(57)【要約】【課題】ガス導出管から拡散チューブ内部に導入されるバブリングガス中の拡散源の濃度が変化し、拡散後の半導体基板のバッチごとのシート抵抗値のばらつきをもたらし、完成した半導体素子の性能のばらつき及び歩留り低下の原因となっていた。【解決手段】加熱炉内に設置された基板の表面に、特定物質を含有したキャリアーガスを供給することにより、前記基板に前記特定物質を拡散させる拡散装置であって、前記特定物質を含有した液体を霧化させることにより、前記キャリアーガスに前記特定物質を含有させる霧化機構を備えたこと。【選択図】図２
2011044630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉内に設置された基板の表面に、特定物質を含有したキャリアーガスを供給することにより、前記基板の内側に向かって前記特定物質を拡散させる拡散装置であって、
前記特定物質を含有した液体を霧化させることにより、前記キャリアーガスに前記特定物質を含有させる霧化機構を備えた
ことを特徴とする拡散装置。
【請求項２】
前記霧化機構が前記特定物質を含有した前記液体を超音波振動により霧化するものである
ことを特徴とする請求項１記載の拡散装置。
【請求項３】
前記霧化機構の内部における前記液体の温度を３０℃以下とする冷却機構を有することを特徴とする請求項１または２記載の拡散装置。
【請求項４】
前記霧化機構の内部における圧力を１気圧以上とする請求項１または２記載の拡散装置。
【請求項５】
前記霧化機構の内部における超音波振動を１０ＭＨｚ以上１２ＭＨｚ以下とする請求項１または２記載の拡散装置。
【請求項６】
前記特定物質を含有した前記キャリアーガスを、前記基板表面に供給する前に前記キャリアーガスの温度を７００〜９００度まで上げる加熱機構を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の拡散装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は拡散装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば太陽電池素子などの半導体素子におけるＰＮ接合形成工程においては、Ｐ型あるいはＮ型を呈する単結晶や多結晶シリコン基板の表面に、この基板と逆導電型となる不純物を拡散することが行われている。
【０００３】
この不純物の拡散は、通常不純物拡散装置の拡散チューブ内に半導体基板を配置し、該半導体基板を昇温した状態で、Ｐ型あるいはＮ型の特定物質を含んだガスを拡散チューブ内に導入することで行われる。例えばＰ型の結晶シリコン基板にＰＮ接合を形成する場合においては、リン（Ｐ）などのＮ型の特定物質を含んだガスを拡散チューブ内に導入している。
【０００４】
この逆導電型の特定物質を含んだガスの生成は、例えば拡散源となる特定物質を含んだ液体中にガスをバブリングさせることによって、ガス中に拡散源を気化させて含有させるバブリング装置を用いている。
【０００５】
図４は従来のバブリング装置７の一例を示す模式図である。図４において、１は密閉容器、２は特定物質を含んだ液体（拡散源）、３はガス吐出口、４は恒温槽、５はガス導入管、６はガス導出管を示す。
【０００６】
これにおいて、密閉容器１は主に円筒状の石英であり、その上面部に石英で作製されたガス導入管５およびガス導出管６が密閉容器１に固定されている。この密閉容器１は加熱および冷却装置の付いた恒温槽４の中に収められ、所定の温度で維持される構造になっている。
【０００７】
この密閉容器１の中に所定の特定物質を含んだ液体２を入れ、ガス導入管５からバブリングガス（酸素など）を通じると、ガス導入管５の吐出口３からバブリングが行われ、特定物質を含んだバブリングガスが液表面に達するまでの間に特定物質を含んだ液体２が気化し、バブリングガス中に拡散源を取り込んだ状態でガス導出管６から導出される（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平５−０６２９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この様なバブリング装置７を用いた拡散装置で半導体基板への拡散を連続して行った場合、特定物質を含んだ液体２が消費されるため、特定物質を含んだ液体２の液表面までの高さが低くなり、バブリングガスと特定物質を含んだ液体２の接触時間が減少し、バブリングガス中の拡散源の含有量も減少する。
【００１０】
また、特定物質を含んだ液体２の液面低下に合わせて、拡散源の量が同じになるようにバブリングガスの量を制御することも難しかった。
【００１１】
これによりガス導出管６から拡散チューブ内部に導入されるバブリングガス中の拡散源の濃度が変化するため、拡散後における半導体基板のシート抵抗値のバッチ間ばらつきをもたらし、半導体素子の歩留り低下の原因となっていた。
【００１２】
本発明は以上のような問題に鑑みなされたもので、半導体基板のバッチ毎のシート抵抗のばらつきが小さい拡散装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために本発明の拡散装置は、加熱炉内に設置された基板の表面に、特定物質を含有したキャリアーガスを供給することにより、前記基板の内側に向かって前記特定物質を拡散させる拡散装置であって、前記特定物質を含有した液体を霧化させることにより、前記キャリアーガスに前記特定物質を含有させる霧化機構を備えたものである。
【００１４】
さらに、前記霧化機構が前記特定物質を含有した前記液体を超音波振動により霧化することを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記霧化機構の内部における前記液体の温度を３０℃以下とする冷却機構を有することを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記霧化機構の内部における圧力を１気圧以上とすることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記霧化機構の内部における超音波振動を１０ＭＨｚ以上１２ＭＨｚ以下とすることを特徴とする。
【００１８】
さらに、前記特定物質を含有した前記キャリアーガスを、前記基板表面に供給する前に前記キャリアーガスの温度を７００〜９００度まで上げる加熱機構を有することを特徴とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る不純物拡散装置では、加熱炉内に設置された基板の表面に、特定物質を含有したキャリアーガスを供給することにより、前記基板の内側に向かって前記特定物質を拡散させる拡散装置であって、前記特定物質を含有した液体を霧化させることにより、前記キャリアーガスに前記特定物質を含有させる霧化機構を備えたことにより、拡散源が消費され、この液体の残量が変化しても、これに関係なく拡散チューブに導入される混合ガス中の特定物質の濃度を一定にすることができ、これにより半導体基板のシート抵抗のばらつきを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第一実施形態に係る拡散装置の構造を示す模式図である。
【図２】本発明に係る霧化機構の構造の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る拡散装置の構造を示す模式図である。
【図４】従来の不純物拡散装置に用いられるバブリング装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の拡散装置の一実施形態について説明する。
【００２２】
本発明の拡散装置の一実施形態は、加熱炉内に設置された基板の表面に、特定物質を含有したキャリアーガスを供給することにより、前記基板の内側に向かって前記特定物質を拡散させる拡散装置であって、前記特定物質を含有した液体を霧化させることにより、前記キャリアーガスに前記特定物質を含有させる霧化機構を備えたものである。
【００２３】
図１は、本発明の第一実施形態に係る拡散装置の構造を示すものである。図１において１０は拡散装置、１１はガス供給部、１２は炉体部、１３はヒーター、１４は拡散チューブ、１５はボート、１６はシリコン基板、１７はキャリヤーガス、１８ａ、１８ｂはガス流量計、１９ａ、１９ｂは特定物質導入ガス、２０ａ〜２０ｃはガス供給部の配管、２１は霧化機構、２８は特定物質導入ガス加熱用ヒーター（加熱機構）を示す。
【００２４】
炉体部１２は、その略中央部分に拡散チューブ１４による空間を有し、拡散チューブ１４の内部にボート１５が配置される。
【００２５】
拡散チューブ１４は、中空の円筒状であり、一端部側は開口され、他端部側は徐々に狭くなり、ガス供給部１１からの配管が接続されている。ヒーター１３は、拡散チューブ１４とその内部を加熱するものであり、拡散チューブ１４の周囲を取り巻くように配置され、所定の温度で維持できるように温度調節器により制御されている。このような拡散チューブ１４は、特定物質の拡散する温度である６００〜１０００℃程度の高温に耐えられるように石英などで作製される。
【００２６】
ボート１５は、石英などの棒を溶接することで作製され、その上面側には複数のシリコン基板１６を立てた状態で載置できるように一定間隔で切込みが設けられる。シリコン基板１６を載置したボート１５は、ヒーター１３により昇温された拡散チューブ１４の内部に配置される。
【００２７】
ガス供給部１１は、特定物質を含有したガスを拡散チューブ１４の内部に送る部分であり、まず霧化機構２１により拡散源を霧化させるとともに、霧化機構２１に入る配管２０ａを通して、流量計１８ｂにより所定の流量に制御された特定物質導入ガス１９ａを送り、霧化した拡散源を含有させ、これを霧化機構２１から出る配管２０ｂにより導出させる。
【００２８】
さらにこの霧化した特定物質を含有した特定物質導入ガス１９ｂは、配管２０ｃを通じて流量計１８ａにより所定の流量に制御されたキャリヤーガス１７と混合され、この特定物質を含有した特定物質導入ガス１９ｂとキャリヤーガス１７との混合ガスが拡散チューブ１４の内部に送られる。
【００２９】
このガス供給部１１の配管２０ａ〜２０ｃは、直径３〜１０ｍｍ程度の石英またはフッ素樹脂などで作製されたパイプやチューブなどが使用される。
【００３０】
流量計１８ａ、１８ｂにはガスの流量を精密に制御できるマスフローコントローラーなどを好適に用いることができる。
【００３１】
また、特定物質導入ガス１９ａには高純度の酸素ガス、キャリヤーガス１７には高純度の窒素ガスを好適に用いることができる。
【００３２】
さらに本発明の拡散装置の一実施形態によれば、前記霧化機構が前記特定物質を含有した前記液体を超音波振動により霧化することが好ましい。
【００３３】
係る霧化機構には、ネブライザーなどが使用可能である。ネブライザーには、霧化させる溶液をキャピラリーに導入し、これに霧化のためのガスを直接吹きつけ、霧吹きの原理で霧化する気送型ネブライザーと、霧化させる溶液に直接又は間接的に超音波を印加し、その振動により霧化させる超音波ネブライザーとが使用可能である。
【００３４】
気送型ネブライザーではガス中の溶液の霧化の量を簡単に変更することが難しかったが、超音波ネブライザーでは超音波発振器の出力の調整等でガス中の溶液の霧化の量に対して、微細な調整が簡単にできるため、本発明に係る霧化機構には超音波ネブライザーを好適に用いることができる。
【００３５】
図２は本発明に係る霧化機構２１の構造の一例を示す模式図である。２２は作用槽、２３は隔壁、２４は拡散源、２５は超音波発振器、２６は溶液槽、２７は拡散源の霧化したものを示す。
【００３６】
作用槽２２の下部には超音波発振器２５が取り付けられ、また作用槽２２の上部には凹部状の隔壁２３が配置され、この隔壁２３が溶液槽２６の底部となっており、この溶液槽２６に拡散源２４が入れられる。
【００３７】
この隔壁２３は超音波振動を伝道しやすく、拡散源とは反応せず、さらに拡散源に侵食されない材質で作製される。例えば拡散源としてオキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を用いる場合では、アルミニウム箔や銅箔などで作製される。
【００３８】
これにおいて、作用槽２２には純水などの超音波を伝導する液体を、さらに溶液槽２６に拡散源２４を各々適量入れ、超音波発振器２５より超音波を発生させると超音波振動は作用槽２２内の液体を通して溶液槽２６の拡散源２４に伝えられ、拡散源２４が超音波振動し霧化が促進される。
【００３９】
さらに、本発明の拡散装置の一実施形態によれば、前記霧化機構の内部における前記液体の温度を３０℃以下とする冷却機構を有することが好ましい。
【００４０】
例えば霧化機構２１の超音波の影響で溶液槽２６内の拡散源２４の液温が上昇することを抑えるため、作用槽２２内に冷却液を通した配管を通し、作用槽２２内の液体の温度を一定にしておくようにしても良い。連続使用した時の超音波によるオキシ塩化リンの温度の上昇があると、シート抵抗のばらつきの原因になる可能性があるため、作用槽２２内の純水の液温をコントロールすることができる。
【００４１】
さらに、本発明の拡散装置の一実施形態によれば、前記霧化機構の内部における圧力を１気圧以上とすることが好ましい。
【００４２】
これにより、拡散源２４の自然な揮発を低減することができるので、微量な拡散源の制御をすることができる。
【００４３】
さらに、本発明の拡散装置の一実施形態によれば、前記霧化機構の内部における超音波振動を１０ＭＨｚ以上１２ＭＨｚ以下とすることが好ましい。
【００４４】
周波数は１〜１２ＭＨｚ程度が使用可能であるが、さらに望ましくは１０〜１２ＭＨｚ程度が霧化した粒子径をより小さくできるため好適である。
【００４５】
ここで、ネブライザーで拡散源の液体を霧化させた場合、拡散源の液体が１〜５μｍ程度の粒子となり、この粒子が配管２０ｂ、２０ｃの内壁に付着、液化してしまうため、ネブライザーを拡散装置に用いることは、特定物質導入ガス１９中の拡散源の量を精密に制御するのが難しかった。
【００４６】
しかし、霧化機構２１から出る配管２０ｂを特定物質導入ガス加熱用ヒーター２８で予め１００〜３００℃程度に加熱しておくことにより、ネブライザーで霧化され粒子状となった拡散源の液体をガス化させることで、配管２０ｂ、２０ｃの内壁に液化すること無く、拡散源の量を精密に制御しやすくなり好ましい。このような特定物質導入ガス加熱用ヒーター２８には、シーズヒーターの内部に石英管２０ｂを通したものなどが使用される。
【００４７】
次に、本発明の拡散装置の他の実施形態によれば、前記特定物質を含有した前記キャリアーガスを前記基板表面に供給する前に前記キャリアーガスの温度を、７００〜９００度まで上げる加熱機構を有することが好ましい。
【００４８】
図３は、本発明の第二実施形態に係る不純物拡散装置３０の構造を示すものである。図３において３１は混合ガス加熱用ヒーターを示す。
【００４９】
本実施形態に係る拡散装置３０のガス供給部１１において、霧化機構２１により拡散源を霧化させるとともに、霧化機構２１に入る配管２０ａを通して特定物質導入ガス１９ａを送り、霧化した拡散源を含有させ、配管２０ｂにより霧化機構２１から導出する。キャリヤーガス１７の流量は、特定物質導入ガス１９ａの５〜２０倍程度に制御され、混合ガス加熱用ヒーター３１により温度を拡散チューブ１４の内部の温度近傍まで昇温されて、拡散チューブ１４の内部に送られる。例えば拡散チューブ１４の内部の温度が８００℃であるなら、８００±１００℃程度に昇温する。このような混合ガス加熱用ヒーター３１は、シーズヒーターなどを用いた遠赤外線加熱炉の内部に石英製の配管２０ｃを通すことで可能である。
【００５０】
霧化した特定物質を含有した特定物質導入ガス１９ｂとキャリヤーガス１７との混合ガスを拡散チューブ１４の内部に導入する前に混合ガス加熱用ヒーター３１により昇温することで、両者をより均一に混合させることが可能となる。
【００５１】
これにより、混合ガスが拡散チューブ１４の内部の上部と下部との温度差から、拡散チューブ１４内部の上部と下部で特定物質の濃度のばらつきが低減される。
【００５２】
昇温した混合ガスは配管中での温度低下を防ぐため、混合ガス加熱用ヒーター３１を拡散チューブ１４の直前に配置することが望ましい。
【００５３】
以上により、例えばＰ型多結晶シリコン基板を用いた太陽電池素子のＰＮ接合形成するために、リンを拡散する場合においては、特定物質（リン）を含んだ拡散源としてオキシ塩化リンを用い、これにより多結晶シリコン基板を拡散チューブ１４の内部で６００〜１０００℃程度で保持しながら、拡散源（オキシ塩化リン）を含有した特定物質導入ガス１９（酸素ガス）とキャリヤーガス１７（窒素ガス）との混合ガスを拡散チューブ１４内部に１０〜３０分程度導入することにより、多結晶シリコン基板の表面にリンガラスの層を形成し、このリンガラスの層よりＮ型特定物質であるリンが多結晶シリコン基板の表面内部に拡散していき、ＰＮ接合ができる。
【００５４】
なお、上記第一、第二実施形態において、拡散源の霧化したもの２７と特定物質導入ガス１９ｂとの混合ガスは、所定の流量が拡散チューブ１４の内部に送られる。このときキャリヤーガス１７の流量は、特定物質導入ガス１９の５〜２０倍程度が望ましい。
【００５５】
また、霧化機構２１に導入される前の特定物質導入ガス１９ａの温度のばらつきにより、これに含まれる拡散源の霧化したもの２７の量が変動することを低減するために、配管２０ｃ中での特定物質導入ガス１９ａの温度をリボンヒーターで１００℃以上に維持することが望ましい。
【００５６】
さらに、霧化機構２１に導入する前に特定物質導入ガス１９ａとキャリヤーガス１７を混合しておくことも可能である。あるいは、キャリヤーガス１７を無くし特定物質導入ガス１９ａのみで用いることも可能である。
【００５７】
また、シリコン基板への特定物質の拡散だけではなく、有機金属化学的気相成長装置（ＭＯＣＶＤ）におけるトリメチルガリウムを用いた拡散装置などにも応用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１；密閉容器
２、２４；特定物質を含んだ液体（拡散源）
３；ガス吐出口
４；恒温槽
５；ガス導入管
６；ガス導出管
１０、３０；拡散装置
１１；ガス供給部
１２；炉体部
１３；ヒーター
１４；拡散チューブ
１５；ボート
１６；シリコン基板
１７；キャリヤーガス
１８ａ、１８ｂ；ガス流量計
１９ａ；特定物質導入ガス（拡散源あり）
１９ｂ；特定物質導入ガス（拡散源なし）
２０ａ〜２０ｃ；ガス供給部の配管
２１；霧化機構
２２；作用槽
２３；隔壁
２５；超音波発振器
２６；溶液槽
２７；拡散源の霧化したもの
２８；特定物質導入ガス加熱用ヒーター（加熱機構）
３１；混合ガス加熱用ヒーター
【図１】
2011044630.tif 000003
【図２】
2011044630.tif 000004
【図３】
2011044630.tif 000005
【図４】
2011044630.tif 000006