JP5810357B2 - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば太陽電池や半導体の製造工程において、シリコン基板にボロン、リン等の不純物を拡散するために不純物を含む膜を成膜する方法及び装置に関するものである。
従来、例えば太陽電池や半導体の製造工程において、シリコン基板にＰＮジャンクションを形成するために、ボロン、リン等の不純物を拡散させる各種技術が提案されている。
Ｐ型、Ｎ型のいずれの拡散層を形成する場合にも、不純物を含んだ膜を成膜する必要があることは周知であり、その成膜方法や不純物層の素材等、様々な提案がなされている。 例えば、Ｐ型拡散層を形成する技術として、モノシラン（ＳｉＨ４）とジボラン（Ｂ２Ｈ６）を大気圧下で熱分解し、基板上にボロン酸化膜（ＢＳＧ）を形成するもの（ＡＰＣＶＤ）、もしくは減圧容器内でプラズマを用いて基板上にボロン酸化膜（ＢＳＧ）を形成し、その後キャップ層としてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２，ＮＳＧ）を形成した後、高温度下にて拡散層を形成するものなどが知られている。
また、Ｎ型拡散層を形成する技術として、モノシラン（ＳｉＨ４）とホスフィン（ＰＨ３）を大気圧下で熱分解し、基板上にリン酸化膜（ＰＳＧ）を形成するもの、もしくは減圧容器内でプラズマを用いて基板上にリン酸化膜（ＰＳＧ）を形成し、上述したものと同様のキャップ層を形成し、高温度下で拡散層を形成するものなどが知られている。
いずれの拡散層の形成においても、不純物を含んだ成膜が必要であることは周知であり、その成膜方法や不純物等の素材など、様々な提案がなされている。
また、工程の簡素化、製造コストの低減等を目的として、プラズマを用いた直接的なドーピング方法や、プラズマに代えて熱反応を用いた連続成膜方法、あるいは、不純物を含んだペーストもしくは溶液を塗布し、加熱することによって不純物拡散層を得る方法等が提案されている。
特開２０１０−１６１３１７号公報 特開２０１０− ５６４６５号公報 特開２００９−２５３１２７号公報 特開２００９−２４６２１４号公報 特開２００９−１４７０７０号公報 特開２００８−２８２９２１号公報
近年、太陽電池による発電システムの普及が急速に進んでおり、発電効率の向上が望まれているが、実際には、安価な太陽電池パネルを大量に設置することが、当面の発電量確保のためには重要である。
ここで、太陽電池パネルを安価に供給するためには、製造リードタイムの短縮、製造設備の低価格化が急務であることは言うまでもないが、特に、従来のＰＮジャンクション形成のための製造手法である不純物層の成膜装置及び成膜工程を簡素化することが有用である。
上述した従来技術のように、プラズマを用いて、拡散用不純物層を成膜する場合、成膜装置には、真空設備や高周波設備を必要とするため、設備自体が高価になる。また、成膜速度は主に成膜ソースガスの流量に依存するが、減圧状態では大量のソースガスを導入することが困難であり、成膜工程の長時間化を招き、製造コストの高騰につながる。さらに、真空設備は、連続処理ができず必然的にバッチ式処理となるため、生産性向上が困難である。
これに対し、大気圧下において、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、ホスフィン（ＰＨ３）をソースガスとしてＡＰＣＶＤ処理を行なう場合、これらのガスは爆燃性、毒性等があって危険なガスとして分類されており、その使用においては、制限と安全設備が課せられ、設備自体の運用には付帯設備の導入コストが必須である。
さらに、Ｐ型であればボロン、Ｎ型であればリンを含んだ溶液もしくはペーストを基板上に滴下後スピンもしくはインクジェット方式プリント等で塗布後過熱して拡散層を得る場合、スピン方式では、薬液のほとんどが利用されずに廃棄されるため効率的ではない。また、これらの不純物は粒子状として溶剤に含まれるため、インクジェットプリント用のプリンタヘッドの小径ノズルを詰まらせる事となり、太陽電池製造のような量産工程には不向きである。
なお、上述した太陽電池製造に関する諸問題は、半導体の製造においても同様の状況にある。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、有害有毒なガスを使用せず、大気圧下で効率よく高濃度の不純物を含む膜を成膜する成膜方法及び成膜装置を提供することである。
本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、不純物の固体ソースを加熱し蒸発させてガスを発生させ、前記ガスを基板に噴射することによって前記基板上に不純物を含有する膜を形成する成膜方法であって、前記固体ソースを噴射孔を有する容器内に配置し、前記容器内に前記ガスを搬送するためのキャリアガスを導入し、前記容器部の内部に配置された石英チューブ内に収容されたハロゲンバルブを有するとともに、前記石英チューブの内部に前記ハロゲンバルブを冷却するクーリングガスが導入される加熱手段によって、前記容器内で前記固体ソースを加熱して発生した前記ガスを前記キャリアガスとともに前記噴射孔から前記基板に噴射することを特徴とする成膜方法である。
請求項２に係る発明は、前記ガスの噴射前に前記基板を予熱することを特徴とする請求項１に記載の成膜方法である。
請求項３に係る発明は、搬送装置によって連続的に搬送される前記基板に前記ガスを噴射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成膜方法である。
請求項４に係る発明は、前記膜の形成と同時に前記ガスの温度を利用して前記基板中への前記不純物の拡散を行なうことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の成膜方法である。
請求項５に係る発明は、前記固体ソースがボロンを有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の成膜方法である。
請求項６に係る発明は、前記固体ソースがリン酸化物を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の成膜方法である。
請求項７に係る発明は、不純物の固体ソースを加熱し蒸発させてガスを発生させる加熱手段と、前記ガスを基板に噴射することによって前記基板上に不純物を含有する膜を形成する噴射手段とを備える成膜装置であって、前記固体ソースを収容する容器部と、前記容器部に前記ガスを搬送するためのキャリアガスを導入するキャリアガス導入手段とを備え、前記加熱手段は前記容器部の内部に配置された石英チューブ内に収容されたハロゲンバルブを有するとともに、前記石英チューブの内部に前記ハロゲンバルブを冷却するクーリングガスが導入され、前記噴射手段は、前記容器部に形成され前記ガスを前記キャリアガスとともに噴射する噴射孔であることを特徴とする成膜装置である。
請求項８に係る発明は、前記ガスを噴射する前の前記基板を予熱する予熱手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の成膜装置である。
請求項９に係る発明は、前記噴射手段に前記基板を連続的に搬送する搬送手段を備えることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の成膜装置である。
請求項１０に係る発明は、前記膜の形成と同時に前記ガスの温度を利用して前記基板中への前記不純物の拡散を行なうことを特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の成膜装置である。
請求項１１に係る発明は、前記固体ソースがボロンを有することを特徴とする請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の成膜装置である。
請求項１２に係る発明は、前記固体ソースがリン酸化物を有することを特徴とする請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の成膜装置である。
本発明によれば、例えばモノシラン（ＳｉＨ４）、ジボラン（Ｂ２Ｈ６）、ホスフィン（ＰＨ３）等の危険性の高い有毒ガスを使用することなく成膜ができるため、装置の安全性が高く除害設備等の付帯設備が不要となり、ひいては太陽電池パネルの価格自体を引き下げる効果が期待できる。
また、高濃度の不純物拡散膜を成膜できるため、成膜処理時間の短縮及び膜除去に必要なウェットプロセス処理時間の短縮の効果も期待できる。
また、拡散装置を使用せずに成膜及び拡散を同時に行なうことも可能となるので、製造工程の簡素化を図ることも可能である。
なお、太陽電池パネルに限らず、半導体においても実質的に同様の効果を得ることができる。
本発明を適用した成膜装置の第１実施形態の構成を示す図である。 実施形態１の成膜装置によって成膜し、その後拡散処理を行なったシリコン基板の実施例１のＳＩＭＳプロファイルデータを示すグラフである。 実施形態１の成膜装置によって成膜し、その後拡散処理を行なったシリコン基板の実施例２のＳＩＭＳプロファイルデータを示すグラフである。 本発明を適用した成膜装置の第２実施形態の構成を示す図である。 本発明を適用した成膜装置の第３実施形態の構成を示す図である。 本発明を適用した成膜装置の第４実施形態の構成を示す図である。
以下、本発明を適用した成膜方法及び成膜装置の実施形態について、図面等を参照して説明する。
各実施形態の成膜方法及び成膜装置は、例えば、太陽電池パネルや半導体の製造工程において、シリコン基板の両面に、不純物であるボロン及びリンを含有する膜を成膜するものである。
そして、Ｎ型拡散層を形成するためには、ボロンを有する膜を形成した後に、例えば８００〜１１００℃まで酸素又は窒素雰囲気下で加熱して、ボロンをシリコン基板中に拡散させる。
また、Ｐ型拡散層を形成するためには、リンを有する膜を形成した後に、例えば８００〜１０００℃まで酸素又は窒素雰囲気化で加熱して、リンをシリコン基板中に拡散させる。
なお、この拡散時に、例えばＳｉＯ２等からなるキャップ層を形成してもよい。
＜第１実施形態＞
以下、本発明を適用した成膜装置の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の成膜装置の構成を示す図であって、図１（ａ）は図１（ｂ）のａ−ａ部矢視断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
成膜装置１００は、気化容器１１０、加熱装置１２０、排気装置１３０等を備えて構成されている。
気化容器１１０は、例えばほぼ直方体状のボックスとして構成されている。
気化容器１１０の内部は、例えばボロンの固体ソースＳを加熱し、蒸発させる気化空間として機能する。
固体ソースＳは、出来るだけ表面積を大きくし、蒸気が取り出しやすいように穴加工又は溝加工等が施されている。
気化容器１１０の底面部には、固体ソースＳが固定される固体ソース固定プレート１１１が設けられている。
固体ソース固定プレート１１１には、固体ソースＳが嵌め込まれる凹部１１２が形成されている。
また、固体ソース固定プレート１１１には、固体ソースＳが蒸発して発生したガスＧを、例えばシリコン基板であるワークＷに噴射する噴射孔であるスリットノズル１１３が形成されている。
さらに、気化容器１１０は、冷却水が通流される冷却水通路１１４が設けられている。冷却水通路１１４は、後述するリフレクタ１２３と、気化容器１１０の外壁との間に配置され、後述するハロゲンバルブ１２１とほぼ平行に配置されている。
加熱装置１２０は、ハロゲンバルブ１２１、石英チューブ１２２、リフレクタ１２３、クーリングガス接続ポート１２４等を備えて構成されている。
ハロゲンバルブ１２１は、円柱状に形成され、例えば３本が水平方向に並べて平行に配列されている。
ハロゲンバルブ１２１の両端部は、気化容器１１０の壁面に設けられたランプソケットによって支持されている。
石英チューブ１２２は、円筒状に形成され、ハロゲンバルブ１２１はその内径側にほぼ同心となるように挿入されている。
石英チューブ１２２は、長時間の照射における過昇温を防止するものである。
リフレクタ１２３は、３本の石英チューブ１２２の上方及び側方に配置された反射板であって、上面部はそれぞれの石英チューブ１２２を取り囲む曲面状に形成されている。
クーリングガス接続ポート１２４は、石英チューブ１２２から装置の上方へ突き出して設けられ、石英チューブ１２２の内部にハロゲンバルブ１２１を冷却するためのクーリングガスを導入し、また、排出するものである。
クーリングガスとして、例えば、Ｎ２を用いることができる。
クーリングガス接続ポート１２４は、石英チューブ１２２の両端部にそれぞれ設けられている。
排気装置１３０は、ワークＷに噴射された後の余剰なガスＧを、気化容器１１０の下部の周囲から回収して排出する通路である。
第１実施形態においては、固体ソースＳがハロゲンバルブ１２１の発光波長を吸収して発熱し、蒸発した蒸気であるガスＧは、図示しないキャリアガス接続口から導入されたキャリアガスとともに、スリットノズル１１３から数ミリメートル下側を通過するワークＷに噴射され、その後排気装置１３０から回収される。
このとき、噴射された蒸気は、蒸気温度雰囲気よりも低温である基板との接触によりワークＷの表面に膜として固着する。このとき、ワークＷは、急激な温度変化による損傷を防ぐため、予め加熱されており、この予熱によって効率よく成膜される。
以下、本実施形態の成膜装置によって酸化ボロンを成膜し、その後拡散処理を行なったシリコン基板の実施例について説明する。
図２は、実施例１のＳＩＭＳプロファイルデータを示すグラフである。
実施例１においては、固体ボロンを７００℃で加熱蒸発させてシリコン基板の表面に酸化ボロン膜を成膜し、キャップ酸化膜無しで１１００℃で拡散を行なっている。
図２に示すように、ボロン濃度１×１０１９個／ｃｍ３を、深さ方向で０．７μｍまで拡散可能である。
図３は、実施例２のＳＩＭＳプロファイルデータを示すグラフである。
実施例２においては、実施例１と同様の条件で成膜した後、さらにＳｉＯ２からなる厚さ約１００ｎｍのキャップ酸化膜を成膜して１１００℃で拡散を行なっている。
図３に示すように、実施例２においては、ボロン濃度１×１０１９個／ｃｍ３を、深さ方向で１．５μｍまで拡散可能である。
＜第２実施形態＞
次に、本発明を適用した成膜装置の第２実施形態について説明する。
なお、従前の実施形態と実質的に共通する箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図４は、第２実施形態の成膜装置の構成を示す図である。
第２実施形態の成膜装置２００においては、固体ソースＳをパイプ２１０の内部に収容してパイプ２１０の外部からハロゲンバルブ１２１によって加熱する。そして、発生した蒸気及びキャリアガスを有するガスＧを、パイプ２１０の下部に形成されたスリットノズル２１１からワークＷに噴射する構成としている。
パイプ２１０は、例えばカーボン、もしくはＳｉＣといった、ハロゲンバルブ１２１の発光波長を吸収し加熱が容易でありかつ耐熱性を有する素材によって形成される。
パイプ２１０は、その横断面が例えば矩形に形成され、スリットノズル２１１はその下面部に形成される。
パイプ２１０は、例えば４本が水平方向に平行に配列され、ハロゲンバルブ１２１は、その上面及び側面と対向して配置されている。
なお、パイプ２１０の材質、形状等は、これに限定されず適宜変更することが可能である。
パイプ２１０の下部は、気化容器１１０の下面部に形成された開口から、ワークＷ側に露出している。
パイプ２１０は、図示しないキャリアガスの導入ポートを備えている。
以上説明した第２実施形態においても、上述した第１実施形態の効果と実質的に同様の効果を得ることができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明を適用した成膜装置の第３実施形態について説明する。
図５は、第３実施形態の成膜装置の構成を示す図である。
第３実施形態の成膜装置３００は、コンベアＣによって搬送されるワークＷが通過する筒状の熱拡散炉３１０の内部に、固体ソースＳが固定されたパイプ３２０を装着し、ワークＷをパイプ３２０の内部を通過させることによって、成膜及び拡散を同時かつ連続的に行なうことが可能となっている。
また、熱拡散炉３１０の入口側、出口側には、それぞれ入口側パージチャンバ３３０、出口側パージチャンバ３４０が設けられている。
また、熱拡散炉３１０と出口側パージチャンバ３４０との間には、基板冷却部３５０が設けられている。
以上説明した第３実施形態においては、成膜及び拡散を同時かつ連続的に行なうことによって、製造工程を簡素化することが可能となる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明を適用した成膜装置の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の成膜装置は、ハロゲンバルブで加熱された固体ソースＳから効率よくボロンを取り出すために、酸素雰囲気下で３５０℃以上の雰囲気を可能とした装置ユニットである。
図６は、第４実施形態の成膜装置の構成を示す図である。
図６に示すように、第４実施形態の成膜装置４００は、コンベアＣの搬送経路状に、予備加熱ゾーンＺ１、成膜ゾーンＺ２、冷却ゾーンＺ３を順次配置したものである。
成膜ゾーンＺ２は、第２実施形態と同様の成膜装置２００を、コンベアＣの搬送方向に沿って例えば２機設置している。
成膜装置２００の側面部には、キャリアガスの導入ポート４１０が設けられている。
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）各実施形態は固体ソースとしてボロンを用い、Ｐ型ジャンクションの製造に用いられるものであるが、本発明は固体ソースとして五酸化リンなどを用いて、Ｎ型ジャンクションの製造に用いることも可能である。
（２）成膜装置の構造、構成、各部材の形状や配置等は、上述した各実施形態のものに限らず適宜変更することが可能である。
（３）上述した各実施例の成膜条件等は一例であって、これらは適宜変更することが可能である。
１００ 成膜装置 １１０ 気化容器
１１１ 固体ソース固定プレート １１２ 凹部
１１３ スリットノズル １１４ 冷却水水路
１２０ 加熱装置 １２１ ハロゲンバルブ
１２２ 石英チューブ １２３ リフレクタ
１２４ クーリングガス接続ポート １３０ 排気装置
Ｓ 固体ソース Ｗ ワーク（基板）
２００ 成膜装置 ２１０ パイプ
２１１ スリットノズル
３００ 成膜装置 ３１０ 熱拡散炉
３２０ パイプ ３３０ 入口側パージチャンバ
３４０ 出口側パージチャンバ ３５０ 基板冷却部
４００ 成膜装置 ４１０ 導入ポート
Ｚ１ 予備加熱ゾーン Ｚ２ 成膜ゾーン
Ｚ３ 冷却ゾーン

Claims (12)

  1. 不純物の固体ソースを加熱し蒸発させてガスを発生させ、
    前記ガスを基板に噴射することによって前記基板上に不純物を含有する膜を形成する成膜方法であって、
    前記固体ソースを噴射孔を有する容器内に配置し、
    前記容器内に前記ガスを搬送するためのキャリアガスを導入し、前記容器部の内部に配置された石英チューブ内に収容されたハロゲンバルブを有するとともに、前記石英チューブの内部に前記ハロゲンバルブを冷却するクーリングガスが導入される加熱手段によって、前記容器内で前記固体ソースを加熱して発生した前記ガスを前記キャリアガスとともに前記噴射孔から前記基板に噴射すること
    を特徴とする成膜方法。
  2. 前記ガスの噴射前に前記基板を予熱すること
    を特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  3. 搬送装置によって連続的に搬送される前記基板に前記ガスを噴射すること
    を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記膜の形成と同時に前記ガスの温度を利用して前記基板中への前記不純物の拡散を行なうこと
    を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の成膜方法。
  5. 前記固体ソースがボロンを有すること
    を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の成膜方法。
  6. 前記固体ソースがリン酸化物を有すること
    を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の成膜方法。
  7. 不純物の固体ソースを加熱し蒸発させてガスを発生させる加熱手段と、
    前記ガスを基板に噴射することによって前記基板上に不純物を含有する膜を形成する噴射手段と
    を備える成膜装置であって、
    前記固体ソースを収容する容器部と、
    前記容器部に前記ガスを搬送するためのキャリアガスを導入するキャリアガス導入手段とを備え、
    前記加熱手段は前記容器部の内部に配置された石英チューブ内に収容されたハロゲンバルブを有するとともに、前記石英チューブの内部に前記ハロゲンバルブを冷却するクーリングガスが導入され、
    前記噴射手段は、前記容器部に形成され前記ガスを前記キャリアガスとともに噴射する噴射孔であること
    を特徴とする成膜装置。
  8. 前記ガスを噴射する前の前記基板を予熱する予熱手段を備えること
    を特徴とする請求項７に記載の成膜装置。
  9. 前記噴射手段に前記基板を連続的に搬送する搬送手段を備えること
    を特徴とする請求項８又は請求項９に記載の成膜装置。
  10. 前記膜の形成と同時に前記ガスの温度を利用して前記基板中への前記不純物の拡散を行なうこと
    を特徴とする請求項７から請求項９までのいずれか１項に記載の成膜装置。
  11. 前記固体ソースがボロンを有すること
    を特徴とする請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の成膜装置。
  12. 前記固体ソースがリン酸化物を有すること
    を特徴とする請求項７から請求項１０までのいずれか１項に記載の成膜装置。

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