(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電電極を有し、基板に放電により非結晶薄膜を成膜処理する成膜チャンバと、
レーザ照射部を有し、基板に成膜処理された非結晶薄膜を、該非結晶薄膜にレーザ照射によりアニール処理を施し結晶化させるレーザアニールチャンバと、
このレーザアニールチャンバおよび前記成膜チャンバにそれぞれチャンバガスを供給するチャンバガス供給手段と、
基板を保持するための基板ホルダと、
前記成膜チャンバとレーザアニールチャンバとを、基板ホルダが基板を保持した状態で移動可能で、かつ両チャンバを異なる雰囲気に維持可能に連通させる狭くて長い連通口と、
前記基板ホルダを、前記成膜チャンバから前記連通口を介して前記レーザアニールチャンバへ連続的に移動させ、それによって、前記基板ホルダに保持されて移動する基板に対して放電による成膜処理とレーザによるアニール処理とを順次連続的に施す移動機構と
を備えてなることを特徴とする結晶薄膜製造装置。
【請求項２】
成膜チャンバは、放電電極をカバーするカバー体を更に備え、成膜チャンバ内に、基板を保持する基板ホルダと、放電電極と、前記カバー体とで非結晶薄膜成膜用の略気密なガス流路を形成する成膜用ガス流路形成部を構成し、かつ前記略気密なガス流路に成膜用ガスを供給する成膜用ガス供給手段を具備し、前記チャンバガス供給手段が、前記成膜用ガス流路形成部の周囲にチャンバガスを供給するとともに、前記成膜用ガス供給手段が、前記略気密なガス流路に前記成膜用ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の結晶薄膜製造装置。
【請求項３】
成膜チャンバがガス供給口とガス排気口とを有し、前記略気密なガス流路が前記ガス供給口から前記ガス排気口に通じる略Ｕ字形に形成され、かつこの略Ｕ字形の屈曲部分で基板と放電電極とが対向することを特徴とする請求項２に記載の結晶薄膜製造装置。
【請求項４】
基板に非結晶薄膜を成膜処理する成膜チャンバと、
成膜された非結晶薄膜を、該非結晶薄膜にレーザによるアニール処理を施し結晶化させるレーザアニールチャンバと、
このレーザアニールチャンバおよび前記成膜チャンバにそれぞれチャンバガスを供給するチャンバガス供給手段と、
基板を保持するための基板ホルダと、
前記成膜チャンバとレーザアニールチャンバとを、基板ホルダが基板を保持した状態で移動可能で、かつ両チャンバを異なる雰囲気に維持可能に連通させる狭くて長い連通口と、
前記基板ホルダを、前記成膜チャンバから前記連通口を介して前記レーザアニールチャンバへ連続的に移動させ、それによって、前記基板ホルダに保持されて移動する基板に対して成膜処理とレーザによるアニール処理とを順次連続的に施す移動機構とを備え、
成膜チャンバは、触媒体を更に備え、移動機構が、前記触媒体に対して基板ホルダを連続的に移動させ、基板に非結晶薄膜を順次連続的に成膜することを特徴とする結晶薄膜製造装置。
【請求項５】
成膜チャンバは、非結晶薄膜成膜用のガス流路を形成するガス流路形成部材を更に備え、触媒体を前記ガス流路中に配置したことを特徴とする請求項４に記載の結晶薄膜製造装置。
【請求項６】
ガス流路が略Ｕ字形であることを特徴とする請求項５に記載の結晶薄膜製造装置。
【請求項７】
レーザアニールチャンバは、レーザ照射部を更に備え、移動機構が、前記レーザ照射部に対して基板ホルダを連続的に移動させ、基板に成膜された非結晶薄膜を、それにレーザによるアニール処理を順次連続的に施し結晶化させることを特徴とする請求項４に記載の結晶薄膜製造装置。
【請求項８】
移動機構は、基板ホルダを往復移動させることを特徴とする請求項１または４に記載の結晶薄膜製造装置。
【請求項９】
基板に非結晶薄膜を成膜し、この成膜された非結晶薄膜を、それにレーザによるアニール処理を施して結晶化させ、基板に結晶薄膜を形成することよりなり、
請求項１に記載の結晶薄膜製造装置を用い、
前記基板に非結晶薄膜を成膜するための成膜チャンバ内の雰囲気と、前記レーザによるアニール処理を施すためのレーザアニールチャンバ内の雰囲気とを、各々異なる雰囲気とした状態で、前記成膜チャンバから前記レーザアニールチャンバへ、基板を、この基板を保持する基板ホルダを移動させる移動機構により連続的に移動させることによって、
前記成膜処理と、前記レーザによるアニール処理とを、移動する基板に対して順次連続的に施すことを特徴とする結晶薄膜製造方法。
【請求項１０】
成膜チャンバからレーザアニールチャンバへの基板の移動を繰り返し、複数レイヤーからなる厚膜の結晶薄膜を基板に形成することを特徴とする請求項９に記載の結晶薄膜製造方法。
【請求項１１】
基板に非結晶薄膜を成膜し、この成膜された非結晶薄膜を、それにレーザによるアニール処理を施して結晶化させ、基板に結晶薄膜を形成することよりなり、
請求項４に記載の結晶薄膜製造装置を用い、
前記基板に非結晶薄膜を成膜するための成膜チャンバ内の雰囲気と、前記レーザによるアニール処理を施すためのレーザアニールチャンバ内の雰囲気とを、各々異なる雰囲気とした状態で、前記成膜チャンバから前記レーザアニールチャンバへ、基板を、この基板を保持する基板ホルダを移動させる移動機構により連続的に移動させることによって、
前記成膜処理と、前記レーザによるアニール処理とを、移動する基板に対して順次連続的に施すことを特徴とする結晶薄膜製造方法。
【請求項１２】
成膜チャンバからレーザアニールチャンバへの基板の移動を繰り返し、複数レイヤーからなる厚膜の結晶薄膜を基板に形成することを特徴とする請求項１１に記載の結晶薄膜製造方法。
【請求項１３】
基板に非結晶薄膜を成膜し、この成膜された非結晶薄膜を、それにレーザによるアニール処理を施して結晶化させ、基板に結晶薄膜を形成することよりなり、
基板に非結晶薄膜を成膜するための成膜チャンバと、
レーザによるアニール処理を施すためのレーザアニールチャンバと、
このレーザアニールチャンバおよび前記成膜チャンバにそれぞれチャンバガスを供給するチャンバガス供給手段と、
基板を保持するための基板ホルダと、
前記成膜チャンバとレーザアニールチャンバとを、基板ホルダが基板を保持した状態で移動可能で、かつ両チャンバを異なる雰囲気に維持可能に連通させる狭くて長い連通口と、を備えた結晶薄膜製造装置を用い、
基板に非結晶薄膜を成膜した後、レーザによるアニール処理を施すに際し  ては、
前記成膜チャンバから前記レーザアニールチャンバへ、基板を、この基板を保持する基板ホルダを移動させる移動機構により連続的に移動させ、
成膜チャンバとレーザアニールチャンバとの間で、基板を往復移動させ、複数レイヤーからなる厚膜の結晶薄膜を基板に形成することを特徴とする結晶薄膜製造方法。
【請求項１４】
第２レイヤー以降のレイヤーで行うレーザアニール処理におけるレーザ照射エネルギは、第１レイヤーにおけるレーザ照射エネルギよりも大きいことを特徴とする請求項１０、１２又は１３に記載の結晶薄膜製造方法。
【請求項１５】
１以上のレイヤーからなる１つのレイヤー群の単位で同一材質とされるレイヤー群が、複数個形成され、それぞれのレイヤー群が同一材質または異なる材質とされることを特徴とする請求項１０、１２又は１３に記載の結晶薄膜製造方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１つに記載の結晶薄膜製造方法により形成される結晶薄膜を用いた結晶薄膜素子であって、結晶薄膜素子が異なる導電型の半導体薄膜の積層構造からなることを特徴とする結晶薄膜素子。
【請求項１７】
結晶薄膜素子は、光電変換素子であることを特徴とする請求項１６に記載の結晶薄膜素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多結晶シリコン薄膜などの結晶薄膜の製造装置、製造方法、および、前記結晶薄膜を用いた結晶薄膜素子に関する。特に、本発明は、厚膜の高品質結晶薄膜を、低温プロセスにて高スループットで形成する場合に有用であり、太陽電池などの結晶薄膜素子の高性能化、高スループット化に効果的である。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＦＴ，薄膜太陽電池などのＳｉ薄膜を用いたデバイスにおいては、その高性能化のために、高品質の多結晶Ｓｉ薄膜が要望されている。多結晶Ｓｉ薄膜の形成技術としては、低温プロセスにて高品質の結晶を形成できる事から、レーザアニール技術が有望視されている。
【０００３】
レーザアニール技術による多結晶Ｓｉ薄膜の形成方法を、図１２を参照して説明する。図において、１００１は成膜装置，１１０１はレーザアニール装置である。成膜装置１００１としては、減圧ＣＶＤ装置，スパッタ装置，プラズマＣＶＤ装置などが用いられるが、図には、プラズマＣＶＤ装置を用いた場合の例を示している。１００２は成膜チャンバ，１００３は放電電極，１００４は基板ホルダ，１００５は高周波電源である。ガラスなどの基板１００６は、基板ホルダ１００４上に搭載され、放電電極１００３と対向して配置される。成膜チャンバ１００２内には、図示しないガス供給排気機構より成膜用ガスが導入され、所定の圧力に維持される。成膜用ガスとしては、例えば、ＳｉＨ4とＨ2との混合ガスが用いられる。上記の構成において、高周波電源１００５から放電電極１００３に高周波電力を供給すると、成膜用ガスが分解，励起されて、プラズマＰＰが発生する。そして、プラズマＰＰ中の反応種の作用によって、基板１００６上にアモルファスＳｉ薄膜が堆積される。
【０００４】
成膜装置１００１によってアモルファスＳｉ薄膜が成膜された基板１００６は、成膜装置１００１から取り出され、図示しない搬送機構によって、レーザアニール装置１１０１まで運ばれる。そして、レーザアニールチャンバ１１０２の中に設置される。レーザアニールチャンバ１１０２の上面の一部には、レーザ透過用の窓部１１０３が設けられている。１１０９は、基板１００６が搭載される基板ホルダで、図中のＸＲ方向に移動可能となされている。レーザアニールチャンバ１１０２の窓部１１０３の上方には、レーザ照射部１１０５が配置されている。レーザビームＬＢＢは、パルスレーザ発振器１１０７からパルス的に出射され、光学系１１０８を介して、レーザ照射部１１０５に導かれる。
【０００５】
レーザとしては、一般的には、ＸｅＣｌなどのエキシマレーザが用いられ、基板１００６に照射されるレーザビームＬＢＢのＸＲ方向の長さは、その方向の基板１００６の長さに比べて遥かに短い。レーザビームのエネルギは数１００ｍＪ／ｃｍ2／パルス程度、パルス幅は数１０ｎｓ程度であり、発振周波数は数１００Ｈｚ程度である。この構成において、基板１００６をＸＲ方向に連続的に移動させながら、レーザ照射部１１０５より基板１００６にレーザビームＬＢＢを照射すると、基板１００６上のアモルファスＳｉが順次連続的に、溶融・結晶化し、多結晶Ｓｉ薄膜が形成される（レーザアニールが施される）。
【０００６】
上記したレーザアニール技術、特にＸｅＣｌなどのエキシマレーザを用いたレーザアニール技術では、アモルファスＳｉ薄膜のみがレーザを吸収して溶融し、溶融したＳｉ薄膜がレーザ照射終了後の基板側への熱流出によって冷却されるため、１００ｎｓ程度の極短時間内にＳｉ薄膜の溶融・結晶化が完了する。このため、基板１００６を温度上昇させる事なく、低温プロセスにて高品質の多結晶Ｓｉ薄膜を形成する事ができる。
【０００７】
レーザアニール技術により形成した多結晶Ｓｉ薄膜を用いる事により、高移動度のＴＦＴや、高効率の薄膜太陽電池を作製する事ができる。レーザアニール技術を用いた薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池については特開平７−９４７６６号公報に開示されている。なお、該公報のレーザアニールでは、膜厚の薄い多結晶Ｓｉ薄膜を形成する場合にはエキシマレーザを用いているが、膜厚の厚い多結晶Ｓｉ薄膜を形成する場合にはＹＡＧレーザ、Ａｒレーザなどの長波長レーザを用いている。
【０００８】
以下、該公報の開示内容について図１３を参照して説明する。図１３は、薄膜多結晶Ｓｉ太陽電池の断面構造図を示す。図において１００６は基板で、この例においてはガラスである。基板１００６上には反射防止膜１２０１がＣＶＤ法によって形成されている。
反射防止膜１２０１の上には、ＣＶＤ法によって、数１００Å程度のｐ+型のアモルファスＳｉ薄膜が成膜される。次に、このｐ+型アモルファスＳｉ薄膜がエキシマレーザ照射によってレーザアニールされ、ｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜１２０２が形成される。
【０００９】
続いて、ｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜１２０２の上に、ＣＶＤ法によって、ｎ型のアモルファスＳｉ薄膜が約２μｍ成膜される。そして、このｎ型アモルファスＳｉ薄膜にＹＡＧレーザ、Ａｒレーザなどの長波長レーザが照射され、ｎ型多結晶Ｓｉ膜１２０３が形成される。このように、ｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜１２０２の上に、ｎ型多結晶Ｓｉ薄膜１２０３が積層される事により、ｐｎ接合が形成される。ここで、ｎ型多結晶Ｓｉ薄膜１２０３が２μｍ程度の厚膜とされているのは、この領域が太陽光発電領域となるためであり、これを薄くする事はできない。また、ｎ型多結晶Ｓｉ薄膜１２０３を形成するのに長波長レーザが用いられているのは、２μｍ程度の厚膜のアモルファスＳｉ薄膜に対してレーザエネルギを吸収させるためである。したがって、この領域のレーザアニールでは、レーザ照射を、エキシマレーザに変更する事はできない。
【００１０】
次に、ｎ型多結晶Ｓｉ薄膜１２０３の上に、ＣＶＤ法によって、ｎ+型のアモルファスＳｉ薄膜が成膜される。そして、このｎ+型アモルファスＳｉ薄膜がエキシマレーザ照射によってレーザアニールされ、ｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜１２０４が形成される。ｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜１２０４の上には、裏面電極１２０５が形成される。
【００１１】
上記の太陽電池は、レーザアニールにより形成した多結晶Ｓｉ薄膜を順次積層した構造をなしている。したがって、各層において、高品質の多結晶Ｓｉ薄膜が得られる。更に、前記積層構造とする事により、ｎ型多結晶Ｓｉ薄膜１２０３の面方位を、下層のｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜１２０２の面方位を反映させたものとする事ができる。これらの結果、キャリア拡散長を長くでき、また、良好なｐｎ接合が得られるので、高い変換効率を得る事ができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザアニール技術には、以下のような解決すべき課題があった。
▲１▼μｍオーダーの厚膜の高品質結晶を得にくい事
▲２▼スループットが低い事
上記課題について、具体的に説明する。
【００１３】
(1)厚膜の高品質結晶を得にくい事について。
図１３に示したｎ型多結晶Ｓｉ薄膜１２０３のような、２μｍ程度の厚膜の多結晶Ｓｉ薄膜を形成するためには、初期膜である厚膜のアモルファスＳｉ薄膜に対してエネルギが十分吸収されるように、長波長のレーザを使用しなければならない。しかしながら、このような長波長レーザにより厚膜のアモルファスＳｉ薄膜を溶融させる事は、基板１００６を温度上昇させる事を意味し、ガラスなどの低融点の基板を用いる事が困難となる。
【００１４】
また、長波長レーザではエキシマレーザのような大出力を出す事ができず、更に、アモルファスＳｉ薄膜が厚膜である事の寄与も加わり、長時間に亙るレーザ照射を要する。その結果、アモルファスＳｉの溶融時間がかなり長くなってしまう。このため、基板１００６からの汚染が発生し、また、スループットの低下にも繋がる。更に、厚膜のアモルファスＳｉ薄膜に対するレーザアニールでは、結晶核が膜厚方向にランダムに生じやすく、膜厚方向を横切る結晶粒界が生じてしまう。この事は、太陽電池など、膜厚方向のキャリア拡散長が重視されるような用途においては、特に問題となる。すなわち、従来のレーザアニール技術では、厚膜の高品質結晶を得る事が困難であった。
【００１５】
(2)スループットが低いことについて。
従来のレーザアニール技術では、図１２に示す如くに、成膜装置１００１によってアモルファスＳｉ薄膜を成膜し、その後、成膜装置１００１から基板１００６を取り出し、レーザアニール装置１１０１まで搬送する。その後に、レーザアニール装置１１０１によって、基板１００６上のアモルファスＳｉ薄膜に対してレーザアニールを施す。このように別個の装置間で基板１００６のやりとりを行うため、スループットが低くなる。
ここで、成膜処理とレーザアニール処理とを一つのチャンバで行うことも考えられるかもしれない。しかし、この場合、それら二つの処理が同じガス雰囲気で行われるか、少なくとも一方の処理が不純ガスを含んだ状態で行われることになるので、高品質結晶を得ることが難しくなる。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、レーザアニール技術を用いた結晶薄膜の製造方法において、▲１▼厚膜の高品質結晶を得る事、▲２▼スループットを高める事を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、放電電極を有し、基板に放電により非結晶薄膜を成膜処理する成膜チャンバと、
レーザ照射部を有し、基板に成膜処理された非結晶薄膜を、該非結晶薄膜にレーザ照射によりアニール処理を施し結晶化させるレーザアニールチャンバと、
このレーザアニールチャンバおよび前記成膜チャンバにそれぞれチャンバガスを供給するチャンバガス供給手段と、
基板を保持するための基板ホルダと、
前記成膜チャンバとレーザアニールチャンバとを、基板ホルダが基板を保持した状態で移動可能で、かつ両チャンバを異なる雰囲気に維持可能に連通させる狭くて長い連通口と、
前記基板ホルダを、前記成膜チャンバから前記連通口を介して前記レーザアニールチャンバへ連続的に移動させ、それによって、前記基板ホルダに保持されて移動する基板に対して放電による成膜処理とレーザによるアニール処理とを順次連続的に施す移動機構と
を備えてなることを特徴とする結晶薄膜製造装置を提供する。
【００１８】
すなわち、本発明は、基板ホルダを、成膜チャンバからレーザアニールチャンバへ、基板ホルダが基板を保持した状態で移動可能で、かつ両チャンバを異なる雰囲気に維持可能にして両チャンバ間を連通させる狭くて長い連通口を介して、連続的に移動させる移動機構を備えているので、非結晶薄膜の成膜と、その非結晶薄膜の結晶化とを、不純ガスを含まない状態で連続的にインラインにて繰り返すことができ、それによって厚膜の高品質の結晶薄膜を高いスループットで得ることができる。
ここで、結晶薄膜製造装置の成膜チャンバは、放電電極を更に備え、移動機構が基板ホルダを前記放電電極に対して連続的に移動させ、基板に非結晶薄膜を順次連続的に成膜してもよい。また非結晶薄膜成膜用のガス供給口およびガス排気口を放電電極の直近に更に備えることもでき、さらに成膜チャンバは、カバー体を更に備え、放電電極と、前記カバー体と、基板ホルダとにより、非結晶薄膜成膜用のガス供給口からガス排気口に通じるガス流路を形成できる。
【００１９】
そして、このガス流路を略Ｕ字形に形成できる。
更に、成膜チャンバは、触媒体を更に備え、移動機構が、前記触媒体に対して基板ホルダを連続的に移動させ、基板に非結晶薄膜を順次連続的に成膜することができる。また、成膜チャンバは、非結晶薄膜成膜用のガス流路を形成するガス流路形成部材を更に備え、触媒体を前記ガス流路中に配置でき、ガス流路を略Ｕ字形に形成できる。ここで、好ましい触媒体としては、タングステン、モリブデン、タンタルなどが挙げられる。
【００２０】
一方、レーザアニールチャンバは、レーザ照射部を更に備え、移動機構が、前記レーザ照射部に対して基板ホルダを連続的に移動させ、基板に成膜された非結晶薄膜を、それにレーザによるアニール処理を順次連続的に施し結晶化させることができる。
ここで、移動機構は、基板ホルダを往復移動させてもよい。
【００２１】
本発明は、別の観点によれば、基板に非結晶薄膜を成膜し、この成膜された非結晶薄膜を、それにレーザによるアニール処理を施して結晶化させ、基板に結晶薄膜を形成することよりなり、
請求項１に記載の結晶薄膜製造装置を用い、
前記基板に非結晶薄膜を成膜するための成膜チャンバ内の雰囲気と、前記レーザによるアニール処理を施すためのレーザアニールチャンバ内の雰囲気とを、各々異なる雰囲気とした状態で、前記成膜チャンバから前記レーザアニールチャンバへ、基板を、この基板を保持する基板ホルダを移動させる移動機構により連続的に移動させることによって、
前記成膜処理と、前記レーザによるアニール処理とを、移動する基板に対して順次連続的に施すことを特徴とする結晶薄膜製造方法を提供できる。
本発明は、さらに別の観点によれば、基板に非結晶薄膜を成膜し、この成膜された非結晶薄膜を、それにレーザによるアニール処理を施して結晶化させ、基板に結晶薄膜を形成することよりなり、
請求項４に記載の結晶薄膜製造装置を用い、
前記基板に非結晶薄膜を成膜するための成膜チャンバ内の雰囲気と、前記レーザによるアニール処理を施すためのレーザアニールチャンバ内の雰囲気とを、各々異なる雰囲気とした状態で、前記成膜チャンバから前記レーザアニールチャンバへ、基板を、この基板を保持する基板ホルダを移動させる移動機構により連続的に移動させることによって、
前記成膜処理と、前記レーザによるアニール処理とを、移動する基板に対して順次連続的に施すことを特徴とする結晶薄膜製造方法を提供できる。
【００２２】
本発明はさらに別の観点によれば、請求項９〜１３のいずれか１つに記載の結晶薄膜製造方法により形成される結晶薄膜を用いた結晶薄膜素子であって、結晶薄膜素子が異なる導電型の半導体薄膜の積層構造からなることを特徴とする結晶薄膜素子を提供できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施の形態に基づいて本発明を詳述する。なお、これによって本発明は限定されるものではない。
【００２４】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を、図１〜図３を用いて説明する。まず、本実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００の構成を、図１、図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００の断面図を示す。図２は、後述する連通口３および放電電極７の近傍の部分断面斜視図を示す。
【００２５】
図において、１は成膜チャンバ，２はレーザアニールチャンバで、各々のチャンバ１，２は、連通口３を介して連通している。４はガラスなどの基板で、基板ホルダ５の上に搭載されている。基板ホルダ５の内部には、図示しないヒータが内蔵されており、必要に応じて基板４を加熱する。
【００２６】
基板ホルダ５は、移動機構６と接続され、図中のＸ方向に往復移動可能となされている。移動機構６として、図１には、駆動部６ａがチャンバ１、２の外部に配置された、いわゆる御神輿機構の例を示しているが、これに限らず、ラックピニオン方式，ボールネジ方式などの機構が採用されてもよい。但し、チャンバ１，２内部のパーティクル抑制の観点からは御神輿機構が望ましい。図中の６ｃはシャフト部、６ｂは蛇腹部を示している。
【００２７】
前記移動機構６によって、基板ホルダ５上の基板４は、連通口３を介して、成膜チャンバ１〜レーザアニールチャンバ２の間を連続的に往復移動できる。連通口３は、基板４および基板ホルダ５が通過できる範囲で、可能な限り狭く設定され、そのＸ方向の長さは可能な限り長く設定されている。すなわち、連通口３における空間のコンダクタンスが極力小さくなるようになされている。なお、基板４の往復移動の過程において、基板ホルダ５のみが連通口３を通過するような場合が生じるが、そのような場合でも、基板ホルダ５に突出部５ａを設けていれば、図２に示す如くに、連通口３と基板ホルダ５との間の間隔を極力小さくすることができる。
【００２８】
成膜チャンバ１には、Ｘ方向に往復移動する基板４と対向するように、放電電極７が配置されている。放電電極７は、断面が略円弧状なる曲面を有し、高周波電源９と接続されている。８ａ及び８ｂは、絶縁体からなる第１及び第２のカバー体であり、第１及び第２のカバー体８ａ、８ｂを併せて、カバー体８と称する。第１カバー体８ａの外周部は、導体で覆われ接地されていてもよい。カバー体８は、放電電極７及び基板４とともに、略気密な空間を形成する。１０は、ガスボンベなどからなる成膜用ガス供給手段、１１は、真空ポンプなどからなる成膜用ガス排気手段である。成膜用ガス供給手段１０から供給された成膜用ガスは、カバー体８、放電電極７、及び基板４とから形成される前記の略気密な空間を通り、成膜用ガス排気手段１１に至る。このようにして形成されたガス流路は、図中のＦで示すような滑らかな略Ｕ字形状をなし、そのコンダクタンスは非常に大きい。一方、第１カバー体８ａの底面部８ｃは、可能な限り狭い空間を隔てて基板４と対向し、その対向部のＸ方向の長さは可能な限り長く設定されている。すなわち、成膜用ガスは、ガス流路Ｆの外部にはほとんどリークせずに、成膜用ガス排気手段１１に至る。１２および１３は夫々、成膜チャンバ１の内部空間の雰囲気を形成するための、第１雰囲気ガス供給手段および、第１雰囲気ガス排気手段である。
【００２９】
レーザアニールチャンバ２の上面の一部には、石英などの材質の窓部２４が設けられ、この上方に、レーザ照射部２１が配置されている。２３はレーザ発振器で、ＸｅＣｌ、ＫｒＦなどのエキシマレーザをパルス的に出射する。発振周波数は数１００Ｈｚ程度で、パルス幅は数１０ｎｓ程度である。レーザ発振器２３から出射されたレーザビームは、ホモジナイザなどで構成される光学系２２を通ってレーザ照射部２１に導かれ、窓部２４を介して基板４に照射される。基板４に照射されるレーザビームＬＢのＸ方向の長さは１ｍｍ程度で、照射エネルギは数１００ｍＪ／ｃｍ2／パルス程度である。２５および２６は夫々、レーザアニールチャンバ２の内部空間の雰囲気を形成するための、第２雰囲気ガス供給手段および、第２雰囲気ガス排気手段である。
【００３０】
次に、結晶薄膜製造装置１００を用いた多結晶Ｓｉ薄膜の製造方法について説明する。まず、成膜用ガス排気手段１１，第１雰囲気ガス排気手段１３，および第２雰囲気ガス排気手段２６によって、ガス流路Ｆ，成膜チャンバ１，およびレーザアニールチャンバ２の内部を減圧する。その後、第１雰囲気ガス供給手段１２より、成膜チャンバ１の内部に第１雰囲気ガスを導入する。また、第２雰囲気ガス供給手段２５より、レーザアニールチャンバ２の内部に第２雰囲気ガスを導入する。そして、成膜チャンバ１の内部および、レーザアニールチャンバ２の内部を、夫々、所定の圧力に維持する。その後は、この所定の圧力を維持するために、第１雰囲気ガス供給手段１２、第１雰囲気ガス排気手段１３、第２雰囲気ガス供給手段２５、及び第２雰囲気ガス排気手段２６を適宜調整しながら動作させておいてもよい。第１雰囲気ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒなどの不活性ガスが選ばれ、第２雰囲気ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ2などが選ばれる。好ましくは、第１雰囲気ガスと第２雰囲気ガスとは同種のガスとされ、例えばＨｅが用いられる。
【００３１】
次に、成膜用ガス供給手段１０と成膜用ガス排気手段１１とを同時に動作させ、所定の圧力にて、図１中のＦで示すような略Ｕ字形状の高速のガス流を形成する。成膜用ガスとしては、成膜に寄与する反応ガスのみ、又は、この反応ガスと不活性ガスとの混合ガスが用いられる。反応ガスとしては、ＳｉＨ4などのＳｉ原子を含むガスが単体で、又はＨ2などの他のガスと混合して用いられる。不活性ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒなどが用いられるが、第１雰囲気ガスと同種のガスである事が好ましく、例えばＨｅが用いられる。
【００３２】
上記のようにして、ガス流路Ｆの内部、成膜チャンバ１の内部、及びレーザアニールチャンバ２の内部に、夫々、所定のガス雰囲気を形成する。好ましくは、ガス流路Ｆ内の圧力Ｐp、成膜チャンバ１内の圧力Ｐ1、およびレーザアニールチャンバ２内の圧力Ｐ2を、夫々、下式の関係を満たすように設定する。
Ｐp＜Ｐ1≧Ｐ2                      （１）
【００３３】
例えば、ガス流路Ｆ、成膜チャンバ１、及びレーザアニールチャンバ２を、夫々、以下のようなガス雰囲気に設定する。
ガス流路Ｆ：Ｈｅ＋ＳｉＨ4（１００Ｔｏｒｒ）
成膜チャンバ１：Ｈｅ（１１０Ｔｏｒｒ）
レ−ザアニ−ルチャンバ２：Ｈｅ（１０５Ｔｏｒｒ）
【００３４】
ここで、成膜チャンバ１の内部空間とガス流路Ｆとの間で、夫々異なるガス雰囲気を形成できるのは、ガス流路Ｆが略Ｕ字形状をなしているために、そのコンダクタンスが非常に大きい事、および、第１カバー体８ａの底面部８ｃと基板４間の空間のコンダクタンスが非常に小さい事による。
【００３５】
すなわち、成膜用ガス供給手段１０から供給される成膜用ガスは、ガス流路Ｆの外部にほとんどリークせず、略Ｕ字形状の流線をもって高速に成膜用ガス排気手段１１に至るである。また、成膜チャンバ１とレーザアニールチャンバ２との間で、夫々異なるガス雰囲気を形成できるのは、連通口３と基板４（基板ホルダ５）間の空間のコンダクタンスが非常に小さい事による。これらの結果、ＳｉＨ4などからなる成膜用ガスが、レーザアニールチャンバ２の内部に混入する事を防止できる。また、レーザアニールチャンバ２内で発生する、成膜用ガスとは異なる不純なガスなどが、ガス流路Ｆ内に混入する事を防止できる。これらの作用は、上記（１）式の設定を行う事により、更に顕著なものとなる。なお、（１）式の設定を行った場合、成膜チャンバ１内の第１雰囲気ガスがガス流路Ｆ内に微量に混入する事も考えられるが、第１雰囲気ガスがＨｅなどの不活性ガスであって、これが微量に混入したとしても、後述する非結晶Ｓｉ薄膜の成膜特性にはほとんど影響を与えない。
【００３６】
上記のように、ガス流路Ｆ，成膜チャンバ１，及びレーザアニールチャンバ２が、夫々所定のガス雰囲気とされた状態で、移動機構６によって基板ホルダ５（基板４）をＸ方向に連続的に往復移動させる。以下、図３に示すフローチャートも参照し、基板４が左方向の移動から開始する場合を例として説明する。
【００３７】
まず、左方向に連続的に移動している基板４は、放電電極７と対向する部分において、成膜用ガス供給手段１０より成膜用ガスを供給される。そして、高周波電源９から放電電極７に高周波電力を供給する事により、成膜用ガスに基づくプラズマＰが発生し、ＳｉＨ4などの反応ガス分子が分解、励起される。こうして生成された反応種の作用により（プラズマＣＶＤにより）、基板４上に非結晶のＳｉ薄膜４０ａが成膜される（ＳＴＥＰ１）。なお、本願明細書において、非結晶Ｓｉ薄膜とは、アモルファスや微結晶のＳｉ薄膜を指す。この非結晶Ｓｉ薄膜４０ａは、基板４の左方向移動により、順次連続的に基板４上に成膜される。そして、基板４の右端部まで非結晶Ｓｉ薄膜４０ａが成膜された段階で、基板４は左方向の移動を停止し、向きを変えて右方向の移動を開始する。基板４の右方向移動により、非結晶Ｓｉ薄膜４０ａの上に、上記と同様の非結晶Ｓｉ薄膜４０ｂが順次連続的に成膜される（ＳＴＥＰ１）。非結晶Ｓｉ薄膜４０ａ及び４０ｂの厚さは、高周波電力や反応ガス分圧、成膜用ガス流量などの成膜条件によって調整され、後述するエキシマレーザによる結晶化が可能なように、数１００Å〜数１０００Å程度の厚さとされる。
【００３８】
非結晶Ｓｉ薄膜４０ｂが成膜された基板４は、続く右方向移動により、連通口３を通って、連続的にレーザアニールチャンバ２に入る。非結晶Ｓｉ薄膜４０ａ、４０ｂからなる非結晶Ｓｉ薄膜４０は、レーザ照射部２１と対向する位置にて、エキシマレーザビームＬＢを照射され、極短時間内に溶融・結晶化して多結晶Ｓｉ薄膜５０が形成される（レーザアニールされる）（ＳＴＥＰ２）。このレーザアニールは、基板４の右方向移動により順次連続的に施される。なお、この過程においては、図１１に示すように、基板４の比較的右側の部分がレーザアニールを施され、基板４の比較的左側の部分で非結晶Ｓｉ薄膜が成膜される様な状態も生じる。基板４の左端部まで多結晶Ｓｉ薄膜５０が形成された段階で、基板４は向きを変えて左方向の移動を開始する。基板４の左方向移動により、多結晶Ｓｉ薄膜５０は、再び上記と同様のレーザアニールを順次連続的に施され、より高品質の多結晶Ｓｉ薄膜５０が形成される（ＳＴＥＰ２）。
【００３９】
多結晶Ｓｉ薄膜５０が形成された基板４は、続く左方向移動により、連通口３を通って、連続的に成膜チャンバ１に入る。基板４が続いて左方向移動し、その後、向きを変えて右方向移動する事により、前記と同様の４０ａ、４０ｂからなる非結晶Ｓｉ薄膜４０が、多結晶Ｓｉ薄膜５０の上に成膜される（ＳＴＥＰ３）。
【００４０】
非結晶Ｓｉ薄膜４０が成膜された基板４は、続く右方向移動により、連続的にレーザアニールチャンバ２に入る。非結晶Ｓｉ薄膜４０は、レーザ照射部２１と対向する位置にてエキシマレーザビームＬＢを照射されて溶融する。そして、その下地の多結晶Ｓｉ薄膜５０を種として結晶成長し、多結晶Ｓｉ薄膜５１が形成される（ＳＴＥＰ４）。このレーザアニールは、基板４の右方向移動により順次連続的に施される。基板４の左端部まで多結晶Ｓｉ薄膜５１が形成された段階で、基板４は向きを変えて左方向に移動する。そして、再び上記と同様のレーザアニールを施され、より高品質の多結晶Ｓｉ薄膜５１が形成される（ＳＴＥＰ４）。多結晶Ｓｉ薄膜５０および５１のように、基板４の１往復移動によって形成される多結晶Ｓｉ薄膜を、以下では、１レイヤーの多結晶Ｓｉ薄膜と称する事にする。ここで、上に形成された多結晶Ｓｉ薄膜５１は、下地の多結晶Ｓｉ薄膜５０を種として結晶化したものであるから、各レイヤーの界面に結晶粒界はほとんど生じない。なお、この作用については、第２レイヤー目以降のレーザアニールにおけるレーザ照射エネルギを、第１レイヤーにおけるエネルギよりも大きくする事により、更に顕著なものとなる。
【００４１】
以後、基板４の往復移動によって前記と同様の動作が繰り返され、複数レイヤーの多結晶Ｓｉ薄膜が、５０，５１，…  といったように積層されて厚膜化し、多結晶Ｓｉ膜６０が形成される。そして、多結晶Ｓｉ膜６０の厚さが所定の厚さｔとなった時点で、移動機構６による基板４の往復移動が停止され、成膜チャンバ１またはレーザアニールチャンバ２に設けられた図示しない基板取出し口より、基板４が取り出される。（ＳＴＥＰ５）。
【００４２】
本実施形態は、成膜チャンバ１〜レーザアニールチャンバ２の間で、基板４を連続的に往復移動させる構成としているから、非結晶Ｓｉ薄膜の成膜とレーザアニールによる結晶化とを交互に繰り返す事ができる。このため、数μｍ程度の厚膜の多結晶Ｓｉ膜６０を形成する場合においても、一回のレーザアニールで溶融すべき非結晶Ｓｉ薄膜４０の厚さは数１００Å〜数１０００Å程度でよい。したがって、エキシマレーザを用いて、短時間内での溶融・結晶化を行う事ができ、その結果、基板温度を上昇させず、また、基板からの汚染も少ない状態で、高品質の多結晶Ｓｉ薄膜を１レイヤーずつ確実に形成する事ができる。しかも、数１００Å〜数１０００Å程度の非結晶Ｓｉ薄膜４０のエキシマレーザアニールにおいては、下地の多結晶Ｓｉ薄膜を種として結晶成長させる事ができるため、膜厚方向を横切るような結晶粒界をほとんど生じさせずに、厚膜の多結晶Ｓｉ膜６０を形成する事ができる。すなわち、本実施形態では、低温プロセスにて、厚膜の高品質結晶を得る事ができ、本発明の第１の目的が達成できた。
【００４３】
また、本実施形態では、非結晶Ｓｉ薄膜の成膜からレーザアニールまでを、一貫してインラインにて行う事ができるから、異なる装置間で基板４のやりとりを行う必要がなくなり、大幅にスループットを向上させる事ができる。すなわち、本発明の第２の目的が達成できた。
【００４４】
（第１の実施形態の変形実施例１）
上記の第１の実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００は、成膜チャンバ１とレーザアニールチャンバ２とを併設したものであったが、スループットを向上させるために、成膜チャンバ１の両側にレーザアニールチャンバ２を１台ずつ配置してもよい。また、レーザアニールチャンバ２の両側に成膜チャンバ１を１台ずつ配置してもよい。最もスループットが向上するように適宜に配置すればよい。例えば、非結晶Ｓｉ薄膜の成膜速度を第１の実施形態（図１）よりも２倍に高める事ができる場合には、図４に示す結晶薄膜製造装置２００を用いる事により、スループットが向上する。
【００４５】
本変形実施例では、成膜チャンバ１による非結晶Ｓｉ薄膜の成膜速度が、第１の実施形態よりも２倍速い事を前提としているので、基板４の右方向移動または左方向移動のいずれか一方の移動のみで、レーザアニールを施すべき厚さの非結晶Ｓｉ薄膜４０が形成される。そこで、成膜チャンバ１の両側にレーザアニールチャンバ２を１台ずつ配置し、レーザアニールによる律速が起こらないようにしている。その結果、第１の実施形態と同じ膜厚の多結晶Ｓｉ膜６０を形成するのに、基板４の移動速度を一定として、往復回数を半分に減らす事ができる。すなわち、成膜速度が速い事の効果をスループットに反映させる事ができる。その他、結晶薄膜製造装置２００の構成要素、基本動作、及び作用効果は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。なお、本変形実施例では、連通口３，３が間隔を隔てて２個設けられているので、これと対応して、基板ホルダ５の突出部５ａは第１の実施形態よりも長くなされている。
【００４６】
（第１の実施形態の変形実施例２）
上記の第１の実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００は、成膜チャンバ１とレーザアニールチャンバ２とを、連通口３を介して併設しているものであった。しかしながら、ガス流路Ｆの気密性が十分に高ければ、成膜チャンバ１とレーザアニールチャンバ２とを兼ねてもよい。すなわち、成膜用ガスがレーザビームＬＢを照射される領域に混入せず、また、成膜用ガスとは異なる不純なガスがガス流路Ｆ内に混入しなければよい。また、前記の双方の混入があったとしても、これらが微量であって、成膜特性やレーザアニールの特性に影響を与えなければよい。このような場合には、図５に示すような結晶薄膜製造装置３００を用いる事ができる。
【００４７】
本変形実施例の結晶薄膜製造装置３００では、成膜チャンバ１とレーザアニールチャンバ２とを兼ねて、１個のチャンバ３０１としている。また、チャンバ３０１内のガス雰囲気を形成するための、雰囲気ガス供給手段３０２及び雰囲気ガス排気手段３０３も、夫々１個ずつ設けている。ガス流路Ｆ内およびチャンバ３０１内は、例えば以下のようなガス雰囲気に設定すればよく、特に、このような圧力設定の場合には、ＳｉＨ4などからなる成膜用ガスがレーザビームＬＢを照射される領域に混入する事を、かなり防止できる。
ガス流路Ｆ：Ｈｅ＋ＳｉＨ4（１００Ｔｏｒｒ）
チャンバ３０１：Ｈｅ（１１０Ｔｏｒｒ）
その他の構成や、基本動作、および作用効果は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４８】
（第１の実施形態の変形実施例３）
上記の第１の実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００では、略気密な、成膜用ガスのガス流路Ｆを形成した。しかしながら、レーザアニールチャンバ２への成膜用ガスの混入が少なく、また、プラズマＰ部への、成膜用ガスとは異なる不純なガスの混入が少なければ、上記構成には限らない。例えば、図６に示す結晶薄膜製造装置４００のように、放電電極４０７を平板状とし、この直近に成膜用ガス供給口４０１および成膜用ガス排気口４０２を設けた構成としてもよい。また、成膜用ガス供給口４０１は特に設けず、放電電極４０７を公知のシャワー電極としてもよい。その他の構成や、基本動作、および作用効果は第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４９】
（第１の実施形態の変形実施例４）
上記の第１の実施形態では、ガラスなどの平板基板を用いた場合について説明したが、基板４はこれに限らず可撓性のシート状基板であってもよい。この場合には、図７に示すような構成の結晶薄膜製造装置５００を用いればよい。図７において、５０４はステンレスやポリイミドなどの可撓性のシート状基板である。シート状基板５０４は、第１リール室５０３内の第１リール５０１と、第２リール室５０５内の第２リール５０２とによって、テンションを付与されながらＸ方向に連続的に往復移動する。５０６は接地された対向電極であるが、シート状基板５０４がステンレスなどの導電性基板の場合には、必ずしも必要ではない。この場合には、リール５０１，５０２や図示しないガイドローラを介して、シート状基板５０４を接地すればよい。その他の構成や、基本動作は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。本変形実施例は、可撓性のシート状基板に対しても、第１の実施形態と同様の作用効果が得られるものである。
【００５０】
（第１の実施形態の変形実施例５）
変形実施例４のようなシート状基板５０４を用いる場合には、図８に示す結晶薄膜製造装置６００によっても、非結晶Ｓｉ薄膜の成膜とレーザアニールとを交互に繰り返し、厚膜の高品質多結晶Ｓｉ膜を形成する事ができる。
【００５１】
本変形実施例では、可撓性のシート状基板５０４が、ローラ室６０５内の第１ローラ６０１および第２ローラ６０２によってテンションを付与され、無端状に保持されている。そして、ローラ６０１，６０２の１方向の回転によって、シート状基板５０４は、右方向（ＸＲ方向）のみに連続的に移動する。これによって、成膜チャンバ１による非結晶Ｓｉ薄膜の成膜と、レーザアニールチャンバ２によるレーザアニールとが交互に繰り返される。その他の構成は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。本変形実施例も、変形実施例４と同様に、可撓性のシート状基板に対して第１の実施形態と同様の効果が得られるものである。
【００５２】
（第１の実施形態の変形実施例６）
上記の第１の実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００は、放電電極７を用いて、プラズマＣＶＤ法によって非結晶Ｓｉ薄膜を成膜するものであった。しかしながら、非結晶Ｓｉ薄膜の成膜方法はこれに限らず、スパッタ法、ｃａｔ−ＣＶＤ法など如何なる成膜方法であってもよい。例えば、スパッタ法の場合には、図１の放電電極７の代わりにターゲットを配置すればよい。また、ｃａｔ−ＣＶＤ法の場合には、放電電極７およびカバー体８の代わりに、図１と同じ形状のガス流路を形成するようなガス流路形成部材を配置し、ガス流路中に加熱された触媒体を配置すればよい。
【００５３】
特にｃａｔ−ＣＶＤ法においては、特開昭６３−４０３１４号公報などに開示されるように膜中の水素含有率を非常に低くできるので、レーザアニール時に、膜中水素の突沸を気にせずにレーザ照射条件を選定する事ができる。ｃａｔ−ＣＶＤ法によって非結晶Ｓｉ薄膜を成膜し、これをレーザアニールする事によって多結晶Ｓｉ薄膜を形成する場合には、図９に示すような結晶薄膜製造装置７００を用いればよい。
【００５４】
図９において、７０８ａ及び７０８ｂは第１及び第２のガス流路形成部材であり、これらを併せて、ガス流路形成部材７０８と称する。ガス流路形成部材７０８は、基板４とともに、略気密な空間を形成する。成膜用ガス供給手段１０から供給された成膜用ガスは、ガス流路形成部材７０８及び基板４とから形成される前記の略気密な空間を通り、成膜用ガス排気手段１１に至る。このようにして形成されたガス流路Ｆ１は、第１の実施形態のガス流路Ｆと同様に、滑らかな略Ｕ字形状をなし、そのコンダクタンスは非常に大きい。一方、第１ガス流路形成部材７０８ａの底面部７０８ｃは、可能な限り狭い空間を隔てて基板４と対向し、その対向部のＸ方向の長さは可能な限り長く設定されている。すなわち、成膜用ガスは、第１の実施形態と同様、ガス流路Ｆ１の外部にほとんどリークせずに成膜用ガス排気手段１１に至る。７０１は、前記ガス流路Ｆ１の、基板４よりも上流側に配置された触媒体である。触媒体７０１は、ガス流路Ｆ１を流れる成膜用ガスの分子と接触しやすいように、その表面積が広い事が望まれ、例えばコイル状とされている。触媒体７０１の材質は、タングステン、モリブデン、タンタルなどであり、これが、通電により１５００〜２０００℃程度に加熱されている。この構成において、ガス流路Ｆ１を流れる成膜用ガスの分子は、触媒体７０１と接触し、触媒反応によって反応種が生成される。そして、この反応種が基板４に輸送されて、非結晶Ｓｉ薄膜が成膜される。成膜用ガスとしては、第１の実施形態と同様のガスが用いられる。その他の構成は第１の実施形態と同様であり、また、基板４の移動方法やレーザアニールなど、その他の動作についても第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００５５】
本変形実施例は、第１の実施形態と同様の効果を呈するものであるが、上記のように、触媒反応に基づいて非結晶Ｓｉ薄膜を成膜するものであるから、膜中の水素含有率を非常に低くできる。その結果、レーザアニール時に、水素の突沸を気にする事なくレーザ照射条件を選定する事ができる。
【００５６】
（第１の実施形態の変形実施例７）
上記の第１の実施形態は、成膜チャンバ１〜レーザアニールチャンバ２の間で、基板４を往復移動させるものであった。しかしながら、ＴＦＴに用いられるような、数１００Å〜１０００Å程度の薄い多結晶Ｓｉ薄膜を形成する場合には、基板４を必ずしも往復移動させる必要はなく、図１中の右方向のみに基板４を連続移動させてもよい。
本変形実施例は、厚膜の多結晶Ｓｉ膜を形成するものではないが、非結晶Ｓｉ薄膜の成膜からレーザアニールまでを、一貫してインラインにて行う事ができる。その結果、異なる装置間で基板４のやりとりを行う必要がなくなり、従来に比べて大幅にスループットを向上させる事ができる。
【００５７】
（第１の実施形態の変形実施例８）
上記の第１の実施形態では、結晶薄膜製造装置１００によって多結晶Ｓｉ膜を形成する場合について説明したが、成膜用ガスを変更するのみで、如何なる材質の結晶膜を作製する事も可能である。例えば、ＳｉＨ4とＣＨ4との混合ガスを含む成膜用ガスを用いて非結晶のＳｉＣ薄膜を形成し、これをレーザアニールする事によって結晶性のＳｉＣ膜を得る事もできる。また、成膜用ガスに、Ｂ2Ｈ6やＰＨ3などのドーピングガスを混合する事によって、ｐ型やｎ型の多結晶半導体膜を作製する事も可能である。
【００５８】
（第１の実施形態の変形実施例９）
上記の第１の実施形態では、複数レイヤーの多結晶Ｓｉ薄膜を積層し、これによって厚膜の多結晶Ｓｉ膜を形成する場合について説明した。しかしながら、積層される複数のレイヤーの材質は、必ずしも、第１の実施形態のような同一の材質とされる必要はない。１レイヤー以上のレイヤーからなるレイヤー群の単位で同一の材質とされ、更に、このレイヤー群が、各々異なる材質とされて、複数のレイヤー群が積層されたものであってもよい。このような場合には、基板４の往復移動回数が所定回数に達する毎に、ガス流路Ｆ中に流す成膜用ガスを順次切り替えればよい。例えば、図１において、基板４の１往復移動によって形成される１レイヤーの結晶薄膜の厚さが５００Åであるとき、以下のような設定を行う事により、ｎ型多結晶Ｓｉ（５００Å）／ｉ型多結晶Ｓｉ（２μｍ）／ｐ型多結晶Ｓｉ（５００Å）のような積層構造を形成する事ができる。
【００５９】
・１往復目：Ｈｅ＋ＳｉＨ4＋Ｈ2＋Ｂ2Ｈ6  （第１レイヤー群）
・２〜４１往復目：Ｈｅ＋ＳｉＨ4＋Ｈ2    （第２レイヤー群）
・４２往復目：Ｈｅ＋ＳｉＨ4＋Ｈ2＋ＰＨ3  （第３レイヤー群）
この場合、異なるレイヤー群の界面においても、上のレイヤー群の最下レイヤーの非結晶Ｓｉ薄膜は、エキシマレーザアニールによって、下地の多結晶Ｓｉ薄膜を種として結晶成長を行う事ができる。このため、異なるレイヤー群の界面においても結晶粒界を少なくできる。
【００６０】
（第２の実施形態）
上記の第１の実施形態では、図１に示す結晶薄膜製造装置１００による結晶薄膜の製造方法について説明してきた。本実施形態では、第１の実施形態によって形成された結晶薄膜を用いた結晶薄膜素子について、光電変換素子を例にとって説明する。なお、本実施形態の結晶薄膜素子は、図１と同様の結晶薄膜製造装置１００が２台併設された、図１０に示すような結晶薄膜製造装置８００によって作製される。
【００６１】
図１０において、１００ａは、ｐ+型またはｐ型の多結晶Ｓｉ薄膜を形成するためのｐ型結晶薄膜製造装置、１００ｂは、ｎ+型の多結晶Ｓｉ薄膜を形成するためのｎ型結晶薄膜製造装置であり、２台の結晶薄膜製造装置１００ａ，１００ｂはゲートバルブ８０１を介して併設されている。
【００６２】
図１１は、上記の結晶薄膜製造装置８００によって作製された光電変換素子９００の断面構造図を示している。図１１において、４はガラスなどの基板で、その上には、ＳｉＮｘ、ＳｉＯ2などのベースコート膜９０１がＣＶＤ法などによって形成されている。
【００６３】
この基板４はｐ型結晶薄膜製造装置１００ａに設置される。そして、第１の実施形態の手法によって、ベースコート膜９０１の上に、ｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０２が１００Å〜５０００Å程度形成される。成膜用ガスとしては例えば、Ｈｅ，ＳｉＨ4，Ｈ2及びＢ2Ｈ6の混合ガスが用いられる。基板４のＸ方向の往復回数は、ｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０２の厚さに応じて適宜に設定されるが、その厚さが数１００Å程度の場合には、右方向の一回移動でもよい。
【００６４】
その後、同じくｐ型結晶薄膜製造装置１００ａが用いられ、第１の実施形態の手法によって、発電領域となるｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３が、ｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０２の上に２〜４μｍ程度形成される。成膜用ガスとしては、例えば、Ｈｅ，ＳｉＨ4、Ｈ2及びＢ2Ｈ6の混合ガスが用いられるが、Ｂ2Ｈ6の割合はｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０２を形成した場合よりも小さくされる。基板４のＸ方向の往復回数は、ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３の厚さに応じて適宜に設定される。例えば、１往復移動によって形成される１レイヤーの厚さが５００Åとなるように成膜条件を調整しておいて、基板４を４０往復させる事によって、２μｍのｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３が形成される。
【００６５】
ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３が形成された基板４は、図示しない搬送機構によって、ゲートバルブ８０１を介してｎ型結晶薄膜製造装置１００ｂに運ばれる。そして、第１の実施形態の手法によって、ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３の上に、ｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０４が１００Å〜５０００Å程度形成される。このように、ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３の上にｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０４を形成する事により、ｐｎ接合が形成される。成膜用ガスとしては、例えば、Ｈｅ，ＳｉＨ4，Ｈ2及びＰＨ3の混合ガスが用いられる。基板４のＸ方向の往復回数は、ｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０４の厚さに応じて適宜に設定されるが、その厚さが数１００Å程度の場合には、右方向の一回移動でもよい。
その後、ｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０４の上にＩＴＯなどの透明電極９０５が形成され、さらに、グリッド状の集電電極９０６が形成されて、光電変換素子９００の作製が完了する。
【００６６】
上記光電変換素子９００の発電領域となるｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３は、第１の実施形態に記載したような高品質の厚膜多結晶Ｓｉ膜であり、膜厚方向を横切る結晶粒界もほとんどない。この結果、ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３は上面側からの入射光を十分に吸収でき、また、これによって発生するキャリアの拡散長を非常に長くする事ができる。また、この上に形成されたｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０４の最下のレイヤーは、ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３を種として結晶成長したものであるから、ｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜９０４／ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３の界面欠陥は非常に少なく、良好なｐｎ接合が形成される。したがって、光電変換素子９００を太陽電池として用いた場合には、高い変換効率が得られる。なお、上記では、上面側を光入射面とした構造について説明したが、電極９０５をＡｌなどの高反射電極とし、基板４側から光入射させてもよい。但し、この場合には、多結晶Ｓｉ膜９０４／９０３／９０２をｐ+型／ｐ型／ｎ+型なるようにして、ｐｎ接合界面を多結晶Ｓｉ膜９０２と９０３の界面に配置する方が好ましい。
【００６７】
（第２の実施形態の変形実施例１０）
上記の第２の実施形態では、光電変換素子９００を作製するために、ｐ型結晶薄膜製造装置１００ａとｎ型結晶薄膜製造装置１００ｂとを併設した結晶薄膜製造装置８００を用いた。しかしながら、図１に示した、１台の結晶薄膜製造装置１００を用いるだけでも、図１１の光電変換素子９００を作製する事ができる。
【００６８】
この場合には、第１の実施形態の変形実施例９に記載したように、基板４の往復回数が所定回数に達する毎に、ガス流路Ｆ中に流す成膜用ガスを順次切り替えればよい。成膜用ガスは第２の実施形態に記載した通りである。
本変形実施例においては、装置台数を少なくして、第２の実施形態と同等の高い変換効率の太陽電池を作製する事ができる。
【００６９】
（第２の実施形態の変形実施例１１）
上記の第２の実施形態では、光電変換素子９００を、光入射面側から見てｎ+型／ｐ型／ｐ+型の積層構造としたが、ｐ+型／ｎ型／ｎ+型としても構わない。また、ｎ+型／ｎ型／ｐ型／ｐ+型、ｐ+型／ｐ型／ｎ型／ｎ+型  や、ｎ+型／ｉ型／ｐ+型、ｐ+型／ｉ型／ｎ+型など如何なる形態としてもよい。光入射面も、上面側でも基板側でも何れでもよい。どのような形態としても、発電領域となる多結晶Ｓｉ膜を高品質の厚膜多結晶Ｓｉ膜とでき、膜厚方向を横切る結晶粒界もほとんど生じない。また、ｐｎ接合界面の欠陥を非常に少なくでき、良好なｐｎ接合を形成できる。これらの結果、第２の実施形態と同様に、高い変換効率の太陽電池を作製する事ができる。
【００７０】
なお、上記では、結晶薄膜素子が光電変換素子である場合について説明してきたが、本発明はこれに限らず、ダイオード、トランジスタなど、高品質の結晶性が要求される如何なる素子にも適用可能である。
【００７１】
以下に、本発明の実施結果として、図１１に示した光電変換素子９００の構造による太陽電池の特性について説明する。
【００７２】
（実施例１）
ガラス基板４上にプラズマＣＶＤ法によって膜厚２０００ÅのＳｉＯ2膜９０１を形成し、図１０の結晶薄膜製造装置８００に設置した。ｐ型結晶薄膜製造装置１００ａ，ｎ型結晶薄膜製造装置１００ｂとも、ガス流路Ｆの圧力を１００Ｔｏｒｒ、成膜チャンバ１の圧力を１１０Ｔｏｒｒ、レ−ザアニ−ルチャンバ２の圧力を１０５Ｔｏｒｒに設定した。ここで、成膜チャンバ１およびレ−ザアニ−ルチャンバ２の内部は、Ｈｅガス雰囲気とした。ガス流路Ｆに流す成膜用ガスは、ｐ型結晶薄膜製造装置１００ａにおいては、Ｈｅ，ＳｉＨ4，Ｈ2，及びＢ2Ｈ6の混合ガスとした。また、ｎ型結晶薄膜製造装置１００ｂにおいては、Ｈｅ，ＳｉＨ4，Ｈ2，及びＰＨ3の混合ガスとした。そして第２の実施形態の手法によって、ｎ+型（５００Å）／ｐ型（２μｍ）／ｐ+型（３０００Å）なる構造となるように、多結晶Ｓｉ膜を順次形成した。各々の多結晶Ｓｉ膜の形成時において、基板の１往復移動による１レイヤーの厚さが５００Åとなるように、成膜チャンバ１による非結晶Ｓｉ薄膜の成膜条件を調整した。また、基板温度は４５０℃に設定した。各々のレイヤーのレーザアニールにおいては、エネルギ密度４００ｍＪ／ｃｍ2／パルス、パルス幅３０ｎｓのＸｅＣｌエキシマレーザを照射した。そして、上記の積層構造からなる多結晶Ｓｉ膜９０４／９０３／９０２が形成された後、スパッタ法によってＩＴＯ膜９０５を形成し、次いで、Ａｇからなるグリッド電極９０６を蒸着して、図１１に示す構造の光電変換素子９００を作製した。
【００７３】
上記のようにして作製された光電変換素子の断面形状を観察したところ、膜厚方向を横切る結晶粒界は見られなかった。そして、この光電変換素子の上面側からＡＭ１．５の太陽光を照射し、その特性を評価したところ、１０％の変換効率が得られた。
【００７４】
（実施例２）
エキシマレーザによるレーザ光照射条件を一部変更して、実施例１と同じ構造の光電変換素子９００を作製した。具体的には、最下レイヤー群であるｐ+型多結晶Ｓｉ膜（３０００Å）の更に最下レイヤーの形成時にのみ、４００ｍＪ／ｃｍ2／パルスのレーザを照射し、これより上に形成されるレイヤーについては、４２０ｍＪ／ｃｍ2／パルスのレーザを照射した。
このようにして作製された光電変換素子の上面側からＡＭ１．５の太陽光を照射し、その特性を評価したところ、１１％の変換効率が得られた。
【００７５】
（比較例１）
基板４として石英を用い、ｐ型多結晶Ｓｉ膜（２μｍ）の形成方法のみを変えて、実施例１と同じ構造の光電変換素子９００を作製した。具体的には、ｐ+型多結晶Ｓｉ膜９０１（３０００Å）を形成した後、結晶薄膜製造装置１００ａにおけるレーザ照射を止めて、ｐ型非結晶Ｓｉ膜を２μｍ形成した。その後、このｐ型非結晶Ｓｉ膜にＹＡＧレーザを照射し、ｐ型多結晶Ｓｉ膜９０３を形成した。以降のプロセスは実施例１と同様である。
上記のようにして作製された光電変換素子の断面形状を観察したところ、ｐ型多結晶Ｓｉ膜の膜厚方向を横切る多数の結晶粒界が存在していた。そして、この光電変換素子の上面側からＡＭ１．５の太陽光を照射し、その特性を評価したところ、変換効率は５％しか得られなかった。
【００７６】
【発明の効果】
本発明による結晶薄膜製造装置は、成膜チャンバとレーザアニールチャンバの間で、連続的に基板を移動させる構成としているから、非結晶薄膜の成膜とレーザアニールによる結晶化とを交互に繰り返す事ができる。このため、数μｍ程度の厚膜の結晶膜を形成する場合においても、一回のレーザアニールで溶融すべき非結晶薄膜を薄くでき、エキシマレーザを使用する事ができる。その結果、低温プロセスにて、厚膜の高品質結晶を得る事ができる。
【００７７】
また、非結晶薄膜の成膜からレーザアニールまでを、一貫してインラインにて行う事ができるから、異なる装置間で基板のやりとりを行う必要がなくなり、大幅にスループットを向上させる事ができる。
そして、上記の装置によって形成される結晶薄膜を用いる事により、高変換効率の薄膜太陽電池のように、結晶薄膜素子の高性能化を図る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る結晶薄膜製造装置１００における連通口３および放電電極７の近傍の部分断面斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る結晶薄膜製造方法のフローチャートである。
【図４】本発明の変形実施例１に係る結晶薄膜製造装置２００の断面図である。
【図５】本発明の変形実施例２に係る結晶薄膜製造装置３００の断面図である。
【図６】本発明の変形実施例３に係る結晶薄膜製造装置４００の断面図である。
【図７】本発明の変形実施例４に係る結晶薄膜製造装置５００の断面図である。
【図８】本発明の変形実施例５に係る結晶薄膜製造装置６００の断面図である。
【図９】本発明の変形実施例６に係る結晶薄膜製造装置７００の断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る結晶薄膜素子９００を作製するために用いる結晶薄膜製造装置８００の断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る結晶薄膜素子９００の断面構造図である。
【図１２】従来技術を説明する図である。
【図１３】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１００，１００ａ，１００ｂ，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００：結晶薄膜製造装置
９００：結晶薄膜素子
１：成膜チャンバ，
２：レーザアニールチャンバ，
３：連通口，
４：基板，
５０４：シート状基板，
５：基板ホルダ，
６：移動機構，
６ａ：駆動部，
６ｂ：蛇腹部，
６ｃ：シャフト部
７，４０７：放電電極，
８：カバー体，
８ａ：第１カバー体，
８ｂ：第２カバー体，
８ｃ：底面部，
９：高周波電源，
１０：成膜用ガス供給手段，
１１：成膜用ガス排気手段，
１２：第１雰囲気ガス供給手段，
１３：第１雰囲気ガス排気手段，
２１：レーザ照射部，
２２：光学系，
２３：レーザ発振器，
２４：窓部
２５：第２雰囲気ガス供給手段，
２６：第２雰囲気ガス排気手段
４０，４０ａ，４０ｂ：非結晶Ｓｉ薄膜，
５０，５１，６０：多結晶Ｓｉ膜
３０１：チャンバ，
３０２：雰囲気ガス供給手段，
３０３：雰囲気ガス排気手段，
４０１：成膜用ガス供給口，
４０２：成膜用ガス排気口
５０１：第１リール，
５０２：第２リール，
５０３：第１リール室，
５０５：第２リール室，
５０６：対向電極
６０１：第１ローラ，
６０２：第２ローラ，
６０５：ローラ室
７０１：触媒体，
７０８：ガス流路形成部材，
７０８ａ：第１ガス流路形成部材，
７０８ｂ：第２ガス流路形成部材，
７０８ｃ：底面部
８０１：ゲートバルブ
９０１：ベースコート膜，
９０２：ｐ+型多結晶Ｓｉ薄膜，
９０３：ｐ型多結晶Ｓｉ膜，
９０４：ｎ+型多結晶Ｓｉ薄膜，
９０５：透明電極，
９０６：集電電極
Ｐ：プラズマ，ＬＢ：レーザビーム，  Ｆ，Ｆ１：ガス流路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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