JP2006005157A

JP2006005157A - 半導体製造装置

Info

Publication number: JP2006005157A
Application number: JP2004179946A
Authority: JP
Inventors: Junichi Ishida; 淳一石田; Hirokazu Nakanishi; 宏和中西; Keiichiro Watanabe; 圭一郎渡邊; Yuichi Yamamoto; 裕一山本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP4397742B2

Abstract

【課題】結晶化する触媒をムラなく塗布することにより、形成される半導体の電気的特性が高く、電気的特性の面内におけるばらつきが少なく、しかも歩留まりが高い、半導体製造装置を提供する。
【解決手段】基板表面上に形成した非結晶シリコン膜を結晶化するための触媒を塗布する工程において、触媒の塗布にはスピンコータ等の半導体製造装置を用いて触媒溶液を塗布して触媒を析出させる。半導体製造装置の基板８を支持する基板支持ピン７を中空の断熱構造とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体の製造工程に用いる半導体製造装置に関し、より詳細には、結晶性を有するシリコン半導体薄膜の製造工程において、触媒を用いて非晶質シリコンを結晶化する際における触媒の塗布を均一に行なうことができるスピンコータに関する。

薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）などに使用する半導体として、薄膜半導体が知られている。この薄膜半導体は、基板上に薄膜の半導体を形成した構成であり、薄膜の半導体として使用する材料は、取り扱いおよび作製の容易性などの観点から、非晶質シリコン膜が用いられている。

しかしながら、その電気的特性は低いために、このシリコン膜が結晶性を有するようにする必要がある。かかる結晶性を有するシリコン膜としては、多結晶シリコン、ポリシリコン、微結晶シリコンなどが挙げられる。また、このような結晶性シリコン膜の製造方法として、まず、基板上に非晶質のシリコン膜を形成し、次いで、この非晶質シリコン膜上に、酸化膜を形成し、その後、Ｎｉなどの結晶化を促進する触媒を含んだ溶液を、酸化膜を介して非晶質シリコン膜上に塗布し、これを加熱して、非晶質シリコンを結晶化するものがある。ここで、酸化膜は、触媒溶液との濡れ性を良好にするためのものである。

上記結晶性シリコン膜の製造方法において、触媒の均一な塗布は、結晶化の均一性に直接的に影響を及ぼすという観点から、極めて重要な工程である。下記特許文献１には、触媒の塗布の方法として、触媒元素を含む溶液をスピンコータを用いて塗布する技術が開示されている。

スピンコータを用いて基板を回転させる際に、基板を保持する方法としては、平坦なテーブルに真空吸着機構を設けて吸着固定する方法と、基板裏面を複数の基板支持ピンで支え、基板端面を複数の位置決めピンで規制して基板がずれないように保持する方法が一般的に用いられる。

平坦なテーブルで真空吸着する方法においては、テーブルに基板を受渡しする為に、テーブルに昇降するピンなどを設けて基板をテーブルから浮かせた状態で、ロボットフォークにて受渡しするか、テーブル外形を基板よりも小さくし、テーブルよりも外側に位置する基板外周部のみを保持して搬送する方法がある。

しかしながらテーブルに昇降するピンを設ける方法では、テーブルは高速で回転する為、昇降する機構を組み込むことが困難であり、機構が複雑となって、故障や発塵の原因となったり、回転するテーブルが重くなり、回転機構への負荷が増加する。

また、液晶表示装置の製造に用いられるガラス基板では、近年対角が１ｍを超えるものが用いられており、基板外周部のみを保持する方法では基板のたわみにより基板が脱落したり、基板が割れたりして搬送自体が困難である。

基板裏面を基板支持ピンで支える方法では、基板支持ピンの配置と搬送ロボットのフォーク形状が干渉しないように設計すれば、大型のガラス基板の搬送で一般的に用いられているフォークにより基板を保持して搬送する方法を用いることができる。また、テーブルに可動する機構が不要な為、構造が簡単で故障や発塵の原因が少なくなり、テーブルの重量も軽く回転機構への負荷も少なくてすむ。
特開平１０−２５６１５５号公報

スピンコータを用いて塗布する方法は、フォトレジスト膜やゾルゲル薄膜などの形成方法として広く用いられており、塗布完了後に基板全面を覆う膜を形成するものである。また、この方法で塗布を行う際に用いる溶液は、通常、粘度の比較的高いレジスト溶液や高分子溶液等である。レジストや高分子溶液などのような高粘度の溶液の塗布では、塗布完了後には、基板全面に膜が形成されており、塗布途中で一旦液膜が形成された後は、部分的に液がなくなったりすることはない。

しかし、低粘度の触媒溶液は、レジスト溶液などに比し、液の流動特性や塗布後の溶質の分布が大きく相違するので、上記スピンコータを用いる塗布方法は、低粘性の触媒溶液の塗布には採用し難い。すなわち、水又はエタノールを溶媒とし、触媒濃度が１から１００ｐｐｍ程度の希薄溶液を、触媒溶液として使用する場合は、溶媒の蒸発により、溶質である触媒が基板表面に点在する状態であるので、乾燥速度のばらつきにより、基板全体が乾燥するまでに、部分的に乾燥がすすんで基板が露出する場所と、溶液が残っている場所が混在する状態が起こってしまう。液体はその表面張力により凝集しようとする為、液膜が部分的に乾燥したその境界では、液が盛り上がって溜まる現象が発生する。盛り上がった部分がそのまま乾燥すると局所的に触媒が凝集して析出したり、逆に先に乾燥した部分では、溶質である触媒が均一に析出せず液の盛り上がった部分に移動して、析出する触媒の濃度が低くなってしまう。

また一旦乾燥して触媒が析出したところに、未乾燥の溶液が流れていくと、析出した触媒が再溶解してその部分の触媒析出密度が低下してしまう。したがって、触媒溶液を均一に塗布する為には塗布工程中の溶液の乾燥状態を制御する必要がある。

ところが、前記基板支持ピンにより基板を保持する方法を用いたスピンコータでは、基板支持ピンが基板裏面に接触している位置と、そうでない位置で熱的な条件が異なり乾燥状態が異なってくる。すなわち、基板支持ピンが無いところでは基板裏面は空気に接触しているのに対し、基板支持ピンは固体であり熱伝導率は空気より高くなる。触媒溶液を基板上に滴下したときに、基板支持ピン、空気が同じ温度であったとしても、触媒溶液の乾燥が進むと溶媒の蒸発潜熱により、基板温度は低下する。従って基板が接する空気・基板支持ピンが熱源となって、基板に熱が伝導する。

しかしながら、前述のように基板支持ピンの熱伝導率は空気より高く、しかも固体同士で直接接触しているので、基板の基板支持ピン位置は他の部分に比べてより多くの熱が伝わり、触媒溶液の蒸発潜熱による温度低下が小さくなる。結果として基板支持ピン位置は他の部分よりも相対的に温度が高くなるので、より早く触媒溶液の乾燥が進むことになる。このようにして基板支持ピン位置は他の部分よりも早く触媒溶液が乾燥するため、図５に示すように、基板１００上の触媒溶液液膜１０１の分布に不均一が生じ、触媒溶液液膜１０１における基板支持ピン１０２位置の中心は触媒濃度が低くその周りに触媒濃度の高いリング状の領域１０３が発生し、触媒の塗布ムラになるという問題がある。

本発明は、上記技術の課題を解決するためのものであり、大型ガラス基板上に形成した非結晶シリコン薄膜を結晶化するに際して、結晶化を促進する触媒をムラや密度差なく均一に塗布することにより、形成される半導体の電気的特性が高く、電気的特性の面内におけるばらつきが少なく、しかも歩留まりが高い、半導体製造装置を提供することにある。

本発明は、表面上に非結晶シリコン膜が形成された基板を基板テーブルで回転させ、回転する前記非結晶シリコン膜上に結晶化触媒溶液を塗布し、該触媒溶液の溶媒を乾燥して前記基板上に触媒を析出させる半導体製造工程に用いる半導体製造装置であって、前記基板テーブルには、基板を支持する断熱構造の基板支持ピンが設けられていることにある。

本発明の半導体製造装置は、基板を支持する基板支持ピンが断熱構造を持つので、基板への熱伝導が少なくなり、基板支持ピン部分の触媒溶液が先に乾燥するのを抑えることができ、触媒が局所的に析出密度に差が出てムラになるのを防止できる。

さらに、本発明は、基板支持ピンを中空構造とするものである。基板支持ピン内部を空洞とすることにより、空洞部分の空気は熱伝導率が固体に比べて小さい為、中実の基板支持ピンに比べて基板への熱伝導を抑えることができる。

しかも、本発明は、中空構造基板支持ピンの材質をＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）とするものである。ＰＶＤＦの熱伝導率は0.13W/m・℃であり、高密度ポリエチレンの0.38〜0.51 W/m・℃や、同じフッ素系樹脂ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）の0.25 W/m・℃に比べて小さい。ＰＶＤＦは、耐薬品性があり、機械加工も容易である為、ＰＶＤＦを中空構造の基板支持ピン材料に用いることにより、基板支持ピンを簡単に製造できるとともに、より基板への熱伝導を抑えることが可能である。なお、表１に各材質の熱伝導率を示す。

本発明の半導体製造装置によれば、触媒溶液の塗布と乾燥を行い、局所的な触媒のムラのない触媒塗布を行うことができる。これにより、基板上に形成した非結晶シリコン薄膜の均一な結晶化を達成し、電気的特性が高く、電気的特性の面内におけるばらつきが少なく、高い歩留まりの半導体を製造することができる。

本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。

本発明による半導体製造装置であるスピンコータの基本構成を図１に示す。かかるスピンコータは、矩形のガラス基板８を保持する基板テーブル１と、基板テーブル１を回転させるモータ３と、筐体９と、筐体９内にあって基板１に塗布処理を行うカップ１０と、筐体９内にダウンフローを発生させるためのＨＥＰＡフィルターユニット４と、ダウンフローを排気するための排気口５と、基板８上に塗布溶液を滴下する塗布ノズル２とを備えている。

図２は基板テーブル１の上面図である。基板テーブル１上には複数の基板支持ピン７が設けられ、各基板支持ピン７は基板８の裏面（下面）を接触支持している。具体的には、基板テーブル１は、回転中心Ｏ部分の中央部１ａと、この中央部１ａからガラス基板８の対角線上に延設された延設部１ｂとからなる。各延設部１ｂの基部（中央部１ａおよび延設部１ｂの連接部）と、各延設部１ｂの先端部には、複数の基板支持ピン７が上向きに設けられている。このように、基板支持ピン７の位置を、各延設部１ｂの基部と、各延設部１ｂの先端部とに設けることにより、基板１が大型であっても、基板８をその中央部と外週部の複数部分でたわんだりすることなく支持することができる。

各基板支持ピン７は、図３に示すように、基板８の裏面を接触支持するピン部分７ａと、基板テーブル１に固定される台座部分７ｂとを備えている。ピン部分７ａは、フッ素樹脂であるＰＶＤＦで形成されており、例えば外径Ｄが６ｍｍであるのに対し、内径ｄが４mmの中空構造となっている。また、ピン部分７ａの長さｈ１は、例えば、２５〜３０ｍｍに設定されているのが好ましい。

ピン部分７ａの基板裏面に接触する先端部分は球面形状になっており、基板８との接触で磨耗し難く、かつ基板８に傷をつけないようになっている。また、ピン部分７ａの内面の中空部も球面とし、先端部分の肉厚を根元と同程度に設定されている。これらの構成により、基板支持ピン７から基板８への熱伝導を低減し、基板支持ピン位置の触媒のムラを抑えることができる。

台座部分７ｂはＳＵＳ３１６から形成されており、一端に雄ネジ７ｂ１が加工され、ピン部分７ａの基部に形成された雌ねじ７ａ１と螺合して基板支持ピン７を構成する。このような２分割の構造とすることにより、基板支持ピン７全体の強度を保ちつつ、基板への熱伝導を抑えて触媒のムラを低減することができる。ＳＵＳ３１６の熱伝導率は樹脂材料に比べて大幅に高くなるが、基板８への熱伝導は基板８と接触するピン部分７ａを経由するため、ピン部分７ａの熱伝導率を低くすればピン７全体としての熱伝導を抑えることができる。なお、台座部分７ｂの長さｈ２は、例えば、２５〜３０ｍｍに設定されているのが好ましい。

また、基板８が回転により水平方向にずれないように、位置決めピン６が各延設部１ｂの先端部上に設けられている。位置決めピン６は、基板四隅付近に位置し、その間隔は、基板の受け渡しに支障が無いよう基板８の外形よりも１〜２ｍｍ程度広くなっており、回転によって基板８がずれた場合、基板８の端面が位置決めピン６に接触し、ずれを制限する。

ＨＥＰＡフィルターユニット４は、筐体９内に清浄なダウンフローを供給するものである。排気口５は図示しない排気設備に接続されＨＥＰＡフィルターユニット４により生じたダウンフローを排気する。

次に、以上の構成を備えたスピンコータを用いて、ガラス基板に触媒溶液を塗布する手順を説明する。

まず、非結晶シリコンを成膜したガラス基板８を、搬送ロボットにより、基板受け渡し位置で待機する基板テーブル１に搭載する。このとき搬送ロボットは、基板テーブル１の基板支持ピン７に干渉しない形状のフォークで基板を吸着して搬送することにより、スピンコータは、基板テーブル１に複雑な機構を設けることなく、基板受け渡し位置で基板テーブル１を停止させておけば、搬送ロボットの動作のみでガラス基板８を搭載できる。ガラス基板８はあらかじめ表面が洗浄されており、さらに触媒溶液の濡れ性をよくして液が基板全面に広がりやすくなるよう、非晶質シリコン膜の表面に酸化膜を形成しておく。

ガラス基板８を保持する基板テーブル１を、図示しない昇降機構により基板受け渡し位置からカップ１０内に移動させた後に、１０ｒｐｍ程度の速度でガラス基板８を回転させ、塗布ノズル２から触媒溶液を回転するガラス基板８の中心付近に滴下する。触媒溶液の溶質には酢酸Ｎｉ、溶媒には純水を用いる。あらかじめガラス基板８の表面にＳｉＯ₂酸化膜が形成されているので、触媒溶液は回転の遠心力により基板全面に広がって液膜を形成する。

さらに、ガラス基板８の回転数を５００ｒｐｍまで加速し、余分な液を振り切って触媒溶液の液膜を薄膜化する。

ＨＥＰＡユニット４からのダウンフローがガラス基板８の表面を流れて排気口５より排気され、ガラス基板８の全面に形成された触媒溶液の薄膜が乾燥する。このとき触媒溶液の蒸発潜熱により、基板温度が低下し、基板支持ピン６が熱源となって先に基板支持ピン部分の液膜の乾燥が進む。しかしながら、基板支持ピン６のピン部分７ａは、ＰＶＤＦによって中空構造に形成されているため、熱伝導が低く抑えられている。この結果、ガラス基板８における基板支持ピン接触部分と、その他の部分との温度差は小さくなり、熱的な条件を同等にでき、局所的に触媒が固まって析出することはなく、ガラス基板８上の触媒溶液液膜１２の分布が略均一となる（図４参照）。

以上により、ガラス基板８全面に触媒をムラなく塗布でき、この基板８を加熱処理することにより、触媒の作用で非晶質シリコン膜が結晶化される。

本発明は、前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、基板支持ピン６は、複数の部材から構成する以外に、単一材質から構成することも可能である。

本発明の一実施の形態を示す半導体製造装置の概略断面図である。同基板テーブルの上面図である。同基板支持ピンの半裁断面図である。同基板支持ピン位置の触媒溶液の乾燥を表す模式断面図である。従来の基板支持ピン位置の触媒溶液の乾燥状態を表す模式断面図である。

符号の説明

１基板テーブル
２塗布ノズル
３モータ
４ＨＥＰＡフィルターユニット
５排気口
６位置決めピン
７基板支持ピン
７ａピン部分
７ｂ台座部分
８基板
９筐体
１０カップ
１２触媒溶液液膜

Claims

表面上に非結晶シリコン膜が形成された基板を基板テーブルで回転させ、回転する前記非結晶シリコン膜上に結晶化触媒溶液を塗布し、該触媒溶液の溶媒を乾燥して前記基板上に触媒を析出させる半導体製造工程に用いる半導体製造装置であって、
前記基板テーブルには、基板を支持する断熱構造の基板支持ピンが設けられていることを特徴とする半導体製造装置。
前記基板支持ピンの断熱構造は中空であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
前記基板支持ピンの材質はＰＶＤＦであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置。