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 6700ºC

metal
Print
Unit 8400ºC

Forming
Unit 10600ºC

HB-CVD
Unit 9SiN
700ºC

TOC
Print
Unit 7600ºC

HB-CVD
Unit 5n-Si
800ºC

HB-CVD
Unit 4P-Si
800ºC

HB-500ºC
steam
Cleaner
unit3

Steel
press
Unit 2SteelRoll 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

filmsubstrate
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 beam5

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 gasGlass
Substrate

ＨＢ
深さScan6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
500200ms(End of scan)

400

時間

300〜7.7ms間隔
20010017.3ms
7.7ms

00.020 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]

9500.17

温度 （℃）

900
850

0.25
0.330.5〜

800
750
700
650
600
550
500
51015

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

0.350.30

650

40

600

0.25

500

30
0.20
200.15
MFC flow rate=10SLM

4500.05

4000.00

550

0.10

10 30

507090 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
glassglue
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

1515

HB-CVD printer deposits PV films＋ − ＋ −
P-type＜1mmseparation

N-type0.01-ppm Air isolator

Atmospheric Air+ − ＋ −NP

Glass or steel

Push-pull air-stopper andsubstrate-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℃）

SiliconThickness(nm）706050403020
10

Position012345678910111213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
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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。

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