JP2009542921A - 多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置及び方法 - Google Patents

Abstract

多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置は、未堆積ガスを回収する排気システムを有する、多結晶シリコンを堆積させるためのチャンバと、堆積ゾーンを定める堆積表面を有するターゲット基板を保持するため堆積チャンバ内に位置する支持体と、堆積チャンバ内に位置し且つ支持体から離間して配置された、少なくとも１つの誘導結合プラズマトーチとを含み、少なくとも１つの誘導結合プラズマトーチは、堆積表面に実質的に垂直なプラズマ火炎を発生させ、プラズマ火炎は、堆積表面に多結晶シリコンの層を堆積させるため少なくとも１つの前駆体ガス源を反応させて多結晶シリコンを生成する反応ゾーンを定める。
【選択図】図１

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００６年７月７日に出願された米国特許仮出願第６０／８１８，９６６号の利益を主張する。

本発明は、多結晶シリコンを作製するための装置及びプロセスに関する。

石油価格の上昇が続き、他のエネルギー源は限定されているので、化石燃料燃焼のエミッションによる地球温暖化への圧迫が高まっている。制限がなく二酸化炭素を発生しないという理由から太陽エネルギーなどの代替エネルギー源を見つけて利用することが求められている。このため、多くの国々で、安全且つ信頼できる長期的な動力源、特に「グリーン」又は「クリーン」なエネルギー源への投資が増大している。光起電力セル又はモジュールとしても知られるソーラセルが長年にわたって開発されているが、それにもかかわらず、これらのセル又はモジュールの製造コストは依然として高く、化石燃料が発生するエネルギーに匹敵することは困難であるので、ソーラセルの利用は極めて限定されていた。

現在のところ、単結晶シリコン・ソーラセルは最良のエネルギー変換効率を有するが、製造コストが高いことも伴っている。代替的に、多結晶シリコンは、単結晶シリコン程の高い効率はないが、生産が遙かに安価である。したがって、多結晶シリコンは、低コストの光起電力発電の可能性を有している。単結晶インゴットを作製するための１つの公知の方法は、浮遊帯域法を使用して多結晶シリコンロッドを再処理するものである。別の公知の方法は、種晶を使用して多結晶シリコンナゲットが充填された溶融坩堝から溶融シリコンを引きだすチョクラルスキー法である。

更に、多結晶シリコンを作製する一部の従来技術のプロセスは、クロロシランを使用しており、これは、抵抗加熱フィラメントによって解離されてシリコンを生成し、次いで釣鐘型反応器の内側に堆積される。トリクロロシランを用いて半導体グレードシリコンを作製した後、これらのクロロシランを再利用することは広く知られている。また、様々な原材料を用いてポリシリコンを作製した後に未反応化学物質を再処理する多くの試みがあった。それにもかかわらず、これらのこれまでの試みは堆積速度があまり高くはない。

別の試みは、クロロシランを有する高圧プラズマを使用して多結晶シリコンを作製し、次いで、未反応化学物質を再利用することである。この試みにおいて、堆積は基板の内側壁上で行われ、基板から最終的に分離することになるシート型シリコンが形成され、従って追加のプロセスステップが必要とされる。

加えて、通常のプロセスでは、（i）多結晶シリコンの製造、（ii）単結晶又は多結晶のインゴット又はブロックの作製、（iii）インゴット又はブロックからのウェハの作製、（iv）次いで、コストのかかる拡散プロセスによるｐ型ドーピング及びｎ型ドーピングのステップを含むセルの作製によるソーラセルの形成を含む。ｐ型及びｎ型ドーパントは、半導体材料のｐ−ｎ接合を形成する。このステップは通常、薄膜層が既に堆積された後、極めて低速の拡散炉内で行われ、したがって、ソーラセルを効率的に製造するプロセス全体が更に遅くなる。

加えて、従来技術の方法は、プラズマ火炎流に平行な堆積表面を有し、従って収集効率が遙かに低くなる。ガス状シリコン水素化物は、高周波プラズマ化学蒸着プロセスを用いて堆積され、水平なシリコン・コアロッド上にシリコンを堆積させる。堆積装置の方向により、多くのシリコン生成物が装置から排出される。

シリコンを製造するための更なる公知の従来技術の方法は、シリコンロッド内に内部応力を生じさせる。内部応力を低減させる試みは、基本ジーメンスプロセスに従って、釣鐘内でシリコンロッドを作製するものであり、当該プロセスステップは：トリクロロシラン及び水素を含むガス雰囲気内のシリコンコア材料を加熱してシリコンコア材料上にシリコンを堆積させ、多結晶シリコンロッドを生成するステップと、多結晶シリコンロッドの表面温度がシリコンの堆積反応温度よりも高く且つ１０３０℃以上であるように、多結晶シリコンロッドを空気と接触させることなく電流を印加することによって多結晶を加熱するステップと、可能な限り急速に印加電流を低下させることによって加熱後に電流を遮断し、これにより多結晶シリコンロッドの内部歪み速度の低減を試みるステップがある。理解できるように、このプロセスは追加の複数のステップを含む。

ハロゲン化シリコンプラズマ源から多結晶シリコン金属を生成させる別の試みでは、ハロゲン化シリコンは、誘導結合されたプラズマ内でシリコンイオンとハロゲン化物イオンとに分解され、次いでシリコンイオンは凝縮して溶融シリコン金属を形成し、これを真空鋳造してポリシリコンインゴットにすることができる。更に、含有ガスはフッ素及び塩素である。フッ素及びフッ化水素は腐食性が高く、したがって、設備を構築するために特別な耐食性材料を必要とし、これらの化学物質を取り扱う際に特別な注意を払う必要がある。

これらの問題に対処する試みに関する情報は、１９８１年９月２９日にＳａｒｍａ他に付与された米国特許第４，２９２，３４２号；１９８２年１月５日にＳａｒｍａ他に付与された第４，３０９，２５９号；１９８２年５月２３日にＳａｒｍａ他に付与された第４，３２１，２４６号；１９８５年１月１日にＬｅｓｋ他に付与された第４，４９１，６０４号；１９８６年５月２０日にＬｅｓｋ他に付与された第４，５９０，０２４号；１９９９年１１月２日にＫｕｂｏｔａ他に付与された第５，９７６，４８１号；２００３年１月７日にＹａｔｓｕｒｕｇｉ他に付与された第６，５０３，５６３号；及び２００５年８月９日にＫｅｌｓｅｙに付与された第６，９２６，８７６号で見出すことができる。

上述の問題は、本出願で開示された多結晶シリコンを作製するための本発明のプラズマ堆積装置及び方法によって解決され、技術的進歩が得られる。本プラズマ堆積装置は、好ましくは誘導結合プラズマトーチのセット又は複数の誘導結合プラズマトーチを有する堆積チャンバを含む。誘導結合プラズマトーチは、ターゲット基板の堆積表面から実質的に垂直の向きにされ、ターゲット上に大きな堆積面積をもたらす。堆積表面に対し実質的に垂直であることにより、誘導結合プラズマトーチの端部近くの反応ゾーンで生成された多結晶シリコンは、実質的に垂直な平面の堆積表面に向けて直接流れる。加えて、本プラズマ堆積装置は、堆積中にターゲット基板を回転させて、堆積表面上に多結晶シリコンの均一な層を生じさせる。また、支持体は、堆積中にターゲット基板を誘導結合プラズマトーチから離れて移動させ、誘導結合プラズマトーチと堆積表面との間に一定又は固定の距離を設けるようにする。

多結晶シリコンを作製するための本方法により、別個のプロセスとしてのポリシリコンの製造が排除され、更に、その後に行われる付加的なｐ型及びｎ型ドーピング処理ステップが排除される。加えて、多結晶シリコンを作製するための本方法はまた、本装置により再処理のために未反応又は未堆積化学物質を収集し再利用することができるので、同じ原材料を使用及び再使用することができる。多結晶シリコンを作製する本方法は、基板と異なる種類の材料は使用せず、したがって、分離のための追加のプロセスは存在しない。多結晶シリコンを作製する本方法により、従来型の堆積方法に見られるような、付加的なプロセス損失を生じる可能性のある追加の処理ステップが排除される。更に、多結晶シリコンを作製する本方法はまた、基板の可能性のある汚染を最小限にする。

多結晶シリコンを作製するための本方法は、ターゲット領域の寸法に対する制限がなく、且つ生成されたシリコンインゴットを除去して連続プロセスを提供することができる。多結晶シリコンを作製するための本方法はまた、堆積ゾーンから反応ゾーンを分離させる。このようにすることによって、より高い化学反応効率となるように反応ゾーンのプロセス温度を熱力学的に最適化することができる。更に、堆積ゾーンでは、より良好な堆積効率及び生成物品質にとって最適な温度を得ることができる。シリコンインゴットの堆積表面は、誘導結合プラズマトーチのプラズマ火炎に実質的に垂直に面するので、より大きい収集又は堆積表面がシリコン堆積に利用可能である。本明細書で開示された垂直方向の堆積法は、ロッド型のような曲面の堆積で得られるよりも高速の堆積速度を有する。

新規プロセスは、堆積表面ターゲットに実質的に垂直に整列した少なくとも１つの誘導結合プラズマトーチを用いて、ターゲットの垂直軸上にシリコンを堆積させる。２つ以上の誘導結合プラズマトーチを使用すると、堆積速度が更に大きくなり、ターゲットの堆積面積が増大して、ソーラセルの製造コストを更に低減することができる。本プロセスは、より高速の堆積速度を有し、連続したフロープロセスとして設計することができるので、当該プロセスは多結晶シリコンの製造コストを大幅に低減することができる。プロセスの新規設計は、反応プロセスと収集プロセスとのより良好な分離を可能にする。この設計によって、本装置は、高い反応温度、従って高い反応変換を達成すると同時に、より適最適な収集温度を提供する。

多結晶シリコンを作製するための新規の方法及び装置は、ワンステップで且つ極めて高速の堆積速度でドープ又は非ドープのシリコンインゴットを生成し、したがって、標準的な多結晶シリコン製造プロセスよりも遙かに少ない設備投資で多結晶原材料から経済的に完成及び半完成シリコンインゴットを生成する。加えて、ホウ素又はリンなどのドーパントは、ｐ型又はｎ型インゴットを生成するように同時に堆積され、したがって、セル製造プロセスの下流での高価な拡散プロセスを排除することができる。多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置及び方法は更に、より良好な堆積制御及びより均一なドーパント分布を提供すると共に、従来型プロセスでの拡散ステップを排除し、よってドープシリコンのより高い生産速度がもたらされる。

また、多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置及び方法は、プロセスガス及び未堆積化学物質の大部分を収集、分離、及び再利用することができる。その結果、これらの未反応化学物質は、単結晶シリコン又は多結晶シリコンの何れにも更に加工することができる。

多結晶シリコンを作製するための本方法は、釣鐘型反応器を使用せず、従来技術のプロセスに関連する同様の応力問題に直面する可能性が極めて低くなる。これは、シリコンがターゲット基板の端部上に堆積され、したがって、従来技術が処理する半径方向での温度差がより小さくなることに起因し、更に、ターゲット基板が堆積中に回転することに起因する。加えて、本発明の新規プロセスは、多結晶シリコンインゴットを作製するワンステップ堆積プロセスであり、真空鋳造ステップを必要としない。本プロセスは、製造プロセスを簡素化し、多結晶シリコンを製造する設備投資及び運転コストを低減させることになる。

本発明の実施形態による、多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置の側断面図である。 本発明の別の実施形態による、チャンバ内に収容された基板に対する複数のプラズマ堆積トーチを含むプラズマ堆積装置の平面図である。 本発明の別の実施形態による、図２の堆積チャンバ内に収容された基板に対する複数のプラズマ堆積トーチを含むプラズマ堆積装置の側面図である。 本発明の別の実施形態による、堆積チャンバ内に収容された基板に対する傾斜誘導結合プラズマトーチを含むプラズマ堆積装置の側面図である。 本発明の実施形態による、多結晶シリコンを作製するプロセスのフロー図である。

図１は、支持体１０３によって保持された支持ターゲット基板１０４の下方に位置決めされた誘導結合プラズマトーチ１０２を含む、プラズマ堆積装置の実施形態１００を示している。ターゲット基板１０４は、ソーラセルの技術分野で一般に知られている寸法を含む、何れかの所望の寸法とすることができる。この実施形態では、誘導結合プラズマトーチ１０２は、ターゲット基板１０４の堆積表面１０６上に反応生成物を堆積するため上方に向けられている。別の実施形態では、誘導結合プラズマトーチ１０２は、ターゲット基板１０４に対して別の方式又は方向に向けられ或いは配向することができる。誘導結合プラズマトーチ１０２は、２つの同軸石英管、すなわち外側石英管１０８と短い内側石英管１１０とからなり、これらはステンレス鋼チャンバ１１２に取り付けられるように図示されている。

通常、外側石英管１０８及び内側石英管１１０の直径及び高さ又は長さは、外側石英管１０８及び内側石英管１１０の所望の用途に適合するようなあらゆる寸法とすることができる。好ましくは、内側石英管１０８は、外側石英管１０８よりも長さが短い。また好ましくは外側石英管１１０は、約５０ミリメートル（「ｍｍ」）から約９０ｍｍの範囲の直径と、約１８０ｍｍから約４００ｍｍの範囲の高さとを有する。より好ましくは、外側石英管１０８の直径は約７０ｍｍであり、高さ又は長さは２００ｍｍである。好ましくは、内側石英管１１０は、約５０ｍｍから約７０ｍｍの範囲の直径と、約１２０ｍｍから約１８０ｍｍの範囲の高さとを有する。より好ましくは、内側石英管１１０の直径は約６０ｍｍであり、高さは約１５０ｍｍである。

ターゲット基板１０４は、インゴット又は他の形態の多結晶シリコン基板とすることができる。この実施形態では、堆積表面１０６は、誘導結合プラズマトーチ１０２に対して実質的に垂直である。好ましくは、支持体１０３は、ターゲット基板１０４をその軸線１０７の周りに回転させる。加えて、支持体１０３は更に、堆積表面１０６上に堆積されるときにターゲット基板１０４が誘導結合プラズマトーチ１０２から離れて移動され、シリコン層が堆積プロセス中に距離「Ｌ」を一定に維持するようにする。シリコンの堆積は、基板の堆積表面１０６上で発生し、この活動の領域は一般に、堆積ゾーン１０５として知られている。「Ｌ」で示された、コイル１１４の最上部分とターゲット基板１０４との間の距離は、堆積温度に応じて約１０ｍｍから約４０ｍｍの範囲である。支持体１０３は、堆積プロセス中にターゲット基板１０６を支持、回転、及び／又は移動できるあらゆるタイプの機械的支持体とすることができる。好ましくは、支持体１０３は、高温に対して耐性があり、堆積ターゲット１０４を上下に移動させ且つ堆積ターゲット１０４を回転させる間、堆積ターゲット１０４を支持するのに十分な機械的強度を有する。１つの実施形態では、支持体は、堆積ターゲット１０４に接続されているロッド形の剛性部材である。更に支持体は、堆積ターゲット１０４を回転させるためモータに結合させることができる。１つの実施形態では、支持体１０３は、石英ロッド又は高温耐食性のステンレス鋼ロッドである。

堆積ゾーン１０５に加え、プラズマ堆積装置１００は更に、堆積ゾーン１０５からある距離だけ隔てられた反応ゾーン１２６を含む。反応ゾーン１２６を堆積ゾーン１０５から分離するこのスペースは、堆積ターゲット１０４の堆積表面１０６に対する誘導結合プラズマトーチ１０２の垂直配置によって部分的に設けられ、また、誘導結合プラズマトーチ１０６と堆積ターゲット１０４の堆積表面１０６との間の距離によって部分的に提供される。この分離は、堆積ターゲット１０４の堆積表面１０６のより大きい領域によって改善された堆積効率を提供する。更にこの分離により、堆積ゾーン１０５で低い温度を維持しながら、反応ゾーン１２６で高いプラズマ温度が可能になる。反応ゾーンでのこの高いプラズマ温度は、反応ゾーン１２６での吸熱化学反応の変換効率の改善を可能にする。加えて、堆積ゾーン１０５での低い温度により、望ましい特性及び品質のシリコンがターゲット基板１０４の堆積表面１０６上に確実に堆積されるようになる。

誘導結合プラズマトーチ１０２は更に、外側石英管１０８の上側部分の周りに配置された銅誘導コイル１１４を含む。コイル１１４は、およそ約５６ｍｍから約９６ｍｍの範囲の直径を有する複数の巻線１１６を備える。好ましくは、複数の巻線１１６は約８２ｍｍの直径を有する。通常、複数の巻線１１６は、誘導結合プラズマトーチ１０２の作動を可能にするのに十分な距離だけ互いから離間している。好ましくは、複数の巻線１１６は、互いに約６ｍｍ離間している。加えて、外側石英管１０８とコイル１１４との間のギャップは、約２ｍｍから約１０ｍｍの範囲とすることができる。

誘導結合プラズマトーチ１０２は更に、前駆体源化学物質を誘導結合プラズマトーチ１０２に伝達する前駆体源化学物質ライン（図示せず）に接続される、注入ポート１１８のペアを含む。内側石英管１１０を使用すると、プラズマ源ガスは、旋回流パターンを有することになる。シリコンのような半導体薄膜材料の堆積のための前駆体源化学物質は、注入ポート１１８を通って注入されることになり、当該ポートは、誘導結合プラズマトーチ１０２の下側近傍に好ましくは位置し、Ｇｏｕｓｋｏｖ他に付与された米国特許第６，２５３，５８０号及びＧｏｕｓｋｏｖ他に付与された米国特許第６，５３６，２４０号に開示されたのと同じ理由でＶ＝０位置に向けられ、これらの双方は引用によって本明細書に組み込まれる。１つの実施形態では、注入ポート１１８は、誘導結合プラズマトーチ１０２に接続される。別の実施形態では、注入ポート１１８は、誘導結合プラズマトーチ１０２に接続されず、本明細書に記述される本発明の別の構造要素に接続される。１つの実施形態では、誘導結合プラズマトーチ１０２は、誘導結合プラズマトーチである。注入ポート１１８は、好ましくは約３ｍｍから約１０ｍｍの範囲の直径、より好ましくは約５ｍｍの直径を有する石英管体を備えるが、他のサイズの管体直径も誘導結合プラズマトーチ１０２に用いることができる。この実施形態では、注入ポート１１８のペアは、互いに正反対に配置される。本発明の別の実施形態では、対称的に配列された３つ又はそれ以上のポートを利用してもよい。

更に、誘導結合プラズマトーチ１０２は、プラズマガスを誘導結合プラズマトーチ１０２に送るプラズマガス供給ライン（図示せず）に接続されたプラズマガス入口１２０のペアを含む。プラズマガス入口１２０は、実質的に同じ高さで誘導結合プラズマトーチ１０２に入る。好ましくは、これらのプラズマガス入口１２０は、５ｍｍの直径を有するステンレス鋼管状部を備えるが、この目的としてはある範囲の直径で十分とすることができる。

誘導結合プラズマトーチ１０２はまた、冷媒入口１２２及び冷媒出口１２４を備える。使用中、例えば水である冷媒は、冷媒入口１２２を通り、ステンレス鋼チャンバ１１２内を循環して冷媒出口１２４を通って流出する。冷媒入口１２２及び冷媒出口１２４は、好ましくはステンレス鋼で形成され、例えば５ｍｍの直径を有する。

プラズマガス入口１２０、冷媒入口１２２及び冷媒出口１２４は、全てステンレス鋼チャンバ１１２内に形成されるのが好ましい。チャンバ１１２は、好ましくは、側辺８０ｍｍのステンレス鋼方形ブロックであり、例えば約４０ｍｍの高さを有する。好ましくは、チャンバ１１２は支持スタンド（図示せず）上に取り付けられる。

高周波発生器（図示せず）がコイル１１４に電気的に接続され、５．２８＋／−０．１３ＭＨｚの周波数において最大６０ｋＷの可変出力で電力を供給する。１つの実施形態では、発生器は、ドイツ国Ｆｒｉｔｚ Ｈｕｅｔｔｉｎｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＧｍｂＨから入手可能なＭｏｄｅｌ Ｎｏ．ＩＧ６０／５０００である。好ましくは、この発生器は、５０Ｈｚ、３相、３８０Ｖの電源で駆動され、誘導結合プラズマトーチ１０２を励起する。

図２は、堆積チャンバ２０２内に配置された誘導結合プラズマトーチ１０２のセットからなる堆積装置の別の実施形態２００を示す。堆積チャンバ２０２内に配置され、全てターゲット基板１０４の堆積表面１０６に実質的に垂直に向けられた複数の誘導結合プラズマトーチ１０２を使用することにより、堆積装置２００は、より広い堆積幅又は面積をカバーする。上述のように、ターゲット基板１０４は、支持体１０３によって誘導結合プラズマトーチ１０２から上方に移動され、更に軸線１０７の周りに回転される。ターゲット基板１０４は、堆積チャンバ２０２の殆ど周辺にまで延びて示されている。高速の堆積速度に加えて、堆積装置２００は、均一な堆積厚みを提供する。この実施形態では、堆積装置２００は、各々が好ましくは７０ｍｍの直径を有する５つの誘導結合プラズマトーチ１０２からなる。５つの誘導結合プラズマトーチ１０２のうちの４つは、堆積チャンバ２０２の周辺に互いに等間隔で配置されている。この実施形態では、堆積チャンバ２０２の周辺に配置された誘導結合プラズマトーチ１０２は、互いから９０°離間される。この実施形態では、第５の誘導結合プラズマトーチ１０２は堆積チャンバ２０２の中央に配置される。

特定の用途における望ましい堆積幅又は面積を提供するため、誘導結合プラズマトーチ１０２の他の配列及び寸法を堆積チャンバ内で用いることができる。この実施形態では、５つの誘導結合プラズマトーチ１０２を使用することで、約３００ｍｍの堆積面積をもたらすことになる。好ましくは、ターゲット基板１０４はその軸線１０７の周りで回転しながら、ターゲット基板１０４と誘導結合プラズマトーチ１０２との間の固定又は一定の距離を維持するように、誘導結合プラズマトーチ１０２から上方に又は離れて移動されることになる。

図３を参照すると、堆積装置２００の側面図が示されている。堆積チャンバ２０２は、堆積チャンバ２０２の上端に配置された排気ポートト３０２を含む。好ましくは、排気ポートト３０２は、堆積ターゲット１０４の下端又は堆積表面１０６の上に配置される。排気システム（図示せず）は、化学反応からの全てのガス及びあらゆる未堆積シリコン粒子を除去する。好ましくは、排気システムは、最適な堆積条件を確保するように堆積チャンバ２０２内部の固定分圧を制御又は維持する。堆積チャンバ２０２内部の分圧の制御は、真空などの負圧を供給する段階を更に含むことができる。別の実施形態では、分圧は、大気圧又はその近傍で制御することができる。特定の用途の要件に応じて、あらゆる数の排気ポートト３０２を利用することができる。好ましくは、堆積チャンバ２０２は、堆積チャンバ２０２からのＲＦエネルギーの漏出を防止し且つ堆積チャンバ２０２への環境の影響を隔離するために、防爆材料及びＲＦ遮蔽材料で作製される。

堆積チャンバ２０２内部に配置され、全てターゲット基板１０４の堆積表面１０６に実質的に垂直に向けられた複数の誘導結合プラズマトーチを使用することによって、堆積装置２００は、より広い堆積幅又は堆積面積をカバーする。ターゲット基板１０４は、堆積チャンバ２０２の周辺間際にまで延びて示されている。高速の堆積速度に加えて、堆積装置２００は、均一な堆積厚みを提供する。この実施形態では、堆積装置２００は、各々が好ましくは７０ｍｍの直径を有する５つの誘導結合プラズマトーチ１０２からなる。５つの誘導結合プラズマトーチ１０２のうちの４つは、堆積チャンバ２０２の周辺に互いに等間隔で配置されている。この実施形態では、第５の誘導結合プラズマトーチ１０２は堆積チャンバ２０２の中央に配置される。

図４は、僅かに傾斜している２つの誘導結合プラズマトーチ４０２の間で誘導結合プラズマトーチ１０２からなる堆積装置の別の実施形態４００を示しており、誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２は堆積チャンバ２０２内部に配置されている。誘導結合プラズマトーチ４０２は、誘導結合プラズマトーチ１０２と同様に構成されて機能するが、これらは堆積チャンバ２０２内部で水平面からθ度だけ僅かに傾斜している。誘導結合プラズマトーチ４０２の傾斜角度は、好ましくは約１５度から約４５度である。好ましくは、誘導結合プラズマトーチ４０２は、水平面から約１５度傾斜している。傾斜した誘導結合プラズマトーチ４０２は、良好な均一性を有した、ターゲット基板１０４の堆積表面１０６上の多結晶シリコンの改良された堆積を提供する。誘導結合プラズマトーチ４０２についての傾斜角度が過大である場合、堆積速度又は収集効率が低下し、堆積が不均一になる点に留意されたい。更に、各誘導結合プラズマトーチ４０２の傾斜度は異なってもよい。

図４から、誘導結合プラズマトーチ４０２の直径「Ｌ」は、数式：Ｌ’＝Ｌ／ｃｏｓθ＞Ｌから導出できることが分かる。したがって、誘導結合プラズマトーチ４０２からの堆積直径Ｌ’は、誘導結合プラズマトーチ１０２の直径よりも大きい。

上述のように、プラズマ源ガスは、旋回流パターンを有することになる。これは、プラズマ源ガスがプラズマガス入口１２０を通って注入されることにより引き起こされ、該プラズマガス入口１２０は、外側石英管１０８と内側石英管１１０との間にプラズマ源ガスを供給する。誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２は、好ましくは、不活性プラズマ源ガスを使用してプラズマを形成させ、反応が、ターゲット基板１０４上に反応生成物を堆積させるために、前駆体ガス源と誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２との間で発生する。プラズマ源ガスは不活性ガスであり、好ましくは（i）低い活性化エネルギーを有し、且つ（ii）酸化物又は窒化物が形成されないように化学的に不活性である。好ましくは、プラズマ源ガスは、ヘリウム、アルゴン、水素、又はこれらの混合物を含む群から選択することができる。

反応生成物は、誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２存在下で前駆体ガス源の反応によって生成される。前駆体ガス源は、ガス、蒸気、エアロゾル、微小粒子、ナノ粒子、又は粉末といった物質を含むか又は付加的な形態とすることができる。加えて、ｐ型又はｎ型ドーパント材料もまた同時に前駆体ガス源に注入し、所望のｐ型又はｎ型半導体を形成することができる。ドーパント材料の或る実施例としては、ホウ素、リン、及び同様のものが挙げられる。

本発明のプラズマ堆積装置１００、２００、及び４００の前述の態様及び実施形態に加えて、本発明は更に、これらの多結晶シリコン基板又はインゴットを製造するための方法を含む。１つの好ましい方法は、プラズマ火炎又はプラズマエネルギーを利用して水素（Ｈ₂）によってトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）を還元してシリコンを形成する塩化物ベース系を含む。これはまた、シリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ₄）をプラズマ火炎エネルギーにより水素で還元してシリコンを作製することができる。

図５は、このような１つのプロセスの実施形態５００のフロー図を示す。ステップ５０２で、誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２が起動される。このステップは、プラズマガス供給源のプラズマガス入口１２０への流れの開始と、これに続く誘導コイル１１４への給電によってプラズマ点火とを含むことができる。このステップは、誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２のプラズマ火炎の点火及び安定化を含む。加えて、ステップ５０２はまた、ターゲット基板１０４への堆積中に所望の反応生成物を生成するのに使用される前駆体ガス源の選択を含むことができる。

ステップ５０４で、堆積装置１００、２００、及び４００は、誘導結合プラズマトーチ１０２又は４０２のプラズマ火炎に注入ポート１１８を通って前駆体ガス源を注入する。上述のように、好ましくは、前駆体ガス源は、ＳｉＨＣｌ₃プラスＨ₂又はＳｉＣl₄プラスＨ₂から選択される。ステップ５０６で、１つ又は複数の誘導結合プラズマトーチ１０２のプラズマ火炎が安定化され、反応ゾーン１２６内の誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２の反応温度を調整して、多結晶シリコンの形成を最適化する。

上述のように、ターゲット基板１０４の堆積表面１０６上に堆積されないガスは、排気システムによって収集され、更なる使用のためにリサイクルされる。多結晶シリコンを作製する本方法の１つの態様では、ＳｉＨＣｌ₃及びＳｉＣｌ₄は、金属グレードシリコン（ＭＧＳ）又はシリカから作製することができる。これらは、多結晶シリコンを作製する本プロセスの排気ガスストリームから収集され分離された塩化水素（ＨＣｌ）と反応することになる。加えて、排気ストリームからは十分な量が存在しない場合には、新規の塩素（Ｃｌ₂）又はＨＣｌを添加することが常に可能である。蒸留による精製後、反応生成物は、シリコンを作製するための前駆体源ガス化学物質として使用することができる。

排気ストリーム内のＨＣｌに加え、Ａｒ、Ｈ₂、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、及び未反応のＳｉＨＣｌ₃が存在し、更にＳｉＣl₄に加えて未堆積シリコン粒子も存在することができる。未堆積シリコン粒子は、バグフィルタを用いて分離することができる。更に、コールドトラップを使用して、クロロシラン類を容易に分離し、前駆体源ガス化学物質として再使用することができる。Ａｒ及びＨ₂などのガスも排気ストリームからリサイクルすることができ、プラズマ源ガス又は前駆体源ガスに使用することができる。

ステップ５０８で、堆積チャンバ２０２内部の圧力が排気システムによって制御され維持される。加えて、他の手段を利用して、堆積チャンバ２０２内部の圧力を維持することもできる。ステップ５１０で、ターゲット基板１０４の堆積表面１０６の温度が、堆積表面１０６上へのシリコンの堆積を最適化するように制御され維持される。ステップ５１２で、ターゲット基板１０４の堆積表面１０６の成長が監視される。堆積表面１０６が成長するにつれて、支持体１０３がターゲット基板１０４を１つ又は複数の誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２から離すように移動させ、１つ又は複数の誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２とターゲット基板１０４の堆積表面１０６との間の一定又は固定距離Ｌを維持する。ステップ５１４で、シリコンの所望の長さ又は容積が堆積されると、支持体１０３はターゲット基板１０４を堆積チャンバ２０２から取り出す。

上記に加えて、シリコン粒子が排気ストリームから分離されることになる。これらの粒子は、収集され、石英坩堝内に装填され、溶融されて、単結晶インゴットに成長することになる。また、未反応物であろうと、又は副生化学物質であろうと全てのガスは、通常の工業プロセスによって収集され分離される。一部の例示的な原材料は、水素化物、フッ化物、塩化物、臭化物、及びアルゴンガスを含む。

多結晶シリコンを作製するための本方法の別の実施形態では、水素化物ベース系が使用される。シランは、トリクロロシランのような高速の堆積速度ではないが、精製及び所望の高品質シリコンを生成することが極めて容易であるので、シランは当業界で広く使用されている。上述と同様の処理ステップの後で、ステップ５０４で述べたように、ガス形態のシラン（ＳｉＨ₄）又はジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を注入ポート１１８に供給することができ、プラズマ火炎又はプラズマエネルギーの存在下で、これらはシリコンと水素に解離されることになる。より高い反応温度を用いて水素ガスを迅速に除去することによって、改良された化学反応変換が達成される。加えて、未堆積シリコン粒子、及びアルゴンなどのプラズマ源ガスは、再処理及びリサイクルのために排気ポートト３０２を介して収集される。

多結晶シリコンを作製するための本方法の別の実施形態では、上述のプロセスステップの次に臭素系が使用される。臭素（Ｂｒ₂）は、塩素（Ｃｌ₂）よりも化学的侵攻性が弱く腐食性も低い。含有ガスとしてＢｒを使用すると、設備コストを大幅に削減することができる。含有ガスは、不純シリコン（金属グレードシリコン、ＭＧＳ）を純粋で利用可能なソーラーグレードシリコン（ＳｏＧ）に導入、変換及び作製するための輸送剤として使用される。Ｂｒは、ＭＧＳと反応してシリコン臭化物（主生成物）及び他の不純物の臭化物化合物を形成することになる。精製後、シリコン臭化物は、プラズマプロセスによって多結晶シリコンを作製するのに使用される。当該プロセスの間、シリコン臭化物はシリコンと臭素とに分解される。シリコンが堆積され、臭素も同様に収集され再使用される。本発明の誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２は、所望の方向に反応を促進させるのに十分過ぎるエネルギーを有しているので、水素による四臭化シリコンの還元反応に対しては考慮されないことになる。好ましくは、この系統の原材料はＭＧＳであろう。３６０℃よりも高温では、シリコンと臭化水素（ＨＢｒ）又はＢｒ₂との反応は高速であることができ、反応生成物は主としてＳｉＢｒ₄となる。沸点が相違することで、ホウ素混入物を（ＳｉＢｒ₄からＢＢｒ₃を）分離することは極めて容易である。この実施形態では、前駆体源ガス化学物質は四臭化シリコン及び水素である。

多結晶シリコンを作製するための本方法の更に別の実施形態では、炭素によるシリカスート粒子の還元を使用する。光学的プリフォームの製造では、固体廃棄物はシリカスート粒子であり、通常は埋め立て地に送られて処分される。これらのシリカスート粒子は極めて純粋であり、カーボンとの炭素還元反応によりソーラーグレードシリコン（ＳｏＧ）を作製するための良好な供給源とすることができる。通常、この作製では熱源としてアーク炉を使用し、上述のプロセスステップに続いて、粉末形態のＳｉＯ₂及びカーボンが注入ポート１１８を介して誘導結合プラズマトーチ１０２及び４０２のプラズマ火炎内に注入される。プリフォーム製造業者が提供するこれらのスート粒子には通常、遷移金属イオンは含有しておらず、また、ホウ素も通常含有していない。それにもかかわらず、スート粒子は、微量のリン及び幾らかのゲルマニウムを有する場合がある。原材料からの可能性のある不純物汚染を排除するために、少量のＣｌ₂及び水分を前駆体ガス源と共に注入することができる。この実施形態では、光ファイバー製造プラントからのスート粒子廃棄物が多結晶シリコン製造用の有用な生成物に変換され、よって、効率的で費用効果の高いソーラーパネルがもたらされる。

多結晶シリコンを作製するための本方法の別の態様では、ターゲット基板１０４は、上記以外の別の時点でプロセスから取り出して、厚み、組成、及び／又は堆積プロセスの性能を評価し、上述のプロセスパラメータのいずれかを調整すべきか否かを判断することができる。

多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置及びその方法の好ましい実施形態と現在考えられるものを説明してきたが、本発明のプラズマ堆積装置は、本発明の精神及び本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具現化することができる点は理解されるであろう。例えば、多結晶シリコンを作製するための本発明のプラズマ堆積装置及び方法の精神及び本質的特性から逸脱することなく、本明細書で説明した以外の追加の誘導結合プラズマトーチ又は堆積モジュールの異なる組み合わせを用いることができる。したがって、本発明の実施形態は、全ての態様において限定ではなく例証とみなすべきである。本発明の範囲は、上記の説明ではなく添付の請求項によって示される。

Claims (39)

1. 多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置であって、
   前記多結晶シリコンを堆積させるチャンバ手段と、
   堆積表面を有するターゲット基板を支持する手段と、
   少なくとも１つの反応物を反応させて反応生成物を生じさせるためにプラズマ火炎を生成し、前記反応生成物を前記ターゲット基板上に堆積させる誘導結合プラズマトーチ手段と、
   を備え、
   前記プラズマトーチ手段が、前記基板から固定距離に配置され、前記支持手段が、前記ターゲット基板を前記誘導結合プラズマトーチ手段から離れる方向に移動させて、前記ターゲット基板と前記誘導結合プラズマトーチ手段との間に前記固定距離を設けるようにする、
   ことを特徴とするプラズマ堆積装置。
2. 前記反応生成物が、シリコン、真性シリコン、ｐ型ドープシリコン、及びｎ型ドープシリコンからなる群から選択される、
   請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
3. 前記少なくとも１つの反応物が、ガス、蒸気、エアロゾル、微小粒子、ナノ粒子、又は粉末からなる群から選択された材料の形態である、
   請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
4. 前記少なくとも１つの反応物が、水素（Ｈ₂）と、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）、シリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ₄）、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、四臭化シリコン（ＳｉＢｒ₄）、及びこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つの化合物である、
   請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
5. 前記プラズマ火炎が、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス、及びこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つのガスから生成される、
   請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
6. 前記チャンバ手段が、
   前記チャンバ手段からの未堆積固体及び未反応化学物質の少なくとも１つを排出するため、前記堆積表面の上方に配置された排気手段を更に含む、
   請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
7. 前記チャンバ手段が、
   前記堆積装置で再使用するために前記チャンバ手段から排出された前記未堆積固体及び未反応化学物質のうちの少なくとも１つをリサイクルするリサイクル手段を更に含む、
   請求項６に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
8. 前記誘導結合プラズマ手段が、
   前記外側石英管よりも大きい直径を有し且つ互いに約２から１０ｍｍの距離で離間して配置された複数の巻線を有する誘導コイルを更に含む、
   請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
9. 前記誘導コイルと前記ターゲット基板との間の前記距離が、約３０から５５ｍｍの間である、
   請求項８に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
10. 前記誘導結合プラズマトーチと前記堆積表面とが互いに実質的に垂直である、
    請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
11. 前記誘導結合プラズマトーチが、実質的に鉛直方向に配置される、
    請求項１０に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
12. 前記堆積表面が、前記反応生成物の堆積中に回転される、
    請求項１に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
13. 多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置であって、
    未堆積固体及び未反応化学物質の少なくとも１つを回収する排気システムを有する、前記多結晶シリコンを堆積させるチャンバと、
    堆積ゾーンを定める堆積表面を有するターゲット基板を保持するため、前記堆積チャンバ内部に配置された支持体と、
    前記堆積チャンバ内に配置され且つ前記支持体から離間して配置された少なくとも１つの誘導結合プラズマトーチと、
    を備え、
    前記少なくとも１つの誘導結合プラズマトーチが前記堆積表面に実質的に垂直なプラズマ火炎を発生させ、前記プラズマ火炎が、少なくとも２つの反応物を反応させて前記多結晶シリコンを生成し、前記堆積表面に前記多結晶シリコンの層を堆積させるようにする反応ゾーンを定める、
    ことを特徴とするプラズマ堆積装置。
14. 前記多結晶シリコンが、シリコン、真性シリコン、ｐ型ドープシリコン、及びｎ型ドープシリコンからなる群から選択される、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
15. 前記少なくとも２つの反応物が、ガス、蒸気、エアロゾル、微小粒子、ナノ粒子、又は粉末からなる群から選択された材料の形態で堆積される、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
16. 前記少なくとも２つの反応物が、水素（Ｈ₂）と、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）、 シリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ₄）、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、シラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、四臭化シリコン（ＳｉＢｒ₄）、及びこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つのガスとによって生成される、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
17. 前記プラズマトーチ手段が、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス、及びこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１つのガスから生成される、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
18. 前記チャンバ手段が、
    前記チャンバ手段からの未堆積固体及び未反応化学物質の少なくとも１つを排出するため、前記堆積表面の上方に配置された排気手段を更に含む、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
19. 前記堆積のためのチャンバが、ＲＦエネルギーを遮蔽して前記チャンバの外部環境から前記チャンバを隔離する材料で作られている、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
20. 前記排気システムが、
    前記チャンバからの副生ガス及び粒子を除去するための排気ポートトを更に備える、
    請求項１９に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
21. 前記排気システムが、前記チャンバ内の分圧を制御する、
    請求項１８に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
22. 前記少なくとも１つの誘導結合プラズマトーチが、
    外側石英管及び前記外側石英管よりも大きい直径を有する複数の巻線を有する誘導コイルと、
    内側石英管と、
    前記外側石英管及び前記内側石英管を接続するチャンバと、
    を備え、
    前記プラズマガス源が前記チャンバに接続されて前記外側石英管と前記内側石英管との間に前記プラズマガス源が提供されるようになる、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
23. 前記外側石英管が、約１８０から４００ｍｍの長さを有する、
    請求項２２に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
24. 前記外側石英管が、約５０から９０ｍｍの直径を有する、
    請求項２２に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
25. 前記内側石英管が、約１２０から１８０ｍｍの長さを有する、
    請求項２２に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
26. 前記内側石英管が、約５０から７０ｍｍの直径を有する、
    請求項２２に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
27. 前記巻線が、互いに約２から１０ｍｍの距離だけ離間して配置されている、
    請求項２２に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
28. 前記誘導コイルと前記ターゲット基板との間の距離が、約３０から５５ｍｍの間である、
    請求項２７に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
29. 前記誘導コイルに接続された高周波発生器を更に備える、
    請求項２２に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
30. 前記回収された未堆積固体をリサイクルしてインゴットに処理されるようにすることを更に含む、
    請求項１３に記載の多結晶シリコンを作製するためのプラズマ堆積装置。
31. 堆積チャンバ内のターゲット基板上に多結晶シリコンの層を作製する方法であって、
    前記ターゲット基板を支持する段階と、
    前記基板の一方の側の表面領域に沿って前記基板から前記コイルを分離する３０から５５ｍｍの距離を位置決め可能に選択される、コイルを有する高周波誘導結合プラズマトーチを提供する段階と、
    本質的に不活性ガスからなるプラズマガスを前記高周波誘導結合プラズマトーチ内に導入して前記コイル内部にプラズマを形成する段階と、
    前記高周波誘導結合プラズマトーチ内に反応物を注入して反応生成物を生成する段階と、
    前記基板と前記コイルとの間のスペースを維持しながら、前記誘導結合プラズマトーチの反応生成物を前記基板上に堆積させる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
32. 前記チャンバ内部の分圧を調整する段階を更に含む、
    請求項３１に記載のターゲット基板上に多結晶シリコンの層を作製する方法。
33. 堆積チャンバ内のターゲット基板上に多結晶シリコンの層を形成する方法であって、
    前記ターゲット基板を支持体上に支持する段階と、
    前記少なくとも１つの基板上に反応生成物を堆積させるための少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチを提供する段階と、
    を含み、
    前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチが前記ターゲット基板からある距離に位置付けられ、前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチが各々コイルを有し、前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチが、前記基板の一方の側の堆積表面領域に沿って、前記基板から前記コイルを分離する３０から５５ｍｍの距離で位置決め可能に選択され、
    前記方法が更に、
    本質的に不活性ガスからなるプラズマガスを前記高周波誘導結合プラズマトーチ内に導入して前記コイル内部にプラズマを形成させる段階と、
    前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチ内に反応物を注入して反応生成物を生成する段階と、
    前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチのプラズマ火炎によって生成された反応ゾーンの温度を調整する段階と、
    前記堆積チャンバ内の圧力を制御する段階と、
    前記ターゲット基板の堆積表面の温度を制御する段階と、
    前記基板と前記コイルとの間のスペースを維持しながら、前記堆積表面上に前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチの反応生成物を堆積させる段階と、
    前記ターゲット基板をその軸線の周りに沿って回転させる段階と、
    を含むことを特徴とする方法。
34. 前記チャンバ内部の分圧を調整する段階を更に含む、
    請求項３３に記載の基板上に多結晶シリコンの層を形成する方法。
35. 前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチと前記堆積表面とが互いに実質的に垂直である、
    請求項３３に記載の基板上に多結晶シリコンの層を形成する方法。
36. 前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチが、実質的に垂直方向に位置決めされる、
    請求項３５に記載の基板上に多結晶シリコンの層を形成する方法。
37. 前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチが、
    前記ターゲット基板上の大きな堆積面積に対して前記堆積表面に近接して位置する斜め端部を更に含む、
    請求項３３に記載の基板上に多結晶シリコンの層を形成する方法。
38. 前記少なくとも２つの誘導結合プラズマトーチが、前記堆積表面に対して実質的に平行な方向で前記斜め端部を示す角度に傾斜される、
    請求項３７に記載の基板上に多結晶シリコンの層を形成する方法。
39. 前記堆積表面が、前記反応生成物の堆積中に回転される、
    請求項３３に記載の基板上に多結晶シリコンの層を形成する方法。

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