大気雰囲気下でシリコン結晶膜を連続成長 させるHeat-Beam装置 古村雄二、西原晋治、清水紀善、村直美、山本隆一郎、大場隆之＊ (株)フィルテック ＊東京大学大学院工学系研究科 ２０１２年８月８日 CVD 反応分科会第１６回シンポジウム 於：東京大学工学部２号館 1 常圧排気 SiH4＋H2 連続Si結晶膜 移動する連続基板 （ガラス、鉄板） Heat-Beam CVD 装置 2 目指す印刷式薄膜製造装置 System to print PV cell on rolled steel SOG Print Unit 6 700ºC metal Print Unit 8 400ºC Forming Unit 10 600ºC HB-CVD Unit 9 SiN 700ºC TOC Print Unit 7 600ºC HB-CVD Unit 5 n-Si 800ºC HB-CVD Unit 4 P-Si 800ºC HB-500ºC steam Cleaner unit3 Steel press Unit 2 Steel Roll Feeder Unit 1 内容 １．無限連続基板への結晶成長の目標 ２．加熱した反応ガスを基板に垂直に吹き付ける 表面加熱Ｈｅａｔ-Ｂｅａｍ（ＨＢ）非平衡ＣＶＤ ３．ＨＢ−ＣＶＤ装置の構造 ４．成膜結果 ５．まとめ 4 HB-CVD の特徴 SiH4 を含むガス CVD cool gas film substrate at a high temperature 瞬間加熱 装置 薄膜 無限連続基板 移動 Heater Usual CVD Equilibrium reaction By substrate heating HB-CVD Non-equilibrium CVD reaction by chemical heat beam 5 温度の深さ分布の推定イメージ （基板全体を加熱しない） Temperature THB Temperature Ts 温度 Temperature THB Temperature Ts HB gas Glass Substrate ＨＢ 深さ Scan 6 基板内の温度分布を推定 熱量の基板内への伝達（ランツ・マーシャルの式を参照して実験に合わせる方法） 熱伝達率 h =A・ ・0.664・( /Da)0.33・（uL/ )0.5/L : 流体の熱伝導率 : 動粘性係数 /Da: Pr; プランドル数 Da: 流体の熱拡散率 uL/ : Re; レイノルド数 u: 流体流速 L: 代表の長さ（定数） A: 実験に合わせこむ係数 HB gas 熱伝達 u 熱移動 基板内の熱移動 熱伝播係数: 実験式 d2/a=t1/2 Glass d: 厚み a:熱拡散率 t1/2: 熱量半分の到達時間 Substrate Scan 合わせた実験温度 基板内温度分布 700 試料: 厚さ1mmのガラス板 HB温度: 1000 ℃ HBスリット: 2mm スキャン: 10mm/s 温度(℃) 600 500 200ms (End of scan) 400 時間 300 ∼7.7ms間隔 200 100 17.3ms 7.7ms 0 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200 0.220 0.240 0.260 試料表面 深さ(mm) 表面温度 ガス速度依存性 試料: 厚さ1mmm のガラス板 ＴＨＢ：１０００℃ 1000 スキャン速度 [cm/s] 950 0.17 温度 （℃） 900 850 0.25 0.33 0.5∼ 800 750 700 650 600 550 500 5 10 15 HBガス速度 （m/s） 20 HBアニールの表面加熱特性 −−スキャン速度と表面加熱層−− スキャン速度が速いと加熱層が薄くなる 加熱領域 glass スキャン速度 Higher 800 0.45 750 0.40 700 0.35 0.30 650 40 600 0.25 500 30 0.20 20 0.15 MFC flow rate=10SLM 450 0.05 400 0.00 550 0.10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 スキャン速度 (mm/min) 表面加熱層の深さ (cm) 基板表面温度 (℃) 10 mm/min 表面加熱の応用 Poly crystalline Si ２０ｃｍ Poly crystalline Si formed from thick amorphous Si By HB annealing at 800ºC at a scan speed of 100mm/min Poly crystalline Si （left half）formed from thick amorphous Si（right half） by HB annealing at 800ºC Amorphous Si 12.7cm Surface annealing at high temperatures above substrate limits to form a film Polycarbonate sheet( PC, 0.1mm) with a coated SiOC film annealed by HB at 600 表面加熱の応用 by a furnace ( 250ºC) Hardened SiOC sheet glass glue 12 HB-CVD の思想 1）ＣＶＤガスを加熱励起して基板に高速で吹き付け 2) 反応種を高速供給させる非平衡反応 3) 基板を大気から挿入して大気に引き出す連続成長 4）基板の拡張は自由な装置構造 廉価に大型基板薄膜製造 13 SiH4 を含むガス 気相に核となる 粒子はない 鏡面の薄膜 無限連続基板：移動する巨大核 移動 HB-CVD 14 試作したHB-CVD室 Air-free CVD space <0.01-ppm oxygen Air isolating device ﻋ 15 15 HB-CVD printer deposits PV films ＋ − ＋ − P-type ＜1mm separation N-type 0.01-ppm Air isolator Atmospheric Air + − ＋ − N P Glass or steel Push-pull air-stopper and substrate-bearing at a high temperature up to 900ºC p/n junction film (Si, Ge, SiC) on a substrate (Si, Al, steel, glass) 16 HB-CVD tool （200~800ºC） ＨＢ−ＣＶＤ proved a CVD-printer at a high temp. Experimental result of HB-CVD silicon 15cm from SiH4＋H2 system Silicon printed on glass（６５０℃） Silicon Thickness(nm） 70 60 50 40 30 20 10 Position 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 519cm-1 成長シリコン膜のラマンシフト（cm-1） ＴＥＭ回折像 20 HB-CVDで可能と考える材料 将来の薄膜太陽電池材料 ・Ｓｉ結晶 ・Ｇｅ結晶 ・ＣＩＧＳ系膜 ・Ｃａｒｂｏｎ膜 ・ＺｎＯ膜 ・ＴｉＮ，ＴｉＯ２膜 ・ＳｉＮ膜 ・ＧａＮ膜 まとめ 1. CVD反応ガスを加熱して基板に吹き付ける非平衡 Heat-Beam CVD装置を開発した。 ２．無限連続基板の上に大気圧下で結晶シリコン膜を成長させた ３．無限連続基板の上に結晶膜を積層させる製造方法が 可能となった。 ４．結晶積層とパタン絶縁膜、パタン導電膜と組み合わせて 廉価な連続基板太陽光発電セルの製造に応用できる 22 謝辞 基板へのＨＢガスの熱流物理については、東京大学 マテリアル工学専攻霜垣教授にご教示頂きました。 ここに感謝申し上げます。 23
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