JP2002505531A - 大領域ガラス基板のコーティング及びアニーリング方法 - Google Patents

大領域ガラス基板のコーティング及びアニーリング方法

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Abstract

(57)【要約】 ガラス基板を予熱し、その基板上に非結晶シリコン先駆層を一次温度で堆積させ、熱処理チャンバ内において基板を一次温度よりも十分に高い二次温度でアニーリングして先駆層内における水素濃度を実質的に減少させることによってガラス基板上に薄膜層を形成できる。予熱するステップと、アニーリングするステップは同じ熱処理チャンバの内部で実施することができる。次いで、先駆層はレーザアニーリングによって多結晶シリコン層に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的にはガラス基板を処理する方法、特に、ガラス基板上に堆積さ
せた非結晶シリコン膜のアニーリング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜トランジスタはモニタ、平型パネル表示装置、太陽電池等に使用する大き
なガラス基板又はプレート上に製作される。該トランジスタは非結晶シリコン（
ドーピング処理したものと、真性のものとの双方）、酸化シリコン及び窒化シリ
コンを含む各種の薄膜を逐次堆積させることによって製作する。これらの薄膜は
化学気相堆積（ＣＶＤ）によって堆積させることができる。
【０００３】 ＣＶＤプロセスでは基板が約２８０〜４００℃の温度に耐えることが必要とさ
れることがある。ＣＶＤ処理はシリコン・ウエーハ内に集積回路を製造する際に
広く適用されることが知られている。シリコンは導電材料であり、ウエーハに破
断や反りを生じさせることなく、かなり急速に加熱・冷却可能である。しかしな
がら、ガラスは非常に脆く、急速に冷却、加熱し過ぎると反りや、ひび割れが生
じやすい誘電材料である。そのため、熱応力と、その結果生じる損傷を避けるた
め、大領域のガラス基板の加熱又は冷却速度の調整には十分な注意を払わねばな
らない。
【０００４】 典型的には、ＣＶＤプロセスの実施では、基板が加熱チャンバの内部で堆積温
度近くまで予熱される。基板が一度、目標温度に達すると、その基板は膜の堆積
に備え処理チャンバの内部に搬送される。次いで、基板は冷却チャンバに搬送さ
れ、例えば室温まで冷却される。汚染の危険を軽減するため、基板が真空環境か
ら取り出されることなくチャンバ相互間に搬送されるよう、加熱、堆積及び冷却
の各チャンバを単一のツールの内部に収容する。このようなツール、例えば参照
用に本出願書に援用されている米国特許第４，９５１，６０１号に記載の装置に
は各種の処理チャンバに接続した中央ロボット機構チャンバを含めてもよい。プ
ロセスの均一性と制御性を改善するため、各処理チャンバに基板一枚のみを保持
させてもよい。しかしながら、ガラス基板温度の加熱と冷却に要する時間が長い
ので（例えば、大領域ガラス基板を４００℃近くまで加熱し、冷却して室温に戻
すにはそれぞれ約５分間）、基板への損傷や反りを避けるため、またそれと同時
に装置のスループットを改善するため、加熱、冷却の各チャンバには同時に数枚
のガラス基板を保持させてもよい。
【０００５】 薄膜トランジスタ製造の一ステップは多結晶シリコン層を形成することである
。多結晶シリコン層を形成する一プロセスは、ＣＶＤによって基板上に非結晶シ
リコン先駆層を堆積することで始まる。堆積ステップに次いで、基板がＣＶＤツ
ールから取り出され、炉に搬送され、例えば約３５０〜４００℃の温度でアニー
リングされる。アニーリング温度は堆積温度よりも低い。その後、非結晶シリコ
ンはレーザアニーリングによって多結晶シリコンに変換可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
多結晶シリコンの製造にあたり直面する一つの問題はレーザアニーリングステ
ップ中に基板面に脹れが発生することである。この脹れは基板を使用不能にし、
プロセスの歩留りを低下させる。脹れの一つの原因は堆積ステップ中に非結晶シ
リコン先駆層内に取り込まれていた水素の脱ガスである。先駆層に取り込まれた
水素の量を減ずるため、非結晶シリコンの堆積は“高”温、例えば４５０〜４７
０℃で行われることができる。しかしながら、残念なことに、このような高温は
プロセスチャンバに対しては破壊的温度である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
ある態様では、本発明はガラス基板上に多結晶シリコン層を形成する方法を目
的とする。該方法では、ガラス基板が予熱され、非結晶シリコン先駆層が基板上
に一次温度で堆積される。基板は熱処理チャンバ内で一次温度より十分高い二次
温度でアニールされ、先駆層における水素濃度が実質的に減少され、先駆層はレ
ーザアニーリングによって多結晶シリコン層に変換される。
【０００８】 本発明の実装には以下を含める。一次温度は約３８０〜４００℃、二次温度は
約４００〜４７０℃とする。アニーリングステップは窒素と、あるいは水素を含
む環境内で実施することができる。予熱とアニーリングの各ステップは同じ熱処
理チャンバ内で行ってもよい。基板は先駆層を多結晶シリコンに変換する以前に
処理温度まで冷却可能である。
【０００９】 別の態様では、本発明はガラス基板上に薄膜を形成する方法を目的とする。該
方法では、ガラス基板が熱処理チャンバ内で一次温度まで予熱される。薄膜は該
基板上に一次温度より低い二次温度で化学気相堆積法によって堆積される。基板
は熱処理チャンバ内で一次温度でアニールされる。
【００１０】 本発明の実装には以下を含める。薄膜は非結晶シリコン層又はテトラエチルオ
ルトシリコン層とする。
【００１１】 発明の利点には以下が含まれる。非結晶シリコン先駆層の水素含有量が減らさ
れ、それ故に、脹れが軽減され、歩留りが増大する。非結晶シリコン先駆層は比
較的低い温度で堆積でき、従って、処理チャンバの寿命が拡大される。先駆層の
アニーリングはＣＶＤツールで行われてもよく、これにより、スループットが増
大され、汚染の危険が少なくなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、処理装置４０には加熱又は熱処理チャンバ４２と、二つの
冷却／ロードロックチャンバ４４と、四つの処理チャンバ５２、５４、５６、５
８と、ガラス基板５０を加熱、冷却及び処理チャンバ間で搬送する、中央真空チ
ャンバ４８の内部に配した真空適合ロボット４６とが含まれる。同様の処理装置
と、同じような加熱と冷却の各チャンバに付いての記述は、開示内容が参照用に
本出願書に援用されている米国特許第５，６０７，００９号と第５，５１２，３
２０号に見出すことができよう。処理装置４０は、また、冷却／ロードロックチ
ャンバ４４と基板搬送カセット６４との間に基板を搬送する大気圧ロボット６２
を備えたファクトリーオートメーション・ユニット６０を含んでもよい。
【００１３】 図２Ａ、図２Ｂを参照すると、加熱チャンバ４２には加熱カセットから間隔を
あけたチャンバ壁７０によって取り囲まれる加熱カセット１０が含まれる。中央
真空チャンバ４８に隣接するチャンバ壁の一つにはガラス・プレートのカセット
１０の内部と外部への搬送に使用されるスリット・バルブ７２が装着される。加
熱チャンバ４２内部の周囲環境には窒素、窒素と水素、例えば窒素が約９５％と
水素が約５％、あるいは不活性ガスを含んでもよい。
【００１４】 加熱カセット１０は通常、側壁１２、１４と底部壁１６を備えた矩形型フレー
ムである。リッド１８は加熱カセット１０の最上部に締め付けられる。側壁１２
、１４には電気抵抗器加熱コイル２０が装着される。支持シャフト２４の内部を
貫通するチャンネル２２（図２Ｂに陰影で示す）は、加熱コイル２０を電源（図
示せず）に接続するワイヤを内蔵してもよい。
【００１５】 複数の熱伝導棚２８が側壁１２、１４の間に取り付けられる。棚２８の高速且
つ均一な温度制御を確実にするため、棚２８は側壁１２、１４に熱が伝わる形で
接触する。棚２８は熱伝導性材料、例えばアルミニウム、銅、ステンレス鋼被覆
銅のような金属でできている。カセット１０における棚の数はカセットの所要サ
イズと、ガラス基板の加熱、搬送及び処理に要する時間の相対的数量によって決
まる。
【００１６】 棚２８上に配される、あるいは、これに締め付けられるのは複数の支持体２６
で、耐熱ガラス又は石英のような熱非伝導性材料でできている。支持体２６は棚
２８と基板５０との間に間隙が存在するよう、処理しようとするガラス基板５０
を支持する役目を果たす。この間隙は、ガラス基板が基板５０と棚２８との直接
的接触よりはむしろ輻射線とガス誘導とによって、間接的に加熱及び冷却される
のを確実にする。これでガラス基板に応力が加わり、割れが生じる危険が軽減さ
れる。更に、ガラス基板５０と棚２８を差し込み配列にすると、ガラス基板５０
には両面から加熱と冷却が行われ、基板はより高速且つ均一に加熱・冷却される
。
【００１７】 図３Ａ、図３Ｂを参照すると、各冷却／ロードロックチャンバ４４にはチャン
バ壁８０によって取り囲まれる冷却カセット３０が含まれる。中央真空チャンバ
４８に隣接する側壁８０の一つの内部にはスリット・バルブ８２が形成され、フ
ァクトリーオートメーション・ユニット６０に隣接する側壁の一つの内部にはポ
ート８４が形成される。
【００１８】 冷却カセットは加熱カセット１０に類似する構造であるが、側壁はヘリウムの
ようなガス又は水のような液体を循環させることのできるチャンネル３２を備え
る。冷却液を適切なポンプ（図示せず）を介して循環させるため、入り口パイプ
３４と出口パイプ３６（図に陰影で示す）をそれぞれ設けてもよい。
【００１９】 図２Ａ、図３Ａを参照すると、本発明の加熱と冷却の各カセットは昇降装置９
０に装着されている。ガラス基板５０の各搬送後、異なる棚２８が真空ロボット
４６に向けられるよう、昇降装置はカセット１０、３０を上下に移動することが
できる。これら昇降装置機構は従来型のものであり、詳述する必要はない。昇降
装置機構自体は処理装置４０の外部に設けられ、シールを介し処理装置の下部壁
に貫通接続することができる。従って、カセット１０、３０は矢印９２の方向に
移動し、搬送の間にガラス基板５０は矢印９４の方向に移動する。
【００２０】 図２Ｂ、図３Ｂを参照すると、熱伝導性棚の温度は側壁内部の加熱コイル２０
又は冷却チャンネル３２によって調整できる。ガラス基板の加熱速度又は冷却速
度は棚材料の輻射率と、ガラス自体の輻射率及びチャンバの真空圧とによって決
まる。ガラスの割れが避けられるよう、温度の変化速度を十分低くすることがで
きる。ステファン−ボルツマン（Ｓｔｅｐｈａｎ−Ｂｏｌｔｓｍａｎｎ）方程式
で説明される熱伝達は以下の方程式（１）で与えられる。
【数１】 ここでＥｒは伝達されるエネルギーのＷａｔｔ／ｃｍ2単位での数量であり、Ｔ １ は棚の単位°Ｋでの温度であり、Ｔ２はガラスの単位°Ｋでの温度であり、ε １ は棚の輻射率であり、ε２はガラスの輻射率であり、σはステファン−ボルツ
マン定数である。ガス誘導による熱伝達はガス圧に比例し、以下の方程式（２）
によって与えられる。
【数２】 ここでＥｃはＷａｔｔ／ｃｍ2単位での加熱エネルギー値であり、△は°Ｋ単位 での平均伝導率であり、ｄはｃｍ単位での面相互間の間隙であり、βはガス適応
係数であり、ｃはミクロン単位でのガスの平均自由行程であり、Ｐはミリトル単
位での圧力であり、Ｔ１とＴ２は方程式（１）で上述した意味をもつ。
【００２１】 図１に戻るが、多結晶シリコン層の製造プロセスについて説明する。基板５０
は搬送カセット６４に入れてファクトリーオートメーション・ユニット６０にセ
ットされ、大気圧ロボット６２によってポート８４から冷却／ロードロックチャ
ンバ４４の一つに装填される（図３Ａを参照）。総ての棚が満たされると、ポー
トが閉じ、チャンバ４４は従来の排出ポンプ（図示せず）を介し真空にされる。
所要圧力に達すると、中央真空チャンバ４８に隣接する側壁にあるスリット・バ
ルブ７２（図２Ａを参照）が開放され、真空ロボット４６は基板５０を加熱チャ
ンバ４２に搬送できるようになる。二つの冷却／ロードロックチャンバ４４が設
備されるため、一つのバッチの基板が処理されているとき第二バッチの基板を装
填できる。
【００２２】 ガラス基板は冷却／ロードロックチャンバ４４から加熱チャンバ４２に搬送さ
れる。ガラス基板は堆積温度以上の温度まで加熱可能である。ガラス基板が一度
加熱されてしまうと、非結晶シリコン先駆層を基板上に堆積させるため真空ロボ
ット４６はその基板を処理チャンバ５２、５４、５６又は５８の内の一つに搬送
する。ＣＤＶプロセスは比較的“低”温で、例えば約３８０〜４００℃で行われ
ることができる。
【００２３】 非結晶シリコン堆積プロセスの完了後、アニーリングに備えロボットはガラス
基板５０を搬送して加熱チャンバ４２に戻す。特に、基板５０はチャンバ４２の
内部で処理温度以上の温度まで加熱する。例えば、基板温度が約４００〜４７０
℃、例えば約４２０℃に達することがある。アニーリングステップは窒素、不活
性ガス、あるいは、できる限り窒素と水素の混合体、例えば窒素が約９５％と水
素が５％の混合体を含む環境内で行う。アニーリングステップは約５分から３０
分、例えば約１０分を要することがある。
【００２４】 基板の数が多いことと、アニーリングに要する時間量のため、装置のスループ
ットを改善するには二つ又はそれ以上の加熱チャンバを設備することが望ましい
ことがある。一つの加熱チャンバを用いて基板の予熱をし、アニーリングには別
の加熱チャンバを用いる。あるいは、加熱チャンバには冷却／ロードロックチャ
ンバよりも多くの棚を装備する。更に、ロードロックチャンバの一つは加熱／ロ
ードロックチャンバに変換する。
【００２５】 アニーリングステップが完了すると、基板５０は冷却／ロードロックチャンバ
４４の一つに搬送されて処理温度まで冷却される。処理温度はアニーリング温度
より低いが、室温以上、例えば約８０〜１５０℃となることがあり得る。冷却／
ロードロックチャンバ４４は真空から大気圧に戻され、基板は大気圧ロボット６
２によってファクトリーオートメーション・ユニット６０に戻される。最後に、
基板は別のツールに搬送されてレーザアニーリングされ、非結晶シリコン層が多
結晶シリコン層に変換される。
【００２６】 高温アニーリングステップでは非結晶シリコン先駆層の水素含有量が減らされ
、そのため、レーザアニーリングステップの間に脹れの発生が減少し、歩留りが
増大する。特に、約３８０〜４００℃でＣＶＤによって堆積した先駆層の水素含
有量はほぼ１０〜１５％（原子百分率）であるが、約４５０〜４７０℃で基板を
アニーリングことによって先駆層の水素含有量は約２〜４％、例えば約３％に減
少する。堆積温度より高いが、約４５０〜４７０℃より低いアニーリング温度で
は、対応する水素含有量の減少が少ない。アニーリング温度は水素含有量を約７
％以下、例えば約５％以下まで減少させるように選択可能である。
【００２７】 要約すると、バッチ単位数量の大領域ガラス基板を冷却／ロードロックチャン
バ内のカセットに搬送し、ガラス基板が処理温度、あるいはそれ以上に加熱され
る加熱チャンバに該基板を搬送し、“低温度”非結晶シリコン堆積ステップに備
え、該基板を一つずつ、一つ又はそれ以上の単一基板処理チャンバに搬送し、“
高温度”アニーリングステップに備え、該基板を加熱チャンバに戻し搬送し、最
後にロードロックチャンバ内の冷却カセットに該基板を戻し搬送して処理温度ま
で冷却することが可能である。次いで、基板はレーザアニーリングステップに備
え真空装置から外部に搬送できる。アニーリングと堆積の各ステップは大気に曝
されることなく同一のツールで行われるため、基板が汚染される危険が軽減され
る。更に、基板の予熱とアニーリングに同一のチャンバが使用できるため、別個
の炉が必要とされることはない。その上、若干数の基板がアニールされている間
に他の若干数の基板は予熱ができるため、ツールのスループットが改善される。
【００２８】 基板の予熱とアニーリングの双方に同じチャンバを使用することは、酸化シリ
コン・ゲート層の製造においても有利になろう。特に、ガラス基板が加熱チャン
バ内で予熱され、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）先駆層がＣＶＤに
よって堆積され、基板が加熱チャンバに戻してアニールされることが可能である
。
【００２９】 本発明は特定の実施例に関し解説してきたが、様々な変更ができる。例えば、
本明細書に記載するようなカセット、棚、ガラス基板支持体等に代えて他の各種
資材を代用できる。カセット棚は説明したように、間接的よりはむしろ、棚自体
に設けた適切なチャンネルを介し直接的に加熱又は冷却できる。本発明のカセッ
トは一つ又はそれ以上のバッチ・タイプＣＶＤチャンバ、あるいは他の処理チャ
ンバに接続できる。一つ以上のバッチ・タイプ加熱及び/又は冷却チャンバは、 一つ又はそれ以上の処理チャンバに接続できる。本発明の加熱及び/又は冷却チ ャンバは一体に接続したり、予備洗浄チャンバ、エッチングチャンバ又は他の物
理気相堆積チャンバのような他の処理チャンバに接続できる。従って、本発明は
付属する請求項の範囲によって唯一制約されることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガラス基板処理装置の平面図である。
【図２Ａ】 図１に記載の装置からの加熱チャンバの透視図である。
【図２Ｂ】 図２Ａに記載の加熱チャンバからの加熱カセットの横断面図である。
【図３Ａ】 図１に記載の装置からのロード・ロック／冷却チャンバの透視図である。
【図３Ｂ】 図３Ａに記載のロード・ロック／冷却チャンバからの冷却カセットの横断面図
である。
【符号の説明】
６０：ファクトリーオートメーション・ユニット ６２：大気圧ロボット ６４
：基板搬送カセット４０：処理装置 ５０：ガラス基板 ５２、５４、５６、５
８：処理チャンバ ４２：加熱チャンバ ４４：冷却／ロードロックチャンバ
４６：真空適合ロボット ４８：中央真空チャンバ １０：加熱カセット １２
、１４：側壁 １６：底部壁 １８：リッド ２０：加熱コイル ２２：チャン
ネル ２４：支持シャフト ２６：支持体 ２８：棚 ７０：チャンバ壁 ７２
：スリット・バルブ ９０：昇降装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キュー， レジーナ アメリカ合衆国， カリフォルニア州， クパティノ， ヴィンヤード スプリング コート 11652 (72)発明者 レグリス， ユヴォンヌ アメリカ合衆国， カリフォルニア州， マウンテン ヴュー， カリフォルニア ストリート 2025 ナンバー４ (72)発明者 ロバートソン， ロバート， マコーミッ ク アメリカ合衆国， カリフォルニア州， サンタ クララ， ペッパー ツリー レ ーン 900 ナンバー1422 Ｆターム(参考） 4K030 BA30 BA61 CA06 DA02 DA09 GA12 JA10 KA08 KA23 KA26 LA18 5F045 AB03 AB04 AC07 AD07 AD08 AF07 BB08 DQ17 EB08 EE14 EJ02 EJ09 EJ10 EN04 HA16 HA18 HA22 5F052 AA02 AA11 CA01 CA09 CA10 DA02 DB01 EA11 EA15 EA16 FA19 JA01 JA09 5F110 AA26 AA30 BB01 DD02 DD03 PP03 PP10 PP13 PP35

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガラス基板上に多結晶シリコン層を形成する方法であって, ガラス基板を予熱するステップと、 前記基板上に非結晶シリコン先駆層を一次温度で堆積させるステップと、 熱処理チャンバ内で前記基板を一次温度よりも十分高い二次温度でアニーリン グして、前記先駆層における水素濃度を実質的に減少させるステップと、 前記先駆層をレーザアニーリングによって多結晶シリコン層に変換するステップ
    と、 を備える方法。
  2. 【請求項２】 前記一次温度が約３８０〜４００℃である、請求項１に記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 前記二次温度が約４００〜４７０℃である、請求項１に記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 前記アニーリングステップが窒素を含む大気中で行われる、
    請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記大気が水素を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記予熱ステップとアニーリングステップが同じ熱処理チャ
    ンバで行われる、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 更に、前記先駆層を多結晶シリコンに変換する前に前記基板
    を処理温度まで冷却するステップと、を備える、請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 ガラス基板上に薄膜を形成する方法であって、 熱処理チャンバ内でガラス基板を一次温度まで予熱するステップと、 前記基板上に薄膜を化学気相堆積によって一次温度以下の二次温度で堆積させ るステップと、 前記基板を前記熱処理チャンバ内において一次温度でアニーリングするステッ
    プと、 を備える方法。
  9. 【請求項９】 前記二次温度が約３８０〜４００℃である、請求項８に記載
    の方法。
  10. 【請求項１０】 前記一次温度が約４００〜４７０℃である、請求項８に記
    載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記薄膜が非結晶シリコン層である、請求項８に記載の方
    法。
  12. 【請求項１２】 前記薄膜がテトラエチルオルトシリケート層である、請求
    項８に記載の方法。
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