JP5330349B2 - 単結晶薄膜の製造方法 - Google Patents
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Description
(a)酸素イオン注入法
単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入した後、熱処理を施すことで、単結晶シリコン/二酸化珪素/単結晶シリコン基板の構造を作製する。
しかしながら、単結晶シリコン基板への酸素イオン注入に際して、上部単結晶シリコンに欠陥が多く入ることや、イオン注入のコストが高いといった問題がある(下記特許文献1参照)。
(b)水素イオン注入法
単結晶シリコン基板に水素イオン(H+ およびH- )を注入し、支持基板に貼り合わせた後、熱処理を施し、水素イオンが注入された層を破壊し、はぎとることで、サブμmオーダーの単結晶シリコン薄膜を支持基板上に形成することができる。
(c)ポーラスシリコン法
単結晶シリコン基板表面を陽極酸化すると、細孔を高密度に形成できる。この細孔表面に酸化処理を施し、フッ酸により外表面に近い部分のみ酸化層を除去した後、水素雰囲気下でアニールすると、最表面が単結晶の連続膜に戻り、その下に空隙を多数含んだ構造ができる。これを支持基板に貼り付けた後、空隙を含んだ層を液相法により化学的に溶解することや、ウォータージェット等により機械的に破壊することで、単結晶シリコン薄膜を分離することができる(下記特許文献3参照)。
(d)溶融再結晶化法・溶融結晶化法
シリコン基板上に、二酸化シリコン膜、多結晶ないしアモルファスシリコン薄膜、二酸化珪素からなる保護膜の順に積層させ、ランプ加熱等による線状の溶融帯のスキャンを行うことで、面内方向に結晶粒径の発達した多結晶シリコン薄膜を作製できる。その後、保護膜を薬液により除去し、CVD法により多結晶シリコン薄膜を厚膜化した後、二酸化シリコン膜をフッ酸によりエッチングすることにより、多結晶シリコン薄膜を分離できる(下記特許文献4参照)。
(e)元素組成の異なる犠牲層を用いたエピタキシャルリフトオフ(ELO)法
エピタキシャルリフトオフ(ELO)法とは、単結晶基板を鋳型に用い、その上に犠牲層をエピタキシャル成長させ、更にその上に目的膜をエピタキシャル成長させ、犠牲層を除去することで目的材料の単結晶薄膜を得る方法のことである。
具体的には、単結晶シリコン基板上に、純シリコンとは組成の異なる層、具体的には金属シリサイドや高濃度ドープシリコンを犠牲層(中間層)としてエピタキシャル成長させ、更にその上にシリコンをエピタキシャル成長させることで単結晶シリコン薄膜を成膜し、犠牲層を化学的にエッチング・除去することで、単結晶シリコン基板と単結晶シリコン薄膜を分離し、単結晶シリコン基板を繰り返し再利用しながら、単結晶シリコン薄膜を製造する方法を提案した。
図1はかかる元素組成の異なる犠牲層を用いたELO法による単結晶シリコン膜の製造工程断面図(その1)である。
(1)まず、図1(a)に示されるように、単結晶シリコン基板1を用意する。
(3)次に、図1(c)に示されるように、犠牲層2の表面に単結晶シリコン膜3をエピタキシャル成長させる。
図2はかかる元素組成の異なる犠牲層を用いたELO法による単結晶シリコン膜の製造工程断面図(その2)である。
(1)まず、図2(a)に示されるように、単結晶シリコン基板11を用意する。
(3)次いで、図2(c)に示されるように、高濃度ドープシリコン膜12の表面に単結晶シリコン膜13をエピタキシャル成長させる。
しかしながら、上記した単結晶シリコン膜の製造方法によれば、以下のような問題点があった。
(A)上記した図1による単結晶シリコン膜の製造方法によれば、
犠牲層に金属シリサイド(CoSi2 ,NiSi2 ,CrSi2 )膜2を用いる場合には、エッチング剤はHF水溶液とし、この金属シリサイド膜2の選択エッチングは容易であるが、単結晶シリコン膜3へ金属原子が混入するために、高純度の単結晶シリコン膜を製造することができなかった。
(B)上記した図2による単結晶シリコン膜の製造方法によれば、
B,P,…(p,nともに可能であり、<10-2Ωcm)をドーパントとした高濃度ドープシリコン膜12を犠牲層とした場合、エッチング剤は、HF/HNO3 /CH3 COOHとし、ドーパントの単結晶シリコン膜13への混入の問題は少ないが、単結晶シリコン膜13をエピタキシャル成長させる際に、拡散によりドーパントの分布が大きく広がるために、単結晶シリコン膜13のリフトオフが不完全であるといった問題があった。
図3は従来の問題点である高濃度ドープシリコン犠牲層/単結晶シリコン基板構造上への単結晶シリコン薄膜のエピタキシャル成長時における、ドーパントの拡散の説明のための模式図であり、図3(a)は目的とする膜構造とドーパント濃度分布の理想図、図3(b)は実際の膜構造とドーパント濃度分布であり、エピタキシャル成長時にドーパントの拡散が起き、三層構造を保てなくなる様子を示す図である。
〔1〕単結晶薄膜の製造方法において、(a)単結晶基板を準備し、(b)この単結晶基板上にこの単結晶基板と同一の物質で結晶欠陥を含んだ犠牲層をエピタキシャル成長させ、(c)この犠牲層上にこの犠牲層と同一の物質で前記犠牲層より結晶欠陥の少ない単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、(d)前記犠牲層をエッチングし、結晶欠陥の少ない単結晶薄膜を製造することを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶シリコン基板、前記犠牲層がシリコン犠牲層、前記単結晶薄膜が単結晶シリコン薄膜であることを特徴とする。
〔5〕上記〔1〕又は〔2〕記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶MgO基板であることを特徴とする。
〔6〕上記〔1〕記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程を、400〜1200℃で物理蒸着法又は化学蒸着法で行うことにより、結晶欠陥を含んだシリコン犠牲層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
〔8〕上記〔3〕、〔6〕又は〔7〕記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥の数密度が、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2 〜1/nm2 であることを特徴とする。
〔10〕上記〔3〕又は〔6〕〜〔9〕の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程に次いで、還元性雰囲気下、温度1000〜1400℃で熱アニールを行うことにより、前記シリコン犠牲層の表面の結晶欠陥を消失させることを特徴とする。
〔12〕上記〔3〕又は〔6〕〜〔11〕の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(c)工程を、基板温度1000〜1400℃で物理蒸着法又は化学蒸着法で行うことにより、結晶欠陥の少ない単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
〔14〕上記〔3〕又は〔6〕〜〔13〕の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板に間隔をとって穴を形成することを特徴とする。
〔16〕上記〔3〕又は〔6〕〜〔14〕の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層の厚さを100nm以上にすることで、前記単結晶シリコン薄膜の下面に100nm以上のテクスチャ構造を導入することを特徴とする。
〔18〕上記〔3〕又は〔6〕〜〔17〕の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層のエッチングをフッ酸と酸化剤の混合溶液で行うことを特徴とする。
したがって、太陽電池の大幅な低コスト化を図ることができる。
具体的には、家庭用太陽光発電システムの全体の2/3のコストを占めるバルク結晶シリコン型モジュールのうち、更にそのコストの4割を占める結晶シリコン基板作製において、高純度シリコンの使用量を1/10〜1/100へと大幅に削減できる。
(1)図4は本発明の実施例を示す単結晶薄膜の製造工程断面図(その1)である。
まず、図4(a)に示すように単結晶基板21を準備する。次に、図4(b)に示すように、この単結晶基板21と同一の物質で結晶欠陥を含んだ単結晶犠牲層22をエピタキシャル成長させ形成する。次に、図4(c)に示すように、この単結晶犠牲層22上に同一の物質で結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜23をエピタキシャル成長させ形成する。そこで、図4(d)に示すように、前記単結晶犠牲層22をエッチング(溶解)し、結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜23を得る。
(2)図5は本発明の実施例を示す単結晶薄膜の製造工程断面図(その2)である。
まず、図5(a)に示すように単結晶基板31を準備する。次に、図5(b)に示すように、この単結晶基板31と同一の物質で結晶欠陥を含んだ単結晶犠牲層32をエピタキシャル成長させ形成する。次に、図5(c)に示すように、この単結晶犠牲層32の表面33の結晶欠陥を消失させる。次に、図5(d)に示すように、結晶欠陥を消失させた単結晶犠牲層32の表面33上に同一の物質で結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜34をエピタキシャル成長させ形成する。次に、図5(e)に示すように、前記単結晶犠牲層32をエッチング(溶解)し、結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜34を得る。
(3)図6は本発明の実施例を示す単結晶薄膜の製造工程断面図(その3)である。
まず、図6(a)に示すように単結晶基板41を準備する。次に、図6(b)に示すように、この単結晶基板41と同一の物質で結晶欠陥を含んだ単結晶犠牲層42をエピタキシャル成長させ形成する。次に、図6(c)に示すように、この単結晶犠牲層42上に同一の物質で結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜43をエピタキシャル成長させ形成する。次に、図6(d)に示すように、結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜43を支持基材44で保持する。そこで、図6(e)に示すように、前記単結晶犠牲層42をエッチング(溶解)し、支持基材44で支持された結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜43を得る。
(4)図7は本発明の実施例を示す単結晶薄膜の製造工程断面図(その4)である。
まず、図7(a)に示すように単結晶基板51を準備する。次に、図7(b)に示すように、この単結晶基板51と同一の物質で結晶欠陥を含んだ単結晶犠牲層52をエピタキシャル成長させ形成する。次に、図7(c)に示すように、この単結晶犠牲層52の表面53の結晶欠陥を消失させる。次に、図7(d)に示すように、結晶欠陥を消失させた単結晶犠牲層52の表面53上に同一の物質で結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜54をエピタキシャル成長させ形成する。次に、図7(e)に示すように、結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜54を支持基材55で保持する。次いで、図7(f)に示すように、前記単結晶犠牲層52をエッチング(溶解)し、支持基材55で支持された結晶欠陥の少ない高純度の単結晶薄膜54を得る。
(5)上記(1)〜(4)記載の何れかに記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶シリコン基板、前記犠牲層がシリコン犠牲層、前記単結晶薄膜が単結晶シリコン薄膜である。
(6)上記(1)〜(4)の何れかに記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶GaAs基板である。
(8)上記(1)〜(4)の何れかに記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程を、400〜1200℃で物理蒸着法又は化学蒸着法で行うことにより、結晶欠陥を含んだシリコン犠牲層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。
(10)上記(9)記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥の数密度が、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2 〜1/nm2 である。
まず、図8(a)に示すように、単結晶シリコン基板61を準備する。次に、図8(b)に示すように、残留ガス圧が比較的高く、かつ比較的低温下の第1の成膜条件で、シリコンをエピタキシャル成長させて双晶の入った単結晶シリコン犠牲膜62を成長させる。次に、図8(c)に示すように、還元性雰囲気下でのアニールにより、前記単結晶シリコン犠牲膜62の表面63の双晶を消失させる。次に、図8(d)に示すように、前記第1の成膜条件よりも残留ガス圧が低く、かつ高温下の第2の成膜条件で、欠陥の少ない単結晶シリコン薄膜64をエピタキシャル成長させる。そこで、図8(e)に示すように、前記単結晶犠牲層62をエッチング(溶解)し、結晶欠陥の少ない高純度の単結晶シリコン薄膜64を得る。
ここでも、図8(e)において残された単結晶基板61は再利用することができる。
(13)上記(12)記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記アニール処理後に、前記シリコン犠牲層表面における双晶の数密度が、前記シリコン犠牲層と前記単結晶シリコン基板との界面における双晶の数密度の、100分の1以下である。
(15)上記(3)記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(c)工程に次いで前記単結晶シリコン薄膜を支持基材に保持した後、前記シリコン犠牲層をエッチングし、単結晶シリコン薄膜を製造する。
(17)上記(3)記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層の厚さを100nm以下にすることで、前記単結晶シリコン薄膜の下面の凹凸を100nm以下に抑える。
(19)上記(1)〜(4)の何れかに記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板の表面に凹凸を形成する。それにより、特に、太陽電池用発電層として用いる場合には、発電効率の向上を図る。
(21)上記(1)〜(20)記載のいずれか一項記載の単結晶薄膜の製造方法によって、単結晶薄膜デバイスを得る。
(22)上記(21)記載の単結晶薄膜デバイスにおいて、前記単結晶薄膜が太陽電池用発電層である。
(24)上記(23)記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン薄膜を、温度T(℃)において成膜速度GR(μm/min)がGR>2×1012 exp〔−325(kJ/mol)/8.31(J/mol・K)/(T+273)(K)〕を満足する速度でエピタキシャル成長させることにより、前記犠牲層の構造変化を防ぐ。
(26)上記(23)、(24)又は(25)記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記犠牲層が結晶欠陥を含んだ結晶シリコンである。
(28)上記(26)又は(27)記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥の数密度が、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2 〜1/nm2 である。
(30)上記(23)、(24)又は(25)記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、結晶の犠牲層が高濃度ドープされた単結晶シリコンである。
(32)上記(30)又は(31)記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記高濃度にドープされた単結晶シリコン中のドーパント濃度が、1018原子/cm3 以上である。
(34)上記(30)、(31)、(32)の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、単結晶シリコン基板上にシリコン源とドーパント源を同時に供給することにより、高濃度にドープされた単結晶シリコン犠牲層を形成する。
(37)上記(36)記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記シリコンを含む化合物結晶がCoSi2 、NiSi2 、CrSi2 などの金属シリサイドである。
(39)上記(23)〜(38)の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、犠牲層をフッ酸を含む水溶液でエッチングすることにより、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜を製造する。
(41)上記(23)から(40)の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板に間隔をとって穴を形成する。
(43)単結晶シリコン薄膜太陽電池であって、上記(23)から(42)の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法によって得られる。
以下、具体的実施例について説明する。
(1)まず、図9(a)に示すように、単結晶シリコン基板(例えば、500μm)71を準備する。
この単結晶シリコン基板71は後述する単結晶シリコン犠牲膜をエピタキシャル成長させるために平坦な上面を有している。
(4)次に、図9(d)に示すように、HF/HNO3 /CH3 COOH混合溶液、またはHF/KMnO4 /CH3 COOH混合溶液による単結晶シリコン犠牲膜72の選択エッチングを行い、欠陥の少ない高純度の単結晶シリコン薄膜73の分離を行う。
(1)まず、図11(a)に示すように、単結晶シリコン基板(例えば、500μm)81を用意する。
この単結晶シリコン基板81は後述する単結晶シリコン犠牲膜をエピタキシャル成長させるために平坦な上面を有している。
(4)次に、図11(d)に示すように、単結晶シリコン薄膜83上に支持基材84を保持する。この支持基材84としては強化ガラスなどを用いる。
この実施例では、単結晶シリコン基板91に間隔をとって穴91Aを形成するようにした点を除くとその他の点は上記実施例1,2と同様である。すなわち、
(1)まず、図12(a)に示すように、間隔をとって穴91Aが形成された単結晶シリコン基板91を用意する。
(2)次に、図12(b)に示すように、その単結晶シリコン基板91上へ基板加熱スパッタ法による、欠陥を含んだシリコンのエピタキシャル成長を微量の酸素、水蒸気が存在する条件下で行う。つまり、単結晶シリコン犠牲膜92を形成する。
ここで、エピタキシャル成長としては、種々のものを用いることができるが、例えば、気相成長であれば、シラン系ガスやクロロシラン系ガスを用いたCVD法や、シリコンを用いた蒸着法によることができる。
(5)次に、図12(e)に示すように、HF/HNO3 /CH3 COOH混合溶液、またはHF/KMnO4 /CH3 COOH混合溶液による単結晶シリコン犠牲膜92の選択エッチングを行う。その際に、エッチャントは単結晶シリコン基板91に間隔をとって形成された穴91Aによって浸入し易くなるので欠陥の少ない単結晶シリコン薄膜93の分離を円滑に行うことができる。つまり、単結晶シリコン犠牲膜92の除去を迅速かつ的確に行うことができる。
また、前記シリコン犠牲層92の厚さを100nm以下にすることで、前記単結晶シリコン薄膜93の下面の凹凸を100nm以下に抑えるようにする。
又は、前記シリコン犠牲層92の厚さを100nm以上にすることで、前記単結晶シリコン薄膜93の下面に100nm以上のテクスチャ構造を導入するようにしてもよい。特に、単結晶シリコン薄膜を太陽電池用発電層として用いる場合には、太陽光を効率よく単結晶薄膜に取り込むことができ、発電効率の向上を図ることができる。
この実施例では、単結晶シリコン基板101の表面に凹凸101Aを形成するようにした点を除くとその他の点は上記実施例1,2と同様である。すなわち、
(1)まず、図14(a)に示すように、表面に凹凸101Aが形成された単結晶シリコン基板101を用意する。
(2)次に、図14(b)に示すように、その単結晶シリコン基板101上へ基板加熱スパッタ法により、欠陥を含んだシリコンのエピタキシャル成長を微量の酸素、水蒸気が存在する条件下で行う。つまり、表面に凹凸102Aが形成された単結晶シリコン犠牲膜102を形成する。
(4)次いで、図14(d)に示すように、単結晶シリコン薄膜103上に支持基材104を保持する。
ここでは、実施例2の製造方法に凹凸を形成する本実施例を適用したが、実施例1にも同様に適用することができる。
単結晶シリコン基板上にシリコンをエピタキシャル成長させる方法として、物理蒸着(PVD;Physical Vapor Deposition)法がある。一般的には、実験室で理想的環境(超高真空等)下、低温でゆっくりとシリコンを成長させる方法として用いられている。一方、生産プロセスでは、化学気相成長(CVD;Chemical Vapor Deposition)法が、高温で高速に半導体層を堆積させる方法として用いられる。
図17は得られたシリコン薄膜の(220)面内X線回折のφスキャン測定結果〔面内X線回折(XRD)パターン〕を示す図である。この図に示す通り、(220)面の4回対称のピークが現れ、基板と同じく(100)方位の単結晶シリコン薄膜がエピタキシャル成長した事が示された。
具体的には、単結晶シリコン基板上に、高濃度Pドープシリコン犠牲層を拡散法により形成し、その上にRVD法により4μmの単結晶シリコン薄膜を形成し、フッ酸・硝酸・酢酸混合溶液で1分間エッチングした。図18にその選択エッチングした単結晶シリコン薄膜/高濃度Pドープシリコン犠牲層/単結晶シリコン基板の走査型電子顕微鏡による断面写真を示す。この図に示す通り、犠牲層のみが選択的にエッチングされた。このように、RVD法を用いることにより、犠牲層の構造を劣化させることなく単結晶シリコン薄膜を形成することができ、犠牲層の選択エッチングによる単結晶シリコン薄膜と単結晶シリコン基板の分離が容易となる。
すなわち、ELO法でのドープシリコン犠牲層のドーパントの拡散を抑えて、単結晶シリコン膜のリフトオフを良好に行うことができる。
また、このように構成することにより、特に、欠陥の少ない単結晶シリコン薄膜を太陽電池用発電層として用いる場合には発電効率の向上を図ることができる。
最後に、大きな視点からは、シリコンの供給面でもメリットが大きい。高純度シリコン源から単結晶シリコン薄膜を成長させる際、CVD法では、一度、シリコンと塩化水素を反応させ、クロロシランにする必要がある。しかし、塩素は装置を腐食し、それによりクロロシランの純度を低下させるというデメリットがあり、精製過程がプロセスの大半を占めてしまう。元来、クロロシラン化は、低純度の金属級シリコンを気化・精製する為の手段であり、高純度シリコンをクロロシラン化するメリットは少ない。一方、高純度シリコンを加熱溶融し、PVD法を用いる場合は、装置腐食や不純物混入の問題がなく、プロセス的にも非常にシンプルになる。かつ、高速成膜によるプロセス時間の短縮は大きな利点となる。
図19は本発明の実施例を示す太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造工程断面模式図である。
まず、図19(a)に示すように、単結晶シリコン基板(鋳型Si基板)201を用意して、図19(b)に示すように、この単結晶シリコン基板201上にエピタキシャルな犠牲層202を形成する。次いで、図19(c)に示すように、この犠牲層202上に単結晶シリコン薄膜203をRVD法により急速にエピタキシャル成長させ、次に、図19(d)に示すように、犠牲層202をエッチングし、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜204を得る。
また、その場合の太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜204の急速なエピタキシャル成長を、PVD法により行う。
そこで、上記した図19(b)の犠牲層202の形成後に、RVD法にてシリコンを堆積すれば、犠牲層202の表面に単結晶シリコン薄膜203を急速にエピタキシャル成長させることができる。
その場合、結晶欠陥が、双晶、空孔、格子間原子、刃状転位、螺旋転位であるものを用いることができる。
また、その結晶欠陥の数密度は、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2 〜1/nm2 にすることができる。
その場合、前記高濃度にドープされた単結晶シリコン中のドーパントとしては、III 族ないしV族元素を用いることができる。
また、前記高濃度にドープされた単結晶シリコン中のドーパント濃度としては、1018原子/cm3 以上とすることができる。
また、単結晶シリコン基板上にシリコン源とドーパント源を同時に供給することにより、高濃度にドープされた単結晶シリコン犠牲層を形成するようにしてもよい。
さらに、シリコン源とドーパント源の比率を時間に対して制御して単結晶シリコン基板上に供給することにより、急速にエピタキシャル成長するシリコン膜中にドーパント濃度の高い層と低い層を形成し、前者を犠牲層とし後者を太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜とすることができる。
また、結晶の犠牲層としては、シリコンを含まない結晶を用いることができる。
また、犠牲層をフッ酸を含む水溶液でエッチングすることにより、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜を製造することができる。
また、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板に間隔をとって穴を形成することができる。
本発明の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法では、RVD法により単結晶シリコン薄膜のエピタキシャル成長速度を上げることにより生産性が上がるだけでなく、基板全体が高温に曝される時間が短くなるために犠牲層の構造変化が抑えられ、犠牲層選択エッチングによる単結晶シリコン薄膜と単結晶シリコン基板との分離が良好となり、結果として高純度で欠陥のない単結晶シリコン薄膜を得ることができ、非常に有望なプロセスとなる。また、単結晶シリコンに限らず、他の物質、例えば、Ge、GaAs、GaN、GeN等、任意の材料の単結晶薄膜の製造にも適用可能である。
図20は本発明の実施例を示す高スループット蒸着(ドープ層形成)装置の模式図、図21はその高スループット蒸着装置のフローに沿って形成される太陽電池発電層の製造断面図である。
この図22においても、図20と同様にグラファイトサセプタBを用いたコンベヤー方式により、欠陥層の形成、表層欠陥の消失、発電層(p/n接合込み)の連続的な一貫成膜が行えるように構成されている。また、製造装置としては、H2 キャリアを流して、差動排気による不純物逆拡散防止を行うとともに、予熱を行うことができる。
このようにして、高スループット蒸着装置による連続的な一貫成膜が行われた欠陥層及び太陽電池発電層を、その装置から取り出して、欠陥層をフッ酸を含む水溶液でエッチングすることにより、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜を製造することができる。
一方、CVD法では、シリコンとともにシリコン以外の元素も成長表面に吸着するため、それらの元素の脱離速度が、成膜速度の上限になり得る。例えば、クロロシランを用いる典型的なCVD法では、塩素や水素の脱離が律速となり、成長速度の上限を決める。換言すれば、単結晶シリコン薄膜のエピタキシャル成長に必要な時間に上限が生じ、その時間内に犠牲層の構造変化や、犠牲層から単結晶シリコン薄膜や基板への元素の拡散が起きてしまうことが、上述の問題の原因である。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
Claims (18)
- (a)単結晶基板を準備し、
(b)該単結晶基板上に該単結晶基板と同一の物質で結晶欠陥を含んだ犠牲層をエピタキシャル成長させ、
(c)該犠牲層上に該犠牲層と同一の物質で前記犠牲層より結晶欠陥の少ない単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、
(d)前記犠牲層をエッチングし、結晶欠陥の少ない単結晶薄膜を製造することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。 - 請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程に次いで前記犠牲層の表面の結晶欠陥を消失させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1又は2記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶シリコン基板、前記犠牲層がシリコン犠牲層、前記単結晶薄膜が単結晶シリコン薄膜であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1又は2記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶GaAs基板であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1又は2記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶MgO基板であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程を、400〜1200℃で物理蒸着法又は化学蒸着法で行うことにより、結晶欠陥を含んだシリコン犠牲層をエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥が双晶、空孔、格子間原子、刃状転位、螺旋転位であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3、6又は7記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥の数密度が、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2 〜1/nm2 であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜8の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2 〜1/nm2 の数密度で双晶が存在することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜9の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程に次いで、還元性雰囲気下、温度1000〜1400℃で熱アニールを行うことにより、前記シリコン犠牲層の表面の結晶欠陥を消失させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項10記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記アニール処理後に、前記シリコン犠牲層表面における双晶の数密度が、前記シリコン犠牲層と前記単結晶シリコン基板との界面における双晶の数密度の、100分の1以下であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜11の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(c)工程を、基板温度1000〜1400℃で物理蒸着法又は化学蒸着法で行うことにより、結晶欠陥の少ない単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜12の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(c)工程に次いで前記単結晶シリコン薄膜を支持基材に保持した後、前記シリコン犠牲層をエッチングし、単結晶シリコン薄膜を製造することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜13の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板に間隔をとって穴を形成することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜14の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層の厚さを100nm以下にすることで、前記単結晶シリコン薄膜の下面の凹凸を100nm以下に抑えることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜14の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層の厚さを100nm以上にすることで、前記単結晶シリコン薄膜の下面に100nm以上のテクスチャ構造を導入することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜16の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜17の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層のエッチングをフッ酸と酸化剤の混合溶液で行うことを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
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JPH09315891A (ja) | 板状シリコン結晶の製造方法及びこの方法で製造された板状シリコン結晶を用いて作製される太陽電池 |
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