JP2003007638A - 熱感受性非導電性基板上の半導体フィルムを熱処理するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、熱感受性非導電性基板が最小の熱
収支で必要とされる際に、半導体フィルムを熱処理する
方法および装置に関する。より詳しくは、液晶ディスプ
レー（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）およ
び太陽電池への種々の用途のためのガラス基板上の多結
晶シリコン薄膜トランジスター（ポリ−ＳｉＴＦＴ）お
よびＰＮダイオードに関する。 【解決手段】 本発明の方法および装置により、半導体
フィルムは、熱感受性基板に損傷を与えることなく熱処
理されるであろう。例えば、ガラスの使用が可能な最小
の熱収支で、非晶質シリコンフィルムが結晶化され、ガ
ラスの使用が可能な最小の熱収支で、ドーパント活性化
の速度が向上される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱感受性非導電性
基板が最小の熱収支で必要とされる際に、半導体フィル
ムを熱処理する方法および装置に関する。より詳しく
は、液晶ディスプレー（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード
（ＯＬＥＤ）および太陽電池への種々の用途のためのガ
ラス基板上の多結晶シリコン薄膜トランジスター（ポリ
−ＳｉＴＦＴ）およびＰＮダイオードに関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶ディスプレー（ＬＣＤ）および有機
発光ダイオード（ＯＬＥＤ）は、フラットパネルディス
プレーにおいて急速に増大している。今日では、これら
のディスプレーシステムには、ＴＦＴを用いるアクティ
ブマトリックス回路形態が採用される。ガラス基板上の
薄膜トランジスター（ＴＦＴ）の加工は、これらの応用
には必要なことである。

【０００３】典型的には、ＴＦＴ−ＬＣＤには、活性層
として非晶質Ｓｉフィルムを含むＴＦＴが用いられる
（すなわちａ−ＳｉＴＦＴ ＬＣＤ）。最近、非晶質Ｓ
ｉフィルムに換えて多結晶シリコンフィルムを用いるＴ
ＦＴの開発に対する興味に拍車がかかっている（すなわ
ちポリ−ＳｉＴＦＴ ＬＣＤ）。なぜならば、優れたイ
メージ解像力、および画素領域を周辺のドライブ回路と
同時に統合する利点からである。ＯＬＥＤの分野では、
ポリ−ＳｉＴＦＴを用いることにより、ａ−Ｓｉを越え
る明らかな利点がもたらされる。なぜならば、ポリ−Ｓ
ｉＴＦＴの電流誘導の可能性は、ａ−ＳｉＴＦＴのもの
より実質的に高く、したがってより高い操作性能が得ら
れるからである。

【０００４】商業的に入手可能なガラス基板上のポリ−
Ｓｉ素子を加工するための最も過大な課題は、ガラス基
板が耐えられる最小の熱収支での熱処理方法を開発する
ことである。ガラスは、５００℃を越える温度に相当時
間暴露された際に容易に変形する。ポリ−Ｓｉ素子を加
工するのに高い熱収支が必要となる重要な熱処理工程に
は、非晶質Ｓｉフィルムの結晶化、およびＰ（または
Ｎ）−型接合のための注入ドーパントの電気的活性化が
含まれる。これらの熱処理は、典型的には高い熱収支を
必要とし、ガラスの損傷またはひずみが避けられない。

【０００５】これらの問題を解決するために種々の方法
が開発された。これらの方法を、非晶質Ｓｉの結晶化お
よびドーパントの活性化の領域を分けて簡単に概説す
る。

【０００６】（１）非晶質Ｓｉを多結晶Ｓｉに結晶化す
るための熱処理 ポリ−Ｓｉフィルムは、典型的には、化学蒸着法（ＣＶ
Ｄ）およびこれに続くポスト析出結晶化熱処理による非
晶質Ｓｉフィルムの沈積を通して得られる。

【０００７】固相結晶化（ＳＰＣ）は、非晶質シリコン
を結晶化するための普通の方法である。この方法では、
非晶質シリコンは、６００℃に近い温度で少なくとも数
時間熱処理に付される。典型的には、ガラス基板は、抵
抗加熱源を有する炉内で処理される。ＳＰＣ法により、
１０時間で、ＴＦＴの典型的な電子移動度５０〜１００
ｃｍ^２／Ｖｓを有する素子−品質の多結晶シリコンが得
られるであろう。しかし、この方法の高い熱収支は、用
いられたガラス基板に、損傷および／またはゆがみをも
たらす。

【０００８】ガラスを損傷することなく、非晶質Ｓｉを
多結晶Ｓｉに低温で転化するのに、種々の結晶化方法が
ある。このための重要な方法は、エキシマレーザー結晶
化（ＥＬＣ）および金属誘導結晶化（ＭＩＣ）である。

【０００９】ＥＬＣ法は、ナノ秒レーザーパルスを用い
て、非晶質シリコンを結晶形態に溶融凝固する。理論的
に、これによって、それが載置されるガラス基板を劣化
することなく、最適温度で非晶質Ｓｉをアニーリングで
きる可能性が提供される。しかし、この方法は、大量生
産で用いるのに、決定的な欠点を有する。この方法を通
じて、ポリ−Ｓｉフィルムの粒子構造は、レーザービー
ムのエネルギーに極めて感受性が高く、そのため粒子構
造の均一性、したがって素子の特性が得られないであろ
う。また、レーザーのビームサイズも、比較的小さい。
小さなビームサイズは、大きなサイズのガラスに対して
結晶化プロセスを完成するのに、多重レーザーパスまた
はショットを必要とする。レーザーを正確に制御するこ
とが困難であることから、多重ショットにより、結晶化
プロセスに不均一性が持ち込まれる。さらに、ＥＬＣポ
リ−Ｓｉフィルムの表面は粗く、これはまた素子性能の
品質を下げる。また、ＥＬＣは、析出した非晶質Ｓｉが
高い水素含有量を有する場合に、水素噴出の問題を有す
る。これは、通常プラズマ励起化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）
の場合である。水素噴出を防止するためには、脱水素の
ための熱処理が、高温（４５０〜４８０℃）で長時間
（＞２時間）必要とされるであろう。プロセスの問題に
加えて、ＥＬＣプロセス装置のシステムは、複雑、高価
であり、そしてメインテナンスが難しい。

【００１０】ＭＩＣプロセスには、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ、
ＡｇおよびＣｕなどの種々の金属元素を非晶質Ｓｉフィ
ルム上に添加して、結晶化の速度を向上することが含ま
れる。この方法を用いることにより、６００℃未満の低
温における結晶化がもて提供される。しかし、この方法
は、ポリ−Ｓｉの劣った結晶品質および金属汚染によっ
て制約される。金属汚染は、ポリ−ＳｉＴＦＴの操作中
の有害な漏れ電流の原因となる。この方法の他の問題
は、プロセスにおける金属シリサイドの形成である。金
属シリサイドが存在することにより、次のエッチングプ
ロセス工程において、望ましくない残留物問題がもたら
される。

【００１１】（２）ドーパントを活性化するための熱処
理 結晶化プロセスに加えて、高い熱収支を伴う他の熱処理
プロセスは、ドーパント活性化アニーリングである。Ｔ
ＦＴのソースおよびドレーン領域などのｎ型（またはｐ
型）領域を形成するのに、ヒ素、リンまたはホウ素など
のドーパントが、イオン注入またはプラズマドーピング
法を用いてＳｉフィルム中に注入される。ドーパントを
ドーピングした後、シリコンは、アニーリングされて電
気的に活性化される（活性化アニーリング）。結晶化の
熱処理と同様に、抵抗加熱源の炉内でのアニーリングが
通常行なわれる。このプロセスは、６００℃近い高温お
よび長時間を要する。したがって、熱収支を低減するた
めの新規な方法が必要であり、そして先行技術において
提供される。エキシマレーザーアニーリング（ＥＬＡ）
および急速熱アニーリング（ＲＴＡ）が、この目的に提
供される。ＥＬＡは、ＥＬＣのもの（すなわちナノ秒レ
ーザーパルスを用いるポリ−Ｓｉの迅速再溶融および凝
固）と同一のプロセスメカニズムを用いる。また、結晶
化のためのＥＬＣに見られる最大の問題も、ここに存在
する。ＥＬＣプロセスにおける急激な熱変化は、高い熱
応力をガラスと同様にポリ−Ｓｉフィルムにももたらす
こととなり、そのために素子の信頼性が低下することと
なる。

【００１２】ＲＴＡ法では、より高温が用いられるが、
短時間である。典型的には、基板は、ＲＴＡにおいて７
００〜１０００℃に近い温度に付される。しかし、アニ
ーリングプロセスは、比較的迅速に、数分または数秒で
行なわれる。タングステン−ハロゲンまたはＸｅアーク
燈などの光学的加熱源が、しばしばＲＴＡ加熱源として
用いられる。ＲＴＡの問題は、これらの光学的加熱源か
らのフォトン放射が、シリコンフィルムばかりでなくガ
ラス基板も加熱する波長幅を有することである。したが
って、ガラスは、プロセス中に加熱されて損傷する。

【００１３】先行技術に基いて、ガラス上で素子加工を
するために結晶化の速度およびドーパント活性化を向上
する方法を開発すること、またこれらのプロセスのため
の熱収支を低減することは、大きな関心ごとである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、上記の問題のすべてを一度に解決することであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、熱感受性非導
電性基板が最小の熱収支で必要とされる際に、半導体フ
ィルムを熱処理するための方法を提供する。すなわち、
熱感受性非導電性基板上の半導体フィルムを熱処理する
ための方法は、（ａ）サセプターに載置した非導電性基
板上の半導体フィルムに極めて近接して誘導コイルを設
置し、その際、上記誘導コイルの巻き形態は、インダク
ターの電流方向が上記半導体フィルムの面内方向に平行
に並ぶように配置される工程、および（ｂ）交流を上記
誘導コイルに誘導して、半導体フィルムが誘導加熱され
る程度に上記サセプターによって加熱された上記半導体
フィルムに、交番磁場を誘導する工程を含む。

【００１６】上記半導体フィルムの代表的な例は、非晶
質シリコンフィルムまたは結晶シリコンフィルムである
シリコンフィルムである。そして、上記熱感受性非導電
性基板の代表的な例は、ガラスまたはプラスチック基板
である。

【００１７】また、本発明は、上記熱処理のための多数
の装置を提供する。本発明の低温熱処理装置は、基本的
に、（ａ）非導電性基板上の半導体フィルムに極めて近
接して設置され、その際、上記誘導コイルの巻き形態
は、インダクターの電流方向が上記半導体フィルムの面
内方向に平行に並ぶように配置される誘導コイル、およ
び（ｂ）上記非導電性基板の下側に設置され、半導体フ
ィルムが誘導加熱される程度に、半導体フィルムを加熱
するサセプターを含む。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の方法および装置により、
半導体フィルムは、熱感受性基板を損傷することなく熱
処理されるであろう。例えば、ガラスの使用が可能な最
小の熱収支で非晶質シリコンフィルムを結晶化するこ
と、ガラスの使用が可能な最小の熱収支でドーパント活
性化の速度を向上することである。

【００１９】上記シリコンフィルムは、結晶化の熱処理
の際に多結晶を結晶化する非晶質状態、またはドーパン
ト活性化の熱処理の際にドーパントが注入された多結晶
状態（ｎ−型またはｐ−型）のいずれかの形態で、ガラ
ス基板上に析出される。

【００２０】上記サセプターは、ガラスまたはプラスチ
ック基板などの非導電性基板（ここに半導体フィルムが
析出される）を加熱することによって、最終的に半導体
フィルムを加熱する。このタイプのサセプターは、下記
のように、サセプターを加熱する方法によって選択され
るであろう。

【００２１】第一に、サセプターは、高導電率の金属ま
たはグラフファイトから製造され、これは、渦電流の加
熱機構により、交番磁場下でサセプターをそのままで加
熱可能にする（すなわち誘導加熱）。

【００２２】第二に、サセプターは、電気非導電性物質
から製造され、これは、サセプターが交番磁場下で加熱
されるのを防止し、そしてサセプターは、抵抗またはラ
ンプ加熱器などの外部加熱源を用いて独立に加熱される
ように設計される。

【００２３】後者のタイプのサセプターは、結晶化（ま
たはドーパント活性化）の際の熱処理の効果の程度が、
磁場強度を変えるシステム操作において基板を加熱する
程度から独立して制御されるであろうという点で、プロ
セス操作に利点がある。いずれの場合においても、ガラ
ス基板の温度は、５００℃未満の範囲に低く維持され
て、ガラスの損傷が防止される。サセプターは、直線ま
たは回転運動にあって、プロセスの均一性が向上され
る。

【００２４】より好ましくは、熱処理装置は、さらに、
誘導コイルの内側または周囲に、磁性コアを付設してな
る。上記磁性コアの好ましい、材料は、積層された金属
コアまたはフェライトコアである。磁性コアを用いる利
点は、三つある。第一に、それは、実質的に、低い誘導
出力で磁場強度を向上する。第二に、それは、磁束分布
をより均一にする。第三に、それは、上記束分布をシリ
コンフィルムの領域に濃縮する。これにより、より効果
的な熱処理がもたらされ、そしてサセプター周りに付設
された導電性成分（例えば室壁または外部の加熱器ブロ
ック）における磁束による望ましくない干渉が防止され
る。

【００２５】上記目的を達成する上記磁気誘導コイルの
いかなる形態も、本発明で適用できるものの、これらの
好ましい例を以下に示す。

【００２６】（１）板状の磁性コアは、パンケーキ形状
の平らな誘導コイルの上部を包み、磁極から上記誘導コ
イルの下に配置された上記シリコンフィルム表面の下側
へ外部磁束が発生する。この形態により、磁束分布が、
放散されることなく非導電性基板に極めて近接してもた
らされる。基板は、コイルの下側で線形運動に付され、
プロセスの均一性が向上される。

【００２７】（２）多重巻の誘導コイルで巻かれた（
下向き凹 ）−形状（垂直断面図）の磁性コアは、二つ
の磁極の間を走る外部磁束が半導体フィルムを暴露する
ように、半導体フィルムの上側に配置される。この形態
においては、誘導コイルに適用された電流により、磁性
コアの機能によって強化された磁場が生成される。次い
で、磁束は、エアーギャップを横切って、一つの極から
他の極に直接走る。熱処理では、非導電性基板は、コイ
ルの下側で連続的な線形運動に付されて、プロセスの均
一性が向上されることが望ましい。

【００２８】（３）多重巻の誘導コイルで巻かれた（
横向き凹 ）−形状（垂直断面図）の磁性コアは、上記
非導電性基板が磁性コアの磁極ギャップの中間点で水平
に配置されるように配置される。この形態においては、
磁束方向は、磁極面に垂直な方向に平行にされる。熱処
理では、非導電性基板は、極面に平行な方向で、二つの
磁極の中間点に配置されることから、全ての磁束線は、
基板に被覆されたシリコンフィルム面に垂直に整列され
る。この整列は、本発明の目標を最大化する。さらに、
基板を連続運動することが、より良好なプロセス均一性
およびより高い処理量の点で望ましい。

【００２９】開示の本発明は、非晶質シリコンの結晶化
の速度を顕著に向上する。さらに、本発明は、固相結晶
化（ＳＰＣ）に対してばかりでなく、金属誘導結晶化
（ＭＩＣ）に対しても効果的である。また、本発明は、
イオン注入多結晶シリコンのドーパント活性化の速度も
向上する。

【００３０】本発明が上記熱処理効果の速度を向上する
ことの可能性のある理由は、以下に述べられるであろ
う。便宜上、それぞれ、半導体フィルムをシリコンフィ
ルムに限定し、熱感受性非導電性基板をガラス基板に限
定する。

【００３１】シリコンフィルム内に交番磁場を誘導する
ことにより、電磁気力（eｍf）が発生する。シリコンフ
ィルム内のｅｍｆが速度向上の駆動力であるという仮定
を立てると、ファラデーの法則（または、Ｂ．Ｄ．Ｃｕ
ｌｌｉｔｙ著「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａ
ｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ａｄｄｉｓｏｎ
Ｗｅｓｌｅｙ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、１９７
２年）の第３６頁参照）により、次のようにｅｍｆ強度
が定義される。 ＥＭＦ＝１０^−８ＮｄΦ／ｄｔボルト 式中、Ｎはコイルの巻き数であり、ｄΦ／ｄｔはｍａｘ
ｗｅｌｌ／秒単位の磁束変化率である。したがって、速
度の向上は、磁束強度および交流周波数の両方による。

【００３２】ｅｍｆの発生により熱処理の効果が向上す
るメカニズムが、たとえ判らなくとも、幾つかの理由が
推測されるであろう。

【００３３】第一のメカニズムは、シリコンフィルムの
選択的なジュール加熱である。非晶質または多結晶シリ
コンは、室温で高い抵抗値を有する。例えば、非晶質シ
リコンの１０^６〜１０^１０Ω−ｃｍである。したがっ
て、シリコンが外部加熱源によって強度に加熱されない
場合には、シリコンのジュール加熱は、上記ｅｍｆにも
かかわらず起こらない。しかし、非晶質および多結晶Ｓ
ｉが高温に加熱される場合には、その抵抗が低い値、例
えば５００℃で１０〜０．０１Ω−ｃｍに急速に低下す
る。これらの抵抗値は、本発明のサセプターの例として
用いられるグラファイトのそれ（１〜０．００１Ω−ｃ
ｍ）に類似している。交番磁束での非晶質シリコンの局
部加熱にもかかわらず、高い抵抗値（〜１０^１６Ω−ｃ
ｍ）を有するガラス基板は、上記交番磁束によって加熱
されない。したがって、ガラスは、外部加熱操作によっ
て予め設定された低温のままである。

【００３４】第二のメカニズムは、上記ｅｍｆが、荷電
欠陥に作用する電界効果によってシリコン原子の運動を
活性化することである。空格子点および格子間隙などの
点欠陥は、シリコンの原子構造内で電気的に荷電（陰ま
たは陽に）されることは知られている。これらの荷電欠
陥の運動は、電場の存在によってかなり向上される。こ
れは、一般に学術出版物（例えばシリコンにおける「Ｆ
ｉｅｌｄ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ」、
Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ著「ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」
（第二版、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ、１９８８年）の第
２８７頁参照）に報告されてきた。

【００３５】上記の一般論および以下の詳細な説明は、
いずれも例示的でありまた説明的であり、そしてこれら
により、本発明が、請求されるように、さらに説明され
るであろうことが理解されよう。

【００３６】

【実施例】図１を参照して、本実施形態は、ガラス基板
上のシリコンフィルムを低温熱処理する装置に関する。
この装置は、非晶質シリコンの結晶化、およびイオン注
入されたシリコンのドーパント活性化の両方の熱処理に
用いられるであろう。

【００３７】装置１００は、シリコンフィルム２００で
被覆されたガラス基板３００を加熱するグラファイトサ
セプター４００、および磁場（Ｆ）を発生させるソレノ
イド誘導コイル５００からなる。水冷式誘導コイルに交
流を導入することにより、交番磁場（Ｆ）が発生する。
交番磁束は、二つの目的で用いられる。第一は、ジュー
ル加熱効果の作用（すなわち通常用いられる誘導炉の加
熱メカニズム）によりグラファイトサセプター４００を
加熱することである。第二は、シリコンフィルム２００
の熱処理の速度を、シリコンフィルム２００内に誘導さ
れたｅｍｆにより向上することである。向上効果を知る
ためには、ガラス３００は、水平方向に載置され、その
ために磁束がシリコンフィルム２００の表面に対し垂直
方向に配列されるであろう。速度の向上程度は、前述さ
れるように、ファラデーの法則に従って、交流周波数お
よび／または磁場強度を増加することによって増大され
る。好ましい周波数範囲は、２０Ｈｚ〜１０ＭＨｚであ
る。

【００３８】上記磁場強度を増加するのに、誘導コイル
５００の出力（または電流）が、増大されるであろう。
ここで、上記の作用により、グラファイトサセプター４
００の加熱温度が増加する。したがって、用いられるサ
セプター４００の物質種、厚さおよび形状は、サセプタ
ー温度を低い範囲（２００〜５００℃）に保つように適
切に調整されるであろう。

【００３９】図２を参照して、本実施形態は、図１の装
置１００のものとは異なるコイル設計の装置に関する。
装置１１０は、パンケーキ形状を有する水冷式誘導コイ
ル５１０をらせん状に巻いてなる。らせん状のコイル形
態は、ガラスなどのシート物の熱処理に適切である。ら
せん状誘導コイル５１０は、シリコンフィルム２１０で
被覆されたガラス基板３１０上に磁束（Ｆ’）を発生す
る。本実施形態は、全く均一のプロセス特性をもたらす
ものの、より一層の均一性は、ガラス基板３１０を直線
または回転運動することにより達成される。

【００４０】図３を参照して、本実施形態は、本発明を
より一層発展させるために、磁性コアを付加した装置に
関する。装置１２０は、図２の装置１１０におけるもの
と同一のコイル形態５２０を有する。誘導コイル５２０
の上半分は、積層磁性金属（例えば鉄−シリコン合金ま
たはニッケル合金）、またはフェライト（例えばＭｎ−
Ｚｎフェライト）からなる磁性コア６２０に包まれる。
所望により、誘導コイル５２０および磁性コア６２０の
いずれも、適切に水冷されて、操作中のその過熱が防止
される。図に見られるように、コイル５２０の下部は、
開放であり、外部磁束を形成する。

【００４１】磁束の分布形状は、図２のものと類似であ
る。しかし、本実施形態の場の強度は、下記関係式によ
る磁性コア６２０の増幅作用のために、図２のものより
も実質的に高い。 Ｂ＝Ｈ＋４πＭｓ 式中、Ｈはコイルによる適用された磁場であり、４πＭ
ｓは磁性コア６２０の磁性であり、そしてＢはＣＧＳ単
位の全誘導磁束である（Ｂ．Ｄ．Ｃｕｌｌｉｔｙ著「Ｉ
ｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍ
ａｔｅｒｉａｌｓ」（Ａｄｄｉｓｏｎ Ｗｅｓｌｅｙ、
Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、１９７２年）の第１３頁
参照）。磁性コア６２０を用いた誘導における最大の磁
場強度（Ｂ）は、磁性コアの磁性飽和（４πＭｓ）の値
に制約される。例えば、金属合金およびフェライトに対
して、それぞれ１０〜２０キロガウスおよび２〜７キロ
ガウスである。しかし、これらの大きなＢ値は、図１お
よび２におけるように、空芯インダクターの場合には殆
ど達成されないであろう。したがって、本実施形態にお
ける磁気誘導コイル設計を用いることにより、実質的
に、シリコンフィルム２２０の熱処理効果の程度が、低
誘導出力で増加される。

【００４２】図３に示されるように、サセプター４２０
は、誘導コイル５２０の下側に配置される。サセプター
４２０は、ＡＩＮおよびＢＮなどの非磁性、非導電性、
および高熱伝導性の物質から製造される。サセプター４
２０は、抵抗加熱器またはランプ加熱器（図示されな
い）などの外部加熱源によって、２００〜５００℃に加
熱される。外部加熱を用いることにより、ガラス基板の
温度、およびシリコンフィルム２２０上の磁束密度を、
独立して調整することが可能となる。これは、図１およ
び２の場合と異なる。

【００４３】図４を参照すると、装置１３０には、３つ
の重要な構成要素が含まれる。すなわち、多重巻きの誘
導コイル５３０に巻かれた（ 下向き凹 ）−形状（縦
断面図）の磁性コア６３０、箱型炉８３０、およびガラ
ス基板３３０を直線運動させるための移動システム７３
０である。Ｓｉフィルム２３０を伴うガラス基板３３０
は、炉壁８３２の開口８３４を通って直線状に動くコン
ベヤー７３０に水平に載置される。交流のコイル電流
は、磁性コア６３０を回り、一方の極（Ａ）から他方の
極（Ｂ）へ行き来する交番磁束を発生する。磁束のこの
分布により、極（ＡおよびＢ）の下側領域でシリコンフ
ィルム２３０の表面に対して垂直の束線が生じ、シリコ
ンフィルム２３０のその領域で速度が向上される。熱処
理の領域は、極領域（ＡおよびＢの下側）内側に配置さ
れるので、ガラス基板２３０の直線運動は、均一性を達
成するのに必要である。磁性コア６３０、特に磁極領域
（ＡおよびＢ）は、炉の高温域から断熱されるであろ
う。したがって、これらの磁性コア６３０は、適切な冷
却構成要素によって水冷され、そして断熱材８３２によ
って包まれるであろう。

【００４４】図５を見ると、磁性コアを有する他のタイ
プの装置が、本発明をさらに発展させるのに開示され
る。特に、本実施形態の装置は、単一のプロセス操作
（すなわちバッチプロセス）によって多数のガラスの熱
処理を可能にする。装置１４０には、３つの主要な構成
要素が含まれる。すなわち、縦の断面図が（ 横向き
凹）−形状の磁性コア、箱型炉、およびガラス基板の移
動システムである。磁性コア６２０の左側の垂直カラム
６４２は、炉３４０の外側に配置されており、誘導コイ
ル５４０で巻かれている。そして、右側の開いた極カラ
ム６４４は、炉体の内部に埋め込まれている。Ｓｉフィ
ルム２４０を有するガラス基板３４０は、炉壁３４０の
開口８４４を通って直線状に動くコンベヤー７３０に水
平に載置される。交流のコイル電流は、磁性コア６４０
を回り、一方の極（Ｃ）から他の極（Ｄ）へ行き来する
交番磁束を発生する。この磁束分布により、極領域（Ｃ
およびＤ）においてシリコンフィルム２４０の表面に対
して垂直方向に平行な束線が生じる。この配列により、
前の図面（第一から第五の実施形態）に開示される装置
と比べて、シリコンフィルム２４０に対する熱処理効果
が最大化される。本実施形態のさらなる利点は、次に開
示されるであろうバッチプロセスの可能性である。図５
に示されるように、多数のガラス３４０は、充填カセッ
ト８４０に挿入される。次いで、コンベヤー上のカセッ
トは、極の間隙（ＣおよびＤの間）を通って送られて、
熱処理に付される。カセット枠８４０に用いられる物質
は、非磁性であって、磁性透過性を維持するのと同様
に、磁場の干渉を防止するであろう。カセット枠８４０
の好ましい物質は石英である。磁束は、カセット８４０
内の全てのガラス３４０に垂直に配列されることから、
個々のガラス３４０間の均一量の熱処理が達成されるで
あろう。

【００４５】ＳＰＣのための熱処理 本実施形態は、図１に開示される装置１００を用いて、
ガラス基板上の非晶質シリコンフィルムを固相結晶化
（ＳＰＣ）するための熱処理に関する。

【００４６】図６に示されるように、非晶質シリコンフ
ィルム２５０を、ガラス基板（Ｃｏｒｎｉｎｇ１７３
７：３５０）上に厚さ１０００Åで析出させた。次い
で、試料を装置１００を用いて加熱した。誘導コイル５
００は直径１５ｃｍおよび巻き数１４を有した。適用さ
れた交流周波数は１４ＫＨｚであった。適用されたコイ
ル電流は４５アンペアであった。これらの設定条件によ
り、およそ５０エールステッド（Ｏｅ）の誘導電磁場強
度を、ガラス基板３００上の非晶質シリコンフィルム２
００に得た。基板温度は、誘導加熱の原理にしたがう渦
電流の標準の深さを考慮して、グラファイトサセプター
３００の厚さを変化させて変更された。

【００４７】最初に、ＳＰＣの速度を調べるために、Ｘ
線回折分析を行なった。比較のために、上記方法によっ
て調製された試料を、抵抗加熱器を有する従来の管状炉
で熱処理した。図７に、Ｘ線（１１１）ピークの変化
を、熱処理時間の関数として示す。（１１１）ピークの
出現は、非晶質シリコンの結晶化を示し、そして強度の
飽和は、結晶化の完了を示す。

【００４８】図７に見られるように、従来の熱処理（Ｓ
ＰＣ）の場合には、結晶化は、６００℃の高温において
さえ、４時間で現れ始めて７時間で完了した。対照的
に、本発明の熱処理（ＡＭＦＣ）の場合には、結晶化は
４３０℃の低温にも関わらず１時間以内で完了した。

【００４９】上記の実験において、多結晶質シリコンフ
ィルムの粒子構造を、電子顕微鏡によって調べた。図８
（ａ）および（ｂ）は、図７の結晶化の完了時点、精確
には本発明の方法で１時間（図８（ａ））および従来の
方法で７時間（図８（ｂ））の時点における熱処理され
たフィルムの粒子構造を示す顕微鏡写真である。二つの
方法間で、２〜３μｍの大きな粒子サイズを有する類似
した粒子構造が観察された結果は、多結晶質シリコンの
高い結晶性が、本発明により、低温熱処理においてさえ
得られることを表す。

【００５０】上記の実験において、結晶化の速度へのコ
イル電流の影響（すなわち磁場強度）を調べた。図９
は、熱処理時間１時間において、２５アンペアおよび４
５アンペアのコイル電流に対する（１１１）Ｘ線ピーク
を比較する。結晶化は、上記のように４５アンペアのコ
イル電流では１時間で完了したのに対し、２５アンペア
のコイル電流では起こらなかった。この結果は、磁場強
度が結晶化の速度を向上するのに重要であることの直接
的証拠を示す。２５アンペアでの磁場強度は約２８Ｏｅ
と測定されたことから、結晶化は本実験の特定条件にお
ける値を超えて向上されると考えられる。

【００５１】ＭＩＣのための熱処理 本実施形態は、図１に開示される装置１００を用いて、
ガラス基板上の非晶質シリコンフィルムを金属誘導結晶
化（ＭＩＣ）するのための熱処理に関する。

【００５２】図１０に示されるように、非晶質シリコン
フィルム２６０を、ガラス基板３６０上に厚さ１０００
オングストロームで析出させ、続いてＮｉ９６０を、厚
さ３０オングストロームで析出させた。誘導コイルの直
径、巻き数および周波数の実験条件は、上記のものと同
一であった。

【００５３】最初に、熱処理を、上記試料について種々
の温度で１時間行った。ここで、コイル電流を４５アン
ペアに設定した。次に、これら試料の結晶化の発現を、
Ｘ線回折分析および電子顕微鏡によって調べた。その結
果を表１に示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】ＭＩＬＣのための熱処理 本実施形態は、図１に開示される装置１００を用いて、
ガラス基板上の非晶質シリコンフィルムを金属誘導横方
向結晶化（ＭＩＬＣ）するための熱処理に関する。

【００５６】図１１は、ＭＩＬＣの作用の概略図を示
す。最初に、非晶質シリコンフィルムを、ガラス基板上
に厚さ１０００オングストロームで析出させた。次に、
Ｎｉ（ニッケル）フィルムを、非晶質シリコン上に厚さ
３０オングストロームで選択的に析出させた。Ｎｉの選
択的析出は、光学リトグラフおよびエッチング法を用い
て行なわれた。

【００５７】図１１に図示されるように、熱処理の早い
段階で、ニッケルは、ニッケルの下側のシリコンと反応
して、ニッケル−シリサイドを含む多結晶シリコンを形
成する。熱処理がさらに進むと、結晶質シリコン領域
は、非晶質シリコン領域中に横方向に拡大する。したが
って、この反応は金属誘導横方向結晶化と呼ばれる。先
行技術には、ＭＩＬＣ関連方法が開示される。

【００５８】図１２ａは、Ｔ−型フォトマスクでかたど
られた後のパターン構造を示す光学顕微鏡写真である。
ここで、Ｔパターンの内側の領域は、Ｎｉが存在しない
領域である。したがって、Ｔパターンの外側の領域はＮ
ｉフィルムによって被膜される。図１２ｂは、管状炉を
用いて５００℃で７時間における従来の熱処理の場合に
対する光学顕微鏡写真である。図１２ｃは、４３０℃で
１時間における本発明の熱処理の場合である。本発明の
熱処理については、誘導コイルの直径、巻き数および周
波数は上記のものと同一である。ここで、４０アンペア
のコイル電流を適用した。

【００５９】図に示されるように、従来の熱処理（図１
２ｂ）においては、高温（５００℃）かつ長いプロセス
時間（７時間）にも関わらず、短い横方向結晶化成長
（長さ約１０μｍ）を得た。対照的に、本発明の熱処理
方法が適用された場合には、低温（４３０℃）および短
いプロセス時間（１時間）にも関わらず、実質的により
長い横方向成長（長さ約２５μｍ）を得た。

【００６０】図１３は、コイル電流の関数として横方向
成長の長さの変化を示す。グラフによれば、横方向成長
は、２５アンペアの臨界電流値を超えて急速に向上す
る。上記のように、誘導電流２５アンペアにおける磁性
強度は２８Ｏｅに相当する。

【００６１】ドーパントを活性化するための熱処理 本実施形態は、図１に開示される装置１００を用いて、
ガラス基板上の多結晶質シリコンフィルムをドーパント
活性化するための熱処理に関する。

【００６２】ガラス上に析出させた５００オングストロ
ーム厚の非晶質シリコンフィルムを、装置１００を用い
て、４３０℃で１時間の熱処理によって多結晶形態に結
晶化した。用いた直径、巻き数および周波数は、上記の
ものと同一であった。次いで、上記の多結晶シリコンフ
ィルムを、ＰＨ_３ガスを用いるプラズマドーピングシス
テムによって、リン（ｎ−型ドーパント）イオンでイオ
ン注入した。プラズマイオンドーピングにおいて、ＰＨ
_３ガスのプロセス圧は、３ｍＴｏｒｒであった。そし
て、加速電圧は２０ＫＶである。注入された試料を、上
記の装置および従来の管状炉において、それぞれドーパ
ント活性化のために熱処理した。

【００６３】活性化の程度は、シリコンフィルムのシー
ト抵抗を測定して決定される。図１４ａは、６００℃の
熱処理について、時間の関数として測定されたシート抵
抗の変化を示す。６００℃においては、通常炉が使用さ
れた場合、シート抵抗は２時間後に７００ｏｈｍ／ｃｍ
^２の値に減少する。対照的に、本発明の装置が使用され
た場合（ＡＭＦ）、シート抵抗は、既に３０分で４００
ｏｈｍ／ｃｍ^２の低い値を示す。

【００６４】図１４ｂは、本発明の場合において、種々
の温度について、熱処理時間の関数としてシート抵抗の
変化を示す。図によると、本発明の方法により、４５０
℃３０分間で、１０００ｏｈｍ／ｃｍ^２未満の低いシー
ト抵抗が得られる。

【００６５】

【発明の効果】本発明において請求される装置の用途
は、本発明の特定目的（すなわち非晶質シリコンの結晶
化およびドーパント活性化）に限定されないことが理解
されるであろう。より明確な例としては、本発明の装置
および方法は、インジウム−スズ−酸化物（ＩＴＯ）、
またはディスプレー、超小型電子技術および太陽電池産
業におけるガラス（またはプラスチック）上の金属フィ
ルムの低温熱処理において用いられるであろう。また、
同じ手段および方法は、熱感受性非導電性基板（典型的
にはガラスまたはプラスチック）上の導体または半導体
の熱処理が最小の熱収支で求められる多くの他のプロセ
スにおいて用いられるであろうと考えられる。

【００６６】本発明はこのように開示されており、同じ
方法が多様に変更されるであろうことは明らかであろ
う。このような変更は、本発明の精神および範囲から逸
脱するものとはみなされない。そして、当業者には明ら
かであろう全てのこれらの変更は、請求の範囲内に含ま
れるとみなされた。

【図面の簡単な説明】

添付の図面は、本発明のさらなる理解を深めるのに含ま
れるものであり、そして本発明の一部分を包含し、構成
するものである。さらに、添付の図面は、図面を用いて
本発明の原理を説明するのに役立つ本発明の実施形態を
説明する。

【図１】図１は、ソレノイド誘導コイルを用いる本発明
の低温熱処理装置の好ましい実施形態の概略図である。

【図２】図２は、らせん誘導コイルを用いる本発明の低
温熱処理装置の好ましい実施形態の概略図である。

【図３】図３は、磁性コアを付加した本発明の低温熱処
理装置の好ましい実施形態の概略図である。

【図４】図４は、（ 下向き凹 ）−形状の磁性コアを
用いる本発明の低温熱処理装置の好ましい実施形態の概
略図である。

【図５】図５は、（ 横向き凹 ）−形状の磁性コアを
用いる本発明の低温熱処理装置の好ましい実施形態の概
略図である。

【図６】図６は、ＳＰＣ熱処理のためのガラス基板上の
非晶質シリコンフィルムの概略図である。

【図７】図７は、本発明および先行技術において、熱処
理時間の関数としてＸ線（１１１）ピークの変化を示す
グラフである。

【図８】図８ａおよび８ｂは、図７の結晶化の完成時点
における熱処理されたフィルムの粒子構造を示す走査型
電子顕微鏡法写真である。

【図９】図９は、本発明のおいて、結晶化の速度に対す
るコイル電流の影響（すなわち磁場強度）を示すグラフ
である。

【図１０】図１０は、ＭＩＣ熱処理のためのガラス基板
上の非晶質シリコンフィルムの概略図である。この場
合、Ｎｉ層が非晶質シリコンフィルム上に析出される。

【図１１】図１１は、ＭＩＬＣ熱処理のためのガラス基
板上の非晶質シリコンフィルムの概略図である。この場
合、Ｎｉ層が非晶質シリコンフィルム上に選択的に析出
され、そしてニッケルはニッケルの下側のシリコンと反
応して、ニッケルシリサイドを含む多結晶シリコンを形
成する。

【図１２】図１２ａ〜１２ｃは、本発明および先行技術
において、横方向結晶化後のＴ−型フォトマスクのパタ
ーン構造の変化を示す光学顕微鏡写真である。

【図１３】図１３は、コイル電流の関数として、横方向
成長の長さの変化を示すグラフである。

【図１４】図１４ａおよび１４ｂは、熱処理時間の関数
として、測定されたシート抵抗の変化を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１００、１１０、１２０、１３０、１４０：装置 ２００、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２
６０：シリコンフィルム ３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３
６０：ガラス基板 ４００、４２０：サセプター ５００、５１０、５２０、５３０、５４０：誘導コイル ６２０、６３０、６４０：磁性コア ６４２：垂直カラム ６４４：極カラム ７３０：移動システム ８３０：箱型炉 ８４０：カセット ８３２：炉壁（断熱材） ８３４、８４４：炉壁の開口 ９６０：Ｎｉ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3K059 AA08 AB17 AB19 AB22 AD03 CD75 5F052 AA11 AA17 AA18 AA22 CA04 DA01 DA02 JA01 JA07 JA09 5F110 AA17 BB01 BB20 DD02 GG02 GG13 GG25 HJ01 HJ12 HJ23 PP01

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱感受性非導電性基板上の半導体フィル
   ムを熱処理する方法であって、（ａ）サセプターに載置
   した非導電性基板上の半導体フィルムに極めて近接して
   誘導コイルを設置し、その際、上記誘導コイルの巻き形
   態は、インダクターの電流方向が上記半導体フィルムの
   面内方向に平行に並ぶように配置される工程、および
   （ｂ）交流を上記誘導コイルに誘導して、半導体フィル
   ムが誘導加熱される程度に上記サセプターによって加熱
   された上記半導体フィルムに、交番磁場を誘導する工程
   を含む方法。
2. 【請求項２】 上記半導体フィルムは、非晶質シリコン
   フィルムまたは結晶質シリコンフィルムであるシリコン
   フィルムであり、かつ上記熱感受性非導電性基板は、ガ
   ラスまたはプラスチック基板であることを特徴とする請
   求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 上記シリコンフィルムは、結晶化のため
   にガラス上に析出された非晶質フィルム、または電気活
   性化のためにドーパントでイオン注入された多結晶フィ
   ルム（ｎ−型またはｐ−型）であることを特徴とする請
   求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 上記誘導コイルの上記交流の交流周波数
   は、１０Ｈｚ〜１０ＭＨｚであることを特徴とする請求
   項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 非晶質シリコンの上記結晶化は、固相結
   晶化、金属誘導結晶化、および／または金属誘導横方向
   結晶化であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 【請求項６】 熱感受性非導電性基板上の半導体フィル
   ムを熱処理する装置であって、（ａ）非導電性基板上の
   半導体フィルムに極めて近接して設置され、その際、上
   記誘導コイルの巻き形態は、インダクターの電流方向が
   上記半導体フィルムの面内方向に平行に並ぶように配置
   される誘導コイル、および（ｂ）上記非導電性基板の下
   側に設置され、半導体フィルムが誘導加熱される程度
   に、半導体フィルムを加熱するサセプターを含む装置。
7. 【請求項７】 上記半導体フィルムは、結晶化熱処理の
   際に多結晶に結晶化する非晶質状態、またはドーパント
   活性化熱処理の際にドーパントが注入された多結晶状態
   （ｎまたはｐ型）のいずれかの形態で、ガラス基板上に
   析出されたシリコンフィルムであることを特徴とする請
   求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】 上記サセプターは、高導電率の金属また
   はグラフファイトから製造され、交番磁場下で渦電流の
   加熱機構（すなわち誘導加熱）により、サセプターにそ
   のままで加熱能力を付与することを特徴とする請求項６
   に記載の装置。
9. 【請求項９】 上記サセプターは、サセプターが交番磁
   場下で加熱されない電気的非導電性物質から製造され、
   そしてサセプターは、抵抗またはランプ加熱器などの外
   部加熱源を用いて独立に加熱されるように設計されるこ
   とを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 【請求項１０】 磁性金属またはフェライトから製造さ
    れた磁性コアは、上記誘導コイル周りに付加されて、磁
    場をより低い出力で強化し、そして上記交番磁束を半導
    体フィルムに極めて近接して集中させることを特徴とす
    る請求項６に記載の装置。
11. 【請求項１１】 板状の磁性コアは、パンケーキ形状の
    平らな誘導コイルの上部を包み、そのために外部磁束
    が、上記誘導コイルの下側に配置された上記シリコンフ
    ィルムの表面に対して下方向に磁極から発生されること
    を特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 【請求項１２】 多重巻の誘導コイルで巻かれた下向き
    凹形状の垂直断面を有する磁性コアは、半導体フィルム
    の上に配置され、それにより二つの磁極間を走る外部磁
    束を半導体フィルムに暴露させることを特徴とする請求
    項１０に記載の装置。
13. 【請求項１３】 多重巻の誘導コイルで巻かれた横向き
    凹形状の垂直断面を有する磁磁性コアは、上記非導電性
    基板が磁性コアの磁極のエアーギャップの中間点に水平
    に配置されるように位置することを特徴とする請求項１
    ０に記載の装置。
14. 【請求項１４】 多数の非導電性基板は、充填カセット
    中に挿入され、単一のプロセス操作で上記磁束に同時に
    暴露されて、熱処理の処理量が向上されることを特徴と
    する請求項１３に記載の装置。
15. 【請求項１５】 上記サセプターは、プロセスの均一性
    を向上するために、直線または回転運動にあることを特
    徴とする請求項６に記載の装置。
16. 【請求項１６】 ガラス基板上の金属または非金属フィ
    ルムを熱処理する方法であって、（ａ）ガラス基板上の
    フィルムに極めて近接して誘導コイルを設置し、その
    際、上記誘導コイルの巻き形態は、インダクターの電流
    方向が上記フィルムの面内方向に平行に並ぶように配置
    される工程、および（ｂ）交流を上記誘導コイルに誘導
    し、交番磁場を上記フィルムに誘導して、５００℃未満
    の上記ガラス基板の温度で上記フィルムの微細構造が変
    更される工程を含む方法。