくとも１つのエッチングガスを供給することによって除去される、請求項１３から１７のうちいずれか一項に記載の方法。
19. 寄生的な堆積物を除去するための少なくとも１つのエッチングガスは、少なくとも１つのガス注入口を介して供給される、請求項１３から１８のうちいずれか一項に記載の方法。
20. 前記少なくとも１つのエッチングガスは、少なくとも１つのガス注入口を介して別個に供給される、請求項１９に記載の方法。
21. 前記少なくとも１つの先駆物質及び前記少なくとも１つのエッチングガスは、同じガス注入口を介して供給される、請求項１８から２０のうちいずれか一項に記載の方法。
22. 前記少なくとも１つの先駆物質及び前記少なくとも１つのエッチングガスは、異なるガス注入口を介して、前記装置に周期的に交互に供給される、請求項１８から２１のうちいずれか一項に記載の方法。
23. 前記少なくとも１つの先駆物質及び前記少なくとも１つのエッチングガスは、互いに化学的に互換性がある、請求項１８から２２のうちいずれか一項に記載の方法。
24. 第１の側壁におけるガス注入口からの第１のガス流は、第２の側壁におけるガス排出口に向けて案内され、前記第１のガス流に並行する第２のガス流は、前記第２の側壁におけるガス注入口から前記第１の側壁におけるガス排出口に向けて向流するよう案内される、請求項１３から２３のうちいずれか一項に記載の方法。
25. 大気圧下で、請求項７に記載の装置を使用して複数の基板上に連続化学気相堆積する方法であって、
    ガス供給は、前記複数の基板上への堆積時に、前記装置内での寄生的な堆積物が阻止及び／又は同時に除去されるよう制御され、
    前記少なくとも１つの先駆物質用の前記ガス注入管の複数のノズルは、前記複数の基板の方向にガス流が形成されるよう前記複数の基板に向けて方向付けられる、
    方法。
26. 大気圧下で、請求項７に記載の装置を使用して複数の基板上に連続化学気相堆積する方法であって、
    ガス供給は、前記複数の基板上への堆積時に、前記装置内での寄生的な堆積物が阻止及び／又は同時に除去されるよう制御され、
    前記少なくとも１つのエッチングガス用の前記ガス注入管の複数のノズルは、寄生的な堆積物がエッチバックされるよう前記寄生的な堆積物を有する前記装置の複数の表面に向けて方向付けられる、
    方法。
27. 複数の異なる層又は複数の層組成物が堆積されるよう複数の異なるプロセスガスが各ブロック内に供給される、請求項１３から２６のうちいずれか一項に記載の方法。
28. 前記反応チャンバの境界部と前記複数の基板との間に複数のスロットが存在し、
    前記反応チャンバの境界部と前記複数の基板との間の前記スロットの寸法は、実質的に時間の経過に応じて変更されない、請求項１３から２７のうちいずれか一項に記載の方法。
29. 前記反応チャンバの境界部と前記複数の基板との間に複数のスロットが存在し、
    前記反応チャンバの境界部と前記複数の基板との間の前記スロットの寸法は、周期的に変更される、請求項１３から２７のうちいずれか一項に記載の方法。

Images