(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質の担体と、それぞれ前面および背面の接点を形成する第１および第２の導電性の接点と、前記２つの接点間の少なくとも１つの半導体膜と、前記半導体膜と前記担体との間に設けられた単結晶または多結晶の種結晶膜とを有する半導体部品において、前記種結晶膜に面する前記多孔質の担体の表面が多結晶ＳｉＣを含む中間層によってシールされ、これによって種結晶材料が溶融したときに多孔質の担体へ浸透するのを防止することを特徴とする半導体部品。
【請求項２】
前記中間膜が、前記種結晶膜が堆積されたときにこれと前記中間膜との間の付着力が種結晶膜材料の凝集力よりも大きくなるように、粗くなっていることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項３】
前記中間膜が導電性の接点の１つであることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項４】
前記中間膜が多結晶ＳｉＣであることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項５】
前記中間膜が多結晶シリコンを含有する多結晶ＳｉＣであることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項６】
前記中間膜がホウ素、アルミニウム、窒素、および／またはリンでドープされている多結晶ＳｉＣであることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項７】
前記中間膜が前記半導体膜よりも低い屈折率を有することを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項８】
中間膜としての前記ＳｉＣ膜が１００Ω・ｃｍ以下の固有抵抗を有することを特徴とする請求項４記載の半導体部品。
【請求項９】
中間膜としての前記ＳｉＣ膜が０．０１Ω・ｃｍ以下の固有抵抗を有することを特徴とする請求項４記載の半導体部品。
【請求項１０】
前記多結晶ＳｉＣが、中間膜としての導電性の金属ホウ化物、金属炭化物または金属窒化物で置き換えられていることを特徴とする請求項４記載の半導体部品。
【請求項１１】
前記多結晶ＳｉＣに、導電性の金属ホウ化物、金属炭化物または金属窒化物が添加されていることを特徴とする請求項４記載の半導体部品。
【請求項１２】
前記中間膜の金属が、周期律系列の第３または第４族のうちの元素であることを特徴とする請求項１１記載の半導体部品。
【請求項１３】
前記担体がシリコンのそれに近い熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項１４】
前記担体が、５０μｍ＜Ｄ＜５ｍｍの厚さＤを有する高純度の静水圧圧縮されたグラファイトからなることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項１５】
前記担体が、２００μｍ＜Ｄ＜５００μｍの厚さＤを有する高純度の静水圧圧縮されたグラファイトからなることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項１６】
前記担体が、セラミック成分からなる材料であることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項１７】
前記担体が、少なくとも２種の成分を有する均一で等方的なセラミック材料であり、これらの材料は互いにおよびシリコンと異なる熱膨張係数を有し、得られる全体の熱膨張係数がシリコンのそれとほぼ等しくなるような割合で前記成分が混合され焼結されていることを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項１８】
多孔質の担体と、それぞれ前面および背面の接点を形成する第１および第２の導電性の接点と、前記２つの接点間の少なくとも１つの半導体膜と、前記半導体膜と前記担体との間に配置された種結晶膜とを有する半導体部品を、まず前記種結晶膜を堆積して横方向に結晶化した後、前記半導体膜を前記種結晶膜上にエピタキシャル堆積して製造する方法において、前記種結晶膜を堆積する前に、前記多孔質の担体の表面を、多結晶ＳｉＣを含む中間層によってシールし、これによって種結晶材料が溶融したときに多孔質の担体へ浸透するのを防止することを特徴とする半導体部品の製造方法。
【請求項１９】
前記担体と平行に延びる平面内において、結晶化した種結晶膜と前記種結晶膜の溶融部分との間に凸形状の固化輪郭線が得られるように、前記種結晶膜を横方向へ結晶化することを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記種結晶膜の溶融を、突出した領域において始めることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記種結晶膜の溶融を、前記種結晶膜の隅部において始めることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２２】
配向した核が前記担体中に挿入され、前記結晶化された種結晶膜の配向した横方向への結晶成長が起こるように、種結晶膜の堆積および溶融の間に前記核を部分的にのみ溶融させることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２３】
前記担体をシールする前記中間膜を、前記種結晶膜の堆積に先立って粗くすることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２４】
前記種結晶膜を、前記担体の方向において、傾いた温度勾配で横方向へ固化することを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２５】
前記種結晶膜を、結晶膜中の不純物が前記種結晶膜と前記担体との間で濃縮するように、横方向へ固化することを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２６】
前記種結晶膜を、その後エピタキシャル堆積される前記半導体膜がテクスチャー化された表面を伴って成長するように、配向させることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２７】
ＳｉＣの形態の前記中間膜を、前記種結晶膜の堆積に先立って、水素および少なくとも１種の揮発性のホウ素化合物との混合ガス中で焼き入れすることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２８】
ＳｉＣの形態の前記中間膜を、前記種結晶膜の堆積に先立って、水素およびＢＢｒ3 、Ｂ2 Ｈ6 またはＢＣｌ3 の形態の少なくとも１種の揮発性のホウ素化合物との混合ガス中で焼き入れすることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２９】
ある材料上に前記材料と異なる熱膨張係数を有するＳｉＣ膜を、温度Ｔ1 で堆積し、前記ＳｉＣ膜の堆積の後これを前記材料とともにＴ2 ＜Ｔ1 の温度まで冷却し、工程中にはがれるＳｉＣ膜材料を前記半導体部品の担体として用いることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項３０】
担体と、それぞれ前面および背面の接点を形成する第１および第２の導電性の接点と、前記２つの接点間の少なくとも１つの半導体膜と、多結晶ＳｉＣを含む中間膜を介して間接的に前記担体上に配置された種結晶膜とを有する半導体部品を製造するための、前記種結晶膜および半導体膜のうち少なくとも前記種結晶膜を反応チャンバー内でＣＶＤ法を用いて堆積でき、前記種結晶膜を溶融のための熱源に対して相対的に移動できる装置において、前記熱源が、電磁波を発生し、かつ前記種結晶膜中において凸形状の固化輪郭線を得るために、少なくとも前記種結晶膜に面する部分において湾曲した導体ループであることを特徴とする半導体部品の製造装置。
【請求項３１】
前記種結晶膜の上および下に延びる導体ループ部分を、前記種結晶膜の下側を通過する部分を、前記固化輪郭線と前記担体表面との間で先細の融液が得られるように、上部の部分に対して配置するように、配置したことを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３２】
前記担体に基礎温度に達するための温度輻射場を供給し、前記種結晶膜を溶融するために導体ループを用いて加えられる電磁波を発生できることを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３３】
前記担体および前記種結晶膜を、前記反応チャンバーの外部に配置された熱源で加熱することを特徴とする請求項３０記載の装置。
【請求項３４】
前記種結晶膜は１０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の半導体部品。
【請求項３５】
担体と、それぞれ前面および背面の接点を形成する第１および第２の導電性の接点と、前記２つの接点間の少なくとも１つの半導体膜と、前記半導体膜と前記担体との間に配置された種結晶膜とを有する半導体部品を、まず前記種結晶膜を堆積して横方向に結晶化した後、前記半導体膜を前記種結晶膜上にエピタキシャル堆積して製造する方法において、多結晶ＳｉＣを含む中間膜を堆積してグラファイトからなる前記担体をシールし、前記中間膜は前記種結晶膜を形成する材料の浸透を防止し、かつ前記種結晶に対してその融点より高い温度で熱的および化学的に安定であることを特徴とする半導体部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、担体と、それぞれ前面および背面の接点を形成する第１および第２の導電性の接点と、これらの接点間の少なくとも１つの半導体膜と、半導体膜と担体との間に配置され好ましくは１０μｍ以下の厚さを有する核形成または種結晶膜とを有する半導体部品特に薄膜太陽電池のような薄膜半導体部品に関する。また、本発明は、担体と、それぞれ前面および背面の接点を形成する第１および第２の導電性の接点と、これらの接点間の少なくとも１つの半導体膜または層と、半導体膜と担体との間に配置された核形成または種結晶膜または層とを有する半導体部品特に薄膜太陽電池のような薄膜半導体部品を、まずこの核形成または種結晶膜または層を担体上に付着した後溶融し、その後横方向へ結晶化し、その後半導体膜または層をこの核形成または種結晶膜または層の上にエピタキシャル堆積させる製造方法に関する。最後に、本発明は好適な半導体部品を製造するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大面積の半導体部品、特に太陽電池または薄膜トランジスタアレイを製造するためには、経済的な製造プロセスを確立することによって、コスト低減をめざしている。このことは、半導体物質を薄膜の形態で安価な担体（基板）上に堆積することにおいて試みられている。半導体膜としてのアモルファスシリコンに関しては、かなりの努力がなされているが、その成功にもかかわらず、部品の安定性の問題はまだ不満足にしか解決されていない。
【０００３】
代わりに、多結晶シリコンを担体上に薄膜の形態で堆積する可能性がある。これはどのような安定性の問題も大幅に取り除くであろうと期待されている。
【０００４】
従来の太陽電池においては、シリコンウェハの厚みは、背面接点における少数キャリアの再結合を避け、かつ太陽光の効率的な吸収のために、２００μｍ以上である。
【０００５】
ゲッツベルガー、第１５回ＩＥＥＥ光発電特別会議会報（Ｐｒｏｃ．１５ｔｈＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｐｅｃ．Ｃｏｎｆ．）、１９８１、キシミー（Ｋｉｓｓｉｍｅｅ）、フロリダ、ＵＳＡ、ｐ．８６７は、拡散背面反射板を用い、５〜２０μｍの膜厚でも効率的な光吸収を得る方法を示している。クノブロック（Ｋｎｏｂｌｏｃｋ），ボス（Ｖｏｓｓ）とゲッツベルガー、第１５回ＥＣ光発電太陽エネルギー会議会報（Ｐｒｏｃ．１５ｔｈ  ＥＣ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｆ．）、４月１５〜１９日、１９８５、ロンドン、ｐ．２８５は、結晶性の薄膜太陽電池について、２５％という理論的に可能な効率を計算している。
【０００６】
光によって発生した電荷キャリアが、半導体素子（特に太陽電池）の電界に達するためには、ベース材料の拡散長さが十分長くなければならない。
【０００７】
クノブロック（Ｋｎｏｂｌｏｃｋ），ボス（Ｖｏｓｓ）とゲッツベルガー、第１５回ＥＣ光発電太陽エネルギー会議会報（Ｐｒｏｃ．１５ｔｈ  ＥＣ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｆ．）、４月１５〜１９日、１９８５、ロンドン、ｐ．２８５の計算では、良好な集光効率を得るためには、２０μｍの膜厚に対してＬD ＝５０μｍ、１０μｍの膜厚に対してＬD ＝３０μｍ、５μｍの膜厚に対してＬD ＝２０μｍの拡散長が必要であることが示されている。再結合中心は、多結晶シリコンの表面および粒界に形成されるため、薄膜太陽電池の機能が達成されるためには、２つの条件、第１に境界面の良好なパッシベーション（表面パッシベーション、特に背面パッシベーション）、および第２に粒界パッシベーションまたはＧ＝２〜４・ＬD （Ｇ＝グレインサイズ）を有する大きなグレイン、が満たされなければならない。上記のことから、薄膜太陽電池の多結晶シリコンについて１００μｍ〜２００μｍというグレインサイズ、および有効で安定なパッシベーションという粒界条件に対する要求が得られる。また、粒界は基板表面に対して垂直に並ばなければならない。
【０００８】
さらに、電池の前面および後面は適当な基準によってパッシベートされなければならない。
【０００９】
この概念を実用上達成しようとすると、速い核形成速度により、薄い結晶質のシリコン膜の非単結晶基板上への堆積の間に、柱状で微粒状の成長がもたらされるため、根本的な性格を持つ困難にぶつかる。
【００１０】
文献にしばしば記載されるシリコン膜の堆積方法、例えば電子ビーム蒸着、ファン（Ｐ．Ｈ．Ｆａｎｇ）、シューベルト（Ｃ．Ｃ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ）、キニエル（Ｊ．Ｈ．Ｋｉｎｎｉｅｒ）、ダウェン・パン（Ｄａｗｅｎ  Ｐａｎｇ）、応用物理学会レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、３９（１９８１）２５６；チャールズ・フェルドマン（Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｆｅｌｄｍａｎｎ）、ブラム（Ｎ．Ａ．Ｂｌｕｍ）、サトキーウィッツ（Ｆ．Ｓａｔｋｉｅｗｉｃｚ）、第１４回ＩＥＥＥ光発電特別会議会報（Ｐｒｏｃ．１４ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｐｅｃ．Ｃｏｎｆ．）、１９８０、サン・ディエゴ、ｐ．３９１；ファン・ゾーリンゲン（Ｒ．Ｊ．Ｃ．ｖａｎ  Ｚｏｌｉｎｇｅｎ）、キッペルマン（Ａ．Ｈ．Ｋｉｐｐｅｒｍａｎｎ）、シン・ソリッド・フィルムズ（Ｔｈｉｎ  Ｓｏｌｉｄ  Ｆｉｌｍｓ）、５８（１９７９）、および１１００〜１３００℃における種々のクロロシラン化合物の水素での還元による熱ＣＶＤ法は、最大で２０〜３０μｍのグレインの成長をもたらす。
【００１１】
より高温において長時間焼き入れすると、シリコン膜中でのある程度の再結晶化により、より大きなグレインを形成できる、オーエンス（Ｃ．Ｄａｅｙ  Ｏｕｗｅｎｓ）、ハイリガーズ（Ｈ．Ｈｅｉｊｌｉｇｅｒｓ）、応用物理学会レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）、２６（１９７５）５７９。この場合、１００μｍまでのグレインサイズが得られるが、１０時間の焼き入れ時間および１３５０℃以上の温度でのみである。これらの条件下では、基板からシリコン膜への不純物のかなりの拡散を予想しなければならず、このことは太陽電池の品質に有害である。
【００１２】
ミリメートル以上のグレインサイズを有する多結晶シリコンウェハ上にエピタキシャリーにシリコン膜を堆積することにより、かなり大きな結晶が得られている、ワラビサコ（Ｔ．Ｗａｒａｂｉｓａｋｏ）、サイトウ（Ｔ．Ｓａｉｔｏｈ）、イトウ（Ｈ．Ｉｔｏｈ）、ナカムラ（Ｎ．Ｎａｋａｍｕｒａ）、トクヤマ（Ｔ．Ｔｏｋｕｙａｍａ）、日本物理学会誌、１７補遺（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１７Ｓｕｐｐｌ．）（１９７８）３０９；ロビンソン（Ｐ．Ｈ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）、ダイエロ（Ｒ．Ｖ．Ｄ´Ａｉｅｌｌｏ）、リッチマン（Ｄ．Ｒｉｃｈｍａｎ）、フォーグナン（Ｂ．Ｗ．Ｆａｕｇｈｎａｎ）、第１３回ＩＥＥＥ光発電特別会議会報（Ｐｒｏｃ．１３ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｐｅｃ．Ｃｏｎｆ．）、１９７８、ワシントンＤＣ、ｐ．１１１１。
【００１３】
ワラビサコ（Ｔ．Ｗａｒａｂｉｓａｋｏ）ら、日本物理学会誌、１７補遺（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１７Ｓｕｐｐｌ．）（１９７８）３０９は、冶金学的な純度の多結晶シリコンからつくられ、チョクラルスキー法にしたがって引上げられ、０．４ｍｍ厚さのウェハに切り出された基板を用いている。これらのウェハ上に、ＳｉＨ2 Ｃｌ2 をＨ2 で還元することにより、１１００〜１１５０℃で２０〜３０μｍ厚さのｐ型Ｓｉ膜を、１０００〜１０５０℃で０．５μｍ厚さのｎ+ ドープトＳｉを堆積している。同様な方法は、ロビンソン（Ｐ．Ｈ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）ら、第１３回ＩＥＥＥ光発電特別会議会報（Ｐｒｏｃ．１３ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｐｅｃ．Ｃｏｎｆ．）、１９７８、ワシントンＤＣ、ｐ．１１１１によって応用されている。しかし、この方法においては、シリコンウェハを個々に製造しなければならないため、経済的な利点が失われる。
【００１４】
チュー（Ｔ．Ｌ．Ｃｈｕ）、チュー（Ｓ．Ｓ．Ｃｈｕ）、デュー（Ｋ．Ｙ．Ｄｕｈ）、モレンコフ（Ｈ．Ｃ．Ｍｏｌｌｅｎｋｏｐｆ）、応用物理学会誌（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、４８（１９７７）３５７６は、エピタキシャルシリコンの堆積の基台として、グラファイト基板上の約２００〜５００μｍ厚さ（ｐドープト、０．００２〜０．００４Ω・ｃｍ）のシリコン膜を用いている。この膜はＳｉＨＣｌ3 のＨ2 による還元により生成している。
【００１５】
大きなグレインをつくるために、第２の方法では、膜を溶融し、結晶化する。ここでの障害はシリコンの大きな表面張力であり、これは基板上の溶融した材料を液滴へと収縮させ、これによって溶融帯域をとぎれさせる。しかし、狭い帯域を溶融することにより、この影響に打ち勝つことができる。その反応器は、水素でフラッシュされ、高周波コイルで加熱された石英管からなっている。Ｓｉ被覆された基板を、反応器内に設置された、誘導加熱されたＳｉＣ被覆のグラファイト棒（ヒーター）の下側を通過させる。熱いグラファイト棒は熱を輻射し、基板の端においてよりも中央において２ｃｍ広い溶融帯域を確保する。このようなＳｉ膜を結晶化した後、結晶化された基台上に２０〜３０μｍ厚さのｐ導電型シリコン膜、その後その上に０．２〜０．４μｍ厚さのｎ導電型エミッター膜をエピタキシャル堆積することにより、太陽電池を製造する。
【００１６】
カーバー（Ｍ．Ｋｅｒｂｅｒ）、ベッティニ（Ｍ．Ｂｅｔｔｉｎｉ）、ゴーニック（Ｅ．Ｇｏｒｎｉｃｋ）、第１７回ＩＥＥＥ光発電特別会議会報（Ｐｒｏｃ．１５ｔｈ  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ．Ｓｐｅｃ．Ｃｏｎｆ．）、１９８４、キシミー（Ｋｉｓｓｉｍｅｅ）、ｐ．２７５によれば、まず高濃度にドープされたｎ導電型のＳｉ膜をグラファイト基板上に堆積した後、輻射ヒーターとしてその上を通過するタングステンワイヤを用いることにより、溶融し再結晶する。この膜の最適な厚さは２０〜３０μｍであることが示されている。次に、光発電的に活性な６０〜１００μｍ厚さのｎ導電型の膜をエピタキシャル堆積する。引き続きＳｎＯ2 のスプレー熱分解により、９％の効率を有するＳＩＳ太陽電池を製造する。
【００１７】
反応チャンバー内の溶融帯域のためのヒーターが不活性ガス（Ｈ2 ）下にあるということは、両方の方法に共通である。したがって、溶融中には被覆工程を中断する必要があり、さもなければ反応器中のヒーターがＳｉで被覆されるであろう。
【００１８】
両方の方法に記載されているシリコン膜を再結晶化することは、最初に述べた２０〜５０μｍ厚さにすぎない多結晶シリコンからの薄膜太陽電池の製造には厚すぎる。また、これらの膜は、光発電的に有用な材料に必要な格子の完全性を有しておらず、要求される光発電特性を有する非常に厚いエピタキシャル膜を堆積しなければならないという結果をもたらす。
【００１９】
この結果、気相からの堆積に関して原理的に可能な経済的利点は、以下の理由により失われる。
【００２０】
１．大きな結晶をつくるために厚い膜を用いなければならないが、光発電の目的には格子特性が悪すぎる、
２．太陽光を効率的に吸収するための背面反射板がないため、その上に厚い膜を堆積しなければならない。
【００２１】
さらに、静水圧圧縮された高密度のグラファイト基板（１２％の気孔率）に関するわれわれ自身の試験では、グラファイトはシリコンが溶融したときにこれをしみ込ませ、薄いシリコン膜はグラファイト中に消滅し、このため再結晶できないことが示された。したがって、この方法では薄膜太陽電池を製造することができない。
【００２２】
最後に、ＤＥ−Ｂ  １  ２２３  ９５１は、少なくとも１つのｐｎ接合を有する半導体部品の製造方法を記載しており、そのなかでは溶融により核形成膜を担体上に堆積している。担体材料および／または不純物が半導体物質中に拡散し得るため、この半導体部品は長い期間で見れば、純粋かつ安定ではない。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の背景にある問題は、高効率の半導体部品を低コストで、同時に長期間にわたる半導体部品自体の安定性を保証しながら製造することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段と作用】
この問題は、単結晶または多結晶の種結晶または核形成膜または層に面する担体の表面をシールするか、または担体をシールする中間膜または層を核形成または種結晶膜または層と担体との間に配置するという本発明によって解決される。実施態様はサブクレームに示されている。
【００２５】
担体と、それぞれ前面および背面の接点を形成する第１および第２の導電性の接点と、これらの接点間の少なくとも１つの半導体膜と、この半導体膜と担体との間に配置された種結晶膜とを有する半導体部品特に薄膜太陽電池のような薄膜半導体部品を、まず種結晶膜を間接的または直接的に担体上に堆積して横方向へ結晶化し、次に半導体膜を種結晶膜上にエピタキシャル堆積して製造する方法は、担体が単結晶もしくは多結晶の種結晶膜を堆積する前に中間膜でシールされ、中間膜および種結晶膜に用いられる材料が、中間膜とその後付着される種結晶膜との間に、種結晶膜を形成する材料の凝集力よりも大きい付着力が存在するようなものであることを特徴としている。好ましい基準はサブクレームに記載されている。
【００２６】
最後に、担体と、導電性の前面および背面の接点と、これらの接点間の少なくとも１つの半導体膜と、担体上に間接的または直接的に配置された種結晶膜とを有する半導体部品特に薄膜太陽電池のような薄膜半導体部品を製造するための、少なくとも種結晶膜および好ましくは半導体膜をも反応チャンバー内でＣＶＤ法を用いて堆積でき、種結晶膜が溶融のための熱源に対して相対的に移動可能であって、熱源が、電磁波を発生し、かつ種結晶膜中において凸形状の固化輪郭線を得るために、少なくとも種結晶膜に面する部分において湾曲した導体ループであることを特徴とする装置が提案されている。
【００２７】
注目に値する特徴はサブクレームに記載されている。
【００２８】
本発明のより一層の詳細、利点および特徴は、請求の範囲およびこれらが単独でおよび／または組み合わせにより記載する特徴においてだけでなく、図面に示されるように以下の好ましい実施態様の記載においても示される。
【００２９】
本発明によって薄膜太陽電池を製造しようとする場合、どのような基板でも
（シリコンと同等な熱膨張係数を有することが好ましいが）用いることができる。グラファイトが好適である。
【００３０】
まず、緻密で微結晶で導電性の中間膜（シリコンよりも低い屈折率を有することが好ましいが）を、担体上に１〜１００μｍ好ましくは１０〜６０μｍの膜厚で堆積する。この中間膜はグラファイトのような多孔質の担体をシールするために用いられ、同時に背面接点および拡散反射板の両方となる。意図している堆積条件では、金属はシリコンと反応して合金を形成するため、膜材料として安定な化合物が必要である。本発明においては、種々の金属ホウ化物、金属炭化物または金属窒化物のなかの導電性のセラミック材料が特に好ましく、好ましい化合物は第３主族または第４主族の元素を含み、遷移元素を含まないものである。これは、後者が低濃度であってもシリコン中での拡散の間に太陽電池を劣化させるためである。
【００３１】
同様に、限定されたピークから谷までの高さを有するドープされた炭化シリコン（ｐ導電型に対してはボロンドープトまたはアルミニウムドープトＳｉＣ、ｎ導電型に対しては窒素ドープトまたはリンドープトＳｉＣ）は、その表面構造のおかげで拡散的に反射する表面を示すため、シリコンよりも特に有用であることがわかった。ＳｉＣの低い屈折率を考慮すれば、Ｓｉ／ＳｉＣの境界面では光線がシリコンから出たときに全反射が起こる。これは、ひいては拡散的に反射するＳｉ／ＳｉＣ境界面になる。
【００３２】
ドープされたＳｉＣ膜はドープされたシリコンを含んでいてもよい。ＳｉＣ膜は、加熱された基板およびメチルトリクロロシラン（ＣＨ3 ＳｉＣｌ）と水素を用い、ＣＶＤ法によってつくることができる。また、ＣＨ3 ＳｉＣｌの代わりに、Ｓｉを含有するクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3 、ＳｉＣ4 、ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ）またはＳｉＨ4 およびメタンを用いることができ、組み合わせてもよい。
【００３３】
ｐ導電型を得るためには、少量のドーパントガス、例えばボロンドープに対してはＢＣｌ3 、ＢＢｒ3 、Ｂ2 Ｈ6 、アルニミニウムドープに対してはＡｌＣｌ3 、Ａｌ（ＣＨ3 ）3 を添加する。
【００３４】
ｎ導電型を得るためには、ＮＨ3 もしくはＮ2 、またはそれぞれＰＨ3 もしくはＰＣｌ3 をドーパントガスとして用いることができる。
【００３５】
その後、大きな単結晶領域を有する半導体膜を、微結晶の中間膜を有する担体上に堆積するためには、以下の方法が選択される。
【００３６】
まず、薄い連続的な種結晶膜を、何らかの製造方法、好ましくは熱ＣＶＤ法
（９００〜１３５０℃におけるＨ2 中でのＳｉＨＣｌ3 またはＳｉＣ4 の還元）を用いて堆積する。その後、種結晶膜を少なくとも部分的に溶融し、基板表面に対して平行なまたは担体に集中する温度勾配によりゆっくりと固化する。
【００３７】
この結果、Ｓｉ核が基板上のある点で形成され、冷却の間に種結晶膜の上で横方向へ成長するので、このようにして膜厚の薄い大きなグレインを製造できる。
【００３８】
一旦種結晶膜が完全にまたは部分的に固化すると、光発電的に好適な膜を低温で種結晶膜上にエピタキシャリーに堆積できる。
【００３９】
シリコンは液滴を形成しやすいので、本発明では溶融した種結晶のＳｉ膜が液滴を形成しないことを保証することが重要である。特に膜厚が厚いと、この問題に直面する。この問題は、Ｓｉと中間膜材料との付着力が、Ｓｉ液滴中の凝集力を上回るほど薄い中間膜を選択することにより解決できる。
【００４０】
ＳｉＣ中間膜はシリコンでよく濡れる（磨いたＳｉＣ膜上でシリコン液滴をつくっている間、良好なぬれの証拠として４〜６°の接触角が測定された）。
【００４１】
液体シリコン中の表面張力が持つ液滴形成作用は、液体シリコンに対して毛細管として働く微視的に小さいキャビティまたはくぼみをつくることによる、中間膜表面の好適な構造化によって補償することができる。これは、ぬれやすい中間膜を粗くすることによる特に単純な方法において、例えば１〜２μｍの平均のピークから谷までの高さを有するＳｉＣ中間膜において達成できる。このような毛細管力により、１０μｍ厚さ以下のシリコン種結晶膜を、液滴を形成することなく中間膜の全表面上で維持できるが、種結晶用としては１〜４μｍの膜厚を用いることが好ましい。
【００４２】
【実施例】
膜は以下に記載するようにして製造される：
石英反応管３をＣＶＤ反応管として用い（図１）、そのなかで導電性の中間膜１を有する担体をグラファイト製のホルダ２上に置く。この中間膜はＳｉＣからなるものでよい。中間膜を有する担体を、高周波コイル４を用いて約１１００℃の温度まで誘導加熱する。次に、Ｈ2 およびＳｉＨＣｌ3 またはＳｉＣｌ4 を、予め排気しガスでフラッシュした管の中に導入し、熱い基板上に種結晶膜として１〜１０μｍ好ましくは４μｍのシリコン膜を堆積する。
【００４３】
種結晶膜の堆積後、膜の温度を１４５０℃（シリコンの融点以上）まで上げ、膜を溶融する。その後、膜を冷却し、４隅から始めて内側に移動しながら横方向へ固化する（図１：固化膜６、融液５）。
【００４４】
固化を完了した後、基板を約１１００℃まで再び冷却する。この時点で半導体膜を堆積することができる。このようにして、基板表面に対して垂直な粒界および１００μｍ〜３００μｍのグレインサイズを有する連続的な膜構造（図６参照）を得る。
【００４５】
原理的には、このような製造は、シリコンでぬれるが材料がシリコンを吸い込まない程度に低い多孔性を有するどのような材料でも可能である。どのような基板材料でも用いることができるが、種結晶膜に面するポアのない表面という境界条件と、高温下および用いられる媒体に対する熱的および化学的な安定性を満足しなければならない。
【００４６】
しかし、担体に対してこれらの全てを保証しより高価ではない材料を用いるために、本発明は担体表面を微結晶で緻密かつ導電性のＳｉＣ膜で被覆することを提供する。このＳｉＣ膜は、約１〜２μｍという表面でのピークから谷までの高さ（ＲA 値）を有する長い柱状の微結晶からなることが重要である。膜厚は２０〜１００μｍ、ピークからピークまでの距離は約１〜５μｍであることが好ましい。
【００４７】
上記の結果から目的を達成するための２つの可能性があり、これらは以下に個々に記載される。
【００４８】
ケース１
ＳｉＣ中間膜と担体との間を良好に付着させる。そして、この担体を中間膜の下側に残したまま、本来の担体を形成する。できるかぎりシリコンに近い熱膨張係数（４×１０-6Ｋ-1）を有する材料が用いられるべきである。
【００４９】
基板の表面は多孔性を有していてもよく、高度な要件は提示されない。高温安定性が必要である。必要とする熱膨張係数は、少なくとも２種の成分、一般的にはｎ種の成分を混合したものを用い、微粒状の粉体をシリコンからの熱膨張係数の相違を補償する量の物質とともに均一に混合することによって得られる。
【００５０】
ケース２
また、最初に炭化シリコン（４×１０-6Ｋ-1）とは明確に異なる熱膨張係数、好ましくは８〜９×１０-6Ｋ-1を有するある物質（好ましくはグラファイトタイプ）上にＳｉＣ膜を堆積するのも、可能な解決法である。
【００５１】
冷却すると、ＳｉＣ膜がはがれる。この膜を今度はＳｉ被膜に対する担体物質として用いることができる。グラファイト膜は再度用いることができる。
【００５２】
ＳｉＣ中間膜は、通常では多孔質の担体基板材料をシールし、これによって種結晶膜材料（液体シリコン）が溶融したときに多孔質の基板材料中へ浸透するのを防止する。また、粗さによって得られるμｍレンジのキャビティ構造は、毛細管力のおかげで担体表面のぬれ性を大幅に改善させる。この膜が十分な導電性を有するならば、絶縁体を基板材料として用いることもでき、このことは多結晶薄膜モジュールの高集積直列接続のための前提条件となる。１０μｍ以下の液体Ｓｉ膜は、液滴を形成することなしに、平坦に維持できる。これによって、基板の表面粗さと比較して液膜を厚くでき、低欠陥の横方向への結晶成長が薄膜中で得られるという結果をもたらす。
【００５３】
ＳｉＣ中間膜をＢＣｌ3 ／Ｈ2 混合物中において高温（１１００〜１５００℃）で焼き入れすることにより、または堆積の間にＳｉＣ中間膜にボロンをドープすることにより、結晶成長をより一層改善できる。このようにしてＳｉＣ表面を修正すると、ピークから谷までの高さを顕著に変化させることなく膜の粗さが均等になるので、平方ミリメートルの大きさの単結晶領域の成長も可能になる。
【００５４】
前述した図１のテスト装置により、すでに数平方ミリメートルの大きさの単結晶領域をつくることができる。
【００５５】
以下（図２）に記載される装置では、より一層改善できる。
【００５６】
担体１を、担体上で９００〜１３５０℃の基礎温度をつくる輻射場８、好ましくは２つの輻射場の間に配置する。
【００５７】
反応器としての石英管３が反応場の内部にあり、その中を反応ガスとしてクロロシラン化合物、好ましくは好適な混合比のＳｉＨＣｌ3 、ＳｉＣｌ4 と水素を通過させる。石英管３を強く空冷すると、石英の壁面が過度に加熱されないので、反応生成物で壁面が被覆されるのが避けられる。担体または基板１の上に、基板１の上方で動くことができる、なるべく湾曲した導体ループ７を設ける。この導体に高周波または中波電流を流すと、基板の狭い帯域をＳｉの融点より高い温度まで誘導加熱することができる。
【００５８】
次いで、まず１〜１０μｍ好ましくは４μｍの薄いシリコン種結晶膜を、９００〜１３５０℃好ましくは約１１００℃で堆積する。その後、コイルを種結晶膜の上方を一定の速度で、狭い溶融帯域が種結晶膜を横切るように動かす。冷却の間にこの材料は結晶化するので、大きなグレインが形成される。この時点で、Ｓｉ膜のような半導体膜を、基礎温度で、固化した種結晶膜上に、エピタキシャル堆積することができる。
【００５９】
曲率を有する高周波導体ループ７（図３）を設計すれば、横方向への結晶化の間における核の選択により、さらに結晶成長を増大させることができる。種結晶膜は、規定の方向を持っていてもよい凸状の固化輪郭線を伴う全体的な工程の間に結晶化する。図３においては、微結晶Ｓｉ種結晶膜９、狭い溶融帯域１０、および結晶化した種結晶膜１１が認められる。相の境界（１０から１１への転移）は形状的に凸状である。このことは、チューら、物理学会誌（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、４８（１９７７）３５７６（それによると凸状の溶融帯域のために凹状の固化輪郭線が発生する）との実質的な相違である。凸状の固化輪郭線は、安定な結晶成長に必須である。
【００６０】
この装置を用いることにより、この時点で太陽電池のような部品または担体／背面接点／ｐ−Ｓｉ膜／ｎ−Ｓｉ膜のような半導体構造を製造することができる。まず、石英管を排気してフラッシュする。その後、背面接点材料で被覆された担体を反応器に入れ、輻射型の加熱を用いて９００〜１３５０℃まで加熱する。反応ガスすなわちＨ2 、ＳｉＨＣｌ3 、ＢＣｌ3 を導入した後、薄い種結晶膜を担体上に堆積する。
【００６１】
その後、種結晶膜を帯域ベースの溶融操作によって溶融し、凸状の固化輪郭線でゆっくりと結晶化する。厚い多結晶ｐドープトＳｉ膜を種結晶膜上に堆積する。その後、チャンバーを排気し再びガスを送り、リンドープトｎ導電型の膜（０．１μｍ〜数μｍ厚さ）を堆積する。この半導体膜を規定の方法で冷却する。その後、この試料にスクリーン印刷された前面格子をつける。
【００６２】
エピタキシャル膜と種結晶膜との間の境界面での電荷キャリアの再結合のパッシベーションのために、種結晶膜をボロンで高濃度ドープすることにより、背面電界をつくる。
【００６３】
この種結晶膜は基板からの不純物を捕捉するための格子膜としても用いられる。
【００６４】
少量の単結晶材料を基板中に挿入することにより、種結晶膜の選択的な配向が可能になる（図４）。（１００）配向を有する単結晶核１３を、その表面が担体表面と同一平面となるように、担体中に挿入する。約１０００℃の基礎温度に達した後、Ｓｉ核を含む担体を薄いＳｉ種結晶膜で被覆する。その後、誘導コイル１７を担体上方で移動させ、種結晶膜を溶融する。溶融したＳｉ種結晶膜１５はより導電性が高いことから、電気エネルギーがより多く入力されるため、種結晶膜は担体よりも約１００℃温度が高い。この工程は、その直径が小さいことを考慮しかつ担体の冷却作用のために核が部分的にのみ溶融するように制御する。
【００６５】
固化の間に、核の配向が結晶化している種結晶膜にとって効果的になるようにできる。この方法により、多結晶基板１２上に単結晶の配向した種結晶膜１４を得ることもできる。
【００６６】
さらに、固化輪郭線１６が基板表面に対して垂直ではなく、表面で最初に固化するＳｉ種結晶膜に対して浅い角度となるように、横方向への固化工程を制御することにより、種結晶膜１４したがって引き続くエピタキシャル半導体膜の清浄化を達成できる。
【００６７】
これは、導体ループすなわち図３の７および図４の１７を、ある角度をなして配置するかまたは膜の上方の部分でのみ凸形状に設計する（図３）ことにより、達成できる。基板上の欠陥はもはや種結晶膜の表面にいかなる影響ももたらさない。このことは単結晶膜の成長の前提条件である。また、１未満の分配係数を有する不純物は、シリコン／基板境界面（担体）（または背面接点）で濃縮され、膜中には濃縮されない。
【００６８】
種結晶膜の好適な基準配向を選択することにより（例えば１００または１１１配向）、エピタキシャル膜は太陽電池に好都合な構造を備えることができる。図７は、この種の表面のピラミッド型の成長を示す。これらのピラミッドにおいて、光は良好に捕捉および偏向される。これはひいては光吸収を改善する。
【００６９】
図５は記載された方法を用いて作製された薄膜太陽電池の構造を示している。この図において、１８は担体（グラファイト基板またはセラミック基板）である。この担体上に導電性のＳｉＣ中間膜１９を堆積する。これは、好ましくは２０〜１００μｍ厚さ、ｐ導電型であり、１〜２μｍの表面粗さを有し、同時にシーリング膜、拡散反射板および背面接点として作用する。
【００７０】
薄い種結晶膜２０（好ましくは４μｍ厚さ、ｐ導電型で高濃度ドープされている）を、その上に形成する。その後、光発電的に感応性のエピタキシャル膜２１（５μｍ〜４００μｍ好ましくは１０〜３０μｍの膜厚）を、その上に堆積する。この上には、ｎ型膜２２および前面接点２３がある。膜２２の代わりに、エピタキシャル膜２１の上にＭＩＳ反転膜太陽電池を作製してもよい。
【００７１】
以上では本発明による原理を薄膜太陽電池を基にして述べたが、本発明によればフォトダイオードまたは薄膜トランジスタアレイのような半導体部品を製造することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体部品を製造するための装置の原理的な概略図。
【図２】半導体部品を製造するための装置の他の具体例を示す概略図。
【図３】種結晶膜を溶融するための熱源の具体例を示す概略図。
【図４】再結晶化工程を示す原理的な概略図。
【図５】半導体部品の構造を示す断面図。
【図６】種結晶膜および半導体膜からなる膜構造の断面図。
【図７】半導体部品のエピタキシー膜の構造を示す概略図。
【符号の説明】
１…中間膜、２…ホルダ、３…反応管、４…高周波コイル、５…融液、６…固化膜、７…導体ループ、８…輻射場、９…Ｓｉ種結晶膜、１０…溶融帯域、１１…結晶化した種結晶膜、１２…多結晶基板、１３…単結晶核、１４…種結晶膜、１５…溶融したＳｉ種結晶膜、１６…固化輪郭線、１７…誘導コイル、１８…担体、１９…ＳｉＣ中間膜、２０…種結晶膜、２１…エピタキシャル膜、２２…ｎ型膜、２３…前面接点。
【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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