JP2009272343A - 加熱装置およびこれを具備した膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス基板上に膜を効率よく形成することができる加熱装置およびこれを具備した膜形成装置を提供する。
【解決手段】支持台２６上に載置されたガラス基板２４の表面２５に、このガラス基板の軟化点温度よりも高い高温ガスを垂直に吹き付ける加熱装置を有し、高温ガスとともに加熱分解して膜堆積を発生する堆積用ガス４３を前記ガラス基板の表面に同時に吹き付ける膜形成装置である。
【選択図】 図２

Description

本発明はガラス基板上に、例えばシリコン薄膜等を形成するための加熱装置およびこれを具備した膜形成装置に関する。

一般に、ガラス基板上に成長させたシリコン薄膜を具備したデバイスとしては、液晶表示デバイスや有機ＥＬ表示デバイス、太陽電池等がある。

シリコン薄膜はいずれのデバイスにおいても電子や正孔を発生させたり、電界で加速させて用いられる。

そして、ガラス基板上に成長させたシリコン薄膜の特性はシリコン結晶よりも劣っていて、移動度は１／１００から１／１０００、あるいはそれ以上に小さい。

また、ガラス基板の上に膜成長させたり、その膜上で何らかの加工するためには、工程の温度はガラスの軟化点（例えば３００℃）以下に制限される。

この制限があるので、シリコン薄膜としては３００℃以下で成長できるプラズマアモルファスシリコン膜やレーザーなどで急速溶融固化させる再結晶シリコン膜が使用される。

そして、このように基板の温度をガラス基板軟化点以下の低温で処理するための技術開発はガラス基板を用いるデバイスに必要である。特に光を電気に変換する太陽電池デバイスの効率や表示デバイスの薄膜トランジスタの性能を支配するシリコン薄膜の製造技術が重要である。

表示デバイスでは、ガラス基板上にアモルファスシリコン膜を用いて薄膜トランジスタを製造する。この場合シランガスをプラズマで分解して膜成長を行うので数％以上の水素を含み、結合も規則正しく起こらないために、移動度は小さく、温度や光照射の経年変化で特性は劣化する。特に、光による劣化は太陽電池の応用では致命的である。

従来からレーザーアニールやレーザー溶融により基板の温度を上げないで表面のシリコン薄膜を改良する方法が３０年以上にわたり研究されている。この方法は、コストを掛けても許されるデバイスでは使用されているが、低コストを要求されているデバイスでは使用されない。

さらに、レーザーの寿命は改良はされてはいるが、太陽電池などの大面積基板の工程には使用できない。

また、不純物を活性化するためには、表面のみをアニールするしかないので、レーザーアニールが用いられる。

この方法は高価であるので、低コストが要求されない特殊な用途以外は適用できない。

安価に表面を高温にして薄膜を結晶化する方法の従来例としては下記の特許文献１に記載されたものがある。この膜形成装置は図４に示すように、細管１１にガス１２を導入して、この細管１１に巻いたコイル１３に高周波電力源１４から電力をマッチング回路１５を通じて供給し、細管１１の管先端にマイクロプラズマ１６を生成させる。このプラズマ１６により、ガラス基板１７を溶融させることなく、このガラス基板１７上に予め成長させた非結晶質膜（アモルファスシリコン）１８を溶かして溶融膜１９を形成し、さらにこれを再固化するという方法である。

このプラズマ溶融は、レーザー溶融よりも再現性があると思われるが、大面積基板に適用するにはこれを多数並べる必要がある。
特開２０００−６０１３０号公報

しかしながら、このような従来の薄膜形成方法では、ガラス基板が安価であり大型の基板が利用できるが、低融点のために通常３００度以下に基板を保持しなくてはならない。

そのような低温においてもシリコンの薄膜をガラス基板の上に成長させるためには、現状の技術ではいくつかの課題がある。

例えば、３００℃でプラズマＣＶＤ（化学気相成長）でシランガスから成長させた膜はアモルファスで未結合手と水素を含んでおり、移動度の初期性能も単結晶やポリシリコンから比べると１０００倍も低い。経年劣化もあるので、得られる低い性能の範囲で商品を設計するしかない。

また、これを改良するために表面のシリコンを溶かすレーザーアニールやマイクロプラズマ溶融、レーザー溶融の技術があるが一辺が数ｍの大面積ガラス基板の製造技術としては安価に使用できない。小さな面積に対して使用されるレーザー溶融技術を大面積に適用できるくらいに安価にするには、レーザー出力の安定化や高出力化が要求される。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ガラス基板上に膜を効率よく形成することができる安価な加熱装置およびこれを具備した安価な膜形成装置を提供することにある。

一般に、加熱したガスをガラス基板の表面に垂直に吹き付けると、ガスの温度を基板に伝えることができる。特に構造を作らない限り基板表面に平行にガスは流れる。すると停滞層ができて、この層が熱抵抗となりガスの温度が基板に伝えられない。

しかし、高温ガスを絞ってビーム状にして基板に垂直に入射させると停滞層が出来ない、または、薄いので効率よくガスの温度を基板に伝えられる。この現象を別の言い方をすると基板の温度は垂直に入射する高温ガスに対してよく伝わる。この原理を用いて、ガスを急速に効率よく加熱するガス加熱装置の発明がある。

図１はこの加熱装置の原理図である。この加熱装置は導入ガス１２を熱源２０により加熱して高温ガス２２を作り出すガス加熱機構２１を有する。高温ガス２２はガスガイド２３の中をその器壁と平行して進む。停滞層ができるので器壁との熱交換の効率は低く、高い温度を保ったままビーム状に出て、ガラス基板２４の表面２５に垂直に当たる。

なお、図１中、符号Ｃは例えばカーボン等により円柱や角柱に形成された柱状部であり、この柱状部の内部には、導入ガス１２が導入されるガス通路Ｒが形成されている。このガス通路Ｒの一端はガス導入管に連通する一方、他端はガスガイド２３に連通している。

ガラス基板２４の熱伝導はシリコンや金属に比べると低い。このために、基板表面２５は加熱されるが、基板の支持台２６に接触した基板裏面２７は支持台２６の温度に維持される。支持台２６を冷却すると、ガラス基板裏面２７は冷却温度に依存して低い温度に保たれる。このために、ガラス基板表面２５を高温にしてもこのガラス基板２４をガラスの軟化点以下の温度に維持できる。熱接触をよくするために、真空吸着や静電チャックを用いても良い。ガラス基板２４を移動させると、ガラス基板表面２５の高温表面２９を移動できる。基板裏面２７の温度を３００℃に維持しながら、基板表面２５をそれより高い温度に維持させることは、ガス流量の容量を調整してできる。

このようにして、ガラス基板２４の表面２５のみを高い温度にすることが可能である。

このような高温のガラス基板表面２５に、後述する堆積ガスの一例としてシランガスを同時に吹き付けるとポリシリコンが成長する。シランＳｉＨ_４からは表面温度が６００℃以上で、またジシランＳｉ_２Ｈ_６からは５７０℃以上でポリシリコンを成長させることができる。ドーピングガスの一例としてフォスフィンＰＨ_３を入れるとｎ型のポリシリコンが成長できる。またジボランＢ_２Ｈ_６を同時に入れるとｐ型のポリシリコンが成長する。

シランからはポリシリコンが成長するが、ゲルマンガスＧｅＨ４を同時に入れるとゲルマニュームとシリコンの混晶が成長する。

シリコンとゲルマニュームは無制限に混合可能な結晶系である。ゲルマニュームはシリコンに歪を与えて電子構造を変化させるので、適度な比率のとき太陽光を効率よく吸収させるのに有効である。任意の組成が可能であるのでゲルマニュームの混合量を膜の厚み方向に変化させると傾斜構造の薄膜を形成できる。

以上、述べたように高温ガス２２をガラス基板２４にほぼ垂直に衝突させるように吹き付けることで、ガラス基板２４の表面２５を高温にでき、ガラス基板２４を融点以下に維持しながら５７０℃以上で成長するシリコン膜、シリコンとゲルマニュームの混晶膜、及びそれらのドーピング膜の成長が可能である。また酸化性のガスや窒化性のガスを同時に導入するとＣＶＤ（化学気相成長）の原理でシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の成長が可能である。

そして、本願請求項１に係る発明は、支持台上に載置されたガラス基板の表面に、このガラス基板の軟化点温度よりも高い高温ガスを垂直に吹き付けることを特徴とする加熱装置である。

請求項２に係る発明は、前記ガスが窒素、水素，Ａｒ，Ｈｅ，酸素のいずれか、またはそれらの２種以上の混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の加熱装置である。

請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の加熱装置を有し、この加熱装置の前記ガスのいずれか、または混合ガスとともに加熱分解して膜堆積用の堆積ガスを前記ガラス基板の表面に同時に吹き付けるように構成されたことを特徴とする膜形成装置である。

請求項４に係る発明は、前記堆積ガスがシリコンを含むことを特徴とする請求項３に記載の膜形成装置である。

請求項５に係る発明は、前記ガス、前記堆積ガスとともにドーピングガスを同時に導入することを特徴とする請求項３または４記載の膜形成装置である。

請求項６に係る発明は、前記ガス、前記堆積ガスとともに酸化ガス、窒化ガスを同時に導入することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の膜形成装置である。

請求項７に係る発明は、ガラス基板の軟化点温度よりも高い高温ガスをこのガラス基板の表面に垂直に吹き付ける加熱装置を有し、前記高温ガスと共に加熱分解して膜堆積用の堆積ガスとドーピングガスの種類と濃度を堆積膜の厚み方向に対して変化させることにより、傾斜構造または異種接合の構造の膜を基板の上に作ることを特徴とする膜形成装置である。

請求項８に係る発明は、前記ガラス基板の表面が粗面に形成されていることを特徴とする請求項３ないし７のいずれか１項に記載の膜形成装置である。

請求項９に係る発明は、請求項３ないし８のいずれか１項に記載の膜形成装置により形成された薄膜を搭載したことを特徴とするデバイスである。

本発明によれば、高温ガスを作り出し、それを堆積ガスと共にガラス基板に垂直に衝突するように吹き付けることにより、ガラス基板上に膜を形成するので、レーザーアニールやマイクロプラズマを作り出しそれを一面に照射する従来装置よりも安価にポリシリコン膜を形成し、成長させることができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。複数の添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。

図２は上記図１で示す加熱装置とほぼ同一の原理により構成された加熱装置を具備した膜形成装置の断面模式図を示す。図２に示すようにガラス基板２４は例えば厚さが０．７ｍｍで、ガラス基板支持台２６の上に密着させて置かれる。この支持台２６には真空吸着の溝３１があり、ガラス基板２４を吸着して熱接触を効果的に行い、支持台２６の温度でガラス基板３４の裏面３２の温度が制御される。

加熱用導入ガス１２の加熱の機構を説明する。加熱機構はカーボン（例えばグラファイト、等方性カーボンなどを含む）素材により形成された中実平板状のカーボン中央板３３と、その左右両側にそれぞれ添設されるカーボン製の中実平板状の左右一対のカーボン側板３９Ｌ，３９Ｒを有し、カーボン中央板３３の奥行き方向（図２の表裏方向）に溝３４を有する。加熱用導入ガス１２として例えば窒素を用いた。窒素は上から導入パイプ３５を通して導入されて、上記溝３４を経由して第１スリット３７と第２スリット３６の隙間を通りガラス基板２４にほぼ垂直に衝突する。カーボン中央板３３には熱源としてのランプ３８が奥行方向に貫通して備えられ、ランプ３８の投入電力に応じてカーボン中央板３３は例えば１０００℃まで加熱可能である。

図３（Ａ）はカーボン中央板３３とその左右一対のカーボン側板３９Ｌ，３９Ｒの縦断面図、（Ｂ）は同（Ａ）のＡ−Ａ断面図、（Ｃ）は同（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、（Ｄ）は同（Ｂ）のＹ−Ｙ断面図であり、これらカーボン中央板３３と、左右一対のカーボン側板３９Ｌ，３９Ｒとにより、図２に示す左右一対の第１，第２スリット３６，３７にそれぞれ連通する左右一対の溝３４，３４をそれぞれ形成している。これら左右一対の溝３４，３４は図２中縦方向に導入ガス１２をそれぞれ個別に通すように形成され、これら左右一対の溝３４，３４同士は左右（横）方向で連結されていない。

図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すようにカーボン中央板３３は、その入口３３ａに、ガス導入パイプ３５の一端部を気密に挿入して固着し、この入口３３ａにはガス流入スペース３３ｂを連通させている。なお、図３（Ｂ）中の符号３３ｃは複数の縦孔であり、図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）中、３８ａは加熱用ランプ３８が挿入される挿入孔である。

そして、溝３４は、カーボン中央板３３と、これを、その左右から気密に挟むように固着された左右一対のカーボン側板３９Ｌ，３９Ｒで加熱用導入ガス１２の通路として作られ、上の溝から下の溝に窒素が抜ける縦の溝４０（３３Ｃに相当）がある。この縦の溝４０はその次の図２中下の縦溝とは離れて設置されていて、縦溝４０から送り出される窒素は溝の上下の壁となるリブ４１に垂直に当たり、リブ４１と効率よく熱交換される。

カーボン中央板３３のリブ４１を通りぬける窒素は効率よく加熱され、下に抜ける。カーボン中央板３３と左右側板３９Ｌ，３９Ｒにより形成された第１スリット３７と第２スリット３６を加熱された窒素が通るときは、これらスリット３６，３７の両壁と流れが平行であるために、停滞層が形成され、それが熱抵抗となり熱交換の効率を低くさせる。そのために、上のランプ３８で加熱された導入ガス１２は高温を保ったまま、ガラス基板２４に衝突する。

第１スリット３７と第２スリット３６から噴出するガスに挟まれた領域のガラス基板２４の表面（図２では上面）２５は高温になる。カーボン中央板３３の下にはスリット状の空洞４２があり、この空洞４２に堆積用ガス４３やドーピング用ガス４４が導入されて基板表面に吹き付けられる。この堆積用ガス４３は堆積用ガス管４３ａにより空洞４２に供給され、ドーピング用ガス４４はドーピングガス管４４ａにより空洞４２に供給される。

図中下端の第１，第２スリット３７，３６の噴出口から噴出する加熱用ガスの温度は熱電対４５によりモニタされている。ガラス基板２４の表面の温度を正確に測定することはできないが、モニタ用の熱電対４５のモニタ温度Ｔｍは測定できる。

支持台２６の表面温度を３００℃に設定してモニタ温度Ｔｍを６５０℃に設定して堆積用ガス４３としてシランＳｉＨ_４を導入すると、ガラス基板２４の上に膜を例えば２００ｎｍほど成長させることができた。排気は排気箱４６で行い排気機構４７のダクトを通じて排気される。排気箱４６からは雰囲気ガス４８も同時に排気されるので、必要なら混合ガスの爆発や燃焼を起こさないように、窒素雰囲気にすることも流量や混合比に応じて必要である。

堆積した膜４９を調べた。まず全反射蛍光Ｘ線分析により堆積膜４９はシリコン膜であるのを確認した。シリコン膜の結晶性を評価するために後方散乱ラマン法によりスペクトルを調べた。スペクトルのピークシフトからポリシリコンであるのを確かめた。断面ＴＥＭを見るとポリシリコンであることを示す格子像が観察された。したがって、堆積膜４９はポリシリコンであるのが確認された。

次に堆積膜４９のドーピングを試みた。シランガスと同時にドーピング用ガス４４として窒素で１％に希釈したＰＨ_３ガスを導入してガラス基板の上に膜を堆積させた。市販のｐｎ判定器で膜はｎ型であるのを確認した。

次に同時にドーピング用ガスとして窒素で１％に希釈したＢ_２Ｈ_６ガスを導入してガラス基板２４の上に堆積膜４９を堆積させた。市販のｐｎ判定器で膜はｐ型であるのを確認した。

シリコンはゲルマニュームと混晶を作ることができる。混晶は歪シリコンを作りときやシリコンとの異種接合を作る方法としても用いられる。そこで、窒素で１％に希釈したゲルマンＧｅＨ_４ガスをシランＳｉＨ_４と同時に導入した。全反射蛍光Ｘ線分析により膜はシリコンとゲルマニュームを含むＳｉ_１−ＸＧｅ_ｘの組成であるのを確認した。ＳＩＭＳ分析により組成分析を行うとゲルマニュームの組成ＸはＧｅＨ_４の流量増加とともに増加した。このことからＳｉ_１−ＸＧｅ_ｘのＸはＧｅＨ_４の導入量に依存して制御できることを確認した。

以上の結果からＧｅＨ_４の導入量を堆積膜４９の厚み方向で制御して変化させることで、縦方向にＸを変化させた傾斜組成のＳｉ_１−ＸＧｅ_ｘ膜を得ることが可能である。ゲルマニュームの組成が増えるに従いＳｉ_１−ＸＧｅ_ｘのバンドギャップは狭くなることが分かっている。ＧｅＨ_４を導入してバンドギャップの小さくなる方向へ傾斜組成膜を形成することが可能であるのを示したが、シリコンより広いバンドギャップの材料Ｓｉ_１−ＸＣ_ｘを得る目的で他のガス、例えばアセチレンなどを用いることも可能である。またシランとともに酸化性のガスＮ_２Ｏガスを導入するとシリコン酸化膜を得ることも可能である。堆積ガスとしてテトラエトキシシランＴＥＯＳを導入すると単独ガスでもシリコン酸化膜の堆積が可能である。窒化性のガスであるアンモニアガスＮＨ３を導入するとシリコン窒化膜の生成も可能である。

シリコン膜を堆積させるためにモノシランＳｉＨ_４をここでは用いたが、より低温にするためにジシランＳｉ_２Ｈ_６を用いること、反応性を利用してさらに低温にするためＳｉＦ_４などのガスを用いることは自由に設計できる。また膜堆積した装置部品のクリーニングのためにシリコンと反応するＣｌＦ_３やＮＦ_３などのクリーニングガスを堆積用ガスやドーピングガス、加熱用ガスの導入口から導入することは装置の安定稼動のために自由に設計できる。なお、上記実施形態では、ガラス基板２４の表面２５は平坦に形成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばガラス基板表面２５を、サンドブラストなどの方法により粗面に形成してもよい。これによれば、堆積膜４９の成長の初期核ができ易いので基板表面２５全体で膜成長が均一になると言う効果を有する。

以上のように大型のガラス基板２４の上にポリシリコン薄膜と絶縁膜を安価に成長できると薄膜トランジスタのデバイスをガラス基板の上に直接製造可能になる。また傾斜組成の薄膜を成長させると、太陽光のスペクトルを有効に利用できる傾斜組成薄膜や異種接合を用いた太陽電池のデバイスを安価に製造することが可能になる。

また、モニタ温度Ｔｍをさらに高い温度８００℃に設定してガラス基板表面のみを加熱すると半導体工程で行う不純物拡散も可能になるので、ポリシリコンのｐｎ接合を用いるデバイスの作製も可能である。

ここではカーボンを用いた加熱機構の加工が簡単であるので用いたが、酸素で燃焼しない材料を用いると酸素の導入も可能である。

ガラス基板をガラスの軟化点より低い温度３００℃で維持しながら６５０℃の窒素ガスとともにシランガスを基板に垂直に吹き付けることで、ガラス基板の上にポリシリコンを成長させた。ドーピングすること、組成を傾斜的に変化させた膜を生成することが可能であるので、大型ガラス基板の上に薄膜トランジスタや有機ＥＬ、太陽電池などのデバイスを安価に作ることが可能である。

本発明の第１実施形態に係る加熱装置の断面模式図。 本発明の第２の実施形態に係る膜形成装置の断面模式図。 （Ａ）は図２で示すカーボン中央板と左右一対の側板の縦断面図、（Ｂ）は同（Ａ）のＡ−Ａ断面図、（Ｃ）は同（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、（Ｄ）は同（Ｂ）のＹ−Ｙ断面図。 従来の膜質改善の方法を示す概略図。

符号の説明

１１ 細管
１２ 導入ガス
１３ コイル
１４ 高周波電力源
１５ マッチング回路
１６ マイクロプラズマ
１７ 基板
１８ 非結晶質膜
１９ 溶融膜
２０ 熱源
２１ ガス加熱機構
２２ 高温ガス
２３ ガスガイド
２４ ガラス基板
２５ 基板表面
２６ 基板の支持台
２７，３２ 基板裏面
２８，３１ 真空吸着の溝
２９ 高温の表面
３３ カーボン中央板
３４ 溝
３５ ガス導入パイプ
３６ 第２スリット
３７ 第１スリット
３８ 熱源としてのランプ
３９Ｌ，３９Ｒ カーボン側板
４０ 縦溝
４１ リブ
４２ 空洞
４３ 堆積用ガス
４４ ドーピング用ガス
４５ 熱電対
４６ 排気箱
４７ 排気機構
４８ 雰囲気ガス
４９ 堆積した膜

Claims (9)

1. 支持台上に載置されたガラス基板の表面に、このガラス基板の軟化点温度よりも高い高温ガスを垂直に吹き付けることを特徴とする加熱装置。
2. 前記ガスが窒素、水素，Ａｒ，Ｈｅ，酸素のいずれか、またはそれらの２種以上の混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の加熱装置。
3. 請求項１または２記載の加熱装置を有し、
   この加熱装置の前記ガスのいずれか、または混合ガスとともに加熱分解して膜堆積用の堆積ガスを前記ガラス基板の表面に同時に吹き付けるように構成されたことを特徴とする膜形成装置。
4. 前記堆積ガスがシリコンを含むことを特徴とする請求項３に記載の膜形成装置。
5. 前記ガス、前記堆積ガスとともにドーピングガスを同時に導入することを特徴とする請求項３または４記載の膜形成装置。
6. 前記ガス、前記堆積ガスとともに酸化ガス、窒化ガスを同時に導入することを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項に記載の膜形成装置。
7. ガラス基板の軟化点温度よりも高い高温ガスをこのガラス基板の表面に垂直に吹き付ける加熱装置を有し、前記高温ガスと共に加熱分解して膜堆積用の堆積ガスとドーピングガスの種類と濃度を堆積膜の厚み方向に対して変化させることにより、傾斜構造または異種接合の構造の膜を基板の上に作ることを特徴とする膜形成装置。
8. 前記ガラス基板の表面が粗面に形成されていることを特徴とする請求項３ないし７のいずれか１項に記載の膜形成装置。
9. 請求項３ないし８のいずれか１項に記載の膜形成装置により形成された薄膜を搭載したことを特徴とするデバイス。

Images