JP2010027873A - 光加熱装置及び多結晶シリコンの作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続的に搬送される非結晶シリコン（アモルファスシリコン）に対して、フラッシュランプからの閃光照射によって、多結晶シリコン（ポリシリコン）を作製する光加熱装置及び作製方法を提供する。
【解決手段】連続的に搬送される被処理物に対して光を照射して加熱する光加熱装置であって、閃光を放射する棒状のフラッシュランプ３１、及びフラッシュランプ３１からの光を反射して集光する樋状の反射鏡３２を備えた閃光照射部３と、連続光を放射する棒状のランプ４１、及びランプ４１からの光を反射して集光する樋状の反射鏡４２とを備えた光照射部４とを備え、棒状のフラッシュランプ３１と棒状のランプ４１は、双方のランプの長手方向が平行となるように配置されると共に、双方のランプの長手方向が前記被処理物の搬送方向に対して直交するように配置されることを特徴とする光加熱装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光加熱装置及び多結晶シリコンの作製方法に係わり、特に、ＴＦＴや太陽電池の半導体に使用される多結晶シリコン（ポリシリコン）を作製するために使用される光加熱装置、及び多結晶シリコンを製作するため作製方法に関する。

液晶装置やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）装置等の表示装置において、マトリクス状に配置された多数の画素を、画素毎に駆動するために、各画素に薄膜半導体装置であるＴＦＴを設けたアクティブマトリクス型の表示装置が知られている。このような用途に用いられるＴＦＴとしては、多結晶シリコンＴＦＴが広く用いられている。

多結晶シリコンＴＦＴの製造プロセスとして、例えば、非特許文献１に示されるように、レ−ザを利用して６００℃以下の比較的低温で製造する低温プロセスが知られている。
以下に、多結晶シリコンＴＦＴの製造プロセスの一例を簡単に説明する。図４は、従来技術に係る光加熱装置１００の構成を示す図でる。
まず、基板１０１の全面に、シリコン酸化膜等からなる下地保護膜（緩衝膜）を形成した後、全面に、半導体膜である非晶質シリコン（アモルファスシリコン）膜１０２を形成する。次に、非晶質シリコン膜１０２を形成した基板１０１を、加熱機構（ヒ−タ）１０３を設けたステ−ジ１０４上に置き、基板１０１を加熱しながら非晶質シリコン膜１０２に、エキシマレーザ光源１０５から出射したエキシマレーザ光（例えば、波長３０８ｎｍ）を、反射鏡１０６等の光学系を介して照射してレ−ザアニールを施す。これによって、非晶質シリコン１０２は、多結晶化し、多結晶シリコン膜（ポリシリコン）が形成される。

ここで、基板１０１をヒータ１０３で加熱するのは、質の良い多結晶シリコン膜を形成するために、非晶質シリコン膜１０２内に残留している水素を膜外に追い出すためである。この多結晶シリコン膜１０２を所定の形状にパターニングすることにより、能動層として機能する多結晶半導体膜を形成することができる。このような製造プロセスによれば、６００℃以下の比較的低温で能動層を形成することができるので、非晶質シリコンＴＦＴと同じ比較的安価なガラス基板とを用いて、高性能のＴＦＴを作製することができる。
なお、特許文献１には、フラッシュランプを照射して、非晶質シリコンから多結晶シリコンを作製することが記載されている。また、特許文献２には、紫外線ランプを用いて非晶質シリコン膜を加熱することが示されている。
鮫島俊之「低温Ｐｏｌｙ−Ｓｉ ＴＦＴ−ＬＣＤ用レ−ザアニ−ル技術」月刊ＬＣＤ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ １９９７．６ ７６−７９ 特開平５−２１８３６７号公報 特開２０００−３６４６４号公報

近年、帯状長尺の薄いステンレス板（以下、帯状ワークという）や大型のガラス基板上に、非晶質シリコン膜を形成し、帯状ワークやガラス基板を連続的に搬送しながら、多結晶シリコン膜を形成することが考えられている。しかし、帯状ワークやガラス基板に対して、レ−ザを使用して多結晶シリコン膜を形成しようとすると、レーザ光はスポット状であるため、レ−ザ光を帯状ワークやガラス基板の幅方向（ワークの搬送方向に直交する方向）に広げて処理しなければならない。そのため、レーザ光を１軸方向に広げるためのビームホモジナイザと呼ばれる光学システムが必要となり、装置が高価となってしまう。また定期的にガスを交換するための設備が必要であったり、また、電極やチャンバーの交換メンテナンスも定期的に必要となるために、ランニングコストが増える。即ち、レーザ装置を使用していたのでは、安価な太陽電池等を製造することはできない。

これに対処するために、特許文献１には、非晶質シリコン膜の多結晶化の方法として、レーザの代わりに、キセノンフラッシュランプを用いてアニールを行うキセノンフラッシュランプアニールが示されている。キセノンフラッシュランプは、エキシマレーザ装置に比べて、安価で小型であり、多結晶シリコン膜の作製に用いることが期待される。しかし、キセノンフラッシュランプから放射される光（閃光）のパルス幅は、レーザ光に比べて長く、照射する非晶質シリコンを瞬間的に昇温できる温度幅は小さく、キセノンフラッシュランプのみでは、非晶質シリコンを多結晶化することは困難である。また、上記のようなワークを連続的に搬送しながら多結晶シリコン膜を形成する装置において、キセノンフラッシュランプを用いることは知られていない。

本発明の目的は、連続的に搬送される非結晶シリコン（アモルファスシリコン）に対して、フラッシュランプからの閃光照射によって、多結晶シリコン（ポリシリコン）を作製する光加熱装置及び作製方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、連続的に搬送される被処理物に対して光を照射して加熱する光加熱装置であって、閃光を放射する棒状のフラッシュランプ、及び該フラッシュランプからの光を反射して集光する樋状の反射鏡を備えた閃光照射部と、連続光を放射する棒状のランプ、及び該ランプからの光を反射して集光する樋状の反射鏡とを備えた光照射部とを備え、前記棒状のフラッシュランプと前記棒状のランプは、双方のランプの長手方向が平行となるように配置されると共に、双方のランプの長手方向が前記被処理物の搬送方向に対して直交するように配置されることを特徴とする光加熱装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記連続光を放射する棒状のランプは、水銀ランプ又はメタルハライドランプであることを特徴とする光加熱装置である。
第３の手段は、非結晶シリコン（アモルファスシリコン）に光を照射して加熱し、多結晶シリコン（ポリシリコン）を作製する多結晶シリコンの作製方法において、前記光を照射して加熱する手段として、第１の手段又は第２の手段に記載の光加熱装置を用いたことを特徴とする多結晶シリコンの作製方法である。

本発明によれば、搬送されるワーク（非晶質シリコン）に対し、光照射部からの連続光をワークの幅方向（ワークの搬送される方向に対して直交する方向）に集光して照射することにより、ワークを予備的に連続して加熱する状態において、閃光照射部からのフラッシュ光を、同様に、ワークの幅方向（ワークの搬送される方向に対して直交する方向）に集光して照射することにより、効率良く多結晶シリコンを作製することができる。
また、従来のレーザ光を使用する場合に想定されるような、照射光を１軸方向に広げるための高価な光学システムが不要となり、装置を安価に構成することができる。

本発明の第１の実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る光加熱装置の構成を示す断面図である。
同図に示すように、この光加熱装置は、例えば、約３００ｎｍの厚さを有する非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が上面に形成された、例えば、薄いステンレス板からなる帯状ワーク１を、搬送ロ−ラ３によって同図右から左方向に連続的に搬送されるように構成されている。

同図に示すように、帯状ワーク１の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が形成されている側の上方には、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を閃光照射するための閃光照射部３が設けられる。閃光照射部３には、帯状ワーク１の幅（搬送方向に直交する方向の長さ）に合わせた発光長を有する棒状のキセノンフラッシュランプ３１が配置され、キセノンフラッシュランプ３１の背後（キセノンフラッシュランプ３１に対して帯状ワーク１とは反対側）には断面が楕円からなる樋状の反射鏡３２が配置される。反射鏡３２は、キセノンフラッシュランプ３１から放射された光を反射し、帯状ワーク１の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２上であって、帯状ワーク１の幅方向（帯状ワークの搬送される方向に対して直交方向）に、線状に集光するように配置される。また、前述のごとく、キセノンフラッシュランプ３１から放射される光（閃光）のパルス幅は、レーザ光に比べて長く、照射する非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を瞬間的に昇温できる温度幅は小さい。そのため、連続光を放射するランプにより、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を予備的に加熱する予備的加熱手段を設ける必要がある。

同図において、帯状ワーク１の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が形成されている側の上方には、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２に対して連続光を照射する予備的加熱手段としての光照射部４が設けられる。光照射部４には、帯状ワーク１の幅（搬送方向に直交する方向の長さ）に合わせた発光長を有する波長５００ｎｍ以下の連続光を放射する棒状の水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１が配置され、水銀ランプ４１の背後（水銀ランプ４１に対して帯状ワーク１とは反対側）には断面が楕円からなる樋状の反射鏡４２が配置される。反射鏡４２は、水銀ランプ４１から放射された光を反射し、帯状ワーク１の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２上であって、帯状ワーク１の幅方向（帯状ワークの搬送される方向に対して直交方向）に、線状に集光するように配置される。なお、反射鏡４２は、５００ｎｍ以下の光は反射するが、５００ｎｍ以上の光は透過する蒸着膜を形成するようにしてもよい。５００ｎｍ以上の光は、後述するように非晶質シリコンにほとんど吸収されないためである。ここで、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を含む帯状ワーク１を予備的に加熱するために光照射部４からの光を利用する理由は、帯状ワーク１を連続的な搬送を停止することなく非接触で帯状ワーク１を加熱するためである。

上記のごとく、棒状のキセノンフラッシュランプ３１と棒状の水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１はその長手方向が平行となるように配置される。図１に示すように、閃光照射部３からの光が集光する位置と光照射部４からの光が集光する位置をほぼ一致させ、その位置において、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２に対する閃光照射部３による加熱と光照射部４による加熱とが重畳して生じるようにする。なお、閃光照射部３からの光が集光する位置と光照射部４からの光が集光する位置とは意図的にずらす必要はない。

図２は、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）に照射される光の波長に対する吸光係数を示すグラフであり、縦軸が吸光係数（ｃｍ^−１）、横軸が波長（ｎｍ）である。吸光係数が大きくなるほど照射される光が非晶質シリコンに吸収されやすくなり、その結果として、非晶質シリコンの温度は高くなる。
同図に示すように、非晶質シリコンが効率よく光を吸収する波長、即ち、非晶質シリコンを効率よく加熱することのできる光の波長は５００ｎｍよりも短い波長である。棒状の水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１から放射される光には、波長５００ｎｍ以下の成分が多く含まれており、したがって、非晶質シリコンによく吸収され、非晶質シリコンを効率よく加熱することができる。
即ち、図１に示した光加熱装置において、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を加熱するために、水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１を用いるのは、これらのランプが非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が効率よく吸収する波長の光、即ち、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が効率よく加熱される５００ｎｍよりも短い波長の光を効率よく放射するからである。

このように、キセノンフラッシュランプ３１から放射される光（閃光）だけでは、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）を多結晶化させる温度に上昇させることは難しいが、水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１からの連続光を照射することにより、非晶質シリコンの温度は上昇し、この上昇した温度分が加わることにより、キセノンフラッシュランプ３１からの光（閃光）を照射すると、非晶質シリコンは多結晶化する温度に達し、多結晶シリコン（ポリシリコン）が形成される。

本実施形態の光加熱装置によれば、帯状ワーク１上の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２は、閃光照射部３と光照射部４の２種類の棒状ランプ３１，４２の長手方向に対して直交する方向に連続的に回転ローラ５によって搬送されながら、光照射部４からの連続光と閃光照射部３からの閃光とによって加熱され、多結晶シリコンが作製される。

次に、本発明の第２の実施形態を図３を用いて説明する。
図３は、本実施形態の発明に係る光加熱装置の構成を示す断面図である。
同図に示すように、この光加熱装置は、例えば、約３００ｎｍの厚さを有する非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が上面に形成された厚さが約１ｍｍのガラス基板１Ａが、搬送ロ−ラ３によって同図右から左方向に搬送されるように構成されている。

同図に示すように、ガラス基板１Ａ上の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が形成されている側の上方には、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を閃光照射するための閃光照射部３が設けられる。閃光照射部３には、ガラス基板１Ａの幅（搬送方向に直交する方向の長さ）に合わせた発光長を有する棒状のキセノンフラッシュランプ３１が配置され、キセノンフラッシュランプ３１の背後には断面が楕円からなる樋状の反射鏡３２が配置される。反射鏡３２は、キセノンフラッシュランプ３１から放射された光を反射し、帯状ワーク１の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２上であって、ガラス基板１Ａの幅方向に、線状に集光するように配置される。キセノンフラッシュランプ３１から放射される光（閃光）のパルス幅は、レーザ光に比べて長く、照射する非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を瞬間的に昇温できる温度幅は小さいので、連続光を放射するランプにより、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を予備的に加熱する予備的加熱手段を設ける必要がある。

同図において、ガラス基板１Ａの下方には、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２にガラス基板１Ａを透過して連続光を放射する予備的加熱手段としての光照射部４が設けられる。光照射部４には、ガラス基板１Ａの幅に合わせた発光長を有する波長５００ｎｍ以下の連続光を放射する棒状の水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１が配置され、水銀ランプ４１の背後には断面が楕円からなる樋状の反射鏡４２が配置される。反射鏡４２は、水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１から放射された光を反射し、ガラス基板１Ａを透過して非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２に対して、ガラス基板１Ａの幅方向に、線状に集光するように配置される。なお、反射鏡４２は、５００ｎｍ以下の光は反射するが、５００ｎｍ以上の光は透過する蒸着膜を形成するようにしてもよい。

上記のごとく、棒状のキセノンフラッシュランプ３１と棒状の水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１はその長手方向が平行となるように配置される。図３に示すように、閃光照射部３からの光が集光する位置と光照射部４からの光が集光する位置をほぼ一致させ、その位置において、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２に対する閃光照射部３による加熱と光照射部４による加熱とが重畳して生じるようにする。なお、閃光照射部３からの光が集光する位置と光照射部４からの光が集光する位置とは意図的にずらす必要はない。

本実施形態の光加熱装置においても、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２を加熱するために、水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）４１を用いるのは、これらのランプが、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が効率よく吸収する波長の光、即ち、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が効率よく加熱される光の波長が５００ｎｍよりも短い波長の光を効率よく放射するからである。

なお、閃光照射部３と予備加熱用の光照射部４を配置する場所は、第１の実施形態と同様に、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が形成されている側でも良い。しかし、紫外線が透過するガラス基板１Ａの場合は、図３に示すように、予備加熱用の光照射部４を、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２が形成されている側とは反対側に配置してもよい。

本実施形態の光加熱装置においては、２種類の閃光照射部３と光照射部４とをガラス基板１Ａの両側にそれぞれ配置すればよく、両照射部３，４の反射鏡３２，４２同士の干渉を気にする必要がなくなり、樋状の反射鏡３２，４２を大きくすることができる。反射鏡３２，４２を大きくすると、両照射部３，４からの光を細く集光することができ、ピーク照度を高くすることができる。その結果として、非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２の温度上昇を容易に行うことができる。

本実施形態の光加熱装置によれば、ガラス基板１Ａ上の非晶質シリコン（アモルファスシリコン）２は、閃光照射部３と光照射部４の２種類の棒状ランプ３１，４２の長手方向に対して直交する方向に連続的に搬送ローラ６によって搬送されながら、光照射部４からの連続光と閃光照射部３からの閃光とによって加熱され、多結晶シリコンが作製される。

第１の実施形態の発明に係る光加熱装置の構成を示す断面図である。 非晶質シリコン（アモルファスシリコン）に照射される光の波長に対する吸光係数を示すグラフである。 第２の実施形態の発明に係る光加熱装置の構成を示す断面図である。 従来技術に係る光加熱装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 帯状ワーク
１Ａ ガラス基板
２ 非晶質シリコン（アモルファスシリコン）
３ 閃光照射部
３１ キセノンフラッシュランプ
３２ 反射鏡
４ 光照射部
４１ 水銀ランプ（又はメタルハライドランプ）
４２ 反射鏡
５ 回転ローラ
６ 搬送ローラ

Claims (3)

1. 連続的に搬送される被処理物に対して光を照射して加熱する光加熱装置であって、
   閃光を放射する棒状のフラッシュランプ、及び該フラッシュランプからの光を反射して集光する樋状の反射鏡を備えた閃光照射部と、
   連続光を放射する棒状のランプ、及び該ランプからの光を反射して集光する樋状の反射鏡とを備えた光照射部とを備え、
   前記棒状のフラッシュランプと前記棒状のランプは、双方のランプの長手方向が平行となるように配置されると共に、双方のランプの長手方向が前記被処理物の搬送方向に対して直交するように配置されることを特徴とする光加熱装置。
2. 前記連続光を放射する棒状のランプは、水銀ランプ又はメタルハライドランプであることを特徴とする請求項１に記載の光加熱装置。
3. 非結晶シリコンに光を照射して加熱し、多結晶シリコンを作製する多結晶シリコンの作製方法において、
   前記光を照射して加熱する手段として、請求項１又は請求項２に記載の光加熱装置を用いたことを特徴とする多結晶シリコンの作製方法。