(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の薄膜材料を、結晶またはアモルファス基板上に、アモルファス成長して、デバイスを形成する薄膜作製装置において、
薄膜堆積装置と、該薄膜堆積装置とは互いにゲートバルブを介して接続され、かつ基板を保持するための基板ホルダを大気中より超高真空中に導入するためのロードロックと、上記基板ホルダを上記薄膜堆積装置とロードロックの間で搬送する搬送マニピュレータとを備え、
上記薄膜堆積装置は、上記基板ホルダと、上記薄膜材料を半導体分子ビームとして蒸発させる蒸着装置と、導入気体を解離し、堆積時に未結合手にとって終端基となりうる原子を原子ビームとして基板上に照射する気体解離照射装置と、上記基板ホルダを保持し、かつ、この基板ホルダの位置を調節し、かつ基板ホルダに電圧を印加できる構造を有するホルダ位置調節装置と、基板ホルダを加熱するための基板ヒータと、上記基板ヒータの位置を調節するための基板ヒータ位置調節装置とを備え、
上記蒸着装置は、上記半導体分子ビームを電界加速し運動エネルギーを増大させ、かつ、収束させるための網状電極を備え、
上記蒸着装置より蒸発し、かつ、運動エネルギーを増大させ、収束させた上記半導体分子ビームと、上記気体解離照射装置より射出した原子ビームを、上記基板上に、同時に照射することによってアモルファス半導体薄膜を作製することを特徴とする、薄膜作製装置。
【請求項２】
前記基板ホルダは、導電体により作製され、かつ前記ホルダ調節装置に設置した状態の場合に、電気的接触を有することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【請求項３】
前記蒸着装置は、薄膜材料を電子ビーム、または、抵抗加熱、または、ヒータよって加熱蒸発させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【請求項４】
前記気体解離照射装置は、導入気体分子を加熱タングステンヒータ、または、高周波プラズマによって原子状に解離させ、前記基板上に照射させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【請求項５】
前記網状電極が、前記超高真空装置および接地から電気的に絶縁され、かつ-20kVから+20kVの電圧を印加可能な構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【請求項６】
前記ホルダ位置調節装置は、前記基板ホルダを安定に載置するための嵌合溝を備え、かつ大気中から電圧を供給し印加可能な構造を備えた可動サセプタを備えることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【請求項７】
前記基板ヒータは、前記基板ホルダを放射赤外線等によって非接触に加熱する構造であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【請求項８】
前記基板ヒータ位置調節装置は、前記基板ヒータと前記基板ホルダの間の距離を調節することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【請求項９】
前記搬送マニピュレータは、前記基板ホルダを保持するチャックと、前記２個の超高真空装置間で上記基板ホルダを搬送するのに十分な長さのロッドを備えることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体または絶縁体または金属または誘電体の薄膜材料を、結晶またはアモルファス基板上に、アモルファスまたはエピタキシャル成長して、新機能デバイスを形成し得る薄膜材料作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体、絶縁体、金属または誘電体材料の薄膜化、複合堆積化により、種々の新機能を有する電子デバイス作製の試みが行われてきた。高速電子デバイスに関してはエピタキシャル膜が、太陽電池・光センサなどには高光吸収材料であるアモルファス膜が用いられる。上記エピタキシャル膜や上記アモルファス膜の作製には超高真空蒸着装置が用いられる。
【０００３】
超高真空蒸着装置で基板上にエピタキシャル膜を作製する場合、基板を数100 °Cまで加熱することによって、基板表面の格子振動エネルギーを増大し、蒸着原子の再配列を促進する必要があった。また、このような高温の作製プロセスでは耐熱性の高い基板を用いる必要があった。
【０００４】
また、超高真空蒸着装置で基板上にアモルファス膜を作製する場合、多量の未結合手が膜中に形成される。未結合手は伝導キャリアのトラップ準位として働くため移動度の低下や電界効果発現の低下を招く主要な原因となる。そのため、製膜後のアニール処理による改質プロセスが必要であった。
【０００５】
アモルファス半導体膜を光吸収材料として用いる場合、光照射に伴う電気特性の劣化、すなわち光劣化が問題となる。光劣化は、原子間結合が平均距離よりも長い結合である弱結合がキャリアの非輻射再結合のエネルギーによって断ち切られ、新たな未結合手が生成することによって起こると考えられている。光劣化したアモルファス材料を回復させるためには、熱によるアニールが必要である。また、電流注入によっても同様の劣化が起こることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題に鑑み、基板、および蒸着線束中途に設けた網状電極への電圧印加により、蒸着原子を電界加速し運動エネルギーを増大させることで、エピタキシャル成長の低温化の促進と光劣化の原因となるアモルファス膜中弱結合を低減させ、また、堆積時に未結合手にとって終端基となりうる原子を照射することによって、キャリアトラップ準位となる未結合の膜中密度を低減させえる薄膜作製装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の薄膜作製装置は、半導体の薄膜材料を、結晶またはアモルファス基板上に、アモルファス成長して、デバイスを形成する薄膜作製装置において、
薄膜堆積装置と、該薄膜堆積装置とは互いにゲートバルブを介して接続され、かつ基板を保持するための基板ホルダを大気中より超高真空中に導入するためのロードロックと、上記基板ホルダを上記薄膜堆積装置とロードロックの間で搬送する搬送マニピュレータとを備え、
上記薄膜堆積装置は、上記基板ホルダと、上記薄膜材料を半導体分子ビームとして蒸発させる蒸着装置と、導入気体を解離し、堆積時に未結合手にとって終端基となりうる原子を原子ビームとして基板上に照射する気体解離照射装置と、上記基板ホルダを保持し、かつ、この基板ホルダの位置を調節し、かつ基板ホルダに電圧を印加できる構造を有するホルダ位置調節装置と、基板ホルダを加熱するための基板ヒータと、上記基板ヒータの位置を調節するための基板ヒータ位置調節装置とを備え、
上記蒸着装置は、上記半導体分子ビームを電界加速し運動エネルギーを増大させ、かつ、収束させるための網状電極を備え、
上記蒸着装置より蒸発し、かつ、運動エネルギーを増大させ、収束させた上記半導体分子ビームと、上記気体解離照射装置より射出した原子ビームを、上記基板上に、同時に照射することによってアモルファス半導体薄膜を作製することを特徴としている。
【０００８】
前記2個の超高真空槽は、互いにゲートバルブを介して接続した、半導体薄膜を形成する蒸着装置と、前記基板ホルダを大気中より超高真空中に導入するためのロードロックよりなる。上記基板ホルダは、導電体により作製され、かつ前記ホルダ調節装置に設置した状態の場合に、電気的接触を有している。
前記蒸着装置は、薄膜材料を電子ビーム、または、抵抗加熱、または、ヒータよって加熱蒸発させることが好ましい。
【０００９】
上記気体解離照射装置は、導入気体分子を、好ましくは、加熱タングステンヒータ、または、高周波プラズマによって原子状に解離させ、前記基板上に照射させることができる。
前記網状電極は、前記超高真空装置および接地から電気的に絶縁され、かつ-20 kVから+20 kVの電圧を印加可能な構造、すなわち、前記超高真空装置の壁面を貫通するように設置された電流導入端子を通して、導線によって前記網状電極に電圧を供給することが可能である。
前記ホルダ位置調節装置は、前記基板ホルダを安定に載置するための嵌合溝を備え、かつ大気中から電圧を供給し印加可能な構造を備えた可動サセプタを備えている。
【００１０】
前記基板ヒータは、放射赤外線等によって基板ホルダを非接触に加熱する構造である。
前記基板ヒータ調節装置は、基板ホルダと基板字ヒータの間の距離を調節する。
前記搬送マニピュレータは、前記基板ホルダを保持するチャックと、前記２個の超高真空装置間で上記基板ホルダを搬送するのに十分な長さのロッドを備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な実施の形態を説明する。図１はこの発明の薄膜作製装置の構成を示す立面図である。本装置は、２個の超高真空装置を互いに接続して構成されている。すなわち、薄膜堆積装置１にゲートバルブ２を介してロードロック３が接続されている。また、ロードロック３には薄膜堆積装置１とロードロック３を結ぶ方向に搬送マニピュレータ４が接続されている。また、薄膜堆積装置１は、蒸着装置５と気体解離照射装置６と基板ホルダ位置調節装置７と基板ヒータ位置調節装置８と基板ヒータ９と、基板シャッタ10とを具備している。また、ロードロック３には、基板ホルダ11を出し入れするための挿入扉12が設けられている。なお、上記の薄膜堆積装置１、ロードロック３はそれぞれ真空ポンプ、真空ゲージまたは各種のバルブ等を有しているが、これらは通常の真空装置と同じであるので、図示を省略する。
【００１３】
図２は蒸着装置５の構成を立面図により示している。円筒13および堆積材料蒸発装置14および網状電極支持棒15および高電圧導線16が、フランジ17に接続されている。網状電極支持棒15は、フランジ17に接続されたボールベアリング18により接続されている。フランジ17よりも大気側に突出した網状電極支持棒15の先端に筒状永久磁石19が接続されており、フランジ17に接続された鞘状真空封止管20の外側に設置した筒状永久磁石19によって、網状電極支持棒15が回転操作される。また網状電極22は、絶縁碍子23によって網状電極支持棒15に接続されている。高電圧導線16は、一方の端が電流導入端子21に接続されており、またもう一方の端は網状電極22とボルト・ナットによって接続されている。高電圧導線16は、網状電極支持棒15や円筒13への接触による電流漏洩を防止するため、絶縁被覆されていることが好ましい。なお、上記の堆積材料蒸発装置14は、電子ビーム射出装置および堆積材料載置ルツボおよび堆積材料載置ルツボ水冷ブロック等により構成されているが、これらは通常の電子ビーム蒸着装置と同じであるので、図示を省略する。
【００１４】
図３は網状電極22の平面図を示している。金属板に数mm径の多数の貫通孔を有しているか、または細金属線を編むことにより形成する網によって構成されていることが好ましい。
【００１５】
図４は気体解離照射装置６の構成を立面図により示している。円筒24の下端にフランジ25が接続される。気体導入管27がフランジ25に貫通接続され、気体流量制御装置によって流量制御された気体を導入する。フィラメント支持兼電流導入棒27は電流導入端子28を介してフランジ25に固定されている。電流導入端子28は、超高真空を封止しつつフランジ25との電気絶縁を確保する構造を有する。気体解離用タングステンフィラメント29は、フィラメント支持兼電流導入棒27の先端部に、ネジ30によって固定される。なお、気体導入管26に接続される気体流量制御装置は、通常の気体流量制御装置と同じであるので、図示を省略する。
【００１６】
図５に基板ホルダの構成を示す。図５ａは基板ホルダの平面図を示している。図５ｂは基板ホルダの立面図を示している。基板ホルダはヒートシンク31と基板留め具32、およびネジ33から構成されている。基板留め具32とネジ33によって、基板をヒートシンク31表面に押さえつけ固定すると同時にヒートシンク31から基板への熱伝導を確実にする。
【００１７】
【実施例】
つぎに、本発明の薄膜作製装置を使用した薄膜作製の実施例を説明する。本実施例は水素化アモルファスシリコン薄膜試料を作製する例を示している。この、水素化アモルファスシリコン薄膜試料は、石英ガラス／水素化アモルファスシリコンとノンドープシリコン基板／水素化アモルファスシリコンの構造を有している。以下に水素化アモルファスシリコン薄膜試料の作製工程を説明する。
【００１８】
１．基板洗浄
(1)石英ガラス基板を純水およびアルカリ洗浄液によって洗浄する。
(2)ノンドープシリコンウェハ基板をアセトン・エタノールによって洗浄する。
２．基板セット
(3)基板ホルダ上に基板留め具32により石英ガラス基板およびノンドープシリコンウェハ基板を固定する。
【００１９】
３．成長室への導入
(4)ゲートバルブ２を閉じて、ロードロック３内を乾燥窒素により大気圧にする。
(5)挿入扉12を開けて基板ホルダを搬送マニピュレータ４先端部のチャックに取り付ける。
(6)挿入扉12を閉じてロードロック３内を1 x 10-7 Torr程度まで減圧する。
(7)ゲートバルブ２を開けて搬送マニピュレータ４を操作し基板ホルダをホルダ位置調節装置に載置する。
(8)搬送マニピュレータ４は再びロードロック３まで引き戻し、ゲートバルブ２を閉じる。
(9)ホルダ位置調節装置を操作によって上昇させ基板ヒータ９に近接させる。
【００２０】
４．基板加熱
(10)基板ヒータへの通電により基板ホルダを250 °Cになるまで昇温する。
(11)気体解離用タングステンフィラメント30を通電により1800 °Cまで昇温する。
(12)電子ビーム射出装置に20 mA通電し、固形シリコン材料の予備加熱を行う。
【００２１】
５．アモルファスシリコン膜堆積
(13)気体導入管27より水素を導入し、薄膜堆積装置１内の圧力を2 x 10-5 Torrになるように調整する。
(14)電子ビーム電流を50 mAまで増加させて、シリコン原料を溶融、蒸発させる。
(15)基板シャッタ10を開き、堆積を開始する。
【００２２】
６．膜堆積終了・取り出し
(16)水素化アモルファスシリコン膜を3000 〜 5000 Å程度堆積した後、基板シャッタ10を閉じ製膜を停止する。
(17)電子ビーム射出装置電子ビーム電流を徐々に０まで下げる。
(18)基板ヒータの通電を停止する。
(19)水素の導入を停止する。
(20)基板温度が70 °C程度まで下がるまで待機する。
(21)基板ホルダ位置調節装置７を下げて基板ホルダ11を基板ヒータ９より離す。
(22)ゲートバルブ２を開き、搬送マニピュレータ４を操作して基板ホルダ11を基板ホルダ位置調節装置７上からロードロック３内に移動する。
(23)ゲートバルブ２を閉じ、基板ホルダ11の温度が室温になるまでさらに１時間程度待機する。
(24)ロードロック３の排気を停止し、乾燥窒素によってロードロック３の大気圧開放を行う。
(25)挿入扉12を開け、基板ホルダ11を取り出す。
【００２３】
実験結果：
図６は、本発明の薄膜作製装置で作製した水素化アモルファスシリコン（図6a）と、従来のプラズマCVD装置で作製した水素化アモルファスシリコン（図6b）の光照射劣化特性を示している。
光照射強度は300 mW/cm2、照射時間は６時間、光照射時の水素化アモルファスシリコン温度は60 °Cである。本発明の薄膜作製装置で作製した水素化アモルファスシリコンの方が、従来のプラズマCVD装置で作製した水素化アモルファスシリコンに比べて、膜中欠陥密度（電子スピン共鳴法による測定）の増加率が小さく、光照射に対して安定な水素化アモルファスシリコンが得られた。
【００２４】
【発明の効果】
以上の構成による本発明の薄膜作製装置によれば、基板上に低温で半導体、金属、絶縁体、または誘電体物質を低温でエピタキシャル成長をさせて薄膜作製することができ、また光照射や電流注入に対して安定なアモルファス薄膜材料を作製することができる。
このように、本発明によれば、従来の装置で作製するよりも優れた特性を有する薄膜材料を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜作製装置の構成を示した立面図である。
【図２】本発明の薄膜作製装置の蒸着装置の構成を示した図である。
【図３】本発明の薄膜作製装置の蒸着装置の網状電極の構造を模式的に示した図である。
【図４】本発明の薄膜作製装置の気体解離照射装置の構成を示した図である。
【図５】本発明の薄膜作製装置の基板ホルダの構成を示した図である。
【図６】本実施例で作製した水素化アモルファスシリコンの光劣化特性を示す図である。
【符号の説明】
１  薄膜堆積装置
２  ゲートバルブ
３  ロードロック
４  搬送マニピュレータ
５  蒸着装置
６  気体解離照射装置
７  基板ホルダ位置調節装置
８  基板ヒータ位置調節装置
９  基板ヒータ
10  基板シャッタ
11  基板ホルダ
12  挿入扉
13  円筒
14  堆積材料蒸発装置
15  網状電極支持棒
16  高電圧導線
17  フランジ
18  ボールベアリング
19  筒状永久磁石
20  鞘状真空封止管
21  電流導入端子
22  網状電極
23  絶縁碍子
24  円筒
25  フランジ
26  気体導入管
27  フィラメント支持兼電流導入棒
28  電流導入端子
29  気体解離用タングステンフィラメント
30  ネジ
31  ヒートシンク
32  基板留め具
33  ネジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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