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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

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SiH4＋H2常圧排気

連続Si結晶膜

移動する連続基板（ガラス、鉄板）

Heat-Beam CVD 装置

HB-CVDUnit 4P-Si800ºC

HB-CVDUnit 9SiN700ºC

HB-500ºC steamCleanerunit3

SOGPrintUnit 6700ºC

FormingUnit 10600ºC

TOCPrintUnit 7600ºC

metalPrintUnit 8400ºC

Steel Roll FeederUnit 1

HB-CVDUnit 5n-Si800ºC

目指す印刷式薄膜製造装置System to print PV cell on rolled steel

Steel pressUnit 2

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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

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substrate at a high temperature

CVD cool gas

Heater

SiH4を含むガス

瞬間加熱装置薄膜

Non-equilibrium CVD reactionby chemical heat beam

Equilibrium reactionBy substrate heating

移動

Usual CVD HB-CVD

HB-CVD の特徴HB-CVD の特徴

無限連続基板

film

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温度の深さ分布の推定イメージ（基板全体を加熱しない）

深さ

温度 HB gas

Substrate

Temperature Ts

Glass

ＨＢ

Temperature THB

Temperature THB

Temperature Ts

Scan

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

/Da: Pr; プランドル数uL/ : Re; レイノルド数L: 代表の長さ（定数）A: 実験に合わせこむ係数

基板内の熱移動

熱伝播係数: 実験式 d2/a=t1/2d: 厚みa:熱拡散率t1/2: 熱量半分の到達時間

: 動粘性係数Da: 流体の熱拡散率

u: 流体流速HB gas

Substrate

Glass

熱伝達熱移動

u

Scan

基板内の温度分布を推定

0

100

200

300

400

500

600

700

0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 0.140 0.160 0.180 0.200 0.220 0.240 0.260

温度

(℃)

深さ(mm)

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

時間

試料表面

基板内温度分布

～7.7ms間隔

200ms(End of scan)

7.7ms

17.3ms

合わせた実験温度

表面温度ガス速度依存性

スキャン速度 [cm/s]

HBガス速度 （m/s）

温度（℃）

0.17

0.33

0.25

0.5～

500550

600650

700

750800

850900

9501000

5 10 15 20

試料: 厚さ1mmm のガラス板ＴＨＢ：１０００℃

スキャン速度 Higher10 mm/min

加熱領域 スキャン速度が速いと加熱層が薄くなる

HBアニールの表面加熱特性－－スキャン速度と表面加熱層－－

0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45

400

450

500

550

600

650

700

750

800

10 30 50 70 90 110 130 150 170スキャン速度 (mm/min)

基板表面温度

(℃)

表面加熱層の深さ

(cm

)

MFC flow rate=10SLM20

4030

glass

２０ｃｍ

Poly crystalline Si formed from thick amorphous SiBy HB annealing at 800ºCat a scan speed of 100mm/min

12.7cm

Amorphous Si

Poly crystalline Si （left half）formed from thick amorphous Si（right half）by HB annealing at 800ºC

Poly crystalline Si

表面加熱の応用

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Hardened SiOC

Surface annealing at high temperaturesabove substrate limits to form a film

Polycarbonate sheet( PC, 0.1mm) with a coated SiOC filmannealed by HB at 600

glueglass

by a furnace ( 250ºC)

sheet

表面加熱の応用

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HB-CVD の思想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

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SiH4を含むガス

鏡面の薄膜

移動

HB-CVD

無限連続基板：移動する巨大核

気相に核となる粒子はない

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試作したHB-CVD室

ع15

Air isolating device

Air-free CVD space

<0.01-ppm oxygen

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HB-CVD printer deposits PV films HB-CVD printer deposits PV films

Push-pull air-stopper and substrate-bearing at a high temperatureup to 900ºC

＋－

－ ＋+

＋

－

－

0.01-ppm Air isolator

＜1mm separationP-type N-type

Glass or steel

p/n junction film (Si, Ge, SiC) on a substrate (Si, Al, steel, glass)

Atmospheric Air

PN

ＨＢ－ＣＶＤ proved a CVD-printer at a high temp.

HB-CVD tool （200~800ºC）

Silicon printed on glass（６５０℃）

15cm

Silicon

Experimental result of HB-CVD siliconfrom SiH4＋H2 system

Position0

10

20

30

40

50

60

70

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Thickness(nm）

成長シリコン膜のラマンシフト（cm-1）

519cm-1

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ＴＥＭ回折像

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

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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。