Siのマイクロ波水素プラズマエッチングにおける水素ガス流れと熱伝導のシミュレーション

摘要

我々は太陽電池用Si材料の原料となるSiH_4ガスの低環境負荷かつ安価な新規製造方法として，大気圧近傍の狭ギャップマイクロ波水素プラズマを用いた金属級Siの高速エッチングによるSiH_4ガス生成を提案している。本手法は、固体Si原料を水素プラズマにより化学的にエッチングし、Si+4H→SiH_4の反応過程を経てSiH_4ガスを生成する技術である。大気圧近傍の高圧力雰囲気下かつSi基板－電極の狭ギャップ間で2.45GHzのマイクロ波を利用して水素プラズマを発生させることで、水素イオンやラジカルが高密度に生成され、必然的にエッチング速度を超高速化できる。これまでの研究成果から、高圧力マイクロ波水素プラズマによるSiエッチング速度は、従来の減圧プラズマエッチングの結果と比べて約100倍以上が得られることを確認している。本手法によるSiH4ガス生成を実用化するためには、更なる高速·高効率にSiエッチングを行う必要がある。そのためには水素プラズマエッチングのプロセスやメカニズムを解明することが必要である。先の研究において、我々は表面温度とエッチング速度との関係について検討してきた。その結果、エッチング速度は、表面温度が70°Cのとき最大となり、そのエッチング量は室温冷却時(表面温度で約100°C)の約2倍程度に増加することを明らかにしてきた。このようなエッチング速度の温度依存性は、SiH_4ガスの形成に必要な活性化エネルギー、表面に化学吸着した原子状水素の熱脱離、およびSiバルク中への熱拡散挙動と関係づけられた。したがって、Siを水素プラズマによって効果的にエッチングするためには、表面温度を制御することが非常に重要であると考えられる[2]。エッチング処理中の表面温度の測定は、シース熱電対を用いてSi基板と同等に設置することで直接行ってきた。しかしながら、この方法では、プラズマ照射領域における温度分布を正確に測定することは難しい。加えて、Si基板－電極間が狭ギャップであることも、温度測定を困難なものにしている。そこで本研究では、熱流体解析ソフト“PHOENICS”を用いて熱伝導に関するシミュレーションを行い、水素プラズマ照射によるエッチング領域の詳細な温度分布について検討を行った。